桑 寶 光， 劉 明 澤， 劉 文 華

(大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

金屬復(fù)合板的復(fù)合方法有多種，根據(jù)復(fù)合狀態(tài)可分為三大類：固-固復(fù)合法、固-液復(fù)合法和液-液復(fù)合法[1]，其中固-液復(fù)合法中有一種鑄軋復(fù)合法，是結(jié)合了鑄造法和軋制法的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種雙金屬復(fù)合方法，該復(fù)合法是將液態(tài)復(fù)層金屬澆注到固態(tài)的基層金屬上，通過冷凝器冷卻成固態(tài)后，一起喂入軋機進行軋制，經(jīng)過塑性變形使兩種金屬間形成高強度冶金結(jié)合[2]。

雙輥鑄軋工藝是一種以兩個相對旋轉(zhuǎn)的鑄輥作為結(jié)晶器，用液態(tài)鋼水直接生產(chǎn)薄帶的新技術(shù)，由于其高冷卻速度的優(yōu)點，可細化晶粒，減少偏析，改善產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，雙輥薄帶鑄軋工藝受到越來越多的關(guān)注，被普遍認為薄板坯連鑄連軋后的下一代生產(chǎn)工藝[3]。

本研究將兩種方法結(jié)合，采用雙輥鑄軋復(fù)合的方法進行復(fù)合板坯的生產(chǎn)，不同于固-固、固-液和液-液三種復(fù)合法，開始澆注時與液-液復(fù)合法相似，澆入隔板兩側(cè)熔池的是兩種液態(tài)金屬，但是在鑄輥旋轉(zhuǎn)過程中，厚度較薄的不銹鋼率先完全凝固，真正等到兩種金屬接觸進行復(fù)合時反而與固-液復(fù)合法相近。

具體工作原理如圖1所示，由兩種不同的金屬材料熔液，材料1(碳鋼)和材料2(不銹鋼)分別從中間隔板5的兩側(cè)澆入移動(定)輥套與中間隔板形成的熔池，并分別與兩側(cè)的冷卻輥8(固定輥套)和3(移動輥套)接觸，冷卻凝固并隨之移動，移動過程中凝固層厚度逐漸增大，厚度較薄的金屬在到達中間隔板底部時基本完全凝固，此后與厚度較厚的金屬液接觸重新熔化并焊合在一起，該技術(shù)是世界前沿性技術(shù)[4-6]。針對碳鋼-不銹鋼復(fù)合的研究少之又少，此工藝過程非常復(fù)雜，影響因素眾多，通過少量試驗很難掌握其規(guī)律性，而通過計算機模擬得到鑄軋過程中各因素之間的匹配關(guān)系，分析不同鑄軋條件下穩(wěn)定鑄軋所需的工藝參數(shù)，得出鑄軋過程中的規(guī)律并將其用于實際生產(chǎn)。因此，本研究采用計算機模擬仿真技術(shù)對溫度場和流場進行計算，為制定合理的鑄軋工藝參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 水平雙輥連鑄機三維模型圖

1 工藝模擬

1.1 物理描述

水平雙輥連鑄機系統(tǒng)中，固定和移動輥套的直徑分別為300、500 mm，寬度為300 mm，輥套材質(zhì)采用銅合金。中間隔板和側(cè)擋板材質(zhì)為高溫耐火材料，兩種材質(zhì)的鋼液從中間隔板內(nèi)部的分流系統(tǒng)注入由兩個相對旋轉(zhuǎn)的鑄輥形成的楔形空間，一旦鋼液與鑄輥接觸，將會形成一薄層凝固殼，并逐漸增厚，凝固的不銹鋼層在中間隔板底部與液態(tài)的碳鋼接觸，形成冶金結(jié)合的界面，復(fù)合板坯最終在兩輥的吻合點附近完全凝固。隨著澆注過程的連續(xù)進行，將建立一個準靜態(tài)的平衡過程，通過控制熔池液面高度可以獲得一個穩(wěn)定的澆注速度。

