（机械设计及理论专业论文）材料液—固流变界面传热机理与高梯度温变成型界面的建立.pdf

! 堕_ 大堂堕i ：兰垡堡兰垒堕! 翌生 a b s t r a c t i ti so n eo ft h et y p i e s ts c i e n c ep r o b l e m s t h a tt h er e s e a r c ho fh e a tt r a n s j h m e c h a n i s mr e s e a r c ho fm a t e r i a l 1 i q u i d s o l i d 】r h e o l o g i cs h a p e di n t e r f a c ea n dt h e e s t a b l l s h m e n to fs h a p e di n t e r f a c eb a s e do nt h eh i g hg r a do fc h a n g eo ft e m p e r a t u r e h e a tt r a n s f e r i n go fi n t e r f a c ei st h ep r i m a r y l i n ko ft h eh e a tt r a n s f e ro f s y s t e m a st h e d e v e l o p i n g d i r e c t o ro fm o d e mc a s t r o l l i n gt e c h n 。1 0 9 y s u p e r t h i n s p e e d i n e s s c a s t r o l l i n gt e c l m 0 1 0 9 yp u t f o r w a r df a r t h e ri n t e n s i f yd e m a n do nh e a tt r a n s f e ro f i n t e r f a c ea n ds y s t e m t h eb a s i ct h e o r yo fh e a tt r a n s f e rw i t ht h ep r o p e r t yo fm a t e r i a l 1 i q u i d s 0 1 i d r h e o l o g i cs h a p e do nt h eb a s i so fs 啪m a “z i n gt h ed e v e l o p i n gs t a t u s o fc a s t r o l l i n g t e c h n o l o g vw a sc o i u l e c t e d i nt h i sp a p e r i tw a sr e s e a r c h e dt h a tt h eh e a tt r a n s f e r n l e c h a n i s mo fs h a p e di n t e r f a c ea n dt h e s y s t e m h e a tt r a n s f e r r e g u l a r u n d e rt h e m u l t i ，c o u p l i n gm e c h a n i s ma n dt h eh e a tt r a n s f e rp r o p e n yo fs h a p e di n t e r f a c eb a s e d o nt h eh i 9 1 1g r a do fc h a n g eo ft e m p e r a t u r e t h ee x p l o “n gr e s e a r c hw o r kh a v eb e e n d o n ea i m j n ga tt b en e wi d e ao fp i o n e e rn e wh e a tt r a n s f e rc h a n n e lf o ri m p r o v i n g s y s t e l n c 0 1 d a b i l i t y 一一s p r a yg a s l i q u i dc o m p e l c o l do fm a t e r i a l s h a p e d o u t l e t i n t e r f a c et h em a i nc o n t e n to f t h ep a p e r si sa sf 0 1 1 0 w i n g ： ( 】) t h ec o n t a c th e a tt r a n s f 白o fm a t e r j a l s h a p e d i n t e r f a c ej st h em 。