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先进钢铁材料

《先进钢铁材料》是2008年科学出版社出版的图书,作者是董瀚。

先进钢铁材料基本信息

先进钢铁材料目录

《高性能结构材料技术丛书》序

前言

第1章绪论

1.1 钢铁材料的现状和发展趋势

1.1.1 我国钢铁材料的现状

1.1.2 钢铁材料的特点和发展趋势

1.2 国民经济对钢铁材料的需求

1.2.1 提高钢铁材料的性能

1.2.2 增加钢铁材料品种

1.2.3 提高钢铁材料的质量

1.2.4 降低钢铁材料生产和应用成本

1.3 钢铁材料的发展方向

第2章 细晶碳素结构钢生产技术

2.1 细晶钢发展的背景

2.2 细晶钢开发的几个基本问题

2.2.1 细晶钢的概念、含义和名称

2.2.2 有关晶粒细化的探讨

2.3C-Mn细晶钢的开发研究

2.3.1C-Mn细晶钢的开发研究的概况

2.3.2C-Mn细晶钢理论研究方面的新进展

2.4 细晶钢产品开发

2.4.1 细晶钢带钢的开发

2.4.2 细晶钢中厚板的开发

2.4.3 细晶钢棒线材的开发

2.4.4 细晶钢的焊接性能

2.5 细晶钢的应用与发展前景

2.5.1 细晶钢带钢在汽车行业中的应用

2.5.2 细晶钢在建筑行业中的应用

2.5.3 细晶钢在其他行业中的应用

2.5.4 展望柔性钢种开发

参考文献

第3章 低碳贝氏体钢

3.1 超细化低碳贝氏体钢的原理及应用

3.1.1 低碳贝氏体强韧化原理及组织类型

3.1.2 中温转变组织的控制

3.1.3 中温转变组织的细化思路及RPC技术

3.1.4 变形奥氏体弛豫对板条贝氏体束的细化作用

3.1.5 变形奥氏体弛豫对组织转变的影响

3.2 高强度超细化低碳贝氏体钢的研究与应用

3.2.1利用弛豫析出控制相变技术开发超细化低碳贝氏体钢

3.2.2 新型超细组织低碳贝氏体钢的应用

3.3 新型仿晶界型铁素体/贝氏体复相钢及应用

3.3.1 仿晶界型铁素体

3.3.2 粒状贝氏体组织

3.3.3 仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相钢

3.3.4 奥氏体形变对仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相钢组织和强韧性能的影响

3.3.5 仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相钢钢板的应用

参考文献

第4章 建筑用抗震耐火钢

4.1 建筑用抗震耐火钢的发展

4.1.1 发展概况

4.1.2 抗震耐火钢的技术指标

4.2 抗震耐火钢的最新研究进展

4.2.1 高温强度

4.2.2 抗震耐火钢中的合金元素作用

4.2.3 抗震耐火钢的实验室研究

4.2.4 抗震耐火钢的生产工艺

4.2.5 新型抗震耐火钢的合金设计

4.3 耐火钢应用研究

4.3.1 构件抗火试验

4.3.2 耐火钢抗火性能

4.3.3 临界温度与耐火极限

4.3.4 耐火钢的应用效果

4.3.5 耐火钢应用前景

参考文献

第5章 高速列车用钢

5.1 高速列车车轮用钢

5.1.1 高速车轮用钢的发展趋势及研究现状

5.1.2 高速车轮用钢最新的研究进展

5.1.3 高速车轮用钢的发展前景

5.2 长寿命高性能弹簧钢

5.2.1 影响弹簧钢疲劳性能的冈素

5.2.2 我国铁路提速弹簧钢的发展现状

5.2.3 长寿命高性能弹簧钢的生产工艺

5.3 在线软化处理高性能冷镦钢

5.3.1 冷镦钢常规的软化处理技术

5.3.2 冷镦钢在线软化处理技术及其国内外研究现状

5.3.3 在线软化处理高性能冷镦钢技术的实验室研究

5.3.4 在线软化处理高性能冷镦钢技术的工业应用

参考文献

附录 新旧标准性能名称对照

