【连载5-1】薄带连铸技术发展、现状与前景
2016-06-02 王国栋 轧制技术
薄带连铸技术符合金属材料工业的绿色化发展趋势。薄带连铸技术具有亚快速凝固的特色和优势，是最有可能应用于大规模生产的快速凝固过程。薄带连铸技术发挥快速凝固的技术优势，在与传统长流程和薄板坯连铸连轧竞争与互补中发展。
薄带连铸技术本身在工艺技术、装备、自动化控制方面不断取得突破，并在制造汽车用AHSS、高性能电工钢、双相不锈钢、汽车铝合金面板、铝合金板材等一批常规连铸过程生产有困难或者很难生产的材料制备中凸显优势。薄带连铸技术在发展实践中逐渐清晰了自己的定位，它不会取代传统的连铸过程，但是，它可以成为常规连铸技术有效的、有竞争力的补充。一些常规连铸难以制造的材料，恰恰薄带连铸可以发挥作用。
这一切预示着，只要发挥薄带连铸技术的特色和优势，薄带连铸技术的发展前景辉煌灿烂。一个薄带连铸技术发展的新高潮正在走来！
战后国际钢铁工业迅速发展，经历了大型化、连续化、自动化的改造和新建，产量迅速增长。我国改革开放以来，积极学习、引进国外的先进技术，钢铁行业快速进步。目前我国粗钢产量已经接近世界总产量的1/2，成为名副其实的钢铁大国。钢铁行业的发展支撑了我国国民经济的高速发展。 但是，我们的发展受到资源、能源、环境的限制。铁矿石对外依存度达到80%，合金元素用量比先进国家高出 20% 以上。钢铁工业能耗占我国工业总耗能的18%，吨钢能耗比世界水平高10-15%。吨钢 CO2 排放比世界先进水平高 20%。尽管产量已经过剩，但我们的产品主要还处于中低端，质量不高，同质化，成本高，利润率低下。 这种发展属于“模仿型排浪式”。我们先进技术、装备主要靠引进、模仿国外技术，缺少消化、吸收与再创新。高潮时大家一哄而上，低潮时则大家一起倒下。企业之间攀比模仿，趋同发展，缺少创新、特色、个性和质量。因而缺少核心竞争力，核心关键技术未掌握在我们自己手里。 反观全球，钢铁工业发展趋势是绿色化，实行“绿色制造，制造绿色”，即节省资源和能源，减少排放，环境友好，易于循环，生产低成本，产品高质量、高性能。短流程生产线可以大幅度减少资源和能源的消耗，减少排放，环境友好，降低建设投资和生产成本。如果短流程生产线的产品能够同时实现产品高质量、高性能、引领性，则完全符合绿色化发展的大趋势。因此，在全球排放问题日益紧迫、日益严峻的今天，排放大户钢铁工业必须积极开发短流程技术，充分发挥其优越性，促进钢铁行业的绿色化发展。 薄带连铸过程可以将钢水直接铸轧成厚度1-5mm的带钢，极大缩短热轧带钢的生产流程，是目前流程最短的热轧带钢生产技术。尽管薄带连铸过程还存在一些缺点和问题，但是，它符合绿色化的大方向，这是我们判断一个技术是否值得开发的最重要的出发点。鉴于此，我们值得花精力、时间、资源去发展薄带连铸技术，发挥它的强项，克服它的问题，让它造福于人类。同时，我们还要相信，世界发展到今天，我们人类已经有了太多的驾驭世界的手段，“办法总比困难多”，只要发挥创新精神，学科交叉，真抓实干，持之以恒，薄带连铸会逐渐由“丑小鸭”变成“白天鹅”。 所谓薄带连铸技术，是由液态钢水直接铸造薄带材的技术。两支轴线平行放置、相反方向旋转的结晶辊与置于结晶辊两端的陶瓷侧封板构成熔池，形成一个移动式的结晶器。结晶辊通冷却水进行冷却。钢水浇注到熔池中，由液面开始钢水逐渐在结晶辊的表面结晶，随着结晶辊的转动，结晶层逐渐增厚。在临近结晶辊出口之上的某个位置，两辊表面的结晶层相遇。相遇点称为Kiss点。在Kiss点与结晶辊出口之间，结晶层经历一个极短暂的固相轧制过程。