数值模拟在铸轧中的应用2017.

1、- 双辊薄带铸轧技术的出现为钢铁工业带来革命 性的变化，它改变了传统冶金工业中薄型钢材的生产。 采用薄带连铸技术，将连续铸造、轧制、甚至热处理将连续铸造、轧制、甚至热处理 等串为一体，使生产的薄带坯稍经冷轧就一次性形成等串为一体，使生产的薄带坯稍经冷轧就一次性形成 工业成品，工业成品，省略和简化了生产工序，缩短了生产周期， 设备投资也相应减少，产品成本显著降低，并且薄带 品质不亚于传统工艺。此外，利用薄带连铸技术的快利用薄带连铸技术的快 速凝固效应，还可以生产出难以轧制的材料以及具有速凝固效应，还可以生产出难以轧制的材料以及具有 特殊性能的新材料特殊性能的新材料。 双辊薄带铸轧技术 钢铁冶金装

2、备的 前沿技术 工艺类型：薄带连铸技术工艺方案因结晶器的不 同而分为带式、辊式、辊带式等，其中研究得最 多、进展最快、具有发展前途的当属双辊薄带连 铸技术。该技术在生产110 mm 厚的薄钢带方面 具有独特的优越性。 薄带铸轧原理薄带铸轧原理 将金属液注入一对反向旋转且内部通冷却水 的铸辊之间，使金属液在2 辊间凝固形成薄 带。双辊铸机依2 辊辊径的不同分为同径双 辊铸机和异径双辊铸机，2 辊的布置方式有 水平式、垂直式和倾斜式3 种，其中尤以同 径双辊铸机发展最快，已接近工业规模生产 的水平，为目前多数研究单位所采用。 1846 年英国的Bessemer首次偿试采用双辊技术直接铸 造钢带并于

3、次年获得该项技术的第1 项专利。 在随后的100 多年里，由于制造技术和控制技术等 相关技术发展不足，过程控制较为困难，产品品质极差， 使得这项技术基本上处于停滞状态， 直到1954年美国的Hunter 工程公司才制造出第1 台双辊连续铸机，并用于铝合金薄板的商业生产，但在制 造钢带方面仍存在同样的问题。 由于能源危机加剧，加上快速凝固技术的发展，钢带 的直接铸造技术又引起了国际上的广泛关注和高度重视， 成为各国冶金界竞相研究开发的热点，几乎所有大的钢 铁企业和一些知名院校(如麻省理工学院、牛津大学等) 都在这方面展开了研究。经过近多年的发展，一些双辊 铸机已进入工业中试阶段，估计不久就可能实

4、现工业规 模生产。 2002年5月由美国、澳大利亚和日本联合研发的工业 化生产线CASTRIP在美国印第安纳州的纽柯钢厂投产， 主要生产碳钢和不锈钢。生产线长度为60m，较原来 连铸连轧生产线800m对比，生产线长度缩短1014倍。 投资规模大大减小。解决了许多关键技术问题：如 先进陶瓷和铜合金材料及其自动化控制问题。生产 带钢厚度1.02.0mm，板宽10001600mm，生产速度 100m/min。 为发展双辊薄带铸轧技术，各研究厂家均开发了多项相关联的 材料和控制技术。如BHP已为该技术申请了1500多项国际专利。新日 铁也在中国申请了双辊薄带铸轧的专利。目前，宝钢2001年启动， 前沿

5、所负责，已申报110项专利，技术秘密58项，投资2亿元，历时 10年，技术趋于成熟。 (1) 注流分配和流动控制 注流在水冷辊宽度方向上的分配均匀性影响薄带在宽度方向 的质量。在生产宽带时，注流分配的设计是最重要的问题。通常的 扁水口很难达到均匀分配的要求，BHP采用了专门开发的分流或分配 器。 已经进行的各种研究表明，双辊薄带铸轧时注流冲击和液面波动对薄 带的表面质量和内部性能均有极大的影响。由于双辊铸轧熔池中流动、 凝固和变形是耦合发生的过程，其控制模型很难确定。同时，双辊铸 轧时熔池液面尺寸小，液面波动影响大，其控制精度和响应速度均比 板坯连铸要求高，而实际使用环境更严苛，这是一个很大的

