双辊薄带铸轧技术最新双辊薄带铸轧技术最新进展及产业化问题探讨进展及产业化问题探讨
发布人：Super User 发布时间：2017-11-16 浏览次数：1060大中小
我国是拥有薄板坯连铸连轧产线最多、产量最大的国家。截至目前，我国仍在运行的薄板坯连铸连轧产线14条，产能超过3500万吨。薄板坯连铸连轧技术的不断进步为其产品开发提供了保障，目前可大批量生产碳素结构钢、低合金高强度钢、中高碳钢、汽车用结构钢、耐候钢、管线钢、冷轧基料及电工钢等，为满足汽车工业绿色低成本发展要求，武钢CSP短流程产线正在加快推进汽车用高强度热轧酸洗板的生产和应用。薄板坯连铸连轧产线经过第一代的单坯轧制、第二代的半无头轧制之后，目前已经发展进入第三代的无头轧制阶段，无头轧制模式主要包括ESP无头轧制技术、MCCR多模式连续铸轧技术、节能型-ESP工艺技术。此外，近几年薄带铸轧技术也得了飞速发展，目前国内的薄带铸轧技术已进入工业化实施阶段。目前发展比较成熟的薄带铸轧技术包括纽柯的Castrip、浦项的poStrip、宝钢的Baost rip以及东北大学的E2Strip。为了让读者深入了解薄板坯连铸连轧以及薄带铸轧技术的发展现状以及存在的问题，世界金属导报特组织该专题，以飨读者！
双辊薄带铸轧技术最新进展及产业化问题探讨
双辊薄带铸轧技术，可以一次性形成毫米级薄带，由于高速冷凝、晶粒细化、成份偏析少以及节能减排优势明显，许多难加工成形的材料，如高硅电工钢、高强钢等采用此工艺也取得了突破性进展，但实现产业化还存在一些问题。本文介绍了双辊薄带铸轧技术的最新进展，并针对产业化问题进行了探讨。
1双辊薄带铸轧技术的最新进展
1.1美国纽柯钢铁公司Castr ip生产线
1）主要工艺技术参数
1994年由BHP/IHI在澳大利亚BLUESCOPE/IHI建成了一条1345mm的薄带铸轧生产线，2000年搬迁改造到美国纽柯公司克劳福兹维尔厂，IHI、BHP与美国的纽柯钢铁公司合作开发了薄带铸轧工艺，并将该生产线命名为Castr ip，2002年5月改造后的Castr ip生产线热试车（铸机宽度1345mm），该产线主要生产低碳钢，年设计产能为50万吨。2009年在阿肯色州又建成了一条Cast rip生产线（铸机宽度1680mm），主要生产低碳钢。两条Cast rip生产线的主要工艺技术参数见表1。
2）主要工艺流程
首条Cast rip产线：电炉+VOD+LF+Castrip。
第二条Castr ip产线：电炉+VTD+LF+Cast rip。
3）主要产品质量与性能
（1）表面质量和边部质量
铸带表面质量与传统热连轧对比如表2所示。由于铸带边部有深度约为2mm左右的铸状组织，故Cast rip钢带需切边后方可销售或冷轧。
（2）内部质量及微观组织
由于Cast rip 采用两辊铸带，不采用保护渣，只要大包下渣控制好，铸带产品中的非金属夹杂物非常少，几乎不存在大颗粒非金属夹杂物。
Castr ip铸带的凝固时间要比薄板坯连铸和传统厚板坯连铸要快得多，故Cast rip铸带的组织与薄板坯连铸连轧和传统厚板坯连铸+热连轧相比有很大不同。
表3给出了Cast rip产品和传统热连轧产品微观组织的对比。由此可知，Cast rip产品由于铸带冷凝速度极快，其微观组织呈现多边铁素体和魏氏体以及针状铁素体，并且晶粒尺寸较大。
（3）产品工艺性能
纽柯钢铁公司检验结果表明，铸带经轧制和控冷后的扩孔性能、各向异性性能与冷弯成型性能均优于同类传统热连轧产品。
◆扩孔性能：虽然轧后铸带（UCS380）强度比传统热连轧产品HR360/HR300高，但其扩孔深度比HR360/ HR300大许多，这说明轧后铸带内部的针状铁素体即增加了强度，同时也提高了韧性。
