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深度剖析電纜中的銅,一文讀懂:怎樣的才是好銅!

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人氣:-發表時間:2019-04-12 08:18【

導讀:由於生產銅杆的兩者的工藝不同,所生產的銅杆中的含氧量及外觀就不同。上引生產的銅杆,工藝得當氧含量在10ppm以下,叫無氧銅杆;連鑄連鑄生產的銅杆 是在保護條件下的熱軋,氧含量在200-500ppm範圍內,但有時也高達700ppm以上,一般情況下,此種方法生產的銅外表光亮,低氧銅杆,有時也叫光杆。



銅杆是電纜行業的主要原料,生產的方式主要有兩種——連鑄連軋法和上引連鑄法。連鑄連軋低氧銅杆的生產方法較多,其特點是金屬在豎爐中融化後,銅液通過保溫爐、溜槽、中間包,從澆管進入封閉的模腔內,采用較大的冷卻強度進行冷卻,形成鑄坯,然後進行多道次軋製,生產的低氧銅杆為熱加工組織,原來的鑄造組織已經破碎,含氧量一般為200~400ppm之間。無氧銅杆國內基本全部采用上引連鑄法生產,金屬在感應電爐中融化後通過石墨模進行上引連續鑄造,之後進行冷軋或冷加工,生產的無氧銅杆為鑄造組織,含氧量一般在20ppm以下。由於製造工藝的不同,所以在組織結構、氧含量分布、雜質的形式及分布等諸多方麵有較大差別。


一、拉製性能


銅杆的拉製性能跟很多因素有關,如雜質的含量、氧含量及分布、工藝控製等。下麵分別從以上幾個方麵對銅杆的拉製性能進行分析。


1、熔化方式對S等雜質的影響


連鑄連軋生產銅杆主要是通過氣體的燃燒使銅杆熔化,在燃燒的過程中,通過氧化和揮發作用,可一定程度減少部分雜質進入銅液,因此連鑄連軋法對原料要求相對低一些。上引連鑄生產無氧銅杆,由於是用感應電爐熔化,電解銅表麵的“銅綠”“銅豆”基本都熔入到銅液中。其中熔入的S對無氧銅杆塑性影響極大,會增加拉絲斷線率。


2、鑄造過程中雜質的進入


在生產過程中,連鑄連軋工藝需通過保溫爐、溜槽、中間包轉運銅液,相對容易造成耐火材料的剝落,在軋製過程中需要通過軋輥,造成鐵質的脫落,會給銅杆造成外部夾雜。而熱軋中皮上和皮下氧化物的軋入,會給低氧杆的拉絲造成不利的影響。上引連鑄法生產工藝流程較短,銅液是通過聯體爐內潛流式完成,對耐火材料的衝擊不大,結晶是通過石墨模內進行,所以過程中可能產生的汙染源較少,雜質進入的機會較少。


O、S、P是與銅會生產化合物的元素。在熔態銅中,氧可以溶解一部分,但當銅冷凝時,氧幾乎不溶解於銅中。熔態時所溶解的氧,以銅=氧化亞銅共晶體析出,分布在晶粒晶界處。銅-氧化亞銅共晶體的出現,顯著降低了銅的塑性。


硫可以溶解在熔體的銅中,但在室溫下,其溶解度幾乎降低到零,它以硫化亞銅的形式出現在晶粒晶界處,會顯著降低銅的塑性。


3、氧在低氧銅杆和無氧銅杆中分布形式及其影響


氧含量對低氧銅杆的拉線性能有著明顯的影響。當氧含量增加到最佳值時,銅杆的斷線率最低。這是因為氧在與大部分雜質反應的過程中都起到了清除器的作用。適度的氧還有利於去除銅液中的氫,生成水蒸氣溢出,減少氣孔的形成。最佳的氧含量為拉線工藝提供了最好的條件。


