周 勁，趙曉陽(yáng)

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

目前鋁廠常見(jiàn)的退火方式有連續(xù)式氣墊爐及箱式爐卷式退火兩種方式。氣墊爐退火存在以下幾個(gè)問(wèn)題：投入成本過(guò)高；老式軋機(jī)軋制的卷材板形較差在退火時(shí)會(huì)造成表面擦傷；熱處理可強(qiáng)化合金采用氣墊爐退火會(huì)存在空淬效應(yīng)等。而箱式爐由于其投入成本較少，且能耗相較于氣墊爐低很多，故采用箱式爐進(jìn)行卷材退火仍是鋁合金加工企業(yè)的一種不可或缺的主要方式[1]。

但在傳統(tǒng)的箱式爐退火方式中，將鋁卷放置于鞍座上送入爐中退火，容易在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生退火粘傷[2]，致使卷材表面嚴(yán)重?fù)p傷，產(chǎn)生大量粘傷廢品，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整卷報(bào)廢。

因此，為解決上述問(wèn)題，同時(shí)適應(yīng)多規(guī)格、高合金化的生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)大量試驗(yàn)，我們制定了多種措施，最大程度地減少上述缺陷的出現(xiàn)。

1 退火粘傷的主要分類及形成機(jī)理

目前箱式爐卷式退火的問(wèn)題主要集中在對(duì)表面質(zhì)量的影響。鋁卷在箱式爐退火時(shí)沿寬度方向是對(duì)稱的，鋁卷邊界的熱交換可用以下公式表示[3]。

式中，HRi、HR0為鋁卷內(nèi)徑壁、外徑壁表面的局部熱流，W/m2；H0、Hw為鋁卷邊部下表面、上表面的局部熱流，W/m2；hRi、hR0為鋁卷內(nèi)、外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2?℃）；h0、hw為鋁卷邊部下表面、上表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2?℃）；Tg、Ts為保護(hù)氣體、鋁卷溫度，℃。

粘傷是指在傳統(tǒng)的箱式爐退火方式下，氧化鋁粉形成致密的氧化物薄膜不容易被還原，在一定的溫度和壓力下，會(huì)向卷緊的鋁卷上下表面擴(kuò)散融合，從而發(fā)生粘傷、焊合等現(xiàn)象。鋁卷在升溫的過(guò)程中，鋁卷中部受熱慢，而內(nèi)外層在外部高溫的影響下溫度一致，但內(nèi)層膨脹與鋁卷中部產(chǎn)生溫度差，產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力大于鋁卷塑性變形能力時(shí)，鋁卷層與層之間就會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力。此時(shí)在一定的熱應(yīng)力、卷取張力及溫度下，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力及其氧化鋁粉的擴(kuò)散融合就滿足了擴(kuò)散融合的條件，粘傷就產(chǎn)生了。圖1所示為箱式爐鋁卷退火溫度與時(shí)間的關(guān)系圖。

圖1 箱式爐退火方式鋁卷退火溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

高溫卷式退火時(shí)卷材表面極容易因板間或帶材卷層間粘連造成板、帶表面的粘傷。粘傷主要有3類：點(diǎn)狀粘傷、橫條狀粘傷及團(tuán)狀粘傷，其形貌分別如圖2所示。

圖2 不同粘傷缺陷形貌圖

1.1 點(diǎn)狀粘傷的形成機(jī)理

點(diǎn)狀粘傷的成形主要有以下兩個(gè)方面的原因：

（1）由于鋼套在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中外表可能附著鋁渣或其他殘留物導(dǎo)致表面不平整。冷軋卷取時(shí)使用了此種鋼套后，盡管此時(shí)材料處于加工硬化狀態(tài)，不會(huì)立刻造成表面損傷，但當(dāng)退火后，材料性能大幅度下降，該點(diǎn)壓應(yīng)力較大，導(dǎo)致該凸出部分最終擴(kuò)散到外圈在鋁卷表面引起粘連，造成點(diǎn)狀粘傷[4]。

（2）為防止鋁卷松卷使用鋼帶打捆時(shí)，打捆過(guò)于緊實(shí)。高溫退火時(shí)由于內(nèi)層膨脹與鋁卷中部產(chǎn)生溫度差，產(chǎn)生熱應(yīng)力，所以在該位置受力較大從而產(chǎn)生壓應(yīng)力，導(dǎo)致最終由外而內(nèi)在鋁卷表面引起粘連，造成點(diǎn)狀粘傷。

另一方面，從圖3所示的鋁卷開(kāi)始冷卻時(shí)內(nèi)外圈鋁卷膨脹收縮情況看出，由于鋁卷的外圈在一定的溫度差的影響下，引起的熱應(yīng)力數(shù)值并不是很大，此時(shí)鋁卷的卷取張力超過(guò)一定的范圍，在熱應(yīng)力和卷曲張力的聯(lián)合影響下，粘傷產(chǎn)生的趨勢(shì)會(huì)增加，產(chǎn)生的區(qū)域在鋁卷中部靠近內(nèi)側(cè)的區(qū)域。在退火冷卻初期，鋁卷的外圈內(nèi)外層收縮、中部膨脹，此時(shí)鋁卷的外圈由于溫度差受熱變形而導(dǎo)致產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響巨大，粘傷很容易產(chǎn)生[5]。