6、难点。 (2)开浇和初期凝固 开浇是个不稳定的浇铸过程，连铸时的失败主要发生在开浇和启 动过程中。开浇时的注流冲击和初期凝固是与辊速增加相协调变化的， 开浇策略和初始阶段的注流，速度与冷却控制是非常重要的问题。开浇策略和初始阶段的注流，速度与冷却控制是非常重要的问题。 (3)侧封材料与形式 侧封与薄带的侧面质量和部分漏钢有关，目前的侧封材料在双辊 铸轧的高温和磨损条件下消耗很快，使铸轧生产率难以提高。因而， 在近期内钢的双辊铸轧的难点主要是边部侧封的问题。目前还没有找 到一种材料具有足够的经济性。可望的解决办法是磁侧封技术，以及可望的解决办法是磁侧封技术，以及 新型陶瓷材料的应用。新型陶瓷材料

7、的应用。寻找一种适用和经济的侧封材料和侧封方式在 今后一段时间内将是一个主要课题。 (4)二次冷却和在线热处理 二次冷却对控制成品的机械性能至关重要。一些厂家已在铸轧一些厂家已在铸轧 机与成品轧机之间增加了在线冷却和复热设施。机与成品轧机之间增加了在线冷却和复热设施。但因为双辊薄带铸 轧急冷凝固时合金分布与普遍工艺生产时不尽相同，其冷却模型必 须根据具体钢种和工艺过程设计。 (5)辊面材料及辊面润滑 双辊铸轧时辊面的磨损对传热和薄带表面质量均有较辊面的磨损对传热和薄带表面质量均有较 大影响大影响。多数公司采用了辊表面镀镍铬或镀镍铬钼合金的采用了辊表面镀镍铬或镀镍铬钼合金的 技术技术，其具体材料

8、和方法仍是技术秘密。另外据部分文献 介绍，辊面润滑能够改善传热辊面润滑能够改善传热。在生产薄规格带钢时对改 善薄带表面质量和减少缺陷是必要的。在高速铸造时。由 于润滑油薄膜生产和破坏的不均性，会限制速度环节的提 高。 由于薄带连铸是一个铸轧过程，辊式结晶器不但承不但承 受热交变应力，而且还承受轧制力受热交变应力，而且还承受轧制力，所以辊式结晶器材料 必须具备下列要求：足够的导热性能、较高的力学性能、 较好的耐急热急冷性能、较好的耐热交变应力疲劳性能。 辊套内冷结构设计主要考虑以下几个因素：保证辊面冷 却均匀和冷却水合理供应、保证最大的热传导效率、保 证足够抗铸轧力强度。特别要考虑维修方便、制造

9、成本 低。宝钢的薄带连铸采用宝钢的薄带连铸采用800 mm800 mm的辊径。的辊径。 (6)中间包加热 中间包加热对实现精确的温度控制和低温浇铸是非 常关键的。如BHP采用了等离子枪加热的方法，这方面可以 借鉴板坯连铸的成熟技术。 (7)热轧润滑 (8)电磁浇铸控制 从公开的资料分析，BHP很可能应用了热轧润滑技术。采 用该技术可以减少轧辊磨损，提高表现质量，并允许选用较 小辊径，从而生产更薄规格的产品。 电磁闸和电磁堰技术均被寄予了很大的期望，被认为是电磁闸和电磁堰技术均被寄予了很大的期望，被认为是 解决注流冲击和边部流动控制的好方法，目前是开发的热点解决注流冲击和边部流动控制的好方法，目

