上引法連鑄的工藝與設備

2016-05-09  來自: 新鄉市奔騰電工設備有限公司 瀏覽次數:2910

    本文介紹了上引連鑄機的工藝特點及裝備,為進一步開拓市場,增強國產上引法設備在國際貿易中的競爭力,不斷改進上引法的工藝裝備是十分必要的。同時,此舉也可以進一步開拓上引法在其它工業領域的應用。



    一、概述隨著電氣工業的蓬勃發展,對電線電纜制品的質量要求也隨之提高,需要使用更多的雜質含量少,含氧量低的高純銅,高純銅的特點在于高導電率、高密度、極優的塑性和良好的抗疲勞強度。


    目前世界上普遍采用的生產高純銅的方法有銅的連鑄連軋法(Continuous Casting and Rolling)、浸涂法(Dipforming)和上引法(UP-Casting)。上引法與連鑄連軋和浸涂法相比,其特點是:


    1. 由于拉軋工藝與鑄造工藝不是連續的,拉軋是在常溫下進行的,不需氣體保護,銅材也不會被氧化。因此設備投資小,廠房布置也靈活。


    2. 單機產量變化范圍大,年產量可以從幾百噸到幾萬噸,可供不同規模的廠家選用不同型號的上引機組。此外,由于連鑄機是多頭的,可以很容易地通過改變鑄造規格(鑄桿直徑),來改變單位時間的生產量,因此其產量可視原材料的供應情況和產品的需求情況來決定,便于組織生產,節約能源。


    3. 只需更換結晶器和改變石墨模的形狀,即可生產銅管,銅排等異型銅材,并可在同一機器上生產不同規格、品種的銅材,靈活機動,這可說是上引法的特點了。


    4. 如果采用分體爐,即熔化和保溫在二個感應爐中進行,則就比較容易實現用上引法生產合金銅材。


    二、工藝原理上引法連鑄銅桿的基本特點是"無氧",即氧含量在10ppm以下,在電解銅熔化,銅液轉移,結晶成型的整個工藝過程中,采用木碳還源和鱗片石墨覆蓋、隔氧等措施。氧在熔融銅液中是以氧化銅(CuO)和氧化亞銅(CuO2)的形式存在的,木碳(C)在高溫下與其作用,可以脫氧,使其氧含量小于10ppm,反應方程式如下:

    CuO+CuO2+C→Cu+CuO+CO→2Cu+CO2↑在反應過程中產生的CO保護氣氛和鱗片石墨的隔氧作用,使銅液在熔化腔向保溫腔的轉移及結晶過程中,銅液不再被氧化。 


    三、設備簡介電解銅經剪切(或整塊),用人工(或機械)加入工頻感應熔化爐(或連體爐的熔化部分),熔化是在木炭覆蓋保護下進行的,熔融的銅液經過一段時間的靜止還原脫氧并達到一定的溫度后,通過有CO氣體保護的流槽(或連體爐的溢流口)經過渡腔(銅液在此進一步還原脫氧、清除渣質),進而平穩地流入保溫爐(或連體爐的保溫腔),銅液的溫度由熱電偶測量,溫度值由儀表顯示。爐子輸入功率可以根據設定的溫度自動調節,也可根據銅液的實際溫度電動調節,以控制銅液的溫度在一定的范圍內。 連鑄機固定于保溫爐的上方,有6頭、8頭、多至20多頭等多種形式,分兩排各自固定在連鑄機的兩側,每根鑄桿有上、下兩對輥輪間歇向上牽引、輥輪由一臺(或多臺)直流電動機(或步進電機或伺服電機)驅動,每根結晶器可單獨裝拆而不影響其他結晶器的正常工作。根據保溫爐內銅液液位的高低,連鑄機可上、下自行運動,以保證結晶器和保溫爐內銅液液位相對位置恒定。每根鑄桿都有一控制器和撓桿機,鑄桿經導輪裝置從連鑄機引到控制器和撓桿成圈,成圈完畢后把鑄桿剪斷,并把成圈鑄桿吊運走,供下道工序加工。


    四、新型上引連鑄設備的特點上海電纜研究所從1978年研究試制上引法至今已有25個年頭了,上引法的爐、連鑄機和撓桿機在這25年中都有了很多改進,以進一步開拓市場,增強國產上引法在國際貿易中的競爭力。

        

    1. 工頻感應電爐是連鑄機的基本設備要生產高質量的無氧銅桿,首先要提供高質量的無氧銅熔液,工頻有芯感應爐可以滿足這個要求。新型的上引法用工頻感應電爐有以下幾個特點:


    ⑴ 把熔化爐膛設計成長方形,可以整塊電解銅加料而不增加爐膛的散熱面積。


    ⑵ 用連體爐取代了分體爐,不但可以減少銅液在從熔化爐到保溫爐轉移過程中的氧化和溫度及液位的波動,而且省掉了分體爐必須的煤氣發生爐,從而減少了投資和運行成本。


    ⑶ 在熔化腔和保溫腔之間增設一個過渡腔,銅液從熔化腔經過渡腔流入保溫腔時避免直接流入,這不僅有利于溫度和液位的平穩,而且在過渡腔內使銅液得到更充分的還原,同時可以比較容易在過渡腔內清除渣質。有了過渡腔以后,使銅液的溫度穩定均勻,液位平穩,銅液清潔,從而使銅桿質量穩定。


