周力行

（海亮（安徽）銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 研究概述

1.1 研究背景與意義

紫銅管主要應(yīng)用于制冷行業(yè)，包括空調(diào)﹑冰箱﹑熱水器等輕工業(yè)行業(yè)，主要利用其良好的導(dǎo)熱性能。目前空調(diào)加工企業(yè)的精細(xì)化要求越來越高，包括產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，銅管的工藝性能﹑使用性能，以及空調(diào)企業(yè)的生產(chǎn)成本管控的要求均在不斷提升。

空調(diào)加工企業(yè)的退廢率與空調(diào)企業(yè)的成本控制以及生產(chǎn)效率密切相關(guān)，以目前各空調(diào)加工企業(yè)的退廢數(shù)據(jù)來看，由于銅管放線過程中的卡料問題造成的退廢率接近3%左右，不僅影響空調(diào)企業(yè)的加工生產(chǎn)效率，同時也使銅管加工企業(yè)的成本上升,采用此技術(shù)，能將銅管使用過程中的退廢率下降到0.5%左右，將大大節(jié)省銅管材料的加工浪費﹑運輸浪費﹑人工浪費等。

傳統(tǒng)的銅管加工企業(yè)采用的加工工藝流程為水平連鑄一銑面一軋制一聯(lián)拉一盤拉一在線退火一內(nèi)螺紋成型-精整復(fù)繞一成品退火一包裝入庫，成熟的銅管加工企業(yè)生產(chǎn)內(nèi)螺紋管的加工周期基本為5～7天左右，在此期間銅管加工企業(yè)需要承擔(dān)這段時間產(chǎn)生的財務(wù)費用，而銅管加工的企業(yè)的財務(wù)費用約占整個生產(chǎn)成本的一半左右，也就是說財務(wù)成本與直接加工成本相當(dāng)，這還是針對資金運行良好的企業(yè)而言。

為解決這些困擾銅管生產(chǎn)企業(yè)及使用企業(yè)多年的技術(shù)難題，在經(jīng)過大量調(diào)研分析論證的基礎(chǔ)上，全面研究解決銅管使用端及生產(chǎn)端的退費率高﹑精整復(fù)繞及退火包裝工序的系列問題，提升產(chǎn)品性能，保證質(zhì)量的穩(wěn)定性。采用此技術(shù)能將兩道工序進(jìn)行智能一體化集成，減少了銅管生產(chǎn)過程中的資金占用，物料等待，工序等待等成本，極大的減少了人工，提高了產(chǎn)品性能，具有符合目前國家倡導(dǎo)的智能制造及工業(yè)4.0和低碳發(fā)展精神。此技術(shù)具有廣闊的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益，創(chuàng)新了國內(nèi)外銅管加工的技術(shù)工藝和裝備，將會給銅管加工行業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響。

1.2 研究內(nèi)容

（1）主要研究內(nèi)容概述。目前國內(nèi)外空調(diào)用內(nèi)螺紋銅盤管加工企業(yè)采用的傳統(tǒng)加工工藝為連鑄連軋工藝，本技術(shù)擯棄了現(xiàn)有的精整復(fù)繞及成品退火工序，將此兩道集成，具體流程如下：原材料-水平連鑄-銑面-行星軋制-聯(lián)拉-盤拉-在線退火-內(nèi)螺紋成型-精整退火-下料包裝。

本技術(shù)圍繞內(nèi)螺紋管半成品精整退火一體化﹑精整退火過程中內(nèi)螺紋管的排布方式發(fā)生變化﹑有效消除殘余應(yīng)力達(dá)到銅管性能均勻為主要研究內(nèi)容，具體如下：

（2）硬管精整復(fù)繞與退火包裝工序的智能一體化集成的研究。本項目為減少生產(chǎn)過程中的人工浪費﹑物料浪費﹑資金浪費﹑搬運浪費等，縮短并集成銅管加工工藝流程，并設(shè)計出主要工藝裝備技術(shù)，具體如下：

銅管放線系統(tǒng)，需要將銅管從放線框內(nèi)順利放出，其放線旋轉(zhuǎn)速度需要與銅管運行速度匹配，通過放線變頻器，調(diào)試合適的補(bǔ)償因素，將銅管放出而不折管。

在線夾送系統(tǒng)，需要將銅管順利送進(jìn)到加熱倉，夾送過程通過加送輪夾緊銅管，齒輪箱通過與放線速度的匹配，順利將銅管送進(jìn)，保證銅管前進(jìn)速度與加送輪線速度匹配，從而銅管表面沒有擦傷。

