CN103436747B

CN103436747B - 热交换翅板用高塑性铝合金及其加工工艺

Info

Publication number: CN103436747B
Application number: CN201310340126.9A
Authority: CN
Inventors: 白杰; 黄善球; 范文慧; 朱东年; 李跃初; 任志峰; 曾荣华
Original assignee: Jiangyin Xinren Technology Co Ltd
Current assignee: Xinjiang production and Construction Corps eighth division Tianshan aluminum Limited by Share Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: CN103436747A

Abstract

本发明涉及一种热交换翅板用高塑性铝合金其含有的元素质量分数：0.05～0.10wt%的硅、0.55～0.60wt%的铁、0.08～0.15wt%的铜、小于等于0.01的锰、小于等于0.01的锌、小于等于0.01的镁、小于等于0.03wt%的钛和不可避免的杂质，余量为铝；其中Fe的含量为Si含量的6倍以上。其采用连续铸轧→冷轧生产工艺，并采用中间高温均匀化退火技术，制得的热交换翅板用高塑性铝合金，延展性好。

Description

热交换翅板用高塑性铝合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及铝合金材料及铝合金板材的加工工艺，具体涉及一种热交换翅板用高塑性铝合金及其加工工艺。

背景技术

进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。目前，我国换热器产业的市场规模大概为360亿人民币。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。预计2013年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10～15％左右的速度增长。到2015年，我国换热器产业规模将突破880亿元；到2020年我国换热器产业规模有望达到1500亿元。

热交换器(Heatexchanger)是将两种不同性质的热或冷的流体介质,输送到两个不同界面温度专门板(或管)的间壁,通过导热和对流来实现热冷交换的装置。

通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体便组成板束，板束是板翅式换热器的核心，配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。

铝制板翅式热交换器是在数层平金属板之间紧密地放置波纹状的金属导热翅片，并在每一层的四周加上封条，于温度近600℃的盐溶液炉中整体铅焊而成。铝具有良好的低温性能、重量又轻，故铝制板翅式换热器特别适用于制氧、乙烯和氦液化等深低温设备，也可用于动力装置中。铝制板翅式换热器一般用于设计压力小于6.3兆帕、设计温度为+200～-270℃的场合。翅片的主要作用是强化传热，也有增强两金属板强度的作用，在这种热交换器中相邻两通道之间的热交换，一部分通过平板传递热量，但绝大部分热量是通过波纹翅中传递的，因为平板之间均有波纹翅片，因而大大增加了传热面积，所以它的单位体积内的传热面积比一般管式热交换器大10倍以上，达到4000～5000m2/m3。通过各通道之间的不同组合，可得到逆流、错流等形式的热交换器。它具有单位体积传热面积大、传热效率高、流体阻力小、热容量小、结构紧凑及同时允许几种介质进行热交换等优点。

热交换翅板用高塑性铝合金要求含铝量99.0%以上的变形铝合金。不可热处理强化；强度较低，但具有良好的延展性，成形性、焊接性和耐蚀性；阳极氧化后可进一步提高其耐蚀性，同时获得美观的表面。现有的铝合金板材均达不到要求。

发明内容

本发明的目的之一在于克服上述不足，提供一种具有良好的延展性的热交换翅板用高塑性铝合金材料。

本发明的目的之二在于提供一种具有良好的延展性的热交换翅板用高塑性铝合金的加工工艺。

本发明的目的是这样实现的：

一种热交换翅板用高塑性铝合金，其质量分数如下表：

本发明合金中对元素要求范围窄，Si的含量控制很严，因为Si是有害杂质，它不仅严重危害铝的电性能，同时有导致热裂和加工裂纹倾向。铝中的另一杂质Fe，由于它可以与Si生成化合物，形成α（Al₁₂Te₃Si2）相和β（Al₉Te₃Si2）相，可以在一定程度上抑制Si的有害作用。因此，铝合金中Si、Fe的含量都有严格要求，限制Si小于0.08%，Fe的含量应该为Si的6倍以上。

