国内铜板带发展现状与热轧技术的创新方向分析

韩 晨

(中色科技股份有限公司,河南 洛阳 471039)

2021年我国铜及铜合金板带产量为258万t,其中铜板材30万t,铜带材228万t,增幅15.7%,约占全球总产量的60%,从2004年起连续13年位居世界第一位,是名副其实的铜板带生产大国。但同时,在铜加工材总进口量中,铜板带是最大的进口产品类型,这说明国内在高端铜板带产品方面还有较大的市场发展空间和发展潜力,也说明中国在高端铜板带材制造领域的技术优势与核心竞争力还不够强[1]。

从中美贸易战中可以清醒的认识到,国家与国家之间的竞争表面上是军事、经济等方面,但实质上,归根结底还是技术和人才的竞争,尤其是核心技术、创新技术、杀手锏技术的比拼,铜板带行业同样如此。可喜的是,利用中美贸易摩擦,国内企业已经开始重视和把握进口铜板带替代的机遇,发挥技术、品牌和装备优势,在附加值高、科技含量高、有市场容量的铜板带高端产品方面扩大生产和市场占有份额。

1 国内铜板带与国外的差距

近10年来,国内新建铜板带项目充分借鉴和吸收国外先进工艺技术,引进或合作制造国外先进设备。这使得国内部分新建铜板带生产线的工艺流程、设备配置和世界一流铜板带企业如美国奥林黄铜、德国威兰德公司、韩国丰山、日矿金属公司等相媲美甚至在部分设备配置方面更为先进[2,3]。但同时,国内高精铜板带产品在以下几个方面与国外相比还存在一定的差距:

(1)合金品种少,新产品开发能力弱,中低档铜加工产品产能过剩,同质化竞争日趋激烈。国外铜板带先进生产企业一般在传统合金基础上适当调整成份和比例尤其是微合金元素的配比,同时对应调整和熔铸、热轧、冷轧、热处理等工序的具体工艺参数,进而固化出新合金的生产工艺。而国内企业虽然在新产品和合金开发方面一直在努力,但大都采用追随、模仿方式。同时,国内企业的工序流程或工段之间往往存在脱节现象,熔炼、铸造、加热、热轧、冷轧、热处理、清洗、精整和剪切等各工序过于独立化,考核方式、岗位分离设置(研发、工艺、操作、管理)也不利于新合金品种高精带的开发和稳定生产。

(2)高端产品质量及其工艺稳定性不高。高精铜板带产品质量及稳定性主要包括:力学综合性能的提高(如提高强度的同时不降低铜板带的导电性和韧性),高的表面质量(高光洁度且表面不起皮、无擦划伤),尺寸高精确性和稳定性(同一批产品横向厚差、纵向厚差、板型精度的一致性和可控性),较低的残余应力等。生产产品的质量和稳定性不仅与设备配置的先进与否、电气元器件控制精度的高低、工艺和技术参数的匹配度等方面相关,也与生产企业的管理理念和方式方法、制度与执行、员工对企业和岗位的热爱程度与付出等方面密切相关。因而,生产和管理的智能化、自动化、制度化直至无人为因素影响化必然是一种趋势。例如,国外部分生产企业使用配置并不高档的设备和常规生产工艺能够生产出极具竞争力的高精带材产品就是这种因素使然。

(3)产品性价比的可控性能力不足。产品竞争力的高低实质上是在设计、生产和应用时性价比的比较和选择。即使对同一种产品,通过合金成份的微调、生产工艺的优化就能满足不同用户、不同档次制品的需求,这也是一个企业走向成熟的标志。

(4)先进生产技术相对滞后。对于铜合金板带材来说,其发展方向实质上是生产工艺技术的发展趋势。高纯化、微合金化、复合多元铜合金化、材料复合化以及短流程加工技术、复合强化技术、快速凝固技术均已经在国外铜板带生产线上成熟得到应用。

(5)缺少生产过程中的智能制造。虽然国内铜板带生产线具备了设备层级的智能制造基础,但生产管理水平还相对滞后,且不同企业的管理能效水平参差不齐,在生产物流管理方面,大多数企业管理仍处于人工经验式管理状态。通过实施智能制造,可以改变铜板带生产企业以往仅重视现场“纸版工艺卡片”、“现场操作手经验”等生产模式,进而发展为自上而下的全面制造管理过程生产模式,统筹安排企业各类资源,从而快速响应客户个性化需求,提升企业生产、管理、运营的行业竞争力。

