有色金屬加工廠設(shè)計(engineering design of nonferrous metals fabrication plant)

用塑性加工、粉末冶金等工藝，生產(chǎn)各類有色金屬加工材的工廠設(shè)計。主要設(shè)計范圍包括：鋁加工廠設(shè)計、鎂加工廠設(shè)計、鎂鋁及其合金粉廠設(shè)計、銅加工廠設(shè)計、鋅加工廠設(shè)計、鉛加工廠設(shè)計、鐵加工廠設(shè)計、鎢鉬加工廠設(shè)計、硬質(zhì)合金廠設(shè)計等。

有色金屬加工材是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)材料。銅和鋁是主要的導(dǎo)電材料，又廣泛使用于機電設(shè)備制造、交通運輸、建筑、輕工等方面；鋁、鎂、鈦合金材是航空、航天工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料；鋅板是制造干電池、鉛材是制造蓄電池的主要材料，鉛還是常用的耐腐蝕和x射線、7射線的防護材料；鎳、鎢、鉬材主要用于電熱元件和電子工業(yè)；鋁、鉿材用于核反應(yīng)堆；鉭粉、鉭箔用于制造電解電容器；鈮材是航天工業(yè)和核反應(yīng)堆的耐高溫結(jié)構(gòu)材料等。

有色金屬加工廠以有色金屬冶煉廠生產(chǎn)的各種金屬和回收的廢舊金屬為原料。工廠一般按加工材的金屬種類劃分，主要有鋁、鎂、銅、鉛、鋅、鈦、鎢、鉬加工廠。生產(chǎn)車間則按加工材的品種劃分，如以塑性加工方法生產(chǎn)的板、帶、箔、管、棒、型、線、鍛件車間；以焊接法生產(chǎn)的焊管車間；以溶液電解法生產(chǎn)的電解銅箔車間等。以粉末冶金工藝生產(chǎn)硬質(zhì)合金和鋁、鎂粉的，則分別稱為硬質(zhì)合金廠和鋁鎂粉廠。鎳材的加工工藝與銅材相近，多在銅加工廠生產(chǎn)。鋯、鉿、鉭、鈮材需要量很小，基本上都在加工工藝性能相近的鈦、鎢、鉬加工廠生產(chǎn)。

有色金屬加工廠設(shè)計主要內(nèi)容是：根據(jù)批準的設(shè)計規(guī)模和產(chǎn)品品種，劃分生產(chǎn)車間、確定產(chǎn)品方案、制定生產(chǎn)工藝流程、選擇生產(chǎn)設(shè)備；選擇廠址；配置產(chǎn)品檢驗、設(shè)備維修和燃氣、熱力、給排水、供配電等設(shè)施；進行廠區(qū)及車間的平面配置；編制各專業(yè)設(shè)計文件、圖紙、概算、預(yù)算和企業(yè)的經(jīng)濟效益分析。

簡史1788年英國開始用蒸汽機驅(qū)動軋機，使銅材、鉛材加工業(yè)由手工作坊變成了使用機器的工廠。1797年英國布朗曼(S、Braman)設(shè)計了擠壓鉛管的擠壓機。1894年美國開始生產(chǎn)鋁板材，20世紀初開始生產(chǎn)鋁箔和擠壓鋁材；1909年美國庫利吉(W．D．Coolidge)用粉末法制成燈泡用的鎢絲，1923年德國施勒特爾(K．Schr6ter)制成燒結(jié)WC—Co硬質(zhì)合金；1933年美國開始設(shè)計軋制鋁合金的四重可逆式熱軋機和多機架冷軋機，1944年德國制造了125MN的臥式擠壓機并改進了輔助設(shè)備。

20世紀50年代，實現(xiàn)了鈦、鋯、鉿材的工業(yè)化生產(chǎn)。1955年美國制成了第一臺鋁帶坯連續(xù)鑄軋機，至70年代，連鑄連軋工藝已用于多種銅、鋁合金的帶坯、線坯生產(chǎn)線的設(shè)計。80年代，銅、鋁材的加工工藝朝大型、高速、連續(xù)、自動、節(jié)能方向發(fā)展，軋制、擠壓、精整過程全部機械化，由中心控制臺集中操縱；在設(shè)計上廣泛采用電子計算機進行生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)管理。

