銅管生產在線退火工序節能降耗的探討*

郭聞政，吳 曉，祝 焱，鄭永輝，韓秋水，鄭逢泰

（廣東龍豐精密銅管有限公司，廣東 珠海 519090）

0 引言

節能是我國可持續發展的一項長遠發展戰略，是指節約能源的消耗，以較少的能源生產同樣數量的產品或產值，或以同樣數量的能源產出更多的產品或產值；就是應用技術上現實可靠、經濟上可行合理、環境和社會都可以接受的方法，有效地利用能源，提高用能設備或工藝的能量利用效率[1]。中國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，“雙碳”目標的確立，進一步說明節能是我國的一項長期基本國策。

本文所指銅管是以拉制或壓制工藝制造的無縫銅管，包括無縫內螺紋銅管、無縫光面銅管、無縫翅片銅管等。眾所周知，在各種傳統金屬材料的管材中，無縫內螺紋銅管以內表面換熱面積大、導熱性好、低溫強度高、單重低等優點，常被用于空調制冷設備的換熱上，如冷凝器、蒸發器等。銅管也常用于制氧設備中裝配低溫管路，直徑小的銅管常用于輸送有壓力的液體，如潤滑系統、油壓系統等，以及用作儀表的測壓管等。銅管由于容易加工和連接，在安裝時可以節省材料和總費用、減少后續維修成本，具有很好的穩定性和可靠性。無縫銅管因易進行彎曲、變形加工、能以任何角度折彎，塑性加工性能好，可以做成彎頭、接頭等，同時在使用中不滲漏、不助燃、不產生有毒氣體、耐腐蝕等優良性能，也是高檔酒店和住宅自來水入戶管道、直飲水管路、供熱、制冷等管道安裝的首選管材。由于銅良好的導電性能，銅管也用作通信行業同軸射頻電纜內導體。銅管新的應用領域——銅熱管是以無縫銅管為封裝基材的一種高效傳熱元件、能夠在無外界驅動的情況下快速高效地傳遞熱量。銅熱管的尺寸和形狀可根據不同的散熱需求進行調整，已成為5G通信設備散熱方案首選的核心散熱元件。

當前國內銅管企業在線退火工藝生產使用的設備大多數是從日本、澳大利亞等國外設備制造商進口，在線退火工藝也大多是借鑒國外技術，由于國外工業應用技術的保密，國內設備制造商或設備使用企業大多憑經驗改進和優化在線退火工藝設備，大部分的工藝參數、設備配置是經過反復試驗摸索而得到的。隨著銅管業產品的不斷創新升級，國家高質量發展節能減排的需要，如何實現現有銅管生產關鍵過程在線退火工序設備節能降耗具有重大的實際意義。

1 無縫銅管在線退火熱處理工藝過程及作用

無縫銅管材是指沿整個長度方向上具有均一橫截面和壁厚、且只有一個封閉通孔的空心銅加工產品，以卷狀或直條狀供應市場。銅管生產過程中，在線退火工序是銅管短流程生產工藝流程中的一道熱加工工序，是將銅管坯連續在線快速感應加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻的一種金屬熱處理工藝。

銅管生產在線退火工藝過程如下:（1）銅管坯上料前，使用中壓高純氮氣控時吹掃銅管坯的內表面，去除上道工序加工用油的內部殘留；（2）銅管坯上料放卷經過導輪進入水平、垂直矯直系統，外表面經過清洗裝置去除油漬后，進入連續充有高純氮氣保護的加熱區感應線圈；（3）程序控制系統根據所選擇的不同直徑和壁厚等規格參數對線速度、功率、銅管張力以及收、放料速度進行連續調整，感應變頻器通過反饋來的線速度信號自動調整功率水平，以確保在線速度發生變化的時候銅管能夠獲得穩定的退火溫度；（4）銅管坯加熱到設定退火溫度參數后，消除了上道工序的加工應力、形成適宜的晶粒，進入連續充有高純氮氣保護的保溫區，之后進入水冷卻區通過冷卻水獲得快速冷卻的銅管坯，再經過風干區用壓縮空氣的快速吹水吹干，進入潤滑系統和自動張力系統后彎曲成卷收料入筐。

采用在線退火工藝的主要作用：（1）使工序流轉的銅管坯降低硬度，改善再加工性；（2）降低殘余應力，穩定尺寸，減少變形與裂紋傾向；（3）細化晶粒，調整組織，消除組織缺陷；（4）均勻材料組織和成分，改善材料性能或為后續工序加工做組織準備，因此，在線退火工序主要用來加工內螺紋母管、或軟態薄壁光管成品的關鍵工序。

