2010-9-10 應(yīng)中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)之邀，麥總針對鋁擠壓在線精密淬火技術(shù)及裝置做專題報(bào)告。

擠壓鋁型材在線精密淬火技術(shù)論文

作者： 麥鴻杰 （佛山市南海賽福鋁材設(shè)備有限公司①總經(jīng)理）

論文發(fā)布時(shí)間: 2010-09-10; 地點(diǎn): 上海市

關(guān)鍵詞：擠壓，鋁型材，精密，在線淬火

內(nèi)容摘要：
近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋁型材在工業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛。同時(shí)，對鋁型材的要求越來越高，主要表現(xiàn)在：1、型材的截面要求越來越寬，形狀越來越復(fù)雜；2、尺寸精度越來越嚴(yán)格；3、力學(xué)性能越來越高。要滿足市場對鋁型材產(chǎn)品的要求，就給型材的生產(chǎn)工藝和裝備提出更高的要求，特別是在線淬火環(huán)節(jié)。因?yàn)橐剐筒倪_(dá)到高的力學(xué)性能，型材淬火時(shí)的冷卻速度必須確保過飽和固溶體被固定下來不分解，防止強(qiáng)化相析出，以免降低淬火時(shí)效后的力學(xué)性能。因此，淬火時(shí)的冷卻速度應(yīng)越快越好。但是冷卻速度越快，淬火型材的殘余應(yīng)力和殘余變形也越大，型材的尺寸精度就無法保證。所以，要同時(shí)滿足以上三方面的要素，就給淬火（特別是在線淬火）提出更高的要求：1、必需能夠提供足夠大的冷卻速度范圍，以滿足不同合金的淬火對冷卻速度敏感性的要求、和不同型材壁厚對冷卻速度的要求；2、在保證足夠大的冷卻速度的同時(shí)有效減少型材冷卻時(shí)的變形，以保證型材的尺寸精度。

背景：鋁擠壓材在線淬火的現(xiàn)狀

經(jīng)過近十年的快速發(fā)展，鋁擠壓裝備已得到很大的提升，在線淬火的技術(shù)也得到很大的進(jìn)步，但仍然跟不上鋁型材產(chǎn)品發(fā)展的需要。

1、目前國內(nèi)在用的傳統(tǒng)在線淬火大部分都相對較落后
1）未能提供足夠大的冷卻速度范圍，不能根據(jù)不同合金和型材壁厚來選擇不同的冷卻速度；
2）調(diào)節(jié)性差。型材截面往往都是不對稱的，壁厚也不是均勻的，如果不能根據(jù)型材截面的情況進(jìn)行冷卻速度大小的調(diào)節(jié)，厚壁的地方就會(huì)冷卻的慢，薄壁的地方就會(huì)冷卻的快，這樣就會(huì)造成型材變形和性能不均；
3）操作性差。有些在線淬火裝置具備了以上兩點(diǎn)的功能，但操作性差，工人實(shí)際操作困難，精確度差，且耗時(shí)，所以根本無法滿足使用的需求。
由于以上的原因，造成型材變形量大，性能不穩(wěn)定，廢品率過高，成本上升，難以滿足生產(chǎn)的需求。所以提升國內(nèi)在線淬火的裝備水平，已是國內(nèi)鋁型材裝備行業(yè)的重要任務(wù)。

2、目前歐美日本等發(fā)達(dá)國家的在線淬火裝置相對比較先進(jìn)

1）風(fēng)冷、霧冷 、高壓噴水聯(lián)合一起，能提供較大的冷卻速度范圍，使用時(shí)可根據(jù)不同的合金、不同的型材截面來選擇合適的冷卻方式。如6063合金型材可選擇風(fēng)冷，厚壁6061合金型材可選擇高壓噴水，而薄壁的6061合金型材則可選擇霧冷；
2）調(diào)節(jié)性較好。一種是在型材截面的周向上分布若干路風(fēng)口和噴頭，每一路風(fēng)口和噴頭均可調(diào)節(jié)，這樣就可根據(jù)型材截面結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行冷卻強(qiáng)度的方向性調(diào)節(jié)。如壁厚較厚的一側(cè)需要較強(qiáng)的冷卻強(qiáng)度，壁厚較薄的一側(cè)則需要較弱的冷卻強(qiáng)度。這樣有利于型材整體冷卻均勻，在保證足夠冷卻速度的前提下，減少型材的變形；另外一種是多段冷卻，每一段可選擇不同的冷卻速度。由于淬火開始階段變形較敏感，如果一開始就采用較快的冷卻速度，而型材截面的周向上又不能進(jìn)行方向性的調(diào)節(jié)，就會(huì)造成型材變形量大。故淬火前段可選擇相對緩慢的冷卻速度，先將型材緩慢冷卻到一定的溫度后，后段再采用較快的冷卻速度進(jìn)行急冷。這樣既可保證足夠的冷卻強(qiáng)度，同時(shí)也能減少型材的變形。

