臥式雙動鋯擠壓生產線

荊云海，權曉惠，鄭文達，董曉娟，谷瑞杰

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

金屬擠壓機種類較多，按擠壓制品材料一般分為有色金屬擠壓機和黑色金屬擠壓機。鋯屬于有色金屬，但其擠壓工藝和材料特性與同屬有色金屬的鋁和銅差別很大，更接近于黑色金屬，又不同于黑色金屬。因此用現(xiàn)有的有色或黑色金屬擠壓機，都不能很好滿足鋯及鋯合金的擠壓加工。近年來隨著我國核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對于核級鋯材的需求日益增加，而核級鋯材的生產技術長期壟斷在美俄等少數(shù)幾個國家手中，嚴重制約了我國的核電事業(yè)的發(fā)展。中國重型機械研究院有限公司為某公司開發(fā)的40 MN臥式雙動鋯擠壓機組，可以滿足各種民用鋯合金、核級鋯合金管、棒及型材的擠壓加工，同時可以用于鈦及鈦合金的擠壓加工，是我國自主研發(fā)具有完全自主知識產權的第一條核級鋯材生產線中的關鍵設備。該機組的投產，標志著制約我國核電發(fā)展的核級鋯材的批量生產走上了自主化、國產化的道路，將很快結束我國核級鋯材長期依賴進口的局面。本文主要介紹了40 MN臥式雙動鋯擠壓機組的特點、結構和主要參數(shù)。

1 機組組成

40 MN臥式雙動鋯擠壓機組主要由主機本體、液壓系統(tǒng)、機械化部分、工頻加熱爐、后部出料系統(tǒng)及電氣控制部分組成?？梢酝瓿射啿牡挠?無壓余擠壓;鋯管的擴孔/不擴孔擠壓等多種擠壓工藝。

1.1 主機本體

主機本體主要由框架、主缸和側缸、動梁、穿孔系統(tǒng)、擠壓容室、擠壓工具、移動模架、檢測及潤滑裝置、坯錠潤滑系統(tǒng)組成。主機框架為預應力組合式框架，穿孔系統(tǒng)為內置式，動梁和擠壓筒采用“X”型導軌導向、移動模架為兩工位直線移動型式。

鋯合金特別是核級鋯具有變形抗力大、流動性差、粘性強、擠壓溫度窄、擠壓比小等特性，為了實現(xiàn)鋯及其合金管、棒及型材的擠壓，除了嚴格控制擠壓溫度、擠壓比、比壓和使用合理的潤滑劑外，擠壓工模具的結構和形狀也是十分重要的影響因素之一，因此我們對擠壓工模具做了針對性的特殊設計。由于每個工作循環(huán)穿孔針必須潤滑，因此對穿孔針的結構和安裝方式也做了特殊設計;穿 (擴)孔力、擠壓筒鎖緊力做了適當調整。經過實驗研究和實際使用結果看，這種結構設計和力的調整是合理而且十分必要的。

1.2 機械化部分

機械化部分主要是完成坯錠潤滑、坯錠上料、擠壓墊循環(huán)、壓余分離及擠壓殘料回收工作。主要包括:坯錠潤滑線、坯料輸送機、擠壓墊提升及推進機構、升錠機械手、滑鋸、壓余分離裝置、擠壓墊溜槽、穿孔針快換機械手、擠壓筒清理及潤滑裝置等。

由于核級鋯擠壓溫度窄，物料轉移時間控制嚴格，從爐門打開到坯錠完全進入擠壓筒，總時間不得大于60 s，以防止坯料溫降過大。本研究設計的坯料轉移系統(tǒng)結構緊湊，送料速度快而平穩(wěn)，送料定位精準。

鋯材擠壓的潤滑非常關鍵，除了選用合理的潤滑劑外，潤滑方式及潤滑膜厚度也是影響擠壓制品的關鍵因素。充分合理的潤滑不但可以大大減小擠壓力或擴孔力，而且可以避免粘筒、粘膜、粘針現(xiàn)象，提高產品表面質量;換言之，不潤滑或不能充分潤滑，幾乎不可能完成鋯材擠壓。本研究設計的坯錠的潤滑采用涂層潤滑，潤滑劑主要成分為二硫化鉬、玻璃粉、石墨等，其配比隨合金成分不同而變化;同時根據(jù)不同的合金成分確定了合理的涂層厚度。實驗和實踐證明本研究中的潤滑劑成分和配比合理，潤滑工藝和裝置對坯錠潤滑的涂層均勻、附著力強，完全滿足了實際生產要求。

