超大卷徑高精銅帶軋機新技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

謝 磊，計 江，閆成琨，王悅晗，師浩浩，劉建新

(1. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

銅帶產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于家電、電子信息、智能終端、航空航天等多個行業(yè)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要作用。近年來，我國銅板帶加工工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，已成為世界最大的銅板帶生產(chǎn)國和消費國，據(jù)統(tǒng)計，2019年我國銅板帶產(chǎn)量已達330萬t。與之相對應(yīng)的是我國銅板帶加工行業(yè)的整體生產(chǎn)技術(shù)水平和設(shè)備裝備水平仍低于國外先進水平。銅帶卷的單位寬度重量是若干衡量指標(biāo)中較重要的技術(shù)指標(biāo)之一。國外先進銅企業(yè)在20世紀(jì)末銅帶卷單位寬度重量已超過15kg/mm，而目前我國銅板帶加工企業(yè)主流的單位寬度重量約為13kg/mm，與國外相比差距明顯。提高銅帶卷單位寬度重量不僅可以提高銅帶的生產(chǎn)效率，也可以提高銅帶軋制的成材率。

1 研發(fā)背景

制約銅帶卷單位寬度重量提升的困難在于，首先，使用熱軋機進行熱軋卷生產(chǎn)時，增加熱軋卷的單位寬度重量意味著熱軋機前后輥道的延長，計算可知，單位寬度重量增加1kg/mm，熱軋機前后輥道需要增長14m左右，通過這種方式來提升帶卷單位寬度重量會使車間的占地面積大幅增加，在經(jīng)濟上不合算。其次，單位寬度重量的增加使得帶卷的單卷重量增加，卷徑增大，這對銅帶軋機開卷、卷取設(shè)備的剛性要求，空間要求隨之提高，在高精銅帶全油軋制時，卷徑增大使得銅卷對帶面殘油量也更加敏感，帶面殘油量大會使銅卷出現(xiàn)塔形甚至塌卷。最后，銅卷重量增加，卷徑增大對上卸卷小車的載重要求、穩(wěn)定性安全性要求也相應(yīng)提高，現(xiàn)有的銅帶軋機已經(jīng)不能滿足其要求。

隨著國內(nèi)銅板帶行業(yè)的快速發(fā)展，各大銅企業(yè)及銅板帶設(shè)備成套供應(yīng)商均加大了技術(shù)研發(fā)的力度。近年來，一種通過摩擦焊方式將熱軋后的兩卷銅帶的頭尾相接，再通過重卷機組將焊接后的兩卷銅卷合二為一的新技術(shù)被研發(fā)出來，并成功應(yīng)用在國內(nèi)若干銅企業(yè)中，這種技術(shù)的出現(xiàn)使得帶卷單位寬度重量的提高不再依賴于熱軋機輥道的延長。通過將兩卷銅卷焊接為單卷理論上可以將我國目前主流的銅卷單位寬度重量提高一倍達到26kg/mm，而最大卷徑也將從目前的Φ1600mm增大到Φ2200mm。

這種超大卷徑銅卷的出現(xiàn)使得銅帶軋機、銑面機、退火、清洗及精整設(shè)備等中下游設(shè)備均需要進行相應(yīng)的研發(fā)升級以適應(yīng)超大卷徑銅卷的生產(chǎn)。我公司作為國內(nèi)領(lǐng)先的銅板帶軋制設(shè)備成套供應(yīng)商也針對超大卷徑高精銅帶軋機的新技術(shù)進行了專項研發(fā)，并得到了成功應(yīng)用。本文將對我公司為國內(nèi)某銅企業(yè)開發(fā)成套600mm四輥可逆高精銅帶中軋機組所研發(fā)的新技術(shù)進行詳細(xì)介紹。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

