现在拉丝有些什么技术?

现在拉丝有些什么技术?
现在拉丝有些什么技术?

现在拉丝有些什么技术?
金属线是一种常见的产品形式,通常是指丝、线或杆.随着经济的不断发展,需求和生产也空前繁荣.在竞争越来越激烈的时代,以最低的成本生产出让顾客满意的产品的竞争压力,促进了拉丝技术的持续进步.尽管最细的金属线已经达到了几微米,最高的钢丝强度已经超过了4000MPa,但我们还面临着不断变化的需求及非金属材料的竞争,所以我们需要更怜快、更好的拉丝技术.
1、拉丝技术的历史回顾
已知最早的金属线是由埃及人在大约公元2750年做的多线.在我国西安秦始皇兵马俑的考古中发现大量的石甲衣中采用了铜线,这也许是中国最早的金属线实证.公元400-1100年,金属线技术开始在很多国家发展起来,开始用手或马拉的方式拉丝,慢慢地,后来发明了一些技术,如绞盘、秋千、棘轮,并利用了重力.17世纪欧洲人开始采用水力拉丝.1769年蒸汽发动机的发明取代了人力拉丝技术以及水力拉丝[1].20世纪电机技术的推广,为拉丝技术的飞跃提供了新动力.
1632年,开发出钢丝制针的工匠偶然发现,钢丝上的人尿残留层起到了润滑钢丝的作用,并且发现润滑可以减少动力需要.
早期有人尝试石模,后来有了铁模.从明朝江西人宋应星1637年在分宜所著《天工开物》中所做的描述中,可以发现用铁模拉丝：“凡针先锤铁为细条.用铁尺一根,锥成线眼,抽过条铁成线,逐寸断为针……”.1970年,新余仍有老工人在台虎钳上手工拉铁丝.贵州的首饰工匠现在还用手工拉银线.
1834年德国人Wilhelm Albea发明了钢丝绳,同期在英国架起了电报线,并开始做海底电报线.
电机的发明促使了单卷筒拉丝机的出现.为了提高效率和质量,在单拉机实现了2道,甚至3道拉拔（滑动拉丝）,采用了骑马式起线器和水冷技术,模具技术不断提高.1993年,笔者参观堪萨斯州的联合钢丝绳公司时,仍看见他们在用单拉机,不过一个人开6台,盘重大约1 t,效率还是不低.倒立式单拉机和水平卷筒的拉丝机仍得到了大量的使用,适合加工道次少和中大尺寸的钢丝产品,并且很容易实现大盘重生产.
随着交流电机及控制技术的发展,20世纪初发明了连续式拉丝机,降低了人工成本,并提高了拉丝速度.MORGAN是早期主要的拉丝机生产企业之一.20世纪30年代后期Marchal Richard Barcro公司发明了B—B拉丝机（双积线）,改善了冷却,并减少了扭转问题.该设备特别受钢丝绳厂的欢迎,到1976年该公司停业时,已有上千台这样的设备投入使用.
后来出现的拉丝机是活套式,20世纪70年代末德国的KOCH公司发明了直线式调谐辊式SEN-SOR ARM拉丝机.大约1970年发明的窄缝式冷却技术为拉丝速度的提高提供了非常有利的条件.改进卷筒设计、卷筒外风冷、旋转模、直接水冷的采用都是提高拉丝机性能的技术.20世纪90年代起出现了卧式连续拉丝机,主要是出于降低劳动强度的需要,且便于维修.拉细丝时可以两排布置,降低了占地面积,大型的已经发展到直径为1 270mm的卷
筒.
在避免钢丝扭转的同时,直线式拉丝机获得了优秀的道次与速度协调能力.速度更快、质量更好,易操作和维护,可灵活配模,因电气技术的发展使得能耗下降了.
随着数字技术的发展,可以通过一台计算机监控一组拉丝机的工作状态.
干式连续拉丝机的卷简直径是250-1270mm,直流或交流的电机功率为15-160kW.小型干式拉丝机工作速度达到25m/s以上,大型拉丝机的产能已突破2万t/a.
基于滑动拉丝技术的湿拉设备在有色金属及小尺寸钢丝上得到了大量的应用,如铜线、铝线、钢帘线、钢丝绳用钢丝、细弹簧丝等,采用水性或油性的润滑液体.有色线早就已经出现了多根同时拉拔的技术.水箱拉丝机的速度很高,拉拔道次从几次到二十几次,可以实现很大的压缩量,重型水箱可使φ5.5mm的高碳钢线材直接十产品,但是钢丝在水箱中有一些扭转,需要调整平整度的技术和经验.
2、突破速度障碍
拉丝机技术已经取得了很大进步,一些速度记录可以反应当前的成就：进线φ9.5mm拉拔电工铝线时的速度可以达到30m/s以上,拉拔高碳钢细丝也可接近这样的速度；进线φ1lmm的82B钢丝,出线94.22mm的速度记录是12m/s.高速度生产优质钢丝需要全面综合的条件.以下总结和分析了几种影响高速拉拔的因素及突破方向.文中未特别说明时,线材指钢线材.
