高新鋁加工熱處理裝備最新進(jìn)展

韓 嘯，王祝堂

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060； 2.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京 100814)

1 塞科/沃里克公司的3種新式爐

塞科/沃里克(Seco/Warwick)公司是舉世聞名的美國材料熱處理和熱過程設(shè)備供應(yīng)企業(yè)，中國20世紀(jì)80年代初期鋁加工業(yè)引進(jìn)的首臺軋制扁錠推進(jìn)式熱軋預(yù)加熱爐就是該公司的產(chǎn)品。現(xiàn)對該公司最近推向市場的帶卷退火爐與熱交換傳熱鋁片可控氣氛釬焊爐(CAB，aluminium brazing under controlled atmosphere)作一簡介，它們都已取得專利，另外還介紹了立式淬火爐(VertiQuench furnace)。降低生產(chǎn)成本是企業(yè)追求的永恒話題，塞科/沃里克公司的上述產(chǎn)品都是秉著這種理念研發(fā)的。

1.1 帶卷退火爐(Vortex furnace)

帶卷退火爐有單卷的也有多卷批量的，是公司新近開發(fā)的旗艦產(chǎn)品，都有單卷冷卻室。單卷處理的最大優(yōu)點(diǎn)是能精準(zhǔn)地控制各階段的溫度，從而保證了各卷溫度的一致性，能確保材料具有穩(wěn)定一致的性能，這對提高用戶最終產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性很重要。

1.2 熱交換傳熱鋁片可控氣氛釬焊爐

隨著電動汽車(EV)與氫-電混合動力汽車(HEV，hybrid-electric vehicle)時代的來臨，塞科/沃里克公司研制成功一種萬能鋁合金可控氣氛釬焊爐，釬焊各種各樣的熱交換器，如散熱器(radiator)、加熱器(heater)、冷凝器(condenser)、油冷器(oil cooler)、中間冷卻器(intercooler)，可安裝在現(xiàn)有生產(chǎn)線上，不用對現(xiàn)有生產(chǎn)線作大的更改。公司于2019年與一家汽車制造廠合作，進(jìn)行了汽車電池冷卻器釬焊試驗(yàn)，結(jié)果令人滿意。

這種可控氣氛釬焊爐在航空航天工業(yè)也獲得廣泛應(yīng)用，用于2×××系及7×××系鋁合金零部件的退火與人工時效，僅2019年就銷售了6臺。2×××系鋁合金是一類Al-Cu-Mg系高強(qiáng)度合金，7×××系鋁合金是超高強(qiáng)度鋁合金，在航空航天工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，其材料與深加工產(chǎn)品都要經(jīng)過退火與人工時效，有的甚至不止一次。

1.3 立式落底式鋁合金件淬火、時效爐

立式落底式鋁合金件淬火、時效爐早已在鋁工業(yè)獲得應(yīng)用，在形式上并不新，但要爐溫均勻精準(zhǔn)卻非易事。淬火隨后進(jìn)行人工時效，即把固溶處理、淬火與時效依次在同一爐內(nèi)進(jìn)行卻前所未有。塞科/沃里克公司研發(fā)的這種三合一爐名為VertiQuench。它的各項(xiàng)性能和參數(shù)完全能滿足AMS( Aerospace standards，美國航空航天標(biāo)準(zhǔn))與CQI-9(汽車標(biāo)準(zhǔn))的要求。

在這種爐的底部有固定的或可移動的淬火水槽或聚合物溶液槽，用于處理2×××系、6×××系、7×××系鋁合金管材、無縫管材以及工件，還有特殊的安全保護(hù)設(shè)備，以防處理高鎂含量鋁合金時發(fā)生爆炸。按AMS標(biāo)準(zhǔn)，固溶處理時材料的轉(zhuǎn)移時間應(yīng)不大于5 s，VertiQuench爐內(nèi)材料的下降速度很快，完全能滿足這種要求。

2 熱水預(yù)熱擠壓長錠技術(shù)

全球2020年生產(chǎn)約38 000 kt鋁合金擠壓材都是熱擠壓的，都要加熱到350 ℃～500 ℃，耗費(fèi)大量的能源。如何節(jié)能減排是鋁工業(yè)面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。德國拉多爾夫澤爾市擠壓技術(shù)公司(Extrutec GmbH in Radolfzell)研發(fā)的埃蘇加熱系統(tǒng)(ESU，eco shower unit)已在一些鋁材擠壓廠獲得應(yīng)用，效果良好。這是一套與長錠燃?xì)饧訜釥t連成一條線的節(jié)能水熱裝置。

