CN102517526A

CN102517526A - 一种铝合金中厚板在线淬火方法及实施该方法的设备

Info

Publication number: CN102517526A
Application number: CN2012100090812A
Authority: CN
Inventors: 薛春江; 李周兵; 孟范明; 金玉成
Original assignee: Beris Engineering and Research Corp
Current assignee: Beris Engineering and Research Corp
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: CN102517526B

Abstract

本发明涉及一种铝合金中厚板在线淬火方法及实施该方法的设备，该在线淬火方法包括以下几个步骤：A补温：对经过热粗轧温度为350～430℃的铝板进行补温操作，将温度控制在450～550℃；B保温：对经过补温操作的铝板进行保温操作，保温时间30～100min；C在线淬火：对经过保温操作的铝板，或对热粗轧终轧温度＞450℃的铝板直接进行淬火操作，其中该淬火采用两段式冷却方式，在第一阶段将温度急冷至290℃以下，在第二阶段将温度快冷至200℃。该工艺省去了离线再加热工序，缩短工艺流程，节约了能源，降低了生产成本。

Description

一种铝合金中厚板在线淬火方法及实施该方法的设备

技术领域

本发明涉及一种铝合金中厚板在线淬火方法及实施该方法的设备。

背景技术

铝合金中厚板生产工艺包括以下流程：熔铸，均匀化处理，锯切铣面，加热，热轧，剪切，固溶热处理，淬火，预拉伸，时效，锯切，成品检验。

传统的铝合金中厚板淬火工艺需要通过铝板再加热固溶处理+淬火的工艺实现的。传统工艺采用离线主要是由于：1)固溶-淬火处理生产周期时间相比轧机生产能力而言太长，成为了整条生产线的生产瓶颈。2)需要一个中间库用以存放热轧板，从厂房布置上需要分离等。目前普遍使用的淬火方式为盐浴炉加热和空气炉加热两种方式。

(1)盐浴炉加热

1)盐浴炉加热流程：硝盐炉加热→冷水淬火→硝酸蚀洗→冷水清洗。

2)盐浴炉的特点是：设备结构简单，制造及生产成本低，易于温度控制；但安全性差，耗电量大，不易清理，常年处于高温状态，调温周期长。使用盐浴炉热处理具有加热速度快、温差小、温度准确等优点，充分满足了工艺对加热速度和温度精度的要求，对板材的力学性能提供了保证。缺点是：转移时间很难由人工准确地控制在理想范围内，有不确定的因素；在水中淬火时，完全靠板片与冷却水之间的热交换而自然冷却，形成了不均匀的冷却过程，使得淬火后的板材内部应力分布很不均匀；板材变形较大，在随后的精整过程中易造成表面擦、划伤等缺陷，并且不利于板材的矫平；盐浴加热时，板面与熔盐直接接触，板面形成较厚的氧化膜，在淬火后的蚀洗过程中很容易形成氧化色(俗称花脸)，影响表面的均一性。

(2)空气炉加热

1)空气炉淬火流程：空气加热室→高压冷水室→低压冷水室。

2)空气炉加热特点：空气炉的加热方式分为辊底式空气炉和吊挂式空气炉两种。目前国际上，最为先进的淬火加热炉型为辊底式空气淬火加热炉。用这种热处理炉生产铝合金淬火板，工艺过程简单、板材单片加热及单片冷却，可被均匀快速加热，冷却强度大、均匀性好，使得淬火板材具有优良的综合性能。缺点是相对盐浴炉而言加热过程升温时间相对较长，生产效率有所降低。

辊底式淬火炉是现有的设备，结构如图1所示，包括以下区域：装料辊道台1；固溶处理区2；前强冷淬火区3；后弱冷淬火区4；干燥区5；卸料辊道台6。其具备保温装置及淬火冷却装置，缺点是无法利用轧后余热，能源消耗大；相对老式的盐浴炉而言加热过程升温时间更长，生产效率低。

现有的铝合金型材的在线淬火方式，公开了利用挤压后余热进行淬火的方法，不存在保温操作和两段式冷却方式，型材在线淬火是基于铝合金型材生产时由于热挤压后温度本身较高，而且型材壁厚相比铝合金中厚板而言很薄，在淬火过程中更容易淬透。因此实现在线淬火工艺的设备控制较简单，无补温炉装置及较为复杂的两段式冷却方式，而且仅适用于特定的铝合金型材生产。

