薄带连铸技术.doc

薄带连铸技术   1.       前言 薄带连铸技术是冶金及材料研究领域内的一项前沿技术，它的出现正为钢铁工业带来一场革命，它改变了传统治金工业中薄型钢材的生产过程传统的薄型钢材一般采用板坯连铸法，在生产中需要经过多道次热轧和反复冷轧等工序能耗大，工序复杂，生产周期长，劳动强度大，产品成本高，转产困难等缺点厚板坯（200~300mm）连铸连轧工艺线长度一般在500~800m之间，薄板坯(50~60mm)为300~400m，而采用薄带连铸技术，将连续铸造、轧制、甚至热处理等整合为一体，使生产的薄带坯稍经冷轧就一次性形成工业成品，简化了生产工序，缩短了生产周期，其工艺线长度仅60m设备投资也相应减少，产品成本显著降低，并且薄带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，还可以生产出难以轧制的材料以及具有特殊性能的新材料但从目前的研究情况看，主要集中在不锈钢、低碳钢和硅钢片方面薄带连铸技术工艺方案因结晶器的不同分为带式、辊式、辊带式等，其中研究得最多、进展最快、最有发展前途的当属双辊薄带连铸技术该技术在生产0.7—2mm厚的薄钢带方面具有独特的优越性，其工艺原理是将金属液注入一对反向旋转且内部通水冷却的铸辊之间．使金属液在两辊间凝固形成薄带。

双辊铸机依两辊辊径的不同分为同径双辊铸机和异径双辊铸机．两辊的布置方式有水平式、垂直式和倾斜式三种，其中尤以同径双辊铸机发展最快、已接近工业规模生产的水平1857年，英国的Bessemer[1]首次尝试采用双辊技术直接铸造钢带，并获得了该项技术的第一项专利在最初的100多年里，由于制造技术和控制技术等相关技术的落后．过程控制较为困难，产品质量无法保证，使得这项技术基本上处干停滞状态到了1989年，澳大利亚BHP(Broken Hill Proprietary Company)公司和日本的IHI(Ishikawajima-Harima Heavy Industries)公司决定联合开发钢的双辊薄带连铸技术在澳大利亚建立了一个用于研究此项技术的研究厂，命名为M工程[2]直至1999年，M工程才完成了它的使命通过研究和开发，在薄带连铸技术方面获得了1500多项专利[3]为了管理和继续研发有关技术，由美国Nucor公司，BHP和IHI合资组建了一个铸带（CastripTM）有限责任公司（LLC）首家利用薄带连铸技术进行商业性生产的公司是美国Nucor公司，命名为C工程该项工程于2001年2月27日在美国北部印第安纳州破土动工，预计2002年第一季度投产。

现就薄带连铸技术的研究情况、专利技术和商业性生产方面进行概述2.       薄带连铸技术的研究—M工程 2.1 概要　从钢水直接生产钢带，钢铁工业的专家们已经梦想了近150年从1989年起，BHP和IHI在澳大利亚Kembla港建了一个大规模研究厂，一直合作研究薄带连铸技术到了1998年，生产出了具有商业价值，规格为2mm×1345mm的低碳钢带卷该薄带可通过酸洗、冷轧、金属涂层、喷涂等工艺处理后用于建筑工程，也可以作为生产钢管的原材料从1999年起，重点集中研究厚度小于1.4mm的较薄规格钢材 2.2    工艺图1为澳大利亚Kembla港研究厂的纵面布置图，该图反映了薄带连铸生产的工艺过程，图中1—10分别表示大包回转台、大包、等离子控温仪、中间包、双铸辊、轧机、夹送辊、拉辊、剪刀机和卷取机研究厂薄带连铸的工艺过程为：60吨电弧炉在3小时内炼出钢水，出钢后用行车把运送小车上的钢包掉上大包回转台在浇铸期间，钢水源源不断地从大包到中间包，在中间包，用等离子控温仪可以控制温度，也可以使钢水得到缓冲和均匀通过缓冲和均匀后，钢水沿水口流向铸辊，铸辊对钢水具有凝固作用，表层凝固后的钢带进入由惰性气体保护的缓冲池，该池保证钢带继续凝固，同时具有控制温度的功能，以便在随后的50%压下量的轧机上有个合适的入口温度。

