雙輥鑄軋薄帶鋼連鑄用BN基陶瓷側(cè)封板的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

燕山大學(xué)國家冷軋工程中心

創(chuàng)新成果展（三）

“國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心”（以下簡稱“中心”）依托燕山大學(xué)，于2011年由科技部批準(zhǔn)組建，2014年通過驗(yàn)收，并以該中心為依托建設(shè)有“河北省現(xiàn)代軋制技術(shù)與先進(jìn)鋼鐵材料協(xié)同創(chuàng)新中心”和科技部“面向先進(jìn)高強(qiáng)鋼板帶產(chǎn)業(yè)的科技服務(wù)業(yè)試點(diǎn)”。中心主要圍繞“產(chǎn)品質(zhì)量精確控制”、“機(jī)械設(shè)備高效可靠”、“生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)?！比笾黝}，在板形板厚和表面質(zhì)量控制、軋機(jī)裝備智能化、帶鋼深加工及先進(jìn)鋼鐵材料制備等方向開展相關(guān)基礎(chǔ)性和工程化技術(shù)研究，重點(diǎn)推進(jìn)“核心技術(shù)突破、成熟技術(shù)升級、新技術(shù)推廣示范”三個方面的工作，取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科研創(chuàng)新成果，部分研究成果填補(bǔ)了國內(nèi)空白。中心建有軋制/測控中試生產(chǎn)線、材料物理模擬、定量結(jié)構(gòu)表征（中-丹聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、YSU-FEI聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室）和重型機(jī)械智造工程超算中心四大科研平臺，承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及企業(yè)重大項(xiàng)目等大批研究與開發(fā)任務(wù)，是一個集工程化技術(shù)研發(fā)、科技成果中試與轉(zhuǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化與檢測、人才培訓(xùn)與信息交流為一體的技術(shù)創(chuàng)新與公共服務(wù)平臺。

雙輥薄帶振動鑄軋技術(shù)

的研究與應(yīng)用

1概述

雙輥薄帶鑄軋（TRC）被譽(yù)為21世紀(jì)冶金工業(yè)最具革命性的技術(shù)，其工藝采用一對相對旋轉(zhuǎn)的鑄輥?zhàn)鳛榻Y(jié)晶器，使液態(tài)金屬在極短的時(shí)間內(nèi)凝固并熱成型，直接成為金屬薄帶。雙輥薄帶鑄軋工藝從根本上改變了傳統(tǒng)的鋼材生產(chǎn)方法，取消了連鑄（鑄錠）、粗軋、熱連軋及相關(guān)的加熱、切頭等一系列常規(guī)工序，將亞快速凝固技術(shù)與熱加工成型兩個工序合二為一，真正實(shí)現(xiàn)了“一火成材”，大幅度縮短了鋼鐵材料的生產(chǎn)工藝流程。相比于傳統(tǒng)的連鑄熱軋工藝能有效減少廢氣（碳化物、氮化物、硫化物等）排放70%-90%，節(jié)約能耗50%以上，節(jié)約設(shè)備投資約70%，使每噸鋼材的生產(chǎn)成本降低1/3，并且鑄軋薄帶產(chǎn)品組織更為致密，強(qiáng)度硬度高，產(chǎn)品靈活，利用其急冷凝固的特性，還能夠生產(chǎn)一些普通工藝難以生產(chǎn)的合金產(chǎn)品。但鑄軋技術(shù)遲遲沒有實(shí)現(xiàn)大范圍產(chǎn)業(yè)化，其主要原因是由于目前仍有很多關(guān)鍵性的技術(shù)問題沒有得到解決。

1）結(jié)晶輥輥面換熱規(guī)律把握不足。

實(shí)際鑄軋中熔池界面的熱流分布與鑄軋速度、液面高度、接觸位置和時(shí)間等因素有關(guān)，現(xiàn)有換熱模型并不能準(zhǔn)確地描述輥面接觸各個區(qū)域（液相區(qū)、坯殼區(qū)、軋制區(qū)等）的換熱規(guī)律，熔池的界面換熱問題還需要更深入地研究。

2）控制精度難以達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求。

舊式鑄軋機(jī)普遍采用恒定輥縫技術(shù)，該工藝調(diào)節(jié)能力差，結(jié)晶輥受熱沖擊熱變形明顯。此外，鑄軋機(jī)技術(shù)本身還有缺陷，如在線調(diào)控系統(tǒng)、布流系統(tǒng)、側(cè)封系統(tǒng)、輥縫輥形調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，還達(dá)不到工藝所需精度要求，因而，還需進(jìn)一步對鑄軋機(jī)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