发明内容

针对传统的铝合金中厚板离线再加热淬火工艺，本发明提出了一种利用轧后余热进行在线直接淬火的新工艺。该工艺通过利用热轧余热和对淬火方式的改进，省去了传统的再加热固溶热处理和淬火的离线工艺的再加热固溶热处理过程，并将淬火装置跨接在主轧线上，既节省能源，又提高生产效率。

本工艺需要在铝板带热轧生产线上增设直接淬火装置。增加该直接淬火装置后，能够生产市场上大部分热处理可强化铝合金中厚板，铝板热轧终了后在轧制作业线上实现直接淬火。这种工艺有效地利用了轧后余热，有机地将变形与热处理工艺相结合，从而有效地改善铝板材的综合性能。该工艺省去了离线再加热工序，缩短工艺流程，节约了能源，降低了生产成本。因此，在线直接淬火工艺在铝合金中厚板生产中具有广阔的应用前景。

一方面，本发明提供的一种铝合金中厚板在线淬火方法，包括以下步骤：

A补温：对经过热粗轧终轧温度为350～430℃的铝板进行补温操作，将温度控制在450～550℃；

B保温：对经过补温操作的铝板进行保温操作，保温时间30～100min；

C在线淬火：对经过步骤A补温操作和步骤B保温操作的铝板，或者对热粗轧终轧温度＞450℃的铝板直接进行淬火操作，其中该淬火采用两段式冷却方式，在第一阶段将温度急冷至290℃以下，在第二阶段将温度快冷至200～260℃，优选快冷至230℃。

优选地，所述保温操作的保温时间根据铝合金厚板的类型进行选择。

优选地，所述步骤C的在线淬火操作，第一阶段采用水幕层流冷却，第二阶段采用压力水倾斜喷射冷却。

优选地，所述步骤C的在线淬火操作，所述水幕层流冷却和压力水倾斜喷射冷却的冷却速度均可根据铝合金中厚板的类型进行控制。

优选地，所述水幕层流冷却的最大冷却速度为350℃/sec，而压力水倾斜喷射冷却的最大冷却速度为300℃/sec。

优选地，所述补温和保温步骤的装置，采用横移式补温炉进行，该补温炉优选采用电加热补温炉。

优选地，所述在线淬火步骤的装置设置侧喷装置。

优选地，所述在线淬火步骤的装置，设置边部遮挡装置。

优选地，所述在线淬火步骤的装置之后，设置后冷却操作装置，优选通过高压风机对轧件继续进行风冷至出料温度。

优选地，所述在线淬火步骤的两段冷却装置，或后冷却步骤的装置之后，还包括干燥装置。

优选地，所述在线淬火方法的各装置与PLC系统连接，还包括流量阀及开关。

另一方面，本发明涉及实施铝合金中厚板在线淬火方法的专用设备，包括与热轧装置、重型剪依次连接的，可选的装置A和必选的装置B：A补温和保温装置；优选的，补温/保温装置可设置横移辊道，用于将铝合金板移入或移出补温/保温装置；

B在线淬火装置，其冷却装置分为两段，分别为水幕层流冷却装置和压力水倾斜喷射冷却装置。

优选地，所述补温和保温的装置，采用横移式补温炉进行，该补温炉优选采用电加热补温炉。

优选地，所述在线淬火的装置设置侧喷装置。

优选地，所述在线淬火的装置，设置边部遮挡装置。

优选地，所述在线淬火装置之后，设置后冷却装置，优选通过高压风机对轧件继续进行风冷至出料温度。

优选地，所述在线淬火的两段冷却装置，或后冷却装置之后，还包括干燥装置。

优选地，所述各装置与PLC系统连接，还包括流量阀及开关。

本发明的在线淬火工艺能够处理的铝合金板的品种与规格：

(1)处理合金品种：2xxx、6xxx、7xxx等热处理可强化铝合金。

(2)处理合金规格：

板材厚度：20～80mm

板材宽度：1000～3600mm

板材长度：最大27m

本发明不同于以往的热轧变形后，离线再加热淬火处理，有效利用了轧后余热，避免传统淬火工艺二次加热，节约能源，降低生产成本。设备设计方面增加了旁通辊道及补温炉，扩展了生产的合金品种范围和生产的灵活性。在线主淬火区设备冷却能力强且可实现精确调节控制。可最大限度满足不同铝合金淬火对冷却设备能力的要求。

