CN114686788B - 一种高效率防氧化的罐式退火工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铜线加工技术领域，公开一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其工艺路线为：线材装罐——第一次抽真空——充保护气测试密封——预加热——第二次抽真空——充保护气——加热恒温——循环冷却——线材出罐。本发明通过预加热可以将残留在线材表面的有害物质汽化排出，大大降低了线材被腐蚀氧化的风险，特别是在高温、高湿的季节；大大提高了产品质量合格率。经实际生产试验，采用这种改进的罐式退火工艺进行生产，铜线退火后表面变色、发黑率由原来的9.5%降至1.8%以下，并且取消了砂纸打磨补救工序，效果改进极为明显。
Description
技术领域
本发明涉及铜线加工技术领域，尤其涉及一种高效率防氧化的罐式退火工艺。
背景技术
铜材经过拉制或压制成要求尺寸线材的过程，属于金属的冷加工过程，其内部晶粒组织会变得粗大，而且排列会发生变化，导致铜材表现为“硬”的状态。此时铜材的强度升高，塑性及延展性降低，同时电阻也会增大。为了消除铜材内的应力，恢复铜材应有的塑性和延展性，就必须采取一定措施对其内部的晶粒组织进行重新规则排列，使晶粒得以细化，同时可以消除内应力，这个过程就是我们常称的——退火。铜材经过高温退火处理后，可以改变其内部晶粒组织排列，使之重新恢复良好的塑性和延展性，以便于下道工序的加工和使用，同时其电阻也会有一定程度的降低，可以提高其导电性。
目前，常用的铜线退火工艺有三种：从最早的罐式退火工艺到多头管式连续退火，再到拉丝连续退火。三种退火方式各有特点与不足，应根据线材的规格和用途采取最佳的退火方式。三种退火方式的比较如表1所示。
表1、三种退火方式的比较。
| 退火方式 | 速度/时间 | 适用规格 | 大规格圆线/扁线 | 线盘大小 | 连续方式 | 对成品尺寸影响 |
| 罐式退火 | 35-40小时 | 所有规格 | 适合 | 无限制 | 不能连续 | 无 |
| 管式退火 | 100-350m/min | 0.05-0.40mm | 不适合 | 收线盘较小 | 可连续 | 有 |
| 拉丝连续退火 | 150-1000m/min | 0.30-3.00mm | 不适合 | 400#-800# | 可连续 | 有 |
表1中，#代表直径，单位为mm。
通过以上对比可以看出：罐式退火是历史最久的一种退火工艺，其工艺路线为：线材装罐——抽真空——充保护气测试密封——加热恒温——冷却（风冷+水冷）——线材出罐。具体工艺操作如下：线材装罐后锁紧固定螺母，然后抽真空至0.002MPa以下，一般操作0.5—1小时左右；然后充入保护气。吊入加热炉进行加热，加热恒温的时间一般为4—5小时；然后吊出风冷2小时；之后进入水冷，一般时长在28—30小时，高温季节时间会更长些。有些厂家采取将水制冷，虽会缩短一点冷却时间，但又大大增加了成本。由于罐式退火工艺耗时时很长，导致生产效率很低，人力成本高，而且操作上容易导致线材氧化，很多时候被后来新退火方式所替代。
随着铜扁线以及铜绞线的广泛应用，现代化精益生产和精准控制的要求，大规格圆线以及扁线退火的工艺需要，罐式退火方式便成为不可舍弃的唯一方式。它以不限制线材规格，线盘容量大，不影响成品线材尺寸，线材柔软等优点，仍被大规格线材退火所采用。但是罐式退火所存在的周期长，效率低，线材容易被氧化（特别是在高温、高湿的季节），人力成本高等不利因素也一直在困扰着该工艺。因而，如何提高罐式退火工艺的效率、保证其退火的线材不被氧化、降低该工艺的生产成本，便成为一项很有实际意义的研究课题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种退火效率高且降低氧化几率的罐式退火工艺。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，主要按如下步骤进行：1）线材装罐，将待退火线材装进退火罐，并密封；2）第一次抽真空，真空度抽至0.002MPa以下；3）充保护气测试密封，向第一抽真空后的退火罐内充入保护气，充气至0.2MPa以上，测试退火罐的密封性是否完好；4）预加热，将充入保护气的退火罐进行预加热，预加热至150-160℃；5）第二次抽真空，对预加热后的退火罐再次进行抽真空操作，第二次抽真空至0.05±0.01MPa；6）充保护气，对第二次抽真空后的退火罐再次充入保护气，充气至0.24±0.02MPa；7）加热恒温，对充入保护气的退火罐按工艺要求温度进行加热恒温，去除线材内应力，达到线材晶粒组织细化的目的，使线材变的柔软；8）循环冷却，在温降缓慢的时间段，采取主动强制保护气进行循环冷却；9）线材出罐。
