中国铜加工短流程工艺现状及发展王碧文（中国有色金属加工工业协会 北京 100814）摘 要：技术创新是实现节能、环保、低碳生产的重要途径铜加工短流程工艺具备这些特点，国内外铜加工界都高度重视它的硏究、开发、产业化，这将大力推进铜加工技术进步，为铜材生产做出了重要贡献关键词:铜加工；短流程1引言中国铜加工业历经近60年的创业和发展，由小到大,由弱变强，特别是“十五”期间发展迅速，已成为世界上重要的铜材生产、消费和国际贸易大国，产量已连续七年居世界首位，2010铜加工材产量已突破一千万吨大关，铜加工材的品种不断增加、产品质量逐步提高、技术创新活跃、国产铜加工技术装备正在发挥重要作用，现代铜加工工业体系已初步建立，当我们回顾我国铜加工发展历程，就可以看到：正是不断的技术创新在推动铜加工业的发展. 短流程生产工艺是中国铜加工技术创新的最大亮点生产方法的变革在铜加工中占有突出地位，近百年来，国内外铜加工工艺一直为传统方法所笼断；传统经典的铜加工方法是三段式，即熔炼铸锭——热加工——冷加工，其中热加工工艺有热挤、热轧、热锻等，这些工序导致能耗、污染环境、降低成品率、增加生产成本和设备投资，因此取消和压缩热加工工序、发展短流程工艺，成为铜加工工业重要奋斗方向。
取消和压缩热加工工序，随之也取消了传统的合金熔炼铸造，从而节省了能源消耗，根除了污染源；然而金属热变形改变铸造组织的优势不能取消，而是由于采用新的变形方法，充分利用变形热，实现了常温下“热变形”，如行星轧制技术和连续挤压技术，都是充分利用了摩擦力做功所谓铜加工短流程工艺就是在确保产品质量、环境友好、节省能源、減少建设投入的前提下的创新型工艺，其中最成功的范例是：美国最先兴起的铜线杆连铸连轧工艺和中国的空调内螺纹管生产技术，当前铜加工短流程工艺，在中国正在迅速发展并产业化，为推动铜加工技术进步做出了重要贡献（表1）表1中国铜加工短流程工艺一览表序号项目名称工艺流程坯料来源产品效果1内螺纹管生产水平连铸管坯-行星轧制-连拉-盘拉、直拉水平连铸管坯空调管、水道管连续化生产线、环保、节能三分之一2外翅片管生产连铸-行星轧-旋轧铜管坯高效散热管工艺流程缩短3纯铜生产上引连鋳电解铜水道管最大规格外径120毫米4纯铜管生产上引连铸-冷轧管（环孔型）——拉伸上引管坯工业管省去热挤压开坯5合金管生产上引、水平连铸——冷轧管（环孔型）上引、水平连铸——黄铜工业管省去热挤压开坯6无氧铜带生产水平连铸——高精冷轧连铸带坯工业带、变压器带、光伏带、压延箔水箱带省去热轧开坯7无氧铜带生产上引带坯——高精冷轧同上同上尚在硏发8同上上引杆——连续挤压——高精冷轧上引杆同上9合金带生产水平连铸——高精冷连连铸带坯锡磷带、锌白铜带、H65带；水葙管带、接插元件带、工业带已成主要生产方法10无氧铜棒型线上引杆——连续挤压上引杆铜排、异型排、工业材已成主要方法11铜铝复合排连铸——复合拉伸铜管、铝棒导电铜排、母线槽已部份生产12铜包铝管行星轧制复合铜管、铝管同轴电缆内导体外铜内铝13铝包铜管同上同上空调管、内螺纹、水道管外铝内铜14合金线上引线坯——线材拉伸上引杆工业线、锌白銅、锡磷、黄铜已成为主要方法15合金棒多面潜流连铸合金再生料、废杂铜卫浴、五金件己产业化16铜球生产冷旋轧铜杆电镀用阳极已产业化17异型带生产上引异型坯_-高精冷轧上引连铸坯料大功率框架已产业化18同上连挤_-高精冷轧上引杆同上己产业化19异型线生产上引-连挤-冷拉上引杆高速列车导线己出产品2 