金属材料短流程、近终形的生产工艺一、金属材料的近终型生产工艺近终形连铸是指在保证最终产品质量所需压下量的前提下,更接近于产品最终形状的连铸技术。

主要包括薄板坯连铸技术、薄带连铸技、喷雾沉积技术等。

近终形连铸技术是金属材料研究领域里的一项前沿技术,它的出现为冶金业带来了革命性的变化,改变了传统冶金工业中薄型钢材的生产过程。

传统的薄型钢材生产工艺包括多道次热轧和反复冷轧等工序,工序复杂、生产周期长能耗、产品成本高、劳动强度大。

采用薄带连铸技术,能将连续铸造轧制甚至热处理融为一体设备投资减少生产工序简化生产周期缩短产品成本显著降低且产品质量不亚于传统工艺。

此外,利用薄带连铸技术的快速凝固效应,还能生产出轧制工艺难以生产的材料以及具有特殊性能的新材料。

薄板坯连铸连轧自上世纪80年代末开发成功以来引起了冶金界的高度重视,成为继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业的又一次技术革命。

至今,在短短的十多年里,薄板坯连铸技术发展势头迅猛,己有15个国家的31台薄板连铸连轧设备投产,其产量也激增到近4720万吨。

目前,世界上已建成的典型工艺流程有CPS、ISP 、CONROLL 、FTSR等。

下面我们主要介绍一下CPS技术和FTSR技术：1.薄板连铸技术1.1CPS技术CPS技术是由德国施罗曼一西马克公司(SMS)开发成功的,是目前应用最广泛的薄板坯连铸连轧工艺,已有19条生产线成功地投入了工业生产。

CPS的工艺过程为:采用立弯式连铸机生产厚50mm~60mm的铸坯,经分段剪后,送入辊底式均热炉(120~185m)进行加热、均热。

薄板坯经加热炉入口段、加热段和均热段加速到20~30m/min进入轧制工序。

六机架精轧机组将厚50mm~60mm的铸坯轧制成1.2~12.7mm的带材,经层流水帘冷却后卷取。

生产线全长约270m。

优点:流程短、生产稳定、产品质量好等。

缺点:对钢水质量要求高、难以生产很宽或较厚的钢板、均热炉设备尚未定型化等。

1.2FTSR(Flexible Thin Slab Rolling) 技术该技术是由意大利月一涅利公司在萨伯拉里(Sabolarie)厂开发成功的。

在萨伯拉里薄板坯厂取得成果的基础上,丹涅利公司与美国联合工程公司合作提出了灵活的薄板坯连铸轧制技术FTSCR(Flexible Thin Slab casting and Rolling) ,以满足操作灵活、规格范围广、产品质量高的要求。

生产规模在70~200万吨/年,既有碳素钢,也有合金钢、不锈钢,带钢厚度在2mm以下。

FTSR主要技术特点是:H²结晶器、液芯压下和动态软压下扇形段的使用。

FTSR铸机为立弯式,它可以在7.5mm/min的铸速下,在结晶器出口处得到50~90mm厚的铸坯,经液芯压下后,板坯厚度为30~70mm (sabolarie)。

FTSR技术保持了CPS、IPS技术的特点。

优点:钢种浇铸范围较宽板坯尺寸范围较大轧制过程操作灵活等。

缺点:生产成本较高对钢水质量要求较高等。

2.薄带连铸技术薄带连铸技术是近终形连铸技术的主要组成部分,是指由连铸机直接生产厚度为1~10mm薄带坯的工艺过程。

按成形的方法可分为三大类带式、辊式和辊带式。

其中,薄带连铸技术主要进展体现在双辊薄带连铸工艺的发展上。

目前双辊薄带连铸技术主要集中在铸机和工艺研究、薄带的组织和性能研究,以及数学模型的建立和应用研究三个方面。

2.1在铸机和工艺研究日本的新日铁与三菱重工从1985年就合作开发双辊薄带连铸技术,到目前已建成了较为完善的自动控制系统。

该系统包括自动起动逻辑控制系统、浸入式水口深度控制系统、钢液液位控制系统、铸辊间隙和压力控制系统、铸辊线速度控制系统等。

铸辊材质为不锈钢辊轴铜合金辊套辊套上镀铜镍保护层。

目前已成功地生产出 1.6~5mm 厚,800~1330mm宽的不锈钢带。

铸机铸速最高可达130m/min,卷重可达10吨。

所生产的薄钢带品质优良,其力学性能和抗腐蚀性能已达到或超过传统工艺生产的钢带。

于1996年投建的另一条主要用于304 不锈钢生产的工业规模双辊铸机,据称钢包容量60 吨,带钢厚度2~5mm,宽度760~1330,带钢生产能力为3.5万吨/月。

