炭素?cái)D壓機(jī)型嘴的設(shè)計(jì)研究

魏征宇

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

擠壓成形是生產(chǎn)效率比較高的炭素材料成形方法，裝入一批糊料后可以擠壓出若干根炭素制品，且擠壓制品的軸向密度分布比較均勻，適合于生產(chǎn)長(zhǎng)條形的棒材或管材，如煉鋼用電極、各種炭棒、鋁電解槽用炭塊以及核反應(yīng)堆的石墨砌體等[1]。

炭素糊料通過(guò)型嘴產(chǎn)生形變，擠壓制品的形狀與尺寸是由型嘴截面形狀決定的，且擠壓制品的特性和質(zhì)量也與型嘴的形狀和尺寸有密切關(guān)系[2]。

下面以41MN炭素?cái)D壓機(jī)的?400～?800型嘴為例加以說(shuō)明。

1 型嘴規(guī)格

1.1 型嘴入口直徑

型嘴入口與擠壓料室相連接，型嘴入口直徑與擠壓料室相一致。

對(duì)于炭素?cái)D壓機(jī)，擠壓機(jī)壓力與料室橫截面積的比值稱(chēng)為比壓（α），即料室內(nèi)炭素糊料單位界面上承受的壓力。國(guó)產(chǎn)炭素?cái)D壓機(jī)比壓一般為20～22MPa，見(jiàn)表1。國(guó)外相同壓力的炭素?cái)D壓機(jī)料室直徑較大（比壓略?。?，在某種工藝配合下，也可生產(chǎn)出高質(zhì)量的炭素產(chǎn)品。

1.2 型嘴出口直徑

表1 國(guó)內(nèi)外炭素?cái)D壓機(jī)料室規(guī)格對(duì)比

炭素糊料被擠出型嘴后會(huì)發(fā)生彈性膨脹，擠壓制品截面積略大于型嘴口截面積。但是在后序焙燒及石墨化過(guò)程中有一定量的收縮，機(jī)械加工時(shí)需有一些加工余量，所以擠壓機(jī)型嘴出口端內(nèi)壁尺寸應(yīng)比產(chǎn)品成品尺寸略大5～10%，小規(guī)格成品取大值，大規(guī)格成品取小值。41MN炭素?cái)D壓機(jī)配置的各種規(guī)格型嘴出口直徑如表2所示。

表2 型嘴出口直徑

1.3 擠壓比

對(duì)于炭素?cái)D壓機(jī)，型嘴入口橫截面積（擠壓料室橫截面積）與出口橫截面積的比值稱(chēng)為擠壓比（φ）。擠壓比反映了炭素糊料的變形情況，擠壓比的大小對(duì)糊料擠壓變形過(guò)程和擠壓制品質(zhì)量有很大影響，若擠壓比過(guò)小，將使內(nèi)層糊料得不到壓實(shí)，制品內(nèi)外層性能差別增大；若擠壓比過(guò)大，制品從型嘴口被擠出的速度過(guò)快，制品密度下降，且距中心線不同半徑的層面流速增大，層面間產(chǎn)生較大的相對(duì)滑動(dòng)，從而使層狀結(jié)構(gòu)更明顯，其強(qiáng)度也大幅下降，同時(shí)擠壓所消耗的能量增加，這在生產(chǎn)上是不經(jīng)濟(jì)的。因此擠壓一定直徑的制品時(shí)，必須合理選擇擠壓比，一般取φ=3～15。41MN炭素?cái)D壓機(jī)配置的各種規(guī)格型嘴擠壓比如表3所示。

表3 擠壓比

2 型嘴結(jié)構(gòu)

一般大型炭素?cái)D壓機(jī)（公稱(chēng)擠壓力≥35MN，擠壓料室直徑≥?1420mm）配備的型嘴為兩段式，如圖1所示。型嘴大段一端和擠壓料室通過(guò)大卡環(huán)相連接，另一端和型嘴小段通過(guò)小卡環(huán)相連接。一臺(tái)炭素?cái)D壓機(jī)配備1個(gè)或者2個(gè)型嘴大段，和與型嘴大段相連接的若干個(gè)型嘴小段。這種兩段式型嘴結(jié)構(gòu)每次更換型嘴時(shí)，只更換型嘴小段，操作相對(duì)方便；同時(shí)，型嘴小段零部件重量較輕，設(shè)備運(yùn)行成本會(huì)低很多。

