鋁擠壓筒智能高效長壽命直插式金屬加熱管的研發與應用
季法生1 許建平1 季五官1 劉靜安2
1. 張家港市東航電熱電器廠（江蘇215600）
2. 西南鋁業有限公司（重慶401326）
摘 要：擠壓筒的加熱及在擠壓過程中的溫度控制對產品質量、生產效率、工具使用壽命、生產成本以及能耗和環保等均有重大意義，本文在分析了傳統的擠壓筒加熱系統及溫控裝置的弊端之後，介紹了新型的鋁擠壓筒智能高效長壽命直插式金屬加熱管的研制與應用情況。
關鍵詞: 鋁擠壓筒加熱系統 直插式金屬加熱管 智能控溫裝置 高效 長壽命 節能 環保 研發與應用
1、立項的研制的重大意義
1.1 擠壓筒溫度控制在鋁擠壓過程中的重要作用
鋁及鋁合金在擠壓前，擠壓工具特別是擠壓筒的預熱及擠壓過程中的溫度控制直接影響擠壓產品的質量、生產效率。擠壓工具的使用壽命和生產成本的高低以及能耗和勞動生產環境。如果能有效精確地控制擠壓筒的梯度加熱，實現等溫擠壓，則對鋁擠壓過程提高產品質量，節省操作時間，提高生產效益和節能減時等具有更加重大的意義。
1.2 傳統的擠壓筒加熱與溫度控制存在的重大問題
鋁擠壓筒的預加熱方式很多，其中最常見的使用方法是採用在擠壓筒外殼加“C”型電阻絲進行加熱或用環形（哈佛）式回熱管環抱在擠壓筒內膽與外膽之間，利用電能產生熱能，來保持擠壓過程所需的溫度，傳統加熱方式的主要弊端是加熱效率低，加熱時間長，能耗大，加熱管使用壽命短，而且加熱不均，易產生應力集中，損傷擠壓筒，控溫效果差，不能形成擠梯度加熱與實現等溫擠壓，不能保證產品質量，有時還會嚴重產生鳴聲，惡化環境，出現事故，生產和安裝也比較麻煩。並且安裝和檢修影響環境。由此可見，傳統的擠壓筒加熱方式已成爲高速發展鋁擠壓生產和技術的障礙，必須另闢新徑研發新一代先進的擠壓筒加熱與溫控系統以滿足鋁擠壓高速發展的需求。針對上述問題，XX公司引入智能化零部件管理系統與SolindWorks、ERP集成，建立了10萬個以上3D模型數據庫。拿到客戶新圖就開始匹配搜索，提高了產品評審科學性、加快了模具開發效率，實現了產品評審、模具開發、模具報廢數據智能化管理。
1.3 立項的過程與研制成果應用的重大意義
張家港市東航電熱電器廠，是研制各種金屬管狀電熱元件產品的制造者，也是國內外銅、鋁擠壓筒加熱系統的主要供應商。長期的生產與使用經驗對傳統擠壓筒加熱方式的弊端及其產生的原因有了深刻的認識，根據國外的發展趨勢和國內用戶的迫切要求，響應國家“十二五”節能減排的號召，公司董事長兼總經理爲首成立了研究攻關小組，於2005年立項研制並開發新一代擠壓筒加熱與智能高效節能直插式加熱管系統，以產、學、研、用等形式，組織國內有關學者和專家開展了小試、中試、大試到產業化的漫長的艱苦卓越的研究試驗與試制工作，經過了十多年的努力，終於首創了我國第一套鋁擠壓筒智能高效長壽命節能直插式金屬加熱管系統，並產業化推廣應用到國內外上千臺鋁擠壓機生產線上，爲我國乃至世界擠壓機生產技術的發展做出了貢獻。
2、主要研制內容及關鍵技術難點的解決方案
2.1項目的目標是針對傳統方式的弊端研制出新一代鋁擠壓筒智能高效長壽命節能直插式金屬加熱管及溫控系統，主要任務指標是：
（1）節能；與傳統加熱相比節能30%以上。
（2）高效；加熱速度快，與傳統加熱方式相比，從室溫加熱到500℃，可縮短一半以上時間。
（3）長壽命；與其他加熱方式相比，加熱管使用壽命可延長3-5倍，可達2年以上。
（4）智能溫控；可分區分段加熱，形成梯度加熱，實現等溫擠壓，提高產品質量。
2.2 主要研制內容及關鍵技術難點解決方案
