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铝材的无头轧制——重要的铝加工技术综述!

中赫铝卷铝板彩涂铝卷铝单板天花2018-11-13 11:40:02

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有色金属的无头轧制


  在有色金属工业,导电用的铜线与铝线盘卷都是短程无头轧制的,2016年全世界生产的铝板带中约有22%的铝板带是用短程无头轧制法冷轧的,汽车铝合金车轮是用熔炼—低压铸造—热处理—机械加工—表面处理流水生产线制造的。


  1. 双辊式连续铸轧生产线


  此类无头生产线见图1,它仅把熔炼、铸造、施加小量变形连为一条线,是最简单的无头生产线,却是铝板生产中应用最多的。据笔者的粗略统计,2016年全世界这类生产线约有1100条,其中中国约有780条,占总数的71%。它们的带坯卷生产能力约为10000kt/a


图1 铝带坯卷连续铸轧生产线(短程无头轧制线)示意图


  铝带坯无头连续短程铸轧技术的发展至今已有170多年的历史,1846年英国冶金学家贝塞麦(HenryBessemer 1813~1898年)就提出,从两个旋转着的轧辊上方浇铸铝熔体,这两个轧辊内部有循环水冷却,凝固的带坯从下方引出。经过近150年的研发,终于在1955年创立了有商业价值的亨特式的双辊铸机(Hunter)。现代化的3种铝带坯连续双辊式铸轧生产线,即短程无头轧制生产线如图1所示,它们的铸轧速度慢,为0.7m/min~1.3m/min,带坯厚度6mm~10mm,宽度可达2200mm。中国于1979年研制成功φ650mm双辊式铸轧机,现在已拥有约780条这类生产线,成为世界最多的国家与生产能力最大的国家,中国生产的这类铝带坯无头轧制生产线已出口到多个国家,引进的生产线12条,总生产能力126kt/a。


  以后出现了铜辊套的高速双辊式铸轧机,铸轧速度20m/min~120m/min,可生产lmm~3mm厚的带坯,制成了原型生产线,但未获得推广,在全世界运转的超薄高速铸轧线仅有7条:美国1条,法国1条,卢森堡1条,韩国与土耳其各2条。


  2. 哈兹雷特(Hazelett)双带式连铸连轧线


  哈兹雷特双带式无头连铸连轧线如图2所示,而连铸机结构如图3所示。它是哈兹雷特带坯铸造公司(Hazelettstrip-Casting Corporation)研发与生产的,这是个家族企业,是第一代W.哈兹雷特创建的。1963年首台660 mm铸造机在加拿大铝业公司(Alcan)的安大略省陶尔市(Tower)阿尔古兹公司(Algoods)投产。至2016年年底,全世界有16条这类生产线,其中最大1950 mm级的4条,2条在中国(一条在河南巩义龙鼎铝业有限公司,2012年投产;另一条在内蒙古自治区霍林郭勒市联晟轻合金公司,2016年10月投产)。


图2 哈兹雷特连铸连轧生产线示意图


图3 哈兹雷特连铸机示意图


  哈兹雷特双带式连续带坯铸造机,目前典型坯料的宽度为2000mm以下,厚度不超过50mm,典型厚度为不大于20mm,铸造速度约为15mm/min,铸坯出模温度大于450℃。随后进入其后的1~3机架热轧机,软合金的最大道次热轧率可达65%。


  3. 凯撒微型双钢带连铸连轧生产线


  凯撒铝及化学公司(Kaiser Aluminum&ChemicalCerp)开发的这类短程无头铝带生产线比哈兹雷特连铸连轧线又进了一步,在热轧机之后又加了一台冷轧机(图4、图5),最初拟以此法专业生产罐身料(canstock),装备简单,产品宽度270mm~400mm,产量35kt/a。此种短程无头轧制法产品虽有冶金品质高、投资省、生产成本较低、生产周期短等优点,但是其罐料的品质稳定性和均匀性远不如现代化热轧开坯料的,因此未得到推广,不过在无头轧制征程上也有里程碑意义。


