前置式在線中間退火工藝及其拉絲機(jī)

韓富生

(天津 300070)

0 引言

有色金屬線材產(chǎn)品通常是用冷拉工藝生產(chǎn)出來(lái)的，此過(guò)程會(huì)產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，通過(guò)采用加熱處理(確切地講是回復(fù)與再結(jié)晶，以下簡(jiǎn)稱退火)的方法消除此現(xiàn)象。目前，電線電纜生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)論是中間退火還是成品退火，通常都采用后置式電阻式大電流成品在線退火(以下簡(jiǎn)稱成品退火)。但是，此工藝也存在諸多弊端，尤其是用于在線中間退火過(guò)程(以下簡(jiǎn)稱中間退火)更是放大了這些弊端。針對(duì)這些不足，本文介紹了全新的中間退火工藝和中間退火拉絲機(jī)——前置式在線中間退火拉絲機(jī)，并論述了該工藝和設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于微細(xì)線及鋁基線材的在線中間退火。

1 成品退火

1.1 概念

在線成品退火的作用是使成品的晶格組織處于軟態(tài)，不管加工過(guò)程中是何種狀態(tài)，但這種成品退火只是目前有色金屬線材熱處理操作中很少的部分，多數(shù)用在電線電纜用導(dǎo)體。

1.2 工藝過(guò)程

有色金屬線材冷拉行業(yè)目前最常用的在線退火裝置，是與拉絲機(jī)配套的后置式大電流連續(xù)退火裝置。它是在拉絲機(jī)主機(jī)和收線機(jī)之間，嵌入一套大電流退火裝置，對(duì)冷拉后的有色金屬線材成品進(jìn)行在線退火，其工藝流程如下:放線→拉絲N道→(預(yù)熱+氣體保護(hù)+退火+水冷+吹干+張力控制)→排線+收線。

1.3 不足

該工藝雖然克服了傳統(tǒng)的間歇式罐爐退火工藝的缺點(diǎn)，完成了在線連續(xù)退火，但是也存在諸多不足:

(1)拉絲速度越快，退火電流、電壓相對(duì)越高，附加的冷卻水和保護(hù)性氣體的流量就越大，使得其熱損失加大，能耗提高;

(2)由于采用大電流電阻式接觸退火，導(dǎo)輪即是電極，影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)很難對(duì)微細(xì)線進(jìn)行退火處理;

(3)由于線材經(jīng)水冷后直接作為成品，附加的冷卻水和壓縮空氣吹干工序，使工序?qū)哟胃?、設(shè)備更復(fù)雜、造價(jià)更高;

(4)不利于后續(xù)工序的放線;

(5)不適于低熔點(diǎn)或低強(qiáng)度的金屬材料，如鋁及鋁合金、鋁復(fù)合材料的退火。

總之，在線成品大電流連續(xù)退火的設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)和使用維護(hù)成本高及其自身的屬性，嚴(yán)重制約了其在有色金屬線材生產(chǎn)過(guò)程中的廣泛應(yīng)用。

2 后置式在線連續(xù)中間退火

2.1 中間退火

中間退火的目的是解決冷拉過(guò)程中的冷作硬化現(xiàn)象的，是兩個(gè)冷拉階段之間的在線退火，并未規(guī)定中間退火是在前一階段拉伸之后還是后一階段拉伸之前，其作用是為下一個(gè)冷拉過(guò)程或成品加工過(guò)程進(jìn)行的軟態(tài)晶格組織所準(zhǔn)備的，并不要求本次冷拉結(jié)束產(chǎn)品必須是軟態(tài)。相比而言，在線中間退火比在線成品退火對(duì)退火后晶格組織狀態(tài)的要求相對(duì)低一些。在漆包繞組線的生產(chǎn)領(lǐng)域所有拉絲過(guò)程中的熱處理操作，都屬于中間退火，甚至?xí)貜?fù)幾次這種操作。

從通常的8.0mm銅桿到線材成品尺寸，其壓縮率通常是(90% ～95%)n，在全部冷拉加工過(guò)程中往往需要n次中間退火，中間退火在全部冷拉過(guò)程的工藝路線安排通常是:大拉→退火→中拉→退火→小拉→退火→細(xì)拉→退火→微拉。

2.2 后置式在線中間退火

目前通常采用上述成品退火的方法，其工藝路線如下:大拉+退火→中拉+退火→小拉+退火→細(xì)拉→微拉。

這種退火工藝路線安排，存在以下缺點(diǎn):(1)中間退火放在前一階段拉伸之后而非后一階段拉伸之前，用成品退火代替中間退火顯然是不合理的，其結(jié)果保留了上述成品退火的不足，并且將這些不足更加放大和凸顯，使在線成品退火工藝尚未在線纜行業(yè)全面普及;(2)由于后置式中間退火裝置自身的缺點(diǎn)所決定的，其很難對(duì)0.10mm以下的微細(xì)線及低熔點(diǎn)、低強(qiáng)度材料進(jìn)行退火。

