双辊薄带振动铸轧机理及其仿真实验

杜凤山;孙明翰;黄士广;魏洁平;黄华贵;许志强

【摘要】A set of?160 mm×150 mm vibration casting machines were designed and manufac-tured in order to carry out the research on the product quality of twin roll strip casting processes.The effects of vibrations on the crystal nucleation and cast microstructure were studied.The distributions and growth rules of the cast microstructures in the solidification zones under the conditions of vibra-tion and non-vibration were compared and analyzed.It is pointed out that improving the vibration fre-quencies may effectively promote the grain refinement.At the same time,according to the require-ments of industrial experiments,a three-dimensional flow field-temperature field coupling finite ele-ment simulation model of molten pools was established by using CFD software.The results show that increasing the vibration frequencies and amplitudes may enhance the"mixing"effects of the cast roll-ing molten pools,which may promote the grain refinements and restrain the segregations.It is found that the solidification point positions(i.e.Kiss point height)are not distributed along the width direc-tion of the plates in the castrolling processes.As a result,the longitudinal inhomogeneous extensions are the direct factors to induce the cast rolling oblique cracks.And the Kiss point position will be moved up with the increase of the amplitudes and the frequencies.%针对双辊薄带铸轧过程存在的产品质量问题进行研究,设计制造了一套?160 mm×150 mm振动式铸轧机.研究了振动对结

晶形核及其铸态组织的影响,对比分析了振动与非振动条件下凝固区铸态组织分布及其生长规律.指出提高振动频率能够有效促进晶粒细化.同时,按工业化实验要求,利用CFD软件建立了熔池的三维流场温度场耦合有限元仿真模型,仿真结果表明,增大振频和振幅均能强化铸轧熔池场的"搅拌"效果,进而促进晶粒细化、抑制偏析.通过仿真还发现,铸轧过程中,凝固点位置(即Kiss点高度)沿板宽方向分布不均所导致的纵向不均匀延伸,是诱发铸轧斜向裂纹的直接因素,并且Kiss点位置会随振频和振幅的增大而上移.

【期刊名称】《中国机械工程》

【年(卷),期】2018(029)004

【总页数】8页(P477-484)

【关键词】振动;双辊铸轧;铸态组织;晶粒细化;Kiss点

【作者】杜凤山;孙明翰;黄士广;魏洁平;黄华贵;许志强

【作者单位】燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,秦皇岛,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,秦皇岛,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,秦皇岛,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,秦皇岛,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,秦皇岛,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,秦皇岛,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004

【正文语种】中文

【中图分类】TG3

0 引言

双辊薄带铸轧技术被认为是21世纪冶金工业最具发展潜力的高新技术，具有短流程、低能耗、投资少等特点，其工业化应用研究一直受到国内外科技界的高度关注，一旦形成稳定生产能力，必将对全球的冶金行业产生重要影响。该技术是以两个逆向旋转的轧辊作为结晶器，将熔融状态下的金属通过中间包注入铸轧辊熔池，通过铸造-轧制直接生产薄带的新工艺。由于双辊薄带铸轧是在高温快速凝固条件

下发生的，因此极易出现裂纹、偏析、夹层和组织性能难以控制等一系列板坯质量问题[1]。为此，本课题组首次提出了双辊薄带振动铸轧新技术，研究在铸轧过程

中引入振动源以控制晶核形成和晶粒细化，提高产品组织性能。

振动已经在铸造方面获得了广泛的应用，早在1868年俄国人Chernov就通过在

铸造过程中施加机械摇动振型的方式获得了细小晶粒的铸件[2-3]。WANG等[4]

研究了振动频率对铸造铝合金的影响，认为铸造过程中施加振动和冲击能击碎枝晶。MIZULANI等[5]通过电磁的方式施加振动，发现镁合金和铝合金凝固过程中施加

振动都能够显著地细化晶粒。张德恩等[6]研究了机械对铝合金铸造凝固过程中组

织性能的影响，得到了相对于非振动更为细小的晶粒组织。目前，振动已经在塑形成形、复合材料制备以及焊接等多个领域得到了广泛的应用。考虑双辊薄带铸轧是在高速冷凝条件下进行的，通过振动不仅能促进枝晶形核，还能促进形变诱导晶粒细化。本课题组设计制造了一台φ160 mm×150 mm双辊薄带振动铸轧机，并进行了铝合金振动铸轧物理模拟实验。

1 实验

1.1 双辊薄带振动铸轧机及其原理

为研究振动对薄带铸轧组织性能的影响，课题组自主设计研发了φ160 mm×150 mm双辊薄带振动铸轧机(图1)，图1a给出了铸轧机振动铸轧原理，左侧结晶辊固定转动，右侧结晶辊振动加转动，形成振动铸轧。

1.2 实验结果分析

经铸锭振动凝固实验验证振动在凝固过程中的影响后，在铸轧实验机上进行振动铸轧实验，以研究振动对铸轧过程的影响。实验材料为AlSi9Cu3铸造铝合金，其化学成分见表1，开浇温度为605 ℃，出口侧薄带厚度为4 mm，轧辊线速度为50 mm/s。如图2所示，铸轧板坯存在明显的振痕，说明在铸轧过程中由于轧辊振动产生了反复搓轧的作用效果，通过双向反复搓轧增大了凝固区剪切变形量，易于促进铸轧过程动态再结晶的形成和晶粒细化。其中，板坯表面振痕可在后继精轧区消除。由图2b和图2c可知，随着振动频率的增大，带坯表面振痕变密，单位长度内振痕数增加，说明提高振动频率可增加板坯单位长度内的搓轧次数，增强剪切效果。

为进一步研究振动频率特性对晶粒细化效果的影响，在该铸机振动实验平台上进行了铸锭振动凝固实验。实验过程如下：将铸轧机的振动侧辊系拆下，将通有循环冷却水的20 mm×30 mm金属模具放置在振动平台上，在振动条件下向模具中注入熔融铝合金，静待其冷却凝固，之后水平切开凝固方坯，腐蚀后观察其凝固组织。实验以AlSi9Cu3铸造铝合金为研究对象，开浇温度为605 ℃，振动参数如下：振频f为0、10 Hz、20 Hz、30 Hz，振幅A为0.2 mm。所得振动凝固组织如图3所示。图3a给出了无振动条件下的粗大枝晶的形貌，图3b～图3d给出了振幅为0.2 mm时振频对晶粒度的影响。

1.左侧固定结晶辊

2.浸入式水口

3.右侧振动结晶辊(a)单侧辊振动铸轧原理

(b)振动铸轧机图1 φ160 mm×150 mm振动式薄带铸轧机Fig.1 φ160

mm×150 mm vibrationroll-casting machine表1 AlSi9Cu3铝合金质量分数Tab.1 Mass fraction of AlSi9Cu3 %

SiMgMnZnCuNiTi9.00.30.61.23.00.50.2

(a)非振动铸轧带坯表面 (b)振动铸轧带坯表面(f=10 Hz)

(c)振动铸轧带坯表面(f=20 Hz)图2 不同振动条件下的铸轧带坯表面Fig.2 Surface of cast rolling strip under different vibration conditions

(a)f=0(b)f=10 Hz

(c)f=20 Hz(d)f=30 Hz图3 不同振动工艺下的铸锭凝固实验结果Fig.3 Experimental results of ingot solidification under different vibration conditions

如图3a所示，柱状晶致使铸件产生各向异性、偏析加重、变形性能变差，且由于模具急冷造成铸锭温度场突变过快，因而出现了明显的热裂纹，热裂纹沿着柱状晶晶界开裂且不易消除，严重影响铸锭的二次加工。当引入振动源后(图3b)，铸锭

