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浅谈铝板带短流程生产工艺与发展

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摘要:对比了铸轧、扁锭热轧、连铸连轧3种生产工艺,其中连铸连轧属于短流程工艺;对Hazelett、Micromill两种工艺进行详细介绍;指出在解决产品表面质量、生产工艺等问题后,连铸连轧工艺是未来铝加工的发展趋势之一。

关键词:短流程;连铸连轧;Hazelett;Micromill

1铝板带生产工艺概述

冷轧铝板带材的生产均需经过冷轧、精整和热处理等生产工序,生产工艺的区别主要在冷轧坯料的生产方式上。目前主要有3种生产工艺,铸轧、扁锭热轧和连铸连轧[1]。(1)铸轧工艺是将铝液直接铸造成6mm~8mm的铸轧卷,然后冷轧。如酒钢天成、湖南晟通、丹发铝材等企业采用此工艺。(2)扁锭热轧工艺是将铝液半连续铸造成大扁锭,扁锭经锯切头尾、铣面铣边、加热后,先送至热轧机加工成热轧卷,然后冷轧。根据产品类型、产量等因素,热轧可分为单机架双卷取、热粗轧+热精轧(1个或3~5个机架均可)等多种形式。如中国铝业、山东南山、天津忠旺、河南中孚等企业采用此工艺。(3)连铸连轧工艺介于铸轧和扁锭热轧工艺之间,有多种形式。一般将铝液连续铸成一定规格的板坯(厚度比大扁锭薄很多),直接将高温板坯连续送入热轧机轧制。近几年,随着国内多条铝加工生产线的投产,铝板带市场同质化竞争严重、产品价格大幅下跌、产能不能充分发挥。在这种形势下,节能降耗、降低生产成本显著的薄板坯连铸连轧工艺,越来越受到关注。如对于生产1mm~2mm的铝材,连铸连轧工艺仅需要熔炼、连铸连轧就能达到。铸轧工艺需要经过熔炼、铸轧、冷轧才能达到。扁锭热轧工艺需要经过熔炼、半连续铸造、锯切头尾、铣面铣边、铸锭加热、热轧、(冷轧)才能达到。几种工艺的流程对比见图1。可以看出,连铸连轧属于短流程工艺。铝合金的连铸连轧工艺有多种形式,主要区别在于铸造机的不同,如哈兹雷特(Hazelett)铸造机、微型(Micromill)铸造机、劳纳(Laurer)铸造机、曼式(Man)铸造机等。应用最广泛的是Hazelett工艺,最新工艺是奥科宁克公司(原美国铝业公司,下同)的Micromill工艺。本文主要就这两种工艺进行介绍分析。

