1、 增刊浸涂成型系统的原理、组成及其控制夏银球（合肥神马科技集团有限公司）摘 要：本文简要介绍了大型浸涂成型系统的原理、组成和各部件的设计，以及设计相关的计算，还介绍了浸涂成型系统的控制。关键词：浸涂成型系统；原理；组成；设计 引言浸涂成型法的基本原理是将常温芯杆高速竖直地通过装有熔融铜液的石墨坩埚。熔融铜液遇冷附着在芯杆上，从而使芯杆增粗，温度升高。熔融金属增积在芯杆上所获得高质量实心铸杆，是原来进杆重量的近三倍。增积后的高质量实心铜杆经轧前冷却、入张后进入轧机，轧成需要规格的热铜杆，再经乳化液冷却后，经出张到绕杆成圈收线。浸涂成型系统包括炉系统和轧机两部分，炉系统用于熔融金属的制备和供应，轧
2、机用于铸造以及浸涂成型产品的加工。简介浸涂成型系统的工艺过程包括熔铜、铸造、冷却、轧制四部分。本部分将介绍这几个工艺过程，并概述了浸涂成型后成品质量以及大型浸涂系统的参数。.熔铜使用感应炉进行熔铜。感应熔炉系统由熔化炉、流槽和保温炉三部分组成。当铜材进入熔化炉后，其温度升高，由固体状态转变为液体状态，用一层保护性木炭层及保护气体将熔化炉内氧除去。液态铜通过流槽从熔化炉流入保温炉。保温炉由二个区域组成，装有感应器，以提供热量弥补热的损失，并使铜液温度保持在适当值，供浸涂坩埚铸造时用。因铜液液位必须升高才能进入坩埚，故保温炉分成二个区域，二个区域中较大的区域内铜液用保护气体加压，使在较小区域内的铜
3、液液位升高，并靠其重力流入铸造坩埚。.铸造进入坩埚的芯杆直径为.，表面无任何影响热传导的污染杂质，是由先前用浸涂法生产的 铜杆经过单头拉线机和一系列拉模，然后剥皮而成。进料杆的拉丝及剥皮，系按照通常的操作工艺，进料杆直径被减少.。剥皮后进入真空室的材料直径为.，以剥皮模作为入口真空密封。在真空室内装有主传动牵引轮及传动辊，杆从离开剥皮头直至进入盛有铜液的坩埚均在真空中进行。芯杆是靠正好装在坩埚下面的真空室顶部的三对传动辊被送入坩埚底部。当铜液一接触芯杆，便立即开始在芯杆上凝结，接触时间取决于芯杆速度及熔融铜液深度，必须认真控制。若时间过长，则增积杆将开始熔化，甚至整个杆都会熔化。但接触时间必须
4、充分，以便获得经济的增积率。芯杆的热容量决定增积量，就铜而言，增积率为：。实际上通常所获得的增积率为.：。损失大的原因是由于受芯杆所能达到而不熔化的温度的限制。.冷却从坩埚出来的整个增积杆直径为.，其温度十分接近于熔点。在此阶段杆比较脆弱，必须用水冷却。冷却是通过装在冷却室中一系统环形喷嘴的作用来完成的。在冷却管内进一步控制温度（其与冷却室与轧机相互联接）以获得正确的热轧条件。当其通过冷却室时，将稍加压的保护气体充入冷却室进一步防止热杆氧化。.轧制直列式热轧可 开动二、四、六或八 机架，把.铸 杆 的 直 径 轧 到、.、或。当 浸 涂 成 型 时，从.轧成、.、或 为自动控制完成。每一机架的
5、闭合速度和轧制速度由 程序控制。本系统将 杆（循环杆）的投入量限制到最小量。例如，热轧电气技术与经济 技术与交流增刊 循环杆 小时，然后生产成品杆 小时。轧辊及轧杆采用乳浊液再循环系统冷却。当热杆通过轧机时，连续不断地使用还原性气体，防止其氧化，其主要目的使成品杆具有非常好的表面质量。热轧杆进入轧后冷却管，并在其中冷却，然后进入绕杆机，由此落入线圈架。线圈架容量为 吨到 吨，根据绕杆机尺寸和结构而定。.成品质量因浸涂成型法的特点，其在生产的成品在质量上有其一定的优势。因该加工方法是连续的，所以可消除一般轧机存在的硬头及其氧化缺陷。铜杆无表面氧化层，且非常光亮。另一方面，没有氧化物对拉线设备有利
6、。由于直线通过串列式轧机，轧制最小的缘故，所以只有极少量或无氧化物会污染拉线润滑液，也可能是完全没有夹杂物及裂缝，。夹杂物是引起拉线断线的最主要的原因，特别是拉制细线。.大型浸涂系统参数大型浸涂系统当 时 年时，产量为 吨年。大型浸涂系统的参数如表 所示。表 大型浸涂系统参数熔化速率（）主传动速度（）浸涂坩埚内铜液深度（）铸杆直径（）循环杆直径（）进坩埚前直径（）（设计最大）.组成浸涂系统由熔化区域、浸涂成型区域、轧制及绕杆机区域、电气部分和检测设备组成。.熔化区域熔化区域包括如下部分：电解铜过磅；电解铜装料装置及卸堆系统；煤气或电加热预热炉系统；带有自动控制的电感应熔化炉；流槽系统；带有自动
