鐘罩爐生產超薄銅帶的退火工藝研究

〔摘 要〕介紹了鐘罩爐生產超薄銅帶時常見的黏結缺陷問題，分析了氣墊式連續退火爐與鐘罩式退火爐在超薄銅帶熱處理中的優缺點。在分析鐘罩爐退火過程中黏結缺陷的形成機理的基礎上，通過控制重纏張力、使用防黏劑、優化退火工藝參數、提高來料板形質量、合理控制帶材表面粗糙度、優化裝料方式及提升爐溫均勻性等措施，研究了減少黏結缺陷的有效方法。經過大量試驗與結果分析，得出了適用于0.05～0.30 mm銅帶的鐘罩爐薄帶退火工藝參數，包括退火溫度、升溫速率、保溫時間等，確保了超薄銅帶退火后的良好表面質量及合格的機械性能。研究結果表明，合理的退火工藝與有效的缺陷控制措施相結合，是解決鐘罩爐退火超薄銅帶黏結問題的關鍵。

〔關鍵詞〕超薄銅帶；鐘罩爐；黏結；退火工藝

中圖分類號：TG166.2 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0031-05

Research on Annealing Process of Ultra Thin Copper Strip Produced by Bell-type Furnace

TIAN Juntao

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" The paper introduces the common bonding defects in the production of ultra-thin copper strips in bell-type furnace， and analyzes the advantages and disadvantages of air-cushion continuous annealing furnace and bell-type annealing furnace in the heat treatment of ultra-thin copper strips. On the basis of analyzing the formation mechanism of bonding defects in the annealing process of bell-type furnace， an effective method to reduce bonding defects is investigated by controlling the re-twisting tension， using anti-adhesive agents， optimizing the annealing process parameters， improving the quality of incoming plate， reasonably controlling the surface roughness of strip， optimizing the loading method and enhancing the uniformity of the furnace temperature and so on. The annealing process parameters of the bell-type furnace strip applicable to 0.05～0.30 mm copper strip was obtained through a large number of tests and result analysis， including annealing temperature， heat-up rate， holding time， etc.， to ensure a good surface quality and qualified mechanical properties of the ultra-thin copper strip after annealing. The research results show that a reasonable annealing process and effective defect control measures are the key to solving the bonding of ultra-thin copper strips annealed in bell-type furnace.

Keywords" "ultra-thin copper strip; bell-type furnace; bonding; annealing process

1" "超薄銅帶熱處理爐工藝

目前，超薄銅帶的熱處理爐主要為氣墊式連續退火爐和鐘罩式退火爐。氣墊式連續退火爐因其退火速度快、生產效率高、性能控制精準等優勢被廣泛應用[1]。然而，該設備也存在一些不足之處：1）退火帶材的厚度規格范圍比較小。2）不同材質的銅帶（如黃銅、紫銅、錫磷青銅）在退火時需使用不同的氣氛保護，牌號更換時需長時間“洗爐”，這不僅增加了保護性氣體的消耗，還提高運行成本，降低生產效率。3）氣墊爐機列較長，對相關輥系的表面和傳動控制精度要求較高，生產0.10 mm及以下厚度的產品容易產生褶皺和斷帶，且處理時間較長。4）其電耗約為鐘罩爐的2.5倍，能耗較高。鐘罩式退火爐作為一種以成卷方式退火的設備，具有單爐通過量大、設備投資成本低、厚度與寬度間匹配要求不高等優點。然而，在處理大卷重、超薄銅帶時，退火后帶材容易出現層與層之間嚴重黏結的問題。降低退火溫度雖然能緩解黏結問題，但可能會導致性能不均或退火不透的現象，為后續加工帶來諸多不便，不僅降低綜合成材率，還直接影響成品性能，導致客戶退貨或產品報廢。

因此，應開展大卷重超薄銅帶的鐘罩爐退火工藝研究，以實現銅帶退火后良好的表面質量，同時具備合格的機械性能。本文針對鐘罩式退火爐存在的問題，重點關注以下幾個方面：1）超薄銅帶鐘罩爐退火前的重纏張力控制，即通過合理的張力控制，減少退火過程中帶材的層間應力，從而避免黏結現象的發生。2）超薄銅帶鐘罩爐退火前涂防黏劑的使用工藝，即研究防黏劑的成分、配比及涂覆工藝，以有效防止帶材在退火過程中的黏結。3）超薄銅帶的鐘罩爐退火工藝，包括退火溫度、升溫速率、保溫時間、保護氣氛、出爐溫度等）對產品質量的影響。

２ 工藝缺陷機理分析及技術措施

鐘罩爐生產大卷重超薄軟態銅帶的生產工藝為：熔煉鑄造—銑面—粗軋—切邊—退火—清洗—中軋—重纏—退火—清洗—精軋—重纏（涂防黏劑）—退火（成品退火）—脫脂清洗—成品剪切。

