（材料加工工程专业论文）双辊铸轧薄带钢数值模拟的研究.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n g e n g i n e e r i n g n um e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho nti nr qillericalu l a t i o nr e s e a r co nw i n - r o l l- l s t e e ls t r i pc a s t i n g b yw a n gc h e n g ji a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rq i uy i q i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 f 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二6 二 恩。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 7 g 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字目期： 东北大学硕士学位论文 摘要 双辊铸轧薄带钢数值模拟的研究 摘要 近些年，双辊铸轧薄带钢作为一项低能耗、短流程、低成本的新型技术，受到全世 界钢铁业的关注，取得了令人嘱目的进展。在双辊铸轧薄带钢工艺过程中，工艺参数控 制范围窄，需要应用计算机模拟技术对其凝固过程进行数值模拟，借此获得优化的工艺 参数指导生产，尽快投入到工业化生产。本文选择双辊铸轧薄带钢凝固过程为研究课题， 对双辊铸轧薄带钢凝固过程中熔池内钢液流动、传热和凝固过程以及铸轧中间包内钢液 流动行为进行数值模拟。研究得到的结果对于该技术的工业化应用具有理论意义和实用 价值。 本文利用a n s y s 商业软件对双辊铸轧薄带钢过程中的关键问题进行系统研究，取 得了预期的研究成果。本义的主要工作和创新研究结果如下： 根据双辊铸轧薄带钢工艺的特点，建立了能够描述双辊铸轧过程中的湍流流动、传 热和凝固过程的控制方程。对固相率、凝固潜热和湍流粘度等关键问题进行了处理，给 出了描述湍流流动的统一方程。 采用二维流场有限元分析理论对铸轧中间包流场进行数值模拟。给出了中间包结构 形状、浇注速度、液面高度等参数对熔池内流场的影响规律。 采用二维流热耦合有限元分析理论对双辊铸轧薄带钢凝固过程中流场和温度场进 行了数值模拟。首次延长问题研究的区域，利于湍流的充分发展。给出了浇注温度、铸 轧速度、熔池液面高度、出口厚度等参数对熔池内流场和温度场的影响规律。 利用不锈钢铸带出口表面温度的实验结果与数值模拟结果进行比较，初步验证了数 值模拟结果的正确性。 关键词：双辊铸轧薄带钢；有限元分析；温度场；流场；中间包 一i i 东北大学硕士学位论文hbst r a c t n um e r i c a lsimulationerical ir e s e a r c ho nt w i n r o l l s t e e ls t r i pc a s t i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，as i g n i f i c a n tp r o g r e s sh a sb e e no b t a i n e di nt h ed e v e l o p m e n to ft w i nr o l l s t r i pc a s t i n gp r o c e s s ，w h i c hi sa b s o r b i n gt h ea t t e n t i o no ft h ei r o na n ds t e e li n d u s t r yo ft h e w o r l da so n eo ft h en e wt e c h n o l o g i ef o ri t sl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，s h o r tp r o c e d u r ea n dl o w p r o d u c t i o nc o s t c o m p u t e rs i m u l a t i o ni su r g e n t l yn e e d e dt ob ea p p l i e dt o t w i n r o l lc a s t i n g p r o c e s sw i t hn a r r o wc o n t r o l l i n gr a n g e so fp r o c e s sp a r a m e t