<![CDATA[丑小康职业博客]]> http://xiaokangchou.blog.bokee.net/ zh-cn xiaokangchou Wed, 17 Jun 2009 17:08:58 CST 5 铝合金热处理 http://www.bokee.net/blogmodule/weblogcomment_viewEntry/5733038.html 铝合金热处理技术
热处理的定义很广，凡是人为控制之加热与冷却过程，用以改善材料之结构与性质者皆属于热处理，所以铸锭在加工前成形中，或加工后以及铸件所施之加热及冷却过程都叫热处理，亦包含下式的处理：
(1)   浸热(Soaking)，均质化处理(homogenizing)预热―使铸块组织均质化而长时间加热处理。
(2)   再热(reheating)热间加工，而加热处理。
(3)   Annealing退火-软化材料。
(4)   Solution heat treatment)溶体化处理，auenching淬火，回火(artificial aging 或 temper)―提高材料强度
(5)   Stabilizing treatment安定化处理
铝合金分为两大类：
(1)   Heat treatable alloy
(2)   Non-heat treatable
热处理铝合金为2XXX，6XXX，7XXX或2XX.X，3XX.X，7XX.X，其区分是热处理铝合金如施以适当热处理其内部结构发生一种相变化，产生细致析出物，藉此种析出物，强化材料。这种现象叫析出硬化或时效硬化。
(Heat treatable alloy =precipitation-hardenable alloy)
非热处理合金则无析出硬化现象(但也会有析出物)，故其强化作用通常借助一般的方法，如因溶体强化，加强化细晶强化。
(1) 铝合金之特性
首先我们先讨论铝及其合金的特性来说明铝及铝合金为何大量的被运用。
(a)   轻~2.7Mg/m，差不多是同体积铜或钢的1/3重量。
(b)   防腐蚀能力强。
(c)   可反射辐射能―可见光、辐射热、电磁波。
(d)   导电及导热能力强，且又是非铁磁性。
(e)   non-sparking
(f)   无毒性
(g)   外观及表面易处理
(h)   机械性质良好
(i)   存量多
铝合金的代号甚多，例如：A.A(Aluminum,Association)
Al coa：(Alumunum Company of America)，JIS，DIN，BS等等，在我们仅说明A.A.代号及J.I.S代号：
A.A.代号用四位数字表示
1XXX   纯铝系   99.00%以上
2XXX   Al-Cu
3XXX   Al-Mn
4XXX   Al-Si
5XXX   Al-Mg
6XXX   Al-Mg-Si
7XXX   Al-Zn
8XXX   前代号以外之系统
9XXX   备用
J.I.S代号   A2P1
A-   代表铝
2-表示大区别 1.铝 2.耐蚀铝合金 3.高力铝合金   4.耐热铝合金
P-表示形状   P板   R条   E圆板   PC合板   RC合条   T管
    B棒   W线   S挤压形材   V卯钉材   F锻造品
      H箔   TW熔接管   BC导体
1-表示种类   特1   特2分别用S.O
(2) 铝合金之析出硬化