低氧銅杆氧化物的分布:在連續澆鑄中凝固的最初階段,散熱速率和均勻冷卻是決定銅杆氧化物分布的主要因素。不均勻冷卻會引起銅杆內部結構本質上的差異,但後續的熱加工,柱狀晶通常會遭到破壞,使氧化亞銅顆粒細微化和均勻分布。氧化物顆粒聚集而產生的典型情況是中心爆裂。除氧化物顆粒分布的影響外,具有較小氧化物顆粒的銅杆顯示出較好的拉線特性,較大的Cu2O顆粒容易造成應力集中點而斷裂。


無氧銅含氧量超標,銅杆變脆,延伸率下降,拉伸式樣端口顯暗紅色,結晶組織疏鬆。當氧含量超出8ppm時,工藝性能變差,表現為鑄造及拉伸過程中斷杆及斷線率極具增高。這是由於氧能與銅生成氧化亞銅脆性相,形成銅-氧化亞銅共晶體,以網狀組織分布在境界上。這種脆性相硬度高,在冷變形時將會與銅機體脫離,導致銅杆的機械性能下降,在後續加工中容易造成斷裂現象。氧含量高還能導致無氧銅杆導電率下降。因此,必須嚴格控製上引連鑄工藝及產品質量。


4、氫的影響


在上引連鑄中,氧含量控製較低,氧化物的副作用唄**降低,但氫的影響成為較顯著的問題。吸氣後熔體中存在平衡反應:H2O(g)=[O]+2[H];


氣體及疏鬆是在結晶的過程中,氫從過飽和的溶液中析出並聚集而形成的。在結晶前析出的氫又可還原氧化亞銅而生成水氣泡。由於上引鑄造的特點是銅液自上而下的結晶,形成的液**形狀近似錐型。銅液結晶前析出的氣體在上浮過程中被堵在凝固組織內,結晶時在鑄杆內形成氣孔。上引的含氣量少時,析出的氫存在於晶界處,形成疏鬆;含氣量多時,則聚集成氣孔,因此,氣孔和疏鬆是氫氣和水蒸氣兩者形成的。


氫來源於上引生產過程中的各個工藝環節,如原料電解銅的“銅綠”、輔料木炭**、氣候環境**、石墨結晶器未幹燥等。因此,熔化爐中的銅液表麵應覆蓋經烘烤的木炭,電解銅應盡量去除“銅綠”、“銅豆”“耳朵”,對提高無氧銅杆質量非常重要。


在連鑄連軋工藝中,往往采用適度控製氧含量來控製氫。Cu2O+ H2= 2Cu+ H2O


由於銅液在鑄造過程中是自下而上結晶,銅液中的氧和氫所產生的水蒸氣很容易上浮跑出,銅液中的氫大部分能被有效去除,因而對銅杆的影響較小。


二、表麵質量


在生產電磁線等產品的過程中,對銅杆的表麵質量也需提出要求。需要拉製後的銅絲表麵無毛刺、銅粉少、無油汙。並通過扭轉試驗測量表麵銅粉的質量和扭轉後觀察銅杆的複原情況來判定其好壞。


在連鑄連軋過程中,從鑄造到軋製前,溫度高,完全暴露於空氣中,使鑄坯表麵形成較厚的氧化層,在軋製過程中,隨著軋輥的轉動,氧化物顆粒軋入銅線表麵。由於氧化亞銅是高熔點脆性化合物,對於軋入較深的氧化亞銅,當成條狀的聚集物遇模具拉伸時,就會是銅杆外表麵產生毛刺,給後續的塗漆造成麻煩。


而上引連鑄工藝製造的無氧銅杆,由於鑄造和冷卻完全與氧隔絕,後續亦無熱軋過程,銅杆表麵無軋入表麵的氧化物,質量較好,拉製後銅粉少,上述問題較少存在。

  

無氧銅杆也分進口設備做的和國產設備做的,但目前進口產品已無明顯優勢,銅杆產品出來後區別不是很大,隻要銅板選的好,生產控製比較穩定,國產設備也能產出可拉伸0.05的銅杆.進口設備一般是芬蘭奧托昆普的設備,國產設備最好的應該是上海的海軍廠的了,生產時間最長,軍工企業,質量可靠。

