热处理生产模拟装置及实验方法与流程

本发明涉及铝合金热处理装备及工艺模拟机领域，尤其是涉及一种热处理生产模拟装置及实验方法。

背景技术：

近年来，世界铝加工产业迅猛发展，中国从产能上已成为铝加工大国，但并不是铝加工强国，最主要原因是我国在高精产品研发方面严重滞后，目前主要问题集中在加工技术和工艺相对落后，装备设计制造水平较低，高精密设备主要依赖进口，高精度产品加工能力不足。在铝加工的装机设备中，热处理设备是尤为关键的一环。热处理设备各项工艺参数控制的精准度，对铝加工产品的材质机理性能和表面品质都有至关重要的影响。

气垫式连续退火炉，简称气垫炉，广泛用于高精度铝合金板带材加工和再制品及成品的热处理退火。气垫炉能够实现快速、均匀加热，可获得表面质量良好的带材，提高带材的耐蚀性和力学性能。同时，气垫炉可以使整个热处理过程连续进行，处理时间短、生产效率高、自动化程度高，可实现多种热处理工艺。

辊底式炉用于可热处理强化铝合金中厚板材的热处理，处理的厚板规格范围较大，加热速度快，保温时间短，生产效率高。能够实现全自动化，温度控制准确，淬火转移时间短，具备更快、更均匀的冷却速率，板材表面无划伤，操作安全方便，更为洁净、环保，污染排放低，广泛用于固溶、退火、时效等热处理工艺。

三级时效炉主要用于高性能铝合金板材的成品时效处理，特别是高端的航空航天中厚板，亦可以用于退火处理，可实现时效过程温度、速率的全自动的控制，严格按照工艺曲线的要求进行时效，炉温均匀，节省燃料，提高装载量，时效效果好，可保证产品质量。

由于生产汽车板带和航空板用冷轧卷坯的主要设备与生产其它高精板带(罐料、CTP板基)的设备基本相同，如原料-熔炼-铸造-铸锭均匀化-铣面-热轧-剪切-冷轧生产线均可满足生产汽车板和航空板的要求，而铝合金连续热处理生产线是汽车板和航空板等高端产品生产的关键设备，因此多数企业利用原有的熔铸、热轧、冷轧生产线，仅精整与热处理设备及工艺差异较大。而热处理过程直接影响汽车板和航空板等高端产品的最终综合性能及成品率，是高品质板材生产中至关重要的一环。

传统铝合金生产线存在环境污染、有害健康、产品质量不稳定，报废率高等缺点，已不能满足高速发展的制造业要求，需要先进的热处理装备来满足工艺要求，保证生产出高质量、高精度的产品。但铝合金连续热处理工业生产线投资大且灵活性差，运行一次需要耗费大量的人力物力，准备工作繁琐，实验耗时长，还容易造成环境污染和资源浪费。而开发一套能够模拟高端铝合金板带材热处理实际生产线的小型装置，实验方便灵活，工艺流程准确，既可节约实验费用与时间，又可满足对高品质铝合金板带材实际生产中复杂热处理工艺的研究需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供热处理生产模拟装置及实验方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明提供的热处理生产模拟装置及实验方法，包括固溶炉、时效炉和冷却装置；