（1）開發或改造一套新型的擠壓筒加熱系統，結構設計與尺寸及熱傳導計算是難點，解決方法是根據節能、高效和智能溫控的要求，新設計制造或將現有的擠壓筒加熱系統進行改造。爲了節約成本，節省能源和時間，最好利用現有的設備按要求進行改造。見圖1：
圖1、現有擠壓筒加熱系統改造成新型高效節能型加熱系統
(1）現有舊擠壓筒；（2）金加工挖槽；（3）鑽深孔(直插加熱管）；
（4）安裝直插式加熱管；（5）改造好新型擠壓筒加熱裝置。
尺寸設計根據擠壓筒的大小和熱傳遞方式以及有關要求進行設計計算，確定最佳電功率和直插加熱管的熱負荷與布置位置。
（2）新型直插式長壽命節能金屬加熱管的研制
新型直插式金屬電加熱管的結構材料選擇和尺寸設計是保證新一代加熱管高效長壽命節能及成本的關鍵技術，材料選擇及制作工藝又是關鍵中的關鍵，既要保證耐熱又要快速傳熱，防燒損、防絕緣擊穿、不變形、長壽命、又要物美價廉便於加工制作，經過上千次的試驗對比，匯同全國的相關學者專家的研究成果，並參考了國外的有關資料，終於研制成功了一種特殊的不鏽鋼材料，達到了長壽命，高效節能的目的。
經過嚴密的理論計算和很多次的對比試驗，結合用戶使用的要求，設計生產了符合研制要求的高效長壽命易安裝檢修又降成本的直插式金屬加熱管，其結構形式和尺寸見圖2。
圖2 新型直插式金屬加熱管的結構與尺寸示意圖
（3）智能鋁擠壓機溫控裝置的研發與操作
智能鋁擠壓溫控，即是在鋁材擠壓過程中均勻精確的控制溫度，形成梯度加熱，實現等溫擠壓，確保產品質量和提高生產效率，是本項目的關鍵技術之一,通過研發一種智能鋁擠壓過程的精密溫控裝置來實現，該溫控裝置能適用於8MN-150MN鋁材擠壓筒，是專業鋁材擠壓產生的溫控系統，溫度可分多區（2-4區）進行智能調節控制。根據不同的鋁型材合金牌號各擠壓溫度參數設定後，可達到400-700℃的自動整定梯度加溫，減少了擠壓冷熱應變力的變化，延長了擠壓筒及電加熱管的使用壽命。本裝置與直插式“波德”牌電熱管組合成一個完整的智能加熱系統，能提高節電效率，減少了更換電加熱管的工作量，最終提高了生產效率和產品質量的目的，與傳統的加熱系統相比，節省了25%～38%耗電能，實現了節能降本，提高生產效率和產品質量的目的。其裝置形式如圖3。
圖3 智能二區溫控裝置
該裝置的主要組成及工作性能與操作步驟如下。
裝置由電腦觸摸控制屏與PLC組成對加熱系統的智能邏輯控制，另外還有智能數字電力調整器，溫度自動整定，溫度場控制精度±1%。自動記錄溫度，在線修改各參數，觀察加熱系統的在線工作狀況。擠壓筒升溫梯度控制，閉環等溫擠壓，使擠壓模不會超載並大大提高生產率及產品質量。控溫操作步驟如下：
1）送上電源，電源指示燈亮，各儀表均有指示，見圖3。
2）登入電腦控制屏，顯示用戶名“USER”，點密碼，輸入密碼“****”點擊確定，點擊進入系統。
3）進入系統後，點開關設置，分別點“1＃、2＃，運行”，運行後1#、2#加熱指示燈亮。
4）點“運行”系統開始按程序運行。
5）當正常生產結束後，需要保溫。點保溫後，系統一直開始保溫到下次生產時，再點“恢復加溫”。
6）修改程序，在用戶名輸入“admin”密碼“123”，就可以修改設定參數。
7）可查詢歷史記錄數據和故障數據。
8）關機。選點“停止”“否、是”，點“是”加溫停止，再點開關設置上的“停止”，系統停止運行，最後切斷電源。
3、取得的主要成果及其先進性、創新性分析
3.1研發（改造）成功一套新型的鋁擠壓筒高效節能直插式加熱與溫控系統，徹底改變通常的“C”型電阻絲(從擠壓筒外層往內層進行傳遞加熱，時間長，效率低，熱損大。）加熱或原舊環形（哈佛式）加熱管環抱在內層與外層之間，利用電能產生熱能並保溫的低效率高能耗的傳統方法。爲了節約資源，節省成本和時間，可用原有擠壓筒進行改造，見圖4.
