近终形连铸薄带部分教案.doc

近 终 形 连 铸河北联合大学冶金与能源学院讲稿之二：薄带连铸技术1 薄带连铸技术现状及其分类 根据国民经济各行业对板带品种需求预测，今后应重点发展如下品种：轿车工业用各类深冲板、镀锌、镀锌铝板；轻工用锡镀板、搪瓷板；电力工业用冷轧硅钢片；核电和机械工业用无磁不锈板；航空工业用高精度不锈板；建筑用镜面不锈板、制振钢板；化工用复合板、超低碳不锈板和0.5mm以下薄板；碳工、合工、合结等优质板带。薄带铸造工艺作为一种新的连铸方法，已经引起极大的关注，并且正在世界范围内迅速发展。各主要连铸技术及其工艺特点如表3、表5所示。 澳大利亚BHP公司和日本石川岛播磨重工(IHI)从1985年起已合作开发薄带钢连铸技术。BHP公司主要致力于解决连铸的铸模中喂入钢水问题，它认为这是整个连铸过程的关键。 BHP和IHI在1994年12月投入1台工业规模的现代化中试设备(称为M项目)。该设备的理论年产能力为50万t。已生产了1900mm宽、2mm厚、单卷5t重的碳钢薄带卷(最大可到20一40t单重)，并已投放建筑和屋顶材料市场。BHP公司认为这些市场是连铸薄带钢瞄准的当然目标，同时公司不考虑把连铸带钢的表面质量提到能与汽车、器具用冷轧带钢竞争的水平。BHP公司相信l台以M项目为模型的连铸设备有可能年产碳钢薄带75万t，比原设计能力50万t提高50。新日铁、住友金属和在法国的蒂森于齐诺尔萨西洛尔合资公司都准备在1997一1998年内开始生产连铸不锈钢薄带。 新日铁是与三菱重工合作开发薄带钢连铸技术的。它们的工作领先于日本其他钢铁公司，已接近工业生产阶段，2000年9月开工。其主要技术关键是能精确控制2根辊筒(铸模)中钢液面和辊筒旋转的先进的控制系统。设在新日铁公司光厂的中试设备已浇出目前世界上最宽的(1330mm)304不锈钢连铸薄带。钢液先从60t钢包浇入中间包，然后从后者浇入l对直径1200mm的镀Ni铜辊筒中。中试产品已在日本国内出售。据说，用户认为这种连铸带钢与一般的304不锈钢带相当，已被接受使用。日本不锈钢公司与住友金属联合开发1种不锈钢薄带单辊连铸机，但它们未透露此项目进展的点滴情况。韩国浦项钢铁公司与英国戴维国际公司在80年代合作开发304不锈钢薄带连铸技术。据报道，它们已生产了350mm宽、2mm厚、单卷重5t的薄带卷。计划在1996年内l台可浇铸1300mm宽的中试设备要开工。法国于齐诺尔萨西洛尔公司第l台中试薄带钢连铸机于1986年开工，并浇铸过200mm宽的带卷。该设备很快扩大到860mm宽的带卷生产。德国蒂森钢铁公司在1988年参加到上述法国的项目，并命名该合作项目为Myosotis。 在法国于吉纳不锈钢厂附近建立了1台中试连铸机。这台德法联合经营的中试设备正在生产2535mm厚的304和430不锈钢、硅钢、碳钢和特殊钢带卷，单卷重达20t。Myosotis项目于1995年又安装了第2台卷取机，以便延长浇铸时间。 美国J&L不锈钢公司一直在研究是安装l斯特克尔轧机，还是上1台薄带钢连铸机。拥有该公司50股份的法国于吉纳不锈钢厂正在劝说公司安装连铸机。公司首席执行官表示不久将为薄带钢连铸工程发包签约。 意大利ILVA钢铁公司及其研究开发子公司CSM正在试验1台与法国于吉纳相似的连铸机。它们的连铸机已浇出800mm宽、23mm厚的304不锈钢带卷。 英国钢铁公司已浇铸了400mm宽、26mm厚单卷重065t的碳钢薄带。该公司曾试验过一些新的工艺，如 流变浇铸、钢液低过热喂入法和减压喂入法， 目的是控制钢液在楔子中的湍流。所谓流变浇铸，即是使钢水在液态和固态温度之间冷却，并通过搅拌使之保铸液态。在低过热浇铸中，浇铸温度稍超过金属液相温度几度。但是由于英国钢铁工业的重组，英国钢铁公司不锈钢部分划到阿维斯塔设菲尔德公司，因此，该项目暂停进行。然而英国钢铁公司还在研究建立工业化中试设备，准备生产1550mm宽、27mm厚的薄带卷。 薄带钢连铸法的基本原理是使钢水通过由转动的1根或2根辊筒(前者称为单辊法，后者称为双辊法)构成的铸模，浇出110mm厚的薄带。紧贴辊面上的钢水凝固后形成一层跟随着转动辊筒而移动的外壳。外壳依靠热收缩或其他力量而剥离辊面。为冷却辊身，轮中通以高速循环水。辊筒材料早期曾采用钡或钢，后来也有铜铬合金，铜铬合金有良好导热率，并反高温机械性能比铜好。目前一般使用接N。铜辊，从而可防止钢材过热而变形，并反最外面的Ni层容易清除，便于更换。今天，人们对薄带钢连铸技术的研究还是集中在当年难例发明人亨利贝塞麦同样一些问题上，即为了获得洁净而均匀的薄带钢，如何在辊筒两端留住钢水，如何控制钢水流动和压力。辊筒两端处绝对不能漏钢，同时在该处还必须使钢如在辊筒中央部位一样保持液态，防止边缘变形或堆积。大多数正在进行的项目中都采用压紧辊筒两端的侧面挡板。这些挡板用氮化硼、硼或氮化硅等高级材料制成。据报道，意大利AST的台尔尼钢厂研究人员采用复合式侧面挡板获得成功。