（材料加工工程专业论文）铝合金双带式连铸技术设备设计及凝固过程数值模拟.pdf

。孓 v at h e s i si nn e w t e c h n o l o ya n dm a c h i n e e q u i p m e n td e s i g na n d s o l i d i f c a t i o ns i m u l a t i o n o fa l u m i n i u mt w i n - - b e l tc a s t i n gt e c h n o l o g y b yz h a n gl i p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc u ij i a n z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 1，jil，_ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 擎砀辛 日 期：娜学； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 涫 _ ， t 东北大学硕士学位论文 摘要 铝合金双带式连铸技术设备设计及凝固过程数值模拟 摘要 双带式连铸技术由于具备高效、节能、环保等优势，引起了国内外众多研究机 构及企业的关注，并在欧美日等发达国家和地区得到了大量应用。但该技术在中国 的应用仅处于起步阶段。因此开发铝合金双带式连铸技术，对中国铝工业发展意义 重大。本文以铝合金铸造、薄板铸轧理论、连铸连轧理论以及哈兹列特连铸机为基 础进行了铝合金双带连铸技术设备设计，并对其连铸过程的流场和温度场进行了数 值模拟研究。 本文首先研究分析了多种类型的双带式连铸机形式。确定了连铸机基本结构以 及传动方式。采用铝合金板带铸轧理论对铸造温度、拉坯速度、冷凝区、结晶区、 连铸区总长度等所需要的工艺参数进行计算。并选择了合理的冷却速度、液面高度。 得到设备主要工艺参数如下： 带坯厚度：2 0 m m ( 可调节) ； 带坯宽度：5 0 0 m m ( 可调节) ； 铸造区域总长度：3 0 0 m m - 5 0 0 m m ； 铸造速度：6 m m i n 。1 1 2m m i n 一； 冷却速度：6 0 s 。 应用连铸机设备参数计算方法，对双带式连铸机的辊列直径、坯壳厚度、拉力 进行计算，确定电机以及减速机型号。 对各式双带连铸机进行分析。综合考虑支撑、冷却、密封、气隙等条件，确定 了各部分的结构和参数。 通过上述计算和选择，用s o l i d w o r k s 等三维设计软件自行设计了具有独立知识 产权的双带式铝合金连铸机。对机架悬臂支撑处危险断面进行强度和刚度校核，提 高了设备安全性能，使之满足生产工艺需求。 应用a n s y s 软件建立了双带式连铸过程的有限元模型，研究了不同的铸造温 度、不同铸造速度以及不同的对流换热系数条件下连铸区内流场和温度场的分布， 得到了上述工艺条件对温度场分布的作用规律，为下一步现场实验提供了理论依据 和实践指导。 关键词：铝合金；双带式连铸；设备设计；数值模拟 t r 一 e q u i p m e n td e s i g na n ds o l i d i f c a t i o n s i m u l a t i o no fa l u m i n i u mt w i n - - b e l tc a s t i n g t e c h n o l o g y a bs t r a c t t w i nb e l tc a s t i n gi sa l la d v a n c e d t e c h n o l o yi na 1a l l o yp r o d u c t i o nf o ri t sa d v a n t a g e o fh i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n ga n dp e r f e c tp r o d u c tq u a l i t y i t h a sa l r e a d ya r o s e do fr e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r sf a c t o r i e si nm a n yc o u n t r i e sp a ym o r e a t t e n t i o no ni t h o w e v e r , t h i st e c h n o l o g yi s s t i l la tt h es t a r t i n