（机械工程专业论文）黄铜扁锭水平连铸石墨结晶器气体保护系统的研究及设计.pdf

重庆大学工程硕十学位论文 中文摘要 摘要 水平连续铸造方法是钢铁工业领域中发展起来的一种新工艺，上世纪5 0 年代 后期开始用于铜合金材料铸坯的生产，国内是在上世纪7 0 年代开始研究水平连铸 方法生产铜合金带坯，但直到9 0 年代初期才开始规模的投入生产应用。由于采用 水平连续铸造方法生产铜合金材料铸坯具有带坯组织均匀、晶粒细小、直接冷轧 加工、设备投资少、环境污染少、生产工艺流程短、建设周期短、见效快、节约 能源、生产灵活、产品成材率高、生产成本低、经济效益好等优点，是当前国内 外各生产企业普遍采用快速、低成本的生产方法，得到了大规模的推广使用。但 这一技术由于国内使用的时间不长，加之国内引进的大多数是二手设备，对工艺 技术没有进行引进，因而人们对铜合金带坯的水平连铸生产方法认识有限，基础 资料十分缺乏，生产的坯料质量不稳定，特别是对关键部件石墨结晶器研究不够 深入，在一定程度上影响了水平连铸方法在铜合金带坯生产中的应用。本文较为 系统地分析了铜合金带坯水平连铸的工作原理，采用x 光衍射分析方法分析黄铜 水平连铸过程中石墨结晶器表面附着物的种类，分析影响带坯质量和石墨结晶器 失效的原因，在此基础上进而提出了在石墨结晶器上加装气体保护系统，减少外 界空气与金属的反应，减少石墨结晶器表面的附着物。通过对保护系统保护气体 种类、流量和压力进行试验研究，确定了合适的参数，从而减轻带坯拉铸过程中 带坯与石墨结晶器的摩擦，延长结晶器的使用寿命。 黄铜扁锭水平连续铸造气体保护方法的研究结果表明：( 1 ) 因为黄铜是铜锌 二元合金，由于其铸造温度高，黄铜与锌的凝固温度不同，在凝固过程中不可避 免的要产生析出物附着在石墨结晶器表面。( 2 ) 影响石墨结晶器使用寿命的主要 是结晶器石墨内表面的附着物，对其进行了x 射线衍射分析，确定其主要为锌与氧 化锌的混合物。( 3 ) 对黄铜扁锭水平连铸的机理进行研究，分析石墨内表面的附 着物产生的原因，从而确定了采用气体保护进行铸造的方案。( 4 ) 通过生产现场 的工艺试验和成本核算，确定了采用氮气进行气体保护，对气体保护系统的结构 进行了经验设计，解决了石墨结晶器内部气体管路与外部气源的连接。( 5 ) 对一 个生产周期内不同流量和压力情况下的保护气体使用进行了试验，初步确定了合 适的工艺参数。 黄铜扁链铸亟气体保护方法研究表明其利用具有一定的经济价值，可以提高 石墨结晶器的寿命，有效地降低生产成本，从技术上看完全可以满足水平连续铸 造黄铜扁锭的要求。 关键词：黄铜，水平连续铸造，石墨结晶器，附着物，气体保护，使用寿命 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h eh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yi so n ek i n do fn e wc r a f ti nt h ei r o n a n ds t e e li n d u s t r yf i e l d ，u s e dt op r o d u c tb l a n ki nt h ec o p p e ra l l o ym a t e r i a lc a s t i n g d o m a i nf h er e c e n td e v e l o p m e n t0 1 1l a s tc e n t u r y5 0 sl a t e rp e r i o d ，a n di ss t u d i e dt oc a s t t h eb l a n ko fc o p p e ra l l o yi nl a s tc e n t u r y7 0 。s ，b u t i ti su s e di na c t u a lp r o d u c t i o n a p p l i c a t i o no ns c a l eu n t i lt h e9 0 1 si n i t i a lp e r i o d b e c a u s et h ec o p p e ra l l o ym a t e r i a lb l a n k h a sm a n ya d v a n t a g e sv i ah o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，s u c ha st h ec r y s t a lg r a i nt i n y , t h ed i r e c tc o l dr o l l i n gp r o c e s s i n g ，l e s se q u i p m e n ti n v e s t sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ， s h o r t e rp e r i o do fc o n s t r u c t i o nc ) 7 c l ea n dt e c h n i c a lp r o c e s s ，q u i c k l ye f f e c t i v e ，e n e r g y c o n s e r