薄帶近終形鑄造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及未來

羅俊杰

（山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009）

21世紀(jì)的材料加工工藝對低成本、節(jié)能節(jié)材、環(huán)境友好、便于自動(dòng)化提出了較高的要求，材料近終形成形加工技術(shù)就是在此要求下興起的一種新興技術(shù)[1]。薄帶近終形成形是材料近終形成形加工的一個(gè)重要分支，是指將液態(tài)金屬澆注到各種形式的結(jié)晶器并直接凝固成形出厚度在0.1～10.0 mm左右的薄帶坯的工藝過程，按其形式主要可分為單輥法、雙輥法和輥帶式薄帶連鑄法[2]。由于省去了常規(guī)薄帶生產(chǎn)中大量的熱軋工序，節(jié)省了電能消耗，降低了成本，是未來極具前景的生產(chǎn)技術(shù)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 單輥法研究概況

國外機(jī)構(gòu)著手這方面的研究比較早，比較有代表性的是浦項(xiàng)科技大學(xué)使用這種方法以0.17 m/s的輥速制備的79Ni-20Cr-1.0Si合金薄帶，澆鑄溫度和鑄輥溫度分別為1 610℃與50℃，并研究了鑄態(tài)顯微組織。同時(shí)，浦項(xiàng)科技大學(xué)又用同樣的方法制備了79Ni-Fe鑄態(tài)磁性箔材，工藝過程為：澆鑄溫度1 580℃，噴嘴加熱溫度1 200℃，鑄輥使用了Cu-40Zn合金。澆鑄完成后經(jīng)30%的冷軋壓下量，1 100～1200℃退火后爐冷，成功制備了厚度為200～300μm、寬100 mm、長20 m的薄帶[3]。

西安理工大學(xué)使用Ni-32.5%Sn共晶合金，采用20～40 m/s的高輥速，制備出厚 20～35 μm、寬 0.8～2.0 mm、長1～2 m的快速凝固薄帶，并研究了鑄態(tài)組織[4]。

由于受工藝制約，單輥法制備的薄帶厚度通常小于1 mm，主要用于快速凝固的研究。該方法制備的薄帶上下表面存在冷速差，下表面的組織較細(xì)；且上表面在凝固過程中是自由表面，成形質(zhì)量較差，故這種方法不適于商業(yè)化。

1.2 雙輥法研究概況

雙輥薄帶近終形鑄造被認(rèn)為是極具潛力的新技術(shù)之一，隨著工業(yè)發(fā)展與科技進(jìn)步，該技術(shù)的研究取得了一系列新成果。國外有代表性的是德國蒂森鋼鐵公司同IBF合作，于20世紀(jì)90年代成功開發(fā)一套垂直雙輥薄帶鑄機(jī)。澆鑄設(shè)備由感應(yīng)爐、中間包及浸入式水口組成，結(jié)晶器由陶瓷側(cè)封板及鑲在鑄輥上的環(huán)形銅套組成，薄帶凝固成形后經(jīng)小壓下量的熱軋、噴淋冷卻，最后控制卷曲，控制卷曲溫度可得到不同的組織，帶卷可實(shí)現(xiàn)不經(jīng)退火而直接冷軋[5]。

我國寶鋼對雙輥薄帶連鑄工藝的開發(fā)做了大量的投入，經(jīng)過20年的努力，于2003年建成Baostrip典型工廠。該試驗(yàn)線從鑄機(jī)到卷取機(jī)的長度為54 m，整個(gè)工廠長為70 m，寬為36 m。兩個(gè)鑄輥是由一種特殊的銅合金為輥套的復(fù)合結(jié)構(gòu)，特殊的輥面紋理和預(yù)處理，用來控制熱傳輸行為。一副可適應(yīng)熱變形的側(cè)封板，通過高精度液壓缸壓在側(cè)封板上，使它們與鑄輥端面壓靠，從而保證它們之間的穩(wěn)定密封。試驗(yàn)線使用了熔池液位控制、輥縫位置控制及鑄輥驅(qū)動(dòng)控制等一系列先進(jìn)的控制系統(tǒng)。裝有一座軋制力達(dá)5 000 t、壓下量超過25%～40%的四輥熱軋機(jī)，可使出來的鑄帶直接熱軋而不需要再加熱[6]。

此外，我國的東北大學(xué)、北京科技大學(xué)和重慶大學(xué)也在這方面做了很多實(shí)驗(yàn)性研究工作（包括數(shù)值模擬方面的研究），取得了一系列成果[7，8]。

除了傳統(tǒng)雙輥法的研究之外，為了提高薄帶坯凝固速率，真正在組織上產(chǎn)生快速凝固的效果，一些研究機(jī)構(gòu)另辟蹊徑，開展了雙輥法的全新設(shè)計(jì)，如大阪工業(yè)大學(xué)與柏林工業(yè)大學(xué)研發(fā)了多種新型工藝，包括熔體拖拽法、靜水壓雙輥法、熔體注射法等[9-11]。雖然這些工藝尚不成熟，但為薄帶近終形成形技術(shù)的發(fā)展提出了新方向。

