Печи старения для алюминия

Известно, что приблизительно 60-70 % прессованных алюминиевых профилей во всем мире производятся из сплавов серии 6ххх, в основном, из сплавов 6060, 6063, 6061 и 6005А. Эти алюминиевые сплавы являются термически упрочняемыми. Это означает, что они обладают способностью удерживать силицид магния в твердом растворе алюминия в результате быстрого охлаждения на прессе, а затем выделять его в контролируемых условиях повышенной температуры печи старения. Этот механизм имеет называние «упрочнение старением», а сама технологическая операция – искусственное старение. В ходе искусственного старения алюминиевые профили из сплавов серии 6ххх получают заданные прочностные характеристики – предел прочности, предел пластичности и относительное удлинение.

Естественное старение

Процесс выделения силицида магния из твердого раствора алюминия является весьма сложным. Он включает выделение и рост кластеров, которые препятствуют движению дислокаций, что и обеспечивает упрочнение материала. Сплавы серии 6ххх, которые после закалки оставляют вылеживаться при комнатной температуре, постепенно набирают прочность в течение времени от 100 до 500 часов. Этот процесс называется естественным старением. Для сплава 6060 с минимальным содержанием магния и кремния этот процесс может продолжаться несколько месяцев. Поэтому процесс естественного старения является в известной степени непрактичным из-за задержки поставки продукции. Вместе с тем, профили в состоянии Т4 обладают повышенной пластичностью. Поэтому это состояние применяется, например, для профилей, которые будут подвергаться гибке.

Искусственное старение

Процесс старения алюминиевых сплавов происходит значительно быстрее при повышенных температурах. При этом обычно достигается более высокий уровень прочности, чем при естественном старении.

Искусственное старения профилей из сплавов серии 6ххх включает нагрев до температуры около 180 ºС и выдержку при ней в течение нескольких часов, обычно, 4-5.

Такая обработка алюминиевых профилей обеспечивает ускоренную диффузию растворенных в алюминии атомов кремния и магния в направлении участков, в которых начинается выделение интерметаллических частиц Mg₂Si. В то же время окружающая их кристаллическая решетка подвергается упругой деформации, так как эти выделения не вполне вписываются в нее. Все это создает препятствия для движения дислокаций, которые пытаются пройти через эти участки. В результате происходит увеличение предела текучести и предела прочности сплава.

Если алюминиевый сплав будет выдерживаться при повышенной температуре слишком долго, то происходит рост этих частиц, а некоторые из них исчезнут, а предел текучести сплава будет снижаться. В таком случае говорят, что алюминиевый сплав имеет перестаренное состояние (рисунок 1).

Рисунок 1 – Влияние длительности искусственного старения
на микроструктуру и прочность алюминиевого сплава [1]

На рисунке 2 представлена зависимость прочности профилей из сплава 6063 при искусственном старении при различной температуре от 170 до 245 ºС. Уровень прочности зависит как от температуры, так и от длительности выдержки при ней. Типичным процессом для старения профилей из сплава 6063 является выдержка в печи старения при температуре 185 ºС в течение 4-5 часов.

Рисунок 2 – Влияние температуры и времени нагрева
на уровень прочности профилей из сплава 6063 [1]

Как видно из рисунков 1 и 2 процесс искусственного старения требует обработки профилей при точной температуре в течение заданного времени для каждого конкретного алюминиевого сплава. Если температура профилей в печи старения будет значительно отличаться – по длине, ширине и высоте печи, то и прочностные свойства профилей в садке будут различными. Обычно допустимое отклонение температуры профилей по садке в печи составляет ± 3 ºС.

Устройство печи старения

Печи старения могут иметь различные конструкции в соответствии с требованиями конкретного производства.

Большинство печей имеют следующие основные конструкционные элементы:

• Рабочая камера
• Система циркуляции воздуха
• Один или два вентилятора циркуляции воздуха.
• Камера сгорания газа и нагрева воздуха.
• Газовая горелка и ее система управления.

Прямой или косвенный нагрев

Большинство печей старения имеют прямой нагрев. Это означает, что продукты сгорания газа смешиваются с циркулирующим воздухом.

