铜合金管材短流程生产工艺的研究现状与发展

陆延静，丁思远

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)



铜合金管材短流程生产工艺的研究现状与发展

陆延静，丁思远

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

论述了铜合金管材短流程生产工艺的特点、研究现状及应用前景，指出企业应根据自身特点选择合适的短流程工艺路线。

铜合金；管材；短流程工艺；研究现状

铜合金管材以其良好的耐磨耐腐蚀性、高强度以及抑制海洋微生物附着等特性，被广泛应用于电力电气、海水淡化、船舶制造、石油化工、汽车、建筑等关系国计民生的重要领域[1-2]。随着我国经济的迅速发展，国内对冷凝管、同步器齿环管等铜合金管材的需求量增长较大，预计到2015年各类铜合金管材的需求量将达到20万t左右[3]。

目前，铜合金管材的生产工艺仍以传统的挤压法为主，即铸锭—热挤压—(冷轧)—拉伸工艺，该工艺技术成熟可靠，可以生产多种规格的产品，但存在工艺流程长、能耗高和成品率低等缺点。铜合金管材短流程生产工艺取消了铸锭加热、挤压等热加工工序，即管坯制备、冷加工两段式生产工艺，其最大特点是生产流程短，直接由连铸机组生产出管坯，管坯不经加热即进行轧制或拉伸，是一种短流程、低能耗、投资省、低运行成本的生产方法。

短流程生产工艺有水平连铸—行星轧管—拉伸法(铸轧法)、连铸—冷轧—拉伸法(连铸—冷轧法)、上引连铸—连续挤压—拉伸法、热型连铸—拉伸法等。目前铜合金管材短流程生产工艺的研究焦点主要集中在铸轧法和连铸—冷轧法上。

1 铸轧法研究现状与发展

铸轧法在制冷空调用铜管的生产上取得了巨大的成功[4-6]，在生产效率和综合成品率等指标较大幅度的提高同时，制造成本和综合能耗有所下降。目前铸轧法已拓展至铜合金管生产，其中，低镍白铜管(B5、B10)已进入工业化批量生产，HAl77-2等部分黄铜管已试轧成功。新乡金龙集团建立了铜合金管生产线，采用铸轧法生产的低镍白铜管已进入市场并出口到国外。

水平连铸管坯和行星轧制是铸轧法生产工艺中的两个关键工序，其他工序与传统工艺一样已经非常成熟。

1.1 水平连铸工序

水平连铸是实现铸轧法的第一道工序，水平连铸管坯质量的好坏直接决定着合金管的成品质量。与传统生产方式相比，水平连铸技术在提高金属利用率、简化工序、降低能耗等方面具有不可比拟的优势，更能适应现代生产短流程、近终形以及节约能源的要求。因此，利用水平连铸制备空心管坯的技术日益受到研究者和生产企业的关注[7-8]。但是由于铜合金的导热性较差，易形成偏析，采用水平连铸工艺制备的空心管坯存在表面粗糙、晶粒粗大、分布不均、组织偏析、疏松、缩孔等缺陷，管坯质量较差，为后续轧制工序带来不利影响，因此如何提高空心管坯的质量成为科研工作者关注的焦点[9-10]。

电磁场可通过在液体金属中形成热和力的交互作用，提高铸坯的组织、结构和成分的均匀性，提高材料的机械和物理性能。近几年，电磁场在铜合金空心管坯水平连铸过程中的应用日益增加。研究[11-14]表明，在BFe10-1-1空心管坯水平连铸过程中施加电磁场，能够提高金属液流动性和充型能力，从而使BFel0-1-1管坯晶粒明显细化，凝固组织由柱状晶完全转化为均匀细小的等轴晶，同时Ni元素枝晶偏析得到抑制，组织均匀性提高，制备出的薄壁白铜管坯表面光滑无裂纹，管坯的抗拉强度、屈服强度及伸长率均得到明显提高。

