双辊薄带连铸几项关键技术及其解决方案

1 双辊薄带连铸机技术发展概况

将钢水直接浇注成薄带钢，是冶金工作者一百多年来的梦想，早在公元1864年，就有人首先提出采用双辊法烧注带钢的设想，并作了尝试，这与目前早已成熟的许多冶金工艺，比如方坯连铸、薄板坯连铸等终形浇注技术的起步年份要早得多，但带钢连铸技术直至20世纪70年代，一直没有获得突破。

20世纪80年代末以来，钢铁工业的竞争、节能、环保等要求，使人们又纷纷进行薄带钢浇主的开发研究，至1994年，全世界有30多个带钢浇注项目小组，多数采用双辊带钢浇注法，各工业国家纷纷投入巨资和技术力量，作为钢铁工业发展的最新技术进行战略性开发，但到90年代中后期，多数设备已废弃，90年代末，技术上的困难和需投入巨额

资金，迫使各国寻求合作开发，目前全球大致形成3大集团：

1)1999年欧洲各国先是两大项目。德国的Myotix和意大利特尔尼的Vastrip合并，以“EUROSllRIP”(欧洲薄带连铸)的名义，由蒂森克虏伯(KTN)公司、奥钢联，后又联合意大利AST、意大利研究中心共同合作从事不锈钢薄带连铸的开发研制，并于1999年在德国克雷菲尔德厂炼钢车间安装一台双辊带钢连铸机，至今已不定期实现工业性生产。

2)澳大利亚BHP和日本石岛川播磨公司IHI合作开发，并在堪培拉港设有一台双辊带钢连铸实验厂，后与美国纽柯公司合作，决定利用BHP试验厂设备，在纽柯克劳福兹维尔建世界上第一台商业规模带钢连铸机，并用Castrip(铸带)申请专利，按设计可浇注碳钢和不锈钢，原计划在2000年底投产。

3)日本住友金属公司、日本不锈钢公司、日新公司、新日铁等十多家企业，由日本政府投资，三菱重工承担设备制造，于1996年投资110亿日元在新日铁光厂建成当时世界上第一台薄带连铸机，1998年开始浇注不锈钢产品。

目前来看，EUROSTR．IP薄带连铸技术较为领先，但总的来说，尽管各项目小组多次宣称已进人工业性生产阶段，且产品质量可满足进一步加工的要求，但3年又过去了，它们似乎仍未实现稳定的商业性运行，更还不能达到将其双辊薄带连铸机向用户推荐的成熟地步，这里除有多种多样原因外，困扰它们的还有几大关键技术。

2 双辊薄带连铸机设备

双辊式薄带浇注设备(见图1)包括：建于工厂地坪的主机架上，用以支撑浇注辊框架，后者可整体移至浇注机内浇注操作位置，也可以作为一个单元取下进行换辊。在该框架中有一对平行浇注辊，浇注时钢水从钢包通过中间包、分配器和扁水口，在两辊间咬入点(nip)上方形成熔池。浇注辊用循环水冷却，于是钢水在转动的注辊表面凝固成铸壳，并在两辊之间的咬人点出口处形成带钢，产品可用标准卷取机卷取。

浇注辊由安装在主机架上的电机传动装置驱动，并作相对方向转动，辊轴可与传动装置脱开，以便从框卸下，注辊外围为铜壁，内部布置一系列纵向和圆周向水冷通道，供冷却水通过，并通过旋转的密封压盖与辊轴内部管道与供水软管相连通。

辊径的大与小，两者各有利弊。辊径大，则熔池深，由此凝固壳厚，不易拉漏，但变形阻力也大，易磨损辊面，而且辊径大加工困难，投资也高。反之，辊径小，则熔池浅，由此铸带壳薄，辊子挠度大，使得带钢厚度不易控制。典型浇注辊直径约为500mm，目前也采用1500mm；长度可达2000mm，以生产近似辊宽的带钢。图2为图1的细节图。

钢包和钢包回转台采用平常设计，中间包装有滑动水口，通过伺服缸动作将钢水注入分配器。

分配器(图3)也为平常设计，宛如用耐火材料制成的扁槽，一侧接受来自中间包的钢水，另一侧在长度方向上布置了一系列金属液流出孔，下部装有托架，借以将分配器安装到主机架上。

