鋁擠壓過程是一個利用熱量和壓力的共同作用來使鋁棒轉變成型材的過程。歷史上，鋁擠壓生產是以保守的人工方式進行的，只能間斷地進行測量，產品會有變形和浪費。操作者的經驗程度至關重要。如今，新技術可以讓員工編制工藝流程的熱壓參數，在線學習更多的生產技術，把擠壓生產過程轉變?yōu)楦呒壍淖詣踊芾磉^程。第二層的收益包括微觀結構分析、型材物理屬性和表面及尺寸等方面信息。

 

本文提出了一個溫度管理路線圖，通過溫度管理來提高生產率，幫助操作者定量監(jiān)測主要參數，更快地完成生產任務，使產出的型材質量更穩(wěn)定，廢品更少。文中給出了實際采集的現場數據，以此說明溫度管理系統(tǒng)的重要性。

介紹

 

為了保持在現今激烈的競爭環(huán)境下的優(yōu)勢，許多鋁擠壓廠都采用了積極的管理程序來實現生產優(yōu)化和產品的多樣化。為了提高生產效率和產品質量，他們在管理上投入了很多成本。在過去的十年里，幾乎所有的鋁擠壓廠都投入了大量的資金購置新設備，但并不是所有的配套設備都進行了同步更新。通過采用新的紅外線溫度檢測系統(tǒng)，領頭的擠壓公司都在20世紀90年代經歷了一個思維模式的轉變。結果使這些公司與行業(yè)其他公司在產量和質量上不斷擴大差距。強大的管理模式給這個行業(yè)帶來了設備、自動化水平和產品研發(fā)等方面的技術變革。

 

工業(yè)流程上的一大成就是溫度管理系統(tǒng)的出現（TMS）。在擠壓過程（圖1）中，鋁型材溫度測量數據的準確性，連續(xù)性和可靠性，為過程自動化控制打下了良好基礎。對于行業(yè)標桿企業(yè)，鋁擠壓過程已經變成了一個系統(tǒng)工程，不再依賴手工的操作，不需要有工匠級的操作水平。結果就是：

優(yōu)化操作流程，提高工作效率

提高產品質量，減少次品

改善生產過程和環(huán)節(jié)的連續(xù)性

實質上的實現成本節(jié)約

 

作為工廠的領導者，你有責任為技術升級預留出時間并給予資金上的支持，以此來保證公司的競爭力和收益率。你是促成工廠從低科技生產向高科技生產轉變的驅動力。低科技含量生產得到的是低技術含量和低收益的產品。高科技的生產可以給產品增值，并且生產出更新更成熟的產品，從而提高收益，拓展新的市場。

運行一個優(yōu)化的擠壓機生產線，需要克服生產過程和冶金過程中的各種變化，來保證高效高質量的產出。其中的訣竅就是確定和理解這些變化，然后竭盡全力的去避免其中的問題。但大多數工廠已經在朝這個方向走了：讓操作者能看到更多量化的工藝參數，更好地監(jiān)控生產。

總的來說，了解生產過程中的溫度情況，并且可以優(yōu)化生產過程的參數，是操作者提高工廠生產水平的僅需的條件。接下來是告訴你如何達到這個目的。這需要一個企業(yè)文化從最高管理層由上至下的改變。

溫度的道路

在擠壓過程之前，中間和之后，金屬的溫度對于擠壓機來講都是至關重要的。在擠壓之前，鋁棒的溫度歷史決定了它的品質和金屬機械性能的均勻性。擠壓時，鋁棒溫度連同盛錠筒溫度和模具溫度一起，決定了保證型材質量的擠壓速度。擠壓后，對于有些合金，冷卻率又決定了擠壓型材的抗拉強度。

在擠壓機出口安裝實時在線溫度監(jiān)測可以讓生產線的工作效率更高。通過密切的監(jiān)測和控制工藝變量，過程性能圖表（圖2）對于提高擠壓效率是非常有意義的工具。在理論上的最佳操作條件下，生產過程中應該不存在溫度、速度和鋁性質的變化。如果按照過程性能圖表執(zhí)行生產，在保證了這些臨界參數受控制并準確的條件下，就能在實質上改善生產率。

