張偉旗（江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西　貴溪　335424）

SCR銅桿卷取打包系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

張偉旗
（江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司，江西貴溪335424）

針對(duì)原SCR連鑄連軋銅桿卷取打包系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，利用數(shù)學(xué)模型重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，且運(yùn)用二次曲線曳物線公式優(yōu)化設(shè)計(jì)了收線管。新卷取打包系統(tǒng)功能完善，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行，解決了生產(chǎn)過程中易氧化、亂線及掛線，長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)銅桿易歪倒、傾斜，客戶投訴放線難、掛線多且頻繁等技術(shù)難題，大幅提升了SCR生產(chǎn)線銅桿成包準(zhǔn)確度、質(zhì)量及產(chǎn)能。

SCR銅桿；卷取打包系統(tǒng)；技術(shù)裝備；設(shè)計(jì)創(chuàng)新及優(yōu)化；數(shù)學(xué)模型；成包準(zhǔn)確度

卷取打包系統(tǒng)是整條SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線的收官工序，其正常運(yùn)行、維修和調(diào)整，對(duì)正常生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)至關(guān)重要。江銅分別于2003、2006年從美國(guó)SOUTHWIRE公司引進(jìn)了SCR3000/4500二條連鑄連軋生產(chǎn)線，主產(chǎn)品為φ8mm銅桿，設(shè)計(jì)總產(chǎn)能37萬(wàn)t/年。其銅桿性能和質(zhì)量?jī)?yōu)越，表面光亮，能滿足拉絲廠家拉制銅細(xì)線、銅微細(xì)線和特種產(chǎn)品的技術(shù)要求。而建廠初期，進(jìn)口卷取打包系統(tǒng)原設(shè)計(jì)存在諸多缺陷，設(shè)備故障率高，銅桿易氧化、亂線及掛線，成卷銅桿壓實(shí)不嚴(yán)、捆扎不緊、固定難，且大多靠鐵路集裝箱長(zhǎng)途運(yùn)輸，少數(shù)靠大貨車運(yùn)輸，產(chǎn)品運(yùn)輸途中易移位、歪倒或損壞等，成為生產(chǎn)技術(shù)的“瓶頸”。而成包準(zhǔn)確度成為衡量SCR卷取收線系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究十分必要。

一、系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)工藝

卷取打包系統(tǒng)是SCR連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，極易疏忽。其主要由無(wú)酸清洗系統(tǒng)、卷取夾送輥部分、成圈裝置、液壓升降平臺(tái)、操作控制屏及電氣控制元件等組成。其中無(wú)酸清洗系統(tǒng)主要由無(wú)酸泵、板式熱交換器、閥門和管道等組成，它為銅桿提供冷卻和還原，無(wú)酸泵的正常運(yùn)行對(duì)銅桿品質(zhì)影響較大；成卷裝置采用搖頭甩線自由跌落式；升降機(jī)、壓實(shí)機(jī)等皆由液壓站油泵來(lái)操作與控制；五位輸送站結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，成卷銅桿在各自獨(dú)立的輥式輸送機(jī)上，通過程序控制有序地組合完成輸送、稱重、壓實(shí)及打包作業(yè)；打包機(jī)采取自動(dòng)打包方式，由氣動(dòng)液壓站控制。其工藝流程為熱軋銅桿→無(wú)酸清洗→輥式下翻式裝置→夾送輥→打蠟機(jī)→卷線機(jī)→收卷→五位輸送站→稱重壓實(shí)→打包。目前國(guó)內(nèi)廠家仍采用手動(dòng)壓實(shí)、按客戶的需求打包方式。

圖1　五位站結(jié)構(gòu)布局圖

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

無(wú)酸清洗設(shè)計(jì)采用非酸溶液對(duì)熱軋后高溫銅桿表面氧化層即Cu2O、CuO進(jìn)行快速還原、清洗及冷卻，使從無(wú)酸管出來(lái)的銅桿以適宜的氧化膜和溫度進(jìn)行噴蠟和收卷。

噴涂水蠟主要用于抗氧化和潤(rùn)滑。銅桿經(jīng)非酸清洗和冷卻后表面光亮，約50～60℃，水蠟通過夾送輥和收線機(jī)之間的噴蠟霧化裝置，在其噴射腔內(nèi)會(huì)分布均勻地吸附于銅桿表面形成薄膜，有利于銅桿排線，保證銅桿表面長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)運(yùn)時(shí)不易氧化、變色，潤(rùn)滑銅桿表面，可提高銅桿表面質(zhì)量。