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先进钢铁材料造价信息

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钢铁磷化液

  • 品种:磷化液;规格:25公斤/桶;
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钢铁

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先进钢铁材料内容提要

本书适合从事钢铁材料生产和研究的工程技术人员、科研工作者阅读,也可作为高校研究生、本科生的教材。本书由承担"十五"期间863课题"高性能结构材料技术主题"的负责人组织编写,反映了863计划所支持的钢铁材料技术研发的最新进展。全书共5章,内容包括细晶碳素结构钢、低碳贝氏体钢、建筑用抗震耐火钢、高速列车用钢等先进钢铁材料的性能要求、生产技术及其应用等。

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先进钢铁材料常见问题

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先进钢铁材料文献

先进钢铁材料在石油天然气工业应用前瞻 先进钢铁材料在石油天然气工业应用前瞻

先进钢铁材料在石油天然气工业应用前瞻

格式:pdf

大小:904KB

页数: 8页

在分析新世纪石油天然气领域技术进步和新一代钢铁材料发展的基础上,提出了引入和开发适用于石油天然气领域的新一代钢铁材料的途径,建立起先进石油天然气用钢的概念和先进规范,这对于我国石油天然气科技进步和国家经济高速发展具有重要的理论和实际意义。并对研发先进石油天然气用钢提出了若干建议。

先进钢铁材料在石油天然气工业的应用展望 先进钢铁材料在石油天然气工业的应用展望

先进钢铁材料在石油天然气工业的应用展望

格式:pdf

大小:904KB

页数: 1页

随着社会的不断进步,科技的不断发展,我国各个领域均得到了很好的发展,尤其在先进钢铁材料被开发及广泛应用后。通过查阅相关资料,简要介绍了先进钢铁材料研究,以及先进钢铁材料在石油天然气工业中的应用研究,以期能够为我国石油天然气工业的发展提供有价值的参考。

钢的微观组织图像精选图书信息

书名:钢的微观组织图像精选

外文书名: the collection of microstructural morphology of steels

丛书名: 先进钢铁材料技术丛书

平装: 162页

正文语种: 简体中文

isbn: 9787502447700

条形码: 9787502447700

商品尺寸: 24 x 16.8 x 0.8 cm

商品重量: 422 g

品牌: 冶金工业出版社发行部

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【技术】论在连铸-轧钢区段加热炉出坯节奏中的应用

技术文献

论在连铸-轧钢区段加热炉出坯节奏中的应用

石鑫越1,韩伟刚2,郦秀萍1,张春霞1,常金宝3

(1. 钢铁研究总院先进钢铁材料及流程国家重点实验室,北京 100081;

(2. 2. 华北理工大学冶金与能源学院,河北 唐山 063210;

(3. 3. 河钢集团研究院,河北 石家庄 050000)

摘 要:连铸-轧钢区段作为界面模式的组成部分之一,对钢铁生产流程有重要的影响。随着热送热装技术的深入应用,工序装置之间的衔接、匹配由数量、生产能力等的匹配发展为生产节奏的匹配。其中加热炉的出坯节奏决定了轧钢的轧制节奏,从而对整个区段的节奏产生影响。对唐山钢铁集团第二钢轧厂连铸-轧钢区段铸坯进加热炉前等待的时间间隔进行统计分析,并以排队理论为指导,对二钢轧厂一棒材铸坯进入加热炉前的时间间隔进行优化,提出了合理的时间值,并且分析了二钢轧厂二棒材不能应用排队论的原因,从而为企业的生产管理提供了必要的理论依据。

