铝铸轧机与热轧机的应用对比

以及在未来市场的发展

 

上海捷如重工机电设备有限公司   盛春磊

 

摘要：本文简要概述了铝铸轧机与热轧机各自的工艺技术特点，描述了铝铸轧机的研制开发现状，并将铝铸轧机与热轧机进行了应用对比和坯料性能对比。通过分析对比和市场展望，认为铝铸轧技术与工艺的进一步开发研制，为铝铸轧机的应用开拓了生存和发展空间。

 

近50年来，在铝板带轧制产品工业领域中，连续铸轧工艺已经被广泛应用于生产卷材，大约有80%以上的板、带、箔都可以用较低成本的双辊式连续铸轧板带坯或连铸连轧板带坯进行冷轧生产，这种一步到位的工艺配置对不想投资大型热轧工厂的企业来说是一个极好的机会。

 

一、铝铸轧机与热轧机概述

 

1. 铸轧方法分类及各自工艺技术特点

铝铸轧机按轧制形式分为：连续铸轧（双辊铸轧）、连铸连轧。按开发进程又分为三种类型：第一代铸轧机（标准型铸轧机）、第二代铸轧机（超型铸轧机）、第三代铸轧机（超薄快速型铸轧机）。第一代铸轧机是美国亨特工程公司于上世纪60年代初研发的，辊径在600mm左右，我国华北铝业有限公司于上世纪80年代初研制成第一代铸轧机。第二代铸轧机辊径约为900mm，由于辊径加大，因而铸轧辊刚度和熔体凝固区长度都相应地有所增加，生产板带坯宽度有了较大增加。第三代铸轧机是亨特工程公司（现为意大利法塔·亨特公司）与原法国普基公司研究开发的，铸轧速度≥10m/min，产品最薄厚度为1mm。

连续铸轧法单机产量较小，一般不超过1万吨，经济规模在0.5～3万吨之间。连铸连轧与双辊连续铸轧相比，由于液穴加深，结晶器加长，因此可以生产的合金范围大大拓宽。在今天蓬勃发展的铝加工技术中，特别是在“ 1＋3”、“1＋4”铝热连轧技术不断应用于工业生产的情况下，连铸连轧工艺依然具有旺盛的生命力，其工艺革新和设备优化具有广阔的空间。

2. 热轧方法分类及各自工艺技术特点

按产品可将铸锭热轧机分为：厚板专用的、航空用的、民用普通的；按粗轧机及单机架热轧机轧辊多少可分为2辊及4辊两种；按卷取方式可分为单卷取及双卷取。

单机架双卷取热轧机是将粗精轧合二为一，这种轧机除生产罐料冷轧带坯的成本竞争力较弱以外，可生产铝合金的所有板带材。

热粗-精轧生产线， 即（1+1）式热轧生产线，由1台2辊或4辊粗轧机与1台4辊热精轧机组成。多机架热连轧生产线，由1台可逆式热粗轧机或外加1台热中轧机与2机架～6机架串联的热精轧机组成，其特点是产量大、工艺稳定、生产率高、产品品质高且稳定、板形优良等特点，可生产所有铝合金板带材，是生产铝及铝合金冷轧用带坯的主流。

目前，新上项目采用的热轧生产方式通常是单机架双卷取热轧、双机架双卷取热轧、1+X热连轧、1+1+X热连轧。

 

二、铝铸轧机与热轧机在国内外的应用情况

 

1. 铸轧坯料在国内外的应用对比及铸轧生产与产品性能对比

过去，在传统热轧生产线的提倡者和连续板带铸轧机的支持者之间存在着有关铸轧金属质量的争论，铸轧金属规格、带坯厚度、生产效率以及产品性能的制约多少限制了铸轧坯料的生产发展。20世纪90年代下半期，薄规格铸轧工艺的发展给连续铸轧带来一个新的生命期。通过对连续铸轧机关键元件：金属流嘴，轧辊冷却系统，轧辊润滑油以及控制系统等进行重大改进，并通过更佳的工艺控制参数实现了铸轧更轻规格、更薄更宽带坯的目标，同时也带来了板带质量连贯性方面的重大改进，拓展了铸轧坯料的使用空间。

