金属材料短流程、近终形的生产工艺

1、金属材料短流程、近终形的生产工艺多个过程(如凝固与成形)的综合化，称短流程化，如喷射成形技术、半固态加工技术和连续铸轧技术等。打破传统的材料成形与加工模式，缩短生产工艺流程，简化工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生产，提高生产效率。近终型、短流程的成形加工技术具有高效、节能等特点，在技术上突出的特点是缩短加工周期，尽量减少变形量或者后续加工环节，由金属熔体直接得到所需的制品或近似的制品，同时，这些制品还具有现有加工方法所生产制品的性能和组织，这可大大减少后续挤压、轧制和压铸等耗能大、投资大、用工多的加工过程。例如，半固态成形、连续铸轧和连续铸挤等是将凝固与成形两个过程合而为一，实行精确控制，形成以节能、降耗、高效和优质为主要特征的新技术和新工艺。1半固态成型金属材料的半固态成型是在半液半固的两相状态下进行的，所以与全液体成型或全固体成型相比，具有许多优点。首先，在凝固过程中有固液两相，同时存在的合金系都可进行半固态成型。半固态材料浆的粘度比熔融金属的粘度高得多，因此成型时可形成层流，也能更均匀地填充模型。金属浆的成型温度较低，与常规铸造工艺相比：可节约35%左右的能源；可以延长模型寿

2、命；凝固时间较短；可缩短生产周期；由于有固体存在和温度较低，零件在模内的收缩较小。用金属浆生产的零件内的宏观气孔与显微疏松比常规铸件中的少得多。半固态材料填充模型时，材料前端呈层流充满型腔，比熔融金属的流动平稳得多，不会卷入气体。半固态成型零件的尺寸可与成品零件的相等或几乎相等，极大地减少了机械加工量与切削量，既节约了材料，又可以生产形状复杂的零件或难于加工的薄壁零件。半固态模锻件与压铸件表面平整光滑，内部组织致密，晶粒细小，力学性能高。2近终形轧制技术(1)热连轧技术热连轧技术是将均热后的坯锭同时在几个机架中产生塑形变形的连续轧制过程。与单机架轧制相比较，热连轧技术具有工艺流程短，生产率高，产品质量高和生产成本低等优点。热连轧工艺虽然获得了较为广泛的应用，但是该工艺将熔体的熔铸和成形加工分为两个独立的环节，金属熔体往往先制备成大的坯锭，然后再进行均热后进行热轧成形，能耗增加。而且需要锯头、铣面、预热或均匀化，工艺流程较长，原始投资成本也较高。在热连轧技术中，热轧坯锭的质量对产品的工艺性能以及最终质量影响很大。而目前的轧制供坯中，铸锭内部的质量仍然较差，成分、组织不均匀，仍然存在偏析、

3、晶粒粗大、缩孔、裂纹和夹渣等铸造缺陷，这些缺陷的存在对加工过程和产品的质量影响极大，造成了大量废品。造成铝材成品率不高。因此，提高热轧铸坯的质量是轧制控制的关键环节之一，这客观上对坯锭的熔铸过程提出了更高的要求，如采用新型的熔处理技术、处理工艺和铸造技术等。(2)双辊式连续铸轧工艺双辊式连续铸轧工艺是指液态金属直接在两旋转辊间结晶，并承受一定的热变形而获得板带坯料的生产方法。与热连轧不同，该方法在铸轧的同时直接完成铸造和热轧过程，将坯锭的制备和成形过程合而为一，不需要铸锭锯切、铣面、加热等工序，缩短了工艺流程，几何损失和工艺废品少、成品率高，设备减少，占地面积少，投资成本低，且易实现生产过程的自动化和科学管理，因此在轧制生产中占有很重要的地位。铸轧生产线具有建设周期短、投资少、能源低、材料利用率高、维护费用低、技术门槛低、成品率高达97、环境友好等优点。但是产品的合金品种和规格较为局限，铸轧后产品为铸造结构，须经冷轧才能达到l2mm厚度。但是双辊式连续铸轧生产的合金品种少，往往只适合于纯铝加工，应用范围受到很大限制。为了克服之一不足，国内外也开展了一定的研究。如发展了半固态铸轧技术，该