中国短流程工艺发展三十年改革开放三十年来，中国铜加工在生产方法的创新中取得了重大进展，短流程生产技术重大创新有：3.1连续铸造技术中国连续铸造技术主要有上引和水平连铸（图1），可以上引生产铜及铜合金管、杆、棒型、线坯料；水平连铸带卷、棒、型、线坯料，这些坯料卷重大、长度长，可直接进行冷加工；连续铸造炉组均为联体炉，潜流式金属熔体转运，取消了金属流槽，防止了金属转运时吸气和氧化，上引和水平连铸纯铜坯料含氧量均小于10PPM，符合无氧铜标准，在铜及铜合金带坯连铸中开发成动电磁搅拌技术，改变了带坯结晶组织，提高了表面质量，延长石墨结晶器的寿命；中国不但连铸技术不断创新，而且以潜流联体炉为主的连铸机列的装机水平也进入国际先进行列，现已为国内铜加工行业普遍采用；连续铸造品种正在不断扩大，上引连铸已产业化生产纯铜线杆、异型材、黄铜杆、低合金（银铜、镁铜等）、管材品种有加磷铜、无氧铜、白铜、黄铜等、带坯有无氧铜、H65黄铜等，锡磷青铜和锌白铜带坯也已产业化；图1 上引和水平连铸3.2行星轧制技术（图2）这种技术是互成120度角配置的三轧辊自转、同时又绕轧制线公转从而形成对管坯复合轧制，其特点是管材冷轧时，依靠变形热自身加热，变形区温度可达700-850度，此时相当于热加工状态，从而实现了动态再结晶，行星轧制后的管材质量与热挤压相同，而且轧制产品表面不氧化、大长度、成卷，可直接进行冷加工，为管材盘式生产奠定了基础，成为铸造管坯直接冷加工的关键技术，在改变铸造组织方面做出了突出的贡献，目前行星轧制技术在中国制管业中已普遍采用，行星轧制生产线已高度自动化、专业化，装机已处国际先进水平；这种技术的出现、成熟、产业化，使铜及铜合金管材生产方法发生了重大变革；特别是还形成了铜铝复合的新方法。
图2行星轧制3.3连续挤压技术（图3）这种技术在国外又称康夫姆法，此法实质是特长的金属线坯在摩擦轮的强迫送进之下，金属从模孔中塑性变形流出，变形热使金属本身加热，变形区温度高达600-800度，从而实现了金属动态再结晶，中国发展了这种这技术，在铜加工连续挤压中做出了重大贡献，实现了铜及合金棒、型、线多品种连续挤压，特别是完成了扩展连续挤压的技术创新，形成了以铜线杆为坯料的铜材生产新技术，导致了铜及合金棒型线生产方法的重大变革，这些成果是由大连交通大学和铜加工企业共同完成的，目前中国铜加工连续挤压技术和装备已居世界领先水平图3连续挤压3.4 打破传统的三级式铜及铜合金生产方式传统的三级式铜及铜合金生产方式正在被打破，生产工艺流程进一步缩短，为节能和提高生产效率提供了广阔的发展空间目前热加工工序正不断地被压缩和取代；卧式水平连续卷坯——高精拉伸、上引连铸线坯——高精拉伸等方法，已被普通采用，并已成为空调管，内螺纹管、合金线材、锡青铜带材等热点产品的主要生产方法，对我国铜加工节能、降低产品成本、节省项目投资成本起到重要作用3.5 高精板带材带式生产法迅速取代了块式生产法为提高产品质量、生产效率、改善环境，高精板带材带式生产法迅速取代了块式生产法。
