高鈹青銅鑄錠均勻化熱處理爐的精準(zhǔn)控溫驗(yàn)證

供稿|吳文博，李海龍，鄭學(xué)清

作者單位：寧夏中色新材料有限公司，寧夏 石嘴山 753000

內(nèi)容導(dǎo)讀

鈹青銅帶材的生產(chǎn)中鑄錠首先要經(jīng)過(guò)均勻化加熱后熱軋，高鈹青銅鑄錠的最佳加熱溫度為790 ℃左右。寧夏中色新材料有限公司的均勻化熱處理爐設(shè)計(jì)控溫精度為±5 ℃，對(duì)于實(shí)際控溫精度需要生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文隨機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)選取鑄錠，按實(shí)際生產(chǎn)的情況，從裝爐開(kāi)始到升溫加熱、保溫直至完成均勻化后出爐熱軋，利用預(yù)先安裝在鑄錠內(nèi)部的熱電偶，測(cè)量鑄錠不同部位的溫度并加以分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整根鑄錠的溫差在5 ℃范圍以?xún)?nèi)，爐溫可以精準(zhǔn)控制在785～795 ℃，滿(mǎn)足均熱爐溫控精度要求。

鈹青銅是以鈹為基本合金元素的銅基合金材料，具有較高的強(qiáng)度、硬度和彈性極限，彈性滯后小、彈性穩(wěn)定性好，并且具有耐疲勞、耐腐蝕、無(wú)磁性、高導(dǎo)熱導(dǎo)電性，受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花，承受冷熱壓力加工的能力很強(qiáng)，具有良好的綜合性能。因此在電子通訊、航空航天、石油化工、冶金礦山、精密儀器和儀表的制造等多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可缺少的重要功能材料[1-4]。

雖然鈹青銅的優(yōu)良性能和特定的用途推動(dòng)著鈹銅工業(yè)的發(fā)展，但鈹?shù)亩拘院透甙旱膬r(jià)格也在一定程度上制約著鈹青銅的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用[5]。在我國(guó)，鈹銅材的消費(fèi)仍然僅限于軍工及科研，還不具備普遍應(yīng)用的條件，在一定程度上制約著科研和生產(chǎn)的發(fā)展[6]。

對(duì)于鈹青銅帶材的生產(chǎn)，鑄錠首先要經(jīng)過(guò)均勻化加熱后熱軋，破碎鑄態(tài)組織后，為后續(xù)生產(chǎn)打下基礎(chǔ)[7]。從理論上講，鈹青銅鑄錠加熱溫度為780～800 ℃[8]，如果加熱溫度低于780 ℃，則會(huì)導(dǎo)致終軋溫度也相對(duì)偏低，熱軋后開(kāi)裂的概率大大增加；如果開(kāi)軋溫度高于800 ℃，在此極限高溫條件下加熱，則會(huì)有鑄錠過(guò)熱和過(guò)燒現(xiàn)象。因此，高鈹青銅鑄錠的最佳加熱溫度為790 ℃左右，按照設(shè)備設(shè)計(jì)的溫控精度，目前寧夏中色新材料有限公司的均勻化熱處理爐設(shè)計(jì)控溫精度為±5 ℃，完全能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。但對(duì)于均勻化熱處理爐的實(shí)際控溫精度，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

均勻化熱處理爐結(jié)構(gòu)

步進(jìn)式加熱爐的整個(gè)爐體分預(yù)熱段、加熱段、均熱段和補(bǔ)熱段四部分。加熱段又分為加熱段一區(qū)和加熱段二區(qū)；均熱段分8個(gè)區(qū)供熱，如圖1所示。加熱爐采用頂部平火焰燒嘴供熱，達(dá)到對(duì)爐溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。爐尾設(shè)余熱回收段?？紤]到鈹青銅合金坯料加熱溫度的均勻性和對(duì)加熱溫度的精準(zhǔn)控制的需求，在出爐時(shí)設(shè)置補(bǔ)熱段，確保鈹青銅鑄錠在出爐前的鑄錠溫度在(790±5) ℃范圍內(nèi)。

圖1 步進(jìn)式加熱爐爐體示意圖

爐子是由爐頂鋼結(jié)構(gòu)、端側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)和爐底鋼結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)箱形框架結(jié)構(gòu)，由普碳鋼板和型鋼焊接而成，用以保護(hù)爐襯、安裝各種燒嘴、固定爐底縱向梁及各種爐子附件，共分為四個(gè)主要部分。加熱爐設(shè)置5根固定梁和4根步進(jìn)梁，采用單排布料方式。生產(chǎn)鈹青銅鑄錠時(shí)，根據(jù)加熱工藝，每17 min步進(jìn)梁走1步，其中16 min靜止1 min步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。從裝爐到出爐共計(jì)10 h。到保溫時(shí)間后，出爐熱軋。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為驗(yàn)證目前的均勻化熱處理爐是否能夠滿(mǎn)足工藝要求，隨機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)選取三根鑄錠，按實(shí)際生產(chǎn)的情況，裝爐、加熱、步進(jìn)直至出爐，通過(guò)測(cè)量鑄錠不同部位的溫度并加以分析，完成對(duì)均勻化熱處理爐控溫精度的驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)用料

實(shí)驗(yàn)用料為寧夏中色新材料有限公司熔鑄車(chē)間生產(chǎn)的鈹青銅鑄錠，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 均勻化熱處理爐控溫精度實(shí)驗(yàn)用料

