冷却对铝包钢拉丝质量影响研究

田 庚，杨宏达，朱 兴，伍光磊

（江苏藤仓亨通光电有限公司，江苏 吴江 215234）

铝包钢丝及其制品作为高效、节能、节材产品，是钢芯铝绞线、钢绞线及镀锌架空通讯线等升级换代产品。由于铝包钢丝及其制品具有强度高、韧性好、导电性能强、耐腐蚀及使用寿命长的优点，加上工程造价低，目前在国外已被广泛应用于电力输送、架空地线、大跨越导线、电气机车滑道线及防冰雪导线等方面。

铝包钢丝作为双金属产品，其在拉制过程中采用干式流体动力润滑，即粘附在铝包钢丝表面的润滑粉以一定速度下通过拉丝模具与铝包钢丝的间隙，由于流体动力效应连续带入模具间隙的润滑粉在模具与铝包钢丝间产生均匀的润滑膜和巨大的压力，使铝和钢在拉伸力作用下同步变形，经过多道拉伸变形，得到直径、强度、延伸率等性能符合要求的产品。在强制润滑拉制过程中，由于存在拉伸变形、挤压、摩擦等因素，会产生大量热量，如果产生的热量不能及时冷却，将导致铝包钢丝和润滑粉温度升高，一方面润滑粉温度过高至时发生软化变成半流体从压力导管和铝包钢丝的间隙中导出，不能在模具间隙内形成稳定压力，从而导致铝包钢丝拉毛、毛断；另一方面拉制中的铝包钢丝温度过高，更多的能量会形成金属晶格畸变储存于金属线材内，使铝包钢丝强度、脆性增加，塑性降低，影响铝包钢丝机械性能，甚至导致脆断、拉断等质量事故。

1 铝包钢拉丝润滑粉基本成分分析及软化温度实验

通常固体润滑剂分为钠基润滑剂、钙基润滑剂和钙、钠混合基润滑剂三大种类。铝包钢拉丝润滑粉属于钙基润滑剂主要成分是石灰、烧碱、硬脂酸、动物油脂和添加剂等，添加剂是为了提高润滑性能或获得某些特殊性能而添加在润滑剂中的少量其他物质。包括极压添加剂、油性改善剂、增稠剂及防腐剂等。极压添加剂为主要添加剂，它能与金属摩擦面反应生成熔点高和剪切强度低的金属化合物薄膜，从而提高润滑剂在高温高压下的润滑性能。这类添加剂主要有二硫化钼、石墨以及聚四氟乙烯等高分子化合物。油性改善剂又称活性添加剂，它的作用是提高润滑剂吸附和形成润滑膜的能力。这类添加剂有各种高级脂肪酸、脂、胺等。增稠剂是为增加润滑剂稠度而加入的添加剂，材料有纯碱、石灰、硫酸钡、碳酸钙等。防腐剂又称阻蚀剂，作用是防止润滑剂对钢丝基体的腐蚀，材料有亚硝酸钠、磷酸钠等。铝包钢拉丝粉由以上多种成分混合并发生一定的化学反应而成，其中油脂类成分熔点较低、润滑性好并具有较强吸附性能，占拉丝粉总成分60%以上。石灰、烧碱及添加剂具有较高熔点、极压、耐磨和防锈功能。

将铝包钢拉丝润滑剂进行加热时，当润滑剂中部分开始软化，我们称此温度为润滑剂的软化点。若拉丝润滑剂软化点偏低，拉丝过程中对线材冷却效果差，润滑剂容易软化成流体状态从压力导管中倒向流出，甚至会出现结焦、硬化阻塞压力模模孔，导致拉丝润滑不能正常工作。润滑剂软化点过高油脂类成分含量少，润滑剂吸附能力差，拉丝粉带入压力模模孔不足，无法在拉丝模具内形成足够的压力和润滑膜，也无法形成良好的强制润滑效果[1-3]。

我们对现用的拉丝粉进行软化点温度实验，使用加热炉对新拉丝粉和拉拔一段时间后的拉丝粉进行加热并使用温度计实时监测温度。在120℃左右时，新粉开始部分软化并黏在一起，由粉末状黏成块状，而老拉丝粉还没有明显变化。在150℃时新粉黏块变大，加热盆底部温度高区域拉丝粉变黄褐色，老粉中冒烟并有软化和碳化现象。此次实验可说明，现用的新润滑粉软化点在120℃左右，同时老拉丝粉的软化温度要比新拉丝粉高。这是因为新拉丝粉中油脂含量比较高，经过重复拉拔使用后，油脂含量逐渐消耗而降低，而拉丝粉中石灰、添加剂的含量消耗比例较少，因此重复使用的拉丝粉软化温度相对新粉高。

图1 拉制温度过高拉丝粉软化从压力导管中导出

图2 拉制温度过高润滑粉软化后无法形成足够压力导致拉毛拉断

2 铝包钢拉丝冷却对产品质量的影响

铝包钢丝拉制中常使用水、空气进行冷却。我们通过调整冷却水温度和流量，改变对拉制过程冷却效果，同时使用测温仪测量冷却温度和铝包钢丝拉制温度，进行冷却效果对铝包钢丝产品质量影响实验。实验情况如下：同一盘铝包钢杆以相同速度拉制LB20-2.9产品，通过调整冷却水温度和流量，使铝包钢拉制温度分别为107℃和186℃，铝包钢丝产品机械性能检测分别如下：

图3 186℃检验数据

图4 107℃时检测数据

表1 拉制温度为107℃和186℃时LB20-2.9铝包钢丝机械性能

实验数据表明铝包钢丝拉制温度与抗拉强度成正比，与延伸率成反比，拉制温度升高使铝包钢丝强度和脆性增加，塑性降低，易导致铝包钢丝拉制时脆断概率和机械性能不合格率提升。