gs t a t ea n dh a sn o a p p l i c a t i o ni na l u m i n u mp r o d u c t i o ni nc h i n a s oi ti su r g e n tf o rc h i n e s ea l u m i n u m i n d u s t r yt ok n o wa n dd e v e l o pt w i nb e l tc a s t i n gt e c h n o l o g yw e l l b a s e do nt h et h e o r ya n d p r a c t i c eo fa l u m i n i u mc a s t i n g ，t w i n r o l lc a s t i n g ，h a z e l e t t c a s t e ra n dc o n t i n o u sc a s t i n g ，a t w i n - b e l tc a s t e rf o ra 1 a l l o y w a sd e s i g n e da n d s o l i d i f i c a t i o np r o c e s si nc a s t e rw a ss i m u l a t e di nt h i ss t u d yt om o t i v a t et h ed e v e l o p m e n t o fa l u m i n i u mt w i n - b e l tc a s t i n gt e c h n o l o g yi nc h i n a f i r s tt h ec o n s t r u c t i o nw a sd e s i g n e db ya n a l y s i n gm a n yt y p e so ft w i n b e l tc a s t e r si n d e v e l o p e dc o u n t r i e s t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h et w i n - b e l tc a s t e r , s u c ha sc a s t i n gs p e e d ，c o o l i n gz o n e ， s o l i d i f i c a t i o nz o n e ，t h el e n g t ho fc a s t i n gz o n ew e r ec a l c u l a t e da n d c o n f i r m e da s f o l l o w i n g sb ym e a n so ft w i n r o l lc a s t i n gt h e o r y ： s t r i pt h i c k n e s s ：2 0 m m ( a d j u s t i v e ) ； s t r i pw i d t h ：5 0 0 m m ( a d j u s t i v e ) ； l e n g t ho fc a s t i n gz o n e ：50 0 m m ； c a s t i n gs p e e d ：6 m m i n 1 1 2 m m i n 1 ； c o o l i n gr a t e ：6 0 。c s t h ed i a m e t e r so ft h er o l l e r s ，s o l i d i f i c a t i o nt h i c k n e s s ，d r a w i n gf o r c eo f t h et w i n r o l l c a s t e rw e r ec a l c u l a t e da n dt h em o t o ra n dt h es p e e dr e d u c e rw e r es e l e c t e db yc o n t i n u o u s c a s t i n gt h e o r y t h ec o n s t r u c t i o no fs u p p o r t ，c o o l i n gs p i g o t s ，c l o s i n ga n dg a pw e r e d e t e r m i n e db yd i s c u s s i n gv a r i o u st w i n r o l lc a s t e r s an e wt w i n - r o l lc a s t e rw a sd e s i g n e db ys