趙景申

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039﹚

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銅帶熱軋機(jī)設(shè)計(jì)選型要點(diǎn)分析

趙景申

﹙中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039﹚

文章根據(jù)銅帶熱軋的工藝要求及特點(diǎn)，對(duì)主機(jī)、在線淬火裝置、軋邊輥、卷取機(jī)、工業(yè)爐、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行分析，提出了設(shè)備設(shè)計(jì)選型中應(yīng)注意的問題和要求，并簡(jiǎn)要介紹了中色科技在這一領(lǐng)域的研究成果。

銅帶熱軋；主機(jī)；在線淬火；軋邊輥；卷取機(jī)；工業(yè)爐；電控系統(tǒng)

隨著中國(guó)社會(huì)的快速發(fā)展，中國(guó)制造走進(jìn)了全球市場(chǎng)的各個(gè)領(lǐng)域，在這一進(jìn)程中，銅及銅合金板帶材作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)中間材料的需求量快速增加，特別是在電子、通訊、動(dòng)力電池、引線框架以及柔性電路板等領(lǐng)域?yàn)榇淼母叨穗娮鱼~帶箔的需求量增長(zhǎng)迅猛。銅帶熱軋機(jī)作為生產(chǎn)中高端銅板帶箔的關(guān)鍵設(shè)備，在經(jīng)過國(guó)內(nèi)市場(chǎng)、技術(shù)、資本等多方面的積累后迎來(lái)了其高速發(fā)展階段。

中色科技股份有限公司順應(yīng)市場(chǎng)需求，根據(jù)自身在有色金屬加工行業(yè)多年的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)銅帶熱軋生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝要求，以及以往國(guó)內(nèi)外設(shè)備存在的主要問題進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)合最新裝備和控制技術(shù)，研制出了國(guó)產(chǎn)首臺(tái)現(xiàn)代化高精度銅帶熱軋機(jī)。該機(jī)組經(jīng)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐證明，生產(chǎn)出的電子銅帶材產(chǎn)品性能和質(zhì)量均滿足后續(xù)高端產(chǎn)品的加工要求，填補(bǔ)了我國(guó)高精銅帶熱軋裝備空白，主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。隨后該技術(shù)裝備被迅速推廣應(yīng)用到國(guó)內(nèi)多家銅板帶生產(chǎn)單位，扭轉(zhuǎn)了對(duì)國(guó)外高精銅板帶和銅帶熱軋機(jī)設(shè)備高度依賴的局面。

本文對(duì)銅帶熱軋機(jī)設(shè)計(jì)選型中的要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析，并簡(jiǎn)單介紹中色科技在這一領(lǐng)域的研究成果，供各銅板帶生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備選型參考。

1 軋機(jī)主機(jī)

1.1 主機(jī)機(jī)型

銅帶熱軋過程中，一方面帶材溫度較高，一般為600～900℃，尤其是銅板坯在加熱爐內(nèi)高溫加熱時(shí)間較長(zhǎng)，表面氧化難以避免。因此，帶材在熱軋之后冷軋之前必須進(jìn)行銑面，銑面厚度一般為0.2～0.5mm。為保證成材率，銅帶熱軋成品厚度一般為9～15mm，不宜軋得太薄，即對(duì)銅帶熱軋機(jī)的最小可軋厚度要求不高，因而軋輥直徑設(shè)計(jì)無(wú)需太小。另一方面，多數(shù)合金銅帶材熱軋可軋溫度區(qū)域受限，溫度過高，板坯內(nèi)部晶粒粗大，外部氧化嚴(yán)重；溫度過低，進(jìn)入材料脆性區(qū)且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不能完全進(jìn)行，軋制困難。軋制引線框架材料或高強(qiáng)彈性材料，還必須保證淬火固溶處理的起始溫度，因此設(shè)備需要有較強(qiáng)的軋制力能，以減少軋制道次，加快軋制節(jié)奏，控制溫降速度，即較大的軋制力和軋制力矩。結(jié)合以上兩點(diǎn)，較大工作輥直徑的二輥可逆軋機(jī)是主機(jī)機(jī)型合理的選擇。

二輥熱軋機(jī)較強(qiáng)勁的軋制力可使鑄錠在再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行大壓下量高速軋制，不僅可有效破碎晶粒形成更多的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核從而細(xì)化鑄造組織，且對(duì)坯料實(shí)現(xiàn)了最少道次的加工，有利于對(duì)銅帶溫度進(jìn)行有效控制。同時(shí)，二輥熱軋機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠以及較低的投資等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 工藝潤(rùn)滑方案

