8 点 20 分,行车把第二副开坯模吊到模位上,锁紧螺栓分三次打到 380 N·m,8 点 46 分才收工。中间这 26 分钟,这台 2800 吨的铝合金挤压机其实是停着的。停着的这 26 分钟里,真正该动的不是模,是加热炉 HMI 上那三个数:铸锭长度、产品规格、挤压速度。换模单上有模具编号、有筒温三段、有速度给定,唯独没有"铸棒梯度"这一栏——它写在炉子的工艺卡上,归炉子管,而换模这件事归压机管,两边从来没在同一张单子上出现过。
先把这台机的底数摆出来。公称 2800 吨,主缸 φ1180mm,25MPa 下推力 27340kN,折算 2788 吨。挤压筒 φ240mm,有效面积 45239mm²,比压上限 604MPa。铸锭是 TP2 磷脱氧铜连铸棒 φ228×700mm,单支 255.5 公斤。新装的这副模单孔 φ62mm,截面积 3019mm²,挤压比 14.98;上一副是单孔 φ78mm,截面积 4778mm²,挤压比 9.47。棒坯米重 26.99 公斤每米,扣掉 45mm 压余的 18.2 公斤和切头尾 0.4 米,一支锭净挤出 8.79 米,锯成三支 2.7 米定尺,成品率 85.6%。
装模时常规要盯的那几样,一样没落下:模支承与模垫之间垫了 0.6mm 铜皮,工作带用放大镜过了一遍,模套与模支承的配合间隙 0.08mm,定位销到位。这些做完还剩十几分钟,没人往炉子那边走一趟。
炉子这边其实有两个数已经不对了。第一个是线圈有效加热长度 620mm,铸锭 700mm,两端各有 40mm 落在端部弱磁场区。我们在装模这段时间里拿红外枪比过,端部 40mm 这一截比设定值低 11℃。后来确认这不是主因,因为压余给的是 45mm,端部那一截基本被压余收掉了,进不了棒坯。但它提醒了一件事:这台炉子是按 620mm 的锭子设计的,700mm 是后来硬塞进去的。
第二个才是要命的。梯度卡值还写着 18℃,头 840 / 尾 858。这个 18℃ 不是拍脑袋定的,是去年标定 φ78 那副模的时候算出来的:φ78 时挤压比只有 9.47,一支锭净挤出 5.55 米,按当时的 2.6m/min 跑,尾段在筒里待 112 秒,比头段多降 17.8℃。18 就是这么来的,一点没错。麻烦在于换到 φ62 之后,挤压比涨到 14.98,同一支锭的净挤出长度从 5.55 米变成 8.79 米,尾段在筒里的时间从 112 秒变成 169 秒,多出来的 57 秒要按同一条散热曲线往下掉温度,该补的就不止 18℃ 了。
装模单上没有这一栏,所以没人改。
8 点 46 分开始升温,三段筒温目标是 470 / 455 / 440℃,9 点 31 分到位,平均速率 1.05℃/min。这段时间大家都在看筒温爬没爬到位,其实筒温本身没什么可看的,它只要稳在窗内就行。真正决定后面出不出事的是另一个数:棒温与筒温的差。
棒温按 852℃ 计,筒温三段均值 455℃,ΔT 是 397K。这个数在铝上是 47.5K——6063 棒温 482℃,筒温 435℃,差不到五十度。铜比铝高的这 8.4 倍温差,是后面所有麻烦的源头。
再叠一层热容。铜的密度 8.94、比热 0.385,容积热容 3.44 MJ/(m³·K);铝是 2.7 和 0.9,容积热容 2.43 MJ/(m³·K),铝只有铜的 0.71 倍,同样体积、同样吸走的热量,铝反而掉得慢些。8.4 乘 0.71,等于 5.9。