1.2 控制方程

在不考慮開澆過程的金屬液流動下，假設(shè)金屬液瞬時充滿楔形空間，在側(cè)封板采取加熱保溫措施的情況下，忽略板坯的邊部效應(yīng)，鑄軋系統(tǒng)可以簡化成二維問題?；赑roCAST軟件提供的傳熱模型，采用熱焓方法處理凝固過程中的相變，熱傳導(dǎo)、質(zhì)量和能量守恒方程描述如式(1)～(4)[7-8]所示。

連續(xù)性方程：

(1)

式中：u和υ分別為x和y方向的速度矢量，t為時間。

熱傳導(dǎo)方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

(4)

式中：fs為固相分數(shù)，L為凝固潛熱，H為熱焓。

1.3 初始條件和邊界條件

1.3.1 初始條件

鑄輥、輥套、冷卻水和空氣溫度設(shè)為25 ℃，不銹鋼(SUS304)溫度為1 489 ℃，碳鋼(Q235A)溫度為1 552 ℃。

1.3.2 邊界條件

熔池與輥套的接觸面。由于考慮輥套與凝殼之間無滑動，所以熔池與輥套接觸的單元節(jié)點速度即為輥套的線速度，這樣與輥套接觸單元的節(jié)點的速度為

Vx=Vsinθ，Vy=Vcosθ，Vz=0

(5)

式中：V為輥套表面的線速度，θ為節(jié)點到輥套軸線的垂線與水平面的夾角。

熔池與輥套之間傳熱。熔池與輥套的接觸表面之間的邊界條件可視為第三類熱邊界條件，即

(6)

式中：hcont為熔池與輥套間接觸傳熱系數(shù)，TR為輥套表面溫度。

輥套內(nèi)表面與冷卻水之間傳熱。

-k?T·n=h0(T-Tw)

(7)

式中：h0為冷卻水與輥套間傳熱系數(shù)，Tw為冷卻水溫度，n為表面法線方向。

熔池表面與空氣之間傳熱。

-k?T·n=ha(T-Ta)

(8)

式中：ha為空氣與熔池液面間傳熱系數(shù)，Ta為空氣溫度。

2 結(jié)果與討論

連續(xù)性方程、能量守恒方程以及邊界條件方程式(1)～(8)通過ProCAST軟件采用有限元方法(FEM)進行求解。設(shè)備規(guī)格及模擬條件列于表1，模擬過程中采用的材料熱物性參數(shù)值來源于軟件自帶數(shù)據(jù)庫。

表1 設(shè)備規(guī)格及模擬條件

2.1 拉坯速度的確定

拉坯速度是鑄軋工藝的一個重要參數(shù)，其直接影響鑄軋過程的連續(xù)進行和板坯的質(zhì)量，拉坯速度確定流程如圖2所示。預(yù)設(shè)一個初始拉坯速度，模擬連鑄工藝過程，連鑄過程達到穩(wěn)態(tài)后，通過比較板坯凝固點與吻合點的相對位置來判斷給定的拉坯速度是否合理。變量Δs為凝固點與吻合點的距離，位置如圖3(a)所示，如果Δs>0，需增大拉坯速度，重新進行計算：如果Δs<0，需減小拉坯速度，重新進行計算，直至使得凝固點與吻合點重合，由此就能得到相應(yīng)厚度板坯連鑄工藝的拉坯速度。

