铜带可控气氛连续热处理炉断带问题研究与优化

孙唯静

(中铝上海铜业有限公司,上海 200940)

0 前 言

铜加工中重要的工序之一是材料的退火.连续退火研究始于20世纪30年代,50～60年代连续退火工艺在镀锡原板的生产中得到广泛应用.随后,日本采用高温轧制(Ar3点以上)、高温卷取(Ar1点以上)和过时效处理工序合并的方法,生产深冲用冷轧钢板获得成功.1971年和1972年，日本采用该方法先后建成两条气垫式连续退火生产线,80年代，连续退火得到广泛应用.

气垫式退火炉广泛应用于铜、铝及其合金的带式退火.要求在同一个炉上退火的带材最厚规格与最薄规格之比小于15∶1,最宽规格与最窄规格之比小于2∶1,而且同一条带材的厚度与宽度应有一定的比例,最小约1∶250.退火速度一般为5～50 m/min,生产效率可达5～8 t/h,热效率在55%以上(电加热),可以用电热或燃气作为热源[1].气垫式退火炉设备的组成如图1所示.

图1 气垫式退火炉机列(水平式)简图

采用气垫式退火连续炉,大大提高了材料表面品质和铜板带组织的均匀性.与老式退火炉相比,具有工艺性能稳定、效率高、退火材质均匀、光亮度高、不变色、平直度高、清洁度良好和无擦伤等优点,广泛应用于铜、铝及其合金的带式退火.

随着产品质量要求的日益提高,一些问题也随之显现,比如铜带断裂(以下简称断带)、边部不齐度、表面划(擦)伤和卷边等.因为断带会引发质量、安全、设备和成本等一系列的后果,影响企业的经济效益,甚至危及安全生产.因此,通过生产中断带原因分析,提出如何处置和有效预防断带问题的解决方法,成为一项重要的工作.

1 造成断带的主要原因

生产现场出现断带及产生后果的统计情况见表1(见下页).

根据表1所列的案例分析,提出了造成断带的三项主要原因分别来自原材料质量、工艺设置及操作、设备.

1.1 原材料质量

1.1.1 公差波动

表1中序号5属于公差波动引起的断带,如来料横向公差偏大、纵向公差不稳等,易使带材在运行时偏离中心线,致使带材受力不均而断带.尤其是薄带,在高温下较大的厚度跳差,易造成铜带拉应力剧变而断带.

1.1.2 板 型

表1中序号1～4是原材料板型不符合质量要求,如侧弯、大刀状、波浪(纹)等,在生产过程中容易偏离中心位置而引起断带;同时易在炉内碰擦出炉口和入炉口,尤其是加热区和冷却区的狭窄通道口,造成断带.

1.1.3 裂口(纹、边)

表1中序号6～8属于缺口、边部质量问题引起的断带.

1.2 工艺参数设置、操作及作业安排

表1中序号17～19属于在进行工艺参数设置时没有充分考虑张力、温度和风速针对不同板型带材的匹配造成的断带.表1中序号15、16、20和21属于操作工操作技术不规范、技能不熟练、生产经验不足和应急能力差等造成的,缝合操作时，如果带头和带尾没有叠放平行就会因受力不均而在之后的运行中发生断带;铜带厚度、宽度和直径等设置错误也会造成断带.

厚、薄规格生产顺序不合理,如厚薄铜带连退时没有中间厚度引带过渡,不同宽度铜带、钢制牵引带缝合时不注意合理操作,均易造成断带.

1.3 设 备

1.3.1 电气设备张力控制

设备完成调试后,驱动控制系统应是正常工作的,张力控制问题往往发生在以下几个方面:(1) 驱动马达的编码器故障,较多表现为脱落、损坏;(2) 长时间运行后,尤其是在大张力的影响下,张力辊的测量值会与真实值发生轻微偏差,厚带大张力运行时无影响,但对薄带影响很大,会造成设备运行时非正常停机;(3) S辊、刹车辊辊面磨损、老化,无法在扭矩的作用下形成带材所需的摩擦力;(4) 其他部位,如轴承、减速箱等转动阻力过大引起张力波动.

表1 断带情况及原因Tab.1 The situation and causes of strip breakage

1.3.2 电气设备对中故障

表1中序号12～14属于对中装置发生故障导致带材跑偏而断裂,尤其在活套完全升起时,活套区带材总长达到200 m.由于带材侧弯、边浪或者活套偏转辊安装精度等原因,易造成带材两边松紧度不一致而造成朝一侧偏出,碰到边框导致断带.

1.3.3 机械设备喷嘴开裂

设备质量问题或老化使加热区热风喷嘴开裂,导致风压变化,造成铜带在炉区内受力不平衡而擦边断带.

