年产3万吨铜及铜合金板带材车间设计开题报告

年产3万吨铜及铜合金板带材车间设计开题 江 西 理 工 大 学 本 科 毕 业 设 计(论文)开 题 报 告 材料科学与工程学院 金属材料专业 2010级(2014届)2班 学号29 学生吴倩 题 目: 年产3万吨铜合金板带材生产车间工艺设计 专题题目(若无专题则不填): 本课题来源及研究现状: 铜及铜合金板带材是重要的铜加工产品, 占世界铜加工材总量的 35% 左右。近 10年来, 世界经济蓬勃发展, 特别是以中国为代表的新兴发展中国家的国民经济高速发展, 带动了铜及铜合金板带材需求量及产量迅速攀升。 2004年 , 但由于中国高精铜板带加工技中国铜板带材的产量和消费量都跃居世界首位 术落后, 大量经济建设急需的高精铜及铜合金板带材还严重依赖进口, 导致我国成为世界铜板带材最大的进口国。 2006年进口铜板带 2818 万吨, 主要是现代工业技术急需的高精铜及铜合金板带, 如高品质电连接器铜合金带材 (接插元件带材 )、集成电路引线框架带材、变压器带、汽车水箱带、高档压延柔性铜箔等。这说明中国铜板带材的品种、质量及生产技术明显落后于发达国家。预计 2016年我国铜板带缺口在 50万吨左右。因此, 有地建设现代化高精板带项目, 对缓解我国高精板带供求矛盾, 合理利用我国紧缺的铜资源, 提升我国铜板带生产技术水平具有重要意义。 1.1 全球铜行业市场现状分析 近10年来，世界铜的产量与消费量比较平稳，没有大的起伏。产量略有上升，但幅度不大，消费增长也较缓慢。 全球7月铜供应短缺15.1万吨;1-7月供应短缺9.3万吨，2012年同期为短缺55.2万吨。ICSG称，中国精炼铜表观需求量创纪录高位。数据显示，年初迄今的全球消费量增加1.6%，中国消费量增加2.3%，美国增加4.2%，欧洲增加1.5%。年初迄今的废铜供应攀升11%，智利精炼铜产量减少5.8%，中国产量增加15%。 图表1-1 ICSG全球精炼铜供需平衡表 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 全球消费 16962 18216 18057 18215 19438 19964 20500 21265 21903 增速 7.39% -0.87% 0.88% 6.71% 2.71% 2.68% 3.73% 3.00% 全球供给 17311 18107 18434 18351 19099 19650 20144 21093 22196 增速 4.60% 1.81% -0.45% 4.08% 2.88% 2.51% 4.71% 5.23% 剩余 349 -109 377 136 -339 -314 -356 -172 293 世界金属统计局(WBMS)称,今年1-9月全球铜市场供应过剩163,000吨，2012年为过剩240,000吨。WBMS公布的数据还显示，1-9月，全球铜消费量为1,559.3万吨，而上年同期的消费量为1,511.5万吨。其中，中国1-9月铜表观消费量增长37.7万吨至698.1万吨，占全球需求总量的44%。1-9月，全球精炼铜产量增长6.2%至1,330万吨，中国增幅尤为显著。2013年9月，全球精炼铜产量为176.4万吨，消费量为188.2万吨。 图表1-2 ICSG全球精炼铜月增长图 我国是铜资源和铜产品短缺国家，虽然近年来我国铜产量有相当快速的增长，但同期铜的消费量增长更快，消费增长速度明显大于生产增长速度。