内部的柱状晶区域明显缩小，且边界层柱状晶组织得到明显细化，除此以外，铸锭芯部出现了部分等轴晶区，等轴晶组织第二相分布均匀，缺陷少，具有较好的力学性能。然而低频激振下，凝固组织中形核率较低，因而等轴晶区晶粒较为粗大，且在边部区域依然有裂纹的存在。由图3c和图3d可明显看出，随着振动频率的增大，形核率也显著增大，芯部等轴晶区面积增大，且晶粒数增多，晶粒也更加细小。这主要是由于振动作用，枝晶臂的生长受到抑制，枝晶臂无法向〈0 0 1〉方向延伸，因而形成等轴晶组织，且随着晶核数量的增加，芯部等轴晶得到了明显细化。当振动频率达到30 Hz时，可得到近似全等轴晶组织。

如图4所示，为研究振动铸轧对晶粒度的影响，在铸轧实验过程中采用急停(E-stop)工艺进行熔池区凝固实验，以此获得振动与非振动条件下的熔池凝固组织，

从而进一步分析振动对铝液凝固过程的影响。

(a)非振动铸轧(b)振动铸轧图4 熔池区凝固组织宏观形貌图Fig.4 Macrostructure of solidification structure in molten pool

实验结果表明，非振动条件下铝合金熔池区的宏观组织金属流线呈非常明显的人字形，柱状晶十分发达，几乎布满整个横截面。两侧柱状晶组织由辊面边界层向熔池芯部延伸并融合于熔池中心线附近。粗大的柱状晶会导致铸轧板坯呈现各向异性，易于产生宏观裂纹，并且容易加重中心层偏析的倾向，如图4a所示。其原因在于随着金属液注入熔池，在带有循环水冷却系统的结晶辊作用下，金属液温度迅速降低，垂直于结晶辊方向的温度梯度最大。在这种冷却条件下，晶粒有沿〈0 0 1〉

方向择优取向生长的趋势，形成垂直于轧辊的粗大柱状晶[7]。图4b所示为振幅0.2 mm、振频30 Hz时熔池区的宏观组织。振动使金属流线发生了变化，晶粒沿垂直轧辊方向生长的趋势被终止，粗大柱状晶规模大幅度减小，熔池区芯部出现了一定范围的细密的等轴晶组织。由此可知，高频振动对熔池芯部产生了扰动的效果，终止了晶粒沿〈0 0 1〉方向延伸生长的趋势，出现了不完全的动态再结晶晶粒，

柱状晶明显减少，形成了更多的等轴晶组织，从而可以起到提高板坯质量、抑制组织成分偏析的作用。

2 铸轧过程工业化仿真

由实验可知，振动会使铸轧熔池区产生扰动，具有类似“搅拌”的效果，改变了原有的宏观金属流场，抑制柱状晶的长大，提高形核率，从而使凝固区形成更多的等轴晶组织。同时还能细化晶粒，抑制晶界间的组织成分偏析，大幅度提高铸轧板坯的整体质量，因而需要进一步通过有限元进行铸轧过程的工业化仿真来探究振动对熔池区流场及温度场的影响，并确定其间的量化关系，从而指导本课题组自主研发φ500 mm×350 mm振动铸轧机的相关工作。

2.1 仿真模型的基本假设

(1)不考虑熔池偏析和组织间相变放热对熔池内凝固过程的影响。

(2)由于振动频率小于或等于30 Hz，铸轧过程不出现脱坯现象，因此假设铸轧辊表面与凝固坯壳之间无滑移。

(3)金属材料假定的黏度与热导率为只与温度相关的函数。

(4)铸造区或轧制区垂直断面上,金属质点的纵向流动速度一致,故变形前后横断面总保持为平面而无扭曲,其应变均匀分布，故横断面上无剪切应力作用。

(5)准稳态假设。考虑到熔池内自由气体的原因，模拟过程中采用了VOF模型，但是VOF模型只适用于瞬态计算，故给出了准稳态假设。

2.2 仿真条件

CFD仿真模型中所研究的材料为AlSi9Cu3铸造铝合金，与实验保持一致，该铝合金物性参数以及外界空气物性参数分别见表2、表3。

表2 实验用铝合金材料热物性参数Tab.2 Thermophysical parameters of aluminum alloy materials used in the experiment密度(kg/m3)质量热容

(J/(kg·K))固相线(K)液相线(K)潜热(J/kg)2625970777858.3417000

表3 空气热物性参数Tab.3 Thermophysical parameters of air密度(kg/m3)质量热容(J/(kg·K))黏度(Pa·s)热导率(W/(m·K))1.2251006.431.7894×10-50.039 2.3 仿真模型

模型的主要参数及环境参数见表4。

由于模型中存在一侧铸轧辊的振动，因此会存在流场形状由于边界运动而随时间改变的问题，故应采用动网格模型求解。初始网格应用结构网格划分的方式，划分好的网格如图5所示。

表4 仿真模型参数及环境参数Tab.4 Parameters and environment parameters of the simulation model铸辊直径(mm)500外界温度(K)300铸速(mm/s)50外界压力(Pa)101325接触角(°)45水口角度(°)45带坯厚度(mm)4振幅

(mm)0,0.05,0.10,0.15,0.20,0.30浇铸温度(K)878.3频率(Hz)0,10,20,30

图5 铸轧熔池场结构网格Fig.5 Grid structure of the molten pool

模型中设定板带坯的初始出口速度为50 mm/s，初始熔池场液态铝合金温度为825 K，液面上部空气温度为298 K，熔池区液面初始高度为350 mm。

入口边界条件可根据出口流速、辊缝厚度、布流器宽度以及拉坯速度计算得出。布流器入口Y向速度为-5 mm/s，X向速度为0，入口温度设定为浇铸温度Tinl>Tc。铸轧时，出口速度等于拉坯速度，且出口速度均匀，Y向速度大小为-50 mm/s，

其他方向出口速度为0。由于液态铝合金优先在铸轧辊表面凝结为坯壳，因此熔池区拉坯速度和轧辊瞬时切线速度相同，故拉坯速度vpul=vout。

根据文献[11]，振动会引起熔池内金属液和铸轧辊间气膜厚度的变化，从而影响辊面传热系数，因而辊面传热系数应充分考虑铸轧过程中金属凝固对铸轧辊与坯壳之间的气隙造成的影响，振动对辊面接触热阻的影响以及轧制力对熔池的挤压的影响。故采用文献[8]中辊面与熔池接触面处的传热系数公式：

(1)

式中，λgap为气膜热导率；fv为与表面粗糙度有关的体积分数；di为铸辊表面粗糙度，m；ph为不同位置处气体所受金属液体的静水压力；Tg为气体的平均温度，K；Tmi为浇铸前铸辊表面温度，K；l为气膜厚度的影响因子；Rc为融液与铸轧

辊接触处热阻；为发射率；Trol为铸辊表面温度，K；T为熔池内金属液体温度，K；β为液相分数；p0为大气压力。

各参数的取值见表5。铸轧辊与熔池内液态铝合金的传热系数按照式(1)以udf定

义导入FLUENT进行计算。布流器外表面设置为绝热边界条件。

表5 辊面传热系数参数取值Tab.5 Parameters of heat transfer coefficient of roll surfaceεsfvεmdi(μm)Trol(K)Tmi(K)Rc(m2·K/W)0.80.50.56.34733006×10-

3 铸轧过程工业化仿真结果分析

3.1 振动对熔池中心线处速度的影响

熔池中心线处速度的大小一定程度上可以反映熔池内部的流场情况，是对熔池心部“搅拌”效果的一个量化标称。图6为振幅A=0.1 mm、不同振频下熔池中心线上各测速点的水平方向速度图，振动侧方向为速度正方向。由图6可知，传统的铸轧达到稳定状态后，熔池场中心线处水平方向的速度近似为零，故传统铸轧熔池芯部的液体基本不流动。而当振动铸轧达到稳态时，熔池中心线处水平方向速度不为0(板带出口位置点除外)，且距离带坯出口越远，速度越大。对比不同振频下熔池中心线处水平方向的速度可知，在振幅一定的情况下，振动频率的增大会使水平方向的速度变大，说明振动可以使熔池产生“扰动”，且振频越大，这种“扰动”效果越强烈。

