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 职位:机械相关专业。

铜及铜合金板带材表面清洗技术及装备

北京建莱机电技术有限公司 2009.3

 

一、前言
  现代高精铜及铜合金带材必须具备光亮、平整、无污染、耐大气腐蚀的优良表面质量,以满足后续电镀、焊接、冲压等二次加工对铜带表面日益严格的技术要求。铜及铜合金板带材表面质量控制涉及整个生产工艺流程中的各个生产环节,其中带材中间及成品清洗是提高带材表面质量最重要的生产工序。现代高精铜及铜合金板带材生产线中,带材的清洗是在高度现代化、自动化、连续化的清洗机列上完成的,涉及脱脂、酸洗、研磨、钝化、烘干等多个环节,正确运用相关的清洗技术、选择工艺结构合理的装备是提高带材表面质量的关键,对推动我国以高性能、高精度、高表面质量为代表的高精铜及铜合金板带材发展具有重要的意义。

二、铜及铜合金带材表面清洗技术
2.1、脱脂
  表面脱脂是改善表面质量、提高抗蚀能力的重要工序,在板带材生产中常用作退火前带材的清洗和硬态加工材成品表面清洗,即可单独与烘干装置组成脱脂清洗线,又可与酸洗、研磨、钝化、烘干组合成脱脂-酸洗表面处理线,提高酸洗、研磨等表面处理效果。脱脂的目的是去除铜带表面残留的轧制工艺润滑液及各种油污,目前常见润滑油如表1所示,实验表明由于不同油品碳氢链长短类型差异很大,导致残留物数量、挥发温度范围各不相同,同时由于添加剂类型、数量各不相同,退火残留物形态、颜色也不相同,不同退火温度下残留物形态及数量见表2。在铜及铜合金表面清洗中,脱脂工序是不可缺少的关键工艺环节,特别是纯铜、高铜类合金,带卷间残留润滑液,如果脱脂效果不好,即使采用带低温抽吸的真空高氢光亮退火,也很难彻底消除润滑剂分解对带材表面的污染及退火产生的变色,在金属表面形成云状的污迹,不仅降低表面质量,也会加剧表面腐蚀影响二次加工性能;另外酸洗无法清除带材表面附着的残油及各种污物,没有脱脂清洗工序会严重影响带材的酸洗质量,因此脱脂效果的好坏决定了铜带退火、酸洗质量的高低。
  铜及铜合金脱脂清洗方法及比较如表3所示,目前板带材成熟的脱脂方法是采用碱液脱脂,对于有机润滑剂,碱液具有良好的皂化作用,可以与饱和脂肪酸形成脂肪酸钠(肥皂)和甘油,同时饱和脂肪酸钠又是良好的清洗表面活性剂,具有良好的去除有机润滑剂的作用。但对于大部分矿物润滑油,其皂化反应不明显,单靠碱液去除效果有限,必须添加一系列表面活性剂,才能达到良好的去油效果,目前普遍采用的是德国Henkel公司的P3-T7221脱脂剂,主要由苛性钠、碳酸钠、焦磷酸钠、偏硅酸钠和系列表面活性剂组成,易溶于水、清洗泡沫低,具有良好的水软化特性,一般加入量为0.3~2%,溶液温度在70~80℃之间清洗效果最好,但由于溶液温度较高,脱脂时会产生大量的碱雾,必须解决碱雾的收集和处理问题。为此德国SURTEC公司开发出一种以磷酸盐为主的脱脂剂surtecl132,其使用浓度大约2~6%,同时配入0.5%左右的surtecl084表面活性剂,该种脱脂剂溶液使用温度在30~50℃之间,可以大幅减少碱雾的生成。
  近年来表面脱脂技术新近的发展趋势是:为了提高脱脂效果,在脱脂刷洗前增加预脱脂环节,以喷淋的方式去除带材表面大部分残油,提高脱脂刷洗质量,其中新近开发的高压热水脱脂技术,采用20~60Mpa的热水高压喷射,配合两级热水喷淋,可达到优良的脱脂、清污效果,是当前极具发展前途的环保、无污染的脱脂处理新技术。

