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薄带连铸工艺装备及组织控制

双辊薄带连铸技术作为当今世界上薄带生产的前沿技术，可不经连铸、加热和热轧等生产工序，由液态钢水直接生产出厚度为1—5mm的薄带坯，其特点是金属凝固与轧制变形同时进行，在短时间内完成从液态金属到固态薄带的全部过程。与传统的薄带生产工艺相比，降低设备投资约80％，降低生产成本30％—40％，能源消耗仅为传统流程的1／8，工艺更加环保，CO2排放仅为传统流程的20％。另外，连铸状态下的亚快速凝固过程在获得特殊性能方面具有独特优势，为实现高性能钢材的减量化生产提供了重要途径。因此，结合我国科技发展的“节能、高效、促进循环经济发展”的总体战略目标。集中开展薄带连铸技术基础研究是极为必要的。

薄带连铸技术在国际上已取得突破，其逐步工业化正在给钢铁界带来一场革命。为适应国际钢铁界出现的这一全新的格局和方向，东北大学RAL迎难而上，把薄带连铸技术作为前瞻性、储备性和战略性课题来研究。从1958年起，东北大学RAL针对薄带连铸过程中存在的关键冶金学基础问题展开系统研究，开发具有自主知识产权的创新技术和工艺，引领新一代薄带生产技术发展，为我国在这一新领域中跻身国际前沿做出贡献。

1薄带连铸的产品定位

考虑到双辊薄带连铸技术特有的优点，且该技术代表了今后钢铁工业的发展方向，国外许多大型钢铁公司将目光投向双辊连铸薄带的生产之中，以CASTRIP、EUROSTRIP、POSTRIP、BAOSTRIP为代表的大型薄带连铸工业化项目正逐步解决连铸生产流程中单体技术难题，目前有些项目已实现工业化生产。然而，在薄带连铸产业化进程中，其工艺流程一直被定位于一种流程短，能获得与传统热轧板尺寸、板形、性能相当的替代产品并能节能降耗、减少生产成本的生产技术，却忽略了其亚快速凝固特性和近终形成形过程在开发特殊钢种上的优势和潜力。这种观念严重制约了薄带连铸产业化进程。双辊薄带连铸亚快速凝固使得薄带的织构特征与传统热轧板带显著不同，这一优势也决定了薄带连铸技术产业化应该定位在生产高附加值、小批量、常规生产工艺无法驾驭的材料。在品种方面找出适合薄带连铸技术之路，是薄带连铸技术走向产业化的基点。目前，以纽柯的CASTRIP为例，其产品定位在普碳钢生产上，其单条产线的最大生产能力在50万t左右。对于普碳钢这类附加值低的产品，其产量是决定效益的关键因素。从成本、产量等方面综合考虑，薄带连铸生产线都难与常规生产流程抗衡。对于EUROSTRIP、POSTRIP和BAOSTRJP，其研究重点放在优化碳钢和不锈钢连铸工艺方面，通过薄带连铸工艺生产优化，其产品与采用传统工艺相比力学性能相当。但考虑到薄带连铸过程仍然是一个连铸的过程，其表面质量较常规流程还存在差距，然而不锈钢产品对表面要求十分苛刻，这也意味着将薄带连铸产品定位为不锈钢是利用薄带连铸的短处进行生产，其产品表面质量也很难满足要求。最近几年的实验室基础研究表明，双辊连铸技术在生产硅钢等特殊性能钢材上日益表现出某些常规生产工艺无法比拟的优势，并引发了许多新的冶金学现象。目前，我国在硅钢生产方面面临的主要问题是，低端产品产能过剩、产品利润较低，高端产品如HiB取向硅钢的常规生产技术难度太大，产品合格率最多在50％左右。由于薄带连铸具有快速凝固和塑性变形的双重作用，薄带连铸工艺流程可以在凝固过程中即开始对原始组织和各种抑制剂进行控制。结合连铸产线的冷却和在线热轧设备，在铸带中可以容易地获得在常规生产线上必须通过高温加热才能得到的抑制剂类型和分布，从而大大降低取向硅钢的生产难度。同时通过浇注温度和开浇速度的控制，可以容易获得对于取向和无取向硅钢的理想凝固组织和原始织构组分，提高这类产品的磁性能并降低其铁损值。