◆各向异性：Castrip轧后铸带产品的r45与r0和r90差别小，故rm值高，Δr小。杯突试验结果表明，凸耳小，特别适合冲压或深冲压用钢。
◆直缝焊管压扁性能：采用直缝焊接的Castrip产品（UCS，经冷轧退火后，延伸率为23%）经极度压扁试验和压扁后的局部冷弯试验结果表明，由于针状铁素体的作用，材料具有极好的韧性。
1.2欧洲Eurostrip薄带铸轧生产线
Eurostrip薄带连铸技术由安赛乐和蒂森克虏伯联合开发而成，建立的第一个连铸机组是在德国蒂森克虏伯尼罗斯塔（KTN ）的克莱菲尔德厂（Kref el d）,1999年12月开工，并且在2001年6月增加了1个在线4辊热轧机架和1个在线感应加热器。2003年安装1套双卷取机系统以实现“无头浇铸和轧制”，从而全面达到工业规模，开始奥氏体不锈钢的商业生产。
1）主要工艺技术参数
Eurostrip产线主要工艺技术参数见表4。
2）主要工艺流程
UHP电弧炉+AOD精炼+Eurostrip，主要产品奥氏体不锈钢。
3）主要产品质量与性能
表面质量对不锈钢来说尤其重要，因为外观要求非常严格。生产表面无缺陷产品需解决的主要问题是：避免细微裂纹、避免氧化物“浮渣”。带钢表面的氧化物（浮渣）稀少且微小，但对产品的验收有影响，尤其是不锈钢产品。
对于碳钢，产品表面质量已满足最终用途的要求。通过在整条工艺线上采取适当措施进一步改善敏感阶段的氧化情况，带钢表面产生氧化铁皮的程度降低，大大消除了对带钢质量的不利影响，特别是在热轧阶段。带钢铸轧的工艺特点造成带钢粗糙度（5μm）大于传统热带（1.8μm）。在线热轧则使其降低到约2μm，甚至能够满足一些直接用途，比如用作镀锌线原料。
TKS-NR测试了材料的力学性能，其极限深冲率和拱形高度同传统工艺产品相当。对于碳钢产品，其力学性能接近于标准EN 10025要求。
1.3宝钢Baostrip工业化生产线
2001年5月，薄带铸轧产业化攻关项目被正式列入宝钢科技发展规划中，并明确为集团公司的重大科研项目，命名为“薄带铸轧产业化关键技术及成套装置研究开发”，宝菱公司参加联合攻关项目组，经过六年的攻关，建成了一条中试规模的薄带铸轧试验线，并在这条机组线上进行了近280炉次的热态试验，实现了SUS304不锈钢和中低牌号碳钢的整炉浇注和卷取。
2012年，宝菱重工邀请专家联合开发，在生产工艺研究开发和设备开发方面取得许多成果。为此，建设了一条φ800×1430mm的工业化机组，其主要技术参数如表5所示，该工业化机组建设在宁波钢厂，于2014年初生产第一卷钢，经过一年多的试生产，制备出了最薄0.90mm×1430mm的热轧卷，由于试生产中的产品只用于集装箱板，成本高，该项目获得了2016年冶金科学技术特等奖。
1.4武钢高硅钢薄带铸轧试验机
1）武钢薄带铸轧的发展历程
武钢自2004年开始进行薄带铸轧方面的研究，2007-2009年，作为武钢的重点科研计划项目，完成了“薄带铸轧电工钢的前期研究”，2010年，“薄带铸轧高硅电工钢的试验研究”列入武钢重点科研项目计划。
2）薄带铸轧高硅电工钢中试线
2012年2月，根据《国家高技术研究发展计划（863计划）管理办法》（国科发计[2011]363号）的规定，国家科技部和武钢签订了“节能型电机用高硅电工钢开发”课题任务书，课题编号：2012AA03A506。
该课题是采用薄带铸轧+温轧技术生产0.10-0.30mm厚的6.5%Si无取向电工钢。到2016年底，完成了课题任务书规定的试验研究内容和目标，2017年4月通过验收。
（1）主要技术参数
武钢薄带铸轧高硅钢中试线主要工艺设备和参数见表6。
（2）主要关键技术