表1 目前常用板带轧制润滑介质的性状


编号

油品牌号

密度g/cm3

外观

1#

G-46

7.558

淡黄色透明液体,有少量絮状沉淀

2#

铜带精轧油

8.0066

黄色透明液体,无沉淀物

3#

SOMENTOR N60

8.0092

黄色透明液体,无沉淀物

4#

GEUEX24B

7.9514

棕黄色透明液体,无沉淀物

5#

PROSOL67

8.3290

棕黄色乳剂

6#

苏州691乳剂

8.1136

深棕红色乳剂

7#

铜带轧制油乳剂

7.9645

深棕红色乳剂

表2 不同润滑油不同温度退火后残留物的形态及灰分


编号

350℃×1h退火后

550℃×1h退火后

灰重g

灰分%

残留物形态

灰重g

灰分%

残留物形态

1#

0.0144

0.1905

侧壁黑色薄膜,少许剥落,底部无残留

0.0024

0.0318

无明显残留,仅几条灰迹

2#

0.0306

0.3822

内壁有黑膜,底部有少许黑色颗粒

0.0020

0.0250

底部有少量白色聚合物,内有棕黄色薄膜

3#

0.0490

0.6118

内壁有黑膜,底部有光泽黑膜

0.0030

0.0375

有微量黑色粉末

4#

0.0621

0.7808

内壁变黑,中下部有黑色粒状物

0.0032

0.0409

内壁中下部及底部有浅绿色聚合物

5#

0.2920

3.5058
0.1753*

内壁有黑膜,部分剥落,底部有泡沫隆起物

0.0594

0.7132
0.0357*

底部有烟丝状聚合物

6#

0.4052

4.9904
0.2497*

内壁中下部有绿色校状物,底部有黑色块状物

0.2154

2.6548
0.1327*

下部有浅灰及黑色膜状碎片,底部有黄膜

7#

0.3842

4.8234
0.2412*

内壁变黑,下底有黑色结状物

0.2148

2.6967
0.1348*

底部有黑色与棕黄色粘结物。

表3 各种脱脂技术的对比


名称

组成及原理

优点

缺点

应用领域

溶剂脱脂

各种与润滑油亲和的石油系、氯系、氟系化合物,乳化活性剂等,

溶解润滑油能力强,脱脂迅速、彻底,清洗效果可达到单面1~3mg/m2

石油系物质易燃、氯系致癌、氟系破坏臭氧层,乳化活性剂与油品反应产物清除困难。

在铜及铜合金板带材上极少使用,主要用于铜管在线封闭清洗中。

电解脱脂

在碱性溶液中通电,以铜带做为阴极,利用电解时阴极产生的氢气泡将表面污物及残油剥离。

氢气是极好的还原、活化剂,脱脂效果好,并且具有表面抛光作用。清洗效果可达到单面3mg/m2。

电解液中金属杂质易析出沉积在铜带表面,并极易产生过度脱脂,恶化带材表面。

主要用于小型试样的脱脂、抛光,大规模生产应用还有许多问题需要解决。

超声脱脂

在脱脂槽内,将超声信号转化为每秒上万次的高频机械振荡,在脱脂液中辐射传播,造成“空化效应”,形成无数小气泡,小气泡破裂可以产生1000个大气压的瞬时高压,对带材产生持续冲击,达到剥离油污的效果。

具有环保无污染特性,表面清洗效果好,对于氧化不严重的带材,可以省去酸洗工序,直接加入钝化剂即可完成所有清洗过程,大大简化清洗工艺流程。清洗效果可达到单面小于5mg/m2

大规模连续化清洗生产实例尚未见到,专用设备开发、造价高昂,是制约该项技术推广应用的关键。

非连续通过的小型机械零件的槽式浸入式清洗。

碱液脱脂

碱液通过活性剂与润滑油形成脂肪酸钠等物质,其易溶于水达到去除油污的目的。

技术成熟,应用广泛,是目前板带脱脂的主要方式,清洗效果可以达到单面5mg/m2。

存在碱雾的收集处理问题,去除的油污存在劣化脱脂效果的问题,必须增加油水分离装置。

广泛应用于连续化铜板带清洗线。

高压热水脱脂

采用高压热水冲破表面油膜及污物,配合多级热水喷淋,达到去除油污的目的。

该项技术已在国外应用,可达到碱洗的效果,环保无污染,是目前先进的脱脂方式。

目前国内外相应装备、技术已经研发出来,正在推广应用。

在铜加工领域,适用于各种连续化展开清洗线,是最具有发展前途的新型环保脱脂技术。

2.2、酸洗
  铜及铜合金酸洗的目的是去除加工过程中,特别是中间退火产生的氧化层,通常与研磨配合使用,提高带材表面质量。现代铜及铜合金板带材采用连续通过式酸洗,随着机列速度的不断提高,在酸洗槽中通过的时间一般不超过30秒,因此与传统浸泡式酸洗不同,其酸洗质量的高低取决于不同合金品种氧化层性质、脱脂效果、来料表面氧化程度等一系列因素,根据不同合金品种及表面氧化状况正确选择酸液成份、调整机列通过速度、注重中间退火前脱脂处理、提高退火保护质量降低带材氧化程度等工艺措施,是保证机列生产效率与酸洗质量的关键。
  铜及铜合金酸洗液成份及酸洗特点如表4、表5所示,常见的酸洗缺陷见表6。目前为提高酸洗光亮度,减少酸雾,通常在酸液中添加系列添加剂如表7所示。为提高酸洗效果,在连续清洗线酸槽内增加酸液循环泵、加热装置,并设置上下双层结构,当仅需脱脂清洗时,酸液处于槽下,不与带材接触,以适应不同清洗工艺的要求。
  连续酸洗时,要定期用波美计测定酸浓度,当硫酸量小于50~100克/升、含铜量大于8~12克/升时就要补酸或换酸,以保证酸洗工艺的稳定。

