李 勇

（中航工程集成設備有限公司，北京 102206）

時效退火爐是目前鋁壓延生產中主要的熱處理設備，主要用來滿足熱處理工藝，改善產品性能，因此爐內的溫度控制在時效退火熱處理中起著重要的作用，顯著影響著卷材的加熱時長。爐氣溫度設置得過高，卷材表面溫度容易超溫，影響產品質量；爐氣溫度設置較低，卷材升溫太慢，整個熱處理工藝時長增加，能源消耗增加，產品噸位能耗較高，成本增加。因此，合理的爐溫控制技術是熱處理過程的關鍵。它不僅能夠有效提高卷材熱處理質量和成品率，還可以大幅實現(xiàn)整個熱處理過程的節(jié)能降耗。

本文通過對某廠卷材退火爐熱處理工藝的探索研究，在滿足卷材熱處理工況的要求下，分析影響熱處理工藝時長的因素，優(yōu)化卷材的熱處理工藝，進而應用在實際的生產中。

1 熱處理工藝

某廠的熱處理工藝如下：

退火工藝制度為：↑490℃/料390℃，↓390℃，390℃/料390℃，390℃×120 min，↓0℃/料100℃。氮氣置換至氧含量小于0.2%后，爐氣全速升溫至490℃，料溫高點到（390-10）℃后，爐氣開始降溫，爐氣降溫到390℃，此時料溫低點到溫（390±3）℃后，爐氣在390℃保溫2 h后，快速降溫冷卻至料溫100℃時出爐。

卷材在退火爐爐內的熱處理經過加熱、保溫及降溫三個工藝過程，這三個過程直接影響卷材的熱處理質量。因為保溫時長為恒定的時間，降溫時長和冷卻系統(tǒng)有關，因此用戶生產最關心的是加熱時長，此過程直接決定了整個工藝的時長和能源消耗。圖1所示工藝是用戶目前常用的熱處理工藝，加熱溫差（100℃）是根據(jù)實際生產的生產數(shù)據(jù)確定。卷材高點到溫時，溫差設定為-10℃，爐氣開始降溫。同時料溫低點繼續(xù)升溫到目標溫度，同時高點也升溫到目標溫度。整個過程確保高點料溫不超溫（溫差≤±3℃）。整個熱處理工藝爐氣最高溫度和卷材的目標溫度之間的溫差和卷材高點到溫時爐氣的降溫方式決定卷材整個熱處理的工藝時長。因此對此種工藝的加熱溫差和加熱時長進行分析研究，并在實際生產過程中進行驗證。

圖1 390℃加熱工藝曲線圖

2 優(yōu)化測試過程

2.1 加熱溫差

在卷材的升溫過程中，需盡量在卷材不超溫的情況下，提高卷材的加熱速率。加熱過程為差溫加熱過程。加熱開始后卷材隨爐升溫，風機以最大負荷運行，爐氣也以最快方式升溫。若要縮短熱處理工藝時間，只能盡量增大爐氣與卷材之間的溫差，提高爐氣溫度。若差溫加熱過程控制合理，可保證卷材表面不超溫，且芯部升溫最快，此時的加熱時間最短。

為了驗證爐氣溫差的影響，選用19#退火爐來測試，采用相同的測試卷材，卷材初始溫度相同兩次分別將爐氣溫差設為100℃和90℃進行測試。設備共裝入三個測試卷，布置料溫偶6支，每個鋁卷表面一支（深度50 mm）、芯部一支（深度270 mm）。

圖2 測溫點分布圖（單位：mm）

6支熱電偶中任何一支高點加熱到目標溫度時，溫差設定為-10℃。比較料卷加熱到目標溫度所用時長和加熱工藝總時長。測試結果見表1。

表1 不同溫差的測試結果

測試的結果進行比較，溫差設為100℃時設備料卷最快到溫時間為11.3 h，工藝總時長為23.6 h，天然氣的消耗量為450 m3，電的消耗量為2 128 kW·h；溫差設為90℃，設備料卷最快到溫時間為17.5 h，工藝總時長為31 h，天然氣的消耗量為533 m3，耗電量為3 056 kW·h。溫差100℃比溫差90℃的工藝總時長縮短7.4 h（見圖3）。

圖3 不同溫差的工藝時間對比圖

測試溫差高，到溫時間短，整個工藝時間短，天然氣和電的能源消耗低；測試溫差低，到溫時間長，整個工藝時間長，天然氣和電的能源消耗高。測試完成后將溫差調整為110℃進行測試，測試時高點超溫，停止測試。

由此看來卷材時效退火爐的差溫加熱的溫差設定在退火熱處理工序中起著至關重要的作用，顯著影響著卷材的加熱時長。溫差設置過高，卷材表面容易超溫，廢品率增加；溫差設置較低，卷材升溫太慢，到溫時間較長，產品噸位能耗較高，增加產品的制造成本。因此，應該存在一個最優(yōu)的加熱溫差，整個加熱過程中卷材高點始終不超溫，使卷材的升溫速度最快。

2.2 差溫比例

根據(jù)測試工藝曲線特性及測試數(shù)據(jù)，影響測試工藝時長主要在差溫比例這段，這段時間對整個卷材的溫度均勻性影響很明顯。當料溫高點到溫后（溫差范圍之內），爐氣溫度開始下降，料溫低點升溫到目標溫度。一般高點在表皮溫度，芯部溫度為低點溫度，在此過程中，在料卷高點不超溫的情況下，提高料卷低點加熱速率，這樣可縮短熱處理總時長，降低退火爐熱處理噸位能耗，起到節(jié)能降耗的目的。而整個熱處理的工藝過程中，定時定溫段時間是恒定的數(shù)值，不能改變，需從差溫比例加熱工藝段縮短時間。

首先采用常規(guī)的料溫跳轉進行測試，測試工藝1見表2。

然后根據(jù)料卷高點到溫時高低點的料卷溫差與爐氣需要降低溫差之間的比值，設定爐氣降溫的比例為7，進行爐氣降溫，確保料卷高點不超溫前提下，提高料卷低點的升溫速度測試工藝2見表3。

表3 測試工藝2

測試結果如表4所示。

表4 料溫跳轉和差溫比例測試結果

通過測試結果發(fā)現(xiàn)：設定溫差為100℃，第一段為全速升溫階段，兩種工藝時間相同；第二段為料卷高點到溫時間，料溫跳轉為9.5 h，差溫比例為9.7 h，差別不大；第三段采用料溫跳轉用時4 h，采用差溫比例用時1.9 h；采用差溫比例的加熱工藝比料溫跳轉工藝時間縮短1.9 h（見圖4）。并且采用差溫比例工藝所需的天然氣和電的能耗較少。

圖4 差溫比例和料溫跳轉工藝時間對比圖

采用差溫比例的加熱工藝總時長縮短效果明顯。為了研究不同的差溫比例對加熱工藝時長的影響，分別又進行了差溫比例為8和10的測試。第三段測試用時分別為149 min和135 min。采用差溫比例比常規(guī)的料溫跳轉工藝用時要短。差溫比例的設定對加熱工藝時長有顯著影響，采用合理的差溫比例可以得到最優(yōu)的熱處理工藝。

3 結論

通過對卷材退火爐的熱處理工藝研究測試，采用合理的溫差及差溫比例，在滿足生產需要的前提下，可以縮短熱處理的工藝時長。因此，合理的爐溫控制技術是熱處理過程的關鍵。它不僅能夠有效提高卷材熱處理質量和成品率，還可以實現(xiàn)整個熱處理過程的節(jié)能降耗。