雙輥薄帶振動鑄軋機理及其仿真實驗

杜鳳山 孫明翰 黃士廣 魏潔平 黃華貴 許志強

1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，0660042.燕山大學機械工程學院，秦皇島，066004

0 引言

雙輥薄帶鑄軋技術被認為是21世紀冶金工業最具發展潛力的高新技術，具有短流程、低能耗、投資少等特點 ，其工業化應用研究一直受到國內外科技界的高度關注，一旦形成穩定生產能力，必將對全球的冶金行業產生重要影響。該技術是以兩個逆向旋轉的軋輥作為結晶器，將熔融狀態下的金屬通過中間包注入鑄軋輥熔池，通過鑄造-軋制直接生產薄帶的新工藝。由于雙輥薄帶鑄軋是在高溫快速凝固條件下發生的，因此極易出現裂紋、偏析、夾層和組織性能難以控制等一系列板坯質量問題[1]。為此，本課題組首次提出了雙輥薄帶振動鑄軋新技術，研究在鑄軋過程中引入振動源以控制晶核形成和晶粒細化，提高產品組織性能。

振動已經在鑄造方面獲得了廣泛的應用，早在1868年俄國人Chernov就通過在鑄造過程中施加機械搖動振型的方式獲得了細小晶粒的鑄件[2-3]。WANG等[4]研究了振動頻率對鑄造鋁合金的影響，認為鑄造過程中施加振動和沖擊能擊碎枝晶。MIZULANI等[5]通過電磁的方式施加振動，發現鎂合金和鋁合金凝固過程中施加振動都能夠顯著地細化晶粒。張德恩等[6]研究了機械對鋁合金鑄造凝固過程中組織性能的影響，得到了相對于非振動更為細小的晶粒組織。目前，振動已經在塑形成形、復合材料制備以及焊接等多個領域得到了廣泛的應用?？紤]雙輥薄帶鑄軋是在高速冷凝條件下進行的，通過振動不僅能促進枝晶形核，還能促進形變誘導晶粒細化。本課題組設計制造了一臺φ160 mm×150 mm雙輥薄帶振動鑄軋機，并進行了鋁合金振動鑄軋物理模擬實驗。

1 實驗

1.1 雙輥薄帶振動鑄軋機及其原理

為研究振動對薄帶鑄軋組織性能的影響，課題組自主設計研發了φ160 mm×150 mm雙輥薄帶振動鑄軋機(圖1)，圖1a給出了鑄軋機振動鑄軋原理，左側結晶輥固定轉動，右側結晶輥振動加轉動，形成振動鑄軋。

1.2 實驗結果分析

經鑄錠振動凝固實驗驗證振動在凝固過程中的影響后，在鑄軋實驗機上進行振動鑄軋實驗，以研究振動對鑄軋過程的影響。實驗材料為AlSi9Cu3鑄造鋁合金，其化學成分見表1，開澆溫度為605 ℃，出口側薄帶厚度為4 mm，軋輥線速度為50 mm/s。如圖2所示，鑄軋板坯存在明顯的振痕，說明在鑄軋過程中由于軋輥振動產生了反復搓軋的作用效果，通過雙向反復搓軋增大了凝固區剪切變形量，易于促進鑄軋過程動態再結晶的形成和晶粒細化。其中，板坯表面振痕可在后繼精軋區消除。由圖2b和圖2c可知，隨著振動頻率的增大，帶坯表面振痕變密，單位長度內振痕數增加，說明提高振動頻率可增加板坯單位長度內的搓軋次數，增強剪切效果。

為進一步研究振動頻率特性對晶粒細化效果的影響，在該鑄機振動實驗平臺上進行了鑄錠振動凝固實驗。實驗過程如下：將鑄軋機的振動側輥系拆下，將通有循環冷卻水的20 mm×30 mm金屬模具放置在振動平臺上，在振動條件下向模具中注入熔融鋁合金，靜待其冷卻凝固，之后水平切開凝固方坯，腐蝕后觀察其凝固組織。實驗以AlSi9Cu3鑄造鋁合金為研究對象，開澆溫度為605 ℃，振動參數如下：振頻f為0、10 Hz、20 Hz、30 Hz，振幅A為0.2 mm。所得振動凝固組織如圖3所示。圖3a給出了無振動條件下的粗大枝晶的形貌，圖3b～圖3d給出了振幅為0.2 mm時振頻對晶粒度的影響。

