異徑雙輥法制備1050Al帶的可行性研究

羅俊杰， 周 成

（1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009； 2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100083）

異徑雙輥法制備1050Al帶的可行性研究

羅俊杰1， 周 成2

（1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009； 2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100083）

設(shè)計(jì)了一種異徑雙輥鑄機(jī)，旨在將單輥法的冷卻速度快與雙輥法的上下表面質(zhì)量高的特點(diǎn)結(jié)合起來，并采用了中間包-布流器壓出法與可控閘門布流器壓出法兩種澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：此方法制備的1050Al薄帶，凝固速率快，輥速達(dá)60 m/min，上下表面成形質(zhì)量差異小，雖然有些表面裂紋，但受到工藝控制水平的制約。

異徑雙輥 薄帶 1050Al

薄帶連鑄技術(shù)由于省去了常規(guī)薄帶生產(chǎn)中大量的熱軋工序，節(jié)省了電能消耗，降低了成本。然而，在生產(chǎn)過程中卻存在著成形工藝不易控制及內(nèi)部冶金缺陷等一些技術(shù)難點(diǎn)，至今尚未完全解決［1-5］。盡管如此，該工藝對(duì)于一些熱加工性能較差的材料如鑄鐵、硅鋼及一些鋁鎂合金的帶材成形依然具有較為重要的價(jià)值［6-7］。

本實(shí)驗(yàn)采用的異徑雙輥法制備1050Al帶基于兩點(diǎn)：一是單輥熔體拖拽法雖然冷卻速度快，但薄帶上表面成形質(zhì)量差［8］；二是雙棍法制備的薄帶雙面成形的質(zhì)量較好但冷卻速度慢且存在中心層溶質(zhì)偏析［9］。采用異徑雙輥法旨在將上述兩種方法的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，期望在薄帶成形質(zhì)量及組織性能上取得新突破。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的鑄機(jī)如圖1所示，冷卻輥與成形輥的直徑分別為400 mm和200 mm，側(cè)封采用冷卻輥兩側(cè)的凸緣代替，將成形輥鑲其中，如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)的加熱爐為5 kW的電阻爐。

圖1 異徑雙輥鑄機(jī)實(shí)物圖

圖2 鑄輥側(cè)封實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單輥熔體拖拽的成形過程中，液態(tài)金屬與冷卻輥剛接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生微熔池，流場(chǎng)速度分布較為紊亂。在冷卻輥的拖拽作用下，液態(tài)金屬被拉成薄帶狀，被拉薄的液態(tài)金屬不可避免地繼承了熔池紊亂的流場(chǎng)，當(dāng)液態(tài)金屬在冷卻輥上布流厚度較大時(shí)，會(huì)引發(fā)上表面流動(dòng)紊亂，嚴(yán)重影響了薄帶上表面的成形質(zhì)量。

由于雙輥法是雙面冷卻，薄帶上下表面質(zhì)量好，但生產(chǎn)效率偏低，較有代表性的是鑄速為30 m/min。效率偏低除了有帶厚較大的原因以外，另一個(gè)不容忽視的原因是兩輥間的熔池較大，熱流源源不斷地從熔池流向鑄輥，影響了輥面附近液態(tài)金屬的凝固。

為了避免上述問題，首先需提高上述微熔池的穩(wěn)定性，即在液態(tài)金屬與冷卻輥接觸時(shí)，速度矢量應(yīng)當(dāng)與冷卻輥接觸點(diǎn)的速度矢量相近，以避免兩者間不利的相互作用。同時(shí)，為了獲得較高的表面質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)增加了輥徑較小的成形輥，薄帶成形原理如圖3所示。

圖3 理想狀態(tài)下異徑雙輥法成形的示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用了兩種布流器形式。第一種為中間包-布流器壓出法，如圖4所示。澆鑄前加熱布流器，然后依靠鋼架結(jié)構(gòu)將其較為精確地裝配至冷卻輥兩個(gè)側(cè)封之間，將中間包架于鋼架上端。將液態(tài)金屬澆入布流器中，控制液面高度，在液態(tài)金屬自身壓力的作用下，熔體從出口處沿水平方向以一定速度均勻布流在冷卻輥上。

圖4 中間包-布流器壓出法示意圖

第二種為可控閘門布流器壓出法，如圖5所示。澆鑄前加熱布流器內(nèi)腔，澆鑄時(shí)先將液態(tài)金屬通過中間包澆入布流器中，如圖6所示，然后參照刻度盤將閘門迅速開至約5 mm的位置，待液態(tài)金屬壓出后迅速調(diào)小至2～3 mm的位置以控制流量。

