半固态连铸技术经济分析与研究进展

半固态连铸技术经济分析与研究进展邢书明1,曾大本1,胡汉起2,翟启杰2,马静3,李亚敏3(1清华大学机械系材料加工技术研究所,北京100084;2北京科技大学铸造研究所,北京100083;3河北科技大学材料学院,河北石家庄050054)摘要:半固态连铸是半固态加工技术的一个重要分支,也是制备高质量零件用坯料的一种新技术。文章介绍了半固态连铸的基本概念、工艺流程及其与普通连铸的区别,并进行了技术经济分析。通过对现有机型的分析比较,指出立式半固态连铸机只是一种初期机型,将来应当发展半固态弧形连铸机。在对研究现状进行分析比较的基础上,指出今后的主要研究方向是半固态合金连铸性能研究、半固态连铸工艺稳定性理论研究、半固态成形用坯料的质量标准及生产线最优配置方案研究等四个方面。关键词:半固态连铸;经济分析;坯料;设备;发展1半固态连铸的技术特征及经济分析半固态连铸又称连续流变铸造〔1〕,是根据材料流变学原理生产铸坯的新技术。其本质特征是进入结晶器的熔体为固相具有非枝晶特征的固液共存混合物。1.1半固态连铸与普通连铸的比较图1表明,半固态连铸的工艺过程与普通连铸非常相似。它与普通连铸的主要区别在于:(1)进入结晶器的熔体是固液共存的半固态;(2)在浇包与结晶器之间设置有用于制备半固态浆料的制浆室;(3)坯料组织为非枝晶近球形粒状组织。其技术优势主要表现在如下三个方面:(1)坯料质量高,如偏析少、收缩小、晶粒细、没有缩孔、无柱状晶区等;(2)坯料成形性好:成形温度低(与普通铸造成形相比)、充型性好(与锻造相比)、铸型寿命长、裂纹敏感性低、便于成形难变形材料;(3)具有普通连铸的各种优点,如可以连续作业、节约能源、便于自动控制等。1.2半固态连铸的几个专业术语文献中经常遇到的有关半固态连铸的术语有:浆料———含有一定比例固相的固液两相混合物。制浆室———用来制备半固态浆料的装置或容器。拉速———单位时间内拉出的坯料重量或长度。它是半固态连铸生产率的度量。非枝晶化———枝晶组织向非枝晶组织转化的过程。临界固相分数———在一定的切变条件下,浆料能够流动的最大固相分数。当固相分数超过该值时,半固态浆料就会像固体一样不能流动。1.3经济分析采用相对比较法分析半固态连铸的经济性。表1为半固态连铸与普通连铸的费用比较。由于半固态连铸的浇注温度较低,其熔炼费用低于普通连铸;但半固态连铸投资大于普通连铸,设备折旧费较高;且须加热和搅拌制浆室中的熔体,浇注费用较高;其操作环节较多,生产率较低,工资及福利费用也较高。总体来看,半固态连铸的费用高于普通连铸。表2为针对我国某厂设计年产2000吨半固态铝合金连铸坯生产线所作的成本预测。由表可见,半固态铝合金连铸坯的单位成本为162万元/吨,普通连铸坯的成本约为15万元/吨,两者差别不大。进一步的分析计算表明,以投资525万元年产2000吨连铸坯的建设规模,年利润可达718万元,投资利税率达123%,内部收益率达35%,动态投资回收期只有30个月。因此,半固态连铸具有很强的获利能力和较强的还贷能力。敏感性分析表明,半固态连铸的经济性对产品销售价格是敏感的。但只要未来价格不比预期值低226%,该投资项目是可以接受的。2半固态连铸技术的现状2.1国内外半固态连铸设备的研究开发现状半固态连铸的技术关键有三个:首先,浆料制备必须使枝晶转变为非枝晶,以保证半固态浆料在高固相分数条件下仍具有足够流动性;其次,半固态连铸须外加切应力作用,因此半固态浆料的流变充型是另一个不可忽视的技术关键;第三,必须避免出现拉漏或拉断现象,以保证半固态连铸生产过程稳定性。围绕上述技术关键,人们进行了大量研究,开发了多种实用技术。仅半固态浆料制备技术就不下十余种。