国内铜板带生产技术与加工装备现状

2012-11-18余金海陈加圣

中国重型装备 2012年1期

韩晨余金海陈加圣

(中色科技股份有限公司，河南 471039)

自2004 年以来，我国的铜材生产与消费量已连续8 年位居世界第1 位，铜加工材产量由2006年的523 万吨增加到2010 年的1 009 万吨。与此同时，中国铜板带箔材的生产与消费量也位居世界第1 位，国内一些大型铜板带企业的加工装备水平、生产工艺技术及产品综合竞争力等都在逐渐接近甚至部分指标超过发达国家的水平。但是由于在新型合金优化、核心工艺技术尤其是高端加工装备方面的落后，一些高端精密铜带箔材产品仍需大量进口，每年的进口量大约为27 万吨，占国内高端精密铜带生产总量的1/3。这说明我国在由铜板带生产大国向铜板带加工强国过渡的过程中，高端铜板带箔材的生产工艺技术及其加工装备的研制开发仍然是一项重要的课题，开发的意义非常重大，潜在的市场也非常可观［1、2］。

本文重点对中色科技股份有限公司所研制开发的铜板带热轧机、铜带坯水平连铸机、铜带粗中轧机、铜带精轧机、铜带拉弯矫直机、铜带(酸洗)脱脂清洗机等铜加工设备的技术特点、装机水平、加工工艺等进行了论述与介绍。

1 铜板带热轧机组

铜板带热轧机的作用是通过热变形，变铸造组织为加工组织，同时为高精冷轧等后续生产工序提供尽可能小的厚度、优良的板型、较高的表面质量、尺寸公差波动较小、组织性能合格的热轧料卷。近年来，以大铸锭热轧开坯方式进行铜及铜合金板带生产的方式逐渐取代了铜带坯水平连铸的传统生产工艺流程，这种趋势尤其表现在大中型铜板带生产企业(年产量在3 万吨～5 万吨以上)，以及主要以开发和生产无氧铜板带、铍铜带、引线框架材料以及异形带等高端电子铜板带为主的企业，如中铝洛铜、中铝华中铜业等［3］。

为满足市场对大铸锭热轧开坯、高控制精度、高速轧制及部分铜合金对淬火和终轧温度的极高要求等需求，中色科技利用计算模拟、三维建模等手段并结合生产实际和工艺需求，成功研发出低能耗、高精度、大卷重、产品组织性能优良的二辊铜带可逆热轧机组。利用该机组生产引线框架材料C19400 的工艺流程为:铸锭再加热→出炉→热锭传送→铸锭对中→氧化皮吹扫→7 道次轧制→在线淬火→头尾矫直→带材冷却→空气吹扫→液压剪切头尾→三辊无芯卷取→料卷运输。

为充分适应和满足铜及铜合金板带生产工艺需求，中色科技研制的铜板带热轧机融合了多项创新技术与新型设备，如:为了控制带材宽展、改善边部质量，研制开发出新型轧边辊装置;为了保证带材的淬火要求，研制开发出压力与水量控制良好的在线淬火设备。

为了提高生产效率、减少带材温降、大压下充分破碎再结晶晶粒，该机组在前期11 道次试轧、9道次试轧基础上能够实现对230 mm×620 mm×8 000 mm 规格的大铸锭进行7 道次大压下高速轧制，这在大铸锭铜板带生产工艺领域具有极其重要的意义。C19400 大铸锭经过7 道次轧制后温降及板型实测数据为:开轧温度为922℃，终轧温度为740℃，淬火后温度为196℃;氧化皮较少;侧弯程度较小;宽度为648 mm;传动侧厚度为14.855 mm，操作侧厚度为14.83 mm，厚差仅为0.025 mm。这些数据都有效的满足了生产工艺需求。

已经投产并验收的二辊可逆铜板带热轧机生产实践表明，中色科技所研制开发的二辊铜板带热轧机组运行稳定、生产效率高，所生产的铜板带板型尺寸与公差合格、组织性能优良、表面质量达到了生产需求，稳定生产能力约80 t/h，如满负荷生产可达20 万吨/年的产能。表1 为铜板带热轧机的工艺参数。

