1、铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：于康康,王松伟,宋鸿武,张士宏,刘羽飞,张旺.紫铜板带水平连铸坯“阴阳带”问题探析J.铜业工程,2023(1):66-74.紫铜板带水平连铸坯“阴阳带”问题探析于康康1，2，王松伟1，宋鸿武1，张士宏1，刘羽飞3，张旺3（1.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心，辽宁 沈阳 110016；2.中国科学技术大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110016；3.江西铜业集团铜板带有限公司，江西 南昌 330096）摘要：水平连铸法生产紫铜板带坯时通常采用双流结晶器，
2、受安装精度、工艺参数等影响，生产过程中容易出现两条铸坯温差过大的现象，即“阴阳带”问题，严重影响紫铜铸坯质量，降低生产效率和产品成材率。针对某铜板带厂紫铜水平连铸坯的“阴阳带”现象以及产生原因、防止措施等展开研究，并结合模拟方法对其原理进行分析。研究表明，模具内铜液结晶位置的变化是导致铸坯出口温度变化的直接原因；铸坯下表面与石墨模具产生间隙、冷却水调节过程时间差等是导致“阴阳带”问题的主要原因。本文从结晶器装配、工艺参数调节等方面提出改善措施，以期为金属带坯的实际生产提供技术参考。关键词：水平连铸；紫铜板带；阴阳带；结晶器；铸造工艺doi：10.3969/j.issn.1009-3842.20
3、23.01.007中图分类号：TG290 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0066-091 引 言纯铜具有优良的电学和热学特性，广泛应用于电子信息、高速铁路和航空航天领域1，其带材导电性能及加工性能优异，主要用于制造变压器铜带2、汽车软连接3、建筑装饰制品4和均热板5等。目前紫铜板带材的生产方式主要有立式连续铸造+热轧+冷轧、上引连续铸造+连续挤压+冷轧6和水平连续铸造+冷轧73种，其中水平连铸法资金投入少、设备占地小，且不需要经过热轧，生产流程相对较短，正逐渐被越来越多的企业所使用8。在工业连铸过程中，普遍认为水冷模具和高温熔体凝固外壳之间形成的气隙对生产效率的
4、影响是消极的，因为它起到将铸件和水冷模具隔热的作用9。气隙的产生源于高温熔体的凝固收缩，减轻这种影响的一种方法是使模具带有锥度10。Wang等11采用修正方程分析了气隙对边界传热以及结晶器锥度的影响。Luo等12采用二维有限元模型研究结晶器锥度对钢坯温度应力分布的影响，发现模具锥度有效补偿了壳体的收缩，减小了气隙厚度。生产实践中还发现，不同牌号的石墨模具对连铸坯的出口温度也有显著影响。张良利等13借助有限元模拟研究了石墨模具的物性参数与连铸坯出口温度之间的关系，发现随着连铸坯出口温度随着石墨导热系数的增加而降低，石墨密度与铸坯温度并无直接的对应关系。然而实际生产中双流结晶器即使使用两副材质相同
5、、锥度相同的石墨模具，连铸坯的出口温度仍会存在差异，即“阴阳带”问题。“阴阳带”问题不仅严重影响产品稳定性，还会导致结晶器寿命缩短、生产效率降低。本文以某板带厂紫铜水平连铸坯“阴阳带”问题为研究对象，统计相关数据并结合数值模拟对该问题进行研究分析。2 水平连铸坯“阴阳带”现象图1为某铜板带厂紫铜水平连铸坯，利用热电偶测量两条连铸坯在结晶器出口位置温度分别为472 和547，相差75，温度差别导致铸坯颜色明显不同，其中低温部位呈紫红色，高温部位呈黑色。生产上将此类缺陷称为“阴阳带”问题。现场生产使用的双流结晶器，同时引出A带、B带两条板坯，且二者牵引速度始终相同。正常情况下，铸造温度、牵引速度、