意大利法塔·亨特工程公司开发出的新型超薄高速辊式铸轧机，以及新型Jumbo 3CM连续铸轧机证明了铸轧设备有能力生产出完全适合下游冷轧的高品质产品。最近在美国Norandal Quantum Leap项目中，4套铸轧机向一台24吨2300mm宽的超现代化6倍高速冷轧机供料，冷轧机以最高速度轧制，再一次论证了铸轧产品所具有的高品质。

 

⑴ 铸轧坯料与热轧坯料在国内外的应用对比

在世界铝板、带、箔总产量中，必须用铸锭热轧坯料的冷轧板还不到20%，而80%以上的板、带、箔都可用成本低一些的双辊式连续铸轧板带坯或哈兹莱特连铸连轧板带坯进行冷轧生产。

当前国外70%左右铝箔是用铸锭热轧坯料生产的，而中国2005年生产的铝箔约有82%是用双辊式连续铸轧带坯轧制的，不但掌握了以铸轧坯料生产厚箔与单零箔的技术，而且全面系统掌握了以铸轧坯料轧制双零五与双零六箔的工艺，既可用这种坯料轧制普通的包装箔，又可用这种坯料轧出优质的有国际市场竞争力的超薄电力电容箔，形成了有中国特色的以铸轧带坯为主生产铝箔的工艺。如2005年云南新美铝铝箔有限公司自主开发的铸轧坯料生产0.005mm铝箔技术，在国内首次应用铸轧坯料批量生产出电容器用0.005mm规格铝箔。最近，华北铝业公司采用铸轧工艺生产超宽幅铝箔坯料获得成功，成为国内首家采用铸轧坯料生产1700mm以上规格超宽幅双零铝箔坯料的企业。从我国铝板坯铸轧生产线分布情况看，以铝箔生产为主的企业，坯料生产大多采用铸轧卷；而综合性的铝板带生产企业，坯料大多采用热轧卷。

电解电容箔可用热轧坯料轧制，也可以用铸轧坯料轧制，但高压阳极箔必须用热轧坯料生产。

用铸轧坯料和热轧坯料生产PS版基铝板带材的两种工艺对比：① 铸轧坯料：熔炼→铸轧（7.5mm）→冷轧（0.27mm）→拉弯矫直→卷取；② 热轧坯料：熔炼→铸造→铣面→均匀化→热轧（7～8mm）→冷轧（2～3mm）→退火→冷轧（0.27mm）→拉弯矫直→卷取。由此可看出，用铸轧坯料生产PS版基铝板带材，可使工艺流程大为简化。

截至2006年底，全世界约有590条双辊式铸轧生产线，而中国则占有约近300条，铸轧产能约为2500kt/a。其中，从国外引进的有14台，产能为152kt/a，是全球拥有铝带坯铸轧机最多的国家。但单台的平均生产能力约比工业发达国家的低35%，因此，今后在增加铸轧机数量的同时，应提高现有装备的效率。

至2006年底，中国已建成的热轧项目有183个，总的铸锭热轧产能约为2800kt/a。表1对双辊铸轧和1+X热轧进行了综合性比较。

 

表1           双辊式铸轧与1+X热轧的综合性比较

 

 

⑵ 先进铸轧工艺及产品性能对比

采用薄带坯高速铸轧工艺生产PS版基铝板带材的坯料能弥补常规铸轧坯料生产方式的不足。由于薄带坯高速铸轧比常规铸轧具有更大的冷却强度，可以得到更细小的晶粒尺寸及枝晶间距，提高合金元素在固溶体中的过饱和度，可以充分抑制常规铸轧带坯表面经常出现的由于重熔而产生的粗大化合物组织和表面偏析等缺陷，从而能提高表面和内部质量。

电磁铸轧技术可以明显改善铸轧带坯质量。研究表明，电磁场不仅能使枝晶破碎，增加“外来”核心，还能促进亚稳熔体中的自发形核，增加熔体中的晶核数量。同时电磁场能有效地使铸轧组织细化、等轴化，可以取代传统使用的Al-Ti-B合金细化晶粒。

