輥底式淬火爐在鋁合金中厚板生產(chǎn)中的應(yīng)用

李志剛

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南洛陽471039)

鋁合金預(yù)拉伸中厚板具有良好的力學(xué)性能、加工性能、低溫特性以及比重輕等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于航空航天、船舶、兵器等國防工業(yè)領(lǐng)域。隨著工業(yè)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的要求，鋁合金中厚板正越來越廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸業(yè)、船舶制造業(yè)、輕工業(yè)等民用領(lǐng)域。特別是21世紀(jì)以來，全球輕工制造業(yè)發(fā)展對鋁合金預(yù)拉伸板需求越來越大，已成為鋁合金預(yù)拉伸板的主要消費(fèi)對象之一。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

熱處理工藝對生產(chǎn)高質(zhì)量的2×××系、6×××系和7×××系可熱處理強(qiáng)化鋁合金中厚板至關(guān)重要，為了獲得更高的抗拉強(qiáng)度，可熱處理強(qiáng)化鋁合金需進(jìn)行固溶熱處理。最初鋁合金中厚板的淬火工藝主要是通過鹽浴爐來進(jìn)行，從鹽浴爐到淬火水槽之間用天車進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移時間一般在十幾秒以上，使鋁合金晶間腐蝕加重，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的耐腐蝕性能，且板材在后續(xù)加工中變形大，性能不穩(wěn)定，因此有的合金對淬火轉(zhuǎn)移時間有嚴(yán)格要求，如7×××系合金的淬火轉(zhuǎn)移時間須小于15 s。此外鹽浴爐內(nèi)的鹽浴劑是強(qiáng)氧化劑，除對環(huán)境有污染外，也給安全生產(chǎn)帶來一定的隱患。

由于傳統(tǒng)淬火方式存在諸多不足，20世紀(jì)70年代末，國外開發(fā)了專用于航空用鋁合金厚板的熱風(fēng)循環(huán)輥底式固溶熱處理技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)可熱處理的中厚板規(guī)格范圍較大(寬度可達(dá)4m以上，長度可達(dá)40m)，加熱速度快，保溫時間短，生產(chǎn)效率高，操作安全;(2)熱處理溫度控制精度高(奧地利Ebner公司生產(chǎn)的輥底式淬火爐在保溫階段可將溫差控制在±1℃以內(nèi));(3)淬火轉(zhuǎn)移時間短(可控制在13 s以內(nèi))，板材在加熱區(qū)加熱后通過輥道立即進(jìn)入噴淋區(qū);(4)冷卻速率更快、更均勻，用大流量的去離子冷卻水對板材上下表面同時進(jìn)行噴淋冷卻，使板材具有細(xì)小、均勻的強(qiáng)化組織，性能穩(wěn)定;同時由于厚板表面和中心的冷卻速率接近，淬火后翹曲變形小，板形好;(5)輥道帶有波浪形鋼絲刷襯，避免了帶板材表面的擦劃傷;(6)潔凈、環(huán)保，低污染排放［1］。

由于輥底式淬火爐具有以上優(yōu)點(diǎn)，目前已普遍為鋁合金中厚板生產(chǎn)廠所采用。愛勵鋁業(yè)Koblenz鋁軋制廠分別于20世紀(jì)80年代和90年代訂購了Ebner公司兩臺輥底式淬火爐，可對最大規(guī)格為200mm×3 600mm×24000mm的厚板進(jìn)行在線熱處理。力拓加鋁Issoire廠的兩條輥底式爐熱處理生產(chǎn)線均由Otto Junker公司于20世紀(jì)90年代末提供，可處理的板材規(guī)格范圍為6～250mm×700～3 200mm×4 000～15 000mm。美鋁Davenport廠分別在1997年和2002年訂購了Ebner公司的輥底式固溶熱處理生產(chǎn)線，熱處理板材厚度6～140mm，最大長度分別為27m和40.5m。國內(nèi)在2006年以前只有東北輕合金和西南鋁擁有鋁合金中厚板固溶熱處理爐。2002年初東北輕合金有限公司從Ebner公司引進(jìn)了一臺用于厚板固溶熱處理的輥底式爐，可熱處理中厚板的尺寸規(guī)格2～100mm×1 000～1 760mm×2 000～8 000mm。西南鋁于2005年末從Otto Junker公司引進(jìn)了1臺可熱處理最大厚度達(dá)200mm、最大寬度達(dá)3 500mm的鋁合金厚板。該爐已于2006年年底投產(chǎn)，可處理板材最大厚度 200mm、寬 3 500mm，如果厚板寬度窄于1 700mm，可雙片并行通過。

目前國內(nèi)新建的鋁合金中厚板生產(chǎn)企業(yè)均采用先進(jìn)的輥底式淬火爐，例如東北輕合金、西南鋁業(yè)(集團(tuán))、大連匯程鋁業(yè)、南山輕合金等采用了Otto Junker公司的輥底式淬火爐，南南鋁業(yè)、天津忠旺鋁業(yè)、大力神鋁業(yè)等均采用Ebner公司的輥底式淬火爐，表1為國內(nèi)某新建企業(yè)的輥底式淬火爐的基本技術(shù)參數(shù)。

