分享：連續(xù)鑄鋼與鋼坯熱塑性
鋼鐵是我們生活中用處最多、用量最大的金屬產(chǎn)品，它兼具強度高與可塑性好的優(yōu)點，是我們生活中必不可少的生產(chǎn)材料。金屬鑄造指的是將金屬由液態(tài)澆鑄、凝固成一定形狀固態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)。傳統(tǒng)的金屬鑄造使用的是模鑄技術(shù)，也就是將高溫液態(tài)金屬澆注進具有一定形狀的模具里面凝固成形。但是，為了提高產(chǎn)量、適應(yīng)社會發(fā)展，20世紀以來，尤其是近幾十年，連鑄技術(shù)已經(jīng)逐漸開始替代模鑄技術(shù)成為金屬制品的主流初級成形生產(chǎn)方式。
鋼鐵產(chǎn)品的連鑄產(chǎn)量占總產(chǎn)量的百分比稱之為連鑄比。1979年世界連鑄比為25.5%，而2021年世界連鑄比已經(jīng)達到了96.9%。中國的連鑄比也由1979年的4.4%增加到了現(xiàn)在的99%以上[1-2]。由于模鑄技術(shù)可以生產(chǎn)特大型鑄件，且適合單件小批量生產(chǎn)，所以少數(shù)不需要量產(chǎn)的特殊鋼或特大型鑄件仍然常用這一傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)。生產(chǎn)效率與成材率均極具優(yōu)勢的連鑄技術(shù)儼然已經(jīng)是批量生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品最重要的手段。
1. 模鑄技術(shù)的發(fā)展
地球上的金屬元素含量多、種類豐富。不同于天然石塊和人工制造的混凝土、陶瓷等材料，金屬不僅具有強度高與耐腐蝕的優(yōu)點，還具有良好的可塑性。高溫下金屬的流動與變形能力可大大提高，從而可以加工成人們需要的各種形狀制品與結(jié)構(gòu)材料。此外，金屬材料可循環(huán)利用，回收重新熔化與冶煉以后還可以重復(fù)使用。這些金屬的固有屬性為人類長期廣泛使用金屬材料奠定了基礎(chǔ)。
因為金屬銅相對不活潑，且自然界中存在著自然銅，所以金屬熔鑄技術(shù)是在銅器出現(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?？脊艑W(xué)家在土耳其的卡螢泰佩（Cayonu Tepesi）遺址發(fā)現(xiàn)了距今約10000年的銅制權(quán)杖飾品，這可能是人類最先使用的自然銅制品；在隨后的2000年中，銅制品的使用傳到了周邊地區(qū)，并且有人使用陶土坩堝對銅制品進行熔煉，這被稱為真正意義上金屬冶煉與鑄造技術(shù)的開端[3]。距今約6000年前，土耳其地區(qū)的銅冶煉技術(shù)已經(jīng)得到了長足發(fā)展，并且開始向周圍地區(qū)傳播。我國最早在距今6500~6700年前出現(xiàn)了銅制品，在大約5000年前出現(xiàn)了青銅鑄造而成的刀具與兵器。
中國開始使用鑄造技術(shù)制造金屬制品的時間雖然略晚于中東兩河流域，但是由于中國古人對青銅制品的廣泛應(yīng)用，如祭祀器具、容器、樂器與兵器等，創(chuàng)造出了許多獨特的鑄造工藝和制作精湛的鑄件產(chǎn)品。早在商周時期，中國古人就可以利用不同的模具（石范、陶范、金屬范、失蠟法和砂型鑄造等）以及不同的方法（單面范、雙合范、多合范、多器一范和疊鑄等）鑄造青銅器，這些鑄造方法甚至一直沿用至今，并且適用于各種金屬。圖1展示了誕生于商后期泥范法鑄造的司母戊鼎[4]與明朝《天工開物》記載的鑄鼎鑄造圖[5]，這足以代表中國古代金屬鑄造的精巧技藝。
由于銅、錫等青銅原料資源有限，而鋼鐵的硬度比銅的更大，其強度高、不易變形，且儲量豐富、更加廉價，因此古人仿照冶煉青銅器的方法找到了鑄鐵的方法[6]，鐵制產(chǎn)品逐漸在兵器、耕具等日常用品中廣泛使用[7]。早在春秋時期，中國就已經(jīng)出現(xiàn)了鑄造生鐵技術(shù)。因此，盡管后來的工業(yè)革命發(fā)生于西方，但實際上中國的鑄鐵技術(shù)比西方國家早了約1800年。生鐵冶煉技術(shù)是現(xiàn)代煉鋼技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也被列為中國歷史上的二十四大發(fā)明之一[8]。
