先進鋼鐵材料

技術文獻

論在連鑄-軋鋼區(qū)段加熱爐出坯節(jié)奏中的應用

石鑫越1，韓偉剛2，酈秀萍1，張春霞1，常金寶3

（1. 鋼鐵研究總院先進鋼鐵材料及流程國家重點實驗室，北京 100081；

（2. 2. 華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210；

（3. 3. 河鋼集團研究院，河北 石家莊 050000）

摘 要：連鑄-軋鋼區(qū)段作為界面模式的組成部分之一，對鋼鐵生產(chǎn)流程有重要的影響。隨著熱送熱裝技術的深入應用，工序裝置之間的銜接、匹配由數(shù)量、生產(chǎn)能力等的匹配發(fā)展為生產(chǎn)節(jié)奏的匹配。其中加熱爐的出坯節(jié)奏決定了軋鋼的軋制節(jié)奏，從而對整個區(qū)段的節(jié)奏產(chǎn)生影響。對唐山鋼鐵集團第二鋼軋廠連鑄-軋鋼區(qū)段鑄坯進加熱爐前等待的時間間隔進行統(tǒng)計分析，并以排隊理論為指導，對二鋼軋廠一棒材鑄坯進入加熱爐前的時間間隔進行優(yōu)化，提出了合理的時間值，并且分析了二鋼軋廠二棒材不能應用排隊論的原因，從而為企業(yè)的生產(chǎn)管理提供了必要的理論依據(jù)。

關鍵詞：界面模式；匹配；生產(chǎn)節(jié)奏；排隊論

近年來，鋼鐵企業(yè)對界面模式的研究越來越重視。其中，連鑄-軋鋼區(qū)段是鋼鐵生產(chǎn)流程的重要組成部分，也是鐵素流由高溫液相變成固相的最終環(huán)節(jié)，連鑄-軋鋼區(qū)段的工序、裝置配置/銜接匹配等“界面技術”對全流程的物質(zhì)、能量消耗產(chǎn)生直接影響，也直接影響最終的成材率[1]?！敖缑婕夹g”是指相鄰工序之間的銜接-匹配、協(xié)調(diào)-緩沖的技術及其相關裝置，是相對于鋼鐵制造流程中煉鐵、煉鋼、熱軋等原有主體工序而言的[2-3]。其中，連鑄-軋鋼區(qū)段連鑄坯熱送熱裝工藝以其良好的節(jié)能效果、減少氧化燒損、提高成材率等特點[4-8]，被企業(yè)廣泛采用[9-11]。熱送熱裝技術對企業(yè)連鑄-軋鋼區(qū)段之間的銜接匹配有較高的要求，不僅要求各個工序裝置之間數(shù)量、生產(chǎn)能力的匹配，還與各主體工序之間的出坯節(jié)奏有關系[12-14]。其中，連鑄坯進加熱爐的時間節(jié)奏直接影響加熱爐出坯節(jié)奏，而出坯節(jié)奏對軋機的軋制節(jié)奏又會產(chǎn)生影響，從而影響到整個連鑄-軋鋼區(qū)段的生產(chǎn)節(jié)奏。本文以排隊理論為指導，分析連鑄坯進加熱爐的時間間隔分布規(guī)律，進而分析鑄坯入爐時間間隔對加熱爐出坯節(jié)奏的影響。

1 連鑄坯運輸過程及事件解析

在連鑄-軋鋼區(qū)段鑄坯“熱送熱裝”模式中，鑄坯運輸過程是指鑄坯從切割開始，到進入加熱爐為止，其中所經(jīng)歷的過程，一般包括出坯輥道、冷床、上料臺架、坯庫等環(huán)節(jié)，具體運輸過程由現(xiàn)場實際情況決定。根據(jù)連鑄-軋鋼區(qū)段連鑄坯運輸方式的不同，可以分為“輥道”運輸模式和“輥道+天車”運輸模式。

1. 1 輥道運輸模式

“輥道運輸”模式一般應用在生產(chǎn)組織較順暢、上下游工序銜接較好的鋼鐵企業(yè)，如唐鋼二鋼軋廠連鑄-軋鋼區(qū)段。此種模式中，鑄坯從切割完成后，全部經(jīng)輥道運送至加熱爐中。此過程緩沖環(huán)節(jié)少、流程緊湊、生產(chǎn)節(jié)奏快，對企業(yè)的生產(chǎn)組織調(diào)度有較高的要求。

