第四章连续铸轧过程

第四章 连续铸轧技术 4 1 连续铸轧技术概论 直接将金属熔体 轧制 成半成品带坯或成品带材的工艺称为连续铸轧 这种工艺的显著特点是结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊 熔体在辊缝间 完成凝固和热轧两个过程 而且在很短的时间内完成 连续铸轧具有投资省 成本低 流程短等优点 目前 连续铸轧工艺已广泛的应用于铝合金等有色金 属的生产中 在钢铁生产中的应用还处于试生产阶段 连续铸轧技术不同于连铸连轧 后者实际上将薄锭坯铸造与热轧连续进行 即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成厚约 50 90mm 的坯后 再在后续的双机 架 单机架 三机架 温连轧机上连续温轧成带坯或成品板带材 铸造和温轧是 两道独立的工序 而连续铸轧技术使连铸和轧制两个原先独立的工艺工程更加 紧密地衔接在一起 已不再是一个纯粹的冶金和凝固过程 而是在连铸 凝固 的同时伴随着轧制过程 原来的全凝固压力加工规律和塑性变形规律也发生了 相应的变化 一 铝带铸轧 1951 年 美国亨特一道格拉斯 Hunter Douglas 公司首次铸轧成了铝带坯 制成了双辊式连续铸轧机 随后 法国彼西涅 Pechiney 公司研制的 3C 水平式 双辊铸轧机也获得成功 从那以后 铝带坯双辊连续铸轧技术和设备得到了迅 速的发展 截止到 2007 年底 亨特工程公司及意大利法塔亨特公司 FATA Hunter 的铸轧机已达 153 台 法国原普基工程公司 Pechiney Engineering 和现在 的诺威力昔基工程公司 Novelis PAE 生产的 3C 式铸轧机 全球保有 182 台 国 外还有一些由其他公司和企业自制的双辊式铸轧机 主要是亨特式或 3C 式的 变型 但产量不多 这一类铸轧机国外保有的总数也只有 50 多台 我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于 20 世纪 60 年代 1964 年初进 行了双辊下注式铝带坯连续铸轧模拟实验 并于同年铸轧出厚 8mm 宽 250mm 和 400mm 的铝板 1965 年铸轧出宽 700mm 的铝带坯 1971 年由东北 轻合金加工厂研制成我国第一台 8001Tim 水平式下注式双辊铸轧机 1979 年由 华北铝加工厂研制成 O650mm X 13001Tim 我国第一台亨特式倾斜铸轧机 并 于 1981 年和 1983 年相继研制成 0650ramX 1600mm 和 O980mm 1600mm 铸轧 机 并通过部级鉴定 标志着我国铸轧技术进入成熟阶段 1984 年中日诼神有 色金属加工专用设备有限公司成立 并于 1993 年诼神公司为其母公司华北铝业 有限公司试制成功我国第一台仿 3CO960mm x 1550mm 超型铸轧机 至此国产 铸轧机发展成为具有标准型和超型这两种机型 而且铸轧机逐步实现标准化 系列化 中国自 1981 年首台自制的铸轧机投产以来 制造了大量的有中国特色的双 辊式连续铝带坯铸轧机 并出口到越南 印度尼西亚 俄罗斯等国 当然在装 机水平方面与 3C 式及法塔亨特式的还有一些差距 1999 年初 由钟掘院士担 纲技术指导的 铝及铝合金铸轧新技术及设备研制开发 作为国家计委的重大 科研项目启动 以钟掘为首的科研课题组经过一年多的攻关 于 2000 年 7 月在 实验机上成功地铸轧出铸速为 13 2 m min 厚度为 2mm 的铸坯 并开发了铜 基合金新型辊套材料 具有在线布流控制技术的新型铸咀 