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摘要：为解决铜管生产广泛使用的“铜管高效短流程生产工艺”过程在线退火工序的能源使用消耗的问题， 介绍了无缝铜管生产 过程中在线退火热处理工艺过程及作用， 分析了在线退火工序主、辅设备配置构成， 从各种能源消耗的种类和用途着手， 针对在 线退火工序节能降耗生产实践， 分析阐述了管理措施： 加强工序生产管理、能源管理， 提升在线退火设备工程保障技术层次， 淘 汰、更新使用节能型设备等。技术创新包括设计增加细分规格的感应加热线圈; 改造升级机械传动部分加工、装配精度; 采用节 能系统方法利用工序循环水余热、电气装置余热。结构创新包括改变铜管产品结构、减少铜原材料用量间接节能降耗。工艺创新 包括铜管生产工艺持续减壁厚， 促使在线退火工序控制参数创新优化、节能降耗。供各行业同行共同探讨和实践， 以期产生更多 的节能降耗创新措施， 促交流借鉴、“低碳”发展。
关键词：铜管生产,在线退火工序,节能降耗,管理措施,技术创新,结构创新,工艺创新
Energy Saving and Consumption Reduction in On-line Annealing Process of Copper Pipe Production
Guo Wenzheng， Wu Xiao， Zhu Yan， Zheng Yonghui， Han Qiushui， Zheng Fengtai
(Guangdong Longfeng Precision Copper Pipe Co., Ltd., Zhuhai, Guangdong 519090. China)
Abstract: The energy consumption of online annealing process in the process of "copper tube high efficiency short process production process" widely used in copper tube production was selected as the topic, the process and function of online annealing heat treatment in the production process of seamless copper tube were introduced, and the configuration of main and auxiliary equipment in online annealing process, as well as the types and uses of various energy consumption were analyzed . Aiming at the production practice of energy saving and consumption reduction in online annealing process, the management measures were analyzed and elaborated: strengthening the process production management and energy management, improving the engineering guarantee technical level of online annealing equipment, eliminating and updating the use of energy-saving equipment, etc. Technological innovation included design induction heating coils with increased subdivision specifications, transform and upgrade the machining and assembly accuracy of the mechanical transmission part, adopt the energy-saving system method to utilize the waste heat of process circulating water and electrical devices . Structural innovation included changing the