1. 2 “輥道 ＋天車”運輸模式

“輥道＋天車”運輸模式是指鑄坯在運輸過程會離開輥道，會由天車吊運鑄坯進行一定距離的運輸，如沙鋼永新鋼軋廠。此模式相比于輥道輸送方式生產(chǎn)節(jié)奏相對緩慢，前后工序銜接匹配程度相對較低，此模式最大的好處為：當上下游工序生產(chǎn)能力不協(xié)調(diào)時，在鑄坯運輸過程中有起“協(xié)調(diào)-緩沖”的環(huán)節(jié)，從而避免對生產(chǎn)造成更大的影響。

2 鑄坯運輸過程相關指標

鑄坯運輸過程可以用以下指標衡量。

2. 1 鑄坯運輸時間

鑄坯運輸時間是指連鑄坯從切割結束至進入加熱爐之間的時間，可以表示為

t＝ ∑t1＋∑t2 （1）

式中：t為鑄坯運輸時間，min；∑t 1為鑄坯運輸過程中經(jīng)輥道輸送的時間，min；∑t2為鑄坯運輸過程中在緩沖環(huán)節(jié)消耗的時間，min。

鑄坯運輸時間是鑄軋界面重要的參數(shù)指標，運輸時間越短，鑄坯進加熱爐溫降損失越小，節(jié)能越明顯，表明生產(chǎn)組織越順暢。

2. 2 鑄坯等待時間

鑄坯等待時間是指連鑄坯在進入到下一個工序之前，由于前后工序生產(chǎn)組織運行不順暢，造成鑄坯堆積，從而導致鑄坯不能按時進入到下一個工序中所消耗的時間?？梢员硎緸?/p>

t＝t1＋t2

式中：t為鑄坯等待時間，min；t1為鑄坯運輸過程中等待的時間，min；t2為鑄坯運輸過程中在緩沖環(huán)節(jié)等待的時間，min。

鑄坯等待時間越短，鑄坯在運輸過程中耗費的總時間越少，鑄坯節(jié)能越明顯，這表明上下游工序銜接匹配越好。

3 連鑄-軋鋼區(qū)段鑄坯進加熱爐前的排隊論模型

3. 1 鑄坯進加熱爐前的排隊論描述

在連鑄-軋鋼區(qū)段連鑄坯“熱送熱裝”模式中，鑄坯運輸一般包括輥道、冷床、加熱爐等環(huán)節(jié)，鑄坯運輸過程所經(jīng)過的每個環(huán)節(jié)，都可以看成顧客（連鑄坯）相繼到達服務臺（加熱爐）、排隊等待接受服務并在完成服務之后離開的過程，如圖1所示[15]。

3. 2 連鑄-軋鋼區(qū)段鑄坯進加熱爐前排隊系統(tǒng)模型

正常生產(chǎn)下，鑄坯進加熱爐前的排隊過程具有以下特點：（1）從連鑄機輸送過來的鑄坯數(shù)量是有限的；（2）連鑄坯在進入加熱爐前的上料臺架上進行等待進入；（3）鑄坯進入加熱爐的輥道只有1條；（4）連鑄機輸送到加熱爐的鑄坯數(shù)量不大于加熱爐加熱的鑄坯數(shù)量。

由于連鑄-軋鋼區(qū)段中方坯加熱爐一般只有1個，且加熱爐加熱每根鑄坯的時間為固定值，因此服務臺的服務時間為定長分布；鑄坯到達加熱爐的時間間隔近似服從于參數(shù)為λ的泊松分布，加熱爐前等待入爐的鑄坯有數(shù)量限制，因此鑄坯進加熱爐前排隊系統(tǒng)可以抽象地認為是單服務臺、服務時間是定長分布且有容量限制的排隊系統(tǒng)，即M/D/1系統(tǒng)。

M/D/1排隊系統(tǒng)建立如下假設條件[16-17]：（1）系統(tǒng)中只有一個服務臺（加熱爐）；（2）顧客（連鑄坯）數(shù)量是有限的，顧客（連鑄坯）到達服務臺（加熱爐）的間隔時間近似服從參數(shù)為λ的泊松分布；（3）服務臺服務時間（加熱爐加熱時間）為固定值；（4）系統(tǒng)容量為 m。

