浅谈哈兹列特连铸技术在我国铝板带生产上的应用

文章编号:1005-2046(2004)02-0077-06浅谈哈兹列特连铸技术在我国铝板带生产上的应用刘小玲1,马道章2(1.洛阳有色金属加工设计研究院,河南洛阳471039;2.上海有色金属(集团)有限公司,上海200083)摘　要:介绍了铝板带坯的几种生产方式,详细介绍了哈兹列特连铸连轧生产方式的特点、技术进步以及应用情况,对该方式与单机架双卷取热轧进行了比较,并根据现阶段国内铝板带箔生产现状,对哈兹列特连铸连轧供坯工艺在我国的应用进行了分析。

关键词:铝板带;半连续铸造;连铸连轧;哈兹列特:双带式铸造机:单机架双卷取中图分类号:TG 292 文献标识码:A 收稿日期:2004204206作者简介:刘小玲(1970～),女,河南焦作人,工艺设计师,主要从事有色金属加工工艺的设计。

近年来,随着我国建筑、交通、包装及家电行业的发展,铝板带箔的市场需求量迅速增加,国内铝板带箔生产形成了又一个新的建设高潮。

铝板带箔生产中,坯料生产方式直接影响到铝板带箔产品的质量、成本,对企业的影响不可忽视。

1　铝板带坯生产方式概述目前,世界铝板带坯的生产方式主要有铁模铸造2热轧、半连续铸造2热轧、连续铸轧(辊式铸轧)和连铸连轧四种。

111　铁模铸造2热轧该方式设备简单、投资少、生产灵活、产品的深冲性能较好,但工人劳动环境差、劳动强度大,成品率低;产品表面质量差,属于正在逐步淘汰的工艺。

112　半连续铸造2热轧该方式是传统的生产方法,即采用半连续铸造法生产大扁锭,锯切头尾后铣削除去铸锭表面缺陷,再经过加热或均热,送到热轧机上进行多道次轧制,最后生产出厚度为215mm ～8mm 的热轧卷坯。

该工艺根据后部热轧机架数和配置的不同,可以分为单机架单卷取、单机架双卷取、热粗轧+热精轧以及由1台热粗轧加上数架热精连轧组成的串联式半连续热轧形式(简称热连轧)。

这种方式生产灵活、生产的合金品种不受限制,产品范围广、产品的内部组织性能、表面质量和加工性能好,因此应用最为广泛,世界上的大型铝加工厂多数采用这种工艺。

半连续铸造2热轧卷式生产虽然有诸多优点,但工艺复杂、流程长、设备投资大、一次性建设投资大、能耗高,以此为坯料生产的板带箔产品必然成本高,在市场竞争力上有一定的局限性。

113　连续铸轧(辊式铸轧)该方式是将熔化的铝熔体注入双辊铸轧机的两个旋转铸轧辊辊缝之间,铝熔体在内部通有冷却水的2个铸轧辊间凝固的同时,受到轧压作用,得到厚度在6mm ～10mm 的薄铸轧板坯,再经卷取成为卷坯。

这种工艺的特点是液态金属一次成坯,故又称为液态轧制。

这种生产方式工艺过程最简单、投资少、能耗低、产品成本低,我国改革开放以来新建的铝板带箔生产企业由于资金所限,大多数采用了这种供坯工艺。

连续铸轧工艺虽然有其优点,但生产范围窄,只适合生产1×××、8011和3003等简单合金,且铸轧卷坯在组织结构、晶粒均匀性、表面第25卷　第2期上海有色金属V ol 125　N o 122004年6月SH ANG H AI NONFERROUS MET A LSJun.2004质量和加工性能等方面均不如热轧卷坯,生产的产品只能满足市场上普通产品的要求。

此外,连续铸轧法单机产量较小,一般不超过1万吨,经济规模在015万吨～3万吨。

当生产规模超过3万吨时,随着连续铸轧机数量的增多,投资也将增大,不能形成经济规模。

可以预见,现阶段的建设高潮过后,国内铝板带箔的市场竞争必然非常激烈,只有在尽可能降低生产成本,同时又保证较高产品质量时才能在市场竞争中取胜。

这就给国内的铝板带箔企业和设计咨询行业提出了新的要求:选择一种投资和规模适合发展中国家,生产成本较低,产品品种和质量能满足多数民用产品市场需求的铝板带坯生产方式,因此已有50余年发展历史的连铸连轧工艺开始重新唤起业内人士的关注。

