铜材挤压机水封头实用改进

蒋黎明

(江西铜业集团铜板带有限公司，江西南昌 330096)

铜材挤压机水封头实用改进

蒋黎明

(江西铜业集团铜板带有限公司，江西南昌 330096)

本文介绍了铜材挤压机水封头的工作原理，分析了改进前水封头的存在堵头、容易导致产品氧化、产品成材率低等缺陷，通过改造水封头的结构，提出了采用水帘式水封方式对水封头进行改进，优化内孔最小尺寸，增加水帘出水位置距离前梁与模座接触面等改进要点。实验表明改造后的水封头大大减少了生产故障时间，从而提高了生产效率，同时提高了产品质量和产品成材率

铜材;挤压;水封头;结构;成材率

1 引言

铜材挤压机是传统铜管、棒、型材生产的关键设备，水封头是其生产过程中减轻产品氧化程度的核心装置。水封，通常又叫液封，是利用液体静压强来密封气体的一种装置，它使设备内保持一定的液位并使液体能自由流出。由于它有密封、逆止、泄压的作用，故在铜材挤压生产实践中得到广泛应用。根据其作用，一般可分为三类:一是防止气体外溢，起密封作用的，称做密封水封;二是防止气体倒流，起逆止作用的，称做逆止水封;三是防止设备超压，起泄压作用的，通常叫做泄压水封［1］。铜材挤压机采用的水封头装置有水帘式和盖板式，其在使用前期水封效果尚好，但随着使用时间的延长，诸多问题对挤压过程的影响越来越大。改进水封头结构以减少随着时间推延而产生的一系列问题已迫在眉睫。本文提出的水封头的改进方法不仅能提高产品质量和产品成材率，同时也能提高生产效率。

2 水封头的水封原理、结构和技术要求

2.1 水封头的水封原理

铜及其合金在高温下挤出，直接空冷，易导致铜材表面氧化，严重影响制品的表面质量。过去一般采用酸洗法去除表面氧化层，但废酸对厂房、环境污染严重，且处理非常困难。应用水封挤压技术进行辅助生产可代替酸洗，这是提高铜挤压制品质量的有效方法。

水封挤压技术原理是在铜材挤压过程中为防止制品与空气直接接触常用水作为介质，在制品通过模具进入能实现按需封水的水封头，接着进入上面裸露的U型盛水水槽，这样制品自然置于水中，避免了与空气的直接接触，从而减轻制品的氧化程度［3］。

此外采用水封原理生产大型、高强度结构铝型材时，制品可以直接进入水槽，起到水冷淬火效果，是提高强度和表面质量的重要途经之一。

目前，铜材挤压过程的水封有两种方式:水帘式和盖板式。水帘式水封方式就是将大于0.3MPa水压的水注入水封头内腔，通过一定角度和间隙的环行水路形成伞形水帘挡住水槽中的水，形成水封，水压解除则水封解除;盖板式水封方式就是在水封头与水槽之间设置一个盖板实现水封，制品通过水封头后，顶开盖板进入盛满水的水槽实现水封解除。它们都能实现制品通过模孔后才接触水的按需水封要求，不同的是在水帘式方法中，制品通过水封头时没有轴向阻碍，而在盖板式方法中则会产生轴向阻碍。

2.2 水封头改进前结构及其缺陷

改进前的800t铜挤压机水封头为水帘式，长度1200mm，内孔最小尺寸90mm，水封头位于前梁内部部分的最大外缘尺寸200mm。如图1所示。

图1 水封头结构改进前示意图

改进前的800t铜材挤压机水帘式水封头的主要缺点有:水封头靠近挤压机模座处的排水孔受高温(不水封时起导引作用)和铜材摩擦作用极易变形，在生产过程中，特别是小规格型材(多孔挤压)生产时堵头(每次拆装需花1h)产生更加频繁;为降低堵头几率，常采用头部非穿透方式挤压管材，管材头部封头壁厚尺寸从厚到薄需要300mm以上的长度才能过渡到需要的尺寸，产品成材率的提高仍有空间;水帘与模座端面距离长，为实现铜材挤压过程的水封，在每一个挤压过程都需开关一次水泵，水泵故障率居高不下;水封头内部连接位置容易变形，变形后封不住水，使得制品次表层起泡的几率增大，同时挤压筒内套在水封头泄漏水的激冷刺激下开裂几率显著提高。