关键词:界面模式;匹配;生产节奏;排队论

近年来,钢铁企业对界面模式的研究越来越重视。其中,连铸-轧钢区段是钢铁生产流程的重要组成部分,也是铁素流由高温液相变成固相的最终环节,连铸-轧钢区段的工序、装置配置/衔接匹配等“界面技术”对全流程的物质、能量消耗产生直接影响,也直接影响最终的成材率[1]。“界面技术”是指相邻工序之间的衔接-匹配、协调-缓冲的技术及其相关装置,是相对于钢铁制造流程中炼铁、炼钢、热轧等原有主体工序而言的[2-3]。其中,连铸-轧钢区段连铸坯热送热装工艺以其良好的节能效果、减少氧化烧损、提高成材率等特点[4-8],被企业广泛采用[9-11]。热送热装技术对企业连铸-轧钢区段之间的衔接匹配有较高的要求,不仅要求各个工序装置之间数量、生产能力的匹配,还与各主体工序之间的出坯节奏有关系[12-14]。其中,连铸坯进加热炉的时间节奏直接影响加热炉出坯节奏,而出坯节奏对轧机的轧制节奏又会产生影响,从而影响到整个连铸-轧钢区段的生产节奏。本文以排队理论为指导,分析连铸坯进加热炉的时间间隔分布规律,进而分析铸坯入炉时间间隔对加热炉出坯节奏的影响。

1 连铸坯运输过程及事件解析

在连铸-轧钢区段铸坯“热送热装”模式中,铸坯运输过程是指铸坯从切割开始,到进入加热炉为止,其中所经历的过程,一般包括出坯辊道、冷床、上料台架、坯库等环节,具体运输过程由现场实际情况决定。根据连铸-轧钢区段连铸坯运输方式的不同,可以分为“辊道”运输模式和“辊道+天车”运输模式。

1. 1 辊道运输模式

“辊道运输”模式一般应用在生产组织较顺畅、上下游工序衔接较好的钢铁企业,如唐钢二钢轧厂连铸-轧钢区段。此种模式中,铸坯从切割完成后,全部经辊道运送至加热炉中。此过程缓冲环节少、流程紧凑、生产节奏快,对企业的生产组织调度有较高的要求。

1. 2 “辊道 +天车”运输模式

“辊道+天车”运输模式是指铸坯在运输过程会离开辊道,会由天车吊运铸坯进行一定距离的运输,如沙钢永新钢轧厂。此模式相比于辊道输送方式生产节奏相对缓慢,前后工序衔接匹配程度相对较低,此模式最大的好处为:当上下游工序生产能力不协调时,在铸坯运输过程中有起“协调-缓冲”的环节,从而避免对生产造成更大的影响。

2 铸坯运输过程相关指标

铸坯运输过程可以用以下指标衡量。

2. 1 铸坯运输时间

铸坯运输时间是指连铸坯从切割结束至进入加热炉之间的时间,可以表示为

t= ∑t1+∑t2 (1)

式中:t为铸坯运输时间,min;∑t 1为铸坯运输过程中经辊道输送的时间,min;∑t2为铸坯运输过程中在缓冲环节消耗的时间,min。

铸坯运输时间是铸轧界面重要的参数指标,运输时间越短,铸坯进加热炉温降损失越小,节能越明显,表明生产组织越顺畅。

2. 2 铸坯等待时间

铸坯等待时间是指连铸坯在进入到下一个工序之前,由于前后工序生产组织运行不顺畅,造成铸坯堆积,从而导致铸坯不能按时进入到下一个工序中所消耗的时间。可以表示为

t=t1+t2

式中:t为铸坯等待时间,min;t1为铸坯运输过程中等待的时间,min;t2为铸坯运输过程中在缓冲环节等待的时间,min。

铸坯等待时间越短,铸坯在运输过程中耗费的总时间越少,铸坯节能越明显,这表明上下游工序衔接匹配越好。

3 连铸-轧钢区段铸坯进加热炉前的排队论模型

3. 1 铸坯进加热炉前的排队论描述

在连铸-轧钢区段连铸坯“热送热装”模式中,铸坯运输一般包括辊道、冷床、加热炉等环节,铸坯运输过程所经过的每个环节,都可以看成顾客(连铸坯)相继到达服务台(加热炉)、排队等待接受服务并在完成服务之后离开的过程,如图1所示[15]。

