CN103691901B - 上引连铸铜管用带芯结晶器及其制备高性能铜合金管的方法 - Google Patents

Abstract

一种上引连铸铜管用带芯结晶器及其制备高性能铜合金管的方法，外部的石墨外套和内部的石墨芯棒形成环形的内腔；石墨外套的下部设有进液口，石墨外套中部往上依次套装有压板、法兰以及冷却铜套；压板与石墨外套之间设有耐火材料保护套；压板内侧设有冷却水套，冷却水套内设有电磁发生腔，电磁发生腔内安装多个电磁线圈，电磁线圈与三相电源连接，电磁线圈的外侧装有导磁材料制成的磁轭；压板和法兰均为奥氏体不锈钢。本发明中的上引连铸法采用有芯结晶器，直接向上牵引就可以得到空心管坯，并且通过电磁发生器的电磁搅拌效应，使金属液体在结晶器内腔中能够发生流动及传热传质，从而达到细化晶粒而使凝固组织更细，提高铸坯的质量。

Description

上引连铸铜管用带芯结晶器及其制备高性能铜合金管的方法

技术领域

本发明涉及铜合金管材生产设备及工艺领域，具体涉及一种上引连铸铜管用带芯结晶器及其制备高性能铜合金管的方法。

背景技术

铜管和铜合金管是海水淡化、火电核电和舰船中的热交换系统的关键材料。目前生产铜合金管，主要方法为挤压法，采用其它方式如斜铸穿孔，连铸轧拉很少，挤压工序生产过程为：先配料铸圆坯，经锯切、分拣、加热、挤压、酸洗、然后经轧制、拉伸至成品管，其缺陷在于：(1)生产工序繁杂，辅助设施多，维修模具费用高，占地面积大，人员要求多，素质要求高；(2)投资规模大，少则上亿元，多则几亿元；(3)圆坯二次加热，需挤压成型，挤压筒、针，工作前需预热等能耗高；(4)搅拌、铸锭、锯切、加热、压余、脱皮、酸洗等工序金属损耗大，成品率低，供坯成品率<90%；(5)采用单体炉半连续铸造或分体炉熔铸，生产连续性差，效率低；(6)锌烧损大，搅拌，二次加热，挤压及润滑等烟雾大，污染严重；(7)管坯偏心大，影响后续冷加工，尤其是正向挤压大口径薄壁黄铜管的挤压成品率为40%～60%。总的来说目前我国铜基铜合金管的工艺落后，产品的质量不够稳定、成品率低以及成本高。上引连铸是一种连续铸造的方法，其原理是利用金属熔液冷却结晶的原理，从熔融的金属或者合金熔液中缓慢连续地抽出具有一定形状的固态金属线材或板材，其优点是无需经过挤压、轧制、拉拔等工作过程，连续生产能力大，目前主要用于无氧铜线、钢材的生产；冷却结晶系统是上引连铸的一个关键设备，目前国内研究采用无氧铜线生产中采用的无芯式结晶器来生产空心连铸坯，通过控制冷却水的强度来控制管坯壁厚，此种方式对生产条件的稳定性要求较高，产品的质量不容易控制，并且冷却过程中金属熔液受热不均匀，靠近水套的一侧冷却速度快而远离的一次冷却速度慢，造成管坯外表有裂纹、内部凝固组织粗大的缺陷。此外国内部分厂家采用水平连铸法生产铜合金管，但是此种方法熔炼和铸造分别在单台炉中进行，转炉过程中容易与氧解接触，造成产品含氧量高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种上引连铸铜管用带芯结晶器及其制备高性能铜合金管的方法，其制备的产品耐腐性强、机械强度高且加工性能好。