該銅企業(yè)本次新增加銅帶產(chǎn)能3萬t，產(chǎn)品定位中高端高精銅帶，生產(chǎn)工藝采用將熱軋后兩卷銅帶卷使用摩擦焊接工藝頭尾焊接合成為單卷超大卷。工藝流程為，立式半連鑄→熱軋→焊接→銑面→粗軋→罩式退火→表面清洗→冷中/精軋→表面清洗→拉彎矯直→定尺剪切→包裝入庫。其600mm四輥可逆高精銅帶中軋機組的主要產(chǎn)品參數(shù)為：

產(chǎn)品品種：H62、H65、H68、T2、T3、TP2

來料厚度：≤3.5mm

成品厚度：0.3mm～2.0mm

銅卷內(nèi)徑：Φ610mm

銅卷最大外徑：Φ2000mm

銅卷寬度：300mm～450mm

最大卷重：10000kg

最高生產(chǎn)速度：480m/min

由上述參數(shù)計算可知，其銅卷單位寬度重量達到了22.2kg/mm，而銅卷的最大直徑寬度比達到了6.7。傳統(tǒng)的銅帶軋機只適用于中小卷徑(銅卷外徑≤Φ1600mm)的軋制，而不適用于這種超大卷徑銅帶卷軋制。按照上述產(chǎn)品需求，并根據(jù)軋制工藝學(xué)的計算和分析，我們制定了滿足相應(yīng)軋制工藝要求的主要設(shè)備參數(shù)，如下所示：

支承輥規(guī)格：Φ600mm/Φ575mm×550mm

工作輥規(guī)格：Φ230mm/Φ220mm×600mm

最大軋制壓力：4500kN

最大軋制扭矩：28kN/m

卷取張力：2kN～60kN

卷取速度：0～(300m/min～480m/min)

卷筒漲縮范圍：Φ594mm～Φ610(真圓)mm～Φ616mm

3 創(chuàng)新技術(shù)

對超大卷徑高精銅帶軋機的研發(fā)首先是要解決銅卷卷取時卷取機卷筒重載情況下的撓曲變形以及上卸卷時大徑寬比銅卷的穩(wěn)定性問題，其次針對某企業(yè)高精銅帶中軋機組卷取張力范圍過大而研發(fā)一種快捷的張力切換換擋機構(gòu)，最后針對全油軋制高精銅帶時超大卷徑銅卷對帶面殘油敏感的問題而研發(fā)一種高效除油系統(tǒng)。

3.1 高剛性強力卷取機新技術(shù)

目前常見的600mm銅帶中精軋機的卷取機卷筒均為懸臂結(jié)構(gòu)，卷筒依靠減速箱內(nèi)兩個調(diào)心軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和支承，在銅卷重力及卷取張力的作用下，會產(chǎn)生一定的撓曲變形，這種卷筒結(jié)構(gòu)形式在傳統(tǒng)小卷重情況下產(chǎn)生的變形量小，可以通過卷取機設(shè)備安裝時的“外八字”加以抵消。而本機組10000kg超大卷不僅增大了卷筒軸承的負(fù)載，也增大了卷筒的撓曲變形。

為解決這個問題，我公司研發(fā)了一種高剛性的卷筒側(cè)支撐以及與之匹配的卷筒。如圖1所示，這種高剛性側(cè)支撐安裝在卷筒端頭部，由底座、擺臂、擺動油缸及外錐套等組成。工作時，側(cè)支撐對卷筒頭部提供了支承，卷筒轉(zhuǎn)動時，卷筒支承裝置的調(diào)心軸承可以保證內(nèi)錐套相對于外錐套保持靜止。這時，卷筒通過減速箱內(nèi)的兩個調(diào)心軸承和側(cè)支撐形成了三點支撐，不再是懸臂結(jié)構(gòu)，剛性得到了極大提高。軋機上卸卷操作時，側(cè)支撐擺臂打開，實現(xiàn)銅卷進出。

圖1 高剛性側(cè)支撐正視圖

上述高剛性卷筒側(cè)支撐新技術(shù)已在600mm四輥可逆高精銅帶中軋機組中得到成功應(yīng)用，這種高剛性強力卷取機完全適應(yīng)超大卷徑高精銅帶的軋制生產(chǎn)。

