CN117161357B

CN117161357B - 一种压凝液锻连续挤压成型系统及其成型工艺

Info

Publication number: CN117161357B
Application number: CN202311438445.3A
Authority: CN
Inventors: 崔怀旭
Original assignee: Tianjin Qingyan Special Forging Technology Co ltd
Current assignee: Tianjin Qingyan Special Forging Technology Co ltd
Priority date: 2023-11-01
Filing date: 2023-11-01
Publication date: 2024-03-08
Anticipated expiration: 2043-11-01
Also published as: CN117161357A

Abstract

本发明涉及一种压凝液锻连续挤压成型系统，其包括储液罐、成型罐、连续挤压成型模具及高压气泵系统，所述高压气泵系统通过第一高压气输送管道连接至储液罐的高压气进口，高压气泵系统通过第二高压气输送管道连接成型罐的高压气入口，所述储液罐的金属液出口与所述成型罐的金属液进口之间连接有金属液输送管道；所述成型罐的金属液出口连接至连续挤压成型模具的金属液进口。本发明的压凝液锻连续挤压成型系统及成型工艺，通过液态模锻成型后的产品内部组织均匀、晶粒细化、有较高的致密性，有效的提高产品机械性能，达到锻压效果。

Description

一种压凝液锻连续挤压成型系统及其成型工艺

技术领域

本发明涉及挤压铸造技术领域，特别是一种压凝液锻连续挤压成型系统及其成型工艺。

背景技术

近年来，由于电力、化工行业、金属包装、交通运输船用行业等领域等工业的发展对特殊要求的大口径铝合金管材需求量急剧增加。

大口径铝合金管材的传统工艺技术是采用螺旋焊管结构，板材进行螺旋旋压后进行焊接，工艺设备多、投资大，且产品焊缝多，易出现漏点且不易检测，生产效率低。大口径铝合金无缝管材具有重量轻、密度低、力学性能好、外形美观等特点，可以有效避免使用螺旋焊管所产生的隐患，在加工性能中也比其他管材有独特的优势，同时无毒容易回收，拥有抗腐蚀性能、传热性、导电性等等，目前在电力、化工行业、金属包装、交通运输、船用行业等领域被人们广泛所使用。传统的大口径铝合金无缝管材是通过精密铸造或大型双动铝型材挤压生产线生产，铸造结构的管材存在疏松砂眼、组织偏析等缺陷，不能应用于低温、高温、高压、大流速的工作环境中，这样就直接制约了铸造结构的管材的使用范围；大型双动铝型材挤压生产线成型力大，设备投资大，且使用铝锭进行挤压，需配置大吨位锻造压机对铝锭进行锻造，并且生产成本很高。

随着使用行业工艺技术水平的提高及对工程项目产品要求的提升，对铝合金无缝管需求增加，而且对铝合金无缝管口径和使用性能等提出了更高的要求，铝合金管材公称尺寸从500到1500mm甚至更大规格，长度由到6m到18m，然而现国内铝行业最大挤压机挤出的无缝管直径在φ500mm左右，有局限性，无法满足市场需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压凝液锻连续挤压成型系统。

本发明的另一目的还在于提供一种压凝液锻连续挤压成型工艺。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种压凝液锻连续挤压成型系统，其包括储液罐、成型罐、连续挤压成型模具、高压气泵系统及抽真空单元，所述高压气泵系统通过第一高压气输送管道连接至储液罐的高压气进口，储液罐的高压气进口连接抽真空单元；高压气泵系统通过第二高压气输送管道连接成型罐的高压气入口，所述成型罐的高压气入口连接抽真空单元；所述储液罐的第一金属液出口与所述成型罐的第一金属液进口之间连接有金属液输送管道；所述成型罐的第二金属液出口连接至连续挤压成型模具，该连续挤压成型模具包括固定为一体的模具本体及模具头部，模具本体制有第二金属液进口，模具头部内制有与金属液进口连通的多个金属液内部孔道，金属液内部孔道与模具头部外侧制有的环形挤出环隙连通，模具头部制有与环形挤出环隙相接的急速冷却通道。