(6)缺少高铜合金带材生产关键工艺装备,无法满足关键领域用材的要求。例如国外在生产C18150、C19900等高附加值铜带时,采用了冷粗轧后的高温连续热处理炉进行二次800 ℃以上的固溶处理。在成品热处理前采用专门的镜面轧机提高表面质量和带材表层性能。同时,进行高屈强比的铜带生产时,在面对拉弯矫直机无法满足产品内应力完全释放导致后期加工时因残余应力而带来各种加工和应用问题的技术难题时,采用成品高低辊配置的张力状态下的连续热处理炉来释放内应力,提高板型质量。

(7)产品应用拓展步伐亟待提高。在国外,铜板带材除了在电子电器、交通运输、能源等传统应用领域地位不断巩固外,在可再生能源、水产、抑菌、电力驱动等新兴产业方面也建树颇丰。

2 国内铜板带的发展进步

虽然在多个方面同国外先进铜板带生产企业还存在一定差距,但近10年来,国内新建、改扩建以大中型企业为代表的铜板带生产线将中国铜板带材的产量、产品以及工艺、技术、装备、工程建设水平提升到一个新的高度。国内铜板带材的生产不断进步、发展、创新求变和求强,具体方面包括:

(1)大型的、综合性的、实力较强的铜板带生产企业不断涌现,产品、技术、人才、资源、装备的集中度不断加强,生产线的产能和利用效率不断提升;

(2)中、小型铜板带生产企业在国家淘汰落后、环境保护等政策引导下,工艺设备不断升级换代,生产条件及环境水平不断提高,这进一步促进了国内铜板带行业整体形象和竞争力的提升;

(3)企业和生产线的规划和建设水平不断提高,对铜板带材产品规划和生产的差异化程度进一步提高,有利于企业和整个行业的健康、快速发展;

(4)对铜板带材产品质量影响较大、直接决定产品档次和生产效率的关键设备,如六辊轧机、多辊精轧机、拉弯矫直机、可控气氛连续热处理炉等在以往全机组整体引进的基础上,开始向合作制造、消化吸收、改进创新等方面转变;

(5)铜板带生产企业的产业链不断延伸,通过新建、合并、合作铜板带上游资源企业、下游精深加工以及装备制造企业,降低了市场的风险性并提高了企业生产、运行的稳定性;

(6)人均实物劳动生产率由过去的平均50 t左右提高到平均100～150 t的水平,逐渐向国外最先进铜板带生产企业的200～300 t水平靠近;

(7)逐渐重视铜板带生产过程中的自动化、智能化,借鉴钢铁企业发展模式向智慧工厂方向发展;

(8)对部分生产难度较大的产品多采用国外工艺设备技术包的依赖程度进一步降低。铜板带生产企业在生产实践和经验积累的基础上对新建、改扩建的工程建设、生产线配置、加工装备设计等方面加入了更多的“企业定制”元素。

3 热轧生产线配置特点

在铜板带生产的所有工序中,热轧工序非常重要,起到承上(熔铸)启下(冷轧)的作用。借鉴钢铁和其它有色金属板带材热轧发展现状和趋势来看,铜板带热轧技术的发展将在未来高精铜板带生产领域起到更加重要的作用,引领行业创新发展的方向。

铜热轧是在再结晶温度以上的轧制过程,在这个过程中,铜锭坯一方面在压力作用下变形、加工硬化,另一方面又由于始终处于高温下迅速再结晶而软化。热轧工艺能够焊合铸锭的疏松、缩孔和晶间裂纹等缺陷,对于需要进行固溶热处理的合金如Cu-Be、Cu-Fe-P系等,采用热轧后淬火,满足了将高温相保留到常温。但与冷轧相比,热轧产品的尺寸较难控制,精度、强度等指标相对不高。由于高温下金属容易氧化,产品表面质量不高[4-8]。

通过对国内主要3家铜板带热轧设备厂家近20条现代化铜板带热轧生产线的分析,现代化的铜板带热轧机具有以下配置特点[9,10]:

(1)均为二辊辊系,轧辊直径Φ600～Φ1 000 mm,轧辊单位轧制力一般控制在15 kN/mm左右,机组最高速度为200 m/min。

(2)工艺润滑采用浓度0.5%～1.5%～5%的乳化液,1年更换1～2次。同时,采用盒式冷却,能够减少溅落到铜坯表面的乳液,减少温降。

(3)主传动装置由电动机、减速机、万向联轴器、接轴平衡等设备部件组成。减速机为复合式减速机,可实现对上、下工作辊的单独驱动。

(4)轧机主传动以直流传动为主,直流传动具有道次间隙时间短的优点(可以减少间隙时间1/5～1/3)。但发展趋势也有采用交流传动的方式,交流传动具有的优点包括结构简单,设备重量轻,价格不高,道次间隙时间可与直流电动机传动相媲美,且电控系统非常简单,维护方便。

(5)为降低板带材的跑偏、侧弯、宽向厚差等轧制缺陷,主机架前后均采用对中导尺装置和轧边辊装置,在轧制过程的若干道次进行使用。

(6)采用一些有针对性的工艺措施和设备部件对坯料表面的氧化皮进行去除,例如简易的小压力喷水或喷乳液装置、刷辊装置、简易除鳞箱等。

(7)轧边辊对板坯侧边进行轧制,调节带材的宽度规格,获得宽度均匀、边缘整齐的带材,降低金属的消耗,使板坯对准轧制线。同时,可以在轧制时对带材形成一定的后张力,在使用效果上优于传统的大型立辊轧机。

(8)选用AGC厚控闭环控制系统,并以温度、辊缝及压力监测的数据通过计算机软件进行参数计算处理,以获得精确的厚度公差,使带坯纵向厚度控制在终轧厚度的±0.5%～±1%以内。另外,压下道次的分配都是通过计算机程序来完成,无需通过人工进行每道次的给定操作,减少人为的误操作,有利于稳定热轧工艺。

(9)在热轧机前后配置温度检测装置,将所测得的数据与计算机计算值进行比较,然后调整相关的工艺参数,以保证终轧温度,并实现闭环控制。

(10)机后在线配置开式或闭式的层流冷却水喷淋装置(高位水箱喷淋模式),近距离设置在热轧机出口形成最后一道次的连续轧制和冷却模式,对部分铜合金带材进行高温固溶等热处理。

(11)为实现常温冷卷取,减少热状态下的氧化和擦划伤,在卷取机前设置二次层流冷却装置(高位水箱喷淋或循环水直喷)对部分合金带材进行降温(不适用易发生淬硬现象而影响后续加工的H60、H62等合金板带材)。

(12)采用三辊无芯卷取机进行热温状态下带坯的高速卷取(可达90～100 m/min)和冷状态下带材的低速卷取(20～30 m/min)。

4 国内热轧机发展应用的不足

相比于企业对铜板带生产时后续的、终端的、薄型化生产的加工工艺和设备重视程度来说,国内对铜板带热轧的关注度还不够。目前,国内铜板带热轧生产线的发展还存在以下几方面的不足:

(1)国内铜加工行业过去使用的热轧机曾经从英国戴维公司、法国格立赛公司、意大利米洛等公司引进,目前已经全部国产化,但国产现代化的铜板带热轧机组至今还未实现出口,相比钢铁行业存在差距。

(2)机组的配置基本照搬了国外个别设备厂家的布置形式。国内主要3家铜板带热轧设备厂家的机组力能参数、设备组成、生产线主要部件大同小异。相比几十年前国产热轧机的配置情况,除了电气控制水平的提高外,主要是增加了线内轧边辊、在线固溶装置等。所以,热轧机的工艺配置也应与时俱进,创新求变、求强。

(3)由于热轧机的产能较高,普通大、中型铜板带生产企业的开机率一般在50%以下即可满足生产产能的要求。以锭重每块6～8 t为例(宽度620 mm),生产节奏最快可达到8～10 min/块,常规可控制在12～15 min/块,热轧机产能至少在15 万t/a以上,最高可至30 万t/a以上,如果铸锭宽度达到1 000 mm以上的宽幅热轧机,其产能进一步提高,很多企业利用供电波谷的夜晚时段进行集中生产即可满足产能需求[11]。再加上一般是提供冷轧坯料,因而,企业对热轧的精细化需求和追求远远没有冷精轧、精整等工序那样具体、细致。

