CN113664169A - 一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于改善双辊铸轧熔池温度场分布，进而均匀铸带表面温度的一种负载静态变开度辊缝。通过科学设计的辊缝开度的变化，向熔池沿结晶辊轴向方向提供不同强度的冷回流，以此抵消布流系统导致的温度分布不均匀性，减轻布流系统结构对熔池温度场的不利影响。本发明可进一步改善熔池温度场分布、提高铸带表面温度分布均匀性、降低布流系统设计难度、减轻生产成本、提高工艺鲁棒性、改善铸件质量和降低通过后处理提高铸件质量难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制熔池回流区回流强度的负载静态变开度辊缝技术，以克服布流系统在布流过程中导致的熔池温度分布差异所造成的铸带表面温度分布不均，进而达到改善双辊铸轧熔池温度场分布和铸带表面温度分布的效果。本发明具体为一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝。可用于基于双辊铸轧技术稳定制备钢铁薄带，实现基于双辊铸轧技术制备钢铁薄带的普及化，更可用于实现当前的有色金属薄带高速稳定铸轧，更可用于实现当前复层金属薄板带的稳定双辊铸轧。本发明可改善熔池温度场分布、提高铸带表面温度分布均匀性、降低布流系统设计难度、降低生产成本、提高工艺鲁棒性、改善铸件质量和降低通过后处理提高铸件质量难度。
背景技术
双辊铸轧技术由英国冶金学家Bessemer先生提出，布流系统结构对熔池内温度场分布有重要影响是领域里的常识。然而，发明人发现，负载静态辊缝开度同样会对熔池内的温度场构成重要影响，且该影响不亚于布流系统几何结构产生的影响。因此，在通过改进布流系统几何结构优化熔池内温度场分布已达极限的情况下，若想进一步改善熔池内的温度场分布和铸带表面温度分布，对附图1和附图2所示的传统辊缝开度进行改进是重要的可行方案。
在发明人所递交申请号为2021105481175的未公开文件中，发明人对双辊铸轧的相关技术背景有详细的阐述。需要说明的是，发明人所递交申请号为2021105481175的未公开文件在递交的同时已经申请提前公开。
双辊铸轧作为平台技术，提高熔池温度场沿结晶辊轴向分布的均匀性，会促使双辊铸轧所得铸带质量的进一步提高。同时，铸带质量的进一步提升，对于目前的有色金属高速铸轧和复层金属薄板带的制备，亦具有重要的意义。
发明内容
需要首先特别强调的是，至少从已经公开的科技文献中可以得知，在双辊铸轧领域，存在固定辊缝和浮动辊缝两种技术，而在发明人递交的申请号为2021105481175的文件中，发明人提到过差速现象与断带事故存在关联。根据断带机理，以及目前相关企业对于断带机理的认识并不清楚，也不存在相关控制断带事故发生的方法的报道，发明人认为：当前的钢铁薄带技术，只能采用浮动辊缝技术。诚然，采用浮动辊缝技术，结晶辊在遭遇侧封板处楔形块脱落后的回弹可能会打断铸带，但是，若采用固定辊缝技术，结晶辊在遭遇侧封板处楔形块脱落后无法及时张开以便于楔形块移出熔池，则结晶辊必然被侧封板上脱落的楔形块卡停，从而导致结晶辊停转，就像发明人等在实验室利用基于固定辊缝技术的实验铸机所进行的铜合金铸轧实验一样。若结晶辊停转，则熔池内的金属将会迅速凝固，凝固的金属会破坏布流系统、侧封装置等，凝固的金属还可能粘附在结晶辊上。这意味着侧封板上楔形凝块的脱落在使用固定辊缝技术方案时会造成非常巨大的损失。可以说，浮动辊缝是必须采用的避免更大损失的折衷方案。浮动辊缝是钢铁薄带高速铸轧在尚未有效解决断带事故的唯一方案。
考虑到浮动辊缝是当前工业实践所采用的唯一解决方案，而浮动辊缝本身意味着辊缝开度的变化，因此，发明人为清晰地阐述本发明，需要将本发明所指的辊缝开度变化与浮动辊缝技术导致的辊缝开度变化做出说明，以明确本发明的意义。于是，在本申请书中，发明人特别约定：将结晶辊运动产生的辊缝开度沿结晶辊半径方向的变化称为辊缝开度的动态变化；将辊缝开度根据水口结构和\或铸带表面温度的波动而科学设计的辊缝开度沿结晶辊轴向的变化，称为辊缝开度的静态变化。简言之，辊缝开度的动态变化是沿结晶辊半径方向的径向变化，是由于结晶辊运动引起的，对于任意辊缝设计，在使用浮动辊缝方案时，均存在辊缝开度的动态变化；而辊缝开度的静态变化是任意时刻的沿结晶辊轴向的开度变化。辊缝开度的动态变化与时间有关，而辊缝开度的静态变化是与时间无关的量。若结晶辊为刚性固定辊，则不存在辊缝开度的动态变化，或辊缝开度的动态变化值为零。辊缝开度动态变化是浮动辊缝技术下的必然结果。