所以，人们常常将薄带连铸过程称为薄带铸轧，意指这一过程是连铸与轧制的结合。 薄带连铸过程是金属的亚快速凝固过程。从浇注液面开始，金属液体在辊面上逐渐凝固，在临近出口处，已经凝固成固态的两部分互相接触，并经受微小压下的固态变形，形成薄带，然后由辊缝间轧出。下表给出了不同生产工艺过程对应的冷却速率。一般薄带连铸过程的凝固速率为 10^2～10^4K/s，称为亚快速凝固。 冷却速率大于10^4K/s为快速凝固。它具有比常规工艺过程快得多的冷却速率。快速凝固过程是金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。快速凝固可以实现材料微观组织结构尺寸细化，例如细晶强化与韧化、微畴强化与韧化、凝固中极细的析出物及其引起的晶粒细化与强化等等。快速凝固可以促进成分均匀化，减少偏析、夹杂，避免有害相产生，提高合金元素使用效率。快速凝固扩展溶质的固溶度，可以促进过饱和固溶体形成，随后控制合金元素与非金属元素形成的化合物以及夹杂物的微细弥散析出，将可以发挥第二相析出的强化效果，起到“好上加好，变废为宝”的作用。快速凝固使位错、层错等密度提高，有利于形成亚稳相等非常规组织，得到特殊性能的材料，极高冷速下还可以得到非晶材料。快速凝固合金的硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性、耐蚀性等均有明显提高，赋予材料更好的室温性能和某些高温性能。 但是，目前的快速凝固过程主要局限于雾化细粉、喷雾沉积、电子束或激光玻璃化处理以及非晶化处理，应用范围难以扩大到规模化的大批量工业生产。 因此，人们退而求其次，把目光转向亚快速凝固过程。薄带连铸的冷却速度可以达到10^2---10^4 K/s，最接近快速凝固过程，可以在很多情况下体现出快速凝固的特点和优点，且可工业化大批量生产。所以，最近10年来，利用薄带连铸过程亚快速凝固的特点，挖掘其快速凝固的潜力，使其成为应对高合金材料加工中最棘手的塑性、偏析、夹杂、均匀性、能耗等问题的重要解决方法。 凝固过程中，金属熔体中的非金属元素，例如氧、硫、磷、氮、碳、硼等会与金属结合成为化合物。在常规的低冷却速率的凝固过程中，这些夹杂物会形核并长大，成为有害的大颗粒，恶化材料的力学性能、加工性能与使用性能。而在薄带连铸过程中，材料凝固中经历的是亚快速凝固。金属熔体中的一部分非金属元素与金属元素结合生成析出相（MPXQ，其中M-金属元素，X-非金属元素），微细析出，钉扎凝固基体的晶界，细化凝固基体组织。另一部分非金属元素在快速凝固和随后的快速冷却的条件下，继续保持其固溶状态，直到室温。 冷却后的连铸薄带，在后续热处理或冷变形 热处理的过程中，会有两类析出。一类是金属元素与尚未反应的非金属元素在较低的温度下反应，在凝固晶粒的内部生成比凝固析出更加微细的第二次析出相NRYS（N-金属元素，Y-非金属元素）。另一类是两种金属元素反应，生成金属间化合物的微细析出NPZQ（N、Z-金属元素）。这两类微细析出进一步钉扎相变或再结晶基体的新晶界，形成更为微细的纳米化的细晶基体组织。 这两类析出，即凝固析出和二次析出，可以促进连铸薄带组织的细化，实现细晶强化和析出强化。同时，通过这两类析出，可以合理利用钢中的有害元素、变害为利，这对于降低生产成本、提高钢材质量至关重要。当然，如果在快速凝固之后，进一步实现快速冷却，对于后续的共晶反应、包晶反应的控制和组织均匀化也有极为重要的影响。
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
