用于非強化鋁合金冷軋鋁帶的FAST氣墊式連續(xù)退火爐

李 堯

（艾伯納工業(yè)爐（太倉）有限公司，蘇州 215400）

冷軋鋁帶的退火處理是鋁加工非常重要的環(huán)節(jié)，對于改善第二相的分布，降低Si，F(xiàn)e的固溶度，特別是Si的固溶度，改善鋁帶的顯微結(jié)構(gòu)和進(jìn)一步軋制有非常重要的作用。

目前最主要的方法是鋁帶以成卷的形式在箱式爐內(nèi)進(jìn)行退火。操作簡便，對鋁卷厚度沒有要求。但是退火周期非常長，鋁卷退火后性能一致性差，熱效率比較低。

另一種鋁帶熱處理的方式是CASH線，即氣墊式鋁帶連續(xù)固溶處理線，簡稱氣墊爐。在氣墊爐內(nèi)鋁帶以展開懸浮的方式連續(xù)通過熱處理線。處理爐的上下都有循環(huán)風(fēng)機，一方面將鋁帶懸浮，另一方面實現(xiàn)強對流傳熱。氣墊爐除了有加熱段外還有水淬和空氣淬火，即固溶處理，專門用于熱處理2系，5系，6系和7系等合金。這些材料用于汽車和航空工業(yè)方面的高端鋁材。可以想見，這樣的熱處理線投資很大。用于處理對1系，3系，5系，8系合金的退火處理，用氣墊爐是不經(jīng)濟(jì)的。

基于這些思考，我們開發(fā)了FAST氣墊式連續(xù)退火爐對非強化合金的冷軋鋁帶進(jìn)行中間退火和最終退火。

1 冷軋鋁帶卷的退火處理

冷軋鋁帶卷通常采用兩種方式進(jìn)行中間退火和最終退火：用箱式爐退火和用氣墊爐連續(xù)退火。

1.1 箱式爐退火

如圖1所示，鋁卷放置在箱式爐內(nèi)，關(guān)上爐門。爐氣在爐頂循環(huán)風(fēng)機的作用下，通過爐頂導(dǎo)流室和爐兩側(cè)的風(fēng)道，對鋁卷進(jìn)行對流加熱。加熱的方式可以是電加熱也可以是燃?xì)饧訜帷?/p>

圖1 冷軋鋁卷的箱式退火爐（斷面）

當(dāng)鋁卷達(dá)到退火溫度并保持一段時間后，將其冷卻到一定溫度。開爐門，將鋁卷從爐中取出，完成一個退火周期。這是一種間歇式退火。鋁卷的加熱是從外圈到內(nèi)圈，從兩端往中間傳導(dǎo)的過程。

由于箱式爐退火具有以下優(yōu)勢，因而箱式退火爐是當(dāng)前冷軋鋁卷的主要的退火方式：

-投資少，產(chǎn)能上配備靈活；

-對于合金，規(guī)格及退火制度適應(yīng)性強；

-操作簡單

如前所述，在箱式爐內(nèi)，鋁卷是成卷放置的，鋁卷的導(dǎo)熱非常慢。因而，用箱式爐對鋁卷進(jìn)行退火具有下列一些缺點：

-退火周期時間非常長。通常每爐退火需要30-40小時（取決于卷的大小）。圖2是一個24噸冷軋鋁卷在單卷退火爐的退火周期。

圖2 鋁卷退火周期時間

-性能很不均勻（縱向，橫向和45°方向）；

-表面質(zhì)量也不是很好，鋁卷粘接，退火油斑等。鋁卷層與層之間會產(chǎn)生粘結(jié)。

-冷卻速度有限；

-箱式爐的熱效率也不高，大型退火爐的熱效率在60%左右。每個退火周期，箱式爐都要經(jīng)過一次升溫和降溫。爐內(nèi)保溫棉，內(nèi)爐殼等，消耗一定的能源。根據(jù)計算，一個30噸單卷退火爐，每個周期要消耗大約70Nm3的天然氣，用于加熱保溫棉，爐殼和料架等。

1.2 氣墊式鋁帶的連續(xù)熱處理 （CASH線）

CASH(Continuous Annealing and Solution Heat treatment連續(xù)退火和固溶熱處理)線，通常稱作氣墊爐。鋁卷經(jīng)開卷機開卷，縫合，清洗后，通過活套等工序，以展開的方式連續(xù)通過加熱段和隨后的冷卻段，完成固溶處理（T4）。然后經(jīng)過拉矯，活套收卷等。一個完整的氣墊爐處理線的配置如圖3所示。

