國內銅板帶發展現狀與熱軋技術的創新方向分析

韓 晨

(中色科技股份有限公司,河南 洛陽 471039)

2021年我國銅及銅合金板帶產量為258萬t,其中銅板材30萬t,銅帶材228萬t,增幅15.7%,約占全球總產量的60%,從2004年起連續13年位居世界第一位,是名副其實的銅板帶生產大國。但同時,在銅加工材總進口量中,銅板帶是最大的進口產品類型,這說明國內在高端銅板帶產品方面還有較大的市場發展空間和發展潛力,也說明中國在高端銅板帶材制造領域的技術優勢與核心競爭力還不夠強[1]。

從中美貿易戰中可以清醒的認識到,國家與國家之間的競爭表面上是軍事、經濟等方面,但實質上,歸根結底還是技術和人才的競爭,尤其是核心技術、創新技術、殺手锏技術的比拼,銅板帶行業同樣如此?？上驳氖?利用中美貿易摩擦,國內企業已經開始重視和把握進口銅板帶替代的機遇,發揮技術、品牌和裝備優勢,在附加值高、科技含量高、有市場容量的銅板帶高端產品方面擴大生產和市場占有份額。

1 國內銅板帶與國外的差距

近10年來,國內新建銅板帶項目充分借鑒和吸收國外先進工藝技術,引進或合作制造國外先進設備。這使得國內部分新建銅板帶生產線的工藝流程、設備配置和世界一流銅板帶企業如美國奧林黃銅、德國威蘭德公司、韓國豐山、日礦金屬公司等相媲美甚至在部分設備配置方面更為先進[2,3]。但同時,國內高精銅板帶產品在以下幾個方面與國外相比還存在一定的差距:

(1)合金品種少,新產品開發能力弱,中低檔銅加工產品產能過剩,同質化競爭日趨激烈。國外銅板帶先進生產企業一般在傳統合金基礎上適當調整成份和比例尤其是微合金元素的配比,同時對應調整和熔鑄、熱軋、冷軋、熱處理等工序的具體工藝參數,進而固化出新合金的生產工藝。而國內企業雖然在新產品和合金開發方面一直在努力,但大都采用追隨、模仿方式。同時,國內企業的工序流程或工段之間往往存在脫節現象,熔煉、鑄造、加熱、熱軋、冷軋、熱處理、清洗、精整和剪切等各工序過于獨立化,考核方式、崗位分離設置(研發、工藝、操作、管理)也不利于新合金品種高精帶的開發和穩定生產。

(2)高端產品質量及其工藝穩定性不高。高精銅板帶產品質量及穩定性主要包括:力學綜合性能的提高(如提高強度的同時不降低銅板帶的導電性和韌性),高的表面質量(高光潔度且表面不起皮、無擦劃傷),尺寸高精確性和穩定性(同一批產品橫向厚差、縱向厚差、板型精度的一致性和可控性),較低的殘余應力等。生產產品的質量和穩定性不僅與設備配置的先進與否、電氣元器件控制精度的高低、工藝和技術參數的匹配度等方面相關,也與生產企業的管理理念和方式方法、制度與執行、員工對企業和崗位的熱愛程度與付出等方面密切相關。因而,生產和管理的智能化、自動化、制度化直至無人為因素影響化必然是一種趨勢。例如,國外部分生產企業使用配置并不高檔的設備和常規生產工藝能夠生產出極具競爭力的高精帶材產品就是這種因素使然。

(3)產品性價比的可控性能力不足。產品競爭力的高低實質上是在設計、生產和應用時性價比的比較和選擇。即使對同一種產品,通過合金成份的微調、生產工藝的優化就能滿足不同用戶、不同檔次制品的需求,這也是一個企業走向成熟的標志。

(4)先進生產技術相對滯后。對于銅合金板帶材來說,其發展方向實質上是生產工藝技術的發展趨勢。高純化、微合金化、復合多元銅合金化、材料復合化以及短流程加工技術、復合強化技術、快速凝固技術均已經在國外銅板帶生產線上成熟得到應用。

(5)缺少生產過程中的智能制造。雖然國內銅板帶生產線具備了設備層級的智能制造基礎,但生產管理水平還相對滯后,且不同企業的管理能效水平參差不齊,在生產物流管理方面,大多數企業管理仍處于人工經驗式管理狀態。通過實施智能制造,可以改變銅板帶生產企業以往僅重視現場“紙版工藝卡片”、“現場操作手經驗”等生產模式,進而發展為自上而下的全面制造管理過程生產模式,統籌安排企業各類資源,從而快速響應客戶個性化需求,提升企業生產、管理、運營的行業競爭力。

