东北大液固一体化成形技术课件04铸轧

铸轧绪论：什么是铸轧

铸轧工艺是把熔融金属通过铸嘴浇入铸轧辊之间,在辊缝中完成浇铸、冷却、结晶、凝固、轧制和出坯这一系列的工艺过程。该技术的特点是金属凝固和轧制变形同时进行,液态金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形,在很短时间内完成从液态金属到固态薄带的全部过程。

铸轧技术的发展：

板带铸轧技术的发展至今已有150多年的历史，早在1846年，英国的贝塞麦就提出，从两个旋转辊上方浇铸金属液，通过一对内部具有循环冷却作用的铸轧辊辊缝间隙，结晶、凝固、变形后从下边引出板坯。但限于当时的技术水平和工艺技术条件而未获成功。

在以后的近100年里该项技术一出不为人们所重视，直到1930年，德国的容汉斯等首次报道了立式连续铸轧成功的消息。1951年美国的亨特、道格拉斯两家公司联合，将失败的贝塞麦方法重新进行研究，将上注法改为下注法。并改善了两辊的冷却方式，采用了可控制金属液静压力的前箱，终于在1955年顺利地铸轧出宽型薄铝带坯，创立了双辊式铸轧机。

由于这种由下向上的铸轧法供料嘴的安装调整十分不便，1962亨特公司提出铸轧辊中心线连线与地平面成75度夹角的倾斜式双辊铸轧机。继而法国的卡尔公司研制出双辊水平式铸轧机。水平式双辊铸轧机和倾斜式双辊铸轧机在操作、调试与检修上都比下注式具明显的优点，但在产品质量上与下注式相差无几。因此，以后的生产厂家一般都选择倾斜式或水平式双辊铸轧机。

铸轧技术在我国的发展：

1964年开始研制双辊式板带铸轧机，1965年用400mm辊径生产出宽为700mm的铸轧带坯。

1978年在河北琢县建起了铝加工试验厂，1979年研制成功650mm双辊倾斜式板带铸轧机，1983年通过国家技术鉴定，并批准投入工业生产。

经过多年的迅猛发展，到目前为止，据不完全统计．我国累计投产的双辊式板带铸轧机多达200多套。其中包括从法国引进的皮希涅水平式板带铸轧机，从英国引进的戴维公司双辊倾斜式板带铸轧机，更多的是我国白行研制的生产设备。从有色金属铸轧板带技术装备到生产工艺我国已经完全掌握了该项技术，生产出的设备和产品均能达到世界先进水平。在黑色金属铸轧方面：我国于上个世纪50年代开始钢铁铸轧方面的研究。如原东北工学院铸轧研充小组在乌利托夫斯基铸轧机上进行了硅钢和球墨铸轧板的铸轧试验。成功地轧出厚度为0.7-1.2mm的薄板。1960年在长春建立了第一条试验铸轧生产线。

相对于传统的生产工艺,铸轧具有下列优点:

（1)简化了生产工序,节省大量能源,成材率高;(2)设备简单集中,投资少,占地面积小,建造速度快,生产成本低;(3)可连续稳定地进行生产,简化了生产工艺,缩短了生产周期,生产效率大大提高,且便于实现自动化;(4)液态金属在双辊铸轧过程中实现了快速凝固,促进了亚稳相的形成,扩大了固溶度,细化了组织,从而大大改善了材料性能;(5)此外,利用薄带铸轧技术的快速凝固特点,还可以生产出传统工艺难以轧制的材料以及具有特殊性能的新材料。铸轧使连铸和连轧这两个原先独立存在的工艺过程更加紧密地衔接在一起，因此连铸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。全凝固压力加工规律和塑性变形本构关系也发生了相应变化，该项技术已经成为一种新的边沿科学。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使其结晶器为两个带水冷却系统的旋转铸轧棍，熔体在辊缝间完成凝固和热轧两个过程，而且是在很短的时间内。一、铸轧基本原理炉内金属按照铸轧的要求控制温度。经精炼处理后的液态金属，通过流槽进入浇道系统，并控制液面高度。当液体金属靠本身压力作用，从供料嘴顶端溢出，随即进入一对内部通冷却水的旋转铸轧辊缝中被轧制成板。小塞子供料嘴横浇道小塞子流槽前箱钎子静置炉铸轧板导向辊铸轧辊一、铸轧基本原理

