CN117282794B - 一种超宽厚比铜排制备工艺及其在铜排生产中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铜排制备的技术领域，提供了超宽厚比铜排制备工艺，首先将铜原料在上引炉内进行上引无氧铜线坯的制备，得到的上引无氧铜线坯作为挤压原料，进入连续挤压机，采用连续挤压模具连续挤压，制得挤压铜排；再对所得挤压铜排进行多道次轧制，得到轧制铜排，然后对轧制铜排进行退火，炉内冷却后制得铜排粗品；最后采用全自动液压拉拔机，配以高精度拉拔模具和铜排专用的拉拔油，经一次拉拔即可得到超宽厚比铜排；还提供了该超宽厚比铜排制备工艺在铜排生产中的应用。本发明工艺所制得的超宽厚比铜排的宽厚比系数高、性能好，符合生产、应用的要求。
Description
技术领域
本发明涉及铜排制备技术领域，具体为一种超宽厚比铜排制备工艺及其在铜排生产中的应用。
背景技术
目前，母线槽产品的应用越来越广泛，尤其是随着众多高层建筑和大型公共设施的出现，对于铜排的需求也不断向宽、薄方向发展，已经超出了传统铜排制造工艺的制备能力，即电解铜-上引连铸-连续挤压-精整拉拔的工艺(如专利CN105551688B、CN102941240A)，急需开发新型的制备工艺，满足超宽超薄铜排的制备。
铜排产品截面尺寸中的宽度与厚度之比称为铜排的宽厚比系数，通常，常规铜排的宽厚比系数为小于等于30，当宽厚比系数超过30时，铜排通常被称为超宽厚比铜排。超宽厚比铜排作为母线槽制造的关键导体材料，在以往的母线槽制造过程中，主要使用宽厚比系数不高于30的铜排，随着配电方式的不断发展和推广，对超宽厚比铜排的需求不断增加，工艺也有所优化，然而传统工艺却难以获得宽厚比系数大于70甚至是达到80的超宽厚比铜排。因此，这对现有的超宽厚比铜排的制备工艺提出了新挑战。
本发明在常规铜排制备工艺的基础上，创造性地对挤压模具进行设计，并添加了轧制和退火的工艺步骤，将铜排进一步向超宽和超薄的方向延展，再经过精整拉制工艺获得了理想的超宽厚比铜排产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽厚比系数高、性能好且合格的超宽厚比铜排制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超宽厚比铜排制备工艺，包括以下步骤：
1)上引连铸：将铜原料置于1145-1155℃的上引炉内，上引炉内采用实木炭充分还原并完全覆盖，进行上引无氧铜线坯的制备；
2)连续挤压：将步骤1)制得的上引无氧铜线坯作为挤压原料，进入连续挤压机，控制温度不高于560℃，采用挤压模具以3.5-6.5rpm的速度连续挤压，挤压模具根据目标铜排的宽度和厚度选取，制得挤压铜排；
3)轧制退火：在四辊轧机上对步骤2)制得的挤压铜排进行多道次轧制，轧制的单道次厚度加工量为0.2-3mmmm，制得轧制铜排，且轧制铜排的厚度比目标铜排的厚度大10-15％；再将轧制铜排置于300-550℃下退火时间3-5h，炉内冷却时间6-8h，制得铜排粗品；
4)精整拉拔：采用全自动液压拉拔机，配以高精度拉拔模具和铜排专用的拉拔油，经一次拉拔即可得到超宽厚比铜排。
优选的，步骤1)上引连铸过程中采用直径为20mm或25mm的引杆、节距为3.2mm、引速为40-50cm/min。
优选的，步骤2)退火是采用钟罩式退火炉，且钟罩式退火炉内采用75％的高氢加25％氮气气氛进行保护。
优选的，步骤4)精整拉拔的速度为10-15m/min。
优选的，挤压模具由垫片和设置于垫片外侧的模具组成，垫片上设有第一通孔，模具上设有第二通孔，上引无氧铜线坯经垫片上的第一通孔流入模具上的第二通孔；第一通孔和第二通孔均为圆角矩形的结构，且第二通孔呈两侧宽、中间窄的结构。
