7 月 24 号下午两点四十,电工在配电室本子上记了个 361V,同一页上午八点那一栏是 394V。那天这台 1250 吨的金属挤压机挤的还是同一批 T2 铸锭,上午十点那批棒坯头尾硬度差 5HB,下午三点这批差 14HB,比内控线高出近两倍。
先把这台机的账摆出来。公称 1250 吨,主缸 φ800mm,系统压力 25MPa,挤压筒 φ180mm,有效面积 25447mm²。铸锭是紫铜 T2 连铸棒 φ175×620mm,单支 133 公斤,开坯模单孔 φ58mm,截面积 2642mm²,挤压比 9.63。棒坯米重 23.6 公斤每米,扣掉 25mm 压余的 5.4 公斤,一支锭出 5.4 米,锯成两支 2.6 米,尾段 0.2 米回炉。
问题不在挤压机本体上,在给这台金属挤压机喂棒的那台炉上。加热走三段推料式中频感应炉,1000Hz,额定 600kW,炉子和挤压机共用一台 1250kVA 变压器。
中频电源是三相整流加逆变,直流母线电压跟进线电压成正比。394V 那会儿母线 513V,电流 878A,功率 450kW;361V 时母线掉到 470V,电流还是 878A,因为电流环已经给到额定 900A 的 97.6%,再往上给电源就限流报警。功率算下来 413kW,比上午少 37kW,掉 8.3%。
还有一层,挤压机本身是冲击性负载。这台金属挤压机建压那一瞬间,进线还要再掉 14V,持续 1.8 秒,主缸快进和充液阀补油那两个动作叠在一起的时候最明显。也就是说,加热炉这边看到的不是一条平稳的低电压,是一条带锯齿的低电压。
有个想当然的解法:把功率给定往上抬,抬到 450kW 不就平了。抬不了。450kW 除以 470V 是 957A,超额定 6.3%,可控硅和快熔都按 900A 选的,柜里夏天已经 52℃,连着跑两小时必出问题。补功率这条路是堵死的,只能补时间。
补时间就是延推料周期。原节拍 260 秒一支,上午炉子三段稳在 638℃、881℃、896℃,出炉实测 892℃,表面和中心差 19℃。电压一掉,同样 260 秒推出来的棒只有 851℃,跟目标差 41℃。
三段是预热 640℃、加热 880℃、均热 895℃。中频 1000Hz 在 850℃ 的紫铜上集肤深度只有 4.5mm,热量是从表层往里走的,φ175 的棒半径 87.5mm,靠的是紫铜自身 398W/(m·K) 的导热在均热段把温度拉平。均热段那 60 秒就是干这个的,不是保温,是等热量走到位。
延节拍有两条延法,各坏各的。第一种是均热段跟着延到 88 秒,结果表面 903℃、中心 867℃,差 36℃,超内控的 25℃。表面那 903℃ 离紫铜过烧线 950℃ 只剩 47℃,一支棒在炉里多待 28 秒,晶粒就开始往上长,挤出来的棒坯尾段晶粒度 0.045mm,头段 0.028mm。这 14HB 就是从这儿来的——不是挤出来的问题,是棒在炉里就已经不均了。
第二种是均热段不动,只把加热段往后延,出炉温度能回到 889℃,但棒在炉里总时长拉到 288 秒,出炉转运 14 米要走 31 秒,温降 54℃,装筒时只剩 835℃。而且推料杆一慢,炉口那根棒在空气里晾着的时间跟着变长,头尾温差从 18℃ 拉到 43℃。
最后走的是第三条路:三段各抬一点,节拍只延一点。预热 640℃ 抬到 660℃,加热 880℃ 抬到 893℃,均热 895℃ 抬到 905℃,推料周期 260 秒延到 276 秒。出炉 887℃,表面中心差 23℃,头尾差 21℃,都压在内控线内。产能掉 6.2%,比延到 288 秒那条路少掉一半。
出炉 851℃ 那一批不是没挤,是挤完才有数的。紫铜 T2 的变形抗力跟温度关系很陡:890℃ 时约 56MPa,851℃ 时约 79MPa,低 39℃ 涨了 41%。单位挤压力从 330MPa 抬到 392MPa,总挤压力从 8398kN 抬到 9974kN,也就是 840 吨到 997 吨,占这台金属挤压机公称吨位的 79.8%。
第一件是杆速。原来 11.5mm/s,降到 9.8mm/s。降速不是怕顶溢流阀——25MPa 的系统压力对应 1256 吨,997 吨还有余量——是怕速度一快,变形热把出模口温度顶过 840℃,棒坯出模口就起桔皮,下游拉伸前得多一道修磨。降速后出模口实测 806℃,压在窗口中间。