1.3 工頻加熱爐

坯錠加熱采用立式工頻加熱爐。加熱坯料規(guī)格:外徑φ215 mm，長300～880 mm，加熱溫度在600～950℃，鑄錠軸向頭、中、尾，徑向外、中、內加熱溫度與設定溫度偏差不超過30℃。加熱系統(tǒng)加熱工藝曲線可根據(jù)生產要求進行設置，加熱過程可自動控制。

1.4 后部出料系統(tǒng)

后部出料系統(tǒng)用于除煙塵及制品的出料、空冷、水冷、運輸、檢驗、定尺鋸切等。該系統(tǒng)的工作與主機相匹配。主要包括:出料臺、步進冷床、冷卻槽、檢驗輥道、定尺鋸、鋸切 (定尺)輸出輥道。

1.5 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用泵加蓄勢器聯(lián)合傳動。鋯材擠壓采用泵直接傳動，鈦及鈦合金擠壓采用泵+蓄勢器傳動。

液壓系統(tǒng)技術特點:

(1)蓄勢器和氣罐除設有液壓、氣壓安全閥和液位監(jiān)控器，同時設有壓力變送器，可實時監(jiān)控系統(tǒng)壓力;

(2)在主缸、穿孔缸、回程缸、擠壓筒移動缸和移動模架缸等缸體的液壓控制回路中設有安全溢流閥，以保證設備安全，不會因超壓損壞缸體;

(3)每臺泵均設有泵頭循環(huán)閥，使所有泵均可單獨使用、也可聯(lián)合使用，互不干擾，可避免泵帶載啟動等不安全隱患;

(4)采用比例控制技術，使擠壓機各個執(zhí)行元件的運動平穩(wěn)、定位準確;

(5)擠壓桿、穿孔針、擠壓筒及移動模架的動作采用比例變量泵控制，通過改變變量泵的流量以實現(xiàn)慢速啟動、快速運行、慢速靠近停止。為了精確控制擠壓速度，在控制回路中設有比例節(jié)流閥，采用閉環(huán)控制，使擠壓速度的控制精度可達±3%;

(6)機械化裝置中升錠機、滑鋸、坯料輸送機、壓余拉出及模架移動等主要動作采用比例閥和比例泵控制以實現(xiàn)慢速啟動、快速運行、慢速靠近、準確定位停止，來實現(xiàn)機械化各動作的快速、平穩(wěn)和準確定位。

(7)在泵蓄勢器至壓機的主回路中設有大流量高動態(tài)性能二通比例流量插裝閥，可在高速擠壓時精確地控制擠壓速度;

(8)擠壓桿、穿孔針及擠壓筒的動作采用二通插裝式錐閥控制，通過功能元件來調節(jié)主閥芯的開關時間及速度，以滿足大流量、快速、無沖擊的要求;

(9)該擠壓機工作缸直徑和行程都較大，在擠壓過程中儲存了大量能量，為了實現(xiàn)快速運動，要求系統(tǒng)能快速平穩(wěn)的卸壓，采用了比例卸壓技術，系統(tǒng)高壓大流量時，按設定的壓力流量曲線平穩(wěn)快速卸壓，保證了卸壓平穩(wěn)、快速、無沖擊和振動;

(10)設有專用恒壓系統(tǒng)對擠壓筒鎖緊缸進行保壓，以保證擠壓筒與模具之間緊密接觸，擠壓時不“戴草帽”;

(11)在主缸及穿孔缸油路中，設有比例溢流閥及壓力傳感器，進行限壓保護，以保護擠壓軸及穿孔針，并降低能耗，防止壓機工作過程中壓力失控，以保證設備不會發(fā)生意外事故。

1.6 電氣控制部分

在保證機組技術參數(shù)、機械動作及液壓系統(tǒng)要求的基礎上，電氣控制系統(tǒng)的功能最大限度滿足工藝和產品的需求，做到整機高可靠性、高自動化、低故障率，操作維修安全、方便。

電氣控制系統(tǒng)設置了工業(yè)控制計算機IPC，主要完成擠壓工作制度及工藝制度顯示;擠壓參數(shù)設定;機組主要技術參數(shù)顯示;故障報警與顯示;生產管理等多層界面以滿足生產需求。

可編程控制器PLC是擠壓機的主控制器，實現(xiàn)擠壓機的level1控制，擠壓機主機和機械化部分的各種動作控制，由于主操作臺上按鈕、開關、指示燈非常多，為提高系統(tǒng)的可靠性，減少柜、臺聯(lián)線，在操作臺內設置有PLC分布站，通過PROFIBUS-DP與可編程控制器PLC相連，由可編程控制器PLC進行遠程控制。

