科技前沿
低氧铜杆生产中氧的作用及控制的工艺技术
黄贺南
夏鹏
景立志
300402）
（天津市华北电缆厂，天津市
［摘要］结合SCR 4500连铸连轧生产线的生产工艺，简述低氧铜杆中氧的来源及存在形式，并通过分析氧在铜中的作用来判断出生产过程
中氧的含量及控制点。［关键词］连铸连轧；氧含量；铜SCR4500生产线是由美国南线公司开发研制的年产能22万吨的铜杆连铸连轧生产线。该生产线以阴极铜为原料，经过熔化、连铸连轧、清洗等工艺，最终生产出光亮铜杆。这条线生产出的光亮铜杆性能和质量优越，表面光亮，并且能满足拉丝厂家拉制细线、微细线和特种产品的技术要求。多年的生产实践证明，这条生产线是世界上技术最成熟可靠的铜杆生产线之一。同时这条生产线有很多针对铜杆品质的控制点，下面我将就铜杆中氧的含量进行探讨研究。
1SCR4500生产过程
SCR4500生产线结合了熔化、浇注成型、轧制、清洗、卷曲收线等工序的连续作业过程，具有自动化程度高、生产率高、产品质量好的优点。
（ａ）ＳＥＭ－５ＫＸ
图１ＳＣＲ４５００生产线工艺配置
整体工艺过程：
通过上料机将阴极铜板和废料运送至加料口，并由翻斗小车带入竖炉内，竖炉采用天然气和空气混合燃烧将原料迅速熔化。经由上流槽带入到保温炉内，再经由下流槽流入到浇包内进行浇注过程。铸机处由铸轮和钢带形成一个梯形模腔，铜液流入到模腔后由冷却水冷却成型。经由预整机削边儿矫直后进入粗轧机，经过连续轧制工艺加工后，再通过清洗线进行清洗，由卷曲机做最后收线成盘工作。
2铜液中氧的来源
铜液中的氧主要来自两方面，其一为：原料（阴极铜、废料）中的氧，其二为：吸收空气中的氧
3氧在铜中的存在形式
液态铜：氧以原子状态溶解在铜液中，并与一些元素结合形成化合物。固态铜：氧几乎不固溶于铜。含氧铜凝固时，氧以（Cu 十Cu 2O ）共晶体的形式析出，分布于铜的晶界上。当含氧极低时，只见铜晶粒，随着氧含量的升高则依次出现含Cu 2O 的亚共晶体、共晶体与过共晶体。
（ｂ）ＳＥＭ－５ＫＸ
如图2所示，氧与铜的共晶体为Cu 20，由于其共晶温度很高，对热变形性能不产生影响。但共晶中的化合物Cu 20硬而脆，以粒状形态分布于铜晶粒内或晶界上，致使金属发生“冷脆”，冷变形产生困难。因此，铜中的氧含量要严格控制，一般最大允许含量为0.02～0.1％。
4氧的存在对铜力学性能的影响
表１氧对铜力学性能的影响
Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｏｘｙｇｅｎｏｎｔｈｅｍｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｐｐｅｒ
由表1可知，在冷状态下铜的抗拉强度随含氧量的上升而上升，但伸长率、电导率下降。铜中氧含量上升即Cu 20的含量上升，从而导致铜内部组织的晶格畸变增加。进一步增加其硬度和强度，致使抗拉强
图２Ｃｕ—Ｏ二元相图
度增加反而使伸长率减小。由于晶格畸变增加，电子移动受到的阻碍增
WIND
35
强，从而导致电导率有所下降。
5氧的作用
5.1氧与氢结合的作用
表２氢在铜中的溶解度与温度之间的关系
Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｃｏｐｐｅｒ
排7个烧嘴、B 排8个烧嘴、C 排8个烧嘴。其中C 排烧嘴主要起预热铜板的作用，A 、B 排烧嘴主要起到熔化作用。
图３竖炉烧嘴布置示意图
通过表2可以看出，在1083℃铜转化成液态后吸氢速度显著增加，由于氧和氢可以结合生成水随着铜液的流动扩散出去，从而可以减少铜中的氢、氧含量。由于氢含量的上升会导致“氢脆”现象，所以针对这一情况我们需要在连铸连轧生产线生产过程中保持铜液中有一定的含氧量。
5.2氧的除杂质作用
