一种实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉及热处理方法与流程

本发明属于金属材料领域，涉及金属及合金挤压坯料加热工艺，具体涉及一种实现等温变速挤压的坯料温度梯度分布的热处理炉及热处理方法。

背景技术：

挤压是有色金属材料成形加工的重要方法。随着汽车轻量化、航空航天等领域的快速发展，对高性能挤压材的需求不断提高。目前，随着铝挤压工业和技术的飞速发展，出现了舌型模挤压、平面组合模挤压、大断面挤压、水冷模挤压、扁挤压、宽展挤压、精密气、水(雾)冷却在线淬火挤压、高效反向挤压、等温挤压等技术。但对于变形性能较差的铝合金(如2000系和7000系合金)和大部分镁合金来说，由于其热塑性较差、热裂倾向性强，只能在较窄的变形工艺条件下加工。因此，只有采用等温挤压工艺，才能获得长度方向上组织性能均匀的产品，以满足高性能挤压材的严格要求。近年来，等温挤压技术的相关研究和开发逐渐受到重视。通过等温挤压，不仅能获得尺寸形状稳定、组织均匀的产品，还能提高其成品率和生产效率，满足铝合金型材整体具备高比强、高比模和高韧性的力学性能，避免型材出现扭曲，裂纹等严重的现象。

目前，等温挤压技术通常有两种实现方式，一种是采用速度控制等温挤压，即通过调节挤压速度，实现产品的挤出温度保持不变，如中国发明专利(公开号：CN103100575A)公开的是一种速度分段控制的等温挤压方法，但是，这种通过挤压速度曲线控制的方法，由于铝合金铸棒在挤压过程中，挤压容室和铝合金铸棒之间的相对运动产生了摩擦热，如果铝合金铸棒进入挤压容室的温度沿长度方向恒定，挤压过程中挤压速度保持不变，铝合金铸棒后部材料在经历了较长路径的摩擦过程，进入变形区域时的温度已经升高，从而导致前端出口处铝合金挤压型材温度和力学性能沿长度方向变化；另一种是采用温度呈梯度分布的坯料的等温挤压，即利用变形热补偿坯料尾部的低温区域，使得坯料在模具出口的温度保持不变。产生温度呈梯度分布的坯料有两种方法，分别是梯温加热法和梯温水冷法。

然而，研究表明在温度呈梯度分布的坯料的等温挤压挤压过程中，摩擦热对型材断面温度分布不均匀性的影响最大，超过了塑性变形热和金属与工模具之间的传热【侯文荣.铝合金型材挤压过程的传热行为与温度控制研究[D].北京科技大学,2015.】。另外，铝合金的挤压研究表明，，材料的平均摩擦系数随温度升高300℃-500℃，从2.1降低到1.6【张明.6061铝合金热挤压过程中摩擦磨损行为等效表征研究[D].湖南大学,2014:22】。摩擦系数的减小能显著降低设备能耗，也会降低摩擦热，从而更准确的控制挤压变形区域的温度。

因此，等温挤压挤压过程中摩擦热对温度梯度的影响，不仅增加能量消耗、缩短挤压筒寿命，也无法达到精确度高的等温挤压效果。

技术实现要素：

为克服以上技术问题，本发明的目的之一设计一种实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉，得到温度分布为：轴向头高尾低、径向外高内低的挤压坯料。

本发明的第二个目的是提供一种实现挤压坯料温度梯度分布的热处理方法，得到温度分布为：轴向头高尾低、径向外高内低的挤压坯料。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉，依次由以下三部分组成：燃气加热区、风冷区、感应加热区。

本发明实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉设置燃气加热区作用是对坯料均匀加热使坯料温度均匀分布；热处理炉设置风冷区作用是对坯料进行冷却，实现坯料轴向头高尾低温度梯度；热处理炉设置感应加热区的作用是对坯料进行二次加热，实现坯料径向的外高内低温度梯度。

优选的，燃气加热区挤压坯料头部一端设置燃烧机，燃烧机与天然气液储罐连接，将天然气通入燃烧机内燃烧加热。

优选的，在风冷区挤压坯料的尾部一端设置鼓风机。

优选的，风冷区鼓风机另一端通过管道与燃烧机连接，风冷区流出的高温空气通过燃机中天然气加热进入燃气加热区。

本发明将风冷区挤压坯料的头部一端通过管道与燃烧机连接，风冷区流出的高温空气通过燃机中天然气加热对挤压坯料进行加热保温，实现风冷区流出的高温空气循环利用到燃气加热区，通过热空气的重复循环利用，起到了节能效果。

优选的，所述实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉内还安装有棒料输送机构、测温机构，所述热处理炉的侧壁还设有观察窗。