  

低氧銅杆進口設備國際主要有兩種,一種是美國南線設備,英文是SOUTHWIRE,國內廠家是南京華新,江西銅業,另一種是德國CONTIROD設備,國內廠家是常州金源,天津大無縫。

  

無氧及低氧杆從含氧量上容易區別,無氧銅是含氧量在10-20個PPM以下,但目前有的廠家隻能做到50個PPM以下.低氧銅杆在 200-400個PPM,好的杆子一般含氧量控製在250個PPM左右,無氧杆一般采取的是上引法,低氧杆是連鑄連軋,兩種產品相對而言低氧杆對漆包線性 能更適應些,如柔軟性,回彈角,繞線性能.但低氧杆對拉絲條件相對要苛刻些,同樣拉伸0.2的細絲,如果伸線條件不好,普通的無氧杆可拉而好的低氧杆就斷 線,但如果放在好的伸線條件,同樣的杆子,低氧杆說不定就能拉到雙零五,而普通無氧杆最多隻能拉伸到0.1而已,當然做的最細的如雙零二卻非得依靠進口的 無氧銅杆了.目前有企業嚐試用剝皮的方式來處理低氧杆來伸0.03線.但有關這方麵的內容我還不是很清楚。



音響線一般反而喜歡用無氧杆,這和無氧杆是單晶銅,低氧杆是多晶銅有關。


低氧銅杆和無氧銅杆由於製造方法的不同,致使存在差別,具有各自的特點。


一、關於氧的吸入和脫去以及它的存在狀態


生產銅杆的陰極銅的含氧量一般在10—50ppm,在常溫下氧在銅中的固溶度約2ppm。低氧銅杆的含氧量一般在200(175)—400(450)ppm,因此氧的進入是在銅的液態下吸入的,而上引法無氧銅杆則相反,氧在液態銅下保持相當時間後,被還原而脫去,通常這種杆的含氧量都在10—50ppm以下,最低可達1-2ppm,從組織上看,低氧銅中的氧,以氧化銅狀態,存在於晶粒邊界附近,這對低氧銅杆而言可以說是常見的但對無氧銅杆則很少見。氧化銅以夾雜形式在晶界出現對材料的韌性產生負麵影響。而無氧銅中的氧很低,所以這種銅的組織是均勻的單相組織對韌性有利。在無氧銅杆中的多孔性是不常見的,而在低氧銅杆中則是常見的一種缺陷。


二、熱軋組織和鑄造組織的區別


低氧銅杆由於經過熱軋,所以其組織屬熱加工組織,原來的鑄造組織已經破碎,在8mm的杆時已有再結晶的形式出現,而無氧銅杆屬鑄造組織,晶粒粗大,這是為什麽,無氧銅的再結晶溫度較高,需要較高退火溫度的固有原因。這是因為,再結晶發生在晶粒邊界附近,無氧銅杆組織晶粒粗大,晶粒尺寸甚至能達幾個毫米,因而晶粒邊界少,即使通過拉製變形,但晶粒邊界相對低氧銅杆還是較少,所以需要較高的退火功率。對無氧銅成功的退火要求是:由杆經拉製,但尚未鑄造組織的線時的第一次退火,其退火功率應比同樣情況的低氧銅高10——15%。經繼續拉製,在以後階段的退火功率應留有足夠的餘量和對低氧銅和無氧銅切實區別執行不同的退火工藝,以保證在製品和成品導線的柔軟性。


