CN101767190A - 双辊连铸薄带凝固的物理模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连铸薄带凝固物理模拟方法及其实现装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟及控制领域。本方法采用辊板模型实现连铸薄带凝固过程的物理模拟，辊板模型保留了薄带连铸激冷和挤压两个特征，结晶器由铜辊和铜板组成，铜辊和铜板的间隙可调，二者线速度相同并可调速；铜板背面安装热电偶，辊板的缝隙处安装应力应变传感器，用来采集薄带凝固过程的温度、应力应变数据；真空或气氛保护环境熔炼金属料，有效降低夹杂；浇注过程可以施加物理场。该装置由熔炼及浇注系统、铸轧(辊板)系统、数据采集系统、动力及控制系统、真空及充气系统和施加物理场系统组成。加热温度区间：室温～1700℃，辊板的间隙在0～10mm间可调(调节步长0.5mm)，拉伸速率在0～1m/s范围内连续可调，坩埚容量为500～1000g(硅钢，密度为7.6g/cm³)，真空室极限真空度为1.3×10^-3Pa，压升率为0.7Pa/h。

Description

双辊连铸薄带凝固的物理模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及一种连铸薄带凝固物理模拟方法及其实现装置，属金属凝固组织生长过程物理模拟及控制领域。

背景技术

双辊薄带连铸被认为是生产厚1～10mm薄带最有前途的一种近终形连铸技术，其主要优点在于：使用它可以省去热轧工艺过程，并可以节省大量成本。由于这种工艺能从熔融金属直接铸出小于10mm厚的薄带，从而省去了昂贵和复杂的热轧设备，和常规的生产工艺相比，既可以减少设备投资，又可以降低生产成本30％以上。此外，由于快速凝固和直接成型的特点，采用双辊薄带连铸技术还有可能改善材料性能，并可望解决某些材料塑性差和难加工的问题，在这方面，双辊薄带连铸将起到重要的作用。它与传统的连续铸钢相比，将铸造和热轧合为一个操作，既显著缩短了生产步骤，又节约了大量的能源。由于它在经济和冶金上的突出特点，因而在世界范围内开展了许多工作来发展该工艺。

双辊式薄带连铸技术已经在连铸不锈钢、碳钢上有应用，取得了一些研究成果。双辊薄带连铸过程具有亚快速凝固的特点(冷却速速率为10²-10³K/s)，可以用来生产塑性差、难加工的材料，还能改善材料性能。这一技术在连铸硅钢薄带上得到了越来越重要的应用。

薄带连铸技术的基本原理是将金属液浇入两个逆向旋转的金属辊子，辊子与两侧的侧封之间形成熔池区，经过轻微轧制和复杂的热传导过程而形成薄带。金属液接触水冷辊套部分经传导散热，首先成为半凝固层，然后在双辊的逆向转动下进入吻合点，并最终成为薄带。所以，薄带连铸中金属凝固过程的最主要特征有两点：一是激冷条件下的亚快速凝固，二是铜辊的轧制作用。

现在对于薄带连铸凝固的研究，一是直接分析工业生产的产品，二是采用实验铸机改变实验条件研究，一般的薄带连铸模拟试验机都采取双辊或单辊的形式，这两种方法都存在实验成本高，实验周期长，实验数据采集困难等问题。尤其是这些装置存在一个严重的问题，就是都不能实时采集薄带凝固过程中的温度、应力和收缩等重要数据，不能为薄带凝固研究提供最有力的证据。

因此现在对薄带连铸过程的研究急需在研究方法上找到一个突破口，亦即如何能够规避上述两种方法的种种缺点，实现连铸过程的实验室准确模拟。其关键技术在于：(1)找到一个准确模拟薄带凝固过程的方法，这种方法能够模拟连铸过程中传热传质过程，能够模拟连铸过程中金属晶体的生长过程。(2)能够制造实现上述模拟方法的装置。如果能够在这两个关键点上获得突破，将极大地提高薄带连铸研究水平。

发明内容

本发明的提供了一种双辊连铸薄带凝固的物理模拟方法，并开发出一套实现上述模拟方法的装置。

本发明提出了一种能模拟薄带连铸过程中凝固组织生长过程及研究其凝固基本规律的方法。本发明在发现薄带连铸生产中组织转变过程有一定相似性的基础上，改变传统薄带连铸单辊或双辊的形式，从而更好的实现了对薄带连铸过程凝固组织生长过程的物理模拟。