e r si no r d e rt o o b t a i no p t i m i z e d p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dl a yaf o u n d a t i o nf o ri t si n d u s t r i a l i z a t i o n i n t h ep r e s e n tw o r k t h et w i n - r o l ls t r i pc a s t i n gp r o c e s sw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d t h em e t a l f l o wi nt h ep o o la n dt h et u n d i s h ，t h eh e a tt r a n s f e rb e h a v i o ra n dt h es o l i d i f i c a t i o no ft h e m o l t e ns t e e li nt h et w i n r o l lc a s t i n gp r o c e s sw a si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e si nt h e o r ya n dp r a c t i c eo ni n d u s t r i a l i z a t i o no ft h et w i n - r o l l c a s t i n gp r o c e s s n l ek e yi s s u e si nt h et w i n r o l ls t r i pc a s t i n gp r o c e s sw e r es t u d i e db yu s i n ga ns y s c o m m e r c i a lp a c k a g e s i g n i f i c a n tp r o g r e s s e sa n di n n o v a t i v er e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d ，w h i c h a r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et w i nr o l ls t r i pc a s t i n g ，a ne q u a t i o nc o m b i n i n gt h e t u r b u l e n c e h e a tt r a n s f e ra n ds o l i d i f i c a t i o nw a se s t a b l i s h e d t h ek e yp r o b l e m ss u c ha st h e s o l i dp h a s er a t i o ，s o l i d i f i c a t i o nh e a ta n dt u r b u l e n c ev i s c o s i t ye t ch a v eb e e nd e a l e dw i t h s u c c e s s f u l l y , a nu n i f i e df o r m u l ad e s c r i b i n gt u r b u l e n c ew a sd e r i v e d an u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rf l o wf i e l d so ft w i n r o l lc a s t i n gt u n d i s hw a sp e r f o r m e db yu s i n g at w od i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tc o u p l e da n a l y s i st h e o r y n ee f f e c t so ft h es t u c t u r eo f t u n d i s h ，p o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dh e i g h to fm e t a ll i q u i di nm o l t e np o o l ，e t co nt h ef l o wf i e l d h a v eb e e no b t a i n e d an u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rf