高效连铸结晶器铜管制造与修复工艺浅析

刘建忠，张 毅

（中冶东方工程技术有限公司，内蒙古 包头 014010）

0 引言

连铸机实现高效连铸的核心目的就是在保证铸坯质量的前提下通过提高拉坯速度，进而实现提高产能，多锥度结晶器铜管这一部件则是连铸机的心脏，担负着将液态钢水凝固成所需坯型的主要任务，而这种结晶器铜管又存在着刚度较大、不易变形，制造成本较高、难于修理等优缺点并存的问题。

如何保证结晶器铜管的制造方法能适应现代高效连铸的需求，并具备制作简单降低成本、修复廉价便于拆卸等优点，则是现代结晶器铜管成型技术的重要研究课题。

1 国内现行结晶器铜管制造工艺

国内现行结晶器铜管制造方法主要有：机械切削挤压成型和爆炸成型两种工艺。

1.1 结晶器铜管简介

结晶器铜管是结晶器的核心，主要由纯铜锭或铜合金（如含银0.08～0.12%的银铜合金）材料制作，内层为高性能金属镀层 （0.08～0.1 硬铬或镀镍合金），长度约为700～1000mm （一般控制在850mm 和900mm 之间），壁厚一般控制在坯体规格的8～10%，一般按照下限选择较为合理，内圆角半径一般控制在6～8mm，内腔多为单锥度、双锥度及多锥度等几种，因高速拉伸连铸机铸坯在结晶器铜管中的凝固收缩规律与多锥度结晶器铜管内腔形状非常接近，因此现行设计多采用多锥度结晶器铜管以提高连铸机拉速，尤其在多钢种浇铸中更具有优势，能有效提高连铸拉坯生产效率。

结晶器铜管作为连铸机的重要部件，应具备以下特性：①具有良好的导热性能且内表面耐磨损、多锥度几何形状；②具有较好的结构钢性：高强度、高硬度、散热好；③有较好的耐高温、耐腐蚀和抵抗热应力的性能；④质量要相对较轻，便于拆卸和调整，易于加工制造。

1.2 机械切削挤压成型基本原理

机械切削挤压成型主要采用凸、凹模在卧式或立式压力机（300 吨以上）挤压成型，断面尺寸较大的结晶器铜管，通常要求压力机的压力要达到至少800 吨，并且要多道次挤压成型。工艺流程：原料铜锭→加热→挤压→冷拔→退火→矫形→成品。

结晶器铜管制作工艺的关键是铜管与模具的贴合性，即铜管的内腔尺寸要完全符合模具的制作精度。机械切削挤压成型在加工过程中有几个关键技术难点，主要因素有两点：①壁厚变形量的选择。若铜管在挤压过程中变形量选择小了，铜管内表面不能产生足够的塑性变形，造成铜管不贴模；变形量选择大了，挤压阻力增大，易把成型后的管壁拉直，所以选择合适的挤压变形量是影响铜管内腔精度的关键；②铜管成型的应力变形控制。壁厚较大的铜管，在挤压变形中，内外表面的变形量不一样；外表面的金属被拉的很长，而内表面变形较小甚至有的局部没有变形，这就造成了铜管中存在着很大的内应力，在铜管的后续机加工时，这些应力会释放出来而引起铜管变形，所以在铜管成型过程中要采取适当的工艺措施，消除内应力，得到合格产品。

1.3 爆炸成型基本原理

爆炸成型是指利用可控的化学爆炸能量使金属加工成所需的形状所进行的加工作业。爆炸成型可追溯到1876年，据今已有近140年历史，最初就是利用火药爆炸研究铁板和钢板承受冲击压力的行为研究，后又借助镂花模板和钢丝网模块在金属表面雕刻图案等都是人类从事爆炸成型的早期案例。目前金属爆炸成型的范围主要包括成型、校形、胀形、翻边、雕刻、压绞、粉末压制成型、焊接、表面硬化和切割等。

