蘇旭濤，劉云飛，夏 宇，王悅晗，劉福天

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3.安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241008)

0 前言

近年來，隨著通訊、電子、電力、建筑及交通運(yùn)輸工業(yè)的迅猛發(fā)展,銅及銅合金板帶材產(chǎn)品的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品品種不斷豐富，對(duì)銅板帶產(chǎn)品的技術(shù)要求日趨嚴(yán)格。其典型的特點(diǎn)是：產(chǎn)品性能向高強(qiáng)、高導(dǎo)化發(fā)展，產(chǎn)品厚度向超薄化發(fā)展，公差、板形向高精密化方向發(fā)展，表面質(zhì)量向零缺陷方向發(fā)展，產(chǎn)品長(zhǎng)度向超長(zhǎng)化方向發(fā)展。高精銅及銅合金板帶材成為我國銅加工領(lǐng)域重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間。

因此，中國重型機(jī)械研究院股份公司(中國重型院)緊盯市場(chǎng)前沿，開發(fā)了800 mm六輥超薄精密銅帶冷軋機(jī)組。

1 研發(fā)背景

銅帶材料屬于有色金屬范疇。不同于常規(guī)的黑色金屬，銅帶材料具有附加值高、品種繁多、加工工藝復(fù)雜等特點(diǎn)。典型的銅帶加工工藝：立式半連續(xù)鑄錠→熱軋→雙面銑削→冷粗軋→罩式退火→表面清洗→中/精軋→表面清洗→拉彎矯直→定尺剪切→包裝入庫。精軋工序作為最后的壓延加工工序，直接決定了最終產(chǎn)品的厚度精度、板形精度和表面質(zhì)量。

目前，國內(nèi)的高端精密銅帶冷軋機(jī)組主要由米諾、達(dá)涅利、西馬克等國外公司所壟斷。中國重型院為安徽楚江科技新材料股份有限公司(楚江新材)研發(fā)成套了國內(nèi)首套800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組。

2 機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

楚江新材作為國內(nèi)知名的銅板帶生產(chǎn)企業(yè)，在行業(yè)內(nèi)具有很強(qiáng)的影響力。根據(jù)楚江新材的產(chǎn)品大綱和需求，800 mm六輥精密銅帶冷軋機(jī)組的主要產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

由于產(chǎn)品規(guī)格多，原材料硬度跨度大，成品各項(xiàng)指標(biāo)較高。對(duì)軋制工藝和軋制設(shè)備要求較高。按照表1所列的產(chǎn)品需求，通過軋制工藝學(xué)的分析和論證，設(shè)定設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表1 主要產(chǎn)品參數(shù)

表2 主要設(shè)備參數(shù)

3 機(jī)組工藝設(shè)備組成

800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組主要由機(jī)械設(shè)備、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)及自動(dòng)化系統(tǒng)組成。圖1為機(jī)組工藝設(shè)備布置圖。

圖1 機(jī)組工藝設(shè)備布置圖

液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)、工藝潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、AGC液壓壓下及彎輥控制系統(tǒng)、油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、排煙及油霧凈化系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)及CO2自動(dòng)滅火系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)完全國內(nèi)自主集成開發(fā)，主要元器件選用標(biāo)準(zhǔn)通用單元，利于模塊化設(shè)計(jì)及后期維護(hù)。

電氣和自動(dòng)化控制設(shè)備主要由供電系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)以及電氣輔助設(shè)施等部分組成。采用全數(shù)字化分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)交換全部經(jīng)由容錯(cuò)編碼的通訊技術(shù)處理，確保系統(tǒng)無差錯(cuò)信息互傳。實(shí)現(xiàn)機(jī)組的高可靠性、高穩(wěn)定性、易維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

4 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 帶開卷功能的高精度卷取機(jī)

左右卷取機(jī)采用對(duì)稱布置，卷筒具備兩級(jí)漲縮功能，卷取機(jī)具備開卷功能，機(jī)組不需要配置專用開卷機(jī)，節(jié)省投資。

由于產(chǎn)品種類規(guī)格多，需要張力變化范圍較大，且小張力控制精度要求高。因此卷取機(jī)減速箱采用機(jī)械換擋結(jié)構(gòu)，卷取主傳動(dòng)采用兩臺(tái)電機(jī)串聯(lián)，通過換擋結(jié)構(gòu)和電機(jī)的組合使用，可以實(shí)現(xiàn)大跨度、高精度卷取張力控制。卷取機(jī)配置高剛度側(cè)支撐，為高速高精度張力卷取提供硬件支撐。

4.2 機(jī)械同步自鎖式中間輥橫移裝置

該800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組主軋機(jī)采用六輥UCM軋機(jī)。根據(jù)來料寬度調(diào)整中間輥橫移位置，可以有效改善板形，解決帶材邊降等問題。傳統(tǒng)中間輥橫移機(jī)構(gòu)多采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，存在以下缺陷。

(1)裝置體積大。橫移液壓缸、橫移橫梁和油缸安裝座要承受很大的軸向力，需要足夠的剛度。整套裝置體積大，需要占用很大的安裝空間。

(2)液壓系統(tǒng)復(fù)雜維護(hù)性差。每根中間輥需要兩個(gè)橫移油缸驅(qū)動(dòng)，要保證橫移位置的準(zhǔn)確性和兩個(gè)橫移油缸的同步性。每個(gè)油缸需要單獨(dú)的控制閥組進(jìn)行控制和鎖定，導(dǎo)致液壓控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。

