钢热挤压车间设计(design of steel hot extrusion plant)

以轧制、锻造、连铸并经加工的圆坯为原料，通过热挤压方法生产管材、空心或实心异型材的车间设计。主要用于生产小批量多品种和断面复杂的产品及用锻造和轧制都难以加工的低塑性高合金钢产品，如不锈钢、热强钢、高温合金等。这种车间一般设在特殊钢厂中。其产品用在机械制造、化纤、化肥、石化工业和航空原子能等部门。车间设计的原则见轧钢厂设计。

简史1931年德国采用石墨和矿物油的混合物作润滑剂在机械挤压机上热挤压钢管取得成功。但使用石墨在高温下有渗碳作用，只能生产碳素钢管，因此妨碍了该工艺的发展。1938年法国“comptoirdEtirage’’公司开始采用玻璃润滑剂做热挤压钢管的试验，1942年取得专利，此专利很快被美、英、日、西班牙、奥地利、德国、瑞典等国家购买。1951年世界上第一个以玻璃作润滑剂的钢热挤压车间在美国巴布科克一威尔科克斯公司建成投产。该挤压机为卧式液压传动，挤压力为27MN。在此后的10～15年内钢热挤压车间的建设得到迅速发展。挤压机有卧式液压挤压机和立式机械挤压机。早期建成的液压挤压机的挤压力一般为10～20MN，目前大多数为30～50MN，最大液压挤压机的挤压力已经达到100～350MN。

中国于1973年在长城特殊钢厂建成31.5MN卧式液压挤压机，主要生产不锈钢管和厚壁的合金结构钢管、轴承钢管。中国自行设计制造的16MN和15MN卧式液压挤压机，于70年代中期分别建在长城特殊钢厂和上海异型钢管厂，生产不锈钢管和碳素钢异型材及异型管。

反挤压法在相同变形条件下具有挤压力小、挤压速度快、容易实现等温-等压-等速挤压，产品性能比较均匀等特点而受到重视，是今后的发展方向。

设计规模与产品方案设计规模主要取决于挤压机的挤压力大小、原料材质、产品单重及市场需求。挤压力、原料材质和设计规模之间的关系如表1。

表1 挤压力、原料材质和设计规模关系

产品根据市场需要确定，产品尺寸范围和挤压力、原料材质的关系如表2和表3。

热挤压不锈钢管一般约有60%～70%是经冷轧冷拔后交货的，其余是热处理精整后交货。热挤压异型材和异型管一般冷拔后交货。

表2 钢管尺寸范围、挤压力和原料材质的关系

表3 异型材尺寸范围、挤压力和原料材质的关系

工艺流程选择工艺流程根据产品的钢种、尺寸规格和品种进行选择，在工艺流程选择时要注意坯料准备和加热方案的确定。热挤压钢管和空心型材的工艺流程如图1。

坯料准备工艺中，也有选用先将坯料锯成定尺后再车外圆(剥皮)、进行超声波探伤的。加热方案也可以选用环形炉或感应炉直接加热。对小吨位挤压机，坯料钻孔后直接加热，涂玻璃润滑剂后挤压成所需产品，而不用穿孔机穿孔或扩孔。当生产异型材时，不需钻孔和穿扩孔、感应炉再加热及内涂润滑剂等工序。

主要设备选型包括坯料准备设备、加热挤压设备和精整设备。

坯料准备设备包括用于坯料的矫直、切头尾、车削外圆、分段锯切、钻孑L、端部加工及表面检查脱脂等的设备。

(1)矫直机。通常采用卧式液压压力矫直机。根据矫直原料的材质、规格尺寸确定矫直力的大小。为了提高生产效率，改善操作条件，矫直机前后配备装卸料装置、运输辊道及回转装置等。

(2)锯机。通常采用冷切割金属的圆盘锯。这种锯机能保证锯切端面的光洁度和要求的垂直度。

(3)剥皮机。根据所采用的工艺，有两种不同的剥皮机床，一种是用于长棒料的外圆车削，其优点是生产效率高，剥皮并滚压后的表面光洁度好，但其结构复杂，需要较大的安装面积和高的投资费用；另一种是用于短料外圆车削，由于坯料短，辅助时间多，机床效率低，但造价比较低。通常，这种机床也用于穿(扩)孔后的需进行外圆车削的空心坯料的加工。

(4)深孔钻床。对于不锈钢、高合金钢坯料，为了减少在穿孔时的壁厚偏差，要预先钻φ20～30mm的孔，为此采用钻头转动坯料不转动、坯料转动钻头不转动及坯料与钻头向相反方向转动的三种类型钻床。

图1 热挤压钢管和空心型材的生产工艺流程图

(5)端面加工机床。为了加工坯料的端面，车削内孔锥度、外圆倒棱，采用多工位的数控机床。

(6)清洗脱脂装置。挤压坯料在上述机加工过程中表面及内孔均沾有油脂，这些油脂在加热过程中会引起坯料表面增碳，为此采用连续清洗-干燥机组，在坯料入加热炉前需将其表面及内孔的油脂用高压喷射清洗液除净并干燥。

