國內(nèi)銅板帶生產(chǎn)技術(shù)與加工裝備現(xiàn)狀

韓 晨 余金海 陳加圣

(中色科技股份有限公司，河南 471039)

自2004 年以來，我國的銅材生產(chǎn)與消費(fèi)量已連續(xù)8 年位居世界第1 位，銅加工材產(chǎn)量由2006年的523 萬噸增加到2010 年的1 009 萬噸。與此同時(shí)，中國銅板帶箔材的生產(chǎn)與消費(fèi)量也位居世界第1 位，國內(nèi)一些大型銅板帶企業(yè)的加工裝備水平、生產(chǎn)工藝技術(shù)及產(chǎn)品綜合競(jìng)爭(zhēng)力等都在逐漸接近甚至部分指標(biāo)超過發(fā)達(dá)國家的水平。但是由于在新型合金優(yōu)化、核心工藝技術(shù)尤其是高端加工裝備方面的落后，一些高端精密銅帶箔材產(chǎn)品仍需大量進(jìn)口，每年的進(jìn)口量大約為27 萬噸，占國內(nèi)高端精密銅帶生產(chǎn)總量的1/3。這說明我國在由銅板帶生產(chǎn)大國向銅板帶加工強(qiáng)國過渡的過程中，高端銅板帶箔材的生產(chǎn)工藝技術(shù)及其加工裝備的研制開發(fā)仍然是一項(xiàng)重要的課題，開發(fā)的意義非常重大，潛在的市場(chǎng)也非?？捎^［1、2］。

本文重點(diǎn)對(duì)中色科技股份有限公司所研制開發(fā)的銅板帶熱軋機(jī)、銅帶坯水平連鑄機(jī)、銅帶粗中軋機(jī)、銅帶精軋機(jī)、銅帶拉彎矯直機(jī)、銅帶(酸洗)脫脂清洗機(jī)等銅加工設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)、裝機(jī)水平、加工工藝等進(jìn)行了論述與介紹。

1 銅板帶熱軋機(jī)組

銅板帶熱軋機(jī)的作用是通過熱變形，變鑄造組織為加工組織，同時(shí)為高精冷軋等后續(xù)生產(chǎn)工序提供盡可能小的厚度、優(yōu)良的板型、較高的表面質(zhì)量、尺寸公差波動(dòng)較小、組織性能合格的熱軋料卷。近年來，以大鑄錠熱軋開坯方式進(jìn)行銅及銅合金板帶生產(chǎn)的方式逐漸取代了銅帶坯水平連鑄的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程，這種趨勢(shì)尤其表現(xiàn)在大中型銅板帶生產(chǎn)企業(yè)(年產(chǎn)量在3 萬噸～5 萬噸以上)，以及主要以開發(fā)和生產(chǎn)無氧銅板帶、鈹銅帶、引線框架材料以及異形帶等高端電子銅板帶為主的企業(yè)，如中鋁洛銅、中鋁華中銅業(yè)等［3］。

為滿足市場(chǎng)對(duì)大鑄錠熱軋開坯、高控制精度、高速軋制及部分銅合金對(duì)淬火和終軋溫度的極高要求等需求，中色科技利用計(jì)算模擬、三維建模等手段并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和工藝需求，成功研發(fā)出低能耗、高精度、大卷重、產(chǎn)品組織性能優(yōu)良的二輥銅帶可逆熱軋機(jī)組。利用該機(jī)組生產(chǎn)引線框架材料C19400 的工藝流程為:鑄錠再加熱→出爐→熱錠傳送→鑄錠對(duì)中→氧化皮吹掃→7 道次軋制→在線淬火→頭尾矯直→帶材冷卻→空氣吹掃→液壓剪切頭尾→三輥無芯卷取→料卷運(yùn)輸。

為充分適應(yīng)和滿足銅及銅合金板帶生產(chǎn)工藝需求，中色科技研制的銅板帶熱軋機(jī)融合了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)與新型設(shè)備，如:為了控制帶材寬展、改善邊部質(zhì)量，研制開發(fā)出新型軋邊輥裝置;為了保證帶材的淬火要求，研制開發(fā)出壓力與水量控制良好的在線淬火設(shè)備。