摩根卷線機(jī)是通過一個(gè)輥式下翻式裝置將無(wú)酸清洗后的銅桿送至保持一定張力的夾送輥，將銅桿由打蠟機(jī)送至卷線機(jī)；卷線機(jī)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收線管，轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)成生產(chǎn)定直徑線環(huán)的梅花型線卷，也可周期性擺動(dòng)生產(chǎn)密實(shí)型銅桿卷，φ8.0mm銅桿達(dá)到設(shè)定重量后，會(huì)自動(dòng)下線；收卷銅桿經(jīng)過卷取5#站過程中完成稱重，通過壓實(shí)液壓機(jī)壓實(shí)后，用塑料風(fēng)裙袋和鋼帶包裝整齊。經(jīng)壓實(shí)打包后的成捆銅桿，整齊美觀、緊固結(jié)實(shí)、高度適當(dāng)，便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

三、優(yōu)化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

1.卷取收線技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化

卷取收線系統(tǒng)技術(shù)裝備設(shè)計(jì)是否得當(dāng)及控制水平的高低將直接影響整條SCR生產(chǎn)線的產(chǎn)量。建廠初期，因原卷取打包系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷，生產(chǎn)過程中易亂線、掛線等，銅桿亂線、掛線月發(fā)生頻率趨勢(shì)，如圖2所示。導(dǎo)致銅桿產(chǎn)能偏低，長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)品易產(chǎn)生歪倒傾斜，客戶投訴放線難、掛線問題多且頻繁等。從外觀和整體設(shè)計(jì)分析，主要是卷取設(shè)定值不符合生產(chǎn)實(shí)際、線速度與夾送輥速度不匹配、水蠟噴涂不良、內(nèi)外圈設(shè)定不佳、壓縮風(fēng)壓力波動(dòng)及不干燥等。

圖2　亂線、掛線月發(fā)生頻率趨勢(shì)

新設(shè)計(jì)為保證銅桿收線效果，優(yōu)化設(shè)計(jì)了卷取排線技術(shù)參數(shù)，加強(qiáng)對(duì)影響銅桿收線成卷軌跡和成卷效果因素如甩線成形參數(shù)、負(fù)荷、成卷內(nèi)外徑等的控制，將夾送輥手動(dòng)給定速度、夾送輥速度、內(nèi)外環(huán)圈數(shù)設(shè)定值調(diào)至最佳值，改進(jìn)原水蠟霧化裝置、調(diào)整水蠟溫度等，將銅桿收線高度由原設(shè)計(jì)780～820mm降至720～740mm，壓實(shí)高度由原設(shè)計(jì)700～720mm降至630～650mm。新設(shè)計(jì)系統(tǒng)卷取收線連續(xù)高效，亂線、排線次數(shù)銳減，月回爐銅桿由10架降至2架以下，月減少回爐銅桿32t；長(zhǎng)途運(yùn)輸銅桿歪倒傾斜現(xiàn)象少，客訴次數(shù)和退貨量驟減，與去年同比減少86t，可節(jié)約回爐能耗共37760元。

2.卷取收線管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

卷取收線管是優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心。卷取收線過程中，搖頭機(jī)使銅桿作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中的銅桿因自重作用，會(huì)自然下垂形成一條弧線曲線，銅桿在收線管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)阻力呈周期性的變化；而理想狀態(tài)下，銅桿處于收線管的中心時(shí)，銅桿與收線管內(nèi)壁無(wú)接觸，即銅桿與收線管沒有摩擦阻力。通常銅桿甩大圈時(shí)，阻力減少；甩小圈時(shí)，阻力增大；銅桿自然弧垂形狀與軋制工藝及自身力學(xué)性能有關(guān)，軋制溫度高，銅桿抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，曲線形狀下垂幅度較大，反之較小。

2013年1月開始，因銅桿抖動(dòng)、過線不順，一直采用高氣壓、高負(fù)荷的過線方法，使銅桿與收線管之間的摩擦增大，收線管的磨損加劇，導(dǎo)致銅桿線表刮傷、夾送輥出口擠線多次，更換收線管頻繁，而更換收線管后，一次性過線成功，線表刮傷現(xiàn)象明顯減少，下機(jī)收線管外觀無(wú)明顯損傷，鋸切收線管中部發(fā)現(xiàn)凹槽較深，過渡磨損造成過線困難及桿表粗糙，且隨著客戶要求的提高不再滿足生產(chǎn)要求，其使用壽命僅1個(gè)半月，嚴(yán)重制約生產(chǎn)的順行。可選取A桿為研究對(duì)象，以生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)學(xué)二次曲線曳物線公式進(jìn)行規(guī)范化計(jì)算（計(jì)算過程略）和優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取了一條阻力最小的曲線，整條曲線過渡圓滑勻稱，銅桿在收線管內(nèi)運(yùn)動(dòng)阻力小，收線更順暢，收線管壽命長(zhǎng)。

