毕业设计（论文）-大电流电阻式铜线材连续退火装置的设计与研究.doc

郑州职业技术学院 毕业设计（论文）电线电缆的退火处理系 别： 材料工程系 学生姓名： 专业班级：材料成型与控制技术2班 学 号： 指导教师： 2012 年 5 月 11 日 独创性声明 本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文版权使用授权书 本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用毕业论文的规定，即：学校有权保留并向有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权郑州职业技术学院要以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。 保密，在_年解密后适用本授权书. 本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）毕业论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日14摘 要近年来我国经济的快速增长为电线电缆行业提供了巨大的市场空间，目前国内线缆产值在1 6001 800亿元年左右。根据我国“十一五”发展规划，未来5年中，电力、通讯、铁路、轨道交通、船舶、汽车、石油化工、建筑、公路、家电等行业将依然保持较大的投资规模，与这些行业紧密相关的电线电缆行业必将迎，来新的发展高潮。为了适应我国电线电缆行业的需要，我们以高效、适用、环保为理念。成功地研制开发出了新一代铜线材连拉连退机组。机组中采用的大电流电阻式连续退火装置，与传统的成批罐式退火工艺相比，可节省电能30一50，线材退火质量得到明显提高，而且可缩短生产周期，减少运输量、中间堆放场地、周转线盘，改善劳动条件。这种连续退火装置在设计理念、生产工艺、控制系统等方面都比传统退火装置前进了一大步，代表着铜线材退火装置的发展方向。关键词：铜线材；大电流；电阻；连续退火装置；接触轮；目 录1、绪论(1)2、几种常见退火工艺及比较(2)2.1、退火炉退火. (2)2.2、热管式退火. (2)2.3、接触式电刷传输大电流退火. .(3)2.4、感应式退火. （4）3、大电流电阻式铜线材连续退火装置的设计与研究（5） 3.1 基本原理.（5）3.2 理论计算.（7）3.3 设计思路.（8） 参考文献（13）致 谢.（14）1绪论由于电线电缆产品中的铜导体如：通讯电缆、塑力缆、高压电缆、电磁线等等，几乎都要求导体为经过退火的软线芯，最基本的要求其表面光亮，不氧化，不允许烧伤，延伸事均匀。有些产品要求导体具有特殊的柔软度等等，无论采用什二&样的方式进行退火，如辉光退火、感应式退火或者目前普遍采用的电阻接触式退火，其最终目的都要求铜线必须达到电缆产品所需的导体性能。钢线材的加工装备主要有巨拉、大拉、中拉、小拉、细拉、微拉以及型材加工机械等。其中大、中、小拉线机基本上都需配置连续退火装置。目前国内各电线电缆厂所使用的拉线机除从欧洲尼霍夫公司、亨利希公司、桑普公司、日本公司进口一些以外，其余均由国内十多家电工机械厂(包括台资在国内设厂制造的一些拉线机在内)提供，从大量的资料及反馈的信息得知，带连续退火的拉线机所生产的铜线材，或多或少存在着一些问题，铜线表面氧化、电火花烧伤甚至烧断，延伸率(及软硬程度)不一致有时会出现竹节状等等缺陷，严重影响到电缆的质量。因此退火工艺显得尤其重要2几种常见退火工艺及比较我们知道，铜杆和铝杆在拉丝机上拉拔的过程中，会发生硬化、变脆，为了恢复单丝的塑性，保持良好的电气性能，因此需要将线材在一定的温度下进行热处理（退火处理）。目前常见的退火方法有：退火炉退火，热管式退火，接触式电刷传输大电流退火和感应式退火等几种方法，下面逐一分析、比较各种退火方法的优缺点。2.1退火炉退火退火炉退火设备主要由退火罐、加热丝、等组成（参见图1）。它通过把单丝放置在一个加热的容器内，达到退火的目的。该设备的主要优点：设备简单、易维护。缺点：耗电量大，退火后单丝性能不稳定，不能在线连续退火，而且退火周期较长。2.2、 热管式退火热管式退火设备主要由不锈钢管、加热丝、冷却液、收放线装置等组成（参见图2）。它通过电热丝加热一根空心管，单丝通过加热的空心管，达到退火的目的。