蘇旭濤，劉云飛，夏 宇，王悅晗，劉福天

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710018；3.安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241008)

0 前言

近年來，隨著通訊、電子、電力、建筑及交通運輸工業(yè)的迅猛發(fā)展,銅及銅合金板帶材產(chǎn)品的應用范圍不斷擴大，產(chǎn)品品種不斷豐富，對銅板帶產(chǎn)品的技術(shù)要求日趨嚴格。其典型的特點是：產(chǎn)品性能向高強、高導化發(fā)展，產(chǎn)品厚度向超薄化發(fā)展，公差、板形向高精密化方向發(fā)展，表面質(zhì)量向零缺陷方向發(fā)展，產(chǎn)品長度向超長化方向發(fā)展。高精銅及銅合金板帶材成為我國銅加工領(lǐng)域重要的經(jīng)濟增長點，具有廣闊的市場發(fā)展空間。

因此，中國重型機械研究院股份公司(中國重型院)緊盯市場前沿，開發(fā)了800 mm六輥超薄精密銅帶冷軋機組。

1 研發(fā)背景

銅帶材料屬于有色金屬范疇。不同于常規(guī)的黑色金屬，銅帶材料具有附加值高、品種繁多、加工工藝復雜等特點。典型的銅帶加工工藝：立式半連續(xù)鑄錠→熱軋→雙面銑削→冷粗軋→罩式退火→表面清洗→中/精軋→表面清洗→拉彎矯直→定尺剪切→包裝入庫。精軋工序作為最后的壓延加工工序，直接決定了最終產(chǎn)品的厚度精度、板形精度和表面質(zhì)量。

目前，國內(nèi)的高端精密銅帶冷軋機組主要由米諾、達涅利、西馬克等國外公司所壟斷。中國重型院為安徽楚江科技新材料股份有限公司(楚江新材)研發(fā)成套了國內(nèi)首套800 mm六輥銅帶冷軋機組。

2 機組關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

楚江新材作為國內(nèi)知名的銅板帶生產(chǎn)企業(yè)，在行業(yè)內(nèi)具有很強的影響力。根據(jù)楚江新材的產(chǎn)品大綱和需求，800 mm六輥精密銅帶冷軋機組的主要產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

由于產(chǎn)品規(guī)格多，原材料硬度跨度大，成品各項指標較高。對軋制工藝和軋制設(shè)備要求較高。按照表1所列的產(chǎn)品需求，通過軋制工藝學的分析和論證，設(shè)定設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表1 主要產(chǎn)品參數(shù)

表2 主要設(shè)備參數(shù)

3 機組工藝設(shè)備組成

800 mm六輥銅帶冷軋機組主要由機械設(shè)備、液壓潤滑系統(tǒng)和電氣傳動及自動化系統(tǒng)組成。圖1為機組工藝設(shè)備布置圖。

圖1 機組工藝設(shè)備布置圖

液壓潤滑系統(tǒng)主要由設(shè)備潤滑系統(tǒng)、工藝潤滑系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、AGC液壓壓下及彎輥控制系統(tǒng)、油氣潤滑系統(tǒng)、排煙及油霧凈化系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及CO2自動滅火系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)完全國內(nèi)自主集成開發(fā)，主要元器件選用標準通用單元，利于模塊化設(shè)計及后期維護。

電氣和自動化控制設(shè)備主要由供電系統(tǒng)、電氣傳動系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)以及電氣輔助設(shè)施等部分組成。采用全數(shù)字化分布式控制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)交換全部經(jīng)由容錯編碼的通訊技術(shù)處理，確保系統(tǒng)無差錯信息互傳。實現(xiàn)機組的高可靠性、高穩(wěn)定性、易維護性和可擴展性。

4 主要技術(shù)創(chuàng)新點

4.1 帶開卷功能的高精度卷取機

左右卷取機采用對稱布置，卷筒具備兩級漲縮功能，卷取機具備開卷功能，機組不需要配置專用開卷機，節(jié)省投資。

由于產(chǎn)品種類規(guī)格多，需要張力變化范圍較大，且小張力控制精度要求高。因此卷取機減速箱采用機械換擋結(jié)構(gòu)，卷取主傳動采用兩臺電機串聯(lián)，通過換擋結(jié)構(gòu)和電機的組合使用，可以實現(xiàn)大跨度、高精度卷取張力控制。卷取機配置高剛度側(cè)支撐，為高速高精度張力卷取提供硬件支撐。

4.2 機械同步自鎖式中間輥橫移裝置

該800 mm六輥銅帶冷軋機組主軋機采用六輥UCM軋機。根據(jù)來料寬度調(diào)整中間輥橫移位置，可以有效改善板形，解決帶材邊降等問題。傳統(tǒng)中間輥橫移機構(gòu)多采用液壓缸驅(qū)動，存在以下缺陷。

(1)裝置體積大。橫移液壓缸、橫移橫梁和油缸安裝座要承受很大的軸向力，需要足夠的剛度。整套裝置體積大，需要占用很大的安裝空間。

(2)液壓系統(tǒng)復雜維護性差。每根中間輥需要兩個橫移油缸驅(qū)動，要保證橫移位置的準確性和兩個橫移油缸的同步性。每個油缸需要單獨的控制閥組進行控制和鎖定，導致液壓控制系統(tǒng)復雜，成本高。

