铝卷卷式退火粘伤问题的分析及解决措施

2021-03-16赵晓阳

铝加工 2021年1期

周劲，赵晓阳

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

目前铝厂常见的退火方式有连续式气垫炉及箱式炉卷式退火两种方式。气垫炉退火存在以下几个问题：投入成本过高；老式轧机轧制的卷材板形较差在退火时会造成表面擦伤；热处理可强化合金采用气垫炉退火会存在空淬效应等。而箱式炉由于其投入成本较少，且能耗相较于气垫炉低很多，故采用箱式炉进行卷材退火仍是铝合金加工企业的一种不可或缺的主要方式[1]。

但在传统的箱式炉退火方式中，将铝卷放置于鞍座上送入炉中退火，容易在整个生产过程中产生退火粘伤[2]，致使卷材表面严重损伤，产生大量粘伤废品，严重时甚至导致整卷报废。

因此，为解决上述问题，同时适应多规格、高合金化的生产，经过反复大量试验，我们制定了多种措施，最大程度地减少上述缺陷的出现。

1 退火粘伤的主要分类及形成机理

目前箱式炉卷式退火的问题主要集中在对表面质量的影响。铝卷在箱式炉退火时沿宽度方向是对称的，铝卷边界的热交换可用以下公式表示[3]。

式中，HRi、HR0为铝卷内径壁、外径壁表面的局部热流，W/m2；H0、Hw为铝卷边部下表面、上表面的局部热流，W/m2；hRi、hR0为铝卷内、外表面的对流换热系数，W/（m2⋅℃）；h0、hw为铝卷边部下表面、上表面的对流换热系数，W/（m2⋅℃）；Tg、Ts为保护气体、铝卷温度，℃。

粘伤是指在传统的箱式炉退火方式下，氧化铝粉形成致密的氧化物薄膜不容易被还原，在一定的温度和压力下，会向卷紧的铝卷上下表面扩散融合，从而发生粘伤、焊合等现象。铝卷在升温的过程中，铝卷中部受热慢，而内外层在外部高温的影响下温度一致，但内层膨胀与铝卷中部产生温度差，产生热应力。当热应力大于铝卷塑性变形能力时，铝卷层与层之间就会产生压应力。此时在一定的热应力、卷取张力及温度下，由此产生的热应力及其氧化铝粉的扩散融合就满足了扩散融合的条件，粘伤就产生了。图1所示为箱式炉铝卷退火温度与时间的关系图。

图1 箱式炉退火方式铝卷退火温度随时间的变化趋势

高温卷式退火时卷材表面极容易因板间或带材卷层间粘连造成板、带表面的粘伤。粘伤主要有3类：点状粘伤、横条状粘伤及团状粘伤，其形貌分别如图2所示。

图2 不同粘伤缺陷形貌图

1.1 点状粘伤的形成机理

点状粘伤的成形主要有以下两个方面的原因：

（1）由于钢套在长期的使用过程中外表可能附着铝渣或其他残留物导致表面不平整。冷轧卷取时使用了此种钢套后，尽管此时材料处于加工硬化状态，不会立刻造成表面损伤，但当退火后，材料性能大幅度下降，该点压应力较大，导致该凸出部分最终扩散到外圈在铝卷表面引起粘连，造成点状粘伤[4]。

（2）为防止铝卷松卷使用钢带打捆时，打捆过于紧实。高温退火时由于内层膨胀与铝卷中部产生温度差，产生热应力，所以在该位置受力较大从而产生压应力，导致最终由外而内在铝卷表面引起粘连，造成点状粘伤。

另一方面，从图3所示的铝卷开始冷却时内外圈铝卷膨胀收缩情况看出，由于铝卷的外圈在一定的温度差的影响下，引起的热应力数值并不是很大，此时铝卷的卷取张力超过一定的范围，在热应力和卷曲张力的联合影响下，粘伤产生的趋势会增加，产生的区域在铝卷中部靠近内侧的区域。在退火冷却初期，铝卷的外圈内外层收缩、中部膨胀，此时铝卷的外圈由于温度差受热变形而导致产生的热应力影响巨大，粘伤很容易产生[5]。