(6)缺少高銅合金帶材生產關鍵工藝裝備,無法滿足關鍵領域用材的要求。例如國外在生產C18150、C19900等高附加值銅帶時,采用了冷粗軋后的高溫連續熱處理爐進行二次800 ℃以上的固溶處理。在成品熱處理前采用專門的鏡面軋機提高表面質量和帶材表層性能。同時,進行高屈強比的銅帶生產時,在面對拉彎矯直機無法滿足產品內應力完全釋放導致后期加工時因殘余應力而帶來各種加工和應用問題的技術難題時,采用成品高低輥配置的張力狀態下的連續熱處理爐來釋放內應力,提高板型質量。

(7)產品應用拓展步伐亟待提高。在國外,銅板帶材除了在電子電器、交通運輸、能源等傳統應用領域地位不斷鞏固外,在可再生能源、水產、抑菌、電力驅動等新興產業方面也建樹頗豐。

2 國內銅板帶的發展進步

雖然在多個方面同國外先進銅板帶生產企業還存在一定差距,但近10年來,國內新建、改擴建以大中型企業為代表的銅板帶生產線將中國銅板帶材的產量、產品以及工藝、技術、裝備、工程建設水平提升到一個新的高度。國內銅板帶材的生產不斷進步、發展、創新求變和求強,具體方面包括:

(1)大型的、綜合性的、實力較強的銅板帶生產企業不斷涌現,產品、技術、人才、資源、裝備的集中度不斷加強,生產線的產能和利用效率不斷提升;

(2)中、小型銅板帶生產企業在國家淘汰落后、環境保護等政策引導下,工藝設備不斷升級換代,生產條件及環境水平不斷提高,這進一步促進了國內銅板帶行業整體形象和競爭力的提升;

(3)企業和生產線的規劃和建設水平不斷提高,對銅板帶材產品規劃和生產的差異化程度進一步提高,有利于企業和整個行業的健康、快速發展;

(4)對銅板帶材產品質量影響較大、直接決定產品檔次和生產效率的關鍵設備,如六輥軋機、多輥精軋機、拉彎矯直機、可控氣氛連續熱處理爐等在以往全機組整體引進的基礎上,開始向合作制造、消化吸收、改進創新等方面轉變;

(5)銅板帶生產企業的產業鏈不斷延伸,通過新建、合并、合作銅板帶上游資源企業、下游精深加工以及裝備制造企業,降低了市場的風險性并提高了企業生產、運行的穩定性;

(6)人均實物勞動生產率由過去的平均50 t左右提高到平均100～150 t的水平,逐漸向國外最先進銅板帶生產企業的200～300 t水平靠近;

(7)逐漸重視銅板帶生產過程中的自動化、智能化,借鑒鋼鐵企業發展模式向智慧工廠方向發展;

(8)對部分生產難度較大的產品多采用國外工藝設備技術包的依賴程度進一步降低。銅板帶生產企業在生產實踐和經驗積累的基礎上對新建、改擴建的工程建設、生產線配置、加工裝備設計等方面加入了更多的“企業定制”元素。

3 熱軋生產線配置特點

在銅板帶生產的所有工序中,熱軋工序非常重要,起到承上(熔鑄)啟下(冷軋)的作用。借鑒鋼鐵和其它有色金屬板帶材熱軋發展現狀和趨勢來看,銅板帶熱軋技術的發展將在未來高精銅板帶生產領域起到更加重要的作用,引領行業創新發展的方向。

銅熱軋是在再結晶溫度以上的軋制過程,在這個過程中,銅錠坯一方面在壓力作用下變形、加工硬化,另一方面又由于始終處于高溫下迅速再結晶而軟化。熱軋工藝能夠焊合鑄錠的疏松、縮孔和晶間裂紋等缺陷,對于需要進行固溶熱處理的合金如Cu-Be、Cu-Fe-P系等,采用熱軋后淬火,滿足了將高溫相保留到常溫。但與冷軋相比,熱軋產品的尺寸較難控制,精度、強度等指標相對不高。由于高溫下金屬容易氧化,產品表面質量不高[4-8]。

通過對國內主要3家銅板帶熱軋設備廠家近20條現代化銅板帶熱軋生產線的分析,現代化的銅板帶熱軋機具有以下配置特點[9,10]:

(1)均為二輥輥系,軋輥直徑Φ600～Φ1 000 mm,軋輥單位軋制力一般控制在15 kN/mm左右,機組最高速度為200 m/min。

(2)工藝潤滑采用濃度0.5%～1.5%～5%的乳化液,1年更換1～2次。同時,采用盒式冷卻,能夠減少濺落到銅坯表面的乳液,減少溫降。

(3)主傳動裝置由電動機、減速機、萬向聯軸器、接軸平衡等設備部件組成。減速機為復合式減速機,可實現對上、下工作輥的單獨驅動。

(4)軋機主傳動以直流傳動為主,直流傳動具有道次間隙時間短的優點(可以減少間隙時間1/5～1/3)。但發展趨勢也有采用交流傳動的方式,交流傳動具有的優點包括結構簡單,設備重量輕,價格不高,道次間隙時間可與直流電動機傳動相媲美,且電控系統非常簡單,維護方便。

(5)為降低板帶材的跑偏、側彎、寬向厚差等軋制缺陷,主機架前后均采用對中導尺裝置和軋邊輥裝置,在軋制過程的若干道次進行使用。

(6)采用一些有針對性的工藝措施和設備部件對坯料表面的氧化皮進行去除,例如簡易的小壓力噴水或噴乳液裝置、刷輥裝置、簡易除鱗箱等。

(7)軋邊輥對板坯側邊進行軋制,調節帶材的寬度規格,獲得寬度均勻、邊緣整齊的帶材,降低金屬的消耗,使板坯對準軋制線。同時,可以在軋制時對帶材形成一定的后張力,在使用效果上優于傳統的大型立輥軋機。

(8)選用AGC厚控閉環控制系統,并以溫度、輥縫及壓力監測的數據通過計算機軟件進行參數計算處理,以獲得精確的厚度公差,使帶坯縱向厚度控制在終軋厚度的±0.5%～±1%以內。另外,壓下道次的分配都是通過計算機程序來完成,無需通過人工進行每道次的給定操作,減少人為的誤操作,有利于穩定熱軋工藝。

(9)在熱軋機前后配置溫度檢測裝置,將所測得的數據與計算機計算值進行比較,然后調整相關的工藝參數,以保證終軋溫度,并實現閉環控制。

(10)機后在線配置開式或閉式的層流冷卻水噴淋裝置(高位水箱噴淋模式),近距離設置在熱軋機出口形成最后一道次的連續軋制和冷卻模式,對部分銅合金帶材進行高溫固溶等熱處理。

(11)為實現常溫冷卷取,減少熱狀態下的氧化和擦劃傷,在卷取機前設置二次層流冷卻裝置(高位水箱噴淋或循環水直噴)對部分合金帶材進行降溫(不適用易發生淬硬現象而影響后續加工的H60、H62等合金板帶材)。

(12)采用三輥無芯卷取機進行熱溫狀態下帶坯的高速卷取(可達90～100 m/min)和冷狀態下帶材的低速卷取(20～30 m/min)。

4 國內熱軋機發展應用的不足

相比于企業對銅板帶生產時后續的、終端的、薄型化生產的加工工藝和設備重視程度來說,國內對銅板帶熱軋的關注度還不夠。目前,國內銅板帶熱軋生產線的發展還存在以下幾方面的不足:

(1)國內銅加工行業過去使用的熱軋機曾經從英國戴維公司、法國格立賽公司、意大利米洛等公司引進,目前已經全部國產化,但國產現代化的銅板帶熱軋機組至今還未實現出口,相比鋼鐵行業存在差距。

(2)機組的配置基本照搬了國外個別設備廠家的布置形式。國內主要3家銅板帶熱軋設備廠家的機組力能參數、設備組成、生產線主要部件大同小異。相比幾十年前國產熱軋機的配置情況,除了電氣控制水平的提高外,主要是增加了線內軋邊輥、在線固溶裝置等。所以,熱軋機的工藝配置也應與時俱進,創新求變、求強。

(3)由于熱軋機的產能較高,普通大、中型銅板帶生產企業的開機率一般在50%以下即可滿足生產產能的要求。以錠重每塊6～8 t為例(寬度620 mm),生產節奏最快可達到8～10 min/塊,常規可控制在12～15 min/塊,熱軋機產能至少在15 萬t/a以上,最高可至30 萬t/a以上,如果鑄錠寬度達到1 000 mm以上的寬幅熱軋機,其產能進一步提高,很多企業利用供電波谷的夜晚時段進行集中生產即可滿足產能需求[11]。再加上一般是提供冷軋坯料,因而,企業對熱軋的精細化需求和追求遠遠沒有冷精軋、精整等工序那樣具體、細致。

