剛性防火電纜護(hù)套用銅帶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝配套

劉建新，文志凌，胡 勇

(安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241008)

防火電纜是對具備防火性能電線電纜的總稱。常見的防火電纜中，礦物絕緣電纜(Mineral Insulated Cable)簡稱MI電纜，作為配線使用時，國內(nèi)習(xí)慣稱作礦物質(zhì)電纜或剛性防火電纜。GB/T13033-2007《額定電壓750V及以下礦物絕緣電纜及終端》為我國關(guān)于礦物絕緣電纜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)線芯和護(hù)套電壓的不同將礦物絕緣電纜分為輕型BTTQ(500V)和重型BTTZ(750V)兩個系列。

典型的剛性防火電纜采用高導(dǎo)電率的實(shí)心銅芯導(dǎo)線作導(dǎo)體，高度壓縮的粉末狀氧化鎂作絕緣，銅及銅合金帶材焊接銅管作護(hù)套制作而成。因其優(yōu)異的防火能力及產(chǎn)品特性，在保障火災(zāi)情況下消防水泵、消防電梯、重要負(fù)荷、應(yīng)急疏散指示、以及防、排煙系統(tǒng)等重要消防設(shè)備用電場合尤為適用，可充分滿足火災(zāi)現(xiàn)場消防救援的需要，能夠?yàn)榫用竦陌踩吞由峁└帽Ｕ稀?/p>

據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),在火災(zāi)起因中由于電氣線路引起的火災(zāi)占50%以上。隨著國內(nèi)生活水平的提升與全員安全意識的增加，在全社會消防防護(hù)等級需求逐步提升的當(dāng)前，剛性防火電纜使用市場需求呈激增態(tài)勢，而配套剛性防火電纜護(hù)套生產(chǎn)所需的銅及銅合金帶材，僅在GB/T13033-2007中籠統(tǒng)描述為普通退火銅或銅合金材料。在目前國內(nèi)銅及銅合金產(chǎn)品市場中，尚無面向剛性防火電纜護(hù)套用銅帶的專用品種，而常規(guī)銅及銅合金帶材產(chǎn)品無法完整契合剛性防火電纜從生產(chǎn)到使用的總體需求，專用配套銅帶產(chǎn)品亟待針對性的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 剛性防火電纜護(hù)套用銅帶的性能需求分析

材料的結(jié)構(gòu)決定性能，性能決定其最終的用途。根據(jù)具體產(chǎn)品的用途，通常可將配套材料的性能分為滿足使用性需求的性能(即滿足生產(chǎn)產(chǎn)品過程的需求)，以及滿足功能性需求的性能(即實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品具體功能過程的需求)兩大類。按照這一思路，針對性設(shè)計(jì)滿足剛性防火電纜護(hù)套用銅帶產(chǎn)品應(yīng)具備下列性能。

1.1 使用性需求

目前國內(nèi)最普遍采用的剛性防火電纜生產(chǎn)方式為銅帶縱包氬弧焊接連續(xù)軋制在線退火生產(chǎn)。主要流程為導(dǎo)體與銅帶放卷、縱包銅帶并連續(xù)氬弧焊焊接、鎂粉垂直灌裝、多道軋制、在線退火等。其原理是將銅帶豎直縱包焊接，利用氧化鎂粉比重大的特性實(shí)現(xiàn)氧化鎂粉豎直灌裝到焊接成型的銅管中，然后利用多道軋制將銅管內(nèi)的氧化鎂粉軋實(shí)，以便固定導(dǎo)體線芯不偏移。進(jìn)一步水平軋制定徑，將電纜外經(jīng)軋制到標(biāo)準(zhǔn)尺寸；最后經(jīng)過退火、冷卻、烘干等裝置收卷成纜。

