用于非强化铝合金冷轧铝带的FAST气垫式连续退火炉

2022-02-22李尧

世界有色金属 2022年22期

李尧

（艾伯纳工业炉（太仓）有限公司，苏州 215400）

冷轧铝带的退火处理是铝加工非常重要的环节，对于改善第二相的分布，降低Si，Fe的固溶度，特别是Si的固溶度，改善铝带的显微结构和进一步轧制有非常重要的作用。

目前最主要的方法是铝带以成卷的形式在箱式炉内进行退火。操作简便，对铝卷厚度没有要求。但是退火周期非常长，铝卷退火后性能一致性差，热效率比较低。

另一种铝带热处理的方式是CASH线，即气垫式铝带连续固溶处理线，简称气垫炉。在气垫炉内铝带以展开悬浮的方式连续通过热处理线。处理炉的上下都有循环风机，一方面将铝带悬浮，另一方面实现强对流传热。气垫炉除了有加热段外还有水淬和空气淬火，即固溶处理，专门用于热处理2系，5系，6系和7系等合金。这些材料用于汽车和航空工业方面的高端铝材。可以想见，这样的热处理线投资很大。用于处理对1系，3系，5系，8系合金的退火处理，用气垫炉是不经济的。

基于这些思考，我们开发了FAST气垫式连续退火炉对非强化合金的冷轧铝带进行中间退火和最终退火。

1 冷轧铝带卷的退火处理

冷轧铝带卷通常采用两种方式进行中间退火和最终退火：用箱式炉退火和用气垫炉连续退火。

1.1 箱式炉退火

如图1所示，铝卷放置在箱式炉内，关上炉门。炉气在炉顶循环风机的作用下，通过炉顶导流室和炉两侧的风道，对铝卷进行对流加热。加热的方式可以是电加热也可以是燃气加热。

图1 冷轧铝卷的箱式退火炉（断面）

当铝卷达到退火温度并保持一段时间后，将其冷却到一定温度。开炉门，将铝卷从炉中取出，完成一个退火周期。这是一种间歇式退火。铝卷的加热是从外圈到内圈，从两端往中间传导的过程。

由于箱式炉退火具有以下优势，因而箱式退火炉是当前冷轧铝卷的主要的退火方式：

-投资少，产能上配备灵活；

-对于合金，规格及退火制度适应性强；

-操作简单

如前所述，在箱式炉内，铝卷是成卷放置的，铝卷的导热非常慢。因而，用箱式炉对铝卷进行退火具有下列一些缺点：

-退火周期时间非常长。通常每炉退火需要30-40小时（取决于卷的大小）。图2是一个24吨冷轧铝卷在单卷退火炉的退火周期。

图2 铝卷退火周期时间

-性能很不均匀（纵向，横向和45°方向）；

-表面质量也不是很好，铝卷粘接，退火油斑等。铝卷层与层之间会产生粘结。

-冷却速度有限；

-箱式炉的热效率也不高，大型退火炉的热效率在60%左右。每个退火周期，箱式炉都要经过一次升温和降温。炉内保温棉，内炉壳等，消耗一定的能源。根据计算，一个30吨单卷退火炉，每个周期要消耗大约70Nm3的天然气，用于加热保温棉，炉壳和料架等。

1.2 气垫式铝带的连续热处理（CASH线）

CASH(Continuous Annealing and Solution Heat treatment连续退火和固溶热处理)线，通常称作气垫炉。铝卷经开卷机开卷，缝合，清洗后，通过活套等工序，以展开的方式连续通过加热段和随后的冷却段，完成固溶处理（T4）。然后经过拉矫，活套收卷等。一个完整的气垫炉处理线的配置如图3所示。

图3 典型气垫炉连续处理线的配置

展开的铝带在气垫炉内呈悬浮状态一边运行一边进行连续的热处理。艾伯纳气垫炉由多个加热区，水淬区，混合淬火区和空淬区组成。加热区由燃气烧嘴（也可以是电阻加热器）和上下循环风机及上下喷箱等组成，其断面结构如图4所示。

图4 艾伯纳气垫炉加热段断面图

与箱式炉相比，气垫炉具有以下优势：

-退火周期时间短；

-退火性能高于箱式退火且性能均匀性好；

-表面质量好，无退火黄斑，铝卷粘接等；

-气垫炉的热效率高

但气垫式连续炉主要的应用还是对2xxx,7xxx，6xxx和5xxx合金的铝带进行固溶处理。其处理的产品应用在汽车行业和航空航天领域。对于那些不以上述合金为主的生产厂家而言，气垫炉连续处理线的投资太大。虽然CASH气垫铝也可以对其它不能热处理强化的合金，如1xxx,3xxx,5xxx,8xxx合金，进行退火处理，但其优势不能充分发挥。如果只进行铝带退火，投资这样一条CASH线是不经济的。

2 FAST气垫式铝带连续退火炉

2.1 FAST气垫式连续退火炉概念的提出

利用CASH气垫炉的优势，即铝带以展开悬浮的状态通过气垫炉，我们提出了经济版的铝带退火处理的概念：FAST（Floater Type Aluminum Strip Annealing Heat Treatment）气垫式铝带连续退火线，只对非热处理强化合金的冷轧铝带卷进行中间退火和最终退火。要点为：

-FAST炉包括退火段和冷却段；

-铝带以展开悬浮状态连续通过FAST炉。在整个退火处理段和冷却段，铝带不和其它物体接触；

-没有水淬。铝带通过空气冷却到一定温度；

-和炉前炉后设备（开卷，收卷等）形成连续的退火热处理线。

-处理合金：1xxx,3xxx,4xxx,5xxx,8xxx;