5 铜热轧技术的创新

我国钢铁板带材的生产线建设和加工设备的发展经过了4个阶段:国外钢企在国内的建厂→工艺装备的引进→部分设备的消化吸收→改进和创新。国内铜、铝、钛等有色金属板带材的工艺设备发展同样也经历了4个阶段:借用钢铁板带设备进行小规模和辅助性生产→加工技术和设备的引进→部分工艺设备的国产化→借鉴钢铁生产模式改进有色金属加工。

以上发展模式也就决定了在钢铁和铜、铝、钛等有色金属板带材轧制生产领域,国内至今无法研制开发出具有世界引领作用或垄断性质的先进技术和加工设备。一些工艺性较强的高精尖设备如多辊精轧机,气垫式连续退火炉,表面涂镀层和表面处理生产线,连铸连轧等短流程生产线目前仍受制于国外技术和冶金商。

节能、环保、提高产品质量和成品率、增加品种、降低生产成本、降低建设投资、提高经济效益、实现生产过程的连续化、自动化、智能化、精细化等是铜板带技术创新的重要方向和目标[12]。生产方法的变革和生产设备的更新在铜板带生产中占有突出地位。在热轧技术方面,应向满足优质、高效、低能耗、环保等目标方向发展。为提高热轧带坯的生产效率,一般确定轧制工艺时,选用少的轧制道次及大的道次压下量,但必须在铜合金高温塑性及热轧设备能力允许的前提下,同时根据合金品种、铸锭质量、加热温度及热轧辊与锭坯的表面状况,以锭坯能顺利咬入和热轧带坯符合后续工序的质量、性能、尺寸要求,作为优化热轧轧制工艺的原则。

5.1 理论和技术创新

工艺的需求决定了热轧机组配置和生产线的布置。热轧薄型化、组织和力学性能的在线控制与反馈闭环控制、控制轧制和控制冷却技术理论与实践相结合,推动工艺参数的合理性和精准化、热轧产品的多样化和低成本化均是铜热轧理论的创新和发展方向。

与钢铁行业相比,铜板带材行业还存在合金品种少、应用领域基本固定的特点。根据统计,应用铜及其合金材主要性能的占比[13]:导电性64%,耐蚀性23%,结构强度12%,装饰性1%。

因此,从本质上看,钢铁多用作结构材料,一般其强度指标为第一需求,而铜多用于功能材料,一般其导电性指标为第一指标,其次才为耐腐蚀、导热等性能。这也是铜合金微合金化种类较少的重要原因之一,添加微合金提高强度的同时一般会降低其导电、耐腐蚀性能等。而钢铁微合金化后通过固溶强化、沉淀强化、弥散强化等手段可以有效提高钢材的强度及其它性能。控轧控冷技术除了在第二相的控制方面成效显著外,最主要是能够得到不同的热轧态组织,而组织决定了产品的最终性能。

另外,调整传统合金配比,以廉价微合金元素代替昂贵微合金元素也是目前铜加工企业降本增效的重要途径,很多国家级的课题均将关注点集中于此。例如,常规使用的铁-磷类引线框架铜合金,当加入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,以保证合金元素的充分合金化,减少合金元素的残留(P对于电导率的影响较大)。但是,在实际生产时,相同配比的合金元素生产出的产品性能却出现差异较大甚至是部分性能指标不稳定的情况,微观金相组织检验发现,存在合金元素的分布不均匀,粒子尺寸和形貌不规则,以及第二相未完全固溶形成了残留即类似于夹杂物的不利影响等原因。

未完全固溶、未形成弥散分布的小颗粒的Fe相,不仅不能起到固溶强化的作用,而且类似于夹杂物,恶化了铜产品的力学性能。究其原因,其一是合金元素配比与加工工艺不搭配;其二是在熔炼铸造时,液态合金金属在直冷过程中工艺参数尤其是冷却速度控制不当;其三是在制定热轧工艺尤其是加热、热轧温度时,未考虑Fe、P金属在Fe2P、Fe3P比例不同时在铜基体中的固溶温度,仅仅将温度控制在再结晶温度以上或者是轧制热塑性范围区内,以终轧温度的保证值和轧制温降来简单倒推出加热和开轧温度。