7、控制的电感应保温炉；起始炉；保护气体系统用气体发生器。.浸涂成型区域浸涂成型区域包括如下部分：循环杆输送辊道系统；焊接机和旋锻机；拉制循环杆用单头拉线机；拉线及剥皮系统；包装剥皮屑用打包机；主传动及真空系统；铸造坩埚；铸造坩埚用 电源；冷却室及上传动装置。.轧制及绕杆机区域轧制及绕杆机区域包括如下部分：轧机轧前冷却管道；轧机轧前摆杆调节器装置（入张）；轧机；冷却及循环系统；集水箱及绕杆机摆杆调节器（出张）；绕杆机；铜杆过磅。.电气部分电气部分包括如下部分：配电系统；自动加料及预热炉控制系统 熔化炉、保温炉及流槽控制系统；浸涂加压系统；单头拉、主传动、上传动、下传动、轧机及绕杆机的电机以及电气控
8、制；浸涂冷却系统；乳化液系统及其电气控制；紧急备用电源切投及柴油发电机系统；保护气体生成及压力控制系统；坩埚控制系统。.检测设备检测设备包括如下部分：涡流探伤仪；拉力试验机；氧分析仪；导电率测试设备；系统设计计算及控制.预热区域.加料系统电解铜可以吸吊在电解铜加料系统以成块的速度与熔化速度同步。电解铜加料机由一台电解铜运输机和一台真空吸料机组成。可以用 吨 小时除以单块电解铜重量得出每小时吸吊块数，以此为加料速率。电气技术与经济 技术与交流 增刊.预热炉预热炉的用途是把精炼电解铜以电解铜加料机送到熔化炉，通过缓慢地转动滚道输送。预热炉的长度和温度须保证电解铜板在通过炉子时，电解铜被加热到近似，
9、在那里去除表面的油、氧化物和硫酸盐。空气和天然气的混合气体在喷嘴里燃烧，一是提供热源，二是通过控制喷嘴的空气与天然气的比值使燃烧产生还原性的保护气体。预热炉的热效率可以假设为，在炉内电解铜之间保持最小的间隙能使加热时间的损失降到最低。预热炉必须位于熔化炉之上，从预热炉的出口，电解铜进入倾斜的通道口，并包含自由旋转的辊道，允许电解铜靠重力掉入熔化炉。两个炉子之间辊道的斜度一般离水平。选择这个角度是因为在进口上面进入熔化炉的电解铜速度是一个适当的速度，电解铜以此速度穿透碳层，在感应器之间位于中间的地方进入熔化金属，并且保持熔化金属液飞溅最小。.熔化区域.熔化炉炉子由熔化炉和保温炉组成，沿着其中心线
10、下两侧装有感应器。一端开口，可装入电解铜，另一侧装有扒渣门，供处理熔化炉浮渣。铜液通过装在炉子一端的流槽流出，在旋转中心线位置处，流入保温炉。整个炉子安装在机座上，并能旋转一定角度，以便调换感应器。炉子在正常运行状态下是固定的。必须强调指出，炉子化铜和倾注是连续性的。温度控制在 。在金属液面上通常保持一层木炭，用作“吸气剂”除氧。在电 解 铜 进 入 熔 炉 之 前，将 电 解 铜 预 热 到。熔化电解铜的温度从 升到 需要 千瓦小时 吨。达到此值必须加上感应器和炉体的热损耗。系统熔化速度为：千瓦小时 吨 熔化速度 千瓦（损耗）千瓦，熔化速度 吨 小时。这样一旦选好所需要的熔化速度，则经过简单
11、的计算，就可求出所需要的感应器尺寸。每年的铜杆产量除以 小时，即可得熔化速度（单位为吨 小时）。用流槽连接熔化炉与保温炉。流槽的外壳由钢制成，内衬由耐火砖组成并用碳化硅加热。在流槽的近似中心是一个陶瓷管，作为一个流通融化金属的沟。熔化炉通过控制自身倾斜角度，将熔化的铜液经过流槽流入保温炉。.保温炉保温炉用来精确控制、稳定铜液温度及浸涂坩埚内所需金属液位的升降。炉子装有两只感应器，一只安装在浇注炉膛，该二炉膛区域尺寸不一样，压力炉膛约比浇注炉膛大两倍。当压力炉膛内的铜液高度降低 时，则浇注炉膛内的金属高度升高。这是浸涂法中保温炉的最大移位。浸涂成型法所需的金属液位是铸造速度（单位为吨 时）的函数
