用于非強化鋁合金冷軋鋁帶的FAST氣墊式連續退火爐

李 堯

（艾伯納工業爐（太倉）有限公司，蘇州 215400）

冷軋鋁帶的退火處理是鋁加工非常重要的環節，對于改善第二相的分布，降低Si，Fe的固溶度，特別是Si的固溶度，改善鋁帶的顯微結構和進一步軋制有非常重要的作用。

目前最主要的方法是鋁帶以成卷的形式在箱式爐內進行退火。操作簡便，對鋁卷厚度沒有要求。但是退火周期非常長，鋁卷退火后性能一致性差，熱效率比較低。

另一種鋁帶熱處理的方式是CASH線，即氣墊式鋁帶連續固溶處理線，簡稱氣墊爐。在氣墊爐內鋁帶以展開懸浮的方式連續通過熱處理線。處理爐的上下都有循環風機，一方面將鋁帶懸浮，另一方面實現強對流傳熱。氣墊爐除了有加熱段外還有水淬和空氣淬火，即固溶處理，專門用于熱處理2系，5系，6系和7系等合金。這些材料用于汽車和航空工業方面的高端鋁材。可以想見，這樣的熱處理線投資很大。用于處理對1系，3系，5系，8系合金的退火處理，用氣墊爐是不經濟的。

基于這些思考，我們開發了FAST氣墊式連續退火爐對非強化合金的冷軋鋁帶進行中間退火和最終退火。

1 冷軋鋁帶卷的退火處理

冷軋鋁帶卷通常采用兩種方式進行中間退火和最終退火：用箱式爐退火和用氣墊爐連續退火。

1.1 箱式爐退火

如圖1所示，鋁卷放置在箱式爐內，關上爐門。爐氣在爐頂循環風機的作用下，通過爐頂導流室和爐兩側的風道，對鋁卷進行對流加熱。加熱的方式可以是電加熱也可以是燃氣加熱。

圖1 冷軋鋁卷的箱式退火爐（斷面）

當鋁卷達到退火溫度并保持一段時間后，將其冷卻到一定溫度。開爐門，將鋁卷從爐中取出，完成一個退火周期。這是一種間歇式退火。鋁卷的加熱是從外圈到內圈，從兩端往中間傳導的過程。

由于箱式爐退火具有以下優勢，因而箱式退火爐是當前冷軋鋁卷的主要的退火方式：

-投資少，產能上配備靈活；

-對于合金，規格及退火制度適應性強；

-操作簡單

如前所述，在箱式爐內，鋁卷是成卷放置的，鋁卷的導熱非常慢。因而，用箱式爐對鋁卷進行退火具有下列一些缺點：

-退火周期時間非常長。通常每爐退火需要30-40小時（取決于卷的大小）。圖2是一個24噸冷軋鋁卷在單卷退火爐的退火周期。

圖2 鋁卷退火周期時間

-性能很不均勻（縱向，橫向和45°方向）；

-表面質量也不是很好，鋁卷粘接，退火油斑等。鋁卷層與層之間會產生粘結。

-冷卻速度有限；

-箱式爐的熱效率也不高，大型退火爐的熱效率在60%左右。每個退火周期，箱式爐都要經過一次升溫和降溫。爐內保溫棉，內爐殼等，消耗一定的能源。根據計算，一個30噸單卷退火爐，每個周期要消耗大約70Nm3的天然氣，用于加熱保溫棉，爐殼和料架等。

1.2 氣墊式鋁帶的連續熱處理 （CASH線）

CASH(Continuous Annealing and Solution Heat treatment連續退火和固溶熱處理)線，通常稱作氣墊爐。鋁卷經開卷機開卷，縫合，清洗后，通過活套等工序，以展開的方式連續通過加熱段和隨后的冷卻段，完成固溶處理（T4）。然后經過拉矯，活套收卷等。一個完整的氣墊爐處理線的配置如圖3所示。

圖3 典型氣墊爐連續處理線的配置

展開的鋁帶在氣墊爐內呈懸浮狀態一邊運行一邊進行連續的熱處理。艾伯納氣墊爐由多個加熱區，水淬區，混合淬火區和空淬區組成。加熱區由燃氣燒嘴（也可以是電阻加熱器）和上下循環風機及上下噴箱等組成，其斷面結構如圖4所示。

圖4 艾伯納氣墊爐加熱段斷面圖

與箱式爐相比，氣墊爐具有以下優勢：

-退火周期時間短；

-退火性能高于箱式退火且性能均勻性好；

-表面質量好，無退火黃斑，鋁卷粘接等；

-氣墊爐的熱效率高

但氣墊式連續爐主要的應用還是對2xxx,7xxx，6xxx和5xxx合金的鋁帶進行固溶處理。其處理的產品應用在汽車行業和航空航天領域。對于那些不以上述合金為主的生產廠家而言，氣墊爐連續處理線的投資太大。雖然CASH氣墊鋁也可以對其它不能熱處理強化的合金，如1xxx,3xxx,5xxx,8xxx合金，進行退火處理，但其優勢不能充分發揮。如果只進行鋁帶退火，投資這樣一條CASH線是不經濟的。