o l i d w o r k ss o f t w a r eb a s e do na b o v e - 1 1 1 - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c a l c u l a t i o n sa n ds e l a c t i o n s ，w h i c hh a sc h i n e s ec h a r a c t e r t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e so ft h e f r a m e w o r kw a sc o r r e c t e d ，w h i c hw i l li m p r o v et h es a f e t yo ft h ec a s t e ra n dm e e tt h en e e d o f p r o d u c t i o n t h ef l o wf i e l d sa n dt e m p e r a t u r ef i e l so ft h ec a s tz o n ei nd i f f e r e n tc a s tt e m p e r a t u r e s ， c a s t i n gs p e e d sa n dh e a te x c h a n g i n gc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e db ya n s y ss i m u l a t a t i o n ， w h i c h p r o v i d e dt h e i r e f f e c t r u l e sa n dt h e o r e t i c a lb a s e sf o rt h ed e s i g na n dt h e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：a l u m i n i u ；t w i nb e l tc a s t e r ；e q u i p m e n td e s i g n ；s i m u l a t i o n - i v - 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 铝板带坯生产方式概述1 1 1 1 铁模铸造热轧1 1 1 2 半连续铸造热轧2 1 1 3 连续铸轧2 1 1 4 连铸连轧2 1 2 双带式连铸连轧工艺：3 1 2 1 双带式连铸与常规半连续铸造工艺3 1 2 2 双带式连铸与双辊铸轧工艺一4 1 3 双带式连铸技术的发展概况5 1 3 1 双带式连铸技术国外发展简况5 1 3 2 双带式连铸技术国内发展简况7 1 4 铝合金连铸设备的分类8 1 4 1 劳纳连铸机8 1 4 2 凯撒微型连铸机8 1 4 3 哈兹列特双带连铸机设备基本型式一9 1 5 双带连铸产品范围一1 0 1 6 本课题研究的主要目的、意义和内容一1 2 第2 章双带式连铸工艺及设备参数计算1 5 2 1 主要工艺参数的确定1 5 2 1 1 铸造温度的选择1 5 2 1 2 拉坯速度的选择1 5 2 1 3 连铸区总长度的计算1 6 东北大学硕士学位论文 目录 2 1 3 1 冷凝区长度的计算1 7 2 1 3 2 结晶区长度的计算1 9 2 1 3 3 铸造区域总长度的计算2 0 2 1 4 冷却速度的选择2 l 2 1 5 液面高度的确定2 1 2 2 设备基本参数的设定2 2 2 2 1 辊列直径的设计2 2 2 2 2 拉力的计算与确定2 3 2 2 2 1 双带内的阻力乃2 4 2 2 2 2 鼓肚阻力乃2 5 2 2 2 3 辊子旋转阻力乃2 9 2 2 2 4 铸坯自重下滑力凡3 1 2 2 2 5 拉力f 的确定，3 2 2 3 电动机的选择3 2 2 3 1 选择电动机的容量3 2 2 3 2 确定电动机转速3 3 2 3 3 减速器的选取3 3 2 3 3 1 计算传动装置减速比确定级数3 3 2 3 3 2 计算输入功率一3 4 2 3 3 3 校核瞬时尖峰载荷3 4 第3 章双带连铸机结构设计3 5 3 1 机架3 6 3 1 1 机架及悬臂支架的结构设计3 6 3 1 2 机架悬臂校核3 7 3 2 鳍状支撑辊3 9 3 2 1 主支撑辊3 9 3 2 2 中间支撑辊3 9 3 2 3 小支撑辊4 0 3 2 4 支撑辊对于气隙的调节4 0 3 3 冷却方式一4 0 3 4 铸嘴4 2 3 5 钢带的张力及纠偏控制4 2 - v i 