l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l d sd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o ni n t w i n r o l ls t r i pp r o c e s sw a sp e r f o r m e df o rt h ef i r s tt i m ee x t e n d e dt h es t u d yr e g i o n c o n d u c i v e t ot h ef u l ld e v e l o p m e n to ft u r b u l e n c ef l o wy i e l db yu s i n gat w od i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t c o u p l e da n a l y s i st h e o r y t h ee f f e c t so ft h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e ，c a s t i n gs p e e d ，h e i g h to f m e t a ll i q u i di nm o l t e np o o l ，t h i c k n e s so f s t r i p sa te x i te t co nt h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r e f i e l dh a v eb e e no b t a i n e d b a s e do nt h es i m u l a t i o na n dt e s t i n gr e s u l t so fs u r f a c et e m p e r a t u r eo fs t r i p sa te x i ti n s t a i n l e s ss t e e ls t r i p ，t h ec o r r e c t n e s so ft h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：s t e e ls t r i pc a s t i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；f l o wf i e l d ；t u n d i s h i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要一i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 双辊铸轧薄带钢的工艺特点1 1 2 双辊铸轧薄带钢的发展概况3 1 2 1 国外双辊铸轧薄带钢技术的发展状况3 1 2 2 国内双辊铸轧薄带钢技术的研究丌发情况5 1 3 双辊铸轧薄带钢凝固过程的研究6 1 3 1 双辊铸轧薄带钢过程的实验研究6 1 3 2 双辊铸轧薄带钢凝固过程的数值解析研究9 1 3 3 凝固传热问题及数值模拟研究1 0 1 4 双辊铸轧薄带的关键技术和数值模拟的关键问题1 2 1 4 1 双辊薄带铸轧试验的关键技术1 2 1 4 2 双辊铸轧薄带数值模拟的关键问题1 4 1 4 3 双辊铸轧薄带工艺评述与展望1 4 1 5 本论文的研究目的和内容l5 第2 章双辊铸轧薄带流体热力学基本理论1 7 2 1 引言1 7 2 2 流场计算的基本理论17 2 2 1 流场的基本控制方程1 7 2 2 2 湍流模型理论1 9 2 2 3 通用微分方程的离散化2 4 2 3 温度场计算的基本理论2 6 2 3 1 热量传递的基本方式2 6 东北大学硕士学位论丈 目录 2 3 2 传热中的能量守恒2 8 2 3 3 传热中的微分方程2 9 2 3 4 传热中的边界条件2 9 第3 章中间包内钢液流动现象3 1 3 1 中间包在连续浇铸中的作用3 1 3 2 中问包流动模拟的条件3 2 3 3 中间包钢液流动特征3 2 3 3 1 中间包形状对于中间包内流场的影响3 3 3 3 2 设置挡墙和坝对于中问包内流场的影响3 3 3 3 3 挡墙和坝设置位置对中间包内流场的影响3 5 3 3 4 挡墙和坝设置 j j 距对于中间包流场的影响3 6 3 3 5 中间包入口注流速度对于流场的影响3 7 3 3 6 熔池深度对于中间包流场的影响3 9 3 4 本章小结4 0 第4 章双辊铸轧薄带流体热力学耦合数值模拟4 1 4 1 引言4 l 4 2 边界条件和流体性质的处理4 2 4 2 1 流体性质的处理4 2 4 2 2 计算区域与网格划分4 4 