更为优选的是，在步骤8）循环冷却步骤中，温降缓慢的时间段为自然冷却2—4小时后。
更为优选的是，所述循环冷却步骤是通过与退火罐构成循环回路的储气冷却罐来实现的；利用循环管路将储气冷却罐与退火罐连接，在循环管路上设有循环泵，在储气冷却罐上设有充气口和压力表。
工作时，先通过充气口往储气冷却罐内预先充入需要的冷却保护气，再将需要冷却的退火罐连接在预先铺设好的循环管路中，启动循环泵，强制冷却气进行循环。
更为优选的是，在整个循环冷却过程中，储气冷却罐的充气压力始终维持在0.125—0.3MPa范围内。
更为优选的是，在所述循环管路上设有一个、两个或多个退火罐连接工位；当退火罐连接工位为两个以上时，各所述退火罐连接工位并联。
更为优选的是，对应所述储气冷却罐设有有冷却装置，所述冷却装置为载有冷却液的容器、散热装置或换热装置。
更为优选的是，所述保护气为净化纯度达到99.999%以上的氮气。
更为优选的是，在所述退火罐内放置有酒精，酒精放置量为每立方米空间不小于50g，酒精的浓度不小于97%。
更为优选的是，线材出罐后进行缓蚀包装处理；用浸有缓蚀剂苯并三唑的包装纸包覆出罐的铜线卷，减缓铜的电化学腐蚀。
本发明的有益效果是：一、充入大量保护气，补充了传热媒介，加快了热量的传递，提高了加热效率；同时保证了线材在整个工艺过程中的质量安全，防止了在预加热环节温度超控造成对线材的氧化。
二、通过预加热可以将残留在线材表面的有害物质汽化排出，大大降低了线材被腐蚀氧化的风险，特别是在高温、高湿的季节；大大提高了产品质量合格率。经实际生产试验，采用这种改进的罐式退火工艺进行生产，铜线退火后表面变色、发黑率由原来的9.5%降至1.8%以下，并且取消了砂纸打磨补救工序，效果改进极为明显。
三、本发明工艺只需要空冷即可，减去了水冷环节，不仅可减去了水池占地面积和费用，而且简化了吊装操作流程。并且，通过主动循环干预，使退火罐内的气体主动有效循环，大大加快了线材冷却，大大缩短了工艺时间。提高了生产效率，降低了人力成本。
附图说明
图1所示为本发明提供的罐式退火工艺冷却原理图。
附图标记说明。
1：储气冷却罐，2：循环泵，3：退火罐，4：循环管路，5：压力表，6：充气口。
具体实施方式
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其工艺路线为：线材装罐——第一次抽真空——充保护气测试密封——预加热——第二次抽真空——充保护气——加热恒温——循环冷却——线材出罐。
下面逐一对该工艺路线解释，以下说明中提到的气压均为退火罐内的绝对气压值。
1）线材装罐，将待退火线材装进退火罐，线材装罐完成后，拧紧退火罐各部位锁紧螺母，并开始对退火罐进行抽真空操作。
2）第一次抽真空，真空度抽至0.002MPa以下，约30分钟。第一次抽真空是为了排除退火罐内残存的氧气，防止在后续加热过程中对线材造成直接氧化。
3）充保护气测试密封，向抽过真空的退火罐内充入保护气，充气至0.2MPa以上，测试退火罐的密封性是否完好。测试密封的保护气也能为下一步的加热增加热传导物质，加快热量的传递，使待退火线材受热均匀，缩短加热时间；同时又可以防止预加热阶段由于温度的超控而对线材造成氧化。
4）预加热，将充入保护气的退火罐进行预加热，预加热至150-160℃。预加热的目的是，将残留在线材表面的拉丝油等物质汽化，从线材表面分离出来，便于抽真空清除，消除残留物（拉丝油）对线材造成质量问题的风险。
5）第二次抽真空，对预加热后的退火罐再次进行抽真空操作，第二次抽真空至0.05±0.01MPa。第二次抽真空的目的是，将线材表面分离出来的“汽化”残留油物排出退火罐外，以免对线材造成腐蚀氧化影响。
6）充保护气，对第二次抽真空后的退火罐再次充入保护气，充气至0.24±0.02MPa。第二次充入保护气是为了补充热传导物质，加快热量的传递，缩短加热和冷却的时间，同时对线材进行防氧化保护，以免线材被氧化。
7）加热恒温，对充入保护气的退火罐按工艺要求温度进行加热恒温。加热恒温是为了去除线材内应力，达到线材晶粒组织细化的目的，使线材变的柔软。
