鋁合金汽車板連續(xù)熱處理生產(chǎn)線

李志剛，劉小玲，李鵬輝

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南洛陽471039)

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鋁合金汽車板連續(xù)熱處理生產(chǎn)線

李志剛，劉小玲，李鵬輝

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南洛陽471039)

文章概述了鋁合金汽車板連續(xù)熱處理生產(chǎn)線的應(yīng)用和生產(chǎn)工藝，詳細(xì)介紹了連續(xù)熱處理生產(chǎn)線的工藝布置、設(shè)備主要工藝特點等。

鋁合金汽車板；氣墊爐；連續(xù)熱處理

目前，國內(nèi)外掀起了汽車板建設(shè)的熱潮，由于生產(chǎn)汽車板帶用冷軋卷坯的主要設(shè)備與生產(chǎn)其它高精板帶(航空板、罐料、CTP板基)的設(shè)備基本相同，如生產(chǎn)罐料的熔煉-鑄造、熱軋、冷軋生產(chǎn)線均可滿足生產(chǎn)汽車板的要求，因此多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)汽車板是利用原有的熔鑄、熱軋、冷軋生產(chǎn)線，僅精整與熱處理設(shè)備及工藝則有較大差異。

鋁合金連續(xù)熱處理生產(chǎn)線是汽車板生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，帶材開卷后進(jìn)入氣墊爐內(nèi)加熱、保溫，然后以一定的速度冷卻，完成熱處理過程，在整個過程中帶材始終在展開狀態(tài)連續(xù)運行。與常用的箱式退火爐比較，氣墊爐可以實現(xiàn)快速冷卻，帶材溫度精度高、表面質(zhì)量好、性能均一，因此主要用于2xxx、6xxx、7xxx系鋁合金淬火，實現(xiàn)固溶強化。普通鋁板帶產(chǎn)品批式熱處理即可滿足退火要求，無需采用連續(xù)熱處理。而汽車車身板常用的6xxx系鋁合金均需經(jīng)過固溶強化，因此連續(xù)熱處理生產(chǎn)線成為鋁合金汽車板生產(chǎn)不可缺少的熱處理設(shè)備； 冷軋卷在熱處理之后，還需經(jīng)過矯直、表面處理、預(yù)時效、涂油、剪切等工序。國外最長的鋁合金連續(xù)熱處理生產(chǎn)線長達(dá)300m(雙層)，從熱處理、表面處理至剪切出成品的各種工序都可以在該連續(xù)熱處理生產(chǎn)線上完成。

1 連續(xù)熱處理生產(chǎn)線在鋁合金汽車板生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，國外著名的鋁汽車板生產(chǎn)商主要有諾貝麗斯公司(Novelis)、海德魯鋁業(yè)公司(Hydro Aluminium)、美國鋁業(yè)公司(ALcoa)、愛勵國際(Aleris)、肯聯(lián)鋁業(yè)(Constellium)、日本神戶制鋼和日本聯(lián)合鋁業(yè)[1]。這些大型鋁業(yè)公司設(shè)有汽車鋁板帶研發(fā)專業(yè)機構(gòu)，負(fù)責(zé)汽車鋁材的研究開發(fā)、生產(chǎn)與技術(shù)服務(wù)；除擁有現(xiàn)代化的熱軋、冷軋裝備外，還配置了高技術(shù)水平的精整熱處理生產(chǎn)線，能夠根據(jù)汽車生產(chǎn)廠家的要求批量供應(yīng)高水平的汽車板產(chǎn)品。當(dāng)前世界最大的鋁合金車身板供應(yīng)商諾貝麗斯公司，現(xiàn)有5條汽車板連續(xù)熱處理生產(chǎn)線在運行，是唯一一家在亞洲、歐洲和北美洲三大主要汽車生產(chǎn)區(qū)域擁有制造汽車鋁板能力的供應(yīng)商。其汽車板生產(chǎn)線主要位于歐洲的德國Nachterstedt和瑞士Sierre工廠、北美的奧斯威戈(Oswego)工廠及中國的常州工廠。

諾貝麗斯在常州建設(shè)的汽車鋁板熱處理生產(chǎn)線(2014年8月投產(chǎn))，帶有完整的連續(xù)熱處理、拉矯和表面處理功能，是目前國內(nèi)第一條完整的汽車鋁板熱處理生產(chǎn)線。西南鋁和南南鋁雖然也有連續(xù)熱處理爐，但西南鋁的連續(xù)熱處理爐只有熱處理和矯直功能；而南南鋁連續(xù)熱處理爐的表面處理功能是預(yù)留的，因此只能生產(chǎn)硬合金薄板，不能算一條完整的汽車板連續(xù)熱處理生產(chǎn)線。

