75MN擠壓機(jī)淬火冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李建華

（山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城 273500）

鋁合金材料通過擠壓機(jī)擠出后，此時(shí)溫度在500多度，為充分利用擠壓余熱，降低生產(chǎn)能耗，此時(shí)對(duì)材料進(jìn)行及時(shí)的在線淬火。淬火冷卻系統(tǒng)是鋁鋁合金材料加工中的一道重要工序，淬火分為在線淬火和離線淬火。大多數(shù)鋁合金材料可通過在線淬火技術(shù)滿足工藝要求。所謂在線淬火技術(shù)，即鋁合金擠壓出前梁后直接進(jìn)入淬火裝置進(jìn)行冷卻，通過此種方式直接進(jìn)行淬火，不僅保證材料性能滿足工藝需求，而且極大縮短了離線淬火的流程，提高了擠壓生產(chǎn)效率。在線淬火技術(shù)的研究設(shè)計(jì)，已是許多工程技術(shù)人員研究的重要方向。

1 鋁合金擠壓機(jī)在線淬火的現(xiàn)狀

擠壓鋁合金大多數(shù)是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，這些合金經(jīng)過固溶熱處理并經(jīng)過時(shí)效后，可提高其強(qiáng)度，獲得所需要的力學(xué)強(qiáng)度和組織性能。固溶熱處理分為三個(gè)步驟，一是鋁合金擠壓產(chǎn)品在擠出模具前溫度必須要達(dá)到該合金的固溶熱處理的溫度范圍，且擠壓過程中溫差不大；二是鋁合金從模具擠壓出來到進(jìn)入淬火裝置時(shí)間不超過該鋁合金淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間；三是鋁合金從淬火裝置經(jīng)過的時(shí)間足夠，并使鋁合金冷卻到規(guī)定的溫度。

在先淬火技術(shù)目前大體分為風(fēng)冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、風(fēng)霧冷系統(tǒng)、穿水冷卻系統(tǒng)等類型。風(fēng)冷淬火對(duì)一般適合壁厚薄且較均勻，結(jié)構(gòu)簡單的鋁合金材料適用；當(dāng)鋁合金材料較厚，且為非對(duì)稱的復(fù)雜斷面，可以考慮采用水冷卻裝置；當(dāng)擠鋁合金材料稍厚或者風(fēng)冷效果在臨界點(diǎn)上時(shí)，可以考慮風(fēng)霧冷系統(tǒng)，此時(shí)在風(fēng)冷的基礎(chǔ)上，加入采用獨(dú)立的霧化水泵噴入適量的水，加速鋁合金材料冷卻；當(dāng)鋁合金材料為厚板或者棒材時(shí)，水冷系統(tǒng)無法滿足正常的冷卻，此時(shí)可使用穿水系統(tǒng)，讓鋁合金材料從冷卻水中穿行，以最大限度的進(jìn)行冷卻。所以根據(jù)不同的擠壓鋁合金材料，根據(jù)壁厚、冷卻要求等確定合適的淬火工藝，選用合理的淬火方式，以滿足鋁合金對(duì)淬火過程中的工藝要求。

為使擠壓鋁合金材料經(jīng)過在線淬火裝置后達(dá)到理想的效果，需要選擇合適的淬火方式，以保證所需要的冷卻速度，只有保證足夠的冷卻速度，才能保證鋁合金材料后期的力學(xué)性能符合要求。此時(shí)在冷卻方式設(shè)計(jì)上，要在淬火裝置內(nèi)設(shè)計(jì)合適的冷卻通道，包括冷卻動(dòng)力、冷卻長度，冷卻密度等等。并根據(jù)鋁合金材料斷面的形狀，確定各個(gè)位置冷卻方式是否一致，以保證整體材料冷卻速度均勻。在75MN大機(jī)型擠壓系統(tǒng)中，考慮采用兩條冷卻通過，1號(hào)淬火通道為風(fēng)、水或者混合使用，2號(hào)通道為風(fēng)冷加強(qiáng)專用。

