铜板带热轧技术与装备

韩 晨

(洛阳有色金属加工设计研究院 河南洛阳471039)

·综述·

铜板带热轧技术与装备

韩 晨①

(洛阳有色金属加工设计研究院 河南洛阳471039)

以热轧开坯方式进行铜板带材的生产具有显著的优点。通过对铜板带热轧技术的工艺需求分析，以及对目前可高速、高控制精度生产大规格铸锭并进行在线高温固溶处理的宽幅热轧机技术与设备特点的总结，并结合具体的生产实践探讨了铜板带热轧技术与装备的改进方向与发展趋势，尤其是在通过降低生产成本、提高成品率、开发高附加值产品和完善设备细节等方面来提高热轧技术和生产线的竞争力等方面提出了建议。

铜板带 热轧 工艺特点 技术装备 发展建议

随着经济的快速发展和科技的不断进步，市场对铜板带产品质量的要求不断提升，铜板带产品也在向多品种、多规格、高精度、高性能、高技术含量、高附加值方向发展。因此，优化的合金配置、先进的工艺流程和高端的加工装备就成为这种发展方向的必然要求和客观需求。这其中，做为铸锭开坯轧制的现代化铜板带热轧机组，其工艺配置、装机水平和控制能力在高精度铜板带生产中的影响和作用越来越重要[1-5]。

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，同时为高精冷轧等生产工序提供尽可能小的厚度、优良板型、高表面质量、尺寸公差小、组织性能合格的热轧料卷。

近年来，以铸锭热轧开坯方式进行铜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(水平连铸工艺主要用于生产难以热轧的锡磷青铜、锌白铜等，生产规模小、产品组织性能不高)，这种趋势尤其表现在大中型铜板带生产企业(年产量在3～5万t以上)，以及以生产无氧铜板带、铍铜板带、引线框架材料、异型带等高端电子铜板带为主的企业。

与其他生产方式相比，热轧开坯方式生产铜板带能够充分利用金属和合金的高温塑性，具有轧制变形抗力小，生产效率高，能耗小的特点，同时可以提供大卷重、大规格尺寸的带坯。除部分热脆性较大的高锡青铜等合金外，热轧可以生产几乎所有的铜及铜合金类型和牌号，生产适应性强，产品具有组织均匀、力学性能优良、再加工性能好的特点。尤为重要的是，热轧可以采用大铸锭、大压下量轧制，这不仅有效的提高了生产效率，而且可以实现高速轧制，为实现轧制过程的连续化和自动化创造了条件。因而，目前世界上90%以上的铜板带均采用热轧开坯方式进行生产。

1 热轧工艺需求

1.1 微观机理分析

铜板带热轧时，变形温度在再结晶温度以上，原子的动能较大，扩散和溶解过程较快，软化过程进行的比较完善，金属的临界变形应力降低。硬化现象因再结晶进行的比较彻底而被消除，因而轧制变形抗力小，能量消耗较少。

热轧过程中较高的温度、变形热能、回复和再结晶软化等使得铸造组织中的金属孔洞、气泡、裂纹等缺陷得以焊合和消除。与冷轧相比，由于高温下启动的滑移系统较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化[6-9]。因而，铜板带热轧过程中金属的择优取向或方向性较小，不容易产生织构，产品的冲制和深冲性能都比较好。

对于多微合金元素或两相以上的铜合金板带材，通过热轧过程中的大压下破碎原始及再结晶晶粒、变形诱导驱动粒子析出、温降二相粒子析出、高温固溶保留原始组织、层流水加速冷却控制相变等控轧控冷工艺技术，都能够有效的细化组织和晶粒、提高位错密度、均匀析出相分布，在导电率损失最小的情况下能够有效的提高铜板带产品的综合力学性能，尤其是其强度和韧性。目前，国外通过热轧规程和温度、热处理的控制，已经开发出二元1000MPa以上强度的铜合金板带材产品。

以上微观机理的分析均依赖于铜板带热轧工艺技术与加工装备的进步和实际控制才能得以有效实现。

1.2 热轧工艺需求

1)不同于水平连铸等生产线，热轧工艺及装备必须同时考虑板材和带材的生产。热轧板产品及坯料的厚度一般为3～200mm。而带材的生产主要为后续高精冷轧提供卷坯，考虑到冷轧到成品的厚度总压缩比及组织性能的控制，热轧带材的坯料厚度一般在7～16mm的范围。