首先提供一种上引连铸铜管用带芯结晶器，其技术方案是：包括外部的石墨外套和内部的石墨芯棒，且石墨外套和石墨芯棒形成环形的内腔；石墨外套的下部设有进液口，石墨外套中部往上依次套装有压板、法兰以及冷却铜套；所述的压板与石墨外套之间设有15-20mm厚的耐火材料保护套；所述压板内侧设有冷却水套，冷却水套内设有电磁发生腔，电磁发生腔内安装多个电磁线圈，电磁线圈与三相电源连接，电磁线圈的外侧装有导磁材料制成的磁轭；所述的压板和法兰均为奥氏体不锈钢；所述的三相电源的电流频率为50Hz，电流强度为80-90A；所述的石墨芯棒为锥度为1.2-1.4的圆台。

上述方案可进一步改进为：

所述的冷却铜套（5）内设有间隔布置的折流板（4）；所述的冷却水套（14）为不锈钢冷却水套；所述的奥氏体不锈钢优选为1Cr17Mn6Ni15N、0Cr18Ni10Ti或者1Cr18Ni12Mo3Ti。

所述的耐火材料保护套通过以下方法制得：将15-25重量份的硅酸盐水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化铝、3-5重量份的蛭石粉、2-4重量份的氧化锆、1-2重量份的氧化钠及1-2重量份石墨混匀为混合粉末，然后加入占混合粉末总重量的5-6%的结合剂，在液压机成型后，经过干燥、烧结为即得成品，烧结的温度控制在1550-1580℃，时间为2-3小时。实验证明，此种方法得到的耐火材料保护套热稳定性高，耐高温且机械强度高。

接着提供一种应用上述带芯结晶器的高性能铜合金管的制备方法，采用上引连铸-冷轧-冷拉-光亮退火工艺，具体步骤为：

（1）、将重量百分比2-3%的镍、1.1-1.8%的铝、0.5-0.8%的铁、0.02-0.04%的锌、0.5-1.0%的锰、0.02-0.04%的锆、0.01-0.02%的钛以及余量的阴极铜投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖80-100mm木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过带芯结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1050-1100℃；牵引速度为100-120mm/min，牵引频率为60-70次/分钟；结晶器插入熔液深度为15-18mm；结晶器冷却铜套的进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃，冷却水压力控制在0.3-0.35MPa；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入冷轧机连续轧制得到毛坯管，然后通过冷拉得到管材；

（3）、将管材放入网链式退火炉进行光亮退火，退火温度为650-680℃，时间为2-2.5小时。

与现有技术相比，本发明中采用独创的合金配比，通过上引连铸法采用有芯结晶器直接向上牵引得到空心管坯，提高了管坯的厚度的均匀性，并且通过电磁发生器的作用，通过电磁搅拌效应，使金属液体在结晶器内腔中能够发生流动及传热传质，从而达到细化晶粒而使凝固组织更细，提高铸坯的质量。与现有的热交换铜合金管相比，本发明制备的铜合金管在抗拉强度、延伸率以及耐腐蚀性方面具有大幅度提高。

附图说明

图1是本发明上引连铸用带芯结晶器的结构示意图；

图中：1、进液口，2、石墨外套，3、压板，4、折流板，5、冷却铜套，6、空心管坯，7、石墨芯棒，8、法兰，9、磁轭，10、电磁线圈，11、耐火材料保护套，12、内腔，14、不锈钢冷却水套，15、电磁发生腔。

具体实施方式

实施例1

参见图1，一种上引连铸铜管用带芯结晶器，包括外部的石墨外套2和内部的石墨芯棒7，且石墨外套2和石墨芯棒7形成环形的内腔12；石墨外套2的下部设有进液口1，石墨外套2中部往上依次套装有压板3、法兰8以及冷却铜套5，冷却铜套内设有间隔布置的折流板4；压板3与石墨外套2之间设有15-20mm厚的耐火材料保护套11，耐火材料保护套可以选择为碳化硅砖、刚玉砖保护套或耐火泥套；压板3内侧设有不锈钢冷却水套14，不锈钢冷却水套14内设有电磁发生腔15，电磁发生腔15内安装多个电磁线圈10，电磁线圈10与电源连接，电磁线圈10的外侧装有导磁材料制成的磁轭9，磁轭可以用纯铁来制作；压板3和法兰8均为奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢优选为1Cr17Mn6Ni15N、0Cr18Ni10Ti或者1Cr18Ni12Mo3Ti，实验证明压板和法兰选择以上弱导磁或者非导磁材质时，被其吸收的磁力线最少，电磁发生器的磁感应强度削弱最少；电源的电流频率为50Hz，电流强度优选为80-90A，电流强度过高，感应电流产生的joule热过大，导致部分形核核心被重融，凝固组织的细化作用被抑制，凝固组织开始变粗；石墨芯棒7为锥度为1.2-1.4的圆台，锥度圆台是为了避免牵引拉坯过程中管坯收缩包覆石墨芯棒而增大摩擦力，

