專利名稱：一種預應力鋼絲纏繞擠壓筒的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大型黑色金屬熱擠壓高溫高壓承載容器，屬于金屬熱擠壓領域， 尤其適用于大口徑厚壁無縫鋼管的熱擠壓。
背景技術：
擠壓筒是金屬擠壓工藝的關鍵模具之一，也是最為昂貴的模具。坯料在擠壓筒內變形，其承受擠壓過程中坯料向前移動而產生的軸向摩擦力和徑向壓力。在鋼的熱擠壓過程中，坯料溫度高達1200°C，擠壓筒承受高溫、高壓和高摩擦，工作狀態極其惡劣。在大口徑厚壁無縫鋼管熱擠壓過程中，坯料對擠壓筒內表面產生的徑向面壓可達150MPa-250MPa。傳統的擠壓筒為多層組合式，通常為三層，即內襯、中襯和外襯，各層之間以一定的過盈配合熱裝而成，通過設計各層之間的過盈量來控制擠壓筒的預緊效果。這種擠壓筒尺寸很大，通常外徑為內徑的4倍-5倍，內襯、中襯和外襯均為整體鍛造。擠壓筒尺寸和重量都很大，制造成本極高。以內徑為Φ 1700mm的擠壓筒為例，若取K = 4，則擠壓筒的外徑為Φ 6800mm,大大提高了對擠壓機立柱左右間距的要求，使得壓機的尺寸和重量相應增加， 制造成本急劇上升。因此，研究新型擠壓筒，減小擠壓筒的尺寸和重量，降低擠壓筒的制造難度和制造成本具有重要意義。預應力鋼絲纏繞技術可對被預緊件施加全面的預應力保護，大大提高被預緊件的抗疲勞強度。將預應力鋼絲纏繞技術應用于大型擠壓筒，可減小擠壓筒的尺寸和重量，降低對壓機空間的要求，大大降低擠壓筒本身和壓機的制造成本。這種預應力鋼絲纏繞擠壓筒由前蘇聯提出，但由于當時的技術條件限制，并未付諸實施。我國從2005年開始上馬大口徑厚壁無縫鋼管垂直擠壓項目，擠壓筒的設計是當時的技術難題之一。為此，提出了預應力鋼絲纏繞擠壓筒的設計方案。在公開專利的《全預應力場下剖分-組合擠壓筒的設計方法和結構》(申請號 200910135964. 6)中，提出擠壓筒分為三層，即內襯、中襯和外襯，在外襯上有鋼絲槽，用于纏繞鋼絲以提供預應力保護，其中各層均可采用剖分或整體結構。然而，在該專利中仍然存在如下問題首先，坯料在擠壓時被加熱至1150°C -1250°C，擠壓筒在擠壓之前必須進行預熱， 通常預熱溫度為350°C -450以保證擠壓筒在瞬時熱沖擊以及反復熱應力循環載荷下的抗疲勞強度。在擠壓筒長期工作下，熱量由內襯和中襯傳遞至鋼絲層，使鋼絲溫度上升。但鋼絲的使用溫度限制為80°C，否則會產生蠕變和應力松弛效應，造成預應力損失，甚至使鋼絲失效。只有解決預熱和鋼絲保護的問題，預應力鋼絲纏繞擠壓筒才能真正實現。其次，由于擠壓筒工作時處于高溫，由于溫度分布不均勻造成的熱應力對擠壓筒結構設計的影響是不可忽略的。施加在擠壓筒的預應力不僅僅是由鋼絲產生的，只有清楚了解擠壓筒在預熱和工作時溫度對應力分布的影響，才能實現擠壓筒的可靠工作。此外，在公開的專利《耐高溫高壓擠壓筒》(申請號200910261469. X)中，同樣采用了將擠壓筒分為三層的基本結構。該專利提出的擠壓筒結構中由于沒有專門的預熱裝置，因此其采用的預熱方式為高溫坯料內置式預熱，即將加熱至高溫的坯料預先放在擠壓筒內部進行加熱。