而且，所述储液罐的金属液出口安装有第一阀门，所述成型罐的金属液进口安装有第二阀门，所述第一高压气输送管道上设置有第一气体阀门及第一压力表，在所述第二高压气输送管道上设置有第二气体阀门及第二压力表。

而且，还包括蓄能器及补压管道，所述蓄能器连接补压管道，所述补压管道连接所述第二高压气输送管道，保证气压均匀平稳的作用于成型罐内金属液。

而且，所述储液罐及成型罐均包括耐压罐体及封装在罐体上的罐盖，在耐压罐体内设置水套，水套与外部冷却水循环单元连通，在水套内设置储液桶，储液桶外部安装有电加热管；所述成型罐的的底部制有所述第二金属液出口。

而且，液桶外部电加热管外部设置一层隔热材料，使加热管与水套及冷却水循环冷单元隔离。

而且，所述急速冷却通道均连接液氮管路。

一种基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，所述成型工艺的步骤为：

1）金属锭加热：将符合技术要求的金属加热至600-700℃，使之熔化成液态；

2）储液浇灌：打开储液罐的罐盖，金属液浇注系统将熔化的金属液，定量浇注在储液桶内，通过储液筒外圈配有的电加热管使储液桶内部保持在300℃-400℃，防止金属液在连续挤压成型模具中过快的冷却，水套连接冷却水循环单元循环，对储液桶进行隔热并对罐体进行冷却，保证热量不传导到外部，保持外部温度在50-90℃，防止外部构件因热量过高而损坏；

3）真空脱气处理：保持储液罐与成型罐的金属液输送管道连通，采用抽真空单元对成型罐、储液罐内的气体进行抽真空处理，成型罐及储液罐内真空度提高至1.1×10^-5Pa，储液罐内初期残余空气被抽空，存留在金属液体中的有害气体随之释放，也一同被抽取出，净化金属液体有害气体，随后储液桶内金属液体被抽取进入成型罐内，待用；

4）气压供液：关闭储液罐与成型罐的金属液输送管道，利用高压气泵系统迅速将惰性气体打入成型罐内，在120Mpa气体压力作用下，成型罐内金属液体被迫流动，流向连续挤压成型模具的金属液进口；

5）挤出成型：金属液体在120Mpa高压气体作用下，通过连续挤压成型模具的金属液进口进入到模具头部，由模具头部的金属液内部孔道至挤出至环形挤出环隙，同时模具头部设置有极速冷却通道，并通有-190℃液氮，将高温液体极速冷却，使液体形成固态，靠压力沿着环形挤出环隙挤出成品。

而且，所述成型罐的第二高压气输送管道连通有100Mpa高压蓄能器补气管路，以保证气压均匀平稳的作用于成型罐金属液，防止气压波动。

而且，还包括6）第N次金属液浇注：当成型罐内金属液体需要补充时，打开储液罐的罐盖，金属液浇注系统将熔化的金属液，再次定量浇注在储液桶内，通过第一高压气输送管道所连接的抽真空系统对储液罐进行抽真空处理，储液罐内真空度提高至1.1×10^-5Pa；抽真空后再切换至高压气泵系统，对储液罐内部进行迅速将惰性气体打入成型罐内，打开储液罐与成型罐的金属液输送管道，在120Mpa气体压力作用下将金属液输送至成型罐内。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的压凝液锻连续挤压成型系统及成型工艺，金属液进行过真空脱气处理后，内部有害气体被排出，有利于后续连续成型，减少了后续产生内部组织缺陷的可能性。

2、本发明的压凝液锻连续挤压成型系统及成型工艺，利用惰性气体，在高气压情况下，将金属液压入成型模具，随着金属液被挤出冷却，其内部的疏松，气孔被压缩消除其内部质量接近或达到固态挤压水平，材质性能更好。