圖3 典型氣墊爐連續(xù)處理線的配置

展開的鋁帶在氣墊爐內(nèi)呈懸浮狀態(tài)一邊運行一邊進(jìn)行連續(xù)的熱處理。艾伯納氣墊爐由多個加熱區(qū)，水淬區(qū)，混合淬火區(qū)和空淬區(qū)組成。加熱區(qū)由燃?xì)鉄欤ㄒ部梢允请娮杓訜崞鳎┖蜕舷卵h(huán)風(fēng)機及上下噴箱等組成，其斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 艾伯納氣墊爐加熱段斷面圖

與箱式爐相比，氣墊爐具有以下優(yōu)勢：

-退火周期時間短；

-退火性能高于箱式退火且性能均勻性好；

-表面質(zhì)量好，無退火黃斑，鋁卷粘接等；

-氣墊爐的熱效率高

但氣墊式連續(xù)爐主要的應(yīng)用還是對2xxx,7xxx，6xxx和5xxx合金的鋁帶進(jìn)行固溶處理。其處理的產(chǎn)品應(yīng)用在汽車行業(yè)和航空航天領(lǐng)域。對于那些不以上述合金為主的生產(chǎn)廠家而言，氣墊爐連續(xù)處理線的投資太大。雖然CASH氣墊鋁也可以對其它不能熱處理強化的合金，如1xxx,3xxx,5xxx,8xxx合金，進(jìn)行退火處理，但其優(yōu)勢不能充分發(fā)揮。如果只進(jìn)行鋁帶退火，投資這樣一條CASH線是不經(jīng)濟(jì)的。

2 FAST氣墊式鋁帶連續(xù)退火爐

2.1 FAST氣墊式連續(xù)退火爐概念的提出

利用CASH氣墊爐的優(yōu)勢，即鋁帶以展開懸浮的狀態(tài)通過氣墊爐，我們提出了經(jīng)濟(jì)版的鋁帶退火處理的概念：FAST（Floater Type Aluminum Strip Annealing Heat Treatment）氣墊式鋁帶連續(xù)退火線，只對非熱處理強化合金的冷軋鋁帶卷進(jìn)行中間退火和最終退火。要點為：

-FAST爐包括退火段和冷卻段；

-鋁帶以展開懸浮狀態(tài)連續(xù)通過FAST爐。在整個退火處理段和冷卻段，鋁帶不和其它物體接觸；

-沒有水淬。鋁帶通過空氣冷卻到一定溫度；

-和爐前爐后設(shè)備（開卷，收卷等）形成連續(xù)的退火熱處理線。

-處理合金：1xxx,3xxx,4xxx,5xxx,8xxx;

-處理帶材厚度：0.5-3mm；

-處理帶材寬度：-2400mm

2.2 FAST氣墊式連續(xù)退火爐組成

FAST連續(xù)退火爐包括加熱段和空冷段。如圖5所示。

圖5 FAST氣墊式連續(xù)退火爐

圖中示出3個加熱爐模塊和5個冷卻模塊?？梢愿鶕?jù)退火速度的要求增加加熱模塊和冷卻模塊。

2.2.1 FAST氣墊式連續(xù)退火爐加熱段

加熱模塊如圖6所示。

圖6 FAST氣墊式連續(xù)退火爐加熱模塊示意圖

如圖6所示，爐氣被燒嘴（或電加熱器）加熱后，被吸入到循環(huán)風(fēng)機的入口。循環(huán)風(fēng)機將高溫爐氣加壓后導(dǎo)入到立式導(dǎo)流室，并通過導(dǎo)流通道導(dǎo)入上下噴箱。噴箱上的噴嘴和噴空產(chǎn)生的靜壓將鋁帶托起，使之懸浮在上下噴箱的間隙處。噴箱噴出的高速氣流吹到鋁帶的上下表面，實現(xiàn)對流換熱。臥式電機和風(fēng)機葉輪直聯(lián)，帶動風(fēng)機按工藝要求的速度旋轉(zhuǎn)。

