SCR連鑄連軋銅桿工藝形成機理及質(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，促進互聯(lián)網(wǎng)通訊以及軌道交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，是國民經(jīng)濟中不可替代的重要組織結(jié)構(gòu)。受到電線電纜在新領(lǐng)域的更廣泛應用，對電工所用銅桿的種類和質(zhì)量提出新的高標準要求。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中進行軋制，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。現(xiàn)如今世界范圍內(nèi)超過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)工藝由美國南方線材公司研制，稱為SCR法。本文通過研究SCR連鑄連軋銅桿工藝的形成機理，設計銅桿質(zhì)量管控方法，為更好地生產(chǎn)銅桿成品提供科學的理論依據(jù)。

1 SCR連鑄連軋銅桿工藝形成機理

連鑄連軋工藝是將電解后的銅原料放置在感應電爐中完成熔化，利用保溫銅液在五輪鑄造機中不斷地形成梯形坯料，在通過連軋機架組軋制成桿后冷卻清洗。上述流程下會產(chǎn)生三種狀態(tài)：一是自由軋制在連軋機的機架間保持相等秒流量時，在機架間的軋件保持不受拉和不受壓的對等狀態(tài)，此時軋件不會產(chǎn)生變形效果，但由于金屬的秒流量會在多種因素作用下發(fā)生變化，因此該狀態(tài)不會經(jīng)常發(fā)生[1]。二是張力軋制又稱為拉鋼軋制，表示為軋件通過連軋連鑄過程時，軋制線的方向只能沿兩個相鄰的機架進行運轉(zhuǎn)，在機架間產(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，只能在兩個機架運作時將秒流量差歸零，但配料會造成浪費。

2 SCR連鑄連軋銅桿質(zhì)量管控方法

2.1 建立有限元檢測模型

連鑄連軋工藝在投入使用過程中坯料的高溫乳化，會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檢測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，可以準確評估整體連鑄連軋過程的接觸換熱。利用分段建模的方式對粗軋機組設置兩道次對稱軋制，在精軋機組完成四道次的軋制過程后將粗軋機疊加至四道次，根據(jù)二分之一的軋件整合理論對軋輥完成切割提取。在精軋機組通過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卉堓仯瑢Υ周垯C的軋件材料選用高尺寸的坯料，經(jīng)過軋件斷面的網(wǎng)格劃分模式擴展成行體格，按照上述雙倍道次循環(huán)放置對稱軋制組件完成建模。

2.2 定位剪切斷裂失效位置

通過定位制作過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，在軋制時金屬材料會產(chǎn)生相對滑動的現(xiàn)象，根據(jù)不同金屬材料的內(nèi)部化學元素成分，進行結(jié)合界面的粘連比例關(guān)系劃分，按照數(shù)值大小進行排列。一接觸面表界的粘連比例在不同金屬元素結(jié)合時，較小的數(shù)值會發(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)生相對的剪切運動。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，含量較少的金屬會產(chǎn)生一側(cè)斷裂，軋件的抗彎曲能力此時最差時，無法自動消除推力產(chǎn)生的機架秒流，斷裂金屬只能在機架中不斷推進，導致大量的軋件打結(jié)和擊導現(xiàn)象。當堆積量超過為斷裂金屬軋件時，含量元素的軟金屬會發(fā)生兩側(cè)瞬時橫向斷裂，根據(jù)不同情形下的剪切斷裂的失效位置，進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)動關(guān)系，一般軋線的垂直距離要和軋制高度呈對稱狀態(tài)，才能保證理想的質(zhì)量管控。在制作過程中，軋線的垂直高度會與設定值之間存在誤差，因此，對應的軋制狀態(tài)中，軋制的高度會發(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，軋件上表面會產(chǎn)生一定的延伸率促使其內(nèi)部金屬的流動速度過高，表現(xiàn)為軋件板形的軋件頭部呈下彎趨勢。調(diào)整步驟分為兩部分：一是對軋輥的位置調(diào)整，利用設備的歸零操作對軋輥的位置完成自動參數(shù)設置，促使鋼水在經(jīng)過連鑄機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，在軋制過程中軋制線進行合理調(diào)整，及時去除殘余坯料，可以獲得較好的連軋連鑄銅桿板形。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗準備

為驗證本次設計的質(zhì)量管控方法具有實際的使用功能，通過實驗測試的方式檢驗該方法的應用效果。由于某省SCR連鑄連軋生產(chǎn)線中銅桿軋制過程存在工藝問題，導致其產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響[3-6]。本次針對銅桿在連軋生產(chǎn)中存在的不合理現(xiàn)象進行管控，通過改變連軋過程中秒流量的電流比值，對生產(chǎn)線上的各個電機轉(zhuǎn)速逐一完成調(diào)整，分批次進行目標轉(zhuǎn)速的標準值設定，從而控制成品銅桿的扭轉(zhuǎn)性能指標。

3.2 管控過程

該指標可以作為成品銅桿質(zhì)量的測量標準，在成品表面存在缺陷時可以利用扭轉(zhuǎn)性能使其的抗拉強度得以改善，完成質(zhì)量的把控。根據(jù)該工廠原有設定的7個標準電機運行負載，運用本文方法加以管控，下表1為管控前后的各組電機負載變化情況。

表1 管控前后電機負載情況（%）

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

3.3 結(jié)果分析

通過調(diào)節(jié)各組電機的電流比值，完成對生產(chǎn)過程中推拉狀態(tài)的管控，為驗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面，具體情況如下圖1所示[4]。

圖1 銅桿表面形態(tài)對比

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)過對比發(fā)現(xiàn)原有在（a）中圈定的裂紋已經(jīng)消失不見。由此可知在文本方法下可以對連軋生產(chǎn)工藝中銅桿出現(xiàn)的問題進行有效管控，提升整體產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過建立有限元模型，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)量管控方法設計。實驗結(jié)果表明文本方法下可以對連軋生產(chǎn)工藝中銅桿出現(xiàn)的問題進行有效管控，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)會造成軋件單元數(shù)量的增加，延長工作時間。后續(xù)在研究過程中會針對這一問題進行改進，保證在標準的工作效率中平穩(wěn)地制作銅桿成品，為工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。