2. 連鑄技術(shù)的發(fā)展
隨著以蒸汽機與煉鋼技術(shù)為代表的工業(yè)革命時代的到來，人類文明進程迅速發(fā)展。取代人力與畜力勞動的機器的發(fā)展依托于鋼鐵材料的大量生產(chǎn)，因此近代冶金行業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了工業(yè)革命的發(fā)展進程，鋼鐵也成為近代冶金需求最大、產(chǎn)量最多的金屬。其中，得益于化學(xué)學(xué)科與蒸汽機技術(shù)的發(fā)展，18世紀的西方國家已經(jīng)發(fā)明出了高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、鋼錠模鑄和鋼鐵軋機等大型設(shè)備，以滿足社會上日益增長的鋼鐵需求。鑒于模鑄生產(chǎn)模式的效率較低、鋼材制造流程長，連續(xù)澆鑄的思想也開始出現(xiàn)。
亨利·貝塞麥（Henry·Bessemer）是英國偉大的工程師和發(fā)明家，曾任英國鋼鐵學(xué)會主席并且當選英國皇家學(xué)會會員，他從小就在父親的鑄造作坊里工作，對相關(guān)金屬知識與鑄造工藝十分熟悉。1834年，年僅21歲的貝塞麥就憑借改進鑄造錢幣的專利而獲得了豐厚的獎勵；1839年，26歲的貝塞麥因為改進了光學(xué)顯微鏡而成為了法國科學(xué)院院士；1856年，43歲的貝塞麥發(fā)明了高效煉鋼的貝塞麥煉鋼轉(zhuǎn)爐。他發(fā)明的貝塞麥轉(zhuǎn)爐通過底吹空氣的方法可以經(jīng)濟、有效地去除鐵水中的碳元素并生成強度更高的鋼[9]。這一發(fā)明大大推動了人類工業(yè)從“鐵時代”到“鋼時代”的轉(zhuǎn)變，后來利用氧氣取代空氣的轉(zhuǎn)爐煉鋼至今仍然是冶煉鋼水的主要方法。貝塞麥等改進的光學(xué)顯微鏡是人類認識鋼鐵微觀組織的重要工具，這一工具進一步提高了人類對于鋼鐵產(chǎn)品組織與性能的認識，并有利于有的放矢地對鋼鐵性能加以調(diào)控。正是因為亨利·貝塞麥對鋼鐵生產(chǎn)有著如此深入的理解，才促使他做了一個超前的設(shè)想，并在1858年英國鋼鐵協(xié)會倫敦會議上發(fā)表了《模鑄不如連鑄》的論文，成為了提出連鑄思想的第一人。圖2展示了冶金學(xué)家亨利·貝塞麥的肖像以及他在160多年前提出的史上第一個連鑄機專利。實際上，貝塞麥提出的連鑄機僅可以生產(chǎn)出連鑄薄帶，并且限于當時的技術(shù)水平，此類薄帶連鑄機在1999年才開始得以商業(yè)化，對輥薄帶連鑄機先后在德國和美國率先得以用于工業(yè)化生產(chǎn)。
現(xiàn)代第一臺連鑄機雛形是1943年德國冶金學(xué)家，現(xiàn)代連鑄之父，瓊·漢斯（S.Junghans）提出來的[10]，所以當代連鑄機的發(fā)展實際上僅僅不到80年。漢斯提出的連鑄機的構(gòu)成如圖3所示，其從結(jié)構(gòu)、功能上來看都與當代連鑄機十分相似。
連鑄機在鋼鐵生產(chǎn)流程中承擔(dān)著承上啟下的重要作用，精煉獲得的鋼水要經(jīng)過連鑄機連續(xù)不斷地凝固成具有一定形狀的固態(tài)鑄坯（按斷面形狀分為方坯、圓坯、板坯以及異型坯等），冷卻凝固以后的鑄坯往往溫度較低，可塑性不足以“趁熱打鐵”，所以連鑄機生產(chǎn)出來的鋼坯往往需要按一定的尺度切割成段，以備后續(xù)在加熱爐中再加熱軋制成組織更致密、強度更高的各種鋼材。
由于鑄坯在連鑄機上的冷卻速度較慢，鋼液從剛進入連鑄機到最終完全凝固需要有一段較長的距離，稱之為液芯長度或冶金長度[11]。顯然，鑄坯斷面越大、拉坯速度越大，鑄坯的液芯長度也越長。如圖4所示，最開始的連鑄機被設(shè)計成垂直式的，但是隨著連鑄速度的增加或鑄坯斷面越來越大，即使噴淋強制冷卻鑄坯的液芯長度也可能達到數(shù)十米，連鑄機的高度繼續(xù)增加是不太現(xiàn)實的。因此，連鑄機的高度是由高到低地在發(fā)展，也就是從立式連鑄機發(fā)展到立彎式連鑄機，再從立彎式連鑄機發(fā)展到弧形連鑄機。
