銅桿熱連軋過(guò)程軋輥粘銅機(jī)理研究

鐘方友，余 琪，陳飛龍

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 貴溪 335400）

銅線棒通常是通過(guò)拉制銅桿來(lái)進(jìn)行加工的。目前銅桿連鑄連軋加工方法主要有三種：SCR法、conrod法、Properzi法。Properzi法在具體操作的過(guò)程中，首先要將胚料先偏轉(zhuǎn)一定的角度，然后再進(jìn)入到粗軋機(jī)，當(dāng)胚料完成準(zhǔn)備工作后然后再將其彎曲一定角度，這樣的操作需要不斷的將配料進(jìn)行彎曲，容易在鑄坯時(shí)對(duì)其表面產(chǎn)生一定的裂紋。conrod法在具體的生產(chǎn)過(guò)程中擁有較為先進(jìn)的工藝方法，能夠有效的降低銅桿在拉制時(shí)所需要的溫度，這樣便能從能耗的角度降低生產(chǎn)銅桿所需要的成本。但是利用conrod法進(jìn)行生產(chǎn)時(shí),生產(chǎn)線所需要的設(shè)備及其復(fù)雜，這就導(dǎo)致設(shè)備一旦出現(xiàn)損壞需要較大的維護(hù)成本，而且設(shè)備在購(gòu)置時(shí)也需要較大的投資量。可控硅生產(chǎn)線設(shè)備簡(jiǎn)單，維修方便，受到世界各地銅桿生產(chǎn)廠家的青睞。在銅棒生產(chǎn)的過(guò)程中，熱連扎工藝往往需要將銅桿進(jìn)行較大的變形，這就導(dǎo)致銅桿在加工的過(guò)程中不斷出現(xiàn)新的表面，導(dǎo)致銅桿表面的應(yīng)力變高。一旦操作不當(dāng)，很容易導(dǎo)致將銅桿粘在軋輥表面,這種現(xiàn)象在具體的生產(chǎn)過(guò)程中又被稱為粘卷。這一現(xiàn)象的發(fā)生還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程摩擦力增加，容易造成能源損耗，還會(huì)對(duì)產(chǎn)品的表面質(zhì)量有所影響，出現(xiàn)磨損后容易使產(chǎn)品表面不合格。粘輥現(xiàn)象普遍出現(xiàn)在金屬的熱軋和冷軋過(guò)程中，對(duì)金屬的加工制造造成了很大的不變，尤其是在銅桿熱軋工藝中，對(duì)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益造成一定的影響。這些金屬在壓力加工過(guò)程中出現(xiàn)的粘刀（輥）問(wèn)題亟待研究和解決[1]。

1 銅桿熱軋粘輥機(jī)理分析

足夠大的軋制力，銅桿矩陣將是從脆性氧化物涂層裂縫中擠壓，而擠壓力與輥間的接觸將超過(guò)電影反應(yīng)的承載強(qiáng)度，和一個(gè)真正的接觸輥和銅桿將建立。在將軋輥和擠壓金屬的銅基體對(duì)接時(shí)，作用于不大的實(shí)際接觸面積上的作用力，會(huì)使得在閉合點(diǎn)處的微突出物產(chǎn)生屈服和塑性變形。而輥筒和銅桿與擠壓金屬間的實(shí)際接觸是輥筒與銅桿的接觸。如圖所示，頂部接觸的面積是十分粗糙的。在具體熱扎的過(guò)程中，粗糙的表面會(huì)使滑動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量，這使得金屬結(jié)合的部位熱度太高，所以在閉合點(diǎn)周圍進(jìn)行了熔化和焊接。

圖1 真實(shí)接觸面積與名義接觸面積關(guān)系

圖2 軋輥與銅桿間微凸體接觸

在軋制過(guò)程中，由于脆性斷裂的氧化膜表面的銅桿的變形區(qū)，軋輥表面擠壓銅桿矩陣和軋輥的表面相互接觸，和兩個(gè)執(zhí)行相對(duì)剪切運(yùn)動(dòng)的壓力下。對(duì)兩個(gè)微突起進(jìn)行焊接和剪切。