这种挡板中与钢水接触部分采用低导热率材料，与辊筒端接触部分采用抗冲击性好又不受钢水吸附的材料。与通过辊缝正在浇铸的钢水相接触的板也采用类似的材料，但它的抗冲击性甚至要更好，与钢水的粘附性更小。这种复合式挡板除了价格因素外，问题是保持不同材料之间的边界很困难。有些项目曾研究过利用磁力使钢水保留在模子中的方法，如乌克兰基辅的研究小组曾试图利用压向钢水的电磁力代替侧面挡板。美国内陆钢铁公司研究人员在1台辊筒不转动的模型机中也采用这种方法支撑140mm深的钢液熔池。薄带钢连铸的模子是个很灵敏的部件，为浇出表面平滑元缺陷的钢带，操作人员对它必须十分小心。弯月面的水平面上局部地方若有2mm以上的波动，就会引起铸带凝壳厚度的变化而发生开裂。研究人员曾通过变动标准浸入式水口进行了试验。强迫钢水流笔直朝下有助于防止钢水在辊筒间凝固，但是这会使铸带在辊筒面上变硬。加拿大人利用热水模拟钢水的研究表明，水平出带是种合适的方法。2单带连铸技术重点讲解单带DSC技术2.1工艺概况 1986年，MannesmannDemag决定将它自己开发的薄带连铸付诸安装和生产，目的是设想一种既经济又可行的工艺，使钢水到热带整个生产工艺路线的步骤减到最小限度。同时，又能保证在铸坯品种和产量方面有最大限度的灵活性。 直接薄带连铸工艺(以下均称为DSC工艺)是一种初步研究的结果，这个项目由BMFT德国联邦研究和科技部门)提供财政支持，在1989年到1991年期间，建造、试验和完善了该工艺中的辊带连铸机部分，1993年初，代表瑞典钢铁控股公司的MEFOS公司也开始开发它自己的薄带连铸项目。在对当时的这项近终形连铸项目的实用性研究完成后，MannesmannDemag 作出决定，用DSC工艺继续它的薄带连铸项目。这样，MannesmannDemag MEFOS同意在这个工艺的进一步发展上合作。由于材料性能及几何尺寸的原因。对大多数钢种来说，连铸带坯有一定量最小限度的热变形是完全必要的。图l是用来生产5mm一10mm厚连铸带坯的DSC工艺流程。从中可以看出，这种薄带连铸方法，薄带坯不是直接进冷轧机，而是采用二到三架热轧工序，整个工艺是在惰性气体气氛下作业的。这种采用DSC工艺的连铸机是一种辊带式连铸机。钢水从中间包流出，挠在循环运转的辊带上；这条辊带通过下面的冷却段(用水喳雾或水喷嘴)被强制冷却；通过冷却段后，薄带(已完全凝成固态)经由拉坯执拉出，离开连铸机，然后按指定路线进入上述提到的热轧机。 可以看出，这种工艺有以下优点： 这种连铸机有很高的生产能力；带坯不会受到任何弯曲应力；这种工艺既适合浇铸不锈钢也适合浇铸碳钢；生产的薄带厚度可以允许后接热轧工艺(如果需要)； 连铸机在浇铸厚度和浇铸速度上有很大的灵活性。2.2 DSC工艺的生产能力 辊带连铸机的浇铸作业率可以容易地用各种分析方法估计出来. 图4表明了在满足60m/nin的浇铸速度下作业需要的辊带连铸机冷却段的长度。在浇铸厚度为10mm的情况下，要达到实际应用的300t/hm的生产能力，冷却段的长度必须在8m左右。 在冷却段长度为固定尺寸的条件下，例如象图5所示的45m，浇铸厚度为4mm一10mm时，生产能力则在100t/hm一300t/hm之间。 图4和图5说明，从满足所需浇铸作业率角度看，辊带连铸机这种方法，是具有高度灵活性的。当把诸如停工时间、设备维修时间、耐材供料系统停工时间等各种因素全部考虑进去后，可以计算出当带坯的平均宽度为1250mm时，一台辊带连铸机的产量大约为200万ta。这个产量的估计是下述经济计算为基础的。对于要直接冷轧的薄带来说，厚度必须小于3mm，如图3所示，能够生产出这种厚度薄带的工艺只有双辊法和DSC法。从图6可以看出，在年产量大于50万t一60万后，DSC工艺的投资优势要明显得多。图6 各种近结形连铸工艺单位投资的比较2.3 DSC工艺的发展状况 MannesmannDemag MEFOS目前正在MEFOS研究院的中试连铸机上进行试验，其重点主要集中在金属熔液的注入系统和辊带连铸机本身上。（1） 加入系统 如同其它所有的薄板坯连铸项目一样，本项目也把重点专门集中到金属熔液的供应系统上。现在正在试验两种不同的加入系统。（2） 低压加入系统(LPS) 采用低压加入系统(图8)主要是为了在液态金属加入时能获得各种优异的物理条件，但是这种系统的塞杆控制比较复杂。这种系统分两个区域，叫做注满区和负压区。先将中间包注满到一定的液面高度，开始浇铸后，负压区随即产生负压，一直到注满区的钢水液面下降到所设定的高度为止。这个液面高度同时也形成了必要的浇铸压力，浇铸压力决定了流向运转着的辊带机的钢水流量，这里假定中间包出口通道是做成一定几何形状的。由于浇铸压力可以在大于0的范围内任意调节(同时钢水流量也可在大于0范围内调节)，所以就能满足运转的辊带机和钢水流股之间的平均相对速度为0的要求。（3） 管道加入系统(TFW) 与低压加入系统相比，管道加入系统(图9)在钢水流到运转的辊带上时，落点条件较差，但操作却更容易一些。