铝带连续铸轧工艺的现状及研究进展

铝带连续铸轧工艺的现状及研究进展

高性能铝板带材广泛用于航天、交通运输、信息、包装、印刷、建筑等领域,市场需求巨大.铝板带材坯料主要生产方式为热轧和连续铸轧<1> .热轧产品深加工性能好,可轧制各系铝合金,其最先进的方式是热连轧,但投资巨大,我国尚无铝热连轧生产线,已有的最好的生产方式为双机架热轧,在产品精度、性能上均有一定局限.相比热轧,连续铸轧投资大幅减少,流程短、能耗低.二十世纪八十年代以来在我国迅速发展,成为我国主要的铝板带材坯料生产方式.但是常规铸轧板组织不均匀、深加工性能差,可铸轧的合金品种少,主要用于铝箔毛料和对深加工性能要求不高的部分薄板.我国高性能铝板带材仍需大量进口.1 连续铸轧工艺所面临的关键问题铝带坯连续铸轧是一种低投入、低成本、节能型的短流程生产工艺,其铸轧区的熔体受到激烈的冷却,冷却速度可达10 2～1 0 3℃s,比常规水冷半连续铸锭约高2个数量级<1> .它的组织具有快速凝固与定向结晶的特点,晶体生长的方向性很强.目前用这种方法生产的铝板带各向异性严重,深加工性能远比热轧板差,这就限制了铸轧板的使用范围.连续铸轧是一个很复杂的过程,金属一方面连续散热与凝固,另一方面还受到轧制,而不是铸造过程与热轧过程的简单混合,它们互相影响着.在连续铸轧过程中金属凝固涉及到的学科有材料学、热力学、动力学、振动理论、流体理论、晶体生长理论等问题.它们涉及到两个重大科学问题:(1)铝在连续轧制过程中的凝固规律;(2 )金属凝固过程中的晶体生长与控制.金属凝固过程主要由两部分组成,一是形核过程,它对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用.受金属熔体结构复杂性以及人们对其认识程度的限制,形核理论与控制形核过程的手段还没有达到人们所想象的程度,故金属凝固中的形核问题仍然是金属凝固行为研究的前沿课题之一.金属凝固过程中另一个重要问题是形核后的晶体生长,它关系到凝固后金属组织组成物的形态.由于组成金属材料的晶体形态直接与金属材料的性能有关,如何控制晶体生长,已经成为控制金属材料性能的一个重要手段<2> .因此研究在铸轧过程中铝溶液的晶体凝固规律,对提高铝带材的组织性能与机械性能都具有非常重要的意义.铝带坯连铸技术作为冶金及材料研究领域内的一项前沿技术,目前在工业化应用方面面临的一个主要间题是薄带的质量较差和质量不稳定.其中,薄带的凝固组织对薄带的质量有非常重要的影响,但目前国内外还不能定量阐明工艺因素变化对薄带凝固组织的影响.由于双辊薄带连铸过程中工艺参数间的匹配较复杂,如果采用实验的方法来研究工艺因素变化对薄带凝固组织的影响,则难度高、工作量大.而采用数值模拟的办法,则可以大幅度减少工作量.此外,双辊薄带的凝固组织结构(晶

区的几何特征)以及不同晶区内晶粒的几何特征还在很大程度上决定着薄带的工艺性能和使用性能.因此,对双辊薄带凝固组织的数值模拟和薄带凝固组织中各晶区的分布特征、晶区内晶粒几何特征的尺寸表征展开研究具有重要的理论意义和实用意义.2国内外研究现状195 1年,美国亨特—道格拉斯(Hunter-Douglas)公司首次铸轧成了铝带坯,制成了双辊式连续铸轧机.随后,法国彼西涅(Pechiney)公司研制的3C水平式双辊铸轧机也获得成功,从那以后,铝带坯双辊连续铸轧技术和设备得到了迅速的发展.根据Frishchknecht和Maiwald统计目前世界上约有20 %的铝带材的坯料由双辊连续铸轧法生产,大约有1 70多台双辊铸轧机正在工业上应用,其中约有60 %是在北美和欧洲<3> .在2 0世纪70年代以前,铸轧机多为标准型,铸轧辊直径为Φ60 0～70 0mm ,铸轧带坯厚度7mm 左右,铸轧速度小于1 .5m min .80年代以后出现了超型铸轧机,铸轧辊直径可达1 0 0 0mm ,带坯厚度5～1 2mm ,铸轧速度3m min左右,铸轧合金已有纯铝扩大到3 0 0 0系列、5 0 0 0系列软合金.90年代初出现了改进型超型铸轧机,铸轧带坯厚度3mm ,铸轧速度5mm min .由于铸轧带坯尺寸薄和铸轧速度快能进一步发挥快速凝固的特点,使铸轧带坯的晶粒细化,从而获得更好的冶金质量,使这一生产方式为人类带来更大的效益.从90年代以来,国际上开展了对快速超薄铸轧技术的研究<4～6> ,主要有意大利的法塔—亨特(Fata-Hunter)公司、法国的彼西涅(Pechiney )公司、英国的戴维(Davy)公司以及挪威的海德洛(Hydro)公司,他们共同的做法是先在研究开发中心与大学合作进行小型试验,在取得一定成果和经验后,进行中试和大型工业试验,英国Davy公司和牛津(Oxford)大学合作,于1991年推出了第一台快速超薄铝带坯铸轧试验机.1 996年以来,意大利Fata -Hunter 公司、英国Davy公司以及法国Pechiney公司都相继研制出超薄铸轧工业样机<7> ,能铸轧出1mm厚的铸带坯,铸轧速度达1 5m min ,应该说,这是铸轧技术发展中的又一次飞跃.但是由于各国(美国、英国、法国、意大利、挪威) 对快速超薄技术的研究均处于工业试验阶段,试验条件(如装备参数、功能、工艺环境条件等)各不相同,所得结果也有差别,甚至相反,如:Fata-Hunter的试验与Hydro-Lauener公司的试验,对快速超薄铸轧的组织与性能的认识与结果几乎完全相反;在快速超薄铸轧的铸轧机型选择上也存在不同的主张:如Fata-Hunter 采用二辊铸轧机型,英国Davy公司则采用四辊铸轧机型,同时各试验铸轧机的工艺环境条件、设备参数及其范围的确定也不一致(力学参数、辊径、有无外部冷却、铸轧区长度、大小、铸咀开口度大小等).在主要技术规律上尚未形成共识.我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于2 0世纪60年代<16 > ,1 964年初进行了双辊下注式铝带坯连续铸轧模拟实验,并于同年铸轧出厚8mm ,宽 2 5 0mm和40 0mm的铝板,1 965年铸轧出宽70 0mm的铝带坯,1 971年由东北轻