中國在20世紀40年代以前，只有一些小型銅材加工廠和幾家鋁板、鋁箔廠。50年代，進行了中型銅加工廠的改擴建設(shè)計，與外國合作，設(shè)計和建設(shè)了大型鋁加工廠、銅加工廠、硬質(zhì)合金廠。60年代，開始自行設(shè)計大型鋁、銅、稀有金屬加工廠和硬質(zhì)合金廠。1978年以后，加強了與國際上的技術(shù)交流與合作，80年代設(shè)計的大中型有色金屬加工項目和技術(shù)改造工程，其主要的工藝與裝備已達到國際70年代末或80年代的技術(shù)水平。

設(shè)計規(guī)模有色金屬加工廠的設(shè)計規(guī)模根據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品種、規(guī)格、質(zhì)量標準等因素綜合考慮確定。為符合經(jīng)濟生產(chǎn)規(guī)模的要求，設(shè)計時要使主要設(shè)備能達到比較高的負荷率，主要設(shè)施能得到充分利用。銅加工廠的設(shè)計規(guī)模一般為年產(chǎn)幾千噸至十幾萬噸，鉛、鋅加工廠一般為年產(chǎn)幾千噸至幾萬噸，硬質(zhì)合金廠為年產(chǎn)幾百噸至二三干噸。鋁材的需求量大，大多進行專業(yè)化生產(chǎn)，鋁管棒型材廠、鋁箔廠的規(guī)模多為2～30kt／a，鋁板帶廠一般為年產(chǎn)幾萬噸至幾十萬噸。

鎂、鈦、鎢、鉬材的需求量小，設(shè)計時常采用協(xié)作生產(chǎn)方式。鎂材的塑性加工工藝參數(shù)與鋁相近，其軋制、擠壓加工多在鋁加工廠的相應(yīng)車間進行；鎂熔鑄生產(chǎn)對防爆、防腐蝕要求嚴格，其車間一般均單獨設(shè)置。用于飛機結(jié)構(gòu)和化工耐蝕的大規(guī)格鈦材，多利用軋鋼廠的大型軋機、管棒材擠壓機和鋁加工廠的鍛造水壓機來生產(chǎn)。鎢、鉬材加工工藝性能相近，多合并建廠。鋯、鉿、鉭、鈮材的需求量更小，一般在加工工藝性能相近的鈦加工廠和鎢鉬加工廠生產(chǎn)。

工藝流程選擇有色金屬加工材的主要生產(chǎn)工藝有塑性加工和粉末冶金兩種。

塑性加工的生產(chǎn)流程為：錠坯熔鑄一熱加工—冷加工一熱處理一精整。(1)錠坯熔鑄工藝，根據(jù)金屬品種選定。鋁、鎂、銅、鎳、鉛、鋅及其合金是將金屬原料在電爐或火焰爐熔化后鑄造成錠。鑄造方法中使用最廣的是立式半連續(xù)鑄造；水平連續(xù)鑄造、水冷模鑄造、鐵模鑄造等適用于中小規(guī)格鑄錠；連鑄連軋適用于生產(chǎn)鋁、銅、鋅帶坯和鋁、銅線坯。鈦、鋯、鉿及其合金，以海綿體金屬為原料，先壓制成電極或料棒，經(jīng)真空自耗熔煉(鈦、鋯)或電子束熔煉(鉿)生產(chǎn)出圓錠后，再鍛造開坯。鎢、鉬、鉭、鈮及其合金，采用以粉末冶金法生產(chǎn)燒結(jié)坯，或以燒結(jié)坯作電極或料棒，經(jīng)真空自耗熔煉或電子束熔煉生產(chǎn)出圓錠后再鍛造開坯；后一種方法用于生產(chǎn)較大規(guī)格或質(zhì)量要求高的錠坯。(2)熱加工和冷加工工藝，依產(chǎn)品品種選定。板、帶、箔材采用平輥軋制工藝，一般先進行熱軋，生產(chǎn)出熱軋板成品和供冷軋用的板坯、帶坯；熱軋或連鑄連軋的板帶坯經(jīng)多次冷軋生產(chǎn)出冷軋板、帶、箔材成品。管、棒、型材主要采用熱擠壓法生產(chǎn)擠壓管、棒、型產(chǎn)品和拉伸管、棒材坯料。當進行大批量、少品種的生產(chǎn)時，可采用生產(chǎn)成本較低的斜軋穿孔法生產(chǎn)管坯和采用孔型軋制法生產(chǎn)棒坯工藝。管坯經(jīng)冷軋一拉伸或拉伸工藝生產(chǎn)出拉制管，棒坯經(jīng)拉伸工藝生產(chǎn)出拉制棒。線材系采用連鑄連軋或擠壓或孔型軋制法生產(chǎn)出線坯后再拉伸而成。除少數(shù)塑性好的金屬外，大多數(shù)金屬和合金，在冷軋、拉伸過程中都要進行中間退火。鎢、鉬材的塑性一脆性轉(zhuǎn)變溫度高，熱加工后須在加溫狀態(tài)下繼續(xù)加工。鍛件是以鑄錠或棒坯、板坯為坯料，經(jīng)多次加熱鍛造而成。(3)成品熱處理和精整工藝。加工到成品尺寸的各種加工材，要根據(jù)交貨規(guī)格、狀態(tài)要求，進行成品退火或淬火一時效處理、矯直、定尺剪切、檢查，然后包裝入庫。