薄型化热轧是金属加工领域的另外一个重要方向,钢铁领域已应用成熟。国内铜热轧生产工艺源自和借鉴国外,但因国外企业在产能、市场应用等方面的原因,热轧薄型化的研发动力不足,需要国内企业进行自主研发。

热轧薄型化能够充分利用热轧机的加工能力及产能富裕,将更多压缩比设置在热轧工段,有效降低能耗和冷轧负荷,减少冷轧时的退火次数。

对于铜板带来说,目前热轧成品厚度一般控制在13～16 mm(国内热轧机设计时一般最薄按7 mm,而国外按4 mm),而钢铁热轧坯料一般在2～4 mm,铝板带的连铸连轧坯及热轧坯料一般为3～8 mm。究其原因,铜热轧相比铝热轧温度较高(开轧温度一般650～950 ℃),氧化速度快,而且其氧化膜是无法像铝氧化膜那样可以阻止氧化程度的进一步加深。钢铁热轧多为高速连轧和卷轧,轧制时间较短,氧化皮在一次高压除鳞和二次除鳞的情况下,温降不大,而且最重要的是其氧化层对结构材料(强度为主)的使用影响甚微,而无张力状态下的铜热轧最终产品大多作为导电等功能材料使用,因而两者是无法相提并论的。因而,对于铜热轧薄型化来说,创新面临的挑战主要有以下几个方面,其对策、建议参考如下:

(1)高微合金化铜合金热轧最低减薄至3～4 mm,必须在终轧温度的保证方面做出创新设计,其一是不降低卷重的情况下需进行高速轧制,由目前轧制最高速度约150～180 m/min的情况下进一步提高(钢铁热轧最高速度已实现500 m/mim以上);其二是在热轧机上增设保温罩(国外已有先例)、卷曲炉等方式。

(2)无论是减薄热轧还是对应的高速轧制,这在无张力情况下是难以实现的,要面临诸如跑偏、抛料距离大、头尾温差大等难题。无论是钢铁行业还是国外铜板带加工行业,已有将热轧和冷粗轧布置在同一台轧机上进行生产的先例,这不失为一种可选的模式(机组可具备卷取和张力轧制)。

(3)厚规格坯料的咬入和成品最小厚度的矛盾关系。国内铜热轧基本都为二辊辊系(对坯料咬入有利而对轧薄不利),而法国、日本均有采用四辊辊系的铜板带热轧机,能够有效满足铜板带的热轧减薄。

另外,在钢铁热轧工程领域,对产品组织性能的在线控制已经非常成熟、可靠,这对于生产的智能化控制、动态控制、新产品的研制开发和生产成本的控制均大有益处。而目前有色金属行业热轧均未实现热轧组织性能的闭环和在线控制。

控轧控冷技术的在线动态控制核心是金相组织类别的分辨和控制调整,第二相粒子的类型和尺寸以及分布方式,产品性能参数的在线监测及反馈等。而目前铜板带的热轧仅仅是实现了初始模型轧制,距离动态控制轧制模式还很远,缺少在线动态再结晶、应变诱导再结晶及轧制间隙的温度动态再结晶、静态再结晶理论基础和轧制模型。

5.2 生产和工艺创新

首先,在节能降耗客观要求和降低生产成本的需求下,减少热轧道次已经受到各个生产企业的重视,对于厚度在200 mm左右的半连续铸造铸锭来说,以往的老式热轧机一般通过轧制13～15个道次减薄至15 mm左右,目前现代化的热轧机对于紫、黄铜可实现7～9个道次完成轧制,而高铜合金如C70250常规在9个道次左右。

低温大压下技术是铜板带热轧的重要发展方向,其优点包括[14]:减少轧制道次;温度控制较低能够减少能耗和降低生产成本;低温大压下实现的细晶强化在提高产品强度的同时能够改善其韧性和抗软化温度,降低残余应力;充分破碎金属晶粒进而使高温再结晶和应变诱导再结晶结合紧密;能够减少铜带坯表面的氧化皮厚度和废渣量,提高产品的成品率;低温热轧能够提高板带材的尺寸精度和表面质量。

