閆成琨，計 江，湯昌東，王悅晗，錢廣闊，郝宏昭

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018;2.清遠楚江銅業(yè)有限公司，廣東 清遠 511517)

0 前言

自我國的十三五規(guī)劃和2016年巴黎協(xié)定實施以來，我國致力于發(fā)展降低碳排放和能耗的產(chǎn)業(yè)技術(shù)。2020年我國更是提出要在2030年實現(xiàn)“碳達峰”、2060年實現(xiàn)“碳中和”的宏偉目標(biāo)。銅及其合金是實現(xiàn)能源行業(yè)深度脫碳所必不可少的材料。中國作為全球銅消費的第一大國，2019年中國銅消費約占全球總消費的52%左右，其中電力板塊又占國內(nèi)終端消費的46%左右。根據(jù)國家銅業(yè)協(xié)會發(fā)布的研究數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力、光伏發(fā)電等可再生能源系統(tǒng)中的平均用銅量超過傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的8～12倍。另一方面，以5G、充電樁、特高壓、軌道交通等為代表的新基建作為國內(nèi)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的投資重點，對高性能連接器、高強高導(dǎo)高屏蔽相關(guān)高精銅板帶箔的需求也十分巨大。據(jù)行業(yè)研究機構(gòu)測算，2021年僅新基建相關(guān)行業(yè)對高精銅板帶箔的需求合計將達到13.89萬噸，同比增長約23%。預(yù)計整個十四五期間，“碳中和”目標(biāo)將令我國每年銅消耗增加85萬噸。

在銅消費巨量增長的背景下，提高銅加工行業(yè)自身的生產(chǎn)效能、降低碳排放成為該行業(yè)未來發(fā)展的重中之重。中國重型機械研究院股份公司從事銅板帶軋制設(shè)備研發(fā)與成套設(shè)備40余年，為提高銅帶冷軋環(huán)節(jié)的成材率，成功研發(fā)成套了一種大徑寬比高精銅帶卷冷粗中軋機組，為國內(nèi)銅加工企業(yè)大幅提高成材率、降低企業(yè)綜合碳排放，提供了可靠的生產(chǎn)設(shè)備和有效的解決途徑。

1 生產(chǎn)工藝及機組主要參數(shù)

1.1 大徑寬比銅卷生產(chǎn)工藝

在高精銅帶需求大幅增長的背景下，為了提高產(chǎn)量、降低軋輥損耗等，越來越多的銅帶加工企業(yè)在粗軋生產(chǎn)過程中，已不再對來料銑面卷進行“咬頭甩尾軋制”，而是采用“留頭軋制”法，即在各道次軋制中，留一部分頭尾料不軋，隨即反向軋制。該方法既可節(jié)省因帶卷頭尾反復(fù)失張建張而增加的板形超差長度和輔助時間，又避免了因帶頭反復(fù)強迫咬入導(dǎo)致的軋輥沖擊損耗。留頭軋制法的不足之處在于未軋制的頭尾料將成為廢料而被切除。因粗軋來料卷都比較厚，頭尾料長度在1～2 m左右。按來料厚16 mm×寬440 mm的典型規(guī)格計算，熱軋卷一般為5 t，長度在83 m左右，則每卷銅帶在粗軋加工時僅頭尾料就切除了1.2%～2.4%左右。雖然廢料會被回收，但其在熔鑄和熱軋階段已經(jīng)耗費了大量的電能或燃氣。

近些年來，由于銅板摩擦焊接技術(shù)的進步，可以將銅板之間高質(zhì)量地焊接在一起，且不會添加其他元素，焊縫強度約為基體強度的80%左右。因此，一種新工藝模式被提出來，即先將兩個熱軋卷頭尾對焊后拼接成一個更大卷徑的帶卷，然后再進行冷軋工藝。該工藝的好處：將2個卷合并成了1個卷，原本加工2個卷的4個頭尾廢料減少到2個，故每卷可節(jié)約120 kg銅材，廢品率減少了50%；焊縫區(qū)域不需要大幅減速，進而減少了因加減速導(dǎo)致的超差長度，提高了產(chǎn)品的綜合成材率；上卸卷輔助時間減少了50%以上，大幅提高了班組效率和產(chǎn)能。

