太阳能硅片用高强切割线水箱拉丝机之我见

王春武 刘卫国

（中色〈宁夏〉东方集团有限公司 宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山753000）

0 引言

切割钢丝是一种高质量镀锌铜钢丝，具有稳定、均匀、高精度、高强度等众多特点[1]。可用于切割各种高精度硬脆产品，可充当多线锯的磨料载体，用途广泛，尤其是在太阳能硅片切割生产中起到十分关键的作用。水箱拉丝机由放线机，拉丝机，和收线机组成，使用PLC可编程智能控制系统，可通过控制面板设定参数，按照所需工艺将处理完成的镀铜中丝拉拔成材并均匀绕卷在工字轮上供应客户。

1 设备的结构组成

水箱拉丝机采用功能单元组合式结构，依次由放线机、拉丝机（又称拉丝主机或主机）和收线机（见图1）以及电器控制柜组成。

图1 拉丝机结构组成

1.1 放线机

放线机构的设计，因各地线材厂家的不同生产工艺，其结构形式多种多样，张力积线机构的设计，是为确保恒张力放线，同时考虑线材在高速拉拔出现空盘断头现象，放线端在设备正常生产停机时，应有一定的停机储线量，储线量的多少应根据线材生产的线速度而确定[2]。

1.2 拉丝机

国内太阳能硅片用切割线水箱拉丝机生产厂，拉丝设备的平均压缩率通常为 13.4～14.8%,钢丝成品压缩率为 9.5～10.2%,采用 23 道次拉丝机,常见的中间塔轮的分布如图2。

图2 塔轮结构图

通常拉丝机主机分为双主动式和单侧被动式拉拔两种种方式，两种拉拔方式在实际使用过程中，各有利弊：对于双主动式拉拔，模具及塔轮的冷却采用浸入式，冷却效果较好，整机穿线调整方便，电机功率可充分利用，但是由于线材要在不等径塔轮之间进行拉拔，故钢丝的直线性较差；对于单侧被动式拉拔，整机采用全封闭结构，设备的环保性良好，且噪音较低，线材采用等径塔轮拉拔方式，钢丝的直线性较好，圈径易控制,但由于模具及塔轮采用喷淋式，冷却效果较差，钢丝与塔轮滑动量相对较大，电机功率损耗相对较大。对于被动式拉拔塔轮，塔轮通常采用整体式结构，单片磨损后，需整件更换，而双主动式拉拔的塔轮，通常采用分体式，以便于维修和更换。目前切割钢丝多采用单侧被动式拉拔方式。

1.3 工字轮收线机

根据线材加工厂家的不同工艺需要,可提供各种工字轮收线机，整机可采用一体式或拉丝机与张力机构并联的方式；工字轮的装卸采用涨紧套式、机械双顶尖式、气动双顶尖式等结构；工字轮的排线形式可采用光杆排线、丝杆排线、气动排线、伺服排线等，对于不同的工字轮和线径可采用等排距和等角两种方式，采用等角排线时，用独立的伺服电机驱动，对不同的排距可任意设定，同时与拉丝机主机线速度保持同步。通过更换配件，可在一台收线机上使用多种工字轮收线。

2 工作原理

水箱拉丝机是由多个拉拔头组成的小型连续生产设备，通过逐级拉拔，并将拉拔头置于水箱中，最后将钢丝拉到所需的规格。就国内几个主要水箱拉丝机生产商来看，一般配置了20个左右的拉拔头。通过每一级的拉拔后，钢丝的线径发生了变化，所以每个拉拔头工作线速度也应有变化。在整个拉拔过程中，只需要1台电动机通过机械传动或齿轮箱来驱动。根据拉模配置的不同，各个拉拔头的拉拔速度也要变化。拉拔速度的基准是每个时刻通过拉模的钢丝的秒流量体积不变，即要使下式成立。πD 2v1＝πd 2v2式中D为进线钢丝的直径，v1是进线钢丝的线速度，d是出线钢丝的直径，v2是出线钢丝的线速度。水箱式拉丝机的各个拉拔头的工作速度就是基于以上的公式，保证各个拉拔头同步运行。由于水箱式拉丝机的拉丝过程完全通过机械轴拉拔完成，并且这些机械轴是在同一主轴下传动的，因此整个拉伸系统各级之间依靠拉伸轮的转速差别和线上张力来控制同步协调工作。

