李建華

（山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城 273500）

鋁合金材料通過擠壓機擠出后，此時溫度在500多度，為充分利用擠壓余熱，降低生產能耗，此時對材料進行及時的在線淬火。淬火冷卻系統(tǒng)是鋁鋁合金材料加工中的一道重要工序，淬火分為在線淬火和離線淬火。大多數(shù)鋁合金材料可通過在線淬火技術滿足工藝要求。所謂在線淬火技術，即鋁合金擠壓出前梁后直接進入淬火裝置進行冷卻，通過此種方式直接進行淬火，不僅保證材料性能滿足工藝需求，而且極大縮短了離線淬火的流程，提高了擠壓生產效率。在線淬火技術的研究設計，已是許多工程技術人員研究的重要方向。

1 鋁合金擠壓機在線淬火的現(xiàn)狀

擠壓鋁合金大多數(shù)是可熱處理強化鋁合金，這些合金經過固溶熱處理并經過時效后，可提高其強度，獲得所需要的力學強度和組織性能。固溶熱處理分為三個步驟，一是鋁合金擠壓產品在擠出模具前溫度必須要達到該合金的固溶熱處理的溫度范圍，且擠壓過程中溫差不大；二是鋁合金從模具擠壓出來到進入淬火裝置時間不超過該鋁合金淬火轉移時間；三是鋁合金從淬火裝置經過的時間足夠，并使鋁合金冷卻到規(guī)定的溫度。

在先淬火技術目前大體分為風冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、風霧冷系統(tǒng)、穿水冷卻系統(tǒng)等類型。風冷淬火對一般適合壁厚薄且較均勻，結構簡單的鋁合金材料適用；當鋁合金材料較厚，且為非對稱的復雜斷面，可以考慮采用水冷卻裝置；當擠鋁合金材料稍厚或者風冷效果在臨界點上時，可以考慮風霧冷系統(tǒng)，此時在風冷的基礎上，加入采用獨立的霧化水泵噴入適量的水，加速鋁合金材料冷卻；當鋁合金材料為厚板或者棒材時，水冷系統(tǒng)無法滿足正常的冷卻，此時可使用穿水系統(tǒng)，讓鋁合金材料從冷卻水中穿行，以最大限度的進行冷卻。所以根據(jù)不同的擠壓鋁合金材料，根據(jù)壁厚、冷卻要求等確定合適的淬火工藝，選用合理的淬火方式，以滿足鋁合金對淬火過程中的工藝要求。

為使擠壓鋁合金材料經過在線淬火裝置后達到理想的效果，需要選擇合適的淬火方式，以保證所需要的冷卻速度，只有保證足夠的冷卻速度，才能保證鋁合金材料后期的力學性能符合要求。此時在冷卻方式設計上，要在淬火裝置內設計合適的冷卻通道，包括冷卻動力、冷卻長度，冷卻密度等等。并根據(jù)鋁合金材料斷面的形狀，確定各個位置冷卻方式是否一致，以保證整體材料冷卻速度均勻。在75MN大機型擠壓系統(tǒng)中，考慮采用兩條冷卻通過，1號淬火通道為風、水或者混合使用，2號通道為風冷加強專用。

2 鋁合金擠壓機在線淬火裝置結構分類

75MN擠壓機作為一臺大噸位擠壓機，淬火裝置應設計具有一個能產生強勁的熱傳遞、直接冷卻的均衡激速冷卻系統(tǒng)。根據(jù)需要進行風冷或水冷，水冷系統(tǒng)中融入風霧冷系統(tǒng)、強勁水冷卻系統(tǒng)，根據(jù)工藝需要進行設定。該系統(tǒng)由兩個5.5米長的裝置組成，而每個裝置由一個上冷卻罩和一個下冷卻罩組成。每個裝置的上冷卻罩通過兩個油缸來提升，每個裝置在縱向分為兩部分，每部分配有風機。兩部分在結構上相連，因此只需一個提升系統(tǒng)。每個裝置的下冷卻罩是固定的，并與風機連接；下冷卻罩還支撐輥子。凱夫拉含硬樹脂輥子表面覆蓋一層耐600攝氏度的高溫材料，壁厚約12毫米，采用4毫米PBO加上8毫米凱夫拉爾設計，套在帶專用軸承鋼架上能夠在周圍潮濕環(huán)境下正常運行，做好防腐蝕處理。輥子間距500毫米每個輥子安裝在可轉動的架子上，利用氣缸進行上下移動。當在線牽引機經過，輥子根據(jù)在線牽引機的位置依次壓下。旋轉運動萬一控制失效，輥子能夠由移動的牽引機或鋸推開而沒有任何損害，該支撐可通過調節(jié)高度來實現(xiàn)精準的對齊并便于輥子快速拆卸。