4 2 3 速度边界条件4 5 4 2 4 热边界条件4 6 4 3 模拟条件4 7 4 4 工艺参数对于流场温度场的影响4 7 4 4 1 浇注温度对熔池温度场流场的影n m 4 8 4 4 2 铸轧速度对熔池温度场流场的影响5 0 4 4 3 出口厚度对熔池温度场流场的影响5 3 4 4 4 熔池高度对熔池温度场流场的影响5 5 4 5 铸轧薄带出口表面温度数值模拟和实验结果的比较5 7 东北大学硕士学位论文 目录 4 5 1 实验设备和工艺参数5 7 4 5 2 薄带出l i 温度随养铸轧速度的变化5 8 4 5 3 薄带出口温度随着浇注温度的变化5 9 4 6 本章小结、5 9 第5 章结论6l 参考文献6 3 致谢6 7 - 1 1 1 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 双辊铸轧薄带钢的工艺特点 最近几十年来，国内外钢铁界由于能源短缺、资源匮乏的不利影响，一直围绕节约 能源、提高生产率、改进产品质量来丌发节能型新技术，以期达到长期节约能源、提高 钢铁质量的目的。薄带铸轧技术j 下是在这种大环境下应运而生的节能高效型新技术。 目前广泛采用的连铸连轧工艺生产的厚板坯需要经过包括加热、粗轧、精轧和加速 冷却等很多工序才能获得最终厚度为1 o - - , 2 0 m m 的热轧板带钢产品。而双辊铸轧工艺 ( t w i nr o l lc a s t i n g - - t r c ) 从根本上改变了传统薄带的生产方法，可以省略连铸、加 热和热轧等生产工序，而足以转动的两个铸辊作为结晶器，将液态钢水直接注入铸轧辊 和侧封板形成的熔池内，由液态钢水通过冷却和卷曲直接生产出厚度为l - - - 4 m m 的薄带 钢，其工艺过程如图1 1 所示。双辊铸轧薄带工艺的特点是金属凝固与轧制变形同时进 行，液态金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形，在很短的时间内完成从液态 金属到固态薄带的全部过程【ij 。 o i l e r 图1 1 双辊铸轧薄带钢工艺示意图 f i g 1 is c h e m a t i cv i e wo ft w i n - r o l ls t r i pc a s t i n g 双辊铸轧工艺与传统连铸、薄板坯连铸等其他工艺在冶金传热方面的主要区别在于 液态钢水始终与铸辊保持接触并随铸辊的转动而移动，双辊铸轧工艺中就不需要保护 渣，而在薄板坯连铸和常规连铸工艺中液态钢水与结晶器之间靠熔融的保护渣层隔离开 来。因此，在双辊铸轧工艺中，热量的传出速度、钢水的冷却速度、凝固速度及铸机中 的热流密度要比板坯连铸中的高几个数量级，同时也不存在传统连铸中为克服凝壳与结 东北大学石页士学位论丈 第1 章绪论 晶器之间摩擦所必需的结晶器振动问题【2 1 。在双辊铸轧工艺过程中，钢水与铸辊接触前 l o m s 内，热流的峰值大约为2 5m w m 2 【3 1 。在钢水与铸辊接触早期，由于传热时间非 常短，冷却速度可达1 0 0 0 - 一5 0 0 0 0 c s 4 1 。实验和数值模拟研究的结果表明，双辊铸轧 过程中局部的冷却速率高达1 0 7 。c s ，而且可能产生非常大的过冷( 2 5 0 c ) ，凝固条件 远离了平衡状态5 1 。由此可见，在双辊铸轧薄带钢过程中，非平衡凝固条件和高的传热 速率对控制带材的表面质量是极其重要的。由于钢水冷却速度很快，形成的晶粒细小， 铸带中显微偏析小、夹杂少，可生产出与传统板坯连铸完全不同的铸态组织。利用薄带 钢凝固速度快的特点可以扩大合会元素的固溶范围、细化组织和析出物。利用双辊铸轧 薄带工艺抑制偏析的特点，在废钢和劣质矿产资源的应用方面做出突出贡献。 双辊薄带铸轧工艺的优点概括地说就是缩短流程，降低投资，取消了加热和热轧等 工序，生产线由几百米缩短到几十米，大大地减少了建设投资成本，按吨钢生产能力核 ，算可节约设备投资约7 0 ；减少生产成本，省去了轧件由厚变薄所需的热能、电能、轧 辊和水等的消耗，与连铸连轧相比每吨钢可以节约能源达到8 0 0 k j ，其成本约为传统连 铸坯生产带材成本的6 5 左右；双辊薄带铸轧的冷却速度达到1 0 2 - - 1 0 3 s ，属于典型 的哑快速凝固过程，利用其急冷凝固特性能够生产一些普通工艺难以生产的合金产品其 高冷却速度的优点，可细化晶粒，减少偏析，改善产品的组织结构，生产传统方法难以 生产的、加工性能不好的金属制品，如高速钢、高硅钢薄带等并且在开发高强度长寿命 薄带产品中得到体现；增加生产的灵活性，适于产量规模较小，与直接还原等新流程匹 配，形成符合钢铁循环经济、环境友好和可持续发展的新流程。 双辊铸轧工艺也有其不可避免的劣势和缺陷，比如工艺浇铸速度低，直接导致较低 的成品率；能浇铸的合金有限不能适用所有的合金种类，并且产品性能较差；对于薄带 钢的生产工业化难度比较大。