铜合金熔铸设备技术要点探讨(续)

杜志科 胡兆奇 王家峰

(1中色科技股份有限公司，河南 洛阳471039)(2富威科技(吴江)有限公司，江苏 苏州215026)

制。如熔保炉熔体温度和加热体电源闭环，但是熔体温度无法直接测量，且加热响应时间长；由于铸锭速度直接测量难度大，引锭机通常是引锭辊的线速度和驱动电机闭环；结晶器的冷却强度通常根据经验设定，即使水量可以控制，控制曲线也是经验绘制，而不是根据铸造区工况调整。

其次是铸造过程中，人工操作或者人工干预很少，操作对减少辅助时间影响不大。

另外，熔铸设备的运动速度受合金铸造性能限制，铸造速度通常不可能太高，也可以说是低速运行，现代化设备的性能可以轻松达到铸造速度要求，速度不是制约点。

因此铸造设备的自动化不能像其它设备一样追求高速性能、操作的方便性、提高生产效率；而应该是提高设备运行的可靠性、可控性。

电气自动化装置通过测量、反馈及时响应调整达到铸造工艺参数的要求，减少人工干预。当实际运行工况偏离设定值时，电气系统自动纠正，如果无法纠正说明设备运行异常，采取及时报警，均可有效提高设备可靠性，可控性。

2.4 熔铸机组的核心是实现合金的稳定铸造，机组中的每台设备都要围绕铸造运行，后部设备应尽量减少对铸造的影响

熔铸机组设备的组成较复杂，通常包括完成冶金功能的熔铸保温炉组，简称熔保炉。铸造核心工艺设备结晶器(包括冷却水系统)，称作结晶器；为实现铸造拉铸工艺而设的牵引机或引锭机，统称为引锭机；为了满足后道工序要求增设在线后续带坯处理设备，如铣面机、剪切机或锯切机、卷取机等后部设备。

由于铸造过程工艺复杂影响因素多(如冷却温度、冷却强度、结晶器入口压力、拉铸速度、带坯出口温度等)，而上述因素又无法直接测量，不能实现闭环控制，因此达到稳定的铸造工况并非易事。为了铸造合格带坯，机组中的熔保炉、结晶器、引锭机都必须稳定可靠，满足铸造工艺的的要求。

机组在线后部设备完成附加功能，它是铸造机组的附加设备，在运行时，对铸造的影响必须减少到最低。

2.5 结晶器结构、冷却方式及配套铸造工艺

铜合金结晶器种类繁多，结构各异，冷却水室及冷却水系统也各有千秋。概括讲结晶器应热传导均匀，导热系数要高。就具体结构来说结晶器总体强度要求高，尤其是在高温环境下变形要小；传热导体的材料应选择热膨胀系数小的，受热时形状稳定，即使受热不均匀时局部变形要小，不能影响热传导的分布。常用材料有锻造高铜合金、银铜、铜铬锆合金、高强石墨等。零件的接触面要求接触严实，不能有局部空隙，如石墨与冷却铜套之间的平面度要在5级以上；冷却水室内部分布均匀，且在不影响强度的情况下，尽量靠近结晶区；冷却水分配装置应控制冷却水流在结晶器内均匀，并且可以根据铸造情况适当调整。

2.6 在熔铸设备中降低单位产品的能耗，减少环境污染是永无止境的探索方向

熔铸设备是有色金属加工行业的耗能大户，也是污染大户，正说明节能减排技术在熔铸领域大有发展潜力。现在有的科技人员正在通过综合治理，探索减少炉组单位产品能耗的方法，实践中有一定的效果，希望尽快推广。

3 铜合金熔铸设备技术发展方向

上述总结了熔铸设备的技术要点，以此为出发点探索分析其技术发展的方向。

3.1 突破现有铸造工艺限制，探索高速铸造的工艺和装备

高速铸造在铝合金铸造中已是成熟技术，其铸造速度是传统铸造速度的数倍，且铸坯的金相组织明显改善，可避免合金的偏析，如超薄高速铸轧、高硅铝半连续铸造等。但铜合金铸造技术在这方面探索较少，首先应从结晶器内部结构出发，创建全新的铸造工艺和设备。比如探索新型结晶器的冷却水路结构，提高冷却强度和热交换场的一致性，改善铸坯的结晶组织，有效提高铸造速度。国外试制的全石墨材料结晶器可提高铸造速度两倍，我们也应多方面探索。