表1 輥底式淬火爐基本技術(shù)參數(shù)Tab.1 Preliminary technical data of roller-hearth quenching furnace

2 生產(chǎn)工藝流程

輥底式淬火爐的主要工藝流程為，采用真空吸盤吊具將鋁板放置在上料臺上并送入加熱區(qū)，根據(jù)設(shè)定的熱處理工藝制度從上下兩面將板材加熱到設(shè)定溫度，進(jìn)行保溫。保溫結(jié)束后板材以特定的速度離開加熱爐區(qū)并通過中間連接輥道臺，在規(guī)定的淬火轉(zhuǎn)移時間內(nèi)，進(jìn)入淬火區(qū)通過淬火水噴淋迅速冷卻，板材溫度按工藝要求的冷卻速度降至指定溫度后，用干燥的空氣吹掃板材整個外表面，除去板材上存留的潮濕水分，板材徹底干燥后移送到下料輥道上，由真空吸盤吊具運(yùn)走板材。整個過程實(shí)現(xiàn)自動程序化控制。

圖1 輥底式淬火爐縱向剖面圖Fig.1 Longitudinal view of roller-hearth quenching furnace

3 設(shè)備組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

輥底式淬火爐主要包括:上料區(qū)、電加熱爐區(qū)、二合一淬火(軟和硬)區(qū)、后冷卻區(qū)、干燥區(qū)、卸料區(qū)。圖1和圖2分別為輥底式淬火爐的縱向和橫向剖面圖。

圖2 輥底式淬火爐橫向剖面圖Fig.2 Cross sectional view of roller－ hearth quenching furnace

上料臺的輸送輥驅(qū)動為無級調(diào)整，可以與整個設(shè)備的輸送系統(tǒng)同步前行。鋼制輸送輥上襯套環(huán)，便于放置在上面的鋁板沿線性輸送，輸送速度0～48m/min。這些套環(huán)為耐熱材料制成，可承接熱板。

加熱通過成熟的電阻加熱系統(tǒng)進(jìn)行，加熱系統(tǒng)布置在風(fēng)機(jī)兩側(cè)，通過強(qiáng)大的風(fēng)機(jī)使高溫氣流從爐頂及爐底的一排排噴嘴噴到待加熱的板上，既能以最快的速度使板材升溫，又能確保加熱溫度均勻一致。氣流溫度與流量可自動調(diào)控，因而板材的溫度也可自動調(diào)節(jié)。爐子的風(fēng)機(jī)和加熱元件均可直接從爐頂拆走進(jìn)行維護(hù)和更換。每個風(fēng)機(jī)區(qū)域分為兩個區(qū)，加熱控制由可控硅完成。加熱速率取決于鋁板厚度和所需溫度，風(fēng)機(jī)速度自動控制。因此加熱速率實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化同時盡可能降低風(fēng)機(jī)的連接載荷。熱廢氣通過擋板和帶保溫層的管路與廢氣系統(tǒng)相連。空爐升溫速度可達(dá)100℃/h，空爐冷卻時間在570～440℃范圍內(nèi)可達(dá)115℃/h，在440～100℃范圍內(nèi)可達(dá)56℃/h。中間輥道將加熱爐區(qū)與淬火區(qū)分開。爐內(nèi)的輸送輥道帶有耐腐蝕、耐熱的刷襯和波浪形鋼絲。

二合一淬火(軟和硬)區(qū)配置有硬淬火系統(tǒng)和軟淬火系統(tǒng)。板材在爐內(nèi)保溫一定時間后，立即以設(shè)定的速度進(jìn)入硬淬火區(qū)。通過噴嘴把經(jīng)過處理的一定溫度的強(qiáng)大水流噴射到板材的上下面進(jìn)行淬火，水的流速可調(diào)，因而可根據(jù)板材厚度與合金成分的不同調(diào)節(jié)淬火速度，即要保證必需的冷卻速率，又要將板材中的殘余應(yīng)力降到盡可能低的水平，確保板材不會發(fā)生不允許的變形與扭曲。厚度大于120mm的厚板總會存在溫度梯度，為盡量減少這種溫度差，可對上下表面的冷卻水量作精密調(diào)節(jié)。美國航空材料標(biāo)準(zhǔn)AMS2772C或AMS2750D規(guī)定一級鋁合金厚板固溶處理爐的保溫溫度偏差應(yīng)達(dá)到±3K。這是該標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，為保證性能的穩(wěn)定性、一致性和均勻性，這個偏差最好應(yīng)達(dá)到±2K，甚至±1.5K。板材在硬淬火區(qū)降到一定溫度后進(jìn)入軟淬火區(qū)，使溫度下降到設(shè)定的溫度，這種淬火法可稱為“二合一淬火法(軟和硬)”。Ebner公司與Otto Junker公司的輥底式淬火爐在軟淬火區(qū)稍有不同，在Ebner公司的設(shè)計(jì)中，較厚的板材在軟淬火區(qū)需微微來回?cái)[動一段較短的時間，以便得到更為均勻的冷卻;而在Otto Junker公司的設(shè)計(jì)中，板材均連續(xù)通過軟淬火區(qū)。