如圖5所示，這是目前常用的大方坯弧形連鑄機，其鑄坯斷面可以達約30 dm2，因此它的液芯長度可以達到約30 m以上。一方面，弧形連鑄機有利于將長度由豎直方向改為水平方向延伸，減少車間廠房的高度；另一方面，它可以將鑄坯矯直的位置控制在溫度相對較高的區(qū)間。鑄坯矯直指的是通過拉矯機架上的夾持輥（圖5中黑白圓圈所示），將從連鑄機弧形段出來的鑄坯矯正成直條狀。圖5連鑄機中未凝固的鋼液和已凝固的鑄坯坯殼表面溫度仍然高達600 ~ 1000 ℃。連鑄過程鑄坯的表面溫度主要通過氣霧冷卻控制，還可以通過電磁攪拌（Electromagnetic Stirring，EMS）控制其內(nèi)部的鋼水流動與凝固組織。
材料的硬度和塑性往往是一對矛盾的性質(zhì)；硬度越大的材料，其塑性越差，而塑性越好的材料，其硬度越低。比如說，陶瓷的硬度非常大，我們常說的“沒有金剛鉆別攬瓷器活”指的就是這一點；但是它的塑性非常差，家中常用的陶瓷餐具一摔就碎了。再比如說，橡膠的塑性非常好，可以較大程度地變形，但是很容易就會被小刀劃破。其實，很多材料的硬度與塑性是和溫度相關(guān)的，比如常溫下的鋼硬度很高，很難變形；但是將其加熱到數(shù)百攝氏度以后，它的塑性變形能力就會大大提升，我們常說的“趁熱打鐵”就是這個道理。當然，專業(yè)上講應(yīng)該是“趁熱打鋼”，鐵是鐵，鋼是鋼，日常俗語中的鐵釘、鐵絲實際都是鋼釘，鋼絲，在此不再贅述。因此，弧形連鑄機不僅有利于減少生產(chǎn)時候的設(shè)備高度、提高連鑄生產(chǎn)效率，還有利于趁鋼在高溫狀態(tài)下、可塑性較好時對其進行矯直處理。
連鑄坯在鑄機中運行到矯直段時，其表面溫度一般可以控制在650~1000 ℃之間。金屬材料的塑性和溫度總體呈正相關(guān)關(guān)系，即溫度越高、熱態(tài)塑性一般越好（當然，溫度過高達到其熔點時便發(fā)生熔化了）。然而，這一法則只適合單相的鋼。實際鋼鐵往往是多相材料，以獲得更優(yōu)越的服役性能。在650~1000 ℃之間，大多鋼材的微觀組織會發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂相變。一些高強度鋼，連鑄高溫冷卻過程中其基體上還會有一些第二相小粒子析出，這往往會導(dǎo)致鋼在650~1000 ℃之間的塑性并非是隨著溫度升高而變好，其中會存在一個塑性較差的區(qū)域（熱脆性區(qū)）。
在溫度大于750 ℃的高溫下，許多鋼的組織主要是由奧氏體相（Austenite，以英國物理冶金學(xué)家Roberts·Austen命名的一種晶體結(jié)構(gòu)）組成的，如圖6(a)所示，白色邊界包裹起來的就是奧氏體晶粒的截面。幾何上，奧氏體晶粒的形狀是十四面體，與水立方國家游泳中心的外薄膜形狀相似，其截面一般為六邊形，這種形狀和圖6(b)所示的蜂巢形狀類似。
對于諸如齒輪鋼等特殊鋼種，為了滿足其服役性能，其成分中往往必須含有一些用于形成第二相的元素。這些元素在高溫下會固溶在奧氏體中，但是隨著鑄坯溫度的降低，它們會形成微小的第二相粒子，沿著奧氏體的晶界析出，也就是沿著圖6(a)中的白色網(wǎng)狀位置處析出。鋼中的析出相與合金元素不同溫度下的溶解度有關(guān)，這就好比是一杯飽和的熱糖水，隨著水溫降低，糖的溶解度會降低，從而在糖水溶液中沉淀析出糖的顆粒。鋼水實際也是一種溶液，其凝固后的溶液稱之為固溶體，不同溫度下溶解度的差異便會發(fā)生不同程度的溶解與析出。
當溫度低于950 ℃以后，一些微合金鋼中析出的第二相粒子數(shù)量足夠多，并且都沿著奧氏體晶界分布，這就會導(dǎo)致鋼的熱塑性變差，容易在矯直過程中產(chǎn)生圍繞著第二相粒子的小孔洞，繼而導(dǎo)致鑄坯表面開裂。
此外，鋼的溫度在750 ℃附近，也會沿著奧氏體邊界開始析出另一種組織，就是圖6(a)中的所謂網(wǎng)狀鐵素體。這也會導(dǎo)致鋼的塑性大大變差。
但是當溫度在650~700 ℃之間時，奧氏體將分解為別的組織組成物，此時網(wǎng)狀的鐵素體膜會增厚，第二相粒子對鋼塑性的損傷得以減輕，鋼的塑性也會有所改善。
綜上可知，連鑄過程中，弧形鑄坯在進入連鑄機矯直段的時候應(yīng)該控制在一個合適的表面溫度范圍，要根據(jù)實際鋼種的相變特點通過控制鑄坯表面溫度保證其具有較好的熱塑性，以避免發(fā)生矯直裂紋。可見，鋼的連鑄生產(chǎn)，既是凝固過程，也是塑性加工過程，溫度與組織相變的控制至關(guān)重要。
文章來源——金屬世界
3. 連鑄機形狀與鑄坯過程的矯直
4. 鑄坯矯直時的熱塑性
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