2)除了热轧机应同时具备块式法和带式法生产能力外，由于能够生产除了部分不适合热轧的高锡青铜外的几乎所有铜及铜合金品种，如纯铜、黄铜和C19210等一般微合金成分的铜合金、C19400和C70250等复杂合金系的铜合金、Cu-Ni2-Si和Cu-Ag-Cr及Cu-Ag-Zr等新一代高速铁路专用材料铜合金、高纯铜靶材、Cu-Ni-Sn等代替含铍的铜合金等，因而从工艺角度考虑，热轧机的配置必须能够满足所有铜及铜合金类型的控轧控冷工艺参数要求。

3)热轧的过程，实际上也是控制轧制与控制温降的过程。高速轧制、减少轧制道次、保证终轧温度、提高板形及表面质量等都是铜板带热轧所追求的目标。其中，保证铸锭的开轧温度是铜板带实现顺利生产的前提和保证。铜合金铸锭出炉后热辐射温降约0.8～1.1℃/s，如要保证30℃以内的温降，铸锭出炉后的运输时间应保证在30s以内。可以通过减少加热炉到热轧机的距离、改进铸锭出炉的方式，以及提高运输辊道速度等方法来有效满足部分铜合金材料较为严格的开轧温度需求，并保证终轧温度和实现在线高温固溶处理等条件。

4)总体来说，考虑到合金品种、产品规格、表面质量、生产效率、节能措施等方面，铜板带热轧工艺及设备必须满足的条件如下：

(1)热轧机需针对宽厚规格的板材及长规格带材配置有针对性的设备部件；

(2)考虑到铜带的成品规格，热轧铜带坯宽度一般在600～1200mm；

(3)纯铜及简单铜合金开轧温度700～875℃，特殊铜合金开轧温度900～980℃；

(4)为充分利用金属的高温塑性、追求能耗的节省和满足部分铜合金对终轧温度、轧后在线热处理温度的要求等，生产应具备高速轧制，最高轧制速度在200～250m/min以上；

(5)带材生产时，厚度在200～250mm规格的铸锭应在7～9个道次轧制至15mm左右；

(6)热轧机应具备大扭矩和大轧制力，单位宽度轧制力在10～15kN/mm以上；

(7)为保证表面质量，铸锭第一道次轧制前需进行高压水去除炉生氧化皮，轧制过程中的若干道次需在机架内进行二次去除轧制过程中产生的破碎状氧化皮；

(8)由于无法进行左右卷取状态下的往复轧制，因而需采取一定的措施满足带坯生产时的带张力轧制；

(9)大卷重带坯，毫米带宽重10～15kg/mm以上，满足连续高效生产和冷轧的需求；

(10)轧辊具备在线清辊器或抑尘高压水装置，以及轧辊预热、冷却和润滑系统；

(11)机组配置在线高温固溶处理系统。目前，除部分高合金引线框架材料的固溶温度要求在700℃以上外，高铍青铜的固溶温度达到760～800℃，低铍青铜的固溶温度更是高达900～950℃；

(12)辊系采用二辊或四辊，对于宽幅高强度铜合金板带材的轧制应使用四辊辊系；

(13)在线卷取温度、卷取速度、表面氧化皮的在线去除、成品热轧带材的精整及表面处理应满足生产工艺和节奏的需求；

(14)为了提高成品率和生产效率，热轧线应具备无头轧机或半无头轧制技术及设备；

(15)根据实际生产情况，热轧线可选择无卷轴热状态下的三辊卷取或有芯卷取。

2 热轧机现状及工艺特点

2.1 热轧机现状

10年前，国内铜板带热轧机主要分为两类。一类为大中型铜板带生产企业引进的国外设备，如中铝洛铜从法国格里赛公司引进的φ700×900mm二辊可逆热轧机和原苏联制造并经戴维公司改造的φ850×1500mm二辊可逆热轧机，铜陵金威从法国格里赛公司引进的φ1050×1600mm二辊可逆热轧机等。这些从国外引进的机组也是后来国内设备厂家进行消化吸收和再创新进行现代化铜板带热轧机国产化的源机型。另外一类主要是一些中小型铜板带生产企业使用的国产设备或轧制钢铁的二手设备，这类轧机相比较进口设备来说其控制能力一般，无立辊或轧边辊装置，利用冷却水池或设置的简易冷却装置进行带材的最终冷却(部分引进的国外机组也没有设置在线层流冷却装置)。如山西翼城春雷铜材厂老生产线的国产热轧机，可生产的铜板带宽度为300～450mm，170mm厚度的铜及铜合金铸锭经过9～11个道次的轧制，成品厚度在17mm左右，成品宽向厚差在0.05～0.07mm，通条差在0.10～0.15mm。