异径双辊薄带连铸技术由于具有设备简单、整体浇铸系统封闭好、无二次氧化和侧封容易解决等优点而得到大力研发。

日本金属工业公司与德国的克虏伯公司合作,于1990年建成了一台小辊位于大辊上方呈20°倾角的异径双辊试验铸机。

钢水被旋转的辊子拉移,待小辊浸入钢水后,凝固成层,随即被大小辊挤压熔合为一。

铸机的边缘密封靠凸缘部件来保证,连铸钢水向巨流动以避免漏钢。

凝固疏松在0.2mm 厚以内,晶粒细小。

该工艺可解决难轧金属成形问题。

生产的高合金钢带1~5mm厚,700~1050mm宽,铸速30~60m/min,最大卷重可达4.5吨。

此外德国Thyseen钢铁公司开发的异径双辊铸机也能在实验室生产出0.3~3mm 厚、150mm宽的碳钢、高硅钢带。

目前正在发展先进的控制技术,使铸速可达24~180m/min 。

2.2薄带组织和性能的研究现状双辊薄带凝固属亚快速凝固过程（冷却速度约为100℃/s）,它既不同于凝固速率较慢的常规铸造,也不同于急冷快速凝固,这就使其凝固组织和性能有独特之处。

美国Shiang等一对双辊低碳钢薄带的铸态组织和冷轧后的热处理组织进行研究,结果表明,由丁极快的冷却速度,薄带的枝晶组织较细显微组织主要山魏氏体和铁素体组成如果奥氏体晶粒比较粗大、冷却速度又较快,先共析铁素体往往沿着奥氏体的一定晶面呈针片状析出形成魏氏体热处理对薄带钢组织的影响完全取决于材料中AL的含量,因为薄带组织中沉积的AIN能够在退火过程中阻碍铁素体晶粒的生长。

此外,其他研究者对双辊薄带的组织和性能也进行了初步的研究。

总的来看,已完成的显微组织研究主要涉及碳钢、硅钢、不锈钢的枝晶组织,只有少数文章涉及到了变形及热处理组织,关于性能方面的研究则更少。

2.3模型的研究现状数学模型的建立有助于定量描述和预测薄带连铸过程中的传热传质过程以及组织形成的变化规律,从而更精确地控制生产过程,为提高薄带产品质量和性能提供理论依据。

双辊薄带连铸技术在过去的多100年里进展十分缓慢,或多或少与缺乏数学模型的研究有关。

近10多年来,双辊薄带连铸技术的数学模型研究引起广泛关注。

自麻省理工学院首先报道了他们在双辊常规铸造和流变铸造上的数学模型的研究成果之后,日本、德国、英国、中国等国家也相继展开了对双辊薄带数学模型的研究,并取得不少的成果。

Miyazawa等建立了包括液体流动、固体变形及传热过程在内的综合数学模型,在模型中,把液相区的流动处理为层流,固相按塑性变形处,并利用该模型计算了流速分布、压力分布及温度分布,分析了流动和变形对传热及凝固组织形成的影响,但该模型只针对铝合金进行’模拟计算。

Hwang等在考虑了从开始浇注到进入稳态之间的整个过程的基础上,建立包括液体流动、传热和凝固的综合数学模型,并采用有限元法来求解传热、传质和动量方程,用热焙法来处理结晶潜热,用流体体积法(VOF)来处理流体流动的非稳态自由表面,模拟了双辊薄带凝固过程中液体的充填、流场和温度场。

