TP2铜管坯水平连铸工艺及缺陷研究

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冶金冶炼
TP2铜管坯水平连铸工艺及缺陷研究
赖德勇
摘要：TP2铜管坯水平连铸产品生产质量受到多重因素所影响。

如果TP2铜管坯水平铸造工艺在实际铸造中没有得到有效控制，容易引起多种缺陷。

这些缺陷不仅会影响产品的效率和质量，而且还会增加铸造成本和劳动人员的工作强度。

为了提高生产效率，必须科学分析TP2铜管坯水平连铸工艺中的缺陷，并采取科学的预防措施，提高工艺水平并铸造出高质量的成品。

关键词：TP2铜管坯；水平连铸工艺；缺陷检测
作为TP2铜管坯铸造生产中的关键环节，水平连铸工艺被广泛应用于铜管坯的生产中。

科学地运用水平连铸工艺对于提高生产效率和产品质量至关重要。

在实际应用中，工艺的合理运用能够帮助生产厂家降低成本并提高产品质量，避免在TP2铜管坯铸造过程中产生各种缺陷问题。

水平连铸工艺的优点在于能够在坯料冷却期间连续生产，大大提高了生产效率。

此外，水平连铸工艺还能够避免坯料虚化、龟裂等常见铜管坯铸造缺陷，从而保证了产品质量。

因此，科学地运用水平连铸工艺可以有效提高TP2铜管坯铸造的工艺水平，提高产品的质量和市场竞争力。

在实际应用中，生产厂家需要重视工艺的合理运用，因为错误应用水平连铸工艺易导致坯料表面不平整，壳厚偏大或偏小等缺陷问题。

这些缺陷会导致产品质量差、生产效率低下等后果，增加了生产成本和劳动强度。

因此，在TP2铜管坯铸造过程中，必须严格控制工艺参数，加强对水平连铸工艺的质量控制，以确保产品质量和产量。

总之，科学地运用水平连铸工艺是提高TP2铜管坯铸造生产效率和质量的关键步骤。

然而，在应用中需要谨慎选择工艺参数，合理调整生产流程，以避免铸造缺陷和其他不良影响，提高TP2铜管坯产品的整体质量和市场竞争力。

1 水平连铸工艺
1.1 水平连铸的设备
水平连铸作为一种常见的工艺手段，凭借铸坯牵引和地平面的方向一致，因此表现出水平连铸的效果。

这种连铸工艺具备较大的优势，在我国冶炼行业中得到广泛重视，并实现快速推广和应用。

起初冶金工作中只将水平连铸运用造有色金属的铸造工作中，但在现代技术的支持下，水平连铸工艺已经广泛运用到各类铜材和铸铁的生产环节中，起到良好的应用效果。

水平连铸的设备主要包括熔化炉设备、熔炼铸造设备、保温炉设备、加料装置、石墨模具、流槽等。

熔化炉金属熔炼时，氧化损失少，合金质量比较高，因此，铜金属与合金生产中可以利用感应电炉进行生产。

为了有效提升生产效率，系统内还会配置保温炉，在运行中利用熔炼炉对原料进行熔化，随后调整化学成分，当调整合格后转入保温炉内。

保温炉的功率相对于熔炼炉更低，主要对熔体材料进行精准控温，保证熔体温度始终处于铸造温度范围，保证连续铸造工作有序进行。

流槽作为保温炉和熔炼炉的中间环节，可以将熔融后的铜液体流入到保温炉内，流槽采用碳化硅材料制成，当铜液流过时需要具备气体保护，形成良好的避免，避免液体氧化或泄漏。

1.2 TP2铜管坯水平连铸的工艺过程
TP2铜管坯连铸方法在实际使用时，一般都是将电解铜片加入熔化炉，等铜原料完全熔化之后，将熔化后的铜液由熔化炉经过流槽转入到保温炉中，在此环节中注意倾倒速度的有效控制。

当铜液进入保温炉内时对其采取静压力作用，保证铜液可以有效流入结晶器，通过热量的作用下，保证结晶器内铜液受冷作用下逐步凝固结晶，当凝固后的坯壳硬度达到一定要求后，使用牵引机进行牵引，拉出结晶器，并在管坯上加以二次冷却，当管坯长度达到一定切割条件时，完成了切割工序。

