卧式双动锆挤压生产线

荆云海，权晓惠，郑文达，董晓娟，谷瑞杰

(中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032)

0 前言

金属挤压机种类较多，按挤压制品材料一般分为有色金属挤压机和黑色金属挤压机。锆属于有色金属，但其挤压工艺和材料特性与同属有色金属的铝和铜差别很大，更接近于黑色金属，又不同于黑色金属。因此用现有的有色或黑色金属挤压机，都不能很好满足锆及锆合金的挤压加工。近年来随着我国核电事业的蓬勃发展，对于核级锆材的需求日益增加，而核级锆材的生产技术长期垄断在美俄等少数几个国家手中，严重制约了我国的核电事业的发展。中国重型机械研究院有限公司为某公司开发的40 MN卧式双动锆挤压机组，可以满足各种民用锆合金、核级锆合金管、棒及型材的挤压加工，同时可以用于钛及钛合金的挤压加工，是我国自主研发具有完全自主知识产权的第一条核级锆材生产线中的关键设备。该机组的投产，标志着制约我国核电发展的核级锆材的批量生产走上了自主化、国产化的道路，将很快结束我国核级锆材长期依赖进口的局面。本文主要介绍了40 MN卧式双动锆挤压机组的特点、结构和主要参数。

1 机组组成

40 MN卧式双动锆挤压机组主要由主机本体、液压系统、机械化部分、工频加热炉、后部出料系统及电气控制部分组成。可以完成锆材的有/无压余挤压;锆管的扩孔/不扩孔挤压等多种挤压工艺。

1.1 主机本体

主机本体主要由框架、主缸和侧缸、动梁、穿孔系统、挤压容室、挤压工具、移动模架、检测及润滑装置、坯锭润滑系统组成。主机框架为预应力组合式框架，穿孔系统为内置式，动梁和挤压筒采用“X”型导轨导向、移动模架为两工位直线移动型式。

锆合金特别是核级锆具有变形抗力大、流动性差、粘性强、挤压温度窄、挤压比小等特性，为了实现锆及其合金管、棒及型材的挤压，除了严格控制挤压温度、挤压比、比压和使用合理的润滑剂外，挤压工模具的结构和形状也是十分重要的影响因素之一，因此我们对挤压工模具做了针对性的特殊设计。由于每个工作循环穿孔针必须润滑，因此对穿孔针的结构和安装方式也做了特殊设计;穿 (扩)孔力、挤压筒锁紧力做了适当调整。经过实验研究和实际使用结果看，这种结构设计和力的调整是合理而且十分必要的。

1.2 机械化部分

机械化部分主要是完成坯锭润滑、坯锭上料、挤压垫循环、压余分离及挤压残料回收工作。主要包括:坯锭润滑线、坯料输送机、挤压垫提升及推进机构、升锭机械手、滑锯、压余分离装置、挤压垫溜槽、穿孔针快换机械手、挤压筒清理及润滑装置等。

由于核级锆挤压温度窄，物料转移时间控制严格，从炉门打开到坯锭完全进入挤压筒，总时间不得大于60 s，以防止坯料温降过大。本研究设计的坯料转移系统结构紧凑，送料速度快而平稳，送料定位精准。

锆材挤压的润滑非常关键，除了选用合理的润滑剂外，润滑方式及润滑膜厚度也是影响挤压制品的关键因素。充分合理的润滑不但可以大大减小挤压力或扩孔力，而且可以避免粘筒、粘膜、粘针现象，提高产品表面质量;换言之，不润滑或不能充分润滑，几乎不可能完成锆材挤压。本研究设计的坯锭的润滑采用涂层润滑，润滑剂主要成分为二硫化钼、玻璃粉、石墨等，其配比随合金成分不同而变化;同时根据不同的合金成分确定了合理的涂层厚度。实验和实践证明本研究中的润滑剂成分和配比合理，润滑工艺和装置对坯锭润滑的涂层均匀、附着力强，完全满足了实际生产要求。