图6 不同振频时熔池中心线上水平方向速度图Fig.6 Horizontal velocity on the center line of molten pool at different frequencies

传统铸轧熔池的内部容易形成夹杂物的沉积，最终导致铸轧出的板带存在偏析、裂纹等缺陷，影响板带质量。由熔池中心线处水平方向的速度不为零可知，在振动铸轧中，结晶辊的振动会对熔池产生“扰动”效果，影响其流场，使夹杂物在振动的效果下游离到熔池其他部位，而非沉积于熔池芯部。游离的夹杂物可以抑制柱状晶的生长，形成更多的等轴晶晶粒。另外，形成强制对流的效果使得熔池与铸轧辊的换热加快，有利于熔池边部极冷晶的形成。

图7为振频f=10 Hz、不同振幅时熔池中心线上水平方向速度图。对比图6和图7可知，振幅的增大比振频的增大对熔池中心线上水平方向的速度影响更大，因此增大振幅可以使熔池产生更强烈的“扰动”效果。

图7 不同振幅时熔池中心线上水平方向速度图Fig.7 Horizontal velocity on the center line of molten pool at different amplitude

3.2 振动铸轧熔池区温度场分析

图8为振幅A=0.1 mm、不同振频条件下的熔池区温度场示意图，图中黑色横线标记了不同振频时凝固终了点(即Kiss点)的纵坐标值。由图8可知，振动频率的提高可使Kiss点位置上移，从而提高铸轧速度的极限值，提高生产效率。

图9为振频f=10 Hz、不同振幅下的铸轧熔池区温度场示意图。由图9可知，Kiss点位置随振频的变大而上移。综上所述，增大振频和振幅均能不同程度地提高辊表面的换热，从而提高生产效率。

不同振动条件下Kiss点与铸轧带坯出口位置距离见表6和表7。对比可知，Kiss 点位置会随振频和振幅的增大而上移，这是因为振动会加强熔池场铝液的流动性，从而加强铝液与结晶辊之间的换热。振动越强烈，即振频和振幅越大，理论上换热越快，Kiss点上移的距离越大。同时，由图8和图9可知，凝固终了曲线的形状与二次抛物线相似，这表示在施加振动后，熔池区温度整体下降而不是单纯熔池与结晶辊接触的部分温度下降，说明振动对熔池内铝液的整体流动性产生了影响，而不仅是单纯增强了结晶辊表面的换热。

3.3 铸轧温度场的数值模拟分析

图10为三维铸轧模拟图，是铸轧熔池1/2模型的计算域。

图11为三维铸轧熔池场铝合金溶液浇铸过程的温度分布图。为了更加详细地讨论熔池内的

(a)无振动

(b)f=10 Hz

(c)f=20 Hz

(d)f=30 Hz图8 振幅为0.1 mm、不同振频时铸轧带坯熔池温度场Fig.8 Molten pool temperature field at different frequencies when the amplitude is 0.1 mm

温度分布情况，在CFD模型中选择了2个特殊的温度场截面。截面1选取熔池场的纵向对称面，截面2选取距离熔池横向对称面方向170 mm处的横截面。整个温度场分为大气相、铝合金固态和铝合金液态相三个相区。

(a)无振动

(b)A=0.1 mm

(c)A=0.2 mm

(d)A=0.3 mm图9 振频为10 Hz、不同振幅时铸轧带坯熔池温度场Fig.9 Molten pool temperature field at different amplitude when the frequencies is 10 Hz

由图12a可以看出，CFD模型中铸轧过程Kiss点位置沿板坯宽度方向(即图10中Z方向)上下波动，但位置始终保持在带坯出口位置上方。

表6 振频对Kiss点距轧辊中心线距离的影响Tab.6 Effect of frequency on Kiss point position序号振幅(mm)振频(Hz)Kiss点距轧辊中心线距离

(mm)10050.620.11054.640.12058.950.13060.1

表7 振幅对Kiss点距轧辊中心线距离的影响Tab.7 Effect of amplitude on Kiss point position序号振频(Hz)振幅(mm)Kiss点距轧辊中心线距离

(mm)10050.62100.154.64100.258.65100.359.8

图10 三维铸轧模拟图Fig.10 3D roll-casting simulation

图11 铸轧熔池温度场Fig.11 Temperature field of molten pool

从布流器流出的液态铝合金会有部分流至侧封板和液面附近，从而提高该位置的温度值，避免因侧封板与液态铝合金之间发生换热而使铝合金凝结为固态相，进而防止了轧卡事故的发生，并且熔池内金属液的流动可以有效抑制铸轧带坯组织成分偏析的问题。

(a)熔池场的纵向对称面

(b)距离熔池横向对称面方向170 mm处的横截面图12 铸轧熔池温度场截面Fig.12 Temperature field section of molten pool

铸轧过程中，Kiss点位置沿板坯宽度方向上下波动会导致结晶后的轧制过程压下量沿板坯宽度方向分布不平均，进而影响轧制力在板坯宽度方向上的分配。因板坯受力不均而引起的纵向不均匀延伸是形成宏观裂纹的一个主要因素，会严重影响铸轧板坯的质量。

Kiss点位置在板坯宽度方向上产生波动很大程度上是布流器制造工艺的问题。在CFD模型中，根据实际生产条件，应用的是楔形布流器。在浇铸过程中，液态铝合金从水口流出，水口正下方流速快，铝合金熔液更新也快，水口与水口之间流速慢，铝合金熔液更新也慢，致使液态铝合金沿板坯宽度方向温度分布不均，金属液更新快的位置温度高，反之温度低。致使在相邻的两个水口之间的位置，Kiss点距离带坯出口位置的距离比距水口的距离要小。同时，液态铝合金自布流器端口流出，至侧封板附近时，被侧封板引流，直接流向侧封板下部，因而侧封板附近Kiss点的位置也相对较低。若希望减少此现象的危害，控制板坯的宏观裂纹，提高板坯质量，则需要重新对布流器进行设计，尽量保证熔池区流场沿板坯宽度方向分布均匀。

由图12b可知，布流器下方为温度均匀稳定的液相区。这是由于液态铝合金自布流器水口流出后，经结晶辊辊面的引流作用，流至布流器下方，形成漩涡。之后随着结晶辊的转动，带动金属液向下流动，但是熔池区的横向宽度越来越小，导致部分金属液回流到布流器下方，进一步形成漩涡，形成类似“搅拌”的效果，如图13中金属液流线所示。此漩涡对促进铸轧熔池区组织成分均匀化和抑制偏析有重要作用。漩涡下部存在对Kiss点位置的冲击，可以起到类似“轻压下”(soft press)的效果，破坏凝固终端形成的“搭桥”及封闭的液相穴，从而抑制中心偏析及中心缩松，提高板坯质量。

图13 铸轧二维熔池场流线图Fig.13 2D flow chart of molten pool

4 结论

(1)利用铸轧熔池区凝固实验，通过对比非振动与振动状态下的熔池区凝固组织，发现高频振动会对熔池芯部产生扰动效果，打破晶粒沿〈0 0 1〉方向延伸生长的趋势，阻碍粗大柱状晶的生成，形成更多的等轴晶组织，验证了振动对提升铸轧板坯质量有良好的效果。

(2)利用铸轧实验，对比振动与非振动条件下的铸轧板坯，发现振动条件下板坯表面存在明显振痕，说明在铸轧过程中轧辊振动会产生搓轧效果，从而促进动态再结晶过程，细化晶粒，改善板坯质量，并且有助于减小轧制力，减少轧辊磨损。(3)振频和振幅的增大均能强化铸轧熔池区“搅拌”的效果，从而促进铸轧熔池内溶质成分的均匀分布，同时加快熔池内金属液与结晶辊辊面的换热，致使凝固终了曲线上移，有利于提高铸轧的生产效率。

(4)振动铸轧熔池区温度场研究结果表明，Kiss点位置会随振频和振幅的增大而上移。

(5)通过CFD模型对熔池区温度场进行了分析，发现了铸轧过程中Kiss点高度沿板坯宽度方向分布不均这一现象，并探讨了铸轧熔池区内金属液漩涡的成因及对铸轧过程的影响。

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MENG Zheru. Effect of Oscillation on Flow Field and Temperature Field during the Twin-roll Strip Casting Process [D]. Qinhuangdao：Yanshan University, 2014.