当金属所受袜力超过其降伏强度时，即发生塑性变形，从内部微结构的观点来看，变形最主要是由差排(dislocation)再受外力下，开始移动而造成。因此差排运动的难易关系到金属的强度，差排越不易运动，则外加力势必越大材足以使他移动而形成塑性变形，此时材料呈现的强度越高，反之，呈现的强度越低。因而各种使材料强化的手段包括设计适当合金成分、施加适当铸造技术、热处理技术、加工技术，实质上就是造成材料内部差排移动阻碍的因素，阻碍差排运动的因素有溶质原子(即所谓固溶强化)、差排互相干扰(即加工强化)、晶界(即细晶强化)、麻田散相(即麻田散强化)、第二相颗粒(有散布强化、扩散强化、析出强化)等。
在上述强化方法中，乙烯初强化最晚为人类所发现，但他是一种十分有效的强化方法，可使一个材料晶析出硬化热处理提高5至6倍的强度，许多高级的结构材料即靠析出强化来获致其强度，如Al-Zn-Mg，Al-Cu、Al-Mg-Si，
Cu-Be、麻时效钢(maraging steel)、析出硬化型不锈钢等。
以Al-Cu合金平衡图为例，可了解此种原理。由图可看出铝基地(α相)对Cu的饱和溶解度，再548℃时是5.7%，随温度逐渐下降，至0℃时仅0.2%。当铝基地中的Cu含量超过此一固线(solvus line)时，多余的Cu含量便以θ(CuAl 化合物)析出来。例如Al-4%Cu合金，在540℃时Cu全铝基中而为α固溶体，如果将之缓慢冷却，到了A点以下，饱和溶解度开始低于4%，此时θ便开始析出，沿晶界析出较粗大，基地内析出较小些。如果吾人采用快速冷却，例如将之淬火至室温水或更低温液体，由于冷却速率太快，不超过1~2秒的时间，就到达低温状态，故此时不像食盐水之能迅速析出沉淀，在这短时间内，θ相是来不及析出的。且由于固体中原子扩散速率再低温时甚为缓慢，在一段时间内，析出几乎被抑制，因而淬火后得到的是过饱和的固溶体。
淬火在时效析出物比缓慢冷却者细小而致密，由于前以叙述及析出物越致密，其析出强化效果越好，固实用的析出硬化热处理程序必须包括下列三个基本步骤：
固溶热处理(solution treatment)→淬火(quench)→时效处理(aging treatment)
固溶处理系指将材料生温至固溶体单相区一段时间，以便让溶质全部溶入基地而成单一α相；淬火系指将固溶处理后的材料迅速冷却以得饱和固溶体。时效处理则将此过饱和固溶体放置在恒温，使其逐渐析出析出物而造成性质上的变化。此恒温若为室温则称为自然时效(natural aging)，若在叫高温炉中进行则称之为人工时效(artificial aging)。
图3-1显示一个典型的时效硬度曲线，硬度在时效初期质逐渐上升，对时间后达最高硬度，过了最高点，硬度逐渐下降，这三个阶段分别称做初时效、最高时效及过时效；一般而言，初时效硬度上升是由于析出物逐渐析出，体积比逐渐增加，析出物间距越小所致；到了最高时效时，此时析出物呈现最佳的分布状态，亦即对差排的阻力最大；过时效的形成是由于析出物的粗化，所谓粗化就是说由于析出物在希望减少总表面积以降低总表面能的趋使下，大的析出物越长越大，小的析出物逐渐变小而消失，亦即粗化的结果，造成析出物半径增大，个数减少，间距加大，根据前述之强化机构，可之粗化降低对差排的阻力，并使硬度下降。

           
(3)铝合金热处理技术
1.   热处理铝合金加工代号
F：As fabricated表示冷加工，热加工或铸造成形后不在施以特别处理。
O：Annealed表示退火至最低强度水平之锻制品，及经退火增加延展性及尺寸安定性之铸造品。
H：Strain Hardened表示经加工变形之锻制品。
W：Solut heat treated：表示仅固溶体处理后自然时效W1/2 hr。
T：Heat treated to produce stable tempers other than F . O . or H .
