大型挤压在线淬火装备的现状和改进方案研究

赵茂密，秦颐鸣，零妙然，罗春林，冯恩浪

（广西平果百矿高新铝业有限公司，广西平果531400）

0 前言

铝合金挤压在线淬火技术可以简化生产流程、缩短生产周期，提高生产效率、降低生产成本，目前部分2×××、7×××系和几乎所有的常用6×××系铝合金都可以采用挤压在线淬火方法生产。要保证在线淬火型材的力学性能，必须在挤压机出口处以一定强度的冷却速度进行淬火，以保证得到过饱和固溶体，在后续的时效过程中强化相细小析出，起到弥散强化作用[1-2]。但淬火冷却速度过快，则淬火过程中型材各部位冷却不均匀的表现明显，容易造成淬火后型材变形，特别是大规格型材在线淬火变形问题十分突出[3]。因此，需要根据产品的合金、截面形状、壁厚等综合因素，采用合适的淬火装备及淬火工艺。根据功能划分，目前在用的在线淬火系统主要分为：风淬火、风+水雾淬火、风+水喷淋淬火、风+水雾+水喷淋淬火、驻波淬火、驻波+水喷淋淬火等几种[4-7]，但都分别存在淬火功能不全、冷却能力存在盲区、最大冷却能力不足及淬火变形等问题。而现代化的大型挤压机生产的产品种类多、截面变化大，需要风+水雾+水喷淋+驻波四大淬火功能才能满足所有产品的生产需求。另外，目前主流的大型挤压在线淬火装置都是采用了淬火罩上下升降的方式，以允许牵引机运行到挤压机前梁处进行首根料的牵引，但在牵引机通过淬火工位的过程中淬火装置无法正常工作，导致每次挤压时首根料头部相当长一部分无法正常淬火而报废。针对目前大型挤压在线淬火装备存在的缺陷，本文利用能量守恒定律、热量计算公式和牛顿冷却定律[8]为指导，以现场实测数据进行验证，提出了一种大型铝合金多功能挤压在线淬火系统。该系统集风+水雾+水喷淋+驻波淬火于一体，覆盖目前挤压生产中所有的淬火冷却强度区间，并实现首根产品正常淬火，可以大大提高铝合金挤压材淬火性能和成品率。

1 现有在线淬火装置介绍

1.1 风淬火、风+水雾淬火

国内最早的挤压生产线主要生产门窗为主的建筑材料，对在线淬火要求较低，所以生产线上的在线淬火装置主要是以风扇为主。具体方法是在挤压前梁出口到冷床之间的滑出台上下分别安装上、下两组风扇对挤压材进行风冷淬火。该装置结构简单、成本低，但是淬火冷却能力小、可调性差，仅适用于6060、6063等淬火不敏感、截面简单、性能要求低的薄壁型材，且受风机功率限制，只适用于小型挤压生产线上。

在风淬火装置的基础上，增加水雾喷头便得到风+水雾淬火装置，实现风淬火、水雾淬火、风+水雾淬火三种功能。相比风淬火装置，其冷却能力得到一定的提高，但其最大冷却能力仍十分有限且可调性也较差，可淬透的合金和壁厚仍然受到很大限制，仅作为风淬火的增强和补充，适用范围十分有限。

1.2 驻波淬火、驻波+水喷淋淬火

为了加大淬火冷却速度，应用最早、结构最简单的淬火方法是在挤压前梁出口后面安装淬火水槽，产品挤出后直接进入水槽进行浸泡式淬火，对于一般的型材或直径较小的棒材，可以快速冷却到淬火温度以下实现快速淬火，但由于淬火水相对静止，其冷却速度受到很大限制。为了适应更大规格棒材的淬火要求，通过对淬火水施加搅拌，形成驻波淬火效果，其冷却能力进一步提高。目前国内使用的驻波淬火装置主要是在水槽两端底部喷出大流量、低压力的水柱进行自封水并淬火，大型的生产线每端底部可以设置两个或更多的喷水口以加大搅拌和提高淬火速度。但该装置的水只从底部喷出，存在的问题一是自封水效果较差，淬火水容易从产品上方流出水槽外，特别是生产扁宽产品时封水更困难，因此最大产品规格受到限制；二是出水口只分布在产品下方，在整个截面上不对称分布，导致冷却过程的不对称，容易造成产品淬火变形；三是只能采用较低的水压，否则水会飞出水槽以外，因此对淬火水的搅拌作用比较弱，最大冷却能力受到限制。封水效果差、搅拌不对称和不充分导致淬火过程中产品表面形成的高温蒸汽膜无法全部打掉，最大冷却能力即表面传热系数在10000W/（m2·K）以下，其应用也受到了一定限制。另外，水槽或驻波淬火主要适用于截面对称的大壁厚型材或棒材，异型材由于无法调整截面上各部位的冷却速度容易产生严重的淬火变形。