国内一系列提振经济的政策对铜产品需求量的增大有明显的拉升作用，随着通信、电力等基础设施建设的推进以及汽车和信息技术产品的普及，今后中国对电线等各类铜产品的需求将大幅度增长。 我国是全球最大的精炼铜生产国，随着全国铜生产企业冶炼能力的快速提高， 全国精铜产量从2004年的217万吨增长至2012年的582.35万吨。 今年前三个季度，中国共生产精炼铜495.56万吨，同比增长12.89%。预计2013年精铜产量达到659.57万吨，同比增长13.26%，消费量达到967.36万吨，同比增长9.43%.我国今年的精铜生产亦创下历史新高，而伴随我国冶炼产能的扩张，预计未来我国精铜产量将持续增长。 目前，我国自产铜精矿含铜量居世界第6位，粗铜和电解铜产量居世界第1位，铜加工材产量居第1位。作为世界第一大铜消费国，我国铜消费量占全球铜消费量的1/3，但我国铜工业产业结构发展不平衡，呈倒三角结构。受铜矿资源匮乏、矿石品位低的影响，我国铜资源自给率仅为20%左右，铜精矿大量依赖进口，原料供应已经成为制约我国铜产业发展的瓶颈因素。 我国精炼铜产量、消费量从2010年以来一直处于上升的态势，国内的铜产量尚不足以满足日益增加的铜消费量，大约三分之一的铜来自于进口，说明我国对铜的进口依赖还是比较大的。总体上，我国铜呈现出供过于求的局面，2010年超额供应65.6万吨，2011年超额供应53.4万吨，2012年超额供应106.5万吨。部分企业的减产和停产可能会刺激铜进口，但是中长期对铜价影响有限. 图表1-5 中国精炼铜消费量将持续增长 图表1-6 精炼铜进出口数据 1.2 中国铜加工业发展分析 铜是一种人类社会进步不可缺少的宝贵金属材料。它的资源有限与需求旺盛，迫使人们接受如下的现实:铜作为普通材料已成往事，它将以稀缺材料登场，铜价的推高、铜工业精密化已不可逆转。 我国铜资源严重短缺，国内资源供给率不足25%，我国精铜(电解铜)产量已居世界第一位，但生产电解铜用原料中铜精矿粉、再生铜等主要依靠进口，国产矿产铜只占四分之一，铜原料短缺已成为我国经济发展的严重制约因素，充分利用国外资源，节约铜的消费、做好铜的综合利用，推进技术创新等已迫在眉睫。 精铜90%被加工成各种铜材，因此，精铜消费量最大的行业就是铜加工行业，如何节省铜的消耗、降低金属消耗指标、充分利用再生铜原料直接生产铜加工材等重要课题已成为中国铜加工业面临的挑战。 2013年，我国国民经济将保持稳定增长，结构调整和产业升级将是经济工作主线，也是铜加工产业的重点，本行业与世界发达国家相比主要差距是大而不强，据不完全统计，全国共有铜加工材生产企业共1000家，产量大于10万吨的企业共8家，企业多分布于东南沿海和广东地区，主要铜材生产省份为浙江和江苏;中国铜加工材产地集中于经济发达的东南沿海地区，其中浙江省一直处全国第一位，中西部铜加工业相对落后。 我国铜加工技术和装备先进与落后并存，传统经典的生产技术仍然占主导地位，其加工工艺仍然是:合金熔炼、半连续铸造-热加工-冷加工，因此工艺流程长，能耗高，成品率低，环保条件差，迫切需要技术和装备创新。 我国铜加工技术与制备总的评价应该是:先进与落后并存，代表性铜加工企业如中铝洛铜集团等，技术与装备已进入国际先进行列;而广大的中小企业，其技术与装备还停留在上个世纪60年代水平，由此形成了我国铜加工工业大而不强、大而不精的现状，造成了国民经济所需高、精、尖产品主要依靠国外进口解决的被动局面。 