本发明的双辊连铸薄带凝固的物理模拟方法采用辊板模型实现连铸薄带凝固过程的物理模拟，辊板模型保留了薄带连铸激冷和挤压两个特征；铜辊和铜板靠齿轮齿条啮合传动，铜板背面布置快速反应热电偶，采集薄带凝固时的温度数据；在辊板的缝隙处安装应力应变传感器，采集薄带凝固收缩产生的应力和应变；辊板系统置于真空室内，并可充气氛保护，保证金属(如硅钢)需要的特定气氛；将金属料置于感应坩埚内熔炼并保温，达到所需温度后浇注，同时铜辊开始旋转，铜板被带动向下平移，金属液在二者缝隙内形成熔池，然后进入辊板缝隙，凝固并轧制成型；数据采集系统同时采集温度和应力应变数据；该方法特征在于：

1)结晶器由铜辊和铜板组成，铜辊和铜板的间隙可调，二者线速度相同并可调速，传热条件与双辊薄带连铸机接近；

2)铜板背面安装热电偶，辊板的缝隙处安装应力应变传感器，用来采集薄带凝固过程的温度、应力应变数据；

3)真空或气氛保护环境熔炼金属料，有效降低夹杂；

4)浇注过程可以施加物理场。

要用薄带凝固对连铸过程进行较为准确的模拟，首先要能够实现薄带连铸的传热条件的模拟，冷却强度要与实际的双辊薄带连铸接近；其次要能够实现薄带的顺利成型和数据的实时采集。影响薄带质量的因素很多，要起到物理模拟的效果，对模拟试验的工艺要求也很苛刻，薄带连铸的拉坯速度要可控，通过调试达到最佳工艺；最后，某些特殊金属如硅钢等的熔炼需要特定的气氛条件，而且薄带在凝固过程中也易氧化，所以也需要特定的保护气氛。

本方法改变了传统的双辊或单辊模型，采用辊板模型实现连铸薄带凝固过程的物理模拟。辊板模型保留了薄带连铸激冷和挤压两个特征，其提供的薄带凝固过程及凝固组织与双辊薄带凝固过程及凝固组织相似。铜辊和铜板靠齿轮齿条啮合传动，可保证二者的线速度相同。铜板上穿孔布置快速反应热电偶，采集薄带凝固时的温度数据；背面附钢板支撑，避免轧制时铜板变形；在辊板的缝隙处安装应力应变传感器，采集薄带凝固收缩产生的应力和应变。辊板系统置于真空室内，并可充气氛保护，保证金属(如硅钢)需要的特定气氛。

本发明开发了一套能够实现对连铸薄带凝固过程模拟的装置。针对于上述模拟方法的要求，设计了可控制加热温度和拉坯速率的薄带连铸装置。本装置在几何相似的基础上，减小装置的规模，能节约实验成本和试验周期，并能巧妙的模拟薄带连铸的凝固过程研究其凝固基本规律。本装置的辊板系统即结晶器可将数据采集的传感器布在铜板的背面，整个数据采集过程与薄带凝固的过程相同步。该物理模拟装置主要由熔炼及浇注系统、铸轧(辊板)系统、数据采集系统、动力及控制系统、真空及充气系统和施加物理场系统组成。本发明装置特征如下：

熔炼及浇注系统：由感应坩埚、熔炼电源、同轴电缆、激光测温仪、反馈电路、控温仪表和浇注机构组成。完成金属的熔炼和浇注过程。

铸轧(辊板)系统：辊板靠齿轮齿条啮合；铜辊位置固定，并可与齿轮同步旋转；两齿条间安装铜板，后衬钢板，并且铜板与铜辊的间隙连续可调。实验时将金属液浇注于辊板之间，通过齿轮齿条啮合实现辊板的相对运动，实现模拟连铸薄带凝固过程的目的。

数据采集系统：由快速热测控软件系统、压力传感器、应力应变传感器、热电偶和工控机构成。数据采集的传感器布在铜板的背面，整个数据采集过程与薄带凝固的过程相同步。

动力及控制系统，由调速电机、传动机构、PLC控制程序及工控机等组成，实现浇注、铸轧动作及其关联动作。拉坯速度通过控制自转的铜辊带动铜板的同步运动速率来控制。结晶器的间隙即所铸带坯厚度可通过调节辊板间隙来实现。通过程序控制的动作将浇注和铸轧协调起来。

