双辊薄带振动铸轧机理及其仿真实验

杜凤山 孙明翰 黄士广 魏洁平 黄华贵 许志强

1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，秦皇岛，0660042.燕山大学机械工程学院，秦皇岛，066004

0 引言

双辊薄带铸轧技术被认为是21世纪冶金工业最具发展潜力的高新技术，具有短流程、低能耗、投资少等特点 ，其工业化应用研究一直受到国内外科技界的高度关注，一旦形成稳定生产能力，必将对全球的冶金行业产生重要影响。该技术是以两个逆向旋转的轧辊作为结晶器，将熔融状态下的金属通过中间包注入铸轧辊熔池，通过铸造-轧制直接生产薄带的新工艺。由于双辊薄带铸轧是在高温快速凝固条件下发生的，因此极易出现裂纹、偏析、夹层和组织性能难以控制等一系列板坯质量问题[1]。为此，本课题组首次提出了双辊薄带振动铸轧新技术，研究在铸轧过程中引入振动源以控制晶核形成和晶粒细化，提高产品组织性能。

振动已经在铸造方面获得了广泛的应用，早在1868年俄国人Chernov就通过在铸造过程中施加机械摇动振型的方式获得了细小晶粒的铸件[2-3]。WANG等[4]研究了振动频率对铸造铝合金的影响，认为铸造过程中施加振动和冲击能击碎枝晶。MIZULANI等[5]通过电磁的方式施加振动，发现镁合金和铝合金凝固过程中施加振动都能够显著地细化晶粒。张德恩等[6]研究了机械对铝合金铸造凝固过程中组织性能的影响，得到了相对于非振动更为细小的晶粒组织。目前，振动已经在塑形成形、复合材料制备以及焊接等多个领域得到了广泛的应用。考虑双辊薄带铸轧是在高速冷凝条件下进行的，通过振动不仅能促进枝晶形核，还能促进形变诱导晶粒细化。本课题组设计制造了一台φ160 mm×150 mm双辊薄带振动铸轧机，并进行了铝合金振动铸轧物理模拟实验。

1 实验

1.1 双辊薄带振动铸轧机及其原理

为研究振动对薄带铸轧组织性能的影响，课题组自主设计研发了φ160 mm×150 mm双辊薄带振动铸轧机(图1)，图1a给出了铸轧机振动铸轧原理，左侧结晶辊固定转动，右侧结晶辊振动加转动，形成振动铸轧。

1.2 实验结果分析

经铸锭振动凝固实验验证振动在凝固过程中的影响后，在铸轧实验机上进行振动铸轧实验，以研究振动对铸轧过程的影响。实验材料为AlSi9Cu3铸造铝合金，其化学成分见表1，开浇温度为605 ℃，出口侧薄带厚度为4 mm，轧辊线速度为50 mm/s。如图2所示，铸轧板坯存在明显的振痕，说明在铸轧过程中由于轧辊振动产生了反复搓轧的作用效果，通过双向反复搓轧增大了凝固区剪切变形量，易于促进铸轧过程动态再结晶的形成和晶粒细化。其中，板坯表面振痕可在后继精轧区消除。由图2b和图2c可知，随着振动频率的增大，带坯表面振痕变密，单位长度内振痕数增加，说明提高振动频率可增加板坯单位长度内的搓轧次数，增强剪切效果。

为进一步研究振动频率特性对晶粒细化效果的影响，在该铸机振动实验平台上进行了铸锭振动凝固实验。实验过程如下：将铸轧机的振动侧辊系拆下，将通有循环冷却水的20 mm×30 mm金属模具放置在振动平台上，在振动条件下向模具中注入熔融铝合金，静待其冷却凝固，之后水平切开凝固方坯，腐蚀后观察其凝固组织。实验以AlSi9Cu3铸造铝合金为研究对象，开浇温度为605 ℃，振动参数如下：振频f为0、10 Hz、20 Hz、30 Hz，振幅A为0.2 mm。所得振动凝固组织如图3所示。图3a给出了无振动条件下的粗大枝晶的形貌，图3b～图3d给出了振幅为0.2 mm时振频对晶粒度的影响。

1.左侧固定结晶辊 2.浸入式水口 3.右侧振动结晶辊(a)单侧辊振动铸轧原理

(b)振动铸轧机图1 φ160 mm×150 mm振动式薄带铸轧机Fig.1 φ160 mm×150 mm vibrationroll-casting machine