s l i m p o l t a n ts e c t o ro fs v s t e mh e a tt r a n s f e rp r o c e s s i tw a se x p l o r e dt h a tt h ec a u s eo f f o r m a t i o na n dv a “e t yr e g u l a ru n d e rm a t e r i a l 1 i q u i d s o l i d 】r h e o l o g i cs h a p e dt 1 1 r o u 曲 出s c l f s s 抽g 抽f e r f a c ec o n f a c h f n s f e r m e c h a n j s ma n d 出ee 符的f a c 蛔苫o f c o n 招c h e a tt r a n s f e ra n dt h ei n v e s t i g a t i n gt h ev a r i e t yo fi n t e r f a c eh e a tt r a n s f e rw e r ea n a l y z e d ( 2 ) i tw a sr e s e a r c h e dt h a tt h eh e a tt r a n s f e rb a s i ce q u a t i o no fa l u m i n u m m a t e “a j 1 i q u i d - s 0 1 i d jr h e o l o g i cs h a p e dp r o c e s sa n dh e a tt m n s f e r m a t h e m a t i c sm o d e j u n d e rd o u b l ec o u p l eo fr 0 1 l e 卜b 。a r dc o u p l ea j l dh e a t - f o r c ec o u p l em e c h a n i s mb a s eo n t h eb a s i ct h e o r yo f h e a tt r a n s f e r ，n n i t ed i 仃e r e n c ea n dn n i t eu n i ta n dt h et e c h n i c t r a n s a c tm e t h o do ft h er e s e a r c h i n gh e a tt r a n s f e rr e g u i a ru n d e rt h ec o m p i e xs y s t e m p r o c e s sw a sp e r f e c t e d ( 3 ) t h en u n l e r i c a ls i m u l a t ep r o g r a m o f r e s e a r c h i n gh e a tt r a n s f e rr e g u l a ru n d e r m a t e “a ls h a p e dp r o c e s sw a se x p l o i t u r e da n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc a s t - r o l l i n g 主塑叁兰堕! ：兰些堡兰 一垒! ! ! ! 生 t e c h n i c sp a r a m e t e rw i t he q u i p m e n tp r o p e r t ya n ds t r u c t u r ep a r a m e t e rw a se s t a b l i s h e d a n dt h eh e a tt r a n s f e rr e g u l a ro f r 0 1 l e 卜b o a r ds y s t e ma n dt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e “s t i c o ft h es h a p e di n t e r f a c eb a s e do nt h eh i g h g r a do fc h a n g eo f t e n l p e r a t u r e w e r e r e s e a r c h e d t h ee f l f e c to fv a r i 。u sp a r a m e t e ro nt h eh e a tt r a n s f e rr e g u l a rw a sa n a l y z e d a n dt h eb a s i ca c q u a i n t a n c e s h i po fh e a tt r a n s f e rr e g u l a ru n d e rm a t er i a l 1 i q u i d 。