铜拉丝退火上引讲义.docx
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铜拉丝退火上引讲义
特变电工（德阳）电缆股份有限公司
铜
上
引
拉
丝
退
火
工
序
讲
义
技术中心
2007年7月18日
铜上引工序
一、铜杆生产方法及性能比较
1、铜杆生产方法
a.传统方法轧制
轧辊
定义：
将铜锭通过加热炉加热，再经过轧机的轧辊反复轧制延伸成形而最后得到一定规格形状的铜杆。
这种加工方法称为轧制。
特点：
生产效率高，废品废料少，内部质量好。
适于简单截面金属制品的批量生产。
轧件
工艺流程：
铜锭—加热—粗轧—中精轧—绕杆—堆装—成品检验
b.连铸连轧生产铜杆
工艺流程：
电解铜—加料—竖炉—上流槽—保温炉—下流槽—浇煲—铸机—夹送辊—剪切机—坯锭预处理—轧机—清洗冷却管道—涂蜡—成圈—包装。
c.
浸涂法
原理：
利用冷铜杆吸热的能力。
用一根较细的冷纯铜芯杆或称种子杆,垂直通过一直能保持一定液位高低的铜水池（坩埚），坩埚内铜水与该移动的种子杆表面铜熔合在一起，并逐步凝固成较粗的铸态铜杆。
特点：
含氧量低（2~18ppm），具有无氧
铜杆的优点，即柔软、工艺性能好、无氢脆、
耐高温、可焊性优良、无氧化颗粒、导电率高、
表面清洁、长度大、晶粒小等特点。
d.上引连铸法
是“多头连铸”生产铜杆方法中较为成功的一种。
最早是芬兰于1970年研制成功，实现了在一台设备上同时装12个头子，年生产能力12000t铜杆。
这种连铸系统不仅能生产铜杆，
还可生产各种有色金属及合金杆棒，甚至生产空芯导线以及各种型材。
工艺原理：
将结晶器下端伸入并浸没在熔化铜液面下，上端与真空泵连通，开始时将结晶器内空气抽出，在真空作用下，使管内产生负压，铜液被徐徐吸引向上，并在引升器附近很快凝固成光亮铸坯，铸杆尺寸决定于结晶器内径。
结晶后的铸杆，通过牵引轮慢慢地将铜杆从结晶器内提升出来，经过弧形拐弯轮至绕杆机收绕成圈。
工艺流程：
电解铜—熔化炉—流槽—保温炉—连铸机—成圈机。
控制部分：
熔化炉铜液由液压系统控制，保温炉内铜液液位用标尺显示，铜液温度由热电偶测温仪表显示，石墨模由跟踪装置使其保持一定的位置。
总之，根据液位的位置，液位跟踪系统控制连铸机上下运动，每一冷却器和石墨模可以单独提起和更换，并不影响其它冷却器，每一根铸杆都有独立的控制器和绕杆机，根据铸杆长度由控制器控制绕杆间歇机构运动。
技术参数：
铜液温度：
1150~1156℃
牵引频率：
200~300次/分
正常铜杆表征：
铜杆表面光亮，手感光滑，无裂纹、冷隔现象，铜杆被环剪一半折断后，断口颜色发白，结晶细小，结构致密。
常见质量问题及处理方法：
见表1。
2、四种铜杆加工工艺对比分析：
见表2。
二、影响无氧铜杆质量因素的探讨
1、原材料的影响
使用不符合质量要求的原材料绝对生产不出高质量的产品来，原材料符合GB/T467-1997阴极铜（牌号为Cu-CATH-1）的技术要求。
杂质：
铋（Bi）和铅（Pb）含量偏高，它们会形成分布在晶界的低熔点的共晶物，导致热脆；硫含量偏高，形成脆性化合物Cu2S，导致冷脆。
2、生产设备的影响
与熔化炉与保温炉的组合形式，即分体炉和连体炉以及熔沟的截面形式有关。
3、结晶器的影响
结晶器内壁管是否清洁光滑、石墨模质量以及结晶器的装配是否符合要求，将直接影响到铜杆质量。
安装结晶器时，石墨结晶器插入铜液的深度，应使保护套长度的1/3露出液面。
插入太浅，使铜杆一次冷却达不到要求，产生裂纹；插入太深，保护套易爆裂。
同时铜液渗入保护套，烧坏结晶器。
4、工艺参数的影响
炉温、冷却水流量和引杆速度是直接影响铸杆质量的三大要素。
一般要求，熔化炉温度为1180±5℃，保温炉温度为1153±3℃，在实际
