铜杆质量对再拉断线的影响.pdf

第 3 9卷第 4期 2 0 1 0年 8月 有 色 金 属 加 工 NONF ERROUS M E T AL S P ROCESSI NG VOl_ 3 9 No 4 Au g u s t 2 0 1 0 铜杆质量对再拉 断线 的影响 刘富 国，齐增 生，冯祥轶(1 中冶恒 通重 型机械公 司，河北 唐 山 0 6 3 0 3 3)(2 邢台职业技术学 院，河北 邢 台 0 5 4 0 3 5)摘要：讨论 了低氧铜杆再拉 断线 的主要类型，认 为铜杆 的杂质元素、氧、冶金缺 陷和夹杂是影 响再拉 断线的 主要 因素，提 出电解铜质量 控制、铜杆氧含量 控制、减 少夹杂 物和严格控 制生产工 艺是提高 铜杆再拉性 能的 有效措施。关键词：光亮圆铜杆；再拉断线；杂质元素；氧；气孔；缩孔 中 图 分 类 号：T G 3 5 6 3+3 文 献标 识 码：A 文章 编 号：1 6 7 16 7 9 5(2 0 1 0)0 40 0 1 00 4 我 国工业 的快 速超 常规 发 展，促 进 了电线 电缆行 业 的迅速 发展，从而带 动 了电线 电缆 企 业对 铜 杆 的需 求。连铸 连轧 生产线 生产 的光 亮 圆铜 杆，由于 产 品性 能优 异、能耗 低、对 环 境 污 染 少、生产 率 高、生 产 成 本 低，加之按 同等生产规模投资 比无氧铜杆低，所 以这 种低 氧光 亮 圆铜 杆 具 有 广 阔 的市 场 前 景。目前 世 界 范 围 内 采 用 的 生 产 工 艺，分 别 是 S C R，C o n t i r o d，P r o p e r z i 三种工艺设备，占到全球光亮铜杆 总产量 的 8 5 以上。国内有 2 0多 条 连 铸 连 轧生 产 线，年生 产 能力 达到 3 0 0多万 吨，并 且还在 不断发 展。汽 车 用 电线、电 脑连 接 线、仪 器 连 接 线 和 电磁 线 等 由于 其直径 较小，对 铜杆 的综合 性 能要 求 较高。在 再 拉实 践 中，也 发 现 较严 重 的 断线，严 重影 响 了拉 丝 生 产效 率和产 品信誉。本 文拟 就搜 集 到 的断 头进 行分 析，并 与连铸 连 轧 铜 杆质 量和铜 杆 生产工 艺 结合，分 析 拉丝 断 线 的主 要 影 响 因素。1 铜杆再拉 断线的主要类型 根 据 收集 到 的断线 样 品，分析 铜杆 再拉 断线 的主 要类 型有 以下几类。中心脆断。这种 断头的两端，一端是空心，一 端是锥 形突 出，在 显 微 镜 下 观 察 断 头 形 貌 较规 则，几 乎成对 称 圆形。分 析 断头 附 近 的化 学成 分 和氧 含 量，收 稿 日期：2 0 1 00 41 2 作 者 简 介：刘 富 国(1 9 6 6一)，男，河 北 唐 山人，工 程 师 齐增生(1 9 6 6 一)，男，河北 清河人，工学硕 士，讲 师，主 要 从 事 金 属 材 料 及 热 处 理 教 学 和 技 术 工 作。发 现杂质 元素 和氧含 量超标 严重。空心断线。这种断头 的两端，一端是空心，一 端是 锥形 突 出，在 显 微 镜 下 观 察，锥 形 突 出 的一 端 可 观察 到空 洞。在 断头 附 近折 断 观察，仍 能 见 到空洞 存 在。检 测 氧 含 量 和 化 学 成 分，氧 含 量 较 高，超 过 4 5 0 p p m，最 高可达 1 l O 0 p p m，而 杂质 元 素一 般不 超 标，但也 有例 外情况。夹杂物导致的断线。这种断头 的两端一般都 是 空心，但 有 一 端 有 时 可 观 察 到偏 向一 侧 的锥 形 突 出，外形不规 则。