閆成琨，計(jì) 江，湯昌東，王悅晗，錢(qián)廣闊，郝宏昭

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018;2.清遠(yuǎn)楚江銅業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511517)

0 前言

自我國(guó)的十三五規(guī)劃和2016年巴黎協(xié)定實(shí)施以來(lái)，我國(guó)致力于發(fā)展降低碳排放和能耗的產(chǎn)業(yè)技術(shù)。2020年我國(guó)更是提出要在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的宏偉目標(biāo)。銅及其合金是實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)深度脫碳所必不可少的材料。中國(guó)作為全球銅消費(fèi)的第一大國(guó)，2019年中國(guó)銅消費(fèi)約占全球總消費(fèi)的52%左右，其中電力板塊又占國(guó)內(nèi)終端消費(fèi)的46%左右。根據(jù)國(guó)家銅業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的研究數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力、光伏發(fā)電等可再生能源系統(tǒng)中的平均用銅量超過(guò)傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的8～12倍。另一方面，以5G、充電樁、特高壓、軌道交通等為代表的新基建作為國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的投資重點(diǎn)，對(duì)高性能連接器、高強(qiáng)高導(dǎo)高屏蔽相關(guān)高精銅板帶箔的需求也十分巨大。據(jù)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)測(cè)算，2021年僅新基建相關(guān)行業(yè)對(duì)高精銅板帶箔的需求合計(jì)將達(dá)到13.89萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)約23%。預(yù)計(jì)整個(gè)十四五期間，“碳中和”目標(biāo)將令我國(guó)每年銅消耗增加85萬(wàn)噸。

在銅消費(fèi)巨量增長(zhǎng)的背景下，提高銅加工行業(yè)自身的生產(chǎn)效能、降低碳排放成為該行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重中之重。中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司從事銅板帶軋制設(shè)備研發(fā)與成套設(shè)備40余年，為提高銅帶冷軋環(huán)節(jié)的成材率，成功研發(fā)成套了一種大徑寬比高精銅帶卷冷粗中軋機(jī)組，為國(guó)內(nèi)銅加工企業(yè)大幅提高成材率、降低企業(yè)綜合碳排放，提供了可靠的生產(chǎn)設(shè)備和有效的解決途徑。

1 生產(chǎn)工藝及機(jī)組主要參數(shù)

1.1 大徑寬比銅卷生產(chǎn)工藝

在高精銅帶需求大幅增長(zhǎng)的背景下，為了提高產(chǎn)量、降低軋輥損耗等，越來(lái)越多的銅帶加工企業(yè)在粗軋生產(chǎn)過(guò)程中，已不再對(duì)來(lái)料銑面卷進(jìn)行“咬頭甩尾軋制”，而是采用“留頭軋制”法，即在各道次軋制中，留一部分頭尾料不軋，隨即反向軋制。該方法既可節(jié)省因帶卷頭尾反復(fù)失張建張而增加的板形超差長(zhǎng)度和輔助時(shí)間，又避免了因帶頭反復(fù)強(qiáng)迫咬入導(dǎo)致的軋輥沖擊損耗。留頭軋制法的不足之處在于未軋制的頭尾料將成為廢料而被切除。因粗軋來(lái)料卷都比較厚，頭尾料長(zhǎng)度在1～2 m左右。按來(lái)料厚16 mm×寬440 mm的典型規(guī)格計(jì)算，熱軋卷一般為5 t，長(zhǎng)度在83 m左右，則每卷銅帶在粗軋加工時(shí)僅頭尾料就切除了1.2%～2.4%左右。雖然廢料會(huì)被回收，但其在熔鑄和熱軋階段已經(jīng)耗費(fèi)了大量的電能或燃?xì)狻?/p>

