CN102389906B - 一种预应力钢丝缠绕挤压筒 - Google Patents

Abstract

一种预应力钢丝缠绕挤压筒，可应用于金属热挤压工艺，尤其是大口径厚壁无缝钢管的热挤压。该挤压筒由内衬、中衬、隔热层、外衬和钢丝层组成，在中衬上设有加热棒孔，孔内放置加热元件，用于对挤压筒进行预热。中衬和外衬之间有隔热层，隔热层由隔热层内护板、隔热材料和隔热层外护板组成，用于防止热量从高温的内衬和中衬传递至外衬和钢丝层。外衬内表面有环形冷却槽，用于通冷却介质，对外衬进行冷却，并通过温度传感器对钢丝层与外衬的接触界面附近的温度进行实时检测。本发明通过在中衬上设预加热孔对挤压筒进行预热，可使挤压筒获得沿径向和圆周方向较为均匀的预热温度场，并实现挤压筒内具有合理的应力分布，大大提高了挤压筒的疲劳寿命。

Description

一种预应力钢丝缠绕挤压筒

技术领域

本发明涉及一种大型黑色金属热挤压高温高压承载容器，属于金属热挤压领域，尤其适用于大口径厚壁无缝钢管的热挤压。

背景技术

挤压筒是金属挤压工艺的关键模具之一，也是最为昂贵的模具。坯料在挤压筒内变形，其承受挤压过程中坯料向前移动而产生的轴向摩擦力和径向压力。在钢的热挤压过程中，坯料温度高达1200℃，挤压筒承受高温、高压和高摩擦，工作状态极其恶劣。在大口径厚壁无缝钢管热挤压过程中，坯料对挤压筒内表面产生的径向面压可达150MPa-250MPa。

传统的挤压筒为多层组合式，通常为三层，即内衬、中衬和外衬，各层之间以一定的过盈配合热装而成，通过设计各层之间的过盈量来控制挤压筒的预紧效果。这种挤压筒尺寸很大，通常外径为内径的4倍-5倍，内衬、中衬和外衬均为整体锻造。挤压筒尺寸和重量都很大，制造成本极高。以内径为φ1700mm的挤压筒为例，若取K＝4，则挤压筒的外径为φ6800mm，大大提高了对挤压机立柱左右间距的要求，使得压机的尺寸和重量相应增加，制造成本急剧上升。因此，研究新型挤压筒，减小挤压筒的尺寸和重量，降低挤压筒的制造难度和制造成本具有重要意义。

预应力钢丝缠绕技术可对被预紧件施加全面的预应力保护，大大提高被预紧件的抗疲劳强度。将预应力钢丝缠绕技术应用于大型挤压筒，可减小挤压筒的尺寸和重量，降低对压机空间的要求，大大降低挤压筒本身和压机的制造成本。

这种预应力钢丝缠绕挤压筒由前苏联提出，但由于当时的技术条件限制，并未付诸实施。我国从2005年开始上马大口径厚壁无缝钢管垂直挤压项目，挤压筒的设计是当时的技术难题之一。为此，提出了预应力钢丝缠绕挤压筒的设计方案。

在公开专利的《全预应力场下剖分-组合挤压筒的设计方法和结构》(申请号：200910135964.6)中，提出挤压筒分为三层，即内衬、中衬和外衬，在外衬上有钢丝槽，用于缠绕钢丝以提供预应力保护，其中各层均可采用剖分或整体结构。然而，在该专利中仍然存在如下问题：

首先，坯料在挤压时被加热至1150℃-1250℃，挤压筒在挤压之前必须进行预热，通常预热温度为350℃-450℃，以保证挤压筒在瞬时热冲击以及反复热应力循环载荷下的抗疲劳强度。在挤压筒长期工作下，热量由内衬和中衬传递至钢丝层，使钢丝温度上升。但钢丝的使用温度限制为80℃，否则会产生蠕变和应力松弛效应，造成预应力损失，甚至使钢丝失效。只有解决预热和钢丝保护的问题，预应力钢丝缠绕挤压筒才能真正实现。

其次，由于挤压筒工作时处于高温，由于温度分布不均匀造成的热应力对挤压筒结构设计的影响是不可忽略的。施加在挤压筒的预应力不仅仅是由钢丝产生的，只有清楚了解挤压筒在预热和工作时温度对应力分布的影响，才能实现挤压筒的可靠工作。

此外，在公开的专利《耐高温高压挤压筒》(申请号：200910261469.X)中，同样采用了将挤压筒分为三层的基本结构。该专利提出的挤压筒结构中由于没有专门的预热装置，因此其采用的预热方式为高温坯料内置式预热，即将加热至高温的坯料预先放在挤压筒内部进行加热。为防止热量传递至钢丝，在中衬外表面开设有环形槽，槽内铺设护板，护板上粘贴隔热陶瓷层。但该种结构的挤压筒存在如下的问题：

