翹片散熱管軋制工藝研究及其設備改進

李勝峰,丁雨燾,趙 陽

(北京信凱達科技有限公司,北京 100088)

鋼鋁復合翅片散熱管是在鋼管上加裝鋁制翅片來實現(xiàn)強化傳熱,廣泛應用于各種換熱設備。根據(jù)翅化方式不同,翅片散熱管分為三種:繞片式、套片式和滾軋式[1]。繞片式和套片式翅片散熱管的生產(chǎn)成本低,但因翅片與內(nèi)部鋼管之間接觸壓力小、界面松弛,導致熱阻較高[2];而滾軋式翅片散熱管可以克服上述缺點,因此翅片散熱管主流的生產(chǎn)方式是滾軋。但傳統(tǒng)的滾軋生產(chǎn)工藝會造成翅片表面產(chǎn)生大量黑色的氧化物,需要熱堿洗和溫水清洗,從而帶來大量堿洗廢水的污染排放。因此,亟需研究翅片滾軋工藝,對設備進行改進,減少黑色氧化物的產(chǎn)生,以取消堿洗工序,達到環(huán)保生產(chǎn)要求。

圖1 翹片散熱器管Fig.1 Radiator tube with warping fins

1 滾軋工藝

翅片散熱管滾軋工藝流程:1)準備好內(nèi)襯鋼管和鋁管,把鋁管套進鋼管的外層,內(nèi)外管前端頭部對齊;2)對鋁管的頭部做打頭處理,即人工用錘頭敲擊鋁管的頭部,形成錐頭狀,便于軋制咬入;3)滾軋采用三輥軋機,每根軋輥上安裝一組刀片,每個刀片的外形和厚度逐步變化,在旋轉(zhuǎn)的過程中軋制出翅片;4)軋制出的翅片管表面會有大量黑色的氧化鋁,為了達到成品要求,需采用不低于70℃的熱堿水浸泡后再用溫水沖洗,會造成大量的堿水污染;5)內(nèi)表面也采用清水沖洗干凈;6)最后切頭切尾定尺,即對翅片散熱管頭尾不規(guī)則部分切除,滿足客戶要求的標準長度。工藝流程如圖2所示。

圖2 翹片管滾軋工藝流程Fig.2 Rolling process of the radiator tube with warping fins

翅片散熱管的內(nèi)襯鋼管一般采用碳鋼管,有特殊要求則采用不銹鋼管[3];外部翅片的材質(zhì)一般采用6067鋁合金。因為鋁管在軋制過程中有較大的橫向和縱向變形,所以軋制前鋁管的長度比鋼管短15%～25%[4]。鋁管的內(nèi)徑一般比鋼管外徑大0.5 mm～1.2 mm,以保證軋制后兩者貼合緊密。

滾軋工作原理:通過均勻分布的三組軋制刀片進行旋轉(zhuǎn)擠壓變形,每只刀片直徑和厚度逐步增大,每只刀片之間的空隙變小,翅片散熱管在軋制旋轉(zhuǎn)的同時做軸向進給,軸向變形和徑向變形同時進行,形成螺旋翅片[5]。每組刀片由25只刀片組成,分為咬入?yún)^(qū)、變形區(qū)和平整區(qū)等三個分區(qū)。為了保證三組刀片軋制出合格的螺旋翅片,重點保證三組刀片的軸向位置,任意相鄰兩組刀片的軸向間距為1/3螺距,在每組刀片起始位置安裝有定位環(huán),可以通過微調(diào)定位環(huán)的定位,實現(xiàn)三組刀片的相對精準位置。三輥軋機的斷面圖見圖3。刀片的外形尺寸見圖4,材質(zhì)為高速鋼[6]。

圖3 三輥軋機斷面視圖Fig.3 Cross-sectional view of a three-roll mill

圖4 刀片外形圖Fig.4 Blade shape

2 傳統(tǒng)滾軋工藝存在問題

為了解決傳統(tǒng)工藝中產(chǎn)生的黑色氧化物問題,從現(xiàn)場調(diào)研和機理分析兩方面入手。在軋制現(xiàn)場,可以發(fā)現(xiàn)明顯的白色蒸汽,特別是變形區(qū)出口端蒸汽明顯。說明翅片成形過程伴隨有劇烈的熱效應,高溫使得冷卻液汽化。滾軋出來的翹片上有約0.5 mm厚的黑色污垢,必須使用70 ℃以上的堿水浸泡,然后用溫水沖洗才能去除。不僅環(huán)保不達標,而且?guī)砗芏嗖焕绊?工具壽命大幅縮短;潤滑冷卻液的有機成分因為氧化,很快失效;產(chǎn)品表面質(zhì)量差,有效作業(yè)率低,勞動條件惡劣。