薄带铸轧-炉卷温轧试验机多项关键技术应用如图1所示。
（3）产品性能
武钢薄带铸轧高硅钢中试线生产的0.30mm、0.20mm高硅电工钢磁性能见表7。
1.5东北大学薄带铸轧研究开发进展
东北大学采用其薄带铸轧试验设备，成功制备出了取向硅钢、无取向硅钢及6.5%Si电工钢，主要研究成果：1）形成了基于薄带铸轧的全流程无取向硅钢工艺技术，成功制备出高磁感、高牌号无取向硅钢，磁感指标B50优于国内外现有产品0.03-0.04T以上。提供了一条无需加热、无需常化处理、无需两步冷轧和中间退火的短流程、低难度、低成本制造高效无取向硅钢的全新工艺流程，为无取向硅钢薄带铸轧产业化生产提供了技术原型。2）提供了一条无需高温加热、无需渗氮处理的短流程、低难度、低成本制造取向硅钢的全新工艺流程，为产业化生产提供了技术原型，成功制备出0.27mm厚的普通取向硅钢，磁感指标B8达到1.85T，与国内外现有CGO产品相当；成功制备出0.23mm厚的高磁感取向硅钢，B8达到1.94T，优于国内外现有Hi-B产品。3）形成了基于超低碳成分设计的全流程高磁感取向硅钢工艺技术，成功制备出0.27mm厚的高磁感取向硅钢，B8达到1.94T，优于国内外现有Hi-B产品。 提供了一条无需高温加热、无需渗氮处理、无需脱碳处理的短流程、低难度、 低成本制造取向硅钢的全新工艺流程，为取向硅钢薄带铸轧产业化生产提供了技术原型。4）形成了基于超低碳成分设计的全流程高硅取向硅钢工艺技术，成功制备出0.18-0.23mm厚的4.5%Si、6.5%Si取向硅钢，B8分别达到1.78T、1.74T，显著优于国外产品。提供了一条利用温轧、冷轧技术，无需高温加热、无需脱碳、无需渗氮处理的短流程、低难度、低成本制造4.5%Si、6.5%Si取向硅钢的全新工艺流程，为取向硅钢薄带铸轧产业化生产提供了技术原型。
2016年4月，河北敬业钢铁公司与东北大学合作，投资近4亿元，在河北敬业建设一条年产40万吨硅钢的薄带铸轧机组，预计2017年底进入安装调试阶段。
2双辊薄带铸轧技术产业化的问题探讨
自20世纪80年代，薄带铸轧钢铁材料的产业化研究达到第二轮高潮，但结果远未达到预期。因此，双辊薄带铸轧技术产业化的问题需要深入探讨。
2.1制造成本问题
1）电费：如考虑以废钢为原料，经电炉+VOD+LF冶炼和精炼过程，电力消耗约1000kWh/t以上，在美国电价极低的情况下，此成本可忽略。
2）氩气（Ar）费用：双辊薄带铸轧浇铸时，双辊和侧封板形成的熔池属开放式，不能采用保护渣，只能采用连续吹氩的氩气保护，氩气价格高，消耗量大，Castrip生产线氩气消耗量为11Nm3/t。
3）耐火材料（含侧封板）：每浇次平均为4炉，即440吨钢水，耐火材料$3860/浇次，即吨钢消耗为$8.77，如每个浇次为1炉，吨钢消耗为$35。一旦浇铸工艺波动，极易损坏侧封板，成本成几倍增加。
4）双辊铸机消耗：双辊铸机的2个结晶辊套采用铍铜材料，价格昂贵，一旦浇铸工艺波动则会损伤辊套，成本成几倍增加。
5）金属收得率：Castrip生产线是国际上产业化水平最高的生产线，其金属收得率仅为91%，原料和制造成本均将增加9%。
因此，薄带铸轧成本高的问题需从以上五个方面着手解决。
2.2工艺技术问题
工艺技术问题也就是钢种冶炼方式与钢包容量的选择问题。主要包括以下几个方面。
1）Castrip采用电炉冶炼，钢中铝含量容易控制，其试制的低硅无硅电工钢均含有极低的铝，很少发生浇注堵水口的问题；而采用转炉冶炼的生产线，由于采用了铝脱氧，钢液中铝含量高，堵水口事故经常发生，因此不论哪种冶炼方式，都要把钢液中的铝含量控制到最低（＜0.05%），即使高效电机用钢也需坚持这一原则。