首先，热应力的问题。采用高温坯料内置的预热方式是使高温的钢锭将热量传递至挤压筒内表面，内表面温度高，但温度分布极不均匀。从挤压筒内表面向外，温度急剧降低，造成很大的温度梯度，在挤压筒内表面引起很大的热应力，因此不能将挤压筒预热至很高的温度，否则会导致热应力过高，经计算这种挤压筒合理的内表面预热温度为250℃。由于热应力导致预热温度较低，会导致钢锭在挤压过程中温度下降更快，增大了坯料与挤压筒之间的摩擦力和挤压力。

其次，加热效率的问题。采用高温钢锭向挤压筒传热，内表面温度上升很快，但其传热方式主要为辐射传热和对流传热，加热效率低。将钢锭取出后，挤压筒内表面温度下降较快。

还有，挤压筒内表面预热温度分布均匀性的问题。为了预热时方便将钢锭放入挤压筒中，钢锭与挤压筒内表面需留有间隙，一般单边至少5mm-10mm以上。在放置钢锭时，钢锭放偏心的问题难以解决。由于钢锭放偏，会导致挤压筒内表面加热温度分布是不均匀的。这会导致在挤压时金属流动不均匀，使得钢管在挤压过程中更容易发生弯曲。

在隔热方面，由于采用了陶瓷隔热层，该材料为脆性材料，承受冲击的能力较差，在挤压筒承受反复热载荷和工作载荷下，陶瓷很容易发生脆裂，影响挤压筒的性能。

发明内容

本发明涉及一种应用于钢管热挤压工艺的带有预热、隔热和冷却结构的大型预应力钢丝缠绕挤压筒，具有预应力效果好、抗疲劳性能好、使用寿命长等优点，结构见图1所示。

针对前述各种挤压筒结构存在的问题和缺点，提出了采用电加热预热、复合材料隔热以及冷却槽冷却的预应力钢丝缠绕挤压筒设计思路，并对挤压筒进行实时温度监测，以保证钢丝的安全服役。

本发明的技术方案如下：

一种预应力钢丝缠绕挤压筒，含有内衬、中衬、外衬和预应力钢丝层，所述外衬剖分为4个子件，在中衬与外衬之间设有隔热层，其特征在于：在挤压筒的中衬上设有预加热孔，该电加热孔沿圆周方向均匀分布，在该孔内放置有加热元件；隔热层由内护板、隔热材料和外护板三层组成；所述的预应力钢丝层分为上下两段；在外衬的内表面设有用于通入冷却介质的环形冷却槽，在外衬上设有冷却介质的入口和冷却介质的出口，该冷却介质的入口和出口与环形冷却槽连通。

所述的隔热层沿圆周方向分为多个子块，各子块之间留有间隙。

所述的隔热材料与内护板以及隔热材料与外护板之间有调整垫片，采用厚度为0.05mm-0.1mm的不锈钢带。在上下两段钢丝层之间设有用于测量钢丝附近温度的温度传感器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

通过在中衬上设预加热孔对挤压筒进行预热，可以使挤压筒获得沿径向和圆周方向较为均匀的预热温度场。通过在中衬和外衬之间加隔热层，可大大减少从高温的内衬和中衬传递至外衬和钢丝的热量，从而有效地保护钢丝，防止其温度过高。通过设计环形冷却槽在外衬内表面对挤压筒进行冷却，即可保证挤压筒即使在长时间连续工作状态下钢丝的温度仍然低于80℃。由于对内衬和中衬进行了预加热、在中衬和外衬之间进行了隔热并且在外衬内表面实施了冷却，因此内衬和中衬的温度远高于外衬和钢丝层。高温的内衬和中衬的热膨胀量大于温度较低的外衬和钢丝层，预热后内衬、中衬和隔热层紧压在外衬和钢丝层上产生预应力，对内衬和中衬进行预应力保护，可实现挤压筒内具有合理的应力分布，大大提高了挤压筒的疲劳寿命。通过设计测温热电偶，可实时对钢丝附近的温度进行测试，以保证钢丝的安全。

附图说明

图1为本发明提供的预应力钢丝缠绕挤压筒的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图中：1-内衬；2-中衬；3-外衬；4-预应力钢丝层；5-隔热层内护板；6-隔热材料；7-隔热层外护板；8-预加热孔；9-冷却介质入口；10-冷却介质出口；11-环形冷却槽；12-测温热电偶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式做进一步的说明。