3、本发明的压凝液锻连续挤压成型系统及成型工艺，金属液由液态到固态凝固过程，会产生枝状晶，随着枝状晶的生长而在高压下被压碎，从而，得到细小晶粒组织，与离心铸造工艺相比，抗力强度，屈服强度，延伸率会有很大的提高，保证了材料在制造过程中的内部组织紧密，材料各方面性能得到提高。

4、本发明的压凝液锻连续挤压成型系统及成型工艺，可实现连续压凝液锻，生产效率高，生产过程简单，操作容易，便于组织机械化自动化生产，工艺环节少，生产周期短

5、本发明的压凝液锻连续挤压成型系统及成型工艺，可成型φ500-φ1500mm大孔径的铝合金无缝管，产品性能达到锻造性能，在国内处于技术空白，有较好的发展前景。

6、本发明的压凝液锻连续挤压成型系统及成型工艺，通过液态模锻成型后的产品内部组织均匀、晶粒细化、有较高的致密性，有效的提高产品机械性能，达到锻压效果。

附图说明

图1为本发明压凝液锻连续挤压系统结构示意图；

图2为本发明的成型罐的示意图；

图3为本发明的连续挤压成型模具的结构示意图。

附图标号说明

1、储液罐；2、第一阀门；3、金属液输送管道；4、第一高压气输送管道；5、第二阀门；6、第一压力表；7、第二压力表；8、第二高压气输送管道；9、补压管道；10、抽真空系统；11、第三压力表；12、蓄能器；13、高压气泵系统；14、连续挤压成型模具；15、成型罐；16、储液桶；17、水套；18、耐压罐体；19、罐盖；20、电加热管；21、模具本体；22、密封垫片；23、急速冷却通道；24、模具头部；25、环形挤出环隙；26、金属液内部孔道；27、第二金属液进口。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种压凝液锻连续挤压成型系统，如图1所示，其包括储液罐1、成型罐15、连续挤压成型模具14、高压气泵系统13及抽真空单元，该高压气泵系统13与抽真空系统可设置于同一个气泵工作站。

高压气泵系统13通过第一高压气输送管道4连接至储液罐1的高压气进口，储液罐1的高压气进口连接抽真空单元；高压气泵系统13通过第二高压气输送管道8连接成型罐15的高压气入口，成型罐15的高压气入口连接抽真空单元。

储液罐1的第一金属液出口与成型罐15的第一金属液进口之间连接有金属液输送管道3；储液罐1的金属液出口安装有第一阀门2，成型罐15的金属液进口安装有第二阀门5，第一高压气输送管道4上设置有第一气体阀门及第一压力表6，在第二高压气输送管道8上设置有第二气体阀门及第二压力表7。

还包括蓄能器12及补压管道9，蓄能器12连接补压管道9，补压管道9连接第二高压气输送管道8，补压管道9设置有第三压力表11。保证气压均匀平稳的作用于成型罐15内金属液。

储液罐1及成型罐15均包括耐压罐体18及封装在罐体上的罐盖19，在耐压罐体18内设置水套17，水套17与外部冷却水循环单元连通，在水套17内设置储液桶16，储液桶16外部安装有电加热管20；成型罐15的的底部制有第二金属液出口。液桶外部电加热管20外部设置一层隔热材料，使加热管与水套17及冷却水循环冷单元隔离。

成型罐15的第二金属液出口连接至连续挤压成型模具14，该连续挤压成型模具14包括固定为一体的模具本体21及模具头部24，模具本体21及模具头部24之间采用密封垫片22进行密封，采用间隔均布的螺栓进行锁紧固定。模具本体21制有第二金属液进口27，第二金属液进口27为L型，出口方向与产品出口方向一致。模具头部24内制有与金属液进口连通的多个金属液内部孔道26，金属液内部孔道26呈伞骨形与模具头部24外侧制有的环形挤出环隙25连通，环形挤出环隙25内径为500-1000mm。环形挤出环隙25的宽度与铝合金无缝管材的壁厚一致。模具头部24制有与环形挤出环隙相接的急速冷却通道23。急速冷却通道23均连接液氮管路。