國內(nèi)實力雄厚大型的鋁板帶生產(chǎn)企業(yè)，如南山鋁業(yè)、天津忠旺、山東魏橋已經(jīng)開始建設(shè)汽車板生產(chǎn)線，其精整熱處理生產(chǎn)線的裝機水平與目前國外同類設(shè)備相當(dāng)，加上已經(jīng)擁有的國際一流的熱軋、冷軋生產(chǎn)設(shè)備，將很快具備生產(chǎn)汽車板的硬件條件。但這些企業(yè)還沒有專門的汽車板工藝研發(fā)機構(gòu)，目前主要依靠購買國外軟件服務(wù)包，缺乏后續(xù)的產(chǎn)品工藝研發(fā)能力。

隨著諾貝麗斯常州工廠的投產(chǎn)，國內(nèi)已經(jīng)具備了鋁合金汽車板生產(chǎn)的能力，但其生產(chǎn)技術(shù)為國外壟斷。雖然國內(nèi)大型鋁板帶企業(yè)也開始建設(shè)汽車板連續(xù)熱處理生產(chǎn)線，但均未投產(chǎn)，且缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝技術(shù)，生產(chǎn)完全受制于人。中鋁公司目前主要利用瑞閩的軋制生產(chǎn)線和西南鋁的熱處理生產(chǎn)線，試制的寬幅(1950mm)6016汽車板材可滿足上海通用、寶馬、日產(chǎn)等多家汽車公司的性能要求，產(chǎn)品正在相關(guān)認(rèn)證當(dāng)中，只是由于熱處理設(shè)備的限制，還不能批量生產(chǎn)供應(yīng)。

目前國內(nèi)新建的鋁合金連續(xù)熱處理生產(chǎn)線大多采用引進(jìn)的設(shè)備，爐子段采用了Ebner公司的，表面處理段、拉矯段等其它部分采用BWG或Tenova公司的。在連續(xù)熱處理生產(chǎn)線的選擇上，企業(yè)大多兼顧2xxx、7xxx系硬合金薄板的生產(chǎn)，表1為典型連續(xù)熱處理生產(chǎn)線的基本技術(shù)參數(shù)。

表1 連續(xù)熱處理生產(chǎn)線主要技術(shù)參數(shù)

2 汽車板精整及熱處理的生產(chǎn)工藝流程

冷軋鋁帶卷坯料用天車吊運至開卷機的鞍座上，開卷機對帶卷進(jìn)行開卷，帶卷通過矯直、切頭、預(yù)清洗后進(jìn)入入口活套；從活套出來的帶材經(jīng)張緊裝置降低張力后進(jìn)入爐子內(nèi)加熱、保溫、冷卻，完成固溶熱處理；之后經(jīng)矯直、表面處理、切邊、預(yù)時效、涂油后經(jīng)卷取機收卷。前一卷的帶尾與后一卷的帶頭在入口段縫合機縫合，接頭在出口段的剪切機剪除，整條生產(chǎn)線連續(xù)運行。

3 連續(xù)熱處理機組的工藝布置及機組組成

連續(xù)熱處理生產(chǎn)線是集熱處理、矯直、帶材表面處理等多種功能于一體的鋁帶材熱處理設(shè)備，總長可達(dá)600m左右，因此一般采用雙層布置，將入口設(shè)備和出口設(shè)備布置在一層，爐子布置在二層，以減少車間長度。同時可以預(yù)留部分設(shè)備空間，將來根據(jù)不同汽車企業(yè)的要求適時增加爐區(qū)長度或相關(guān)工藝設(shè)備。也有部分企業(yè)將熱處理和表面處理功能分別配置兩個機組上，根據(jù)不同的產(chǎn)品和要求使用設(shè)備，增加設(shè)備的靈活性。連續(xù)熱處理機組主要可以分為入口段、工藝段、出口段3 個部分。

3．1 入口段

圖1為入口段工藝布置圖，主要包括開卷機、對中裝置、剪切機、切頭剪、帶材縫合機、切邊剪和碎邊剪、預(yù)清洗段、入口活套等設(shè)備，完成開卷、帶材頭尾剪切、連接、切邊等功能。

