CN112760582A - 一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，该方法包括：一、设计制作卷材立式真空退火炉炉室的专用工装；二、将原料板材分切清洁得到板材；三、将板材码放在专用工装的第1料盘中并预留出中间位置，然后铺盖衬板和压块；四、按照步骤三中的装料工艺完成装料，将测温工件偶分别装设在每层板材层的中间位置；五、设计真空退火工艺并输入操作控制系统执行；六、设定加热速率并调节输出功率完成真空退火。本发明通过设计卷材立式真空退火炉专用工装，结合改进装炉方式和调整加热参数，在立式空间内装入板材，且使得热量均匀传递到板材上，提高了不同层板材的退火温度一致性，实现了卷材立式真空退火炉对板材的退火。

Description

一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法。
背景技术
锆合金因具有较低的热中子吸收截面，良好的抗高温水及过热水蒸气的腐蚀性能，以及良好的力学性能，在核工业领域得以广泛应用。用于核工业的锆合金板材对其腐蚀等性能有着极高的要求，而真空退火是决定锆合金板材性能好坏的关键。
板材卧式真空退火炉(以下简称“卧式炉”)采用平铺的装料方式，其加热方式为纵向热辐射和热传导；而卷材立式真空退火炉(以下简称“立式炉”)则是将卷材倒扣装炉，其加热方式为横向热辐射和热传导。根据装料方法、加热和热辐射方式和锆材规格形状，卧式炉只适用于板材的退火，立式炉仅适用于卷材的退火，二者存在较大的差别。
如果要将立式炉用于板材退火，需解决如何在立式空间内装入板材和在现有热传递模式下保持热量均匀传递到物料上这两个难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法。该方法通过设计卷材立式真空退火炉专用工装，结合改进装炉方式和调整加热参数，在立式空间内装入板材，且使得热量均匀传递到板材上，提高了不同层板材的退火温度一致性，增强了板材真空退火效果，实现了卷材立式真空退火炉对板材的退火，扩大了卷材立式真空退火炉的使用范围。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据卷材立式真空退火炉炉室均温区规格、加热方式和辐射加热带整体布局，设计并制作适用于卷材立式真空退火炉炉室的专用工装；所述专用工装包括分层叠放的料盘，且从下至上分别为第1料盘，……，第n料盘，其中n为不小于2的正整数；
步骤二、将原料板材分切后脱脂，然后进行测量和表面检查，并采用乙醇或丙酮擦拭，使其符合装炉要求，得到板材；
步骤三、打开卷材立式真空退火炉的炉门，将步骤二中得到的板材整齐码放在卷材立式真空退火炉的专用工装的第1料盘中形成第1板材层，并沿板材厚度方向预留出第1板材层的中间位置，然后在第1板材层的上表面上铺盖衬板，再在衬板上配置压块；
步骤四、按照步骤三中在第1层料盘中的装料工艺，将步骤二中得到的板材依次装入卷材立式真空退火炉的专用工装的其他料盘中，分别形成第2板材层，……，第n板材层，同时预留出第2板材层～第n板材层的中间位置，且第1料盘～第n料盘中相邻的料盘中板材层的方向呈“十字形”布设，然后将测温工件偶分别装设在每层板材层的中间位置，并经对应通道与卷材立式真空退火炉的操作控制系统相连，再关闭卷材立式真空退火炉的炉门，并进行抽真空；
步骤五、根据板材性能要求设计真空退火工艺，然后输入卷材立式真空退火炉的操作控制系统并执行，同时保证操作控制系统中包括温度、压力、真空度、水温和气压各项数据传输的稳定性；所述真空退火工艺的参数包括温度、保温时间、升温速率和升温时间；
步骤六、根据卷材立式真空退火炉的加热方式、装炉量和步骤五中设计的真空退火工艺的参数，设定加热速率，并通过调节真空退火工艺过程中不同阶段各区输出功率，对各料盘中放置的各板材层进行真空退火。