采用薄带铸轧技术生产普碳钢在性能和成本方面不占优 势，而生产不锈钢薄带则由于铸轧技术在解决表面质量方面的固有缺陷而存在较大劣 势。而且，对于亚快速凝固过程中的物理冶金规律，目前还没有系统的理论框架，对于 指导双辊铸轧薄带工艺不能提供完整的理论支持和有效的数学模型。不过铸轧工艺具有 能耗低、环保和急冷凝固力学性能好等特点，钢的双辊铸轧技术还是受到了越来越多的 关注，被普遍寄期望为薄板坯连铸连轧后下一代的生产工艺。众多的研究者进行了大量 的试验和模拟工作，在过去2 0 年间，世界范围内用于投资开发薄带铸轧技术投资总额 约为5 一- 7 亿美元，约占每年钢铁工业开发投入总额的1 2 【6 】。主要集中在不锈钢和 普碳钢方面，确定合理可行的工艺操作条件，为实现规模化和实用化生产奠定了良好的 基石出。 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 1 2 双辊铸轧薄带钢的发展概况 1 2 1 国外双辊铸轧薄带钢技术的发展状况 薄带铸轧技术凶结晶器的不同而分为辊式、带式与辊带式等，其中研究最多、进展 最快、最具发展前途的当属双辊薄带铸轧技术【7 】。早在1 8 4 6 年，英国的h e n r yb e s s e m e r 就提出了双辊铸轧薄带钢的想法并申请了专利，最初主要用于生产锡和铅带产品。在 1 8 5 6 年，b e s s e m e r 采用同样的设计生产出长0 9 1 2 m 的带钢。但是，存在一些当时 技术无法解决的问题，比如钢液流动控制、熔池内金属布流、浇注水口用的耐火材料、 铸带的物理特性、边部侧封和表面质量等。钢带的直接铸轧由于其相图的复杂性以及热 传导的差别，要比铝更复杂。因此，在b e s s e m e r 的梦想变成商业现实以前，还需要做 大量的研究和丌发工作。在很长一段时问内，铸轧薄带钢的研究进入停滞状态。直到 2 0 世纪8 0 年代以来，由于能源危机的加剧和快速凝固技术的发展，薄带连铸技术重新 引起了困际上的高度罩视和广泛关注，几乎所有发达困家的大钢铁企j l k 和一些图际著名 大学( 如美国麻省理工学院、英国牛津大学等) 都对此进行了研究。在此期间，各种类 型铸机和工艺相继出现，但仅限于实验室和工业试验阶段。 2 0 世纪9 0 年代起，随着研究的不断深入和国际i 、日j 合作的广泛展开，薄带连铸技术 取得突破性进展。主要标志是1 9 9 2 年5 月美国建成了世界上第一条工业规模的薄带单 辊铸机，投产了c o i l c a s t 生产线；铸带宽度己达到8 0 0 m m 以上，初步解决了因铸带太 薄及过窄而引起生产率低的问题，其它工艺问题也逐步得到解决。由于商业的原因，一 些实验规模的铸机仍处于保密状态【7 1 。许多钢铁公司将目光投向双辊铸轧薄带钢的生产囊 之中，单独或合作投巨资竞相研究开发，并在实验室或试验工厂铸轧出厚l 一- - - 3 m m 的不 锈钢、硅钢、高速钢的薄带，经过多年的努力，逐步解决了各种各样的技术难题，如铸 带的表面质量、内部质量、几何尺寸及边部质量均在不断得到改善，而且排除了人们对 于能否实现薄带铸轧产业化的疑问【8 】。 进入新世纪主要发达国家的钢铁生产厂家都在该技术上投人了大量资金和开发人 员，建立自己的试验性工厂，在其技术领域内展丌了激烈的竞争。同本新同铁和欧洲o a s t 宣称实现了不锈钢的工业化生产。澳大利亚b h p 首先取得了碳钢工业化生产试验 的成功。美国纽柯( n u c o r ) e 经建成世界首条薄带连铸技术商业化生产线。本文主要介 绍以美国纽柯c 项目和澳大利亚b h p 与日本石j l l 岛播磨合作开发的m 项目等为代表的 双辊薄带铸轧技术最近的进展情况【6 , 7 , 9 - 1 2 】： 1 澳大利亚b h pm 项目： b h p ( b r o k e nh i l lp r o p r i e t a r yc o ) a n 日本石川岛播磨i s h i k a w a j i m a h a r i m ah e a v y 3 一一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 i n d u s t r i e s ( i h i ) 自1 9 8 9 年起在澳大利亚k e m b l a 合作开发了一套全尺寸的试验性项目， 该工程被称作m 项目，在1 9 9 7 年1 2 月首次成功实现了碳钢的工q k 性试验生产。 m 项目突出特点为在线热轧和小辊径，起仞连铸机的薄带厚度为1 9 m m ，保温直 接进入一架在线四辊热轧机，轧到1 4 m m 。辅助以热轧润滑技术后，可生产l m m 厚薄 带，其生产的带钢可供冷轧做原料，也可替代部分冷轧板生产涂层和镀层板。该厂在试 验期间生产了3 万t 板带，并成功地生产了多种焊管以及建筑屋顶板及油桶等民用产品。 