SCR連鑄連軋銅桿工藝形成機(jī)理及質(zhì)量管控研究

郭振興，朱海鵬

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330000）

銅桿作為電線電纜行業(yè)中最重要的原材料，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)通訊以及軌道交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可替代的重要組織結(jié)構(gòu)。受到電線電纜在新領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用，對(duì)電工所用銅桿的種類和質(zhì)量提出新的高標(biāo)準(zhǔn)要求。連鑄連軋工藝被廣泛使用的原因有生產(chǎn)周期短以及配料溫度均勻和成材率高等，在減少能源損耗的發(fā)展環(huán)境下，利用該工藝能夠大幅度增加能源的利用率，為銅桿生產(chǎn)提供新的發(fā)展方向。通過(guò)連鑄連軋的生產(chǎn)技術(shù)，每年的銅桿產(chǎn)量生產(chǎn)效率都有大幅提升，并且該工藝下的銅坯能夠直接在軋機(jī)中進(jìn)行軋制，最大程度地減少了二次加熱的能量消耗。利用連軋工藝制作的銅桿受多次致密錯(cuò)位操作，其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)十分密集，完成的成品成材率可以保持穩(wěn)定的生產(chǎn)速度?，F(xiàn)如今世界范圍內(nèi)超過(guò)九成的銅線銅桿工藝制品，均在連鑄連軋的技術(shù)下生產(chǎn)完成，其中產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好的連鑄連軋生產(chǎn)工藝由美國(guó)南方線材公司研制，稱為SCR法。本文通過(guò)研究SCR連鑄連軋銅桿工藝的形成機(jī)理，設(shè)計(jì)銅桿質(zhì)量管控方法，為更好地生產(chǎn)銅桿成品提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 SCR連鑄連軋銅桿工藝形成機(jī)理

連鑄連軋工藝是將電解后的銅原料放置在感應(yīng)電爐中完成熔化，利用保溫銅液在五輪鑄造機(jī)中不斷地形成梯形坯料，在通過(guò)連軋機(jī)架組軋制成桿后冷卻清洗。上述流程下會(huì)產(chǎn)生三種狀態(tài)：一是自由軋制在連軋機(jī)的機(jī)架間保持相等秒流量時(shí)，在機(jī)架間的軋件保持不受拉和不受壓的對(duì)等狀態(tài)，此時(shí)軋件不會(huì)產(chǎn)生變形效果，但由于金屬的秒流量會(huì)在多種因素作用下發(fā)生變化，因此該狀態(tài)不會(huì)經(jīng)常發(fā)生[1]。二是張力軋制又稱為拉鋼軋制，表示為軋件通過(guò)連軋連鑄過(guò)程時(shí)，軋制線的方向只能沿兩個(gè)相鄰的機(jī)架進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，在機(jī)架間產(chǎn)生的金屬秒流量存在較大參數(shù)的張力，使相鄰機(jī)架間的成品工藝參數(shù)發(fā)生變化。若想消除該秒流量體積減小，只能在兩個(gè)機(jī)架運(yùn)作時(shí)將秒流量差歸零，但配料會(huì)造成浪費(fèi)。

2 SCR連鑄連軋銅桿質(zhì)量管控方法

2.1 建立有限元檢測(cè)模型

連鑄連軋工藝在投入使用過(guò)程中坯料的高溫乳化，會(huì)造成軋件的溫度變化使之與軋輥的接觸換熱系數(shù)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，造成成品質(zhì)量的降低。因此建立有限元模型來(lái)檢測(cè)軋輥與軋件之間的換熱系數(shù)，保證在室內(nèi)的空氣溫度和外界溫度相一致情況下，可以準(zhǔn)確評(píng)估整體連鑄連軋過(guò)程的接觸換熱。利用分段建模的方式對(duì)粗軋機(jī)組設(shè)置兩道次對(duì)稱軋制，在精軋機(jī)組完成四道次的軋制過(guò)程后將粗軋機(jī)疊加至四道次，根據(jù)二分之一的軋件整合理論對(duì)軋輥完成切割提取。在精軋機(jī)組通過(guò)六次以上的道次軋制后，將原有二分之一的整理切割變?yōu)樗姆种卉堓?，?duì)粗軋機(jī)的軋件材料選用高尺寸的坯料，經(jīng)過(guò)軋件斷面的網(wǎng)格劃分模式擴(kuò)展成行體格，按照上述雙倍道次循環(huán)放置對(duì)稱軋制組件完成建模。

2.2 定位剪切斷裂失效位置

通過(guò)定位制作過(guò)程中斷裂的剪切通道位置，能夠判斷軋輥與軋件之間是否發(fā)生粘連情況，在軋制時(shí)金屬材料會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象，根據(jù)不同金屬材料的內(nèi)部化學(xué)元素成分，進(jìn)行結(jié)合界面的粘連比例關(guān)系劃分，按照數(shù)值大小進(jìn)行排列。一接觸面表界的粘連比例在不同金屬元素結(jié)合時(shí)，較小的數(shù)值會(huì)發(fā)生接觸表界的斷裂。軋輥產(chǎn)生向上微凸的體態(tài)，與軋件依舊能夠產(chǎn)生相對(duì)的剪切運(yùn)動(dòng)。二接觸表界的粘連比例在不同金屬內(nèi)部結(jié)合后產(chǎn)生較大的數(shù)值變化，含量較少的金屬會(huì)產(chǎn)生一側(cè)斷裂，軋件的抗彎曲能力此時(shí)最差時(shí)，無(wú)法自動(dòng)消除推力產(chǎn)生的機(jī)架秒流，斷裂金屬只能在機(jī)架中不斷推進(jìn)，導(dǎo)致大量的軋件打結(jié)和擊導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)堆積量超過(guò)為斷裂金屬軋件時(shí)，含量元素的軟金屬會(huì)發(fā)生兩側(cè)瞬時(shí)橫向斷裂，根據(jù)不同情形下的剪切斷裂的失效位置，進(jìn)行不同接觸界面與金屬材料元素結(jié)合的壓制線高度調(diào)節(jié)[2]。

