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700连续挤压机组

  • 发布时间:2018-03-24
  • 发布者: 本站
  • 来源: 本站
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  1、概述
  随着连续挤压技术的不断发展,市场对连续挤压产品的需求越来越广泛。铜排、铜板、铜带等传统产品随着终端用户相关行业和应用领域的拓展,对其宽度、厚度、品质不断提出更高要求。当前市场高低压配电柜及母线桥架往超薄超宽方面发展,而应用于集成电路板、电子通讯,变压器带等材料的紫铜带市场,很多大型铜加工企业也往宽幅板带方向发展。大型铜加工企业近几年投资上马的都是650mm宽铜板带,650mm宽幅板带投资大,需达到盈亏平衡点的产能高,故所需周转资金大,设备产能需要达到设计产能的70%以上时,生产成本才会控制到较低水平。更多中等规格铜板带的生产单位,市场定位与经营策略不同,200~400mm宽铜板带生产线设备投入及周转资金相对较小,面对少批量多批次的市场需求具有灵活多变的竞争优势。近年来,他们需要一些低能耗、环保、较低投入的工艺装备来替代上引及水平连铸、铸锭热轧等传统制坯工艺,再通过高精冷轧法生产高精铜板带。这些需求也带动了连续挤压生产工艺与设备的快速发展与更新。本文对超宽铜排(板带坯)连续挤压技术与装备予以介绍。

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  2、连续挤压技术原理及在应用中的优势
  在有色金属的加工中,挤压是最主要的方法之一,而连续挤压则是挤压法的一次革命。连续挤压技术来自英国,发展延伸在中国,在有色金属塑性加工上,带来了极大便利。

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  连续挤压技术的原理是,利用槽轮的连续运动,来替代传统的挤压筒,从而实现挤压筒的无限工作长度,坯料由旋转挤压轮带动,在挤压腔中,由轮槽的摩擦力作用提供变形力,坯料的温度和所受压力值升高到阈值后,便会从模孔挤出,并且持续不间断进行下去。
  相对于传统挤压法,连续挤压技术更加充分地利用了坯料和工具之间的摩擦力,利用轮槽的旋转实现了无限工作长度。因为不存在润滑且持续工作,摩擦力能够产生高温和高压,减少了能耗。连续挤压技术的设备剥离了坯料加热、轧制等程序,设备紧凑,造价低廉,同时占地面积缩小,厂房建设费用降低。

  3、无氧高精铜板带主要技术要求
  3.1、Cu+Ag含量≥99.97%,
  3.2、含氧量≤5ppm,
  3.3、导电率≥101%IACS,
  3.4、性能符合GB/T14594-2005标准;

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  4、高精铜板带生产传统工艺及优缺点
  高精铜板带生产传统工艺为:A. 大锭热轧卷坯-高精冷轧法;B. 水平连铸卷坯-高精冷轧法。
  高精冷轧法的现代工艺技术基本是:四辊高精轧机作为冷初轧和冷中轧;为获得精确公差的成品铜带,精轧工序一般选用多辊高精轧机。退火采用钟罩式气体保护退火炉;退火后需进行脱脂清洗磨面钝化工序,为确保优良板型,成品带材还需要拉弯矫处理。

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  水平或上引连铸卷坯,工艺流程短,设备投资少,冷轧后残留铸造组织,需铣面导致成材率低。

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  大锭热轧卷坯,工艺成熟,热轧可充分改变铸造组织,但工艺流程长,设备投资大。
  新的连续挤压工艺技术,能结合上述两种工艺的优点,产品晶粒组织好(媲美热轧组织)、流程短、成材率高,设备厂房投资少,降低行业进入门槛。大型连续挤压装备形成带坯制造新工艺不断成熟,将成为一种高性价比的全新选择。

  5、超宽铜排(板带坯)连续挤压机的研发
  5.1、超大扩展变形条件下,连续挤压铜带坯料的新型工装结构;