3 铝包钢拉丝中热量来源及计算公式

铝包钢正常拉丝过程中，热量主要来自电机拉制铝包钢时将电能转化成机械能和热能，主要形式为铝包钢拉制时的变形功和摩擦功、及电机发热、传动损失的功。其中变形功约占总功的70%，摩擦功占总功的20%，电机发热和传动损失的功占总功的10%。80%～85%的变形功转变成热能，15%～20%的变形功作为晶格畸变存在铝包钢线材内。摩擦功几乎全部转变成热能。即电机输出总功的76%～80%转变成热能。其计算公式为：

式（1）中：Q总为一定时间t内电动机产生的总机械能；P输出为电动机的输出功率；t为电动机运行时间。若电动机为额定功率工作时，P输出为电动机额定功率，若电动机不是额定功率工作，可以使用转矩来计算实际输出功率。其公式如下：

式（2）中：T为电动机额定转矩；n为电动机额定转速；f实际为电动机实际频率；f额定为电动机额定频率；

电动机输出功经机械传递会产生传动效率损失，目前我们拉丝设备采用皮带传动加圆柱齿轮减速箱再加键连接，其机械传动效率分别为0.95、0.98、0.98，即总机械传动效率μ=0.91。机械功转变成热能系数β=0.84-0.88。因此铝包钢拉丝产生的热量公式为：

拉丝设备采用变频调速三相异步电动机，其参数为：额定功率为55KW，额定转矩为350.1N.m，额定转速为1500r/min，额定频率50Hz。

通过检测实际频率可计算每道次铝包钢拉拔时产生的热量。当实际频率超过额定频率时，输出功率按额定功率计算。

表2 铝包钢丝实际拉制时每道拉拔产生热量计算表

假设没有任何冷却，机械功全部转化成拉制产品、模具和拉丝粉温升且温度升高一致，根据能量守恒定律可得出：

公式（4）中：m1为单位时间内拉制铝包钢丝中钢的重量；m2为模具重量；m3为单位时间内拉制铝包钢丝中铝的质量；Δt为温升；由于拉丝粉在模具中的量很少此处忽略不计。表2中拉制速度时钢重量为0.152Kg/s，铝重量为0.047 Kg/s，拉丝模具重量为1.6Kg/套。

表3 在假设条件下每秒拉制铝包钢丝和模具温升

表3可以看出，铝包钢丝拉制过程中若没有有效冷却，模具和铝包钢丝温度将很快达到润滑粉软化点温度，软化后的润滑粉将不能形成足够的强制润滑压力，甚至会从压力导模中反向流出，最终会导致铝包钢丝拉毛拉断。

4 铝包钢拉丝中冷却水相关参数的研究

铝包钢丝拉制中常使用水、空气对产品、模具进行冷却，其中水比热大、容易计量和管控而被作为主要冷却介质。通过对拉丝模具和拉丝轮毂冷却对产品、润滑粉进行降温。在每个冷却装置处加装冷却水流量计和温度计可以实时测量并计算出冷却水带走的热量。冷却水吸热公式为：

公式（5）中L为冷却水流量；T出口为冷却装置出水口冷却水温度；T进口为冷却装置进水口冷却水温度。

实际测量每道拉丝模具进出口铝包钢丝温度，可以计算单位时间内铝包钢线材在本道拉丝吸收的热量。实际统计如表4。

表4 铝包钢拉丝线材和冷却水吸收热量计算表

表4中每秒冷却水和铝包钢线材吸收热量与表2中每秒拉拔产生热量相差不大。相差部分主要因空气冷却、拉丝模具冷却吸收的热量和热量转换时有一定误差，另测试冷却水出口温度只代表大部分冷却水的温度，与拉丝模具越接近的冷却水温度越高吸收热量越多，具体数据不易统计。铝包钢丝在模具出口的温度可视为拉丝模具中润滑粉温度，控制拉制温度在润滑粉软化点温度附近，既能保证润滑粉有一定流动性在被拉制铝包钢丝和模具的间隙中形成均匀的润滑膜，又能保证润滑粉颗粒状态形成足够的强制润滑压力，达到铝包钢丝良好润滑拉制的效果。

5 总结

通过分析、实验和计算验证了理论分析，并得出以下结论。

（1）铝包钢拉丝润滑粉根据其原材料配方不同，其软化点温度也不同。铝包钢拉丝润滑粉可以通过实际加热实验得出大致软化点温度，以便于在实际生产中进行拉丝温度控制。

（2）铝包钢在拉制中因拉伸变形和摩擦做功产生大量热量，产生的热量主要转化为模具、拉制产品、拉丝粉和冷却介质的温升。如果冷却冷介质温度和流量不能有效测量和控制，将无法对拉制温度进行有效合理降温，当拉制温度超过拉丝粉软化点温度，润滑粉固体状态变成半流体将不能在模具中产生足够压力，导致铝包钢丝拉毛、拉断。

（3）铝包钢丝拉制中产生的热量可以通过电动机做功计算公式和能量守恒原理计算出来，理论计算值和实际测量值基本相近，主要差别为忽略了空气对流冷却和拉丝模具吸收热量。

（4）根据铝包钢丝拉制产生热量计算公式可以预测所需的冷却水流量和温度，便于日常生产工艺管理，也可以为改善铝包钢丝产品质量提供合理方案。

通过合理方式准确检测铝包钢拉丝过程中每道拉拔铝包钢丝进出模具时的温度，以及冷却水进出口温度和流量，可以实时掌握铝包钢拉丝过程中的冷却效果和拉制温度，可以提前分析铝包钢拉制的质量和实施改善产品质量的有效措施，对于铝包钢丝拉制工艺完善有很好的促进作用。