冷卻對鋁包鋼拉絲質(zhì)量影響研究

田 庚，楊宏達(dá)，朱 興，伍光磊

（江蘇藤倉亨通光電有限公司，江蘇 吳江 215234）

鋁包鋼絲及其制品作為高效、節(jié)能、節(jié)材產(chǎn)品，是鋼芯鋁絞線、鋼絞線及鍍鋅架空通訊線等升級換代產(chǎn)品。由于鋁包鋼絲及其制品具有強(qiáng)度高、韌性好、導(dǎo)電性能強(qiáng)、耐腐蝕及使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，加上工程造價(jià)低，目前在國外已被廣泛應(yīng)用于電力輸送、架空地線、大跨越導(dǎo)線、電氣機(jī)車滑道線及防冰雪導(dǎo)線等方面。

鋁包鋼絲作為雙金屬產(chǎn)品，其在拉制過程中采用干式流體動(dòng)力潤滑，即粘附在鋁包鋼絲表面的潤滑粉以一定速度下通過拉絲模具與鋁包鋼絲的間隙，由于流體動(dòng)力效應(yīng)連續(xù)帶入模具間隙的潤滑粉在模具與鋁包鋼絲間產(chǎn)生均勻的潤滑膜和巨大的壓力，使鋁和鋼在拉伸力作用下同步變形，經(jīng)過多道拉伸變形，得到直徑、強(qiáng)度、延伸率等性能符合要求的產(chǎn)品。在強(qiáng)制潤滑拉制過程中，由于存在拉伸變形、擠壓、摩擦等因素，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)冷卻，將導(dǎo)致鋁包鋼絲和潤滑粉溫度升高，一方面潤滑粉溫度過高至?xí)r發(fā)生軟化變成半流體從壓力導(dǎo)管和鋁包鋼絲的間隙中導(dǎo)出，不能在模具間隙內(nèi)形成穩(wěn)定壓力，從而導(dǎo)致鋁包鋼絲拉毛、毛斷；另一方面拉制中的鋁包鋼絲溫度過高，更多的能量會(huì)形成金屬晶格畸變儲(chǔ)存于金屬線材內(nèi)，使鋁包鋼絲強(qiáng)度、脆性增加，塑性降低，影響鋁包鋼絲機(jī)械性能，甚至導(dǎo)致脆斷、拉斷等質(zhì)量事故。

1 鋁包鋼拉絲潤滑粉基本成分分析及軟化溫度實(shí)驗(yàn)

通常固體潤滑劑分為鈉基潤滑劑、鈣基潤滑劑和鈣、鈉混合基潤滑劑三大種類。鋁包鋼拉絲潤滑粉屬于鈣基潤滑劑主要成分是石灰、燒堿、硬脂酸、動(dòng)物油脂和添加劑等，添加劑是為了提高潤滑性能或獲得某些特殊性能而添加在潤滑劑中的少量其他物質(zhì)。包括極壓添加劑、油性改善劑、增稠劑及防腐劑等。極壓添加劑為主要添加劑，它能與金屬摩擦面反應(yīng)生成熔點(diǎn)高和剪切強(qiáng)度低的金屬化合物薄膜，從而提高潤滑劑在高溫高壓下的潤滑性能。這類添加劑主要有二硫化鉬、石墨以及聚四氟乙烯等高分子化合物。油性改善劑又稱活性添加劑，它的作用是提高潤滑劑吸附和形成潤滑膜的能力。這類添加劑有各種高級脂肪酸、脂、胺等。增稠劑是為增加潤滑劑稠度而加入的添加劑，材料有純堿、石灰、硫酸鋇、碳酸鈣等。防腐劑又稱阻蝕劑，作用是防止?jié)櫥瑒︿摻z基體的腐蝕，材料有亞硝酸鈉、磷酸鈉等。鋁包鋼拉絲粉由以上多種成分混合并發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)而成，其中油脂類成分熔點(diǎn)較低、潤滑性好并具有較強(qiáng)吸附性能，占拉絲粉總成分60%以上。石灰、燒堿及添加劑具有較高熔點(diǎn)、極壓、耐磨和防銹功能。

