輕金屬鑄連軋新工藝及理論研究

秋海濱，張 明

(1.中冶京誠工程技術有限公司，北京100176；2.北京圣實冶金設備有限公司，北京 100071)

目前，金屬板坯生產有熱軋、鑄軋和連鑄連軋三種工藝方法。經過近40年的努力，金屬鑄連軋方法及設備取得了國家發明專利[1]，它是在連鑄連軋和鑄軋技術基礎上提出的一種金屬板坯生產新工藝。本文在對金屬板坯連鑄、連鑄連軋、鑄軋、熱軋和鑄連軋進行介紹的基礎上，結合連鑄和鑄軋工藝對鑄連軋方法進行闡述，進而對鑄連軋板坯凝固過程進行研究。

1 金屬板坯連鑄及壓力加工

通常所說的金屬主要是指鋼、鋁、銅及其合金。此外，如鎂、鈦、鉛、鋅及其合金的用量較少，難以形成一門獨立的行業。因此，文中金屬板坯連鑄及壓力加工是針對鋼、鋁、銅及其合金而言。

1.1 連續鑄造(continuous casting)(簡稱連鑄)

連鑄是把金屬熔體直接連續澆鑄成板坯的技術。鋼板坯連鑄大多是垂直式，圖1是鋼連鑄機流程。世界上第一臺工業化鋼連鑄機1951年在前蘇聯(紅十月)冶金廠建成[2]。鋁板坯大多是水平連鑄，較成熟的是美國哈茲萊特(Hazelett)公司水平式連鑄機，它將鋁熔體注入一對水外冷循環鋼帶間隙，直接鑄造出12mm～45mm厚的板坯。

圖1 鋼連鑄機示意Fig.1 Schematic of steel continuous casting machine

銅連鑄形式有水平式和垂直式兩種，圖2是水平式連鑄機。垂直式連鑄機和鋼的連鑄機形式相近，不同點是鋼鑄造成形后要經過高壓除鱗，鑄坯大多是板錠，銅鑄造成形后需要經過銑面，最終卷成卷材。

圖2 水平式銅板坯連鑄機示意Fig.2 Schematic of horizontal copper slab caster

1.2 連鑄連軋(continuous casting and direct rolling)(簡稱CC-DR)

把金屬熔體連續注入連鑄機(結晶器)鑄造出板坯，不經冷卻直接進入熱連軋機組，軋制成卷材的方法。連鑄連軋把鑄造和軋制兩種工藝結合在了一起，相比傳統的先鑄造出板坯，后經過加熱爐加熱，再進行軋制的方法，具有簡化工藝、改善勞動條件、增加金屬收得率、減少能耗、提高連鑄坯質量、便于實現機械化和自動化生產的優點。

鋼連鑄連軋過程如圖3所示。由鋼水連鑄出的板坯不經過冷卻直接送入均熱爐中保溫或升溫一定時間后，進入熱連軋機組，軋制成卷材。世界上第一套鋼連鑄連軋機組由德國西馬克(SMS)公司制造，并于1989年6月在美國紐柯(Nucor)鋼鐵公司投入工業化生產[3]。

圖3 鋼連鑄連軋機示意Fig.3 Steel continuous casting rolling mill

鋁板帶連鑄連軋工藝始于上世紀50年代，典型的連鑄連軋機由美國哈茲萊特公司在1956年首次研制成功[4]，工藝流程如圖4所示，它將連鑄機鑄造出的板坯經1～3個機架直接軋制成卷材。

圖4 哈茲萊特(Hazelett)連鑄連軋生產線Fig.4 Hazelett continuous casting and rolling production line

目前，國內研究鋁連鑄連軋工藝的人員較少，引進的兩條哈茲萊特機組生產中尚存在一定的問題，推廣應用受到了限制。加之鋁的化學活潑性和高溫粘滯性，導致鋁連鑄連軋難以在線去除表面鑄造缺陷和氧化層。因此，鋁連鑄連軋很難生產高品質的產品，進一步限制了鋁連鑄連軋工藝的應用。銅板帶市場需求量相對較低，連鑄連軋技術在銅板帶加工領域的應用很少。

1.3 連續鑄造軋制(continuous casting-rolling)(簡稱鑄軋)

