再生銅原料生產光亮銅桿質量控制

都敏生，李詩威，樊金金

(安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

我國是銅資源匱乏國，原生銅供應緊張，每年依靠大量進口廢銅以滿足國內市場的消費需求[1-4]。近年來，國家大力支持再生銅產業(yè)發(fā)展，緩解這一緊張局面。再生銅已經在銅及銅合金板帶、棒線材等領域得到了廣泛應用[5-10]，技術成熟、可靠，產品質量穩(wěn)定，但在銅桿加工行業(yè)，再生銅的應用局限性大，以再生銅原料生產的光亮銅桿僅占銅桿總量的15%左右，核心原因在于產品質量得不到保障。

經過廣泛的市場調研，發(fā)現(xiàn)雖然利用再生銅生產光亮銅桿的企業(yè)很少，而且這類光亮銅桿在后續(xù)拉制細線的加工中，極易出現(xiàn)拉制斷線現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的主要原因是銅桿存在夾渣、空心等質量缺陷。

針對上述問題，筆者所在企業(yè)前期也采取了一系列措施來改善上述缺陷。如限制不同批次再生銅原料的混搭使用；規(guī)范出銅口扒渣操作，明確單位時間內扒渣次數(shù)；在中間包增加過濾磚等，通過這些措施對夾渣、空心等改善效果并不明顯。本文通過采用設備優(yōu)化和質量控制工藝等控制方法和措施，以期提高再生銅原料生產光亮銅桿的質量。

1 質量缺陷

1.1 夾渣

正常情況下，所有夾渣顆粒均上浮到銅水表面，經過扒渣工序清除，但銅水流轉過程中仍然有夾渣顆粒裹入銅水進入鑄錠，主要是前道除渣效果不理想，夾渣物從中間包中進入鑄錠。銅水從流槽進入中間包時，直接沖擊中間包銅水表面，造成大量夾渣物混入銅水內部，未能及時上浮，同時受溫度影響，中間包中銅水的流動性變差，從而帶入鑄錠。另一方面，中間包內或者澆嘴在邊部氧化富集形成爐渣，也會進入鑄錠，造成夾渣(圖1)。

圖1 鑄坯夾渣Fig.1 Casting billet slag

1.2 氣孔

豎爐連鑄連軋溶解于銅中的主要是氫和氧，由于現(xiàn)有技術條件很難避免氧化和吸氧，氧化和脫氧、吸氫和脫氫過程同時存在，因此銅水中會一直存在大量的氫和氧。當銅水從液態(tài)冷卻至凝固溫度時，氫在銅中的溶解度陡然降低，過飽和的氫就會在結晶前沿邊界層析出，反應生成的水泡會有一部分沒有及時排除而殘留在鑄坯中，形成氣孔(圖2)。

2 質量控制措施

通過分析，當前最核心的問題還是除渣和排氣的問題。而除渣最直接有效的方式是增加銅水的流動性，提高銅水的浮渣能力，輔以有效的扒渣和濾渣措施，能夠徹底控制夾渣物。對于排氣，一方面增加銅水的流動性，另一方面，適當延長銅水暴露的時間，給與氣體充足的析出時間，也同樣可以降低氣孔發(fā)生的概率。因此，后續(xù)的改善措施主要還是圍繞如何提升除渣能力以及如何使氣體盡可能多的排出銅水進行。

圖2 鑄坯氣孔Fig.2 Casting billet porosity

2.1 減小豎爐爐底傾斜角、增加出銅口尺寸

豎爐爐底如圖3所示。根據(jù)實際生產，由于底部傾斜角的增大，設備運行初期確實起到增大銅水流動性的效果。但隨著運行時間的增加，由于爐底到出銅的拐角較大，一些銅水的氧化渣開始在拐角聚集，慢慢形成渣壩，這種渣壩會導致非常有害的汪銅水現(xiàn)象，銅塊熔化掉落到汪銅水處，燒嘴易積銅堵塞。最終會使化銅的速度受到影響，且火焰變小，銅水溫降低，流動性變差，不利于浮渣。