a t i o n ，f l e x i b l yp r o d u c t i n g ，h i g hr a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t s ，t h el o w e rp r o d u c t i o n c o s t ，t h eb e t t e re c o n o m i ce f f i c i e n c ye t c i t st h el o wc o s ta n df a s tp r o d u c t i o nm e t h o d u s i n gi nc u n e n tp r o d u c t i o ne n t e r p r i s ea th o m ea n da b r o a d ，a n du s e do i lt h el a r g e s c a l e b u tu t i l i t yt i m eo ft h i st e c h n o l o g yi sn o tl o n ga th o m e ，i na d d i t i o n ，t h em a j o r i t yo f e q u i p m e n ti st w o h a n d a th o m e ，a n dt h ec r a f tt e c h n o l o g yw a sn o ti n t r o d u c e dw i t hi t ，s o t h ep e o p l e su n d e r s t a n d i n gi sl i m i t e dt oc a s tt h ec o p p e ra l l o yb l a n ku s i n gt h eh o r i z o n t a l c o n t i n u o u sc a s t i n gm e t h o d ，t h eb a s i cd a t al a c k se x t r e m e l y , t h ec o p p e ra l l o ym a t e r i a l s b l a n k sq u a l i t yi su n s t a b l e ，l n o r et h a na l l ，t h er e s e a r c ht ot h ek e yc o m p o n e n tg r a p h i t e c r y s t a l l i z e ri si n s u f f i c i e n t ，i ta f f e c t e dt h ea p p l i c a t i o no fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gi n ac e r t a i n i nt h i s p a p e r , t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gf o r c a s t i n gc o p p e ra l l o yb l a n ki ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ，t h ee d u c t so nt h es u r f a c eo f g r a p h i t ec r y s t a l l i z e ri si d e n t i f i e dd u r i n gt h eh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n go fb r a s s u s i n gx r a yd i f f r a c t i o n ，a n a l y z et h ec a u s eo fa f f e c t i n gt h eb l a n kq u a l i t ya n dg r a p h i t e c r y s t a l l i z e r sf a i l u r e ，a n dr a i s em o u n t i n gg a sp r o t e c t i o ns y s t e mi ng r a p h i t ec r y s t a l l i z e r b a s e do nt h e m ，r e d u c et h er e a c t i o no fo p e na i rt om e t a la n dt h ea t t a c h m e n t so nt h e s u r f a c eo fg r a p h i t ec r y s t a l l i z e r t h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e ra b o u tg a s t y p e ，c a p a c i t ya n d p r e s s u r ew a sf o u n d ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d yt ot