CN108817121A - 一种恒温高速挤压液氮冷却装置及冷却工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种恒温高速挤压液氮冷却装置，在挤压模具的专用模垫上根据型材形状和变形量开设有冷却通道和高压水通道，其中：所述冷却通道通过液氮管路连接液氮供给装置，液氮通过冷却通道上的液氮喷嘴喷射在模具的表面，用于吸收铝棒变形、摩擦带来的热量，降低模具温度；所述高压水通道与所述冷却通道相邻设置，高压水通过高压水通道上的水汽喷嘴喷射在模具的表面；在挤压模具的出料口设有红外线测温装置，用于实时检测铝棒温度；本发明还提供一种采用上述恒温高速挤压液氮冷却装置的冷却工艺。本发明的恒温高速挤压液氮冷却装置及冷却工艺能够实现高速挤压状态下控制挤压升温，有助于提高挤压效率和产品的表面光洁度。

Description

一种恒温高速挤压液氮冷却装置及冷却工艺

技术领域

本发明涉及金属型材加工领域，尤其涉及一种恒温高速挤压液氮冷却装置及冷却工艺。

背景技术

铝型材因具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、外形美观等优点，广泛应用于建筑、车辆、船舶、飞机、电子、家居装饰等各个领域。其发展速度远高于其它金属材料，其消费也仅次于钢铁。

挤压成型作为铝型材生产中的主导技术和核心环节，是保障产品质量、缩短投产时间和提高模具寿命的关键所在。在挤压过程中，金属的变形和摩擦会导致铝合金挤压温度的升高，且温度升高的程度会随着挤压速度的增加而增加。挤压温度的升高将会给铝型材生产带来诸多不利影响，例如，会使型材力学性能下降、表面氧化变化、甚至发生热裂。因此，降低变形和摩擦所产生的热量成为铝加工行业中急需解决的问题。

液氮冷却技术能够能有效解决挤压过程中模具的温升问题，因此受到国内外越来越多的铝型材企业的关注。研究发现采用模具液氮冷却技术能取得较多显著的效益：1、低温液氮在对模具冷却的同时会马上蒸发为具有惰性的氮气，能够保护模具和挤压型材表面，使其不被高温氧化；2、模具液氮冷却中带走的多余热量能够增加挤压速度和延长挤压连续运行的形成；3、模具液氮冷却过程能精确控制液氮流量，不会造成坯料过冷，从而达到最佳冷却效果及其最佳工艺温度，能够最大限度提高挤压效率，当大批量挤压某种型材时，采用液氮冷却模具技术，可取得较为显著的经济效益；4、模具液氮冷却还可以在一定程度上延长模具寿命。

在工业铝型材生产行业，尤其是汽车用高档铝型材的公司，在铝型材挤压过程中，如果挤压速度过慢，则会影响挤压的生产效率，如果挤压速度过快，则会造成金属流动不均匀，产品表面会出现麻点、裂纹、拖伤、拉裂等缺陷。所以，挤压铝材要保证一定的高速挤压，控制挤压温升是必由之路，液氮冷却是解决这一难题的较好方式。

目前较先进的模具冷却***均是由计算机控制，既能使模具充分冷却，又不会使坯料过冷，具有较高的可操作性和实用性。在实际应用中，一般采用以下三种液氮通道设计的冷却方法：1、工作带直接冷却法；2、模外冷却法；3、模垫冷却法。其中，在模具本体上直接加工液氮通道的难度较大，模外冷却则冷却效率较低。采用模垫冷却法具有加工容易、冷却介质分配均匀、冷却效率高的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种恒温高速挤压液氮冷却装置及冷却工艺，能够实现高速挤压状态下控制挤压升温，有助于提高挤压效率和产品的表面光洁度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种恒温高速挤压液氮冷却装置，在挤压模具的专用模垫上根据型材形状和变形量开设有冷却通道和高压水通道，其中：

