连续铸轧技术综述

连续铸轧技术综述摘要：本文简述了连续铸轧技术基本原理、双辊式薄带连续铸轧工艺特点，并讨论了一些工艺参数对铸轧坯料质量的影响。

介绍了连续铸轧技术当前国内外发展应用现状，在此基础上展望了连续铸轧技术的难点及未来研究方向。

1.前言19 世纪中叶，Henry Bessemer 发明了双辊铸轧薄带技术，并将此技术进行专利申请，之后各国科研人员便开始对这项技术进行研究。

随着这些年来其他相关领域的技术的持续发展，这一设想才变为现实。

双辊式薄带铸轧技术是目前最热门、最有潜力的技术，近几十年这一技术在实验室才得以实现。

一些发达国家对双辊铸轧技术的研究处于领先地位，已经率先实现工业化生产。

相对于发达国家来说，我国的发展速度较为缓慢，对该技术的研究仍处于实验室生产阶段。

双辊式连续铸轧薄带是以液态金属为原料，将其倒入旋转方向相反的两个铸轧辊之间，并以铸轧辊为结晶器，用液态金属直接生产金属薄带的一个完整的生产过程。

其工艺特点是将铸造和轧制这两道工序在同一台设备上实现合二为一，与传统热轧工艺相比减少了工序，简化了生产设备，降低了生产成本，节约了能源。

因此，这一项技术的研究在工业合金板材生产中十分重要。

2.双辊式薄带铸轧技术的发展概况2.1 国内铸轧技术的发展从 20 世纪 50 年代至今，我国的科研人员就一直对薄带铸轧技术进行研究工作。

在经历了几十年的科研努力后，我国已经将双辊薄带连铸技术实现了实验室内的生产，目前正在向其工业化生产进行努力。

我国国内的洛阳铜业有限公司，首次实现了双辊薄带铸轧技术的商业化开发[1]，并于 2005 年试验性地轧制出了变形镁合金薄带。

1960 年前后，经过东北大学与其他研究机构的努力合作，在长春建立了双辊式薄带铸轧生产试验线，并且成功地铸轧出了碳素钢、硅钢和高速钢板带，在这些实验中，高速钢的成果比较理想。

我国前两台双辊式异径铸机都是由东北大学在上世纪 80 年代设立完毕，且东北大学的研究者分别用此设备成功的铸出了能加工出合格工具的高速钢薄带原材料。

在之后几年时间里，同时也在国家政策的扶持下，东北大学又建立了两条不同的试验线，分别是一条异径双辊连铸薄带试验线以及一条等径双辊薄带铸轧试验线，这两条试验线同时也分别成功地铸出了 W6 高速钢薄带以及厚度为1mm-5mm的薄带且薄带质量良好，也得到了不同钢种进行铸轧实验的实际操作数据[2]。

上海宝钢集团成功地建立了我国前三台实验室规模的等径双辊薄带铸轧机，并且进行了试验性地铸轧实验，第一套和第二套铸轧机的实验效果并不理想，经技术改进后，第三套设备主要用来生产 304 不锈钢，且铸轧出的不锈钢带材质量优良[3]。

此后，宝山集团又继续对铸轧过程中的一系列关键技术问题进行探索、研究、改进，并向社会广泛推广该技术。

重庆大学在此基础上同样也对双辊铸机进行开发以及对不同钢种的铸带工艺进行试验研究，与上述两个单位的研究重点有所不同的是，重庆大学在宏观传热模型中引入了紊流流动模型，为薄带成品生产的保证提供了重要支撑。

尽管经过国内科研人员的努力，我国的双辊带钢连铸技术的理论水平与上世纪50 年代相比已经得到了显著提高，但仍没有达到世界先进水平，这就需要我们在理论上更加努力研究这方面的技术，在实际实验或生产操作过程中，从理论上创新，从实际操作上创新，还要借鉴国外的成功经验，缩小与他国之间的差距，这样才能使国内带钢铸轧技术得到迅猛发展。

2.2 国外铸轧技术的发展从进入 20 世纪中叶开始，由于发现了双辊薄带铸轧工艺特有的优越性，世界上许多钢铁公司就开始加大投入大量的人力、物力与财力开展对双辊薄带铸轧技术的研究与开发，直到进入 21 世纪，以美国为代表的一些发达国家的双辊式薄带铸轧技术理论水平处于世界前列，甚至有些公司的研发技术已经具备了工业化规模生产的水平。