3 电气控制系统

水箱拉丝机主机与收线系统采用变频调速控制方法，控制回路采用可靠性、稳定性高的SIEMENS PLC编程控制，整机拉丝和收线采用全交流变频控制系统，排线采用伺服控制系统，硬件上配备变频器，可编程控制器（PLC），触模屏(HMI)及电子计数开关，PLC高速脉冲捕捉，计米精度控制在 0.1%以内，在每一台电控系统中安装通讯接口，通过PROFIBUS现场总线控制系统，将每台设备的PLC以太网模块组成工业以太网。 钢丝在拉拔过程中，乳化液的温度通常应低于 38±2℃，因此对于水箱中的乳化液通过控制流量调节大小,整机具有正常和快速停车，预置速度和定长，数字加减速，故障报警及张力自动跟踪等功能[3]。

4 国内外的发展趋势

水箱拉丝机的发展趋势为高速、低噪音、低能耗等[4]。目前国内外太阳能硅片用切割钢丝水箱拉丝机主要有以下几种类型：

4.1 翻转式水箱拉丝机

此种类型的水箱拉丝机，塔轮传动模式有皮带传动和齿轮传动两种，各有优缺点，高速运行时带传动结构简单,传动平稳无噪声,能缓冲、吸振，但不能保证精确的传动，齿轮传动的特点是能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠，但成本高，高速运转噪音大，目前国内两种形式均有使用，对于水箱拉丝机调车中最难的是成品模前后三点一线的调节，设备结构形式最好的是将牵引轮设计在成品模后的过线轮处，并取消此处过线轮，降低了调车难度，三点一线的对中性好，翻转式水箱拉丝机为传统的水箱拉丝机，此种结构应用的最广。

4.2 双联式水箱拉丝机

此种类型的水箱拉丝机，将两台拉丝机的主机润滑液水箱制作在一起，润滑液共用，两台主机机架制作在一起，并且15台左右双联式水箱拉丝可以连体安装，设备的优点是占地面积小，连体后设备的振动小，收线顶针通用性好，采用弹性装卡，对于NTC,BS200工字轮均适用；设备的缺点塔轮直径小，钢丝的内应力增大，增加成品钢丝圈径调整的困难。

4.3 立式水箱拉丝机

此类型拉丝机不需翻转，主机操作口处设有折叠密封门，穿丝前将润滑液放净，穿丝时将折叠门打开，穿丝之后将折叠门关闭，注入润滑液后开机进行拉拔，并且塔轮、成品模和牵引轮均在一个平面，调车时三点一线的调节非常简单，此类型水箱拉丝机占地面积小，穿丝简单，噪音小振动小，但设备造价高，塔轮直径小，钢丝的内应力增大，增加成品钢丝圈径调整的困难，比较成熟进口此类型水箱拉丝机的价格是国产的翻转式水箱拉丝机两倍以上。

5 结束语

在光伏领域，水箱拉丝机设备的不断地升级改造，高强度钢丝通过拉拔丝径越来越小，缩小了硅片厚度并降低了切割过程中的材料损耗，从而减少了光伏用硅材料消耗量。 选择水箱拉丝机时要根据自身工艺的选择，地理环境的特点，综合各类型设备优缺点，选择合适的水箱拉丝机，才可取得理想的效果。

［1］毛可勇.切割钢丝发展方向及生产注意事项探讨[C]//纪念《金属制品》创刊40周年暨2012年金属制品行业技术信息交流会论文集.2012,45-46.

［2］李辉.多功能智能化高速水箱拉丝机[C]//金属制品新技术新工艺新装备会议论文.2006,51-52.

［3］姜锡嘏,安铁.水箱拉丝机的研究与开发[J].金属制品，2001(3)：27.

［4］王自森.拉拔时发热现象的探讨[J].金属制品，2005，31（4）：14-15

［5］蒋克昌.钢丝的拉拔技术[M].北京：轻工业出版社，1984：35.