这两种方法的根本区别在于板带材生产中被加工的工件是带卷还是板块高精板带卷式生产法典型的工艺流程是：大铸锭热轧获得卷坯（或卧式连铸卷坯）——卷坯双面高精铣屑——高精冷中轧——保护性罩式炉退火——高精度成品轧制——展开式保护气体退火——板材横剪、带材纵剪；带式法取代块式法，对高精板带来说是一种革命化的变革，实现了铜板带生产的自动化、现代化，达到了生产高效、节能、节材、高质量等目的特别是卷坯的表面铣屑和保护性气体退火不但提高了产品质量，而且使长期存在的、以清除氧化铜为目的的酸洗工序得以根除，从而大大地改善了环境3.6 管材卷式生产法管材卷式生产法已成为我国管材生产的代表性先进技术，其中空调器用高效散热内螺纹铜管（图4）生产技术已走在世界前列我国铜盘管生产技术的特点是管坯生产方式的多样化，主要方式有三种：大锭热挤压——高速轧管法；水平连铸——行星轧制法；上铸法（又称上引方法）；这三种方法已经完全产业化，适应不同的投资和生产规模，推动了铜管生产的技术进步图4 内螺纹铜管生产工艺3.7工艺参数和产品质量的检查技术发展迅速铜加工材生产过程中重要工艺参数和产品质量的检查技术发展迅速，使铜加工材的尺寸精度、表面和内在质量水平进一步提高，生产过程自动控制成为现代铜加工生产的重要标志。
3.8铜及合金再生资源利用该项技术创新共包括两项内容：其一为紫杂铜再生，使用反射炉熔铜、氧化还原后，使铜液成份达到国家规定紫铜标准，然后铜液进入轮式铸造和轧制机列，最后产出φ8毫米铜线杆，含氧量可达50～150μg/g这种连铸连轧光亮铜杆可直接供给导线生产上述铜线杆生产机列年产量可达3～6吨，生产机列价格低廉，在中国已被广泛应用，迅速取代了落后的热轧铜线杆生产方法其二为合金杂铜再生合金杂铜化学成份复杂，一直是再生技术的难点，传统的再生技术是作为合金的添加原料使用，甚至送去电解精炼中国已使用潜流式多线、多流铸造（图5）技术生产易切削黄铜棒型材，直接供钟表、制锁、阀门行业使用；宁波金田铜业集团已实现64线多面、潜流式水平连铸黄铜棒、型、管，这项技术已经产业化，被誉为中国“金田法” 图5多面潜流铸造3.9多线上引铸造大直径铜管大直径铜管是重要的水路管材，用于建筑水道管、海水管路等多方面传统方法为挤压——拉伸和热轧穿孔——拉伸方法，其产品成本高、生产工艺流程长近年来中国开发了多线上引铸造大口径铜管新方法，可直接铸造直径大于φ120毫米铜管，一次可同时铸造6线，铜管长度不受限制经过冷拉伸之后可生产工程技术界所需求的大口径、薄壁铜管。
产业化生产实践表明这项生产方法具有生产流程短、成品率高、产品成本低、生产线建设投资少等明显优点3.10铜及铜合金连续挤压技术产业化使用铜线杆经过连续挤压（又称康夫姆方法）直接生产各种扁线、型线方法，具有工艺流程短、成品率高的明显优点，目前在中国迅速产业化，已经完全取代了传统的轧制方法，其生产技术和装备已处世界先进水平，其生产品种正在不断地扩大，特别是采用连续挤压—液压拉伸方法，实现了铜排生产的卷式生产法（图6），卷重达4-6吨；随着连续挤压机吨位增加，挤压卷坯宽度加大，一种新的带坯生产方正在兴起图6 铜排卷式生产法3.11铜合金管材盘式生产技术铜合金管材盘式生产法具有生产连续化、自动化、成材率高等特点，特别是在铜合金冷凝管生产中具有广阔的应用前景中国在使用水平连续管坯，经行星轧制和盘拉生产白铜冷凝管技术上已取得重大进展，正在向产业化方向推进3.12铝铜复合材料生产技术2006年常州兴荣集团完成了铝铜行星轧制的铝铜复合技术开发，这是复合技术的重大发展，具有工艺流程短、成品率高、复合质量优良的突出特点，为铝铜复合管材应用和发展打下基础，这项技术具有中国自主知识产权，已处世界领先水平3.13铜球冷旋轧（图7）阳极冷旋轧传统方法是热轧和棒材锻造法,北京科技大学硏发的冷旋轧法实现了铜球连续化生产,具有成品率高、成本低等显著特点。
