CC BY
38
УДК 621.785:669.715
ПАРАМЕТРЫ ОТЖИГА РУЛОНОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
С.Л. Цукров, канд. техн. наук (ООО УК «Алюминиевые продукты», e-mail: [email protected])
Рассматриваются параметры полного, частичного и стабилизационного отжига рулонов из алюминиевых сплавов. Отмечено, что нагрев рулонов протекает с существенной разницей температур между поверхностью и центром рулона, что делает необходимым контроль максимальной и минимальной температуры отжига. Выбор температуры печи влияет на производительность процесса отжига и равномерность нагрева рулона. Дается понятие форсированного нагрева и пример его применения. Продолжительность нагрева и время выдержки могут сказаться на результатах отжига. Скорость охлаждения рулона после нагрева имеет значение только для сплавов, упрочняемых термической обработкой. Рассмотрено влияние атмосферы печи на качество поверхности лент и приведены правила применения защитной атмосферы при отжиге. Даны таблицы основных параметров полного и частичного отжига наиболее распространенных алюминиевых сплавов.
Ключевые слова: отжиг; алюминиевые сплавы; параметры; температура; печь; нагрев; продолжительность; выдержка; скорость охлаждения; атмосфера печи; продувка; содержание кислорода; нагары; окисление.
Parameters of Aluminium Alloy Coil Annealing. S.L. Tsukrov.
Parameters of complete, partial and stabilization annealing of aluminium alloy coils are discussed. It is noted that heating of the coils runs with a significant difference in temperature between surface and center of a coil, which makes it necessary to control maximum and minimum annealing temperatures. Selection of a furnace temperature has an effect on efficiency of the annealing process and uniformity of coil heating. Concept of accelerated heating and an example of its application are introduced. Duration of heating and exposure time can have an effect on the results of annealing. A coil cooling rate after heating is essential for heat-treatable alloys only. The influence of the furnace atmosphere on band surface quality is considered and rules for application of protective atmosphere during annealing are given. Tables of main parameters of complete and partial annealing of the most common aluminium alloys are presented.
Key words: annealing; aluminium alloys; parameters; temperature; furnace; heating; duration; holding; cooling rate; furnace atmosphere; purging; oxygen content; carbon deposits; oxidation.
Рулоны лент из алюминиевых сплавов составляют наибольшую часть продукции глубокой переработки алюминия. Большинство рулонов подвергаются различным видам отжига, отличающихся по назначению, температуре, длительности и другим параметрам. Для рулонов лент из алюминиевых сплавов могут применяться следующие виды отжига: - полный или рекристаллизационный отжиг проводят для снятия наклепа с горячека-
таных и холоднокатаных лент с целью повышения их пластичности. Его применяют для сплавов, упрочняемых и не упрочняемых термической обработкой. Это может быть промежуточный отжиг рулонов лент из этих же сплавов для повышения их пластичности между проходами холодной прокатки или окончательный отжиг на состояние поставки М по ГОСТ [1] или О - по международному обозначению [2]. В сплавах, упрочняемых
термообработкой, кроме рекристаллизации во время отжига проходят процессы распада твердого раствора и коагуляции продуктов распада. В отечественной литературе этот вид термообработки еще называют высоким отжигом. Его применяют также для рулонов, получивших частичную закалку во время горячей прокатки. Такой отжиг еще называют предварительным;
- частичный или дорекристаллизацион-ный отжиг холоднокатаных лент на различные промежуточные состояния нагартовки, например, полунагартованное Н2 [1] или Н24 [2]. Его применяют для сплавов, не упрочняемых термической обработкой, чтобы получить материал, сочетающий прочность и пластичность. Во время этого отжига проходят процессы возврата(отдыха и полигонизации)и частичной рекристаллизации;
- стабилизационный отжиг. Это термообработка на состояние Н3...[2], во время которой также проходят процессы возврата, применяется для сплавов системы А1-Мд. Отжиг проводят при температуре ниже 200 °С для предотвращения изменения свойств ленты со временем, т. е. их стабилизации. Отжиг при температуре около 220 °С снижает восприимчивость сплава к коррозионному растрескиванию.