10、前是开发的热点 之一之一。 (9)轧辊变形和辊型控制轧辊变形和辊型控制 (10)全数据采集和自动闭环控制 双辊铸轧时，辊面在热应力作用下产生不均匀变形，对带形和侧封 均有较大影响。如何利用传统轧制技术中成熟的板形和辊型控制技术， 在这些方面只是处在概念性的设想之中。 双辊薄带铸轧对铸点、铸速、铸轧压力等控制要求极其严格，要求 控制精度高，响应速度快。一些试验厂家往往由于自动控制跟不上而归 于失败。 1.1.数值模拟在数值模拟在熔池熔池内金属流动和传热分析方面内金属流动和传热分析方面 的应用的应用 2.2.数值模拟在数值模拟在铸轧辊铸轧辊内部水路流场及热辊型方内部水路流场及热辊型方 面的应用面的

11、应用 3.3.数值模拟在浸入式数值模拟在浸入式水口水口、布流器布流器浇注系统优浇注系统优 化方面的应用化方面的应用 4.4.数值模拟在数值模拟在铸轧组织铸轧组织生长过程的应用生长过程的应用 5.5.数值模拟在数值模拟在侧封板侧封板中的应用中的应用 第一部分：数值模拟在熔池内金属第一部分：数值模拟在熔池内金属 流动和传热分析方面的应用流动和传热分析方面的应用 熔池内金属溶液的流动状态、凝固 形式以及应力、应变关系对产品的质量有着重 要的影响，目前针对熔池内金属流动和传热模 拟的解决方法主要分为两种： 1)利用刚粘塑性或粘塑性模型来处 理熔池内的凝固传热问题，这种解决方法将研 究区域统一处理成为刚

12、粘塑性或粘塑性材料， 忽略忽略了铸轧期间金属溶液流动所导致的动量交 换。 该方法利用有限元法实现并主要 侧重于铸轧力行为的研究，学者湛利华、李晓 谦及D.Y.Ju等人均采用此方法研究铸轧过程中 熔池温度场及应力、应变场的分布情况。 2)将熔池内区域统一处理成为广义 流体，忽略忽略铸轧力对熔池流场的影响。该方法 通过有限体积法或基于有限元的有限体积法实 现并侧重熔池流场与温度场的研究。 国外R.P.I.Guthrie和R.P.Tavares 早在1998年便用该方法建立了包含流体湍流、 热量交换、溶液凝固的数学模型，并研究了 不同浸入式水口对熔池内部钢液流场、温度 场以及坯壳凝固形态分布情况的影

13、响。 近年，日本学者Seshadev.Sahoo等 人同样利用该方法对铝合金高速铸轧过程进 行了模拟研究，并且通过实验验证了其数学 模型的正确性。 镁合金镁合金AZ31AZ31水平铸轧熔池流场矢量图水平铸轧熔池流场矢量图 镁合金镁合金AZ31AZ31水平铸轧熔池内温度云图水平铸轧熔池内温度云图( (o oC)C) 铜铝合金竖直铸轧熔池流场矢量图铜铝合金竖直铸轧熔池流场矢量图 铜铝合金竖直铸轧熔池温度分布云图铜铝合金竖直铸轧熔池温度分布云图(K)(K) 第二部分第二部分 数值模拟在铸轧辊数值模拟在铸轧辊 内部水路流场及热辊型方面内部水路流场及热辊型方面 的应用的应用 铸轧辊是铸轧机的核心组成部分

14、， 其寿命的高低将直接影响产品的生产率。铸轧 生产过程中，铸轧辊受到周期性的热冲击，交 替式的热应力极易使辊套产生热疲劳，从而导 致辊套表面产生裂纹直至断裂。 众多关于铸轧辊的数值模拟研究主要 集中在铸辊在铸轧过程中的温度场分布及应力、 应变问题。 中南大学梁涛采用差分法在忽略了铸辊 内部通水冷却的影响下，对水平双辊快速铸轧过 程中辊套的瞬态温度场进行了模拟研究，得到了 辊套的表面温度分布规律。而相较于有限差分法， 有限元法在处理较为复杂的热-力耦合模型时有 着更精确的计算结果，因此关于上述问题更多的 采用有限元法进行求解。 C.M.Park通过对不同辊套厚度、 镀层厚度及铸速对铸辊应力、应变