3.銅桿干燥技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

銅桿無(wú)酸清洗過程的關(guān)鍵是“減小銅桿在無(wú)酸清洗過程中的拉伸”，為防止銅桿在夾送輥處打滑且順利地收線，銅桿干燥問題極為關(guān)鍵，特別是高速系統(tǒng)中，銅桿表面易帶水，為防止打滑，夾送輥氣壓需保持穩(wěn)定，但對(duì)銅桿屈服強(qiáng)度存在不利影響，氣壓減小，屈服強(qiáng)度將降低。一些SCR生產(chǎn)線銅桿延伸設(shè)定較其他同行低，新設(shè)計(jì)通過減少夾送輥的氣壓和扭矩，可提高銅桿延伸率及降低屈服強(qiáng)度，以解決后續(xù)銅線拉伸過程中的問題。雖然其主因是導(dǎo)向和管路的光滑度及流體動(dòng)力阻力，管路內(nèi)液體流動(dòng)給了銅桿反作用力，重點(diǎn)卻是減少流體阻力，而液體流動(dòng)指數(shù)將有助于減小液體流動(dòng)阻力。

銅桿清洗過程中，就銅桿形狀而言，形狀阻力非主要影響因素，當(dāng)銅桿溫度＞100℃時(shí)，其表面周圍將被水或酒精蒸汽層包裹，此時(shí)表層摩擦力和銅桿形狀阻力皆非影響主因。因無(wú)酸噴射的角度與銅桿運(yùn)動(dòng)方向相同，液體速度并不會(huì)形成太大的阻力，而逆流將增大銅桿的阻力。新設(shè)計(jì)是采用導(dǎo)向裝置取代最后一段風(fēng)管，增設(shè)一個(gè)空氣加熱器，對(duì)最后的風(fēng)管吹高達(dá)315℃的熱空氣，該加熱器的熱空氣將通入導(dǎo)向，可較長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)銅桿表面的水汽，盡管由于渦流的作用吸入冷空氣，但銅桿干燥效果好。

4.銅桿酸洗冷卻裝置的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

新設(shè)計(jì)顛倒了SCR4500無(wú)酸2#站位置，即進(jìn)口設(shè)置不同，一個(gè)在工作站前，一個(gè)在后，使其逆向流動(dòng)變?yōu)椴⑾蛄鲃?dòng)，效果好；為減小阻力，在同向流無(wú)酸箱中新增流體導(dǎo)向裝置，與原標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向相比，可減小導(dǎo)向磨損，銅桿會(huì)快速穿過不銹鋼導(dǎo)向；起到屏障作用，能有效防止下游的熱流體與上游的液體混合，確保了熱的液體不與下一站冷的液體相混合；將該流體導(dǎo)向確定為標(biāo)準(zhǔn)件后，銅桿酸洗和冷卻的距離將更長(zhǎng)。

5.水蠟霧化裝置和噴涂箱設(shè)計(jì)創(chuàng)新

（1）新型水蠟霧化裝置

因水蠟狀況對(duì)過線、放線及收卷高度影響較大。過多時(shí)，易造成水蠟飛濺；過小或關(guān)閉時(shí)，潤(rùn)滑不足會(huì)造成無(wú)法成功過線。而原設(shè)計(jì)水蠟霧化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，水蠟噴嘴易堵塞，導(dǎo)致卷取收線、打包質(zhì)量不良，如銅桿亂線、收線高、偶爾歪斜、銅桿表面有水蠟及打包美感不足等現(xiàn)象。

新水蠟霧化裝置如圖3所示，新設(shè)計(jì)是對(duì)水蠟噴霧箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，新增一鋼環(huán)采用熱裝使噴霧箱整體變長(zhǎng)，且優(yōu)化了水蠟噴嘴結(jié)構(gòu)，霧化效果更好，可有效地避免銅桿表面氧化。需密切關(guān)注水蠟滴液的狀況，一旦收線不良時(shí)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)，清洗噴嘴或更換備件。

