高质量锡磷铜矿板带材的生产设备及工艺

高质量锡磷铜矿板带材的生产设备及工艺

锡磷青铜具有强度高、弹性好、耐腐蚀性好、耐磁性、易加工性能好等优点。它是目前最广泛、最重要、最经济的柔性铜合金材料。在电子、电气设备中被广泛用于制作各种接插件、连接件、继电器、接触器、导线端子、触头和弹簧等元器件。当前,广泛应用于新兴领域电子产品的锡磷青铜带材,必须是性能均匀的、高表面质量的和高尺寸精度的。带材的公差精度、力学性能、表面质量和板型平直度,不仅在一卷铜带中,就是在一整批产品中也要求达到均匀一致和高的质量。改革开放以来,国内引进和改造建设了一批具有先进技术和装备的铜合金板带材生产线。然而,就高质量锡磷青铜带生产而言,尚未有完整的专业生产线。2000年安徽鑫科新材料股份有限公司利用上市募集的资金,采用引进与国产设备相结合的方式,仅用一年零一个半月的时间,高速建成了一条年产一万吨高质量锡磷青铜带能力的生产线。主体生产设备全部一次试车成功,主要技术指标均达到合同设备规定要求。投产10个月,不仅产量达标,主要技术经济指标亦达到设计要求。当年实现利润284.6万元。产品迅速进入国内高档应用市场并出口,博得用户好评,开创了我国铜合金板带材生产建设史上的一个先例。1项目建设1.1设备及实验条件该项目为鑫科工业园区最先动工建设的项目。在总体规划的基础上,除精密铜带立体工程以及与之配套的辅助生产和生活设施外,为整个工业园供电配置的110kV总降变电所也同步建设。主厂房全长224m、宽60m,面积13440m2,内设熔炼和板带两个主体车间及成品库。熔炼车间配置两台2×450mm双流铜合金带坯水平连铸机列和一台330mm单流铜合金带坯水平连铸机列,一台450mm铜合金带坯双面铣削机列以及与其相配套的木炭烘烤、筑炉及起重运输设备。炉前分析配有进口的光电直读光谱仪。板带车间配置4台套ϕ1800×3300mm钟罩式光亮退火炉,一台ϕ350/800×600mm四辊可逆式粗轧机,一台ϕ150/550×600mm四辊可逆式精轧机,一台0.5~3.0×450mm厚带纵剪机,一台0.1~1.0×450mm薄带纵剪机,一台0.1~2.0×450mm铜带脱脂清洗机,一台0.1~1.2×450mm铜带气垫式连续退火炉,一台ϕ500×600mm铜带拉伸弯曲矫直机。辅助生产设施设有工厂实验室和机修间,配有必要的设备和仪器,承担对原材料和产品的常规分析检验以及日常机修工作。辅助设施主要有净循环、浊循环水系统,纯水制备和生活及消防用水供给系统,生产和生活污水处理装置,压缩空气和保护性气体供给系统以及高、低压配电系统。1.2建设项目的特点1.2.1生产工艺和设备的引进工程项目批准后,立即开展广泛的调研和技术交流,以确定总体工艺方案与设备选型。本着项目建设技术起点要高、投资要省的原则,力求做到先进、可靠、经济和实用。在工艺方案上不走老路,必须有所创新。在主要生产设备的选择上,凡国内确实能制造的,由国内解决。国内制造的设备必须采用先进的、成熟的技术,在主要元器件的配置上考虑到目前国内状况,尽量选用进口的名牌,以减少故障,确保生产。对国内不能制造的设备坚决引进。在引进国外设备时,立足于凡切实可分交的取国内分交的方针,以降低其造价。对产品质量影响大的关键设备的装备,水平一定要高,尽量采用最先进的技术和装备,确保产品质量达到先进水平。在总结分析国内铜板带生产历年引进、改造成功经验和教训的基础上,我们进一步优化了生产工艺方案。在选用水平连铸、冷轧退火方式生产大卷重、高精度板带工艺时,不采用传统的在线铣面,而改用离线铣面,并引进日本铜板带生产普遍采用的焊接式硬质合金铣刀及铣面机。为确保成品的表面质量和性能的均一性,决定引进国外技术装备先进的铜带连续式气垫退火炉。此外,在整个工艺中增设了脱脂清洗和成品的拉伸弯曲矫直设备。对选用的国内设备,也要在充分技术交流的基础上有选择地进行考察。