2连铸连轧生产工艺

2.1Micromill工艺

Micromill工艺是奥科宁克公司开发的专有技术,是一种连铸连轧的短流程工艺,其技术的关键为高速铸轧。高速铸轧为水平式双辊铸轧,解决了传统铸轧技术的中心偏析问题和生产速度受限的问题。Micromill工艺经历了漫长的研发过程,从上世纪90年代凯撒铝业开始研究采用连铸连轧方式生产罐料,但由于产品稳定性、一致性差,退出罐料市场;到2000年,凯撒铝业将Micromill技术、内华达州雷诺工厂出售给奥科宁克;奥科宁克又历经15年才突破高速铸轧的相关技术,到2015年底才正式宣布Micromill技术的商业化生产。现阶段仅有2条试验线,分别在圣安东尼奥工厂和雷诺工厂。圣安东尼奥工厂的Micromill试验线,其工艺路线是重熔铝锭+新金属—熔炼—Micromill铸造机—双机架热轧—双卷取—热轧卷,该试验线可铸带坯最大宽度1727mm(68in)、带坯厚度1.8mm~6.4mm(0.07in~0.25in)、铸造速度27m/min~61m/min(90ft/min~200ft/min)、铸坯温度567℃(1050℉)[2]。圣安东尼奥工厂照片见图2。但在雷诺工厂(生产线宽度为430mm),在双机架热轧后面还有冷轧机架,实现了从熔炼到冷轧卷的生产,进一步缩短了工艺流程。该工艺具有以下特点:(1)工艺流程短,传统扁锭热轧需要约20d的时间才能将铝熔体转化成铝卷,而Micromill完成此项工作仅需20min;(2)占地面积小,能耗低,占地面积是传统热轧生产线的1/4,能耗的1/2;(3)产品综合性能优,凝固速度高,显微组织得到了极大的改善,晶粗细小。比传统汽车铝板的成形性提高40%,强度提高30%,为客户提供了更大的设计灵活性和更好的车辆性能。根据现有资料,Micromill技术仍采用水平式双辊铸造,铸造机后接风冷设备。因此,铸造机必须有强大的冷却能力,能在设定的时间内使铝熔体凝固,铸轧辊材质、内部冷却介质通道都是关键因素。Micromill工艺的关键不仅在于铸造机,还包括合金。奥科宁克已有一百多年的历史,具有雄厚的技术开发能力,Micromill可以生产6022、6111、5754等常规合金,也开发了一些新合金。新合金包括Micromill专用的高成形性/低铜合金(MMHF/HFLC),高强度的6xxx系和7xxx系合金。MMHF新合金是为了提高深冲性而开发的可热处理6xxx系合金,其深冲性能(包括成形极限FLDo、极限拉伸比LDR、各向同性)超过传统5xxx系和6xxx系深冲合金,解决了难成形零件的深冲问题。利用奥科宁克在航空铝合金开发方面的深厚经验(全球90%以上的航空铝合金由奥科宁克开发),开发了应用于汽车高强度零部件的7xxx合金。基于新合金的开发,Micromill已经不生产5182合金。以5182合金为例,合金性能对比见表1。Micromill引起了汽车行业的广泛关注,福特汽车公司在F-150皮卡上使用了Micromill汽车铝板。F-150是北美最畅销车型,长期占据各种汽车销量排行榜首位,这是第一次有畅销车型大批量使用铝合金车身。但F-150的汽车铝板供货商至少还包括肯联、诺贝丽斯,也就是说,Micromill技术能否发展成为新一代车身板生产技术还有待市场的检验。

2.2Hazelett工艺

哈兹雷特(Hazelett)公司是美国一家专业生产双带式连续铸造机的企业。Hazelett生产线是一条连续铸造、连续热轧的紧凑式生产线,生产线以Hazelett双钢带铸造机为核心,将熔炼工艺和热轧工艺串联在一条连续生产线上。Hazelett双带式铸造机如图3所示。Hazelett铸造机主要技术特点有[3]:(1)完全封闭式的铝液进料池,保持铝液流动自然稳定;(2)进料铸嘴尖为特制的陶瓷材料,热稳定性好,铝液中释放出的气体可从铸嘴尖渗透出去;(3)钢带稳定性好,感应预加热至150℃;(4)采用高强度的磁性支承辊抑制局部热变形;(5)铸坯表面与不断移动、水冷的钢带之间的接触面使用特殊涂层;(6)惰性气体通过铸嘴尖的上部和下部注入铸腔,可根据需要调整钢带的冷却速率。由于Hazelett公司没有专门的材料研发部门,产品为传统的铝合金[4]。需要说明的是有些合金不能用该工艺生产,如2xxx系/7xxx系铝合金、含Mg量大于6%的5xxx系铝合金、铝锂合金。因其带坯的最大铸造厚度为50mm,也不能生产中厚板产品。虽然从理论上讲,Hazelett工艺可以生产汽车铝板、罐体料[5],如爱励(Aleris)铝业美国俄亥俄工厂制造的AA5754板,但尚未有企业能批量生产。Hazelett与Micromill的最大不同在于凝固。Ha-zelett铸造带坯比较厚(~19mm),铝熔体在钢带之间开始凝固,形成四周固态、内部液态的铸坯向铸模下游移动。铸坯到达铸模尾端时,整个铸坯通常只有70%到80%的部分完成凝固。Micromill铸造带坯偏薄(不超过7mm),铝熔体在通过辊面时即凝固。Ha-zelett铝材铸造机相关性能见表2。目前,国内伊电控股集团有限公司、内蒙古联晟新能源材料股份有限公司分别引进了1条Hazelett铝板带生产线。其主导产品均为铝箔轧制坯料与通用1xxx系、3xxx系、8xxx系铝合金带材坯料。相关企业介绍如下。(1)伊电控股。2008年签订国内首条Hazelett铝板带连铸连轧生产线,年产卷材25万t。配备4台美国布里克盟(Bricmont)的120t熔炼炉,美国派瑞泰克在线精炼除气,Hazelett铸造机,意大利米诺3机架热连轧机。目前,该生产线可生产厚度2.0mm~7.0mm之间,宽度1305mm、1335mm、1505mm、1635mm、1935mm共5种规格的1xxx系、3xxx系、5xxx系、8xxx系的铝合金。(2)内蒙古联晟。2013年6月开工建设哈兹列特生产线,配备3台120t熔炼炉Hazelett铸造机,意大利米诺3机架热连轧机。设备宽度与伊电控股相同。(3)阿曼铝轧制公司(OARC)。生产线由意大利Danieli-Fata公司进行EPC总承包,2013年8月通过技术验收。配备4台GNAAlutech公司的70t熔炼炉,STAS公司的炉内精炼、深床过滤,AS2000型Hazelett铸造机+意大利Fata2机架热连轧机(预留第三机架位置)。配套建设冷轧、精整设备,年产能16万t,主要生产包装箔、电缆带、容器箔、空调箔等产品。

