Нагрев матриц для экструзии алюминия

Важная часть прессового оборудования

Экструзионные матрицы и вспомогательный прессовый инструмент (подкладки, больстеры, подбольстеры) должны подогреваться до подходящей температуры перед тем, как устанавливаться на пресс. Это необходимо для того, чтобы избежать излома матрицы и свести до минимума время, которое требуется для достижения стабильных параметров экструзии. Температура прессового инструмента является одним из критических параметров, который нужно жестко контролировать, чтобы добиться стабильности и повторяемости при экструзии алюминия. Поэтому хорошие печи для нагрева матриц являются важным оборудованием для любого экструзионного пресса.

Рисунок 1 – Прессовый инструмент экструзионного пресса [1]

Экструзионные матрицы и другой прессовый инструмент изготавливаются с высокой точностью из теплостойкой инструментальной стали по довольной сложной технологии. Поэтому они являются довольно дорогими и с ними нужно аккуратно обращаться, чтобы обеспечить им максимально длительный срок службы. Кроме того, если матрица слишком холодная или слишком горячая, то это может быть причиной непроизводительной работы пресса с образованием чрезмерно большого количества брака.

Типы печей: традиционные и другие

Наиболее широко распространены традиционные камерные печи с верхней откидывающейся крышкой. Они занимают мало места и могут устанавливаться максимально близко к прессу. Другим распространенным типом печей являются одноместные печи. Их особенно удобно применять для матриц больших размеров. Эти печи требуют дополнительных производственных площадей.

Реже, в основном, на специальных производствах, применяются другие конструкции печей: выдвижные, роторные, с инертной атмосферой, индукционные, инфракрасные.

Печи с загрузкой сверху

Наиболее общим типом печей для нагрева матриц являются печи в виде прямоугольной камеры с откидной крышкой в верхней ее части (рисунок 2). Этот тип печей является самым дешевым, самым простым для установки и занимает меньше всего места.

Рисунок 2 – Камерные многоместные печи нагрева матриц производства компании Tecalex [3]

В каждой печи одновременно нагревают от 10 до 20 матриц в зависимости от их размеров.

Чтобы обеспечивать более быстрый нагрев и повысить однородность температуры в этих печах обычно циркулирует горячий воздух. При этом прямое излучение от источника тепла к инструменту предотвращается с помощью специальных экранов.

При работе с этими печами необходимо следить, чтобы вновь загружаемая холодная матрица не отнимала слишком много тепла от соседних матриц [2].

Одноместные печи

Усовершенствованием камерных печей являются одноместные печи. Несколько таких печей выстраивают в ряд в цехе вблизи пресса. Каждая из них предназначена для нагрева только одной матрицы. Благодаря малым размерам нагревательных камер нагрев производится без применения циркуляции воздуха.

Эти печи имеют следующие преимущества:

Печь не открывается для загрузки и выгрузки других единиц прессового инструмента
Рядом с нагретой матрицей никогда не бывает холодной матрицы
Нагрев матрицы занимает меньше времени
Предотвращение перегрева матриц за счет более легкого контроля длительности нагрева каждой матрицы.

Рисунок 3 – Одноместная печь нагрева матриц компании Tecalex [3]

Печи с выдвижными секциями

Эти печи имеют 3-5 выдвижных секции, в каждой из которых помещается 4 или 5 матриц. Каждая секция имеет свой контроль температуры. Загрузка и выгрузка одного матричного комплекта оказывают меньшее влияние на другие матрицы, чем у традиционных камерных печей.

Рисунок 4 – Печь нагрева матриц с выдвижными секциями [2]

Роторные печи

Печи этого типа имеют поворотный стол, который может поворачиваться так, чтобы нужная матрица оказалась напротив окна загрузки-выгрузки. Эта конструкция является более дорогой и требует больше места. Однако она обеспечивает повышенную однородность температуры матрицы потому что загрузка и выгрузка матрицы не влияют на температуру других матриц.

Рисунок 5 – Роторная печь нагрева матриц [2]

Печи с инертной атмосферой

Набирают популярности печи с инертной атмосферой аргона или азота, чтобы снизить окисление матриц. Каждая матрица располагается в отдельной выдвижной секции, что обеспечивает очень точный температурный контроль, сокращение длительности нагрева и экономию энергии. Эти печи требуют повышенных расходов на их контроль и техническое обслуживание.