鋁合金有高的熱導(dǎo)率，0 ℃～100 ℃時為238 W/(m·K)，可以在短時間內(nèi)吸收大量熱，升高溫度，但是爐氣能量密度(energy density)低，不能在短時間內(nèi)使鑄錠溫度有較大上升，如果通過熱交換器作用，這個設(shè)想就有可能實(shí)現(xiàn)。埃蘇加熱系統(tǒng)就是這樣的節(jié)能減排裝置：首先用360 ℃的燃燒爐氣加熱熱交換器內(nèi)的水，水溫可以上升到90 ℃，在長錠通過噴淋室時，在4 min～5 min內(nèi)被加熱到90 ℃。從熱交換器出來的煙氣溫度為120 ℃～130 ℃，而不是燃?xì)鉅t平常排放煙氣的250 ℃～300 ℃。采用埃蘇加熱系統(tǒng)可節(jié)能約15%。這不是一個小的百分?jǐn)?shù)，對一個產(chǎn)量不大的擠壓企業(yè)，其節(jié)能數(shù)量并不起眼，可是對一個大企業(yè)，就有不可小看的節(jié)能數(shù)量。

長錠經(jīng)噴淋加熱到90 ℃后，進(jìn)入常規(guī)加熱室或感應(yīng)加熱爐，加熱到擠壓溫度后剪切成規(guī)定長度的坯料送入擠壓筒。水是循環(huán)的，噴淋到長錠上被弄臟的水流入過濾器，濾清后循環(huán)使用，同時把鑄錠表面洗得干干凈凈。

埃蘇加熱技術(shù)是一項(xiàng)前沿新技術(shù)，在德國凡是采用此技術(shù)的企業(yè)聯(lián)邦環(huán)境部(Federal Ministry for the Environment)都給予一定獎勵。該技術(shù)投資不大，可在投產(chǎn)后1 a之內(nèi)收回投資，不但適用于新建擠壓線，對現(xiàn)有的生產(chǎn)線也完全適用。

3 零摩擦錠坯感應(yīng)加熱法

美國新澤西州(New Jersey)感應(yīng)熱集團(tuán)(Inductotherm Group)班雅羅感應(yīng)技術(shù)公司(Banyard′s Induction Technology)新研發(fā)的零摩擦錠坯感應(yīng)加熱法是目前世界上最先進(jìn)的。

鋁及鋁合金錠坯在擠壓之前都必須預(yù)加熱到一定溫度。在中國仍以天然氣加熱為主，還有少數(shù)采用燃油加熱的，工業(yè)發(fā)達(dá)國家?guī)缀跞捎秒姼袘?yīng)爐加熱，在全世界不小于45 MN的擠壓生產(chǎn)線大都用電感應(yīng)爐加熱，用燃油加熱的僅是個別的。因?yàn)榇髷D壓機(jī)的開工率往往在70%左右，有的甚至更低，當(dāng)然達(dá)85%的也有。用天然氣加熱時間較長，一旦停機(jī)再開機(jī)所費(fèi)時間長。用感應(yīng)法加熱很靈活。同時，由于對產(chǎn)品的質(zhì)量要求日益提高，原有的加熱方法已不能滿足要求，需進(jìn)行等溫擠壓，就必須對錠坯進(jìn)行梯度加熱，梯度加熱方式有以下四種。

?永磁加熱

永磁加熱是一種較為先進(jìn)的加熱方式，是芬蘭核物理學(xué)家P.Suonninen發(fā)明的，并于2011年獲得專利，由中國上海銳曼能源科技有限公司2012獲得中國市場獨(dú)家經(jīng)營權(quán)。它的基本原理是鋁錠坯位于兩個高速旋轉(zhuǎn)的高性能永磁體之間，產(chǎn)生的交變磁場在錠坯中感應(yīng)出渦流而被加熱，錠坯是逐漸進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)磁場的，前端溫度高，后端溫度低，從而實(shí)現(xiàn)梯度加熱。此法的優(yōu)點(diǎn)是不排放污染物，能耗低，比傳統(tǒng)感應(yīng)加熱效率高40%以上。

?單錠坯熱剪加熱

該法是中國佛山市郎盾鋁加工設(shè)備有限公司研發(fā)的，能耗低，天然氣消耗量20 m3/(t·Al)～24 m3/(t·Al)；可以實(shí)現(xiàn)梯度加熱，采用德國自動化元件控制加熱溫度，使前端的溫度高于后端的，形成20 ℃～50 ℃的溫度梯度。