另外，铜板带热轧领域还存在利用老式三辊劳特式轧机或等径轧机进行生产的企业，但目前这类轧机(包括部分不可逆轧机)大都已被淘汰。在生产高强度铜合金、热塑性范围较窄的铜合金时，也有企业使用四辊可逆轧机(φ600/1100×1500mm)和行星轧机进行铜板带的热轧，但其应用范围远没有二辊可逆热轧机广泛。目前，国内最宽的热轧机为中铝洛铜的φ1000×3500mm规格的重型宽厚板板材轧机，其轧制力为17000kN。

老式的热轧机组主要存在的问题是工艺功能不完备、控轧控冷能力不高，较难进行在线高温固溶热处理和在线冷却，道次压下量不高，轧制道次多等。所生产的热轧带坯如控制不好的话会存在侧弯、板型较差、厚度尺寸波动大、裂边、氧化皮严重以及料卷错层、塔形、松卷等现象。

图1 国产现代化铜板带热轧机及其在线固溶装置

近几年来，针对以上问题并随着市场对铜板带产品质量要求的不断提高、铜板带热轧技术和装备的不断进步、设备厂家对国外铜板带热轧机的引进消化和创新，目前国内已研制开发出可实现大规格铸锭开坯轧制、高速和高控制精度、工艺设备功能较为完备的宽幅国产现代化二辊铜板带可逆热轧机组。图1所示为国产现代化铜板带热轧机及其在线固溶装置。

国产铜板带热轧机在实际生产应用时，能够在保证开轧温度要求的情况下，通过减少轧制道次，尽量提高轧制速度等方式来进行大规格铜合金铸锭的控轧控冷。例如，中铝某铜板带生产企业使用现代化的铜板带热轧机能够实现对230×650×8000mm的大规格铸锭进行7道次大压下高速轧制，其生产最高速度可达180m/min。这在铜板带生产工艺领域具有极其重要的意义：①体现了加工设备的较高控制能力；②突破了铸锭咬入工艺技术难题；③大压下能充分破碎再结晶晶粒，进而达到细化晶粒的目的；④减少了轧制时间，能够降低铸锭及带坯表面的氧化层厚度；⑤单个铸锭实际生产时间可以节省5min左右，提高了生产效率；⑥节能降耗并减少人工时，有效降低产品的生产成本。

另外，铜板带热轧技术与装备的进步和提高进一步降低了产品生产成本、提高了成品率，铜板带材的表面质量、尺寸规格、公差波动等都有了较大的提升。以目标规格为15.3×647×Lmm的热轧带材举例：全长范围内带材头部宽648mm，中部宽646mm，尾部宽647mm，宽度最大偏差仅为2mm；带材厚差：头部传动侧15.32mm、操作侧15.35mm，头部横向厚差仅为0.03mm；中部传动侧15.32mm、操作侧15.34mm，中部横向厚差仅为0.02mm；尾部传动侧15.30mm、操作侧15.295mm，尾部横向厚差仅为0.005mm；纵向传动侧厚差0.02mm，纵向操作侧厚差0.055mm。相比过去的老式热轧机，现代化铜板带热轧机所生产的产品尺寸精度提高了一倍。

截至目前，有统计的国产现代化铜板带热轧生产线投产已经超过10条，见表1，这些生产线有效的提高了国内铜板带的产品质量和生产自动化水平，降低了生产成本，也使得国产铜板带加工设备的竞争力得到进一步的加强。

表1 现代化国产铜板带二辊可逆热轧机组应用情况

除以上已投产运行的国产现代化铜板带热轧机组外，目前国内正在规划或实施的热轧机生产线用户还包括广东华鸿铜业有限公司、凯美龙精密铜板带(河南)有限公司、辽宁铜业集团有限公司等，这些用户大都将性价比较高的国产铜板带热轧机做为第一选择。目前也有一些企业在进行升级改造规划时，将老生产线的铜板带热轧机做为现代化改造的主要目标。

