CN102304686B - 一种纯铜管材的短流程高效生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种纯铜管材的短流程高效生产方法。技术方案为：采用热冷组合铸型及连铸技术，高效生产具有轴向取向组织、内外表面质量优良的纯铜管坯，在不进行表面刨皮处理情况下直接对管坯进行后续成形加工，成形加工过程中不需进行中间退火或仅需少量低温退火，高效生产纯铜管材。热冷组合铸型连铸的特点在于连铸结晶器由被加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置位于热型段和冷型段的交界处附近，实现高效制备高表面质量、具有轴向取向组织的管坯。本发明优点是生产流程短、能耗低、成本低、成材率高、生产效率高。

Description

一种纯铜管材的短流程高效生产方法

技术领域

 本发明属于金属材料领域，涉及一种纯铜直管/盘管的短流程高效生产方法。

背景技术

纯铜管具有低温强度高、导热性好和耐腐蚀等特性。纯铜管的耐压能力是塑料管和铝塑管的几倍乃至几十倍，它可以承受当今建筑中最高的水压，并且具有杀菌效果，因此纯铜直管是最佳的供水管道，成为所有高档住宅商品房自来水管道、供热、制冷管道安装的首选。大卷重的纯铜盘管几乎全部用于制冷空调，主要作为空调器中蒸发器和冷凝器的热交换器用管。随着空调制造厂规模的扩大和制作技术的提高，要求盘管的单重越大越好，这样不仅可以提高生产效率、降低生产成本，同时盘重越大，沿几千米长度上各点的性能及尺寸精度的一致性就越好，从而保证了“两器”制作过程中铜管的同一性[见：李耀群，易茵菲，现代铜盘管生产技术，P.9～10，冶金工业出版社，2005]。

目前，纯铜直/盘管的主要生产方法有2种：第一种是传统的挤压生产工艺，即半连续铸锭－热挤压－冷轧管－直/盘拉，传统工艺的特点是产品质量高，但生产流程长、成材率低，而且由于受挤压工艺的限制，难以生产超大盘重的纯铜管材； 第二种是20世纪80 年代由芬兰Outokumpu公司开发的铸轧工艺，即水平连铸管坯－行星轧制－直/盘拉，与传统的挤压工艺相比，由于采用连铸方法直接制备铜管坯，可大幅度提高生产效率，同时，三辊行星轧制单道次的加工变形量大，因而进一步提高了生产效率。虽然铸轧工艺与传统的挤压工艺相比流程大幅度缩短、生产成本显著降低，但也存在管坯质量较差(如外表面橘皮、内表面褶皱、缩松、发达的径向柱状晶组织等)、生产工艺较为复杂（如需要对管坯内表面进行刷铣处理，外表面进行刨皮处理）、能源消耗大（如成形加工过程中需要多次温度为500℃左右的退火处理）等不足。

另外，在生产小直径（3～10mm）、薄壁（0.3～0.7mm）电缆管、阴极管等精密铜管方面，谢建新等人开发了精密铜管短流程制备加工工艺[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]，其特点是采用热型连铸方法成形直径15～40mm、壁厚1～3mm的薄壁铜管，然后直接进行盘拉, 生产小直径、薄壁精密管材。与传统的挤压法相比，省去了热挤压及冷轧管工序；与水平连铸法相比，省去了铣面和行星轧制工序。因此，新工艺可以大幅度缩短流程，节约能耗，显著提高成材率，降低成本，该工艺在管坯连铸方面基于热型连铸，液-固界面被控制在铸型的出口附近，其优点是:①连铸管材的的内外表面光洁，可以达到镜面状态, 不需任何处理即可直接用于轧制、拉拔等冷加工；②沿轴向生长的连续柱状晶组织有利于后续的轴向延伸变形[张鸿，谢建新，王自东，王浩，连续定向凝固铜棒及其冷加工后的组织和力学性能.机械工程材料，2004，28（2）：31-33]。

同样基于热型连铸的铜管上引连铸技术[见：杨文礼等，上引连铸一拉伸生产无氧铜管的工艺方法，中国发明专利，CN93115264.X，1993-12-11]也具有上述优点。

