液氮冷却模具_提高型材挤压速度的有效途径_余征宇

1、472011，Vol39，7收稿日期：20110311第一作者简介：余征宇（1963），男，上海人，高级工程师。液氮冷却模具提高型材挤压速度的有效途径余征宇1，Robert De Wilde 2（1普莱克斯（中国）投资有限公司应用技术与市场开发，上海200120；2普莱克斯公司全球应用技术与市场开发，上海200120）摘要：在铝合金挤压生产过程中采用液氮带走挤压过程中产生的热量，同时对挤压工作区进行惰性保护，能有效提高挤压生产率、模具寿命及型材质量。分析了铝挤压过程中缺陷产生的原因，介绍了液氮冷却技术的原理。并基于实践经验介绍了该技术的应用方法及注意事项。关键词：型材挤压；液氮；模具冷却；提高

2、挤压速度；氮气中图分类号：TG37541；TG146. 21文献标识码：B文章编号：10077235（2011）07004704Liquid-nitrogen die cooling an effective way for increasing extrusion speedYU Zheng-yu 1，Robert De Wilde 2（1Praxair Robert De Wilde （China ）Application Technology Market Development ，Shanghai 200120，China ；2Praxair NVGlobal Application

3、technology market development ，Shanghai 200120，China ）Abstract ：The liquid nitrogen has been used at aluminum extrusion line for cooling extru-sion dieSo the excess heat produce during extrusion process can be removedThe liquid ni-trogen protects the extrusion working zone ，increases extrusion produ

4、ctivity ，elongates work-ing live of extrusion die and increases quality of extrusionsThe reason of extrusion defectoccurred during extrusion process has been analyzedThe cooling principle of liquid nitrogen has been introducedThe liquid nitrogen application technology and matters to be needed at-ten

5、tion to pay have been put forward at the base of practicing experienceKey words ：profile extrusion ；liquid nitrogen ；die cooling ；extrusion speed increasing ；ni-trogen gas挤压模具由挤压模、模垫、支撑垫等一系列工具组成。挤出型材的质量与挤压模的工作带的加工质量及硬度密切相关。在铝合金的挤压过程中，挤压模的工作温度在500 以上，随着挤压过程的持续，由于铝合金锭的形状剧变及铝材与模具的摩擦产生热量使挤压模工作带的温度升高，导致模

6、具钢回火稳定性下降及产生表面退氮，硬度降低，这是导致挤压模过早失效的主要原因之一。表1显示了几种典型挤压模具钢在不同温度下洛氏硬度的变化。从表1中可看出，随着温度的升高，模具钢的硬度下降。温度超过500 时，模具硬度下降趋势加快，造成模具的过快磨损。导致模具过早失效的原因之二是由于挤压过程中温度的升高加大了型材的氧化，型材表面生成的Al 2O 3硬点不仅对模具工作带造成划伤，而且也影响482011，Vol39，7 型材表面的光洁度，导致停产更换模具。随着挤压过程中挤压模及变形金属温度持续上升，挤出的型材还将产生气泡、融合及尺寸超差等缺陷。所以，为延长模具的使用寿命及避免型材表面缺陷造成挤压废品

7、，在挤压生产中必须限制型材的挤压速度以防止模具及型材温度过高。如此则限制了挤压生产率，这也是铝型材生产行业一直希望解决的问题。表1温度的变化对几种模具钢硬度的影响Tab1Effect of temperature variation onmold steel hardness模具材料洛氏硬度HRC100 200 300 400 500 600 650 H115150485474233520H135150495484436526T156656556456255953548 为了提高挤压生产速度或维持挤压过程中型材的表面质量，减少挤压生产中的模具更换，许多铝型材生产企业都进行过尝试，如在模具或挤压

8、筒出口处吹普通的氮气辅助挤压。由于氮气是惰性保护气体，所以在减少型材氧化、稳定型材质量方面有一些效果，但挤压速度的提高有限。其原因是由于氮气的比热容较小，仅为025105J /（kg ），冷却能力很低。除非氮气的压力很高，流速非常快才能产生一定的冷却效果。也有厂家尝试过在挤压模具通水冷却，但造成模具开裂。这是由于水的比热容高（418J /（kg ），吸热太强，导致模具局部内应力太大，且在挤压模上开槽降低了模具强度。将液氮在铝挤压生产中应用以提高铝型材挤压生产率起始于国外。20世纪80年代，国外专业的工业气体公司与铝挤压生产企业联合探索将氮应用在铝型材挤压过程中，即在铝型材挤压过程中采用液氮冷却