1.3.4 缝合机故障

缝合处易断开,通常是打孔机磨具断裂或变形,以及焊接用的氩弧焊焊点击穿、虚焊造成的.焊接或缝合设备问题,造成接合点不牢固,易断带,尤其易发生于厚度<0.15 mm的紫铜带材上.因厚度较薄,如缝合机本身刀口不够锋利,造成细小裂口,则极易发生断带.

2 措施和建议

2.1 原材料质量控制

针对原材料质量引起的问题,为避免因断带停产造成经济损失,应加强来料的质量检测,对于质量较差的带材予以退回或者进行改善后再退火.公差范围超差的带材,尤其是0.1 mm厚的紫铜带则建议退回改制;板型不符合质量要求的,可先进行拉矫处理,改善其板型后再转移至气垫炉退火;边部裂口可先进行裁边,并适当降低单位张力,可大幅度降低断带发生的可能性.

2.2 工艺适时调整

对于炉内气体喷射气流不平衡引发的断带,需要通过调节炉内喷嘴所喷射出气体的风力和风速来解决.同时调整炉内部分张力来配合完成.炉内风速、张力相对于不同厚度、宽度带材的配合非常重要,在调试、生产过程中需对包括炉内的加热风机转速、冷却风机转速、炉内张力、活套1张力和酸洗段张力数据的跟踪积累,最终形成可靠的工艺数据.

2.3 加强操作培训

由于操作不当而引起的断带,则需制定合理的操作规程,加强操作培训,提升员工操作技能及应急知识;在上岗操作初期应指派有经验的操作工指导监督直至能熟练独立操作为止.

2.4 设备控制

2.4.1 张 力

驱动马达的编码器应定时检查,包括联轴器及电缆接头的连接部分,发现松动应及时拧紧,如果编码器无法正常工作则需进行更换.张力辊的测量值偏差应通过定期对测量仪进行调零来消除,如调零仍无法修正,则需检查张力仪是否存在故障.关于S辊、刹车辊辊面磨损、老化,无法在扭矩的作用下形成带材所需摩擦力的问题,因设备分为6段,且每段张力值均不一致,相邻段通过S辊的转动来控制张力,如发现S辊不能维持相邻段的张力差,则可采取措施提高辊面摩擦系数,如更换S辊表面的橡胶,采用更耐磨、摩擦系数更高的橡胶辊,对橡胶辊面进行打磨提高表面粗糙度等.转动阻力过大引起的张力波动则应定期对轴承、减速箱进行清洗.

2.4.2 对中系统

气垫炉机列走带长度约为300 m,共分六段,包括:开卷段、活套1、炉区、酸洗段、活套2和卷取段.在活套1、炉区、活套2和卷取段均装有EMG自动对中系统.该系统能检测带材在宽度方向上的偏移,并反馈到PLC,从而通过导向辊将带材始终保持在机列的中心位置.EMG自动对中系统一般不需要进行操作,但日常的清洁和维护很重要,液压元件必须定期维护保养.感应设备不能有积灰,需定期清洁.

2.4.3 机械维护

平时对喷嘴要加强维护,发现喷嘴有脱焊开裂现象应立即维修保养,可延长喷嘴使用寿命,将断带的风险降低到最小.缝合机在长时间使用之后,缝合口会变钝,缝合时会造成缝合口有毛刺甚至裂口,应定期对缝合机进行维护,清理其内部的碎屑,避免碎屑对缝合刀具的磨损并定期润滑.对已磨损的刀具,需拆下进行打磨或者更换.

3 结 论

综上所述,气垫式连续退火的过程中,造成断带的主要原因是原材料质量、工艺设置及操作、机械设备和电气设备等.通过对这三大原因的分析与研究,并在实际生产中实践与探索,认为要解决断带问题,一是应加强对气垫炉来料的质量检测,对于质量较差的带材予以退回或进行改善处理后再进行退火;二是对风力、风速和张力等各类数据的跟踪积累,形成可靠的工艺数据,并据此对工艺进行适时调整;三是对气垫式退火炉的主要设备脱脂化装置、对中控制系统、张力控制棍和气垫炉炉子区段(包括密封装置、加热段、冷却段及水封装置)等七大系统[2],制定合理的操作规程,并加强操作人员培训,提升员工的操作技能及应急知识;四是加强设备的定时检查、维护保养,确保其正常运行.

参考文献:

[1] 钟卫佳,马可定,吴维治.铜加工技术实用手册[K].北京:冶金工业出版社,2007:861.

[2] 李宏磊,娄华芬,马可定.铜加工生产技术问答[M].北京:冶金工业出版社,2008:27.