在铸轧生产工艺中，连铸连轧生产线是一种先进的带坯生产工艺，在节约能源与资源、投资成本、生产成本方面优于铸锭热轧法，在产品品质方面接近铸锭热轧法且优于双辊式连续铸轧法。连铸连轧工艺除未见生产2xxx及7xxx第合金外，其他系的民用产品合金均可生产，在生产铝箔带坯、交通运输工具板带材与建筑板带材方面有着独特的优势。其中哈兹莱特连铸连轧工艺是目前世界上成熟的并商业化生产的连铸连轧法。

哈兹莱特连铸连轧工艺的优势在于：① 产品合金范围宽。由于具有约2000mm长铸造模区，其纵向和横向的固化条件均受到严格控制。相比之下，铸轧工艺在这方面有很大的局限性。② 由于固化速度比直冷工艺要快得多，晶粒度较细而且均匀。③ 由于在铸造的宽度方向上采用了惰性气氛的分区控制，其铸坯的板形非常好。④ 由于采取了几种严格的措施，固化是在无氧、无水、无尘的条件下进行，故其表面质量很好。

普通铸轧板坯、电磁铸轧板坯、热轧板坯性能比较参见表2，哈兹莱特连铸连轧与单机架双卷取热轧比较参见表3。

 

表2         普通铸轧板坯、电磁铸轧板坯、热轧板坯性能比较

 

 

表3          哈兹莱特连铸连轧与单机架双卷取热轧比较表

 

 

2. 铝铸轧机在国内外的开发现状

在50年的发展进程中，传统的双辊式铸轧机及其生产技术，如原普基铝业公司的Jumbo 3C铸轧机、原英国戴维公司的铸轧机、法塔·亨特公司的亨特式铸轧机等，无论在铸轧机本身结构的改进方面，还是在操作性能的改善与自动化程度的提高方面均取得了很大的成就，既提高了生产率、改善了劳动条件，又提高了产品质量。

1997年前后，法塔·亨特公司的Speedcaster^TM铸轧机、原普基铝业公司的Jumbo 3CM铸轧机以及英国戴维公司的Fastcast四重铸轧机先后问世并投入运行。目前这些铸轧机都已顺利轧出3～4mm铸轧带坯并总结出许多工艺诀窍，同时还对薄铸轧带坯的组织、性能及其后续加工工艺进行了研究。

①    Speedcaster^TM铸轧机的开发

    亨特公司于20世纪90年代初开始了高速薄带坯铸轧技术的研究开发。1991年亨特公司改造了一台610mm宽的铸轧机，增大其最大速度并增加了辊缝控制、铸嘴自动定位、高速剪切和助卷器等功能，并在此铸轧机上试轧出了1mm左右薄带坯。同时，还对薄带坯铸轧工艺的最佳化、薄带坯后续加工工艺进行了研究。接着，又设计制造一台2184mm宽工业生产用的高速薄带坯铸轧机并投入运行。

该公司开发出的新型超薄高速辊式铸轧机用于生产厚为1 ～ 1.5mm、铸轧速度在7.6 ～ 23m/min的铝散热片和铝箔毛料。这种新型铸轧机采用铸轧辊缝电动控制，铸嘴电动定位。通过计算机实现控制系统和测厚仪与铸轧主传动机相连进行在线连续监控，确保高速铸轧产品的尺寸精度和组织结构。可降低连续铸轧铝板坯厚度，改善铸轧板内部组织和细化晶粒，提高产品质量，同时能进一步节能、降耗、提高生产效率、降低成本。不久前，亨特公司还为土耳其萨亚萨铝业公司设计制造了2台高速铸轧机，可生产宽达2400mm、厚2mm～8mm的带坯，供轧制铝箔用。这是迄今为止世界上可生产的最宽铸轧带坯，其铸轧机铸轧辊的辊身宽度至少为2600mm。

