75MN挤压机淬火冷却系统的设计研究

李建华

（山东兖矿轻合金有限公司，山东 邹城 273500）

铝合金材料通过挤压机挤出后，此时温度在500多度，为充分利用挤压余热，降低生产能耗，此时对材料进行及时的在线淬火。淬火冷却系统是铝铝合金材料加工中的一道重要工序，淬火分为在线淬火和离线淬火。大多数铝合金材料可通过在线淬火技术满足工艺要求。所谓在线淬火技术，即铝合金挤压出前梁后直接进入淬火装置进行冷却，通过此种方式直接进行淬火，不仅保证材料性能满足工艺需求，而且极大缩短了离线淬火的流程，提高了挤压生产效率。在线淬火技术的研究设计，已是许多工程技术人员研究的重要方向。

1 铝合金挤压机在线淬火的现状

挤压铝合金大多数是可热处理强化铝合金，这些合金经过固溶热处理并经过时效后，可提高其强度，获得所需要的力学强度和组织性能。固溶热处理分为三个步骤，一是铝合金挤压产品在挤出模具前温度必须要达到该合金的固溶热处理的温度范围，且挤压过程中温差不大；二是铝合金从模具挤压出来到进入淬火装置时间不超过该铝合金淬火转移时间；三是铝合金从淬火装置经过的时间足够，并使铝合金冷却到规定的温度。

在先淬火技术目前大体分为风冷系统、水冷系统、风雾冷系统、穿水冷却系统等类型。风冷淬火对一般适合壁厚薄且较均匀，结构简单的铝合金材料适用；当铝合金材料较厚，且为非对称的复杂断面，可以考虑采用水冷却装置；当挤铝合金材料稍厚或者风冷效果在临界点上时，可以考虑风雾冷系统，此时在风冷的基础上，加入采用独立的雾化水泵喷入适量的水，加速铝合金材料冷却；当铝合金材料为厚板或者棒材时，水冷系统无法满足正常的冷却，此时可使用穿水系统，让铝合金材料从冷却水中穿行，以最大限度的进行冷却。所以根据不同的挤压铝合金材料，根据壁厚、冷却要求等确定合适的淬火工艺，选用合理的淬火方式，以满足铝合金对淬火过程中的工艺要求。

为使挤压铝合金材料经过在线淬火装置后达到理想的效果，需要选择合适的淬火方式，以保证所需要的冷却速度，只有保证足够的冷却速度，才能保证铝合金材料后期的力学性能符合要求。此时在冷却方式设计上，要在淬火装置内设计合适的冷却通道，包括冷却动力、冷却长度，冷却密度等等。并根据铝合金材料断面的形状，确定各个位置冷却方式是否一致，以保证整体材料冷却速度均匀。在75MN大机型挤压系统中，考虑采用两条冷却通过，1号淬火通道为风、水或者混合使用，2号通道为风冷加强专用。

2 铝合金挤压机在线淬火装置结构分类

75MN挤压机作为一台大吨位挤压机，淬火装置应设计具有一个能产生强劲的热传递、直接冷却的均衡激速冷却系统。根据需要进行风冷或水冷，水冷系统中融入风雾冷系统、强劲水冷却系统，根据工艺需要进行设定。该系统由两个5.5米长的装置组成，而每个装置由一个上冷却罩和一个下冷却罩组成。每个装置的上冷却罩通过两个油缸来提升，每个装置在纵向分为两部分，每部分配有风机。两部分在结构上相连，因此只需一个提升系统。每个装置的下冷却罩是固定的，并与风机连接；下冷却罩还支撑辊子。凯夫拉含硬树脂辊子表面覆盖一层耐600摄氏度的高温材料，壁厚约12毫米，采用4毫米PBO加上8毫米凯夫拉尔设计，套在带专用轴承钢架上能够在周围潮湿环境下正常运行，做好防腐蚀处理。辊子间距500毫米每个辊子安装在可转动的架子上，利用气缸进行上下移动。当在线牵引机经过，辊子根据在线牵引机的位置依次压下。旋转运动万一控制失效，辊子能够由移动的牵引机或锯推开而没有任何损害，该支撑可通过调节高度来实现精准的对齐并便于辊子快速拆卸。

2.1 一号冷却罩风冷系统

风冷系统可以提供接近高达300W/m2K的热传导系数。每个装置的上冷却罩分为两个2.75米长的装置。每个装置的特性如下：一台风机的输风量90000立方米/小时；运行风机的电机功率110千瓦。风冷系统共分为4个区：右上部区域、左上部区域、右侧区域和左侧区域，各区域设计输风速度达50米/秒的风嘴，每一区域有电控气动控制器控制风量传输且风机由变频器驱动。通过这种方式操作员可以设置所需的风速。首先执行气门片定位，然后如果需要，通过作用于变频器来修改风机的转速。下冷却罩是单独的5.5米长的装置有以下特性：一台风机的输风量：90000立方米/小时；运行风机的电机功率：110千瓦；分为2个区：右部区域和左部区域，两区域各有一系列输风速度达50米/秒的风嘴。