SiMgMnZnCuNiTi9.00.30.61.23.00.50.2

(a)非振动铸轧带坯表面 (b)振动铸轧带坯表面(f=10 Hz)

(c)振动铸轧带坯表面(f=20 Hz)图2 不同振动条件下的铸轧带坯表面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图3 不同振动工艺下的铸锭凝固实验结果Fig.3 Experimental results of ingot solidification under different vibration conditions

如图3a所示，柱状晶致使铸件产生各向异性、偏析加重、变形性能变差，且由于模具急冷造成铸锭温度场突变过快，因而出现了明显的热裂纹，热裂纹沿着柱状晶晶界开裂且不易消除，严重影响铸锭的二次加工。当引入振动源后(图3b)，铸锭内部的柱状晶区域明显缩小，且边界层柱状晶组织得到明显细化，除此以外，铸锭芯部出现了部分等轴晶区，等轴晶组织第二相分布均匀，缺陷少，具有较好的力学性能。然而低频激振下，凝固组织中形核率较低，因而等轴晶区晶粒较为粗大，且在边部区域依然有裂纹的存在。由图3c和图3d可明显看出，随着振动频率的增大，形核率也显著增大，芯部等轴晶区面积增大，且晶粒数增多，晶粒也更加细小。这主要是由于振动作用，枝晶臂的生长受到抑制，枝晶臂无法向〈0 0 1〉方向延伸，因而形成等轴晶组织，且随着晶核数量的增加，芯部等轴晶得到了明显细化。当振动频率达到30 Hz时，可得到近似全等轴晶组织。

如图4所示，为研究振动铸轧对晶粒度的影响，在铸轧实验过程中采用急停(E-stop)工艺进行熔池区凝固实验，以此获得振动与非振动条件下的熔池凝固组织，从而进一步分析振动对铝液凝固过程的影响。

(a)非振动铸轧(b)振动铸轧图4 熔池区凝固组织宏观形貌图Fig.4 Macrostructure of solidification structure in molten pool

实验结果表明，非振动条件下铝合金熔池区的宏观组织金属流线呈非常明显的人字形，柱状晶十分发达，几乎布满整个横截面。两侧柱状晶组织由辊面边界层向熔池芯部延伸并融合于熔池中心线附近。粗大的柱状晶会导致铸轧板坯呈现各向异性，易于产生宏观裂纹，并且容易加重中心层偏析的倾向，如图4a所示。其原因在于随着金属液注入熔池，在带有循环水冷却系统的结晶辊作用下，金属液温度迅速降低，垂直于结晶辊方向的温度梯度最大。在这种冷却条件下，晶粒有沿〈0 0 1〉方向择优取向生长的趋势，形成垂直于轧辊的粗大柱状晶[7]。图4b所示为振幅0.2 mm、振频30 Hz时熔池区的宏观组织。振动使金属流线发生了变化，晶粒沿垂直轧辊方向生长的趋势被终止，粗大柱状晶规模大幅度减小，熔池区芯部出现了一定范围的细密的等轴晶组织。由此可知，高频振动对熔池芯部产生了扰动的效果，终止了晶粒沿〈0 0 1〉方向延伸生长的趋势，出现了不完全的动态再结晶晶粒，柱状晶明显减少，形成了更多的等轴晶组织，从而可以起到提高板坯质量、抑制组织成分偏析的作用。

2 铸轧过程工业化仿真

由实验可知，振动会使铸轧熔池区产生扰动，具有类似“搅拌”的效果，改变了原有的宏观金属流场，抑制柱状晶的长大，提高形核率，从而使凝固区形成更多的等轴晶组织。同时还能细化晶粒，抑制晶界间的组织成分偏析，大幅度提高铸轧板坯的整体质量，因而需要进一步通过有限元进行铸轧过程的工业化仿真来探究振动对熔池区流场及温度场的影响，并确定其间的量化关系，从而指导本课题组自主研发φ500 mm×350 mm振动铸轧机的相关工作。

