连续退火机组工艺装备设计改进及关键技术研究

供稿|张伟旗，李坊明 / ZHANG Wei-qi, LI Fang-ming

微细铜线是一种高技术产品，附加值较高。已广泛应用于航天航空、通讯数字连接线、军工和生化医疗器材等领域。特别是智能型、高性能、小型化的各种电器控制用软连接线等，对微细铜线需 求量陡增。

某公司目前在线使用的连续退火机组共24台，尽管其技术装备水平在国内领先，工艺成熟，但受原设计工艺、设备、质量及成本等因素限制，只可生产φ0.08~0.32 mm规格裸铜细线，而生产φ0.04~0.5 mm规格微细线和细线难度极大，若新增机组设备投资太大，而现有软化机组产能又富余，因而针对该机组进行设计改进势在必行。

主要结构工艺原理

主要结构参数

该退火机主要由放线系统、退火炉、冷却水箱、吹干系统、烘干箱、牵引机、40头收排线机和电控柜等部分组成。

以AN40-D型连续退火机组为例。其主要技术参数为：入线范围0.08~0.32 mm；退火炉长4900 mm，退火管42根，水封口；干燥装置采用电热管加热，带保温干燥，炉长1600 mm；机械速度0~300 m/min；生产线数最大42条；放线盘尺寸200~300 mm；采用毛刷放线方式；外形尺寸20 m×1.6 m×2.6 m；卷取轴尺寸PT10~25；42头收线，1.5/2.5 N·m转矩电机恒张力收线，高低两档速度可选；采用单盘式手动换轴方式；使用电压380 V、频率50 Hz；总装机容量49 kW。

主要工艺原理

它是裸铜细线生产过程中的最后一道工序，采用连续退火加工方式。铜线退火是指铜线经退火炉加热至再结晶温度以上即400~600 ℃，在再结晶温度段中线芯晶粒重新结晶再冷却，消除线材拉制过程中产生的残余应力，保证其具有良好的塑性。

◆ 水槽工艺原理

原设计水槽内装有两组电热管，功率为0.5 kW。由热电阻、温控仪、固态继电器等组成的电路来控制电热管的通、断，起预热水槽或设备故障停机检修后再升温作用，但对外界温升无法控制，也实现不了冷却降温或恒温控制。生产过程中，退火管通常被加热到480~550 ℃，它与高温铜细线的导热作用，使得水槽里的抗氧化溶剂温度易高于正常生产温度，特别是酷暑水温甚至有时高达85 ℃左右，其抗氧化溶剂会因成份破坏而失效，铜细线易斑点氧化、光泽度变差。一旦铜细线断线，操作工需重新在水槽里引线，费时、费力且操作极为不便。

◆ 水槽降温方法

当水槽水温高于正常生产温度时，应间断地拧开闸阀，将纯净水注入水槽里，同时需添加氧化剂进行搅拌降温，以满足生产工艺所需温度，易造成水槽各点位置水温不均衡、温差较大，抗氧化溶剂配比失调；补充纯净水时，易满溢出水槽，流失快的现象，导致生产效率低、产品质量差等问题。原设计水槽降温方法如图1所示。

◆ 水槽使用要求及控制

水槽用于储存抗氧化溶剂。其配比为：冬季1∶1000，夏季1∶800，水槽体内各个点的温度应控制在50±2 ℃范围内，其可对刚从退火管出来的高温铜细线起到快速冷却、消除内应力、重新结晶作用，从而达到软化铜线之目的；同时，利用冷却高温铜线产生的蒸汽，阻截空气进入退火管内，以防止铜线氧化。由此可见，水槽温度的控制对裸铜细线的品质有着密切关系。