表1 铜板带热轧机性能及工艺参数Table 1 Properties and process parameters of copper plate strip hot rolling mill

二辊铜带热轧机组及其生产工艺技术的研发和产业化成功填补了该领域的国内空白，也有力的提升了国内铜板带加工行业的技术水平，从而为国产高端装备技术的提高以及铜合金新材料的研制开发做出了重要贡献。

2 铜带坯水平连铸机组

铜板带铸锭轧制法在生产的品种、规格、产能等方面优势明显，产品的组织、性能也容易控制，但是缺点是能耗较大，投资和生产成本比较高。铜带坯水平连铸的生产方法省去了铸锭、初轧开坯和热粗轧工序，工艺简单，节约能源，符合“节能降耗”、“短流程制备”等生产要求。缺点是受到连铸速度、连铸坯厚度的限制，产量较低，合金种类及产品的规格也受到限制。因此，铜带坯水平连铸生产工艺比较适合中小型的铜板带加工企业尤其是生产黄铜、锡磷青铜和锌白铜的企业［4］。

中色科技为适应中小企业多品种生产和大批量单一合金生产等方面的实际需求，研制开发出多种专用合金生产线，如锌白铜连铸机组、黄铜连铸机组、锡磷青铜连铸机组、高铜合金连铸机组等。所研制的铜带坯水平连铸机组主要由熔化保温炉组、工艺设备、机械设备、液压系统和电控系统等组成，具有熔炼、铸造、铣面、剪切、卷取等多种功能。机组在设备、液压和电器控制等方面采用了多项创新技术，其中在结晶器的内部结构、冷却水的控制方式、牵引机传动控制方式、牵引辊的结构、卷取机辊组的布置等方面拥有独创的技术优势。机组总体性能如能耗、产能、单副结晶器的寿命等均达到了国际先进水平。

所研制的铜带坯水平连铸机组其生产工艺流程为:铜合金配料→熔化炉→保温炉→结晶器→一次冷却→二次冷却→引锭→剪切→卷取。可以直接生产出供冷轧轧制的厚14 mm～18 mm，宽330 mm～650 mm 的铜及铜合金带坯，也可以在连铸线外设置单独的铣面机组，简化连铸机组的工艺，提高铸造的质量和效率。生产带材宽度450 mm 以下的机组一般同时生产两条带坯，生产带材宽度大于450 mm 的机组一般为单带坯生产。

以中色科技研制开发的470 mm 双流铜带水平连铸机组为例来说明该类型设备的力能及工艺参数:可生产材料为黄铜、锡磷青铜等;带坯条数为2 条;带坯宽度为330 mm～470 mm;带坯厚度为15 mm～18 mm;最大卷重为10 000 kg;带坯横向厚差＜0.75 mm;带坯纵向厚差＜0.30 mm;镰刀弯≤15 mm/10 m;卷取后料卷塔形≤20 mm;铸造速度为(150～190)mm/min;卷取速度为2.5 mm/s～12 mm/s;产能以生产QSn6.5-0.1 合金、产品规格2-450×16 mm 为例，单位产能为1.27 t/h，以每年6 000 h 计，年产能为7 620 t。

3 铜带粗中轧机组

钢铁热轧坯料一般在2 mm～4 mm，铝板带的连铸连轧坯及热轧坯料一般为3 mm～8 mm。相比之下，铜带坯冷粗轧的来料厚度就比较大，从二辊铜板带热轧机生产出来的带坯厚度一般为13 mm～15 mm。所以，铜的粗轧机与其它金属的冷轧机特点不同。同时，随着用户对产品性能需求的不断提高，市场对现代化铜带粗中轧机的性能要求也越来越高。