4、技术将高效、节能、短流程的连续铸轧技术与半同态加工技术相结合，得到半同态连续铸轧成形技术，可以兼具这两种先进技术的优点，将是一种全方位高效、节能、短流程、近终形的加工方法，而且这种技术可生产的合金品种显著扩大，成分偏析小，是一种很有发展前途的新型轧制技术。(3)带式连铸连轧法连铸连轧法是指金属在一条作业线上连续通过熔化、铸造、轧制、剪切、卷取等工序而获得板带坯料的生产方法。与热连轧技术和双辊式连续铸轧工艺相比，带式连铸连轧法直接将金属的熔化到成品加工于一起，其生产流程更短，在节能降耗、生产近终形板带材方面具有独特的优势。根据连铸机的机构类型，连铸连轧法有多种类型，但是目前国内外应用最多的是双带式连铸连轧法，如哈兹利特法和亨特一道格拉斯法和3C法。带式连铸连轧法直接将金属的熔化到成品加工于一起，在节能降耗方面具有独特的优势，将是实现轧制技术短流程、近终形的主要方向之一。3近终型压铸技术传统压铸铝合金件不宜进行热处理，这制约了压铸铝合金力学性能的提高。压铸新工艺(真空压铸、充氧压铸、挤压铸造、半同态压铸和超低速压铸等)的开发应用，改善了压铸过程的成形条件，显著提高压铸件内在质量，大大提高了

5、压铸件力学性能、物理性能和耐蚀性能，尤其是气密性、可热处理性和可焊性。目前，制备高性能零件的压铸新艺受到越来越广泛的重视，尤其是流变压铸其基础性研究和应用工作也不断深入。另外，将不同压铸技术的结合应用，也成为现在压铸技术研究的重点。超低速压铸与一般压铸方法有所不同，它是以极低的压射速度，使金属液以极低的速度(0.15m/s)顺序充填型腔减小卷气倾向，降低铸件气体含量，以获得表面光洁、轮廓清晰、内部组织致密的压铸件(气体量控制在0.60.8mll00g，一般压铸气体量在25ml/100g)。但是该方法生产效率较低，且在生产中由于压射速度太低，往往会造成压铸件产生冷隔、浇不足、压铸件轮廓不完整清晰等铸造缺陷，而且压射速度的控制较为复杂，操作也不方便。真空压铸法是将型腔中的气体抽空或部分抽空，降低型腔中的气压，以利于充型和合金熔体中气体的排除，使合金熔体在压力的作用下充填型腔，并在压力下凝同而获得致密的压铸件。真空压铸法与普通压铸法相比具有以下特点：(1)气孔率大大降低；(2)真空压铸的铸件的硬度高，微观组织细小；(3)真空压铸件的力学性能较高。该技术操作方便，不降低生产效率，所以真空压铸法

6、自出现以来获得了一定规模的发展应用，但是该方法中涉及到复杂的真空处理系统，系统结构复杂庞大，购置成本高，导致压铸件的成本较高，因此限制了该技术应用范围的进一步扩大。充氧压铸是在压铸前将氧气充人型腔，取代其中的空气。当金属液进入型腔时，一部分氧气从排气槽排出，残留的氧与金属液发生反应，生成弥散状的氧化物微粒，在铸型内形成瞬间真空，从而获得无气孔的压铸件的方法，由于充氧压铸需要附加充氧控制装置，且消耗大量氧气，增大床铸循环时间，这导致了充氧压铸件铸造成本的提高，因此只用于生产需热处理或组焊、要求气密性高和在较高温度下使用的压铸件。半固态压铸是在液态金属凝同时进行搅拌，在一定的冷却速度下获得约30%甚至更高固相分数的浆料，然后采用半固态浆料进行压铸的技术。半固态压铸具有以下特点：(1)因含有30或更高的固相成分，合金的收缩量小，同时又具有较好的流动性，便于补缩；(2)半固态合金进入型腔不流淌，紊流程度小，基本上达到全壁厚充填，卷气少，易获得无气孔铸件；(3)浇注温度低，且在搅拌时已有30的结晶潜热散失，减少了对压室、压铸型腔和压铸机部件的热冲击，从而提高压铸型的使用寿命；(4)半固态压铸所要

