銅板帶熱軋技術與裝備

韓 晨

(洛陽有色金屬加工設計研究院 河南洛陽471039)

·綜述·

銅板帶熱軋技術與裝備

韓 晨①

(洛陽有色金屬加工設計研究院 河南洛陽471039)

以熱軋開坯方式進行銅板帶材的生產具有顯著的優點。通過對銅板帶熱軋技術的工藝需求分析，以及對目前可高速、高控制精度生產大規格鑄錠并進行在線高溫固溶處理的寬幅熱軋機技術與設備特點的總結，并結合具體的生產實踐探討了銅板帶熱軋技術與裝備的改進方向與發展趨勢，尤其是在通過降低生產成本、提高成品率、開發高附加值產品和完善設備細節等方面來提高熱軋技術和生產線的競爭力等方面提出了建議。

銅板帶 熱軋 工藝特點 技術裝備 發展建議

隨著經濟的快速發展和科技的不斷進步，市場對銅板帶產品質量的要求不斷提升，銅板帶產品也在向多品種、多規格、高精度、高性能、高技術含量、高附加值方向發展。因此，優化的合金配置、先進的工藝流程和高端的加工裝備就成為這種發展方向的必然要求和客觀需求。這其中，做為鑄錠開坯軋制的現代化銅板帶熱軋機組，其工藝配置、裝機水平和控制能力在高精度銅板帶生產中的影響和作用越來越重要[1-5]。

銅板帶熱軋機的作用是通過熱變形，變鑄造組織為加工組織，同時為高精冷軋等生產工序提供盡可能小的厚度、優良板型、高表面質量、尺寸公差小、組織性能合格的熱軋料卷。

近年來，以鑄錠熱軋開坯方式進行銅板帶生產的方式逐漸取代了銅帶坯水平連鑄的傳統生產工藝流程(水平連鑄工藝主要用于生產難以熱軋的錫磷青銅、鋅白銅等，生產規模小、產品組織性能不高)，這種趨勢尤其表現在大中型銅板帶生產企業(年產量在3～5萬t以上)，以及以生產無氧銅板帶、鈹銅板帶、引線框架材料、異型帶等高端電子銅板帶為主的企業。

與其他生產方式相比，熱軋開坯方式生產銅板帶能夠充分利用金屬和合金的高溫塑性，具有軋制變形抗力小，生產效率高，能耗小的特點，同時可以提供大卷重、大規格尺寸的帶坯。除部分熱脆性較大的高錫青銅等合金外，熱軋可以生產幾乎所有的銅及銅合金類型和牌號，生產適應性強，產品具有組織均勻、力學性能優良、再加工性能好的特點。尤為重要的是，熱軋可以采用大鑄錠、大壓下量軋制，這不僅有效的提高了生產效率，而且可以實現高速軋制，為實現軋制過程的連續化和自動化創造了條件。因而，目前世界上90%以上的銅板帶均采用熱軋開坯方式進行生產。

1 熱軋工藝需求

1.1 微觀機理分析

銅板帶熱軋時，變形溫度在再結晶溫度以上，原子的動能較大，擴散和溶解過程較快，軟化過程進行的比較完善，金屬的臨界變形應力降低。硬化現象因再結晶進行的比較徹底而被消除，因而軋制變形抗力小，能量消耗較少。

熱軋過程中較高的溫度、變形熱能、回復和再結晶軟化等使得鑄造組織中的金屬孔洞、氣泡、裂紋等缺陷得以焊合和消除。與冷軋相比，由于高溫下啟動的滑移系統較多，使滑移面和滑移方向不斷發生變化[6-9]。因而，銅板帶熱軋過程中金屬的擇優取向或方向性較小，不容易產生織構，產品的沖制和深沖性能都比較好。

對于多微合金元素或兩相以上的銅合金板帶材，通過熱軋過程中的大壓下破碎原始及再結晶晶粒、變形誘導驅動粒子析出、溫降二相粒子析出、高溫固溶保留原始組織、層流水加速冷卻控制相變等控軋控冷工藝技術，都能夠有效的細化組織和晶粒、提高位錯密度、均勻析出相分布，在導電率損失最小的情況下能夠有效的提高銅板帶產品的綜合力學性能，尤其是其強度和韌性。目前，國外通過熱軋規程和溫度、熱處理的控制，已經開發出二元1000MPa以上強度的銅合金板帶材產品。