s o i i d r h e o l o g i cs h a p e dw a sf o r m e d ( 4 ) t h ei n n u e n c eo fs p r a yc o o l i n gb e h a v i o ro fo u t i e ti n t e r f k eo nt h eh e a t t r a n s f e ro fs y s t e mw a se x p l o r i n g l yr e s e a r c h e d t h eh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s ma n d m a i n l ye f f e c tf a c t o r so fs p r a yg a s 一1 i q u i dt w op h a s es t r e a mo b s t r u c tc o n v e c t i o nh e a t e x c h a n g ed i s c u s s e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e dw o r ko ft h e e 行e c to fc o l d b e h a v i o rt or 0 1 l e ra n db o a r ds u r f a c eo nt e m p e r a t u r en e l d sa n dh e a tt r a n s f e rv e l o c i t y h a v e b e e nd o n e i tw a sd e n n i t u d e dt h a tt h ee f - f e c t i v em e c h a n i s mo fs p r a yc 0 0 1 i n gb e h a v i o ro f r 0 1 l e ra n db o a r ds u r f a c et oi m p r o v es y s t e mh e a tt r a n s f e ra b i l i l ya n dm a t e r i a ls h a p e d v e l o c i t y w e r e s i m u l a t l ya n a l y z e d a n dt h e d e v e l o p i n g d i r e c t o ro f s p r a y c o l d t e c l l l l o l o g y s u m m a “z i n ga b o v ec o n t e n t ，t h e h e a t t r a n s f e r i n t e r f a c e a c tr e s e a r c hw i t h t e c h n i c sc h a r a c t e r i s t i co f m a t e r i a l 1 i q u i d s o l i d r h e o l o g i cs h a p e d w e r ec o n n e c t e da n d t h eh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e so f s h a p e d i n t e r f a c ea n dh e a tt r a n s f e rb a s i c r e g u l a r e su n d e r d o u b l e c o u p l e o fr 0 1 l e r 七o a r d c o u p l e a n dh e a t f o r c e c o u p l e m e c h a n i s mw a s r e s e a r c h e d ，t 1 1 en e wi d e ao fp i o n e e rn e w h e a tt r a n s f e rc h a n n e lf o ri m p r o v i n gs y s t e m c 0 1 da b i l i t yw a se x p l o r e da n dt h eb a s ef o ri n d u s t r y 印p l i c a n to f t h en e wi d e ai nt h i s d a d e rs e t t l e d k e yw o r d s ：a l u m i n u m ，c a s l - r o l l i n g ， ( 1 j q u i d - s o l i d 】，r h e o i o g i cs h a p e d ，s i m u l a t e ， s h a p e d ， h e a tn a n s f 色r ，i n t e r f a c e ，g a s - 1 i q u i dt w o p h a s e s t r e 咖 第一章绪论 1 1 材料i 液固】流变成型特点与类型 金属材料成型技术的研究和发展，是与材料在不同状态下表现出来的特性 直接相关的l l j ，由于材料在不同温度区间，存在着液态、液一固态、固态三利， 不同的表现形式，因此就产生了铸造成型、 液一固 流变加工成型和塑性加工成 型等主体成型工艺。近代还不断发展了一些新的成型方法，如喷射沉积，爆炸 成型等2 l 铸造成型利用了液态金属呈现出的良好流动性，以完成成型过程中的充填、 补缩、直至凝固的结束：为了提高铸件的质量和尺寸精度，不断向快速、精密、 高眶方向发展，先后出现了高速连续铸造、差压铸造、压力铸造及至双柱塞精 密压铸等，其发展趋势是采用机械压力代替重力充填，从而改善制件内部质量 和尺寸精度。