圖3　新水蠟霧化裝置

（2）新水蠟噴涂箱簡(jiǎn)易防護(hù)罩

原設(shè)計(jì)水蠟噴涂箱存在缺陷，部分水蠟易在進(jìn)入卷線機(jī)導(dǎo)向前被甩出，若未及時(shí)清理，就會(huì)殘留在水蠟噴涂腔外圍，水蠟積留太多時(shí)就會(huì)從護(hù)網(wǎng)落下，污染周邊環(huán)境，量大時(shí)會(huì)滴至銅桿表面，影響銅桿外觀。水蠟甩到卷取齒輪箱表面，冷卻后呈膠態(tài)，附著力大，極難清除，影響齒輪箱表面的散熱，而根據(jù)潤(rùn)滑油使用規(guī)范，油溫每上升10℃，潤(rùn)滑油使用壽命將縮短兩個(gè)月；原卷線機(jī)齒輪箱的密封設(shè)計(jì)和安裝方式皆是為了防止內(nèi)部潤(rùn)滑油向外滲漏的，卻無(wú)法抵抗外部污染物進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部，SCR3000生產(chǎn)線就曾經(jīng)發(fā)生過附著在卷線機(jī)齒輪箱上的水蠟入侵齒輪箱內(nèi)部污染油液，導(dǎo)致軸承報(bào)廢的案例，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常順行。

為防止水蠟飛濺，新設(shè)計(jì)在不影響卷線機(jī)正常甩線的情況下，在水蠟噴涂箱下部新增設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)易防護(hù)罩。改進(jìn)后，水蠟附著卷線機(jī)齒輪箱現(xiàn)象已不復(fù)存在，水蠟噴涂周邊護(hù)網(wǎng)也無(wú)水蠟殘留，再無(wú)水蠟從卷線機(jī)上方護(hù)網(wǎng)滴落至銅桿表面發(fā)生，效果十分顯著。但銅桿表面偶有水蠟殘留出現(xiàn)，主因是水蠟流量調(diào)節(jié)不當(dāng)或溫度失控，若條件允許的話，可對(duì)水蠟噴涂腔進(jìn)行改進(jìn)，從源頭上根除水蠟飛濺的技術(shù)難題。

6.在線稱擋板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

原美國(guó)南線在線稱擋板設(shè)計(jì)不合理，SCR3000/ 4500產(chǎn)品稱重采用在線計(jì)量方式，稱重時(shí)鐵托盤與擋板接觸易產(chǎn)生皮重失真，產(chǎn)品易產(chǎn)生磅差，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大。

新設(shè)計(jì)在1#在線稱擋板下方割出24cm的空檔。既消除了叉車上鐵托盤時(shí)對(duì)擋板的猛烈撞擊，又可保證鐵托盤沿著擋板上方垂直落下，避免了鐵托盤與擋板下方的直接接觸，從而消除了稱重時(shí)鐵托盤與擋板接觸產(chǎn)生的皮重失真現(xiàn)象，且員工勞動(dòng)強(qiáng)度低。然而，實(shí)際生產(chǎn)過程中，勿容忽視的是鐵托盤設(shè)計(jì)不合理、卷取操作疏忽、叉車操作不當(dāng)?shù)纫矔?huì)導(dǎo)致皮重失真，應(yīng)具體問題具體分析，將皮重失真磅差投訴降至最低。

7.卷取光電開關(guān)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)SCR卷取收線部分10min下線一次，設(shè)置開關(guān)檢測(cè)點(diǎn)較多，故障率高，卷取機(jī)收線高度檢測(cè)光電開關(guān)選型和現(xiàn)場(chǎng)安裝位置設(shè)計(jì)不合理，光電開關(guān)選用對(duì)射型且設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立單元，兩邊皆需供電，故障診斷難，而鏡面反射型僅需更換一個(gè)即可，其生產(chǎn)過程中受到振動(dòng)、煙塵、油污等外部環(huán)境干擾時(shí)，更換與調(diào)試相當(dāng)復(fù)雜，易發(fā)生卡筒、收卷自動(dòng)控制失靈等故障，影響收線密實(shí)度和外觀質(zhì)量，甚至被迫中斷生產(chǎn)；原設(shè)計(jì)滾筒和外罩之間的一對(duì)光電開關(guān)裝于水蠟噴涂系統(tǒng)下方，其發(fā)射端和接收端固定位置狹窄，環(huán)境臟，調(diào)整困難，開關(guān)被飛濺水蠟弄臟、振動(dòng)偏離或損壞后，易誤發(fā)信號(hào)，生產(chǎn)過程中擦拭、對(duì)中或更換工作極為困難，安全隱患大，必須停機(jī)時(shí)才能進(jìn)行。

