[发明专利]一种预应力钢丝缠绕挤压筒

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型黑色金属热挤压高温高压承载容器，属于金属热挤压领域，尤其适用于大口径厚壁无缝钢管的热挤压。

背景技术

挤压筒是金属挤压工艺的关键模具之一，也是最为昂贵的模具。坯料在挤压筒内变形，其承受挤压过程中坯料向前移动而产生的轴向摩擦力和径向压力。在钢的热挤压过程中，坯料温度高达1200℃，挤压筒承受高温、高压和高摩擦，工作状态极其恶劣。在大口径厚壁无缝钢管热挤压过程中，坯料对挤压筒内表面产生的径向面压可达150MPa-250MPa。

传统的挤压筒为多层组合式，通常为三层，即内衬、中衬和外衬，各层之间以一定的过盈配合热装而成，通过设计各层之间的过盈量来控制挤压筒的预紧效果。这种挤压筒尺寸很大，通常外径为内径的4倍-5倍，内衬、中衬和外衬均为整体锻造。挤压筒尺寸和重量都很大，制造成本极高。以内径为φ1700mm的挤压筒为例，若取K＝4，则挤压筒的外径为φ6800mm，大大提高了对挤压机立柱左右间距的要求，使得压机的尺寸和重量相应增加，制造成本急剧上升。因此，研究新型挤压筒，减小挤压筒的尺寸和重量，降低挤压筒的制造难度和制造成本具有重要意义。

预应力钢丝缠绕技术可对被预紧件施加全面的预应力保护，大大提高被预紧件的抗疲劳强度。将预应力钢丝缠绕技术应用于大型挤压筒，可减小挤压筒的尺寸和重量，降低对压机空间的要求，大大降低挤压筒本身和压机的制造成本。

这种预应力钢丝缠绕挤压筒由前苏联提出，但由于当时的技术条件限制，并未付诸实施。我国从2005年开始上马大口径厚壁无缝钢管垂直挤压项目，挤压筒的设计是当时的技术难题之一。为此，提出了预应力钢丝缠绕挤压筒的设计方案。

在公开专利的《全预应力场下剖分-组合挤压筒的设计方法和结构》(申请号：200910135964.6)中，提出挤压筒分为三层，即内衬、中衬和外衬，在外衬上有钢丝槽，用于缠绕钢丝以提供预应力保护，其中各层均可采用剖分或整体结构。然而，在该专利中仍然存在如下问题：

首先，坯料在挤压时被加热至1150℃-1250℃，挤压筒在挤压之前必须进行预热，通常预热温度为350℃-450℃，以保证挤压筒在瞬时热冲击以及反复热应力循环载荷下的抗疲劳强度。在挤压筒长期工作下，热量由内衬和中衬传递至钢丝层，使钢丝温度上升。但钢丝的使用温度限制为80℃，否则会产生蠕变和应力松弛效应，造成预应力损失，甚至使钢丝失效。只有解决预热和钢丝保护的问题，预应力钢丝缠绕挤压筒才能真正实现。

其次，由于挤压筒工作时处于高温，由于温度分布不均匀造成的热应力对挤压筒结构设计的影响是不可忽略的。施加在挤压筒的预应力不仅仅是由钢丝产生的，只有清楚了解挤压筒在预热和工作时温度对应力分布的影响，才能实现挤压筒的可靠工作。

此外，在公开的专利《耐高温高压挤压筒》(申请号：200910261469.X)中，同样采用了将挤压筒分为三层的基本结构。该专利提出的挤压筒结构中由于没有专门的预热装置，因此其采用的预热方式为高温坯料内置式预热，即将加热至高温的坯料预先放在挤压筒内部进行加热。为防止热量传递至钢丝，在中衬外表面开设有环形槽，槽内铺设护板，护板上粘贴隔热陶瓷层。但该种结构的挤压筒存在如下的问题：

首先，热应力的问题。采用高温坯料内置的预热方式是使高温的钢锭将热量传递至挤压筒内表面，内表面温度高，但温度分布极不均匀。从挤压筒内表面向外，温度急剧降低，造成很大的温度梯度，在挤压筒内表面引起很大的热应力，因此不能将挤压筒预热至很高的温度，否则会导致热应力过高，经计算这种挤压筒合理的内表面预热温度为250℃。由于热应力导致预热温度较低，会导致钢锭在挤压过程中温度下降更快，增大了坯料与挤压筒之间的摩擦力和挤压力。

其次，加热效率的问题。采用高温钢锭向挤压筒传热，内表面温度上升很快，但其传热方式主要为辐射传热和对流传热，加热效率低。将钢锭取出后，挤压筒内表面温度下降较快。

还有，挤压筒内表面预热温度分布均匀性的问题。为了预热时方便将钢锭放入挤压筒中，钢锭与挤压筒内表面需留有间隙，一般单边至少5mm-10mm以上。在放置钢锭时，钢锭放偏心的问题难以解决。由于钢锭放偏，会导致挤压筒内表面加热温度分布是不均匀的。这会导致在挤压时金属流动不均匀，使得钢管在挤压过程中更容易发生弯曲。

在隔热方面，由于采用了陶瓷隔热层，该材料为脆性材料，承受冲击的能力较差，在挤压筒承受反复热载荷和工作载荷下，陶瓷很容易发生脆裂，影响挤压筒的性能。

发明内容