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 1 钢带的选择4 2 3 5 2 钢带的张力控制4 3 3 5 3 钢带的纠偏及密封4 3 3 6 侧封铜块的选择4 3 3 7 提升及传动装置4 4 3 7 1 提升装置4 4 3 7 2 传动装置4 5 第4 章双带式连铸凝固过程数值模拟4 7 4 1 流场和温度场计算的基本理论4 7 4 1 1 流场计算的基本理论4 7 4 1 1 1 流场的基本控制方程4 7 4 1 1 2 流场湍流模型4 9 4 1 1 3 通用微分方程的离散化5 3 4 1 2 温度场计算的基本理论5 5 4 1 2 1 热量传递的基本方式5 5 4 1 2 2 传热中的能量守恒5 7 4 1 2 3 传热中的微分方程5 8 4 1 2 4 传热中的边界条件5 8 4 2 连铸区的有限元模型5 9 4 3 数值模拟计算结果与分析6 1 4 3 1 连铸区的流场和温度场6 1 4 3 1 铸造温度对温度场的影响6 2 4 3 2 铸造速度对温度场的影响6 3 4 3 3 对流换热系数对温度场的影响6 3 第5 章全文总结“5 参考文献6 7 致谢7 1 附录7 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 铝板带是发展国民经济的基础材料，交通业、建筑业、包装业的发展对其需求 量日益增大。目前铝板带主要通过“半连续铸造一热轧 的方式进行生产，设备投 资巨大，回收期长，建设时间长，生产工序多，使得铝板带的生产成本居高不下。 因此，世界各国的铝工业专家都在致力于探索出更多的投资少、低能耗、短流程近 终形的铝板带生产工艺，双带式连铸连轧技术就是目前最先进的方法之一【。双带 式连铸连轧技术是将熔化的铝熔体，注入由同步运行的上、下二条钢带及两侧边部 挡块组成的结晶器间，连续铸造出一定厚度板坯，然后板坯不经加热，直接在线轧 制成材。 随着科学技术的不断进步，双带式连铸新技术及新工艺得到了飞速的发展。双 带式连铸技术由于具备高效、节能、环保等优势，引起了国内外众多研究机构及企 业的关注，并在欧美日等发达国家和地区得到了大量应用。但该技术在中国的应用 仅处于起步阶段，目前尚无一条铝合金双带式连铸生产线投产j 双带式连铸是未来 铝合金板带材制备的重要手段，我国不仅要研究该技术，更要在一个高起点上发展 该技术，使其成为我国铝加工行业的一支生力军。 1 1 铝板带坯生产方式概述 近年来，随着我国建筑、交通、包装及家电行业的发展，铝板带箔的市场需求 量迅速增加，国内铝板带箔生产形成了又一个新的建设高潮。铝板带箔生产中，坯 料生产方式直接影响到铝板带箔产品的质量、成本，对企业效益的影响举足轻重。 目前，铝板带坯的生产方式主要有铁模铸造热轧、半连续铸造热轧、双辊铸轧和连 铸连轧四种【2 j 。 1 1 1 铁模铸造一热轧 该方式属于传统生产工艺，设备简单、投资少、生产灵活、生产的合金品种不 受限制，应用比较广泛。但工人劳动环境差、劳动强度大，产品加工性能不稳定， 成品率低；产品表面质量差，其工艺复杂、流程长；设备投资大、能耗高、产品成 本高，在市场竞争力上有一定的局限性。属于正在逐步淘汰的工艺。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 半连续铸造一热轧 该方式是传统的生产方法，即采用半连续铸造法生产大扁锭，锯切头尾后铣削 除去铸锭表面缺陷，再经过均热或加热，送到热轧机上进行多道次轧制，最后生产 出厚度为2 5 r a m 8 r a m 的热轧卷坯。该工艺根据后部热轧机架数和配置的不同，可 以分为单机架单卷取、单机架双卷取、热粗轧+ 热精轧以及由1 台热粗轧加上数架 热精连轧组成的串联式半连续热轧形式( 简称热连轧) 。这种方式生产灵活、生产的 合金品种不受限制，产品范围广、产品的内部组织性能、表面质量和加工性能好， 因此应用最为广泛，世界上的大型铝加工厂多数采用这种工艺。半连续铸造热轧卷 式生产虽然有诸多优点，但工艺复杂、流程长、设备投资大、一次性建设投资大、 能耗高，以此为坯料生产的板带箔产品必然成本高，在市场竞争力上有一定的局限 性。 1 1 3 连续铸轧 该方式是将熔化的铝熔体注入双辊铸轧机的两个旋转铸轧辊辊缝之间，铝熔体 在内部通有冷却水的2 个铸轧辊间凝固的同时，受到轧压作用，得到厚度在 6 r a m i o m m 的薄铸轧板坯，再经卷取成为卷坯。这种工艺的特点是液态金属一次成 坯，故又称为液态轧制。这种生产方式工艺过程简单、投资少、能耗低、产品成本 低，我国改革开放以来新建的铝板带箔生产企业由于资金所限，大多数采用了这种 供坯工艺。