CN105420483B - 用于加工铝合金片材材料的连续退火炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及连续退火炉，所述连续退火炉被设置用于在450℃‑590℃的设定的均热温度(TSET)下通过对流换热器使铝片材退火，并由此使移动的铝片材能够以浮动排列的方式进行实质上水平的移动。所述连续退火炉具有入口工段和出口工段，并且其中除了气体燃烧设备外，在邻近该连续退火炉的入口工段处提供加热装置，用于以作为片材厚度的函数的平均加热速度将邻近入口工段的移动的铝片材从环境温度预加热至比TSET低5℃‑100℃的温度，平均加热速度至少为Y＝‑31·ln(X)+50，其中，Y是以℃/sec计的加热速度，并且X是以mm计的片材厚度。

Description

用于加工铝合金片材材料的连续退火炉
技术领域
本发明涉及连续退火炉，所述连续退火炉被设置用于在450℃-590℃的设定的均热温度(TSET)下使开卷且移动的(moving)可热处理的铝片材退火。
背景技术
可热处理的AlMgSi-合金系列(也称为6000-系列铝合金)的汽车片材的工业规模生产包括多个离散的步骤，即：对轧制板或铸锭进行半连续的直接激冷铸造(DC-铸造)或电磁铸造(EMC-铸造)、在约500℃-580℃下对所述板预加热数小时使微结构均质化、热轧制至规格为约3mm-12mm的热轧制带材、通常将热轧制带材进行热卷绕并冷却至环境温度、以多道次(passes)将热轧制带材冷轧制至最终规格、任选在冷轧制之前或在冷轧制工艺期间施加中间退火、以及使最终规格的带材退火以调节所需的材料性能。退火可在连续退火炉或分次式退火炉中完成。
不幸的是，通过此方式由半连续铸锭生产的片材产品往往经受绳索圈(roping)、皱折(ridging)或“漆刷(paint brush)”线形成的现象(由此使用“绳索圈”一词)，即，相较于由金属轧制操作得到的剩余金属，形成的窄条带具有不同的晶体结构，并通常沿轧制方向排列。在随后的片材产品形成汽车部件的横向应变(transverse straining)期间，这些条带显示出可见的表面起伏，降低了汽车产品的最终表面光洁度。本领域中的许多人已遇到绳索圈，并发现通过改变片材的生产方法而使重结晶发生在加工的中间阶段，可抑制绳索圈。例如，在US专利号5,480,498(Reynolds)、US专利号4,897,124(Sky Aluminum)和US专利号6,120,623(Alcan)中记录了绳索圈的抑制。在这些专利中，通过在片材产品形成的中间阶段(例如，在热轧制之后但冷轧制之前、或在冷轧制早期阶段之后)引入分次(batch)退火步骤来控制绳索圈。
生产6000-系列铝片材材料的有经济吸引力的方法是在最终规格时连续退火。在连续退火炉的末端，例如通过强制气体冷却系统或喷雾冷却系统，将带材材料迅速冷却至环境温度。通过该固溶退火(solution anneal)，主要合金元素Mg和Si溶解，从而产生良好的成型性、屈服强度和烤漆硬化行为得到控制、并使片材材料达到T4回火。
为了以有经济吸引力的方式在工业规模上生产AlMgSi-合金片材材料，当片材材料移动通过连续退火炉时，需要能够维持足够高的线速度。然而，在所需的退火温度下，过高的线速度可能影响带材材料的均热时间，并由此影响铝带材的机械性能等。
因此，需要改进的工艺和相应的设备，以用于生产基本不显示或者无绳索圈而同时维持期望的T4特征的铝汽车合金片材产品。
发明内容
本发明的目的是提供连续退火炉，该连续退火炉理想地适用于实施AlMgSi铝合金片材连续退火的方法，所述铝合金片材在最终厚度时具有优良的绳索圈行为和优良的机械性能。