3. 2 连铸-轧钢区段铸坯进加热炉前排队系统模型

正常生产下,铸坯进加热炉前的排队过程具有以下特点:(1)从连铸机输送过来的铸坯数量是有限的;(2)连铸坯在进入加热炉前的上料台架上进行等待进入;(3)铸坯进入加热炉的辊道只有1条;(4)连铸机输送到加热炉的铸坯数量不大于加热炉加热的铸坯数量。

由于连铸-轧钢区段中方坯加热炉一般只有1个,且加热炉加热每根铸坯的时间为固定值,因此服务台的服务时间为定长分布;铸坯到达加热炉的时间间隔近似服从于参数为λ的泊松分布,加热炉前等待入炉的铸坯有数量限制,因此铸坯进加热炉前排队系统可以抽象地认为是单服务台、服务时间是定长分布且有容量限制的排队系统,即M/D/1系统。

M/D/1排队系统建立如下假设条件[16-17]:(1)系统中只有一个服务台(加热炉);(2)顾客(连铸坯)数量是有限的,顾客(连铸坯)到达服务台(加热炉)的间隔时间近似服从参数为λ的泊松分布;(3)服务台服务时间(加热炉加热时间)为固定值;(4)系统容量为 m。

M/D/1排队系统的各项指标为:(1)平均等待队长L q ,即等待进入加热炉的铸坯数量

(2)平均队长L s,即等待入炉与已在加热炉中的铸坯数量之和

平均等待时间tq,即铸坯等待入炉的时间

(4)平均逗留时间ts,即铸坯等待加热和在加热炉中加热的时间之和

式中:ρ 为平均在忙服务台的个数;μ为服务率,即单位时间内到达的铸坯数量,根/h。

由上式可知,ρ为平均在忙的服务台(加热炉)个数,也就是处于作业状态的服务台(加热炉)数量,由于实际生产中服务台(加热炉)的作业率达不到100%,因此对于服务台(加热炉)来说,平均在忙的个数是小于实际的服务台(加热炉)数量的,所以公式中 1-ρ>0。

4 案例分析

唐钢二钢轧厂棒材生产线有5号、6号两台连铸机,5号连铸机与加热炉成水平分布,但不在同一水平面上,铸坯经辊道输送后需通过提升机提升到入炉辊道;6号连铸机与加热炉成90°分布,铸坯通过辊道先送至转盘,通过转盘旋转90°后运至加热炉,平面布置如图2所示。

图3所示为连铸坯切割结束到达加热炉口时间分布图,记录了铸坯从切割结束到进加热炉之前所经过的工序。

4. 1 铸坯切割结束到加热炉运输时间分布

表 1 和表 2 分别为一棒和二棒实测时间数据表,数据从铸坯切割开始计时,到进入加热炉结束。由于计算的是铸坯进加热炉前等待的排队系统,因此本文选取的是总时间数据中铸坯等待进入加热炉时间这一项,见表1和表2。总计实测铸坯数量为142根,其中,一棒实测铸坯数量为75根,二棒实测铸坯数量为67根。

由表1可知,6号连铸机切割区域与1棒加热炉之间运输时间波动很大,最短的时间大概为371 s(6.2 min),最长的时间达到1 380 s(23.0 min),平均时间为8 min左右。同理,由表2可知,5号连铸机切割区域与二棒加热炉的之间运输时间波动也很大,最长时间为420 s(7.0 min),最短时间为181 s(3.0 min),平均时间为4 min左右。连铸坯进加热炉前排队过程示意图如图4所示。

在入炉前设置一个测温点,并且记录下每根铸坯到达加热炉前的时间,就能计算出相邻铸坯到达加热炉的时间间隔,统计结果如图5和图6所示。

图5为相邻铸坯进加热炉的间隔时间分步,由图5可以看出,时间间隔近似服从于指数分布,通过计算得知铸坯进加热炉时间间隔平均为89 s。

图6所示为二棒相邻铸坯进加热炉的间隔时间分步,由图6可以看出,时间间隔近似服从于指数分布,通过计算得知铸坯进加热炉时间间隔平均为19 s。

4. 2 计算条件

根据以上分析,可以将铸坯入炉前的等待看作铸坯入炉排队系统,并且根据铸坯到达时间间隔、加热炉加热时间和加热炉的数量把此系统抽象为M/D/1排队系统,其中排队系统计算的初始值见表3。