给料嘴如同耐材制成的拉长体，下部呈锥形，从而可伸人浇注辊之间咬人点附近，给料嘴可在水平方向上按间距布置一系列垂直的流量通道，从而确保钢以低速流出和利于在整个浇注辊宽度均匀布料，并减少对钢水正在凝固的注辊表面的冲击。也有采用单一连续缝隙式给料嘴结构，同样可降低排料速度。

浇注辊两端部有一对侧封板，用于维持注辊之间的钢水熔池，侧封板由高强度耐火材料制成，如用氮化硼等，安装在支架上，由一对液压缸将侧封板顶向浇注辊两端面，以在浇注时在两辊间形成金属熔池。所生产的带钢通过活动导向台进入夹送辊和卷取机。

整体上可拆卸的注辊框架在装人铸机前可预先安装好注辊，并调整两辊间的咬人点，此外，如果安装了框架，安装在主机架上两对注辊偏移单元可迅速与框架注辊架连结，以提供抵消注辊分离的偏移力。

辊架内有一大型结构，用来容纳注辊，咬人点以下有用耐火材料砌衬的箱体，用以护围铸带，辊架由注辊两端轴承支承，两注辊以此绕纵轴相对旋转。两对辊架侧依靠线性轴承装在卡座上，使注辊可整体相对移动，相互靠近或分离。

注辊架还有两个分隔装置，约装在两辊中央位置，用于止挡辊架移动量，并以此确定两注辊之间咬人点的最小间隙，这也是所铸带钢的最小厚度。在注辊偏移单元作用下，辊架可向着中央止挡装置移动，但也允许让其中一个注辊靠着预设偏移力向外弹移。

机器左侧的注辊偏移单元装有螺旋状偏移弹簧，对相应的辊架提供偏移力；另一机侧的偏移单元则有液压装置，偏移单元详细结构见图4、图5，两者采用独立的操作模式，第一种模式是偏移单元锁定住相应注辊架，使其稳定地靠在中央止挡装置上，液压缸为相应注辊提供伺服控制的液压偏移。常规浇注时可采用单弹簧偏移方法，如高速浇注(60/min以上)，则必须采用伺服缸控制的偏移力。

图4是左侧偏移单元的详细结构图，它包括一个弹簧套筒，装在外套内，外套则用螺栓固定在主机架上，弹簧套筒包括液压缸，它在外套筒内运行，当液压缸中的液压油流进或流出缸体时，弹簧套筒的位置则可调整在伸出位置或收缩位置。弹簧套筒外端装有螺丝千斤顶，通过齿轮马达传动，控制设定弹簧动作柱塞的位置，该柱塞则通过活塞杆与螺丝千斤顶相连接。弹簧端部作用在推力杆结构上，后者通过测压计与相应辊架相连接。推杆结构在初始状态下是通过联结器与辊架刚性啮合的，如果偏移单元断开，则通过液压缸动作后，它可伸展出来。

如果偏移单元与相应的辊架相连接，弹簧套筒处在伸展状况，弹簧套筒和螺丝千斤顶与机架位置相对固定，弹簧动作活塞可设定调节弹簧的压缩率，并对推力结构施加推力，然后立即传递给相关的辊架，这时推力结构作为整体顶着偏移弹簧。弹簧和测力计只承受一种摩擦力源，并施加在辊架上，而且能用测压计精确测定，此外，由于偏移单元对辊架产生向止挡方向的偏力，所以可以在浇注前就可按要求的弹簧偏移力来预先对注辊架施压，且在浇注过程中维持这种偏移力。

图5为右侧偏移单元结构细节图，如图5所示，液压装置有一外套筒结构，用固定螺栓固定在主机框上，内部活塞与推力结构形成一个整体，通过测力计对相应注辊架施压力。推力结构初始状态下，通过联结器与注辊架刚性拉力啮合，当活塞缸单元动作时(比如推杆结构单元与辊架脱开)，则可伸展。液压机构可使推力结构在伸展和收缩状态之间移动，伸展时，产生一个推力，并通过测压计直接作用在辊架轴承上。浇注期间的运动只是辊架的运动，推杆结构作为整个单元与偏移单元的相互作用。液压装置和摩擦测力计只针对一个摩擦负荷源，所施加的偏移力可精确控制和测定。如同弹簧受力时的偏移单元情况那样，辊架直接向内顶着固定止挡装置偏移，可在浇注前通过精确测定偏移来预先对辊架部分施压。