為了提高生產(chǎn)效率、減少帶材溫降、大壓下充分破碎再結(jié)晶晶粒，該機(jī)組在前期11 道次試軋、9道次試軋基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)230 mm×620 mm×8 000 mm 規(guī)格的大鑄錠進(jìn)行7 道次大壓下高速軋制，這在大鑄錠銅板帶生產(chǎn)工藝領(lǐng)域具有極其重要的意義。C19400 大鑄錠經(jīng)過7 道次軋制后溫降及板型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為:開軋溫度為922℃，終軋溫度為740℃，淬火后溫度為196℃;氧化皮較少;側(cè)彎程度較小;寬度為648 mm;傳動(dòng)側(cè)厚度為14.855 mm，操作側(cè)厚度為14.83 mm，厚差僅為0.025 mm。這些數(shù)據(jù)都有效的滿足了生產(chǎn)工藝需求。

已經(jīng)投產(chǎn)并驗(yàn)收的二輥可逆銅板帶熱軋機(jī)生產(chǎn)實(shí)踐表明，中色科技所研制開發(fā)的二輥銅板帶熱軋機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，所生產(chǎn)的銅板帶板型尺寸與公差合格、組織性能優(yōu)良、表面質(zhì)量達(dá)到了生產(chǎn)需求，穩(wěn)定生產(chǎn)能力約80 t/h，如滿負(fù)荷生產(chǎn)可達(dá)20 萬噸/年的產(chǎn)能。表1 為銅板帶熱軋機(jī)的工藝參數(shù)。

表1 銅板帶熱軋機(jī)性能及工藝參數(shù)Table 1 Properties and process parameters of copper plate strip hot rolling mill

二輥銅帶熱軋機(jī)組及其生產(chǎn)工藝技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化成功填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國內(nèi)空白，也有力的提升了國內(nèi)銅板帶加工行業(yè)的技術(shù)水平，從而為國產(chǎn)高端裝備技術(shù)的提高以及銅合金新材料的研制開發(fā)做出了重要貢獻(xiàn)。

2 銅帶坯水平連鑄機(jī)組

銅板帶鑄錠軋制法在生產(chǎn)的品種、規(guī)格、產(chǎn)能等方面優(yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)品的組織、性能也容易控制，但是缺點(diǎn)是能耗較大，投資和生產(chǎn)成本比較高。銅帶坯水平連鑄的生產(chǎn)方法省去了鑄錠、初軋開坯和熱粗軋工序，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，符合“節(jié)能降耗”、“短流程制備”等生產(chǎn)要求。缺點(diǎn)是受到連鑄速度、連鑄坯厚度的限制，產(chǎn)量較低，合金種類及產(chǎn)品的規(guī)格也受到限制。因此，銅帶坯水平連鑄生產(chǎn)工藝比較適合中小型的銅板帶加工企業(yè)尤其是生產(chǎn)黃銅、錫磷青銅和鋅白銅的企業(yè)［4］。

中色科技為適應(yīng)中小企業(yè)多品種生產(chǎn)和大批量單一合金生產(chǎn)等方面的實(shí)際需求，研制開發(fā)出多種專用合金生產(chǎn)線，如鋅白銅連鑄機(jī)組、黃銅連鑄機(jī)組、錫磷青銅連鑄機(jī)組、高銅合金連鑄機(jī)組等。所研制的銅帶坯水平連鑄機(jī)組主要由熔化保溫爐組、工藝設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，具有熔煉、鑄造、銑面、剪切、卷取等多種功能。機(jī)組在設(shè)備、液壓和電器控制等方面采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，其中在結(jié)晶器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、冷卻水的控制方式、牽引機(jī)傳動(dòng)控制方式、牽引輥的結(jié)構(gòu)、卷取機(jī)輥組的布置等方面擁有獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。機(jī)組總體性能如能耗、產(chǎn)能、單副結(jié)晶器的壽命等均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

所研制的銅帶坯水平連鑄機(jī)組其生產(chǎn)工藝流程為:銅合金配料→熔化爐→保溫爐→結(jié)晶器→一次冷卻→二次冷卻→引錠→剪切→卷取?？梢灾苯由a(chǎn)出供冷軋軋制的厚14 mm～18 mm，寬330 mm～650 mm 的銅及銅合金帶坯，也可以在連鑄線外設(shè)置單獨(dú)的銑面機(jī)組，簡(jiǎn)化連鑄機(jī)組的工藝，提高鑄造的質(zhì)量和效率。生產(chǎn)帶材寬度450 mm 以下的機(jī)組一般同時(shí)生產(chǎn)兩條帶坯，生產(chǎn)帶材寬度大于450 mm 的機(jī)組一般為單帶坯生產(chǎn)。

