金属材料短流程、近终形的生产工艺.docx

金属材料短流程、近终形的生产工艺 金属材料短流程、近终形的生产工艺连铸近终形连铸（Near-Net-Shape Continuous Casting）是指使连铸坯的断面尺寸在保证钢材性能、质量的前提下，尽量接近最终钢材断面的形状、尺寸。近终形生产工艺打破了传统的材料成形与加工模式，缩短了生产工艺流程，简化了工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生产，提高生产效率。近终型、短流程的成形加工技术具有高效、节能等特点，在技术上突出的特点是缩短加工周期，尽量减少变形量或者后续加工环节，由金属熔体直接得到所需的制品或近似的制品，同时，这些制品还具有现有加工方法所生产制品的性能和组织，这可大大减少后续挤压、轧制和压铸等耗能大、投资大、用工多的加工过程。近终形连铸技术是金属材料研究领域里的一项前沿技术,它的出现为冶金业带来了革命性的变化,改变了传统冶金工业中薄型钢材的生产过程。它主要包括薄板坯连铸技术、薄带连铸技、喷雾沉积技术等。目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，而大多数薄带坯连铸技术仍主要处于实验室研究阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。日本预测，到2020年，在连铸技术领域，传统连铸占40，薄板坯连铸占50，薄带坯连铸占10。1 薄板坯连铸技术薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。世界上第一台薄板坯连铸机于1989年在美国Nucor公司的Crawfordsville工厂投产。薄板坯的厚度通常为40-50mm，是传统连铸板坯厚度的1/3-l/6。因此，生产过程中可取消粗轧机而直接进入精轧机。普通连铸的吨钢投资为800-1200美元，而薄板坯连铸的吨钢投资只有300-500美元，经济效益十分巨大。1984年，原联邦德国sehloemansiemagsMS公司在高度保密的情况下，着手开始研究薄板坯连铸技术，1986年取得重大进展，1989年第一条薄板坯连铸生产线在美国Nucor公司正式投产。几年内，薄板坯连铸技术席卷全世界，有几十条薄板连铸生产线已投入工业化生产。就北美而言，就有11条生产线于1995年和1996年正式投入工业生产。其中，NorthSta:steel/BHP于1995联合企业投资4亿美元，建一条年产150万吨钢的生产线；IPSCO公司将投资3.6亿美元，建一条年产100万吨钢的生产线，于1996年投产。目前世界上已开展的薄板坯连铸连轧工艺有：由德国西马克公司开发的CSP工艺；由德国德马克公司开发的ISP工艺；由德国西马克公司、蒂森公司和法国的于齐诺尔公司一起开发的CPR工艺；意大利达涅利公司开发的薄板坯连铸连轧工艺等。此外，美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的TSP技术都陆续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。薄板坯连铸连轧工艺今年来在中国也有很大的发展，北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连铸机，安装在兰州钢铁集团公司。1999年8月26日，我国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（CSP）在广州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用计算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需2.5h，与需要28h的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板坯连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较传统工艺约低50美元/吨。薄板坯连铸连轧工艺因总多单位参与研究与开发，形成了各具特色的生产工艺，如：CSP技术、ISP技术、CONROLL技术、FTSR技术、QSP技术、TSP技术、CPR技术等。其中应用推广最多的是CSP工艺技术，由西马克.德马格公司开发。1.1 CSP(CompaetstripProduetion)工艺CSP工艺又称为紧凑式热带生产工艺，是由德国施罗曼-西马克公司开发成功的，是目前应用最广泛的薄板坯连铸连轧工艺。