根据现代化铜带粗中轧机的技术特点，中色科技顺应市场和用户的需求，研制开发出了具有领先技术水平的以下3 种类型的铜带粗中轧机。

(1)一端带无芯卷取机的铜带冷轧机:轧制厚带时用无芯卷取机卷取，采用不可逆方式;轧制薄带时用小卷筒卷取，实现可逆轧制。如∅260 mm/∅600 mm×560 mm 规格的机组为此种机型;

(2)带中毂轮卷筒卷取机的铜带冷轧机:特殊设计的∅500 mm 卷筒，可实现薄带卷取和薄带开卷，省去了薄带开卷机。由于功能全面、配置紧凑、设备投资小，该机型受到了中小企业的欢迎。如∅280 mm/∅620 mm×560 mm 四辊粗中轧机组属于此种机型;

(3)带大毂轮卷筒卷取机的铜带粗中轧机:该机型为具有国际先进水平的新型铜带冷轧机，是发展的主流机型，具有大张力、大轧制力、大扭矩的特点。机组的装机水平、自动化程度、产品精度等都代表着国产同类轧机的最高水平。如∅360 mm/∅800 mm×600 mm 规格的四辊铜带粗中轧机属于此类机型。

以∅360 mm/∅800 mm×600 mm 型四辊铜带粗轧机为例，说明该类型铜带粗中轧机的装机水平和主要特点。其装备特点有:

(1)强有力的力能参数，可以实现大轧制力、大张力、大压下率和大扭矩轧制，能够适应各种铜合金的生产工艺要求;

(2)完备的机前、机后装置及真空抽吸系统，能够实现带材的直头送料、切头尾、侧导、强迫送料等功能，并有效提高带材的表面质量;

(3)先进的厚度控制系统，配置了进口测厚仪，可以大幅度提高带材的精度;

(4)电控系统采用了张力自动控制、卷径自动测量、带长自动测量记录、自动留头轧制等先进控制技术。

4 铜带精轧机组

铜带精轧机组一般是用来进行成品轧制或接近成品生产的装备，此工序阶段带材对表面质量、板型精度、力能参数和生产控制精度都要求比较高。冷精轧阶段，由于带材产品较薄，所以其长度较大，为提高生产率又要求必须提高轧机的轧制速度。同时，精轧机轧制时除油的方式、除油装置和除油效果又一直是世界性的难题。

中色科技根据铜带精轧机的生产工艺特点，主要从以下几个方面对高精度的铜带冷精轧机进行了研制开发:

(1)最小轧制厚度与工作辊直径。一般情况下，四辊轧机的轧制厚度不应低于0.1 mm，或者用多辊轧机轧制为宜。当带宽为450 mm 以下时，机组的工作辊选用∅120 mm～∅150 mm;当带宽为450 mm～650 mm 时，由于侧弯与扭矩的关系，工作辊一般选择∅160 mm～∅260 mm。

(2)轧制速度。轧制速度对产品产能影响较大，由于精轧机出料带材较长，就需要提高轧制速度。在没有安装板型仪的情况下，所设计的轧制速度一般最高为600m/min。这是因为如果不配置板型仪，操作手是不可能在较高的轧制速度下对板型实现有效操作控制的。

(3)工作辊的驱动方式。随着轧制产品的厚度逐渐减小，工作辊的直径也有逐步减小的趋势，而扭矩还要有所增加，直接采用工作辊驱动就存在一定的困难，支承辊驱动就成为了一种必然选择。一般∅120 mm～∅180 mm 的工作辊最好采用支承辊驱动，工作辊直径再大的话就可以直接采用工作辊驱动。

(4)轧制时的工艺润滑。近年来，随着道次压下量的增加与轧制速度的提高，带材轧制时温升不断提高。甚至有些硬质合金因温度过高而使带材表面变色，影响了产品的质量。因此，为了降低温升并使成品带材表面光亮，设计时在轧机出口侧加大了轧制油的喷射量，进而有效降低了带材的温度。但是，这也带来了新的问题，即增加了带材除油的难度。