② Jumbo 3CM铸轧机的开发

原普基铝业公司的双辊高速减薄铸轧研究计划始于1991年，于1994年开始设计工业生产用的Jumbo 3CM 2020mm薄带坯铸轧机，并于1996年使该铸轧机投入运行。

在3CM铸轧机中普遍采用了液压压下与辊缝调节，实行了双辊传动，液面高度控制与全生产线的各项工艺参数的调控实现了计算机化与自动化，辊套材质有所改善，使用寿命有较大延长，轧辊表面涂料有了很大改进，研制出新型的供料嘴材料，采用了新型的真空成型耐火材料。这种铸轧机可自动在最优化条件下生产，在设定时间内可处于最佳生产状态，也就是说铸轧机在此状态，一方面能以最大的速度生产，另一方面又能保证优等质量，不会产生不允许的任何缺陷。

③    Fastcast（Dynamic Stripcaster）铸轧机的开发

戴维公司最早与牛津大学合作在实验室小型试验机上进行高速薄带坯铸轧项目的试验，利用数学模型和过程模拟探索高速薄带坯铸轧的工艺。1992年在一台改造过的双辊铸轧机上进行中间试验，1994年开始建造一台四重结构的高速薄带坯铸轧机，1995年该铸轧机投入运行。

该铸轧机采用支承辊驱动方式，同时装有铸轧辊液压正、负弯辊装置、动态倾斜装置用于控制板型。铸轧机还配备了先进的非接触式激光液面高度控制系统、Davy21系统、动态板型辊（DSR）等。整个辅助装置采用PLC进行监控。

目前电磁铸轧技术也已在国际通用的两种结构铸轧机（亨特式、3C式）上获得工业应用。

此外，连铸连轧技术正在向薄型化、高精度和高速方向发展。美国已研制出可生产宽2200mm、厚2.0mm铸轧带材、速度15m/s以上的连铸连轧生产线，可减少或省却冷轧过程，为铝箔轧机直接供坯料，有的甚至可作为易拉罐的毛坯料。

我国铝带坯连续铸轧技术的研究开发工作是从20世纪60年代初在东北轻合金有限公司开始的，1981年开始在华北铝业有限公司进行铝带坯连续铸轧商业化生产。1998年中南大学开始在华北铝业公司研究高速铸轧技术，取得了许多可喜成果。此外，我国从20世纪90年代开始研究电磁铸轧技术，也取得了一些成绩。

经过20多年的研究开发，我国铝带坯连续铸轧技术工作取得了长足的发展。以涿神公司、中色科技公司、上海捷如公司等为代表的铸轧机生产厂已成为具有国际竞争力的大型铝材铸轧机制造厂。

此外，上海捷如重工机电设备有限公司还拥有国内唯一一家专业的铸轧辊研究所，专业从事设计制造铸轧辊，并拥有两项专利 —— 铸轧机用辊套钢和热处理方法专利以及逆流式水冷铸轧辊结构专利。生产的辊套和辊芯除占据国内超过50%的市场份额外，还出口到俄罗斯、韩国、印度、巴西、泰国、巴基斯坦和印尼等国家。由于上海捷如重工完全掌握了铸轧机的核心技术，所生产的铸轧卷的质量得到保证，有的铸轧机已经能生产出0.0055mm的包装用铝箔。2002～2008年初，仅上海捷如重工机电设备有限公司就设计和制造水平式、倾斜式铸轧机近90台。其中，2003年为郑州铝业有限公司设计制造的4台Φ1003×1950 mm倾斜式铸轧机于2004年3月投产，采用液压调节辊缝、预应力闭式牌坊、液压换辊装置、数字可控硅调速直流电机驱动等。2006年，为配合兰铝西北铝加工分公司新增的四辊不可逆式1700mm冷轧机，上海捷如公司设计制造了一台Φ820×1800mm双辊式连续带坯铸轧机，这是为板带箔增产技改工程配套建设的铸轧机改造项目的主体设备，经过铸轧车间技术人员和操纵手的精心调试，顺利试生产出了多卷合格的带卷，已于2006年10月底投产。今年还有5台Φ1200×2300mm大规格倾斜式铸轧机有待制造和安装。