附图说明

图1为现有技术的辊底式淬火炉的结构示意图，其中附图标记示意如下：1-装料辊道台；2-固溶处理区；3-前强冷淬火区；4-后弱冷淬火区；5-干燥区；6-卸料辊道台。

图2为本发明在线直接淬火工艺流程图。

图3为本发明的铝合金中厚板在线淬火设备示意图。其中，附图标记示意如下：1-热粗轧机；2-重型剪；3-横移辊道；4-横移式补温炉；5-主淬火段；6-后冷却段；7-干燥段；8-真空垛板装置；9-轻型剪。

具体实施方式

加热合格的铝合金铸锭出炉后在热粗轧机上经过多道次往复轧制后，达到要求的成品厚度。对于2xxx(Al-Cu)、6xxx(Al-Mg-Si)、7xxx(Al-Zn)等合金品种热处理可强化合金热粗轧终轧温度一般为350～430℃。

由于合金是在高温塑性变形条件下，高的位错密度的促进作用，将显著缩短合金元素的固溶时间，因此在补温至450～550℃，这些合金的保温时间，即固溶时间可为30～100min。

然而，部分对淬火冷却速度敏感的合金，例如6061合金，可考虑不进入补温炉加热补温操作，在适当提高该合金热轧终轧温度的的基础上，直接进行在线淬火操作。一般将这些合金的热粗轧终轧温度提高至450℃以上，则不需要经过补温，即可达到标准的要求。提高终轧温度一般可通过增加每道次轧制量，从而减少轧制道次的途径实现。需要说明的是，对淬火冷却速度敏感的合金并非不能按照先补温保温，再淬火的操作进行，而是考虑到效能的因素，其可通过提高终轧温度来直接进行淬火处理，如果对其采用先补温保温，再淬火的方法进行，其性能会得到进一步的提高。例如对于厚度较小的合金倾向于采用先补温保温，再淬火的方法进行，原因是厚度较薄时相对散热表面积大，温降快，其终轧温度不易提高到要求的温度。

对于需经补温炉补温的合金，经重型剪切去不规则头尾后，送入横移式补温炉内进行补温、保温。横移式补温炉一般情况下布置在热轧线之外，当需要进行补温时通过横移机构，将布置在重型剪出口的横移辊道进行替换。轧件装入补温炉后再通过横移机构移出轧线进行补温、保温。此时横移辊道重新移入热轧线进行下一块轧件的正常轧制。

当补温炉内轧件达到固溶处理所要求的温度和保温时间后，补温炉重新移回热轧线。轧件出炉后进入设置在补温炉下游的淬火区进行淬火处理。淬火完毕的板材经高温真空垛板装置吊出轧线进行进一步的预拉伸、时效等精整处理。

铝合金中厚板在线直接淬火工艺本质上是将热变形与后续热处理结合的一种形变热处理工艺。在高温塑性变形条件下，由于高的位错密度能够促进固溶过程，可以显著缩短合金元素的固溶时间，并扩大固溶温度范围。从工艺上具备可行性。

本发明的铝合金中厚板在线直接淬火设备根据工艺需要布置在热轧线重型剪2和轻型剪9之间，靠近重型剪出口布置。

如图3所示，本发明在线淬火设备主要由横移式补温炉4、主淬火段5组成，优选还包含以下几部分：后冷却段6，干燥段7。

所述的横移式补温炉4具有补温装置，设置横移装置，跨接在热轧装置出口。所述的横移式补温炉4的使用具有以下优点：缩短了加热时间，高速循环气体提供极高的换热系数，从而使补温时间大大缩短；具有更佳的温度均匀性，直接喷射高速热气流，利用铝良好的导热性使整个铝板的温度均匀性更佳；使质量更稳定，提高温度均匀性可缩短炉温与料温的时间差从而提高热处理质量。