偶尔 可在断 头的一端发 现夹杂物 残 留。焊接引起的断线。8 m m铜杆两卷之间采用热 焊 方式 连 接，拉 丝 过 程 中 断 线 后 也 采 用 热 焊 连 接。2 6 ra m 以下 的 铜 线，一 般 采用 冷 焊 连 接。焊 接 不 当，可 导致 断线。这种 断头呈 明显 的“鱼嘴”形，在 断头 的 附近可见 到 焊 接 的痕 迹，大 拉 机、中拉 机 操 作 者也 可 以根据 断线情 况判 断是 否与焊 接位置 有关。竹 节状 中心 断 线。这 种 断线 的两端 形 貌 与 中 心脆 断一致，但呈 大 范 围连续 断 线，观察 未 断线 部 位，可 见到周 期性 竹节 状 收缩，很 容 易折 断。分 析化 学 成 分 和 氧含 量，没 有 明 显 超 标。认 为 与 拉 丝 摸 的设 计 有 关。塑性断线。这种 断线 的断头部位可见 到明显 的颈缩 现象，说 明铜 线 受 到 拉 伸 产 生 塑 性 变 形，经 受 不住 拉力 而 断线。在 断 头 附 近 或整 个 铜 线 表 面 可 见 到 划痕，严 重 的 在一 端 可 见 到铜 瘤 堆 积，说 明铜 线 不 能再 次通 过 拉 丝模 而 断线。这种 断线 与拉 丝 模 的工 作 表面不 均匀磨 损有 关。由以上分 类可见，拉 丝 断线 与 铜杆 的质量 和 拉丝 第 4期 有 色金属加 工 模 有关 系。除 了拉 丝模存 在 的 问题外，铜杆 质 量是 铜 线 厂最关 心 的。因此，下 面 将就 铜 杆 质 量影 响 再拉 断 线 的原 因和改进 措施 进行 分析。2 铜杆质量影 响再拉 断线 的原 因分析 从 收 集 到的 断头 追踪 铜 杆 的 13常检 测 报告，发 现 铜杆 的原始 检 验 性 能 是 符 合 要 求 的。这 就 提 示 需 要 对断 头位置 进行 理化检 测，与铜 杆 的典 型 性 能进 行 比 较，再结 合 断 头形 貌 观 察，才 能 判 断 断线 的原 因。经 过分析，认为 与铜 杆有关 的影 响再 拉 断 线 的 主要 因素 有铜 杆 的 杂 质 元 素 含 量、氧 含 量、冶 金 缺 陷、夹 杂 物 等。2 1 杂 质元素 的影 响 铜杆 的杂 质 元 素 来 源 于 所 用 电解 铜 的化 学 成 分 和熔 炼过 程。G B 4 6 7，A S T M B 1 1 5，L ME对 电解 铜 都提 出了杂质元 素 的上 限要 求。铜 中的杂质 元 素 大致 可分 为 固 溶 于 铜 的 杂 质 元 素、很 少 固溶 于铜 与铜 形 成低 熔 点共 晶 的杂 质元 素 和 几乎 不溶 于铜 与 铜 形 成 高熔 点 脆 性 化 合 物 的 杂 质 元 素三类。固溶 于 铜 的杂 质 元 素 主 要 有 铝、铁、镍、锡、锌、银、镉、磷等。此类杂质元素在允许 的含量范围内，能 溶 于铜 中形 成 固 溶 体。含 量 过 多 将 提 高 铜 杆 的再 结 晶温度，在 拉丝 过程 中摩 擦 热 和变 形 热 不足 以使 铜线 再结 晶软 化，导 致铜线 硬度 提高，导致 拉丝 断线。很少 固溶 于 铜，并 与 铜形 成低 熔 点 共 晶 的杂质 元 素主 要有、铋、铅 等此 类 杂 质 元 素在 结 晶 时 分 布 于 晶 界，使铜 在热 轧 时 产 生 晶 界 脆 化 或 表 面 裂 纹，在 铜 杆 再拉过 程 中产 生 断线。几 乎不溶 于 铜 并 与 铜 形 成 高 熔 点 脆 性 化 合 物 的 杂质，如 氧、硫、硒、碲，以氧 化 物 夹 杂 形 式 存 在，有 可 能 聚集在最 后凝 固区域，导 致局 部 脆 性增 加，另外 铅、锑除 形成热 脆外，也可 能形成 氧化 物夹 杂。