根據(jù)這一生產(chǎn)方式，可提煉配套專用于剛性防火電纜護(hù)套用銅及銅合金帶材產(chǎn)品應(yīng)具備的性能包括：1)適應(yīng)生產(chǎn)線開卷/收卷能力最大化的單位重量，避免生產(chǎn)過程頻繁更換帶卷；2)適應(yīng)產(chǎn)品縱包生產(chǎn)的尺寸精度與分切精度，及整體范圍內(nèi)的精度穩(wěn)定性；3)適應(yīng)產(chǎn)品連續(xù)氬弧焊焊接的焊接能力，避免焊接質(zhì)量不良或焊接不連續(xù)；4)適應(yīng)產(chǎn)品多道軋制的產(chǎn)品塑性成形能力，避免軋制過程開裂斷纜分卷。

1.2 功能性需求

剛性防火電纜具備操作溫度高、耐火、防爆、防水、防潮、壽命長、機(jī)械強(qiáng)度高、載流量大、接地性好、電磁屏蔽性能優(yōu)異、防動物啃咬等一系列產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)。同時也存在可靠性差，礦物絕緣層容易吸濕、不耐水，電纜長度固定，無法按客戶需要定制比較長的電纜，鋪設(shè)工藝復(fù)雜，需要做專門連接頭，整體一致性要求高，零星漏焊等異常造成整根電纜失效等劣勢。從揚(yáng)長避短的角度出發(fā)，可提煉配套專用于剛性防火電纜護(hù)套用銅及銅合金帶材產(chǎn)品應(yīng)具備的性能包括：1)適應(yīng)產(chǎn)品高操作溫度、耐火需求下的高熔點(diǎn)；2)適應(yīng)產(chǎn)品接地需求下的導(dǎo)電能力；3)適應(yīng)產(chǎn)品長度定制需求下最大化的單位重量；4)適應(yīng)大長度連續(xù)產(chǎn)出需求下的整體均勻性及穩(wěn)定性。

2 剛性防火電纜護(hù)套用銅帶產(chǎn)品設(shè)計(jì)

在GB/T13033-2007《額定電壓750V及以下礦物絕緣電纜及終端》中，僅籠統(tǒng)描述為普通退火銅或銅合金材料。結(jié)合對剛性防火電纜護(hù)套用銅帶的性能需求分析，在常規(guī)銅及銅合金帶材產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)剛性防火電纜護(hù)套專用銅帶技術(shù)指標(biāo)。

2.1 產(chǎn)品規(guī)格選擇

根據(jù)剛性防火電纜的導(dǎo)體標(biāo)稱截面積以及具體芯數(shù)，GB/T13033-2007中對成型后剛性防火電纜的護(hù)套厚度有明確指標(biāo)要求。結(jié)合各剛性防火電纜生產(chǎn)企業(yè)自身具體生產(chǎn)過程軋制道次參數(shù)的設(shè)計(jì)，護(hù)套專用銅帶的產(chǎn)品規(guī)格集中在厚度0.8mm～2.0mm，寬度按照電纜直徑倍尺的區(qū)間。

2.2 產(chǎn)品尺寸精度設(shè)計(jì)

在護(hù)套專用銅帶的尺寸精度設(shè)計(jì)上，需保障縱包成型焊縫尺寸的精確穩(wěn)定，以獲取穩(wěn)定均勻的焊縫及成型精度。其厚度、寬度、毛刺、側(cè)彎指標(biāo)在滿足GB/T17793-2010《加工銅及銅合金板帶材 外形尺寸及允許偏差》高精級指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)應(yīng)管控整卷范圍內(nèi)波動區(qū)間的穩(wěn)定一致。如厚度公差精度滿足±0.015mm標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，其波動范圍應(yīng)控制±0.005mm以內(nèi)。同時，為保障繞包焊接成型過程的順利實(shí)施，產(chǎn)品寬度公差精度應(yīng)按技術(shù)指標(biāo)上限-0.15mm區(qū)間保障。

2.3 產(chǎn)品形狀外觀設(shè)計(jì)