实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉的测温装置用于检测棒料的不同区域的温度，使棒料在热处理炉相应的燃气加热区、风冷区、感应加热区达到设定的温度，实现坯料的轴向头高尾低、径向外高内低的温度梯度分布。

通过测温装置、棒料输送机构通过耐高温导线与外部自动控制装置连接，测温装置将棒料温度实时反映，自动控制装置控制棒料输送机构的运行及制动，进而控制棒料在热处理炉相应的燃气加热区、风冷区、感应加热区的加热时间。

优选的，所述棒料输送机构包括机架、棒料停放架、导轨、机架驱动装置、机架制动装置，所述机架通过车轮与导轨滑动连接，机架驱动装置、机架制动装置安装在机架上，所述测温装置、机架驱动装置、机架制动装置通过耐高温导线与外部自动控制装置连接。

本发明的棒料置于机架上的棒料停放架上，机架驱动装置推动机架沿导轨运动将棒料依次输送到燃气加热区、风冷区、感应加热区，机架制动装置对机架进行制动使机架停靠在相应的区域设定的加热时间，满足棒料的梯度加热要求。

优选的，所述棒料为镁合金或铝合金。

优选的，所述燃气加热区加热温度高于棒料的再结晶温度50-200℃。

优选的，所述风冷区坯料的头尾目标温差为10-30℃

优选的，所述感应加热区加热温度低于材料的过烧温度10-20℃，加热深度为2-20mm。

一种利用上述热处理炉实现挤压坯料温度梯度分布的热处理方法，具体步骤如下：

步骤1：将棒材放置到燃气加热区，加热温度为到高于棒材再结晶温度50-200℃，加热保温时间1-5h；

步骤2：将棒材放置到风冷区，在风冷区利用鼓风机对挤压坯料的尾部吹风冷却1-10min，使坯料的尾部温度降低10-30℃。

步骤3：将棒材放置到感应加热区，在电磁感应加热区以感应频率1-10KHZ，加热时间1-20s，加热温度为低于材料的过烧温度10-20℃，加热深度为2-20mm。

优选的，所述棒材为铝合金或镁合金。

优选的，所述铝合金棒材在燃气加热区加热到350-500℃，保温时间2h。

优选的，所述镁合金棒材在燃气加热区加热温度为250-400℃，保温时间为1.5-3h。

优选的，所述风冷区鼓风机的流量1-20m³/min，根据挤压型材的及模具形状，设置不同形式的冷却风道。

优选的，所述铝合金棒材在电磁感应加热区的加热温度为480℃。

优选的，所述镁合金棒材在电磁感应加热区的加热温度为420℃。

相对于现有技术，本发明的有益技术效果为：

1、采用本发明的热处理炉加热挤压坯料，可以实现其温度的梯度分布：即轴向头高尾低、径向外高内低。这种坯料有利于等温挤压过程中挤压变形区域温度更准确的控制，并且能够降低挤压过程中坯料与挤压筒的摩擦力，从而降低能耗，提高挤压筒的寿命。

2、坯料加热过程中，通过风冷区挤压坯料的头部一端通过管道与燃烧机连接，风冷区流出的高温空气通过燃机中天然气加热对挤压坯料进行加热保温，实现风冷区流出的高温空气循环利用到燃气加热区，通过热空气的重复循环利用，具有明显的节能效果。

3、本发明的加热炉内通过测温装置、棒料输送机构通过耐高温导线与外部自动控制装置连接，测温装置将棒料温度实时反映，自动控制装置控制棒料输送机构的运行及制动，进而控制棒料在热处理炉相应的燃气加热区、风冷区、感应加热区的加热时间，实现了整个温度梯度加热过程的自动化，降低工人劳动强度，在整个加热梯度方向的连续、稳定性，减少因人工因素而引起的误差，大大提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明热处理炉的结构示意图；

图2为本发明棒料输送机构的机构示意图；

图3为本发明在不同热处理阶段的坯料温度场分布；

图4为本发明在不同阶段温度的变化示意图。

图中：1、燃气加热区，2、风冷区，3、感应加热区，4、鼓风机，5、燃烧机，6、天然气液储罐，7棒料，8、机架，9、导轨，10、棒料停放架，11、机架驱动装置，12、机架制动装置，13、车轮

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例1

本实施例采用的实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉，依次由以下三部分组成：燃气加热区、风冷区、感应加热区，热处理炉内还安装有棒料输送机构、测温机构，所述热处理炉的侧壁还设有观察窗，棒料输送机构包括机架、棒料停放架、导轨、机架驱动装置、机架制动装置，所述机架通过车轮与导轨滑动连接，机架驱动装置、机架制动装置安装在机架上，所述测温装置、机架驱动装置、机架制动装置通过耐高温导线与外部自动控制装置连接。

