上引杆问题简析

上引法铸造原理：
保温炉中的铜液通过结晶器液流孔注入结晶器，当上引杆伸向结晶器内时，由于引杆温度低，铜液在端部结晶凝固形成铜杆。

当引杆被向上牵引时，铜液不断地从液流孔注入结晶器、由于冷却水的作用，结晶不断实现，形成了连续的铜杆。

由此可见，上引法连铸过程中，金属是自上而下凝固的，所以形成的液穴位置与形状恰恰与一般的上口浇铸相反。

这是上引法连铸的特点。

上引法生产无氧铜杆的主要质量缺
1、内部气孔、裂纹、结晶疏松
在铜杆内部形成气孔、微裂纹和结晶疏松是上引法生产无氧铜杆过程中最常见的也是最主要的质量缺陷，气孔和疏松的产生是在结晶的过程中，氢从过饱和的溶液中析出并聚集而形成的。

由于上引铸造的特点是铜液自上而下的结晶，结晶前沿析出的气体无法逸出，含气量少时，析出的氢存在于晶界处形成疏松；含气量多时则聚集成气孔。

在结晶前沿析出的氢气又可还原Cu2O而生成水气泡，故此气孔和疏松是由氢气和水蒸气两者形成的。

它们都给正常生产及后道加工工序带来的危害也最大，是影响正常生产高质量无氧铜杆的关键因素。

根据生产实践分析，其原因主要来自于使用的电解铜原料和用作覆盖剂的木炭质量的影响。

1）原料的影响
由于上引法生产无氧铜杆，只是将电解铜熔化后冷却结晶形成铜杆，无精炼去杂质过程。

所以，原料中杂质的混入对铜杆质量的影响
很大。

电解铜清洗不净或在不良环境中存放时同过长．表面附着碱式碳酸铜及硫酸铜，将这样的电解铜加入熔炼炉中时，将发生化学反应生成氧化锕、二氧化硫、水、二氧化碳等物质：
二氧化硫还会与铜液表面覆盖的木炭及一氧化碳气体等作用生成硫，硫与铜作用生成硫化铜。

此外，氧化铜还可与碳、一氧化碳作用生成氧化亚铜在这些复杂的化学反应的生成物中，水蒸汽、二氧化硫、硫化铜、氧化亚铜等都可使铜杆内产生气孔、结晶疏松或产生微裂纹。

其次是使用表面有铜豆的电解铜，其中含有较多的锑、铋、铅、碲等杂质。

这些杂质可与铜生成脆性化合物或共晶体而分布在铜的晶界上，严重影响铜杆的质量，甚至使铜杆开裂。

铜中含铋3.8～15ppm 就可形成结晶界分布的共晶薄膜。

而GB466-82规定的1号电解铜中含铋量不大于10ppm，因此，即使使用1号电解铜也完全有可能因含铋而造成铜杆开裂。

2）表面覆盖剂木炭的影响
当使用未经煅烧或煅烧质量不好的木炭作为铜液覆盖剂时。

或使用台格煅烧木炭而覆盖厚度不够时，铜液便从潮湿的木炭或空气中吸收氧、氢、水蒸汽。

熔融的铜液直接从空气中吸取氧气，氧气与铜液反应生成氧化亚铜而使铜杆结晶疏松或发生脆断。

由于氢在铜中的溶解度很高，而且随着铜液温度的升高，氢在铜中的溶解度急剧上升，随着铜液温度的降低，氢又从铜液中大量析出。

当铜液从空气中吸氢较多时，在铜液冷却结晶过程中，便有大量氢气析出，使铜杆产生气孔。

同时析出的氢气又可还原氧化亚铜而生成水蒸汽，在铜杆中形成气孔。

特别是上引法生产无氧铜杆，金属结晶是自上而下发生的。

因此析出的气体无法逸出而极易在铜杆中形成气孔和微裂纹
如果使用煅烧质量不好的木炭或未经煅烧的木炭作铜液覆盖剂，铜液便从潮湿的木炭中吸入水蒸汽。

在铜液冷却结晶过程中，水蒸汽析出而在铜杆中形成气孔或导致裂纹。

同时，氢和氧的来源与水蒸汽也有密切关系。

在高温下铜液受水蒸汽影响可发生如下化学反应：
从以上分析可以看出，在无氧铜杆坯中形成气孔、裂纹及结晶疏松的原因主要是水蒸汽、氢气、氧气及各种有害化合物等因素所致。

2、表面裂纹、冷隔及断裂
铜杆表面发生裂纹、冷隔及断裂的原因主要有：铸造温度、牵引速度、冷却强度、结晶器插入铜液中的深度不适当。

1）铜液温度的影响
铜液温度过高或过低，都对铜杆的表面质量有影响。

当铜液温度
过高时，除铜液极易吸气外，铜杆坯结晶粗大，易产生气孔和裂纹。

当铜液温度过低时，铜杆坯容易产生结晶疏松和表面冷隔等缺陷。

并且当金属或合金熔液气体溶解度达到饱和之前，在熔液温度越高的情况下，如果熔炼时间或保温时间越长，熔体中含气量就越多，金属熔液在结晶室冷却凝固时越容易产生气孔、疏松等缺陷。