三、夾雜,氧含量波動,表麵氧化物和可能存在的熱軋缺陷的差別


無氧銅杆的可拉性在所有線徑裏與低氧銅杆相比都是優越的,除上述組織原因外,無氧銅杆夾雜少,含氧量穩定,無熱軋可能產生的缺陷,杆表氧化物厚度可達≤15A。在連鑄連軋生產過程中如果工藝不穩定,對氧監控不嚴,含氧量不穩定將直接影響杆的性能。如果杆的表麵氧化物能在後工序的連續清洗中得以彌補外,但比較麻煩的是有相當多的氧化物存在於“皮下”,對拉線斷線影響更直接,故而在拉製微細線,超微細線時,為了減少斷線,有時要對銅杆采取不得已的辦法——剝皮,甚至二次剝皮的原因所在,目的要除去皮下氧化物。


四、低氧銅杆和無氧銅杆的韌性有差別


兩者都可以拉到0.015mm,但在低溫超導線中的低溫級無氧銅,其細絲間的間距隻有0.001mm.


五、從製杆的原材料到製線的經濟性有差別。


製造無氧銅杆要求質量較高的原材料。一般,拉製直徑>1mm的銅線時,低氧銅杆的優點比較明顯,而無氧銅杆顯得更為優越的是拉製直徑<0.5mm的銅線。


六、低氧銅杆的製線工藝與無氧銅杆的有所不同。


低氧銅杆的製線工藝不能照搬到無氧銅杆的製線工藝上來,至少兩者的退火工藝是不同的。因為線的柔軟性深受材料成份和製杆,製線和退火工藝的影響,不能簡單地說低氧銅或無氧銅誰軟誰硬。


附:低氧銅杆和無氧銅杆簡介


1、低氧銅杆

  

低氧銅杆是什麽銅杆?低氧銅杆生產工藝是什麽?低氧銅杆簡介有哪些?首先看看低氧銅杆定義:以銅為原料經過連鑄連軋方法生產出來含氧量200(175)~400(450)ppm之間銅杆材。

  

低氧銅杆簡介-低氧銅杆工藝流程:

低氧銅杆采用連鑄連軋工藝進行生產,其工藝流程為:電解銅→豎爐→保溫爐→澆鑄機→連軋機→清洗→收杆機→成品(ф8mm)電解銅連續加料,經豎爐連續熔化後放出銅水,經澆鑄機鑄成大截麵的梯形錠,進入軋機進行熱軋,軋成ф8銅杆坯料。

  

工藝缺陷

  

(1)豎爐:A.由於豎爐體積小,電解銅邊加入邊熔化,熔化銅水沒有條件進行充分還原。.B.整個熔化過程及出銅水過程,不能隔氧,所以含氧量非常高。.C.熔銅燃料一般都為氣體,氣體燃燒過程中,會直接影響銅液化學成分理處,影響較大有硫和氫等。

  

(2)澆鑄機:澆鑄機結晶輪將銅液成為固體過程中,無法進行隔氧,所以澆鑄過程中進行第二次大量吸氧。

  

(3)溫度控製:A.銅液溫度,由於軋製量大,又受到多種因素製約,該溫度不太容易控製。B.進軋機鑄錠溫度,該溫度要求控製在850℃,上下偏差越大,對銅杆質量影響越大,而此溫度很難控製。C.出軋機銅杆溫度,該溫度要求控製在600℃,也是上下偏差越大,對銅杆質量影響越大,由於受到前道工序製約,此溫度也很難控製。D.整個過程中有很多環節,而某個環節稍出現些問題,都會影響溫度控製。

  

(4)其它:A.由於存在以上一些缺陷,會造成銅杆質量不穩定,所以標準規定:連鑄連軋低氧銅杆出廠前,必須要做扭轉試驗。但有生產廠根本不做,或不按規定批量做(每批不應超過60噸),或扭轉不合格批量照樣出廠。B.含氧高,會影響拉線工序,銅線越拉越硬,中間要增加退火。含氧量高,還會影響導電性能。C.為解決工藝缺陷,需盡可能提高機組性能,所以機組價格昴貴。如美國南線公司年產2.4萬噸~4萬噸機組,價格為690萬美元,德國克虜勃公司更貴。而用戶自己配套設施也要幾十萬仍至上百萬美元。

