輥底爐的應用現狀及關鍵工藝技術分析

■ 聞冬冬

固溶體脫溶是可熱處理強化鋁合金進行強化熱處理（淬火和時效）的基礎，輥底式淬火爐主要用于2×××、6×××、7×××等航空工業鋁合金中厚板的熱處理。淬火是生產航空用鋁合金中厚板的關鍵熱處理操作，其目的是為了得到高濃度的過飽和固溶體，給自然時效和人工時效創造必要的條件。

1. 國內輥底式淬火爐生產線情況

傳統的鋁合金中厚板的淬火工藝主要通過鹽浴爐來進行，從鹽浴爐到淬火水槽之間用橋式起重機進行轉移，淬火轉移時間較長，這種淬火工藝使鋁合金晶間腐蝕加重，且在后續加工中變形大，性能不穩定，實現這一熱處理工藝過程所采用的設備是先進的固溶熱處理及噴淋式淬火輥底爐。國外艾伯納、容克、EFR公司開發出熱風循環輥底式固溶熱處理技術，與傳統的鹽浴爐相比，輥底爐具有爐溫均勻度高、淬火轉移時間短、淬火冷卻更均勻速率更快等特點。輥底式淬火爐生產線由4部分組成：上料輥道臺；輥底爐加熱爐區；高/低壓淬火區；下料輥道。圖1所示為輥底式淬火爐生產線布置。

由于輥底式淬火爐和人工多級時效爐設備是根據金屬組織性能和工藝要求、國際航天航空AMS等標準而設計制造的，因而制造精度、運行精度和控制精度高，國內在研制輥底爐方面起步較晚，技術水平低于國外廠家，近幾年國內實力雄厚的鋁合金生產企業均從國外引進輥底式爐用于鋁合金航空用中厚板的生產（見附表）。

圖1 輥底式淬火爐生產線布置

2. 設備關鍵工藝技術

（1）加熱段爐溫均勻度 艾伯納公司的輥底爐每個加熱段的爐頂和爐底各安裝了一臺循環風扇，在爐內的鋁板被垂直于板材表面的高速熱氣流從上下兩個方向加熱至工藝要求設定的溫度。爐內的空氣由輻流式風扇驅動進行循環，每個風扇區域都分成4個控制組，兩個在左邊，兩個在右邊，這樣可實現最佳的溫度分布，由此將整個工作空間內的溫度差降到最小，保證了爐內溫度分布的均勻性，這也是實現整個爐料均勻加熱的基本要求。如圖2所示。

（2）淬火轉移時間 板材轉移時間“爐門打開”包括出口門廊內的板材加速到淬火速度的時間，是爐門打開到板材前端碰到淬火冷卻介質的時間，板材轉移時間“爐外”是板材前端碰到淬火冷卻介質前在爐外所花費的時間。延長淬火轉移時間將導致淬火冷卻速度減慢，對材料的性能影響很大。因為板材在轉移到淬火段過程中與冷空氣接觸，相當于在空氣中冷卻。由于冷卻速度慢，而鋁合金特別是硬鋁和超硬鋁的力學性能及耐蝕性對冷卻速度十分敏感，固溶體的分解會降低時效強化效果，從而使產品力學性能和耐蝕性下降，為了防止過飽和固溶體發生局部的分解和析出，使淬火和時效效果降低，應當盡量縮短淬火轉移時間，特別是在360～400℃的溫度敏感區必須快冷。有些廠家為了減小淬火轉移時產生的溫度降，在加熱段進入冷卻段的區域內設計一道燒嘴，這樣可產生一道由加熱空氣形成的風墻，避免板材出現早期冷卻現象。厚板轉移時間一般控制在15s以內，轉移時間越短，材料綜合性能越好。

（3）淬火區設計 根據鋁合金時間-溫度-轉換率等溫轉變圖，鋁合金等溫轉變圖鼻尖溫度約350℃，淬火敏感溫度區間為210～420℃，為了保證合金獲得高硬度，淬火時必須快速冷卻通過敏感溫度區間，而在高溫或低溫區間的冷卻速率可以適當減小，這樣不但可以保證合金有高的硬度，還能在一定程度上降低殘余應力。因此，輥底爐淬火段一般設置組合式高壓、低壓兩個淬火區。高壓淬火區水泵壓力一般采用5×105Pa，噴嘴排布與爐子中心線呈85°角，噴水呈橢圓形，這樣水流能更有效沖破水膜，快速帶走熱量，確保實現200～250mm厚板心部實現快速淬透，滿足淬火轉移時間小于15s（航空AMS標準）的要求。例如典型的50mm厚板材，固溶處理溫度538℃，板材離開高壓淬火段時，表面溫度250℃，內部溫度400℃。同樣的板材離開低壓淬火段，最終冷卻前表面溫度100℃，內部溫度150℃。

國內已投產輥底爐生產線

圖2 艾伯納爐內循環導流系統

3. 結語

輥底爐是生產航空鋁合金中厚板的關鍵設備，國外廠家在加熱區爐溫均勻度、控溫精度、淬火區快速均勻降溫等方面已掌握成熟的技術，如采用爐門加熱方法以提高爐溫均勻度，高低壓淬火區采用不同類型噴嘴等。希望國內廠商可以加大輥底爐設計、制造領域的研發力度與投入，早日實現輥底爐國產化。

[1] 李志剛.輥底式淬火爐在鋁合金中厚板在生產中的應用[J].有色金屬加工，2015（1）.

[2] 曹盛強，余鳳智.艾伯納、容克與法鋁輥底式淬火爐的比較分析[J].熱處理技術與裝備，2014（8）.

[3] 劉盛膽，張新明，游江海，等.7055鋁合金的TTP曲線及其應用[J].中國有色金屬學報，2006（12）.