1.3 輥帶式薄帶連鑄的研究

輥帶式薄帶鑄造成形是將熔融金屬通過布流器溢流至由傳動(dòng)輥帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)的冷卻帶上，下表面通過與冷卻帶接觸直接發(fā)生凝固，上表面為自由面，整個(gè)凝固過程在保護(hù)氣氛下進(jìn)行。

該工藝國外有代表性的是一個(gè)德國研究機(jī)構(gòu)在一次冶金技術(shù)討論會(huì)上提出的輥帶式薄帶連鑄的實(shí)驗(yàn)線，該線生產(chǎn)的鑄坯厚度范圍在10～15 mm，一般鑄速為10～12 m/min，估計(jì)冷速達(dá)100 K/s以上。當(dāng)鑄坯厚度為15 mm時(shí)，經(jīng)一輥熱軋軋至8 mm即可，生產(chǎn)一卷70 m長的帶鋼大概需要2～3 min。由于為單面冷卻，故存在上下表面的冷卻速度及組織差異，可通過后續(xù)熱機(jī)械處理調(diào)整該組織差異[12]。

2 存在的問題

2.1 成形方面存在的問題

1）凝固條件不穩(wěn)定。模鑄或連鑄工藝中，液態(tài)金屬是在相對靜止?fàn)顟B(tài)下凝固，因此鑄坯致密度高，裂紋相對少。而對于薄帶連鑄，由于液態(tài)金屬在熔池受鑄輥的作用，產(chǎn)生振動(dòng)，液態(tài)金屬是在紊流中運(yùn)動(dòng)中凝固，這樣會(huì)增加卷氣和產(chǎn)生裂紋的幾率，一旦形成裂紋，薄帶坯很難通過后續(xù)加工予以消除的。

2）氧化燒損。由于凝固時(shí)液相暴露在空氣中的部位少，凝固后的錠或坯比表面積小，故氧化率低。而對于薄帶連鑄工藝，帶坯凝固后比表面積較大，增加了氧化燒損，酸洗后金屬收得率降低。

3）凝固的非同時(shí)性。由于鑄輥在沿寬度方向上的溫度分布不均，如鑄輥的中間溫度高，邊部溫度低，使薄帶坯凝固時(shí)沿寬度方向上呈非同時(shí)凝固。這樣增加了產(chǎn)生裂紋的機(jī)會(huì)。雖然鑄造裂紋可由鑄輥的微軋作用予以消除，但微軋壓下量較小，裂紋不能完全消除。

2.2 組織性能方面存在的問題

雖然薄帶近終形成形技術(shù)可以省去大量生產(chǎn)工序，但帶坯厚度較薄，面臨后續(xù)加工壓縮比不足的問題，未能充分發(fā)揮壓延加工對產(chǎn)品組織性能的優(yōu)化作用，這樣就必須改善鑄態(tài)組織。如果薄帶坯較薄，凝固速率快，易于體現(xiàn)快速凝固的效果，即實(shí)現(xiàn)鑄態(tài)組織呈等軸狀且偏析少，但后續(xù)加工壓縮比不大，其他鑄態(tài)組織缺陷的消除效果不明顯；薄帶坯稍厚則凝固速率慢，導(dǎo)致鑄態(tài)組織與最終組織所差甚遠(yuǎn)，后續(xù)加工壓縮比也不會(huì)太大，組織未能得到大的改善。

3 未來的展望

目前，薄帶近終形鑄造技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，而所面臨的問題也日趨明了，各種工藝形式的優(yōu)點(diǎn)和弊端也日漸清晰。雖然至今尚未見到該技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的報(bào)道，但這并不意味著此項(xiàng)研究已經(jīng)接近終了，也并不意味著各種工藝所面臨的問題都無法解決。新的更合理的工藝形式還在不斷被設(shè)計(jì)研發(fā)，傳統(tǒng)工藝的不足也正逐步得到改善和優(yōu)化，而且該工藝對于一些熱加工性能較差的材料如鑄鐵、硅鋼及一些沖壓鎂合金的帶材成形依然具有較為重要的價(jià)值。相信隨著工業(yè)的發(fā)展及先進(jìn)控制技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，薄帶近終形成形技術(shù)還會(huì)取得更大的發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化也將不再遙遠(yuǎn)。

4 結(jié)語

1）受到工藝制約，單輥法不適用于薄帶近終形成形，而雙輥法的研究存在對傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)及新工藝的設(shè)計(jì)，都已取得較大進(jìn)展。國外對輥帶法已經(jīng)開展了研究，而國內(nèi)對輥帶法的研究略顯不足。

2）何種工藝率先成熟都將對冶金工業(yè)產(chǎn)生革命性的影響，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視及支持。

3）薄帶連鑄工藝的設(shè)計(jì)水平及產(chǎn)品質(zhì)量都體現(xiàn)了該研究機(jī)構(gòu)的冶金工程設(shè)計(jì)能力，能提升該機(jī)構(gòu)在業(yè)內(nèi)的影響力。