以中色科技研制開發(fā)的470 mm 雙流銅帶水平連鑄機(jī)組為例來說明該類型設(shè)備的力能及工藝參數(shù):可生產(chǎn)材料為黃銅、錫磷青銅等;帶坯條數(shù)為2 條;帶坯寬度為330 mm～470 mm;帶坯厚度為15 mm～18 mm;最大卷重為10 000 kg;帶坯橫向厚差＜0.75 mm;帶坯縱向厚差＜0.30 mm;鐮刀彎≤15 mm/10 m;卷取后料卷塔形≤20 mm;鑄造速度為(150～190)mm/min;卷取速度為2.5 mm/s～12 mm/s;產(chǎn)能以生產(chǎn)QSn6.5-0.1 合金、產(chǎn)品規(guī)格2-450×16 mm 為例，單位產(chǎn)能為1.27 t/h，以每年6 000 h 計(jì)，年產(chǎn)能為7 620 t。

3 銅帶粗中軋機(jī)組

鋼鐵熱軋坯料一般在2 mm～4 mm，鋁板帶的連鑄連軋坯及熱軋坯料一般為3 mm～8 mm。相比之下，銅帶坯冷粗軋的來料厚度就比較大，從二輥銅板帶熱軋機(jī)生產(chǎn)出來的帶坯厚度一般為13 mm～15 mm。所以，銅的粗軋機(jī)與其它金屬的冷軋機(jī)特點(diǎn)不同。同時(shí)，隨著用戶對(duì)產(chǎn)品性能需求的不斷提高，市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)代化銅帶粗中軋機(jī)的性能要求也越來越高。

根據(jù)現(xiàn)代化銅帶粗中軋機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，中色科技順應(yīng)市場(chǎng)和用戶的需求，研制開發(fā)出了具有領(lǐng)先技術(shù)水平的以下3 種類型的銅帶粗中軋機(jī)。

(1)一端帶無芯卷取機(jī)的銅帶冷軋機(jī):軋制厚帶時(shí)用無芯卷取機(jī)卷取，采用不可逆方式;軋制薄帶時(shí)用小卷筒卷取，實(shí)現(xiàn)可逆軋制。如?260 mm/?600 mm×560 mm 規(guī)格的機(jī)組為此種機(jī)型;

(2)帶中轂輪卷筒卷取機(jī)的銅帶冷軋機(jī):特殊設(shè)計(jì)的?500 mm 卷筒，可實(shí)現(xiàn)薄帶卷取和薄帶開卷，省去了薄帶開卷機(jī)。由于功能全面、配置緊湊、設(shè)備投資小，該機(jī)型受到了中小企業(yè)的歡迎。如?280 mm/?620 mm×560 mm 四輥粗中軋機(jī)組屬于此種機(jī)型;

(3)帶大轂輪卷筒卷取機(jī)的銅帶粗中軋機(jī):該機(jī)型為具有國際先進(jìn)水平的新型銅帶冷軋機(jī)，是發(fā)展的主流機(jī)型，具有大張力、大軋制力、大扭矩的特點(diǎn)。機(jī)組的裝機(jī)水平、自動(dòng)化程度、產(chǎn)品精度等都代表著國產(chǎn)同類軋機(jī)的最高水平。如?360 mm/?800 mm×600 mm 規(guī)格的四輥銅帶粗中軋機(jī)屬于此類機(jī)型。

以?360 mm/?800 mm×600 mm 型四輥銅帶粗軋機(jī)為例，說明該類型銅帶粗中軋機(jī)的裝機(jī)水平和主要特點(diǎn)。其裝備特點(diǎn)有:

(1)強(qiáng)有力的力能參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大軋制力、大張力、大壓下率和大扭矩軋制，能夠適應(yīng)各種銅合金的生產(chǎn)工藝要求;

(2)完備的機(jī)前、機(jī)后裝置及真空抽吸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)帶材的直頭送料、切頭尾、側(cè)導(dǎo)、強(qiáng)迫送料等功能，并有效提高帶材的表面質(zhì)量;

(3)先進(jìn)的厚度控制系統(tǒng)，配置了進(jìn)口測(cè)厚儀，可以大幅度提高帶材的精度;

(4)電控系統(tǒng)采用了張力自動(dòng)控制、卷徑自動(dòng)測(cè)量、帶長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量記錄、自動(dòng)留頭軋制等先進(jìn)控制技術(shù)。

4 銅帶精軋機(jī)組

銅帶精軋機(jī)組一般是用來進(jìn)行成品軋制或接近成品生產(chǎn)的裝備，此工序階段帶材對(duì)表面質(zhì)量、板型精度、力能參數(shù)和生產(chǎn)控制精度都要求比較高。冷精軋階段，由于帶材產(chǎn)品較薄，所以其長(zhǎng)度較大，為提高生產(chǎn)率又要求必須提高軋機(jī)的軋制速度。同時(shí)，精軋機(jī)軋制時(shí)除油的方式、除油裝置和除油效果又一直是世界性的難題。