3）操作性較好。所有的這些調(diào)節(jié)均可通過人機(jī)界面進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)比較方便，操作性強(qiáng)。控制系統(tǒng)有自動(dòng)記憶功能，將每次生產(chǎn)的工藝參數(shù)自動(dòng)記錄下來，下次使用時(shí)可自動(dòng)調(diào)用。

但是，因?yàn)殇X型材擠壓是間歇擠壓，非擠壓時(shí)停頓在淬火區(qū)段的型材與擠壓時(shí)通過淬火區(qū)的型材受到的有效冷卻時(shí)間不一致，這樣會(huì)引起該兩段的淬火強(qiáng)度不一致、性能和變形量也不一致。這個(gè)問題國際上比較先進(jìn)的淬火裝置也沒有很好解決。

論文正文：國內(nèi)新的在線精密淬火技術(shù)及裝置的介紹
1、 在線精密淬火因素考慮 
1-1 足夠的冷卻速度范圍
只有足夠的冷卻速度，才能確保過飽和固溶體被固定下來不分解，防止強(qiáng)化相析出，才能保證型材淬火時(shí)效后的力學(xué)性能達(dá)到最佳水平。要達(dá)到足夠的冷卻速度，就要配置合理的冷卻源、冷卻長度以及冷卻密度。冷卻源就是指風(fēng)機(jī)、水泵以及相應(yīng)的冷卻介質(zhì)。冷卻長度就是指風(fēng)口、噴管或水槽的長度。冷卻密度就是指風(fēng)口或噴頭的分布密度。而這三方面都要根據(jù)該生產(chǎn)線所生產(chǎn)型材的最大線密度、不同合金的淬火對冷卻速度敏感性強(qiáng)弱以及擠壓出材的速度綜合計(jì)算來確定。所生產(chǎn)的型材線密度越大、合金的淬火對冷卻速度敏感性越強(qiáng)、擠出速度越快，所要配置的風(fēng)機(jī)和水泵越大，淬火區(qū)的長度就要越長，用水作介質(zhì)的水溫就要越低。當(dāng)?shù)蜏氐乃紳M足不了冷卻速度的情況下，還可以在水中加入不同的溶劑來調(diào)節(jié)水的冷卻能力。比如聚乙醇，通過調(diào)節(jié)聚乙醇水溶液的濃度來控制冷卻速度。 
1-2 型材截面的冷卻速度保持基本一致
只有冷卻速度基本一致，才能確保型材淬火效果基本一致，從而保證型材性能的均勻性，有效減少型材的變形和彎扭。要保證型材截面周向的冷卻速度一致，就要保證截面周向冷卻強(qiáng)度能夠根據(jù)型材截面結(jié)構(gòu)情況、壁厚的厚薄進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如壁厚較厚的一側(cè)需要冷卻強(qiáng)度高，壁厚較薄的一側(cè)則需要冷卻強(qiáng)度低些，這樣就可使得型材截面同一時(shí)間內(nèi)冷卻到相同的溫度。
而要保證型材縱向的淬火強(qiáng)度一致，就要保證縱向上所受的冷卻時(shí)間一致，也就是縱向上每部分通過淬火區(qū)的有效冷卻時(shí)間一致。
1-3 適應(yīng)不同型材截面寬高比的變化
特別中大型擠壓機(jī)所生產(chǎn)的型材截面寬高比變化非常大，當(dāng)生產(chǎn)板材時(shí)，寬高比可能達(dá)到100:1以上，而生產(chǎn)管材或棒材時(shí)，寬高比可能是1:1。在這么大的寬高比變化情況下，如何保證型材上下左右各個(gè)表面與風(fēng)口和噴頭之間的距離合適，從而保證有效的冷卻速度和減少能耗。 
1-4 操作性比較強(qiáng)，能方便操作人員進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
1-5 在滿足以上四點(diǎn)的前提下，如何有效降低運(yùn)行的成本。