2.1原料
大盘重可减少接头所需的停机时间,对于提高拉丝设备的作业效率非常重要.有色金属工业在20世纪70年代就引进了先进设备,而钢铁工业的线材大盘重生产开始于80年代的后半期.在1988年以前,盘重300kg线材在中国已经属于大盘重了,有些产品每件甚至只有大约60kg,金属制品企业少量的引进设备只有使用进口大盘重线材时才能发挥效益.1988年在马鞍山出现了第一个盘重约2t的高速线材厂,后来2t左右的盘重逐渐成为国内主流,大盘重线材的出现使得我国有了发展高速拉丝的条件.国外已有了约3t盘重的线材.
原料品质也相当重要.好的线材极少断线,可以拉得更快,确保拉丝机的作业效率；另外,好的线材是优质钢丝的质量基础,可以降低产品成本.拉拔PC钢丝时,好的材料每百口屯断线次数不到一次.钢帘线由于加工工序多,产品直径细,对断线问题更加敏感.现代冶金和轧钢技术改善了金属组织和线材质量,使拉丝更容易,降低了生产成本.
2.2线材表面的准备
线材热轧时表面都会产生氧化铁皮,个别钢铁企业提供酸洗服务,特别是不锈钢线材.多数情况下,拉拔前的表面准备是由钢丝企业完成的.好的表面准备可以确保金属变形时与模具间摩擦正常,对于确保顺利、高速的拉拔非常重要.
最普遍的工艺仍然是酸洗+磷化+硼化（或皂化,或在石灰液中浸泡）.采用振动、超声波和电解等技术,结合一些其他技术,在保证质量的前提下,减少了污染物排放.法国有代替磷化的非反应涂层材料,可减少污染问题.为了解决环保问题,越来越多人采用机械除鳞技术,但实践中也遇到了一些困难,尤其是生产成品钢丝时.
德国的ECOFORM公司推出了在线涂覆技术,采用类似挤塑的技术,将润滑剂涂在钢丝表面,大大改善润滑效果,提高模具寿命和拉拔速度.在应用中,拉拔W（C）=0.83%的碳素钢丝时,
进线直径5.5mm,出线直径2.2mm,成品速度由12m/s提高到了20m/s.将发生在模具里的被动过程变成了易控制的主动过程.
2.3收放线技术
成品出线速度提高后,放线速度自然也要跟上去,但是放线速度快到一定程度以后容易出现乱线、卡线现象,从而制约速度的提升.
选择放线技术的时候要同时考虑前道的收线技术,放线可看作是前道收线的一个逆过程.选择收线技术应进行系统地考虑,主要考虑下道工序的需要.如果是成品就得研究最适合顾客的方式,通常收线技术影响顾客的成本及效率.
盘条一般采用水平叉或竖筒放线,水平叉的鸭舌起到了减少线圈过快跑出的问题,但因容易乱线,水平叉放线速度很难提高.对小直径的钢丝使用工字轮是最理想的高速放线方法.
工字轮可以高速收线,且排线较整齐,有利于再放线.主动式工字轮放线可以实现精确张力控制,不过很少用在拉丝上.有的设备实现了自动换盘,如KOCH的一些钢丝拉丝机和其他公司的一些铝线拉丝机,明显提高了生产效率.
象鼻子（鹅颈）收线也是一种可以实现连续作业的技术,钢丝有一些扭转,可实现大盘重收线或小盘重不停机收线.GCR此类设备设计速度达到了28 m/s,直径为400-760mm.采用倒立式收线没有扭转问题,国外最高设计速度达25 m/s,且可实现大盘重生产.
收放线的张力控制很重要.设备通过张力可判断速度是否协调正常,张力也影响收线的排线质量.被动式放线主要靠制动产生张力,主动放线可采用如力矩电机、活套和张力感应辊等技术.散卷放线被动放线没有张力控制,但需要水平叉的鸭舌产生适当的阻尼.
2.4 润滑
拉拔离不开润滑,润滑失效的可能出现是限制速度的重要原因之一.润滑失效使得钢丝温度剧升,被拉拔金属与模具粘连,导致模具寿命缩短及产品表面损坏等问题.
常用的润滑材料有钙基或钠基的硬脂酸盐（拔丝粉）、润滑油和油脂等.同样的润滑材料在不同厂有时候表现不同,这是因为其他因素导致模具内压力和温度的不同,使得润滑剂的表现不同.
除了2.2所述的润滑技术外,压力模也可实现类似的干涂.无酸拉拔时,在拉丝机前加在线硼化装置是有效果的,且降低了对涂粉技术的要求.在拉丝机的拔丝粉盒里增加一个搅拌器,可避免隧道效应.粉夹是一种卡在钢丝上使拉丝粉更容易带进模具中的工具,有时效果很好,但也可能导致带进模具的粉过多.粉夹的压力和接触形式会影响到使用效果[1].
