第四章连续铸轧过程

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1、第四章 连续铸轧技术4.1 连续铸轧技术概论直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材的工艺称为连续铸轧。这 种工艺的显著特点是结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊，熔体在辊缝间完成 凝固和热轧两个过程，而且在很短的时间内完成。连续铸轧具有投资省、成本低、 流程短等优点，目前，连续铸轧工艺已广泛的应用于铝合金等有色金属的生产中， 在钢铁生产中的应用还处于试生产阶段。连续铸轧技术不同于连铸连轧，后者实际上将薄锭坯铸造与热轧连续进行， 即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成厚约 50-90mm 的坯后，再在后续的双机架 (单机架、三机架)温连轧机上连续温轧成带坯或成品板带材，铸造和温轧是两道 独立的工序

2、。而连续铸轧技术使连铸和轧制两个原先独立的工艺工程更加紧密地 衔接在一起，已不再是一个纯粹的冶金和凝固过程，而是在连铸、凝固的同时伴 随着轧制过程。原来的全凝固压力加工规律和塑性变形规律也发生了相应的变 化。(一) 铝带铸轧1951年，美国亨特一道格拉斯(H unterDouglas)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。截止到2007年底，亨特工程公司及意大利法塔亨特公司(FATA Hunter的 铸轧机已达153台，法国原普基工程公司(Pec

3、hiney Engineering)和现在的诺威力 昔基工程公司(Novelis PAE)生产的3C式铸轧机，全球保有182台。国外还有一 些由其他公司和企业自制的双辊式铸轧机，主要是亨特式或3C式的变型，但产 量不多，这一类铸轧机国外保有的总数也只有50多台。我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于20世纪60年代。 1964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250mm 和400mm的铝板，1965年铸轧出宽700mm的铝带坯，1971年由东北轻合金加 工厂研制成我国第一台8001Tim水平式下注式双辊铸轧机。1979年由华北铝加 工厂研制成0650mm

4、X 13001Tim我国第一台亨特式倾斜铸轧机，并于1981年 和1983年相继研制成0650ramX 1600mm和O980mmX 1600mm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。 1984年中日诼神有色金属加工 专用设备有限公司成立，并于1993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3CO960mm x 1550mm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。中国自 1981年首台自制的铸轧机投产以来，制造了大量的有中国特色的双 辊式连续铝带坯铸轧机，并出口到越南、印度尼西亚、俄罗斯等国。当然在

5、装机 水平方面与3C式及法塔亨特式的还有一些差距。1999年初，由钟掘院士担纲技 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 目启动。以钟掘为首的科研课题组经过一年多的攻关，于2000年7月在实验机 上成功地铸轧出铸速为13.2 m / 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。

6、国内的连续铸轧设备已由十多年前的 30 多台套，增至目前的 50 多台套。(二) 钢铁材料的连续铸轧 连续铸轧工艺在钢铁材料的生产上的应用尚处于试生产阶段。制约连续铸轧 工艺在钢铁工业上的应用的主要困难是钢铁材料的熔点高，控制铸轧过程稳定性 的操作参数范围窄，边部质量控制与侧封难度大，铸轧过程中钢铁材料的传热、 凝固过程比有色金属更复杂。2003 年我国宝钢对其新上的薄带铸轧机进行了工业性调试和试机。4.2 连续铸轧基本工艺过程图 4-1a 为上注式铝带连续铸轧系统的示意图。经过精炼处理后的液体金属， 通过流槽进入浇道系统，并控制前箱金属液面高度高于供料嘴。这样，液体金属 靠本身静压力作用，从

7、供料嘴顶端溢出，和冷却器旋转铸轧对辊接触，在对辊缝 间完成凝固和热轧。铸轧板小塞子供料嘴横浇道小塞子(a) (b)图4-l(a)上注式连续铸轧系统示意图，(b)金属在对辊间的连续铸轧过程示意图金属熔体在冷凝器铸轧对辊间的凝固和热轧过程解析于图4-lb。金属熔体与 铸轧辊接触时，在a和a点立即冷却凝固形成薄壳。随着金属热量的不断被铸轧 辊导出，液体金属不断结晶凝固，到b-b面金属完全凝固。随着铸轧辊向上转动， 在a-a至b-b界面范围内进行着铸轧。超过b-b面，金属完全凝固后，进入固态 轧制状态，当金属被轧制至两辊间隙最小面c-c面时，整个轧制过程结束，c-c 的宽度即为铸轧板坯的厚度。a-a面

8、至c-c面的的距离为铸轧区高度。铸轧区的 高度是比较小的，它随着轧辊直径的大小而变化，一般在 3040mm 之内。在很 小的区域内进行正常的铸轧，使液态金属直接变成较薄的板坯，必须严格保证两 个条件：铸轧的基本条件、铸轧的热平衡条件。4.3 连续铸轧的基本条件(一) 浇注系统充分预热 铸轧浇注系统是用来传输金属液体到铸轧辊的，一般包括控制金属液面高度 的前箱、横浇道、供料嘴底座和供料嘴四部分。要保证连续铸轧的进行，在浇铸 前，整个浇铸系统内，不应有潮气、油膜、氧化渣及其它杂质存在。因此，在浇 注系统整体装配调整好后，在开始铸轧前，必须经过一个充分的预热。浇注系统 如果预热不好，液体金属失热过多