在驻波淬火装备的基础上，通过水管将水喷嘴固定在水槽两个侧档板上及水槽底部，得到驻波+水喷淋淬火装置，可以部分解决驻波无法适应异型材淬火的问题。但由于喷嘴只分布于两边及底部，其冷却均匀性和可调性较差，应用也受到很大限制。目前驻波淬火或驻波+水喷淋淬火主要应用在小型挤压生产线或大型反挤压生产线上，用于生产棒材和形状简单对称的型材。

1.5 风+水喷淋淬火、风+水雾+水喷淋淬火

随着以轨道交通为代表的工业型材市场的开拓，对精密在线淬火装备及技术的需求也越来越高，国内企业从国外引进并消化吸收了先进的大型挤压在线精密淬火装备和技术。其中，风+水喷淋淬火装备是将淬火通道的左、右及上部一系列风嘴和水喷嘴安装在可上下升降的淬火罩上，从而实现产品截面左右上下全方位同时淬火冷却。该装备的每一列风嘴或水喷嘴都可单独控制淬火介质流量和压力，必要时可以实现水喷嘴的角度可调，其淬火可调性强、冷却控制精度高，产品淬火变形小。在风+水喷淋淬火装备基础上增加水雾喷头形成风+水雾+水喷淋淬火系统，可以缩小或消除风冷和水冷之间的冷却能力空白区间，适应更广泛的产品淬火需求。因此，目前已成为大型挤压生产线的主流配置。

但由于受风嘴、滑出台辊轮等的影响，水喷嘴的排布受到一定限制，每个水喷嘴之间留有一定的空白盲区。虽然通过改变水喷嘴的喷射方式和喷射角度可以得到一定程度的改善，但型材上仍然存在较大的区域淬火水无法直接喷射，所以其最大冷却能力受到了限制，最大的表面传热系数在4000W/（m2·K）左右，仍然无法满足大规格棒材的在线淬火需求。另外，目前的风+水喷淋或风+水雾+水喷淋装备无法与驻波淬火共存，风淬火时上部及两侧的风从可升降的淬火罩上的风嘴吹出，而驻波淬火必须在淬火通道的两侧设计两个档水板，导致风淬火的淬火罩无法下降，或即使设计成淬火罩与档水板在横向上错开位置达到能够下降淬火罩的目的，但淬火的风也会因驻波淬火的两个侧档板影响而无法正常排出。因此，该装备不具备驻波淬火功能，其最大冷却能力无法提升。目前最常用的解决措施是在风+水雾+水喷淋淬火装置的基础上，再增加一个可移动的驻波淬火水槽。当不需要驻波淬火时将水槽移走，需要驻波淬火时再将水槽装上。但来回装卸水槽导致人工劳动强度增大，并存在很大的安全隐患，不符合现代化的生产要求，且现有的驻波淬火水槽仍存在上文所介绍的最大冷却能力有限、冷却不均匀等问题。同时，由于采用可上下活动的淬火罩的形式，生产首根产品时，牵引机要移动到挤压机前梁出口处进行牵引，此时淬火罩无法下降，不能对首根产品进行在线淬火，只有牵引机离开淬火罩工位后，淬火罩才能下降并正常淬火，从而导致每次生产时，首根产品头部一段因为不能正常淬火而报废。

综上所述，现有的淬火装置还分别存在以下缺点：

（1）淬火功能不全、冷却能力区间存在盲区，或需要人工装卸驻波淬火水槽，无法满足现代化大型挤压生产线的生产需求。

（2）驻波淬火产品最大截面受到限制，搅拌不均匀、不充分造成最大冷却能力不足，无法满足大规格棒材等产品的快速淬火需求。

（3）牵引首根产品时，在线淬火罩无法下降，导致首根产品因为无法正常淬火而报废。

2 新型多功能在线淬火系统方案

为了解决上述问题，我们提出了一种全新的多功能在线淬火系统，该系统方案结构示意图如图1所示。

图1多功能在线淬火系统示意图

下风箱1上设置有若干个间隔排列的辊轮5，铝合金挤压材从辊轮5上进入淬火系统，相邻两个辊轮5之间设置有若干个底部风嘴61、底部水喷头71和底部水雾喷头81，下风箱1沿挤压方向的前后两端分别设置有下水刀9。侧档板2位于下风箱1两侧并与升降机构15连接实现可升降功能，侧档板2全长上分布有若干个侧出水口10，两端分别设置有侧水刀11，两侧的侧出水口10和侧水刀11朝相对方向对称设置。淬火通道由下风箱1、淬火罩4级成，下水刀9和侧水刀11的方向均朝向淬火通道内侧呈5～45°角。淬火罩位于下风箱1的上方，罩体两侧均设置有若干个侧部风嘴62、侧部水喷头72、侧部雾喷头82，淬火罩4下表面设置有若干个上部风嘴63、上部水喷头73、上部水雾喷头83。

