挤压筒加热管温度均匀性

温度均匀性是决定挤压产品质量、模具寿命与工艺稳定性的核心指标。对于大型挤压筒（直径≥1000 mm，长度≥3000 mm）及难变形金属（钛合金、高温合金）挤压而言，筒体径向、轴向与周向温差若超过±5℃，极易造成金属流动不均、组织性能波动及表面缺陷。本研究从热-流-固多场耦合机理出发，系统分析加热管布局、功率分配、材料导热及筒体结构对温度均匀性的影响规律，构建“分区控温+动态补偿+智能反馈”的综合调控体系，并通过工业案例验证可将筒体温差控制在±2℃以内，为高精度挤压生产提供理论与技术支撑。

一、引言：温度均匀性的意义与工程挑战

在金属挤压过程中，挤压筒既是坯料的约束容器，也是热环境的主要载体。温度均匀性不足会导致：

• 金属流动不均：温差引起筒壁附近金属粘度差异，形成流速梯度，导致型材横向厚度偏差（≥0.2 mm/m）；

• 热应力集中：筒体局部高温区膨胀量大，与相邻低温区形成热应力，诱发微裂纹，降低筒体寿命（从15000 h降至8000 h）；

• 组织性能波动：难变形金属（如TC4钛合金）在β相区挤压时，温度波动±10℃可引起相变动力学差异，导致力学性能（如屈服强度）波动达5%-8%。

传统加热管系统多采用周向均布+统一功率设计，在大型化、大功率工况下，因热损失分布不均、加热管功率衰减差异及筒体几何效应，难以满足高精度均匀性要求。因此，深入研究温度均匀性的形成机理与控制方法具有重要工程价值。

