1、材料加工新技术材料加工新技术赵红亮(教授)材料科学与工程学院材料科学与工程学院1课程性质与目的课程性质与目的:介绍性质,不专注于太具体的 东西目的是开阔思维,抛砖引玉,力争为学生课题的开展提供一个思路2课程内容：课程内容：近终形成型技术半固态加工技术金属的塑性成型新工艺材料加工中的计算机模拟3考试形式：考试形式：试卷考试！4材料与人类文明材料与人类文明 材料是现现代文明的支柱v材料是人类类生存的基础础 (Basis)(Basis)v材料是人类发类发展的标标志 (Mark)(Mark)v材料是科技创创新的先导导 (Lead)(Lead)5材料制备方法材料制备方法IM(Ingot Metallur
2、gy)IM(Ingot Metallurgy)熔铸铸法 熔(melting)(melting)、炼炼(refining)(refining)、铸铸(casting)(casting)铸铸件(castings)(castings)机加工(machining)(machining)零件 铸铸坯(ingots)(ingots)塑性成形(plastic forming)(plastic forming)热处热处理(heat treatment)(heat treatment)机加工零件PM(Powder Metallurgy)PM(Powder Metallurgy)粉末冶金法 制粉(powder m
3、aking)(powder making)压压型(pressing)(pressing)烧结烧结(sinterin(sintering)g)SF(Spray Forming)SF(Spray Forming)喷喷射成型法6材料成型方法材料成型方法 铸铸造(pour-casting,die-casting)(pour-casting,die-casting)例如：汽车轮毂车轮毂（AlAl、ZnZn）、活塞（AlAl）、手机外壳壳（MgMg）等 塑性成形 (plastic forming)(plastic forming)挤压挤压(extrusion)(extrusion)、轧轧制(rolling
4、)(rolling)、拉拔(drawing)(drawing)、冲压压(punching)(punching)、锻锻造(forging)(forging)焊焊接（welding)welding)切削 (cutting)(cutting)粉末成型 (powder forming)(powder forming)复复合成型（铸轧铸轧、铸挤铸挤、锻轧锻轧、挤轧挤轧等）7近终形成型技术材料加工新技术之一材料加工新技术之一8连铸出的直接为坯，不再需要初轧开坯!连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转炉后又一次重大的技术革命。它取消了传统模铸中的初轧开坯工序，具有节约能源、降低消耗、节省投资、机械化和
5、自动化程度高等优点，已成为现代钢铁企业广泛应用的生产技术。目前不少发达国家已实现全连铸。一个国家的连铸水平已成为衡量这个国家钢铁生产水平的重要标志。90年代初，中国连铸比仅为30%，到2000年，中国连铸比已达85.3%，到2007年，中国连铸比已跃至96.95%，达到国际先进水平。连铸技术连铸技术9 自70年代以来，钢铁工业从追求产量粗放型的规模扩张走上了注重质量、节能降耗、结构优化，使我国由钢铁大国走向钢铁强国的新路子：u一方面，用户对钢材质量、性能的要求越来越高。u另一方面，由于竞争激励，厂家需要不断尽可能地降低成本。为了应付激烈的市场竞争，发达国家的钢铁企业投入了大量的资金和人力开发新
6、的工艺技术。10 其中近终形连铸技术是近20年来最为瞩目的成就之一，它包括薄板坯连铸和薄带坯连铸两种。近终形连铸（Near-Net-Shape Continuous Casting）是指使连铸坯的断面尺寸在保证钢材性能、质量的前提下，尽量接近最终钢材断面的形状、尺寸。11模铸、传统连铸、薄板坯连铸和薄带坯连铸工艺过程对比 钢液钢液 铸锭铸锭 均热均热 初轧初轧 加热加热 热粗轧热粗轧 热精轧热精轧 冷轧冷轧模铸模铸 传统连铸传统连铸 薄板坯连铸薄板坯连铸 薄带连铸薄带连铸 工工 艺艺 生生 产产 工工 序序12 目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，而