金属材料短流程、近终形的生产工艺

金属材料短流程、近终形的生产工艺连铸近终形连铸（Near-Net-Shape Continuous Casting）是指使连铸坯的断面尺寸在保证钢材性能、质量的前提下，尽量接近最终钢材断面的形状、尺寸。近终形生产工艺打破了传统的材料成形与加工模式，缩短了生产工艺流程，简化了工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生产，提高生产效率。近终型、短流程的成形加工技术具有高效、节能等特点，在技术上突出的特点是缩短加工周期，尽量减少变形量或者后续加工环节，由金属熔体直接得到所需的制品或近似的制品，同时，这些制品还具有现有加工方法所生产制品的性能和组织，这可大大减少后续挤压、轧制和压铸等耗能大、投资大、用工多的加工过程。近终形连铸技术是金属材料研究领域里的一项前沿技术,它的出现为冶金业带来了革命性的变化,改变了传统冶金工业中薄型钢材的生产过程。它主要包括薄板坯连铸技术、薄带连铸技、喷雾沉积技术等。目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，而大多数薄带坯连铸技术仍主要处于实验室研究阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。日本预测，到2020年，在连铸技术领域，传统连铸占40％，薄板坯连铸占50％，薄带坯连铸占10％。 1 薄板坯连铸技术薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。世界上第一台薄板坯连铸机于1989年在美国Nucor公司的Crawfordsville工厂投产。薄板坯的厚度通常为40-50mm，是传统连铸板坯厚度的1/3-l/6。因此，生产过程中可取消粗轧机而直接进入精轧机。普通连铸的吨钢投资为800-1200美元，而薄板坯连铸的吨钢投资只有300-500美元，经济效益十分巨大。1984年，原联邦德国sehloemansiemagsMS公司在高度保密的情况下，着手开始研究薄板坯连铸技术，1986年取得重大进展，1989年第一条薄板坯连铸生产线在美国Nucor 公司正式投产。几年内，薄板坯连铸技术席卷全世界，有几十条薄板连铸生产线已投入工业化生产。就北美而言，就有11条生产线于1995年和1996年正式投入工业生产。其中，NorthSta:steel/BHP于1995联合企业投资4亿美元，建一条年产150万吨钢的生产线；IPSCO公司将投资3.6亿美元，建一条年产100万吨钢的生产线，于1996年投产。目前世界上已开展的薄板坯连铸连轧工艺有：①由德国西马克公司开发的CSP工艺；②由德国德马克公司开发的ISP工艺；③由德国西马克公司、蒂森公司和法国的于齐诺尔公司一起开发的CPR工艺；④意大利达涅利公司开发的薄板坯连铸连轧工艺等。此外，美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的TSP技术都陆续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。薄板坯连铸连轧工艺今年来在中国也有很大的发展，北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连铸机，安装在兰州钢铁集团公司。1999年8月26日，

连续铸轧技术综述

连续铸轧技术综述摘要：本文简述了连续铸轧技术基本原理、双辊式薄带连续铸轧工艺特点，并讨论了一些工艺参数对铸轧坯料质量的影响。介绍了连续铸轧技术当前国内外发展应用现状，在此基础上展望了连续铸轧技术的难点及未来研究方向。 1.前言 19 世纪中叶，Henry Bessemer 发明了双辊铸轧薄带技术，并将此技术进行专利申请，之后各国科研人员便开始对这项技术进行研究。随着这些年来其他相关领域的技术的持续发展，这一设想才变为现实。双辊式薄带铸轧技术是目前最热门、最有潜力的技术，近几十年这一技术在实验室才得以实现。一些发达国家对双辊铸轧技术的研究处于领先地位，已经率先实现工业化生产。相对于发达国家来说，我国的发展速度较为缓慢，对该技术的研究仍处于实验室生产阶段。双辊式连续铸轧薄带是以液态金属为原料，将其倒入旋转方向相反的两个铸轧辊之间，并以铸轧辊为结晶器，用液态金属直接生产金属薄带的一个完整的生产过程。其工艺特点是将铸造和轧制这两道工序在同一台设备上实现合二为一，与传统热轧工艺相比减少了工序，简化了生产设备，降低了生产成本，节约了能源。因此，这一项技术的研究在工业合金板材生产中十分重要。 2.双辊式薄带铸轧技术的发展概况 2.1 国内铸轧技术的发展从 20 世纪 50 年代至今，我国的科研人员就一直对薄带铸轧技术进行研究工作。在经历了几十年的科研努力后，我国已经将双辊薄带连铸技术实现了实验室内的生产，目前正在向其工业化生产进行努力。我国国内的洛阳铜业有限公司，首次实现了双辊薄带铸轧技术的商业化开发[1]，并于 2005 年试验性地轧制出了变形镁合金薄带。 1960 年前后，经过东北大学与其他研究机构的努力合作，在长春建立了双辊式薄带铸轧生产试验线，并且成功地铸轧出了碳素钢、硅钢和高速钢板带，在这些实验中，高速钢的成果比较理想。我国前两台双辊式异径铸机都是由东北大学在上世纪 80 年代设立完毕，且东北大学的研究者分别用此设备成功的铸出了能加工出合格工具的高速钢薄带原材料。在之后几年时间里，同时也在国家政策的扶持下，东北大学又建立了两条不同的试验线，分别是一条异径双辊连铸薄带试验线以及一条等径双辊薄带铸轧试验线，这两条试验线同时也分别成功地铸出了 W6 高速钢薄带以及厚度为1mm-5mm

双辊薄带铸轧中心线偏析机理与实验研究

双辊薄带铸轧中心线偏析机理与实验研究杜凤山;吕征;黄华贵;许志强;安仲健【摘要】以薄带铸轧中心线偏析问题为研究对象，从宏观和微观角度分析铸轧薄带芯部偏析的成因与机理，建立完全耦合溶质场、流场、温度场的数学模型。通过数学模型对铸轧铝合金熔池中的Fe、Mn元素分布进行研究。结果表明：理论研究与实验结果基本吻合。熔池区凝固组织以柱状晶形式沿〈001〉方向迅速生长，同时溶质成分逐渐偏聚于熔池芯部区域，并在Kiss点区域达到最大值。其中Fe元素在Kiss点区域的含量明显高于其他区域的，完全凝固后易产生中心线偏析。随着铸轧速度的提高，辊缝宽度增大，中心线偏析趋势增强。%The problem of casting Al-alloy strip was studied, the mechanism of as-cast strip centerline segregation was analyzed from the perspective of macro and micro, and a mathematical method was developed which completely couples solute field, flow field and temperature distribution. The distributions of Fe and Mn in the Al alloy molten pool were figured out by the mathematical method. The results show that the theoretical calculation agrees well with the experimental results. The solidification structure grows along 〈001〉direction rapidly by the form of columnar crystal. Meanwhile, the solute elements are focused gradually in the kern zone, and the maximum value is gotten at the Kiss point zone. In particular, Fe content of the Kiss point zone is much higher than the average value, and centerline segregation appears after solidification. The centerline segregation tends to increase with the increase of casting speed and roll gap.

SUS304不锈钢高温力学性能的物理模拟.

