秋海濱，張 明

(1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176；2.北京圣實冶金設(shè)備有限公司，北京 100071)

目前，金屬板坯生產(chǎn)有熱軋、鑄軋和連鑄連軋三種工藝方法。經(jīng)過近40年的努力，金屬鑄連軋方法及設(shè)備取得了國家發(fā)明專利[1]，它是在連鑄連軋和鑄軋技術(shù)基礎(chǔ)上提出的一種金屬板坯生產(chǎn)新工藝。本文在對金屬板坯連鑄、連鑄連軋、鑄軋、熱軋和鑄連軋進行介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合連鑄和鑄軋工藝對鑄連軋方法進行闡述，進而對鑄連軋板坯凝固過程進行研究。

1 金屬板坯連鑄及壓力加工

通常所說的金屬主要是指鋼、鋁、銅及其合金。此外，如鎂、鈦、鉛、鋅及其合金的用量較少，難以形成一門獨立的行業(yè)。因此，文中金屬板坯連鑄及壓力加工是針對鋼、鋁、銅及其合金而言。

1.1 連續(xù)鑄造(continuous casting)(簡稱連鑄)

連鑄是把金屬熔體直接連續(xù)澆鑄成板坯的技術(shù)。鋼板坯連鑄大多是垂直式，圖1是鋼連鑄機流程。世界上第一臺工業(yè)化鋼連鑄機1951年在前蘇聯(lián)(紅十月)冶金廠建成[2]。鋁板坯大多是水平連鑄，較成熟的是美國哈茲萊特(Hazelett)公司水平式連鑄機，它將鋁熔體注入一對水外冷循環(huán)鋼帶間隙，直接鑄造出12mm～45mm厚的板坯。

圖1 鋼連鑄機示意Fig.1 Schematic of steel continuous casting machine

銅連鑄形式有水平式和垂直式兩種，圖2是水平式連鑄機。垂直式連鑄機和鋼的連鑄機形式相近，不同點是鋼鑄造成形后要經(jīng)過高壓除鱗，鑄坯大多是板錠，銅鑄造成形后需要經(jīng)過銑面，最終卷成卷材。

圖2 水平式銅板坯連鑄機示意Fig.2 Schematic of horizontal copper slab caster

1.2 連鑄連軋(continuous casting and direct rolling)(簡稱CC-DR)

把金屬熔體連續(xù)注入連鑄機(結(jié)晶器)鑄造出板坯，不經(jīng)冷卻直接進入熱連軋機組，軋制成卷材的方法。連鑄連軋把鑄造和軋制兩種工藝結(jié)合在了一起，相比傳統(tǒng)的先鑄造出板坯，后經(jīng)過加熱爐加熱，再進行軋制的方法，具有簡化工藝、改善勞動條件、增加金屬收得率、減少能耗、提高連鑄坯質(zhì)量、便于實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)的優(yōu)點。

鋼連鑄連軋過程如圖3所示。由鋼水連鑄出的板坯不經(jīng)過冷卻直接送入均熱爐中保溫或升溫一定時間后，進入熱連軋機組，軋制成卷材。世界上第一套鋼連鑄連軋機組由德國西馬克(SMS)公司制造，并于1989年6月在美國紐柯(Nucor)鋼鐵公司投入工業(yè)化生產(chǎn)[3]。

圖3 鋼連鑄連軋機示意Fig.3 Steel continuous casting rolling mill

鋁板帶連鑄連軋工藝始于上世紀50年代，典型的連鑄連軋機由美國哈茲萊特公司在1956年首次研制成功[4]，工藝流程如圖4所示，它將連鑄機鑄造出的板坯經(jīng)1～3個機架直接軋制成卷材。

圖4 哈茲萊特(Hazelett)連鑄連軋生產(chǎn)線Fig.4 Hazelett continuous casting and rolling production line