双辊铸轧虽然流程简单、产品成本低，但其生产合金范围窄，只适合生 产i x x x 、8 0 1 1 和3 0 0 3 等简单合金，且铸轧卷坯在组织结构、晶粒均匀性、表面 质量和加工性能等方面均不如热轧卷坯，生产的产品只能满足市场上普通产品的要 求。此外，铸轧法单机产量较小，一般不超过1 万吨，经济规模在0 5 万吨 - - 3 万 吨。当生产规模超过3 万吨时，随着连续铸轧机数量的增多，投资也将增大，不能 形成经济规模。 1 1 4 连铸连轧 该生产方式是将熔化的铝熔体经保温调质处理，通过流槽和铸嘴注入由同步运 行的上、下二条钢带或履带及两侧边部挡块组成的结晶器间，连续铸造出一定厚度 的带坯，然后经在线热连轧后卷取成卷。正因为具备高效、节能、环保等诸多优势， 该生产方式在材料制备领域得到越来越多的重视和应用。 可以预见，现阶段的建设高潮过后，国内铝板带箔的市场竞争必然非常激烈， 只有在尽可能降低生产成本，同时又保证较高产品质量时才能在市场竞争中取胜。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这就给国内的铝板带箔企业和设计咨询行业提出了新的要求：选择一种投资和规模 适合发展中国家，生产成本较低，产品品种和质量能满足多数民用产品市场需求的 铝板带坯生产方式，因此连铸连轧工艺应该引起业内人士的关注。 1 2 双带式连铸连轧工艺 1 2 1 双带式连铸与常规半连续铸造工艺 双带式连铸与常规的半连续直冷铸造相比有很多差异，最大的差异在于其凝固 速率快。由于凝固速率快，结晶组织中的枝状晶较细、晶粒细小，金属间化合物颗 粒亦较小。此外，在形成的固溶体中保留了较多的合金元素。例如对于3 0 0 0 系合金 来说，连铸坯中有8 5 - - - 9 0 的锰保留在固溶体中，而直冷铸坯中只有约7 5 的锰保 留在固溶体中。 在产品质量上，双带式连铸技术以无端钢带代替了传统结晶器，消除了铸坯与 结晶器相对运动的摩擦，保证了较高铸速和较好的表面质量。合金铝液进入模腔前， 受惰性气体保护。钢带经感应加热后进入模腔，干燥无水汽。铸造是在无氧化条件 下进行的。铸坯离开模腔后如果在空气中进行到第一台热轧机的短暂过程中表面生 成较薄的氧化膜，但迅速被轧碎。因此，铸坯虽未经铣面，但无实质性氧化发生【3 1 。 在成本上，双带式连铸具有投资省，成本低的优势。由图1 1 和1 2 对比看出， 双带式连铸生产工艺中，不需要建铸造车间、铸造设备、铸锭锯切机、铣面机、铸 锭加热均匀化炉，热连轧生产线的速度低，可用二手轧钢设备改造而成。据计算， 其投资仅相当于铸锭热连轧生产线的1 4 或更低些。 一 图1 1 常规铸锭热轧法生产工艺 f i g 1 1p r o c e s so fd cc a s t i n ga n dh o tr o l l i n g 一_ 一盔三酾 三菩- 三翎三惫书紫 雠孕一 蠛q 塞蠢 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 2 双带式连铸连轧生产工艺 f i g 1 2p r o c e s so ft w i nb e l tc a s t i n g 纽波特铝加工厂1 9 8 6 年建成的1 3 2 0 m m 连铸连轧生产线与西班牙沃楞西纳铝 业公司2 0 0 0 年投产的1 3 2 0 m m 连铸连轧生产线的3 机架热连轧机列都是用旧的轧 钢机改造的。另外，连铸连轧法生产2 5 m m 厚1 x x x 合金带坯( 从熔炼铸造开始到 3 机架热连轧止) 的直接制造成本约为8 0 0 元吨，而用( 1 + 4 ) 式热连轧法生产时，其 成本到至少在2 0 0 0 元吨以上。因此无论从生产成本还是制造成本，双带式连铸都 具有显著的优势。 1 2 2 双带式连铸与双辊铸轧工艺 双带式连铸与双辊铸轧相比，二者也存在明显差别。双辊铸轧【4 】过程中铝在铸 造的同时受到了轧制力的作用而发生了变形，铸和轧是同时发生的；而连铸连轧则 为铝在连续铸造后不等其冷却下来就紧接着进行热轧。铝合金连铸连轧同样是短流 程、近终型的生产工艺，同时它又避免了双辊铸轧的缺陷。 与双辊铸轧相比，双带式连铸连轧的产品覆盖面更广，从所生产合金种类来说， 除了2 x x x 、7 x x x 、6 x x x 系部分合金外，几乎所有采用传统半连续铸造热轧工艺 生产的板带坯都能用双带连铸机生产，可用于国民经济的各方面。这就克服了双辊 铸轧工艺技术上的不足【5 1 。 此外双带式连铸还具有劳动生产率高的特点。双带连续铸造机的生产率根据所 铸合金不同，速度在1 5 - - 一2 5 k g ( h m m ) 。范围内的一台哈兹列特连铸机，如果板带坯 宽度在1 5 0 0 m m ，其生产率可以达到3 0 - 3 5 t h ，生产能为1 5 , - 一2 0 万吨年。