金屬材料存在著使其表面性能趨于最低的本能。微觀上界面結(jié)合的擴(kuò)大與增加，具體表現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程中軋輥表面和被軋件表面的實(shí)際宏觀連接。因此我們所謂的剪切強(qiáng)度，從微觀角度。進(jìn)行看待時(shí)便可以利用原子間的結(jié)合未能來(lái)進(jìn)行替代，為了更好的確定剪切時(shí)所發(fā)生的相對(duì)位移，就必須要估算軋輥和銅桿之間的微觀界面能力。

2 熱軋粘輥影響因素研究

（1）輥縫影響。輥縫在具體的生產(chǎn)過(guò)程中有著極為重要的作用，在一些特定孔型的軋制流程中，如果輥縫較小則會(huì)導(dǎo)致銅桿在生產(chǎn)制造過(guò)程中的變形程度變得更加嚴(yán)重，使銅桿在拉升后的表面曝光率變高，而這也導(dǎo)致其在生產(chǎn)過(guò)程中擠壓時(shí)所受的臨界壓力降低。除此之外，當(dāng)輥縫變小后，銅桿所受的平均壓力也會(huì)變大，反應(yīng)膜的力將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中的粘著指數(shù)提高。

（2）入口溫度。銅桿的入口溫度也會(huì)對(duì)銅桿在生產(chǎn)過(guò)程中的一些因素造成很大的影響，尤其是粘棍的變形抗力、應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)和反應(yīng)膜，如果進(jìn)口溫度升高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致平均壓力減小，臨界壓力也會(huì)隨之減小，這與前文提到的廣泛影響是相似的。溫度的升高有利于反應(yīng)膜的生成，提高反應(yīng)膜的承載能力。入口溫度會(huì)與輥縫共同影響銅桿的粘連指數(shù)。

（3）軋輥轉(zhuǎn)速。軋輥的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致整個(gè)制造過(guò)程中，轉(zhuǎn)速速率的變化，再加上前文所提到的兩個(gè)因素更容易塑料不穩(wěn)定和不穩(wěn)定碎屑進(jìn)入微裂縫表面的滾粘輥。軋制速度直接影響銅桿的屈服強(qiáng)度和抗變形能力。輥速越快，銅桿在生產(chǎn)過(guò)程中的變形速率也會(huì)隨之變得越快，這就導(dǎo)致銅桿容易發(fā)生變形。其中涉及到銅桿的變形抗力和屈服強(qiáng)度，這又與平均單位壓力和臨界擠壓應(yīng)力有著密切的關(guān)聯(lián)，所以會(huì)導(dǎo)致變形更容易產(chǎn)生。除此之外，反應(yīng)膜也會(huì)在這一過(guò)程中增加磨損，使其承載能力變得更低。

（4）極壓劑濃度。乳化液中極壓劑形成的反應(yīng)膜的主要作用是將軋輥與銅桿分開(kāi)，避免兩者直接接觸，避免銅桿粘在軋輥上的現(xiàn)象。乳化液中的添加劑能夠有效增加反應(yīng)膜的承載能力，這便能夠避免粘輥現(xiàn)象的發(fā)生。但是這些添加劑會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在生產(chǎn)的過(guò)程中受到表面污染，或是對(duì)金屬造成一定的腐蝕和磨損。因此要考慮到極壓機(jī)濃度過(guò)高導(dǎo)致的不利影響，需要在濃度中達(dá)到一定的平衡。

（5）各影響因素對(duì)粘輥敏感程度。輥縫、輥速、進(jìn)口溫度和極壓劑濃度等工藝參數(shù)是影響軋輥粘銅的重要因素，為此需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的影響程度研究。本文將采用控制變量法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的探討，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)保證實(shí)驗(yàn)成果分析結(jié)果的科學(xué)客觀性。