為防止熱量傳遞至鋼絲，在中襯外表面開設有環形槽，槽內鋪設護板，護板上粘貼隔熱陶瓷層。但該種結構的擠壓筒存在如下的問題首先，熱應力的問題。采用高溫坯料內置的預熱方式是使高溫的鋼錠將熱量傳遞至擠壓筒內表面，內表面溫度高，但溫度分布極不均勻。從擠壓筒內表面向外，溫度急劇降低，造成很大的溫度梯度，在擠壓筒內表面引起很大的熱應力，因此不能將擠壓筒預熱至很高的溫度，否則會導致熱應力過高，經計算這種擠壓筒合理的內表面預熱溫度為250°c。由于熱應力導致預熱溫度較低，會導致鋼錠在擠壓過程中溫度下降更快，增大了坯料與擠壓筒之間的摩擦力和擠壓力。其次，加熱效率的問題。采用高溫鋼錠向擠壓筒傳熱，內表面溫度上升很快，但其傳熱方式主要為輻射傳熱和對流傳熱，加熱效率低。將鋼錠取出后，擠壓筒內表面溫度下降較快。還有，擠壓筒內表面預熱溫度分布均勻性的問題。為了預熱時方便將鋼錠放入擠壓筒中，鋼錠與擠壓筒內表面需留有間隙，一般單邊至少5mm-10mm以上。在放置鋼錠時，鋼錠放偏心的問題難以解決。由于鋼錠放偏，會導致擠壓筒內表面加熱溫度分布是不均勻的。 這會導致在擠壓時金屬流動不均勻，使得鋼管在擠壓過程中更容易發生彎曲。在隔熱方面，由于采用了陶瓷隔熱層，該材料為脆性材料，承受沖擊的能力較差， 在擠壓筒承受反復熱載荷和工作載荷下，陶瓷很容易發生脆裂，影響擠壓筒的性能。
發明內容
本發明涉及一種應用于鋼管熱擠壓工藝的帶有預熱、隔熱和冷卻結構的大型預應力鋼絲纏繞擠壓筒，具有預應力效果好、抗疲勞性能好、使用壽命長等優點，結構見圖1所
7J\ ο針對前述各種擠壓筒結構存在的問題和缺點，提出了采用電加熱預熱、復合材料隔熱以及冷卻槽冷卻的預應力鋼絲纏繞擠壓筒設計思路，并對擠壓筒進行實時溫度監測， 以保證鋼絲的安全服役。本發明的技術方案如下一種預應力鋼絲纏繞擠壓筒，含有內襯、中襯、外襯和預應力鋼絲層，所述外襯剖分為4個子件，在中襯與外襯之間設有隔熱層，其特征在于在擠壓筒的中襯上設有預加熱孔，該電加熱孔沿圓周方向均勻分布，在該孔內放置有加熱元件；隔熱層由內護板、隔熱材料和外護板三層組成；所述的預應力鋼絲層分為上下兩段；在外襯的內表面設有用于通入冷卻介質的環形冷卻槽，在外襯上設有冷卻介質的入口和冷卻介質的出口，該冷卻介質的入口和出口與環形冷卻槽連通。所述的隔熱層沿圓周方向分為多個子塊，各子塊之間留有間隙。所述的隔熱材料與內護板以及隔熱材料與外護板之間有調整墊片，采用厚度為 0. 05mm-0. Imm的不銹鋼帶。在上下兩段鋼絲層之間設有用于測量鋼絲附近溫度的溫度傳感
ο本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果通過在中襯上設預加熱孔對擠壓筒進行預熱，可以使擠壓筒獲得沿徑向和圓周方向較為均勻的預熱溫度場。通過在中襯和外襯之間加隔熱層，可大大減少從高溫的內襯和中襯傳遞至外襯和鋼絲的熱量，從而有效地保護鋼絲，防止其溫度過高。通過設計環形冷卻槽在外襯內表面對擠壓筒進行冷卻，即可保證擠壓筒即使在長時間連續工作狀態下鋼絲的溫度仍然低于80°C。