3 前置式在線中間退火工藝路線及裝置

3.1 工藝原理

根據(jù)中間退火的概念，從中間退火的作用入手，突破目前解決此問(wèn)題的思維定勢(shì)，換一個(gè)角度審視中間退火這一問(wèn)題，我們可以對(duì)冷拉過(guò)程和退火過(guò)程進(jìn)行重新組合，創(chuàng)造出一種全新的、與現(xiàn)行的在線成品退火完全不同、專門(mén)用于并能夠完全代替其進(jìn)行在線中間退火的工藝路線。

此全新的在線中間退火工藝路線安排如下:大拉→退火+中拉→退火+小拉→退火+細(xì)拉→退火+微拉。

每個(gè)獨(dú)立加工單元的工藝過(guò)程設(shè)置為:放線→在線中間退火→冷拉N道→收線。

因?yàn)橥嘶鹗窃诶烨斑M(jìn)行，所以也稱為前置式在線中間退火工藝。

3.2 前置在線中間退火拉絲機(jī)

總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，退火裝置21傾斜安裝于拉絲機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上方，目的是為了減少占地面積，節(jié)約使用空間。當(dāng)前置式中間連續(xù)退火裝置較長(zhǎng)時(shí)，也可垂直安裝于放線架與拉絲機(jī)之間。

圖1 預(yù)熱/退火前置式拉絲機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)線材直徑較細(xì)時(shí)，所需退火溫度較低、退火時(shí)間較短，可以省略預(yù)熱階段，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。與圖1不同的是，放線盤(pán)的位置放到了退火裝置的另一側(cè)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

圖2 退火前置式拉絲機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 特點(diǎn)

(1)退火時(shí)間長(zhǎng)。在線連續(xù)中間退火工藝使退火工序后移，在拉絲生產(chǎn)過(guò)程中同一直徑規(guī)格后續(xù)工序的放線速度往往是前道工序收線速度的十幾分之一甚至是幾十分之一，退火時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)得到充分體現(xiàn)，達(dá)到同樣的退火效果，退火溫度可以降低很多，極大地緩解了退火工序的壓力。

(2)加熱溫度低。退火時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，使退火溫度的要求也相應(yīng)降低，最直接的效果是帶來(lái)了加熱方式的革命，沒(méi)有必要再采用電阻式大電流加熱，普通的介質(zhì)中電加熱即可滿足退火要求。

(3)無(wú)張力要求。因?yàn)樵诰€連續(xù)中間退火所涉及技術(shù)方案是熱處理在放線和拉制之間進(jìn)行，熱處理后的金屬線材還要進(jìn)行拉拔，拉絲工藝對(duì)進(jìn)線尺寸的要求不嚴(yán)格，所以對(duì)張力控制沒(méi)有任何要求。

(4)易于放線。有色金屬導(dǎo)體( 0.80mm以下)經(jīng)成品退火后不可避免地被卷繞在線盤(pán)上。當(dāng)成品退火比較充分時(shí)，如伸長(zhǎng)率大于30%時(shí)，后續(xù)拉伸工序的放線比較困難，有時(shí)不得不降低后續(xù)工序的拉伸速度，或嚴(yán)格控制本道工序的退火程度，規(guī)定伸長(zhǎng)率控制在25%左右，使本道退火不充分，金屬材料的晶格組織回復(fù)不徹底、不充分，對(duì)中、細(xì)線尤為如此。而對(duì)于在線連續(xù)中間退火工藝，由于放線時(shí)是硬線，則不存在放線問(wèn)題。

(5)設(shè)備簡(jiǎn)單。在線連續(xù)中間退火工藝在功能上對(duì)在線連續(xù)退火問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化:因退火后的線材還需立即連續(xù)冷拉加工，不需深度水冷，只要線材表面在空氣環(huán)境不立即氧化即可，減少了冷卻水的流量;同時(shí)由于不存在線材成品帶水氧化問(wèn)題，所以去掉了壓縮空氣吹干工序;另外在線連續(xù)中間退火的水封裝置自身能夠產(chǎn)生少量水蒸氣，可以滿足線材退火時(shí)氣體保護(hù)的需要，排除了外接保護(hù)性氣體的需求，簡(jiǎn)化了工藝流程，去掉了不必要的工藝裝備。

