鋁合金時(shí)效退火爐熱處理工藝的研究分析

摘 要：本項(xiàng)研究的目標(biāo)是探討鋁合金時(shí)效退火爐的熱處理技術(shù)，并在此過(guò)程中尋找解決方案。通過(guò)在相同設(shè)備上嘗試不同的處理工藝，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。研究表明，通過(guò)減少處理時(shí)間，可以降低每單位的能源消耗，并且有效改進(jìn)鋁合金的時(shí)效退火爐熱處理流程。在深入分析數(shù)據(jù)之后，這些結(jié)果可以作為類似設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：時(shí)效退火爐；熱處理技術(shù)；溫度差異比例；物料溫度的跳躍

Research and Analysis on Heat Treatment Process of

Aluminum Alloy Aging Annealing Furnace

Xia Jizhen

（Henan Tianli Thermal Equipment Co.，LTD.，Xinxiang，Henan 453200）

Abstract：The objective of this study is to explore the heat treatment technology of aluminum alloy aging annealing furnace and find solutions during this process.Some important conclusions are got by attempting different processing techniques on the same equipment and analyzing the results.The results show that reducing processing time can reduce energy consumption per unit and effectively improve the heat treatment process of aging annealing furnace for aluminum alloys.After in-depth analysis of the data，these results can serve as reference for the actual production of similar equipment.

Key words：aging annealing furnace;heat treatment technology;temperature difference ratio;jumping of material temperature

當(dāng)前，熱處理工序在鋁壓延制造環(huán)節(jié)占據(jù)核心地位，而其中最常用的設(shè)備就是時(shí)效退火爐。其首要任務(wù)在于適應(yīng)熱處理要求以提升產(chǎn)物品質(zhì)。鑒于此，在時(shí)效退火進(jìn)程里，精準(zhǔn)調(diào)控爐內(nèi)的溫度顯得尤為關(guān)鍵，因其決定了卷材的加溫時(shí)長(zhǎng)。若設(shè)定的溫度偏高，可能會(huì)引發(fā)卷材表面的溫度超過(guò)限度，由此對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)地產(chǎn)生不良影響;反之，倘若溫度調(diào)得太低，會(huì)導(dǎo)致卷材的加溫速率減緩、整體熱處理周期拉長(zhǎng)、能源使用量增大，同時(shí)還會(huì)使單位產(chǎn)能的能量消耗攀升，最終帶來(lái)成本的上漲。故此，合理運(yùn)用溫度管控技巧對(duì)于高效管理卷材的熱處理效果及效率具有重大意義，同時(shí)也能夠大幅降低全過(guò)程的能源消費(fèi)。本研究的目標(biāo)是以實(shí)際操作和優(yōu)化某個(gè)工廠的卷材退火爐來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。鋁合金作為一種重要結(jié)構(gòu)材料，具有出色的機(jī)械性能和耐腐蝕性。然而，鋁合金的性能往往受到熱處理工藝的影響，其中時(shí)效退火是一種常用的熱處理方法，旨在通過(guò)調(diào)整鋁合金組織和性能來(lái)提高其強(qiáng)度和韌性。［1］本文將對(duì)鋁合金時(shí)效退火工藝進(jìn)行深入分析，并探討其工序及影響因素。鋁合金時(shí)效退火包括預(yù)熱、時(shí)效退火、冷卻和后處理等主要步驟。首先，需要對(duì)鋁合金材料進(jìn)行預(yù)熱，使其達(dá)到適宜的溫度范圍。預(yù)熱溫度與時(shí)間取決于具體的鋁合金材料和所需性能。預(yù)熱不僅有助于去除材料表面的濕氣和雜質(zhì)，還能促進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻化，為隨后的時(shí)效退火工序打下良好的基礎(chǔ)。在時(shí)效退火階段，通過(guò)控制一定的溫度和時(shí)間，使鋁合金材料中形成均勻、細(xì)小的析出物，從而顯著提升材料的強(qiáng)度和硬度。冷卻是時(shí)效退火工藝的重要一環(huán)，冷卻速度的快慢直接影響到材料的最終性能，因此需要根據(jù)不同的鋁合金類型選擇合適的冷卻方式。最后的后處理步驟則包括清潔、去除氧化膜或其他雜質(zhì)，以確保材料表面質(zhì)量達(dá)到要求。合理控制鋁合金時(shí)效退火工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)最終產(chǎn)品的性能具有至關(guān)重要的作用。只有通過(guò)科學(xué)的溫度控制和優(yōu)化的工藝參數(shù)，才能有效提升鋁合金的機(jī)械性能和使用壽命，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。同時(shí)，優(yōu)化熱處理工藝還有助于降低能源消耗，提高生產(chǎn)效率，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的雙贏目標(biāo)。［3］這些研究成果將為鋁加工行業(yè)提供有力的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

