退火爐金屬溫度影響因素及控制措施

馬淑花，陳強正，周建軍，梁衛民

(青海平安高精鋁業有限公司， 青海 海東 810006)

有色金屬廣泛應用于航空工業、民用建筑、醫療食品包裝等行業，特別是鋁合金材料應用更廣泛。鋁合金材料用途不同，其加工工藝也不同，多數鋁合金材料需要經過熱處理，才能達到所需的機械性能。近幾年客戶對材料機械性能要求越來越嚴格,因此，對爐內金屬溫度控制提出更高要求，這就意味著，熱處理時鋁合金材料退火的金屬溫度控制尤為重要。

1 退火爐的組成及功能

我公司共有4臺60t鋁卷退火爐及1臺復合料車，爐子型式為強制熱風循環電阻加熱箱式退火爐，鋁卷軸向與退火爐軸線垂直放置，可容納4卷。退火產品卷材重量最大15t(帶套筒時)，產品一般分為穩定化退火、中間退火或成品退火，金屬退火溫度150℃～480℃，爐氣最高溫度為550℃。有效區內爐氣溫差≤±3℃。退火爐主要組成有箱式爐體(含爐底及軌道)、空氣循環系統、導流裝置，吹洗和排氣系統、加熱器、熱電偶、冷卻水系統、負壓風機。

退火的作用是為了改善鋁合金帶材內部組織、細化晶粒，消除鋁合金帶材冷軋加工硬化，恢復和提高鋁材的塑形，使鋁材達到規定硬度，以滿足客戶需要的力學性能。退火方式一般選擇恒溫退火，產品保溫時間越長則規定非比例延伸屈服強度越好。退火主要參數選擇有退火溫度、保溫時間、加熱速度、冷卻速度、合金狀態等，根據鋁卷的厚度、裝爐量、重量、卷與卷之間的空隙規定退火制度。

2 鋁合金不同狀態工藝流程

不同狀態的鋁合金，其加工工藝流程不同，其中，O態：銑面—加熱—熱軋—冷軋—清洗—退火—精整—包裝；H1X態：銑面—加熱—熱軋—冷軋—清洗—退火—冷軋—清洗—包裝；H2X態：銑面—加熱—熱軋—冷軋—清洗—退火—精整—包裝；H3X態：銑面—加熱—熱軋—冷軋—清洗—退火—冷軋—清洗—退火—精整—包裝。在以上加工工藝中，其中H2X、H3X需要成品退火達到所需性能，對退火爐的均勻性要求很高，本文主要講解H2X、H3X在退火過程中，爐內影響金屬溫度均勻性的因素及控制措施。

3 影響金屬溫度均勻性的因素

3.1 爐氣溫度均勻性影響

在加熱狀態下，退火爐循環風機的加熱速度和溫度是鋁卷均勻性的關鍵。為強化熱交換保證產品質量，裝有低壓大風量軸流風機，風機采用變頻調速，可使爐內循環氣流的速度根據工藝不同而改變。每臺爐子風機可正反轉，自動換向，也可手動。每臺風機下面是水平導流板，水平導流板兩側折彎處增加組流，垂直導流板掛在水平導流板兩側，每區垂直板上開4個可調的長方孔，以便在需要時調節其開度，改善爐溫均勻度，為防止各加熱區氣流的相互干擾，熱區間設置了區間隔板。水平導流板和垂直導流板是45°倒角連接，可有效減小氣流阻力，提高爐溫均勻性。執行工藝時，為了提高鋁卷均勻性，還會用到吹洗和排氣系統，該系統主要用來及時排除制品加熱時產生的揮發物，以確保產品質量和生產安全。當吹洗風機吹入新鮮空氣時，每一爐都有電動蝶閥可調節風量，然后連接到循環風機的吸風口，可改善溫度均勻性，以此影響到金屬溫度的均勻性。爐氣均勻性的好壞直接影響金屬溫度均勻性，一般爐氣溫度偏差控制在≤±3℃，如果各區的溫度偏差大，爐氣高的區域加熱的鋁卷溫度偏高，出現性能偏低現象；爐氣低的區域加熱的鋁卷溫度偏低，出現性能偏高現象，因此，爐氣均勻性差直接導致金屬性能不均勻。