在淬火區(qū)入口處設(shè)有水刀和氣刀，輸送輥的頂部和底部設(shè)置有數(shù)只傾斜噴嘴，以防止水順著板材表面回流到爐區(qū)。輥?zhàn)由戏剿逗蜌獾兜母叨瓤烧{(diào)，因此無論板材厚度如何，噴嘴噴出的水接觸到板材上始終是同一個點(diǎn)。

硬淬火采用扁平噴嘴和全錐型噴嘴。輸送輥道上方布置成排的扁平噴嘴，下方布置成排的全錐形噴嘴，分別從上方和下方提供高淬火率。軟淬火則在輸送輥道的上方和下方均采用全錐形噴嘴。所有噴嘴由變頻水泵供水，通過選擇泵速，可無級調(diào)節(jié)水流密度。為了達(dá)到均勻熱傳導(dǎo)，上下噴嘴獨(dú)立操作。為了將板材變形降至最低程度，并將淬火速率增強(qiáng)到最高值，最佳操作參數(shù)(輸送速度、噴嘴壓力和水流密度)均根據(jù)板材厚度自動預(yù)選。適當(dāng)?shù)膰娮觳贾每梢砸龑?dǎo)來自頂部傾斜噴嘴的水到達(dá)側(cè)部并沿板的寬度流動到邊部。鋁板的冷卻率由淬火水泵控制。鋁板穿過淬火區(qū)的速度取決于厚度。按照所需的冷卻速率，水流密度自動預(yù)選，淬火后鋁板溫度＜270℃，淬火水采用去離子水，入口溫度＜35℃。

在后冷卻區(qū)輸送輥道的上方和下方布置成排的全錐形噴嘴，使鋁板冷卻到出爐溫度(＜40℃)。為了防止淬火水流入下游的干燥箱，出口處輸送輥的上方布置有水刀和氣刀。為了便于觀察板材的淬火情況，淬火區(qū)兩側(cè)布置有觀察窗。當(dāng)材料降到設(shè)定溫度后進(jìn)入干燥區(qū)，干燥箱內(nèi)的高壓風(fēng)機(jī)和氣噴嘴槽吹走留在鋁板表面的水分和潮氣。

輸送板材從上料臺開始，通過爐區(qū)、淬火段和干燥箱到卸料臺，均由一系列光柵跟蹤，這些光柵為多光柱和單光柱設(shè)計(jì)。另一特點(diǎn)是板材不僅可以一次性出爐，也可以分批出爐，即如果爐內(nèi)有薄板和厚板，薄板可以先期出爐，而另一半的厚板可以留在爐中更長時間［2］。

該生產(chǎn)線的所有工藝參數(shù)都存儲于數(shù)據(jù)庫內(nèi)，可以隨時顯示、調(diào)閱、打印。生產(chǎn)線配備有以PC為基礎(chǔ)的可視化處理系統(tǒng)控制操作，并與PLC和局部操作終端相結(jié)合。圖3為車間已經(jīng)安裝完畢的輥底式淬火爐。

圖3 輥底式淬火爐Fig.3 Roller-hearth quenching furnace

4 結(jié)束語

自2005年以來全世界掀起了一股鋁合金中厚板生產(chǎn)線改擴(kuò)建和建設(shè)的浪潮，輥底式淬火爐作為生產(chǎn)線的核心設(shè)備，對鋁合金中厚板的性能保證至關(guān)重要。一直以來國外的Ebner公司和Otto Junker公司占據(jù)了大部分市場份額，特別是國內(nèi)新建的中厚板項(xiàng)目均采用引進(jìn)的輥底式淬火爐，國內(nèi)還沒有熱處理爐廠家能夠提供成熟的此類設(shè)備，引進(jìn)設(shè)備的價格一直居高不下，因此國內(nèi)熱處理爐生產(chǎn)企業(yè)當(dāng)務(wù)之急是盡快研發(fā)和設(shè)計(jì)制造可用于鋁合金中厚板的固溶熱處理爐。目前蘇州新長光熱能科技有限公司為了填補(bǔ)國內(nèi)空白，為中色科技開發(fā)了可用于中試及小規(guī)模生產(chǎn)的輥底式淬火爐，相信在不久的將來，國內(nèi)也能夠提供性能優(yōu)異的輥底式淬火爐。

［1］江志邦，宋殿臣，關(guān)云華.世界先進(jìn)的航空用鋁合金厚板生產(chǎn)技術(shù)［J］.輕合金加工技術(shù)，2005，33(4):1 －7.

［2］東北輕合金和大連匯程鋁業(yè)的輥底式淬火爐設(shè)備技術(shù)交流內(nèi)容.