优选的，第二通孔两侧最宽处的宽度与中间最窄处的宽度之差为0.5-1.5mm。
优选的，第二通孔的长度比目标铜排的宽度大0.8-1.25％。
优选的，模具的厚度与垫片的厚度比为9:1。
优选的，第一通孔呈靠近第二通孔的一侧小、远离第二通孔的一侧大的结构，且第一通孔靠近第二通孔的一侧与第二通孔相匹配。
为达上述目的，本发明还提供了上述超宽厚比铜排制备工艺在铜排生产中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在现有铜排制备技术的基础上，创造性地引入多道次轧制和退火工艺，有利于精确控制轧制工艺后预留相应的厚度加工余量，以满足后续精整拉拔对于坯料厚度的要求(当范围超出要求后，精整拉拔将无法进行或拉制的产品会出现质量问题)，促进精整拉拔一次性成功，从而提高制备效率，降低坏品率。
(2)本发明创造性地对挤压模具进行设计，不但克服了铜排制备过程中侧边卷边、充型不饱满、产品冷缩的问题，显著降低了产品的坏品率，而且克服了后续轧制步骤难以控制产品宽度尺寸变化的问题；挤压模具与轧制退火工艺相结合，极大的拓宽了超宽厚比铜排拉拔对坯料尺寸精度的限制，从而获得超宽厚比的铜排，具有实际意义。
(3)本发明超宽厚比铜排制备工艺的设计，不但有利于提高制备效率，而且还可以提高所制得超宽厚比铜排的质量，解决了铜排宽厚比超大的问题，形成一套基于连续挤压的超宽厚比铜排制备的复合型工艺，开发出宽厚比系数在30-83.33之间的超宽厚比铜排产品，填补了超宽厚比铜排(宽厚比系数≥70)制备的空白，支撑母线槽制备行业的发展，具有极其重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明一种超宽厚比铜排制备工艺的流程示意图；
图2为本发明中挤压模具的立体结构示意图；
图3为本发明中挤压模具的俯视结构示意图；
图4为本发明中挤压模具的主视结构示意图；
图5为本发明中产品电镜分析图：a：具体实施例1产品的电镜分析图；b：具体实施例2产品的电镜分析图；c：具体实施例3产品的电镜分析图。
其中，1-垫片，2-模具，3-第一通孔，4-第二通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例1：开发制备规格为3×120mm的宽厚比铜排。
请参阅图1，本发明提供了一种超宽厚比铜排制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1：上引连铸：将A级铜原料置于1145℃的上引炉内(炉内采用实木炭充分还原并完全覆盖，防止铜液吸氧)进行上引无氧铜线坯的制备，控制节距为3.2mm、引速为50cm/min，制得φ20mm的上引无氧铜线坯。其中的A级铜原料化学成分如表1。
表1：A级铜原料化学成分要求
步骤S2：连续挤压：将步骤S1制得的上引无氧铜线坯作为挤压原料，进入TLJ400连续挤压连续挤压机，采用连续挤压模具于6.5rpm的速度和550℃的条件下连续挤压，制得挤压铜排。
在本步骤中，选择10×121.5mm的挤压模具(即宽度较目标铜排放大了1.25％)，挤压模具由垫片1和设置于垫片1外侧的模具2组成(参照图2至图4)，在垫片1上设有第一通孔3，模具2上设有第二通孔4，上引无氧铜线坯经垫片1上的第一通孔3流入模具2上的第二通孔4(即上引无氧铜线坯原料的流动方向)。