5 銅熱軋技術的創新

我國鋼鐵板帶材的生產線建設和加工設備的發展經過了4個階段:國外鋼企在國內的建廠→工藝裝備的引進→部分設備的消化吸收→改進和創新。國內銅、鋁、鈦等有色金屬板帶材的工藝設備發展同樣也經歷了4個階段:借用鋼鐵板帶設備進行小規模和輔助性生產→加工技術和設備的引進→部分工藝設備的國產化→借鑒鋼鐵生產模式改進有色金屬加工。

以上發展模式也就決定了在鋼鐵和銅、鋁、鈦等有色金屬板帶材軋制生產領域,國內至今無法研制開發出具有世界引領作用或壟斷性質的先進技術和加工設備。一些工藝性較強的高精尖設備如多輥精軋機,氣墊式連續退火爐,表面涂鍍層和表面處理生產線,連鑄連軋等短流程生產線目前仍受制于國外技術和冶金商。

節能、環保、提高產品質量和成品率、增加品種、降低生產成本、降低建設投資、提高經濟效益、實現生產過程的連續化、自動化、智能化、精細化等是銅板帶技術創新的重要方向和目標[12]。生產方法的變革和生產設備的更新在銅板帶生產中占有突出地位。在熱軋技術方面,應向滿足優質、高效、低能耗、環保等目標方向發展。為提高熱軋帶坯的生產效率,一般確定軋制工藝時,選用少的軋制道次及大的道次壓下量,但必須在銅合金高溫塑性及熱軋設備能力允許的前提下,同時根據合金品種、鑄錠質量、加熱溫度及熱軋輥與錠坯的表面狀況,以錠坯能順利咬入和熱軋帶坯符合后續工序的質量、性能、尺寸要求,作為優化熱軋軋制工藝的原則。

5.1 理論和技術創新

工藝的需求決定了熱軋機組配置和生產線的布置。熱軋薄型化、組織和力學性能的在線控制與反饋閉環控制、控制軋制和控制冷卻技術理論與實踐相結合,推動工藝參數的合理性和精準化、熱軋產品的多樣化和低成本化均是銅熱軋理論的創新和發展方向。

與鋼鐵行業相比,銅板帶材行業還存在合金品種少、應用領域基本固定的特點。根據統計,應用銅及其合金材主要性能的占比[13]:導電性64%,耐蝕性23%,結構強度12%,裝飾性1%。

因此,從本質上看,鋼鐵多用作結構材料,一般其強度指標為第一需求,而銅多用于功能材料,一般其導電性指標為第一指標,其次才為耐腐蝕、導熱等性能。這也是銅合金微合金化種類較少的重要原因之一,添加微合金提高強度的同時一般會降低其導電、耐腐蝕性能等。而鋼鐵微合金化后通過固溶強化、沉淀強化、彌散強化等手段可以有效提高鋼材的強度及其它性能?？剀埧乩浼夹g除了在第二相的控制方面成效顯著外,最主要是能夠得到不同的熱軋態組織,而組織決定了產品的最終性能。

另外,調整傳統合金配比,以廉價微合金元素代替昂貴微合金元素也是目前銅加工企業降本增效的重要途徑,很多國家級的課題均將關注點集中于此。例如,常規使用的鐵-磷類引線框架銅合金,當加入Fe、P元素后,可形成Fe和P的化合物Fe2P、Fe3P,因此C19210在合金元素Fe、P的比例一般控制在3∶1,以保證合金元素的充分合金化,減少合金元素的殘留(P對于電導率的影響較大)。但是,在實際生產時,相同配比的合金元素生產出的產品性能卻出現差異較大甚至是部分性能指標不穩定的情況,微觀金相組織檢驗發現,存在合金元素的分布不均勻,粒子尺寸和形貌不規則,以及第二相未完全固溶形成了殘留即類似于夾雜物的不利影響等原因。

未完全固溶、未形成彌散分布的小顆粒的Fe相,不僅不能起到固溶強化的作用,而且類似于夾雜物,惡化了銅產品的力學性能。究其原因,其一是合金元素配比與加工工藝不搭配;其二是在熔煉鑄造時,液態合金金屬在直冷過程中工藝參數尤其是冷卻速度控制不當;其三是在制定熱軋工藝尤其是加熱、熱軋溫度時,未考慮Fe、P金屬在Fe2P、Fe3P比例不同時在銅基體中的固溶溫度,僅僅將溫度控制在再結晶溫度以上或者是軋制熱塑性范圍區內,以終軋溫度的保證值和軋制溫降來簡單倒推出加熱和開軋溫度。