本发明纯铝中添加少量铜元素，具有极佳的成形加工特性、高耐腐蚀性、良好的焊接性和导电性，良好的高抗蚀性，完全满足高塑合金热交换翅板性能要求。

其中优选的技术方案是，所述铝合金中含有0.05～0.08wt%的硅、0.55～0.60wt%的铁、0.08～0.12wt%的铜、小于等于0.01的锰、锌、镁、小于等于0.03wt%的钛和不可避免的杂质，其余含量为≥99.70%铝。

本发明还提供了一种热交换翅板用高塑性铝合金的加工工艺，所述工艺包括如下加工步骤：

坯料生产优选连续铸轧工艺，其特征在于，在所述轧铸区内通过铸轧机铸嘴，所述熔体流向两个相向转动且内部通有循环冷却水的铸轧辊。铝带坯连续铸轧是一种低投入、低成本、节能型的短流程生产工艺。所述工艺包括如下加工步骤：

S1：配料，按权1或2所述的配比将原料配置好；

S2：熔炼，将上述比例备好的炉料加入到火焰反射炉中，熔化并升温，温度达到750～760℃时分析并调整成份，然后进行N气喷粉精炼，时间15～20分钟、永磁搅拌20分钟、扒渣、调温，得到铝合金熔体；

S3：静置炉精炼，炉温温度控制在730～740℃，将铝合金熔体转注至静置炉静置10分钟后再精炼，精炼时间10～15min；

S4：晶粒细化，在除气箱入口加入铝钛硼细化剂进行晶粒细化，加入量为2kg～3kg/吨铝；

S5：在线除气除渣，将铝合金熔体通过除气箱内的氮气精炼排除杂质气体，并且每隔两小时扒渣一次；

S6：过滤除渣，将铝合金熔体经过滤箱，用双通道双级陶瓷过滤板进行过滤除渣；

S7：连续铸轧，在铸轧区内实现铸造、轧制变形，将液态金属铝合金熔体铸轧成6.5～7.0mm的板带，再经过板形的调整、剪切、卷取得到稳定铸轧坯料；

S8：冷轧，通过冷轧机将7.0mm铸轧坯料轧制至成厚度为3.0～4.0mm的冷轧坯料，然后进行第一次中间均匀化退火，第一次中间退火冷却后再将冷轧坯料轧制成0.3～0.4mm厚冷轧坯料，然后再进行第二次成品退火。

S9：精整、分卷将0.3～0.4mm厚的冷轧成品退火带卷进行拉伸弯曲矫直并分卷。

S10：包装，将0.3～0.4mm精整坯料进行包装。

其中优选的技术方案是，所述3.0～4.0mm第一次中间退火制度是在炉气温度540℃下处理22h。

优选的技术方案还包括，所述第二次成品退火是在炉气温度280℃下处理20h。

优选的技术方案还包括，在所述轧铸区内通过铸轧机铸嘴，所述熔体流向两个相向转动且内部通有循环冷却水的铸轧辊。

优选的技术方案还包括，所述包装是采用井字架包装。

优选的技术方案还包括，在所述连续铸轧步骤中，铸轧机按钛丝进给速度280～380mm/min；前箱内熔体温度685～688℃；主机速度1.0～1.10m/min；辊缝4.8～4.9mm；铸轧区长度58～62mm；铸嘴开口度10.5～12mm；嘴辊间隙上辊0.5～0.8mm,下辊0.3～0.5mm；冷却水流量600～850L；冷却水压力3～5Kg冷却水入口温度≤30℃，冷却水出口温差≤3℃；精炼氮气纯度≥99.995%；除气箱温度720～730℃；除气箱扒渣2h一次；预载力330～430T；卷取张力35～38kN；铸轧生产成7.0mm板带，要求板带两边厚差≤0.02mm；中凸度0.01～0.06mm;纵向厚差≤0.1mm;厚度公差±0.2mm;宽度偏差0～15mm；经过板形调整、剪切、卷取，轧出工艺参数范围铸轧坯料。