根据发明人的如上约定，附图1所示的辊缝开度在结晶辊振动时，存在辊缝开度的动态变化和静态变化，但是，图1所示的辊缝开度变化是近乎等径的结晶辊在负载下的弯曲，并不是基于水口结构和铸带温度分布做出的科学设计，因此，附图1所示的辊缝开度尽管存在负载静态变化，但与本发明的权力要求无关。图1所示的方案不包含智力成分。图1所示的方案不在本发明专利的权利要求范围之内。在浮动辊缝技术方案下，附图2不存在辊缝开度的静态变化（或静态变化值为零），附图2只有辊缝开度的动态变化。在浮动辊缝技术方案下，附图4、附图5、附图6既存在辊缝开度的静态变化（静态变化值不为零），也存在辊缝开度的动态变化（动态变化值不为零）。
发明人等在申请号为CN202110122637.8的专利文件中首次提出可直接研究熔池内实际传输行为的示踪技术。根据申请号为CN202110122637.8的专利文件所描述的熔池示踪结果，熔池内低温回流区的存在可得到来自实验室实验的确凿证实。
熔池回流区的相关研究成果在发明人等公布的科技文章中有过一定的报道，这些科技文章是：1）Mianguang XU, Zhongyang LI, Zhaohui WANG and Miaoyong ZHU*.Computational and Experimental Study of the Transient Transport Phenomena ina Full-Scale Twin-Roll Continuous Casting Machine. Metallurgical andMaterials Transactions B. 2017, vol. 48B, pp. 471-487. 2）Mianguang XU andMiaoyong ZHU*. Numerical Simulation of the Fluid Flow, Heat Transfer, andSolidification during the Twin-Roll Continuous Casting of Steel and Aluminum.Metallurgical and Materials Transactions B. 2016, vol. 47B, pp. 740-748. 3）Mianguang XU, Miaoyong ZHU* and Guodong WANG. Numerical Simulation of theFluid Flow, Heat Transfer, and Solidification in a Twin-Roll Strip ContinuousCasting Machine. Metallurgical and Materials Transactions B. 2015, vol. 46B,pp. 1510-1519。
发明人根据申请号为CN202110122637.8的专利文件所描述的熔池示踪方法和上述三篇发表于MMTB的科技文章，做出新的发现：熔池内的温度场的分布在本质上布流区高温熔体和回流区低温熔体在边界层快速传递下的动态平衡结果，水口结构和回流强度是熔池内温度场分布的关键决定性因素。
熔池回流区的存在是由熔池独特的几何形状和对向旋转的结晶辊共同决定，本质上是质量守恒定律的表现。但是，回流区的强度是由辊缝负载静态开度显著影响，因此，改变负载静态辊缝开度会对熔池内温度场的分布构成重要影响。
由于布流系统和负载静态辊缝开度均可以对熔池内温度场分布产生显著的影响。发明人发现，通过恰当的负载静态辊缝开度变化，不仅可以优化熔池内温度场分布和铸带表面温度分布，更可以用来极大简化布流系统设计，降低布流系统的设计制造成本。