鋁棒的鑄錠和均勻化

因為沒有一個鑄錠過程可以控制均衡凝固的狀態(tài)、微觀結構的變化和溶解質的分布。所以為了消除這些差異，必須進行鋁棒均勻化。

其中任何一個溫度的變化都可能導致合金元素溶解度變差（不平衡結晶造成晶內偏析），組織均一性變差以及低共熔相的改變。

自然地，原材料的品質越均衡越一致，產品的品質才會越均衡越一致。標桿企業(yè)都知道均衡的和一致的操作可以產出均衡和一致的產品。標桿企業(yè)也知道，所有的一切始于鋁棒或大圓棒的均衡和一致。

鑄錠和均勻化的全過程的溫度都是用熱電偶測量的。鑄錠過程的工藝條件決定了使用非接觸式測溫傳感器是不實際的，而且，因為有足夠長的均熱時間保證熱電偶的充分熱傳導，這道工序是不需要使用非接觸式測溫儀的。

鋁棒預熱

鋁棒在進入擠壓機之前是要預加熱的。傳統(tǒng)觀念認為， 鋁棒必須在加熱爐內加熱到固溶溫度，但經驗顯示這不是一定的。只要鋁棒被正確的鑄錠和均化，就沒有必要在鋁棒預熱爐里達到固溶溫度。在現代鋁擠壓工廠里，鋁棒加熱爐的唯一目的就是讓金屬軟化。如果金屬加熱不夠，就沒有辦法順利通過模具。如果鋁棒加熱過熱，擠壓的速度就必須很低。
在鋁棒預熱區(qū)測溫典型的問題有：

兩點式的熱電偶讀數會偏低

兩點式熱電偶的日常維護經常被忽略

均勻化熱處理溫度是鋁棒的關鍵參數

操作者傾向于過度加熱鋁棒

操作者傾向于降低擠壓速度來微調鋁棒在擠壓中的溫度變化

過度加熱和慢速擠壓都浪費了預熱的能源

標桿企業(yè)意識到鋁棒應該加熱到能夠擠壓的最低溫度，同時必須保證擠壓機出口的溫度達到目標值。通過降低鋁棒預熱溫度，擠壓速度就可以提上來，這樣加熱爐的能量消耗就減少了。實踐證明，這樣的改變能節(jié)省燃氣加熱爐15-20%的能耗。

對于燃氣加熱爐，鋁棒區(qū)間溫度是使用兩點式的熱電偶測溫。因為這類儀表對維護都有很高的要求，使用這樣一臺儀表，要么花費很高維護費，要么失去精確度。在有些鋁擠壓廠，非接觸式傳感器已被用來檢測和控制鋁棒區(qū)域加熱段的溫度。不但減少了對接觸式熱電偶測溫計的依賴，也因此減少了因儀表本身局限性帶來的維護問題和精確度問題。

在感應加熱爐系統(tǒng)中，紅外線溫度傳感器直接對準鋁棒表面，可以直接的監(jiān)測溫度，從而減少兩點式熱電偶使用不一致性。類似的，對于燃氣加熱爐，可以將傳感器安裝在加熱爐出口（擠壓筒入口）監(jiān)測鋁棒表面的溫度，這個溫度也被用來修正爐內熱電偶或者紅外線測溫儀測得的溫度偏離。鋁棒料測溫最理想的位置是鋁棒截面，來檢查均熱段溫度。測量側截面的溫度也是因為這一面將首先接觸到模具。

對于梯度加熱的鋁棒，可以把一個傳感器安裝在鋁棒傳送帶的側面來監(jiān)測溫度，或者安裝兩個傳感器分別測量鋁棒兩頭截面的溫度。精確的梯度加熱溫度對連續(xù)傳送鋁棒進入擠壓機是非常重要的。不精確的溫度測量會使得梯度加熱失去意義。