用鐘罩爐對銅帶進行退火時，黏結是最常見的一種缺陷，嚴重黏結時，會在清洗開卷過程中聽到非常明顯的撕裂聲，輕者在銅帶表面形成月牙狀或馬蹄狀凹印，重者帶材表面會撕破，黏結金屬屑料或產生明顯的黏結印記，這些缺陷難以在進一步的軋制過程中消除，嚴重影響產品表面質量，造成產品降級或廢品。這種缺陷尤其是在對0.3０ mm厚以下紫銅和青銅薄帶進行退火時更加明顯，常常導致料卷的成卷報廢，影響綜合成材率[2-3]。因此，需從多道工序全面排查黏結缺陷的形成原因，并針對性制定相應解決措施。

２.1" 黏結缺陷形成機理及影響因素分析

銅帶黏結缺陷是指在退火過程中，銅帶在熱應力、內應力或局部凸起等因素作用下，長時間壓合形成類似壓力焊接的環境，進而造成局部焊合的現象。微觀上，這是邊界原子相互滲透的結果。黏結缺陷的影響因素較多，包括化學成分、板形質量、纏繞張力、層與層之間的機械應力、退火冷卻過程中產生的附加熱應力、表面粗糙度及清潔度、退火溫度及退火工藝、冷軋殘余應力等。

2.1.1" 帶卷板形缺陷的影響

銅帶卷經過多道次粗軋及精軋，不可避免地存在各種板形不良，如橫向厚度偏差，縱向浪形。當銅帶卷存在浪形時，在帶張力卷緊后，會造成帶鋼層與層間接觸面的貼合不完整，從而使徑向壓應力分布不均，局部徑向壓應力增大。較大的浪形會造成較大的徑向壓應力，進而促使黏結的發生。同理，橫向厚度偏差會在板面凸起處產生局部應力，局部應力不均疊加徑向熱應力也會促使黏結的發生。因此，嚴格控制軋機來料的板形對控制罩式爐退火產生黏結缺陷有至關重要的作用。

2.1.2" 卷取張力的影響

帶材軋制時，增加前后卷取張力能大幅降低軋制壓力，提高帶卷的卷取質量，避免塔卷，有利于后續加工，因此，在大型銅板帶廠里，超薄銅帶生產均使用高精度軋機高速軋制，大卷重、大張力卷取，以提高了生產效率。然而，卷取張力導致卷層間間隙變小，卷層間存在壓應力。根據彈性力學理論，徑向應力值應等于卷取張力值。降低銅帶卷取張力值可以減少退火高溫狀態下銅卷層與層之間原子相互滲透而造成的黏結。

2.1.3" 表面潔凈度及粗糙度的影響

黏結缺陷通常是在一定退火溫度下，銅卷相鄰層之間原子相互滲透所造成的。表面的清潔度會影響原子滲透過程，無論是清潔度過高或者是過低，都會對黏結控制產生不利影響。由于超薄銅帶精軋使用軋制油冷卻，在冷軋后銅帶表面會殘留軋制油、銅粉、鐵粉及硅藻土顆粒等物質。在溫度較高、氫氣含量充足的還原氣氛中，殘留的軋制油會發生還原反應，表面殘留顆狀物質將還原成為固態金屬顆粒，隨后會與卷層焊合成為黏結缺陷。因此，在超薄銅帶的生產過程中減少表面殘留物，可以從根本上減少帶材黏結缺陷。增大表面粗糙度可以有效預防黏結缺陷的發生。因為粗糙度提高后，退火銅卷層間界面原子之間的結合阻力也會增加。然而，提升表面粗糙度，會破壞帶材的表面光潔度，降低帶材的外觀品質，因此需要將粗糙度控制在合理范圍之內。

2.1.4" 退火工藝的影響

鐘罩爐退火工藝是根據化學成分、軋制加工率、卷重、帶材規格及產品技術要求進行設計的。鐘罩式退火的主要工藝參數包括升溫速率、保溫時間、退火溫度、冷卻方式及冷卻速率等。若此主要參數設置不當，可能會導致料卷出現過燒或晶粒回復再結晶過程沒有完全完成。升溫速度過快、退火溫度過高、保溫時間過長容易產生黏結缺陷。因此，合理的退火工藝是鐘罩爐退火工序的關鍵。

2.1.5" 帶材厚度的影響

銅卷通過翻轉機改變方向后逐層堆疊在罩式爐爐座上，每一層承受上部全部帶卷的重量，帶卷越重，對下面帶卷產生的壓應力就越大。超薄銅帶越薄，寬度越寬，受相同壓力時彎曲程度越大，黏結趨勢也越明顯。因此，超薄銅帶的厚度、寬度是罩式爐退火工藝的重要影響因素。