本发明的工作过程为：通过压板3和法兰8将本装置固定在电炉上，使石墨外套2的进液口1浸入金属熔液液面之下，向冷却铜套5、不锈钢冷却水套14中通入冷却水，打开电源，此时金属熔液进入内腔12，并在牵引装置牵引作用下形成连续的管坯。磁轭9可以增强电磁线圈10产生的电磁场，磁轭材质可以选择纯铁。不锈钢冷却水套14中的冷却水能够防止电磁线圈10长时间高温烘烤而损坏。

实施例2

一种上引连铸铜管用带芯结晶器，在实施例1的基础上，为了减少漏磁，同时提高工作区域内的磁感应强度，电磁发生腔15内还设有环形聚磁框。

实施例3

一种上引连铸铜管用带芯结晶器，在实施例1或2的基础上，其中的耐火材料保护套优选采用以下方法自制的耐火材料：将15-25重量份的硅酸盐水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化铝、3-5重量份的蛭石粉、2-4重量份的氧化锆、1-2重量份的氧化钠及1-2重量份石墨混匀为混合粉末，然后加入占混合粉末总重量的5-6%的结合剂（比如磷酸二氢铝），在液压机成型后，经过干燥、烧结为即得成品，烧结的温度控制在1550-1580℃，时间为2-3小时。实验证明，此种方法得到的耐火材料保护套热稳定性高，耐高温且机械强度高，用于上引连铸法中，使用寿命比现有常规耐火材料长2-3倍，且成本比较低廉。

实施例4

一种应用实施例1-3任一所述带芯结晶器的高性能铜合金管的制备方法，采用上引连铸-冷轧-冷拉-光亮退火工艺，具体步骤为：

（1）、将重量百分比2-3%的镍、1.1-1.8%的铝、0.5-0.8%的铁、0.02-0.04%的锌、0.5-1.0%的锰、0.02-0.04%的锆、0.01-0.02%的钛以及余量的阴极铜投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖80-100mm木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过带芯结晶器（控制电流频率50Hz，电流强度为80-90A）冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1050-1100℃；牵引速度为100-120mm/min，牵引频率为60-70次/分钟；结晶器插入熔液深度为15-18mm；结晶器冷却铜套的进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃，冷却水压力控制在0.3-0.35MPa；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入冷轧机连续轧制得到毛坯管，然后通过冷拉得到管材；

（3）、将管材放入网链式退火炉进行光亮退火，退火温度为650-680℃，时间为2-2.5小时。

经过多次实验证明，结晶器未施加电磁场时，管坯的表面有明显的裂纹及振痕，当施加电磁场后，管坯表面基本没有振痕，非常光滑，有的不用铣面即可以进行轧制；并且未施加电磁场时，金属熔液内部主要是自然对流，存在温度梯度，因此整个管坯横截面基本都是粗大的柱状晶，晶粒平均尺寸为5-5.5mm，并且分布不均匀，凝固组织呈现各向异性；当施加电磁场后，凝固组织得到和显著的细化，柱状晶完全消失，而变成非常细小均匀的等轴晶，晶粒平均尺寸在0.5mm以下。并且我们还发现随着电流强度的提高，管坯的抗拉强度和延伸率不断提高，但当电流强度高于90A即开始降低。

