薄帶近終形鑄造技術的研究現狀及未來

羅俊杰

（山西工程職業技術學院， 山西 太原 030009）

21世紀的材料加工工藝對低成本、節能節材、環境友好、便于自動化提出了較高的要求，材料近終形成形加工技術就是在此要求下興起的一種新興技術[1]。薄帶近終形成形是材料近終形成形加工的一個重要分支，是指將液態金屬澆注到各種形式的結晶器并直接凝固成形出厚度在0.1～10.0 mm左右的薄帶坯的工藝過程，按其形式主要可分為單輥法、雙輥法和輥帶式薄帶連鑄法[2]。由于省去了常規薄帶生產中大量的熱軋工序，節省了電能消耗，降低了成本，是未來極具前景的生產技術。

1 研究現狀

1.1 單輥法研究概況

國外機構著手這方面的研究比較早，比較有代表性的是浦項科技大學使用這種方法以0.17 m/s的輥速制備的79Ni-20Cr-1.0Si合金薄帶，澆鑄溫度和鑄輥溫度分別為1 610℃與50℃，并研究了鑄態顯微組織。同時，浦項科技大學又用同樣的方法制備了79Ni-Fe鑄態磁性箔材，工藝過程為：澆鑄溫度1 580℃，噴嘴加熱溫度1 200℃，鑄輥使用了Cu-40Zn合金。澆鑄完成后經30%的冷軋壓下量，1 100～1200℃退火后爐冷，成功制備了厚度為200～300μm、寬100 mm、長20 m的薄帶[3]。

西安理工大學使用Ni-32.5%Sn共晶合金，采用20～40 m/s的高輥速，制備出厚 20～35 μm、寬 0.8～2.0 mm、長1～2 m的快速凝固薄帶，并研究了鑄態組織[4]。

由于受工藝制約，單輥法制備的薄帶厚度通常小于1 mm，主要用于快速凝固的研究。該方法制備的薄帶上下表面存在冷速差，下表面的組織較細；且上表面在凝固過程中是自由表面，成形質量較差，故這種方法不適于商業化。

1.2 雙輥法研究概況

雙輥薄帶近終形鑄造被認為是極具潛力的新技術之一，隨著工業發展與科技進步，該技術的研究取得了一系列新成果。國外有代表性的是德國蒂森鋼鐵公司同IBF合作，于20世紀90年代成功開發一套垂直雙輥薄帶鑄機。澆鑄設備由感應爐、中間包及浸入式水口組成，結晶器由陶瓷側封板及鑲在鑄輥上的環形銅套組成，薄帶凝固成形后經小壓下量的熱軋、噴淋冷卻，最后控制卷曲，控制卷曲溫度可得到不同的組織，帶卷可實現不經退火而直接冷軋[5]。

我國寶鋼對雙輥薄帶連鑄工藝的開發做了大量的投入，經過20年的努力，于2003年建成Baostrip典型工廠。該試驗線從鑄機到卷取機的長度為54 m，整個工廠長為70 m，寬為36 m。兩個鑄輥是由一種特殊的銅合金為輥套的復合結構，特殊的輥面紋理和預處理，用來控制熱傳輸行為。一副可適應熱變形的側封板，通過高精度液壓缸壓在側封板上，使它們與鑄輥端面壓靠，從而保證它們之間的穩定密封。試驗線使用了熔池液位控制、輥縫位置控制及鑄輥驅動控制等一系列先進的控制系統。裝有一座軋制力達5 000 t、壓下量超過25%～40%的四輥熱軋機，可使出來的鑄帶直接熱軋而不需要再加熱[6]。

此外，我國的東北大學、北京科技大學和重慶大學也在這方面做了很多實驗性研究工作（包括數值模擬方面的研究），取得了一系列成果[7，8]。

除了傳統雙輥法的研究之外，為了提高薄帶坯凝固速率，真正在組織上產生快速凝固的效果，一些研究機構另辟蹊徑，開展了雙輥法的全新設計，如大阪工業大學與柏林工業大學研發了多種新型工藝，包括熔體拖拽法、靜水壓雙輥法、熔體注射法等[9-11]。雖然這些工藝尚不成熟，但為薄帶近終形成形技術的發展提出了新方向。

