前 言

鋁合金圓鑄錠在鑄造過程中通常會產(chǎn)生晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和形成粗大金屬間化合物，鋁基體中固溶的主要合金元素也處于過飽和狀態(tài)鑄錠有很強的內(nèi)應(yīng)力。均勻化熱處理就是為了消除這些非平衡結(jié)晶，使偏析和富集在晶界和枝晶網(wǎng)絡(luò)上的可溶解金屬間化合物發(fā)生溶解，使固溶體濃度沿晶?；蛘麄€枝晶均勻一致，消除內(nèi)應(yīng)力。由此可見，圓鑄錠均熱爐是鋁型材生產(chǎn)過程中非常重要的熱處理設(shè)備。

一、均熱爐爐型

目前國內(nèi)外使用的圓鑄棒均熱爐大概有地坑式(圖1)、臺車式(圖2)和連續(xù)式(圖3)三種^[1][2]。

圖1 地坑式均熱爐

圖2 臺車式均熱爐

圖3 連續(xù)式均熱爐

采用電阻絲加熱的地坑對流式均熱爐的占地面積較小，溫度均勻性較好(溫差可達到±3℃)，熱效率較高(約288kWh/tAl)，鑄棒表面也不會產(chǎn)生過度氧化；但它的升溫時間較長、生產(chǎn)效率不高(約1.2t/h)^[1]，對均熱保溫后需要采用快速冷卻的鋁合金圓鑄棒的均熱適應(yīng)性較差。因此這種爐型目前多用在合金品種繁多的硬合金的均熱處理上。

臺車式(也有稱批次式的)均熱爐除了加熱爐外，一般還配備有相應(yīng)的冷卻室、三維裝卸料車和備料臺，占地面積稍大，多以氣體或液體燃料做熱源對鑄棒進行直接加熱，采用交流變頻調(diào)速風機進行熱氣體循環(huán)加熱，可調(diào)整風機速度，使鑄錠升溫曲線與設(shè)定工藝曲線一致(即鑄錠升溫曲線可調(diào))，具有產(chǎn)能大、熱效率較高(一般多在245-295kWh/tAl之間)、對合金均熱的適應(yīng)性較強的特點，溫差可達±5℃^[3]；但受垛料方式的影響，加熱過程中位于料垛邊緣和中部的鑄錠升溫曲線不同，冷卻過程中鑄錠的冷卻曲線也不同，從而不能做到真正意義上的均勻化，而且在堆垛或冷卻不良時易產(chǎn)生壓坑和鑄錠彎曲。目前這種爐型普遍應(yīng)用于國內(nèi)的圓鑄棒生產(chǎn)企業(yè)。

連續(xù)式均熱爐是上世紀80年代初首先由奧地利G·Hertwich等人開發(fā)出的一種新爐型^[4]，這種爐型使每一根鑄錠經(jīng)過加熱室保溫室后，馬上由傳送裝置送至冷卻室，處理完的鑄錠可以直接送至鋸床，實現(xiàn)均熱和鋸切工序的連續(xù)化和自動化。這種爐型雖然占地面積較大，設(shè)備初投資較高，但用于合金種類較為單一的大批量中等規(guī)格鋁合金圓鑄錠的均勻化處理時，具有產(chǎn)能大(約3-8萬噸/臺?年)、能耗低(在以580℃/3h制度處理時約200kWh/tAl)、溫差小(±5℃)、鑄錠組織更為均勻一致、對鑄錠原有中等和輕微彎曲有自行校直等優(yōu)點^[4、5]。目前國內(nèi)已有焦作萬方、貴州鋁廠、連城鋁業(yè)和廣東興發(fā)等廠家在使用這種爐型進行均熱處理。但據(jù)筆者對其中兩家的了解，焦作萬方引進韓國東辛爐公司的連續(xù)式加熱爐的使用并不理想，噸鋁能耗一度高達70m³(天然氣)/t，這其中除了生產(chǎn)原因和工藝制度的原因外，該設(shè)備沒有采用余熱利用措施以及頻繁維修也是重要的原因。而國內(nèi)珠江電爐廠為廣東興發(fā)制造的連續(xù)式均熱爐使用效果相對要好一些，全部用于處理6063小規(guī)格圓鑄棒時的年產(chǎn)量約3萬噸，能耗約為45m³(天然氣)/t(相當于440kWh/t)。從以上情況可以看出，目前國內(nèi)在設(shè)計、制造和使用連續(xù)式均熱爐方面還缺乏成熟的經(jīng)驗。