2.3 水封头的技术要求

水封头的技术要求可从水封头结构和客户需求两方面阐述。

在结构上，要求水封头前梁内孔尺寸为210mm，前梁与模座接触面到水槽与水封头连接面的距离为1600mm，这两个数据是限制数据。同时传统的水封位置距离前梁与模座接触面都有400～600mm，挤压初期封水效果较差，要求该距离小于60mm且解决回水排空的问题。

在客户需求方面，现有顾客需要产品最大外缘尺寸为105mm，要求水封头内孔最小尺寸应大于120mm。

3 800t水封头优化设计原理

水封头优化的基础是基于水封头结构参数的选择与淹没射流主要运动参数沿射程s的变化规律之间的关系。水封头优化设计原理基于对水封头圆截面轴对称淹没射流主体段和起始段中主要运动参数沿射程s的变化规律［2］。

一圆截面对称射流，如图2所示，其轴心速度um是随着射程s的增大而减小的。

图2 水封头圆截面示意图

由于射流中各处流体的温度和密度相同，即ρ0=ρ，以πρR2um除两端得［4］:

由于(3)式只有近似准确的价值，现将定积分值采用实验数据:

在过渡截面上um=u0，所以过渡截面上无量纲半径恒为常数［5］，即:

式(7)表达了射流主体段内轴心速度沿射程的变化规律。如与(3)式联立求解，可以确定射流主体段中任意一点的速度u［6］。

通过对水封头圆截面轴对称淹没射流主体段和起始段中主要运动参数沿射程s的变化规律的把握，就可以对传统水封头结构参数进行优化。

4 800t铜材挤压机水封头的改造

4.1 800t铜挤压机水封头的改造方案

考虑到两种水封头的原理和结构以及800t铜挤压机水封头的改造要求，本研究选择了水帘式水封方式进行改进，实现内孔最小尺寸130mm，水帘出水位置距离前梁与模座接触面60mm，不留回水水路。如图3所示。

图3 水封头改进后结构示意图

4.2800 t铜挤压机水封头的改造实施

按照改造方案，结合相关位置的衔接，本文设计了符合方案要求的水封头结构，为检验和修改改造的效果，本研究先在废弃的水封头上进行初步改造方案的实验。实验结果证明了初始设计思路的总体方向是正确的，同时也发现了一些设计数据存在偏差。通过修正偏差数据继续对初始设计的水封头进行改进，最终形成了改造后的新水封头设计并制作出新的水封头。

5 实施效果

采用新水封头后，取得了明显的改善效果，具体效果如下:

(1)堵水封头的问题得以解决，即便堵水封头也非常轻微且无须拆装，大大减少了生产故障时间;

(2)对生产产品适应性大大提高，所有产品在不拆水封头的情况下都能进行挤压;

(3)实现了管材头部的穿透挤压，成材率提高了3%～5%;

(4)水泵在每一个挤压周期无需开停，故障率明显降低;

(5)封水效果良好，降低了产品次表层起泡的概率，产品表面氧化大大减少。

［1］郭岩，李双景.水封的原理及设计条件［J］.中国化工装备，2000，(4).

［2］吕红缨.水封高度的一种计算方法［J］.重庆电力高等专科学校学报，2005，(4).

［3］潘祖高，王斌.对U型煤气水封的探讨［J］.冶金动力，1992，(3).

［4］沈奕辉，傅玉祥.关于“水封井”的思考［J］.消防科学与技术，2006，(S1).

［5］于秀香，王青，刘天政.平面闸门支承及水封的设计探讨［J］.山东水利，2004，(4).

［6］曹开朗，李伟.薄壳理论用于干式柔膜密封储气罐的计算［J］.煤气与热力，1999，(5).

Practical Improvements of Water Seal Cap in 800t Copper Extruder

JIANG Li－ming

(JCC Copper Strip Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，China 330096)

The working principle of water seal cap in the 800t copper extruder is introduced in this paper and some defects of water seal tank are analyzed.The improving solution is proposed by redesigning the structure of the water seal tank.The production downtime is reduced by applying new solution，which improved production efficiency as well as product quality.

copper product;extrusion forming;water seal tank;construction;yield

TG375

B

1009－3842(2011)01－0051－03

2010－11－12

蒋黎明(1972－)，男，汉族，四川邻水县人，工程硕士，有色金属压力加工工程师，国家注册质量工程师，主要研究方向为有色金属新材料的开发，E－mail:jianglm123@sohu.com