所有这 些 杂 质 元 素 都 应 当 按 照 标 准 严 格 控 制。在拉丝 实践 中，曾经 遇 到 某 批 次 铜 杆 再 拉 断线 严 重，经 检测 化 学成 分，发现 A s 含 量 达 4 0 p p m，比标 准规 定 不大 于 4 p p m超 标 严 重。再 追 踪 检 测 电解 铜 成 分，得 到印证。2 2氧含 量 的影响 测定铜 杆 的 氧 含量 是 铜 杆 生 产 过 程 中 的 13常 检 测，铜 杆 的氧含量对 再 拉 断头 的分 析有 一 定 的参 考 意 义，但是 直接 测定 断头 的 氧含 量 更 可 以判 断 断头 的影 响 因素。一般 搜集 到 的断 头 可能 受 到乳 液 污 染，表 面 还可 能 因放 置 时 间长而 产 生 氧化，经测 定 表 面氧 化 膜 厚 度 达到 1 0 0 0埃 以上，这对 于线 径 小 的铜 线，氧 含 量 的测定值将 会受 到影 响。为此，先 要对断 头进行 清 洗，然 后在 氧化 膜厚 度测 定 仪 中通过 电解 将 断头 表 面 的氧化 膜去 除，再按 照正 常程 序，在 L E C O定氧 仪上 测 定 断头 的 氧含量。氧 在铜 中的 存 在 有 以下 三 种 形 式。一 是 以 间 隙 固溶 体 的形 式 存 在，含 量 极 少。二 是 以 C u：O 的形 式 存在。在扫 描 电 镜 下 观 察，C u O 以 颗 粒 状 分 布 在 铜 基体 上，在光 学显 微镜 下 观 察，C u，0成 片 地 分 布 在视 场上，氧 含量 越高，C u O区的 面积越 大，是 C u与 C u O 的 共 晶 组 织。分 析C u 一 0 相 图 可 知，氧 含 量 2 0 0 0 p p m时，c u与 C u：O 形 成 共 晶反 应。据 此 计 算，氧含 量 达 到 6 5 0 p p m 时，共 晶 区的 表 观 面 积可 达 到 视 场 的 1 3，氧含 量 达到 1 0 0 0 p p m时，共 晶区可 达到 1 2，这 时 测定 C u O颗粒，最大 可达 到 1 0 1 z m。这 种 大量 共 晶区 的存在，使 得 铜 基 体 被 外 来 夹 杂 物 分 割，再 拉 到 一定 线 径 时 将 发 生 断 线。实 践 证 明，氧 含 量 超 过 4 5 0 p p m 的断头 占分析 断 头 的 5 0 以上，可 见氧 含 量 超 标是影 响断 线 的重 要 因 素。三 是 与 杂 质 元 素 形 成 氧化 物夹 杂。低氧 铜 杆生 产 过 程 中，氧先 与 比铜元 素 活泼 的杂 质元 素氧 化，从 而 降低 有 害 杂质 元 素对 铜 杆 物理 机械性 能 的影 响。断头 氧含 量 超 标 往 往 与 追 踪 的原 始 铜 杆 日常 检 测 记 录不一 致，其 原 因 是 铜 杆 生 产 时 有 工 艺 波 动，常 规 检测 只 能 取 铜 卷 端 部 试 样，二 者 往 往 不 能 反 映一 致。这 就要求 对铜 杆 生产 中 的异 常 因素 进 行 分析，找 出影 响局 部 氧含量 异 常 高 的原 因。我 们 认 为，氧 含量 超标，与 下列 因素有 关。各种 原 因导致 铸坯 中形成 气 孔，气 孔周 围 的基 体 中溶解 大量 的氧，是 氧 含量 高 的 区域。最 后凝 固区 域，包 括缩 孔和 重熔 区，是 杂质 集 中的 区域，低 熔 点 夹 杂 物和 杂质 元素 往往 集 中于此，导致 氧含 量增 高。铸坯 表 面裂 纹，因在 高 温 下 裂纹 开 口，暴 露 于 空 气 中，导致 氧 的大 量溶 解。