通过连续牵引工作可以保证铜液在静压力的影响下，持续流入结晶器内，生产更多的凝固坯壳，达到水平连铸的效果。

2 现存的工艺缺陷影响因素
2.1 原材料
熔炉内添加的原材料中电解铜板要满足GB/T467-1997相关要求，表面无污染和灰尘等杂质；铜屑块与工艺料头是后续施工中陆续添加的剩余铜制材料。

将铜屑经过压块机压制成型，添加到锻造工作中，铜屑块和工艺料头的比例占原材料总量的40%。

磷铜合金原料一般含磷量在8%～14%左右，熔点最高可达到1000℃，磷铜合金一般性状成蓝色块状，具有易破碎的特点，其中磷元素含量越高，脆性越高。

选用的磷铜合金要保证表面整洁无杂质。

2.2 熔化炉的温度和覆盖
（1）熔化炉温度。

在特定温度范围内，温度越高则铜的粘度越小，流动性也比较高，具备优越的充型能力。

如果温度越低，那么铜的充型能力也相对较差。

但是如果温度超出规定的范围，容易造成严重氧化现象，铜液吸收大量的气体，导致逐渐较为粗糙，产生气孔和缩孔等问题。

如果温度低于特定范围，那么容易导致杂物附于铜液表面，影响铜液净化效果。

温度持续降低也会增大铜液粘度，导致铜液流动性较差。

所以，TP2铜管坯水平连铸工艺中，需要将熔化炉温度控制在1180℃～1200℃范围内。

（2）熔化炉覆盖。

金属熔炼以及合金过程需要在熔池上附着保护层，又称之为覆盖剂。

这种覆盖剂的主要目的是降低铜液蒸发量，避免氧化造成铜液损失，同时也能避免气体进入熔化炉内，使铜液吸收气体。

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熔化炉的覆盖剂一般选用灰色木炭，保证其中磷硫物质含量较少，具有良好的致密性。

