范玉仙

（太原通澤重工有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030032）

25MN異型材鋼擠壓機(jī)組設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

范玉仙

（太原通澤重工有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030032）

介紹了新研發(fā)25MN異型材鋼擠壓機(jī)組生產(chǎn)能力、工藝布置及生產(chǎn)裝備，具體闡述了機(jī)組的工藝參數(shù)選擇、工藝難題及25MN異型材鋼擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要參數(shù)，為異型材鋼擠壓生產(chǎn)提供應(yīng)用參考。

機(jī)械設(shè)計(jì)；擠壓機(jī)；設(shè)計(jì)；異型材

1 前言

“熱擠壓成形工藝”是解決高合金、特種合金難變形鋼管及異型材熱成形的關(guān)鍵技術(shù)。由于擠壓時(shí)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)[1][2]，可以得到比軋制、鍛壓更大的塑性變形，可生產(chǎn)其他方法難以加工或根本無(wú)法加工的復(fù)雜斷面型材。由于擠壓制品尺寸精度高，金相組織致密，力學(xué)性能良好，擠壓制品廣泛應(yīng)用于核電站、石油化工、建筑、航空、航天、交通、通信等領(lǐng)域。如圖1所示為異型材鋼擠壓制品的截面示例及其應(yīng)用領(lǐng)域 。本文介紹為適應(yīng)市場(chǎng)需求新開(kāi)發(fā)的25MN異型材鋼擠壓機(jī)組的生產(chǎn)能力、工藝布置及生產(chǎn)裝備，為異型材鋼擠壓生產(chǎn)提供應(yīng)用參考。

2 機(jī)組生產(chǎn)能力

25MN異型材鋼擠壓機(jī)組用于生產(chǎn)不銹鋼管及異型材，機(jī)組平均年產(chǎn)量為6.5萬(wàn)噸/年，其中不銹鋼管3.9萬(wàn)噸/年，異型材2.6萬(wàn)噸/年。

生產(chǎn)能力：40～60 根/小時(shí)。

產(chǎn)品規(guī)格：

3 機(jī)組工藝特點(diǎn)

3.1 機(jī)組工藝流程如圖2所示。

熱擠壓的坯料可以是鍛坯、軋坯、連鑄坯、離心澆鑄坯等。長(zhǎng)坯或短坯、毛坯或光坯在坯料加工車(chē)間分別經(jīng)切斷、剝皮、鉆深孔、倒棱加工以及清洗后，進(jìn)入擠壓生產(chǎn)線[3]。

加熱好的擠壓坯料進(jìn)入環(huán)形爐進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為材料的“無(wú)氧化溫度”，對(duì)于不銹鋼一般為650～750℃，坯料在這一溫度下充分熱透后進(jìn)入立式工頻感應(yīng)加熱爐，快速加熱到材料的擠壓溫度。

圖2 鋼擠壓生產(chǎn)工藝流程

加熱好的錠坯經(jīng)高壓水除鱗（可選），內(nèi)外表面涂玻璃潤(rùn)滑劑，管材及空心異型材采用空心錠坯生產(chǎn)，錠坯須進(jìn)入立式?jīng)_（擴(kuò)）孔機(jī)進(jìn)行沖（擴(kuò)）孔工序；一般異型材采用實(shí)心錠坯，可直接進(jìn)入擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。

沖（擴(kuò)）孔機(jī)采用實(shí)心錠沖孔或空心錠擴(kuò)孔兩種工藝制作空心坯。作沖孔工藝時(shí)實(shí)心錠坯僅需在一端加工出定心孔，加熱后由沖（擴(kuò)）孔機(jī)進(jìn)行預(yù)壓、沖孔使之成為空心坯。作擴(kuò)孔工藝時(shí)錠坯將通過(guò)深孔鉆打出通孔，最小孔徑約為擴(kuò)孔后孔徑的1/3，并在一端加工出定心錐，加熱后在沖（擴(kuò)）孔機(jī)內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)孔，使之成為內(nèi)徑達(dá)到所需尺寸的空心坯[4]。