所述主淬火段分成两段淬火区，其设置保证了淬火冷却的能力，并且可实现根据合金品种精确调节冷却速度。

主淬火区所有集管均上下对称分布，上部集管自上向下喷射，下部集管自下向上喷射，铝合金厚板在中间快速移动通过，每支集管都有一组阀门进行流量和开启控制。由于厚板上下表面的水量取决于板材的厚度及温差等因素，设计上下集管的流量和开闭均单独控制，喷嘴均采用变频水泵来实现水流密度的调节。从而实现辊道输送速度、喷嘴压力机水流密度的精确调节和匹配。

(1)第一冷却段

考虑减小铝合金中厚板在淬火过程中的翘曲问题，适当减小该区的冷却负荷，第一阶段急冷至290℃以下。轧后首先进行水幕冷却，冷却速度大，水幕冷却速度最大可达350℃/sec，此时耗水量最大约为上集管140m³/min，下集管350m³/min，而且易维护，冷却区短，但冷却速度调节范围较小。第一阶段(硬淬火系统)集管采用水幕冷却装置，集管的出水不是沿横向的一系列柱状水流，而是沿一狭长缝状出水口流出。保持了柱状层流低压水、大质量冲击冷却的优点，而且冷却区域宽，同时可以实现横向冷却均匀，所以冷却能力和均匀性大大提高。

(2)第二冷却段

第二阶段冷至200℃～260℃，该温度范围在铝合金淬火敏感温度以下，在该温度以下铝合金的组织性能不会发生明显降低，优选230℃。第二阶段采用喷射冷却，该方式冷却速度调节范围广，结构简单，维护方便，但存在冷却速度稍低和耗水量大的问题，冷却速度最大可达300℃/sec，喷射冷却最大耗水量2000-5000m³/min。从而实现互补，达到冷却效能的精确控制。第二阶段(软淬火系统)集管采用压力水倾斜喷射的快速冷却装置，以解决铝合金中厚板在冷却过程中的不稳定性。该方案避免了单纯喷射或层流冷却容易出现的膜沸腾和过度沸腾，尽力实现核沸腾，保证冷却的均匀性，提高冷却强度。该方式采取了带压力的冷却水、倾斜布置、喷嘴尽量靠近中厚板、冷却水向轧件运动方向实施喷射，该喷射压力水沿着轧件运动方向在板面流动，能有效地清除板材表面的水膜，从而实现轧件和新冷却水的全面接触，达到很高的冷却效率和冷却均匀性。对于热处理可强化铝合金而言，在固溶处理后的淬火阶段冷却效果越好越能更好的保持过饱和固溶状态，有益于下一阶段该合金的时效析出过程，改善合金的综合力学性能。

所述后冷却段6可设置在主淬火区5之后，通过高压风机对轧件继续进行风冷至100～150℃(120℃左右)的出料温度。对于出料温度并没有严格的限定，仅仅是为了后续存放的需要。