該工藝下的帶卷在寬度不變的情況下，單卷卷重和帶長翻倍，卷徑大幅增加。典型規(guī)格的10 t來料卷的直徑將增加到最大2.5 m。該模式下銅帶粗軋來料卷的徑寬比最大可達8.3，單位寬度卷重最高可達23 kg/mm，該規(guī)格在全世界板帶軋制領(lǐng)域也前所未有。傳統(tǒng)銅帶生產(chǎn)中徑寬比一般不超過5，黑色和其他有色合金板帶的徑寬比一般不大于2，因此，這種超大規(guī)格的帶卷被稱為“大徑寬比帶卷”。

采用大徑寬比帶卷將導(dǎo)致原常規(guī)粗軋機組多項功能失效而無法生產(chǎn)：主要原因是帶卷卷徑大幅增加，原布置下的機組無法安置超大規(guī)格帶卷；同時帶卷豎立放置時穩(wěn)定性變差，生產(chǎn)運輸過程中很容易向兩側(cè)傾翻造成安全事故；由于超大規(guī)格卷導(dǎo)致機組負荷增大，原設(shè)備的強度和剛度無法滿足新工藝的要求；帶卷焊接在一起后其橫向偏差疊加，超差范圍增大，更易跑偏。

針對超大規(guī)格銅卷軋制的缺陷，中國重型機械研究院股份公司研發(fā)了一種適用于大徑寬比高精銅帶卷的粗中軋機組，可對卷重達到10 t、極限徑寬比達到8.3、極限單位寬度卷重達到23 kg/mm的超大規(guī)格銅卷進行粗軋生產(chǎn)，同時可兼顧粗軋后退火帶卷的中軋生產(chǎn)。該機組已在國內(nèi)某大型銅帶加工企業(yè)成功投產(chǎn)并順利達產(chǎn)。

1.2 機組工藝布置

圖1為大徑寬比高精銅帶卷粗中軋機組的工藝布置圖，圖中粗線為銅帶流線示意。大徑寬比帶卷在該機組上可進行兩種模式的軋制工作制，即粗軋工作制和中軋工作制。

圖1 大徑寬比高精銅帶卷粗中軋機組工藝布置

粗軋工作制：上卷小車→雙柱頭開卷機→左卷取大卷筒←(反復(fù)軋制)→右卷取大卷筒→左(右)卷取小卷筒→卸卷小車。

中軋工作制：卸卷小車→左卷取小卷筒←(反復(fù)軋制)→右卷取小卷筒→卸卷小車。

機組配置的測厚儀和測速裝置對帶材厚度與速度實時監(jiān)測，可實現(xiàn)恒輥縫控制、恒軋制力控制、壓下調(diào)偏控制、自動預(yù)壓靠控制、厚度預(yù)控AGC、厚度監(jiān)控AGC等控制功能。立輥對中裝置和機架輥可在軋制過程中對帶材的水平和豎直方向的波動起到穩(wěn)定作用。除油裝置配置了一對擠油輥和雙排氣刀，可清除軋后帶材上的殘余工藝潤滑液。橫切剪用于切除超差的頭尾料。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

本機組可生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格見表1。主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 產(chǎn)品規(guī)格

表2 機組主要技術(shù)參數(shù)

2 機組的新技術(shù)和新工藝

2.1 防止帶卷傾翻的運卷小車

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗當(dāng)徑寬比大于5后，豎立放置的帶卷穩(wěn)定性變差，運輸過程中很容易向兩側(cè)傾翻。本機組運輸?shù)膸Ь淼膹綄挶茸罡哌_到8.3，其運卷過程的穩(wěn)定性和安全性是機組研發(fā)的重點環(huán)節(jié)。經(jīng)過對多種方案的綜合分析和評估，最終采用了在小車上配置液壓傳動夾具，通過夾持帶卷下部來保持穩(wěn)定的總體方案。該方案的優(yōu)點是：穩(wěn)定效果好，占用空間小，安全性高，操作便捷。

根據(jù)運輸方向的不同，本機組開發(fā)了2種防傾翻裝置：一種是配置在沿著帶卷徑向運動的上卷小車上，如圖2所示。該裝置可將帶卷夾持后運輸至兩個雙柱頭開卷機之間，同時夾持部位可以避開雙柱頭開卷機的轉(zhuǎn)盤，待雙柱頭開卷機將帶卷套入卷筒后，夾具松開并擺下，小車可退出開卷機區(qū)域。另一種是配置在沿著帶卷軸向運動的卸卷小車上，如圖3所示。該裝置可將卷取機小卷筒上的帶卷夾持后沿卷筒軸向緩慢退出卸卷，或者將帶卷夾持后套在小卷筒上，待帶卷就位后，可通過擺動馬達驅(qū)動夾具擺下，避開帶卷后退出卷取區(qū)域。

