CC BY
6
УДК 621.777
О РАЗРАБОТКЕ И ОСВОЕНИИ ЭКОНОМИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУНЕПРЕРЫВНО ПРЕССОВАННЫХ ПРОФИЛЕЙ
Ю.А. Агапов, канд. техн. наук (ЗАО НПО «СибПрофиль»), В.Л. Бережной, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:science@oaovils.ru)
Обоснована целесообразность экструзионного производства на комплексах с вводимым комплектом мерных заготовок (слитков). Приведены данные разработок, освоенных в ЗАО НПО «СибПрофиль». В их числе - малоэтапная технологическая схема производства, модификация полунепрерывного прессования профилей, пресс 8 МН оригинальной конструкции НПО «Тяжстанкогидропресс», комплекс технологического оборудования повышенного быстродействия благодаря совмещению некоторых процессов. Показатели освоения этого производства: уменьшение вспомогательного времени прессования до 10 с, повышение выхода годного до 90-91 % и уровня прочности профилей до 215-245 МПа для стандартных сплавов типа АД31, снижение легковесности профилей до 200-250 г/м.
Ключевые слова: недостатки поточного производства, компактные комплексы, полунепрерывное прессование, гомогенизация, градиентное подхолаживание заготовок, пресс-закалка, инфракрасные пирометры, показатели производства.
On Development and Mastering of Economical Production of Semicontinuously Extruded Shapes. Yu.A. Agapov, V.L. Berezhnoy.
Expediency of extrusion at complexes with the use of a set of cut-to-length billets (ingots) is substantiated. Information on developments adopted at ZAO NPO «SibProfile» is presented. Among the developments are the following: thinly staged production technology, modification of semicontinuous extrusion of shapes, a special 8 MN capacity press designed at NPO «Tyazhstankogidropress», a set of production equipment featured by an extra speed of response due to overlapping of some processes. Indices of mastering of this production are the following: a reduction in an auxiliary extrusion time down to 10 sec., an improvement in extrusion yield up to 90-91 % and in a strength level of shapes up to 215-245 MPa for AD31-type conventional alloys, a reduction in shape weight down to 200-250 g/m.
Key words: limits of flow-line production, compact complexes, semicontinuous extrusion, homogenization, gradient reduction in a billet temperature, press quenching, infra-red pyrometers, indices of production.
Введение в проблематику
В промышленно развитых странах (в США, Европе, Японии) мировой уровень автоматизированного поточного производства профилей из легкодеформируемых алюминиевых сплавов системы А1-М^-Б1 достигнут на основе внедрения технологических разработок и соответствующих конструкций оборудования периода 80-90-х гг. [1].
Однако современные поточныелинии весьма габаритны и энергозатратны, ограничены по сортаменту пресс-изделий. Кроме того, для
многих потребителей - экструдеров оказывается проблемой высокая стоимость их поставки с отладкой и запуском, особенно, в случае оборудования повышенной надежности [2].
Между тем имеются возможности достичь значительной экономичности и компактности поточных линий за счет введения рациональных технических решений в технологию и оборудование. При этом должно избегать конструкций оборудования, недостаточно проверенных на надежность при 3-сменной ра-
боте, например, из Тайваня, экспансия импорта которого продолжается из-за его низкой стоимости.
При анализе базы данных для своей прогнозной работы [3], автор факультативно установил технико-экономические причины нецелесообразности повсеместного устранения компактных поточных линий с вводимым комплектом мерных заготовок при нерациональном расширении использования весьма габаритных поточных линий с вводимыми слитками-столбами.