实际生产过程中,往往采取前两个道次减少压下量和轧制速度以顺利咬入并减少抛料距离、中间道次逐渐增加道次压下量并提高轧制速度、最后道次采取减少压下量以保证板型。但是结合部分企业的实际生产情况,在开轧温度适当降低的前提下,提高前两个道次的压下率(由传统的10%左右提高到20%以上),将变形热增加量提高至坯料道次温降热量以上,这有利于开轧尽快破碎再结晶晶粒,同时焊合铸态组织的缺陷,提高板坯的变形能力和性能均匀性。而最后一个道次由于和高温固溶处理等控制冷却工艺同步进行,因而轧制速度由冷却工艺所需来进行。中间道次速度应尽可能提高,而压下率应以保证大压下、破碎晶粒、补偿温降、控制组织为前提。对于高铜合金,在完成冷却后,适当增加1个道次冷态微小变形量,能够改善带坯表面氧化层的破碎和面层金属的活性,有利于后续中间退火之间冷轧总压下率的提高,这在钢铁行业和国外铜板带生产企业中已得到验证。

层流冷却具有在线固溶处理、强制冷却的功能,对热轧铜板带的金相组织和各种机械性能起着决定性的作用。应根据组织性能要求,选择所需的冷却曲线,对铜板带的温度进行动态控制。高温固溶处理功能的层流冷却装置一般分为6～10段,粗调4～6段,精调2～4段,但由于一些企业层流冷却不具备精调功能,大都采用按“要开全开、要闭全闭”的模式,这实际上就是一种粗放式的生产方式。

二辊辊系的热轧机,其上、下辊一般为分别控制(可存在速度差)[15]。以往国外同步热轧机多采用上轧辊的辊直径比下轧辊大1～2 mm,其目的就是为了使得板带坯轧制时不出现“翘头”现象。

而上、下轧辊分别控制的优点是控制更灵活,不仅不会出现“翘头”,而且避免带头下勾所带来的冲击辊道和轧辊平衡。因而,必须在生产过程中,灵活使用这些小诀窍,才能在精细化生产方面做得更好。

同时,由于上、下辊的异步轧制,可以形成“搓轧”模式,这非常有利于铜板带坯表面氧化皮的破碎,同时改善金属表面的活性,有利于后续冷轧总加工率的提高和冲压制品“凸耳”率即各向异性程度的降低。

国外也有生产企业采用热轧第一道次微压后完全破碎表面一次氧化皮,去除干净后再进行常规轧制(生产过程多耗时不足30 s),可有效避免氧化皮的压入基体,提高热轧带坯的表面质量。

5.3 设备设计和配置创新

热轧生产线配置创新的首要任务是贴近生产实际所需、满足工艺技术要求、降低生产成本、节能环保和减少环境污染。热轧设备设计和生产线配置的创新需求主要有以下几点:

(1)降低生产成本,提高成品率。对于铜板带热轧生产来说,提高产品成品率、降低加工成本、提高产品竞争力是目前最直接、最有效的有3个关键课题。

其一,“舌型”料头和料尾长度的减小、可控。以宽度620 mm,厚度230 mm,长度为8 000 mm的铜铸锭举例,其成品按轧制到厚度为15 mm,宽展后的带坯宽度为655 mm左右,热轧成品带坯长度约116 m。按“舌型”料头和料尾的长度各为300～500 mm考虑,如果能够控制其宽度等形状和带坯本体一致,可提高热轧成品率0.8%左右,以热轧铜板带年产量10万t计,可实现800 t以上额外成品的获得,经济效益显著。

从设备设计考虑,除了机组的装机水平和控制能力以及具体生产工艺可一定程度降低“舌型”外,可借鉴和采用钢铁领域的“狗骨”状立辊,通过对铜锭坯边部形状进行大压下量轧制(减薄和改型)进而使金属流动方向发生变化,可弥补头、尾部形状的不规则,将“舌型”一定程度消除。