2、兩種新的在線淬火裝置
為解決以上的問題，我們設(shè)計(jì)了兩種不同形式的在線淬火裝置。一種是針對中大型（1650t以上）擠壓機(jī)配套的，另一種是針對中小型（1650t以下）擠壓機(jī)配套的。因?yàn)橹写笮蛿D壓機(jī)所生產(chǎn)的型材截面相對較大，比較容易實(shí)現(xiàn)型材上下左右四個(gè)方向冷卻差異化控制。而中小型擠壓機(jī)所生產(chǎn)的型材截面相對較小，實(shí)現(xiàn)型材上下左右四個(gè)方向冷卻差異化控制相對較難，所以要有針對性的設(shè)計(jì)不同的方案。
2-1 中大型擠壓機(jī)配套在線淬火裝置的功能特點(diǎn)
2-1-1 風(fēng)冷、風(fēng)霧混合、霧冷、高壓噴水四合一的功能 
我們采用風(fēng)冷、風(fēng)霧混合、霧冷、高壓噴水四合一的功能，每一種功能都可以根據(jù)需要進(jìn)行大小調(diào)節(jié)，形成從弱到強(qiáng)無級變化的冷卻強(qiáng)度，適應(yīng)不同合金不同壁厚對冷卻強(qiáng)度的不同需求。比如一般生產(chǎn)薄壁的6063合金型材時(shí)采用風(fēng)冷，生產(chǎn)厚壁6063合金型材或薄壁6061合金型材時(shí)采用風(fēng)霧混合，生產(chǎn)中薄壁6061合金時(shí)采用霧冷，生產(chǎn)厚壁6061合金型材時(shí)采用高壓噴水。
冷卻源的配置，要根據(jù)該機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的型材米重、擠出速度、合金淬火對冷卻速度敏感性強(qiáng)弱等因素來決定。型材米重越大、擠出速度越高、合金淬火對冷卻速度敏感性越強(qiáng)，風(fēng)機(jī)和水泵的功率就越大、淬火區(qū)的長度也就越長。 
為什么要采用風(fēng)霧混合？主要因?yàn)閿D壓車間的氣溫比較高，純風(fēng)冷時(shí)，哪怕風(fēng)壓、風(fēng)量很大，冷卻速度也不高，并且能耗很大。如果直接用霧冷或水冷，相對部分合金型材的冷卻速度又過高，型材容易變形。而用風(fēng)霧混合，既能獲得比風(fēng)冷強(qiáng)很多的冷卻效果，又能降低風(fēng)機(jī)的能耗，從而獲得合適的冷卻速度 。
2-1-2 周向多路冷卻布置并冷卻強(qiáng)度差異化調(diào)節(jié)

為了解決截面周向冷卻的均勻性，圍繞擠壓機(jī)中心線平行分布若干路風(fēng)口和噴頭（如圖1所示），具體多少路要根據(jù)具體生產(chǎn)線所生產(chǎn)的型材截面寬度來確定。每一路風(fēng)口和噴頭都可單獨(dú)調(diào)節(jié)風(fēng)量或水量，以滿足不同合金和壁厚所需要的冷卻速度，確保截面上各個(gè)位置淬火均勻。這對確保型材性能均勻和有效減少型材變形起到關(guān)鍵作用。

圖1

2-1-3 縱向分段調(diào)節(jié)及順序啟閉功能
縱向的每段冷卻強(qiáng)度可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。當(dāng)個(gè)別型材淬火時(shí)特別容易變形的，光用以上兩種功能還無法滿足時(shí)，還可以將縱向的前段冷卻強(qiáng)度調(diào)小，后段的冷卻強(qiáng)度調(diào)大。這樣既可保證型材得到充分的冷卻，又可以減少型材變形。

為了解決型材縱向淬火的一致性，各路風(fēng)口和噴頭在縱向上分若干段（如圖2所示），具體多少段要根據(jù)具體生產(chǎn)線需要來確定。每段都有獨(dú)立的控制閥來控制。換棒停止擠壓時(shí)，從冷床往擠壓機(jī)方向按順序分段關(guān)閉；換棒開始擠壓時(shí)，從擠壓機(jī)往冷床方向按順序分段開啟。這樣就可以使得型材縱向的 冷卻時(shí)間基本一致，從而確保型材縱向的性能比較均勻，減少縱向的彎扭。

圖2

2-1-4 頂部風(fēng)口（噴頭）與側(cè)風(fēng)口（噴頭）上下位移調(diào)節(jié)

為了解決型材寬高比變化過大，引起上下左右風(fēng)口或噴頭與型材表面之間距離變化過大，我們將上部的風(fēng)口和噴頭與左右的側(cè)風(fēng)口和側(cè)噴頭設(shè)計(jì)成分離的，并且相互間可以移動(dòng)（如圖3所示）。這樣就可以根據(jù)型材的寬高比來調(diào)節(jié)風(fēng)口或噴頭與型材表面之間的距離，確保上下左右各路風(fēng)口和噴頭與型材各表面保持合適的距離和位置，提高冷卻的精準(zhǔn)度和減少能耗的損失。

圖3  風(fēng)門和兩側(cè)風(fēng) 口上下錯(cuò)位調(diào)節(jié)

