張偉旗（江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西　貴溪　335424）

SCR銅桿卷取打包系統(tǒng)優(yōu)化設計及關鍵技術研究

張偉旗
（江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西貴溪335424）

針對原SCR連鑄連軋銅桿卷取打包系統(tǒng)設計缺陷，利用數(shù)學模型重新進行設計，且運用二次曲線曳物線公式優(yōu)化設計了收線管。新卷取打包系統(tǒng)功能完善，可實現(xiàn)長期連續(xù)無故障運行，解決了生產過程中易氧化、亂線及掛線，長途運輸時銅桿易歪倒、傾斜，客戶投訴放線難、掛線多且頻繁等技術難題，大幅提升了SCR生產線銅桿成包準確度、質量及產能。

SCR銅桿；卷取打包系統(tǒng)；技術裝備；設計創(chuàng)新及優(yōu)化；數(shù)學模型；成包準確度

卷取打包系統(tǒng)是整條SCR銅桿連鑄連軋生產線的收官工序，其正常運行、維修和調整，對正常生產和產品品質至關重要。江銅分別于2003、2006年從美國SOUTHWIRE公司引進了SCR3000/4500二條連鑄連軋生產線，主產品為φ8mm銅桿，設計總產能37萬t/年。其銅桿性能和質量優(yōu)越，表面光亮，能滿足拉絲廠家拉制銅細線、銅微細線和特種產品的技術要求。而建廠初期，進口卷取打包系統(tǒng)原設計存在諸多缺陷，設備故障率高，銅桿易氧化、亂線及掛線，成卷銅桿壓實不嚴、捆扎不緊、固定難，且大多靠鐵路集裝箱長途運輸，少數(shù)靠大貨車運輸，產品運輸途中易移位、歪倒或損壞等，成為生產技術的“瓶頸”。而成包準確度成為衡量SCR卷取收線系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標之一。針對該系統(tǒng)進行優(yōu)化設計及關鍵技術研究十分必要。

一、系統(tǒng)主要結構工藝

卷取打包系統(tǒng)是SCR連鑄連軋銅桿生產線最后一個關鍵環(huán)節(jié)，極易疏忽。其主要由無酸清洗系統(tǒng)、卷取夾送輥部分、成圈裝置、液壓升降平臺、操作控制屏及電氣控制元件等組成。其中無酸清洗系統(tǒng)主要由無酸泵、板式熱交換器、閥門和管道等組成，它為銅桿提供冷卻和還原，無酸泵的正常運行對銅桿品質影響較大；成卷裝置采用搖頭甩線自由跌落式；升降機、壓實機等皆由液壓站油泵來操作與控制；五位輸送站結構布局如圖1所示，成卷銅桿在各自獨立的輥式輸送機上，通過程序控制有序地組合完成輸送、稱重、壓實及打包作業(yè)；打包機采取自動打包方式，由氣動液壓站控制。其工藝流程為熱軋銅桿→無酸清洗→輥式下翻式裝置→夾送輥→打蠟機→卷線機→收卷→五位輸送站→稱重壓實→打包。目前國內廠家仍采用手動壓實、按客戶的需求打包方式。

圖1　五位站結構布局圖

二、系統(tǒng)設計原理

無酸清洗設計采用非酸溶液對熱軋后高溫銅桿表面氧化層即Cu2O、CuO進行快速還原、清洗及冷卻，使從無酸管出來的銅桿以適宜的氧化膜和溫度進行噴蠟和收卷。

噴涂水蠟主要用于抗氧化和潤滑。銅桿經(jīng)非酸清洗和冷卻后表面光亮，約50～60℃，水蠟通過夾送輥和收線機之間的噴蠟霧化裝置，在其噴射腔內會分布均勻地吸附于銅桿表面形成薄膜，有利于銅桿排線，保證銅桿表面長時間儲運時不易氧化、變色，潤滑銅桿表面，可提高銅桿表面質量。

摩根卷線機是通過一個輥式下翻式裝置將無酸清洗后的銅桿送至保持一定張力的夾送輥，將銅桿由打蠟機送至卷線機；卷線機由驅動機構轉動收線管，轉速可調節(jié)成生產定直徑線環(huán)的梅花型線卷，也可周期性擺動生產密實型銅桿卷，φ8.0mm銅桿達到設定重量后，會自動下線；收卷銅桿經(jīng)過卷取5#站過程中完成稱重，通過壓實液壓機壓實后，用塑料風裙袋和鋼帶包裝整齊。經(jīng)壓實打包后的成捆銅桿，整齊美觀、緊固結實、高度適當，便于存儲和運輸。