为了获得超宽厚比的铜排，克服铜排的侧边卷边、充型不饱满、产品冷缩的问题，对挤压模具进行了设计：①第一通孔3和第二通孔4均为圆角矩形的结构，第二通孔4呈两侧宽、中间窄的结构，且第二通孔4两侧最宽处的宽度与中间最窄处的宽度之差为0.5mm：挤压过程中中间阻力增大，金属流动趋向两侧，中间尺寸在冷缩后相对减小，产品结构呈现中间尺寸小、两侧尺寸厚的截面形状，且该形状的挤压铜排在轧制过程中宽度会略微增加，边部充型致密可以保证轧制过程中不易开裂，从而降低了产品的坏品率，有利于保证后续轧制和拉拔步骤；②模具2的厚度为90mm、垫片1的厚度为10mm(即二者的厚度之比为9:1)：模具厚度增加，挤压阻力增大，有利于原料充型，但是阻力的增大也会增加设备的负荷，达到设备设定上限后设备将跳停无法运行，因此模具厚度的调节需要恰当的厚度；③第一通孔3呈靠近第二通孔4的一侧小、远离第二通孔4的一侧大的结构，且第一通孔3靠近第二通孔4的一侧与第二通孔4相匹配：有利于原料充型，防止后续轧制和拉拔步骤中产品开裂，进一步降低坏品率。
步骤S3：轧制退火：在四辊轧机上对步骤S1所得挤压铜排进行多道次轧制，轧制的单道次厚度加工量为0.2-3mmmm，得到厚度为3.3mm的轧制铜排(即厚度比目标铜排的厚度放大10％)，轧制的具体步骤为：首先将步骤S1获得的10mm厚的挤压铜排在精轧机中进行2次轧制(精轧机采用全油轧制，轧制速度为420m/min)，每道次厚度加工量为3mm，扎到4mm，再进行第3次精轧，扎到3.3mm，得到轧制铜排(每道次轧制后均进行退火，其条件与下述退火条件相同)。
接下来，将轧制铜排置于300℃的钟罩式退火炉内退火，钟罩式退火炉内采用75％的高氢加25％氮气气氛进行保护，退火时间在3h，炉内冷却时间为6h后制得铜排粗品。
步骤S4：精整拉拔：采用全自动50T液压拉拔机TMQY3×120，配以高精度拉拔模具(厚度偏差±0.05mm，宽度偏差±0.36mm)和铜排专用的拉拔油，以10m/min的速度经一次拉拔即可得到宽厚比系数为40的超宽厚比铜排，并对其性能进行研究。
具体实施例2：开发制备规格为3×250mm的宽厚比铜排。
请参阅图1，本发明提供了一种超宽厚比铜排制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1：上引连铸：将A级铜原料(成分如表1)于1155℃的上引炉内(炉内采用实木炭充分还原并完全覆盖，防止铜液吸氧)进行上引无氧铜线坯的制备，控制节距为3.2mm、引速为40cm/min，制得φ25mm的上引无氧铜线坯。
步骤S2：连续挤压：将步骤S1制得的上引无氧铜线坯作为挤压原料，进入TLJ630连续挤压连续挤压机，采用连续挤压模具于3.5rpm的速度和560℃的条件下连续挤压，制得挤压铜排。
在本步骤中，选择10×252mm的挤压模具(即宽度较目标铜排放大了0.8％)，挤压模具由垫片1和设置于垫片1外侧的模具2组成(参照图2至图4)，在垫片1上设有第一通孔3，模具2上设有第二通孔4，上引无氧铜线坯经垫片1上的第一通孔3流入模具2上的第二通孔4(即上引无氧铜线坯原料的流动方向)。为了获得超宽厚比的铜排，克服铜排的侧边卷边、充型不饱满、产品冷缩的问题，对挤压模具进行了设计：①第一通孔3和第二通孔4均为圆角矩形的结构，第二通孔4呈两侧宽、中间窄的结构，且第二通孔4两侧最宽处的宽度与中间最窄处的宽度之差为1.5mm；②模具2的厚度为90mm、垫片1的厚度为10mm(即二者的厚度之比为9:1)；③第一通孔3呈靠近第二通孔4的一侧小、远离第二通孔4的一侧大的结构，且第一通孔3靠近第二通孔4的一侧与第二通孔4相匹配。