2.1.6" 爐內溫度均勻性的影響

鐘罩爐退火過程主要由加熱罩熱輻射、爐座風機高速旋轉形成的強對流和料卷間的熱傳導這3種熱傳遞方式實現。由于風機循環風量較小，保護氣體的傳熱速度較慢，爐內各處存在較大溫差。銅卷邊緣部位容易出現過熱而產生黏結。冷軋銅卷是由一層層薄銅帶卷曲而成，因此其軸向導熱系數為帶材自身的導熱系數，而其徑向導熱系數則與帶材厚度、牌號、卷取張力、退火溫度等多個因素相關，且小于冷軋銅卷軸向的導熱系數。在保護氣體（N2或H2）氣氛下，銅帶通過軸向的熱導率要大于徑向的熱導率。爐內溫差疊加銅卷軸向及徑向熱導率不同導致銅卷各區域溫度不均，銅卷徑向內部溫度大于外部溫度，銅卷軸向底部溫度大于上部溫度，從而產生熱應力。因此，爐內熱量均勻分布、加熱過程均勻是銅卷各部位機械性能一致的關鍵所在。

2.1.7" 料卷堆垛的影響

在生產過程中發現，裝在同一爐中的帶卷，靠近頂部帶卷黏結較輕甚至沒有，而裝在底部的黏結就相對嚴重。研究認為，這是由于靠近下面的銅卷在退火過程中，不但承受徑向應力作用，同時還要承受上面銅卷的壓應力，因此黏結趨勢增大，且越往下越明顯，特別是托料盤和銅帶端面接觸的位置。

2.1.8" 對流板的影響

為了使銅卷盡可能均勻受熱，對流板應具有良好的平面度，一定的硬度和足夠的抗熱變形能力。否則，銅卷在對流板嚴重翹曲變形、平面受力不均時，整個銅卷的重量只能由部分筋板承受，造成銅卷局部嚴重擠壓折邊進而過熱黏結。

2.2" 采取的技術措施

根據上述分析，超薄帶材罩式爐退火黏結缺陷是帶卷徑向溫度梯度過大和局部壓應力過大，并在高溫下擴散黏結而產生的。因此，為防止及消除黏結缺陷，采取了如下措施。

2.2.1" 控制卷重及卷取張力

根據生產反復試驗總結出各類牌號的帶材出現黏結的臨界值。當帶材厚度在0.10～0.30 mm時，通過控制卷取張力，能夠實現鐘罩爐退火卷質量不大于4.5 t的料卷不產生黏結。帶材厚度在0.05～0.10 mm時，若m（銅卷）≥2.5 t，僅通過控制卷取張力無法解決帶材表面黏結的問題；若m（銅卷）＜2.5 t，則通過控制卷取張力能夠解決鐘罩爐退火帶材表面黏結的問題。

2.2.2" 提高來料板形質量

嚴格控制來料板形是解決鐘罩爐退火時帶材黏結的一個重要措施。進入鐘罩爐退火的薄銅帶均應在高精度精軋機上軋制至退火料厚度，減少邊部波浪和肋浪缺陷，板形嚴格控制在10I范圍以內。

2.2.3 合理控制帶材表面粗糙度

帶材厚度在0.20～0.30 mm時，表面粗糙度控制在Ra0.3～0.4 μm時效果較佳。但對0.05～0.10 mm厚的帶材，通過控制表明粗糙度，效果不夠明顯且粗糙度值難以達到Ra0.3～0.4 μm[4-5]。

2.2.4" 帶卷重纏及使用防黏劑

0.05～0.10 mm厚的帶材在重纏機上進行重纏時，應涂1層防黏劑。該防黏劑主要成分為納米陶瓷和航空油的混合物，配比使用時用酒精勾兌，酒精與防黏劑的體積比為20∶1。將納米陶瓷與酒精混合后涂覆在帶材表面，待酒精揮發后，在帶材表面形成1層耐高溫的納米涂層，從而防止帶材表面黏結。退火后，該層保護膜經堿洗、酸洗后能去除，不會損傷帶材表面。多次試驗證明，噴涂防黏劑能有效改善0.05～0.1０ mm厚帶材的黏結問題。

２.2.5" 裝料優化

在鐘罩爐作業堆垛過程中，將稍厚的料堆垛在下層，較薄的料堆垛于上層，可以有效地緩解了黏結問題。

2.2.6" 選擇合適的退火工藝參數

1）退火溫度[6]。中間退火時，溫度應偏向再結晶溫度上限設置，并適當縮短退火時間；成品退火時，側重于保證產品品質和性能均勻，退火溫度偏向再結晶溫度下限設置，并嚴格控制退火溫度的波動。厚應比薄規格的帶材的退火溫度設置要高一些，裝料量大的要比裝料量小的退火溫度設置高一些。