铜液中的氧性质极其活泼，可以与铁、镍、铜、铝、镁、硅、磷等元素发生反应形成化合物。这些化合物密度比铜小会上浮到铜液上面。可以从倾渣箱处通过“扒渣”的方式将其清除。杂质元素的清除能很好的保持铜液的纯度，从而保证铜液性能的一致性。
6氧含量工艺控制点
SCR4500生产线的氧含量主要变化阶段在铜液未成型之前。所以在铜是液态时我们就应该控制好其含氧量。
铜液中氧的控制主要是通过氧与CO 结合的方式实现的SCR4500生产线的燃烧系统是通过调节空气和燃气比例导致燃气不完全燃烧从而产生CO 。而后CO 与氧结合生成CO 2。并从流动的铜液中扩散析出。
CO+O →CO 2
此生产线原料主要为阴极铜板（氧含量为50PPM 左右）和极少量在生产过程中产出的废料。竖炉起到熔化原料的作用，这一过程是通过竖炉的烧嘴燃烧天然气和空气混合气实现的。如图3所示，SCR4500生产线的竖炉共有23个烧嘴，分为3排。如图3所示：A
由于烧嘴火焰不完全燃烧，产生的CO 可以与铜液中的氧结合，控制含氧量的上升。但竖炉主要起到熔化作用，需要保证铜液的流速即要保证“火力”的稳定。所以在炉内只需控制含氧量在100PPM 左右。并在上流槽要调节空燃比，降低产生的CO 量，提高铜液中的氧含量，以确保铜液中的杂质充分的和氧结合形成废渣并在倾渣箱处将废渣清除。在保温炉、下流槽和浇包需调整空燃比，以确保最终浇注时含氧量的稳定在250~300PPM之间。
7结语
通过以上分析及对生产线的控制，我们得出以下结论：
氧含量的稳定控制可以降低铜液中的杂质含量保持铜液的一致性，同时稳定相同温度下铜液的流动性，使得铸机区的浇注情况更加稳定。并且有效提高最终产品的物理性能。
作者简介：黄贺南，1988年生，男，天津市，本科，研究方向为金属材料。
参考文献［］
［１］张波，张鑫．ＳＣＲ３０００连铸连轧生产线生产用介质浅谈．有色冶金设计与研
究，２００９．
［２］娄花芬，黄亚飞，马可定．铜及铜合金熔炼与铸造．中南大学出版社，２０１０．
（上接第25页）
用1kg 自产废钢是完全不相同的，社会废钢可以降低生产流程的能耗，而内部废钢则会增加生产流程的能耗。
在循环利用流程内部废钢时虽然没有浪费这些材料，却会增加能耗。同时表中还说明外排废钢也会增加能耗。
5结论
物质流对钢铁生产流程的能耗影响是非常大的，必须重视生产流程的物质流。
在钢铁生产流程中加入外部废钢，会节能，并且这种效果越是后部工序越明显；流程向外排出废钢，必定使能耗增加，越是后部工序，耗能越多；流程内部自产废钢的利用虽然会节约材料，但是会增加能耗，且距离越远，浪费能耗越多。
作者简介：谢安国，男，1954年生，山东昌邑人，博士，职称为教授，研究方向为运营管理与企业信息化；张存星，男，1987年生，山
东省临沂人，研究生在读，研究方向为运营管理与企业信息化。
参考文献［］
［１］陆钟武．关于钢铁工业废钢资源的基础研究［Ｊ］．金属学报，２０００．．
［２］卜庆才，陆钟武．中国和主要产钢国铁资源效率的对比分析［Ｊ］．中国冶金，２００５．
［３］陆钟武．物质流分析的跟踪观察法［Ｊ］．中国工程科学，０６１期．［４］卜庆才，陆钟武．钢铁工业水的资源效率研究［Ｊ］．钢铁，２００３．［５］陆钟武，蔡九菊．系统节能基础［Ｍ］．沈阳：东北大学出版社，１９９３．
［６］陆钟武，蔡九菊，于庆波．钢铁生产流程的物流对能的影响［Ｊ］．金属学报，２０００．［７］陆钟武．钢铁工业的节能方向和途径［Ｊ］．１９８１．
［８］陆钟武．对我国冶金热能工程学科的任务和研究对象等问题的探讨［Ｊ］．［９］陆钟武，谢安国，周大刚．再论我国钢铁工业节能方向和途径［Ｊ］．
［１０］陆钟武，蔡九菊，于庆波，谢安国．钢铁生产流程的物流对能耗的响［Ｊ］．金属学报，２０００．
2012年）