對(duì)于要求嚴(yán)格的難變形鋼種，采用擴(kuò)孔工藝制坯，對(duì)于其他鋼種可采用沖孔工藝制坯，以減少機(jī)加工造成的金屬損耗。

經(jīng)沖（擴(kuò)）孔后的空心坯經(jīng)高壓水除鱗后通過(guò)輸送輥道送至立式工頻感應(yīng)加熱爐進(jìn)行再加熱，使其溫度達(dá)到或保持?jǐn)D壓溫度后出爐，經(jīng)高壓水除鱗（可選）后進(jìn)行內(nèi)外表面涂玻璃潤(rùn)滑劑，進(jìn)入臥式擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。

在3～5s之內(nèi)擠壓出成品后，切除壓余，制品進(jìn)入出料機(jī)構(gòu)，根據(jù)工藝要求進(jìn)行冷卻。

各種擠壓制品進(jìn)入精整車(chē)間，根據(jù)工藝要求進(jìn)行矯直、鋸切、噴丸、酸洗，進(jìn)行不同的試驗(yàn)，檢查合格后包裝入庫(kù)。

3.2 機(jī)組工藝參數(shù)的選擇

擠壓時(shí)材料在良好的三向壓應(yīng)力狀態(tài)下變形，使用這種方法能夠加工任何塑性的金屬和合金，而要使擠壓過(guò)程能夠順利進(jìn)行，還必須正確地選擇擠壓時(shí)主要的工藝參數(shù)[5]，即正確地選擇擠壓溫度、擠壓速度和擠壓時(shí)的變形程度（擠壓比）。

3.2.1 擠壓溫度的選擇

（1）一般來(lái)講，材料熱加工溫度的選擇，可以根據(jù)材料的“相平衡狀態(tài)點(diǎn)”來(lái)確定其最高加熱溫度，材料熱加工時(shí)的最高加熱應(yīng)控制在其“液相線”以下80～150℃。為了控制材料在加熱過(guò)程中不產(chǎn)生“過(guò)熱”或“過(guò)燒”現(xiàn)象，其最高溫度控制在“液相線”以下150～200℃較為可靠。

（2）擠壓時(shí)，對(duì)于低塑性的材料可按真“塑性圖”來(lái)確定并限制坯料的加熱溫度。擠壓溫度應(yīng)選擇在材料的最佳塑性溫度范圍內(nèi)，并嚴(yán)格加以控制。

（3）確定材料的加熱溫度時(shí)，還要考慮材料對(duì)“終擠溫度”的要求，穿孔和擠壓變形的熱效應(yīng)會(huì)使坯料溫度升高，以及材料塑性的限制等因素。

（4）坯料的加熱溫度應(yīng)比擠壓溫度高30～50℃。表1為合金TP316（或者類(lèi)似鋼種）坯料的各階段的加熱溫度。

表1 合金TP316坯料的加熱溫度。

3.2.2 擠壓速度的選擇

擠壓速度直接影響到擠壓生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量。在25MN擠壓機(jī)上，根據(jù)材料、變形程度和擠壓制品斷面形狀的不同，擠壓速度可以在50～300mm/s。當(dāng)擠壓速度使得材料擠出?？讜r(shí)的溫度恰好低于出現(xiàn)“過(guò)燒”的溫度時(shí)，擠壓機(jī)的擠壓力最低，擠壓速度最快，金屬流動(dòng)最均勻，擠壓制品的性能最穩(wěn)定，擠壓機(jī)的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量最高。

3.2.3 擠壓比的選擇

理論上擠壓比是：坯料擠壓前后的截面積之比或擠壓前后的長(zhǎng)度之比。擠壓比的選擇取決于一系列因素，如擠壓機(jī)的能力、擠壓材料的性能、潤(rùn)滑劑的類(lèi)型等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)采用玻璃潤(rùn)滑劑進(jìn)行擠壓時(shí)，擠壓比可以達(dá)到200，甚至更高。實(shí)際上，一般鋼擠壓時(shí)，采用玻璃潤(rùn)滑劑擠壓的擠壓比通常在60以下，以20～35為佳。