由于對內襯和中襯進行了預加熱、在中襯和外襯之間進行了隔熱并且在外襯內表面實施了冷卻，因此內襯和中襯的溫度遠高于外襯和鋼絲層。高溫的內襯和中襯的熱膨脹量大于溫度較低的外襯和鋼絲層，預熱后內襯、中襯和隔熱層緊壓在外襯和鋼絲層上產生預應力，對內襯和中襯進行預應力保護，可實現擠壓筒內具有合理的應力分布， 大大提高了擠壓筒的疲勞壽命。通過設計測溫熱電偶，可實時對鋼絲附近的溫度進行測試， 以保證鋼絲的安全。
圖1為本發明提供的預應力鋼絲纏繞擠壓筒的結構示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖中1-內襯；2-中襯；3-外襯；4-預應力鋼絲層；5-隔熱層內護板；6-隔熱材料；7-隔熱層外護板；8-預加熱孔；9-冷卻介質入口 ； 10-冷卻介質出口 ； 11-環形冷卻槽； 12-測溫熱電偶。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的原理、結構和具體實施方式
做進一步的說明。預應力鋼絲纏繞擠壓筒包括內襯1、中襯2、外襯3、隔熱層和鋼絲層4。外襯可采用剖分結構，一般沿對稱面剖分為4個子件，用預應力鋼絲將各層纏繞成為一個整體。在外襯3上加工有鋼絲槽，用于纏繞預應力鋼絲，預應力鋼絲層4分為上下兩段。 在中襯2上加工有預加熱孔8，預加熱孔沿圓周方向均勻分布，預加熱孔內放置有加熱元件，加熱元件可采用電阻或加熱棒，預加熱孔的大小根據加熱元件尺寸確定，其位置以使內襯和中襯截面上的溫度分布均勻為原則。加熱元件的數量根據預熱所需的總功率計算后確定。內襯和中襯組裝在一起，中襯和內襯之間應有過盈量，可以采用熱裝的辦法進行裝配。中襯和外襯之間設有隔熱層，隔熱層由隔熱層內護板5、隔熱材料6和隔熱層外護板 7組成，隔熱材料設置在隔熱層內護板和隔熱層外護板之間，沿圓周方向分為多個子塊，各子塊之間留有間隙。隔熱材料要求其具有較好的隔熱性能、預應力傳遞性能以及足夠的抗壓強度和抗彎曲強度。可選用云母和高溫粘接劑壓制而成的復合材料作為隔熱材料，這種隔熱材料在室溫下抗壓強度可達到400Mpa，350°C可達到250Mpa。將隔熱層內護板5、隔熱材料6和隔熱層外護板7組裝后一塊一塊地安裝在中襯外表面上，通過螺釘與中襯外表面固定。最終隔熱層組成一個完整的圓形。此后對隔熱層的外表面進行加工，使其尺寸達到要求。在隔熱材料與隔熱層內護板以及隔熱材料與隔熱層外護板之間設有調整墊片，使得隔熱層的厚度可在一定范圍內調整，調整墊片采用厚度為0. 05mm-0. Imm的不銹鋼帶。在外襯3內表面加工有環形冷卻槽11，用于通冷卻空氣或冷卻液，以對擠壓筒進行冷卻，冷卻介質入口 9和冷卻介質出口 10設置在外襯上，例如可位于外襯中部的鋼絲槽端部或外襯端面上。為使得內襯1和中襯2在預熱后具有合理的預應力分布，隔熱層外護板7與外襯 3之間應預留有間隙。由于中襯和外襯之間有隔熱層且外襯內表面設有環形冷卻槽11，預熱后內襯和中襯的溫度遠高于外襯和鋼絲層，因此內襯和中襯的熱膨脹量大于外襯和鋼絲層。