304 不锈钢高温力学性能的物理模拟关小霞田建军杨健指导教师：杨庆祥胡宏彦博士燕山大学材料科学与工程学院摘要：采用Gleeble-3500热模拟试验机对304 不锈钢的高温力学性能进行了物理模拟。对模拟结果中应力-应变曲线进行分析，并结合断口附近组织形貌的观察，得出结论：金属的极限应力随温度升高呈下降趋势；在δ-Fe向γ-Fe转变的某一温度，金属塑性急剧下降；对断口附近金相组织及SEM分析，推测晶界处可能存在着元素偏聚或析出相现象。关键词：304不锈钢；力学性能；物理模拟 1.前言：双辊铸轧不锈钢薄带技术是目前冶金及材料领域的前沿技术之一[1]，是直接用钢水制成2-5mm厚薄带的工艺过程。该技术可以大大简化薄带钢的生产流程，降低生产成本，并形成低偏析、超细化的凝固组织，从而使带材具有良好的性能，被公认为钢铁工业的革命性技术[2、3]。但是，不锈钢经铸轧后，薄带表面会形成宏观的裂纹，从而降低不锈钢薄带的力学性能，影响其质量[4-6]。国内外在双辊铸轧不锈钢薄带技术上已经开展了一些研究工作。文献[7]对比了铸轧铁素体和奥氏体不锈钢薄带；文献[8、9]对铸轧304不锈钢薄带过程中高温铁素体的溶解动力学进行了研究；文献[10]对不锈钢薄带铸轧过程中凝固热参数和组织进行了研究；文献[11-14]对不锈钢薄带铸轧过程中的流场和温度场进行了数值模拟；文献[15]对铸轧304不锈钢薄带的力学性能进行了研究。文献[16]对304不锈钢在加热过程中的高温铁素体形核与长大和夹杂物在固－液界面的聚集进行了原位观察；文献[17]对薄带铸轧溶池液面进行了物理模拟；文献[18]对铸轧不锈钢薄带过程的凝固组织、流场、温度场及热应力场进行了数值模拟。但是，缺少对铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理、演变规律以及预防措施方面的研究。在高温性能物理模拟方面，国内外也有不少研究。文献[19]应用THERMECMASTOR-Z热加工模拟机对奥氏体不锈钢的高温热变形进行了模拟试验；文献[20]利用Gleeble-1500试验机对铸态奥氏体不锈钢在1000-1200℃温度区间进行了热压缩试验；文献[21]从位错理论角度出发，对高钼不锈钢热加工特征与综合流变应力模型进行了研究。但是，对铸轧不锈钢薄带高温力学性能的物理模拟方面的研究却极少。

连铸机毕业设计

摘要绪论 1.4 连续铸钢技术的介绍 1.4.1 连续铸钢技术的发展连续铸钢技术发展已有150多年，现已成为钢水造块的主体工艺。世界上先进的主要产钢国家的连铸比已达到95%以上。近20年来我国的连铸技术发展迅猛，在成熟的生产技术应用、新技术的开发、应用基础研究等方面发展的都很快，连铸机保有量和连铸坯产量已占世界第一。与我国钢铁工业在世界上的低位一样，我国是一个连铸生产大国，但不是一个连铸技术大国。我国连铸机类型齐全，从几毫米铸坯的线材铸机到宽度超过3m的宽厚板铸机，从立式、立弯、直弧及弧形到水平连铸机都有。有代表性的主力机型、有直弧形大板坯铸机、弧形小方坯铸机、弧形大方坯铸机和立弯型薄板坯铸机。近年来，我国在高效连铸、薄板坯连铸、特殊钢连铸方面取得了长足的进步。目前我国连铸机的设计作业率为80%左右，实际作业率通常为60%~90%，有些连铸机作业率已超过90%。板坯连铸机的浇铸速度一般为1~1.8m/min、薄板坯为4~5.5m/min、120mmX120mm方坯为3~4.5m/min、150mmx150mm方坯为2~3m/min。至于设计产量，大型板坯或薄板坯连铸机为100万t/流、小方坯连铸机为12万t/流左右。某些小方坯的年产量已达到18万t/流。我国连铸生产水平与世界同类指标相当。今年，我国已引进了许多薄板坯连铸连轧生产线。某些薄板坯连铸机的装备技术处于世界先进水平。在连铸新技术研究开发方面，进行了高效连铸技术、近终形连铸技术、电磁连铸技术、特殊钢连铸技术、连铸坯凝固控制技术和双辊薄贷连铸技术等方面的工作，许多连铸新技术的研究开发是在跟踪国际上的发展。目前，我国已能够自行设计制造各种类型的连铸机。但国内设计的连铸机往往都有国外样板。我国应用的连铸技术和铸机设计样板大多来源于国际知名公司。先进的新型连铸机都是从欧、美和日本进口。我国连铸技术与国际领先水平的差距主要在两个方面：①应用同样顶级的技术装备不能稳定的生产顶级产品；②连铸新技术的开发研究与生产应用之间的中间环节——工程化的技术比较薄弱。我国开发的薄板坯连铸机是先进的，也是成功的，但至今没有用其建成连铸连轧生产线，而高效连铸技术就具体技术内容也许并不很先进，但因为

双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织模拟及验证

双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织模拟及验证陈守东;陈敬超;吕连灏【摘要】Based on the solidification of twin-roll continuous casting thin strip, the analytical model of heterogeneous nucleation, the a-mended growth of tip and columnar dendrity transformation to equiaxis dendrity (CET) of twin-roll continuous casting thin strip solidification are established by means of the principle of metal solidification and based on the cellular automaton, the emulational model of twin-roll continuous casting thin strip solidification is established. Simulated results showed that the grain growth in random preferential growth directions can be described by the model reasonably, and the simulated results were coincident with actual phenomena. Meanwhile has confirmed the mathematical simulation feasibility by using the solidification process of twin-roll continuous casting aluminum thin strip.%以双辊连续铸轧薄带工艺凝固过程为基础,同时基于金属凝固的基本原理建立了双辊连铸薄带凝固过程的异质形核模型、修正的枝晶尖端生长动力学模型、柱状晶向等轴晶转变(CET)的解析模型以及基于元胞自动机(CA)的双辊连续铸轧薄带凝固组织演变的仿真模型.数值模拟结果表明,所建立的数学模型能够合理描述t粒沿任意角度生长的过程,温度场、溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理,同时利用双辊薄带连续铸轧工业纯铝凝固过程验证了数学模拟的可行性. 【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2012(032)003

铸轧侧封板的工艺和结构设计

铸轧侧封板的工艺和结构设计侧封板在铸轧领域的重要地位当今世界，钢铁工业的竞争越来越激烈，各国钢铁企业正在寻求技术创新的道路来增强自己的竞争力，使在激烈的竞争中处于不败之地。近几年来世界各国钢铁企业投入大量的人力物力联手开发研究双辊铸轧薄带钢工艺，已经成为各国钢铁企业技术创新的重要组成部分。但是双辊铸轧薄带钢工艺向工业化生产发展中还存在一些技术难题，例如钢水的布流技术，侧封技术，铸带的表面质量等，而这些技术难题中，侧封技术是最关键的技术。在双辊铸轧薄带钢工艺中，钢水浇入由两个水冷辊和两个侧封板组成的熔池直接铸轧出薄带，侧封是否严密封住钢水和侧封的材质和结构的稳定性和铸带的质量。侧封效果的好坏直接决定铸轧过程的成败。在双辊铸轧薄带钢中，要求侧封板保持良好的密封性，由于轧辊的旋转，侧封板和铸辊端部之间存在摩擦，造成侧封板的磨损，使得轧辊和侧封板之间产生缝隙，钢水进入缝隙在侧封板处产生冷块或漏钢；当凝固壳进入辊缝时，在轧制力的作用下产生宽展，铸带对侧封板产生划伤，严重影响侧封板的密封性；侧封板和钢水直接接触，钢水对侧封板的侵蚀是影响侧封板寿命的主要因素，同时侧封板在热应力和压紧力的作用下产生破碎，缩短了侧封板的使用寿命。由于侧封效果不良造成铸轧过程不稳和铸带产生缺陷，这些都是侧封技术研究中面临的问题。 2.2 侧封板 2.2.1 侧封板的两种结构侧封板的结构分为两种，一种是整体式的，一种是组合式的，两种结构实物图如1.2图所示：两种结构各有优缺点，采用整体式的优点是侧封板可以采用加热炉加热，预热温度比较理想，在实际操作中，侧封板的安装和调试比较便捷，侧封板的密封效果比较理想，铸轧生产的铸带边部质量比较好。但是，采用整体式侧封板还存在不可避免的缺点：在