新型复合外冷润滑 技术等一系列相关的新技术 新装置 新材料 这些都标志着我国在快速超薄 铸轧技术领域已经达到世界领先水平 填补了国内空白 目前用连续铸轧法生产的铝板带在国内已占铝板带生产总量的 70 在国 际上约占铝板带生产总量的 40 左右 国内的连续铸轧设备已由十多年前的 30 多台套 增至目前的 50 多台套 二 钢铁材料的连续铸轧 连续铸轧工艺在钢铁材料的生产上的应用尚处于试生产阶段 制约连续铸 轧工艺在钢铁工业上的应用的主要困难是钢铁材料的熔点高 控制铸轧过程稳 定性的操作参数范围窄 边部质量控制与侧封难度大 铸轧过程中钢铁材料的 传热 凝固过程比有色金属更复杂 2003 年我国宝钢对其新上的薄带铸轧机进行了工业性调试和试机 4 2 连续铸轧基本工艺过程 图 4 1a 为上注式铝带连续铸轧系统的示意图 经过精炼处理后的液体金属 通过流槽进入浇道系统 并控制前箱金属液面高度高于供料嘴 这样 液体金 属靠本身静压力作用 从供料嘴顶端溢出 和冷却器旋转铸轧对辊接触 在对 辊缝间完成凝固和热轧 a b 图 4 1 a 上注式连续铸轧系统示意图 b 金属在对辊间的连续铸轧过程示意图 金属熔体在冷凝器铸轧对辊间的凝固和热轧过程解析于图 4 1b 金属熔体 与铸轧辊接触时 在 a 和 a 点立即冷却凝固形成薄壳 随着金属热量的不断被 铸轧辊导出 液体金属不断结晶凝固 到 b b 面金属完全凝固 随着铸轧辊向 上转动 在 a a 至 b b 界面范围内进行着铸轧 超过 b b 面 金属完全凝固后 进入固态轧制状态 当金属被轧制至两辊间隙最小面 c c 面时 整个轧制过程 结束 c c 的宽度即为铸轧板坯的厚度 a a 面至 c c 面的的距离为铸轧区高度 铸轧区的高度是比较小的 它随着轧辊直径的大小而变化 一般在 30 40mm 之 内 在很小的区域内进行正常的铸轧 使液态金属直接变成较薄的板坯 必须 严格保证两个条件 铸轧的基本条件 铸轧的热平衡条件 4 3 连续铸轧的基本条件 一 浇注系统充分预热 铸轧浇注系统是用来传输金属液体到铸轧辊的 一般包括控制金属液面高 度的前箱 横浇道 供料嘴底座和供料嘴四部分 要保证连续铸轧的进行 在 浇铸前 整个浇铸系统内 不应有潮气 油膜 氧化渣及其它杂质存在 因此 在浇注系统整体装配调整好后 在开始铸轧前 必须经过一个充分的预热 浇 注系统如果预热不好 液体金属失热过多 不能进行正常铸轧 即使勉强开始 也会因供料嘴内有凝块而中断 预热温度一般为 300oC 左右 保温 4 小时以上 二 金属液面高度 整个浇注系统是一个连通器 前箱内液体金属水平面高度就决定着供料嘴 出口液体金属压力的大小 是另一个实现正常连续铸轧的基本条件 图 4 2 上注式连续铸轧正常铸轧时金属液面高度示意图 图 4 2 是上注式连续铸轧正常铸轧时的金属液面高度示意图 图中 H 为正 常铸轧时前箱金属液面高度 y 为供料嘴到底浇道高度 h1为金属液穴高度 h2为附加高度 h 为铸轧区高度 即供料嘴平面到铸轧双辊轴平面的距离 在图 4 2 所示的上注式连续铸轧过程中 金属液穴所受到的由前箱金属液 面高于供料嘴液穴面产生的金属液自重压力为 Fp g H y h1 4 1 金属液穴氧化膜表面张力为 Fm m cos 式中 m 为金属液的表面张力 cos 为润湿角 在驻扎过程中 氧化膜表面张力和金属静压力之间存在三种情况 第一种 情况是 二者相当 即 Fm Fp 则有 g H y h1 m cos H m cos g y h1 4 3 此时 氧化膜不能破坏 如图 4 3a 所示 铸轧可以连续进行 版面正常 第二种情况 金属静压力小于氧化膜表面张力 