[发明专利]一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸设备及其工艺

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别是提供一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸设备及其工艺。

背景技术

白铜合金具有较高的强度和优异的耐蚀性能，是火电、船舶、海水淡化等领域良好的热交换材料和结构材料，其管材制品作为冷凝管、热交换器管等广泛应用于对耐蚀要求程度高的场合。其中，BFe10-1-1和BFe30-1-1（分别简称B10和B30）是两种代表性的白铜合金，其管材的市场需求较大。

目前，国内外白铜合金管材的生产主要采用“半连铸实心铸锭—热挤压管坯—半成品拉伸(或冷轧)—成品拉伸”的制管工艺（简称挤轧法），由于拉伸/冷轧道次多，加上酸洗、中间退火等工艺，其总加工工序多达二十多个道次[见：郭莉，李耀群，冷凝管生产技术，P.30～32，冶金工业出版社，2007]。该工艺存在的主要问题是：（1）工艺流程长，工序繁杂，能耗高，成材率低，成本高；（2）由于白铜合金高温屈服强度高，需在高温下挤压管坯，存在金属氧化较严重、管坯偏心报废等问题，影响金属收得率和成品率；（3）由于合金镍含量较高，高温粘度较大，因此挤压模、穿孔针、挤压筒等容易损坏粘铜而使管坯表面产生较严重重皮、夹层和深划沟等缺陷，降低了挤压管坯成品率；（4）铸坯表面质量较差，需要扒皮处理，加上挤压时的头尾几何损耗较大，降低了管材的几何收得率；（5）因为采用挤压法生产管坯，管坯长度受到限制，所以不适合生产大卷重、长尺寸白铜管材。这些问题导致了白铜管材的成材率低（国内约为45％～50％，国外也只有60％～65％），生产成本高，严重制约了其更大规模的工业应用。

为了节能降耗、提高成材率和降低成本，采用先进的短流程工艺生产白铜合金管材成为近年来研究开发的重点和方向。目前已经开发的主要生产方法有：（1）“水平连铸空心管坯—轧制—盘拉或直拉” [见：李宏磊，娄花芬，马可定,铜加工生产技术问答,P.289～290，冶金工业出版社，2008]；（2）“连续定向凝固制备小直径薄壁管坯—盘拉” [见：谢建新，娄花芬，王自东等，铜及铜合金精密管材短流程制备工艺，中国发明专利，ZL200710065281.9，2009-06-10]。

上述第一种方法是采用水冷结晶器（水冷铸型，铸型材质为石墨）进行水平连铸，

直接成形厚壁白铜管坯，取代传统的“半连铸实心铸锭－热挤压管坯”工艺，因而工艺流程显著缩短、成材率明显提高，但也存在如下主要问题：

(1)连铸管坯表面质量较差

普通水冷结晶器连铸时，管坯的凝固界面位于结晶器内部，管坯凝壳与铸型接触长度大，接触表面摩擦大，连铸管坯易产生内外表面桔皮、偏析瘤、微裂纹、褶皱等缺陷。虽然采用铣面加工，可消除外表面的铸造缺陷，但管坯内表面缺陷（如内表面褶皱）无法进行机加工消除，被带入后续加工，严重影响产品的质量稳定性和成材率。

(2)连铸管坯发达的壁厚方向柱状晶组织

由于普通水平连铸只能成形壁厚较大的管坯，凝固时径向散热显著，所得管坯组织为发达的径向柱状晶组织[见：李新涛，李廷举，张兴国等，水平连铸BFe10-1-1白铜管组织与性能，中国铸造活动周论文集，2004，151-155]，这种径向生长的柱状晶不利于轧制、拉拔时的轴向延伸变形，导致加工性能下降，加工道次增多。

第二种方法，连续定向凝固制备白铜管材，与普通水平连铸时的情形不同，采用加热铸型，铸型温度控制在合金凝固点以上，通过在铸型出口处喷水冷却，形成具有较高温度梯度的轴向热流散热，获得结晶沿与拉坯相反方向进行的定向凝固组织[见：余业球，赵锋，黎沃光，热型连铸BFe30-1-1白铜管的组织与性能，热加工工艺，2005，11：8-11]。该方法的优点是：凝固固液界面位于结晶器（热型）的出口附近，由于凝固管材与铸型表面之间的摩擦力很小，可实现薄壁管的连铸成形，且成形管坯表面质量高，可达到镜面状态；管坯组织致密，铸造缺陷少；与普通水平连铸发达的径向柱状晶组织不同，其组织为沿轴向取向的连续柱状晶，该组织对后续的延伸加工（轧制、拉拔加工）特别有利[见：张鸿，连续纤维晶组织纯铜线材制备的基础研究，北京科技大学博士学位论文，2003]。但连续定向凝固方法存在的主要问题是：

(1) 只能实现小直径（Ф30～50mm以下）、薄壁（3～5mm以下）管材的连铸成形，且拉铸速度较慢，生产效率较低，在大规模生产等方面缺乏竞争力；

(2) 由于固液界面在铸型出口附近，工艺控制难度较大，容易出现拉漏事故。

发明内容