鋁板帶短流程生產(chǎn)工藝及發(fā)展趨勢

丁宏波，李冰峰

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 鋁板帶生產(chǎn)工藝概述

冷軋鋁板帶材的生產(chǎn)均需經(jīng)過冷軋、精整和熱處理等生產(chǎn)工序，生產(chǎn)工藝的區(qū)別主要在冷軋坯料的生產(chǎn)方式上。目前主要有3種生產(chǎn)工藝，鑄軋、扁錠熱軋和連鑄連軋[1]。

(1)鑄軋工藝是將鋁液直接鑄造成6mm～8mm的鑄軋卷，然后冷軋。如酒鋼天成、湖南晟通、丹發(fā)鋁材等企業(yè)采用此工藝。

(2)扁錠熱軋工藝是將鋁液半連續(xù)鑄造成大扁錠，扁錠經(jīng)鋸切頭尾、銑面銑邊、加熱后，先送至熱軋機加工成熱軋卷，然后冷軋。根據(jù)產(chǎn)品類型、產(chǎn)量等因素，熱軋可分為單機架雙卷取、熱粗軋+熱精軋(1個或3～5個機架均可)等多種形式。如中國鋁業(yè)、山東南山、天津忠旺、河南中孚等企業(yè)采用此工藝。

(3)連鑄連軋工藝介于鑄軋和扁錠熱軋工藝之間，有多種形式。一般將鋁液連續(xù)鑄成一定規(guī)格的板坯(厚度比大扁錠薄很多)，直接將高溫板坯連續(xù)送入熱軋機軋制。

近幾年，隨著國內(nèi)多條鋁加工生產(chǎn)線的投產(chǎn)，鋁板帶市場同質(zhì)化競爭嚴重、產(chǎn)品價格大幅下跌、產(chǎn)能不能充分發(fā)揮。在這種形勢下，節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本顯著的薄板坯連鑄連軋工藝，越來越受到關(guān)注。如對于生產(chǎn)1mm～2mm的鋁材，連鑄連軋工藝僅需要熔煉、連鑄連軋就能達到。鑄軋工藝需要經(jīng)過熔煉、鑄軋、冷軋才能達到。扁錠熱軋工藝需要經(jīng)過熔煉、半連續(xù)鑄造、鋸切頭尾、銑面銑邊、鑄錠加熱、熱軋、(冷軋)才能達到。幾種工藝的流程對比見圖1?？梢钥闯觯B鑄連軋屬于短流程工藝。

鋁合金的連鑄連軋工藝有多種形式，主要區(qū)別在于鑄造機的不同，如哈茲雷特(Hazelett)鑄造機、微型(Micromill)鑄造機、勞納(Laurer)鑄造機、曼式(Man)鑄造機等。應(yīng)用最廣泛的是Hazelett工藝，最新工藝是奧科寧克公司(原美國鋁業(yè)公司，下同)的Micromill工藝。本文主要就這兩種工藝進行介紹分析。

2 連鑄連軋生產(chǎn)工藝

2.1 Micromill工藝

Micromill工藝是奧科寧克公司開發(fā)的專有技術(shù)，是一種連鑄連軋的短流程工藝，其技術(shù)的關(guān)鍵為高速鑄軋。高速鑄軋為水平式雙輥鑄軋，解決了傳統(tǒng)鑄軋技術(shù)的中心偏析問題和生產(chǎn)速度受限的問題。Micromill工藝經(jīng)歷了漫長的研發(fā)過程，從上世紀90年代凱撒鋁業(yè)開始研究采用連鑄連軋方式生產(chǎn)罐料，但由于產(chǎn)品穩(wěn)定性、一致性差，退出罐料市場；到2000年，凱撒鋁業(yè)將Micromill技術(shù)、內(nèi)華達州雷諾工廠出售給奧科寧克；奧科寧克又歷經(jīng)15年才突破高速鑄軋的相關(guān)技術(shù)，到2015年底才正式宣布Micromill技術(shù)的商業(yè)化生產(chǎn)?，F(xiàn)階段僅有2條試驗線，分別在圣安東尼奧工廠和雷諾工廠。

圣安東尼奧工廠的Micromill試驗線，其工藝路線是重熔鋁錠+新金屬—熔煉—Micromill鑄造機—雙機架熱軋—雙卷取—熱軋卷，該試驗線可鑄帶坯最大寬度1727mm(68in)、帶坯厚度1.8mm～6.4mm(0.07in～0.25in)、鑄造速度27 m/min～61 m/min(90ft/min～200ft/min)、鑄坯溫度567℃(1050℉)[2]。圣安東尼奧工廠照片見圖2。但在雷諾工廠(生產(chǎn)線寬度為430mm)，在雙機架熱軋后面還有冷軋機架，實現(xiàn)了從熔煉到冷軋卷的生產(chǎn)，進一步縮短了工藝流程。