Известные из стандарта [3] и литературы [4] параметры отжига не обеспечивают современных требований к равномерности свойств по длине лент, качеству их поверхности, производительности и экономичности процесса, так как не учитывают особенности современного отжига рулонов. Не учитывается влияние на качество изделий продолжительности нагрева, атмосферы отжига, конструкции печи отжига и метода ее управления.
Цель настоящей работы - анализ современной технологии отжига рулонов лент из алюминиевых сплавов и выбор режимов его проведения .
В последние годы для отжига рулонов из алюминиевых сплавов применяют в основном садочные печи камерного типа с боковой загрузкой рулонов или элеваторного типа с загрузкой рулонов снизу [6]. Печи оборудованы высокопроизводительными вентиляторами с частотным регулированием числа оборотов, системами струйного нагрева торцов рулонов, управляются автоматически с ис-
пользованием математической модели нагрева и охлаждения рулона [7]. Конструкции печей выполнены газонепроницаемыми и приспособлены для работы с защитной атмосферой. К печам пристроено устройство принудительного охлаждения садки в составе водяного теплообменника, вентилятора и заслонок.
К параметрам отжига рулонов относятся:
- температура отжига;
- температура печи, т. е. температура циркулирующей атмосферы;
- продолжительность нагрева рулона до конечной температуры;
- продолжительность выдержки при конечной температуре рулона;
- скорость охлаждения рулона;
- атмосфера печи и содержание кислорода в атмосфере печи;
- число оборотов циркуляционного вентилятора;
Рассмотрим значение отдельных параметров отжига.
Температура отжига в основном определяет структуру и свойства лент и поэтому является одним из основных параметров процесса. Для рулона она не может быть выражена одной величиной, так как рулон при реальных условиях нагрева относится к теплотехнически массивному телу и его нагрев протекает с существенной разницей температур между поверхностью и центральной частью. Массивность рулона кроме его размеров связана с различием радиальной и осевой теплопроводности. Радиальная теплопроводность из-за промежутков между витками, заполненными газом или прокатной смазкой, может быть примерно на порядок ниже осевой. Конец нагрева считается тогда, когда температура в самой холодной точке, расположенной в центральной части рулона, достигнет требуемой величины. Но в это же время более горячие поверхностные части рулона будут иметь температуру выше требуемой. При полном отжиге чрезмерное превышение этой температуры может привести к неблагоприятной структуре в этой части ( например , к крупному зерну ) или неодно -родности свойств по длине ленты. Поэтому температуру в горячей части следует ограничивать величиной максимально допустимой температуры рулона. Тогда под температурой
отжига рулона следует понимать допустимый диапазон температур нагрева, который обозначает конечные минимальную и максимальную температуры в рулоне. При охлаждении рулон еще некоторое время находится при повышенной температуре. При этом центральные части имеют повышенную температуру дольше поверхностных. Это обстоятельство несколько нивелирует влияние разности температур между поверхностью и центром.
При выборе температуры отжига следует учитывать также современную систему управления нагревом с помощью расчетов на математической модели рулона. Расчеты могут определить температуру в любой точке рулона в зависимости от времени нагрева и условий теплоотдачи. Окончание нагрева можно контролировать аналогично тому, как его ведут по заложенным в рулон термоэлементам. Для расчета должны быть заданы минимальная и максимальная температуры нагрева. Тогда система управления выберет оптимальные условия нагрева, обеспечивающие заданный диапазон температур нагрева. В принципе, при полном отжиге для получения однородных свойств и структуры на всем протяжении ленты в рулоне минимальная температура должна быть выше на 30-40 °С температуры начала первичной рекристаллизации, а максимальная температура не более чем на 30-40 °С превышать ее. При этом получается мелкое зерно, примерно однородные свойства по длине ленты и минимальная анизотропия. Для технического алюминия и сплава АМг2 при суммарной степени холодной деформации 60-80 % температура начала рекристаллизации составляет примерно 260-280 °С [5]. Для сплава АМц эта температура выше 350 °С, так как марганец является сильным антирекристал-лизатором. При частичном отжиге допустимый диапазон температур для каждого промежуточного состояния нагартовки зависит от времен нагрева рулона и степени предшествующей холодной деформации. Для определенного рулона он определяется сопоставлением кривой разупрочнения данного сплава с требованиями стандарта к механическим свойствам лент в различных состояниях поставки. При полном (высоком) отжиге сплавов, упрочняемых термической обработкой, минимальная температура отжига
должна быть выше, чем для малолегированных сплавов, и составлять примерно 400 °С, чтобы получить полное разупрочнение, а максимальная температура не более чем на 10-20 °С выше ее, чтобы минимизировать рост зерна.
