铝扁条挤压型材在线喷水冷却影响因素应用研究

摘要：本文通过相关的建立数值模拟模型并结合Fluent软件有限元分析可知，挤压速度、喷嘴横向间距、喷嘴纵向间距以及水温等因素，影响扁条铝挤压型材冷却的温度场；本文通过这几个主要影响因素的应用研究提出6061铝扁条挤压型材在线喷水冷却主要参数。

关键词 扁条铝挤压型材；在线喷水冷却；影响因素

　　铝材因其耐腐蚀、比强度与比刚度高、密度小、易成形及可节能再生等优势，在生产与生活的方方面面都达到广泛的应用，是国民经济发展与进步所需的重要基础材料，尤其在结构与装饰应用方面几乎无可取代，而扁条铝挤压型材也在推动社会经济的发展方面发挥重要作用。喷水冷却是生产铝挤压型材的一道重要工艺，铝挤压型材的喷水冷却工艺直接决定着型材的机械强度。而为提高型材的机械强度，许多型材快速冷却后，还要求冷却设备能保证扁条铝挤压型材在长、宽与壁厚方向的温度场均匀分布。本文就是对影响6061铝合金产品尺寸规格宽度100mm、壁厚5mm、长度650mm扁条铝挤压型材的在线喷水冷却因素进行探究。影响扁条铝挤压型材的在线喷水冷却因素有很多，本文只从以下几个重要影响因素入手进行分析总结。

　　1 挤压速度的影响

　　铝型材的挤压速度通常用金属流出模孔的速度来表示，挤压速度影响较大的主要为长度方向上的温度分布，而影响较小的宽度方向上的温度分布可忽略，因此本文只对长度方向上的温度分布规律在不同挤压速度情况下的变化进行探讨，即本本只取扁条铝挤压型材长度方向上的上表面为研究面，若其他参数不变，扁条铝挤压型材喷水冷却温度场在挤压速度分别取值l0、20、30、40、50及60时（单位为mm/s）的上表面中心线上温度分布状况。通过分析发现，扁条铝挤压型材两端温差会随着挤压速度的变大而越来越小，而档10mm/s的挤压速度增至40mm/s后，温度变化则较小，也就是说，扁条铝挤压型材长度方向上的温度分布随着挤压速度的增大而越来越均匀，但当其增至40mm/s时，对长度方向上的温度场影响会越来越小，可以说，挤压速度对扁条铝挤压型材喷水冷却温度场的影响存在一个临界值，此时临界值为40mm/s，若是挤压速度小于临界值，则其对温度场的影响较大，但若是挤压速度大于临界值，其对温度场的影响则越来越小。对于6061合金临界冷却温度范围的冷却速度应不小650℃/min（923.15K/min），即挤压速度大于46㎜/s，使材料基本呈现大量亚结构和部分再结品组织，其组织和力学性能近于6A02合金。

　　2 喷嘴横向间距的影响

　　上下单排喷嘴布置容易使扁条铝型材温度分布不均匀，出现两侧边温度高而上下表面中心温度低的现象，对此，可优化喷嘴布置结构，实行两排喷嘴布置，即扁条铝挤压型材正上、下方各布置两排喷嘴。喷嘴直径为l0mm，喷嘴之间纵向间距为50mm，上下四排喷嘴的个数应相同，皆为13个，上喷嘴与上表面保持120mm的距离而下喷嘴与下表面保持l0mm的距离，冷却区域长为650mm，取上喷嘴的入口水流量为56.52kg/h而下喷嘴的为141.3kg/h，挤压速度取值60mm/s，重力加速度为9.8m/s2。喷嘴横向间距影响长度方向的温度场变化较小，可以忽略不计，因此只对影响宽度方向温度场的变化规律进行探讨。若以上表面为研究面，而上表面中心线上隔5mm取研究点，则在横向间距L取值分别为50、60、70及80（单位为mm）时，对扁条铝挤压型材上表面中心线上喷水冷却的温度场分布情况研究发现，扁条铝挤压型材上表面中心线上温度分布随喷嘴横线间距变大而呈“W”型，而温度场分布在横向间距取值60mm时板两侧较为均匀，板中心线仍有40K温差。因此，横向上下各设三排喷嘴较为合理，即沿板宽中心线上下各增加一排喷嘴。

　　3 喷嘴纵向间距的影响

　　喷嘴的纵向间距主要影响长度方向的温度分布，而影响宽度方向的温度分布可忽略，只要对长度方向的温度变化规律在不同的喷嘴纵向间距下的影响进行探讨。若研究面为上表面，而上表面中心线上隔5mm取研究点，则保持其他参数不变，设上排喷嘴的入口水流量取值为734.76，而下排喷嘴的取值为1836.9（单位为kg/h），挤压速度取值60mm/s，则扁条铝挤压型材喷水冷却温度场在喷嘴纵向间距分别取值为50、60、75、l00及150（单位为mm）时的分布曲线如图1所示。

　　由图1可知，扁条铝挤压型材两端的温差会随喷嘴纵向间距越大而越大，也就是说，扁条铝挤压型材温度纵向分布的波动性会随着喷嘴纵向间距的增加而越明显，纵向温度分布会越来越不均匀，喷嘴纵向间距应小于50mm。

　　4 水温的影响

　　实行两排喷嘴布置方案，即扁条铝挤压型材正上、下方各布置两排喷嘴，而喷嘴之间的横向间距取值60mm。若研究面为上表面，水温取值分别为20、25、30、35及40（单位为℃）时，对扁条铝挤压型材的上表面长度与宽度方向中心线上的喷水冷却温度曲线研究发现，扁条铝挤压型材的温度会随冷却水温的升高而有所升高，但不太影响温度分布的均匀性。即是说，扁条铝挤压型材冷却效果受水温影响较小。

　　5 结论

　　综上所述，宽度方向的温度场受挤压速度影响较小而长度方向的温度场影响较大，且温度场受挤压速度的影响存在一个临界值，对于6061合金挤压速度应大于46mm/s。在实行两排喷嘴布置方案情况下，宽度方向的温度场分布受喷嘴之间横向间距的影响较大，且温度场分布在喷嘴横向间距取60mm时板两侧较为均匀，板中心线仍有40K温差。因此，横向上下各设三排喷嘴较为合理，即沿板宽中心线上下各增加一排喷嘴。随着喷嘴纵向间距的增加，使纵向温度分布会越来越不均匀，喷嘴纵向间距应小于50mm。