板带铸轧过程是把熔融金属通过注嘴浇入一对转向相反。内部通冷却水的铸轧辊之间，在这对辊缝中完成浇铸、冷却、结晶、凝固、轧制和出坯等—系列的过程，其间同时进行着复杂的变形和传热过程。正确、合理地建立铸轧区的数学模型，用以确定铸轧力的计算方法和该区域内的应力分布是一个十分重要的课题。铸轧区长度的确定铸轧区长度通常分为三个区域，分别为冷凝区、结晶区和变形区，铸轧区总长为三者之和。L＝l1+l2+l3

可以通过铸轧区的几何关系计算铸轧区总长度：铸轧板坯的结晶：液相区、两相区、固相区；轧辊的表面温度；铸轧力的计算；二、铸轧设备与工艺设备形式板带铸轧工艺流程铸轧机组基本组成生产线可以概括划分为熔炼系统、浇铸系统、铸轧系统和牵引卷取系统四大部分。熔炼系统：熔炼妒、静置炉。浇铸系统：细化剂添加装置、流槽、前箱、前箱液面控制装置、供料嘴和挡板；铸轧系统：铸轧机、清辊器、出口导板等相关设施；牵引卷取系统：牵引机、剪切机、矫直机、张力卷取机和运卷小车。

熔炼炉熔炼炉的基本任务是熔化炉料，配制合金。对现代熔炼炉的基本要求是：热特性好，冶金质量高，操作方便，环保安全，性能价格比较适宜。热工特性：熔化速度快，隔热密封性能好，热效率高，炉衬寿命长，对燃料变化的适应性强。冶金质量：要求熔体表面积与熔池深度之比合理，炉温均匀，炉温、炉压、炉内气氛可以方便调节控制，熔炼损耗少。

操作工艺：要求装料、搅拌便于实现机械化、自动化作业，工艺操作和合金转换方便，辅助时间短，生产效率高，设备维护检修方便。环境保护：要求设备噪声低，排放达标，设备在点火、燃烧、熄火过程中要有可靠的安全保障。性能价格：要求设备占地面积小，单位产量的设备投资低，操作成本和维护成本低。

静置炉：静置炉用于接受在熔炼炉中熔炼好的合金熔体，并在其中进行精炼、静置和调整熔体成分与温度，在铸造过程中对熔体其保温作用。对静置炉的基本要求是：炉内水蒸气含量少；熔池内熔体的温差小、保温良好并能准确控制炉温；具有一定的升温能力；容量与熔炼炉相适应；结构简单，操作方便。

常用熔铝炉类型

按加按热有原→电阻反射炉无按理︱铁热分︱→等温炉芯︱→有芯炉→工频炉源→电炉-→︱分︱

分︱→感应炉——→︱︱→工频炉熔炉-→︱→无芯炉→︱→中频炉

︱︱按外形分︱→竖式炉

︱--------------︱→筒形炉→火焰炉--→︱︱→圆形炉

︱︱→矩形炉

︱按对地关系分

︱-------------︱→固定炉

︱→倾动炉

常用熔炉类型无芯工频感应炉

无芯工频感应炉主要由炉体、工频电源（变压器、三相平衡系统、功率因数补偿系统）、控制系统、液压系统组成。火焰炉火焰炉的工作原理：火焰炉熔化金属所需的热量是靠燃料燃烧装置供给的。燃烧产物在从燃烧装置流向烟道的过程中，热量主要以对流和辐射的形式传给炉料。为了提高炉子的熔化效率，一些单位采用火焰直接喷射加热和顶吹加热的快速熔化技术，在这种炉子中，热量主要是以对流的方式传给炉料的。火焰炉的组成火焰炉的组成：炉体：耐火材料与钢结构燃料燃烧装置：各种油喷嘴、煤气烧嘴及配套的的燃烧安全控制系统和自动燃烧控制系统等废热利用装置：各种预热换热装置对工艺过程进行监管的测控装置：如温度、炉压、空燃比、可控气氛和与环保相关的烟尘、硫、氮化合物的检测和控制