近些年來(lái)，由于銅板摩擦焊接技術(shù)的進(jìn)步，可以將銅板之間高質(zhì)量地焊接在一起，且不會(huì)添加其他元素，焊縫強(qiáng)度約為基體強(qiáng)度的80%左右。因此，一種新工藝模式被提出來(lái)，即先將兩個(gè)熱軋卷頭尾對(duì)焊后拼接成一個(gè)更大卷徑的帶卷，然后再進(jìn)行冷軋工藝。該工藝的好處：將2個(gè)卷合并成了1個(gè)卷，原本加工2個(gè)卷的4個(gè)頭尾廢料減少到2個(gè)，故每卷可節(jié)約120 kg銅材，廢品率減少了50%；焊縫區(qū)域不需要大幅減速，進(jìn)而減少了因加減速導(dǎo)致的超差長(zhǎng)度，提高了產(chǎn)品的綜合成材率；上卸卷輔助時(shí)間減少了50%以上，大幅提高了班組效率和產(chǎn)能。

該工藝下的帶卷在寬度不變的情況下，單卷卷重和帶長(zhǎng)翻倍，卷徑大幅增加。典型規(guī)格的10 t來(lái)料卷的直徑將增加到最大2.5 m。該模式下銅帶粗軋來(lái)料卷的徑寬比最大可達(dá)8.3，單位寬度卷重最高可達(dá)23 kg/mm，該規(guī)格在全世界板帶軋制領(lǐng)域也前所未有。傳統(tǒng)銅帶生產(chǎn)中徑寬比一般不超過(guò)5，黑色和其他有色合金板帶的徑寬比一般不大于2，因此，這種超大規(guī)格的帶卷被稱為“大徑寬比帶卷”。

采用大徑寬比帶卷將導(dǎo)致原常規(guī)粗軋機(jī)組多項(xiàng)功能失效而無(wú)法生產(chǎn)：主要原因是帶卷卷徑大幅增加，原布置下的機(jī)組無(wú)法安置超大規(guī)格帶卷；同時(shí)帶卷豎立放置時(shí)穩(wěn)定性變差，生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中很容易向兩側(cè)傾翻造成安全事故；由于超大規(guī)格卷導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷增大，原設(shè)備的強(qiáng)度和剛度無(wú)法滿足新工藝的要求；帶卷焊接在一起后其橫向偏差疊加，超差范圍增大，更易跑偏。

針對(duì)超大規(guī)格銅卷軋制的缺陷，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司研發(fā)了一種適用于大徑寬比高精銅帶卷的粗中軋機(jī)組，可對(duì)卷重達(dá)到10 t、極限徑寬比達(dá)到8.3、極限單位寬度卷重達(dá)到23 kg/mm的超大規(guī)格銅卷進(jìn)行粗軋生產(chǎn)，同時(shí)可兼顧粗軋后退火帶卷的中軋生產(chǎn)。該機(jī)組已在國(guó)內(nèi)某大型銅帶加工企業(yè)成功投產(chǎn)并順利達(dá)產(chǎn)。

1.2 機(jī)組工藝布置

圖1為大徑寬比高精銅帶卷粗中軋機(jī)組的工藝布置圖，圖中粗線為銅帶流線示意。大徑寬比帶卷在該機(jī)組上可進(jìn)行兩種模式的軋制工作制，即粗軋工作制和中軋工作制。

圖1 大徑寬比高精銅帶卷粗中軋機(jī)組工藝布置

粗軋工作制：上卷小車→雙柱頭開(kāi)卷機(jī)→左卷取大卷筒←(反復(fù)軋制)→右卷取大卷筒→左(右)卷取小卷筒→卸卷小車。

中軋工作制：卸卷小車→左卷取小卷筒←(反復(fù)軋制)→右卷取小卷筒→卸卷小車。

機(jī)組配置的測(cè)厚儀和測(cè)速裝置對(duì)帶材厚度與速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)恒輥縫控制、恒軋制力控制、壓下調(diào)偏控制、自動(dòng)預(yù)壓靠控制、厚度預(yù)控AGC、厚度監(jiān)控AGC等控制功能。立輥對(duì)中裝置和機(jī)架輥可在軋制過(guò)程中對(duì)帶材的水平和豎直方向的波動(dòng)起到穩(wěn)定作用。除油裝置配置了一對(duì)擠油輥和雙排氣刀，可清除軋后帶材上的殘余工藝潤(rùn)滑液。橫切剪用于切除超差的頭尾料。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

