摘要:文章通过对刚性防火电缆生产方式与使用需求的分析，设计生产专用于刚性防火电缆护套用铜带产品所需的产品特性，以及与之相配套的生产工艺。
关键词:刚性防火电缆;护套;铜及铜合金带材;产品设计;工艺配套
防火电缆是对具备防火性能电线电缆的总称。常见的防火电缆中，矿物绝缘电缆(MineralInsulatedCable)简称MI电缆，作为配线使用时，国内习惯称作矿物质电缆或刚性防火电缆。GB/T13033－2007《额定电压750V及以下矿物绝缘电缆及终端》为我国关于矿物绝缘电缆的产品标准。根据线芯和护套电压的不同将矿物绝缘电缆分为轻型BTTQ(500V)和重型BTTZ(750V)两个系列。典型的刚性防火电缆采用高导电率的实心铜芯导线作导体，高度压缩的粉末状氧化镁作绝缘，铜及铜合金带材焊接铜管作护套制作而成。因其优异的防火能力及产品特性，在保障火灾情况下消防水泵、消防电梯、重要负荷、应急疏散指示、以及防、排烟系统等重要消防设备用电场合尤为适用，可充分满足火灾现场消防救援的需要，能够为居民的安全和逃生提供更好保障。据国家有关部门统计，在火灾起因中由于电气线路引起的火灾占50%以上。随着国内生活水平的提升与全员安全意识的增加，在全社会消防防护等级需求逐步提升的当前，刚性防火电缆使用市场需求呈激增态势，而配套刚性防火电缆护套生产所需的铜及铜合金带材，仅在GB/T13033－2007中笼统描述为普通退火铜或铜合金材料。在目前国内铜及铜合金产品市场中，尚无面向刚性防火电缆护套用铜带的专用品种，而常规铜及铜合金带材产品无法完整契合刚性防火电缆从生产到使用的总体需求，专用配套铜带产品亟待针对性的设计开发。
1刚性防火电缆护套用铜带的性能需求分析
材料的结构决定性能，性能决定其最终的用途。根据具体产品的用途，通常可将配套材料的性能分为满足使用性需求的性能(即满足生产产品过程的需求)，以及满足功能性需求的性能(即实现产品具体功能过程的需求)两大类。按照这一思路，针对性设计满足刚性防火电缆护套用铜带产品应具备下列性能。
1．1使用性需求。目前国内最普遍采用的刚性防火电缆生产方式为铜带纵包氩弧焊接连续轧制在线退火生产。主要流程为导体与铜带放卷、纵包铜带并连续氩弧焊焊接、镁粉垂直灌装、多道轧制、在线退火等。其原理是将铜带竖直纵包焊接，利用氧化镁粉比重大的特性实现氧化镁粉竖直灌装到焊接成型的铜管中，然后利用多道轧制将铜管内的氧化镁粉轧实，以便固定导体线芯不偏移。进一步水平轧制定径，将电缆外经轧制到标准尺寸;最后经过退火、冷却、烘干等装置收卷成缆。根据这一生产方式，可提炼配套专用于刚性防火电缆护套用铜及铜合金带材产品应具备的性能包括:1)适应生产线开卷/收卷能力最大化的单位重量，避免生产过程频繁更换带卷;2)适应产品纵包生产的尺寸精度与分切精度，及整体范围内的精度稳定性;3)适应产品连续氩弧焊焊接的焊接能力，避免焊接质量不良或焊接不连续;4)适应产品多道轧制的产品塑性成形能力，避免轧制过程开裂断缆分卷。