即 Fp Fm 则有 g H y h1 m cos H m cos g y h1 4 4 此时 前箱金属液面较低 氧化膜被拉长 如图 4 3b 所示 氧化膜本身受 压力较小 不易破坏 版面质量较好 但当前箱金属液面低到一定程度时 则 板面由于供金属不足 而易于产生空洞缺陷 第三种情况 前箱金属页面长生的静压力大于氧化膜表面张力 即 Fp Fm 则有 g H y h1 m cos H m cos g y h1 4 5 此时 前箱金属液面高 压力增大 使氧化膜变薄 如图 4 3c 所示 极易 被破坏 轻者 板面处向氧化黑皮 严重时 造成金属液漏 铸轧中断 a b c 图 4 3 a 平衡液面高度 Fm Fp b 液面高度较低 Fp Fm c 液面较高 Fp Fm 前箱液面高度控制不好 铸轧过程就不能正常进行 若液面低 则供应金 属的压力过小 铸轧板面易于产生孔洞 液面过高 则金属静压力过大 容易 造成铸轧板面起棱 或在板面上出现被冲破的氧化皮 影响板面质量 甚至液 面太高 且供料嘴与铸轧辊间隙过大 易将氧化膜冲破 使液体金属进入间隙 造成铸轧中断 从实践经验中得知 正常铸轧时液面高度经验公式如下 H y h1 h2 y 0 33h h2 4 6 液穴高度 h1一般为铸轧区高度的三分之一左右 附加高度 h2为 5 10mm 能够使相正常连续铸轧 4 4 连续铸轧的热平衡条件 能够进行正常的连续铸轧 除了浇注系统充分预热和金属液面高度两个基 本条件外 铸轧的热平衡则是建立连续铸轧的主要条件或必要条件 所谓连续 铸轧的热平衡 就是进入整个铸轧系统的热量要等于从铸轧系统导出的热量 如果失去这个热平衡不是金属熔液不能凝固 导致漏液 就是液体金属冷凝在 浇注系统中 连续铸轧将无法进行 影响热平衡条件的有三个工艺参数 即铸轧温度 铸轧速度和冷却强度 一 铸轧温度 铸轧温度一般以金属液出炉温度为准 铸轧温度的选定 必须充分考虑保 证液体金属从炉内流槽入前箱 再进入浇道系统 最后从供料嘴送至铸轧辊上 由于在整个流程中 具有一定的热量散失和温度降低 如果铸轧温度过低 金属液体容易凝固在浇道系统中 不能保证铸轧的正常进行 但是 如果铸轧 温度过高 不仅有可能出现漏液 不能正常进行连续铸轧 而且凝固晶粒粗大 有更多的吸气体量 增加材料缺陷 导致材料性能的降低 因此 金属液铸轧 温度的选择必须适宜 铸轧温度的选定要考虑整个浇注系统的长短 以及气候和室内温度情况 一般比所要铸轧的金属熔点高 60 80oC 如果浇注系统保温好 铸轧的下限温 度可以适当地降低 二 铸轧速度 铸轧速度是连续铸轧工艺参数中最重要的一个 铸轧过程中冷却速度的调 整 主要是靠调整铸轧速度来实现的 连续铸轧不同阶段的铸轧速度是不同的 铸轧开始的初始阶段 主要是进 一步预热浇注系统 这时铸轧速度一般很高 为正常铸轧速度的一倍半以上 这个阶段液体金属不能成形 金属贴在铸轧辊上成为碎片不断被带出 随着预热的进行 供料嘴内温度均匀 就要逐渐增加冷却水量和降低铸轧 速度 增加冷却时间 当铸轧速度降到一定数值时 板坯开始局部立起 并不 断扩至整个断面 进入连续铸轧过程 如果再降低铸轧速度之前 发现喜爱凝 固外带出的碎片有硬块出现 则应重新提高铸轧速度 使供料嘴内温度均匀 然后再来逐渐降低铸轧速度 最后调整至正常铸轧速度范围 使板坯征常铸轧 出来 三 冷却速度 在铸轧过程中 单位时间 单位面积上导出热量的大小谓之冷却强度 冷 却强度除和铸轧辊的水冷强度有关外 和铸轧速度 铸轧区高度以及辊套材料 也有很大关系 铸轧速度慢 就意味着液体金属在铸轧区停留的时间长 有充 分时间向外导热 增加冷却强度 铸轧区长度增加 