銅桿熱連軋過程軋輥粘銅機理研究

鐘方友，余 琪，陳飛龍

（江西銅業加工事業部，江西 貴溪 335400）

銅線棒通常是通過拉制銅桿來進行加工的。目前銅桿連鑄連軋加工方法主要有三種：SCR法、conrod法、Properzi法。Properzi法在具體操作的過程中，首先要將胚料先偏轉一定的角度，然后再進入到粗軋機，當胚料完成準備工作后然后再將其彎曲一定角度，這樣的操作需要不斷的將配料進行彎曲，容易在鑄坯時對其表面產生一定的裂紋。conrod法在具體的生產過程中擁有較為先進的工藝方法，能夠有效的降低銅桿在拉制時所需要的溫度，這樣便能從能耗的角度降低生產銅桿所需要的成本。但是利用conrod法進行生產時,生產線所需要的設備及其復雜，這就導致設備一旦出現損壞需要較大的維護成本，而且設備在購置時也需要較大的投資量。可控硅生產線設備簡單，維修方便，受到世界各地銅桿生產廠家的青睞。在銅棒生產的過程中，熱連扎工藝往往需要將銅桿進行較大的變形，這就導致銅桿在加工的過程中不斷出現新的表面，導致銅桿表面的應力變高。一旦操作不當，很容易導致將銅桿粘在軋輥表面,這種現象在具體的生產過程中又被稱為粘卷。這一現象的發生還會導致生產過程摩擦力增加，容易造成能源損耗，還會對產品的表面質量有所影響，出現磨損后容易使產品表面不合格。粘輥現象普遍出現在金屬的熱軋和冷軋過程中，對金屬的加工制造造成了很大的不變，尤其是在銅桿熱軋工藝中，對生產的經濟效益造成一定的影響。這些金屬在壓力加工過程中出現的粘刀（輥）問題亟待研究和解決[1]。

1 銅桿熱軋粘輥機理分析

足夠大的軋制力，銅桿矩陣將是從脆性氧化物涂層裂縫中擠壓，而擠壓力與輥間的接觸將超過電影反應的承載強度，和一個真正的接觸輥和銅桿將建立。在將軋輥和擠壓金屬的銅基體對接時，作用于不大的實際接觸面積上的作用力，會使得在閉合點處的微突出物產生屈服和塑性變形。而輥筒和銅桿與擠壓金屬間的實際接觸是輥筒與銅桿的接觸。如圖所示，頂部接觸的面積是十分粗糙的。在具體熱扎的過程中，粗糙的表面會使滑動過程產生大量的熱量，這使得金屬結合的部位熱度太高，所以在閉合點周圍進行了熔化和焊接。

圖1 真實接觸面積與名義接觸面積關系

圖2 軋輥與銅桿間微凸體接觸

在軋制過程中，由于脆性斷裂的氧化膜表面的銅桿的變形區，軋輥表面擠壓銅桿矩陣和軋輥的表面相互接觸，和兩個執行相對剪切運動的壓力下。對兩個微突起進行焊接和剪切。

金屬材料存在著使其表面性能趨于最低的本能。微觀上界面結合的擴大與增加，具體表現在生產過程中軋輥表面和被軋件表面的實際宏觀連接。因此我們所謂的剪切強度，從微觀角度。進行看待時便可以利用原子間的結合未能來進行替代，為了更好的確定剪切時所發生的相對位移，就必須要估算軋輥和銅桿之間的微觀界面能力。

2 熱軋粘輥影響因素研究

（1）輥縫影響。輥縫在具體的生產過程中有著極為重要的作用，在一些特定孔型的軋制流程中，如果輥縫較小則會導致銅桿在生產制造過程中的變形程度變得更加嚴重，使銅桿在拉升后的表面曝光率變高，而這也導致其在生產過程中擠壓時所受的臨界壓力降低。除此之外，當輥縫變小后，銅桿所受的平均壓力也會變大，反應膜的力將會導致生產過程中的粘著指數提高。

（2）入口溫度。銅桿的入口溫度也會對銅桿在生產過程中的一些因素造成很大的影響，尤其是粘棍的變形抗力、應力狀態系數和反應膜，如果進口溫度升高時，會導致平均壓力減小，臨界壓力也會隨之減小，這與前文提到的廣泛影響是相似的。溫度的升高有利于反應膜的生成，提高反應膜的承載能力。入口溫度會與輥縫共同影響銅桿的粘連指數。

（3）軋輥轉速。軋輥的轉速會導致整個制造過程中，轉速速率的變化，再加上前文所提到的兩個因素更容易塑料不穩定和不穩定碎屑進入微裂縫表面的滾粘輥。軋制速度直接影響銅桿的屈服強度和抗變形能力。輥速越快，銅桿在生產過程中的變形速率也會隨之變得越快，這就導致銅桿容易發生變形。其中涉及到銅桿的變形抗力和屈服強度，這又與平均單位壓力和臨界擠壓應力有著密切的關聯，所以會導致變形更容易產生。除此之外，反應膜也會在這一過程中增加磨損，使其承載能力變得更低。

（4）極壓劑濃度。乳化液中極壓劑形成的反應膜的主要作用是將軋輥與銅桿分開，避免兩者直接接觸，避免銅桿粘在軋輥上的現象。乳化液中的添加劑能夠有效增加反應膜的承載能力，這便能夠避免粘輥現象的發生。但是這些添加劑會導致產品在生產的過程中受到表面污染，或是對金屬造成一定的腐蝕和磨損。因此要考慮到極壓機濃度過高導致的不利影響，需要在濃度中達到一定的平衡。