2）上引速度与冷却强度的影响
在拉铸铜杆坯过程中，铸造速度与冷却强度应相匹配，否则容易出现质量缺陷。

铸造速度(即牵引速度)过高，冷却强度小，铜杆容易形成晶粒粗大、组织疏松、产生裂纹。

反之铸造速度过低、冷却强度大，则铜杆易产生冷隔或拉断现象。

上引速度主要影响铸杆的结晶组织，金属凝固由铸杆表面向中心逐渐扩展。

上引速度过快时，使边缘与中心温度梯度变大，液穴加深，易造成气孔、裂纹等缺陷，同时使得铸杆晶粒粗大、组织疏松、压力加工性能降低。

上引速度过慢时，生产效率降低。

冷却速度主要与冷却水的流速有关，水流越大，冷却速度越快。

当冷却管管径、水压等参数固定时，冷却水的流速也被固定，此时冷却速度只受冷却水的初始温度影响，但往往会因为水垢等沉积物的原因导致水流变小，此外水垢沉积层具有隔热作用，因此水垢沉积层会降低冷却速度。

为避免水垢沉积物对冷却速度造成影响，应定期清理冷却水流通管道和结晶器内的水垢，条件允许时可使用软化水或纯净水进行冷却。

冷却水的进口端与出口端的温度及温差也是影响冷却速度的主要原因。

进口端的水温高，会降低冷却速度，而进口端与出口
端的温差小，说明冷却水在结晶器冷却室中的热量交换少，从而也降低了冷却速度。

结晶器底端冷却结晶区的铜套与石墨定型管的接触状态对冷却速度也有影响。

若两者接触紧密，可保证热量快速散发，使得上升至该区域的金属熔液能够及时凝固，保证上引杆质量。

上引节距(上引连铸中铸芯单次上行的距离) 对上引连铸也有影响。

节距过大，原先存在于结晶区中h 高度内的固- 液面上升的高度变大，一旦固-液面以下的金属熔液没有得到有效地冷却凝固，在随后的固态铸芯上行中会使固-液交界面分离，造成断丝。

节距太小则会影响生产效率，因此应综合考虑，选择合适的节距。

3）结晶器插入铜液深度的影响
结晶器一次冷却区(石墨模区)是铜液冷却结晶的部位。

该区插入铜液太深时，由于冷却水深入铜液太深而降低结晶器周围铜液温度，同时提高了一次冷却水的温度而降低冷却强度，使结晶过程不能正常进行而发生断裂、断杆等缺陷，甚至将结晶器烧坏而被迫停产更换结晶器。

当该区插入铜液太浅时，铜液冷却结晶效果差，铜杆会出现大裂纹或将铜杆拉断。

当结晶器插入铜液深度不够时，熔液在结晶器底端所形成的压力P 变小，如果上引速度较快，在压力P 的作用下进入石墨定型管内的熔液的上升速度可能跟不上上引速度，也就是结晶器内熔液补给跟不上，此时也会形成固- 液交界面分离，造成断丝。

3、防止缺陷发生，提高铜杆质量的措施
以上分析找出了铜杆出现质量缺陷的原因，可以采取以下几项措
施：
1）用上引法生产无氧铜杆，应选用符合：GB466-82标准中规定的1号电解铜，对进厂的1号电解铜要按批进行化学成分分析，复查合格的方可投入生产；首先将电解铜上有铜豆的部分切除，同时切除四周楞边及吊耳，将剩余的表面平整光洁的电解铜用于生产无氧铜杆；
用于生产无氧铜杆的电解铜，将其表面的灰尘、铜锈、酸迹等杂物清理干净，并在投炉前置于炉口烘烤30分钟左右，使其表面光洁、无水分后方可分批按规定重量投入熔炼炉中进行熔炼。

2）铜液上覆盖的木炭，一定要使用煅烧质量好的木炭
使用的木炭以低硫木炭为佳。

过期木炭不能使用。

使用经过煅烧或烘干的石墨粉(磷片石墨)也能取得同样的效果。

木炭的覆盖厚度为150-180毫米。

3）调整结晶器在铜液中的位置
根据保温炉中铜液液面的高低调整好结晶器在铜液中的位置。

按规定分批将电解铜加入熔炼炉中，保持保温炉中铜液液面的相对稳定。

4、结论及意见
在上引法生产无氧铜杆的过程中，形成气孔、裂纹、结晶疏松及断杆的主要原因如下：
1）由于使用了质量不好的电解铜原料，在熔炼过程中生成水蒸汽、硫化物、氧化亚铜及其他金属化合物(或共晶体)分布于铜的晶界
上，从而使铜杆中形成气孔和裂纹。

2）由于使用未经煅烧或煅烧质量不好的木炭作为铜液覆盖剂，或使用煅烧木炭而覆盖厚度不够，铜液将从潮湿的木炭中吸收水蒸汽或直接从空气中吸收氧、氢、导致铜杆中产生气孔和裂纹。

3）在无氧铜杆上引连铸的过程中，铜液温度、牵引速度、冷却强度等工艺参数选择不当即容易发生结晶粗大、组织疏松、表面冷隔及裂纹，甚至断杆。