薄型化熱軋是金屬加工領域的另外一個重要方向,鋼鐵領域已應用成熟。國內銅熱軋生產工藝源自和借鑒國外,但因國外企業在產能、市場應用等方面的原因,熱軋薄型化的研發動力不足,需要國內企業進行自主研發。

熱軋薄型化能夠充分利用熱軋機的加工能力及產能富裕,將更多壓縮比設置在熱軋工段,有效降低能耗和冷軋負荷,減少冷軋時的退火次數。

對于銅板帶來說,目前熱軋成品厚度一般控制在13～16 mm(國內熱軋機設計時一般最薄按7 mm,而國外按4 mm),而鋼鐵熱軋坯料一般在2～4 mm,鋁板帶的連鑄連軋坯及熱軋坯料一般為3～8 mm。究其原因,銅熱軋相比鋁熱軋溫度較高(開軋溫度一般650～950 ℃),氧化速度快,而且其氧化膜是無法像鋁氧化膜那樣可以阻止氧化程度的進一步加深。鋼鐵熱軋多為高速連軋和卷軋,軋制時間較短,氧化皮在一次高壓除鱗和二次除鱗的情況下,溫降不大,而且最重要的是其氧化層對結構材料(強度為主)的使用影響甚微,而無張力狀態下的銅熱軋最終產品大多作為導電等功能材料使用,因而兩者是無法相提并論的。因而,對于銅熱軋薄型化來說,創新面臨的挑戰主要有以下幾個方面,其對策、建議參考如下:

(1)高微合金化銅合金熱軋最低減薄至3～4 mm,必須在終軋溫度的保證方面做出創新設計,其一是不降低卷重的情況下需進行高速軋制,由目前軋制最高速度約150～180 m/min的情況下進一步提高(鋼鐵熱軋最高速度已實現500 m/mim以上);其二是在熱軋機上增設保溫罩(國外已有先例)、卷曲爐等方式。

(2)無論是減薄熱軋還是對應的高速軋制,這在無張力情況下是難以實現的,要面臨諸如跑偏、拋料距離大、頭尾溫差大等難題。無論是鋼鐵行業還是國外銅板帶加工行業,已有將熱軋和冷粗軋布置在同一臺軋機上進行生產的先例,這不失為一種可選的模式(機組可具備卷取和張力軋制)。

(3)厚規格坯料的咬入和成品最小厚度的矛盾關系。國內銅熱軋基本都為二輥輥系(對坯料咬入有利而對軋薄不利),而法國、日本均有采用四輥輥系的銅板帶熱軋機,能夠有效滿足銅板帶的熱軋減薄。

另外,在鋼鐵熱軋工程領域,對產品組織性能的在線控制已經非常成熟、可靠,這對于生產的智能化控制、動態控制、新產品的研制開發和生產成本的控制均大有益處。而目前有色金屬行業熱軋均未實現熱軋組織性能的閉環和在線控制。

控軋控冷技術的在線動態控制核心是金相組織類別的分辨和控制調整,第二相粒子的類型和尺寸以及分布方式,產品性能參數的在線監測及反饋等。而目前銅板帶的熱軋僅僅是實現了初始模型軋制,距離動態控制軋制模式還很遠,缺少在線動態再結晶、應變誘導再結晶及軋制間隙的溫度動態再結晶、靜態再結晶理論基礎和軋制模型。

5.2 生產和工藝創新

首先,在節能降耗客觀要求和降低生產成本的需求下,減少熱軋道次已經受到各個生產企業的重視,對于厚度在200 mm左右的半連續鑄造鑄錠來說,以往的老式熱軋機一般通過軋制13～15個道次減薄至15 mm左右,目前現代化的熱軋機對于紫、黃銅可實現7～9個道次完成軋制,而高銅合金如C70250常規在9個道次左右。

低溫大壓下技術是銅板帶熱軋的重要發展方向,其優點包括[14]:減少軋制道次;溫度控制較低能夠減少能耗和降低生產成本;低溫大壓下實現的細晶強化在提高產品強度的同時能夠改善其韌性和抗軟化溫度,降低殘余應力;充分破碎金屬晶粒進而使高溫再結晶和應變誘導再結晶結合緊密;能夠減少銅帶坯表面的氧化皮厚度和廢渣量,提高產品的成品率;低溫熱軋能夠提高板帶材的尺寸精度和表面質量。