2 鋁合金擠壓機(jī)在線淬火裝置結(jié)構(gòu)分類

75MN擠壓機(jī)作為一臺(tái)大噸位擠壓機(jī)，淬火裝置應(yīng)設(shè)計(jì)具有一個(gè)能產(chǎn)生強(qiáng)勁的熱傳遞、直接冷卻的均衡激速冷卻系統(tǒng)。根據(jù)需要進(jìn)行風(fēng)冷或水冷，水冷系統(tǒng)中融入風(fēng)霧冷系統(tǒng)、強(qiáng)勁水冷卻系統(tǒng)，根據(jù)工藝需要進(jìn)行設(shè)定。該系統(tǒng)由兩個(gè)5.5米長的裝置組成，而每個(gè)裝置由一個(gè)上冷卻罩和一個(gè)下冷卻罩組成。每個(gè)裝置的上冷卻罩通過兩個(gè)油缸來提升，每個(gè)裝置在縱向分為兩部分，每部分配有風(fēng)機(jī)。兩部分在結(jié)構(gòu)上相連，因此只需一個(gè)提升系統(tǒng)。每個(gè)裝置的下冷卻罩是固定的，并與風(fēng)機(jī)連接；下冷卻罩還支撐輥?zhàn)印P夫拉含硬樹脂輥?zhàn)颖砻娓采w一層耐600攝氏度的高溫材料，壁厚約12毫米，采用4毫米PBO加上8毫米凱夫拉爾設(shè)計(jì)，套在帶專用軸承鋼架上能夠在周圍潮濕環(huán)境下正常運(yùn)行，做好防腐蝕處理。輥?zhàn)娱g距500毫米每個(gè)輥?zhàn)影惭b在可轉(zhuǎn)動(dòng)的架子上，利用氣缸進(jìn)行上下移動(dòng)。當(dāng)在線牽引機(jī)經(jīng)過，輥?zhàn)痈鶕?jù)在線牽引機(jī)的位置依次壓下。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)萬一控制失效，輥?zhàn)幽軌蛴梢苿?dòng)的牽引機(jī)或鋸?fù)崎_而沒有任何損害，該支撐可通過調(diào)節(jié)高度來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的對(duì)齊并便于輥?zhàn)涌焖俨鹦丁?/p>

2.1 一號(hào)冷卻罩風(fēng)冷系統(tǒng)

風(fēng)冷系統(tǒng)可以提供接近高達(dá)300W/m2K的熱傳導(dǎo)系數(shù)。每個(gè)裝置的上冷卻罩分為兩個(gè)2.75米長的裝置。每個(gè)裝置的特性如下：一臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸風(fēng)量90000立方米/小時(shí)；運(yùn)行風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率110千瓦。風(fēng)冷系統(tǒng)共分為4個(gè)區(qū)：右上部區(qū)域、左上部區(qū)域、右側(cè)區(qū)域和左側(cè)區(qū)域，各區(qū)域設(shè)計(jì)輸風(fēng)速度達(dá)50米/秒的風(fēng)嘴，每一區(qū)域有電控氣動(dòng)控制器控制風(fēng)量傳輸且風(fēng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)。通過這種方式操作員可以設(shè)置所需的風(fēng)速。首先執(zhí)行氣門片定位，然后如果需要，通過作用于變頻器來修改風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。下冷卻罩是單獨(dú)的5.5米長的裝置有以下特性：一臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸風(fēng)量：90000立方米/小時(shí)；運(yùn)行風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率：110千瓦；分為2個(gè)區(qū)：右部區(qū)域和左部區(qū)域，兩區(qū)域各有一系列輸風(fēng)速度達(dá)50米/秒的風(fēng)嘴。

該風(fēng)冷系統(tǒng)主要特性有：在實(shí)際的工作距離中，風(fēng)嘴設(shè)計(jì)成不會(huì)對(duì)冷卻功率造成不當(dāng)?shù)睦速M(fèi)。兩側(cè)的風(fēng)嘴外，所有的風(fēng)嘴是交錯(cuò)排列，風(fēng)嘴氣流不會(huì)互相干擾。兩側(cè)的風(fēng)嘴是面對(duì)面排列，正常來說對(duì)于高尺寸的鋁合金材料只使用單邊風(fēng)嘴。兩側(cè)的風(fēng)嘴設(shè)計(jì)正常工作距離為250到350毫米；風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠冷卻最大尺寸為900毫米寬、300高毫米或直徑520毫米的鋁合金材料。本設(shè)計(jì)還考慮到實(shí)際鋁合金材料經(jīng)常是不直的；在冷卻通道里的風(fēng)嘴通過安置在起始端、中心處和出口端的保護(hù)設(shè)施來保護(hù)，這些保護(hù)突出風(fēng)嘴10毫米，限制鋁合金材料并避免變形了的鋁合金材料與風(fēng)嘴接觸；所有自動(dòng)設(shè)置是冷卻數(shù)據(jù)的一個(gè)部分，記憶相關(guān)鋁合金材料號(hào)和模具號(hào)。均衡激速冷卻系統(tǒng)是根據(jù)輸入鋁合金材料數(shù)據(jù)來自動(dòng)調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、氣門片的定位、冷卻風(fēng)嘴書數(shù)量、上冷卻罩的位置、導(dǎo)出臺(tái)靠擠壓機(jī)端的高度等等，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)有必要進(jìn)一步確定所需參數(shù)，在擠壓機(jī)換鋁棒時(shí)可選擇持續(xù)或降低的冷卻模式；輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)通過液壓缸可以調(diào)節(jié)靠擠壓機(jī)端高度。一個(gè)線性傳感器實(shí)現(xiàn)靠擠壓機(jī)端輥?zhàn)痈叨鹊目梢暬灰簤焊仔谐淘试S第一根輥?zhàn)拥奈恢帽葦D壓機(jī)中心線低約50到260毫米。