润滑失效可根据出粉状态判断,正常时不结焦,
塑化的粉粘附在钢丝上,出现问题时出粉很硬,结块
显示出高温的黑色.严重时会出现剧烈摩擦,钢丝
表面磷化膜破损,甚至出现拉拔马氏体及横向裂纹.
2.5 拉丝机
拉丝机的机电特性、冷却能力以及前面讲到的收放线技术都影响到拉丝的速度和质量.高速拉丝需要电机、传动机构、速度协调控制系统及旋转卷筒的动平衡效果的支持.
拉丝系统的热平衡能力也是关键因素,金属拉拔变形过程中的摩擦及变形都产生热量,现代的拉丝机通过模具水冷、卷筒内部水冷及外部钢丝风冷带走热量,速度越快,单位时间产生的热量越多,而拉丝机的冷却能力是有限的.高温导致时效脆性,一般建议出模温度不能高出180℃,220℃以上会出现严重的脆化.
意大利线材技术有限公司提出如下拉丝卷筒冷却水量计算方法：
每个卷筒每分钟冷却水量（20℃）：W20=f·Pinst,其中/是0.7-1.0的系数,Pinst是装机功率.如安装8台75kW电机的连续拉丝机,系数取0.85,其冷却水总供应量（未包括模盒）应为8*75*60*0.85=30.6 t/h.
卷筒内壁的锈蚀对冷却传热影响很大,WAI的钢丝手册[2]上可以查到,0.25mm厚的锈蚀使传热能力下降50%.采用适当的防锈技术应该是有益的,但应注意避免采用低导热性的涂层.
窄缝式冷却已经成为全球流行的技术,也有公司制造直接水冷的V形槽拉丝机,直接水冷法做的成品钢丝呈温热状态,韧性好,强度略低.温度较高时,虽然拉出的拉丝强度更高,但同时有塑韧性损失,即使没到严重的程度,其强度也不能稳定保持.做预应力钢绞线的经验表明,在绞线稳定化后,直接水冷的低温低强度钢丝强度会回升,而很高强度的热钢丝其强度会有一个明显的损失.神户制钢于20世纪70年代研究出模后钢丝直接水冷,用了两年时间才将此技术实用化.也有企业曾在卷筒旁进行喷水雾的尝试.
斜卷筒设计是改善冷却、提高速度潜力的有效手段.因为斜卷筒增加积线高度,即增加钢丝在卷筒上的冷却时间.增加卷筒数量也是一种设计思路,这可以减少每道的压缩率,即减轻每道次冷却系统的负荷.
为高速生产,也有公司研究出不停机的钢丝拉拔技术,采用3 t盘重防乱线放线技术,前4道高积线,打轴机自动换盘,工字轮的容量达3t.
2.6改进拉拔工艺
韩国的研究者采用了等温度的压缩率分配原则[3],即将各道出模预测温度都控制在166℃,避免了传统分配方法第一道冷却能力利用不足的问题.这样的分配结果是压缩率从第一道起逐步下降,充分利用了每道次的冷却能力.一般的经验做法是将第一道压缩率控制在较低水平,这可以在第一道实现较好的润滑剂涂覆效果,但此效果同时受润滑剂特性、压缩量、速度和冷却能力的影响.更理想的是应综合考虑拔丝粉的特性和表现、设备性能、冷却能力、材料变形能力和总压缩率,在保证质量的前提下发挥设备潜力.
采用压力模可以提高润滑效果,并提高材料拉拔变形时的塑性,有利于提高速度.
在拉丝机上装辊模进行拉拔也可以实现高速拉拔,采用辊拉方法生产钢丝时,比固定模获得更加强烈的[110]织构,变形均匀,发热更少,具有较高的强度指标和塑性指标[4].一种注册商标为MICROROLLING的技术已经应用于加工铜、锌、铝、钛、铜合金、铝合金、碳素钢、不锈钢、工具钢丝及气保焊丝和药芯焊丝等.加工φ1.8mm的中、高碳钢丝时,出线速度达到了16m/s,同规格的软线速度可达25m/s.
3、结语
为了更快更好地拉丝,我们应注意以下几点：（1）采用盘重尽量大的优质原料；（2）做好适合后续高速加工技术的表面准备,甚至可与拉丝机整合在一条线上；（3）采用适当的收放线技术,防止乱线和断线,适应相应的拉丝速度；（4）采用适当的润滑剂,适应预期的加工条件；（5）采用控制稳定、无扭转、冷却优良的高速拉丝机,甚至可用辊拉方式实现变形过程；（6）综合地考虑表面准备、润滑、冷却、模具及材料特性在拉丝过程的影响,在控制温度和确保表面质量的前提下充分利用设备的冷却及速度潜力.