（5）各影響因素對粘輥敏感程度。輥縫、輥速、進口溫度和極壓劑濃度等工藝參數是影響軋輥粘銅的重要因素，為此需要對其進行進一步的影響程度研究。本文將采用控制變量法對其進行進一步的探討，通過對比實驗來保證實驗成果分析結果的科學客觀性。

表1 熱軋粘輥影響因素

在實驗完成后，通過對最終模型的計算來分析各種工藝參數變化對單托輥的影響，然后將反應因素變化在百分之一時調整各工藝參數的變量，得到最終的指數變化。

表2 各影響因素對粘著指數影響

溫度變化對于粘著指數模型最敏感，接著是輥縫，再接著是極壓劑濃度，最后是輥速。在降低溫度提高輥縫時，雖然能夠改善這一現象，但是溫度過低也會影響。銅桿在制造過程中最終結構的形成，實現品質的下降，在具體的生產制造過程中并不可取，汞分過高也會導致加工面臨更大的困難，與溫度一樣，在具體的生產過程中并不可取，降低廣速時會嚴重影響生產制造的效率，對于經濟效益的進一步發展有很大的影響。因此在最終的生產工藝改良過程中，需要將各個指數進行微調，通過最佳變量來改善生產過程中的粘接現象問題。

3 熱軋粘輥模型建立

剪切點的位置主要取決于兩種材料的抗剪強度與界面抗剪強度的關系。為了更準確地表征軋制工藝條件對熱軋粘接機理的影響，建立了以下模型。

軋制力是由平均單位壓力與變形區面積的乘積表達。對于孔型軋制計算平均單位壓力P的經驗公式是通過應力狀態系數和變形抗力進行表征，以下分別進行二者建模。

軋制時平均單位P為：

根據實際問題對粘輥的影響因素進行合理簡化，軋制過程中軋制變形區面積S和變形區內裂紋中擠出的面積S'分別為：

為表征現狀態與粘輥臨界狀態的差距，定義了判斷是否發生軋輥粘銅的粘著指數P'的表達式為：

當P'＞1時，很快發生軋輥粘銅現象，當P'＜1時，不會發生軋輥粘銅現象，當P'=1時，為軋輥粘銅臨界狀態。

對真實接觸點在滑動過程中接觸面的滑動進行分析，根據裸露區域內真實接觸面積計算，得到真實接觸面積占裸露區面積比。

可以看出，滑動摩擦系數反映了實際接觸面積增益。兩種相對滑動的金屬在壓力作用下會繼續形成焊接接頭，焊接接頭會由于相對滑動關系而不斷被剪切。焊接接頭的形成與剪切摩擦和實際接觸面積有關。記錄了銅桿連鑄連續軋生產線的一次工作循環，在測量機架的輥粘輥尺寸之后，將軋輥孔型的測量值與過程參數值，帶入粘面積比與滾粘輥體積比以及模型模型的計算值與的比率的粘輥的輥二站在網站。工廠軋輥測量值大約占總量的百分之二十三點零。此時，粘結面積與模型的平均估計值是百分之二十六點零，差值大約是百分之十三點一，證明了建模的準確性。

4 改善措施

（1）噴淋裝置優化。噴霧裝置將乳化液噴灑在軋輥出口側的軋輥表面上。軋輥入口側的軋輥表面未采取噴淋措施。對于支架，輥的形式是垂直輥。噴淋裝置噴在軋輥表面的乳化液由于重力作用會沿軋輥表面丟失，因此乳化液中的有效成分進入變形區更加困難。在軋輥旋轉的過程中，由于向心力的原因而導致部分乳液離開軋輥，這就導致大量銅粉懸浮在乳液中，堵塞潤滑系統。為了改善這一措施，需要將噴淋系統進行安裝部位的改善。原噴淋裝置安裝在出料側，其功能更側重于軋輥的溫度降。增加變形區內乳化液的摻量可以降低粘結指數。現在對噴霧裝置進行了優化，確保了之前的效果，重點是軋制變形區的潤滑。

（2）噴淋裝置改造。乳化液噴霧裝置在軋件的進口側和出口側增加兩個乳化液噴霧噴嘴。四個乳化液噴嘴在進口側和出口側的頂出位置分別為對稱軸兩側的滾動面寬度0.67。改造后乳化液總體噴霧量是改造前的兩倍，現有乳化液噴霧效果增大，粘輥位置的潤滑和溫降增大。

（3）噴淋動態調節。目前的軋制工藝解決了粘輥銅的問題，但在生產過程中，由于某些特殊工況需要調整工藝參數。如果工藝參數調整時，并未達到最佳效果，就會導致粘輥現象的出現，為了改善這一情況就必須要及時的根據具體的情況，動態的調整乳化液的噴量，一旦發生粘銅現象便會導致銅桿在生產過程的質量問題受到影響。并無法在后續工藝中進行解決，這就需要其實施自動化的監測系統，將自動化控制的軟件嵌入到乳液自動控制中。利用實時監測系統計算。相關數據引入模型并發出警告，提示操作人員是否需要增加乳化液的噴霧量。

5 結語

根據對連鑄連軋生產機架軋輥粘銅機理分析，形成了相關的理論模式，并采用相關的有限元模擬技術進行了檢驗。基于理論模擬得到的實驗結果，給出和證明了有效處理現場粘銅問題的辦法。當軋制氣壓足夠大時，將銅桿基體完全地從脆性材料的氧化涂層裂紋中抽出，與軋輥表面產生了真實接觸。因為Cu-Cu界面鍵在微觀上的內鍵能相當于Fe-Cu界面鍵能和Fe-Fe的內鍵能，因此剪切節點的位移出現在銅材料內部，從而形成了較強的粘結作用。總噴灑數量約為改裝前的二倍。銅桿表面壓痕已全部消失，且輥筒無沾銅，故潤滑效果良好。