另外導(dǎo)輪不要求具有電極的功能，因此可采用輕質(zhì)材料(如鋁合金或膠木材料)，或也可以采用非導(dǎo)電的、耐磨的非金屬材料;所以根本不存在或徹底解決了大電流電阻式退火中線材打火和因退火環(huán)磨損造成的線材表面損傷和碳刷、集電環(huán)的使用壽命的問(wèn)題。

此外也徹底解決另一問(wèn)題:大電流電阻式退火中因線材和接觸輪都有較大電流通過(guò)，故設(shè)備須有安全可靠的保護(hù)措施。

3.4 提高漆包線成品的綜合質(zhì)量

除上述優(yōu)點(diǎn)外，前置式在線連續(xù)中間退火工藝還能夠降低后續(xù)成品加工的難度，全面提高最終產(chǎn)品的整體質(zhì)量，現(xiàn)以漆包線生產(chǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明。

使用硬化程度較高的線材進(jìn)行漆包線生產(chǎn)時(shí)，為使漆包線成品質(zhì)量達(dá)到用戶的要求，目前采用加長(zhǎng)漆包線生產(chǎn)階段的退火爐長(zhǎng)度的方法來(lái)滿足部分需要，這對(duì)于硬化程度不是很高的線材可以起作用;但對(duì)于硬化程度很高的線材在中、高速(如DV＞40)漆包機(jī)上生產(chǎn)卻難以起作用。目前中、高速漆包生產(chǎn)線必須采用軟銅線生產(chǎn)就是一個(gè)很好的證明。而應(yīng)用前置式中間退火工藝可以始終將壓縮率控制在一定程度，同時(shí)退火時(shí)間相對(duì)于成品退火的延長(zhǎng)，為降低漆包線生產(chǎn)過(guò)程中退火溫度、縮短退火爐長(zhǎng)度、降低漆包線生產(chǎn)過(guò)程難度提供了可能;同時(shí)也提高了漆包線成品的柔韌度，不但可以滿足客戶高速繞制線圈的需要，使繞制出的線圈不會(huì)出現(xiàn)回彈膨脹的現(xiàn)象，還降低了線圈繞制工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也不會(huì)對(duì)其它產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)，由于線材柔軟度的改善，使漆膜能夠更好地附著在線材表面，使漆膜附著力和其它綜合性能更好。

以生產(chǎn)QA-1 0.04mm漆包線為例: 8.0mm軟桿拉拔至 0.04mm， 1.0mm和0.21mm中間退火，漆包線退火爐長(zhǎng)3 m，漆包線生產(chǎn)速度900 m/min，QA-1 0.04mm的伸長(zhǎng)率大于20%。以生產(chǎn)QA-1 0.10mm為例，0.63mm進(jìn)行中間退火，拉絲退火爐長(zhǎng)度:預(yù)熱3 m+退火3 m，拉絲退火溫度600℃，退火后伸長(zhǎng)率達(dá)到30%以上，在漆包工藝不變的前提下，漆包線的伸長(zhǎng)率不變，回彈角下降5°。

另外還縮短了臥式漆包機(jī)退火爐的長(zhǎng)度。根據(jù)材料力學(xué)公式撓(垂)度f(wàn)正比于退火爐長(zhǎng)L4，也就是說(shuō)退火爐每縮短一半，線材在退火管內(nèi)的垂度將減少1/16，線材在高溫軟態(tài)下，其表面與退火管壁接觸發(fā)生摩擦而磨傷的現(xiàn)象將大大減輕。磨傷的線材表面不但影響漆包線的外觀質(zhì)量，同時(shí)磨傷處產(chǎn)生的毛刺也對(duì)此后漆包線在使用過(guò)程中造成隱患，可能會(huì)因此導(dǎo)致放電擊穿。因此拉伸過(guò)程采用中間退火，可以從縮短漆包機(jī)退火爐長(zhǎng)度中得到補(bǔ)償，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 具體應(yīng)用