7、大多数薄带坯连铸技术仍主要处于实验室研究而大多数薄带坯连铸技术仍主要处于实验室研究阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。日本预测，到日本预测，到20202020年，在连铸技术领域，传统连年，在连铸技术领域，传统连铸占铸占4040，薄板坯连铸占，薄板坯连铸占5050，薄带坯连铸占，薄带坯连铸占1010。目前发展状况目前发展状况:13近终形连铸的优点可省去开坯、初轧，甚至可免去整个热轧工序，使设备投资和过程能耗大为降低；因断面尺寸接近成品，总轧制变形量减小，减少了机架数量，进而降低基建投资。应用薄板坯连铸生产热轧带钢，已使生产带卷的成本大大降低，正在研
8、究中的薄带连铸的工业应用，将会带来进一步的革命性变化，这其中之一将是取消热连轧机组。14 薄板坯连铸薄板坯连铸 薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。世界上第一台薄板坯连铸机于世界上第一台薄板坯连铸机于19891989年在美国年在美国Nucor Nucor 公司的公司的CrawfordsvilleCrawfordsville工厂投产。工厂投产。进入进入9090年代以来，薄板坯连铸连轧工艺迅猛发展。除德国年代以来，薄板坯连铸连轧工艺迅猛发展。除德国西马克和德马克公司开发的西马克和德马克公司开发的CSPCSP和和ISPISP技术进展很快
9、外，奥钢技术进展很快外，奥钢联开发的联开发的ControllControll技术、意大利达涅利公司开发的技术、意大利达涅利公司开发的FTSCFTSC技术、技术、美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的TSPTSP技术都陆技术都陆续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。15 北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连铸北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连铸机，安装在兰州钢铁集团公司。机，安装在兰州钢铁集团公司。19991999年年8 8月月2626日，我日，我国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（国引进的第一条薄板坯
10、连铸连轧生产线（CSPCSP）在广）在广州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用计州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用计算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需2.5h2.5h，与需要，与需要28h28h的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板坯的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板坯连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较传连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较传统工艺约低统工艺约低5050美元美元/吨。吨。16171819202122232425262728293031323334铝合金哈兹列特连铸连轧工艺35 u一一:工艺背景工艺背景u
11、二:国内外研究现状及发展趋势 哈兹列特工艺特点哈兹列特工艺特点 哈兹列特工艺研究现状及发展趋势哈兹列特工艺研究现状及发展趋势 车身板研究现状及发展趋势车身板研究现状及发展趋势36一:工艺背景工艺背景铝加工工业的发展,铝材市场需求增大.产能产量迅猛增加.产业结构性矛盾突出.节能降耗形式严峻.哈兹列特工艺.节能、减排，有利于可持续发展.加快我国铝加工业的技术进步和产业结构升级。车身铝合金化,减轻汽车自重.提高燃油效率,减少污染.有利于缓解能源,环保,安全三大问题.降低成本.提高性能.返 回 37 从1978年的29.6万吨,2007年增加到1255.9万吨,年均递增13.8%,连续七年位居第一38
12、1978年铝材产量仅10.56万吨,1990年39.38万吨,2000年217.15万吨,2007年1175.9万吨.自2006年起世界第一39 我国铝加工业存在中低端铝板带材产品过多，生产能力相对过剩，产品竞争激烈，企业效益空间相对变小的局面。而高附加值、高技术含量的高端铝板带材如电子工业用电子铝箔、罐用深冲铝板、汽车、飞机用铝板等，由于技术上的原因仍主要依赖进口，严重制约了我国相关产业的发展。40 2007年4月，国家发展改革委发布能源发展“十一五”规划。单位国内生产总值能耗降低20左右、主要污染物排放总量减少10。2007年6月3日新华社受权发布国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知
