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行業(yè)新聞

銅桿的熱加工

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1 傳統(tǒng)銅桿加工工藝
    傳統(tǒng)制造電線電纜用銅桿是由品位在99.95%及以上的電解銅鑄成韌點銅(ETP銅)線錠,再經(jīng)熱軋而成。

1.1傳統(tǒng)韌點銅線錠生產(chǎn)工藝
    工藝過程:反射爐熔化 - 氧化扒渣 - 插木還原 - 鑄錠。
    ① 熔化
    在反射爐中進行。
    爐料除電解銅外可摻入少量廢線。
    裝爐容量10~300t。
    燃料為:煤氣、天然氣或燃油。
    熔煉及澆注周期:如50t爐,約17h。
    ② 氧化扒渣
    爐料熔化后,將壓縮空氣吹入銅液進行氧化。通過吹氣氧化,銅液中的硫及 微量的砷和銻等雜質(zhì)成為揮發(fā)性氧化氣體,被爐氣帶走;其它雜質(zhì)的氧化物和一定量的氧化亞銅(CuO)成為渣,浮在銅液表面而被扒出爐外。在整個氧化過程中,渣被陸續(xù)扒出去,直至銅液面不再浮起稠渣而形成一層CuO液層為止。此時可認為氧化完畢。
    氧化完畢,取銅樣觀察不再有由析出二氧化硫而生成的小氣泡,銅樣呈脆性,擊斷斷面呈磚紅色,結(jié)晶粗松無光澤。此時,熔解在銅液中的氧化銅(Cu2O)達6~10%。
    在氧化過程中,銅液熔解Cu2O的數(shù)量與溫度有關(guān),溫度越高則熔解越多,故氧化時溫度不宜過高,一般控制在1070~1090℃。
    ③ 插木還原
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    青木桿在銅液池的高溫下干餾,放出H2O、CO2、H2及其它碳水化合物等氣體,強烈攪動銅液。這種還有性氣體逐步將氧化銅(Cu2O)還原成金屬銅。另外,插木還原還能將銅液中的氧去除,使韌點銅(ETP)變成無氧銅(HCOF)。
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    在還原進行中,不斷取樣觀察,當還原足夠時,銅樣很難擊斷,斷口呈玫瑰紅色,結(jié)晶細密,發(fā)射狀晶體面上有絲質(zhì)光澤。銅在此時達到韌點,故稱韌點銅。
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    韌點銅含氧量約為300~500ppm。
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    在插木還原時,要保持適當?shù)牡蜏?,以縮短還原時間。插木還原過頭時,由于銅液中熔解了過量的還原性氣體H2及CO,在凝固時大量析出,致使?jié)沧⒊龅你~線錠除導(dǎo)電率下降、性質(zhì)變脆外,還含大量氣孔,甚至線錠表面會變成“開花饅頭”一樣,難以使用。
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    ④ 鑄錠
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    在鑄韌點銅線錠生產(chǎn)中,銅錠表面會形成10~12mm厚的富氧層和氣泡層,這層脆弱疏松的富氧 - 氣泡層在線錠扎桿時,會被軋薄包在銅桿表面,小部分會夾入銅桿內(nèi)。用這種桿拉出的線表面不光、容易起皮、脆斷,很難拉出細線。這就是用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)銅桿的局限性。
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    富氧 - 氣泡層的厚度與澆注溫度有關(guān),澆注溫度越高,氣泡層越厚。在實際生產(chǎn)中,澆堡口銅液的溫度最好控制在1100~1120℃范圍。
    把銅液池中的殘渣扒凈,用干木炭覆蓋銅液面,在銅液中插入新鮮的青木桿,進行插木還原。
    此外,在αCu/ Cu2O共晶體界面上有較大的Cu2O共晶體顆粒存在(約100μm),這對拉細線極為不利,這種顆粒通過銅錠刨面、銅桿剝皮等措施也難以去除。