在保温位置时，这根加料管道被从中间包来的钢水注满到浇铸高度。当钢水从管道流出时，这个浇铸高度通过激光测量控制大包塞棒而保持不变。钢水流股是通过一个连接机构流到运转或冷却的辊带上的，这个特殊的连接机构具有下列功能： 将钢水均匀地分布于整个辊带的宽度上； 在运转的辊带上，使接受钢水的辊带连铸机的这一点上的紊流减到最小。 2.4 这台机器的主要性能可达到： 高达60m/min的浇铸速度； 450mm(也可选如900mm)的薄带宽度； 5mm一10mm之间的薄带厚度。使用至今的这台连铸机的参数为： 所浇的钢种为普碳钢和18/8不锈钢 浇铸速度在30mmin一40mmin之间 每包钢水容量为l.5t一2t 2.5 今后发展的重点是： 进一步试验各种钢水加人系统(包括已经提到的) 优化薄带连铸机的各项机械性能(如薄带的边部控制等)； 优化辊带的冷却；优化辊带的稳定性，综上所述，单带工艺的特点如下： (1)由于结晶器在水平方向运动，增加冷却带长度即可增加产量，提高铸速不受几何形状限制，高速连铸没有困难。例如：以50mmin的速度生产10mm厚的普碳钢铸坯，冷却带只需12m长。 (2)目前，最好的冶金水平也不能使碳钢直接浇铸至热带厚度。为获得良好的技术性能，要进行压下量70一80的热轧使气孔闭合。这意味着铸坯厚度必须在10mm左右，经在线热轧后形成23mm的带钢。但是，此工艺也有一些问题。主要是铸坯厚度不均匀问题。其它问题同传统的连铸工艺相同，即表面和边部问题，但由于用此工艺生产的铸坯表面相对大得多，长度也相对长得多，使表面和边部问题变得更严重。如果采用此工艺后铸坯的氧化皮厚度与传统工艺接近，那么物料损失会很严重。因此，需要对铸机的冷却带和轧机进行惰性气体密封保护。通常采用氮气保护。单带工艺生产的铸坯内部质量非常好。与传统工艺相比，该工艺生产的普碳钢和不锈钢枝晶间距较小，微观偏析在正常范围内。由于该工艺中铸坯上、下表面冷却速率不同，铸坯上、下两部分的枝晶结构与微观偏析不对称。这种不对称对热轧后的品粒尺寸没有影响。对铸坯上、下两部分取样，技术检验结果表明，其机械性能(冲击物性、屈服强度、拉伸强度、延伸率)和防腐性能无明显差别。 单带工艺存在的一个主要问题是铸坯厚度不均匀。为避免轧制产品出现波纹和纵向裂纹，铸坯厚度必须在一定范围内保持均匀。厚度不均匀可能由配料机配料不均引起，这可以通过合理设计配料系统予以解决。另一个影响厚度均匀的因素是冷却带的温度梯度和冷却水喷嘴压力造成的铸坯瓢曲。通过减小压力和修改冷却带的操纵系统来稳定冷却带的运行。冷却带在支承辊上运行，冷却水通过支承辊的槽口对带进行冷却。减小压力后，冷却带紧贴到支承辊上运行。在试验铸机上采用这些措施后，铸坯厚度均匀程度完全满足热轧要求。在工业化生产中，要使带宽1500mm以上的铸坯厚度波动在土o5mm以内还有待研究。3双辊连铸技术3.1技术概况双辊薄带连铸(TRC)是一个把铸造和热轧结合在一起，直接生产厚度为16mm薄带的工艺。双辊薄带连铸不是一个新工艺，早在1846年HBessemer就己提出，但由于缺乏相关技术的支持，直到本世纪50年代才在A1工业投入商业化，而在钢铁工业中，则直到80年代才开始投入大量的人力物力对TRC进行研究。随着相关技术的进步，该技术发展迅速，目前在不锈钢领域已进入商业化前沿(表2)，而采用薄带连铸生产碳钢技术目前还处于中试半工业化试验阶段(表3)。 双辊薄带连铸机系统由中间包、水冷式结品器轮辊、水口、活池侧封板组成(图8)。现今用双辊法生产薄带所带来的最大问题就是表面质量问题。表面质量对两辊间熔池内的钢液热及流体波动非常敏感。缺陷主要表现为皱褶、冷叠皮和裂纹。厚度不均匀则是热传导条件变化以及溶池弯月面波动所引起的凝固不均匀。因此，保持溶池内钢液流动的稳定性，也就是说选择一个合适的兑钢水系统是非常关键的。 另一个具有挑战性的技术难题就是侧封。侧封的耐火材料需有良好的抗热腐蚀性和热耐磨性，还需要低的导热性以防止结壳，现正在开发电磁侧封技术，目的就是改善耐火材料侧封的环境。目前双辊法生产、研究可分为三种类型： 生产型和近生产型：日本的新日铁、法国于齐诺的TKS Myosotis项目、澳大利亚BHP公司的M项目、意大利的AST、德国的KTN(在建)。 半工业生产设备：韩国浦项的RIST项目。日本日立公司太平洋金属的Zosen项目。试验设备：德国的亚琛技术大学IBF、马克斯普朗克研究所、英国的英钢联技术中心、法国的Irsid加拿大的IMI保斯麦项目。3.2 产品性能 不锈钢、尤其是含18Cr和10N1的430钢种的带钢浇铸产品性能均表现出良好前景。由于快速凝固，减少了微观偏析现象且使夹杂物呈细粒均匀分布，经50以上变形率的冷轧和热处理之后，可获得常规产品的强度和韧性值。加工性能和抗拉能力得到了改善。首批生产线的主要任务是确保较长的生产时间内带钢产品的表面质量和内部质量。目前普碳钢所取得的产品性能还须加紧研究改善。比如说在一试验设备上发现，高强度冷加工性能的微合金钢采用双辊法时具有良好的浇铸性能；而浇铸深冲钢较困难，表面缺陷比较严重。