所述干燥段7设置在后冷却段6之后，利用气喷嘴槽将残留在铝板上的水吹走。

优选的，可在轧后主淬火段5辊道两侧装配一定数量的侧喷机构，用以打破冷却时厚板表面的蒸汽膜，进一步提高设备的冷却能力。

优选的，可在主淬火段5的每组上集管均设置一组边部遮挡装置，其作用为使冷却设备对厚板的横向提供均匀的冷却，防止厚板边部的过度冷却，保证铝板性能的均匀性。

优选的，本发明的淬火设备的全部热处理设定值和参数以及铝板的转移由PLC系统和所需的控制器和传感器控制。PLC系统可提供可视界面，完成生产数据的存储。

实施例1

以下述的实例详细叙述如下，然而，本领域技术人员应当理解的是，本发明的保护范围不应当局限于此。

以下实施例的所用的测定仪器均采用本领域常规仪器，按照相应标准进行。

加热合格的铝合金7075在热粗轧机1上经过多道次往复轧制后，达到20mm的成品厚度，终轧温度达到400℃，经重型剪2切去不规则头尾后，通过变换横移辊道3，送入横移式补温炉4内，以约2℃/min速度升温至465℃，保温30min。再通过变换横移辊道3进入热轧线，去主淬火段5进行两阶段淬火操作，第一阶段采用水幕冷却，冷却速度300℃/sec，冷却至290℃，第二阶段喷射冷却，冷却速度170℃/sec，冷却至200℃。两段冷却时设置侧喷装置进行辅助冷却，并设置边部遮挡装置，淬火后进入后冷却段6进行后冷却，通过高压风机对轧件进行风冷冷却至100℃，再进入干燥装置7进行干燥，板材经高温真空垛板装置8吊出轧线进行进一步的预拉伸、时效等精整处理，得到最终的合格产品。其中所有在线淬火方法用PLC系统传感控制多个流量阀和开关进行操控。

测定试验及结果：

拉力试验：

沿式样轴向施以平稳增加的单向静拉力，以测定其强度和塑形性能，显示金属材料在弹性和塑形变形时的应力和应变关系的一种力学性能试验方法。具体按照GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法执行。

硬度试验：

硬度是材料的一种综合力学性能指标，它是材料软硬程度的量度。硬度试验采用布氏硬度，具体按照GB/T231.1金属布氏硬度试验第1部分：试验方法执行。实验温度：25℃室温。

由上述试验测得本发明的实施例中7075合金的强度值为σ_0.2＝469MPa，σ_b＝538MPa；硬度值HB＝150，均合格。

实施例2

加热合格的铝合金2024在热粗轧机1上经过多道次往复轧制后，达到75mm的成品厚度，终轧温度达到430℃，经重型剪2切去不规则头尾后，通过变换横移辊道3，送入横移式补温炉4内，以约2℃/min速度升温至500℃，保温100min。再通过变换横移辊道3进入热轧线，去主淬火段5进行两阶段淬火操作，第一阶段采用水幕冷却，冷却速度240℃/sec，冷却至290℃，第二阶段喷射冷却，冷却速度150℃/sec，冷却至230℃。两段冷却时设置侧喷装置进行辅助冷却，并设置边部遮挡装置，淬火后进入后冷却段6进行后冷却，通过高压风机对轧件进行风冷冷却至150℃，再进入干燥装置7进行干燥，板材经高温真空垛板装置8吊出轧线进行进一步的预拉伸、时效等精整处理，得到最终的合格产品。其中所有在线淬火方法用PLC系统传感控制多个流量阀和开关进行操控。

测定结果：

由上述试验测得本发明的实施例中2024合金的强度值为σ_0.2＝345MPa，σ_b＝435MPa；硬度值HB＝120，均合格。

实施例3

加热合格的铝合金2219在热粗轧机1上经过多道次往复轧制后，达到50mm的成品厚度，终轧温度达到430℃，经重型剪2切去不规则头尾后，通过变换横移辊道3，送入横移式补温炉4内，以约2℃/min速度升温至540℃，保温60min。再通过变换横移辊道3进入热轧线，去主淬火段5进行两阶段淬火操作，第一阶段采用水幕冷却，冷却速度200℃/sec，冷却至290℃，第二阶段喷射冷却，冷却速度170℃/sec，冷却至260℃。两段冷却时设置侧喷装置进行辅助冷却，并设置边部遮挡装置，淬火后进入后冷却段6进行后冷却，通过高压风机对轧件进行风冷冷却至130℃，再进入干燥装置7进行干燥，板材经高温真空垛板装置8吊出轧线进行进一步的预拉伸、时效等精整处理，得到最终的合格产品。其中所有在线淬火方法用PLC系统传感控制多个流量阀和开关进行操控。

测定结果：

由上述试验测得本发明的实施例中2219合金的强度值为σ_0.2＝250MPa，σ_b＝370MPa；硬度值HB＝130，均合格。

实施例4

加热合格的铝合金6061在热粗轧机1上经过多道次往复轧制后，达到50mm的成品厚度，终轧温度达到470℃，直接去主淬火段5进行两阶段淬火操作，第一阶段采用水幕冷却，冷却速度200℃/sec，冷却至290℃，第二阶段喷射冷却，冷却速度100℃/sec，冷却至200℃。两段冷却时设置侧喷装置进行辅助冷却，并设置边部遮挡装置，淬火后进入后冷却段6进行后冷却，通过高压风机对轧件进行风冷冷却至100℃，再进入干燥装置7进行干燥，板材经高温真空垛板装置8吊出轧线进行进一步的预拉伸、时效等精整处理，得到最终的合格产品。其中所有在线淬火方法用PLC系统传感控制多个流量阀和开关进行操控。