三、優(yōu)化設計及關鍵技術研究

1.卷取收線技術參數(shù)的優(yōu)化

卷取收線系統(tǒng)技術裝備設計是否得當及控制水平的高低將直接影響整條SCR生產線的產量。建廠初期，因原卷取打包系統(tǒng)設計存在缺陷，生產過程中易亂線、掛線等，銅桿亂線、掛線月發(fā)生頻率趨勢，如圖2所示。導致銅桿產能偏低，長途運輸時產品易產生歪倒傾斜，客戶投訴放線難、掛線問題多且頻繁等。從外觀和整體設計分析，主要是卷取設定值不符合生產實際、線速度與夾送輥速度不匹配、水蠟噴涂不良、內外圈設定不佳、壓縮風壓力波動及不干燥等。

圖2　亂線、掛線月發(fā)生頻率趨勢

新設計為保證銅桿收線效果，優(yōu)化設計了卷取排線技術參數(shù)，加強對影響銅桿收線成卷軌跡和成卷效果因素如甩線成形參數(shù)、負荷、成卷內外徑等的控制，將夾送輥手動給定速度、夾送輥速度、內外環(huán)圈數(shù)設定值調至最佳值，改進原水蠟霧化裝置、調整水蠟溫度等，將銅桿收線高度由原設計780～820mm降至720～740mm，壓實高度由原設計700～720mm降至630～650mm。新設計系統(tǒng)卷取收線連續(xù)高效，亂線、排線次數(shù)銳減，月回爐銅桿由10架降至2架以下，月減少回爐銅桿32t；長途運輸銅桿歪倒傾斜現(xiàn)象少，客訴次數(shù)和退貨量驟減，與去年同比減少86t，可節(jié)約回爐能耗共37760元。

2.卷取收線管的優(yōu)化設計

卷取收線管是優(yōu)化設計的核心。卷取收線過程中，搖頭機使銅桿作回轉運動，運動中的銅桿因自重作用，會自然下垂形成一條弧線曲線，銅桿在收線管內的運動阻力呈周期性的變化；而理想狀態(tài)下，銅桿處于收線管的中心時，銅桿與收線管內壁無接觸，即銅桿與收線管沒有摩擦阻力。通常銅桿甩大圈時，阻力減少；甩小圈時，阻力增大；銅桿自然弧垂形狀與軋制工藝及自身力學性能有關，軋制溫度高，銅桿抗拉強度較低時，曲線形狀下垂幅度較大，反之較小。

2013年1月開始，因銅桿抖動、過線不順，一直采用高氣壓、高負荷的過線方法，使銅桿與收線管之間的摩擦增大，收線管的磨損加劇，導致銅桿線表刮傷、夾送輥出口擠線多次，更換收線管頻繁，而更換收線管后，一次性過線成功，線表刮傷現(xiàn)象明顯減少，下機收線管外觀無明顯損傷，鋸切收線管中部發(fā)現(xiàn)凹槽較深，過渡磨損造成過線困難及桿表粗糙，且隨著客戶要求的提高不再滿足生產要求，其使用壽命僅1個半月，嚴重制約生產的順行?？蛇x取A桿為研究對象，以生產工藝為基礎，應用數(shù)學二次曲線曳物線公式進行規(guī)范化計算（計算過程略）和優(yōu)化設計，選取了一條阻力最小的曲線，整條曲線過渡圓滑勻稱，銅桿在收線管內運動阻力小，收線更順暢，收線管壽命長。

3.銅桿干燥技術裝備的設計創(chuàng)新

銅桿無酸清洗過程的關鍵是“減小銅桿在無酸清洗過程中的拉伸”，為防止銅桿在夾送輥處打滑且順利地收線，銅桿干燥問題極為關鍵，特別是高速系統(tǒng)中，銅桿表面易帶水，為防止打滑，夾送輥氣壓需保持穩(wěn)定，但對銅桿屈服強度存在不利影響，氣壓減小，屈服強度將降低。一些SCR生產線銅桿延伸設定較其他同行低，新設計通過減少夾送輥的氣壓和扭矩，可提高銅桿延伸率及降低屈服強度，以解決后續(xù)銅線拉伸過程中的問題。雖然其主因是導向和管路的光滑度及流體動力阻力，管路內液體流動給了銅桿反作用力，重點卻是減少流體阻力，而液體流動指數(shù)將有助于減小液體流動阻力。