添加钛后可减少缺陷，并可加速铸辊的热量散发和提高产量。所有低合金普碳钢的铸态铁素体组织晶粒很粗，添加钛后可细化晶粒；强度比较高，但延展性差；经奥氏体化热处理(正火)后，组织细化和均匀，并因此可获得常规热轧带相同的机械性能，这不仅对低碳钢且对高强度钢适用。一旦所有工艺和质量问题得以解决，那么对一般的、并不苛求钢种、且在相应的厚度范围而言，可打开一条用双辊法取代传统方法连铸热轧带钢的道路。在线热轧是补充的、或许是十分必要的改善组织和带钢质量的手段，用以达到与目前传统生产设备连铸得出带钢产品的相同水平；至于带钢能获得什么样的机械性能，目前要进一步研究。如果正火过程、冷轧工序和退火处理得到优化的活，冷轧带也能用碳含量较高的钢种生产。许多例子表明：从材料性能来看，用低碳钢也可获得所希望的冷轧带产品性能。当然这些试验迄今仅限于实验室装置，这就使得在参数的选择上有所限制。尽管趋势很明朗，作大量的、进一步寻找优化钢的成份，最佳处理方法和正确的操作参数的努力还是很有必要。3.3关键性技术问题双辊法薄带钢连铸的主要技术问题可归纳为：钢水的喂入辊筒两端的遮挡浇铸温度模子中波面控制模子冷却、变形和磨损辊筒表面粗糙度部件抗钢水侵蚀大气氧化浇铸速度和最终凝固温度带钢厚度控制二次冷却表面氧化铸带的牵拉、导向和卷取 双辊机生产带钢工艺的特点是高速。完全凝固(凝固时间约o5s)是在钢液脱离辊子时的出口处。因此，这些临界区的所有组件(冒口、辊子、弯月面保护装置、侧边挡板)具有极其重要的作用。1) 1) 冒口 生产宽度为1M的带钢时。位于双辊之间的结晶器钢水量为2060L，钢水耗量为100200Lmin，常规浇铸时分别为200和400L/min因此在双辊浇铸时钢水单位(按容积单位)能量大大高于常规浇铸。随着铸速提高。结晶器内钢流的形成对铸成品表面质量的影响增加。考虑到这点，对冒口提出了以下基本要求：为了减少表面裂纹的形成。应降低结晶器中钢水的波高度；对侧边挡板充分供热以避免钢水凝固；浇铸出的带钢横向断面温度要均匀(钢水与辊接触区)。 图4所示结构是这类设计的例子之一。钢水通过沿结晶器宽度分布的几个孔流入。这种结构的缺陷是钢流速度快，从而导致破坏形成的坚壳。试图通过提高流体阻力(图4)或借助调整冒口内钢水压力的方法来消除这个缺点。2) 2) 辊子浇铸时辊子的变形影响到带钢的最终形状。考虑到这点大多使用热变形较小(与钢辊比较)的铜辊。有各种防止带钢外形变形的方案，其中1之一是改变辊子形状(图5)。3) 3) 弯月面的保护 用双辊铸机浇铸带钢时坚壳和结晶器的凝固速度相同，这样就不需要使用润滑剂，为防止钢液面的二次氧化和热损失，通常使用耐火材料砌衬的金属盖，盖上有供给惰性气体和钢水的注孔。图6Q所示为这种保护方案中的一种。设计出了更复杂的保护系统，能保证对弯月面各段供应煤气以调整散热(图6)。 4)侧封挡板 选择和设计挡板时必须杜绝钢水在挡板处凝固，挡板和铸辊之间渗漏钢水以及挡板和铸辊接 触处的磨损。这可通过使挡板对铸辊保持适当压力，或选择耐火材料时考虑挡板各段的运行情况的途径来解决。铸辊和挡板热变形可能引发钢水渗漏。当耐火挡板压在相互独立移动的柱塞旁边的铸辊上时可以解决这个问题。考虑到浇铸过程速度高，工艺过程中的检测和自动化特别重要。借助专门控制系统把以下参数保持在规定范围内：铸辊出口处的带钢温度、铸速、结晶器内钢液面、带钢的分离应力。为保证带钢厚度的稳定，日本NSC和MHI公司研制出了保持稳定应力和稳定辊隙的装置：5)连铸带钢质量 工艺本身存在的产生裂纹的先决条件是本工艺的严重问题：首先，表面积大大超过连铸坯面积。其次，散热量很大。业已证明，减少散热量会显著减少纵向裂纹。研究结果查明，铸辊材质和粗糙度影响到散热量。例如、铜铸辊的裂纹形成指数比有镀镍层铜辊和钢辊大，而且随粗糙度的提高指数下降。还应该注意通过控制弯月面的形状可以控制散热量。在最大浇铸速度发现对该参数的影响最大。这在很大程度上是由于水口出来的钢流在铸辊旋转的作用下对弯月面的无序干扰增加。铸辊的强烈旋转能改变凝固区的位置，并导致无序散热，从而引起收缩应力。继而在最热区形成裂纹。业已肯定，凝固位置愈低于弯月面。对弯月面波动的敏感性愈小。弯月面周围的气体压力对表面质量有特殊影响：它形成氧化膜，改变表面张力，继而改变弯月面形状。改变传热性。所以改变气体成分。可以降低散热量，即影响裂纹的形成 渣和结瘤是表面缺陷产生的另一原因。为减少渣量必须提高钢水纯净度，防止二次氧化。为避免形成结瘤(钢水开浇时出现在浸人式水口或侧壁上)，浇铸前水口和挡板必须进行适当的加热或改进。 奥氏体耐腐蚀AISI304的连铸带钢的典型低倍组织是由从铸坯表面长大的柱状晶区及中心柱状枝晶组成。枝晶中心间距依据带钢表面附近的冷却速度大小为17um左右，接近带钢中心区略有增加.。在中心区的枝晶间区域为6铁素体(58)，其分布和数量取决于钢水的化学成分和冷却速度。按照显微组织和cr、Ni的分布。