这种 裂 纹 可 由于 烟 炱不 均匀 而在 铸坯 凝 固过程 中产 生，也 可 能 由于 出铸 机 的 铸坯 温度 高于 9 5 0 C，受 到拉 力 而底部 拉裂。浇 嘴 冷 铜 处 理 不 当，冷 铜 掉 人 熔 池，熔 化后 扩 散 不 充 分，导 致 局 部 氧 含 量 增 高，同 时，磷 含 量 也 超 标。2 3 冶 金缺 陷对 拉 丝断线 的影 响 铜 杆再拉 断 头 的形貌 一 般 是一 端 空 心，一端 锥 形 突 出。这 与铜 线 拉 丝 的受 力 状 况 有 关。收线 轮 或 塔 轮对铜 线 产生 向前 的拉 力，在 整 个铜 线 截 面 上产 生 均 l 2 有色金属加 工 第 3 9卷 匀分布的向前 的拉应力。拉丝模孔表面对铜线表面 产 生挤压 和摩 擦，铜 线 的表 面 受 到 向后 的摩 擦 力。两 种力共同作用的结果，导致在铜线截面上芯部向前的 拉 力大 于表 面 向前 的拉 力，这样 芯部 比表 面 更 容易 向 前伸展，表面落后于芯部，是在与芯部的塑性协调 中 变 形 向前 伸 展 的。如 果 某 种 因素 破 坏 了表 面 和 芯 部 之 间 的协 调 变 形，断 裂 时，表 现 出 的形 貌 就 是 前 面 的 断头是 空心 的，后 面的 断头 是 中心 有 锥形 突 出 的杯 状 断头。判断断头是否是空心断头，应 当从两端 的形貌综 合 判断。但 在收集 断头 时难 于成 对 收集，这 就对 正 确 区分空心断头 带来 困难。一般来 说，在显微镜 下观 察，锥形 突 出 的一 端 能 观 察 到 空 洞，在 断 头 附 近 折 断 观察也能见到空洞存在，可判断为空心断线。产生空 心断线原因与铜杆生产过程中的工艺因素有关，分析 认 为有 以下几 种情 况。气孔。铜液扰动卷入空气，在结 晶器 中，一边 随铸轮旋 转，一边凝 固，铜 液 中 的气 泡 聚集 长 大，大气 泡上浮，小气泡不足于达到上浮的尺寸而于凝 固组织 中形成气孔。铸机转速越快，形成的气孔越大。另一 种情况是冷却水溅人铸轮，导致烟炱干燥不够，在铸 坯次 表面形 成水蒸 气气 孑 L。缩孔。S C R系统采用 一大 四小 的五轮铸机。缩孔 是 由于液 穴 凝 固时 产 生 收 缩 不 能被 铜 液有 效 补 缩而 产生 的。这 种情 况 的发 生 可描 述 如下，如果 铜液 温度 过高 或者铸 机旋 转 速度 过快，液穴 到 达铸 机 9点 位置仍然没有完成凝固，铜液将不能到达此位置进行 补缩，将形 成 缩 孔。如 果 浇 注液 面过 低，产 生 补缩 的 有效 长度将 减 少，这 样 一 来，即使 液 穴 在 9点 位 置前 凝 固，也有 可能 产生缩 孔。对上 面所 提 到 的气 孔 和 缩 孔 这 两 种 空 心 形 态 来 说，气孔周 围溶 解大 量 的氧，导 致 该处 氧 含量 超 标，缩 孔是 铜 液最后 凝 固位置，聚集较 多 的杂质 元 素 和低 熔 点非金 属夹 杂 物，在 再 拉 过 程 中，不 可 能 形 成 良好 的 协 调变 形，拉 伸到一 定线 径必 然导 致断线。2 4夹杂物 的影 响 铜 中夹 杂 物是 影 响拉 丝 断线 的重 要 因素，实 践证 明，当夹杂 物 占 到铜 线 截 面积 的 1 4时，将 导致 拉 丝 断线。由于夹杂 物在铜 线 中的位 置 不 同，断头 表 现为 一端不 规则 的锥 形 突 出形 貌 或 两端 空 心 的形 貌。由 于很难收集到成对 的断头，并且 因夹杂物 的脱落，都 为判 定夹杂 物 的性质 增 加 了难 度。分 析认 为，夹 杂物 的类 型或 者说来 源有 以下几 种 可能：耐火材料脱落产生的硅酸盐夹杂；氧使铜液中比铜元素活泼的杂质元素产生优 先氧 化，形 成氧 化物颗 粒；以上两 种夹 杂物 如果 不 能 漂浮 于 液面，而 是 随着 铜液 流入铸 机，将 在铜 杆 中形成 夹杂。