接下來(lái)進(jìn)入時(shí)效退火階段，在特定溫度下保持一段時(shí)間。該過(guò)程旨在實(shí)現(xiàn)固溶相和沉淀相之間的平衡，并隨之調(diào)整材料的組織結(jié)構(gòu)與性能。要確定有效的時(shí)效退火溫度和時(shí)間參數(shù)必須考慮具體合金材料及要求。然后進(jìn)行冷卻操作，通常采用水淬或自然冷卻方式完成。最后可以執(zhí)行表面處理或機(jī)械加工等后處理工藝以進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金性能。影響鋁合金時(shí)效退火爐效果的關(guān)鍵因素包括溫度、時(shí)間和合金成分。［2］溫度是影響時(shí)效退火效果的重要因素，過(guò)高或過(guò)低都可能導(dǎo)致合金性能不符合要求。時(shí)間也非常關(guān)鍵，若時(shí)間太短，則固溶相和沉淀相無(wú)法充分反應(yīng)；相反，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致過(guò)度沉淀和晶粒生長(zhǎng)。此外，合金成分對(duì)于時(shí)效退火結(jié)果也有影響。不同組分將導(dǎo)致不同的相變行為和組織形態(tài)，并從而影響鋁合金的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)化鋁合金時(shí)效退火工藝是必要的，以滿足具體需求。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臏囟?、時(shí)間參數(shù)可以調(diào)整材料硬度、強(qiáng)度和韌性等性能指標(biāo)。同時(shí)根據(jù)需求可調(diào)整冷卻方式及后處理工藝以滿足特定應(yīng)用需求。

1 熱處理工藝

退火工藝是卷材熱處理過(guò)程中的關(guān)鍵步驟之一，對(duì)于卷材質(zhì)量有著重要作用。該工藝可以按照以下步驟進(jìn)行操作：首先，將溫度提高至490℃/料，并保持在390℃的溫度下一段時(shí)間。接著，將溫度降至390℃/料，并保持120min。隨后，逐漸降低溫度直到0℃/料，并在此處停留100min。當(dāng)?shù)獨(dú)庵脫Q達(dá)到含氧量小于0.2%時(shí)，以最大速度讓爐內(nèi)空氣升高至490℃。物體達(dá)到最高點(diǎn)（390±10）℃后開(kāi)始進(jìn)行降溫處理。隨著爐內(nèi)空氣冷卻至390℃，物體最低點(diǎn)將會(huì)達(dá)到（390±3）℃的溫度，并繼續(xù)保持2小時(shí)。最后，在快速冷卻過(guò)程中使物體溫度迅速降至100 ℃才可取出。用戶常用的卷材加熱處理工藝包括加熱、保溫和降溫三個(gè)關(guān)鍵步驟，這對(duì)于確保卷材質(zhì)量非常重要。為了保持恒定的保溫時(shí)長(zhǎng)，退火工序中的降溫速度取決于冷卻設(shè)備。所以，對(duì)于客戶而言，他們更關(guān)注的是加熱的時(shí)間，因?yàn)檫@會(huì)直接影響整個(gè)流程所需要的時(shí)間和能源消耗。如圖1所示，是客戶通常采用的熱處理技術(shù)，并且通過(guò)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)在100°C時(shí)的加熱差距。一旦物品到達(dá)高溫峰值，設(shè)置了一個(gè)-10°C的溫差值作為啟動(dòng)爐內(nèi)氣體冷卻的標(biāo)志。與此同時(shí)，物品的高峰位置繼續(xù)升高以達(dá)標(biāo)，而高峰的位置也會(huì)隨之上升。這個(gè)過(guò)程確保了物品的高峰位置不會(huì)超過(guò)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)（也就是溫差≤±3°C）。在這個(gè)退火程序里，爐內(nèi)的氣流最高溫度和材料的目標(biāo)溫度之差，以及物質(zhì)的高峰部位完成加熱后的降溫方法將會(huì)決定整個(gè)退火進(jìn)程所需的時(shí)間長(zhǎng)短。因此需要對(duì)加熱時(shí)間和加熱范圍進(jìn)行詳細(xì)分析和深入調(diào)查，并通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)