可以判定富铬和贫镍的6铁素体小岛的存在。 在13251025温度范围冷却速度为18s时，厚度3mm低碳(O08C)钢的显微组织由中心的针状铁素体和表面附近的多边形铁素体组成。普通热轧钢的典型组织是等轴多边形铁素体。成卷1h后在取代铸态组织的是铁素体粗晶粒和珠光体晶柱。 由于带钢连铸凝固速度快，偏祈度特别低。例如测定了A1SI304钢种的带钢的偏析指数(中心区与无偏析区的元素含量比)。该指数为Cr100、Ni：O.99、MnO98、Si100 随着带钢厚度加大偏折恶化。连铸带钢质量的又一特点是夹杂物的分布。业已肯定，连铸带钢的大颗粒夹杂物(直径1um，和更大的)量为普通热轧板夹杂物量的156)机械性能 AISI304钢的连铸带钢(A)和普通铸坯轧出的热轧薄板(6)的机械性能如下表. 下面列出了碳素钢(O06C)的连铸带钢(1)和普通钢(O05C)轧出的热轧带钢(2)的机械性能比较：3.4三菱重工与新日铁开发的技术自1985年以来，三菱重工业株式会社与新日铁钢铁公司共同开发了一种用于奥氏体不锈钢的双辊轮薄带连铸机，并于1993年研制成功。 能力为10t、宽度为800mm和1330mm的双辊轮薄带连铸样机已经开始了连铸试验，并且证实薄带铸造工艺可靠，质量好。此外双辊轮铸造产品的机械性能和耐腐蚀性能与常规的产品是相同的，有些指标甚至还优于常规产品。在800mm和1330mm宽的双辊轮薄带连铸样机上进行的10t能力的铸造试验，以及这些铸造薄带技术及其自动控制系统等是成熟的。3.4.1 双辊轮薄带连铸样机的技术参数 10t能力的连铸试验从l 989年开始安装于新日铁钢铁公司Hikari工厂的双辊轮薄带连铸样机上。图1是10t双辊轮薄带连铸机的示意图。这台设备包括钢包、中间包、辊轮、侧挡板、夹紧辊、张力辊和卷取机。它具有lot铸造能力。表l显示了这台设备的主要技术参数。图110t双辊轮薄带连铸机的示意图浇注的钢水被注入用辊轮和侧挡板包围的一个型腔里，在辊轮的表面结晶。在两个辊轮的最小间隙处(接触点)，二个结晶壳被挤压成铸造薄带。对于辊轮的要求是：当工作时尽可能小的热变形，较高的抵抗热循环的疲劳破坏能力和良好的导热性。以便使钢水均匀地结晶。为了满足以上的需要，辊轮有三层结构。以不锈钢为基体，上面加铜合金，铜合金上再镀镍，并且在内部设置有冷却水的通道。对于侧挡板，通过热变形分析。改进了夹紧方法，解决了钢水的泄漏难题。表l这台设备的主要技术参数大包容量10t中包容量1.6t浇注速度20130mmln薄带厚度l.65.0mm辊轮宽度8001330mm辊轮直径1200mm辊轮外层铜十镀镍卷取类型上卷取表 su304钢化学成分元素CSiMnNiCrMoCuN含量0.029-0.0630.44-0.620.85-1.108.22-9.3618.2-18.60.01-0.310.01-0.370.023-0.0433.4.2铸造薄带质量 1)表面质量 表面裂纹明显影响着铸造薄带的表面质量，这些裂纹是由于结晶器液面钢水的波纹或者是氧化膜进入列铸造薄带内部，从而导致结晶不均匀。把院口浸入列钢水中的办法来改进钢水的浇注方法，并且控制钢水表面的保护气氛。已经使预防双辊轮铸造薄带表面的裂纹成为可能。 2)结晶组织 图12为800mm和1330mm宽的薄带在宽度方向上柱状带厚度的测量结果。柱状带厚度的标准偏差与平均厚度之比分别为7和4，这表明铸造薄板在整个厚度上的结晶是不规则的，另外柱状带厚度在纵向上的偏差也比图12显示的要小。然而，由于迅速的结晶，与常规的产品相比，双辊轮铸造薄带仅仅包含15数量的非金属夹杂物，这些夹杂物比lPm大些，在表层偏析出镍的数量也比常规的板坯要小些。3.4.3 冷轧产品的特性 为了研究冷轧板的特性，把由双辊轮薄带连铸机铸造的304型不锈钢薄带(16mm一5omm)送去冷轧。与传统的连铸机铸出的板坯被送去热轧、缓冷、冷轧后相比，双辊轮冷轧板通过酸洗，缓冷而被精轧。双辊轮铸造产品的纵向延仲率和抗拉强度和常规的产品是一样的，且平面各向异性比常规产品要小些，而抗腐蚀能力比常规产品要高一些。4单辊连铸技术 单辊薄带连铸分为两种：溢流法(MeltOverflow)和拖带法(Melt Drag)。两种工艺同是采用一特殊中间包使液态金属直接接触冷却辊表面，金属在旋转的冷却辊表面快速冷却后被带出形成薄带，区别在于中间包形式不同，所产生的成带方式不同，成带的厚度也不一样。MD的带厚一般为1mm以下，而MO的带厚可达13mm，原理如图7所示，由于工艺过程控制困难，现已很少研究单辊薄带连铸法。5极薄带连铸技术51自由喷射旋转成型(FJMS) 自由喷射旋转成型(FreeJetMeltSpinning).工艺是，通过环形喷嘴把液态金属喷到快速旋转辊上(旋转辊的速度为3050ms)，在辊面形成一个溶潭图2，液态金属在辊表面迅速凝固而形成薄带，随即被旋转辊连续冷却后拉出。带的宽度是由喷嘴尺寸和喷射压力所决定的，而带的厚度则是由辊的速度所决定的。