SCR铜杆卷取打包系统优化设计及关键技术研究

张伟旗（江西铜业集团铜材有限公司，江西　贵溪　335424）

SCR铜杆卷取打包系统优化设计及关键技术研究

张伟旗
（江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪335424）

针对原SCR连铸连轧铜杆卷取打包系统设计缺陷，利用数学模型重新进行设计，且运用二次曲线曳物线公式优化设计了收线管。新卷取打包系统功能完善，可实现长期连续无故障运行，解决了生产过程中易氧化、乱线及挂线，长途运输时铜杆易歪倒、倾斜，客户投诉放线难、挂线多且频繁等技术难题，大幅提升了SCR生产线铜杆成包准确度、质量及产能。

SCR铜杆；卷取打包系统；技术装备；设计创新及优化；数学模型；成包准确度

卷取打包系统是整条SCR铜杆连铸连轧生产线的收官工序，其正常运行、维修和调整，对正常生产和产品品质至关重要。江铜分别于2003、2006年从美国SOUTHWIRE公司引进了SCR3000/4500二条连铸连轧生产线，主产品为φ8mm铜杆，设计总产能37万t/年。其铜杆性能和质量优越，表面光亮，能满足拉丝厂家拉制铜细线、铜微细线和特种产品的技术要求。而建厂初期，进口卷取打包系统原设计存在诸多缺陷，设备故障率高，铜杆易氧化、乱线及挂线，成卷铜杆压实不严、捆扎不紧、固定难，且大多靠铁路集装箱长途运输，少数靠大货车运输，产品运输途中易移位、歪倒或损坏等，成为生产技术的“瓶颈”。而成包准确度成为衡量SCR卷取收线系统性能优劣的重要指标之一。针对该系统进行优化设计及关键技术研究十分必要。

一、系统主要结构工艺

卷取打包系统是SCR连铸连轧铜杆生产线最后一个关键环节，极易疏忽。其主要由无酸清洗系统、卷取夹送辊部分、成圈装置、液压升降平台、操作控制屏及电气控制元件等组成。其中无酸清洗系统主要由无酸泵、板式热交换器、阀门和管道等组成，它为铜杆提供冷却和还原，无酸泵的正常运行对铜杆品质影响较大；成卷装置采用摇头甩线自由跌落式；升降机、压实机等皆由液压站油泵来操作与控制；五位输送站结构布局如图1所示，成卷铜杆在各自独立的辊式输送机上，通过程序控制有序地组合完成输送、称重、压实及打包作业；打包机采取自动打包方式，由气动液压站控制。其工艺流程为热轧铜杆→无酸清洗→辊式下翻式装置→夹送辊→打蜡机→卷线机→收卷→五位输送站→称重压实→打包。目前国内厂家仍采用手动压实、按客户的需求打包方式。

图1　五位站结构布局图

二、系统设计原理

无酸清洗设计采用非酸溶液对热轧后高温铜杆表面氧化层即Cu2O、CuO进行快速还原、清洗及冷却，使从无酸管出来的铜杆以适宜的氧化膜和温度进行喷蜡和收卷。

喷涂水蜡主要用于抗氧化和润滑。铜杆经非酸清洗和冷却后表面光亮，约50～60℃，水蜡通过夹送辊和收线机之间的喷蜡雾化装置，在其喷射腔内会分布均匀地吸附于铜杆表面形成薄膜，有利于铜杆排线，保证铜杆表面长时间储运时不易氧化、变色，润滑铜杆表面，可提高铜杆表面质量。

摩根卷线机是通过一个辊式下翻式装置将无酸清洗后的铜杆送至保持一定张力的夹送辊，将铜杆由打蜡机送至卷线机；卷线机由驱动机构转动收线管，转速可调节成生产定直径线环的梅花型线卷，也可周期性摆动生产密实型铜杆卷，φ8.0mm铜杆达到设定重量后，会自动下线；收卷铜杆经过卷取5#站过程中完成称重，通过压实液压机压实后，用塑料风裙袋和钢带包装整齐。经压实打包后的成捆铜杆，整齐美观、紧固结实、高度适当，便于存储和运输。