目前，大量的结构复杂的布流系统被应用到工业实践中，以获得至关重要的尽可能均匀的熔池和铸带表面温度场分布。可是，复杂的布流系统结构存在的弊端是多方面的，一方面增加了成本，另外一方面复杂的结构容易损坏，这大大降低了工艺鲁棒性。更重要的是，当前的水口结构优化进程就像芯片制程的进步一样，已经逼近物理极限，而在此情况下，熔池内的温度和铸带温度分布依然没有达到理想的均匀程度，铸带表面温度分布波动过大。在关于某企业的新闻报道中，可看到铸带表面存在明暗相间的条纹，这种明暗相间的条纹，表明铸带表面温度分布是不均匀的，也就同样证明熔池内温度的分布是存在较大差异的。
综上，布流系统结构会导致铸带表面温度分布不均匀，而优化局部负载静态辊缝开度会改善由布流系统结构所引起的温度不均问题。
当前，传统辊缝开度存在附图1和附图2所示的两种形式，附图2是附图1的改进形式，在目前的工业实践中有过报道。这两种负载静态辊缝不存在变化的形式显然均无法有效实现沿结晶辊轴向的差异化回流强度，也就无法为改善熔池温度分布和铸带温度分布提供力量。
与发明人所递交的申请号为2021105481175的文件类似，在本专利申请文件中，同样需要指明的是，本申请文件所涉及的双辊铸轧稳定生产，不仅仅是指利用双辊铸轧技术生产钢铁薄带，还涉及到当前无法很好实现的有色金属薄带高速铸轧、复层金属薄板带的制备。本申请书中所指的高速铸轧，其速度下限与结晶辊辊身长度等工艺参量和金属材料物性有关，目前尚无法确定高速铸轧的速度下限。同时，这里所指的双辊铸轧机，不仅仅是指等径式铸轧机，更可以是异径式双辊铸轧机，铸轧机的两个结晶辊可以水平摆放，更可以倾斜摆放或垂直摆放，铸带的引出方式，可以沿着重力方向引出，更可以与重力方向成小于180度的角度引出，甚至可以沿与重力方向完全相反的方向引出。
一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝，其特征在于，所述辊缝的负载静态开度沿结晶辊轴向发生变化，所述负载静态辊缝开度沿结晶辊轴向存在至少三个极值点。所述辊缝由第一辊体和第二辊体构成，所述第一辊体和第二辊体均为结晶辊，所述负载是指铸轧过程达到准稳态时结晶辊所受载荷，所述静态是指辊缝开度沿结晶辊轴向的变化幅度与时间无关，所述变化幅度是指两处辊缝开度的差值。所述开度的定义为，在任一辊体的轴线上任取一点，在另外一个辊体轴线上取任一点，连接这两个点形成一条线段，当这条线段在所能形成的所有线段中长度最短时，这条长度最短的线段与辊体表面存在两个交点，这两个交点间的直线距离即为辊缝开度。根据所述开度的定义，对于所述静态负载辊缝存在多个开度值。所述准稳态，是与开浇、浇铸参量变化（参量包括但不限于：拉速、熔融金属成分、过热度）、意外事故、浇铸结束诸阶段不同的稳定生产铸带的阶段。在所述准稳态，铸带的质量可以稳定的达到企业所追求的质量。所述准稳态也是稳定的产生效益的阶段。双辊铸轧技术采用两个对向旋转的结晶辊，本申请文件将其中一个结晶辊称之为第一辊体，则另外一个结晶辊称为第二辊体。附图1所示的开度变化不属于本权利要求1的保护范围，图1所示的负载静态辊缝开度仅存在一个或两个极大值。在本申请书中，发明人特别约定：将结晶辊运动产生的辊缝开度沿结晶辊半径方向的变化称为辊缝开度的动态变化；将辊缝开度根据水口结构和\或铸带表面温度的波动而科学设计的辊缝开度沿结晶辊轴向的变化，称为辊缝开度的静态变化。辊缝开度的动态变化是沿结晶辊半径方向的径向变化，是由于结晶辊运动引起的，对于任意辊缝设计，在使用浮动辊缝方案时，均存在辊缝开度的动态变化；而辊缝开度的静态变化是任意时刻的沿结晶辊轴向的开度变化。辊缝开度的动态变化与时间有关，而辊缝开度的静态变化是与时间无关的量。若结晶辊为理想的刚性固定辊，则不存在辊缝开度的动态变化。辊缝开度动态变化是浮动辊缝技术下的必然结果。
根据权利要求1所述一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝，其特征在于，沿结晶辊轴向的所述负载静态辊缝开度的变化范围是10微米到900微米，所述变化范围是指辊缝开度极大值与极小值之差的绝对值（图4、图5、图6中M与N之差的绝对值，M与N为负载静态辊缝在极值点处的开度，图4、图5中M为极小值，图4、图5中N为极大值，图6中M为极大值，图6中N为极小值）。所述负载静态辊缝开度与熔池温度和铸带表面温度的关系为：降低所述负载静态辊缝开度，则获得更强的冷回流，会降低相应的熔池底部局部温度，进而降低铸带表面温度；反之，增加负载静态辊缝开度，则获得较弱的冷回流，会升高相应的熔池底部局部温度，进而升高铸带表面温度。所述熔池底部，是指所述熔池的出口附近的区域。