3.2 重載防傾翻銅卷小車新技術(shù)

用于小卷重軋制的銅卷小車升降導(dǎo)向機構(gòu)一般采用單柱或雙柱式，這種導(dǎo)向形式剛性較差，在小車進退行走時銅卷容易產(chǎn)生晃動，小卷重銅卷由于其徑寬比小，這種晃動并不影響其運卷時的穩(wěn)定性。但在超大卷銅卷軋制時，由于其行走時慣性大，徑寬比大，這種晃動會加劇而影響運卷穩(wěn)定性甚至?xí)?dǎo)致翻卷，造成嚴(yán)重的安全事故。

為了提高超大卷徑銅帶軋制時銅卷小車運卷的穩(wěn)定性，我公司發(fā)了一種新型重載防傾翻銅卷小車。如圖2所示，這種銅卷小車由車體、升降鞍座、防傾翻裝置、軌道等組成。車體的四個車輪安裝在C形軌道側(cè)邊的凹槽中，車體中間是矩形的中空導(dǎo)向孔，矩形孔的內(nèi)側(cè)四個面均裝有自潤滑滑板，車體的進退由交流變頻減速電機驅(qū)動，可實現(xiàn)平穩(wěn)加減速控制。升降鞍座用于放置銅卷并實現(xiàn)升降功能，其下部是焊接結(jié)構(gòu)的矩形箱體，箱體外側(cè)四個面均裝有自潤滑滑板，矩形箱體安裝在車體的矩形導(dǎo)向孔中，四個面的自潤滑滑板形成配合導(dǎo)向面，升降鞍座的升降通過安裝在矩形箱體中的油缸實現(xiàn)，這種方箱結(jié)構(gòu)導(dǎo)向面積大，焊接結(jié)構(gòu)牢固可靠，可以保證超大卷徑銅卷在小車進退行走時的穩(wěn)定性。防傾翻裝置安裝在升降鞍座上方，用于防止銅卷發(fā)生傾翻并起到保護作用，防傾翻裝置由保護臂、液壓馬達及油缸等組成，保護臂有四根，分別安裝在升降鞍座的四角，銅卷兩側(cè)相對的兩根保護臂通過一根轉(zhuǎn)軸連接，保護臂可以在油缸的作用下沿著轉(zhuǎn)軸進行軸向移動，實現(xiàn)對銅卷的夾緊和松開，液壓馬達安裝在轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，通過帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)保護臂的抬起及落下。在軋機取卷操作時，保護臂通過油缸作用松開，并在液壓馬達的作用下落下，此時將銅卷放置在升降鞍座上，然后油缸與液壓馬達動作，將擺臂抬起，并夾緊銅卷。

圖2 重載防傾翻銅卷小車

這種新型重載防傾翻銅卷小車由于其方箱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向，并且使用交流變頻減速電機驅(qū)動，使得其在進退時平穩(wěn)無晃動，而防傾翻裝置可以在超大卷徑銅卷的兩側(cè)施加保護，起到穩(wěn)定銅卷防止其傾翻的作用，提升了軋機操作的安全性。完全適應(yīng)超大卷徑高精銅帶的軋制生產(chǎn)。

3.3 全油軋制高效除油新技術(shù)

高精銅帶所用軋制油的特點是粘度較大，對銅帶表面粘附性較強，一旦附著在銅帶表面就不容易被去除，除油問題已成為銅加工行業(yè)性的難題。而軋制油進入軋機出口側(cè)并落到銅帶表面主要通過三種途徑：一是上支承輥的轉(zhuǎn)動將噴射到上支承輥上的軋制油甩到出口側(cè)；二是工作輥輥縫存在間隙，軋制油隨著工作輥的轉(zhuǎn)動，從間隙處甩到了出口側(cè)；三是被霧化的軋制油冷凝后滴落到出口側(cè)銅帶表面。為了阻止軋制油通過上述三種途徑進入軋機出口側(cè)，我公司研發(fā)了一種高效除油系統(tǒng)，此系統(tǒng)由上支承輥清輥裝置及軋機防纏裝置組成。