2.1 仿真模型的基本假设

(1)不考虑熔池偏析和组织间相变放热对熔池内凝固过程的影响。

(2)由于振动频率小于或等于30 Hz，铸轧过程不出现脱坯现象，因此假设铸轧辊表面与凝固坯壳之间无滑移。

(3)金属材料假定的黏度与热导率为只与温度相关的函数。

(4)铸造区或轧制区垂直断面上,金属质点的纵向流动速度一致,故变形前后横断面总保持为平面而无扭曲,其应变均匀分布，故横断面上无剪切应力作用。

(5)准稳态假设。考虑到熔池内自由气体的原因，模拟过程中采用了VOF模型，但是VOF模型只适用于瞬态计算，故给出了准稳态假设。

2.2 仿真条件

CFD仿真模型中所研究的材料为AlSi9Cu3铸造铝合金，与实验保持一致，该铝合金物性参数以及外界空气物性参数分别见表2、表3。

表2 实验用铝合金材料热物性参数

表3 空气热物性参数

2.3 仿真模型

模型的主要参数及环境参数见表4。

由于模型中存在一侧铸轧辊的振动，因此会存在流场形状由于边界运动而随时间改变的问题，故应采用动网格模型求解。初始网格应用结构网格划分的方式，划分好的网格如图5所示。

表4 仿真模型参数及环境参数

图5 铸轧熔池场结构网格Fig.5 Grid structure of the molten pool

模型中设定板带坯的初始出口速度为50 mm/s，初始熔池场液态铝合金温度为825 K，液面上部空气温度为298 K，熔池区液面初始高度为350 mm。

入口边界条件可根据出口流速、辊缝厚度、布流器宽度以及拉坯速度计算得出。布流器入口Y向速度为-5 mm/s，X向速度为0，入口温度设定为浇铸温度Tinl>Tc。

铸轧时，出口速度等于拉坯速度，且出口速度均匀，Y向速度大小为-50 mm/s，其他方向出口速度为0。由于液态铝合金优先在铸轧辊表面凝结为坯壳，因此熔池区拉坯速度和轧辊瞬时切线速度相同，故拉坯速度vpul=vout。

根据文献[11]，振动会引起熔池内金属液和铸轧辊间气膜厚度的变化，从而影响辊面传热系数，因而辊面传热系数应充分考虑铸轧过程中金属凝固对铸轧辊与坯壳之间的气隙造成的影响，振动对辊面接触热阻的影响以及轧制力对熔池的挤压的影响。故采用文献[8]中辊面与熔池接触面处的传热系数公式：

(1)

各参数的取值见表5。铸轧辊与熔池内液态铝合金的传热系数按照式(1)以udf定义导入FLUENT进行计算。布流器外表面设置为绝热边界条件。

表5 辊面传热系数参数取值

3 铸轧过程工业化仿真结果分析

3.1 振动对熔池中心线处速度的影响

熔池中心线处速度的大小一定程度上可以反映熔池内部的流场情况，是对熔池心部“搅拌”效果的一个量化标称。图6为振幅A=0.1 mm、不同振频下熔池中心线上各测速点的水平方向速度图，振动侧方向为速度正方向。由图6可知，传统的铸轧达到稳定状态后，熔池场中心线处水平方向的速度近似为零，故传统铸轧熔池芯部的液体基本不流动。而当振动铸轧达到稳态时，熔池中心线处水平方向速度不为0(板带出口位置点除外)，且距离带坯出口越远，速度越大。对比不同振频下熔池中心线处水平方向的速度可知，在振幅一定的情况下，振动频率的增大会使水平方向的速度变大，说明振动可以使熔池产生“扰动”，且振频越大，这种“扰动”效果越强烈。

图6 不同振频时熔池中心线上水平方向速度图Fig.6 Horizontal velocity on the center line of molten pool at different frequencies

传统铸轧熔池的内部容易形成夹杂物的沉积，最终导致铸轧出的板带存在偏析、裂纹等缺陷，影响板带质量。由熔池中心线处水平方向的速度不为零可知，在振动铸轧中，结晶辊的振动会对熔池产生“扰动”效果，影响其流场，使夹杂物在振动的效果下游离到熔池其他部位，而非沉积于熔池芯部。游离的夹杂物可以抑制柱状晶的生长，形成更多的等轴晶晶粒。另外，形成强制对流的效果使得熔池与铸轧辊的换热加快，有利于熔池边部极冷晶的形成。

图7为振频f=10 Hz、不同振幅时熔池中心线上水平方向速度图。对比图6和图7可知，振幅的增大比振频的增大对熔池中心线上水平方向的速度影响更大，因此增大振幅可以使熔池产生更强烈的“扰动”效果。

图7 不同振幅时熔池中心线上水平方向速度图Fig.7 Horizontal velocity on the center line of molten pool at different amplitude

3.2 振动铸轧熔池区温度场分析

图8为振幅A=0.1 mm、不同振频条件下的熔池区温度场示意图，图中黑色横线标记了不同振频时凝固终了点(即Kiss点)的纵坐标值。由图8可知，振动频率的提高可使Kiss点位置上移，从而提高铸轧速度的极限值，提高生产效率。