實際生產過程中,往往采取前兩個道次減少壓下量和軋制速度以順利咬入并減少拋料距離、中間道次逐漸增加道次壓下量并提高軋制速度、最后道次采取減少壓下量以保證板型。但是結合部分企業的實際生產情況,在開軋溫度適當降低的前提下,提高前兩個道次的壓下率(由傳統的10%左右提高到20%以上),將變形熱增加量提高至坯料道次溫降熱量以上,這有利于開軋盡快破碎再結晶晶粒,同時焊合鑄態組織的缺陷,提高板坯的變形能力和性能均勻性。而最后一個道次由于和高溫固溶處理等控制冷卻工藝同步進行,因而軋制速度由冷卻工藝所需來進行。中間道次速度應盡可能提高,而壓下率應以保證大壓下、破碎晶粒、補償溫降、控制組織為前提。對于高銅合金,在完成冷卻后,適當增加1個道次冷態微小變形量,能夠改善帶坯表面氧化層的破碎和面層金屬的活性,有利于后續中間退火之間冷軋總壓下率的提高,這在鋼鐵行業和國外銅板帶生產企業中已得到驗證。

層流冷卻具有在線固溶處理、強制冷卻的功能,對熱軋銅板帶的金相組織和各種機械性能起著決定性的作用。應根據組織性能要求,選擇所需的冷卻曲線,對銅板帶的溫度進行動態控制。高溫固溶處理功能的層流冷卻裝置一般分為6～10段,粗調4～6段,精調2～4段,但由于一些企業層流冷卻不具備精調功能,大都采用按“要開全開、要閉全閉”的模式,這實際上就是一種粗放式的生產方式。

二輥輥系的熱軋機,其上、下輥一般為分別控制(可存在速度差)[15]。以往國外同步熱軋機多采用上軋輥的輥直徑比下軋輥大1～2 mm,其目的就是為了使得板帶坯軋制時不出現“翹頭”現象。

而上、下軋輥分別控制的優點是控制更靈活,不僅不會出現“翹頭”,而且避免帶頭下勾所帶來的沖擊輥道和軋輥平衡。因而,必須在生產過程中,靈活使用這些小訣竅,才能在精細化生產方面做得更好。

同時,由于上、下輥的異步軋制,可以形成“搓軋”模式,這非常有利于銅板帶坯表面氧化皮的破碎,同時改善金屬表面的活性,有利于后續冷軋總加工率的提高和沖壓制品“凸耳”率即各向異性程度的降低。

國外也有生產企業采用熱軋第一道次微壓后完全破碎表面一次氧化皮,去除干凈后再進行常規軋制(生產過程多耗時不足30 s),可有效避免氧化皮的壓入基體,提高熱軋帶坯的表面質量。

5.3 設備設計和配置創新

熱軋生產線配置創新的首要任務是貼近生產實際所需、滿足工藝技術要求、降低生產成本、節能環保和減少環境污染。熱軋設備設計和生產線配置的創新需求主要有以下幾點:

(1)降低生產成本,提高成品率。對于銅板帶熱軋生產來說,提高產品成品率、降低加工成本、提高產品競爭力是目前最直接、最有效的有3個關鍵課題。

其一,“舌型”料頭和料尾長度的減小、可控。以寬度620 mm,厚度230 mm,長度為8 000 mm的銅鑄錠舉例,其成品按軋制到厚度為15 mm,寬展后的帶坯寬度為655 mm左右,熱軋成品帶坯長度約116 m。按“舌型”料頭和料尾的長度各為300～500 mm考慮,如果能夠控制其寬度等形狀和帶坯本體一致,可提高熱軋成品率0.8%左右,以熱軋銅板帶年產量10萬t計,可實現800 t以上額外成品的獲得,經濟效益顯著。

從設備設計考慮,除了機組的裝機水平和控制能力以及具體生產工藝可一定程度降低“舌型”外,可借鑒和采用鋼鐵領域的“狗骨”狀立輥,通過對銅錠坯邊部形狀進行大壓下量軋制(減薄和改型)進而使金屬流動方向發生變化,可彌補頭、尾部形狀的不規則,將“舌型”一定程度消除。