但从凝固机理的角度进行分析，铸造加工要想完全消除铸件内部 缺陷是极其困难的。 塑性成型利用了固态金属在常温或高温下表现出较好的塑性流动性，以完 成成型过程的充填。采用塑性加工生产的制件，其质量往往高于铸造方法生产 的制件，但由于固态金属变形抗力高，需要消耗较多的能源。并且对于变形量 大或者形状稍复杂的零件，往往需要多道工步或工序才能完成。这就使得降低 能耗和成本，减小变形抗力、提高制件的尺寸精度、保证制件的质量等成为塑 性加工的发展方向。因此先后出现了精密模锻、等温锻造、超塑性加工等。 材料 液一固 流变加工成型技术是一种近净和近终成型新技术【4 ，它利用材 料从液态半固态一固态的转变过程中，材料表现出的优异流动性和低的变形 抗力，实现材料的加工成型。 液一固j 流变成型工艺主要包括液固流变模锻成型、液固流变挤压和铸挤成 型、以及液固流变铸轧成型等。这些工艺的共同特点是：成型开始于液态金属， 利用液态金属流动性好的特点，并在压力下进行充填，实现高压下材料的凝固 和随后的塑性变形过程，这个从液态到半固态再到固态的转换过程，是个连 续过程，不同的工艺呈现出不同的特征。 第一章绪论 1 1 材料i 液固】流变成型特点与类型 金属材料成型技术的研究和发展，是与材料在不同状态下表现出来的特性 直接相关的l l j ，由于材料在不同温度区间，存在着液态、液一固态、固态三利， 不同的表现形式，因此就产生了铸造成型、 液一固 流变加工成型和塑性加工成 型等主体成型工艺。近代还不断发展了一些新的成型方法，如喷射沉积，爆炸 成型等2 l 铸造成型利用了液态金属呈现出的良好流动性，以完成成型过程中的充填、 补缩、直至凝固的结束：为了提高铸件的质量和尺寸精度，不断向快速、精密、 高眶方向发展，先后出现了高速连续铸造、差压铸造、压力铸造及至双柱塞精 密压铸等，其发展趋势是采用机械压力代替重力充填，从而改善制件内部质量 和尺寸精度。但从凝固机理的角度进行分析，铸造加工要想完全消除铸件内部 缺陷是极其困难的。 塑性成型利用了固态金属在常温或高温下表现出较好的塑性流动性，以完 成成型过程的充填。采用塑性加工生产的制件，其质量往往高于铸造方法生产 的制件，但由于固态金属变形抗力高，需要消耗较多的能源。并且对于变形量 大或者形状稍复杂的零件，往往需要多道工步或工序才能完成。这就使得降低 能耗和成本，减小变形抗力、提高制件的尺寸精度、保证制件的质量等成为塑 性加工的发展方向。因此先后出现了精密模锻、等温锻造、超塑性加工等。 材料 液一固 流变加工成型技术是一种近净和近终成型新技术【4 ，它利用材 料从液态半固态一固态的转变过程中，材料表现出的优异流动性和低的变形 抗力，实现材料的加工成型。 液一固j 流变成型工艺主要包括液固流变模锻成型、液固流变挤压和铸挤成 型、以及液固流变铸轧成型等。这些工艺的共同特点是：成型开始于液态金属， 利用液态金属流动性好的特点，并在压力下进行充填，实现高压下材料的凝固 和随后的塑性变形过程，这个从液态到半固态再到固态的转换过程，是个连 续过程，不同的工艺呈现出不同的特征。 ! ! 羔! 竺兰! 兰兰兰兰兰二 竺二兰竺堡 一 t y l ( i ) 液固流变模锻成型5 ：成型过程的特点如图1 1 a 所示。在冲头压力下， 液态金属封闭在已凝固的固态金属壳体内，这时壳体的变形抗力仍然是很低的： 外力通过壳体的塑性变形传递至固一液区，固液区随之也发生塑性变形，最后 待凝固区金属承受等静压。因此、其半固态区是随时间山外向里推移的。 ( 2 ) 液固流变挤压成型n 图】1 b 代表了典型的液固流变挤压过程，其成 型机理与模锻成型完全不同，只要保持模具温度场和压制速度协调，完全可以 堡垩挤压变形区内的金属呈半固态，实现整个过程的液固流变挤压成型，从而 ( 8 ) 铸挤成型 ( b ) 铸轧成型 图1 - 2 液固流变铸挤成型和铸轧成型示意图 j _ 保温储料箱；2 - 液态金属；3 一靴形座；4 一制件；5 挤压槽轮 6 - 轧辊；7 液固流变成型区 中南入学博卜学位论史 第一章绪论 ( 3 ) 液固流变铸挤成型f 7 j = 其成型原理如图1 2 a 所示，液态金属从浇口浇 入，进入铸挤轮槽同铸挤靴构成的挤压腔体中，在铸挤轮的带动下，液态金属 经历动态结晶一半固态加工一塑性变形三个阶段，挤出模孔后成为制件。 ( 4 ) 液固流变铸轧成型【8 】= 如图l 一2 b 所示，液态金属直接注入两轧辊( 起 结品器作j e j ) 之问的楔形区内，并且随轧辊旋转带入变形区内，通过液固流变 成型从而生产出所各种规格的制件。 在各种金属材料的板带坯生产中，液固流变铸轧成型技术得到越来越广泛 的应用。同传统的板带坯生产工艺相比，该技术大幅度地缩短了生产流程，降 低了工程投资和生产成本。 在钢铁工业中，该技术可降低工程投资8 0 ，降低生产成本2 0 一3 0 一j 。此 外，利用该项新技术可以生产传统方法难以生产的高速钢、不锈钢等板带材。 在铝材板带坯加工行业中，液固流变铸轧成型技术以其独特的优势，发展 成为铝材板带坯的主要生产加工方式，目前已占生产总量的3 0 左右。随着 国民经济的飞速发展，军工和民用都对铝材板带坯的性能质量和品种规格提出 了更多和更高的要求。