中色科技根據(jù)銅帶精軋機(jī)的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，主要從以下幾個(gè)方面對(duì)高精度的銅帶冷精軋機(jī)進(jìn)行了研制開發(fā):

(1)最小軋制厚度與工作輥直徑。一般情況下，四輥軋機(jī)的軋制厚度不應(yīng)低于0.1 mm，或者用多輥軋機(jī)軋制為宜。當(dāng)帶寬為450 mm 以下時(shí)，機(jī)組的工作輥選用?120 mm～?150 mm;當(dāng)帶寬為450 mm～650 mm 時(shí)，由于側(cè)彎與扭矩的關(guān)系，工作輥一般選擇?160 mm～?260 mm。

(2)軋制速度。軋制速度對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)能影響較大，由于精軋機(jī)出料帶材較長(zhǎng)，就需要提高軋制速度。在沒有安裝板型儀的情況下，所設(shè)計(jì)的軋制速度一般最高為600m/min。這是因?yàn)槿绻慌渲冒逍蛢x，操作手是不可能在較高的軋制速度下對(duì)板型實(shí)現(xiàn)有效操作控制的。

(3)工作輥的驅(qū)動(dòng)方式。隨著軋制產(chǎn)品的厚度逐漸減小，工作輥的直徑也有逐步減小的趨勢(shì)，而扭矩還要有所增加，直接采用工作輥驅(qū)動(dòng)就存在一定的困難，支承輥驅(qū)動(dòng)就成為了一種必然選擇。一般?120 mm～?180 mm 的工作輥?zhàn)詈貌捎弥С休侐?qū)動(dòng)，工作輥直徑再大的話就可以直接采用工作輥驅(qū)動(dòng)。

(4)軋制時(shí)的工藝潤滑。近年來，隨著道次壓下量的增加與軋制速度的提高，帶材軋制時(shí)溫升不斷提高。甚至有些硬質(zhì)合金因溫度過高而使帶材表面變色，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，為了降低溫升并使成品帶材表面光亮，設(shè)計(jì)時(shí)在軋機(jī)出口側(cè)加大了軋制油的噴射量，進(jìn)而有效降低了帶材的溫度。但是，這也帶來了新的問題，即增加了帶材除油的難度。

(5)帶材除油。帶材除油裝置的開發(fā)和實(shí)際使用效果目前還是一個(gè)世界性的難題。為此，公司設(shè)計(jì)人員采用了很多辦法，盡最大可能去除帶材產(chǎn)品的軋制油。對(duì)輥除油裝置、真空抽吸裝置、雙尼龍條除油裝置、聚氨酯擠干輥除油裝置以及小鋼輥除油裝置的研制、開發(fā)與應(yīng)用都在逐步提高帶材除油的實(shí)際效果［5］。

5 銅帶拉彎矯直機(jī)組

控制好板型是銅及銅合金精密薄帶材生產(chǎn)控制指標(biāo)中難度最大的課題。因?yàn)楸a(chǎn)過程中影響板型的因素多而復(fù)雜，而且相互干擾。即使目前不少高精度的精軋機(jī)上已配置了板型測(cè)量及板型閉環(huán)控制系統(tǒng)，但某些板型缺陷在軋機(jī)上仍難以消除。而隨著拉彎矯直技術(shù)在銅及銅合金精密帶材生產(chǎn)工序流程中的應(yīng)用，較好地解決了此類板型缺陷問題。

中色科技研制開發(fā)的高精度多輥銅帶拉彎矯直機(jī)組由開卷機(jī)、對(duì)中裝置、兩組S 輥、多輥矯直機(jī)、糾偏裝置、卷取機(jī)、電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等設(shè)備組成。整套裝備自動(dòng)化程度高，控制手段先進(jìn)。在多輥銅帶拉彎矯直機(jī)組的研制過程中，采用了如下較為先進(jìn)的技術(shù)方案:

(1)入口、出口的張力輥組分別采用較為先進(jìn)的8 臺(tái)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)方式;

(2)23 輥六重式結(jié)構(gòu)形式的多輥矯直單元;

(3)帶材延伸率采用張力輥組間的速差控制模式，大大提高了延伸率控制精度;

(4)采用電氣多傳動(dòng)控制系統(tǒng)方案;