銅熱軋生產線的邊部軋制厚度一般為2～4 mm,軋制力為250～500 kN,一般采用帶有花紋狀小直徑平輥或一定的錐度(約15°)的小立輥。如果要改變目前立輥設計,可采用的布置方法有兩種:在線外單獨設計立輥軋機,立輥采用“狗骨”造型,同時將軋制力提高到2 000 kN以上;不改變機后軋邊輥目前的設計,只將機前軋邊輥設計為“狗骨”造型。

其二,側彎和邊部質量的控制。目前,熱軋銅帶坯的側彎及邊部質量對于成品率的影響較大,以帶坯寬度658 mm舉例,如果側銑從單邊4 mm降低到1 mm,其成品率約可提高1%左右,經濟收益甚至高于不剪切“舌型”料頭和料尾。

邊部質量的提高主要是要控制熱軋銅板帶的側彎程度,不像鋼鐵和鋁板帶可以在軋薄后進行成卷、張力軋制可有效控制側彎。側彎原因包括軋機兩端的剛度差、鑄錠寬度方向上的溫度不均等[16]。如果是軋輥輥型所導致,可以將上工作輥磨成一定的負凸度。另外,軋機前后的對中導尺不對中對側彎的影響非常大,如果前后導尺對中偏差方向相反,側彎更難確定,此時使用軋輥傾斜反而會增加側彎程度。

在以往國外進口銅熱軋機的配置上,部分鋼鐵熱軋、鋁板帶熱軋機均采用錐形輥道,即“中間細、兩端粗”的運輸輥道,由于坯料自重的原因,這能夠有效降低銅板帶跑偏所帶來的側彎。

其三,表面質量的提高。銅熱軋時的氧化皮如果壓合到銅基體中且后續去除不徹底,對導電用途的銅制品影響非常嚴重[17]。由于爐生一次氧化皮和熱軋過程中的二次氧化皮只可能一定程度的降低而無法從根源上避免,因而,熱軋時將氧化皮完全去除,進而減少后續雙面銑削的深度就能夠有效提高銅板帶的成品率。對于目前銅熱軋生產線配置來說,均未實現如鋼鐵熱軋線氧化皮完全去除的效果,這也是冶金設備廠家和生產企業所頭疼的難題之一,如銅精軋過程中由于帶材除油效果不理想而導致軋制速度無法有效提高進而降低了設備產能的世界性難題。

對于一次爐生氧化皮,采用的方式只能是小流量、高打擊力的高壓液體噴射,而難題是破碎后的銅錠坯上表面氧化皮無法像鋼鐵熱軋那樣利用大流量的高壓水進行沖走,而目前采用空氣吹掃、鋼刷去除、機械去除等方式均不夠理想,開發出適用的專用除鱗箱勢在必行,除鱗箱內吹掃并結合拖鏈的拖拉作用。

目前,設備設計和生產企業對于爐生一次氧化皮的去除較重視,而沒有任何一家對二次氧化皮采取有效去除的措施,這也是筆者在3家生產企業看到由于氧化皮的去除效果不理想以及氧化皮分布的不均勻,導致一次大深度銑削后還無法完全消除進而采用二次銑削(僅僅是局部氧化皮會帶來更多的金屬損失率),以及在雙面銑削機、冷粗軋機生產線上設置刷磨、人工打磨等工段進行局部去除雙面銑未清除干凈的、不均勻分布的氧化缺陷點,不僅降低設備運行速度,而且產生的打磨粉塵產生職業病危害。

二次氧化皮在特鋼行業采用的是機架內壓力在18～22 MPa的小流量、大打擊力乳液或水的噴射去除,同時單獨設計小壓力的抑塵水或者二者的作用合二為一,這值得銅熱軋設備設計和生產企業進行借鑒。

(2)功能更完善,更有工藝所需的針對性,控制精度更高。其一,作為結構材料的板材更多的出現在銅熱軋生產線的產品方案中,目前常規布置的熱軋機配置并不能滿足其生產工藝。要解決板材和帶材的共線生產問題,可采用地下卷取機布置模式(將卷取機布置在層流冷卻和后部板材精整剪切處理線之間的地面以下),再利用可擺動輥道將熱軋板材從其上通過。同時,熱軋機應配置在線七輥～十三輥熱矯直機,以保證成品板材的板型。而對熱軋后長規格板材的中斷和剪切,目前在銅熱軋線上還沒有很好的解決。第一,如果采用鋸切機,生產效率較低,熱鋸切的精度也較低;第二,在剪切設備的布置方面現有生產線改造難度較大。筆者根據以往鋼鐵熱軋和稀有金屬熱軋生產線布置的經驗,對于現有生產線的改造,可以將板材剪切設備布置在軋機入口輥道的尾端,適當延長輥道后再增設板材下料裝置;而對于新建生產線,可將板材剪切線布置在熱軋機機后的卷取機后方(也可以是前方),中間采用過渡輥道運輸。同時,應配置簡易的冷床裝置進行緩冷,例如一些含鋅的銅合金熱軋板坯不適合進行水噴淋直冷,也可實現不同的空冷速度進而控制熱軋板的組織與性能。借鑒采用鋼鐵行業的大型定尺剪是未來銅板帶熱軋機配置的方向,其剪切厚度、剪切精度、剪切效率均很高。

