連續(xù)退火機(jī)組工藝裝備設(shè)計(jì)改進(jìn)及關(guān)鍵技術(shù)研究

供稿|張偉旗，李坊明 / ZHANG Wei-qi, LI Fang-ming

微細(xì)銅線是一種高技術(shù)產(chǎn)品，附加值較高。已廣泛應(yīng)用于航天航空、通訊數(shù)字連接線、軍工和生化醫(yī)療器材等領(lǐng)域。特別是智能型、高性能、小型化的各種電器控制用軟連接線等，對微細(xì)銅線需 求量陡增。

某公司目前在線使用的連續(xù)退火機(jī)組共24臺，盡管其技術(shù)裝備水平在國內(nèi)領(lǐng)先，工藝成熟，但受原設(shè)計(jì)工藝、設(shè)備、質(zhì)量及成本等因素限制，只可生產(chǎn)φ0.08~0.32 mm規(guī)格裸銅細(xì)線，而生產(chǎn)φ0.04~0.5 mm規(guī)格微細(xì)線和細(xì)線難度極大，若新增機(jī)組設(shè)備投資太大，而現(xiàn)有軟化機(jī)組產(chǎn)能又富余，因而針對該機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)勢在必行。

主要結(jié)構(gòu)工藝原理

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

該退火機(jī)主要由放線系統(tǒng)、退火爐、冷卻水箱、吹干系統(tǒng)、烘干箱、牽引機(jī)、40頭收排線機(jī)和電控柜等部分組成。

以AN40-D型連續(xù)退火機(jī)組為例。其主要技術(shù)參數(shù)為：入線范圍0.08~0.32 mm；退火爐長4900 mm，退火管42根，水封口；干燥裝置采用電熱管加熱，帶保溫干燥，爐長1600 mm；機(jī)械速度0~300 m/min；生產(chǎn)線數(shù)最大42條；放線盤尺寸200~300 mm；采用毛刷放線方式；外形尺寸20 m×1.6 m×2.6 m；卷取軸尺寸PT10~25；42頭收線，1.5/2.5 N·m轉(zhuǎn)矩電機(jī)恒張力收線，高低兩檔速度可選；采用單盤式手動(dòng)換軸方式；使用電壓380 V、頻率50 Hz；總裝機(jī)容量49 kW。

主要工藝原理

它是裸銅細(xì)線生產(chǎn)過程中的最后一道工序，采用連續(xù)退火加工方式。銅線退火是指銅線經(jīng)退火爐加熱至再結(jié)晶溫度以上即400~600 ℃，在再結(jié)晶溫度段中線芯晶粒重新結(jié)晶再冷卻，消除線材拉制過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，保證其具有良好的塑性。

◆ 水槽工藝原理

原設(shè)計(jì)水槽內(nèi)裝有兩組電熱管，功率為0.5 kW。由熱電阻、溫控儀、固態(tài)繼電器等組成的電路來控制電熱管的通、斷，起預(yù)熱水槽或設(shè)備故障停機(jī)檢修后再升溫作用，但對外界溫升無法控制，也實(shí)現(xiàn)不了冷卻降溫或恒溫控制。生產(chǎn)過程中，退火管通常被加熱到480~550 ℃，它與高溫銅細(xì)線的導(dǎo)熱作用，使得水槽里的抗氧化溶劑溫度易高于正常生產(chǎn)溫度，特別是酷暑水溫甚至有時(shí)高達(dá)85 ℃左右，其抗氧化溶劑會(huì)因成份破壞而失效，銅細(xì)線易斑點(diǎn)氧化、光澤度變差。一旦銅細(xì)線斷線，操作工需重新在水槽里引線，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且操作極為不便。

◆ 水槽降溫方法

當(dāng)水槽水溫高于正常生產(chǎn)溫度時(shí)，應(yīng)間斷地?cái)Q開閘閥，將純凈水注入水槽里，同時(shí)需添加氧化劑進(jìn)行攪拌降溫，以滿足生產(chǎn)工藝所需溫度，易造成水槽各點(diǎn)位置水溫不均衡、溫差較大，抗氧化溶劑配比失調(diào)；補(bǔ)充純凈水時(shí)，易滿溢出水槽，流失快的現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差等問題。原設(shè)計(jì)水槽降溫方法如圖1所示。