隔熱層外護板與外襯之間的間隙在預熱后消失，并產生預緊面壓，該預緊面壓可對內襯和中襯實施預應力保護。在上下兩段鋼絲層之間設有用于測量鋼絲附近溫度的溫度傳感器12(例如在外襯中部的鋼絲槽端部)，對鋼絲層與外襯的界面進行測溫，當溫度超過限制時，可自動報警， 以保證鋼絲的安全服役。以某擠壓筒的設計為例其內徑為Φ 1700mm，外徑為Φ 3800mm。隔熱層的總厚度為120mm，隔熱材料厚度為20mm。選取內襯和中襯的過盈量單邊為1mm，隔熱層與外襯之間的間隙單邊為1mm。預熱時，內襯和中襯被加熱至400°C，預熱功率為540KW，冷卻時，擠壓筒外襯內表面上的強制對流換熱系數為40W/m2. °C -80ff/m2. °C，即使達到穩態后，外襯的平均溫度為50°C。當內襯和中襯溫度達到350°C時，內襯內表面上的切向預應力可至_400Mpa 左右，預緊系數為1.3左右，滿足設計要求，即使在擠壓時，擠壓筒內襯內表面仍然保持壓應力狀態。
權利要求
1.一種預應力鋼絲纏繞擠壓筒，含有內襯(1)、中襯O)、外襯( 和預應力鋼絲層 G)，所述外襯剖分為四個子件，在中襯與外襯之間設有隔熱層，其特征在于在擠壓筒的中襯上設有預加熱孔(8)，孔內放置有加熱元件，該預加熱孔沿圓周方向均勻分布；所述的隔熱層由隔熱層內護板(5)、隔熱材料(6)和隔熱層外護板(7)三層組成；所述的預應力鋼絲層分為上下兩段；在外襯的內表面設有用于通入冷卻介質的環形冷卻槽(11)，在外襯上設有冷卻介質入口(9)和冷卻介質出口(10)，該冷卻介質的入口和卻介質出口與環形冷卻槽連通。
2.根據權利要求1所述的預應力鋼絲纏繞擠壓筒，其特征在于所述的隔熱層沿圓周方向分為多個子塊，各子塊之間留有間隙。
3.根據權利要求1所述的預應力鋼絲纏繞擠壓筒，其特征在于所述的隔熱材料與內護板以及隔熱材料與外護板之間設有調整墊片，調整墊片采用厚度為0. 05mm 0. Imm的不銹鋼帶。
4.根據權利要求1所述的預應力鋼絲纏繞擠壓筒，其特征在于在上下兩段鋼絲層之間設有用于測量鋼絲附近溫度的溫度傳感器(12)。
全文摘要
一種預應力鋼絲纏繞擠壓筒，可應用于金屬熱擠壓工藝，尤其是大口徑厚壁無縫鋼管的熱擠壓。該擠壓筒由內襯、中襯、隔熱層、外襯和鋼絲層組成，在中襯上設有加熱棒孔，孔內放置加熱元件，用于對擠壓筒進行預熱。中襯和外襯之間有隔熱層，隔熱層由隔熱層內護板、隔熱材料和隔熱層外護板組成，用于防止熱量從高溫的內襯和中襯傳遞至外襯和鋼絲層。外襯內表面有環形冷卻槽，用于通冷卻介質，對外襯進行冷卻，并通過溫度傳感器對鋼絲層與外襯的接觸界面附近的溫度進行實時檢測。本發明通過在中襯上設預加熱孔對擠壓筒進行預熱，可使擠壓筒獲得沿徑向和圓周方向較為均勻的預熱溫度場，并實現擠壓筒內具有合理的應力分布，大大提高了擠壓筒的疲勞壽命。
文檔編號B21C29/02GK102389906SQ20111034391
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者劉長勇, 張人佶, 張磊, 林峰, 顏永年 申請人:清華大學, 蘇州昆侖重型裝備制造有限公司