不仅要对其设计和制造能力及水平有切实的了解,还必须了解同类设备在实际使用中所存在的问题,作出切实可行的改进,以确保装备的先进、合理和可靠。1.2.2水平管理、形成制度,确保施工质量该项目是在一块空地上独立新建的一个工厂,项目虽小,但五脏俱全。除主体工程外,预期配套的水、电、风、气辅助设施和生活设施,一项也不可少,必须同步建设。由于工程地质条件差,再加上施工期正值罕见的长时期暴雨,施工难度大、任务重、工期紧、作业面小,土建施工又要与设备进厂和安装交叉,条件极为困难,这就要求必须做到精心组织。我们认真选择施工队伍,决定由十五冶总承包,承担全部项目的土建工程和设备安装。该公司承接过不少大型冶金项目的建设,积累了丰富的经验,领导力量强,技术力量雄厚,作风好,敢打硬仗。这就为工程施工质量好速度快创造了有利条件。施工部门认真制订合理的施工方案,积极推行优质工程的全面质量管理,精心组织、精心施工。仅用了7个月就将主体厂房全部建成。在设备安装和调试中,严格执行有关的技术规范,保证了安装工程的高标准和高质量。各设备制造厂家均派出强有力的技术队伍,精心指导、密切配合。特别在粗中轧机和精轧机的安装调试中,中色科技股份公司全力以赴,派出最强阵容的技术队伍,日以继夜奋战在第一线,确保安装、空载试车及负荷试车一次成功,各项技术指标全部符合合同设备要求。两台主轧机从开始安装至负荷试车成功仅用了5个多月的时间,这在同类项目中也是极为少见的。设计和施工以及监理单位的密切配合,为甲方强化管理、协调和统一指挥奠定了基础。加强质量监督检查,认真落实质量经济责任制,有效地保证了施工和安装质量,达到了项目设计技术要求和国家有关施工验收技术规范。土建工程技术竣工一次验收合格率达到100%,安装工程一次验收合格率达到100%,各种管道一次试压合格,所有设备一次试车成功,创造了速度快、质量好的一个先例。1.2.3主要投资情况项目可行性研究报告确定的项目总投资为20129万元,其中固定资产投资16129万元(含外汇428.4万美元),流动资金4000万元。工程竣工财务决算在各有关单位的协助和配合下,经安徽省华普会计事务所审核,实际总投资为15409.91万元,为项目总概算投资的96.54%,节省投资719.09万元。实际投资与概算投资比较,结果如下:建筑安装工程费:实际投资3025.00万元,概算投资3759.83万元,节支734.83万元,建安费占总投资19.63%。设备费:实际投资11544.77万元,概算投资10876.38万元,超支668.39万元。其中,引进设备费448.16万美元,概算428.4万美元,超支19.760万美元,主要为原概算仅考虑气垫式连续退火炉为引进,实际除气垫炉外,两台主轧机前后的四台测厚仪及铣面机主体也采用引进。设备费投资占总投资的74.91%。其它建设费:实际投资840.14万元,概算投资1046.65万元,节支260.51万元,其它建设费占总投资的5.46%。项目实施过程中,我们严格控制投资及投向。在设备采购中,无论是引进还是国产设备,订购前均进行充分的调研和反复论证。在合同谈判时,认真进行招投标,切实做到“货比三家”,在保证装机水平的基础上,尽可能降低成交价,以节省投资。对施工单位编制的预、决算严格审查把关,按照国家和地方规定的取费标准、施工图纸和现场签证,对施工现场严格管理,切实对照现场情况,认真审核,是建安费用大量节约的原因所在。项目设计能力为年产高精度铜合金带材1万吨,项目试生产后的第十个月即达到设计要求的月产标准。当年完成产量5448吨,实现利润284.6万元。今年1~6月完成产量4265吨,扣除项目每月折旧费120万元,完成利润1300万元,上缴税金721万元,收到了良好的经济效益。事物总是一分为二的。由于主、客观条件和工程建设所处社会环境,难免存在一些不足。