热轧技术讲座

热轧技术讲座一) 概况热轧带钢自1926年美国阿姆科钢铁公司巴勒特厂建设世界上第一台48”（1219mm）全连续轧机以来，至今已有80多年的发展历史，据统计目前全世界大于1000mm以上热轧宽带生产线约有310套（包括薄板坯连铸连轧生产线，炉卷轧机生产线，及薄带铸轧生产线）总的生产能力5.9亿吨左右，先进国家板带比在60%以上。 2007年我国钢产量达到4.8942亿吨,板带比43.5%,其中进口钢材1687万吨,下降8.86%,钢材表观消费4.3436亿吨,钢材产能远远大于消费。截止2007底，我国已建成宽带钢轧机48套,其中常规轧机33套，薄板坯连铸连轧13套，炉卷轧机2套，产能1.377亿吨左右。至2010年总产能将达到2.6亿吨左右。到那时热轧薄板竞争将为更加激烈，而高档产品仍将会大量增加，但还有部分高档产品还要进口，其中宝钢1880热轧以优质高附加值薄板材为主体建立起我国以汽车、家电板及高附加值板材为主体的板材精品基地是值得推荐的。二）板带轧制及工艺 1，热轧板带种类根据国际标准和国家标准的规定：厚度大于60为特厚板，一般为60—160mm(宝钢5m轧机二期为400)。厚度大于20到60 mm为厚板。厚度大于3（2003年前国际为4 mm）到20mm为中板。厚度小于等于3mm为簿板，一般为0.2——3mm。

0.2mm以下称为极簿带钢或箔材。热轧钢板厚度的生产区间一般为0.8——25.4mm，因此热轧机组又可生产簿板也可生产中板，当然应以簿板为主。 2，热轧机的命名，热轧机以轧辊的辊身长度为定义，例2050 mm长的辊身叫2050轧机，凡辊身大于1000 mm叫宽带钢轧机，例2050轧机。凡辊身大于500 mm，小于1000 mm为中宽带钢轧机，例泰山，川威950中宽带轧机，承钢650,880中宽带轧机。凡辊身小于500 mm叫窄带钢轧机，例450轧机。目前我国拥有窄带钢轧机至少41条以上，总产能在1600万吨/左右。根据我国的现状和有关条例要逐步淘汰窄带钢轧机，甚至中宽带钢轧机。当然中宽带钢轧机在自行车等行业上还是有相当优势的。3，钢种与强度等级热轧机生产的钢种一般为普通碳素钢，优质碳素钢，低合金钢，合金钢，不锈钢，耐热耐酸钢，焊管钢，管线钢等。强度等级一般为650Mpa，现多数为850 Mpa,1000 Mpa，其中宝钢1880热轧为世界之最高强度，达1200 Mpa，可以生产各种高强度钢。4 1）轧制咬入条件（见图1）咬入角：轧件咬入轧辊时最先接触的点与中心的连线和中心线之间的夹角。热轧：咬入角一般为180 ∽220 ) 即摩擦系数大于等于咬入角正切值为h o 1

薄板连铸连轧工艺技术的研究分析 -颜莉 - 副本

薄板连铸连轧工艺技术的研究分析（西安建筑科技大学颜莉陕西西安 710055）摘要：本文总述了薄板连铸连轧工艺技术的发展历程以及国内发展研究现状，分析了薄板连铸连轧工艺特点，同时介绍了连铸连轧的技术类型以及相互的优缺点分析，最后针对薄板连铸连轧工艺技术的发展趋势作了系统的总结。关键词：连铸连轧FTSR 发展现状 0 前言薄板坯连铸连轧TSCR（Thin Slab Casting and Rolling）是20世纪末钢铁行业的新星，是当代冶金领域前沿技术，是在氧气转炉和连续铸钢技术发明和应用之后，钢铁工业近年来最重要的技术进步之一，它的开发成功是近终形浇铸技术的一大突破。自TSCR成功应用以来，由于其生产出来的板坯薄，厚度小，经简单补温即可直接进行精轧，省去了加热和粗轧工序，具有流程短、节约能源、设备少、成材率高等优点，大大减少了生产成本，有着传统工艺不可比拟的经济优势。因此，TSCR逐步取代传统热轧薄板生产技术，成为了薄板生产最主要的技术支持。薄板坯连铸连轧技术的发展，根据产品的推广以及技术的成熟性，特别是市场的应用情况，可将其分为四个阶段[1-5]：（1）研发期（1985～1988）。以1985年德国西马克(SMS)公司设计研发出了一台采用漏斗形结晶器的薄板坯连铸机为开端，薄板坯连铸连轧技术的发展拉开了历史序幕。该设备于1986年以6m/min的拉速成功地生产出了50mm×1600mm的薄板坯，该生产线随后被称为CSP（Compact Strip Production）技术。随后，德国德马克公司（MDH）也成功开发出具有超薄型扁形水口和平板直弧形结晶器的薄板坯连铸机，该生产线被称为ISP(Inline Strip Production)。1988年以薄平板式结晶器及薄型浸入式水口为特点的CONROLL技术也随之问世。同期，其他发达国家逐步加入相关技术的研发。（2）试验期（1989～1993）。1989年6月，SMS建成了世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线—CSP生产线，该生产线的投产作为薄板连铸连轧工艺技术的里程碑，宣告着薄板连铸连轧技术正式进入世界冶金领域。（3）成长期（1994～1999）。在这段期间，世界各国针对前期的几条薄板连铸连轧生产线中遇到的质量问题和产量问题都采取了积极的改进措施。在此过程中，以SMS、MDH、Danieli为代表的钢铁大企都纷纷将自己的技术成熟化。由此出现了采用结晶器液压振动技

双辊薄带连铸连轧技术的发展现状及未来

双辊薄带连铸连轧技术的发展现状及未来方园;张健【摘要】双辊薄带连铸连轧作为钢铁工业中绿色、环保、可持续发展的近终形钢铁制造短流程工艺技术,从2001年开始一直是宝钢科技发展规划中的一个重大科研项目.近几年,宝钢双辊薄带连铸连轧技术取得了突破性的进展,受到业界广泛的关注,特别是宝钢薄带连铸连轧宁波工业化示范项目的成功实施,使宝钢在这一领域的研究开发进入世界先进行列.介绍了薄带连铸连轧技术发展现状,总结了宝钢薄带连铸连轧技术工业化的研发实践,提出了薄带连铸连轧技术的未来发展模式. 【期刊名称】《宝钢技术》【年(卷),期】2018(000)004 【总页数】5页(P2-6) 【关键词】双辊薄带连铸;工业化;商业化【作者】方园;张健【作者单位】宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201900;上海薄带连铸连轧工程技术研究中心,上海201900;宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201900;上海薄带连铸连轧工程技术研究中心,上海201900 【正文语种】中文【中图分类】TF777 1 技术发展现状