6、冷却水温度及回水温度均相收稿日期：2022-08-08；修订日期：2022-09-05基金项目：中国科学院重点部署项目（ZDRW-CN-2021-3）资助作者简介：于康康（1979），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向：铜合金水平连铸凝固过程，E-mail：同，两板坯在结晶器出口位置处的温度应该是相近的，然而实际生产过程中，“阴阳带”问题频发，即一条带温度偏高，另一条偏低或者正常，两条板坯出口温差最高时在100 以上。实际生产中，一般通过铸坯出口温度来判断铸坯质量情况，根据生产经验，铸坯出口温度控制在 400460 范围内时，铸坯质量较好。为保证生产板坯的质量并避免漏铜事故发生，现场会对铸坯
7、出口温度进行定时监测，出口温度也是调整如拉速、冷却强度等生产工艺的判据。表1是某次存在“阴阳带”问题的生产工艺参数和铸坯出口温度记录表，每卷铸坯测温两次，共生产6批（12卷）铸坯。其中A带温度较低，B带温度过高，由表1可知，开始引拉阶段，两条带拉速和进水压力均相同，但 B 带出口温度明显高于 A带。为降低出口温度，A 带和 B 带进水压力由 0.4 MPa分别提高至 0.55 MPa和 0.6 MPa，A带出口温度有所降低，但B带温度继续升高。第二批铸坯拉速由90 mm/min提至102 mm/min，A带进水压力降回0.4 MPa，B带进水压力继续增大至0.65 MPa，发现A带出口温度有所
8、提高，B带中部出口温度继续上升，但边部温度明显下降。后续生产过程中工艺参数基本保持不变，随时间推移，石墨模具导热效果下降，铸坯出口温度继续增大，最终因铸坯表面多裂纹及冷隔缺陷而停拉、更换结晶器，停拉卷A带和B带出口中部位置温差高达200。结晶器冷却能力有限，一旦出现两条带温差过大的情况，就很难进行提速，并导致两条带坯在组织、表面缺陷（见图1）以及后续成形等多方面的差异，严重影响产品稳定性，同时铸坯温度过高的一侧会使模具寿命严重降低，频繁地更换结晶器使得生产效率难以提高，为此需要对该问题进行分析并解决。66于康康等 紫铜板带水平连铸坯“阴阳带”问题探析2023年第1期同，两板坯在结晶器出口位置处
9、的温度应该是相近的，然而实际生产过程中，“阴阳带”问题频发，即一条带温度偏高，另一条偏低或者正常，两条板坯出口温差最高时在100 以上。实际生产中，一般通过铸坯出口温度来判断铸坯质量情况，根据生产经验，铸坯出口温度控制在 400460 范围内时，铸坯质量较好。为保证生产板坯的质量并避免漏铜事故发生，现场会对铸坯出口温度进行定时监测，出口温度也是调整如拉速、冷却强度等生产工艺的判据。表1是某次存在“阴阳带”问题的生产工艺参数和铸坯出口温度记录表，每卷铸坯测温两次，共生产6批（12卷）铸坯。其中A带温度较低，B带温度过高，由表1可知，开始引拉阶段，两条带拉速和进水压力均相同，但 B 带出口温度明显
10、高于 A带。为降低出口温度，A 带和 B 带进水压力由 0.4 MPa分别提高至 0.55 MPa和 0.6 MPa，A带出口温度有所降低，但B带温度继续升高。第二批铸坯拉速由90 mm/min提至102 mm/min，A带进水压力降回0.4 MPa，B带进水压力继续增大至0.65 MPa，发现A带出口温度有所提高，B带中部出口温度继续上升，但边部温度明显下降。后续生产过程中工艺参数基本保持不变，随时间推移，石墨模具导热效果下降，铸坯出口温度继续增大，最终因铸坯表面多裂纹及冷隔缺陷而停拉、更换结晶器，停拉卷A带和B带出口中部位置温差高达200。结晶器冷却能力有限，一旦出现两条带温差过大的情况，
11、就很难进行提速，并导致两条带坯在组织、表面缺陷（见图1）以及后续成形等多方面的差异，严重影响产品稳定性，同时铸坯温度过高的一侧会使模具寿命严重降低，频繁地更换结晶器使得生产效率难以提高，为此需要对该问题进行分析并解决。图1紫铜水平连铸双流结晶器“阴阳带”及连铸坯缺陷图（a）阴阳带；（b）延伸性开口裂纹；（c）间断性开口裂纹Fig.1Diagram of“Yin-Yang Strip”and continuous casting slab defects of double flow crystallizer for horizontal continuous casting of red co