2.1 一號冷卻罩風冷系統(tǒng)

風冷系統(tǒng)可以提供接近高達300W/m2K的熱傳導系數(shù)。每個裝置的上冷卻罩分為兩個2.75米長的裝置。每個裝置的特性如下：一臺風機的輸風量90000立方米/小時；運行風機的電機功率110千瓦。風冷系統(tǒng)共分為4個區(qū)：右上部區(qū)域、左上部區(qū)域、右側區(qū)域和左側區(qū)域，各區(qū)域設計輸風速度達50米/秒的風嘴，每一區(qū)域有電控氣動控制器控制風量傳輸且風機由變頻器驅動。通過這種方式操作員可以設置所需的風速。首先執(zhí)行氣門片定位，然后如果需要，通過作用于變頻器來修改風機的轉速。下冷卻罩是單獨的5.5米長的裝置有以下特性：一臺風機的輸風量：90000立方米/小時；運行風機的電機功率：110千瓦；分為2個區(qū)：右部區(qū)域和左部區(qū)域，兩區(qū)域各有一系列輸風速度達50米/秒的風嘴。

該風冷系統(tǒng)主要特性有：在實際的工作距離中，風嘴設計成不會對冷卻功率造成不當?shù)睦速M。兩側的風嘴外，所有的風嘴是交錯排列，風嘴氣流不會互相干擾。兩側的風嘴是面對面排列，正常來說對于高尺寸的鋁合金材料只使用單邊風嘴。兩側的風嘴設計正常工作距離為250到350毫米；風冷系統(tǒng)的設計能夠冷卻最大尺寸為900毫米寬、300高毫米或直徑520毫米的鋁合金材料。本設計還考慮到實際鋁合金材料經常是不直的；在冷卻通道里的風嘴通過安置在起始端、中心處和出口端的保護設施來保護，這些保護突出風嘴10毫米，限制鋁合金材料并避免變形了的鋁合金材料與風嘴接觸；所有自動設置是冷卻數(shù)據(jù)的一個部分，記憶相關鋁合金材料號和模具號。均衡激速冷卻系統(tǒng)是根據(jù)輸入鋁合金材料數(shù)據(jù)來自動調節(jié)，風機轉速、氣門片的定位、冷卻風嘴書數(shù)量、上冷卻罩的位置、導出臺靠擠壓機端的高度等等，在實際工程設計有必要進一步確定所需參數(shù)，在擠壓機換鋁棒時可選擇持續(xù)或降低的冷卻模式；輥子結構通過液壓缸可以調節(jié)靠擠壓機端高度。一個線性傳感器實現(xiàn)靠擠壓機端輥子高度的可視化；液壓缸行程允許第一根輥子的位置比擠壓機中心線低約50到260毫米。

2.2 一號冷卻罩水冷系統(tǒng)

安裝在冷卻罩1的水冷系統(tǒng)能提供非常強勁的熱傳導系數(shù)，水冷超過500W/m2K-3000W/m2K，對致密鋁合金材料具有很強的冷卻效果，比水波冷卻強勁。通過兩個單獨系統(tǒng)互相作用來實現(xiàn)，柔和的冷卻裝置和強勁的冷卻裝置。對大部分鋁合金材料冷卻，使用柔和的冷卻裝置已經足夠了。該系統(tǒng)基于5.5米長的獨立裝置，安裝在與風冷設備相同的支架上。柔和的冷卻裝置包括以下水噴嘴：上部有2排噴嘴，總輸水量為80立方米/小時。側面左右方向各有2排噴嘴，總左右各40立方米/小時，總輸水量為80立方米/小時；下部有2排噴嘴，總輸水量為80立方米/小時；噴霧模式實現(xiàn)強勁的上下、左右對稱冷卻，極寬、極平和極高地覆蓋整個鋁合金材料范圍，同時適合冷卻中等尺寸；上部錐狀噴霧只有輕微交疊，不會左右產生擴散區(qū)。邊上的錐狀噴霧上部會存在輕微的不是冷卻鋁合金材料的區(qū)域，輸送水是完全均衡的，總輸水量為240立方米/小時。強勁的冷卻裝置包括以下水噴嘴：4排噴嘴置于系統(tǒng)角落，每排輸水量90立方米/小時，噴霧模式將極高地、均衡地覆蓋均衡冷卻系統(tǒng)中央部分去冷卻壁厚很大、致密鋁合金材料/棒材，噴霧模式通過適度增加錐狀噴霧的交疊來實現(xiàn)，但足可調節(jié)上下、左右的冷卻功效，輸送水也是完全均衡的，總輸水量為360立方米/小時。