◆ 水槽使用要求及控制

水槽用于儲(chǔ)存抗氧化溶劑。其配比為：冬季1∶1000，夏季1∶800，水槽體內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的溫度應(yīng)控制在50±2 ℃范圍內(nèi)，其可對剛從退火管出來的高溫銅細(xì)線起到快速冷卻、消除內(nèi)應(yīng)力、重新結(jié)晶作用，從而達(dá)到軟化銅線之目的；同時(shí)，利用冷卻高溫銅線產(chǎn)生的蒸汽，阻截空氣進(jìn)入退火管內(nèi)，以防止銅線氧化。由此可見，水槽溫度的控制對裸銅細(xì)線的品質(zhì)有著密切關(guān)系。

◆ 退火過程及技術(shù)要求

其退火方式為線芯被加熱至再結(jié)晶溫度以上即480~550 ℃。在再結(jié)晶溫度段中，線芯晶粒重新結(jié)晶，并消除線材在拉制時(shí)的殘余應(yīng)力，以達(dá)到軟化退火之目的。其技術(shù)要求是：放線速度與收線速度必須保持同步性；退火線徑的大小與退火溫度的高低必須嚴(yán)格按工藝規(guī)定進(jìn)行調(diào)整，以確保退火軟銅線的性能符合GB3953規(guī)定或理想性能；收線張力由力矩電機(jī)，每頭以1.5/2.5 N·m轉(zhuǎn)矩進(jìn)行恒張力收線，收線張力由調(diào)壓器調(diào)整；銅線直徑偏差應(yīng)符合GB3953規(guī)定。

圖1 原設(shè)計(jì)水槽降溫方法示意圖

關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)創(chuàng)新

前期技術(shù)論證

針對現(xiàn)有AN40-R軟化機(jī)組進(jìn)行前期技術(shù)論證，先挑選出一臺性能穩(wěn)定的機(jī)組，針對其水槽溫度控制難、易斷線等關(guān)鍵點(diǎn)，特別是針對線坯拉制過程中中心斷裂、夾雜斷裂、焊接斷裂、張力斷裂、剪切斷裂、撕開斷裂六種典型斷裂特征來進(jìn)行區(qū)分，并從冶金學(xué)方面的研究來分析斷線原因[1]；而粗、細(xì)不同規(guī)格線材拉絲時(shí)引起的斷頭原因迥異，引發(fā)粗線斷頭的主因是外觀質(zhì)量差，細(xì)、超細(xì)線斷頭的主因是銅桿內(nèi)部夾雜[2]；且針對該機(jī)組進(jìn)行技術(shù)裝備設(shè)計(jì)創(chuàng)新及優(yōu)化，使之生產(chǎn)出市場認(rèn)可的微細(xì)銅線產(chǎn)品。

技術(shù)裝備設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案

◆ 生產(chǎn)工藝技術(shù)創(chuàng)新

試生產(chǎn)微細(xì)線時(shí)，產(chǎn)品品質(zhì)問題較多。但通過長期探索微細(xì)銅線的生產(chǎn)工藝，制定出《微細(xì)裸銅線研發(fā)方案》，針對銅桿品質(zhì)、拉絲模、乳化液、引取線速、水槽溫度、烘箱溫度、退火溫度和機(jī)組工藝裝備的加工精度、裝配質(zhì)量及調(diào)試精度等主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行探討和研究，成功研發(fā)了一整套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微細(xì)銅線生產(chǎn)工藝，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比，可增加達(dá)20% 的銅線延伸性能，銅線表面更光亮，銅線使用柔韌性更好。

◆ 水槽技術(shù)裝備設(shè)計(jì)創(chuàng)新

(1) 水槽結(jié)構(gòu)

在原設(shè)計(jì)水槽底部開2個(gè)φ20 mm孔，焊接2根長度200 mm不銹鋼管子，通過軟管與熱交換器連接。熱交換器的冷進(jìn)、冷出與水塔管道連接。熱交換器內(nèi)部通道設(shè)計(jì)為兩路即：冷卻水通道、需冷卻的抗氧化溶劑通道。通過循環(huán)泵，將高溫抗氧化溶劑從水槽底部抽出，經(jīng)過熱交換器再流入水槽內(nèi)。冷卻水通道，可將熱量迅速地帶走，而高溫抗氧化溶劑通道，則經(jīng)過板式熱交換器進(jìn)行熱交換，不斷進(jìn)行循環(huán)，可使水槽內(nèi)的水溫得以降低，且槽內(nèi)抗氧化溶劑不再流失。