13、。2008年月日起施行 中华人民共和国节约能源法,使节约资源成为我国基本国策。41 利用高效节能新技术哈兹列特连铸连轧工艺,通过优化成分,热处理退火轧制工艺,研究开发低成本高性能的铝合金车身板生产工艺.达到节能降耗、降低成本、提高板材质量、缩短交货期、提高产品竞争力的目的。42二.国内外研究现状及发展趋势 2.1.哈兹列特工艺特点 2.2.哈兹列特研究现状及发展趋势 2.3.车身板研究现状及发展趋势返 回 432.1.哈兹列特工艺特点 1.1.铝板带坯主要生产工艺铝板带坯主要生产工艺 直冷铸锭热轧工艺 双辊连续铸轧工艺 哈兹列特连铸连轧工艺返回 44 优点:热轧产品深加工性能好,可轧制各系铝合
14、金,其最先进的方式是热连轧.缺点:投资大.高能耗,高排放.45 流程短,能耗低.我国国内的铝板带双辊连续铸轧机基本上只能用于纯铝和3000系铸轧板的生产，已经满足不了国内日益增长的对多种铝合金板带箔产品的需求 常规铸轧板带组织不均匀,深加工性能差,主要用于铝箔毛料,和散热片毛料和对深加工性能要求不高的部分薄板.46 哈兹列特铸造机后接3机架的热连轧机.省去了铸锭锯切,铣面,加热或均热等工序.生产率高.明显节能降耗.生产线布局简单.投资少,能耗低,产品成本低.47 2.哈兹列特工艺优势 高产率 节能降耗 减排环保 生产合金产品范围宽 国外已得到广泛应用48工艺参数的比较带材厚度产能 吨/时/米2
15、米宽生产线产能 千吨/年双辊式铸造机3-7mm1.2-2.410-25哈兹列特双带式铸造机13-21mm(铸造);1-2mm(在线热轧带)25-27250-300哈兹列特工艺与双辊铸轧工艺参数的对比:产能大(10-20倍),合金及产品范围广.49哈氏:保温铸造热轧1-2mm铸轧:保温铸轧冷轧(耗能多)直冷:保温铸造锯头铣面均匀化热粗轧(量大)热精轧冷轧501.冶炼厂旁建哈氏生产线 2.用重熔铝锭为原料建哈氏生产线3.冶炼厂旁建直冷生产线 4.用重熔铝锭为原料建直冷生产线511.冶炼厂旁建哈氏生产线 2.用重熔铝锭为原料建哈氏生产线3.冶炼厂旁建直冷生产线 4.用重熔铝锭为原料建直冷生产线525
16、35455 惰性气体保护:控制氧化.控制热传输速度.它可以根据Agema扫描系统显示的结果,在钢带宽度方向上改变气体的配方和用量有选择地对冷却速度进行区域性调节.56磁力支撑辊:在钢带的各支撑轴上套上磁力环,采用Nd-Fe-B为主的强磁性材料做磁体以磁化与钢带相接触的翅片,这种磁体不必与钢带紧密贴合便可将钢带紧紧吸靠在支撑辊上,从而可控制钢带与铝水大面积接触时的热变形.57 钢带的感应预加热 1.防止钢带进入模腔时发生的冷箍及弯曲和热变形 2.干燥钢带表面的水汽.感应预加热到150C可很方便地赶掉夹带在钢带表面和永久性涂层中的水汽.58ESPTM涂层:采用永久性Matric涂层,基本采用陶瓷物
17、质,用火焰或等粒子喷涂在钢带表面.根据不同合金固化条件的需要,通过改变涂层厚度,粗糙度,多孔性及化学组分可获得所需的公称固化速率.从而获取合金坯的最佳表面质量.59 正在试产的合金预示哈兹列特工艺未来商业生产方向以及巨大的市场潜力和社会效应.诸多实践已证明,哈兹列特工艺已能生产含镁较高(4.5%)的合金和含铜较高的AA2024合金.3.拓宽合金系新产品的研究与开发604.车身板研究现状及发展趋势 最常用的汽车用铝合金有2xxx,5xxx和6xxx系合金,这些合金板材通常采用铸锭热轧法生产,成本高.6xxx系Al-Mg-Si合金具有强度和塑性的良好组合，综合性能优，油漆烘烤强化效应好，焊接性能好
18、。但成形性能有待提高.返 回 61 对6000系铝合金的研究1)优化合金成分和各种加工工艺,提高成形性能(添加少量多种合金元素,退火轧制工艺)2)高效节能低成本铝合金板材的开发(哈兹列特工艺)62 美国能源部及国家实验室与阿莱锐斯公司一起研发用于汽车的AA5754合金,已被通用汽车公司和福特汽车公司认可,用于制作18种汽车部件.福特汽车公司指出对用哈氏工艺生产的5754车身用结构铝合金板(内板1-3mm,3-3.5%Mg)成形性能和疲劳性能测试,其机械性能接近于直冷铸造热轧工艺 63 福特公司汽车结构用5754铝合金板哈兹列特工艺和直冷铸锭热轧工艺性能对比6465钢的薄带连铸 作为为生产产扁平
