挤压筒

挤压机设备中的重要组成部分

挤压筒是挤压机设备中的一个重要组成部分，采用适宜参数的挤压筒，可改善挤压筒的受力条件，增加承受能力，提高使用寿命，在使用损坏变形后，只需更换内衬，既减少了材料损耗、降低了成本，还延长了挤压筒的使用寿命。

简介

挤压筒是挤压机的关键部件之一。挤压筒设计通常采用热作模具钢, 因此, 作为最昂贵的挤压工具之一, 挤压筒使用寿命对挤压生产成本的影响很大, 必须保证其在高温、高压、高摩擦条件下的长时间、可靠运行。

为满足大型挤压机高生产率、高可靠性的要求,挤压筒在机械结构、加热、电气控制等方面的设计越来越复杂, 尤其是大型挤压筒加热设计。通过对挤压筒使用现状进行调查, 发现挤压筒加热设计存在许多不合理之处。

挤压筒结构

挤压筒大致分为三类。目前, 多层衬套组合式结构仍被普遍采用, 且以3 层最为常见。3层挤压筒通过内衬、中衬和外套过盈装配而成, 此种预应力结构可以大大降低装配应力和工作应力,而且其径向应力分布也更趋均匀, 有助于延长挤压筒使用寿命。

挤压筒加热方式及存在问题

挤压筒加热作用有两个, 即预热和保温。目前,挤压筒广泛采用的加热方式有两种, 即电阻加热和感应加热, 这两种加热方式都以挤压筒应力分布均匀为原则。

挤压筒采用电阻加热时, 热量在挤压筒外表面散失较大, 很难到达挤压筒内衬, 热效率较低。为了克服电阻加热的缺点, 挤压筒可采用工频( 50 Hz)感应加热方式, 这种加热方式可使挤压筒内衬温度最高, 而外套温度最低。

为了安装加热元件或电路, 以及定位、安装等需要, 挤压筒外套上槽孔较多, 形成若干个绝缘薄弱点和应力薄弱点。在使用中, 加热元件或电路引起的过热、较大应力均可能在以上部位造成烧蚀和裂缝, 导致挤压筒报废。

挤压筒加热器

在早期挤压机上, 为了避免冷挤压筒对第1 个热坯锭的急冷, 采用电阻加热器对挤压筒内孔进行加热的方法。

环绕式电阻加热器和低频感应加热器被普遍应用在现代挤压机的挤压筒上。分为环绕式电阻加热器和低频感应加热器, 其中, 环绕式电阻加热器被安装在挤压筒外套上, 而低频感应加热器则是将一组串联绝缘铜棒纵向插入挤压筒外套的钻孔中。感应加热器自身寿命对挤压筒使用寿命有重要影响, 因此, 感应加热器正逐渐被插入式电阻加热器所取代, 此种加热器可直接插入挤压筒外套的钻孔中。

挤压筒预热要求快速和高效。许多挤压筒由外部加热器进行加热, 这时会在挤压筒内产生一条温度曲线, 此曲线显示挤压筒外套温度最高, 内衬温度最低, 显然, 这种加热方式不可取, 原因在于:挤压筒外套与内衬之间的温差不适合挤压。插入式加热元件由于更接近挤压筒内衬, 热传递效率大大提高, 仅需要很少的热量便能达到理想温度。因此,加热器安装应接近挤压筒中心, 以减少挤压筒外套与内衬之间温差。

挤压筒温度控制

当挤压筒加热功率过大时, 很容易导致挤压筒软化, 破坏挤压筒预应力结构, 因此, 对挤压筒进行温度控制非常必要。挤压筒温度稳定, 不仅能够保证挤压筒的正常使用性能, 还会延长其使用寿命。

挤压筒温度控制包括控制最高温、控制最低温、控制温升和温差、分区加热、热电偶多点测量。

1 温升和温差控制

挤压筒突然加热可能会产生较高热应力, 导致挤压筒组件开裂, 或内衬相对于外套移动。为尽量减小挤压筒热应力, 需要控制挤压筒温升, 使其温度梯度最小。一般情况下, 挤压筒加热到需要温度时, 保温时间必须超过8 h 以上, 温升速率应不超过50℃/h- 1 。在挤压过程中, 挤压筒温度应尽量低于450℃。一旦产生过热, 挤压筒硬度会发生软化, 只能重新进行热处理。

控制挤压筒温差即控制温度径向、轴向分布。温度径向分布很难控制, 原因在于: 挤压过程中,挤压筒内衬内孔靠近热坯锭, 内衬内表面温度最高,而且其温度径向分布遵循非线性温度曲线。一般情况下, 挤压过程中的挤压筒外套不会比内衬温度高, 但如果挤压筒外套内安装环形电阻加热器, 由于控制热电偶远离加热器, 挤压筒外套可能会比内衬温度高, 在这种情况下, 如果挤压筒再承受较大压力, 将会损坏挤压筒内衬。

挤压筒温度轴向分布相对变化小。挤压筒两端存在热量损失, 这将导致挤压筒两端比中心温度低, 而且可能使挤压筒中心凸起。另外, 挤压筒模口端温度比进口端温度高, 这是由于热坯锭在模口端的停留时间较长。

2 分区加热

在挤压过程中, 由于热坯锭及热坯锭与内衬之间摩擦产生了大量热能, 因此, 通常只需要在挤压筒内相应区域补充很少热量, 以保证挤压筒温度分布均匀。例如, 挤压筒进口端和模口端存在温差,为保持轴向温度分布均匀, 前、后两个区域分别采用独立加热系统, 通过各自热电偶识别, 测量前、后区域温差并进行补偿。另外, 挤压筒顶部和底部沿周向和径向也分别对应设置多个测温点, 以及冷却区。对于轴向长度较短的挤压筒, 可以考虑仅在进口端和模口端设计独立加热区域; 若挤压筒较长, 则应沿挤压筒长度方向增加加热区域, 加热区域数量及各区域间隔根据加热元件功率确定。

挤压筒顶部和底部也需要独立加热系统, 原因在于: 挤压筒底部失去的热量会上升到顶部, 导致顶部比底部温度高, 即挤压筒上半部分比下半部分热。与热传导相比, 尽管通过此种方式传递的热量并不大, 但为获得均匀应力场, 在挤压筒底部增加独立加热系统仍是非常必要的。

对于大型挤压机, 挤压筒轴向和径向尺寸均较大, 为获得理想的挤压筒加热状态, 不得不采用多个独立加热系统, 而且必须对挤压筒温度及温度变化率进行程序控制, 使温度严格按给定温控曲线变化。现代大型挤压机生产线上普遍应用PLC 作为温度闭环控制系统核心, 通过上位机对温度控制参数进行设定和显示, 并进行故障报警和警告。PLC 温度闭环控制系统原理: 根据温度检测值与给定值偏差, 通过PLC 程序控制脉冲发生器的脉冲输出宽度, 进而控制调功器启动和停止, 改变加热元件通电时间, 对加热元件功率进行控制。控制系统硬件主要包括测温热电偶、模拟量输入模块、可编程序控制器、数字量输入和输出模块、按钮、继电器、指示灯、报警和辅助触点等。

总结

挤压筒采取合理加热设计, 并进行温度控制,是大型挤压机生产高效率、高可靠性运行的重要保证。生产实践证明, 对挤压筒不同区域采取独立加热系统, 并对多区加热元件正确定位, 实现温升和温差控制, 可以使温度及应力分布均匀, 从而大大提高大型挤压筒使用寿命。

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