銅桿清洗過程中，就銅桿形狀而言，形狀阻力非主要影響因素，當銅桿溫度＞100℃時，其表面周圍將被水或酒精蒸汽層包裹，此時表層摩擦力和銅桿形狀阻力皆非影響主因。因無酸噴射的角度與銅桿運動方向相同，液體速度并不會形成太大的阻力，而逆流將增大銅桿的阻力。新設計是采用導向裝置取代最后一段風管，增設一個空氣加熱器，對最后的風管吹高達315℃的熱空氣，該加熱器的熱空氣將通入導向，可較長時間蒸發(fā)銅桿表面的水汽，盡管由于渦流的作用吸入冷空氣，但銅桿干燥效果好。

4.銅桿酸洗冷卻裝置的設計創(chuàng)新

新設計顛倒了SCR4500無酸2#站位置，即進口設置不同，一個在工作站前，一個在后，使其逆向流動變?yōu)椴⑾蛄鲃?，效果好；為減小阻力，在同向流無酸箱中新增流體導向裝置，與原標準導向相比，可減小導向磨損，銅桿會快速穿過不銹鋼導向；起到屏障作用，能有效防止下游的熱流體與上游的液體混合，確保了熱的液體不與下一站冷的液體相混合；將該流體導向確定為標準件后，銅桿酸洗和冷卻的距離將更長。

5.水蠟霧化裝置和噴涂箱設計創(chuàng)新

（1）新型水蠟霧化裝置

因水蠟狀況對過線、放線及收卷高度影響較大。過多時，易造成水蠟飛濺；過小或關閉時，潤滑不足會造成無法成功過線。而原設計水蠟霧化裝置結構設計不合理，水蠟噴嘴易堵塞，導致卷取收線、打包質量不良，如銅桿亂線、收線高、偶爾歪斜、銅桿表面有水蠟及打包美感不足等現(xiàn)象。

新水蠟霧化裝置如圖3所示，新設計是對水蠟噴霧箱結構進行優(yōu)化設計，新增一鋼環(huán)采用熱裝使噴霧箱整體變長，且優(yōu)化了水蠟噴嘴結構，霧化效果更好，可有效地避免銅桿表面氧化。需密切關注水蠟滴液的狀況，一旦收線不良時，及時進行調整，必要時，清洗噴嘴或更換備件。

圖3　新水蠟霧化裝置

（2）新水蠟噴涂箱簡易防護罩

原設計水蠟噴涂箱存在缺陷，部分水蠟易在進入卷線機導向前被甩出，若未及時清理，就會殘留在水蠟噴涂腔外圍，水蠟積留太多時就會從護網(wǎng)落下，污染周邊環(huán)境，量大時會滴至銅桿表面，影響銅桿外觀。水蠟甩到卷取齒輪箱表面，冷卻后呈膠態(tài)，附著力大，極難清除，影響齒輪箱表面的散熱，而根據(jù)潤滑油使用規(guī)范，油溫每上升10℃，潤滑油使用壽命將縮短兩個月；原卷線機齒輪箱的密封設計和安裝方式皆是為了防止內部潤滑油向外滲漏的，卻無法抵抗外部污染物進入齒輪箱內部，SCR3000生產線就曾經(jīng)發(fā)生過附著在卷線機齒輪箱上的水蠟入侵齒輪箱內部污染油液，導致軸承報廢的案例，嚴重影響設備的正常順行。

為防止水蠟飛濺，新設計在不影響卷線機正常甩線的情況下，在水蠟噴涂箱下部新增設一個簡易防護罩。改進后，水蠟附著卷線機齒輪箱現(xiàn)象已不復存在，水蠟噴涂周邊護網(wǎng)也無水蠟殘留，再無水蠟從卷線機上方護網(wǎng)滴落至銅桿表面發(fā)生，效果十分顯著。但銅桿表面偶有水蠟殘留出現(xiàn)，主因是水蠟流量調節(jié)不當或溫度失控，若條件允許的話，可對水蠟噴涂腔進行改進，從源頭上根除水蠟飛濺的技術難題。

6.在線稱擋板的優(yōu)化設計

原美國南線在線稱擋板設計不合理，SCR3000/ 4500產品稱重采用在線計量方式，稱重時鐵托盤與擋板接觸易產生皮重失真，產品易產生磅差，員工勞動強度大。

新設計在1#在線稱擋板下方割出24cm的空檔。既消除了叉車上鐵托盤時對擋板的猛烈撞擊，又可保證鐵托盤沿著擋板上方垂直落下，避免了鐵托盤與擋板下方的直接接觸，從而消除了稱重時鐵托盤與擋板接觸產生的皮重失真現(xiàn)象，且員工勞動強度低。然而，實際生產過程中，勿容忽視的是鐵托盤設計不合理、卷取操作疏忽、叉車操作不當?shù)纫矔е缕ぶ厥д?，應具體問題具體分析，將皮重失真磅差投訴降至最低。