2.2.1 美国纽克公司 Castrip 工程2000 年，美国的纽克钢铁公司与澳洲的 BHHP 钢铁集团合作启动了Castrip 工程项目[4]，并且两个公司经过共同开发，研制出了工业化双辊薄铸轧生产线[5]。

值得一提的是，该工程的这套设备生产出的产品组织结构分布均匀[6]，质量优秀，带材经平整处理后可以直接代替冷轧产品。

2.2.2 欧洲的 Eurostrip 工程欧洲的带钢铸轧技术是由 MYOSOTIS 工程和 VASTRIP 工程组成的，分别由法国的齐诺耳·撒希洛耳公司以及意大利忒耳妮厂进行独立技术研究。

两家公司于1999 年进行合作开发 Eurostrip 工程，并同年开工生产，共同研究带钢连铸技术，总结经验以实现带钢连铸的工业化生产。

Eurostrip 工程将意大利忒耳妮厂的连铸机组设为研发车间以供研究组人员使用，并着重研究碳素钢和硅钢的最优铸轧工艺。

Eurowtrip 工程是在德国科莱费尔德公司建造了首个铸轧机组，该铸轧机组于 1999 年开始建设，并于同年年底进行试车生产。

该厂的连铸机组自生产之日起，一直对系统进行优化，并于 2001 年创造了年生产能力最终达到 40 万吨的记录，不仅如此，在保证数量的同时，克莱菲尔德厂也保证了产品的质量，克莱菲尔德厂生产的产品表面光滑，且薄带抗腐蚀能力强，能够达到产品质量要求。

到 2000 年，德国第森钢铁公司（Thyssen Krupp）建立专门针对镁合金进行薄带生产企业，并用水平式双辊铸轧机试验性地生产出了可用于生产汽车零件的镁合金薄带[7,8]。

2.2.3 日本的双辊薄带铸轧工程自上世纪 80 年代，新日铁和三菱工业集团就对双辊式薄带铸轧技术进行共同研究，在 1993 年这一研究成果研发成功。

这一项目的成功使得日本企业成为世界上最先宣布进入工业化生产的公司[9]。

3.连续铸轧的基本原理及工艺特点3.1连续铸轧的基本原理从供料嘴子前沿到铸轧辊中心线之间的距离成为铸轧区，液体金属铝通过供料嘴进到铸轧区时，立即与两个相转动的铸轧辊相遇，液体金属铝的热量不断从垂直于铸轧辊面的方向传递到铸轧辊中，使附着在铸轧辊表面的液体金属铝的温度急剧下降，因此，液体金属铝在铸轧辊表面被冷却、结晶、凝固。

随着铸轧辊的不断转动，液体金属铝的热量继续向铸轧中传递，并不断被铸轧辊中的冷却水带走，晶体不断向液体中生长，凝固层随之增厚。

液体金属铝与两个铸轧辊基本同时接触，同时结晶，其结晶过程和条件相同，形成凝固层的速度和厚度相同，当两侧凝固层厚度随着铸轧辊的转动逐渐增加，并在两个铸轧辊中心线以下相遇时，即完成了铸造过程，并随之受到这两个铸轧辊对其凝固组织的轧制作用，并给以一定的轧制加工率，是液体金属铝被铸造、轧制成铸轧板，这就是连续铸轧的基本原理。

由此可见，通过供料嘴子从铸轧辊的一侧源源不断地供应液体金属铝，经过铸轧辊的连续冷却、铸造、轧制，从铸轧辊的另一侧不断铸轧出铸轧板，使进、出铸轧区的金属量始终保持平衡，这样就达到了连续铸轧的稳定过程。

3.2 双辊式薄带铸轧工艺特点生产铸轧薄带的连续铸轧工艺流程为：炉子准备→配料→装炉→熔化→撒覆盖剂→搅拌→扒渣→取样→成分调整及再次取样→倒炉→静置炉内精炼→静置炉与保温→在线除气→过滤流槽系统→铸轧→铸轧薄带。