銅管表面清洗系統(tǒng)，由于前道拉伸過程銅管表面有外模油潤滑，殘留在銅管外表面的潤滑油經(jīng)過高溫后會揮發(fā)裂解，產(chǎn)生廢氣和殘渣，為避免較多的廢氣產(chǎn)生，影響到環(huán)境安全，因此在進(jìn)加熱倉之前需要將銅管外表面的油進(jìn)行清洗。

水平及垂直矯直導(dǎo)向系統(tǒng)，由于銅管在料框內(nèi)是盤曲狀態(tài)，在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過探傷儀探頭，為保證探傷過程的準(zhǔn)確性，達(dá)到銅管周向均有探傷頻率覆蓋的效果，需要將銅管進(jìn)行矯直，矯直過程的周向矯直通過水平矯直系統(tǒng)和垂直矯直系統(tǒng)完成。

加熱退火系統(tǒng)，內(nèi)螺紋管生產(chǎn)成型之后需要將銅管軟化的成品退火，本退火通過中頻感應(yīng)加熱，通過感應(yīng)線圈的電磁激勵效果，將銅管加熱升溫到退火溫度，設(shè)定相應(yīng)的退火功率，使不同規(guī)格生產(chǎn)過程中，都能達(dá)到銅管軟化的效果，且各項機(jī)械性能均勻。

探傷噴墨系統(tǒng)，在此前的生產(chǎn)過程中的各道工序均有可能使銅管表面產(chǎn)生缺陷，為將銅管表面的缺陷點探測并標(biāo)記出來，通過渦流探傷系統(tǒng)，將銅管表面的缺陷探測出來。

（3）高效退火精整復(fù)繞的裝備技術(shù)及中頻感應(yīng)渦流加熱技術(shù)運用研究。為解決此前傳統(tǒng)工藝技術(shù)上硬管精整復(fù)繞過程，本項目設(shè)計出了將銅管經(jīng)過中頻感應(yīng)線圈后，由線圈產(chǎn)生渦流對銅管直接整根感應(yīng)退火，由于線圈的激勵作用，產(chǎn)生電磁，激勵的電磁產(chǎn)生熱量，達(dá)到銅管的再結(jié)晶溫度，不同的規(guī)格線圈內(nèi)徑大小不一，從而銅管經(jīng)過本感應(yīng)加熱以后，機(jī)械性能穩(wěn)定并保持一致，無需盤卷進(jìn)入退火爐內(nèi)，并在退火完成后進(jìn)行軟管的精整排線，本裝備在收卷排線過程中，采用水平往復(fù)排線方式，排線方式為從底層往上層層排布，銅管之間間隙減少，從而減少了使用終端放線補(bǔ)償?shù)膯栴}。

（4）高精密銅管智能精整退火集成工藝管理制度的研究設(shè)計。本項目通過裝備工藝設(shè)計并實踐，明確在本項目中各工作段所具備的功能，并加以完備，同時，針對不同銅管規(guī)格，經(jīng)過本裝備系統(tǒng)以后，其性能均勻性均能得到有效保證；且根據(jù)不同規(guī)格，設(shè)定相應(yīng)的精整排線程序，使各規(guī)格對本裝備系統(tǒng)均能適應(yīng)，工藝執(zhí)行的有效性也能得到保證。通過這些方案的有效實施，制定出一套工藝管理制度，規(guī)范工藝紀(jì)律﹑生產(chǎn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與行為。

1.3 技術(shù)路線

見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

1.4 針對關(guān)鍵共性技術(shù)的解決

銅管在正常生產(chǎn)過程中精整復(fù)繞過程是在硬態(tài)過程進(jìn)行，殘余應(yīng)力無法消除，且銅管排布為從內(nèi)側(cè)到外側(cè)密集排布，再經(jīng)過成品退火以后，殘余應(yīng)力消除，銅管卷料膨脹，導(dǎo)致銅管之間的間隙進(jìn)一步縮小，從而銅管使用終端放線受阻；且傳統(tǒng)工藝為精整與成品退火分開，由此而帶來的是人員增加，物料周轉(zhuǎn)時間長，待料時間長，且增加了銅管運輸過程中的磕碰概率，影響到銅管的使用性能。通過精整退火智能一體化集成工藝技術(shù)及系統(tǒng)裝備的產(chǎn)業(yè)化實施，將徹底解決這些困擾生產(chǎn)與使用企業(yè)多年的技術(shù)難題，引領(lǐng)了國內(nèi)外行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