也就是冷却面积增加 有 利于热的传导 另外 辊套材料的导热性能对冷却强度也有很大影响 如选用 钽合金作辊套材料铸轧纯铝时 则其铸轧速度可达 1 1m min 而选用高合金钢 作辊套材料时 则铸轧速度仅在 0 6m min 左右 4 5 连续铸轧设计参数 一 铸轧角的选择 如图 4 4a 所示两辊铸轧中心连线和供料嘴预端到铸轧辊中心连线所形成的 夹角 称为铸轧角 常以 表示之 铸轧角所对之辊的圆弧即为铸轧区 铸轧 区的高度 h 铸轧角 及铸轧辊半径 R 之间具有如下关系 h R sin 由轧制原理可知 铸轧板能够咬入的主要条件在于摩擦系数 和铸轧角 的关系 当 tan 则 Tx Nx 此时铸轧板即可顺利咬入 保证铸轧顺利 进行 见图 4 4b a b 图 4 4 a 铸轧角 及铸轧区高度 h 示意图 b 摩擦系数和铸轧角的关系示意图 当铸轧金属一定时 在一定的铸轧温度下 摩擦系数不变 铸轧角足够小 有利于铸轧板的咬入 但是 铸轧角变小 相应铸轧效率将降低 因此 铸轧 角有一个最小限度 一般在 5o 15o之间 二 辊径的选择 铸轧辊径一般采取大些尺寸为好 因为在既定的铸轧角情况下 可使铸轧 区加长 以利于热交换 辊径一般采用范围在 400 550mm 之间 如图 4 5 所示 铸轧辊直径 D 铸轧角 a 与变形量 h 之间关系如下 4 8 2 R Rcos 4 9 D h 1 cos 三 铸轧辊套的选择 通过铸轧辊套 冷却水将液体金属所含的热量传导出去 辊套承受着热变 应力 同时还承受着轧制力和辊套的红装应力 因此辊套的选择主要是选择辊 套材料和辊套厚度 辊套材料必须具备下列要求 1 有足够好的导热性能 2 有较高的力学 性能 3 耐温度急变 4 耐热交变应力的疲劳作用 由于辊套厚度增大 将影响热的传导 冷却效果 因此 在保证辊套所受 的轧制力 温度热变应力和辊套红装应力的总和小于辊套允许应力 即在保证 足够的强度 刚度以及磨削次数的情况下 尽量减少辊套厚度 根据实践经验 一般选择辊套厚度在 25 30mm 为宜 这样 既可保证辊套有较长的使用寿命 又能获得较大的铸轧速度 4 6 铝板连续铸轧生产工艺举例 连续铸轧法生产铝板带坯的主要工艺流程是 熔炼 静置 精炼 铸轧 其中 熔炼 静置与一般熔铸车间的熔炼工艺基本相同 铝锭或废料在 熔炼炉内熔化 扒渣和搅拌 然后铝液进入静置炉保温和精炼 连续铸轧在双 辊铸轧设备上进行 而双辊连续铸轧设备 有三种金属液注入方式 分别为上 注式 水平式和倾斜式 如图 4 5 所示 前面关于连续铸轧技术的介绍主要是 基于上注式双辊连续铸轧设备 但是目前主要以水平式和倾斜式应用最广泛 a 上注式 b 水平式 c 倾斜式 图 4 5 双辊式连续铸轧设备概图 典型的纯铝板连续铸轧铸轧工艺如下 1 熔炼和静置 熔炼采用 32 吨的圆形重油熔炼炉 熔体温度 700 750oC 出炉温度 735 745oC 静置精炼采用 12 吨电阻加热静置炉 精炼温度 720 740oC 精练 后的金属液中 H2含量小于 0 15ml 100g 铝液 熔体净化采用 CCl4 精炼和玻璃 丝布过滤相结合的方法 2 铸轧工艺 铸轧采用双辊倾斜式铸轧机 650 1600mm 或 980 1600mm 前箱内熔体温度 685 700oC 辊缝要求 板厚 7 0 7 5mm 时 辊缝 6 3 6 5mm 铸轧区长度 650 1600mm 机为 40 45mm 980 1600mm 机为 55 60mm 冷却水压 0 3 0 5MPa 水温低于 25oC 铸轧速度 0 95 1 10m min 供料嘴预热时 加热炉膛定温 300oC 保温 8h 