1.左側固定結晶輥 2.浸入式水口 3.右側振動結晶輥(a)單側輥振動鑄軋原理

(b)振動鑄軋機圖1 φ160 mm×150 mm振動式薄帶鑄軋機Fig.1 φ160 mm×150 mm vibrationroll-casting machine

SiMgMnZnCuNiTi9.00.30.61.23.00.50.2

(a)非振動鑄軋帶坯表面 (b)振動鑄軋帶坯表面(f=10 Hz)

(c)振動鑄軋帶坯表面(f=20 Hz)圖2 不同振動條件下的鑄軋帶坯表面Fig.2 Surface of cast rolling strip under different vibration conditions

(a)f=0(b)f=10 Hz

(c)f=20 Hz(d)f=30 Hz圖3 不同振動工藝下的鑄錠凝固實驗結果Fig.3 Experimental results of ingot solidification under different vibration conditions

如圖3a所示，柱狀晶致使鑄件產生各向異性、偏析加重、變形性能變差，且由于模具急冷造成鑄錠溫度場突變過快，因而出現了明顯的熱裂紋，熱裂紋沿著柱狀晶晶界開裂且不易消除，嚴重影響鑄錠的二次加工。當引入振動源后(圖3b)，鑄錠內部的柱狀晶區域明顯縮小，且邊界層柱狀晶組織得到明顯細化，除此以外，鑄錠芯部出現了部分等軸晶區，等軸晶組織第二相分布均勻，缺陷少，具有較好的力學性能。然而低頻激振下，凝固組織中形核率較低，因而等軸晶區晶粒較為粗大，且在邊部區域依然有裂紋的存在。由圖3c和圖3d可明顯看出，隨著振動頻率的增大，形核率也顯著增大，芯部等軸晶區面積增大，且晶粒數增多，晶粒也更加細小。這主要是由于振動作用，枝晶臂的生長受到抑制，枝晶臂無法向〈0 0 1〉方向延伸，因而形成等軸晶組織，且隨著晶核數量的增加，芯部等軸晶得到了明顯細化。當振動頻率達到30 Hz時，可得到近似全等軸晶組織。

如圖4所示，為研究振動鑄軋對晶粒度的影響，在鑄軋實驗過程中采用急停(E-stop)工藝進行熔池區凝固實驗，以此獲得振動與非振動條件下的熔池凝固組織，從而進一步分析振動對鋁液凝固過程的影響。

(a)非振動鑄軋(b)振動鑄軋圖4 熔池區凝固組織宏觀形貌圖Fig.4 Macrostructure of solidification structure in molten pool

實驗結果表明，非振動條件下鋁合金熔池區的宏觀組織金屬流線呈非常明顯的人字形，柱狀晶十分發達，幾乎布滿整個橫截面。兩側柱狀晶組織由輥面邊界層向熔池芯部延伸并融合于熔池中心線附近。粗大的柱狀晶會導致鑄軋板坯呈現各向異性，易于產生宏觀裂紋，并且容易加重中心層偏析的傾向，如圖4a所示。其原因在于隨著金屬液注入熔池，在帶有循環水冷卻系統的結晶輥作用下，金屬液溫度迅速降低，垂直于結晶輥方向的溫度梯度最大。在這種冷卻條件下，晶粒有沿〈0 0 1〉方向擇優取向生長的趨勢，形成垂直于軋輥的粗大柱狀晶[7]。圖4b所示為振幅0.2 mm、振頻30 Hz時熔池區的宏觀組織。振動使金屬流線發生了變化，晶粒沿垂直軋輥方向生長的趨勢被終止，粗大柱狀晶規模大幅度減小，熔池區芯部出現了一定范圍的細密的等軸晶組織。由此可知，高頻振動對熔池芯部產生了擾動的效果，終止了晶粒沿〈0 0 1〉方向延伸生長的趨勢，出現了不完全的動態再結晶晶粒，柱狀晶明顯減少，形成了更多的等軸晶組織，從而可以起到提高板坯質量、抑制組織成分偏析的作用。