三、优化设计及关键技术研究

1.卷取收线技术参数的优化

卷取收线系统技术装备设计是否得当及控制水平的高低将直接影响整条SCR生产线的产量。建厂初期，因原卷取打包系统设计存在缺陷，生产过程中易乱线、挂线等，铜杆乱线、挂线月发生频率趋势，如图2所示。导致铜杆产能偏低，长途运输时产品易产生歪倒倾斜，客户投诉放线难、挂线问题多且频繁等。从外观和整体设计分析，主要是卷取设定值不符合生产实际、线速度与夹送辊速度不匹配、水蜡喷涂不良、内外圈设定不佳、压缩风压力波动及不干燥等。

图2　乱线、挂线月发生频率趋势

新设计为保证铜杆收线效果，优化设计了卷取排线技术参数，加强对影响铜杆收线成卷轨迹和成卷效果因素如甩线成形参数、负荷、成卷内外径等的控制，将夹送辊手动给定速度、夹送辊速度、内外环圈数设定值调至最佳值，改进原水蜡雾化装置、调整水蜡温度等，将铜杆收线高度由原设计780～820mm降至720～740mm，压实高度由原设计700～720mm降至630～650mm。新设计系统卷取收线连续高效，乱线、排线次数锐减，月回炉铜杆由10架降至2架以下，月减少回炉铜杆32t；长途运输铜杆歪倒倾斜现象少，客诉次数和退货量骤减，与去年同比减少86t，可节约回炉能耗共37760元。

2.卷取收线管的优化设计

卷取收线管是优化设计的核心。卷取收线过程中，摇头机使铜杆作回转运动，运动中的铜杆因自重作用，会自然下垂形成一条弧线曲线，铜杆在收线管内的运动阻力呈周期性的变化；而理想状态下，铜杆处于收线管的中心时，铜杆与收线管内壁无接触，即铜杆与收线管没有摩擦阻力。通常铜杆甩大圈时，阻力减少；甩小圈时，阻力增大；铜杆自然弧垂形状与轧制工艺及自身力学性能有关，轧制温度高，铜杆抗拉强度较低时，曲线形状下垂幅度较大，反之较小。

2013年1月开始，因铜杆抖动、过线不顺，一直采用高气压、高负荷的过线方法，使铜杆与收线管之间的摩擦增大，收线管的磨损加剧，导致铜杆线表刮伤、夹送辊出口挤线多次，更换收线管频繁，而更换收线管后，一次性过线成功，线表刮伤现象明显减少，下机收线管外观无明显损伤，锯切收线管中部发现凹槽较深，过渡磨损造成过线困难及杆表粗糙，且随着客户要求的提高不再满足生产要求，其使用寿命仅1个半月，严重制约生产的顺行。可选取A杆为研究对象，以生产工艺为基础，应用数学二次曲线曳物线公式进行规范化计算（计算过程略）和优化设计，选取了一条阻力最小的曲线，整条曲线过渡圆滑匀称，铜杆在收线管内运动阻力小，收线更顺畅，收线管寿命长。

3.铜杆干燥技术装备的设计创新

铜杆无酸清洗过程的关键是“减小铜杆在无酸清洗过程中的拉伸”，为防止铜杆在夹送辊处打滑且顺利地收线，铜杆干燥问题极为关键，特别是高速系统中，铜杆表面易带水，为防止打滑，夹送辊气压需保持稳定，但对铜杆屈服强度存在不利影响，气压减小，屈服强度将降低。一些SCR生产线铜杆延伸设定较其他同行低，新设计通过减少夹送辊的气压和扭矩，可提高铜杆延伸率及降低屈服强度，以解决后续铜线拉伸过程中的问题。虽然其主因是导向和管路的光滑度及流体动力阻力，管路内液体流动给了铜杆反作用力，重点却是减少流体阻力，而液体流动指数将有助于减小液体流动阻力。