真空及充气系统，对于易氧化的金属在熔炼和凝固过程中都需要一定的气氛保护，本装置的熔炼系统与结晶器置于同一真空腔体内。

施加物理场系统，由脉冲电源、导线和电极组成；电极置于熔池内，浇注过程中施加脉冲电流。

本装置不仅能实现薄带连铸凝固物理模拟，而且能施加物理场(如脉冲电流)来研究物理场作用下薄带连铸的凝固过程。通过物理场的加入，研究不同的生长条件下的晶体生长过程，开发一种薄带连铸凝固组织控制技术。

本发明装置具有的主要参数为：加热温度区间：室温～1700℃，辊板的间隙在0～10mm间可调(调节步长0.5mm)，拉伸速率在0～1m/s范围内连续可调，坩埚容量为500～1000g(硅钢，密度为7.6g/cm³)，真空室极限真空度为1.3×10^-3Pa，压升率为0.7Pa/h。

附图说明

图1为本发明模拟连铸薄带凝固过程的方法示意图，(a)原理图(b)效果图。

图2为本发明薄带凝固模拟装置示意图。

图3为本发明薄带凝固模拟装置动作示意图(a)熔炼(b)浇注

图1、2、3中各数字代号表示如下：

1.铜辊  2.熔池  3.铜板  4.钢板  5.工控机  6.控制柜  7.控温仪  8.数据传输线  9.数据采集模块  10.真空室  11.气缸  12.同轴电缆  13.传动机构  14.调速电机  15.电缆  16.熔炼电源  17.真空系统  18.齿轮  19.感应坩埚  20.保温层  21.激光测温仪  22.齿条  23.导轨

具体实施方式

现结合附图将本发明的具体实施例进一步说明如后。

本实例采用工业纯铝做试验：设定浇注温度750℃，薄带厚度2mm。首先将纯铝料清洗、吹干，置于熔炼坩埚19内，闭合真空室10，抽真空至2×10^-3Pa，然后充氩气至-0.5大气压左右。实验开始：打开工控机准备采集温度，打开加热电源，开始加热。铝液在750℃保温5min，数据采集系统开始采集数据，然后浇注。坩埚19旋转，金属液浇下，同时铸轧(辊板)系统开始动作。浇注持续约10s，薄带顺利浇下并成型。实验结束，系统复位。采集的数据用于计算薄带凝固过冷度、收缩率及应力应变。

实现本发明目的的双辊连铸薄带凝固的物理模拟装置(图2、图3)主要由熔炼及浇注系统、铸轧(辊板)系统、数据采集系统、动力及控制系统和真空及充气系统组成。图3(a)、(b)分别示意熔炼和浇注时装置的状态。

熔炼及浇注系统：由感应坩埚19、熔炼电源16、同轴电缆12、激光测温仪21、反馈电路、控温仪表和浇注机构组成。完成金属的熔炼和浇注过程。本系统采用感应加热方式熔化金属料，熔炼时坩埚19上方盖保温层20，以减少热耗散、降低能耗。浇注时，保温层20被气缸11提起；坩埚19由同轴电缆支撑并置于真空室内，同轴电缆与熔炼电源连接；激光测温仪21测得坩埚19内金属料的温度，经反馈电路传送给控温仪表，实现控温。

铸轧(辊板)系统：辊板靠齿轮18齿条22啮合连接；铜辊1与齿轮18同轴，其位置固定，通过联轴器与调速电机14的传动机构13联接，实现转动；两根齿条22间安装铜板3，后衬钢板4，并且铜板3与铜辊1的间隙可沿导轨23连续调节。铸轧(辊板)系统安装在真空室10内；实验时将金属液浇注于辊板之间，通过齿轮18齿条22啮合传动实现辊板的运动，实现模拟连铸薄带凝固过程的目的。

数据采集系统：由快速热、应力应变测控软件、压力传感器、应力应变传感器、热电偶、传输线8和工控机5构成。数据采集的传感器布在铜板的背面，整个数据采集过程与薄带凝固的过程相同步。传感器采集的薄带铸轧过程的数据经传输线传送到工控机，由快速热、应力应变测控软件采集并记录。

动力及控制系统，由调速电机14、传动机构13、PLC控制程序及工控机5等组成，实现浇注、铸轧动作及其关联动作。拉坯速度通过控制自转的铜辊1带动铜板3的同步运动速率来控制。结晶器的间隙即所铸带坯厚度可通过调节辊板间隙来实现。通过程序控制的动作将浇注和铸轧协调起来。