重庆大学的梁小平首次把紊流流动模型引入宏观传热模型中,建立了双辊薄带连铸过程的综合传热数学模型,模拟出了薄带凝固过程中的温度场,并利用该温度场对全凝固点位置等进行了预测。

二、金属材料的短流程生产工艺1.就一些先进工业化的国家而言国内的工农业建设已经相当现代化了,作为工业化建设的钢铁材料工,其生产已趋于饱和状态,目前所生产的钢铁材料主要是用于国内设备更新替换和外销。

特别是进入信息社的今天,任何行业的生产必定是按社会需要和市场的需求来进行生产。

在这种情况下,所以他们提出今后不再新建500万吨以上甚至千万吨级的大型钢铁联合企业,要建也就是建百万吨级的企业,其选用的工艺流程是熔融还原炼铁法—氧气转炉炼—炉外精炼（包括分微）—连注、连轧。

这种短流程的特点是省去了烧结焦化和初轧工序。

熔融还原炼铁所产生废气属中发热值煤气,可以作本企业的燃料,也可以作为进一步深加工转化的化肥原料。

氧气转炉在其煤气回收后可以做到零能或负能炼钢。

所以综合效益将超过现代化高炉流惶,而且它有应付市场万变具有掉头快的优点。

2.根据某地矿石储量以及能源状况，选corex法熔融还原炼铁流程,鉴于国内尚无这样的工业化装置的情况下,加之引进奥钢联技术没有资金,所以打算采用“抓中间带两头”的建厂方针。

所谓“抓中间”就是先上一台直流电弧炉,预留上第二台炉子的位置,用废钢先生产钢锭,轧钢先出产品积累资金,然后从上伸延扩建生产金属化球团代替将来废钢不足的矛盾,使原料逐步过渡到废钢金属化球团或全部金属化球团；从下延伸扩建上炉外精炼和连注连轧。

其工艺流程最终将是“金属化球团一一直流电弧炉炼钢—炉外精炼—连注、连轧”短工艺流程。

至于今后的连注是上“水平连注还是薄带连注”,要由国内市场需求的产品结构来决定。

选这种短工艺流程的优点有①采用了当代最新工艺技术,经济效益高,竞争能力强。

②技术可靠流程短,节能显著。

③边投入边产出以自我积累滚动式发展,不靠大量贷款建厂,不负债建设。

④此工艺流程对国内有示范作用。

3.铝合金哈兹列特连铸连轧工艺哈兹列特连铸连轧生产线是美国哈兹列特公司开发、研制成功的。

从20世纪60年代第一台商业化的哈兹列特铸机投入使用, 迄今为止全球已有60多台设备分别用于铜、铝、锌的带坯及条坯生产。

哈兹列特双带铸造机哈兹列特铸造机是在双辊式板带铸造机(1896年)工艺进行改进的基础上发展起来的,1947年获得专利。

这种双带式铸造机的工作原理采用运动铸模,即用两条完全张紧的上下平行运动的环形钢带和两侧同步运行的链式矩形金属挡块形成一副铸造模腔。

带坯宽度的调整是通过变动两侧挡块(活动块链)来实现的, 按照所需宽度将档块隔开构成模腔的侧壁。

冷却采用哈兹列特自身开发的专用技术―高效快速水膜冷却技术。

根据合金品种不同, 铸造速度、带坯铸模的长度也不尽相同。

现一般铸模的标准长度为1900mm, 对高速铸机铸模的长度最大可达2360mm。

现可提供的最大铸造宽度为1930mm。

铝带坯铸坯厚度一般为18~ 19mm。

哈兹列特双带铸造机主要应用自身研发的新技术包括:(1)钢带感应预加热技术。

即在铸造时为防止钢带进入模腔突然发生弯曲和热变形影响带坯的板形质量, 在钢带进入模腔前通过感应加热方式将钢带瞬时加热至150℃,同时将钢带表面的水汽驱除殆尽,避免了水汽对热传输的不良影响;(2)永磁辊式支承钢带技术。

由于钢带接触高温铝液必将产生一定的热变形。

采用Nd-Fe-B复合材料作磁体制成的支承辊有效地消除了钢带受热可能产生的微变形;(3)惰性气体保护技术。