2 鑄軋過程工業化仿真

由實驗可知，振動會使鑄軋熔池區產生擾動，具有類似“攪拌”的效果，改變了原有的宏觀金屬流場，抑制柱狀晶的長大，提高形核率，從而使凝固區形成更多的等軸晶組織。同時還能細化晶粒，抑制晶界間的組織成分偏析，大幅度提高鑄軋板坯的整體質量，因而需要進一步通過有限元進行鑄軋過程的工業化仿真來探究振動對熔池區流場及溫度場的影響，并確定其間的量化關系，從而指導本課題組自主研發φ500 mm×350 mm振動鑄軋機的相關工作。

2.1 仿真模型的基本假設

(1)不考慮熔池偏析和組織間相變放熱對熔池內凝固過程的影響。

(2)由于振動頻率小于或等于30 Hz，鑄軋過程不出現脫坯現象，因此假設鑄軋輥表面與凝固坯殼之間無滑移。

(3)金屬材料假定的黏度與熱導率為只與溫度相關的函數。

(4)鑄造區或軋制區垂直斷面上,金屬質點的縱向流動速度一致,故變形前后橫斷面總保持為平面而無扭曲,其應變均勻分布，故橫斷面上無剪切應力作用。

(5)準穩態假設。考慮到熔池內自由氣體的原因，模擬過程中采用了VOF模型，但是VOF模型只適用于瞬態計算，故給出了準穩態假設。

2.2 仿真條件

CFD仿真模型中所研究的材料為AlSi9Cu3鑄造鋁合金，與實驗保持一致，該鋁合金物性參數以及外界空氣物性參數分別見表2、表3。

表2 實驗用鋁合金材料熱物性參數

表3 空氣熱物性參數

2.3 仿真模型

模型的主要參數及環境參數見表4。

由于模型中存在一側鑄軋輥的振動，因此會存在流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題，故應采用動網格模型求解。初始網格應用結構網格劃分的方式，劃分好的網格如圖5所示。

表4 仿真模型參數及環境參數

圖5 鑄軋熔池場結構網格Fig.5 Grid structure of the molten pool

模型中設定板帶坯的初始出口速度為50 mm/s，初始熔池場液態鋁合金溫度為825 K，液面上部空氣溫度為298 K，熔池區液面初始高度為350 mm。

入口邊界條件可根據出口流速、輥縫厚度、布流器寬度以及拉坯速度計算得出。布流器入口Y向速度為-5 mm/s，X向速度為0，入口溫度設定為澆鑄溫度Tinl>Tc。

鑄軋時，出口速度等于拉坯速度，且出口速度均勻，Y向速度大小為-50 mm/s，其他方向出口速度為0。由于液態鋁合金優先在鑄軋輥表面凝結為坯殼，因此熔池區拉坯速度和軋輥瞬時切線速度相同，故拉坯速度vpul=vout。

根據文獻[11]，振動會引起熔池內金屬液和鑄軋輥間氣膜厚度的變化，從而影響輥面傳熱系數，因而輥面傳熱系數應充分考慮鑄軋過程中金屬凝固對鑄軋輥與坯殼之間的氣隙造成的影響，振動對輥面接觸熱阻的影響以及軋制力對熔池的擠壓的影響。故采用文獻[8]中輥面與熔池接觸面處的傳熱系數公式：

(1)

各參數的取值見表5。鑄軋輥與熔池內液態鋁合金的傳熱系數按照式(1)以udf定義導入FLUENT進行計算。布流器外表面設置為絕熱邊界條件。

表5 輥面傳熱系數參數取值

3 鑄軋過程工業化仿真結果分析

3.1 振動對熔池中心線處速度的影響

熔池中心線處速度的大小一定程度上可以反映熔池內部的流場情況，是對熔池心部“攪拌”效果的一個量化標稱。圖6為振幅A=0.1 mm、不同振頻下熔池中心線上各測速點的水平方向速度圖，振動側方向為速度正方向。由圖6可知，傳統的鑄軋達到穩定狀態后，熔池場中心線處水平方向的速度近似為零，故傳統鑄軋熔池芯部的液體基本不流動。而當振動鑄軋達到穩態時，熔池中心線處水平方向速度不為0(板帶出口位置點除外)，且距離帶坯出口越遠，速度越大。對比不同振頻下熔池中心線處水平方向的速度可知，在振幅一定的情況下，振動頻率的增大會使水平方向的速度變大，說明振動可以使熔池產生“擾動”，且振頻越大，這種“擾動”效果越強烈。