114　连铸连轧该生产方式是将熔化的铝熔体,经保温调质处理,通过流槽和铸嘴注入由同步运行的上、下二条钢带或履带及两侧边部挡块组成的结晶器间,连续铸造出一定厚度的带坯,然后经在线热连轧(或热轧)后卷取成卷。

连铸连轧与辊式连续铸轧相比,由于液穴加深,结晶器加长,因此生产的合金范围大大拓宽。

连铸连轧有三种不同的形式:一是哈兹列特双带铸造机2热连轧(或热轧);二是劳纳铸造机即瑞士铝业公司CasterⅡ2热连轧(或热轧);三是凯撒微型铸造机2热连轧(或热轧)。

它们之间的主要区别在于铸造机的形式不同。

哈兹列特铸造机主要由上下两条平行运转的钢带、钢带上的链式金属挡块、驱动钢带的转轮以及钢带冷却系统组成,故又称双带式连铸连轧。

劳纳铸造机是由上下两条激冷块组成的环形块链代替双钢带,激冷块链形似履带,故又称块式或履带式铸造机。

凯撒微型铸造机与哈兹列特铸造机结构相近,但铸造的带坯厚度仅315mm,宽度也较窄。

因为哈兹列特铸造机结构简单、操作方便,所以铝加工行业应用最广的是哈兹列特双带铸造机2热连轧生产方式。

2　哈兹列特连铸工艺211　哈兹列特连续铸造机的结构哈兹列特铸造机的结构如图1所示。

图1　哈兹列特铸造机结构图图中,上下两条平行运转的环形钢带和钢带边部的链式金属挡块组成了铸造机的结晶器,熔融金属在通过结晶器后冷凝成一定厚度的板坯。

上钢带与下钢带间的距离,从熔融金属入口处到铝带坯出口处逐渐变小,两侧边挡块之间的距离也逐渐变小,以补偿铝带坯宽度和厚度方向上的收缩。

入口侧的转轮称为咬入辊,其作用是引导钢带进入结晶区,并具有使钢带冷却、预热功能;出口侧的转轮是带张力的,称为牵引辊,其作用是使钢带获得最佳平直度并驱动钢带。

牵引辊的牵引速度稍低于钢带出口速度,可以防止铸模中铝带坯因重力向下滑动,保持凝固金属稍微受压。

结晶器热量的排放是由钢带背面的高速冷却水喷嘴定期喷水、反复冷却实现的(冷却水循环使用)。

铸造过程中,钢带温度保持在110℃以下,在冷却水侧则保持在80℃以下。

钢带由带翅的支承辊支撑,支承辊允许在整个结晶区完全被水淹没,还可以调节以适应结晶器形状的要求。

铸造机钢带是铸造机的主要部件,通常采用112mm厚的低碳特殊合金钢板,钢带的平直度要求非常严格,所以必须经过拉矫。

钢带在铸造过程中反复承受冷热变化,工作条件恶劣,为了保护钢带,钢带表面有涂层,涂层同时可以改善铝带坯与钢带之间的热传输状态,影响铝带坯的内部组织结构。

212　哈兹列特连铸连轧的特点据哈兹列特公司介绍,哈兹列特连铸连轧机有以下特点。

(1)哈兹列特连铸工艺与常规的半连续直冷铸造有很多差异,最大的差异在于其固化速率快。

由于固化速率快,结晶组织中的枝状晶较细、晶粒较小,金属间颗粒亦较小,且具有不同87 上　海　有　色　金　属第25卷　的形态和成分。

此外,在形成的固溶体中保留了较多的某些合金元素。

对于3000系合金来说,连铸坯中有85%～90%的锰保留在固溶体中,而直冷铸坯中只有约75%的锰保留在固溶体中。

(2)连铸后的在线热轧实际上是一种温轧。

在热轧之前不进行均匀化。

热轧的出带温度取决于铸造速度、热连轧线的组成以及轧制时的冷却技术。

一般来说,该温度不高于315℃,不足以完成再结晶。

对3000系列,发现经过热轧之后的连铸连轧带固溶体中的锰含量亦高于直冷铸造+热轧带固溶体中的锰含量,其原因是直冷铸造坯在热轧前一般要进行510℃～600℃24小时均匀化,降低了固溶中锰和其它元素的含量。