大连理工大学[15-16]近年来通过对BFe30-1-1白铜管坯水平电磁连铸工艺的有限元模拟和不断探索，成功制备出了无表面裂纹缺陷、规格为Φ83 mm×20 mm的BFe30-1-1空心管坯，管坯凝固组织致密，具有良好的力学性能。这项技术处于国内领先水平，为利用铸轧法生产BFe30-1-1白铜管创造了条件。

张琦[17]对施加电磁场后铸坯晶粒细化的原因进行探讨，发现在搅拌磁场作用下，铸坯凝固过程温度梯度以及冷却速率的变化是铸坯晶粒获得细化的原因之一。在金属熔体结晶过程中，温度梯度和冷却速率的减小有利于铸坯晶粒尺寸的减小。此外，搅拌磁场作用于金属熔体产生的脉动电磁力也是铸坯晶粒获得细化的原因。

在这一环节过程中，需要学生较为快速对各种数据信息进行分析与处理，尤其是较为浅显的信息应在图上进行快速标记，还有一些信息则需要学生通过题干中的未知量以及相应的坐标信息等对线段的长度距离进行表示，还需要学生较好地对距离与坐标之间的内在联系有着良好的掌握。

尽管在水平连铸过程中，电磁搅拌能产生很好的细化晶粒，消除偏析等冶金效果，但是如果施加的位置或搅拌强度不当就会导致凝固坯壳厚度不均匀，产生表面缺陷或产生夹杂。在对铸坯质量要求越来越高的情况下，施加单一的磁场已经无法获得高质量的铸坯。因此，对复合磁场的研究越来越多，实验结果表明[18]，在空心管坯连铸过程中选择施加复合电磁场的方法，不但能够有效减小液穴深度，提高生产效率，而且有利于凝固坯壳厚度的均匀化，防止裂纹的产生，进一步的改善铸坯的质量。

1.2 行星轧制工序

铸轧法技术的核心是行星轧制，与传统挤压生产工艺相比，行星轧制突破了铜管材加工流程长、能耗高、效率低的束缚，使得铜管铸轧加工工艺成为可能，轧制管坯可直接进行拉制加工，无需中间退火。

由于铜合金管的强度高、变形抗力大，塑性较差，三辊行星轧制过程中管材易出现开裂，为此科研人员对轧制工艺参数进行了不断的调整和优化[19-21]，通过对BFe10-1-1管坯三辊行星轧制进行有限元模拟分析确定工艺参数，并进行了实验研究。结果表明，轧制出的BFe10-1-1白铜管外表面光亮，纹路均匀清晰，无裂纹起皮，塑性和延伸性能好，无需退火即可拉拔出符合要求的铜合金管。但是与TP2铜管三辊行星轧制工艺相比，BFe10-1-1铜管轧制时温度达850℃，设备载荷增加30%以上，因此，原有模具材料已不能满足要求，应选用耐热性更好的模具材料。

目前，采用铸轧法己成功制备紫铜管和低镍白铜管，且性能稳定、生产效率高，然而对于黄铜管却一直未能实现。这是因为黄铜尤其是HAl77-2铝黄铜在400～600℃时塑性极低，即存在“中温脆性区”，在此温度范围内轧制时黄铜管容易开裂。由于铜管在行星轧制过程中从最初的室温逐渐升高至终轧温度750℃以上，要想解决黄铜行星轧制过程中管坯开裂的问题，就需要在轧制过程中避开其“中温脆性区”。在理论分析和数值模拟的基础上，吴朋越[22-23]通过对管坯加热，并改变管坯规格、轧辊型线及其倾角、润滑条件等工艺参数，用三辊行星轧机成功制备出HAl77-2铝黄铜管，管材轧制后组织均匀，外表面质量良好，内表面光滑，管材内外表面无裂纹，抗拉强度和延伸率符合要求。通过后续拉伸，管材内外表面质量较好，无裂纹、伤点等缺陷出现，材料的力学性能和挤压法生产的产品基本一致。其工艺流程为：水平连铸(Φ89mm×25mm)→铣面→三辊行星轧制(Φ45mm×3.1mm)→拉伸(Φ40mm×2.6mm)→退火(温度520℃/保温3h)→拉伸(Φ35mm×2.1mm)→拉伸(Φ31mm×1.6mm)→退火(温度520℃/保温3h)→拉伸(Φ28mm×1.25mm)→拉伸(Φ25mm×1mm)。

