双辊薄带连铸技术产业化开发现状
摘要
本文介绍了九十年代以来的国际上冶金工业界在研究和开发等辊径双辊式薄带连铸技术方面具有代表性的一些公司或企业，以及一些研究机构有关这一技术产业的发展现状。同时文章也描述和讨论了这些公司、企业和研究机构在实施薄带连铸技术产业化过程中各自所独具的工艺技术、设备和产品开发的特点以供借鉴。
1、前言
目前，我国的冶金工业的发展正面临着极大的挑战。采用新工艺新技术新装备无疑是应付这一挑战的主要手段之一。薄带连铸技术的采用不但取消了整个热轧工序，从而节省了能源并降低了成本，而且还非常适合于产品的小批量、多品种的生产，这正好适应了当前世界冶金工业正朝着生产的低能耗、灵活性方面发展的潮流。
自70年以来，各国钢铁工业界相继投入了对薄带连铸技术的研究的开发。90年代以后，特别是近几年来，世界的薄带连铸技术已进入了产业化开发阶段，而且正面临着重大的技术突破。从目前已报导的文献资料来看，国际上在从事这方面的研究开发影响比较大，进展比较快或比较有代表性的公司或项目有法国的于齐诺尔.萨西洛尔公司与德国的蒂森钢铁公司联合开发的Myosotis半工业化薄带连铸项目，新日铁与三菱重工合作开发的1330mm宽双辊式薄带连铸机，韩国的浦项钢铁公司、工业和技术研究院与英国戴维国际公司合作开发的双辊式薄带连铸技术，意大利的AST公司特尔尼炼钢厂的双辊薄带连铸工艺，以及澳大利亚的BHP公司与日本的IHI公司合作开发的双辊式薄带连铸试验设备等。
目前国际上正在研究开发的主要类型的薄带连铸技术为单辊式和双辊式；其中双辊式可分为等径双辊和异径双辊；按双辊的布置方式又可分为倾斜式与水平式；另外还有逆铸式。其中被研究开发得最多，发展得最快，技术上最为成熟的是等径双辊式薄带连铸工艺。上面所提到的这些公司、企业和研究机构就是在研究开发等径双辊式薄带连铸技术方面取得相当或重大进展的主要代表。这些公司和机构对于这项技术的研究开发都分别具有各自的特色。
虽然等辊径双辊薄带连铸技术的产业化的研究开发已取得了很大的进展，但仍然存在着一些尚未解决或正在逐步接近得到解决的关键技术难点。主要的这些关键技术有钢液进入辊间熔池的布流技术、防止辊间熔池中的钢液产生二次氧化的密封技术、侧封技术、熔池液面波动的控制以及铸带冷却和凝固均匀性的控制。这些技术的完善与否会直接影响到铸带的质量，特别是表面质量的好坏。此外，多样化品种的开发也是这项工艺技术能否真正实行产业化的一个重要方面。本文将在介绍这些国际的大公司薄带连铸技术产业化现状的同时，也对他们有关解决这些问题途径予以充分注意。
2、等辊径双辊薄带连铸产业化现状
由于薄带连铸技术产业化开发的技术复杂、投入高、开发周期长、风险较大，所以就形成了在这一阶段往往由国际上著名的大公司携手合作开发的局面。下面就是有关这些国际著名公司薄带连铸技术研究开发的现状介绍。
2.1德国蒂森钢铁公司与法国于齐诺尔.萨西洛尔公司的合作开发的Myosotis项目