При непрямом – косвенном – нагреве газ горит в специальной радиантной трубе и выходит в дымовую трубу наружу. Циркулирующий воздух проходит вдоль наружной поверхности радиантной трубы и нагревается за счет излучения и конвекции. Непрямой нагрев исключает контакт поверхности профилей с продуктами сгорания, но требует повышенного расхода газа.

Продольный или поперечный поток воздуха

В большинстве конструкций печей старения горячий воздух продувается вдоль длины садки профилей (рисунок 3). Вместе с тем, существуют варианты конструкции печей с поперечным продувом воздуха (рисунок 4).

Рисунок 3 – Печь старения с продольным  потоком воздуха [2]

Рисунок 4 – Печь старения с поперечным потоком воздуха [2]

Теоретически печи с поперечным продувом воздуха могут обеспечивать лучшую однородность температуры по садке профилей, но имеют более низкую тепловую эффективность [2].

Однородность температуры по садке профилей очень сильно зависит от вида садки и плотности укладки профилей. Передача тепла от горячего воздуха к профилями происходит в основном за счет конвекции. Поэтому важен максимальный контакт между поверхностью профилей и циркулирующим горячим воздухом.

Длина печи: эффективность и однородность

Тепловая эффективность печи старения возрастает с увеличением ее длины. Однако, к сожалению, с увеличением длины печи ухудшается однородность температуры садки. Поэтому оптимальная длина печи является компромиссом между этими двумя факторами. Обычно печи вмещают по длине от 1 или 2 корзины, бывают печи длиной в четыре корзины. Длина каждой корзины около 7 метров. Для длинных печей предусматривают несколько зон нагрева и циркуляции воздуха.

Современная печь старения

Примером современной печи старения может служить печь старения двойной длины компании Tecalex [3] (рисунок 5).

Рисунок 5 – Печь старения компании Tecalex [3]

Циркулируемый воздух нагревается по принципу прямого нагрева. Это обеспечивает печи максимальную термическую эффективность. Газовая горелка установлена в камере сгорания, которая отделена от рабочей камеры. Хорошо продуманная конструкция и высокое качество теплоизоляционных материалов обеспечивают этой печи очень низкой потребление энергии. Принцип работы печи основан на циркуляции горячего воздуха в продольном направлении.

Корзины с профилями перемещаются с помощью приводных роликов в полу цеха и печи. Температура в рабочей камере печи контролируется шестью термопарами, которые установлены в различных зонах.

На печи установлены две центробежные турбины, которые обеспечивают хорошую отдачу тепла от потока горячего воздуха по всему сечению садки профилей. Это дает хорошую однородность температуры по садке и, следовательно, одинаковую прочность (твердость) для всех профилей садки.

Двери печи снабжены серией дефлекторов, которые помогают равномерно распределять горячий воздух по сечению садки и эффективно возвращать его для нагрева.

Правильная загрузка печи старения

Если горячий воздух в печи старения находит какие-то пути в обход садки профилей, то теплоотдача от воздуха снижается, цикл нагрева становится длиннее, расход газа возрастает, а однородность температуры по садке ухудшается. Поэтому главной целью загрузки печи старения является обеспечить максимально прохождение воздушного потока через садку профилей. Пример нормальной плотной садки в печи старения показан на рисунке 6.

Рисунок 6 – Нормальная плотная загрузка профилей в печь старения [3]

При неполной загрузке печи – неполном количестве корзин или неполных корзинах – в сечении печи образуются свободные проходы для горячего воздуха. В этом случае горячий воздух почти не попадает между профилями и эффективность их нагрева значительно снижается (рисунок 7). Для эффективной обработки неполных садок обычно предусматривают систему специальных дефлекторов, которые направляют воздух по неполной садке.

Рисунок 7 – Циркуляция горячего воздуха при неполной загрузке печи старения [1]

Кроме того, при загрузке печи старения самые массивные профили садки нужно располагать так, чтобы им «доставался» самый горячий воздух. Массивные профили могут потребовать более длительного разогрева, поэтому такой способ загрузки способствует выравниванию температуры профилей в рабочей камере печи.

Источники:

1. R.W. Hains Precipation Aging – Aluminum Extrusion technology Seminar, Chicago, 1977
2. Al Kennedy Age Ovens //The Extrusion Press Maintenance Manual, 2004
3. Компания Tecalex (Испания).