所述冷却通道通过液氮管路连接液氮供给装置，液氮通过冷却通道上的液氮喷嘴喷射在模具的表面，用于吸收铝棒变形、摩擦带来的热量，降低模具温度；

所述高压水通道与所述冷却通道相邻设置，高压水通过高压水通道上的水汽喷嘴喷射在模具的表面；

在挤压模具的出料口设有红外线测温装置，用于实时检测铝棒温度。

为了优化上述的技术方案，本发明采取的技术措施还包括：

进一步地，所述液氮管路上连接液氮控制阀，所述液氮控制阀与所述红外线测温装置连接，并根据红外线测温装置检测温度反馈控制通入所述冷却通道中的液氮的流量。

进一步地，所述冷却通道包括环绕型材设置的第一冷却通道和第二冷却通道，所述第一冷却通道设置于所述第二冷却通道的***，且与所述第二冷却通道同轴；

在所述第一冷却通道和第二冷却通道之间连通有多个支管道，在所述第二冷却通道内侧设置有多个液氮喷嘴；

所述第一冷却通道通过侧孔连通液氮管路，液氮从液氮管路进入第一冷却通道，经过支管道进入第二冷却通道，再通过液氮喷嘴喷射在模具的表面，所述第二冷却通道的沟槽尺寸小于所述第一冷却通道的沟槽尺寸，所述液氮喷嘴的沟槽尺寸小于所述第二冷却通道的沟槽尺寸。

进一步地，所述第一冷却通道的沟槽尺寸为10-11m*8-10mm，所述第二冷却通道的截面径为8-9mm*6-7mm，所述液氮喷嘴的截面径为3-4mm*3-4mm。

进一步地，所述第一冷却通道的沟槽尺寸为宽10mm、深8mm，所述第二冷却通道的沟槽尺寸为宽8mm、深6mm，所述液氮喷嘴的沟槽尺寸为宽3mm、深3mm，所述支管道的沟槽尺寸与所述第二冷却通道相同。

进一步地，所述水汽喷嘴略向液氮喷嘴倾斜，以使高压水的喷射位置与液氮的喷射位置相邻或相近。

进一步地，所述液氮管路上设有保温隔热层。保温隔热层能够尽可能降低液氮在输送过程中与外界环境之间进行热量交换，保证液氮不受外界温度的影响，减少能源损耗，进而最大化利用液氮冷却。

另一方面，本发明提供一种采用上述恒温高速挤压液氮冷却装置的冷却工艺，包括以下步骤：

(1)在进入挤压机前使用预热炉对铝棒梯度预热，使铝棒纵向温度呈梯度递减，前后两端的递减范围为440-520℃；

(2)预热后的铝棒进入挤压机挤压，挤压过程中控制温度进行恒温挤压；

(3)液氮通过冷却通道上的液氮喷嘴喷射在模具的表面，高压水通过高压水通道上的水汽喷嘴喷射在模具的表面，控制液氮与高压水通入量的质量比为1.5～3.0:1；

(4)红外线测温装置实时检测出料口的铝棒温度，控制挤压出料温度为530-560℃。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明通过在挤压模具的专用模垫上开设冷却通道和高压水通道，控制液氮与高压水通入量的质量比，并通过出料口的红外线测温装置反馈控制液氮与高压水的通入量，能够实现高速挤压状态下控制挤压升温，提高了挤压效率和产品表面光洁度，使得挤压出料线速度相对于未设置本发明的液氮冷却工艺时提高25％以上。

附图说明

图1为本发明的一种优选实施例的结构示意图；

图2为图1中的冷却通道的一种优选实施例的结构示意图；

图3为图1中的高压水通道的一种优选实施例的结构示意图；

其中的附图标记为:

1-专用模垫；2-通用模垫；3-模套；4-挤压机前梁；5-模具；6-挤压筒；7-铝棒；8-冷却通道；81-第一冷却通道；82-第二冷却通道；83-支管道；84-液氮喷嘴；85-侧孔；9-高压水通道；91-水汽喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1-图3，一种恒温高速挤压液氮冷却装置，在挤压模具的专用模垫1上根据型材形状和变形量开设有冷却通道8和高压水通道9，其中：

冷却通道8通过液氮管路连接液氮供给装置，液氮通过冷却通道8上的液氮喷嘴84喷射在模具5的表面，用于吸收铝棒7变形、摩擦带来的热量，降低模具5温度；

高压水通道9与冷却通道8相邻设置，高压水通过高压水通道9上的水汽喷嘴91喷射在模具5的表面；

在挤压模具的出料口设有红外线测温装置(图中未示出)，用于实时检测铝棒7温度，液氮管路上连接液氮控制阀(图中未示出)，液氮控制阀与红外线测温装置连接，并根据红外线测温装置检测温度反馈控制通入冷却通道8中的液氮的流量。