新研制開發（改造）的擠壓筒加熱與溫控系統在國內屬首創，已批準申報三個發明專利，二個實用專利。其具有以下特點：
圖4 10MN鋁擠壓筒新型加熱與溫控系統示意圖
a-改造前 b-改造後。
（1）由於新型加熱管分布均勻合理，直接加熱內膽，熱量損失小，在鋁合金型材擠壓中與傳統相比可省電30%以上，最高節電能可達40%左右，表1爲在10MN鋁擠壓機1#擠壓筒上生產鋁型材時加熱方式改變前後的電耗情況對比。由表可知；產量越高單噸耗電值越小，如9噸/天時，值爲13KWH/T，產量降低時單噸耗電值越大，如5~6T/天時，其值爲21KWH/T，但總的來說加熱方式改變後，電耗可節約30%以上，最高可達41.75%
（2）加熱器分布均勻合理，溫度控制精確，電功率較低（能耗小）擠壓筒和模具不易超溫，冷熱壓力減少，使其使用壽命大大提高（提高20%~30%左右）。
（3）由於熱效率的提高，擠壓筒的升溫速度也大提高，如10MN 1#擠壓筒從20℃升到450℃的時間郵改變前的7小時縮短到4小時，不僅提高了生產效率，而且達到了明顯的節能環保效果。
（4）直插式加熱方法適用於6~150MN的所有擠壓機，而且操作簡便，便於安裝和檢修，可利用原來的擠壓筒進行改造，可大大節約成本和時間。
（5）新型的直插式加熱管加熱方式，便於分區分段精密控制溫度，形成梯度加熱，實現等溫擠壓，大大提高產品質量。
3.2 首創“波德”牌直棒式加熱
管，創新了鋁擠壓筒的加熱方式和溫控系統。
攻關小組經十餘年上千次的試驗，於2011年首創國內鋁擠壓筒高效長壽命節能“波德”牌直棒式金屬加熱管及其系列產品。見圖5。
“波德”牌直棒式加熱管及其系列產品與智能溫控裝置屬國內首創，東航電熱電器有掌握核心科技，擁有自主知識產權，已獲國家三項發明專利，二項實用專利，專利授權號<201710671064.8 201710671594.2 201710672454.7 201720984267.8 201720985120.0>。
《波德》牌直插式金屬加熱管及其系列產品（見圖6，圖7）具有以下優異特性：
圖5 100MN擠壓筒“波德牌” 插入式電熱管示意圖
圖6 “波德牌”插入式電熱管系列 產品型號標示圖
圖7“波德”牌插入式電熱管系列 產品示意圖
（1）由於選用新型的特殊薄壁不鏽鋼管，具有導熱性優良，耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能。所以插入式電熱管的使用壽命比傳統的環形（哈佛式）加熱管高2~3倍，可達2年以上。
（2）直插式加熱管採用管狀設計，選擇特殊的薄壁不鏽鋼管，與經過改造的新型擠壓筒加熱系統相配合，直接插入擠壓筒外層的縱向開孔中，分布均勻，保溫效果好，熱效率高，在同等條件下（如加熱到450℃）時比傳統的加熱管可節電30%以上，最高可達40%左右。見表1。
（3）直插式加熱管由於熱效率高，分布均勻，可用做低功率加熱，可降低擠壓筒和模具冷熱應力，提高擠壓筒和模具的使用壽命。