新設(shè)計(jì)在不改變現(xiàn)有收線高度及效果的情況下，宜重新選用卷取輸送站反射式光電開關(guān)，備件型號(hào)統(tǒng)一，采購(gòu)成本低，庫(kù)存積壓少；且在工字鋼上新開設(shè)一個(gè)方孔，用一根扁鋼做固定架子將其安裝調(diào)至適宜位置，據(jù)兩種類型接線方式對(duì)比，利用原有PLC通道和程序，改進(jìn)原接線方法。其優(yōu)點(diǎn)是可左右上下調(diào)整位置，在操作臺(tái)前即可觀察其運(yùn)行狀態(tài)；其設(shè)計(jì)安裝在外且位于槽鋼內(nèi)，水蠟不易臟污再誤發(fā)信號(hào)，可在線調(diào)整對(duì)中位置及更換作業(yè)，即使在線擦拭清潔，也勿需停機(jī)，杜絕了因小故障導(dǎo)致生產(chǎn)線頻繁被動(dòng)剪切的窘境，維修保養(yǎng)便利，勞動(dòng)強(qiáng)度低，若按10次/a故障、剪切1h/次計(jì)算，可挽回經(jīng)濟(jì)損失12.5萬(wàn)元；而安裝反光鏡時(shí)，也可采用同樣方法延伸至外面槽鋼內(nèi)，以阻擋水蠟飛濺，便于擦試及及時(shí)更換。

8.銅桿凈重上限的優(yōu)化設(shè)定

SCR3000/4500二條生產(chǎn)線銅桿總產(chǎn)能約40萬(wàn)t/ a，其中大部分外銷，其余內(nèi)銷約10萬(wàn)t/a，皆采用火車或汽車運(yùn)輸方式，銅桿產(chǎn)品運(yùn)輸使用的包裝物主要有鋼帶、鋼扣、木托架、編織袋、風(fēng)裙袋、瓦楞紙及標(biāo)簽紙等，折算產(chǎn)品包裝費(fèi)用約140元/t，成本較高。由于美國(guó)南線原設(shè)計(jì)未按客戶需求設(shè)置銅桿的凈量，實(shí)際操作方式中也未作具體細(xì)分，一概設(shè)定凈重上限為4000kg，因而，降低包裝成本的空間和潛力較大。

通過精心測(cè)算，可根據(jù)客戶的不同需求和生產(chǎn)實(shí)際，SCR4500產(chǎn)品以外銷為主，將銅桿線產(chǎn)品凈重上限分別設(shè)定為火車運(yùn)輸4t、汽車運(yùn)輸4.15t；SCR3000產(chǎn)品則以內(nèi)銷為主，大拉機(jī)母材用產(chǎn)品凈重上限設(shè)定為4.2t，可大幅減少卷取打包件數(shù)、叉車運(yùn)輸次數(shù)及大拉碰頭數(shù)，2013年9～10月，外銷、內(nèi)銷產(chǎn)品分別少打包141件、178件，未計(jì)內(nèi)部循環(huán)用木托架，年可節(jié)約包裝成本20多萬(wàn)元，生產(chǎn)成本低，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

四、結(jié)語(yǔ)

SCR銅桿連鑄連軋技術(shù)和機(jī)列是銅加工材連續(xù)化生產(chǎn)的最成功的范例，已成為線坯生產(chǎn)的主導(dǎo)方法。實(shí)踐證明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的銅桿卷取打包系統(tǒng)生產(chǎn)效率高、產(chǎn)能大，設(shè)備故障率低，成包準(zhǔn)確度高，銅桿氧化、亂線及掛線現(xiàn)象少，外觀質(zhì)量及成品品質(zhì)好，便于存儲(chǔ)與運(yùn)輸，獲得了高端銅細(xì)線客戶的一致認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)。目前該公司φ8mm銅桿產(chǎn)能已突破40萬(wàn)t/a大關(guān)，超過了原設(shè)計(jì)37萬(wàn)t/a，其多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白，推廣應(yīng)用前景良好。

［1］張波，張?chǎng)?SCR3000連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)用介質(zhì)淺談.有色冶金設(shè)計(jì)與研究［J］.2009，30（4）：24.

［2］陳連英，王碧文.論中國(guó)銅加工技術(shù)創(chuàng)新［J］.世界有色金屬.2006 （8）：20-22.

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