(3)连铸连轧带与直冷铸造+热轧带对再结晶的响应亦迥然不同。

前者在540℃左右保温2小时才能完成再结晶,而后者只需340℃左右保温30分钟。

这亦与带中锰含量有关。

在退火进程中,连铸连轧带中锰的沉积滞缓了其再结晶进程。

如果用户要求3000系列含金有良好的深冲成形性能,则连铸连轧后要进行高温热处理。

如果用户不强调带材具有良好的深冲成形性能,则大可不必采用这种长时间高温热处理。

对5000系列合金(如AA5052),因不含锰,连铸连轧带坯与直冷铸造+热轧带坯对再结晶的响应无大差别。

(4)加大硬化是不可热处理强化铝合金的主要强化手段。

对连铸连轧带坯来说,冷轧的强化效果比热轧更大。

冷轧组织较热轧更为均匀,组分分布也更均匀。

在其冷变形过程中,固溶成分及共熔颗粒扮演着重要强化角色。

这并不是说所有溶质元素均能促进加工硬化,但溶质含量较高时,由于位错数量较大,故硬化效果较好。

如果连铸连轧的热轧带未经均匀化即进行冷轧,则冷轧之间的中间退火即为整个工艺中的首次高温退火。

此时,含锰的弥散物沉积出来。

在完全再结晶之前,沉积出的弥散物既细又密,会妨碍再结晶。

其原因是它减少了成核的位置,延长了核的孕育时间。

为了激励成核,此时必须采用更高的退火温度,方能取得直冷工艺冷轧带的同等性能。

(5)有些连铸连轧合金的性能和经济亦不同于常规直冷工艺所生产的合金。

以AA3004合金为例,采用连铸连轧工艺时,镁和锰的含量可比直冷工艺低些。

换句话说,连铸连轧带坯的强度要大些。

213　哈兹列特连铸连轧技术的发展哈兹列特公司对铸造工艺、铸造机进行了不间断的研究开发,取得了一定的成果。

这些成果包括:1989年,钢带预热系统由蒸气预热改为电磁感应预热,避免了铸造过程中的水汽,减少了熔体的表面氧化,并有助于消除钢带在进入模腔时因温度骤升而引起的挠曲变形,从而改善了铸坯的平直度。

1991年,在铸造机入口通入氩气等保护气体,使正在凝固的铝带坯表面不被空气中的氧所氧化。

同时,因惰性气体导热性好,改善了水冷效果。

1993年,铸造用钢带的制作工艺(特别是对表面涂层)进行了改进。

钢带生产过程中,拉矫剪切后先进行等离子喷涂,根据待铸合金的需要涂复不同的陶瓷粉。

在铸造过程中钢带表面还要进行在线静电粉末喷涂,喷涂的粉末种类和厚度根据合金而异。

这一改进大大提高了铸模中热传导的均匀性和可控性,同时还可以保护钢带,防止粘铝,使脱模更加容易。

1998年,在钢带背部安装钕铁硼磁力辊,消除钢带的颤动,以保证铸坯的平直度。

磁力辊布置于模腔总长的前三分之一区域。

1999年,使用带形铸嘴代替多孔铸嘴,消除熔体湍流,使铸坯更平整。

铸嘴宽度可达2300mm,可用于阔幅板带铸造。

2001年,铸造宽度由1985年的1320mm增至1930mm。

事实上目前已能铸造2300mm宽的板坯。

以上这些技术改进措施有效地控制了钢带与铝带坯间的热传输及冷却速度,减少了金属氧化,改善了金属的内部组织,提高了铝带坯的表面质量,拓宽了连铸连轧工艺可生产的合金范围,增加了产品宽度。

与此同时,哈兹列特铸造机的自动化水平也越来越高,控制手段日益齐全,操作更容易,生产更稳定。

214　哈兹列特连铸连轧在世界范围内的应用情况目前全世界运转的哈兹列特铸铝生产线有97第2期刘小玲等:浅谈哈兹列特连铸技术在我国铝板带生产上的应用 10余条,见表1。