圖1 型嘴結(jié)構(gòu)圖

3 型嘴曲線

3.1 擠壓過(guò)程中炭素糊料在型嘴內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律

在型嘴圓弧變形區(qū)，擠壓力和摩擦力與擠壓軸線存在一定夾角，使得炭素糊料的運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生改變，顆粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，糊料發(fā)生較大的位移，并使內(nèi)外層糊料進(jìn)行交流，其交流程度與型嘴曲線和糊料性能有關(guān)。擠壓過(guò)程中，不等軸的顆粒會(huì)發(fā)生定向排列，在擠壓過(guò)程中，隨著型嘴曲線的變化，粒子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使長(zhǎng)軸方向與擠壓軸線一致，糊料粒子通過(guò)直線段，使粒子長(zhǎng)軸方向與型嘴口中心線平行排列分布，在組織結(jié)構(gòu)和性能上各向異性[4]。

3.2 型嘴曲線

型嘴曲線一般分為兩段：圓弧變形區(qū)和直線定形區(qū)。也有將圓弧變形區(qū)的曲線改為直線形[4]。兩段式型嘴有兩個(gè)變形區(qū)，先由型嘴入口直徑過(guò)渡到型嘴中間直徑，再由型嘴中間直徑過(guò)渡到型嘴出口直徑，如圖1所示。

3.3 型嘴長(zhǎng)度

對(duì)于一臺(tái)炭素?cái)D壓機(jī)來(lái)說(shuō)，型嘴的全長(zhǎng)是固定的，這是由壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定的，擠壓制品的直徑越大，型嘴應(yīng)該越長(zhǎng)一些，這不僅是為了使炭素糊料受擠壓變形的過(guò)程能緩和一些，減少擠壓制品中心部位與表面部位的質(zhì)量差別，也是為了使擠壓制品經(jīng)過(guò)直線定形區(qū)段的時(shí)間長(zhǎng)一些，擠壓出后制品的彈性膨脹小一些，過(guò)大的彈性膨脹可能導(dǎo)致擠壓制品裂紋的產(chǎn)生。一般，型嘴直線定形區(qū)長(zhǎng)度為型嘴出口直徑的1.2～1.5倍，型嘴總長(zhǎng)度為型嘴入口直徑（擠壓料室直徑）的1.5～2倍。

4 型嘴的設(shè)計(jì)方法

4.1 型嘴本體

裝在炭素?cái)D壓機(jī)料室內(nèi)的炭素糊料，由壓頭推動(dòng)沿著型嘴內(nèi)表面移動(dòng)變形，由型嘴口被擠出。在擠壓過(guò)程中，型嘴受到高溫、高壓、高摩擦，工況較為惡劣；同時(shí)型嘴的內(nèi)外表面為不規(guī)則曲面，傳統(tǒng)的手工力學(xué)計(jì)算方法不易精確計(jì)算分析，且對(duì)一些零件細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。因此以往型嘴一般較為笨重，造成極大浪費(fèi)。

隨著設(shè)計(jì)手段的不斷進(jìn)步，有限元分析法逐步得以成熟應(yīng)用。I-DEAS軟件是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的幾種大型CAD/CAM/CAE一體化軟件之一，具有強(qiáng)大的有限元分析功能[5]。應(yīng)用I-DEAS有限元分析軟件對(duì)炭素?cái)D壓機(jī)型嘴零件在最大負(fù)荷工作狀態(tài)下的應(yīng)力及變形狀況進(jìn)行分析，并對(duì)型嘴進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1.1 型嘴受力分析

型嘴最大應(yīng)力發(fā)生在炭素?cái)D壓機(jī)悶車(chē)時(shí)，此時(shí)全部的擠壓力都作用在型嘴零件上，型嘴零件大端法蘭環(huán)受到的壓力N，小端法蘭受到螺釘?shù)睦Γ菽傅膲毫Γ〧，內(nèi)表面受到炭素糊料的壓力（壓強(qiáng)）p，如圖2所示。

圖2 型嘴零件受力分析

式中：Y——炭素?cái)D壓機(jī)的擠壓力。

4.1.2 施加邊界條件（載荷和約束）

根據(jù)型嘴的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)及工作時(shí)的受力狀態(tài)，在“BoundaryConditions邊界條件”任務(wù)中在型嘴零件大端法蘭添加載荷力N，小端法蘭添加載荷力F，內(nèi)表面添加載荷壓力p，并在其對(duì)稱(chēng)面上分別施加X(jué)方向和Y方向?qū)ΨQ(chēng)約束，在其端面上施加Z方向約束。