以上微觀機理的分析均依賴于銅板帶熱軋工藝技術與加工裝備的進步和實際控制才能得以有效實現。

1.2 熱軋工藝需求

1)不同于水平連鑄等生產線，熱軋工藝及裝備必須同時考慮板材和帶材的生產。熱軋板產品及坯料的厚度一般為3～200mm。而帶材的生產主要為后續高精冷軋提供卷坯，考慮到冷軋到成品的厚度總壓縮比及組織性能的控制，熱軋帶材的坯料厚度一般在7～16mm的范圍。

2)除了熱軋機應同時具備塊式法和帶式法生產能力外，由于能夠生產除了部分不適合熱軋的高錫青銅外的幾乎所有銅及銅合金品種，如純銅、黃銅和C19210等一般微合金成分的銅合金、C19400和C70250等復雜合金系的銅合金、Cu-Ni2-Si和Cu-Ag-Cr及Cu-Ag-Zr等新一代高速鐵路專用材料銅合金、高純銅靶材、Cu-Ni-Sn等代替含鈹的銅合金等，因而從工藝角度考慮，熱軋機的配置必須能夠滿足所有銅及銅合金類型的控軋控冷工藝參數要求。

3)熱軋的過程，實際上也是控制軋制與控制溫降的過程。高速軋制、減少軋制道次、保證終軋溫度、提高板形及表面質量等都是銅板帶熱軋所追求的目標。其中，保證鑄錠的開軋溫度是銅板帶實現順利生產的前提和保證。銅合金鑄錠出爐后熱輻射溫降約0.8～1.1℃/s，如要保證30℃以內的溫降，鑄錠出爐后的運輸時間應保證在30s以內?？梢酝ㄟ^減少加熱爐到熱軋機的距離、改進鑄錠出爐的方式，以及提高運輸輥道速度等方法來有效滿足部分銅合金材料較為嚴格的開軋溫度需求，并保證終軋溫度和實現在線高溫固溶處理等條件。

4)總體來說，考慮到合金品種、產品規格、表面質量、生產效率、節能措施等方面，銅板帶熱軋工藝及設備必須滿足的條件如下：

(1)熱軋機需針對寬厚規格的板材及長規格帶材配置有針對性的設備部件；

(2)考慮到銅帶的成品規格，熱軋銅帶坯寬度一般在600～1200mm；

(3)純銅及簡單銅合金開軋溫度700～875℃，特殊銅合金開軋溫度900～980℃；

(4)為充分利用金屬的高溫塑性、追求能耗的節省和滿足部分銅合金對終軋溫度、軋后在線熱處理溫度的要求等，生產應具備高速軋制，最高軋制速度在200～250m/min以上；

(5)帶材生產時，厚度在200～250mm規格的鑄錠應在7～9個道次軋制至15mm左右；

(6)熱軋機應具備大扭矩和大軋制力，單位寬度軋制力在10～15kN/mm以上；

(7)為保證表面質量，鑄錠第一道次軋制前需進行高壓水去除爐生氧化皮，軋制過程中的若干道次需在機架內進行二次去除軋制過程中產生的破碎狀氧化皮；

(8)由于無法進行左右卷取狀態下的往復軋制，因而需采取一定的措施滿足帶坯生產時的帶張力軋制；

(9)大卷重帶坯，毫米帶寬重10～15kg/mm以上，滿足連續高效生產和冷軋的需求；

(10)軋輥具備在線清輥器或抑塵高壓水裝置，以及軋輥預熱、冷卻和潤滑系統；

(11)機組配置在線高溫固溶處理系統。目前，除部分高合金引線框架材料的固溶溫度要求在700℃以上外，高鈹青銅的固溶溫度達到760～800℃，低鈹青銅的固溶溫度更是高達900～950℃；

