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中国铝挤压产业65年(四)
2022-03-01 08:35:36   来源:中国有色金属报    点击:

作者:王祝堂

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  生产能力与挤压机内径

   大挤压机生产能力取决于装机水平、产品结构、工人素质、管理能力等一系列因素,所以只能根据经验来确定匡算数值,笔者根据日本轻金属公司(KOK)的生产业绩与笔者从事铝加工63年的经验来匡算大挤压机的生产能力。KOK公司只有1台1971年建成的100MN(设计95MN)的挤压机,主要用于生产日本制造高速铁路车辆及日本其它产业所需的以100MN挤压机挤压的大型材,日本全国仅有1台100MN、3台75MN、6台50MN级的大挤压机。50年来,100MN的最大实际产量达到10.5kt/a。此机生产的挤压材满足了日本生产高铁车辆(约700辆/年)及其它产业对大挤压铝材的需求。

   制造轨道车辆不仅需要100MN 挤压机生产的大型材,也需要小一些的大挤压机与中小型挤压机生产的中小型材。以生产轨道车辆型材为例,在我国当前铝挤压产业的装备、挤压技术与管理条件下,大挤压机的匡算生产能力见表1。

  生产能力(t/a)=挤压机挤压力(tf或US tf)×匡算系数

   例如1台100MN的挤压机生产轨道车辆大型材的生产能力只有9kt/a,如果各方面条件都处于最佳状态,它的综合轨道车辆大型材实际产量也不可能超过11kt/a,不过这里指的是成品量,不是通过量。

   在此需要强调的是,挤压机的设计生产能力是根据设定的产品种类及其结构计算的,是按管、棒、型材各占一定比例来计算的,所以实际产量与设计产能会有很大的差别,例如国内某厂有1台引进的150MN正向挤压机的设计生产能力为22.5kt/a,若专业生产轨道车辆型材,则生产能力又要折半。

   挤压筒内径是指挤坯筒装锭处的直径,不是挤压筒的外形尺寸。挤压筒是挤压作业的重要工具,为多层结构,其内衬是主要的消耗部件之一,也是影响产品质量的重要因素之一。内衬内径是决定模支承、挤压垫工作直径的依据。当内衬工作部分和非工作部分直径差大于0.4mm或纵向划痕长于5mm,或挤压制品表面出现起皮或气泡,就应该更换内衬。

   挤压筒的加热应均匀,传统挤压筒连续生产时纵向最大温差可达60℃~100℃,当前,采用先进的加热技术后,最大温差可控制在10℃左右。我国保有大挤压机挤压筒内径见表2。

  挤压机技术参数

   (1)供锭时,固定挤压垫一直不脱离挤压筒,挤压杆可在挤压筒中心将坯锭准确地顶在挤压模上,达到从前到后顺序镦粗、顺序排气的效果,易将空气排除,减少了排气时间,也减少了因卷入空气出现的气泡。(2)非挤压时间(空周期)缩短。各辅助机构运动所需要的固定循环时间,从一支坯锭完成开始计算,到下一支坯料被加压镦粗,总的非挤压时间减少约15%。同时,取消垫片循环系统,缩短无功作业时间,降低生产线的功率消耗,提高生产率。(3)短行程挤压机可使挤压铸锭的长度增加20%~80%,甚至增加一倍。(4)行程缩短即可减少机身长度,降低设备质量,减少投资费用。短行程挤压机的优点可从表3参数对比中看出。

  我国引进的挤压机的主要技术参数见表4、表5,典型国产挤压机的技术参数见表6、表7。

   日本KOK公司95MN挤压机1971年投产,是当时全球最大与最先进的油压机,即使今天它仍居世界先进水平,德国施洛曼公司(今天的梅尔公司)设计,日本石川岛播磨重工业公司(IHI)制造。该机具有设计新颖、结构紧凑、功能齐全等特点,可以用圆挤压筒挤压,也可以用扁挤压筒生产,其液压系统、电控电气系统、速控系统和操作系统等都达到了相当高的水平,实现了PLC(Programmable Logic Control,可编程逻辑控制)。采用固定挤压垫挤压,设有自动润滑系统、三工位快速换模系统、自动调心系统、液氮和气氮冷模系统、牵引装置、精密水淬和气淬系统、自动拉伸矫直机和辊矫机、自动锯切机和横向运输系统、冷床等。

  反向挤压及反向挤压机

  反向挤压

   近30年来,铝合金反向挤压法特别是管材的反向挤压取得了长足发展。反向挤压的特点是在挤压过程中,铸绽与挤压筒之间无相对运动,即挤压筒的运动方向与产品的流动方向保持一致,因而大大减小了摩擦变形区靠近孔模附近,所需的挤压力小、挤压速度快,金属流动均匀、制品的组织和性能均匀,可减少或甚至消除粗晶环缺陷,还可以降低几何废料。