?電感應(yīng)梯度加熱

電感應(yīng)梯度加熱的基本原理與電感應(yīng)加熱原理相似，不過是將感應(yīng)加熱分成幾段，其電壓U前>U中>U后，錠坯按順序由后向前推進(jìn)，由于前端的電壓高于后端的，所以前端的溫度比后端的高，從而形成溫度梯度。反向擠壓錠坯多用此種加熱方式。

?零摩擦感應(yīng)加熱

此種加熱方式被認(rèn)為是當(dāng)前領(lǐng)先的，擠壓溫度始終保持在設(shè)定范圍內(nèi)，能確保擠壓材料前后端的品質(zhì)均勻一致，完全消除了撕裂等缺陷，同時在整個擠壓過程中，各項(xiàng)工藝參數(shù)都處于自動化調(diào)控之下。

2019年9月，感應(yīng)加熱-焊接有限公司(Inductotherm Heating & Welding Ltd.)向丹麥通德市(Tonder in Denmark)海德魯精密管材公司(Hydro Precision Tubing)交付了錠坯感應(yīng)加熱班雅得系統(tǒng)(inductotherm banyard)，它由2臺零摩擦裝置、多段感應(yīng)加熱線圈等組成，可加熱直徑229 mm的錠坯，功率750 kW。

零摩擦錠坯多段感應(yīng)加熱爐是感應(yīng)加熱集團(tuán)(Inductotherm Group)的班雅得公司生產(chǎn)的，該集團(tuán)在全世界有38個工廠，40個公司。2020年還向海德魯鋁業(yè)公司設(shè)在美國的克雷索納(Cressona)擠壓廠交付了一套這樣的加熱爐，可加熱直徑254 mm的錠坯。

4 節(jié)能40%的新型回轉(zhuǎn)蓄熱式燒嘴

在全世界幾萬臺工業(yè)爐中，估計目前仍有約60%燃油或燃?xì)獾模鼈冇玫娜紵?簡稱燒嘴)對熱效率與節(jié)能環(huán)保起著關(guān)鍵性的作用。好的燒嘴不但熱效率高，油、氣用量少，而且排放的溫室氣體少、質(zhì)量高。筆者所指的溫室氣體質(zhì)量是指除CO2外，其他危害嚴(yán)重的氣體如噁暎等的含量。危害嚴(yán)重的氣體含量低，燃燒就完全，燒嘴也就好。

德國賈斯珀(JASPER)公司新近開發(fā)的新型回轉(zhuǎn)蓄熱式燒嘴(new rotating regenerative burner)就是一種高效燒嘴，商品名稱‘科布拉’(‘KOBRA’)?？撇祭瓱煲言跉W洲鋼鐵與鋁工業(yè)的一些爐上獲得應(yīng)用，效果很好，獲得了40%節(jié)能效果，這可是了不起的成就。

科布拉燒嘴安裝于爐墻上，它的關(guān)鍵構(gòu)件是轉(zhuǎn)子帶動燒嘴旋轉(zhuǎn)。它能回收廢氣中的熱，將吸入的冷空氣加熱，從而達(dá)到節(jié)能目的。

科布拉燒嘴的維護(hù)工作量甚少，每年僅需維護(hù)一次，它是一種潔凈的燃燒器，所積聚的塵埃與污物可用壓縮空氣進(jìn)行清理。目前應(yīng)用的科布拉系統(tǒng)的功率為500 kW與1.2 MW，正在設(shè)計小型的，如200 kW的?？撇祭瓱斓倪m應(yīng)范圍很廣，所有的燃料都可以，它的運(yùn)轉(zhuǎn)很安全，在設(shè)計上對所有不安全因素都考慮相當(dāng)周到，采取了必要的預(yù)防措施。

5 圓錠坯超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)

中國江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司等歷時7 a研發(fā)的高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場感應(yīng)技術(shù)與裝備已于2020年推向市場，受到一致好評。參與此技術(shù)與裝備研發(fā)、制造、推廣應(yīng)用的單位有：聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司、北京交通大學(xué)、上海超導(dǎo)有限公司、西安聚能股份有限公司、中船鵬力有限責(zé)任公司。

現(xiàn)在投產(chǎn)的這種裝備是兆瓦級(MW)的，是高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱領(lǐng)域功率最大者，技術(shù)全球唯一，在大容量金屬加熱設(shè)備發(fā)展進(jìn)程中具有里程碑意義。它的革命性優(yōu)點(diǎn)如下：