通常选择块度为400mm的木炭，将其覆盖在熔化炉内的铜液上。

要求覆盖厚度在100mm～150mm 左右，这样木炭在燃烧过程中可以释放充足的热量，起到保温作用。

此外，木炭还可以避免铜液吸气，使密闭容器内生成保护层，防止铜液与大气中的气体混合。

覆盖剂还具有脱氧效果，通过将铜液在木炭层内保护，可以降低氧化亚铜含量，实现脱氧效果。

覆盖剂的设置还能够降低合金元素的氧化和蒸发，从而避免熔炼损失。

2.3 流槽的密封和氮气保护
当熔化炉内的铜液通过流槽流入到保温炉内时，需要做好流槽的密封，并利用氮气做好相关保护。

流槽与熔化炉连接位置要求具备良好的灵活性，并且对缝隙位置进行耐火密封。

当开启流槽保护氮阀门后，倾倒炉结束浇口与流槽内无流动时将气阀密闭，随后清理流槽中残留的铜液，避免堵塞流槽，影响流量。

做好流槽内铜液流速的控制，保证铜液均匀流入保温炉内，避免铜液氧化，保证浇口和流槽具有良好的密闭性。

2.4 保温炉的温度和覆盖
2.4.1 保温炉温度
TP2铜管坯水平连铸的主要原则是实现低温铸造、高温出炉。

为了达到这个目的，必须保证熔化炉内温度略高，以便净化铜液中的杂质，而保温炉内的温度相对略低，有助于铜液更好地凝固。

降低TP2铜管坯铸造温度会导致流动性下降，同时产生的炉渣不容易浮现于表面，而是容易黏结在结晶器中。

这会导致摩擦力增加，从而造成铸坯拉裂现象。

铜液表面不稳定还会造成表面夹渣。

低温铸造时，结晶器金属液温度较低，靠近结晶壁的页面会形成凝壳。

如果凝壳不能有效地与前一层溶液融合，就容易出现冷隔问题。

TP2铜管坯凝固温度受到严格限制，如果铸造温度较高，会使铸坯断面温度升高，过冷区降低，这时加快铸造速度会容易产生裂纹。

因此，保温炉内的温度应该控制在1150℃～1175℃左右。

2.4.2 保温炉覆盖
保温炉内的铜液通过鳞片石墨进行覆盖，保证覆盖厚度达到50mm左右。

2.5 冷却条件
TP2铜管坯水平连铸通过一次和二次冷却模式完成凝固成型。

一次冷却主要涉及将冷却水直接喷射到铜套表面，以降低铜液温度、促进铜液凝固结晶，但不直接接触管坯。

二次冷却则是将冷却水直接喷洒在管坯上，使温度降至室温。

TP2铜管坯水平连铸的冷却条件一般需要控制冷却水的温度、流量和压力。

2.5.1 冷却水温度
温度是TP2铜管坯水平连铸工艺中的关键参数，可以通过冷却水温度结合进水管内的温度测量装置进行确认。

进水温度需要根据压力和流量大小适当地调整，但一般不得大于40℃。

为了达到稳定的冷却效果，还需要有效地控制冷却水进出口的温差，使其保持在5℃左右的适当范围内。

2.5.2 冷却水压力
通过小水压控制有助于提高TP2铜管坯铸造的整体质量，但如果压力过小会导致液穴加深，在连铸过程中容易产生拉漏现象，冷却不足还容易出现纵向裂缝，使铸坯结晶发生变形，从而导致裂缝加剧。