与新同铁和欧洲采用直径1 2 0 0 - 1 5 0 0 m m 大辊径技术不同，该技术选用5 0 0 m m 直径小 辊并取得了成功。 2 美国纽柯n u c o r c 工程： 美国纽柯( n u c o rc o r p ) 继在1 9 8 9 年第一个实现了薄板坯铸技术的商业化生产后， 正在致力于在双辊薄带铸轧技术领域再一次成为世界的先行者纽柯f 在与澳大利亚 b h p 和同本i h i 合作在c r a w f o r d s v i l l e 合资兴建一条商业化薄带铸轧生产线。该工程被 称作c 项目，于1 9 9 9 年2 月份动工。 双辊浇铸带钢生产线运用两个反向旋转铸轧辊转动的方式从辊隙中获得连续凝固 的钢板。纽柯铸轧线的钢包容量为1 1 0 t ，可以满足传统大型中间包或者小型中间包和浇 铸系统的要求。浇铸系统经优化设计后可减小钢水对铸辊的冲击，同时实现了钢水在整 个辊身长度方向上的均匀分布。浇铸喷嘴位于两个轧辊的中间并浸入金属熔池当中，用 于将液态金属分散到熔池中。典型的铸轧速度在6 0 1 0 0 m m i n 范围内，产品厚度小于 1 7 m m 。为了限制带钢表面氧化铁皮的过度生长，在铸轧带进入热轧机前安装了含有还 原气氛的保温罩。热轧机组的最大容许压下量为5 0 ，典型的压下量一般小于3 0 。 安装在轧机后面的水冷装置可以控制带钢所需的卷取温度，以控制其奥氏体向铁素体的 转变进程。在整个连铸生产线末端，安装有两台地下卷取机。纽柯公司在采用薄带铸轧 技术生产超薄带方面已实现了工业化生产。该生产线2 0 0 2 年建成后己用于生产低碳钢 板。常规产品为厚度o 7 1 5 m m 的钢板，可扩展到生产厚度范围属于热轧带钢的产品并 可作为冷轧带钢的替代品。同时也建立了一些商用结构类产品的分级标准。在化学成分 和力学性能方面，与常规热轧带材指标相当。 3 其他双辊薄带铸轧试验 同本多家企业包括新日铁、太平洋金属、住友金属、川崎制铁等在2 0 世纪8 0 年代 到9 0 年代问在双辊薄带铸轧上进行了连续研究，目前只有新同铁仍在继续。新同铁建 立了工业性试验工厂，成功地进行了不锈钢的工业性试生产。 在欧洲，除早期德、法、英、挪威、捷克等国各自的研究外，欧盟主导由法国于齐 一4 东北大学硕士学位论丈第l 章绪论 诺和德国克虏蒂森联合在德国k r e f e l d 建立了碳钢的双辊薄带连铸工业化试验厂。该项 目于1 9 9 9 年2 月开始，设计年产l o 力t ，速度3 5 7 0 m m i n ，产品厚度2 3 - - - 3 2 m m ， 可直接供冷轧尘产0 8 m m 的薄板。计划在2 0 0 1 年增设在线热轧机和侧封板快速更换机 构，使产量提高到4 0 万t a 。a s t 在意大利t e m i 建立了不锈钢的双辊薄带连铸工业化 试验厂，已宣称获得了工业化试验的成功。 韩国浦项与英国戴维金属合作从1 9 8 9 年起丌始在双辊薄带铸轧技术方面投人研 究。首先在1 9 9 1 年建立了一台小型试验铸轧机，辊径7 5 0 m m ，辊自宽3 5 0 m m 在成功 进行试验生产后，于1 9 9 5 年建立了第二台正式工业化试验铸轧机，辊径1 2 5 0 m m ，辊 自宽1 3 0 0 m m ，最大速度1 3 2 m m i n ，成功生产了1 0 t 重钢卷，并用浦项的森吉米尔轧机 生产了冷轧薄板。 1 2 2 国内双辊铸轧薄带钢技术的研究开发情况 我国从2 0 世纪5 0 年代丌始薄带钢铸轧工艺的研究，到目前为止中试级别钢的薄带 铸轧技术已取得重要进展，并丌始向工业规模方向发展。例如，东北大学轧制技术及连 轧自动化国家重点实验室开发出了4 5 0 m m 2 5 4 m m 双辊铸轧机，配备有全面的工艺 参数检测系统和控制系统。我国还于2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代初在重庆、上海建立过 大小两套连铸一行星轧机轧制薄带生产实验线，未能取得成功，此后带钢连铸技术的研 究趋于停止状态。直到2 0 世纪8 0 年代，随着国外带钢连铸技术研究工作的兴起，我国 也重新丌始了这方面的研究工作。研究项目先后被列入国家七五、八五攻关项目，国家 自然科学基金重大项目和“9 7 3 ”项目。承担这些项目的主要单位有东北大学、上海钢 铁研究所和重庆大学等。 东北大学于1 9 8 3 年建立了第一台异径双辊式铸机【”】，1 9 9 0 年3 月又建成了第二台 异径双辊式铸机，辊径分别是5 0 0 m m 和2 5 0 m m ，辊宽为2 1 0 m m ，直流电机驱动，可 调速，配有磨辊装置，等离子切割机和小型热轧机等，成功铸轧出2 1 m m x 2 0 7 m m 高速 钢薄带，单炉可达1 1 0 k g ，带坯长度可达3 0 m 。并利用铸轧出的薄带坯加工出合格的锯 条、刀片等【1 4 】。