本发明的这一目的和其它目的以及进一步的优势通过提供连续退火炉而达到或超过，所述连续退火炉被设置用于在450℃-590℃的设定的均热温度(TSET)下，通过对流换热器、特别是通过气体燃烧使开卷且移动的可热处理的铝片材退火，并由此使移动的铝片材能够沿其长度方向以浮动排列的方式进行实质上水平的移动，该连续退火炉具有入口工段和出口工段，并且其中除了气体燃烧设备外，在邻近该连续退火炉的入口工段处提供加热装置，用于以作为片材厚度的函数的平均加热速度对邻近该入口工段的移动的铝片材从环境温度预加热至比TSET低5℃-100℃的温度，该平均加热速度至少为Y＝-31·ln(X)+50，其中，Y是以℃/sec计的加热速度，X是以mm计的片材厚度。
在设定的固溶热处理温度或设定的均热温度(TSET)下(就AlMgSi合金而言，该温度为约500℃-590℃、更优选约520℃-580℃)，本发明所述的连续退火炉通过使开卷且可热处理的AlMgSi铝合金片材连续移动通过连续退火炉，可用于使最终厚度的铝合金片材连续退火，并且其中，在离开出口工段后，将移动的铝片材从TSET迅速冷却或淬火至约低于100℃，其中，紧接在该连续退火炉的入口工段之前或邻近该连续退火炉的入口工段处，将移动的铝片材以作为片材厚度的函数的平均加热速度从环境温度预加热至比TSET低约5℃-100℃的温度，并且优选较高的平均加热速度。在传统的连续固溶热处理过程中，所得到的AlMgSi铝片材具有优良的绳索圈性能，但是如果还需要优良的机械性能，必须在相对低的线速度下加工。根据本发明发现，至少对于具有临界的绳索圈的AlMgSi合金而言，在维持优良的绳索圈性能以及在T4状态下的改善的机械性能(例如，屈服强度、抗张强度)方面实现了改善的平衡，同时，由于允许更快的线速度，可通过更有经济吸引力的生产工艺进行生产。对于AlMgSi合金而言，碰撞性能是非常关键的材料性质，例如，对于AA6005和AA6005A系列合金而言，已发现当以本发明的连续退火炉进行生产时，可得到改善的碰撞性能。
在炉的优选实施方式中，将移动的铝片材非常快速地从环境温度预加热至最多比TSET低75℃的温度，更优选至最多比TSET低60℃的温度。在一个实施方式中，将移动的铝片材非常快速地从环境温度预加热至最多比TSET低10℃的温度。
使用具有多个气体循环设备的气体燃烧设备，通过对流加热对连续退火炉进行加热，最新型的炉具有温控装置以控制设定的固溶热处理温度，控制精度为+/-3℃或更好。
在优选的实施方式中，预加热设备或预加热装置包括感应加热装置或感应加热设备。更优选的感应加热设备包括横向磁通感应加热装置。优选感应加热装置实质上水平排列，以使移动的铝片材通过入口工段水平移动进入连续退火炉。
在一个实施方式中，预加热的平均加热速度作为片材厚度的函数至少为Y＝-50·ln(X)+80，其中，Y是以℃/sec计的平均加热速度，X以mm计的厚度。优选的平均加热速度作为片材厚度的函数至少为Y＝-62·ln(X)+100。更优选的平均加热速度作为片材厚度的函数至少为Y＝-93·ln(X)+150。更高的加热速度对于所得到的铝片材的各种性能而言是有益的，并且对片材性能和可允许增加的线速度之间的平衡而言是有利的。
在一个实施方式中，将炉设置用于加工最终规格为0.3mm-4.5mm、更优选0.7mm-4.5mm的铝合金片材。片材宽度通常为约700mm-2700mm。
在一个实施方式中，将炉设置用于使铝片材实质上水平地移动通过连续退火炉的距离为至少约20米、优选至少40米、更优选至少约55米。实际最大距离为约125米，但本发明不限于该最大距离。
在炉的实施方式中，对移动的铝片材在TSET下的均热时间进行设置，以使均热时间为至少1秒、优选至少5秒。在进一步的实施方式中，移动的铝片材在TSET下的均热时间为至少20秒、更优选至少25秒。均热时间(tSOAK)定义为在设定的固溶热处理温度或设定的均热温度(TSOAK)±5℃下花费的时间；例如当TSOAK为560℃时，均热时间关注的是移动的铝片材在560±5℃的温度下花费的时间。