真空及充气系统，由真空室10、真空系统17及充气系统组成；对于易氧化的金属在熔炼和凝固过程中都需要一定的气氛保护，本装置的熔炼系统与辊板机构置于同一真空腔体内，精简机构、减小装置规模。

施加物理场系统，由脉冲电源、导线和电极组成；电极置于熔池内，浇注过程中施加脉冲电流。

Claims (3)

1.一种双辊连铸薄带凝固的物理模拟方法，该方法采用辊板模型实现连铸薄带凝固过程的物理模拟，辊板模型保留了薄带连铸激冷和挤压两个特征；铜辊和铜板靠齿轮齿条啮合传动，铜板背面布置快速反应热电偶，采集薄带凝固时的温度数据；在辊板的缝隙处安装应力应变传感器，采集薄带凝固收缩产生的应力和应变；辊板系统置于真空室内，并可充气氛保护，保证金属(如硅钢)需要的特定气氛；将金属料置于感应坩埚内熔炼并保温，达到所需温度后浇注，同时铜辊开始旋转，铜板被带动向下平移，金属液在二者缝隙内形成熔池，然后进入辊板缝隙，凝固并轧制成型；数据采集系统同时采集温度和应力应变数据；该方法特征在于：

1)结晶器由铜辊和铜板组成，铜辊和铜板的间隙可调，二者线速度相同并可调速，传热条件与双辊薄带连铸机接近；

2)铜板背面安装热电偶，辊板的缝隙处安装应力应变传感器，用来采集薄带凝固过程的温度、应力应变数据；

3)真空或气氛保护环境熔炼金属料，有效降低夹杂；

4)浇注过程可以施加物理场。

2.一种用于权利要求1所述的双辊连铸薄带凝固的物理模拟方法的装置，该装置由熔炼及浇注系统、铸轧(辊板)系统、数据采集系统、动力及控制系统、真空及充气系统和施加物理场系统组成，该装置特征在于：

1)熔炼及浇注系统：由感应坩埚(19)、熔炼电源(16)、同轴电缆(12)、激光测温仪(21)、反馈电路、控温仪表和浇注机构组成；本系统采用感应加热方式熔化金属料，熔炼时坩埚(19)上方盖保温层(20)，浇注时保温层(20)被气缸(11)提起；坩埚(19)由同轴电缆支撑并置于真空室内，同轴电缆与熔炼电源连接；激光测温仪(21)测得坩埚(19)内金属料的温度，经反馈电路传送给控温仪表，实现控温；

2)铸轧(辊板)系统：辊板靠齿轮(18)齿条(22)啮合连接；铜辊(1)与齿轮(18)同轴，其位置固定，通过联轴器与传动机构(13)联接，实现转动；两根齿条(22)间安装铜板(3)，铜板(3)后衬钢板(4)，并且铜板(3)与铜辊(1)的间隙可沿导轨(23)连续调节；铸轧(辊板)系统安装在真空室(10)内；

3)数据采集系统：由快速热、应力应变测控软件、压力传感器、应力应变传感器、热电偶、传输线(8)和工控机(5)构成；数据采集的传感器布在铜板的背面，整个数据采集过程与薄带凝固的过程相同步；传感器采集的薄带铸轧过程的数据经传输线传送到工控机，由快速热、应力应变测控软件采集并记录；

4)动力及控制系统，由调速电机(14)、传动机构(13)、PLC控制程序及工控机(5)组成，实现浇注、铸轧及其关联动作；拉坯速度通过控制铜辊(1)转速调节，结晶器的间隙即所铸带坯厚度可通过调节辊板间隙来实现，通过程序控制将浇注和铸轧动作协调起来；

5)真空及充气系统，由真空室(10)、真空系统(17)及充气系统组成；本装置的熔炼系统与辊板机构置于同一真空腔体内；

6)施加物理场系统，由脉冲电源、导线和电极组成；电极置于熔池内，浇注过程中施加脉冲电流。

3.按权利要求2所述的装置，该装置具有的主要参数为：加热温度区间：室温～1700℃，辊板的间隙在0～10mm间可调，调节步长为0.5mm，拉伸速率在0～1m/s范围内连续可调，坩埚容量为500～1000g，真空室极限真空度为1.3×10^-3Pa，压升率为0.7Pa/h。

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