目前，國內(nèi)研究鋁連鑄連軋工藝的人員較少，引進的兩條哈茲萊特機組生產(chǎn)中尚存在一定的問題，推廣應用受到了限制。加之鋁的化學活潑性和高溫粘滯性，導致鋁連鑄連軋難以在線去除表面鑄造缺陷和氧化層。因此，鋁連鑄連軋很難生產(chǎn)高品質(zhì)的產(chǎn)品，進一步限制了鋁連鑄連軋工藝的應用。銅板帶市場需求量相對較低，連鑄連軋技術(shù)在銅板帶加工領(lǐng)域的應用很少。

1.3 連續(xù)鑄造軋制(continuous casting-rolling)(簡稱鑄軋)

鑄軋也稱無錠軋制，它源自英國人貝塞麥(Bessemer)1846年提出的從兩個水內(nèi)冷旋轉(zhuǎn)輥上方澆注金屬液，金屬液在輥縫間隙結(jié)晶、變形后從下端引出帶坯的方法，受當時技術(shù)水平的限制，此法沒有獲得成功[5]。鋼鑄軋是20世紀90年代由紐柯鋼鐵公司開發(fā)成功的一種近終形板材成形工藝，其優(yōu)點是可以直接將鋼水鑄造并軋制出1mm～2mm厚的金屬板材。圖5是鋼薄帶鑄軋成形原理及生產(chǎn)線流程，鋼水在兩個旋轉(zhuǎn)的水內(nèi)冷軋輥上方注入輥縫間，以很短的時間(3s～5s)完成結(jié)晶和熱軋兩個過程(圖5(a))[6]。

圖5 鋼薄帶鑄軋成形原理及生產(chǎn)線流程Fig.5 Forming principle and production line of steel strip casting and rolling

世界上第一條Castrip(超薄鑄帶untra-thin cast strip)生產(chǎn)線2002年5月在美國印第安州的紐克工廠建成，生產(chǎn)線全長60m，年生產(chǎn)能力50萬t/a[7]。鋁鑄軋工藝是1955年由美國亨特·道格拉斯(Hunter， Douglas)兩家公司聯(lián)合開發(fā)的,將鋁液從旋轉(zhuǎn)的雙水內(nèi)冷輥底部注入輥縫間、結(jié)晶、軋制變形后從上端引出帶坯。由于底注式操作不便，1962年亨特(Hunte)公司又開發(fā)出了傾斜式鑄軋機。隨后，法國斯卡爾(Scal)公司又研制出了直立式鑄軋機[5]。

鑄軋工藝中軋輥兼結(jié)晶器，將鑄造與軋制融為一體，極大地減化了熱軋工藝，減少設(shè)備投資，開辟了鋁板帶生產(chǎn)的新途徑。鑄軋機可直接由鋁水生產(chǎn)出2mm～12mm厚的卷材，大大降低了鋁板帶的生產(chǎn)成本。然而，鑄軋機受冷卻區(qū)長度和冷卻強度有限的制約，生產(chǎn)的材料范圍較窄、熱變形量小、深沖性不好、產(chǎn)量低，這些問題限制了鑄軋工藝的發(fā)展。盡管幾十年來世界各國投入巨資，冶金工作者開展了大量的實驗和理論研究，鋁鑄軋工藝仍然沒有取得突破性進展。

1.4 熱軋工藝(hot rolling process)

鋁熱軋工藝是將立式半連續(xù)鑄造好的板坯在常溫下經(jīng)表面銑削后，加熱到結(jié)晶溫度和熔化溫度之間，再經(jīng)過多道次連續(xù)軋制，達到預定厚度卷成卷材的過程。圖6是鋁板帶熱軋工藝流程。通常熱軋坯料300mm～600mm厚，軋制到3mm～6mm，產(chǎn)品涵蓋全系列變形鋁合金。熱軋產(chǎn)品范圍廣，質(zhì)量好，產(chǎn)量大。但是，熱軋生產(chǎn)線投資大，生產(chǎn)靈活性差，能耗高。