h eg a sp r o t e c t i o n ，t h u st h e f r i c t i o ni sr e d u c e dd u r i n gt h eb l a n kc a s t i n g ，a n dl e n g t h e n st h es e r v i c el i f eo fg r a p h i t e c r y s t a l l i z e r t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) b r a s si sab i n a r ya l l o yo fc o p p e ra n dz i n c ， b e c a u s ei t sc a s t i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h ，t h ef r e e z i n gt e m p e r a t u r eo fb r a s sa n dz i n ci s d i f f e r e n t ，i ti si n e v i t a b l et op r o d u c ee d u c t st h a ta d h e r et ot h eg r a p h i t ec r y s t a l l i z e r s s u r f a c ed u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o n ( 2 ) t h ek e yf a c t o ri n f l u e n c i n gg r a p h i t ec r y s t a l l i z e r i i 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 s e r v i c el i f e i st h ea t t a c h m e n t so fc r y s t a l l i z e rg r a p h i t ei n t e r n a ls u r f a c e ，t h em i x t u r ei s m a i n l yc o m p o s e do fz na n dz n ob ya n a l y s i so fx - r a yd i f f r a c t i o n ( 3 ) t h ep l a n i s d e t e r m i n e du s i n gt h eg a sp r o t e c t i o nt oc a s t ，t h r o u g ht h er e s e a r c ht ot h em e c h a n i s mo f h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n go fb r a s ss l a b ，a n dt h ea n a l y s i so ft h er e a s o nw h i c h a t t a c h m e n t sp r o d u c ei nt h eg r a p h i t ei n t e r n a ls u r f a c e ( 4 ) t h r o u g ht h ee n g i n e e rt e s t i n g t h es c e n ea n dt h ec o s ta c c o u n t i n g ，t h en i t r o g e ni sd e t e r m i n e dt o c a r r yo nt h eg a s p r o t e c t i o n ，t h ee m p i r i c a ld e s i g ni sc a r r i e do nt ot h es t r u c t u r eo ft h eg a sp r o t e c t i o n s y s t e m ，a n ds o l v e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eg r a p h i t ec r y s t a l l i z e rg a s sp i p e l i n ew i t h e x t e r i o rs o u r c e ( 5 ) t h et e s ti sc a r r i e do ni nt h ed i f f e r e n tc u r r e n tc a p a c i t ya n dt h e p r e s s u r eo ft h eg a sp r o t e c t i o ns y s t e mi n a p r o d u c t i o nc y c l e ，a n da p p r o p r i a t ec r a f t p a r a m e t e ri sf o u n d t h er e s e a r c hi n d i c a t e si th a sac e r t a i ne c o n o m i cv a l u