比如:全线设备生产能力不够平衡,突出表现为后道工序脱脂清洗和分切能力偏紧;国产设备液压系统的渗漏油,轧机除油系统除油效果不好,致使轧制油消耗较大;国产脱脂清洗设备铜带表面残留刷印等。尽管有这些不足,但项目采用的生产工艺先进、装备精良,投资省、建设速度快和效果好,不失为一个较为成功的好项目。2锡磷青铜带坯生产工艺流程在铜中添加锡,以磷作脱氧剂而组成的三元合金——锡磷青铜,其组织中有铜的磷化物(Cu3P)引起热脆,因此,最适宜的加工方法为冷轧。众所周知,锡磷青铜是极易产生严重晶内(枝晶)偏析的典型合金,磷的加入提高了其流动性,加大了铸坯的反偏析。用水平连铸方式得到的锡磷青铜带坯是一种既脆又粗大的树枝状晶体结构的组织。由于锡在铜中的扩散十分缓慢,这种树枝状的晶体结构只有通过均匀化退火、冷轧以及反复退火才能完全清除,形成均匀的经过再结晶的纤维组织结构,成为一种高强度的韧性金属材料。现代锡磷青铜板带材的生产工艺,通常采用水平连续铸造获取大卷重带坯,经均匀化退火后铣面,再用大加工率冷轧开坯,用冷轧和退火的方式来生产。此外,为消除内应力和提高板型平直度必须进行低温处理和拉伸弯曲矫直。其主要工艺流程为配料—熔炼—水平连续铸造—均匀化退火—铣面—冷粗轧—中间退火—留底轧制—留底退火—成品轧制—脱脂、清洗、钝化处理—拉伸弯曲矫直—低温处理—检验—分切—包装入库。2.1杂质含量检查生产锡磷青铜的原料为电解铜、铜废料、锡锭和磷铜中间合金。所用电铜须符合国家标准外,还应抽查其中的As、Sb、Bi、Pb和S等杂质含量。对铜废料,特别是市场上回收的废料,不应混有有害的Be、Pb、Al和Si等元素及易切削铜合金废料和黄铜废料,不含有油污物。磷铜中间合金通常含13%~15%P,制取磷铜中间合金的铜应是电铜或纯铜废料,也要注意其它杂质含量。2.2普遍的试验对比通常采用熔沟式低频感应电炉来进行锡磷青铜的熔炼和作保温炉。熔炼时为防止杂质的混入及合金成分的损耗,应快速熔化并避免不必要的高温。此外,应注意对熔体进行保护,加强覆盖。通常使用的覆盖剂木碳或米糠要干燥。自上世纪80年代中期引进铜合金带坯水平连铸机以来,经仿制、改进和创新,国产铜合金带坯水平连铸机已取得了巨大进步。炉型、感应器结构、结晶器配置和构造、炉衬材料和使用寿命以及引拉方式和控制系统等方面均达到了先进水平。我们选用的熔炼保温炉组采用上、下炉体分离施工对接技术,浇注料整体浇注技术,矩形大断面方熔沟、方线圈、方水套、两个线圈共用一个铁心技术,铜水温度连续测量并自动控制技术。其中,方熔沟、方线圈、方水套、共用铁心单相串联等技术在国产感应熔铜炉上首次使用。在供电方式上,采用单相连接、电容电抗相平衡器方式,使电网平衡度达95%以上,且操作简单。实践证明,这些技术的应用不仅成功实现了熔炼炉电压500V、功率500kW,保温炉生产功率200kW(黄铜)、175kW(青铜)的指标,而且由于接线方式的改变,使铜液温度均匀,对改善双带坯连铸铜液温度的均匀性起至关重要的作用。同时,简化了线圈制作难度,减少了由振动引起的磨损和击穿,提高了设备运行的稳定性。熔炼炉总容量为4吨,有效容量2吨,熔化速率1.6吨/小时。保温炉有效容量4吨,有效铸造容量1.5吨,温度控制精度±7℃。铸坯规格为16mm×450mm,最大卷重6吨。使用石墨结晶器代替金属结晶器后,合金的凝固速度减慢,锡磷青铜反向偏析程度大为改善。通常在连铸QSn6.5-0.1合金带坯时,铸坯表层的含Sn量往往高达11%以上,而中心层却在6%以下。水平连铸的特点是铸坯上下两面的冷却条件不同,致使铸坯上表面偏析比下表面严重。偏析与疏松是共生的,偏析愈大,铸坯的疏松度也愈大,铸坯的质量愈加恶化。因此,为提高铸坯质量,国内外的铸造工作者在各自的实践中,根据反偏析形成机理的种种假说,做了许多试验和改进。