表4 常用铜及铜合金酸洗液成份

合金

酸洗液及浓度

H68 H62 HPb59-1
HSn62-1 HMn58-2

5~12%H2SO4

H96 H90 HSn90-1

5~12%H2SO4 、10~20%H2SO4

T2

10~20%H2SO4

TUP QAl9-2 QAl7 QAl5

10~20%H2SO4 、7~15%H2SO4+3~10%HNO3

QSn4-4-4 QSn6.5-0.1

10~20%H2SO4 、7~15%H2SO4+3~10%HNO3、7~30%HNO3

B19 BMn3-12
BZn15-20、BMn40-1.5

7~15%H2SO4+3~10%HNO3、7~30%HNO3

QBe2 QSi3-1

10~20%H2SO4 、7~15%H2SO4+3~10%HNO3、7~30%HNO3

N6 Ncu28-2.5-1.5

7~15%H2SO4+3~10%HNO3、7~30%HNO3

表5 铜及铜合金酸洗的特点



黄铜

一般铜及黄铜用15%左右的硫酸进行酸洗,工艺过程是:酸洗-冷水洗(湿刷)-热水洗-烘干。酸洗反应如下:
CuO+H2SO4—CuSO4+H2O
Cu2O+H2SO4—Cu+CuSO4+H2O
加入硝酸和H2O2可加速反应,作氧化剂使用,实现光亮酸洗,反应如下:
Cu2O+4HNO3+H2S—CuSO4+3H2O+Cu(NO3)3+2NO2
3Cu2O+K2Cr2O7+2H2SO4—CuSO4+2H2O+Cu5(CrO4)2+K2SO4

铍青铜

铍青铜热轧黑色的氧化物,最好用浓度为4—6%的碱液沸腾清洗,之后用60℃的水冲洗干净,才能洗净表面,显示金属光泽,但目前先进的生产方式是采用热轧铣面方面彻底去除表面氧化层。
铍青铜保护性气氛下淬火产生的轻微变色,可用酸洗去除,其中酸洗效果最好的酸液配比是15~20%H2SO4+5%HNO3,通常在连续化清洗线上,采用硫酸槽与硝酸槽分别布置的方案,并可采用加热硫酸的方法提高清洗效率。

锡青铜硅青铜锰青铜

采用硫酸酸洗,但酸的浓度要高些,加入少量氧化剂,提高表面光亮度。


白铜
镍合金

热处理后表面形成致密的Ni2O和NiO,硬而脆,与硫酸反应慢,达不到酸洗的目的,一般用15~30%的硝酸清洗,其反应如下:
NiO+H2SO4—NiSO4+H2O
Ni2O+2H2SO4—2NiSO4+H2O+H2
Ni+2HNO3—Ni(NO3)2+H2
但硝酸与镍的反应速度快,故会出现酸洗不均匀现象,必须控制好酸的浓度和酸洗时间。一般在酸洗前进行破鳞轧制,使表面氧化膜破碎,在酸洗时均匀脱落。目前随着保护性气体退火技术的发展,大大降低了酸洗的难度。

表6 常见酸洗缺陷及分析

缺陷

产生原因及措施

过酸洗

主要对黄铜而言,表现为脱锌,脱锌处有红斑,出现小坑,主要是由于酸浓度过高、温度过高、酸洗时间长造成的。另外退火和热加工造成的脱锌,在酸洗时变得更加严重。一般白铜及镍用硝酸酸洗时易出现过酸洗现象。过酸洗不仅增加材料损失,恶化表面质量,还会产生大量酸雾。