所有风嘴通过风管与变频风机相连，风管上安装有风量调节比例阀，实现风量的定量控制；所有水喷头、水雾喷头、侧出水口10和侧水刀11均通过水管与高压水泵相连，下水刀9通过水管与低压水泵相连，所有水管上均安装有压力和流量控制阀，实现水压、水流量和水雾的定量控制。

该在线淬火系统还包括子牵引机3，由上夹头13和下夹头14组成；上、下夹头通过自带的伸缩机构实现夹持和打开。该子牵引机3通过外置电机驱动，可在正常工作的淬火罩下方沿着导轨12来回运行。另外，该系统还包括与现有淬火装置相同或类似的淬火水循环、过滤、冷却等装置以及人机画面等控制系统。

3 结果和讨论

实现风、水雾、水喷淋、驻波淬火功能集于一体的难点和关键点在于驻波淬火所需的侧档板与风或水雾淬火时的风或水雾流动相干涉问题。本系统的两侧档板可根据需要实现升降功能，避免与上风罩产生干涉，当需要风或雾淬火时，侧档板2最高点下降到与辊轮5高度相同的位置避免对风或水雾的流动产生影响；当需要水喷淋淬火时，侧档板2升起达到两侧档水的效果；当需要驻波淬火时，侧档板2升起达到两侧档水、两端以水封水和全长搅拌的效果，从而实现驻波淬火与风、水雾、水喷淋淬火功能互不影响，且操作简单、安全、快捷。

根据莱顿弗罗斯特效应，液体不会润湿炙热的表面，而仅仅在其上形成一个蒸汽层，而蒸汽层的热传导速度远比液态水的慢。在驻波淬火时，高温的产品通过淬火水时表面会形成蒸汽膜，如果驻波水搅动不充分或不均匀，则无法将蒸汽膜全部打掉，其冷却效果会大大降低。本系统中下水刀9喷出低压力大流量的水刀、侧水刀11喷出高压力大流量的水刀，从而达到以水封水、提高驻波淬火水位高度、加强搅拌、防止水飞溅的效果；同时两侧出水口10喷出高压力的水柱对水槽内的淬火水进一步强力搅拌。其强力搅拌主要由对称分布的两侧出水口10和侧水刀11喷射高压力的水柱或水刀实现。相比现有的驻波淬火，适应的产品规格更大、冷却更均匀性、最大冷却能力更强。

根据热量计算公式，材料放出的热量Q1=CmΔT，其中C为材料的比热容，m为材料的质量。根据牛顿冷却定律，单位时间内材料经过对流传热散出的热量q=hS（TA-T介），其中h为材料的表面传热系数，S为材料的表面积，TA为材料在A处的原始温度，T介为周围环境介质的温度。时间t内经过对流传热散出的热量Q2=qt=hS（TA-T介）t。根据能量守恒定律，材料放出的热量Q1等于周围环境介质与材料表面之间对流传热的热量Q2，即Q1=Q2。由以上三个公式可得出材料的表面传热系数h=CmΔT/[S（TA-T介）t]，将不同产品的C、m、S及淬火过程中测量出的ΔT、TA、T介、t等过程参数代入计算公式，可得出该淬火系统的淬火冷却能力，即材料表面传热系数h从0到15000W/（m2·K）以上连续分布，其覆盖范围大于上文所介绍的目前所有的在线淬火装置，满足在线淬火的所有产品规格的淬火要求。

方案通过结构简单可靠的子牵引机，可以穿过正常工作的淬火系统进行边牵引边淬火，实现首根产品正常淬火。该子牵引机采用夹头朝向与挤压方向相同的自夹紧设计方法，在牵引过程中牵引力越大夹持越紧，同时电机等牵引动力机构设计在淬火系统后面，通过链条传递动力，结构可靠性高、维护简单方便。结合目前国内小批量、多品种的产品市场现状，特别是轨道交通为代表的工业材每次生产的批量很小，同时大型挤压机生产的每根产品米重都比较大，因此，首根产品正常淬火可大大提高成品率、降低生产成本。

4 结论

（1）目前国内大型挤压机普遍采用的水喷淋+驻波或风+水雾+水喷淋在线淬火系统，分别存在功能不全、冷却能力存在盲区、最大冷却能力不足和淬火变形等缺点。新型多功能在线淬火系统通过合理的结构设计，可以将风、水雾、水喷淋、驻波淬火四大功能集于一体，进一步扩大淬火产品适应范围。

（2）驻波淬火的冷却效果主要受淬火水的搅拌方式和搅拌强度影响，通过高压水左右对称强力搅拌，可以将淬火冷却能力即材料表面传热系数提高到15000W/（m2·K）以上，满足大规格棒材的淬火要求。

（3）通过能量守恒定律、热量计算公式和牛顿冷却定律等传热学原理，可以反映出淬火过程的热交换情况，从而推算出淬火系统的冷却能力，有助于开发和改进在线淬火装备。

（4）采用子牵引机可以实现首根产品边牵引边正常淬火，大大提高成品率；通过动力外置和自夹持设计，可以提高子牵引机的运行可靠性、降低维护成本。