图7 铜球旋轧上述所列举各项技术创新表明，中国在铜加工领域中的短流程技术已经进入自主创新、蓬勃发展的重要历史阶段，从而使中国铜加工业产品产量居世界首位，产品品种增加，技术经济指标改善，生产技术进入国际先进行列4 短流程工艺促进铜加工材品种发展近年来，中国铜加工材品种已发生了巨大的变化，在紧密结合市场和科学技术发展需求中，新产品、新材料开发成果显著，传统铜加工材已经逐步完成了向现代铜加工材的转变，其重要特点是向高精度、高性能、环保、节能方向发展，许多产品已成为国内外知名品牌，在国内外市场上享有盛誉；产品质量已稳步提高，产品标准水平已处国际先进行列，各主要铜材生产厂家除按国家标准生产外，还可以直接接受世界主要发达国家标准订货，这表明我国铜加工材生产进一步国际化；为了满足国民经济和科学技术对铜材的多方面需求，各铜加工企业还相应制定了许多内部供货技术标准1）空调和制冷设备用超细、超薄、高清洁度、高精度、复杂齿型、大卷重内螺纹铜管产能迅速增加与普通光面管相比，传热效率提高了2-3倍，节省铜材30%，可以适应新型对大气臭氧层破坏系数为零的制冷剂，从而对环保、节能、节材、空调机小型化、高效化作出了贡献。
中国内螺纹铜管在家用空调器中的应用比例已高达80%，并正向全螺纹化方向推进，已成为铜管出口中的重要品种，代表着世界内螺纹铜管的水平中国家用空调产量居世界第一位，产量已达7000-8000万台，产量及出口量虽然有所波动，但对精密铜管的需求将有稳定的增长高翅片和外螺纹管是另一种高效散热管（图8、图9），是光面管传热效率的三倍，在海水淡化和电场主冷凝器中有望替代光面管产品蚊香盘管因包装、运输、使用方便而迅速取代直条管产品，已成为重要出口产品图8 外翅片管图9高效散热管（2）建筑用铜水管、气管、采暖管在中国应用的春天已经来临铜管材、铜管件、塑覆铜管生产已经配套成龙由于铜管材具有杀菌、不老化、耐蚀、良好安装性能和可完全回收等突出特点，已成为现代建筑管路材料的唯一代表中国铜水管、铜气管的生产已产业化、专业化，并受到国际市场广泛欢迎在中国，当前建筑用铜管的应用虽然不足10%，但其应用前景已为国内外所公认，国际铜业协会在推进建筑用铜管的事业中作了卓越的工作3）冷凝器用铜合金管虽然受到了焊接不锈铜管应用的挑战，但是随着电力工业的发展，铜合金冷凝管产量依然在逐步增长，而且铜合金冷凝管在海洋工程、舰船、海水淡化、化工、造纸、制糖等方面的应用正在不断扩大。
