鋁合金擠壓模具出口溫度測量方法研究

唐秀茂，趙茂密，羅春林，馮恩浪，零妙然

(廣西平果百礦高新鋁業有限公司，廣西531400)

0 前言

在材料加工領域，溫度測量是一項極其重要的工作，但是受工作環境等條件限制，有些地方無法直接進行溫度測量。比如擠壓過程中型材擠出模具瞬間，由于受擠壓機前梁的影響無法直接測量，特別是大型擠壓機的前梁厚度大，模具出口處到前梁出口處距離更遠，模具出口處的溫度測量更困難。但是型材擠出模具瞬間的溫度又極其重要，它直接影響產品的微觀組織、表面質量、形位尺寸、力學性能等。溫度過高會導致表面開裂、粗晶組織甚至過燒等，溫度過低則會導致力學性能不合格、擠壓力不足或模具損壞等，溫度波動過大則會導致頭尾微觀組織、力學性能、形位尺寸等性能不均勻。目前，主流的方法是在前梁出口處通過紅外測溫等方法實時監控出口溫度，并反饋到擠壓機和鑄錠加熱，從而實現等溫擠壓[1-4]。但由于不同擠壓型材截面千變萬化，擠壓溫度及擠壓速度差別也很大，該方法只能測量型材離開模具一短時間后的溫度，型材在模具出口處的溫度仍無法準確測量。本文通過現場測溫經驗，利用能量守恒定律、熱量計算公式和牛頓冷卻定律[5]，總結出通過前梁出口溫度推算模具出口溫度的遠程測溫方法，供同行參考。

1 測量原理和方法

模具出口溫度遠程測量示意圖如圖1所示。

圖1 測量示意圖

所用的測量裝置包括測溫探頭、補嘗導線和多功能數顯儀表。該測溫探頭通過補嘗導線與多功能數顯儀表進行連接。

測量原理和步驟如下：

（1）測量材料在A處的溫度，在時間t內的溫度變化為ΔT。

（2）根據熱量計算公式設定材料放出的熱量Q1=CmΔT，其中C為材料的比熱容，m為材料的質量。

（3）根據牛頓冷卻定律設定單位時間內材料經過對流傳熱散出的熱量Q=hS（TA-T介），其中h為材料的表面傳熱系數，S為材料的表面積，TA為材料在A處的原始溫度，T介為周圍環境介質的溫度。時間t內經過對流傳熱散出的熱量Q2=qt=hS（TA-T介）t。

（4）根據能量守恒定律設定材料放出的熱量Q1等于周圍環境介質與材料表面之間對流傳熱的熱量Q2，即Q1=Q2，即CmΔT=hS（TA-T介）t，計算得到材料的表面傳熱系數h=CmΔT/[S（TA-T介）t]。

（5）計算材料在B處的溫度TB：材料從B處移動到A處所用時間t1內，材料經過對流傳熱散出的熱量Q傳=qt1=hS（T材-T介）t1，材料在t1時間內溫度變化為ΔT1=TB-TA（在實際操作過程中，若TB小于TA，則ΔT1=TA-TB），放出的熱量為Q放=CmΔT1，根據能量守恒定律Q傳=Q放，得到TB=[hS（T材-T介）t1+CmTA]/Cm。

其中，t1=L/V，L為B處到A處的距離，V為材料從B處運動到A處的運動速度。

為了減少測量誤差，T材取TB和TA的平均值，即T材=（TB+TA）/2，則TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）。

在進行材料的溫度測量前，先在測溫程序中預設h=CmΔT/[S（TA-T介）t]及TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）的計算公式，然后將材料的比熱容C、材料的質量m、材料的表面積S、周圍環境介質溫度T介、材料從B處移動到A處所用時間t1錄入測溫程序中，再使用測溫探頭測量材料在A處的溫度TA、材料在A處溫度下降ΔT所用時間t，即可在測溫程序中顯示和輸出材料在B處的溫度TB。