2 精整退火智能一體化集成的方案設(shè)計與驗證研究

2.1 工藝技術(shù)及系統(tǒng)裝備的方案設(shè)計

（1）夾送矯直系統(tǒng)研究方案。夾送矯直系統(tǒng)包括夾送裝置以及矯直裝置，矯直裝置包括水平矯直以及垂直矯直，通過驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動齒輪箱，齒輪箱齒輪帶動各輥輪轉(zhuǎn)動，并且銅管的運行速度與輥輪的線速度保持一致，保證通過的銅管順利進(jìn)入精整退火裝備，并且能平穩(wěn)進(jìn)入到退火加熱段，防止銅管抖動而帶來的加熱不均，影響退火后銅管的各項機(jī)械性能。

（2）內(nèi)螺紋銅管外表面清洗系統(tǒng)研究方案。外表面清洗系統(tǒng)主要是清洗銅管外表面的外模油，由封閉式清洗裝置，以及清洗液組成，清洗裝置內(nèi)包括清洗液回流系統(tǒng)，將清洗液通過泵抽到清洗桶內(nèi)，內(nèi)螺紋銅管進(jìn)口和出口由彈性橡膠組成，彈性橡膠套前后各一個布于清洗桶，使清洗液能在封閉的空間進(jìn)行清洗，清洗完成后，清洗液回流到清洗液存放箱。技術(shù)要求：根據(jù)不同規(guī)格選用合適的工裝模具，彈性塑膠模具與內(nèi)螺紋銅管外徑為負(fù)工差配合，一般負(fù)工差控制在0.15mm～0.2mm左右。

（3）加熱退火系統(tǒng)研究方案。本加熱退火系統(tǒng)與原成品退火存在差異，目前國內(nèi)外采用的成品退火工藝基本為輥底式退火或鐘罩式退火，但是銅管加熱退火過程中，整卷銅管內(nèi)外存在一定的溫差，且傳熱效果內(nèi)層與外層存在一定差異，雖此過程退火時間較長，但是銅管的機(jī)械性能穩(wěn)定性受到一定限制。本系統(tǒng)采用邊生產(chǎn)邊加熱的過程，利用感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱，不同的生產(chǎn)規(guī)格選取不同的感應(yīng)線圈內(nèi)徑，所產(chǎn)生的電磁渦流效應(yīng)能穿透銅管內(nèi)外，對銅管內(nèi)外進(jìn)行再結(jié)晶效果，本系統(tǒng)優(yōu)點在于，銅管在精整過程中保證一定的精整速度，在此速度條件下，通過加熱退火系統(tǒng)將銅管均勻加熱，使通過加熱系統(tǒng)的內(nèi)螺紋銅管性能均勻。

（4）缺陷檢測探傷標(biāo)記系統(tǒng)研究方案。本系統(tǒng)由缺陷探測及傷點標(biāo)記系統(tǒng)組成，缺陷探測區(qū)別于以往的探傷工藝在于本系統(tǒng)缺陷探測在退火以后進(jìn)行，以往的均為硬態(tài)管機(jī)探測，并且探傷標(biāo)記墨水同樣標(biāo)記于軟態(tài)管，標(biāo)記墨水不易于擦拭，能起到有效標(biāo)記作用。缺陷檢測探傷標(biāo)記系統(tǒng)采用渦流探傷原理，利用渦流的趨膚效應(yīng)，通過感應(yīng)線圈和激勵線圈在銅管外表面產(chǎn)生并接受的渦流信號給標(biāo)記系統(tǒng)，從而標(biāo)記系統(tǒng)對缺陷點進(jìn)行缺陷標(biāo)記。渦流探傷原理如下圖：

圖2 渦流探傷原理示意圖

（5）冷卻鈍化系統(tǒng)研究方案。銅管在快速通過加熱退火系統(tǒng)后需要迅速冷卻，以使銅管能順利進(jìn)行后續(xù)精整盤料并包裝，但是要使銅管經(jīng)過退火以后包裝，并且在常溫常壓環(huán)境下進(jìn)行運輸及保存，銅管外表面需要進(jìn)行嚴(yán)格的防氧化措施。本系統(tǒng)將加熱退火后的銅管冷卻采用2個步驟，第一為風(fēng)冷，即為采用氮氣進(jìn)行吹掃冷卻，第二為水冷，水冷采用蒸餾水，并且在蒸餾水中加入5%左右的表面鈍化劑，冷卻過程中除將銅管溫度降到常溫外，同時將外表面涂有鈍化劑，對銅管外表面進(jìn)行鈍化保護(hù)，防止運輸和存儲過程中的氧化發(fā)生。