双辊式薄带连续铸轧技术的工作流程是使薄带从液态金属的状态开始凝固，并在其半固态的状态下对其进行加工的技术，这一过程有许多优点。

比如说以半固态凝固方式成型的加工对象表面相对更光滑、更平整，改善了材料的内部组织，提高了材料的性能；当液态金属尚属于糊状区位置时，就已经将产生的一部分凝固潜热发散了出去，所以其散热量对加工设备的影响较小；处于糊状区内的液态金属具有流变性和触变性，对其施加相对较小的作用力就可使其产生形变，因此不需要大型设备来对其进行施加压力，相对较小型的设备就可以满足要求；糊状金属凝固收缩小，产品尺寸精确。

双辊式薄带铸轧工艺有以下优点[10,11]：①将铸造和轧制两道工序合二为一，并在同一台设备上同时实现。

这种合二为一的工艺与传统工艺相比，省去了多道工序，简化了生产流程，提高了生产效率；②双辊式连铸工艺所需的设备相对简单，与传统工艺相比投资少，建造速度快，生产成本低，产生三废少，能耗低；③在相关研究技术成熟后，该工艺可以实现连续稳定地生产，有利于系统进行自动化控制；④在生产零件方面，双辊式薄带铸轧技术与传统技术相比降低能源消耗达到35%。

4.其他相关工艺参数对铸轧结果的影响[12]4.1 浇注温度对铸轧结果的影响排除外界环境因素的干扰，当中间包液态金属的类别确定时，浇注温度也随之确定，因为不同种类的液态金属的合适的浇注温度都不尽相同，再加上铸轧区内熔池中的液态金属与中间包内的液态金属的温度几乎相同，因此，中间包内的液态金属温度对铸轧结果有着直接的影响。

由于中间包内的液态金属可以用热电偶测得，那么，对中间包内的液态金属的温度进行控制也就达到了控制熔池内液态金属温度的目的。

中间包的浇注温度对铸轧成果即镁合金带材的质量有一定的影响。

经过前人的经验总结可知，在进行双辊式薄带铸轧实验的过程中，液态镁合金应保持在650—680℃之间的浇注温度，采用这个温度范围内的液态镁合金进行浇注实验可以得到较好的镁合金薄带。

有实验研究表明，在其他工艺参数都相同的情况下，我们可以得出当浇注温度稳定在 650℃时，系统浇注出的镁合金带材表面最为光滑、组织性能最为完善、质量最为理想。

中间包的浇注温度较低，镁合金带材的表面会出现裂纹现象；中间包的浇注温度较高时，镁合金带材在铸轧过程中的温度也就随之较高，这样容易出现断带事故。

4.2 熔池液位高度对铸轧结果的影响对于铸轧辊辊径相同、铸轧温度相同、辊速相同等其他各参数都相同的两个系统来说，熔池液位高度不同所铸轧出的金属带材的质量也不尽相同，因为，熔池的液位高度与熔池内的流场、温度场息息相关，流场或温度场的不合适，所铸轧出薄带的质量也不会理想，所以说，熔池的液位高度也是影响铸轧结果的重要因素之一。

通过大量实验表明，熔池液位应保持在一定高度上，当熔池液位低于这个高度时，熔池内会有较大的波动，此时铸轧出的镁合金带材表面有大量的纵向裂纹；随着熔池内液态金属液位的逐步升高，熔池内部的波动也随之减弱，薄带表面质量也随之得到改善，达到预设定的高度时，镁合金金属带材的表面质量最为理想；当熔池液位高度继续升高，此时铸轧出的镁合金带材的表面会产生一定量的横向裂纹，带材的质量反而开始下降。

4.3 冷却水流量的影响在液态金属与铸轧辊表面接触面积保持不变的条件下，冷却水流速越快，液态金属材料的散热也就越快，液态金属、半凝固金属的温度就越低。

通过大量的实验可以验证，在其他因素都不变的前提下，冷却水流速过快，铸轧区内的半凝固金属温度过低，铸轧出的镁合金带材质量不理想，且薄带板坯出口处容易出现轧卡事故；冷却水流速过慢时，铸轧区内的半凝固金属温度过高，系统容易出现漏钢现象，且所生产出的镁合金带材的质量同样不达标。