2）升溫速度、保溫時間。半成品的中間退火大都采用快速升溫；成品退火、裝料量少、薄規格帶材，采用慢速升溫，甚至采用階梯式加熱升溫方式。爐溫設計時，保溫時間以保證退火材料均勻熱透為準。

３）提升爐溫的均勻性。給罩式爐爐臺配備大功率、強對流、大風量、直聯式調速高溫風機，增強爐膽內保護氣體的循環，使銅帶在加熱和保溫過程中溫度均勻，保溫后期溫差控制在±5 ℃以內。對測溫設備包括底部熱電偶、氣氛熱電偶、溫度測量儀表進行校正，保證測量儀器的準確性。帶卷的上、中、下、里、中、外9點進行測溫。加熱罩選用優質硅酸氈棉全輕質保溫成型（Al2O3質量分數≥45%）磚砌筑，上部和頂部采用多層優質硅酸氈棉覆蓋并用耐熱不銹釘和不銹鋼壓板緊固，增加保溫層厚度，確保加熱罩的保溫效果。加熱元件采用Ni80Cr20帶材，加熱元件分二區布置，二區元件上下交差、間隔布置，加熱區的高度占整個裝料高度的2/3。通過這些改進措施，可確保爐內溫度均勻，溫差控制在±5 ℃以內。

3" "試驗結果

分別設計了0.05 mm、0.10 mm厚，400 mm寬的Ｃ５１９１、Ｃ１１０0和Ｃ２６８０進行了鐘罩爐退火試驗。試驗用鐘罩爐退火設備如圖1所示，試驗參數及結果如表1所示。

分析表1可知，0.05 ～0.1０ mm厚的C5191銅帶的鐘罩爐較佳退火溫度為380 ℃；0.05～0.1０ mm厚的C1100銅帶較佳退火溫度為300 ℃；0.05～0.1０ mm厚的C2680銅帶較佳退火溫度為370 ℃。對以上較佳保溫溫度退火后的產品進行金相分析（見圖2）。由圖２可知，Ｃ５１９１、Ｃ１１００、Ｃ２６８０銅帶均完成了回復再結晶過程。

繼續按照以上試驗方法對其他厚度的銅帶進行退火試驗。試驗出了0.05～0.30 mm銅帶的鐘罩爐薄帶退火工藝，如表2所示。

4" "總結

通過鐘罩爐生產大卷重超薄銅帶的技術研究與應用，解決了鐘罩爐退火大卷重薄銅帶時的帶材黏結問題，同時確保了帶材的性能均勻性：1）通過重纏設備使帶卷松張，促使帶材殘余應力釋放，可以解決鐘罩爐生產卷質量不大于4.5 t、厚度不小于0.10 mm薄銅帶的，以及卷重不大于2.5 t、厚度不小于0.05 mm超薄銅帶的黏結難題。2）使用防黏劑，可以有效解決鐘罩爐生產卷質量不大于4.5 t，厚度不小于0.05 mm超薄銅帶的黏結難題。3）合理的退火工藝參數是生產超薄銅帶的關鍵所在。4）優化裝料。裝爐時遵循小卷重、薄厚度的料卷堆垛在鐘罩爐內上層空間的原則，可以減輕退火時的黏結問題。5）升級爐臺風機，優化鐘罩爐保溫材料，校核熱電偶以及溫度測控儀表，可以有效提高爐內溫度場的均勻性。

參考文獻

[1] 鐘衛佳.銅加工技術適用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2007：861-863.

[2] 楊喜恩，王瑩，閆青華，等.冷軋板帶罩式退火粘結缺陷成因分析及抑制措施［J］.金屬材料與冶金工程，2021（3）：54-57.

[3] 劉羽飛，胡斐斐，趙久輝.C5210合金生產工藝對組織和性能的影響[J]. 銅業工程，2022（3）：14-18.

[4] 陳建濤，錢澤濤.銅板帶材粘結缺陷形成與控制分析[J].銅業工程，2017（6）：7-9.

[5] 劉勤博.冷軋帶鋼罩式爐退火粘結缺陷的分析與研究[C]//中國金屬學會.2014年全國軋鋼生產技術會議文集：上.寶山：寶山鋼鐵股份有限公司，２０１４：６.

[6] 胡可柱.鐘罩式光亮退火爐對流盤吊具的研究──圓盤狀對流盤吊具優化和改進[J]. 化工設計通訊，2016，42（9）：123.

[7] 趙云飛.全氫罩式退火爐工藝設備及工程化特點[J].山東工業技術，2014（17）：36.