①豎爐；②出銅口；③上流槽圖3 豎爐爐底Fig.3 Bottom of vertical furnace

2.2 調整豎爐燒嘴火焰長度和氣氛

豎爐燒嘴分布如圖4所示。根據(jù)測算，從豎爐加料爐口到化銅起始點為預熱段，溫度為300℃～1083℃；化銅點到出銅口階段，使用短焰燒，出銅口溫度為1090℃～1100℃；使用長焰燒，出銅口溫度為1105℃～1115℃。因此，使用長焰時，銅水的流動性會增加，低溫雜質和部分高溫雜質的氧化物，能隨沖擊的火焰散發(fā)到煙氣，并排出爐體。

當燒嘴成微還原性氣氛時，火焰長、溫度低、噴射氣流猛；當保持燒嘴成微還原氣氛且增加燒嘴個數(shù)時，則化銅起始點離底部就越高，銅水到達出銅口加熱時間更長，出銅口銅水溫度就會更高，流動性更好。

①排燒嘴；②排燒嘴備注：①排燒嘴加大火焰；②排燒嘴角度向上增大5°圖4 豎爐燒嘴分布Fig.4 Distribution of burner of vertical furnace

2.3 增大豎爐與鑄機的垂直落差與流槽角度

前期設備安裝過程中，受現(xiàn)場條件影響，豎爐與鑄機的垂直落差未按標準實施，較設計低0.5m。造成兩個問題，一是銅水的流動性差，不及預期；二是上流槽觀察口位置與燒嘴重合，不方便觀察銅水情況。另一方面，出銅口與流槽拐角角度只有100°，導致渣在拐角處滯留，增加銅桿夾渣的風險。

豎爐整體抬高后，有利于澆嘴與鑄輪垂直距離的增加，在空氣中流動時間長，有利于氣體析出(圖5)。而調整出銅口與流槽角度可以降低積渣的產生，降低銅桿夾渣風險(圖6)。

①豎爐；②保溫爐；③鑄機備注：豎爐整體抬高0.5m圖5 熔化、保溫、澆鑄系統(tǒng)Fig.5 Melting, heat preservation, casting systems

2.4 在中間包增加燒嘴，加大火焰

經過前幾道處理以后，進入到中間包的夾渣物有限，但仍不可避免會有些細小的氧化銅殘渣以及中間包邊部的富集渣產生。因此，保證中間包銅水的溫度可以增加銅水的流動性，使夾渣物及時上浮被擋渣磚清除，另一方面，也可以減少中間包邊部富集渣的產生(圖7)。

①豎爐；②上流槽備注：出銅口與流槽角度增加20°圖6 豎爐與上流槽結構Fig.6 Vertical furnace and upper groove structure

①下流槽；②中間包；③鑄輪備注：中間包增加一個燒嘴；加大火焰圖7 中間包結構Fig.7 Tundish structure

3 實施效果

通過上述優(yōu)化，根據(jù)近兩個月的生產記錄，夾渣、空心情況明顯好轉。未改善前，夾渣斷線次數(shù)20.78次/萬t，斷線嚴重；首次優(yōu)化后，夾渣斷線次數(shù)16.88次/萬t，略微好轉；設備優(yōu)化攻關后，夾渣斷線次數(shù)3.78次/萬t，效果明顯。夾渣斷線次數(shù)由未改善前的20.78次/萬t降低至3.78次/萬t，光亮銅桿的產品質量明顯提升。

4 結束語

經過實踐證明，對設備優(yōu)化和質量控制工藝等改善控制方法和措施是有效的，但利用再生銅原料生產光亮銅桿如何進一步提高質量還需繼續(xù)探索，例如向銅水里加稀土或其他微量元素、流槽加長加深、增加自動扒渣裝置等。