轧制后钢带冷却，经剪刀机定尺剪断后，用两个卷取机中的一个将钢带卷取整个工艺路线长56米表1为M工程的技术参数图1 澳大利亚Kembla港研究厂的纵面布置图  表1 M工程的技术参数 双辊铸机的铸辊直径为500mm 铸速 80m/min，最大150m/min 带厚 0.9-2.0mm 带宽 1.0-2.0m（当前宽度1.345m） 卷重 25吨（2台40吨卷取机） 钢种 含碳0.06%，用Si脱氧的低碳钢 60吨大包，10吨中间包 具有控制钢水温度的等离子控温仪 热轧 铸机生产能力 30到50万吨/年   2.3    产品质量2.3.1表面质量薄带的表面质量是通过一系列的检测和控制技术来保障，整个薄带连铸安装了检测设备，对每一卷的头尾取出10m进行视检、酸洗和着色试验以便暴露宏观和微观缺陷2.3.2 内部质量钢带的内部质量关系到轧制变形的顺畅和最终产品的性能，图2是通过X射线反映的薄带内部空洞情况 内部空洞的存在主要与不均匀凝固有关要控制好钢的化学成分和凝固条件无内部空洞是较理想的钢带组织图2 薄带内部空洞 通过对铸带的扫描电镜分析，图3反映了钢带内部夹杂物的大小和分布情况横坐标为夹杂物大小，纵坐标为不同大小夹杂物出现的频数。

从图可知，3.5μm大小的夹杂物所占比例最大大多数分布在2.5-8.5μm之间2.4    组织与性能图3 钢带内部夹杂物大小和分布 图4为冷却速度对组织性能的影响图中横坐标为冷却速度，纵坐标为抗拉强度从左到右冷速越来越大，组织分别为多边形铁素体（Polygonal Ferrite）、多边形+针状铁素体（Polygonal+Acicular Ferrite）、贝氏体（Bainite）和马氏体（Martensite）伴随组织的变化，其强度越来越高 图 4: 控制冷却速度改变组织性能 图5 冷却速度对铸带产品机械性能的影响  组织不同，其性能不同多边形铁素体的抗拉强度为350MPa，马氏体为900 MPa，其它组织的性能位于二者之间不同的组织是在不同的冷却速度下得到的，带卷温度较高时将得到多边形铁素体，带卷温度为中温时得到多边形+针状铁素体，在冷床上弱冷得到贝氏体，强冷则得到马氏体图5表示了冷却速度对铸带产品机械性能的影响横坐标表示延伸率，纵坐标为屈服强度从图中的左上角到右下角冷却速度由快到慢，屈服强度逐渐降低，延伸率逐渐增加2.5    成本图6 冷轧、热轧与铸带的生产成本薄带连铸技术在薄规格带材方面相对于目前的热轧和冷轧产品有着独一无二的成本优势。

图6[4]反映了冷轧（Cold Rolled）、热轧（Hot Rolled）和铸带技术（Castrip Technology）的带材厚度（横坐标）和生产成本（纵坐标）的关系带材越薄，生产成本都会增加，但热轧增加显著，冷轧次之，而铸带技术增加很少如果用铸带产品替代冷轧产品，其成本每吨可降低60-70美元 表2是项目投资和生产成本，熔炼车间投资6000万美元，单位投资每年每吨150美元薄带连铸机投资8000万美元，单位投资每年每吨200美元总投资1.4亿美元，总单位投资每年每吨350美元从钢水转化为带卷每吨生产费用为40美元   表2 项目投资和生产成本   投资费用 单位投资 1 投资 （百万美元） （美元/年.吨） 熔炼车间 60 150 薄带连铸机 80 200 总计 140 350 2 生产费用     从钢水转化为带卷的生产费用 40美元/吨 3.       关于薄带连铸技术的知识产权 薄带连铸技术知识产权专由铸带有限责任公司（Castrip LLC）负责管理，该公司由Nucor公司、澳大利亚的BHP和日本的IHI合资新建，主要从事薄带连铸技术的研发与管理重点在于碳钢和不锈钢的双辊薄带连铸。