通过参考可热处理的6000-系列铝合金对本发明进行说明，通常在500℃-590℃的温度下，对处于最终规格的该6000-系列铝合金进行固溶热处理。然而，还可将装置本身应用至更广范围的待退火或待固溶热处理的可热处理的铝合金，并根据实际的合金组成要求更低的固溶热处理温度(例如460℃或480℃)，同时在铝片材性能方面实现进一步的改善。
附图说明
现将参考附图对本发明进行描述，其中：
图1是装置的示意图；以及
图2A和图2B是作为时间的函数的温度性质的示意图，所述时间为铝片材穿过现有技术和本发明所述的连续退火炉的时间；以及
图3是作为片材厚度的函数的所要求的最小加热速度以及优选的实施方式的示意图；
图4是用于动态碰撞试验中的常用的轴向折叠碰撞盒构造的照片。
具体实施方式
图1提供了本发明所述的装置的示意图。连续退火炉(1)被设置用于对处于最终规格的开卷的铝片材(2)进行运输和热处理，该铝片材(2)沿其长度方向移动。该铝片材从卷材(8)开卷。该铝片材移动通过具有入口部分(4)和出口部分(5)的连续退火炉。离开出口部分(5)时，该移动的铝片材在冷却工段(6)中迅速冷却至低于100℃，例如冷却至约室温。工业连续退火炉代表着可观的资本投入；由于车间规划的约束，一旦开始使用，操作上的重大改变(例如，使得在长度方向上更长)往往是不可行的。
移动或行进的铝片材实质上水平地移动通过连续退火炉的距离为至少约20米、优选至少55米。贯穿整个炉的长度的热气喷嘴(未示出)加热带材并将其在气垫上保持漂浮。因此，带材以浮动状态行进；此类炉有时也称为对流浮动炉。在退火炉中，在升高的温度下的机械接触的消除转化出无缺陷的带材表面。连续退火炉可为模块化设计；就其本身而言，炉包含多个加热区(3)，所述加热区使用涡轮机(未示出)以产生由顶部气流和底部气流组成的气体通道。气体通过燃烧器进行加热，该燃烧器优选用燃烧预加热气体进行工作。设定的均热温度的温度控制具有+/-3℃或更好的控制精度。
在环境温度下，移动的片材(2)以高的带材速度(strip speed)或线速度进入入口工段(4)，并在穿过连续退火炉时逐步加热至取决于铝合金的预设的固溶热处理温度(如约560℃)。在传统的连续退火炉中，对于约1mm的片材，铝片材的平均加热速度通常为约10℃/sec-15℃/sec。取决于带材速度，只有深入到炉长度的后半部分或甚至邻近连续退火炉的末端时，带材温度才可达到实际预设的固溶热处理温度，实际上带材在固溶热处理温度下均热很短的时间，例如数秒，其后，移动的片材在出口工段(5)处离开退火炉，并紧接着在冷却工段(6)中淬火。这也在图2A中示意性地示出，其中，移动的铝片材从室温(RT)逐渐加热至固溶热处理温度(TSET)，并在设定的固溶热处理温度或设定的均热温度下均热数秒(tSOAK)。将均热时间(tSOAK)定义为在设定的固溶热处理温度或设定的均热温度(TSOAK)±5℃下花费的时间。
取决于铝合金的组成或片材厚度，为了实现优良的绳索圈行为与T4状态下的机械性能的期望的平衡，非常期望在预设的固溶热处理温度下的更长的均热时间。但是对于许多的AlMgSi合金来说，由于限定的退火炉尺寸，只有在较低的带材速度下才能实现上述方面，其中，带材速度或线速度必须从例如约60m/min降低至约30m/min或40m/min，使得显著缺乏经济吸引力。