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  随着550、630等大型连续挤压机的应用,原有的挤压成型工装不断改进优化,铜排的宽度一直在突破,目前极限宽度为320~340mm,由于连续挤压的特点决定了挤压通道内中间流速比两边流速快而导致产品两边和中间的致密度始终有差异,设备制造商和使用单位的工程师一直在这个环节上不停地探索并取得一定成效。而且,生产此类宽度的带坯对工装模具要求极高,使用到一定吨位就很容易出现:两边破裂、模具变形、更换挤压轮腔体等昂贵工装配件。
  针对这些制约条件,在700连续挤压机设计时重点优化了腔体扩充区、桥式成型垫、组合模具最佳厚度、堵头与挤压轮尺寸配合、压实轮与挤压轮尺寸配合、刮刀与挤压轮尺寸配合;改进了主轴轴向窜动量、挤压轮冷却、腔体冷却、堵头冷却、出模口喷淋冷却;这些优化设计为生产宽度达到425mm且致密度、晶粒度趋于一致的铜排打下扎实基础。
  5.2、高纯无氧铜带坯料的大型连续挤压设备设计制造;
  在挤压生产过程中,负载变化因素较多,电网、工厂环境(温度与粉尘)、电机碳刷磨损、调速器功率模块老化、系统润滑冷却、原材料、产品宽厚比、挤压间隙、工装模具磨损失效、转速变化、甚至工人误操作等因素都会使主机负载产生较大波动。
  基于之前各型号设备的设计使用经验,考虑到将来挤压如引线框架类合金铜带坯料的需求,有必要为超宽铜排(板带坯)连续挤压机的使用范围保留有一定空间。
  这就要求各部件选型和设计都要在合理成本的基础上考虑足够的安全系数!
  最优化的挤压通道设计建立之后,就需要主机传动系统能不间断提供强大的扭矩,更强的锁靴能力,更稳定的控制系统,以此为原则,大型连续挤压设备具体设计要点如下:
  5.2.1、主轴材料:
  我们选用的材料为42CrMoA,具有高强度和韧性,淬透性也较好,无明显的回火脆性,调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力,冲击韧性良好。42CrMoA锻后进行等温球化退火;粗加工后调质处理HB280-320;精加工完毕后再局部进行气体强化氮化工艺HV550~580深度0.25mm,为保持主轴氮化后还具有足够的韧性,降低氮化加热温度同时增加氮化时间。这些措施制作的主轴具有更可靠的综合机械性能。
  5.2.2、主轴设计

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  挤压轮在主轴上能否被有效锁紧是连续挤压机的技术核心。锁紧力太大,液压螺母的轴向预紧力会拉断主轴;锁紧力偏小,主轴圆銷槽受力过大,使主轴使用寿命缩短且挤压轮寿命降低。所以,主轴的设计既要确保挤压轮能有足够的锁紧力,又不能被液压螺母轴向预紧力拉断,还要保证挤压轮合理强度。我们参考了各种机型的主轴最终的破坏形式,设计了主轴各部位直径最佳尺寸,按照1.7倍的安全系数进行校核,提高锻造、机械加工和热处理工艺标准,在满足挤压轮有效锁紧的同时能确保主轴的安全性。
  5.2.3、减速机

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  我们采用江苏泰隆TBP系列模块化行星减速器(德国弗兰德flender标准),该厂给我们配套连续挤压机行星减速机已经有12年,从以前的NBZD系列到现在的TBP系列,熟知我们连续挤压机的使用特性。针对超宽铜排(板带坯)连续挤压机的配套,我们与减速机单位行星组工程师选定高安全系数(1.8倍)的标准型号行星减速机,并进行加强型设计,优化设计关键部件;精心选择轴承、密封等主要标准件;增加齿面宽度;齿根部R角喷丸强化;行星轮、内外齿用欧洲标准EN10083/84含镍量较高的20CrNi2MoA牌号材料进行锻造。