铁夹 杂 是 由于铜 杆 生产 过程 中与各 种 铁制 构 件接触，受 到脱 落 的铁质 颗 粒 污染 而 产生 的。涡 流探 伤仪将 记 录铁夹 杂 的数量 和位 置，可对 再 拉断 线 的分 析提供依据。塞棒是调节铜液浇注速度的构件，采用 耐热钢如 C r 2 5 N制造，有时会产生冷铜凝结使调节功 能受 到 限制。这 时加 入增 加 流 动性 的磷铜，将 破坏 塞 棒表 面 的 C r：0 保 护层，使塞 棒表 面受到 浸蚀，铁 质颗 粒将 直接 落 入铸 机 形 成 夹 杂。连 轧 机 轧辊 采 用 热 作 模具钢制造，在使用过程 中产生冷热疲劳、磨损 的作 用，脱落的表面铁质颗粒将在铜杆表面形成夹杂。3 提高铜杆再拉性能 的措施探讨 由以上 对 再 拉 断 线 的 原 因分 析，可 以看 出，只有 在铜 杆生 产过程 中避 免 各 种导 致再 拉 断 线 的 因素，才 能有效地提高铜杆的再拉性能。笔者认为，应 当从原 材 料、生 产工 艺 和 检 验 诸 方 面 进 行 控 制，以保 证 铜杆 达 到性 能要求，减少 铸造 缺陷 和非金 属夹杂 物。严 格 控 制 电 解 铜 的 质 量。选 择 符 合 L M E C a t h o d e A级标 准 的 电解 铜，严 格 控 制 其 中 的 氢 含 量 和影响 铜质量 的 S e，T e，B i，A s、P b等 有 害元 素。这 就 要 求 固定进 货 渠 道，加 强 来 料 检 测，加 强 电解 铜 进 厂 后的管理。采用带高压火花架 的直读光谱仪，检测批 次 杂质 元素 含量，及 时剔 除有 害元 素超标 的原材料；氧含 量是 低氧 铜杆 生产 中的重要 控制参 数，对 于采用纯净度高的符合标准的电解铜生产的铜杆，氧 含量 可 以 控 制 在 3 5 0 p p m 以 下，最 好 控 制 在 2 5 0 3 0 0 p p m。对 于杂质 含量 较高 的 电解 铜 生产 的铜 杆，氧 含量可适当提高，控制在 4 5 0 p p m以下，最好在 3 0 0 4 0 0 p p m 之 问；工艺 过 程 中采 取 有效 措 施 降低 各种 夹 杂进 入 铜杆。包 括降低 杂质 元 素含 量，提 高耐 火 材料 的热稳 定性和抗冲刷性，及时对轧辊进行检查 和修磨。重要 的是 尽量 少用或 不 用磷 铜，以避免 塞 棒 的浸 蚀。有 的 厂 家采用 陶瓷塞 棒，不失 为有益 的尝试；铸机 的工 艺 控制 是 生 产 的核 心。浇 注 温度 过 高，容易 因冷 却 强 度 不 够 产 生 缩孔，过 低 则 有产 生冷 铜 的可 能，必 须 正 确 控 制 浇 注 温 度。采 用 自动 液 位 控 制，避 免浇 注液 面过低，也是 避免 产生缩孔 的有效 措(下转 第 7页)第 4期 有色金属加工 7 度及显 微组 织金 相 分 析 均 在 N e o p h o n t-I I 型 金 相 显 微 镜 上进 行；热 差 分 析 在 D E R I V A T O G R A P H 热 差 分 析 仪上进 行。2 试验结果 2 1 4 3 4 0复合板 化 学成分 检查 芯 层 3 0 0 3合 金 化 学 成 分，检 测 结 果 见 表 1 所示。表 1试 样 芯 层 3 0 0 3合 金 化 学 成 分(质 量 分 数)(待 续)(上 接 第 1 2页)施。经常检 查烟 炱 的均 匀性，防止 局 部 烟 炱堆 积。