M/D/1排隊系統(tǒng)的各項指標為：（1）平均等待隊長L q ，即等待進入加熱爐的鑄坯數(shù)量

（2）平均隊長L s，即等待入爐與已在加熱爐中的鑄坯數(shù)量之和

；

平均等待時間tq，即鑄坯等待入爐的時間

（4）平均逗留時間ts，即鑄坯等待加熱和在加熱爐中加熱的時間之和

式中：ρ 為平均在忙服務臺的個數(shù)；μ為服務率，即單位時間內(nèi)到達的鑄坯數(shù)量，根/h。

由上式可知，ρ為平均在忙的服務臺（加熱爐）個數(shù)，也就是處于作業(yè)狀態(tài)的服務臺（加熱爐）數(shù)量，由于實際生產(chǎn)中服務臺（加熱爐）的作業(yè)率達不到100%，因此對于服務臺（加熱爐）來說，平均在忙的個數(shù)是小于實際的服務臺（加熱爐）數(shù)量的，所以公式中 1－ρ＞0。

4 案例分析

唐鋼二鋼軋廠棒材生產(chǎn)線有5號、6號兩臺連鑄機，5號連鑄機與加熱爐成水平分布，但不在同一水平面上，鑄坯經(jīng)輥道輸送后需通過提升機提升到入爐輥道；6號連鑄機與加熱爐成90°分布，鑄坯通過輥道先送至轉盤，通過轉盤旋轉90°后運至加熱爐，平面布置如圖2所示。

圖3所示為連鑄坯切割結束到達加熱爐口時間分布圖，記錄了鑄坯從切割結束到進加熱爐之前所經(jīng)過的工序。

4. 1 鑄坯切割結束到加熱爐運輸時間分布

表 1 和表 2 分別為一棒和二棒實測時間數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)從鑄坯切割開始計時，到進入加熱爐結束。由于計算的是鑄坯進加熱爐前等待的排隊系統(tǒng)，因此本文選取的是總時間數(shù)據(jù)中鑄坯等待進入加熱爐時間這一項，見表1和表2?？傆媽崪y鑄坯數(shù)量為142根，其中，一棒實測鑄坯數(shù)量為75根，二棒實測鑄坯數(shù)量為67根。

由表1可知，6號連鑄機切割區(qū)域與1棒加熱爐之間運輸時間波動很大，最短的時間大概為371 s（6.2 min），最長的時間達到1 380 s（23.0 min），平均時間為8 min左右。同理，由表2可知，5號連鑄機切割區(qū)域與二棒加熱爐的之間運輸時間波動也很大，最長時間為420 s（7.0 min），最短時間為181 s（3.0 min），平均時間為4 min左右。連鑄坯進加熱爐前排隊過程示意圖如圖4所示。

在入爐前設置一個測溫點，并且記錄下每根鑄坯到達加熱爐前的時間，就能計算出相鄰鑄坯到達加熱爐的時間間隔，統(tǒng)計結果如圖5和圖6所示。

圖5為相鄰鑄坯進加熱爐的間隔時間分步，由圖5可以看出，時間間隔近似服從于指數(shù)分布，通過計算得知鑄坯進加熱爐時間間隔平均為89 s。

圖6所示為二棒相鄰鑄坯進加熱爐的間隔時間分步，由圖6可以看出，時間間隔近似服從于指數(shù)分布，通過計算得知鑄坯進加熱爐時間間隔平均為19 s。

4. 2 計算條件

根據(jù)以上分析，可以將鑄坯入爐前的等待看作鑄坯入爐排隊系統(tǒng)，并且根據(jù)鑄坯到達時間間隔、加熱爐加熱時間和加熱爐的數(shù)量把此系統(tǒng)抽象為M/D/1排隊系統(tǒng)，其中排隊系統(tǒng)計算的初始值見表3。