3.3 機(jī)組工藝難題

3.3.1 無(wú)氧化加熱工藝

坯料的無(wú)氧化加熱工藝是確保擠壓產(chǎn)品的表面質(zhì)量，擠壓過(guò)程中確保玻璃潤(rùn)滑劑能夠真正發(fā)揮潤(rùn)滑效果，甚至是保證擠壓過(guò)程能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵。鋼擠壓坯料的無(wú)氧化加熱工藝的實(shí)現(xiàn)，主要是由于坯料感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用。該機(jī)組的加熱采用“環(huán)形爐預(yù)熱+工頻感應(yīng)爐加熱”的“兩步法加熱工藝”。“兩步法加熱工藝”既降低了加熱電耗，又提高了加熱爐的生產(chǎn)率，并且實(shí)現(xiàn)了擠壓坯料的無(wú)氧化加熱?？刂坪眉訜釡囟取⑺俣燃皩?duì)碳鋼的保護(hù)氣氛是無(wú)氧化加熱的關(guān)鍵。

3.3.2 擠壓工具的使用壽命

擠壓工具在擠壓過(guò)程中直接與被加工金屬錠坯接觸而使其產(chǎn)生塑性變形。擠壓工具是在極其繁重的條件下工作的，它長(zhǎng)期經(jīng)受摩擦，要承受加熱錠坯的高溫及相當(dāng)高的單位壓力（有時(shí)達(dá)到1100MPa，甚至更高）。如何結(jié)合我國(guó)國(guó)情，提高工具材料質(zhì)量，嚴(yán)格熱處理工藝，延長(zhǎng)工具使用壽命，是降低擠壓成本的最重要因素。擠壓工具壽命短，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備停車(chē)、空運(yùn)轉(zhuǎn)、整個(gè)生產(chǎn)線中斷，其造成的損失難以估計(jì)。根據(jù)其他擠壓廠的經(jīng)驗(yàn)，各種工模具的使用壽命大致如表2、表3所示。

3.3.3 玻璃潤(rùn)滑劑

表2 立式?jīng)_（擴(kuò)）孔機(jī)的工模具的使用壽命

表3 擠壓機(jī)工模具的使用壽命

鋼擠壓時(shí)的玻璃潤(rùn)滑工藝，是鋼擠壓技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的三大難題的關(guān)鍵。玻璃潤(rùn)滑劑的發(fā)明，在鋼擠壓生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，起到“里程碑”的作用。在擠壓過(guò)程中玻璃潤(rùn)滑劑起潤(rùn)滑、防護(hù)、絕熱和延長(zhǎng)工模具壽命的作用[6]。不同的玻璃潤(rùn)滑劑不僅會(huì)影響到擠壓工模具的使用壽命，而且對(duì)擠壓后的工序也有直接影響。擠壓過(guò)程中坯料內(nèi)外表面和擠壓模均需潤(rùn)滑。玻璃逐層融化并形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜是擠壓工藝關(guān)鍵所在。為了得到合理的玻璃潤(rùn)滑膜，必須選擇合適的玻璃潤(rùn)滑劑使之與擠壓工藝參數(shù)相匹配。

我國(guó)在鋼擠壓玻璃潤(rùn)滑劑的研究和開(kāi)發(fā)方面已趨于成熟階段。北京天力創(chuàng)科技開(kāi)發(fā)有限公司在黑色金屬、高溫合金和鈦合金熱成形用防護(hù)潤(rùn)滑劑的研究開(kāi)發(fā)工作方面，同有關(guān)單位合作，研制成功了一系列產(chǎn)品，取得了較好的應(yīng)用效果。但隨著鋼擠壓技術(shù)的發(fā)展，新建擠壓機(jī)的增加，對(duì)玻璃潤(rùn)滑劑的品種、性能、質(zhì)量和數(shù)量無(wú)疑都會(huì)提出更高的要求。

3.3.4 模具設(shè)計(jì)

擠壓模具是保證擠壓件形狀尺寸和精度的重要工裝，模具質(zhì)量是保證工件質(zhì)量及工藝成本的最關(guān)鍵因素。實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于技術(shù)參數(shù)多[7]，設(shè)計(jì)難度大，涉及知識(shí)較廣，要求設(shè)計(jì)人員知曉工藝、設(shè)備、模具設(shè)計(jì)、熱處理、加工工藝等多方面知識(shí)。從模具的選材、加工到使用的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合控制，層層把關(guān)，才能使其壽命延至最長(zhǎng)，達(dá)到節(jié)約成本、提供產(chǎn)品質(zhì)量、為企業(yè)創(chuàng)造更多效益的目的。