2.2 一號(hào)冷卻罩水冷系統(tǒng)

安裝在冷卻罩1的水冷系統(tǒng)能提供非常強(qiáng)勁的熱傳導(dǎo)系數(shù)，水冷超過500W/m2K-3000W/m2K，對(duì)致密鋁合金材料具有很強(qiáng)的冷卻效果，比水波冷卻強(qiáng)勁。通過兩個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)互相作用來實(shí)現(xiàn)，柔和的冷卻裝置和強(qiáng)勁的冷卻裝置。對(duì)大部分鋁合金材料冷卻，使用柔和的冷卻裝置已經(jīng)足夠了。該系統(tǒng)基于5.5米長的獨(dú)立裝置，安裝在與風(fēng)冷設(shè)備相同的支架上。柔和的冷卻裝置包括以下水噴嘴：上部有2排噴嘴，總輸水量為80立方米/小時(shí)。側(cè)面左右方向各有2排噴嘴，總左右各40立方米/小時(shí)，總輸水量為80立方米/小時(shí)；下部有2排噴嘴，總輸水量為80立方米/小時(shí)；噴霧模式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的上下、左右對(duì)稱冷卻，極寬、極平和極高地覆蓋整個(gè)鋁合金材料范圍，同時(shí)適合冷卻中等尺寸；上部錐狀噴霧只有輕微交疊，不會(huì)左右產(chǎn)生擴(kuò)散區(qū)。邊上的錐狀噴霧上部會(huì)存在輕微的不是冷卻鋁合金材料的區(qū)域，輸送水是完全均衡的，總輸水量為240立方米/小時(shí)。強(qiáng)勁的冷卻裝置包括以下水噴嘴：4排噴嘴置于系統(tǒng)角落，每排輸水量90立方米/小時(shí)，噴霧模式將極高地、均衡地覆蓋均衡冷卻系統(tǒng)中央部分去冷卻壁厚很大、致密鋁合金材料/棒材，噴霧模式通過適度增加錐狀噴霧的交疊來實(shí)現(xiàn)，但足可調(diào)節(jié)上下、左右的冷卻功效，輸送水也是完全均衡的，總輸水量為360立方米/小時(shí)。

該水冷系統(tǒng)主要特性有：水冷系統(tǒng)的柔和冷卻裝置設(shè)計(jì)能夠冷卻最大尺寸為900毫米寬、300高毫米或直徑520毫米的鋁合金材料。本設(shè)計(jì)還考慮到實(shí)際鋁合金材料經(jīng)常是不直的；強(qiáng)勁的冷卻裝置覆蓋相對(duì)較小截面是由于只用于重型的、致密的實(shí)心鋁合金材料；噴霧設(shè)置是冷卻數(shù)據(jù)的一個(gè)部分，記憶相關(guān)鋁合金材料號(hào)和模具號(hào)，均衡激速冷卻系統(tǒng)是根據(jù)輸入鋁合金材料數(shù)據(jù)來自動(dòng)調(diào)節(jié)；為避免噴嘴有鈣形成，上部和下部配有在噴嘴用完之后利用壓縮空氣對(duì)管道進(jìn)行吹風(fēng)的系統(tǒng)；所有噴嘴維護(hù)時(shí)便于更換，注意防止扭曲，在擠壓機(jī)換鋁棒時(shí)可選擇持續(xù)、降低或無冷卻的冷卻模式。