因此、深入开展铝材液固流变铸轧成型技术的理论探索 和机理研究，具有十分重要的意义。 1 2 铝材液固流变成型界面的传热特点与研究意义 铝材液固流变铸轧成型过程如图1 1 所示“，熔融的铝液通过铸咀进入两 旋转铸轧辊之问的楔形区内，使金属熔体经过铸造和轧制直接生产出不同厚度 的带坯。在铸轧过程中，铝材的凝固和冷却将释放出大量的潜热和显热，这些 热量主要是通过它与铸轧辊之间成型界面的接触传热传递到辊套上，然后由辊 套内部的循环冷却水不断地冷却辊套和带走热量，以保证铸轧过程的连续进行 “；因此、与轧制工艺比效，液固流变成型工艺有三个显著的特点： 一、金属熔体的铸造和轧制一次完成，存在着金属的液一固相变和强冷过 程，在材料成型过程中将释放大量的热量； 二、铸轧辊与普通轧辊的作用机理是不同的，它要起水冷结晶器和轧制薄 带坯的双重作用， 三、铸轧过程是在高温降强外场下完成的，因此、大温度梯度和强冷却速 度是铸轧成型过程中最显著的特点。 中南入学博卜学位论史 第一章绪论 ( 3 ) 液固流变铸挤成型f 7 j = 其成型原理如图1 2 a 所示，液态金属从浇口浇 入，进入铸挤轮槽同铸挤靴构成的挤压腔体中，在铸挤轮的带动下，液态金属 经历动态结晶一半固态加工一塑性变形三个阶段，挤出模孔后成为制件。 ( 4 ) 液固流变铸轧成型【8 】= 如图l 一2 b 所示，液态金属直接注入两轧辊( 起 结品器作j e j ) 之问的楔形区内，并且随轧辊旋转带入变形区内，通过液固流变 成型从而生产出所各种规格的制件。 在各种金属材料的板带坯生产中，液固流变铸轧成型技术得到越来越广泛 的应用。同传统的板带坯生产工艺相比，该技术大幅度地缩短了生产流程，降 低了工程投资和生产成本。 在钢铁工业中，该技术可降低工程投资8 0 ，降低生产成本2 0 一3 0 一j 。此 外，利用该项新技术可以生产传统方法难以生产的高速钢、不锈钢等板带材。 在铝材板带坯加工行业中，液固流变铸轧成型技术以其独特的优势，发展 成为铝材板带坯的主要生产加工方式，目前已占生产总量的3 0 左右。随着 国民经济的飞速发展，军工和民用都对铝材板带坯的性能质量和品种规格提出 了更多和更高的要求。因此、深入开展铝材液固流变铸轧成型技术的理论探索 和机理研究，具有十分重要的意义。 1 2 铝材液固流变成型界面的传热特点与研究意义 铝材液固流变铸轧成型过程如图1 1 所示“，熔融的铝液通过铸咀进入两 旋转铸轧辊之问的楔形区内，使金属熔体经过铸造和轧制直接生产出不同厚度 的带坯。在铸轧过程中，铝材的凝固和冷却将释放出大量的潜热和显热，这些 热量主要是通过它与铸轧辊之间成型界面的接触传热传递到辊套上，然后由辊 套内部的循环冷却水不断地冷却辊套和带走热量，以保证铸轧过程的连续进行 “；因此、与轧制工艺比效，液固流变成型工艺有三个显著的特点： 一、金属熔体的铸造和轧制一次完成，存在着金属的液一固相变和强冷过 程，在材料成型过程中将释放大量的热量； 二、铸轧辊与普通轧辊的作用机理是不同的，它要起水冷结晶器和轧制薄 带坯的双重作用， 三、铸轧过程是在高温降强外场下完成的，因此、大温度梯度和强冷却速 度是铸轧成型过程中最显著的特点。 1 卜一一 图卜l铝材液固流变成型过程示意图 铝材在铸轧过程中释放的热量，首先要通过液固流变成型界面传递给铸轧 辊套，因此、成型界面的传热是系统传热的第一环节，由于铸轧区长度通常只 有几十毫米，成型界面的面积仅占辊套表面积的极小部分，因此、成型界面的 传热是整个系统传热的“瓶颈”，也是系统传热性能的最重要影响因素。 在铸轧区入口位置，低温辊套表面与高温铝液接触，在界面上形成大温度 梯度，界面传热机理属于接触传热范畴；在铝材铸轧过程中，界面热导是影响 材料铸轧成型过程中传热规律的最重要的和最难以确定的因素之一，由于界面 热导影响因素的复杂性，确定界面热导的值往往不能通过理论的手段，而需要 从实际测试中获得，但在铸轧过程中，测量界面热导是非常困难的； 在此介绍关于铸轧成型过程中对于界面热导研究的一些主要结论“，以得 到列液固流变成型过程中界面传热特点的初步认识。如图卜2 所示，在材料铸 轧成型过程中，根据铸坯温度和形态的变化，把铸轧区分为三个部分，分别称 之为冷却区、铸造区和轧制区。各个区由于其物性和接触状态的不同导致界面 热导的差异。 m j b a g s h a w 等人的研究指出：当铸轧板从两辊间通过时，界面热导沿接触 弧长度发生变化，存在着三个不同的热传导区： 冷却区：熔体从铸嘴出来刚与铸轧辊接触，其界面热导相当高，大约为3 5 3 w c m ! k ： 惋 秘射，铝 一 砩可 rlin沪救裎 蒯 诃 第一章绪论 _ 、毫7 、。尹。一；：；。孟i 三乏 j 彩蹙= 二j 三窖未三 。一 冷却k 一奠造k 一 4l 制k 态怎眄 图卜2铸轧区示意图 铸造区：由于表层会属受辊的骤冷已发生凝固并收缩，板面与辊面稍微离 丌，使得热传导大大减弱。该区的接触热导约为o 1 0 5w c m 2 k ； 轧制区：随着板中心金属几乎完全凝固，板中心金属强度对板的压力增大。 板辊之间再一次紧密接触，热伟导又大大增高。