铝挤压生产线装备的发展现状

赵富胜

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039)

中国是铝挤压大国，近年来随着国民经济的持续发展，铝挤压材在各个领域的应用越来越广泛，产能和消费量也一直在增长。据统计2011年我国的铝材总产量为2352万吨，其中铝型材1233万吨，管棒材163万吨，线材33万吨。从应用领域来看，房地产建筑行业依然是铝型材最强劲的消费者，其次为交通运输、电力电气、汽车制造等行业。

据不完全统计，截止到2010年全世界挤压生产线数量已超过6500条，而中国则拥有约3900条，占全世界的一半以上。在这些挤压生产线中，挤压力小于14MN的占90%左右，主要生产建筑型材；挤压力大于50MN的约为40台，主要生产大截面工业型材、轨道交通运输用型材等；其余为中间机型，主要生产工业型材、管棒材。粗略匡算，目前中国铝挤压材的产能已经达到1300万吨。

1 铝挤压生产线装备的组成及发展现状

对于一个挤压工厂，挤压生产线是决定产量和产品质量的最核心的设备。一般挤压生产线装备主要包括铸锭加热炉、挤压机、机后辅机、模具加热炉，某些先进的生产线还配套有自动堆垛系统。图1为一条完整的挤压生产线布置图。

1.1 铸锭加热炉

圆铸锭加热型式可分为电阻加热、感应加热、燃气或燃油加热。早期的加热炉主要采用电阻加热，近年来已被淘汰。对于挤压力小于36MN的挤压生产线主要生产建筑型材和工业型材，多采用长锭燃气加热；对于36MN以上的挤压生产线，多采用感应加热以便于对铸锭实行梯度加热，加热速度快，可适应多合金品种的生产。

1-长锭热剪燃气加热炉；2-10MN挤压机；3-机后辅机；4-模具加热炉；5-自动堆垛系统；6-时效炉

长锭热剪燃气炉分为单棒式和多棒式，有余热回收系统，充分利用燃烧产生的烟气余热对铸锭进行预热，可使热效率达到60%。来料长度一般为6000mm，加热后可根据产品需要的铸锭长度进行热剪切，这样就省去了长铸锭因定尺锯切而造成的几何废料，提高了成品率。

感应加热炉多采用工频加热，常用频率为45～55Hz。采用单层或多层感应线圈，根据铸锭长度，炉子可分为不同的加热区，通过调整每个温区的电压或者电流，从而对每个区的功率进行无级调控，达到梯度加热的目的。控制型式国内多为可控硅，国外采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)控制技术，该技术可使功率在0～100%之间无级调控，功率因数高，节能。

近年来国内也开始采用铸锭感应加热后热剥皮方法，此方法可以省去熔铸后的车皮工序，剥皮后的废料也比车皮后的碎屑更容易回收重熔。

1.2 挤压机

挤压机分为正向和反向、单动和双动。目前世界上最大的挤压机是前苏联古比雪夫加工厂的200MN挤压机，我国最大的挤压机是山东兖矿集团自西马克公司引进的150MN挤压机。近年来新建的大型挤压机多集中在中国，且挤压能力有越来越大的趋势，据悉250MN的挤压机也正在设计中。

挤压机本体结构比较复杂，辅助机械动作多，自动化控制水平要求高。借鉴国外先进技术，并通过采用国外性能良好、运转稳定可靠的液压部件和电气控制元件配套，使国产挤压机的装备水平有了很大提高。国内的挤压机制造商生产了不少大中型挤压机，且装机水平也正在向国际先进水平靠拢。但国产挤压机还存在着一些问题，如速度控制精度、穿孔精度、小故障多、维修频繁等，这些都是在设计和实际生产中需要解决的。下面简要介绍几点挤压机的最新发展现状：

1) 近年来投入建设的大型挤压机以短行程为主，该型式缩短了主机长度，减少了挤压轴的行程，缩短了非挤压时间，提高了生产效率并节能降耗。意大利达涅利公司2010年研制了一种双筒挤压机，该机配置两个可侧向移动的挤压筒，一个处于挤压状态时另一个离线装料，可显著缩短空载时间，提高生产效率。

2) 大中型挤压机多采用预应力张力柱结构，工作时挤压框架的变形量小，稳定性好。西马克公司、太重集团生产的挤压机用多层叠板代替了传统的圆柱形张力柱，通过高压液压缸同时对张力柱施加一个大于最大挤压力的拉应力，同时在叠板的外围、后梁和前梁之间设置了方形的压缩箱体，形成具有刚性的预应力框架结构。组成同一根张力柱的叠板要求机械性能、加工量一致，材料最好是出自同一炉次的热轧钢板，保证框架受力均匀。

3) 直线导轨导向系统。挤压筒座和动梁的移动导轨固定在下机架的压柱上，上机架的压柱作为辅助导轨。与传统的X型导轨不同的是，直线导轨系统的移动导轨平行于下机架的平面。传统的滑靴式导轨接触面大，磨损大，每3个月左右就要进行维护，而直线导轨为辊轮式接触，产生的磨损小，可以提高各机械元件的使用寿命，减少维护时间。

4) 液氮/氮气冷却模具。高速挤压过程中，铝材的热量传递至模具，使其温度快速上升，加剧工作带的磨损，从而影响产品的表面质量。在挤压机前梁处和模套侧面设通氮管路，在工作中通入氮气或液氮冷却模具，可以提高模具的使用寿命和产品精度。