(5)带材除油。带材除油装置的开发和实际使用效果目前还是一个世界性的难题。为此，公司设计人员采用了很多办法，尽最大可能去除带材产品的轧制油。对辊除油装置、真空抽吸装置、双尼龙条除油装置、聚氨酯挤干辊除油装置以及小钢辊除油装置的研制、开发与应用都在逐步提高带材除油的实际效果［5］。

5 铜带拉弯矫直机组

控制好板型是铜及铜合金精密薄带材生产控制指标中难度最大的课题。因为薄带生产过程中影响板型的因素多而复杂，而且相互干扰。即使目前不少高精度的精轧机上已配置了板型测量及板型闭环控制系统，但某些板型缺陷在轧机上仍难以消除。而随着拉弯矫直技术在铜及铜合金精密带材生产工序流程中的应用，较好地解决了此类板型缺陷问题。

中色科技研制开发的高精度多辊铜带拉弯矫直机组由开卷机、对中装置、两组S 辊、多辊矫直机、纠偏装置、卷取机、电控系统和液压系统等设备组成。整套装备自动化程度高，控制手段先进。在多辊铜带拉弯矫直机组的研制过程中，采用了如下较为先进的技术方案:

(1)入口、出口的张力辊组分别采用较为先进的8 台电机单独驱动方式;

(2)23 辊六重式结构形式的多辊矫直单元;

(3)带材延伸率采用张力辊组间的速差控制模式，大大提高了延伸率控制精度;

(4)采用电气多传动控制系统方案;

(5)矫直机辊型分段调整，通过辊型控制可实现带材横断面的延伸控制。

以中色科技研制的铜带拉弯矫直机组为例，来说明其力能参数及产品工艺保证值:可生产材料为铜及铜合金;来料抗拉强度为200 MPa～800 MPa;来料屈服强度为70 MPa～700 MPa;机列最高速度为150 m/min;卷重为6 000 kg;带材厚度为0.1 mm～0.8 mm;延伸率为0～2%;延伸率控制精度为±0.02%;开卷张力为0.3 kN～4.5 kN;卷取张力为0.45 kN～6.75 kN;张力辊间最大张力为58 kN。

6 铜带脱脂清洗机组

铜及铜合金带材在轧制和热处理过程中表面会发生氧化，同时轧制后带材表面会残留有轧制油。随着高端铜板带产品在各行业中的广泛应用，人们对带材表面质量的要求也越来越高。因此，铜带表面清洗技术也越来越受到铜加工企业的重视。铜带表面清洗要做到脱脂(除油)、酸洗、抛光、钝化、烘干，有时还要求涂一层保护油［6］。

中色科技研制开发的450 mm 铜带清洗机组设备由上卷小车、开卷机、直头装置、切头剪、缝合机、碱液刷洗槽、冷水刷洗槽、酸洗槽、多级清洗槽、热水冲洗槽、钝化槽、烘干单元、控制辊、张力辊、切头剪、偏导辊、卷取机、卸卷小车等组成。其主要设备特点是:采用提升式酸洗机、采用多级逆流清洗装置、采用提升式钝化槽。

机组的生产工艺过程为:开卷→三辊直头→切头剪→脱脂→冷水冲洗→酸洗→多级水洗→热水冲洗→钝化→烘干→张力辊→剪切→卷取。450 mm 铜带清洗机组有三大主要功能单元:脱脂及水洗单元、酸洗及水洗单元、钝化烘干单元。另设一套除油装置，如成品需要长期存放，可在其表面涂一层保护油膜。因此，根据生产需要，本机组可实现以下三种功能:表面脱脂、酸洗、钝化或涂油;表面脱脂、钝化或涂油;表面酸洗、钝化或涂油。

作为表面处理设备，铜带清洗机组将随着用户对高精度铜带产品表面质量要求的不断提高而发挥出越来越重要的作用，独立的铜带清洗机组也将以其灵活高效的生产工艺模式成为铜带加工中必要的的精整设备，并逐渐在铜及铜合金精密带材的生产中得到普及与应用。