一次冷却的水压太高容易导致结晶区向保温炉移动，造成拉裂问题，因此一般需要保持水压恒定，降低水压波动。

2.5.3 冷却水流量
当铸造速度和铜液温度达到特定条件时，冷却强度对铸坯具有直接影响。

如果冷却速度较慢，则有助于柱状晶的生长；如果冷却速度较快，则有助于细柱状晶的生长。

冷却强度一般根据铸坯拉出的颜色判断，保证铸坯呈暗红色、不发生开裂现象为宜。

在冷却水温度和压力确定后，水流量增大会导致冷却强度增大，因此在铸造过程中需要通过控制水流量来满足冷却要求。

2.6 石墨结晶器
TP2铜管坯水平连铸结晶器主要由高纯度石墨外套和铜套构成。

在结晶器强制冷却的情况下，铜液进入结晶器表面会迅速凝固结晶，在拉坯过程中温度也会持续下降，坯壳厚度增加，导致坯壳的直径方向不断向拉坯方向收缩。

该收缩可以利用TP2铜管坯水平连铸工艺进行反推补偿，可以结合设计缩小石墨芯的直径来进行补偿。

通常情况下，提高石墨结晶器长度有助于保证TP2铜管坯得到良好的冷却，有效提高拉坯速度，保证设备具备良好的生产能力。

但是如果结晶器长度过大，TP2铜管坯和石墨间摩擦越严重，导致牵引阻力增加，影响管坯的牵引效果。

由于石墨导热性不如金属，因此石墨外套厚度不宜过大，避免影响导热性能。

通过增加石墨外套厚度不能有效提升使用寿命，反之则会加速磨损。

2.7 拉坯制度和牵引速度
拉坯制度主要包括拉坯曲线和拉坯模式参数。

拉坯曲线指整个过程中的速度曲线图，目前常见的有双折梯形曲线和正弦曲线。

后者的波形更易于呈现，但铸造加速度最大，在铸坯凝固前容易出现拉裂现象。

拉坯模式采用非连续性和周期性模式，拉坯速度能够适当提高，有助于提高铸造生产效率。

一般可选择单反推拉式、振荡式和双反推拉式作为拉坯模式。

在TP2铜管坯水平连铸工艺中，由于结晶器不能振动，因此采用周期性拉坯方式。

如果采用连续拉坯，必须要求速度降低，以避免出现坯壳断裂。

而间歇式拉坯可以适当提高拉坯速度。

牵引速度应与铜液流入结晶器内的速度相匹配，不宜过快。

在高温情况下，初凝管坯抗拉强度较差，当拉应力大于抗拉强度时将产生裂纹。

此外，牵引速度过快会出现充不满和缩孔等缺陷， 严重时会引发拉漏事故。

如果牵引速度过慢，会影响铸造效率，无法发挥系统生产能力。

因此，可以采用低瞬时速度、高频率的拉坯模式。

3 探求改进措施
3.1 TP2铜管坯水平连铸缺陷分类
TP2铜管坯的水平连铸工艺在应用过程中可能会引发各种铸造缺陷，主要包括表面缺陷、形状缺陷和内部缺陷。

表面缺陷
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主要指外表和内表面出现的缺陷，常见的问题包括粗糙、裂纹和凹槽等。

内表面缺陷主要包括粗拉道和间歇性小坑等。

内部缺陷主要有气孔、夹渣、裂纹和缩孔等。

3.2 TP2铜管坯水平连铸缺陷检测
TP2铜管坯水平连铸缺陷测试技术主要通过离子色谱仪进行测试。

实际应用中，采用细聚焦电子束对铸坯进行逐一扫描的测试，并与试样交互形成物理信息。

随后，探测器接收、放大并转换成调制信息，然后在荧光屏上呈现反应试样各种特性的图像。

3.3 缩孔和疏松
3.3.1 缩孔
TP2铜管坯内出现缩孔主要原因是铜液无法实现有效补缩造成的。

电极铜板材料内溶解气体种类繁多，在凝固过程中对铜液补缩产生一定限制，最终在铜液凝固时容易产生缩孔，甚至如果水平连铸作业的牵引机运行速度较高，容易出现反推量较小的现象，对结晶模具的进液孔设计过小，导致保温炉内的结晶器出现流量不足的现象，从而影响铜液补缩效果，最终在TP2铜管坯牵引拉出后产生缩孔现象。

为了有效避免这一现象的产生，可以在铜液补缩方法和除气方法来实现。

首先，做好熔化炉与保温炉的铜液覆盖工作，保证流槽具有良好的密封性，通过将磷铜合金适量加入熔炼中，可以有效避免缩孔现象的出现。

其次，通过降低牵引机拉出TP2铜管坯的速度也能够增大反推量，通过增大结晶器进液孔尺寸，避免产生缩孔现象。

3.3.2 疏松
TP2铜管坯的疏松现象一般分布于晶粒中间，当铜液处于冷却凝固环节，部分难以熔成分会散落于铜液中，形成树枝状的晶体架构，内部铜液沿着树枝直接流过，与树枝状晶体构架相连，从而形成封闭空隙，结晶的残余熔融液体很容易互相分散，在内部残余晶体全部凝聚并收缩之后，因为不能得到外部铜液补给，因此很容易在凝结区内部产生微小的收缩裂缝，从而形成松散状态。

为了有效防止TP2铜管坯疏松，可以通过对TP2铜管坯铸造环节加温控制，降低铸造速度，从而提高铜液净化水平。

3.4 裂纹
TP2铜管坯水平连铸工艺主要是对铜液动态凝固的过程，处于这一反应过程中，铜液铸坯会承受不同的应力影响，这些应力导致铸坯发生相变应变、拉伸应变以及热应变。

在铸坯承受不同应力发生应变的情况下，便容易出现TP2铜管坯裂纹现象。

解决裂纹问题是提高TP2铜管坯水平连铸制造水平和铸坯质量的基本保障。

通过针对裂纹的产生形态与位置分析，常见的裂纹可以分成内部裂纹和表面裂纹两种。

表面裂纹又分为横向和纵向裂纹。

在TP2铜管坯铸造过程中，轻微裂纹的产生可以通过铣削处理工艺去除，但严重的裂纹会导致废品率升高。

在实际铸造工艺中，严重裂纹还会引发拉漏事故。

TP2铜管坯水平连铸施工中，TP2铜管坯外表面和结晶器内部以及石墨芯都呈现出相对运动状态。

TP2铜管坯受到拉铸作业的牵引力和摩擦力影响，在水平连铸位置容易出现凝固现象，如果牵引力和摩擦力的合力超出了TP2铜管坯凝固强度，就容易引发表面裂纹，大部分裂纹都为横向裂纹。

