短流程近終型

金屬材料短流程、近終形的生產(chǎn)工藝一、金屬材料的近終型生產(chǎn)工藝近終形連鑄是指在保證最終產(chǎn)品質(zhì)量所需壓下量的前提下,更接近于產(chǎn)品最終形狀的連鑄技術(shù)。主要包括薄板坯連鑄技術(shù)、薄帶連鑄技、噴霧沉積技術(shù)等。近終形連鑄技術(shù)是金屬材料研究領(lǐng)域里的一項(xiàng)前沿技術(shù),它的出現(xiàn)為冶金業(yè)帶來了革命性的變化,改變了傳統(tǒng)冶金工業(yè)中薄型鋼材的生產(chǎn)過程。傳統(tǒng)的薄型鋼材生產(chǎn)工藝包括多道次熱軋和反復(fù)冷軋等工序,工序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長能耗、產(chǎn)品成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大。采用薄帶連鑄技術(shù),能將連續(xù)鑄造軋制甚至熱處理融為一體設(shè)備投資減少生產(chǎn)工序簡化生產(chǎn)周期縮短產(chǎn)品成本顯著降低且產(chǎn)品質(zhì)量不亞于傳統(tǒng)工藝。此外,利用薄帶連鑄技術(shù)的快速凝固效應(yīng),還能生產(chǎn)出軋制工藝難以生產(chǎn)的材料以及具有特殊性能的新材料。薄板坯連鑄連軋自上世紀(jì)80年代末開發(fā)成功以來引起了冶金界的高度重視,成為繼氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、連續(xù)鑄鋼之后鋼鐵工業(yè)的又一次技術(shù)革命。至今,在短短的十多年里,薄板坯連鑄技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛,己有15個(gè)國家的31臺(tái)薄板連鑄連軋?jiān)O(shè)備投產(chǎn),其產(chǎn)量也激增到近4720萬噸。目前,世界上已建成的典型工藝流程有CPS、ISP、CONROLL、FTSR等。下面我們主要介紹一下CPS技術(shù)和FTSR技術(shù)：薄板連鑄技術(shù)1.1CPS技術(shù)CPS技術(shù)是由德國施羅曼一西馬克公司(SMS)開發(fā)成功的,是目前應(yīng)用最廣泛的薄板坯連鑄連軋工藝,已有19條生產(chǎn)線成功地投入了工業(yè)生產(chǎn)。CPS的工藝過程為:采用立彎式連鑄機(jī)生產(chǎn)厚50mm~60mm的鑄坯，經(jīng)分段剪后，送入輥底式均熱爐(120~185m)進(jìn)行加熱、均熱。薄板坯經(jīng)加熱爐入口段、加熱段和均熱段加速到20~30m/min進(jìn)入軋制工序。六機(jī)架精軋機(jī)組將厚50mm~60mm的鑄坯軋制成1.2~12.7mm的帶材,經(jīng)層流水簾冷卻后卷取。生產(chǎn)線全長約270m。優(yōu)點(diǎn):流程短、生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量好等。缺點(diǎn):對(duì)鋼水質(zhì)量要求高、難以生產(chǎn)很寬或較厚的鋼板、均熱爐設(shè)備尚未定型化等。1.2FTSR(FlexibleThinSlabRolling)技術(shù)該技術(shù)是由意大利月一涅利公司在薩伯拉里(Sabolarie)廠開發(fā)成功的。在薩伯拉里薄板坯廠取得成果的基礎(chǔ)上,丹涅利公司與美國聯(lián)合工程公司合作提出了靈活的薄板坯連鑄軋制技術(shù)FTSCR(FlexibleThinSlabcastingandRolling),以滿足操作靈活、規(guī)格范圍廣、產(chǎn)品質(zhì)量高的要求。生產(chǎn)規(guī)模在70~200萬噸/年,既有碳素鋼,也有合金鋼、不銹鋼,帶鋼厚度在2mm以下。FTSR主要技術(shù)特點(diǎn)是:F結(jié)晶器、液芯壓下和動(dòng)態(tài)軟壓下扇形段的使用。FTSR鑄機(jī)為立彎式,它可以在7.5mm/min的鑄速下,在結(jié)晶器出口處得到50~90mm厚的鑄坯,經(jīng)液芯壓下后，板坯厚度為30~70mm(sabolarie)。