3）對于熔池區(qū)的金屬液流動規(guī)律把握不足。

雙輥薄帶鑄軋是一個高度耦合的復(fù)雜問題，其熔池內(nèi)部液體的傳熱和流動規(guī)律隨邊界條件的細(xì)微改變都可能會產(chǎn)生很大的影響?，F(xiàn)有鑄軋技術(shù)下金屬液面的波動和攪動較大，內(nèi)部流場和溫度場不穩(wěn)定，特別是針對高溫熔池內(nèi)部流動規(guī)律的研究難以精確測量，這極大地限制了薄帶鑄軋技術(shù)的發(fā)展。因此，研究需針對熔池流場核心問題，利用相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步把握熔池內(nèi)部和液面的流動規(guī)律。

4）鑄軋帶坯質(zhì)量不穩(wěn)定。

裂紋問題是目前鑄軋工藝沒有普及應(yīng)用的最主要原因之一。鑄軋薄帶產(chǎn)品非常容易出現(xiàn)夾層裂紋、橫縱向以及斜向裂紋。現(xiàn)階段對鑄軋裂紋的研究相對較少，且大多都停留在二維平面場進(jìn)行研究，研究面相對較窄。裂紋問題的研究還需要針對耦合熔池的三維溫度場、應(yīng)力場及變形行為等因素進(jìn)行綜合分析。

5）偏析問題依然存在。

對于某些高合金產(chǎn)品依然存在不同程度的偏析問題。芯部的偏析夾層會嚴(yán)重影響帶坯質(zhì)量，且通過熱處理工藝也不易完全消除。因而需要在鑄軋過程中對熔池內(nèi)部的溶質(zhì)分布進(jìn)行控制，現(xiàn)階段對鑄軋偏析的研究相對較少，對偏析問題的認(rèn)識還存在著一定盲區(qū)。

6）凝固組織柱狀晶區(qū)面積大，不利于進(jìn)一步加工。

帶坯凝固組織主要以柱狀晶為主，柱狀晶組織具有各向異性，易于開裂，非常不利于帶坯產(chǎn)品的深加工。因而，還需要進(jìn)一步采取相應(yīng)措施抑制柱狀晶生長，細(xì)化晶粒組織，提高了帶坯質(zhì)量。

2雙輥薄帶振動鑄軋技術(shù)的研究與應(yīng)用

基于鑄軋技術(shù)在現(xiàn)階段存在的諸多關(guān)鍵性問題，燕山大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)提出了振動鑄軋的理念。在鑄軋過程中應(yīng)用偏心套裝置對單側(cè)鑄軋輥施加機(jī)械振動，其意義在于：①通過振動增加熔池區(qū)凝固過程的形核率，并強(qiáng)化凝固過程的枝晶尖端熔斷效果，從而細(xì)化凝固組織晶粒，得到更多的等軸晶組織，抑制塑性變形過程中板坯缺陷的產(chǎn)生；②通過振動在軋制變形過程中向變形區(qū)施加剪切應(yīng)力，增加鑄軋塑性變形區(qū)的變形激活能，從而促進(jìn)軋制變形過程的動態(tài)再結(jié)晶效果，進(jìn)一步細(xì)化晶粒；③振動可以改變鑄軋熔池區(qū)的流場，對熔池區(qū)施加類似攪拌的效果，促進(jìn)凝固過程中溶質(zhì)的擴(kuò)散，從而改善偏析問題。基于振動鑄軋的基本理念，先后設(shè)計(jì)制造了Φ160×150及Φ500×350兩臺雙輥薄帶振動鑄軋機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)的理論及應(yīng)用研究。

2.1鑄軋振動細(xì)晶技術(shù)

振動技術(shù)已經(jīng)被廣泛地使用在凝固鑄造領(lǐng)域，常用的振動形式主要有機(jī)械式振動、超聲波激振和電磁攪拌等。振動不僅可以有效地促進(jìn)金屬液形核，抑制柱狀晶的生長，獲得細(xì)小等軸晶組織，還可以改變鑄錠內(nèi)部流場和湍動能，凈化組織（除渣、脫硫等）、抑制偏析、搭橋等問題，大大提高鑄錠的質(zhì)量和力學(xué)性能，因而將振動技術(shù)應(yīng)用于鑄軋領(lǐng)域具有重要的理論及實(shí)踐價(jià)值?；诖?，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的振動凝固理論及試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出了振動細(xì)晶理論模型，并自主設(shè)計(jì)研發(fā)了偏心套振幅可調(diào)式鑄軋激振系統(tǒng)，對鑄軋機(jī)的單側(cè)鑄軋輥施加振動，從而向鑄軋凝固過程引入振源。