圖2 圣安東尼奧工廠照片F(xiàn)ig.2 San Antonio factory

該工藝具有以下特點：(1)工藝流程短，傳統(tǒng)扁錠熱軋需要約20d的時間才能將鋁熔體轉(zhuǎn)化成鋁卷，而Micromill完成此項工作僅需20min；(2)占地面積小，能耗低，占地面積是傳統(tǒng)熱軋生產(chǎn)線的1/4，能耗的1/2；(3)產(chǎn)品綜合性能優(yōu)，凝固速度高，顯微組織得到了極大的改善，晶粗細小。比傳統(tǒng)汽車鋁板的成形性提高40%，強度提高30%，為客戶提供了更大的設(shè)計靈活性和更好的車輛性能。

根據(jù)現(xiàn)有資料，Micromill技術(shù)仍采用水平式雙輥鑄造，鑄造機后接風(fēng)冷設(shè)備。因此，鑄造機必須有強大的冷卻能力，能在設(shè)定的時間內(nèi)使鋁熔體凝固，鑄軋輥材質(zhì)、內(nèi)部冷卻介質(zhì)通道都是關(guān)鍵因素。

Micromill工藝的關(guān)鍵不僅在于鑄造機，還包括合金。奧科寧克已有一百多年的歷史，具有雄厚的技術(shù)開發(fā)能力，Micromill可以生產(chǎn)6022、6111、5754等常規(guī)合金，也開發(fā)了一些新合金。新合金包括Micromill專用的高成形性/低銅合金(MMHF/HFLC)，高強度的6xxx系和7xxx系合金。MMHF新合金是為了提高深沖性而開發(fā)的可熱處理6xxx系合金，其深沖性能(包括成形極限FLDo、極限拉伸比LDR、各向同性)超過傳統(tǒng)5xxx系和6xxx系深沖合金，解決了難成形零件的深沖問題。利用奧科寧克在航空鋁合金開發(fā)方面的深厚經(jīng)驗(全球90%以上的航空鋁合金由奧科寧克開發(fā))，開發(fā)了應(yīng)用于汽車高強度零部件的7xxx合金?；谛潞辖鸬拈_發(fā)，Micromill已經(jīng)不生產(chǎn)5182合金。以5182合金為例，合金性能對比見表1。

表1 合金性能對比

注：MM-Micromill；HF-High Forming；HS-High Strength；LC-Low Copper；

Micromill引起了汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注，福特汽車公司在F-150皮卡上使用了Micromill汽車鋁板。F-150是北美最暢銷車型，長期占據(jù)各種汽車銷量排行榜首位，這是第一次有暢銷車型大批量使用鋁合金車身。但F-150的汽車鋁板供貨商至少還包括肯聯(lián)、諾貝麗斯，也就是說，Micromill技術(shù)能否發(fā)展成為新一代車身板生產(chǎn)技術(shù)還有待市場的檢驗。

2.2 Hazelett工藝

哈茲雷特(Hazelett)公司是美國一家專業(yè)生產(chǎn)雙帶式連續(xù)鑄造機的企業(yè)。Hazelett生產(chǎn)線是一條連續(xù)鑄造、連續(xù)熱軋的緊湊式生產(chǎn)線，生產(chǎn)線以Hazelett雙鋼帶鑄造機為核心，將熔煉工藝和熱軋工藝串聯(lián)在一條連續(xù)生產(chǎn)線上。Hazelett雙帶式鑄造機如圖3所示。

Hazelett鑄造機主要技術(shù)特點有[3]：(1)完全封閉式的鋁液進料池，保持鋁液流動自然穩(wěn)定；(2)進料鑄嘴尖為特制的陶瓷材料，熱穩(wěn)定性好，鋁液中釋放出的氣體可從鑄嘴尖滲透出去；(3)鋼帶穩(wěn)定性好，感應(yīng)預(yù)加熱至150℃；(4)采用高強度的磁性支承輥抑制局部熱變形；(5)鑄坯表面與不斷移動、水冷的鋼帶之間的接觸面使用特殊涂層；(6)惰性氣體通過鑄嘴尖的上部和下部注入鑄腔，可根據(jù)需要調(diào)整鋼帶的冷卻速率。

圖3 Hazelett雙帶式鑄造機Fig.3 Hazelett double belt casting machine

由于Hazelett公司沒有專門的材料研發(fā)部門，產(chǎn)品為傳統(tǒng)的鋁合金[4]。需要說明的是有些合金不能用該工藝生產(chǎn)，如2xxx系/7xxx系鋁合金、含Mg量大于6%的5xxx系鋁合金、鋁鋰合金。因其帶坯的最大鑄造厚度為50mm，也不能生產(chǎn)中厚板產(chǎn)品。雖然從理論上講，Hazelett工藝可以生產(chǎn)汽車鋁板、罐體料[5]，如愛勵(Aleris)鋁業(yè)美國俄亥俄工廠制造的AA5754板，但尚未有企業(yè)能批量生產(chǎn)。

Hazelett與Micromill的最大不同在于凝固。Hazelett鑄造帶坯比較厚(～19mm)，鋁熔體在鋼帶之間開始凝固，形成四周固態(tài)、內(nèi)部液態(tài)的鑄坯向鑄模下游移動。鑄坯到達鑄模尾端時，整個鑄坯通常只有70%到80%的部分完成凝固。Micromill鑄造帶坯偏薄(不超過7mm)，鋁熔體在通過輥面時即凝固。Hazelett鋁材鑄造機相關(guān)性能見表2。