其拥有专利达1500多项图7反映了各领域所拥有的专利情况 图 7 薄带连铸技术各领域所拥有的专利蛋糕图蛋糕图中铸辊侧封（Edge Containment）占15%， 控制气氛（Atmosphere Control）占10%， 薄带的轧制、冷却及处理（Strip Rolling, Cooling, Processing）占10%， 商务管理（Business Methods and General）占9%，钢水递送（Metal Delivery）占20%，缓冲池控制（Pool Control）占12%，辊子设计（Roll Design）占24%4.       薄带连铸技术的商业应用-C工程          反向旋转 铸辊液态金属 图8 薄带连铸机双铸辊工作情况  C工程是美国Nucor公司，运用M工程的研究成果，上马的世界上首家由Castrip LLC知识产权允许的商业性薄带连铸生产厂该厂位于印第安纳州的Nucor公司所在地Crawfordsville，故名C工程　图8 示意地表示了薄带连铸机双铸辊的工作情况两铸辊反向旋转，铸辊两侧有耐火材料制作的侧封装置，防止钢液外流，钢水通过铸辊即刻凝固为固体薄带。

平均冷却速度达1700℃/s，整个凝固时间仅0.15秒（带厚1.6mm，铸速80m/min） 图9 C工程工艺流程图表3[5] 是C工程主厂房技术规格图9 是C工程厂房布局示意图，反映了薄带连铸的工艺流程情况其工艺路线为：钢水→大包（Ladle）→中间包（Tundish）→过渡段（Transition Piece）→水口（Delivery Nozzle）→铸辊（Casting Rolls）→控制气氛（Controlled Atmosphere）→夹送辊（Pinch Rolls）→热轧机架（Hot Rolling Stand）→拉辊（Pinch Rolls）→剪切（Shear）→卷取（Down Coilers）图中第二架轧机为可选项卷取机有两台，交替工作从中间包到卷取机的距离仅60m，相当于板坯铸机的十分之一长表3 C工程主厂房技术规格  单位 规格（公制单位） 大包 110吨 铸机 直径为500mm双铸辊 铸速 80m/min（典型），150m/min（最大） 产品厚度 0.7-2.0mm 产品宽度 最大2000mm 卷重 25吨 轧机 单架4辊轧机 工作辊尺寸 475×2050mm 支撑辊尺寸 1550×2050mm 轧制力 最大30MN 主电机 3500 kW 5 结束语双辊薄带连铸技术已受到世界各国的普通重视，它的开发成功必将改变冶金工业的面貌，从而带来巨大的经济效益和社会效益．虽然目前还存在诸多的问题，如薄带表面质量、薄带厚度的均匀性、铸速的稳定性、薄带的宽度、侧封材料、铸辊材质和冷却、钢水保护及各项控制系统等。

但可以相信，在各国科研工作者的共同努力下，随着这些问题逐步的解决，该项技术的工业化应用将指日可待从以上M工程研究成果看，国外对于双辊薄带连铸技术的研究已取得了重大进展，今后将重点集中在铸机及工艺适应性研究、薄带的组织与性能研究、数学模型的建立和应用研究上而我国的研究和开发与他们相比，还存在较大差距，因此我们应该借鉴国外成功的先进经验和他们的研究成果，加大投入，采取联合攻关的形式，加快研究步伐，争取早日赶上世界先进水平让我们行动起来，尽快地了解它、研究它，进而提升我国的薄带生产技术  参考文献： 1        Richard L. Wechsle。