这是目前应用最广泛的薄板坯连铸技术。1989年7月世界上第一座CSP工厂在Nucor开始投产，经过22个月完全达到设计要求。由于CSP生产线投产后取得了显著的经济效益，Nucor公司于1990年开始建立第二条CSP生产线。因为有了第一条CSP生产线的操作经验，Nucor的第二条CSP生产线在投产后8个月就达产了。1994年4月这两台新建的CSP连铸机也投产。目前Nucor公司已具有年产热轧卷3-4百万吨的能力。Nucor公司使用CSP技术成功的经验，促进了CSP技术的推广，1993年美国、墨西哥、韩国的许多钢厂分别与SMS公司签订了购买CSP技术的合同。目前已有22条生产线32流铸机(包括我国在内)成功地投入了工业生产。CSP的工艺过程为：采用立弯式连铸机生产厚50-60 mm的铸坯，经分段剪切后，送入辊底式均热炉(120-185 m)进行加热、均热。薄板坯经加热炉入口段、加热段和均热段加速到20-30 m/min进入轧制工序。六机架精轧机组将厚50-60 mm的铸坯轧制成1.2-12.7 mm的带材，经层流水帘冷却后卷取。生产线全长约270 m。 优点：流程短、生产简便、稳定、产品质量好、成本低、有很强的市场竞争力等。缺点：对钢水质量要求高、难以生产很宽或较厚的钢板等。1.2 ISP（InlinestripProduetion）工艺 ISP工艺也称作在线热带钢生产工艺,是由德国曼内斯曼-德马克公司1989年开发成功的，是世界上第一个在工业条件下采用固液铸轧技术的生产工艺，也被称为无头轧制工艺。第一家ArvediISP工厂建在意大利的克雷莫纳(Cremona)。经过两年半的准备和建设，于1992年1月投产。投产后15个月产量就达到40万吨/年。ArvdeiISP工厂的设计能力为50万吨/年，1993年9月产量达到了设计水平。到1994年2月，共生产了55万吨热轧带卷和8万吨厚板。目前,世界上有6条ISP生产线在运行中。 ISP的工艺过程为：钢包车中间罐薄片状浸入式水口结晶器铸轧段(厚约40 mm)大压下量粗轧机(厚约20 mm)剪切机感应加热炉克日莫那炉精轧机层流冷却地下卷取。生产线全长约175 m。优点：生产线布置紧凑、生产能耗少等。缺点：感应加热炉设备较复杂且维修困难、薄片形水口寿命较短等。1.3 CPR(CastingPressingRolling)工艺CPR工艺即铸压轧工艺，用于生产厚度小于25mm的合金钢和普碳钢热轧带材。它利用浇铸后的大压下（60%的极限压下量），仅用一组轧机，最终可生产厚度为6mm的薄带卷，也可生产低碳钢、管线钢、铁素体和奥氏体不锈钢及高硅电工钢等。该生产线包括一台连铸机、一台感应炉、除磷机、一台四辊轧机。工艺流程示意为：电炉或转炉炼钢刚爆精炼炉薄板坯铸压轧感应加热炉旋转式高压水除磷机精轧机层流冷却卷取机。CPR工艺目前已成功进行了半工业实验生产。第一期半工业实验是1992年12月底前在西马克公司Buschhutten半工业实验工厂进行的，并取得了成功。这期实验进行的是铸压实验。在第二期半工业实验中加上了随后的轧制工序。第二期CSP实验厂从1993年底开始运行，到目前为止已实现了铸、压、轧在线生产，其结果非常令人满意。CPR的生产能力是CSP的生产能力的40-60%。年产50万吨热轧卷，厚度为5-25mm，宽度为1500mm，设备总投资为1.5亿马克，每吨钢投资为300马克。除了以上所说的工艺以为，还有FTSR工艺技术、QSP工艺技术、TSP工艺技术、CONROLL工艺技术等。2 薄带连铸技术作为生产扁平材的近终形连铸技术，带钢连铸工艺生产的钢带较之薄板坯连铸更接近于最终产品的形状，也就是连铸带钢更薄一些。它可将钢水直接浇铸出1-10mm厚的钢带，不经热轧或稍经热轧（1-2个机架），即可进行冷轧，而产品的性能和质量仍可与常规生产的产品相媲美。薄带连铸能大大降低基建投资和生产成本，是当今钢铁工业令人关注的新工艺，也是最热门的研究课题之一。薄带连铸技术工艺方案因结晶器的不同分为带式、辊式、辊带式等，其中研究得最多、进展最快、最有发展前途的当属双辊薄带连铸技术。该技术在生产0.7-2 mm厚的薄钢带方面具有独特的优越性，其工艺原理是由两个铸辊和端面侧封板构成钢水池，钢水经浸入式浇铸系统控制，送入辊口，薄带坯厚度通过调节辊缝的大小来控制。双辊铸机依两辊辊径的不同分为同径双辊铸机和异径双辊铸机，其中尤以同径双辊铸机发展最快，已接近工业规模生产的水平。由于双辊连铸实现的是双面冷却，其冷却速率较单辊连铸的大，浇铸的薄带坯厚度可大些。