19、材的近终终形连铸连铸技术术，带钢连铸带钢连铸工艺艺生产产的钢带较钢带较之薄板坯连铸连铸更接近于最终产终产品的形状状，也就是连铸连铸带钢带钢更薄一些。它它可将钢将钢水直接浇铸浇铸出1 110mm10mm厚的钢带钢带，不经热轧经热轧或稍经热轧经热轧（1 12 2个个机架），即可进进行冷轧轧，而产产品的性能和质质量仍可与与常规规生产产的产产品相媲媲美。薄带连铸带连铸能大大降低基建投资资和生产产成本，是当当今钢铁钢铁工业业令人关关注的新工艺艺，也是最热门热门的研研究课题课题之一。666768 省却热轧而只有带坯连铸和冷轧两大步骤的冷轧省却热轧而只有带坯连铸和冷轧两大步骤的冷轧带钢生产线于带钢生产线于1
20、9991999年年1111月在德国克虏伯月在德国克虏伯 蒂森蒂森 尼尼罗斯塔的不锈钢厂投产。随热轧一起省掉的还有罗斯塔的不锈钢厂投产。随热轧一起省掉的还有退火、酸洗、运输等一系列辅助工序和设备，称退火、酸洗、运输等一系列辅助工序和设备，称之为超短流程生产线。整条机组长之为超短流程生产线。整条机组长75m75m，带坯宽，带坯宽1050 mm1050 mm1350mm1350mm，厚，厚1.5mm1.5mm4.5mm4.5mm，连，连铸速度每分钟在铸速度每分钟在100m100m以上。以上。69 主要有3种方法：1.单辊连铸 2.双辊连铸 3.辊带连铸 薄带连铸带连铸分类类70单辊连铸 单辊法又称为
21、熔拖法，图1为其工作原理示意图。钢水从中间包流出，直接浇到旋转辊上，由于铸辊的冷却作用使其凝固，形成薄带。71薄带产品氩气金属液面内衬中间包喷嘴圆形铸机图1 单辊带钢连铸示意图 72单辊连铸缺点:单面凝固会造成产品内部结构不均匀，且长度方向厚度也可能不均匀。另外，带钢的宽度也不易控制。据报道，生产的高粘度材料，如奥氏体不锈钢和Ni3Al带的表面质量较好，奥氏体不锈钢带的机械性能也与常规产品相当，但普碳钢和硅钢的的质量较差。73 双辊连铸:双辊连铸又称双辊铸轧，图2为其工作原理示意图。由两个铸辊和端面侧封板构成钢水池，钢水经浸入式浇铸系统控制，送入辊口，薄带坯厚度通过调节辊缝的大小来控制。74图
22、2 双辊带钢连铸示意图 浸入式水口铸辊钢液薄带产品侧封堰75 双辊连铸 其中，两个铸辊的直径可以相等，也可以不等；其轴线布置可以是水平的或倾斜的。根据铸辊直径可以分为等径双辊连铸和异径双辊连铸；根据轴线布置又可分为水平双辊连铸和倾斜双辊连铸。由于双辊连铸实现的是双面冷却，其冷却速率较单辊连铸的大，浇铸的薄带坯厚度可大些。76 国外的新日铁与三菱重工合作，于1985年开始双辊铸轧不锈钢薄带技术的研究，所建立的铸轧试验机可以生产宽800mm、长1330mm的带卷。生产的带卷表面无裂纹且组织结构均匀，力学性能和抗腐蚀性能达到或超过用传统工艺生产的带钢。他们目前已达到工业试验阶段。此后，澳大利亚的BH
23、P公司、意大利的AST公司、法国的Usinor公司和韩国的浦项钢铁公司也相继进行了双辊铸轧技术的研究，都取得了一定的研究成果。77 国内东北大学自1958年开始进行薄带钢铸轧方面的研究，在自制的连续铸轧试验机上铸轧出了12mm厚、260mm宽的球墨铸铁板和变压器硅钢带。1983年建立了1号异径双辊式铸轧机。1990年3月又建成了2号异径双辊式薄带铸轧机，采用直流电机驱动，速度可调，配有磨辊装置，等离子切割机和小型热轧机等。成功铸轧出2mm207mm的高速钢薄带。铸轧出的薄带坯经小变形量的热轧，可做切口铣刀和下料机的锯条，使用性能良好。国内双辊连铸的发展 78 “八五八五”期间，东北大学轧制技术
24、及连轧自动化国家重期间，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室建立了近终形铸轧研究室并建成了薄带钢铸轧试点实验室建立了近终形铸轧研究室并建成了薄带钢铸轧试验线，完善了熔炼和测试手段，铸轧出的验线，完善了熔炼和测试手段，铸轧出的W6W6高速钢薄带的高速钢薄带的表面质量和边部质量大大提高。表面质量和边部质量大大提高。19981998年，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实年，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的双辊铸轧研究又被列为国家自然科学基金委重大项验室的双辊铸轧研究又被列为国家自然科学基金委重大项目。目。国内双辊连铸的发展 79 上海钢铁研究所从上海钢铁研究所从19851985