因此，利用薄带连铸生产高品质硅钢是一个极具潜力的发展方向，东北大学RAL围绕硅钢薄带连铸的各类关键问题，提出基于双辊薄带连铸的高品质硅钢短流程、高效率、低成本工业化制造技术，并完成整套流程的集成创新，形成具有我国自主知识产权的新一代硅钢先进制造技术，既符合我国科技发展的“节能、高效、促进循环经济发展”的总体战略目标，又能在国际硅钢生产领域占领制高点。

2薄带连铸的工艺流程和关键设备

2．1薄带连铸的工艺流程

炼钢车间生产的合格钢水运输到双辊薄带连铸机的钢包座上，经浇注、连铸、冷却、热轧、轧后冷却、剪切和卷取，生产出合格的钢卷(见图1)。

1)钢水吊运及浇注

炼钢车间生产的合格钢水运送到连铸车间，用天车吊运到双辊薄带连铸机的钢包回转台的钢包座上，预热好的中间包从预热位通过中间包车运送到工作位置，然后预热好的布流水口用自动机械手从水口预热炉取出，快速安放在布流水口托架上，中间包下降，钢包滑动水口打开，钢水经过钢包滑动长水口流入中间包，待中间包钢液达到工作液位高度，控制塞棒抬起，钢水经布流水口的布流，均匀流入铸辊与侧封构成的熔池内。

2)连铸

钢水由布流水口注入两个逆向旋转的水冷辊与两个耐火材料侧封板组成的熔池区，钢液接触水冷结晶辊后部分首先成为半凝固层，然后在双辊的逆向转动下进入吻合点。经过轻微轧制和复杂的热传导过程最终成为薄带。在开浇阶段，根据不同钢种要求采用不同的开浇策略。当结晶器内熔池液位高度到达设定值后，熔池液位自动控制系统投入，实现液位自动控制。另外，开浇策略切换到凝固终点位置控制模式，以保证铸带的组织结构。开浇完成后弧形导板上升到指定位置，辅助铸带进入夹送辊，调整夹送辊辊速与连铸机辊速匹配形成一定套量。整个浇注过程在惰性气体保护条件下完成，以防止铸带过度氧化。

3)机前冷却

为保证铸轧带坯满足热轧机工艺所需的轧制温度要求，在夹送辊和轧机之间布置有机前冷却装置，根据热轧温度要求可进行多种冷却方式自动控制。

4)热轧

热轧过程采用全液压式高刚度轧机，液压AGC进行板厚控制；上、下工作辊单独驱动，具有异步轧制功能。另外，工作辊周期往返轴向移动，可以均匀轧辊磨损，减小热凸度，增加轧制长度。板形控制方面采用正负强力弯辊和特殊技术手段，以得到厚度、板形满足交货要求的带钢产品。

5)轧后冷却

为保证轧后带钢的组织及力学性能，轧后冷却装置冷却采用水冷、气冷或汽雾冷却的多种冷却方式相结合以得到满足带钢工艺要求的冷却速度以及卷取温度要求。

6)剪切及卷取、

飞剪可根据不同钢种卷取工艺要求进行剪切分卷。剪切过程中，剪刃的运行速度与铸带运行速度相匹配，卷取设备是用来把热轧后的带钢卷取成钢卷。卷取区设置2台卷取机交替进行卷取，以保证全连续生产。