表1 熱軋粘輥影響因素

在實(shí)驗(yàn)完成后，通過(guò)對(duì)最終模型的計(jì)算來(lái)分析各種工藝參數(shù)變化對(duì)單托輥的影響，然后將反應(yīng)因素變化在百分之一時(shí)調(diào)整各工藝參數(shù)的變量，得到最終的指數(shù)變化。

表2 各影響因素對(duì)粘著指數(shù)影響

溫度變化對(duì)于粘著指數(shù)模型最敏感，接著是輥縫，再接著是極壓劑濃度，最后是輥速。在降低溫度提高輥縫時(shí)，雖然能夠改善這一現(xiàn)象，但是溫度過(guò)低也會(huì)影響。銅桿在制造過(guò)程中最終結(jié)構(gòu)的形成，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)的下降，在具體的生產(chǎn)制造過(guò)程中并不可取，汞分過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致加工面臨更大的困難，與溫度一樣，在具體的生產(chǎn)過(guò)程中并不可取，降低廣速時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)制造的效率，對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)一步發(fā)展有很大的影響。因此在最終的生產(chǎn)工藝改良過(guò)程中，需要將各個(gè)指數(shù)進(jìn)行微調(diào)，通過(guò)最佳變量來(lái)改善生產(chǎn)過(guò)程中的粘接現(xiàn)象問(wèn)題。

3 熱軋粘輥模型建立

剪切點(diǎn)的位置主要取決于兩種材料的抗剪強(qiáng)度與界面抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。為了更準(zhǔn)確地表征軋制工藝條件對(duì)熱軋粘接機(jī)理的影響，建立了以下模型。

軋制力是由平均單位壓力與變形區(qū)面積的乘積表達(dá)。對(duì)于孔型軋制計(jì)算平均單位壓力P的經(jīng)驗(yàn)公式是通過(guò)應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)和變形抗力進(jìn)行表征，以下分別進(jìn)行二者建模。

軋制時(shí)平均單位P為：

根據(jù)實(shí)際問(wèn)題對(duì)粘輥的影響因素進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，軋制過(guò)程中軋制變形區(qū)面積S和變形區(qū)內(nèi)裂紋中擠出的面積S'分別為：

為表征現(xiàn)狀態(tài)與粘輥臨界狀態(tài)的差距，定義了判斷是否發(fā)生軋輥粘銅的粘著指數(shù)P'的表達(dá)式為：

當(dāng)P'＞1時(shí)，很快發(fā)生軋輥粘銅現(xiàn)象，當(dāng)P'＜1時(shí)，不會(huì)發(fā)生軋輥粘銅現(xiàn)象，當(dāng)P'=1時(shí)，為軋輥粘銅臨界狀態(tài)。

對(duì)真實(shí)接觸點(diǎn)在滑動(dòng)過(guò)程中接觸面的滑動(dòng)進(jìn)行分析，根據(jù)裸露區(qū)域內(nèi)真實(shí)接觸面積計(jì)算，得到真實(shí)接觸面積占裸露區(qū)面積比。

可以看出，滑動(dòng)摩擦系數(shù)反映了實(shí)際接觸面積增益。兩種相對(duì)滑動(dòng)的金屬在壓力作用下會(huì)繼續(xù)形成焊接接頭，焊接接頭會(huì)由于相對(duì)滑動(dòng)關(guān)系而不斷被剪切。焊接接頭的形成與剪切摩擦和實(shí)際接觸面積有關(guān)。記錄了銅桿連鑄連續(xù)軋生產(chǎn)線的一次工作循環(huán)，在測(cè)量機(jī)架的輥粘輥尺寸之后，將軋輥孔型的測(cè)量值與過(guò)程參數(shù)值，帶入粘面積比與滾粘輥體積比以及模型模型的計(jì)算值與的比率的粘輥的輥二站在網(wǎng)站。工廠軋輥測(cè)量值大約占總量的百分之二十三點(diǎn)零。此時(shí)，粘結(jié)面積與模型的平均估計(jì)值是百分之二十六點(diǎn)零，差值大約是百分之十三點(diǎn)一，證明了建模的準(zhǔn)確性。

