先進(jìn)鋼鐵材料目錄

技術(shù)文獻(xiàn)

論在連鑄-軋鋼區(qū)段加熱爐出坯節(jié)奏中的應(yīng)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(jìn)鋼鐵材料及流程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；

（2. 2. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；

（3. 3. 河鋼集團(tuán)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(shù)的深入應(yīng)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(tuán)第二鋼軋廠連鑄-軋鋼區(qū)段鑄坯進(jìn)加熱爐前等待的時間間隔進(jìn)行統(tǒng)計分析，并以排隊理論為指導(dǎo)，對二鋼軋廠一棒材鑄坯進(jìn)入加熱爐前的時間間隔進(jìn)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(yīng)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(guān)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(shù)”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(shù)”是指相鄰工序之間的銜接-匹配、協(xié)調(diào)-緩沖的技術(shù)及其相關(guān)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(diǎn)[4-8]，被企業(yè)廣泛采用[9-11]。熱送熱裝技術(shù)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(guān)系[12-14]。其中，連鑄坯進(jìn)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(jī)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(dǎo)，分析連鑄坯進(jìn)加熱爐的時間間隔分布規(guī)律，進(jìn)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(yùn)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(yùn)輸過程是指鑄坯從切割開始，到進(jìn)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(yùn)輸過程由現(xiàn)場實(shí)際情況決定。根據(jù)連鑄-軋鋼區(qū)段連鑄坯運(yùn)輸方式的不同，可以分為“輥道”運(yùn)輸模式和“輥道+天車”運(yùn)輸模式。

1. 1 輥道運(yùn)輸模式

“輥道運(yùn)輸”模式一般應(yīng)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(yùn)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(yùn)輸模式

“輥道＋天車”運(yùn)輸模式是指鑄坯在運(yùn)輸過程會離開輥道，會由天車吊運(yùn)鑄坯進(jìn)行一定距離的運(yùn)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(dāng)上下游工序生產(chǎn)能力不協(xié)調(diào)時，在鑄坯運(yùn)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(yùn)輸過程相關(guān)指標(biāo)

鑄坯運(yùn)輸過程可以用以下指標(biāo)衡量。

2. 1 鑄坯運(yùn)輸時間

鑄坯運(yùn)輸時間是指連鑄坯從切割結(jié)束至進(jìn)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(yùn)輸時間，min；∑t 1為鑄坯運(yùn)輸過程中經(jīng)輥道輸送的時間，min；∑t2為鑄坯運(yùn)輸過程中在緩沖環(huán)節(jié)消耗的時間，min。

鑄坯運(yùn)輸時間是鑄軋界面重要的參數(shù)指標(biāo)，運(yùn)輸時間越短，鑄坯進(jìn)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(jìn)入到下一個工序之前，由于前后工序生產(chǎn)組織運(yùn)行不順暢，造成鑄坯堆積，從而導(dǎo)致鑄坯不能按時進(jìn)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(yùn)輸過程中等待的時間，min；t2為鑄坯運(yùn)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(yùn)輸過程中耗費(fèi)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(jìn)加熱爐前的排隊論模型

3. 1 鑄坯進(jìn)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(yùn)輸一般包括輥道、冷床、加熱爐等環(huán)節(jié)，鑄坯運(yùn)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(dá)服務(wù)臺（加熱爐）、排隊等待接受服務(wù)并在完成服務(wù)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(jìn)加熱爐前排隊系統(tǒng)模型

正常生產(chǎn)下，鑄坯進(jìn)加熱爐前的排隊過程具有以下特點(diǎn)：（1）從連鑄機(jī)輸送過來的鑄坯數(shù)量是有限的；（2）連鑄坯在進(jìn)入加熱爐前的上料臺架上進(jìn)行等待進(jìn)入；（3）鑄坯進(jìn)入加熱爐的輥道只有1條；（4）連鑄機(jī)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(wù)臺的服務(wù)時間為定長分布；鑄坯到達(dá)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(jìn)加熱爐前排隊系統(tǒng)可以抽象地認(rèn)為是單服務(wù)臺、服務(wù)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(shè)條件[16-17]：（1）系統(tǒng)中只有一個服務(wù)臺（加熱爐）；（2）顧客（連鑄坯）數(shù)量是有限的，顧客（連鑄坯）到達(dá)服務(wù)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(wù)臺服務(wù)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(xiàng)指標(biāo)為：（1）平均等待隊長L q ，即等待進(jìn)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(wù)臺的個數(shù)；μ為服務(wù)率，即單位時間內(nèi)到達(dá)的鑄坯數(shù)量，根/h。