而采用热型连铸技术生产管坯存在的问题是：①只能实现小直径（≤Ф50mm）、薄壁（≤3mm）管材的连铸成形，且拉铸速度较慢，生产效率较低，较适合高质量精密细小管材的生产；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。

为了解决普通水平连铸存在的管坯表面质量差和径向柱状晶问题以及热型连铸存在的生产效率低以及容易拉漏等问题，本专利申请人等人开发了热冷组合铸型水平连铸技术[见：谢建新等，一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸工艺与设备，中国发明专利，CN 101966564 A，2010-10-09]，其原理是铸型由加热段和冷却段组成，加热段采用加热装置进行强制加热，而冷却段采用水冷铜套进行强制冷却，由此在管材凝固界面前沿建立起较高的轴向温度梯度。该技术的优点是：(1)连铸管材组织致密且具有沿轴向取向的柱状晶组织，有利于后续的轴向延伸加工（如轧制、拉拔）的延伸变形；(2)管材内外表面质量优良，无橘皮、褶皱、裂纹等缺陷，不需内外表面铣面可直接进行后续冷加工成形；(3)液固界面控制范围大，允许采用较大的拉铸速度，并实现较大直径和壁厚管材的连铸。该技术的开发为铜及铜合金管材高效生产提供了崭新的途径。专利申请人等采用热冷组合铸型水平连铸技术制备白铜管坯，结合特定的后续加工与退火工艺，开发了白铜管材的短流程高效生产方法[见：谢建新等，一种白铜合金管材短流程高效生产方法，中国发明专利，申请号：201110064777.0，2011-03-17]。但该发明还存在以下问题：一是由于白铜合金的熔点较高，为获得所需的热型温度，热型采用了高频感应加热，但高频感应加热的有用功率因数较低，导致热型加热时能源消耗较大，增加了生产成本；二是由于纯铜与白铜化学成分相差较大，连铸、成形加工和热处理工艺参数相差较大。例如，纯铜的熔点较低、铸造时流动性较好；纯铜热导率约是B19白铜的10倍；纯铜成形加工时变形抗力更小。由于上述原因，该发明所提供的连铸、加工成形和热处理等工艺参数范围仅适合白铜管材的生产，而不能运用于纯铜管材的生产。因此，解决目前纯铜管材生产存在的上述问题，需要根据纯铜管材的自身特点，通过深入研究，发明一种加热方法更加节能高效、无需中间退火或仅需少量低温退火、适合纯铜连铸、加工及热处理的特定工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种短流程、高效生产纯铜管材的新方法，该方法可以缩短纯铜直管/盘管生产工艺流程，降低生产成本。

一种纯铜管材的短流程高效生产方法，技术方案为：采用一种低能耗的热冷组合铸型及连铸技术，高效生产具有轴向取向组织、内外表面质量优良的纯铜管坯，在不进行表面刨皮处理情况下直接对管坯进行后续成形加工，成形加工过程中不需进行中间退火或仅需少量低温退火，高效生产纯铜管材。所述热冷组合铸型连铸的特点在于连铸结晶器由被加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置位于热型段和冷型段的交界处附近，实现高效制备高表面质量、具有轴向取向组织的管坯。

具体步骤如下：

步骤一：采用热冷组合铸型水平连铸制备直径为Ф20～120mm，壁厚为3～30mm的纯铜管坯，其工艺为：铜液熔化温度1100～1200℃，保温温度1100～1250℃，热型（铸型加热）温度1100～1180℃，热型段采用电阻加热，加热功率3～6kW；冷型冷却水（水冷铜套）流量400～800L/h，牵引速度50～300mm/min；

步骤二：根据两类直管类和盘管类管材产品的不同，采用两种不同的后续加工工艺：（1）纯铜直管生产过程，可将步骤一中所述管坯直接进行多道次冷轧或三辊行星轧制，轧制总变形量50％～95％，其中采用多道次冷轧时单道次变形量≤20%～30%，采用三辊行星轧制时单道次变形量≤95%；在多道次冷轧的轧制过程中可进行低温回复退火（中间退火），以保证管材既有良好的冷加工性能又保持取向组织，退火温度200～400℃，退火时间0.5～2h，退火保护气氛2%氢气+余量氮气，也可不进行退火，视加工变形程度而定（当累积变形量达到90%左右时，可进行一次退火），按上述工艺可生产的纯铜直管直径Ф6～54mm，壁厚0.6～6mm。