斑点

斑点呈红色、灰色或黑色,红斑是由于轧机乳液腐蚀造成的。灰斑和黑斑是由于残酸未洗净,产生腐蚀;氧化皮未洗净;表面油泥退火后残留表面引起的。

水迹和花脸

主要是由于残酸未洗净、冷热水冲洗含酸或干燥不及时、不彻底,使制品表面受到腐蚀造成的。

表7 常用酸液添加剂及作用


作用

常用添加物质

光亮剂

过氧化氢、微量硝酸、明胶、乙二醇

酸雾抑制剂

尿素

缓蚀剂

植酸、硫脲

润湿剂

OP-10

2.3、研磨清洗
  研磨清洗一般与酸洗同时配置,其作用是去除酸洗在铜带表面留下的反应层,并磨光带材表面,现代化连续清洗线均配有研磨清洗装备。高速旋转的研磨刷辊在反向压辊支撑及大量清水冲洗下,均匀、稳定地磨光带材表面,可以达到相当高的表面质量。目前研磨刷辊已成为铜及铜合金带材清洗机列关键工具,国内外均有专业化生产厂家生产,根据不同铜合金品种、表面状态、带材状态,选择合适的刷辊线径、磨粒目数和软硬程度是确保研磨效果的关键。
  目前研磨刷辊有两种基本形式,一种是在尼龙或胺纶丝上涂附氧化铝等研磨颗粒制成的研磨刷辊;一种是由德国3M公司开发的在不织布中加入磨粒组成的研磨辊。适合一般铜及铜合金带材表面研磨的刷辊线径一般在Φ0.25~0.35mm之间,磨粒目数在500~600目。而对于表面抛光质量要求高的带材,一般选择磨粒目数在1500~2000目,硬度在40~60之间的不织布研磨辊。应该指出的是目数越高的研磨辊成本越高,使用寿命越短,在生产中应根据不同产品的技术要求合理选择使用刷辊、磨辊及磨粒目数,在保证带材表面质量的前提下尽量降低生产成本。
  另外为改善生产过程中带坯的表面质量,也有用220目的研磨砥石清理带坯出现的微小起皮、起刺等缺陷,对改善带坯质量也具有相当的效果。
  刷磨时带材的接触压力、研磨量以及刷辊速度的调节是保证刷磨质量的关键,一般提高刷辊的速度、降低接触压力有利于延长刷辊寿命、提高抛光效果,因此实际生产中应根据带材表面质量及刷辊的磨损情况,酌情设定,要避免高转速、大接触压力下的过度刷磨。

2.4、钝化
  由于铜及铜合金本身呈路易碱性,极易失去电子发生氧化,特别是铜合金本身各合金元素间存在电位差异,因而在湿热环境中极易腐蚀变色,因此铜带清洗后防止变色是表面清洗的一个重要工序,近年来防止铜及铜合金变色技术的发展及特点如表8所示,防变色评价方法如表9所示。

表8 近年来铜及铜合金防变色技术的发展及特点

防变色技术

特点

无机钝化技术

用铬酸和重铬酸盐等无机物钝化铜材,在铜材表面形成一层铬酸盐和氧化物混合膜,以提高其耐蚀性和抗变形能力。此类无机钝化膜与基体结合性、抗氧化性好,因而得到广泛应用。但因其处理废液含有六价铬离子,环境污染大而受到限制。

有机缓蚀钝化技术

有机钝化剂由含炭、氮等电负性高的极性集团和非极性集团组成,极性基团可以紧密的吸附在铜材表面,而非极性集团又称憎水基起隔离各种腐蚀介质和水分的作用,从而达到改变金属表面电荷状态和界面性质,使金属表面能量趋于稳定,抑制与腐蚀有关的表面电荷转移的目的。
有机钝化缓蚀剂具有污染小、抗变色性能好的特点,是目前应用最广泛的方法。目前具有缓蚀钝化性能的物质有:BTA、苯并咪唑类、膦酸类、嘌呤类物质,但缓蚀作用最好的是BTA。但单一的缓蚀剂效果不如复配缓蚀剂好,根据有关研究含硫有机物BJL和BTA有很好复配协调效果,由BJL、BTA、有机成膜物质JYQ以及其他助剂组成的钝化涂装溶液具有良好的钝化效果,处理的黄铜可以在醋酸盐雾中耐蚀性能可达到846小时。

自组装技术

是近20年新发展的技术,将铜材放于氨基硫醇或钛酸盐、惰性硅烷、锆酸盐混合物等活性较大的稀溶液中,其中的活性集团与金属反应形成以共价键或离子键结合的自组装单分子纳米(0.001~1μm)有机薄膜SAMs,这层薄膜隔绝金属与水分、大气的接触,可大幅提高金属的耐蚀抗变色能力,由于这层薄膜厚度小于光波波长,肉眼看不见,并具有不脆化、不老化的特点。但这项技术对金属表面有很高的要求,还处于研发阶段。

树脂涂层技术

在制品表面涂装树脂达到隔绝空气及水分的作用,主要由晶态树脂、非晶态环氧树脂、固化剂、催化剂等组成。这种抗蚀涂层要求硬度、耐冲击性、耐热性、耐污染性好,与金属结合性好,无脆性、无空隙,固化温度低。但目前各种树脂还很难满足各项指标,应根据实际情况选择使用。