1.3 輥帶式薄帶連鑄的研究

輥帶式薄帶鑄造成形是將熔融金屬通過布流器溢流至由傳動輥帶動下向前運動的冷卻帶上，下表面通過與冷卻帶接觸直接發生凝固，上表面為自由面，整個凝固過程在保護氣氛下進行。

該工藝國外有代表性的是一個德國研究機構在一次冶金技術討論會上提出的輥帶式薄帶連鑄的實驗線，該線生產的鑄坯厚度范圍在10～15 mm，一般鑄速為10～12 m/min，估計冷速達100 K/s以上。當鑄坯厚度為15 mm時，經一輥熱軋軋至8 mm即可，生產一卷70 m長的帶鋼大概需要2～3 min。由于為單面冷卻，故存在上下表面的冷卻速度及組織差異，可通過后續熱機械處理調整該組織差異[12]。

2 存在的問題

2.1 成形方面存在的問題

1）凝固條件不穩定。模鑄或連鑄工藝中，液態金屬是在相對靜止狀態下凝固，因此鑄坯致密度高，裂紋相對少。而對于薄帶連鑄，由于液態金屬在熔池受鑄輥的作用，產生振動，液態金屬是在紊流中運動中凝固，這樣會增加卷氣和產生裂紋的幾率，一旦形成裂紋，薄帶坯很難通過后續加工予以消除的。

2）氧化燒損。由于凝固時液相暴露在空氣中的部位少，凝固后的錠或坯比表面積小，故氧化率低。而對于薄帶連鑄工藝，帶坯凝固后比表面積較大，增加了氧化燒損，酸洗后金屬收得率降低。

3）凝固的非同時性。由于鑄輥在沿寬度方向上的溫度分布不均，如鑄輥的中間溫度高，邊部溫度低，使薄帶坯凝固時沿寬度方向上呈非同時凝固。這樣增加了產生裂紋的機會。雖然鑄造裂紋可由鑄輥的微軋作用予以消除，但微軋壓下量較小，裂紋不能完全消除。

2.2 組織性能方面存在的問題

雖然薄帶近終形成形技術可以省去大量生產工序，但帶坯厚度較薄，面臨后續加工壓縮比不足的問題，未能充分發揮壓延加工對產品組織性能的優化作用，這樣就必須改善鑄態組織。如果薄帶坯較薄，凝固速率快，易于體現快速凝固的效果，即實現鑄態組織呈等軸狀且偏析少，但后續加工壓縮比不大，其他鑄態組織缺陷的消除效果不明顯；薄帶坯稍厚則凝固速率慢，導致鑄態組織與最終組織所差甚遠，后續加工壓縮比也不會太大，組織未能得到大的改善。

3 未來的展望

目前，薄帶近終形鑄造技術的研究已經取得了很大進展，而所面臨的問題也日趨明了，各種工藝形式的優點和弊端也日漸清晰。雖然至今尚未見到該技術已經產業化的報道，但這并不意味著此項研究已經接近終了，也并不意味著各種工藝所面臨的問題都無法解決。新的更合理的工藝形式還在不斷被設計研發，傳統工藝的不足也正逐步得到改善和優化，而且該工藝對于一些熱加工性能較差的材料如鑄鐵、硅鋼及一些沖壓鎂合金的帶材成形依然具有較為重要的價值。相信隨著工業的發展及先進控制技術的不斷涌現，薄帶近終形成形技術還會取得更大的發展，成功實現產業化也將不再遙遠。

4 結語

1）受到工藝制約，單輥法不適用于薄帶近終形成形，而雙輥法的研究存在對傳統工藝的改進及新工藝的設計，都已取得較大進展。國外對輥帶法已經開展了研究，而國內對輥帶法的研究略顯不足。

2）何種工藝率先成熟都將對冶金工業產生革命性的影響，應當引起足夠重視及支持。

3）薄帶連鑄工藝的設計水平及產品質量都體現了該研究機構的冶金工程設計能力，能提升該機構在業內的影響力。