1988年，一些学者分别提出了水平单带连铸工艺的概念，并由最初的两个专利最后形成两个平行发展的工艺，一个主要是在北美（Hazelett，之前是必和必拓和麦吉尔金属加工中心，这些机构依次得到过国际财团的支持），另一个是在欧洲（由瑞典、芬兰和德国的公司或研究机构组成的财团）。与双辊连铸不同，目前水平单带连铸技术仍处于商业开发及起步阶段。因此，本文介绍的是适用于试点规模连铸机的设计特征，可能须改进之后才能实现完全商业化顺利运行。
“殊途同归”：两种工艺促发展
麦吉尔金属加工中心工艺。自1999年来，麦吉尔金属加工中心（MMPC）就一直运行一个试点规模的水平单带连铸机，其配有一个600磅的感应炉。在铸造过程中，钢先在炉工位中进行融化和合金化。如果冶炼正常，感应炉将被转移到铸造工位。在铸造工位，熔体通过一个向下运动的活塞，向上进入到金属输送系统，然后进入感应熔炼炉，从而以预定的流速输送液态金属。液态金属由一个槽或中间包转移到一个有特定纹理的钢带。随后凝固成1mm~10mm厚的铸带。
麦吉尔金属加工中心的水平单带连铸机的金属输送和熔体分配系统，是通过向下运动的耐火材料活塞的再次控制，使流入金属输送系统的钢水进入熔体中。而槽或中间包被分为3个腔室：入口室、头部控制室和一个出口室。安装在入口室上方的一个渣堰用来除去任何流入的渣。为减少湍流流入，液态金属在进入头部控制室前会通过一个坝。
铸造之前，整个金属输送系统，包括活塞和槽（中间包）系统，要用电阻加热系统进行预热。在铸造工位，装有熔体的感应炉向连铸过程中的熔体直接提供热量。石墨涂层可以用于冷却带的上表面，下方进行水冷，并且冷却带还由磁性支撑辊支撑。这一措施可消除冷却带形变（膨胀）。Hazelett冷却带的两侧也被“冷固”，以抵消连铸过程中冷却带的膨胀。在铸造过程中，液态金属通过一个横槽流到以预定速度运动的水冷钢带上。该工艺实行“快速起动”的连铸操作，离开了主冷却部后，铸带到达装有夹送辊-小型轧机的电动输出辊道上。这种辊站可以作为出带时的夹送辊，或作为一个小型的轧制单元，在此可使铸带厚度减少20%。
金属输送系统的最新研究主要集中于当熔体由缝式槽流到冷却带上的自由表面流动建模方面。这些模型研究了液态金属在三相点潜在回流和表面张力的共同影响作用。同样的，麦吉尔金属加工中心进行的进一步研究是电磁流分配系统的设计和应用，以进一步增强液态金属在冷却带上的扩散性和均匀性。
麦吉尔金属加工中心试点规模的水平单带连铸机也被广泛应用于新的槽设计和配置的试验中。为了评估这些设计对关键参数的影响，如熔体稳定性、带钢均匀性、槽堵塞性、可实现的最大铸造速度等，已经在不同的操作条件下对各种不同槽的设计进行了测试。
TU Clausthal工艺。TU Clausthal的水平单带连铸工艺中，钢水由钢包底部的口流入中间包-槽系统。然后通过渣堰系统分配，进入水冷却带。为避免冷却带变形，须保持在0.7个大气压内。当带钢位于冷却带上时，为防止氧化铁皮的生成，已融化或凝固的带钢要处在惰性气体中。这个冷却区被认为是“主冷却”区，并且铸带通常在6mm~20mm厚。
离开主冷却区后，大部分已固化的“带钢半成品”传递到均质化区，进行温度控制和应力消除，同样这一阶段也处于保护性气氛中。均质化区由一个绝热壳和一个辊道组成。在其内部，“带钢半成品”可以保持在一定的温度，根据后续工序进行进一步冷却或稍微加热。根据合金的成分和显微组织的要求，“带钢半成品”可以进入加热器、感应炉或通过其他方式进行加热，亦或直接进入精轧线实施在线热轧。
精轧线通常由三个减径辊和末端的一套平滑辊组成。经过处理得到所需减少的尺寸（通常从约50％~70％）后，带钢被传送到最终冷却区冷却到卷曲温度，然后进行切割或卷曲。
在连铸过程中，保持钢水在整个冷却带宽度上的均匀分布是很重要的，以确保带钢半成品厚度的均匀性。TU Clausthal的水平单带连铸系统中，可通过一个特殊的钢水分配和供给系统来实现这一目的。该工艺常使用氩气“耙子”来提高钢水分布的均匀性，并减少钢水抵达冷却带时的液膜速度。通过一系列横向分布的氩气喷射装置向约10mm厚的液态钢水喷射氩气。
为保证稳态凝固，要使钢水与运动的冷却带的相对速度最小化。为此，可以用一个强大的磁场与冷却带同步运动，类似于在传统的连铸工艺中使用的电磁制动器。该磁场可以由一个被称为电磁流量同步系统（EFSS）的线性电感器产生，电感器安装在氩气耙子后面，靠近熔体表面。此外，电感也能改善熔体流动状态的均匀性。
冷却带的膨胀控制。对于任一系统，铸造开始后，熔体首先到达冷却带时，由于较高的热冲击和随后冷却带的非均匀膨胀，都可能在冷却带生成非控性鼓包。McGill-Hazelett连铸机系统中，为了解决这一问题，冷却带的第一列支承辊都配有强大的钕磁盘，会在下面托住冷却带。同样，与液态金属接触的冷却带可以通过其四周的冷框进行预拉。这种简单而有效的解决方案在熔体撞击区产生了非常好的稳定性，补偿了冷却带初期的高热负荷。