蛋白质保护法

用月桂基醚硫酸钠、二元醇或多元醇处理过的蛋白质溶液浸泡铜材,在铜材表面会形成有抗变色作用的蛋白质保护膜,目前还处于初始研发阶段。

表面强化技术

通过渗氮、渗碳或碳氮共渗技术,在铜及铜合金表面生成大约1nm到几十微米的膜层,可以提高铜合金的抗变色及耐蚀性能,目前该项技术工艺较为复杂,还不适应大规模连续化生产的要求。

表9 防变色性能的评价方法


方法

特点

硝酸点滴法

用1:1的硝酸滴在钝化后的铜材上,记录从滴下到气泡所用的时间,来判断钝化膜质量;

电化学法

用铜及铜合金做电极,经抗变色剂处理后,用动电位扫描法测定电极在腐蚀介质中的极化曲线,得出相应的电化学腐蚀参数;

H2S加速腐蚀实验

将铜及铜合金经钝化处理后,放入真空干燥的容器中,通入1%H2S气体,测量其的变色面积,观察其变色情况。

SO2加速腐蚀实验

将钝化后的铜材放入SO2体积百分浓度为1%的溶液中,观察对比腐蚀状况。

抗湿热实验

将钝化后的铜材放入一定温度的湿热蒸汽中,观察、对比其的腐蚀情况。

空气放置法

空气中长时间放置,观察、对比变色情况。

  目前铜及铜合金防变色抑制剂已有450种,其中应用最广泛的是:采用BTA(C6H5N3)以及BTA诱导的脂肪酸氨化合物、烷基氨化物机缓蚀剂在铜及铜合金表面形成一种稳定的、保护效果较强的保护膜。以BTA为基的防变色抑制剂的主要作用如表10所示,其中起主要作用的是形成阻挡层,在60~70℃温度下,BTA仅需几秒钟就可与铜及铜合金Cu-BTA鳌合聚合物,其结构如图2所示,厚度约为50埃,这种鳌合聚合物极其稳定,外很难被腐蚀破坏,因而具有良好的防变色效果,能较好的保持金属光泽,不影响锡焊。为进一步提高其的钝化性能,一般钝化剂都是以BTA为主的复配钝化剂。在

  连续清洗机列中,钝化工艺常用于烘干前铜带处理,也可加入脱脂液或酸洗液中,使脱脂、酸洗一次完成,称为复合处理工艺,钝化剂的使用条件是:浓度0.1%,温度40~60℃,处理时间不少于4~5s。

表10 BTA有机钝化剂钝化防变色技术原理


主要作用

保护原理

形成阻挡层

起表面绝缘作用

防阳极腐蚀作用

抑制阳极腐蚀反应Cu-Cu+2e

防阴极腐蚀作用

抑制阴极反应:H2O+1/2O2+2e-OH—

1
图1 、BTA鳌合聚合物皮膜结构

三、清洗机列的配置及技术要求
  铜及铜合金板带材表面质量控制涉及整个生产工艺流程中的各个生产环节,其中带材中间及成品清洗是提高带材表面质量最重要的生产工序,目前带材清洗在自动、连续清洗机列上完成,主要清洗环节包括:脱脂、酸洗、刷洗/研磨、钝化、烘干等工艺步骤。按生产工艺流程及清洗带材厚度来分,清洗分为中厚带清洗机列和薄带清洗机列两种,中厚带清洗机列主要用于中轧0.5~3mm厚的带材表面处理,薄带清洗机列用于0.08~1.2mm预精轧和成品带材的表面处理,其主要作用如表10所示,清洗机列的主要结构及组成如图3所示,对清洗机列的技术要求如表11所示。

表10 铜及铜合金带材清洗线的主要作用


功能

使用范围

主要作用

除油清洗

主要用于不需进一步退火的硬态、半硬态成品带材及退火前轧制带材的脱脂清洗。

去除带材表面轧制油及表面污物,只需碱洗、烘干去除轧制油,带材表面保持轧制的光亮本色,另外通过清洗可以控制卷取张力,以保证退火质量。

酸洗、磨洗

用于退火后,去除带材表面氧化层,提高带材光洁度、光亮度,两者一般配合使用。

通过酸洗去除表面退火残留物质,通过磨洗提高带材表面光洁度。

钝化、烘干

配合除油、酸洗、磨洗等功能。

提高带材耐蚀能力,防止变色。

表11典型铜及铜合金带材清洗线机列主要技术要求

机列组成

技术要求

清洗质量

带材经酸洗、碱洗、抛光后表面无物理划伤,表面光洁,无残留酸、碱或钝化液斑痕。速度精度±0.5%,张力控制精度±5%,塔形≤±1.0㎜,错层≤0.3mm。

开卷机

开卷机由电磁制动的交流变频电动机、齿轮传动变速箱、液压涨缩卷筒、偏转辊、衬纸卷取机等组成。开卷机采用CPC对中或卷轴上标有毫米刻度,带卷中心定位方便。厚带开卷机还应设有压紧、夹送、铲头装置。

