大型擠壓在線淬火裝備的現(xiàn)狀和改進方案研究

趙茂密，秦頤鳴，零妙然，羅春林，馮恩浪

（廣西平果百礦高新鋁業(yè)有限公司，廣西平果531400）

0 前言

鋁合金擠壓在線淬火技術(shù)可以簡化生產(chǎn)流程、縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，目前部分2×××、7×××系和幾乎所有的常用6×××系鋁合金都可以采用擠壓在線淬火方法生產(chǎn)。要保證在線淬火型材的力學(xué)性能，必須在擠壓機出口處以一定強度的冷卻速度進行淬火，以保證得到過飽和固溶體，在后續(xù)的時效過程中強化相細小析出，起到彌散強化作用[1-2]。但淬火冷卻速度過快，則淬火過程中型材各部位冷卻不均勻的表現(xiàn)明顯，容易造成淬火后型材變形，特別是大規(guī)格型材在線淬火變形問題十分突出[3]。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品的合金、截面形狀、壁厚等綜合因素，采用合適的淬火裝備及淬火工藝。根據(jù)功能劃分，目前在用的在線淬火系統(tǒng)主要分為：風(fēng)淬火、風(fēng)+水霧淬火、風(fēng)+水噴淋淬火、風(fēng)+水霧+水噴淋淬火、駐波淬火、駐波+水噴淋淬火等幾種[4-7]，但都分別存在淬火功能不全、冷卻能力存在盲區(qū)、最大冷卻能力不足及淬火變形等問題。而現(xiàn)代化的大型擠壓機生產(chǎn)的產(chǎn)品種類多、截面變化大，需要風(fēng)+水霧+水噴淋+駐波四大淬火功能才能滿足所有產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。另外，目前主流的大型擠壓在線淬火裝置都是采用了淬火罩上下升降的方式，以允許牽引機運行到擠壓機前梁處進行首根料的牽引，但在牽引機通過淬火工位的過程中淬火裝置無法正常工作，導(dǎo)致每次擠壓時首根料頭部相當長一部分無法正常淬火而報廢。針對目前大型擠壓在線淬火裝備存在的缺陷，本文利用能量守恒定律、熱量計算公式和牛頓冷卻定律[8]為指導(dǎo)，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行驗證，提出了一種大型鋁合金多功能擠壓在線淬火系統(tǒng)。該系統(tǒng)集風(fēng)+水霧+水噴淋+駐波淬火于一體，覆蓋目前擠壓生產(chǎn)中所有的淬火冷卻強度區(qū)間，并實現(xiàn)首根產(chǎn)品正常淬火，可以大大提高鋁合金擠壓材淬火性能和成品率。

1 現(xiàn)有在線淬火裝置介紹

1.1 風(fēng)淬火、風(fēng)+水霧淬火

國內(nèi)最早的擠壓生產(chǎn)線主要生產(chǎn)門窗為主的建筑材料，對在線淬火要求較低，所以生產(chǎn)線上的在線淬火裝置主要是以風(fēng)扇為主。具體方法是在擠壓前梁出口到冷床之間的滑出臺上下分別安裝上、下兩組風(fēng)扇對擠壓材進行風(fēng)冷淬火。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是淬火冷卻能力小、可調(diào)性差，僅適用于6060、6063等淬火不敏感、截面簡單、性能要求低的薄壁型材，且受風(fēng)機功率限制，只適用于小型擠壓生產(chǎn)線上。

在風(fēng)淬火裝置的基礎(chǔ)上，增加水霧噴頭便得到風(fēng)+水霧淬火裝置，實現(xiàn)風(fēng)淬火、水霧淬火、風(fēng)+水霧淬火三種功能。相比風(fēng)淬火裝置，其冷卻能力得到一定的提高，但其最大冷卻能力仍十分有限且可調(diào)性也較差，可淬透的合金和壁厚仍然受到很大限制，僅作為風(fēng)淬火的增強和補充，適用范圍十分有限。