FTSR技術(shù)保持了CPS、IPS技術(shù)的特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn):鋼種澆鑄范圍較寬板坯尺寸范圍較大軋制過程操作靈活等缺點(diǎn):生產(chǎn)成本較高對(duì)鋼水質(zhì)量要求較高等。薄帶連鑄技術(shù)薄帶連鑄技術(shù)是近終形連鑄技術(shù)的主要組成部分,是指由連鑄機(jī)直接生產(chǎn)厚度為1~10mm薄帶坯的工藝過程。按成形的方法可分為三大類帶式、輥式和輥帶式。其中,薄帶連鑄技術(shù)主要進(jìn)展體現(xiàn)在雙輥薄帶連鑄工藝的發(fā)展上。目前雙輥薄帶連鑄技術(shù)主要集中在鑄機(jī)和工藝研究、薄帶的組織和性能研究,以及數(shù)學(xué)模型的建立和應(yīng)用研究三個(gè)方面。2.1在鑄機(jī)和工藝研究日本的新日鐵與三菱重工從1985年就合作開發(fā)雙輥薄帶連鑄技術(shù),到目前已建成了較為完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括自動(dòng)起動(dòng)邏輯控制系統(tǒng)、浸入式水口深度控制系統(tǒng)、鋼液液位控制系統(tǒng)、鑄輥間隙和壓力控制系統(tǒng)、鑄輥線速度控制系統(tǒng)等。鑄輥材質(zhì)為不銹鋼輥軸銅合金輥套輥套上鍍銅鎳保護(hù)層。目前已成功地生產(chǎn)出1.6~5mm厚,800~1330mm寬的不銹鋼帶。鑄機(jī)鑄速最高可達(dá)130m/min,卷重可達(dá)10噸。所生產(chǎn)的薄鋼帶品質(zhì)優(yōu)良,其力學(xué)性能和抗腐蝕性能已達(dá)到或超過傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鋼帶。于1996年投建的另一條主要用于304不銹鋼生產(chǎn)的工業(yè)規(guī)模雙輥鑄機(jī),據(jù)稱鋼包容量60噸,帶鋼厚度2~5mm,寬度760~1330,帶鋼生產(chǎn)能力為3.5萬噸/月。異徑雙輥薄帶連鑄技術(shù)由于具有設(shè)備簡單、整體澆鑄系統(tǒng)封閉好無二次氧化和側(cè)封容易解決等優(yōu)點(diǎn)而得到大力研發(fā)。日本金屬工業(yè)公司與德國的克虜伯公司合作,于1990年建成了一臺(tái)小輥位于大輥上方呈20°傾角的異徑雙輥試驗(yàn)鑄機(jī)。鋼水被旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)永?待小輥浸入鋼水后,凝固成層,隨即被大小輥擠壓熔合為一。鑄機(jī)的邊緣密封靠凸緣部件來保證,連鑄鋼水向巨流動(dòng)以避免漏鋼。凝固疏松在0.2mm厚以內(nèi),晶粒細(xì)小。該工藝可解決難軋金屬成形問題。生產(chǎn)的高合金鋼帶1~5mm厚,700~1050mm寬，鑄速30~60m/min,最大卷重可達(dá)4.5噸。此外德國Thyseen鋼鐵公司開發(fā)的異徑雙輥鑄機(jī)也能在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出0.3~3mm厚、150mm寬的碳鋼、高硅鋼帶。目前正在發(fā)展先進(jìn)的控制技術(shù),使鑄速可達(dá)24~180m/min。薄帶組織和性能的研究現(xiàn)狀雙輥薄帶凝固屬亞快速凝固過程（冷卻速度約為100°C/s），它既不同于凝固速率較慢的常規(guī)鑄造,也不同于急冷快速凝固,這就使其凝固組織和性能有獨(dú)特之處。美國Shiang等一對(duì)雙輥低碳鋼薄帶的鑄態(tài)組織和冷軋后的熱處理組織進(jìn)行研究,結(jié)果表明,由丁極快的冷卻速度,薄帶的枝晶組織較細(xì)顯微組織主要山魏氏體和鐵素體組成如果奧氏體晶粒比較粗大、冷卻速度又較快,先共析鐵素體往往沿著奧氏體的一定晶面呈針片狀析出形成魏氏體熱處理對(duì)薄帶鋼組織的影響完全取決于材料中AL的含量，因?yàn)楸ЫM織中沉積的AIN能夠在退火過程中阻礙鐵素體晶粒的生長。