25、年开始对双辊薄带连铸年开始对双辊薄带连铸技术进行研究，他们在双辊薄带连铸机上成功地浇技术进行研究，他们在双辊薄带连铸机上成功地浇出了合格的冷轧不锈钢带坯，获得了双辊薄带连铸出了合格的冷轧不锈钢带坯，获得了双辊薄带连铸机的主要设计参数和关键技术机的主要设计参数和关键技术 。国内双辊连铸的发展 80 在薄带连铸技术中，双辊技术占据主流，其中在薄带连铸技术中，双辊技术占据主流，其中尤以等径双辊连铸技术发展最快，为多数钢铁公尤以等径双辊连铸技术发展最快，为多数钢铁公司所开发，目前已接近投入工业化规模的生产。司所开发，目前已接近投入工业化规模的生产。但目前双辊连铸仍存在如下一些问题：但目前双辊连铸仍存在
26、如下一些问题：81输送钢水的动量会引起钢水池紊流，影响产品质量；输送钢水的动量会引起钢水池紊流，影响产品质量；带钢的宽度难以控制；带钢的宽度难以控制；带钢的板形控制：由于铸辊受周期性温度的变化而导带钢的板形控制：由于铸辊受周期性温度的变化而导 致变形的产生，会对生产的薄带坯表面带来影响；致变形的产生，会对生产的薄带坯表面带来影响；钢液液面的控制和钢液防止二次氧化技术；钢液液面的控制和钢液防止二次氧化技术；双辊两侧的侧封技术和侧封板的选用；双辊两侧的侧封技术和侧封板的选用；辊缝和轧制力的控制较为困难。辊缝和轧制力的控制较为困难。双辊连铸存在的问题 82 在此工艺中，钢水由中间包浇到活动带上，活动
27、在此工艺中，钢水由中间包浇到活动带上，活动带由安装在下部冷却箱内的喷嘴喷水冷却，铸坯表带由安装在下部冷却箱内的喷嘴喷水冷却，铸坯表面由上辊压平。升起上辊，可进行左右表面连铸操面由上辊压平。升起上辊，可进行左右表面连铸操作，铸机后部还安装了一对拉坯辊（如图作，铸机后部还安装了一对拉坯辊（如图3 3所示）。所示）。辊带连铸 83图图3 3 辊带连铸示意图辊带连铸示意图 1 1钢液；钢液；2 2钢液供料装置；钢液供料装置；3 3上辊；上辊；4 4冷却室；冷却室；5 5运输带；运输带；6 6薄带产品；薄带产品；7 7拉出装置。拉出装置。412356784 瑞典的梅福斯公司和德国的曼内斯曼瑞典的梅福斯公
28、司和德国的曼内斯曼 德马克德马克公司合作对这一技术进行了开发试验。但辊带公司合作对这一技术进行了开发试验。但辊带技术工艺控制复杂，且宽度不能调节，钢液的技术工艺控制复杂，且宽度不能调节，钢液的喂入也很困难。喂入也很困难。辊带连铸 8586铝的双辊铸轧工艺的特点：结晶器为两个带水冷系统铝的双辊铸轧工艺的特点：结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊，铝熔体在其辊缝间完成凝固和热轧变形的旋转铸轧辊，铝熔体在其辊缝间完成凝固和热轧变形两个过程，而且是在很短的区间两个过程，而且是在很短的区间(铸轧区铸轧区)与很短的时间与很短的时间内内(2(23s)3s)完成的。完成的。它不同于连铸连轧，后者实质上是将薄锭坯
29、铸造与热它不同于连铸连轧，后者实质上是将薄锭坯铸造与热轧连续进行，即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成厚约轧连续进行，即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成厚约20mm20mm的坯后，再在后续的连轧机上连续热轧成供冷轧的坯后，再在后续的连轧机上连续热轧成供冷轧用的带坯或成品板带材，铸造和热轧是两道独立工序用的带坯或成品板带材，铸造和热轧是两道独立工序。2.3 2.3 铝铝的双辊双辊薄带铸轧带铸轧 87 5050年代初，美国亨特公司最先研制成功双辊式连铸年代初，美国亨特公司最先研制成功双辊式连铸机，熔化的铝液经过铸嘴，通过两个转动的水冷辊的辊机，熔化的铝液经过铸嘴，通过两个转动的水冷辊的辊缝，冷却凝固成为
30、缝，冷却凝固成为“铸轧板铸轧板”。由于水平所限，该连铸。由于水平所限，该连铸机对铝合金带坯的厚度、宽度及合金成分均有所限制。机对铝合金带坯的厚度、宽度及合金成分均有所限制。6060年代初，相继出现年代初，相继出现3C3C铸轧机和亨特铸轧机，生产铸轧机和亨特铸轧机，生产的铝合金带坯宽度可达的铝合金带坯宽度可达2m2m，合金品种更广。，合金品种更广。铝双辊铝双辊薄带铸轧发带铸轧发展 88我国从1964年就开始研究铸轧法生产卷材，1977年东北轻合金加工厂研制成功第一台下铸式铸轧机，并试轧出铸轧板。70年代末，华北铝业有限公司制造出我国第一台铸轧机，用作生产铝板带箔的坯料，从此我国的铸轧机开始投入工