该设备的主要优点：设备较简单，能够实现在线连续退火，而且退火周期相对较短。缺点：耗电量大，无法实现退火速度自动跟踪(退火温度不能跟随线速作及时调整)。2.3、接触式电刷传输大电流退火接触式电刷传输大电流退火设备主要由可调变压器、电刷、电极轮、冷却液、收放线装置等组成。它是利用单丝通电流时会发热这一原理来实现退火的。该设备的主要优点：比较节能，能够实现在线连续退火，而且退火周期较短，能够实现退火速度自动跟踪（能自动根据单丝速度调整退火电压或电流，使单丝退火程度保持一致）。缺点：由于靠电刷传输电流，电极轮转动使的阻力较大（费能），单丝和电极轮间有时会产生火花，影响单丝的表面质量。（参见图3）图3中，电极轮1和电极轮3的电位相等（假设都是正极），电极轮2是负极，则电极轮1和电极轮2及电极轮2和电极轮3之间的单丝都有电流通过，并产生热量。从图中可以看出，电极轮1和电极轮2间的单丝发热比电极轮2和电极轮3的要少，单丝的相对温度较低（因为电极轮1和电极轮2间的单丝较长，通过的电流相对较小），该段称为预热段，电极轮2和电极轮3之间称为退火段。因铜丝在较高的温度下易氧化，为了避免氧化的产生，通常采用水蒸汽保护（2铜中拉采用冷却液保护）。经过退火的单丝通过冷却液的冷却后，就可以上收线盘了。接触式电刷传输大电流退火设备，控制退火程度的方式一般有二种：控制退火电流及控制退火电压。退火电流与退火线径的平方成正比，并与退火的速度有关（速度越快，退火电流需要越大）；退火电压仅取决于退火的速度和单丝的电阻率，与线径无关。基于上述原因，所以以控制退火电压来控制单丝退火程度（单丝的断裂伸长率）的方式比较常用（公司的四台铜拉机，都常用该方式给铜丝退火）。在铜拉设备上，我们可以看到退火电气柜和退火箱之间，有二根粗大的铜（铝）排相连接，它们传输的是较低的电压（约70伏以下，可根据铜丝的生产线速自动调整），较大的电流（数千安培），打开退火箱后方的铁门，映入眼帘的就是那密密麻麻的导电炭刷（一个电极轮上有几十块烟盒般大小的炭刷），它们负责把铜（铝）排上的电流传输到电极轮上，这样电极轮转动受到的阻力较大。2.4、感应式退火感应式退火设备主要由感应电源、感应线圈、等组成（参见图4），它是利用电磁感应原理达到给单丝退火的目的.该设备的主要优点有：不需要电刷等传输电流到单丝上，工作时所受的阻力较小，退火效率较高（耗电不足退火炉退火或热管式退火的一半），能够实现退火速度自动跟踪，对环境几乎没有污染。缺点：设备价格较高。交联机组上的导体预热器，往往是采用了先进的感应加热原理，导体通过感应线圈后，能使导体温度升为所需的温度（一般设定为90，交联设备上不需对导体退火，只是提高导体的温度，这样能使电缆的交联度均匀，大幅提升电缆的质量，而且也提高了生产效率）。3 大电流电阻式铜线材连续退火装置的设计与研究介绍大电流电阻式铜线材连续退火的原理及理论计算，重点论述了交流退火装置和直流退火装置的特点及在设计中应注意的一些问题。3.1 基本原理铜线材经过拉制后内部晶粒碎化、晶格畸变，存在较大的残余内应力，其组织处于一种不稳定的硬化状态。为了消除残余应力，改善组织结构，提高线材的综合性能，一般必须根据材料性能要求进行 火。众所周知，在冷变形金属的加热过程中，随着温度的升高其组织将发生三个阶段的变化，即恢复、再结晶、晶粒长大。因而根据加热温度不同可将退火工艺分为去应力退火(恢复)和再结晶退火两种。经过再结晶退火后一般都可以得到细而均匀的等轴晶粒，但如果加热温度过高或加热时间过长，再结晶后的晶粒又会继续长大，成为粗晶组织。对于铜导线而言，退火温度要高于最低再结晶温度(开始再结晶温度)，但必须低于使晶粒过分长大阶段的温度。在实际设计计算中，选取铜线材的最低再结晶温度为100270，再结晶退火温度为500570。连续退火就是在拉丝机的拉制装置与收线装置之间插入退火装置，使铜线边通过边退火。目前连续高速退火都是采用接触式电阻退火，它是将拉伸后的硬铜线经过通电的接触轮，使电流直接通过线材，利用线材本身所具有的电阻加热线材，达到退火温度后再快速水冷，从而达到退火的目的。3.2 理论计算铜线通电后因自身电阻而产生的热量J：拉制后的线材出线温度达100左右，到达退火装置接触轮时的温度约为60左右，退火温度为550左右。根据工艺要求，退火装置一般设计为23个温度段。从60220为预热段，在此温度段内铜线的氧化较慢，不需要气体保护；220550 oC为退火段，此时铜线氧化较快，必须加保护气体。