图3 铝卷开始冷却时内外圈铝卷膨胀收缩

1.2 横条状粘伤的形成机理

此种粘伤主要是因内圈钢套在卷材退火时长期处于高温状态下使用致使钢套变形所致。卷取后卷材变形处受力较大，且卷材在高温退火时由于材料软化，导致该部位局部受力增大，最终扩散到外圈，造成层与层之间粘连，形成粘伤。

1.3 团状粘伤的形成机理

（1）卷材高温退火后在吊运落入鞍座的过程中由于下降较快，冲击力过大，而鞍座本身不平，加上高温状态下材料自身强度较低，导致冲击部位受力过大，最后致使铝卷中间部位产生由外到内的团状粘伤。

（2）卷材内圈头尾不良较多。在一定的卷取张力下，因板形不良使得该部分的卷取张力远远高于实际控制的卷取张力，点与点的结合更加紧密。并且板形不良部分对于因温度差而引起的热应力影响也大大突出，由于铝卷中部的温度变化要慢于内外层及端部，所以容易产生团状粘伤[6]。

2 预防退火粘伤的措施

2.1 解决点状粘伤的措施

（1）必须定期检查钢套表面光洁程度、套筒的变形情况，发现表面有凸出物时进行打磨，将凸出部分打磨平整。

（2）对于套筒的变形，较轻微的变形可进行机加工，将套筒外表面加工至圆形，变形严重的应当作废品处理。

2.2 解决横条状粘伤的措施

（1）改进高温退火时卷材的放置方式，独创“悬空退火”：即，将用于悬空退火的专用钢架用钢丝绳吊放在装料料架上，并摆正，然后根据要退火卷材的内径大小选择与之对应的悬空横梁。对于钢套长度小于悬空料架宽度的铝卷，使用天车吊具将悬空横梁穿过钢套内，然后将悬空横梁与铝卷一起吊起，放置在钢架卡槽内；钢套长度大于钢架宽度的卷材可直接吊放在料架相应的卡槽位置内，以防掉落。

（2）铝卷退火出炉后需放置在专用冷却钢架上，待冷却至室温后方可转运和进行后续生产。退火时必须使用专用料架悬空搁置卷材。冷却时必须使用专用钢架，以防止铝卷悬空放置时晃动所带来的横梁位移。

（3）要求进行“悬空退火”的铝卷必须切至成品宽度。完成高温退火后，要随炉冷却至一定温度以下才能出炉。出炉后必须转移至专用悬空料架进行放置，待铝卷冷却至室温才能转移到鞍座上。

2.3 解决团状粘伤措施

（1）卷材装炉吊运及出炉吊运时地面必须有专人掌扶吊具，以确保吊具端头不会损伤卷材端面。当吊运至鞍座下落时，地面须有专人指挥下落，防止因下落速度过快，铝卷与鞍座撞击导致表面产生损伤。

（2）上工序卷取时要注意控制头尾板形质量，要将卷材内外圈头尾不良部分切除干净，尽量避免由于头尾板形严重不良所形成的应力集中点扩散到外圈产生粘伤。在难以控制板形的情况下，尽量使进入箱式炉退火的铝卷保持双边浪。

3 效果对比

通过收集相关数据，相较于传统的卷式退火方式，“悬空退火”方式极好地解决了退火粘伤问题。根据统计，自从使用“悬空退火”以来，截至目前为止未再发生过由于退火粘伤造成的整卷报废问题，减少了大量的粘伤废品。

图4 为某铝厂近5年来由于粘伤产生的废品量的统计。从图4中可以看出，从2017年开始，由于“悬空退火”的广泛使用，极好地解决了各类粘伤中的退火粘伤问题，各类粘伤所产生的废品已经由2016年的最高峰246.1 t降至2019年73.9 t，节省了172.2 t的成品出来。这其中，因退火粘伤造成的废品基本降至零。