2）薄带铸轧生产线，钢包容量不宜过大，钢水容量大、浇注时间长、散热快、温度控制难，易出现低过热度浇钢等许多问题，不利于带坯的组织控制。实践证明，钢包容量选择生产能力的0.02%比较适宜，对于生产能力50万吨的生产线，钢包容量约100吨。
3）铸轧辊材质、转速及冷却水流速的选择。由Be-Cu和钢质材料两种结晶辊套表面温度随时间变化曲线可知，钢质材料轧辊的最高温度为828.8℃，都远远高于Be-Cu材料轧辊，不适合用于制作双辊薄带轧辊辊套。由不同转速下结晶辊表面等效应力随时间变化曲线可知，对于直径500-600mm的辊径，转速不宜超过60m/min。对于直径500-600mm的辊径，冷却水管位置与辊面的距离不宜超过25mm；对于直径500-600mm的辊径，冷却水越大，结晶辊表面的温度和等效应力越小，但影响不大。
4）侧封板的研制。根据薄带铸轧对侧封板的要求，2013年武钢研究院承担了北京市科委“薄带铸轧用侧封板的开发研制”项目，并于2015年通过验收，研制的BN+SIALON的E侧封板，使用效果证明，优于圣戈班的性能。
5）结晶辊直径的选择。试验模拟结果显示，结晶辊表面的温度差与辊径大小有如下关系，虽然结晶辊直径越大，侧封板尺寸也越大，熔池内钢液越多，铸轧过程越稳定，但熔池内钢液越多，与辊面接触面越大，接触区温度越高，结晶辊表面的温度也越高，从而导致结晶辊表面的温度差也越大，从而引起带钢的裂纹等表面缺陷增多。反之，结晶辊直径越小，稳定铸带后表面的交变温度差越小，热疲劳损坏的可能性越小；侧封板尺寸越小，生产试验成本越低，因此，建议结晶辊直径不宜越过φ800mm，这也是Castrip一直坚持φ500mm结晶辊的原因。
6）结晶辊长度的选择。各公司采用的结晶辊长度五花八门，但Castrip一直坚持小辊径大宽度，即结晶辊直径φ500mm，宽度1345-2000mm。主要原因是熔池内存在三重区，结晶辊端面的温度最低，钢液在辊端面的凝固更快，导致铸带边部增厚，影响区约50mm左右，辊面越宽相对影响就越小，因此，结晶辊面宜宽不宜窄，但辊面过宽又将带来钢水沿辊面横向均匀布流的困难，根据目前的控制水平和设备制造精度，结晶辊长度≥500mm，如解决了布流均匀问题，结晶辊长度≥1250mm。
7）铸轧力与裂纹的控制。铸轧力实际上与铸造速度（即铸辊的转速）有着密切的关系。铸速越高，未凝固的钢液量越多，铸轧力也就越小，铸轧力小，铸带上的横裂纹就少。铸轧力过大，说明铸带在双辊吻合点以上就完全凝固了，到吻合点过程，就是双辊热轧过程，不仅影响了辊缝形状，容易产生裂纹，还会由于宽展顶裂侧封板。因此要精准控制吻合点的位置，保证小铸轧力的稳定。
熔池液相区域的传热系数h约为104w/（m2·k）。在钢水和铸辊间界面处的温度将会相差几百度。当到达熔池中固相区时，将产生表面张力，h值也将增大。在非常短的时间内，界面处温度差异将明显变小，这一切就相当于一次热负荷冲击，并且在接近于表面一层区域内更为明显。这一冲击将产生较大的内应力，易于形成裂纹。在铸轧力较小的情况下，h的变化较小，热负荷冲击也减缓，由此造成的应力也可能小到不至于萌生裂纹。因此，要减少裂纹，必须减小钢水和铸辊间界面处的温差，这也是选择小辊径结晶辊的原因。
3结语
薄带铸轧能够有效抑制Cu、S、P等夹杂元素在钢材基体中的偏析，从而可实现劣质矿资源（如高磷、高硫、高铜矿或废钢等）的有效综合利用，节省宝贵资源；利用薄带铸轧快速凝固的优势，能够生产高硅钢、高强钢等难加工成形的材料，并且也取得了突破性进展，但距产业化还有一段艰难的过程。在当前控制钢铁总量、淘汰落后产能、优化产品结构、实现节能减排的发展环境下，建议有条件的企业加大产业化推进力度，以开发出标准规范的产业化生产线。
【内容来源】世界金属导报