9、，不能进行正常铸轧，即使勉强开始，也会因 供料嘴内有凝块而中断。预热温度一般为 300oC 左右，保温 4 小时以上。(二) 金属液面高度 整个浇注系统是一个连通器，前箱内液体金属水平面高度就决定着供料嘴出 口液体金属压力的大小，是另一个实现正常连续铸轧的基本条件。图 4-2 上注式连续铸轧正常铸轧时金属液面高度示意图图 4-2 是上注式连续铸轧正常铸轧时的金属液面高度示意图。图中 H 为正常 铸轧时前箱金属液面高度，y为供料嘴到底浇道高度，h1为金属液穴高度，h2为 附加高度， h 为铸轧区高度，即供料嘴平面到铸轧双辊轴平面的距离。在图 4-2 所示的上注式连续铸轧过程中，金属液穴所受到的由

10、前箱金属液面 高于供料嘴液穴面产生的金属液自重压力为，Fp=pg(H-y-h1)(4-1)金属液穴氧化膜表面张力为，F =c cos0(42)mm式中，c 为金属液的表面张力；cose口为润湿角。m 在驻扎过程中，氧化膜表面张力和金属静压力之间存在三种情况。第一种情 况是，二者相当，即：F =F，则有，mppg(H-y-hi)=c m coseH=(c m cos0)/p g)+(y+h丿(4-3)此时，氧化膜不能破坏，如图 4-3a 所示。铸轧可以连续进行，版面正常。 第二种情况，金属静压力小于氧化膜表面张力，即：FF，则有，pmPg(Hhi) Cm cos0HFm前箱液面高度控制不好，铸轧

11、过程就不能正常进行。若液面低，则供应金属 的压力过小，铸轧板面易于产生孔洞。液面过高，则金属静压力过大，容易造成 铸轧板面起棱，或在板面上出现被冲破的氧化皮，影响板面质量。甚至液面太高， 且供料嘴与铸轧辊间隙过大，易将氧化膜冲破，使液体金属进入间隙，造成铸轧 中断。从实践经验中得知，正常铸轧时液面高度经验公式如下：H=y+h1+h2 =y+0.33h+h2(4-6)液穴高度叫一般为铸轧区高度的三分之一左右，附加高度h2为510mm, 能够使相正常连续铸轧。4.4 连续铸轧的热平衡条件能够进行正常的连续铸轧，除了浇注系统充分预热和金属液面高度两个基本 条件外，铸轧的热平衡则是建立连续铸轧的主要条

12、件或必要条件。所谓连续铸轧 的热平衡，就是进入整个铸轧系统的热量要等于从铸轧系统导出的热量。如果失 去这个热平衡不是金属熔液不能凝固，导致漏液，就是液体金属冷凝在浇注系统 中，连续铸轧将无法进行。影响热平衡条件的有三个工艺参数，即铸轧温度、铸轧速度和冷却强度。(一) 铸轧温度铸轧温度一般以金属液出炉温度为准。铸轧温度的选定，必须充分考虑保证 液体金属从炉内流槽入前箱，再进入浇道系统，最后从供料嘴送至铸轧辊上。由于在整个流程中，具有一定的热量散失和温度降低，如果铸轧温度过低， 金属液体容易凝固在浇道系统中，不能保证铸轧的正常进行。但是，如果铸轧温 度过高，不仅有可能出现漏液，不能正常进行连续铸轧

13、，而且凝固晶粒粗大，有 更多的吸气体量，增加材料缺陷，导致材料性能的降低。因此，金属液铸轧温度 的选择必须适宜。铸轧温度的选定要考虑整个浇注系统的长短，以及气候和室内温度情况。一 般比所要铸轧的金属熔点高6080oC。如果浇注系统保温好，铸轧的下限温度可 以适当地降低。(二) 铸轧速度铸轧速度是连续铸轧工艺参数中最重要的一个。铸轧过程中冷却速度的调 整，主要是靠调整铸轧速度来实现的。连续铸轧不同阶段的铸轧速度是不同的。铸轧开始的初始阶段，主要是进一 步预热浇注系统。这时铸轧速度一般很高，为正常铸轧速度的一倍半以上。这个 阶段液体金属不能成形，金属贴在铸轧辊上成为碎片不断被带出。随着预热的进行，

14、供料嘴内温度均匀， 就要逐渐增加冷却水量和降低铸轧 速度，增加冷却时间。当铸轧速度降到一定数值时， 板坯开始局部立起，并不 断扩至整个断面，进入连续铸轧过程。如果再降低铸轧速度之前，发现喜爱凝固 外带出的碎片有硬块出现，则应重新提高铸轧速度，使供料嘴内温度均匀，然后 再来逐渐降低铸轧速度，最后调整至正常铸轧速度范围，使板坯征常铸轧出来。（三）冷却速度 在铸轧过程中，单位时间、单位面积上导出热量的大小谓之冷却强度。冷却 强度除和铸轧辊的水冷强度有关外，和铸轧速度、 铸轧区高度以及辊套材料也 有很大关系。铸轧速度慢，就意味着液体金属在铸轧区停留的时间长，有充分时 间向外导热，增加冷却强度。铸轧区长度增加，也就是冷却面积增加，有利于热 的传导。另外，辊套材料的导热性能对冷却强度也有很大影响。如选用钽合金作 辊套材料铸轧纯铝时，则其铸轧速度可达l.lm/min；而选用高合金钢作辊套材 料时，则铸轧速度仅在0.6m/min左右。4.5 连续铸轧设计参数（一）铸轧角的选择如图 4-4a 所示两辊铸轧中心连线和供料嘴预端到铸轧辊中心连线所形成的 夹角，称为铸轧角，常以a表示之。铸轧角所对之辊的圆弧即为铸轧区。铸轧 区的高度h、铸轧角a及铸轧辊半径R之间具有如下关系：h = R sina（4-7）由轧制原理可知，铸轧板能够咬入的主要条件在于摩擦系数“和铸轧角a的 关系