在进行了多年的小规模试验研究以后，这两家公司决定于1989后起联手对薄带连铸技术进行工业规模的试验，该项目命名为Myosotis。这两家公司所开发的项目的特点是技术基础较坚实，设备投入全面到位，品种开发也较低多样化。他们于1991年6月在建于伊斯博格的Myosotis试验厂开始第一次的浇铸试验；1992年5月浇出了厚3mm，宽865mm，重量超过10吨的带材；1993年10月浇出的带材重量超过42吨，并卷成好几卷；浇铸时间能持续50分钟；1995年6月生产的带材重量超过62吨，浇铸持续时间为77分钟。同年10月，所浇铸的带材的重量已超过92吨，浇铸持续时间可长达100分钟。在浇出的带材质量方面，所生产的70%的奥氏体带材完全达到冷轧的要求。铸带经冷轧后的机械性能同经传统工艺路线生产的带材相似。在产品品种开发方面，除了高合金的奥氏体和铁素体不锈钢以外，他们还生产出了电工用晶粒取向型和非晶粒取向型硅合金钢薄板材、低碳与中碳非合金钢以及铁镍合金。
2.2新日铁与三菱重工合作开发的1300mm等径双辊薄带连铸机
新日铁与菱重工业公司于1986年合作开发薄带连铸和冷轧技术。从1989年7月开始在建造于新日铁光厂的等辊径双辊薄带连铸机上进行了浇铸不锈钢带钢的试验。他们已成功地浇铸出宽800-1300mm、厚度为1.6-5mm的SUS340型不锈钢铸带。使用10吨钢包的1.6的中间包，铸速为20-130mm/min，浇铸的钢种还包括有130Cr型铁素体不锈钢。他们所做的研究工作的主要特点是，在探究铸带纵裂纹产生的原因方面，着重于找出钢水表面波动以及二次氧化物卷入导致铸带宽度方向上的传热不均匀与铸带裂纹之间的关系，通过改善钢水注入状况着手来生产出无裂纹的铸带。他们还安装了铸带浇铸厚度自动控制系统，以改善结晶均匀性、确保浇铸的稳定和铸带厚度的精确控制。与其它薄带连铸试验机相比，该机组的自动控制系统最为完善。其自动控制系统，共包括5个子系统，即自动开浇系统、液面控制系统、辊间间隙与轧制力调节系统、水口浸入深度和带速控制系统。据说目前已达到了能100%稳定地连续浇铸不锈钢带钢的水平，即将投入工业化生产用该连铸机生产的不锈钢铸带经直接冷轧后，其机械性能和抗腐蚀性能都相当于或优于传统工艺生产的同类产品的水平。目前正在利用这种冷轧带钢试制建筑物外墙板、厨房水槽以及锅、盆等产品。
2.3韩国浦项钢铁公司与英国戴维国际公司联合开发的等辊径双辊薄带连铸机
韩国浦项钢铁公司、工业科学和技术研究院（RIST）与英国戴维(Davy)国际公司从1989年7月开始合作开发双辊式薄带连铸技术。他们首先进行了设计半工业性试验机的基础研究工作，建立了一系列有关凝固、铸带和辊筒的温度分布、在连铸机结晶器区域内辊筒的负荷和力矩以及辊子进口带坯压下率对浇铸速度的影响方面的数学模型，并对结晶器钢液供给系统的扩展物理和数学模型也进行了研究。在此基础上于浦项钢铁公司的浦项厂内建造了一台生产铸带宽度为350mm、厚度为2-6mm、卷重为1吨的半工业性试验铸机。该铸机采用两个直径为750mm的钢质铸辊，铸速可达30m/min。用铜质铸辊时铸速更高，可达50m/min。建模工作在铸机的设计阶段起到关键作用，并在以后的浇铸试验中拓展这些模型的效果并优化铸带的质量。通过半工业性试验，不仅解决了铸带的均匀性和飞边等各种质量问题，而且也为设计和制造工业生产规模的薄带连铸机提供了有用的数量。该台薄带连铸机已于1991年12月成功地浇铸出1吨钢水的铸带。由这种铸带所生产的冷轧薄板有些已进一步加工成最终制成品，其中包括由0.8mm厚带钢制作的烧锅、0.9mm厚带钢制作的管子以及由80μm厚的箔制成的贺卡。已经证实，浇铸的带坯卷的焊接性能和深冲性能至少与传统工艺生产的带钢相等。1994年他们联合投资了1760万美元，在浦项钢铁公司的浦项厂内再建造了一套工业生产型薄带连铸机。能浇铸的铸带宽度为1300mm，厚度为2-6mm，铸造速度为30-40m/min。原计划于1995年投入工业性试生产。