31、业性生产。此后铸轧技术在国内有了飞速发展，铸轧机型号不断改进，式样也推出多种。在工艺技术上也有长足进步，增加了在线除气、过滤装置、细化晶粒装置等手段，从而提高了金属的纯洁度，使铸轧板质量得到很大的提高。其中洛阳有色金属加工设计院、诼神有色金属加工设备公司等在设计、开发与制造方面做了许多卓有成效的工作。铝铝双辊薄带铸轧发带铸轧发展 89截止到截止到20082008年底，全球已拥有超过年底，全球已拥有超过793793台双辊薄带铸轧机。台双辊薄带铸轧机。其中意大利的法塔亨特铸轧机有其中意大利的法塔亨特铸轧机有160160台，法国的台，法国的3C3C式铸轧机式铸轧机175175台。中国拥有双辊式铸轧机
32、约有台。中国拥有双辊式铸轧机约有460460台，占全球总数的台，占全球总数的58%58%，国内已有超过，国内已有超过1010家企业能生产此类铸轧机。家企业能生产此类铸轧机。经过经过3030多年的努力，中国已成为一个名副其实的铝带坯铸多年的努力，中国已成为一个名副其实的铝带坯铸轧工业王国，铸轧机制造大国。轧工业王国，铸轧机制造大国。铝铝双辊薄带铸轧发带铸轧发展 90 虽然薄带铸轧技术在我国和世界上得到了快速应用和发展，虽然薄带铸轧技术在我国和世界上得到了快速应用和发展，但传统的铸轧工艺存在的问题是：但传统的铸轧工艺存在的问题是：铸轧速度慢铸轧速度慢(1m/min)(1m/min)、铸轧铝带厚度较
33、大、铸轧铝带厚度较大(6mm(6mm左右左右)、铸、铸轧板成分偏析、组织不均匀、各向异性严重、深加工性能差、轧板成分偏析、组织不均匀、各向异性严重、深加工性能差、可铸轧的合金品种少，其产品品种和应用领域受到很大限制，可铸轧的合金品种少，其产品品种和应用领域受到很大限制，目前主要用于铝箔毛料和对深加工性能要求不高的部分薄板。目前主要用于铝箔毛料和对深加工性能要求不高的部分薄板。在这些缺点当中，较低的铸轧速度是其中最为关键的一个问在这些缺点当中，较低的铸轧速度是其中最为关键的一个问题，它直接影响生产率的大小。题，它直接影响生产率的大小。铝铝的超薄高速连续铸轧连续铸轧技术术 91铝铝的超薄高速连续铸
34、轧连续铸轧技术术 针对常规铸轧工艺存在的主要问题，一些发达国家竞相斥巨资开发超薄高速连续铸轧技术。它能在传统双辊铸轧的基础上，将铸轧速度提高10倍以上，金属的凝固速度提高10-100倍，并进行60%-80%的大塑性变形，从而提高生产率2-3倍，使铝合金带坯获得更加优良的组织和性能。目前，在美国、卢森堡、法国等地已相继建成了双辊、四辊等类型各异的快速连续铸轧超薄铝合金带坯生产线。在国内，对铝合金铸轧新技术与设备的研制开发，也已被列为产业化前期关键技术，由高校、院校和企业合作开发工艺技术，研制成套设备并建设生产线。92电解铝液直接铸轧93 高温电温电解铝铝液熔炼炉炼炉(或混合炉炉)取样样分析成分加
35、入废废料和中间间合金第一次精炼炼导炉导炉调调整温温度至75075055第二精炼炼AlTiBAlTiB丝丝变质变质陶瓷过滤过滤铸轧带铸轧带卷冷轧轧成箔毛料中间间退火箔轧轧分切箔材成品。生产工艺 传统的铸轧生产铝箔毛料采用的是铝锭重新熔化再进行铸轧的工艺。而电解铝液直接铸轧是利用电解铝液直接实现铸轧生产，提高了成品率，降低了成本。94 电解铝液是直接从电解槽里抽出的,特点是:(1)温度高,最高温度可达1000以上,属于过热金属。(2)含氢量大,吸氢已达饱和状态,氢含量可达0.56 mL/100 gAl。(3)杂质含量高,除含Fe、Si等杂质元素外,还含有冰晶 石、氟化盐等金属及非金属化合物,使铝液
36、悬浮大量 的金属及非金属化合物。电解铝液直接铸轧特点95 由于电解铝液的自身特点，其注入混合炉给后续的铸轧、冷轧、箔轧、退火等生产工艺的制定和控制增加了一定难度；铝液温度过高，容易吸气，使含氢量增加。铝液温度过高，结晶时有效形核率低，严重影响最终产品的力学性能和表面质量。电解铝液直接铸轧技术难点96 如何在电解铝液直接铸轧生产中采取有效措施使铝箔毛料的含氢量控制在0.12mL(100gA1)以下是需要解决的一个关键问题；如何解决电解铝液直接铸轧生产中有效形核率低的问题，获得细小的晶粒组织是需要解决的另一个关键问题。技术关键97电解铝液为过热金属,金属杂质较多,熔炼前炉内首先加入30%的固体铝废
37、料,再加入电解铝液。加入的固体铝废料,化学成分必须均匀,无水分、污染、杂物等。电解铝液加入前,首先用石棉漏勺除去表面浮渣,然后通过石棉网过滤后加入熔炼炉内;生产高质量带坯产品时,还必须用固体精炼剂在开口包内精炼铝液,除去表面浮渣后才能加入炉内。熔炼的质量控制1 1、电电解铝铝液的加入及熔炼炼98 铝液的导入：铝液从熔炼炉导入静置炉是非常关键的工序。因为铸轧为连续生产,不允许停机。导炉前,必须观察铸轧机运行情况、静置炉内铝液情况和金属温度。一般要求在铸轧卸卷时进行导炉,并且静置炉内铝液深度在100 mm以上;导炉前后静置炉内铝液温度差不大于3。熔炼的质量控制熔炼的质量控制2 2、铝铝液的静静置及
