铜及铜合金带坯立式连续铸造工艺及设备介绍

许冠浩

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

1 工艺发展历史

铜及铜合金带坯立式连铸工艺最早由瑞典Gränges公司研究开发，研究的初衷是为了解决水平连铸生产带坯所产生的重力偏析、效率低等问题，其在1983年成功工业化生产宽320mm、厚25mm的铜带坯。Gränges公司后来由芬兰Outokumpu公司收购，Outokumpu公司利用带坯立式连铸工艺生产自己的产品，产品厚度一般为大于20mm的铜及铜合金带坯。1987年Outokumpu公司立式连铸部与德国Technica-Guss公司水平连铸部合并形成Krump-Technica公司，1989年更名Demage-Technica，1999年成立Demage+SMS MEER Gmbh,最终于2005年统一合并于德国SMS集团的SMS-MEER公司。

从上个世纪90年代开始，Technica公司一直致力于带坯立式连铸工艺的技术研究，以达到可生产厚度为16mm～18mm的铜及铜合金带坯的目标，该厚度范围可以满足常用冷轧机的供坯需求。Technica公司研究的关键是如何顺利的将铜液导入窄结晶器内铸造成带坯，该研究最终促成了带坯热顶铸造技术的产生。随后，Technica公司联合比利时的Cumerio公司(原MHO公司)对带坯立式连铸工艺进行试验，最终实现采用立式连铸工艺稳定生产DHP和青铜带坯。2006年俄罗斯的基洛夫有色金属加工厂(隶属于乌拉尔矿业集团)从SMS-MEER公司采购了一套铜及铜合金带坯立式连铸机组，并于2007年投入生产[1]。

随着SMS-MEER公司对带坯立式连铸工艺及设备的研究与开发，目前，该工艺可以生产紫铜、普通黄铜和部分复杂黄铜、青铜、白铜等合金，带坯宽度最宽可达700mm，铸造速度可达600mm/min，其发展目标是可以生产全部合金牌号及规格的铜及铜合金带坯。

2 设备组成介绍

铜及铜合金带坯立式连铸机的组成见图1。铜及铜合金带坯立式连铸机所配置的保温炉自带浇注头，浇注头上安装控流系统自动控制铜液流量。控流系统工作原理是：采用液面检测装置检测热顶内铜液液面高度波动情况，然后将液面检测装置检测信号反馈给控流系统，控流系统根据检测信号驱动电机控制塞棒转动，从而控制铜液流量大小，最终达到控制热顶内铜液液面稳定的目的。控流系统也可以采用手动操作。

热顶设置在结晶器上部。热顶铸造是指结晶器顶部有一段具有良好保温性能区域的铸造形式[3]。热顶是带坯立式连铸机的关键技术，在下文专门对带坯热顶技术进行详细介绍。带坯立式连铸机的结晶器类似于水平连铸的结晶器，其由带水室的冷却器、石墨内衬、框架及连接件组成。结晶器的水路设置是保证铸坯冷却效果的关键，为保证冷却效果，一般将结晶器水路分区控制，并设置冷却水精确调整和控制系统。另外，结晶器石墨模的两侧面增加加热器，用于加热铸坯小面以防止铸锭角部过早冷凝。

结晶器下面设置二次水水箱。结晶器内冷却水通过结晶器底部流口喷射到铸坯表面形成对铸坯的二次冷却，目的是将铸坯进一步冷却至50℃左右，以利于后续的铣面、弯曲和矫直等作业。二次冷却水由二次水水箱收集，为防止冷却水洒落到下部的设备上，二次水水箱与铸坯间的密封圈非常重要。二次水水箱内设置溢流孔，冷却水通过溢流孔溢流回循环水泵站。

牵引机将铸坯从结晶器内不断引出，牵引速度要求可精确控制，并连续可调。牵引机牵引方式可采用液压夹紧辊或者液压夹钳，驱动方式一般采用伺服电机、电液脉冲马达或者液压马达。

在线铣面机用于铸坯铣面。铣面的目的是清除带坯表面气孔、夹渣、冷隔、裂纹和偏析等缺陷。该在线铣面机主要铣铸坯的两个大面，铣面厚度为0.25mm/面～1.00mm/面，紫铜类等表面质量较好的铸坯可以不用铣面，以提高产品的综合成品率。

弯曲机构和矫直机构主要目的是将铸坯由垂直于地面状态转换为平行于地面状态，以便于铸坯出料。剪切机用于将铸坯中断和剪切试片，剪切机在剪切过程中可与铸坯保持同步运行。卷取机为3辊卷取机，用于将铸坯卷成卷状。铸卷的卷重、卷径(内径和外径)和塔形等均要满足后续轧机开卷的需求。

3 生产工艺过程介绍

原料由加料装置加入熔化炉内熔化，熔化后铜液经过成分分析和调整后，转入带浇注头的保温炉内保温静置，并调整铜液浇注温度；然后将铜液经安装在保温炉浇注头底部的浇注管注入热顶内，铜液由热顶流入结晶器内，并在结晶器内冷却凝固成铸坯，铸坯由牵引机向下牵引增长，并经二次冷却水冷却至50℃以下；然后经在线铣面机铣去铸坯两个大面的表面缺陷，并由弯曲机构将铸坯弯曲，弯曲后铸坯经矫直机构矫直后，铸坯由垂直于地面状态改变为平行于地面状态；然后，铸坯经卷取机卷取成卷，待卷重达到设定重量后，由剪切机将铸坯中断，经检查合格后用天车将铸卷坯吊至堆放区堆放。

4 带坯立式连铸工艺热顶技术介绍

采用立式连续铸造技术生产带坯，由于结晶器的小面太窄，无法采用浇注管直接向结晶器内转注铜液，并且为了在结晶器宽度范围内同时均匀、等速的注入等温的铜液(类似于水平连续铸造的供流方式)，经过研究，SMS-MEER公司引入了热顶技术。铜及铜合金带坯水平连铸供流方式示意图见图2，立式连铸热顶供流方式见图3，热顶装置组成见图4。

由图2和图3可知，带坯热顶装置可以在结晶器上方储存一定容量的铜液，类似于水平连铸机组保温炉的作用。因此，铜液可以由热顶全充满式流入底部结晶器，与水平连铸的铜液由保温炉前端流入结晶器内的供流方式相似。

由图4可知，热顶主要由石墨内衬、电阻丝、固定装置和夹持装置等组成。热顶设置在结晶器上方，与结晶器固定于一体，其主要作用是在结晶器顶部形成广口型腔，方便铜液注入，并可以在整个结晶器顶部形成熔液池，则铜液可以在结晶器整个型腔范围内同时、等速、均匀的流入结晶器内。

另外，铜液在热顶内不能有太大的降温，更不能凝固，因此热顶需要有良好的保温效果，同时要有加热装置加热铜液。因此，热顶的石墨内衬四周设置了电阻丝，以加热热顶内铜液。

5 结语

带坯立式连铸工艺及设备经过30年的发展，其采用热顶技术，解决了如何向小面很窄的结晶器内浇注铜液的技术难题，使铜液可以在结晶器宽度范围内同时均匀、等速、等温的注入，从而生产出质量合格的铸坯，可直接向冷轧机供坯，属于典型的短流程生产工艺，具有较好的应用前景，值得我们深入研究分析。