7、求的拔模斜度小，甚至零拔模斜度，减少铸件的脱型阻力，提高铸件的精度；(5)半固态合金在剪切力的作用下使固态枝晶破碎，有利于细化晶粒，改善合金组织；(6)半固态压铸件含气量少，可进行热处理和组焊，提高了力学性能，扩大了应用范围。因此是很有发展前途的一门新型压铸技术，具有良好的应用前景。4连续铸挤技术连续铸挤技术是连续挤压技术的进一步发展，它将液态金属连续铸造与加工合为一体，实现液态金属直接加工成形，属短流程，高效节能的先进工艺。在Conform连续挤压的基础上，经过大量的实验研究。英国霍尔顿(Holton)公司对连续挤压机进行了改进，采用液态金属作坯料直接进入主机。铸挤轮与固定靴块形成挤压型腔，液态金属在型腔内进行结晶与变形，然后被挤出模孔成材，形成铸造与挤压为一体的新型的挤压技术。连续铸挤技术同常规生产同类产品的塑性加工方法相比较，具有如下优点：(1)可连续生产很长的产品；(2)节约能源约40，成品率高达90，降低成本30以上；(3)产品精度高，表面光洁平整；(4)可以实现液一固复合材料的生产；(5）膜具容易更换，安装维修方便；(6)设备结构紧凑，占地面积小，投资小。但是缺点是工艺控制

8、精度要求很高。但是目前该技术只应用于冶金行业和电缆电线行业中的一些小型管、棒。线、型材的生产，较大规模和大型加工材的应用未见报道。5近终形连铸的工艺技术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、薄带连铸技术、喷雾沉积技术等。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、能耗大、产品成本高、劳动强度大。采用薄带连铸技术，能将连续辟造、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。(1)CSP技术CSP的工艺过程为：采用立弯式连铸机生产厚5060mm的铸坯，经分段剪切后，送入辊底式均热炉(120185m)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2030mmin进入轧制工序。六机架精轧机组将厚5060mm的铸坯轧制成l .212.7mm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，峰产稳定，产品质量好等。缺点

9、：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。(2)ISP技术ISP的工艺过程为：采用带轻压下扇形段的弧形连铸机生产厚40mm左右的连铸坯，通过初轧机轧至20mm左右，经感应加热、克雷莫纳炉加热、均热送至精轧机组轧制成成品。生产线全长约175m。优点：生产线布置紧凑、生产能耗少等。缺点：感应加热炉设备较复杂且维修困难、薄片形水口寿命较短等。(3)CONROLL技术CONROLL的工艺过程为：CONROLL连铸机与热轧机平行布置，铸坯按Dynacs冷却模型玲却，铸机尾部装有一台火焰切割装置，将铸坯切成所需长度后进入加热炉，薄板坯离开加热炉后，通过粗轧机架5个道次的可逆式轧制，轧成厚25mm后进入带巷箱，再次除鳞，最后在6机架精轧机上轧成厚1 .712.7mm的热轧带钢，出轧机再经层流冷却后，卷曲成卷。优点：生产效率高、产品成本较低等。缺点：生产线的缓冲能力未必足够、铸坯尺寸范尉较窄等。(4)FTSR技术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7.5mmin的铸速下，在结晶器出口处得到5090mm厚的铸坯，经液芯压下后，板坯厚度为3570mm(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。(5) QSP工艺技术QSP技术是日本住友金属开发出的生产中厚板坯的技术，开发的目的在于提高铸机生产能力的同时生产高质量的冷轧薄板。其工艺生产流程一般为：电炉或转炉炼钢钢包精炼炉薄板坯连铸机剪切机辊底式隧道加热炉立棍轧边机粗轧机高压水除鳞机精轧机卷取机。(6) TSP倾翻带钢新技术，简称TSP，其工艺流程一般为：电弧炉（AC或DC）或转炉炼钢钢包精炼薄板坯连铸机步进式加热炉高压水除鳞机立辊轧边机单机斯特克尔轧机层流冷却卷取机。(7) CPR即铸压轧工艺，用于生产厚度小于25mm的合金钢和普通钢热轧带材。它利用浇注后的大压下（60%的极限压下量），仅

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