1.2 傳統(tǒng)銅桿軋制工藝
    在軋制提供前,銅線錠先經(jīng)再熱爐加熱到約900℃,而后喂入回線式軋機,經(jīng)粗、中、精三段熱軋和14個孔型軋成Ф7.2mm黑銅桿。
    再經(jīng)酸洗后冷拉成線。
    由于韌點銅線錠的缺陷,使回線式軋制桿難免有邊翅、卷包及氧化皮夾入等。

1.3  傳統(tǒng)高導(dǎo)電無氧銅錠生產(chǎn)工藝
    含氧量300~500ppm,含銅量99.95%以上的銅液,經(jīng)過“去氧器”(一個由 耐火材料填襯的,裝滿高質(zhì)木炭的特殊閉合容器)脫氧,也可以制成高導(dǎo)電無氧銅,其為:
    把銅液在1150℃時,通過木炭覆蓋的流槽,連續(xù)流過“去氧器” 脫氧,銅 水注入“去氧器”內(nèi)的木炭表面,除去所含殘余氧分:      
            C + Cu2O → 2 Cu +CO
            CO  + Cu2O → 2 Cu + CO2
銅水從“去氧器”流出時,氧可完全脫出。脫氧銅水通過一流槽流入密閉的保溫爐,流槽和保溫爐都為特制的保護氣體所充滿,保護氣體成分為:CO 27%、CO2 0.5%、其余為N2。保護氣體不應(yīng)含H2和H2O或其它碳水化合物。

2 現(xiàn)代ETP銅桿的連續(xù)生產(chǎn)工藝
    傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的銅桿,其含氧量一般在300~500ppm之間,且這部分氧除 分布在90%的鑄錠截面外,其余10%鑄錠截面(鑄錠上表面,厚度10~12mm的富氧層)也吸收同樣多的氧分。所以,傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的銅錠,除非刨面才能軋成含氧量300~500ppm的銅桿。
    現(xiàn)代連熔連鑄連軋新工藝生產(chǎn)ETP銅桿的特點是:連續(xù)式地傾斜或垂直(上引)澆注,鑄錠不會產(chǎn)生富氧層和集結(jié)氣泡層。這樣連續(xù)生產(chǎn)出來的仍應(yīng)該是ETP銅桿(含氧量為250~500ppm),(稱低氧銅桿是錯誤的),其電性能和物理機械特性幾乎和無氧銅(含氧量20ppm以下)不相上下。
    實際,國際上不論采用新法或舊法,都不制作“低氧銅桿”(含氧量100~250ppm)。因為,即使用99.95%以上的一級電解銅原材料,還原到含氧量100~250ppm時,如不在保護氣氛下,仍將吸收大量H2造成氣泡嚴重,導(dǎo)電率下降的鑄錠。

2.1 電解銅豎爐熔化
    在連鑄連軋銅桿的生產(chǎn)系統(tǒng)中,為解決連續(xù)熔銅的方法,世界各國都采用豎爐熔銅設(shè)備(取消了反射爐氧化還原的操作方法)。在豎爐內(nèi)用無(脫)硫的天然氣或石油液化氣采取直接噴射熔化工藝,熱效率可提高65%,減少了外來雜質(zhì)的污染,縮短了開爐時間(冷爐約30分鐘,熱爐5分鐘)且爐內(nèi)不存銅液,停爐可在1分鐘內(nèi)實現(xiàn)。
    電解銅或廢銅料(含銅99.9%以上)由加料設(shè)備提升傾入加料口,銅料被加熱熔化沿豎爐內(nèi)斜坡滑下,再由靠近爐底部的幾排燃燒噴嘴噴出的燃燒氣體上升加熱銅料,自動控制燃料、空氣比例,以保持爐內(nèi)微還原氣氛。
    由于爐內(nèi)只熔化,不精煉,因此,要求燃料無硫或含硫很低。

