蔣黎明

(江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司，江西南昌 330096)

銅材擠壓機(jī)水封頭實(shí)用改進(jìn)

蔣黎明

(江西銅業(yè)集團(tuán)銅板帶有限公司，江西南昌 330096)

本文介紹了銅材擠壓機(jī)水封頭的工作原理，分析了改進(jìn)前水封頭的存在堵頭、容易導(dǎo)致產(chǎn)品氧化、產(chǎn)品成材率低等缺陷，通過(guò)改造水封頭的結(jié)構(gòu)，提出了采用水簾式水封方式對(duì)水封頭進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化內(nèi)孔最小尺寸，增加水簾出水位置距離前梁與模座接觸面等改進(jìn)要點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明改造后的水封頭大大減少了生產(chǎn)故障時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品成材率

銅材;擠壓;水封頭;結(jié)構(gòu);成材率

1 引言

銅材擠壓機(jī)是傳統(tǒng)銅管、棒、型材生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，水封頭是其生產(chǎn)過(guò)程中減輕產(chǎn)品氧化程度的核心裝置。水封，通常又叫液封，是利用液體靜壓強(qiáng)來(lái)密封氣體的一種裝置，它使設(shè)備內(nèi)保持一定的液位并使液體能自由流出。由于它有密封、逆止、泄壓的作用，故在銅材擠壓生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)其作用，一般可分為三類:一是防止氣體外溢，起密封作用的，稱做密封水封;二是防止氣體倒流，起逆止作用的，稱做逆止水封;三是防止設(shè)備超壓，起泄壓作用的，通常叫做泄壓水封［1］。銅材擠壓機(jī)采用的水封頭裝置有水簾式和蓋板式，其在使用前期水封效果尚好，但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，諸多問(wèn)題對(duì)擠壓過(guò)程的影響越來(lái)越大。改進(jìn)水封頭結(jié)構(gòu)以減少隨著時(shí)間推延而產(chǎn)生的一系列問(wèn)題已迫在眉睫。本文提出的水封頭的改進(jìn)方法不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品成材率，同時(shí)也能提高生產(chǎn)效率。

2 水封頭的水封原理、結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求

2.1 水封頭的水封原理

銅及其合金在高溫下擠出，直接空冷，易導(dǎo)致銅材表面氧化，嚴(yán)重影響制品的表面質(zhì)量。過(guò)去一般采用酸洗法去除表面氧化層，但廢酸對(duì)廠房、環(huán)境污染嚴(yán)重，且處理非常困難。應(yīng)用水封擠壓技術(shù)進(jìn)行輔助生產(chǎn)可代替酸洗，這是提高銅擠壓制品質(zhì)量的有效方法。

水封擠壓技術(shù)原理是在銅材擠壓過(guò)程中為防止制品與空氣直接接觸常用水作為介質(zhì)，在制品通過(guò)模具進(jìn)入能實(shí)現(xiàn)按需封水的水封頭，接著進(jìn)入上面裸露的U型盛水水槽，這樣制品自然置于水中，避免了與空氣的直接接觸，從而減輕制品的氧化程度［3］。

此外采用水封原理生產(chǎn)大型、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋁型材時(shí)，制品可以直接進(jìn)入水槽，起到水冷淬火效果，是提高強(qiáng)度和表面質(zhì)量的重要途經(jīng)之一。

目前，銅材擠壓過(guò)程的水封有兩種方式:水簾式和蓋板式。水簾式水封方式就是將大于0.3MPa水壓的水注入水封頭內(nèi)腔，通過(guò)一定角度和間隙的環(huán)行水路形成傘形水簾擋住水槽中的水，形成水封，水壓解除則水封解除;蓋板式水封方式就是在水封頭與水槽之間設(shè)置一個(gè)蓋板實(shí)現(xiàn)水封，制品通過(guò)水封頭后，頂開蓋板進(jìn)入盛滿水的水槽實(shí)現(xiàn)水封解除。它們都能實(shí)現(xiàn)制品通過(guò)?？缀蟛沤佑|水的按需水封要求，不同的是在水簾式方法中，制品通過(guò)水封頭時(shí)沒(méi)有軸向阻礙，而在蓋板式方法中則會(huì)產(chǎn)生軸向阻礙。

2.2 水封頭改進(jìn)前結(jié)構(gòu)及其缺陷

改進(jìn)前的800t銅擠壓機(jī)水封頭為水簾式，長(zhǎng)度1200mm，內(nèi)孔最小尺寸90mm，水封頭位于前梁內(nèi)部部分的最大外緣尺寸200mm。如圖1所示。

圖1 水封頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前示意圖

改進(jìn)前的800t銅材擠壓機(jī)水簾式水封頭的主要缺點(diǎn)有:水封頭靠近擠壓機(jī)模座處的排水孔受高溫(不水封時(shí)起導(dǎo)引作用)和銅材摩擦作用極易變形，在生產(chǎn)過(guò)程中，特別是小規(guī)格型材(多孔擠壓)生產(chǎn)時(shí)堵頭(每次拆裝需花1h)產(chǎn)生更加頻繁;為降低堵頭幾率，常采用頭部非穿透方式擠壓管材，管材頭部封頭壁厚尺寸從厚到薄需要300mm以上的長(zhǎng)度才能過(guò)渡到需要的尺寸，產(chǎn)品成材率的提高仍有空間;水簾與模座端面距離長(zhǎng)，為實(shí)現(xiàn)銅材擠壓過(guò)程的水封，在每一個(gè)擠壓過(guò)程都需開關(guān)一次水泵，水泵故障率居高不下;水封頭內(nèi)部連接位置容易變形，變形后封不住水，使得制品次表層起泡的幾率增大，同時(shí)擠壓筒內(nèi)套在水封頭泄漏水的激冷刺激下開裂幾率顯著提高。