TP2铜管坯横向裂纹主要分布在表面，与TP2铜管坯水平连铸中的重力作用，表面冷却不均匀，下部冷却强度高于上部，凝固层的下半部分也要更厚，不容易出现拉裂现象，最终横向裂纹普遍分布在上半部分。

TP2铜管坯表面产生纵向裂纹主要是由于铸造管坯拉出结晶器以后，局部的温度分布不均匀。

温度比较高的位置强度较低，在TP2铜管坯凝固壳出现收缩现象时，产生的应力容易出现裂纹。

原本该裂纹在铸抷拉出后会瞬间产生，但是由于结晶器与铸坯相对运动，最终也容易导致裂纹在铸抷方向上延伸，从而产生纵向裂纹。

为了有效避免TP2铜管坯表面出现裂纹，一般可以通过提高结晶器和管坯之间的润滑水平，将石墨结晶器内覆盖润滑土层，有效清理铜套内部的污垢。

还可以通过调节冷却水流量，保证TP2铜管坯表面冷却均匀，有效降低拉皮速度与铸造速度，避免横向裂纹和纵向裂纹的产生。

3.5 气孔
在TP2铜管坯水平连铸工艺应用中，铸坯上产生的气孔主要为圆孔较多，气孔表面比较光滑，在铸造过程中，气孔容易被压缩而无法有效填充。

氧气和氢气可以很好地溶解在铜液中，这两种气体都会影响TP2铜管坯整体性能，进而导致TP2铜管坯产生“氢脆性”问题。

氢气在铜液中的溶解度会随着温度正向减小。

倘若结晶器内铜液由液态变为固态时，温度骤降，氢气的溶解度也随之下降，产出的氢气会通过扩散的方式浮现在铜液表面，产生气泡状态。

受到页面氧化膜的影响，凝固速度较快，氢气从铜液内部扩散量也较为有限，多以气泡形式悬浮在TP2铜管坯表面，在凝固速度较大的情况下，产生的气泡来不及溢出，就会产生气孔。

为了有效避免TP2铜管坯内的气孔现象，需要有效控制氢气在铜液中的含量，可以通过引锭座烘干和预热，减缓拉坯速度，降低气孔产生概率。

3.6 夹渣
TP2铜管坯内的氢化物、氧化物、硅化物、硫化物以及各类涂料和润滑剂的残留都被称为夹渣。

在铜液中析出夹杂物，通过相互聚集和结合形成较大的夹杂物，最终在结晶状态下析出。

由于铜液中夹杂的各类物质在其中的运动速度各不相同，容易产生碰撞，而且碰撞过于黏合，夹杂物黏合后的运动速度逐渐加快，与其他物质碰撞后，会导致小的夹杂物附着在上面，逐渐组成复杂的结晶。

尺寸较大的夹杂物上浮到固体铸铜表面，产生宏观夹渣。

夹渣对TP2铜管坯的物理性能产生较大的影响，TP2铜管坯水平连铸必须降低夹渣。

结合夹渣产生原因不同，采取彻底捞渣、熔化炉渣等快速清理方式去除铜液中的夹杂物。

还可以通过覆盖剂木炭对夹渣进行清理，降低出铜速度，避免夹渣现象的产生。

4 结语
综上所述，采用水平铸轧工艺制造的TP2铜管能够显著提升制造质量，增加铸造产量，而水平连铸也对产品的水平铸轧铜管品质产生了很大作用。

但由于生产技术要求以及在实际操作中诸多原因的影响，造成了铸轧管坯品质不平衡，并出现许多问题，通过采用合理的缺陷检查手段，加强铸造工艺中的严格管控，有效加强缺陷问题的控制，提高铸造质量。

（作者单位：江西铜业加工事业部）
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