趙富勝

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039)

中國(guó)是鋁擠壓大國(guó)，近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，鋁擠壓材在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，產(chǎn)能和消費(fèi)量也一直在增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2011年我國(guó)的鋁材總產(chǎn)量為2352萬(wàn)噸，其中鋁型材1233萬(wàn)噸，管棒材163萬(wàn)噸，線材33萬(wàn)噸。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，房地產(chǎn)建筑行業(yè)依然是鋁型材最強(qiáng)勁的消費(fèi)者，其次為交通運(yùn)輸、電力電氣、汽車制造等行業(yè)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2010年全世界擠壓生產(chǎn)線數(shù)量已超過(guò)6500條，而中國(guó)則擁有約3900條，占全世界的一半以上。在這些擠壓生產(chǎn)線中，擠壓力小于14MN的占90%左右，主要生產(chǎn)建筑型材；擠壓力大于50MN的約為40臺(tái)，主要生產(chǎn)大截面工業(yè)型材、軌道交通運(yùn)輸用型材等；其余為中間機(jī)型，主要生產(chǎn)工業(yè)型材、管棒材。粗略匡算，目前中國(guó)鋁擠壓材的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到1300萬(wàn)噸。

1 鋁擠壓生產(chǎn)線裝備的組成及發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于一個(gè)擠壓工廠，擠壓生產(chǎn)線是決定產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的最核心的設(shè)備。一般擠壓生產(chǎn)線裝備主要包括鑄錠加熱爐、擠壓機(jī)、機(jī)后輔機(jī)、模具加熱爐，某些先進(jìn)的生產(chǎn)線還配套有自動(dòng)堆垛系統(tǒng)。圖1為一條完整的擠壓生產(chǎn)線布置圖。

1.1 鑄錠加熱爐

圓鑄錠加熱型式可分為電阻加熱、感應(yīng)加熱、燃?xì)饣蛉加图訜?。早期的加熱爐主要采用電阻加熱，近年來(lái)已被淘汰。對(duì)于擠壓力小于36MN的擠壓生產(chǎn)線主要生產(chǎn)建筑型材和工業(yè)型材，多采用長(zhǎng)錠燃?xì)饧訜?；?duì)于36MN以上的擠壓生產(chǎn)線，多采用感應(yīng)加熱以便于對(duì)鑄錠實(shí)行梯度加熱，加熱速度快，可適應(yīng)多合金品種的生產(chǎn)。

1-長(zhǎng)錠熱剪燃?xì)饧訜釥t；2-10MN擠壓機(jī)；3-機(jī)后輔機(jī)；4-模具加熱爐；5-自動(dòng)堆垛系統(tǒng)；6-時(shí)效爐

長(zhǎng)錠熱剪燃?xì)鉅t分為單棒式和多棒式，有余熱回收系統(tǒng)，充分利用燃燒產(chǎn)生的煙氣余熱對(duì)鑄錠進(jìn)行預(yù)熱，可使熱效率達(dá)到60%。來(lái)料長(zhǎng)度一般為6000mm，加熱后可根據(jù)產(chǎn)品需要的鑄錠長(zhǎng)度進(jìn)行熱剪切，這樣就省去了長(zhǎng)鑄錠因定尺鋸切而造成的幾何廢料，提高了成品率。

感應(yīng)加熱爐多采用工頻加熱，常用頻率為45～55Hz。采用單層或多層感應(yīng)線圈，根據(jù)鑄錠長(zhǎng)度，爐子可分為不同的加熱區(qū)，通過(guò)調(diào)整每個(gè)溫區(qū)的電壓或者電流，從而對(duì)每個(gè)區(qū)的功率進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)控，達(dá)到梯度加熱的目的?？刂菩褪絿?guó)內(nèi)多為可控硅，國(guó)外采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)控制技術(shù)，該技術(shù)可使功率在0～100%之間無(wú)級(jí)調(diào)控，功率因數(shù)高，節(jié)能。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)也開(kāi)始采用鑄錠感應(yīng)加熱后熱剝皮方法，此方法可以省去熔鑄后的車皮工序，剝皮后的廢料也比車皮后的碎屑更容易回收重熔。

1.2 擠壓機(jī)