4. 3 模型计算及结果分析

根据表3中的计算条件,通过排队理论可计算得到唐钢二钢轧厂连铸-轧钢区段铸坯排队过程的相关指标,结果见表4。

从表4的计算结果中可以看出,一棒材的平均在忙服务台数为0.67个,不足1个,而服务台数为1个,说明加热炉利用不充分,仍有可提高的潜力。

此外,一棒材铸坯的平均到达量为每小时40.45根,系统(加热炉)的平均服务量为60根/h,服务量高于到达量,说明铸坯的到达间隔较长,由表中计算结果可知,铸坯的平均等待时间计算值为0.017 h,也就是61.2 s,而实际的等待时间为89 s,因此还有一定的提升空间。

如果按照铸坯到达时间间隔为61.2 s计算,得出铸坯的平均到达量为每小时58根,接近于加热炉每小时加热60根的水平,系统的平均在忙服务台个数由0.67提高到0.98个,接近于合理的水平。

对于二棒材而言,由表2实测数据可知铸坯进加热炉前的时间间隔仅为19 s,通过计算得出铸坯每小时到达加热炉前的数量为190根,而实际的加热炉加热铸坯数量为56根,这样根据排队论计算出来的平均在忙服务台个数ρ=3.38,在排队论模型中,ρ应是个小于1的数,原因如下:(1)概率论要求一个时间的概率在0~1之间,其中不可能事件的概率为0,必然事件的概率为1。如果ρ>1,这种情况说明排队在无止境的增长,系统处于非稳定的状态,这违背了概率论的法则,因此要求ρ<1。(2)对于棒线材流程连铸-轧钢区段而言,通常情况下每条生产线只配有1座加热炉,因此排队论中的服务台数量为1,也就是说系统中只有1个服务台。

而对于唐钢二钢轧厂二棒生产线而言,通过排队论计算出的平均在忙服务台数 ρ=3.38 个,大于1,也就是平均在忙的服务台数量大于系统中服务台的总数量,基于以上两点原因可以认为,对于二棒材而言,铸坯进加热炉前等待的过程应用排队论解释是不恰当的,因此能得出如下结论:对于直供或者更高层次的铸坯运输方式(直轧)而言,由于生产组织安排得当,生产节奏紧密运行,此时铸坯进入加热炉前是不需要等待的,因而用排队论解释是不合理的。

5 结论

(1)相邻连铸坯进加热炉的时间间隔影响加热炉的出坯节奏,间隔时间长,出坯节奏慢,从而影响轧机的轧制节奏,最终对连铸-轧钢区段的生产节奏造成影响。

(2)采用排队理论对连铸-轧钢区段中铸坯进加热炉前的等待过程进行分析,将此过程建立相应的M/D/1排队系统,并根据系统建立了对应的数学模型

(3)应用所建立的排队论模型计算了唐钢二轧厂连铸坯进加热炉前铸坯的等待情况,在系统平衡时,一棒材铸坯入炉的时间间隔为61.2 s,而目前实际生产的时间间隔为89 s,因此还有一定的提升空间。

(4)对于二棒材而言,铸坯进加热炉采用直供形式,生产节奏紧凑,此时铸坯不需要等待,因而用排队论解释是不合理的。

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双辊薄带振动铸轧技术的研究与应用

燕山大学国家冷轧工程中心

创新成果展(三)