操作时一般是控制保温炉的温度，由热电偶和控温仪表显示，或由经验判断。
冷却水流量直接影响铸杆的结晶组织和表面裂纹，要根据生产过程中铸杆规
格和引杆速度来调整。
一般要求铸杆规格愈大，水的流量也应愈大。
引杆速度是影响铸杆质量的另一个重要因素。
它必须与铜液温度、冷却强度
相匹配。
如在其它条件一定的情况下，引杆速度越快，结晶越粗大，组织越疏松，
加工性能越不好；引杆速度慢时，易产生裂纹，产量又低。
5、辅材料的影响
主要辅材料是木炭和石墨片。
其作用主要是用来除掉铜液中的氧，保护铜液不受氧化，使引杆在稳定的还原性气氛下进行。
同时木炭和石墨片具有隔离空气和保温作用，避免铜液从空气中吸氧和氢。
但是，木炭受潮后未经烘干而下炉，会使木炭中的氧和氢进入铜液，导致铜杆产生气孔和裂纹。
因此，木炭在下炉之前必须净化烘烤。
石墨片吸水性小，但也有潮气，使用前须低温烘烤，另外，要用磁铁除去石墨片中的铁杂质。
否则会造成铜杆拉丝后电阻率不合格。
三、操作中的注意事项
1、结晶器就位时，不能有上下窜动现象，并保证保护套的1/3露出铜液面。
2、加料必须均匀。
要少加勤加，保持液面的稳定。
3、熔化炉用烘烤过的木炭做覆盖剂，覆盖要严密，避免铜液吸氧和氢。
4、保温炉用石墨片全部覆盖严密。
5、定期清理炉渣。
6、清炉器具最好用不锈钢制作。
铁质器具，清炉前须抹上石墨粉，并烘干后才能使用。
7、严格按照上引作业指导书的要求进行操作。
线材拉丝工序
一、线材拉丝基本原理
1、线材拉丝概念
线材拉丝是指线坯通过模孔，在一定拉力作用下发生塑性变形，使其截面减小而长度增加的压力加工方法。
这种方法称为拉丝。
2、拉丝特点：
1可以得到形状尺寸精确，表面光洁以及断面形状复杂的制品。
2能提高制品的机械强度。
3能拉丝大长度和各种直径的线材。
4拉丝工艺、模具、设备简单，生产效率高。
5拉丝耗能较大，变形体受一定限制，故往往需多次拉丝才能达到目的。
3、实现拉丝过程的条件
为实现拉丝过程，拉丝应力大于变形区金属的变形抗力，同时小于模孔出口端金属的屈服极限，即：
σk＜σl＜σs
式中：
σk——变形区金属的变形抗力
σl——拉丝应力
σs——被拉金属出口端的屈服强度
由于金属拉丝后的屈服极限σs很难精确得到，实际上与金属的抗拉强度极限接近，故实现拉丝过程的条件可写为：
σk＜σl＜σb
4、拉丝原理
拉丝过程中遵循“体积不变”定律。
Vo=V1∵Vo=SoLoV1=S1L1∴SoLo=S1L1
则So/S1=L1/Lo=（do/d1）2=μ
式中：
Vo——拉丝前线材体积
V1——拉丝后线材体积
So——拉丝前线材断面积
S1——拉丝后线材断面积
Lo——拉丝前线材长度
L1——拉丝后线材长度
μ——延伸系数
二、多次拉丝过程
多次拉丝按被拉金属在鼓轮上有无滑动而分为滑动式和非滑动式两种。
1、非滑动式连续拉丝过程
Vn-1=Bn-1Vn=Bn则Vn/Vn-1=Bn/Bn-1=γn（速比）
实际生产中，由于模孔尺寸本身存在上下偏差以及鼓轮的不断磨损，因此延伸系数经常变更，要求各级鼓轮速比随同延伸系数而自动调整跟踪。
2、非滑动式不连续多次拉丝
如我公司一车间的十模铝拉机和八模铝拉机,则为积线式拉丝机。
拉丝过程：
思考：
拨线杆分别在什么情况下随鼓轮正转或反转？
3、滑动式连续多次拉丝
特点：
①线材在拉丝中除最后一个鼓轮外，其余鼓轮上都存在滑动。
②除第一道外，其余各道均存在反拉力。
滑动的必要性：
以第k道（最后一道）和k－1道为例。
在有足够收线张力情况下，第k道鼓轮上通常没有滑动，如果k-1道鼓轮上也没有滑动，则当模孔dk由于磨损而增大时，通过dk道模孔的线材秒体积增加，就会产生供不应求的现象，使反拉力Qk-1急剧增加甚至造成断线。