该工艺可获得相当高的凝固速度，因此对于生产非晶薄带材料是很有利的。由于受制于溶潭的稳定性，FJMS的最大问题是带宽有限，高质量的带宽最大只有4mm。 FJMS对于高级薄带材料生产的优势在于磁性材料领域，如用于发电机的高性能硅钢片等。52平面流动铸造PFC 平面流动铸造P1anar Flow Casting)工艺最初是由美国联合化学公司开发的，目的是为电子设备和传感器生产宽10一200mm的软磁非晶合金薄带材料。PFC工艺是FJMS工艺的改进型(原理见图3)，喷嘴紧贴着辊表面(通常距离为100300，而FJMS为15mm)，这样在喷嘴和辊面之间所形成的溶潭比较稳定，因此，当采用矩形喷嘴时，PFC所生产的带宽能达到300mm。 由于影响因素很多且相互交叉图4)，目前PFC工艺还没能建立起一套计算机模型来掌握各工艺参数与组织均匀性及其表面质量之间的关系。在PPC工艺中，溶潭是一个最重要的区域，溶潭区的温度分布、流动特性对带的宏观和微观结构有很大的影响，其关键参数是喷嘴与辊面的距离GW，另一个重要参数是带与辊面的导热系数h。带材与辊式结晶器之间的导热系数h的确定是目前薄带连铸研究中较热门的课题之一。53 热喷射成型(ThermalSpraying)热喷射成型工艺是采用化学能(燃烧法)或电能(等离子或电弧)把要喷镀的材料熔融成微小的粒子后加速朝要复合的工件表面冲击，形成与工件形状相同的复合层。形成该复合层的目的是为了提高工件的耐腐蚀性能和耐磨性能。该工艺主要用于难以成型的复合薄带材料，也可用于轴、管等材料的复合。低压等离子喷射成型(LPPS)是热喷射成型法中比较典型的，低压等离子喷射成型的温度可达300030000K，粒子喷射速度可达600ms，喷镀量平均为530kg/h。基本原理可见图5，首先在钨阴极和铜质喷嘴阳极之间形成稳定的电弧，使其间的惰性气体(A r：He或N2)电离而得到热的等离子，快速膨胀的等离子气体以超音速穿过喷明，喷射材料粒子(通常粒度小于50)由气体输送进等离子枪。在最佳条件下，粒子在极短时间里被等离子枪加速和溶化，喷射在工件表面形成复合层。54 雾化沉积成型(Spray Forming) 5.4. 1技术概况雾化沉积成型技术是先通过雾化器把材料雾化，然后通过快速凝固沉积在垫托物上。雾化沉积成型包含三个工艺步骤：(1) (1) 采用适宜的载气雾化液态金属.(2) (2) 释放液滴中凝固显热和潜热(3) (3) 部分凝固颗粒在本体上沉积。 基本原理见图6，液态金属的喷射流股从安装在中间罐底部的耐火材料喷嘴喷出，金属被强劲的气体流股(空气、N：、Ar：和He等)雾化，形成高速运动的液滴。雾化液滴与本体接触前，其温度介于固一液相温度之间，随后液滴沉积本体上，完全冷却和凝固，形成致密的产品。相比等离子喷射成型，雾化成型的生产率较高(0.22kgs)，但产品几何尺寸不均匀(边部与中部相比)，材料的致密度需通过热轧来提高。该产品主要用于非晶薄带材料和复合极薄带材料，其中也用来生产管、轴等产品。对雾化成型用于极薄带连铸有过研究，困难主要在于宽向的薄带厚度均匀性难以控制。最近的技术进步是采用扫描环形喷嘴和线型雾化喷嘴来控制厚度均匀性，但该技术尚未商业化。5.4.2研究与开发进展喷射成形技术的出现与发展应该追溯到20世纪印年代，1967年英国Swansea大学的A.R.E.Singer教授率先研究了铝合金的金属喷射沉积，应用的雾化气体是压力为550830kNm2的氮气，雾化后的金属浓滴直径达到100150随后美国麻省理工学院的NJGrant等在详细地研究金属喷射沉积技术之后，开发了液体动压紧实技术LDC，即通过高压雾化气体，得到细小、快速淬冷的液滴。1988年，美国加州大学Inrine分校的Lavemia等在金属喷射沉积技术基础上开发出制备金属基复合材料的“雾化共沉积技术(Spraydeposition)”，随后Lawley等率先提出了“反应雾化成形技术(Reactive spay forming)”，该技术将雾化成形工艺和化学反应法制备复合材料技术结合在一起，用以生产性能更好的金属基自生复合材料。与此同时，一些大学和研究所在喷射沉积的机制与模型化以及计算机控制方面做了许多卓有成效的工作，如美国MIT System Corporation用计算机控制基板的多维移动制得复杂不对称形状的工件。金属喷射成形作为1项工程技术出现在20世纪70年代，1974年英国0spay Metal公司取得喷射技术的专利，这时该项技术才真正从实验室走向实际生产。由于金属喷射沉积具有明显的优点，在工业上已展现出良好的应用前景，受到工业界的广泛关注，随后特别是进入80年代以来，许多国家投入大量人力、物力进行金属喷射产品的开发与生产，取得较好的效果。1980年英国Aurora钢铁公司又将金属喷射沉积原理应用到高合金工具钢和高速钢，发展了1种受控金属喷射沉积(controlled spry deposition)工艺，由金属熔体的雾化和高速金属液滴撞击冷却板所组成，它是以Ospray工艺为基础，采用较大金属滴液，液滴直径为0。