本发明首先根据卷材立式真空退火炉的均温区规格、加热方式特点和辐射加热带整体布局特性，设计其适用于炉室的具有较佳传热性能的专用工装，实现了在立式空间内装入板材，提高了专用工装各料盘中各板材层的退火温度一致性，然后采用相邻的料盘中板材层的方向呈“十字形”布设的板材装炉方式，避免专用工装在真空退火的高温状态下应力过于集中、造成各料盘局部变形或损伤的问题，同时最大限度地保障了相邻板材层之间热量的顺利传递，确保了每层板材层吸收热量的一致性，从而提高了不同层板材的退火温度一致性，再通过调节真空退火工艺过程中不同阶段各区输出功率以调整真空退火的加热参数，减少温度稳定时间，缩小同一阶段各区的温度差距，保证了真空退火过程中热量的均匀传递。综上，本发明通过设计卷材立式真空退火炉专用工装，结合改进装炉方式和调整加热参数，在立式空间内装入板材，且使得热量均匀传递到板材上，提高了不同层板材的退火温度一致性，增强了板材真空退火效果，实现了卷材立式真空退火炉对板材的退火，扩大了卷材立式真空退火炉的使用范围。
本发明专用工装中分层叠放的料盘的数量优选为三层，具有三层料盘的专用工装具有较佳的传热性能，有利于保证炉室内不同层料盘中各板材层退火温度的一致性，同时提高了专用工装的利用率，进而提高了退火处理量。
本发明通过对原料板材分切后的脱脂以及采用乙醇或丙酮擦拭，保证了装炉的板材的清洁度，避免污染炉室或造成板材在真空退火加热过程中的局部氧化。
本发明各料盘的装料过程中，尤其是当装料板材为锆合金板材时，采用不锈钢或锆合金衬板，衬板上的压块采用不锈钢压块，且不锈钢压块规律放置，以便于加热过程时对各板材层进行压校平；同时，压块在卷材立式真空退火炉的炉体侧方加热带辐射时对热量进行拦截和吸收，减少热量损失，使得各板材层到达预设退火温度的时间缩短。
本发明装设在每层板材层的中间位置的测温工件偶通常选择K型I级单联热电偶，根据各板材层预留出的中间位置与测温工件偶插盘之间的距离选择合适长度的测温工件偶，并确保测温工件偶在有效期内，将各板材层对应的测温工件偶用乙醇擦拭清洁后编号，并对应插入各板材层预留出的中间位置，然后经对应通道与卷材立式真空退火炉的操作控制系统相连，通过观察每个通道的温度变化以证明专用工装内温控系统的有效性和稳定性。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤一中所述卷材立式真空退火炉炉室均温区的规格直径×高度为1200mm×1200mm，加热方式为横向辐射加热和顶部、底部辅助加热相结合，辐射加热带整体布局为立式圆筒。该卷材立式真空退火炉为常用的板材尤其是锆及锆合金板材的退火装置，提高了本发明方法的实用价值。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤一中所述专用工装中的料盘均为网格结构，且每层料盘的底部均开设有凹槽，相邻料盘之间设置有支撑柱，所述支撑柱的顶端与相邻料盘中上层料盘的底部凹槽配合，所述支撑柱的高度为150mm～350mm。将料盘设计为网格结构，有利于专用工装中热量的有效传递，保证了各料盘中的板材层均能均匀受热，提高了板材的退火效果；由于各层料盘在真空退火过程的高温状态下因承受板材的重量而发生受力变形，根据各料盘在高温状态下变形大小和受力程度，通过在料盘底部设计凹槽，装配与凹槽配合的支撑柱，并优选其高度为150mm～350mm，既保证了料盘对板材层的支撑，又有效保证了相邻料盘之间热量流通通道的一致性，该条件下热量流通通道的高度为80mm～120mm，便于热量在相邻料盘之间进行互相补充，进一步提高了各层板材退火温度的均一性，保证了退火过程中高温状态下工装的安全稳定性；同时，通过该设计有利于实际生产中根据板材性能或板材装炉量的要求对料盘进行拆装、组合，满足不同生产的需求。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤二中所述板材的尺寸为：厚度不超过25mm，宽度不超过650mm，长度不超过1000mm；所述乙醇为分析纯级别或质量纯度大于95％。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤三和步骤四中所述第1板材层～第n板材层的装料厚度均不超过50mm，且单层装炉量不超过200kg，总装炉量不超过600kg；所述压块均沿对应板材放置的方向间隔放置，且相邻压块的间隔距离为50mm～150mm，每块压块接受热量的面积为0.012m2，所述第1板材层～第n板材层承受的压力均大于0.05kg/mm2。