Температура печи влияет на продолжительность нагрева, а следовательно, на производительность процесса. Разность между температурой печи и конечной температурой нагрева называется температурным напором. Увеличение температурного напора с 10 до 100 °С примерно в 2 раза сокращает продолжительность нагрева. Вместе с тем повышение температуры печи увеличивает разность температур между поверхностью и центром рулона. Температура печи задается перед началом отжига, и система управления на основе данных о размерах рулона и сплаве обеспечивает соблюдение допустимого диапазона температур нагрева. Нагрев садки при температурном напоре, на 100-200 °С и более превышающем конечную температуру нагрева , называют форсированным . При отжиге рулона с форсированным нагревом в момент достижении поверхностью рулоне температуры, близкой к максимально допустимой, нагреватели автоматически отключаются и снижаются обороты циркуляционного вентилятора. В рулон поступает незначительный поток тепла, аккумулированного конструкциями печи при форсированной температуре, а в самом рулоне происходит выравнивание температуры за счет теплопроводности.
Форсированный нагрев применяют, как правило, при полном отжиге сплавов, не упрочняемых термической обработкой. На рисунке представлены типичные кривые изменения температур в рулоне весом 11 т из сплава АМц при полном отжиге с форсированным нагревом и с защитной атмосферой [6].
В противоположность форсированному нагреву в тех случаях, когда требуется высокая равномерность нагрева, например, для некоторых термически упрочняемых сплавов и при частичном отжиге для некоторых состояний нагартовки, в начале нагрева устанавливают температуру печи, равную максимально допустимой температуре нагрева рулона, а число оборотов вентилятора снижают до 50 % от номинального. При этом, конечно, увеличивается продолжительность нагрева и
уменьшается производительность процесса. Зато достигается высокая однородность свойств по всей длине ленты в рулоне. Однородность свойств зачастую противоречит производительности процесса отжига. Все же качество рулона, определяющее в конечном итоге его цену, должно превалировать над производительностью процесса. При полном отжиге малолегированных сплавов с целью повышения производительности процесса температуру печи следует выбирать близкой к максимально допустимой (500-550 °С). Исключение составляют сплавы системы А1-Мд с содержанием магния более 1 %, для которых температуру печи следует ограничивать величиной 400 °С из-за окрашивания поверхности рулона вследствие диффузии магния к поверхности и его взаимодействия с атмосферой печи. В воздушной атмосфере причиной окрашивания является смесь оксида и нитрида магния, а в атмосфере азота -нитрид магния. При высоком отжиге рулонов из сплавов, упрочняемых термической обработкой, применять форсированный нагрев не рекомендуется из-за узкого диапазона температур нагрева и необходимости выдержки в этом диапазоне. Температуру печи следует принимать, близкой к максимально допустимой температуре нагрева металла. Так же следует принимать температуру печи при частичном и стабилизационном отжиге рулонов.
Продолжительность нагрева рулона в зависимости от его веса, размеров и температурных условий в современных садочных печах составляет примерно от 5 до 15 ч. При полном отжиге с оптимальным диапазоном температур изменение длительности процесса в таком диапазоне практически не влияет на свойства лент [5] и определяет лишь производительность процесса. При частичном отжиге увеличение длительности нагрева несколько снижает допустимый диапазон температур нагрева.
Продолжительность выдержки при отжиге приводится в стандарте и других справочных материалах [3, 4]. Под выдержкой следует понимать поддержание температуры рулона в контролируемом диапазоне. Выдержку проводят с целью выравнивания температур в садке и для осуществления необходимых структурных превращений в металле. При полном отжиге рулонов выдержка в допусти -
мом диапазоне температур не целесообразна, так как процесс рекристаллизации уже прошел и требуемая температура уже достигнута в процесс нагрева. При частичном отжиге выдержка в допустимом диапазоне температур также не нужна, механические свойства лент для данного состояния поставки обеспечиваются уже при нагреве, и выдержка может привести к браку, так как переведет ленту в другое состояние. При полном (высоком) отжиге сплавов, упрочняемых термической обработкой, выдержка необходима для коагуляции частиц интерметаллидов и повышения за счет этого пластичности ленты. С учетом большой длительности нагрева рулонов выдержка вместо рекомендуемых 2-3 ч [3] может быть сокращена до 1-2 ч во избежание роста зерна.
