電加熱堵板在銅擠壓上的創(chuàng)新應(yīng)用

1、電加熱堵板在銅擠壓機(jī)上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用楊勝泉 （中鋁洛陽銅業(yè)有限公司，河南洛陽 471039）摘要：銅及銅合金生產(chǎn)的工藝技術(shù)，決定著銅資源利用的有效性。電加熱堵板應(yīng)用是銅管材擠壓機(jī)的裝備技術(shù)創(chuàng)新，該創(chuàng)新增加了白銅鑄錠在擠壓加工工藝過程中的金屬流動(dòng)性，提升了擠壓白銅大規(guī)格管材的成品率，在提高銅資源利用率、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、減少污染等方面具有積極的作用。關(guān)鍵詞：白銅 擠壓 堵板 電加熱 效率.Electrical heating cover plate in innovation on design and application of copper extrusion machineYa

2、ngshengquan(Chinalco Luoyang copper co, Ltd, Henan Luoyang 471039)Summary: Production technology of copper and copper alloy, copper depends on the effectiveness of resource utilization. Electrical heating cover plate of copper pipe extrusion equipment and technology innovation, the innovation increa

3、ses the copper-nickel alloy ingots of metal mobility in the extrusion process, improves the yield of extruded copper-nickel alloy size tube, to improve resource utilization, improve productivity, saving energy, reducing pollution, plays an active role.Key words: copper-nickel alloy extrusion cover p

4、late heating efficiency1 概述銅及銅合金管棒材擠壓生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過100多年的發(fā)展，隨著技術(shù)進(jìn)步和工藝創(chuàng)新，裝備和工藝已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。當(dāng)今社會(huì)人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)不斷提升，在對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高的同時(shí)，更注重制造過程中金屬資源利用效率的最大化。近幾年工業(yè)迅猛發(fā)展，我國在航天、航海等領(lǐng)域加大了開發(fā)和投資力度，國防軍工、海洋石油等特殊行業(yè)對(duì)銅及銅合金管材需求旺盛，特別是耐腐蝕銅鎳合金大規(guī)格無縫管材的需求不斷增加，國外進(jìn)口已經(jīng)不能滿足我國現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展，提升國產(chǎn)技術(shù)水平勢(shì)在必行，國產(chǎn)替代進(jìn)口，是擺在廣大技術(shù)人員面前的一道嚴(yán)峻課題。2、白銅大規(guī)格管材生產(chǎn)特點(diǎn)白銅是耐腐蝕銅鎳

5、合金代表產(chǎn)品，是以鎳為主要添加元素的銅基合金，具有良好的機(jī)械性能和耐蝕性。按鎳的含量可分為B10、B30、BFe10-1-1等不同的牌號(hào)，該類合金具有變形抗力大，粘性大，金屬擠壓加熱溫度高（8251250之間）的特點(diǎn)。擠壓法生產(chǎn)銅管材是一種常見的熱加工工藝，需將銅材鑄錠坯料加熱到一定的溫度區(qū)間方可實(shí)施。生產(chǎn)過程中因無法避免的因素，加熱的鑄錠會(huì)接觸到低溫的裝置，如運(yùn)錠機(jī)、擠壓筒、穿孔針、擠壓模等，以及自然環(huán)境影響，鑄錠表面會(huì)產(chǎn)生溫降，對(duì)變形加工產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，增加加工難度。某銅加工企業(yè)的40MN臥式雙動(dòng)銅及銅合金擠壓機(jī)，是國內(nèi)生產(chǎn)銅管棒材綜合實(shí)力最強(qiáng)的設(shè)備，近幾年開發(fā)出一系列大規(guī)格白銅管材產(chǎn)

6、品，目前已成為國內(nèi)生產(chǎn)白銅大規(guī)格管材產(chǎn)品的主要設(shè)備。其擠壓生產(chǎn)的主要工藝為：在環(huán)形燃?xì)饧訜釥t中將白銅鑄錠加熱到變形溫度，通過運(yùn)輸系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、穿孔系統(tǒng)等的作用，歷經(jīng)充填、穿孔、擠壓、脫模等工序動(dòng)作，完成需求規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)。該種生產(chǎn)方式是傳統(tǒng)的正向擠壓生產(chǎn)方式，在白銅大規(guī)格管材生產(chǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的幾何廢料，產(chǎn)品規(guī)格范圍受到了很大的制約。以250x10mm規(guī)格白銅管材生產(chǎn)為例，該種產(chǎn)品擠壓方式生產(chǎn)時(shí)采用的鑄錠規(guī)格為410x400mm,擠壓過程中穿孔料頭的重量約為133Kg，占鑄錠重量的33.25%，加上壓余、銅皮等工藝金屬的損失，造成理論成品率為50.5%，實(shí)際成品率僅為46.7%的生產(chǎn)狀況，成