根据本发明，通过使用紧接在退火炉入口工段(4)的前方或在入口区(4)处的预加热装置，使性能与工艺经济性的这一平衡得到改善。设置预加热装置(7)使得非常快的加热速度成为可能，该加热速度通过加热速度的公式加以定义，该加热速度作为片材厚度的函数至少为Y＝-31·ln(X)+50，其中，Y是以℃/sec计的加热速度，X是以mm计的片材厚度，优选更高的加热速度，例如通过如US专利No.5,739,506(Ajax Magnethermic)中公开的横向磁通感应加热装置可实现更高的加热速度。期望的是，预加热装置(7)中的铝片材的预加热遵循安全限度以避免移动的带材的温度过高，以及由此导致的归因于铝合金中的微结构组分局部熔融的、对相关的工程性能造成的不利影响。优选预加热至低于预设的固溶热处理温度或均热温度约5℃-100℃、更优选约5℃-75℃,在所述预设的固溶热处理温度或均热温度下对铝合金片材材料进行热处理。因此，例如将移动的铝片材预加热至约510℃，其中，预设的固溶热处理温度为555℃。在连续退火炉中通过对流加热对移动的铝片材进一步加热。这也在图2B中示意性地示出，其中，将移动的铝片材从室温(RT)迅速预加热至预加热温度(TPRE)，并随后进一步加热至设定的固溶热处理温度(TSET)。在实践中，从RT至TPRE的加热速度不是恰好线性的。由于该原因而使用平均加热速度，平均加热速度为TPRE减去RT的温度差除以达到TPRE所需的时间。因此，例如对于1mm的片材材料，当在约5秒内从25℃的室温达到约500℃的TPRE时，平均加热速度为约95℃/sec。相比于未施用快速预加热的情况，这允许在设定的固溶热处理温度下的显著更长的均热时间，并同时维持大约相同的带材速度。或者，相比于现有技术的情况，在具有大约相同的均热时间(tSOAK)下，允许显著提高的线速度。因此，对于给定的连续退火炉，根据具体的AlMgSi合金，为了实现改善的工艺经济性和片材性能之间的平衡，在优化的均热时间和线速度的组合方面具有显著更多的灵活性。
通过使用本发明所述的装置，还可在相对高的带材速度下加工较厚规格的片材材料。其中，例如可使用上至约70m/min的线速度加工1mm的片材材料，对于相同合金的2mm的片材材料，由于在对流炉中加热的加热时间显著更长，只能使用上至约35m/min的线速度加工。使用本发明所述的装置(其中，将片材材料非常快速地预加热至约510℃，并且固溶热处理温度为约560℃)，现可在约55m/min-65m/min的显著更高的线速度下对2mm的片材材料进行连续热处理，而具有与1mm片材材料类似的tSOAK。
图3是在本发明所述的装置中施用的、作为片材厚度的函数的所要求的最小平均加热速度(线1)以及优选的实施方式(线2-线4)的示意图。对于优选规格为0.3mm-4.5mm的板规格而言，示出了相关关系。对于线1-线4，应用以下的自然对数公式：
线1： Y＝-31·ln(X)+50；
线2： Y＝-50·ln(X)+80；
线3： Y＝-62·ln(X)+100；
线4： Y＝-93·ln(X)+150；
并且其中，“Y”代表以℃/sec计的平均加热速度，“X”代表以mm计的片材厚度。
实施例
现参照本发明所述的非限定性实施例对本发明进行说明。
实施例1
通过以下步骤生产1.1mm规格的冷轧AA6016片材材料：DC-铸造、预加热、热轧至7.5mm、在400℃下用中间退火冷轧至1.1mm、然后在约560℃下于对流浮动炉中以多种线速度通过固溶热处理进行进一步的加工、随后淬火。在约25℃下，于17天的自然时效(T4状态)后测试屈服强度和拉伸强度。在模拟的烤漆循环(2％预染色(pre-stain)+185℃@20min)后，测试相同材料的第二系列。已在LT方向上进行拉伸测试，所述测试依据测试标准EN-10002“Metallic materials-tensile testing-part 1:Method of testing at ambienttemperature”进行。结果列于表1中。此外，在以垂直于轧制方向对100×300mm的样品施用15％的预染色并接着用砂纸打磨后，看起来所有加工途径提供的作为产物的铝片材根据肉眼观察仍具有非常优良的绳索圈性能。
