25MN異型材鋼擠壓機組設計與開發

范玉仙

（太原通澤重工有限公司 技術中心，山西 太原 030032）

25MN異型材鋼擠壓機組設計與開發

范玉仙

（太原通澤重工有限公司 技術中心，山西 太原 030032）

介紹了新研發25MN異型材鋼擠壓機組生產能力、工藝布置及生產裝備，具體闡述了機組的工藝參數選擇、工藝難題及25MN異型材鋼擠壓機的結構特點和主要參數，為異型材鋼擠壓生產提供應用參考。

機械設計；擠壓機；設計；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鍵技術。由于擠壓時金屬處于三向壓應力狀態[1][2]，可以得到比軋制、鍛壓更大的塑性變形，可生產其他方法難以加工或根本無法加工的復雜斷面型材。由于擠壓制品尺寸精度高，金相組織致密，力學性能良好，擠壓制品廣泛應用于核電站、石油化工、建筑、航空、航天、交通、通信等領域。如圖1所示為異型材鋼擠壓制品的截面示例及其應用領域 。本文介紹為適應市場需求新開發的25MN異型材鋼擠壓機組的生產能力、工藝布置及生產裝備，為異型材鋼擠壓生產提供應用參考。

2 機組生產能力

25MN異型材鋼擠壓機組用于生產不銹鋼管及異型材，機組平均年產量為6.5萬噸/年，其中不銹鋼管3.9萬噸/年，異型材2.6萬噸/年。

生產能力：40～60 根/小時。

產品規格：

3 機組工藝特點

3.1 機組工藝流程如圖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。長坯或短坯、毛坯或光坯在坯料加工車間分別經切斷、剝皮、鉆深孔、倒棱加工以及清洗后，進入擠壓生產線[3]。

加熱好的擠壓坯料進入環形爐進行預熱，預熱溫度為材料的“無氧化溫度”，對于不銹鋼一般為650～750℃，坯料在這一溫度下充分熱透后進入立式工頻感應加熱爐，快速加熱到材料的擠壓溫度。

圖2 鋼擠壓生產工藝流程

加熱好的錠坯經高壓水除鱗（可選），內外表面涂玻璃潤滑劑，管材及空心異型材采用空心錠坯生產，錠坯須進入立式沖（擴）孔機進行沖（擴）孔工序；一般異型材采用實心錠坯，可直接進入擠壓機進行擠壓。

沖（擴）孔機采用實心錠沖孔或空心錠擴孔兩種工藝制作空心坯。作沖孔工藝時實心錠坯僅需在一端加工出定心孔，加熱后由沖（擴）孔機進行預壓、沖孔使之成為空心坯。作擴孔工藝時錠坯將通過深孔鉆打出通孔，最小孔徑約為擴孔后孔徑的1/3，并在一端加工出定心錐，加熱后在沖（擴）孔機內進行擴孔，使之成為內徑達到所需尺寸的空心坯[4]。

對于要求嚴格的難變形鋼種，采用擴孔工藝制坯，對于其他鋼種可采用沖孔工藝制坯，以減少機加工造成的金屬損耗。

經沖（擴）孔后的空心坯經高壓水除鱗后通過輸送輥道送至立式工頻感應加熱爐進行再加熱，使其溫度達到或保持擠壓溫度后出爐，經高壓水除鱗（可選）后進行內外表面涂玻璃潤滑劑，進入臥式擠壓機進行擠壓。

在3～5s之內擠壓出成品后，切除壓余，制品進入出料機構，根據工藝要求進行冷卻。

各種擠壓制品進入精整車間，根據工藝要求進行矯直、鋸切、噴丸、酸洗，進行不同的試驗，檢查合格后包裝入庫。

3.2 機組工藝參數的選擇

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

3.2.1 擠壓溫度的選擇

（1）一般來講，材料熱加工溫度的選擇，可以根據材料的“相平衡狀態點”來確定其最高加熱溫度，材料熱加工時的最高加熱應控制在其“液相線”以下80～150℃。為了控制材料在加熱過程中不產生“過熱”或“過燒”現象，其最高溫度控制在“液相線”以下150～200℃較為可靠。

（2）擠壓時，對于低塑性的材料可按真“塑性圖”來確定并限制坯料的加熱溫度。擠壓溫度應選擇在材料的最佳塑性溫度范圍內，并嚴格加以控制。

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

（4）坯料的加熱溫度應比擠壓溫度高30～50℃。表1為合金TP316（或者類似鋼種）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的經濟性和擠壓產品的質量。在25MN擠壓機上，根據材料、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。當擠壓速度使得材料擠出模孔時的溫度恰好低于出現“過燒”的溫度時，擠壓機的擠壓力最低，擠壓速度最快，金屬流動最均勻，擠壓制品的性能最穩定，擠壓機的產量和產品質量最高。