鑄軋也稱無錠軋制，它源自英國人貝塞麥(Bessemer)1846年提出的從兩個水內冷旋轉輥上方澆注金屬液，金屬液在輥縫間隙結晶、變形后從下端引出帶坯的方法，受當時技術水平的限制，此法沒有獲得成功[5]。鋼鑄軋是20世紀90年代由紐柯鋼鐵公司開發成功的一種近終形板材成形工藝，其優點是可以直接將鋼水鑄造并軋制出1mm～2mm厚的金屬板材。圖5是鋼薄帶鑄軋成形原理及生產線流程，鋼水在兩個旋轉的水內冷軋輥上方注入輥縫間，以很短的時間(3s～5s)完成結晶和熱軋兩個過程(圖5(a))[6]。

圖5 鋼薄帶鑄軋成形原理及生產線流程Fig.5 Forming principle and production line of steel strip casting and rolling

世界上第一條Castrip(超薄鑄帶untra-thin cast strip)生產線2002年5月在美國印第安州的紐克工廠建成，生產線全長60m，年生產能力50萬t/a[7]。鋁鑄軋工藝是1955年由美國亨特·道格拉斯(Hunter， Douglas)兩家公司聯合開發的,將鋁液從旋轉的雙水內冷輥底部注入輥縫間、結晶、軋制變形后從上端引出帶坯。由于底注式操作不便，1962年亨特(Hunte)公司又開發出了傾斜式鑄軋機。隨后，法國斯卡爾(Scal)公司又研制出了直立式鑄軋機[5]。

鑄軋工藝中軋輥兼結晶器，將鑄造與軋制融為一體，極大地減化了熱軋工藝，減少設備投資，開辟了鋁板帶生產的新途徑。鑄軋機可直接由鋁水生產出2mm～12mm厚的卷材，大大降低了鋁板帶的生產成本。然而，鑄軋機受冷卻區長度和冷卻強度有限的制約，生產的材料范圍較窄、熱變形量小、深沖性不好、產量低，這些問題限制了鑄軋工藝的發展。盡管幾十年來世界各國投入巨資，冶金工作者開展了大量的實驗和理論研究，鋁鑄軋工藝仍然沒有取得突破性進展。

1.4 熱軋工藝(hot rolling process)

鋁熱軋工藝是將立式半連續鑄造好的板坯在常溫下經表面銑削后，加熱到結晶溫度和熔化溫度之間，再經過多道次連續軋制，達到預定厚度卷成卷材的過程。圖6是鋁板帶熱軋工藝流程。通常熱軋坯料300mm～600mm厚，軋制到3mm～6mm，產品涵蓋全系列變形鋁合金。熱軋產品范圍廣，質量好，產量大。但是，熱軋生產線投資大，生產靈活性差，能耗高。

截至到2015年，國外有80%，國內有45%左右的鋁板坯仍然采用熱軋工藝進行生產(注：數據來自中色科技(CNPT)可研報告)。相反的是，自1989年第一套鋼連鑄連軋機組誕生以來，到2015年為止，世界范圍內已有95%以上鋼板坯采用連鑄連軋工藝生產，熱軋工藝生產鋼坯的工廠已經極為罕見。其主要原因是，鋁的高溫粘滯性導致鋁連鑄連軋難以在線去除鑄坯的表面缺陷，進而嚴重影響了產品質量，這正是鋁連鑄連軋不能替代熱軋(半連續鑄造)工藝的問題所在。盡管世界各國冶金工作者進行了大量的實驗和理論研究，鋁連鑄連軋工藝至今仍沒有取得像鋼連鑄連軋技術那種突破性的進展。

圖6 鋁板帶熱軋工藝流程Fig.6 Hot rolling process of aluminum strip

1.5 鑄連軋工藝(casting and rolling process)

將金屬熔體連續注入一個與軋輥對接的水冷式結晶器內部，熔體在結晶器內部快速冷卻，離開結晶器前凝固或凝固成帶液芯的坯殼，在后續熔體的推送下連續鑄造出1.2mm～45mm厚的鑄坯，鑄坯在金屬固相線溫度和結晶溫度之間，進入軋輥，經過5%～75%的軋制變形，軋制到預定厚度，并以1.5m/min～75m/min的速度離開軋輥，切頭后卷成卷材的過程[8]，筆者將其定義為金屬鑄連軋工藝。 圖7是鑄連軋生產線及成形原理；(a)是鑄連軋生產線示意圖，生產鋁合金時不能銑面，生產銅合金時熱連軋之前需要銑面；(b)是鑄連軋成形原理，與鑄軋工藝中鑄嘴不同的是，鑄連軋的結晶器具有將金屬熔體均布到輥面和冷卻凝固的雙重作用，鑄坯的軋制由軋輥完成。