储液罐1用于完成金属液的储存和脱气处理，可以通过控制第一阀门2的开闭，来控制储液罐1的开闭连通。金属液输送管道3用于储液罐1向成型罐15的供液输送。第二阀门5能够控制进入成型罐15的金属液的通断。第一高压气输送管道4用于向储液罐1内部补充蓄能器12的高压气体，同时第一高压气体输送管道还连接抽真空系统10的真空泵，通过转化阀门来与高压气泵进行切换。第一压力表6能够检测显示第一高压气输送管道4的实时气体压力。第二高压气输送管道8用于连通成型罐15内部，以完成向其供应高压气体的输送需要，第二高压气输送管道8还连接连接抽真空系统10的真空泵，通过转化阀门来与高压气泵进行切换。第二压力表7用于检测该第二高压气输送管道8的实时压力。补压管道9连通蓄能器12，用于将蓄能器12的补充气压输送至成型罐15内，维持成型罐15内金属液稳定。第三压力表11能够检测蓄能器12的实时压力。

高压气泵系统13，是为系统提供高压气泵系统13的泵站系统。泵站系统同时还设置抽真空系统10，对成型罐15、储液罐1进行真空脱气操作。

储液桶16是储存金属液体的主要存储单元，水套17设置在储液桶16的外层，用于完成冷却水的储存和冷却水循环。耐压罐体18是储液罐1的主体，用于承载罐体的总体受力和支撑。罐盖19是完成将储液罐1的盖板，并压住水套17。第二阀门5能够用于完成成型罐15体的通断的。

一种基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，该成型工艺的步骤为：

2）储液浇灌：打开储液罐1的罐盖，金属液浇注系统将熔化的金属液，定量浇注在储液桶16内，通过储液筒外圈配有的电加热管20使储液桶16内部保持在300℃-400℃，防止金属液在连续挤压成型模具14中过快的冷却，水套17连接冷却水循环单元循环，对储液桶16进行隔热并对罐体进行冷却，保证热量不传导到外部，保持外部温度在50-90℃，防止外部构件因热量过高而损坏；

3）真空脱气处理：保持储液罐1与成型罐15的金属液输送管道3连通，采用抽真空单元对成型罐15、储液罐1内的气体进行抽真空处理，成型罐15及储液罐1内真空度提高至1.1×10^-5Pa，储液罐1内初期残余空气被抽空，存留在金属液体中的有害气体随之释放，也一同被抽取出，净化金属液体有害气体，随后储液桶16内金属液体被抽取进入成型罐15内，待用；

4）气压供液：关闭储液罐1与成型罐15的金属液输送管道3，利用高压气泵系统13迅速将惰性气体打入成型罐15内，在120Mpa气体压力作用下，成型罐15内金属液体被迫流动，流向连续挤压成型模具14的金属液进口；成型罐15的第二高压气输送管道8连通有100Mpa高压蓄能器12补气管路，以保证气压均匀平稳的作用于成型罐15金属液，防止气压波动。

5）挤出成型：金属液体在120Mpa高压气体作用下，通过连续挤压成型模具14的金属液进口进入到模具头部24，由模具头部24的金属液内部孔道26至挤出至环形挤出环隙25，同时模具头部24设置有极速冷却通道，并通有-190℃液氮，将高温液体极速冷却，使液体形成固态，靠压力沿着环形挤出环隙25挤出成品的铝合金无缝管材。根据帕斯卡原理，型腔出口处，金属被连续挤出，得到需要形状的型材或管材。