图4 凯撒微型连铸连轧生产线示意图


图5 凯撒微型连铸机示意图


  4. 劳纳法(Caster II)短程无头轧制生产线


  CasterII的铸造原理与哈兹雷特法的基本相同,主要区别在于构成结晶腔的上、下面不是薄钢带,而是两组向同一方向运动的激冷块(图6)。激冷块装于传动链上,在传动链与激冷块之间有隔热垫,以保证受热后不产生较大的膨胀变形。劳纳Caster II型连铸机可生产1×××系、3×××系、5×××系铝合金,铸造速度决定于合金成分、带坯厚度及连铸机长度,铸造速度通常为2m/min~5m/min,生产效率为8kg/min~20kg/min,带坯厚度为15mm~40mm,宽度为600mm~1700mm。主要用于生产供冷轧铝箔带坯用的热轧卷,在生产罐料带坯方面没有竞争力。截至2016年,在产的生产线仅有3条,其中2条1813mm(产品宽度)的在美国戈登铝业公司(Golden Aluminum Co.),1条1750mm的在德国埃森铝业公司(Essen Aluminum Incoporation)。


  类似的连铸机为阿卢苏斯Ⅱ型铸造机(AlussusⅡCaster),技术参数:一般铸造速度为2m/min~5m/min,带坯厚度为15mm~40mm,宽度为600mm~1700mm,生产能力为8kg/(mm·h)~20kg/(mm·h)。


图6 劳纳法(Caster II)连铸连轧生产线示意图


  5. 英国曼式(MAN)短程无头轧制生产线


  该类短程无头轧制线由供流系统、连铸机、牵引机、剪切机、一台或多台轧机、卷取机组成。英国的曼式短程无头轧制线(图7)是这类生产线的典型代表,其运转原理是:铝熔体通过中间包进入供料嘴,再进入由钢带及装于结晶轮上的结晶槽环构成的结晶腔人口,通过钢带及结晶槽环带走热量,从而凝固,并随着结晶轮的旋转,从出口导出,进人随后的热轧机,也可直接铸造薄带坯(0.5mm)而不经轧制。


图7 曼式连铸连轧生产线示意图


  由于受工艺及装备限制,此类生产线的产品宽度一般不大于500mm,厚约20mm,经温(热)轧制后,厚约2.5mm,供给冷轧用的带卷。


  6. 线坯短程无头轧制生产线


  当前获得大量应用的有意大利普罗佩斯(Properzi)公司的连铸连轧线与美国南方线材公司(Southwire)的连铸连轧线。现在全世界用的电工铝杆与电线几乎全是用这两种工艺生产的。普罗佩斯电工线坯连铸连轧线示意图见图8。它由熔炼炉l、净化供流系统2、静置保温炉3、浇铸装置4、连铸机5、传输装置6、剪切机7(剪去铸坯冷头,以便顺利喂入连轧机或用于其他情况下的切断)、修整装置8、连轧机列9(通常用8~17个机架,二辊悬臂式孔型轧机或三辊Y形轧机)、绕线机10(线坯直径多为9.5mm)组成。此外还有飞剪,用于控制盘卷质量。生产线的典型技术参数:



图8 普罗佩斯法连铸连轧生产线示意图


  美国南方线材公司的线杆无头连铸连轧机列也是一种短程无头轧制工艺,生产线的设备构成与工艺与普罗佩斯公司生产线的相似,不再赘述。


  7. 奥科宁克公司小型连铸连轧短程无头轧制线


  2016年11月1日美国铝业公司一分为二,一个仍名为美国铝业公司(Alcoa),业务范围为铝的上游领域(铝土矿与氧化铝),另一个名为奥科宁克铝业公司(Arconic),业务范围为铝的下游领域。原美国铝业公司的圣奥东尼奥小型轧机TM技术(San Antonio MicromillTM)划归奥科宁克铝业公司。这种小型轧机技术实际上也是一种短程无头铝带轧制技术,它的连铸机为双辊式。据报道现在圣安东尼奥轧制厂的生产线可生产宽1727.2mm、厚2.3mm~5.1mm的铸造带坯,铸造速度61m/min~27.4m/min,经风急冷后,进入双机架热轧机,轧成1550 mm~1702mm宽、0.46mm~3.81mm厚供冷轧用的带卷。