截至到2015年，國外有80%，國內(nèi)有45%左右的鋁板坯仍然采用熱軋工藝進行生產(chǎn)(注：數(shù)據(jù)來自中色科技(CNPT)可研報告)。相反的是，自1989年第一套鋼連鑄連軋機組誕生以來，到2015年為止，世界范圍內(nèi)已有95%以上鋼板坯采用連鑄連軋工藝生產(chǎn)，熱軋工藝生產(chǎn)鋼坯的工廠已經(jīng)極為罕見。其主要原因是，鋁的高溫粘滯性導致鋁連鑄連軋難以在線去除鑄坯的表面缺陷，進而嚴重影響了產(chǎn)品質(zhì)量，這正是鋁連鑄連軋不能替代熱軋(半連續(xù)鑄造)工藝的問題所在。盡管世界各國冶金工作者進行了大量的實驗和理論研究，鋁連鑄連軋工藝至今仍沒有取得像鋼連鑄連軋技術(shù)那種突破性的進展。

圖6 鋁板帶熱軋工藝流程Fig.6 Hot rolling process of aluminum strip

1.5 鑄連軋工藝(casting and rolling process)

將金屬熔體連續(xù)注入一個與軋輥對接的水冷式結(jié)晶器內(nèi)部，熔體在結(jié)晶器內(nèi)部快速冷卻，離開結(jié)晶器前凝固或凝固成帶液芯的坯殼，在后續(xù)熔體的推送下連續(xù)鑄造出1.2mm～45mm厚的鑄坯，鑄坯在金屬固相線溫度和結(jié)晶溫度之間，進入軋輥，經(jīng)過5%～75%的軋制變形，軋制到預定厚度，并以1.5m/min～75m/min的速度離開軋輥，切頭后卷成卷材的過程[8]，筆者將其定義為金屬鑄連軋工藝。 圖7是鑄連軋生產(chǎn)線及成形原理；(a)是鑄連軋生產(chǎn)線示意圖，生產(chǎn)鋁合金時不能銑面，生產(chǎn)銅合金時熱連軋之前需要銑面；(b)是鑄連軋成形原理，與鑄軋工藝中鑄嘴不同的是，鑄連軋的結(jié)晶器具有將金屬熔體均布到輥面和冷卻凝固的雙重作用，鑄坯的軋制由軋輥完成。

圖7 鑄連軋生產(chǎn)線及板坯成形原理Fig.7 Continuous casting and rolling production line and slab forming principle

2 連鑄、鑄軋和鑄連軋板坯凝固-軋制原理及工藝特征

金屬凝固是一個熱量傳輸和晶粒生成長大的過程。金屬的凝固還伴隨著體積變化、氣體脫溶和元素偏析等現(xiàn)象。絕大部分金屬材料是在液態(tài)中純化，調(diào)整成分，澆鑄成形，再加工成材的。金屬凝固-軋制工藝不但決定了板坯的結(jié)構(gòu)、組織和性能，而且還影響著以后的塑性加工和熱處理。為此，筆者發(fā)明了一種“金屬鑄連軋方法及設(shè)備”，能減少連鑄板坯的表面缺陷，也能減少中心疏松和偏析，解決鑄軋機冷卻區(qū)長度和冷卻強度有限的問題，開創(chuàng)了一條高效生產(chǎn)高品質(zhì)輕金屬板材的新途徑。

2.1 連鑄坯凝固-輕壓下原理

圖8是鋼連鑄坯凝固-輕壓下原理，離開結(jié)晶器的鑄坯進入扇形拉矯輕壓下段，經(jīng)水噴淋二次冷卻，同時在輥縫可調(diào)扇形段/拉矯機的作用下，對鑄坯進行輕壓下(各點壓下量≤2%)，以彌補鑄坯的熱收縮，進而減小中心疏松和偏析。圖中結(jié)晶器長度可以根據(jù)金屬的凝固特性、鑄坯厚度、拉坯速度和結(jié)晶器的冷卻強度而設(shè)計。

圖8 連鑄坯凝固-輕壓下原理Fig.8 Principle of solidification-light pressure of continuous casting billet

