產品設計與工藝配套分析

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摘要:文章通過對剛性防火電纜生產方式與使用需求的分析，設計生產專用于剛性防火電纜護套用銅帶產品所需的產品特性，以及與之相配套的生產工藝。

關鍵詞:剛性防火電纜;護套;銅及銅合金帶材;產品設計;工藝配套

防火電纜是對具備防火性能電線電纜的總稱。常見的防火電纜中，礦物絕緣電纜(MineralInsulatedCable)簡稱MI電纜，作為配線使用時，國內習慣稱作礦物質電纜或剛性防火電纜。GB/T13033－2007《額定電壓750V及以下礦物絕緣電纜及終端》為我國關于礦物絕緣電纜的產品標準。根據線芯和護套電壓的不同將礦物絕緣電纜分為輕型BTTQ(500V)和重型BTTZ(750V)兩個系列。典型的剛性防火電纜采用高導電率的實心銅芯導線作導體，高度壓縮的粉末狀氧化鎂作絕緣，銅及銅合金帶材焊接銅管作護套制作而成。因其優異的防火能力及產品特性，在保障火災情況下消防水泵、消防電梯、重要負荷、應急疏散指示、以及防、排煙系統等重要消防設備用電場合尤為適用，可充分滿足火災現場消防救援的需要，能夠為居民的安全和逃生提供更好保障。據國家有關部門統計，在火災起因中由于電氣線路引起的火災占50%以上。隨著國內生活水平的提升與全員安全意識的增加，在全社會消防防護等級需求逐步提升的當前，剛性防火電纜使用市場需求呈激增態勢，而配套剛性防火電纜護套生產所需的銅及銅合金帶材，僅在GB/T13033－2007中籠統描述為普通退火銅或銅合金材料。在目前國內銅及銅合金產品市場中，尚無面向剛性防火電纜護套用銅帶的專用品種，而常規銅及銅合金帶材產品無法完整契合剛性防火電纜從生產到使用的總體需求，專用配套銅帶產品亟待針對性的設計開發。

1剛性防火電纜護套用銅帶的性能需求分析

材料的結構決定性能，性能決定其最終的用途。根據具體產品的用途，通常可將配套材料的性能分為滿足使用性需求的性能(即滿足生產產品過程的需求)，以及滿足功能性需求的性能(即實現產品具體功能過程的需求)兩大類。按照這一思路，針對性設計滿足剛性防火電纜護套用銅帶產品應具備下列性能。1．1使用性需求。目前國內最普遍采用的剛性防火電纜生產方式為銅帶縱包氬弧焊接連續軋制在線退火生產。主要流程為導體與銅帶放卷、縱包銅帶并連續氬弧焊焊接、鎂粉垂直灌裝、多道軋制、在線退火等。其原理是將銅帶豎直縱包焊接，利用氧化鎂粉比重大的特性實現氧化鎂粉豎直灌裝到焊接成型的銅管中，然后利用多道軋制將銅管內的氧化鎂粉軋實，以便固定導體線芯不偏移。進一步水平軋制定徑，將電纜外經軋制到標準尺寸;最后經過退火、冷卻、烘干等裝置收卷成纜。根據這一生產方式，可提煉配套專用于剛性防火電纜護套用銅及銅合金帶材產品應具備的性能包括:1)適應生產線開卷/收卷能力最大化的單位重量，避免生產過程頻繁更換帶卷;2)適應產品縱包生產的尺寸精度與分切精度，及整體范圍內的精度穩定性;3)適應產品連續氬弧焊焊接的焊接能力，避免焊接質量不良或焊接不連續;4)適應產品多道軋制的產品塑性成形能力，避免軋制過程開裂斷纜分卷。1．2功能性需求。剛性防火電纜具備操作溫度高、耐火、防爆、防水、防潮、壽命長、機械強度高、載流量大、接地性好、電磁屏蔽性能優異、防動物啃咬等一系列產品優點。同時也存在可靠性差，礦物絕緣層容易吸濕、不耐水，電纜長度固定，無法按客戶需要定制比較長的電纜，鋪設工藝復雜，需要做專門連接頭，整體一致性要求高，零星漏焊等異常造成整根電纜失效等劣勢。從揚長避短的角度出發，可提煉配套專用于剛性防火電纜護套用銅及銅合金帶材產品應具備的性能包括:1)適應產品高操作溫度、耐火需求下的高熔點;2)適應產品接地需求下的導電能力;3)適應產品長度定制需求下最大化的單位重量;4)適應大長度連續產出需求下的整體均勻性及穩定性。