(12)輥系采用二輥或四輥，對于寬幅高強度銅合金板帶材的軋制應使用四輥輥系；

(13)在線卷取溫度、卷取速度、表面氧化皮的在線去除、成品熱軋帶材的精整及表面處理應滿足生產工藝和節奏的需求；

(14)為了提高成品率和生產效率，熱軋線應具備無頭軋機或半無頭軋制技術及設備；

(15)根據實際生產情況，熱軋線可選擇無卷軸熱狀態下的三輥卷取或有芯卷取。

2 熱軋機現狀及工藝特點

2.1 熱軋機現狀

10年前，國內銅板帶熱軋機主要分為兩類。一類為大中型銅板帶生產企業引進的國外設備，如中鋁洛銅從法國格里賽公司引進的φ700×900mm二輥可逆熱軋機和原蘇聯制造并經戴維公司改造的φ850×1500mm二輥可逆熱軋機，銅陵金威從法國格里賽公司引進的φ1050×1600mm二輥可逆熱軋機等。這些從國外引進的機組也是后來國內設備廠家進行消化吸收和再創新進行現代化銅板帶熱軋機國產化的源機型。另外一類主要是一些中小型銅板帶生產企業使用的國產設備或軋制鋼鐵的二手設備，這類軋機相比較進口設備來說其控制能力一般，無立輥或軋邊輥裝置，利用冷卻水池或設置的簡易冷卻裝置進行帶材的最終冷卻(部分引進的國外機組也沒有設置在線層流冷卻裝置)。如山西翼城春雷銅材廠老生產線的國產熱軋機，可生產的銅板帶寬度為300～450mm，170mm厚度的銅及銅合金鑄錠經過9～11個道次的軋制，成品厚度在17mm左右，成品寬向厚差在0.05～0.07mm，通條差在0.10～0.15mm。

另外，銅板帶熱軋領域還存在利用老式三輥勞特式軋機或等徑軋機進行生產的企業，但目前這類軋機(包括部分不可逆軋機)大都已被淘汰。在生產高強度銅合金、熱塑性范圍較窄的銅合金時，也有企業使用四輥可逆軋機(φ600/1100×1500mm)和行星軋機進行銅板帶的熱軋，但其應用范圍遠沒有二輥可逆熱軋機廣泛。目前，國內最寬的熱軋機為中鋁洛銅的φ1000×3500mm規格的重型寬厚板板材軋機，其軋制力為17000kN。

老式的熱軋機組主要存在的問題是工藝功能不完備、控軋控冷能力不高，較難進行在線高溫固溶熱處理和在線冷卻，道次壓下量不高，軋制道次多等。所生產的熱軋帶坯如控制不好的話會存在側彎、板型較差、厚度尺寸波動大、裂邊、氧化皮嚴重以及料卷錯層、塔形、松卷等現象。

圖1 國產現代化銅板帶熱軋機及其在線固溶裝置

近幾年來，針對以上問題并隨著市場對銅板帶產品質量要求的不斷提高、銅板帶熱軋技術和裝備的不斷進步、設備廠家對國外銅板帶熱軋機的引進消化和創新，目前國內已研制開發出可實現大規格鑄錠開坯軋制、高速和高控制精度、工藝設備功能較為完備的寬幅國產現代化二輥銅板帶可逆熱軋機組。圖1所示為國產現代化銅板帶熱軋機及其在線固溶裝置。

國產銅板帶熱軋機在實際生產應用時，能夠在保證開軋溫度要求的情況下，通過減少軋制道次，盡量提高軋制速度等方式來進行大規格銅合金鑄錠的控軋控冷。例如，中鋁某銅板帶生產企業使用現代化的銅板帶熱軋機能夠實現對230×650×8000mm的大規格鑄錠進行7道次大壓下高速軋制，其生產最高速度可達180m/min。這在銅板帶生產工藝領域具有極其重要的意義：①體現了加工設備的較高控制能力；②突破了鑄錠咬入工藝技術難題；③大壓下能充分破碎再結晶晶粒，進而達到細化晶粒的目的；④減少了軋制時間，能夠降低鑄錠及帶坯表面的氧化層厚度；⑤單個鑄錠實際生產時間可以節省5min左右，提高了生產效率；⑥節能降耗并減少人工時，有效降低產品的生產成本。

另外，銅板帶熱軋技術與裝備的進步和提高進一步降低了產品生產成本、提高了成品率，銅板帶材的表面質量、尺寸規格、公差波動等都有了較大的提升。以目標規格為15.3×647×Lmm的熱軋帶材舉例：全長范圍內帶材頭部寬648mm，中部寬646mm，尾部寬647mm，寬度最大偏差僅為2mm；帶材厚差：頭部傳動側15.32mm、操作側15.35mm，頭部橫向厚差僅為0.03mm；中部傳動側15.32mm、操作側15.34mm，中部橫向厚差僅為0.02mm；尾部傳動側15.30mm、操作側15.295mm，尾部橫向厚差僅為0.005mm；縱向傳動側厚差0.02mm，縱向操作側厚差0.055mm。相比過去的老式熱軋機，現代化銅板帶熱軋機所生產的產品尺寸精度提高了一倍。

