雙輥薄帶鑄軋中結(jié)晶輥面紋理的研究

張鳳泉　曾　春　駱忠漢

(國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心　湖北　武漢：430080)

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雙輥薄帶鑄軋中結(jié)晶輥面紋理的研究

張鳳泉曾春駱忠漢

(國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心湖北武漢：430080)

摘要針對(duì)雙輥薄帶連鑄過(guò)程中結(jié)晶輥表面的受熱狀態(tài)，分析了結(jié)晶輥表面紋理的作用。研究認(rèn)為，結(jié)晶輥表面紋理主要通過(guò)控制輥面的傳熱、凝固殼的形核和長(zhǎng)大兩個(gè)方面影響薄帶連鑄的凝固過(guò)程，從而達(dá)到進(jìn)一步提高鑄帶表面質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞薄帶連鑄；結(jié)晶輥；紋理；表面粗糙度

0引言

薄帶連鑄工藝是冶金及材料研究領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿技術(shù)，它的出現(xiàn)為鋼鐵行業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。薄帶連鑄基本原理是將高于熔點(diǎn)20℃～30℃的鋼液經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)連續(xù)注入由一對(duì)以相同角速度反向旋轉(zhuǎn)的等徑水冷結(jié)晶輥和耐火材料側(cè)封板構(gòu)成的三角熔池，經(jīng)由水冷輥的冷卻后，形成半凝固態(tài)，然后在雙輥的逆向轉(zhuǎn)動(dòng)下，進(jìn)入吻合點(diǎn)，最終鑄軋成厚度為2mm～6mm左右的連續(xù)鑄帶。這一技術(shù)將傳統(tǒng)的連鑄和軋制技術(shù)融為一體，大大降低了制造成本。

在薄帶連鑄過(guò)程中，結(jié)晶輥是薄帶連鑄工藝的核心部件，使其同時(shí)具有優(yōu)良的傳熱性能和較長(zhǎng)的使用壽命是薄帶連鑄實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而增加表面鍍層和紋理是較為廣泛的解決方案。因此，研究表面紋理對(duì)傳熱情況和凝固過(guò)程的影響是十分必要的，其有利于控制薄帶連鑄過(guò)程和提高鑄帶質(zhì)量。

1鑄帶過(guò)程鋼水與結(jié)晶輥面的熱傳輸

當(dāng)前連鑄的三種方式有薄帶連鑄、薄板坯連鑄和常規(guī)板坯連鑄。這三種連鑄方式的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。從對(duì)比數(shù)據(jù)可知，薄帶連鑄過(guò)程中帶坯的坯殼冷卻速度比其他兩種連鑄方式的大很多，結(jié)晶器(輥)對(duì)帶坯表面質(zhì)量的影響也大得多。在雙輥薄帶連鑄時(shí)，鋼水與結(jié)晶輥?zhàn)畛醯慕佑|時(shí)間約為20ms～30ms，是凝固與晶核形成階段，輥面的表面狀態(tài)對(duì)帶材的表面質(zhì)量起到了決定性的影響。

表1　三種連鑄方式的主要技術(shù)參數(shù)

注：均方根凝固系數(shù)K*=29，K**=26

已有研究認(rèn)為[1]，結(jié)晶輥中的傳熱包括鋼液的對(duì)流傳熱、凝固殼的傳導(dǎo)傳熱、氣隙的輻射和對(duì)流換熱、銅板的導(dǎo)熱以及冷卻水和輥套的對(duì)流換熱。熔池內(nèi)鋼水導(dǎo)出的熱量包括垂直方向散熱和水平方向散熱，其中，垂直方向散熱量很小，僅占總散熱量的3%～6%，而鋼水沿結(jié)晶器冷卻水的水平方向傳熱，約占結(jié)晶器總散熱量的 94%～97%。