相反，如果使第k-1道鼓轮上存在一定滑动，则当Qk-1增加至线在k-1道鼓轮上不能滑动时，Vk-1将立即增大至等于Bk-1，从而使k-1道鼓轮的供线量立即增加而避免了拉断的可能。
随后由于供线量有余，Qk-1开始降低，又恢复滑动。
这种滑动、不滑动、再滑动、不滑动的过程实际上是自动和不间断地进行着的。
从而自动调节和保持了两道之间的秒体积平衡并有效地防止了断线现象的发生。
dk-1Vk-1Pk-1Qk-1dkPkVkQk
Bk-1
Bk
拉丝力是靠线材与鼓轮间的滑动摩擦产生的，而摩擦力则是靠鼓轮的出线端
至下一道模孔间的金属线的张力即反拉力来保障的。
根据柔体对圆柱表面间摩擦定理（欧拉定理）可知，拉丝力Pn、反拉力Qn、
绕线圈数m、摩擦系数f之间存在一定关系：
Pn=Qne2πmfe——自然对数2.718。
由此可知，绕线圈数的多少对下一道的反拉力影响很大。
绕线圈数越少，下
一道的反拉力越大；绕线圈数越多，下一道的反拉力越小。
当绕线圈数较多时，
滑动对张力的反应迟钝，同时线材在鼓轮上轴向移动困难，容易压迭造成断线。
所以，拉线时要合理确定鼓轮上的绕线圈数。
一般2~3圈为宜。
三、拉线配模
1、对配模的要求
1充分利用金属的塑性，提高生产效率，合理选择拉线机的型式和具体规格。
2按拉线机的生产范围和有关技术数据进行合理配模，保证充分发挥拉线机的效能。
3合理选择配模精度，保证经济安全拉丝，不发生断线拉细现象。
2、配模步骤和方法
滑动式拉线机：
1按线材品种、机械性能和给定的进线出线尺寸，选择滑动式或非滑动式拉线机的机型和具体规格。
2拉丝道次的计算
等延伸系数法：
已知do，dk和延伸系数μ＝常数，则可先求总延伸系数，按下式计算：
μ，＝（do/dk）2然后求拉丝道次k＝lgμ，/lgμ
延伸系数递减法：
k＝lgμ，/lgμm式中μm为各道延伸系数的平均值。
非滑动式拉线机：
根据给定的do和dk以及预定的各道鼓轮间的平均速比rm，先求总延伸系数μ，，再取μm＝1.03rm，然后即可求得拉丝道次k。
3、计算配模尺寸
1滑动式拉线机的配模
按公式μn＝（dn-1/dn）2即dn-1＝μn·dn则可逐道计算出各道d值。
2非滑动积线式的配模
一般先由μ＝1.03r计算出各道μ，然后同滑动式拉线机的配模一样，逐道计算出各道d。
例：
四、拉丝模
1、分类、结构及使用范围
按材质分为硬质合金模、聚晶模、天然钻石模。
2、润滑剂
作用：
润滑、冷却、清洗、防锈。
要求：
a.油基稳定、乳化性好；
b.具有良好的润滑性、消泡性、散热性、易于清洗。
c.能承受拉丝时模具与线材间的高压力，而不破坏油膜。
d.防锈性良好，而又不腐蚀线材本身。
e.无毒、无异常气味。
f.适于多模高速拉丝要求。
g.经拉制后线材表面上残留的润滑剂，当线材再经退火时应极易除去，且不留下有害灰份。
h.材料来源容易、价格便宜。
五、介绍国外无模拉丝新技术
无模拉丝的三种类型：
图a）表示线材在V1速度下由加热装置中拉制的过程。
图b）表示加热装置随线材需加热部分移动。
图c）表示加热器的移动方向和拉丝方向相反。
加热方法有四种：
电阻加热、气体加热、等离子加热和感应加热。
冷却方法采用：
液体法、气体法二氧化碳。
所谓无模拉丝，是对线材加热、拉丝、冷却的整个过程的控制。
线材退火工序
一．退火的目的
铜铝线材经过拉制，由于线材截面缩小，长度增加，金属晶粒细化，晶格畸变、错位而产生内应力，即加工硬化现象。
拉制后提高了强度和硬度，但延伸率及导电率均降低，同时引起电阻系数增大。
制造电线电缆用的导电线芯主要是要求导电率、韧性和强度，因此，根据不同要求确定导电线芯的软、硬状态，以达到产品的技术要求，而软线芯或半硬线芯均要经过韧炼（退火、软化）。
二．退火的定义
退火就是将金属材料或零件加热到低于熔点的一定温度，并在此温度停留一段时间，然后冷却至一定温度的工艺过程。