  

工藝優點:(1)產量高,一般小型機組每小時產量可達10~14噸。(2)銅杆卸線采用梅花式,便於拉線機放線。(3)收線重量大,一般每盤可達4噸。

  

低氧銅杆簡介-銅杆生產工藝方法:

  

1、浸塗成型法:能生產大長度光亮無氧銅杆、導電率為101~102%IACS,含氧量20ppm以下,銅杆圈重3.5~10噸。

  

浸塗成型利用冷銅杆吸熱能力,用一根較細冷純銅芯杆(或稱種子杆),垂直通過一隻能保持一定液位高低銅水池,使銅水與該移動種子杆表麵銅熔合在一起,並逐步凝固結合成較粗鑄造狀態銅杆,然後經冷卻、熱軋、冷卻、繞製成圈,整個過程封閉、有惰性氣體保護下進行。

  

2、上引冷軋法:能生產大長度光亮無氧銅杆、導電率為101~101.6%IACS,含氧量10ppm以下,銅杆圈重2噸。

  

它是利用一種管式銅套(即石墨結晶器)其下端伸入並浸沒在熔化銅液麵下,上端與真空泵連通,開始時將結晶器內空氣抽出,真空作用下,使管內產生負壓,銅液徐徐吸引向上,並在引升器附近很快凝固成光亮鑄錠。然後經冷軋或冷拉成杆。上引法生產銅杆含氧量10ppm以下,表麵光亮。

  

3、連鑄連軋法:能生產大長度光亮低氧銅杆、導電率為101~102%IACS,含氧量200~300ppm,銅杆圈重達5噸。

  

4、回線軋製法:生產短長度有氧化皮黑銅杆,導電率為99.5~100.5%IACS,含氧量200~500ppm,銅杆圈重隻有86~136公斤。(因受船形銅錠重量限製)

 

▍低氧銅杆簡介-低氧銅杆牌號及特性:

低氧銅杆牌號有三種,T1、T2、T3,低氧銅杆都為熱軋,所以為軟杆,代號為R。

  

(1)T1:用高純電解銅為原料(含銅量大於99.9975%)生產低氧銅杆。

  

(2)T2:用1#電解銅為原料(含銅量大於99.95%)生產低氧銅杆。

  

(3)T3:用2#電解銅為原料(含銅量大於99.90%)生產低氧銅杆。因高純電解銅和2#電解銅市場上很少,一般都用1#電解銅為原料,所以一般低氧銅杆牌號為:T2R。



2、無氧銅杆

 

由於生產銅杆的工藝不同,所生產的銅杆中的含氧量及外觀就不同。上引生產的銅杆,工藝得當氧含量在20ppm以下,叫無氧銅杆;連鑄連軋生產的銅杆是在保護條件下的熱軋,氧含量在200-500ppm範圍內,但有時也高達700ppm以上,一般情況下,此種方法生產的銅外表光亮,俗稱光亮杆。


無氧銅杆是不含氧也不含任何脫氧劑殘留物的純銅。但實際上還是含有非常微量氧和一些雜質。按標準規定,氧的含量不大於0.02%,雜質總含量不大於0.05%,銅的純度大於99.95%。


一般用電解銅生產,電阻率低於低氧銅杆,因此在生產對電阻要求比較苛刻的產品中,無氧銅杆比較經濟;製造無氧銅杆要求質量較高的原材料;無氧銅杆顯得更為優越的是拉製直徑<0.5mm的銅線。6MM的無氧銅杆用於生產銅扁線。3mm的無氧銅杆用於拉絲,生產電線銅芯,漆包線。主要應用於電線電纜和電機。


根據含氧量和雜質含量,無氧銅杆又分為TU1和TU2銅杆。TU1無氧銅杆純度達到99.99%,氧含量不大於0.001%;TU2無氧銅純度達到99.95%,氧含量不大於0.002%。


(本文來源於網絡,版權歸原作者所有)


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此文關鍵字:電纜

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