15、分布形式影 响的研究中发现导致铸辊产生变形的主要因素 是周期性的热应力，而铸轧力的影响相对较小， 因而在此后的模拟中，通常忽略外力载荷即铸 轧力对铸辊变形的影响。 在处理铸辊的变形模型时，主要选 择热弹性模型或者热弹塑性模型进行求解。 前者在铸辊参数设计合理且可以完 全确定铸辊所用材料未达到屈服极限的前提下， 可以节约计算成本。而后者主要是考虑到在实 际生产中，铸辊的工况极为复杂，铸辊的某些 区域总是不可避免的出现塑性变形。采用热弹 塑性模型来研究铸辊的变形，与事实更加相符， 因而在此后的数值模拟中，该模型被广泛采用。 C.M.Park利用二维旋转轴对称模型 对不同铸速、热流密度、辊套厚度、铸

16、辊宽度 及不同辊径影响下的铸辊辊凸度进行了研究， 由于其考虑了热装配残余应力对辊芯与辊套接 触面处的影响，在建模过程中首先将辊套与辊 芯的装配应力作为初始条件，再进行热-力耦 合分析。分析过程中，发现在装配应力或者焊 接的影响下，铸辊的辊凸度明显低于对辊套进 行单一分析时的结果。 宝钢的朱光明同样利用有限元法分 析了不同套材质，不同铸速情况下铸辊表面温 度的分布规律，并且采用弱耦合的方式计算了 在热应力影响下的铸辊的辊凸度。在建模过程 中，铸辊与熔池之间的热边界条件是影响铸辊 温度场的因素之一，在借鉴R.I.L.Guthrie和 R.P.Tavares的实验结果的基础上，提出合理 假设，并通过

17、与有限元模型相结合，反复对该 热边界条件进行修正，得到了有关于铸速及过 热度的第二类热边界条件。 C.G.Kang和Y.D.Kim将熔池与铸辊 联合建模对铸辊的寿命进行预测，为节约计算 成本将熔池处理成刚粘塑性模型利用有限差分 进行求解，铸辊则处理成为热弹塑性模型并利 用有限元法进行求解。 铸轧辊与铸轧辊与1/21/2熔池前处理网格熔池前处理网格 研究辊凸度时简化为二维旋转轴对称模型示意图研究辊凸度时简化为二维旋转轴对称模型示意图 除此之外，在对铸辊进行热力耦 合分析之前，铸轧辊水路的设计同样是影响 热辊型的一个重要因素。有关水路内冷却水 流动的模拟主要涉及液体湍流流动与固液之 间的共轭传热，

18、属于计算流体力学范畴内较 为简单的一种，因此运用有限体积法计算出 的结果与实际情况较为吻合。 a)a)辊套辊套 b) b) 辊芯辊芯 c) c) 辊芯轴向剖面图辊芯轴向剖面图 d) d) 辊芯周向剖面图辊芯周向剖面图 a)a)铸辊冷却水的达到稳态铸辊冷却水的达到稳态时时 整体流线图整体流线图 b) b) 铸辊内冷却水稳态时铸辊内冷却水稳态时 周向流线图周向流线图 a)20s a)20s b) 200sb) 200s 铸铸辊内冷水水各个时间段的温度分布云图辊内冷水水各个时间段的温度分布云图 第三部分第三部分 数值模拟在浸入式水口、数值模拟在浸入式水口、 布流器浇布流器浇 注系统优化方面的应用注系