1-1#開卷機；2-2#開卷機；3-1#入口偏導(dǎo)夾送輥；4-1#矯直機；5-1#入口切頭剪；6-2#入口偏導(dǎo)夾送輥；7-2#矯直機；8-2#入口切頭剪； 9-3#入口偏導(dǎo)夾送輥；10-4#入口偏導(dǎo)夾送輥；11-3#切頭剪；12-縫合機；13-月牙剪；14-5#入口夾送輥；15-1#對中張緊裝置；16-入口切邊機；17-預(yù)清洗段；18-偏導(dǎo)輥；19-入口活套圖1 連續(xù)熱處理機列入口段工藝布置圖Fig.1 Layout of entry section of continuous heat treatment line

3.2 工藝段

圖2為工藝段工藝布置圖，主要包括氣墊爐(熱處理部分和冷卻部分)、拉矯機、表面處理等設(shè)備，完成帶材的熱處理、矯直、表面處理等功能。

1-對中輥；2-張緊裝置；3-爐子單元；4-水冷單元；5-風(fēng)冷單元；6-低張力對中輥；7-張緊裝置；8-雙對中輥；9-拉彎矯入口張緊裝置； 10-拉彎矯直機；11-拉彎矯出口張緊裝置；12-清洗預(yù)處理單元；13-干燥機圖2 連續(xù)熱處理機列工藝段工藝布置圖Fig.2 Layout of process section of continuous heat treatment line

3.3 出口段

圖3為出口段工藝布置圖，主要包括出口活套、切邊剪、預(yù)時效爐、靜電涂油機、出口剪、卷取機、皮帶助卷機等設(shè)備，完成成品檢查、涂油、切邊、分卷等功能。

1-出口活套；2-雙對中輥；3-偏導(dǎo)輥；4-切邊機；5-表面檢測系統(tǒng)；6-張緊裝置；7-出口檢測臺；8-偏導(dǎo)夾送輥；9-預(yù)時效爐； 10-靜電涂油機；11-出口剪切機；12-1#出口偏導(dǎo)夾送輥；13-1#卷取機；14-2#出口偏導(dǎo)夾送輥；15-2#卷取機圖3 連續(xù)熱處理機列出口段工藝布置圖Fig.3 Layout of exit section of continuous heat treatment line

4 連續(xù)熱處理生產(chǎn)線主要構(gòu)成設(shè)備工藝特點[2]

4．1 預(yù)清洗段

帶材在熱處理前需清洗脫脂，去除表面油漬。采用50～75°C的堿溶液對帶材上表面和下表面進(jìn)行清洗。堿洗時間約3s，然后進(jìn)行2次漂洗，第一次采用常溫去離子水漂洗，第二次采用50～75°C的去離子水漂洗，漂洗水循環(huán)使用。然后通過帶有吹邊裝置的烘干機進(jìn)行烘干。

4．2 張緊裝置

帶材在不同工段處的張力不盡相同，張緊裝置可以把各個區(qū)域的張力隔開，不同區(qū)域設(shè)置不同的張力。開卷和卷取張力主要是防止帶卷發(fā)生松動擦劃傷和偏離中心線，開卷張力6～15MPa，卷取張力10～20MPa；活套張力過小易造成帶材與棍子間的滑動擦劃傷，入口和出口活套張力7～15MPa；爐區(qū)張力是控制的關(guān)鍵，為防止張力產(chǎn)生較大波動，爐內(nèi)張力盡可能小，因此帶材進(jìn)入爐體時張力應(yīng)降至1～2MPa。

4．3 活套

機組設(shè)有入口和出口活套，入口活套的作用是存儲足夠長的料，在入口換卷時提供連續(xù)不斷的帶卷保證。出口活套使帶材在出口段換卷時能夠連續(xù)運行，儲料長度則根據(jù)工藝速度確定，工藝速度60m/min時，長度需160m左右，工藝速度達(dá)100m/min時，長度需260m左右。

活套的形式有立式活套和臥式活套，最初的設(shè)計大多采用立式活套，帶材不易下垂，避免造成擦劃傷。但立式活套需要的設(shè)備基礎(chǔ)較深或廠房較高，生產(chǎn)長度也相應(yīng)增加。因此目前有采用臥式活套的，為了避免帶材下垂造成帶材的擦劃傷，需要設(shè)置帶材托輥裝置。為了縮短生產(chǎn)線長度，國外有的廠家采用入口立式活套，出口臥式活套。

4．4 氣墊爐

氣墊爐和冷卻裝置一起安裝在一個鋼結(jié)構(gòu)平臺上(二層)，帶材通過爐子和淬火段，在爐內(nèi)連續(xù)運行，料帶表面不會與設(shè)備上的任何部件發(fā)生接觸。