上支承輥清輥裝置用于防止軋制油隨著上支承輥的轉(zhuǎn)動被甩到軋機出口側(cè)。如圖3所示，該清輥裝置安裝在上支承輥正上方，主要由清輥架，左、右兩個斜刮油板和中間的立刮油板組成。清輥架安裝在上支承輥兩個軸承座之間，用于固定刮油板；左、右兩個斜刮油板傾斜呈一定角度對稱安裝在清輥架上，斜刮油板是由兩塊支撐板中間夾著一塊很薄的(T=0.5mm)特殊合金材料刮片組成，工作時，刮片一端以近似相切的角度緊貼支承輥輥面，將順著輥面甩過來的油全部刮除。立刮油板垂直安裝在清輥架上，其刮油片是聚酯材料，工作時刮油片緊貼支承輥輥面，將極少部分沒有被斜刮油板刮除的軋制油去除。

圖3 上支承輥清輥裝置剖面圖

軋機防纏裝置用于防止軋制油從工作輥輥縫間隙進入軋機出口側(cè)，以及霧化后的軋制油冷凝后滴落到銅帶表面。如圖4所示，這種防纏裝置安裝在銅軋機機架內(nèi)部，由上防纏裝置和下防纏裝置組成，上、下防纏裝置各分為兩部分，對稱布置在軋機的入口側(cè)及出口側(cè)。上防纏裝置主要由導(dǎo)板、氣刀吹掃裝置、防濺板等組成。導(dǎo)板斜向布置，與銅帶軋制線成一定角度，軋機工作時，導(dǎo)板移進機架，導(dǎo)板頭部靠近工作輥輥面，僅留2mm～3mm間隙，此時導(dǎo)板可將機架上層空間與銅帶隔絕，機架上層飛濺的軋制油及霧化后冷凝滴落的軋制油均可落在導(dǎo)板上。導(dǎo)板上布置有若干導(dǎo)流槽，可以將這部分軋制油引導(dǎo)到導(dǎo)板兩側(cè)，當(dāng)軋機需要換輥或檢修時，導(dǎo)板退出機架。氣刀吹掃裝置分為工作輥輥縫邊部吹掃裝置和銅帶表面吹掃裝置兩部分，其中工作輥輥縫邊部吹掃裝置安裝在導(dǎo)板頭部兩側(cè)，在軋機工作時氣刀噴嘴靠近工作輥兩側(cè)輥縫，可以將輥縫甩到軋機出口側(cè)的軋制油吹除；銅帶表面吹掃裝置安裝在導(dǎo)板尾部，用于對銅帶表面進行吹掃。防濺板用于防止機架上層飛濺的軋制油濺出機架。下防纏裝置結(jié)構(gòu)組成及功能與上防纏裝置相似，布置在銅帶軋制線下方。

圖4 銅軋機防纏裝置剖面圖

使用上述全油軋制高效除油新技術(shù)理論上可以將絕大部分軋制油與出口側(cè)銅帶隔絕，在實際生產(chǎn)中也取得了較好的效果，出口側(cè)銅帶表面上只殘存極少量的軋制油(圖5)，很好的解決了高精銅帶軋機除油的問題。

4 結(jié)束語

600mm四輥可逆高精銅帶中軋機組已于2020年7月19日一次性熱負(fù)荷試車成功，該機組目前已進入正式生產(chǎn)階段。

圖5 480m/min軋制時的銅帶表面

超大卷徑高精銅帶軋機新技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，成功解決了超大卷銅帶的軋制問題及全油軋制時的除油問題，將我國銅板帶加工行業(yè)的銅帶卷單位寬度重量提高到了22.2kg/mm，達到了世界先進水平，極大的提高了銅帶的生產(chǎn)效率，也提高了銅帶軋制的成材率。為用戶帶來了可觀經(jīng)濟效益的同時也得到了用戶的肯定，在銅板帶軋制生產(chǎn)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用推廣前景。