哈兹列 特双带连续铸造机的生产速度基本上在2 0 k g ( h m m ) ，线性速度可以达到 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 0 m m i n ，劳动生产率高。 从工艺流程角度考虑，双带连续铸造工艺技术是属于传统半连铸热轧和双辊连 续铸轧之间的技术，但从生产工艺技术和产品的性能以及产品合金牌号方面来讲， 双带式连铸可以提供比双辊铸轧品种更丰富、用途更广的热轧毛料，在我国采用该 技术能够增加热轧毛料的产能，从而改变双辊连续铸轧毛料比例过大的局面。随着 我国电解铝工业发展迅速，原铝产能不断扩大，后续加工工序也必须得到相应加强， 如何扩大铝板带坯的产能，加快电解铝产业的延伸，增加高附加值的铝板带箔产品 也是当务之急。正因为具备产品质量好、高效、节能、环保等诸多优势，双带式连 铸连轧技术已经在国外得到越来越多的重视和应用。我国铝轧制工业的发展正需要 各种的先进工艺技术和设备，双带式连续铸造工艺技术以其具有的优势，将成为铝 板带生产的下一个投资热点。 1 3 双带式连铸技术的发展概况 1 3 1 双带式连铸技术国外发展简况 双带式连铸法是美国人哈兹列特先生发明的。首条连铸连轧铝带坯生产线于 1 9 6 3 年在加拿大铝业公司的铝制品公司( a l g o o d s ) 投产，这是1 条由双带式连铸机与 1 台4 辊轧机组成的生产线，产品宽度6 6 0 m m ，用于生产铝、锌等有色金属薄带坯 卷。自其进入市场以后，凭借原始投资省、铸造产量高、生产成本低的优势，迅速 受到用户欢迎。双带式连铸工艺用于铜、铝、铅、锌等各种有色金属板带及棒线材 的连铸【6 】。与此同时，哈兹列特公司继续在金属熔液的馈入、模具的涂复以及钢带 的稳定性诸方面进行了大量研究，使工艺及装备更趋完美。 在5 0 和6 0 年代期间，哈兹列特双带式连铸机已经在有色金属领域的工业生产 中得到了成功的应用。此后美国的伯利恒公司、美国钢公司和纽柯等公司建立了此 种连铸机以进行钢的薄板坯连铸试验，但由于铝水注入方式和铸坯质量问题，未取 得可应用于大生产的成就。 日本住友和川崎进行了哈兹列特带式连铸机的试验研究。住友的双带式连铸机 为倾斜式，铝水经过双中间包和溢流水口进入连铸机。这种开口水口引起上表面的 质量问题，目前正致力于一种衰减结晶器内铝水波动的方法，以求解决这一问题。 川崎钢铁公司也进行了水平式和垂直式双带连铸机的试验研究。据报道住友金属已 经成功地以5 m m i n d 的速度铸出厚4 0 5 0 m m 宽6 0 0 m m 的板坯，并在此基础上于 1 9 8 6 年进一步实验研究1 3 2 0 m m 的薄板坯连铸机。 在欧洲，克虏伯对双带式水平连铸机进行了试验研究，采用一种喷射式水口将 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 铝水从中间包输送到结晶器。但是这种方法很难避免水口与金属交界处的漏液现象。 进入8 0 年代以来，世界各国对薄板坯连铸技术的试验研究十分活跃，特别是 经过6 0 余年的发展，哈兹列特公司对铸造工艺、铸造机进行了不间断的研究开发， 取得了一定的成果。哈兹列特连铸连轧技术的可操作性、产品适应性大大提高，特 别是在北美的成功应用，展现了该技术在建筑用铝板带材、汽车箱体板和铝箔坯料 上的广阔发展前景。这些成果【7 ，8 】包括： 1 9 8 9 年，钢带预热系统由蒸气预热改为电磁感应预热，避免了铸造过程中的水 汽，减少了熔体的表面氧化，并有助于消除钢带在进入模腔时因温度骤升而引起的 挠曲变形，从而改善了铸坯的平直度。 1 9 9 1 年，在铸造机入口通入氩气等保护气体，使正在凝固的铝带坯表面不被空 气中的氧所氧化。同时，因惰性气体导热性好，改善了水冷效果。 1 9 9 3 年，铸造用钢带的制作工艺( 特别是对表面涂层) 进行了改进。钢带生产过 程中，拉矫剪切后先进行等离子喷涂，根据待铸合金的需要涂复不同的陶瓷粉。在 铸造过程中钢带表面还要进行在线静电粉末喷涂，喷涂的粉末种类和厚度根据合金 而异。提高了铸模中热传导的均匀性和可控性，同时还可以保护钢带，防止粘铝， 使脱模更加容易。 1 9 9 8 年，在钢带背部安装钕铁硼磁力辊，消除钢带的颤动，以保证铸坯的平直 度。磁力辊布置于模腔总长的前三分之一区域。 1 9 9 9 年，使用带形铸嘴代替多孔铸嘴，消除熔体湍流，使铸坯更平整。铸嘴宽 度可达2 3 0 0 m m ，可用于阔幅板带铸造。 以上这些技术改进措施有效地控制了钢带与铝带坯间的热传输及冷却速度，减 少了金属氧化，改善了金属的内部组织，提高了铝带坯的表面质量，拓宽了连铸连 轧工艺可生产的合金范围，增加了产品宽度。