 

三、铝铸轧机未来市场的发展

 

1. 高速铸轧机的新技术、新工艺继续得到开发和应用

目前在高速薄带坯铸轧生产线中使用的新技术、新工艺有：

① 金属液面高度自动控制系统。目前高速薄带坯铸轧机都配备有高精度自动液面控制系统，都能达到±0.5mm的控制精度。② 新的熔体供流系统。新开发的熔体供流系统主要包括：铸嘴平台位置伺服控制系统、新型铸嘴（新设计、新材料）、改良供流系统的其他部分。法塔·享特公司近年开发了4种系列连续铸轧机铝熔体供流系统，均为模块式，能合理有效地向铸轧机提供铝熔体。③ 改进铸轧辊设计和辊套材料。即加大铸轧辊辊径/宽度比，以承受大轧制力；增大冷却水流量；改变冷却水的流向或分段改变冷却水流量，以此来改善铸轧带坯厚度波动和板形。如法塔·亨特公司在Speedcaster上采用热凸度技术来动态地控制辊型，动态控制热凸度，可在不改变铸轧其他条件下生产出板形好的薄铸轧带坯。④ 改进喷淋技术。新的喷淋系统有极好的防粘辊性能，且对辊有辅助冷却作用。法塔·亨特公司开发了新一代喷淋系统，该系统是一种横动的喷淋系统，利用一个专用PLC和专门的数学模型，根据铸轧辊直径和转速的反馈来控制喷嘴往复动力速度和喷射流速。喷嘴往复运动最高速度可达2m/s。⑤ 新的自动化系统。自动监测和控制对高速薄带坯铸轧具有十分重要作用。在其Speedcaster铸轧机上建立的自动控制包括：金属供流的控制、全过程控制、专家系统。专家系统是根据实际铸轧工艺数据编制的，可加以修改，把为每种产品专门制定的工艺对策储存起来，用于铸轧过程的控制。

在铝合金板带坯铸轧生产技术方面，我国目前处于国际领先水平。如我国进一步研究开发铝合金板带快速铸轧技术，即将铸轧机运行速度提高50%以上，厚度保持在6mm左右，可提高生产率30%～50%，从而在各种中低档铝合金板带材制造方面会具有更加突出的成本优势。我国从20世纪90年代开始研究电磁铸轧技术，也将会随着研究的深入而使铸轧产品得到进一步的广泛应用。

从技术上讲，哈兹莱特连铸连轧是一项优秀而成熟的技术。在中国，它是除了铸轧供坯和热轧供坯之外的第三种富有潜力的供坯方式，有不可忽视的巨大优势：产品质量优异，属于热轧结构，特别节能降耗，生产安排灵活，经济效益非常好等。

 

2. 我国铝铸轧机的未来市场发展

相比热轧，连续铸轧在建设投入、流程、能耗等方面有突出优势，且可以与电解铝熔铸工艺配套，成为我国主要的铝热轧板带卷生产方式。但是常规铸轧板组织不均匀、深拉性能差，可铸轧的合金品种少，应用范围受到较大限制。随着20多年来新的铸轧技术与工艺的研制开发，设计、制造水平有了很大的突破，产品性能得到改善，铸轧产品应用范围扩大、生产效率正在逐步提高，从而使铸轧工艺及其设备在中国的铝加工生产热潮中拥有较强的生存和发展空间。预计到2010年，中国可拥有约350台连续铸轧机，板带坯生产能力将达到3700kt/a左右。

目前我国铝铸轧机的未来市场发展主要着力于以下几个方面：

① 更新改造现有的双辊连续铸轧机，提高现有连续铸轧机的装机水平

有必要对国内部分的双辊连续铸轧机进行更新和改造，通过数学模型模拟试验和数据处理获得工艺参数最佳化值，把人工智能计算机控制、视频技术、仪表监控、液压技术都应用到铝板带双辊连续铸轧工艺技术中来，实现整个生产过程的自动化和最佳化运行，提高我国整体双辊连续铸轧工艺技术水平。