◆ 退火过程及技术要求

其退火方式为线芯被加热至再结晶温度以上即480~550 ℃。在再结晶温度段中，线芯晶粒重新结晶，并消除线材在拉制时的残余应力，以达到软化退火之目的。其技术要求是：放线速度与收线速度必须保持同步性；退火线径的大小与退火温度的高低必须严格按工艺规定进行调整，以确保退火软铜线的性能符合GB3953规定或理想性能；收线张力由力矩电机，每头以1.5/2.5 N·m转矩进行恒张力收线，收线张力由调压器调整；铜线直径偏差应符合GB3953规定。

图1 原设计水槽降温方法示意图

关键技术及设计创新

前期技术论证

针对现有AN40-R软化机组进行前期技术论证，先挑选出一台性能稳定的机组，针对其水槽温度控制难、易断线等关键点，特别是针对线坯拉制过程中中心断裂、夹杂断裂、焊接断裂、张力断裂、剪切断裂、撕开断裂六种典型断裂特征来进行区分，并从冶金学方面的研究来分析断线原因[1]；而粗、细不同规格线材拉丝时引起的断头原因迥异，引发粗线断头的主因是外观质量差，细、超细线断头的主因是铜杆内部夹杂[2]；且针对该机组进行技术装备设计创新及优化，使之生产出市场认可的微细铜线产品。

技术装备设计创新方案

◆ 生产工艺技术创新

试生产微细线时，产品品质问题较多。但通过长期探索微细铜线的生产工艺，制定出《微细裸铜线研发方案》，针对铜杆品质、拉丝模、乳化液、引取线速、水槽温度、烘箱温度、退火温度和机组工艺装备的加工精度、装配质量及调试精度等主要技术参数进行探讨和研究，成功研发了一整套具有自主知识产权的微细铜线生产工艺，与传统生产方法相比，可增加达20% 的铜线延伸性能，铜线表面更光亮，铜线使用柔韧性更好。

◆ 水槽技术装备设计创新

(1) 水槽结构

在原设计水槽底部开2个φ20 mm孔，焊接2根长度200 mm不锈钢管子，通过软管与热交换器连接。热交换器的冷进、冷出与水塔管道连接。热交换器内部通道设计为两路即：冷却水通道、需冷却的抗氧化溶剂通道。通过循环泵，将高温抗氧化溶剂从水槽底部抽出，经过热交换器再流入水槽内。冷却水通道，可将热量迅速地带走，而高温抗氧化溶剂通道，则经过板式热交换器进行热交换，不断进行循环，可使水槽内的水温得以降低，且槽内抗氧化溶剂不再流失。

(2) 水温自动循环控制

新设计水温自动循环控制系统。

针对以上生产实际问题，可新增水温自动循环控制系统，即板式交换器、MP-20R型磁力驱动循环泵一台、CH402-FK03型号数显温控仪及电气控制系统。水温自动循环控制系统结构示意图，如图2示。其中数显调节仪：温度范围0~300 ℃，响应时间0.2~2 s，精度1.0，设有上下限调节钮；热电阻：最小外形尺寸为直径φ6 mm×535 mm。

图2 水温自动循环控制系统结构示意图

当温度上升到设定值时，数显调节仪5、6端点输出3~32VDC触发固态继电器使3、4点导通，WK触头闭合，交流接触器线圈得电吸合，主触头闭合，循环泵工作，同时电磁阀线圈也得电打开阀芯，使水槽内的抗氧化水开始循环冷却。在水温降到设定值时，数显调节仪5、6端点输出切断，固态继电器3、4点断开，WK触头断开，接触器及电磁阀线圈同时失电，循环冷却停止。实现水槽温度恒定在设定值范围内。

温度报警(偏差/输入值报警)。

A. 上偏差报警，偏差[测定值(PV)-设定值(SV)]到达报警设定值以上时指示灯发亮，成为警报状态。

B. 下限偏差报警，偏差[测定值(PV)-设定值(SV)]在报警设定值以下时指示灯发亮，成为报警状态。如图3所示。

图3 报警状态

◆ 增设自动计米控制器

在微细铜线导轮处设计新增自动计米控制装置，通过光电开关感应收线状况，再根据导轮脉冲数和导轮直径计算出铜线的参数，该处导轮转一圈为二个脉冲，一旦发生中途断线时，该装置在计米的同时，便立即自动控制停止，可防止打伤铜线。

