李志剛，劉小玲，李鵬輝

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南洛陽471039)

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鋁合金汽車板連續(xù)熱處理生產線

李志剛，劉小玲，李鵬輝

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南洛陽471039)

文章概述了鋁合金汽車板連續(xù)熱處理生產線的應用和生產工藝，詳細介紹了連續(xù)熱處理生產線的工藝布置、設備主要工藝特點等。

鋁合金汽車板；氣墊爐；連續(xù)熱處理

目前，國內外掀起了汽車板建設的熱潮，由于生產汽車板帶用冷軋卷坯的主要設備與生產其它高精板帶(航空板、罐料、CTP板基)的設備基本相同，如生產罐料的熔煉-鑄造、熱軋、冷軋生產線均可滿足生產汽車板的要求，因此多數企業(yè)生產汽車板是利用原有的熔鑄、熱軋、冷軋生產線，僅精整與熱處理設備及工藝則有較大差異。

鋁合金連續(xù)熱處理生產線是汽車板生產的關鍵設備，帶材開卷后進入氣墊爐內加熱、保溫，然后以一定的速度冷卻，完成熱處理過程，在整個過程中帶材始終在展開狀態(tài)連續(xù)運行。與常用的箱式退火爐比較，氣墊爐可以實現快速冷卻，帶材溫度精度高、表面質量好、性能均一，因此主要用于2xxx、6xxx、7xxx系鋁合金淬火，實現固溶強化。普通鋁板帶產品批式熱處理即可滿足退火要求，無需采用連續(xù)熱處理。而汽車車身板常用的6xxx系鋁合金均需經過固溶強化，因此連續(xù)熱處理生產線成為鋁合金汽車板生產不可缺少的熱處理設備； 冷軋卷在熱處理之后，還需經過矯直、表面處理、預時效、涂油、剪切等工序。國外最長的鋁合金連續(xù)熱處理生產線長達300m(雙層)，從熱處理、表面處理至剪切出成品的各種工序都可以在該連續(xù)熱處理生產線上完成。

1 連續(xù)熱處理生產線在鋁合金汽車板生產中的應用現狀

當前，國外著名的鋁汽車板生產商主要有諾貝麗斯公司(Novelis)、海德魯鋁業(yè)公司(Hydro Aluminium)、美國鋁業(yè)公司(ALcoa)、愛勵國際(Aleris)、肯聯鋁業(yè)(Constellium)、日本神戶制鋼和日本聯合鋁業(yè)[1]。這些大型鋁業(yè)公司設有汽車鋁板帶研發(fā)專業(yè)機構，負責汽車鋁材的研究開發(fā)、生產與技術服務；除擁有現代化的熱軋、冷軋裝備外，還配置了高技術水平的精整熱處理生產線，能夠根據汽車生產廠家的要求批量供應高水平的汽車板產品。當前世界最大的鋁合金車身板供應商諾貝麗斯公司，現有5條汽車板連續(xù)熱處理生產線在運行，是唯一一家在亞洲、歐洲和北美洲三大主要汽車生產區(qū)域擁有制造汽車鋁板能力的供應商。其汽車板生產線主要位于歐洲的德國Nachterstedt和瑞士Sierre工廠、北美的奧斯威戈(Oswego)工廠及中國的常州工廠。

諾貝麗斯在常州建設的汽車鋁板熱處理生產線(2014年8月投產)，帶有完整的連續(xù)熱處理、拉矯和表面處理功能，是目前國內第一條完整的汽車鋁板熱處理生產線。西南鋁和南南鋁雖然也有連續(xù)熱處理爐，但西南鋁的連續(xù)熱處理爐只有熱處理和矯直功能；而南南鋁連續(xù)熱處理爐的表面處理功能是預留的，因此只能生產硬合金薄板，不能算一條完整的汽車板連續(xù)熱處理生產線。

國內實力雄厚大型的鋁板帶生產企業(yè)，如南山鋁業(yè)、天津忠旺、山東魏橋已經開始建設汽車板生產線，其精整熱處理生產線的裝機水平與目前國外同類設備相當，加上已經擁有的國際一流的熱軋、冷軋生產設備，將很快具備生產汽車板的硬件條件。但這些企業(yè)還沒有專門的汽車板工藝研發(fā)機構，目前主要依靠購買國外軟件服務包，缺乏后續(xù)的產品工藝研發(fā)能力。

隨著諾貝麗斯常州工廠的投產，國內已經具備了鋁合金汽車板生產的能力，但其生產技術為國外壟斷。雖然國內大型鋁板帶企業(yè)也開始建設汽車板連續(xù)熱處理生產線，但均未投產，且缺乏自主知識產權的生產工藝技術，生產完全受制于人。中鋁公司目前主要利用瑞閩的軋制生產線和西南鋁的熱處理生產線，試制的寬幅(1950mm)6016汽車板材可滿足上海通用、寶馬、日產等多家汽車公司的性能要求，產品正在相關認證當中，只是由于熱處理設備的限制，還不能批量生產供應。