八五期间，在轧制技术及连轧自动化国家重点实验室( 东北大学) 建立 了一条异径双辊铸轧薄带钢实验线，完善了熔炼和测试手段，成功地铸轧出了w 6 高速 钢薄带。1 9 9 9 年，在国家自然科学基金的资助下，新建了一台等径双辊式铸机，辊径 5 0 0 m m ，辊宽2 5 0 m m ，铸速3 0 - - - 1 0 0 m m i n ，带钢的厚度为1 5 m m 。实验钢种为高速 钢、不锈钢、硅钢和普碳钢。通过大量的实验研究，基本得到实验用高速钢、不锈钢铸 轧的最佳工艺参数【1 5 之1 1 。 东北大学对新建的铸轧机进行了进一步改造和完善，增加了熔池液面检测与控制系 一5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 统，铸轧辊的液压压下与控制系统，铸轧机的冷却与控制系统，在铸4 e t , $ j l 的出口增加了 一架在线轧机，建立了带材的卷取系统，同时对浇注系统进行了彻底改造，其目的是研 究生产高附加值和用传统方法难以制备的特殊制品，如高硅钢薄带、高性能的镁合会薄 带、高性能铝合金薄带以及形状记忆合金等制品。同时，还提出了采用双辊铸轧方法制 备复合薄带这一新的研究课题。 重庆大学也开发了辊径为2 5 0 m m 的双辊铸机，实验研究了不锈钢、硅钢的铸轧工 艺，并对铸带显微组织及铸轧薄带的后处理进行了研究，为控制铸带过程及薄带质量提 供了依据【2 2 2 4 1 。 上海钢研所于1 9 8 8 年2 号铸轧机组建成并调试成功。采用的是同径双辊式薄带铸 轧机，铸辊的直径为5 0 0 m m ，辊长2 5 0 m m ，双辊轴线可在0 - - - 4 5 。范围内调整。配有 比较完善的监测仪和报警装置可以浇铸1 5 - - - - 3 5 2 5 0 m m 的带坯。 综上所述，国内双辊铸轧薄带钢工艺研究起步晚，取得的进展与国外研究相比还存 在很大的差距，还处于摸索阶段。我们有义务和责任进一步加大投入，借鉴国外研究的 成功经验，改进我们自身的研究方法，加快研究的步伐，缩短与国外研究水平的差距， 使我国的双辊铸轧薄带钢技术取得突破性进展。 1 3 双辊铸轧薄带钢凝固过程的研究 金属液体的凝固过程直接影响凝固组织、产品力学性能及产品成材率。因此，长期 以来凝固传热问题一直是冶金科研人员研究的重要方向。 在双辊铸轧薄带钢过程中除了有固液界面的移动外，还伴随传热、传质、液相流动 和固相运动。这些过程不仅对固液界面的移动速率及形态产生影响，而且这些过程之间 还互相作用，相互影响。因此双辊铸轧薄带钢过程是一个非常复杂的凝固传热过程。在 如此复杂的过程中找出主要的矛盾和规律并加以描述是进行凝固过程控制、发展双辊铸 轧薄带钢技术的基础。对于双辊铸轧薄带钢过程中凝固问题的研究主要手段有实验、数 学解析、数值模拟和物理模拟。 1 3 1 双辊铸轧薄带钢过程的实验研究 在过去的几十年里，国内外科研工作者利用各自的实验设备对双辊铸轧薄带钢凝固 过程进行了大量的研究。他们主要研究了不锈钢、硅钢、工具钢和碳钢的铸轧工艺对与 薄带微观组织，表面质量和力学性能的关系，其中不锈钢的研究投入最大取得的成果也 最多。在对于尚未找到数学模型的双辊铸轧薄带工艺，实验研究可以验证理论模型的合 理性，是确定材料物理性能参数和发现新现象、新规律的主要途径，也是检验其他研究 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 成果的最终手段。他们的研究主要集中在带钢的表面质量、微观组织、力学性能测试等 方面。 在表面质量的研究中，t a k a s h iy 等【25 】利用实验铸轧机进行了3 0 4 不锈钢的铸轧薄 带钢试验。发现铸轧薄带钢的表面缺陷主要有裂纹、皱褶和疥点。通过测量纵向和横向 的厚度波动，分析了厚度波动产生原因，指出初始时厚度变薄是因为铸轧辊热膨胀造成 的。m i z o g u c h iy 等【2 6 】通过用耐火材料棒插入熔池内检测接触点的方法，研究了熔池内 弯月面形状与铸轧薄带钢表面质量之问的关系。研究发现，随着铸轧速度的提高，铸轧 薄带钢的表面皱褶变浅而得到表面平整的铸轧薄带钢。得到平整表面薄带的临界铸轧速 度为0 4 5 o 6 r n s 。随着铸轧速度的提高，熔液与铸轧辊之间的接触点降低，当接触点 到达一定的位置后就可以铸轧出表面平整的薄带。同时他们还对上述结果进行了理论上 的分析。y a s u n a k ah 等【27 】研究了双辊铸轧3 0 4 不锈钢的表面质量，主要是研究如何消 除薄带的纵向和横向裂纹。经过实验发现，减少纵向裂纹和小的凹痕必须保证凝固壳均 匀生长，减少横向裂纹必须减小铸轧薄带钢的变形量。经过多次实验，成功地铸轧出了 无裂纹的薄带。m i y a k as 掣2 8 1 研究了铸轧高合金钢薄带的表面质量。