铜材品种质量水平发展不平衡，在众多铜加工材品种中，空调内螺纹管质量已处世界领先水平，这是中国铜加工行业的骄傲，但其它板带、管棒、型、线等品种质量水平都处于中等水平;产品质量波动、产品精度不高、表面光洁度低、性能一致性和稳定性差;如用于电线电缆生产的铜线杆中铜含量在98.0~99.90%之间波动，铜含量低将导致电阻增加，导致导体发热，致使电力输送中浪费能源，影响电器安全，缩短使用寿命。 大宗产品生产能力过剩，高端产品生产能力不足，部分产品尚需国外进口，如集成电路引线框架用铜合金带，国外正在产业化生产和应用的第二代材料铜-镍-硅合金，而我国目前只能生产第一代引线框架材(铜-铁-磷系合金);国外发达国家正在迅速发展的可提高散热率3倍以上的外翅片铜管，广泛用于加热装备、化工、舰船、电力等部门，而我国这类管材的开发则刚开始。质量管理水平不高，先进的并未认真落实。 技木经济指是铜加工整体水平的综合反映，中国铜加工技术经济指标中成品率、金属消耗、电耗落后于国外发达国家，这表明我国铜加工还没有完全摆脱高能耗和高资源消耗的被动局面。 铜加工主要能耗工序有合金熔炼与铸锭、热加工、冷加工各工序所占比例为40%、30%、30%;金属消耗所占比例分别为45%、45%、10%;铜加工排放物主要:炉渣、烟尘、金属氧化物、工业废水等主要来自熔炼和热加工，约占铜加工全过程的98%，热加工约占全部排放物的20%,节能减排是国家长久方针大计，铜加工产业也是耗能和排污重点，节能减排的潜力很大。 中国铜加工工业虽然面临着诸多困难，但中国这个世界上最大的铜加工材和生产装备市场的快速发展是没有那一个国家能够相比,那些发达国家离开中国的市 场,它们铜材及生产装备生产企业将会陷入困境。因此，中国开发内需市场是重要的战略布署。 目前，中国铜材的主要的应用市场是:1.节能与新能源汽车产业化(汽车接插件、变速齿轮、耐压耐蚀管路)。2.现代电子、自动控制、发电、电力拖动、电联接、电力输送网络、电器五金等。3.我国有辽阔的海洋，海洋工程、舰船用铜材市场十广阔(海水淡海化、特种海洋资源开发装备、海水淡化和综合利用成套装备，海上及风力发电装备，潮汐能发电装置等)。4.高速交通用铜材,我国是高速铁路最发达国家,铁路接触网用双沟线是其关键材料。5.轻工和家电是传统的主导的铜材固有市场,我们应该向深度广度开发。6.城镇化是奔向小康的重要步骤,对普通铜材有巨大需求。 大力开发国际市场,要对中国铜加工业的实力充满信心,扬长避短。中国的铜线杆、精密铜管和性价比优良的加工装备等在国际市场上都很有竞争力。 要充分利用我国铜加工高速发展所赢得的空间和时间,适当调整发展速度,做精做专,为确立创新型铜加工行业而努力。 要充分发挥企业和各级协会学会的作用,硏究开发国际市场和内需市场以及确保铜加工稳定发展的政策,作出科学的、有前瞻性的规划,以及可操作性的办法。 实干兴邦,只要我国铜加工行业的技术保持世界先大力推进技术创新,空淡误国, 进水平，我们就能在该领域屹立于世界民族之林。 未来二十年,中国铜加工工业将稳步向做大、做强、做精方向推进,铜加工技术向低碳、节能、环保方向发展，铜加工产品向高精尖、环保方向推进，铜加工装备将进一步向实用化高性价比节能环保方向发展。生产工艺将进一步节能、环保、减排、连续化自动化。