据此，可得出其电流、电压的近似表达式：对于实际的退火装置，其预热段和退火段的长度均为定值。在实际生产中，可以根据出线速度调节退火电压，根据出线直径调节退火电流。3.3 设计思路大电流电阻式铜线材连续退火装置分为交流退火和直流退火两种型式，基本上都是由导向轮、接触轮、蒸汽槽、循环水槽、风干系统、冷却系统等所组成。其工作原理是相同的，都是通过接触轮向铜线施加较大的电流，只是交流退火多一个预热段，有利于较大直径(35 mlTl以上)铜线和铜合金线的退火。交流退火装置的最大特点是三相平衡，即线电压平衡和三相负载平衡。图1为交流退火装置及其等效电路，A、B、C分别为交流电源的三相，三相负载分别为预热I段、预热段和退火段。直流退火装置的最大特点是控制精度高，退火控制的上升段和下降段比较平滑，供电电网电压波动对其影响较小。图5 退火装置及电路图 大电流电阻式铜导体连续退火装置的开发设计，经过严格的科学论证和反复试验，严格按照高效、适用、环保的设计理念，采用了目前比较成熟的先进技术，充分考虑了工艺的可靠性、合理性和运行的安全性。但在实际设计和生产中应当注意以下几个方面的问题：退火铜线直径、出线速度与退火电流及退火电压的关系问题。对于确定的退火锅线直径和出线速度，必须保证恒定的退火电流和退火电压，在设备起动和停止时也要能根据出线速度自动跟踪调节，以避免出现“夹生”和“过烧”现象。在退火控制系统设计中采用了双闭环控制回路，系统自动全程跟踪设备运行速度，精确控制退火电压和退火电流，使退火铜线的延伸均匀；另外设计有过电压、过电流、缺相保护、触发缺相等保护回路，当运行过程中发生退火故障时，保护回路会立即反馈并停止退火电流和退火电压的输出、全线紧急停车；为了保证线材在接触轮上运行平稳、接触良好、不打火花(火花会损伤线材表面质量)，接触轮直径应比线材直径大100倍以上；接触轮本体材料选用导电性能和导热性能都比较好的ZQAl94，而与线材接触的退火环材料，考虑到其在550时的耐磨性、导电性和灭弧性等综合性能指标，经过多次实验最终选用了使用寿命长的镍铜合金材料，可减少线材打火和因退火环磨损造成的线材表面损伤；在主退火段，线材的温度在500以上，为了防止线材氧化，需要采用保护气体将高温线材与空气隔开。因此，主退火段导线路径和接触轮都要采用可靠的密封结构，合理配置保护气的进入口、排气口和排水口，防止外部空气进入并减少保护气体泄漏。在连续运行过程中只需向退火段保护槽内补充少量的保护气体即可防止线材高温氧化，有利于确保线材的产品质量，又能减少保护气体的用量；退火线材的张力控制问题。线材退火后变软，因此张力要适当。张力太大则线径易拉细，张力过小则线材抖动易产生火花。在退火装置内部，线材由于受热膨胀而长度增大，为了使线材与接触轮仍然接触良好，接触轮后的皮带轮直径应从进线端到出线端逐渐减小，接触轮组之间采用特种平皮带传动，同时接触轮之间的距离和传动皮带轮直径大小都经过反复精确计算，保证各接触轮从前到后速度逐渐变快，确保退火线材在预热段和退火段的各接触轮之间张力合适、运转平稳，这样可有效防止线材在退火过程中被拉细，又避免线材在各接触轮上抖动产生火花损伤线材表面和造成退火不均匀的缺陷；连续退火装置供电系统的设计方面，考虑到了电流密度、涡流、电磁场等诸多影响因素，将其对退火质量和设备的影响控制在合理的范围内。因为退火电流较大，为了防止碳刷失效和集电环磨损，采用了特殊的结构和材料，并且采用强风冷却、清洁。集电环采用专业厂家生产的QAl94挤压铜管，再经过特殊处理和加工制成；碳刷经过多次试验，最终选用含铜达75左右的碳刷，装配时调整好刷架的角度，确保每个碳刷负载均匀。这样，在大电流密度下工作时可在集电环上有效地形成“皮膜”，提高碳刷和集电环的使用寿命；由于线材和接触轮都有较大电流通过，设备必须有安全可靠的保护措施，各处(尤其是潮湿环境)的绝缘必须可靠。在线材干燥系统的设计上运用了气体阻尼的干燥原理，利用压缩空气在吹干系统内产生的高压气体阻尼，有效地干燥附着在高速运行线材表面的水分。吹干系统的特殊结构设计，既能使线材充分干燥，又能节约压缩空气用量，为了减少对线材表面质量的影响并延长使用寿命，各过线导轮均采用质量轻的铝合金制造，并在导轮工作面喷涂绝缘性和耐磨性都比较好的特种陶瓷材料。参考文献 1 慧文我国电线电缆市场预测与展望J电线电缆行业通讯，2007(1)：10-112 娄燕雄，刘贵材有色金属线材生产eM长沙：中南工业大学出版社，19993王