2.3 調(diào)整軋制線高度管控銅桿質(zhì)量

軋線的水平高度和銅桿質(zhì)量之間存在正向聯(lián)動(dòng)關(guān)系，一般軋線的垂直距離要和軋制高度呈對(duì)稱狀態(tài)，才能保證理想的質(zhì)量管控。在制作過(guò)程中，軋線的垂直高度會(huì)與設(shè)定值之間存在誤差，因此，對(duì)應(yīng)的軋制狀態(tài)中，軋制的高度會(huì)發(fā)生變化產(chǎn)生傾角坡度，使得軋件上下表面出現(xiàn)10°～15°的咬合夾角。在上表面的咬入角度不斷增加狀態(tài)下，軋件上表面會(huì)產(chǎn)生一定的延伸率促使其內(nèi)部金屬的流動(dòng)速度過(guò)高，表現(xiàn)為軋件板形的軋件頭部呈下彎趨勢(shì)。調(diào)整步驟分為兩部分：一是對(duì)軋輥的位置調(diào)整，利用設(shè)備的歸零操作對(duì)軋輥的位置完成自動(dòng)參數(shù)設(shè)置，促使鋼水在經(jīng)過(guò)連鑄機(jī)器后直接到加熱爐加熱，不等鑄造余溫降低完成軋輥的位置選定。二是軋制線的調(diào)整，在軋制過(guò)程中軋制線進(jìn)行合理調(diào)整，及時(shí)去除殘余坯料，可以獲得較好的連軋連鑄銅桿板形。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的質(zhì)量管控方法具有實(shí)際的使用功能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式檢驗(yàn)該方法的應(yīng)用效果。由于某省SCR連鑄連軋生產(chǎn)線中銅桿軋制過(guò)程存在工藝問(wèn)題，導(dǎo)致其產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響[3-6]。本次針對(duì)銅桿在連軋生產(chǎn)中存在的不合理現(xiàn)象進(jìn)行管控，通過(guò)改變連軋過(guò)程中秒流量的電流比值，對(duì)生產(chǎn)線上的各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐一完成調(diào)整，分批次進(jìn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定，從而控制成品銅桿的扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)。

3.2 管控過(guò)程

該指標(biāo)可以作為成品銅桿質(zhì)量的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，在成品表面存在缺陷時(shí)可以利用扭轉(zhuǎn)性能使其的抗拉強(qiáng)度得以改善，完成質(zhì)量的把控。根據(jù)該工廠原有設(shè)定的7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)運(yùn)行負(fù)載，運(yùn)用本文方法加以管控，下表1為管控前后的各組電機(jī)負(fù)載變化情況。

表1 管控前后電機(jī)負(fù)載情況（%）

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，按照原有的工藝生產(chǎn)流程每組電機(jī)承受的負(fù)載相差較大，最高負(fù)載為第7組電機(jī)，最低負(fù)載為第一組電機(jī)，兩者的電流比相差51%。超過(guò)了負(fù)載的一半。在本文方法的管控下可以明顯看出，各個(gè)電機(jī)負(fù)載呈現(xiàn)均衡運(yùn)行狀態(tài)，最高負(fù)載由97%降低到了72%，現(xiàn)有最高負(fù)載和最低負(fù)載的差值僅為4%。

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)調(diào)節(jié)各組電機(jī)的電流比值，完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中推拉狀態(tài)的管控，為驗(yàn)證管控前后的銅桿表面樣貌發(fā)生變化，抽調(diào)管控前后銅桿表面的制作畫(huà)面，具體情況如下圖1所示[4]。

圖1 銅桿表面形態(tài)對(duì)比

如圖所示（a）中的箭頭表示軋制的工藝方向，圈中的部位為表面形成的裂紋。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)原有在（a）中圈定的裂紋已經(jīng)消失不見(jiàn)。由此可知在文本方法下可以對(duì)連軋生產(chǎn)工藝中銅桿出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有效管控，提升整體產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立有限元模型，定位剪切斷裂失效位置，調(diào)整軋制線高度，完成SCR連鑄連軋銅桿工藝的質(zhì)量管控方法設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文本方法下可以對(duì)連軋生產(chǎn)工藝中銅桿出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有效管控，提升整體產(chǎn)品質(zhì)量。但由于銅桿的連軋延伸系數(shù)較大，建模后的網(wǎng)格畸變系數(shù)會(huì)造成軋件單元數(shù)量的增加，延長(zhǎng)工作時(shí)間。后續(xù)在研究過(guò)程中會(huì)針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，保證在標(biāo)準(zhǔn)的工作效率中平穩(wěn)地制作銅桿成品，為工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。