（6）收料卷曲系統(tǒng)研究方案。本收料盤曲系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的精整復(fù)繞過程，現(xiàn)有的精整過程銅管之間排布是從上到下垂直精密排布，銅管與銅管之間的間隙很小，從而容易出現(xiàn)銅管之間黏連造成的卡料問題，本系統(tǒng)采用采用5個收卷同步輥輪，根據(jù)銅管速度以及收卷半徑，設(shè)定系數(shù)，達(dá)到收卷平整的效果。盤料方式為從上到下水平排布，銅管與銅管之間排布松散，由于是經(jīng)過退火以后的銅管，排布松散不會造成銅管之間的亂層，且銅管之間的間隙合理，空調(diào)企業(yè)在使用銅管過程中放線順暢，不會產(chǎn)生卡料問題。

（7）內(nèi)表面充氮吹掃系統(tǒng)研究方案。為防止銅管在加熱退火過程中內(nèi)表面的氧化，并且將銅管內(nèi)壁的由于通過高溫裂解產(chǎn)生的廢氣及殘渣排出，本系統(tǒng)設(shè)備特殊的內(nèi)表面充氮吹掃系統(tǒng)，由于來料銅管有近2萬米，因此銅管長度較長，吹掃過程在精整退火過程同步完成，氮氣沖入銅管內(nèi)部會產(chǎn)生負(fù)壓并消弭，因此，充氮吹掃過程的壓力控制是關(guān)鍵，本系統(tǒng)根據(jù)銅管的長度范圍設(shè)定不同階段的充氮吹掃壓力，確保經(jīng)過銅管尾端的，壓力能達(dá)到0.4MPa～0.5MPa，將銅管內(nèi)壁的油污吹掃干凈。由于銅管較長，在開始沖氮氣的時候需要的氮氣壓力較大，因此在充氮氣之前，現(xiàn)將中壓氮氣進(jìn)行增壓，增壓到2.6MPa～3.0MPa，從而通過管內(nèi)氮氣壓力的衰竭，到管尾仍能有壓力保證，殘渣和廢氣能排出。

（8）收料卷曲及下料包裝系統(tǒng)研究方案。本系統(tǒng)生產(chǎn)的內(nèi)螺紋銅管每卷重量在400kg～500kg左右，而正常的精整復(fù)繞過程銅管基本為130kg～180kg，本收卷下料包裝系統(tǒng)減少了每卷物料的切換，并且減少了成品退火包裝過程中的上下料包裝人員﹑吹掃接頭人員﹑小包裝人員，主操等，本系統(tǒng)正常操作正常只需2人即可，相比以往精整退火減少了近6人/班，生產(chǎn)效率提升明顯。收卷完成后，將液壓小車伸入收卷平臺，將卷料移至纏繞打包區(qū)域，單拖包裝完成后，兩托物料進(jìn)行堆疊，并通過珍珠棉進(jìn)行防護(hù)卷料表面，防止轉(zhuǎn)運過程中的碰傷。

2.2 針對關(guān)鍵系統(tǒng)的測試驗證研究

①各傳動系統(tǒng)的調(diào)試方案：包括送料系統(tǒng)，夾送矯直系統(tǒng)以及收料系統(tǒng)的傳動匹配程度；②加熱退火系統(tǒng)的調(diào)試驗證方案：硬管殘余應(yīng)力的消除需要經(jīng)過加熱退火系統(tǒng)的軟化，通過選用合適的感應(yīng)線圈大小及感應(yīng)線圈匝數(shù)，計算出加熱的功率，從而使銅管經(jīng)過感應(yīng)加熱系統(tǒng)后，銅管的性能均勻；③內(nèi)表面充氮吹掃系統(tǒng)的調(diào)試方案：由于銅管整根退火，相比于單卷退火，銅管長度加長，對加熱后銅管內(nèi)表面揮發(fā)和裂解出來的殘油﹑殘渣和廢氣需要通過氮氣吹掃系統(tǒng)吹出，在此調(diào)試階段，需要確定退火速度﹑銅管規(guī)格與吹掃氮氣壓力之間的參數(shù)聯(lián)系；④收料包裝系統(tǒng)的調(diào)試方案：通過理論測算出銅管收料切線速度與收料卷曲速度的匹配函數(shù)，根據(jù)不同規(guī)格調(diào)試出銅管收料后的排布規(guī)則，從而達(dá)到銅管排線之間不亂層﹑不錯層的效果。

3 收料裝置和中頻加熱裝置的設(shè)計改進(jìn)

