模具液氮冷却技术在铝型材挤压生产中的应用

模具液氮冷却技术在铝型材挤压生产中的应用
梁奕清
（广东兴发铝业有限公司，广东　佛山　５２８１３７）
摘 要：为进一步提高铝型材挤压生产的质量与效率，需要重视生产过程中温升的有效控制。

为此，本文提出应用模具液氮冷却技术。

具体分析了挤压温升原理与液氮冷却模具的使用原理，并对铝型材挤压生产过程进行了梳理，从冷却方式、液氮开度控制调节方式的选择以及液氮开度控制、挤压速度控制等角度展开分析，明确了液氮冷却模具在铝型材挤压生产中的应用要点，以期可为实际生产作业提供有价值的参考。

关键词：液氮冷却模具；铝型材；挤压生产；应用要点
中图分类号：ＴＧ３７９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２１）２２－０２０４－２
Application of liquid nitrogen cooling die in aluminum profile extrusion production
LIANG Yi-qing
（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｘｉｎｇｆａ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，Ｆｏｓｈａｎ　５２８１３７，Ｃｈｉｎａ）
Abstract:　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，　ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｐａｙ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｉｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｍｏｕｌｄ．　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｉｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｄｉｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｐｒｏｆｉｌｅｓ　ｉｓ　ｃｏｍｂｅｄ．　Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｎｇｌｅｓ　ｏｆ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｍｏｄｅ，　ｌｉｑｕｉｄ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ，　ｅｔｃ．，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｄｉｅ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｃｌａｒｉｆｉｅｄ，　ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．
Keywords: Ｌｉｑｕｉｄ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｄｉｅ；　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｐｒｏｆｉｌｅ；　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｏｉｎｔｓ
铝型材具有质轻、强度高、导电导热性好以及可回收再
利用等诸多优势。

近年来，基于社会的快速发展，建筑、交
通运输、航空航天、电子通讯等领域中对其需求量持续增加。

根据铝型材生产情况来看，挤压成形技术已经成为进一步提
高铝型材挤压生产质量、延长模具使用寿命的一大核心问
题。

本文从模具冷却的角度展开分析，通过应用模具液氮冷
却技术有效解决模具温升问题，改善铝型材表面质量，全面
提高铝型材挤压生产效率与经济效益。

1 模具液氮冷却技术的提出
我国是铝加工、消费大国，据统计2020年铝加工材综
合产量4210万吨，比上年增长5.0%，其中剔除铝箔毛料之
后的铝加工材产量为3738万吨，比上年增长5.1%。

从铝加
工材品种来看（表1），铝挤压材占比最高，其次为铝板带材、
铝线材、铝箔材等。

表1 2020年中国铝加工材品种产量（万吨）
铝挤压材铝板带
材1
铝箔材铝线材铝粉材
铝锻件
和其他
合计
产量2138118541543516.520.54210增幅 6.5% 4.3% 3.8% 1.2% 3.1% 2.5% 5.0%注：１含铝箔毛料。

随着铝合金型材需求量的不断增加，对挤压生产技术提出了更高的要求，如何保障产品质量、提高生产效率、延长模具使用寿命成为当前亟待解决的问题。

分析铝型材挤压生产过程可知，金属变形与摩擦将导致铝合金挤压温度持续增加，且随着挤压速度的增大，模具温度不断升高。

然而，此种温升情况也给铝合金型材的挤压生产带来诸多不利影响，如：出料口高温型材在空气中出现氧化情况，导致型材表面光洁度受到影响。

针对此种温升问题，提出模具液氮冷却技术，其主要是通过带走多余热量，为挤压速度的增加提供温升空间，有效提高挤压生产效率与质量。

2 液氮冷却模具的基本原理
2.1 挤压温升原理
根据铝型材挤压生产过程来看，当铸棒经由模具挤压成型材时，由于如下因素导致“额外加热”情况的出现：①铸棒塑性变形热集中在模具附近；②挤压时型材表面与模具表面存在金属摩擦发热。

此两种热源均位于模具附近，导致挤出型材出口温度超过铸锭加热温度，且模具的温度始终处于升高状态；当挤压速度过快时，型材极易出现表面缺陷，模具温度过高，导致模具使用寿命缩短[1]。

由此挤压生产情况来看，控制额外加热，对模具进行有效冷却十分关键。

2.2 液氮冷却模具原理
液氮冷却模具，指的是在模具中设置液氮冷却通道，减小模具挤压过程中产生的过多热量，防止铝型材出现挤压缺陷。

目前，液氮冷却模具技术主要分为三种：
（1）工作带冷却法：此方法将低温液氮直接通到模具工作带，然后通入模垫内环形槽，对出口型材进行保护，以免出现过度氧化的情况。

此种液氮冷却模具的运用效果显著，可利用温度自动调控系统控制液氮供给量，有效维持模板温度，然而此系统复杂、成本偏高，在实际生产中应用较少。

收稿日期：２０２１－１１
基金资助：广东省企业重点实验室项目（２０２０Ｂ１２１２０２００２）；广东省重点领域研发计划项目（２０２０Ｂ０１０１８６００１）；佛山市核心技术攻关项目（１９２０００１０００４１２）。

作者简介：梁奕清，男，生于１９７８年，汉族，广东化州人，本科，材料科学高级工程师，研究方向：铝合金挤压成形技术、铝合金新材料开发及生产技术。

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（2）模外冷却法：此方法在模套上设置环形通道，并通入液氮，由此实现对模具径向表面的冷却，保证模具温度不超过既定温度。