圖7 鑄連軋生產線及板坯成形原理Fig.7 Continuous casting and rolling production line and slab forming principle

2 連鑄、鑄軋和鑄連軋板坯凝固-軋制原理及工藝特征

金屬凝固是一個熱量傳輸和晶粒生成長大的過程。金屬的凝固還伴隨著體積變化、氣體脫溶和元素偏析等現象。絕大部分金屬材料是在液態中純化，調整成分，澆鑄成形，再加工成材的。金屬凝固-軋制工藝不但決定了板坯的結構、組織和性能，而且還影響著以后的塑性加工和熱處理。為此，筆者發明了一種“金屬鑄連軋方法及設備”，能減少連鑄板坯的表面缺陷，也能減少中心疏松和偏析，解決鑄軋機冷卻區長度和冷卻強度有限的問題，開創了一條高效生產高品質輕金屬板材的新途徑。

2.1 連鑄坯凝固-輕壓下原理

圖8是鋼連鑄坯凝固-輕壓下原理，離開結晶器的鑄坯進入扇形拉矯輕壓下段，經水噴淋二次冷卻，同時在輥縫可調扇形段/拉矯機的作用下，對鑄坯進行輕壓下(各點壓下量≤2%)，以彌補鑄坯的熱收縮，進而減小中心疏松和偏析。圖中結晶器長度可以根據金屬的凝固特性、鑄坯厚度、拉坯速度和結晶器的冷卻強度而設計。

圖8 連鑄坯凝固-輕壓下原理Fig.8 Principle of solidification-light pressure of continuous casting billet

為了兼顧連鑄機生產效率和保證結晶器安全工作，鋼水從結晶器彎月面處開始凝固，到出結晶器時要形成一定厚度的坯殼，這一過程所放出的熱量需要冷卻水帶走。理論上講，所帶走的熱量Q(kJ/min)為[9]：

Q=L·e·v·p·[cv·(Tc-T1)+

Lf+cs·(Ts-T0)]

(1)

式中，L為結晶器周長，m；e為出結晶器的平均坯殼厚度，m；v為拉速，m/min；p為熔體(鋼水)密度，kg/m3；cv為熔體(鋼)比熱容，kJ/(kg·k)；cs為固體金屬(鋼)比熱容，kJ/(kg·k)；Tc為液相線溫度，℃；T1為固相線溫度，℃；Lf為凝固潛熱，kJ/kg；Ts為液態金屬流入結晶器時的溫度，℃；T0為出結晶器坯殼溫度，℃。

由于鋼的連鑄坯較厚，并且為了提高效率，生產時盡量提高拉坯速度。因此，鋼連鑄生產中鑄坯的液芯較長(6m～25m)。資料顯示，由澆鑄溫度到室溫，鋼水在凝固過程中，約有40%的熱量是在結晶器到液穴凝固終點之間放出的，60%的熱量是鑄坯完全凝固后放出的。通過在液穴范圍內對特定鋼種凝固散熱的計算可知，完全由結晶器所帶走的熱量不足40%中的一半[9]。由此可知，連鑄結晶器所帶走的熱量只是凝固熱量的一小部分，這正是連鑄工藝高產的熱力學基礎。

此外，伴隨著連鑄坯凝固末端附近施加壓力(熱應力和機械應力)以產生一定的壓下量，阻礙含富集偏析元素的鋼液流動從而消除中心偏析，同時補償連鑄坯的凝固收縮量以消除中心疏松，即為鑄坯凝固末端輕壓下技術[10]，對提高鑄坯性能起到了重要作用。