这个 5.9 是可以直接验的。同机同筒,把料换成 6063、棒同样 φ228×700,挤压行程一样是 8.79 米,尾段在筒里同样待 169 秒,实测只降 6.0℃;换回 TP2 铜,同样的 169 秒,降 35.1℃。35.1 除以 6.0,是 5.85,跟算出来的 5.9 对得上。
所以在铝合金挤压机上跑铜开坯,棒在筒里掉的温是铝的近六倍,而这一点在工艺卡上没有任何一处写着。铝的那套"头低尾高 25℃"是照铝的散热速率定的,搬到铜上,量纲就不对了。
散热这一笔的具体算法也说一下,方便复核。棒镦粗后长 631.8mm,侧表面积 0.476m²,行程中平均取 0.286m²;棒与衬套之间有氧化皮和润滑层隔着,间隙态的传热系数只有 60 W/(m²·K) 这个量级——墩粗贴合的那几秒能到上千,但那只有三四秒,不是决定项。60 × 0.286 × 397 = 6.82kW。尾段三分之一重 85.2 公斤,热容 32.8 kJ/K,6.82kW 乘以 169 秒是 1152kJ,除下来 35.1K。头段三分之一同样重,只待 33.8 秒,降 7.0K。35.1 减 7.0,就是那个 28.1℃。
9 点 31 分第一支棒出炉,红外打头中尾三点:843 / 852 / 861。梯度 18℃,跟卡值一字不差,判合格,放行。
这里有个判据上的问题。首件判的是"梯度对不对",不是"尾段到模孔时还剩多少度"。这两个判据在 φ78 那副模上是等价的——那时候梯度对,尾段就够;换到 φ62 之后不等价了,因为需要补的量从 17.8℃ 变成了 28.1℃,卡值还停在 18℃。
按 843 / 861 这两个数往下算:头段到模孔 843 − 7.0 = 836℃,尾段 861 − 35.1 = 826℃。窗口下限是 830℃,头段勉强在线上,尾段已经掉下去 4℃。
首件为什么没被看出来?两个原因。一是按老规矩,换模后头两支只看尺寸和壁厚,表面不判;二是尾段横裂的长度跟出炉后等了多久直接相关,首件等棒时间短,裂纹只有 180mm,切尾 250mm 一刀就切掉了,切下来的那段进了回炉料,没人拿去看。
首件另外记了两个数:主缸压力 11.0MPa,折算比压 267MPa,对比压上限 604MPa,余量三百多。这台铝合金挤压机跑铜开坯,从头到尾跟压力没关系,后面排查时这一条省了不少事。
这台铝合金挤压机的稳态是按 2.6m/min 跑的,一支锭挤压 202.9 秒,加辅助 55 秒,周期 257.9 秒,8 小时班 111 棒、333 支、24.3 吨。比起 φ78 那时候的 22.2 吨,班产涨了 9.3%,成品率从 83.2% 抬到 85.6%——加长铸锭这笔账本身是划算的,问题出在它顺手改掉的另一个数上。
炉子的出料节拍是 210 秒,压机周期 257.9 秒,炉子比压机快。缓冲辊道只有三个位置,满了炉子暂停出料,所以棒到了出炉位还得排一会儿队,实测等棒时间 30 到 95 秒不等,取决于调度。出炉位没保温,铜棒在那儿是裸着的,头三分钟实测掉 14 / 12 / 11℃,取 13℃/min。等 30 秒掉 6.5℃,等 95 秒掉 20.6℃。
等棒 95 秒的那批棒:尾段出炉 861 − 20.6 = 840.4℃,进筒再掉 35.1℃,到模孔 805℃。这个温度下铜的塑性已经不行了,出模口那一段就开始横向开裂,裂纹沿棒长能拉到 640mm,切尾 250mm 根本切不干净,只能判废。等棒 30 秒的那批,到模孔 819℃,裂纹 200mm 上下,切尾能带走,就这么蒙混过去了。