19、统优化方面的应用 在常规连铸生产过程中，浸入式水 口的形式、出口的角度以及浸入的深度都会对 结晶器内金属溶液的流场以及铸坯的表面质量 产生重要的影响。在此基础上，有关于铸轧过 程中水口、布流器的研究也逐年展开。由于水 口或布流器属于消耗品，且由于其在热应力作 用下所产生的变形对其内部金属溶液的流动影 响很小，因此对于该装置的数值模拟主要集中 在流场、温度场方面，并且通过熔池自由液面 波动及其上部钢液混合状况这两个方面作为衡 量指标。 鉴于有限元在计算过程中不断更新位移 方法的限制，如若采用有限元算法，只能对铸轧 浇铸的充型过程进行模拟，通过结合VOF算法， 可以得到开浇过程熔池内温度场、流场的

20、分布形 式，以此来确定合理的起步时间和拉坯速度，进 而保证铸轧过程的顺利进行。可是对于水口形式 是否合理的判定，并不局限于开浇过程，而是以 熔池达到近似稳定状态时的各项参数进行判断。 有限体积法由于采用欧拉算法，在计算过程中并 不更新位移，在处理流体流动时有着较强的优势， 因此针对该方面的数值模拟方法几乎均选用有限 体积法。 为了更加深入的研究浇铸过程中自由 液面的流动行为，在湍流模型的基础之上将VOF 多相流模型进行耦合求解计算，该方法可以较为 明显的得到自由液面处的金属溶液波动情况，为 优化布流系统的设计方案提供直观的依据。一方 面由于在实际生产过程中，自由液面的波动并不 剧烈，因此在数值

21、模拟过程中，为了较清晰的观 察到该液面处的波动情况，在对模型前处理时， 需将空气与金属溶液交界面处的网格进行加密。 另一方面，鉴于VOF算法以及模型的限制，只能 采用瞬态小时间步长进行计算，这将大大提高计 算成本。 国外学者W.S.Kim等在早期便针对 管状水口与槽状水口在铸轧过程中的应用进行 了模拟分析，虽然忽略了凝固对熔池内流场及 温度场的影响，但在研究过程中仍发现采用与 铸速同向浇铸的管状浸入式水口会导致自由液 面处温度过低，液面处会有金属溶液凝固成坯 壳的不良趋势，而如果采用向铸辊表面浇铸的 槽状水口则会改善上述情况，并且降低自由液 面处的湍动能。 R.I.Guthrie和R.P.Ta

22、vares也通过 建立耦合湍流流动与凝固传热的数学模型，以 熔池内凝固坯壳的形成形式为出发点，分析了 两种简单的布流系统在铸轧中的应用。 国内东北大学张晓明等人将连铸结 晶器内水口的形式引用到铸轧中，溶液向侧封 板处浇铸，得到了水口角度大于15、浸入深 度为24-32mm时熔池内的流动状态最为理想的 结论。 布流系统示意图布流系统示意图 a) a) 计算模型计算模型 b) b) 内部结构模型内部结构模型 两侧两侧型布流系统型布流系统 典型工况两侧型布流系统开浇过程熔池内速度场矢量图典型工况两侧型布流系统开浇过程熔池内速度场矢量图 典型工况两侧型布流系统开浇典型工况两侧型布流系统开浇过程过程 熔

23、池熔池内温度场分布图内温度场分布图( (o oC)C) 第四部分第四部分 数值模拟在铸轧组织生数值模拟在铸轧组织生 长过程的应用长过程的应用 铸件的微观组织决定着铸件最终的机 械和力学性能，铸轧过程中带坯同时经历亚快速 凝固和轧制过程，工艺的高度凝聚导致产品微观 组织的质量存在诸多缺陷。因此在冶金领域，金 属凝固组织的形成过程仍是企业关注和研究的重 点。 利用数值模拟来研究金属凝固组织的 成形过程，主要的目的是在减少实验的基础上， 通过分析微观组织界面形态、枝晶结构转变预测 来探寻工艺参数、物性参数等对金属凝固组织的 影响。 针对铸轧过程中凝固组织的模拟， 主要是基于热传输、流动传输、组分输运

