異徑雙輥法制備金屬薄帶若干問題的探討

羅俊杰

（山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009）

生產(chǎn)實踐·應(yīng)用技術(shù)

異徑雙輥法制備金屬薄帶若干問題的探討

羅俊杰

（山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009）

設(shè)計了一種雙輥鑄軋法凝固速率快的異徑雙輥鑄軋法，并將其冷卻速率與快速凝固做了對比，結(jié)論表明，該工藝的冷卻速率不及快速凝固。討論了布流寬度，實驗結(jié)果表明非完全布流有利于熔池穩(wěn)定性。探討了成形機理，將成形過程分為預(yù)冷區(qū)、過渡區(qū)、高黏區(qū)、微軋區(qū)及空冷區(qū)。

凝固速率 布流寬度 成形機理

21世紀(jì)的材料加工工藝對低成本、節(jié)能節(jié)材、環(huán)境友好、便于自動化提出了較高的要求，材料的近終形加工就是在此要求下興起的一種新興加工技術(shù)，從資源環(huán)境的角度講更加符合未來經(jīng)濟社會的發(fā)展需求[1-3]。薄帶近終形成形是材料近終形成形加工的一個重要分支，它是指將液態(tài)金屬澆注到各種形式的結(jié)晶器并直接凝固成形出厚度在0.1～10.0 mm左右的薄帶坯的工藝過程，按其形式主要可分為單輥法、雙輥法和輥帶式近終形鑄造成形[4]。

本實驗采用了不等徑的雙輥鑄軋法，旨在對薄帶近終形成形技術(shù)做更為深刻的了解，并為今后此項技術(shù)的發(fā)展指明方向。

1 異徑雙輥法的特點

異徑雙輥法是采用不等徑的冷卻輥與成形輥對液態(tài)金屬進行凝固成形，制備薄帶的一種近終形成形工藝，如圖1所示。

圖1 異徑雙輥鑄機原理圖

與單輥法相比，由于成形輥對薄帶上表面的壓下作用，使上表面的成形質(zhì)量大幅提高；對于雙輥鑄軋，由于兩輥間的熔池較大，熱流源源不斷的從熔池流向鑄輥，影響了輥面附近液態(tài)金屬的凝固速率，較有代表性的鑄速為30 m/min。采用異徑雙輥法則可避免這一問題，使鑄速提高至60 m/min[5]。

2 凝固速率

2.1 快速凝固

液態(tài)金屬在極高的冷卻速度下（通常大于104K/s）發(fā)生高速率的凝固（如凝固生長速率大于10cm/s）。快速凝固會產(chǎn)生一些新的組織特征，如，偏析傾向小、非平衡相的形成、細(xì)化凝固組織，非晶態(tài)的形成[6]。

金屬凝固時，在一維穩(wěn)態(tài)條件下凝固時間和凝固層厚度有如下關(guān)系[7]：

式中：t為凝固時間；s為凝固層厚度；k為凝固系數(shù)。由（1）式可見，當(dāng)凝固層厚度較小時，凝固速率ds/dt隨凝固層厚度的減小而顯著增大。這表明，所凝固的薄帶厚度越薄，凝固速率越快，本工藝所制備的薄帶厚為1～2 mm，該厚度也決定了最終的凝固速率。

2.2 快速凝固在本工藝中的作用

異徑雙輥法的一個顯著特征是凝固速率基本不受熔池的影響，因此較一般雙輥鑄軋而言，凝固速率較快。然而，多個因素表明：該工藝的冷卻速率在103K/s數(shù)量級，不及快速凝固的冷卻速率（大于104K/s）；凝固速率雖然在1 cm/s數(shù)量級，但不及快速凝固的10cm/s的凝固速率。因此，該工藝為亞快速凝固。

從該工藝制備的薄帶的組織特征來看（如下頁圖2所示），雖然未出現(xiàn)非晶態(tài)組織，但也具備快速凝固的部分組織特征，即偏析傾向小、細(xì)化的凝固組織。且未出現(xiàn)傳統(tǒng)的鑄態(tài)組織的3個區(qū)域，而是以較細(xì)小等軸晶或退化的二次枝晶為主。

圖2 Al-10%Cu合金帶鑄態(tài)顯微組織 （×1 000）

3 布流寬度

如圖3所示布流寬度。布流寬度可分為完全布流與非完全布流。實驗表明：完全布流并不適合本工藝，主要是由于布流厚度達輥縫的2～3倍，與成形輥的接觸點尚未達到輥縫最窄處，因此會對成形輥產(chǎn)生一定的沖擊作用。對于完全布流如圖3-1所示，這種沖擊力無法橫向緩沖而是發(fā)生沿冷卻輥切向的回彈，隨后在自身質(zhì)量作用下又流向輥縫，形成液態(tài)金屬在熔池中的往復(fù)波動，對熔池穩(wěn)定性造成較為不利影響；對于非完全布流如3-2所示，當(dāng)熔體與成形輥接觸后，會被壓下而形成寬展（見圖4），使熔體向兩側(cè)流動，緩和了熔體對成形輥的沖擊力，有利于熔池流場的穩(wěn)定性。

圖3 布流寬度

同時，布流寬度不宜小于60 mm（輥寬為100 mm），否則橫向流動距離過長而導(dǎo)致熔池中部與邊部沿冷卻輥切向的速度存在差異，邊部的切向速度小于中部的切向速度，在凝固時不能同步，產(chǎn)生薄帶邊裂（如圖5所示）。