目前國內新建的鋁合金連續(xù)熱處理生產線大多采用引進的設備，爐子段采用了Ebner公司的，表面處理段、拉矯段等其它部分采用BWG或Tenova公司的。在連續(xù)熱處理生產線的選擇上，企業(yè)大多兼顧2xxx、7xxx系硬合金薄板的生產，表1為典型連續(xù)熱處理生產線的基本技術參數。

表1 連續(xù)熱處理生產線主要技術參數

2 汽車板精整及熱處理的生產工藝流程

冷軋鋁帶卷坯料用天車吊運至開卷機的鞍座上，開卷機對帶卷進行開卷，帶卷通過矯直、切頭、預清洗后進入入口活套；從活套出來的帶材經張緊裝置降低張力后進入爐子內加熱、保溫、冷卻，完成固溶熱處理；之后經矯直、表面處理、切邊、預時效、涂油后經卷取機收卷。前一卷的帶尾與后一卷的帶頭在入口段縫合機縫合，接頭在出口段的剪切機剪除，整條生產線連續(xù)運行。

3 連續(xù)熱處理機組的工藝布置及機組組成

連續(xù)熱處理生產線是集熱處理、矯直、帶材表面處理等多種功能于一體的鋁帶材熱處理設備，總長可達600m左右，因此一般采用雙層布置，將入口設備和出口設備布置在一層，爐子布置在二層，以減少車間長度。同時可以預留部分設備空間，將來根據不同汽車企業(yè)的要求適時增加爐區(qū)長度或相關工藝設備。也有部分企業(yè)將熱處理和表面處理功能分別配置兩個機組上，根據不同的產品和要求使用設備，增加設備的靈活性。連續(xù)熱處理機組主要可以分為入口段、工藝段、出口段3 個部分。

3．1 入口段

圖1為入口段工藝布置圖，主要包括開卷機、對中裝置、剪切機、切頭剪、帶材縫合機、切邊剪和碎邊剪、預清洗段、入口活套等設備，完成開卷、帶材頭尾剪切、連接、切邊等功能。

1-1#開卷機；2-2#開卷機；3-1#入口偏導夾送輥；4-1#矯直機；5-1#入口切頭剪；6-2#入口偏導夾送輥；7-2#矯直機；8-2#入口切頭剪； 9-3#入口偏導夾送輥；10-4#入口偏導夾送輥；11-3#切頭剪；12-縫合機；13-月牙剪；14-5#入口夾送輥；15-1#對中張緊裝置；16-入口切邊機；17-預清洗段；18-偏導輥；19-入口活套圖1 連續(xù)熱處理機列入口段工藝布置圖Fig.1 Layout of entry section of continuous heat treatment line

3.2 工藝段

圖2為工藝段工藝布置圖，主要包括氣墊爐(熱處理部分和冷卻部分)、拉矯機、表面處理等設備，完成帶材的熱處理、矯直、表面處理等功能。

1-對中輥；2-張緊裝置；3-爐子單元；4-水冷單元；5-風冷單元；6-低張力對中輥；7-張緊裝置；8-雙對中輥；9-拉彎矯入口張緊裝置； 10-拉彎矯直機；11-拉彎矯出口張緊裝置；12-清洗預處理單元；13-干燥機圖2 連續(xù)熱處理機列工藝段工藝布置圖Fig.2 Layout of process section of continuous heat treatment line

3.3 出口段

圖3為出口段工藝布置圖，主要包括出口活套、切邊剪、預時效爐、靜電涂油機、出口剪、卷取機、皮帶助卷機等設備，完成成品檢查、涂油、切邊、分卷等功能。

1-出口活套；2-雙對中輥；3-偏導輥；4-切邊機；5-表面檢測系統(tǒng)；6-張緊裝置；7-出口檢測臺；8-偏導夾送輥；9-預時效爐； 10-靜電涂油機；11-出口剪切機；12-1#出口偏導夾送輥；13-1#卷取機；14-2#出口偏導夾送輥；15-2#卷取機圖3 連續(xù)熱處理機列出口段工藝布置圖Fig.3 Layout of exit section of continuous heat treatment line

4 連續(xù)熱處理生產線主要構成設備工藝特點[2]

4．1 預清洗段

帶材在熱處理前需清洗脫脂，去除表面油漬。采用50～75°C的堿溶液對帶材上表面和下表面進行清洗。堿洗時間約3s，然后進行2次漂洗，第一次采用常溫去離子水漂洗，第二次采用50～75°C的去離子水漂洗，漂洗水循環(huán)使用。然后通過帶有吹邊裝置的烘干機進行烘干。