加热及再加热设备根据产品的品种、规格和产量，有多种加热设备可供选择。

(1)环形炉直接加热。适用于产量高坯料直径较大的加热。为防止坯料在加热过程中氧化，要求炉子密封性好，采用高发热值的燃料，炉内为还原性气氛。

(2)感应炉直接加热。适用于产量低、坯料直径小、品种多、批量小的条件下的加热。有立式和卧式两种结构，坯料直径小于φ150～200mm时，采用中频加热，大于上述尺寸时，采用工频加热。感应加热时间短，炉内一般不通保护气体。此法劳动条件好，不污染环境，生产灵活性大，但电耗大成本高。

(3)环形炉预热感应炉加热。根据产品品种用环形炉将坯料预热到600～800℃。然后用感应炉加热到挤压温度。感应炉结构型式和前述的相同。此法具有电耗少、改善劳动条件和生产灵活性大等优点。

(4)玻璃浴炉。适用于小直径坯料的加热。加热时先将玻璃融熔化，在炉膛内形成玻璃浴池，坯料在玻璃浴池内被加热，因此不氧化，加热温度均匀，但在挤压前要预先去掉粘在坯料表面上的玻璃渣。这种加热方法目前一般不再采用。

(5)再加热设备。坯料穿(扩)孔后表面温度降低200～300℃，挤压前需要再加热。一般采用感应加热炉。

穿(扩)孔机采用立式四柱液压穿(扩)孔机。为了提高穿孔坯尺寸精度，用单穿(扩)孔筒，扩孔头和穿孔针不连接的结构。工模具更换要方便。穿孔力根据穿孔坯内外径比值和材质确定，和挤压机挤压力之比一般在0.2～0.4，宜取上限。

挤压机有机械式和液压式两种。机械式挤压机在挤压过程中由于挤压速度不均匀，影响产品质量，不适合高合金钢生产。目前大多采用卧式四柱液压挤压机。主柱塞速度为0～300mm/s，无级调速，挤压机有单挤压筒和双挤压筒之分，模子采用旋转模架结构，每挤压一根产品，模子更换一次。挤压力根据钢种及产品规格来确定。生产钢管的挤压机挤压力大多在20～50MN。现代挤压机通过电-液控制系统实现整个挤压循环的机械化和自动化操作。液压挤压机由泵-蓄势器传动。31.5MN挤压机主要技术性能为：

精整设备：包括去玻璃润滑剂残渣，成品的矫直、切头尾切定尺、无损探伤、打印标记等设备。

(1)去玻璃润滑剂残渣。主要有化学(碱-酸洗)法和机械(喷丸)法两种。目前碱-酸洗法较为普遍。碱-酸洗法有两种操作方法，一种是利用吊车将产品成捆地吊入单独布置的碱槽、酸槽及清洗槽中去除玻璃渣；另一种是用专用的小型起重-运输机械，通过光电程控方法按预先设定的路线和时间，将产品成捆地自动吊入碱槽、酸槽和清洗槽中去除玻璃渣。

(2)矫直设备。根据品种采用不同的矫直设备。钢管采用普通的斜辊矫直机，实心和空心型材采用拉伸扭拧矫直机和由辊片组装的辊式矫直机。

(3)切头切尾设备。对断面形状复杂的实心和空心型材用砂轮锯，对不锈钢等高合金钢管可以采用切管机或砂轮锯，对厚壁钢管可用冷锯机。

(4)无损探伤设备。实心和空心型材采用荧光磁粉或着色探伤设备。对不锈钢等高合金钢管用涡流和声波探伤设备。超声波探伤装置有两种操作方法，对小直径钢管一般是钢管直线运动探头旋转运动方式，对大直径钢管一般是探头固定钢管螺旋前进方式。超声波探伤设备可检查钢管横向、纵向缺陷，测定钢管壁厚。对探伤结果可自动分选，并对缺陷进行自动喷印和报警，由计算机打印出结果来。

车间组成与平面布置车间由原料准备跨间、加热和挤压跨间、精整跨间及主电室组成。有时还包括工模具加工问及润滑剂制备间。钢热挤压车间设备平面布置要根据产品产量和品种确定。当品种比较简单，批量较大时，各生产工序可以连成流水线，反之当产品为多品种小批量，钢种较多时，不要求各生产工序连成流水作业线。设备布置可以比较灵活。

坯料准备跨间和加热挤压跨间可以平行布置，也可以垂直布置，用过跨小车把两个跨间连接起来。为避免产品在车间内往返运输，酸洗跨间和挤压跨间、精整跨间一般垂直布置，并相隔一定距离，以防止酸气污染和对主厂房的腐蚀。挤压车间的平面布置见图2。

设计主要消耗指标中国的钢热挤压车间每吨产品的金属消耗大约为1340kg；燃料消耗大约为2.99×10⁶J；电力消耗大约为600kw•h。