1．2功能性需求。刚性防火电缆具备操作温度高、耐火、防爆、防水、防潮、寿命长、机械强度高、载流量大、接地性好、电磁屏蔽性能优异、防动物啃咬等一系列产品优点。同时也存在可靠性差，矿物绝缘层容易吸湿、不耐水，电缆长度固定，无法按客户需要定制比较长的电缆，铺设工艺复杂，需要做专门连接头，整体一致性要求高，零星漏焊等异常造成整根电缆失效等劣势。从扬长避短的角度出发，可提炼配套专用于刚性防火电缆护套用铜及铜合金带材产品应具备的性能包括:1)适应产品高操作温度、耐火需求下的高熔点;2)适应产品接地需求下的导电能力;3)适应产品长度定制需求下最大化的单位重量;4)适应大长度连续产出需求下的整体均匀性及稳定性。
2刚性防火电缆护套用铜带产品设计
在GB/T13033－2007《额定电压750V及以下矿物绝缘电缆及终端》中，仅笼统描述为普通退火铜或铜合金材料。结合对刚性防火电缆护套用铜带的性能需求分析，在常规铜及铜合金带材产品技术指标的基础上，设计刚性防火电缆护套专用铜带技术指标。
2．1产品规格选择。根据刚性防火电缆的导体标称截面积以及具体芯数，GB/T13033－2007中对成型后刚性防火电缆的护套厚度有明确指标要求。结合各刚性防火电缆生产企业自身具体生产过程轧制道次参数的设计，护套专用铜带的产品规格集中在厚度0．8mm～2．0mm，宽度按照电缆直径倍尺的区间。
2．2产品尺寸精度设计。在护套专用铜带的尺寸精度设计上，需保障纵包成型焊缝尺寸的精确稳定，以获取稳定均匀的焊缝及成型精度。其厚度、宽度、毛刺、侧弯指标在满足GB/T17793－2010《加工铜及铜合金板带材外形尺寸及允许偏差》高精级指标的基础上，重点应管控整卷范围内波动区间的稳定一致。如厚度公差精度满足±0.015mm标准的基础上，其波动范围应控制±0．005mm以内。同时，为保障绕包焊接成型过程的顺利实施，产品宽度公差精度应按技术指标上限－0.15mm区间保障。
2．3产品形状外观设计。根据刚性防火电缆大长度定制生产，以减少铺设接头的需求，在护套专用铜带的形状外观设计上，产品内径/外径选择应与刚性防火电缆生产线开卷/收卷能力相适应，其成品带材单位重量应≥12kg/mm，以此满足当前国内以建筑高度100m为防火等级分界线条件下刚性防火电缆的长度需求。
2．4产品表面状态设计。铜带纵包氩弧焊接连续轧制在线退火生产方式的核心管控点是氩弧焊的连续稳定实现。除护套专用铜带材质、尺寸精度的影响外，最核心的就是护套专用铜带的标准状态。在保障表面无气孔、分层的基础要求外，核心需保障表面清洁、无油污，产品表面残油量经脱脂清洗后需控制≤10mg/m2·面。
2．5产品化学成分设计与牌号选择。根据刚性防火电缆高熔点、高导电能力、高成分纯度及成分均匀性需求，在护套专用铜带化学成分设计上宜以高纯无杂、无氧或低氧，或仅含有改善焊接效果的磷元素的铜及铜合金牌号为目标，如牌号TU1/T2/TP2。其中优选加磷除氧的TP2牌号，该牌号具备最优的成分稳定性与焊接稳定性。
2．6产品力学性能设计与状态选择。根据刚性防火电缆纵包焊接多道次轧制的加工需求，在护套专用铜带的力学性能设计上应在满足产品纵包过程成型精确的基础上，为焊接成管后的多道次轧制预留塑性加工能力。根据不同规格防火电缆各自的轧制道次需求，力学性能应总体设计在H02～H04状态之间取值，其中优选H02状态以保障护套成型精确。
3刚性防火电缆护套用铜带工艺配套
为保障刚性防火电缆护套用铜带最终逐一实现上述产品特性，在常规铜及铜合金带材产品生产工艺的基础上，还需重点实施下列配套工艺。