目前常规的热交换器管主要采用白铜管BFe10-1-1，其中镍含量较高，造成材料的成本较高且加工性能较差，本发明大幅度降低了镍的含量，并通过增加微量的锆、钛等合金元素，采用本实施例中的上引连铸法制备的铜合金管与BFe10-1-1相比，管材的抗拉强度提高了25-30%，延伸率提高了65-70%，并且通过在同等条件下分别在淡水、海水以及蒸汽冷凝水做耐腐蚀实验，本实施例制备的铜合金管的腐蚀速度还不到BFe10-1-1腐蚀速度的15%。并且当各成分选择：重量百分比2.5%的镍、1.5%的铝、0.5%的铁、0.03%的锌、0.8%的锰、0.04%的锆、0.01%的钛以及余量的阴极铜，且电磁发生器中电力强度为85A时，得到的铜合金管的性能最佳，晶粒平均尺寸在0.35mm，与BFe10-1-1相比管材的抗拉强度提高了29.2%，延伸率提高了72.2%，并且腐蚀速度仅为BFe10-1-1腐蚀速度的10%。

此外本实施例优选采用本发明中的带有电磁效应的带芯结晶器，但是不限于此种结晶器；经过经过试验验证，只要采用本实施例中的铜以及合金配比，使用其他的带芯结晶器得到的铜合金管与BFe10-1-1相比，抗拉强度、延伸率以及耐腐蚀性也有相应提高，但是提高的效果明显不如本实施例。

Claims (1)

1.一种应用上引连铸铜管用带芯结晶器制备高性能铜合金管的制备方法，其特征在于：采用上引连铸-冷轧-冷拉-光亮退火工艺，具体步骤为：

（1）、将重量百分比2-3%的镍、1.1-1.8%的铝、0.5-0.8%的铁、0.02-0.04%的锌、0.5-1.0%的锰、0.02-0.04%的锆、0.01-0.02%的钛以及余量的阴极铜投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖80-100mm木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过带芯结晶器冷却并经牵引装置引出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1050-1100℃；牵引速度为100-120mm/min，牵引频率为60-70次/分钟；结晶器插入熔液深度为15-18mm；结晶器冷却铜套的进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃，冷却水压力控制在0.3-0.35MPa；

（2）、管坯经过切断、铣面后进入冷轧机连续轧制得到毛坯管，然后通过冷拉得到管材；

（3）、将管材放入网链式退火炉进行光亮退火，退火温度为650-680℃，时间为2-2.5小时；

所述上引连铸铜管用带芯结晶器包括外部的石墨外套（2）和内部的石墨芯棒（7），且石墨外套（2）和石墨芯棒（7）形成环形的内腔（12）；石墨外套（2）的下部设有进液口（1），石墨外套（2）中部往上依次套装有压板（3）、法兰（8）以及冷却铜套（5）；所述的压板（3）与石墨外套（2）之间设有15-20mm厚的耐火材料保护套（11）；所述压板（3）内侧设有冷却水套（14），冷却水套（14）内设有电磁发生腔（15），电磁发生腔（15）内安装多个电磁线圈（10），电磁线圈（10）与三相电源连接，电磁线圈（10）的外侧装有导磁材料制成的磁轭（9）；所述的压板（3）和法兰（8）均为奥氏体不锈钢；所述的三相电源的电流频率为50Hz，电流强度为80-90A；所述的石墨芯棒（7）为锥度为1.2-1.4的圆台；所述的冷却铜套（5）内设有间隔布置的折流板（4）；所述的冷却水套（14）为不锈钢冷却水套；所述的奥氏体不锈钢为1Cr17Mn6Ni15N、0Cr18Ni10Ti或者1Cr18Ni12Mo3Ti；所述的石墨外套（2）的内表面以及石墨芯棒（7）外表面的粗糙度在0.5以下；所述的耐火材料保护套通过以下方法制得：将15-25重量份的硅酸盐水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化铝、3-5重量份的蛭石粉、2-4重量份的氧化锆、1-2重量份的氧化钠及1-2重量份石墨混匀为混合粉末，然后加入占混合粉末总重量的5-6%的结合剂，在液压机成型后，经过干燥、烧结为即得成品，烧结的温度控制在1550-1580℃，时间为2-3小时。