2 FAST氣墊式鋁帶連續退火爐

2.1 FAST氣墊式連續退火爐概念的提出

利用CASH氣墊爐的優勢，即鋁帶以展開懸浮的狀態通過氣墊爐，我們提出了經濟版的鋁帶退火處理的概念：FAST（Floater Type Aluminum Strip Annealing Heat Treatment）氣墊式鋁帶連續退火線，只對非熱處理強化合金的冷軋鋁帶卷進行中間退火和最終退火。要點為：

-FAST爐包括退火段和冷卻段；

-鋁帶以展開懸浮狀態連續通過FAST爐。在整個退火處理段和冷卻段，鋁帶不和其它物體接觸；

-沒有水淬。鋁帶通過空氣冷卻到一定溫度；

-和爐前爐后設備（開卷，收卷等）形成連續的退火熱處理線。

-處理合金：1xxx,3xxx,4xxx,5xxx,8xxx;

-處理帶材厚度：0.5-3mm；

-處理帶材寬度：-2400mm

2.2 FAST氣墊式連續退火爐組成

FAST連續退火爐包括加熱段和空冷段。如圖5所示。

圖5 FAST氣墊式連續退火爐

圖中示出3個加熱爐模塊和5個冷卻模塊。可以根據退火速度的要求增加加熱模塊和冷卻模塊。

2.2.1 FAST氣墊式連續退火爐加熱段

加熱模塊如圖6所示。

圖6 FAST氣墊式連續退火爐加熱模塊示意圖

如圖6所示，爐氣被燒嘴（或電加熱器）加熱后，被吸入到循環風機的入口。循環風機將高溫爐氣加壓后導入到立式導流室，并通過導流通道導入上下噴箱。噴箱上的噴嘴和噴空產生的靜壓將鋁帶托起，使之懸浮在上下噴箱的間隙處。噴箱噴出的高速氣流吹到鋁帶的上下表面，實現對流換熱。臥式電機和風機葉輪直聯，帶動風機按工藝要求的速度旋轉。

通過優化設計，一個循環電機和風機就可給一個加熱模塊上下噴箱供給高溫爐氣。

2.2.2 FAST氣墊式連續退火爐冷卻段

FAST氣墊式連續退火爐冷卻段如圖7所示。

圖7 FAST氣墊式連續退火爐冷卻模塊

如圖7所示，每一個冷卻模塊都在模塊左右布置了一個冷卻風機。位于下部的冷卻風機將新鮮的冷空氣吸入并導流到下噴箱。噴箱的噴嘴將冷空氣吹到鋁帶表面，對鋁帶進行冷卻。上部的風機將被熱鋁帶加熱的空氣吸入風機并經風機加壓后再導入上噴箱，噴箱上的噴嘴噴吹爐氣對鋁帶的上表面進行冷卻。根據爐壓的控制要求，被加熱的冷卻空氣通過排放管道排出爐外到大氣中。

3 FAST氣墊式連續退火爐的優勢

FAST氣墊式連續退火爐屬于高溫快速退火，與常規箱式爐退火相比，具有以下優勢：

3.1 退火周期大大縮短，產能大大提高

以5082合金為例，鋁卷規格OD：2450mm，ID：660mm，寬度：2055mm，卷重：24t。

在單卷退火爐內退火，鋁卷的退火溫度360°C，退火后冷卻到100°C出爐。不考慮裝出料時間，一個退火周期需要大約38h，小時退火量約為0.63t。

上述冷軋鋁卷（鋁帶厚度1 mm）在FAST爐(8個加熱模塊和10個冷卻模塊)進行退火，鋁帶退火溫度510℃，小時退火量可以達到11.78t。鋁帶離開冷卻區的溫度低于70℃。退火曲線如圖8所示。

圖8 1mm鋁帶在FAST退火爐中的溫度曲線

由此可見，和箱式退火爐相比，FAST氣墊式連續退火爐的退火周期大大縮短，退火能力大大提高。

3.2 鋁帶退火性能均勻,退火性能高于箱式爐退火

在FAST氣墊式連續退火爐，鋁帶是在同一個狀態下進行退火的，所以各點的均勻性要高于箱式退火爐。同時，在FAST氣墊式連續退火中鋁帶在高溫快速的條件下，再結晶溫度提高，形核率增加，晶粒細小均勻，提高其力學性能。