圖6 不同振頻時熔池中心線上水平方向速度圖Fig.6 Horizontal velocity on the center line of molten pool at different frequencies

傳統鑄軋熔池的內部容易形成夾雜物的沉積，最終導致鑄軋出的板帶存在偏析、裂紋等缺陷，影響板帶質量。由熔池中心線處水平方向的速度不為零可知，在振動鑄軋中，結晶輥的振動會對熔池產生“擾動”效果，影響其流場，使夾雜物在振動的效果下游離到熔池其他部位，而非沉積于熔池芯部。游離的夾雜物可以抑制柱狀晶的生長，形成更多的等軸晶晶粒。另外，形成強制對流的效果使得熔池與鑄軋輥的換熱加快，有利于熔池邊部極冷晶的形成。

圖7為振頻f=10 Hz、不同振幅時熔池中心線上水平方向速度圖。對比圖6和圖7可知，振幅的增大比振頻的增大對熔池中心線上水平方向的速度影響更大，因此增大振幅可以使熔池產生更強烈的“擾動”效果。

圖7 不同振幅時熔池中心線上水平方向速度圖Fig.7 Horizontal velocity on the center line of molten pool at different amplitude

3.2 振動鑄軋熔池區溫度場分析

圖8為振幅A=0.1 mm、不同振頻條件下的熔池區溫度場示意圖，圖中黑色橫線標記了不同振頻時凝固終了點(即Kiss點)的縱坐標值。由圖8可知，振動頻率的提高可使Kiss點位置上移，從而提高鑄軋速度的極限值，提高生產效率。

圖9為振頻f=10 Hz、不同振幅下的鑄軋熔池區溫度場示意圖。由圖9可知，Kiss點位置隨振頻的變大而上移。綜上所述，增大振頻和振幅均能不同程度地提高輥表面的換熱，從而提高生產效率。

不同振動條件下Kiss點與鑄軋帶坯出口位置距離見表6和表7。對比可知，Kiss點位置會隨振頻和振幅的增大而上移，這是因為振動會加強熔池場鋁液的流動性，從而加強鋁液與結晶輥之間的換熱。振動越強烈，即振頻和振幅越大，理論上換熱越快，Kiss點上移的距離越大。同時，由圖8和圖9可知，凝固終了曲線的形狀與二次拋物線相似，這表示在施加振動后，熔池區溫度整體下降而不是單純熔池與結晶輥接觸的部分溫度下降，說明振動對熔池內鋁液的整體流動性產生了影響，而不僅是單純增強了結晶輥表面的換熱。

3.3 鑄軋溫度場的數值模擬分析

圖10為三維鑄軋模擬圖，是鑄軋熔池1/2模型的計算域。

圖11為三維鑄軋熔池場鋁合金溶液澆鑄過程的溫度分布圖。為了更加詳細地討論熔池內的

(a)無振動

(b)f=10 Hz

(c)f=20 Hz

(d)f=30 Hz圖8 振幅為0.1 mm、不同振頻時鑄軋帶坯熔池溫度場Fig.8 Molten pool temperature field at different frequencies when the amplitude is 0.1 mm

溫度分布情況，在CFD模型中選擇了2個特殊的溫度場截面。截面1選取熔池場的縱向對稱面，截面2選取距離熔池橫向對稱面方向170 mm處的橫截面。整個溫度場分為大氣相、鋁合金固態和鋁合金液態相三個相區。

(a)無振動

(b)A=0.1 mm

(c)A=0.2 mm

(d)A=0.3 mm圖9 振頻為10 Hz、不同振幅時鑄軋帶坯熔池溫度場Fig.9 Molten pool temperature field at different amplitude when the frequencies is 10 Hz