1.1 技术的产业化发展现状双辊薄带连铸连轧技术作为钢铁近终形生产工艺中的典型技术，自1856年英国冶金学家H.Bessmer提出设想至今，人们围绕双辊薄带连铸连轧技术中亚快速凝固的工艺特征，探索了各种形式的技术路线，尝试了各种材料的浇铸试验，申请了大量的技术专利，给予了良好发展前景的判断。但是也因为薄带连铸的亚快速凝固使铸带的浇铸速度非常快，是传统板坯连铸的浇铸速度几十至上百倍，所以技术产业化难度极大，尽管投入了巨大资源，但技术产业化的进程一直比较缓慢。国际上,日本新日铁、德国蒂森克虏伯、美国纽柯、韩国浦项于20世纪末21世纪初前后投入巨资建成了具有各自特点的工业化示范生产线,这4条陆续投入试生产的工业化产线都取得了重大技术突破。一系列成果的出现,预示该技术离实现商业化生产不远了。然而,10多年过去后,双辊薄带连铸连轧产业化进程并不顺利。瞄准不锈钢产品的日本新日铁光厂、德国蒂森克虏伯克里菲尔德厂先后关停,主攻薄带连铸连轧不锈钢产品的韩国浦项也遇到了比较大的困难,尽管各自给出了一些原因,但真实的原因并不清楚。而最有意思的是,先前并不被看好的瞄准低碳钢产品的美国纽柯公司的Castrip 项目则在建成第二条工业化生产线后逐渐走了出来。Castrip于2016年分别在墨西哥和中国获得了两条商业化生产线的合同,这两个项目均已于2018年顺利投产,目前正处于调试阶段,据悉结果令人鼓舞。在国内,随着上海钢研所进入宝钢,薄带连铸连轧技术的研究也一并进入了宝钢。2001年宝钢决定开展薄带连铸连轧技术的研究,初心很简单,即防御可能出现颠覆性的产品和技术。15年里,宝钢从应用基础研究(Fundamental application research phase)起步,经历了产业化关键技术研究阶段(Pilot plant phase)和工业化试验研究阶段(Industrialized plant phase),一步一个脚印走到现在。由于保密等方面的原因,前期宝钢双辊薄带连铸连轧技术研发方面取得的成果较少报道,直到2015年,在宝钢薄带连铸连轧宁钢工业化示范线(简称NBS)取得稳定连续生产后,

基于Fluent上注式铸轧AZ31镁合金温度场计算机数值模拟

基于Fluent上注式铸轧AZ31镁合金温度场计算机数值模拟夏鲁朋;姬姝妍【摘要】使用有限元方法，在Fluent中建立上注式铸轧AZ31镁合金过程的模型。通过不同铸轧条件对比模拟，研究工艺条件对铸轧区内温度场分布的影响，优化铸轧工艺参数，为得到性能优良的AZ31镁合金板材提供理论依据。【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2015(000)013 【总页数】3页(P35-37) 【关键词】镁合金;铸轧;温度场;数值模拟【作者】夏鲁朋;姬姝妍【作者单位】烟台工程职业技术学院，烟台 264006;烟台工程职业技术学院，烟台 264006 【正文语种】中文【中图分类】TG249.7 0 引言作为轻质金属材料，镁合金在汽车工业、航天业中起着不可替代的作用[1]。与铝合金铸轧工艺相似，镁合金铸轧过程中，因工艺参数不佳导致的微裂纹、偏析、热带、晶粒粗大等后果对镁合金板带材性能影响极大。通过对铸轧区域内的凝固过程分析可以了解复杂冷却情况下的内部温度变化，并能够找到有效方法避免铸轧缺陷

[2～4]。改变参数进行铸轧实验会耗费大量的成本，对铸轧区进行准确的建模及模型简化则可节省大量的财力及时间。本文通过Fluent软件，采用有限元方法对上注式铸轧AZ31镁合金过程进行数值模拟，研究工艺条件对铸轧区内温度场的影响，优化工艺参数。 1 建立模型上注式铸轧过程为液态金属从中间包沿水口流入两个相对旋转的铸轧辊区域内，并与两侧的侧封形成一个封闭区域。金属液在铸轧辊的搅拌及冷却下迅速凝固，并在出口处铸轧成板带材。本实验模拟上注式铸轧AZ31镁合金工艺，铸轧辊直径 400mm，铸轧区高度60mm，出口厚度即为板宽2mm。铸轧区宽度方向由于对称性，且在侧封处认为无热传递，因此铸轧区模拟宽度定为10mm，以减小计算量。 1.1 数学模型模型采用直角坐标系建模，上注式铸轧过程满足热扩散方程、动量方程，且采用 Ek-εt湍流模型，现对数学模型描述如下： 1）热扩散方程在直角坐标系下，热扩散方程如方程(1)所示。式中，k为导热系数，Cp为比热容，T为温度，Q为内热源，ρ为AZ31镁合金密度。 2）动量方程式(2)～式(4)为Navier-Stokes方程在直角坐标系中的表述：式中μ为动力黏度、P为压力，铸轧区内AZ31镁合金熔体为各向同性的牛顿流体。3）湍流模型

双辊薄带下不锈钢铸轧过程的耦合数值模拟

双辊薄带下不锈钢铸轧过程的耦合数值模拟苗雨川;邸洪双;张晓明;鲍培玮;王国栋;刘相华【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2000(021)005 【摘要】采用有限元法模拟了双辊铸轧不锈钢过程的流热耦合问题;分析了铸轧速度对熔池内流场、温度场的影响以及流场与温度场之间的相互影响;给出了凝固过程中熔池与铸轧辊之间的热流密度变化趋势及随铸轧速度的变化规律,并把此模拟的结果与试验的结果相比较,吻合较好;通过熔池内温度场及温度梯度分析了熔池内凝固的发展及其对热流密度变化的影响.此模拟结果可以为控制铸轧过程的稳定提供有效的数据. 【总页数】3页(P551-553) 【作者】苗雨川;邸洪双;张晓明;鲍培玮;王国栋;刘相华【作者单位】东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110006;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110006;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110006;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110006;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110006;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110006 【正文语种】中文【中图分类】TF777.7

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金属材料短流程、近终形的生产工艺

金属材料短流程、近终形的生产工艺多个进程(如凝固与成形)的综合化，称短流程化，如喷射成形技术、半固态加工技术和持续铸轧技术等。打破传统的材料成形与加工模式，缩短生产工艺流程，简化工艺环节，实现近终形、短流程的持续化生产，提高生产效率。近终型、短流程的成形加工技术具有高效、节能等特点，在技术上突出的特点是缩短加工周期，尽可能减少变形量或后续加工环节，由金属熔体直接取得所需的制品或近似的制品，同时，这些制品还具有现有加工方式所生产制品的性能和组织，这可大大减少后续挤压、轧制和压铸等耗能大、投资大、用工多的加工进程。例如，半固态成形、持续铸轧和持续铸挤等是将凝固与成形两个进程合而为一，实行精准控制，形成以节能、降耗、高效和优质为主要特征的新技术和新工艺。 1半固态成型金属材料的半固态成型是在半液半固的两相状态下进行的，所以与全液体成型或全固体成型相较，具有许多长处。首先，在凝固进程中有固液两相，同时存在的合金系都可进行半固态成型。半固态材料浆的粘度比熔融金属的粘度高得多，因此成型时可形成层流，也能更均匀地填充模型。金属浆的成型温度较低，与常规铸造工艺相较：可节约35%左右的能源；可以延长模型寿命；凝固时间较短；可缩短生产周期；由于有固体存在和温度较低，零件在模内的收缩较小。用金属浆生产的零件内的宏观气孔与显微疏松比常规铸件中的少得多。半固态材料填充模型时，材料前端呈层流充满型腔，比熔融金属的流动平稳得多，不会卷入气体。半固态成型零件的尺寸可与成品零件的相等或几乎相等，极大地减少了机械加工量与切削量，既节约了材料，又可以生产形状复杂的零件或难于加工的薄壁零件。半固态模锻件与压铸件表面平整滑腻，