2.   热处理代号
H1：仅加工硬化者
H2：加工硬化且未完全退火(部分退火)
H3：加工硬化作低温加热以便稍微降低强度以增进延展性及安定性
H1X，H2X，H3X
X由1~8
8：50℃以下将完全退火之合金施以75%冷滚所的之强度
0：为完全退火之强度
4→8+ 0/2
H 112 制造成形时加工硬化但加工量为加以控制
H 321 制造成形时加工硬化，加工量特定
3.   T代号之细分  
T 1 从较高温之成形加铸造、挤形等过程中冷却下来并自然时效。
T 2 从较高温之成形施以冷加工并自然时效。
T 3 固溶体处理后，冷加工并自然时效
T 4 固溶体处理后，直接自然时效
T 5 轻较高温度成形施以人工时效
T 6 固溶处理后人工时效
T 7 固溶处理后人工时效至过时效状态
T 8 固溶体处理后，冷加工并人工时效
T 9 固溶体处理后人工时效并冷加工
T 10 较高温之成形施以冷加工并人工时效
TX 51 固溶体处理后用伸张的方法消除内部应力
TX 52 固溶体处理后用压缩的方法消除内部应力
TX 53 用伸张及压缩的方法消除内部应力
4.   热处理注意事项：
1.Solution Heat Treatment 固溶体处理  
一般处理温度约只低于共晶温度10~15ㄈ，对于高成分的合金要避免超过共晶温度，否则发生共晶反应在晶界上形成脆性之共晶结构影响材质

1.   Over heating
2.   Nonequilibrium Melting
3.   Underheating
4.   Solution Treating time, soaking time
5.   High Temperature Oxidation 高温氧化
2.Quenching淬火
淬火之目的在造成过饱和之固溶体，最理想的淬火是保持固溶体之溶解度→细密、析出强度高，且耐蚀及抗属力腐蚀性也会改善→保持大量之Vacancy有益析出硬化
原则上淬火速率越快，淬火温度越低越好，但是淬火速率太快往往会造成变形或内部应力，因此对形状较不规则的物体仍采慢淬火为宜。
注意事项：
1.   操作需迅速→迟了机械性质、耐力、伸度会劣化，组织不均匀也会降低耐蚀性越薄→越快。
2.   淬火材料要够
3.Precipitation Heat Treatment(时效处理)析出热处理温度越高硬度上升越快达到硬度之时间越短，但最高硬度相形下降，而工业上，温度越高，成本越大。自然时效 natural aging(常温时效)如2040合金，T4人工时效 artificial aging, Precipitation heat treatment   7075自然时效虽快但硬化一直增加中难获安定之结构，故此合金采人工时效。一般而言，过时效之伸长率与韧性数初时效差一般合金不适合作过时效处理，但若考虑高温安定性时，较高温之过时效是以必要的。另外7000系铝、锌镁合金t6处理之强度高，但抗蚀性最差，过时效反可大幅改善，因之7000系如7075，在实用上如应力腐蚀顾虑时必将T73或T76处现。淬火后再低于常温保持时，一般会抑制析出，如2014，2017，2024在-20℃放置一周几乎不变-迟效，如2117―铆接材
4.   退火Annealing
Full annealing 充分退火，对加工硬化物之对象通常以再结晶而对可热处理合金溶质均以全部析出(防止自然析出)
如太高温度或长时间加热的话，结晶粒粗大，机械性质差，甚至肌肤粗糙。
油污(oil station)→因油脂使表面变色
部分退火(低温退火)→高于常温，加热时间短→结晶细而且软→只适用于薄而形状单纯者]]> http://www.bokee.net/blogmodule/weblogcomment_viewEntry/5733038.html xiaokangchou Fri, 13 Aug 2010 13:26:12 CST 铝合金快速集中熔解炉 http://www.bokee.net/blogmodule/weblogcomment_viewEntry/5588275.html 铝合金快速熔解炉设计总结