由上式可知，ρ為平均在忙的服務(wù)臺（加熱爐）個數(shù)，也就是處于作業(yè)狀態(tài)的服務(wù)臺（加熱爐）數(shù)量，由于實(shí)際生產(chǎn)中服務(wù)臺（加熱爐）的作業(yè)率達(dá)不到100%，因此對于服務(wù)臺（加熱爐）來說，平均在忙的個數(shù)是小于實(shí)際的服務(wù)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(jī)，5號連鑄機(jī)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(jī)提升到入爐輥道；6號連鑄機(jī)與加熱爐成90°分布，鑄坯通過輥道先送至轉(zhuǎn)盤，通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)90°后運(yùn)至加熱爐，平面布置如圖2所示。

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

4. 1 鑄坯切割結(jié)束到加熱爐運(yùn)輸時間分布

表 1 和表 2 分別為一棒和二棒實(shí)測時間數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)從鑄坯切割開始計時，到進(jìn)入加熱爐結(jié)束。由于計算的是鑄坯進(jìn)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(jìn)入加熱爐時間這一項(xiàng)，見表1和表2?？傆媽?shí)測鑄坯數(shù)量為142根，其中，一棒實(shí)測鑄坯數(shù)量為75根，二棒實(shí)測鑄坯數(shù)量為67根。

由表1可知，6號連鑄機(jī)切割區(qū)域與1棒加熱爐之間運(yùn)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(dá)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(jī)切割區(qū)域與二棒加熱爐的之間運(yùn)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(jìn)加熱爐前排隊過程示意圖如圖4所示。

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

圖5為相鄰鑄坯進(jìn)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(jìn)加熱爐時間間隔平均為89 s。

圖6所示為二棒相鄰鑄坯進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jié)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(guān)指標(biāo)，結(jié)果見表4。

從表4的計算結(jié)果中可以看出，一棒材的平均在忙服務(wù)臺數(shù)為0.67個，不足1個，而服務(wù)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(dá)量為每小時40.45根，系統(tǒng)（加熱爐）的平均服務(wù)量為60根/h，服務(wù)量高于到達(dá)量，說明鑄坯的到達(dá)間隔較長，由表中計算結(jié)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(shí)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(dá)時間間隔為61.2 s計算，得出鑄坯的平均到達(dá)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(wù)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(shí)測數(shù)據(jù)可知鑄坯進(jìn)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(dá)加熱爐前的數(shù)量為190根，而實(shí)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(wù)臺個數(shù)ρ＝3.38，在排隊論模型中，ρ應(yīng)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(wù)臺數(shù)量為1，也就是說系統(tǒng)中只有1個服務(wù)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(wù)臺數(shù) ρ＝3.38 個，大于1，也就是平均在忙的服務(wù)臺數(shù)量大于系統(tǒng)中服務(wù)臺的總數(shù)量，基于以上兩點(diǎn)原因可以認(rèn)為，對于二棒材而言，鑄坯進(jìn)加熱爐前等待的過程應(yīng)用排隊論解釋是不恰當(dāng)?shù)?，因此能得出如下結(jié)論：對于直供或者更高層次的鑄坯運(yùn)輸方式（直軋）而言，由于生產(chǎn)組織安排得當(dāng)，生產(chǎn)節(jié)奏緊密運(yùn)行，此時鑄坯進(jìn)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(jié)論

（1）相鄰連鑄坯進(jìn)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(jī)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(jìn)加熱爐前的等待過程進(jìn)行分析，將此過程建立相應(yīng)的M/D/1排隊系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型

（3）應(yīng)用所建立的排隊論模型計算了唐鋼二軋廠連鑄坯進(jìn)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(shí)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(jìn)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(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。現(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?，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(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?；谡駝予T軋的基本理念，先后設(shè)計制造了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)踐價值?；诖?，科研團(tuán)隊進(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)隊申報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?，F(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值，為鑄軋過程中Kiss點(diǎn)高度的確定和軋制力的計算，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值。

不僅如此，科研團(tuán)隊還進(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。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，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)計時間，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)注本報紙質(zhì)報紙每期A版和B版內(nèi)容，或者登陸本報手機(jī)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(zhuǎn)載請注明出處。