铝挤压筒智能高效长寿命直插式金属加热管的研发与应用
季法生1 许建平1 季五官1 刘静安2
1. 张家港市东航电热电器厂（江苏215600）
2. 西南铝业有限公司（重庆401326）
摘 要：挤压筒的加热及在挤压过程中的温度控制对产品质量、生产效率、工具使用寿命、生产成本以及能耗和环保等均有重大意义，本文在分析了传统的挤压筒加热系统及温控装置的弊端之后，介绍了新型的铝挤压筒智能高效长寿命直插式金属加热管的研制与应用情况。
关键词: 铝挤压筒加热系统 直插式金属加热管 智能控温装置 高效 长寿命 节能 环保 研发与应用
1、立项的研制的重大意义
1.1 挤压筒温度控制在铝挤压过程中的重要作用
铝及铝合金在挤压前，挤压工具特别是挤压筒的预热及挤压过程中的温度控制直接影响挤压产品的质量、生产效率。挤压工具的使用寿命和生产成本的高低以及能耗和劳动生产环境。如果能有效精确地控制挤压筒的梯度加热，实现等温挤压，则对铝挤压过程提高产品质量，节省操作时间，提高生产效益和节能减时等具有更加重大的意义。
1.2 传统的挤压筒加热与温度控制存在的重大问题
铝挤压筒的预加热方式很多，其中最常见的使用方法是采用在挤压筒外壳加“C”型电阻丝进行加热或用环形（哈佛）式回热管环抱在挤压筒内胆与外胆之间，利用电能产生热能，来保持挤压过程所需的温度，传统加热方式的主要弊端是加热效率低，加热时间长，能耗大，加热管使用寿命短，而且加热不均，易产生应力集中，损伤挤压筒，控温效果差，不能形成挤梯度加热与实现等温挤压，不能保证产品质量，有时还会严重产生鸣声，恶化环境，出现事故，生产和安装也比较麻烦。并且安装和检修影响环境。由此可见，传统的挤压筒加热方式已成为高速发展铝挤压生产和技术的障碍，必须另辟新径研发新一代先进的挤压筒加热与温控系统以满足铝挤压高速发展的需求。针对上述问题，XX公司引入智能化零部件管理系统与SolindWorks、ERP集成，建立了10万个以上3D模型数据库。拿到客户新图就开始匹配搜索，提高了产品评审科学性、加快了模具开发效率，实现了产品评审、模具开发、模具报废数据智能化管理。
1.3 立项的过程与研制成果应用的重大意义
张家港市东航电热电器厂，是研制各种金属管状电热元件产品的制造者，也是国内外铜、铝挤压筒加热系统的主要供应商。长期的生产与使用经验对传统挤压筒加热方式的弊端及其产生的原因有了深刻的认识，根据国外的发展趋势和国内用户的迫切要求，响应国家“十二五”节能减排的号召，公司董事长兼总经理为首成立了研究攻关小组，于2005年立项研制并开发新一代挤压筒加热与智能高效节能直插式加热管系统，以产、学、研、用等形式，组织国内有关学者和专家开展了小试、中试、大试到产业化的漫长的艰苦卓越的研究试验与试制工作，经过了十多年的努力，终于首创了我国第一套铝挤压筒智能高效长寿命节能直插式金属加热管系统，并产业化推广应用到国内外上千台铝挤压机生产线上，为我国乃至世界挤压机生产技术的发展做出了贡献。
2、主要研制内容及关键技术难点的解决方案
2.1项目的目标是针对传统方式的弊端研制出新一代铝挤压筒智能高效长寿命节能直插式金属加热管及温控系统，主要任务指标是：
（1）节能；与传统加热相比节能30%以上。
（2）高效；加热速度快，与传统加热方式相比，从室温加热到500℃，可缩短一半以上时间。
（3）长寿命；与其他加热方式相比，加热管使用寿命可延长3-5倍，可达2年以上。
（4）智能温控；可分区分段加热，形成梯度加热，实现等温挤压，提高产品质量。
2.2 主要研制内容及关键技术难点解决方案
（1）开发或改造一套新型的挤压筒加热系统，结构设计与尺寸及热传导计算是难点，解决方法是根据节能、高效和智能温控的要求，新设计制造或将现有的挤压筒加热系统进行改造。为了节约成本，节省能源和时间，最好利用现有的设备按要求进行改造。见图1：
图1、现有挤压筒加热系统改造成新型高效节能型加热系统
(1）现有旧挤压筒；（2）金加工挖槽；（3）钻深孔(直插加热管）；
（4）安装直插式加热管；（5）改造好新型挤压筒加热装置。
尺寸设计根据挤压筒的大小和热传递方式以及有关要求进行设计计算，确定最佳电功率和直插加热管的热负荷与布置位置。
（2）新型直插式长寿命节能金属加热管的研制