此外,其他研究者對(duì)雙輥薄帶的組織和性能也進(jìn)行了初步的研究?？偟膩砜?已完成的顯微組織研究主要涉及碳鋼、硅鋼、不銹鋼的枝晶組織,只有少數(shù)文章涉及到了變形及熱處理組織,關(guān)于性能方面的研究則更少。模型的研究現(xiàn)狀數(shù)學(xué)模型的建立有助于定量描述和預(yù)測薄帶連鑄過程中的傳熱傳質(zhì)過程以及組織形成的變化規(guī)律,從而更精確地控制生產(chǎn)過程,為提高薄帶產(chǎn)品質(zhì)量和性能提供理論依據(jù)。雙輥薄帶連鑄技術(shù)在過去的多100年里進(jìn)展十分緩慢,或多或少與缺乏數(shù)學(xué)模型的研究有關(guān)。近10多年來,雙輥薄帶連鑄技術(shù)的數(shù)學(xué)模型研究引起廣泛關(guān)注。自麻省理工學(xué)院首先報(bào)道了他們?cè)陔p輥常規(guī)鑄造和流變鑄造上的數(shù)學(xué)模型的研究成果之后,日本、德國、英國、中國等國家也相繼展開了對(duì)雙輥薄帶數(shù)學(xué)模型的研究,并取得不少的成果。Miyazawa等建立了包括液體流動(dòng)、固體變形及傳熱過程在內(nèi)的綜合數(shù)學(xué)模型,在模型中,把液相區(qū)的流動(dòng)處理為層流,固相按塑性變形處,并利用該模型計(jì)算了流速分布、壓力分布及溫度分布,分析了流動(dòng)和變形對(duì)傳熱及凝固組織形成的影響,但該模型只針對(duì)鋁合金進(jìn)行模擬計(jì)算。Hwang等在考慮了從開始澆注到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之間的整個(gè)過程的基礎(chǔ)上,建立包括液體流動(dòng)、傳熱和凝固的綜合數(shù)學(xué)模型,并采用有限元法來求解傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量方程,用熱焙法來處理結(jié)晶潛熱,用流體體積法（VOF）來處理流體流動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)自由表面，模擬了雙輥薄帶凝固過程中液體的充填、流場和溫度場。重慶大學(xué)的梁小平首次把紊流流動(dòng)模型引入宏觀傳熱模型中,建立了雙輥薄帶連鑄過程的綜合傳熱數(shù)學(xué)模型,模擬出了薄帶凝固過程中的溫度場,并利用該溫度場對(duì)全凝固點(diǎn)位置等進(jìn)行了預(yù)測。二、金屬材料的短流程生產(chǎn)工藝1.就一些先進(jìn)工業(yè)化的國家而言國內(nèi)的工農(nóng)業(yè)建設(shè)已經(jīng)相當(dāng)現(xiàn)代化了,作為工業(yè)化建設(shè)的鋼鐵材料工,其生產(chǎn)已趨于飽和狀態(tài),目前所生產(chǎn)的鋼鐵材料主要是用于國內(nèi)設(shè)備更新替換和外銷。特別是進(jìn)入信息社的今天,任何行業(yè)的生產(chǎn)必定是按社會(huì)需要和市場的需求來進(jìn)行生產(chǎn)。在這種情況下,所以他們提出今后不再新建500萬噸以上甚至千萬噸級(jí)的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè),要建也就是建百萬噸級(jí)的企業(yè),其選用的工藝流程是熔融還原煉鐵法—氧氣轉(zhuǎn)爐煉—爐外精煉（包括分微）—連注、連軋。這種短流程的特點(diǎn)是省去了燒結(jié)焦化和初軋工序。熔融還原煉鐵所產(chǎn)生廢氣屬中發(fā)熱值煤氣,可以作本企業(yè)的燃料,也可以作為進(jìn)一步深加工轉(zhuǎn)化的化肥原料。氧氣轉(zhuǎn)爐在其煤氣回收后可以做到零能或負(fù)能煉鋼。所以綜合效益將超過現(xiàn)代化高爐流惶,而且它有應(yīng)付市場萬變具有掉頭快的優(yōu)點(diǎn)。2?根據(jù)某地礦石儲(chǔ)量以及能源狀況，選corex法熔融還原煉鐵流程,鑒于國內(nèi)尚無這樣的工業(yè)化裝置的情況下,加之引進(jìn)奧鋼聯(lián)技術(shù)沒有資金,所以打算采用“抓中間帶兩頭”的建廠方針。