(3)自鎖性差。傳統(tǒng)橫移機(jī)構(gòu)中軋輥的位置保持需要橫移液壓缸自鎖保證，一旦液壓缸或液壓閥件出現(xiàn)泄露，軋輥的位置就無法鎖定。

針對(duì)傳統(tǒng)軋輥橫移裝置存在的缺陷，結(jié)合800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組的生產(chǎn)使用要求。中國重型院研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了機(jī)械同步自鎖式中間輥橫移裝置，如圖2所示。該橫移裝置采用左右對(duì)稱布置的等螺距螺紋副驅(qū)動(dòng)中間輥軸向移動(dòng)，每個(gè)螺紋副通過一個(gè)蝸輪蝸桿減速箱驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)減速箱輸入軸通過聯(lián)軸器連接，一個(gè)油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺紋副同步動(dòng)作。螺紋副和蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)兩道機(jī)械自鎖，確保中間輥位置牢固鎖定。該技術(shù)已獲得發(fā)明專利。

圖2 機(jī)械同步自鎖式中間輥橫移裝置

4.3 工作輥無死區(qū)正負(fù)彎輥系統(tǒng)

帶材寬厚比越大，板形控制難度越大，極薄銅帶的生產(chǎn)特點(diǎn)使其板形控制難度更大。

800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組主軋機(jī)配備了中國重型院自主研發(fā)的工作輥無死區(qū)正負(fù)彎輥系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工作輥正、負(fù)彎輥切換過程連續(xù)平滑，避免了正、負(fù)彎輥切換過程中的彎輥力失穩(wěn)，提高了彎輥控制的穩(wěn)定性。

圖3 工作輥無死區(qū)正負(fù)彎輥系統(tǒng)

工作輥無死區(qū)正負(fù)彎輥系統(tǒng)使得800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組具備強(qiáng)大的板形控制能力。該技術(shù)已獲得發(fā)明專利。

4.4 非接觸式高效除油系統(tǒng)

楚江新材800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組采用全油潤(rùn)滑軋制，帶面除油問題是研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要面臨的難題。軋制油粘度大，不易揮發(fā)，一旦黏附在出口帶面上就很難清除。過高的帶面殘油量造成的危害如下。

(1)增加軋制油損耗。

(2)易引起卷取銅帶層間打滑，限制機(jī)組軋制速度。

(3)增加后處理線的加工難度。

(4)帶面殘油在退火時(shí)會(huì)形成油燒斑，影響帶面質(zhì)量。

針對(duì)楚江新材800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組軋制速度高、產(chǎn)品表面質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，中國重型院研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了非接觸式高效除油系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了工藝潤(rùn)滑噴淋功能、軋制油防濺功能、斷帶防纏功能、帶材穩(wěn)定功能、非接觸除油功能和機(jī)架內(nèi)油霧抽吸功能。

非接觸式高效除油系統(tǒng)功能集成度高、除油效果好、軋機(jī)出入口油霧量大大減少。無需使用專用除油裝置，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)帶面殘油量小于50 mg/m2，殘油量低于合同要求。除油效果優(yōu)于國內(nèi)外同類型設(shè)備。非接觸式高效除油系統(tǒng)已申請(qǐng)發(fā)明專利。

4.5 全區(qū)抽排煙系統(tǒng)

全油銅帶冷軋機(jī)組在高速軋制過程中產(chǎn)生大量變形熱，會(huì)導(dǎo)致軋制油受熱揮發(fā)。隨著軋制速度提高，軋制變形熱也會(huì)加劇，會(huì)加重油霧的揮發(fā)。嚴(yán)重的揮發(fā)油霧會(huì)惡化生產(chǎn)操作區(qū)作業(yè)環(huán)境，增加軋制油揮發(fā)損耗，增加環(huán)保驗(yàn)收難度。

隨著現(xiàn)代化銅帶冷軋機(jī)組軋制速度越來越高，對(duì)軋制油霧的收集處理要求也越來越高。研發(fā)團(tuán)隊(duì)為800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組設(shè)計(jì)了全區(qū)抽排煙系統(tǒng)。該抽排煙系統(tǒng)在機(jī)架內(nèi)部、左右工藝平臺(tái)區(qū)域和左右卷取機(jī)區(qū)域分別安裝有排煙罩、抽吸口和調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)不同位置的油霧量分配抽吸風(fēng)量，達(dá)到高效收集油霧的效果。

5 結(jié)束語

楚江新材800 mm六輥銅帶冷軋機(jī)組于2019年11月12日一次性熱負(fù)荷試車成功。該機(jī)組最薄軋制厚度達(dá)到0.05 mm(軋薄能力超過設(shè)計(jì)值)，厚差小于2ηm。該機(jī)組已于2020年11月30日完成考核驗(yàn)收。成功開發(fā)并應(yīng)用于該機(jī)組中的帶開卷功能的高精度卷取技術(shù)、機(jī)械同步自鎖式中間輥橫移技術(shù)、工作輥無死區(qū)正負(fù)彎輥技術(shù)、非接觸式高效除油技術(shù)、全區(qū)抽排煙技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)，確保了產(chǎn)品性能、厚度精度、板形精度、表面質(zhì)量和成材率達(dá)到同類產(chǎn)品國際先進(jìn)水平，為用戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。