將鋁包鋼拉絲潤滑劑進(jìn)行加熱時(shí)，當(dāng)潤滑劑中部分開始軟化，我們稱此溫度為潤滑劑的軟化點(diǎn)。若拉絲潤滑劑軟化點(diǎn)偏低，拉絲過程中對線材冷卻效果差，潤滑劑容易軟化成流體狀態(tài)從壓力導(dǎo)管中倒向流出，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)焦、硬化阻塞壓力模模孔，導(dǎo)致拉絲潤滑不能正常工作。潤滑劑軟化點(diǎn)過高油脂類成分含量少，潤滑劑吸附能力差，拉絲粉帶入壓力模模孔不足，無法在拉絲模具內(nèi)形成足夠的壓力和潤滑膜，也無法形成良好的強(qiáng)制潤滑效果[1-3]。

我們對現(xiàn)用的拉絲粉進(jìn)行軟化點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)，使用加熱爐對新拉絲粉和拉拔一段時(shí)間后的拉絲粉進(jìn)行加熱并使用溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度。在120℃左右時(shí)，新粉開始部分軟化并黏在一起，由粉末狀黏成塊狀，而老拉絲粉還沒有明顯變化。在150℃時(shí)新粉黏塊變大，加熱盆底部溫度高區(qū)域拉絲粉變黃褐色，老粉中冒煙并有軟化和碳化現(xiàn)象。此次實(shí)驗(yàn)可說明，現(xiàn)用的新潤滑粉軟化點(diǎn)在120℃左右，同時(shí)老拉絲粉的軟化溫度要比新拉絲粉高。這是因?yàn)樾吕z粉中油脂含量比較高，經(jīng)過重復(fù)拉拔使用后，油脂含量逐漸消耗而降低，而拉絲粉中石灰、添加劑的含量消耗比例較少，因此重復(fù)使用的拉絲粉軟化溫度相對新粉高。

圖1 拉制溫度過高拉絲粉軟化從壓力導(dǎo)管中導(dǎo)出

圖2 拉制溫度過高潤滑粉軟化后無法形成足夠壓力導(dǎo)致拉毛拉斷

2 鋁包鋼拉絲冷卻對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

鋁包鋼絲拉制中常使用水、空氣進(jìn)行冷卻。我們通過調(diào)整冷卻水溫度和流量，改變對拉制過程冷卻效果，同時(shí)使用測溫儀測量冷卻溫度和鋁包鋼絲拉制溫度，進(jìn)行冷卻效果對鋁包鋼絲產(chǎn)品質(zhì)量影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)情況如下：同一盤鋁包鋼桿以相同速度拉制LB20-2.9產(chǎn)品，通過調(diào)整冷卻水溫度和流量，使鋁包鋼拉制溫度分別為107℃和186℃，鋁包鋼絲產(chǎn)品機(jī)械性能檢測分別如下：

圖3 186℃檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 107℃時(shí)檢測數(shù)據(jù)

表1 拉制溫度為107℃和186℃時(shí)LB20-2.9鋁包鋼絲機(jī)械性能

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明鋁包鋼絲拉制溫度與抗拉強(qiáng)度成正比，與延伸率成反比，拉制溫度升高使鋁包鋼絲強(qiáng)度和脆性增加，塑性降低，易導(dǎo)致鋁包鋼絲拉制時(shí)脆斷概率和機(jī)械性能不合格率提升。