9、模具技术，取得了好的效果。在保持铝型材质量的前提下，显著提高了挤压速度，有效延长了模具的使用寿命。该项技术在美欧日等工业发达国家的铝型材生产行业得到了广泛的应用。近些年来，虽然国内部分从事铝型材挤压的专业技术人员对该技术有所了解，但由于对该项技术的具体的应用实践知之甚少，只有少数外资铝型材生产企业采用该项技术。1铝挤压过程中采用液氮冷却模具技术的原理如图1所示，假设在正常生产的挤压速度V 时，测得的挤出型材的温度为T ，在该温度时进行挤压生产可实现模具的工作温度、工作时间、型材的挤压速度及表面质量的最佳搭配。图1正常生产中挤压速度与挤出型材温度关系Fig1Relationship betwee

10、n extrusion speed andprofile temperature in normal operation当将挤压速度升高到V 1时，模具温度及挤出型材的温度都将相应升高。假设在相同位置测得的挤出型材温度升高到T 1，即T 1=T +T 。如图2所示。图2提高挤压速度对挤出型材温度的影响Fig2Effect of extrusion speed on profile temperature如图3所示，当将挤压速度升高到V 1时，若将液氮注入模具工作区域，可以平衡由于挤压速度升高而导致的模具及挤出型材的温度上升。即将测得的挤出型材的温度维持在T ，实现在最佳的挤压温度下进行提速挤压

11、。且由于氮气是惰性气体，大量的氮气在型材挤出端喷出，可以防止氧气与型材表面接触，防止型材氧化生成高硬度质点对模具造成划伤。在正常的铝型材挤压生产情况下进行连续挤压生产时（挤压速度基本保持不变），向模具通入液氮后，挤压模具的温度明显下降，见图4。挤压过程中采用液氮冷却能有效降低模具的工作温度。2液氮的特殊性及采用液氮对铝挤压过程进行冷却的设备21液氮的特殊性液氮不同于普通的流体，它有以下特点：（1）在1个大气压时的沸点温度为196 ；492011，Vol39，7 （2）在1个大气压时，1kg 液氮气化成同温度（196 ）的氮气时瞬间释放出1986J 的冷量；（3）1kg 液氮可气化生成840L

12、氮气（1大气压，20 ）；（4）液氮压力降低或吸收外界热量时，部分液氮立即转化为氮气，由于与挤压工作环境存在着约700 的温差，液氮气化后形成的冷的氮气也能参与降温。22设备组成及要求如图5示，在生产中采用液氮冷却铝型材挤压技术需要采用以下设备：（1）液氮储罐：由于液氮具有剧冷、易遇热气化膨胀的特性，所以必须保存在耐压保温的液氮储罐中，以无色、无味的低温液体形态储存；（2）耐压管道及过压排放系统：保温储罐中储存的液氮，由于存在少量吸热气化导致储罐内压力随着存储时间的延长而持续升高。所以储罐的保温及耐压性能非常重要，并且必须装备过压排放阀门。储罐及相关的设施必须定期由安全技术监督部门检图5液氮冷

13、却模具技术设备示意图Fig5Scheme of die cooling system with liquid nitrogen验合格后方能继续使用；由于液氮气化后造成管道内压力剧增，所以管道的设计及施工必须满足耐压及过压排放的要求；在长距离输送及对控制精度要求严格时，需配备气液分离系统以排除管道中的氮气，向挤压模输送高质量的液氮。（3）保温管道：当液氮从液氮罐中通过管道向使用点输送时，液氮将由于压力降低以及吸收管道壁的热量而不断气化成为氮气，导致管道内的氮呈气液两相状态。在应用中，液氮输送管道必须具有好的保温性。同时需要尽量短的管道设计，以减少液氮在输送过程中的冷量损失。（4）低温阀门：由于液

14、氮的超低温特性，所以必须采用耐低温的阀门及管道材料。（5）带输出功能的温度探测系统。（6）可调节的液氮流量控制系统及操作系统。3采用液氮冷却模具技术需要注意的事项31液氮通道位置及设计液氮的注入位置越接近挤压工作带，液氮对模具及型材的冷却效果越好。所以从理论上来说在挤压模上加工液氮通道冷却效果最好。但由于直接在挤压模上加工液氮导入孔及分配通道不但加工困难，还会降低挤压模的强度。而且由于在生产中要经常更换模具，在每个挤压模具需要加工通道也将导致极大的加工量。而在与挤压模紧贴的模垫上加工液氮通道，液氮也可以直接冷却挤压模的型材出口端面，通过冷量的传递降低工作带的温度，同时喷出的冷氮气还可以有以下作