二、温度不均匀性的成因分析

2.1 热输入侧因素

• 加热管布局与功率分布：

  • 周向均布但轴向单一功率，易在挤压轴遮挡区形成低温带（温差8-12℃）；

  • 单根加热管功率密度偏差>5%时，对应筒体区域温升速率差异显著，稳态温差可达±4℃。

• 电热材料性能差异：

  • FeCrAl丝电阻率温度系数α波动（±0.5×10⁻⁴/℃）导致同批次加热管在1000℃时功率偏差达3%-5%。

2.2 热损失侧因素

• 环境对流与辐射不均：

  • 车间气流（风速0.3-1.0 m/s）在筒体不同方位形成非对称对流换热，导致周向温差3-5℃；

  • 筒体上部暴露于热辐射源（如炉门、高温工件）时，局部热流密度增加20%-30%。

• 保温层性能退化：

  • 硅酸铝纤维保温层经3年使用后，热导率从0.12 W/(m·K)升至0.18 W/(m·K)，局部热损失增加50%，形成“冷桥”。

2.3 筒体结构与热传导

• 几何效应：

  • 大直径筒体（D≥1000 mm）径向热渗透路径长，内壁与中壁（50 mm深度）温差达10-15℃；

  • 筒体端部因结构不连续（法兰、端盖）形成热流汇/源，轴向温差可达±6℃。

• 材料热物性各向异性：

  • 5CrNiMo锻件在锻造方向与非锻造方向热导率差异达8%，导致轴向热传导速率不一致。

三、温度均匀性的调控原理与方法

3.1 加热管分区控温技术

将筒体沿轴向划分为多个加热区（一般8-12区），每区配置独立加热管组与功率调节器，实现“按需供热”：

• 轴向分区：挤压轴遮挡区（0-500 mm）功率密度提升15%-20%，抵消热屏蔽效应；

• 周向分区：脱模剂喷射口对应区（0°、120°、240°）功率密度降低10%，避免局部过冷；

• 径向补偿：在筒体厚壁区（δ≥200 mm）增设辅助加热管，强化径向热渗透。

3.2 动态功率补偿策略

基于实时温度场监测（热电偶阵列+FBG光纤），采用模糊PID或模型预测控制（MPC）算法，动态修正各区功率：

• 升温阶段：优先提升低温区功率，缩小区域温差；

• 稳态阶段：根据坯料位置与温度反馈，预调节前方筒体温度，抵消坯料吸热引起的温降。

3.3 结构优化与热传导强化

• 筒体结构改进：

  • 采用等厚壁设计（δ=150-180 mm），减少径向热渗透阻力；

  • 端部增设隔热环（陶瓷纤维+不锈钢包覆），削弱端部热汇效应。

• 加热管-筒体接触优化：

  • 加热管与筒体间采用导热膏（BN基，热导率15 W/(m·K)）填充，降低接触热阻30%-40%；

  • 加热管外壁加工螺旋翅片（高度10-15 mm），增大散热面积，改善周向热分布。

四、多物理场仿真与均匀性评估

4.1 仿真模型构建

采用ANSYS Fluent+Mechanical模块，建立“加热管-筒体-保温层-环境”三维非稳态热-结构耦合模型：

• 网格：筒体径向5层单元，加热管表面2 mm加密，总网格数约150万；

• 边界条件：加热管功率密度按分区方案设定，环境风速0.5 m/s，辐射发射率ε=0.8；

• 监测点：筒体内壁周向8点、轴向5层（每层3点），共120个温度监测点。

4.2 仿真结果分析

• 原始均布方案：周向最大温差6.8℃，轴向最大温差5.4℃，径向（内壁-中壁）温差12.3℃；

• 分区控温+动态补偿方案：周向最大温差降至1.9℃，轴向最大温差1.5℃，径向温差3.2℃；

• 热应力分布：优化后筒体最大热应力从180 MPa降至75 MPa，安全系数提升至3.3。

评估指标：

• 周向均匀性指数 Uc​=Tavg​Tmax​−Tmin​​×100%（优化前4.2%，优化后1.1%）；

• 轴向均匀性指数 Ua​（优化前3.1%，优化后0.8%）；

• 径向均匀性指数 Ur​（优化前6.5%，优化后1.7%）。

五、工程应用与效果验证

5.1 某200MN铝合金挤压机改造案例

原系统问题：

• 16根均布加热管，总功率640 kW，周向温差±8℃，轴向温差±6℃；

• 型材头尾厚度差0.35 mm/m，年废品率2.8%。

改进方案：

• 加热管：24根，分8个轴向区×3段周向区，单管功率可调范围20%-100%；

• 控制：西门子S7-1500 PLC+WinCC，FBG光纤测温（精度±0.1℃），模糊PID控温；

• 结构：加热管螺旋翅片+筒体等厚壁设计+端部隔热环。

运行效果（12个月）：

• 周向温差±1.7℃，轴向温差±1.3℃，径向温差3.0℃；

• 型材头尾厚度差降至0.08 mm/m，废品率0.6%，年增效益约120万元；

• 加热管平均无故障时间从10000 h延长至18000 h。

5.2 钛合金挤压温度均匀性验证

在TC4钛合金（β相区挤压，T=950℃）试验中，采用分区控温+动态补偿系统：

• 筒体周向8点温度标准差从4.2℃降至0.9℃；

• 挤压棒材横截面显微组织均匀性（等轴α相比例）偏差<3%，力学性能（Rp0.2）波动<2%。

六、未来发展趋势

1. 智能感知与自适应控温：

   • 在加热管与筒体关键位置集成微型温度传感器（尺寸<1 mm），实现全域温度场实时映射；

   • 基于深度强化学习（DRL）的自适应控温算法，可在坯料成分、规格变化时自动优化功率分配。

2. 新型加热与热补偿技术：

   • 电磁感应辅助加热：在筒体局部（如低温区）叠加高频感应加热（频率20 kHz），实现非接触式热补偿；

   • 相变材料（PCM）热缓冲：在筒体夹层填充石蜡基PCM（熔点200℃），吸收/释放热量，平抑温度波动。

3. 数字孪生与寿命预测：

   • 构建设备数字孪生体，融合温度均匀性数据与筒体应力状态，预测局部过热风险，提前调整加热策略；

   • 基于均匀性指数的加热管寿命模型，实现从“定期更换”到“按需维护”的转变。

结论

挤压筒加热管的温度均匀性受加热管布局、功率分配、热损失分布与筒体结构的多因素耦合影响。通过“分区控温+动态补偿+结构优化”的综合调控体系，可将大型筒体的周向、轴向、径向温差分别控制在±2℃、±1.5℃、±3℃以内，显著提升产品质量与设备寿命。未来需进一步融合智能感知、新型加热与数字孪生技术，实现温度均匀性的主动控制与预测性优化。