该风冷系统主要特性有：在实际的工作距离中，风嘴设计成不会对冷却功率造成不当的浪费。两侧的风嘴外，所有的风嘴是交错排列，风嘴气流不会互相干扰。两侧的风嘴是面对面排列，正常来说对于高尺寸的铝合金材料只使用单边风嘴。两侧的风嘴设计正常工作距离为250到350毫米；风冷系统的设计能够冷却最大尺寸为900毫米宽、300高毫米或直径520毫米的铝合金材料。本设计还考虑到实际铝合金材料经常是不直的；在冷却通道里的风嘴通过安置在起始端、中心处和出口端的保护设施来保护，这些保护突出风嘴10毫米，限制铝合金材料并避免变形了的铝合金材料与风嘴接触；所有自动设置是冷却数据的一个部分，记忆相关铝合金材料号和模具号。均衡激速冷却系统是根据输入铝合金材料数据来自动调节，风机转速、气门片的定位、冷却风嘴书数量、上冷却罩的位置、导出台靠挤压机端的高度等等，在实际工程设计有必要进一步确定所需参数，在挤压机换铝棒时可选择持续或降低的冷却模式；辊子结构通过液压缸可以调节靠挤压机端高度。一个线性传感器实现靠挤压机端辊子高度的可视化；液压缸行程允许第一根辊子的位置比挤压机中心线低约50到260毫米。

2.2 一号冷却罩水冷系统

安装在冷却罩1的水冷系统能提供非常强劲的热传导系数，水冷超过500W/m2K-3000W/m2K，对致密铝合金材料具有很强的冷却效果，比水波冷却强劲。通过两个单独系统互相作用来实现，柔和的冷却装置和强劲的冷却装置。对大部分铝合金材料冷却，使用柔和的冷却装置已经足够了。该系统基于5.5米长的独立装置，安装在与风冷设备相同的支架上。柔和的冷却装置包括以下水喷嘴：上部有2排喷嘴，总输水量为80立方米/小时。侧面左右方向各有2排喷嘴，总左右各40立方米/小时，总输水量为80立方米/小时；下部有2排喷嘴，总输水量为80立方米/小时；喷雾模式实现强劲的上下、左右对称冷却，极宽、极平和极高地覆盖整个铝合金材料范围，同时适合冷却中等尺寸；上部锥状喷雾只有轻微交叠，不会左右产生扩散区。边上的锥状喷雾上部会存在轻微的不是冷却铝合金材料的区域，输送水是完全均衡的，总输水量为240立方米/小时。强劲的冷却装置包括以下水喷嘴：4排喷嘴置于系统角落，每排输水量90立方米/小时，喷雾模式将极高地、均衡地覆盖均衡冷却系统中央部分去冷却壁厚很大、致密铝合金材料/棒材，喷雾模式通过适度增加锥状喷雾的交叠来实现，但足可调节上下、左右的冷却功效，输送水也是完全均衡的，总输水量为360立方米/小时。

该水冷系统主要特性有：水冷系统的柔和冷却装置设计能够冷却最大尺寸为900毫米宽、300高毫米或直径520毫米的铝合金材料。本设计还考虑到实际铝合金材料经常是不直的；强劲的冷却装置覆盖相对较小截面是由于只用于重型的、致密的实心铝合金材料；喷雾设置是冷却数据的一个部分，记忆相关铝合金材料号和模具号，均衡激速冷却系统是根据输入铝合金材料数据来自动调节；为避免喷嘴有钙形成，上部和下部配有在喷嘴用完之后利用压缩空气对管道进行吹风的系统；所有喷嘴维护时便于更换，注意防止扭曲，在挤压机换铝棒时可选择持续、降低或无冷却的冷却模式。

一号淬火上罩-冷却水回路基本尺寸知道后，具体管道配置须在实际工程阶段确定。整个冷却水回路放在靠近均衡激速冷却系统的地板下，水池同样位于地面以下，分为两个独立的水池，是为了让水能同时流入冷水池和热水池，总容量约40立方米。由于重力的原因，水从均衡激速冷却系统流回水池。水流进水池中最初通过固定在地上的下冷却罩里的钢丝网进行过滤；此过滤对阻止初始相对尺寸较大的微粒是很有用的。此外，还需要一个能过滤等级为150微米的自清洁过滤器和水软化器。泵从第一个水池抽出热水，为了降低水温，需安装一个持久运行的热交换器，然后输送冷水到第二个水池。每台水泵的功率为90千瓦,流量为180立方米/小时,扬程为110米，两台水泵把水从第二个水池传输到喷嘴，每台泵自带有旁通阀，以避免在开始/停止循环时产生水锤现象。每排喷嘴的水传输通过调压阀来控制，这些阀带有来自压力传感器的反馈信号，此外，其每一行喷嘴都自带有阀开关。一台潜水泵用来收集通过下冷却罩的风嘴进入气回路的冷却水，功率为4千瓦、流量为60立方米/小时、扬程为10米。