（2）纯铜盘管生产过程，将管坯进行总变形量为50％～70％的多道次冷轧或三辊行星轧制变形，轧后的管坯再经串连拉或三联拉进行一次盘拉前的精整，获得用于后续盘拉的盘管坯；精整后的盘管坯可进行低温回复退火，退火温度200～400℃，退火时间0.5～2h，退火保护气氛2%氢气+余量氮气，也可不进行退火，视加工变形程度而定（当累积变形量达到90%左右时，可进行一次退火）；采用盘拉机对未退火或经过退火的盘管坯进行后续盘拉成形，后续盘拉平均道次延伸系数1.35～1.55，盘拉速度1～1000m/min，可生产铜盘管直径Ф4～35mm，壁厚0.3～6mm。

步骤三：采用水平缠绕机将步骤二中盘拉后的管材进行复绕，纯铜直管则直接进入下一步骤。

步骤四：纯铜直管采用辊底式连续光亮退火炉，纯铜盘管采用楼式退火炉进行退火，退火温度300～500℃，炉内气体保护气氛采用以氮气为主，含氢量较低（≤3%）的氮、氢混合气体，管内采用纯度较高的保护气体进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度200～350℃，气体压力为0.3～0.6 MPa。

工艺特点：

1、              所述热冷组合铸型连铸的热型段的加热采用低能耗的电阻加热，与感应加热相比，能量利用率高，可显著降低能量消耗，降低生产成本。

2、              管坯在后续成形加工过程中无需进行中间退火，或仅需少量低温退火（退火温度200～400℃），可以减少能量消耗、降低成本、提高效率。

本发明的优点在于：

1、采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产的纯铜管材作为坯料，由于该坯料内外表面质量高，不需进行内外表面处理（外表面旋铣，内表面刷铣），可直接进行后续轧制，减少了工序，提高了成材率；

2、本发明所提供的生产方法及其后续加工工艺与目前纯铜管材生产方法相比，生产流程缩短，能耗降低，生产效率提高。与传统挤压生产工艺相比，去除了挤压工序和与之配套的大能耗设备，缩短了流程；与铸轧法相比，由于铸轧法生产采用的管坯具有发达的径向柱状晶组织，此种管坯由于塑性加工性能较差，可在不退火的情况下连续进行冷加工的变形量较小，因此生产效率较低；而本发明所采用的管坯具有沿轴向取向的组织，在轴向延伸加工（轧制和盘拉）过程中，能保持较好的塑性加工能力而无需或仅需少量中间退火处理，因此生产效率高；

3、本发明针对纯铜熔点比白铜低的特点，采用电阻加热热型，与白铜的短流程生产工艺相比，显著降低了能耗，有利于降低生产成本；

4、本发明所提供的生产方法中间退火次数显著减少，退火温度也显著降低，甚至无需中间退火，不仅更加有利于节约能源，而且有利于提高生产效率。

具体实施方式：

实施例1：尺寸为Ф54×6mm纯铜直管的生产方法

①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Ф120×30mm管坯，铜液熔化温度1150℃，保温温度1150℃，热型（铸型加热）温度1150℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量800L/h，牵引速度150mm/min。

②对步骤一中所制备的管坯进行4～8道次的三辊周期式冷轧，平均道次变形量为20％，各道次变形量随累积变形量的增大逐渐减小，轧制过程中可不进行中间退火。

③将轧后管材进行光亮退火，退火温度450℃，退火时间40min，炉内气体保护气氛2%氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度200℃，气体压力为0.4 MPa。

实施例2：尺寸为Ф6×0.6mm纯铜直管的生产方法

①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Ф50×5mm管坯，铜液熔化温度1150℃，保温温度1150℃，热型（铸型加热）温度1130℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量450L/h，牵引速度200mm/min。

②对步骤一中所制备的管坯进行一道次行星轧制，总变形量90～95％。

③将轧后管材进行光亮退火，退火温度450℃，退火时间30min，炉内气体保护气氛2%氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度200℃，气体压力为0.4 MPa。