表1
从表1中的结果可以看出，对流浮动炉中的线速度对处于T4回火和模拟烤漆循环之后的铝片材性能都有很大影响。作为趋势，相关性能(例如屈服强度和拉伸强度)随着线速度的增加而降低。在提供卷材材料时，根据合金质量，存在如下的客户需求：提供处于例如T4状态以及数天自然时效的卷材材料，或处于T4状态以及预烤漆的卷材材料。通常的客户需求是：在T4状态下，屈服强度应为至少90Mpa，拉伸强度应为至少190Mpa。此外，存在对2％预染色和185℃@20min的模拟烤漆循环后的机械性能的需求，例如屈服强度为至少200Mpa。由于较低的线速度意味着在连续的加工中相同合金的多个卷材以较低的线速度彼此先后加工,将由此降低单位时间内的处理量，这能够强力地影响到所施用的热处理工艺的经济性。例如这意味着，就手边的例子而言，在例如以60m/min的高的线速度下提供的材料将不能满足客户需求，而40m/min的线速度刚好满足烤漆循环后所要求的屈服强度的下限，因此，将不得不在缺乏经济吸引力和显著更低的线速度下加工片材材料。
然而，根据本发明已经发现，当在退火炉中用快速预加热加工片材时(例如平均预加热速度为约150℃/sec)，在设定的固溶热处理温度下可获得有利的更长的均热时间，同时维持大约相同的线速度，从而尤其是在烤漆循环之后，提供具有增高的机械性能的铝片材。或者，相比于无快速预加热的情况，使得能够有显著提高的线速度(例如60m/min)，同时具有大约相同的均热时间(tSOAK)。因此，提供了与在约40m/min的线速度下无快速预加热时得到的铝片材类似的铝片材，使得能够以更具经济吸引力的线速度进行生产。同时，通过本发明所述的方法可维持高等级的绳索圈性能。
实施例2
已通过两种途径生产处于T4状态的2.5mm规格的AA6005A片材材料，并在动态碰撞试验中进行了测试。第一种途径包括通过在550℃下于对流浮动炉中进行固溶热处理并随后淬火来进行生产。第二种途径与第一种途径类似，但是先通过感应加热以约65℃/sec的平均加热速度从室温快速加热至约490℃。
图4示出本领域中已知的用于动态碰撞试验中的常用的轴向折叠碰撞盒构造的照片。
中空的碰撞盒由如下制成：长度为400mm的弯曲成U型的2.5mm规格铝片材以及由相同材料制成的2.5mm扁平背盖板。通过在U型的两侧中的每一侧均使用13个铆钉进行铆结将二者进行连接，彼此间隔30mm。U型的高度是90mm，U型的扁平顶部的宽度是64mm；扁平背盖板和碰撞盒的90mm的固定网(standing web)之间的角度为87°。将由相同铝片材材料制成的两个扁平盖板(120×140mm，具有直径为40mm的中心孔)焊接到盒子的底部和顶部。整个盒子经受180℃@20min的模拟烤漆循环。之后，将碰撞盒放置在落塔试验台中，其中，重量为250kg的导向液滴从4.25米的高度释放，以约35km/h的速度对碰撞盒产生冲击。在冲击期间，碰撞盒吸收动能并通过折叠可塑性地变形。通过使用高速摄影机胶片记录第一裂纹的形成时刻等来检测碰撞盒的故障。
通过途径1生产的合金在轴向方向上具有3.5毫秒的第一裂纹时间，而在相同的测试方向上，通过途径2生产的合金具有6.3毫秒的第一裂纹时间。
本实施例表明，对于AlMgSi-系列合金而言，碰撞性能是重要的材料性质，在动态碰撞试验中，通过本发明所述的连续退火炉生产的片材材料产生几乎翻番的第一裂纹时间。这意味着，相比于依据途径1由相同组成和规格的材料制造的组件而言，由本发明所述的炉中生产的材料制造的组件在碰撞情况下吸收动能的能力具有非常显著的改善。

Claims (18)