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度之比。擠壓比的選擇取決于一系列因素，如擠壓機的能力、擠壓材料的性能、潤滑劑的類型等。根據經驗認為，當采用玻璃潤滑劑進行擠壓時，擠壓比可以達到200，甚至更高。實際上，一般鋼擠壓時，采用玻璃潤滑劑擠壓的擠壓比通常在60以下，以20～35為佳。

3.3 機組工藝難題

3.3.1 無氧化加熱工藝

坯料的無氧化加熱工藝是確保擠壓產品的表面質量，擠壓過程中確保玻璃潤滑劑能夠真正發揮潤滑效果，甚至是保證擠壓過程能夠順利進行的關鍵。鋼擠壓坯料的無氧化加熱工藝的實現，主要是由于坯料感應加熱技術的應用。該機組的加熱采用“環形爐預熱+工頻感應爐加熱”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率，并且實現了擠壓坯料的無氧化加熱。控制好加熱溫度、速度及對碳鋼的保護氣氛是無氧化加熱的關鍵。

3.3.2 擠壓工具的使用壽命

擠壓工具在擠壓過程中直接與被加工金屬錠坯接觸而使其產生塑性變形。擠壓工具是在極其繁重的條件下工作的，它長期經受摩擦，要承受加熱錠坯的高溫及相當高的單位壓力（有時達到1100MPa，甚至更高）。如何結合我國國情，提高工具材料質量，嚴格熱處理工藝，延長工具使用壽命，是降低擠壓成本的最重要因素。擠壓工具壽命短，會導致生產設備停車、空運轉、整個生產線中斷，其造成的損失難以估計。根據其他擠壓廠的經驗，各種工模具的使用壽命大致如表2、表3所示。

3.3.3 玻璃潤滑劑

表2 立式沖（擴）孔機的工模具的使用壽命

表3 擠壓機工模具的使用壽命

鋼擠壓時的玻璃潤滑工藝，是鋼擠壓技術發展過程中的三大難題的關鍵。玻璃潤滑劑的發明，在鋼擠壓生產技術發展過程中，起到“里程碑”的作用。在擠壓過程中玻璃潤滑劑起潤滑、防護、絕熱和延長工模具壽命的作用[6]。不同的玻璃潤滑劑不僅會影響到擠壓工模具的使用壽命，而且對擠壓后的工序也有直接影響。擠壓過程中坯料內外表面和擠壓模均需潤滑。玻璃逐層融化并形成穩定的潤滑膜是擠壓工藝關鍵所在。為了得到合理的玻璃潤滑膜，必須選擇合適的玻璃潤滑劑使之與擠壓工藝參數相匹配。

我國在鋼擠壓玻璃潤滑劑的研究和開發方面已趨于成熟階段。北京天力創科技開發有限公司在黑色金屬、高溫合金和鈦合金熱成形用防護潤滑劑的研究開發工作方面，同有關單位合作，研制成功了一系列產品，取得了較好的應用效果。但隨著鋼擠壓技術的發展，新建擠壓機的增加，對玻璃潤滑劑的品種、性能、質量和數量無疑都會提出更高的要求。

3.3.4 模具設計

擠壓模具是保證擠壓件形狀尺寸和精度的重要工裝，模具質量是保證工件質量及工藝成本的最關鍵因素。實際設計中，由于技術參數多[7]，設計難度大，涉及知識較廣，要求設計人員知曉工藝、設備、模具設計、熱處理、加工工藝等多方面知識。從模具的選材、加工到使用的各個環節進行綜合控制，層層把關，才能使其壽命延至最長，達到節約成本、提供產品質量、為企業創造更多效益的目的。

4 機組主要設備

機組平面布置如圖3所示。

4.1 坯料準備車間

坯料準備車間主要設備有2臺剝皮機床、4臺帶鋸、2臺倒棱機、2臺深孔鉆床及自動清洗裝置。

4.1.1 旋風剝皮機

旋風剝皮機用于坯料的外表面加工，可以對長料進行剝皮加工，因此可大幅提升剝皮加工效率，生產能力大。新的旋風剝皮機配置刀具補償系統可以實現無心剝皮，始終保持加工精度；圓周上設有4組刀具，每一組有2把刀，第一組用來粗加工，之后是精加工。輸出設備帶空氣吹干裝置、激光自動檢測外徑裝置、配置計算機控制包，可實現全自動控制。

4.1.2 自動清洗裝置

自動清洗裝置用于清洗坯料的表面，清洗過程完全不需人工干預，實現了坯料的連續清洗。清洗設備配備自動對齊裝置，清洗、漂洗、吹干均在自動控制下進行；清洗液處理自成系統。

