辊底炉的应用现状及关键工艺技术分析

■ 闻冬冬

固溶体脱溶是可热处理强化铝合金进行强化热处理（淬火和时效）的基础，辊底式淬火炉主要用于2×××、6×××、7×××等航空工业铝合金中厚板的热处理。淬火是生产航空用铝合金中厚板的关键热处理操作，其目的是为了得到高浓度的过饱和固溶体，给自然时效和人工时效创造必要的条件。

1. 国内辊底式淬火炉生产线情况

传统的铝合金中厚板的淬火工艺主要通过盐浴炉来进行，从盐浴炉到淬火水槽之间用桥式起重机进行转移，淬火转移时间较长，这种淬火工艺使铝合金晶间腐蚀加重，且在后续加工中变形大，性能不稳定，实现这一热处理工艺过程所采用的设备是先进的固溶热处理及喷淋式淬火辊底炉。国外艾伯纳、容克、EFR公司开发出热风循环辊底式固溶热处理技术，与传统的盐浴炉相比，辊底炉具有炉温均匀度高、淬火转移时间短、淬火冷却更均匀速率更快等特点。辊底式淬火炉生产线由4部分组成：上料辊道台；辊底炉加热炉区；高/低压淬火区；下料辊道。图1所示为辊底式淬火炉生产线布置。

由于辊底式淬火炉和人工多级时效炉设备是根据金属组织性能和工艺要求、国际航天航空AMS等标准而设计制造的，因而制造精度、运行精度和控制精度高，国内在研制辊底炉方面起步较晚，技术水平低于国外厂家，近几年国内实力雄厚的铝合金生产企业均从国外引进辊底式炉用于铝合金航空用中厚板的生产（见附表）。

图1 辊底式淬火炉生产线布置

2. 设备关键工艺技术

（1）加热段炉温均匀度 艾伯纳公司的辊底炉每个加热段的炉顶和炉底各安装了一台循环风扇，在炉内的铝板被垂直于板材表面的高速热气流从上下两个方向加热至工艺要求设定的温度。炉内的空气由辐流式风扇驱动进行循环，每个风扇区域都分成4个控制组，两个在左边，两个在右边，这样可实现最佳的温度分布，由此将整个工作空间内的温度差降到最小，保证了炉内温度分布的均匀性，这也是实现整个炉料均匀加热的基本要求。如图2所示。

（2）淬火转移时间 板材转移时间“炉门打开”包括出口门廊内的板材加速到淬火速度的时间，是炉门打开到板材前端碰到淬火冷却介质的时间，板材转移时间“炉外”是板材前端碰到淬火冷却介质前在炉外所花费的时间。延长淬火转移时间将导致淬火冷却速度减慢，对材料的性能影响很大。因为板材在转移到淬火段过程中与冷空气接触，相当于在空气中冷却。由于冷却速度慢，而铝合金特别是硬铝和超硬铝的力学性能及耐蚀性对冷却速度十分敏感，固溶体的分解会降低时效强化效果，从而使产品力学性能和耐蚀性下降，为了防止过饱和固溶体发生局部的分解和析出，使淬火和时效效果降低，应当尽量缩短淬火转移时间，特别是在360～400℃的温度敏感区必须快冷。有些厂家为了减小淬火转移时产生的温度降，在加热段进入冷却段的区域内设计一道烧嘴，这样可产生一道由加热空气形成的风墙，避免板材出现早期冷却现象。厚板转移时间一般控制在15s以内，转移时间越短，材料综合性能越好。

（3）淬火区设计 根据铝合金时间-温度-转换率等温转变图，铝合金等温转变图鼻尖温度约350℃，淬火敏感温度区间为210～420℃，为了保证合金获得高硬度，淬火时必须快速冷却通过敏感温度区间，而在高温或低温区间的冷却速率可以适当减小，这样不但可以保证合金有高的硬度，还能在一定程度上降低残余应力。因此，辊底炉淬火段一般设置组合式高压、低压两个淬火区。高压淬火区水泵压力一般采用5×105Pa，喷嘴排布与炉子中心线呈85°角，喷水呈椭圆形，这样水流能更有效冲破水膜，快速带走热量，确保实现200～250mm厚板心部实现快速淬透，满足淬火转移时间小于15s（航空AMS标准）的要求。例如典型的50mm厚板材，固溶处理温度538℃，板材离开高压淬火段时，表面温度250℃，内部温度400℃。同样的板材离开低压淬火段，最终冷却前表面温度100℃，内部温度150℃。

国内已投产辊底炉生产线

图2 艾伯纳炉内循环导流系统

3. 结语

辊底炉是生产航空铝合金中厚板的关键设备，国外厂家在加热区炉温均匀度、控温精度、淬火区快速均匀降温等方面已掌握成熟的技术，如采用炉门加热方法以提高炉温均匀度，高低压淬火区采用不同类型喷嘴等。希望国内厂商可以加大辊底炉设计、制造领域的研发力度与投入，早日实现辊底炉国产化。

[1] 李志刚.辊底式淬火炉在铝合金中厚板在生产中的应用[J].有色金属加工，2015（1）.

[2] 曹盛强，余凤智.艾伯纳、容克与法铝辊底式淬火炉的比较分析[J].热处理技术与装备，2014（8）.

[3] 刘盛胆，张新明，游江海，等.7055铝合金的TTP曲线及其应用[J].中国有色金属学报，2006（12）.