Это становится очевидным в кризисный и посткризисный периоды, если учесть следующие недостатки второго варианта:
- чрезмерно велики энергозатраты и далеко не бесплатны производственные площади под поточные линии от слитка-столба длиной 6-7 м, который определяет соответствующие габариты и мощность установок для гомогенизации с последующим охлаждением, отрезного станочного оборудования, печей для предпрессового нагрева и сопутствующих транспортеров;
- весьма значительны расходы на эксплуатацию столов-рольгангов с оборудованием для приема и обработки прессованных полуфабрикатов двойной длины (эта технологическая схема рекомендуется в Европе [2, 3]);
- выгодно для машиностроителей, но нерационально и трудоэнергозатратно для экст-рузионных заводов обеспечение на шести разных видах оборудования термовременного цикла «нагрев и гомогенизация слитков-столбов ) их регулируемое охлаждение ) транспортировка ) второй нагрев слитков-столбов до базовой температуры прессования ) рубка-резка их в меру ) третий, градиентный подогрев»;
- становятся узким местом по фактору «ненадежность» использованные в потоке пресс-ножницы для рубки слитков-столбов на мерные заготовки (сминают и загрязняют торец заготовок, инициируют дефекты на прессуемых полуфабрикатах) или дисковые ножницы для горячей резки (высок уровень шума, недолговечны в эксплуатации и инициируют заусенцы на заготовках);
- в связи с выгодной для экструдеров тенденцией к уменьшению сопротивления
деформированию малолегированных простых быстропрессуемых сплавов системы А!-М^-Б1 происходит нерациональное упрощение конструкций прессов, ведущее к учащению случаев выходов из строя базовых частей и узлов гидроцилиндров из-за увеличения интенсификации их работы;
- чрезмерной громоздкостью и повышенными затратами энергии отличаются системы штабелирования и искусственного старения, рассчитанные на обработку больших поэтапных объемов конструкционных профилей малой прочности, потребности в которых в настоящее время имеют тенденцию к сокращению [4].
Таким образом, современное экструзион-ное производство должно находиться, по-видимому, на стадии решения проблем рационализации областей использования крупногабаритных (от слитка-столба) и компактных (от мерных заготовок) поточных линий производства пресс-изделий из алюминиевых и магниевых сплавов, включая специализированные и универсальные системы оборудования [4].
Разработки, освоенные в ЗАО НПО «СибПрофиль»
Первая часть этих разработок выполнена авторами в 80-е годы в соответствии с госзаданиями для научных и промышленных организаций «расширить в 1,5-2 раза объем разработок и применения прогрессивных базовых технологий» и «довести долю принципиально нового оборудования за пятилетку до 13 % от общего объема выпуска (в основном, за счет отечественных приоритетных конструкций)».
Пример освоения оригинальных и эффективных технических решений при создании компактного, экономичного и надежного оборудования с развитием технологии полунепрерывного прессования представлен в ЗАО НПО «СибПрофиль».
В конце 80-х гг. один из авторов статьи (В.Л. Бережной), рассмотрев в качестве представителя ВИЛСа эскизно-технический проект оригинального пресса (основным его разработчиком был Ю.А. Агапов), рекомендовал руководству Новосибирского завода «Тяж-
станкогидропресс» завершить работу выпуском опытно-промышленного образца в рамках планируемого обновления металлургической подотрасли МАП. В последующем на предприятии ЗАО НПО «СибПрофиль» осуществлено на компактном комплексе с этим прессом усилием 8 МН производство архитектурно-строительных профилей по ГОСТ 22233 и конструкционных профилей общего назначения по ГОСТ 8617 из сплавов АД31 и 6063.
В настоящее время продолжается стабильное функционирование этого комплекса на базе технологической схемы полунепрерывного прессования (слиток за слитком без отделения пресс-остатка) с выходным столом-рольгангом длиной 32 м. Полунепрерывное прессование профилей, как известно, позволяет существенно повысить производительность и выход годного за счет сокращения времени цикла и более рационального использования металла прессуемых заготовок. При освоении нового варианта этого процесса решали технико-экономические задачи повышения эффективности производства -от выбора уточненного химсостава заготовок до определения оптимальных параметров всех технологических процессов в комплексе, обеспечивающих максимизацию производительности и требуемое качество профилей*.
Базовая конструктивная схема нового эк-струзионного гидропресса усилием 8 МН (диаметр контейнера 115 мм) позволяет реализовать эффективные режимы, удовлетворяющие требуемым условиям полунепрерывного прессования профилей, с обеспечением максимально быстрого выполнения всех основных и вспомогательных операций.
Основной отличительной особенностью конструкции этого гидропресса является ступенчатый главный плунжер с встроенным соосно в его хвостовую часть поршневым цилиндром для холостых и обратных ходов
* В начале XXI в. авторы статьи провели цикл экспериментально-аналитических исследований и оценок с разработкой научно-технических рекомендаций для совершенствования экструзионного производства в ЗАО НПО «СибПрофиль».