實(shí)驗(yàn)所選的鈹青銅鑄錠，第一個(gè)牌號(hào)為C17200為美國(guó)牌號(hào)，剩下兩個(gè)是國(guó)內(nèi)牌號(hào)。這兩個(gè)牌號(hào)的鈹青銅鑄錠化學(xué)成分基本上一致，對(duì)于熱軋前的加熱溫度的要求也完全一致。其鈹含量和其他元素(包括雜質(zhì)元素)含量完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在鑄錠上均勻地畫(huà)三條線(xiàn)，再加上兩個(gè)端面，分別標(biāo)記為A、B、C、D、E，如圖2所示。采用相應(yīng)的技術(shù)手段測(cè)量出爐時(shí)每個(gè)端面上的溫度，并記錄。

圖2 鈹青銅鑄錠測(cè)溫面示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按照鈹青銅鑄錠加熱要求，加熱段一區(qū)和加熱段二區(qū)溫度均設(shè)定為795 ℃，保溫段爐頂溫度設(shè)定為790 ℃，加熱、保溫10 h。在此過(guò)程中，動(dòng)梁通過(guò)事先設(shè)計(jì)好的速度，每17 min向前步進(jìn)一步。保溫到工藝要求的時(shí)間后出爐，觀(guān)察表面并記錄各測(cè)溫面的溫度。

表面質(zhì)量

出爐后肉眼觀(guān)察鑄錠表面通紅，發(fā)紅的顏色正常，無(wú)過(guò)燒時(shí)發(fā)白的現(xiàn)象存在[9]；另外，鑄錠表面光潔，無(wú)“流汁”等過(guò)燒現(xiàn)象的存在，如圖3所示。銅錠表面氧化較輕，無(wú)氧化皮脫落現(xiàn)象。初步判斷，該加熱工藝未超過(guò)工藝要求的上限溫度。

圖3 出爐時(shí)的鑄錠表面

圖4 試樣腐蝕表面

待冷卻后，在鑄錠上取一塊約50 mm×50 mm的試樣，然后拋光，利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的硝酸進(jìn)行腐蝕后，觀(guān)察試樣的表面，如圖4所示。圖中可以看出，試樣表面除殘留的酸跡有不同程度的氧化外，表面無(wú)細(xì)小的裂紋，也沒(méi)有晶間腐蝕的跡象[10]。由此說(shuō)明，在上述加熱工藝下，鑄錠受熱基本正常，沒(méi)有過(guò)燒或過(guò)熱現(xiàn)象。

對(duì)均勻化后的鑄錠表面進(jìn)行微觀(guān)分析，如圖5所示。圖中可以看出，試樣表面均光滑，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱組織、晶粒粗大等缺陷，也沒(méi)有發(fā)生晶界氧化并在晶界上出現(xiàn)網(wǎng)狀分布的氧化物，使晶間結(jié)合力大為降低或完全消失[11]。綜上所述，無(wú)論是宏觀(guān)的切片檢驗(yàn)，還是微觀(guān)形貌分析，均未發(fā)現(xiàn)有過(guò)熱或過(guò)燒組織[12]，說(shuō)明鑄錠沒(méi)有發(fā)生過(guò)熱或過(guò)燒現(xiàn)象。

鑄錠溫度分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)用鑄錠各個(gè)測(cè)試面上采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，見(jiàn)表2。

圖5 均勻化后鑄錠表面

表2 各測(cè)試面溫度(單位：℃)

由表2可知：

(1) 編號(hào)為B3-0016的鑄錠，最高溫度為測(cè)溫面C，793.1 ℃，最低溫度為測(cè)溫面A，789.2 ℃，兩者相差3.9 ℃，在要求的±5℃的范圍之內(nèi)。

(2) 編號(hào)為B1-0016的鑄錠，最高溫度為測(cè)溫面C，793.5 ℃；最低溫度為測(cè)溫面E，788.7 ℃，兩者相差4.8 ℃，在要求的±5 ℃的范圍之內(nèi)。

(3) 編號(hào)為B1-0008的鑄錠，最高溫度為測(cè)溫面C，793.7 ℃；最低溫度為測(cè)溫面A，789.5 ℃，兩者相差4.2 ℃，在要求的±5 ℃的范圍之內(nèi)。

(4) 不同鑄錠之間，平均溫度最高的為B1-0008，其平均溫度為791.34 ℃，平均溫度最低的為B1-0016，其平均溫度為791.12 ℃，兩者相差0.22 ℃，也未超過(guò)±5 ℃的范圍。

(5) 各測(cè)溫面所測(cè)得的溫度均在(790±5) ℃之間，在要求范圍以?xún)?nèi)。各鑄錠不同截面上的溫度差，最大的為B1-0016，為4.8 ℃，但也未超出5 ℃的精度范圍。相同測(cè)溫面、不同批號(hào)之間的溫差，也均控制在5 ℃的范圍內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 理論設(shè)定溫度與鑄錠的真實(shí)溫度之間的差值在5 ℃以?xún)?nèi)，在工藝要求的波動(dòng)范圍之內(nèi)，控溫準(zhǔn)確。

(2) 采用此工藝加熱后的鈹青銅鑄錠，出爐后無(wú)過(guò)熱或者過(guò)燒現(xiàn)象；通過(guò)取樣腐蝕后觀(guān)察，組織一切正常，符合熱軋的要求。

(3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步確定了鑄錠加熱時(shí)步進(jìn)爐能夠達(dá)到的溫控精度，能夠準(zhǔn)確地將鑄錠的加熱溫度控制在785～795 ℃之間，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

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