輕壓下技術分靜態輕壓下和動態輕壓下，靜態輕壓下概念是1974年日本NKK第一次提出來的，即在鑄坯的兩相區末端采用至少兩對輥子對鑄坯表面進行壓下，可提高鑄坯中心致密度，減少中心偏析與疏松。由于拉速、過熱度、鋼種等參數的變化，導致凝固末端兩相區位置不能穩定在輕壓下輥范圍內，從而造成鑄坯中心質量不穩定，使其應用受到了很大限制。為此，20世紀90年代末，出現了能夠跟蹤凝固終點，并能根據凝固終點的變化實時調整輥縫和壓輥壓下位置的動態輕壓下方法。表1是輕壓下技術的發展過程[11]。

表1 輕壓下技術發展過程

連鑄輕壓下核心工藝參數包括壓下區間、壓下量、壓下率、壓下速率和壓下效率，如圖9所示。壓下區間是指壓下量的作用區域，常用鑄坯中心固相率fs表示，在0～1之間；壓下量是指壓下點鑄坯進出口的厚度差(單位：mm)；壓下率指沿拉坯方向單位長度內實施的壓下量(單位：mm/m)；壓下速率指單位時間內的壓下量(單位：mm/s)。由于壓下過程中鑄坯的延展和寬展變形，使鑄坯表面壓下量不能反映液芯受擠壓變形的程度，因此用壓下效率表征壓下變形時壓下量傳遞到液芯的效率。目前，理論上對壓下區間選取的研究較少，主要是根據連鑄坯凝固末端兩相區鋼液流動性提出的定性壓下區間選取模型[11]。

公式(2)是祭程[11]給出的壓下量理論計算方法;公式(3)是林啟勇[11]給出的壓下率理論計算方法;

圖9 輕壓下核心工藝參數示意Fig.9 Schematic of core process parameters of light pressure

(2)

(3)

公式(4)是Ito等人[11]提出的壓下效率經驗計算方法：

(4)

連鑄連軋工藝之所以能在鋼板帶生產中得到廣泛的應用，除了較傳統工藝在節省投資、節能、降低生產成本和提高產品質量等方面有顯著的優點外，連鑄連軋在工程技術和理論研究方面仍然有很大的發展空間。

2.2 鑄軋坯凝固-軋制原理

圖10是鋁鑄軋機板坯凝固-軋制原理，圖中的鑄嘴是金屬熔體分配器，沒有冷卻作用，結晶器由軋輥充當，冷卻區長度L鑄(mm)的計算公式[12]如下：

(5)

式中,σbz為表面張力系數，N/mm；ρy為金屬(鋁)熔體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；cv為熔體(鋁)比熱容，kJ/(kg·k)；λys為金屬溶液與冷卻水之間的導熱系數，J/(cm·s·℃)；Ty為金屬(鋁)熔體溫度，℃；Ts為冷卻水溫度，℃；△T為金屬(鋁)熔體過熱溫度，℃；S1為前箱液面與供料嘴液面的高度差，mm；V1為出坯速度，m/s；V2為金屬(鋁)熔體凝固速度，m/s；h1為鑄坯出口厚度，mm；Δh為絕對壓下量，mm；t為冷凝時間，s；R大為大鑄軋輥半徑，mm。

凝固過程中，軋輥冷卻水帶走的熱量Q鑄(kJ/min)[13]為：

Q鑄=L鑄·e·v·p·[cv·(Tc-T1)+Lf+cs·(Ts-T0)]

(6)

圖10 鑄軋坯凝固-軋制原理Fig.10 Principle of solidification and rolling of cast rolling billet

由公式(5)可以看出，除鑄軋材料的冶金特性外，綜合分析，R大、h1及Δh對冷卻區長度影響明顯。當軋機確定之后，增大板厚h1及板材的變形量Δh有利于加大鑄軋區長度。然而，鑄軋工藝通常板坯厚度<12mm，變形量<15%。因此，增大鑄軋機冷卻區長度，最有效的方法是增大軋輥半徑，這一點也為實踐所證實。