1.3 其他工序

铸轧法其他工序包括联合拉伸、圆盘拉伸及在线光亮退火等工艺，这些工艺技术已广泛应用于纯铜类管材的生产，大大提高了生产效率，节省了设备投资和运行成本，同时使产品组织和物理性能保持很好的一致性。目前一些企业也成功将这些工艺用于铜合金管材的生产中。

浙江海亮股份将二联拉串联拉伸技术首次应用在铁锰白铜和铝黄铜管材生产中，并把二联拉、矫直、定尺锯切、管端倒角、涡流探伤、成品管脱脂除油清洗连接成一条流水作业线。该流水作业线具有自动化程度、生产效率和成材率高，拉伸道次少以及可生产数千米长管材的优越性。同时海亮股份采用了自主研发的惰性气体保护、天然气加热一喷淋强制冷在线光亮退火新技术生产HAl77-2冷凝管，可获得长度约75m、晶粒细小均匀、表面光亮的管坯，并达到节能降耗的目的。

试验研究[24]表明，BFe10-1-1 管材无需中间退火即可实现盘拉，盘拉总加工率可达到90%以上。刘关强等人[25]采用独自研制开发的盘拉工艺，实现了BFel0-1-1合金圆盘拉伸和无酸洗环保化生产，可生产18m以上的BFel0-1-1超长冷凝管，生产效率是直管拉伸的4～6倍，成品率比直管拉伸提高10%以上。

2 连铸—冷轧法研究现状与发展

2.1 水平连铸—冷轧法

即水平连铸空心管坯—皮尔格冷轧管—退火—盘拉或直拉的生产方法。该方法是采用水平连铸方式生产出小规格管坯，直接上皮尔格冷轧管机进行轧制，之后经拉伸、退火、精整至成品。水平连铸—冷轧法具有工艺流程短、模具费用低、能源消耗低、占地少、投资省等诸多优点。

文献[26]探索了采用水平连铸—冷轧法进行H65、H80及HAl77-2黄铜管生产，重点对水平连铸—冷轧法中的两道关键技术，即水平连铸空心管坯和皮尔格冷轧开坯技术进行深入研究。通过对铸造温度、拉坯制度、冷却工艺等参数的改进从而实现H65、H80和HAl77-2空心锭的水平连铸；采用空心锭冷轧开坯，不仅可明显缩短工艺流程，显著提高铜管成材率，而且可有效纠正管材偏心，并减少起皮缺陷。对水平连铸—冷轧法新工艺与挤压法传统工艺生产的H65、H80和HAl77-2黄铜管的组织与性能、成品尺寸精度及成品率进行综合比较。结果表明，水平连铸-冷轧法与挤压法生产的H65、H80和HAl77-2成品组织和性能相当，产品质量均达到相关标准和用户要求；与挤压法相比，水平连铸—冷轧法的综合成材率可提高约20%～30%，成品偏心率可降低4%～8%，另外还可实现节电约300～500度/t以上。

目前，国外有意大利Sitin—dustrie公司，国内有江阴中诚、江苏金鑫铜管等公司采用该法生产铜合金管。但由于该工艺是将铸造管坯直接进行冷加工，因而，为使合金的组织与性能达到较高的质量要求，至少需要进行两次以上的退火工序并保证由铸造管坯到成品留有足够的加工余量。