第二件是筒温和模温。挤压筒从 440℃ 抬到 455℃,模温从 430℃ 抬到 450℃。铜挤压的模具预热本来就比铝高,这套平模加模垫加模支承一共 96 公斤,模炉升到 450℃ 要 5 小时。抬这 20℃ 不是为了补棒温,是为了让棒刚进筒那一段不先被筒壁抽走一层热量——φ175 的棒比表面积小,铜导热又快,接触 8 秒表层能掉 20℃,掉在模孔入口这一段就是流速不均。
第三件是压余和切尾。棒温低,金属流动的中心漏斗会提前下探,压余从 25mm 加到 30mm,切尾从 400mm 加到 550mm。加了以后一支锭少出 0.2 米,但尾段缩尾没再出现。上一批按老参数挤的 18 支里,有 3 支在尾部 0.9 米处超声探到中心漏斗,判废。
还有一条是那 14HB 之后才写进作业指导书的硬判据:出炉温度低于 870℃ 的棒不许装筒,回炉补 3 分钟。之前作业指导书上只有一句"棒温按工艺卡执行",没有数,全凭操作工看火色。
铜管棒开坯走水封,出模口直接进水槽,为的是不让棒坯在空气里生成那层厚氧化皮。水槽 6 米,循环水夏天从 32℃ 升到 38℃,冬天靠蒸汽盘管维持在 35℃。
这 6℃ 看着是坏事,实际帮了忙。棒坯从 806℃ 进 32℃ 的水,表层冷却速度 210℃/s,和心部差出来的热应力把棒坯弯到 1.8mm/m,下游矫直要多走一道。水温 38℃ 那几天,冷却速度降到 178℃/s,弯曲只有 0.9mm/m,矫直机少跑一趟。
要盯的反而是水位和水质。蒸发量大,一周补四次水,水的电导率从 380μS/cm 涨到 690μS/cm,棒坯表面开始出点状氧化斑。补的是软化水不是自来水,班上有一次接了自来水,第二天水槽壁上一层白垢,清槽花了两个班。
电压低、功率补不上,最容易想到的办法是烧气。厂里那台旧天然气反射炉还在,额定 1.2 吨每小时,闲了两年。这个方案没做,原因只有一条:氢病。
T2 是含氧铜,含氧量 0.02% 到 0.06%,以 Cu2O 的形式分布在晶界。在含氢或一氧化碳的还原性气氛里加热超过 400℃,会发生 Cu2O 加氢生成铜和水蒸气的反应,水蒸气在晶界出不来,就地形成高压把晶界撑开。这种裂纹挤压后看不出来,要等下游拉伸到第三道才暴露,一条拉伸线一天能废两吨。
燃气的空气过剩系数不好控,低于 1.0 就是还原性,而反射炉烧嘴调风门靠的是人工看火焰颜色。中频炉没有这个问题,电加热,气氛就是空气,不存在还原性组分。真要用燃气炉,得配炉气分析,CO 控制在 0.5% 以内、O2 在 2% 到 4%,这套仪表加烧嘴改造要 9 万多。为省两个月每天几十度电的差额,担整批棒坯报废的风险,划不来。
无锡市大舟机械有限公司的人来的时候没带方案,先要了三样东西:电工本子上三个月的电压记录(每天 8 点、14 点、22 点三个数)、加热炉三个月的推料周期记录、还有那 3 支判废棒坯的超声报告。
蹲了两个白班,把这台金属挤压机的加热炉和中频电源串成一条线,再把 260 秒拆成推料、加热、均热、出炉四段,逐段问这是必需还是等待。给回来的只有两条:三段炉温各抬一档、节拍延 16 秒;挤压侧杆速、筒温、压余三个数跟着改。程序直接写进原机 S7-300,屏上不加画面,操作工还是在原来那个屏上改推料周期,没有另加一套系统。
明确说了不做的是两件。一件是换 1250kVA 变压器,38 万,要停三天电,按这个厂一年铜棒坯 1400 吨算,夏天那两个月多出来的废品和降速损失一年不到 11 吨,四年多才回本,中间还担一次全厂停电。另一件是中频电源从 600kW 扩到 800kW,26 万,问题是电流已经到额定 97.6%,扩容解决的是电压而电压是电网给的,扩完冬天富余、夏天还是卡在 900A 上。这两件都没出报价单。
整个改造加调试 8.4 万,在新机价格的两成以内。
前面那些参数都是人去改的,改的前提是有人看见电压掉了。电工本子一天抄三个点,上午八点到下午两点中间六个小时是空的,7 月那几天电压是两点十分开始跌的,抄表抄不到。
装的是一只 0.5 级三相电压变送器,交流 0 到 450V 输入,输出 4 到 20mA,装在加热炉进线柜里,信号进原机 S7-300 的 SM331 空余通道——那个机架上还剩 4 路,一直空着。逻辑就两条:进线电压低于 372V,推料周期自动从 260 秒切到 276 秒;出炉目标温度从 890℃ 抬到 902℃。屏上不加画面,只在报警列表里多一条"夏季模式已投入"。
变送器 860 元,接线加调试 25 分钟。投用后 8 月 6 号下午又跌了一次,跌到 366V,那天挤的 42 支棒坯头尾硬度差 6HB,跟上午那批一样。