電氣控制系統(tǒng)可實時通訊，既可采集擠壓機工作的主要參數(shù)，實現(xiàn)自動化參數(shù)在線管理，又可以通過其輸入各種工藝參數(shù)，調整壓機工作狀態(tài)，使得設備工作時擠壓時間和輔助工作時間縮短，產品的產量和成品率進一步提高，從而使設備在最佳參數(shù)匹配下進行工作。

2 40 MN臥式雙動鋯擠壓機主要技術參數(shù)

公稱擠壓力 40 MN

擠壓速度 0.5～100 mm/s

動梁空程前進速度 180 mm/s

穿孔力 5MN

穿孔行程 1100 mm

擠 壓 筒 直 徑 φ216mm、 φ260mm、φ310 mm

擠壓筒鎖緊力 5 MN

擠壓筒長度 1100 mm

擠壓筒加熱溫度 500℃

擠壓管材壁厚偏差不超過管材壁厚的≤2%

3 鋯合金擠壓的工藝特點

3.1 鋯材加工典型工藝

坯錠鍛造－淬火－機加－潤滑－加熱－擠壓－水冷－局部打磨－檢驗－定尺鋸切－矯直－外磨－內磨－退火－軋制－檢驗。

3.2 擠壓工藝

鋯材擠壓通常采用有壓余擠壓和無壓余擠壓兩種方式，根據(jù)擠壓制品的要求進行選擇。有壓余擠壓缺點是成品率低，對熱鋸要求高，鋸片磨損快等;優(yōu)點是對環(huán)境污染小。無壓余擠壓采用石墨墊做犧牲壓余，優(yōu)點是成品率高，無金屬壓余，不使用熱鋸;缺點是石墨對環(huán)境有一定污染。

工模具潤滑對于鋯材擠壓非常重要，擠壓筒和模具每次擠壓前用潤滑漿噴涂;擠壓針和擴孔頭需要經過潤滑漿噴涂、干燥和預熱。

鋯管擠壓一般采用擴孔擠壓，擴孔速度一般控制在6 mm/s，擠壓速度3 mm/s左右。對于一些低合金民用鋯，擠壓速度可以到12 mm/s，最大不應超過30 mm/s。40 MN臥式雙動鋯擠壓機可以達到100 mm/s的擠壓速度，主要用于鈦及鈦合金的擠壓加工。

3.3 工藝難點

鋯合金具有變形抗力大、流動性差、粘性強、擠壓溫度控制嚴格、擠壓比小、較易燃燒等特性。使得鋯合金擠壓具有擠壓力大、截面壓應力高、突破應力高等工藝特點。例如某核級鋯715℃時擠壓截面壓應力845 MPa，突破應力1116 MPa;650℃時擠壓截面壓應力902 MPa，突破應力1148 MPa，這就對擠壓工具提出了更高的要求。

核級鋯材對擠壓溫度要求很高，必須嚴格控制。其加熱坯錠軸向頭、中、尾，徑向外、中、內與設定溫度偏差不超過30℃，超過溫差30℃可能會引起坯錠局部過燒，產生相變，造成坯錠報廢。

某些鋯合金的粘性強，在擠壓時易粘穿孔針、粘模、粘筒、粘鋸、夾鋸等。對于粘針、粘模、粘筒現(xiàn)象，只要保證正確良好的潤滑就可以解決。通過采用無壓余擠壓，不使用熱鋸就可避免粘鋸、夾鋸的現(xiàn)象發(fā)生;如果必須采用有壓余擠壓，熱鋸應保持良好的冷卻潤滑，降低鋸片進給速度，同時加大鋸齒線速度，進給速度保持在1～2 mm/s較為合適;鋸齒線速度應大于100 m/s。

4 結論

中國重型機械研究院有限公司開發(fā)的40 MN臥式雙動鋯擠壓機組是專為鋯及鋯合金擠壓加工而開發(fā)的擠壓機，可以滿足各種民用鋯合金、核級鋯合金管材、棒材和型材的擠壓加工，穿孔系統(tǒng)可實現(xiàn)隨動針和固定針擠壓，是我國第一條具有完全自主知識產權的核級鋯材生產線中的關鍵設備。該機組的建成投產，標志著制約我國核電發(fā)展的核級鋯材的批量生產走上了自主化、國產化的道路，結束了我國核級鋯材長期依賴進口的局面。為我國的核電事業(yè)做出了應有的貢獻。

［1］ 魏軍．金屬擠壓機 ［M］．北京:化學工業(yè)出版，2005．

［2］ 謝建新，劉靜安．金屬擠壓機理論與技術 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2001．

［3］ 王樂安．難變形合金鍛件生產技術 ［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2005．