正常浇注时，右侧偏移单元可锁定，使辊架保持与中央止挡装置刚性啮合，这可简单地通过对液压缸施加高压液压油实现，而左侧偏移单元的弹簧则可对一个注辊施加必要的偏移力，要不然，如果右侧偏移单元用来提供伺服——控制力，则可通过弹簧动作柱塞的位置调整来锁定左侧单元，这时弹簧力增加至超过注辊正常浇注时所需偏移力的水平，弹簧则将相应注辊维持刚性顶着中央止挡装置状态。但发生超过注辊分离力时也可提供紧急释放功能。

注辊框架由4个轮子支撑，这样可以从铸机内操作位置移进或移出，达到操作位置时，整个框架由带有液压缸的起重装置举起，并用水平液压缸夹位，这样它被牢固地夹持在操作位置上。框架被起重装置举起后，中央对中栓为其提供精确的纵向位置，水平液压缸则将框架顶住主机框上的固定止挡装置，这个位置也可确保注辊精确调整至中央水平向相等间距，并也为分配器下部的扁水口提供精确定位。

3 双辊薄带连铸机关键技术及解决方案

3．1 浇注辊凸度调整装置

双辊式薄带浇注设备的核心部件是一对浇注辊，一般由钢制圆柱体芯部、铜或铜合金外套组成，外部为至少一层以上镍或镍铬等合金镀层，内部为水冷系统及位于端部区域用来调节浇注辊外轮廓部件，见图6。所浇注带钢的宽度和厚度取决于浇注辊辊身长度和两辊之间的间隙间距。由于浇注辊受极大热负荷而变形，故与理想的严格圆柱体或极小凸度的要求有一定差距，这样不利于所浇注带钢的厚度达到均衡性。

为了减少浇注时因热负荷而出现的注辊凸度问题，有多种方法，如在日本采取在浇辊两端部内设置锥形活塞，该活塞可沿辊身作轴向移动，根据其所处位置的不同，来对注辊即辊套施压，从而正确地补偿注辊凸度的产生。

这里介绍一种可长期使用、牢固、故障少和费用低的补偿办法。

如图6，分别为注辊芯部，系钢制筒体，在其轴向和纵向布置了许多冷却介质通道，芯外侧为铜或铜合金外套，外套的厚度约40～45mm，外套内侧布置许多冷却介质流动沟槽可对辊套强制导热。

浇注辊长度1～2m，辊套外侧的镍或镍铬镀层可覆盖辊套端侧，辊套端部区由芯体向外突出最大可达75mm，突出区域的辊套内侧有一钢圈，上面有密封圈，分别在两个平面上起水密封功能。防止进人和流出冷却介质从注辊跑出。

钢圈用螺丝以轴向固定在辊芯上，它的内周侧呈锥形，在其上有一环形支撑盘，以其外周面(也呈锥形)与钢圈的锥形而正好相对，支撑盘用螺丝在口袋形螺孔上与辊芯固定，通过对这些螺丝的位置调节，可对钢圈扩张，从而扩张辊套端部区域，直到达到所要求尺寸。

这种结构的明显优点是在注辊制造时就可按浇注一凝固条件来调整形状，从而在边部区域也能生产厚度和横断面良好的带钢。而不必采取费用昂贵的车削或研磨等加工方法，尤其对于硬度极高的表面镀层来说意义更大，用车削或研磨加工调节断面时必需停工、换辊，而且必须增加注辊库存，而采用该方法可降低投资，降低库存量并减少停机时间。

3．2浇注辊水冷结构

冷却水循环系统是双辊式带钢连铸工艺的关键技术之一。浇注辊由转动部分和静止部分组成，如何使冷却介质从静止部分流至旋转部分，吸收热量后再从转动部分流至静止部分，可有多种方案。人们不断改进的目标是既要达到安全高效冷却，又能使注辊简便快速定位安装。