通過優(yōu)化設(shè)計，一個循環(huán)電機和風(fēng)機就可給一個加熱模塊上下噴箱供給高溫爐氣。

2.2.2 FAST氣墊式連續(xù)退火爐冷卻段

FAST氣墊式連續(xù)退火爐冷卻段如圖7所示。

圖7 FAST氣墊式連續(xù)退火爐冷卻模塊

如圖7所示，每一個冷卻模塊都在模塊左右布置了一個冷卻風(fēng)機。位于下部的冷卻風(fēng)機將新鮮的冷空氣吸入并導(dǎo)流到下噴箱。噴箱的噴嘴將冷空氣吹到鋁帶表面，對鋁帶進(jìn)行冷卻。上部的風(fēng)機將被熱鋁帶加熱的空氣吸入風(fēng)機并經(jīng)風(fēng)機加壓后再導(dǎo)入上噴箱，噴箱上的噴嘴噴吹爐氣對鋁帶的上表面進(jìn)行冷卻。根據(jù)爐壓的控制要求，被加熱的冷卻空氣通過排放管道排出爐外到大氣中。

3 FAST氣墊式連續(xù)退火爐的優(yōu)勢

FAST氣墊式連續(xù)退火爐屬于高溫快速退火，與常規(guī)箱式爐退火相比，具有以下優(yōu)勢：

3.1 退火周期大大縮短，產(chǎn)能大大提高

以5082合金為例，鋁卷規(guī)格OD：2450mm，ID：660mm，寬度：2055mm，卷重：24t。

在單卷退火爐內(nèi)退火，鋁卷的退火溫度360°C，退火后冷卻到100°C出爐。不考慮裝出料時間，一個退火周期需要大約38h，小時退火量約為0.63t。

上述冷軋鋁卷（鋁帶厚度1 mm）在FAST爐(8個加熱模塊和10個冷卻模塊)進(jìn)行退火，鋁帶退火溫度510℃，小時退火量可以達(dá)到11.78t。鋁帶離開冷卻區(qū)的溫度低于70℃。退火曲線如圖8所示。

圖8 1mm鋁帶在FAST退火爐中的溫度曲線

由此可見，和箱式退火爐相比，F(xiàn)AST氣墊式連續(xù)退火爐的退火周期大大縮短，退火能力大大提高。

3.2 鋁帶退火性能均勻,退火性能高于箱式爐退火

在FAST氣墊式連續(xù)退火爐，鋁帶是在同一個狀態(tài)下進(jìn)行退火的，所以各點的均勻性要高于箱式退火爐。同時，在FAST氣墊式連續(xù)退火中鋁帶在高溫快速的條件下，再結(jié)晶溫度提高，形核率增加，晶粒細(xì)小均勻，提高其力學(xué)性能。

文獻(xiàn)[1]在90t箱式爐內(nèi)和在氣墊爐上對5252合金進(jìn)行了退火比對試驗。

在氣墊爐內(nèi)5252合金在極其短的時間內(nèi)達(dá)到了箱式爐在360°C保溫4小時的性能。且延伸率還要高。

圖9是5182合金鋁帶經(jīng)過氣墊爐（連續(xù)退火）和箱式爐（批次退火）的金相組織。

圖9 氣墊爐退火和箱式爐退火鋁帶晶粒度比較

從圖中可以看到，經(jīng)過氣墊爐連續(xù)退火的鋁帶比經(jīng)過箱式爐的退火具有更細(xì)的晶粒，即具有更好的綜合性能。

文獻(xiàn)[2]對“O”3003鋁合金冷軋帶進(jìn)行了類似的比對實驗研究。在箱式爐內(nèi)爐溫390℃，金屬退火溫度360℃，保溫3小時。在氣墊式連續(xù)退火爐高溫快速連續(xù)退火，退火溫度450℃，退火速度30m/min.。比對實驗研究表明，經(jīng)氣墊式連續(xù)退火后鋁帶晶粒對比經(jīng)箱式爐退火為小，有利于電池殼的深沖壓。而經(jīng)箱式爐退火的材料則不適合電池殼的沖壓。

文獻(xiàn)[3]也對3003冷軋鋁帶進(jìn)行了類似的比對實驗研究。鋁帶在箱式爐內(nèi)經(jīng)15小時加熱到達(dá)360℃，保溫5小時。在氣墊爐連續(xù)退火線鋁帶按30m/min的通過加熱區(qū)到達(dá)500℃，在爐內(nèi)駐留時間為2分鐘。比對實驗研究表明，經(jīng)氣墊爐連續(xù)退火后鋁帶的晶粒相比較箱式爐退火更細(xì)且更加均勻，彎曲性能也好于箱式爐。