8）循环冷却，在温降缓慢的时间段，自然冷却2—4小时后，采取主动强制气体循环冷却。循环冷却是为了加速线材表面气体流动速度，增强气体的循环，达到线材快速冷却的目的，缩短线材冷却时间，提高本工艺的生产效率。
9）线材出罐。为更好地避免铜丝表面变色，延长产品可放置时间，优选线材出罐后还进行缓蚀包装处理，即，用浸有缓蚀剂苯并三唑的包装纸包覆出罐的铜线卷，减缓铜的电化学腐蚀。
本实施例提供的罐式退火工艺，其优势在于：1）充入大量保护气，补充了传热媒介，加快了热量的传递，提高了加热效率；同时保证了线材在整个工艺过程中的质量安全，防止了在预加热环节温度超控造成对线材的氧化。
2）通过预加热可以将残留在线材表面的有害物质汽化排出，大大降低了线材被腐蚀氧化的风险，特别是在高温、高湿的季节；大大提高了产品质量合格率。经实际生产试验，采用这种改进的罐式退火工艺进行生产，铜线退火后表面变色、发黑率由原来的9.5%降至1.8%以下，并且取消了砂纸打磨补救工序，效果改进极为明显。
3）本发明工艺只需要空冷即可，减去了水冷环节，不仅可减去了水池占地面积和费用，而且简化了吊装操作流程。并且，通过主动循环干预，使退火罐内的气体主动有效循环，大大加快了线材冷却，大大缩短了工艺时间。提高了生产效率，降低了人力成本。
图1所示循环冷却的原理图。具体的冷却结构为，设置储气冷却罐1，并利用循环管路4将储气冷却罐1与退火罐3连接，在循环管路4上设有循环泵2，在储气冷却罐1上设有充气口6和压力表5。
工作时，先通过充气口6往储气冷却罐1内预先充入需要的冷却保护气，充气压力维持在0.125—0.3MPa范围内。将需要冷却的退火罐3按顺序连接在预先铺设好的循环管路4中，启动循环泵2，强制冷却气进行循环。
当出炉的退火罐经过了在空气中自然冷却2—4小时（具体要根据当时的环境温度而定）的快速降温后，退火罐内外温差变小而罐内的气体循环动能不足时，即可采取如图1所示的主动多级并联循环法，可加快线材表面气体循环流动速度，从而大大缩短线材的冷却时间。同时线材冷却充分，杜绝了氧化的产生，大大提高了产品质量合格率。
需要强调的是，在循环冷却过程中，需要全程确保储气冷却罐1内的压力始终保持为一定正压力；这样可以取得最佳的冷却效果，一般操作5—8小时即可充分冷却。
在一些实施例中，所述储气冷却罐可以置于水或其他冷却液中，也可以在所述储气冷却罐上增加散热或换热装置；可以起到更好的冷却效果。
另外需要说明的是，就拉丝铜线而言，其腐蚀是一个十分复杂的过程。环境介质的组成、性质、温度、金属的表面状态、化学成分、组织结构、应力状态都可对腐蚀造成很大的影响。铜在空气中的氧化，常温下就可以进行，在铜表面生成一层很薄的氧化膜。在退火罐内，高温下最易引起铜化学腐蚀的原因是罐内含有一定浓度的氧，如罐内未抽净的空气、保护气中含有的氧气、冷却过程中罐内保护气压低于大气压时因密封不严而渗入的空气等。
为了验证退火罐内氧对铜线的腐蚀作用，本发明人在试验室中利用真空炉模拟实际的退火工艺 (但不通保护气)对紫铜试样进行试验，从试验结果看，在真空度较低的情况下，退火罐内存在着明显的化学腐蚀作用。但在实际生产中发现，当严格控制退火罐内气氛的纯度(氧浓度很低)后，退火铜线出罐后若干时间(一般是几十分钟至几小时)，铜线表面仍然出现变色、发黑的现象。本发明人根据多年经验并经长期研究发现，这种现象主要是由残留在铜线表面的拉丝润滑油对铜线表面的腐蚀引起的。为了验证润滑油对铜线的腐蚀作用，在真空炉内模拟实际的退火工艺对表面涂覆拉丝润滑油的紫铜试样进行了试验，从试验结果可见，润滑油的存在会引起铜线表面严重的腐蚀。残留在铜线表面的拉丝润滑油，在退火温度下，其中的饱和烃类、酯类物质裂解后产生的活性碳原子、一氧化碳等裂解产物能还原CuO（氧化铜），破坏铜线表面的氧化膜层，引起铜线表面活化，使活性碳原子沉积在活化表面(如残留的润滑油较多，会在铜线表面沉积一层碳黑)， 此外，润滑油中的硫（S）等杂质也与铜发生反应，产品出罐后，在大气中，附着在铜线表面的碳或CuS(硫化铜) 能与铜组成腐蚀原电池，使铜表面进一步腐蚀变色，同时，沉积在铜线表面的微小碳颗粒能吸附大气中的SO2(二氧化硫) 和水汽，在铜线表面形成有腐蚀性的酸性电解液，生成一层可见膜，这样在铜线表面既发生原电池腐蚀反应，又发生酸性腐蚀反应，使铜线表面变色。