擠壓機出口

在整個擠壓過程中，擠壓機出口的溫度到目前為止是最重要的過程參數（圖2）。擠壓機出口的型材溫度直接關系到最佳的擠壓速度，廢品率和產品質量一致性。

如果你在擠壓機出口使用的不是多波長的紅外線傳感器，那么你將面對如下問題：

降低擠壓速度來控制質量

擠出溫度遞變的非等溫產品。

質量不穩(wěn)定

令人頭痛的廢品率

操作一個未知的斷斷續(xù)續(xù)的生產過程

完全依賴操作者的經驗

無量化監(jiān)測、無報警、無控制的擠壓機生產

沒有對擠壓機在溫度或者速度上的優(yōu)化

因為操作效率偏低而增加生產成本

影響擠壓機出口溫度的因素很多，包括鋁棒預熱溫度、擠壓桿速度、模具溫度、擠壓筒溫度、還有模具形狀。擠壓機出口溫度直接影響了型材的表面光潔度、硬度、模具粘鋁量、模具磨損程度以及陽極氧化的一致性。

標桿企業(yè)使用紅外線測溫儀來確定擠壓機出口的最佳溫度，并通過前期調整實現最佳擠壓性能。新的第三代多波長紅外線傳感器已經上市。新配置的“即瞄即讀”功能讓操作者可以直接感受這個技術。標桿企業(yè)都投入了大量的資金來配置這些新的傳感器，幾個月之內都從收益里得到了回報。

一旦最佳擠壓出口型材溫度被確定了（每一種型材只需要十分鐘的時間），這個鋁棒預加熱溫度都可以被降低，擠壓桿的速度也可以提高，整個擠壓過程就得到了優(yōu)化。調整模具和擠壓筒溫度還可以額外的改進擠壓機出口的溫度。

報警燈和數據記錄是幫助操作員在不同的工作時間保持穩(wěn)定的工作效率的根本，由此我們也必須再一次強調溫度和工作文化轉變的重要性。最基本的數字顯示并沒有強調溫度的價值，可能輕易的被忽視。報警燈和記錄數據（圖3）是對擠壓機監(jiān)督和管理的“看門狗”，讓操作者更投入他的工作。在圖3中，包括了鋁棒和擠壓機出口溫度，數據T表示鋁棒溫度，E表示發(fā)射率。因為有了對型材反射率的測量，這些數據還可以被用來診斷擠壓機出口型材表面的平整度。

最后，有控制程序包來實現擠壓機的自動化生產，減少操作者的參與。有一些工廠減少人力來實現成本節(jié)約。

淬火率

當型材以合適的溫度離開擠壓機出口后，使用空氣或者水霧來淬火，冷卻比率決定了型材的晶粒結構，從而也決定了金屬的抗拉強度屬性。生產過程的優(yōu)化使擠壓速度上升，淬火系統(tǒng)的負擔也就加重了。大多數擠壓廠僅僅抽查冷卻比率。而標桿企業(yè)則會使用紅外線測溫儀（圖4）來實時測量淬火溫度和淬火率（度每秒）。典型的，淬火區(qū)距離擠壓機出口40-100英尺（約12-30米），有效的淬火率在淬火區(qū)開始的部分。

要交付高質量的產品給你的客戶,淬火過程是至關重要的，否則你也不會使用它。(象淬火率這樣的數據),如果你沒有在線進行監(jiān)測，你就會有以下的問題：

盲目生產，不確定淬火程度

不確定淬火系統(tǒng)（空氣制冷/水冷）是否足夠

讓所有型材都達到熱處理的T6狀態(tài)

擠壓速度的提高有沒有受淬火系統(tǒng)的限制？

沒有在線的質量監(jiān)控、判定或者記錄文件

由于不合理的淬火而被退貨

新一代的多波長溫度傳感器在設計時就內置了一個軟件，在每一次擠壓過程中，它都可以根據擠壓機出口和淬火區(qū)溫度連續(xù)實時地計算出淬火率。這一數據是為了幫助工程師優(yōu)化淬火系統(tǒng)，同時幫助質量檢測部門收集每一個型材的在線數據。標桿企業(yè)都能將這一信息加入一個淬火參數菜單（圖5）。淬火區(qū)傳感器有一個手動遠程移動功能，用來在一個受限的安全區(qū)域快速瞄準。