6）第N次金属液浇注：当成型罐15内金属液体需要补充时，打开储液罐1的罐盖，金属液浇注系统将熔化的金属液，再次定量浇注在储液桶16内，通过第一高压气输送管道4所连接的抽真空系统10对储液罐1进行抽真空处理，储液罐1内真空度提高至1.1×10^-5Pa；抽真空后再切换至高压气泵系统13，对储液罐1内部进行迅速将惰性气体打入成型罐15内，打开储液罐1与成型罐15的金属液输送管道3，在120Mpa气体压力作用下将金属液输送至成型罐15内。

表1

如表1所示，经过与传统制程工艺对比：

φ500mm直径的铝合金无缝管材，其材料强度σ_s和σ_b分别提升了20%和10%；

φ800mm直径的铝合金无缝管材，其材料强度σ_s和σ_b分别提升了20%和9.7%；

φ900mm直径的铝合金无缝管材，其材料强度σ_s和σ_b分别提升了20%和12%；

φ1000mm直径的铝合金无缝管材，其材料强度σ_s和σ_b分别提升了20%和12%。

表2

如表2所示，为了进一步能够确定相关工艺参数的匹配性，在制备φ1000mm铝合金无缝管材直径时，在其他条件不变情况下，将高压气体压力改变至50Mpa，挤出成型后的产品材料性能强度σ_s未提高，σ_b提高2.5%；将高压气体压力改变至80Mpa，挤出成型后的产品材料性能强度σ_s提高4.3%，σ_b提高4.9%，提高幅度较小。而后，又在其他条件不变情况下，将高压气体压力改变至120Mpa下，挤出成型后的产品材料性能强度σ_s提高20%，σ_b提高12%左右。再将高压气体压力改变至140Mpa，σ_s仍然提高20%，σ_b提高12%。再将高压气体压力改变至200Mpa下挤出成型后的产品材料性能强度σ_s和σ_b，数值提高值仍分别是20%和12%左右。可见，气体压力再提高至140Mpa、200Mpa，产品材料的性能强度也不会因此再提高了，说明高压气体压力120Mpa数值为较为经济适用的压力值。

本发明的金属液在密闭的容器内进行真空脱气处理，能够减少有害气体含量；在给密闭的容器加压时，当压力达到一定数值后，随着金属液被挤出冷却，其内部的疏松，气孔被压缩消除其内部质量接近或达到固态挤压水平。金属液由液态到固态凝固过程，会产生枝状晶，随着枝状晶的生长而在高压下被压碎，从而，得到细小晶粒组织，与离心铸造工艺相比，抗力强度，屈服强度，延伸率会有很大的提高，保证了材料在制造过程中的内部组织紧密，材料各方面性能得到提高。

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims

1.一种基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，其特征在于：

所述压凝液锻连续挤压成型系统，包括储液罐（1）、成型罐（15）、连续挤压成型模具（14）、高压气泵系统（13）及抽真空系统（10），所述高压气泵系统（13）通过第一高压气输送管道（4）连接至储液罐（1）的高压气进口，储液罐（1）的高压气进口还连接抽真空系统（10），抽真空系统（10）通过转化阀门来与高压气泵系统（13）进行切换；高压气泵系统（13）通过第二高压气输送管道（8）连接成型罐（15）的高压气入口，所述成型罐（15）的高压气入口还连接抽真空系统（10），抽真空系统（10）通过转化阀门来与高压气泵系统（13）进行切换；所述储液罐（1）的第一金属液出口与所述成型罐（15）的第一金属液进口之间连接有金属液输送管道（3）；所述成型罐（15）的第二金属液出口连接至连续挤压成型模具（14），该连续挤压成型模具（14）包括固定为一体的模具本体（21）及模具头部（24），模具本体（21）制有第二金属液进口（27），模具头部（24）内制有与金属液进口连通的多个金属液内部孔道（26），金属液内部孔道（26）与模具头部（24）外侧制有的环形挤出环隙（25）连通，模具头部（24）制有与环形挤出环隙（25）相接的急速冷却通道（23）；