上卷小车

液压受料小车可用于卸套筒,带卷,小车工作面衬有对带卷表面起保护作用的保护层,并有对应包装袋的凹槽。
上卷小车配有带卷储存架可储放带材,台面衬有对带卷表面有保护作用的保护层。上卷小车配有卸套筒的翻转装置,带卷储存料架配有套筒储存装置。

前液压剪

带喂料装置,喂料输送装置由铲板、铲板移动导轨、输送带、剪切机组成

带材缝合机

缝合机配有上下二只冲模、压下结构、液压系统、前后导板台、一个气动绒毡制动器、导向辊和一套独立操作的开关盒

脱脂清洗设备

设备配有喷淋脱脂室、刷洗脱脂室、冷水清洗室、热水清洗室、单列挤干辊、管道和喷嘴,挤干辊用交流变频电机驱动,脱脂液过滤精度50μ。
刷洗脱脂室:刷洗脱脂室内配有清洗刷辊、反向压力辊及脱脂剂的循环和加热系统,储液槽配备真空撇油器、液位器、管道及阀门。刷洗脱脂室上留有抽吸口,用于装排风管道。
清洗刷为二个贝纶刷辊,配有二个直径橡胶复面的反向压力辊,由操作人员设定依据刷辊电机电流大小闭环自动调整刷洗得压力。

循环酸洗机

循环酸洗机由循环酸洗槽、酸雾收集装置和冷水喷淋工作区组成,循环酸洗槽由外槽、内槽、浸入式酸泵、耐酸导辊、橡胶复面导向辊和气动挤干组成。

刷洗抛光

在不锈钢制成的清洗室内,装有3M抛光辊和橡胶面的反向压力辊,以及冷水管道及喷头。每对抛光辊经设定后自动调整抛光辊的压力。抛光辊两端轴承支撑,可快速换辊。
抛光辊:3M抛光材料或含粒度1500~2000目的带磨料抛光辊,速度可调600~1200rpm(交流变频电机驱动) ,反向压力辊由交流变频电机和减速机进行驱动。

水循环利用系统

水循环利用系统由储液槽,水泵等组成;通过水循环三级利用系统,水被充分地逐级利用,达到节约水的目的。在设备的水回流管道上安装有一台大流量的过滤器(50μm)

钝化装置

包括一个热水喷淋室和二级表面钝化处理箱,钝化液过滤精度10μ。
热水喷淋室包括:一个不锈钢的喷淋室、二对气动挤干辊(其中一对为3M材料的挤干辊)、不锈钢储液槽及加热与温度控制系统。

干燥箱

干燥箱配有轴流风机、导辊、电加热系统、热空气分配箱、温度指示控制器及隔音装置等。干燥箱热风温度约70℃ ,热空气循环利用,热空气通过分配箱均匀的吹到带材表面,干燥箱出口处装有冷却风机,通过风道与风刀在带材表面形成高速气流,吹干带材表面的水分并冷却带材。

后张力辊

出口偏导辊及S辊用于隔断清洗与卷取的工作张力。放置于干燥箱与卷取机之间,用于整个机列张力的分段控制,每只S辊都有交流变频电机及变频控制器控制,张力无级调节。清洗线的张力控制一般在0.03~0.05σs左右,卷取张力一般比开卷张力大1.1~1.5倍,

后液压剪

液压剪有夹送装置,用于切除料卷带材接头和分卷。

上料输送平台

由输送皮带,平台钢架与偏转辊组成

卷取机

卷曲机由直流电机、齿轮变速箱、涨缩的液压缸和液压带卷卸料器、EPC对边系统组成。卷曲机安装在可移动的导轨上,光电伺服边部控制。配有带材导向的台板、导辊以及衬纸开卷机。配有一台液压驱动的带卷小车、储料台、套筒的自动卸料及存放架,卷取张力2kg/mm2.