4 成形機理

如圖6所示，將成形過程分為五個階段：

圖4 非完全布流產(chǎn)生寬展

圖5 薄帶邊裂

圖6 成形機理示意圖

1）預(yù)冷區(qū)，即布流器出口到熔池前部的冷卻區(qū)間。液態(tài)合金在布流器出口處流速較小，且方向近似垂直于冷卻輥表面，形成一個局部微熔池。由于流體對輥面存在沖擊力，微熔池初始流動較為紊亂，但在高速轉(zhuǎn)動的冷卻輥的拖拽作用下，熔體的速度方向以沿輥面切線方向為主，同時也繼承了微熔池的紊流，這將有利于熔體內(nèi)部的均勻預(yù)冷。

2）過渡區(qū)，由于熔體在冷卻輥上布流厚度大于輥縫，布流寬度小于輥寬，預(yù)冷區(qū)為紊流，因此出現(xiàn)過渡區(qū)以便調(diào)整液態(tài)合金在兩輥間的分布。在預(yù)冷區(qū)熔體的沖擊作用、兩輥的壓力作用及合金熔體的質(zhì)量作用下，熔體的流態(tài)將更加紊亂，這將有利于溫度分布的均勻化。同時，熔體充分向輥兩側(cè)展開，在兩輥及側(cè)封圍成的微鑄型內(nèi)形成較為飽滿的熔池。

3）高黏區(qū)，隨著液態(tài)合金溫度的進一步降低，固相百分含量不斷增大，熔體黏度升高，微鑄型在厚度方向上的尺寸不斷減小，液態(tài)合金受到成形輥壓力的作用顯著增大，熔體由預(yù)冷區(qū)的紊流變?yōu)閷恿?，?nèi)部壓強也明顯增大，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及熔體內(nèi)部熱導(dǎo)率增加。由于靠近鑄輥表面的合金熔體流態(tài)相對穩(wěn)定，溫度相對較低，故熔體開始在輥面發(fā)生凝固，并形成半月形殼層。

4）微軋區(qū)，隨著半月形殼層的厚度不斷增加，在輥縫最窄處的前沿，靠近成形輥表面的合金熔體也趨于穩(wěn)定。隨著凝固過程的不斷進行，軋制力顯著提高，導(dǎo)熱率顯著加快，薄帶迅速凝固成形。

5）空冷區(qū)，當(dāng)熔體通過輥縫后，由于軋制力驟降，薄帶進入空冷階段。隨著溫度的進一步降低，少量殘余液相發(fā)生凝固，成形過程結(jié)束。

5 結(jié)論

1）異徑雙輥法薄帶成形質(zhì)量與等徑雙輥法相同，優(yōu)于單輥法，而冷卻速度較一般的等徑雙輥法要快。

2）異徑雙輥法的凝固速率較快速凝固要底一個數(shù)量級，屬于亞快速凝固，在顯微組織上未出現(xiàn)傳統(tǒng)鑄態(tài)組織的三個區(qū)域，而是以較細(xì)的等軸晶與退化的二次枝晶為主。

3）異徑雙輥法適于采用非完全布流的方式，有利于提高熔池的穩(wěn)定性。但過窄的布流容易導(dǎo)致薄帶邊裂。

4）成形過程可分為預(yù)冷區(qū)、過渡區(qū)、高黏區(qū)、微軋區(qū)及空冷區(qū)，其中高粘區(qū)與微軋區(qū)為熔池凝固區(qū)。

[1] 梁愛生.近終形連鑄技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001：87-88．

[2] Woo-Seung Kim，Deok-Soo Kimb，A.V.Kuznetsovc．Simulation of coupled turbulent flowand heat transfer in the wedge-shaped pool of a twin-roll strip casting process[J].Heat and Mass Transfer，2000（43）：3 811-3 812．

[3] 徐光，徐楚韶.帶鋼近終形生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展概況[J].武漢冶金科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999，22（2）：125-128．

[4] 韓華偉，吳巍，仇圣桃，等.雙輥薄帶連鑄的數(shù)值模擬[J].鋼鐵，2001，36（10）：75-77．

[5] 羅俊杰，周成.異徑雙輥法制備1050Al帶的可行性研究[J].山西冶金，2016，39（5）：21-23．

[6] 周堯和，胡壯麟，介萬奇.凝固技術(shù)[M].北京：械工業(yè)出版社，1998：227-230．

[7] 張興中，那賢昭，王忠英，等.圓坯方坯凝固定律的導(dǎo)出和驗證[J].金屬學(xué)報，2004，40（3）：281-284．

（編輯：苗運平）

On Several Problems of the Preparation of Thin Metal Strip by Twin Roller Method

Luo Junjie
（Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan Shanxi 030009）

In this paper,a new method of twin roll casting is designed,which has a fast solidification rate,and the cooling rate is compared with that of rapid solidification.The width of the flow is discussed.The experimental results show that the non full flow is favorable to the stability of molten pool.The forming mechanism is discussed,and the forming process is divided into precooling zone,transition zone,high viscosity zone,micro rolling zone and air cooling zone.

solidification rate,flow width,forming mechanism

TG11.25

A

1672-1152（2017）01-0078-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.31

2016-11-05

羅俊杰（1984—），男，山西介休人，2013年畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料加工工程系，現(xiàn)于山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院任教，教師助理。