et h a tc a s t sb r a s ss l a bb yt h e h o r i z o n t a lc o n t i n u o u s c a s t i n gm e t h o dw i t hg a sp r o t e c t i o ns y s t e m ，m a ye n h a n c e g r a p h i t ec r y s t a l l i z e r sl i f e ，r e d u c e st h ep r o d u c t i o nc o s te f f e c t i v e l y , s a t i s f yr e q u e s t s c a s t i n gb r a s ss l a b k e y w o r d s ：b r a s s ，h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，g r a p h i t ec r y s t a l l i z e r , a t t a c h m e n t ， g a sp r o t e c t i o n ，s e r v i c el i f e i l l 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 1绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 铜及钢合金由于具有美丽的色泽，优良的导电、导热、耐蚀、焊接、电接 触、高弹性、耐低温和易加工性能，广泛应用于电子电气、电力通讯、建筑装 饰、汽车水箱、兵器工业等国民经济和国防工业的各个部门，是与人类关系非 常密切的有色金属，是工业生产不可缺少的原材料，是重要的基础原材料之一， 在世界各国的经济建设中发挥着越来越重要的作用。早在春秋战国时期，四大 文明古国之一的中国就率先冶炼出青铜并制作成各种工具和器皿，在生产和生 活中得到了广泛的应用，促进了古代文明的发展。 我国铜被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领 域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。铜在电气、电子工业中应用最广、 用量最大，占总消费量一半以上。建国以来，中国的铜加工业经过五十多年的 建设和技术改造，已经发展成为能够基本满足国民经济需要的重要基础原材料 工业。特别是改革开放以来，铜加工业得到了迅速的发展，从国外工业发达国 家引进了许多先进的生产技术和各类专用加工设备，使铜加工业基础差、设备 陈旧、工艺落后的面貌得到了很大的改变，产品品种增多，质量提高，为国民 经济的发展做出了贡献。资料介绍【l j ，生产厂家从建国初期的沈阳铜加工厂一 家发展到现在已经到了1 3 0 0 多家，产量从从1 9 4 9 年2 0 0 0 多吨发展到1 9 8 0 年 的2 3 万吨，2 0 0 0 年增加到1 5 5 万吨，2 0 0 3 年发展到3 2 0 万吨，年递增率达到 1 4 0 ，铜加工材的总产量仅次于美国，居世界第二位，从铜加工材的小国弱国 一举成为生产消费大国。 铜的消费领域较宽，并且随着科学技术的进步，其应用领域也在拓展。从 行业看，消费铜最多的8 0 年代是电气工业部门，9 0 年代是建筑业。据统计1 2 j ， 美国、日本和西欧国家8 0 年代中期的精铜消费中电气工业占4 7 8 、机械制 造业占2 3 8 、建筑业占1 5 8 、运输业占8 8 、其他占8 。9 0 年代后，西方 国家铜消费的行业分布发生了巨大变化，以美国为例，1 9 9 8 年铜消费中，建筑 业占4 1 4 、电器电子产品占2 6 o 、运输设备1 2 4 、机械制造1 1 2 、其他 9 o 。与发达国家相比，我国的电子、电气行业与机械制造业消费的铜占总消 费的比例明显高于发达国家，而建筑业及交通运输业消费铜所占的比例却又大 大低于发达国家。 消费量是影响铜价的直接因素，而用铜行业的发展则是影响消费量的重要 重庆大学 ：程硕士学位论文 1 绪论 因素。例如进入9 0 年代后，国外在建筑行业中管道用铜增幅巨大，成为国外铜 消费量最大的行业，美国的住房开工率也就成了影响铜价的因素之一。1 9 9 4 、 1 9 9 5 年铜的上涨，原因之一来自于建筑业的发展。而在汽车行业，制造商正在 倡导用铝代替铜以降低车重从而减少该行业的用铜量。此外，随着科技的日新 月异，铜的应用范围的不断拓宽，铜在医学、生物、超导及环保等领域己开始 发挥作用。最近，i b m 公司已采用铜代替硅芯片中的铝，这标志着铜在半导体 技术应用方面的最新突破。根据i c a 的预测，由于铜的效率高于光纤，在未来 若干年内，铜将用于通讯传输，其用量将相当于现有铜消费量的1 0 。随着铜 的应用领域的变化，铜的消费量将呈增长之势。 