этого плунжера (рис. 1). Такое конструктивное решение обеспечивает простоту и надежность центровки цилиндровой группы по оси
Рис. 1. Вид зоны цилиндровой группы со ступенчатым главным плунжером и контейнера в гидропрессе усилием 8 МН конструкции НПО «Тяжстанкогидропресс»
пресса за счет двух соосных блоков бронзовых втулок-направляющих с уплотнительны-ми манжетами. Центр тяжести плунжера всегда находится между этими опорными втулками-направляющими, износ которых практически не влияет на приемлемость точности центровки плунжера, имеющего относительно небольшой ход. Это дополнительное техническое решение создает наилучшие условия для осуществления важной стадии распрес-совки заготовок длиной 3-4 их диаметра с удалением воздуха из контейнера.
Совместная реализация этих технических решений позволила разместить пресс-штемпель с закрепленной простой пресс-шайбой непосредственно на торце главного плунжера (рис. 2), отказавшись от использования
Рис. 2. Вид пресс-штемпеля, закрепленного непосредственно на главном плунжере (без использования прессующей траверсы)
прессующей траверсы, что, в сравнении со стандартными иностранными конструкциями прессов, привело также к существенному уменьшению металлоемкости подвижных частей, устранению проблем недостаточного ресурса работы системы подвижной траверсы и сокращению вспомогательного времени в цикле.
Заметим, что надежность размещения пресс-штемпеля на торце плунжера подтверждена ранее на экспериментальных прессовых установках усилием 2/0,63 и 2/1 МН (1971-1972 гг.) [5].
Со стороны передней поперечины рассматриваемого пресса усилием 8 МН центровка контейнера с блоком матрицы осуществляется при их совмещении в зоне фаски, угол и площадь контактирования с которой обеспечивают предотвращение крайне нежелательного затекания прессуемого металла в стык. Позднее эффективность подобного технического решения получила подтверждение в иностранной литературе [6].
В технологическую цепочку комплекса включена система пирометров американской компании Williamson и оригинальное двухзонное обеспечение пресс-закалки прессуемых профилей (на участках 3 и 9 м).
В результате простота и компактность конструкции пресса, надежность центровки его основных узлов, а также системы инструмента (пресс-штемпель - контейнер - матрица) и их быстродействие позволили достичь достаточно высокой производительности оборудования при экономичности энергозатрат. Фактическое вспомогательное время в цикле полунепрерывного прессования равно 10 с (у зарубежных прессов такого типоразмера оно не менее 14 с), поэтому за 12-часовое рабочее время производится от 600 до 660 циклов прессования заготовок при номенклатуре 8-10 наименований профилей ежесменно.
В ходе разработки и освоения обновленной технологии производства полунепрерывно прессованных профилей был решен ряд непростых проблем, включая определение оптимальных условий удаления воздуха из контейнера для обеспечения требуемого качества поверхности профилей, подбора опти-
мальных химических составов прессуемых стандартных сплавов, экономичности работы новой системы «гомогенизация - охлаждение - нагрев заготовок с заданным температурным полем», а также определения производственных условий минимизации отбраковки продукции после анодирования.
При освоении процесса полунепрерывного прессования профилей без отделения пресс-остатка особенные трудности возникли с удалением воздуха из контейнера пресса при распрессовке в нем заготовок. Эту проблему решали, учитывая влияние следующих взаимосвязанных параметров: длины пресс-остатка в контейнере, положения пресс-штемпеля в момент начала распрессовки заготовки, размеров заходной фаски полости контейнера, а также величины температурного градиента прессуемых заготовок. Кроме этого, было установлено, что на надежность и стабильность операции удаления воздуха из контейнера при распрессовке заготовок влияют и их геометрические размеры (соотношение длины и диаметра), а также температурный перепад со стенкой контейнера и величина износа закрепленной пресс-шайбы.
Благодаря оптимизации условий проведения распрессовки с удалением воздуха из контейнера, достигнуто хорошее качество прессуемых профилей с повышением выхода годного до 90-91 % (в зарубежной практике принят уровень 80-85 % [1, 2]).
Следуя задаче максимизации технико-экономических показателей производства, приняли во внимание известные зависимости от химического состава и структуры слитков величин скоростей истечения и характеристик качества поверхности и механических свойств (прежде всего прочности) производимых профилей [1, 7]. При экспериментальном прессовании заготовок с разным дозированием химических элементов достигнуты оптимально суженные в пределах стандарта интервалы содержания магния, кремния и железа в химическом составе слитков -раздельно для решения базовых и экстремальных производственных задач максимизации скоростей истечения, прочности и повышенного качества поверхности. За основу приняты положения из работ [7-10].