2 銅管生產過程在線退火工序設備構成及能源消耗

銅管生產過程在線退火工序的設備主要包括加熱電源及電氣控制部分、爐體部分、收放料部分、傳動裝置及水冷系統等，設備的主要特點有：（1）生產操作簡單、進出料靈活、自動化程度高，可實現連續在線式生產；（2）銅管坯加熱速度快、氧化脫碳少，效率高，工件質量好；（3）銅管坯加熱長度、速度、溫度等可精確控制，工序廢料少，輔助時間少，適宜單規格、大批量連續生產；（4）銅管坯加熱均勻、芯表溫差小，控制精度高；（5）感應加熱線圈可按客戶要求精心制作；（6）全方位節能優化設計，能耗低、效率高，相對生產成本低；（7）符合環保要求，污染小，同時還減少了工人的勞動強度。

圖1 在線退火設備示例

銅管生產過程在線退火工序的傳熱過程采用了穿過式感應加熱、熱傳導和強對流技術。高純氮氣與感應線圈、銅管坯表面以對流方式傳熱，銅管坯內部以電磁感應和導熱方式傳熱。在加熱階段，熱量通過對流方式由感應線圈傳給循環流動的高純氮氣，高純氮氣從銅管表面流過將熱量以對流方式傳給銅管坯，銅管坯表面通過電磁感應產生熱量，高溫的銅管坯表面再以導熱方式將熱量向銅管坯里面傳遞。銅管坯加熱到規定的退火溫度后，去除了銅管坯上道工序的加工應力、獲得再結晶晶粒，進入連續吹高純氮氣的保溫區，常溫高純氮氣流過高溫的銅管坯表面，以對流方式將銅管坯的熱量帶走，通過快速冷卻區再將熱量以對流方式傳遞給系統內循環流動的冷卻水，冷卻水將熱量帶出冷卻區。最后，由風干區的常溫壓縮空氣將銅管坯外表面殘留的水分快速吹干。

目前，銅管生產過程在線退火工序的能源消耗量約占整個銅管生產能耗的20%～25%，為銅管生產加工的主要耗能工序之一，其主要的能源消耗有：（1）感應線圈的加熱電源，水泵、液壓泵、矯直裝置、收放料減速機等電機及電氣控制系統等電量消耗，為主要能源消耗；（2）爐體內加熱退火過程中，工藝要求用作防氧化惰性保護氣體的連續吹掃低壓氮氣消耗，可視為輔助能源消耗；（3）待料區待上料銅管坯工藝要求內壁清除油份、控時吹掃中壓高純氮氣消耗，可視為輔助能源消耗；（4）加熱電源冷卻、液壓站冷卻、爐體內工藝要求用作銅管坯加熱后降溫冷卻等循環水冷卻控溫的水量消耗，為次要能源消耗；（5）設備氣動元器件，爐體內銅管坯冷卻后工藝要求用作吹干銅管坯表面殘留水分的壓縮空氣消耗，可視為輔助能源消耗。當輔助能源由外部購入時應計入產品能耗。本文區分出輔助能源的目的是便于進行產品碳足跡的核算。

3 銅管生產過程在線退火工序節能降耗的實踐探討

節能降耗是指強化用能管理，采用技術上可行、經濟上合理、以及環境和社會可以承受的措施，減少從能源生產到消費各個環節中的損失和浪費，更加有效、合理地利用能源。其中，技術上可行是指在現有技術基礎上可以實現；經濟上合理就是要有一個合適的投入產出比；環境可以接受是指節能還要減少對環境的污染，其指標要達到環保要求；社會可以接受是指不影響正常的生產與生活水平的提高；有效就是要降低能源的損失與浪費[1]。

結合銅管生產過程在線退火工序的生產特點和能源使用情況，以企業長期的實踐探索和經驗分析總結，提出如下按生產用能節能性質區分的節能降耗方法措施。

3.1 管理措施節能降耗

（1）加強工序生產的能源管理和生產管理。通過合理安排生產，保持設備單規格、連續化、大批量生產；通過減少頻繁的更換產品規格、調整參數、開停設備、斷續生產；疊加設備運轉生產過程中，待上料預備工位的銅管坯內清洗、吹掃時間，減少生產輔助時間、無效時間、延遲時間，提高有效開動設備的生產時間占比，提升工序生產效率，減少設備低效空耗，降低能源成本的浪費。

（2）提升在線退火設備工程保障的技術層次。定期更換加熱爐體的密封條，保持爐體氣密性，減少惰性保護氣體低壓氮氣“跑、冒、滴、漏、損”的無效損耗；主動適時清理加熱爐體內的銅管坯斷、殘料，保持加熱區腔體內維保的清掃、清潔，減少被動、無效的故障停機等，提高工序產品的成品率。

（3）比對國家工業和信息化部發布的《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄》，淘汰、更新使用節能型的電機、水泵、風機等，提高能效。