進(jìn)程進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到以上情況，在設(shè)計(jì)退火工藝時(shí)需要仔細(xì)權(quán)衡各種因素并進(jìn)行充分測(cè)試，以確保既滿足質(zhì)量要求又提高效率。

2 優(yōu)化測(cè)試過(guò)程

2.1 加熱溫差

為實(shí)現(xiàn)提高加熱速率的目標(biāo)，在確保不超溫的前提下，可以采取幾種策略。首先是擴(kuò)大爐氣與卷材間的溫度差距，同時(shí)提升爐氣的溫度，以減小卷材表面和內(nèi)部的溫度差異。這樣做有助于整體促進(jìn)卷材的加熱效果。其次，通過(guò)合理控制差溫加熱過(guò)程，使得卷材表面不超溫的情況下，能夠快速升溫到達(dá)最終所需溫度。這些策略將有助于縮短熱處理工藝時(shí)間。為了驗(yàn)證上述方法對(duì)加熱過(guò)程的影響，并選擇最適合的參數(shù)配置，在本實(shí)驗(yàn)中我們選用19#退火爐進(jìn)行測(cè)試，并使用相同類型的測(cè)試卷材。具體比較對(duì)象是兩次測(cè)試中設(shè)置不同關(guān)鍵因素：第一次設(shè)定了一個(gè)100℃的爐氣溫差，而第二次則設(shè)定為90℃。為此，在實(shí)驗(yàn)裝置中放置三個(gè)測(cè)試卷，并安裝6支料電偶來(lái)監(jiān)測(cè)各個(gè)位置的溫度變化。每個(gè)鋁卷都插入一支料電偶到表面（深度50mm）和芯部（深度為270mm），以實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度。

當(dāng)任何一個(gè)料電偶達(dá)到目標(biāo)溫度后，我們?cè)O(shè)定一個(gè)飽和度為-10℃的條件作為終止標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)比較兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以評(píng)估不同爐氣溫差對(duì)加熱過(guò)程的影響。具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)對(duì)比分析的結(jié)果，當(dāng)首次試驗(yàn)的爐溫差異被設(shè)置為100°C的時(shí)候，每卷材料需要花費(fèi)最少的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度，這個(gè)時(shí)間是11.3h。而整套加熱的流程耗費(fèi)了23.6h。與此同時(shí)，大約使用了450m3的天然氣和2，128kW·h的電能。然而，在第二次測(cè)試中將爐氣溫差設(shè)定為90℃后，情況有所改變。此時(shí)，每個(gè)料卷達(dá)到目標(biāo)溫度所需的最短時(shí)間延長(zhǎng)至17.5h，并且整個(gè)加熱工藝總時(shí)長(zhǎng)增加到31h。同時(shí)天然氣消耗量增至533m3，并且電力消耗量增至3，056 kW·h。值得注意的是，在其他參數(shù)保持不變的情況下，降低了溫差從100℃到90℃導(dǎo)致加熱工藝總時(shí)長(zhǎng)增加了7.4h（詳見(jiàn)表1）。