这时的界面热导达到2 0 5 w c m 2 k ： p hi lip p ej a r r y 等人将铸轧区分为两个区来研究接触热导： 第一区：液态区，其接触热导值为1 2 5w c m 2 k ； 第二区：固态区，其接触热导值为6 1 0w c m 2 k ； i l u n t e r 公司通过实验得出了铸轧区的接触热导值，h u n t e r 公司也将铸轧区 分为两段来考虑； 第一区，液态铝与铸轧辊接触区，其接触热导值为2 5w c m 2 k ； 第二区：固态铝与铸轧辊接触区，其接触热导值为o 6 5w c m ik ： 由此可见，对于各方关于铸轧过程中界面热导的研究报道表明：1 ) 界面热 导的变化幅度大，从0 1 0 5 一一j ow c m 2 k ；2 ) 其研究结果之间存在很大的差 异；某些甚至是相互矛盾的；这从另一方面反映界面传热影响因素的复杂性。 界面传热问题是一个多因素影响下的复杂系统问题，由于界面传热机理的 复杂性，长期以来，对界面热导的研究停留在试验统计阶段，远不能涉及到材 料的微观领域。尽管在载荷、表面粗糙度、材质等对界面热导的影响方面进行 了大量的试验研究报道；但由于对传热本质的认识尚不够充分和全面，各方 所得到的试验结果之阳j 往往没有好的一致性，有的甚至得出相反的结论。因此、 深入进行界面传热机理的研究，是一项长期和艰巨的任务。 中南大学博j 学垃论文 第一章绪论 1 3 铝材铸轧成型技术的发展概况与研究方向 1 8 4 6 年，英国人亨利贝西默( h e n r y b e s s m e r ) 首先提出了双辊铸轧材料 成型方法的设想，即从两旋转辊上方倾倒金属液，从两辊下方得到金属铸坯的 方法，但由于当时技术条件的限制，这种设想未能获得成功。 自5 0 年代美国亨特一道格拉斯( h u n t e r _ d o u g l a s ) 公司首先研制出了倾斜式 双辊铝带利连铸轧机并投入生产运行，随后，法国彼希涅( p e c h i n e y ) 公司研制 的3 c 水平式双辊铸轧机也获得成功，从那时以来，铝带坯双辊连续铸轧技术和 设备得到了迅速的发展陋20 1 。据f r i s h c h k j l e c h t 和m a i w a l d 统计目前世界上约有 2 0 的铝轧材的坯料由双辊连铸轧法生产，大约有1 7 0 多台双辊铸轧机正在工 业上应用，其中约6 0 是在北美和欧洲。 我国于6 0 年代初开始铝带坯连续铸轧技术研究”，1 9 6 4 年初进行了双辊下 注式模拟试验，并于同年铸轧出厚8 m m ，宽2 5 0 m m 和4 0 0 m m 的铝板，1 9 6 5 年铸轧出宽7 0 0 m m 的铝带坯，1 9 7 1 年由东北轻合金加工厂研制成我国第一台 8 0 0 m m 水平下注式双辊铸轧机，1 9 7 5 年，用铝带坯生产的冷轧板基本上满足了 一般深冲制品和箔材毛料的性能要求。1 9 7 9 年由华北铝加工厂研制成中6 5 0 13 0 0 肌n 我国第一台亨特式倾斜铸轧机，并于1 9 8 1 年和1 9 8 3 年相继研制成中 6 5 0 1 6 0 0 n l n l 和0 9 8 0 1 6 0 0 m m 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。1 9 8 4 年中日涿神有色金属加工专用设备有限公司成立，并于 1 9 9 3 年涿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3 c 中9 6 0 1 5 5 0 m m 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。目前全国共有铸轧机3 0 台，其中引 进设备7 台，这些设备生产板厚在7 8 m ，板宽多在1 2 0 0 m 左右，铸轧速度 约1 m m i n ，其指标相当于国外8 0 年代初、中期水平。 自8 0 年代后，随着对铸轧技术的进一步研究，发现铸轧7 8 咖厚铸轧 板存在如下缺点”： ( 1 ) 生产效率低，由于厚铸轧板加快铸轧速度会带来许多缺陷，甚至铸 轧失败。因此不得不把铸轧速度降至下限，使生产率受到影响。 ( 2 ) 可铸轧的合金范围小，使用范围受到限制。 ( 3 ) 铸轧板表面和内部存在偏析，影响产品质量。 因此，国际上自8 0 年代末以来，世界著名大公司，如美国h u n t e r 公司、英 第一章绪论 国d a v v 公司、法国p e c h jn y 公司等已丌始对铸轧技术进行旨在提高速度、降低 锅带坯厚度和扩大可铸轧铝合金系列的深入研究。8 0 年代以后出现了超型铸轧 机，铸轧辊直径可达1 0 0 0 m m ，铸轧带坯厚度5 1 2 m m ，铸轧速度3 m m i n 左右， 铸轧合金已由纯铝扩大到3 0 0 0 系列、5 0 0 0 系列铝合金。9 0 年代初出现了改进 型超型铸轧机，铸轧带坯厚度3 m m ，铸轧速度5 m m i n 。由于铸轧带坯尺寸薄和 铸轧速度快能进一步发挥快速凝固的特点，使铸带坯的晶粒细化，从而获得更 好的冶金质量，使这一生产方式为人类带来更大的效益。