液压气动系统

液压系统:液压控制阀、液压元件、液压管道、液压站组成
气动系统:气动控制阀、气动元件、气动管道、气动三联件组成

机列运行速度

厚带清洗线一般最高速度不超过60m/min,薄带清洗线最高速度不超过100m/min。

挤干辊布置

每个工艺段出口采用双列挤干辊,以防止工艺介质的混窜,其中一列挤干辊可主动传动,以方便穿带,穿带后转为被动牵引方式。挤干辊在穿带时能够自动抬起,带头穿过后自动压下。在烘干箱入口的双列挤干辊中,后面一对采用3M千年辊将带材表面残留液体降到最低。

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图2 国内典型铜及铜合金板带材清洗线结构

  从清洗线本身来看,合理配置脱脂、酸洗、清刷、钝化、烘干等工序环节、采用先进的工艺控制方式实现清洗-退火连续化生产,是保证清洗过程稳定、高效,达到不发生工艺介质混窜、彻底清除影响带材表面质量的各种污物、尽量降低污染物的排放、减少工艺介质的耗量、提高带材表面质量的关键。因此根据各铜加工企业生产工艺流程的不同,目前国内外对高精板带清洗线配置主要有三种方案:
1、将除油清洗与酸洗研磨工序分开,形成除油清洗机列和酸洗机列的设计,其中除油清洗机列用于退火前带材的卸涨、脱脂、烘干,目的是保证带材卷式退火质量;酸洗-清刷(研磨)机组主要用于退火后带材表面的处理,目的是保证退火后带材表面洁净、光泽和平整;
2、脱脂清洗和酸洗清刷集中配置在同一机列上,形成脱脂-酸洗-清刷(研磨)-钝化-烘干清洗机列,各段可以全线联动,也可单独使用脱脂、酸洗功能;
3、将脱脂清洗、展开式退火炉、酸洗清刷配置成连续化的退火-清洗生产线。随着现代大张力、大卷重、高速轧制技术的发展,带材薄型化趋势明显,罩式退火虽然具有设备结构简单、工作可靠、造价低廉、密封性好等特点,但在退火过程中带卷内外性能不均、薄带退火易粘接、残油污迹等弊端日益显现,因而自上世纪九十年代起,展开式连续退火炉得到了广泛应用,连续展开式退火目前主要有两种形式:立式展开炉和水平气垫炉,国外称为AP炉,其特点是将清洗、退火、冷却、酸洗、抛光、研磨等多种功能集成于一体,其典型布置形式如图4、图5所示,具有连续化、高效率、高表面、均匀快速的技术优势,是目前铜及铜合金高精带连续化生产的发展方向。

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图3 立式展开炉平面布置方案

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图4 水平气垫炉平面布置典型方案

  目前国内先进铜加工企业,薄带采用气垫炉或立式展开炉退火,其脱脂、退火、酸洗、清刷一次完成,成为提高生产效率、保证带材表面质量重要工艺方法,实现了清洗-退火连续化生产。而对于中厚带中间退火,国内外普遍采用气体保护罩式炉卷式退火工艺,退火与清洗相分离,这种退火-清洗方式对于生产规模较大的铜加工企业,采用脱脂清洗与酸洗清刷清洗集中或分离布置的比较见表12,如果采用脱脂、酸洗-清刷集中配置的清洗线,脱脂工序与酸洗工序不能同时工作,其工序生产效率得不到充分发挥,现实中有些企业常常省略退火前的脱脂清洗工序,而仅靠退火后酸洗-清刷工序满足带材表面质量的要求,这对于高精板带材生产是十分不利的,同时也产生了较多的由于过度依赖清刷、研磨带来的表面质量问题。另外为提高清洗线的生产效率,国内对清洗线的速度要求也越来越高,以弥补工序生产效率的不足,其间必然带来清洗质量的下降和设备功率匹配等方面的问题。因此对于具有一定规模的铜加工企业而言,采用脱脂清洗与酸洗-清刷相分开配置的清洗工艺应是较理想的选择,这是目前铜板带生产企业应认真考虑、讨论的工艺问题。

表12 脱脂酸洗集中配置和分开配置的优缺点对比


配置形式

特点

优点

缺点

脱脂酸洗集中配置

将脱脂清洗工序与酸洗、清刷(研磨)、钝化、烘干工序集中配置在一条生产线上,采用一套开卷、收卷、张力控制系统。

机列制造成本较低,工艺介质循环利用充分,一条生产线既能满足脱脂清洗的要求,又能满足退火带材酸洗-清刷的要求,工艺适应性强。

单体机列长,穿带长度长,工艺控制环节多,各工序段工艺介质易发生混窜,工序间挤干效果要求高,带材表面擦划伤机率较高;脱脂、酸洗产品共用一条机列,工序利用效率不高,一条生产线很难保证退火前清洗,退火后酸洗清刷的工艺要求;

脱脂酸洗分开配置

将脱脂-烘干清洗与酸洗-清刷(研磨)、钝化、烘干工序分别配置成线,各自有独立的开卷、收卷、张力控制系统。

单体机列长度缩短,穿带长度大大缩短,工艺介质没有混窜的问题,挤干夹送辊数量少,带材擦划伤机率较小,操作效率高;各自执行不同的清洗目的,退火前脱脂清洗,回火后酸洗清刷,工序利用效率高,有利于提高带材表面质量。