該方法從根本上改變了傳統(tǒng)鑄軋的坯殼凝固方式，極大地增加了垂直鑄軋輥表面生長的枝晶尖端熔斷效果，同時(shí)提升液相區(qū)金屬的形核率，最終達(dá)到阻礙枝晶生長，細(xì)化晶粒的效果。不僅如此，振動還會在鑄軋的固態(tài)軋制階段向變形區(qū)施加額外的剪應(yīng)變，從而增加變形區(qū)的變形激活能，強(qiáng)化變形區(qū)的動態(tài)再結(jié)晶效果，以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，并消除凝固階段由單側(cè)鑄軋輥振動帶來的兩側(cè)凝固坯殼晶粒度不均現(xiàn)象，增強(qiáng)板坯質(zhì)量。

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)申報(bào)了振動式雙輥薄帶鑄軋機(jī)的發(fā)明專利，并根據(jù)此項(xiàng)專利自主設(shè)計(jì)制造了Φ160×150及Φ500×350兩臺雙輥薄帶振動鑄軋機(jī)，作為科研試驗(yàn)平臺。在此試驗(yàn)平臺上，先后進(jìn)行了振動鑄軋鋁合金板材試驗(yàn)、振動鑄軋?zhí)间摪宀脑囼?yàn)等一系列相關(guān)研究，驗(yàn)證了鑄軋過程中振動細(xì)晶的效果，得到了振頻振幅與凝固形核之間的規(guī)律，掌握了振動鑄軋的一系列工藝參數(shù)的影響。這些研究，對鑄軋振動細(xì)晶這一新興技術(shù)做出了探索性努力，并取得了初步研究成果。

2.2鑄軋熔池邊界換熱問題創(chuàng)新研究

雙輥薄帶鑄軋工藝與傳統(tǒng)的連鑄工藝和軋制工藝并不相同，金屬液在熔池內(nèi)部高速流動、凝固，最終加工成金屬薄帶，其鑄軋速度最快可達(dá)180m/min，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的連鑄速度，因而原有的連鑄換熱模型難以滿足鑄軋工藝計(jì)算的需求。此外，鑄軋金屬的凝固行為也與傳統(tǒng)的鑄造和連鑄工藝有所不同，有研究顯示，鑄軋結(jié)晶輥的輥面換熱系數(shù)可達(dá)20kW/(m2·℃)。在此高強(qiáng)度換熱條件下，金屬材料處于亞快速凝固領(lǐng)域的范疇，傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)凝固理論將不再適用。現(xiàn)有的研究結(jié)晶輥與熔池?fù)Q熱的模型較多，但大部分換熱模型不具有通用性，尤其是軋制區(qū)接觸應(yīng)力因素造成的接觸換熱提高的問題缺少深入研究，原始模型通常采用平均換熱系數(shù)法，即人為給定一個介于4-23kW/(m2·K)間的常數(shù)，作為換熱邊界條件，模型精度較差。

雙輥薄帶鑄軋過程中，鑄軋輥與熔池內(nèi)金屬熔液存在固-液接觸和固-固接觸兩種接觸狀態(tài)，不同的接觸狀態(tài)其界面換熱系數(shù)的形成原因及影響因素都不相同。為了更準(zhǔn)確地確定雙輥薄帶鑄軋熔池界面的換熱規(guī)律，基于鑄軋澆鑄工藝的特點(diǎn)，以Kiss點(diǎn)為界，將熔池接觸區(qū)分為軟性接觸區(qū)和剛性接觸區(qū)兩部分，建立了新的界面換熱模型，分別對兩部分的界面換熱進(jìn)行了研究。通過輥套換熱試驗(yàn)所測得的熱流密度數(shù)據(jù)，反推出了導(dǎo)熱系數(shù)，從而構(gòu)建了軟性接觸區(qū)的界面換熱模型。通過耦合固態(tài)變形區(qū)軋制力的變化與接觸熱阻的關(guān)系，進(jìn)一步考慮表面形貌和接觸氣隙，構(gòu)建了剛性接觸區(qū)的換熱模型。該模型更加貼近實(shí)際的工程情況，對鑄軋過程的工藝仿真有著更大的參考價(jià)值，為鑄軋過程中Kiss點(diǎn)高度的確定和軋制力的計(jì)算，提供了更為準(zhǔn)確的參考，對鑄軋工藝參數(shù)的確定有著巨大的使用價(jià)值。