根據(jù)剛性防火電纜大長度定制生產(chǎn)，以減少鋪設(shè)接頭的需求，在護(hù)套專用銅帶的形狀外觀設(shè)計(jì)上，產(chǎn)品內(nèi)徑/外徑選擇應(yīng)與剛性防火電纜生產(chǎn)線開卷/收卷能力相適應(yīng)，其成品帶材單位重量應(yīng)≥12kg/mm，以此滿足當(dāng)前國內(nèi)以建筑高度100m為防火等級分界線條件下剛性防火電纜的長度需求。

2.4 產(chǎn)品表面狀態(tài)設(shè)計(jì)

銅帶縱包氬弧焊接連續(xù)軋制在線退火生產(chǎn)方式的核心管控點(diǎn)是氬弧焊的連續(xù)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。除護(hù)套專用銅帶材質(zhì)、尺寸精度的影響外，最核心的就是護(hù)套專用銅帶的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。在保障表面無氣孔、分層的基礎(chǔ)要求外，核心需保障表面清潔、無油污，產(chǎn)品表面殘油量經(jīng)脫脂清洗后需控制≤10mg/m2·面。

2.5 產(chǎn)品化學(xué)成分設(shè)計(jì)與牌號選擇

根據(jù)剛性防火電纜高熔點(diǎn)、高導(dǎo)電能力、高成分純度及成分均勻性需求，在護(hù)套專用銅帶化學(xué)成分設(shè)計(jì)上宜以高純無雜、無氧或低氧，或僅含有改善焊接效果的磷元素的銅及銅合金牌號為目標(biāo)，如牌號TU1/T2/TP2。其中優(yōu)選加磷除氧的TP2牌號，該牌號具備最優(yōu)的成分穩(wěn)定性與焊接穩(wěn)定性。

2.6 產(chǎn)品力學(xué)性能設(shè)計(jì)與狀態(tài)選擇

根據(jù)剛性防火電纜縱包焊接多道次軋制的加工需求，在護(hù)套專用銅帶的力學(xué)性能設(shè)計(jì)上應(yīng)在滿足產(chǎn)品縱包過程成型精確的基礎(chǔ)上，為焊接成管后的多道次軋制預(yù)留塑性加工能力。

根據(jù)不同規(guī)格防火電纜各自的軋制道次需求，力學(xué)性能應(yīng)總體設(shè)計(jì)在H02～H04狀態(tài)之間取值，其中優(yōu)選H02狀態(tài)以保障護(hù)套成型精確。

3 剛性防火電纜護(hù)套用銅帶工藝配套

為保障剛性防火電纜護(hù)套用銅帶最終逐一實(shí)現(xiàn)上述產(chǎn)品特性，在常規(guī)銅及銅合金帶材產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，還需重點(diǎn)實(shí)施下列配套工藝。

3.1 供坯工藝配套

當(dāng)前國內(nèi)TU1/T2/TP2牌號銅帶供坯工藝主要包括立式半連鑄+熱軋方案、水平連鑄方案及擠壓供坯方案三種。三種方案均可滿足形狀外觀與尺寸精度的需求，但相較于水平連鑄方案產(chǎn)出錠坯易分層、疏松的特性，及擠壓供坯方案產(chǎn)出鑄坯尺寸規(guī)格不靈活的特性，立式半連鑄+熱軋方案經(jīng)由高溫大加功率產(chǎn)出的鑄錠能夠有效避免分層、疏松，且規(guī)格品種齊全，配置靈活，宜作為護(hù)套專用銅帶的優(yōu)選供坯工藝。

當(dāng)然，立式半連鑄+熱軋方案也存在因設(shè)備投資大、占地多、工序繁雜而帶來的產(chǎn)品成本劣勢。

3.2 熱處理工藝配套

為保障護(hù)套專用銅帶在整卷范圍內(nèi)的性能準(zhǔn)確、均一，在熱處理工藝配套上，尤其是成品退火環(huán)節(jié)，宜優(yōu)選展開式連續(xù)退火方案。部分護(hù)套專用銅帶因規(guī)格過大(≥1.5mm)無法實(shí)現(xiàn)展開式連續(xù)退火方案時，應(yīng)采取風(fēng)機(jī)變頻控制的高精度鐘罩式退火爐實(shí)施退火作業(yè)，保障罩式爐爐內(nèi)控溫精度≤±5℃。