2.3 冷却罩2-风冷系统

为提升风冷淬火效率，增加2号风冷系统，此风冷系统能够提供很强劲的、接近高达300W/m2K热传导系数来直接冷却铝合金材料。该系统是基于一个5.5米长的独立装置，由上冷却罩和下冷却罩组成。每个装置的上冷却罩分为两个2.75米长的装置。每个装置的特性如下：一台风机的输风量：90000立方米/小时、运行风机的电机功率110千瓦，冷却系统分为4个区：右上部区域左上部区域右侧区域左侧区域，每个区域输风速度达50米/秒的风嘴。每一区域将有电动活叶控制风量传输且风机由变频器驱动，通过这种方式操作人员可以设置所需的风速。首先执行气门片定位，然后如果需要，通过作用于变频器来修改风机的转速。下冷却罩是单独的5.5米长的装置有以下特性：一台风机的输风量：90000立方米/小时、运行风机的电机功率110千瓦，冷却系统分为2个区：右部区域和左部区域，每个区域输风速度达50米/秒的风嘴。该风冷系统主要特性：均衡激速冷却系统的风速设置5.5米长并可独立于一号均衡激速冷却系统来设定冷却的风速；通过这种方式，当一号均衡激速冷却系统能足够冷却铝合金材料，我们的系统就可以节能了。

3 各淬火系统优缺点对比

风冷系统在铝合金生产中应用最为广泛，系统设计相对简单，便于调节。但由于风冷系统需要大量风源，大多设计冷却装置放在室内，此时冷却风通过由风机输送至淬火装置后，经过与铝合金热量交换后再次进入现场空气中，造成环境温度升高，风机吸风口温度上升。特别在夏季温度高的情况下，不利于连续生产，为使冷却强度持续，可以考虑淬火装置吸风口移至室外或者在吸风口增加空气冷却装置，以保证持续的温度较低的冷却风进入到淬火通道内，或者采用风雾冷却方式，通过水雾的作用，降低空气温度，同时在空气中的水雾增加部分冷却介质，二者共同作用达到冷却达到的目的，车间淬火装置区域可以通过强化通风，以使该区域环境温度持续改善。水冷系统在冷却中冷却强度大，通过高压水泵通过各冷却通道进行喷射，由于此种方式冷却速度快，根据铝合金材料在断面上厚度不同，水冷各个通道一般需采用可调节控制，根据材料的厚薄不同，调节水量的大小，以达到精准控制的需要，此时可减少铝合金材料的变形，减少后续工作的难度。水冷生产对水质要求比较高，水质不好会在冷却时堵塞喷头造成部分区域冷却不良，同时质量表面形成水碱等杂质影响材料表面。无论哪种方式都将影响材料要求。驻波在生产中，淬火装置两侧升起挡板，前后通过水墙将水存储在水槽中，并达到一定的高度，此时铝合金材料整体穿过水槽进行冷却。对于冷却要求高、强度大、米重大的材料适合使用此种方式。此种方式能对各种形状材料进行充分冷却，但需要考虑的时随着机型的增大，水墙的宽度逐步变大，驻水高度同样也逐步变高，同时因为铝合金材料形状不均匀，通过驻波快速冷却时，材料厚薄不同会导致在各个方向能却速度不一致，此时会使铝合金材料变形量加大，此问题在生产中需要关注。

4 结论

铝合金的淬火技术看似结构简单，实际上也是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、挤出温度、挤压速度、淬火方式选择、冷却速度等等，特别是在淬火方式选择上，风冷、水冷、雾冷、强水冷等联合一起，能提供较大的冷却速度范围，使用时可根据不同的合金、不同的铝合金材料截面来选择合适的冷却方式。由于淬火开始阶段变形较大，如果刚开始如果直接采用快速的冷却速度，而铝合金材料截面的四周没有导向调节装置，就会造成铝合金材料变形量大。故淬火前段可选择相对缓慢的冷却速度，先将铝合金材料缓慢冷却到一定的温度后，后段再采用较快的冷却速度进行快速冷却。这样既能够保证足够的冷却强度，同时也能最大可能减少铝合金材料的变形。所有的这些调节需要设计为均可通过人机界面进行控制，调节方便，操作性强并且上位机控制系统要有自动记忆功能，每次生产的工艺参数在使用后可以自动记录下来，在下次使用时可自动调用。但是因为铝铝合金材料挤压完毕时需要剪切压余并重新上锭，此时会产生非挤压时间，这段时间内非挤压时停顿在淬火区段的铝合金材料与挤压时通过淬火区的铝合金材料受到的有效冷却时间不一致，这样会引起该两段的淬火强度不一致、性能和变形量也不一致。下下步的改善中，针对此问题可继续深入研究。