下表列出了我国近年来铜材的生产和消费状况1 3 j ： 表1 1 我国铜材生产消费状况( 单位：万吨) 年份 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 7】9 9 8 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 生产量1 5 7 21 3 5 ，11 4 6 31 2 5 21 2 8 ，2 1 5 9 71 8 5 82 5 1 23 1 9 7 进口量 3 54 2 3 4 8 55 4 76 3 2 7 4 17 3 19 1 81 0 5 6 出口量 8 78 1 9 99 ，31 0 2 1 4 41 2 31 7 22 3 3 消费量1 8 3 51 6 9 31 8 4 91 7 0 61 8 1 22 1 9 3 2 4 6 63 2 5 8 4 0 1 8 从统计数据看，中国铜市场的发展速度快于g d p 的增长速度。若干年来， 无论国际金属市场的冷热，中国铜市场的发展速度直保持着快于g d p 的增长 速度一路向前，这是政府实施基础设施建设和鼓励个人消费拉动经济发展的必 然结果，且这一特征还将在未来的2 0 年时间里继续下去。我国铜消费在2 0 0 0 年以后，一直保持1 5 左右的增长。2 0 0 2 年消费量达到2 5 6 万吨，并第一次超 过美国，成为铜第一大消费国。通过对近2 0 年中国铜原料进口构成变化以及各 个时期铜平均消费和平均增长率的统计，比照近年来我国经济持续高速增长的 事实，预计2 0 0 5 年铜需求量将接近3 5 0 万吨，2 0 1 0 年的需求量为5 8 0 - - 6 5 0 万 吨。 随着全球经济的发展，特别是工业生产规模的不断扩大，全球铜的产量和 消费量也在不断提高。数据显示【“，白2 0 0 1 年以来，全球铜每年的消费量分别 为1 4 3 7 6 、1 5 0 3 7 、1 5 4 4 8 万吨，同比增长分别为4 5 9 8 和2 7 3 3 2 0 0 1 年到2 0 0 3 年全球铜的产量分别为1 5 3 7 g 、1 5 1 0 6 、1 5 1 5 8 万吨，同比增长分 别为一1 7 7 平n0 3 4 2 0 0 1 年至2 0 0 3 年全球铜的供应缺口分别为1 0 3 、6 9 、 - - 2 9 万吨。铜材需求量的增加主要来自于亚洲，特别是随着中国的经济增长， 世界制造业中心向中国转移，铜材的需求量逐年上升，中国目前是世界上最大 的铜消费国，2 0 0 3 年其g d p 增长率达到了9 1 ，重工业化的倾向使得其对于 钢铁、有色金属等基础原材料的需求急剧增长，从而带动国内铜消费增长约1 3 。 重壅奎堂三堡堡主堂堡笙奎 ! ! ! ! l 铜加工材主要分为 2 ：铜板带材、铜管、铜丝( 线) 材、铜条杆型材、铜 箔等几大类。在铜加工材中，板带材占铜加工材的近1 5 近几年来，随着中国 经济的迅速发展，我国正逐步成为世界电子、日用消费品和电器产品的制造中 心，国内的铜板带材生产和消费一直维持较快速度的增长。 根据有关资料统计 s 】 在2 0 0 3 年，我国是世界上最大的铜板带进口国，进 口量占世界的4 0 7 7 ，而德国是世界上最大的铜板带出口国，出口量为产量的 7 7 6 ，我国铜及其合金板带材是国际贸易的主要品种，进出口量都在迅速增长。 表1 22 0 0 3 年世界主要铜材生产国铜材产量、进出口、消费状况( 单位：万吨) t a b l e1 2p r o d u c t i o n 、i m p o r t sa n de x p o r t sa n dc o n s u m p t i o no f m a i np r o d u c i n gc o u n t r yo f 国别 年产量 进口量出口量 消费量 中国铜材 3 1 9 5 1 0 5 6 2 3 34 0 1 8 中国铜板带 5 8 1 72 3 7 2 3 0 87 8 8 1 美国铜材 3 2 8 8 25 0 8 2 2 6 93 5 2 7 4 美国铜板带 4 4 2 9 0 6 3 9 64 9 3 德国铜材 1 6 3 8 53 7 5 2 8 9 21 1 2 1 7 德国铜板带 4 5 7 6 5 43 5 5 3 1 6 6 3 日本铜材 1 7 0 9 4 3 52 7 0 1 4 8 2 5 日本铜板带 4 5 1 22 1 9 1 1 6 95 9 0 意大利铜材 1 2 5 1 8 3 5 3 62 4 1 91 3 6 3 5 意大利铜板带 1 3 8 17 6 2 5 41 6 0 3 表1 3 我围铜板带近几年的数据( 单位：万吨) t a b l e1 2d a t ao fc o p p e ra n dc o p p e ra l l o y sp l a t ea n ds h e e to fo u rc o u n t r yi nr e c e n ty e a r s 名称 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 产量3 2 1 61 8 4 62 2 1 61 8 1 7 3 0 0 94 3 9 25 8 1 7 进口1 0 4 61 1 1 5 1 3 2 61 7 0 51 6 7 92 0 1 92 3 7 出口2 8 51 8 l2 3 53 1 71 9 62 6 93 0 8 消费3 9 7 12 783 3 5 73 2 0 5 4 4 9 26 1 4 3 7 8 8 l 铜板带与总产量之比 2 l 9 8 1 4 7 4 1 7 2 91 1 3 81 6 1 917 4 81 8 2 铜板带与总消费量之比 2 1 4 81 6 3 01 8 5 31 4 6 11 8 1 51 8 8 51 9 6 1 铜台金材料按化学成份分有黄铜【s 】( 铜锌合金) 、白铜( 铜镍合金) 、青铜 ( 铜与除了锌和镍之外的元素化合而成的合金) 三大类。