所謂“抓中間”就是先上一臺(tái)直流電弧爐,預(yù)留上第二臺(tái)爐子的位置,用廢鋼先生產(chǎn)鋼錠,軋鋼先出產(chǎn)品積累資金,然后從上伸延擴(kuò)建生產(chǎn)金屬化球團(tuán)代替將來廢鋼不足的矛盾,使原料逐步過渡到廢鋼金屬化球團(tuán)或全部金屬化球團(tuán)；從下延伸擴(kuò)建上爐外精煉和連注連軋其工藝流程最終將是“金屬化球團(tuán)一一直流電弧爐煉鋼—爐外精煉—連注、連軋”短工藝流程。至于今后的連注是上“水平連注還是薄帶連注”,要由國內(nèi)市場需求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來決定。選這種短工藝流程的優(yōu)點(diǎn)有①采用了當(dāng)代最新工藝技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益高，競爭能力強(qiáng)。②技術(shù)可靠流程短，節(jié)能顯著。③邊投入邊產(chǎn)出以自我積累滾動(dòng)式發(fā)展，不靠大量貸款建廠，不負(fù)債建設(shè)。④此工藝流程對(duì)國內(nèi)有示范作用。鋁合金哈茲列特連鑄連軋工藝哈茲列特連鑄連軋生產(chǎn)線是美國哈茲列特公司開發(fā)、研制成功的從20世紀(jì)60年代第一臺(tái)商業(yè)化的哈茲列特鑄機(jī)投入使用,迄今為止全球已有60多臺(tái)設(shè)備分別用于銅、鋁、鋅的帶坯及條坯生產(chǎn)。哈茲列特雙帶鑄造機(jī)哈茲列特鑄造機(jī)是在雙輥式板帶鑄造機(jī)（1896年）工藝進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,1947年獲得專利。這種雙帶式鑄造機(jī)的工作原理采用運(yùn)動(dòng)鑄模,即用兩條完全張緊的上下平行運(yùn)動(dòng)的環(huán)形鋼帶和兩側(cè)同步運(yùn)行的鏈?zhǔn)骄匦谓饘贀鯄K形成一副鑄造模腔。帶坯寬度的調(diào)整是通過變動(dòng)兩側(cè)擋塊（活動(dòng)塊鏈）來實(shí)現(xiàn)的,按照所需寬度將檔塊隔開構(gòu)成模腔的側(cè)壁。冷卻采用哈茲列特自身開發(fā)的專用技術(shù)一高效快速水膜冷卻技術(shù)。根據(jù)合金品種不同,鑄造速度、帶坯鑄模的長度也不盡相同?，F(xiàn)一般鑄模的標(biāo)準(zhǔn)長度為1900mm,對(duì)高速鑄機(jī)鑄模的長度最大可達(dá)2360mm?，F(xiàn)可提供的最大鑄造寬度為1930mm。鋁帶坯鑄坯厚度一般為18~19mm。哈茲列特雙帶鑄造機(jī)主要應(yīng)用自身研發(fā)的新技術(shù)包括:鋼帶感應(yīng)預(yù)加熱技術(shù)。即在鑄造時(shí)為防止鋼帶進(jìn)入模腔突然發(fā)生彎曲和熱變形影響帶坯的板形質(zhì)量,在鋼帶進(jìn)入模腔前通過感應(yīng)加熱方式將鋼帶瞬時(shí)加熱至150°C,同時(shí)將鋼帶表面的水汽驅(qū)除殆盡，避免了水汽對(duì)熱傳輸?shù)牟涣加绊?永磁輥式支承鋼帶技術(shù)。由于鋼帶接觸高溫鋁液必將產(chǎn)生一定的熱變形。采用Nd-Fe-B復(fù)合材料作磁體制成的支承輥有效地消除了鋼帶受熱可能產(chǎn)生的微變形;惰性氣體保護(hù)技術(shù)。較低壓力的惰性氣體從陶瓷鑄嘴的小孔中噴出注入到鋁水與鑄模之間的表面,不僅有效地防止了鋁液(鑄錠)表面的氧化,且對(duì)熱傳輸速度起到很好的控制作用;鋼帶(鑄模)表面涂層技術(shù)。采用永久性Matrix型陶瓷涂層工藝將納米級(jí)二氧化硅材料用火焰或等離子噴涂在鋼帶表面。此技術(shù)可方便脫模,并可獲得最佳的鑄坯表面質(zhì)量。據(jù)報(bào)道,哈茲列特公司為美鋁(Alcoa)公司設(shè)計(jì)制造的2500mm連鑄機(jī)也已投入使用,用于汽車蒙皮帶坯的生產(chǎn)。哈氏鑄造機(jī)在鑄造鋁合金帶坯時(shí)的鑄造速度通常為10m/min,最高可達(dá)15m/min。鑄