4.1 微細(xì)線在線中間退火

(1)技術(shù)現(xiàn)狀

微細(xì)線橫截面積很小，對(duì)各種影響因素非常敏感，而成品運(yùn)行速度很快，在線成品退火工藝溫度與理論溫度之間差值較大，存在較大的過(guò)熱度。另外后置式大電流電阻式退火中自身存在的線材打火和因退火環(huán)磨損造成的線材表面損傷和退火線材的張力控制等系統(tǒng)性問(wèn)題，使微細(xì)銅線(0.10mm以下)的在線中間退火一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)，始終處于一個(gè)空白狀態(tài)。而極微細(xì)線的冷拉工藝又非常需要軟態(tài)原材料的配合，因?yàn)檐洃B(tài)材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間存在差值，這就保證了軟態(tài)材料的冷拉過(guò)程更容易實(shí)現(xiàn)。硬態(tài)材料的屈服強(qiáng)度更接近于抗拉強(qiáng)度，甚至沒(méi)有屈服強(qiáng)度，如硬態(tài)銅的抗拉強(qiáng)度幾乎是軟態(tài)銅屈服強(qiáng)度的2倍，材料在冷拉過(guò)程中極易發(fā)生脆斷。極微細(xì)線的加工已接近拉拔加工極限，若沒(méi)有軟態(tài)材料的配合很難連續(xù)實(shí)現(xiàn)。因此極微細(xì)銅線(0.025mm及以下)的拉制又急需在線中間退火工藝的支持。

(2)特別適用于微細(xì)線在線中間退火

前置式中間退火工藝由于放線速度慢，退火溫度過(guò)熱度很小，且電加熱的溫度控制精度很高，運(yùn)行中溫差值不大于±1℃，因此不會(huì)因?yàn)闇囟仍蛟斐蓴嗑€。同時(shí)該工藝裝置中的導(dǎo)輪速度較慢，都是被動(dòng)導(dǎo)輪且無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是材質(zhì)都能保證其極其輕滑，因機(jī)械傳動(dòng)造成斷線的幾率極低。另外，此工藝是一種非常成熟的工藝，不會(huì)產(chǎn)生其它質(zhì)量問(wèn)題。

例如直徑0.02mm極微細(xì)線的冷拉過(guò)程，其拉伸過(guò)程中是否斷線與每道次的軟硬程度及壓縮率有關(guān)。若以0.20mm軟態(tài)線材直接拉制，其橫截面的總壓縮率達(dá)99%，拉伸至0.04～0.02mm階段時(shí)，其總壓縮率達(dá)到96%以上，其抗拉強(qiáng)度接近38 kg/mm2，拉伸過(guò)程中很容易斷線，使裸線的滿盤(pán)率降低，并降低生產(chǎn)效率。若以0.04mm線材進(jìn)行中間退火，線材由軟態(tài)直接拉制，其屈服強(qiáng)度不到21 kg/mm2，即使拉伸到0.02mm，其總壓縮率也只有75%，在其它情況相同的條件下，每道次壓縮率雖然是其拉制過(guò)程中是否斷線的主要原因，但其關(guān)聯(lián)程度已降低很多，也降低了配模的難度，保證了極微細(xì)線冷拉加工過(guò)程的連續(xù)順利完成。以拉制0.025mm銅線為例，從 8mm軟桿開(kāi)始拉制，1.0mm和0.21mm兩次中間退火，拉絲退火爐長(zhǎng)2.5 m，280℃左右可對(duì)0.05mm銅線的進(jìn)線成功進(jìn)行完全退火。

4.2 鋁及鋁合金、鋁復(fù)合材料在線中間退火

(1)技術(shù)現(xiàn)狀

鋁及鋁合金因熔點(diǎn)和強(qiáng)度都比較低，故此前拉伸過(guò)程沒(méi)有單線在線連續(xù)退火工藝。中間退火通常采用傳統(tǒng)的罐式爐或盤(pán)式退火，不但能耗高而且效率低，質(zhì)量也不穩(wěn)定。

(2)實(shí)現(xiàn)了鋁基線材在線退火

前置式在線中間退火工藝及設(shè)備以其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)，完全可以替代傳統(tǒng)的退火工藝，并實(shí)現(xiàn)了在線退火。漆包鋁線和漆包銅包鋁線涂漆過(guò)程中的的退火工序，就是一個(gè)很好的證明，產(chǎn)品質(zhì)量及其可靠性優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

5 結(jié)束語(yǔ)

前置式在線中間退火工藝及設(shè)備，為全面提高有色金屬線材產(chǎn)品的質(zhì)量提供了可靠的保證，特別適用于細(xì)微線和鋁及鋁合金、鋁復(fù)合材料的在線中間退火。利用前置式在線中間退火拉絲機(jī)對(duì)直徑較大的線材進(jìn)行在線中間退火，可以考慮采用其它加熱方式，如渦流電加熱。前置式在線中間退火拉絲機(jī)安全、可靠，與傳統(tǒng)的設(shè)備相比，其復(fù)雜程度大大簡(jiǎn)化，設(shè)備造價(jià)、維護(hù)難度大幅度降低。其操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低廉的特點(diǎn)，極大地方便了該工藝的全面推廣使用，為提高下游相關(guān)產(chǎn)品的綜合質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。