3.2 延长铸造周期，尤其是连续铸造

要提高结晶器使用寿命，减少结晶器内腔或石墨模的损耗，提高结晶器单周期使用寿命，同时要优化与设备相适应的铸造工艺。

3.3 通过建立铸造控制数学模型，实现铸造工艺全自动控制

由于现有设备只能实现机械设备自身的闭环控制，因此铸造设备的自动化大有可为，自动化的研究可以从下面几点突破。

首先要探索直接检测测量的方法，检测元件和检测系统必须变间接测量为直接测量。如炉温测量现采用热电偶通过保护套测量，测量误差大，需要周期性人工快速热电偶矫正，如果有一种热电偶可以长期与熔体接触，连续输出测量温度，才能真正实现炉温控制；带材出口温度多为手动测量，由于带材表面氧化层不均匀，颜色变化大，激光测量也无法做到高精度测量，同样需要直接测量带温的方法；再深入探讨应该解决在线检测铸造带坯质量的理论和方法，通过检测带材质量参数即时调整工艺，目前这方面应该说是技术空白。

再则建立机组数字化、系统化的控制理论。现在机组各个控制点自成系统，参数单独控制，如炉温、冷却水流量、拉铸速度等均是单项控制，需要建立机组统一系统，根据铸造情况系统控制。前提是数字化控制，这方面最迫切的是炉温的检查和控制。熔铸控制系统不像轧制工艺响应频率越高越好，而要考虑铸造响应速度低的特点，即铸造滞后时间长，当参数调整后其效果往往数分钟，甚至十几分钟后才能显现。因此控制系统必须考虑滞后现象。

最后建立与轧制类似的自适应二级系统。由于铜加工合金品种繁杂，类似系统比铝加工更有实际意义。首先要建立各个合金的模拟铸造数学模型，通过不断实践矫正，优化工艺参数，通过炉温、冷却水流量、拉铸速度等系统控制提高铸造质量和效率。

3.4 辅助铸造技术的应用

如电磁辅助铸造技术已在个别铜加工厂试验，取得了不少成功经验，目前要做好推广工作。炉组和结晶器氮气保护铸造，可以减少氧化，降低含氧量，提高铸坯质量。

3.5 大力推广节能减排技术

熔铸生产是铜加工工业的能耗大户、污染大户，应大力加强减排增效措施。如提高炉组的热效率、科学加盖熔体覆盖剂减少金属损耗、有效的烟尘收集系统、冷却水闭式循环重复使用等，这些措施简单易行，效果明显。

4 铜带水平连铸典型技术参数及说明

铜带水平连铸机组见图2。

某铜带水平连铸几种典型技术参数：

合金：黄铜、青铜、锡磷青铜等铜合金带坯卷材

同时生产两条带坯：每条宽450mm-330mm,厚14mm-16mm(未铣面)

成品卷规格

卷材内径： φ500-800mm

卷材外径： φ1800mm

最大卷重： 6000kg

成品厚度及偏差

厚度： 14-16mm

图2 铜带水平连铸机组

横向公差： 0.10mm

纵向公差： 0.15mm

生产能力： 1-1.5t/h

熔化炉熔化能力：1.65t/h

保温炉熔化能力：1t/h

保温炉温度控制范围±10℃

最大推拉力： 50KN

推拉速度： 1.5-70mm/sec

平均最大铸造速度： 300mm/min

最小行程范围： 0.1mm

最短停歇时间： 0.01sec

带坯上下面各铣削深度： max=1.5mm

铣刀的切削速度： 150、200、250mm/min 三种

该机组参数的确定充分体现了铸造设备的技术要点。为了保证机组可靠运行，正常铸造最大推拉力在10KN左右，设计值达到50KN；引锭机最小行程范围0.1mm和最短停歇时间0.01sec满足了铸造工艺精确要求；受工艺限制实际平均最大铸造速度不可能达到200 mm/min，而设备确定为300mm/min；铣面机正常铣削深度0.5 mm，而设备能力选择1.5mm且有三种速度选择。熔炼炉综合考虑熔炼能力和能耗，熔化能力选择1.65t/h，是最大铸造要求1.1 t/h的的1.5倍。保温炉熔化能力1t/h体现了保温炉要求控制熔体温度，需要小功率连续加热的特性。

[1] 肖文奎 李耀群《铜及铜合金熔炼与铸造技术》冶金工业出版社 2007

[2] 杜志科《450mm锌白铜带坯水平连铸机组技术特点》《有色金属加工》2005年第06期

[3] 杜志科，赵明, 朱学北, 《铜板带加工设备研发概述》《2005中国首届国际铜板带研讨会文集》 冶金工业出版社 2005