概述
对一单熔炉的基本要求是：产品质量和产量首先要满足要求；燃料或其他能耗要低；建炉投资和运行费用要低；使用寿命长；操作人员的生产条件要好；污染物的排放要符合环保要求。一个设计者在熔炉的设计中应尽可能同时满足上述要求。
1，          组成：炉体（钢结构及内衬耐火材料），排烟系统，加料系统，取铝液池或放铝液口，燃烧系统（火焰炉），测温以及自动控制系统；
2，          工艺流程：加料系统将铝锭投入熔化室内，经过加热熔化进入保温室，经过加热升温静置到使用终端；
3，          设备作用：快速集中熔解铝锭。
热工热能设计（燃气）
      熔解炉热平衡是热力学第一定律（能量守恒定律）在熔炉热工上的具体应用，即熔炉的热量收入必然等于热量支出，具体表述如下：
热量收入：1，燃料燃烧的化学能转变的热量Q1（KJ／h）：
             Q1 = BQd   式中：B为燃料消耗量（Kg／h或 Nm3／h）;Qd为燃料低发热量（KJ／Kg或KJ／Nm3）
          2，铝氧化反应的化学热量Q2
铝在加热时生成的成分为AL2O3,此反应的化学热量在设计时可忽略。
热量支出：1，用于加热炉料所需的热量Q1”(KJ／h）
            Q1” = G[( t2－t1)C1+qt+( t3－t2)C2]
式中：t1 t2 t3 分别为物料的入炉，熔化，以及过热温度（℃）; C1 C2分别为物料在t1至t2和t2至t3的平均比热容（KJ／Kg℃）；qt为物料的熔化潜热（KJ／Kg）。
           2，出炉烟气带走的热量Q2” (KJ／h）
           Q2” ＝（1－Kj）BVnCyTy
式中：Kj为机械性不完全燃烧系数，Ty为出炉烟气的温度（℃）；Cy为出炉烟气的比热容（KJ／Nm℃），出炉烟气Vn应减去由炉门和炉墙孔洞溢出的炉气量。
            3，燃料的化学性不完全燃烧损失的热量Q3” (KJ／h）
            Q3”＝180（1－Kj）BVn＆CO
式中：180为系数，燃料不完全燃烧的结果，在烟气中存在可燃气体主要是CO和H2，一般烟气中含1％CO时大约同时存在5％H2，这种混合气体中1m3CO时折算发热量为1800Kj。＆CO为烟气中CO的百分含量（％）。
            4，燃料的机械性不完全燃烧损失的热量Q4” (KJ／h）
             Q4”＝ KjBQd
式中：Kj为机械性不完全燃烧系数，对于气体燃料，造成损失的原因是管道和烧嘴的泄漏，一般Kj＝0.02～0.03，Qd为燃料的低发热值。
           5，熔炉砌体散热及蓄热损失的热量Q5” (KJ／h）
炉墙：Q5”＝[(tn－tk)／ni=1∑(si÷∮i)+(1／a)]×F
式中：tn为炉墙内壁温度（℃）；tk为炉外空气温度（℃）；ni=1∑(si÷∮i)为熔炉砌体各层热阻的总和（m2·h·℃／Kj）;其中si为各层厚度（m）, ∮i为各层材料的导热系数（Kj／m·h·℃）；a为炉墙外侧空气对流传热系数，一般取a＝67～71 Kj／m2·h·℃）.
炉墙外表温度：
             TN＝Q5”／a +Tk
从外表算起：第一，二层的分界面温度：T1= Q5”（1／a +s1／∮1）+tk;
            第二，三层的分界面温度：T2= Q5” （1／a +s1／∮1 + s2／∮3）+tk.
以此推算其余！
炉底：
Q5” = ＆∮Fd（tn－tk)／B
式中：＆为形状系数，圆底炉＆=4，方底炉＆=4、4，矩形炉底＆=4、4～3、73，∮为材料的导热系数（Kj／m·h·℃）；Fd为炉底面积（m2）；
B为炉底的直径或最小宽度（m）.