(5)矯直機(jī)輥型分段調(diào)整，通過輥型控制可實(shí)現(xiàn)帶材橫斷面的延伸控制。

以中色科技研制的銅帶拉彎矯直機(jī)組為例，來說明其力能參數(shù)及產(chǎn)品工藝保證值:可生產(chǎn)材料為銅及銅合金;來料抗拉強(qiáng)度為200 MPa～800 MPa;來料屈服強(qiáng)度為70 MPa～700 MPa;機(jī)列最高速度為150 m/min;卷重為6 000 kg;帶材厚度為0.1 mm～0.8 mm;延伸率為0～2%;延伸率控制精度為±0.02%;開卷張力為0.3 kN～4.5 kN;卷取張力為0.45 kN～6.75 kN;張力輥間最大張力為58 kN。

6 銅帶脫脂清洗機(jī)組

銅及銅合金帶材在軋制和熱處理過程中表面會(huì)發(fā)生氧化，同時(shí)軋制后帶材表面會(huì)殘留有軋制油。隨著高端銅板帶產(chǎn)品在各行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)帶材表面質(zhì)量的要求也越來越高。因此，銅帶表面清洗技術(shù)也越來越受到銅加工企業(yè)的重視。銅帶表面清洗要做到脫脂(除油)、酸洗、拋光、鈍化、烘干，有時(shí)還要求涂一層保護(hù)油［6］。

中色科技研制開發(fā)的450 mm 銅帶清洗機(jī)組設(shè)備由上卷小車、開卷機(jī)、直頭裝置、切頭剪、縫合機(jī)、堿液刷洗槽、冷水刷洗槽、酸洗槽、多級(jí)清洗槽、熱水沖洗槽、鈍化槽、烘干單元、控制輥、張力輥、切頭剪、偏導(dǎo)輥、卷取機(jī)、卸卷小車等組成。其主要設(shè)備特點(diǎn)是:采用提升式酸洗機(jī)、采用多級(jí)逆流清洗裝置、采用提升式鈍化槽。

機(jī)組的生產(chǎn)工藝過程為:開卷→三輥直頭→切頭剪→脫脂→冷水沖洗→酸洗→多級(jí)水洗→熱水沖洗→鈍化→烘干→張力輥→剪切→卷取。450 mm 銅帶清洗機(jī)組有三大主要功能單元:脫脂及水洗單元、酸洗及水洗單元、鈍化烘干單元。另設(shè)一套除油裝置，如成品需要長(zhǎng)期存放，可在其表面涂一層保護(hù)油膜。因此，根據(jù)生產(chǎn)需要，本機(jī)組可實(shí)現(xiàn)以下三種功能:表面脫脂、酸洗、鈍化或涂油;表面脫脂、鈍化或涂油;表面酸洗、鈍化或涂油。

作為表面處理設(shè)備，銅帶清洗機(jī)組將隨著用戶對(duì)高精度銅帶產(chǎn)品表面質(zhì)量要求的不斷提高而發(fā)揮出越來越重要的作用，獨(dú)立的銅帶清洗機(jī)組也將以其靈活高效的生產(chǎn)工藝模式成為銅帶加工中必要的的精整設(shè)備，并逐漸在銅及銅合金精密帶材的生產(chǎn)中得到普及與應(yīng)用。

7 結(jié)束語

本文對(duì)以中色科技股份有限公司研制開發(fā)的銅加工設(shè)備及其生產(chǎn)技術(shù)為代表的國內(nèi)銅板帶生產(chǎn)技術(shù)及加工裝備現(xiàn)狀進(jìn)行了概述和介紹。隨著這些裝備及其生產(chǎn)技術(shù)的研制開發(fā)與成功應(yīng)用，使國內(nèi)銅加工設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)與世界先進(jìn)水平之間的差距不斷縮小，國產(chǎn)高端銅及銅合金精密板帶箔材的產(chǎn)能與質(zhì)量也將大大提升。

目前，中色科技正在進(jìn)一步研制開發(fā)符合國家產(chǎn)業(yè)政策和重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略行業(yè)的高端、高技術(shù)含量、節(jié)能的銅加工新型設(shè)備，如:

(1)節(jié)能降耗、減少投資成本的短流程緊湊式爐卷軋機(jī);

(2)高控制精度、節(jié)能降耗、技術(shù)集成度高、可代替進(jìn)口設(shè)備的X 型6 輥壓延銅箔軋機(jī);

(3)滿足市場(chǎng)需求、節(jié)能環(huán)保、提高生產(chǎn)效率、采用接觸式大電流安全電壓加熱并連續(xù)退火的銅箔清洗退火機(jī)組。

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