“国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心”(以下简称“中心”)依托燕山大学,于2011年由科技部批准组建,2014年通过验收,并以该中心为依托建设有“河北省现代轧制技术与先进钢铁材料协同创新中心”和科技部“面向先进高强钢板带产业的科技服务业试点”。中心主要围绕“产品质量精确控制”、“机械设备高效可靠”、“生产过程节能环保”三大主题,在板形板厚和表面质量控制、轧机装备智能化、带钢深加工及先进钢铁材料制备等方向开展相关基础性和工程化技术研究,重点推进“核心技术突破、成熟技术升级、新技术推广示范”三个方面的工作,取得了一系列具有自主知识产权的科研创新成果,部分研究成果填补了国内空白。中心建有轧制/测控中试生产线、材料物理模拟、定量结构表征(中-丹联合实验室、YSU-FEI联合实验室)和重型机械智造工程超算中心四大科研平台,承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点及企业重大项目等大批研究与开发任务,是一个集工程化技术研发、科技成果中试与转化、标准化与检测、人才培训与信息交流为一体的技术创新与公共服务平台。

双辊薄带振动铸轧技术

的研究与应用

1概述

双辊薄带铸轧(TRC)被誉为21世纪冶金工业最具革命性的技术,其工艺采用一对相对旋转的铸辊作为结晶器,使液态金属在极短的时间内凝固并热成型,直接成为金属薄带。双辊薄带铸轧工艺从根本上改变了传统的钢材生产方法,取消了连铸(铸锭)、粗轧、热连轧及相关的加热、切头等一系列常规工序,将亚快速凝固技术与热加工成型两个工序合二为一,真正实现了“一火成材”,大幅度缩短了钢铁材料的生产工艺流程。相比于传统的连铸热轧工艺能有效减少废气(碳化物、氮化物、硫化物等)排放70%-90%,节约能耗50%以上,节约设备投资约70%,使每吨钢材的生产成本降低1/3,并且铸轧薄带产品组织更为致密,强度硬度高,产品灵活,利用其急冷凝固的特性,还能够生产一些普通工艺难以生产的合金产品。但铸轧技术迟迟没有实现大范围产业化,其主要原因是由于目前仍有很多关键性的技术问题没有得到解决。

1)结晶辊辊面换热规律把握不足。

实际铸轧中熔池界面的热流分布与铸轧速度、液面高度、接触位置和时间等因素有关,现有换热模型并不能准确地描述辊面接触各个区域(液相区、坯壳区、轧制区等)的换热规律,熔池的界面换热问题还需要更深入地研究。

2)控制精度难以达到实际生产要求。

旧式铸轧机普遍采用恒定辊缝技术,该工艺调节能力差,结晶辊受热冲击热变形明显。此外,铸轧机技术本身还有缺陷,如在线调控系统、布流系统、侧封系统、辊缝辊形调节系统等,还达不到工艺所需精度要求,因而,还需进一步对铸轧机设备进行改进和优化。

3)对于熔池区的金属液流动规律把握不足。

双辊薄带铸轧是一个高度耦合的复杂问题,其熔池内部液体的传热和流动规律随边界条件的细微改变都可能会产生很大的影响。现有铸轧技术下金属液面的波动和搅动较大,内部流场和温度场不稳定,特别是针对高温熔池内部流动规律的研究难以精确测量,这极大地限制了薄带铸轧技术的发展。因此,研究需针对熔池流场核心问题,利用相关试验和数学模型,进一步把握熔池内部和液面的流动规律。

4)铸轧带坯质量不稳定。

裂纹问题是目前铸轧工艺没有普及应用的最主要原因之一。铸轧薄带产品非常容易出现夹层裂纹、横纵向以及斜向裂纹。现阶段对铸轧裂纹的研究相对较少,且大多都停留在二维平面场进行研究,研究面相对较窄。裂纹问题的研究还需要针对耦合熔池的三维温度场、应力场及变形行为等因素进行综合分析。

5)偏析问题依然存在。

对于某些高合金产品依然存在不同程度的偏析问题。芯部的偏析夹层会严重影响带坯质量,且通过热处理工艺也不易完全消除。因而需要在铸轧过程中对熔池内部的溶质分布进行控制,现阶段对铸轧偏析的研究相对较少,对偏析问题的认识还存在着一定盲区。