上述形状系数适用于侧墙厚度为B／6的情况，如果侧墙厚度增至B／4时，热损失减少5%，墙厚减至B／8时，热损失增加8%～10%;
当墙厚为B／6时，通过实炉底的全部热损失可采取同样面积的侧墙散热的75%近似计算。
炉盖的散热可单独计算之：
Q5”=【（tn－tk)／（s÷∮）+0.014）】×F×￠／60
式中：S为炉门盖的厚度（m），∮为炉门盖所用材料的导热系数（Kj／m·h·℃）；￠为一小时炉门关闭的时间（Min）。
开启的炉门因辐射而损失的热量Q6” (KJ／h）：
Q6”=20.42（T1／100）4Fm￠（1－￠“／60）
式中：T1为炉门处温度（K），Fm为炉门的面积，￠为角度修正系数，忽略不计，￠“为一小时内炉门关闭的时间（Min）。
开启炉门因溢气而带出的热量Q7” (KJ／h）：（此项包括在出炉烟气带走的热量中，不需单独计算）。
   Q7”=V0 Ty Cy(1－￠“／60)
式中：V0为单位时间内溢出的炉气量（换算成标况下流量：Nm3／h），Ty为溢出气体的温度（K），Cy溢出气体的平均比热容（KJ／Nm3℃）。
 
熔炉热工制度
熔炉热工制度包括以下内容：
1，          加热工艺制度；（即熔化和保温）
2，          炉温制度;    （指炉内温度分布）
3，          炉压制度；   （指压力根据炉型燃烧方式和操作制度不同而分布的规律）
4，          传热制度。（指热负荷沿炉膛曲线的比例分配）
1，2肯定为已知条件，分析2，3如下：
熔炉较为理想的炉温制度要求炉温及料柸之间在要求炉温条件下具有最大的传热，以提高加热速度，在预热段利用加热段过来的高温烟气来预热物料，降低烟气出炉温度，有利于降低燃料消耗。
 炉压制度：炉气是带热介质，它在炉内的流动情况直接影响着炉内温度分布，熔炉的炉门，加料口，烟囪是与外界相同的，炉压的控制直接影响炉温，当烟囪抽力太大，造成炉内负压时，要引起冷空气吸入而使炉气外溢而增加热损失，影响燃烧，炉温下降，也使炉体结构寿命降低，劳动条件恶化。
 对炉压制度的基本要求是保持熔解炉出水口出表面压力为零，同时炉内气流通畅，并力求炉尾加料口出不冒火（针对火焰炉）。
炉膛的大小和几何形状
计算炉膛高度的经验公式：
1，H = （A+0．06b）T1×10-3
2, H = BVN(1+§)／BW1
3, H = BQd／qvbL
式中：H为受热面上部炉高（m）,；T1为该段炉膛中的炉气温度（K）；b为炉宽（室状最大尺寸计算）（m）；A为该炉膛内与炉气温度有关的系数，T1≤900℃时，A=0.5～0.55，T1≥1500℃时，A=0.65；B为燃料消耗量（Kg／h或 Nm3／h）；§为膨胀系数，§=1／273；W1为炉气在炉膛内的实际流速（m／s）, W1=2.4～4.6; Qd为燃料的低发热量（KJ／Kg或KJ／Nm3）；L为长度（m）；qv为允许炉膛容积热负荷（KJ／Nm3 ·h）。
燃烧设备          qv（×106 KJ／Nm3 ·h）
气体燃料长焰烧嘴          0.5～0.9
、、、、、、、、短焰烧嘴          41～167
重油烧嘴                   0.42～0.84
烟煤层状燃烧               1.25～2.1
炉体垂直方向的尺寸高度在应用时应结合实际情况适当修正。
炉膛容积
V = GQdwy／qv
式中：G为燃料消耗量（Kg／h或 Nm3／h）；
      Qdwy为应用基低位发热量（KJ／Kg或KJ／Nm3）；
      qv为炉膛容积热负荷（KJ／Nm3 ·h）。
炉膛高度或深度，对于熔炉保温或静置室，在炉膛长宽已定，即铝液容量确定的情况下，它是决定炉膛空间大小，炉型曲线是否合适的关键尺寸。
决定炉膛高度时主要考虑下列因素：
1，          炉型曲线应实现规定的炉温制度要求和供热制度；
2，          在燃烧方面，要保证有足够的燃烧空间。