4.2 異型材擠壓車間

異型材擠壓車間主要設備有1臺環形爐、6座立式感應爐、3臺高壓水除鱗、1臺8MN沖（擴）孔機、1臺25MN異型材擠壓機、1個淬火水槽、1臺冷床及若干運輸輥道和機械化輔助設備

4.2.1 環形爐預熱設備

環形爐整體結構為圓筒形，爐體平均直徑7m，在可以回轉的爐底上裝四排鋼錠，從一個爐門用機械手裝入鋼錠，回轉一周后，在另一個爐門將被加熱到設定溫度的錠坯取出，再由專用的送料機送至下道工序。

4.2.2 感應爐加熱設備

感應加熱爐是應用感應原理設計的。在加熱過程中，感應加熱器與金屬錠坯之間沒有直接接觸，電能是通過電磁場傳遞的。感應加熱爐的主要特點為：

（1）采用保護性氣氛加熱，實現擠壓坯料的無氧化加熱。

（2）在感應線圈內加設磁力補償器，對坯料兩端進行補償加熱，解決坯料出感應加熱爐后在運輸過程中兩端散熱快而導致兩端溫度低的問題。

（3）為了提高加熱效率，精確控制加熱溫度，采用了單一感應線圈的加熱方式，低頻供電，頻率可以無級調節。

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

4.2.3 8MN沖（擴）孔機

8MN沖（擴）孔機是25MN擠壓機的配套變形設備，用于擠壓前坯料的沖孔或擴孔。壓機主機為立式、預應力組合機架型式。該機除配有自動上下料系統外，還設有移動工作臺。移動工作臺采用活塞式油缸驅動，工作臺上固定雙工位沖孔模筒，采用環形定位鍵定位，設有縱向和橫向調節定位裝置，運行平穩、導向定位精度高，移動工作臺使更換擴孔筒更加方便。

25MN異型材擠壓機是機組擠壓生產線的主要設備。壓機為臥式、雙動、四柱預應力機架結構，擠壓梁為L+X型導向，擠壓筒梁為L+X型導向，前梁設有二工位移動模架和分離鋸。穿孔系統為內置滑塊式，可以通過液壓系統進行控制，實現定針或隨針擠壓工藝。本機采用多缸組合式結構對壓機進行壓力分級，避免了依靠壓力閥控制系統壓力，從而節約了在超壓溢流時白白損失的能量，節能效果明顯；可適應更為寬廣的模具系統。

壓機主液壓系統采用高效的軸向柱塞定-變量油泵和高壓蓄勢器聯合傳動[8]，主液壓控制系統采用邏輯閥集成閥控制。主、輔油泵、先導控制元件。設有輔助液壓控制系統、油冷卻過濾循環系統。主油箱及主控制閥塊設在壓機后梁上方，主油泵站及高壓蓄勢器設在單獨的泵房內；油泵-蓄勢器傳動系統，可實現最大300m/s擠壓速度的調節和控制。擠壓機低速擠壓和主系統其他機構運行采用油泵直接傳動。

壓機主要參數：

4.3 異型材精整車間

異型材精整車間主要設備有1臺車底式退火爐、1臺750t拉扭矯直機、1臺250t拉扭矯直機、1臺噴丸機、2臺輥式矯直機、2臺帶鋸，這些設備用來滿足各種異型材及鋼管的精整工藝要求。

5 結語

采用鋼擠壓工藝生產黑色金屬異型材，可以直接擠出斷面復雜成品，其材料利用率高，且主變形設備少、投資少、生產成本低，在國外早已得到廣泛應用，我國只有四川長城鋼廠、上海異型鋼管廠等少數廠家具備生產異型材產品的能力，產量有限，目前黑色金屬異型材產品的品種、規格均急需拓展。異型材鋼擠壓成套設備的開發和應用在我國具有廣闊的市場前景。

[1] 魏 軍.金屬擠壓機[M]北京：化學工業出版社，2006.

[2] 謝建新，劉靜安.金屬擠壓理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[3]鄒子和.不銹鋼管的熱擠壓.鋼管學會五屆四次年會論文集，2008.

[4] 張海軍，姜素云.鋼管臥式擠壓生產技術和裝備的發展[J].鋼管，2011，2：39-44.

[5] 劉趁意，李付國，等.FGH96合金擠壓變形工藝數值模擬[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，6：83-85.

[5] 段素杰.不銹鋼管（型）熱擠壓工藝用玻璃潤滑劑.鋼管學會五屆四次年會論文集，2008.

[7] 盧有世，于明濤.異型鋁型材擠壓模具優化設計[J]鍛壓裝備與制造技術，2009，2：87-89.

[8] 張林祿，馬 伶，等.泵—蓄勢器傳動的液壓機效率探討[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，2：37-42.

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，從事鍛壓設備及工藝的研究