6)凝固组织柱状晶区面积大,不利于进一步加工。

带坯凝固组织主要以柱状晶为主,柱状晶组织具有各向异性,易于开裂,非常不利于带坯产品的深加工。因而,还需要进一步采取相应措施抑制柱状晶生长,细化晶粒组织,提高了带坯质量。

2双辊薄带振动铸轧技术的研究与应用

基于铸轧技术在现阶段存在的诸多关键性问题,燕山大学科研团队首创提出了振动铸轧的理念。在铸轧过程中应用偏心套装置对单侧铸轧辊施加机械振动,其意义在于:①通过振动增加熔池区凝固过程的形核率,并强化凝固过程的枝晶尖端熔断效果,从而细化凝固组织晶粒,得到更多的等轴晶组织,抑制塑性变形过程中板坯缺陷的产生;②通过振动在轧制变形过程中向变形区施加剪切应力,增加铸轧塑性变形区的变形激活能,从而促进轧制变形过程的动态再结晶效果,进一步细化晶粒;③振动可以改变铸轧熔池区的流场,对熔池区施加类似搅拌的效果,促进凝固过程中溶质的扩散,从而改善偏析问题。基于振动铸轧的基本理念,先后设计制造了Φ160×150及Φ500×350两台双辊薄带振动铸轧机,并进行了相关的理论及应用研究。

2.1铸轧振动细晶技术

振动技术已经被广泛地使用在凝固铸造领域,常用的振动形式主要有机械式振动、超声波激振和电磁搅拌等。振动不仅可以有效地促进金属液形核,抑制柱状晶的生长,获得细小等轴晶组织,还可以改变铸锭内部流场和湍动能,净化组织(除渣、脱硫等)、抑制偏析、搭桥等问题,大大提高铸锭的质量和力学性能,因而将振动技术应用于铸轧领域具有重要的理论及实践价值。基于此,科研团队进行了大量的振动凝固理论及试验研究,推导出了振动细晶理论模型,并自主设计研发了偏心套振幅可调式铸轧激振系统,对铸轧机的单侧铸轧辊施加振动,从而向铸轧凝固过程引入振源。

该方法从根本上改变了传统铸轧的坯壳凝固方式,极大地增加了垂直铸轧辊表面生长的枝晶尖端熔断效果,同时提升液相区金属的形核率,最终达到阻碍枝晶生长,细化晶粒的效果。不仅如此,振动还会在铸轧的固态轧制阶段向变形区施加额外的剪应变,从而增加变形区的变形激活能,强化变形区的动态再结晶效果,以进一步细化晶粒,并消除凝固阶段由单侧铸轧辊振动带来的两侧凝固坯壳晶粒度不均现象,增强板坯质量。

在上述研究成果的基础上,科研团队申报了振动式双辊薄带铸轧机的发明专利,并根据此项专利自主设计制造了Φ160×150及Φ500×350两台双辊薄带振动铸轧机,作为科研试验平台。在此试验平台上,先后进行了振动铸轧铝合金板材试验、振动铸轧碳钢板材试验等一系列相关研究,验证了铸轧过程中振动细晶的效果,得到了振频振幅与凝固形核之间的规律,掌握了振动铸轧的一系列工艺参数的影响。这些研究,对铸轧振动细晶这一新兴技术做出了探索性努力,并取得了初步研究成果。

2.2铸轧熔池边界换热问题创新研究

双辊薄带铸轧工艺与传统的连铸工艺和轧制工艺并不相同,金属液在熔池内部高速流动、凝固,最终加工成金属薄带,其铸轧速度最快可达180m/min,远大于传统的连铸速度,因而原有的连铸换热模型难以满足铸轧工艺计算的需求。此外,铸轧金属的凝固行为也与传统的铸造和连铸工艺有所不同,有研究显示,铸轧结晶辊的辊面换热系数可达20kW/(m2·℃)。在此高强度换热条件下,金属材料处于亚快速凝固领域的范畴,传统的准静态凝固理论将不再适用。现有的研究结晶辊与熔池换热的模型较多,但大部分换热模型不具有通用性,尤其是轧制区接触应力因素造成的接触换热提高的问题缺少深入研究,原始模型通常采用平均换热系数法,即人为给定一个介于4-23kW/(m2·K)间的常数,作为换热边界条件,模型精度较差。