為了兼顧連鑄機生產(chǎn)效率和保證結(jié)晶器安全工作，鋼水從結(jié)晶器彎月面處開始凝固，到出結(jié)晶器時要形成一定厚度的坯殼，這一過程所放出的熱量需要冷卻水帶走。理論上講，所帶走的熱量Q(kJ/min)為[9]：

Q=L·e·v·p·[cv·(Tc-T1)+

Lf+cs·(Ts-T0)]

(1)

式中，L為結(jié)晶器周長，m；e為出結(jié)晶器的平均坯殼厚度，m；v為拉速，m/min；p為熔體(鋼水)密度，kg/m3；cv為熔體(鋼)比熱容，kJ/(kg·k)；cs為固體金屬(鋼)比熱容，kJ/(kg·k)；Tc為液相線溫度，℃；T1為固相線溫度，℃；Lf為凝固潛熱，kJ/kg；Ts為液態(tài)金屬流入結(jié)晶器時的溫度，℃；T0為出結(jié)晶器坯殼溫度，℃。

由于鋼的連鑄坯較厚，并且為了提高效率，生產(chǎn)時盡量提高拉坯速度。因此，鋼連鑄生產(chǎn)中鑄坯的液芯較長(6m～25m)。資料顯示，由澆鑄溫度到室溫，鋼水在凝固過程中，約有40%的熱量是在結(jié)晶器到液穴凝固終點之間放出的，60%的熱量是鑄坯完全凝固后放出的。通過在液穴范圍內(nèi)對特定鋼種凝固散熱的計算可知，完全由結(jié)晶器所帶走的熱量不足40%中的一半[9]。由此可知，連鑄結(jié)晶器所帶走的熱量只是凝固熱量的一小部分，這正是連鑄工藝高產(chǎn)的熱力學基礎(chǔ)。

此外，伴隨著連鑄坯凝固末端附近施加壓力(熱應力和機械應力)以產(chǎn)生一定的壓下量，阻礙含富集偏析元素的鋼液流動從而消除中心偏析，同時補償連鑄坯的凝固收縮量以消除中心疏松，即為鑄坯凝固末端輕壓下技術(shù)[10]，對提高鑄坯性能起到了重要作用。

輕壓下技術(shù)分靜態(tài)輕壓下和動態(tài)輕壓下，靜態(tài)輕壓下概念是1974年日本NKK第一次提出來的，即在鑄坯的兩相區(qū)末端采用至少兩對輥子對鑄坯表面進行壓下，可提高鑄坯中心致密度，減少中心偏析與疏松。由于拉速、過熱度、鋼種等參數(shù)的變化，導致凝固末端兩相區(qū)位置不能穩(wěn)定在輕壓下輥范圍內(nèi)，從而造成鑄坯中心質(zhì)量不穩(wěn)定，使其應用受到了很大限制。為此，20世紀90年代末，出現(xiàn)了能夠跟蹤凝固終點，并能根據(jù)凝固終點的變化實時調(diào)整輥縫和壓輥壓下位置的動態(tài)輕壓下方法。表1是輕壓下技術(shù)的發(fā)展過程[11]。

表1 輕壓下技術(shù)發(fā)展過程

連鑄輕壓下核心工藝參數(shù)包括壓下區(qū)間、壓下量、壓下率、壓下速率和壓下效率，如圖9所示。壓下區(qū)間是指壓下量的作用區(qū)域，常用鑄坯中心固相率fs表示，在0～1之間；壓下量是指壓下點鑄坯進出口的厚度差(單位：mm)；壓下率指沿拉坯方向單位長度內(nèi)實施的壓下量(單位：mm/m)；壓下速率指單位時間內(nèi)的壓下量(單位：mm/s)。由于壓下過程中鑄坯的延展和寬展變形，使鑄坯表面壓下量不能反映液芯受擠壓變形的程度，因此用壓下效率表征壓下變形時壓下量傳遞到液芯的效率。目前，理論上對壓下區(qū)間選取的研究較少，主要是根據(jù)連鑄坯凝固末端兩相區(qū)鋼液流動性提出的定性壓下區(qū)間選取模型[11]。

公式(2)是祭程[11]給出的壓下量理論計算方法;公式(3)是林啟勇[11]給出的壓下率理論計算方法;

