工頻感應(yīng)爐加熱工藝對(duì)7A04合金管材裂紋影響因素的分析

西北鋁業(yè)有限責(zé)任公司 甘肅隴西 748111

1 序言

感應(yīng)加熱主要用于熔煉、焊接、熱處理、熱鍛件、鑄錠加熱、金屬加工前預(yù)熱等熱加工工藝，這種加熱技術(shù)也適用于包裝和固化的許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。由于工頻感應(yīng)爐采用了電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)數(shù)字化計(jì)算技術(shù)，可編程控制器集中監(jiān)控技術(shù)，因而具有電熱總效率高，可滿足不同鋁合金錠加熱溫度的要求，溫度控制方便，且加熱溫度控制精度高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。目前，工頻感應(yīng)加熱技術(shù)已大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而且隨著感應(yīng)加熱理論和技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化的感應(yīng)加熱成套設(shè)備已經(jīng)大量涌現(xiàn)，展示了越來越廣泛的應(yīng)用前景[1]。

但是隨著工頻感應(yīng)加熱爐在空心鑄錠加熱生產(chǎn)中的不斷應(yīng)用，感應(yīng)加熱暴露出了箱式電阻加熱爐所不存在的缺陷。例如，在生產(chǎn)7A04合金，φ95mm×25mm管材時(shí)，鑄錠經(jīng)感應(yīng)加熱后沿長度方向上出現(xiàn)尾端溫度高于前端溫度，以及表面裂紋、過燒等大量廢品；在低倍試片上存在明顯的色差，嚴(yán)重時(shí)試片上有許多像年輪一樣的環(huán)形紋路，產(chǎn)生許多環(huán)形不合層，以及低倍裂紋等缺陷，已嚴(yán)重影響到產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)效益。通過對(duì)感應(yīng)加熱爐的生產(chǎn)操作，加熱功率選擇、加熱及保溫時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行工藝研究，找出不同的工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用36MN鑄錠工頻感應(yīng)加熱爐，直徑為320mm的感應(yīng)圈進(jìn)行試驗(yàn)研究。該感應(yīng)圈有效長度1400mm，分6個(gè)加熱區(qū)，每區(qū)可獨(dú)立調(diào)功能，可以實(shí)現(xiàn)平行加熱和梯度加熱。一般情況，從進(jìn)料端到出料端，1～3區(qū)設(shè)定為預(yù)加熱區(qū)，4～6區(qū)設(shè)定為加熱區(qū)；加熱爐具有9檔功率可調(diào)，隨加熱檔位（1～9檔）增大，加熱功率減小；最大加熱功率為500kW；允許加熱鑄錠最高溫度550℃；在鑄錠出料端由邊緣和中心兩只熱電偶進(jìn)行控溫，控溫精度為±5℃。通過選擇不同的加熱檔位和加熱保溫時(shí)間，考察工藝參數(shù)對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響。

實(shí)測(cè)鑄錠溫度，用TES1310TYPE-K型手持式表面溫度計(jì)測(cè)量。

試驗(yàn)所用材料為7A04合金，化學(xué)成分符合GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》要求。鑄錠規(guī)格為φ312mm×97mm×650mm，在455～465 ℃下均勻化處理24h。擠壓管材為φ95mm×25mm。

感應(yīng)加熱后的鋁錠均采用相同的擠壓工藝參數(shù)：擠壓速度0.5～2mm/s，擠壓筒溫度400～450℃，鑄錠設(shè)定溫度430℃；同時(shí)對(duì)所試驗(yàn)的管材100%進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，對(duì)鑄錠加熱后發(fā)現(xiàn)表面有裂紋及過燒鑄錠未進(jìn)行擠壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同加熱檔位對(duì)管材質(zhì)量的影響

分別選用加熱檔位為4、5、6、7檔，加熱保溫時(shí)間為20～32min進(jìn)行試驗(yàn)（為保證不同檔位加熱溫度一致，設(shè)定不同檔位的加熱時(shí)間不一致），當(dāng)儀表顯示鑄錠內(nèi)外溫差≤20℃時(shí)出爐。試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱檔位≤5檔時(shí)，加熱后鑄錠表面或管材低倍組織出現(xiàn)裂紋。

表1 不同加熱檔位對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)鑄錠在4檔加熱時(shí)出現(xiàn)了表面裂紋，其鑄錠加熱后的裂紋如圖1所示中箭頭指向區(qū)域。管材低倍組織中內(nèi)壁圓周出現(xiàn)環(huán)形裂紋（見圖2a）或放射性裂紋（見圖2b），且裂紋在內(nèi)壁5mm處開始出現(xiàn)環(huán)形裂紋。