铜热轧生产线的边部轧制厚度一般为2～4 mm,轧制力为250～500 kN,一般采用带有花纹状小直径平辊或一定的锥度(约15°)的小立辊。如果要改变目前立辊设计,可采用的布置方法有两种:在线外单独设计立辊轧机,立辊采用“狗骨”造型,同时将轧制力提高到2 000 kN以上;不改变机后轧边辊目前的设计,只将机前轧边辊设计为“狗骨”造型。

其二,侧弯和边部质量的控制。目前,热轧铜带坯的侧弯及边部质量对于成品率的影响较大,以带坯宽度658 mm举例,如果侧铣从单边4 mm降低到1 mm,其成品率约可提高1%左右,经济收益甚至高于不剪切“舌型”料头和料尾。

边部质量的提高主要是要控制热轧铜板带的侧弯程度,不像钢铁和铝板带可以在轧薄后进行成卷、张力轧制可有效控制侧弯。侧弯原因包括轧机两端的刚度差、铸锭宽度方向上的温度不均等[16]。如果是轧辊辊型所导致,可以将上工作辊磨成一定的负凸度。另外,轧机前后的对中导尺不对中对侧弯的影响非常大,如果前后导尺对中偏差方向相反,侧弯更难确定,此时使用轧辊倾斜反而会增加侧弯程度。

在以往国外进口铜热轧机的配置上,部分钢铁热轧、铝板带热轧机均采用锥形辊道,即“中间细、两端粗”的运输辊道,由于坯料自重的原因,这能够有效降低铜板带跑偏所带来的侧弯。

其三,表面质量的提高。铜热轧时的氧化皮如果压合到铜基体中且后续去除不彻底,对导电用途的铜制品影响非常严重[17]。由于炉生一次氧化皮和热轧过程中的二次氧化皮只可能一定程度的降低而无法从根源上避免,因而,热轧时将氧化皮完全去除,进而减少后续双面铣削的深度就能够有效提高铜板带的成品率。对于目前铜热轧生产线配置来说,均未实现如钢铁热轧线氧化皮完全去除的效果,这也是冶金设备厂家和生产企业所头疼的难题之一,如铜精轧过程中由于带材除油效果不理想而导致轧制速度无法有效提高进而降低了设备产能的世界性难题。

对于一次炉生氧化皮,采用的方式只能是小流量、高打击力的高压液体喷射,而难题是破碎后的铜锭坯上表面氧化皮无法像钢铁热轧那样利用大流量的高压水进行冲走,而目前采用空气吹扫、钢刷去除、机械去除等方式均不够理想,开发出适用的专用除鳞箱势在必行,除鳞箱内吹扫并结合拖链的拖拉作用。

目前,设备设计和生产企业对于炉生一次氧化皮的去除较重视,而没有任何一家对二次氧化皮采取有效去除的措施,这也是笔者在3家生产企业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匀,导致一次大深度铣削后还无法完全消除进而采用二次铣削(仅仅是局部氧化皮会带来更多的金属损失率),以及在双面铣削机、冷粗轧机生产线上设置刷磨、人工打磨等工段进行局部去除双面铣未清除干净的、不均匀分布的氧化缺陷点,不仅降低设备运行速度,而且产生的打磨粉尘产生职业病危害。

二次氧化皮在特钢行业采用的是机架内压力在18～22 MPa的小流量、大打击力乳液或水的喷射去除,同时单独设计小压力的抑尘水或者二者的作用合二为一,这值得铜热轧设备设计和生产企业进行借鉴。

(2)功能更完善,更有工艺所需的针对性,控制精度更高。其一,作为结构材料的板材更多的出现在铜热轧生产线的产品方案中,目前常规布置的热轧机配置并不能满足其生产工艺。要解决板材和带材的共线生产问题,可采用地下卷取机布置模式(将卷取机布置在层流冷却和后部板材精整剪切处理线之间的地面以下),再利用可摆动辊道将热轧板材从其上通过。同时,热轧机应配置在线七辊～十三辊热矫直机,以保证成品板材的板型。而对热轧后长规格板材的中断和剪切,目前在铜热轧线上还没有很好的解决。第一,如果采用锯切机,生产效率较低,热锯切的精度也较低;第二,在剪切设备的布置方面现有生产线改造难度较大。笔者根据以往钢铁热轧和稀有金属热轧生产线布置的经验,对于现有生产线的改造,可以将板材剪切设备布置在轧机入口辊道的尾端,适当延长辊道后再增设板材下料装置;而对于新建生产线,可将板材剪切线布置在热轧机机后的卷取机后方(也可以是前方),中间采用过渡辊道运输。同时,应配置简易的冷床装置进行缓冷,例如一些含锌的铜合金热轧板坯不适合进行水喷淋直冷,也可实现不同的空冷速度进而控制热轧板的组织与性能。借鉴采用钢铁行业的大型定尺剪是未来铜板带热轧机配置的方向,其剪切厚度、剪切精度、剪切效率均很高。