該水冷系統(tǒng)主要特性有：水冷系統(tǒng)的柔和冷卻裝置設計能夠冷卻最大尺寸為900毫米寬、300高毫米或直徑520毫米的鋁合金材料。本設計還考慮到實際鋁合金材料經常是不直的；強勁的冷卻裝置覆蓋相對較小截面是由于只用于重型的、致密的實心鋁合金材料；噴霧設置是冷卻數(shù)據(jù)的一個部分，記憶相關鋁合金材料號和模具號，均衡激速冷卻系統(tǒng)是根據(jù)輸入鋁合金材料數(shù)據(jù)來自動調節(jié)；為避免噴嘴有鈣形成，上部和下部配有在噴嘴用完之后利用壓縮空氣對管道進行吹風的系統(tǒng)；所有噴嘴維護時便于更換，注意防止扭曲，在擠壓機換鋁棒時可選擇持續(xù)、降低或無冷卻的冷卻模式。

一號淬火上罩-冷卻水回路基本尺寸知道后，具體管道配置須在實際工程階段確定。整個冷卻水回路放在靠近均衡激速冷卻系統(tǒng)的地板下，水池同樣位于地面以下，分為兩個獨立的水池，是為了讓水能同時流入冷水池和熱水池，總容量約40立方米。由于重力的原因，水從均衡激速冷卻系統(tǒng)流回水池。水流進水池中最初通過固定在地上的下冷卻罩里的鋼絲網進行過濾；此過濾對阻止初始相對尺寸較大的微粒是很有用的。此外，還需要一個能過濾等級為150微米的自清潔過濾器和水軟化器。泵從第一個水池抽出熱水，為了降低水溫，需安裝一個持久運行的熱交換器，然后輸送冷水到第二個水池。每臺水泵的功率為90千瓦,流量為180立方米/小時,揚程為110米，兩臺水泵把水從第二個水池傳輸?shù)絿娮欤颗_泵自帶有旁通閥，以避免在開始/停止循環(huán)時產生水錘現(xiàn)象。每排噴嘴的水傳輸通過調壓閥來控制，這些閥帶有來自壓力傳感器的反饋信號，此外，其每一行噴嘴都自帶有閥開關。一臺潛水泵用來收集通過下冷卻罩的風嘴進入氣回路的冷卻水，功率為4千瓦、流量為60立方米/小時、揚程為10米。

2.3 冷卻罩2-風冷系統(tǒng)

為提升風冷淬火效率，增加2號風冷系統(tǒng)，此風冷系統(tǒng)能夠提供很強勁的、接近高達300W/m2K熱傳導系數(shù)來直接冷卻鋁合金材料。該系統(tǒng)是基于一個5.5米長的獨立裝置，由上冷卻罩和下冷卻罩組成。每個裝置的上冷卻罩分為兩個2.75米長的裝置。每個裝置的特性如下：一臺風機的輸風量：90000立方米/小時、運行風機的電機功率110千瓦，冷卻系統(tǒng)分為4個區(qū)：右上部區(qū)域左上部區(qū)域右側區(qū)域左側區(qū)域，每個區(qū)域輸風速度達50米/秒的風嘴。每一區(qū)域將有電動活葉控制風量傳輸且風機由變頻器驅動，通過這種方式操作人員可以設置所需的風速。首先執(zhí)行氣門片定位，然后如果需要，通過作用于變頻器來修改風機的轉速。下冷卻罩是單獨的5.5米長的裝置有以下特性：一臺風機的輸風量：90000立方米/小時、運行風機的電機功率110千瓦，冷卻系統(tǒng)分為2個區(qū)：右部區(qū)域和左部區(qū)域，每個區(qū)域輸風速度達50米/秒的風嘴。該風冷系統(tǒng)主要特性：均衡激速冷卻系統(tǒng)的風速設置5.5米長并可獨立于一號均衡激速冷卻系統(tǒng)來設定冷卻的風速；通過這種方式，當一號均衡激速冷卻系統(tǒng)能足夠冷卻鋁合金材料，我們的系統(tǒng)就可以節(jié)能了。