2.1 黑色污垢成分檢測

在發(fā)黑的翅片管上不同的位置取三個黑色污垢樣本進行能譜分析,結果見圖5。能譜分析結果表明:黑色污垢主要成分是Al、C、O。鋁和氧可能是軋制過程產(chǎn)生的鋁粉和鋁的氧化物。初步分析判斷黑色污垢由氧化鋁、鋁粉和碳黑組成,其中氧化鋁的質(zhì)量約占35%。碳是冷卻潤滑液中的有機物高溫分解碳化的產(chǎn)物。

圖5 黑色污垢能譜分析結果Fig.5 Analysis results of black dirt energy spectrum

2.2 刀具的磨損

被更換下來的組合刀片上沾滿了同一類的黑色污垢。將其擦洗干凈之后,對刀片徑向尺寸變化進行了精細的測量。

通過測量分析表明:從圓周最外層的周邊到圓心方向7 mm之間磨損不明顯;之后的7 mm的范圍內(nèi)為一個急劇磨損的區(qū)段,其磨損程度相當于前面所述外層區(qū)段的3倍～5倍;在12 mm后磨損又轉(zhuǎn)而下降。刀片磨損量最大值出現(xiàn)在距外緣7 mm～15 mm處,是變形最激烈的區(qū)域。具體見圖6。

圖6 刀片厚度及磨損量曲線Fig.6 Blade thickness wear curve

翅片成形過程在未能得到必要冷卻和潤滑的條件下劇烈變形放出大量的熱,加重了刀具與鋁材的磨損,導致過量鋁屑和氧化物的產(chǎn)生。同時也加重了潤滑冷卻液和翅片表面的污染,使翅片表面產(chǎn)生黑色污垢。

冷卻與潤滑能力不足使熱效應顯著,惡化潤滑情況,使變形在接近干摩擦條件下進行,摩擦引起潤滑液的污染并導致局部碳化、磨損和氧化,造成大量的氧化鋁屑形成黑色污垢,并加速磨損組合刀片。

冷卻潤滑不到位的原因:在變形區(qū)采用噴淋冷卻潤滑液的方法對于形狀簡單的工具和軋件是可行的;對于具有既深又窄溝槽復雜形狀的刀片和翅片軋件的工作面來說,采用這類噴淋冷卻潤滑液的方法遠遠滿足不了冷卻潤滑的要求。

另外,對于處于較高旋轉(zhuǎn)速度(約180 r/min)下的刀片和管體,由于離心力的作用,噴出的冷卻潤滑液很難進入刀片和翅片溝槽里的工作界面,后者在翅片成形過程始終處于接近干摩擦的工作狀態(tài)因而被快速磨損并產(chǎn)生越來越多的氧化鋁屑,與被帶入其中的少量易于蒸發(fā)和氧化的冷卻潤滑液混雜生成黑色油泥,并附著在刀片工作面的中部。

翅片成形進入變形區(qū)的中后部位時,鋁金屬翅片通過擠壓成形逐漸填充溝縫,同時將沉積在刀片工作面上的油泥刮下并殘留在每個翅片的端頭部位,從而形成表面黑色污垢。

3 軋機的改進

為了解決滾軋時產(chǎn)生的黑色污垢,需要從主軋機、刀具和冷卻潤滑三個方面綜合考慮進行改進。

原料規(guī)格:鋼管外徑25 mm,內(nèi)徑19 mm,鋁管外徑36 mm,內(nèi)徑26 mm。刀片尺寸:外徑100 mm,內(nèi)孔直徑38 mm,凸臺厚度3.2 mm。軋制出成品翅片頂徑60 mm,底徑32 mm。依據(jù)以上基礎數(shù)據(jù)進行設計改進。

3.1 壓下機構設計

傳統(tǒng)的刀具壓下采用螺紋或絲桿傳動,不易于檢修和處理緊急故障。新型軋機在原有的機構上增加一個大直徑短行程的液壓缸,以方便快速壓下和抬起;另一方面設定液壓油合適的壓力,壓力范圍8～12 MPa,如果遇到硬質(zhì)雜質(zhì)可以自行調(diào)節(jié),減少打碎刀片的概率。

3.2 改進刀片設計

如前所述,組合刀片分為三個區(qū):咬入?yún)^(qū)、變形區(qū)和平整區(qū)。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn):在咬入?yún)^(qū)因為變形小,刀片磨損不大;在變形區(qū)的磨損最大;而在平整區(qū),因為刀片兩個側面平行與翅片的接觸面積最大,所以在變形區(qū)產(chǎn)生的污垢,在平整區(qū)產(chǎn)生較大的面接觸壓力,這是黑色污垢有大量細小顆粒的原因。

