热型连铸技术在单晶铜生产中的应用.pdf

2006年第 4期铸造设备研究2006年?8月RESEARCH STUDIESON FOUNDRY EQU IP MENTAug.2006?4收稿日期:2006-06-07作者简介:赵干(1975-),男,硕士研究生。基金项目:河南省科技攻关项目(991110325);河南省高校青年骨干教师资助计划(2002-112)。综述 热型连铸技术在单晶铜生产中的应用状况赵?干1,倪?锋1,魏世忠2,龙?锐2,李兴霞3,路凯通1(1.河南科技大学材料科学与工程学院,河南 洛阳?471003;2.河南省耐磨材料工程技术研究中心,河南 洛阳?471003;3.河南机电高等专科学校材料系,河南 新乡?453002)?摘?要:热型连铸是一项近净成形(near-net-shape)技术,它是将定向凝固和连铸技术结合起来的一种新型工艺。通过对有关文献的综述介绍了热型连铸技术的特点和目前国内外研究、应用现状,重点介绍了热型连铸技术在单晶铜生产中的应用、单晶铜的性能特点以及市场需求,提出了该技术的局限性及今后的改进方向和发展前景。?关键词:热型连续铸造;定向凝固;单晶铜;工艺性能?中图分类号:?TG146?1+1?文献标识码:A?文章编号:1004-6178(2006)04-0046-02Review ofOhno ContinuousCasting and its application for single crystal of copperZHAO Gan1,NIFeng1,WEI Shi?zhong2,LONG Rui2,LI Xing?xia3,LU Kai?tong1(1?College of materialScience&Technology,H e nan University of Science&TechnologyH enan Luoyang 471003,China;2?H enan Engineering Research Center forW ear ofM aterial,H enanLuoyang 471003,China;3?M aiterialEngineering department,H e nanM echnical and ElectricalEngineering College,H enanXinxiang 453002,China)?Abstract:Ohno Continuous Casting is a novel near-net-shape process,which combines the directional solidification w ith thecontinuousCasting.The technique characteristics and research status ofOhno Continuous Casting technology,aswell as its applicationwas generalized,especially for single?crystal copper.The processing properties andmarketde mands of single?crystalcopperwere intro?duced.The li mitation of the technology was pointed out and so me i mprove mentmeasureswere suggested?K ey words:ohno continuous casting,directional solidification,single?crystal copper,processing property1?热型连铸技术的发展与应用概况1.1?国外热型连铸技术的发展与应用热型连铸法又称大野连铸法(Ohno ContinuousCasting,简称 OCC),是日本千叶工业大学教授大野笃美(Ohno A.)