3 鋁包鋼拉絲中熱量來源及計(jì)算公式

鋁包鋼正常拉絲過程中，熱量主要來自電機(jī)拉制鋁包鋼時(shí)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能和熱能，主要形式為鋁包鋼拉制時(shí)的變形功和摩擦功、及電機(jī)發(fā)熱、傳動(dòng)損失的功。其中變形功約占總功的70%，摩擦功占總功的20%，電機(jī)發(fā)熱和傳動(dòng)損失的功占總功的10%。80%～85%的變形功轉(zhuǎn)變成熱能，15%～20%的變形功作為晶格畸變存在鋁包鋼線材內(nèi)。摩擦功幾乎全部轉(zhuǎn)變成熱能。即電機(jī)輸出總功的76%～80%轉(zhuǎn)變成熱能。其計(jì)算公式為：

式（1）中：Q總為一定時(shí)間t內(nèi)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的總機(jī)械能；P輸出為電動(dòng)機(jī)的輸出功率；t為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間。若電動(dòng)機(jī)為額定功率工作時(shí)，P輸出為電動(dòng)機(jī)額定功率，若電動(dòng)機(jī)不是額定功率工作，可以使用轉(zhuǎn)矩來計(jì)算實(shí)際輸出功率。其公式如下：

式（2）中：T為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；n為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；f實(shí)際為電動(dòng)機(jī)實(shí)際頻率；f額定為電動(dòng)機(jī)額定頻率；

電動(dòng)機(jī)輸出功經(jīng)機(jī)械傳遞會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)效率損失，目前我們拉絲設(shè)備采用皮帶傳動(dòng)加圓柱齒輪減速箱再加鍵連接，其機(jī)械傳動(dòng)效率分別為0.95、0.98、0.98，即總機(jī)械傳動(dòng)效率μ=0.91。機(jī)械功轉(zhuǎn)變成熱能系數(shù)β=0.84-0.88。因此鋁包鋼拉絲產(chǎn)生的熱量公式為：

拉絲設(shè)備采用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)為：額定功率為55KW，額定轉(zhuǎn)矩為350.1N.m，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定頻率50Hz。

通過檢測實(shí)際頻率可計(jì)算每道次鋁包鋼拉拔時(shí)產(chǎn)生的熱量。當(dāng)實(shí)際頻率超過額定頻率時(shí)，輸出功率按額定功率計(jì)算。

表2 鋁包鋼絲實(shí)際拉制時(shí)每道拉拔產(chǎn)生熱量計(jì)算表

假設(shè)沒有任何冷卻，機(jī)械功全部轉(zhuǎn)化成拉制產(chǎn)品、模具和拉絲粉溫升且溫度升高一致，根據(jù)能量守恒定律可得出：

公式（4）中：m1為單位時(shí)間內(nèi)拉制鋁包鋼絲中鋼的重量；m2為模具重量；m3為單位時(shí)間內(nèi)拉制鋁包鋼絲中鋁的質(zhì)量；Δt為溫升；由于拉絲粉在模具中的量很少此處忽略不計(jì)。表2中拉制速度時(shí)鋼重量為0.152Kg/s，鋁重量為0.047 Kg/s，拉絲模具重量為1.6Kg/套。

表3 在假設(shè)條件下每秒拉制鋁包鋼絲和模具溫升

表3可以看出，鋁包鋼絲拉制過程中若沒有有效冷卻，模具和鋁包鋼絲溫度將很快達(dá)到潤滑粉軟化點(diǎn)溫度，軟化后的潤滑粉將不能形成足夠的強(qiáng)制潤滑壓力，甚至?xí)膲毫?dǎo)模中反向流出，最終會(huì)導(dǎo)致鋁包鋼絲拉毛拉斷。

4 鋁包鋼拉絲中冷卻水相關(guān)參數(shù)的研究

鋁包鋼絲拉制中常使用水、空氣對產(chǎn)品、模具進(jìn)行冷卻，其中水比熱大、容易計(jì)量和管控而被作為主要冷卻介質(zhì)。通過對拉絲模具和拉絲輪轂冷卻對產(chǎn)品、潤滑粉進(jìn)行降溫。在每個(gè)冷卻裝置處加裝冷卻水流量計(jì)和溫度計(jì)可以實(shí)時(shí)測量并計(jì)算出冷卻水帶走的熱量。冷卻水吸熱公式為：