2．2薄带连铸过程关键技术

1)浇注水口结构优化

浇注方式对实现稳定的连铸过程和保证连铸带质量具有十分重要的作用，考虑到钢水的流动特性以及不均匀的散热与随之产生的凝固过程密切相关。由于熔池体积相对较小，因此金属的凝固对液流的变化以及温度的分布十分敏感。钢水均匀布流，是避免产生滞流区域或熔池、侧封板表面发生不必要的凝固的关键。布流水口设计应考虑以下三个方面：①减缓钢水下流速度，减轻钢水对熔池液面冲击，保证液面的稳定；②获得钢液在熔池内的合理稳定流场；③防止钢水二次氧化。基于上述原则，东北大学RAL提出了优化的浇注水口，该水口采用倒T形式浸入式水口，包括多个倾斜的下注管，考虑到熔池区域的限制，横向布流器为水滴形。根据铸辊的长度，水口两侧壁对称开有若干布流作用的小孔，小孔开口方向与水平方向向上成倾角，可根据铸辊辊径和熔池高度要求，对倾角进行优化设计。在浇注时有气体保护装置，能有效防止钢水在中间包内发生二次氧化，很好地解决了钢水二次氧化和夹杂物多的问题，通过设计采用新型地布流水口，可减慢钢水的下注速度，减轻钢水对液面的冲击，熔池内的液面波动很小，同时使辊缝处的钢液流场和温度场分布均匀，从而保证连铸过程的稳定进行，连铸出高质量的铸带。

2)连铸辊开发设计

连铸辊作为双辊连铸工艺的核心设备，其主要作用是将液态金属快速冷却，凝固成具有一定凝固厚度的板坯，同时，由于连铸流程为连续浇注过程，铸辊的使用寿命也直接决定了连铸流程的稳定性。铸辊其结构主要是由辊芯、辊套和进水水路等组成，其冷却能力和冷却均匀性是决定铸带板形和质量的关键技术；在铸辊套选择上采用铍镍铜，有效提高辊套传热系数，采用不同材质连铸辊生产的薄带显微组织见图2；通过初始凝固组织中二次枝晶臂间距测量可计算凝固过程中的冷却速度，采用铍镍铜辊套，其二次枝晶臂间距为6μm，其凝固过程中冷却速度达到8500℃／s，冷却速率较原有钢辊提高了6倍。另外，从连铸过程中的边部增厚和连铸板形控制出发，在连铸辊内部循环水路设计中采用了非对称式设计，通过前后辊的内部冷却水路交叉和连铸中心线的非对称设计配合优化的铸辊辊形曲线，可抵消在浇注过程中布流不均及后续铸辊热凸度形成的板形不均现象和边部增厚问题，从而实现铸带板形的合理控制。

考虑到在钢水凝固过程中承受一定轧制力的同时还有承受钢水的侵蚀和凝壳的磨损。因此，在辊套设计中对辊面进行镀铬合金处理，可有效提高铸辊的耐磨性能。

3)侧封板材质开发和位置控制

侧封板作为连铸的另一个关键部件，紧贴置于连铸辊两端上，与两连铸辊形成钢水浇注空间，在浇注过程中，侧封板起着封闭钢水的作用，侧封板材质和位置的设计直接决定了铸带的边部质量和连铸过程的稳定性。因此，所开发的侧封板在技术上要求：①可保证1500℃钢水持续冲刷；②具有一定的强度，以保证与铸辊接触处不出现较大磨损；③具有较低的热传导性能，以使预热取出后以及各炉间隔中，侧封板不出现较大温降，避免粘钢和破碎现象产生；④具有较好的抗热震性能，避免浇注开始侧封板材料产生破损。

侧封的位置控制采用液压缸压紧和弹性支垫相结合的方式实现。侧封板上下位置控制装置根据凝固终点位置对侧封板位置进行实时调整，减少侧封板底部与钢水凝固的摩擦，以防止凝固铸带由于轧制变形展宽损坏侧封板，提高铸带的边部质量。