  据称,这种小型轧机(MicromillTM)可生产各种各样的变形铝合金,美国铝业公司还为这种工艺专门研发出了一种铝合金,用于制造汽车零部件,其成形性能比现行合金的高40%,其强度可与钢的相当,质量至少比钢的轻30%。同时,与传统生产技术相比,MicromillTM工艺的生产效率可提高80%,对环境影响明显降低,能源降低50%,从铝熔体至热轧带卷的生产周期从20d缩短至20min。此项技术适合于生产多种铝合金,可在很短时间内由一种铝合金转换另一种铝合金,铸造工作不必停止,具有很高的生产效率。


  2016年秋美国铝业公司与意大利达涅利(Danieli)公司达成合作协议,由达涅利公司负责MicromillTM生产线装备的设计、制造、销售与服务等一切事宜。美国铝业公司为研发MicromillTM技术取得了130多项专利,产品已在汽车制造中获得应用,反应良好。


  笔者建议不要把“MicromillTM”译为“微型轧机”,因为微型在汉语里是很小很小之意,实际MicromillTM生产线的占地面积相当于轧制线的四分之一,所以宜译为小型。


全程无头铝材加工线建造任重道远


  中国铝业公司董事长葛红林在2017年7月于“上海铝加工论坛”会上表示,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……”。由此可见,他的愿景也就是中国铝加工业、铜加工业的梦想。


  有色金属工业短程无头轧制早已有之,但要实行一气呵成,源头原铝(或配料熔化)进来,经过不到1h的加工处理,另一头包装好的产品(板、带、箔、管、棒、型、线材与锻件等)可装车发运,却不是一件轻而易举的事。其工艺并不适合所有的变形铝合金。哪些产品与合金可以用这种工艺生产呢?必须是产量大的,如铝箔、罐料(can stock)、印刷版基、电线电缆、建筑型材、汽车车身薄板(ABS)等,不过这些半成品占全球铝材总产量的80%以上,即大于40000kt,如有一半是全流程无头生产的,那也是非常了不起的。2016年中国这些产品的总产量约22000 kt,为无头生产提供了充足的市场与条件,是建造全流程(长程)无头轧制的基础。


建全流程无头轧制项目是可行的


  理论上,只要把现有的短程无头轧制线前后衔接起来就可以实现全流程无头轧制,例如建一个生产能力300kt/a的ABS项目,需要把铸造-热轧线与冷轧线再与后处理线连成一线。说起来容易,在技术上没有不可逾越的门槛,但却是一个异常庞大的工程,首先它的投资比短程无头轧制总投资大45%以上,需要约120亿元。另外,设计、建设、调试期长,我们的设计部门还没有搞过这样的大工程,厂房也大得很,总长度可达2200m。

经济上是否有利还很难说


  建设这样的大工程投资大,建设周期又长,是否能在预期时间收回投资并获得一定利润,很难预测,需经过实事求是的精心测算。如果美国奥科宁克铝业公司的MicromillTM技术真是如报道的那样神奇的话,引进一条这样的生产线并建设长程无头轧制项目看来还是可以的,因为前段投资可大大降低。 

全流程轧制6.35μm铝箔困难


  从原铝起一气呵成生产6μm级的经分条与表面处理的包装箔实在太困难,不但经济效益难以满足要求,而且在现有技术条件下有些门槛实难跨越。如果分成两段就容易得多,前段为原铝-连铸连轧-冷轧-退火-箔轧到0.08mm,后段双合轧成0.00635mm箔-退火-表面处理-分条-包装。

建筑铝材生产也很难实现一气呵成


  困难在表面处理,将时效、阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂、木纹印刷等处理与前段铸造、挤压等都形成一条无头生产线目前还无法想象。