1.3 工频加热炉

坯锭加热采用立式工频加热炉。加热坯料规格:外径φ215 mm，长300～880 mm，加热温度在600～950℃，铸锭轴向头、中、尾，径向外、中、内加热温度与设定温度偏差不超过30℃。加热系统加热工艺曲线可根据生产要求进行设置，加热过程可自动控制。

1.4 后部出料系统

后部出料系统用于除烟尘及制品的出料、空冷、水冷、运输、检验、定尺锯切等。该系统的工作与主机相匹配。主要包括:出料台、步进冷床、冷却槽、检验辊道、定尺锯、锯切 (定尺)输出辊道。

1.5 液压系统

液压系统采用泵加蓄势器联合传动。锆材挤压采用泵直接传动，钛及钛合金挤压采用泵+蓄势器传动。

液压系统技术特点:

(1)蓄势器和气罐除设有液压、气压安全阀和液位监控器，同时设有压力变送器，可实时监控系统压力;

(2)在主缸、穿孔缸、回程缸、挤压筒移动缸和移动模架缸等缸体的液压控制回路中设有安全溢流阀，以保证设备安全，不会因超压损坏缸体;

(3)每台泵均设有泵头循环阀，使所有泵均可单独使用、也可联合使用，互不干扰，可避免泵带载启动等不安全隐患;

(4)采用比例控制技术，使挤压机各个执行元件的运动平稳、定位准确;

(5)挤压杆、穿孔针、挤压筒及移动模架的动作采用比例变量泵控制，通过改变变量泵的流量以实现慢速启动、快速运行、慢速靠近停止。为了精确控制挤压速度，在控制回路中设有比例节流阀，采用闭环控制，使挤压速度的控制精度可达±3%;

(6)机械化装置中升锭机、滑锯、坯料输送机、压余拉出及模架移动等主要动作采用比例阀和比例泵控制以实现慢速启动、快速运行、慢速靠近、准确定位停止，来实现机械化各动作的快速、平稳和准确定位。

(7)在泵蓄势器至压机的主回路中设有大流量高动态性能二通比例流量插装阀，可在高速挤压时精确地控制挤压速度;

(8)挤压杆、穿孔针及挤压筒的动作采用二通插装式锥阀控制，通过功能元件来调节主阀芯的开关时间及速度，以满足大流量、快速、无冲击的要求;

(9)该挤压机工作缸直径和行程都较大，在挤压过程中储存了大量能量，为了实现快速运动，要求系统能快速平稳的卸压，采用了比例卸压技术，系统高压大流量时，按设定的压力流量曲线平稳快速卸压，保证了卸压平稳、快速、无冲击和振动;

(10)设有专用恒压系统对挤压筒锁紧缸进行保压，以保证挤压筒与模具之间紧密接触，挤压时不“戴草帽”;

(11)在主缸及穿孔缸油路中，设有比例溢流阀及压力传感器，进行限压保护，以保护挤压轴及穿孔针，并降低能耗，防止压机工作过程中压力失控，以保证设备不会发生意外事故。

1.6 电气控制部分

在保证机组技术参数、机械动作及液压系统要求的基础上，电气控制系统的功能最大限度满足工艺和产品的需求，做到整机高可靠性、高自动化、低故障率，操作维修安全、方便。

电气控制系统设置了工业控制计算机IPC，主要完成挤压工作制度及工艺制度显示;挤压参数设定;机组主要技术参数显示;故障报警与显示;生产管理等多层界面以满足生产需求。

可编程控制器PLC是挤压机的主控制器，实现挤压机的level1控制，挤压机主机和机械化部分的各种动作控制，由于主操作台上按钮、开关、指示灯非常多，为提高系统的可靠性，减少柜、台联线，在操作台内设置有PLC分布站，通过PROFIBUS-DP与可编程控制器PLC相连，由可编程控制器PLC进行远程控制。