擠壓機(jī)分為正向和反向、單動(dòng)和雙動(dòng)。目前世界上最大的擠壓機(jī)是前蘇聯(lián)古比雪夫加工廠的200MN擠壓機(jī)，我國(guó)最大的擠壓機(jī)是山東兗礦集團(tuán)自西馬克公司引進(jìn)的150MN擠壓機(jī)。近年來(lái)新建的大型擠壓機(jī)多集中在中國(guó)，且擠壓能力有越來(lái)越大的趨勢(shì)，據(jù)悉250MN的擠壓機(jī)也正在設(shè)計(jì)中。

擠壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，輔助機(jī)械動(dòng)作多，自動(dòng)化控制水平要求高。借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，并通過(guò)采用國(guó)外性能良好、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠的液壓部件和電氣控制元件配套，使國(guó)產(chǎn)擠壓機(jī)的裝備水平有了很大提高。國(guó)內(nèi)的擠壓機(jī)制造商生產(chǎn)了不少大中型擠壓機(jī)，且裝機(jī)水平也正在向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏。但國(guó)產(chǎn)擠壓機(jī)還存在著一些問(wèn)題，如速度控制精度、穿孔精度、小故障多、維修頻繁等，這些都是在設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)中需要解決的。下面簡(jiǎn)要介紹幾點(diǎn)擠壓機(jī)的最新發(fā)展現(xiàn)狀：

1) 近年來(lái)投入建設(shè)的大型擠壓機(jī)以短行程為主，該型式縮短了主機(jī)長(zhǎng)度，減少了擠壓軸的行程，縮短了非擠壓時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率并節(jié)能降耗。意大利達(dá)涅利公司2010年研制了一種雙筒擠壓機(jī)，該機(jī)配置兩個(gè)可側(cè)向移動(dòng)的擠壓筒，一個(gè)處于擠壓狀態(tài)時(shí)另一個(gè)離線裝料，可顯著縮短空載時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

2) 大中型擠壓機(jī)多采用預(yù)應(yīng)力張力柱結(jié)構(gòu)，工作時(shí)擠壓框架的變形量小，穩(wěn)定性好。西馬克公司、太重集團(tuán)生產(chǎn)的擠壓機(jī)用多層疊板代替了傳統(tǒng)的圓柱形張力柱，通過(guò)高壓液壓缸同時(shí)對(duì)張力柱施加一個(gè)大于最大擠壓力的拉應(yīng)力，同時(shí)在疊板的外圍、后梁和前梁之間設(shè)置了方形的壓縮箱體，形成具有剛性的預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)。組成同一根張力柱的疊板要求機(jī)械性能、加工量一致，材料最好是出自同一爐次的熱軋鋼板，保證框架受力均勻。

3) 直線導(dǎo)軌導(dǎo)向系統(tǒng)。擠壓筒座和動(dòng)梁的移動(dòng)導(dǎo)軌固定在下機(jī)架的壓柱上，上機(jī)架的壓柱作為輔助導(dǎo)軌。與傳統(tǒng)的X型導(dǎo)軌不同的是，直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的移動(dòng)導(dǎo)軌平行于下機(jī)架的平面。傳統(tǒng)的滑靴式導(dǎo)軌接觸面大，磨損大，每3個(gè)月左右就要進(jìn)行維護(hù)，而直線導(dǎo)軌為輥輪式接觸，產(chǎn)生的磨損小，可以提高各機(jī)械元件的使用壽命，減少維護(hù)時(shí)間。

4) 液氮/氮?dú)饫鋮s模具。高速擠壓過(guò)程中，鋁材的熱量傳遞至模具，使其溫度快速上升，加劇工作帶的磨損，從而影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。在擠壓機(jī)前梁處和模套側(cè)面設(shè)通氮管路，在工作中通入氮?dú)饣蛞旱鋮s模具，可以提高模具的使用壽命和產(chǎn)品精度。

5) 擠壓速度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過(guò)PLC控制各主變量泵的流量，擠壓軸的速度直接由輸出油量來(lái)控制，高頻響應(yīng)的比例閥具有快速反應(yīng)的功能以控制油量的輸出。在操作臺(tái)設(shè)定擠壓速度后，主柱塞位置檢測(cè)系統(tǒng)提供反饋信號(hào)，經(jīng)PLC程序進(jìn)行控制處理，從而實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