   由于反向挤压时,铸锭表面会流入制品表面,因此,为保证产品有良好的表面,铸锭表面应进行加工,即必须进行热剥皮或车皮。热剥皮在挤压前进行,把加热好的锭在剥皮机上剥去4mm~10mm的表皮。空心锭剥皮机应有精准的对中系统,否则剥皮后的锭会有严重的偏心,产品尺寸得不到保证。空心锭剥皮后的壁厚偏差应小于1.0mm,挤压精密的管材时应不大于0.5mm。为了确保锭坯的壁厚偏差,可不采用剥皮工艺,而采用车削法去掉表层。为此,可在挤压生产线上设置一套车削-镗孔装置。

   反向挤压法虽有优点,但不足之处也不少,其主要缺点:需采用带有长行程挤压筒的挤压机,制品表面质量差,制品规格尺寸受到限制,与同挤压力的正挤压机相比,其规格尺寸小得多,另外分离残料困难,故在工业生产中还未得到广泛应用,但近些年来,由于生产技术的发展和设备结构的改进,在实际生产中反向挤压法也有了更多的应用。

  中国的反向挤压机

   1870年,英国人首次用反向挤压法生产铅管,以后又用于挤压铜材和锡材,上世纪20年代用于挤压铝材。由于此法存在一些技术方面的难点,没有取得多大成就。但是,由于技术的进步,自上世纪70年代以来,科技界又对此法发生了浓厚的兴趣,特别是此法在挤压高强度航空航天领域用的一些铝合金材料与交通运输装备的结构材料方面有着独特优势,所以又得到了较大的发展,尤其是在我国。我国已成为世界最大的铝合金反向挤压国家,有全球最大的150MN正反向挤压机和全球最多的反向挤压机,2021年,总台数达67台;有全球最完整与齐全的反向挤压机谱,最小的只有7.5MN,最大的却高达150MN;装机水平高,从梅尔公司引进的14台,约占总数的21%。

  捷安特轻合金科技(昆山)有限公司

   捷安特轻合金科技(昆山)有限公司(Giant Light Metal (Kunshan)Technology Co,,Ltd.)位于江苏省昆山市,是1972年成立的中国台湾巨大公司的全资子公司。1992年在江苏昆山设立捷安特中国公司,开启巨大集团两岸分工体系,1997年在昆山设立捷安特轻合金公司,生产铝合金管及铝合金圈产品,2004年在成都设厂,2006年设立捷安特电动车(昆山)有限公司,2007年成立天津厂,2010年设立捷安特昆山新厂,2017年12月捷安特轻合金科技(昆山)有限公司收购了鼎镁(昆山)新材料科技有限公司。现共有挤压机41台(其中反向的21台),生产能力50kt/a,专为捷安特集团生产各种高档挤压铝材,但主要为捷安特自行车家族生产管材。捷安特集团引领全球高级自行车生产与销售。捷安特轻合金科技(昆山)有限公司是自行车等领域用的高精尖挤压铝材生产者。

   目前,捷安特生产自行车行业产品包括车圈、避震前车管、导型材、含微量Sc(约0.35%)的高强度铝合金车架。该公司专业生产各类公路、山地、折叠和BMX(bicycle motocross)自行车越野赛用自行车圈,以自有品牌“AMIGO”和“GLMIMS”畅销全球,在全球几十个地区和国家建有生产厂和销售中心,有多项车圈创新技术获得专利,有多项新产品获得江苏省高新技术产品认定。

   捷安特已成为高强度铝合金无缝管和型材专业生产企业,可生产max外径145mm,max内径135mm,min外径16mm,min内径13.4mm的7050合金无缝管;最大外接圆直径280mm、最宽420mm的7050合金型材。这类管材经过硬质阳极氧化处理,达到了高强度、高塑性、高抗蚀性和高耐磨性的完美结合。

   捷安特生产的汽车行业、自行车行业、医疗器械、运动器材、儿童推车、航空航天器管材/异型材用的铝合金有:6061、7005、6063、3003、2024、2014、7075、7050、G706、G7003、G603、G609、7116、6066等。带“G”字母的合金为捷安特自行研发的合金。

   捷安特生产的摩托车轮辋(motorcycle rim,车圈)是用碳纤维增强的铝合金复合材料制造的,已通过美国DOT(Department of Transport,运输部)的认证,其断面宽度41mm~158mm,直径253.2mm~584.7mm。这种复合铝合金车圈的优点为:外观精美;质量轻、强度高,比全铝合金车圈轻15%~30%;综合性能提升15%~30%。

   捷安特生产的汽车零件有空调法兰及支架、减震系统、转向系统、法兰及冷凝系统、空调管路、空调接头及法兰、刹车系统、天窗导轨、发动机配件、轨道交通滑筒、控制臂。这些铝合金零部件具有质量轻、氢含量低(0.12mL/100g~0.14mL/100g)、出色的抗腐蚀与成形加工性能等,用的铝合金有1070、2014、2024、2011、2A12、3003、3004、3103、3A21、5052、5056、5005、6060、6063、6005、6082、6061、G609、G606、6463、6013、7003、7005、7046、7116、7050、7075、7055、7020等。