2.4意大利AST公司特尼尔钢厂开发的双辊薄带连铸技术
位于意在利特尼尔的AST公司特尼尔钢厂在双辊薄带连铸技术的开发方面已达到了相当规模的工业性试验阶段。安装在意大利特尼尔AST钢厂的那台先进的半工业规模的双辊薄带连铸机组可浇铸带宽为750mm/800mm、带厚为2-5mm的304型奥氏体不锈钢。铸辊直径1500mm，辊套材质为钢或铜合金。所使用的钢包容量为20吨，中间包容量为3吨。最大铸速可达100m/min。该台机组已成功地生产出卷重达20吨、厚度为3mm的奥氏体不锈钢带材。但其表面质量和尺寸公差还未能达到热轧卷带材的相应的质量程度。
由于薄带的浇铸过程极其易受到熔池的紊流、温度梯度、钢液的滞流区域以及液面波动的影响。而所有的这一切都跟钢液的布流技术有关。他们运用数理模型作为主要工具对常用的和新型的钢液注入系统进行了研究，并试验了常用的和其它各种各样的浸入式水口，还采用数字式阀门对每一种水口的性能进行量化测定。结果显示常用的浸入式水口效果最差。
在侧封技术方面，他们认为必须防止钢液在侧封板上凝结，克服钢液在侧封板与铸辊之间的泄漏和减轻钢液对侧封板的机械性磨损和化学侵蚀。为了改善侧封板的工作条件和降低这些不利影响，他们主张对侧封板进行预热并在易损部位采用复合耐火材料进行衬垫。
该钢厂认为铸辊在薄带连铸进程中具有基础性的重要作用，所以他们在这一方面进行了大量的研究工作。他们试验了各种类型的铸辊，其中有钢套辊、铜合金套辊以及在这些辊套表面加镀层或不加镀层。有限元法被运用于研究浇铸期间铸辊的工作行为。这些研究和试验数据表明，铜质铸辊所抽取的热流要比采用钢质铸辊将近高出15%。在吻合点可达到的最高温度以这样的次序排列：钢质铸辊为800℃；表面镀层的铜质铸辊为500℃；以及表面未镀层的铜质铸辊为400℃。当采用铜质铸铸辊时，其温度梯度显著低于钢质铸辊，所以轧辊所受到的应力大小仍低于轧辊的屈服点。在熔池内铸辊呈现出中间半径大于边缘半径的圆鼓形形状。此外，他们的试验还证明，在相同的工艺条件下采用钢质铸辊比采用铜质铸辊可以浇铸出表面更光滑、更致密的铸带。
2.5英国钢铁公司与瑞典的阿维斯塔.谢费尔德公司合作开发的双辊薄带连铸工艺
自1986年起，英国钢铁公司就一直与瑞典的阿维斯塔.谢费尔德公司合作，在英国的蒂赛德技术中心共同开发双辊薄带直接浇铸工艺。他们首先研究和探索了控制有关带材的表面和内在质量、形状以及尺寸精度的关键工艺因素并取得了进展。1990年，他们根据详细的工程试验研究结果建造了一台工业试验规模的双辊铸机。这台铸机有一个与众不同的特点是铸辊装置按轧机机架的要求被设计成使之能对通过辊隙的已凝固了的铸带进行一定程度的固态减薄轧制。该铸机同三吨电弧炉供应钢水，钢水注入速度为167kg/min，浇铸速度为8-36m/min，轧制力可达300吨，采用辊径为750mm的钢质铸辊，可浇铸厚度1.5-5.5mm、宽度为400mm、卷重达3吨的铸带。这台机组自试投产以来进行了90次主要为304型不锈钢带钢的试验性生产。他们发现辊间熔池状态的精确控制是一产优质带材产品的重要因素。钢液注入系统必须以一个受控的速率将钢液注入辊间，同时在整个铸辊宽度方向上钢流必须分布均匀。产生于熔池中的紊流对铸带的质量具有极其有害的影响，所以必须保持熔池的平静以促使均匀凝固而同时又不会产生滞流或熔池液面结壳，以确保钢液与铸辊之间恒定的接触长度。