圖2 拉坯速度確定流程圖

針對板坯厚度為38.7 mm進行模擬計算，達穩(wěn)態(tài)時的固相分數(shù)分布如圖3所示，圖中顏色標尺表示固相分數(shù)，0代表純液相，1代表純固相。板坯凝固點的位置反映給定拉坯速度的合理性，由模擬結(jié)果可以看出，當拉坯速度為0.11 m/min時，Δs=4 mm，如圖3(a)所示，因此，需要適當增大拉坯速度，將其增大為0.12 m/min重新進行計算，發(fā)現(xiàn)板坯凝固點已經(jīng)移動到吻合點下方(見圖3(b))，表明拉坯速度對板坯凝固點的位置影響非常顯著，工程上要使凝固點與吻合點重合非常困難，只能在一定的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，文獻[12]認為凝固點在吻合點上方2～8 mm即可保證鑄軋過程的順利進行，因此，在沒有考慮中間隔板影響的情況下，厚度為38.7 mm的拉坯速度范圍為0.11～0.12 m/min，偏下限控制。

(a)0.11 m/min

2.2 中間隔板對熔池凝固過程的影響

中間隔板是雙輥復(fù)合連鑄機的一個重要部件，一方面，它的放入會減小熔池內(nèi)鋼液體積，加之中間隔板預(yù)熱溫度比鋼液低，起到一定的冷卻作用，利于提高拉坯速度；另一方面，如果溫度過低，與之接觸的金屬液會產(chǎn)生凝殼，影響板坯復(fù)合質(zhì)量，因此，為提高復(fù)合板坯的質(zhì)量需要制定合理的中間隔板預(yù)熱工藝。中間隔板位置和厚度一定，拉坯速度一定，研究不同中間隔板預(yù)熱溫度對板坯凝固點位置的影響。圖4(a)所示為拉坯速度0.13 m/min，中間隔板預(yù)熱溫度為1 400 ℃達穩(wěn)態(tài)時的固相分數(shù)分布，板坯凝固點正好與吻合點重合。預(yù)熱溫度對凝固點與吻合點距離的影響如圖4(b)所示，可以看出，隨著預(yù)熱溫度的降低，板坯凝固點的位置向上移動，需要增大拉坯速度才能使板坯凝固點位置下移到吻合點位置附近，保證鑄軋過程的連續(xù)進行。值得注意的是如果中間隔板預(yù)熱溫度偏低，靠近中間隔板的鋼液將發(fā)生凝固，容易在中間隔板上凝固成殼從而惡化復(fù)合鋼板界面的結(jié)合質(zhì)量，因此，中間隔板需要預(yù)熱到較高的溫度，需大于1 200 ℃。

(a)中間隔板位置示意圖

2.3 中間隔板位置的確定

中間隔板是復(fù)合板坯成型的關(guān)鍵裝置，其放置的位置關(guān)系到不銹鋼層凝固的厚度，最終決定復(fù)合界面的結(jié)合情況。中間隔板的作用有三個：一是防止碳鋼與不銹鋼在熔池中過早混合；二是確保不銹鋼凝固層達到既定的厚度；三是控制中間隔板下部碳鋼和不銹鋼的固液兩相區(qū)接觸，以實現(xiàn)板坯的冶金結(jié)合。確定的難點是固液兩相區(qū)固相分數(shù)的選定，這是由于既要保證兩相區(qū)有一定的固相分數(shù)，防止不銹鋼液在中間隔板附近滲漏而與碳鋼沖混；同時，固相分數(shù)不能過大，將磨損中間隔板，甚至使中間隔板折斷。固相分數(shù)0.5 是個分界線，大于此值將導(dǎo)致固液兩相區(qū)強度迅速升高，中間隔板磨損將會加劇，因此，本研究確定中間隔板放置在不銹鋼固相分數(shù)小于0.5的兩相區(qū)位置。

中間隔板位置確定的流程如圖5所示，確定方法如下：第一步先不考慮中間隔板，對連鑄過程進行模擬計算，依據(jù)不銹鋼層凝固的厚度，如圖6(a)中虛線所示，初步確定中間隔板放置的位置；第二步根據(jù)上一步確定的中間隔板的位置進行建模，重新進行模擬計算，如圖6(b)所示，校核中間隔板是否滿足前面提到的兩個原則，如不滿足，重復(fù)第二步的過程直到準確定位中間隔板的位置。采用上述的方法，結(jié)合澆注系統(tǒng)設(shè)計和中間隔板實際形狀，即可準確確定中間隔板的位置。