其中黄铜又分为简单 黄铜和复杂黄铜两类，简单黄铜是只含锌的二元合金：复杂黄铜是除了锌以外， 芰壅奎兰堡主兰垡黧塞： ! i 鲨 还含毒瀣翔镑、锈、铁、镟、铝、硅、镰簿元素，黄锈囡免与镑豫合，成本魄 其他铜台盒材料便宜，具有良好的机械性能，便于生产，是应用最广泛的铜合 金。 黄铜又由于含锌量的不同而分为很多牌号 7 1 ，如r 9 0 指名义含铜量为9 0 ， 含镑量隽l 溉熬筠肇二元键锌台愈，t t 6 8 攒名义含镌量受6 8 ，禽锌量势3 2 的简单二元铜锌合金，h 6 5 指名义含铜量为6 5 ，含锌量为3 5 的简单二元铜 镑含金，其中h 6 5 镶又嚣必具套较意熬强发窝疆度，适宜戆掺接，良驽懿瓿棱 性能，物理性能和工艺性能在接摇件、纽扣、电器元件等方面得到广泛的使用， 爨魏搜王渡生产中痤建最为广泛豹黄锈楗鹳，本文鹱涉及剩熬翔题均强h 6 5 黄 铜为例来说明。 毽爽夕 锶及镪会金繁燧抟生产，一般采琨半遂续铸造热轧秘承平连续铸 造两种生产方式。黄铜带坯料的嫩产，国外企业因为产量高，一般采用半连续 铸造一热轧方式，国起企业则半逡续铸造一热轧鞠水平连续铸造麟转生产方式 均在采用，根据有关资料e 产缴在1 5 万吨以下的企业一般采用水平连续铸 遗，产量大于1 5 万吨，设备自动化程度蠢的企般一般采用半连续铸造热轧 方式，有些生产舰模较小的民营众业也采用半连续铸造一热轧方式，因为这种 生产方式可以降低对原材料的品饺要求，月对保持较好的机械性勰。 ，由予凿内铜带市场需求巨大，近年来，很多企业纷纷上马投资建厂，但是 铜加工行业由于怒资金密集型行业，所需的设备投瓷和流动资金均十分巨大， 一般均在亿元以。t ，除了国家重点支持的大型企、煦外，由于受到资金的限铡， 很多企业纷纷采用水平避铸方式生产带坯，高精冷轧生产成品，使水平连铸技 术得到了校大的笈袋。 尽管浅国铜扳带生产不断发展，但目前仍然不能满足需要，避口呈上升趋 势。从铜船工材进出日量的增长遮度可以看出，避口速度魄出口速度高一倍， 说明我国铜加工材依赖进1 3 的程度比较大。特别国内高精度铜板带生产的晶种、 痰量裙数潼均运不筢满是市场需要，是造戚我莺铺稷蒂大蓬迸翻豹主要舔豳之 一。此外，近年来港澳和台湾企业大量在内地投资办厂，困内铜加工材主嚣用 户三资金液增多，遴毒瑟渠道扩大了，广泛稠震避( 来) 辩加工贸荔方式黼避 关税和增值税，耐这些产品又大多销往国内的三资企业，也是我豳铜板带谶口 持续增长麓令鬟簧藤霞。这些帮与国雨锈趣工睾芎溺户静结梅交纯稳镶翻工稔 产品结构不平衡的关系极大，应该弓 起我们的高嶷蓬视。 最遥尼年，我国壤板辩生产获得快速发展，产蓬持续绩长，不仅耀模扩大， 并且在生产技术方面有所突破，专业纯生产趋势加强。特别是浙潋、江苏、上 海、广东譬省区镶叛繁玺产发震缎浃。翡注是嚣簿我国最主要懿钢板蘩生产基 4 塞送盔兰至筵堡主鲎堡笙奎 一。j l i 主l 逡，2 0 0 1 年锅投帮产量已经突破1 0 万蘸，占当年黼肉产羹戆3 l 。9 舔；其次建江 苏和上海，2 0 0 1 年铜板带产量分别达到7 万吨和4 万吨，占当年国内产嫩的 l 铺蟊1 1 貔。，主= 述3 雀送翡镶援带产量占蜀全藩产量熬6 3 。l 嚣，我国镧馥带 生产集中度是比较高的。 据中瓣骞萋念耩工监镑会豹不完全统诗捌，嚣嚣晷癌鲶骞4 0 0 余家锅投豢 产品生产企业( 包括铜排) ，2 0 0 2 年铜板带产品产量约4 0 万吨( 包括铜排) ， 但偿不能满是嚣求，当年戮国弱援带净避髓量力l ? ，5 l7 j i 嚏。 目前圈内铜板带年产麓超过5 0 0 0 吨的铜加工企业约礴1 5 家。其中年产量 熬避2 万噫豹青上海金泰锶盈公磷、宁波兴监集溺公司窝海疆镊加工集团公司 等3 家，这3 家企业构成了当前我国铜板带生产的主体。洛阳铜加工集团公司 怒基裁我溺最有实力的锅叛萤生产企业，兹几年蛰获霉技术含量缀篱的欧疑欢 元金属币坯料定单，经过技术开发，圆满完成了定货，这标志着我国铜板带生 产已经具备了参与国际竞争豹一定能力，鼗上了一含薪的螽除。 铜板带是应用较广的铜加工产品，在经济持续、快速增长的控动下，我国 铜扳带的消费不断上丹，2 0 0 3 年阉内铜投带的表观消费量已经接遗6 0 万吨。 其中铜板主要用在变电站的铜排( 变压器与输电线的连接物) 方耐，年需求量 在8 万吨1 0 万吨之间，货币、建设装馋、金属工艺晶等也是铜板的重要使用 领域，使埔量在5 万吨7 万吨之间。铜带是以铜板坯料为原料生产的，糟途 缀广，大剿大型变压器锕带，小到衣服纽扣用铜带，精密的有大规模集成电路 丽框架材举革，每个家庭使用的电器开关材料都离不开铜带，目前国内镉带的年 消费量在4 0 万吨左右。按用途分，铜板带可以划分为汽车水箱用铜带、变压器 用铜帝、魄线电缆用铜带、电真空器件用无氧锕带( 以上为纯铜带) 、集成电路 引线框架用铜带、弹性材料用铜带、钟表用铜带、始体管用异型铜带等。 镉蕊工率孝的消费与镉加工监朝布局及圭譬产有麓密切静关系。