2 結果和討論

通過具體產品進行計算，以厚15mm、寬400mm的7075擠壓排材在75MN擠壓機上生產為例。

單位長度（1m）的擠壓排材重量m=16.2kg，參與散熱的表面積S=（0.15+0.4）×2×1=0.83m2（由于所測產品是連續的，所以兩端的兩個面不參與對流傳熱，只是外表面的4個面參與傳熱。如果是單獨的整個產品，則表面積是按照6個面進行計算，即：表面積根據實際情況取值），比熱容C=921J/（kg·K），周圍環境介質（車間空氣）溫度T介=30℃=30+273K=303K，B處到A處長度L=2.7m=2700mm，擠壓速度V=0.5m/min，則產品從B處運動到A處所用時間為t1=L/V=324s，設材料在B處的溫度為TB，材料在A處的溫度為TA。

（1）表面傳熱系數的計算：在A處測得產品溫度TA=396.0℃=396.0+273K=669K。經過7.2s后，產品溫度降低了1℃=1K，即ΔT=1；在A處測量間隔時間t=7.2s內材料放出的熱量Q1=CmΔT；t=7.2s時間內經過對流傳熱散出的熱量Q2=qt=hS（TAT介）t，由Q1=Q2及ΔT=1，得出材料的表面傳熱系數：

（2）模具出口溫度的測量：產品從模具出口處（B處）移動到前梁處（A處）所用時間t1內，由于時間t1相對較長，材料的溫度變化較大，計算表面對流傳熱時，為了減少誤差，T材取TB和TA的平均值，即T材=（TB+TA）/2。因此，時間t1內材料經過對流傳熱散出的熱量Q傳=qt1=hS（T材-T介）t1=hS（T材-T介）L/V，材料在t1時間內溫度變化為ΔT1=TB-TA，放出的熱量為Q放=CmΔT1，根據Q傳=Q放得出：

即產品在模具出口處（B處）的溫度為443.9℃。

（3）本文的實驗場景和測試的過程為：采用便捷式測溫儀測量A處（前梁出口）的溫度，通過預設了h=CmΔT/[S（TA-T介）t]和TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）兩個公式的遠程測溫程序，得出B處（模具出口）的溫度。測試的過程與常規測溫過程相似，不同點在于：常規測溫方法只測得該處的溫度，而本文通過預設計算公式可得出另一處的溫度。

通過接觸式熱電偶實測模具出口溫度進行多次測量對比，該方法與實測值偏差在±5℃以內，可以滿足生產測溫需求，結果見表1。其中，影響測量結果準確性的因素主要有兩點：一是產品從模具出口到前梁出口的溫降過程中，表面傳熱系數會有細小變化，而本方法假設表面傳熱系數為定值；二是本方法只考慮了表面傳熱過程，不考慮熱幅射的影響。但是由于表面傳熱系數的變化很小，以及熱幅射在整個過程的溫降中所占比例極小，對本方法的影響有限，可以忽略，因此測量結果與實際相符。

表1 遠程測溫與電偶實測模具出口溫度結果對比

根據測量原理可知，當被測量對象的表面傳熱系統變化不大、且幅射傳熱較小，兩者都可以忽略時，本文中的遠程測溫方法可以適用于其他材料和領域的溫度遠程測量。

3 結論

（1）通過測量材料在某處或某時間段的溫度變化，并計算出表面傳熱系數，可以推算出材料在另一處或另一時刻的溫度，且結果與實際相符較好，可以滿足擠壓模具出口溫度遠程測溫要求。

（2）在溫度測量前，先在測溫程序中預設h=CmΔT/[S（TA-T介）t]及TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）的計算公式，然后將材料的比熱容C、材料的質量m、材料的表面積S、周圍環境介質溫度T介、材料從B處移動到A處所用時間t1錄入測溫程序中，再使用測溫探頭測量材料在A處的溫度TA、材料在A處溫度下降ΔT所用時間t，即可在測溫程序中顯示和輸出材料在B處的溫度TB。

（3） 本文所述的遠程測溫方法同樣適用于其他材料和領域的溫度遠程測量。