公式（5）中L為冷卻水流量；T出口為冷卻裝置出水口冷卻水溫度；T進(jìn)口為冷卻裝置進(jìn)水口冷卻水溫度。

實(shí)際測量每道拉絲模具進(jìn)出口鋁包鋼絲溫度，可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)鋁包鋼線材在本道拉絲吸收的熱量。實(shí)際統(tǒng)計(jì)如表4。

表4 鋁包鋼拉絲線材和冷卻水吸收熱量計(jì)算表

表4中每秒冷卻水和鋁包鋼線材吸收熱量與表2中每秒拉拔產(chǎn)生熱量相差不大。相差部分主要因空氣冷卻、拉絲模具冷卻吸收的熱量和熱量轉(zhuǎn)換時(shí)有一定誤差，另測試?yán)鋮s水出口溫度只代表大部分冷卻水的溫度，與拉絲模具越接近的冷卻水溫度越高吸收熱量越多，具體數(shù)據(jù)不易統(tǒng)計(jì)。鋁包鋼絲在模具出口的溫度可視為拉絲模具中潤滑粉溫度，控制拉制溫度在潤滑粉軟化點(diǎn)溫度附近，既能保證潤滑粉有一定流動(dòng)性在被拉制鋁包鋼絲和模具的間隙中形成均勻的潤滑膜，又能保證潤滑粉顆粒狀態(tài)形成足夠的強(qiáng)制潤滑壓力，達(dá)到鋁包鋼絲良好潤滑拉制的效果。

5 總結(jié)

通過分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算驗(yàn)證了理論分析，并得出以下結(jié)論。

（1）鋁包鋼拉絲潤滑粉根據(jù)其原材料配方不同，其軟化點(diǎn)溫度也不同。鋁包鋼拉絲潤滑粉可以通過實(shí)際加熱實(shí)驗(yàn)得出大致軟化點(diǎn)溫度，以便于在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行拉絲溫度控制。

（2）鋁包鋼在拉制中因拉伸變形和摩擦做功產(chǎn)生大量熱量，產(chǎn)生的熱量主要轉(zhuǎn)化為模具、拉制產(chǎn)品、拉絲粉和冷卻介質(zhì)的溫升。如果冷卻冷介質(zhì)溫度和流量不能有效測量和控制，將無法對拉制溫度進(jìn)行有效合理降溫，當(dāng)拉制溫度超過拉絲粉軟化點(diǎn)溫度，潤滑粉固體狀態(tài)變成半流體將不能在模具中產(chǎn)生足夠壓力，導(dǎo)致鋁包鋼絲拉毛、拉斷。

（3）鋁包鋼絲拉制中產(chǎn)生的熱量可以通過電動(dòng)機(jī)做功計(jì)算公式和能量守恒原理計(jì)算出來，理論計(jì)算值和實(shí)際測量值基本相近，主要差別為忽略了空氣對流冷卻和拉絲模具吸收熱量。

（4）根據(jù)鋁包鋼絲拉制產(chǎn)生熱量計(jì)算公式可以預(yù)測所需的冷卻水流量和溫度，便于日常生產(chǎn)工藝管理，也可以為改善鋁包鋼絲產(chǎn)品質(zhì)量提供合理方案。

通過合理方式準(zhǔn)確檢測鋁包鋼拉絲過程中每道拉拔鋁包鋼絲進(jìn)出模具時(shí)的溫度，以及冷卻水進(jìn)出口溫度和流量，可以實(shí)時(shí)掌握鋁包鋼拉絲過程中的冷卻效果和拉制溫度，可以提前分析鋁包鋼拉制的質(zhì)量和實(shí)施改善產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施，對于鋁包鋼絲拉制工藝完善有很好的促進(jìn)作用。