Скорость охлаждения рулона регламентируется при высоком отжиге рулонов лент из сплавов, упрочняемых термической обработкой, во избежание подзакалки лент. Максимальная скорость охлаждения, которая имеет место на поверхности рулона, в начальный период охлаждения от температуры отжига до температуры 260 °С должна быть не более 30 °С/ч. Дальнейшее охлаждении до 200 °С должно вестись в защитной атмосфере во избежание пятен нагаров, но ее скорость не ограничивается. Также не ограничивается скорость охлаждения рулонов при всех других видах отжига.
Атмосфера печи существенно влияет на качество поверхности отожженных лент. Современные требования к нему обусловили применение безокислительной защитной атмосферы. Во-первых, не допускаются коричневые пятна, называемые нагарами, которые образуются в результате полимеризации прокатной смазки, оставшейся на поверхности ленты. При нагреве рулона выше 200-250 °С происходит испарение прокатной смазки и одновременно ее полимеризация. В присутствии кислорода в атмосфере печи полимеризация протекает быстрее, и до того, как смазка испарится полностью, на поверхности останутся пятна ее полимеризации. В отсутствие кислорода полимеризация замедляется, и смазка успевает полностью испариться без образования пятен [8]. Во-вторых, предотвращается сильное окисление поверхности лент, которые предназначены для специаль-
ных покрытий или анодирования и к которым предъявляются повышенные требования по отражательной способности. По этой причине защитная атмосфера должна быть свободна от паров воды, которые так же, как кислород, приводят к окислению поверхности.
В качестве защитной атмосферы чаще всего используется сухой азот, вырабатываемый из воздуха в специальных генераторах с помощью молекулярных сит.
Отжиг в защитной атмосфере требует соблюдения определенных правил. После загрузки печи и плотного закрытия дверцы или подины производится продувка защитным газом, чтобы вытеснить из печи кислород до его содержания в атмосфере печи не более 0,5 %. Объем защитного газа на продувку равен 5-7 свободным объемам печи, и для сокращения времени продувки расход защитного газа увеличивают. Во время продувки печь нагревают не более чем до 150-200 °С, чтобы избежать испарения смазки в присутствии кислорода и образования взрывоопасной смеси или копоти, откладывающейся на поверхностях внутри печи. После продувки расход защитного газа уменьшают, но поддерживают таким, чтобы удалять из печи пары прокатной смазки и постоянно иметь в печи избыточное давление во избежание подсосов воздуха через неплотности печи. При этом содержание кислорода в печи должно быть не более 0,1 %. По окончании нагрева включается охлаждающая установка и происходит охлаждение рулона в защитной атмосфере. При какой температуре рулона его можно выгружать на воздух? При высоком отжиге сплавов, упрочняемых термической обработкой, и при полном отжиге рулонов лент, к которым предъявляются требования по отсутствию сильного окисления поверхности, максимальная температура при выгрузке в самой горячей точке (в центре рулона) должны быть не более 200 °С. Другие рулоны при полном отжиге можно выгружать на воздух тогда, когда полностью испарится прокатная смазка. Время испарения смазки зависит от размеров рулона, толщины ленты и плотности смотки рулона. Температуры дистилляции (начало и конец испарения) большинства смазок, применяемых при холодной прокатке алюминиевых сплавов, находится в диапазоне 200-280 °С. После частичного и стаби-
лизационного отжига смазка остается в рулоне и для ее удаления требуется длительное время сушки.
Число оборотов циркуляционного вентилятора влияет на интенсивность теплоотдачи к рулону при нагреве и от рулона при охлаждении. Изменение числа оборотов происходит автоматически по специальной программе. В начале нагрева после короткого пускового периода устанавливается номинальное число оборотов вентилятора, и коэффициент теплоотдачи от струй, обдувающих торец, к рулону имеет максимальное значение, чтобы производительность процесса отжига была максимально возможной. Когда температура поверхности рулона приближается к максимально допустимой, скорость вращения вентилятора уменьшается (см. рисунок), теплоотдача к рулону снижается до минимума, и происходит выравнивание температур внутри рулона. При выдержке рулона в допустимом диапазоне температур число оборотов вентилятора также понижается, чтобы уменьшить расход энергии, так как при номинальном числе оборотов вентилятор потребляет примерно четверть энергии, расходуемой на отжиг [9]. В процессе охлаждения путем изменения скорости вращения вентилятора можно регулировать скорость охлаждения рулона.