2.2 国产热轧机工艺配置特点

1)针对铜板带热轧的工艺需求，国产现代化铜板带热轧机组的生产工艺主要流程如下(以C19400铜合金带材举例)[10-12]：铸锭加热→出炉运输→(高压水除氧化皮)→铸锭对中→(机架内若干道次二次除氧化皮)→5～11道次往复轧制→在线固溶处理→(在线精整)→带材层流冷却→(板面吹扫)→头尾剪切→三辊无芯卷取→料卷运输→(离线表面铣削)。

2)在保证轧制和温度工艺参数的前提下，国产现代化铜板带热轧机组的设备设计及工艺配置普遍具有以下几个特点：

(1)为保证开轧和终轧温度，热轧主机尽量靠近加热炉，一般将出炉和开坯热轧的温差控制在10～20℃；

(2)为提高轧制过程的自动化程度，轧线多处使用检测元器件如光电开关、接近开关；

(3)采用一些工艺手段和设备部件对坯料表面的氧化皮进行去除，如简易小压力喷水装置、刷辊装置、除磷箱等；

(4)为降低板带材的跑偏、侧弯、宽向厚差等轧制缺陷，主机架前后均采用对中导尺装置，在轧制过程的若干道次进行使用；

(5)为提高边部质量并对带材形成一定的后张力，一般在主机前后采用悬臂结构的机架内置式轧边棍装置，在使用效果上优于传统立辊轧机；

(6)辊系均采用二辊，板型调节上主要依靠磨削辊型、轧辊倾斜并配合乳液分段冷却；

(7)为减少铜板带材的温降，轧辊采用盒式冷却方式，对喷淋乳液采取在轧辊两端头进行集中分流，避免流到热轧坯料上；

(8)机后在线配置开式或闭式的层流冷却水喷淋装置，近距离设置在热轧机出口形成最后一道次的连续轧制和冷却模式对部分铜合金带材进行高温固溶等热处理；

(9)为实现常温冷卷取，减少热状态下的氧化和擦划伤，在卷取机前多设置二次层流冷却装置对部分合金带材进行降温(不适用易发生淬硬现象而影响后续加工的H60、H62等合金板带材)；

(10)采用三辊无芯卷取机进行热状态下带坯的的高速卷取(可达100m/min)和冷状态下带材的低速卷取(20～30m/min)；

(11)热轧坯料进行冷轧前的表面氧化皮去除工序主要采用离线铣削的方式进行。

3)以中色科技股份有限公司设计制造并应用于中铝华中铜业有限公司、中铝洛阳铜业有限公司高精铜板带工程的现代化二辊可逆热轧机来举例说明其设备功能及工艺参数，见表2。

表2 铜板带二辊可逆热轧机设备功能及工艺参数

3 热轧技术与装备发展建议

铜板带热轧工艺技术的发展和加工设备的完善是相互影响和促进的，而热轧技术的需求是铜板带热轧机不断完善、创新和发展的源动力。

1)目前，铜合金的品种和牌号不断增加，应用范围进一步扩大。在应用领域上，除了一般领域用铜外，高端和中低端领域用铜的分化将进一步显现。除了利用热轧技术进行高附加值、高端合金的研发和生产外，如何利用金属的高温塑性而形成的热轧技术以进一步降低一般领域用铜的生产成本、提高铜板带的性价比以扩大其市场应用和推广都是铜板带加工领域必须面对和需要解决的一项课题和难题。把铜从一般金属、重金属、来源广泛的金属转变为稀缺金属、贵金属相对待，通过优化加工技术、开发高附加值的合金品种，铜板带热轧技术与装备必将迎来新的、革命式的发展和机遇。

2)从生产成本和产品质量角度考虑，减少坯料加热和热轧过程中的氧化程度和热轧后的表面铣削量可以提高产品成品率1%～3%，同时能够有效提高板带材热轧过程中的表面质量和厚度精度，也可以减少轧辊辊耗3%～5%。如果采用无头或半无头热轧技术，就能够有效减少或避免因组织、力学性能和厚度精度达不到铜板带产品质量要求的料头和料尾剪切去除量，可提高产品成品率1%～2%，减少轧辊辊耗1%～2%，产品的纵向公差也能够得到有效提高。在目前铜板带生产和市场加工利润日益降低的情况下，通过提高生产成品率和产品质量，降本增效就显得非常重要。

3)从节能降耗和短流程、低成本生产角度考虑，开发水平连铸+多机架冷连轧，利用水平连铸技术低成本生产包括引线框架材料在内的高端铜材，上引法短流程生产铜板带坯等技术目前成为铜板带加工领域的热点。可以预见的是，如果不进行创新，不从根本上提高热轧技术与装备的竞争力，传统意义上的铜板带热轧生产线竞争力将日趋降低。