火焰式固定矩形熔炉所有类型的火焰炉，炉基多用混凝土砌砖，在炉基上通常还铺设槽钢和工字钢，以避免潮湿，并起通风散热作用。熔池一般都砌成倒拱形，以避免炉底上浮。为了防止金属渗入炉底，在炉底中间一般铺有一层厚度不大但十分紧密的镁砂层。为了便于放出金属，熔池底略向金属流口向倾斜1゜~2゜。火焰炉的炉顶一般采用拱形，拱顶的中心角一般为60゜~90゜,拱高约为跨距的12％~15％。根据炉子容量的大小，炉壁上开有数量不等的炉门，炉门按需要可开在炉子正面或侧面，其大小主要根据加料机的装卸尺寸和操作情况而定，炉门有的做成斜面，一般用电机启闭。金属架构可防止炉子变形，抵抗砌砖在拱炉或工作过程中产生的膨胀和收缩力，加固炉体。目前我国正在使用的这种炉子的最大容量达到110t。火焰式固定圆形熔铝炉

圆形炉比矩形炉历史短，也是目前被广泛采用炉型之一。圆形炉在结构上采用可开启的炉盖，炉盖周边才有用冷却套。在炉盖的上面有一个专用或共用的炉盖提升装置。加料方式是用天车吊运料斗与顶部加料，一次可装大量炉料。按需要可设置2~6个对称均匀在炉墙上的烧嘴，火焰沿切线方向并向下呈一定角度射向炉料。此外，在炉墙上还相应开有呈对称分布的烟道口。倾动式熔炉

倾动式熔炉就是在固定式矩形炉或圆形炉上装设了倾动装置。熔炼过程结束后，用液压缸倾动炉体，使金属液流入静止炉，这种炉子可适应各种熔化量。铸轧浇注系统液面高度稳定器：液面高度稳定器的主要作用是保证前箱中的金属液面一个相对稳定的高度，即控制由供料嘴流入铸轧轮的金属液相对恒定的静压力。液面控制系统供料嘴：供料嘴的作用是将金属液送入铸轧辊辊缝之间，因此它是浇铸系统的咽喉，亦是铸轧过程中最关键的部件，所以它的结构合理与否将影响到产品质量和产量。供料嘴装置的要求：

(1)结构应坚固可靠，能够保证连续生产；

(2)结构简单，便于操作更换；

(3)内衬要有良好的保温性；足够的强度和刚度，便于机械加工，化学稳定性好、不污染金属；抗温变性能好，不因温度急剧变化而破裂；线膨胀系数小，不会引起变形和开裂。铸轧辊铸轧辊的基本结构及要求：双辊式板带铸轧机上的铸轧辊不同于普通轧机的轧辊，它不仅担当着普通热板带轧机轧辊变形工具的角色，而且还起着铸轧过程中水冷结晶器的作用。液态金属注入铸轧辊之间后需要完成冷却、结晶、变形，直到成为所需要断面形状的金属带坯。

铸轧辊的辊套外表面与炙热的金属液接触，辊套内部又有强力冷却水的冲刷，以便迅速地带走大量的热量，它们之间进行着强烈的热变换。铸轧辊既承受着变形金属的轧制压力，又承受着巨大的热应力，因而对铸轧辊套材料和铸轧辊结构提出了特殊的要求。铸轧辊辊套辊套的厚度既要考虑有利于能带走热量，又要考虑能使用相对较长的时间．需综合两方面的因素来确定铸轧辊辊套的厚度，通常要求辊套从新辊到报废应能修整3～4次。材料：45CrMnMoWV,CrNi3MoV等通常辊套厚度控制在30～40mm之间．太厚对传热不利，太薄使用时间过短，不经济。铸轧辊辊芯结构铸轧辊辊芯是承受铸轧力的主要部件，同时从表面结构上和辊芯内部结构上还要满足冷却均匀和冷却水合理供排的问题。铸轧辊辊芯外表面冷却水沟槽的结构形式，直接影响铸轧辊冷却强度和冷却均匀度。冷却水沟槽的结构形式有纵向的、螺旋形的、环行的和井字形的等多种形式。卷取系统在板带铸轧生产系统中，牵引卷取系统是后续机组部分，主要由两辊牵引机、飞剪、五辊矫直机和卷取机组成。它们的任务是将铸轧出来的带坯顺利引送给后续剪切机剪头尾，矫直带坯，并进至卷取机对带坯进行卷取。当卷取机的钳口咬住带坯后，牵引机即可松开牵引辊，由矫直机承担带坯的牵引功能。

