銅材擠壓機水封頭實用改進

蔣黎明

(江西銅業集團銅板帶有限公司，江西南昌 330096)

銅材擠壓機水封頭實用改進

蔣黎明

(江西銅業集團銅板帶有限公司，江西南昌 330096)

本文介紹了銅材擠壓機水封頭的工作原理，分析了改進前水封頭的存在堵頭、容易導致產品氧化、產品成材率低等缺陷，通過改造水封頭的結構，提出了采用水簾式水封方式對水封頭進行改進，優化內孔最小尺寸，增加水簾出水位置距離前梁與模座接觸面等改進要點。實驗表明改造后的水封頭大大減少了生產故障時間，從而提高了生產效率，同時提高了產品質量和產品成材率

銅材;擠壓;水封頭;結構;成材率

1 引言

銅材擠壓機是傳統銅管、棒、型材生產的關鍵設備，水封頭是其生產過程中減輕產品氧化程度的核心裝置。水封，通常又叫液封，是利用液體靜壓強來密封氣體的一種裝置，它使設備內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，故在銅材擠壓生產實踐中得到廣泛應用。根據其作用，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;三是防止設備超壓，起泄壓作用的，通常叫做泄壓水封［1］。銅材擠壓機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，但隨著使用時間的延長，諸多問題對擠壓過程的影響越來越大。改進水封頭結構以減少隨著時間推延而產生的一系列問題已迫在眉睫。本文提出的水封頭的改進方法不僅能提高產品質量和產品成材率，同時也能提高生產效率。

2 水封頭的水封原理、結構和技術要求

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，易導致銅材表面氧化，嚴重影響制品的表面質量。過去一般采用酸洗法去除表面氧化層，但廢酸對廠房、環境污染嚴重，且處理非常困難。應用水封擠壓技術進行輔助生產可代替酸洗，這是提高銅擠壓制品質量的有效方法。

水封擠壓技術原理是在銅材擠壓過程中為防止制品與空氣直接接觸常用水作為介質，在制品通過模具進入能實現按需封水的水封頭，接著進入上面裸露的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大型、高強度結構鋁型材時，制品可以直接進入水槽，起到水冷淬火效果，是提高強度和表面質量的重要途經之一。

目前，銅材擠壓過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腔，通過一定角度和間隙的環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置一個蓋板實現水封，制品通過水封頭后，頂開蓋板進入盛滿水的水槽實現水封解除。它們都能實現制品通過模孔后才接觸水的按需水封要求，不同的是在水簾式方法中，制品通過水封頭時沒有軸向阻礙，而在蓋板式方法中則會產生軸向阻礙。

2.2 水封頭改進前結構及其缺陷

改進前的800t銅擠壓機水封頭為水簾式，長度1200mm，內孔最小尺寸90mm，水封頭位于前梁內部部分的最大外緣尺寸200mm。如圖1所示。

圖1 水封頭結構改進前示意圖

改進前的800t銅材擠壓機水簾式水封頭的主要缺點有:水封頭靠近擠壓機模座處的排水孔受高溫(不水封時起導引作用)和銅材摩擦作用極易變形，在生產過程中，特別是小規格型材(多孔擠壓)生產時堵頭(每次拆裝需花1h)產生更加頻繁;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以上的長度才能過渡到需要的尺寸，產品成材率的提高仍有空間;水簾與模座端面距離長，為實現銅材擠壓過程的水封，在每一個擠壓過程都需開關一次水泵，水泵故障率居高不下;水封頭內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，同時擠壓筒內套在水封頭泄漏水的激冷刺激下開裂幾率顯著提高。

2.3 水封頭的技術要求

水封頭的技術要求可從水封頭結構和客戶需求兩方面闡述。

在結構上，要求水封頭前梁內孔尺寸為210mm，前梁與模座接觸面到水槽與水封頭連接面的距離為1600mm，這兩個數據是限制數據。同時傳統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題。

在客戶需求方面，現有顧客需要產品最大外緣尺寸為105mm，要求水封頭內孔最小尺寸應大于120mm。

3 800t水封頭優化設計原理

水封頭優化的基礎是基于水封頭結構參數的選擇與淹沒射流主要運動參數沿射程s的變化規律之間的關系。水封頭優化設計原理基于對水封頭圓截面軸對稱淹沒射流主體段和起始段中主要運動參數沿射程s的變化規律［2］。

一圓截面對稱射流，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)式只有近似準確的價值，現將定積分值采用實驗數據:

在過渡截面上um=u0，所以過渡截面上無量綱半徑恒為常數［5］，即:

式(7)表達了射流主體段內軸心速度沿射程的變化規律。如與(3)式聯立求解，可以確定射流主體段中任意一點的速度u［6］。

通過對水封頭圓截面軸對稱淹沒射流主體段和起始段中主要運動參數沿射程s的變化規律的把握，就可以對傳統水封頭結構參數進行優化。

4 800t銅材擠壓機水封頭的改造

4.1 800t銅擠壓機水封頭的改造方案

考慮到兩種水封頭的原理和結構以及800t銅擠壓機水封頭的改造要求，本研究選擇了水簾式水封方式進行改進，實現內孔最小尺寸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 水封頭改進后結構示意圖

4.2800 t銅擠壓機水封頭的改造實施

按照改造方案，結合相關位置的銜接，本文設計了符合方案要求的水封頭結構，為檢驗和修改改造的效果，本研究先在廢棄的水封頭上進行初步改造方案的實驗。實驗結果證明了初始設計思路的總體方向是正確的，同時也發現了一些設計數據存在偏差。通過修正偏差數據繼續對初始設計的水封頭進行改進，最終形成了改造后的新水封頭設計并制作出新的水封頭。

5 實施效果

采用新水封頭后，取得了明顯的改善效果，具體效果如下:

(1)堵水封頭的問題得以解決，即便堵水封頭也非常輕微且無須拆裝，大大減少了生產故障時間;

(2)對生產產品適應性大大提高，所有產品在不拆水封頭的情況下都能進行擠壓;

(3)實現了管材頭部的穿透擠壓，成材率提高了3%～5%;

(4)水泵在每一個擠壓周期無需開停，故障率明顯降低;

(5)封水效果良好，降低了產品次表層起泡的概率，產品表面氧化大大減少。

［1］郭巖，李雙景.水封的原理及設計條件［J］.中國化工裝備，2000，(4).

［2］呂紅纓.水封高度的一種計算方法［J］.重慶電力高等專科學校學報，2005，(4).

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

［4］沈奕輝，傅玉祥.關于“水封井”的思考［J］.消防科學與技術，2006，(S1).

［5］于秀香，王青，劉天政.平面閘門支承及水封的設計探討［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氣罐的計算［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，國家注冊質量工程師，主要研究方向為有色金屬新材料的開發，E－mail:jianglm123@sohu.com