   捷安特可为用户提供各种各样的散热件,它们广泛应用于各个领域,如通讯行业(基站/天线)、轨道交通(城轨、高铁、动车)、LED(路灯、隧道灯、室内照明、庭院灯、防爆灯等)、太阳能、电机、整流器、办公设备、家电设备等各行各业。

   含钪(≤0.35%)的铝合金在我国、俄罗斯和美国等国家都获得了应用,捷安特研发的含微量Sc的7005合金与7046合金具有均匀的细晶粒组织,晶粒直径≤10;在NaCl-HCl溶液中试验24h,含钪合金的腐蚀层厚度最小,依次为0.150mm/7005合金、0.082mm/7046合金、0.037mm/含Sc合金。含Sc铝合金的可焊性能比不含钪7005合金、7046合金的好得多。

  先进技术

  捷安特在反向挤压管材与型材时采用了多项先进技术。

  电磁净化

   捷安特与上海交通大学合作研发的铝熔体电磁净化系统取得了很好的效果。该法利用外加电磁力场作用促使夹杂物分离并结合陶瓷分离器捕捉夹杂物的能力实现微细夹杂物的高效稳定去除,而且由于夹杂物电磁分离的驱动力主要取决于它和熔体之间的导电性差异,而与其密度、化学成分、状态(固、液或气态)等无关,使得电磁净化在去除铝熔体夹杂物方面具有独特的优势。这是因为铝熔体中的氧化物夹杂由于表面积大、形状不规则,并可能吸附气体,一般易悬浮于熔体中,和铝熔体密度相近,很难利用自然沉浮或离心法将它们去除。使用板式过滤+电磁净化后,夹杂物含量会进一步降低,尤其是小于10μm的夹杂物数量的减少特别明显。

  几种净化法的效果见表8。

   以电磁净化系统深度净化铝熔体后,熔体中大于20μm的非金属夹杂物全部去除,小于20μm的也去除了80%,粒径小于10μm的非金属夹杂物含量也降到约0.02%,保证了坯料的后续加工性能、力学性能,成品的完整性和外观质量。同时,还引入过程参数自动检测和自动控制技术,实现了各种参数的实时监测和控制,显著提高了智能化水平和自动化程度。

  气刀铸造技术

   捷安特在铸造Φ800mm镁合金和铝合金铸锭时,在世界上首次使用了气刀技术和电磁气刀技术。这种低频电磁半连续铸造技术是近些年来开发的一种新型铸造工艺。该技术利用低频磁场在熔体中的高渗透性、大范围调控熔体内流场和温度的分布,从而达到显著提高铸锭质量目的。

   铸造铸锭工件时,铸件表面温度低,采用气刀技术后,铸件表面温度回升。也就是说,沿着铸造方向和垂直铸造方向的温度梯度降低,即铸锭中的应力应变显著降低。此外,气刀的应用在抑制裂纹方面有更大的作用。

   低频电磁—气刀半连续铸造铝合金和镁合金锭的优点有显著细化锭的组织、抑制裂纹、抑制合金元素的宏观偏析、净化合金组织、改善表面质量等。

   铸造时锭表面的二次冷却水被去除,合金熔体凝固时释放的潜热将表面加热使其温度回升,使铸锭表层发生高温自回热,铸锭在空气中冷却会更缓慢,内外温差变小,从而大幅度降低铸锭内应力,而且高强度铝合金在此温度区间也具有相当高的塑性,所以可以有效地抑制冷裂纹的产生。

  油气润滑铸造

   油气润滑是一种先进的铝合金圆锭铸造技术。该法是指油和气通过多孔石墨环,在结晶器与金属之间形成一层油气膜。油气膜的存在减少了铸锭与结晶壁之间的摩擦传热,从而使铸锭具有优质的表面和冶金性能。

  电磁晶粒细化技术

   捷安特研发的电磁晶粒细化技术已获得专利授权,其原理是通过低频率磁场在铝合金熔体中的高渗透性实现对熔体内部凝固行为的控制,当熔体受到电磁力作用时,会发生强迫对流,改变了熔体内部的凝固环境,熔体内部温度基本一致或相差很小,液穴变浅了,也变平了,铸锭横截面上温度梯度显著减小,对流作用还可将初生凝固壳处形成的枝晶臂打断并带入液穴,增加形核数目。磁场对凝固环境的影响是,增加熔体凝固时的形核数,使铸锭获得细小均匀的等轴组织,电磁力引发的强迫对流可以使溶质分布更加均匀,减少宏观偏析。

   该专利技术的基本特点是显著细化合金组织、抑制合金元素宏观偏析、改善表面质量、抑制裂纹、净化熔体夹杂物等。

  模具液氮冷却

   挤压时采用液氮冷却模具其实并不是一项新技术,但是要用好它并坚持使用并非易事。其优点为:液氮冷却效果是气氮的3倍、挤压速度可以提高50%、产量可以提高30%、生产运行时间可以提高100%、模具寿命可以延长50%、产品表面质量精美等。

 

 

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