双辊薄带铸轧过程中,铸轧辊与熔池内金属熔液存在固-液接触和固-固接触两种接触状态,不同的接触状态其界面换热系数的形成原因及影响因素都不相同。为了更准确地确定双辊薄带铸轧熔池界面的换热规律,基于铸轧浇铸工艺的特点,以Kiss点为界,将熔池接触区分为软性接触区和刚性接触区两部分,建立了新的界面换热模型,分别对两部分的界面换热进行了研究。通过辊套换热试验所测得的热流密度数据,反推出了导热系数,从而构建了软性接触区的界面换热模型。通过耦合固态变形区轧制力的变化与接触热阻的关系,进一步考虑表面形貌和接触气隙,构建了刚性接触区的换热模型。该模型更加贴近实际的工程情况,对铸轧过程的工艺仿真有着更大的参考价值,为铸轧过程中Kiss点高度的确定和轧制力的计算,提供了更为准确的参考,对铸轧工艺参数的确定有着巨大的使用价值。

不仅如此,科研团队还进行了振动铸轧熔池边界换热条件的研究,为其首创提出的振动铸轧理念进行深入的工艺探索奠定了理论基础。由于振动铸轧是一个没有前人涉足的新兴技术,振动条件下的换热问题也因此未能得到探讨,而且由于换热与接触压力关系密切,所以振动对换热系数存在着不容忽视的影响。科研团队结合接触气膜换热理论,考虑到振动对熔池凝固坯壳与铸轧辊间接触压力的影响,推导出了振动铸轧辊与熔池接触面的对流换热系数模型,并通过试验验证了模型的准确性。

2.3新型电磁侧封技术

铸轧侧封技术作为影响双辊铸轧技术工业化进程的关键因素,一直是各国研究的重点,但却一直未能得到有效解决。在此背景下,针对双辊薄带铸轧中的电磁侧封技术进行了详细研究。从理论上分析了磁场与导电流体间的相互作用以及磁场作用下金属熔体的流动行为,推导了双辊铸轧电磁侧封的电磁压力公式、侧封钢液所需的磁动势。提出了分体式磁极和线圈的设计方案,解决了磁极底端磁感应强度过大,导电板式线圈电流分布不均等问题,且所设计的电磁侧封结构在熔池内产生的电磁压力与钢水静压力变化规律一致,大小相当,形成的侧封液面较为平整,优于已有设计。在此基础上,建立了电磁侧封二维和三维数值模型,分析了线圈安匝数、频率、空气隙、线圈布置形式以及磁极伸出量对熔池内电磁压力的影响。认为增加两侧线圈电流密度,减少线圈与熔池间间距、延长磁极作用范围,可以提高侧封质量。还首次建立了电磁侧封磁流耦合数值模型,研究了电磁侧封磁场对熔池内钢液流动的影响。并通过VOF液面追踪法,计算了熔池内钢液在电磁侧封作用下,形成的自由面形状,直观地反映了电磁侧封的效果。分析了电流频率对侧封自由面的形状以及熔池内钢液凝固kiss点的影响。认为频率在4000-6000Hz时,侧封效果较好,且随着频率增加,熔池内kiss点逐渐下降。所建立的电磁侧封磁流耦合模型,为电磁侧封研究提供了一种新方法,对于缩短电磁侧封设计时间,优化电磁侧封结构具有重要意义。

3结语

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。燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心科研团队研发的双辊薄带振动铸轧新技术,为铸轧领域开辟了新的道路,推动了铸轧技术的工业化、产业化进程,具有十分广阔的研究及应用前景。(杜凤山 孙明翰 孙静娜)

本文摘选自本报2017年第40期B03部分内容,若要详细了解更多相关行业和技术信息,请关注本报纸质报纸每期A版和B版内容,或者登陆本报手机APP客户端,或者本报网站新址:http://www.worldmetals.com.cn/电子报阅读全文。转载请注明出处。

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