一號(hào)淬火上罩-冷卻水回路基本尺寸知道后，具體管道配置須在實(shí)際工程階段確定。整個(gè)冷卻水回路放在靠近均衡激速冷卻系統(tǒng)的地板下，水池同樣位于地面以下，分為兩個(gè)獨(dú)立的水池，是為了讓水能同時(shí)流入冷水池和熱水池，總?cè)萘考s40立方米。由于重力的原因，水從均衡激速冷卻系統(tǒng)流回水池。水流進(jìn)水池中最初通過固定在地上的下冷卻罩里的鋼絲網(wǎng)進(jìn)行過濾；此過濾對(duì)阻止初始相對(duì)尺寸較大的微粒是很有用的。此外，還需要一個(gè)能過濾等級(jí)為150微米的自清潔過濾器和水軟化器。泵從第一個(gè)水池抽出熱水，為了降低水溫，需安裝一個(gè)持久運(yùn)行的熱交換器，然后輸送冷水到第二個(gè)水池。每臺(tái)水泵的功率為90千瓦,流量為180立方米/小時(shí),揚(yáng)程為110米，兩臺(tái)水泵把水從第二個(gè)水池傳輸?shù)絿娮?，每臺(tái)泵自帶有旁通閥，以避免在開始/停止循環(huán)時(shí)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。每排噴嘴的水傳輸通過調(diào)壓閥來控制，這些閥帶有來自壓力傳感器的反饋信號(hào)，此外，其每一行噴嘴都自帶有閥開關(guān)。一臺(tái)潛水泵用來收集通過下冷卻罩的風(fēng)嘴進(jìn)入氣回路的冷卻水，功率為4千瓦、流量為60立方米/小時(shí)、揚(yáng)程為10米。

2.3 冷卻罩2-風(fēng)冷系統(tǒng)

為提升風(fēng)冷淬火效率，增加2號(hào)風(fēng)冷系統(tǒng)，此風(fēng)冷系統(tǒng)能夠提供很強(qiáng)勁的、接近高達(dá)300W/m2K熱傳導(dǎo)系數(shù)來直接冷卻鋁合金材料。該系統(tǒng)是基于一個(gè)5.5米長的獨(dú)立裝置，由上冷卻罩和下冷卻罩組成。每個(gè)裝置的上冷卻罩分為兩個(gè)2.75米長的裝置。每個(gè)裝置的特性如下：一臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸風(fēng)量：90000立方米/小時(shí)、運(yùn)行風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率110千瓦，冷卻系統(tǒng)分為4個(gè)區(qū)：右上部區(qū)域左上部區(qū)域右側(cè)區(qū)域左側(cè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域輸風(fēng)速度達(dá)50米/秒的風(fēng)嘴。每一區(qū)域?qū)⒂须妱?dòng)活葉控制風(fēng)量傳輸且風(fēng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，通過這種方式操作人員可以設(shè)置所需的風(fēng)速。首先執(zhí)行氣門片定位，然后如果需要，通過作用于變頻器來修改風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。下冷卻罩是單獨(dú)的5.5米長的裝置有以下特性：一臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸風(fēng)量：90000立方米/小時(shí)、運(yùn)行風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率110千瓦，冷卻系統(tǒng)分為2個(gè)區(qū)：右部區(qū)域和左部區(qū)域，每個(gè)區(qū)域輸風(fēng)速度達(dá)50米/秒的風(fēng)嘴。該風(fēng)冷系統(tǒng)主要特性：均衡激速冷卻系統(tǒng)的風(fēng)速設(shè)置5.5米長并可獨(dú)立于一號(hào)均衡激速冷卻系統(tǒng)來設(shè)定冷卻的風(fēng)速；通過這種方式，當(dāng)一號(hào)均衡激速冷卻系統(tǒng)能足夠冷卻鋁合金材料，我們的系統(tǒng)就可以節(jié)能了。