于 1978年发明并于 1986年首次发表的 1,2。它是一项把先进的定向凝固技术与高效的连铸技术相结合的金属近净成型(Near-net-shape)技术。与普通连铸法的根本区别是:它不对铸型(结晶器)进行强制冷却,而是将其加热至被铸金属的液相线温度以上,并通过型外对铸锭的直接喷水冷却,使热量沿拉铸方向由铸型出口向冷却区传输。金属与铸型保持液态接触,在铸型出口处液态金属靠表面张力维持形状并在连续拉出过程中逐渐凝固。因此,热型连铸技术具有以下优点 3-6:1)热量单向传输,有利于定向凝固。在铸型出口处与冷却区之间有悬殊的温差和高的温度梯度,型内金属液的热量主要沿拉铸方向单方向传输,造成有利于定向凝固的条件,可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸锭。2)铸件表面光洁,可实现终形制造。金属与铸型保持液态接触,铸锭与铸型之间只有一层靠表面张力维持的金属液膜,显著减小甚至消除了铸锭与型壁的摩擦,可铸得表面非常光洁甚至镜面的型材由于摩擦力小,无需振动脱模,也可以铸造出复杂截面形状的薄壁型材,实现终形制造。3)可获得纯净致密铸材,减少后续加工工序。沿轴向定向凝固使铸锭补缩良好,且可将金属液中气体和杂质从凝固前沿排斥到型内金属液中,获得纯净致密铸材,有利于后续的冷加工,可以减少甚至消除冷加工过程的中间退火,节省能源,提高生产效率。从上世纪 80年代初开始,日本、加拿大等发达国家对热型连铸技术展开了广泛的应用研究,主要发明专利如表 1所示。1988年在多伦多大学建立了热型连铸研究室,在水平牵引设备上完成了低熔点金属 A l、Sn、Bi及其合金、高熔点 N i-Co基合金、不锈钢和超硬合金等的连铸,目前涉及的金属或合金种类已超过 30种,概括起来主要应用在以下几个方面:表 1?国外主要专利序号项目专利号发明名称发明人申请人12030755金属带水平连铸方法及装置Ohno;AtsumiKAB US HI KIKAIS HAO.C.C.(Japan)21267768金属带连铸工艺 Ohno;AtsumiO.C.C.Co mpanyLm i ited(Japan)31211916金属模水平连续铸造工艺及装置Ohno;AtsumiNipponL ightMetalCompany Lm i ited;O.C.C.Company Lm i ited44515204 金属连续铸造Ohno;AtsumiN ipponL ightMetalCompany Lm i ited(Tokyo,JP);O.C.C.Company Lm i ited(Tokyo,JP)54665970具有定向凝固组织的金属杆件的生产方法Ohno;AtsumiO.C.C.Co mpanyL m i ited(Tokyo,JP)?(1)金属单晶材料连铸单晶制品可以加工成超细的线和超薄的箔,作为生产集成电路、大型计算机以及电子仪器、音响设备所需的高级材料的原材料。普通纯镁的塑性加工性能是很差的,而大阪富士公司热型连铸开发室制造的连铸单晶镁板宽 75 mm、厚 5 mm,塑性加工性能好,可轧制成 0.05 mm 的簿箔,并深冲成扬声器的振动膜 7,82)焊接材料 9大阪富士公司采用热型连铸技术生产用于弧焊的一系列铝合金线(Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn等)4-10,并将它们应用在堆焊硬质敷层和修补铸件上。例如,用钨极氩弧焊将 Al-33%Cu焊条堆焊在铝合金磨损表面,焊缝硬度高达 HV200 350,比母材的 HV50高得多,其硬度在 200!时基本保持不变,到 400!时仍高达 HV1005#。用这种焊条堆焊在柴油机活塞第一、二环槽上,可大大提高环槽的高温耐磨性。热型连铸技术制得的含钴 Stellite合金焊条,可完全消除气孔、夹杂、缩孔(松)等内部缺陷,且表面质量良好。同时,热型连铸焊条的生产效率高于挤压焊条的生产效率。