15、用：（1）有效降低挤出型材的温度。（2）赶走挤压筒出口端的空气，产生了无氧化的挤压环境。502011，Vol39，7由于在生产中要经常更换模具，而对于同一型号的型材或不同型号的相似型材，在生产中经常采用同一模垫，因为模垫在使用中基本不会损坏。所以无论从通用性还是从经济性来说，在模垫上加工液氮通道都是较合理的。液氮通道的设计及加工要遵循使液氮快速通过并均匀分配到需冷却的各部位的原则，如图6所示，最常见的方法是在模垫上将液氮通道加工成环状辐射性沟槽，可使液氮快速分配到模具的各个部位，达到最佳及均匀的冷却效果。 图6常见的液氮通道设计Fig6Typical channel design of liq

16、uid nitrogen32挤压过程中液氮流量的控制液氮的通入量大小直接影响挤压模及出口型材的温度，液氮通入量太少，则无法抑制挤压温度升高，造成产品缺陷及挤压模温度升高；液氮通入量过多，则会使挤压模温度过低造成堵模，并且造成液氮浪费。因此，通过测量型材的挤出温度或挤压模的工作温度来控制液氮的流量是最常用的方法。在早期的挤压生产中，操作工人采用手持式测温仪，通过测量型材的挤出温度来手动调节液氮的流量开关量，这是一个开环控制过程，该测温方法无法对挤压过程进行连续监控。由于影响挤压过程中温度变化的因素很多，所以使用效果好坏与操作工人的经验及责任心有较大的关系。同时，采用该方法对输出液氮的质量要求很高

17、。为减少液氮气化而造成的冷量波动，在液氮的输送管道上需要增加氮的气液分离装置甚至液氮的过冷却装置。该方法适用于生产工艺稳定且订单大、一次开机生产时间长的型材生产。也有人尝试过将热电偶装在挤压模接近工作带的位置进行测温，但由于测温点不能太接近挤压工作带（破坏挤压模强度），测得的温度存在着明显的滞后，不能真实反映挤压过程中工作带及挤出型材的温度变化。由于铝型材高度反光的特点，普通的红外仪无法测出铝型材的真实温度。所以目前应用最成熟的是采用多波长的红外测温仪在挤压机的出口处测量铝型材温度变化，同时也间接反映模具的温度变化。33生产中的安全防护由于液氮为剧冷液体及气化后生成大量惰性氮气，所以生产中工人

18、的安全防护也很重要。如戴手套操作液氮设备以防止冻伤，工作环境保持开放通风及不要直接面对气氮的出气口以防止窒息。与液氮相关的设备设施也需采用耐低温材料并保温处理等等。4普莱克斯液氮冷却控制设备简介普莱克斯公司针对中国铝挤压生产推出了液氮冷却控制设备。它由操作系统及液氮控制阀系统组成，具有闭环自动控制及手动控制两种模式。在与红外测温仪连接的情况下，采用闭环自动控制模式进行生产，控制挤压机出口处挤出铝型材的温度，同时达到控制模具温度的目的。在红外测温仪失效的情况下，可采取手动控制模式进行生产。在该模式下，可根据测量的出口型材的过程温度变化，来人工设定过程中挤压工作循环中控制阀的开度与挤压时间对应的过

19、程参数，控制挤压机出口处挤出铝型材的温度，同时达到控制模具温度的目的。经多家使用企业测试及统计，对于一般的建筑铝型材或车用装饰铝型材，采用液氮冷却模具技术后，在保证型材质量的前提下，挤压速度可提高50%以上，模具的工作时间明显延长，挤压1t 铝型材的液氮消耗量为60kg 100kg 。将劳动生产率提高带来的节约与液氮费用的支出进行平衡后，实际生产成本降低15%以上。5结束语在铝挤压过程中采用液氮冷却技术，可有效提高生产率，延长模具使用时间，降低单位质量型材生产过程中的能源消耗及劳动成本。虽然需要前期的设备投资及生产过程中的液氮消耗，但企业的综合生产成本是降低的。我国有各种规模的铝型材生产企业6

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