515mm，由于撞击作用，仍可以获得Ks的冷却速度。瑞典的Sandvik工厂在世界上首先应用金属喷射沉积技术开发生产不锈钢管和复合钢管，其生产的不锈钢管的最大尺寸为mm，重量为1吨左右。其中，最引人注目的是美国海军在俄亥俄州的Barberton已安装了4。5t的钢管生产设备，其熔化能力达5吨，采用双喷系统，最大的沉积速度可达到200kgmin。该设备可生产直径达15m，长度为9m的钢管。日本住友重工轻金属工业公司已生产出直径为250mm，长为14m的过共晶铝硅合金圆坯，用于制造汽车零件。英国与丹麦合作应用水平金属喷射沉积设备试制出直径为200325mm，长达13m的圆钢坯。Ospray公司与Alussuisse合作在试验中获得曲mm的铝合金圆坯。德国Peak公司制造出400mm x1000mm的铝合金圆坯，可以不需扒皮而直接进行挤压。瑞典的Boillat公司和德国的VieIand公司，应用金属喷射沉积工艺生产出铜合金圆坯，最大直径为300 mm，长为2m，在其中他们重点开发了焊接铜电极，产品组织细密，寿命是连铸电被头的2倍。美国Howmet公司应用金属喷射沉积技术生产出最大尺寸800一镍基超合金的涡轮环。英国伯明翰大学利用离心金属喷射沉积技术生产出直径为400 mm的钛合金环状产品。日本住友重工首先应用Ospray工艺生产轧辊，目前已进入商用阶段，建立了相应的工厂，生产出几千根轧辊，其最大尺寸为外径800 mm，内径为610mm，长为500mm，重量为500kg，在实际生产应用中取得很好的应用效果，其使用寿命为铸造轧辊的23倍；英国Forged Rolls和Sheffield大学等研究单位合作研制生产冷轧和热轧带钢轧辊。英国钢铁公司进行了金属喷射沉积连续生产板材的研究试制工作，Eadie等应用这种装置制出硅的质量分数为6。5的硅钢薄带。 目前，各种材料的喷射成形产品类型包括：锭坯、圆环、密封圈及套管(尤其是超高温合金)、管材及中空材(不锈钢及镍合金)、辊及包覆辊(高铬铸铁及高碳、高速钢)、电子组件(SiA1合金)等。此外，据Wood先生介绍，不久之后将可以利用喷射成形工艺生产功能梯度材料、耐磨材料及孔隙度可控制的轻重量泡沫材料。 喷射成形的生产厂见表2。5.4.3金届喷射沉积技术的特点及其展望 金属喷射沉积是一种新型的快速凝固技术，工艺如图1所示。它与铸锭冶金、粉末冶金工艺相比较，具有以下主要特点：(1) (1) 具有细小的等轴晶与球状组织、金属喷射沉积材料的组织是细小的等轴晶，其晶粒大小一般在10100。这种组织的形成，一方面是由于高压高速气流与熔体强烈的对流换热而使金属喷射沉积材料凝固时获得很高的冷却速度，一般冷速为Ks，另一方面在高速气流的带动下，雾化液荫在沉积时刻获得很高的速度，模拟计算结果表明，其速度为50100m/s，在半固态雾化濒滴高速撞击基板或沉积体表面时，其冲击动能产生足够大的剪切应力和剪切速度，将深过冷雾化液滴中的枝晶打碎，形成非枝晶的组织。沉积基板冷却速度较低，这时沉积材料处于一种高温退火状态，使未变形的枝品进一步均匀化、已变形或断裂枝晶臂生长与粗化，出现近球化组织。(2) (2) 生产工序简单，成本低、金属喷射沉积将熔体的雾化和沉积成形2个过程合为一体，可直接由液体金属制取快速凝固预成形的毛坯，而一般的快速凝固工艺制取的材料，尺寸很小，难以直接加工成产品，通常需经粉末冶金工艺的制粉、储存、运输、筛分、压制烧结，甚至轧制、锻造等工序完成成型，与其它快速凝固工艺相比，金属喷射沉积工艺大幅度地简化了快疑材料的加工制备工序，缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本。（3）固溶度增大，氧化程度减小。在雾化过程中，晶粒冷却速度非常快，致使沉积材料的固溶度明显提高，原始颗粒与急冷边界基本消除。另外，金属喷射沉积过程中金属以液滴存在的时间极其短暂(03s)且沉积是在惰性气氛中完成的，金属氧化程度较小，而且由于液体金属一次成形，避免了粉末冶金工艺中因储存、运输等工序带来的氧化，减轻了材料的受污染程度。(4) (4) 较高的沉积材料致密度。金属喷射沉积工艺过程中，深过冷金属雾化液滴高速撞击到沉积衬底上，与沉积层良好地结合在一起。直接沉积后的密度可以达到理论密度的95，如果工艺控制合理则可达到99。可见喷射沉积工艺仅存在轻微的疏松现象，经随后的冷加工或热加工很容易达到完全致密化。目前实际使用的致密化工艺有热等静压、热压、真空热压和热挤压。(5) (5) 较高的喷射沉积效率。各种实用的雾化器喷嘴的生产率在25200kg/min ；用作涂层的沉积速率可达50kgmin，单个产品重量可达600kg。(6)过程复杂，工艺参数多。金属喷射沉积过程是一个众多参数共同作用的复杂过程，研究发现，金属喷射沉积的可控参数有近10个，而过程参数就更多，而且各参数之间相互制约、相互影响，给工艺参数的选择和优化带来一定的因难。