二、爐子的生產(chǎn)效率和升溫能力

爐子生產(chǎn)率=裝爐量/工藝時間。顯然，爐子容量(裝爐有效尺寸)越大，工藝時間越短，則生產(chǎn)率越高，單位產(chǎn)量能耗也會下降。根據(jù)熔煉-鑄造機組的配置，為了與2臺25噸的熔煉鑄造機組相匹配，我們選用了50噸的均熱-冷卻爐組。加熱爐的工藝時間一般由裝料、出料時間，升溫時間，保溫時間和冷卻時間四部分組成。通常，裝料、出料時間由三維車及爐組空間布置決定，保溫時間和冷卻時間由合金類型和工藝制度決定，而金屬的升溫時間則主要取決于爐子的升溫能力。

鋁合金由于具有良好的導(dǎo)熱性，在不發(fā)生共晶溶解的前提下，一般鑄棒的升溫速度應(yīng)該快一些好，以提高生產(chǎn)效率和降低能耗。加熱速度對鋁合金共晶溶解的影響見表1^[6]。由表可見，對于6系合金，即使加熱速度達到660℃/h，也不會發(fā)生共晶溶解現(xiàn)象，而對于7系和5系合金，則對加熱速度應(yīng)加以控制?？紤]到我司擬建熔鑄車間的具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)能搭配要求，我們對均熱爐供應(yīng)商提出了每爐滿載時爐膛從室溫加熱升溫到鑄棒表面溫度585℃的時間不大于3小時的升溫速度要求。

表1  加熱速度對各種鋁合金共晶溶解的影響

在鑄棒擺放方式一定的前提下，爐子對金屬的升溫能力主要與燒嘴的功率以及循環(huán)風機的風量和風速有關(guān)，一般情況下，燒嘴的功率越大，加溫能力越好，循環(huán)風速越大，與鋁棒的換熱能力越強，爐子的升溫速度越快。

三、溫度均勻性問題

溫度均勻性指爐內(nèi)加熱的每根鑄棒的溫度一致性、同根鑄棒長度方向的溫度均一性及一根鑄棒表面和中心的溫度差，這是采用臺車式均熱爐最核心的問題。鋁合金均勻化熱處理的溫度誤差范圍一般應(yīng)控制在±5℃以內(nèi)，對特殊用途合金規(guī)格應(yīng)控制在±3℃以內(nèi)。目前控制爐內(nèi)每根鑄棒溫差的主要措施大致有：1)合理設(shè)計循環(huán)風機的風向、風量以及安裝位置；2)合理設(shè)計均流板，盡可能把熱風均勻分布到整個爐內(nèi)需要的地方；3)合理設(shè)計鋁棒的堆放方式，使其與爐子的熱風循環(huán)方式搭配起來，讓各個位置的鑄棒都能均勻受熱。這些措施的最終目的是調(diào)整爐內(nèi)各點的氣流速度一致，當爐內(nèi)局部流速偏差高出某一設(shè)定值(如10%)時，則均勻化處理就不能保持最佳的加熱時間，導(dǎo)致時間延長。長度方向的溫差主要靠燃燒區(qū)的設(shè)置來解決，通常對于6.5米長度的鑄棒，一般不低于3區(qū)，且區(qū)間溫度偏差應(yīng)不大于10℃。由于鋁合金的導(dǎo)熱性好，鑄棒表面和中心的溫差在保溫時間內(nèi)一般都會達到工藝要求(見圖4)。

圖4  鋁合金在500℃下保溫時，鑄塊表面和中心溫差隨時間的變化^[7]

目前國內(nèi)臺車式均熱爐的結(jié)構(gòu)大體可分為熱風側(cè)循環(huán)(見圖5(a)、(b)，其中，(a)循環(huán)風機安裝在爐側(cè)，(b)循環(huán)風機安裝在爐頂)和熱風豎直循環(huán)(見圖5(c))兩類。

(a)風機側(cè)裝型

(b)風機頂裝型

(c)風機頂裝型

圖5 臺車式均熱爐結(jié)構(gòu)類型及熱風循環(huán)方式

理論上采用側(cè)風循環(huán)方式，當氣流方向可逆變換時，爐溫均勻性似乎應(yīng)當比氣流方向不變時要好一些，但新長光熱能科技有限公司在長期實踐中發(fā)現(xiàn)，當每層鋁圓鑄錠的總寬度小于2200mm時，采用離心風機單側(cè)固定循環(huán)方式所造成的料垛兩邊的溫差△t₂要小于采用軸流風機可逆變向循環(huán)方式所造成的料垛邊緣和中部鑄錠的溫差△t₁^[8]。因此，國內(nèi)目前采用的側(cè)風循環(huán)式均熱爐大多是氣流方向固定不變的，很少采用雙向或可逆氣流。但也有不同看法。另外，目前采用的棒壓棒的布料方式很容易造成鑄棒表面壓傷和彎曲。