圖2 上卷小車防傾翻裝置夾卷運輸狀態(tài)

圖3 卸卷小車防傾翻裝置夾卷運輸狀態(tài)

2.2 高剛性大小卷筒卷取機

卷取機作為提供軋制張力的重要設(shè)備，超大規(guī)格帶卷的生產(chǎn)對其提出了更為苛刻的要求。該粗中軋機組適用帶卷厚度的范圍很大，從20 mm來料到0.5 mm成品，均須通過卷取機繞卷。該卷取機采用了大小卷筒配置，Φ1 600 mm的大卷筒用于厚度為5～20 mm帶卷的卷取，Φ610 mm小卷筒用于厚度為0.5～5 mm帶卷的卷取。大小卷筒通過可換擋的聯(lián)合齒輪箱，共用一套電機及傳動系統(tǒng)。

本機組的來料10 t卷單位寬度卷重最高可達23 kg/mm，較常規(guī)5 t卷的單位卷重12 kg/mm幾乎翻倍。卷徑的增大導(dǎo)致軋制張力的方向和大小都發(fā)生了變化。以中國重型院原粗軋機組的常規(guī)卷負荷數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，超大規(guī)格帶卷對卷取機大小卷筒的負荷影響見表3。

表3 超大規(guī)格帶卷對卷取機卷筒負荷的影響

由表3數(shù)據(jù)可知，10 t卷對大小卷筒均帶來負荷的大幅增加。該機組采用的雙支撐大小卷筒卷取機如圖4所示。通過新的研發(fā)設(shè)計，使卷取機在強度和剛度方面更適合超大規(guī)格帶卷的生產(chǎn)。

圖4 雙支撐大小卷筒卷取機

(1)大卷筒端部配置固定支撐，小卷筒端部配置活動支撐，從而進一步提高卷筒的剛性，保證超大直徑帶卷內(nèi)外側(cè)張力均勻穩(wěn)定；

(2)重新設(shè)計了大小卷筒的卷筒軸，以增強卷筒的強度和剛性；

(3)增加大小卷筒間距，避免帶卷卷徑增大后與另一個卷筒干涉；

(4)增大各級齒輪副的強度，以抵消扭矩增大的負面影響；

(5)采用了重新設(shè)計的瓦圈式重載換擋機構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可承受的振動和沖擊遠大于傳統(tǒng)軸承推動結(jié)構(gòu)，大大增加了超大規(guī)格帶卷生產(chǎn)時減速箱的維護周期。

2.3 自適應(yīng)在線糾偏立輥對中裝置

帶材軋制時的橫向偏差(鐮刀彎)一般需要立輥對中裝置為輔助。由于超大規(guī)格帶卷是由2卷常規(guī)帶卷焊接而成，帶卷橫向偏差必然會累積增大。另外，焊接時切口和焊縫的輕微偏斜，也會導(dǎo)致帶尾部分出現(xiàn)更大的偏差。傳統(tǒng)的立輥對中裝置，一般為2對立輥，立輥座剛性安裝在齒輪齒條開合機構(gòu)上，軋制過程中需要操作人員不斷手動調(diào)整開合度，既要保證對中效果，又要防止帶材橫向偏差過大損傷設(shè)備，該操作方式效率低下，無法應(yīng)對超大卷生產(chǎn)中過大的橫向偏差和更快的響應(yīng)時間。為此，本機組開發(fā)配置了一種能夠自適應(yīng)的在線糾偏立輥對中裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。每側(cè)的滑動立輥座布置了一個短行程油缸，立輥座與油缸桿連接，油缸基座安裝在螺母絲杠機構(gòu)上。通過油缸壓力動態(tài)控制技術(shù)，使立輥可以隨著帶材橫向偏差變化，快速自動對中糾偏，并在過大偏差下適度退讓，既保證了更大偏差帶材的對中效果，也降低了人員勞動強度和設(shè)備損壞風(fēng)險。增加1對立輥成3對立輥，對軋制過程中帶材的橫向偏差感應(yīng)更為靈敏。油缸基座開口度的調(diào)節(jié)采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)，利用絲杠螺母自鎖特性，保證油缸基座位置的穩(wěn)固可靠。