优选的技术方案还包括，在所述第一次中间均匀化退火步骤中，待炉温≤100℃时装炉，升温1.5h至540℃，保温22h，降温1h至340℃，出炉自然冷却；在所述二次成品退火步骤中，待炉温≤100℃装炉，升温1.5h至280℃，保温20h，出炉自然冷却。

提高纯铝合金的高塑拉伸性能是本发明的关键技术。其主要目的在于消除铸锭组织在熔铸时产生的非平衡结晶状态即成分的不均匀现象。在铝及铝合金板带材的加工技术中，要提高力学性能及延伸率主要是靠优化合金质量和合理的热处理工艺。铝合金的高塑性能化有几种途径，其中微合金化强韧化是近20年来高性能铝合金研究的前沿领域。所谓微合金化强韧化通常是指将质量百分数小于0.5%的微量元素添加或者复合添加到铝合金中借以大幅度提高合金强度和韧性的技术，也是本发明的目的及技术背景。

本发明在纯铝中添加少量铜元素，使其具有极佳的成形加工特性、高耐腐蚀性、良好的焊接性和导电性。可广泛应用于需要有良好的成形性和高抗蚀性的化工设备、食品工业装置与贮存容器等设备的铝制板翅式热交换器。

本发明合金中对Si的含量控制很严，因为Si是有害杂质，它不仅严重危害铝的电性能，同时有导致热裂和加工裂纹倾向。铝中的另一杂质Fe，由于它可以与Si生成化合物，形成α（Al12Te3Si2）相和β（Al9Te3Si2）相，可以在一定程度上抑制Si的有害作用。因此，铝合金中Si、Fe的含量都有严格要求，限制Si小于0.08%，Fe的含量应该为Si的6倍以上。

在工业生产条件下，合金凝固时的冷却速率为0.1～100℃/s,凝固后的铸态组织通常偏离平衡状态。变形铝合金一般都具有两个以上的溶质组元，结晶时的情况较为复杂，但非平衡结晶的规律与二元合金系的一致。合金半连续铸锭的显微组织，基体α固溶体呈树枝状，在枝晶网胞间及晶界上除不溶的少量金属间化合物外，还出现很多非平衡共晶体，铝合金枝晶组织不那么典型。由于枝晶网胞间及晶界上非平衡共晶（非平衡过剩相）网络较脆，塑性较低，加工性能差，对热、冷压力加工过程不利。因此，要获得高塑性能铝板带产品，应该采取措施消除铸锭组织及成分的不均匀现象。

产生非平衡结晶状态是结晶时扩散过程受阻。这种状态在热力学上是亚稳定的，有自动向平衡状态转化的趋势。若将其加热至一定温度，提高原子扩散能力，就可较快完成由非平衡向平衡状态的转化过程。这种专门的均匀化退火热处理工艺是本发明获得高塑性能铝板带产品的主要技术手段。

均匀化退火时，主要的组织变化是枝晶偏析消除，非平衡相溶解和过饱和的过度元素相沉淀，溶质的浓度逐渐均匀化。在均匀化退火过程中，不溶的过剩相也会发生聚集、球化。均匀化退火后慢冷时，高温下溶入固溶体的溶质，将按溶解度随温度降低而减小的规律，在晶粒内部较均匀地沉淀析出。

均匀化退火后的组织变化，使室温下塑性提高并使冷热变形工艺性能改善，可降低铸锭轧制开裂的危险，改善带板的边缘品质，提高加工效率，同时均匀化退火可降低变形抗力，减少变形功消耗，提高设备生产效率。均匀化退火还可消除组织内部残余应力，改善其机械加工性能，达到我们高塑性铝合金的要求，这是本发明的主要目的及技术背景。