4．2 張緊裝置

帶材在不同工段處的張力不盡相同，張緊裝置可以把各個區(qū)域的張力隔開，不同區(qū)域設置不同的張力。開卷和卷取張力主要是防止帶卷發(fā)生松動擦劃傷和偏離中心線，開卷張力6～15MPa，卷取張力10～20MPa；活套張力過小易造成帶材與棍子間的滑動擦劃傷，入口和出口活套張力7～15MPa；爐區(qū)張力是控制的關鍵，為防止張力產生較大波動，爐內張力盡可能小，因此帶材進入爐體時張力應降至1～2MPa。

4．3 活套

機組設有入口和出口活套，入口活套的作用是存儲足夠長的料，在入口換卷時提供連續(xù)不斷的帶卷保證。出口活套使帶材在出口段換卷時能夠連續(xù)運行，儲料長度則根據工藝速度確定，工藝速度60m/min時，長度需160m左右，工藝速度達100m/min時，長度需260m左右。

活套的形式有立式活套和臥式活套，最初的設計大多采用立式活套，帶材不易下垂，避免造成擦劃傷。但立式活套需要的設備基礎較深或廠房較高，生產長度也相應增加。因此目前有采用臥式活套的，為了避免帶材下垂造成帶材的擦劃傷，需要設置帶材托輥裝置。為了縮短生產線長度，國外有的廠家采用入口立式活套，出口臥式活套。

4．4 氣墊爐

氣墊爐和冷卻裝置一起安裝在一個鋼結構平臺上(二層)，帶材通過爐子和淬火段，在爐內連續(xù)運行，料帶表面不會與設備上的任何部件發(fā)生接觸。

氣墊爐采用天然氣加熱，爐風通過安裝在風機進風口處的燒嘴實現加熱，然后流經噴嘴箱內的噴嘴以垂直方向從上下兩個方向吹向帶材表面，通過這種方式能夠實現對材料的快速加熱。噴嘴交替分布在帶材上部和下部，帶材以正弦形狀通過爐區(qū)，保證了帶材穩(wěn)定的懸浮于爐體中。通過徑向流動風機實現熱風循環(huán)，爐內氣流離開噴嘴時的速度與所處理的帶材相適應，可通過調整變頻驅動循環(huán)風機的轉速來調節(jié)該速度。

氣墊爐分成10～12個分區(qū)，產能約8萬t，通常根據產能確定分區(qū)數量。每個分區(qū)有兩個循環(huán)風機，一個在爐頂，一個在爐底。爐內最高溫度達600°C，爐氣溫度范圍300～580°C ，保溫精度±1．5°C。生產6xxx系鋁合金汽車板時，540～570°C保溫60s后進入冷卻區(qū)進行空氣冷卻。

冷卻部分分區(qū)根據其速度確定，為全封閉式。1號冷卻區(qū)為水淬冷卻，冷卻區(qū)入口的頂部和底部裝有氣刀，以防止水進入爐內，高壓水噴嘴組上下對稱安裝在水刀之后。這些水噴嘴用于需要快速冷卻的2xxx系及7xxx系合金。對于給定的合金品種，需要的冷卻率可達500°C /s，淬火水采用去離子水。2～7號冷卻區(qū)為空氣冷卻，用于對帶材進行空氣冷卻和干燥。6xxx系鋁合金汽車板使用空氣冷卻，冷卻段出口處料帶溫度≤65°C。

4．4 矯直裝置

矯直裝置采用的是拉伸和彎曲相結合的矯直形式，即通過張力輥與彎曲輥的共同作用，使帶材在承受張力小于屈服極限的情況下產生局部塑性延伸，從而改善板形。汽車車身板對帶材表面的要求非常高，厚度約1mm的汽車板只能通過純張力拉伸模式。對于2xxx系和7xxx系合金或者較厚的帶材，采用拉伸彎曲相結合的矯直工藝。

矯直裝置入口的張緊裝置可為帶材出氣墊爐后增加帶材張力，并為矯直裝置提供反張力，其最大張力可達500MPa，可生產2xxx系和7xxx系硬合金薄板，出口處張緊裝置可降低矯直裝置出口處的張力。

矯直裝置裝備噴洗系統(tǒng)，帶材經過拉伸輥時，帶材表面的鋁氧化物細屑會脫落且粘在拉伸輥上，從而導致拉伸輥凸起和震動，會使帶材產生不可接受的擦劃傷。

4．5 表面處理段

表面處理段的功能是完成鋁帶材表面的清洗及鈍化處理，通過鈍化處理在鋁帶材表面形成一層保護膜。一方面可以保護鋁帶表面不被氧化腐蝕，另一方面可以增強鋁帶在下游工序的粘著力，有利于吸附潤滑劑和沖壓成形，增強其與油漆、粘接劑的結合，有利于車身的黏接和上漆。

