薄带近终形铸造技术的研究现状及未来

2019-02-17罗俊杰

山西冶金 2019年2期

罗俊杰

（山西工程职业技术学院，山西太原 030009）

21世纪的材料加工工艺对低成本、节能节材、环境友好、便于自动化提出了较高的要求，材料近终形成形加工技术就是在此要求下兴起的一种新兴技术[1]。薄带近终形成形是材料近终形成形加工的一个重要分支，是指将液态金属浇注到各种形式的结晶器并直接凝固成形出厚度在0.1～10.0 mm左右的薄带坯的工艺过程，按其形式主要可分为单辊法、双辊法和辊带式薄带连铸法[2]。由于省去了常规薄带生产中大量的热轧工序，节省了电能消耗，降低了成本，是未来极具前景的生产技术。

1 研究现状

1.1 单辊法研究概况

国外机构着手这方面的研究比较早，比较有代表性的是浦项科技大学使用这种方法以0.17 m/s的辊速制备的79Ni-20Cr-1.0Si合金薄带，浇铸温度和铸辊温度分别为1 610℃与50℃，并研究了铸态显微组织。同时，浦项科技大学又用同样的方法制备了79Ni-Fe铸态磁性箔材，工艺过程为：浇铸温度1 580℃，喷嘴加热温度1 200℃，铸辊使用了Cu-40Zn合金。浇铸完成后经30%的冷轧压下量，1 100～1200℃退火后炉冷，成功制备了厚度为200～300μm、宽100 mm、长20 m的薄带[3]。

西安理工大学使用Ni-32.5%Sn共晶合金，采用20～40 m/s的高辊速，制备出厚 20～35 μm、宽 0.8～2.0 mm、长1～2 m的快速凝固薄带，并研究了铸态组织[4]。

由于受工艺制约，单辊法制备的薄带厚度通常小于1 mm，主要用于快速凝固的研究。该方法制备的薄带上下表面存在冷速差，下表面的组织较细；且上表面在凝固过程中是自由表面，成形质量较差，故这种方法不适于商业化。

1.2 双辊法研究概况

双辊薄带近终形铸造被认为是极具潜力的新技术之一，随着工业发展与科技进步，该技术的研究取得了一系列新成果。国外有代表性的是德国蒂森钢铁公司同IBF合作，于20世纪90年代成功开发一套垂直双辊薄带铸机。浇铸设备由感应炉、中间包及浸入式水口组成，结晶器由陶瓷侧封板及镶在铸辊上的环形铜套组成，薄带凝固成形后经小压下量的热轧、喷淋冷却，最后控制卷曲，控制卷曲温度可得到不同的组织，带卷可实现不经退火而直接冷轧[5]。

我国宝钢对双辊薄带连铸工艺的开发做了大量的投入，经过20年的努力，于2003年建成Baostrip典型工厂。该试验线从铸机到卷取机的长度为54 m，整个工厂长为70 m，宽为36 m。两个铸辊是由一种特殊的铜合金为辊套的复合结构，特殊的辊面纹理和预处理，用来控制热传输行为。一副可适应热变形的侧封板，通过高精度液压缸压在侧封板上，使它们与铸辊端面压靠，从而保证它们之间的稳定密封。试验线使用了熔池液位控制、辊缝位置控制及铸辊驱动控制等一系列先进的控制系统。装有一座轧制力达5 000 t、压下量超过25%～40%的四辊热轧机，可使出来的铸带直接热轧而不需要再加热[6]。

此外，我国的东北大学、北京科技大学和重庆大学也在这方面做了很多实验性研究工作（包括数值模拟方面的研究），取得了一系列成果[7，8]。

除了传统双辊法的研究之外，为了提高薄带坯凝固速率，真正在组织上产生快速凝固的效果，一些研究机构另辟蹊径，开展了双辊法的全新设计，如大阪工业大学与柏林工业大学研发了多种新型工艺，包括熔体拖拽法、静水压双辊法、熔体注射法等[9-11]。虽然这些工艺尚不成熟，但为薄带近终形成形技术的发展提出了新方向。

1.3 辊带式薄带连铸的研究

辊带式薄带铸造成形是将熔融金属通过布流器溢流至由传动辊带动下向前运动的冷却带上，下表面通过与冷却带接触直接发生凝固，上表面为自由面，整个凝固过程在保护气氛下进行。

该工艺国外有代表性的是一个德国研究机构在一次冶金技术讨论会上提出的辊带式薄带连铸的实验线，该线生产的铸坯厚度范围在10～15 mm，一般铸速为10～12 m/min，估计冷速达100 K/s以上。当铸坯厚度为15 mm时，经一辊热轧轧至8 mm即可，生产一卷70 m长的带钢大概需要2～3 min。由于为单面冷却，故存在上下表面的冷却速度及组织差异，可通过后续热机械处理调整该组织差异[12]。

2 存在的问题

2.1 成形方面存在的问题

1）凝固条件不稳定。模铸或连铸工艺中，液态金属是在相对静止状态下凝固，因此铸坯致密度高，裂纹相对少。而对于薄带连铸，由于液态金属在熔池受铸辊的作用，产生振动，液态金属是在紊流中运动中凝固，这样会增加卷气和产生裂纹的几率，一旦形成裂纹，薄带坯很难通过后续加工予以消除的。

2）氧化烧损。由于凝固时液相暴露在空气中的部位少，凝固后的锭或坯比表面积小，故氧化率低。而对于薄带连铸工艺，带坯凝固后比表面积较大，增加了氧化烧损，酸洗后金属收得率降低。

3）凝固的非同时性。由于铸辊在沿宽度方向上的温度分布不均，如铸辊的中间温度高，边部温度低，使薄带坯凝固时沿宽度方向上呈非同时凝固。这样增加了产生裂纹的机会。虽然铸造裂纹可由铸辊的微轧作用予以消除，但微轧压下量较小，裂纹不能完全消除。

2.2 组织性能方面存在的问题

虽然薄带近终形成形技术可以省去大量生产工序，但带坯厚度较薄，面临后续加工压缩比不足的问题，未能充分发挥压延加工对产品组织性能的优化作用，这样就必须改善铸态组织。如果薄带坯较薄，凝固速率快，易于体现快速凝固的效果，即实现铸态组织呈等轴状且偏析少，但后续加工压缩比不大，其他铸态组织缺陷的消除效果不明显；薄带坯稍厚则凝固速率慢，导致铸态组织与最终组织所差甚远，后续加工压缩比也不会太大，组织未能得到大的改善。

3 未来的展望

目前，薄带近终形铸造技术的研究已经取得了很大进展，而所面临的问题也日趋明了，各种工艺形式的优点和弊端也日渐清晰。虽然至今尚未见到该技术已经产业化的报道，但这并不意味着此项研究已经接近终了，也并不意味着各种工艺所面临的问题都无法解决。新的更合理的工艺形式还在不断被设计研发，传统工艺的不足也正逐步得到改善和优化，而且该工艺对于一些热加工性能较差的材料如铸铁、硅钢及一些冲压镁合金的带材成形依然具有较为重要的价值。相信随着工业的发展及先进控制技术的不断涌现，薄带近终形成形技术还会取得更大的发展，成功实现产业化也将不再遥远。