于上述技术方案的基础上，参见图2，冷却通道8包括环绕型材设置的第一冷却通道81和第二冷却通道82，第一冷却通道81设置于第二冷却通道82的***，且与第二冷却通道82同轴；在第一冷却通道81和第二冷却通道82之间连通有至少4个支管道83，在第二冷却通道82内侧设置有至少8个液氮喷嘴84；第一冷却通道81通过侧孔85连通液氮管路，液氮从液氮管路进入第一冷却通道81，经过支管道83进入第二冷却通道82，再通过液氮喷嘴84喷射在模具5的表面。其中，第二冷却通道82的沟槽尺寸小于第一冷却通道81的沟槽尺寸，液氮喷嘴84的沟槽尺寸小于第二冷却通道82的沟槽尺寸，支管道83的沟槽尺寸与第二冷却通道82相同，液氮喷嘴84的沟槽尺寸小于第二冷却通道82的沟槽尺寸。本实施例中优选为：第一冷却通道81的沟槽尺寸为宽10mm、深8mm，第二冷却通道82的沟槽尺寸为宽8mm、深6mm，支管道83的沟槽尺寸为宽8mm、深6mm，液氮喷嘴84的沟槽尺寸为宽3mm、深3mm，侧孔85的截面径为20mm；其中，第一冷却通道81距离轴心的距离为80mm，第二冷却通道82距离轴心的距离为55mm，液氮喷嘴84的喷出口距离轴心的距离为40mm，侧孔85的进入口距离轴心的距离为130mm。本发明通过设置沟槽尺寸递减的多层冷却通道8，实现对液氮的节流降压，节流降压后的液氮再喷射至模具5的表面，能够有助于降低液氮的温度，提高冷却效果，还能够有助于提高模垫和模具5的使用寿命。

于上述技术方案的基础上，高压水通道9与冷却通道8并排相邻设置于专用模垫1上，高压水通道9上的水汽喷嘴91略向液氮喷嘴84倾斜，以使高压水的喷射位置与液氮的喷射位置相邻或相近，以使模具5表面具有均匀的冷区效果。

于上述技术方案的基础上，液氮管路上设有保温隔热层，尽可能降低液氮在输送过程中与外界环境之间进行热量交换，保证液氮不受外界温度的影响，减少能源损耗，进而最大化利用液氮冷却。

一种采用上述恒温高速挤压液氮冷却装置的冷却工艺，在铝棒7进入挤压机前，先通过入口处增加的预热炉进行梯度预热，使铝棒7纵向温度呈梯度递减，前面高，后面低，前后两端的递减范围为440-520℃；预热后的铝棒进入挤压机挤压，在铝棒7挤压过程中，控制温度进行恒温挤压，从而能够使得铝棒7具有均匀的温度，以便于本发明的液氮冷却工艺对铝棒7实现均匀冷却；同时，在挤压过程中，挤压模具的专用模垫1内的冷却通道8通液氮，专用模垫1内的高压水通道9通高压水，并控制液氮与高压水通入量的质量比为1.5～3.0:1，液氮和高压水同时喷射至模具5表面，吸收铝棒7变形、摩擦带来的热量，降低模具5温度；同时，在挤压模具的出料口设置红外线测温仪，实时检测出料口铝棒7温度并反馈调节液氮和高压水的通入量，以使出料口温度稳定阶段控制在530℃-560℃范围。

由于挤压过程中由于塑性变形生热、合金与模具摩擦生热均会使得合金温度上升，在出口处达到最高，因此将红外线测温装置设置于挤压模具的出料口；红外线测温装置优选为红外线测温仪，其实时检测出料口铝棒7温度，并将该温度传送到计算机控制***与设定温度进行比较后，计算机控制***输出控制信号以驱动液氮控制阀控制液氮的通入量，从而达到控制模具5温度的目的；同时，在高压水通道9上也设置有控制阀门，计算机控制***同时输出控制信号以驱动控制阀门控制高压水的通入量，以确保液氮与高压水通入量的质量比为1.5～3.0:1。高压水与液氮同时从液氮喷嘴84和水汽喷嘴91中喷射至模具5表面，具有如下优点：1、水雾喷射至模具表面经过汽化之后可以带走部分热量，配合液氮使用可以进一步降低模具内温度；2、能够让水雾吸收液氮向外扩散的温度，节省能量的损耗；3、控制其最优质量比为1.5-3.0:1，使得喷射的瞬间在模具表面形成水膜，能够提高换热效率，加快冷却速度。