而本申请采用预加热和第二次抽真空相结合的方式，大大降低了线材发生氧化的风险，提高了线材质量合格率。经实际生产试验，采用这种改进的罐式退火工艺进行生产，铜线退火后表面变色、发黑率由原来的9.5%降至1.8%以下，完全可以取消传统的砂纸打磨补救工序，效果改进极为明显。
本实施例中，所述保护气优选为净化纯度达到99.999%以上的氮气，避免氧、水蒸汽等有害气体进入退火罐。同时退火罐内还放置有酒精，酒精放置量为每立方米空间不小于50g，酒精的浓度不小于97%。加温过程中，酒精挥发可以反应掉残留的微量氧气（罐内铜线工艺退火温度在200℃以上，酒精燃点只需75℃以上），生成二氧化碳和水，充当了有效保护气体，当铜线已在空中氧化，酒精能将氧化铜还原成铜，双重措施确保烧炖过程中杜绝氧气、从而不发生铜线高温氧化，避免高温氧化带来的化学腐蚀、铜线表面氧化变色。
与现有技术相比，采用本发明提供的罐式退火工艺后，大大缩短了线材冷却时间，整体可缩短20-22小时，大大提高了生产效率；降低了线材发生氧化的风险；提高了线材质量合格率；降低了人工成本；同时可以去掉水冷的过程，不仅减小了占地面积，而且简化了吊装操作程序。在实际生产中具有重要意义。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
Claims (8)
1.一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，主要按如下步骤进行：
1）线材装罐，将待退火线材装进退火罐，并密封；
2）第一次抽真空，真空度抽至0.002MPa以下；
3）充保护气测试密封，向第一抽真空后的退火罐内充入保护气，充气至0.2MPa以上，测试退火罐的密封性是否完好；
4）预加热，将充入保护气的退火罐进行预加热，预加热至150-160℃；
5）第二次抽真空，对预加热后的退火罐再次进行抽真空操作，第二次抽真空至0.05±0.01MPa；
6）充保护气，对第二次抽真空后的退火罐再次充入保护气，充气至0.24±0.02MPa；
7）加热恒温，对充入保护气的退火罐按工艺要求温度进行加热恒温，去除线材内应力，达到线材晶粒组织细化的目的，使线材变的柔软；
8）循环冷却，在温降缓慢的时间段，采取主动强制保护气进行循环冷却；
9）线材出罐；
所述循环冷却步骤是通过与退火罐构成循环回路的储气冷却罐来实现的；利用循环管路将储气冷却罐与退火罐连接，在循环管路上设有循环泵，在储气冷却罐上设有充气口和压力表；
工作时，先通过充气口往储气冷却罐内预先充入需要的冷却保护气，再将需要冷却的退火罐连接在预先铺设好的循环管路中，启动循环泵，强制冷却气进行循环。
2.根据权利要求1所述的一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，在步骤8）循环冷却步骤中，温降缓慢的时间段为自然冷却2—4小时后。
3.根据权利要求1所述的一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，在整个循环冷却过程中，储气冷却罐的充气压力始终维持在0.125—0.3MPa范围内。
4.根据权利要求1所述的一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，在所述循环管路上设有一个、两个或多个退火罐连接工位；当退火罐连接工位为两个以上时，各所述退火罐连接工位并联。
5.根据权利要求1所述的一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，对应所述储气冷却罐设有冷却装置，所述冷却装置为载有冷却液的容器、散热装置或换热装置。
6.根据权利要求1所述的一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，所述保护气为净化纯度达到99.999%以上的氮气。
7.根据权利要求1所述的一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，在所述退火罐内放置有酒精，酒精放置量为每立方米空间不小于50g，酒精的浓度不小于97%。
8.根据权利要求1所述的一种高效率防氧化的罐式退火工艺，其特征在于，其特征在于，线材出罐后进行缓蚀包装处理；用浸有缓蚀剂苯并三唑的包装纸包覆出罐的铜线卷，减缓铜的电化学腐蚀。
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