2.3 水封頭的技術(shù)要求

水封頭的技術(shù)要求可從水封頭結(jié)構(gòu)和客戶需求兩方面闡述。

在結(jié)構(gòu)上，要求水封頭前梁內(nèi)孔尺寸為210mm，前梁與模座接觸面到水槽與水封頭連接面的距離為1600mm，這兩個(gè)數(shù)據(jù)是限制數(shù)據(jù)。同時(shí)傳統(tǒng)的水封位置距離前梁與模座接觸面都有400～600mm，擠壓初期封水效果較差，要求該距離小于60mm且解決回水排空的問(wèn)題。

在客戶需求方面，現(xiàn)有顧客需要產(chǎn)品最大外緣尺寸為105mm，要求水封頭內(nèi)孔最小尺寸應(yīng)大于120mm。

3 800t水封頭優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

水封頭優(yōu)化的基礎(chǔ)是基于水封頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與淹沒(méi)射流主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)沿射程s的變化規(guī)律之間的關(guān)系。水封頭優(yōu)化設(shè)計(jì)原理基于對(duì)水封頭圓截面軸對(duì)稱淹沒(méi)射流主體段和起始段中主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)沿射程s的變化規(guī)律［2］。

一圓截面對(duì)稱射流，如圖2所示，其軸心速度um是隨著射程s的增大而減小的。

圖2 水封頭圓截面示意圖

由于射流中各處流體的溫度和密度相同，即ρ0=ρ，以πρR2um除兩端得［4］:

由于(3)式只有近似準(zhǔn)確的價(jià)值，現(xiàn)將定積分值采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):

在過(guò)渡截面上um=u0，所以過(guò)渡截面上無(wú)量綱半徑恒為常數(shù)［5］，即:

式(7)表達(dá)了射流主體段內(nèi)軸心速度沿射程的變化規(guī)律。如與(3)式聯(lián)立求解，可以確定射流主體段中任意一點(diǎn)的速度u［6］。

通過(guò)對(duì)水封頭圓截面軸對(duì)稱淹沒(méi)射流主體段和起始段中主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)沿射程s的變化規(guī)律的把握，就可以對(duì)傳統(tǒng)水封頭結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4 800t銅材擠壓機(jī)水封頭的改造

4.1 800t銅擠壓機(jī)水封頭的改造方案

考慮到兩種水封頭的原理和結(jié)構(gòu)以及800t銅擠壓機(jī)水封頭的改造要求，本研究選擇了水簾式水封方式進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔最小尺寸130mm，水簾出水位置距離前梁與模座接觸面60mm，不留回水水路。如圖3所示。

圖3 水封頭改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意圖

4.2800 t銅擠壓機(jī)水封頭的改造實(shí)施

按照改造方案，結(jié)合相關(guān)位置的銜接，本文設(shè)計(jì)了符合方案要求的水封頭結(jié)構(gòu)，為檢驗(yàn)和修改改造的效果，本研究先在廢棄的水封頭上進(jìn)行初步改造方案的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了初始設(shè)計(jì)思路的總體方向是正確的，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存在偏差。通過(guò)修正偏差數(shù)據(jù)繼續(xù)對(duì)初始設(shè)計(jì)的水封頭進(jìn)行改進(jìn)，最終形成了改造后的新水封頭設(shè)計(jì)并制作出新的水封頭。

5 實(shí)施效果

采用新水封頭后，取得了明顯的改善效果，具體效果如下:

(1)堵水封頭的問(wèn)題得以解決，即便堵水封頭也非常輕微且無(wú)須拆裝，大大減少了生產(chǎn)故障時(shí)間;

(2)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品適應(yīng)性大大提高，所有產(chǎn)品在不拆水封頭的情況下都能進(jìn)行擠壓;

(3)實(shí)現(xiàn)了管材頭部的穿透擠壓，成材率提高了3%～5%;

(4)水泵在每一個(gè)擠壓周期無(wú)需開停，故障率明顯降低;

(5)封水效果良好，降低了產(chǎn)品次表層起泡的概率，產(chǎn)品表面氧化大大減少。

［1］郭巖，李雙景.水封的原理及設(shè)計(jì)條件［J］.中國(guó)化工裝備，2000，(4).

［2］呂紅纓.水封高度的一種計(jì)算方法［J］.重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2005，(4).

［3］潘祖高，王斌.對(duì)U型煤氣水封的探討［J］.冶金動(dòng)力，1992，(3).

［4］沈奕輝，傅玉祥.關(guān)于“水封井”的思考［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2006，(S1).

［5］于秀香，王青，劉天政.平面閘門支承及水封的設(shè)計(jì)探討［J］.山東水利，2004，(4).

［6］曹開朗，李偉.薄殼理論用于干式柔膜密封儲(chǔ)氣罐的計(jì)算［J］.煤氣與熱力，1999，(5).

Practical Improvements of Water Seal Cap in 800t Copper Extruder

JIANG Li－ming

(JCC Copper Strip Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，China 330096)

The working principle of water seal cap in the 800t copper extruder is introduced in this paper and some defects of water seal tank are analyzed.The improving solution is proposed by redesigning the structure of the water seal tank.The production downtime is reduced by applying new solution，which improved production efficiency as well as product quality.

copper product;extrusion forming;water seal tank;construction;yield

TG375

B

1009－3842(2011)01－0051－03

2010－11－12

蔣黎明(1972－)，男，漢族，四川鄰水縣人，工程碩士，有色金屬壓力加工工程師，國(guó)家注冊(cè)質(zhì)量工程師，主要研究方向?yàn)橛猩饘傩虏牧系拈_發(fā)，E－mail:jianglm123@sohu.com