分开配置机列成本比集中配置高,占地面积有所增大,电耗、水耗有所增加。大规模生产的中间清洗效率高,但对于生产规模较小时,其清洗效率优势不明显。

四、现代高精铜及铜合金板带材清洗技术的发展
  铜及铜合金板带材清洗技术的进步与合金品种、润滑技术、电气自动化控制技术以及光亮退火技术的发展密切相关,现代轧机除油效果的改善、低残留轧制润滑油的使用、还原性退火技术等对铜及铜合金板带材加工表面质量的提高奠定了坚实的技术基础,推动了现代铜及铜合金板带材清洗技术向连续高效、低污染、低排放、高表面质量方向发展,当前铜及铜合金板带材清洗技术的主要技术进步表现在如下几个方面:
1、退火-清洗连续化生产技术。
  当前以水平气垫炉和立式展开炉为代表的退火-清洗机组在速度、张力分段、控温精度、炉压、气氛循环、炉体密封等方面控制水平日益提高,机组生产速度最高可达到120m/min,炉内微张力控制水平可以达到≤2N/mm2,退火后材料硬度波动≤±5HV,晶粒度波动小于±5μm,大幅提高了高精板带材退火-清洗生产效率和产品表面质量,使之成为目前先进的高精板带生产方式。
2、高表面质量、无污染、高效率清洗技术。
  铜及铜合金板带材清洗排放的污染物包括:废酸、废碱等液体介质、碱雾废气等,这些物质是铜加工企业重要的污染物排放源。随着国内外环保意识的提高,环保政策、法规日益严格,高效、无污染的表面清洗技术成为铜加工领域重要的技术发展方向,其中高压热水冲洗技术配合两级热水喷淋,可以达到双面10mg/m2的脱脂效果;配合全氢光亮退火技术可以达到消除退火色、保证带材光亮的效果。从而彻底淘汰了传统的酸、碱清洗-清刷介质,实现清洗机组污染物零排放,该项技术的研发,是最具发展前途的无污染、高效清洗技术。
3、高精度清洗后处理清刷、磨洗控制技术。
  采用带磨粒的刷辊和抛光磨辊处理退火后带材,彻底清除退火、清洗产物,提高退火后带材表面质量。目前各种清洗专用刷辊、抛光辊产品、规格已形成系列,可以满足不同表面光洁度的要求。在刷洗压力方面实现了闭环控制,可根据带材表面状况适当调节刷洗力度,提高带材表面质量。同时为增加清刷的稳定性,对于宽度大于400mm的带材,采用了两端支撑的可以快速更换刷辊的刷箱结构,有效避免了宽板清刷、研磨产生的振痕,经过清刷或研磨后的带材具有优良的表面光洁度。
4、长寿命防变色钝化技术。
  以BTA(C6H5N3)和AMT(2-氨基-5-琉基-1,3,4-噻二唑)为基的复配有机化学成膜防变色钝化技术具有良好的防变色效果,其中新近开发的AMT复配钝化剂,具有在80℃湿热空气中24h不变色的优良钝化效果,对于保持成品带材的品质具有重要的意义。
5、高效烘干、冷却技术。
  为保证带材成品卷取出于干燥状态,卷取温度低于60℃,现代烘干装置普遍采用了多层气幕、循环气流烘干、冷却区段设计,可以最大限度提高烘干、冷却效率,缩短了工艺烘干时间,为提高清洗线速度奠定了基础。
6、新型挤干辊的应用
  为提高各工序段的挤干效果,3M公司开发的新型不织布叠合制成的“千年辊”,其为多段多孔形结构,可根据带材宽度配置挤干辊段数,与橡胶挤干辊相比摩擦系数大,具有高速下不打滑,对工艺介质及细小渣屑具有良好的阻挡、吸附、甩出作用,挤干效果比橡胶辊高、可有效减少带材产生擦划伤,使用寿命是一般橡胶辊的10~40倍,具有良好的性价比优势,完全高品质高精铜及铜合金板带材生产的需要。

五、结语
  铜及铜合金板带材做为支持现代科技发展的关键基础性功能材料,广泛应用于各种高精密器件的加工制造,对材料的性能、精度和表面质量要求不断提高,薄型化、高精度、高性能、高表面质量已成为现代高精铜及铜合金带材的重要发展方向,高效率、高表面质量、节能环保的新型表面清洗技术及先进的工艺控制技术是未来高精铜及铜合金板带材生产工艺及装备开发的重要内容,当前新型铜带清洗技术不断涌现,是当今铜加工行业应重点关注的技术发展领域,新型铜及铜合金板带材清洗技术的推广应用,对提高我国高精铜及铜合金板带材品质具有重要的推动作用。

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