对此，中国铜加工工业必须不断通过技术创新、发展短流程、节能、减排、自动化、连续化生产工艺，发展利用再生铜的资源直接生产铜加工材技术，以确保中国铜加工工业持续、稳定的发展。 1.3铜板带主要生产工艺及装备现状 1.3.1铜板带主要生产工艺 1. 铸锭热轧生产工艺: 工艺流程:熔炼?铸造(立式半连铸或立式连铸)?(锯切)?加热?热轧?铣面?冷轧?热处理?精整?包装入库 铸锭热轧法生产工艺是现阶段应用最广泛的主流生产工艺。 可生产现有所有品种的铜板带产品。 2. 水平连铸生产工艺 工艺流程:熔炼?水平连铸带坯?(退火)?(铣面)?冷轧?热处理?精整?包装入库 水平连铸工艺常用于生产热轧困难的合金品种(如锡磷青铜、铅黄铜等)。 其工序短、生产成本低、设备占地面积小。 现阶段其生产合金的品种比较单一、结晶器损耗大、铸坯上下表面组织均一性难以控制。 3. 上引连续铸造法生产工艺 工艺流程:熔炼?上引带坯?(铣面)?冷轧?热处理?精整?包装入库 上引连续铸造法生产工艺是国内新开发的短流程生产工艺，用于生产紫铜。 其生产流程短、耗能低。 4. 立弯连续铸造生产工艺 工艺流程:熔炼?立弯铸造?(热轧)?(铣面)?冷轧?热处理?精整?包装入库 其生产效率高、生产流程短、能耗低。 5. 辊轮式/双带连续铸造法生产工艺 工艺流程:熔炼?辊轮/双带连续铸造?(热轧)?冷轧?热处理?精整?包装入库 辊轮式连续铸造法生产工艺是正在研发的短流程生产工艺。 其生产流程短、耗能低。 其保护气保护、加压感应炉出液等手段的采用有利于高温易挥发元素的添加并减少铸造过程吸氧。 6. 连续挤压法生产工艺 工艺流程:熔炼?上引铜杆?连续挤压?冷轧?热处理?精整?包装入库。 连续挤压法生产工艺主要用于生产铜排及铜扁线。 其带坯宽度及生产产品品种受到限制。 从现有的铜板带主要生产工艺可以看出其主要区别在于铸造方式的不同。 短流程生产工艺发展较快。 1.3.2铜板带熔炼及铸造装备的主要类型及特点 1. 熔炼炉 1) 感应电炉 感应电炉熔炼属洁净熔炼，炉料烧损少、熔体质量好、环境污染少，适于各种铜及铜合金的熔炼;炉子容量可以从几公斤到几十吨，熔化能力可以与容量匹配从小到大变化。 感应电炉根据感应器的结构形式分为有芯感应炉和无芯感应炉。 有芯感应炉综合效率高，能耗低，且容易实现熔体温度的自动和精确控制。但不宜频繁停、开炉且变料困难，可以与立式连续铸造或立式半连续铸造配合生产单一品种较大批量铸锭; 无芯炉停、开炉方便，变料容易，但综合效率低，能耗高，炉衬寿命短，且熔体温度不易实现连续测量与自动控制，多与立式半连续铸造配合生产小批量多品种合金铸锭。 2) 燃气竖炉 燃气竖炉熔炼具有生产能力大、热效率高、停开炉方便的特点，通过精确控制炉气的组成和压力能够有效实现快速、低耗熔炼优质熔体的生产要求。 主要用于和连铸设备配合大规模生产紫铜铸坯或铜线杆。 与感应电炉熔炼工艺比较，生产能力大、运行成本低。 由于原料熔化所需的热量是通过燃料与空气中的氧气进行氧化燃烧所获得的，燃烧过程中直接与铜原料接触，一般不用于生产无氧 燃气竖炉在国外铜板带加工企业有所应用，但未在国内铜板带加工企业得铜。 到采用。 铸造机 2. 立式半连续铸造机 立式半连续铸造机具有设备简单、生产灵活的特点，适宜铸造各种铜及铜合金扁锭。立式半连续铸造机引锭方式分为液压、丝杠、钢丝绳三种，其中液压传动比较平稳，而丝杠及钢丝绳设备价格较低但其维护量较大，现阶段引锭液压方式为主。 半连续铸造在铜及铜合金的铸锭生产中采用最为广泛。 3. 