成品退火是根据产品技术条件的要求,给予材料—定的组织和机制性能的最终热处理，主要用于非热处理强化铝合金。本发明采用的成品低温退火制度是一项很复杂的工作,不仅要考虑退火温度和保温时间,而且要考虑杂质、合金化程度、冷变形量、中间退火温度和热变形温度的影响。制定低温退火制度必须是测出退火温度与机械性能间的变化曲线,然后再根据技术条件规定的性能指标,确定退火温度范围，达到我们高塑性铝合金的要求，也是本发明的主要目的及技术背景。

本发明的优点和有益效果在于：

1、采用连续铸轧法生产工艺，可以从铝合金熔体直接轧制成6.5～7.0mm厚板坯，与热轧法需经过铸造、均火、锯切铣面、加热，再热轧成7.0mm厚的板坯相比，本发明的工艺流程短，设备投资少，占地面积小，节能效果好，生产成本至少降低60%以上，该方法更有利于推广应用。

2、采用连续铸轧→冷轧生产工艺，与热轧法相比，板形稳定，中凸度可控制在0.1%～0.6%，成品尺寸精度高，可达0.009～0.012mm。

3、采用中间高温均匀化退火主要是为了消除枝晶偏析，使非平衡相溶解和过饱和的过度元素相沉淀，产品组织溶质的浓度逐渐均匀化。成品退火是根据产品技术条件的要求,给予材料—定的组织和机械性能的最终热处理。

4、采用连续铸轧→冷轧生产工艺，产品表面光洁，组织均匀，热传导性能稳定，延伸率指标大幅提高，满足高塑性铝合金板的各项技术要求。

主要性能指标如下：

成品标示：0.3±3%mm;均匀化退火后总加工率92.5%；合金状态：O态抗拉强度75～90Mpa（GB/T3880.21100合金抗拉强度75～105Mpa）；延伸率≥35%；（国标GB/T3880.21100合金延伸率≥19%）重量0.813±0.024KG/㎡；热导率225(20℃)/W.(m.K)ˉ1.

成品标示：0.33±3%mm;均匀化退火后总加工率91.75%；合金状态：O态抗拉强度75～90Mpa（GB/T3880.21100合金抗拉强度75～105Mpa）；延伸率≥35%；（国标GB/T3880.21100合金延伸率≥19%）重量0.834±0.027KG/㎡；热导率225(20℃)/W.(m.K)ˉ1.

成品标示：0.35±3%mm;均匀化退火后总加工率91.25%；合金状态：O态抗拉强度75～90Mpa（GB/T3880.21100合金抗拉强度75～105Mpa）；延伸率≥35%；（国标GB/T3880.21100合金延伸率≥19%）重量0.835±0.028KG/㎡；热导率225(20℃)/W.(m.K)^-1.

成品标示：0.4±3%mm;均匀化退火后总加工率90%；合金状态：O态抗拉强度75～90Mpa（GB/T3880.21100合金抗拉强度75～105Mpa）；延伸率≥35%；（国标GB/T3880.21100合金延伸率≥19%）重量1.084±0.033KG/㎡；热导率225(20℃)/W.(m.K)^-1。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

典型实施例1：

铸轧坯料规格7.0mm×1060mm;成品规格0.4mm×1000mmO态

一种热交换翅板用高塑性铝合金，所述铝合金中含有0.06wt%的硅、0.59wt%的铁、0.11wt%的铜、小于等于0.01的锰、锌、镁，小于等于0.03wt%的钛和不可避免的杂质，其余为铝（铝的纯度为≥99.50%）。

一种热交换翅板用高塑性铝合金的加工工艺，其工艺包括如下加工步骤：

第一步：配料，按上述化学成分及配比将原料配置好；

第二步：熔炼，将符合要求的铝锭和废料加入到火焰反射炉中，熔炼温度800～850℃，加热熔化后进行充分搅拌，在温度达到730～740℃时进行成份分析，根据分析结果加入Fe、Cu、Ti、进行成份调整；成份合格后调整温度，铝合金熔体出炉温度750～760℃。