2-1-5 輔助牽引頭

在淬火作業(yè)中，牽引機(jī)一般不適宜進(jìn)入淬火區(qū)，特別是水冷作業(yè)。如果牽引機(jī)進(jìn)入淬火區(qū)，淬火裝置就難以正常工作，通過淬火區(qū)的這段型材就無法得到正常的淬火，將會(huì)造成該段型材的浪費(fèi)。在牽引機(jī)不進(jìn)入淬火區(qū)，而又能實(shí)現(xiàn)牽引和淬火同時(shí)進(jìn)行，就采用輔助牽引頭（圖4所示）。當(dāng)生產(chǎn)第一根鑄棒時(shí)，用輔助牽引頭牽引著型材，用牽引機(jī)牽引著輔助牽引頭，并且淬火裝置正常工作。

圖4  輔助牽引頭

2-1-6 人機(jī)界面控制及參數(shù)記憶功能
為了方便操作人員的控制，在線淬火裝置所有的動(dòng)作和工藝參數(shù)均可通過人機(jī)對話來進(jìn)行控制，友好的操作界面（圖5所示）非常適合國內(nèi)工人使用。為了提高調(diào)節(jié)的效率，減少因調(diào)節(jié)過程不當(dāng)所產(chǎn)生的廢品，控制系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了自動(dòng)記憶功能。每次生產(chǎn)的型材，當(dāng)認(rèn)為淬火的工藝參數(shù)比較合理時(shí)，可啟用記憶功能將該組參數(shù)記憶下來，下次再生產(chǎn)該型材時(shí)，只要錄入該型材的型號(hào)代碼，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用上次記憶下來的參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

圖5  人機(jī)界面控制 及參數(shù)記憶功能

2-1-7 遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控和維護(hù)
為方便調(diào)試、監(jiān)控和維護(hù)，控制系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程監(jiān)控接口。有需要時(shí)，可通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控和維護(hù)。 
以上方案在廣東豪美鋁業(yè)的2500t和3600t擠壓機(jī)所配置的在線淬火裝置（圖6所示）上得到充分的驗(yàn)證，完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求。型材經(jīng)過在線淬火和人工時(shí)效后，完全滿足力學(xué)性能的要求，而尺寸精度也得到充分的保證。

圖6  工程實(shí)例

2-2 中小型擠壓機(jī)配套在線淬火裝置的功能特點(diǎn)
針對中小型擠壓機(jī)配套配套的在線淬火裝置，除了中大型擠壓機(jī)配套的在線淬火裝置上a、b、c、f、g的功能配置基礎(chǔ)上，加強(qiáng)以下的功能（如 圖7所示）：

圖7  噴頭的可旋轉(zhuǎn) 及擺動(dòng)控制

2-2-1 噴頭設(shè)計(jì)成可以擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)
為解決小型材截面上噴水的準(zhǔn)確定位，將噴水和噴霧的噴頭設(shè)計(jì)成可以擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的，如圖示中的α和β。噴頭旋轉(zhuǎn)一定的角度，可以將噴射出的水和霧的寬窄進(jìn)行一定范圍的調(diào)節(jié)，甚至可調(diào)成平行于擠壓中心線的一條線，這樣就能將水集中到型材的某一局部上。噴頭擺動(dòng)一定的角度，也是有利于將水和霧對準(zhǔn)型材的某一位置。
2-2-2 噴頭還可以進(jìn)行徑向移動(dòng)
噴頭還可以進(jìn)行徑向移動(dòng)一定的距離，這也是為了更好的進(jìn)行冷卻定位，減少水的壓力損失。該方案在深圳福晟五金制品有限公司的1450t和1800t的擠壓機(jī)所配置的在線淬火裝置上得到充分的驗(yàn)證。型材經(jīng)過在線淬火和人工時(shí)效后，完全滿足力學(xué)性能的要求，而且尺寸精度也得到充分的保證。

總結(jié)：在線淬火的研發(fā)方向
1、往智能化控制方向發(fā)展
目前，在線淬火裝置主要還是靠人來控制，靠操作人員根據(jù)不同的合金成分、不同的型材截面和壁厚情況來選擇不同的冷卻方式和冷卻速度。這樣不但會(huì)對人的依賴性強(qiáng)，而且影響效率和準(zhǔn)確性。所以應(yīng)往智能化方向發(fā)展，只要將產(chǎn)品的合金牌號(hào)和截面圖輸入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)選擇相應(yīng)的冷卻方式和冷卻速度。
2、將目前需要離線淬火的部分合金能實(shí)現(xiàn)在線淬火
因離線淬火需要二次加熱，能耗比較高，如何將目前需要離線淬火的部分合金能實(shí)現(xiàn)在線淬火。那將大幅減少能耗，提高效率。

備注：
① 佛山市南海賽福鋁材設(shè)備有限公司已于2012年04月25日獲準(zhǔn)冠省名廣東賽福鋁材設(shè)備有限公司

參考文獻(xiàn): 王祝堂，田榮璋. 鋁合金及其加工手冊 .  中南大學(xué)出版社（第三版），2005.