(2) 水溫自動(dòng)循環(huán)控制

新設(shè)計(jì)水溫自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)。

針對以上生產(chǎn)實(shí)際問題，可新增水溫自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)，即板式交換器、MP-20R型磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵一臺、CH402-FK03型號數(shù)顯溫控儀及電氣控制系統(tǒng)。水溫自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2示。其中數(shù)顯調(diào)節(jié)儀：溫度范圍0~300 ℃，響應(yīng)時(shí)間0.2~2 s，精度1.0，設(shè)有上下限調(diào)節(jié)鈕；熱電阻：最小外形尺寸為直徑φ6 mm×535 mm。

圖2 水溫自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)溫度上升到設(shè)定值時(shí)，數(shù)顯調(diào)節(jié)儀5、6端點(diǎn)輸出3~32VDC觸發(fā)固態(tài)繼電器使3、4點(diǎn)導(dǎo)通，WK觸頭閉合，交流接觸器線圈得電吸合，主觸頭閉合，循環(huán)泵工作，同時(shí)電磁閥線圈也得電打開閥芯，使水槽內(nèi)的抗氧化水開始循環(huán)冷卻。在水溫降到設(shè)定值時(shí)，數(shù)顯調(diào)節(jié)儀5、6端點(diǎn)輸出切斷，固態(tài)繼電器3、4點(diǎn)斷開，WK觸頭斷開，接觸器及電磁閥線圈同時(shí)失電，循環(huán)冷卻停止。實(shí)現(xiàn)水槽溫度恒定在設(shè)定值范圍內(nèi)。

溫度報(bào)警(偏差/輸入值報(bào)警)。

A. 上偏差報(bào)警，偏差[測定值(PV)-設(shè)定值(SV)]到達(dá)報(bào)警設(shè)定值以上時(shí)指示燈發(fā)亮，成為警報(bào)狀態(tài)。

B. 下限偏差報(bào)警，偏差[測定值(PV)-設(shè)定值(SV)]在報(bào)警設(shè)定值以下時(shí)指示燈發(fā)亮，成為報(bào)警狀態(tài)。如圖3所示。

圖3 報(bào)警狀態(tài)

◆ 增設(shè)自動(dòng)計(jì)米控制器

在微細(xì)銅線導(dǎo)輪處設(shè)計(jì)新增自動(dòng)計(jì)米控制裝置，通過光電開關(guān)感應(yīng)收線狀況，再根據(jù)導(dǎo)輪脈沖數(shù)和導(dǎo)輪直徑計(jì)算出銅線的參數(shù)，該處導(dǎo)輪轉(zhuǎn)一圈為二個(gè)脈沖，一旦發(fā)生中途斷線時(shí)，該裝置在計(jì)米的同時(shí)，便立即自動(dòng)控制停止，可防止打傷銅線。

◆ 增設(shè)線軸之間擋板

拉制過程中，一旦微細(xì)銅線被拉斷，由于收線軸仍有慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，斷頭線會(huì)甩動(dòng)、鞭打影響到周邊的微細(xì)銅線收線軸區(qū)域，易打傷甚至打斷其它微細(xì)銅線。對此，可在每兩個(gè)線軸之間設(shè)計(jì)新增擋板，能有效地避免銅線之間產(chǎn)生相互影響或干擾。

◆ 組合導(dǎo)輪輪槽設(shè)計(jì)創(chuàng)新

鋁制導(dǎo)輪雖然適于高溫狀態(tài)使用，重量較輕，且成本低廉，但因其表面噴有碳化鎢，噴涂不勻時(shí)，表面吸附能力差，其硬化層易開裂和脫落，對銅細(xì)線的線表質(zhì)量影響極大。而采用精密陶瓷組合導(dǎo)輪替代原鋁制導(dǎo)輪，該組合導(dǎo)輪輪槽部分采用陶瓷環(huán)制作，其具有機(jī)械強(qiáng)度高，抗沖擊性能好，理化性能穩(wěn)定，耐高溫、磨損，抗酸堿、散熱性能好，絕緣強(qiáng)度高，產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)。

