WCA January 2020

关于铜杆连铸连轧的过程模 拟和质量控制的研究

作者：纪惠双、刘洋、彭燕、王双雷、高玉荣、钱东亚、高佳欢，来自冷轧带钢设备及工艺国家工程研究中心和中国江苏恒通 精密金属材料有限公司

摘要

2 理论建模 连铸和热轧是 SCR3000 生产线上的关键工艺。连铸阶段和热 轧过程均有各自的理论模型，铜杆的生产过程也得到了全面 分析。 2.1 浇铸技术分析 SCR3000 五轮浇铸机由浇铸轮、钢带、浇铸轮驱动装置、随 动轮装置、铸模涂碳装置、浇铸坯料牵引装置和浇铸坯料传 输装置组成。系统结构参见图 1 。 液态铜被注入梯形结晶室，外覆钢带和浇铸轮，距中间包浇 铸管有一定角度。经浇注机冷水的冷却后，液态铜在结晶轮 的恒速旋转过程中以对流形式不断凝固和结晶，从而形成高 温铜坯。结晶轮由脱模装置和后续的桥导向轮驱动。结晶轮 在切边后进入轧机系统。这便是“浇铸-冷却-脱模”的连铸 工艺。 在液态铜热连铸工艺的凝固和结晶过程中，浇铸温度、浇铸 速度、浇铸角度和传热系数都是会影响铸坯结晶质量的重要 参数。铸坯成形的理论模型是根据工艺参数的影响而确定 的。水晶腔内不同的热传导方程式 [5] ：

连铸连轧是铜杆制造业的关键技术，可决定铜杆的性能和品 质。针对 SCR3000 铜杆连铸连轧生产线上存在的问题，如铜 粉含量高、抗扭性能差、以及深加工性能差等，我们确立了 铜杆连铸胚料和热连轧的形变模型，并根据现场工艺参数确 定了相应的有限元模型。我们也分析了铜杆的成形和形变规 则，并探讨了铜杆的质控方法和工艺优化方法。同时，也解 决了热连轧过程中轧辊粘铜这一问题。此次研究结论对优质 铜杆的生产具有重要的指导意义。 1 简介 铜杆具有良好的物理性能和电气性能，应用于漆包线、超细 铜丝、线缆、通信线路和其他领域。随着工业的发展以及科 学技术的突飞猛进，人类对铜杆的需求不仅急剧增长，对铜 杆的质量要求也更为严格 [1] 。在铜杆的加工过程中，五轮连铸 工艺中的液态铜凝固过程是 SCR 连轧系统的核心内容，包括 温度场、流场和凝固场的联合作用。热轧粘棍和成品铜杆的 缺陷，如铜粉含量高、抗扭性能差等，会严重影响铜杆的生 产效率和成品铜杆的质量。因此需要对现有工艺进行全面彻 底的分析和生产控制，对其中的关键流程进行优化，以保证 铜杆的质量。 连铸和热轧工艺可直接影响 SCR 铜杆生产设备的工作能力以 及成品铜杆的质量性能。通过对 SCR 方法生产的铜合金的显 微结构和成分进行模拟和分析，杨 [2] 在理论层面上确定了显 微结构和宏观性能之间的关系，并充分显示了铜合金的凝固 行为和性能变化。 Sahoo [3] 通过分析更改数值模拟参数时对凝 固和湍流模型的选择，研究了浇铸速度和温度对连铸凝固流 程的影响。 Komanduri 等人 [4] 研究了铜的机械性能，如抗张强 度，并解释了形变速度和程度对细粒铜杆形变过程的影响。 针对 SCR3000 连铸连轧生产线目前存在的缺陷，本论文研究 了连铸工艺中铜坯的凝固过程和铜杆的形变特性，确定了相 应的理论模型和有限元数值模拟分析，深入研究了铜杆生产 中的连铸和热轧工艺及其对铜杆质量的影响，并推出了技术 性优化方法。铜杆质量可以有效提升。

∂ T

( λ ∂ T ∂ x

( λ ∂ T ∂ y

∂ ∂ t

∂ ∂ y

ρ c

)+ Q

) +

∂ t =

p

❍ 公式 1 c p 和

λ 表示恒压和恒定热导率下的特定热容。液态铜的凝 固过程包括动量对流、枝晶间流动和模具流动。针对液态铜 的湍流动能建立了微分方程。

⎤ ⎦ ⎥ ⎥

⎡ ⎣ ⎢ ⎢

⎞ ⎠ ⎟⎟

⎛ ⎝ ⎜⎜

∂ ( ρ u i

k )

∂ k

∂ ( ρ k )

µ i σ k

µ i

∂ ∂ x

+ G

− ρε + D +

k

∂ t +

=

µ i

+

k

∂ x

K

∂ x

i

i

i

p

❍ 公式 2

❍ ❍ 表 1 : 热连轧相关参数分析

1H 2V

3H

4V

5H

6V

7H

8V

9H

10V

D k /mm 295.89 282.00 197.69 196.59 206.75 204.34 208.74 205.43 206.86 206.78 n /r·min -1 22.11 44.06 101.99 169.19 257.56 401.19 611.11 819.17 1,189.95 1,574.51 Z/% 34.21 47.20 39.39 40.00 37.50 35.00 35.90 24.00 31.58 22.66 δ 1.52 1.89 1.65 1.67 1.60 1.54 1.56 1.32 1.46 1.29

* Dk – 工作直径 , n – 轧制速度 ; Z – 截面收缩 ; δ – 伸长系数

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Wire & Cable ASIA – January/February 2020