第三步：静置炉精炼，将铝合金熔体转注至静置炉静置10分钟后进行一次氮气喷粉精炼，精炼时间为10～15分钟，精炼完后扒去表面浮渣。静置炉的温度控制在730～740℃；根据氢含量的情况决定是否每隔2小时作一次氮气精炼，精炼时间：15～20分钟。

第四步：晶粒细化，将铝钛硼晶粒细化剂通过钛丝进给机加入到除气箱铝液入口处，加入量为2kg～3kg/吨铝，对熔体进行变质细化。

第五步：在线除气除渣，将铝合金熔体经除气箱，通过质量百分数为99.995％的氮气进行除氢，在线除气时除气箱的温度保持在720～730℃，并且每隔两小时对除气箱进行一次扒渣，使铝合金熔体中氢含量小于0.15ml/100gAl。

第六步：过滤，经过滤箱，采用双通道过滤精度为30PPI和50PPI的双级陶瓷过滤板过滤。

第七步：在连续铸轧步骤中，铸轧机按钛丝进给速度连续铸轧，将铝合金熔体通过铸轧机按钛丝进给速度280～380mm/min；前箱内熔体温度685～688℃；主机速度1.0～1.10m/min；辊缝4.8～4.9mm；铸轧区长度58～62mm；铸嘴开口度10.5～12mm；嘴辊间隙上辊0.5～0.8mm,下辊0.3～0.5mm；冷却水流量600～850L；冷却水压力3～5Kg；冷却水入口温度≤30℃，冷却水出口温差≤3℃；预载力330～430T；卷取张力35～38kN；铸轧生产成7.0mm板带，要求板带两边厚差≤0.02mm；中凸度0.01～0.06mm;纵向厚差≤0.1mm;厚度公差±0.2mm;宽度偏差0～15mm；经过板形调整、剪切、卷取，轧出工艺参数范围7.0mm×1060mm铸轧坯料。

第八步：冷轧，7.0±0.3→4.0（一次中间均匀化退火）→2.6→1.6（在线切边宽度1040mm）→1.0→0.65→0.4→拉矫切边（宽度1000mm）分卷→二次成品退火→成品检查→包装。均匀化退火厚度轧至成品0.4mm,总加工率90%。

第九步：将铸轧卷冷轧至4.0mm,进行中间均匀化退火，待炉温≤100℃时装炉，升温1.5h至540℃，保温22h，降温1h至340℃，出炉自然冷却。

第十步：将均匀化退火料卷冷轧1.6mm在冷轧机上进行在线切边，再轧至0.4mm成品厚度，转拉伸弯曲矫直机进行清洗、成品切边、矫直、分卷。

第十步：进行成品退火，待炉温≤100℃装炉，升温1.5h至280℃，保温20h，出炉自然冷却。

第十一步:成品检查，对表面质量、切边质量、力学性能进行检验确认。

第十二部：成品包装、入库。

典型实施例2：

铸轧坯料规格7.0mm×1060mm;成品规格0.35mm×1000mmO态

一种热交换翅板用高塑性铝合金，所述铝合金中含有0.08wt%的硅、0.57wt%的铁、0.10wt%的铜、小于等于0.01的锰、锌、镁、小于等于0.03wt%的钛和不可避免的杂质，其余含量为≥99.50%铝。

第一步：配料，按上述化学成分及配比将原料配置好；

第三步：静置炉精炼，将铝合金熔体转注至静置炉静置10分钟后进行一次氮气喷粉精炼，精炼时间为10～15分钟，精炼完后扒去表面浮渣。静置炉的温度控制在730～740℃；根据氢含量的情况决定是否每隔2小时作一次氮气精炼，精炼时间：15～20分钟。，