?經(jīng)濟(jì)效益顯著，節(jié)能省電，加熱成本下降50%。根據(jù)聯(lián)創(chuàng)公司的數(shù)據(jù)，在鋁擠壓前的加熱中，傳統(tǒng)工頻感應(yīng)爐的錠坯加熱費(fèi)為260元/t，而超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱的僅130元/t。

?高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱無明火，不排放溫室氣體，安全可靠，對環(huán)境與電網(wǎng)友好。

?加熱速度快，直徑300 mm的錠坯可在5 min內(nèi)加熱到460 ℃，適于擠壓所有變形鋁合金的加熱。

?溫度控制精準(zhǔn)、均勻，徑向溫差不大于1 ℃?？蓪?shí)現(xiàn)梯度加熱，最大梯度可達(dá)80 ℃。由于溫度控制精準(zhǔn)，擠壓材性能的一致性也有所提高。

?應(yīng)用范圍廣，不但可在鋁擠壓與鍛造方面廣泛應(yīng)用，而且適用于鎂、鈦材料加工錠坯的加熱。此加熱法還可以推廣到單晶硅生長爐、超導(dǎo)污水處理、礦產(chǎn)品超導(dǎo)磁選等。

高溫超導(dǎo)加熱技術(shù)是一種高新技術(shù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)世界科技領(lǐng)域新的制高點(diǎn)之一，美國、日本、德國已建設(shè)了示范項(xiàng)目。中國在《十三五規(guī)劃》《中國制造2025》等有關(guān)文件中，都將高溫超導(dǎo)技術(shù)列為重點(diǎn)支持前沿技術(shù)。它完全克服了現(xiàn)有交流感應(yīng)技術(shù)的局限性與不足之處：由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致圓錠的透熱深度小，加熱不均勻，且熱效率低、成本高。

5.1 超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱原理

通過超導(dǎo)磁體產(chǎn)生背景磁場，在加熱區(qū)內(nèi)形成直流氣隙磁場，圓錠旋轉(zhuǎn)切割磁力線，產(chǎn)生渦流(圖1)被加熱，形成高穿透深度、高能效、高均勻性、溫度梯度可控的加熱方式，獲得高品質(zhì)加熱，為生產(chǎn)高品質(zhì)擠壓材與鍛件奠定了基礎(chǔ)。

圖1 兩種加熱技術(shù)原理示意圖Fig.1 Two heating technique principle diagrams

兩種感應(yīng)加熱法的工藝參數(shù)比較見表1。由表中的數(shù)據(jù)可見，超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱的優(yōu)勢極為明顯：頻率低，轉(zhuǎn)速慢，維修簡便；電流穿透深度幾乎為常規(guī)法的7倍，不但可加熱大直徑錠，而且溫度均勻得多，產(chǎn)品質(zhì)量有一定的提升；加熱效率提高了約一倍；電流損耗大幅度下降，超導(dǎo)加熱時電機(jī)損耗約10%，比常規(guī)加熱法銅線圈損耗約低40個百分點(diǎn)。制冷損耗約低5個百分點(diǎn)。

表1 兩種加熱法的工藝參數(shù)比較Table 1 Comparison between parameters of two heating processes

5.2 世界超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器運(yùn)轉(zhuǎn)概況

截至2019年，全世界投產(chǎn)的超導(dǎo)強(qiáng)磁低頻直流感應(yīng)圓錠坯加熱器共有3臺，其中一臺在德國(720 kW)，一臺在韓國(300 kW)。它們所加熱的錠坯的最大直徑為300 mm。可見他們在磁場強(qiáng)度、總功率、機(jī)械傳動系統(tǒng)等方面尚未取得突破性進(jìn)展；中國聯(lián)創(chuàng)公司等研發(fā)的超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器功率達(dá)1 MW，可對大直徑錠坯進(jìn)行通體均勻加熱，見表2。

表2 德國、韓國和中國超導(dǎo)直流感應(yīng)鋁錠坯加熱技術(shù)參數(shù)Table 2 Parameters of German,Korean and Chinese superconducting DC induction heating technique for aluminum billets