如何正确地选择合适的工艺参数是目前该技术必须解决的问题之一。目前金属喷射沉积技术已逐步应用于高性能材料的研究和开发中，并已由实验室研究阶段迈向工业应用阶段，在世界范围内，已有几十条Ospray生产线，其产品涉及管、环、板材、棒材等形状。综观世界各国的研究发展热潮，未来热点研究课题与发展方向将为：(1) (1) 雾化过程的精确控制。影响雾化颗粒位置不均匀的因索很多，如何采取措施，对雾化过程进行有效的控制是当务之急。(2) (2) 扩大工艺的适应性和产品的多样性。金属喷射成形不仅适应多种合金，如低碳钢、铝合金和高温合金等，而且给新型材料如金属间化合物和复合材料的研制提供新的技术手段，另外通过特定的雾化器和雾化参数，可以生产各种复杂形状的近终形产品。(3) (3) 产品进一步致密性。金属喷射沉积工艺获得的产品为近终型产品如管，似及坯料如柱、板等。由于所得产品保证不了100致密，因此对于近终形产品需要一个致密化处理，而要想得到形状比较复杂的零件，就必须特大坯料进行成形加工。所有这些处理都要求材料具有一定的塑性或者流动性，因此需要在较高温度下进行。目前采用最多的致密化方式是热挤压。金属喷射沉积过程大体上可以分成金属熔体释放、液流雾化、雾滴飞行金属喷射、雾滴沉积和沉积体凝固等5个阶段。影响金属喷射沉积各个阶段众多的工艺参数主要可划分为两类：一类为独立工艺参数(IPP)，如雾化气体的压力、温度、流量等，是可控参数；另一类是过程参数，其中有2个主要过程参数，在金属喷射沉积时起重要作用，即沉积时刻雾滴的状态和沉积体的表面状态，当沉积时雾滴的固相率过高，大部分雾化的颗粒已完全凝固，在这种情况下只能简单地获得松散的粉末，而不能得到致密的金属喷射沉积体。相反，当沉积时雾滴的固相率过低，金属在沉积后的凝固行为类似于传统的金属型铸造，冷却速度较低，失去了金属喷射沉积快速凝固的特点。理想的状态应该是，雾化的金属液滴在雾化气体的冷却下其温度处于液固两相区，雾滴沉积时刻雾滴中的液相量足以填充已凝固的颗粒之间的孔隙，同时保证溅射颗粒沉结在沉积体的表面以获得最大的收得率。基板的运动情况和传热条件决定了沉积体的表面状态。5.4.4. 金属喷射沉积基本原理及关键技术一般说来，金属喷射沉积工艺由2个基本过程组成：金属溶液经过气体雾化成为细小颗粒过程，颗粒沉积在不同形状以及运动形式的基板过程。显然，这2个过程主要涉及喷射成形的液态金属雾化和直接沉积技术。液态金属雾化和直接沉积技术的核心是雾化熔滴的沉积和凝固结晶，这是在极短的时间内发生和完成的一种动态过程。研究结果表明：(1)液态金屈雾化的熔滴尺寸呈不对称的统计分布，随着合金性质、喷嘴几何尺寸和雾化参数的变化，颗粒分布有很大不同，一般在1030，多数集中在75150范围内。气体雾化时对流换热起主导作用，其换热系数和冷却速率均可由一定的解析式给出，在一定的有效换热系数下，熔滴的冷速主要取决于颗粒的大小。一般说来，当颗粒直径小于5，冷速Ks。当颗粒直径为300，冷速达到Ks。(2)雾化沉积凝固大尺寸整块致密件的过程是一个特定条件下的凝固过程，基本特点是在沉积表面形成一层极薄而又有适当厚度的部分液态金属，大块致密件则由这一薄层内的液态金属不断凝固推进而形成。从以上喷射成形工艺过程可知，金属喷射沉积的实际操作依赖于几项关键技术：其一，雾化颗粒撞击基板时的状态，若为液态，则与传统铸造接近；若为固态，别无法形成工件。因此，要求在撞击基板前的瞬间为半固态或过冷液态。其二，喷嘴的设计与制造。对于喷射成形工艺，希望喷嘴雾化所得颗粒具有高的冷速、小而均匀的颗粒尺寸分布。目前MIT开发的超音速雾化喷嘴具有优良性能，但容易损坏。Ospray公司开发的亚音速两极喷嘴，寿命较长，适应大规模工业化生产。其三是控制技术，因为金属喷射成形是一个多变量输出与多变量输入的非线性过程，传统的控制技术已不适应，为此，必须采用近年来发展起来的材料智能加工(Intelligent process of Materials)。它基于专家系统、神经网络等人工智能，并应用基于激光技术的光学传感系统，以及采用模韧逻辑控制。3 金属喷射沉积孔隙产生与致密化工艺.5.4.5. 沉积体孔隙形成与防止措施实际上喷射沉积组织总存在1-7的孔隙，其形成的原因：(1)开始撞击基板的边缘金属材料的密度较低，此时单个金属滴粒在本体上凝固形成孔隙，在继续喷雾中难以被充填i(2)当金属液撞击基板或先期沉积层时，在充分铺展之前快速凝固形成麦片层组织，片层间形成孔隙，如金属液荫沉积之前已部分或全部凝固则空隙串更高，沉积层内主要是这类孔隙；(3)金属液滴沉积于基板或先期沉积层后，如冷却速度过低，则沉积接近于铸态组织，若合金凝固温度区间较宽，则凝固收缩形成枝品孔隙。防止孔隙形成可以通过降低凝固速度、提高金属液的过热度以及降低载气量等工艺措施。但是，这些措施只能对孔隙形成加以限制，不能完全消除孔隙。降低凝固速度可以限制微孔的形成。金属液的过热度较高会形成粗大颗粒，其液态金属量较多，在一定的气体与金属比例下