模具液氮冷卻技術在鋁型材擠壓生產中的應用

梁奕清

（廣東興發鋁業有限公司，廣東 佛山 528137）

鋁型材具有質輕、強度高、導電導熱性好以及可回收再利用等諸多優勢。近年來，基于社會的快速發展，建筑、交通運輸、航空航天、電子通訊等領域中對其需求量持續增加。根據鋁型材生產情況來看，擠壓成形技術已經成為進一步提高鋁型材擠壓生產質量、延長模具使用壽命的一大核心問題。本文從模具冷卻的角度展開分析，通過應用模具液氮冷卻技術有效解決模具溫升問題，改善鋁型材表面質量，全面提高鋁型材擠壓生產效率與經濟效益。

1 模具液氮冷卻技術的提出

我國是鋁加工、消費大國，據統計2020年鋁加工材綜合產量4210萬噸，比上年增長5.0%，其中剔除鋁箔毛料之后的鋁加工材產量為3738萬噸，比上年增長5.1%。從鋁加工材品種來看（表1），鋁擠壓材占比最高，其次為鋁板帶材、鋁線材、鋁箔材等。

隨著鋁合金型材需求量的不斷增加，對擠壓生產技術提出了更高的要求，如何保障產品質量、提高生產效率、延長模具使用壽命成為當前亟待解決的問題。分析鋁型材擠壓生產過程可知，金屬變形與摩擦將導致鋁合金擠壓溫度持續增加，且隨著擠壓速度的增大，模具溫度不斷升高。然而，此種溫升情況也給鋁合金型材的擠壓生產帶來諸多不利影響，如：出料口高溫型材在空氣中出現氧化情況，導致型材表面光潔度受到影響。

針對此種溫升問題，提出模具液氮冷卻技術，其主要是通過帶走多余熱量，為擠壓速度的增加提供溫升空間，有效提高擠壓生產效率與質量。

2 液氮冷卻模具的基本原理

2.1 擠壓溫升原理

根據鋁型材擠壓生產過程來看，當鑄棒經由模具擠壓成型材時，由于如下因素導致“額外加熱”情況的出現：①鑄棒塑性變形熱集中在模具附近；②擠壓時型材表面與模具表面存在金屬摩擦發熱。此兩種熱源均位于模具附近，導致擠出型材出口溫度超過鑄錠加熱溫度，且模具的溫度始終處于升高狀態；當擠壓速度過快時，型材極易出現表面缺陷，模具溫度過高，導致模具使用壽命縮短[1]。由此擠壓生產情況來看，控制額外加熱，對模具進行有效冷卻十分關鍵。

2.2 液氮冷卻模具原理

液氮冷卻模具，指的是在模具中設置液氮冷卻通道，減小模具擠壓過程中產生的過多熱量，防止鋁型材出現擠壓缺陷。目前，液氮冷卻模具技術主要分為三種：

（1）工作帶冷卻法：此方法將低溫液氮直接通到模具工作帶，然后通入模墊內環形槽，對出口型材進行保護，以免出現過度氧化的情況。此種液氮冷卻模具的運用效果顯著，可利用溫度自動調控系統控制液氮供給量，有效維持模板溫度，然而此系統復雜、成本偏高，在實際生產中應用較少。

（2）模外冷卻法：此方法在模套上設置環形通道，并通入液氮，由此實現對模具徑向表面的冷卻，保證模具溫度不超過既定溫度。此模具簡單，但是冷卻效率相對較低。

（3）模墊冷卻法：此方法主要是在模墊上的通道內通入低溫液氮，并由型孔均勻噴出，實現對模具工作帶出口部分的冷卻，確保型材被氮氣包裹，若干套模具可共用一套模墊。此種液氮冷卻方法較為簡單，且可有效防止型材表面氧化，目前已經成為實際生產中的常用方法。

3 液氮冷卻模具在鋁型材擠壓生產中的應用要點

在鋁型材擠壓生產中，液氮冷卻模具的應用必須注重冷卻方式、液氮開度控制調節方式的選擇以及液氮開度控制、擠壓速度控制等，由此實現鋁型材擠壓生產溫度的有效維持，并提高型材表面光潔度，減少質量缺陷。

3.1 冷卻方式選擇

基于上一章節分析可得，鋁型材擠壓實際生產中主要采用模墊冷卻方法，技術可行且溫度控制效果良好。在實際生產中，必須科學布設液氮冷卻通道，如下圖1所示的三種液氮通道設計圖。