(3)自鎖性差。傳統(tǒng)橫移機構(gòu)中軋輥的位置保持需要橫移液壓缸自鎖保證，一旦液壓缸或液壓閥件出現(xiàn)泄露，軋輥的位置就無法鎖定。

針對傳統(tǒng)軋輥橫移裝置存在的缺陷，結(jié)合800 mm六輥銅帶冷軋機組的生產(chǎn)使用要求。中國重型院研發(fā)團隊開發(fā)了機械同步自鎖式中間輥橫移裝置，如圖2所示。該橫移裝置采用左右對稱布置的等螺距螺紋副驅(qū)動中間輥軸向移動，每個螺紋副通過一個蝸輪蝸桿減速箱驅(qū)動，兩個減速箱輸入軸通過聯(lián)軸器連接，一個油馬達驅(qū)動兩個螺紋副同步動作。螺紋副和蝸輪蝸桿副實現(xiàn)兩道機械自鎖，確保中間輥位置牢固鎖定。該技術(shù)已獲得發(fā)明專利。

圖2 機械同步自鎖式中間輥橫移裝置

4.3 工作輥無死區(qū)正負彎輥系統(tǒng)

帶材寬厚比越大，板形控制難度越大，極薄銅帶的生產(chǎn)特點使其板形控制難度更大。

800 mm六輥銅帶冷軋機組主軋機配備了中國重型院自主研發(fā)的工作輥無死區(qū)正負彎輥系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)工作輥正、負彎輥切換過程連續(xù)平滑，避免了正、負彎輥切換過程中的彎輥力失穩(wěn)，提高了彎輥控制的穩(wěn)定性。

圖3 工作輥無死區(qū)正負彎輥系統(tǒng)

工作輥無死區(qū)正負彎輥系統(tǒng)使得800 mm六輥銅帶冷軋機組具備強大的板形控制能力。該技術(shù)已獲得發(fā)明專利。

4.4 非接觸式高效除油系統(tǒng)

楚江新材800 mm六輥銅帶冷軋機組采用全油潤滑軋制，帶面除油問題是研發(fā)團隊需要面臨的難題。軋制油粘度大，不易揮發(fā)，一旦黏附在出口帶面上就很難清除。過高的帶面殘油量造成的危害如下。

(1)增加軋制油損耗。

(2)易引起卷取銅帶層間打滑，限制機組軋制速度。

(3)增加后處理線的加工難度。

(4)帶面殘油在退火時會形成油燒斑，影響帶面質(zhì)量。

針對楚江新材800 mm六輥銅帶冷軋機組軋制速度高、產(chǎn)品表面質(zhì)量要求高的特點，中國重型院研發(fā)團隊開發(fā)了非接觸式高效除油系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了工藝潤滑噴淋功能、軋制油防濺功能、斷帶防纏功能、帶材穩(wěn)定功能、非接觸除油功能和機架內(nèi)油霧抽吸功能。

非接觸式高效除油系統(tǒng)功能集成度高、除油效果好、軋機出入口油霧量大大減少。無需使用專用除油裝置，現(xiàn)場實測帶面殘油量小于50 mg/m2，殘油量低于合同要求。除油效果優(yōu)于國內(nèi)外同類型設(shè)備。非接觸式高效除油系統(tǒng)已申請發(fā)明專利。

4.5 全區(qū)抽排煙系統(tǒng)

全油銅帶冷軋機組在高速軋制過程中產(chǎn)生大量變形熱，會導致軋制油受熱揮發(fā)。隨著軋制速度提高，軋制變形熱也會加劇，會加重油霧的揮發(fā)。嚴重的揮發(fā)油霧會惡化生產(chǎn)操作區(qū)作業(yè)環(huán)境，增加軋制油揮發(fā)損耗，增加環(huán)保驗收難度。

隨著現(xiàn)代化銅帶冷軋機組軋制速度越來越高，對軋制油霧的收集處理要求也越來越高。研發(fā)團隊為800 mm六輥銅帶冷軋機組設(shè)計了全區(qū)抽排煙系統(tǒng)。該抽排煙系統(tǒng)在機架內(nèi)部、左右工藝平臺區(qū)域和左右卷取機區(qū)域分別安裝有排煙罩、抽吸口和調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)不同位置的油霧量分配抽吸風量，達到高效收集油霧的效果。

5 結(jié)束語

楚江新材800 mm六輥銅帶冷軋機組于2019年11月12日一次性熱負荷試車成功。該機組最薄軋制厚度達到0.05 mm(軋薄能力超過設(shè)計值)，厚差小于2ηm。該機組已于2020年11月30日完成考核驗收。成功開發(fā)并應用于該機組中的帶開卷功能的高精度卷取技術(shù)、機械同步自鎖式中間輥橫移技術(shù)、工作輥無死區(qū)正負彎輥技術(shù)、非接觸式高效除油技術(shù)、全區(qū)抽排煙技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)，確保了產(chǎn)品性能、厚度精度、板形精度、表面質(zhì)量和成材率達到同類產(chǎn)品國際先進水平，為用戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。