3．1供坯工艺配套。当前国内TU1/T2/TP2牌号铜带供坯工艺主要包括立式半连铸+热轧方案、水平连铸方案及挤压供坯方案三种。三种方案均可满足形状外观与尺寸精度的需求，但相较于水平连铸方案产出锭坯易分层、疏松的特性，及挤压供坯方案产出铸坯尺寸规格不灵活的特性，立式半连铸+热轧方案经由高温大加功率产出的铸锭能够有效避免分层、疏松，且规格品种齐全，配置灵活，宜作为护套专用铜带的优选供坯工艺。当然，立式半连铸+热轧方案也存在因设备投资大、占地多、工序繁杂而带来的产品成本劣势。
3．2热处理工艺配套。为保障护套专用铜带在整卷范围内的性能准确、均一，在热处理工艺配套上，尤其是成品退火环节，宜优选展开式连续退火方案。部分护套专用铜带因规格过大(≥1．5mm)无法实现展开式连续退火方案时，应采取风机变频控制的高精度钟罩式退火炉实施退火作业，保障罩式炉炉内控温精度≤±5℃。
3．3表面清洗工艺配套。表面清洗工艺直接影响着护套专用铜带的可焊性与焊接稳定性。实现护套专用铜带产品表面残油量≤10mg/㎡·面，且铜带表面无残留铜粉、脏污等异物，需在控制冷轧工序表面残油量≤200mg/㎡·面的基础上，对表面清洗工序的脱脂环节配备预脱脂、脱脂、热水冲淋的系统脱脂工艺，并实施产品表面抛光。特别的，需在铜带最终烘干前对带材实施由新鲜水喷淋的表面清理工序。
3．4精密分切工艺配套。传统的分切工艺不可避免会在裁切端面产生毛刺，对护套专用铜带产品而言，毛刺的存在将导致连续氩弧焊过程电弧不稳，甚至漏焊。尽管通过边部处理能在一定程度上缓解毛刺的影响，但风险依然存在。对应护套专用铜带的裁切工艺应采取直接裁切为矩形端面，以无毛刺为目标的裁切方案。具体裁切工艺宜在传统工艺的基础上，按照零侧隙、负刀缝及断压方式配套实施。
3．5成套生产工艺流程。综合上述工艺配套，刚性防火电缆护套用铜带的生产工艺流程为:备料→加料→熔炼→立式半连铸→锯切→步进炉加热→热轧→离线铣面→粗轧→粗裁定尺→罩式炉退火→清洗机列清洗→中精轧机冷轧→罩式炉退火→清洗机列清洗→中精轧机冷轧→罩式炉退火→清洗机列清洗→精密分切→包装→称重→入库→发货出库。
4结束语
紧贴刚性防火电缆护套的功能需求，立足于常规铜带产品生产工艺流程与工艺参数，在不增加铜带生产设备投入与操作难度的基础上，通过生产工艺流程的优选，工艺参数的调配，以及核心技术指标的对应，针对性产出的护套专用铜带产品，无论在满足电缆功能性还是匹配电缆生产上，均完全符合市场需求，且大幅降低了因护套质量异常造成的电缆生产过程的报废浪费。我公司按上述产品设计与工艺配套所生产的刚性防火电缆护套用铜带产品，自2019年下半年投产至今，在得到市场客户充分认可的情况下，已向国内众多知名防火电缆生产企业成功销售近万吨产品，取得了显著的经济效益与社会效益，证明该护套专用产品的设计与工艺配套成熟可靠。在当前国内外铜及铜合金产品升级大力推行高纯化、合金化的过程中，充分研究市场客户使用端的应用需求，围绕具体产品的需求实施设计，以个性化及微创新打造适应个性化需求的定制功能性产品，推动产品升级，培育企业产品在市场上的核心竞争力，同样不失为实现产品升级目标的途径之一。
作者:刘建新 文志凌 胡勇 单位:安徽楚江科技新材料股份有限公司