12、pper（a）Yin-Yang Strip；（b）Extended open crack；（c）Intermittent open crack表1生产工艺参数与铸坯出口温度记录表Table 1Record table of production process parameters and billet outlet temperature铸坯批号TU2206291A/B1TU2206291A/B2TU2206301A/B1TU2207011A/B1TU2207011A/B2TU2207021A/B1A带出口温度/东389353353365329358358360373346345中37335
13、1351367366367367402415357356西356349349362335330330336341323328B带出口温度/东448489489492478460460475487457486中494513513510546530530545531510551西438471471478433430430450463449440进水压力/MPaA0.40.550.40.40.40.40.40.40.40.40.4B0.40.60.60.60.650.650.630.630.630.630.63拉速/（mm/min）90909010210210210210210210210667总第
14、179期铜业工程Total 1793 铸坯出口温度影响因素探索图2为铸坯出口温度随时间的变化情况，铸坯出口温度同时受拉速和进水压力影响，而且对拉速变化更加敏感，对进水压力变化则相对迟钝，有一定的延时性。起始引拉阶段 A 带和 B 带拉速相同，然而出口温度却存在明显差异，故对“阴阳带”问题的分析暂不考虑拉速的影响。紫铜板坯开始引拉前，引锭板前端距结晶器入口距离仅10 mm；引拉开始后，大量铜液经结晶器冷却凝固成板坯被持续拉出。若以固相线为界，将结晶器内铜板分为液态和固态两部分，液态部分直接与模壁接触，冷却效果显著，铜液凝固收缩导致气隙厚度不断增加，板坯传热主要集中在结晶器前半部分。所以，一般而言
15、，铜液的结晶位置与结晶器入口距离越短，铸坯出口温度也就越低。如果因某种因素导致铜液结晶位置沿牵引方向外移，则结晶器内液态区域占比自然增加，就有更多的热量需要传出，若结晶器冷却强度不变或者已达到上限，铸坯出口温度势必会增加。基于以上考虑，本文认为可以用铸坯结晶位置远近表征其出口温度高低。为检验此猜想是否合理，后续对结晶器内部情况进行了观察与测量。存在“阴阳带”问题的结晶器拆开后发现两条带坯结晶位置存在差异，如图3所示。以上模板为例，A带和 B带结晶线位置距结晶器入口分别为 53 mm和67 mm，从结果来看，B带出口温度明显高于A带。图4为停拉卷留在结晶器内部的铸坯，相比于模具内壁结晶线位置，板
16、坯上的结晶位置更具有可信度，A 带和B 带结晶位置距结晶器入口分别为40 mm和54 mm，二者均表明铜液的结晶位置距结晶器入口距离越远，铸坯出口温度越高，即铜液结晶位置与铸坯出口温度正相关。4 数值模拟验证与分析4.1模型建立实际生产中结晶器更换周期相对较长，难以获得一系列铜液结晶位置和对应板坯出口温度数据，为研究二者的定量关系，建立了基于Mile算法的紫铜板坯水平连铸非稳态模型，考虑到模型左右对称，为缩短计算时间，只取 1/2 模型进行模拟，如图 5 所示，Mile 算法的相关信息请参考文献14。模拟所用工艺参数和模型重要尺寸如表2所示。4.2模拟结果分析石 墨 模 具-水 冷 铜 套 界 面 传 热 系 数 设 为 1500 W/(m2K)，铸坯凝固收缩会在铸坯和模具界面产生气隙，由于重力影响，假设铸坯下表面始终与模具接触，则上表面气隙厚度较大，铸坯上表面冷却强度小于下表面，具体热边界条件见表3。通过改变水冷强度与铸坯/石墨模具界面的换热系图2铸坯出口温度随时间变化图（a）A带；（b）B带Fig.2Variation of billet outlet temperature wi