圖5 中間隔板位置確定流程圖

(a)中間隔板初步位置(虛線)

采用上述方法，結(jié)合澆注系統(tǒng)設(shè)計和中間隔板實際形狀，中間隔板位置確定如圖7所示。

圖7 板坯厚度為38.7 mm的中間隔板位置圖

2.4 布流系統(tǒng)對溫度場和流場影響

對于雙輥復(fù)合連鑄工藝，布流系統(tǒng)決定著雙輥間熔池內(nèi)(結(jié)晶器)流體流動形態(tài)、溫度分布以及液面波動狀況等，是影響復(fù)合板坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素。使用PorCAST軟件模擬三維條件下，布流系統(tǒng)內(nèi)流體的流動情況以及對熔池液面溫度場的影響。工藝條件：

布流系統(tǒng)參數(shù)：尺寸20 mm×4 mm，分布3個，中間隔板預(yù)熱溫度為1 400 ℃。主要考察水口與水平夾角大小對熔池液面溫度場的影響。圖8為不同水口與水平夾角的液面溫度場。通過針對布流系統(tǒng)對熔池溫度場影響的模擬，可以看到當水口與水平面夾角為30°時，彎月面溫度已經(jīng)降低到液相線以下，部分凝固，影響板坯表面質(zhì)量；當水口與水平面夾角為15°時，液面總體溫度較高，彎月面溫度仍然在液相線溫度之上，有利于改善板坯的表面質(zhì)量；當水口與水平面夾角為0°時，溫度最高的區(qū)域較15°時減小，彎月面溫度仍然在液相線溫度之上，但液面溫度分布更為均勻。

(a)水口與水平面夾角為30°

通過針對布流系統(tǒng)對熔池流場影響的模擬，結(jié)合溫度場計算結(jié)果，可以看到，當水口與水平面夾角較大時，鋼液從水口流出，碰到輥套后產(chǎn)生向上和向下的流動，而鋼液向熔池下方的流動較強，向上的流動較弱，鋼液面附近鋼液更新速度慢，溫度下降較大，使得彎月面部分凝固(圖9(a))；當水口與水平面夾角為15°時，鋼液向上的流動得到加強，溫度高的鋼液能夠及時到達液面，使得鋼液面溫度較高，彎月面沒有凝固(圖9(b))；當水口與水平面夾角為0°時，鋼液向上的流動進一步加強，這容易使液面產(chǎn)生較大的波動，對提高板坯表面質(zhì)量不利(圖9(c))。因此，建議水口夾角取10°～15°。

(a)水口與水平面夾角為30°

3 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)，拉坯速度對熔池的凝固影響非常大，拉坯速度一個微小的變化導(dǎo)致板坯凝固點位置產(chǎn)生較大的波動，在沒有考慮中間隔板影響的情況下，厚度為38.7 mm的拉坯速度范圍為0.11～0.12 m/min，偏下限控制。

中間隔板需要預(yù)熱到1 200 ℃才能保證板坯界面復(fù)合質(zhì)量。

針對板坯厚度為38.7 mm(不銹鋼10 mm)，拉坯速度0.12 m/min、中間隔板預(yù)熱溫度1 200 ℃、輥套材料采用鉻鋯銅，中間隔板位置放置在不銹鋼一側(cè)固相分數(shù)為0.5，距吻合點44 mm。

布流系統(tǒng)決定著雙輥間熔池內(nèi)(結(jié)晶器)流體流動形態(tài)、溫度分布以及液面波動狀況等，布流系統(tǒng)出水口與水平面夾角取10°～15°有利于板坯質(zhì)量的改善。