圖3 鋁卷開(kāi)始冷卻時(shí)內(nèi)外圈鋁卷膨脹收縮

1.2 橫條狀粘傷的形成機(jī)理

此種粘傷主要是因內(nèi)圈鋼套在卷材退火時(shí)長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下使用致使鋼套變形所致。卷取后卷材變形處受力較大，且卷材在高溫退火時(shí)由于材料軟化，導(dǎo)致該部位局部受力增大，最終擴(kuò)散到外圈，造成層與層之間粘連，形成粘傷。

1.3 團(tuán)狀粘傷的形成機(jī)理

（1）卷材高溫退火后在吊運(yùn)落入鞍座的過(guò)程中由于下降較快，沖擊力過(guò)大，而鞍座本身不平，加上高溫狀態(tài)下材料自身強(qiáng)度較低，導(dǎo)致沖擊部位受力過(guò)大，最后致使鋁卷中間部位產(chǎn)生由外到內(nèi)的團(tuán)狀粘傷。

（2）卷材內(nèi)圈頭尾不良較多。在一定的卷取張力下，因板形不良使得該部分的卷取張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際控制的卷取張力，點(diǎn)與點(diǎn)的結(jié)合更加緊密。并且板形不良部分對(duì)于因溫度差而引起的熱應(yīng)力影響也大大突出，由于鋁卷中部的溫度變化要慢于內(nèi)外層及端部，所以容易產(chǎn)生團(tuán)狀粘傷[6]。

2 預(yù)防退火粘傷的措施

2.1 解決點(diǎn)狀粘傷的措施

（1）必須定期檢查鋼套表面光潔程度、套筒的變形情況，發(fā)現(xiàn)表面有凸出物時(shí)進(jìn)行打磨，將凸出部分打磨平整。

（2）對(duì)于套筒的變形，較輕微的變形可進(jìn)行機(jī)加工，將套筒外表面加工至圓形，變形嚴(yán)重的應(yīng)當(dāng)作廢品處理。

2.2 解決橫條狀粘傷的措施

（1）改進(jìn)高溫退火時(shí)卷材的放置方式，獨(dú)創(chuàng)“懸空退火”：即，將用于懸空退火的專用鋼架用鋼絲繩吊放在裝料料架上，并擺正，然后根據(jù)要退火卷材的內(nèi)徑大小選擇與之對(duì)應(yīng)的懸空橫梁。對(duì)于鋼套長(zhǎng)度小于懸空料架寬度的鋁卷，使用天車吊具將懸空橫梁穿過(guò)鋼套內(nèi)，然后將懸空橫梁與鋁卷一起吊起，放置在鋼架卡槽內(nèi)；鋼套長(zhǎng)度大于鋼架寬度的卷材可直接吊放在料架相應(yīng)的卡槽位置內(nèi)，以防掉落。

（2）鋁卷退火出爐后需放置在專用冷卻鋼架上，待冷卻至室溫后方可轉(zhuǎn)運(yùn)和進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)。退火時(shí)必須使用專用料架懸空擱置卷材。冷卻時(shí)必須使用專用鋼架，以防止鋁卷懸空放置時(shí)晃動(dòng)所帶來(lái)的橫梁位移。

（3）要求進(jìn)行“懸空退火”的鋁卷必須切至成品寬度。完成高溫退火后，要隨爐冷卻至一定溫度以下才能出爐。出爐后必須轉(zhuǎn)移至專用懸空料架進(jìn)行放置，待鋁卷冷卻至室溫才能轉(zhuǎn)移到鞍座上。

2.3 解決團(tuán)狀粘傷措施

（1）卷材裝爐吊運(yùn)及出爐吊運(yùn)時(shí)地面必須有專人掌扶吊具，以確保吊具端頭不會(huì)損傷卷材端面。當(dāng)?shù)踹\(yùn)至鞍座下落時(shí)，地面須有專人指揮下落，防止因下落速度過(guò)快，鋁卷與鞍座撞擊導(dǎo)致表面產(chǎn)生損傷。

（2）上工序卷取時(shí)要注意控制頭尾板形質(zhì)量，要將卷材內(nèi)外圈頭尾不良部分切除干凈，盡量避免由于頭尾板形嚴(yán)重不良所形成的應(yīng)力集中點(diǎn)擴(kuò)散到外圈產(chǎn)生粘傷。在難以控制板形的情況下，盡量使進(jìn)入箱式爐退火的鋁卷保持雙邊浪。

3 效果對(duì)比

通過(guò)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的卷式退火方式，“懸空退火”方式極好地解決了退火粘傷問(wèn)題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，自從使用“懸空退火”以來(lái)，截至目前為止未再發(fā)生過(guò)由于退火粘傷造成的整卷報(bào)廢問(wèn)題，減少了大量的粘傷廢品。

圖4 為某鋁廠近5年來(lái)由于粘傷產(chǎn)生的廢品量的統(tǒng)計(jì)。從圖4中可以看出，從2017年開(kāi)始，由于“懸空退火”的廣泛使用，極好地解決了各類粘傷中的退火粘傷問(wèn)題，各類粘傷所產(chǎn)生的廢品已經(jīng)由2016年的最高峰246.1 t降至2019年73.9 t，節(jié)省了172.2 t的成品出來(lái)。這其中，因退火粘傷造成的廢品基本降至零。

圖4 2015-2019年粘傷廢品重量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)卷材退火前的卷取方式及退火時(shí)卷材放置方式，解決了長(zhǎng)期困擾的退火粘傷問(wèn)題，成品率提高，成本大幅下降。實(shí)踐應(yīng)用證明，懸空退火方式有著良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。