由圖12a可以看出，CFD模型中鑄軋過程Kiss點位置沿板坯寬度方向(即圖10中Z方向)上下波動，但位置始終保持在帶坯出口位置上方。

表6 振頻對Kiss點距軋輥中心線距離的影響

表7 振幅對Kiss點距軋輥中心線距離的影響

圖10 三維鑄軋模擬圖Fig.10 3D roll-casting simulation

圖11 鑄軋熔池溫度場Fig.11 Temperature field of molten pool

從布流器流出的液態鋁合金會有部分流至側封板和液面附近，從而提高該位置的溫度值，避免因側封板與液態鋁合金之間發生換熱而使鋁合金凝結為固態相，進而防止了軋卡事故的發生，并且熔池內金屬液的流動可以有效抑制鑄軋帶坯組織成分偏析的問題。

(a)熔池場的縱向對稱面

(b)距離熔池橫向對稱面方向170 mm處的橫截面圖12 鑄軋熔池溫度場截面Fig.12 Temperature field section of molten pool

鑄軋過程中，Kiss點位置沿板坯寬度方向上下波動會導致結晶后的軋制過程壓下量沿板坯寬度方向分布不平均，進而影響軋制力在板坯寬度方向上的分配。因板坯受力不均而引起的縱向不均勻延伸是形成宏觀裂紋的一個主要因素，會嚴重影響鑄軋板坯的質量。

Kiss點位置在板坯寬度方向上產生波動很大程度上是布流器制造工藝的問題。在CFD模型中，根據實際生產條件，應用的是楔形布流器。在澆鑄過程中，液態鋁合金從水口流出，水口正下方流速快，鋁合金熔液更新也快，水口與水口之間流速慢，鋁合金熔液更新也慢，致使液態鋁合金沿板坯寬度方向溫度分布不均，金屬液更新快的位置溫度高，反之溫度低。致使在相鄰的兩個水口之間的位置，Kiss點距離帶坯出口位置的距離比距水口的距離要小。同時，液態鋁合金自布流器端口流出，至側封板附近時，被側封板引流，直接流向側封板下部，因而側封板附近Kiss點的位置也相對較低。若希望減少此現象的危害，控制板坯的宏觀裂紋，提高板坯質量，則需要重新對布流器進行設計，盡量保證熔池區流場沿板坯寬度方向分布均勻。

由圖12b可知，布流器下方為溫度均勻穩定的液相區。這是由于液態鋁合金自布流器水口流出后，經結晶輥輥面的引流作用，流至布流器下方，形成漩渦。之后隨著結晶輥的轉動，帶動金屬液向下流動，但是熔池區的橫向寬度越來越小，導致部分金屬液回流到布流器下方，進一步形成漩渦，形成類似“攪拌”的效果，如圖13中金屬液流線所示。此漩渦對促進鑄軋熔池區組織成分均勻化和抑制偏析有重要作用。漩渦下部存在對Kiss點位置的沖擊，可以起到類似“輕壓下”(soft press)的效果，破壞凝固終端形成的“搭橋”及封閉的液相穴，從而抑制中心偏析及中心縮松，提高板坯質量。

圖13 鑄軋二維熔池場流線圖Fig.13 2D flow chart of molten pool

4 結論

(1)利用鑄軋熔池區凝固實驗，通過對比非振動與振動狀態下的熔池區凝固組織，發現高頻振動會對熔池芯部產生擾動效果，打破晶粒沿〈0 0 1〉方向延伸生長的趨勢，阻礙粗大柱狀晶的生成，形成更多的等軸晶組織，驗證了振動對提升鑄軋板坯質量有良好的效果。

(2)利用鑄軋實驗，對比振動與非振動條件下的鑄軋板坯，發現振動條件下板坯表面存在明顯振痕，說明在鑄軋過程中軋輥振動會產生搓軋效果，從而促進動態再結晶過程，細化晶粒，改善板坯質量，并且有助于減小軋制力，減少軋輥磨損。

(3)振頻和振幅的增大均能強化鑄軋熔池區“攪拌”的效果，從而促進鑄軋熔池內溶質成分的均勻分布，同時加快熔池內金屬液與結晶輥輥面的換熱，致使凝固終了曲線上移，有利于提高鑄軋的生產效率。

(4)振動鑄軋熔池區溫度場研究結果表明，Kiss點位置會隨振頻和振幅的增大而上移。

(5)通過CFD模型對熔池區溫度場進行了分析，發現了鑄軋過程中Kiss點高度沿板坯寬度方向分布不均這一現象，并探討了鑄軋熔池區內金屬液漩渦的成因及對鑄軋過程的影響。

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