在變形區(qū)和平整區(qū)的刀片上,側面分別開一個圓弧溝槽,一方面可以減少磨損,另一方面有利于潤滑液進入翹片的根部,但開的溝槽深度不宜過大,應控制在0.8 mm以內(nèi)。改進的刀片尺寸外形見圖7。

圖7 改進刀片設計圖Fig.7 Improved blade design

3.3 密封冷卻裝置

摒棄傳統(tǒng)噴淋的冷卻潤滑方式,對翅片成形變形區(qū)中的管件和刀具采用全浸式的冷卻潤滑方式,并施加一定的壓力,這樣可以極大改善管件和刀具相互間運動時的潤滑冷卻效果。

新增加的密封冷卻裝置(如圖8所示)應滿足以下功能:充分潤滑、深入冷卻翅片內(nèi)部、沖洗過濾雜質(zhì)。

圖8 新型軋機總圖Fig.8 General diagram of the new rolling mill

密封需要解決5個口的密封點:管子入口1個,3個聯(lián)軸器處,管子出口1個(螺旋翹片)。

密封冷卻裝置系統(tǒng)分為前支架、入口密封、出口密封和水路系統(tǒng)。前支架用于支撐鋁管,其中心高與軋制中心一致,內(nèi)圈采用聚氨酯,耐磨性好,耐高溫,使用壽命長,見圖9。

圖9 前支架Fig.9 Front bracket

入口密封由前密封腔、鋁管密封和聯(lián)軸器密封組成。前密封主要用于在軋制區(qū)存儲一定量的水,同時為了便于拆卸,做成3塊殼體,中間聯(lián)軸器的孔采用一個鋼板拼焊,殼體與軋機采用螺栓快速連接。見圖10。

圖10 前密封腔Fig.10 Front sealing chamber

鋁管入口密封。鋁管與支架的連接采用法蘭,穩(wěn)定性好,在法蘭內(nèi)徑上安裝聚氨酯密封圈。鋁管與入口密封殼體之間采用螺紋壓緊密封。中間段采用金屬波紋軟管,便于安裝,且減少震動,如圖11所示。

圖11 鋁管密封Fig.11 Aluminum tube seal

三個聯(lián)軸器處的密封采用相同的結構模式。采用對口法蘭把密封圈壓緊在聯(lián)軸器上,中間段采用金屬波紋管。與入口密封連接方式采用快速卡箍,見圖12。

圖12 聯(lián)軸器密封Fig.12 Coupling seal

出口密封見圖13。因無聯(lián)軸器,所以殼體采用兩塊鋼板焊接。為了防止水從翹片管和密封裝置的空隙中跑出,造成飛濺,采用兩段倒錐形結構攔截溢出的噴濺水,攔截的水通過下方管路進入軋機的水箱。水路系統(tǒng)如圖14。

圖13 出口密封Fig.13 Outlet seal

圖14 潤滑水路系統(tǒng)Fig.14 The waterway system for lubricating

水路系統(tǒng)的基本參數(shù):水箱體積為1 500 mm×800 mm×500 mm=600 L。水流速為28.8 m3/h,揚程50 m。電機功率為5.5 kW,轉(zhuǎn)速1 480 r/min,兩臺水泵,一用一備。進水管路規(guī)格DN40,出口管路規(guī)格DN60,泄露收集管規(guī)格DN60。

改進的軋機生產(chǎn)的翅片散熱管如圖15,具有以下優(yōu)點:翅片散熱管和刀片全浸泡在冷卻液中,兩者之間充滿冷卻液;相對密封,冷卻液微正壓,擠進刀片與翅片之間,保證冷卻效果;大流量、冷卻效果好;高效過濾,減少顆粒物;密封腔采用分體設計,便于拆裝;刀片做開槽處理,增強冷卻效果,延長刀片壽命。

圖15 改進前后軋出管的表面對比圖Fig.15 Diagram of the surface comparison of the rolled tube before and after the improvement

4 效 果

采用改進的滾軋機進行試驗,最初出現(xiàn)過兩個刀片打斷損壞的情況,經(jīng)分析測試,原因為刀片上新開的溝槽太深。減小溝槽深度,并增加過渡弧,減小應力集中,未再出現(xiàn)過刀片斷裂。軋制出的翹片管黑色污垢明顯減少,有少量黑色粉末,附著力不大,采用65 ℃的溫水清洗即可去除,省去堿洗和避免廢堿液排放,實現(xiàn)了環(huán)保型生產(chǎn),說明改進措施是有效的。