12、，并能从大约 扩展到。很明显，从坩埚底部到保温炉浇注口的距离必须等于所需的金属深度且不大于。例如，若所需浇注速度是 吨 时，芯杆直径是.，则坩埚内铜液深度为。大型 浸 涂 系 统 保 温 炉 的 两 只 感 应 器 的 功 率 均为。因为铜浸涂方法基本上是一种无氧加工方法，对熔融金属所加的压力是用一种特殊气体来完成的。所加压力是相对低的，不大于表压。.保护气体浸涂成型方法基本上是无氧的。为提供这种低氧铜，需要一种保护气体源。所需气体成份大约是氮，.一氧化碳和.氢。这种气体可靠燃烧天然气或一种稍富的混合气丙烷气体来产生，然后通过分子筛除去水蒸汽和二氧化碳。对于大型浸涂成型系统约需要 立方米 小时
13、。.浸涂成型区域.循环杆输送带系统循环杆输送系统是用来输送 循环杆到单头拉线机下面位置的运送工具。输送链一般分为二部分，都用电机带动。第一部分长度可适合放四捆杆，第二部分长度仅可放一捆杆。第二部分电机传动应允许倒转，以便使杆放到单头拉线机下面所需要的地方。设备在线架下面放有木托板，以防止线圈架在辊子之间卡住，有些设备装有扁平板，托住线圈以代替木托板。.焊接机及旋锻机焊接机在生产过程中是一项重要的组成部分，如果焊头断裂将导致生产过程立即停止，重新开始生产。根据情况需要 小时。焊接机采用气动模头及气动镦锻，效果可靠。焊接频率每焊一次很少超过 秒钟，因此，模子不需要用水冷却。旋锻机是一种旋转冲击压模
14、机，用来缩小穿过拉丝模及剥皮模所需要的铜杆直径，以便穿过单头拉线机及拉线剥皮系统。建议备有成套压模。.单头拉线机单头拉线机或拉线鼓轮就是一个通过齿轮减速箱电气技术与经济 技术与交流增刊 与电机连接的鼓轮。循环杆借鼓轮拉拔通过一只钨钢模，将杆直径从 减缩到.。这种冷加工加强了焊接头，并提供了更硬的材料，这对剥皮是很重要的。在拉线模匣前面的铜杆校直装置是用来消除循环杆的曲旋形弯曲，使循环杆能呈直线状进入模内。杆的表面可得到均匀的加工硬度。单头拉速度按秒流量跟随主传动：滑动系数：单头拉模子截面积：单头拉线速度：主传动模子截面积：主传动线速度.拉线及剥皮系统拉线及剥皮系统包括二只拉线模及一只剥皮模架。
15、拉线模在剥皮前面，并可使杆进入剥皮模时对准中心。每只拉线模装置有一只润滑杯，剥皮头装置用螺钉夹紧在真空室进口管道及冷却室支架平台上处。.剥皮屑包装打包机在剥皮工序所形成的“剥皮屑”称为“屑”，但实际上其是连续的一串。根据剥皮厚度其数量可达（）圈。成屑速度是“剥皮厚度”的函数。其变化的范围是杆进入速度的 到。铜屑成卷（即打包）最好采用废料打包机。该设备就是由电动机带动的一槽形轴，在轴上部装有一可自由移动的重块，当卷筒直径装满时，撞击重块，而重块将成捆铜屑压紧。每捆铜屑重量一般是（），即当铸造速度在 时，每捆的重量代表（）内堆积的铜屑。.主传动及真空系统主传动及真空系统作用是将一根圆的、清洁的芯杆
16、送入浸涂成型坩埚。剥皮工序提供了清洁的圆杆，但是为了防止芯杆从剥皮模出来后受到空气或氧化物的污染，应立即进入真空室内。实际上，剥皮模就是主传动入口处的真空密封。主传动是由一台电机通过减速箱带动的一只牵引轮组成。牵引轮装在一个可以打开的密封腔内。主传动的主要作用是为循环杆通过导模和剥皮模提供所需要的拉力，以制成芯杆。当芯杆从牵引轮出来时，必须校直，以便光滑地进入坩埚衬垫或衬套，校直作用是靠三对“夹紧辊”亦称“下传动辊”完成，其压力由气动偏心轮控制。牵引轮及夹紧辊全部封闭在真空室内，与牵引轮及夹紧辊连接在一起的是出口导辊及“分线轮”。所有这些部件设计时都必须防止由于轴承密封垫漏油引起的油脂污染芯杆。开始的精心设计及可以控制的预防维护是绝对重要的，因为非常小的一点油脂就会形成气孔，损害铸杆的质量。单头拉与主传动的功率一般是相同的，用下述方法确定：）求出从剥皮模出来的杆直径；）将上述）的面积乘以 （芯杆抗拉强度）；）选择主传动的最高速度 ；）计算功率并加 作为摩擦及其他损失；）举例：）对每小时产量为 吨的系统，进入杆的尺寸为.，（.）选择 作为最大速度，.（）.就近选择功率为 的电机。主传动电