所述固溶炉与所述冷却装置连接；

所述时效炉分别与所述固溶炉和所述冷却装置连接。

进一步的，所述固溶炉包括加热器、离心风机、集气室、喷嘴、流道、箱体和检测元件；

所述箱体内设置有流道；

所述流道内设置有所述集气室；

所述集气室的端部设置有喷嘴；

所述流道通过所述集气室与所述喷嘴连通；

所述离心风机固定在所述箱体上，且一端与所述流道连通；

所述加热器固定设置在所述流道的两端；

所述检测元件固定设置在所述箱体上，用于对所述流道、所述集气室、所述加热器进行检测。

进一步的，所述冷却装置包括循环冷却水箱、变频水泵、变频风机、加热器、集气室、喷嘴和检测元件；

所述冷却水箱上设置有所述变频水泵；

所述变频水泵通过连接管与所述集气室连通；

所述变频风机通过所述连接管与所述集气室连通；

所述连接管上设置有所述检测元件；

所述喷嘴设置在所述集气室端部。

进一步的，热处理生产模拟装置还包括机械手；

所述机械手分别与所述固溶炉、所述时效炉和所述冷却装置连接，能够将铝板在各个装置中移动。

进一步的，所述机械手包括水平轨道、垂直轨道、驱动电机和夹具；

所述水平轨道和所述垂直轨道滑动连接，能使所述垂直轨道在所述水平轨道上进行水平和竖直方向上移动；

所述驱动电机设置在所述水平轨道和所述垂直轨道上；

所述夹具固定设置在所述垂直轨道的下端。

进一步的，热处理生产模拟装置还包括控制系统；

所述控制系统分别与所述固溶炉、所述时效炉和所述冷却装置信号连接，用于对各个装置的温度以及时间参数进行控制。

本发明还提供了一种热处理模拟实验方法，利用上述任一项装置进行模拟实验，实验步骤如下：

S1：将铝合金料片进行固溶；

S2：固溶后的铝合金料片进行冷却或时效处理；

S3：冷却后的铝合金料片进行时效处理。

进一步的，在对铝合金料片进行多级时效处理时，利用固溶炉进行初级时效，利用时效炉进行二级时效，再返回固溶炉进行三级时效。

进一步的，在各个步骤进行的过程中，通过机械手进行自动化操作协调。

进一步的，步骤S2中冷却处理的方式为水淬、温淬或风淬。

本发明提供的热处理生产模拟装置及实验方法，将固溶、冷却、时效等多种铝合金板带材热处理关键设备集中到一套装置上，实验测试方便，灵活性强；实验成本低，可以反复实验；实验耗时短，可以随时进行。节省了大量投资的同时，也节约了实验的费用与时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明热处理生产模拟装置的结构示意图；

图2为图1所示的热处理生产模拟装置的俯视图；

图3为本发明热处理生产模拟装置的固溶炉或时效炉的结构示意图；

图4为图3所示的固溶炉或时效炉的俯视图；

图5为图3所示的固溶炉或时效炉的侧视图；

图6为本发明热处理模拟装置的冷却装置的结构示意图；

图7为本发明热处理模拟装置的冷却装置的立体结构示意图；

图8为本发明提供的热处理实验方法的流程图；

图9为本发明提供的热处理实验方法的详细流程图；

图10为本发明提供的固溶炉升温曲线图；

图11为本发明中提供的冷却装置的风淬冷却曲线；

图12为本发明中提供的时效炉的加热曲线。

附图标记：

1：轨道架；2：时效炉；3：水平轨道；4：冷却装置；5：固溶炉；6：垂直轨道；7：夹具；8：箱体；9：离心风机；10：流道；11：加热器；12：集气室；13：喷嘴；14：变频风机；15：检测元件；16：变频水泵；17：循环冷却水箱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1-12所示，本发明提供了一种热处理生产模拟装置，包括固溶炉5、时效炉2和冷却装置4；

所述固溶炉5与所述冷却装置4连接；

所述时效炉2分别与所述固溶炉5和所述冷却装置4连接。

本发明适用于所有可热处理强化及不可热处理强化型铝合金板带材；实验试样尺寸：宽度Max500mm；长度Max500mm；厚度：0.3mm～50mm；固溶温度Max600℃；冷却淬火方式：水淬、风淬、温淬；冷却速率：Max300℃/s；时效温度Max250℃；淬火转移时间Min3.5s。

优选的实施方式为，所述固溶炉5包括加热器11、离心风机9、集气室12、喷嘴13、流道10、箱体8和检测元件15；

所述箱体8内设置有流道10；

所述流道10内设置有所述集气室12；

所述集气室12的端部设置有喷嘴13；

所述流道10通过所述集气室12与所述喷嘴13连通；

所述离心风机9固定在所述箱体8上，且一端与所述流道10连通；

所述加热器11固定设置在所述流道10的两端；

所述检测元件15固定设置在所述箱体8上，用于对所述流道10、所述集气室12、所述加热器11进行检测。

本发明中的固溶炉5包括两个对称的加热器11、一台离心风机9、两个集气室12、两组喷嘴13、流道10、箱体8，以及热电偶、压力表等检测元件15；启动风机和加热器11，经过加热器11的热风来到两侧集气室12，通过喷嘴13将热风喷吹到铝板上实现铝板的快速均匀加热；根据实验温度及时间的不同，可以设置工作加热器11和风机的的功率，实现不同的加热速率，对于1mm厚铝板，从常温升到560℃，最快时间<80秒；根据铝板规格的不同，可以调整喷嘴13的形式、数量和排布，获得更加均匀的加热效果，炉内温度均匀性：≤±2.5℃；根据热电偶、压力表等检测元件15可实时观测炉内各监测点的温度和压力，根据反馈信号对加热器11和风机进行闭环调节，实现更加精确的控制效果，温度控制精度：≤±1℃。