铜杆清洗过程中，就铜杆形状而言，形状阻力非主要影响因素，当铜杆温度＞100℃时，其表面周围将被水或酒精蒸汽层包裹，此时表层摩擦力和铜杆形状阻力皆非影响主因。因无酸喷射的角度与铜杆运动方向相同，液体速度并不会形成太大的阻力，而逆流将增大铜杆的阻力。新设计是采用导向装置取代最后一段风管，增设一个空气加热器，对最后的风管吹高达315℃的热空气，该加热器的热空气将通入导向，可较长时间蒸发铜杆表面的水汽，尽管由于涡流的作用吸入冷空气，但铜杆干燥效果好。

4.铜杆酸洗冷却装置的设计创新

新设计颠倒了SCR4500无酸2#站位置，即进口设置不同，一个在工作站前，一个在后，使其逆向流动变为并向流动，效果好；为减小阻力，在同向流无酸箱中新增流体导向装置，与原标准导向相比，可减小导向磨损，铜杆会快速穿过不锈钢导向；起到屏障作用，能有效防止下游的热流体与上游的液体混合，确保了热的液体不与下一站冷的液体相混合；将该流体导向确定为标准件后，铜杆酸洗和冷却的距离将更长。

5.水蜡雾化装置和喷涂箱设计创新

（1）新型水蜡雾化装置

因水蜡状况对过线、放线及收卷高度影响较大。过多时，易造成水蜡飞溅；过小或关闭时，润滑不足会造成无法成功过线。而原设计水蜡雾化装置结构设计不合理，水蜡喷嘴易堵塞，导致卷取收线、打包质量不良，如铜杆乱线、收线高、偶尔歪斜、铜杆表面有水蜡及打包美感不足等现象。

新水蜡雾化装置如图3所示，新设计是对水蜡喷雾箱结构进行优化设计，新增一钢环采用热装使喷雾箱整体变长，且优化了水蜡喷嘴结构，雾化效果更好，可有效地避免铜杆表面氧化。需密切关注水蜡滴液的状况，一旦收线不良时，及时进行调整，必要时，清洗喷嘴或更换备件。

图3　新水蜡雾化装置

（2）新水蜡喷涂箱简易防护罩

原设计水蜡喷涂箱存在缺陷，部分水蜡易在进入卷线机导向前被甩出，若未及时清理，就会残留在水蜡喷涂腔外围，水蜡积留太多时就会从护网落下，污染周边环境，量大时会滴至铜杆表面，影响铜杆外观。水蜡甩到卷取齿轮箱表面，冷却后呈胶态，附着力大，极难清除，影响齿轮箱表面的散热，而根据润滑油使用规范，油温每上升10℃，润滑油使用寿命将缩短两个月；原卷线机齿轮箱的密封设计和安装方式皆是为了防止内部润滑油向外渗漏的，却无法抵抗外部污染物进入齿轮箱内部，SCR3000生产线就曾经发生过附着在卷线机齿轮箱上的水蜡入侵齿轮箱内部污染油液，导致轴承报废的案例，严重影响设备的正常顺行。

为防止水蜡飞溅，新设计在不影响卷线机正常甩线的情况下，在水蜡喷涂箱下部新增设一个简易防护罩。改进后，水蜡附着卷线机齿轮箱现象已不复存在，水蜡喷涂周边护网也无水蜡残留，再无水蜡从卷线机上方护网滴落至铜杆表面发生，效果十分显著。但铜杆表面偶有水蜡残留出现，主因是水蜡流量调节不当或温度失控，若条件允许的话，可对水蜡喷涂腔进行改进，从源头上根除水蜡飞溅的技术难题。

6.在线称挡板的优化设计

原美国南线在线称挡板设计不合理，SCR3000/ 4500产品称重采用在线计量方式，称重时铁托盘与挡板接触易产生皮重失真，产品易产生磅差，员工劳动强度大。

新设计在1#在线称挡板下方割出24cm的空档。既消除了叉车上铁托盘时对挡板的猛烈撞击，又可保证铁托盘沿着挡板上方垂直落下，避免了铁托盘与挡板下方的直接接触，从而消除了称重时铁托盘与挡板接触产生的皮重失真现象，且员工劳动强度低。然而，实际生产过程中，勿容忽视的是铁托盘设计不合理、卷取操作疏忽、叉车操作不当等也会导致皮重失真，应具体问题具体分析，将皮重失真磅差投诉降至最低。