该优选的装料厚度和单层装炉量保证了各层板材层及同层板材不同位置处均能充分受热，进一步提高了各层板材退火温度的均一性；该优选压块的放置位置、相邻压块的间隔距离和每块压块接受热量的面积增强了真空退火工艺过程中压块对板材层的压校平效果，同时对卷材立式真空退火炉侧方加热带辐射的热量进行拦截和吸收，缩短各板材层的温度稳定时间；该优选的各板材层承受的压力有效保证了真空退火后板材的平面度。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，通过对步骤四中各板材层中测温工件偶的温度变化进行实时监测，调整步骤六中真空退火工艺的参数，使得每层板材层的实测保温温度波动为±10℃范围内。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤五中所述真空退火工艺的温度为550℃～620℃，保温时间为1.5h～3h。该优选真空退火的工艺参数有利于实现板材的再结晶退火。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤六中所述调节过程为：真空退火工艺的升温阶段对上区和顶区的输出功率限额，均温阶段增加下区和底区的输出功率进行加热补偿，保温阶段对下区和中区进行控温仪表的偏差值调整，以将真空退火工艺不同阶段中各区板材层的温度稳定时间均控制在30min内，且各区每层板材层的实测保温温度波动为±10℃范围内。根据加热辐射的位置，将卷材立式真空退火炉炉室的专用工装分为上区、中区和下区，其中上区的顶部为顶区，下区的底部为底区，通过上述优选的调节过程，有效缩小了真空退火工艺不同阶段中各区板材实测温度的差异，保证了退火温度的一致性和稳定性。
上述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤六中所述设定加热速率为2℃/min～8℃/min，真空退火工艺过程中当温度小于400℃时，将上区和顶区的输出功率设定为峰值的50％，保温阶段调整下区和中区控温仪表的偏差值为±3℃或者设定下区和中区输出功率差值为35％～55％。通过上述的优选控制过程，保证了真空退火工艺过程中各阶段各区温度的均衡性，从而提高了板材退火温度的均一性。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过设计卷材立式真空退火炉专用工装，结合改进装炉方式和调整加热参数，在立式空间内装入板材，且使得热量均匀传递到板材上，提高了不同层板材的退火温度一致性，增强了板材真空退火效果，实现了卷材立式真空退火炉对板材的退火，扩大了卷材立式真空退火炉的使用范围。
2、本发明的卷材立式真空退火炉专用工装有利于热量的传递互补，具备较佳的传热性能，有效保证了各层板材退火温度的一致性，且提高了真空退火的高温状态下工装的稳定性。
3、本发明的装炉方式进一步保证了各层板材退火温度的一致性，保证了退火后板材的平面度，保障安全生产。
4、本发明通过调整加热参数减少温度稳定时间，缩小同一阶段各区的温度差距，保证了真空退火过程中热量的均匀传递。
5、本发明退火后板材的各项性能指标均满足要求，且与卧式炉退火板材的性能一致，满足了核工业的需求。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明卷材立式真空退火炉专用工装的结构示意图。
图2为图1中料盘的俯视图。
图3为图1中支撑柱的结构示意图。
图4为图1中三层料盘中的装料示意图。
附图标记说明
1—料盘； 2—支撑柱； 3—不锈钢压块；
4—板材层； 5—测温工件偶； 6—陶瓷套筒；