4. 3 模型計算及結果分析

根據(jù)表3中的計算條件，通過排隊理論可計算得到唐鋼二鋼軋廠連鑄-軋鋼區(qū)段鑄坯排隊過程的相關指標，結果見表4。

從表4的計算結果中可以看出，一棒材的平均在忙服務臺數(shù)為0.67個，不足1個，而服務臺數(shù)為1個，說明加熱爐利用不充分，仍有可提高的潛力。

此外，一棒材鑄坯的平均到達量為每小時40.45根，系統(tǒng)（加熱爐）的平均服務量為60根/h，服務量高于到達量，說明鑄坯的到達間隔較長，由表中計算結果可知，鑄坯的平均等待時間計算值為0.017 h，也就是61.2 s，而實際的等待時間為89 s，因此還有一定的提升空間。

如果按照鑄坯到達時間間隔為61.2 s計算，得出鑄坯的平均到達量為每小時58根，接近于加熱爐每小時加熱60根的水平，系統(tǒng)的平均在忙服務臺個數(shù)由0.67提高到0.98個，接近于合理的水平。

對于二棒材而言，由表2實測數(shù)據(jù)可知鑄坯進加熱爐前的時間間隔僅為19 s，通過計算得出鑄坯每小時到達加熱爐前的數(shù)量為190根，而實際的加熱爐加熱鑄坯數(shù)量為56根，這樣根據(jù)排隊論計算出來的平均在忙服務臺個數(shù)ρ＝3.38，在排隊論模型中，ρ應是個小于1的數(shù)，原因如下：（1）概率論要求一個時間的概率在0～1之間，其中不可能事件的概率為0，必然事件的概率為1。如果ρ＞1，這種情況說明排隊在無止境的增長，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定的狀態(tài)，這違背了概率論的法則，因此要求ρ＜1。（2）對于棒線材流程連鑄-軋鋼區(qū)段而言，通常情況下每條生產(chǎn)線只配有1座加熱爐，因此排隊論中的服務臺數(shù)量為1，也就是說系統(tǒng)中只有1個服務臺。

而對于唐鋼二鋼軋廠二棒生產(chǎn)線而言，通過排隊論計算出的平均在忙服務臺數(shù) ρ＝3.38 個，大于1，也就是平均在忙的服務臺數(shù)量大于系統(tǒng)中服務臺的總數(shù)量，基于以上兩點原因可以認為，對于二棒材而言，鑄坯進加熱爐前等待的過程應用排隊論解釋是不恰當?shù)?，因此能得出如下結論：對于直供或者更高層次的鑄坯運輸方式（直軋）而言，由于生產(chǎn)組織安排得當，生產(chǎn)節(jié)奏緊密運行，此時鑄坯進入加熱爐前是不需要等待的，因而用排隊論解釋是不合理的。

5 結論

（1）相鄰連鑄坯進加熱爐的時間間隔影響加熱爐的出坯節(jié)奏，間隔時間長，出坯節(jié)奏慢，從而影響軋機的軋制節(jié)奏，最終對連鑄-軋鋼區(qū)段的生產(chǎn)節(jié)奏造成影響。

（2）采用排隊理論對連鑄-軋鋼區(qū)段中鑄坯進加熱爐前的等待過程進行分析，將此過程建立相應的M/D/1排隊系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)建立了對應的數(shù)學模型

（3）應用所建立的排隊論模型計算了唐鋼二軋廠連鑄坯進加熱爐前鑄坯的等待情況，在系統(tǒng)平衡時，一棒材鑄坯入爐的時間間隔為61.2 s，而目前實際生產(chǎn)的時間間隔為89 s，因此還有一定的提升空間。