如前所述，銅帶熱軋中溫降控制非常重要，一方面為了軋制在可軋溫度區(qū)順利進(jìn)行，另一方面確保后續(xù)固溶處理淬火具有較高的起始溫度，合金及第二相在基體中能夠有較大的溶解度。對(duì)于C19400材料，為保證固溶處理效果，帶材在在線淬火前的溫度不能低于700℃。為了較好地控制溫降，除了利用二輥軋機(jī)較強(qiáng)的軋制力能，減少軋制道次和時(shí)間外，另外重要的一點(diǎn)，是應(yīng)控制直接流到帶材表面的乳液量，傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)流淌到帶材上的乳液會(huì)帶走大量熱量，中色科技設(shè)計(jì)的半封閉輥盒冷卻設(shè)備是針對(duì)這一問題的有效解決方案。

1.3 主機(jī)傳動(dòng)

在主機(jī)選型中應(yīng)注意的是，銅帶熱軋機(jī)在軋制厚錠時(shí)，由于上下面潤(rùn)滑狀況不一致、板錠溫度不均等原因，頭尾部很容易出現(xiàn)上翹下勾現(xiàn)象，使生產(chǎn)無(wú)法順利進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生纏輥事故。針對(duì)這一問題，主機(jī)傳動(dòng)宜采用上、下軋輥單獨(dú)傳動(dòng)的方案，上、下軋輥速度可單獨(dú)調(diào)節(jié)，有效解決了頭尾部上翹下勾問題。

2 在線淬火裝置

銅板帶生產(chǎn)中，固溶處理和時(shí)效強(qiáng)化工藝常用于時(shí)效強(qiáng)化型的銅合金生產(chǎn)。在以往的生產(chǎn)中，合金銅帶的固溶處理利用熱軋余溫或經(jīng)過均勻化加熱后在冷卻槽中進(jìn)行。但兩種方案均存在一定的弊端，前者因傳統(tǒng)銅帶熱軋機(jī)技術(shù)和能力的原因，帶材終軋溫度難以保證淬火初始溫度要求，固溶效果不理想；后者加大了設(shè)備投資且造成能源浪費(fèi)。新型現(xiàn)代銅帶熱軋機(jī)能夠保證帶材較高的終軋溫度，可以實(shí)現(xiàn)在線固溶處理，因而在線淬火裝置成為現(xiàn)代銅帶熱軋機(jī)中優(yōu)先選擇的重要工藝裝備之一。

淬火的起始溫度、溫降速率、帶材冷卻均勻性是影響固溶處理效果的三個(gè)關(guān)鍵因素，其中后兩項(xiàng)都需要在淬火過程中實(shí)現(xiàn)并確保。淬火速率過低，合金及第二相在基體析出，產(chǎn)品性能不能達(dá)到要求，因此，在線淬火中溫降速率一般要求不低于40℃/s。在線淬火過程中，如果帶材的溫度和溫降不均勻一致，則會(huì)出現(xiàn)瓢曲、跑偏和鐮刀彎等不良板型，因此，帶材冷卻的不均勻性一般要求應(yīng)小于±3℃。目前，在銅帶熱軋機(jī)組中，在線淬火系統(tǒng)多采用上下壓力水噴射結(jié)構(gòu)，為便于生產(chǎn)及檢修，上噴水管路設(shè)計(jì)為可擺起形式，低壓大流量的冷卻水對(duì)帶材進(jìn)行層流冷卻，完成快速均勻的固溶處理。

3 軋邊輥裝置

銅帶熱軋中，尤其是在合金帶材的熱軋中，帶材的邊部、料頭和料尾的溫降快，大頭、魚尾、裂邊等現(xiàn)象普遍存在；且板帶材熱軋是在無(wú)張力狀態(tài)下進(jìn)行，極易出現(xiàn)跑偏，這些都影響銅帶熱軋的正常生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。因此，需要合適的軋邊機(jī)構(gòu)來(lái)有效解決這些問題。

