铝板带短流程生产工艺及发展趋势

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。

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27 m/min～61 m/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。

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。Hazelett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。Hazelett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。

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。

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。

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GNA Alutech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Fata 2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。

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。

(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。