3薄带连铸过程的凝固组织控制

除了连铸设备的研发之外，RAL的研究工作主要集中在连铸新材料、新现象的探索方面，进行了新型合金薄带如硅钢、铁素体不锈钢、高P、Cu耐候钢、连铸的探索性研究工作，结合连铸其亚快速凝固特性和近终形成形过程的特点，取得了一些新的研究成果，发现了一些新的冶金学现象，对开发适合于薄带连铸特点的产品和工艺具有明确的指导作用。

3．1薄带连铸硅钢的初始凝固组织控制

通过对不同工艺连铸无取向硅钢铸带以及取向硅钢铸带的组织、织构的演变规律、析出物析出规律和磁性能进行了系统的研究。随着过热度的升高，铸带组织逐渐从细小的等轴晶结构演变成粗大的柱状晶结构。过热度是影响铸带初始组织的决定性因素，这为双辊连铸硅钢薄带坯的组织控制提供了新思路。因此，在各类硅钢薄带铸轧过程中，可以根据不同钢种要求制定不同工艺参数，得到不同组织。对于无取向薄带要求大晶粒和较高的{100}组分以保证成品中有利织构组分量，可以采用高过热度浇注，得到理想的铸带组织如图3(e)；而取向硅钢由于要求一次再结晶组织晶粒细小，所以铸带要求晶粒组织细小均匀如图4(a)。

3．2薄带铸轧铁素体不锈钢的初始凝固组织控制

铁素体不锈钢在板坯连铸过程中容易产生发达的成分偏析的柱状晶，其比例有时甚至多达70％—80％。目前，部分不锈钢厂已经采用了多种手段降低柱状晶比例，如添加铌、钛等微合金元素，连铸过程中采用电磁搅拌，适当控制连铸二冷段冷却水量等。Cr17铁素体不锈钢在热轧过程中，没有或很少发生相变，热轧带几乎全部由拉长的变形带组成，在随后的再结晶退火过程中很难完全消除，是导致冷轧退火后产品易产生表面皱褶的主要原因。采用控制浇注温度等连铸参数，可以获得具有不同凝固组织的铁素体不锈钢连铸薄带(图5与图6)。从图中可以看出，通过适当降低浇注温度，可以得到完全等轴晶、晶粒尺寸相对细小且成分分布均匀的铁素体不锈钢连铸薄带。因此，连铸工艺在控制铁素体不锈钢凝固组织方面具有天然的优势。

3．3薄带连铸高P、Cu耐候钢表面逆偏析

对双辊薄带连铸条件下磷的表面逆偏析形成机理及其对这种新型高磷耐候钢的组织性能的影响进行了深入系统的研究。当连铸薄带中磷含量为0．15wt％时，磷逆偏析于表面导致薄带表层的平均磷含量约为0．26wt％(见图7)，超过形成磷酸盐的临界含量0．24wt％，在锈层和基体之间富集的磷在干湿交替环境下，生成比较致密的磷酸盐层，它均匀地覆盖在基体表面，阻挡腐蚀液和氧气进一步接触基体，使得经120周期加速腐蚀后的0．15P连铸薄带锈层增重量比0．08P热轧薄带降低30％，耐腐蚀性能大幅提高(见图8)。

4小结

双辊薄带连铸技术是钢铁连铸领域最具前景的一项新技术，利用薄带连铸技术生产电工钢是一个极具潜力的发展方向，正成为世界各国冶金与材料工作者追求的目标。在借鉴国内外铸轧经验的基础上，东北大学RAL经过多年研究，明确了利用薄带连铸生产高品质硅钢是一个极具潜力的发展方向，并对双辊薄带连铸制造硅钢(包括高牌号无取向硅钢、取向硅钢、高硅钢)全流程条件下的组织、织构演变规律，第二相沉淀析出行为，磁性能的优化控制原理进行了探索性研究，取得丰硕研究成果。目前，课题组成员在双辊薄带连铸工程装备、组织性能控制、工业化工艺技术开发等方面继续开展系统的研究工作，为该技术的工业化应用、转化成生产力努力拼搏。