圖1 鑄錠加熱裂紋

圖2 管材低倍裂紋

3.2 不同保溫時(shí)間對(duì)管材表面質(zhì)量的影響

加熱檔位選用方案一中優(yōu)選出的最佳加熱檔位6檔，在其他工藝條件不變的情況下，改變加熱保溫時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。一是為了驗(yàn)證其加熱檔位的穩(wěn)定性；二是考察加熱保溫時(shí)間與鑄錠斷面上以及低倍組織中存在的色差、多層環(huán)形紋路、多層環(huán)形開裂等缺陷產(chǎn)生的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可看出，加熱時(shí)間≤5min，管材低倍組織有色差；當(dāng)加熱時(shí)間＞20min時(shí)，管材低倍組織出現(xiàn)年輪狀或開裂；當(dāng)加熱時(shí)間＞50min時(shí)，鑄錠表面局部熔化，出現(xiàn)過燒。

表2 不同的保溫時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

保溫時(shí)間為1min時(shí)，管材低倍試片中顯示在邊緣≤8mm寬度范圍顏色發(fā)白，其余顏色發(fā)暗，即存在加熱不透現(xiàn)象，其低倍組織情況如圖3a所示。當(dāng)鑄錠保溫時(shí)間≤5min時(shí)，擠壓的管材低倍試片銑床加工后還沒有進(jìn)行酸洗，能夠明顯的看到色差，如圖3b所示。

圖3 鑄錠保溫

從低倍試片中看到其色差隨著保溫時(shí)間的延長中間黑色部分逐漸縮小，當(dāng)加熱保溫時(shí)間9min＜t≤20min時(shí)，低倍試片上看不到色差，如圖4a所示。

當(dāng)加熱保溫時(shí)間在20min＜t≤30min時(shí)，低倍試片上又出現(xiàn)新的缺陷。該缺陷的外形特征為像年輪一樣的許多環(huán)形紋路，且環(huán)形紋路隨著保溫時(shí)間的延長層數(shù)越來越多，但不是沿圓周均勻分布，只有在距內(nèi)壁邊部5～10mm存在，其余部分沒有該缺陷，如圖4b所示。

當(dāng)鑄錠保溫時(shí)間超過30min時(shí)，鑄錠經(jīng)長時(shí)間的反復(fù)加熱保溫，鑄錠內(nèi)部溫度高于邊緣溫度，沿長度方向上中間溫度開始高于前端溫度，尾端溫度接近于前端溫度。由于鑄錠加熱保溫時(shí)間過長，導(dǎo)致鑄錠溫度過高，所以擠壓后的鑄錠尾端分層更加嚴(yán)重，可看到明顯的環(huán)狀開裂，如圖4c所示。

在生產(chǎn)中加熱到溫的鑄錠，由于設(shè)備故障導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)時(shí)，在爐內(nèi)停放長達(dá)1h，中途反復(fù)加熱、保溫2次，當(dāng)鑄錠出爐后，發(fā)現(xiàn)尾端已過燒，第二個(gè)鑄錠的頭端也已過燒。

圖4 不同保溫時(shí)間對(duì)應(yīng)的鋼管、鑄錠

4 結(jié)果分析

4.1 不同的加熱檔位（功率）對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

從前述結(jié)果可以看出，當(dāng)加熱檔位≤5檔時(shí)，就出現(xiàn)了低倍組織裂紋，以及鑄錠表面裂紋。其加熱檔位≥6檔時(shí)低倍組織中沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。從表1中還可以看出，隨著鑄錠加熱檔位的降低，其相應(yīng)的加熱功率也就變大了，在同樣的工藝條件下，加熱功率越大，內(nèi)外表溫差到達(dá)≤20℃所用的時(shí)間越短，即其加熱速度越快。因此加熱功率的大小和加熱速度的快慢成正比，為了防止鑄錠和低倍組織裂紋，對(duì)7A04合金鑄錠加熱時(shí)不能采用快速加熱，只能選用不小于6檔的加熱功率進(jìn)行加熱。

通常選擇加熱功率主要考慮兩個(gè)因素：生產(chǎn)能力（生產(chǎn)效率）和所需溫度及均勻性，其中材料的生產(chǎn)能力，直接決定整個(gè)加熱功率的大小；加熱過程中溫度的均勻性受電源頻率和功率兩方面的影響。從試驗(yàn)情況來看，加熱功率的大小還要考慮鋁及鋁合金的特性。

