雙輥薄帶鑄軋純鋁凝固組織模擬與性能分析

孫振軍，侯志輝，呂征

（河北工程大學機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

雙輥薄帶連鑄技術是將金屬液注入兩個反向選旋轉輥間，經冷卻、凝固、軋制成形，實現工藝低成本、高效率、短流程。本課題利用雙輥鑄軋機制備2mm厚純鋁薄帶，應用急停工藝（E-Stop）獲得熔池區鋁凝固組織，分析其枝晶樣貌、取向以及演化機理。運用CAFE模塊建立雙輥薄帶連鑄純鋁織構演化模型，檢驗工藝參數對純鋁凝固組織分布、演變影響。

1 模擬原理及方法

1.1 異質形核模型

式中：d(ΔT)為單位過冷度；ΔTσ為型核過冷度標準差；ΔTmax為平均形核過冷度；nmax為最大型核密度。

1.2 KGT模型

枝晶尖端生長受到熱力學過冷度ΔTt、溶質中相關成分過冷度ΔTc、固液界面曲率過冷度ΔTr以及動力學過冷度ΔTk影響。整體過冷度ΔT=ΔTc+ΔTk+ΔTr+ΔTt。對KGT模型進行擬合、修正，得到枝晶尖端生長速度多項式：

式中，a2、a3為晶粒生長系數；ΔT為枝晶尖端過冷度。

1.3 模擬參數設置

材料為純鋁，鑄軋速度v=12m·min-1，澆注溫度=690℃，帶厚hb=2mm，純鋁與輥傳熱系數ht=2500W·m-2·℃-1。體形核率NMax=4×10121·m-3，面形核率GMax=9×10101·m-3，體形核過冷度方差=1K，面形核過冷度方差=1.5K，平均體形核過冷度=1K，平均面形核過冷度=15K。

2 實驗過程

采用實驗室自主研發φ265×160雙輥薄帶鑄軋機。將坩堝內純鋁加熱融化至690℃，并保溫20min，將純鋁溶液澆注，軋制出2mm純鋁薄帶，使用E-Stop（急停）工藝獲得鑄輥熔池區純鋁凝固組織。

3 結果與討論

3.1 宏微觀組織特性

雙輥薄帶連鑄純鋁熔池區凝固組織樣貌如圖1a。鋁溶液與鑄輥表面接觸，兩者形成較大溫度差導致鑄輥表面形成激冷層區，提升形核率，因此鑄輥表面形成細小、大量等軸晶。枝晶具有擇優生長特性，即<001>取向生長，晶粒間存在競爭生長特性，與溫度梯度偏離角較大晶粒被淘汰，晶粒取向趨于一致。隨凝固進行，等軸晶逐漸演化成柱狀晶，枝晶生長速率與枝晶尖端前沿速率有關，枝晶尖端前沿冷卻越高，枝晶生長速度越快，熔體中垂直于鑄輥表面方向溫度梯度最大，因此該方向晶粒生長速度最快，促進柱狀晶形成。柱狀晶生長至熔體芯部后停止生長。

如圖1b，凝固組織形態與生長趨勢基本相符，從晶粒域分布、樣貌、演變來看，兩者結果情況基本吻合，驗證CAFE模型正確性。

圖1 結晶輥熔池區純鋁凝固組織

3.2 澆注溫度對枝晶生長規律影響

基于CAFE數學模型，模擬不同澆注溫度下熔池區凝固組織樣貌。如圖2，隨鋁溶液澆注溫度上升，鑄輥兩側表面等軸晶區晶粒細小，柱狀晶區所占比例降低，柱狀晶隨澆注溫度上升體積減小。澆注溫度上升會降低熔池Kiss點高度，減少鑄輥表面與Kiss點距離，使柱狀晶區生長空間降低，枝晶間距縮短，所占比例。

圖2 不同澆注溫度晶粒組織

4 結語

利用雙輥薄帶鑄軋機獲得純鋁凝固組織。組織兩側表面存在大量、細小等軸晶，晶粒延<001>取向擇優生長且數目降低，最終演化為柱狀晶。利用CAFE數學模型，模擬雙輥薄帶連鑄熔池區凝固組織樣貌，與實驗結果基本吻合。Kiss點位置影響晶粒細化，Kiss位置點下降，枝晶半徑減小，柱狀晶比例降低。