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。