m i z o g u c h it 等2 9 】 研究了氩气、空气和氦气的铸轧氛围对铸轧s u s 3 0 4 不锈钢薄带钢表面质量的影响。通 过实验观察到，在每一种气体氛罔内都存在一个使铸轧薄带钢表面产生皱褶的临界铸轧 速度。临界铸轧速度的大小按氩气、空气和氦气的顺序减小。他还指出，在空气氛围内 不能得到表面质量很好的铸轧薄带钢。m i u a z a w ak 等【3 0 】对影响铸轧过程中的凝固壳生 长、铸轧薄带钢的表面质量和凝固组织的基本因素进行了实验研究和理论上的分析。通 过对熔池与铸轧辊之间的传热和辊面附近钢液流动的分析，得到了影响上述问题的主要 因素。 对于铸轧薄带微观组织的研究，国内外研究学者也做出了很大的努力，t a k a s h iy 掣2 5 j 利用实验铸轧机进行了3 0 4 不锈钢的铸轧薄带钢试验。通过金相实验测量了凝固相 在厚度方向上的分布及所占的比例，分析了厚度方向上的元素的偏析情况。s h i a n gl t 等p i j 研究了铸轧低碳钢薄带铸态及热处理后的微观组织。估算出双辊铸轧薄带钢凝固过 程中钢液的局部冷却速率为5 9 0 , - - - 8 5 0 。c s 。测量了铸轧薄带钢的二次枝晶臂间距。通过 观察指出铸轧低碳钢薄带的凝固组织主要为魏氏组织。y o s h i d ay 等【3 2 】研究了双辊铸轧 工具钢薄带的微观组织。c h o ijt 等【3 3 1 用扫描电镜研究了铸轧a i s l 4 3 0 不锈钢的微观组 织。研究发现铸轧薄带钢的微观组织为f e r r i t i cqm a t r i x ，在晶界上为氧化物和板条状马 氏体，马氏体是由在铸轧凝固过程中遗留在晶界上的奥氏体转变来的。同时他们还对温 度分布对微观组织的影响做了分析，发现板带中部和边部的微观组织相同。板带表面的 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 i i 硬度高是由于表面层内的马氏体所占得分数大。s h i a ulf 等【3 4 】研究了铸轧不锈钢薄带 的微观组织及二次枝品臂间距与距表面距离之问的关系。经会相实验观察，铸轧不锈钢 薄带的主要凝固组织为柱状晶组织，有时在表面有少量的等轴品组织，中心区域为等轴 晶组织。二次枝晶臂间距与距表面的距离成2 3 次幂的关系。此研究结果对于确定铸轧 过程中的冷却速率具有重要的意义。m i z o g u c h it 【3 5 】通过对铸轧1 8 c r - - 8 n i 不锈钢薄带 进行金相分析得到，铸轧薄带钢有两种凝固组织，柱状晶区和等轴晶区。随着熔液与铸 轧辊接触时间的增加，铸轧薄带钢内的柱状晶区增大，而等轴晶区几乎保持不变。随初 始辊缝值增大，铸轧薄带钢内部等轴晶区增大，而柱状晶区的大小保持不变。并且他们 还研究了过热度和铸轧力对凝固组织形成的作用。通过理论分析和实验结果总结，他们 认为，当铸轧薄带钢离开铸轧辊时，由于热传导系数减小，柱状晶前沿的自由晶粒生长 成为等轴晶而形成等轴晶区。a r t y m o w i c ad 等【3 6 】通过金相实验研究了不同类型铸轧不 锈钢薄带的凝固组织。 在力学性能方面的研究，国内外学者也做了大量实验，学者t a k a s h i y 等1 2 6 j 利用实 验铸轧机进行了3 0 4 不锈钢的铸轧薄带钢试验。利用拉伸实验机对铸轧薄带钢的力学性 能进行了测试，并同常规生产的3 0 4 不锈钢薄带的力学性能进行了比较。比较结果证明， 铸轧不锈钢薄带的力学性能与热轧不锈钢薄带的力学性能相同。g u i l l e t a 等【j 研究了铸 轧1 0 0 8 薄带钢经模拟卷取、冷轧和罩式退火后的微观组织和力学性能。铸轧薄带钢经 冷轧和罩式退火后，由于出现魏氏组织，同传统的热轧薄带相比，铸轧薄带钢的力学性 能略逊一筹。经模拟卷取、冷轧和罩式退火后，由于c u s 析出相的强化作用和渗碳 体粗大，铸轧低碳钢薄带的韧性也比热轧低碳钢薄带的韧性差。但是铸轧薄带钢的力学 性能都在工业用薄带钢力学性能所允许的范围之内。s e n kd 等f 3 8 】研究了铸轧薄带钢的 性能。他指出，铸轧薄带钢与常规的热轧薄带具有相同的力学性能，铸轧薄带钢内的偏 析减小，夹杂物分布更均匀。铸轧不锈钢具有更好的抗腐蚀性能。铁素体不锈钢经冷轧 后只呈现出很小的各向异性。t a k u d ah 等【3 9 】对铸轧3 0 4 不锈钢薄带经冷轧后的力学性 能进行了测试后发现，铸轧薄带钢的力学性能几乎与常规方法生产的薄带钢的力学性能 相同。并且由于结晶时造成的韧性各向异性比常规薄带的各项异性小。 在其他特殊方面，研究者们也作出了一定的努力，取得了不少的成果，为我们的研 究提供了重要的参考资料和引导。其中具有代表性的有：k u n i a k io 等【4 0 j 研究了铸轧不 锈钢薄带的超塑性，分析了温度、初始应变率和冷轧对超塑性的影响。s e n kd 掣4 i j 研 究了用双辊铸轧机生产的高硅钢薄