在金属爆炸成型领域应用中的爆炸是在限定的条件下受控的爆炸形式，其具有独特的理论体系和工程条件。工艺流程：原料铜板→加热→挤压焊接→装模→爆炸成型→脱模→成品。

采用爆炸成型技术加工连铸结晶器铜管，就是利用敷设在毛坯材料表面炸药爆轰所释放出来的巨大能量，对结晶器铜管管坯进行加载，使管坯材料获得足够的能量向芯模表面高速碰击，当管坯材料与芯模完全贴合时，管坯材料的高速运动停止，结晶器铜管管坯内腔则形成与芯模形状完全一致的型腔。这种爆炸成型是一种使毛坯材料在三向压应力状态下发生塑性流动的爆炸压缩成型。

2 国内现行结晶器铜管的修复工艺

结晶器铜管也有使用寿命，达到一定过钢量后，结晶器铜管内层会造成铜管内腔镀铬层及铜管壁多锥度内表面磨损和划伤、横截面变形等缺陷，影响拉坯速度及质量效果，必须采用更换或修复的方式保证连铸机过钢速度和质量。

现行结晶器铜管修复技术方法主要依然是依靠 “机械切削挤压修复成型” 和“爆炸修复成型”。

2.1 机械切削挤压修复成型基本原理

工艺流程：选材→检验→酸洗退铬→退火→扩孔→收口→挤压→打磨→修整→电镀→成型。在经过选材、酸洗退铬、退火等工艺流程的基础上，以液压机装芯模入铜管内，通过凹模减壁延伸挤压、机加修整、电镀成型。缺点是制作精度低、耗材大。

2.2 爆炸成型修复基本原理

工艺流程：选材→检验→酸洗退铬→装模→爆炸塑型→脱模→电镀→成型。爆炸成型修复技术具有针对复杂内腔形状连铸结晶器铜管修复的理论依据和实践经验，所生产的结晶器铜管在修复后，无论是管坯的内腔精度还是铜管材质的硬度都会有一定程度的提高，有效增强管坯使用的寿命，与机加方法相比能更好的降低修复加工成本。

3 机械切削挤压成型与爆炸成型方法综合对比

经有关实验资料查询总结，爆炸成型及修复主要具备以下特点：

3.1 优点

（1）高能率、高性能：单位克炸药爆炸所释放的能量达几千焦耳，而炸药爆炸的时间多在微秒量级，因此在短时间内释放出如此高的能量可形成一段有效的高能率过程，产生压力十几吉帕，温度可实现高达数千度，形成高温高压的材料形成条件，进而对材料的物质形态和金属晶体变化都造成影响，为材料的新工艺、新性能创造条件，爆炸成型可有效强化工件硬度，延长工件使用寿命。

表 机械切削挤压成型与爆炸成型方法综合对比

（2）高效益、高效率：由于爆炸产生的压力高、时间短，因此材料成型速率快、效率高；爆炸成型一般不需要复杂的安装设备，可以有效节省制作成本及修复成本。

3.2 不足

（1）爆炸成型受炸药爆炸效果制约，涉及到药量的控制、炸点的分布、周围环境等因素的制约。

（2）爆炸成型要求铜管与芯模间保持真空状态，因此需设置密封装置、抽真空装置及相应工序。

（3）爆炸成型的应用范围：①形状复杂的加工部件，特别是材料工件形状、尺寸复杂、强度硬度高难以有效加工的零件及和所需承受的加工压力大、车削工序繁琐，对加工设备的能力要求特别高的高强度耐热材料；②实现某些机械加工方法难以实现的加工手段并可保证严格的制造工差，获得较好的表面光洁度；③通过调整工件表面的整体爆炸压力分布，可充分发挥出金属的延展伸缩性，节省机械成型所需中间退火、车削修正等工序，有效避免机械成型时可能产生的局部应力集中现象。

4 结论

采用爆炸成型技术生产和修复结晶器铜管具有高效、节能、成本低、精度高等特点，应用这一技术不再使用大型压力设备和大型数控加工机床，仅在专用爆炸成型装置上，以廉价的炸药为能源，便可实现形状复杂、尺寸精度和表面光洁度要求很高的结晶器铜管。

在新材料、新工艺发展的时代，爆炸成型有着传统加工工艺无法取代的重要作用和巨大潜力；充分利用并发挥好爆炸成型所产生的高温、高压是实现爆炸成型的动力和条件，而材料在高温、高压下发生的不同变化是爆炸成型所产生的各种效果的直接体现，爆炸成型是一个多学科相互交叉、相互渗透的高科技技术产业，未来应有很广阔的应用前景。

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