本发明相对于现有技术，有益效果极为明显，实际意义重大。国际上普遍认为的水口结构优化已经走到了不可能再继续提高的尽头，依靠进一步优化水口结构来提供温度场的均匀分布已经走到极限。在此种情况下，水口结构引发的熔池内温度场分布不均和铸带表面温度分布不均看似已经成了看似不可解决的难题。然而，发明人提供的通过调节辊缝开度来改变熔池内温度场分布和均匀铸带表面温度分布，对于铸带质量的进一步提高、降低水口制造成本，显然具有重要意义。
附图说明
图1为当前某传统辊缝方案。
图2为当前某传统改进型辊缝方案。
图3为本发明实施例1和实施例2所用布流系统。
图4为本发明实施例1双辊铸轧系统的负载静态辊缝开度与布流系统几何结构的对应关系。
图5为本发明实施例2双辊铸轧系统的负载静态辊缝开度与布流系统几何结构的对应关系。
图6为本发明实施例3双辊铸轧系统的负载静态辊缝开度与所铸薄带表面温度的对应关系。
1、第一辊体；2、第二辊体；3、第一辊体轴线；4、第二辊体轴线；5、负载静态辊缝；6、布流系统前视图；7、布流系统侧视图；8、布流系统俯视图；9、布流系统与结晶辊位置关系（该布流系统仅用来示意布流系统与结晶辊位置关系）；10、布流系统端口（熔融金属出口）；11、布流系统肋板（起分流与支撑作用）；12、与布流系统端口对应的窄负载静态辊缝；13、与布流系统肋板对应的宽负载静态辊缝；14、铸带；15、温度轴；16、长度轴；17、温度曲线；18、局部低温点（极小值点）；19、局部高温点（极大值点）；20、铸带移动方向；21、铸带宽度方向。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
加工和使用过程中各类因素产生的误差在图4、图5、图6中均予以忽略。为更清晰地阐明发明人的关键思想，图1、图2、图4、图5、图6均进行了不等比例处理，所谓的不等比例，通俗地讲，就像哈哈镜的效果一样，哈哈镜就是不等比例的最好例子，哈哈镜将部分区域缩小，而部分区域放大，以达到“哈哈”之目的。
实施例1
本发明实施例1公开的一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝，布流系统的三视图如图3所示。图3所示的布流系统为典型的多端口布流系统，各个端口之间用肋板分开。图3所示的布流系统在发明人的博士学位论文《双辊薄带连铸过程传输行为模拟研究》中可以查阅到。除了在发明人的博士学位论文之外，图3所示的布流系统在发明人所发表在MMTB（领域内知名期刊的简称）从2015年至2017年的第一作者的期刊论文中，亦有相应记载。
本发明实施例1中，图4所描绘的辊缝5的开度是在负载情况下的准稳态铸轧过程中，某一任意时刻的辊缝开度。可以看出，辊缝开度沿结晶辊轴向发生变化。辊缝5的开度变化趋势与布流系统俯视图8的对应关系如图4所示。根据图3所示布流系统的几何结构设计辊缝5的开度变化趋势。布流系统俯视图8端口中心部位10对应窄辊缝开度M，布流系统俯视图8肋板中心部位11对应宽辊缝开度N。
以图4为例，本发明实施例1的辊缝5的开度变化设定方法是：布流系统端口中心部位和肋板中心部位在结晶辊表面映射出若干个点：在端口中心部位所对应的点处，直径取较大值；在肋板中心部位所对应的点处，直径取较小值。采用包括样条曲线、圆弧、三角函数在内的任意曲线将这些值依次进行平滑和\或不平滑连接即可。
以图4为例，本发明实施例1中，沿结晶辊轴向的所述负载静态辊缝开度的变化范围是10微米到900微米。这表明：M与N的差值的绝对值可以从10微米至900微米的区间进行选择。
以图4为例，本发明实施例1的静态负载辊缝开度存在11个极值点，其中，有5个极大值点，有6个极小值点。极大值是数学的专用术语。极大值的定义在高等数学中有严谨的介绍。极大值与最大值不能等同视之。
本发明实施例1中，第一辊体1和第二辊体2的直径相等，第一辊体1和第二辊体2直径均为500毫米。被铸轧金属可以是纯铁、纯铜、纯铝、硅钢、铜合金、铝合金等材料。