新型直插式金属电加热管的结构材料选择和尺寸设计是保证新一代加热管高效长寿命节能及成本的关键技术，材料选择及制作工艺又是关键中的关键，既要保证耐热又要快速传热，防烧损、防绝缘击穿、不变形、长寿命、又要物美价廉便于加工制作，经过上千次的试验对比，汇同全国的相关学者专家的研究成果，并参考了国外的有关资料，终于研制成功了一种特殊的不锈钢材料，达到了长寿命，高效节能的目的。
经过严密的理论计算和很多次的对比试验，结合用户使用的要求，设计生产了符合研制要求的高效长寿命易安装检修又降成本的直插式金属加热管，其结构形式和尺寸见图2。
图2 新型直插式金属加热管的结构与尺寸示意图
（3）智能铝挤压机温控装置的研发与操作
智能铝挤压温控，即是在铝材挤压过程中均匀精确的控制温度，形成梯度加热，实现等温挤压，确保产品质量和提高生产效率，是本项目的关键技术之一,通过研发一种智能铝挤压过程的精密温控装置来实现，该温控装置能适用于8MN-150MN铝材挤压筒，是专业铝材挤压产生的温控系统，温度可分多区（2-4区）进行智能调节控制。根据不同的铝型材合金牌号各挤压温度参数设定后，可达到400-700℃的自动整定梯度加温，减少了挤压冷热应变力的变化，延长了挤压筒及电加热管的使用寿命。本装置与直插式“波德”牌电热管组合成一个完整的智能加热系统，能提高节电效率，减少了更换电加热管的工作量，最终提高了生产效率和产品质量的目的，与传统的加热系统相比，节省了25%～38%耗电能，实现了节能降本，提高生产效率和产品质量的目的。其装置形式如图3。
图3 智能二区温控装置
该装置的主要组成及工作性能与操作步骤如下。
装置由电脑触摸控制屏与PLC组成对加热系统的智能逻辑控制，另外还有智能数字电力调整器，温度自动整定，温度场控制精度±1%。自动记录温度，在线修改各参数，观察加热系统的在线工作状况。挤压筒升温梯度控制，闭环等温挤压，使挤压模不会超载并大大提高生产率及产品质量。控温操作步骤如下：
1）送上电源，电源指示灯亮，各仪表均有指示，见图3。
2）登入电脑控制屏，显示用户名“USER”，点密码，输入密码“****”点击确定，点击进入系统。
3）进入系统后，点开关设置，分别点“1＃、2＃，运行”，运行后1#、2#加热指示灯亮。
4）点“运行”系统开始按程序运行。
5）当正常生产结束后，需要保温。点保温后，系统一直开始保温到下次生产时，再点“恢复加温”。
6）修改程序，在用户名输入“admin”密码“123”，就可以修改设定参数。
7）可查询历史记录数据和故障数据。
8）关机。选点“停止”“否、是”，点“是”加温停止，再点开关设置上的“停止”，系统停止运行，最后切断电源。
3、取得的主要成果及其先进性、创新性分析
3.1研发（改造）成功一套新型的铝挤压筒高效节能直插式加热与温控系统，彻底改变通常的“C”型电阻丝(从挤压筒外层往内层进行传递加热，时间长，效率低，热损大。）加热或原旧环形（哈佛式）加热管环抱在内层与外层之间，利用电能产生热能并保温的低效率高能耗的传统方法。为了节约资源，节省成本和时间，可用原有挤压筒进行改造，见图4.
新研制开发（改造）的挤压筒加热与温控系统在国内属首创，已批准申报三个发明专利，二个实用专利。其具有以下特点：
图4 10MN铝挤压筒新型加热与温控系统示意图
a-改造前 b-改造后。
（1）由于新型加热管分布均匀合理，直接加热内胆，热量损失小，在铝合金型材挤压中与传统相比可省电30%以上，最高节电能可达40%左右，表1为在10MN铝挤压机1#挤压筒上生产铝型材时加热方式改变前后的电耗情况对比。由表可知；产量越高单吨耗电值越小，如9吨/天时，值为13KWH/T，产量降低时单吨耗电值越大，如5~6T/天时，其值为21KWH/T，但总的来说加热方式改变后，电耗可节约30%以上，最高可达41.75%
（2）加热器分布均匀合理，温度控制精确，电功率较低（能耗小）挤压筒和模具不易超温，冷热压力减少，使其使用寿命大大提高（提高20%~30%左右）。
（3）由于热效率的提高，挤压筒的升温速度也大提高，如10MN 1#挤压筒从20℃升到450℃的时间邮改变前的7小时缩短到4小时，不仅提高了生产效率，而且达到了明显的节能环保效果。
（4）直插式加热方法适用于6~150MN的所有挤压机，而且操作简便，便于安装和检修，可利用原来的挤压筒进行改造，可大大节约成本和时间。
（5）新型的直插式加热管加热方式，便于分区分段精密控制温度，形成梯度加热，实现等温挤压，大大提高产品质量。
3.2 首创“波德”牌直棒式加热
管，创新了铝挤压筒的加热方式和温控系统。