Время, ч
Типичные кривые полного отжига рулона массой 11 т из термически неупрочняемого сплава в элеваторной печи с защитной атмосферой [6]:
-температура поверхности рулона;
---температура центра рулона;
— - — температура атмосферы печи; .........число оборотов циркуляционного вентилятора
Таблица 1
Основные параметры полного отжига рулонов лет из термически неупрочняемых сплавов
Сплав Температура печи, °С Температура рулона, °С Время нагрева, ч
АД0, АД1, 1050 500 300-340 5-15
АМг2, 5052 400 310-350 5-15
АМц, 3003 500 410-430 7-15
Д12, 3004, 3104 500 350-390 5-15
Таблица 2 Примерные температуры частичного отжига рулонов на полунагартованное состояние (продолжительность нагрева 6—12 ч)
Сплав Состояние поставки Температура нагрева, °С
АД0, АД1, АД, 1050, 1100 АМг2, 5052 АМц, 3003 Н2, Н24 Н2, Н24 Н2, Н24 220-250 200-230 290-310
Таблица 3 Рекомендуемые режимы отжига сплавов Д16 (2024), АВ (6061) и В95 (7075) [3]
Параметры отжига Виды отжига
Полный (окончательный, предварительный) Полный (промежуточный)
Температура печи,°С Температура нагрева, °С Выдержка, ч Режим охлаждения 420 410-420 1-2 Не более 30 °С/ч до 260 °С 360-370 340-360 Без выдержки Не регламентируется
В табл . 1 приведены примерные параметры полного отжига рулонов лент из сплавов, не упрочняемых термической обработкой, с учетом общего времени нахождения металла при повышенных температурах. В табл. 2 приведены примерные температурные диапазоны частичного отжига рулонов из сплавов АД0, АМг2 и АМц на полунагартованное состояние Н2 или Н24 при длительности нагрева рулонов 6-12 ч. Табл. 1 и 2 составлены
в уточнение данных [4] по соображениям автора. Рекомендуемые [3] параметры высокого отжига рулонов лент из термически упрочняемых сплавов Д16 (2024), АВ (6061) и В95 (7075)приведены в табл. 3.
Заключение
При отжиге рулонов из алюминиевых сплавов необходимо учитывать особенности нагрева рулонов, конструкции современных печей и принципы их управления. Основными параметрами отжига являются диапазон температур нагрева, который обозначает максимальную и минимальную температуру в рулоне, температура печи и величины, определяющие условия охлаждения рулона. Отжиг в защитной атмосфере требует соблюдения определенных правил.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 13726-97. Ленты из алюминия и алюминиевых сплавов.
2. Benedy J.C. International Temper Designation Systems for Wrought Aluminum Alloys // Ligt Metal Age. 2009. October. P. 26-30.
3. ASM. Handbook. Heat Treating. ASM International. 2007. V. 4. P. 869-871.
4. Колачев Б.А., Габидулин Р.М., Пигузов Ю.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980. -279 с.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 480 с.
6. Tzscheutschler H., Olberts P. Flexibilitaet ist Trumpf // Aluminium. 2000. Bd 76. № 6. S. 451-459.
7. Deimann B., Migchilsen J., Valder G., Wilden F.
Betriebserfahrungen mit der mathematischen Mo-dellirung der Otto Junker-bandbundegluehoefen bei Alunorf // Aluminium. 2012. 4. S. 50-53.
8. Цукров С.Л. Применение контролируемых атмосфер при отжиге алюминиевого проката. - M.: ВИЛС, 1972. - 52 с.
9. Berrenberg T., Kramer C. Energieeinsparung bim giuehen von Bandbunden aus Aluminium- Legierungen durch Kraft-Waerme-Koplung // Gas waerme International. 2008. № 6. S. 418-421.