◆ 增设线轴之间挡板

拉制过程中，一旦微细铜线被拉断，由于收线轴仍有惯性继续旋转，断头线会甩动、鞭打影响到周边的微细铜线收线轴区域，易打伤甚至打断其它微细铜线。对此，可在每两个线轴之间设计新增挡板，能有效地避免铜线之间产生相互影响或干扰。

◆ 组合导轮轮槽设计创新

铝制导轮虽然适于高温状态使用，重量较轻，且成本低廉，但因其表面喷有碳化钨，喷涂不匀时，表面吸附能力差，其硬化层易开裂和脱落，对铜细线的线表质量影响极大。而采用精密陶瓷组合导轮替代原铝制导轮，该组合导轮轮槽部分采用陶瓷环制作，其具有机械强度高，抗冲击性能好，理化性能稳定，耐高温、磨损，抗酸碱、散热性能好，绝缘强度高，产品品质好等优点。

◆ 退火断丝报警装置研发

退火炉加热元件劣化图，如图4所示。

图4 退火炉加热元件劣化图

加热元件出现故障后，需待温度下降后才能发现，导致部分在线产品退火不达标，报修至维修好该设备需耗时约4 h，且产品因无法满足延伸要求而报废，生产成本高，浪费极大。2012年因退火故障总计停机90余次，影响生产累计360 h，影响产量约50 t，由此造成退火延伸不合废线约15 t。而新设计一整套退火控制系统断丝报警装置，当加热元件故障无法工作时，报警系统立即启动示警，故障停机时间可由原4 h缩至1.5 h以内，每年节省检修时间325 h，节约加工费、电费及废线损失共31.5万元。

◆ 防退火管卡线、偏移设计创新

原设计退火管进线处管口易产生卡线、偏移现象。而该公司新研发的一种瓷眼架，超精抛光达Ra0.2，硬度较高，表面光滑，便于定位，铜细线在其表面滑动时，顺畅且无损伤。其优点是简单可靠，操作维修便利，实用性强，生产效率高，劳动强度低，维修成本低廉，可杜绝管口卡线、偏移现象。

◆ 抹干装置设计创新

烘箱抹干装置易挂线时，可设计将托盘长度加长，采取在托盘上加垫海绵和毛巾抹干的方式；空气幕处易断线时，必须立即停开空气幕，在原设计吹风机的基础上，再增设一道吹风机，且增加抹干毛巾即可。

◆ 收线排距设计技术创新

收线排距设计不足时，可设计增开收线排距，同时将其防护罩增宽若干距离。

◆ 引取轮易绞线技术创新

引取轮表面易积聚污垢，粘性大，易造成绞线，宜清洗后用细砂纸拋光；先试用“隔跳”式穿线法，若效果不理想，速度不匹配时，可及时调整变频器的技术参数；而改用张力调节器来调节其电压控制，使用效果好，波动小，收线更平缓，价格更低廉。

实施效果

生产实践证明，通过对该连续退火机组进行技术装备设计创新和运行优化，其生产裸铜细线规格范围可由原φ0.08~0.32 mm拓展为φ0.04~0.5 mm，生产效率高，铜线表面光亮，无氧化和烧伤，延伸率均匀，柔软度好，成本能耗水平高，可进一步升级和优化该公司产品结构，节约设备投资，盘活固定资产，提升市场竞争力，完全能满足国内外客户对高端裸铜细线及超微细线的特殊技术需求，大幅提升了该公司在铜加工行业中的技术领先地位，且该技术填补了多项国内技术空白，推广应用价值高。

[1] 赵大军. 电工用铜线坯典型拉制断线分析. 电线电缆，2009(1)：21

[2] 王震，魏礼华. 光亮圆铜杆拉伸后表面发黑及拉断原因分析和对策. 云南冶金. 2 000，29(3)：33