product structure of copper tubes, reducing the consumption of copper raw materials, and indirectly saving energy and reduce consumption. Process innovation included the copper tube production process continues to reduce the wall thickness, promoting the innovation and optimization of online annealing process control parameters, energy saving and consumption reduction. For colleagues in all industries to jointly discuss and practice, with a view to generating more innovative measures for energy conservation and consumption reduction, promoting exchanges and reference, and "low-carbon" development.
Key words: copper pipe production; online annealing process; energy management measures; technological innovation; structural innovation; process innovation
0 引言
节能是我国可持续发展的一项长远发展战略， 是指 节约能源的消耗， 以较少的能源生产同样数量的产品或 产值， 或以同样数量的能源产出更多的产品或产值; 就 是应用技术上现实可靠、经济上可行合理、环境和社会 都可以接受的方法， 有效地利用能源， 提高用能设备或 工艺的能量利用效率[1]。中国力争 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和，“双碳”目标的确立， 进一步说 明节能是我国的一项长期基本国策。
本文所指铜管是以拉制或压制工艺制造的无缝铜管， 包括无缝内螺纹铜管、无缝光面铜管、无缝翅片铜管等。 众所周知， 在各种传统金属材料的管材中， 无缝内螺纹 铜管以内表面换热面积大、导热性好、低温强度高、单 重低等优点， 常被用于空调制冷设备的换热上， 如冷凝器、蒸发器等。铜管也常用于制氧设备中装配低温管路， 直径小的铜管常用于输送有压力的液体， 如润滑系统、 油压系统等， 以及用作仪表的测压管等。铜管由于容易 加工和连接， 在安装时可以节省材料和总费用、减少后 续维修成本， 具有很好的稳定性和可靠性。无缝铜管因 易进行弯曲、变形加工、能以任何角度折弯， 塑性加工 性能好， 可以做成弯头、接头等， 同时在使用中不渗漏、 不助燃、不产生有毒气体、耐腐蚀等优良性能， 也是 高档酒店和住宅自来水入户管道、直饮水管路、供热、 制冷等管道安装的首选管材。由于铜良好的导电性能， 铜管也用作通信行业同轴射频电缆内导体。铜管新的 应用领域 —— 铜热管是以无缝铜管为封装基材的一种 高效传热元件、能够在无外界驱动的情况下快速高效 地传递热量。铜热管的尺寸和形状可根据不同的散热 需求进行调整， 已成为 5G通信设备散热方案首选的核 心散热元件。
当前国内铜管企业在线退火工艺生产使用的设备大 多数是从日本、澳大利亚等国外设备制造商进口， 在线 退火工艺也大多是借鉴国外技术， 由于国外工业应用技 术的保密， 国内设备制造商或设备使用企业大多凭经验 改进和优化在线退火工艺设备， 大部分的工艺参数、设 备配置是经过反复试验摸索而得到的。随着铜管业产品 的不断创新升级， 国家高质量发展节能减排的需要， 如 何实现现有铜管生产关键过程在线退火工序设备节能降 耗具有重大的实际意义。
1 无缝铜管在线退火热处理工艺过程及作用
无缝铜管材是指沿整个长度方向上具有均一横截面 和壁厚、且只有一个封闭通孔的空心铜加工产品， 以卷 状或直条状供应市场。铜管生产过程中， 在线退火工序 是铜管短流程生产工艺流程中的一道热加工工序， 是将 铜管坯连续在线快速感应加热到一定温度， 保持足够时 间， 然后以适宜速度冷却的一种金属热处理工艺。