24、以及 晶粒生长过程所建立的宏观微观耦合形式。 计算方法主要采用元胞自动机模型与有限元方 法耦合(CAFE法)，其基本特征是凝固区域首先 用较粗网格和较大的步长通过有限元法来计算 流场、温度场，再在此网格内划分更细的节点， 并在其中利用元胞自动机模型，采用较小步长 进行形核与生长计算。 在模拟过程中，通常忽略忽略对流所引起的溶质 扩散。与此同时，关于溶质分配模型的选择，主要有 谢尔模型及杠杆模型，其中谢尔模型适用于原子半径 较大物质的宏观偏析，而杠杆模型则适用于原子半径 非常小的间隙原子。组织演变的微观模型中，考虑到 铸轧过程中过冷度对形核的影响和金属液体流动等因 素的影响，采用异质形核模型来描

25、述凝固过程中柱状 晶前沿液相中等轴晶形核密度随过冷度变化的规律。 由于铸轧带坯的凝固冷却速率在10/s至103/s之间， 属于亚快速凝固，在该状态下，枝晶的生长速率并不 高，合金的生长动力学系数较大，可以忽略忽略枝晶尖端 的动力学过冷度。 学者Bo Wang等通过CAFE法对带钢 铸轧过程中晶粒的生长进行了模拟，并研究了 过热度及铸辊表面与熔池接触处的对流换热系 数对组织晶粒密度的影响情况，结果表明凝固 组织对过热度的大小较为敏感，随着过热度的 增大，晶粒的密度明显增加。 Chen S.D等通过对铝合金水平铸轧 的凝固过程进行了模拟，通过实验验证了其数 学模型的使用条件及正确性。 虽然运用CA

26、FE法可以演绎表层细小 等轴晶、相邻柱状晶以及中心等轴晶区的形成 过程，但由于该方法没有涉及应力场，从而忽忽 略略了铸轧力对铸件表面的剪切作用。多数实验 表明，铸件表面的柱状晶区并不单纯沿垂直于 铸辊表面的方向生长，而是受到剪切力的作用， 沿铸轧方向倾斜。倾斜的柱状晶会对此后的晶 粒生长趋势造成诸多影响，使之并不能与数值 模拟的结果完全吻合。 基于基于CA-FECA-FE算法模拟铸轧过程中的工业纯铝晶粒组织生长过程图算法模拟铸轧过程中的工业纯铝晶粒组织生长过程图 a) a) 开始进入变形区之前开始进入变形区之前 b) b) 进入变形区后进入变形区后 急停时水平铸轧急停时水平铸轧AA3105AA

27、3105铝合金的微观组织图铝合金的微观组织图 第五部分第五部分 数值模拟在侧封板数值模拟在侧封板 中的应用中的应用 在铸轧过程中，需采用侧封技术以防 止金属液体从铸辊两侧漏出。侧封技术的好坏同 样是铸轧过程能否顺利进行的关键。实际生产中， 通常采用板状的陶瓷进行侧封，该侧封板在压紧 力的作用下与辊端压紧的同时，还与高温的金属 溶液直接接触。在压紧力与热应力的双重作用下， 侧封板较易磨损破碎，致使生产终止。 因此通过数值模拟研究侧封板的温度 场和热应力场，对分析侧封板产生破碎的原因及 提高侧封板的使用寿命有着重要意义。 由于涉及到应力、应变，因此有限 元方法成为该领域研究所选用的主要方法。在 建模的过程中，侧封板的热应力属于弹性力学 范畴。 此外，相较于侧封板在热应力及压 紧力作用下的变形而言，与旋转铸辊之间的摩 擦力所产生的变形很小可以忽略忽略。 李朝锋与张捷余等人都通过有限 元法将热-力进行耦合