本发明实施例1中，辊缝5的负载静态开度值的精度取决于当前技术水平。考虑到实际加工技术水平和复杂的使用情况，以及在使用中的磨损，实际辊缝开度和理论辊缝开度会存在一定的误差。
本发明实施例1中，第一辊体1和第二辊体2的直径变化趋势相似，以此形成辊缝5开度的变化趋势。
本发明实施例1中，第一辊体1、第二辊体2的摆放可以是水平式，即第一辊体1、第二辊体2的轴线近似在一个水平面上；也可以是倾斜式，即第一辊体1、第二辊体2的轴线近似所在的平面与水平面成一个锐角；还可以是垂直式，即第一辊体1、第二辊体2的轴线近似所在的平面与水平面垂直。之所以说“第一辊体1、第二辊体2的轴线近似所在的平面”，是考虑到第一辊体1和第二辊体2的轴线在实际中，不是完美的直线，存在加工误差和/或根据实际情况人为设置的变化。
本发明实施例1中，在图4中，第一辊体的轴线3和第二辊体的轴线4均为弯曲，这进一步解释了“负载”的意义。所述负载是在铸轧达到准稳态时的负载，所述准稳态是指熔池内达到一个动态的平衡。关于双辊铸轧的准稳态与传统连铸的准稳态的定义是相同的，关于传统连铸的准稳态是连铸领域里的常识，不需要解释。双辊铸轧属于连铸领域。
在铸轧过程中，第一辊体1和第二辊体2以大小相同或不同的角速度对向旋转。
实施例2
本发明实施例2公开的一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝，如图5所示。布流系统的三视图如图3所示，辊缝5的开度变化趋势与布流系统俯视图8的对应关系如图5所示，根据图3所示布流系统的几何结构设计辊缝5的开度变化趋势。布流系统俯视图3端口中心部位10对应窄辊缝开度M，布流系统俯视图3肋板中心部位11对应宽辊缝开度N。
本发明实施例2中，图5所示第一辊体1和第二辊体2的直径变化趋势不同，以此形成辊缝5负载静态开度的变化趋势。
以图5为例，本发明实施例2的静态负载辊缝开度存在11个极值点，其中，有5个极大值点，有6个极小值点。
本发明实施例2与实施例1相比，第一辊体1不做特殊处理，仅对第二辊体2的直径进行处理，已达到负载静态变开度之目的。
在铸轧过程中，第一辊体1和第二辊体2以大小相同或不同的角速度对向旋转。
实施例3
本发明实施例3公开的一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝，如图6所示。
本发明实施例3中，负载静态辊缝开度的变化趋势根据铸带表面温度分布来进行科学设计，如图6所示。通过仪器对出熔池的铸带表面温度进行多次采样，绘制出稳定铸轧状况下的铸带表面温度分布图。根据铸带表面温度分布，设计负载静态辊缝开度与温度变化具有相反的变化趋势。所述变化趋势为：温度上升，负载静态辊缝开度降低；温度下降，负载静态辊缝开度增加。
在图6中，与铸带表面局部温度较高对应位置采用窄负载静态辊缝，与铸带表面局部温度较低的位置改用宽负载静态辊缝。
在图6中，沿结晶辊轴向的所述负载静态辊缝开度的变化范围是10微米到900微米。这表明：M与N的差值的绝对值介于10微米至900微米。
本实施例3在实际使用过程中，可以采用在线打磨的方式，即利用磨削装置，对铸带温度较低部位所对应的结晶辊表面进行打磨即可均匀铸带表面的温度分布。
与实施例2类似，本实施例3也可以仅通过改变某一辊体来获得辊缝开度沿结晶辊轴向的变化。
以图6为例，本发明实施例3的静态负载辊缝开度存在8个极值点，其中，有4个极大值点，有4个极小值点。
在铸轧过程中，第一辊体1和第二辊体2以大小相同或不同的角速度对向旋转。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝，其特征在于，所述辊缝的负载静态开度沿结晶辊轴向发生变化，所述负载静态辊缝开度沿结晶辊轴向存在至少三个极值点。
2.根据权利要求1所述一种用于双辊铸轧的负载静态变开度辊缝，其特征在于，沿结晶辊轴向的所述负载静态辊缝开度的变化范围是10微米到900微米，所述变化范围是指负载静态辊缝开度极大值与极小值差的绝对值。
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