本機(jī)組可生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格見(jiàn)表1。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 產(chǎn)品規(guī)格

表2 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

2 機(jī)組的新技術(shù)和新工藝

2.1 防止帶卷傾翻的運(yùn)卷小車

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)當(dāng)徑寬比大于5后，豎立放置的帶卷穩(wěn)定性變差，運(yùn)輸過(guò)程中很容易向兩側(cè)傾翻。本機(jī)組運(yùn)輸?shù)膸Ь淼膹綄挶茸罡哌_(dá)到8.3，其運(yùn)卷過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性是機(jī)組研發(fā)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)對(duì)多種方案的綜合分析和評(píng)估，最終采用了在小車上配置液壓傳動(dòng)夾具，通過(guò)夾持帶卷下部來(lái)保持穩(wěn)定的總體方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：穩(wěn)定效果好，占用空間小，安全性高，操作便捷。

根據(jù)運(yùn)輸方向的不同，本機(jī)組開(kāi)發(fā)了2種防傾翻裝置：一種是配置在沿著帶卷徑向運(yùn)動(dòng)的上卷小車上，如圖2所示。該裝置可將帶卷夾持后運(yùn)輸至兩個(gè)雙柱頭開(kāi)卷機(jī)之間，同時(shí)夾持部位可以避開(kāi)雙柱頭開(kāi)卷機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)，待雙柱頭開(kāi)卷機(jī)將帶卷套入卷筒后，夾具松開(kāi)并擺下，小車可退出開(kāi)卷機(jī)區(qū)域。另一種是配置在沿著帶卷軸向運(yùn)動(dòng)的卸卷小車上，如圖3所示。該裝置可將卷取機(jī)小卷筒上的帶卷夾持后沿卷筒軸向緩慢退出卸卷，或者將帶卷夾持后套在小卷筒上，待帶卷就位后，可通過(guò)擺動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)夾具擺下，避開(kāi)帶卷后退出卷取區(qū)域。

圖2 上卷小車防傾翻裝置夾卷運(yùn)輸狀態(tài)

圖3 卸卷小車防傾翻裝置夾卷運(yùn)輸狀態(tài)

2.2 高剛性大小卷筒卷取機(jī)

卷取機(jī)作為提供軋制張力的重要設(shè)備，超大規(guī)格帶卷的生產(chǎn)對(duì)其提出了更為苛刻的要求。該粗中軋機(jī)組適用帶卷厚度的范圍很大，從20 mm來(lái)料到0.5 mm成品，均須通過(guò)卷取機(jī)繞卷。該卷取機(jī)采用了大小卷筒配置，Φ1 600 mm的大卷筒用于厚度為5～20 mm帶卷的卷取，Φ610 mm小卷筒用于厚度為0.5～5 mm帶卷的卷取。大小卷筒通過(guò)可換擋的聯(lián)合齒輪箱，共用一套電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)。

本機(jī)組的來(lái)料10 t卷單位寬度卷重最高可達(dá)23 kg/mm，較常規(guī)5 t卷的單位卷重12 kg/mm幾乎翻倍。卷徑的增大導(dǎo)致軋制張力的方向和大小都發(fā)生了變化。以中國(guó)重型院原粗軋機(jī)組的常規(guī)卷負(fù)荷數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，超大規(guī)格帶卷對(duì)卷取機(jī)大小卷筒的負(fù)荷影響見(jiàn)表3。

表3 超大規(guī)格帶卷對(duì)卷取機(jī)卷筒負(fù)荷的影響

由表3數(shù)據(jù)可知，10 t卷對(duì)大小卷筒均帶來(lái)負(fù)荷的大幅增加。該機(jī)組采用的雙支撐大小卷筒卷取機(jī)如圖4所示。通過(guò)新的研發(fā)設(shè)計(jì)，使卷取機(jī)在強(qiáng)度和剛度方面更適合超大規(guī)格帶卷的生產(chǎn)。