OsakaFujiKogyo公司采用该技术生产 Sn-B i共晶合金的焊料线。Sn-Bi焊料通常采用 Sn-Bi合金坯料拉伸成 0.7mm细线而制备,拉伸效率很低,每天仅拉伸 15 kg,而热型连铸技术可以直接连铸出0.7 mm的焊条,在这方面热型连铸技术提供了一种很好的替代工艺。(3)生产其它方法难以加工的型材,并改善其性能90年代初,热型连铸技术的应用研究开始向高合金高熔点材料发展,OCC研究中心和 OsakaFu?ji Kogyo公司进行了钴基合金棒材和板材的试验研究,同时也进行了 N i-T i、Ni-Al合金和纯 Si的连铸试验。共晶成分的 Sn-Zn合金是公认的塑性加工性能差的材料。普通铸造方法所得 Sn-Zn合金在压缩 30%时就出现裂纹,而热型连铸技术所得这种金属的铸材压缩 100%时仍不出现裂纹,连铸 4 mm的 Sn-Zn线材,可以直接拉伸成 0.1 mm 的丝而无须中间退火 14。热型连铸技术制造的 5mm厚的磷青铜板(Cu-6%Sn-1%P)可以压延出 100?m 的薄板。热型连铸产品具有很好的抗疲劳性能。例如,Al-1%Cu合金多利用金属型铸造,铸造的金属型线材弯曲 3 5次就断了;而热型连铸技术铸成 6mm铸棒,进行 90度循环弯曲可达 30次 10。(4)截面形状复杂的管件和双金属管材、棒材 11-12。由于热型连铸型内金属呈液态,与型壁无摩擦力,因而有可能拉铸截面形状非常复杂、壁厚很小的铸件。三井公司开发出拉铸异形铜管的技术,制造带有内部翅片,双层壁,多通道等特征的铜管,其翅片厚度仅 0.3mm,管壁厚 0.5 mm,可用作高性能换热器、热管和加热线圈等6#,用作空调换热器的带翅片铜管的传热系数是无翅铜管的 3 5倍。近年来,双金属连铸装置可以铸出内外层不同的金属材料的管状型材。目前已成功的制备出中心为 Sn-Bi、Sn-Pb、Sn-Zn等共晶合金,外层为纯 Sn以及中心为 Al-Cu合金,外层为 Al的管状材料,并对其工艺过程进行了研究 7。(5)功能材料与复合材料 13-19由于热型连铸技术生产出的铸锭具有完全单向组织,其产品具有极好的耐腐蚀、耐疲劳和抗高温蠕变性能以及优异的磁学性能和电学性能,因此,对于制造磁性材料以及自生复合材料将发挥巨大的作用。镍基和铜基形状记忆合金的塑性加工性能都较差,而日本已用该工艺直接拉铸成形,免除了后加工工序,且性能优异。含有少量 Cu、Si和 Mg的 Zn-22%Al合金是一种优异的阻尼材料 4,采用热型472006年第 4期?赵干,等:热型连铸技术在单晶铜生产中的应用状况连铸法生产,比铸铁铸型铸造的材料具有更好的加工性能。同时,热型连铸技术已经成功用于制备 A l-CuA l2和 Al-Y合金铸棒。(6)金属提纯采用热型连铸技术也可以制造高纯度的金属。例如,热型连铸技术可以制备纯度为 99.999 6%的铝材,作为雾化沉积材料;还能制备纯度为 99.999%或更高纯度的铜材等 5。(7)光纤包覆 9,19,20热型连铸技术已成功用于 Sn和 A l合金包铸光纤,而且光纤完好无损,经检验证明能正常传递信号,改进了用不锈钢管套装光纤的方法。热型连铸技术是依靠先进的自动化装备来实现的。人们已经开发出了多种形式的热型连铸装置,大致分为垂直下引法、垂直上引法、水平横引法三种类型。其中,水平横引法是目前研究和应用最多的,也是最为成功的。在水平横引法基础上,为了适应大规模生产的需要,80年代末期又出现了回转加热铸型法和上面开放水平加热铸型法两种带材连铸设备。它们的工艺原理和设备组成基本上与一般的水平横引法相同,只是在装置结构或铸型结构上有所差别。采用回转加热铸型法成功制造了宽 100 mm,厚 3mm的单晶锌板材。采用上面开放水平加热铸型法,成功地制造了宽 50 mm,厚 2 mm 的铝带材。90年代初又发明了双金属连铸装置,可以制得内外层不同金属材质的管状材料 2。近年来,在热型连铸设备上根据不同的需要,也进行一些局部改进,但没有大的进展。1.2?