从9 0 年代以来，国际 上【2 3 _ 3 0 1 开展了对超薄快速铸轧技术的研究，主要有意大利的法塔一亨特 ( f a t a h u n t e r ) 公司、法国的彼希涅( p e c h i n e v ) 公司、英国的戴维( d a v v ) 公 司以及挪威的海德洛( h y d r o ) 公司，他们共同的做法是先在研究开发中心与大 学合作进行小型试验，取得定成果和经验后，进行中试和大型工业试验，英 国d a v y 公司和牛滓( o x f o r d ) 大学合作，于19 9 1 年推出了第一台超薄快速铝 带坯铸轧试验机。1 9 9 6 年以来，意大利f a t a ，h u n t e r 公司、英国d a v v 公司以及 法国p e c h i n e y 公司都相继研制出超薄快速铸轧工业样机，能铸轧出1 n u n 厚的铸 带坯，铸轧速度达1 5 m m i n ，应该说，这是铸轧技术发展中的又次飞跃。但 是由于各国( 美国、英国、法国、意大利、挪威) 对超薄快速技术的研究均处 于工业试验阶段，试验条件( 如装备参数、功能、工艺环境条件等) 各不相同， 所得结果也有差别，甚至相反，如：f a t a h u n t e r 的试验与h v d r o l a u e n e r 公司的 试验，对超薄快速铸轧的组织与性能的认识与结果几乎完全相反；在超薄快速 铸轧的铸轧机型选择上也存在不同的主张：如f a t a h u n t e r 采用二辊铸轧机型， 英国d a v y 公司则采用四辊铸轧机型，同时各试验铸轧机的工艺环境条件、设备 参数和工艺参数及其范围的确定也不一致，在主要技术规律上尚未形成共识。 但总的说来，铸轧技术的这项发展被认为是一次突破性飞跃，它将现代铝加工 工业在高产、高质、多品种、低消耗方面推向更高水平，国际铝加工界把它作 为新一代铸轧技术。 将国内铸轧技术水平与国外发达国家相比，两者之间存在相当大的差距。 主要表现在： ( 1 ) 国外已丌发出大型自动化的超薄、高速铸轧机及相应的铸轧工艺和 配套技术，而国内的铸轧机仍停留在8 0 年代初期的水平。铸轧板厚度较厚、铸 轧速度较低。 ( 2 ) 国外铸轧板厚度最低可达1m m 左右，国内都在7m m 左右。 中南_ 人学博士学位论文 第一荦绪论 ( 3 ) 国外铸轧速度可达l om m i n 以上，国内在lm m i n 左右，因此国 外铸轧机生产率可达2 5 0 一2 8 0 吨米宽度小时左右，国内只达1 2 吨米宽 度小时。 ( 4 )国外可铸轧的合金已扩展到3 0 多个品种，国内只能铸轧一些工业 纯铝及3 0 0 3 合金。 ( 5 ) 国外采用超薄高速铸轧后，产品质量提高，产品使用范围扩大，可 用于生产计算机高密度存储盘基片材料，优良p s 版基高科技产品。国内铸轧板 主要用于生产一般民用板材及作箔坯料，p s 版基还存在许多表面质量问题。 我国使用常规铸轧方法生产板带箔已有近2 0 年历史，对铸轧技术的掌握 已十分纯熟，铸轧机的设计、制造与科研能力也十分强大，我国现在完全有必 要、也完全有条件开始新一代铸轧技术超薄快速铸轧技术的研究开发。“， 以使铸轧技术进入一个更新换代的新阶段，以提高铸轧板质量、扩大品种，提 高铸轧板产量。从面促进我国铝加工工业的迅速发展。“。 超薄快速铸轧技术( 铝带坯近净成型制备技术) 被国际上称“第三代铝加 工新技术”，是2 l 世纪铝材开拓新的民用高技术市场领域的重要依托，其主要 技术特征是： 1 带坯厚度从传统的6 8 毫米减薄至2 毫米； 2 铸轧速度大为提高，由常规的l m m i n 提高到1 2m m i n ，生产效率提高 3 倍以上： 3 可铸轧铝合金范围有可能大大拓宽，由于凝固速度加快，从原理上分析， 1 系以外的铝合金有可能适应此法； 4 熔体凝固速度提高1 0 一1 0 0 倍，使材料的质量和各项性能指标有了了较 大的提高和改善，拓宽了铸轧材料的应用范围； 5 现代高新技术成就在快速薄带坯铸轧机上得到了充分的应用整个生产 线在全过程自动控制与工艺最佳匹配状态下运转，生产运行高度稳定， 产品质量与组织性能趋于高度均化。 随着我国微电子、信息、机械、食品、包装、建筑产业的迅猛发展，我国已 成为铝材生产及消费大国，如何提高铝材生产率、降低生产成本、提高铝材质 量、扩大铝材使用范围已成为迫在眉睫的问题。而快凝铸轧的冷却速度远高于 现有常规铸轧，铸坯结晶组织的晶粒度和枝晶间距将明显减少，溶质元素在固 熔体中的过饱和度提高，因此板带的深冲性能和机械性能可望得到改善；同时， ! 塑查竺竺兰竺兰兰竺二主二! ! 兰 可铸轧合金范围也可拓展( 如3 0 0 0 系列等铝合金) ，可使铸轧产品的应用市场 范围扩大。例如：高精度p s 版基，计算机硬盘的铝质基板，高层建筑幕墙板， 高精烟箔以及空调箔等。另外，由于铸轧板厚度减薄后，不仅大大减轻了对后 面工序冷轧的压力，解放了冷轧机的生产力，大大节省了铝箔生产的投资 和能源，而且提高了生产效率，增加了产品的市场竞争力。我国科技界瞄。“1 和 国际铝加工同行一样已认识到快凝铸轧代表了新一代铝加工发展的重要方向和 铝加工技术的制高点。 为了赶超世界先进水平，以钏，掘院士为首的科学家和工程技术人员，在固 家技委产业化前期关键技术与成套装备研制与开发项目铝及铝合金铸轧新技 术与设备研制开发。”