高效散热管（外螺纹管）在火电冷凝器上试用表明传热效果是原来使用光面冷凝管的三倍，可节能三分之一；（4）汽车同步器齿环管用于汽车同步器变速齿轮制造，该种铜合金为多元耐磨黄铜，多使用热挤压方法生产，管材直径50-140毫米壁厚为5-10毫米，同步器齿环管已部份釆用水平连铸法生产；（5）插接元件用带材：这是一种极有发展前途的高精度带材，用于各种电联接装置，生产的合金有H65、Qsn6.5-0.1、BZni8-26等，带材厚度为0.1-0.8毫米，其中汽车接插件带材需要镀锡，我国还使用电镀方法，为提高镀锡带表面质量，国外普遍采用热熔镀和电镀-再熔镀方法；这种产品已采用短流程工艺生产；（6）变压器带材：箔挠式变压器是变压器发展的重要发展方向，随着我国输配电事业的发展，变压器用带材成为重耍的高精带材品种，目前国内生产的干式变压器无氧铜带材规格为0.1x300—0.8x600毫米，宽度600—1200毫米变压器带材也正在开发，带材导电率巳达100—102IACS%，氧含量为10PPM以下；国内变压器用带材生产方法有热轧开坯和水平连铸卷坯两种 （7）电缆带：随着通讯和传媒事业发展同轴电缆中视频电缆用带迅速增长，外导体多使用无氧铜带氩弧焊接而成，带材正向高精度、大卷重方向发展，带材规格为0.1x30—0.25x80毫米， (8)焊接用带材:这种带材多用于铜包铝线材生产，典型规格为0.38x132毫米，这种带材要求具有高导电、严格的宽度公差，随着铜铝复合材种发展这种带材需求量在迅速增长；（9）铜线杆及棒型线（图10、图11）铜线杆作为线材坯料己成为重要产品，国内铜线杆品种有上引和连铸连轧铜杆，已形成重要产业，优质铜杆含铜量达99.95%以上，导电率99—100%IACS，合金线用铜杆多用上引和水平连铸方法生产，棒型线中热点品种有异型线、特种漆包线、高速列车导线等。
图10高速列车导线图11连续挤压梯形铜排（10）新金属材料、新产品研究开发十分活跃，其中高强高导电材料、环保型无铅铜及铜合金材料、各种大长度异型铜加工材生产、高效散热管（内螺纹、外翅片、外螺纹等）取得重大进展5 铜加工短流程工艺展望（1）在《十五》技术创新取重大进展的基础之上，中国铜加工技术创新工作发展趋势如下：铜加工企业技术创新体制不断完善和加强，技术创新投入不断增加，企业技术中心和工程研发中心正在普遍建立，创新工作正在受到高度重视，高校创新力量已向自主开发目标推进技术创新的重点方向是加工过程连续化、自动化，传统的压力加工模式和工艺流程正在被打破，工艺流程不断缩短，使铜加工生产过程进一步向节能、节材、环保方向发展技术创新工作将进一步向生产的深度和广度方向发展，技术创新的选题将进一步围绕着市场竞争、增加产品品种、提高质量、降低成本等方面展开，重大课题与生产过程急需解决的问题都将受到高度重视，以新产品、新工艺、新技术为内容的技术创新活动将全面展开改变企业经营方式，依靠技术创新发展企业，将成为一切成功企业的共识我们完全有理由确信：中国铜加工工业通过技术创得到巨大发展，也必将通过技术创新克服经济环境所带来的各种困难，使中国铜加工向节能、环保、低耗、低成本、低碳方向发展。
2）铜加工短流程工艺是重要的技术创新，已经取得了重大进步，在发展低碳经济中做出了重大贡献，它是在传统工艺相当发达的基础之上发展起来的，并已受到国家有关部门的高度重视；在发展铜加工短流程工艺中，必须以科学发展观为指导，自然科学中金属变形规律是不能违犯的，任何以牺牲产品质量为代价的简化工艺都应坚决反对，异想天开式技术创新也将在实践中被否定；（3）铜加工短流程的硏发和产业化是艰难的，是现代技术的集成结果，是诸如金属学、金属物理、金属化学、金属压加、自动控制、机械制造等学科技术创新发展的结果，需要几代人的艰苦努力，因此应广泛的开展产、学、硏、应用部门的大力协同。