截至目前，有統計的國產現代化銅板帶熱軋生產線投產已經超過10條，見表1，這些生產線有效的提高了國內銅板帶的產品質量和生產自動化水平，降低了生產成本，也使得國產銅板帶加工設備的競爭力得到進一步的加強。

表1 現代化國產銅板帶二輥可逆熱軋機組應用情況

除以上已投產運行的國產現代化銅板帶熱軋機組外，目前國內正在規劃或實施的熱軋機生產線用戶還包括廣東華鴻銅業有限公司、凱美龍精密銅板帶(河南)有限公司、遼寧銅業集團有限公司等，這些用戶大都將性價比較高的國產銅板帶熱軋機做為第一選擇。目前也有一些企業在進行升級改造規劃時，將老生產線的銅板帶熱軋機做為現代化改造的主要目標。

2.2 國產熱軋機工藝配置特點

1)針對銅板帶熱軋的工藝需求，國產現代化銅板帶熱軋機組的生產工藝主要流程如下(以C19400銅合金帶材舉例)[10-12]：鑄錠加熱→出爐運輸→(高壓水除氧化皮)→鑄錠對中→(機架內若干道次二次除氧化皮)→5～11道次往復軋制→在線固溶處理→(在線精整)→帶材層流冷卻→(板面吹掃)→頭尾剪切→三輥無芯卷取→料卷運輸→(離線表面銑削)。

2)在保證軋制和溫度工藝參數的前提下，國產現代化銅板帶熱軋機組的設備設計及工藝配置普遍具有以下幾個特點：

(1)為保證開軋和終軋溫度，熱軋主機盡量靠近加熱爐，一般將出爐和開坯熱軋的溫差控制在10～20℃；

(2)為提高軋制過程的自動化程度，軋線多處使用檢測元器件如光電開關、接近開關；

(3)采用一些工藝手段和設備部件對坯料表面的氧化皮進行去除，如簡易小壓力噴水裝置、刷輥裝置、除磷箱等；

(4)為降低板帶材的跑偏、側彎、寬向厚差等軋制缺陷，主機架前后均采用對中導尺裝置，在軋制過程的若干道次進行使用；

(5)為提高邊部質量并對帶材形成一定的后張力，一般在主機前后采用懸臂結構的機架內置式軋邊棍裝置，在使用效果上優于傳統立輥軋機；

(6)輥系均采用二輥，板型調節上主要依靠磨削輥型、軋輥傾斜并配合乳液分段冷卻；

(7)為減少銅板帶材的溫降，軋輥采用盒式冷卻方式，對噴淋乳液采取在軋輥兩端頭進行集中分流，避免流到熱軋坯料上；

(8)機后在線配置開式或閉式的層流冷卻水噴淋裝置，近距離設置在熱軋機出口形成最后一道次的連續軋制和冷卻模式對部分銅合金帶材進行高溫固溶等熱處理；

(9)為實現常溫冷卷取，減少熱狀態下的氧化和擦劃傷，在卷取機前多設置二次層流冷卻裝置對部分合金帶材進行降溫(不適用易發生淬硬現象而影響后續加工的H60、H62等合金板帶材)；

(10)采用三輥無芯卷取機進行熱狀態下帶坯的的高速卷取(可達100m/min)和冷狀態下帶材的低速卷取(20～30m/min)；

(11)熱軋坯料進行冷軋前的表面氧化皮去除工序主要采用離線銑削的方式進行。

3)以中色科技股份有限公司設計制造并應用于中鋁華中銅業有限公司、中鋁洛陽銅業有限公司高精銅板帶工程的現代化二輥可逆熱軋機來舉例說明其設備功能及工藝參數，見表2。

表2 銅板帶二輥可逆熱軋機設備功能及工藝參數

3 熱軋技術與裝備發展建議

銅板帶熱軋工藝技術的發展和加工設備的完善是相互影響和促進的，而熱軋技術的需求是銅板帶熱軋機不斷完善、創新和發展的源動力。

1)目前，銅合金的品種和牌號不斷增加，應用范圍進一步擴大。在應用領域上，除了一般領域用銅外，高端和中低端領域用銅的分化將進一步顯現。除了利用熱軋技術進行高附加值、高端合金的研發和生產外，如何利用金屬的高溫塑性而形成的熱軋技術以進一步降低一般領域用銅的生產成本、提高銅板帶的性價比以擴大其市場應用和推廣都是銅板帶加工領域必須面對和需要解決的一項課題和難題。把銅從一般金屬、重金屬、來源廣泛的金屬轉變為稀缺金屬、貴金屬相對待，通過優化加工技術、開發高附加值的合金品種，銅板帶熱軋技術與裝備必將迎來新的、革命式的發展和機遇。