38、精炼炼 99铝液的精炼：(1)精炼剂选用CCl4(5%)+Ar(95%,纯度99.995%)(2)精炼CCl4分解出Cl2Cl2+AlAlCl3Cl2+H2HCl 通过化学反应,CCl4分解的Cl2与氢、Al反应生成AlCl3和HCl气体,除去铝液中一部分氢,同时产生的气体和Ar气靠负压带走铝中的氢,也带走铝液中悬浮的Al2O3等金属和非金属夹杂物。熔炼的质量控制2、铝液的静置及精炼 100 铝液从静置炉出来后,经流槽、精炼箱、过滤箱进入前箱,通过铸嘴经轧辊冷却铸轧成带坯,这个过程是产品质量控制的关键。1、流槽质量 流槽是用来导流铝液的,其性能要求:有一定的强度,保温性能好,便于清理,对铝液不
39、产生污染。立板前对流槽必须烘烤,采用整体流槽,要窄而深,上面有盖板,防止散热和吸气,流槽清理不干净或裸露太多会引起吸气和造渣,从而引起带坯质量问题。在线精炼、过滤、晶粒细化和温度控制 1012、精炼箱 精炼箱容积的选择对除气、除渣效果很重要。除气箱的大小与除气转子气体的压力、流量以及铸轧产量有关。一般要求转子的转速为200 r/min,气体压力为0.4 N/mm2,而且铝液从除气箱到前箱的时间不小于10 min。精炼剂一般选用高纯氮气,其精炼原理与静置炉内的相同。精炼用氮气的纯度要达到99.999%,压力不小于0.15 N/mm2,经除气箱在线精炼后氢含量要不大于0.12mL/(100gAl）
40、。在线精炼、过滤、晶粒细化和温度控制 1023、过滤采用陶瓷板过滤技术。一般采用分级过滤法:一级过滤采用2530目的过滤板;二级过滤采用3540目的过滤板。过滤板一般23天更换一次,通过过滤彻底过滤掉熔体中的夹渣。1034、在线细化晶粒 采用70%的电解铝液和30%的固体废料为原料；由于电解铝液为过热金属,铸轧时晶粒形核数量相对要少一些。因此,采用Al-Ti-B细化剂细化晶粒；细化剂质量的好坏、加入的方式、加入的量、加入的温度,加入细化剂到铸轧之间的时间间隔,对带坯的质量影响较大。1043、反向凝固法生产薄带 反向凝固思路的提出 单辊、双辊及辊带连铸要进入工业化生产，一些问题还有待进一步解决和
41、完善：选择哪些钢种才能将薄带坯作冷轧料；完善封闭浇铸技术、侧封技术、薄带厚度的均匀性、薄带要达到的宽度等；薄带的表面质量更一直是需要解决的核心问题。105反向凝固思路的提出 此外，薄带连铸工艺还存在一个先天难以克服的问题：成品冷轧带钢的板形偏差按EN10051的标准为100）的直接浇铸带钢要求其在宽度方向上厚度偏差必须小于2，凸度也必须小于所要求的2的极限值。而单辊、双辊及辊带连铸的厚度偏差为510，很明显它们难以满足要求。107 这些问题的出现就促使冶金工作者去探索新的薄带生产工艺，以满足越来越苛刻的用户要求。于是，德国阿亨大学的科研人员近年来提出了一种薄带钢生产的全新方法：反向凝固法。反向
42、凝固思路的提出1083.1 3.1 反向凝固的工艺过程 反向凝固工艺是利用一冷轧或热轧带作为母带，母带以一定速度从凝固器内的钢水中穿过，钢水在母带表面凝固，形成新生相的新工艺，如图4所示。109 图 4 反向凝固工艺示意图1平整辊；2未经平整的带坯；3钢液；4反向凝固器；5母带。110 因凝固方向与传统凝固方向相反，凝固面从里向外推移，故称为反向凝固。在凝固器上方安放有一对平整辊，用于对处于高温状态的新生相进行初轧。所以反向凝固后的钢带不需要向外散发凝壳所需要的热量，相反在此工序的平整轧制中能充分利用这种浇铸热。同时，也正是由于此平整轧制过程，才使反向凝固钢带的表面质量得到保证，这也是反向凝固
43、优于其它薄带连铸技术的一个重要方面。1113.2 反向凝固工艺的特点 工艺简单，省去了许多连铸装置：反向凝固工艺不但省去结晶器，而且由于反向凝固后的薄带不需要形成坚固外壳，因此就不需要水冷，省去了水冷设备。另外，还省去了一半以上的轧制工序，大大缩短了生产线。充分利用浇铸热，并节约轧制能耗：传统的连铸工艺，在结晶器中因为要形成一个坚固的坯壳，必须放掉一部分热量，其余热量在二冷区中放掉。而反向凝固工艺不需要形成坚固外壳而放热，相反，热量被用于下步的高温轧制工序。1123.2 反向凝固工艺的特点 产品质量好。（a）母带对新生相有激冷作用，有利于晶粒细化；（b）凝固组织均匀，无宏观偏析，材质性能好；（
44、c）反向凝固工艺中钢水的热量自母带表面向母带中心传递，凝固过程自内向外进行，从根本上避免了传统凝固过程中可能出现的中心疏松问题；（d）优良的表面质量。在凝固器上方，有一对平整辊，它能对从凝固器出来的钢带及时进行高温平整，易于获得厚度均匀，表面平整的带坯。1133.2 反向凝固工艺的特点 易于生产复合钢板。母带和凝固层只要采用的是不同钢种，生产出的即为复合材料，因此进行复合材料的生产非常方便。与生产复合材料的其它方法相比（如锻压法、粉末冶金法、焊接法、轧制复合法及爆炸复合法等），反向凝固具有明显的优越性。通过调节母带宽度，其产品的宽度就可以根据市场需要而灵活变化。此方面反向凝固方法具有比其它薄带