国内热型连铸技术研究现状 6,22,23,24,25我国的热型连铸技术研究起步比较晚,主要的研究机构有西北工业大学、广东工业大学和兰州理工大学,并取得显著成果,国内主要专利见表 2。由国内外的专利申请现状可以看出,申请专利的热点集中在设备结构类型和参数控制装置两方面,早期的专利申请主要集中在设备结构类型,参数的控制主要凭经验判断;近期的专利申请主要集中在参数控制装置方面,这样就克服了热型连铸技术中参数控制不精确的现状,极大的提高了参数的控制精度、热型连铸产品的质量和工艺稳定性。表 2?国内主要专利专利分类专利类型专利名称发明人申请人设备结构类型实用新型热型连续铸造法多股生产单晶铜杆的设备黎沃光、余业球等广东工业大学实用新型一种新型热型连铸铸造炉黎沃光、余业球等广东工业大学实用新型一种热型连铸的铸型结构丁雨田等兰州理工、焦作钢铁股份有限公司发明专利一种热型连铸的牵引机构丁雨田等兰州理工、焦作钢铁股份有限公司参数控制装置发明专利一种热型连铸的金属液位探测控制装置丁雨田等兰州理工、焦作钢铁股份有限公司发明专利一种热型连铸凝固界面的检测与计算机控制系统彭立明等上海大学?西北工业大学凝固技术国家重点实验室于1994年开展热型连铸技术研究,在自行研制的横引式热型连铸设备基础上成功研制出直径为 8mm的单晶铝、铜线材,并对热型连铸凝固过程中单晶组织的演化机理、单晶铝、铜的性能以及热型连铸工艺过程等进行了研究;在 2003年与成都新德克电子有限公司就单晶铜材料应用于高保真线材领域建立起全面的技术合作关系,并开始投入生产。广东工业大学的黎沃光教授领导的课题组先后开展了 Al、Sn、Pb、ZlAlCu10、CuAl N i形状记忆合金等金属线材的热型连铸研究工作。于 1998年成功制得直径为 8 mm 单晶铜线,其性能指标已达到日本所公布的指标,并于 2001年 7月份与协力创壹公司合作研制成功年产 600 t单晶铜的工业规模生产线,试产成功。这是我国第一条年产 600 t的单晶铜工业规模生产线,工艺技术在国内属一流水平。单晶铜的研发成功和投产,打破了国外产品长期垄断我国单晶材料市场的局面。兰州理工大学于 1995年完成了热型连铸凝固过程温度场数值模拟研究工作。研究了热型连铸凝固过程的传热特点;建立了热型连铸凝固过程的传热物理模型、数值计算方法;编制了一套可用于热型连铸凝固过程温度场数值计算的模拟软件。模拟软件可用于各种合金线材的热型连铸凝固过程温度场的数值模拟,纯铝线材的模拟结果与实际吻合,证明该软件模拟结果可以指导实际生产。于 2001年运用热型连铸技术成功的制取出直径为 8mm的单晶铝线材和直径为 6mm的单晶铜线材。在产业化方面,2001年自行设计、制造了横引式热型连铸生产设备,并应用该设备开展了单晶铜制备工艺、热型连铸铜单晶组织演化、热型连铸凝固过程中的提纯效果以及热型连铸铜单晶的电学性能、力学性能、冷压48?铸?造?设?备?研?究?2006年第 4期延及冷拉拔性能的研究。目前公司生产高保真音、视频电缆用单晶铜杆、单晶铜带、单晶银、单晶银铜合金、单晶超细丝等单晶金属材料,拥有年产 1 000t单晶铜产品的能力。此外,北京科技大学、西安工学院、上海交通大学等单位也相继开展了热型连铸的研究,北京科技大学利用热型连铸技术开发高导电高强度 Cu-Cr合金。西安工学院采用区域熔炼和热型连铸相结合的方法已制备出直径 1 mm 3 mm 的单晶铜线。上海交通大学和郑州电缆(集团)股份有限公司于2002年开始研发的单晶铜生产项目,已建成年产100 t的单晶铜生产线,并且经济效益良好。目前正在开发单晶铜超微细丝和高档音视频连接线,广泛应用于生产集成电路,大型计算机以及电子仪器、高档音响设备及新一代网络传输材料上,如手机、电路板键和线、精密电子产品活动元件连接线、IPv6网络传输等。综上所述,我国目前在金属单晶材料方面已取得显著成果,但开发的产品只有线材,同时研究的金属品种少,更多的合金品种仍基本处在实验室研究阶段,特别是在焊丝材料、其他工艺难以加工的型材、截面形状复杂的管件等领域的研究还很少见报道。