3.1 收料裝置設(shè)計

該結(jié)構(gòu)通過上下升降螺桿匹配，滿足不同規(guī)格不同收卷高度要求，收卷機(jī)頭通過伺服電機(jī)控制，使收卷的輥輪根據(jù)產(chǎn)品不同的收卷半徑以及收卷速度進(jìn)行間隙及位置的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)收卷平整。

收料裝置主傳動由伺服電機(jī)驅(qū)動，并用導(dǎo)柱來確定收卷銅管的外徑，銅管由外到內(nèi)按螺旋線開始繞制，同時按照銅管的直徑規(guī)格每收一層收料架自動下降匹配高度，料盤升降通過伺服電機(jī)驅(qū)動。收料完成后有平移電機(jī)將銅管卷料移出工作工位至出料工位，平移由伺服電機(jī)驅(qū)動。出料時，導(dǎo)柱自動會落下，同時將料筐進(jìn)行定位。

電氣控制系統(tǒng)由PLC﹑交流變頻器和人機(jī)界面﹑電源柜﹑控制電柜﹑動力柜組成。人機(jī)界面上設(shè)有完整的工藝參數(shù)修改﹑系統(tǒng)監(jiān)控﹑故障提示等畫面。

3.2 中頻加熱裝置設(shè)計

利用感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱，銅管經(jīng)過加熱倉進(jìn)行感應(yīng)加熱，隨后通過保溫倉和冷卻倉進(jìn)行銅管冷卻，最終達(dá)到出料銅管常溫生產(chǎn)。

加熱室由加熱電源與加熱爐組成，加熱爐包括加熱用感應(yīng)器﹑銅管定位裝置﹑密封隔熱裝置﹑諧振電容器﹑冷卻水集水分配器﹑水電接頭等。加熱室主要完成對銅管的感應(yīng)加熱，保證銅管瞬間加熱達(dá)到所需溫度，加熱室中帶有銅管定位裝置，防止軟化后的銅管被擦傷。采用不同規(guī)格的線圈退火相應(yīng)規(guī)格的銅管，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

加熱線圈穿過內(nèi)徑設(shè)計尺寸盡量減小，降低加熱能耗。加熱線圈及整個加熱室可實現(xiàn)快速拆卸安裝，拆卸安裝工作可在半個小時內(nèi)完成。

設(shè)備的加熱線圈規(guī)格為Φ19，可用于Φ7-Φ12規(guī)格銅管。加熱電源﹑加熱室采用國產(chǎn)設(shè)備。中間室為過渡室，隔開加熱室與冷卻室，同時增加了銅管的保溫時間。冷卻室用于銅管的冷卻，冷卻方式為水冷，達(dá)到冷卻退火效果。

吹掃裝置是用壓縮空氣將銅管表面附著的冷卻液吹干。

在設(shè)備出口處設(shè)一牽引裝置，因銅管退火后為軟態(tài)，采用皮帶上下夾送，由單臺變頻電機(jī)驅(qū)動，保證傳動的同步性，同時，通過PLC控制，保證其速度與銅管線速度匹配。牽引后為出料裝置，對銅管進(jìn)行抹油和彎管。出料可作一定角度水平旋轉(zhuǎn)，方便料筐吊運。

冷卻系統(tǒng)由兩部分組成，加熱室(包含加熱室電源和加熱器)冷卻水的冷卻和冷卻室冷卻水的冷卻。采用獨立板式換熱器對加熱室冷卻液和冷卻室冷卻水分別進(jìn)行冷卻。

電氣控制系統(tǒng)由PLC﹑交流變頻器和人機(jī)界面﹑電源柜﹑控制電柜﹑動力柜組成。人機(jī)界面上設(shè)有完整的工藝參數(shù)修改﹑系統(tǒng)監(jiān)控﹑故障提示等畫面。

4 結(jié)論

采用此技術(shù)能將精整復(fù)繞與成品退火智能一體化集成，銅管加工企業(yè)在生產(chǎn)加工過程中，減少了中間加工流程，省略了傳統(tǒng)的精整復(fù)繞，成品退火兩道工序，有效的解決了因銅管在退火包裝環(huán)節(jié)因膨脹而導(dǎo)致的盤管間隙過小嚴(yán)重影響使用的問題，同時將兩道工序進(jìn)行智能一體化集成，減少了銅管生產(chǎn)過程中的資金占用，物料等待，工序等待等成本，極大的減少了人工，提高了產(chǎn)品性能，具有符合目前國家倡導(dǎo)的智能制造及工業(yè)4.0發(fā)展精神。此技術(shù)具有廣闊的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益，創(chuàng)新了國內(nèi)外銅管加工的技術(shù)工藝和裝備，將會給銅管加工行業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響。