鑄軋結(jié)晶輥輥面構(gòu)型對彎月面高度的影響

劉 剛，蔣 恩

雙輥薄帶連鑄將連續(xù)鑄鋼工藝和后續(xù)軋制工藝相融合，簡化從鋼水到熱卷的生產(chǎn)工序，使鋼鐵生產(chǎn)流程更緊湊、連續(xù)、高效和環(huán)保。隨著能耗、碳排放指標逐漸成為鋼鐵行業(yè)關(guān)注重點，雙輥薄帶連鑄連軋在綠色制造方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。與傳統(tǒng)的薄板材生產(chǎn)工藝相比，可節(jié)約基礎(chǔ)建設(shè)投資約30%～50%。由于工藝流程大大簡化，鋼材生產(chǎn)中的能耗大大減少，污染大大降低，與連鑄連軋過程相比，噸鋼可節(jié)省能源約800 kJ，碳排放量降低超80%，NOx降低約90%，SO2降低70%。我國有大量高磷、高硫劣質(zhì)礦資源，而薄帶連鑄連軋技術(shù)因其亞快速凝固的特點能夠有效抑制磷、硫等雜質(zhì)元素在鋼材中的偏析，使大量資源得到有效利用，符合我國可持續(xù)發(fā)展目標[1～4]。

雙輥薄帶連鑄連軋技術(shù)的核心是對熔池范圍內(nèi)均勻亞快速凝固過程的有效控制。該過程直接影響薄帶成品的表面質(zhì)量。該凝固過程的傳熱過程可分為兩個階段：在第一階段，高溫鋼水與結(jié)晶輥等接觸后，基體溫度驟升，對應的界面熱流密度在20 ms 內(nèi)達到峰值；在第二階段，基體溫度繼續(xù)上升，但與鋼水的溫度梯度下降，對應的熱流密度迅速下降，在70 ms 左右回落到穩(wěn)定的低值，之后以該低值為中心在一定范圍內(nèi)波動（見圖1）[5]。本研究范圍內(nèi)的側(cè)封板與高溫鋼水處在第一階段的時間大于氮化硼材料側(cè)封的情況，結(jié)晶輥與高溫鋼水接觸情況和常規(guī)平輥條件下大致相當。因此，本研究中的傳熱效率略高于現(xiàn)有技術(shù)。亞快速凝固的冷卻速度為100～103K/s，介于快速凝固和中速凝固之間，屬于非平衡的凝固過程，在較快的冷卻速度下鑄件的晶粒細小，偏析程度低[6～8]。而由于冷卻速度較高，熔池內(nèi)的鋼液在1 s 內(nèi)完全凝固，控制窗口期極短。鋼水與基體接觸后的0.02 s是傳熱效率最高的凝固初期，該階段界面間傳熱的均勻性對薄帶產(chǎn)品的表面質(zhì)量起著決定性的作用[9]。

圖1 界面熱流密度

彎月面形成于凝固初期，對初始凝固傳熱特性起著關(guān)鍵性作用。目前對于彎月面的研究多集中于連續(xù)鑄鋼領(lǐng)域[10]，而關(guān)于雙輥薄帶連鑄彎月面的研究鮮有報道。本研究為了釋放應力及施加振動，以凹凸型結(jié)晶輥代替平直結(jié)晶輥，在前期結(jié)晶輥輥面構(gòu)型對彎月面高度研究成果的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬和實驗方法進一步分析結(jié)晶輥輥面構(gòu)型參數(shù)對彎月面高度的影響規(guī)律，并從流場角度進行分析，旨在為后期生產(chǎn)實踐提供理論指導。

1 研究基礎(chǔ)

在之前的研究中，筆者根據(jù)凹凸結(jié)晶輥嚙合過程對凹凸結(jié)晶輥輥面構(gòu)型參數(shù)進行了理論推導，確定輥面函數(shù)[11]：

式中：r—結(jié)晶輥輥面上某點的極徑（mm）；r1—結(jié)晶輥輥面構(gòu)型的幅度（mm）；f—結(jié)晶輥輥面構(gòu)型的頻率（1）；θ—結(jié)晶輥輥面上某點的極角（rad）。

筆者以結(jié)晶輥輥面函數(shù)為基礎(chǔ)，分析凹凸結(jié)晶輥和平輥條件下彎月面高度的變化規(guī)律（見圖2）。結(jié)果顯示，凹凸結(jié)晶輥振幅對于彎月面高度的影響比振動頻率更明顯。當振幅從1 mm 下降至0 mm時，彎月面高度從R=1mm， f=36 參數(shù)下的20.4 mm 下降至R=0mm，f=0 的12.9 mm[12]。從彎月面高度變化趨勢看，減小結(jié)晶輥輥面幅度，會引起彎月面高度小于平輥的情況。因此，筆者繼續(xù)分析R=0.3 mm，f=36；以及R=0.3 mm，f=24 條件下的彎月面高度（見圖3）。從振幅0.3 mm 時不同頻率下彎月面的高度值可以看到，在0.05 s 時刻，凹凸結(jié)晶輥下的彎月面高度稍高于平輥下的彎月面高度。在0.1 s 時刻，彎月面高度從R=0 mm，f=0 的12.9 mm 降至R=0.3 mm，f=24 的12.3 mm。

圖2 振幅≥0.5 mm 時不同頻率下彎月面高度對比

圖3 振幅＜0.5 mm 時不同頻率彎月面高度對比

2 原因分析

熔池內(nèi)自由液面波動程度直接影響彎月面的穩(wěn)定性及行為，為了揭示凹凸結(jié)晶輥對彎月面高度的影響機理，筆者通過實驗對比分析不同輥面參數(shù)對平均自由液面波動的影響。以平輥條件下的彎月面高度為基準，比較不同結(jié)晶輥輥面參數(shù)下液面波動的相對值（見圖4）。可知，當結(jié)晶輥振幅為1 mm時，液面波動相對值達到0.59 mm；當振幅＜1 mm時，液面波動相對值從R=0 mm，f=0 參數(shù)下的0 mm 下降至R=0.3 mm，f=24 下的-0.03 mm。隨著振幅的減小，液面波動相對值趨于平衡。

圖4 不同結(jié)晶輥輥面參數(shù)下液面波動值

當振幅≥1 mm 時，由于自由液面波動幅度過大，受自由液面附近流場的影響，彎月面高度穩(wěn)定性變差，且隨波動的加劇升高。當振幅＜1 mm 時，振幅對自由液面波動的影響大幅度降低，彎月面更容易穩(wěn)定，此時凹凸輥彎月面的高度值低于平輥。在彎月面穩(wěn)定的情況下，彎月面高度主要受鑄輥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的粘滯力及自由液面表面張力的影響。彎月面高度的近似方程[13]：

由式（2） 可知，在其它條件不變的情況下，由于凹凸結(jié)晶輥與熔體的接觸面積比平輥大，所以粘性力增加，由于粘性力增加引起彎月面高度值的下降。因此，在自由液面波動影響有限的前提下，采用凹凸結(jié)晶輥可以降低彎月面的高度。

3 結(jié) 語

經(jīng)過本文分析，筆者得出以下結(jié)論：

（1） 當振幅＜1 mm 時，彎月面高度從平輥條件下的12.9 mm 下降至R=0.3 mm，f=24 的12.3 mm。

（2） 當振幅＜1 mm 時，液面波動相對值從平輥條件下的0 mm 下降至R=0.3 mm，f=24 的-0.03 mm。

（3） 當振幅＜1 mm 時，因凹凸結(jié)晶輥熔體粘性大而降低彎月面高度。