图7为浇注辊剖面。静止部分两端突出于注辊，轴颈为矩形，可安置在机架上，浇注辊的圆柱形辊套借助楔形件依靠应力与两个支撑环刚性连接，辊套由冷却介质(首选是水)冷却：两个支撑环通过滚珠或滚柱轴承安装在轴上，支撑环的第一段伸人辊套内，并带径向布置的冷却水进、出孔。

支撑环表面布置水槽正好对着辊套内侧和静止轴上径向布置的进、出孔，这样冷却水流从机架通过支撑环再进入辊套，吸收热量后再从反向通道流出。

浇注辊辊身即辊套的冷却就可通过分布在其圆周方向孔道进行水循环实现。图8、图9、图10分别为注辊径向布置冷却水通道的轴向断面视图、纵剖面图及辊套圆周布置冷却水流槽展开图n

冷却水进、出通道与浇注辊的联结或脱开，是与浇注辊装入机架或从机架拆下同时实现的。

支撑环的第二段突出于辊套，其中一端可带传动齿圈，用安装在静止部分的齿轮传动方式来驱动注辊。如果不用齿圈和齿轮传动，也可采用旋转力矩马达来驱动。

为了将静止部分固定到机架上，另有回转臂将注辊轴颈夹紧。

这种浇注辊结构还有一个优点，即可在静止部分与旋转部分之间空腔内装电磁制动装置，可用来稳定两注辊之间咬人点金属熔池的紊流。

3．3侧封板

侧封板(图11)是双辊带钢连铸机关键附件之一，每台铸机两侧各有一个，与一对浇注辊共同形成一个金属熔池(图12)。

如图11所示，侧封板包括外侧的外壳、基板、安装在基体板上的陶瓷片；陶瓷板上布置了磨损面，它直接在浇注辊端部滑动面上滑动，陶瓷板上部还有开孔(见图13)，借以提供浇注润滑剂和惰性气体。可用压力将润滑剂直接对准浇注辊两端滑动面挤出，挤压力由推力缸提供，且可预先设定压力大小。

陶瓷片材料采用BN、BN-SiN₄、BN-A1N、BN-A1N、Si₃N₄、BN-A1N-SiC、BN-A1N-Si₃N₄-SiC、A1₂O₃-C、A1₂O₃-SiC-C、MgO-C、MgO-SiC-C和．A1₂O₃-Cr₂O₃-ZrO₂等；润滑剂则为BN，石墨，二硫化钼，二硫化钨和碳酸钨等。

固体润滑剂BN的挤出压力与侧封板陶瓷片的磨损速度有很大的关系。陶瓷片的磨损速度也是衡量润滑剂的润滑效率的重要指标。

为了使固体的润滑剂顺利进入密封板陶瓷摩擦片和浇注辊两端滑移面之间，除了需要压力外，在摩擦面上润滑剂输送管道出口处，顺着转动方向有一个倒角，其角度1°～60°，以利于润滑剂向下给料，使其进入陶瓷摩擦片和注辊侧边滑动面之间的空隙内，见图14。

根据经验，不管采用何种润滑剂，如给料压力低于0．2MPa，润滑剂粘附到滑动面的数量就会不足，这样就不可能产生强大的润滑功能。为此，压力应为0．2～1．5MPa以获得足够的润滑作用和密封效果。

3．4浇注辊的清理装置

双辊式带钢浇注设备开始浇注后，在注辊表面会附着氧化物、烧结结构和其他沾污物，必须不断擦除以避免夹人带钢表面。

图15为机械擦辊设备在铸机上的安装位置示意图。图16上为一侧擦辊机放大图。图16下为辅助擦辊机的辊刷结构图。

擦辊机(也称铸辊清理装置)的框架上装有主辊刷和辅助辊刷(扫刷)，主辊刷为圆筒辊形状，上面布置钢丝毛刷，通过传动机构传动，转动的刷辊与浇注辊转动方向相对旋转。

辅助辊刷为圆柱形辊刷，具有一个中心部，装在轴杆上，辊刷上布置了钢丝毛刺。

辅助辊刷轴装在辊刷安装框架上，辊架可用快速动作液压缸前后移动，可使辊刷向前靠紧浇注辊或向后退回。辊刷安装架和动作缸均安装在主框架上，所以总是可正确定位主辊刷的前部位置，辊刷安装架上还有一个刮板，它伸人金属毛刷中间，刮板用硬质钢制成，并具有锋利刀刃，辅助辊刷不采用传动，在浇注时，是依靠与浇注辊之间摩擦力带动旋转，刮板插入金属毛刷后，其阻尼作用使其转速滞慢而形成两者线速度差异，从而对注辊产生擦拭效果，此外，刮板的另外功能是去除辊刷上粘附的氧化皮和各种杂质。增加辅助辊刷的优点是防止主刷辊的受损，可大大延长主刷辊的使用寿命。