2.3连铸连轧前景分析

中国铝业公司董事长葛红林在2017年7月的中国国际铝加工论坛上表示,他的愿景是,“精准冶炼、连续铸造、无头轧制、连续处理、一气呵成、一厂干成,过去钢铁行业干成了,铝合金行业也一定能干成”。笔者认为,他的愿景,也是未来铝加工的发展趋势之一。大批量的产品,如铝箔坯料、汽车铝板、建筑和交通铝板,适合采用连铸连轧工艺。在汽车铝板方面,汽车铝板替代钢板的最大问题是铝板价格偏高,如采用连铸连轧工艺生产汽车铝板,将大幅降低汽车铝板的加工费,极大地扩大铝材的应用[6]。连铸连轧工艺是一种短流程、低成本生产铝合金带材的技术,关键技术为高速铸轧技术。现阶段连铸连轧工艺最大的问题是产品表面质量、产品的稳定性。因此,在生产时需要特别关注熔炼过程中,熔融金属的温度、晶粒细化剂、熔融金属的清洁度、氢含量等参数。连铸连轧生产线最好靠近电解铝厂,最主要的是能满足生产节奏。其次,在能耗、烧损、环保等成本方面,也有很大优势,如前文描述的3条Hazelett生产线均使用电解铝液作为主要原料。

3连铸连轧工艺的开发任重道远

(1)类似于钢铁行业中的ESP、CSP工艺[7-8],连铸连轧工艺作为一种新的生产工艺,总会存在一些问题。在解决产品表面质量、不同产品的生产工艺流程等问题后,必能稳定、可靠的生产出多数民用铝合金板带材,其产品竞争力强,是未来铝加工的发展趋势之一。(2)连铸连轧属于短流程工艺,能耗低、占地面积小、生产成本低。在铝板带建设的浪潮中,谁能另辟蹊径、掌握连铸连轧工艺,谁必能成为一匹黑马。(3)企业和科技工作者宜关注连铸连轧技术的发展,对相关工艺进行深入了解,包括钢铁行业的连铸连轧工艺;充分理解连铸连轧工艺与扁锭热轧工艺的差异;必要时可以组织,包括钢铁企业在内的产学研联合攻关。

参考文献

[1]刘小玲.选择合适的生产工艺是提高铝板带企业市场竞争力的根本因素[J].有色金属加工,2009,38(4):4-6.

[2]孟林,王祝堂.铝材的无头轧制[J].轻合金加工技术,2017,45(12):1-5.

[3]刘素华.铝板坯连铸连轧生产新工艺-Hazelett法[J].有色金属加工,2009,38(6):28-29.

[4]杨永昌.哈兹列特连铸连轧3003铝合金板组织和性能研究[J].轻合金加工技术,2010,30(10):15-18.

[5]王祝堂.对连铸连轧带坯生产罐身料可行性的探讨[J].铝加工,2010,3(194):8-11.

[6]马道章.连铸连轧———降低汽车用铝材高成本的好工艺[J].轻合金加工技术,2006,34(6):5-7.

[7]郑旭涛.日钢ESP无头轧制技术[J].冶金设备,2016,1(225):44-46.

[8]刘付强,赵华国.200万t热轧普碳钢钢卷生产线对比分析[J].一重技术,2016,6(174):14-18.

作者:丁宏波 李冰峰 单位:中色科技股份有限公司

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