Рисунок 6 – Печь нагрева матриц в инертной атмосфере [2]

Печи газовые

При прямом газовом нагреве труднее контролировать температуру, а продукты горения газа, включая, водяной пар, могут неблагоприятно влиять на металл матрицы. Поэтому при необходимости применяют только косвенный (непрямой) газовый нагрев с использованием радиантных труб.

Электрические нагреватели сопротивления

В большинстве печей нагрева матриц применяются электрические нагреватели сопротивления. Эти нагревательные элементы являются надежными и хорошо регулируются для обеспечения однородной температуры. Электрические элементы должны располагаться в печи так, чтобы не создавать локального перегрева металла матриц.

Индукционный электрический нагрев

Эти печи могут нагревать матрицы до рабочей температуры за несколько минут. Поскольку нагрев происходит внутри матрицы, то выдержка при температуре не требуется. Важным преимуществом является отсутствие вредного длительного пребывания матриц при высокой температуре – выше срок службы, меньше окисление и повреждение рабочих поясков. Однако эти печи имеют высокую первоначальную стоимость и высокую стоимость технического обслуживания.

Инфракрасный нагрев

В этих печах для нагрева матриц применяется инфракрасное излучение. Поставщики этих печей утверждают, что эти печи обеспечивают быстрый и точный нагрев матриц.

Нагрев матриц и другого прессового инструмента

При правильной эксплуатации печь нагрева матриц должна нагревать прессовый инструмент до нужной температуры независимо от того, в какой части печи он располагается. Длительность пребывания матриц и другого инструмента в печи должна быть строго регламентирована [1]:

При недостаточно длительном нагреве матрица может поломаться
При чрезмерно длительном нагреве матрица может потерять свою твердость (что также приведет к излому), а рабочие пояски матрицы сильно окислятся и покроются язвами.

Известно, что многие прессовщики алюминия вообще не подогревают вспомогательный прессовый инструмент (подкладки, суббольстеры и больстеры) [1]. Однако эксперты категорически рекомендуют греть не только сами матрицы, но весь поддерживающий их прессовый инструмент. Каждый раз при установке новой матрицы холодные подкладки, суббольстеры и больстеры отнимают у нее тепло и удлиняют процесс стабилизации процесса экструзии.

Общие правила нагрева прессового инструмента

Сплошные матрицы. Температура нагрева матрицы определяется опытным путем для каждой матрицы. При отсутствии опытных данных рекомендуют температуру от 425 до 455 ºС. Матрицы с критическими «языками» нужно греть до более высокой температуры.
Полые матрицы портхол (porthole) и крестообразные (spider) греют до температуры от 455 до 510 ºС.
Матрицы мостиковые (bridge) греют до температуры на 55-110 ºС ниже температуры заготовки в зависимости от отношения прессования (вытяжки) и формы профиля.
Больстеры для сплошных матриц должны подогреваться до той же температуры, что и матрица и подкладка, или до температуры не менее 200 ºС.
Больстеры для полых матриц должны подогреваться до той же температуры, что и полая матрица в сборе. При этом больстер должен передаваться на пресс за минимальное время, чтобы сохранить температуру, которая требуется для экструзии.
После достижения заданной температуры на поверхности инструмент должен выдерживаться в печи в течение 45 минут на каждые 25 мм общей его толщины, чтобы достичь однородности температуры в печи с циркуляцией воздуха.

Перепад температуры в печи нагрева матриц

Перепад температуры по печи нагрева матриц должен быть не более 15 ºС. «Горячие» и «холодные» места в печи устраняются путем установки дополнительных тепловых экранов для изменения потока циркулируемого воздуха.

Точность температуры в печи

Точность фактической температуры в печи контролируют не реже одного раза в месяц путем сравнения с контрольной термопарой с записью показаний. Рекомендуется иметь на печи два прибора для измерения температуры на случай выхода из строя одного из них.

Источники:

Aluminum Extrusions From Start to Finish – Presentation / Randy Thomure, Sapa Extrusions, 2013.
Die Ovens – The Extrusion Press Maintenance Manual, 4th Edition / Al Kennedy.
http://www.tecalex.net/en/furnaces.html