及国家“9 7 3 ”重点基础研究发展规划项目提高铝材 质量的基础研究“”的子项瞬态凝固连续大变形能量转化与组织形成多重耦 合机理两个重点研究项目中，将理论研究与工程应用相结合，对铸轧技术进 行全面系统的研究，旨在掌握超薄快速铸轧的工艺技术，提高我国铝加工工业 的发展水平。开展超薄快速铸轧研究，主要目的和意义如下： 1 建立铝合金多元外场瞬态凝固连续大变形近终成型和组织控制的基本理 论，获得细晶、均质的不同于其它( 铸锭+ 轧制) 组织结构的铸轧热带坯，并形 成高效优质铝板带坯短流程制备新工艺的技术原型。 2 掌握超薄、高速铸轧机制造技术，达到能自行设计、生产超薄、高速铸 轧机的目的；掌握超薄、高速铸轧的工艺技术，推出此项技术后，可达到节省 投资、节能、降耗、优质生产，促进我国铝加工行业的发展。 铸轧板厚度减薄后，大大减轻了对后续工序冷轧的压力，解放了冷轧 机的生产率。甚至可以完全取消冷轧机，把薄铸轧板直接作为铝箔坯料上到粗 轧机上进行轧制。这就大大节省了铝箔生产的投资和能源、金属的消耗，对铝 箔生产来说无疑是次重大的革命。 超薄、快速铸轧技术的成功将更大的发挥铸轧方法已具有的投资少、消耗 小、组织细密等优点，同时还进一步克服了常规铸轧法所固有的生产效率低， 可生产的合金范围小等缺点，使铸轧方法成为铝轧制加工中十分具有吸引力的 方法。列我国发展铝加工行业来说，无疑是一种既经济、又快速的生产方法。 中南人学博士学位论文 第一章绪论 1 4 传热研究在液固流变铸轧成型理论研究中的重要性 铸轧工艺的特点是铸造和轧制在极短的时间内连续完成，在短短几十毫米 的铸轧区内，熔融的铝液通过在强冷外场中的热量释放，直接生产出薄薄的铝 带坯：因此、大温度梯度和强冷却速度是铸轧过程中最显著的特点，热量传递 问题是铸轧过程中最基本和最重要的科学问题。 轧制过程中金属内部的应力、应变都与温度有着密切的关系，温度是影响 变形抗力的最主要因素之一”、是板形理论与板形控制中不可忽视的重要因素。 此外，铸轧件的温度变化过程还与其内部微观组织的变化有着极为密切的关系， 计算铸轧过程的温度场和带坯的温降过程是现代材质预报中的一项基本任务。 因此、研究铸轧过程中的传热规律不仅具有理论意义，而且具有十分明确的实 用价值。 铸轧生产中最重要的工艺参数之一是铝带坯的出口温度，生产实践表明， 带坯的出口温度要求控制在3 8 5 4 1 0 ，过低的出口温度将降低生产率，过 高的出口温度将影响产品质量和生产稳定性。显然、铝带坯的出口温度是铸轧 系统中各工艺参数和传热因素共同作用的结果，这些因素包括铸轧速度、铝带 坯厚度、界面热导、辊套材质与结构、内部冷却水冷却强度等；因此、研究铸 轧过程中的传热规律对于合理的选择工艺和结构参数具有十分重要的意义。 采用超薄快速铸轧工艺的显著优点是提高生产率，与常规铸轧比较，超薄 快速铸轧的生产率提高三倍：这就意味着铝材的放热量增加三倍，要求系统的 冷却能力也相应的增加三倍；因此、在超薄快速铸轧研究中能否大幅度的提高 系统的冷却能力是该原理能否实现的关键，这就要求在工艺参数、设备结构和 材质、冷却方式等多方面开展综合研究来达到这一目的”：而开展传热规律研 究是寻求提高铸轧系统冷却能力的途径的基础。通过建立铸轧过程的传热模型， 丌展对铸轧过程传热规律的研究，系统分析各参数对传热规律的影响，能够初 步预计采用各种改进方法对提高系统传热性能可能达到的效果。从而明确提高 系统传热能力的研究方向。 ! 塑查兰竺兰望堡兰竺二兰皇l 兰 1 5 材料成型出口界面喷雾冷却行为的理论思想 喷雾冷却技术是一种强化传热的有效技术，在工业生产中广泛采用”。”。，在 钢铁工业中，采用这一冷却手段可以提高材料的性能；特别是在非晶态金属的 制备过程中，为了获得性能超常的材料，需要提供高效的冷却方式，使金属的 冷却速度达到1 0 6 k s 以上，这是常规的冷却手段所达不到的。此外、随着连铸 系统的研制，需要提供一种可靠的冷却方式以满足二冷区内的冷却要求，从而 达到提高产品的质量，节约能源，增加产量的目的。 列于超薄快速铸轧而言，由于生产率的提高，铝液凝固和冷却过程中将释 放更多的热量，因此、铸轧辊辊套强制快冷技术是超薄快速铸轧研究中的关键 技术。在分专题铸轧辊内外冷却系统及辊系结构优化立项依据中指出：“铸 轧辊快速冷却( 强冷却能力) 技术的工业实现与否是超薄快速铸轧工艺成败的 关键。强的冷却能力和高的冷却速度是快速铸轧工艺实现的必要条件。” 对铸轧出口界面的喷雾冷却技术是铸轧工艺中的新技术( 己申报专利) ，在 现有铸轧工艺中，铸轧过程中释放出来的热量主要依靠轧辊内部的冷却水带走； 由于辊套传热能力的限制，进一步提高内部冷却水的冷却强度对系统传热能力 的影响是有限的：喷雾冷却技术旨在通过开发新的冷却渠道来提高铸轧系统的 冷却能力，以提高整体铸轧效率n ”。 首次在铝材铸轧过程中采用的喷雾冷却技术，采用直接对铸轧区出口板面 和辊面进行强制喷雾冷却的方法，期望能强化系统的导热能力，满足快速强冷 技术对系统传热性能的要求。提高铝带坯的冷却速度和产品质量。 在喷雾冷却技术得以实现的基础上，可望通过进一步的研究，达到有效、 快速的控制凝固区前沿，实现铸轧板板形快速在线调节的目