6) 液壓系統(tǒng)采用集成化設(shè)計(jì)，主泵為柱塞變量泵，通過(guò)一定的組合、排列形式，使泵組產(chǎn)生不同的流量，以滿足系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和壓力的要求。各集成塊的各個(gè)閥之間進(jìn)行必要的安全聯(lián)鎖，設(shè)置便于監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)壓力的壓力傳感器。在主缸、側(cè)缸系統(tǒng)中采用電液比例閥調(diào)壓，可實(shí)現(xiàn)擠壓噸位控制與保護(hù)，以及系統(tǒng)柔性卸壓。

7) 采用PLC控制生產(chǎn)機(jī)列的操作，配備與PLC通訊的上位機(jī)，將加熱爐、主機(jī)、機(jī)后輔機(jī)的操作臺(tái)集中設(shè)置在主機(jī)操作臺(tái)處，可在主操作臺(tái)上顯示和控制整條擠壓生產(chǎn)線的全過(guò)程。

1.3 機(jī)后輔機(jī)

機(jī)后輔機(jī)的作用是密切配合擠壓過(guò)程，保證擠壓的順利進(jìn)行和提高擠壓制品的質(zhì)量，并可實(shí)現(xiàn)在線淬火、在線矯直和在線鋸切成品，提高擠壓的效率和成品率，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)后輔機(jī)由固定出料臺(tái)、在線淬火裝置、出料運(yùn)輸臺(tái)、牽引機(jī)、中斷鋸、冷床、張力矯直機(jī)、貯料臺(tái)、鋸切輥道、成品鋸、定尺臺(tái)、下料輥道等組成。完善的機(jī)后輔機(jī)主要用于軟合金鋁型材的擠壓，硬鋁合金和管棒材可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要配置。

早期的擠壓機(jī)只配有簡(jiǎn)單的導(dǎo)出工作臺(tái)，設(shè)備簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度小、占地面積也小，其作用是使擠壓制品能順利導(dǎo)出，制品離線進(jìn)行后續(xù)處理。隨著型材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，為滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要，機(jī)后輔機(jī)的配套越來(lái)越完善，制品下線后即可直接進(jìn)行熱處理。

機(jī)后輔機(jī)的關(guān)鍵裝備是在線淬火裝置和牽引系統(tǒng)。

在線淬火冷卻裝置的型式有風(fēng)冷式、水霧冷卻式、噴水冷卻式、風(fēng)霧水組合冷卻式、水浴冷卻式，不同的冷卻型式適用于不同的合金和制品。國(guó)內(nèi)的冷卻裝置大多比較簡(jiǎn)單，風(fēng)量風(fēng)壓或水量水壓的可調(diào)節(jié)性差，導(dǎo)致制品各部分的冷卻強(qiáng)度不均勻。國(guó)外廠家的淬火裝置將其分為兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，一個(gè)為水冷和風(fēng)冷聯(lián)合區(qū)，另一個(gè)為加強(qiáng)型風(fēng)冷區(qū)。風(fēng)水冷卻聯(lián)合區(qū)根據(jù)型材的冷卻量又在長(zhǎng)度上分為兩段或三段，每段的上下左右設(shè)數(shù)組噴嘴，每組噴嘴均由單獨(dú)的比例閥來(lái)控制，所有的比例閥均由PLC控制，這樣可靈活控制型材不同區(qū)域的冷卻水量。加強(qiáng)型風(fēng)冷區(qū)根據(jù)型材截面分成不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的風(fēng)機(jī)由變頻器和開(kāi)關(guān)閥單獨(dú)控制，可靈活調(diào)整不同區(qū)域的風(fēng)量。先進(jìn)的淬火系統(tǒng)可根據(jù)型材斷面尺寸、形狀，采用計(jì)算機(jī)模擬淬火過(guò)程，優(yōu)化淬火工藝，通過(guò)調(diào)節(jié)型材斷面不同部位上的冷卻水量、冷卻水噴射角度等手段使淬火制品冷卻均勻。圖2為在線淬火裝置示意圖。