Для стабилизации режимов прессования применен нетрадиционный способ гомогенизации слитков с последующей их подготовкой к прессованию, что было обосновано использованием сплавов с повышенным содержанием магния и кремния (для увеличения прочности профилей), а также железа (результат переработки отходов).
В соответствии с производственной технологией слитки нагревали в печи до определенной температуры гомогенизации и выдерживали не менее 3 ч. Затем температуру заготовок уменьшали до максимальной температуры прессования и проводили определенное градиентное подхолаживание соответственно разработанным условиям полунепрерывного прессования.
Принятая взамен стандартной технологии гомогенизации с ускоренным охлаждением и т.д., эта нетрадиционная технология, в температурный режим которой введено заданное градиентное подхолаживание перед прессованием, позволяет значительно упростить технологический цикл, сэкономить энергозатраты и производственные площади для оборудования.
При этом необходимо отметить, что такие условия термообработки результируются в стабильно высокие скорости истечения даже при использовании повышенной температуры слитков с увеличенным содержанием магния, кремния и железа.
Таким образом, построена и освоена стабильная технология производства полунепрерывно прессуемых профилей из сплавов АД31 и 6063 с разнообразной номенклату-
рой (рис. 3), в том числе тонкостенных (1 мм) с прочностью на уровне 215-245 МПа (80 % выпуска) и 196-210 МПа (20 % выпуска).
Рис. 3. Профили типовой номенклатуры, выпускаемые в ЗАО НПО «СибПрофиль»
Большие значения ав относятся к стандартным слиткам от РУСАЛа, меньшие - для вторичных сплавов. Достигнута легковесность профилей на уровне 200-250 г/м.
Заключение
Данная технология может иметь дальнейшее развитие, поскольку позволяет трансформировать процесс полунепрерывного прессования в инновационный процесс непрерывного прессования, разработанный и прошедший испытания ранее с положительным результатом [11, 12]. В цикле непрерывного прессования вспомогательное время отсутствует (равно нулю), что позволяет еще более повысить производительность прессования и выход годных профилей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бережной В.Л. Технология и оборудование автоматизированного производства прессованных профилей. - М.: М-во металлургии СССР. ЦНИИцветмет экономики и информации. 1990. Вып. 1. - 80 с.
2. Бережной В.Л. Технологичность, долгосрочная надежность и экономичность оборудования -основа конкурентоспособности экструзионно-го завода//Технология легких сплавов. 2008. № 3. С. 129-145.
3. Бережной В.Л. Базовые технологии и оборудование будущего в производстве пресс-из-делий//Технология легких сплавов. 2006.
№ 1-2. C. 52-61.
4. Бережной В.Л. Технологические принципы построения многофункциональной поточной линии для производства конструкционных профи-лей//Технология легких сплавов. 2008. № 4. C. 53-64.
5. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И.
Прессование с активным действием сил трения. - М.: Металлургия, 1988. - 286 с.
6. Bauser M., Sauer G., Siegert K. Extrusion/2nd Ed. - Material Park, Ohio, USA, ASM International, 2006. - 590 p.
7. Алюминиевые сплавы. Производство полуфаб-
рикатов из алюминиевых сплавов. - Справ. 2-е изд./Балахонцев Г.А., Барбанель Р.И., Бондарев Б.И. и др. - М.: Металлургия, 1984. -418 с.
8. Achenbach D. Strangpressen von Aluminium (Yerfahrensschritte, Legirungen, Einflußgrößen) //Aluminium. 1970. Bd. 46. № 9. S. 607-613.
9. Berezhnoy V.L. Technological Principles of Maximizing Strength in the Case of Production of Press-Quenched Al-Mg-Si Alloy Extrusions// Light Metal Age. 2009. June. № 5, 6. P. 46-53.
10. Избранные труды В .И. Добаткина/Отв. ред. Елагин В.И.- М.: ВИЛС, 2001. С. 167-230, 238 -253, 281-295.
11. Агапов Ю.А., Хазин Ш.Ш., Бережной В.Л. и др. Непрерывное прессование профильных изделий из алюминиевых сплавов//Технология легких сплавов. 1988. № 10. С. 42-46.
12. Агапов Ю.А., Хазин Ш.Ш., Бережной В.Л., Гольман А.Д. Разработка и исследование процесса непрерывного прессования//Цветные металлы. 1989. № 10. С. 101-104.