以上 前箱液面高度控制在 10 20mm 之间 4 7 薄板坯液芯压下 薄板坯连铸带液芯压下技术是德国曼内斯曼研究所和德马克 DMG 冶金 技术公司首先提出的 并在实验室对薄板钢进行了铸轧实验 图 4 6 是薄板坯 连铸带液芯压下技术设备结构原理示意图 采用了一种特制的水冷浇注 挤压 枢轴转动式结晶器 研究利用这种技术实际浇注的低碳钢 奥氏体钢和滚动轴 承钢的组织和机械性能 结果表明 带液芯的钢坯铸轧除了能够提高冷却速度 外 对凝固壳进行挤压 就会在液芯引起搅拌效果 这有助于保持肛液的化学 组成和性能的均匀性 能够明显细化凝固结晶晶粒度 减轻成分偏祈和中心疏 松 裂纹等缺陷 很好地改善了铸钢的质量 连轧板带质量达到和优于传统工 艺的产品 图 4 6 薄板坯液芯压下铸轧设备结构示意图 4 8 铝板连续铸轧产品的缺陷及防止 铝板铸轧常出现的缺陷有 条痕 空洞 横波 白条 黑皮 板面不平 边部不齐等 一 条痕 在铸轧板面的固定位置出现未被轧辊轧上的条痕 有时呈不连续状态 这 是由于在该位置的供料嘴被氧化膜堵塞 使该处不能流出金属 只靠接近堵塞 处两侧供给液体金属 不等到这部分液体金属补充到板面缺少金属的地方 就 被轧辊轧上 未被充填金属的板面即出现发亮的条痕 防止条痕出现的解决措施主要有 5 条 1 使供料嘴内部结构合理 尽量 减少氧化膜被挂住的可能 2 整个浇注系统内 包括前箱 横浇道 供料嘴 都要干净 并要经 300oC 4h 以上预热处理 3 液体金属铸轧前 应经过过 滤和除气处理 4 在立板前 不能有局部硬块存在 如有硬块 就意昧着有 氧化膜堵塞之处 5 提高铸轧速度 或适当提高液面高度 或及时处理堵塞 之处 但是彻底消除氧化膜的堵塞是很困难的 二 孔洞 在板面出现断续的穿透或未穿透的表面光亮孔洞 通常是前箱液面过低 或铸轧速度过高所致的金属液流供应不足引起 一般在立板后一段时间 由于 铸轧速度过高 此种孔洞常常出现 防止孔洞出现的措施主要有 2 条 1 前箱的液面高度要稳定地控制在 5 10mm 为宜 液面过低或过高均对板面质量没有好处 2 采取降低铸轧速度亦 可消除孔洞缺陷 但如铸轧速度降低到一定程度后仍在板面留有孔洞 则是由 于供料嘴中有氧化膜堵塞 需要采取其他措施进行处理 三 横波 在板面出现横向的微波纹 严重的可用手摸出 甚至有轻微的层状出现 解决措施有 1 提高铸轧速度 使铸轧区温度高一些 特别是提高铸轧 辊和供料嘴端接触处的温度 使液穴外圈的氧化膜拉断 缩短和铸轧辊接触时 间 相对提高该处温度 2 前箱金属液面太高 使液体金属静压力过大 液 穴向辊间隙伸展 造成金属未被轧制时降温很多 流动性不好 故出现横波或 轻微的层状 降低金属液面高度会立刻奏效 3 提高金属铸轧温度 改善金 属液的流动性 四 白条 由于供料嘴和铸轧辊间隙调整过小 当液体金属通过供料嘴时 供料嘴受 热膨胀而和铸轧辊接触 受一定的轧制力 供料嘴局部破坏 使该处液体金属 接触铸轧辊早 冷却强度大 因而在板面上出现白条 另外 供料嘴即便没坏 但有的部位贴在铸轧辊上 使供料嘴的材料粉末与铸轧板面摩擦 也会出现带 有很多粉尘的细小白条 解决措施 1 改进供料嘴材质 便其致密且受热膨胀小 并应有一定的 弹性和刚性 2 根据供料嘴的性能 经过试验 找出供料嘴和铸轧辊间隙的 数据 一般便用硅 藻土 石棉泥 黏土和其他黏结剂烧结而成的供料嘴 和铸轧辊间隙在 0 5mm 左右即可 五 黑皮 由于前箱液面控制的不稳定或过高 使包裹液面金属的氧化膜破坏而附在 板面上 呈现出断续的块状黑皮 解决措施 1 采用机械或光电装置控制前箱液面的稳定性 保证液面高 度在 5 1Omm 范围