为了达到这些要求他们开发了一种新型的浇注系统。该系统实行减压操作并结合使用一个专门设计的宽口浸入式水口从而改进了布流控制系统这项技术使钢水能以一个理想的，而且是低速的质量流速进行分布。该系统在显著地减少裂纹、折皱、以及飞溅，并大大改善表面质量方面获得了成功。除了钢水布流系统以外，他们对于拉坯速度的控制、辊隙定位、侧封、辊形和成品铸带的后处理的改进使整个产品的质量得到了提高。他们通过精确调整侧封板位置和控制钢流分布克服了早期的铸带边缘质量差的问题。考虑到在高温工作状态下铸辊会出现热鼓肚变形的情况，在目前的浇铸中应用了耐热钢。虽然这种材料在中试规模的试验中效果令人满意，但在进行产业化生产时所存在着的高温应力会影响铸辊的寿命。
目前他们已具备了建造一套可以浇铸厚度为2-7mm、宽度为1500mm、卷重达25吨的具有工业生产规模的双辊式薄带连铸机。
2.6日本川崎钢铁公司开发的Ni基合金双辊薄带连铸工艺
自80年代初以来，日本川崎钢铁公司一直在研究开发用于生产小于1mm的Ni基合金的双辊薄带连铸工艺。最近，他们所开发的这种双辊薄带连铸技术在带钢的质量得到了某些方面的改善以后，已达到了半产业化的程度。川崎钢铁公司的这台双辊铸机的主要技术指标是：浇铸钢水容量为3吨；浇铸速度为60-420m/min；铸辊直径为550mm；铸辊长度为500mm；可浇铸厚度为0.2-0.8mm、宽度为250-500mm、卷重为500kg的Inconel合金的铸带。浇注系统或采用狭长形水口或采用多孔形水口。铸辊材料为铜质。侧封坝由铜合金材料制成并用循环水冷却。关于所生产的带材质量，带厚偏差完全控制在日本工业标准（0.4mm±10%）的规定范围之内，产品的可加工性良好。由于Ni基合金的传热系数小，经常会出现很难见于不锈钢的内部空穴和局部收缩。因此他们设计了一种表面带有宽0.2mm，深0.1mm并以2mm的间隔在辊长方向上分布的沟槽的铸辊，从而改善了铸带质量。由于Ni基合金非常易于因再结晶和沉淀析出而产生裂纹晶粒粗大，所以为了迅速通过沉淀析出温度区域和保持铸带的拉伸强度，他们采用二次冷却以解决这一问题。低张力控制系统对于连续卷取Ni基合金带材也是至关重要的。他们所应用的低张力控制系统的技术条件是：如果在夹送辊上的张力为5.2N，则卷取机上的带钢张力稳定在8.5N。通过主导速率和监控时间以比例微分积分控制（PID）的方式实现了对于低张力的调节。目前他们生产的Inconel 606 薄带正在交货，经合适的后处理后将用于制作堆焊箍圈（overlay welding)。
2.7澳大利亚的BHP公司与日本的IHI公司合作开发的超宽等辊径双辊式薄带连铸机
澳大利亚的BHP公司与日本的IHI公司经过6年的合作开发，在等辊径双辊式薄带连铸机的试验上取得了突破性的进展，并于1994年合资在BHP公司的肯布拉港钢厂建成了具有工业生产规模的薄带连铸机，于1996年2月底首次成功地浇出5吨重的带钢。该连铸机所使用的钢包容量重达60吨，可浇铸厚度为2mm、宽度为1900mm、卷重达25吨的带钢，主要浇铸不锈钢和碳钢，是目前世界上已建成的最宽的薄带连铸机。建成的当年便生产了3000吨不锈钢和低碳钢带卷，最初的年产能力约为25万吨。有关连铸机详细的工艺和设备的技术特点未见诸于报导。
3、调研结果讨论与薄带连铸技术产业化实施建议