从近几年的发 展来看，凡是铜加工材消费量大的地区，其铜加工材生产企业也多，而且产量 大，如上海市、江苏省、浙江省等；除了过去建设的大鍪曾干企监，凡是铜船 工材消费艟小的地区，其铜加工材生产企业少，而且产量也小，如磷北的青海、 宁爱、薪鞲，华j t 静河j 、由西、内蒙，西南酶煮熊、云鬻、谣藏等，近年来 广东的铜加工材行业也有了较快的发展，从而自然形成了铜加工材生产企业靠 运游费中心豹姥较合理静工监帝鼹。我簿铜板带翡肇产之所以集中在长江三角 洲地区，主要是因为这里同时也是国内铜板带的主要消费地区。浙江是我国重 要麓役嚣铰表裁造罄建，奄工饺嚣仪表、爨动纯仪器仪表产量藩全国蓄位，汽 车仪器仪表、光学仪器仪表产量记全国第二位。浙江乐清的柳市镇，拥有1 5 0 0 家低压电器生产企照，低壤电器产篷占全戮总产量黔一半，爨1 ：3 量黪国杰蓠位。 重鏖查兰三堡堡主堂堡丝兰一一j ! ! ! l 据分析，浙江、江苏、上海三省市的铜板带消费量约占国内消费总量的5 0 左 右。 随着我国逐渐成为世界电子、日用消费品和电器产品制造业中心，国内市 场对铜板带的需求还将继续增长，预计2 0 0 5 年将达到7 0 万吨；2 0 1 0 年有可能 超过8 0 万吨，铜板带的市场前景十分厂闶。 与当前世界铜板带生产向大型、高速、精密、环保、自动化控制发展的趋 势相比，我国铜板带生产企业尚存在较大差距。特别是由于整体创新能力薄弱， 研发投入不足，满足不了发展技术含量高，附加价值大的高、精、尖铜板带产 品的需要。从整体看，我国铜板带生产的熔铸、轧制工艺技术与国际先进水平 相比仍比较落后；几乎没有先进技术储备，无法应对日趋激烈的国际化竞争。 当前我国铜板带生产面临的主要问题，一是产业结构矛盾突出，产品档次 低，技术含量高的高端产品大量依靠进口：二是生产经营粗放，集约化程度低， 经济效益不高；三是技术开发能力薄弱，缺乏具有自主知识产权的核心技术， 无法形成核心竞争力。经过多年发展，我国已经能够生产各个领域需要的铜板 带产品，但是产品质量不稳定，无法满足电子信息、航空航天、海洋工程、生 物技术等高新技术发展对高精度铜板带的需要。目前我国电子引线框架材料、 宽幅变压器铜带、高精度锡磷铜带、高精度无痒铜带等产品仍在主要依靠进口。 国内产品与进口产品相比仍然存在一定差距，几乎无法进入国际市场。 黄铜带坯料的生产，国外企业因为产量高，一般采用半连续铸造一热轧方 式，国内企业则半连续铸造一热轧和水平连续铸造两种生产方式均在采用，一 般来说，产量在1 5 万吨以下的企业一般采用水平连续铸造，产量大于1 5 万 吨，设备自动化程度高的企业一般采用半连续铸造一热轧方式，有些生产规模 较小的民营企业也采用半连续铸造一热轧方式，因为这种生产方式可以降低对 原材料的品位要求，同时保持较好的机械性能。 采用水平连铸技术生产铜合金带坯，发展的初衷是半连续铸造一热轧方式 难于生产的带坯。采用半连续铸造方式生产铜带坯料时，带坯需要锯切掉头尾， 需要投资大型的步进加热炉、热轧机及与之相匹配的滚道，占地面积较大，需 要投入的厂房和设备资金巨大，能耗较大，生产周期相对较长，但具有铸坯成 分均匀、卷重大、对原材料要求品位较低等优点，适合生产规模在3 万吨以上 的企业：而水平连铸带坯组织均匀、晶粒细小、直接冷轧，减少了加热、热轧 及中间运输环节，具有设备投资少、环境污染少、生产工艺流程短、建设周期 短、见效快、节约能源、产品成材率高、生产成本低等优点，是中小企业投资 建设的首选方案。 国内企业在引进水平连铸设备后，由于受到资金限制等原因，故将其大胆 里壅查堂堡圭堂垡堡奎j i 鱼 的用于黄铜带坯的生产并取得了成功，现水平连铸方法生产黄铜带坯在中小规 模的铜带生产中得到广泛的应用，这方面可以说是国内企业的一个创举。 在水平连铸生产铜带坯中，石墨结晶器的消耗占了生产成本很大的比例， 它的使用寿命直接关系到生产能否连续进行和成本能否降低。石墨结晶器在使 用过程中，始终浸泡在高温铜水里，与各种金属和非金属氧化物、铜液中的气 体进行摩擦，带坯在拉铸过程中在石墨模内完成液体到i 司体的转变，高温金属 的氧化附着物粘负在石墨模表面、铸造件的不平整等都会对石墨模的寿命生产 很大的影响。文献介绍1 1 0 l ，根据生产品种的不同，一般情况下，- - n 石墨模的 生产周期：锡磷青铜q s n 6 5 ：0 1 为3 4 天，简单黄铜t t 9 0 为2 3 天，h 6 5 为 6 7 天，使用寿命都不理想，不仅增加了生产成本，而且还影响了生产的连续 运行，因此，对黄铜带坯水平连铸的机理进行研究，从而提高石墨结晶器的寿 命就显得格外突出。 1 1 2 研究的意义 目前国际上广泛采用水平连铸方法生产的是青铜、白铜等难于热轧的铜合 金带坯材料，生产黄铜管采用水平连铸方法，普遍采用结晶器气体保护技术， 保护生产的黄铜管石墨结晶器表面，减少析出物，提高结晶器的寿命，国外生 产黄铜带坯广泛采用的是半连铸方法，水平连铸没有采用。而国内普遍采用水平 连铸方式生产黄铜带坯扁锭，不加装任何保护系统，拉铸黄铜扁锭时在石墨结 晶器表面上有很多析出物，影响了石墨结晶器的寿命，一般一副结晶器生产7 8 天后要更换新的结晶器重新引锭进行生产。