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  为有效提高加工精度和热处理工艺标准,所有齿轮的渗碳淬火和氮化处理均使用奥地利爱协林AICHELIN工业炉生产线,所有外齿轮和内齿圈齿面均使用德国尼尔斯NILES和霍夫勒HOFLER数控成型磨齿机精密磨齿,接触面更理想,运转噪音低,性能更加可靠,能承受更高的扭矩。
  5.2.4、液压系统:
  液压系统动力源采用中航力源液压股份有限公司生产的力士乐型A2F系列柱塞泵,性能优异,可以长时间输出最高35MPa的压力;生产大宽厚比的铜带坯料时,可以将压紧缸压力设定为27MPa。系统具有自动保压功能,压力传感器与液控单向阀组成的压力自动控制回路,用于压紧缸锁紧靴座。

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  保压系统采用德国贺德克HYDAC液控单向阀配备蓄能保压单元,配以意大利SPEC传感器与PLC相连接,根据产品规格难易程度在触摸屏上可以任意设定压力上下限,达到设定压力后长时间保压,泵组电机不工作(低于设定值自动启动,20秒后又自动保压),有效锁紧靴座,保证溢料率平稳,节能的同时提高整个系统元件寿命。
  5.2.5、直流调速器与控制:
  采用派克(原欧陆)“Eurotherm”590P系列 的四象限原装可逆直流调速器,有两组原装可控硅单独正反向驱动直流电机,可靠性更好,有别于不可逆调速器或者小功率扩容调速器,在调速响应速度、扭矩输出特性、高负载运转平稳性、大功率模块使用寿命等方面有无可比拟的优势。

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  直流调速器的控制与监控采用通讯模块的方式,更精确地控制直流电机并实时读取各种重要数据,有效保护调速器与直流电机。
  5.2.6、其他主机部件:

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  1.主机底座结构件使用高强度合金钢板,满负载运行时整机保持足够的刚性;
  2.主轴机架增加钢板厚度、增加上部筋板、增加焊接宽度、增加整体喷丸工序,重负荷时确保整体不变形;
  3.改进靴座材料与热处理,结构尺寸也进一步强化(靴座重量达到4360公斤),挤压生产时出现的各种极端状况都能轻松保持足够的刚性;
  4.主轴轴承选用瓦轴ZWZ的满装内圈单挡边圆柱滚子轴承,并要求增加滚柱长度,内外圈增加壁厚,大幅提高轴承的动、静载荷,以满足低速重载的连续挤压特性;
  5.为适应各种规格产品成卷,参考国内外新型收卷设备,设计配套了重型无芯收卷机,采用张力调节控制,有效解决与主机产品速度的同步性,适用铜排宽度范围为150~450mm。

  6、超宽铜排(板带坯)连续挤压机的工艺规范。
  6.1、主要技术指标:
项目 参数
挤压机额定扭矩 1100000N.m
调速范围 1~5 r/min
装机容量 380V,三相,650KVA
挤压铜排产品截面积范围 铜排500~10000mm2
挤压产品最大宽度 铜排425mm;铜棒Φ140mm
平均生产效率(挤出成品计重) 2800kg/h
溢料率 5~8%
设备占地(长×宽×高) 42m×7.5m×3m
主机重量 56 t

  6.2、配套工装及产品适用范围:
  为使设备扩大生产产品范围,设计了四种工装系统,以便用户灵活应对:
项目 内容 适用范围
Ⅰ型工装 腔体,腔体盖,组合模具,导料板 宽度300~425mm
Ⅱ型工装 腔体,腔体盖,组合模具,侧板,导料板,垫板 宽度200~320mm
Ⅲ型工装 腔体,腔体盖,组合模具,侧板,导料板,垫板 宽度 50 ~220mm
Ⅵ型工装 腔体,腔体盖,组合模具,侧板,导料板,垫板 直径Ø30~Ø140mm