-处理带材厚度：0.5-3mm；

-处理带材宽度：-2400mm

2.2 FAST气垫式连续退火炉组成

FAST连续退火炉包括加热段和空冷段。如图5所示。

图5 FAST气垫式连续退火炉

图中示出3个加热炉模块和5个冷却模块。可以根据退火速度的要求增加加热模块和冷却模块。

2.2.1 FAST气垫式连续退火炉加热段

加热模块如图6所示。

图6 FAST气垫式连续退火炉加热模块示意图

如图6所示，炉气被烧嘴（或电加热器）加热后，被吸入到循环风机的入口。循环风机将高温炉气加压后导入到立式导流室，并通过导流通道导入上下喷箱。喷箱上的喷嘴和喷空产生的静压将铝带托起，使之悬浮在上下喷箱的间隙处。喷箱喷出的高速气流吹到铝带的上下表面，实现对流换热。卧式电机和风机叶轮直联，带动风机按工艺要求的速度旋转。

通过优化设计，一个循环电机和风机就可给一个加热模块上下喷箱供给高温炉气。

2.2.2 FAST气垫式连续退火炉冷却段

FAST气垫式连续退火炉冷却段如图7所示。

图7 FAST气垫式连续退火炉冷却模块

如图7所示，每一个冷却模块都在模块左右布置了一个冷却风机。位于下部的冷却风机将新鲜的冷空气吸入并导流到下喷箱。喷箱的喷嘴将冷空气吹到铝带表面，对铝带进行冷却。上部的风机将被热铝带加热的空气吸入风机并经风机加压后再导入上喷箱，喷箱上的喷嘴喷吹炉气对铝带的上表面进行冷却。根据炉压的控制要求，被加热的冷却空气通过排放管道排出炉外到大气中。

3 FAST气垫式连续退火炉的优势

FAST气垫式连续退火炉属于高温快速退火，与常规箱式炉退火相比，具有以下优势：

3.1 退火周期大大缩短，产能大大提高

以5082合金为例，铝卷规格OD：2450mm，ID：660mm，宽度：2055mm，卷重：24t。

在单卷退火炉内退火，铝卷的退火温度360°C，退火后冷却到100°C出炉。不考虑装出料时间，一个退火周期需要大约38h，小时退火量约为0.63t。

上述冷轧铝卷（铝带厚度1 mm）在FAST炉(8个加热模块和10个冷却模块)进行退火，铝带退火温度510℃，小时退火量可以达到11.78t。铝带离开冷却区的温度低于70℃。退火曲线如图8所示。

图8 1mm铝带在FAST退火炉中的温度曲线

由此可见，和箱式退火炉相比，FAST气垫式连续退火炉的退火周期大大缩短，退火能力大大提高。

3.2 铝带退火性能均匀,退火性能高于箱式炉退火

在FAST气垫式连续退火炉，铝带是在同一个状态下进行退火的，所以各点的均匀性要高于箱式退火炉。同时，在FAST气垫式连续退火中铝带在高温快速的条件下，再结晶温度提高，形核率增加，晶粒细小均匀，提高其力学性能。

文献[1]在90t箱式炉内和在气垫炉上对5252合金进行了退火比对试验。

在气垫炉内5252合金在极其短的时间内达到了箱式炉在360°C保温4小时的性能。且延伸率还要高。

图9是5182合金铝带经过气垫炉（连续退火）和箱式炉（批次退火）的金相组织。

图9 气垫炉退火和箱式炉退火铝带晶粒度比较

从图中可以看到，经过气垫炉连续退火的铝带比经过箱式炉的退火具有更细的晶粒，即具有更好的综合性能。

文献[2]对“O”3003铝合金冷轧带进行了类似的比对实验研究。在箱式炉内炉温390℃，金属退火温度360℃，保温3小时。在气垫式连续退火炉高温快速连续退火，退火温度450℃，退火速度30m/min.。比对实验研究表明，经气垫式连续退火后铝带晶粒对比经箱式炉退火为小，有利于电池壳的深冲压。而经箱式炉退火的材料则不适合电池壳的冲压。

文献[3]也对3003冷轧铝带进行了类似的比对实验研究。铝带在箱式炉内经15小时加热到达360℃，保温5小时。在气垫炉连续退火线铝带按30m/min的通过加热区到达500℃，在炉内驻留时间为2分钟。比对实验研究表明，经气垫炉连续退火后铝带的晶粒相比较箱式炉退火更细且更加均匀，弯曲性能也好于箱式炉。

3.3 经气垫炉连续退火后铝带的表面质量有很大的提高

铝带表面没有残留的退火油斑和铝卷边部的粘接，这是因为在气垫炉连续退火线上铝带呈展开的方式，清洗除油比较干净。

3.4 冷却速度快

与箱式炉相比，FAST气垫式连续退火炉采用强力对流冷却，冷却速度快，大大缩短了冷却时间。冷却速度快也有利于控制晶粒的长大，形成综合性能好的细小晶粒。

3.5 减少双零箔的针孔度

对于0.006mm的双零铝箔，产生针孔是一个非常普遍的情况。针孔的产生除了与化学成分，如Si，Fe/Si,冶金质量（含H量，夹渣），板型等之外，金属的组织性能影响很大。从再结晶退火的角度讲，均匀的晶粒尺寸无疑是非常重要的。晶粒均匀变形协调，晶粒之间不会产生剪切应力，避免形成裂纹源。另一方面，在短时较高的温度下，会形成更多的α(AlFeSi)项，同时也会发生α(AlFeSi)向β(AlFeSi)的转化。而α(AlFeSi)是粒状的结构，是进一步铝箔轧制非常理想的结构。在FAST的后半段是强化空气冷却，随着温度的降低，Si也会从基体中脱溶，形成细小的质点，降低Si的硬化效应，从而减少针孔的产生。