电气控制系统可实时通讯，既可采集挤压机工作的主要参数，实现自动化参数在线管理，又可以通过其输入各种工艺参数，调整压机工作状态，使得设备工作时挤压时间和辅助工作时间缩短，产品的产量和成品率进一步提高，从而使设备在最佳参数匹配下进行工作。

2 40 MN卧式双动锆挤压机主要技术参数

公称挤压力 40 MN

挤压速度 0.5～100 mm/s

动梁空程前进速度 180 mm/s

穿孔力 5MN

穿孔行程 1100 mm

挤 压 筒 直 径 φ216mm、 φ260mm、φ310 mm

挤压筒锁紧力 5 MN

挤压筒长度 1100 mm

挤压筒加热温度 500℃

挤压管材壁厚偏差不超过管材壁厚的≤2%

3 锆合金挤压的工艺特点

3.1 锆材加工典型工艺

坯锭锻造－淬火－机加－润滑－加热－挤压－水冷－局部打磨－检验－定尺锯切－矫直－外磨－内磨－退火－轧制－检验。

3.2 挤压工艺

锆材挤压通常采用有压余挤压和无压余挤压两种方式，根据挤压制品的要求进行选择。有压余挤压缺点是成品率低，对热锯要求高，锯片磨损快等;优点是对环境污染小。无压余挤压采用石墨垫做牺牲压余，优点是成品率高，无金属压余，不使用热锯;缺点是石墨对环境有一定污染。

工模具润滑对于锆材挤压非常重要，挤压筒和模具每次挤压前用润滑浆喷涂;挤压针和扩孔头需要经过润滑浆喷涂、干燥和预热。

锆管挤压一般采用扩孔挤压，扩孔速度一般控制在6 mm/s，挤压速度3 mm/s左右。对于一些低合金民用锆，挤压速度可以到12 mm/s，最大不应超过30 mm/s。40 MN卧式双动锆挤压机可以达到100 mm/s的挤压速度，主要用于钛及钛合金的挤压加工。

3.3 工艺难点

锆合金具有变形抗力大、流动性差、粘性强、挤压温度控制严格、挤压比小、较易燃烧等特性。使得锆合金挤压具有挤压力大、截面压应力高、突破应力高等工艺特点。例如某核级锆715℃时挤压截面压应力845 MPa，突破应力1116 MPa;650℃时挤压截面压应力902 MPa，突破应力1148 MPa，这就对挤压工具提出了更高的要求。

核级锆材对挤压温度要求很高，必须严格控制。其加热坯锭轴向头、中、尾，径向外、中、内与设定温度偏差不超过30℃，超过温差30℃可能会引起坯锭局部过烧，产生相变，造成坯锭报废。

某些锆合金的粘性强，在挤压时易粘穿孔针、粘模、粘筒、粘锯、夹锯等。对于粘针、粘模、粘筒现象，只要保证正确良好的润滑就可以解决。通过采用无压余挤压，不使用热锯就可避免粘锯、夹锯的现象发生;如果必须采用有压余挤压，热锯应保持良好的冷却润滑，降低锯片进给速度，同时加大锯齿线速度，进给速度保持在1～2 mm/s较为合适;锯齿线速度应大于100 m/s。

4 结论

中国重型机械研究院有限公司开发的40 MN卧式双动锆挤压机组是专为锆及锆合金挤压加工而开发的挤压机，可以满足各种民用锆合金、核级锆合金管材、棒材和型材的挤压加工，穿孔系统可实现随动针和固定针挤压，是我国第一条具有完全自主知识产权的核级锆材生产线中的关键设备。该机组的建成投产，标志着制约我国核电发展的核级锆材的批量生产走上了自主化、国产化的道路，结束了我国核级锆材长期依赖进口的局面。为我国的核电事业做出了应有的贡献。

［1］ 魏军．金属挤压机 ［M］．北京:化学工业出版，2005．

［2］ 谢建新，刘静安．金属挤压机理论与技术 ［M］．北京:冶金工业出版社，2001．

［3］ 王乐安．难变形合金锻件生产技术 ［M］．北京:国防工业出版社，2005．