3．5 双辊带钢连铸机厚度控制及注辊偏心度补偿技术

为保持双辊带钢连铸产品厚度均匀，必须确保浇注辊之间间距均匀。

如图17所示，图内分别表示双辊带钢连铸机固定和水平移动铸辊，注辊轴承座和注辊中心轴颈，其中，接触式间距传感擀④，用来检测注辊和轴颈之间的间距；测定辊轴间距实际值；装在轴承座上的接触式间距传感器②传输注辊之间间距；两注辊之间咬人点间隙布置传感器③；安装在固定注辊旁的非接触式间距传感器④，用来检测固定注辊的辊身移动量；安装在可移动注辊旁的非接触式间距传感器⑤，用来检测可移动注辊的辊身移动量。

图18为控制双辊带钢连铸机厚度并补偿注辊转动时因偏心造成厚度差的框图，控制方法是先测定固定和水平移动浇注辊轴颈移动量G_j(f57)和浇注辊辊身移动量G_g(θ π)。G_j(θ)和G_g(θ π)为基础，推断固定辊注辊咬人点移动量M_fcr(θ)和水平移动辊注辊咬人点移动量M_mcr(θ)。

计算移动量M_fcr(θ)和M_mcr(θ)之间的差，获得固定和水平移动注辊之间间距的改变量M_diff(θ)，然后没法减少咬人点间隙的变化量M_diff(θ)来控制厚度。

推断移动量M_fcr(θ)和M_mcr(θ)的方法是：

通过表达式为G_g(θ π)=E(θ π) G_j(θ)，计算由注辊偏心度造成的辊身移动量E(θ π)，推断移动量G_j(θ)和G_g(θ π)之间的关系。

计算注辊偏心引起的注辊咬入点的移动量E(θ)，将E(θ π)以180°进行相位反转，再加上注辊偏心率造成的注辊咬人点的移动量E(θ)和轴颈移动量G_g(θ)计算出注辊咬入点移动量。

图中信号1和信号2分别显示固定辊和水平移动辊辊身移动量和固定辊和水平移动辊辊颈之间间距变化量，信号1和信号2由传感器输出。

分别从显示固定辊身移动的信号1和显示水平移动辊移动的信号2减去固定和水平移动辊轴颈间间距的变化量，并将减除值反向转换180°。

将固定辊和水平移动辊轴颈之间间距变化量分别加上反向后的信号1和信号2，再用信号2减去信号1，得出注辊咬人点间距变化量，最后用降低注辊咬入点间距变化量来计算带钢厚度差的补偿值。

所计算的厚度差补偿值用快速傅里叶传送器传送，以消除高频成分，将没有高频成分的厚度差补偿信号值加到所希望的辊缝值上，将所相加的所希望值与用传感器测出的辊缝值相比较，然后根据它们之间的差值来控制伺服阀，从而来控制厚度的均匀性。

有关薄带浇注时带钢厚度控制和偏心率补偿方法和计算，可参见专利文献WO49／33595。

4结束语

早于1 999年11月在美国圣彼得堡市召开的近终形浇注研讨会Ⅳ上，已产生了这样的结论：无论是不锈钢还是普碳钢，薄带连铸技术均已达到了工业化成熟阶段。

薄带连铸工艺被誉为钢铁工业一次真正意义上的革命性技术，其优点——减少基建和设备投资；减少生产成本，生产周期极短，可赢得竞争时间；保护能源和生态；产品质量优异等已成为人们共识。但时间又过去了几年，尽管各主要工业国家投人人力、物力、财力很多，然而这一工艺技术在世界上的推广速度和采用热情远不如薄板坯连铸技术那样高。

显然，薄带连铸机(这里尤指双辊式薄带连铸机)的开发研究和生产操作为几个关键问题所困扰，其影响程度似乎也超出了原先设想。