科技前沿
低氧铜杆生产中氧的作用及控制的工艺技术
黄贺南
夏鹏
景立志
300402）
（天津市华北电缆厂，天津市
［摘要］结合SCR 4500连铸连轧生产线的生产工艺，简述低氧铜杆中氧的来源及存在形式，并通过分析氧在铜中的作用来判断出生产过程
中氧的含量及控制点。［关键词］连铸连轧；氧含量；铜SCR4500生产线是由美国南线公司开发研制的年产能22万吨的铜杆连铸连轧生产线。该生产线以阴极铜为原料，经过熔化、连铸连轧、清洗等工艺，最终生产出光亮铜杆。这条线生产出的光亮铜杆性能和质量优越，表面光亮，并且能满足拉丝厂家拉制细线、微细线和特种产品的技术要求。多年的生产实践证明，这条生产线是世界上技术最成熟可靠的铜杆生产线之一。同时这条生产线有很多针对铜杆品质的控制点，下面我将就铜杆中氧的含量进行探讨研究。
1SCR4500生产过程
SCR4500生产线结合了熔化、浇注成型、轧制、清洗、卷曲收线等工序的连续作业过程，具有自动化程度高、生产率高、产品质量好的优点。
（ａ）ＳＥＭ－５ＫＸ
图１ＳＣＲ４５００生产线工艺配置
整体工艺过程：
通过上料机将阴极铜板和废料运送至加料口，并由翻斗小车带入竖炉内，竖炉采用天然气和空气混合燃烧将原料迅速熔化。经由上流槽带入到保温炉内，再经由下流槽流入到浇包内进行浇注过程。铸机处由铸轮和钢带形成一个梯形模腔，铜液流入到模腔后由冷却水冷却成型。经由预整机削边儿矫直后进入粗轧机，经过连续轧制工艺加工后，再通过清洗线进行清洗，由卷曲机做最后收线成盘工作。
2铜液中氧的来源
铜液中的氧主要来自两方面，其一为：原料（阴极铜、废料）中的氧，其二为：吸收空气中的氧
3氧在铜中的存在形式
液态铜：氧以原子状态溶解在铜液中，并与一些元素结合形成化合物。固态铜：氧几乎不固溶于铜。含氧铜凝固时，氧以（Cu 十Cu 2O ）共晶体的形式析出，分布于铜的晶界上。当含氧极低时，只见铜晶粒，随着氧含量的升高则依次出现含Cu 2O 的亚共晶体、共晶体与过共晶体。
（ｂ）ＳＥＭ－５ＫＸ
如图2所示，氧与铜的共晶体为Cu 20，由于其共晶温度很高，对热变形性能不产生影响。但共晶中的化合物Cu 20硬而脆，以粒状形态分布于铜晶粒内或晶界上，致使金属发生“冷脆”，冷变形产生困难。因此，铜中的氧含量要严格控制，一般最大允许含量为0.02～0.1％。
4氧的存在对铜力学性能的影响
表１氧对铜力学性能的影响
Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｏｘｙｇｅｎｏｎｔｈｅｍｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｐｐｅｒ
由表1可知，在冷状态下铜的抗拉强度随含氧量的上升而上升，但伸长率、电导率下降。铜中氧含量上升即Cu 20的含量上升，从而导致铜内部组织的晶格畸变增加。进一步增加其硬度和强度，致使抗拉强
图２Ｃｕ—Ｏ二元相图
度增加反而使伸长率减小。由于晶格畸变增加，电子移动受到的阻碍增
WIND
35
强，从而导致电导率有所下降。
5氧的作用
5.1氧与氢结合的作用
表２氢在铜中的溶解度与温度之间的关系
Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｃｏｐｐｅｒ
排7个烧嘴、B 排8个烧嘴、C 排8个烧嘴。其中C 排烧嘴主要起预热铜板的作用，A 、B 排烧嘴主要起到熔化作用。
图３竖炉烧嘴布置示意图
通过表2可以看出，在1083℃铜转化成液态后吸氢速度显著增加，由于氧和氢可以结合生成水随着铜液的流动扩散出去，从而可以减少铜中的氢、氧含量。由于氢含量的上升会导致“氢脆”现象，所以针对这一情况我们需要在连铸连轧生产线生产过程中保持铜液中有一定的含氧量。
5.2氧的除杂质作用