圖1 三種液氮通道設計圖

在此三種液氮通道中，以第三種為最優，液氮由最外層通入內層，整體流動更為均勻，然后再由型孔噴向型材表面、模具端面，有效避免出現局部過冷的問題，防止因局部溫差過大導致變形扭曲。

3.2 控制調節方式選擇

液氮冷卻模具應用在鋁型材擠壓生產中時，液氮開度控制調節方式分為手動與自動兩種，前者是由人工進行操作，根據測溫儀（計）顯示的出口處型材溫度情況，人為確定擠壓工作中控制閥單元開度與擠壓時間對應的過程參數，此方法是開環控制，無法實現連續監控，對操作人員經驗與操作能力要求較高；后者則是閉環控制，由紅外測溫儀實時監控模具出口型材溫度，并及時反饋至控制裝置，由控制裝置自動分析溫度情況并輸出PID控制信號至控制閥單元，驅動閥單元動作增大/減小液氮開度，達到溫度控制的目的[2]。

在上述兩種方式中，鋁型材擠壓生產中往往以自動控制為主，實現擠壓生產過程的連續監控，同時輔以人工控制，有效應對各種特殊情況，確保出口處型材溫度始終可控。

3.3 液氮開度控制

鋁型材擠壓生產中，液氮開度控制情況直接影響液氮冷卻模具的應用效果，開度大小決定著出口處型材溫度[3]。從理論上來看，提高液氮開度可持續增強液氮冷卻效果，降低出口處型材溫度。但是從鋁型材實際擠壓生產情況來看，出于對冷卻效果與經濟性方面的考慮，只需將液氮開度維持在一個合理范圍內即可。

以6063鋁合金型材擠壓生產進行試驗，結果表明，通過液氮冷卻模具的使用可顯著降低出口處型材溫度，由545℃降至511℃。在試驗中，液氮開度40%時，與不通液氮時相比，出口處型材溫度明顯下降；液氮開度不斷增加，出口處型材溫度持續下降，冷卻效果有效提高；液氮開度70%后，出口處型材溫度下降不明顯，若是繼續增加開度，生產成本提高，但是冷卻效果卻未得到顯著提高。因此，液氮冷卻模具實際應用時，必須要做好相關試驗分析，確定鋁型材擠壓生產過程中液氮開度參數，在合理控制成本的前提下，獲得最佳的生產效果。

3.4 擠壓速度控制

在鋁型材擠壓生產中，擠壓速度不僅關系鋁型材表面質量，也影響著企業生產效率。通過液氮冷卻模具的應用為擠壓速度的提升提供了可能[4]，根據6063鋁合金型材擠壓生產試驗顯示，與不通液氮時的擠壓速度（0.2m/s）相比，擠壓速度提升至0.3m/s，兼顧了型材表面質量與生產效率。

在鋁型材實際擠壓生產過程中，不同材料、生產條件也會對擠壓速度產生影響，具體需考慮以下幾點：①塑性變形情況：塑性越好的鋁合金型材，擠壓速度可設置得更高，如：6系鋁合金型材；塑性較差的鋁合金型材，擠壓速度需適當放慢，如：2系、7系鋁合金型材。②斷面形狀：在其他條件一致的情況下，圓斷面型材可進行高速擠壓，復雜形狀斷面型材盡量采取低速擠壓方法，而對于薄壁管、非對稱形型材，還需進一步降低擠壓速度。③其他因素：正向擠壓型材出模速度應低于反向擠壓，通過潤滑劑以及其他減小摩擦措施的使用可有效提高擠壓速度。

4 結語

綜上所述，隨著我國各個行業對鋁型材需求量的不斷增加，對鋁型材擠壓生產效率、產品質量均提出了更高的要求。從鋁型材擠壓生產過程來看，溫升是影響鋁型材擠壓生產的重要因素，通過液氮冷卻模具的使用可實現有效冷卻與型材保護，還可利用模墊冷卻法的技術可行、經濟性良好的優勢廣泛推廣應用。模墊冷卻法的實際使用中，還需根據鋁型材擠壓生產過程合理選擇冷卻方式、液氮開度控制調節方式，科學控制液氮開度、擠壓速度，在合理控制型材生產成本的基礎上，有效提高生產效率與質量，獲得良好的綜合效益。