圖4 雙支撐大小卷筒卷取機(jī)

(1)大卷筒端部配置固定支撐，小卷筒端部配置活動(dòng)支撐，從而進(jìn)一步提高卷筒的剛性，保證超大直徑帶卷內(nèi)外側(cè)張力均勻穩(wěn)定；

(2)重新設(shè)計(jì)了大小卷筒的卷筒軸，以增強(qiáng)卷筒的強(qiáng)度和剛性；

(3)增加大小卷筒間距，避免帶卷卷徑增大后與另一個(gè)卷筒干涉；

(4)增大各級(jí)齒輪副的強(qiáng)度，以抵消扭矩增大的負(fù)面影響；

(5)采用了重新設(shè)計(jì)的瓦圈式重載換擋機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可承受的振動(dòng)和沖擊遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)軸承推動(dòng)結(jié)構(gòu)，大大增加了超大規(guī)格帶卷生產(chǎn)時(shí)減速箱的維護(hù)周期。

2.3 自適應(yīng)在線糾偏立輥對(duì)中裝置

帶材軋制時(shí)的橫向偏差(鐮刀彎)一般需要立輥對(duì)中裝置為輔助。由于超大規(guī)格帶卷是由2卷常規(guī)帶卷焊接而成，帶卷橫向偏差必然會(huì)累積增大。另外，焊接時(shí)切口和焊縫的輕微偏斜，也會(huì)導(dǎo)致帶尾部分出現(xiàn)更大的偏差。傳統(tǒng)的立輥對(duì)中裝置，一般為2對(duì)立輥，立輥?zhàn)鶆傂园惭b在齒輪齒條開(kāi)合機(jī)構(gòu)上，軋制過(guò)程中需要操作人員不斷手動(dòng)調(diào)整開(kāi)合度，既要保證對(duì)中效果，又要防止帶材橫向偏差過(guò)大損傷設(shè)備，該操作方式效率低下，無(wú)法應(yīng)對(duì)超大卷生產(chǎn)中過(guò)大的橫向偏差和更快的響應(yīng)時(shí)間。為此，本機(jī)組開(kāi)發(fā)配置了一種能夠自適應(yīng)的在線糾偏立輥對(duì)中裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。每側(cè)的滑動(dòng)立輥?zhàn)贾昧艘粋€(gè)短行程油缸，立輥?zhàn)c油缸桿連接，油缸基座安裝在螺母絲杠機(jī)構(gòu)上。通過(guò)油缸壓力動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，使立輥可以隨著帶材橫向偏差變化，快速自動(dòng)對(duì)中糾偏，并在過(guò)大偏差下適度退讓，既保證了更大偏差帶材的對(duì)中效果，也降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。增加1對(duì)立輥成3對(duì)立輥，對(duì)軋制過(guò)程中帶材的橫向偏差感應(yīng)更為靈敏。油缸基座開(kāi)口度的調(diào)節(jié)采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)，利用絲杠螺母自鎖特性，保證油缸基座位置的穩(wěn)固可靠。

圖5 自適應(yīng)在線糾偏對(duì)中裝置

2.4 銅帶表面質(zhì)量檢查站

粗軋帶卷來(lái)料為銑面后的熱軋卷。由于鑄錠的缺陷和氧化皮的影響，帶卷表面會(huì)有少量超差較大的凹陷，這種凹陷表面的氧化層若不處理，經(jīng)過(guò)軋制后就會(huì)嵌入帶材成為缺陷。如果要通過(guò)銑面機(jī)來(lái)處理超差凹陷的氧化層，就需要加大整個(gè)帶面的銑面進(jìn)給量。當(dāng)帶卷由常規(guī)卷變?yōu)楹附泳砗?，每個(gè)超差凹陷點(diǎn)所銑去的材料就會(huì)翻倍。表4為單個(gè)超差凹陷點(diǎn)造成的銑面損失量對(duì)比。按單個(gè)凹陷平均超差0.2 mm計(jì),一個(gè)10 t超大規(guī)格卷就會(huì)造成124 kg的銅材損失。被銑掉的銅材只能作為廢料通過(guò)回收后再度回爐，長(zhǎng)期積累下來(lái)，無(wú)疑是一種很大的能耗浪費(fèi)。