測(cè)試時(shí)間和整個(gè)工藝所需時(shí)間可以通過(guò)調(diào)節(jié)高溫差來(lái)縮短，從而減少能源消耗；相反，低溫差會(huì)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間和整個(gè)工藝所需時(shí)間，并增加能源消耗。一旦確定了高溫為110℃后，試驗(yàn)將在高于預(yù)定的高峰溫度下結(jié)束。以上研究成果表明：通過(guò)差異化加熱的精確調(diào)節(jié)可以有效控制和優(yōu)化加熱過(guò)程中熱量的傳遞方式，這也極大地影響了材料的熱量保持時(shí)間。

然而，假如給定的溫差過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致材料表面的膜層出現(xiàn)過(guò)度發(fā)熱，從而提高不良產(chǎn)品的比率。這是因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)使得材料表面受到不均勻的熱量分配，從而破壞其微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致性能退化。反之，若選擇較小的溫差，材料上升速率將減緩，并且需要更多的時(shí)間才能達(dá)到所需的目標(biāo)溫度，這不僅增加了生產(chǎn)成本和能源消耗，還會(huì)降低生產(chǎn)效率。溫差過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，增加生產(chǎn)線的擁堵，影響整體生產(chǎn)周期，從而無(wú)法滿足高效生產(chǎn)的要求。

因此，在加工階段找到一個(gè)合適的、能夠保證高峰時(shí)刻不會(huì)超越預(yù)期數(shù)值的最優(yōu)溫差是非常必要的。這個(gè)優(yōu)化的溫差可以在整個(gè)加熱過(guò)程提升的過(guò)程中維持住最高點(diǎn)的恒定，以便于快速且均勻地升高溫度。同時(shí)，這種優(yōu)化的溫差還需要考慮到鋁合金的特性和目標(biāo)性能，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和可靠性。溫差調(diào)節(jié)對(duì)整個(gè)熱處理過(guò)程中的效果起到關(guān)鍵作用。通過(guò)科學(xué)合理的溫差控制，可以達(dá)到快速、均勻加熱的目的，同時(shí)減少能量消耗，提高生產(chǎn)效率。各個(gè)階段的溫差設(shè)定應(yīng)經(jīng)過(guò)精密計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)，以找到最優(yōu)的參數(shù)，從而保證產(chǎn)線的高效穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足高質(zhì)量產(chǎn)品的需求。這樣的優(yōu)化不僅在經(jīng)濟(jì)上有利于降低生產(chǎn)成本，而且在環(huán)境上也是一種負(fù)責(zé)任的做法，符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的理念和要求。

2.2 差溫比例

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)曲線特性和數(shù)據(jù)的深入研究，我們得出結(jié)論：在決定熱加工時(shí)間長(zhǎng)度的過(guò)程中，溫差比例起到了核心作用，并對(duì)板片的溫度均衡產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)材料的高溫部分達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值（仍在可接受的溫差范圍內(nèi)）后，爐內(nèi)的氣體溫度會(huì)逐漸下降。然而，高溫點(diǎn)的位置卻繼續(xù)升高，直到達(dá)到指定的目標(biāo)溫度。這種現(xiàn)象表明，溫差比例對(duì)于熱處理過(guò)程中的溫度控制至關(guān)重要。通常情況下，高溫是指材料表面上的溫度，而低溫則是材料內(nèi)核的溫度。通過(guò)提高板片低溫部位的熱量傳輸速度，可以有效縮短整體退火過(guò)程的時(shí)間。這不僅有助于提高生產(chǎn)效率，還能顯著節(jié)省每件產(chǎn)品的能量消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和成本削減的目標(biāo)。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)精確控制和調(diào)節(jié)爐溫，特別是溫差比例，可以確保材料在整個(gè)熱處理過(guò)程中保持均勻的溫度分布。這種均衡的溫度控制不僅有助于提高材料的退火質(zhì)量和成品率，還能減少由于過(guò)度或不均勻加熱導(dǎo)致的不良產(chǎn)品比例。因此，優(yōu)化溫差比例和控制爐溫技術(shù)成為提升生產(chǎn)工藝質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