帶材清洗首先進行堿洗，用60～70°C的堿溶液對帶材上表面和下表面進行噴射式清洗。堿洗時間約6s，然后進行2次漂洗，第一次采用常溫去離子水漂洗，第二次采用40～60°C的去離子水漂洗，漂洗水循環(huán)使用。然后再進行酸洗，酸洗時間約6s，然后進行2次漂洗，漂洗完之后開始進入鈍化處理。因為帶材表面油漬在預清洗和爐子段燃燒后已經很少，堿洗有時可以省去，但酸洗必須配備。

鋁合金車身板的鈍化處理采用化學轉化法，即在不通電的情況下，鋁表面與鈍化劑(氧化性溶液)發(fā)生反應，在其表面生成與基體有較好附著力的、不溶性的轉化膜。針對汽車企業(yè)不同的產品要求，表面鈍化處理主要有浸涂、噴涂和輥涂三種型式。

浸涂。鋁帶材通過含有鈍化劑的槽液完成鈍化處理，控制好槽液溫度，浸涂完再經過2次漂洗，漂洗水為50℃的去離子水，然后用蒸氣加熱的熱風烘干，烘干后進入出口活套。

噴涂。其特點是通過物理作用(如靜電噴涂是通過噴射梁噴射)來實現，在美國普遍使用Ti、Ti/Zr噴涂，因該涂料可以很快的形成化學反應，在烘干前已經完成了80%的化學反應。

輥涂。輥涂機由一個主機架和兩個涂頭構成，涂頭對稱板帶設置。一個涂頭涂覆板帶上部，稱上涂頭；另一個涂覆板帶下部，稱下涂頭。每個涂頭的涂覆輥能將帶材推離理論通過線，使帶材輕微纏于涂料輥但不超過帶輥間的最大壓力，依據涂料輥的公稱直徑和磨損變化。如果采用輥涂工藝，輥涂之后需進入紅外線烘干爐，對帶材涂層進行立式加熱烘干，烘干后進入出口活套。

4．6 預時效爐

預時效爐用于對表面處理后的鋁帶進行預加熱或預時效處理。帶材固溶處理后進行預時效處理，使帶材具有良好的成形性和烘烤硬化性。

加熱方式采用高速熱風吹向帶材兩面，循環(huán)熱空氣用直接燃氣式燒嘴加熱，速度約40m/min，入口溫度30℃，出口溫度110℃。

4．7 靜電涂油機

靜電涂油機采用靜電噴霧的方式，將加熱熔化的固體潤滑油涂在帶材的單面或雙面，可根據帶材速度精確控制油量。涂油室內安裝著上、下涂油噴嘴，帶材從其中自由通過。高壓靜電源輸出100kV左右的負直流高壓，加在涂油噴嘴上，使噴嘴和作為接地板的帶材之間產生高壓靜電場。帶有負電荷的油液在高壓靜電場中霧化并被吸附在帶材表面上，形成勻薄的油膜。

靜電涂油機按其外觀分為兩種，一種是臥式靜電涂油機，涂油量范圍在500～3500mg/m2(單面)；另一種為立式靜電涂油機，涂油量在2～25mg/m2(單面)。

5 結束語

連續(xù)熱處理生產線是生產汽車板的關鍵設備，最初，多數生產線是由設備制造廠家和汽車板生產企業(yè)共同開發(fā)的，工藝要求由汽車板生產企業(yè)提出，產品要求由下游汽車廠家提出。目前，國外設備廠家可以提供成熟的整套設備，為國內汽車板生產企業(yè)提供了機遇，縮短與國外汽車板生產企業(yè)的差距。

[1] 劉洪波. 歐洲鋁合金汽車板生產概述及國內市場分析展望.有色金屬加工，2014,43(2)：1-4.

[2]Ebner、BWG和Tenova公司連續(xù)熱處理生產線設備技術交流內容。

Continuous Heat Treatment Line for Aluminum Alloy ABS

LI Zhigang, LIU Xiaoling, LI Penghui

(Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing, Luoyang 471039, China)

The paper presented the application and production process of continuous heat treatment line for aluminum alloy ABS; it described the process layout of continuous heat treatment line and technological characteristics of equipments in the line.

aluminum alloy ABS; flotation furnace; continuous heat treatment.

2014-12-29

李志剛(1980-)，男，碩士，工程師，主要從事鋁、鎂、鈦等有色金屬板帶工程工藝設計。

TG339；TG166.3

A

1671-6795(2015)03-0031-05