由表2所列的數(shù)據(jù)可見，中國在鋁錠坯超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器領(lǐng)域是世界領(lǐng)跑者，所有參數(shù)均居世界前列?？杉訜徨V坯的直徑為韓國加熱器的1. 88倍，為德國加熱器的2. 54倍；可加熱錠坯的長度為韓國加熱器的2.14倍，為德國加熱器的2.17倍；特別是在加熱生產(chǎn)能力方面，中國的達(dá)到5.7 t/h，為德國加熱器產(chǎn)能的2.6倍，為韓國加熱器產(chǎn)能的3.88倍。

5.3 中國超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置

中國聯(lián)創(chuàng)公司1 MW鋁錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置由三部分構(gòu)成：超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)、實(shí)時測控系統(tǒng)。它的技術(shù)參數(shù)：加熱能效大于80%，徑向熱穿透深度不小于100 mm。加熱均勻度不大于±5 ℃，溫度梯度最大100 ℃/m，加熱模式為同時加熱2根圓錠，加熱頻率4 Hz～10 Hz。

?超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。由超導(dǎo)磁體、低溫制冷單元和鐵心等組成，采用大口徑傳導(dǎo)式超導(dǎo)磁體技術(shù)和氣隙可調(diào)鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。

?機(jī)械傳動系統(tǒng)。由變頻電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、頂緊裝置、主軸箱和夾具等組成。采用頂力中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大扭矩強(qiáng)頂力主軸技術(shù)。

?實(shí)時測控系統(tǒng)。采用PLC (可編程序邏輯控制器)作為控制核心，集機(jī)電控制、磁體勵磁控制、參數(shù)監(jiān)測和加熱過程監(jiān)控等功能于一體，實(shí)現(xiàn)了裝置高度自動化。

?高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)(圖2)。超導(dǎo)磁體的主要參數(shù)：鐵心中心柱直徑1 770 mm，氣隙空間566 mm×566 mm×1 700 mm，中心磁場強(qiáng)度大于0.5T～1T，超導(dǎo)線圈勵磁安匝數(shù)36. 5萬，三段式螺管式結(jié)構(gòu)。

圖2 高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱鋁錠坯裝置磁體系統(tǒng)Fig.2 Magnet system of high-temperature superconductive DC induction equipment for heating aluminum billet

?動力機(jī)械系統(tǒng)。錠坯獲得的熱功率來自電機(jī)輸出功率，因此在設(shè)計動力系統(tǒng)時，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性和錠坯的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)相互匹配。

?可加熱不同直徑和長度的錠坯。由于鐵芯系統(tǒng)是開放式的，以及液壓自助式的抓手系統(tǒng)，因而可以加熱長0.8 m～1.5 m的錠坯。切換機(jī)械抓手末端卡套，就可以加熱直經(jīng)200 mm～450 mm的任一種錠坯。

5.4 鋁錠坯超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱優(yōu)點(diǎn)

?透熱深度大，心表溫差小。加熱鋁錠坯時，超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱的穿透深度大于100 mm， 而常規(guī)感應(yīng)加熱的小于20 mm。超導(dǎo)感應(yīng)加熱頻率為4 Hz～8 Hz，而常規(guī)感應(yīng)加熱的大于50 Hz。超導(dǎo)感應(yīng)加熱可實(shí)現(xiàn)對φ400 mm以上錠坯幾乎整體均勻加熱，而且特別適合于對加熱不均勻敏感的2×××系及7×××系鋁合金的加熱，因?yàn)檫@些高強(qiáng)度鋁合金在加熱不均勻時易開裂。超導(dǎo)感應(yīng)加熱時，錠的心表溫差都不大于1.2 ℃，例如直徑220 mm錠的為-0.9 ℃～1.1 ℃；300 mm錠的為-0.6 ℃～1.2 ℃；446 mm錠的為-0.8℃～1.0 ℃。

?在錠坯均勻加熱時，其軸向溫度均勻度可達(dá)±5 ℃。

?在進(jìn)行梯度加熱時，錠坯軸向可實(shí)現(xiàn)10 ℃～40 ℃的梯度加熱。

6 結(jié)束語

以上所介紹的高新熱處理爐技術(shù)都是近兩年來涌現(xiàn)的新技術(shù)、新工藝與新裝備，都與節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)有著密切的關(guān)系，都宜推廣應(yīng)用。裝備都較簡單，不用花大本錢，可效益都很好。大部分項(xiàng)目是國外開發(fā)的，有些需要引進(jìn)，有些需付專利費(fèi)，但有些可完全根據(jù)其原理自行研發(fā)，不需要花大力氣。中國的圓錠坯超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)是江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司等幾個單位歷時7 a的研發(fā)成果，效果很好，希望獲得較多的應(yīng)用。