与此同时，哈兹列特铸造机的自动化 水平也越来越高，控制手段日益齐全，操作更容易，生产更稳定。 美国铝业公司在经过深入的调查研究后，对哈兹列特的连铸工艺产生了越来越 浓厚的兴趣。在2 0 0 0 年买断了位于西班牙一家使用哈兹列特工艺的公司后，2 0 0 1 年又购进了一台铸造宽度达到1 9 3 0 m m 的哈兹列特连铸机。该台设备的交货验收工 作在2 0 0 1 年9 月中旬哈兹列特公司进行。事实上目前已能铸造2 3 0 0 m m 宽的板坯。 世界各大铝业公司技术专家汇集美国佛蒙特州哈兹列特公司，除美国铝业公司专家 外，还有加铝、普基、海德鲁等世界级铝业公司。专家们异口同声地表示美铝的这 一重大技术举措，在实施之后，将使传统的直冷式垂直铸造为之黯然失色。 目前，在世界2 4 个国家中有7 0 余条生产线正在运转。其中铝带坯连铸连轧生 产线约有十数条【9 】，如表1 1 所示。值得注意的是，自1 9 8 3 年以来，美国本土上就 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 再未建立新的i + x 半连续铸造热轧生产线，但建立了多条双带式连铸连轧生产线， 其受重视程度可见一斑【1 们。 表1 1 哈兹列特连铸连轧铝板带生产线一览表 t a b l e1 1a l u m i n i u mp r o d u c tl i n eo fh a z e l e t tc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n gl i n e 1 3 2 双带式连铸技术国内发展简况 与在北美、欧洲、日本等国家和地区的迅速发展不同，双带式连铸技术在中国 的应用还处于刚起步阶段，目前仅少数几个企业利用该技术，中国有五台双带式连 铸机，分别安装在上海、广州、常熟、北京和湘潭，其中广州锌片厂的一台用于锌 板带坯生产，其余全部用于铜线材的生产。但目前尚无一条生产铝合金的双带式连 铸生产线投产【1 1 以引。 目前双带式连铸技术在中国发展缓慢的原因主要有两点：首先该技术科技含量 很高，不论是设备还是工艺都有很高的技术要求，目前它的关键技术都掌握在国外 企业手中，技术上的垄断造成了价格上的垄断，一台一米五左右宽幅的双带式连铸 机组动辄需远高于其实际成本的几千万人民币，昂贵的设备价格使国内企业望而却 步。另外虽然双带式连铸有诸多优势，但其固有的缺陷如铸模入口处铝液湍流控制、 合金表面和内部质量控制、铝熔体对钢带的热侵蚀等问题尚未得到良好的解决。因 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 此，研制拥有有自主知识产权的双带式连铸机器，开发出先进的设备工艺技术，不 仅可以提升我国铝板带的市场竞争力，使该技术能够真正广泛应用于我国大中型铝 加工企业，并使我国铝板带生产工艺呈现丰富多彩的局面【1 6 , 1 7 1 。 1 4 铝合金连铸设备的分类 连铸连轧技术的核心在于连铸机。目前技术上比较成熟的连铸机有三种形式 【1 8 】：一是哈兹列特双带连铸机；二是劳纳连铸机；三是凯撒微型连铸机。 1 4 1 劳纳连铸机 劳纳铸造机是由上下两条激冷块组成的环形块链代替双钢带，激冷块链形似履 带，故又称块式或履带式连铸机。如图1 3 所示。它的工作原理与双带式铸造机相 同，不同之处在于，构成结晶器的不是钢带，而是内部通冷却水的钢块，即快冷块， 这种铸造机虽然已经应用于工业生产，但未获得较为广泛的应用，全世界投产的不 过三四刽19 1 。 1 4 2 凯撒微型连铸机 图1 3 劳纳式连铸机 f i g 1 3l a u n e rc a s t e r 辊 凯撒微型连铸机与哈兹列特连铸机结构相近，但铸造的带坯厚度较薄，宽度也 较窄。它一般有单辊与双辊两种型式，双辊式也有两条无端钢带，钢带厚度较厚， 约3 - 6 m m 。如图1 4 ，1 5 所示，凯撒微型连铸机与哈兹列特双带式铸造机不同的 是，它入口侧两个辊子内通冷却水，铝熔体通过时即凝固成薄铸造带，上下两个钢 带都有快冷系统。而哈兹列特铸造机无端钢带厚约1 1 5 m m ，大部分铝熔体在钢 带之间凝固，另外铸造的带坯厚度也比较厚。 恺撤微型铸造机由于带坯很窄，所以熔体供给容易，温度比较均匀，铸造过程 也比较稳定，而可铸造的带厚决定于钢带厚度、返回的钢带温度，铸造带坯与钢带 机的上半部分可用液压方式抬起，以便更换钢带和维护模区。 f r s tf i l 卜1 b e l tc 0 0l | n g & s u p p o r t p p r r r t u s u h r l 口l u o kl n h i n 摹 图1 6 双带式连铸机 f i g 1 6g e n e r a lv i e wo fh a z e l e t tc a s t e r 入口侧的转轮称为咬入辊，其作用是引导钢带进入结晶区，并具 功能；出口侧的转轮称为牵引辊，其作用是使钢带获得最佳平直度。 