由上述实施例可知，本发明的恒温高速挤压液氮冷却工艺，通过在挤压模具的专用模垫上开设冷却通道和高压水通道，控制液氮与高压水通入量的质量比，并通过出料口的红外线测温装置反馈控制液氮与高压水的通入量，能够实现高速挤压状态下控制挤压升温，提高了挤压效率和产品表面光洁度，使得挤压出料线速度相对于未设置本发明的液氮冷却工艺时提高25％以上。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种恒温高速挤压液氮冷却装置，其特征在于，在挤压模具的专用模垫(1)上根据型材形状和变形量开设有冷却通道(8)和高压水通道(9)，其中：

所述冷却通道(8)通过液氮管路连接液氮供给装置，所述高压水通道(9)与所述冷却通道(8)相邻设置；

在挤压模具的出料口设有红外线测温装置所述液氮管路上连接液氮控制阀，所述液氮控制阀与所述红外线测温装置连接。

2.根据权利要求1所述的恒温高速挤压液氮冷却装置，其特征在于，所述冷却通道(8)包括环绕型材设置的第一冷却通道(81)和第二冷却通道(82)，所述第一冷却通道(81)设置于所述第二冷却通道(82)的***，且与所述第二冷却通道(82)同轴；

在所述第一冷却通道(81)和第二冷却通道(82)之间连通有多个支管道(83)，在所述第二冷却通道(82)内侧设置有多个液氮喷嘴(84)；

所述第一冷却通道(81)通过侧孔(85)连通液氮管路，液氮从液氮管路进入第一冷却通道(81)，经过支管道(83)进入第二冷却通道(82)，再通过液氮喷嘴(84)喷射在模具(2)的表面，所述第二冷却通道(82)的沟槽尺寸小于所述第一冷却通道(81)的沟槽尺寸，所述液氮喷嘴(84)的沟槽尺寸小于所述第二冷却通道(82)的沟槽尺寸。

3.根据权利要求2所述的恒温高速挤压液氮冷却装置，其特征在于，所述第一冷却通道(81)的沟槽尺寸为10-11m*8-10mm，所述第二冷却通道(82)的截面径为8-9mm*6-7mm，所述液氮喷嘴(84)的截面径为3-4mm*3-4mm。

4.根据权利要求3所述的恒温高速挤压液氮冷却装置，其特征在于，所述第一冷却通道(81)的沟槽尺寸为宽10mm、深8mm，所述第二冷却通道(82)的沟槽尺寸为宽8mm、深6mm，所述液氮喷嘴(84)的沟槽尺寸为宽3mm、深3mm，所述支管道(83)的沟槽尺寸与所述第二冷却通道(82)相同。

5.根据权利要求1所述的恒温高速挤压液氮冷却装置，其特征在于，所述水汽喷嘴(91)略向液氮喷嘴(84)倾斜，以使高压水的喷射位置与液氮的喷射位置相邻或相近。

6.根据权利要求1所述的恒温高速挤压液氮冷却装置，其特征在于，所述液氮管路上设有保温隔热层。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述恒温高速挤压液氮冷却装置的冷却工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在进入挤压机前使用预热炉对铝棒梯度预热，使铝棒纵向温度呈梯度递减，前后两端的递减范围为440-520℃；

(2)预热后的铝棒进入挤压机挤压，挤压过程中控制温度进行恒温挤压；

(3)液氮通过冷却通道上的液氮喷嘴喷射在模具的表面，高压水通过高压水通道上的水汽喷嘴喷射在模具的表面，控制液氮与高压水通入量的质量比为1.5～3.0:1；

(4)红外线测温装置实时检测出料口的铝棒温度，控制挤压出料温度为530-560℃。