其二,在層流冷卻裝置的前后均設置空氣吹掃裝置非常重要,在熱軋后以及固溶熱處理后將帶坯表面的殘留水層和水分完全吹掃干凈,這有利于熱軋過程中控溫精度的提高及反饋閉環控制,對于精準化熱軋來說,以上起到了關鍵作用。在設置空氣吹掃裝置時,必須設計為可移動式或者可傾翻式,這主要是考慮到帶材翹頭、中間凸起嚴重等發生生產事故時避免對設備部件的沖擊和損壞。

其三,在高溫固溶層流冷卻段除了上、下面的噴淋水外,設置壓力0.5～1.0 MPa的側噴水對于工藝條件的滿足更有針對性,能夠加速帶材上表面水流的速度,完全去除水氣泡,固溶和冷卻效果更加均勻。目前很多生產線均未進行該項設置,原因之一是需要單獨加壓泵或者是缺少單獨的側噴水系統,依靠高位水箱達不到工藝要求的壓力控制,高位水箱的噴淋水壓力一般為0.03～0.05 MPa。

其四,隨著目前銅合金品種的增多和熱軋產品的多規格化、多狀態化、多性能化,在熱軋生產線上適當增設在線輥道爐或保溫罩是很有必要的[18],國外有2～3家銅熱軋生產線采用了該模式開發、生產熱軋溫度范圍較窄的新型銅合金尤其是大卷重的高銅合金品種,而在鋼鐵(不銹鋼、微合金鋼、高強度低合金鋼)、鈦、鎢、鉬及鎂合金板帶生產應用領域該布置結構也非常普遍。

5.4 熱軋工程設計創新

除了工藝設計外(產品方案、工序流程、設備選型、機組配置),熱軋生產線的工程設計主要是為熱軋機提供生產場所(車間)和設備基礎,滿足供水排水、供電、供氣的需要以及廢氣、廢渣、廢水的處理或達標排放。

(1)車間的通風、空調應嚴格根據熱軋車間熱物料的散熱量來進行計算,以保證目前車間環境、職業健康、工人操作條件等越來越高的要求。

(2)隨著向高質量發展方向的創新不斷深入,借鑒其他金屬生產的模式及國外銅加工企業建設模式,緊湊式布置越來越受到重視,車間內每一寸土地均規劃好,規劃清楚后再開工建設已經成為行業共識。由于熱軋生產線本體輔助設施和公輔輔助設施均較多,緊湊式布置不僅能夠節省車間面積而且減少電、氣、液的壓力損失,同時節省中間配管長度。

(3)氧化皮的收集。在機架地坑和機前一次除氧化皮裝置地坑的適當高度設置單層、多層的過濾網,將大尺寸和大顆粒的氧化皮先行過濾,然后相對干凈的熱軋乳液再進行回流、循環、過濾、再利用是一種較好的工程設計模式。

(4)泵站、廢液站、稀油站的地坑、地下室等基礎的布置和設計時,必須根據最新的、相應的國家強制性標準或者規范進行嚴格執行。

(5)利用過渡輥道將熱軋機尾部和雙面銑串聯起來是目前的一種“復古”式布置方式,生產更加靈活,一定程度上可提高生產效率并短流程和節能化。

6 結束語

國內銅板帶行業近年來發展迅速,取得了令人矚目的成績,但與國外先進銅板帶生產企業還存在一定的差距,主要體現在合金品種少,高端產品質量的穩定性不高,以及原創性生產工藝技術和關鍵專用設備的缺失等方面,這也是國內銅板帶發展的方向。

對于銅板帶生產的關鍵熱軋技術,應從理論和技術,生產和工藝,設備設計制造,生產線配置和工程設計等方面進行不斷創新,進而提高生產效率和成品率,減少能源消耗,降低生產成本,同時也有利于促進新產品的研制開發。