在本发明中，时效炉2的结构与固溶炉5的结构相同，其控制的温度不同。在本发明中，时效炉2对于1mm厚铝板，从常温升到150℃，最快时间<70秒；根据铝板规格的不同，可以调整喷嘴13的形式、数量和排布，获得更加均匀的加热效果，炉内温度均匀性：≤±1.5℃；根据热电偶、压力表等检测元件15可实时观测炉内各监测点的温度和压力，根据反馈值对加热器11和风机进行闭环调节，实现更加精确的控制效果，温度控制精度：≤±1℃。

优选的实施方式为，所述冷却装置4包括循环冷却水箱17、变频水泵16、变频风机14、加热器11、集气室12、喷嘴13和检测元件15；

所述冷却水箱上设置有所述变频水泵16；

所述变频水泵16通过连接管与所述集气室12连通；

所述变频风机14通过所述连接管与所述集气室12连通；

所述连接管上设置有所述检测元件15；

所述喷嘴13设置在所述集气室12端部。

本发明的冷却装置4包括一个循环冷却水箱17、一台变频水泵16、一台变频风机14、一个加热器11、两个集气室12、两组喷嘴13，以及冷却水流量计、冷却空气流量计、水压传感器、热电偶等检测元件15；水泵、风机将冷却水或者空气引到集气室12，通过喷嘴13将冷却水或者空气喷吹到铝板上实现水淬、温淬及风淬等多种淬火工艺；根据实验对冷却速度要求的不同，可以设置水泵、风机的功率，获得不同的冷却速度，冷却速率：0-500℃/s；根据铝板规格的不同，可以调整喷嘴13的形式、数量和排布，以达到更加均匀的冷却效果；根据流量计和压力传感器等检测元件15的反馈信号可以闭环调节和控制冷却水/空气流量和速度、冷却水温度，实现更加精确的控制效果。

在本实施例中，冷却装置的集气室12在采用水冷时为集水室。

冷却装置4可以进行试样的水淬、温淬或风淬处理，冷却速率可以设定：0-500℃/s，淬火后铝板温度：≤70℃。

优选的实施方式为，热处理生产模拟装置还包括机械手；

所述机械手分别与所述固溶炉5、所述时效炉2和所述冷却装置4连接，能够将铝板在各个装置中移动。

优选的实施方式为，所述机械手包括水平轨道、垂直轨道、驱动电机和夹具7；

所述水平轨道和所述垂直轨道滑动连接，能使所述垂直轨道在所述水平轨道上进行水平和竖直方向上移动；

所述驱动电机设置在所述水平轨道和所述垂直轨道上；

所述夹具7固定设置在所述垂直轨道的下端。

本发明的机械手包括水平轨道3和垂直轨道6、两台电机、夹具7和控制系统以及轨道架1等，水平轨道3和垂直轨道6均设置在轨道架1上，并与控制系统及电机连接，可以按照控制系统给定的程序，通过电机进行驱动，自动进行水平和垂直移动，并且通过设定的转移时间自动调整移动速度，以此满足不同的实验工艺需求，实现了自动化和智能化，避免人工造成的误差，更加安全高效，其中淬火转移最短时间可达到3.5s。

优选的实施方式为，热处理生产模拟装置还包括控制系统；

所述控制系统分别与所述固溶炉5、所述时效炉2和所述冷却装置4信号连接，用于对各个装置的温度以及时间参数进行控制。

本发明的自动化控制系统包括PLC控制系统、机械手控制系统、仪表控制系统和界面系统等；在热处理实验过程中，保证了固溶炉5、冷却装置4、时效炉2和机械手的相互配合，实现铝合金板带材快速加热、冷却，以及温度、速度和压力的自动化控制功能；实验炉电控系统完成了炉温的测量与控制、高温循环风机控制、风压以及事故状态报警和控制等；在主控系统中，冷却装置4电控系统完成水泵的启停控制、压力的闭环控制、水量和风量的显示等；机械手控制系统完成移动速度、停留时间、定位精度的控制，可单步移动也可连续动作；仪表采集系统采集热处理实验过程中的工艺数据，包括铝合金料片的温度、运行速度、加热参数、冷却参数等，并反馈给PLC系统；界面系统收集PLC系统、机械手控制系统和仪表控制系统的检测和控制数据，可对设备运行过程中的所有参数进行设定、控制、显示和归档记录，对设备的故障进行诊断和报警；PLC系统根据固溶炉5、冷却装置4、时效炉2和机械手工作过程中的反馈信号对实验炉加热器11和离心风机9、冷却装置4水泵和风机及加热器11进行闭环调控，进而实现加热和冷却过程的智能化控制，提高实验精度。