预应力钢丝缠绕挤压筒包括：内衬1、中衬2、外衬3、隔热层和钢丝层4。外衬可采用剖分结构，一般沿对称面剖分为4个子件，用预应力钢丝将各层缠绕成为一个整体。

在外衬3上加工有钢丝槽，用于缠绕预应力钢丝，预应力钢丝层4分为上下两段。在中衬2上加工有预加热孔8，预加热孔沿圆周方向均匀分布，预加热孔内放置有加热元件，加热元件可采用电阻或加热棒，预加热孔的大小根据加热元件尺寸确定，其位置以使内衬和中衬截面上的温度分布均匀为原则。加热元件的数量根据预热所需的总功率计算后确定。

内衬和中衬组装在一起，中衬和内衬之间应有过盈量，可以采用热装的办法进行装配。中衬和外衬之间设有隔热层，隔热层由隔热层内护板5、隔热材料6和隔热层外护板7组成，隔热材料设置在隔热层内护板和隔热层外护板之间，沿圆周方向分为多个子块，各子块之间留有间隙。隔热材料要求其具有较好的隔热性能、预应力传递性能以及足够的抗压强度和抗弯曲强度。可选用云母和高温粘接剂压制而成的复合材料作为隔热材料，这种隔热材料在室温下抗压强度可达到400Mpa，350℃可达到250Mpa。

将隔热层内护板5、隔热材料6和隔热层外护板7组装后一块一块地安装在中衬外表面上，通过螺钉与中衬外表面固定。最终隔热层组成一个完整的圆形。此后对隔热层的外表面进行加工，使其尺寸达到要求。

在隔热材料与隔热层内护板以及隔热材料与隔热层外护板之间设有调整垫片，使得隔热层的厚度可在一定范围内调整，调整垫片采用厚度为0.05mm-0.1mm的不锈钢带。

在外衬3内表面加工有环形冷却槽11，用于通冷却空气或冷却液，以对挤压筒进行冷却，冷却介质入口9和冷却介质出口10设置在外衬上，例如可位于外衬中部的钢丝槽端部或外衬端面上。

为使得内衬1和中衬2在预热后具有合理的预应力分布，隔热层外护板7与外衬3之间应预留有间隙。由于中衬和外衬之间有隔热层且外衬内表面设有环形冷却槽11，预热后内衬和中衬的温度远高于外衬和钢丝层，因此内衬和中衬的热膨胀量大于外衬和钢丝层。隔热层外护板与外衬之间的间隙在预热后消失，并产生预紧面压，该预紧面压可对内衬和中衬实施预应力保护。

在上下两段钢丝层之间设有用于测量钢丝附近温度的温度传感器12(例如在外衬中部的钢丝槽端部)，对钢丝层与外衬的界面进行测温，当温度超过限制时，可自动报警，以保证钢丝的安全服役。

以某挤压筒的设计为例：其内径为φ1700mm，外径为φ3800mm。隔热层的总厚度为120mm，隔热材料厚度为20mm。选取内衬和中衬的过盈量单边为1mm，隔热层与外衬之间的间隙单边为1mm。预热时，内衬和中衬被加热至400℃，预热功率为540KW，冷却时，挤压筒外衬内表面上的强制对流换热系数为40W/m².℃-80W/m².℃，即使达到稳态后，外衬的平均温度为50℃。当内衬和中衬温度达到350℃时，内衬内表面上的切向预应力可至-400Mpa左右，预紧系数为1.3左右，满足设计要求，即使在挤压时，挤压筒内衬内表面仍然保持压应力状态。

Claims (2)

1.一种预应力钢丝缠绕挤压筒，含有内衬（1）、中衬（2）、外衬（3）和预应力钢丝层（4），所述外衬剖分为四个子件，在中衬与外衬之间设有隔热层，其特征在于：在挤压筒的中衬上设有预加热孔（8），孔内放置有加热元件，该预加热孔沿圆周方向均匀分布；所述的隔热层由隔热层内护板（5）、隔热材料（6）和隔热层外护板（7）三层组成；所述的预应力钢丝层分为上下两段；在上下两段钢丝层之间设有用于测量钢丝附近温度的温度传感器（12）；在外衬的内表面设有用于通入冷却介质的环形冷却槽（11），在外衬上设有冷却介质入口（9）和冷却介质出口（10），该冷却介质入口（9）和冷却介质出口（10）与环形冷却槽连通；所述的隔热材料采用云母和高温粘接剂压制而成的复合材料；所述的隔热层沿圆周方向分为多个子块，各子块之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的预应力钢丝缠绕挤压筒，其特征在于：所述的隔热材料与内护板以及隔热材料与外护板之间设有调整垫片，调整垫片采用厚度为0.05mm～0.1mm的不锈钢带。

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