    ⑷ 采用不等截面熔溝,使銅液在熔溝內形成定向高速流動,有充分的熱交換,使各種高熔點的氧化渣及已蝕損的石英砂隨液流流出熔溝。加速熔銅內銅液的流動,這不僅可以縮短熔煉時間,提高電爐生產能力,而且降低了熔溝內的溫度,避免熔渣堵塞,從而提高爐子的工作壽命。


    ⑸ 在一般情況下,爐體的壽命是感應體壽命的2-5倍,而且熔化爐和保溫爐的感應體壽命也不一樣,因此設計可拆卸式感應體是合理的,也是必須的。這樣可以在某一感應體發生故障時,不需要拆除整個爐子,而只需拆下損壞的感應體重筑,從而節省停爐時間和生產投入。


    2. 連鑄機是上引法的關鍵設備


    ⑴ 上引連鑄是間歇向上牽引實現的,間歇牽引每次動作的升程的節距。間歇牽引的開停比例,牽引頻率和節距都會影響鑄桿的質量。


    從上引法誕生至今,連鑄機的牽引部分經歷了三個階段:

    一階段是機械牽引系統,超越離合器、棘輪棘爪、螺桿步進機構和凸輪步進機構都屬于這一類,這種牽引機構維修方便,造價便宜,它的最大缺點是易磨損、打滑,從而影響產品質量。此外引桿速度低,節距調節困難等等。目前新型的連鑄機已不采用這種機構。


    二階段是步進電機牽引系統,這種系統是為了克服機械牽引系統的缺點而研究出來的,不易打滑,牽引力矩大,有利于鑄桿質量的提高,但引桿速度不快,常用于大直徑(φ14mm以上)鑄桿的牽引系統。


    三階段是伺服電機牽引系統:

   (1)近年來φ8mm小直徑鑄桿的上引機很受青睞,可以省去冷軋機或巨拉機,降低生產成本30%以上。φ8mm鑄桿的截面積僅為φ14mm鑄桿截面積的1/3,為了保持同樣頭數的上引機的產量,必須要提高上引速度,間歇牽引的開停動作達每分鐘600次左右,機械牽引和步進電機牽引都很難達到,于是產生了伺服電機牽引系統,不僅滿足了高頻率的間歇牽引,節距可根據不同鑄桿直徑任意調節,而且不會打滑,運行穩定。


   (2)結晶器是連鑄機的重要部件,對鑄桿的質量和上引速度起決定性的作用,尤其是一次冷卻區的結構、材料的選用和加工精度,卻直接影響到熱傳導的效果和結晶速度,結晶器二次冷卻區的銅管內壁與鑄桿間的間隙大小對鑄桿冷卻效果也有很大的影響。鑄桿與銅管內壁間是一個近乎真空的氣隙,其熱阻為1/k 1/k=1/α(d2/d1) α:為氣隙的放熱系數是一常數 d2:為銅管內壁之直徑 d1:為鑄桿的直徑因此為達到冷卻效果,合理選擇內套管的直徑是很重要的,而且鑄桿直徑越小,其氣隙應更少。在使用過程中,結晶器內管的外側和隔套的內側,常會結水垢,每厚1毫米的水垢相當于30毫米厚的鋼板的熱阻,可見水垢對冷卻效果的影響有多大!為了保證引桿的速度和質量,對冷卻水的要求絕不能輕視。


   (3)電控系統上引法連鑄的工藝過程簡單是它的特點之一,但是對工藝操作的要求卻非常嚴格,銅液的溫度、液位的高低結晶器插入銅液的溫度,牽引的節距、頻率以及冷卻水的壓力、流量和溫度等都必須控制在一定的范圍內,以往常常憑經驗,由人工操作、控制,這難免會產生差錯,導致產品質量不穩定。新型的上引連鑄機組有一套比較完善的控制和報警系統,例如銅液溫度的自動控制和極限高溫與極限低溫的報警,液位自動跟蹤和高位與低位的報警及緊急停車,冷卻水壓的自動調節系統等,此外,牽引的伺服電機控制由PLC系統來完成并配備彩屏顯示和打印裝置,可以把即時的運行參數顯示出來并能定時打印,這不但省去了抄表記錄繁瑣的工作,而且避免了差錯,這不僅有利于穩定產品質量還便于生產管理。


    五、上引連鑄技術的發展前景及延伸產品在本文的概述部分,已經闡述了與連鑄連軋和浸涂法相比,上引法的最大特點是其產品的多樣性--可以生產異型銅材。用上引法生產異型銅材是近幾年來才發展起來的,到目前為止,我們已經可以用上引法生產外圓內圓、外方內圓等多種管材、銅排和雙孔銅排等鑄造銅材,經后道工序加工可以制造發電機用的空心導線,冰箱和空調機用的蒸發管,電車線等產品。


    上引法還可以制造銅合金鑄坯,銅合金的使用范圍就更廣泛了。例如,黃銅材料可以用于制造表殼、拉鏈、鎖坯、眼鏡架和建筑裝潢材料等。


    上引法這一銅材生產工藝,除了在電線電纜行業中應用外,在其他工業領域中還有廣闊的發展前景。


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