7、品率偏低已成為制約大規(guī)格白銅管材推廣應(yīng)用的主要因素。3、電加熱堵板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)面對(duì)提高白銅大規(guī)格管材擠壓成品率的迫切需求，公司積極開展技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)活動(dòng)。首先采用類比的方式，運(yùn)用在生產(chǎn)實(shí)際中已經(jīng)成熟的紫銅、黃銅堵板擠壓技術(shù)，在白銅大規(guī)格管材擠壓過程中進(jìn)行數(shù)輪試驗(yàn)，經(jīng)常發(fā)生不完全擠壓或擠不動(dòng)的情況，甚至在堵板位穿孔時(shí)就發(fā)生悶車現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，效果十分不理想。通過進(jìn)一步分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品擠壓成型的主要原因是：采用堵板方式擠壓白銅產(chǎn)品時(shí)，鑄錠靠近堵板的一端降溫較快，該區(qū)域金屬流動(dòng)性變差，變形阻力陡然增加，無法繼續(xù)進(jìn)行穿孔或擠壓。因此設(shè)想：設(shè)想如果改善此段的溫度條件，控制鑄錠端部溫度的變

8、化，使穿孔工序過程中堵板與鑄錠端部接觸區(qū)沒有明顯溫降，穿孔針可以達(dá)到杯底的設(shè)定位置，讓鑄錠芯部金屬充分回流，實(shí)現(xiàn)堵板擠壓，鑄錠芯部的金屬就可大部分轉(zhuǎn)化為制品，從而減少幾何廢料，提高擠壓成品率。按照以上的試驗(yàn)和分析，決定對(duì)常用410mm擠壓系統(tǒng)的堵板裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增加堵板工作面的加熱功能。改進(jìn)后的堵板裝置主要由機(jī)械承壓部分、加熱元件、供電系統(tǒng)、溫度控制單元以及隔熱材料組成，簡稱為電加熱堵板裝置。3.1 電加熱堵板裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)形式在擠壓機(jī)，工作時(shí)電加熱堵板裝置是一個(gè)受力和發(fā)熱的結(jié)構(gòu)單元，因此必須滿足受力和耐熱的條件，即在高溫工況下，承受工作壓應(yīng)力，不變形，不破裂。設(shè)計(jì)中，堵板材料選擇熱作模具鋼

9、4Cr5MoSiV1，俗稱H13材料。其機(jī)械性能指標(biāo)如下：高溫抗拉性能 kgf/cm2 400 500 600 B 123 115 100 0.2 110 108 90高溫硬度HRC 39.5 35 22.5按照理論力學(xué)、材料力學(xué)分析方法，對(duì)410mm擠壓系統(tǒng)堵板模型進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力等的力學(xué)分析和強(qiáng)度校核，結(jié)合堵板工作面定向發(fā)熱的要求，確定堵板安裝電加熱器的最大容室結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了堵板的外形結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸，如圖1所示。圖1 410mm擠壓系統(tǒng)堵板1堵板 2加熱盤 3保溫隔熱材料 4壓蓋 5固定螺栓3.2 電加熱堵板裝置加熱結(jié)構(gòu)形式根據(jù)410mm擠壓系統(tǒng)堵板的力學(xué)結(jié)構(gòu)形式，確定電加熱器采

10、用盤式發(fā)熱結(jié)構(gòu)。在電加熱堵板內(nèi)腔放置電加熱盤，通過供電系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)對(duì)加熱盤進(jìn)行加熱控制，加熱盤定向發(fā)熱加熱堵板，實(shí)現(xiàn)堵板工作面溫度按照工藝方案加熱和控制。加熱電氣控制設(shè)計(jì)，首先依據(jù)白銅鑄錠擠壓工藝要求，結(jié)合堵板材質(zhì)在400時(shí)最佳機(jī)械性能，確定堵板工作面溫度維持在40025時(shí)，可滿足大口徑白銅管材的堵板擠壓要求。其次根據(jù)堵板的機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱作模具鋼4Cr5MoSiV1材質(zhì)溫升的要求，確定加熱溫度速度梯度小于200/h?？紤]到加熱盤功率制作及使用壽命等因素，堵板加熱裝置采用組合加熱盤并聯(lián)使用的加熱方式，經(jīng)過核算，確認(rèn)每個(gè)加熱盤的功率為3.5KW，總功率達(dá)到7KW，加熱盤加熱溫度上限500。堵板電加