实施例3：尺寸为Ф35×6mm 纯铜盘管的生产方法

①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Ф100×15mm管坯，铜液熔化温度1150℃，保温温度1150℃，热型（铸型加热）温度1150℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量700L/h，牵引速度150mm/min。

②对步骤一中所制备的管坯进行一道次行星轧制，总变形量40％～90％。

③将轧后的管坯进行1～3道次的串连拉或三联拉，变形量15％～25％，目的是将管材进行盘拉前的精整。

④采用倒立式盘拉机进行盘拉，平均道次延伸系数为1.4，拉伸道次为3～4道次，盘拉速度500m/min。

⑤采用水平缠绕机将盘拉后的管材进行复绕。

⑥将纯铜盘管材进行光亮退火，退火温度400℃，退火时间40min，炉内气体保护气氛2%氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度200℃，气体压力为0.4 MPa。

实施例4：尺寸为Ф4×0.3mm 纯铜盘管的生产方法

①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Ф50×5mm管坯，铜液熔化温度1150℃，保温温度1150℃，热型（铸型加热）温度1130℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量450L/h，牵引速度200mm/min。

②对步骤一中所制备的管坯进行一道次行星轧制，总变形量50％～95％。

③将轧后的管材进行1～3道次的串连拉或三联拉，变形量15％～25％，目的是将管材进行盘拉前的精整。

④将精整后的管坯进行低温回复退火，退火温度为300℃，退火时间为30min，保护气氛2%氢气+余量氮气。

⑤采用倒立式盘拉机进行盘拉，平均道次延伸系数为1.4，拉伸道次为4～6道次，盘拉速度500m/min。

⑥采用水平缠绕机将盘拉后的管材进行复绕。

⑦将盘拉后的管材进行光亮退火，退火温度400℃，退火时间30min，炉内气体保护气氛2%氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度200℃，气体压力为0.4 MPa。

Claims (1)

1. 一种纯铜管材的短流程高效生产方法，其特征是连铸结晶器由被加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置位于热型段和冷型段的交界处附近，实现高效制备高表面质量、具有轴向取向组织的管坯；具体步骤如下：

步骤一：采用热冷组合铸型水平连铸制备直径为Ф20～120mm，壁厚为3～30mm的纯铜管坯，其工艺为：铜液熔化温度1100～1200℃，保温温度1100～1250℃，热型温度1100～1180℃，热型段采用电阻加热，加热功率3～6kW；冷型水冷铜套冷却水流量400～800L/h，牵引速度50～300mm/min；

步骤二：根据两类直管类和盘管类管材产品的不同，采用两种不同的后续加工工艺：（1）纯铜直管生产过程，将步骤一中所述管坯直接进行多道次冷轧或三辊行星轧制，轧制总变形量50％～95％，其中采用多道次冷轧时单道次变形量≤20%，采用三辊行星轧制时单道次变形量≤95%；在多道次冷轧的轧制过程中进行低温回复退火，以保证管材既有良好的冷加工性能又保持取向组织，退火温度200～400℃，退火时间0.5～2h，退火保护气氛2%氢气+余量氮气；可生产的纯铜直管直径Ф6～54mm，壁厚0.6～6mm；

（2）纯铜盘管生产过程，将管坯进行总变形量为50％～70％的多道次冷轧或三辊行星轧制变形，轧后的管坯再经串连拉或三联拉进行一次盘拉前的精整，获得用于后续盘拉的盘管坯；精整后的盘管坯进行低温回复退火，退火温度200～400℃，退火时间0.5～2h，退火保护气氛2%氢气+余量氮气；采用盘拉机对经过退火的盘管坯进行后续盘拉成形，后续盘拉平均道次延伸系数1.35～1.55，盘拉速度1～1000m/min，可生产铜盘管直径Ф4～35mm，壁厚0.3～6mm；

步骤三：采用水平缠绕机将步骤二中盘拉成形后的管材进行复绕，纯铜直管则直接进入下一步骤；

步骤四：纯铜直管采用辊底式连续光亮退火炉，纯铜盘管采用楼式退火炉进行退火，退火温度300～500℃，炉内气体保护气氛采用以氮气为主，含氢量≤3%的氮、氢混合气体，管内采用纯度较高的保护气体进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度200～350℃，气体压力为0.3～0.6 MPa。