每种技术都有各自的优缺点。例如:目前最通用的非接触式电磁搅拌法具有不污染合金、便于自动控制等优点,但它难以制备高固相分数的浆料;接触式机械搅拌法具有设备简单、投资少、易上马等优点但存在搅拌棒损耗严重且污染合金熔体、搅拌不均匀、难用于黑色金属等缺点;超声波法也是一种非接触搅拌技术,但它需要配置大功率设备才能达到理想效果;振动法也存在要求功率大、设备复杂等缺点熔体热处理法(循环等温法)虽具有晶粒圆整度高均匀度好的优点,但生产率低,且难以用于大尺寸锭料;预变形法(应变诱发熔体激活法)能获得组织合格的坯料,但工艺流程长,生产成本高,只适用于塑性材料;机械剪断急冷法(ＳＣＲ)的优点是晶粒细小(60μｍ)、生产率高、易控制,但设备寿命短,氧化严重,铸坯困难;喷射沉积法在国内某些实验室已有应用,所得坯料晶粒细小(60μｍ)、质量稳定,但难以批量生产;由ＦｌｅｍｉｎｇｓＭＣ发明并申请了日本专利的电脉冲法适用于各种合金,所得坯料晶粒小于60μｍ,但该法要求高电压大电流放电操作,需要特殊的供电设备,目前还未见工业试验报道。可见,尽管半固态浆料制备方法很多,但目前只有电磁搅拌半固态连铸法具有较好的工业应用前景。尽管半固态连铸与普通连铸差别不大,但普通连铸机是无法用于半固态连铸的。20世纪80年代以来,人们进行了大量研究来开发半固态连铸机。其中美国起步最早,Ａｌｕｍａｘ公司首先研制成既可用于生产半固态坯料,又可用于机械零件直接成形的有色金属半固态连铸机〔2〕;接着美国ＩＳＣ(ＩｎｌａｎｄＳｔｅｅｌＣｏｍｐａｎｙ)公司进行了有色合金半固态圆坯连铸机的商业化开发〔3〕;20世纪90年代,日本的藤川安生发明了半固态机械搅拌水平连铸机和电磁搅拌垂直连铸机〔4〕,丰富了有色金属半固态连铸机的类型;法国Ｐｅｃｈｉｎｅｙ公司也于1996年实现了铝合金半固态连铸的产业化〔5〕;1995,美国ＩＳＣ公司研制成第一台黑色金属半固态连铸机并进行了工业化试生产〔3,6〕,使黑色金属半固态连铸机的研究取得突破性进展。我国对黑色金属半固态连铸技术的研究起步并不晚。1996年,北京科技大学胡汉起教授指导博士生邢书明开展了黑色金属半固态连铸机研制工作〔7〕,并于1999年1月研制成功,通过了教育部组织的技术鉴定,填补了我国在这一领域的空白。2.2国内外半固态连铸机的主要机型图2为目前国外半固态连铸机主要机型示意图。它们的共同之处是半固态浆料制浆室设置在结晶器与浇口杯之间,在制浆室内部或外部设有搅拌装置。它们的主要区别也集中在制浆室和搅拌装置上。日本垂直连铸机在制浆室与结晶器之间设有带加热装置的耐火材料过渡段,使半固态浆料能顺利进入结晶器〔4〕;美国垂直连铸机的制浆室和结晶器都设有电磁搅拌装置,通过二次搅拌促进连铸坯料非枝晶化〔3〕,其制浆室用耐火材料制成,既可用于黑色金属,也可用于有色金属;法国垂直连铸机主要用于有色金属,其制浆室做成两段,上段直径很小,下段直径很大,搅拌器设在下段,可减少搅拌过程中浆料的吸气〔5〕。图2国外半固态连铸机主要机型示意图图3为我国研制的垂直半固态连铸机示意图,其特点是:结晶器带有振动装置,可保证连铸过程顺利进行;制浆室无加热装置,靠控制热平衡实现连续冷却坯料的非枝晶化,节能效果明显〔7〕。目前半固态连铸机的主要机型是垂直和水平两种形式,且以垂直形式为主。但这只是象普通连铸机发展过程中的初期机型一样,要真正实现产业化,将来必然会随着半固态连铸技术的逐步完善而向弧形连铸机发展。2.3半固态连铸工艺和合金的研究现状目前对半固态连铸工艺的研究还不够系统。研究较多的是美国的ＩＳＣ公司。他们首先研究了半固态连铸过程的凝固行为及拉漏、拉断的机理〔6〕,据此提出了“拉送停拉”的拉坯模式。