不僅如此，科研團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了振動鑄軋熔池邊界換熱條件的研究，為其首創(chuàng)提出的振動鑄軋理念進(jìn)行深入的工藝探索奠定了理論基礎(chǔ)。由于振動鑄軋是一個沒有前人涉足的新興技術(shù)，振動條件下的換熱問題也因此未能得到探討，而且由于換熱與接觸壓力關(guān)系密切，所以振動對換熱系數(shù)存在著不容忽視的影響?？蒲袌F(tuán)隊(duì)結(jié)合接觸氣膜換熱理論，考慮到振動對熔池凝固坯殼與鑄軋輥間接觸壓力的影響，推導(dǎo)出了振動鑄軋輥與熔池接觸面的對流換熱系數(shù)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2.3新型電磁側(cè)封技術(shù)

鑄軋側(cè)封技術(shù)作為影響雙輥鑄軋技術(shù)工業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵因素，一直是各國研究的重點(diǎn)，但卻一直未能得到有效解決。在此背景下，針對雙輥薄帶鑄軋中的電磁側(cè)封技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。從理論上分析了磁場與導(dǎo)電流體間的相互作用以及磁場作用下金屬熔體的流動行為，推導(dǎo)了雙輥鑄軋電磁側(cè)封的電磁壓力公式、側(cè)封鋼液所需的磁動勢。提出了分體式磁極和線圈的設(shè)計(jì)方案，解決了磁極底端磁感應(yīng)強(qiáng)度過大，導(dǎo)電板式線圈電流分布不均等問題，且所設(shè)計(jì)的電磁側(cè)封結(jié)構(gòu)在熔池內(nèi)產(chǎn)生的電磁壓力與鋼水靜壓力變化規(guī)律一致，大小相當(dāng)，形成的側(cè)封液面較為平整，優(yōu)于已有設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，建立了電磁側(cè)封二維和三維數(shù)值模型，分析了線圈安匝數(shù)、頻率、空氣隙、線圈布置形式以及磁極伸出量對熔池內(nèi)電磁壓力的影響。認(rèn)為增加兩側(cè)線圈電流密度，減少線圈與熔池間間距、延長磁極作用范圍，可以提高側(cè)封質(zhì)量。還首次建立了電磁側(cè)封磁流耦合數(shù)值模型，研究了電磁側(cè)封磁場對熔池內(nèi)鋼液流動的影響。并通過VOF液面追蹤法，計(jì)算了熔池內(nèi)鋼液在電磁側(cè)封作用下，形成的自由面形狀，直觀地反映了電磁側(cè)封的效果。分析了電流頻率對側(cè)封自由面的形狀以及熔池內(nèi)鋼液凝固kiss點(diǎn)的影響。認(rèn)為頻率在4000-6000Hz時(shí)，側(cè)封效果較好，且隨著頻率增加，熔池內(nèi)kiss點(diǎn)逐漸下降。所建立的電磁側(cè)封磁流耦合模型，為電磁側(cè)封研究提供了一種新方法，對于縮短電磁側(cè)封設(shè)計(jì)時(shí)間，優(yōu)化電磁側(cè)封結(jié)構(gòu)具有重要意義。

3結(jié)語

雙輥薄帶鑄軋技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)冶金工業(yè)最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)，具有短流程、低能耗、投資少等特點(diǎn)。其工業(yè)化應(yīng)用研究一直受到國內(nèi)外科技界的高度關(guān)注，一旦形成穩(wěn)定生產(chǎn)能力必將對全球的冶金行業(yè)產(chǎn)生重要影響。燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的雙輥薄帶振動鑄軋新技術(shù)，為鑄軋領(lǐng)域開辟了新的道路，推動了鑄軋技術(shù)的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，具有十分廣闊的研究及應(yīng)用前景。（杜鳳山 孫明翰 孫靜娜）

本文摘選自本報(bào)2017年第40期B03部分內(nèi)容，若要詳細(xì)了解更多相關(guān)行業(yè)和技術(shù)信息，請關(guān)注本報(bào)紙質(zhì)報(bào)紙每期A版和B版內(nèi)容，或者登陸本報(bào)手機(jī)APP客戶端，或者本報(bào)網(wǎng)站新址：http://www.worldmetals.com.cn/電子報(bào)閱讀全文。轉(zhuǎn)載請注明出處。