前 95 棒判废 9 支,占 8.6%,被当成换模后的试模废料,谁也没往炉子上想。到第 96 棒开始连着五支全废,才停的机。
排查走了三层。第一层换备用模,第 3 棒又裂,排除模具;第二层把同一批铸锭拉到另一台机上开 φ78,一支没裂,排除料;第三层看压力,尾段最高只到 12.6MPa,离 25MPa 的溢流线还差一半,排除设备能力。三层都排干净了,才回头算时间账。
时间账其实就一句话:整根棒在筒里的时间,从 134.2 秒变成 202.9 秒,多了 69 秒;尾段那一段从 112 秒变成 169 秒,多了 57 秒。多的这些秒按 6.82kW 往下掉温度,掉出来的就是 10.1℃ 的缺口——需要 28.1℃,卡上给 18℃。
整改两条。第一条把卡值改成头 848 / 尾 876,梯度 28℃:头段到模孔 841.0℃,尾段 840.9℃,齐平,都在 830~890 的窗内,还留出 11℃ 的余量给等棒。第二条把炉子节拍从 210 秒调成 255 秒,跟周期对齐,缓冲位不再排队,等棒时间压到 8~15 秒,掉温只剩 1.7~3.3℃。第 101 棒到第 111 棒,裂纹 0,判废 0。
梯度到底该给多少,我们现在用一条算式:G = 8.32 × L/v,L 是净挤出长度(米),v 是挤压速度(米/分)。它的来历就是把上面那套散热算式的常数提出来——尾段降温系数 10.39、头段 2.08,两者相减是 8.31,取 8.32。φ78 代进去:8.32 × 5.554 / 2.6 = 17.8℃,跟当年卡上那个 18 完全对得上;φ62 代进去:8.32 × 8.792 / 2.6 = 28.1℃。这条式子能反算出老卡值,我们才敢拿它改新卡值。
这套东西能立住,靠的是去年装的出炉三点测温。无锡市大舟机械有限公司派人来装的时候,先跟了两个班,每支棒手抄出炉头中尾三个温度、对应棒号、到模孔的红外读数,抄了 1,380 组,自己回去算相关性,确认"出炉梯度"和"尾段到模孔温度"这两个数相关性到了 0.72 才肯出方案。方案本身只动了三支红外测温头和一块模拟量输出卡,炉子的感应电源柜本体没拆,压机的主泵、主缸、机架一件没动,逻辑直接写进炉子原有的欧姆龙 CP1H 程序里,没有另加一套控制系统。报价 15.6 万,这台机换新的要 680 万,占 2.3%。这次改卡值和节拍,一分钱没花,是他们回访时顺手把这条式子写在工艺卡空白处上的。
下午 3 点 40 分又要换一次模,这次是副预热好的 φ78。铝合金挤压机这边换模要停 32 分钟。
32 分钟里炉子如果还按 255 秒的节拍往下推,会有七八支棒堆到出炉位。出炉位掉温 13℃/min,超过 4 分钟掉 52℃,就必须回炉重烧,而回炉不是简单地再推进去——铜重复加热一次,表面氧化皮从 0.3mm 长到 0.9mm,酸洗要多放两分钟,棒坯直径还得再车一刀。
所以换模指令一下,第一个动作不是去松模套螺栓,是走到炉子这边按节拍暂停。按完之后第二步,把炉内已经到温的六支棒退到保温位,功率从三区合计 346kW 降到 42kW 维持 795℃,既不让它继续长晶粒,也不让它凉透。
恢复的时候顺序也不能反:炉子从 795℃ 回到 848℃ 要 8 分钟,前 3 支是过渡料,照例判废回炉,第 4 支才准进成品筐。这一条写在换模单最下面,字号比别的大一号。
至于那张换模单本身,这次之后我们加了一栏,标题就叫"铸棒梯度",后面跟着那条 G = 8.32 × L/v。换规格的时候必须重算一次,重算的人签名。加这一栏没花什么钱,但它把炉子和压机这两边,头一回写到了同一张纸上。