鑄錠裂紋產(chǎn)生的主要原因是由于鑄錠放到感應(yīng)器內(nèi)，在通入工頻（50Hz）交流電的空心銅管纏繞的線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，故在鑄錠中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流在鑄錠中的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用趨膚效應(yīng)[2]，可使工件表面迅速加熱，而心部溫度靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行升高，其升高的速度與表面相比很小。由于內(nèi)外表面溫差較大，所以擠壓時(shí)金屬流動(dòng)不一致產(chǎn)生了裂紋。加熱功率越大、鑄錠直徑越大、合金化程度越高，裂紋傾向性就越大，其表面和心部的溫度差越大，越容易產(chǎn)生鑄錠開裂。

4.2 鑄錠加熱保溫時(shí)間對(duì)低倍組織的影響

鑄錠置于感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱時(shí)要經(jīng)過升溫、均溫和保溫三個(gè)階段。在加熱檔位、擠壓速度、擠壓溫度設(shè)定相同的情況下，從表2、圖3、圖4可以看出，保溫時(shí)間過短，制品會(huì)有色差存在；當(dāng)鑄錠在感應(yīng)爐內(nèi)經(jīng)過多次升溫和均溫，鑄錠處于長時(shí)間的保溫，停止加熱，再加熱、保溫，加熱及保溫時(shí)間超過50min時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致鑄錠局部過燒，其過燒部位在鑄錠的尾端，其緊靠的第二個(gè)鑄錠的前端也發(fā)生了過燒。因此，鑄錠加熱保溫時(shí)間的長短，對(duì)7A04的低倍組織影響很大。保溫時(shí)間過長或過短都不利于產(chǎn)品質(zhì)量，只有在6～20min的區(qū)間內(nèi)才能夠保證其制品質(zhì)量。

管材在距內(nèi)壁5mm范圍內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形裂紋，應(yīng)該與其感應(yīng)加熱的趨膚效應(yīng)和透入深度有關(guān)[3]。渦流的理論透入深度△（單位：cm）為

式中ρ——材料的實(shí)時(shí)電阻率（Ω·cm）；

μ——材料的相對(duì)導(dǎo)磁率；

f——工作頻率（Hz）。

由此可知，其感應(yīng)電流高度集中在鑄錠表面的一定深度內(nèi)，鑄錠加熱主要在透入深度△范圍內(nèi)進(jìn)行，在△深度以外，感應(yīng)電流及其產(chǎn)生的熱量都很小，鑄錠直徑越大，在靠近中心部位時(shí)已經(jīng)遞減為零。鑄錠心部溫度是靠從鑄錠的表面到中心，逐漸傳導(dǎo)過來的。

鋁屬于非磁性材料，即鋁錠的相對(duì)導(dǎo)磁率μ=1，工頻感應(yīng)加熱爐的工作頻率50Hz。由上式可知，鑄錠加熱深度主要是由合金的實(shí)時(shí)電阻率來決定的，其透熱深度是隨著電阻率的大小在不斷變化的。感應(yīng)加熱透入深度隨著鋁錠材料的電阻率的增加而增加的，鋁的電阻一般隨溫度的增加而增加。因此，當(dāng)鑄錠心部和表面溫度達(dá)到基本均勻一致后，鑄錠還處于長時(shí)間的保溫加熱會(huì)形成多層環(huán)形缺陷，當(dāng)溫度恒定在一定值時(shí)，其有效透入深度也就恒定，此時(shí)繼續(xù)長時(shí)間的反復(fù)加熱，將會(huì)導(dǎo)致分層現(xiàn)象產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

1）防止鑄錠和低倍組織裂紋，對(duì)7A04合金鑄錠加熱時(shí)不能采用大功率加熱，只能選用小功率進(jìn)行加熱；考慮生產(chǎn)效率最大化，7A04合金加熱時(shí)應(yīng)選用的加熱檔位應(yīng)≥6檔。

2）在感應(yīng)加熱鑄錠時(shí)，除了考慮生產(chǎn)效率、加熱溫度及均勻性外，還要考慮不同合金的特性。

3）合理控制加熱保溫時(shí)間，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，其保溫時(shí)間應(yīng)控制在6～20min。

4）當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障不能及時(shí)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)時(shí)，感應(yīng)爐應(yīng)立即停止加熱；另外，鑄錠在爐內(nèi)停放不應(yīng)超過1h以上。