3 各淬火系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

風(fēng)冷系統(tǒng)在鋁合金生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，便于調(diào)節(jié)。但由于風(fēng)冷系統(tǒng)需要大量風(fēng)源，大多設(shè)計(jì)冷卻裝置放在室內(nèi)，此時(shí)冷卻風(fēng)通過由風(fēng)機(jī)輸送至淬火裝置后，經(jīng)過與鋁合金熱量交換后再次進(jìn)入現(xiàn)場空氣中，造成環(huán)境溫度升高，風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口溫度上升。特別在夏季溫度高的情況下，不利于連續(xù)生產(chǎn)，為使冷卻強(qiáng)度持續(xù)，可以考慮淬火裝置吸風(fēng)口移至室外或者在吸風(fēng)口增加空氣冷卻裝置，以保證持續(xù)的溫度較低的冷卻風(fēng)進(jìn)入到淬火通道內(nèi)，或者采用風(fēng)霧冷卻方式，通過水霧的作用，降低空氣溫度，同時(shí)在空氣中的水霧增加部分冷卻介質(zhì)，二者共同作用達(dá)到冷卻達(dá)到的目的，車間淬火裝置區(qū)域可以通過強(qiáng)化通風(fēng)，以使該區(qū)域環(huán)境溫度持續(xù)改善。水冷系統(tǒng)在冷卻中冷卻強(qiáng)度大，通過高壓水泵通過各冷卻通道進(jìn)行噴射，由于此種方式冷卻速度快，根據(jù)鋁合金材料在斷面上厚度不同，水冷各個(gè)通道一般需采用可調(diào)節(jié)控制，根據(jù)材料的厚薄不同，調(diào)節(jié)水量的大小，以達(dá)到精準(zhǔn)控制的需要，此時(shí)可減少鋁合金材料的變形，減少后續(xù)工作的難度。水冷生產(chǎn)對(duì)水質(zhì)要求比較高，水質(zhì)不好會(huì)在冷卻時(shí)堵塞噴頭造成部分區(qū)域冷卻不良，同時(shí)質(zhì)量表面形成水堿等雜質(zhì)影響材料表面。無論哪種方式都將影響材料要求。駐波在生產(chǎn)中，淬火裝置兩側(cè)升起擋板，前后通過水墻將水存儲(chǔ)在水槽中，并達(dá)到一定的高度，此時(shí)鋁合金材料整體穿過水槽進(jìn)行冷卻。對(duì)于冷卻要求高、強(qiáng)度大、米重大的材料適合使用此種方式。此種方式能對(duì)各種形狀材料進(jìn)行充分冷卻，但需要考慮的時(shí)隨著機(jī)型的增大，水墻的寬度逐步變大，駐水高度同樣也逐步變高，同時(shí)因?yàn)殇X合金材料形狀不均勻，通過駐波快速冷卻時(shí)，材料厚薄不同會(huì)導(dǎo)致在各個(gè)方向能卻速度不一致，此時(shí)會(huì)使鋁合金材料變形量加大，此問題在生產(chǎn)中需要關(guān)注。

4 結(jié)論

鋁合金的淬火技術(shù)看似結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)際上也是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，它不僅決定于合金的組成、擠出溫度、擠壓速度、淬火方式選擇、冷卻速度等等，特別是在淬火方式選擇上，風(fēng)冷、水冷、霧冷、強(qiáng)水冷等聯(lián)合一起，能提供較大的冷卻速度范圍，使用時(shí)可根據(jù)不同的合金、不同的鋁合金材料截面來選擇合適的冷卻方式。由于淬火開始階段變形較大，如果剛開始如果直接采用快速的冷卻速度，而鋁合金材料截面的四周沒有導(dǎo)向調(diào)節(jié)裝置，就會(huì)造成鋁合金材料變形量大。故淬火前段可選擇相對(duì)緩慢的冷卻速度，先將鋁合金材料緩慢冷卻到一定的溫度后，后段再采用較快的冷卻速度進(jìn)行快速冷卻。這樣既能夠保證足夠的冷卻強(qiáng)度，同時(shí)也能最大可能減少鋁合金材料的變形。所有的這些調(diào)節(jié)需要設(shè)計(jì)為均可通過人機(jī)界面進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)方便，操作性強(qiáng)并且上位機(jī)控制系統(tǒng)要有自動(dòng)記憶功能，每次生產(chǎn)的工藝參數(shù)在使用后可以自動(dòng)記錄下來，在下次使用時(shí)可自動(dòng)調(diào)用。但是因?yàn)殇X鋁合金材料擠壓完畢時(shí)需要剪切壓余并重新上錠，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生非擠壓時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)非擠壓時(shí)停頓在淬火區(qū)段的鋁合金材料與擠壓時(shí)通過淬火區(qū)的鋁合金材料受到的有效冷卻時(shí)間不一致，這樣會(huì)引起該兩段的淬火強(qiáng)度不一致、性能和變形量也不一致。下下步的改善中，針對(duì)此問題可繼續(xù)深入研究。