根据世界各国开发等辊径双辊式薄带连铸工艺和设备的实践证明，熔池状态的控制技术的完善与否是关系到铸带质量优劣最直接的因素。熔池状态的控制系统实际上是由一系列子系统所组成的。浇注系统主要采用专门设计的浸入式水口或熔池挡板所构成的布流系统以消除熔池的紊流和滞流现象。还有熔池液面高低的调节系统以及防止二次氧化的熔池气氛控制系统。日本的新日铁公司，尤其是意大利特尼尔的AST公司特尼尔钢厂在这方面做了不少研究工作。
完善的自动控制系统是薄带连铸技术产业化的关键。在薄带连铸生产的过程中，影响铸带质量的工艺因素诸多而复杂，并且互相影响。自动控制系统不但能将各项工艺参数置于完全控制之下，而且还能对这些纷乱而复杂的工艺参数进行剥离性分析和研究，从中找出最关键的影响因素的最佳的参数加以控制。由于日本的新日铁公司和三菱重工联合开发的试验铸机与其它铸机相比，其自动控制系统最为完善，所以该机可以建立稳定的连铸过程并确保良好的铸带质量。因此，他们认为，这种工艺实现工业化已不成问题，因而他们现在大大放慢了工业性试验步伐，而把主要精力集中在建造工业设备上。另外，我们还可以从已报导的文献中看到，德国蒂森钢铁公司与法国于齐诺尔.萨西洛尔公司的合作开发的Myosotis项目，技术基础较坚实，设备投入全面到位，其中当然包括自动控制系统。到1995年10月，他们所浇铸的带材的重量已超过92吨，浇铸持续时间可长达1000分钟。铸带经冷轧后的机械性能同经传统工艺路线生瓣带材相似。产品的品种开发也达到了多样化。除了高合金的奥氏体和铁素体不锈钢以外，他们还生产出了电工用晶粒取向型和非晶粒取向型硅合金钢薄板材、低碳与中碳非合金钢以及铁镍合金。
薄带连铸技术产业化开发初期有关半工业性试验机的设计基础研究工作，即建立一系列有关凝固、铸带和辊筒的温度分布、在连铸机结晶器区域内辊筒的负荷和力矩以及辊子进口带坯压下率对浇铸速度的影响方面的数学模型，以及结晶器钢液供给系统的扩展物理和数学模型，会在铸机的设计阶段起到关键作用，并可以在以后的浇铸试验中拓展这些模型的效果并优化铸带的质量。韩国的浦项钢铁公司、工业科学和技术研究院（RIST）与英国的戴维（Davy)国际公司的合作项目的成果在这方面为我们提供了一些有益的经验。在前期研究工作的基础上，他们通过半工业性试验，不仅解决了铸带的各种质量问题，而且也为设计和制造工业生产规模的薄带连铸机提供有用的数据。
另外，薄带连铸技术产业化的开发是一种技术复杂，投入高，风险大的高科技项目。从世界的现实情况来看，单靠一家公司，一家企业或一个研究机构来独立承担和完成这一开发项目无论从技术上还是从资金实力上都难以胜任。事实上，国外的那些在冶金行业的数一数二的大公司走得都是联合开发的道路。这一点对于我们钢研所在今后如何加速薄带连铸技术的产业化进程不无启迪。
4、结束语
当前，国际上对于薄带连铸技术的开发越来越呈现出强强联合的趋势。这种联合开发的好处是能够集中一定规模的资金和利用各自的技术优势来保证使这项技术加速进入产业化。从这项技术的研究开发和产业过程的技术方面来看，采用合适的钢水浇注系统和钢水布流技术，能够大大减少熔池中钢液的波动、滞流现象，从而为铸带的均匀凝固创造有利的条件。完善的自动控制系统是薄带连铸技术产业化的关键。合适的铸辊材质的选用和先进的侧封技术对改善铸带的质量起着重要的作用。此外，薄带连铸产品品种多样的开发也是今后这一技术发展的方向。
(Mysteel.com资讯部撰稿)