4 機(jī)組主要設(shè)備

機(jī)組平面布置如圖3所示。

4.1 坯料準(zhǔn)備車(chē)間

坯料準(zhǔn)備車(chē)間主要設(shè)備有2臺(tái)剝皮機(jī)床、4臺(tái)帶鋸、2臺(tái)倒棱機(jī)、2臺(tái)深孔鉆床及自動(dòng)清洗裝置。

4.1.1 旋風(fēng)剝皮機(jī)

旋風(fēng)剝皮機(jī)用于坯料的外表面加工，可以對(duì)長(zhǎng)料進(jìn)行剝皮加工，因此可大幅提升剝皮加工效率，生產(chǎn)能力大。新的旋風(fēng)剝皮機(jī)配置刀具補(bǔ)償系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)心剝皮，始終保持加工精度；圓周上設(shè)有4組刀具，每一組有2把刀，第一組用來(lái)粗加工，之后是精加工。輸出設(shè)備帶空氣吹干裝置、激光自動(dòng)檢測(cè)外徑裝置、配置計(jì)算機(jī)控制包，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

4.1.2 自動(dòng)清洗裝置

自動(dòng)清洗裝置用于清洗坯料的表面，清洗過(guò)程完全不需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了坯料的連續(xù)清洗。清洗設(shè)備配備自動(dòng)對(duì)齊裝置，清洗、漂洗、吹干均在自動(dòng)控制下進(jìn)行；清洗液處理自成系統(tǒng)。

4.2 異型材擠壓車(chē)間

異型材擠壓車(chē)間主要設(shè)備有1臺(tái)環(huán)形爐、6座立式感應(yīng)爐、3臺(tái)高壓水除鱗、1臺(tái)8MN沖（擴(kuò)）孔機(jī)、1臺(tái)25MN異型材擠壓機(jī)、1個(gè)淬火水槽、1臺(tái)冷床及若干運(yùn)輸輥道和機(jī)械化輔助設(shè)備

4.2.1 環(huán)形爐預(yù)熱設(shè)備

環(huán)形爐整體結(jié)構(gòu)為圓筒形，爐體平均直徑7m，在可以回轉(zhuǎn)的爐底上裝四排鋼錠，從一個(gè)爐門(mén)用機(jī)械手裝入鋼錠，回轉(zhuǎn)一周后，在另一個(gè)爐門(mén)將被加熱到設(shè)定溫度的錠坯取出，再由專(zhuān)用的送料機(jī)送至下道工序。

4.2.2 感應(yīng)爐加熱設(shè)備

感應(yīng)加熱爐是應(yīng)用感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的。在加熱過(guò)程中，感應(yīng)加熱器與金屬錠坯之間沒(méi)有直接接觸，電能是通過(guò)電磁場(chǎng)傳遞的。感應(yīng)加熱爐的主要特點(diǎn)為：

（1）采用保護(hù)性氣氛加熱，實(shí)現(xiàn)擠壓坯料的無(wú)氧化加熱。

（2）在感應(yīng)線圈內(nèi)加設(shè)磁力補(bǔ)償器，對(duì)坯料兩端進(jìn)行補(bǔ)償加熱，解決坯料出感應(yīng)加熱爐后在運(yùn)輸過(guò)程中兩端散熱快而導(dǎo)致兩端溫度低的問(wèn)題。

（3）為了提高加熱效率，精確控制加熱溫度，采用了單一感應(yīng)線圈的加熱方式，低頻供電，頻率可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

（4）采用分段式感應(yīng)線圈加熱方式，可滿足坯料沿長(zhǎng)度方向的不同加熱溫度要求，同時(shí)可有效節(jié)約能源。

4.2.3 8MN沖（擴(kuò)）孔機(jī)

