电加热堵板在铜挤压上的创新应用

1、电加热堵板在铜挤压机上的创新设计与应用杨胜泉 （中铝洛阳铜业有限公司，河南洛阳 471039）摘要：铜及铜合金生产的工艺技术，决定着铜资源利用的有效性。电加热堵板应用是铜管材挤压机的装备技术创新，该创新增加了白铜铸锭在挤压加工工艺过程中的金属流动性，提升了挤压白铜大规格管材的成品率，在提高铜资源利用率、提高劳动生产率、节能降耗、减少污染等方面具有积极的作用。关键词：白铜 挤压 堵板 电加热 效率.Electrical heating cover plate in innovation on design and application of copper extrusion machineYa

2、ngshengquan(Chinalco Luoyang copper co, Ltd, Henan Luoyang 471039)Summary: Production technology of copper and copper alloy, copper depends on the effectiveness of resource utilization. Electrical heating cover plate of copper pipe extrusion equipment and technology innovation, the innovation increa

3、ses the copper-nickel alloy ingots of metal mobility in the extrusion process, improves the yield of extruded copper-nickel alloy size tube, to improve resource utilization, improve productivity, saving energy, reducing pollution, plays an active role.Key words: copper-nickel alloy extrusion cover p

4、late heating efficiency1 概述铜及铜合金管棒材挤压生产技术经过100多年的发展，随着技术进步和工艺创新，装备和工艺已经发生了根本性的变化。当今社会人们的节能环保意识不断提升，在对产品质量要求不断提高的同时，更注重制造过程中金属资源利用效率的最大化。近几年工业迅猛发展，我国在航天、航海等领域加大了开发和投资力度，国防军工、海洋石油等特殊行业对铜及铜合金管材需求旺盛，特别是耐腐蚀铜镍合金大规格无缝管材的需求不断增加，国外进口已经不能满足我国现代化工业发展，提升国产技术水平势在必行，国产替代进口，是摆在广大技术人员面前的一道严峻课题。2、白铜大规格管材生产特点白铜是耐腐蚀铜镍

5、合金代表产品，是以镍为主要添加元素的铜基合金，具有良好的机械性能和耐蚀性。按镍的含量可分为B10、B30、BFe10-1-1等不同的牌号，该类合金具有变形抗力大，粘性大，金属挤压加热温度高（8251250之间）的特点。挤压法生产铜管材是一种常见的热加工工艺，需将铜材铸锭坯料加热到一定的温度区间方可实施。生产过程中因无法避免的因素，加热的铸锭会接触到低温的装置，如运锭机、挤压筒、穿孔针、挤压模等，以及自然环境影响，铸锭表面会产生温降，对变形加工产生一定的负面影响，增加加工难度。某铜加工企业的40MN卧式双动铜及铜合金挤压机，是国内生产铜管棒材综合实力最强的设备，近几年开发出一系列大规格白铜管材产

6、品，目前已成为国内生产白铜大规格管材产品的主要设备。其挤压生产的主要工艺为：在环形燃气加热炉中将白铜铸锭加热到变形温度，通过运输系统、挤压系统、穿孔系统等的作用，历经充填、穿孔、挤压、脱模等工序动作，完成需求规格产品的生产。该种生产方式是传统的正向挤压生产方式，在白铜大规格管材生产时，会产生较多的几何废料，产品规格范围受到了很大的制约。以250x10mm规格白铜管材生产为例，该种产品挤压方式生产时采用的铸锭规格为410x400mm,挤压过程中穿孔料头的重量约为133Kg，占铸锭重量的33.25%，加上压余、铜皮等工艺金属的损失，造成理论成品率为50.5%，实际成品率仅为46.7%的生产状况，成

7、品率偏低已成为制约大规格白铜管材推广应用的主要因素。3、电加热堵板的创新设计面对提高白铜大规格管材挤压成品率的迫切需求，公司积极开展技术攻关试验活动。首先采用类比的方式，运用在生产实际中已经成熟的紫铜、黄铜堵板挤压技术，在白铜大规格管材挤压过程中进行数轮试验，经常发生不完全挤压或挤不动的情况，甚至在堵板位穿孔时就发生闷车现象，导致试验失败，效果十分不理想。通过进一步分析和现场实际监测，发现影响产品挤压成型的主要原因是：采用堵板方式挤压白铜产品时，铸锭靠近堵板的一端降温较快，该区域金属流动性变差，变形阻力陡然增加，无法继续进行穿孔或挤压。因此设想：设想如果改善此段的温度条件，控制铸锭端部温度的变

8、化，使穿孔工序过程中堵板与铸锭端部接触区没有明显温降，穿孔针可以达到杯底的设定位置，让铸锭芯部金属充分回流，实现堵板挤压，铸锭芯部的金属就可大部分转化为制品，从而减少几何废料，提高挤压成品率。按照以上的试验和分析，决定对常用410mm挤压系统的堵板装置进行结构改进，增加堵板工作面的加热功能。改进后的堵板装置主要由机械承压部分、加热元件、供电系统、温度控制单元以及隔热材料组成，简称为电加热堵板装置。3.1 电加热堵板装置机械结构形式在挤压机，工作时电加热堵板装置是一个受力和发热的结构单元，因此必须满足受力和耐热的条件，即在高温工况下，承受工作压应力，不变形，不破裂。设计中，堵板材料选择热作模具钢