◆ 退火斷絲報(bào)警裝置研發(fā)

退火爐加熱元件劣化圖，如圖4所示。

圖4 退火爐加熱元件劣化圖

加熱元件出現(xiàn)故障后，需待溫度下降后才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致部分在線產(chǎn)品退火不達(dá)標(biāo)，報(bào)修至維修好該設(shè)備需耗時(shí)約4 h，且產(chǎn)品因無法滿足延伸要求而報(bào)廢，生產(chǎn)成本高，浪費(fèi)極大。2012年因退火故障總計(jì)停機(jī)90余次，影響生產(chǎn)累計(jì)360 h，影響產(chǎn)量約50 t，由此造成退火延伸不合廢線約15 t。而新設(shè)計(jì)一整套退火控制系統(tǒng)斷絲報(bào)警裝置，當(dāng)加熱元件故障無法工作時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)立即啟動(dòng)示警，故障停機(jī)時(shí)間可由原4 h縮至1.5 h以內(nèi)，每年節(jié)省檢修時(shí)間325 h，節(jié)約加工費(fèi)、電費(fèi)及廢線損失共31.5萬元。

◆ 防退火管卡線、偏移設(shè)計(jì)創(chuàng)新

原設(shè)計(jì)退火管進(jìn)線處管口易產(chǎn)生卡線、偏移現(xiàn)象。而該公司新研發(fā)的一種瓷眼架，超精拋光達(dá)Ra0.2，硬度較高，表面光滑，便于定位，銅細(xì)線在其表面滑動(dòng)時(shí)，順暢且無損傷。其優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠，操作維修便利，實(shí)用性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，維修成本低廉，可杜絕管口卡線、偏移現(xiàn)象。

◆ 抹干裝置設(shè)計(jì)創(chuàng)新

烘箱抹干裝置易掛線時(shí)，可設(shè)計(jì)將托盤長度加長，采取在托盤上加墊海綿和毛巾抹干的方式；空氣幕處易斷線時(shí)，必須立即停開空氣幕，在原設(shè)計(jì)吹風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，再增設(shè)一道吹風(fēng)機(jī)，且增加抹干毛巾即可。

◆ 收線排距設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新

收線排距設(shè)計(jì)不足時(shí)，可設(shè)計(jì)增開收線排距，同時(shí)將其防護(hù)罩增寬若干距離。

◆ 引取輪易絞線技術(shù)創(chuàng)新

引取輪表面易積聚污垢，粘性大，易造成絞線，宜清洗后用細(xì)砂紙拋光；先試用“隔跳”式穿線法，若效果不理想，速度不匹配時(shí)，可及時(shí)調(diào)整變頻器的技術(shù)參數(shù)；而改用張力調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)其電壓控制，使用效果好，波動(dòng)小，收線更平緩，價(jià)格更低廉。

實(shí)施效果

生產(chǎn)實(shí)踐證明，通過對該連續(xù)退火機(jī)組進(jìn)行技術(shù)裝備設(shè)計(jì)創(chuàng)新和運(yùn)行優(yōu)化，其生產(chǎn)裸銅細(xì)線規(guī)格范圍可由原φ0.08~0.32 mm拓展為φ0.04~0.5 mm，生產(chǎn)效率高，銅線表面光亮，無氧化和燒傷，延伸率均勻，柔軟度好，成本能耗水平高，可進(jìn)一步升級和優(yōu)化該公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，節(jié)約設(shè)備投資，盤活固定資產(chǎn)，提升市場競爭力，完全能滿足國內(nèi)外客戶對高端裸銅細(xì)線及超微細(xì)線的特殊技術(shù)需求，大幅提升了該公司在銅加工行業(yè)中的技術(shù)領(lǐng)先地位，且該技術(shù)填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)技術(shù)空白，推廣應(yīng)用價(jià)值高。

[1] 趙大軍. 電工用銅線坯典型拉制斷線分析. 電線電纜，2009(1)：21

[2] 王震，魏禮華. 光亮圓銅桿拉伸后表面發(fā)黑及拉斷原因分析和對策. 云南冶金. 2 000，29(3)：33