薄带连铸：接近“终点”的“优胜者”

文/Sa GE， Mihaiela ISAC，Roderick Ian Lawrence，译/韩海龙

        在一个典型的薄带连铸过程中，液态金属直接在一个移动的基板（带或铸辊）上进行铸造，生产一到几毫米厚的金属带材。由于金属铸带接近最终产品的厚度，可使下游昂贵且耗能的定径-减径和精整步骤最小化，直接将其整合到连铸过程。通过把铸造和轧制整合成一个紧凑且高效的过程，薄带连铸技术能为炼钢行业提供更多的经济效益、环保效益和技术效益。

        与传统连铸相比，薄板坯连铸的速度更快，并且使连铸和热轧整合成一个连续的工序，可大大减少再热和轧制的费用，但在带钢质量上还亟待提高和优化。薄带连铸技术弥补了薄板坯连铸工艺的一些不足，旨在直接由钢水生产更薄的钢板，可省去再热或者均热工序，使轧制成本进一步降低。美中不足的是形变热加工将被削弱，对于双辊薄带连铸尤为严重，这会损害钢板的最终性能。

        传统连铸、薄板坯连铸、双辊连铸和水平单带连铸的典型工艺特点见附表。

移动结晶器使薄带生产成为可能

        薄带连铸技术最突出的特点之一，即将其与传统连铸和薄板坯连铸区分开的特点，就是大幅简化了工艺操作和后续工序，这得益于铸带厚度的明显减少。

        跟其他连铸机一样，薄带连铸机也是由一套液态金属测量系统和一个结晶器组成的。为避免钢水再氧化并保持适当的温度，钢水仍然由钢包转移至中间包。然后，中间包或其他中间容器使钢水通过一个浸入式水口（SEN），或更常见的是通过一个较复杂的流体控制系统，到达移动中的冷却结晶器，在这里固化形成带钢。薄带连铸机的特征是其设计本身的“移动结晶器”，结晶器表面可以随着凝固中的熔体一起移动，从而将两者表面之间的速度差减小为零。目前存在两种不同的薄带连铸技术：单-双辊连铸（SRC和TRC）技术、单-双带连铸（SBC和TBC）技术。

        带钢的生产成本会随初始铸钢厚度的增加和最终产品厚度的减小而急剧上升。使用振荡结晶器的传统工艺（传统连铸和薄板坯连铸），激烈的热轧和所需的再加热是造成生产成本随厚度减少而急剧增加的主要原因。但是，使用振荡结晶器很难铸造薄钢坯，这是因为较薄的带钢固化得更快，所以需要相应更快的连铸速度。反过来，更快的连铸速度会导致结晶器和铸钢之间的摩擦力更大，最终引起如裂纹这样的表面缺陷。

        因此，通常通过结晶器振荡以及在结晶器与薄板坯界面使用润滑渣来减少传统连铸中结晶器的摩擦力。但是，这些技术不能用于薄带连铸，因为结晶器振荡会在铸带表面留下印记，这会导致在高速连铸中生成与带钢厚度差不多大小的缺陷。

        薄带连铸技术因结晶器（辊或冷却带）以铸带生成的速度移动，可消除结晶器和薄板坯之间的摩擦力。这允许在高速下由铸钢直接生产具有良好表面质量的薄带，同时降低操作成本以及由于去除保护渣而带来的不确定性。

精简流程使投资成本大大缩减

        薄带连铸能直接由熔体生产薄带，并省去了传统连铸工艺中所需的热轧工序之后的大部分工序，只有少数的轧制步骤、精整工序和传统的卷取是必需的。缩短工艺流程可以使投资成本降低4倍~10倍，每吨钢可以减少的投资成本高达40%。与薄板坯连铸工艺相比，薄带连铸可使投资支出减少68%，使空间使用减少40%。在薄带连铸技术中，水平单带连铸工艺的生产能力比双辊连铸工艺要高5倍（或更多），因此它的投资支出最低。通过估算采用不同流程的连铸厂大概的投资成本发现，生产带钢的薄带连铸机操作成本与最终产品的厚度无关，与此形成鲜明对比的是传统连铸技术的操作成本会随最终测量厚度的减少而急剧上升。    