图9为振频f=10 Hz、不同振幅下的铸轧熔池区温度场示意图。由图9可知，Kiss点位置随振频的变大而上移。综上所述，增大振频和振幅均能不同程度地提高辊表面的换热，从而提高生产效率。

不同振动条件下Kiss点与铸轧带坯出口位置距离见表6和表7。对比可知，Kiss点位置会随振频和振幅的增大而上移，这是因为振动会加强熔池场铝液的流动性，从而加强铝液与结晶辊之间的换热。振动越强烈，即振频和振幅越大，理论上换热越快，Kiss点上移的距离越大。同时，由图8和图9可知，凝固终了曲线的形状与二次抛物线相似，这表示在施加振动后，熔池区温度整体下降而不是单纯熔池与结晶辊接触的部分温度下降，说明振动对熔池内铝液的整体流动性产生了影响，而不仅是单纯增强了结晶辊表面的换热。

3.3 铸轧温度场的数值模拟分析

图10为三维铸轧模拟图，是铸轧熔池1/2模型的计算域。

图11为三维铸轧熔池场铝合金溶液浇铸过程的温度分布图。为了更加详细地讨论熔池内的

(a)无振动

(b)f=10 Hz

(c)f=20 Hz

(d)f=30 Hz图8 振幅为0.1 mm、不同振频时铸轧带坯熔池温度场Fig.8 Molten pool temperature field at different frequencies when the amplitude is 0.1 mm

温度分布情况，在CFD模型中选择了2个特殊的温度场截面。截面1选取熔池场的纵向对称面，截面2选取距离熔池横向对称面方向170 mm处的横截面。整个温度场分为大气相、铝合金固态和铝合金液态相三个相区。

(a)无振动

(b)A=0.1 mm

(c)A=0.2 mm

(d)A=0.3 mm图9 振频为10 Hz、不同振幅时铸轧带坯熔池温度场Fig.9 Molten pool temperature field at different amplitude when the frequencies is 10 Hz

由图12a可以看出，CFD模型中铸轧过程Kiss点位置沿板坯宽度方向(即图10中Z方向)上下波动，但位置始终保持在带坯出口位置上方。

表6 振频对Kiss点距轧辊中心线距离的影响

表7 振幅对Kiss点距轧辊中心线距离的影响

图10 三维铸轧模拟图Fig.10 3D roll-casting simulation

图11 铸轧熔池温度场Fig.11 Temperature field of molten pool

从布流器流出的液态铝合金会有部分流至侧封板和液面附近，从而提高该位置的温度值，避免因侧封板与液态铝合金之间发生换热而使铝合金凝结为固态相，进而防止了轧卡事故的发生，并且熔池内金属液的流动可以有效抑制铸轧带坯组织成分偏析的问题。

(a)熔池场的纵向对称面

(b)距离熔池横向对称面方向170 mm处的横截面图12 铸轧熔池温度场截面Fig.12 Temperature field section of molten pool

铸轧过程中，Kiss点位置沿板坯宽度方向上下波动会导致结晶后的轧制过程压下量沿板坯宽度方向分布不平均，进而影响轧制力在板坯宽度方向上的分配。因板坯受力不均而引起的纵向不均匀延伸是形成宏观裂纹的一个主要因素，会严重影响铸轧板坯的质量。

Kiss点位置在板坯宽度方向上产生波动很大程度上是布流器制造工艺的问题。在CFD模型中，根据实际生产条件，应用的是楔形布流器。在浇铸过程中，液态铝合金从水口流出，水口正下方流速快，铝合金熔液更新也快，水口与水口之间流速慢，铝合金熔液更新也慢，致使液态铝合金沿板坯宽度方向温度分布不均，金属液更新快的位置温度高，反之温度低。致使在相邻的两个水口之间的位置，Kiss点距离带坯出口位置的距离比距水口的距离要小。同时，液态铝合金自布流器端口流出，至侧封板附近时，被侧封板引流，直接流向侧封板下部，因而侧封板附近Kiss点的位置也相对较低。若希望减少此现象的危害，控制板坯的宏观裂纹，提高板坯质量，则需要重新对布流器进行设计，尽量保证熔池区流场沿板坯宽度方向分布均匀。