氣墊爐采用天然氣加熱，爐風(fēng)通過安裝在風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口處的燒嘴實現(xiàn)加熱，然后流經(jīng)噴嘴箱內(nèi)的噴嘴以垂直方向從上下兩個方向吹向帶材表面，通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對材料的快速加熱。噴嘴交替分布在帶材上部和下部，帶材以正弦形狀通過爐區(qū)，保證了帶材穩(wěn)定的懸浮于爐體中。通過徑向流動風(fēng)機實現(xiàn)熱風(fēng)循環(huán)，爐內(nèi)氣流離開噴嘴時的速度與所處理的帶材相適應(yīng)，可通過調(diào)整變頻驅(qū)動循環(huán)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)該速度。

氣墊爐分成10～12個分區(qū)，產(chǎn)能約8萬t，通常根據(jù)產(chǎn)能確定分區(qū)數(shù)量。每個分區(qū)有兩個循環(huán)風(fēng)機，一個在爐頂，一個在爐底。爐內(nèi)最高溫度達(dá)600°C，爐氣溫度范圍300～580°C ，保溫精度±1．5°C。生產(chǎn)6xxx系鋁合金汽車板時，540～570°C保溫60s后進(jìn)入冷卻區(qū)進(jìn)行空氣冷卻。

冷卻部分分區(qū)根據(jù)其速度確定，為全封閉式。1號冷卻區(qū)為水淬冷卻，冷卻區(qū)入口的頂部和底部裝有氣刀，以防止水進(jìn)入爐內(nèi)，高壓水噴嘴組上下對稱安裝在水刀之后。這些水噴嘴用于需要快速冷卻的2xxx系及7xxx系合金。對于給定的合金品種，需要的冷卻率可達(dá)500°C /s，淬火水采用去離子水。2～7號冷卻區(qū)為空氣冷卻，用于對帶材進(jìn)行空氣冷卻和干燥。6xxx系鋁合金汽車板使用空氣冷卻，冷卻段出口處料帶溫度≤65°C。

4．4 矯直裝置

矯直裝置采用的是拉伸和彎曲相結(jié)合的矯直形式，即通過張力輥與彎曲輥的共同作用，使帶材在承受張力小于屈服極限的情況下產(chǎn)生局部塑性延伸，從而改善板形。汽車車身板對帶材表面的要求非常高，厚度約1mm的汽車板只能通過純張力拉伸模式。對于2xxx系和7xxx系合金或者較厚的帶材，采用拉伸彎曲相結(jié)合的矯直工藝。

矯直裝置入口的張緊裝置可為帶材出氣墊爐后增加帶材張力，并為矯直裝置提供反張力，其最大張力可達(dá)500MPa，可生產(chǎn)2xxx系和7xxx系硬合金薄板，出口處張緊裝置可降低矯直裝置出口處的張力。

矯直裝置裝備噴洗系統(tǒng)，帶材經(jīng)過拉伸輥時，帶材表面的鋁氧化物細(xì)屑會脫落且粘在拉伸輥上，從而導(dǎo)致拉伸輥凸起和震動，會使帶材產(chǎn)生不可接受的擦劃傷。

4．5 表面處理段

表面處理段的功能是完成鋁帶材表面的清洗及鈍化處理，通過鈍化處理在鋁帶材表面形成一層保護(hù)膜。一方面可以保護(hù)鋁帶表面不被氧化腐蝕，另一方面可以增強鋁帶在下游工序的粘著力，有利于吸附潤滑劑和沖壓成形，增強其與油漆、粘接劑的結(jié)合，有利于車身的黏接和上漆。

帶材清洗首先進(jìn)行堿洗，用60～70°C的堿溶液對帶材上表面和下表面進(jìn)行噴射式清洗。堿洗時間約6s，然后進(jìn)行2次漂洗，第一次采用常溫去離子水漂洗，第二次采用40～60°C的去離子水漂洗，漂洗水循環(huán)使用。然后再進(jìn)行酸洗，酸洗時間約6s，然后進(jìn)行2次漂洗，漂洗完之后開始進(jìn)入鈍化處理。因為帶材表面油漬在預(yù)清洗和爐子段燃燒后已經(jīng)很少，堿洗有時可以省去，但酸洗必須配備。