所述储液罐（1）及成型罐（15）均包括耐压罐体（18）及封装在罐体上的罐盖（19），在耐压罐体（18）内设置水套（17），水套（17）与外部冷却水循环单元连通，在水套（17）内设置储液桶（16），储液桶（16）外部安装有电加热管（20）；所述成型罐（15）的的底部制有所述第二金属液出口；

所述成型工艺的步骤为：

2）储液浇灌：打开储液罐（1）的罐盖（19），金属液浇注系统将熔化的金属液，定量浇注在储液桶（16）内，通过储液筒外圈配有的电加热管（20）使储液桶（16）内部保持在300℃-400℃，防止金属液在连续挤压成型模具（14）中过快的冷却，水套（17）连接冷却水循环单元循环，对储液桶（16）进行隔热并对罐体进行冷却，保证热量不传导到外部，保持外部温度在50-90℃，防止外部构件因热量过高而损坏；

3）真空脱气处理：保持储液罐（1）与成型罐（15）的金属液输送管道（3）连通，采用抽真空单元对成型罐（15）、储液罐（1）内的气体进行抽真空处理，成型罐（15）及储液罐（1）内真空度提高至1.1*10-5Pa，储液罐（1）内初期残余空气被抽空，存留在金属液体中的有害气体随之释放，也一同被抽取出，净化金属液体有害气体，随后储液桶（16）内金属液体被抽取进入成型罐（15）内，待用；

4）气压供液：关闭储液罐（1）与成型罐（15）的金属液输送管道（3），利用高压气泵系统（13）迅速将惰性气体打入成型罐（15）内，在120Mpa气体压力作用下，成型罐（15）内金属液体被迫流动，流向连续挤压成型模具（14）的金属液进口；

5）挤出成型：金属液体在120Mpa高压气体作用下，通过连续挤压成型模具（14）的金属液进口进入到模具头部（24），由模具头部（24）的金属液内部孔道（26）至挤出至环形挤出环隙（25），同时模具头部（24）设置有极速冷却通道，并通有-190℃液氮，将高温液体极速冷却，使液体形成固态，靠压力沿着环形挤出环隙（25）挤出成品。

2.根据权利要求1所述的基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，其特征在于：所述储液罐（1）的金属液出口安装有第一阀门（2），所述成型罐（15）的金属液进口安装有第二阀门（5），所述第一高压气输送管道（4）上设置有第一气体阀门及第一压力表（6），在所述第二高压气输送管道（8）上设置有第二气体阀门及第二压力表（7）。

3.根据权利要求1所述的基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，其特征在于：还包括蓄能器（12）及补压管道（9），所述蓄能器（12）连接补压管道（9），所述补压管道（9）连接所述第二高压气输送管道（8），保证气压均匀平稳的作用于成型罐（15）内金属液。

4.根据权利要求1所述的基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，其特征在于：所述储液桶（16）外部电加热管（20）外部设置一层隔热材料，使加热管与水套（17）及冷却水循环冷单元隔离。

5.根据权利要求1所述的基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，其特征在于：所述急速冷却通道（23）均连接液氮管路。

6.根据权利要求1所述的基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，其特征在于：所述成型罐（15）的第二高压气输送管道（8）连通100Mpa高压蓄能器（12）的补气管路，以保证气压均匀平稳的作用于成型罐（15）金属液，防止气压波动。

7.根据权利要求1所述的基于压凝液锻连续挤压成型系统的成型工艺，其特征在于：还包括6）第N次金属液浇注：当成型罐（15）内金属液体需要补充时，打开储液罐（1）的罐盖（19），金属液浇注系统将熔化的金属液，再次定量浇注在储液桶（16）内，通过第一高压气输送管道（4）所连接的抽真空系统（10）对储液罐（1）进行抽真空处理，储液罐（1）内真空度提高至1.1×10^-5Pa；抽真空后再切换至高压气泵系统（13），对储液罐（1）内部进行迅速将惰性气体打入成型罐（15）内，打开储液罐（1）与成型罐（15）的金属液输送管道（3），在120Mpa气体压力作用下将金属液输送至成型罐（15）内。