此外，淬火率加入了限制來保證產品不會超出抗拉強度的要求。如圖6顯示，淬火速度過快會導致型材扭曲變型，而淬火速度過慢又會伴隨著Mg2Si析出物的產生影響型材表面的化學性質。
如果你想要成為標桿企業(yè)，不能忽略淬火系統(tǒng)。

你是一個標桿企業(yè)嗎？

擠壓生產的基本物理學原理是普遍適用的，標桿企業(yè)的不凡之處在于關心行業(yè)前沿的技術動向、重視擠壓生產中的一般性規(guī)律，并且有決心將表征和控制工藝參數的新技術手段付諸實踐。

標桿生產者通常對溫度非常著迷。他們持續(xù)的監(jiān)控溫度，記錄溫度，并且控制溫度。他們對擠壓生產過程中每一個點溫度的影響都了若指掌。他們沒有什么特別的或者更合適的儀器。他們也沒有魔法棒。他們只是單純的認識到，要提高生產效率，首先就是擠壓的速度。如果擠壓機出口溫度是未知的，那么慢速或者過多的廢品及低效則是情理之中的了。

在生產過程中，不可能僅僅關注其中的一道工序而忽略了其他的環(huán)節(jié)。我們知道，每一根鋁棒和擠壓機出口的溫度都決定了是否需要降低鋁棒預熱溫度和提高擠壓速度。擠壓速度的提高又對鋁棒預熱爐和淬火系統(tǒng)提出了額外的要求。所有的工序都必須平衡而又和諧地進行，加上文化意識上改變，才能利用好這一自動化的（管理）優(yōu)勢。

標桿企業(yè)會想辦法用一種簡單和直接的方法來解決瓶頸問題。標桿企業(yè)真正理解了溫度管理系統(tǒng)就能意識到它的好處。標桿企業(yè)從不吝嗇投資到新的儀器來優(yōu)化生產，因為他們知道回報是很快的。對于典型的軟合金擠壓，通過優(yōu)化擠壓機出口溫度和擠壓桿速度，生產率將會提高20-30%。而對于硬合金的擠壓，其效率提高則會更高。

一個新裝有溫度管理系統(tǒng)的軟合金鋁擠壓廠，周一開始執(zhí)行新一周的生產計劃，周三就完成了生產任務。你想象一下自己周三完成生產任務。你會拿這多出來的時間做什么？你會怎么利用這么高的生產效率？你會有什么樣的變化？溫度管理系統(tǒng)要求對鋁擠壓有一個全新的文化認識。

怎樣實施這樣一個改變呢？你要怎么開始呢？首先，你要有文化意識的轉變，以生產持續(xù)穩(wěn)定高質量產品為目標，把這一意識自上而下滲透到每一條生產線。如果上層沒有一個領導層來帶領大家改變，購買新儀器也是徒勞的。所以，實現這一目標的基本步驟有：

1. 管理層必須樹立起生產持續(xù)穩(wěn)定高質量產品的目標

2. 這一目標要求工廠各個層級的人的文化意識的改變，必須有管理層來領導大家作出改變

3. 工程師有責任購買、安裝和調試溫度管理系統(tǒng)，培訓現場操作人員

4. 這一優(yōu)化項目也將確定使用系統(tǒng)前后的成本節(jié)約，包括更少廢品，生產效率提高，更好的質量和能耗減少

5. 一個“最優(yōu)操作準則”文件將由工程師制定來規(guī)范生產過程

6. 擠壓機操作和維護工人都必須被培訓，掌握溫度管理系統(tǒng)，并把每周的表現展出

7. 至少有一個維護工人需要為儀器負責，并懂得紅外線測溫儀

8. 再次，管理層應該表現出積極的領導力，贊揚成功的地方，找出收益慢的瓶頸原因

9. 如果經過一年的調整，工廠還沒有適應溫度管理系統(tǒng)，那么這個瓶頸必須盡快解決

10. 實現改進的主要人員應該得到表彰，每一個人都應該對這一自動化的改進感到愉快

標桿企業(yè)從來不忘記，他們的目的就是賺錢。如果你想成為標桿企業(yè)之一，你要首先關注三件事，那就是：

溫度 ！ 溫度 ！和溫度！

（譯文由深圳市金瑞達實業(yè)有限公司提供）