圖9 輕壓下核心工藝參數(shù)示意Fig.9 Schematic of core process parameters of light pressure

(2)

(3)

公式(4)是Ito等人[11]提出的壓下效率經(jīng)驗計算方法：

(4)

連鑄連軋工藝之所以能在鋼板帶生產(chǎn)中得到廣泛的應用，除了較傳統(tǒng)工藝在節(jié)省投資、節(jié)能、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面有顯著的優(yōu)點外，連鑄連軋在工程技術(shù)和理論研究方面仍然有很大的發(fā)展空間。

2.2 鑄軋坯凝固-軋制原理

圖10是鋁鑄軋機板坯凝固-軋制原理，圖中的鑄嘴是金屬熔體分配器，沒有冷卻作用，結(jié)晶器由軋輥充當，冷卻區(qū)長度L鑄(mm)的計算公式[12]如下：

(5)

式中,σbz為表面張力系數(shù)，N/mm；ρy為金屬(鋁)熔體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；cv為熔體(鋁)比熱容，kJ/(kg·k)；λys為金屬溶液與冷卻水之間的導熱系數(shù)，J/(cm·s·℃)；Ty為金屬(鋁)熔體溫度，℃；Ts為冷卻水溫度，℃；△T為金屬(鋁)熔體過熱溫度，℃；S1為前箱液面與供料嘴液面的高度差，mm；V1為出坯速度，m/s；V2為金屬(鋁)熔體凝固速度，m/s；h1為鑄坯出口厚度，mm；Δh為絕對壓下量，mm；t為冷凝時間，s；R大為大鑄軋輥半徑，mm。

凝固過程中，軋輥冷卻水帶走的熱量Q鑄(kJ/min)[13]為：

Q鑄=L鑄·e·v·p·[cv·(Tc-T1)+Lf+cs·(Ts-T0)]

(6)

圖10 鑄軋坯凝固-軋制原理Fig.10 Principle of solidification and rolling of cast rolling billet

由公式(5)可以看出，除鑄軋材料的冶金特性外，綜合分析，R大、h1及Δh對冷卻區(qū)長度影響明顯。當軋機確定之后，增大板厚h1及板材的變形量Δh有利于加大鑄軋區(qū)長度。然而，鑄軋工藝通常板坯厚度<12mm，變形量<15%。因此，增大鑄軋機冷卻區(qū)長度，最有效的方法是增大軋輥半徑，這一點也為實踐所證實。

目前，國內(nèi)大約有一千條鑄軋生產(chǎn)線，盡管鑄軋輥直徑已由Φ600mm增加到了Φ1200mm，但冷卻區(qū)長度(≤80mm)并沒有顯著增大。而且，兼作結(jié)晶器的軋輥為了抵御軋制材料變形抗力的影響，軋輥輥套要有一定的厚度。加之，鑄軋機生產(chǎn)的板坯較薄，在離開軋輥時已經(jīng)完全固化，使鑄坯失去了二次冷卻的意義。這些都是限制鑄軋工藝冷卻能力和冷卻強度的重要因素，正是這些特性，決定了鑄軋工藝很難生產(chǎn)厚度大于12mm，固液相線溫差大于45℃的鋁合金，以及生產(chǎn)7mm厚鑄坯時速度不能大于1.5m/min。這也是鑄軋工藝難以替代熱軋和連鑄連軋工藝的原因所在。其次，受鑄軋工藝冷卻空間狹小的限制，無法在鑄坯結(jié)晶區(qū)域內(nèi)對熔體實施各種方式的擾動，喪失了改善鑄坯中心偏析的條件。加之鑄坯較薄，很難滿足大多數(shù)產(chǎn)品對厚度變形系數(shù)的要求，進一步制約了鑄軋工藝的產(chǎn)品范圍和性能。

2.3 鑄連軋坯凝固-軋制原理

圖11是鑄連軋板坯凝固-軋制原理，圖中結(jié)晶器長度可以根據(jù)產(chǎn)品的凝固特性、鑄坯厚度、鑄軋速度和結(jié)晶器的冷卻強度而設(shè)計。鑄連軋凝固-軋制過程中的熱平衡關(guān)系如下：