（4）對于二棒材而言，鑄坯進加熱爐采用直供形式，生產(chǎn)節(jié)奏緊湊，此時鑄坯不需要等待，因而用排隊論解釋是不合理的。

燕山大學國家冷軋工程中心

創(chuàng)新成果展（三）

“國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心”（以下簡稱“中心”）依托燕山大學，于2011年由科技部批準組建，2014年通過驗收，并以該中心為依托建設有“河北省現(xiàn)代軋制技術與先進鋼鐵材料協(xié)同創(chuàng)新中心”和科技部“面向先進高強鋼板帶產(chǎn)業(yè)的科技服務業(yè)試點”。中心主要圍繞“產(chǎn)品質(zhì)量精確控制”、“機械設備高效可靠”、“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、軋機裝備智能化、帶鋼深加工及先進鋼鐵材料制備等方向開展相關基礎性和工程化技術研究，重點推進“核心技術突破、成熟技術升級、新技術推廣示范”三個方面的工作，取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權的科研創(chuàng)新成果，部分研究成果填補了國內(nèi)空白。中心建有軋制/測控中試生產(chǎn)線、材料物理模擬、定量結構表征（中-丹聯(lián)合實驗室、YSU-FEI聯(lián)合實驗室）和重型機械智造工程超算中心四大科研平臺，承擔了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點及企業(yè)重大項目等大批研究與開發(fā)任務，是一個集工程化技術研發(fā)、科技成果中試與轉化、標準化與檢測、人才培訓與信息交流為一體的技術創(chuàng)新與公共服務平臺。

雙輥薄帶振動鑄軋技術

的研究與應用

1概述

雙輥薄帶鑄軋（TRC）被譽為21世紀冶金工業(yè)最具革命性的技術，其工藝采用一對相對旋轉的鑄輥作為結晶器，使液態(tài)金屬在極短的時間內(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、熱連軋及相關的加熱、切頭等一系列常規(guī)工序，將亞快速凝固技術與熱加工成型兩個工序合二為一，真正實現(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。但鑄軋技術遲遲沒有實現(xiàn)大范圍產(chǎn)業(yè)化，其主要原因是由于目前仍有很多關鍵性的技術問題沒有得到解決。

1）結晶輥輥面換熱規(guī)律把握不足。

實際鑄軋中熔池界面的熱流分布與鑄軋速度、液面高度、接觸位置和時間等因素有關，現(xiàn)有換熱模型并不能準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）控制精度難以達到實際生產(chǎn)要求。

舊式鑄軋機普遍采用恒定輥縫技術，該工藝調(diào)節(jié)能力差，結晶輥受熱沖擊熱變形明顯。此外，鑄軋機技術本身還有缺陷，如在線調(diào)控系統(tǒng)、布流系統(tǒng)、側封系統(tǒng)、輥縫輥形調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，還達不到工藝所需精度要求，因而，還需進一步對鑄軋機設備進行改進和優(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)律隨邊界條件的細微改變都可能會產(chǎn)生很大的影響。現(xiàn)有鑄軋技術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的發(fā)展。因此，研究需針對熔池流場核心問題，利用相關試驗和數(shù)學模型，進一步把握熔池內(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?，F(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、應力場及變形行為等因素進行綜合分析。

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，還需要進一步采取相應措施抑制柱狀晶生長，細化晶粒組織，提高了帶坯質(zhì)量。

2雙輥薄帶振動鑄軋技術的研究與應用

基于鑄軋技術在現(xiàn)階段存在的諸多關鍵性問題，燕山大學科研團隊首創(chuàng)提出了振動鑄軋的理念。在鑄軋過程中應用偏心套裝置對單側鑄軋輥施加機械振動，其意義在于：①通過振動增加熔池區(qū)凝固過程的形核率，并強化凝固過程的枝晶尖端熔斷效果，從而細化凝固組織晶粒，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)施加剪切應力，增加鑄軋塑性變形區(qū)的變形激活能，從而促進軋制變形過程的動態(tài)再結晶效果，進一步細化晶粒；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，促進凝固過程中溶質(zhì)的擴散，從而改善偏析問題?；谡駝予T軋的基本理念，先后設計制造了Φ160×150及Φ500×350兩臺雙輥薄帶振動鑄軋機，并進行了相關的理論及應用研究。

2.1鑄軋振動細晶技術

振動技術已經(jīng)被廣泛地使用在凝固鑄造領域，常用的振動形式主要有機械式振動、超聲波激振和電磁攪拌等。振動不僅可以有效地促進金屬液形核，抑制柱狀晶的生長，獲得細小等軸晶組織，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)量和力學性能，因而將振動技術應用于鑄軋領域具有重要的理論及實踐價值?；诖耍蒲袌F隊進行了大量的振動凝固理論及試驗研究，推導出了振動細晶理論模型，并自主設計研發(fā)了偏心套振幅可調(diào)式鑄軋激振系統(tǒng)，對鑄軋機的單側鑄軋輥施加振動，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，同時提升液相區(qū)金屬的形核率，最終達到阻礙枝晶生長，細化晶粒的效果。不僅如此，振動還會在鑄軋的固態(tài)軋制階段向變形區(qū)施加額外的剪應變，從而增加變形區(qū)的變形激活能，強化變形區(qū)的動態(tài)再結晶效果，以進一步細化晶粒，并消除凝固階段由單側鑄軋輥振動帶來的兩側凝固坯殼晶粒度不均現(xiàn)象，增強板坯質(zhì)量。