此模具简单，但是冷却效率相对较低。

（3）模垫冷却法：此方法主要是在模垫上的通道内通入低温液氮，并由型孔均匀喷出，实现对模具工作带出口部分的冷却，确保型材被氮气包裹，若干套模具可共用一套模垫。

此种液氮冷却方法较为简单，且可有效防止型材表面氧化，目前已经成为实际生产中的常用方法。

3 液氮冷却模具在铝型材挤压生产中的应用要点在铝型材挤压生产中，液氮冷却模具的应用必须注重冷却方式、液氮开度控制调节方式的选择以及液氮开度控制、挤压速度控制等，由此实现铝型材挤压生产温度的有效维持，并提高型材表面光洁度，减少质量缺陷。

3.1 冷却方式选择
基于上一章节分析可得，铝型材挤压实际生产中主要采用模垫冷却方法，技术可行且温度控制效果良好。

在实际生产中，必须科学布设液氮冷却通道，如下图1所示的三种液氮通道设计图。

在此三种液氮通道中，以第三种为最优，液氮由最外层通入内层，整体流动更为均匀，然后再由型孔喷向型材表面、模具端面，有效避免出现局部过冷的问题，防止因局部温差
过大导致变形扭曲。

图1 三种液氮通道设计图
3.2 控制调节方式选择
液氮冷却模具应用在铝型材挤压生产中时，液氮开度控制调节方式分为手动与自动两种，前者是由人工进行操作，根据测温仪（计）显示的出口处型材温度情况，人为确定挤压工作中控制阀单元开度与挤压时间对应的过程参数，此方法是开环控制，无法实现连续监控，对操作人员经验与操作能力要求较高；后者则是闭环控制，由红外测温仪实时监控模具出口型材温度，并及时反馈至控制装置，由控制装置自动分析温度情况并输出PID控制信号至控制阀单元，驱动阀单元动作增大/减小液氮开度，达到温度控制的目的[2]。

在上述两种方式中，铝型材挤压生产中往往以自动控制为主，实现挤压生产过程的连续监控，同时辅以人工控制，有效应对各种特殊情况，确保出口处型材温度始终可控。

3.3 液氮开度控制
铝型材挤压生产中，液氮开度控制情况直接影响液氮冷却模具的应用效果，开度大小决定着出口处型材温度[3]。

从理论上来看，提高液氮开度可持续增强液氮冷却效果，降低出口处型材温度。

但是从铝型材实际挤压生产情况来看，出于对冷却效果与经济性方面的考虑，只需将液氮开度维持在一个合理范围内即可。

以6063铝合金型材挤压生产进行试验，结果表明，通过液氮冷却模具的使用可显著降低出口处型材温度，由545℃降至511℃。

在试验中，液氮开度40%时，与不通液氮时相比，出口处型材温度明显下降；液氮开度不断增加，出口处型材温度持续下降，冷却效果有效提高；液氮开度70%后，出口处型材温度下降不明显，若是继续增加开度，生产成本提高，但是冷却效果却未得到显著提高。

因此，液氮冷却模具实际应用时，必须要做好相关试验分析，确定铝型材挤压生产过程中液氮开度参数，在合理控制成本的前提下，获得最佳的生产效果。

3.4 挤压速度控制
在铝型材挤压生产中，挤压速度不仅关系铝型材表面质量，也影响着企业生产效率。

通过液氮冷却模具的应用为挤压速度的提升提供了可能[4]，根据6063铝合金型材挤压生产试验显示，与不通液氮时的挤压速度（0.2m/s）相比，挤压速度提升至0.3m/s，兼顾了型材表面质量与生产效率。

在铝型材实际挤压生产过程中，不同材料、生产条件也会对挤压速度产生影响，具体需考虑以下几点：①塑性变形情况：塑性越好的铝合金型材，挤压速度可设置得更高，如：6系铝合金型材；塑性较差的铝合金型材，挤压速度需适当放慢，如：2系、7系铝合金型材。

②断面形状：在其他条件一致的情况下，圆断面型材可进行高速挤压，复杂形状断面型材尽量采取低速挤压方法，而对于薄壁管、非对称形型材，还需进一步降低挤压速度。

③其他因素：正向挤压型材出模速度应低于反向挤压，通过润滑剂以及其他减小摩擦措施的使用可有效提高挤压速度。

4 结语
综上所述，随着我国各个行业对铝型材需求量的不断增加，对铝型材挤压生产效率、产品质量均提出了更高的要求。

从铝型材挤压生产过程来看，温升是影响铝型材挤压生产的重要因素，通过液氮冷却模具的使用可实现有效冷却与型材保护，还可利用模垫冷却法的技术可行、经济性良好的优势广泛推广应用。

模垫冷却法的实际使用中，还需根据铝型材挤压生产过程合理选择冷却方式、液氮开度控制调节方式，科学控制液氮开度、挤压速度，在合理控制型材生产成本的基础上，有效提高生产效率与质量，获得良好的综合效益。

[1] 韩海波.铝型材精密挤压工艺控制和模具设计分析[J].精密成形工
程,2016,8(02):76-81.
[2] 刘再德.在线氮气冷却技术的等温挤压工艺与系统研究[J].材料研究与
应用,2012,6(02):125-129.
[3] 胡宏波,阮涛涛,徐龙辉.铝型材挤压的差异冷却调整控制[J].轻合金
加工技术,2016,44(01):45-48.
[4] 李静媛,项胜前,周春荣,等.铝合金型材等温快速挤压实时自动控制
技术[J].中国材料进展,2013,32(05):300-306.
2021年 11月下 世界有色金属205。