（4）“波德”牌直插式加熱器與新型的經過改造的擠壓筒加熱系統配合使用，由於分布均勻，熱效率高，可大大提高擠壓筒升溫速度，縮短加熱時間，提高生產效率。如在8.8MN擠壓機的擠壓筒加熱時，從170℃加熱到450℃，用傳統的電熱管（32KW）加熱時間爲210分鍾，而改成直插式電熱管（15支*1.3KW/支，共19.5KW）加熱時間僅爲90分鍾。
（5）“波德”牌直插式電加熱管和新開發的擠壓筒加熱與控溫系統配合使用，由於分布均勻合理，控制效果好，可實現均勻精密控溫，通過分區、分段控制，可形成梯度加熱，實現等溫擠壓，大大提高擠壓產品的質量和生產效率。
（6）擠壓筒分區分段按程序進梯度升溫，實現等溫擠壓，梯度升溫見圖8。梯度升溫表。
鋁擠壓運行開始之前，使擠壓筒在最適當的狀態下升溫保溫，一旦擠壓筒從冷卻狀態一下子突然升溫的話由於擠壓筒內套和外周的溫度差可能導致熱嵌鬆動。擠壓筒自身也可能產生巨大殘留應力，由此擠壓運行中會出現內膽脫離或擠壓筒產生裂縫等問題，爲了規避此類問題的發生，擠壓筒各區域根據程序獨立自動地對擠壓筒進行梯度升溫.
圖8爲100MNΦ480MM鋁擠壓筒的梯度加熱升溫曲線圖
（7）“波德”直插式加熱管選材物美價廉，加工容易，安裝與檢修簡便，熱效率高加熱時間短，生產效率高，使用壽命長，所以成本大大降低，而且節能環保。
目前，在6.3MN～150MN鋁擠壓機的擠壓筒上加熱時已取得了明顯的經濟效益與社會效益。
3.3 自主研發新型的智能鋁型材熱擠壓專業控溫系統，與新型的經過改造的擠壓筒加熱系統相配合，可形成梯度加熱，實現等溫擠壓，大大提高擠壓制品的質量和生產效率，降低生產成本。
新型的智能溫控系統內PLC電腦觸摸屏，智能控制器，智能電力調整，SCR-M3，SCR-M2直插式加熱棒等組成，對一區、二區、三區、四區溫度的閉環溫度控制，實時記錄和監控在線運行的工況的溫度和加熱電流的動態值。
新型智能熱擠壓溫控系統，採用了擠壓筒升溫梯度控制，閉環等溫擠壓的智能控制。使擠壓生產率可提高10%
左右，成材率將提高2%~3%，擠壓型材的質量更加均勻，擠壓模不會超載，對於擠壓硬質合金等，其尺寸精度可得到時更加精確，並能延長加熱元件的使用壽命。
4、結論
（1）直插式加熱系統與控溫裝置與傳統加熱方式相比，高效加熱速度快，從室溫加熱到450℃可縮短一半時間，節能30%以上。
（2）直插棒壽命長與其它相比加熱管使用壽命可延長3～5倍，可達2年以上，維修方便，可在線維修，降低維修的工作量，提高產量。
（3）智能溫控，可分區，分段加熱，形成梯度加溫，實現等溫擠壓提高了2%～3%的成品率，提高 了擠壓速度10%～20%，大大節約生產成本，提高產品質量和效益。
（4）具有明顯經濟效益和社會效益，值得大力推廣應用。
5、致謝
本文在撰寫過程中，得到東航電熱電器廠和多家用戶的大力支持，提供了試驗材料、實驗場所和大量的圖表和數據，參考有關專家學者的試驗數據和成果。在此，一並感謝！