Qz1=Qj+Qg-Qy

(7)

式中，Qz1為凝固-軋制過程中的總熱量，kJ/min；Qj為結(jié)晶器帶走的熱量，kJ/min；Qg為軋輥帶走的熱量，kJ/min；Qy為軋制變形產(chǎn)生的熱量，kJ/min。

圖11 鑄連軋坯凝固-軋制原理Fig.11 Principle of solidification and rolling of continuous casting rolling billet

實際生產(chǎn)中，軋輥帶走的熱量和軋制變形所產(chǎn)生的熱量相互抵消一部分，其余熱量較結(jié)晶器帶走的熱量小得多，可以忽略不計。因此，公式(7)可以近似地表達為Qzl≈Qj，凝固-軋制過程中的總熱量為：

Qz1=Lj·e·v·p·[Ce·(Tc-T1)+Lf+

cs·(Ts-T0)]

(8)

公式(8)中，結(jié)晶器冷卻區(qū)長度Lj理論上不受限制，實際應為320mm～980mm。因此，鑄連軋機打破了鑄軋機冷卻區(qū)長度和冷卻強度的制約，結(jié)晶器帶走的熱量可以根據(jù)生產(chǎn)需要提前設(shè)定，這正是鑄連軋工藝高產(chǎn)和不受金屬固-液相線溫差限制的熱力學基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)金屬板材生產(chǎn)中，為了解決金屬表面的氧化和鑄造缺陷問題，鋼板坯采用高壓除磷，鋁板坯采用離線銑面，銅板坯采用在線或離線銑面的方式?；蛟阼T造機(結(jié)晶器)和熱軋機之間設(shè)置密封罩，生產(chǎn)時罩內(nèi)通惰性氣體，以防止帶材表面氧化。鑄連軋機將結(jié)晶器與軋輥對接，避免了鑄連軋過程中板坯表面氧化和鑄造缺陷的產(chǎn)生，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，拓寬了產(chǎn)品及厚度范圍，并極大地簡化了工藝環(huán)節(jié)，降低了設(shè)備和生產(chǎn)成本。由結(jié)晶器替代鑄嘴，將鑄造與軋制分離，從而擺脫了鑄軋機輥徑對冷卻區(qū)長度和輥套對冷卻強度的制約。擺脫鑄造功能的軋輥可由水內(nèi)冷結(jié)構(gòu)改為實芯輥，生產(chǎn)時輥面熱交變應力顯著降低，提高了軋輥使用壽命、產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。鑄連軋機能在不停機時調(diào)節(jié)板厚和板形，結(jié)晶器可以重復使用。

2.4 連鑄、鑄軋和鑄連軋工藝特征

表2列舉了鋼連鑄連軋、鋁鑄軋和鑄連軋主要工藝參數(shù)，可以看到三種工藝參數(shù)區(qū)別較大，技術(shù)內(nèi)容完全不同。鑄連軋鑄坯凝固區(qū)只有一個壓下點，壓下量大，鑄坯薄，壓下區(qū)間小，液芯淺。所以，在鑄連軋機生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)冷卻強度(結(jié)晶器冷卻水量)和軋機速度可以起到動態(tài)輕壓下的效果，并能避免表面鑄造缺陷。

表2 連鑄連軋和鑄連軋主要工藝參數(shù)

3 結(jié)束語

迄今為止，尚沒有針對金屬板帶鑄連軋生產(chǎn)工藝技術(shù)的報道。鋼板帶連鑄連軋工藝從誕生至今取得了重大進展，其產(chǎn)品占總產(chǎn)量的95%以上。而目前，鋁連鑄連軋板帶占比不到5%。針對這一問題，希望能夠找到合作單位，共同展開對“金屬鑄連軋方法及設(shè)備”的中試和工業(yè)化應用研究，以促進輕金屬壓延行業(yè)的技術(shù)進步。