管理措施達到合理組織工序生產，減少設備在低效率、低負荷下運轉等情況，減少能源損耗造成的不必要浪費，通過規范科學的管理取得節能效果，降低單位產品能源消耗，實現管理措施節能降耗。

3.2 技術創新節能降耗

在線退火設備初始配置的感應加熱線圈一般僅有一種或兩種規格的線圈，對應生產Φ9.52 mm、Φ7.94 mm、Φ7 mm、Φ6.3 mm、Φ5 mm等多個系列的產品。目前銅管企業使用的在線退火設備基本參數如表1（示例僅供參考）所示。

表1 在線退火設備基本參數表

依據建立的銅管在線感應退火的溫度場模型，分析線速度、電流密度、加熱頻率、感應線圈尺寸、銅管幾何因素對銅管溫度場的影響，通過有限元軟件DEFORM-2D對溫度場的模擬，得到結論[2]:（1）加熱頻率越大，銅管的溫度越高，內、外表面溫差越大，但是溫差不大，在0～0.07℃之間，并且加熱頻率小于6 000 Hz時所需加熱時間長，大于9 000 Hz時，銅管溫度超過熔點，從加熱速度方面考慮，銅管在線感應退火宜選擇中頻。同時銅管在線感應退火時壁厚方向的加熱主要是電磁感應加熱。（2）感應線圈半徑越大，銅管的溫度越低，感應器與銅管之間發生鄰近效應。從加工成本方面考慮，在留有足夠的間隙時盡量減小感應線圈的半徑。（3）在壁厚和線速度一定的條件下，直徑越小，銅管的溫度越高。這主要是發生了漏磁現象。（4）在直徑和線速度一定的條件下，壁厚越大，銅管的溫度越高。變形程度越小，所需退火溫度越高。

依據通過對各種尺寸銅管在線感應退火工藝參數進行分析討論，建立線速度-電壓曲線的數學模型，得出結論[4-5]：（1）壁厚相同的銅管，在線速度相同的條件下，直徑越小電壓越大。這主要是因為感應器與銅管之間會發生漏磁現象，壁厚相同的條件下，直徑越小，距離感應線圈的距離越遠，漏磁越嚴重，加熱效率越低。（2）直徑相同的銅管，在線速度相同的條件下，壁厚越大電壓越大。這主要是因為變形程度越小，以位錯形式保留在銅管內部的變形儲存能越少，退火所需溫度越高，從而需要更大的電壓。

通過分析可以看出，在線退火工序節能降耗可從減少漏磁、減少壁厚、提高線速度、利用余熱等著手，技術創新節能降耗的措施方法如下。

（1）設計增加細分規格的感應加熱線圈。針對不同規格的銅管坯增加感應加熱線圈規格，設計配置適配規格的在線退火感應加熱線圈，在留有足夠的間隙，不造成生產過程銅管坯劃傷影響產品質量的情況下，盡量減小感應線圈的半徑，減小所生產規格的銅管坯與在線退火感應加熱線圈之間的穿過間隙，較少漏磁現象，提高感應加熱退火效率，直接減少在線退火感應加熱單位電耗。

（2）改造升級機械傳動部分的加工裝配精度。提升在線退火設備機械部分的裝配加工精度等級，更新使用加工裝配精度更高的矯直裝置、傳送裝置、收放料減速機等，減少生產過程中高速機械傳動過程的跳動疊加，減少銅管坯在感應加熱線圈管內高速穿過的徑向跳動造成的影響工序產品質量的劃傷、斷管等，提高在線退火生產運行速度和連續性，間接減少能源消耗[6-7]。同時，可以進行原有初始配置生產速度400 m/min的在線退火設備感應加熱電源提速升級改造，使在線退火工序的生產設備速度提升，減少生產過程能源單耗。

（3）采用節能系統方法利用工序循環水余熱。結合在線退火工序生產過程自身產生的循環冷卻水余熱，使用板式換熱器、冷卻塔循環降溫的技術耗能方式，采用“銅管加工在線退火設備保護氣體節能方法及系統”（專利號：201610184763.5），如圖2所示，利用循環冷卻水的低溫余熱，提高在線退火爐體加熱區惰性保護氣體低壓氮氣溫度，或待上料銅管坯內壁清洗、吹掃中壓氮氣溫度，或風干區吹水用壓縮空氣的溫度，減少在線退火加熱區感應加熱電量消耗；減短在線退火風干區壓縮空氣風干時間，減少壓縮空氣使用量；降低循環冷卻水溫度，減少循環冷卻水降溫循環水量和冷卻塔飄水損耗，減少生產過程能源消耗。