8MN沖（擴(kuò)）孔機(jī)是25MN擠壓機(jī)的配套變形設(shè)備，用于擠壓前坯料的沖孔或擴(kuò)孔。壓機(jī)主機(jī)為立式、預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架型式。該機(jī)除配有自動(dòng)上下料系統(tǒng)外，還設(shè)有移動(dòng)工作臺(tái)。移動(dòng)工作臺(tái)采用活塞式油缸驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)上固定雙工位沖孔模筒，采用環(huán)形定位鍵定位，設(shè)有縱向和橫向調(diào)節(jié)定位裝置，運(yùn)行平穩(wěn)、導(dǎo)向定位精度高，移動(dòng)工作臺(tái)使更換擴(kuò)孔筒更加方便。

25MN異型材擠壓機(jī)是機(jī)組擠壓生產(chǎn)線的主要設(shè)備。壓機(jī)為臥式、雙動(dòng)、四柱預(yù)應(yīng)力機(jī)架結(jié)構(gòu)，擠壓梁為L(zhǎng)+X型導(dǎo)向，擠壓筒梁為L(zhǎng)+X型導(dǎo)向，前梁設(shè)有二工位移動(dòng)模架和分離鋸。穿孔系統(tǒng)為內(nèi)置滑塊式，可以通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)定針或隨針擠壓工藝。本機(jī)采用多缸組合式結(jié)構(gòu)對(duì)壓機(jī)進(jìn)行壓力分級(jí)，避免了依靠壓力閥控制系統(tǒng)壓力，從而節(jié)約了在超壓溢流時(shí)白白損失的能量，節(jié)能效果明顯；可適應(yīng)更為寬廣的模具系統(tǒng)。

壓機(jī)主液壓系統(tǒng)采用高效的軸向柱塞定-變量油泵和高壓蓄勢(shì)器聯(lián)合傳動(dòng)[8]，主液壓控制系統(tǒng)采用邏輯閥集成閥控制。主、輔油泵、先導(dǎo)控制元件。設(shè)有輔助液壓控制系統(tǒng)、油冷卻過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)。主油箱及主控制閥塊設(shè)在壓機(jī)后梁上方，主油泵站及高壓蓄勢(shì)器設(shè)在單獨(dú)的泵房?jī)?nèi)；油泵-蓄勢(shì)器傳動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)最大300m/s擠壓速度的調(diào)節(jié)和控制。擠壓機(jī)低速擠壓和主系統(tǒng)其他機(jī)構(gòu)運(yùn)行采用油泵直接傳動(dòng)。

壓機(jī)主要參數(shù)：

4.3 異型材精整車(chē)間

異型材精整車(chē)間主要設(shè)備有1臺(tái)車(chē)底式退火爐、1臺(tái)750t拉扭矯直機(jī)、1臺(tái)250t拉扭矯直機(jī)、1臺(tái)噴丸機(jī)、2臺(tái)輥式矯直機(jī)、2臺(tái)帶鋸，這些設(shè)備用來(lái)滿足各種異型材及鋼管的精整工藝要求。

5 結(jié)語(yǔ)

采用鋼擠壓工藝生產(chǎn)黑色金屬異型材，可以直接擠出斷面復(fù)雜成品，其材料利用率高，且主變形設(shè)備少、投資少、生產(chǎn)成本低，在國(guó)外早已得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)只有四川長(zhǎng)城鋼廠、上海異型鋼管廠等少數(shù)廠家具備生產(chǎn)異型材產(chǎn)品的能力，產(chǎn)量有限，目前黑色金屬異型材產(chǎn)品的品種、規(guī)格均急需拓展。異型材鋼擠壓成套設(shè)備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在我國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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Design and development of 25MN extrusion line for special shape steel

FAN Yuxian
（Technology Center,Taiyuan Tongze Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan 030032,Shanxi China）

The throughput,process layout,and production equipment of a new development 25MN extrusion line for special shape steel have been introduced in the text.The selection of process parameter,process difficulty,and structure features&main specifications of the extrusion machine have been described in detail.It can provide application reference for extrusion production of special shape steel.

Special shape steel;Extrusion machine;Process;Equipment

TG375

A

1672－0121（2012）03－0066－05

2012-02-22

范玉仙（1966-），女，工程師，從事鍛壓設(shè)備及工藝的研究