2剛性防火電纜護套用銅帶產品設計

在GB/T13033－2007《額定電壓750V及以下礦物絕緣電纜及終端》中，僅籠統描述為普通退火銅或銅合金材料。結合對剛性防火電纜護套用銅帶的性能需求分析，在常規銅及銅合金帶材產品技術指標的基礎上，設計剛性防火電纜護套專用銅帶技術指標。2．1產品規格選擇。根據剛性防火電纜的導體標稱截面積以及具體芯數，GB/T13033－2007中對成型后剛性防火電纜的護套厚度有明確指標要求。結合各剛性防火電纜生產企業自身具體生產過程軋制道次參數的設計，護套專用銅帶的產品規格集中在厚度0．8mm～2．0mm，寬度按照電纜直徑倍尺的區間。2．2產品尺寸精度設計。在護套專用銅帶的尺寸精度設計上，需保障縱包成型焊縫尺寸的精確穩定，以獲取穩定均勻的焊縫及成型精度。其厚度、寬度、毛刺、側彎指標在滿足GB/T17793－2010《加工銅及銅合金板帶材外形尺寸及允許偏差》高精級指標的基礎上，重點應管控整卷范圍內波動區間的穩定一致。如厚度公差精度滿足±0.015mm標準的基礎上，其波動范圍應控制±0．005mm以內。同時，為保障繞包焊接成型過程的順利實施，產品寬度公差精度應按技術指標上限－0.15mm區間保障。2．3產品形狀外觀設計。根據剛性防火電纜大長度定制生產，以減少鋪設接頭的需求，在護套專用銅帶的形狀外觀設計上，產品內徑/外徑選擇應與剛性防火電纜生產線開卷/收卷能力相適應，其成品帶材單位重量應≥12kg/mm，以此滿足當前國內以建筑高度100m為防火等級分界線條件下剛性防火電纜的長度需求。2．4產品表面狀態設計。銅帶縱包氬弧焊接連續軋制在線退火生產方式的核心管控點是氬弧焊的連續穩定實現。除護套專用銅帶材質、尺寸精度的影響外，最核心的就是護套專用銅帶的標準狀態。在保障表面無氣孔、分層的基礎要求外，核心需保障表面清潔、無油污，產品表面殘油量經脫脂清洗后需控制≤10mg/m2•面。2．5產品化學成分設計與牌號選擇。根據剛性防火電纜高熔點、高導電能力、高成分純度及成分均勻性需求，在護套專用銅帶化學成分設計上宜以高純無雜、無氧或低氧，或僅含有改善焊接效果的磷元素的銅及銅合金牌號為目標，如牌號TU1/T2/TP2。其中優選加磷除氧的TP2牌號，該牌號具備最優的成分穩定性與焊接穩定性。2．6產品力學性能設計與狀態選擇。根據剛性防火電纜縱包焊接多道次軋制的加工需求，在護套專用銅帶的力學性能設計上應在滿足產品縱包過程成型精確的基礎上，為焊接成管后的多道次軋制預留塑性加工能力。根據不同規格防火電纜各自的軋制道次需求，力學性能應總體設計在H02～H04狀態之間取值，其中優選H02狀態以保障護套成型精確。