銅帶熱軋的板錠沒有鋁帶熱軋的厚，也沒有鋼帶熱軋的力能大，因而銅帶熱軋軋邊選型的最佳方案不是常規(guī)的立輥軋機(jī)，而是軋邊輥方案。銅帶熱軋中的軋邊輥一般成對(duì)布置在軋機(jī)主機(jī)的出、入口，其傳動(dòng)裝置固定在軋機(jī)上排煙平臺(tái)上，其除了力能較小外具有結(jié)構(gòu)緊湊、距軋機(jī)近、可實(shí)現(xiàn)雙向軋制等普通立輥軋機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)備投資小。軋邊輥裝置可對(duì)帶坯進(jìn)行軋邊，改善邊部質(zhì)量，控制帶坯的寬展，同時(shí)產(chǎn)生后張力，有助于控制帶材軋制的平直度。

銅帶熱軋軋邊輥設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意優(yōu)化機(jī)架結(jié)構(gòu)及受力分布，提高設(shè)備剛性和可靠性，在此基礎(chǔ)上，可適當(dāng)加大軋邊輥軋制力和軋制扭距。中色科技設(shè)計(jì)的封閉式C型架結(jié)構(gòu)軋邊輥受力合理，結(jié)構(gòu)牢固，能夠較好地完成軋邊工作。

4 卷取機(jī)

為使熱軋帶材順利進(jìn)入后續(xù)工序加工，銅帶熱軋機(jī)組中必須配備相應(yīng)的卷取機(jī)。銅帶熱軋卷取具有卷齊不易的特點(diǎn)。由于市場(chǎng)需求的多樣性，生產(chǎn)的帶材往往呈現(xiàn)出合金品種多、厚度規(guī)格多、卷徑變化范圍大等特點(diǎn)。為保證后續(xù)冷軋及精整生產(chǎn)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)熱軋銅帶卷提出較高的要求，如卷材內(nèi)徑Φ600～700mm，成品塔形小于20mm，卷材層與層之間不允許有間隙和松卷現(xiàn)象(內(nèi)三圈除外)等。目前，銅熱軋帶材的卷取通常采用3輥無(wú)心卷取機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是，由于無(wú)心卷取為無(wú)張力卷取，存在成卷難以卷齊、卷緊的難題。

為保證帶材尤其是框架材料淬火、冷卻的均勻性，保證熱軋生產(chǎn)效率，3輥無(wú)心卷取機(jī)要求具有較高的自動(dòng)化控制水平。根據(jù)卷取帶材的合金品種和厚度對(duì)彎曲輥的位置進(jìn)行自動(dòng)預(yù)設(shè)定，并控制卷材的卷取內(nèi)徑；根據(jù)卷徑逐漸增大自動(dòng)調(diào)整彎曲輥及托輥位置，修正帶材曲率即卷材重心位置，在提高帶材卷取成品率的同時(shí)降低人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

由于3輥卷取機(jī)存在頭尾松卷、塔形相對(duì)較大、啟動(dòng)速度慢等難以克服的問題，為提高卷取質(zhì)量和生產(chǎn)效率，銅帶熱軋卷取可選取卷軸式有芯卷取、輥式助卷的方案，但此方案的設(shè)備投資會(huì)有所上升。

5 結(jié)語(yǔ)

在銅帶熱軋機(jī)的設(shè)計(jì)選型中，除了應(yīng)注意以上事項(xiàng)外，在工業(yè)爐方面，還應(yīng)嚴(yán)格控制加熱爐內(nèi)氧氣含量，減小板錠在爐內(nèi)的加熱時(shí)間， 以控制板錠氧化程度； 合理分布爐內(nèi)燒嘴位置， 提高板錠在加熱爐內(nèi)加熱均勻性，壓縮板錠從出爐至輥道的時(shí)間，以減小板錠溫降。在電控方面，還應(yīng)提高自動(dòng)化控制水平，實(shí)現(xiàn)物料跟蹤、節(jié)奏控制和自動(dòng)軋制，降低軋制輔助時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率等。只有把握住銅帶熱軋生產(chǎn)中的要點(diǎn)和特點(diǎn)，才能做好熱軋?jiān)O(shè)備的設(shè)計(jì)和選型。

Analysis of Design and Lectotype of Copper Strip Hot Rolling Mill

ZHAO Jingshen

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

Based on the process requirements and characteristics of copper strip hot rolling, this paper analyzed the key equipments such as the mill stand, on-line quenching device, edging roll, coiler, industrial furnace, control system, etc.; it pointed out that the issues to be noted in design and lectotype of the equipment; and it presented research achievements in this field by CNPT.

copper strip hot rolling; mill stand; on-line quenching; edging roll; coiler; industrial furnace; electronic control system

2014-10-08

趙景申(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)及研發(fā)工作。

TG333.7+1

A

1671-6795(2015)03-0039-02