氣流豎直循環(huán)式均熱爐具有風機的安裝比較方便，風機選型的自由度較大的優(yōu)點，從西北某廠和東北某廠的實踐看，該爐型所顯示的溫度均勻性較好。但也有研究者認為，這種循環(huán)方式的氣流均布性不好，造成鑄錠的均熱時間較長；為配合氣流均布循環(huán)，需在鑄錠間布置豎直通道，這樣增加了鑄錠布置的難度^[8]。

四、冷卻室

鑄棒均勻化處理后的冷卻速度對鑄錠的顯微組織和爾后的擠壓性能及型材最終的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。均勻化后當鑄錠慢冷時，鋁與銅、鎂、鋅、硅的固溶體的分解來得及進行，合金具有較高的塑性，并可能在較小的單位壓力和較高速度的條件下進行擠壓。但是，均勻化后鑄錠慢冷時析出的粗大強化相可能降低擠壓制品的機械性能，特別是相對延伸率的大小。因為這些粗大強化相在爾后鑄棒加熱時難以完全溶解，不僅減小了時效強化效應(yīng)，還使擠壓時易形成帶狀、片狀組織，并對陽極氧化著色處理時的色調(diào)產(chǎn)生影響。如果鑄棒冷卻太快，則會產(chǎn)生淬火效應(yīng)，雖然組織更加均勻，再結(jié)晶溫度提高，生產(chǎn)的半制品具有更高的機械性能，但會導(dǎo)致合金變形抗力增加，擠壓生產(chǎn)效率大為降低。因此冷卻室的主要功能就是要保證鑄棒的冷卻速度可調(diào)并達到均勻一致，以控制各種合金的析出物大小，以滿足擠壓的要求。

美國鋁業(yè)公司發(fā)布的Al-Mg-Si合金Mg₂Si析出的T-T-T曲線如圖6所示。顯然，由于擠壓設(shè)備和擠壓產(chǎn)品質(zhì)量特征的重點是多樣化的，因而擠壓工藝技術(shù)沒有統(tǒng)一的標準，同樣均勻化和爾后的冷卻既沒有也很難作出統(tǒng)一的規(guī)定。

圖6 Al-Mg-Si合金中Mg₂Si析出的T-T-T曲線

對于采用電感應(yīng)加熱的鑄棒，要求其均勻化冷卻過程中析出細小彌散的粒子，以使其在加熱時不能完全溶解，而卻能在擠壓時溫度變化的瞬間內(nèi)發(fā)生完全固溶。因此，其冷卻制度應(yīng)符合圖6中階段式冷卻曲線的要求(即在585-400℃溫度區(qū)間，冷卻速度應(yīng)不小于10℃/min)，以使鑄棒盡快冷卻到400-350℃的臨界范圍之下。

受鑄棒排布方式的制約，臺車式均熱-冷卻爐組最難處理的是鑄棒的均勻冷卻問題。目前，國內(nèi)廣泛采用的冷卻室典型結(jié)構(gòu)類型見圖7，其中圖7(a)是單向側(cè)吹冷卻，水霧噴頭安裝在室內(nèi)上部和吸風口對側(cè)，一般采用離心風機設(shè)置2-3個冷卻區(qū)，顯然，這種結(jié)構(gòu)類型存在冷卻不均、能耗高的缺點。圖7(b)是雙向側(cè)吹冷卻(也有同時在爐門端設(shè)置冷卻風機的，此時，排氣口開在爐頂)，氣流從爐頂排出，水霧噴頭安裝在除底面外的三面，一般采用軸流風機，每邊風機數(shù)從4臺到10臺不等。與單側(cè)吹風相比較，這種結(jié)構(gòu)的能耗低，鑄棒冷卻相對均勻。但具體冷卻速度和分布數(shù)據(jù)至今未見有關(guān)報道。

(a)單向吹風冷卻

(b)雙向吹風冷卻

圖7 冷卻室結(jié)構(gòu)類型

六、結(jié)束語

均勻化熱處理是變形鋁合金生產(chǎn)工藝中重要的工序，對產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。本文對鋁合金圓鑄錠均熱爐的選型要點進行了簡要介紹。均熱-冷卻爐組是變形鋁合金鑄棒生產(chǎn)中關(guān)鍵的設(shè)備之一，本文僅簡略的敘述了我們在該設(shè)備選型過程中的一些體會，還有諸如能源選擇、溫度控制、燃燒控制、備料臺的裝料方式、廢氣排放等許多問題沒有涉及?？偟目?，在設(shè)備設(shè)計制造及生產(chǎn)應(yīng)用方面還存在一些不相適應(yīng)的問題，在進行設(shè)備選型時應(yīng)綜合考慮各個因素，在合適的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、合適的工藝制度下選擇合適的爐型。