圖2 在線淬火裝置示意圖

國(guó)內(nèi)的牽引系統(tǒng)多為單牽引機(jī)和移動(dòng)鋸鋸切，其特點(diǎn)是單牽引機(jī)無(wú)法在固定的周期時(shí)間內(nèi)返回而影響擠壓效率?，F(xiàn)在非擠壓時(shí)間越來(lái)越短，高水平的機(jī)型已縮短至15秒以內(nèi)，在如此短的時(shí)間內(nèi)牽引頭難以返回夾住型材。雙長(zhǎng)度雙牽引系統(tǒng)作為一種最新的配置型式，可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)時(shí)在兩根型材的焊合處切斷，更加適合非擠壓周期越來(lái)越短、擠壓制品越來(lái)越長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，但是，需要保證雙牽引機(jī)在交手時(shí)的速度同步和牽引力恒定，這是該型式牽引裝置的關(guān)鍵技術(shù)。圖3為雙軌道雙牽引裝置示意圖。

1.4 模具加熱爐

小型擠壓機(jī)配備單膛加熱爐，大型擠壓機(jī)配備雙膛或多膛加熱爐，每個(gè)加熱室宜加熱一套模具，以提高模具加熱質(zhì)量。模具加熱爐的加熱型式可分為電阻加熱、電磁感應(yīng)加熱和紅外線加熱。電阻加熱為最常見(jiàn)也是最成熟的模具加熱型式，普通模具加熱時(shí)間約2小時(shí)，大型模具加熱時(shí)間約5～8小時(shí)，爐子熱效率約50%，工藝穩(wěn)定，設(shè)備投資低；電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，模具加熱時(shí)間短，普通模具加熱約20分鐘；紅外線加熱屬于新技術(shù)，采用碳棒加熱絲及紅外線輻射板，普通模具加熱時(shí)間約1小時(shí)。

圖3 雙軌道雙牽引裝置示意圖

1.5 自動(dòng)堆垛系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)配備自動(dòng)堆垛系統(tǒng)的生產(chǎn)線不多，國(guó)外先進(jìn)的擠壓生產(chǎn)線均配備有型材自動(dòng)堆垛系統(tǒng)。該系統(tǒng)省掉了下料的人工操作，可將鋸切后的型材從下料臺(tái)一層層的移至料筐中，然后通過(guò)輥道運(yùn)輸至?xí)r效爐進(jìn)行時(shí)效處理，減少了中間的人工運(yùn)輸。型材之間用墊條相隔，堆垛機(jī)夾住墊條兩端，將型材放入料筐。分配機(jī)構(gòu)可根據(jù)型材長(zhǎng)度將墊條分配到相應(yīng)的位置，以適應(yīng)多定尺型材的堆垛。圖4為自動(dòng)堆垛系統(tǒng)示意圖。

圖4 自動(dòng)堆垛系統(tǒng)示意圖

2 國(guó)內(nèi)外擠壓生產(chǎn)線的比較

國(guó)內(nèi)外擠壓生產(chǎn)線的技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外擠壓生產(chǎn)線的技術(shù)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

擠壓生產(chǎn)線是一個(gè)鋁擠壓廠最核心的生產(chǎn)裝備，生產(chǎn)線的質(zhì)量決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和工廠的年生產(chǎn)量，而生產(chǎn)線也要根據(jù)產(chǎn)品的類型來(lái)選擇。如某工廠的主要產(chǎn)品是管棒材，則最好選擇反向擠壓機(jī)，在線淬火系統(tǒng)可選擇噴水和水浴冷卻，鑄錠加熱選擇感應(yīng)加熱爐以實(shí)現(xiàn)梯度加熱。很多工廠往往只注重?cái)D壓機(jī)的裝機(jī)水平，忽視了鑄錠加熱、機(jī)后輔機(jī)的匹配，結(jié)果擠壓機(jī)的作用發(fā)揮不出來(lái)，產(chǎn)品的質(zhì)量不合格，成品率低。因此，在擠壓機(jī)制造水平不斷提升的同時(shí)，也應(yīng)注重?cái)D壓機(jī)配套設(shè)施裝備水平的發(fā)展，大力提高整條擠壓生產(chǎn)線的機(jī)械化、自動(dòng)化程度。

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