1.2 駐波淬火、駐波+水噴淋淬火

為了加大淬火冷卻速度，應(yīng)用最早、結(jié)構(gòu)最簡單的淬火方法是在擠壓前梁出口后面安裝淬火水槽，產(chǎn)品擠出后直接進入水槽進行浸泡式淬火，對于一般的型材或直徑較小的棒材，可以快速冷卻到淬火溫度以下實現(xiàn)快速淬火，但由于淬火水相對靜止，其冷卻速度受到很大限制。為了適應(yīng)更大規(guī)格棒材的淬火要求，通過對淬火水施加攪拌，形成駐波淬火效果，其冷卻能力進一步提高。目前國內(nèi)使用的駐波淬火裝置主要是在水槽兩端底部噴出大流量、低壓力的水柱進行自封水并淬火，大型的生產(chǎn)線每端底部可以設(shè)置兩個或更多的噴水口以加大攪拌和提高淬火速度。但該裝置的水只從底部噴出，存在的問題一是自封水效果較差，淬火水容易從產(chǎn)品上方流出水槽外，特別是生產(chǎn)扁寬產(chǎn)品時封水更困難，因此最大產(chǎn)品規(guī)格受到限制；二是出水口只分布在產(chǎn)品下方，在整個截面上不對稱分布，導(dǎo)致冷卻過程的不對稱，容易造成產(chǎn)品淬火變形；三是只能采用較低的水壓，否則水會飛出水槽以外，因此對淬火水的攪拌作用比較弱，最大冷卻能力受到限制。封水效果差、攪拌不對稱和不充分導(dǎo)致淬火過程中產(chǎn)品表面形成的高溫蒸汽膜無法全部打掉，最大冷卻能力即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在10000W/（m2·K）以下，其應(yīng)用也受到了一定限制。另外，水槽或駐波淬火主要適用于截面對稱的大壁厚型材或棒材，異型材由于無法調(diào)整截面上各部位的冷卻速度容易產(chǎn)生嚴重的淬火變形。

在駐波淬火裝備的基礎(chǔ)上，通過水管將水噴嘴固定在水槽兩個側(cè)檔板上及水槽底部，得到駐波+水噴淋淬火裝置，可以部分解決駐波無法適應(yīng)異型材淬火的問題。但由于噴嘴只分布于兩邊及底部，其冷卻均勻性和可調(diào)性較差，應(yīng)用也受到很大限制。目前駐波淬火或駐波+水噴淋淬火主要應(yīng)用在小型擠壓生產(chǎn)線或大型反擠壓生產(chǎn)線上，用于生產(chǎn)棒材和形狀簡單對稱的型材。

1.5 風(fēng)+水噴淋淬火、風(fēng)+水霧+水噴淋淬火

隨著以軌道交通為代表的工業(yè)型材市場的開拓，對精密在線淬火裝備及技術(shù)的需求也越來越高，國內(nèi)企業(yè)從國外引進并消化吸收了先進的大型擠壓在線精密淬火裝備和技術(shù)。其中，風(fēng)+水噴淋淬火裝備是將淬火通道的左、右及上部一系列風(fēng)嘴和水噴嘴安裝在可上下升降的淬火罩上，從而實現(xiàn)產(chǎn)品截面左右上下全方位同時淬火冷卻。該裝備的每一列風(fēng)嘴或水噴嘴都可單獨控制淬火介質(zhì)流量和壓力，必要時可以實現(xiàn)水噴嘴的角度可調(diào)，其淬火可調(diào)性強、冷卻控制精度高，產(chǎn)品淬火變形小。在風(fēng)+水噴淋淬火裝備基礎(chǔ)上增加水霧噴頭形成風(fēng)+水霧+水噴淋淬火系統(tǒng)，可以縮小或消除風(fēng)冷和水冷之間的冷卻能力空白區(qū)間，適應(yīng)更廣泛的產(chǎn)品淬火需求。因此，目前已成為大型擠壓生產(chǎn)線的主流配置。

但由于受風(fēng)嘴、滑出臺輥輪等的影響，水噴嘴的排布受到一定限制，每個水噴嘴之間留有一定的空白盲區(qū)。雖然通過改變水噴嘴的噴射方式和噴射角度可以得到一定程度的改善，但型材上仍然存在較大的區(qū)域淬火水無法直接噴射，所以其最大冷卻能力受到了限制，最大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在4000W/（m2·K）左右，仍然無法滿足大規(guī)格棒材的在線淬火需求。另外，目前的風(fēng)+水噴淋或風(fēng)+水霧+水噴淋裝備無法與駐波淬火共存，風(fēng)淬火時上部及兩側(cè)的風(fēng)從可升降的淬火罩上的風(fēng)嘴吹出，而駐波淬火必須在淬火通道的兩側(cè)設(shè)計兩個檔水板，導(dǎo)致風(fēng)淬火的淬火罩無法下降，或即使設(shè)計成淬火罩與檔水板在橫向上錯開位置達到能夠下降淬火罩的目的，但淬火的風(fēng)也會因駐波淬火的兩個側(cè)檔板影響而無法正常排出。因此，該裝備不具備駐波淬火功能，其最大冷卻能力無法提升。目前最常用的解決措施是在風(fēng)+水霧+水噴淋淬火裝置的基礎(chǔ)上，再增加一個可移動的駐波淬火水槽。當不需要駐波淬火時將水槽移走，需要駐波淬火時再將水槽裝上。但來回裝卸水槽導(dǎo)致人工勞動強度增大，并存在很大的安全隱患，不符合現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求，且現(xiàn)有的駐波淬火水槽仍存在上文所介紹的最大冷卻能力有限、冷卻不均勻等問題。同時，由于采用可上下活動的淬火罩的形式，生產(chǎn)首根產(chǎn)品時，牽引機要移動到擠壓機前梁出口處進行牽引，此時淬火罩無法下降，不能對首根產(chǎn)品進行在線淬火，只有牽引機離開淬火罩工位后，淬火罩才能下降并正常淬火，從而導(dǎo)致每次生產(chǎn)時，首根產(chǎn)品頭部一段因為不能正常淬火而報廢。