由图12b可知，布流器下方为温度均匀稳定的液相区。这是由于液态铝合金自布流器水口流出后，经结晶辊辊面的引流作用，流至布流器下方，形成漩涡。之后随着结晶辊的转动，带动金属液向下流动，但是熔池区的横向宽度越来越小，导致部分金属液回流到布流器下方，进一步形成漩涡，形成类似“搅拌”的效果，如图13中金属液流线所示。此漩涡对促进铸轧熔池区组织成分均匀化和抑制偏析有重要作用。漩涡下部存在对Kiss点位置的冲击，可以起到类似“轻压下”(soft press)的效果，破坏凝固终端形成的“搭桥”及封闭的液相穴，从而抑制中心偏析及中心缩松，提高板坯质量。

图13 铸轧二维熔池场流线图Fig.13 2D flow chart of molten pool

4 结论

(1)利用铸轧熔池区凝固实验，通过对比非振动与振动状态下的熔池区凝固组织，发现高频振动会对熔池芯部产生扰动效果，打破晶粒沿〈0 0 1〉方向延伸生长的趋势，阻碍粗大柱状晶的生成，形成更多的等轴晶组织，验证了振动对提升铸轧板坯质量有良好的效果。

(2)利用铸轧实验，对比振动与非振动条件下的铸轧板坯，发现振动条件下板坯表面存在明显振痕，说明在铸轧过程中轧辊振动会产生搓轧效果，从而促进动态再结晶过程，细化晶粒，改善板坯质量，并且有助于减小轧制力，减少轧辊磨损。

(3)振频和振幅的增大均能强化铸轧熔池区“搅拌”的效果，从而促进铸轧熔池内溶质成分的均匀分布，同时加快熔池内金属液与结晶辊辊面的换热，致使凝固终了曲线上移，有利于提高铸轧的生产效率。

(4)振动铸轧熔池区温度场研究结果表明，Kiss点位置会随振频和振幅的增大而上移。

(5)通过CFD模型对熔池区温度场进行了分析，发现了铸轧过程中Kiss点高度沿板坯宽度方向分布不均这一现象，并探讨了铸轧熔池区内金属液漩涡的成因及对铸轧过程的影响。

[1] 刘振宇，王国栋. 钢的薄带铸轧技术的最新进展及产业化方向[J]. 鞍钢技术, 2008(5):1-8.

LIU Zhenyu, WANG Guodong. The Latest Development of Thin Strip Casting and Rolling Technolo-

gy and Industrialization Direction [J]. Angang Technology, 2008(5):1-8.

[2] 李英龙，李宝绵. 功率超声对Al-Si合金组织和性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 1999, 9(4): 719-722.

LI Yinglong, LI Baomian. Effect of High-intensity Ultrasounic on Structures and Properties of Al-Si Alloys [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(4): 719-722.

[3] 侯文生. 振动对Al-Si合金凝固结晶的影响[J]. 铸造设备研究, 2001, 1(1):16-18.

HOU Wensheng. Effects of Vibrating during Solidificafion on Al-Si Alloy [J]. Research Studies on Foudry Equipment, 2001, 1(1):16-18.

[4] WANG Fengquan, HAN Xiaoling. The Influence of Vibration and Shock on the Crystal Growth during Solidification[J]. Journal of Materials Science, 2000, 35(8): 1907-1910.

[5] MIZUTANI Y, MIWA K, TAMURA T, et al. Grain Refinement of Tough Pitch Copper by Electromagnetic Vibrations during Solidification[J]. Materials transactions, 2006, 47(7): 1793-1797.

[6] 张德恩，卢锦德，张晓燕. 机械振动对新型铸造铝合金凝固组织和性能的影响[J]. 贵州大学学报(自然科学版), 2009, 26(1): 80-81.

ZHANG De’en, LU Jinde, ZHANG Xiaoyan. Effect of Mechanical Vibration on Microstructure and Property of a New Casting Aluminum Alloy with High Strength [J]. Journal of Guizhou University(Natural Science), 2009, 26(1): 80-81.

[7] 杜凤山，吕征，黄华贵，等.双辊薄带铸轧中心线偏析机理与实验研究[J]. 中国有色金属学报, 2015(10):2738-2744.

DU Fengshan, LYU Zheng, HUANG Huagui，et al. Mechanism and Experimental Research on Centerline Segregation of Twin-roll Strip Casting [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015(10):2738-2744.

[8] 孟哲儒. 振动对双辊薄带铸轧流场温度场影响的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2014.

MENG Zheru. Effect of Oscillation on Flow Field and Temperature Field during the Twin-roll Strip Casting Process [D]. Qinhuangdao：Yanshan University, 2014.