4.1.3 劃分網(wǎng)格

在“Meshing劃分網(wǎng)格”任務(wù)中采用Solid線性四面體單元對(duì)型嘴零件模型進(jìn)行自由式網(wǎng)格劃分，單元體長(zhǎng)度20，每個(gè)單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)、4個(gè)面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平移自由度。型嘴零件模型共生成11059個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分出49249個(gè)單元，劃分出的有限元模型如圖3所示。

圖3 型嘴零件有限元模型網(wǎng)格劃分圖

4.1.4 有限元模型的分析計(jì)算與計(jì)算結(jié)果分析

在“Model Solution模型計(jì)算”任務(wù)中對(duì)型嘴模型進(jìn)行分析計(jì)算。

在“PostProcessing后期處理”任務(wù)中可以得到型嘴有限元模型在受載后，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所承受的最大、最小主應(yīng)力、等效應(yīng)力、支反力、應(yīng)變能以及位移等。型嘴模型節(jié)點(diǎn)受力分布以及位移變形云圖如圖4所示。

圖4 型嘴零件有限元模型應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

型嘴零件材質(zhì)為鑄鋼ZG270-500，采用正火+回火處理，其強(qiáng)度極限和屈服極限分別為σb=500MPa和σs=270MPa[6]，根據(jù)炭素?cái)D壓機(jī)型嘴零件的工況，型嘴零件的安全系數(shù)取ns=2～2.5[7]。

4.2 加熱控溫

合適的型嘴溫度能使擠壓制品表面光滑，減少裂紋廢品。型嘴溫度過(guò)高會(huì)使糊料表面變軟，黏結(jié)劑反滲，聚集于擠壓制品表面，使擠壓制品表面產(chǎn)生氣泡，尤其對(duì)大規(guī)格的擠壓制品更為明顯。型嘴溫度過(guò)低會(huì)增大型嘴內(nèi)壁摩擦力，從而增大了擠壓力，使糊料內(nèi)外層擠出速度差過(guò)大，容易產(chǎn)生分層，同時(shí)由于型嘴溫度太低導(dǎo)致擠壓制品表面粗糙，嚴(yán)重時(shí)成為麻面廢品[8]。一般情況下，料室溫度稍低一些，為120～130℃，型嘴溫度稍高一些，為 130～160℃，越靠近型嘴出口溫度越高，型嘴小段溫度比大段溫度高10℃左右。

型嘴外表面用鋼板焊接導(dǎo)熱油槽，導(dǎo)熱油槽外面覆蓋硅酸鋁棉保溫層，最外面用薄鋼板包裹固定[9]，如圖1所示，通過(guò)導(dǎo)熱油對(duì)型嘴不同部位進(jìn)行加熱，每個(gè)部位安裝熱電偶，用于檢測(cè)溫度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控溫。

4.3 連接

型嘴是由卡環(huán)連接固定的，如圖1所示，料室和型嘴大段由大卡環(huán)連接固定，型嘴大段和型嘴小段由小卡環(huán)連接固定。

卡環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖5所示?？ōh(huán)分為左右兩半卡環(huán)，上下端分別由兩組由螺柱和螺母連接緊固，每個(gè)半卡環(huán)上安裝一個(gè)吊環(huán)螺釘[10]。卡環(huán)安裝使用一段時(shí)間后拆卸時(shí)，經(jīng)常發(fā)生卡環(huán)和型嘴卡死無(wú)法分離的現(xiàn)象，因此在兩半卡環(huán)外側(cè)分別安裝一個(gè)油缸，拆卸時(shí)油缸加壓，活塞桿頂在型嘴上，將卡環(huán)和型嘴分離。

圖5 卡環(huán)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)炭素?cái)D壓機(jī)型嘴的分析，歸納出型嘴設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法。

（1）根據(jù)炭素生產(chǎn)工藝確定炭素?cái)D壓機(jī)合適的比壓（α）和擠壓比（φ）。

（2）確定炭素?cái)D壓機(jī)型嘴的直徑、長(zhǎng)度和曲線。

（3）型嘴零部件的機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)重要零件進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）對(duì)型嘴加熱系統(tǒng)、連接裝置、安裝拆卸起吊運(yùn)輸?shù)冉Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。