其二,在层流冷却装置的前后均设置空气吹扫装置非常重要,在热轧后以及固溶热处理后将带坯表面的残留水层和水分完全吹扫干净,这有利于热轧过程中控温精度的提高及反馈闭环控制,对于精准化热轧来说,以上起到了关键作用。在设置空气吹扫装置时,必须设计为可移动式或者可倾翻式,这主要是考虑到带材翘头、中间凸起严重等发生生产事故时避免对设备部件的冲击和损坏。

其三,在高温固溶层流冷却段除了上、下面的喷淋水外,设置压力0.5～1.0 MPa的侧喷水对于工艺条件的满足更有针对性,能够加速带材上表面水流的速度,完全去除水气泡,固溶和冷却效果更加均匀。目前很多生产线均未进行该项设置,原因之一是需要单独加压泵或者是缺少单独的侧喷水系统,依靠高位水箱达不到工艺要求的压力控制,高位水箱的喷淋水压力一般为0.03～0.05 MPa。

其四,随着目前铜合金品种的增多和热轧产品的多规格化、多状态化、多性能化,在热轧生产线上适当增设在线辊道炉或保温罩是很有必要的[18],国外有2～3家铜热轧生产线采用了该模式开发、生产热轧温度范围较窄的新型铜合金尤其是大卷重的高铜合金品种,而在钢铁(不锈钢、微合金钢、高强度低合金钢)、钛、钨、钼及镁合金板带生产应用领域该布置结构也非常普遍。

5.4 热轧工程设计创新

除了工艺设计外(产品方案、工序流程、设备选型、机组配置),热轧生产线的工程设计主要是为热轧机提供生产场所(车间)和设备基础,满足供水排水、供电、供气的需要以及废气、废渣、废水的处理或达标排放。

(1)车间的通风、空调应严格根据热轧车间热物料的散热量来进行计算,以保证目前车间环境、职业健康、工人操作条件等越来越高的要求。

(2)随着向高质量发展方向的创新不断深入,借鉴其他金属生产的模式及国外铜加工企业建设模式,紧凑式布置越来越受到重视,车间内每一寸土地均规划好,规划清楚后再开工建设已经成为行业共识。由于热轧生产线本体辅助设施和公辅辅助设施均较多,紧凑式布置不仅能够节省车间面积而且减少电、气、液的压力损失,同时节省中间配管长度。

(3)氧化皮的收集。在机架地坑和机前一次除氧化皮装置地坑的适当高度设置单层、多层的过滤网,将大尺寸和大颗粒的氧化皮先行过滤,然后相对干净的热轧乳液再进行回流、循环、过滤、再利用是一种较好的工程设计模式。

(4)泵站、废液站、稀油站的地坑、地下室等基础的布置和设计时,必须根据最新的、相应的国家强制性标准或者规范进行严格执行。

(5)利用过渡辊道将热轧机尾部和双面铣串联起来是目前的一种“复古”式布置方式,生产更加灵活,一定程度上可提高生产效率并短流程和节能化。

6 结束语

国内铜板带行业近年来发展迅速,取得了令人瞩目的成绩,但与国外先进铜板带生产企业还存在一定的差距,主要体现在合金品种少,高端产品质量的稳定性不高,以及原创性生产工艺技术和关键专用设备的缺失等方面,这也是国内铜板带发展的方向。

对于铜板带生产的关键热轧技术,应从理论和技术,生产和工艺,设备设计制造,生产线配置和工程设计等方面进行不断创新,进而提高生产效率和成品率,减少能源消耗,降低生产成本,同时也有利于促进新产品的研制开发。