预热：整个浇注系统内，不应有潮气、油膜、氧化渣以及其他杂物存在。经整体装配并调试好后，入炉进行预热。预热温度为300℃左右，保温4h以上。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，即使勉强开了头，也会因供料嘴内由凝块而中断铸轧。因此浇汁系统预热温度是铸轧的基本工艺参数。板带铸轧工艺立板立板是板带连续铸轧的前提．高温金属液穿越流槽、前箱、横浇道、铸轧嘴和铸轧辊表面，此时形成半凝固状的碎铝块随着铸轧辊的旋转带出，被送入废铝收集槽，这是跑渣阶段。经过几分钟的跑渣，预热整个浇铸系统，认真观察铸轧辊带出的半凝固状的铝板有无异常现象，如果表面有白条说明该处嘴口有氧化物堵塞，要想办法疏通，直到正常为止。这时逐渐降低铸轧速度，前箱内的金属液温度应控制在正常工艺的上限。直到铸轧速度降到1000～1200mm/min时，就有固态板开始立起来。铸轧过程工艺控制板带连续铸轧过程的主要工艺参数有：浇铸温度、铸轧速度、前箱液面高度、铸轧区长度、冷却水强度等。根据铸轧生产机组的不同配置和生产方式，各工艺参数之间的关系也不尽相同。温度对铸轧速度的影响浇铸温度较高时——降低铸轧速度浇铸温度较低时——提高铸轧速度较低的铸轧速度有利于晶粒细化较高的铸轧速度有利于提高产量合理的制度应当是控制低的浇铸温度配以较高的铸轧速度铸轧区长度铸轧区包括液相区、结晶区和轧制区。特别是液相区的长度对铸轧速度、铸轧力、带坯质量都有一定的影响。

前箱液面高度为了保持铸轧过程液态金属连续不断地供给，可以由前箱液面高度产生的静压力来保证和控制。前箱液面的高度直接影响着板带铸轧过程的稳定性，太高时易破坏铸轧嘴间隙之间的氧化膜，太低时不易保证液态金属连续供给和对液态区的压力需要，或对金属结晶的致密性产生一定的影响，容易发生空洞和裂纹。因此，在保证板带铸轧过程能稳定进行的前提下，前箱液面的高度应略高一些为好。

金属液面高，压力增加，使氧化膜变薄，极易破坏。轻者板面出现氧化黑皮；严重时，造成铸轧中断。正常

金属液面低，氧化膜本身受压力较小，不易破坏，板面质量较佳。但金属液面过低时，则板面由于金属不足而易产生空洞缺陷。正常铸轧时金属液面高度示意图经验得知：h1为铸轧区高度的1/3，附加高度h2为5－10mm。冷却强度液态金属进入两个转向相反的铸轧辊辊缝之间，其热量主要靠通往铸轧辊内的冷却水将其带走。用单位时间内由冷却水带走的热量多少来表示冷却系统的冷却强度。冷却强度越大——铸轧速度就越快；冷却强度越低——铸轧速度就越慢；

冷却强度太低，铸轧液态区到带坯的温度梯度和辊套上的温度梯度都比较大，冷却不足会强化铸轧带坯组织带来的方向性，增加产品内部的偏析度，加剧辊套的热应力，缩短辊套的使用寿命。

提高冷却强度，可以提高生产效率。

冷却强度的提高要受到其他条件的制约。辊套材