  6.3、生产R16x425带坯工艺要点:
  6.3.1、优质的铜杆能保证最终产品的主要技术要求,同时在挤压过程中具有优良的流动性,对工装模具的损伤较低,也是超宽铜排连续挤压的必要前提。原材料选用高纯度的阴极电解铜板,清洁干燥后置入带惰性气体除气隔舱的三体上引连铸炉,严格规范的上引工艺流程,才能生产出高纯度、高导电率、低含氧量的铜杆,为连续挤压超宽铜排提供优质原料。
  6.3.2、从铜杆被压实轮压入挤压轮到腔体进料口,这个过程要注意:量化压实轮压下量;导料板要有效衔接压入挤压轮的铜杆适当摩擦软化铜杆并起到密封作用;优化压实轮与腔体挡料块的包角,包角过小及过大都会影响铜杆进入腔体进料口的状态,从而最终影响产品质量。
  6.3.3、成型垫比挤压模的功能更重要,作为腔体扩充区的必要延伸,成型垫的主要职责是无死角地全部接收腔体扩充区进入的高温高压原料,通过成型垫的特殊结构对原料流动进行引导和约束,最大限度地均匀输送至模具进料口,使进入挤压模的原材料速度、温度、力度趋于一致,成型垫和挤压模使用的高温合金使挤出产品的尺寸稳定性更好,产品板型和内部品质更加可控。
  6.3.4、控制好挤压速度(欲速则不达),使原料、产品规格、压实轮压下量、组合模具、工装材料高温特性等要素达到最佳匹配,保证产品质量的前提下兼顾生产效率和工装模具使用寿命。
  6.3.5、其他控制要点:如溢料清除、工装冷却、模具冷却、产品冷却、收卷牵引力等。
  6.4、生产R16x425带坯关键数据:
  6.4.1、设备负载:MFCCE700挤压机生产R16x425紫铜带坯时,实测主轴扭矩约750000N.m,为主机额定扭矩68%,主机还有充足的负载空间,连续生产时设备稳定安全。

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  6.4.2、产品尺寸:成型垫和挤压模材料使用了镍基高温合金,高温状态的强韧性保证了成品尺寸的稳定性;优化设计的成型垫和挤压模使整个截面的尺寸趋于一致,如图:

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  6.4.3、金相分析和性能测试:(上海理工大学-材料科学与工程学院-理化实验室)

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  1).连续挤压后组织为再结晶组织,无论从样品截面还是纵向看,都一样的。从组织上看,无成型的流线状组织;
  2).连续挤压后横截面上两边和中间的组织均匀,细小,无明显的宏观缺陷,无明显的铸造组织形态,表面光滑平整无氧化,无需表面处理,可以直接进行后续轧制加工;

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  3).从材料性能看,硬度约HV60-70,属于软态;抗拉强度Rm与延伸率At比较理想,适合大变形量压延加工。

  7、超宽铜排(板带坯)连续挤压机的后续配套设备的选择
  铜板带坯料挤压制备后,配套加工开坯用的冷轧机根据最终产品有两种选择:
  7.1、生产母线槽用超薄铜排,其工艺流程为:上引→挤压→轧制→退火→拉拔,挤压后坯料轧制量有限,轧制半成品厚度一般大于2mm,使用二辊轧机即可满足,避免功能浪费。

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  建议选用:Φ450×500mm二辊可逆轧机,具备两侧立轧控边功能,以适应后道拉拔工序。
  7.2、生产无氧高精度铜板带,其工艺流程为:上引→挤压→(铣面)→粗中轧→退火→清洗→精轧→(退火)→清洗→(拉弯矫)→纵剪分切,括号内工序根据产品要求选用。

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  建议选用:Φ220/Φ500×550mm四辊可逆轧机,进行粗中轧工序,以适应后道精轧工序。
  8、结论
  因为能耗低、工艺简单,产品能够在长度上不受限制,质量稳定,连续挤压技术在铜加工中得到广泛的应用。在诸如铜扁线,铜排等生产上均有独特优势,可见连续挤压技术相对于传统挤压等加工技术的巨大优势。全新设计的超宽铜排(板带坯)连续挤压机完全能够替代上引及水平连铸、铸锭热轧等传统制坯工艺,来生产无氧高精铜板带。随着技术的进步,更多的铜加工领域将运用到连续挤压技术。

07305631906

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