表2 Hazelett鋁材鑄造機相關(guān)性能

目前，國內(nèi)伊電控股集團有限公司、內(nèi)蒙古聯(lián)晟新能源材料股份有限公司分別引進了1條Hazelett鋁板帶生產(chǎn)線。其主導(dǎo)產(chǎn)品均為鋁箔軋制坯料與通用1xxx系、3xxx系、8xxx系鋁合金帶材坯料。相關(guān)企業(yè)介紹如下。

(1)伊電控股。2008年簽訂國內(nèi)首條Hazelett鋁板帶連鑄連軋生產(chǎn)線，年產(chǎn)卷材25萬t。配備4臺美國布里克盟(Bricmont)的120t熔煉爐，美國派瑞泰克在線精煉除氣，Hazelett鑄造機，意大利米諾3機架熱連軋機。目前，該生產(chǎn)線可生產(chǎn)厚度2.0mm～7.0mm之間，寬度1305mm、1335mm、1505mm、1635mm、1935mm共5種規(guī)格的1xxx系、3xxx系、5xxx系、8xxx系的鋁合金。

(2)內(nèi)蒙古聯(lián)晟。2013年6月開工建設(shè)哈茲列特生產(chǎn)線，配備3臺120t熔煉爐 Hazelett鑄造機，意大利米諾3機架熱連軋機。設(shè)備寬度與伊電控股相同。

(3)阿曼鋁軋制公司(OARC)。生產(chǎn)線由意大利Danieli-Fata公司進行EPC總承包，2013年8月通過技術(shù)驗收。配備4臺GNA Alutech公司的70t熔煉爐，STAS公司的爐內(nèi)精煉、深床過濾，AS2000型Hazelett鑄造機+意大利Fata 2機架熱連軋機(預(yù)留第三機架位置)。配套建設(shè)冷軋、精整設(shè)備，年產(chǎn)能16萬t，主要生產(chǎn)包裝箔、電纜帶、容器箔、空調(diào)箔等產(chǎn)品。

2.3 連鑄連軋前景分析

中國鋁業(yè)公司董事長葛紅林在2017年7月的中國國際鋁加工論壇上表示，他的愿景是，“精準冶煉、連續(xù)鑄造、無頭軋制、連續(xù)處理、一氣呵成、一廠干成，過去鋼鐵行業(yè)干成了，鋁合金行業(yè)也一定能干成”。筆者認為，他的愿景，也是未來鋁加工的發(fā)展趨勢之一。大批量的產(chǎn)品，如鋁箔坯料、汽車鋁板、建筑和交通鋁板，適合采用連鑄連軋工藝。在汽車鋁板方面，汽車鋁板替代鋼板的最大問題是鋁板價格偏高，如采用連鑄連軋工藝生產(chǎn)汽車鋁板，將大幅降低汽車鋁板的加工費，極大地擴大鋁材的應(yīng)用[6]。

連鑄連軋工藝是一種短流程、低成本生產(chǎn)鋁合金帶材的技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)為高速鑄軋技術(shù)。現(xiàn)階段連鑄連軋工藝最大的問題是產(chǎn)品表面質(zhì)量、產(chǎn)品的穩(wěn)定性。因此，在生產(chǎn)時需要特別關(guān)注熔煉過程中，熔融金屬的溫度、晶粒細化劑、熔融金屬的清潔度、氫含量等參數(shù)。連鑄連軋生產(chǎn)線最好靠近電解鋁廠，最主要的是能滿足生產(chǎn)節(jié)奏。其次，在能耗、燒損、環(huán)保等成本方面，也有很大優(yōu)勢，如前文描述的3條Hazelett生產(chǎn)線均使用電解鋁液作為主要原料。

3 連鑄連軋工藝的開發(fā)任重道遠

(1)類似于鋼鐵行業(yè)中的ESP、CSP工藝[7-8]，連鑄連軋工藝作為一種新的生產(chǎn)工藝，總會存在一些問題。在解決產(chǎn)品表面質(zhì)量、不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程等問題后，必能穩(wěn)定、可靠的生產(chǎn)出多數(shù)民用鋁合金板帶材，其產(chǎn)品競爭力強，是未來鋁加工的發(fā)展趨勢之一。

(2)連鑄連軋屬于短流程工藝，能耗低、占地面積小、生產(chǎn)成本低。在鋁板帶建設(shè)的浪潮中，誰能另辟蹊徑、掌握連鑄連軋工藝，誰必能成為一匹黑馬。

(3)企業(yè)和科技工作者宜關(guān)注連鑄連軋技術(shù)的發(fā)展，對相關(guān)工藝進行深入了解，包括鋼鐵行業(yè)的連鑄連軋工藝；充分理解連鑄連軋工藝與扁錠熱軋工藝的差異；必要時可以組織，包括鋼鐵企業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)。