4)目前，从实际出发，铜板带热轧技术与装备应从以下几个方面进行完善和提高，以实现节能降耗、降低生产成本、提高成品率、提高产品质量和附加值，进而从根本上提高热轧机生产线的竞争力：

(1)利用热轧机工艺功能完善和控轧控冷能力较强的优势，开发和生产高附加值的铜合金板带材产品；

(2)不产生相变和不具有析出强化型的合金品种应充分利用其高温塑性进行热温轧减薄，减少后续冷轧加工量；

(3)将热轧后、冷粗轧前的精整和表面处理工序融入到热轧生产线；

(4)进一步改进和完善热轧生产线部件配置，使其从细节方面更能够满足生产工艺需要和提高产品质量、减少能耗和污染、洁净化生产。如设置专门的机架内外除氧化皮装置、层流冷却装置前后均设置移动式的板面空气吹扫设施、设置可在线和离线的事故剪、设置3～5辊直头或矫平机、取消第二段层流冷却装置、考虑以水代替乳液进行工艺润滑和冷却等。

4 结语

通过对铜板带热轧技术特点、工艺需求和装备的描述，分析了生产企业所使用的热轧机类型、优缺点，重点讨论了国产现代化铜板带二辊可逆热轧机的生产流程、工艺和设备配置特点、轧机规格和应用、产品控制精度等。在以上分析的基础上，结合具体的生产实践探讨了铜板带热轧技术与装备的改进方向与发展趋势，尤其是在通过降低生产成本、提高成品率、开发高附加值产品和完善设备细节等方面来提高热轧技术和生产线的竞争力等方面提出了一些建议。

以上内容的描述、分析和建议，对铜板带热轧工艺技术的创新、设备的改进设计和提高、新上生产线的选择等都有一定的现实意义。

[1]刘平，赵冬梅，田保红．高性能铜合金及其加工技术[M]．北京：冶金工业出版社，2005．

[2]兰利亚，李耀群，杨海云．铜及铜合金精密带材生产技术[M]．北京：冶金工业出版社，2009．

[3]钟卫佳，马可定，吴维治．铜加工技术实用手册[M]．北京：冶金工业出版社，2007．

[4]王君．2010年中国铜板带行业运行状况分析[J].铜加工，2011(4)：1-3．

[5]韩晨，余金海，陈加圣．国内铜板带生产技术与加工装备现状[J].中国重型装备，2012(1)：46-49．

[6]毛卫民．金属的再结晶与晶粒长大[M]．北京：冶金工业出版社，1994．

[7]师昌绪．材料大辞典[M]．北京：化学工业出版社，1994．

[8]陈彦博，赵红亮，翁康荣．有色金属轧制技术[M]．北京：化学工业出版社，2007．

[9]王廷溥．金属塑性加工理论—轧制理论与工艺[M]．北京：冶金工业出版社，1998．

[10]张立新．国产首台铜板带热轧机组的配置特点[J]．有色金属加工，2009，Vol.38(1)：28-31．

[11]韩晨，孙付涛．C19400铜板带热轧实践与分析[J]．上海有色金属，2012，Vol.33(3)：107-112．

[12]贾锋．鑫科1000mm铜板带可逆热轧生产线[J]．冶金设备，2014(1)：126-129．

Hot Rolling Technology and Mill of Copper Strip

Han Chen

(Luoyang Engineering and Research Institute for Non-Ferrous Metals Processing, Luoyang 471039)

Copper strip producted by hot rolling cogging has the significant advantage. The processing demanding of hot rolling technology was analyzed, and the technology and equipment characteristic such as high speed, high control accuracy, big casting, bland and high temperature solution treatment and cooling on-line of the wide-hot mill were generalised in this paper. Meanwhile, improving direction and development trend of hot rolling technology and equipment were discussed through specific productive practice. Especially, the suggestion such as reducing production cost, increasing rate of finished product, developing high value product, and completing the equipment detail and so on to improve the competitiveness of the hot rolling technology and mill line were put forward.

Copper strip Hot rolling Process characteristics Technology and mill Developing suggestion

韩晨，男，1982年出生，2009年毕业于北京科技大学材料加工专业，硕士，工程师，主要从事金属压力加工工艺研究及其工程设计

TG335.85

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.02.013

2015-01-29)