粉末冶金工藝用于制取硬質(zhì)合金制品、鋁鎂粉和鎢、鉬、鉭、鈮材的燒結(jié)坯。硬質(zhì)合金制品是以鎢鈦氧化物、鈷、炭黑為原料，經(jīng)還原一炭化一混料一成形一燒結(jié)一加工一涂層等工序生產(chǎn)出成品。鋁粉主要采用噴霧法，鎂粉采用銑削法，鋁鎂合金粉采用球磨法生產(chǎn)。

焊管和電解銅箔分別采用高頻焊接和水溶液電解工藝生產(chǎn)。前者是以鋁、銅、鈦帶為坯料，冷彎成形后焊接成薄壁有縫管；后者是電解硫酸銅溶液，使銅離子富集于陰極輥面(或帶面)形成生銅箔，再經(jīng)表面處理而得成品。

廠址選擇有色金屬加工廠的廠址，一般選在靠近主要用戶和生產(chǎn)、生活、能源供應(yīng)等條件較好的地區(qū)。大中型銅、鋁加工廠生產(chǎn)車間的長度達200～700m，地下設(shè)施深4～8m，要求廠區(qū)地形比較平坦、地質(zhì)條件比較好、地下水位比較低。

技術(shù)特點(1)運輸。每噸產(chǎn)品的廠外運輸量約為3～4t(不含燃料用煤)。廠內(nèi)運輸以汽車為主。車間內(nèi)部運輸以橋式吊車和叉車為主。設(shè)備中的軋輥等重件和制品中的長件過跨運輸，多采用有軌平板車。(2)建筑。中國多采用以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主的單層多跨廠房。硬質(zhì)合金廠及電解銅箔車間多采用二層或多層廠房。精密產(chǎn)品(薄帶、箔、薄壁管、細絲、硬質(zhì)合金制品)的生產(chǎn)區(qū)段多采用密閉廠房。鋁鎂粉廠、硬質(zhì)合金廠和鈦熔煉車間要有防爆措施。(3)供電。一般屬二級負荷。在安裝有由可控硅供電的大型軋機的板帶材車間，要核算軋機的沖擊負荷對電網(wǎng)的電壓波形畸變和閃變的影響，當其變化值超過允許值時，需對動態(tài)無功功率和高次諧波進行補償和濾波。(4)給排水。設(shè)備及制品的冷卻主要采用循環(huán)水。有水冷裝置的熔煉爐、加熱爐、熱處理爐需有備用水源。(5)環(huán)保。對于廢氣、廢液，須回收其中有用物質(zhì)或經(jīng)處理后排放。熔煉爐渣經(jīng)破碎后，選出的金屬粒返回熔鑄車間作爐料；剩余的爐渣和熱軋的氧化皮送冶煉廠或化工廠處理。

發(fā)展趨勢科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求有色金屬加工行業(yè)提供技術(shù)性能更優(yōu)越、價格更低廉的加工材。為滿足這些要求，就要不斷改進現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和研究開發(fā)新品種加工材的生產(chǎn)工藝與專用設(shè)備。(1)在鋁、銅、鋅材加工廠的設(shè)計中，推廣和改進連鑄連軋技術(shù)；在中小規(guī)格的鋁、銅管棒材、型材、線材加工廠的設(shè)計中，發(fā)展連續(xù)擠壓技術(shù)，使之能適用于更多的合金品種。(2)研制功能多、自動化水平高的專用加工設(shè)備，使多道生產(chǎn)工序能在連續(xù)化的生產(chǎn)機列上一次完成，以捉高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。(3)改進廢舊金屬的回收處理工藝，提高有色金屬的再生利用水平，使資源得到充分利用并減少能源消耗。

在有色金屬加工材的生產(chǎn)中，熱加工適宜大批量生產(chǎn)，冷加工適宜專業(yè)化生產(chǎn)。