立式全连续铸造机 立式全连续铸造具有产量大、成品率高的特点，适宜大规模、连续生产品种和规格单一的铸锭。立式全连续铸造结晶器采用非接触式激光液面自动控制、铸造机一般采用液压夹持、机械传动、在线锯切和收屑，设备结构复杂、自动化程度高。 立式全连续铸造主要用于生产无氧铜。 3. 水平式连续铸造机 设备占地面积小、能耗低。 现阶段其生产铜及铜合金板带材产品品种有限。 潜流式联体炉+水平连铸生产低氧铜生产工艺的开发带动了水平连铸生产工艺的发展。 4. 立弯/辊轮/双带式全连续铸造机 此三种全连续铸造具有产量大、成品率高、工艺流程短、能耗低的特点，适宜大规模、连续生产品种和规格单一的铸坯。 立弯式全连续铸造因铸坯弯曲，弯曲变形应力的局部集中易引起内部裂纹;铸坯内夹杂物分布不均匀，内弧侧存在夹杂物的集聚;机身较高，必须加高厂房或深挖地坑，基建费用昂贵。 设备较为复杂，维修也较困难。 1.3.3熔炼及铸造技术的现状 立式(半)连铸-铸锭加热-热轧生产工艺依然是现阶段主流生产工艺。 对熔炼及铸造过程的保护(如潜流式联体炉的开发应用)日益重视，熔炼过程熔体的净化技术及电磁搅拌得到了一定的发展. 短流程生产工艺得到更多的开发及应用。国内在小规模短流程铜板带生产工艺的开发及应用已走到世界的前列。 受经济低迷的影响，欧美建筑市场疲软。国外已开发并应用的高效率、短流程生产工艺由于其产能较大且产品品种单一，在实际生产及销售中一直未达到预期效 由于薄板坯在结晶器内的冷却强度远大于传统的板锭生产， 原始晶粒尺寸果。 结构与传统有所不同，加之目前对铜板带薄板坯连续铸造过程中冷却速率的影响效果评价的研究较少，其短流程生产工艺在生产产品品种及质量目前仍有一定的局限性。 板带铸锭加热、轧制、热处理及精整等设备, 国外板带生产装备现状 ,近十年来国外板带生产装备现状未出现本质性的变化。大都是在原有设备基础上进行局部改造: 增加相应的过程检测及控制软件以更加准确的判断并控制坯料的厚差和板形。 强化各生产工序的质量控制并注重各工序之间的有效衔接，建立化操作流程以减少人为因素对产品质量及其均一性的影响。 更加注重对坯料表面质量的保护(如表面刷磨、表面衬纸、自动包装等手段的采用)。 对生产过程的建模-仿真-优化技术在坯料轧制中得到充分采用。 表面检测设备的开发及应用对重要生产工序产品的了解及掌握和下游产业对其生产产品的掌控更加有力。 设备制造业的专业化分工更为明确。 1. 上引法连续铸造和连续挤压 上引法和连续挤压法生产铜带坯是近年来国内铜加工装备发展的一大亮点，为进一步缩短铜板带材生产工艺流程、提高生产效率和节约能源做出一定的贡献。 其设备占地面积小、能耗低。 其生产铜及铜合金板带材产品品种单一。国内板带生产装备现状 近十年来国内引进了大量世界一流的铜板带生产装备。 在引进国外板带生产装备的同时国内的装备制造业也得到了充分的发展。 由于国内基础工业相对薄弱，目前的装备设计及制造大多以仿造为主，缺少自主开发创新能力。 在步进炉、热轧机、钟罩式退火炉等设备的设计及制造已达到了国际先进水平。 部分配套元件(如电控件、检测件、液压件及轴承)的设计及制造水平较低。 1.3.4 铜板带材产品的应用状况 铜板带材主要用于建筑、电子、电信设备及家用电器的接插及配件、服装饰件、车用水箱等行业。其中建筑行业用铜板带消费市场主要集中在欧美国家，近年来由于欧美经济不景气拉低了建筑行业用铜板带的消费量。