首先，炉膛容积应保证燃料的充分燃烧和被炉气所充满，有利于向料柸和铝液传热。它随燃料种类，燃烧方式，燃烧器的布置及热符合的不同而有所差异，不同燃料产生的单位热量所具有的废气体积是不同的，因而所需燃烧空间大小是不一样的。一般发热值越高，废气体积相应越小。
当火焰不充满炉膛时，抬高加热炉顶，不仅不会增加传热，反而会减少金属所获得的有效热。炉膛越高，这种情况越易于发展；一般有焰燃烧时，火焰黑度较大，火焰向料柸给热比无焰燃烧时要高，炉壁辐射的热量比例有降低。因此，炉膛高度不宜过分增大，以保证火焰尽量接近料柸表面为原则。
以上各种因素相互间存在着对立统一的关系，设计时应当具体问题具体分析。
熔炉烟道设计计算
当排烟阻力小于500～600Pa时，一般采用自然排烟方式，当排烟阻力较大，采用自然排烟有困难时，采用机械排烟。
烟道断面积F（m2）：
        F = V0／W0
式中：V0为烟气流量（Nm3 ／S）；W0为烟气流速（m／s）；
烟囪设计计算的目的主要是决定其高度H（m）
     H =( hy+ ht1+ ht2)／[(hj·B／101325)－∮h／d]
式中：hy为烟囪的有效抽力（Pa）；hy=K∑h，K为抽力系数，一般取1.1～1.25；∑h为烟道计算中所得的总阻力损失；ht1，ht2分别为烟囪顶部及底部的速度头（Pa）；按相应温度及流速W0计算；出口速度一般不低于2～3m／s，负责容易倒灌，所以一般取2.5～5 m／s；
hj= （W02／2）·e（1+t／273）
hj为每米几何压头（Pa／m）；B为当地大气压（Pa）；∮为烟囪内摩擦阻力系数，金属烟囪取0.03，砌砖衬取0.05；d为烟囪的平均直径，d=（d1+ d2）／2，金属烟囪通常d1=d2；h为烟囪内烟气的平均速度头（Pa）。
自然排烟时，烟囪高度计算：
 H = (1.2h1+ h2)／¤a-¤f
参数说明：H—烟囪高度（m）；
          h1—熔炉烟道阻力；
          h2—烟囪阻力，包括摩擦阻力和局部出口阻力（Pa）；
          ef—烟囪内烟气平均温度下的烟气密度（Kg／Nm3）；
          ea—室外空气密度；
          1.2——安全系数。
烟囪局部阻力损失：
     h = ∫ev2/2=∫(e0v02273+t)/2×273
参数说明：∫——局部阻力系数；
           v,v0---气体在表况下平均流速（m／s）；
           e, e0-----气体标况下密度（Kg／Nm3）；
           t-----气体平均温度（℃）。
沿程摩擦阻力计算：
      Hf = (∮L/de)·e0v02/2=(∮L/de)·(e0v02/2) ·(273+ t)/273
参数说明： Hf ---摩擦阻力（Pa）；
         ∮-----摩擦阻力系数（0.03）；
          de-----管道截面当量直径（ m ）；
          L-----管道长度（ m ）；
          v0，v---气体标况及流动温度下的平均速度（m／s）；
          e0，e----气体标况及流动温度下密度（Kg／Nm3）；
          t------气体平均温度（ ℃ ）。
选择风机所须的计算
1，          风量确定（Nm3/h ）：
Q = (1.2～1.3)BLn
式中：考虑漏损量，修正系数为1.2～1.3；
      B为当地大气压；
      Ln为根据燃烧计算所得实际空气需要量( Nm3/ Nm3 ).
2,实际风压( Pa）：
      H = (1.2～1.3)(Pk+∑h)
     式中：Pk为烧嘴前所要求的空气压力（Pa）；
           ∑h为风机出口到烧嘴前的总压力损失（Pa）。
 
 
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