本发明的实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉的测温装置用于检测棒料的不同区域的温度，使棒料在热处理炉相应的燃气加热区、风冷区、感应加热区达到设定的温度，实现坯料的轴向头高尾低、径向外高内低的温度梯度分布。风冷后和感应加热之后的坯料温度场分布如图3所示，不同阶段坯料的温度随时间的变化如图4所示。

燃气加热区在挤压坯料头部一端设置燃烧机，燃烧机与天然气液储罐连接，将天然气通入燃烧机内燃烧，实现挤压坯料均匀加热，在风冷区挤压坯料的尾部一端设置鼓风机，在风冷区另一端连通管道与燃烧机连接，风冷区流出的高温空气通过燃机中天然气加热进入燃气加热区，实现风冷区流出的高温空气循环利用到燃气加热区，通过热空气的重复循环利用，起到了节能效果。

棒料置于机架上的棒料停放架上，机架驱动装置推动机架沿导轨运动将棒料依次输送到燃气加热区、风冷区、感应加热区，机架制动装置对机架进行制动使机架停靠在相应的区域设定的加热时间，满足棒料的梯度加热要求。通过测温装置、机架驱动装置、机架制动装置通过耐高温导线与外部自动控制装置连接，测温装置将棒料温度实时反映，自动控制装置控制机架驱动装置、机架制动装置的运行，进而控制棒料在热处理炉相应的燃气加热区、风冷区、感应加热区的加热时间。

本发明实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉设置燃气加热区作用是对坯料均匀加热使坯料温度均匀分布；热处理炉设置风冷区作用是对坯料进行冷却，实现坯料轴向头高尾低温度梯度；热处理炉设置感应加热区的作用是对坯料进行二次加热，实现坯料径向的外高内低温度梯度。

本实施例采用的挤压坯料温度梯度分布的热处理的主要参数为：

坯料尺寸：Φ120×L500mm

合金类型：A7075铝合金

挤压机型：800t

燃气加热区加热温度及时间：350℃，2h

坯料头尾目标温差：30℃

风冷机冷却速度及时间：1m³/min，冷却2min

电磁感应加热温度及时间：480℃，8s

电磁感应加热频率：5KHZ

电磁感应加热深度：5mm

挤压坯料温度梯度分布的热处理炉加热铝合金棒材的具体工作过程：

步骤1：将铝合金棒材放到燃气加热区加热到350℃，保温2h；

步骤2：在风冷区以1m³/min冷却2min，尾部温度降到320℃；

步骤3：在电磁感应加热区，以感应频率5KHZ，加热时间8s，加热到480℃，加热深度约为5mm。实现7075铝合金的轴向头高尾低、径向外高内低的梯温材料制备。

同时风冷区的热空气通过管道在燃气区循环利用，达到节能的效果。

实施例2

本实施例采用的实现挤压坯料温度梯度分布的热处理炉如实施例1所示。

本实施例采用的挤压坯料温度梯度分布的热处理的主要参数为：

坯料尺寸：Φ100×L500mm

合金类型：AZ31镁合金

挤压机型：800t

燃气加热区加热温度及时间：250℃，1.5h

坯料头尾目标温差：20℃

风冷机冷却速度及时间：1m³/min，冷却1min

电磁感应加热温度及时间：420℃，10s

电磁感应加热频率：6KHZ

电磁感应加热深度：4mm

挤压坯料温度梯度分布的热处理炉加热镁合金棒材的具体工作过程：

步骤1：将镁合金棒材放到燃气加热区加热到250℃，保温1.5h；

步骤2：在风冷区以1m³/min冷却1min，尾部温度降到230℃；

步骤3：在电磁感应加热区，以感应频率6KHZ，加热时间10s，加热到420℃，加热深度约为4mm。实现AZ31镁合金的轴向头高尾低、径向外高内低的梯温材料制备。

同时风冷区的热空气通过管道在燃气区循环利用，达到节能的效果。

实施例3

本实施例采用的挤压坯料温度梯度分布的热处理的主要参数为：

坯料尺寸：Φ180×L500mm

合金类型：ZK61镁合金

挤压机型：800t

燃气加热区加热温度及时间：280℃，3h

坯料头尾目标温差：30℃

风冷机冷却速度及时间：2m³/min，冷却2min

电磁感应加热温度及时间：420℃，10s

电磁感应加热频率：4KHZ

电磁感应加热深度：6mm

挤压坯料温度梯度分布的热处理炉加热镁合金棒材的具体工作过程：

步骤1：将镁合金棒材放到燃气加热区加热到250℃，保温1.5h；

步骤2：在风冷区以1m³/min冷却1min，尾部温度降到230℃；

步骤3：在电磁感应加热区，以感应频率6KHZ，加热时间10s，加热到420℃，加热深度约为4mm。实现ZK60镁合金的轴向头高尾低、径向外高内低的梯温材料制备。

同时风冷区的热空气通过管道在燃气区循环利用，达到节能的效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。