7—底部加热带。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明卷材立式真空退火炉专用工装包括用于放置板材4的分层叠放的料盘1，所述相邻的料盘1之间设置有支撑柱2，所述板材4的表面均放置有不锈钢压块3，且每个料盘1上板材4的中间位置处均装设有测温工件偶5，所述测温工件偶5的端头穿过底部加热带7与操作控制系统连接，且测温工件偶5的端头外设置有陶瓷套筒6。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据卷材立式真空退火炉炉室均温区规格、加热方式特点和辐射加热带整体布局，设计并制作适用于卷材立式真空退火炉炉室的专用工装；所述卷材立式真空退火炉炉室均温区的规格直径×高度为1200mm×1200mm，加热方式特点为横向辐射加热和顶部、底部辅助加热相结合，辐射加热带整体布局为立式圆筒；所述专用工装中三层可拆卸料盘均为网格结构，且每层料盘的底部均开设有凹槽，相邻料盘之间设置有支撑柱，所述支撑柱的顶端与相邻料盘中上层料盘的底部凹槽配合，所述支撑柱的高度为250mm；
步骤二、将锆合金原料板材分切后脱脂，然后进行测量和表面检查，并对表面质量较差的脱脂后的锆合金板材采用乙醇擦拭，使其符合装炉要求，得到锆合金板材；所述板材的尺寸为：厚度不超过25mm，宽度不超过650mm，长度不超过1000mm；所述乙醇为分析纯级别；
步骤三、打开卷材立式真空退火炉的炉门，将步骤二中得到的锆合金板材整齐码放在卷材立式真空退火炉的专用工装的第一层料盘中形成第一板材层，并沿板材厚度方向预留出第一板材层的中间位置，然后在第一板材层的上表面上铺盖不锈钢衬板，再在不锈钢衬板上配置不锈钢压块；
步骤四、按照步骤三中在第一层料盘中的装料工艺，将步骤二中得到的锆合金板材依次装入卷材立式真空退火炉的专用工装的第二层料盘和第三层料盘中，分别形成第二板材层和第三板材层，并预留出第二板材层的中间位置和第三板材层的中间位置，且三层料盘中相邻的料盘中板材层的方向呈“十字形”布设，如图4所示，然后将测温工件偶分别装设在每层板材层的中间位置，并经对应通道与卷材立式真空退火炉的操作控制系统相连，再关闭卷材立式真空退火炉的炉门，并进行抽真空；
步骤三和步骤四中所述第一板材层、第二板材层和第三板材层的装料厚度均不超过50mm，且单层装炉量不超过200kg，所述不锈钢压块均沿对应板材放置的方向间隔放置，且相邻不锈钢压块的间隔距离为50mm～150mm，每块不锈钢压块接受热量的面积为0.012m2，所述第一板材层、第二板材层和第三板材层承受的压力大于0.05kg/mm2；
步骤五、根据板材性能要求设计真空退火工艺，然后输入卷材立式真空退火炉的操作控制系统并执行，同时保证操作控制系统中包括温度、压力、真空度、水温和气压各项数据传输的稳定性；所述真空退火工艺的参数包括温度、保温时间、升温速率和升温时间；所述真空退火工艺的温度为580℃，保温时间为2.5h；
步骤六、根据卷材立式真空退火炉的加热特性、装炉量和步骤五中设计的真空退火工艺的参数，设定加热速率为3℃/min，真空退火工艺过程中当温度小于400℃时，限定上区和顶区的输出功率设定为峰值的50％，保温阶段调整下区和中区控温仪表的偏差值为±3或者设定输出功率差值为45％，以将真空退火工艺不同阶段中各区板材的温度稳定时间均控制在30min内，且各区每层板材的实测保温温度波动为±10℃范围内，完成对板材的真空退火工艺。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中支撑柱的高度为150mm；步骤五中真空退火工艺的温度为550℃，保温时间为1.5h；步骤六中设定加热速率为2℃/min，设定输出功率差值为55％。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中支撑柱的高度为350mm；步骤五中真空退火工艺的温度为620℃，保温时间为3h；步骤六中设定加热速率为8℃/min，设定输出功率差值为35％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据卷材立式真空退火炉炉室均温区规格、加热方式和辐射加热带整体布局，设计并制作适用于卷材立式真空退火炉炉室的专用工装；所述专用工装包括分层叠放的料盘，且从下至上分别为第1料盘，……，第n料盘，其中n为不小于2的正整数；
步骤二、将原料板材分切后脱脂，然后进行测量和表面检查，并采用乙醇或丙酮擦拭，使其符合装炉要求，得到板材；