攻关小组经十余年上千次的试验，于2011年首创国内铝挤压筒高效长寿命节能“波德”牌直棒式金属加热管及其系列产品。见图5。
“波德”牌直棒式加热管及其系列产品与智能温控装置属国内首创，东航电热电器有掌握核心科技，拥有自主知识产权，已获国家三项发明专利，二项实用专利，专利授权号<201710671064.8 201710671594.2 201710672454.7 201720984267.8 201720985120.0>。
《波德》牌直插式金属加热管及其系列产品（见图6，图7）具有以下优异特性：
图5 100MN挤压筒“波德牌” 插入式电热管示意图
图6 “波德牌”插入式电热管系列 产品型号标示图
图7“波德”牌插入式电热管系列 产品示意图
（1）由于选用新型的特殊薄壁不锈钢管，具有导热性优良，耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能。所以插入式电热管的使用寿命比传统的环形（哈佛式）加热管高2~3倍，可达2年以上。
（2）直插式加热管采用管状设计，选择特殊的薄壁不锈钢管，与经过改造的新型挤压筒加热系统相配合，直接插入挤压筒外层的纵向开孔中，分布均匀，保温效果好，热效率高，在同等条件下（如加热到450℃）时比传统的加热管可节电30%以上，最高可达40%左右。见表1。
（3）直插式加热管由于热效率高，分布均匀，可用做低功率加热，可降低挤压筒和模具冷热应力，提高挤压筒和模具的使用寿命。
（4）“波德”牌直插式加热器与新型的经过改造的挤压筒加热系统配合使用，由于分布均匀，热效率高，可大大提高挤压筒升温速度，缩短加热时间，提高生产效率。如在8.8MN挤压机的挤压筒加热时，从170℃加热到450℃，用传统的电热管（32KW）加热时间为210分钟，而改成直插式电热管（15支*1.3KW/支，共19.5KW）加热时间仅为90分钟。
（5）“波德”牌直插式电加热管和新开发的挤压筒加热与控温系统配合使用，由于分布均匀合理，控制效果好，可实现均匀精密控温，通过分区、分段控制，可形成梯度加热，实现等温挤压，大大提高挤压产品的质量和生产效率。
（6）挤压筒分区分段按程序进梯度升温，实现等温挤压，梯度升温见图8。梯度升温表。
铝挤压运行开始之前，使挤压筒在最适当的状态下升温保温，一旦挤压筒从冷却状态一下子突然升温的话由于挤压筒内套和外周的温度差可能导致热嵌松动。挤压筒自身也可能产生巨大残留应力，由此挤压运行中会出现内胆脱离或挤压筒产生裂缝等问题，为了规避此类问题的发生，挤压筒各区域根据程序独立自动地对挤压筒进行梯度升温.
图8为100MNΦ480MM铝挤压筒的梯度加热升温曲线图
（7）“波德”直插式加热管选材物美价廉，加工容易，安装与检修简便，热效率高加热时间短，生产效率高，使用寿命长，所以成本大大降低，而且节能环保。
目前，在6.3MN～150MN铝挤压机的挤压筒上加热时已取得了明显的经济效益与社会效益。
3.3 自主研发新型的智能铝型材热挤压专业控温系统，与新型的经过改造的挤压筒加热系统相配合，可形成梯度加热，实现等温挤压，大大提高挤压制品的质量和生产效率，降低生产成本。
新型的智能温控系统内PLC电脑触摸屏，智能控制器，智能电力调整，SCR-M3，SCR-M2直插式加热棒等组成，对一区、二区、三区、四区温度的闭环温度控制，实时记录和监控在线运行的工况的温度和加热电流的动态值。
新型智能热挤压温控系统，采用了挤压筒升温梯度控制，闭环等温挤压的智能控制。使挤压生产率可提高10%
左右，成材率将提高2%~3%，挤压型材的质量更加均匀，挤压模不会超载，对于挤压硬质合金等，其尺寸精度可得到时更加精确，并能延长加热元件的使用寿命。
4、结论
（1）直插式加热系统与控温装置与传统加热方式相比，高效加热速度快，从室温加热到450℃可缩短一半时间，节能30%以上。
（2）直插棒寿命长与其它相比加热管使用寿命可延长3～5倍，可达2年以上，维修方便，可在线维修，降低维修的工作量，提高产量。
（3）智能温控，可分区，分段加热，形成梯度加温，实现等温挤压提高了2%～3%的成品率，提高 了挤压速度10%～20%，大大节约生产成本，提高产品质量和效益。
（4）具有明显经济效益和社会效益，值得大力推广应用。
5、致谢
本文在撰写过程中，得到东航电热电器厂和多家用户的大力支持，提供了试验材料、实验场所和大量的图表和数据，参考有关专家学者的试验数据和成果。在此，一并感谢！