步骤S3：轧制退火：在四辊轧机上对步骤S1所得挤压铜排进行多道次轧制，轧制的单道次厚度加工量为0.2-3mmmm，得到厚度为3.4mm的轧制铜排(即厚度比目标铜排的厚度放大13.3％)，轧制的具体步骤为：首先将步骤S1获得的10mm厚的挤压铜排在精轧机中进行2次轧制(精轧机采用全油轧制，轧制速度为460m/min)，每道次厚度加工量为3mm，扎到4mm，再进行两道次精轧，每次道次厚度加工量分别为0.4mm和0.2mm，扎到3.4mm，得到轧制铜排(每道次轧制后均进行退火，其条件与下述退火条件相同)。
接下来，将轧制铜排置于550℃的钟罩式退火炉内退火，钟罩式退火炉内采用75％的高氢加25％氮气气氛进行保护，退火时间在5h，炉内冷却时间为8h后制得铜排粗品。
步骤S4：精整拉拔：采用全自动80T液压拉拔机TMQY3×250，配以高精度拉拔模具(厚度偏差±0.1mm，宽度偏差±0.75mm)和铜排专用的拉拔油，以15m/min的速度经一次拉拔即可得到宽厚比系数为83.33的超宽厚比铜排，并对其性能进行研究。
具体实施例3：开发制备规格为3×210mm的宽厚比铜排。
请参阅图1，本发明提供了一种超宽厚比铜排制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1：上引连铸：将A级铜原料(成分如表1)于1150℃的上引炉内(炉内采用实木炭充分还原并完全覆盖，防止铜液吸氧)进行上引无氧铜线坯的制备，控制节距为3.2mm、引速为45cm/min，制得φ25mm的上引无氧铜线坯。
步骤S2：连续挤压：将步骤S1制得的上引无氧铜线坯作为挤压原料，进入TLJ630连续挤压连续挤压机，采用连续挤压模具于4.5rpm的速度和550℃的条件下连续挤压，制得挤压铜排。
在本步骤中，选择10×212mm的挤压模具(即宽度较目标铜排放大了0.95％)，挤压模具由垫片1和设置于垫片1外侧的模具2组成(参照图2至图4)，在垫片1上设有第一通孔3，模具2上设有第二通孔4，上引无氧铜线坯经垫片1上的第一通孔3流入模具2上的第二通孔4(即上引无氧铜线坯原料的流动方向)。为了获得超宽厚比的铜排，克服铜排的侧边卷边、充型不饱满、产品冷缩的问题，对挤压模具进行了设计：①第一通孔3和第二通孔4均为圆角矩形的结构，第二通孔4呈两侧宽、中间窄的结构，且第二通孔4两侧最宽处的宽度与中间最窄处的宽度之差为1.0mm；②模具2的厚度为90mm、垫片1的厚度为10mm(即二者的厚度之比为9:1)；③第一通孔3呈靠近第二通孔4的一侧小、远离第二通孔4的一侧大的结构，且第一通孔3靠近第二通孔4的一侧与第二通孔4相匹配。
步骤S3：轧制退火：在四辊轧机上对步骤S1所得挤压铜排进行多道次轧制，轧制的单道次厚度加工量为0.2-3mmmm，得到厚度为3.45mm的轧制铜排(即厚度比目标铜排的厚度放大15％)，轧制的具体步骤为：首先将步骤S1获得的10mm厚的挤压铜排在精轧机中进行2次轧制(精轧机采用全油轧制，轧制速度为460m/min)，每道次厚度加工量为3mm，扎到4mm，再进行两道次精轧，每次道次厚度加工量分别为0.3mm和0.25mm，扎到3.45mm，得到轧制铜排(每道次轧制后均进行退火，其条件与下述退火条件相同)。
接下来，将轧制铜排置于450℃的钟罩式退火炉内退火，钟罩式退火炉内采用75％的高氢加25％氮气气氛进行保护，退火时间在4h，炉内冷却时间为7h后制得铜排粗品。
步骤S4：精整拉拔：采用全自动80T液压拉拔机TMQY3×210，配以高精度拉拔模具(厚度偏差±0.08mm，宽度偏差±0.55mm)和铜排专用的拉拔油，以12m/min的速度经一次拉拔即可得到宽厚比系数为70的超宽厚比铜排，并对其性能进行研究。
具体实施例1、具体实施例2和具体实施例3性能测试的结果如表2所示。
表2超宽厚比铜排的性能