3 各淬火系統(tǒng)優(yōu)缺點對比

風冷系統(tǒng)在鋁合金生產中應用最為廣泛，系統(tǒng)設計相對簡單，便于調節(jié)。但由于風冷系統(tǒng)需要大量風源，大多設計冷卻裝置放在室內，此時冷卻風通過由風機輸送至淬火裝置后，經過與鋁合金熱量交換后再次進入現(xiàn)場空氣中，造成環(huán)境溫度升高，風機吸風口溫度上升。特別在夏季溫度高的情況下，不利于連續(xù)生產，為使冷卻強度持續(xù)，可以考慮淬火裝置吸風口移至室外或者在吸風口增加空氣冷卻裝置，以保證持續(xù)的溫度較低的冷卻風進入到淬火通道內，或者采用風霧冷卻方式，通過水霧的作用，降低空氣溫度，同時在空氣中的水霧增加部分冷卻介質，二者共同作用達到冷卻達到的目的，車間淬火裝置區(qū)域可以通過強化通風，以使該區(qū)域環(huán)境溫度持續(xù)改善。水冷系統(tǒng)在冷卻中冷卻強度大，通過高壓水泵通過各冷卻通道進行噴射，由于此種方式冷卻速度快，根據(jù)鋁合金材料在斷面上厚度不同，水冷各個通道一般需采用可調節(jié)控制，根據(jù)材料的厚薄不同，調節(jié)水量的大小，以達到精準控制的需要，此時可減少鋁合金材料的變形，減少后續(xù)工作的難度。水冷生產對水質要求比較高，水質不好會在冷卻時堵塞噴頭造成部分區(qū)域冷卻不良，同時質量表面形成水堿等雜質影響材料表面。無論哪種方式都將影響材料要求。駐波在生產中，淬火裝置兩側升起擋板，前后通過水墻將水存儲在水槽中，并達到一定的高度，此時鋁合金材料整體穿過水槽進行冷卻。對于冷卻要求高、強度大、米重大的材料適合使用此種方式。此種方式能對各種形狀材料進行充分冷卻，但需要考慮的時隨著機型的增大，水墻的寬度逐步變大，駐水高度同樣也逐步變高，同時因為鋁合金材料形狀不均勻，通過駐波快速冷卻時，材料厚薄不同會導致在各個方向能卻速度不一致，此時會使鋁合金材料變形量加大，此問題在生產中需要關注。

4 結論

鋁合金的淬火技術看似結構簡單，實際上也是一個相當復雜的過程，它不僅決定于合金的組成、擠出溫度、擠壓速度、淬火方式選擇、冷卻速度等等，特別是在淬火方式選擇上，風冷、水冷、霧冷、強水冷等聯(lián)合一起，能提供較大的冷卻速度范圍，使用時可根據(jù)不同的合金、不同的鋁合金材料截面來選擇合適的冷卻方式。由于淬火開始階段變形較大，如果剛開始如果直接采用快速的冷卻速度，而鋁合金材料截面的四周沒有導向調節(jié)裝置，就會造成鋁合金材料變形量大。故淬火前段可選擇相對緩慢的冷卻速度，先將鋁合金材料緩慢冷卻到一定的溫度后，后段再采用較快的冷卻速度進行快速冷卻。這樣既能夠保證足夠的冷卻強度，同時也能最大可能減少鋁合金材料的變形。所有的這些調節(jié)需要設計為均可通過人機界面進行控制，調節(jié)方便，操作性強并且上位機控制系統(tǒng)要有自動記憶功能，每次生產的工藝參數(shù)在使用后可以自動記錄下來，在下次使用時可自動調用。但是因為鋁鋁合金材料擠壓完畢時需要剪切壓余并重新上錠，此時會產生非擠壓時間，這段時間內非擠壓時停頓在淬火區(qū)段的鋁合金材料與擠壓時通過淬火區(qū)的鋁合金材料受到的有效冷卻時間不一致，這樣會引起該兩段的淬火強度不一致、性能和變形量也不一致。下下步的改善中，針對此問題可繼續(xù)深入研究。