圖5 自適應(yīng)在線糾偏對中裝置

2.4 銅帶表面質(zhì)量檢查站

粗軋帶卷來料為銑面后的熱軋卷。由于鑄錠的缺陷和氧化皮的影響，帶卷表面會有少量超差較大的凹陷，這種凹陷表面的氧化層若不處理，經(jīng)過軋制后就會嵌入帶材成為缺陷。如果要通過銑面機來處理超差凹陷的氧化層，就需要加大整個帶面的銑面進給量。當(dāng)帶卷由常規(guī)卷變?yōu)楹附泳砗螅總€超差凹陷點所銑去的材料就會翻倍。表4為單個超差凹陷點造成的銑面損失量對比。按單個凹陷平均超差0.2 mm計,一個10 t超大規(guī)格卷就會造成124 kg的銅材損失。被銑掉的銅材只能作為廢料通過回收后再度回爐，長期積累下來，無疑是一種很大的能耗浪費。

表4 單個超差凹陷點造成的損失量對比

為減少損失，本機組設(shè)置了帶面質(zhì)量檢查站，布置在開頭矯直機后的輥道區(qū)域。帶卷經(jīng)開卷并矯直后，在該區(qū)域運行平直且速度較低，比較適合機組操作人員檢查銑面后的帶面質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)有超差凹陷點時，可隨時將凹陷氧化層打磨掉，露出光亮基體表面，消除后續(xù)質(zhì)量隱患。但是該工藝模式在打磨過程中會產(chǎn)成銅屑，若不處理則會對環(huán)境和人員健康造成影響。本機組在檢查站處設(shè)置了銅屑收集除塵裝置，可將打磨銅屑迅速抽吸并導(dǎo)入除塵塔。除塵塔內(nèi)設(shè)置了拒水防油針刺過濾氈制成的濾袋分離銅粉，通過清灰裝置將銅粉收集進入塔底的卸料斗內(nèi)集中處理。除塵塔的控制采用脈沖控制儀進行自動控制，并可與工廠系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互。銅屑收集除塵裝置如圖6所示。

圖6 銅屑收集除塵裝置

3 節(jié)材節(jié)能效益

通過多項創(chuàng)新技術(shù)和工藝的應(yīng)用，本機組在高精銅板帶生產(chǎn)的節(jié)材和節(jié)能方面有了很大的提升。以年產(chǎn)青銅合金板帶3萬t、每卷10t為例。能耗數(shù)據(jù)以《GB29442-2012銅及銅合金板、帶、箔材單位產(chǎn)品能源消耗限額》中“工藝路線1(配料-熔鑄鑄錠-熱軋-冷軋-熱處理)”的新建企業(yè)單耗準(zhǔn)入值為基本數(shù)據(jù)，因本機組為粗中軋機，廢料在加工工序中僅消耗了熱軋能耗，熱軋在加工工序的單耗分攤系數(shù)為0.5，故表中節(jié)約材料的單耗值為580-280×0.5=440 kgce/t。本機組的節(jié)材和節(jié)能效益的提升效果見表5。表中工廠綜合成材率為本機組所在企業(yè)的傳統(tǒng)工藝和新工藝的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，電能的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)按0.1229 kgce/(kW·h)計算。由表中數(shù)據(jù)可知，本機組每年的節(jié)材節(jié)能效果非?？捎^。

表5 本機組節(jié)材節(jié)能效益

4 結(jié)束語

大徑寬比銅卷的生產(chǎn)工藝流程，對其工藝的先進性和對冷軋生產(chǎn)設(shè)備帶來的挑戰(zhàn)。本文針對超大規(guī)格大徑寬比帶卷的粗中軋機組提出的新技術(shù)和新工藝，在生產(chǎn)安全性、設(shè)備耐用性、產(chǎn)品成材率、產(chǎn)品節(jié)能效益等方面均有明顯提升。以國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按某工廠實際生產(chǎn)為例，計算了本機組在新工藝流程下每年的節(jié)材732 t，節(jié)能2.62×106kW·h，綜合效益非?？捎^。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，中國重型院開發(fā)的大徑寬比高精銅帶卷粗中軋機組及其生產(chǎn)工藝，為國內(nèi)銅加工企業(yè)節(jié)材節(jié)能和降低排放，提供了可靠的生產(chǎn)設(shè)備和有效的解決途徑。