从表2可以看出所制得的超宽厚比铜排产品的导电率、硬度、尺寸公差等指标均满足国家标准GB/T5585.1-2018关于铜排的相关要求，具有良好的导电性能和加工性能，并且具有一定的机械强度，满足一定的承重、变形等要求。从组织分析图(参阅图5)可以看出，最终的超宽厚比铜排组织均匀细密，是上引无氧铜线坯(铸态组织)经过连续挤压、轧制、退火、拉拔后形成的较为理想的组织状态。综上分析，本发明提供的制备工艺制得了理想的超宽厚比铜排。
具体实施例4
将具体实施例1、具体实施例2和具体实施例3的超宽厚比铜排制备工艺在铜排生产中进行应用。
综上，本发明在现有铜排制备技术的基础上，创造性地引入多道次轧制和退火工艺，有利于精确控制轧制工艺后预留相应的厚度加工余量，以满足后续精整拉拔对于坯料厚度的要求，促进精整拉拔一次性成功，降低坏品率；对挤压模具进行设计，不但克服了铜排制备过程中侧边卷边、充型不饱满、产品冷缩的问题，进一步降低了产品的坏品率，而且克服了后续轧制步骤难以控制产品宽度尺寸变化的问题；轧制退火步骤与挤压模具相结合，不但提高了制备效率，而且提高了所制得超宽厚比铜排的品质，解决了铜排宽厚比超大的问题，形成一套基于连续挤压的超宽厚比铜排制备的复合型工艺，开发出宽厚比系数在30-83.33之间的超宽厚比铜排产品，填补了超宽厚比铜排(宽厚比系数≥70)制备的空白。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种超宽厚比铜排制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1）上引连铸：将铜原料置于1145-1155℃的上引炉内，上引炉内采用实木炭充分还原并完全覆盖，进行上引无氧铜线坯的制备；
2）连续挤压：将步骤1）制得的上引无氧铜线坯作为挤压原料，进入连续挤压机，控制温度不高于560℃，采用挤压模具以3.5-6.5rpm的速度连续挤压，挤压模具根据目标铜排的宽度和厚度选取，制得挤压铜排；
所述挤压模具由垫片和设置于垫片外侧的模具组成，垫片上设有第一通孔，模具上设有第二通孔，上引无氧铜线坯经垫片上的第一通孔流入模具上的第二通孔；第一通孔和第二通孔均为圆角矩形的结构，且第二通孔呈两侧宽、中间窄的结构；第二通孔的长度比目标铜排的宽度大0.8-1.25%；第一通孔呈靠近第二通孔的一侧小、远离第二通孔的一侧大的结构，且第一通孔靠近第二通孔的一侧与第二通孔相匹配；模具的厚度与垫片的厚度比为9:1；
3）轧制退火：在四辊轧机上对步骤2）制得的挤压铜排进行多道次轧制，轧制的单道次厚度加工量为0.2-3mm，制得轧制铜排，且轧制铜排的厚度比目标铜排的厚度大10-13.3%；再将轧制铜排置于300-550℃下退火时间3-5h，炉内冷却时间6-8h，制得铜排粗品；
4）精整拉拔：采用全自动液压拉拔机，配以高精度拉拔模具和铜排专用的拉拔油，经一次拉拔即可得到超宽厚比铜排。
2.根据权利要求1所述的超宽厚比铜排制备工艺，其特征在于：步骤1）上引连铸过程中采用直径为20mm或25mm的引杆、节距为3.2mm、引速为40-50cm/min。
3.根据权利要求1所述的超宽厚比铜排制备工艺，其特征在于：步骤2）退火是采用钟罩式退火炉，且钟罩式退火炉内采用75％的高氢加25％氮气气氛进行保护。
4.根据权利要求1所述的超宽厚比铜排制备工艺，其特征在于：步骤4）精整拉拔的速度为10-15m/min。
5.根据权利要求1所述的超宽厚比铜排制备工艺，其特征在于：第二通孔两侧最宽处的宽度与中间最窄处的宽度之差为0.5-1.5mm。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的超宽厚比铜排制备工艺在铜排生产中的应用。
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