测定结果：

由上述试验测得本发明的实施例中6061合金的强度值为σ_0.2＝190MPa，σ_b＝245MPa；硬度值HB＝85，均合格。

有上述试验结果可以看出，本发明的方法利用了热轧余热，节省了工序，从而节约能源，降低生产成本，所制备的合金仍符合现有标准。

实施例5

加热合格的铝合金6061在热粗轧机1上经过多道次往复轧制后，达到50mm的成品厚度，终轧温度达到430℃，经重型剪2切去不规则头尾后，通过变换横移辊道3，送入横移式补温炉4内，以约2℃/min速度升温至530℃，保温60min。再通过变换横移辊道3去主淬火段5进行两阶段淬火操作，第一阶段采用水幕冷却，冷却速度170℃/sec，冷却至290℃，第二阶段喷射冷却，冷却速度100℃/sec，冷却至200℃。两段冷却时设置侧喷装置进行辅助冷却，并设置边部遮挡装置，淬火后进入后冷却段6进行后冷却，通过高压风机对轧件进行风冷冷却至100℃，再进入干燥装置7进行干燥，板材经高温真空垛板装置8吊出轧线进行进一步的预拉伸、时效等精整处理，得到最终的合格产品。其中所有在线淬火方法用PLC系统传感控制多个流量阀和开关进行操控。

测定结果：

由上述试验测得本发明的实施例中6061合金的强度值为σ_0.2＝207MPa，σ_b＝251MPa；硬度值HB＝90，均合格。

由实施例4和5的比较可知，淬火冷却速度敏感的合金，通过先补温保温后，再淬火的方法处理后，能够进一步提高其性能。

Claims

1.一种铝合金中厚板在线淬火方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的在线淬火方法，其特征在于，所述保温操作的保温时间根据铝合金厚板的类型进行选择。

3.如权利要求1或2所述的在线淬火方法，其特征在于，所述步骤C的在线淬火操作，第一阶段采用水幕层流冷却，第二阶段采用压力水倾斜喷射冷却。

4.如权利要求3所述的在线淬火方法，其特征在于，所述步骤C的在线淬火操作，所述水幕层流冷却和压力水倾斜喷射冷却的冷却速度均可根据铝合金中厚板的类型进行控制。

5.如权利要求3或4所述的在线淬火方法，其特征在于，所述水幕层流冷却的最大冷却速度为350℃/sec，而压力水倾斜喷射冷却的最大冷却速度为300℃/sec。

6.实施如权利要求3～5任一项的铝合金中厚板在线淬火方法所使用的专用设备，包括与热轧装置、重型剪依次连接的，可选的装置A和必选的装置B：

A补温和保温装置；优选的，补温/保温装置设置横移辊道，用于将铝合金板移入或移出补温/保温装置；

7.如权利要求1～5所述的方法或权利要求6所述的设备，其特征在于，所述补温和保温的装置，采用横移式补温炉进行，该补温炉优选采用电加热补温炉。

8.如权利要求1～5任一项所述的方法或权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述在线淬火的装置设置侧喷装置。

9.如权利要求1～5任一项所述的方法或权利要求6～8任一项所述的设备，其特征在于，所述在线淬火的装置，设置边部遮挡装置。

10.如权利要求1～5任一项所述的方法或权利要求6～9任一项所述的设备，其特征在于，所述在线淬火装置之后，设置后冷却装置，优选通过高压风机对轧件继续进行风冷至出料温度。

11.如权利要求1～5任一项所述的方法或权利要求6～10任一项所述的设备，其特征在于，所述在线淬火的两段冷却装置，或后冷却装置之后，还包括干燥装置。

12.如权利要求1～5任一项所述的方法或权利要求6～11任一项所述的设备，其特征在于，所述各装置与PLC系统连接，还包括流量阀及开关。