45、连铸工艺独特的优越性。1143.2 反向凝固工艺的特点 能源消耗低：反向凝固后的薄带厚度一般是母带厚度的6倍。这样，一条1mm厚的母带在通过反向凝固器后，其厚度可达到6mm，经平整轧制后厚度为5mm，最终冷轧成1mm厚的薄带。将其中的20用于循环生产，作为下次的母带，80作为成品销售，保证了高的生产率，从而会带来明显的经济效益。改善了经济和生态平衡。占地的减少和能源消耗的降低可以带来明显的环境效益。115德马克公司设计的反向凝固工艺流程图 70吨中间包内部温度控制装置结晶器平整脱脂/清洗线入口活塞出口活塞可逆式冷轧机重新使用输出热轧带卷冷轧带卷116 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多
46、脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如下：1、早期皮肌炎患者，还往往伴有全身不适症状，如-全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。皮肌炎图片皮肌炎的症状表现3.3 反向凝固工艺的研究情况 1996年北京科技大学和东北大学合作，申请了国家自然科学基金重点资助项目“反向凝固生产薄带技术基础研究”，并在北京科技大学冶金实验室建造了一台包括高温平整轧机在内的试验设备。北京科技大学主要负责凝固部分，东北大学则负责轧制部分的研究工作。目的是通过理论与实验研究，获得最佳的反向凝固工艺参数，弄清与工艺过程有关的基础理
47、论问题，为反向凝固技术的实现提供完整的工艺理论依据，为下一步的半工业实验提供设计依据。1183.4 3.4 有色金属属的热热浸镀镀 反向凝固最初是针对钢和钢之间的复合而提出的，但现在铝热浸镀铝、钢热浸镀铜等有色金属的复合有时也被称之为反向凝固，并且正处于积极的研究之中。热浸镀法是将工件直接浸入某一液态金属中，经较短时间形成合金镀层。当浸镀时间极短时，所形成的镀层只是附着层而不是扩散层，因而与基体金属结合不牢固，因此一般在热浸镀后还要加热使镀层进行扩散，以形成合金层。热浸镀法的优点是设备简单，容易操作。1193.4 3.4 有色金属属的热热浸镀镀 目前，有色金属的热浸镀法已广泛应用于钢铁制品的镀
48、锌、镀铝、镀锡等，其产品主要集中在带材和线材。国际上也已采用此法进行无氧铜杆（线坯）的工业化连续生产，生产工艺过程如图6所示。近年来，国内东北大学的于九明教授带领研究生对钢线的热浸镀铜工艺进行了较为深入的研究，在实验室建立了一套连续的实验设备，取得了一定的研究成果。120图6 浸渍成形法生产工艺流程图 1电解铜板；2真空装料机；3辊道；4预热炉；5组合炉；6石墨坩埚；7冷却室；8上传动；9冷却管；10张力调节器；11直列式轧机；12冷却管；13吹干器；14探伤仪；15张力调节器；16绕杆机；17成品杆；18主传动；19扒皮装置；20导向装置；21拉丝机；22种子杆（芯杆）1213.5 反向凝固
49、与热浸镀的区别 不难看出，反向凝固的工艺原理与已应用于工业化生产的有色金属的热浸镀法非常相似。但由于钢的熔点高，操作起来远比有色金属困难。例如，连续化生产时，有色金属的热浸镀不用担心钢带（线）在有色金属液中熔化，而对于钢的反向凝固来说，凝固时间长时，母带会迅速在凝固器内的钢液中熔化，这样整个连续的生产过程就要中止，而且还可能在凝固器底部出现漏钢事故。122材料加工新技术之二:半固态加工技术123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149材料加工新技术之三:金属塑性成型新工艺1501
50、51152153154155156157158159160161162163164165材料加工新技术之四:材料加工中的计算机模拟166主要内容有限元法的基本理论ANSYS软件有限元分析的基本过程和步骤 塑性加工（平辊轧制）过程的应力、应变场解析：分同种材料和复合材料两种167第一部分、有限元法的基本理论168有限元法是近似求解一般连续域的数值方法。有限元法是近似求解一般连续域的数值方法。有限元法的基本思想是把连续体假想划分成有限个有限元法的基本思想是把连续体假想划分成有限个用节点连接的单元，以节点上的位移或速度作为基本用节点连接的单元，以节点上的位移或速度作为基本未知量，利用最小能原理并解相