11、熱盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 堵板電加熱盤兩塊堵板加熱盤并聯(lián)后放在堵板內(nèi)，加熱盤中心有M16螺絲孔，可安裝螺絲吊環(huán)以方便加熱盤安裝、取出。3.3 電加熱堵板裝置加熱控制系統(tǒng)堵板溫度的控制，采用富士專用儀表設(shè)定加熱溫度和升溫曲線，采用K型螺釘熱電偶，固定在加熱盤上，對(duì)加熱盤實(shí)施溫度在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋，可使堵板溫度控制在工藝所需的溫度值范圍內(nèi)。根據(jù)功能需要，選型配套電氣元件，制作了堵板加熱專用配電控制箱，富士溫控儀表安裝在箱門上，電控箱安裝在油壓機(jī)輔機(jī)操作臺(tái)側(cè)部，便于操作和觀察。4、電加熱堵板裝置的創(chuàng)新應(yīng)用與效果運(yùn)用電加熱堵板技術(shù)，在40MN臥式雙動(dòng)銅及銅合金擠壓機(jī)上，生產(chǎn)250x10mm的BF

12、e10-1-1白銅大規(guī)格管材過程如下：首先，將預(yù)定的升溫曲線和溫控參數(shù)輸入到溫控儀表，對(duì)電加熱堵板裝置通電開始預(yù)熱，溫控系統(tǒng)按照升溫曲線加熱至400，實(shí)施保溫控制，使堵板工作面溫度維持在40025。保溫30分鐘后，就可以實(shí)施擠壓生產(chǎn)。與此同時(shí)，在環(huán)形天然氣加熱爐將BFe10-1-1白銅鑄錠加熱到規(guī)定溫度后，立即運(yùn)輸?shù)綌D壓筒內(nèi)，擠壓筒在堵板工位條件下鎖緊，擠壓桿對(duì)鑄錠進(jìn)行充填擠壓，接著擠壓桿后退留出穿孔過程中金屬的回流空間，進(jìn)行鑄錠堵板方式預(yù)穿孔。鑄錠預(yù)穿孔結(jié)束后，擠壓桿、穿孔返回到適當(dāng)?shù)奈恢茫瑪D壓筒打開，移動(dòng)模架變換到擠壓工位，開始進(jìn)行常規(guī)管材擠壓的各個(gè)工序動(dòng)作，最后完成BFe10-1-1厚壁

13、管材擠壓生產(chǎn)的工藝過程。表1-表3為40MN擠壓機(jī)應(yīng)用電加熱堵板裝置后，在410mm系統(tǒng)上，擠壓生產(chǎn)規(guī)格為250x10mm的BFe10-1-1白銅管材制品的工況、成品率等情況統(tǒng)計(jì)簡要分析表。表1 采用電加熱堵板裝置擠壓工況匯總表序號(hào)鑄錠規(guī)格mm加熱溫度穿孔壓力（峰值）Mpa擠壓壓力（峰值）Mpa擠壓筒鎖緊壓力Mpa杯底厚度mm設(shè)定實(shí)際1410*2901065103029.026.522.51002410*2901065103028.527.022.51003410*2901065103028.527.022.51004410*3001065103028.526.022.51005410*300

14、1065103028.526.322.580表2 采用電加熱堵板裝置擠壓實(shí)際成品率鑄錠制品250x10實(shí)際成品率%目標(biāo)客戶需求成品率%目標(biāo)客戶需求重量Kg/長度.m規(guī)格mm重量Kg長度m切尾長度mm實(shí)際重量Kg400*290324.343.5630022669.3755.5064.75195/2.91210/3.13400*290324.343.5030022268.4555.5064.75400*290324.343.5530022468.7555.5064.75400*300335.523.7830023268.8553.6562.59400*300335.523.7330022867.6

15、653.6562.59擠壓方式鑄錠規(guī)格mm鑄錠重量Kg用戶所需重量范圍Kg目標(biāo)成品率%非堵板擠壓410*320376.0018019047.8750.53410*350411.2619521047.4251.06410*415487.6326027053.3255.37綜合：1274.8963567049.8152.55堵板擠壓410*300352.5118019051.0653.90410*300352.5119521055.3259.57410*330387.7626027067.0569.63綜合：1092.7863567058.1161.31表3 成品率理論計(jì)算對(duì)比可以看出，通過理論計(jì)算和實(shí)際驗(yàn)證，在采用堵板擠壓后，綜合成品率最少可提高8.3個(gè)百分點(diǎn)。5 結(jié)束語電加熱堵板裝置在擠壓生產(chǎn)實(shí)踐中的運(yùn)用，使擠壓工藝過程中高溫合金溫度的下降趨勢(shì)得到控制，提高了金屬在變形過程中的流動(dòng)性和均勻性，減少了擠壓管材偏心的概率，提高了制品的綜合成材率，達(dá)到大規(guī)格管材擠壓成品率提升5%的預(yù)期設(shè)定目標(biāo)?？傊娂訜岫掳逖b置在擠壓機(jī)上的應(yīng)用，有效的利用了金屬鑄錠的資源，減少金屬鑄錠的投入，對(duì)節(jié)能降耗和提高投入產(chǎn)出比，都具有積極的