一副新的石墨结晶器使用过后， 通过返修，磨去石墨表面的析出物，可以重新投入使用，每次返修量在1 5 2 0 m m ，一般一副新的石墨结晶器可以返修2 3 次，有时析出物较多，返修时 需要去除的表面层较厚，只能返修一次就到了极限，大大增加了生产成本。 开展本课题研究，在于结合贵州鹏达铜材有限公司主要生产简单黄铜合金 铜板带的实际，深入分析黄铜扁锭水平连铸生产在石墨结晶器里的工作原理和 凝固过程，对现有的结晶器进行改造，加装气体保护系统，延长结晶器的寿命， 从而降低水平连铸生产的成本，保证生产的连续进行，稳定和提高水平连铸黄 铜扁锭质量，提高产品的市场竞争力。本课题的研究，有助于国内采用水平连 铸生产黄铜扁锭的企业提供借鉴，降低生产成本。 除了上述意义外，在黄铜扁锭水平连铸气体保护系统的研究和设计过程中， 探索了在企业现有的条件下如何运用新技术、新科学，借鉴国外企业的经验， 触类旁通，技术移植，掌握现代机械设计方法，并不断的实践，积极探索，持 续的改进，坚持高起点的原则选择技术方案，采用新工艺、新技术，使改造后 重鏖查堂王堡堡主堂垡堡塞一l ! i ! l 的企业能够具有较高的水平，利用企业的部分公用辅助设施，节约资金，缩短 建设周期，而且可以利用企业的生产、经营和管理经验，使企业改造尽快发挥 经济效益。 1 2 国内外水平连铸发展状况 1 2 1 国外铜合金水平连铸发展状况 文献介绍 1 1 ，1 9 4 0 年，第一份关于水平连铸的专利公之于世，1 9 5 8 年，瑞 士w e r t l i 公司研制出第一套水平连铸设备并投入生产，此后，经过不断改进设 计，该公司有1 3 0 多套设备投入有色金属和黑色金属的生产；1 9 6 3 年，又一家 德国专业设计、制造水平连铸设备的公司t e c h n i c ag u s s 成立，它拥有一批有 经验的工程师，采用了最新设计的在线铣床和高精度的西门子铸造计算机控制， 生产过程和产品带坯的质量都比较高，在世界市场上占有率最高，有2 5 0 多套 水平连铸设备投入生产；除此之外，奥地利的m e t a t h e r m 、美国的h a z z l e t 、英 国的a u t o m a d 和法国的g r i s e t 等公司也在不断的改进和推销自己的水平连铸机 列。 9 0 年代以来，随着世界能源的紧缺，对冶金行业这种高能耗的行业提出了 更高的要求，要求生产流程更短，能耗更低，各国纷纷投入力量研究水平连铸 铜合金带坯的生产新技术。法国g r i s e t 公司的水平连铸机列在双面铣削后带有 横向碾压装置、在线均匀化退火炉，打卷后的反偏析严重的铜合金带坯如锡磷 青铜q s n 6 5 - 0 1 上冷轧机能够实现加工率超过8 0 的大压下量轧制，生产流程 更短，成本更低。在原来的水平连铸线术端配置大压下量的轧机，实现连铸连 轧。 在结晶器研究方面，为了更进一步细化晶粒，获得质量更好的连铸带坯， 便于后工序进行大加工率轧制，缩短工艺流程，发达国家的铜加工企业普遍投 入了大量的人力物力进行技术研究，保护气体熔炼、结晶器电磁铸造等技术相 继在铜合金的生产中得到了应用，取得了良好的经济效益。 1 2 2 国内铜合金水平连镑发展状况 2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初，随着改革开放政策的执行，国内铜加工 企业走出国门考察，发现国外铜加工企业普遍采用水平连铸技术生产铜合金带 坯，特别是难于用热轧方式生产的锡磷青铜带坯，国内的铜加工技术己经远远 落后于国外同行，于是纷纷引进全新或者二手的水平连铸生产设备。 国内水平连铸铜及铜合金带坯发展应用可分为：自行开发应用、引进国外 先进技术应用和引进技术消化吸收三个阶段 1 2 。 自行开发应用阶段：1 9 7 2 年北京铜材厂首先开发成功，应用于生产厚1 5 蔓鏖_ 大堂三堡堡主堂堡垒塞 一一j ! 二! 一 2 4 r a m 宽1 0 0 2 0 0 m m 的普通黄铜( h 9 0 、h 6 8 ) 、锡磷青铜q s n 6 5 - 0 1 、锡铅锌青 铜0 s n 4 4 2 5 和紫铜；1 9 7 3 年上海第一铜带厂( 现上海金泰铜业有限公司) 和沈阳铜加工厂均应用此技术生产锡磷青铜带坯，取代了铁模铸造，但对技术 没有深入研究，生产自动化程度低，生产质量不稳定，设备装机水平低，没有 得到进一步的推广应用。 引进国外先进技术阶段：2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初，随着改革开放 政策的执行，国内铜加工企业走出国门考察，发现国外铜加工企业普遍采用水 平连铸技术生产铜合金带坯，特别是难于用热轧方式生产的锡磷青铜带坯，国 内的铜加工技术已经远远落后于国外同行，于是纷纷引进全新或者二手的水平 连铸生产设备，基本集中在引进了瑞士w e r t l i 、德国t e c h n i c a _ o u s s 、奥地利 的m e f a t h e r m 三家公司。 引进技术消化吸收阶段：从2 0 世纪9 0 年代初到末，经过引进设备生产厂 家、设计、制造单位的共同努力，终于实现了水平连铸设备的困产化，技术装 备达到或接近国际先进水平，目前以有2 0 多条水平连铸线投入生产，其中有 1 6 条线是北京自动化所和洛阳有色加工设计研究院设计制造的，还有铜加工企 业根据自己的实际，在消化引进技术的基础上自主开发的，如江