本发明还提供了一种热处理模拟实验方法，利用上述任一项装置进行模拟实验，实验步骤如下：

S1：将铝合金料片进行固溶；

S2：固溶后的铝合金料片进行冷却或时效处理；

S3：冷却后的铝合金料片进行时效处理。

在对铝合金料片进行多级时效处理时，利用固溶炉5进行初级时效，利用时效炉2进行二级时效，再返回固溶炉5进行三级时效。

从上述可以看出，本发明中，固溶炉5也可以做时效炉使用，即在固溶处理完成后，可以将固溶炉5内的温度进行调整后，与时效炉2一同对铝合金料片做时效处理，且在反复的时效处理过程中，保证了时效处理的及时性，同时也提高了装置的利用率。

在各个步骤进行的过程中，通过机械手进行自动化操作协调。

步骤S2中冷却处理的方式为水淬、温淬或风淬。

本发明还提供一种铝合金板带材全自动、多功能热处理实验方法，使用如上述任一项所述的生产模拟装置，并包括如下步骤：

固溶：将符合规格的铝合金料片安装到机械手夹具7上，通过电脑程序设定固溶温度和固溶时间。

转移：通过电脑程序设定转移时间，铝合金料片完成固溶处理后，机械手会按照设定的转移时间从上一步固溶处理装置转移到下一步的冷却装置4或时效装置，或者返回到复位位置。

冷却：通过电脑程序设定冷却方式和冷却时间，待铝合金料片完成冷却处理后机械手会自动移出。

转移：通过电脑程序设定转移时间，机械手会按照设定的转移时间从上一步冷却装置4转移到下一步的时效处理装置，或者返回到复位位置。

时效：通过电脑程序设定时效温度和时效时间，铝合金料片完成时效处理后，机械手会自动按照设定的转移时间返回到复位位置。

整个实验过程，以厚度为1mm的铝合金料片来进行说明。

厚度为1mm的铝合金料片进行固溶-淬火-时效的热处理实验方法，具体实验方法如下所述：

固溶：将厚度为1mm的铝合金冷轧板剪切成500mm×500mm规格的料片，安装到机械手的夹具7上，设定工艺程序，位置a-b-c的转移时间设定为20s，固溶温度设定为550℃，固溶时间设定为300s，启动程序，待固溶处理完成后机械手自动移出。

淬火：为尽量减少铝合金料片在转移过程中的温降，将位置c-d-e的淬火转移时间设定为4s，淬火方式设定为常温水冷，淬火时间为5s，待淬火处理完成后机械手自动移出。

时效：将位置e-f-g的转移时间设定为15s，时效温度设定为140℃，时效时间设定为600s，待时效处理完成后机械手自动复位。

经热处理后的铝合金料片板形平整、表面光洁、无裂纹，具有优异的综合力学性能，其抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、拉伸应变硬化指数、塑性应变比、杯突值分别为247MPa、127MPa、26％、0.28、0.64、8.7mm。

本发明的有益效果如下所述：

本发明模拟实际工业生产线，将固溶、冷却、时效等多种铝合金板带材热处理关键设备集中到一套装置上，实验测试方便，灵活性强；实验成本低，可以反复实验；实验耗时短，可以随时进行。节省了大量投资的同时，也节约了实验的费用与时间。

本发明模拟先进铝合金热处理装备—气垫炉、辊底炉、三级时效炉2、淬火机的工艺及结构，集中了各先进设备的优势，可实现更快速、高均匀性的加热和冷却，炉温控制精确，冷却方式和淬火转移时间可调，可获得表面质量和板形良好且综合力学性能优异的高品质铝合金板带材。

本发明可以实现多种工艺路径，从而对铝合金板带材进行O、T4、T4P、T6、T61、T7、T8、T8X、RRA、ORR、FTMT、双重淬火、单级、双级、三级时效处理等多种热处理工艺实验，实现了多功能化，可满足汽车板、航空板、舰艇板、高铁列车板等高品质铝合金板带材实际生产中复杂热处理工艺的研究需求。

本发明通过全工艺流程的自动化控制系统完成对固溶时效炉2、冷却装置4、时效炉2、机械手的启停操作、状态监测以及各工艺参数的调控、显示和记录，实现了全自动化控制，提高实验效率；工艺流程准确，产品质量具有高度重复性、一致性，系统可靠性提高；实验更加安全，且避免了人工操作的误差，能适应实际工业生产条件下技术发展的需要。

本发明提供的热处理生产模拟装置及实验方法，将固溶、冷却、时效等多种铝合金板带材热处理关键设备集中到一套装置上，实验测试方便，灵活性强；实验成本低，可以反复实验；实验耗时短，可以随时进行。节省了大量投资的同时，也节约了实验的费用与时间。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。