第八步：冷轧，7.0±0.3→4.0（一次中间均匀化退火）→2.5→1.5（在线切边宽度1040mm）→0.9→0.55→0.35→拉矫切边（宽度1000mm）分卷→二次成品退火→成品检查→包装。均匀化退火厚度轧至成品0.35mm,总加工率91.25%。

第十步：将均匀化退火料卷冷轧1.6mm在冷轧机上进行在线切边，再轧至0.35mm成品厚度，转拉伸弯曲矫直机进行清洗、成品切边、矫直、分卷。

第十二部：成品包装、入库。

典型实施例3：

铸轧坯料规格7.0mm×1060mm;成品规格0.35mm×1000mmO态

一种热交换翅板用高塑性铝合金，其中优选的技术方案是，所述铝合金中含有0.07wt%的硅、0.58wt%的铁、0.09wt%的铜、小于等于0.01的锰、锌、镁、小于等于0.03wt%的钛和不可避免的杂质，其余含量为≥99.50%铝。

一种热交换翅板用高塑性铝合金加工工艺，其工艺包括如下加工步骤：

第一步：配料，按上述化学成分及配比将原料配置好；

第八步：冷轧，7.0^±0.3→4.0（一次中间均匀化退火）→2.3→1.4（在线切边宽度1040mm）→0.80→0.48→0.30→拉矫切边（宽度1000mm）分卷→二次成品退火→成品检查→包装。均匀化退火厚度轧至成品0.35mm,总加工率91.25%。

第十二部：成品包装、入库。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种热交换翅板用高塑性铝合金的制备方法，其特征在于，其含有的元素质量分数：0.05～0.08wt%的硅、0.55～0.60wt%的铁、0.11～0.15wt%的铜、小于等于0.01的锰、小于等于0.01的锌、小于等于0.01的镁、小于等于0.03wt%的钛和不可避免的杂质，余量为铝；其中Fe的含量为Si含量的6倍以上；

所述制备方法包括如下加工步骤：

S1：配料，按配比将原料配置好；

S2：熔炼，将上述比例备好的炉料加入到火焰反射炉中，熔化并升温，温度达到750～760℃时分析并调整成份，然后进行氮气喷粉精炼，时间15～20分钟、永磁搅拌20分钟、扒渣、调温，得到铝合金熔体；

S8：冷轧，通过冷轧机将7.0mm铸轧坯料轧制至成厚度为3.0～4.0mm的冷轧坯料，然后进行第一次中间均匀化退火，第一次中间均匀化退火冷却后，再将冷轧坯料轧制成0.3～0.4mm厚冷轧成品料，然后再进行第二次成品退火；

S9：精整、分卷将0.3～0.4mm厚的冷轧成品退火带卷进行拉伸弯曲矫直并分卷；

S10：包装，将0.3～0.4mm精整坯料进行包装；

所述S8步骤的第一次中间均匀化退火是在炉气温度540℃下处理22h，降温1h至340℃，出炉自然冷却；

所述第二次成品退火是在炉气温度280℃下处理20h，出炉自然冷却；

在所述铸轧区内通过铸轧机铸嘴，所述熔体流向两个相向转动且内部通有循环冷却水的铸轧辊。

2.根据权利要求1所述热交换翅板用高塑性铝合金的制备方法，其特征在：所述第一次中间均匀化退火步骤中，待炉温≤100℃时装炉，升温1.5h至540℃，保温22h，降温1h至340℃，出炉自然冷却；第二次成品完全退火步骤中，待炉温≤100℃装炉，升温1.5h至280℃，保温20h，出炉自然冷却。

3.根据权利要求1所述热交换翅板用高塑性铝合金的制备方法，其特征在：所述第一次中间均匀化退火后，冷轧轧制至成品的总加工率≥90%。

4.根据权利要求1所述热交换翅板用高塑性铝合金的制备方法，其特征在：所述第二次中间均匀化退火后成品力学性能O态抗拉强度75～90Mpa；延伸率≥35%；0.35mm重量0.835±0.028KG/㎡；热导率225(20℃)/W.(m.K)-1。