        有研究估计，在双辊连铸中，连续生产3次110吨铸钢，耐火材料至少更换一次。同时，改变铸辊所需的时间估计不超过10分钟。

        传统连铸和薄板坯连铸，它们的慢冷却会导致粗晶粒，多重固化区（激冷区、柱状区和中心等轴区）和杂质分离区一起生成，而薄带连铸得益于其快速的凝固率和快的冷却速度，能够生产宏观偏析程度很低的带钢。薄板坯连铸生产碳钢所使用的废钢中铜质量分数不能超过0.15%，锡不能超过0.015%，以避免表面裂纹的形成。双辊薄带连铸中，此阈值可分别增加3.5倍和10倍，分别对应于0.55%的铜和0.16%的锡。在改善废钢回收性和更高杂质容差方面，水平单带连铸工艺也有类似的效果。

独特工艺打造高级钢种生产“利器”

        如今，通过薄带连铸生产特殊金属合金可以得到额外的经济收益。对于薄带连铸的某些形式，比如具有较快冷却速率的单辊熔体淬火或者熔融纺丝工艺，完全有可能生产出带有远离平衡结晶，甚至非晶形结构的超薄带钢。这可以用以生产特种合金、非晶合金和大量非晶形板材。

        废钢回收利用为碳钢合金提供了新的机会。研究表明，水平单带连铸能将铜作为一种有效抑制腐蚀的元素加入钢中进行合金化，不产生偏析，也不影响带钢质量。通过合金化，由薄带连铸生产的含有1%铜的中碳钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速度可减至正常速度的10%。

        高锰含量的先进高强度钢（有时也被称为高强度延展性钢，AHSS），如相变诱导塑性钢（TRIP）和孪晶诱导塑性钢（TWIP），因其具有高强度和高延展性，是制造某些汽车部件的理想用钢。这些钢无法用传统连铸或薄板坯连铸生产，因为热裂纹的高敏感性意味着这些由立式连铸机铸造后的铸钢不能弯曲，且它们淬化非常快。而水平单带薄带连铸技术提供了一种生产AHSS钢廉价且有效的新工艺。研究表明，试点规模的水平单带连铸机生产的AHSS钢质量良好，并可以进一步改进提升。

生产过程凸显节能环保效益

        除了具有可观的经济效益，薄带连铸还能降低炼钢企业的吨钢能耗和排放。有研究估计，与传统连铸相比，双辊薄带连铸能将降低90%的能源消耗，减少80%的温室气体排放量。报道称，位于美国印第安纳州克劳福兹维尔的CASTRIP带钢连铸生产线是实现工业化的双辊连铸工艺，相比传统工艺生产带钢所需能耗降低了81%~89%，温室气体排放减少了71%~80%。

        水平单带连铸工艺由于需要更多热轧，能源节约量相比双辊薄带连铸较少，大约可减少传统连铸能耗的75%。然而，由于水平单带连铸尚未实现工业化，有理由相信，通过在其发展的高级阶段进行工艺优化，它的能耗和排放量有进一步下降的空间。

        此外，薄带连铸的产品由于厚度很小，比表面积较大，这使热传递变得更有效，若后续工序需要，可被迅速加热到预定温度，能够降低能耗和节省时间，并因减少了氧化铁皮而降低损失。

        然而，值得注意的是，尽管薄带连铸节能较为显著，但整体成本节省的并不多，因为能源成本只占其操作成本中很小的一部分。

        随着资源能源紧缺和价格不断上涨，全球碳排放税以及碳交易制度的广泛推行，尽管目前薄带连铸技术的节能环保效益还不能精确地计算，但可以相信该技术节约成本的潜力无疑将得到进一步提升。例如，2012年7月，加拿大不列颠哥伦比亚省对工业征收的碳排放税增加到排放每吨CO230美元。与传统连铸相比，薄带连铸的减排能力（计算数据来源于CASTRIP生产线，每吨钢可减排0.16吨CO2），仅减少碳排放税一项可使每吨钢节约成本5美元左右。

        得益于20世纪80年代以来世界各地进行的深入研究和开发，薄带连铸技术逐渐走向成熟。对于钢铁联合企业，水平单带连铸要比双辊连铸更有优势，其具有更低的生产成本、更高的生产率和更简单的操作工艺。

        薄带连铸工艺在生产高级钢种上具有优势和潜力，凭借这一点，该技术有望在未来得到广泛的应用，为钢铁企业带钢生产节约成本、节能减排提供新的方式。

附表 几种典型连铸工艺的特点比较 

数据来自铝合金连铸的数据

信息来源：《中国冶金报》