燕山大學國家冷軋工程中心

創新成果展（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“河北省現代軋制技術與先進鋼鐵材料協同創新中心”和科技部“面向先進高強鋼板帶產業的科技服務業試點”。中心主要圍繞“產品質量精確控制”、“機械設備高效可靠”、“生產過程節能環保”三大主題，在板形板厚和表面質量控制、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權的科研創新成果，部分研究成果填補了國內空白。中心建有軋制/測控中試生產線、材料物理模擬、定量結構表征（中-丹聯合實驗室、YSU-FEI聯合實驗室）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計劃、國家自然科學基金重點及企業重大項目等大批研究與開發任務，是一個集工程化技術研發、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，使液態金屬在極短的時間內凝固并熱成型，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的鋼材生產方法，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，真正實現了“一火成材”，大幅度縮短了鋼鐵材料的生產工藝流程。相比于傳統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%，節約能耗50%以上，節約設備投資約70%，使每噸鋼材的生產成本降低1/3，并且鑄軋薄帶產品組織更為致密，強度硬度高，產品靈活，利用其急冷凝固的特性，還能夠生產一些普通工藝難以生產的合金產品。但鑄軋技術遲遲沒有實現大范圍產業化，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，現有換熱模型并不能準確地描述輥面接觸各個區域（液相區、坯殼區、軋制區等）的換熱規律，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要求。

舊式鑄軋機普遍采用恒定輥縫技術，該工藝調節能力差，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，如在線調控系統、布流系統、側封系統、輥縫輥形調節系統等，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化。

3）對于熔池區的金屬液流動規律把握不足。

雙輥薄帶鑄軋是一個高度耦合的復雜問題，其熔池內部液體的傳熱和流動規律隨邊界條件的細微改變都可能會產生很大的影響。現有鑄軋技術下金屬液面的波動和攪動較大，內部流場和溫度場不穩定，特別是針對高溫熔池內部流動規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展。因此，研究需針對熔池流場核心問題，利用相關試驗和數學模型，進一步把握熔池內部和液面的流動規律。

4）鑄軋帶坯質量不穩定。

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。鑄軋薄帶產品非常容易出現夾層裂紋、橫縱向以及斜向裂紋。現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部的溶質分布進行控制，現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。

6）凝固組織柱狀晶區面積大，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

基于鑄軋技術在現階段存在的諸多關鍵性問題，燕山大學科研團隊首創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生；②通過振動在軋制變形過程中向變形區施加剪切應力，增加鑄軋塑性變形區的變形激活能，從而促進軋制變形過程的動態再結晶效果，進一步細化晶粒；③振動可以改變鑄軋熔池區的流場，對熔池區施加類似攪拌的效果，促進凝固過程中溶質的擴散，從而改善偏析問題。基于振動鑄軋的基本理念，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。基于此，科研團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，并自主設計研發了偏心套振幅可調式鑄軋激振系統，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軋制階段向變形區施加額外的剪應變，從而增加變形區的變形激活能，強化變形區的動態再結晶效果，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象，增強板坯質量。

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明專利，并根據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、振動鑄軋碳鋼板材試驗等一系列相關研究，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律，掌握了振動鑄軋的一系列工藝參數的影響。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新研究

雙輥薄帶鑄軋工藝與傳統的連鑄工藝和軋制工藝并不相同，金屬液在熔池內部高速流動、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，傳統的準靜態凝固理論將不再適用。現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法，即人為給定一個介于4-23kW/(m2·K)間的常數，作為換熱邊界條件，模型精度較差。

雙輥薄帶鑄軋過程中，鑄軋輥與熔池內金屬熔液存在固-液接觸和固-固接觸兩種接觸狀態，不同的接觸狀態其界面換熱系數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律，基于鑄軋澆鑄工藝的特點，以Kiss點為界，將熔池接觸區分為軟性接觸區和剛性接觸區兩部分，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據，反推出了導熱系數，從而構建了軟性接觸區的界面換熱模型。通過耦合固態變形區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產生的電磁壓力與鋼水靜壓力變化規律一致，大小相當，形成的側封液面較為平整，優于已有設計。在此基礎上，建立了電磁側封二維和三維數值模型，分析了線圈安匝數、頻率、空氣隙、線圈布置形式以及磁極伸出量對熔池內電磁壓力的影響。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，可以提高側封質量。還首次建立了電磁側封磁流耦合數值模型，研究了電磁側封磁場對熔池內鋼液流動的影響。并通過VOF液面追蹤法，計算了熔池內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世紀冶金工業最具發展潛力的高新技術，具有短流程、低能耗、投資少等特點。其工業化應用研究一直受到國內外科技界的高度關注，一旦形成穩定生產能力必將對全球的冶金行業產生重要影響。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化、產業化進程，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部分內容，若要詳細了解更多相關行業和技術信息，請關注本報紙質報紙每期A版和B版內容，或者登陸本報手機APP客戶端，或者本報網站新址：http://www.worldmetals.com.cn/電子報閱讀全文。轉載請注明出處。