合金加工厂研制成我国第一台80 0mm水平式下注式双辊铸轧机,1 975年,用铝带坯生产的冷轧板基本上满足了一般深冲制品和箔材毛料的性能要求.1 979年由华北铝加工厂研制成65 0mm×1 3 0 0mm我国第一台亨特式倾斜铸轧机,并于1 981年和1 983年相继研制成65 0mm×1 60 0mm和980mm×1 60 0mm 铸轧机,并通过部级鉴定,标志着我国铸轧技术进入成熟阶段.1 984年中日诼神有色金属加工专用设备有限公司成立,并于1 993年诼神公司为其母公司华北铝业有限公司试制成功我国第一台仿3C 960mm×1 5 5 0mm超型铸轧机.至此国产铸轧机发展成为具有标准型和超型这两种机型,而且铸轧机逐步实现标准化、系列化.随着我国微电子、信息、机械、食品、包装、建筑产业的迅猛发展,我国已成为铝材生产及消费大国,如何提高铝材生产率、降低生产成本、提高我国铝材质量、扩大铝材使用范围已成为迫在眉睫的问题.而快速超薄铸轧的冷却速度远高于现有常规铸轧,铸坯结晶组织的晶粒度和枝晶间距将明显减少,溶质元素在固熔体中的过饱和度提高,因此板带的深冲性能和机械性能得到改善,可生产出具有优良冶金组织和表面质量的优质板带材;同时,可铸轧合金范围也可拓展(如30 0 0系列等铝合金) ,可使铸轧产品的应用市场范围扩大.例如:高精度PS版基,计算机硬盘的铝质基板,高层建筑幕墙板,高精烟箔以及空调箔等.另外,由于铸轧板厚度减薄后,不仅大大减轻了对后面工序———冷轧的压力,解放冷轧机的生产力,大大节省了铝箔生产的投资和能源,而且提高了生产效率,增加了产品的市场竞争力.我国科技界和国际铝加工同行一样已认识到快速超薄铸轧代表了新一代铝加工发展的重要方向和铝加工技术的制高点,我国必须加入到这一研究领域中去.由国内学者钟掘院士担纲技术指导的“铝及铝合金铸轧新技术及设备研制开发”作为国家计委的重大科研项目于1999年初启动,经过以钟掘为首的科研课题组经过一年多的攻关,于2 0 0 0年7月在实验机上成功地铸轧出铸速为1 3 .2m min ,厚度为2mm的铸坯,并开发了铜基合金新型辊套材料、具有在线布流控制技术的新型铸咀、新型复合外冷润滑技术等一系列相关的新技术、新装置、新材料,这些都标志着我国在快速超薄铸轧技术领域已经达到世界领先水平,填补了国内空白.目前用连续铸轧法生产的铝板带在国内已占铝板带生产总量的70% ,在国际上约占铝板带生产总量的40 %左右<7> .国内的连续铸轧设备已由十多年前的3 0多台套,增至目前的5 0多台套.但是,常规的连续铸轧生产工艺目前还只局限于1 系列和3 系列、8 系列的一部分,连续铸轧板带的深拉性能明显地低于热轧开坯板带.这是目前连续铸轧生产工艺必须解决的技术难题.显然,能突破这一难题,将使铝带坯的生产结构发生根本型变化,带来巨大的社会效益与经济效益.对金属凝固规律,国内外都已进行了比较多的研究,如50年代初Tiller,Jackson和Rutter提出的成分过冷理论<8> ,首次将传质和传热因素耦合起