铜管生产在线退火工艺过程如下 : ( 1) 铜管坯上料 前， 使用中压高纯氮气控时吹扫铜管坯的内表面， 去除 上道工序加工用油的内部残留; ( 2) 铜管坯上料放卷经 过导轮进入水平、垂直矫直系统， 外表面经过清洗装置 去除油渍后， 进入连续充有高纯氮气保护的加热区感应 线圈; ( 3) 程序控制系统根据所选择的不同直径和壁厚 等规格参数对线速度、功率、铜管张力以及收、放料速 度进行连续调整， 感应变频器通过反馈来的线速度信号 自动调整功率水平， 以确保在线速度发生变化的时候铜 管能够获得稳定的退火温度; ( 4 ) 铜管坯加热到设定退 火温度参数后， 消除了上道工序的加工应力、形成适宜 的晶粒， 进入连续充有高纯氮气保护的保温区， 之后进 入水冷却区通过冷却水获得快速冷却的铜管坯， 再经过风干区用压缩空气的快速吹水吹干， 进入润滑系统和自 动张力系统后弯曲成卷收料入筐。
采用在线退火工艺的主要作用： (1) 使工序流转的 铜管坯降低硬度， 改善再加工性; ( 2) 降低残余应力， 稳定尺寸， 减少变形与裂纹倾向; ( 3) 细化晶粒， 调整 组织， 消除组织缺陷; ( 4) 均匀材料组织和成分， 改善 材料性能或为后续工序加工做组织准备， 因此， 在线退 火工序主要用来加工内螺纹母管、或软态薄壁光管成品 的关键工序。
2 铜管生产过程在线退火工序设备构成及能源消耗
铜管生产过程在线退火工序的设备主要包括加热电 源及电气控制部分、炉体部分、收放料部分、传动装置 及水冷系统等， 设备的主要特点有： ( 1) 生产操作简单、 进出料灵活、自动化程度高， 可实现连续在线式生产; ( 2 ) 铜管坯加热速度快、氧化脱碳少， 效率高， 工件质 量好; ( 3 ) 铜管坯加热长度、速度、温度等可精确控制， 工序废料少， 辅助时间少， 适宜单规格、大批量连续生 产; ( 4 ) 铜管坯加热均匀、芯表温差小， 控制精度高; ( 5 ) 感应加热线圈可按客户要求精心制作; ( 6) 全方位节 能优化设计， 能耗低、效率高， 相对生产成本低; ( 7) 符 合环保要求， 污染小， 同时还减少了工人的劳动强度。
铜管生产过程在线退火工序的传热过程采用了穿过 式感应加热、热传导和强对流技术。高纯氮气与感应线 圈、铜管坯表面以对流方式传热， 铜管坯内部以电磁感 应和导热方式传热。在加热阶段， 热量通过对流方式由 感应线圈传给循环流动的高纯氮气， 高纯氮气从铜管表 面流过将热量以对流方式传给铜管坯， 铜管坯表面通过 电磁感应产生热量， 高温的铜管坯表面再以导热方式将 热量向铜管坯里面传递。铜管坯加热到规定的退火温度 后， 去除了铜管坯上道工序的加工应力、获得再结晶晶 粒， 进入连续吹高纯氮气的保温区， 常温高纯氮气流过 高温的铜管坯表面， 以对流方式将铜管坯的热量带走， 通过快速冷却区再将热量以对流方式传递给系统内循环 流动的冷却水，冷却水将热量带出冷却区。最后，由风干 区的常温压缩空气将铜管坯外表面残留的水分快速吹干。
目前， 铜管生产过程在线退火工序的能源消耗量约 占整个铜管生产能耗的 20% ~ 25%， 为铜管生产加工的 主要耗能工序之一， 其主要的能源消耗有： (1) 感应线圈的加热电源， 水泵、液压泵、矫直装置、收放料减速 机等电机及电气控制系统等电量消耗， 为主要能源消耗;
( 2) 炉体内加热退火过程中， 工艺要求用作防氧化惰性 保护气体的连续吹扫低压氮气消耗， 可视为辅助能源消 耗; ( 3) 待料区待上料铜管坯工艺要求内壁清除油份、 控时吹扫中压高纯氮气消耗， 可视为辅助能源消耗;
( 4) 加热电源冷却、液压站冷却、炉体内工艺要求用作 铜管坯加热后降温冷却等循环水冷却控温的水量消耗， 为次要能源消耗; ( 5) 设备气动元器件， 炉体内铜管坯 冷却后工艺要求用作吹干铜管坯表面残留水分的压缩空 气消耗， 可视为辅助能源消耗。当辅助能源由外部购入 时应计入产品能耗。本文区分出辅助能源的目的是便于 进行产品碳足迹的核算。
3 铜管生产过程在线退火工序节能降耗的实践探讨
节能降耗是指强化用能管理， 采用技术上可行、经 济上合理、以及环境和社会可以承受的措施， 减少从能 源生产到消费各个环节中的损失和浪费， 更加有效、合 理地利用能源。其中， 技术上可行是指在现有技术基础 上可以实现; 经济上合理就是要有一个合适的投入产出 比; 环境可以接受是指节能还要减少对环境的污染， 其 指标要达到环保要求; 社会可以接受是指不影响正常的 生产与生活水平的提高; 有效就是要降低能源的损失与 浪费[1]。
结合铜管生产过程在线退火工序的生产特点和能源 使用情况， 以企业长期的实践探索和经验分析总结， 提 出如下按生产用能节能性质区分的节能降耗方法措施。
3.1 管理措施节能降耗