文獻[1]在90t箱式爐內和在氣墊爐上對5252合金進行了退火比對試驗。

在氣墊爐內5252合金在極其短的時間內達到了箱式爐在360°C保溫4小時的性能。且延伸率還要高。

圖9是5182合金鋁帶經過氣墊爐（連續退火）和箱式爐（批次退火）的金相組織。

圖9 氣墊爐退火和箱式爐退火鋁帶晶粒度比較

從圖中可以看到，經過氣墊爐連續退火的鋁帶比經過箱式爐的退火具有更細的晶粒，即具有更好的綜合性能。

文獻[2]對“O”3003鋁合金冷軋帶進行了類似的比對實驗研究。在箱式爐內爐溫390℃，金屬退火溫度360℃，保溫3小時。在氣墊式連續退火爐高溫快速連續退火，退火溫度450℃，退火速度30m/min.。比對實驗研究表明，經氣墊式連續退火后鋁帶晶粒對比經箱式爐退火為小，有利于電池殼的深沖壓。而經箱式爐退火的材料則不適合電池殼的沖壓。

文獻[3]也對3003冷軋鋁帶進行了類似的比對實驗研究。鋁帶在箱式爐內經15小時加熱到達360℃，保溫5小時。在氣墊爐連續退火線鋁帶按30m/min的通過加熱區到達500℃，在爐內駐留時間為2分鐘。比對實驗研究表明，經氣墊爐連續退火后鋁帶的晶粒相比較箱式爐退火更細且更加均勻，彎曲性能也好于箱式爐。

3.3 經氣墊爐連續退火后鋁帶的表面質量有很大的提高

鋁帶表面沒有殘留的退火油斑和鋁卷邊部的粘接，這是因為在氣墊爐連續退火線上鋁帶呈展開的方式，清洗除油比較干凈。

3.4 冷卻速度快

與箱式爐相比，FAST氣墊式連續退火爐采用強力對流冷卻，冷卻速度快，大大縮短了冷卻時間。冷卻速度快也有利于控制晶粒的長大，形成綜合性能好的細小晶粒。

3.5 減少雙零箔的針孔度

對于0.006mm的雙零鋁箔，產生針孔是一個非常普遍的情況。針孔的產生除了與化學成分，如Si，Fe/Si,冶金質量（含H量，夾渣），板型等之外，金屬的組織性能影響很大。從再結晶退火的角度講，均勻的晶粒尺寸無疑是非常重要的。晶粒均勻變形協調，晶粒之間不會產生剪切應力，避免形成裂紋源。另一方面，在短時較高的溫度下，會形成更多的α(AlFeSi)項，同時也會發生α(AlFeSi)向β(AlFeSi)的轉化。而α(AlFeSi)是粒狀的結構，是進一步鋁箔軋制非常理想的結構。在FAST的后半段是強化空氣冷卻，隨著溫度的降低，Si也會從基體中脫溶，形成細小的質點，降低Si的硬化效應，從而減少針孔的產生。

3.6 減少斷帶率，提高產品合格率

對于雙零鋁箔的軋制中，斷帶也是一個非常普遍的問題。當軋制時的張力大于鋁箔的屈服強度時，即發生斷帶。當有針孔等裂紋時，更容易斷帶。如上所述，FAST連續熱處理可以減少針孔的產生，也就減少了斷帶的幾率。同時采用FAST連退線，由于晶粒細小，綜合力學性能比較高，箔軋時也不易斷帶。

3.7 可以處理一些箱式爐不能處理的產品

比如說，5182生產汽車內板。用箱式爐不能處理，但是用FAST線就可以處理，因為后者退火后的晶粒更細。

3.8 提高了鋁帶卷退火的自動化程度

FAST氣墊式連續退火爐集成到一條完整的退火生產線。其自動化程度的提高不言而喻。如果在這條線上再集成切邊，清洗，拉矯等工序，可以大大減少各個分離工序的開卷，收卷，切頭尾，產品的收得率無疑可以得到提高。

4 結束語

日本新日鐵在1972年建成世界上第一條帶鋼連續退火線，其最初的目的是將脫脂﹑退火﹑平整﹑分切等工序集成到一條連續的生產線。這條線的成功已經遠遠不止于實現了最初的目的。由于其高的生產率，良好的帶鋼通板性能，高的冷卻速度，帶鋼連續退火線已經是現代冷軋帶鋼廠的非常重要的退火機組。

我們開發FAST氣墊式退火爐的目的就是基于同樣的思考。用這個相對經濟的連續退火線實現對于大量非強化合金的冷軋鋁帶的退火。

這個FAST氣墊式退火爐可以和爐外設備集成形成一條全新的鋁帶退火線。對于那些已經具有獨立的清洗線及拉矯線的客戶，也可以加將我們的FAST氣墊式退火爐集成到這些線中，形成鋁帶連續退火線。如圖10所示。

圖10 FAST氣墊式連續退火爐集成到現有的清洗拉矯線