6061鋁扁條擠壓型材在線噴水冷卻影響因素應用研究

黃 海

廣西工業建筑設計研究院，廣西南寧 530031

鋁材因其耐腐蝕、比強度與比剛度高、密度小、易成形及可節能再生等優勢，在生產與生活的方方面面都達到廣泛的應用，是國民經濟發展與進步所需的重要基礎材料，尤其在結構與裝飾應用方面幾乎無可取代，而扁條鋁擠壓型材也在推動社會經濟的發展方面發揮重要作用。噴水冷卻是生產鋁擠壓型材的一道重要工藝，鋁擠壓型材的噴水冷卻工藝直接決定著型材的機械強度。而為提高型材的機械強度，許多型材快速冷卻后，還要求冷卻設備能保證扁條鋁擠壓型材在長、寬與壁厚方向的溫度場均勻分布。本文就是對影響6061鋁合金產品尺寸規格寬度100mm、壁厚5mm、長度650mm扁條鋁擠壓型材的在線噴水冷卻因素進行探究。影響扁條鋁擠壓型材的在線噴水冷卻因素有很多，本文只從以下幾個重要影響因素入手進行分析總結。

1 擠壓速度的影響

鋁型材的擠壓速度通常用金屬流出模孔的速度來表示，擠壓速度影響較大的主要為長度方向上的溫度分布，而影響較小的寬度方向上的溫度分布可忽略，因此本文只對長度方向上的溫度分布規律在不同擠壓速度情況下的變化進行探討，即本本只取扁條鋁擠壓型材長度方向上的上表面為研究面，若其他參數不變，扁條鋁擠壓型材噴水冷卻溫度場在擠壓速度分別取值l0、20、30、40、50及60時（單位為mm/s）的上表面中心線上溫度分布狀況。通過分析發現，扁條鋁擠壓型材兩端溫差會隨著擠壓速度的變大而越來越小，而檔10mm/s的擠壓速度增至40mm/s后，溫度變化則較小，也就是說，扁條鋁擠壓型材長度方向上的溫度分布隨著擠壓速度的增大而越來越均勻，但當其增至40mm/s時，對長度方向上的溫度場影響會越來越小，可以說，擠壓速度對扁條鋁擠壓型材噴水冷卻溫度場的影響存在一個臨界值，此時臨界值為40mm/s，若是擠壓速度小于臨界值，則其對溫度場的影響較大，但若是擠壓速度大于臨界值，其對溫度場的影響則越來越小。對于6061合金臨界冷卻溫度范圍的冷卻速度應不小650℃/min（923.15K/min），即擠壓速度大于46mm/s，使材料基本呈現大量亞結構和部分再結品組織，其組織和力學性能近于6A02合金。

2 噴嘴橫向間距的影響

上下單排噴嘴布置容易使扁條鋁型材溫度分布不均勻，出現兩側邊溫度高而上下表面中心溫度低的現象，對此，可優化噴嘴布置結構，實行兩排噴嘴布置，即扁條鋁擠壓型材正上、下方各布置兩排噴嘴。噴嘴直徑為l0mm，噴嘴之間縱向間距為50mm，上下四排噴嘴的個數應相同，皆為13個，上噴嘴與上表面保持120mm的距離而下噴嘴與下表面保持l0mm的距離，冷卻區域長為650mm，取上噴嘴的入口水流量為56.52kg/h而下噴嘴的為141.3kg/h，擠壓速度取值60mm/s，重力加速度為9.8m/s2。噴嘴橫向間距影響長度方向的溫度場變化較小，可以忽略不計，因此只對影響寬度方向溫度場的變化規律進行探討。若以上表面為研究面，而上表面中心線上隔5mm取研究點，則在橫向間距L取值分別為50、60、70及80（單位為mm）時，對扁條鋁擠壓型材上表面中心線上噴水冷卻的溫度場分布情況研究發現，扁條鋁擠壓型材上表面中心線上溫度分布隨噴嘴橫線間距變大而呈“W”型，而溫度場分布在橫向間距取值60mm時板兩側較為均勻，板中心線仍有40K溫差。因此，橫向上下各設三排噴嘴較為合理，即沿板寬中心線上下各增加一排噴嘴。

3 噴嘴縱向間距的影響

噴嘴的縱向間距主要影響長度方向的溫度分布，而影響寬度方向的溫度分布可忽略，只要對長度方向的溫度變化規律在不同的噴嘴縱向間距下的影響進行探討。若研究面為上表面，而上表面中心線上隔5mm取研究點，則保持其他參數不變，設上排噴嘴的入口水流量取值為734.76，而下排噴嘴的取值為1836.9（單位為kg/h），擠壓速度取值60mm/s，則扁條鋁擠壓型材噴水冷卻溫度場在噴嘴縱向間距分別取值為50、60、75、l00及150（單位為mm）時的分布曲線如圖1所示。

圖1 上表面中心線上溫度分布曲線

由圖1可知，扁條鋁擠壓型材兩端的溫差會隨噴嘴縱向間距越大而越大，也就是說，扁條鋁擠壓型材溫度縱向分布的波動性會隨著噴嘴縱向間距的增加而越明顯，縱向溫度分布會越來越不均勻，噴嘴縱向間距應小于50mm。

4 水溫的影響

實行兩排噴嘴布置方案，即扁條鋁擠壓型材正上、下方各布置兩排噴嘴，而噴嘴之間的橫向間距取值60mm。若研究面為上表面，水溫取值分別為20、25、30、35及40（單位為℃）時，對扁條鋁擠壓型材的上表面長度與寬度方向中心線上的噴水冷卻溫度曲線研究發現，扁條鋁擠壓型材的溫度會隨冷卻水溫的升高而有所升高，但不太影響溫度分布的均勻性。即是說，扁條鋁擠壓型材冷卻效果受水溫影響較小。

5 結論

綜上所述，寬度方向的溫度場受擠壓速度影響較小而長度方向的溫度場影響較大，且溫度場受擠壓速度的影響存在一個臨界值，對于6061合金擠壓速度應大于46mm/s。在實行兩排噴嘴布置方案情況下，寬度方向的溫度場分布受噴嘴之間橫向間距的影響較大，且溫度場分布在噴嘴橫向間距取60mm時板兩側較為均勻，板中心線仍有40K溫差。因此，橫向上下各設三排噴嘴較為合理，即沿板寬中心線上下各增加一排噴嘴。隨著噴嘴縱向間距的增加，使縱向溫度分布會越來越不均勻，噴嘴縱向間距應小于50mm。

[1]何艷兵，楊海波.扁條鋁擠壓型材在線噴水冷卻影響因素研究[J].冶金設備，2009(6).