2紋理形狀對(duì)熱傳輸?shù)挠绊?/p>

按德國(guó)MPI的研究[2]，結(jié)晶輥面的粗糙度使輥面?zhèn)鳠峋鶆颍T帶熱裂紋顯著減少，曾將結(jié)晶輥表面噴丸處理，使粗糙度Ra=10μm～13μm。日本石川島播磨與澳大利亞BHP1996年專利(CN1138506A)提出雙輥鑄軋?jiān)谟猩饘僦心塬@得成功，但黑色金屬則成問(wèn)題，其關(guān)鍵問(wèn)題是使結(jié)晶輥表面獲得高速，均勻的冷卻，光滑的結(jié)晶輥表面上要獲得足夠高的凝固速度是困難的，因此必須在結(jié)晶輥表面上人為設(shè)置紋理來(lái)增加凝固過(guò)程中的表面?zhèn)鳠釓?qiáng)度。日本公開(kāi)專利91—128149提出結(jié)晶輥紋理間距0.6mm、深0.2mm可防止因熱梯度過(guò)大而引起的縱裂[3]。韓國(guó)浦項(xiàng)2號(hào)TRC機(jī)在同一對(duì)結(jié)晶輥面一半加工紋理，一半為平輥，熱試效果如圖1所示。圖1中左邊為平輥，導(dǎo)熱能力差，不均勻有裂紋。圖1中右邊輥面有紋理，導(dǎo)熱能力大，均勻，無(wú)裂紋。

圖1　經(jīng)紋理處理和不經(jīng)紋理處理的鑄帶表面比較

美國(guó)專利4865117提出每厘米上8～35個(gè)波谷間距大小1mm、深0.15mm、寬最大2mm，專利5010947提出波谷寬度比波谷的間距要小得多，提出結(jié)晶輥表面粗糙度4U，并采用金剛砂輪打磨。按日本川崎的研究，結(jié)晶輥紋理，輥面加工槽紋距1.2mm、紋寬0.15mm～0.2mm，紋深0.05mm～0.1mm，均取得較好較果。以上所提出的紋理均過(guò)大，Castrip的前身日本石川島播磨與BHP輥面紋理是建立在實(shí)際試驗(yàn)基礎(chǔ)上的試驗(yàn)裝置，如圖2所示。將不同紋理的試塊裝在試桿上，試桿以不同的速度插入鋼水中，鋼水的溫度用感應(yīng)加熱進(jìn)行調(diào)整。將熱電偶安裝于試桿尾端，以測(cè)量試塊的溫升，從而計(jì)算其導(dǎo)熱率，獲得不同紋理的試塊，不同冷凝時(shí)間的導(dǎo)熱率如圖3所示。

圖2　表面紋理與導(dǎo)熱度試驗(yàn)裝置

圖3　不同紋理表面導(dǎo)熱率與冷凝時(shí)間的關(guān)系曲線

試驗(yàn)紋理間距最佳范圍在150μm～250μm。紋理深度最佳范圍在15μm～25μm，按上述實(shí)驗(yàn)紋理寬度最佳值180μm，紋理深度最佳值為20μm，紋理呈“V”形環(huán)狀波谷，為了加工方便也可呈多頭螺旋形波谷，一般在輥面鍍層完工后加工紋理。美國(guó)專利5983980(1999、11)、日本石川島播磨與澳大利亞BHP中，提出銅結(jié)晶輥，鍍Cr(<100μm)輥面紋理間距150μm、深20μm。以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)結(jié)晶輥進(jìn)行紋理處理，鑄帶表面粗糙度介于熱軋產(chǎn)品和冷軋產(chǎn)品之間，鑄帶表面質(zhì)量與傳統(tǒng)熱連軋對(duì)比如表2所示。

表2　鑄帶、鑄帶軋后、傳統(tǒng)熱連軋表面質(zhì)量對(duì)比

3鋼水與結(jié)晶輥面?zhèn)鳠徇^(guò)程的模擬

圖4是鋼水與結(jié)晶輥面的傳熱過(guò)程模擬示意圖，其主要傳熱方式是傳導(dǎo)與輻射。圖4a所示結(jié)晶輥面分為四個(gè)區(qū)段，在區(qū)1段鋼水與輥面接觸冷凝成初期坯殼，輥面溫度迅速提高，經(jīng)雙輥吻合點(diǎn)出坯后，輥面進(jìn)入?yún)^(qū)2段為強(qiáng)高溫輻射散熱段。輥面受鑄帶表面高溫輻射加熱。區(qū)3段為自然輻射散熱，區(qū)4段輥面受熔池鋼水輻射加熱。在鋼水與輥面接觸線導(dǎo)熱率最大，隨著出坯坯殼加厚，導(dǎo)熱率很快減小，主吻合點(diǎn)處只有凝固起點(diǎn)處的22%。一般情況下2mm的鑄帶凝固時(shí)間約0.4s，在鋼水接觸輥面0.2s時(shí)間內(nèi)，坯殼厚度已形成全厚的45%。雙輥連鑄冷凝速度比傳統(tǒng)板坯連鑄要高100多倍，鋼水一接觸結(jié)晶輥面，即凝固起點(diǎn)立即形成較厚的初期坯殼，這0.2s的時(shí)間內(nèi)就決定了鑄帶的表面質(zhì)量。鋼水與輥面的接觸線一波動(dòng)就會(huì)在鑄帶表面形成波紋、魚(yú)鱗皮甚至裂紋等[4]。

