鋁卷卷式退火粘傷問題的分析及解決措施

周 勁，趙曉陽

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

目前鋁廠常見的退火方式有連續式氣墊爐及箱式爐卷式退火兩種方式。氣墊爐退火存在以下幾個問題：投入成本過高；老式軋機軋制的卷材板形較差在退火時會造成表面擦傷；熱處理可強化合金采用氣墊爐退火會存在空淬效應等。而箱式爐由于其投入成本較少，且能耗相較于氣墊爐低很多，故采用箱式爐進行卷材退火仍是鋁合金加工企業的一種不可或缺的主要方式[1]。

但在傳統的箱式爐退火方式中，將鋁卷放置于鞍座上送入爐中退火，容易在整個生產過程中產生退火粘傷[2]，致使卷材表面嚴重損傷，產生大量粘傷廢品，嚴重時甚至導致整卷報廢。

因此，為解決上述問題，同時適應多規格、高合金化的生產，經過反復大量試驗，我們制定了多種措施，最大程度地減少上述缺陷的出現。

1 退火粘傷的主要分類及形成機理

目前箱式爐卷式退火的問題主要集中在對表面質量的影響。鋁卷在箱式爐退火時沿寬度方向是對稱的，鋁卷邊界的熱交換可用以下公式表示[3]。

式中，HRi、HR0為鋁卷內徑壁、外徑壁表面的局部熱流，W/m2；H0、Hw為鋁卷邊部下表面、上表面的局部熱流，W/m2；hRi、hR0為鋁卷內、外表面的對流換熱系數，W/（m2?℃）；h0、hw為鋁卷邊部下表面、上表面的對流換熱系數，W/（m2?℃）；Tg、Ts為保護氣體、鋁卷溫度，℃。

粘傷是指在傳統的箱式爐退火方式下，氧化鋁粉形成致密的氧化物薄膜不容易被還原，在一定的溫度和壓力下，會向卷緊的鋁卷上下表面擴散融合，從而發生粘傷、焊合等現象。鋁卷在升溫的過程中，鋁卷中部受熱慢，而內外層在外部高溫的影響下溫度一致，但內層膨脹與鋁卷中部產生溫度差，產生熱應力。當熱應力大于鋁卷塑性變形能力時，鋁卷層與層之間就會產生壓應力。此時在一定的熱應力、卷取張力及溫度下，由此產生的熱應力及其氧化鋁粉的擴散融合就滿足了擴散融合的條件，粘傷就產生了。圖1所示為箱式爐鋁卷退火溫度與時間的關系圖。

圖1 箱式爐退火方式鋁卷退火溫度隨時間的變化趨勢

高溫卷式退火時卷材表面極容易因板間或帶材卷層間粘連造成板、帶表面的粘傷。粘傷主要有3類：點狀粘傷、橫條狀粘傷及團狀粘傷，其形貌分別如圖2所示。

圖2 不同粘傷缺陷形貌圖

1.1 點狀粘傷的形成機理

點狀粘傷的成形主要有以下兩個方面的原因：

（1）由于鋼套在長期的使用過程中外表可能附著鋁渣或其他殘留物導致表面不平整。冷軋卷取時使用了此種鋼套后，盡管此時材料處于加工硬化狀態，不會立刻造成表面損傷，但當退火后，材料性能大幅度下降，該點壓應力較大，導致該凸出部分最終擴散到外圈在鋁卷表面引起粘連，造成點狀粘傷[4]。

（2）為防止鋁卷松卷使用鋼帶打捆時，打捆過于緊實。高溫退火時由于內層膨脹與鋁卷中部產生溫度差，產生熱應力，所以在該位置受力較大從而產生壓應力，導致最終由外而內在鋁卷表面引起粘連，造成點狀粘傷。

另一方面，從圖3所示的鋁卷開始冷卻時內外圈鋁卷膨脹收縮情況看出，由于鋁卷的外圈在一定的溫度差的影響下，引起的熱應力數值并不是很大，此時鋁卷的卷取張力超過一定的范圍，在熱應力和卷曲張力的聯合影響下，粘傷產生的趨勢會增加，產生的區域在鋁卷中部靠近內側的區域。在退火冷卻初期，鋁卷的外圈內外層收縮、中部膨脹，此時鋁卷的外圈由于溫度差受熱變形而導致產生的熱應力影響巨大，粘傷很容易產生[5]。