( 1) 加强工序生产的能源管理和生产管理。通过合 理安排生产， 保持设备单规格、连续化、大批量生产; 通过减少频繁的更换产品规格、调整参数、开停设备、 断续生产;叠加设备运转生产过程中，待上料预备工位的 铜管坯内清洗、吹扫时间， 减少生产辅助时间、无效时 间、延迟时间，提高有效开动设备的生产时间占比，提升 工序生产效率， 减少设备低效空耗， 降低能源成本的浪费。
( 2) 提升在线退火设备工程保障的技术层次。定期 更换加热炉体的密封条， 保持炉体气密性， 减少惰性保 护气体低压氮气“跑、冒、滴、漏、损”的无效损耗; 主动适时清理加热炉体内的铜管坯断、残料， 保持加热 区腔体内维保的清扫、清洁， 减少被动、无效的故障停 机等， 提高工序产品的成品率。
( 3) 比对国家工业和信息化部发布的 《高耗能落后 机电设备 (产品) 淘汰目录》， 淘汰、更新使用节能型的 电机、水泵、风机等， 提高能效。
管理措施达到合理组织工序生产， 减少设备在低效 率、低负荷下运转等情况， 减少能源损耗造成的不必要浪费， 通过规范科学的管理取得节能效果， 降低单位产 品能源消耗， 实现管理措施节能降耗。
3.2 技术创新节能降耗
在线退火设备初始配置的感应加热线圈一般仅有一 种或两种规格的线圈， 对应生产 Φ9.52 mm、Φ7.94 mm、 Φ7 mm、Φ6.3 mm、Φ5 mm 等多个系列的产品。目前铜 管企业使用的在线退火设备基本参数如表 1 (示例仅供 参考) 所示。
依据建立的铜管在线感应退火的温度场模型， 分析 线速度、电流密度、加热频率、感应线圈尺寸、铜管几 何 因 素 对 铜 管 温 度 场 的 影 响， 通 过 有 限 元 软 件 DE⁃ FORM-2D 对温度场的模拟， 得到结论[2]: ( 1) 加热频率 越大， 铜管的温度越高， 内、外表面温差越大， 但是温 差不大， 在 0 ~ 0.07 ℃之间， 并且加热频率小于6 000 Hz 时所需加热时间长， 大于 9 000 Hz 时， 铜管温度超过熔 点， 从加热速度方面考虑， 铜管在线感应退火宜选择中 频。同时铜管在线感应退火时壁厚方向的加热主要是电 磁感应加热。( 2) 感应线圈半径越大， 铜管的温度越低， 感应器与铜管之间发生邻近效应。从加工成本方面考虑， 在留有足够的间隙时尽量减小感应线圈的半径。(3) 在 壁厚和线速度一定的条件下， 直径越小， 铜管的温度越 高。这主要是发生了漏磁现象。(4) 在直径和线速度一 定的条件下， 壁厚越大， 铜管的温度越高。变形程度越 小， 所需退火温度越高。
依据通过对各种尺寸铜管在线感应退火工艺参数进 行分析讨论， 建立线速度-电压曲线的数学模型， 得出 结论[4-5]： ( 1) 壁厚相同的铜管， 在线速度相同的条件 下， 直径越小电压越大。这主要是因为感应器与铜管之 间会发生漏磁现象， 壁厚相同的条件下， 直径越小， 距 离感应线圈的距离越远， 漏磁越严重， 加热效率越低。 ( 2) 直径相同的铜管， 在线速度相同的条件下， 壁厚越 大电压越大。这主要是因为变形程度越小， 以位错形式 保留在铜管内部的变形储存能越少， 退火所需温度越高， 从而需要更大的电压。
通过分析可以看出， 在线退火工序节能降耗可从减 少漏磁、减少壁厚、提高线速度、利用余热等着手， 技 术创新节能降耗的措施方法如下。
( 1) 设计增加细分规格的感应加热线圈。针对不同 规格的铜管坯增加感应加热线圈规格， 设计配置适配规 格的在线退火感应加热线圈， 在留有足够的间隙， 不造成生产过程铜管坯划伤影响产品质量的情况下， 尽量减 小感应线圈的半径， 减小所生产规格的铜管坯与在线退 火感应加热线圈之间的穿过间隙，较少漏磁现象，提高感 应加热退火效率， 直接减少在线退火感应加热单位电耗。
( 2) 改造升级机械传动部分的加工装配精度。提升 在线退火设备机械部分的装配加工精度等级， 更新使用 加工装配精度更高的矫直装置、传送装置、收放料减速 机等， 减少生产过程中高速机械传动过程的跳动叠加， 减少铜管坯在感应加热线圈管内高速穿过的径向跳动造 成的影响工序产品质量的划伤、断管等， 提高在线退火 生产运行速度和连续性， 间接减少能源消耗[6-7]。同时， 可以进行原有初始配置生产速度 400 m/min 的在线退火设 备感应加热电源提速升级改造， 使在线退火工序的生产 设备速度提升， 减少生产过程能源单耗。