铜液中的氧性质极其活泼，可以与铁、镍、铜、铝、镁、硅、磷等元素发生反应形成化合物。这些化合物密度比铜小会上浮到铜液上面。可以从倾渣箱处通过“扒渣”的方式将其清除。杂质元素的清除能很好的保持铜液的纯度，从而保证铜液性能的一致性。
6氧含量工艺控制点
SCR4500生产线的氧含量主要变化阶段在铜液未成型之前。所以在铜是液态时我们就应该控制好其含氧量。
铜液中氧的控制主要是通过氧与CO 结合的方式实现的SCR4500生产线的燃烧系统是通过调节空气和燃气比例导致燃气不完全燃烧从而产生CO 。而后CO 与氧结合生成CO 2。并从流动的铜液中扩散析出。
CO+O →CO 2
此生产线原料主要为阴极铜板（氧含量为50PPM 左右）和极少量在生产过程中产出的废料。竖炉起到熔化原料的作用，这一过程是通过竖炉的烧嘴燃烧天然气和空气混合气实现的。如图3所示，SCR4500生产线的竖炉共有23个烧嘴，分为3排。如图3所示：A
由于烧嘴火焰不完全燃烧，产生的CO 可以与铜液中的氧结合，控制含氧量的上升。但竖炉主要起到熔化作用，需要保证铜液的流速即要保证“火力”的稳定。所以在炉内只需控制含氧量在100PPM 左右。并在上流槽要调节空燃比，降低产生的CO 量，提高铜液中的氧含量，以确保铜液中的杂质充分的和氧结合形成废渣并在倾渣箱处将废渣清除。在保温炉、下流槽和浇包需调整空燃比，以确保最终浇注时含氧量的稳定在250~300PPM之间。
7结语
通过以上分析及对生产线的控制，我们得出以下结论：
氧含量的稳定控制可以降低铜液中的杂质含量保持铜液的一致性，同时稳定相同温度下铜液的流动性，使得铸机区的浇注情况更加稳定。并且有效提高最终产品的物理性能。
作者简介：黄贺南，1988年生，男，天津市，本科，研究方向为金属材料。
参考文献［］
［１］张波，张鑫．ＳＣＲ３０００连铸连轧生产线生产用介质浅谈．有色冶金设计与研
究，２００９．
［２］娄花芬，黄亚飞，马可定．铜及铜合金熔炼与铸造．中南大学出版社，２０１０．
（上接第25页）
用1kg 自产废钢是完全不相同的，社会废钢可以降低生产流程的能耗，而内部废钢则会增加生产流程的能耗。
在循环利用流程内部废钢时虽然没有浪费这些材料，却会增加能耗。同时表中还说明外排废钢也会增加能耗。
5结论
物质流对钢铁生产流程的能耗影响是非常大的，必须重视生产流程的物质流。
在钢铁生产流程中加入外部废钢，会节能，并且这种效果越是后部工序越明显；流程向外排出废钢，必定使能耗增加，越是后部工序，耗能越多；流程内部自产废钢的利用虽然会节约材料，但是会增加能耗，且距离越远，浪费能耗越多。
作者简介：谢安国，男，1954年生，山东昌邑人，博士，职称为教授，研究方向为运营管理与企业信息化；张存星，男，1987年生，山
东省临沂人，研究生在读，研究方向为运营管理与企业信息化。
参考文献［］
［１］陆钟武．关于钢铁工业废钢资源的基础研究［Ｊ］．金属学报，２０００．．
［２］卜庆才，陆钟武．中国和主要产钢国铁资源效率的对比分析［Ｊ］．中国冶金，２００５．
［３］陆钟武．物质流分析的跟踪观察法［Ｊ］．中国工程科学，０６１期．［４］卜庆才，陆钟武．钢铁工业水的资源效率研究［Ｊ］．钢铁，２００３．［５］陆钟武，蔡九菊．系统节能基础［Ｍ］．沈阳：东北大学出版社，１９９３．
［６］陆钟武，蔡九菊，于庆波．钢铁生产流程的物流对能的影响［Ｊ］．金属学报，２０００．［７］陆钟武．钢铁工业的节能方向和途径［Ｊ］．１９８１．
［８］陆钟武．对我国冶金热能工程学科的任务和研究对象等问题的探讨［Ｊ］．［９］陆钟武，谢安国，周大刚．再论我国钢铁工业节能方向和途径［Ｊ］．
［１０］陆钟武，蔡九菊，于庆波，谢安国．钢铁生产流程的物流对能耗的响［Ｊ］．金属学报，２０００．
2012年）