其对新工艺、新设备的研发投入较少，重点放在对新合金品种的开发以及对原有设备的改造。国内铜板带消费领域主要集中在电子、电信设备及家用电器的接插件及配件、服装饰件、车用水箱等行业。其中引线框架铜带、接插件用铜材、电缆带、光伏铜带、变压器带 、超薄水箱带是近期铜板带消费的热点。随中国铜板带消费市场所占世界消费市场份额比重逐步加大，其消费习惯对世界铜板带材的生产工艺技术及装备的发展起决定性作用。 1.3.5铜板带生产工艺及装备的发展趋势 铜加工技术体现在铜及铜合金材料的制备及铜加工产品的各个生产工序和采用的生产设备中。铜加工技术及其发展趋势与生产工艺流程和生产参数的改进以及生产装备的更新换代密切相关。其发展趋势的普遍特征是在追求高性能、高质量的前提下追求高效率、低能耗和自动化。 国内铜板带产品消费量激增，小批量、多规格、多品种的消费现状促进了如上引法、连续挤压法等生产能力适中的短流程国内新生产工艺和装备的发展，短流程工艺生产多品种产品将是今后的发展方向。 国内铜资源铜精矿的短缺，对废铜合理利用及国内再生可能会对国内铜板带生产工艺及装备产生影响。 本设计生产规模为年产铜合金板带材3万吨，设计中选用的设备能够满足本 设计3万吨建设规模的要求，并留有一定的发展空间。随着经济的发展和市场需求的变化，可在适当的时机，投入少量建设资金，增加部分前后配套生产设备，即可达到年产更高的生产能力。本设计采用的是先进、成熟的生产工艺，技术水平和设备性能接近国际先进水平，产品质量符合国际标准。项目的建设可以充分发挥企业的优势，优化产品和技术结构，增加高附加值产品的比重，满足国内外市场对高精度产品的需求，促进我国铜加工业行业的技术进步，符合国家重点技术改造项目的要求。 课题研究目标、内容、方法和手段: 研究目标:了解公司生产的主要产品及其产品的性能用途;了解车间生产工艺流程。;了解车间生产主辅设备。 主要内容:编制产品，选择4个计算产品，制定生产方案;合理选择生产设备，进行计算产品的工艺计算，编制工艺卡片;进行主要生产设备的负荷计算，确定设备型号及数量;进行金属平衡及车间技术经济指标计算;绘制车间平面布置图，撰写设计说明书。 方法和手段:毕业实习，车间观察，查阅现场资料、网络资源、参考文献等等。 设计(论文)提纲及进度安排: 设计(论文)提纲: 1总论 2产品方案与计算产品的确定 3生产方案与工艺流程的确定 4工艺叙述 5设备选取与说明 6工艺计算 7车间平面布置 8土建 9车间动力 10企业经济与组织管理 进度安排: 第四周 开题报告 第五周 产品方案、计算产品、生产方案、工艺流程 第六周 热轧压下规程计算 第七周 冷轧压下规程计算 第八—九周 工艺卡片与金属平衡表、设备负荷表 第十周 车间平面布置 第十一周 经济技术指标计算 第十二周 说明书撰写 主要参考文献和书目: [1] 《重有色金属材料加工手册》编写组.重有色金属材料加工手册(第一分册) [M](北京:冶金工业出版社，1979. [2] 《重有色金属材料加工手册》编写组.重有色金属材料加工手册(第三分册) [M](北京:冶金工业出版社，1979. [3] 田荣璋，王祝堂(铜合金及其加工手册[M](长沙:中南工业大学出版社， 2002. [4] 温景林(金属压力加工车间设计[M](北京:冶金工业出版社，1992. [5] 傅祖铸(有色金属板带材生产[M](长沙:中南大学出版社，2005. 指导教师审核意见: 指导教师(签字): 年 月 日 注:本表可自主延伸