开展热型连铸技术的攻关研究,跟踪世界先进科技水平,对推进我国材料领域的科技进步具有重大意义。2?热型连铸技术在单晶铜生产中的应用2.1?单晶铜的性能与应用热型连铸技术最成功的产品是古河电工、住友电工开发的单晶铜导线 3。晶界在音频信号传输中相当于许多串联的电容,对信号的传输起到歪曲和衰减的作用。单晶铜由于没有横向晶界,在传输音频、视频信号时的清晰度和保真度显著提高,使传输质量得到明显的改善,从而大大提高了导体的导电性和信号传递的保真性。所以单晶铜及其制品很快在国防高科技产业、家用电子电器工业、信息产业、高保真度音频、高清晰视频等领域得到广泛应用。如手机、电路板键和线、精密电子产品活动元件连接线等。单晶铜杆的各项性能均高于非定向凝固组织的铜杆(见表 3),并超过相应的国家标准和国际标准,已经成为无氧铜的升级换代产品。单晶材料对拉丝性能的改善很显著。随着电子工业和通信技术的迅猛发展,超细、高保真传输导线的用量不断增加,对导体金属的性能提出了越来越高的要求;由于其加工难度大,对原材料的要求比较高,普通多晶铜材已经难于满足这种要求,单晶铜材具有广阔的应用前景。目前国内电缆行业拥有低氧铜杆的连铸连轧生产线,也有浸涂成型和上引法的无氧铜杆生产线,所产出的铜杆其内部组织不均匀,细线拉制非常困难,拉丝到一定直径时,会在晶界上断裂,而单晶材料绝无此弊病。Yoshiharu等比较了定向凝固与非定向凝固铜杆在拉制?0.02mm的超微细线时的拉丝性能(见表 4),由此看出具有定向凝固组织的铜杆表现出优越的拉丝性能,在超微细线加工方面具有较大的优势,无疑可为超微细丝的生产提供优质铜杆 21。表 3?铜杆性能比较 21产品标准直径/mm延伸率/%电阻率/10-8.m导电率(I ACS)/%达到断裂的弯折次数GB3951 898 35%1.7241100ISO4738 1982(E)8 35%1.7241100美国南方线材的 A级标准8 30 101 50国内的TG-1标准8 40%1.70710145-55单晶铜的指标6 65%1.680102 110表 4?定向凝固和非定向凝固铜合金的拉丝性能比较 21铜合金定向凝固与否拉丝过程中断丝时的临界拉出率/g.s-1绕丝过程中断丝时的临界缠绕/(g.s-199.99%Cu是1 01090099.99%Cu否210150Cu-0.1%Sn是1 4001 010Cu-0.1%Sn否400400Cu-0.1%Ag是1 530830Cu-0.1%Ag否5403202.2?国内单晶铜的市场需求与热型连铸投资状况我国第一条单晶铜工业规模生产线是 2001年 7月份试产成功,在这之前全部依赖于进口。据资料统计,2000年国内数据线缆市场容量为 1 000万 km,2005年将达到 1 600万 km,微细丝产品市场以每年12%的速度持续增长;网络线制造每年需要单晶铜 5万;t 家用电器、电子工业、高保真音频和高清晰的视频领域每年需 1万 t,国内已有厂家生产单晶铜(见表 5)。随着电子设备的精密化、小型化、电子元器件的高性能、微型化、轻量化,对微细铜导线(?0.03 mm以下,甚至?0.01 mm)的需求日益迫切,需求量也越来越大。目前国内的微细铜导线主要从日本、加拿大等发达国家进口。492006年第 4期?赵干,等:热型连铸技术在单晶铜生产中的应用状况表 5?国内主要单晶铜生产厂家企业名称规?模备?注焦作市森格高新材料有限责任公司年产 1 000 t单晶铜已建成,与兰州理工大学合作广州协力创壹科技发展有限公司年产 600 t单晶铜已建成,与广东工业大学合作郑州电缆(集团)股份有限公司年产 100 t单晶铜已建成,与上海交通大学合作陕西吉元电工股份有限公司年产 600 t单晶铜筹建福建紫金矿业股份有限公司年产 1 000 t单晶铜筹建新乡市豫坤铜业有限公司年产 2 000 t单晶铜筹建3?热型连铸技术的局限性及改进方向热型连铸技术虽然有很多优点,但是它也有不足之处。