圖3 鋁卷開始冷卻時內外圈鋁卷膨脹收縮

1.2 橫條狀粘傷的形成機理

此種粘傷主要是因內圈鋼套在卷材退火時長期處于高溫狀態下使用致使鋼套變形所致。卷取后卷材變形處受力較大，且卷材在高溫退火時由于材料軟化，導致該部位局部受力增大，最終擴散到外圈，造成層與層之間粘連，形成粘傷。

1.3 團狀粘傷的形成機理

（1）卷材高溫退火后在吊運落入鞍座的過程中由于下降較快，沖擊力過大，而鞍座本身不平，加上高溫狀態下材料自身強度較低，導致沖擊部位受力過大，最后致使鋁卷中間部位產生由外到內的團狀粘傷。

（2）卷材內圈頭尾不良較多。在一定的卷取張力下，因板形不良使得該部分的卷取張力遠遠高于實際控制的卷取張力，點與點的結合更加緊密。并且板形不良部分對于因溫度差而引起的熱應力影響也大大突出，由于鋁卷中部的溫度變化要慢于內外層及端部，所以容易產生團狀粘傷[6]。

2 預防退火粘傷的措施

2.1 解決點狀粘傷的措施

（1）必須定期檢查鋼套表面光潔程度、套筒的變形情況，發現表面有凸出物時進行打磨，將凸出部分打磨平整。

（2）對于套筒的變形，較輕微的變形可進行機加工，將套筒外表面加工至圓形，變形嚴重的應當作廢品處理。

2.2 解決橫條狀粘傷的措施

（1）改進高溫退火時卷材的放置方式，獨創“懸空退火”：即，將用于懸空退火的專用鋼架用鋼絲繩吊放在裝料料架上，并擺正，然后根據要退火卷材的內徑大小選擇與之對應的懸空橫梁。對于鋼套長度小于懸空料架寬度的鋁卷，使用天車吊具將懸空橫梁穿過鋼套內，然后將懸空橫梁與鋁卷一起吊起，放置在鋼架卡槽內；鋼套長度大于鋼架寬度的卷材可直接吊放在料架相應的卡槽位置內，以防掉落。

（2）鋁卷退火出爐后需放置在專用冷卻鋼架上，待冷卻至室溫后方可轉運和進行后續生產。退火時必須使用專用料架懸空擱置卷材。冷卻時必須使用專用鋼架，以防止鋁卷懸空放置時晃動所帶來的橫梁位移。

（3）要求進行“懸空退火”的鋁卷必須切至成品寬度。完成高溫退火后，要隨爐冷卻至一定溫度以下才能出爐。出爐后必須轉移至專用懸空料架進行放置，待鋁卷冷卻至室溫才能轉移到鞍座上。

2.3 解決團狀粘傷措施

（1）卷材裝爐吊運及出爐吊運時地面必須有專人掌扶吊具，以確保吊具端頭不會損傷卷材端面。當吊運至鞍座下落時，地面須有專人指揮下落，防止因下落速度過快，鋁卷與鞍座撞擊導致表面產生損傷。

（2）上工序卷取時要注意控制頭尾板形質量，要將卷材內外圈頭尾不良部分切除干凈，盡量避免由于頭尾板形嚴重不良所形成的應力集中點擴散到外圈產生粘傷。在難以控制板形的情況下，盡量使進入箱式爐退火的鋁卷保持雙邊浪。

3 效果對比

通過收集相關數據，相較于傳統的卷式退火方式，“懸空退火”方式極好地解決了退火粘傷問題。根據統計，自從使用“懸空退火”以來，截至目前為止未再發生過由于退火粘傷造成的整卷報廢問題，減少了大量的粘傷廢品。

圖4 為某鋁廠近5年來由于粘傷產生的廢品量的統計。從圖4中可以看出，從2017年開始，由于“懸空退火”的廣泛使用，極好地解決了各類粘傷中的退火粘傷問題，各類粘傷所產生的廢品已經由2016年的最高峰246.1 t降至2019年73.9 t，節省了172.2 t的成品出來。這其中，因退火粘傷造成的廢品基本降至零。

圖4 2015-2019年粘傷廢品重量統計

4 結束語

通過改進卷材退火前的卷取方式及退火時卷材放置方式，解決了長期困擾的退火粘傷問題，成品率提高，成本大幅下降。實踐應用證明，懸空退火方式有著良好的技術效果和經濟效益。