圖4　結(jié)晶輥傳熱凝固分析

圖4a所示，A區(qū)高溫坯殼的熱量通過(guò)接觸面向銅套傳送熱量，其傳熱方式主要是傳導(dǎo)和輻射，鋼水的溫度為1450℃～1550℃，坯殼的溫度為1385℃～1450℃，輥套的溫度為450℃～550℃，根據(jù)傅立葉定律，即通過(guò)等溫面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比，并且隨著溫度的升高，坯殼和銅套的導(dǎo)熱系數(shù)減小，而輻射傳熱起到了主要作用。如圖4(b)所示，表面未經(jīng)紋理處理的A部放大圖，傳導(dǎo)接觸面為弧面，與圖4(c)為表面是經(jīng)紋理處理的A部放大圖比較，傳導(dǎo)接觸面大，而輻射吸收面小，而圖4(c)由于經(jīng)過(guò)紋理處理，傳導(dǎo)接觸面減小，而輻射吸收面增加了數(shù)倍，因此經(jīng)紋理處理后的表面的熱量傳遞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未經(jīng)紋理處理的表面。結(jié)晶輥表面紋理是鋼水凝固成核的核心，結(jié)晶輥表面紋理強(qiáng)化了表面接觸導(dǎo)熱率，并使坯殼表面凝固均勻，凝固速度加快。同時(shí)，紋理將部分氣體帶入到鋼水的凝固過(guò)程，氣體受熱后膨脹，使坯殼不能與輥套表面緊密結(jié)合，也就減少了粘輥的機(jī)會(huì)。

4結(jié)論

(1)結(jié)晶輥面選擇適當(dāng)?shù)募y理，可以提高鑄帶的冷卻速度，提高冷卻強(qiáng)度的均勻性。

(2)紋理深度小于5μm，其導(dǎo)熱性能與光滑表面相差不大；紋理寬度180μm，紋理深度為20μm，紋理呈“V”形環(huán)狀波谷狀時(shí)，效果最好，導(dǎo)熱率相差近三倍，鑄帶表面質(zhì)量好，表面粗糙度介于熱軋產(chǎn)品和冷軋產(chǎn)品之間，表面氧化鐵皮厚度僅為傳統(tǒng)熱軋帶的50%以下。

(3)紋理將部分氣體帶入到鋼水的凝固過(guò)程，氣體受熱后膨脹，使坯殼不能與輥套表面緊密結(jié)合，可以減少粘輥機(jī)會(huì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[2]Grand lagenan tersachungen Zum Zweiollen Giebverfahen am Max-Planck-Iust’tute fur Eisenforschung[J]. Stahl und Eisen,1977,117(8)：47-56.

[3]石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社，BHP鋼鐵有限公司.帶鋼連鑄的方法及裝置[P]. CN 1138506A，1996-12-25.

[4]Bartlett.Direct strip casting on grooved wheels[P]. USA,4865117. Sep 12, 1989.

(責(zé)任編輯：李文英)

Research on Casting Roller Surface Texture in Strip Casting Process

Zhang FengquanZeng ChunLuo Zhonghan

(National Engineering Research Center for Silicon Steel， Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:According to the heating state of crystallization roller in the twin-roller strip continuous casting process, the effects of casting roller surface texture on surface quality of as-cast strip were analyzed. It is found that the casting surface texture has strong influence on the heat transfer, shell nucleation and growth during the solidification. The main purpose of the surface treatment is to improve the surface quality of as-cast strip.

Key words:strip casting; crystallization roller; texture; face roughness

中圖分類號(hào)：TF305

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3524(2016)01-0001-03

作者簡(jiǎn)介：張鳳泉(1964～)，男，工學(xué)博士，教授級(jí)高工.E-mail： fengquanzhang@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家863基金資助項(xiàng)目(No.2012AA03A506)

收稿日期：2016-02-20