2.2 上引连铸—冷轧法

即上引连铸空心管坯—皮尔格冷轧管—退火—盘拉或直拉的生产方法。

上引连铸系立式铸造，管坯径向晶粒分布优于水平连铸；轧管为皮尔格冷轧，轧制中轧件温升低，不能实现动态再结晶，需进行中间退火使其铸造组织得以改善，从而生产出晶粒细化的最终产品。该法对连铸管坯质量要求较高，必须具有均匀和细化的晶粒组织结构。由于如何确保铸造组织的破碎，以形成方向性不十分强烈的再结晶晶粒组织等关键技术需进一步完善，因此上引连铸—冷轧管/长链拉伸铜管生产技术一般用于中小水道管、空调连接管和无氧铜管的生产。

近年来，上引连铸—冷轧法已扩展到铜合金管的生产上。郑州贯中特种金属材料研究所等单位研究开发了上引连铸生产铜合金管技术，上引连铸生产了BFe10-1-1、BFe30-1-1、HAl77-2、HSn70-1等40多个品种。其与桂林漓佳合作研发，采用上引连铸—冷轧法，生产出B10和HAl77-2管材，规格为Φ25mm×0.7mm×6～14m和Φ19mm×0.7mm×6～14m，已实现出口。上引管坯Φ45～80mm×3～10mm，经环孔型、长行程冷轧—拉伸—自动涂脂(解决表面碳化)—光亮退火；上引连铸机可同时引10个头，日产能约10t。

根据文献报道[1]，与传统挤压法相比，采用上引连铸—冷轧法生产铜合金管，成品率提高30%以上，能耗及投资均大幅下降。

3 铜合金管材短流程生产工艺比较

从铜管技术发展的方向来看，短流程和低能耗是未来发展的方向，目前铜合金管的短流程生产工艺如铸轧法、连铸—冷轧法已日趋成熟。

铸轧法具有生产流程短、能耗低、占地面积少、工程投资费用低、成品率高、生产效率高等优势，可大大降低生产成本，通过对设备、工艺、工模具的创新与改造，能够生产出部分合金牌号的合格管材，使大卷重合金盘管的生产成为可能。但铸轧法具有一定的局限性，由于水平连铸不宜频繁更换合金牌号，且行星轧机的轧制规格受到限制，无法得到任意所需的规格。因此，铸轧法适用于具有较大产量的规模化生产，而对于多牌号、多规格、小规模的产品采用此法则可能会得不偿失。此外，由于生产设备和工艺技术的限制，对于石油化工、油轮等行业或部门使用的大规格厚壁管材，利用铸轧法暂无法生产；而对于海水淡化等用途的小规格超长冷凝管，铸轧法不失为一个好的选择。

连铸—冷轧法具有流程短、能耗低、投资省、运行成本低、生产方式灵活等特点，非常适合于多牌号、多规格、中小规模合金管材的生产。目前该方法所生产的产品已经部分投放市场，但产品总体质量状况仍有待改善和提高。相信随着工艺的完善和技术水平的提高，该生产方式能够提供出品质优异的铜合金管材产品。

4 结束语

尽管铸轧法和连铸—冷轧法已成功应用于铜合金管的生产上，但由于受设备能力和工艺条件的限制，目前仍仅局限于中小规格管材的生产，对于大规格铜合金管目前多数生产商仍采用传统的挤压法生产。因此，铜管加工企业应结合自身特点、业务领域、生产规模、装机水平等多方面因素，选择符合自身企业发展的短流程工艺路线。

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Research Status and Development of Short Process

of Copper Alloy Tube Production

LU Yanjing, DING Siyuan

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

The paper summarized the characteristics, research status and prospects of short process of copper alloy tube production; it pointed out that implementing an appropriate short process depends on the needs of the enterprise.

copper alloys; tube products; short process; research status

2015-01-23

陆延静(1982- )，男，工程师，主要从事有色金属加工工程设计工作。

TG359

A

1671-6795(2015)03-0009-04