加工技术作业1

加工技术作业1 1.结合实例说明材料加工技术的进步在新材料开发中的作用答: 材料先进制备、成型与加工技术的发展，既对新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用，同时可有效的改进和提高传统材料的使用性能，对传统材料产业的改造具有重要作用。材料加工技术的创新、应用已成为新材料研发的一条重要途径。材料加工方法分为，机床加工（包括：车、削、刨、磨等）、铸造（凝固成形）、粉末冶金、塑性加工、焊接、热处理等。按照被加工材料在加工过程中的所处的相态，材料加工技术分为：气态加工、液态加工、半固态加工和固态加工。发展非均衡凝结技术、电磁铸轧技术、电磁连铸技术、等温成型技术等一流成形技术，通过掌控加热速度或额外外场的促进作用，提升材料的非政府，同时实现对材料非政府的准确掌控，不仅可以提升传统材料的使用性能，而且有助于提升容易加工材料与容易成形材料的加工性能，提升产品的附加值。发展一流层状复合材料成形、一流逊于塑性成形等技术，有助于发展新材料，推动新材料的应用领域。 2.说明玻璃包覆熔融纺线法快速凝固制备金属线材技术发明的考虑答: 玻璃吸附金属微丝具备耐蚀、耐高温、抗炎紫外光及低绝缘性等特点,做为高精度电子元器件用电磁线,具备关键的应用领域前景。（1）玻璃选材理想玻璃的软化温度应高出被包覆材料熔点100~200k，这样合金可以得到充分的融化，防止玻璃管过度软化而自行脱离。为了得到直径较细小的细丝，玻璃管的外径和壁厚分别为9~12mm、1.0~1.2mm为宜。（2）保护气氛为了避免制取过程中样品水解，冷却前要先抽真空，再压入氩气。维护气体压力必须适度。（3）冷却为了制备出理想的玻璃包覆合金细丝，要求熔化的合金有过热现象，最好高出其熔点300~400k。加热过多会发生熔融的合金和软化玻璃还没来得及拉丝便整个脱离加热区；若加热不足，玻璃管不能充分软化，导致拉不出丝材。（4）冷却加热速度直接影响至细丝的状态，欲获得非晶细丝，建议赢得足够多低的加热速度，加热后的细丝温度应当高于合金结晶温度。通常建议加热速度大于104k/s，最出色 105~106k/s 3.比较分析单辊、双辊法快速凝固制备带材的技术特点答: 影响单辊法的工艺参数存有：坩埚内气氛压力、熔融合金的温度、辊面的线速度、燃烧室狭缝的宽度、燃烧室口与辊面的间隙、薄带的厚度等。用双辊法和双带法,可以同时实现金属带材的快速凝结成形,其中双带法可以同时实现更薄带材的快速凝结成形。然而

Cu／Al双辊异温铸轧复合界面局部熔合机理

Cu／Al双辊异温铸轧复合界面局部熔合机理黄华贵;刘文文;叶丽芬;杜凤山【摘要】以传统双辊铸轧工艺为基础，采用金属熔体触辊凝固制备Cu、Al带坯并轧制复合，利用高温Cu带与Al带强压接触传热及其产生的Al带表面浅层熔化现象，提出一种基于界面“局部熔合”的Cu／Al双辊异温铸轧复合工艺。利用非线性热－力耦合有限元方法，数值模拟分析了Cu带和Al带初始温度Tc和Ta、层厚比K、压下率ε对Cu／Al复合界面接触换热与温度分布的影响规律，给出了实现界面“局部熔合”的工艺条件。在自制的物理模拟装置上进行Cu／Al异温压力复合实验，并通过界面的SEM、EDS分析，验证了Cu／Al界面“局部熔合”的工艺条件，揭示了Cu⁃Al二元合金反应扩散是“局部熔合”作用下Cu／Al界面冶金结合的主要机制。%Baded on the traditional twin⁃roll casting and rolling process, we propose a new technology to fabricate Cu/Al layered strips based on local fusion of the contact bonding interface. First, component strips of Cu and Al were produced by pouring liquid metal onto the roller surface, and then feeding them both into the roll bite. We found a melting phenomenon on the skin layer of the Al strip, caused by heat conduction between the Cu and Al strips at high temperature and contact pressure in the rolling deformation zone. Through a numerical simulation u⁃sing the nonlinear thermal⁃mechanical coupled finite element method, we investigate the influence of the initial tem⁃perature of the Cu and Al strips Tc , Ta , the thickness ratios K, the reduction ε on the contact heat transfer, and the distribution of the bonding interface temperature, and present the process conditions necessary for achieving lo⁃cal fusion at

第四章连续铸轧过程

第四章连续铸轧技术 4.1 连续铸轧技术概论直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材的工艺称为连续铸轧。这种工艺的显著特点是结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊，熔体在辊缝间完成凝固和热轧两个过程，而且在很短的时间内完成。连续铸轧具有投资省、成本低、流程短等优点，目前，连续铸轧工艺已广泛的应用于铝合金等有色金属的生产中，在钢铁生产中的应用还处于试生产阶段。连续铸轧技术不同于连铸连轧，后者实际上将薄锭坯铸造与热轧连续进行，即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成厚约50-90mm 的坯后，再在后续的双机架(单机架、三机架)温连轧机上连续温轧成带坯或成品板带材，铸造和温轧是两道独立的工序。而连续铸轧技术使连铸和轧制两个原先独立的工艺工程更加紧密地衔接在一起，已不再是一个纯粹的冶金和凝固过程，而是在连铸、凝固的同时伴随着轧制过程。原来的全凝固压力加工规律和塑性变形规律也发生了相应的变化。（一）铝带铸轧 1951年，美国亨特一道格拉斯(Hunter—Douglas)公司首次铸轧成了铝带坯，制成了双辊式连续铸轧机。随后，法国彼西涅(Pechiney)公司研制的3C水平式双辊铸轧机也获得成功，从那以后，铝带坯双辊连续铸轧技术和设备得到了迅速的发展。截止到2007年底，亨特工程公司及意大利法塔亨特公司(FATA Hunter)的铸轧机已达153台，法国原普基工程公司(Pechiney Engineering)和现在的诺威力昔基工程公司(Novelis PAE)生产的3C式铸轧机，全球保有182台。国外还有一些由其他公司和企业自制的双辊式铸轧机，主要是亨特式或3C式的变型，但产量不多，这一类铸轧机国外保有的总数也只有50多台。我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于20世纪60年代。1964年初进行了双辊下注式铝带坯连续铸轧模拟实验，并于同年铸轧出厚8mm，宽250mm 和400mm的铝板，1965年铸轧出宽700mm的铝带坯，1971年由东北轻合金加工厂研制成我国第一台8001Tim水平式下注式双辊铸轧机。1979年由华北铝加工厂研制成O650mm X 13001Tim我国第一台亨特式倾斜铸轧机，并于1981年和1983年相继研制成0650ramX 1600mm和O980mm×1600mm铸轧机，并通过部级鉴定，标志着我国铸轧技术进入成熟阶段。1984年中日诼神有色金属加工专用设备有限公司成立，并于1993年诼神公司为其母公司华北铝业有限公司试制成功我国第一台仿3CO960mm x 1550mm超型铸轧机。至此国产铸轧机发展成为具有标准型和超型这两种机型，而且铸轧机逐步实现标准化、系列化。中国自1981年首台自制的铸轧机投产以来，制造了大量的有中国特色的双辊式连续铝带坯铸轧机，并出口到越南、印度尼西亚、俄罗斯等国。当然在装机水平方面与3C式及法塔亨特式的还有一些差距。1999年初，由钟掘院士担纲技术指导的“铝及铝合金铸轧新技术及设备研制开发”作为国家计委的重大科研项目启动。以钟掘为首的科研课题组经过一年多的攻关，于2000年7月在实验机上成功地铸轧出铸速为13.2 m／min，厚度为2mm的铸坯，并开发了铜基合金新型辊套材料、具有在线布流控制技术的新型铸咀、新型复合外冷润滑技术等一系列相关的新技术、新装置、新材料。这些都标志着我国在快速超薄铸轧技术领域已经达到世界领先水平，填补了国内空白。