1.连续退火炉(1)，所述连续退火炉(1)被设置用于在450℃-590℃的设定的均热温度TSET下，通过对流换热器使开卷且移动的可热处理的铝片材(2)退火，并由此使所述移动的铝片材能够沿其长度方向以浮动排列的方式进行实质上水平的移动，所述连续退火炉具有入口工段(4)和出口工段(5)，并且其中除了气体燃烧设备外，在邻近所述入口工段(4)处提供加热装置(7)，用于以作为片材厚度的函数的平均加热速度对邻近所述入口工段(4)的所述移动的铝片材从环境温度预加热至比TSET低5℃-100℃的温度，所述平均加热速度至少为Y＝-31·ln(X)+50，其中，Y是以℃/sec计的加热速度，并且X是以mm计的片材厚度，其中，所述加热装置(7)实质上水平地设置，并且其中，所述炉包含多个加热区(3)，所述加热区(3)使用涡轮机产生由顶部气流和底部气流组成的气流通道。
2.如权利要求1所述的连续退火炉，其中，通过气体燃烧使所述开卷且移动的可热处理的铝片材(2)退火。
3.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述加热装置(7)包括感应加热装置。
4.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述加热装置(7)包括横向磁通感应加热装置。
5.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述平均加热速度作为所述片材厚度的函数至少为Y＝-50·ln(X)+80。
6.如权利要求5所述的连续退火炉，其中，所述平均加热速度作为所述片材厚度的函数至少为Y＝-62·ln(X)+100。
7.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，将所述移动的铝片材预加热至比TSET低5℃-75℃的温度。
8.如权利要求7所述的连续退火炉，其中，将所述移动的铝片材预加热至比TSET低5℃-60℃的温度。
9.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，将所述移动的铝片材预加热至比TSET低10℃-100℃的温度。
10.如权利要求9所述的连续退火炉，其中，将所述移动的铝片材预加热至比TSET低10℃-75℃的温度。
11.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，处于最终规格的所述铝片材具有0.3mm-4.5mm的厚度。
12.如权利要求11所述的连续退火炉，其中，处于最终规格的所述铝片材具有0.7mm-4.5mm的厚度。
13.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述移动的铝片材实质上水平地移动通过连续退火炉的距离为至少20米。
14.如权利要求13所述的连续退火炉，其中，所述移动的铝片材实质上水平地移动通过连续退火炉的距离为至少40米。
15.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述出口工段装备有冷却工段(6)，所述冷却工段(6)用于在所述移动的铝片材离开出口工段时，将所述移动的铝片材从TSET快速冷却至低于100℃。
16.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述炉被设置用于将所述移动的铝片材加热至500℃-590℃的设定的均热温度TSET。
17.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述设定的均热温度的温度控制具有+/-3℃或更好的控制精度。
18.如权利要求1或2所述的连续退火炉，其中，所述炉为对流浮动炉。
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