表4 單個(gè)超差凹陷點(diǎn)造成的損失量對(duì)比

為減少損失，本機(jī)組設(shè)置了帶面質(zhì)量檢查站，布置在開(kāi)頭矯直機(jī)后的輥道區(qū)域。帶卷經(jīng)開(kāi)卷并矯直后，在該區(qū)域運(yùn)行平直且速度較低，比較適合機(jī)組操作人員檢查銑面后的帶面質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)有超差凹陷點(diǎn)時(shí)，可隨時(shí)將凹陷氧化層打磨掉，露出光亮基體表面，消除后續(xù)質(zhì)量隱患。但是該工藝模式在打磨過(guò)程中會(huì)產(chǎn)成銅屑，若不處理則會(huì)對(duì)環(huán)境和人員健康造成影響。本機(jī)組在檢查站處設(shè)置了銅屑收集除塵裝置，可將打磨銅屑迅速抽吸并導(dǎo)入除塵塔。除塵塔內(nèi)設(shè)置了拒水防油針刺過(guò)濾氈制成的濾袋分離銅粉，通過(guò)清灰裝置將銅粉收集進(jìn)入塔底的卸料斗內(nèi)集中處理。除塵塔的控制采用脈沖控制儀進(jìn)行自動(dòng)控制，并可與工廠系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互。銅屑收集除塵裝置如圖6所示。

圖6 銅屑收集除塵裝置

3 節(jié)材節(jié)能效益

通過(guò)多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)和工藝的應(yīng)用，本機(jī)組在高精銅板帶生產(chǎn)的節(jié)材和節(jié)能方面有了很大的提升。以年產(chǎn)青銅合金板帶3萬(wàn)t、每卷10t為例。能耗數(shù)據(jù)以《GB29442-2012銅及銅合金板、帶、箔材單位產(chǎn)品能源消耗限額》中“工藝路線1(配料-熔鑄鑄錠-熱軋-冷軋-熱處理)”的新建企業(yè)單耗準(zhǔn)入值為基本數(shù)據(jù)，因本機(jī)組為粗中軋機(jī)，廢料在加工工序中僅消耗了熱軋能耗，熱軋?jiān)诩庸すば虻膯魏姆謹(jǐn)傁禂?shù)為0.5，故表中節(jié)約材料的單耗值為580-280×0.5=440 kgce/t。本機(jī)組的節(jié)材和節(jié)能效益的提升效果見(jiàn)表5。表中工廠綜合成材率為本機(jī)組所在企業(yè)的傳統(tǒng)工藝和新工藝的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，電能的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)按0.1229 kgce/(kW·h)計(jì)算。由表中數(shù)據(jù)可知，本機(jī)組每年的節(jié)材節(jié)能效果非常可觀。

表5 本機(jī)組節(jié)材節(jié)能效益

4 結(jié)束語(yǔ)

大徑寬比銅卷的生產(chǎn)工藝流程，對(duì)其工藝的先進(jìn)性和對(duì)冷軋生產(chǎn)設(shè)備帶來(lái)的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)超大規(guī)格大徑寬比帶卷的粗中軋機(jī)組提出的新技術(shù)和新工藝，在生產(chǎn)安全性、設(shè)備耐用性、產(chǎn)品成材率、產(chǎn)品節(jié)能效益等方面均有明顯提升。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按某工廠實(shí)際生產(chǎn)為例，計(jì)算了本機(jī)組在新工藝流程下每年的節(jié)材732 t，節(jié)能2.62×106kW·h，綜合效益非常可觀。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，中國(guó)重型院開(kāi)發(fā)的大徑寬比高精銅帶卷粗中軋機(jī)組及其生產(chǎn)工藝，為國(guó)內(nèi)銅加工企業(yè)節(jié)材節(jié)能和降低排放，提供了可靠的生產(chǎn)設(shè)備和有效的解決途徑。