綜上所述，現(xiàn)有的淬火裝置還分別存在以下缺點：

（1）淬火功能不全、冷卻能力區(qū)間存在盲區(qū)，或需要人工裝卸駐波淬火水槽，無法滿足現(xiàn)代化大型擠壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)需求。

（2）駐波淬火產(chǎn)品最大截面受到限制，攪拌不均勻、不充分造成最大冷卻能力不足，無法滿足大規(guī)格棒材等產(chǎn)品的快速淬火需求。

（3）牽引首根產(chǎn)品時，在線淬火罩無法下降，導(dǎo)致首根產(chǎn)品因為無法正常淬火而報廢。

2 新型多功能在線淬火系統(tǒng)方案

為了解決上述問題，我們提出了一種全新的多功能在線淬火系統(tǒng)，該系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1多功能在線淬火系統(tǒng)示意圖

下風(fēng)箱1上設(shè)置有若干個間隔排列的輥輪5，鋁合金擠壓材從輥輪5上進入淬火系統(tǒng)，相鄰兩個輥輪5之間設(shè)置有若干個底部風(fēng)嘴61、底部水噴頭71和底部水霧噴頭81，下風(fēng)箱1沿擠壓方向的前后兩端分別設(shè)置有下水刀9。側(cè)檔板2位于下風(fēng)箱1兩側(cè)并與升降機構(gòu)15連接實現(xiàn)可升降功能，側(cè)檔板2全長上分布有若干個側(cè)出水口10，兩端分別設(shè)置有側(cè)水刀11，兩側(cè)的側(cè)出水口10和側(cè)水刀11朝相對方向?qū)ΨQ設(shè)置。淬火通道由下風(fēng)箱1、淬火罩4級成，下水刀9和側(cè)水刀11的方向均朝向淬火通道內(nèi)側(cè)呈5～45°角。淬火罩位于下風(fēng)箱1的上方，罩體兩側(cè)均設(shè)置有若干個側(cè)部風(fēng)嘴62、側(cè)部水噴頭72、側(cè)部霧噴頭82，淬火罩4下表面設(shè)置有若干個上部風(fēng)嘴63、上部水噴頭73、上部水霧噴頭83。

所有風(fēng)嘴通過風(fēng)管與變頻風(fēng)機相連，風(fēng)管上安裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)比例閥，實現(xiàn)風(fēng)量的定量控制；所有水噴頭、水霧噴頭、側(cè)出水口10和側(cè)水刀11均通過水管與高壓水泵相連，下水刀9通過水管與低壓水泵相連，所有水管上均安裝有壓力和流量控制閥，實現(xiàn)水壓、水流量和水霧的定量控制。

該在線淬火系統(tǒng)還包括子牽引機3，由上夾頭13和下夾頭14組成；上、下夾頭通過自帶的伸縮機構(gòu)實現(xiàn)夾持和打開。該子牽引機3通過外置電機驅(qū)動，可在正常工作的淬火罩下方沿著導(dǎo)軌12來回運行。另外，該系統(tǒng)還包括與現(xiàn)有淬火裝置相同或類似的淬火水循環(huán)、過濾、冷卻等裝置以及人機畫面等控制系統(tǒng)。

3 結(jié)果和討論

實現(xiàn)風(fēng)、水霧、水噴淋、駐波淬火功能集于一體的難點和關(guān)鍵點在于駐波淬火所需的側(cè)檔板與風(fēng)或水霧淬火時的風(fēng)或水霧流動相干涉問題。本系統(tǒng)的兩側(cè)檔板可根據(jù)需要實現(xiàn)升降功能，避免與上風(fēng)罩產(chǎn)生干涉，當需要風(fēng)或霧淬火時，側(cè)檔板2最高點下降到與輥輪5高度相同的位置避免對風(fēng)或水霧的流動產(chǎn)生影響；當需要水噴淋淬火時，側(cè)檔板2升起達到兩側(cè)檔水的效果；當需要駐波淬火時，側(cè)檔板2升起達到兩側(cè)檔水、兩端以水封水和全長攪拌的效果，從而實現(xiàn)駐波淬火與風(fēng)、水霧、水噴淋淬火功能互不影響，且操作簡單、安全、快捷。