9、4Cr5MoSiV1，俗称H13材料。其机械性能指标如下：高温抗拉性能 kgf/cm2 400 500 600 B 123 115 100 0.2 110 108 90高温硬度HRC 39.5 35 22.5按照理论力学、材料力学分析方法，对410mm挤压系统堵板模型进行机械结构压应力、剪切应力等的力学分析和强度校核，结合堵板工作面定向发热的要求，确定堵板安装电加热器的最大容室结构，设计了堵板的外形结构和相关尺寸，如图1所示。图1 410mm挤压系统堵板1堵板 2加热盘 3保温隔热材料 4压盖 5固定螺栓3.2 电加热堵板装置加热结构形式根据410mm挤压系统堵板的力学结构形式，确定电加热器采

10、用盘式发热结构。在电加热堵板内腔放置电加热盘，通过供电系统和温控系统对加热盘进行加热控制，加热盘定向发热加热堵板，实现堵板工作面温度按照工艺方案加热和控制。加热电气控制设计，首先依据白铜铸锭挤压工艺要求，结合堵板材质在400时最佳机械性能，确定堵板工作面温度维持在40025时，可满足大口径白铜管材的堵板挤压要求。其次根据堵板的机械结构和热作模具钢4Cr5MoSiV1材质温升的要求，确定加热温度速度梯度小于200/h。考虑到加热盘功率制作及使用寿命等因素，堵板加热装置采用组合加热盘并联使用的加热方式，经过核算，确认每个加热盘的功率为3.5KW，总功率达到7KW，加热盘加热温度上限500。堵板电加

11、热盘结构如图2所示。图2 堵板电加热盘两块堵板加热盘并联后放在堵板内，加热盘中心有M16螺丝孔，可安装螺丝吊环以方便加热盘安装、取出。3.3 电加热堵板装置加热控制系统堵板温度的控制，采用富士专用仪表设定加热温度和升温曲线，采用K型螺钉热电偶，固定在加热盘上，对加热盘实施温度在线检测，实时监控和反馈，可使堵板温度控制在工艺所需的温度值范围内。根据功能需要，选型配套电气元件，制作了堵板加热专用配电控制箱，富士温控仪表安装在箱门上，电控箱安装在油压机辅机操作台侧部，便于操作和观察。4、电加热堵板装置的创新应用与效果运用电加热堵板技术，在40MN卧式双动铜及铜合金挤压机上，生产250x10mm的BF

12、e10-1-1白铜大规格管材过程如下：首先，将预定的升温曲线和温控参数输入到温控仪表，对电加热堵板装置通电开始预热，温控系统按照升温曲线加热至400，实施保温控制，使堵板工作面温度维持在40025。保温30分钟后，就可以实施挤压生产。与此同时，在环形天然气加热炉将BFe10-1-1白铜铸锭加热到规定温度后，立即运输到挤压筒内，挤压筒在堵板工位条件下锁紧，挤压杆对铸锭进行充填挤压，接着挤压杆后退留出穿孔过程中金属的回流空间，进行铸锭堵板方式预穿孔。铸锭预穿孔结束后，挤压杆、穿孔返回到适当的位置，挤压筒打开，移动模架变换到挤压工位，开始进行常规管材挤压的各个工序动作，最后完成BFe10-1-1厚壁

13、管材挤压生产的工艺过程。表1-表3为40MN挤压机应用电加热堵板装置后，在410mm系统上，挤压生产规格为250x10mm的BFe10-1-1白铜管材制品的工况、成品率等情况统计简要分析表。表1 采用电加热堵板装置挤压工况汇总表序号铸锭规格mm加热温度穿孔压力（峰值）Mpa挤压压力（峰值）Mpa挤压筒锁紧压力Mpa杯底厚度mm设定实际1410*2901065103029.026.522.51002410*2901065103028.527.022.51003410*2901065103028.527.022.51004410*3001065103028.526.022.51005410*300

14、1065103028.526.322.580表2 采用电加热堵板装置挤压实际成品率铸锭制品250x10实际成品率%目标客户需求成品率%目标客户需求重量Kg/长度.m规格mm重量Kg长度m切尾长度mm实际重量Kg400*290324.343.5630022669.3755.5064.75195/2.91210/3.13400*290324.343.5030022268.4555.5064.75400*290324.343.5530022468.7555.5064.75400*300335.523.7830023268.8553.6562.59400*300335.523.7330022867.6

15、653.6562.59挤压方式铸锭规格mm铸锭重量Kg用户所需重量范围Kg目标成品率%非堵板挤压410*320376.0018019047.8750.53410*350411.2619521047.4251.06410*415487.6326027053.3255.37综合：1274.8963567049.8152.55堵板挤压410*300352.5118019051.0653.90410*300352.5119521055.3259.57410*330387.7626027067.0569.63综合：1092.7863567058.1161.31表3 成品率理论计算对比可以看出，通过理论计算和实际验证，在采用堵板挤压后，综合成品率最少可提高8.3个百分点。5 结束语电加热堵板装置在挤压生产实践中的运用，使挤压工艺过程中高温合金温度的下降趋势得到控制，提高了金属在变形过程中的流动性和均匀性，减少了挤压管材偏心的概率，提高了制品的综合成材率，达到大规格管材挤压成品率提升5%的预期设定目标。总之，电加热堵板装置在挤压机上的应用，有效的利用了金属铸锭的资源，减少金属铸锭的投入，对节能降耗和提高投入产出比，都具有积极的