步骤三、打开卷材立式真空退火炉的炉门，将步骤二中得到的板材整齐码放在卷材立式真空退火炉的专用工装的第1料盘中形成第1板材层，并沿板材厚度方向预留出第1板材层的中间位置，然后在第1板材层的上表面上铺盖衬板，再在衬板上配置压块；
步骤四、按照步骤三中在第1层料盘中的装料工艺，将步骤二中得到的板材依次装入卷材立式真空退火炉的专用工装的其他料盘中，分别形成第2板材层，……，第n板材层，同时预留出第2板材层～第n板材层的中间位置，且第1料盘～第n料盘中相邻的料盘中板材层的方向呈“十字形”布设，然后将测温工件偶分别装设在每层板材层的中间位置，并经对应通道与卷材立式真空退火炉的操作控制系统相连，再关闭卷材立式真空退火炉的炉门，并进行抽真空；
步骤五、根据板材性能要求设计真空退火工艺，然后输入卷材立式真空退火炉的操作控制系统并执行，同时保证操作控制系统中包括温度、压力、真空度、水温和气压各项数据传输的稳定性；所述真空退火工艺的参数包括温度、保温时间、升温速率和升温时间；
步骤六、根据卷材立式真空退火炉的加热方式、装炉量和步骤五中设计的真空退火工艺的参数，设定加热速率，并通过调节真空退火工艺过程中不同阶段各区输出功率，对各料盘中放置的各板材层进行真空退火。
2.根据权利要求1所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤一中所述卷材立式真空退火炉炉室均温区的规格直径×高度为1200mm×1200mm，加热方式为横向辐射加热和顶部、底部辅助加热相结合，辐射加热带整体布局为立式圆筒。
3.根据权利要求1所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤一中所述专用工装中的料盘均为网格结构，且每层料盘的底部均开设有凹槽，相邻料盘之间设置有支撑柱，所述支撑柱的顶端与相邻料盘中上层料盘的底部凹槽配合，所述支撑柱的高度为150mm～350mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤二中所述板材的尺寸为：厚度不超过25mm，宽度不超过650mm，长度不超过1000mm；所述乙醇为分析纯级别或质量纯度大于95％。
5.根据权利要求1所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤三和步骤四中所述第1板材层～第n板材层的装料厚度均不超过50mm，且单层装炉量不超过200kg，总装炉量不超过600kg；所述压块均沿对应板材放置的方向间隔放置，且相邻压块的间隔距离为50mm～150mm，每块压块接受热量的面积为0.012m2，所述第1板材层～第n板材层承受的压力均大于0.05kg/mm2。
6.根据权利要求1所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，通过对步骤四中各板材层中测温工件偶的温度变化进行实时监测，调整步骤六中真空退火工艺的参数，使得每层板材层的实测保温温度波动为±10℃范围内。
7.根据权利要求1所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤五中所述真空退火工艺的温度为550℃～620℃，保温时间为1.5h～3h。
8.根据权利要求1所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤六中所述调节过程为：真空退火工艺的升温阶段对上区和顶区的输出功率限额，均温阶段增加下区和底区的输出功率进行加热补偿，保温阶段对下区和中区进行控温仪表的偏差值调整，以将真空退火工艺不同阶段中各区板材层的温度稳定时间均控制在30min内，且各区每层板材层的实测保温温度波动为±10℃范围内。
9.根据权利要求8所述的一种利用卷材立式真空退火炉对板材退火的方法，其特征在于，步骤六中所述设定加热速率为2℃/min～8℃/min，真空退火工艺过程中当温度小于400℃时，将上区和顶区的输出功率设定为峰值的50％，保温阶段调整下区和中区控温仪表的偏差值为±3℃或者设定下区和中区输出功率差值为35％～55％。
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