尽管这种拉坯模式可以在一定程度上防止拉漏和拉断,但在工业上应用难度较大,问题并没有真正得到解决。我国以黑色金属为例进行了半固态连铸过程稳定性及工艺参数对其影响规律的研究,揭示了拉漏、拉断的本质原因是滞留层的形成、发展和裂口区的扩展下移,并初步提出了半固态连铸的工艺设计准则〔7,8〕。总的来说,目前对半固态连铸工艺的研究还很不充分,尚存在大量问题有待于进一步研究和解决。对半固态连铸合金的主要限制是合金的结晶温度范围。这是因为枝晶组织向非枝晶组织转变过程需要经历一定的时间,因此,合金的结晶温度范围越小,半固态连铸的难度就越大。目前真正投入大批量工业应用的仍然是低熔点有色合金,尤其是对铝合金半固态连铸的研究和应用较多。由于黑色金属熔点高,操作难度大,目前的研究和应用都较少。事实上,黑色金属由于固态变形抗力大,对其进行半固态成形的必要性更加明显。因此可以展望,随着半固态连铸及其成形技术的不断发展和完善,其在黑色金属方面的应用会逐渐增多。3目前的任务及研究趋势半固态连铸可理解为现代连铸技术与材料流变成形技术结合的产物。现代连铸技术已取得长足发展,但半固态合金流变成形技术还处于研究开发阶段。因此,在今后一段时间内,半固态连铸技术的主要研究方向仍将集中在半固态合金流变性能的研究及流变成形技术与现代连铸技术的结合这两个方面。3.1半固态合金充型性能的研究虽然半固态合金的流变性能一直是这一领域的研究热点,并取得了许多研究成果〔1〕。但是,以往的研究都着眼于合金的流变性能及流变力学方面,而对流变行为的控制与调整则重视不够,尤其是将流变性能的实验数据与其充型性能定量联系起来的研究尚未见报道。事实上,只有将流变学研究成果与实际条件下的充型性能联系起来,才能有效地控制半固态合金的成形过程。这方面的研究课题大致包括如下几个:(1)半固态浆料组织结构与充型性能之间定量联系的研究;(2)半固态合金充型理论的研究;(3)半固态合金充型性能的定量描述;(4)铸型特性对半固态合金充型性能影响规律的研究;(5)充型工艺参数对半固态合金充型性能影响规律的定量研究。这些研究不仅有利于半固态连铸技术的推广应用,而且有利于半固态成形技术的整体发展。3.2半固态连铸工艺过程稳定性的研究半固态连铸过程的稳定性是半固态连铸技术发展和应用的关键问题。半固态连铸过程不出现拉漏和拉断是半固态连铸的起码要求。由于半固态浆料与纯液态金属存在很大差异,现代连铸的稳定性理论并不完全适用于半固态连铸,必须建立半固态连铸自己的稳定性理论。这方面的研究课题大致包括:半固态连铸过程失稳现象及其机理的研究;半固态连铸过程的稳定性判据;半固态连铸过程的稳定性控制;工艺参数对坯料质量和连铸过程的影响规律。3.3半固态连铸坯料性能特点的研究由于半固态连铸技术的研究历史还很短,半固态连铸坯的组织特征、宏观质量、成形性能等都不太清楚,有必要抓紧研究,以便尽快形成可供生产应用的技术标准。3.4半固态连铸设备的研究半固态连铸设备的研究重点是如何在现代连铸机的基础上进行改造,而不是全部重新设计。主要内容包括:制浆室与普通连铸机兼容性的研究;连续冷却条件下半固态浆料的制备技术;半固态弧形连铸机的研究开发;半固态连铸生产线最优配置的研究等。4结论(1)半固态连铸技术是一种铸造金属坯料的新技术,目前国内尚处于应用开发阶段,国外已开始批量生产。(2)半固态连铸作为一个工业项目具有很强的获利能力和较强的还贷能力,其经济性对产品销售价格是敏感的,但只要未来价格不比预期值低226%,该投资项目是可以接受的。(3)今后的主要研究任务是:合金半固态连铸性能的研究;半固态连铸工艺稳定性的理论研究;坯料质量及连铸过程的控制;半固态连铸生产线的最优配置及弧形连铸机的研制等。