对于TU Clausthal 系统，可以通过多种不同途径来控制冷却带的膨胀。冷却带经过一个带有交错支撑点的支撑辊系统，同时，下方的预定负压会将其托在辊上。通过这种方式，不可避免的热膨胀仅表现为大量更小的形变，将冷却带在竖直方向上的变化限制在0.1mm以内。这对铸钢表面的影响几乎可以忽略不计。此外，除了能降低整体传热率，纹理冷却带表面设计（纵向槽或是许多小的凸结）还能防止大规模隆起的形成。反过来，这会减少凝固坯壳的应力生成和形变。
侧封系统各有千秋。水平单带连铸机的另一个重要特征是侧封系统。有时，对于冷却带较厚的部分（大于7mm）要用到横向密封板，以防止熔体从冷却带侧面流出。TU Clausthal水平单带连铸机上使用的移动侧封系统包括两个由铜块制成的横向循环链，分别安置在冷却带两侧。铜块内部装有水冷管道，并由嵌入内部的高强度、耐高温管互相连接。这样，在接触钢水之前，铜块紧密连接，但允许该系统在水平方向上发生弯曲。在操作过程中，冷却水由软管和旋转接管供给与排除。连杆和轴承固定在每个铜块上，因此它们可以在沿着连铸机的槽口进行运转。块环链安置在上面并绕两个水平尾盘旋转，前面的尾盘通过转动驱动链条。
McGill-Hazelet的侧封系统要简单的多。它包括两个无头轧制钢板系统，随无头轧制带一起运动，与液态钢水接触前，其中的耐火部分开始对齐，这样就限制了包括连铸方向的所有水平流动。为确保侧封板的稳定性要安装引导支撑辊。对麦吉尔实验，当铸造3mm~8mm厚的AA6111和AA5000系列铝合金带时，这些侧封系统是不需要的。同样，铸造7mm厚的带钢时，侧封系统也是没必要的。
“千方百计”保证表面质量
TU Clausthal系统中，为避免带钢氧化而影响其表面质量，钢水的主要凝固过程发生在充有氩气的保护罩里。然而，在纯氩气氛中，由于相对较低的放热率，熔体上表面冷却的效果很差。因此，通过对带钢底部集中水冷所达到的散热和凝固效果主要是单面的。所以，最终凝固将发生在熔体的上表面附近，导致带钢上表面多孔。为避免此类现象发生，向氩气保护罩内加入百分之几的CO2来减轻影响。CO2能使熔体上层薄膜轻微脱碳，以提高其凝固温度。由此引起的钢水过冷会导致熔体上表面钢水固相薄膜发生异相成核。这种固态膜增加了钢的表面放热率，导致上表面放热效果变强。通过这种方式，增加了自上表面向下的凝固速度，并使最终凝固区下移到带钢厚度的40％（从带钢上表面计起）。任何潜在的微孔隙在随后进行的在线热轧中很容易被焊合。TU Clausthal水平单带连铸机的保护罩系统就是这样设计的，这是纯氩保护罩首次应用于钢坯。熔体上表面冷却后，才会通入CO2。
结晶器的表面纹理对传热和凝固带的质量有显著的影响。麦吉尔金属加工中心已经研究了各种不同的冷却带纹理和它们对界面热通量的影响。其中包括由许多离散的、微小的凸起和凹谷组成的喷砂基板面，以及各种宏观纹理的基板。这些凸起的高度和密度，对界面热通量有着巨大的影响。研究表明，将凸起高度由40μm 减少至4.5μm，界面的热通量会增加5倍~10倍。降低基板面的粗糙度还可以大幅度减少接触点（凸起中直接与凝固熔体接触的顶点）对热通量的影响，从而让整个带钢的热通量更加一致。
在工业过程中，可以通过喷砂，将基板的表面纹理处理成一种随机离散凸起模式。基于冷却基板表面纹理和界面热通量之间的已知关系，就能制作出一个理想的铸辊表面纹理，既能提供适于工艺参数所需的热通量，同时又能避免缺陷的形成。
最后，如果为了实施在线热轧，连铸、热轧和卷曲的速度都要保持一致。TU Clausthal工艺中，铸带的厚度取决于熔体流。而熔体流由钢包塞杆与冷却带的运动速度控制。连铸开始时，用一个“模拟钢带”把铸钢拉到在线热轧机上，以冷却带的速度运动。使用一台热感器来检测铸带头部通过轧辊，然后将间隔调整到所需宽度。为测量铸带速度，轧机前后都要安装速度计，热轧速度与冷却带的运动速度要匹配，同时要把带钢在冷却过程中的收缩考虑在内。
麦吉尔加工中心的水平单带连铸机配备了先进的在线过程控制系统，该系统由Hazelett薄带连铸公司设计并实施。操作控制、数据录入和控制系统的观察被整合到一个触摸屏的用户界面。该控制系统能够同时调节连铸机的3个主要组成部分：输送系统、冷却带和夹送辊驱动，使连铸、凝固和热轧同步进行。通过控制活塞式置换器的速度来调节液态金属的流量，而流量根据铸带厚度、冷却带速度和后续工序中夹送辊-小型轧机的辊速来调整。该系统还能够控制施加在冷却带上的压力和冷却水泵以及辊隙之间的距离。
世界第一个商业化规模的水平单带连铸厂包含了许多上文提到的水平单带连铸工艺的特征和设计。该厂整个生产线长60米，其中包含11米的连铸机，配有80吨的钢包容量，连铸机能以高达30米/分钟的速度生产1000毫米宽的带钢。该实践为水平单带连铸技术向商业化发展迈出了重要的一步。
信息来源：《中国冶金报》