冷 却水 的流量 和各部 位冷 却 水 的平 衡，是 获 得 均匀 凝 固 组织 的保证，要 经 常 检 查 并 调 整 到 位，还 要 防 止 喷 嘴 堵塞。经 过 采 取 这 些 有 效 措 施，铜 杆 的性 能 得 到 了 保 证，必将 有效 减少再 拉断 线频率。4 结 论 与铜杆 质量 有 关且 影 响其 再 拉 断 线 的 主 要 因素 是铜杆 中的杂质元素含量、氧含量、夹杂物以及与铸 造有 关 的诸 如 气 孔、缩 孔、裂 纹 缺 陷等。因此 就 铜 杆 制造而言，精心挑选 电解铜、将氧含量控制在 4 0 0 p p m 以下、有 效降低 夹 杂物 含 量 和严 格控 制 工 艺参 数 是 提 高铜 杆再 拉性 能 的有效 措施。参考 文献 1 肖华星、陈云门，连铸法生产 光亮圆铜杆 工艺述评，江苏冶金，1 9 9 6 年第 3期，p 2 63 2 2 编写组 重 有色 金属 加工手 册 S，第 一册，北 京：机械工业 出版 社，1 9 8 0 LI U Fu g u e，QI Z e n g s h e n g，F ENG Xi a n g y i (MC C He n g t o n g He a v y Ma c h i n e r y C o，L t d，T a n g s h a n，He b e i，0 6 3 0 3 3，C h i n a)(X i n g t a i P o l y t e c h i n i c V o c a t i o n a l C o l l e g e，X i n g t a i，H e b e i 0 5 4 0 3 5，C h i n a)Ab s t r a c t：Ma i n t y p e o f r e d r a wn b r ok e wi r e f o r l o w o x y g e n c o p p e r r o d we r e d i s c u s s e d I t i s c o n s id e r e d t h a t ma i n f a c t o r s af f ect ed on r e dr awi ng br ok e wi r e o f low ox yge n r oun d c opper r od ar e c om p osit i on，ox y gen，met all ur gi c al def e ct f or c as t blank an d soli d non met al l ic i mpur it yEf f i c i en t mea su r e m en t t o im pr ov e t h e r edr ew per f or mance of l ow o xy gen r ound copp er r o d is c a t h o d e c o p p e r q u a l it y c o n t r o l，o x y g e n c o n t e n t i n c o p p e r r o d，r e d u c i n g s o l i d n o n me t a l li c i mp u r it y a n d a d j u s t i n g p r o d u c t i v e pr oce ss par ame t er s pr ec i s el y Key wor ds：br i ght cop per r od；r edr awi ng br ok e wi r e，im pu r i t y el emen t，oxy gen c ont ent，por os i t y，shr inka ge