( 3 ) 采用节能系统方法利用工序循环水余热。结合 在线退火工序生产过程自身产生的循环冷却水余热， 使 用板式换热器、冷却塔循环降温的技术耗能方式， 采用 “铜管加工在线退火设备保护气体节能方法及系统”(专 利号： 201610184763.5)， 如图 2 所示， 利用循环冷却水 的低温余热， 提高在线退火炉体加热区惰性保护气体低 压氮气温度， 或待上料铜管坯内壁清洗、吹扫中压氮气 温度， 或风干区吹水用压缩空气的温度， 减少在线退火 加热区感应加热电量消耗; 减短在线退火风干区压缩空 气风干时间， 减少压缩空气使用量; 降低循环冷却水温 度， 减少循环冷却水降温循环水量和冷却塔飘水损耗， 减少生产过程能源消耗。
( 4 ) 采用节能系统方法利用工序电气装置余热。结 合在线退火工序生产过程自身产生的感应加热电源余热， 使用循环冷却水冷却、柜式制冷空调降温的技术耗能方 式， 在感应加热电源电气控制柜内， 设计安装气源式热 管换热器， 使在线退火炉体加热区惰性保护气体低压氮 气、或待上料铜管坯内壁清洗吹扫中压氮气、或风干区 吹水用压缩空气通过热管换热器， 利用电气控制柜内的 电气散热或循环冷却水的低温余热， 提高加热区惰性保 护气体低压氮气、或待上料铜管坯内壁清洗吹扫中压氮 气、或风干区吹水用压缩空气的温度， 减少在线退火加 热区感应加热电量消耗; 减短在线退火风干区压缩空气风干时间， 减少压缩空气使用量; 降低循环冷却水温度， 减少循环冷却水降温循环水量和冷却塔飘水损耗， 减少 生产过程能源消耗。
通过改造升级在线退火工装配置、机械装置配置、 电源配置， 利用工序自身的低位余热， 采用创新的先进 节能技术方法等措施， 取得工序生产过程的节能降耗 效果。
3.3 结构创新节能降耗
铜管产品随着市场客户需求不断创新升级， 产品结 构从焊缝管到无缝管、从光面管到内螺纹管、外螺纹管， 从厚壁管到薄壁管， 从大管径管到小管径管， 不断寻求 着节材、高能效、高电导等的科技创新发展方向。在线 退火工序主要用于空调制冷行业用内螺纹铜管和通信行 业同轴射频电缆用铜管的生产。
空调制冷行业用内螺纹铜管基于高效换热、节材的 需求， 通信行业同轴射频电缆用铜管基于导电、节材的 需求， 由光面管创新出超薄壁的光管、内壁带螺纹的内 螺纹管产品， 内螺纹齿形有普通齿、斜齿、交叉齿、高 低齿等多种型式， 从而带动了空调制冷设备能效等级从 五级能效到三级能效再到一级能效的大幅提升。铜管产 品结构创新的主流方向是薄壁、细径、大螺旋角， 需要 不同规格、壁厚相对更薄的铜管坯经过在线退火工序去 应力、调整金属晶粒过程， 供后道工序加工使用[8- 10]。产 品结构创新， 使得第二条所述的在线退火设备装备升级 技术创新， 更加适应产品结构减壁厚、减管径、变齿形 创新的生产需求， 适应调整在线退火工序感应加热和运 行控制参数， 减少加热电源的电量消耗。
通过改变铜管产品的结构达到减直径、减壁厚、增 螺旋角、增换热效果等目的， 增加低能耗、高附加值产 品的比例等取得间接节能降耗效果[11]; 减少铜原材料的 使用消耗实际上也间接地节约了能源。
3.4 工艺创新节能降耗
铜管高效短流程工艺相比于传统挤压法生产工艺已 具有明显的成本优势， 受原有的内螺纹铜管成型芯头模 具强度和寿命成本等的限制， 内螺纹铜管生产工艺流程 中设有在线退火关键工序， 主要目的为铜管坯去除前道 加工应力、调整金属晶粒， 提供软态铜管坯用于内螺纹 齿形的良好成型[12- 15]， 同时可延长内螺纹成型芯头模具 的寿命， 提高单枚芯头产出率。
随着铜管模具芯头加工技术质量的提高、单枚芯头 加工铜管坯量使用性能的提升、批量加工成本的不断降 低， 以及铜管产品的生产工艺持续创新减壁厚， 使在线 退火工序生产过程为后道内螺纹成型工序提供超长的软 态铜管坯， 实现加工过程中使用的工装模具超长在线重复使用、旋压成型内螺纹铜管的齿形不断创新进步， 对 前道在线退火工序生产工艺控制参数不断创新优化和节 能。铜管产品生产工艺不断进步， 引领了在线退火工序 工艺创新节能降耗。
4 结束语
面对国家“双碳”政策的引领， 新冠疫情的持续， 经济下行的压力， 铜管生产企业如何突围， 如何高质量、 智能化持续盈利发展， 节能降耗成为企业降本增效、参 与市场竞争的有效措施。以上， 铜管生产在线退火工序 节能降耗的管理措施、技术创新、结构创新、工艺创新 节能降耗的探讨， 有的已付诸实施收到明显的实际节能 降耗效果， 有的还在进一步实践验证和不断完善中， 作 为有色金属压延加工行业铜管生产企业关键耗能工序， 在线退火工序节能降耗是可供选择实践的一个点， 与各 行业的专业技术人员共同探讨、实践和创新， 以期产生 更多的节能降耗创新措施， 促进行业低碳发展， 实现国 家“双碳”目标。
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