3.2 來料溫度的影響

來料溫度對退火爐升溫有較明顯的影響，一般情況下，退火爐來料先經過清洗機清洗，再經過烘干箱后卷取。烘干溫度一般為90℃～110℃，帶材經過清洗機的烘干箱溫度能夠達到50℃～60℃。在裝爐過程中，如果一爐內4卷料的溫差較大時，在升溫過程中金屬溫度很難保持一致，顯然，料溫高的比料溫低的升溫快，導致最終金屬溫度溫差較大。退火結束后，一爐料的性能肯定有明顯偏差。

3.3 來料規格的影響

鋁卷的卷重、寬度、厚度對退火爐升溫也有很大的影響，一爐裝4個卷，4個卷材的重量、寬度有嚴格規定。同寬度的卷材，卷重偏差越大，同重量的卷材，寬度偏差越大，則卷材金屬溫差就越大。所以，來料規格、重量必須控制在一定范圍內，才能保證鋁卷在加熱期間金屬溫度偏差小，確保退火后所有卷材的力學性能一致。依據現場多年的實踐經驗，在規格一致的情況下，重量偏差2t、3t、4t，其對應的金屬溫度偏差分別為3℃、5℃和8℃。在重量一致的情況下，寬度偏差200mm、300mm、400mm，其對應的金屬溫度偏差分別為3℃、6℃和10℃。

3.4 測溫的影響

測溫影響包括測溫儀器的精確度和打孔的位置及深度。儀器的準確性會直接影響數據準確性、檢測金屬的精確性，對材料力學性能影響極大，導致同一爐次力學性能偏差較大。另外打孔測溫的位置及深度也同樣影響測溫的精確度，打孔測溫位置如果太靠近卷材的鋼套筒，不能監測卷材真實溫度；卷材的內圈如果錯層較大，也不能監測卷材的真實溫度，導致卷材實際溫度與監測溫度有明顯偏差。因此，同一爐次卷的性能偏差大。

3.5 升溫、保溫期間爐氣的影響

退火爐在工作過程中，爐內溫度循環及升溫是個極其復雜的過程，即使根據以上影響因素采取有效措施后，可能還會出現一爐卷材溫差較大的現象。一旦出現此類現象，為了保證爐內所有卷材的性能，需采取臨時有效控制措施，主要通過調整爐氣溫度、循環風機轉速、吹洗的開口度來控制一爐料的溫差。

4 控制方法與措施

4.1 爐氣溫度均勻性控制

通常退火爐溫度均勻性的控制通過做試驗進行補償調整，一般情況下周期為1個季度，對退火爐進行1次均勻性測試。要求在退火爐內裝入同規格、同重量的4卷料，4卷料同時插上校準過的熱電偶和巡檢儀，根據熱電偶監測退火爐4個區域溫度進行對比，對溫度低的區域進行補償溫度，最終要求4個區域的溫度偏差≤±3℃。另外要定期檢查退火爐風道是否暢通，如有堵塞必須及時清理，保障通風順暢；檢查風道有無漏風現象，如發現及時將漏風口進行焊接處理。每爐次退火結束后，檢查爐門密封防火棉，如有錯位、破損和脫落現象，都會嚴重影響爐膛內溫度的均勻性。發現此類問題，及時更換新密封防火棉，這樣才能保證退火爐溫度的均勻性。

4.2 來料溫度的控制

退火爐在進料前，需用接觸式測溫儀實測來料卷材的實際溫度，根據實際生產經驗，一般將各個卷材之間的溫差控制在5℃以內。如果溫差較大，把溫度高的鋁卷強制冷卻到溫差在5℃以內才能裝爐，這樣才能控制升溫過程中各個卷材的溫度偏差。

4.3 來料規格的控制

理想情況下，裝爐要求鋁卷的規格和重量保持一致，這樣金屬加熱期間溫度偏差就越小。但是，鋁板材加工生產的規格和卷重有很多種，不可能都保持一致。根據多年的經驗積累，為了保證同一爐次金屬溫度的均勻性，摸索出了卷材規格和卷重的范圍：中間退火和成品O態退火的最大寬度偏差200mm，最大卷重偏差2.0t；H3X穩定化退火的最大寬度偏差250mm，最大卷重偏差2.5t；H2X穩定化退火的最大寬度偏差100mm，最大卷重偏差1.0t。厚度偏差一般無硬性要求，重量小的卷盡可能放置在爐門口，這樣在升溫過程中能夠有效控制各個卷材溫度的均勻性，將各個卷材的溫差降到最低。