3剛性防火電纜護套用銅帶工藝配套

為保障剛性防火電纜護套用銅帶最終逐一實現上述產品特性，在常規銅及銅合金帶材產品生產工藝的基礎上，還需重點實施下列配套工藝。3．1供坯工藝配套。當前國內TU1/T2/TP2牌號銅帶供坯工藝主要包括立式半連鑄+熱軋方案、水平連鑄方案及擠壓供坯方案三種。三種方案均可滿足形狀外觀與尺寸精度的需求，但相較于水平連鑄方案產出錠坯易分層、疏松的特性，及擠壓供坯方案產出鑄坯尺寸規格不靈活的特性，立式半連鑄+熱軋方案經由高溫大加功率產出的鑄錠能夠有效避免分層、疏松，且規格品種齊全，配置靈活，宜作為護套專用銅帶的優選供坯工藝。當然，立式半連鑄+熱軋方案也存在因設備投資大、占地多、工序繁雜而帶來的產品成本劣勢。3．2熱處理工藝配套。為保障護套專用銅帶在整卷范圍內的性能準確、均一，在熱處理工藝配套上，尤其是成品退火環節，宜優選展開式連續退火方案。部分護套專用銅帶因規格過大(≥1．5mm)無法實現展開式連續退火方案時，應采取風機變頻控制的高精度鐘罩式退火爐實施退火作業，保障罩式爐爐內控溫精度≤±5℃。3．3表面清洗工藝配套。表面清洗工藝直接影響著護套專用銅帶的可焊性與焊接穩定性。實現護套專用銅帶產品表面殘油量≤10mg/㎡•面，且銅帶表面無殘留銅粉、臟污等異物，需在控制冷軋工序表面殘油量≤200mg/㎡•面的基礎上，對表面清洗工序的脫脂環節配備預脫脂、脫脂、熱水沖淋的系統脫脂工藝，并實施產品表面拋光。特別的，需在銅帶最終烘干前對帶材實施由新鮮水噴淋的表面清理工序。3．4精密分切工藝配套。傳統的分切工藝不可避免會在裁切端面產生毛刺，對護套專用銅帶產品而言，毛刺的存在將導致連續氬弧焊過程電弧不穩，甚至漏焊。盡管通過邊部處理能在一定程度上緩解毛刺的影響，但風險依然存在。對應護套專用銅帶的裁切工藝應采取直接裁切為矩形端面，以無毛刺為目標的裁切方案。具體裁切工藝宜在傳統工藝的基礎上，按照零側隙、負刀縫及斷壓方式配套實施。3．5成套生產工藝流程。綜合上述工藝配套，剛性防火電纜護套用銅帶的生產工藝流程為:備料→加料→熔煉→立式半連鑄→鋸切→步進爐加熱→熱軋→離線銑面→粗軋→粗裁定尺→罩式爐退火→清洗機列清洗→中精軋機冷軋→罩式爐退火→清洗機列清洗→中精軋機冷軋→罩式爐退火→清洗機列清洗→精密分切→包裝→稱重→入庫→發貨出庫。

4結束語

緊貼剛性防火電纜護套的功能需求，立足于常規銅帶產品生產工藝流程與工藝參數，在不增加銅帶生產設備投入與操作難度的基礎上，通過生產工藝流程的優選，工藝參數的調配，以及核心技術指標的對應，針對性產出的護套專用銅帶產品，無論在滿足電纜功能性還是匹配電纜生產上，均完全符合市場需求，且大幅降低了因護套質量異常造成的電纜生產過程的報廢浪費。我公司按上述產品設計與工藝配套所生產的剛性防火電纜護套用銅帶產品，自2019年下半年投產至今，在得到市場客戶充分認可的情況下，已向國內眾多知名防火電纜生產企業成功銷售近萬噸產品，取得了顯著的經濟效益與社會效益，證明該護套專用產品的設計與工藝配套成熟可靠。在當前國內外銅及銅合金產品升級大力推行高純化、合金化的過程中，充分研究市場客戶使用端的應用需求，圍繞具體產品的需求實施設計，以個性化及微創新打造適應個性化需求的定制功能性產品，推動產品升級，培育企業產品在市場上的核心競爭力，同樣不失為實現產品升級目標的途徑之一。

作者:劉建 新志凌 胡勇 單位:安徽楚江科技新材料股份有限公司