3.3 經(jīng)氣墊爐連續(xù)退火后鋁帶的表面質(zhì)量有很大的提高

鋁帶表面沒有殘留的退火油斑和鋁卷邊部的粘接，這是因為在氣墊爐連續(xù)退火線上鋁帶呈展開的方式，清洗除油比較干凈。

3.4 冷卻速度快

與箱式爐相比，F(xiàn)AST氣墊式連續(xù)退火爐采用強力對流冷卻，冷卻速度快，大大縮短了冷卻時間。冷卻速度快也有利于控制晶粒的長大，形成綜合性能好的細(xì)小晶粒。

3.5 減少雙零箔的針孔度

對于0.006mm的雙零鋁箔，產(chǎn)生針孔是一個非常普遍的情況。針孔的產(chǎn)生除了與化學(xué)成分，如Si，F(xiàn)e/Si,冶金質(zhì)量（含H量，夾渣），板型等之外，金屬的組織性能影響很大。從再結(jié)晶退火的角度講，均勻的晶粒尺寸無疑是非常重要的。晶粒均勻變形協(xié)調(diào)，晶粒之間不會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，避免形成裂紋源。另一方面，在短時較高的溫度下，會形成更多的α(AlFeSi)項，同時也會發(fā)生α(AlFeSi)向β(AlFeSi)的轉(zhuǎn)化。而α(AlFeSi)是粒狀的結(jié)構(gòu)，是進(jìn)一步鋁箔軋制非常理想的結(jié)構(gòu)。在FAST的后半段是強化空氣冷卻，隨著溫度的降低，Si也會從基體中脫溶，形成細(xì)小的質(zhì)點，降低Si的硬化效應(yīng)，從而減少針孔的產(chǎn)生。

3.6 減少斷帶率，提高產(chǎn)品合格率

對于雙零鋁箔的軋制中，斷帶也是一個非常普遍的問題。當(dāng)軋制時的張力大于鋁箔的屈服強度時，即發(fā)生斷帶。當(dāng)有針孔等裂紋時，更容易斷帶。如上所述，F(xiàn)AST連續(xù)熱處理可以減少針孔的產(chǎn)生，也就減少了斷帶的幾率。同時采用FAST連退線，由于晶粒細(xì)小，綜合力學(xué)性能比較高，箔軋時也不易斷帶。

3.7 可以處理一些箱式爐不能處理的產(chǎn)品

比如說，5182生產(chǎn)汽車內(nèi)板。用箱式爐不能處理，但是用FAST線就可以處理，因為后者退火后的晶粒更細(xì)。

3.8 提高了鋁帶卷退火的自動化程度

FAST氣墊式連續(xù)退火爐集成到一條完整的退火生產(chǎn)線。其自動化程度的提高不言而喻。如果在這條線上再集成切邊，清洗，拉矯等工序，可以大大減少各個分離工序的開卷，收卷，切頭尾，產(chǎn)品的收得率無疑可以得到提高。

4 結(jié)束語

日本新日鐵在1972年建成世界上第一條帶鋼連續(xù)退火線，其最初的目的是將脫脂﹑退火﹑平整﹑分切等工序集成到一條連續(xù)的生產(chǎn)線。這條線的成功已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于實現(xiàn)了最初的目的。由于其高的生產(chǎn)率，良好的帶鋼通板性能，高的冷卻速度，帶鋼連續(xù)退火線已經(jīng)是現(xiàn)代冷軋帶鋼廠的非常重要的退火機組。

我們開發(fā)FAST氣墊式退火爐的目的就是基于同樣的思考。用這個相對經(jīng)濟(jì)的連續(xù)退火線實現(xiàn)對于大量非強化合金的冷軋鋁帶的退火。

這個FAST氣墊式退火爐可以和爐外設(shè)備集成形成一條全新的鋁帶退火線。對于那些已經(jīng)具有獨立的清洗線及拉矯線的客戶，也可以加將我們的FAST氣墊式退火爐集成到這些線中，形成鋁帶連續(xù)退火線。如圖10所示。

圖10 FAST氣墊式連續(xù)退火爐集成到現(xiàn)有的清洗拉矯線