7.卷取光电开关装置的优化设计

原设计SCR卷取收线部分10min下线一次，设置开关检测点较多，故障率高，卷取机收线高度检测光电开关选型和现场安装位置设计不合理，光电开关选用对射型且设有两个独立单元，两边皆需供电，故障诊断难，而镜面反射型仅需更换一个即可，其生产过程中受到振动、烟尘、油污等外部环境干扰时，更换与调试相当复杂，易发生卡筒、收卷自动控制失灵等故障，影响收线密实度和外观质量，甚至被迫中断生产；原设计滚筒和外罩之间的一对光电开关装于水蜡喷涂系统下方，其发射端和接收端固定位置狭窄，环境脏，调整困难，开关被飞溅水蜡弄脏、振动偏离或损坏后，易误发信号，生产过程中擦拭、对中或更换工作极为困难，安全隐患大，必须停机时才能进行。

新设计在不改变现有收线高度及效果的情况下，宜重新选用卷取输送站反射式光电开关，备件型号统一，采购成本低，库存积压少；且在工字钢上新开设一个方孔，用一根扁钢做固定架子将其安装调至适宜位置，据两种类型接线方式对比，利用原有PLC通道和程序，改进原接线方法。其优点是可左右上下调整位置，在操作台前即可观察其运行状态；其设计安装在外且位于槽钢内，水蜡不易脏污再误发信号，可在线调整对中位置及更换作业，即使在线擦拭清洁，也勿需停机，杜绝了因小故障导致生产线频繁被动剪切的窘境，维修保养便利，劳动强度低，若按10次/a故障、剪切1h/次计算，可挽回经济损失12.5万元；而安装反光镜时，也可采用同样方法延伸至外面槽钢内，以阻挡水蜡飞溅，便于擦试及及时更换。

8.铜杆净重上限的优化设定

SCR3000/4500二条生产线铜杆总产能约40万t/ a，其中大部分外销，其余内销约10万t/a，皆采用火车或汽车运输方式，铜杆产品运输使用的包装物主要有钢带、钢扣、木托架、编织袋、风裙袋、瓦楞纸及标签纸等，折算产品包装费用约140元/t，成本较高。由于美国南线原设计未按客户需求设置铜杆的净量，实际操作方式中也未作具体细分，一概设定净重上限为4000kg，因而，降低包装成本的空间和潜力较大。

通过精心测算，可根据客户的不同需求和生产实际，SCR4500产品以外销为主，将铜杆线产品净重上限分别设定为火车运输4t、汽车运输4.15t；SCR3000产品则以内销为主，大拉机母材用产品净重上限设定为4.2t，可大幅减少卷取打包件数、叉车运输次数及大拉碰头数，2013年9～10月，外销、内销产品分别少打包141件、178件，未计内部循环用木托架，年可节约包装成本20多万元，生产成本低，劳动强度低。

四、结语

SCR铜杆连铸连轧技术和机列是铜加工材连续化生产的最成功的范例，已成为线坯生产的主导方法。实践证明，优化设计后的铜杆卷取打包系统生产效率高、产能大，设备故障率低，成包准确度高，铜杆氧化、乱线及挂线现象少，外观质量及成品品质好，便于存储与运输，获得了高端铜细线客户的一致认可和高度评价。目前该公司φ8mm铜杆产能已突破40万t/a大关，超过了原设计37万t/a，其多项关键技术填补了国内外技术空白，推广应用前景良好。

［1］张波，张鑫.SCR3000连铸连轧生产线生产用介质浅谈.有色冶金设计与研究［J］.2009，30（4）：24.

［2］陈连英，王碧文.论中国铜加工技术创新［J］.世界有色金属.2006 （8）：20-22.

TG335.13

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1671-0711（2015）11-0057-04