工艺过程三大步：
加热、保温、冷却。
三．退火的分类
中间退火：
使经过冷加工硬化的金属的塑性恢复到加工前的水平或接近该水平，以便继续拉制。
完全退火：
为了使拉线的成品恢复到拉线前的机械性能和电阻率。
半硬线退火：
对成品的铜线、铝线，采用适当的退火工艺，得到的性能介于硬线和软线之间的半硬线，叫半硬线退火（半硬线生产有的是经中间退火后再进行冷加工来完成）。
四．退火的基本原理
金属经过冷加工塑性变形后，因其内部晶界破碎是晶核产生的地点，以靠破碎晶界产生晶核，晶格畸变产生滑移面碎片，在常温时变到原来形状是产生晶核的地点，所以存在内应力，因而是不稳定的，它有恢复到原来稳定状态的自发趋向。
但在室温下，原子的活动能力很弱，性能恢复过程很难进行。
将冷变形的金属进行加热，使原子的活动力增强，促使晶核长大形成晶粒，使其发生组织与性能的变化，这种变化过程有如下三个阶段：
（一）回复阶段
当加热温度不高时（低于最低再结晶温度）原子活动能力尚低，虽然有微小运动，但不能引起组织的明显变化。
由于原子已能做短距离的运动，使晶格畸变程度大为减轻，从而使内应力大大下降。
但金属组织无明显变化，所以机械性能变化不大，这个阶段称为回复阶段，也称去内应力退火（韧炼）。
（二）再结晶
冷变形金属加热至较高温度时，由于原子活动能力增强，形成一些晶格方位与变形晶粒不同，内部缺陷较少的等轴（各方向直径大致相同）小晶粒。
这些小晶粒不断向周围的变形组织中扩展长大，直到金属的冷变形组织全部消失为止，重新变形为等轴结晶，同时消减其应力，这个过程称为金属的再结晶。
冷变形金属经过再结晶，将由于冷变形而产生的晶格畸变等缺陷及内应力完全消除，因而强度、硬度下降，导电率增加，塑性和韧性大大提高，冷加工硬化状态完全得以消除。
（三）聚集再结晶
冷变形金属在刚完成再结晶过程时，一般都能获得细小而均匀的新的等轴晶粒。
随着加热度过分提高，或者保温时间过分延长，再结晶后的晶粒还要互相吞并而长大，使晶粒变粗，机械性能也相应恶化，这个过程称为聚集再结晶。
这种粗晶粒金属的机械性能也相应变坏。
所以过高的加热温度或过长的保温时间均能引起金属“过烧”或“过热”。
导致强度，特别是塑性和冲击韧性降低，引起脆断。
回复再结晶聚集再结晶
伸长率
性能、晶粒大小
晶粒大小
硬度
内应力
抗拉强度
T1T2T3T4T5T6温度（℃）
图为退火对冷塑性变形金属组织和性能的影响
五．再结晶温度及其影响因素
能够进行再结晶的最低温度称金属的再结晶温度。
在实际条件下，它通常定义为：
经过大变形量（断面减缩率ψ>70%）的冷加工金属，在1h保温时间内能完全再结晶的最低温度。
应当指出，再结晶不是相变过程，没有恒定的转变温度。
它是在一定条件下，自某一温度开始，随着金属温度的升高和保温时间的延长逐渐形成晶核和晶粒长大的连续过程。
工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间有如下关系：
t≈（0.35~0.4）T
式中：
t——绝对再结晶温度
T——绝对熔点
影响最低再结晶温度的主要因素：
冷变形程度、化学成分、加热速度、加热时间等。
电线电缆生产中对铜和铝，由于加热前的内部冷变形是不均匀的，因此，必须使整个金属体积内进行再结晶，再结晶温度应该比最低再结晶温度高，一般采用再结晶退火温度为：
T退火温度=t最低退火温度+（100~200）℃。
退火时保温时间和长短，应能使整个金属体积内的再结晶过程得以充分完成。
它与加热温度、金属材料的体积、设备条件和加热方式等因素有关，没有统一的数据，需要通过生产实践加以确定。
铜和铝退火的冷却速度，对性能基本上没有影响，因而可以采用水冷、空冷或风冷等方式。
六．铜、铝的退火环境
（一）铝线的退火环境