我们在总结我国水平连铸锡磷青铜带坯二十多年实践的基础上,就传统的结晶器进行了大胆的改进,使铸坯大面和小面(边部)的冷却强度趋于均匀一致,从而减少了大小面结合处的晶界薄弱面,同时使铸坯表面的偏析程度大为降低,小面(边部)也表现为比较光滑,通常所见的边部偏析瘤不见了。这样,不仅铸坯开坯的边裂减少,更为重要的是由铸坯偏析疏松而引起的晶界断裂和带坯表面起皮大大减少,带坯表面质量得到了显著改善。这项改进,可以认为是我国水平连铸带坯工艺技术的一个创新,拥有的一项专有技术。2.3罩式炉的应用钟罩式光亮退火炉承担锡磷青铜板带生产的均匀化退火、中间退火和成品低温处理。国产罩式炉及其气氛制备系统在炉温的均匀性、温控的精度以及保护性气氛的要求上均已达到很高水平,完全可以满足使用要求。国产罩式炉生产厂家很多,装备不一,条件许可,选装备水平高的。能否对锡磷青铜进行低温处理而不跑温也是衡量罩式炉优劣的一个标志。我们选用的规格为ϕ1800mm×3300mm,最大装炉量36吨,退火温度250℃~750℃,最小小时产量≥2.6吨(满载36吨)。配置内罩液压锁紧,上位机可对炉台控制单元送来的数据进行处理,实现对其检测点数据的显示、存储和查询,并进行运算求得最佳设置发送给炉台控制单元。炉内气氛成分:H2:1%~5%,15%~30%,75%;其余为N2,两种气源比例可调。2.4铣边、同时铣边即使经均匀化处理的锡磷青铜,其表面仍有称之为反偏析物的富锡和富磷层。不将它们除去,会引起轧制时带材表面的开裂。通常的铣面有在线(与水平连铸机列合为一体)与离线两种,铸坯上、下两面各铣去0.5mm~1.0mm。水平连铸带坯上表面的铣削量应大于下表面,有条件的工厂最好同时进行铣边。我们选用的离线双面铣为国内外合作制造,铣上表面和下表面的两台铣面机由日本生田产机引进,其余由国内配套。生田公司的铣面机别具一格,铣刀采用硬质合金焊接式,铣刀轴承座在机架内上下左右均有液压锁紧,铣刀位置相对固定,铣削量由其背辊进行调整。每台铣面机前后均设有两对压辊对带坯进行张紧,故在高速铣削中没有震动。带坯经铣面后表面光滑如镜,不留任何刀痕。尤为先进的是铣刀使用寿命长,每次磨刀后的铣削量在15000m以上。铣削精度高,对厚15mm、宽450mm、长近100m的带卷,铣面后横向几乎没有偏差,纵向偏差≯0.1mm,而且一批带卷的铣削效果相同。这在国内,无论是铸坯双面铣还是带坯双面铣都是不能比拟的。高精度的铣面坯为粗中轧开坯获取高精度带坯创造了条件。由于投资所限,这台双面铣未能配置边铣及铣面后带坯的刷洗装置。2.5带材—粗、中轧组织优良的锡磷青铜铸坯,可以承受较大的冷轧道次加工率,总加工率可大于80%。通常采用能力较大的四辊可逆轧机对其进行冷轧开坯和中轧。我们选用一台设有一个厚带开卷,一个薄带开卷,两个ϕ1600mm厚带卷取,两个ϕ500mm薄带卷取的六功位国产液压轧机,其规格为ϕ350mm/800mm×600mm;最大进料厚度16mm,成品厚度0.5mm~5mm,设计厚度精度0.5mm±0.005mm;轧制速度0~150m/300m/min;最大轧制力8000kN,最大轧制力矩150kNm;卷取张力:大卷筒10kN~100kN;小卷筒低速档10kN~100kN,高速档5kN~50kN。工艺润滑和冷却采用乳化液,并可分段进行冷却和控制。位置闭环,利用前后两台VollmerVBS2094型测厚仪实施前馈和后馈控制。可采用正负弯辊、轧辊倾斜和分段冷却实现对板型的控制。实际生产中对厚度为1.5mm的带材,全长偏差41.78%±2μ,58.68%±3μ,82.575%±5μ,96.3%±8μ以内。对厚度为0.8mm的带材,全长偏差64.25%±2μ,78.5%±3μ,90.6%±5μ,98.3%±8μ以内。2.6粗、中轧精轧选用一台规格为ϕ150mm/550mm×600mm的四辊可逆式精轧机。