速度稍低于钢带出口速度，可以防止铸模中铝带坯因重力向下滑动， 稍微受压。结晶器热量的排放是由钢带背面的高速冷却水喷嘴定期喷 实现的( 冷却水循环使用) 。铸造过程中，钢带温度保持在1 1 0 度以下 则保持在8 0 度以下。钢带由带鳍的支承辊支撑，支承辊允许在整个结 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 淹没，还可以调节以适应结晶器形状的要求。铸造机钢带是铸造机的主要部件，通 常采用1 1 2 m m 厚的低碳特殊合金钢板，钢带的平直度要求非常严格，所以必须 经过拉矫。钢带在铸造过程中反复承受冷热变化，工作条件恶劣，为了保护钢带， 钢带表面有涂层，涂层同时可以改善铝带坯与钢带之间的热传输状态，影响铝带坯 的内部组织结构。 铸造宽度用两边金属挡板限定，其最大宽度可达1 9 3 0 m m ，也可以设计更宽的 ( 目前文献中最大宽度可达到2 5 4 0 m m ) 哈兹列特铸造机。在哈兹列特铸造机中， 铝熔体的凝固速度为4 7 s ，约为常规d c 半连续铸造法的2 6 5 倍【2 0 1 。铸造不同 的金属采用不同的机列倾斜度，其范围为6 1 5 度，对于纯铝，铸造角设定为6 度。 最佳角度的确定还取决于熔体的馈入方式。铸坯的横截面基本呈长方形。不同的金 属和不同的横截面采取不同的铸造速度，经过不断改进，最高铸造速度为1 5 m m i n 。 模具长度根据生产需要设计，铸造带坯时，通常为2 m ；铸造铜线杆坯时，可达5 4 m 。 钢带在铸造过程中用高效快速水幕进行冷却。钢带材质通过为低碳钢，表面涂有永 久性和消耗性涂层。夹送辊“隔断”了后面的在线热轧机对连铸机的任何干扰，把铸 造板坯冷却收缩量考虑进去后，夹送辊速度应与连铸机保持精确的同步。速度变化 和转矩大小受到监控并可显示。 上钢带与下钢带间的距离，从熔融金属入口处到铝带坯出口处逐渐变小，两侧 边挡块之间的距离也逐渐变小，以补偿铝带坯宽度和厚度方向上的收缩。铸带进入 热连机的速度为6 - 9 m m i n 一，出热连轧的速度一般都小于6 0 m m i n 一，远比( 1 + 4 ) 式热连轧生产线的低。仅相当于其1 8 或更低一些。铸坯的厚度用可调换的隔离块 设定，目前所能铸造的厚度范围已达到1 0 7 5 m m ，这主要取决于铸造金属及其成分。 通过对铸态带坯直接进行在线热轧，可以生产出厚度为1 - 3 m m 的热精轧带材。 上述三种连铸机原理基本相同，但因为哈兹列特铸造机结构简单、操作方便， 产品合金范围广，所以铝加工行业应用最广的是哈兹列特双带式连铸机。 1 5 双带连铸产品范围 在双带连铸技术未来的发展中，由于其工艺的高科技含量、以及该工艺对环保、 节能及可持续发展的追求，铝板带的连铸连轧工艺将越来越被看好，其发展将呈上 升态势。据有关统计，在北美市场上连铸铝板带占有2 5 的份额，其中连铸连轧与 铸轧各占其半。产品范围包括散热片毛料、特种用板、冰箱后条、厚箔、电气应用 件、家俱用管材、表面光亮板、汽车车轮、工具用板等，以及高精板带诸如高档p s 版基材、建筑幕墙板、汽车板、0 0 0 6 m m 铝箔坯料等都能批量生产。目前哈兹列特 连铸连轧法在北美获得了广泛的应用，得到了市场的认可，该法常生产的合金及其 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 最终用途见表1 2 t 1 0 , 2 1 】。 表1 2 哈兹列特连铸连轧法生产的铝合金铸件产品用途 t a b l e1 2u s a g eo f a l u m i n u ma l l o y sc a s tb yh a z e l e t tc a s t e r 合金最终商业用途( 产品) 散热翅片，厨具 冲挤坯 标牌板，厚箔，辊压品，p s 版板基 转换箔，厨具，食品与药品箔 电解电容器箔 建筑板，厨具，厚箔 焊接管，软管，汽车内部装饰品光亮板( 抛光板) 排水通道，窗框，软管，标牌板， 屋面材料，光亮板，花纹( 菱形) 板，瓶盖 通用薄板，拖车板，冲挤坯，厢式车板，标牌 饮料罐拉环 冲挤与锻造毛坯 冲挤与锻造毛坯 散热翅片( 空调箔) 家具箔，散热翅片，建筑板，食品皿及盘 更重要的是，目前建筑领域、交通领域以及铝箔坯料生产等领域都逐渐成为连 铸连轧铝板带材发展的强势领域。 例如在交通领域中，采用铝合金板带制造交通工具的部件从技术上讲已经可 行，且与钢材相比具有很多优越性。采用直冷法生产铝板带时，由