2)從生產成本和產品質量角度考慮，減少坯料加熱和熱軋過程中的氧化程度和熱軋后的表面銑削量可以提高產品成品率1%～3%，同時能夠有效提高板帶材熱軋過程中的表面質量和厚度精度，也可以減少軋輥輥耗3%～5%。如果采用無頭或半無頭熱軋技術，就能夠有效減少或避免因組織、力學性能和厚度精度達不到銅板帶產品質量要求的料頭和料尾剪切去除量，可提高產品成品率1%～2%，減少軋輥輥耗1%～2%，產品的縱向公差也能夠得到有效提高。在目前銅板帶生產和市場加工利潤日益降低的情況下，通過提高生產成品率和產品質量，降本增效就顯得非常重要。

3)從節能降耗和短流程、低成本生產角度考慮，開發水平連鑄+多機架冷連軋，利用水平連鑄技術低成本生產包括引線框架材料在內的高端銅材，上引法短流程生產銅板帶坯等技術目前成為銅板帶加工領域的熱點?？梢灶A見的是，如果不進行創新，不從根本上提高熱軋技術與裝備的競爭力，傳統意義上的銅板帶熱軋生產線競爭力將日趨降低。

4)目前，從實際出發，銅板帶熱軋技術與裝備應從以下幾個方面進行完善和提高，以實現節能降耗、降低生產成本、提高成品率、提高產品質量和附加值，進而從根本上提高熱軋機生產線的競爭力：

(1)利用熱軋機工藝功能完善和控軋控冷能力較強的優勢，開發和生產高附加值的銅合金板帶材產品；

(2)不產生相變和不具有析出強化型的合金品種應充分利用其高溫塑性進行熱溫軋減薄，減少后續冷軋加工量；

(3)將熱軋后、冷粗軋前的精整和表面處理工序融入到熱軋生產線；

(4)進一步改進和完善熱軋生產線部件配置，使其從細節方面更能夠滿足生產工藝需要和提高產品質量、減少能耗和污染、潔凈化生產。如設置專門的機架內外除氧化皮裝置、層流冷卻裝置前后均設置移動式的板面空氣吹掃設施、設置可在線和離線的事故剪、設置3～5輥直頭或矯平機、取消第二段層流冷卻裝置、考慮以水代替乳液進行工藝潤滑和冷卻等。

4 結語

通過對銅板帶熱軋技術特點、工藝需求和裝備的描述，分析了生產企業所使用的熱軋機類型、優缺點，重點討論了國產現代化銅板帶二輥可逆熱軋機的生產流程、工藝和設備配置特點、軋機規格和應用、產品控制精度等。在以上分析的基礎上，結合具體的生產實踐探討了銅板帶熱軋技術與裝備的改進方向與發展趨勢，尤其是在通過降低生產成本、提高成品率、開發高附加值產品和完善設備細節等方面來提高熱軋技術和生產線的競爭力等方面提出了一些建議。

以上內容的描述、分析和建議，對銅板帶熱軋工藝技術的創新、設備的改進設計和提高、新上生產線的選擇等都有一定的現實意義。

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Hot Rolling Technology and Mill of Copper Strip

Han Chen

(Luoyang Engineering and Research Institute for Non-Ferrous Metals Processing, Luoyang 471039)

Copper strip producted by hot rolling cogging has the significant advantage. The processing demanding of hot rolling technology was analyzed, and the technology and equipment characteristic such as high speed, high control accuracy, big casting, bland and high temperature solution treatment and cooling on-line of the wide-hot mill were generalised in this paper. Meanwhile, improving direction and development trend of hot rolling technology and equipment were discussed through specific productive practice. Especially, the suggestion such as reducing production cost, increasing rate of finished product, developing high value product, and completing the equipment detail and so on to improve the competitiveness of the hot rolling technology and mill line were put forward.

Copper strip Hot rolling Process characteristics Technology and mill Developing suggestion

韓晨，男，1982年出生，2009年畢業于北京科技大學材料加工專業，碩士，工程師，主要從事金屬壓力加工工藝研究及其工程設計

TG335.85

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.02.013

2015-01-29)