由于其化学性质活泼，在加热（或在室温条件下）时，表面生成牢固的氧化物薄膜，能保护基体金属不被进一步氧化。
故可以暴露在空气中退火，即“氧化退火”。
（二）铜线的退火环境
由于铜的表面氧化物较疏松，与铜的基体结合力较差而易于剥落，如不断地被氧化，会使导体截面逐渐减小，故铜线退火时，必须在无氧环境中加热退火，或在充满保护性气体的环境中加热退火，或在真空环境中加热退火，即“光亮退火”。
常用的保护气体有惰性气体（氦、氖、氩、氙）和中性气体（CO2、N2或它们的混合气体、水蒸气），我们用的是CO2气体。
七．铜铝线材的韧炼设备与工艺
铜铝线材的退火可分为间歇式和连续式两大类，退火的设备种类较多，主要有如下几种。
地坑式罐式韧炼炉连续式电热韧炼炉
间连
歇钟罩式电热韧炼炉续水封式电热韧炼炉
式式
热风循环式韧炼炉接触式连续退火装置
（一）地坑式韧炼炉的结构特点与工艺
（Ⅰ）特点
♦设备简单，制造方便，经济实用。
♦能进行大规格线材的韧炼。
♦采用二氧化碳保护气体。
♦设备占地面积大，劳动强度高。
♦产量低，生产周期长。
（Ⅱ）韧炼工艺
罐式韧炼炉是一个地坑式圆形电阻加热炉，另有一个放置韧炼铜线的铁罐，用吊车吊入炉内加热退火，退火后将铁罐吊出炉外冷却，其工艺操作如下：
工艺流程：
装料抽真空充气加热退火出炉冷却出料
♦装料：
为防止铁罐粘铜线，在铁罐内放置一个铜皮的胆，铜线放入胆后，将铁罐加盖密封，铜胆如有污垢，必须清理后再使用，防止铜线表面发黑。
♦抽真空：
将装好铜线的铁罐进行抽真空，压力表应达到760mmHg。
♦充气：
充入保护气体二氧化碳，这时，压力表指示为2kg/cm2。
♦加热退火：
充气后将铁罐投入电炉内,进行加热退火，铜线的退火温度一般在500~700℃，铝线的退火温度一般在370~400℃。
♦出炉冷却：
韧炼完毕后，将铁罐从炉内吊出后先喷水冷却1小时，再放入水池中冷却，冷却总时间：
盛夏季节（即6、7、8、9月），不少于24小时，其它季节不少于20小时。
（二）触式连续韧炼装置的结构特点和工艺
这是一种单线式通电连续退火的设备。
该退火装置一般都装在拉线机上的最后拉线轮与收线盘之间，构成拉线——退火——收线的连续生产机组。
拉制以后的线通过几个金属滚轮（其直径为线径的100倍左右），滚轮间通以直流电流，由于导线本身有电阻，导线与滚轮接触时电流通过导线进行加热退火。
优点：
♦省去成盘线退火这一工序，在拉线的同时完成了退火，因而
提高了生产率。
♦加热均匀。
♦改善了劳动条件。
♦节约了成盘、成圈线退火时被炉体、铁罐、托架、线盘等带走的热量，从而节省了燃料或电能。
现用于各种大、中拉机上。
三种基本型式：
♦二段式，即预热——退火的型式，最常用。
♦三段式，即预热——退火——再热。
♦三角形式，即一段预热，一段退火，一段再热。
其中：
预热段是把导线加热到不致氧化的最高温度；
退火段是把线加热到退火温度，使之再结晶，同时利用水蒸气保护退火段的表面。
退火后的线材经过水槽冷却。
水槽中可放置少量的润滑剂乳液，待线由水槽中出来后，用毛毡擦干或利用压缩空气吹干；
再热段是为了加速线材的干燥，以使表面光亮。
接触式连续退火的基本工艺参数有三个：
退火温度、退火电压、退火电流。
（三）退火工艺各参数之间的关系
（Ⅰ）退火温度与退火时间的关系
被退火的导体材料相同，截面形状及尺寸相同，那么，通常退火温度高，则退火时间应短些；反之，退火温度低，则韧炼时间应适当延长。
（Ⅱ）导体截面形状大小与退火温度的关系
导体截面较大时应采用较高的退火温度，如导体截面较小则退火温度较低。
（Ⅲ）铜导体的冷却时间与外界条件的关系
冷却时间决定于冷却速度。
冷却速度越大，则冷却时间越短。
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