目前，國內大約有一千條鑄軋生產線，盡管鑄軋輥直徑已由Φ600mm增加到了Φ1200mm，但冷卻區長度(≤80mm)并沒有顯著增大。而且，兼作結晶器的軋輥為了抵御軋制材料變形抗力的影響，軋輥輥套要有一定的厚度。加之，鑄軋機生產的板坯較薄，在離開軋輥時已經完全固化，使鑄坯失去了二次冷卻的意義。這些都是限制鑄軋工藝冷卻能力和冷卻強度的重要因素，正是這些特性，決定了鑄軋工藝很難生產厚度大于12mm，固液相線溫差大于45℃的鋁合金，以及生產7mm厚鑄坯時速度不能大于1.5m/min。這也是鑄軋工藝難以替代熱軋和連鑄連軋工藝的原因所在。其次，受鑄軋工藝冷卻空間狹小的限制，無法在鑄坯結晶區域內對熔體實施各種方式的擾動，喪失了改善鑄坯中心偏析的條件。加之鑄坯較薄，很難滿足大多數產品對厚度變形系數的要求，進一步制約了鑄軋工藝的產品范圍和性能。

2.3 鑄連軋坯凝固-軋制原理

圖11是鑄連軋板坯凝固-軋制原理，圖中結晶器長度可以根據產品的凝固特性、鑄坯厚度、鑄軋速度和結晶器的冷卻強度而設計。鑄連軋凝固-軋制過程中的熱平衡關系如下：

Qz1=Qj+Qg-Qy

(7)

式中，Qz1為凝固-軋制過程中的總熱量，kJ/min；Qj為結晶器帶走的熱量，kJ/min；Qg為軋輥帶走的熱量，kJ/min；Qy為軋制變形產生的熱量，kJ/min。

圖11 鑄連軋坯凝固-軋制原理Fig.11 Principle of solidification and rolling of continuous casting rolling billet

實際生產中，軋輥帶走的熱量和軋制變形所產生的熱量相互抵消一部分，其余熱量較結晶器帶走的熱量小得多，可以忽略不計。因此，公式(7)可以近似地表達為Qzl≈Qj，凝固-軋制過程中的總熱量為：

Qz1=Lj·e·v·p·[Ce·(Tc-T1)+Lf+

cs·(Ts-T0)]

(8)

公式(8)中，結晶器冷卻區長度Lj理論上不受限制，實際應為320mm～980mm。因此，鑄連軋機打破了鑄軋機冷卻區長度和冷卻強度的制約，結晶器帶走的熱量可以根據生產需要提前設定，這正是鑄連軋工藝高產和不受金屬固-液相線溫差限制的熱力學基礎。

傳統金屬板材生產中，為了解決金屬表面的氧化和鑄造缺陷問題，鋼板坯采用高壓除磷，鋁板坯采用離線銑面，銅板坯采用在線或離線銑面的方式。或在鑄造機(結晶器)和熱軋機之間設置密封罩，生產時罩內通惰性氣體，以防止帶材表面氧化。鑄連軋機將結晶器與軋輥對接，避免了鑄連軋過程中板坯表面氧化和鑄造缺陷的產生，提高了產品質量，拓寬了產品及厚度范圍，并極大地簡化了工藝環節，降低了設備和生產成本。由結晶器替代鑄嘴，將鑄造與軋制分離，從而擺脫了鑄軋機輥徑對冷卻區長度和輥套對冷卻強度的制約。擺脫鑄造功能的軋輥可由水內冷結構改為實芯輥，生產時輥面熱交變應力顯著降低，提高了軋輥使用壽命、產量和產品質量。鑄連軋機能在不停機時調節板厚和板形，結晶器可以重復使用。

2.4 連鑄、鑄軋和鑄連軋工藝特征

表2列舉了鋼連鑄連軋、鋁鑄軋和鑄連軋主要工藝參數，可以看到三種工藝參數區別較大，技術內容完全不同。鑄連軋鑄坯凝固區只有一個壓下點，壓下量大，鑄坯薄，壓下區間小，液芯淺。所以，在鑄連軋機生產中，通過調節冷卻強度(結晶器冷卻水量)和軋機速度可以起到動態輕壓下的效果，并能避免表面鑄造缺陷。

表2 連鑄連軋和鑄連軋主要工藝參數

3 結束語

迄今為止，尚沒有針對金屬板帶鑄連軋生產工藝技術的報道。鋼板帶連鑄連軋工藝從誕生至今取得了重大進展，其產品占總產量的95%以上。而目前，鋁連鑄連軋板帶占比不到5%。針對這一問題，希望能夠找到合作單位，共同展開對“金屬鑄連軋方法及設備”的中試和工業化應用研究，以促進輕金屬壓延行業的技術進步。