5) 挤压速度实现闭环控制，通过PLC控制各主变量泵的流量，挤压轴的速度直接由输出油量来控制，高频响应的比例阀具有快速反应的功能以控制油量的输出。在操作台设定挤压速度后，主柱塞位置检测系统提供反馈信号，经PLC程序进行控制处理，从而实现速度的闭环控制。

6) 液压系统采用集成化设计，主泵为柱塞变量泵，通过一定的组合、排列形式，使泵组产生不同的流量，以满足系统各机构的运行速度和压力的要求。各集成块的各个阀之间进行必要的安全联锁，设置便于监测和控制系统压力的压力传感器。在主缸、侧缸系统中采用电液比例阀调压，可实现挤压吨位控制与保护，以及系统柔性卸压。

7) 采用PLC控制生产机列的操作，配备与PLC通讯的上位机，将加热炉、主机、机后辅机的操作台集中设置在主机操作台处，可在主操作台上显示和控制整条挤压生产线的全过程。

1.3 机后辅机

机后辅机的作用是密切配合挤压过程，保证挤压的顺利进行和提高挤压制品的质量，并可实现在线淬火、在线矫直和在线锯切成品，提高挤压的效率和成品率，简化生产流程，减轻操作人员的劳动强度。机后辅机由固定出料台、在线淬火装置、出料运输台、牵引机、中断锯、冷床、张力矫直机、贮料台、锯切辊道、成品锯、定尺台、下料辊道等组成。完善的机后辅机主要用于软合金铝型材的挤压，硬铝合金和管棒材可根据生产实际需要配置。

早期的挤压机只配有简单的导出工作台，设备简单、长度小、占地面积也小，其作用是使挤压制品能顺利导出，制品离线进行后续处理。随着型材生产技术的发展，为满足连续生产的需要，机后辅机的配套越来越完善，制品下线后即可直接进行热处理。

机后辅机的关键装备是在线淬火装置和牵引系统。

在线淬火冷却装置的型式有风冷式、水雾冷却式、喷水冷却式、风雾水组合冷却式、水浴冷却式，不同的冷却型式适用于不同的合金和制品。国内的冷却装置大多比较简单，风量风压或水量水压的可调节性差，导致制品各部分的冷却强度不均匀。国外厂家的淬火装置将其分为两个独立的区域，一个为水冷和风冷联合区，另一个为加强型风冷区。风水冷却联合区根据型材的冷却量又在长度上分为两段或三段，每段的上下左右设数组喷嘴，每组喷嘴均由单独的比例阀来控制，所有的比例阀均由PLC控制，这样可灵活控制型材不同区域的冷却水量。加强型风冷区根据型材截面分成不同区域，每个区域的风机由变频器和开关阀单独控制，可灵活调整不同区域的风量。先进的淬火系统可根据型材断面尺寸、形状，采用计算机模拟淬火过程，优化淬火工艺，通过调节型材断面不同部位上的冷却水量、冷却水喷射角度等手段使淬火制品冷却均匀。图2为在线淬火装置示意图。

图2 在线淬火装置示意图

国内的牵引系统多为单牵引机和移动锯锯切，其特点是单牵引机无法在固定的周期时间内返回而影响挤压效率。现在非挤压时间越来越短，高水平的机型已缩短至15秒以内，在如此短的时间内牵引头难以返回夹住型材。双长度双牵引系统作为一种最新的配置型式，可以实现停机时在两根型材的焊合处切断，更加适合非挤压周期越来越短、挤压制品越来越长的发展趋势，但是，需要保证双牵引机在交手时的速度同步和牵引力恒定，这是该型式牵引装置的关键技术。图3为双轨道双牵引装置示意图。

1.4 模具加热炉

小型挤压机配备单膛加热炉，大型挤压机配备双膛或多膛加热炉，每个加热室宜加热一套模具，以提高模具加热质量。模具加热炉的加热型式可分为电阻加热、电磁感应加热和红外线加热。电阻加热为最常见也是最成熟的模具加热型式，普通模具加热时间约2小时，大型模具加热时间约5～8小时，炉子热效率约50%，工艺稳定，设备投资低；电磁感应加热技术应用时间不长，模具加热时间短，普通模具加热约20分钟；红外线加热属于新技术，采用碳棒加热丝及红外线辐射板，普通模具加热时间约1小时。

图3 双轨道双牵引装置示意图

1.5 自动堆垛系统

国内配备自动堆垛系统的生产线不多，国外先进的挤压生产线均配备有型材自动堆垛系统。该系统省掉了下料的人工操作，可将锯切后的型材从下料台一层层的移至料筐中，然后通过辊道运输至时效炉进行时效处理，减少了中间的人工运输。型材之间用垫条相隔，堆垛机夹住垫条两端，将型材放入料筐。分配机构可根据型材长度将垫条分配到相应的位置，以适应多定尺型材的堆垛。图4为自动堆垛系统示意图。

图4 自动堆垛系统示意图

2 国内外挤压生产线的比较

国内外挤压生产线的技术对比见表1。

表1 国内外挤压生产线的技术对比

3 结束语

挤压生产线是一个铝挤压厂最核心的生产装备，生产线的质量决定了产品的质量和工厂的年生产量，而生产线也要根据产品的类型来选择。如某工厂的主要产品是管棒材，则最好选择反向挤压机，在线淬火系统可选择喷水和水浴冷却，铸锭加热选择感应加热炉以实现梯度加热。很多工厂往往只注重挤压机的装机水平，忽视了铸锭加热、机后辅机的匹配，结果挤压机的作用发挥不出来，产品的质量不合格，成品率低。因此，在挤压机制造水平不断提升的同时，也应注重挤压机配套设施装备水平的发展，大力提高整条挤压生产线的机械化、自动化程度。

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