2.2 銅液從熔化爐到鑄錠機的流轉(zhuǎn)系統(tǒng)
    流轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括:豎爐出來 - 封閉的流槽 - 分渣槽 - 至前爐流槽 - 前爐 - 流槽(含氧量控制)- 分渣槽(含氧量控制)- 澆堡 - 鑄機。
    各流槽要盡量封閉,以防止嚴重吸氧和降溫,并防止雜質(zhì)進入。
    開車時若發(fā)現(xiàn)銅液含氧量偏高,可在兩個分渣槽及澆堡的銅液面上覆蓋干木炭,并調(diào)整燒嘴以得到更為還原性的氣氛(沿流轉(zhuǎn)系統(tǒng)一般要裝15~20個加溫燒嘴,開車正常時,大部分燒嘴關(guān)閉)。

2.3 銅液在熔化及流轉(zhuǎn)中的質(zhì)量控制
    ① 銅液含氧量的控制
    影響銅液含氧量的主要原因:
    a.裝料配比情況(錠頭和肥料等回爐料一般不會影響含氧);
    b.豎爐中銅料通順情況(爐料在爐內(nèi)“搭橋”會增加含氧);
    c.燒嘴氣氛調(diào)節(jié)情況(調(diào)節(jié)燒嘴內(nèi)空氣和燃料的適當比例);
    d.銅液在流轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的情況(ETP銅桿含氧量要求在250~500ppm,從豎爐熔化出來的銅液含氧量控制在100~200ppm為宜。這樣在流轉(zhuǎn)中逐步吸入氧氣,最終不超過500ppm)。
    ② 銅液含硫量的控制
    燃料為脫硫氣體,不會影響。
    銅液含硫量和陰極銅板含硫相同。實際,陰極銅板上的硫在熔化時已燒去,故銅液含硫極少,不會影響質(zhì)量。(應(yīng)注意去除陰極銅板上的“銅豆”)
    ③ 銅液含氫量控制
    對于給定的含氧量和一定熔化溫度,最低含氫量(含氣量)可用調(diào)節(jié)燒嘴和控制流轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。一般情況,開車時,由于錠條含氧量超過500ppm,總有部分錠條被切下回爐,這時要調(diào)節(jié)燒嘴火焰氣氛,并在兩個分渣槽上蓋干木炭。通常,切下1~2t錠條后,就可以把成分調(diào)節(jié)好。

2.4 液澆注系統(tǒng)(略)

2.5 銅桿的軋制(略)

2.6 連鑄連軋ETP銅桿的特性
    ① 連鑄連軋ETP銅桿的含氧量與傳統(tǒng)ETP銅桿的含氧量差不多,都在250~500ppm。但傳統(tǒng)錠子的富氧層分占銅錠全部氧份的一半(這就是傳統(tǒng)銅桿質(zhì)量不良的主要根源),而連鑄連軋ETP銅桿不含富氧層,這是新工藝突出的優(yōu)點。
    ② ETP銅桿連續(xù)生產(chǎn)工藝中,電解銅是在中性或微氧氣氛中快速熔化的,由于不需插木還原工序,所以排除了銅液大量充氣,且澆注溫度可降低到1110~1130℃的低水平,使銅液的吸氧量進一步降低。加之鑄錠凝固迅速和連續(xù)澆注等特點,既不會使鑄錠含有大量氣泡,更不會使氣泡集結(jié)在一起,這就避免了鑄錠組織疏松。
    在鑄錠兩上角邊緣,可能會出現(xiàn)少量微細氣泡和其它輕微缺陷,可用連鑄刨角工藝去除。
    ③ 傳統(tǒng)生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)ETP銅桿中都有大顆粒Cu2O存在,但后者比前者少得多和小得多。后者最大顆粒為4~5μm,超過1.7μm的只占1%;而前者最大顆粒為8μm,超過1.7μm的只占8%。
    大顆粒中含氧量占銅桿含氧量的70%。
    大顆粒Cu2O含量高是拉線斷線的最大危害。
    ④ 連鑄連軋ETP銅桿的生產(chǎn)全過程有利于嚴格的質(zhì)量控制和在線控制。
    ⑤ 含銅量99.95~99.96%的ETP銅桿的導(dǎo)電率可達101.3%IACS左右,但無氧銅桿(HCOF銅桿)要達到同樣導(dǎo)電率需要用較高一級品位(99.97~99.98%銅含量)的電解銅制作。

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