根據(jù)萊頓弗羅斯特效應(yīng)，液體不會潤濕炙熱的表面，而僅僅在其上形成一個蒸汽層，而蒸汽層的熱傳導(dǎo)速度遠比液態(tài)水的慢。在駐波淬火時，高溫的產(chǎn)品通過淬火水時表面會形成蒸汽膜，如果駐波水攪動不充分或不均勻，則無法將蒸汽膜全部打掉，其冷卻效果會大大降低。本系統(tǒng)中下水刀9噴出低壓力大流量的水刀、側(cè)水刀11噴出高壓力大流量的水刀，從而達到以水封水、提高駐波淬火水位高度、加強攪拌、防止水飛濺的效果；同時兩側(cè)出水口10噴出高壓力的水柱對水槽內(nèi)的淬火水進一步強力攪拌。其強力攪拌主要由對稱分布的兩側(cè)出水口10和側(cè)水刀11噴射高壓力的水柱或水刀實現(xiàn)。相比現(xiàn)有的駐波淬火，適應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格更大、冷卻更均勻性、最大冷卻能力更強。

根據(jù)熱量計算公式，材料放出的熱量Q1=CmΔT，其中C為材料的比熱容，m為材料的質(zhì)量。根據(jù)牛頓冷卻定律，單位時間內(nèi)材料經(jīng)過對流傳熱散出的熱量q=hS（TA-T介），其中h為材料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，S為材料的表面積，TA為材料在A處的原始溫度，T介為周圍環(huán)境介質(zhì)的溫度。時間t內(nèi)經(jīng)過對流傳熱散出的熱量Q2=qt=hS（TA-T介）t。根據(jù)能量守恒定律，材料放出的熱量Q1等于周圍環(huán)境介質(zhì)與材料表面之間對流傳熱的熱量Q2，即Q1=Q2。由以上三個公式可得出材料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=CmΔT/[S（TA-T介）t]，將不同產(chǎn)品的C、m、S及淬火過程中測量出的ΔT、TA、T介、t等過程參數(shù)代入計算公式，可得出該淬火系統(tǒng)的淬火冷卻能力，即材料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h從0到15000W/（m2·K）以上連續(xù)分布，其覆蓋范圍大于上文所介紹的目前所有的在線淬火裝置，滿足在線淬火的所有產(chǎn)品規(guī)格的淬火要求。

方案通過結(jié)構(gòu)簡單可靠的子牽引機，可以穿過正常工作的淬火系統(tǒng)進行邊牽引邊淬火，實現(xiàn)首根產(chǎn)品正常淬火。該子牽引機采用夾頭朝向與擠壓方向相同的自夾緊設(shè)計方法，在牽引過程中牽引力越大夾持越緊，同時電機等牽引動力機構(gòu)設(shè)計在淬火系統(tǒng)后面，通過鏈條傳遞動力，結(jié)構(gòu)可靠性高、維護簡單方便。結(jié)合目前國內(nèi)小批量、多品種的產(chǎn)品市場現(xiàn)狀，特別是軌道交通為代表的工業(yè)材每次生產(chǎn)的批量很小，同時大型擠壓機生產(chǎn)的每根產(chǎn)品米重都比較大，因此，首根產(chǎn)品正常淬火可大大提高成品率、降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

（1）目前國內(nèi)大型擠壓機普遍采用的水噴淋+駐波或風(fēng)+水霧+水噴淋在線淬火系統(tǒng)，分別存在功能不全、冷卻能力存在盲區(qū)、最大冷卻能力不足和淬火變形等缺點。新型多功能在線淬火系統(tǒng)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以將風(fēng)、水霧、水噴淋、駐波淬火四大功能集于一體，進一步擴大淬火產(chǎn)品適應(yīng)范圍。

（2）駐波淬火的冷卻效果主要受淬火水的攪拌方式和攪拌強度影響，通過高壓水左右對稱強力攪拌，可以將淬火冷卻能力即材料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高到15000W/（m2·K）以上，滿足大規(guī)格棒材的淬火要求。

（3）通過能量守恒定律、熱量計算公式和牛頓冷卻定律等傳熱學(xué)原理，可以反映出淬火過程的熱交換情況，從而推算出淬火系統(tǒng)的冷卻能力，有助于開發(fā)和改進在線淬火裝備。

（4）采用子牽引機可以實現(xiàn)首根產(chǎn)品邊牽引邊正常淬火，大大提高成品率；通過動力外置和自夾持設(shè)計，可以提高子牽引機的運行可靠性、降低維護成本。