3.3 表面清洗工藝配套

表面清洗工藝直接影響著護(hù)套專用銅帶的可焊性與焊接穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)護(hù)套專用銅帶產(chǎn)品表面殘油量≤10mg/m2·面，且銅帶表面無殘留銅粉、臟污等異物，需在控制冷軋工序表面殘油量≤200mg/m2·面的基礎(chǔ)上，對表面清洗工序的脫脂環(huán)節(jié)配備預(yù)脫脂、脫脂、熱水沖淋的系統(tǒng)脫脂工藝，并實(shí)施產(chǎn)品表面拋光。特別的，需在銅帶最終烘干前對帶材實(shí)施由新鮮水噴淋的表面清理工序。

3.4 精密分切工藝配套

傳統(tǒng)的分切工藝不可避免會在裁切端面產(chǎn)生毛刺，對護(hù)套專用銅帶產(chǎn)品而言，毛刺的存在將導(dǎo)致連續(xù)氬弧焊過程電弧不穩(wěn)，甚至漏焊。盡管通過邊部處理能在一定程度上緩解毛刺的影響，但風(fēng)險依然存在。對應(yīng)護(hù)套專用銅帶的裁切工藝應(yīng)采取直接裁切為矩形端面，以無毛刺為目標(biāo)的裁切方案。具體裁切工藝宜在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，按照零側(cè)隙、負(fù)刀縫及斷壓方式配套實(shí)施。

3.5 成套生產(chǎn)工藝流程

綜合上述工藝配套，剛性防火電纜護(hù)套用銅帶的生產(chǎn)工藝流程為：備料→加料→熔煉→立式半連鑄→鋸切→步進(jìn)爐加熱→熱軋→離線銑面→粗軋→粗裁定尺→罩式爐退火→清洗機(jī)列清洗→中精軋機(jī)冷軋→罩式爐退火→清洗機(jī)列清洗→中精軋機(jī)冷軋→罩式爐退火→清洗機(jī)列清洗→精密分切→包裝→稱重→入庫→發(fā)貨出庫。

4 結(jié)束語

緊貼剛性防火電纜護(hù)套的功能需求，立足于常規(guī)銅帶產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程與工藝參數(shù)，在不增加銅帶生產(chǎn)設(shè)備投入與操作難度的基礎(chǔ)上，通過生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)選，工藝參數(shù)的調(diào)配，以及核心技術(shù)指標(biāo)的對應(yīng)，針對性產(chǎn)出的護(hù)套專用銅帶產(chǎn)品，無論在滿足電纜功能性還是匹配電纜生產(chǎn)上，均完全符合市場需求，且大幅降低了因護(hù)套質(zhì)量異常造成的電纜生產(chǎn)過程的報廢浪費(fèi)。

我公司按上述產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝配套所生產(chǎn)的剛性防火電纜護(hù)套用銅帶產(chǎn)品，自2019年下半年投產(chǎn)至今，在得到市場客戶充分認(rèn)可的情況下，已向國內(nèi)眾多知名防火電纜生產(chǎn)企業(yè)成功銷售近萬噸產(chǎn)品，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，證明該護(hù)套專用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與工藝配套成熟可靠。

在當(dāng)前國內(nèi)外銅及銅合金產(chǎn)品升級大力推行高純化、合金化的過程中，充分研究市場客戶使用端的應(yīng)用需求，圍繞具體產(chǎn)品的需求實(shí)施設(shè)計(jì)，以個性化及微創(chuàng)新打造適應(yīng)個性化需求的定制功能性產(chǎn)品，推動產(chǎn)品升級，培育企業(yè)產(chǎn)品在市場上的核心競爭力，同樣不失為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級目標(biāo)的途徑之一。