首先,对各个工艺参数控制精度要求很高,调整这些工艺参数达到最合适的情况以确保固液界面位置稳定比较困难,在实际生产中容易发生拉漏、拉断、拉裂、拉不动等事故。其次,热型连铸工艺生产效率低,即使是小直径铸锭(12 mm)一般的拉铸速度也不过每分钟百十毫米,单坯生产效率很低。再次,虽然热型连铸从原理上可以拉铸任何金属,在实验室范围内也已成功地拉铸不锈钢、Co基合金等高熔点合金,但在生产实际中,难以解决铸型长时间在高温下工作与金属反应产生的一些问题。因此要想进一步推广使用热型连铸技术,还需要做大量的改进工作:(1)深入系统地研究工艺参数对生产过程的各种影响,并加强计算机在热型连铸过程控制中的应用研究,使工艺参数的控制精度更高,并使各工艺参数之间能够更好地协调。以计算机控制为核心研制自动化程度高,操作简便,运行可靠,便于维护的热型连铸装备是热型连铸技术产业化的必由之路。(2)对各种不同金属或合金开展广泛的热型连铸应用研究,尤其是金属单晶线材、优质板材、功能材料、复合材料、高合金焊丝、薄壁复杂断面型材等,以先进的技术成果推动产业的发展。(3)开展大截面铸坯热型连铸技术研究,为大规模生产应用开拓新路。由于工艺方法的限制,热型连铸的铸坯牵引速度不可能大幅度提高,要提高单坯生产效率,只有增大铸坯断面积;另外,按吨位计,非电子工业对优质铜材的需求更大。因此,大截面铸坯热型连铸技术是一个值得探讨的新课题。(4)开展金属单晶及其塑性拉伸或压延制品的应用研究。(5)探讨热型连铸技术在金属提纯方面的大规模生产应用研究。冶金工业中的短流程作业是当今世界的发展潮流之一。将热型连铸技术引入冶金生产流程,直接将冶炼所得金属液拉铸成各种型材,不仅缩短金属型材的生产流程,降低能源消耗,而且由于选分结晶和定向凝固形成的提纯机制,也可获得高品位的产品。(6)对热型连铸过程中的流场、温度场,尤其是非稳态情况,以及结晶组织的演变过程等,开展物理数学建模和计算机数值模拟,为工艺参数的优化与智能控制提供理论基础 26,27。参考文献:1?Ohno,A tsum.i Continuous Casting of SingleCrystal Ingots by theO.C.C Process J.Journals ofM 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39页)4?使用现代铁水净化技术,降低铸造成本,增加企业利润?由于使用现代铁水净化技术,在对铁水进行长效孕育的同时,可以强烈地净化铁水,细化晶粒,降低铁水含磷量,从而大幅度提高铁水综合质量,所以在炉料配置中,可以使用较低牌号的新生铁,可以较大量地使用回炉铁,尤其可以使用低质量甚至极低质量的废铁炉料,使炉料成本大幅度下降,从而增加企业利润。使用低牌号新生铁和低级废铁炉料后,是否可以保证铸件产品的质量呢?答案是肯定的。这是充分发挥了铁神一号净化剂长效孕育作用,对铁水强烈的净化作用和明显细化晶粒作用等综合作用的结果。四川省都江堰市金星钢铁助剂研究所于 2004年研究成功、宣传推广铁神一号净化剂,2005年提出铁水净化理论,现在又完整地总结并推广现代铁水净化技术,目的在于使铸造界认识到,只有使用纯净铁水,才能生产出高质量的铸造产品,才能增加铸造企业的利润,才能使铸造企业在残酷的市场竞争中,立于不败之地。参考文献:1?中国机械工程学会铸造分会.铸造手册 M.北京:机械工业出版社,2004.2?蒋祖滨.新型孕育剂,为用户创造新增利润 C.中华铸造技术交流(第 5届),2005,106?109.3?蒋祖滨,刘金海,曾大本.铁神一号净化剂对灰铸铁组织和力学性能的影响 J.铸造技术,2006,(3):234?236.4?蒋祖滨,刘金海,曾大本.铁神一号净化剂对球墨铸铁组织和力学性能的影响 Z.试验报告,6?10,().5?陈启明.铁神一号净化剂在建成(抚顺)铸管及配件有限公司使用情况的介绍 Z.().6?李玉中,舒信福,等.低碳球铁研究的现状与展望 J.现代铸铁,2005,(5),29?32.512006年第 4期?赵干,等:热型连铸技术在单晶铜生产中的应用状况