圖5 可控閘門布流器壓出法示意圖

圖6 可控閘門布流器壓出法澆鑄1050Al

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 中間包-布流器壓出法

布流效果如圖7所示，液態(tài)金屬更加傾向于在冷卻輥中間布流，這是因?yàn)樵趪娍谔幙拷剂髌鱾?cè)壁的液態(tài)金屬溫度低于靠近中間的液態(tài)金屬，黏度較大；側(cè)壁對(duì)液態(tài)金屬存在摩擦作用。以上原因?qū)е驴拷鼈?cè)壁處的液態(tài)金屬流動(dòng)較慢。布流器出口高度只有2～3 mm，液態(tài)金屬流出時(shí)受到表面張力影響，最終導(dǎo)致液態(tài)金屬?gòu)闹胁勘粔撼觥?/p>

圖7 液態(tài)Al布流效果示意圖

由圖8可見，中間包-布流器壓出法制備的1050Al帶中部較為完整，邊部存在嚴(yán)重開裂，并呈對(duì)稱狀。主要原因是液態(tài)Al在冷卻輥上靠近中間的部分首先凝固，在成形輥的作用下，多余的液態(tài)Al以寬展的形式被壓到熔池兩邊，流場(chǎng)較為紊亂，對(duì)兩邊的凝固產(chǎn)生了較大的影響，最終導(dǎo)致邊部開裂。

圖8 中間包-布流器壓出法制備1050Al帶實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 可控閘門布流器壓出法

由于采用了保溫層，液態(tài)Al的流動(dòng)性得到保證，但初始?jí)侯^較高，約為80 mm，導(dǎo)致初始流量和流速較大，在后續(xù)過程中也無法控制；幾何因素限制了布流器的形狀，導(dǎo)致液態(tài)金屬接觸輥面時(shí)的初速度存在徑向分量，對(duì)輥面有一定的沖擊作用，當(dāng)流速較快時(shí)，液態(tài)金屬在冷卻輥表面會(huì)出現(xiàn)邊部漂離輥面的情況，影響了液態(tài)金屬在冷卻輥上布流的穩(wěn)定性，在冷卻輥與成形輥之間形成一個(gè)波動(dòng)較大的熔池。

由圖9可見，所制得的1050Al帶與圖8有明顯區(qū)別，裂紋呈不規(guī)則分布，有些裂紋已經(jīng)穿透整個(gè)1050Al帶，這與熔池沿軋制方向上的前后波動(dòng)有直接的關(guān)系。當(dāng)液態(tài)金屬與成形輥接觸時(shí)，由于布流出口高度大于輥縫，導(dǎo)致與輥面碰撞并回彈，影響了冷卻輥上液態(tài)Al布流的穩(wěn)定性，反過來又會(huì)加劇熔池的往復(fù)波動(dòng)，因此液態(tài)Al在相對(duì)不穩(wěn)定的流場(chǎng)下發(fā)生凝固是形成不規(guī)則裂紋的主要原因。

圖9 可控閘門布流器壓出法制備的Al帶

3 結(jié)論

1）本實(shí)驗(yàn)針對(duì)已有的薄帶連鑄工藝所面臨的問題和不足，精心設(shè)計(jì)了異徑雙輥連鑄法，期望能增加冷卻輥上液態(tài)金屬流動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，并通過成形輥對(duì)液態(tài)金屬自由表面的成形及冷卻作用，使得薄帶的上表面平整度與下表面基本相同。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于冷卻輥的冷卻能力及熔池厚度的顯著減小，液態(tài)Al的凝固速率明顯提高，制備1～2 mm厚的鋁帶，輥速達(dá)60 m/min。雖然鋁帶存在的一些裂紋還未能得到解決，但其上下表面的成形質(zhì)量已基本相同，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初衷。

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（編輯：胡玉香）

Feasibility Study on the Preparation of 1050Al Belt with Differentdiameter Twin-roller Method

LUO Junjie，ZHOU Cheng
（1.Shanxi Engineering Vocational College，Taiyuan Shanxi 030009；2 College of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083）

A kind of different-diameter twin-roller casting machine is designed，aiming at combing the fast cooling rate of single roller method and high surface quality of double roller method.The design scheme of the tundish-flow distributor extrusion method and controllable gate flow distributor extrusion method in casting system are adopted，which is verified through experiment.The results shows that the preparation method of 1050Al thin strip has high solidification rate，and the speed of roll reaches 60 m/min.The difference of forming quality in upper and lower surfaces is small.Although there is some surface crack，but it i restricted by the level of process control.

different-diameter twin-roller，thin strip，1050Al

TG249.7

A

1672-1152（2016）05-0021-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.08

2016-09-07

羅俊杰（1984—），男，畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，于山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院任教，教師助理。