4 改善措施

（1）噴淋裝置優(yōu)化。噴霧裝置將乳化液噴灑在軋輥出口側(cè)的軋輥表面上。軋輥入口側(cè)的軋輥表面未采取噴淋措施。對(duì)于支架，輥的形式是垂直輥。噴淋裝置噴在軋輥表面的乳化液由于重力作用會(huì)沿軋輥表面丟失，因此乳化液中的有效成分進(jìn)入變形區(qū)更加困難。在軋輥旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于向心力的原因而導(dǎo)致部分乳液離開(kāi)軋輥，這就導(dǎo)致大量銅粉懸浮在乳液中，堵塞潤(rùn)滑系統(tǒng)。為了改善這一措施，需要將噴淋系統(tǒng)進(jìn)行安裝部位的改善。原噴淋裝置安裝在出料側(cè)，其功能更側(cè)重于軋輥的溫度降。增加變形區(qū)內(nèi)乳化液的摻量可以降低粘結(jié)指數(shù)。現(xiàn)在對(duì)噴霧裝置進(jìn)行了優(yōu)化，確保了之前的效果，重點(diǎn)是軋制變形區(qū)的潤(rùn)滑。

（2）噴淋裝置改造。乳化液噴霧裝置在軋件的進(jìn)口側(cè)和出口側(cè)增加兩個(gè)乳化液噴霧噴嘴。四個(gè)乳化液噴嘴在進(jìn)口側(cè)和出口側(cè)的頂出位置分別為對(duì)稱軸兩側(cè)的滾動(dòng)面寬度0.67。改造后乳化液總體噴霧量是改造前的兩倍，現(xiàn)有乳化液噴霧效果增大，粘輥位置的潤(rùn)滑和溫降增大。

（3）噴淋動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。目前的軋制工藝解決了粘輥銅的問(wèn)題，但在生產(chǎn)過(guò)程中，由于某些特殊工況需要調(diào)整工藝參數(shù)。如果工藝參數(shù)調(diào)整時(shí)，并未達(dá)到最佳效果，就會(huì)導(dǎo)致粘輥現(xiàn)象的出現(xiàn)，為了改善這一情況就必須要及時(shí)的根據(jù)具體的情況，動(dòng)態(tài)的調(diào)整乳化液的噴量，一旦發(fā)生粘銅現(xiàn)象便會(huì)導(dǎo)致銅桿在生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量問(wèn)題受到影響。并無(wú)法在后續(xù)工藝中進(jìn)行解決，這就需要其實(shí)施自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將自動(dòng)化控制的軟件嵌入到乳液自動(dòng)控制中。利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算。相關(guān)數(shù)據(jù)引入模型并發(fā)出警告，提示操作人員是否需要增加乳化液的噴霧量。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)連鑄連軋生產(chǎn)機(jī)架軋輥粘銅機(jī)理分析，形成了相關(guān)的理論模式，并采用相關(guān)的有限元模擬技術(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)。基于理論模擬得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出和證明了有效處理現(xiàn)場(chǎng)粘銅問(wèn)題的辦法。當(dāng)軋制氣壓足夠大時(shí)，將銅桿基體完全地從脆性材料的氧化涂層裂紋中抽出，與軋輥表面產(chǎn)生了真實(shí)接觸。因?yàn)镃u-Cu界面鍵在微觀上的內(nèi)鍵能相當(dāng)于Fe-Cu界面鍵能和Fe-Fe的內(nèi)鍵能，因此剪切節(jié)點(diǎn)的位移出現(xiàn)在銅材料內(nèi)部，從而形成了較強(qiáng)的粘結(jié)作用?？倗姙?shù)量約為改裝前的二倍。銅桿表面壓痕已全部消失，且輥筒無(wú)沾銅，故潤(rùn)滑效果良好。