4.4 測溫的控制

退火爐熱電偶使用比較頻繁且需要校準，一般每3個月校準1次，這樣可保證測量溫度的準確性，確保合金的力學性能合格。熱電偶校準目的有兩種，一種是核對其熱電勢—溫度關系是否符合標準，或校準熱電偶讀數；另一種是確定非標準熱電偶的熱電勢—溫度關系；通過校準，還可以消除測量系統中的系統誤差，提高測量精度[1]。校準完的熱電偶最終誤差不超過±3℃。巡檢儀的校準是用標準源校準，例如標準電阻等，或用標準表比對，主要測量電信號，一般指多通道的臺式溫度記錄器，帶有實時顯示功能。一般半年校準1次。測量溫度時，巡檢儀上的溫度或大或小，不勻速上升，或通道沒顯示，均需要校準。鋁卷上打孔測溫時，打在距離套筒30mm～40mm處，如有錯層需避開，打在卷另一端平整面，深度是40mm～50mm，打孔用的鉆頭直徑比熱電偶直徑大1mm即可。鉆頭在鋁卷上打孔困難時，需用容易揮發不腐蝕潤滑劑，否則放入退火爐執行工藝時，在打孔位置附近表面出現腐蝕或產生油斑，影響表面質量。

4.5 升溫、保溫過程中的控制措施

一爐4卷料在升溫過程中，金屬溫度偏差大于1℃以上就要在原有的爐氣溫度基礎上降溫(圖1)。

圖1Fig.1

金屬溫度達到270℃改爐氣溫度為280℃。當不同卷的熱電偶檢測溫度偏差超過10℃，就要降爐氣溫度為200℃，這樣一爐內4個卷金屬溫差會逐步縮小，慢慢接近5℃以內。采取以上措施后溫差還是無法減小，需關加熱器，降低循環風機轉速，讓爐氣溫度慢慢勻速加熱于鋁卷之間，鋁卷之間的溫差就會慢慢減小。這時，將爐氣溫度重新調到工藝要求，按照正常工藝執行。為了保證一爐料每卷性能都能合格，在退火過程中對金屬溫度要求就低不就高，因為退火金屬溫度低了，對強度過高的卷材還能重新裝爐退火，達到所需的性能；而退火溫度超過警戒溫度，很有可能導致個別卷強度太低不合格。所以在保溫期間要求金屬溫度不能超過工藝要求警戒溫度，即嚴超溫度。改溫后進入保溫階段，適當降低循環風機轉速，吹洗開至100%。這樣還是超溫的話，需每3min開一次負壓吹洗，抽出爐內的熱空氣，打入冷空氣，循環交替操作。若采取以上措施溫度還是繼續上升，就需要將保溫的爐氣溫度降低10℃～20℃，控制保溫后的金屬溫度嚴超警戒溫度。

5 結束語

總之，在退火過程中要控制整爐料性能，就要采取措施控制卷材溫差，將每卷溫差控制在5℃以內。主要通過爐氣溫度的均勻性，每季度定期對退火爐的均勻性進行測試，確保退火爐每個區域溫差在±3℃以內；裝爐前對每卷料測溫，確保每卷溫差在5℃以內，來料規格嚴格按照摸索出的范圍控制；測溫控制中，對熱電偶和巡檢儀每季度校準一次。打孔測溫時，打在距套筒30mm～40mm處，如有錯層避開打在卷另一端平整面，深度為40mm～50mm，打孔用的鉆頭直徑選用比熱電偶直徑大1mm。升溫時通過調整爐氣溫度、循環風機、吹洗開度來控制各個卷材的溫差在10℃以內。保溫過程中卷材溫差控制在5℃以內，確保金屬溫度不能嚴超警戒溫度。通過采取以上措施控制，退火爐金屬溫度溫差得到有效控制，并確保每一爐次卷材的力學性能符合要求。