在上述研究成果的基礎上，科研團隊申報了振動式雙輥薄帶鑄軋機的發(fā)明專利，并根據(jù)此項專利自主設計制造了Φ160×150及Φ500×350兩臺雙輥薄帶振動鑄軋機，作為科研試驗平臺。在此試驗平臺上，先后進行了振動鑄軋鋁合金板材試驗、振動鑄軋?zhí)间摪宀脑囼灥纫幌盗邢嚓P研究，驗證了鑄軋過程中振動細晶的效果，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，對鑄軋振動細晶這一新興技術做出了探索性努力，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180m/min，遠大于傳統(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，鑄軋結晶輥的輥面換熱系數(shù)可達20kW/(m2·℃)。在此高強度換熱條件下，金屬材料處于亞快速凝固領域的范疇，傳統(tǒng)的準靜態(tài)凝固理論將不再適用?，F(xiàn)有的研究結晶輥與熔池換熱的模型較多，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，以Kiss點為界，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行了研究。通過輥套換熱試驗所測得的熱流密度數(shù)據(jù)，反推出了導熱系數(shù)，從而構建了軟性接觸區(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系，進一步考慮表面形貌和接觸氣隙，構建了剛性接觸區(qū)的換熱模型。該模型更加貼近實際的工程情況，對鑄軋過程的工藝仿真有著更大的參考價值，為鑄軋過程中Kiss點高度的確定和軋制力的計算，提供了更為準確的參考，對鑄軋工藝參數(shù)的確定有著巨大的使用價值。

不僅如此，科研團隊還進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行深入的工藝探索奠定了理論基礎。由于振動鑄軋是一個沒有前人涉足的新興技術，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系密切，所以振動對換熱系數(shù)存在著不容忽視的影響。科研團隊結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，并通過試驗驗證了模型的準確性。

2.3新型電磁側封技術

鑄軋側封技術作為影響雙輥鑄軋技術工業(yè)化進程的關鍵因素，一直是各國研究的重點，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封技術進行了詳細研究。從理論上分析了磁場與導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，推導了雙輥鑄軋電磁側封的電磁壓力公式、側封鋼液所需的磁動勢。提出了分體式磁極和線圈的設計方案，解決了磁極底端磁感應強度過大，導電板式線圈電流分布不均等問題，且所設計的電磁側封結構在熔池內(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，形成的側封液面較為平整，優(yōu)于已有設計。在此基礎上，建立了電磁側封二維和三維數(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。認為增加兩側線圈電流密度，減少線圈與熔池間間距、延長磁極作用范圍，可以提高側封質(zhì)量。還首次建立了電磁側封磁流耦合數(shù)值模型，研究了電磁側封磁場對熔池內(nèi)鋼液流動的影響。并通過VOF液面追蹤法，計算了熔池內(nèi)鋼液在電磁側封作用下，形成的自由面形狀，直觀地反映了電磁側封的效果。分析了電流頻率對側封自由面的形狀以及熔池內(nèi)鋼液凝固kiss點的影響。認為頻率在4000-6000Hz時，側封效果較好，且隨著頻率增加，熔池內(nèi)kiss點逐漸下降。所建立的電磁側封磁流耦合模型，為電磁側封研究提供了一種新方法，對于縮短電磁側封設計時間，優(yōu)化電磁側封結構具有重要意義。

3結語

雙輥薄帶鑄軋技術被認為是21世紀冶金工業(yè)最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g，具有短流程、低能耗、投資少等特點。其工業(yè)化應用研究一直受到國內(nèi)外科技界的高度關注，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。燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心科研團隊研發(fā)的雙輥薄帶振動鑄軋新技術，為鑄軋領域開辟了新的道路，推動了鑄軋技術的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化進程，具有十分廣闊的研究及應用前景。（杜鳳山 孫明翰 孫靜娜）

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