圖2 銅管加工在線退火設備保護氣體節能示意圖

（4）采用節能系統方法利用工序電氣裝置余熱。結合在線退火工序生產過程自身產生的感應加熱電源余熱，使用循環冷卻水冷卻、柜式制冷空調降溫的技術耗能方式，在感應加熱電源電氣控制柜內，設計安裝氣源式熱管換熱器，使在線退火爐體加熱區惰性保護氣體低壓氮氣、或待上料銅管坯內壁清洗吹掃中壓氮氣、或風干區吹水用壓縮空氣通過熱管換熱器，利用電氣控制柜內的電氣散熱或循環冷卻水的低溫余熱，提高加熱區惰性保護氣體低壓氮氣、或待上料銅管坯內壁清洗吹掃中壓氮氣、或風干區吹水用壓縮空氣的溫度，減少在線退火加熱區感應加熱電量消耗；減短在線退火風干區壓縮空氣風干時間，減少壓縮空氣使用量；降低循環冷卻水溫度，減少循環冷卻水降溫循環水量和冷卻塔飄水損耗，減少生產過程能源消耗。

通過改造升級在線退火工裝配置、機械裝置配置、電源配置，利用工序自身的低位余熱，采用創新的先進節能技術方法等措施，取得工序生產過程的節能降耗效果。

3.3 結構創新節能降耗

銅管產品隨著市場客戶需求不斷創新升級，產品結構從焊縫管到無縫管、從光面管到內螺紋管、外螺紋管，從厚壁管到薄壁管，從大管徑管到小管徑管，不斷尋求著節材、高能效、高電導等的科技創新發展方向。在線退火工序主要用于空調制冷行業用內螺紋銅管和通信行業同軸射頻電纜用銅管的生產。

空調制冷行業用內螺紋銅管基于高效換熱、節材的需求，通信行業同軸射頻電纜用銅管基于導電、節材的需求，由光面管創新出超薄壁的光管、內壁帶螺紋的內螺紋管產品，內螺紋齒形有普通齒、斜齒、交叉齒、高低齒等多種型式，從而帶動了空調制冷設備能效等級從五級能效到三級能效再到一級能效的大幅提升。銅管產品結構創新的主流方向是薄壁、細徑、大螺旋角，需要不同規格、壁厚相對更薄的銅管坯經過在線退火工序去應力、調整金屬晶粒過程，供后道工序加工使用[8-10]。產品結構創新，使得第二條所述的在線退火設備裝備升級技術創新，更加適應產品結構減壁厚、減管徑、變齒形創新的生產需求，適應調整在線退火工序感應加熱和運行控制參數，減少加熱電源的電量消耗。

通過改變銅管產品的結構達到減直徑、減壁厚、增螺旋角、增換熱效果等目的，增加低能耗、高附加值產品的比例等取得間接節能降耗效果[11]；減少銅原材料的使用消耗實際上也間接地節約了能源。

3.4 工藝創新節能降耗

銅管高效短流程工藝相比于傳統擠壓法生產工藝已具有明顯的成本優勢，受原有的內螺紋銅管成型芯頭模具強度和壽命成本等的限制，內螺紋銅管生產工藝流程中設有在線退火關鍵工序，主要目的為銅管坯去除前道加工應力、調整金屬晶粒，提供軟態銅管坯用于內螺紋齒形的良好成型[12-15]，同時可延長內螺紋成型芯頭模具的壽命，提高單枚芯頭產出率。

隨著銅管模具芯頭加工技術質量的提高、單枚芯頭加工銅管坯量使用性能的提升、批量加工成本的不斷降低，以及銅管產品的生產工藝持續創新減壁厚，使在線退火工序生產過程為后道內螺紋成型工序提供超長的軟態銅管坯，實現加工過程中使用的工裝模具超長在線重復使用、旋壓成型內螺紋銅管的齒形不斷創新進步，對前道在線退火工序生產工藝控制參數不斷創新優化和節能。銅管產品生產工藝不斷進步，引領了在線退火工序工藝創新節能降耗。

4 結束語

面對國家“雙碳”政策的引領，新冠疫情的持續，經濟下行的壓力，銅管生產企業如何突圍，如何高質量、智能化持續盈利發展，節能降耗成為企業降本增效、參與市場競爭的有效措施。以上，銅管生產在線退火工序節能降耗的管理措施、技術創新、結構創新、工藝創新節能降耗的探討，有的已付諸實施收到明顯的實際節能降耗效果，有的還在進一步實踐驗證和不斷完善中，作為有色金屬壓延加工行業銅管生產企業關鍵耗能工序，在線退火工序節能降耗是可供選擇實踐的一個點，與各行業的專業技術人員共同探討、實踐和創新，以期產生更多的節能降耗創新措施，促進行業低碳發展，實現國家“雙碳”目標。