7.卷取光電開關裝置的優(yōu)化設計

原設計SCR卷取收線部分10min下線一次，設置開關檢測點較多，故障率高，卷取機收線高度檢測光電開關選型和現(xiàn)場安裝位置設計不合理，光電開關選用對射型且設有兩個獨立單元，兩邊皆需供電，故障診斷難，而鏡面反射型僅需更換一個即可，其生產過程中受到振動、煙塵、油污等外部環(huán)境干擾時，更換與調試相當復雜，易發(fā)生卡筒、收卷自動控制失靈等故障，影響收線密實度和外觀質量，甚至被迫中斷生產；原設計滾筒和外罩之間的一對光電開關裝于水蠟噴涂系統(tǒng)下方，其發(fā)射端和接收端固定位置狹窄，環(huán)境臟，調整困難，開關被飛濺水蠟弄臟、振動偏離或損壞后，易誤發(fā)信號，生產過程中擦拭、對中或更換工作極為困難，安全隱患大，必須停機時才能進行。

新設計在不改變現(xiàn)有收線高度及效果的情況下，宜重新選用卷取輸送站反射式光電開關，備件型號統(tǒng)一，采購成本低，庫存積壓少；且在工字鋼上新開設一個方孔，用一根扁鋼做固定架子將其安裝調至適宜位置，據(jù)兩種類型接線方式對比，利用原有PLC通道和程序，改進原接線方法。其優(yōu)點是可左右上下調整位置，在操作臺前即可觀察其運行狀態(tài)；其設計安裝在外且位于槽鋼內，水蠟不易臟污再誤發(fā)信號，可在線調整對中位置及更換作業(yè)，即使在線擦拭清潔，也勿需停機，杜絕了因小故障導致生產線頻繁被動剪切的窘境，維修保養(yǎng)便利，勞動強度低，若按10次/a故障、剪切1h/次計算，可挽回經(jīng)濟損失12.5萬元；而安裝反光鏡時，也可采用同樣方法延伸至外面槽鋼內，以阻擋水蠟飛濺，便于擦試及及時更換。

8.銅桿凈重上限的優(yōu)化設定

SCR3000/4500二條生產線銅桿總產能約40萬t/ a，其中大部分外銷，其余內銷約10萬t/a，皆采用火車或汽車運輸方式，銅桿產品運輸使用的包裝物主要有鋼帶、鋼扣、木托架、編織袋、風裙袋、瓦楞紙及標簽紙等，折算產品包裝費用約140元/t，成本較高。由于美國南線原設計未按客戶需求設置銅桿的凈量，實際操作方式中也未作具體細分，一概設定凈重上限為4000kg，因而，降低包裝成本的空間和潛力較大。

通過精心測算，可根據(jù)客戶的不同需求和生產實際，SCR4500產品以外銷為主，將銅桿線產品凈重上限分別設定為火車運輸4t、汽車運輸4.15t；SCR3000產品則以內銷為主，大拉機母材用產品凈重上限設定為4.2t，可大幅減少卷取打包件數(shù)、叉車運輸次數(shù)及大拉碰頭數(shù)，2013年9～10月，外銷、內銷產品分別少打包141件、178件，未計內部循環(huán)用木托架，年可節(jié)約包裝成本20多萬元，生產成本低，勞動強度低。

四、結語

SCR銅桿連鑄連軋技術和機列是銅加工材連續(xù)化生產的最成功的范例，已成為線坯生產的主導方法。實踐證明，優(yōu)化設計后的銅桿卷取打包系統(tǒng)生產效率高、產能大，設備故障率低，成包準確度高，銅桿氧化、亂線及掛線現(xiàn)象少，外觀質量及成品品質好，便于存儲與運輸，獲得了高端銅細線客戶的一致認可和高度評價。目前該公司φ8mm銅桿產能已突破40萬t/a大關，超過了原設計37萬t/a，其多項關鍵技術填補了國內外技術空白，推廣應用前景良好。

［1］張波，張鑫.SCR3000連鑄連軋生產線生產用介質淺談.有色冶金設計與研究［J］.2009，30（4）：24.

［2］陳連英，王碧文.論中國銅加工技術創(chuàng)新［J］.世界有色金屬.2006 （8）：20-22.

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