② 加大铝板带双辊连续铸轧工艺技术的研究开发力度

国外一直在研究开发利用双辊连续铸轧工艺技术生产铝合金板带，特别是铝罐、罐盖和拉环毛料（3004、5082和5182），在这方面，我国还有许多工作要做，例如，双辊连续铸轧工艺技术的理论研究、铸轧铝板带的金相组织和表面质量的研究、双辊连续铸轧机的设备及耐火材料的研究和改进等。

③ 进一步开发薄带坯快速铸轧技术

采用薄带坯高速铸轧工艺生产PS版基铝板带材的毛料。由于薄带坯高速铸轧比常规铸轧具有更大冷却强度，可以得到更细小的晶粒尺寸及枝晶间距，提高合金元素在固溶体中的过饱和度，可以充分抑制常规铸轧带坯表面经常出现的由于重熔而产生的粗大化合物组织和表面偏析等缺陷，从而能提高表面和内部质量。

在铝合金板带坯铸轧生产技术方面，我国处于国际领先水平，如我国进一步开发铝合金板带快速铸轧技术，即将铸轧机运行速度提高50%以上，厚度保持在6mm左右，可提高生产率30%～50%，从而在各种中低档铝合金板带材制造方面具有更加突出的成本优势。

④ 继续立足于研究铝合金电磁铸轧技术

电磁铸轧技术的研究立足于发扬常规铸轧节能、投资少的突出优势。用电磁铸轧技术和装备可生产多种合金品种，铸轧带坯质量明显改善，组织性能明显优于常规铸轧板，特别是深加工性能获得突破性进展，为高性能铝板带材提供性价比高的铝带坯，拓宽了铸轧板的应用范围。

⑤ 发展超薄、超宽、快速连铸连轧机列

铝连铸连轧存在的普遍问题是速度和厚度问题。厚度一般都限定在 6mm～10mm，速度在1m／min～ 1.5m／min之间。这样，势必要增加后续工序的轧制道次，同时为提高产量就必须增加机组数量。Φ1050×1600mm 超薄快速铸轧机的研制成功，证明在解决热交换问题的前提下，铸轧厚度可以降至3.5mm～2mm，速度可以提高到3m／min～8m／min，甚至更高，这样铸轧机的生产效率可以成倍递增。另外通过改变铸轧机参数来增大铸轧板带宽度，同样可以提高生产效率。

⑥ 引入哈兹莱特连铸连轧技术与工艺

哈兹莱特连铸连轧工艺是一项成熟的优秀工艺，值得在中国推广应用。其技术和工艺优势能满足中国铝板带市场的巨大需要量，能满足中国包装业、运输业、建筑业的发展所需要的价廉物美的铝合金板。

 

结束语

高性能铝板带材广泛应用于航空航天、交通运输、信息、包装、印刷等领域，市场需求巨大。铝热轧板带卷的主要生产方式为热轧和连续铸轧。热轧产品深拉性能好，可生产各系铝合金，但投资巨大。虽然连续铸轧在市场上受到严峻挑战，但相比热轧，连续铸轧具有建设投入少、流程短、能耗低、见效快等优势，逐渐成为我国主要的铝热轧板带卷生产方式。但是常规铸轧板组织不均匀、深拉性能差，可铸轧的合金品种少，目前主要用于铝箔毛料和对深拉性能要求不高的部分板带，应用范围受到较大的限制。因此研究新的铸轧技术与工艺，改善产品性能、扩大铸轧产品应用范围、提高生产效率是今后铸轧工艺及其设备的主要发展方向。

我国拥有全球最多与生产能力最大的双辊式铸轧机，但单台的平均生产能力约比工业发达国家的低35%。因此，如何提高现有装备的效率是我们面临的一个课题。

我国在连铸连轧工艺和设备的开发研制方面，经过20多年的发展，也取得了很大成就，其设计、制造水平有了很大的突破，正在努力向国际连铸连轧设备技术水平迈进。从中国铝加工业的现状和市场前景来看，加快研发超薄、超宽、快速连铸连轧机列，引入哈兹莱特连铸连轧生产线仍是今后一大亮点。