進(jìn)一步的研究表明，適當(dāng)?shù)臏夭畋壤梢约铀贌崃吭诎迤瑑?nèi)部的傳導(dǎo)，從而縮短熱處理時(shí)間。這對(duì)于節(jié)省能源消耗和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。通過(guò)科學(xué)合理的溫差控制，可以確保在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，不犧牲產(chǎn)品質(zhì)量。這樣不僅符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的理念，也符合工業(yè)生產(chǎn)對(duì)高效、低耗的要求。溫差比例在熱處理工藝中的作用不可忽視。通過(guò)精細(xì)的溫度控制和優(yōu)化的熱處理策略，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)板片的高效加熱和均勻退火，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少能源消耗和降低生產(chǎn)成本的多重目標(biāo)。這為工業(yè)生產(chǎn)提供了一個(gè)有效的技術(shù)手段，也為實(shí)現(xiàn)更綠色、更可持續(xù)的制造工藝奠定了基礎(chǔ)。需要強(qiáng)調(diào)的是，在全流程的熱處理技術(shù)里，定時(shí)和定溫環(huán)節(jié)都是無(wú)法更改且恒定的變量，我們應(yīng)借助調(diào)試差異溫比加熱的步驟來(lái)縮短總用時(shí)。首先使用傳統(tǒng)的料溫跳轉(zhuǎn)方法進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果制定了測(cè)試工藝1（詳見(jiàn)表2）。

為了提高料卷的升溫速度并確保不超過(guò)規(guī)定溫度，我們采用了爐氣降溫操作。根據(jù)之前設(shè)定的料卷高低點(diǎn)溫差與爐氣需降溫的比值為7，并參考表3，進(jìn)行了以下測(cè)試工藝2。

測(cè)試結(jié)果顯示，在將溫差設(shè)為100℃時(shí)，兩種工藝在第一段全速升溫階段所需時(shí)間相同。然而，在第二段中，從高點(diǎn)到目標(biāo)溫度所需時(shí)間使用“差溫比例”加熱方式和傳統(tǒng)方法幾乎相當(dāng)，分別約為9.5h和9.7h。然而，在第三段中，“差溫比例”的加熱工藝僅耗時(shí)4h，而傳統(tǒng)方法則需要1.9h。相較于傳統(tǒng)的跳躍型生產(chǎn)方式，“溫度差異比率”的加溫技術(shù)可以節(jié)約1.9個(gè)h的時(shí)間（詳見(jiàn)圖3）。同時(shí)，這種“溫度差異比率”的加溫方法也有助于降低對(duì)天然氣的使用量及電力成本。

顯然，“差溫比例”加熱方法顯著減少了總體的時(shí)間消耗。我們深入研究了各種不同的“差溫比例”對(duì)于加熱過(guò)程的影響，并對(duì)兩種“差溫比例”（8和10）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。觀察到的是，這兩種方式分別需要149min與135min來(lái)完成熱處理任務(wù)，這都比傳統(tǒng)的溫度跳躍法要快得多。所以，恰當(dāng)?shù)剡x取合適的“差溫比例”能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的熱處理效果，并且能有效地控制加熱過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間。

3 結(jié)論

通過(guò)研究和測(cè)試卷材退火爐的熱處理工藝，可以采用適當(dāng)?shù)臏夭詈筒顪乇壤齺?lái)有效減少熱處理時(shí)間，以滿足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求。［4］因此，在整個(gè)熱處理過(guò)程中，精準(zhǔn)地控制和調(diào)節(jié)爐溫成為至關(guān)重要的因素。這項(xiàng)技術(shù)不僅能夠顯著提升卷材的退火質(zhì)量和成品率，還有助于實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和減少損耗等重要目標(biāo)。在對(duì)卷材退火爐進(jìn)行詳盡考察并實(shí)施一系列工藝測(cè)試后，我們發(fā)現(xiàn)，在確保滿足生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，采用合理的溫差和差溫比例能夠大幅度縮短整個(gè)退火工藝所需的時(shí)間。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，合理控制爐溫的技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。它不僅在提升卷材退火質(zhì)量和成品率方面表現(xiàn)出色，同時(shí)還具有節(jié)約能源、減少損耗等多重優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提升生產(chǎn)效率和降低成本具有顯著的積極影響。

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（責(zé)任編輯 郭曉勇）