进料厚度0.2mm~2.0mm,成品带厚0.1mm~1.0mm,设计成品精度:0.1mm±0.002mm。设一个开卷机和两台ϕ500mm卷取机。最大轧制速度8m/s,轧制力4000kN,最大轧制力矩10kNm。采用全油润滑和冷却,并分段进行控制。设有CO2自动灭火装置。装机和自动化控制水平与粗、中轧机基本相当。采用前后两台VollmerVBS1076型测厚仪实施前后馈控制。成品厚度为0.8mm的带材,全长偏差64.05%±1μ,88.755%±2μ,94.31%±3μ,97.65%±5μ以内;对厚度为0.13mm的带材,全长偏差93.96%±1μ,98.72%±2μ,99.239%±3μ,100%±5μ以内;对厚度为0.1mm的带材,全长偏差94.967%±1μ,96%±2μ,98%±3μ,99%±5μ以内。2.7清洗带材的制备锡磷青铜带表面有各种有机和无机污物,用全油润滑轧制的铜带表面残留有轧制油,为清洁铜带表面必须进行脱脂除油和清洗,选用一台脱脂清洗机将脱脂除油、酸洗、表面刷洗抛光和钝化处理合为一体。机列最高速度50m/min,清洗带材厚度0.1mm~2.0mm,宽度300mm~500mm。脱脂采用P3-T7221试剂,浓度为0.5%~2%,温度为60℃~80℃。表面钝化防锈处理采用国产仿日本千代田铜合金钝化剂的CC-2002铜合金钝化液,浓度为将原液稀释1000倍,温度为50℃~80℃,这种处理收到了比传统的BTA防锈处理更佳的效果。2.8带皮内装加热回收技术锡磷青铜是加工强化型铜合金材料,加工率的控制精确度和精轧前带坯退火温度的均一性对其最终成品性能的均匀一致性影响很大。铜带气垫式连续退火炉为单张带材连续退火,它依据铜带厚度的不同,调节不同的机列速度,实现高温快速退火。由于炉温、料温精确控制,铜带上下表面在炉内被均匀喷射的高温气体托起,在气垫托浮下达到不接触退火。因此,退火带材内部组织均匀,性能均一。同时,由于它是单张连续退火,避免了现代轧机高速大张力轧制在成卷退火中产生的层间粘接和由此产生的锡磷青铜带材表面麻面和起皮。在退火前还设置脱脂清洗,退火后进行酸洗、刷洗抛光和表面钝化。处理后的铜带表面光洁,是当前生产高质量铜带的必要装备。鉴于国产气垫炉尚未成熟,故引进一台气垫式连续退火炉。这台气垫炉采用独特的双层布局,下层设有两台开卷机和两台卷取机、缝带机、酸洗槽和喷淋式清刷抛光机、热水洗和钝化处理以及干燥箱。上层布置有脱脂除油和清洗机、气垫式加热炉和冷却室以及全部机列的电控柜。结构紧凑、占地小、操作方便。缝带采用特殊焊接的缝合机,可实现任何铜合金以及铜带与不锈钢带的缝合。炉子为间接电加热,设有三个加热区和三个冷却区,各区温度独立自动控制。炉内循环气氛温度300℃~800℃,炉内通2%~4.5%H2、余N2的保护性气氛。设有微氧分析仪对加热和冷却的六个区定期自动检测,使炉内氧的分压始终保持在1×106Pa~2.3×106Pa,确保出炉铜带表面光亮。此外,对碱雾和酸雾均设有收集净化装置,对铜带在刷洗和抛光中产生的铜粉装有带式过滤器。在自动控制上采用两台西门子S7-400型自动控制器,实行全部传动和辅助功能的PLC控制,并由上位机实现设备的操作、监控和系统控制,同时具有良好的可视性。2.9拉矫机及设备为使锡磷青铜带在分条以及以后的冲制零件中不变形,必须清除由轧制和退火残留的波浪和卷曲,消除内应力达到其固有的弹性。为此,必须在最后的工艺阶段进行矫直。采用拉伸弯曲矫直机进行带材的矫正,可以有效地解决以上问题。拉弯矫综合了辊式矫直机和张力矫直机的特点,是一种先进的设备,经其矫直后的产品精度高、板形好。国外工业发达国家铜加工工业早在上世纪80年代已普遍使用,我国近几年才引进。这次我们大胆选用了一台国产铜带拉伸弯曲矫直机,其主要技术参数为:拉矫材料抗拉强度200N/mm2~800N/mm2,屈服强度70N/mm2~700N/mm2,带宽2