鋁合金車身板的鈍化處理采用化學(xué)轉(zhuǎn)化法，即在不通電的情況下，鋁表面與鈍化劑(氧化性溶液)發(fā)生反應(yīng)，在其表面生成與基體有較好附著力的、不溶性的轉(zhuǎn)化膜。針對汽車企業(yè)不同的產(chǎn)品要求，表面鈍化處理主要有浸涂、噴涂和輥涂三種型式。

浸涂。鋁帶材通過含有鈍化劑的槽液完成鈍化處理，控制好槽液溫度，浸涂完再經(jīng)過2次漂洗，漂洗水為50℃的去離子水，然后用蒸氣加熱的熱風(fēng)烘干，烘干后進(jìn)入出口活套。

噴涂。其特點是通過物理作用(如靜電噴涂是通過噴射梁噴射)來實現(xiàn)，在美國普遍使用Ti、Ti/Zr噴涂，因該涂料可以很快的形成化學(xué)反應(yīng)，在烘干前已經(jīng)完成了80%的化學(xué)反應(yīng)。

輥涂。輥涂機由一個主機架和兩個涂頭構(gòu)成，涂頭對稱板帶設(shè)置。一個涂頭涂覆板帶上部，稱上涂頭；另一個涂覆板帶下部，稱下涂頭。每個涂頭的涂覆輥能將帶材推離理論通過線，使帶材輕微纏于涂料輥但不超過帶輥間的最大壓力，依據(jù)涂料輥的公稱直徑和磨損變化。如果采用輥涂工藝，輥涂之后需進(jìn)入紅外線烘干爐，對帶材涂層進(jìn)行立式加熱烘干，烘干后進(jìn)入出口活套。

4．6 預(yù)時效爐

預(yù)時效爐用于對表面處理后的鋁帶進(jìn)行預(yù)加熱或預(yù)時效處理。帶材固溶處理后進(jìn)行預(yù)時效處理，使帶材具有良好的成形性和烘烤硬化性。

加熱方式采用高速熱風(fēng)吹向帶材兩面，循環(huán)熱空氣用直接燃?xì)馐綗旒訜幔俣燃s40m/min，入口溫度30℃，出口溫度110℃。

4．7 靜電涂油機

靜電涂油機采用靜電噴霧的方式，將加熱熔化的固體潤滑油涂在帶材的單面或雙面，可根據(jù)帶材速度精確控制油量。涂油室內(nèi)安裝著上、下涂油噴嘴，帶材從其中自由通過。高壓靜電源輸出100kV左右的負(fù)直流高壓，加在涂油噴嘴上，使噴嘴和作為接地板的帶材之間產(chǎn)生高壓靜電場。帶有負(fù)電荷的油液在高壓靜電場中霧化并被吸附在帶材表面上，形成勻薄的油膜。

靜電涂油機按其外觀分為兩種，一種是臥式靜電涂油機，涂油量范圍在500～3500mg/m2(單面)；另一種為立式靜電涂油機，涂油量在2～25mg/m2(單面)。

5 結(jié)束語

連續(xù)熱處理生產(chǎn)線是生產(chǎn)汽車板的關(guān)鍵設(shè)備，最初，多數(shù)生產(chǎn)線是由設(shè)備制造廠家和汽車板生產(chǎn)企業(yè)共同開發(fā)的，工藝要求由汽車板生產(chǎn)企業(yè)提出，產(chǎn)品要求由下游汽車廠家提出。目前，國外設(shè)備廠家可以提供成熟的整套設(shè)備，為國內(nèi)汽車板生產(chǎn)企業(yè)提供了機遇，縮短與國外汽車板生產(chǎn)企業(yè)的差距。

[1] 劉洪波. 歐洲鋁合金汽車板生產(chǎn)概述及國內(nèi)市場分析展望.有色金屬加工，2014,43(2)：1-4.

[2]Ebner、BWG和Tenova公司連續(xù)熱處理生產(chǎn)線設(shè)備技術(shù)交流內(nèi)容。

Continuous Heat Treatment Line for Aluminum Alloy ABS

LI Zhigang, LIU Xiaoling, LI Penghui

(Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing, Luoyang 471039, China)

The paper presented the application and production process of continuous heat treatment line for aluminum alloy ABS; it described the process layout of continuous heat treatment line and technological characteristics of equipments in the line.

aluminum alloy ABS; flotation furnace; continuous heat treatment.

2014-12-29

李志剛(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事鋁、鎂、鈦等有色金屬板帶工程工藝設(shè)計。

TG339；TG166.3

A

1671-6795(2015)03-0031-05