国外的新日铁与三菱重工合作，于1985年开始双辊铸轧不锈钢薄带技术的研究，所建立的铸轧试验机可以生产宽800mm、长1330mm的带卷。生产的带卷表面无裂纹且组织结构均匀，力学性能和抗腐蚀性能达到或超过用传统工艺生产的带钢。他们目前已达到工业试验阶段。此后，澳大利亚的BHP公司、意大利的AST公司、法国的Usinor公司和韩国的浦项钢铁公司也相继进行了双辊铸轧技术的研究，都取得了一定的研究成果。 国内的技术发展也十分迅速，国内东北大学自1958年开始进行薄带钢铸轧方面的研究，在自制的连续铸轧试验机上铸轧出了1-2mm厚、260mm宽的球墨铸铁板和变压器硅钢带。1983年建立了1号异径双辊式铸轧机。1990年3月又建成了2号异径双辊式薄带铸轧机，采用直流电机驱动，速度可调，配有磨辊装置，等离子切割机和小型热轧机等。成功铸轧出2mm207mm的高速钢薄带。铸轧出的薄带坯经小变形量的热轧，可做切口铣刀和下料机的锯条，使用性能良好。1998年，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的双辊铸轧研究又被列为国家自然科学基金委重大项目。除了双辊薄带连铸技术以为，还有单辊连铸、双辊连铸、辊带连铸等。现简单介绍如下：单辊法又称为熔-拖法，原理是钢水从中间包流出，直接浇到旋转辊上，由于铸辊的冷却作用使其凝固，形成薄带。其缺点是单面凝固会造成产品内部结构不均匀，且长度方向厚度也可能不均匀。另外，带钢的宽度也不易控制。辊带连铸工艺中，钢水由中间包浇到活动带上，活动带由安装在下部冷却箱内的喷嘴喷水冷却，铸坯表面由上辊压平。升起上辊，可进行左右表面连铸操作，铸机后部还安装了一对拉坯辊。瑞典的梅福斯公司和德国的曼内斯曼德马克公司合作对这一技术进行了开发试验。但辊带技术工艺控制复杂，且宽度不能调节，钢液的喂入也很困难。因此，应有也不如双辊薄带连铸技术广泛。3 铝合金哈兹列特连铸连轧工艺我国铝加工业存在中低端铝板带材产品过多，生产能力相对过剩，产品竞争激烈，企业效益空间相对变小的局面。而高附加值、高技术含量的高端铝板带材如电子工业用电子铝箔、罐用深冲铝板、汽车、飞机用铝板等，由于技术上的原因仍主要依赖进口，这严重制约了我国相关产业的发展。而铝合金哈兹列特连铸连轧工艺可以解决许多上述问题，利用高效节能新技术哈兹列特连铸连轧工艺,通过优化成分,热处理退火轧制工艺,研究开发低成本高性能的铝合金车身板生产工艺。可以达到节能降耗、降低成本、提高板材质量、缩短交货期、提高产品竞争力的目的。哈兹列特铸造机自上世纪60年代初期进人市场以后，凭其原始投资小、铸造产量高、生产成本低的优势，在铝加工工业中得到了广泛应用。哈兹列特连铸连轧工艺的主要优点可归纳如下:（1）投资较小。省去了铸锭铸造设备、铸锭锯切机、铣面机、铸锭加热、均匀化炉。热轧机的速度低，结构简单，造价低，甚至可用二手轧钢设备改造而成。据匡算，其投资仅相当于铸锭热连轧生产线的1/4或更低。纽波特铝加工厂1986年建成的1320毫米连铸连轧生产线与西班牙沃楞西纳铝业公司2000年投产的1320毫米连铸连轧生产线的3机架热连轧机都是用旧的轧钢机改造而成的；（2）产量大、质量高、产品范围广。1条1320毫米的生产线的产量可达2(X)kt/a。正在建设的TBA公司的1930毫米连铸连轧生产线的设计生产能力为3的kt/a。在哈兹列特铸造机中铝熔体的结晶速度快，组织致密，枝晶细小，成分均匀无偏析，产品质量高。哈兹列特铸造机应用于铝工业，可生产除某些2XXX、7XXX、6XXX合金外的所有变形铝合金带材；（3）生产成本低。以生产纯铝带坯(IXXX合金)为例，在铸造机下游串连3台热连轧机，从液态铝合金铸成20毫米厚的铝带坯，再连轧到1.5毫米厚的热轧带材，其直接生产成本仅为800美元/吨左右，远低于其它任何热轧工艺的生产成本(例如采用(1+4)式热连轧法生产时，其成本至少在20。亿美元/吨以上)。这种生产工艺还具有其它一些优点。例如，成品率高、在同样合金成分时可达到更好的产品性能、在获得相同产品性能条件下可少添加较昂贵的合金元素等。现在哈兹列特铸造机正在向着自动化、工艺参数调控计算机化的方向发展。产品宽度可达2500毫米，生产能力可达40万吨/年，合金品种主要是IXXX、3XXX及5XXX系，在生产民用尤其是建筑板带材、汽车箱体板材方面是一种有竞争力的生产工艺。今后的发展趋势是如何减薄带坯厚度、提高产品质量、降低生产成本，使操作更简易，生产更稳定，维修量更少。短流程、近终形连铸工艺技术，可减少生产工序、节能、投资省、建设周期短、回收投资快和经济效