CN204052831U - 一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及材料加工工程领域，具体涉及一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯装置。本实用新型的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述装置结构包括：两组相对设置、相向旋转的铸轧轮组；两根分别缠绕在铸轧轮组外侧的钢带，所述两根钢带之间形成v字形铸轧区域；设置于铸轧区域内的供料装置；位于供料装置下方的阻尼挡块；设置于钢带外侧的水雾冷却装置。本实用新型能进一步加大铸轧时塑性变形量，即能从传统的铸轧塑性变形量为30%左右，提高到60%以上，有效的加大了铸轧工序的塑性变形量，实现了充分利用铸轧时的热能，对镁合金材料进行热加工。

Description

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯装置

技术领域

本实用新型涉及材料加工工程领域，具体涉及一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯装置。 

背景技术

镁合金板带具有质量轻、电磁屏蔽好，具有广阔的应用前景。因此，是一种理想的功能与结构一体化的工程材料，特别是应用在对材料要求质量轻、需要防止电磁干扰和减震的领域，如交通运输、移动通讯、手动工具等方面。 

但是，在常温下，镁合金的塑性变形能力非常有限，在一定程度上影响到它的应用。研究开发有效的镁合金材料加工新技术是促进镁合金材料应用的重要手段。 

半固态金属加工技术是近些年来研究开发的一项新技术，它是在金属凝固过程中，通过剧烈搅拌或凝固过程的控制，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着固相组分近球形的固相颗粒，即半固态金属浆料，具有很好的流动性，易于通过普通加工方法成形、形状比较复杂的产品。同时，获得的产品具有非枝晶组织结构，因此产品的力学性能得到较大的提高。 

铸轧是制备镁合金板带坯的有效方法，现有技术中多采用两辊铸轧方式，但是，传统的两辊铸轧受到轧辊尺寸的限制，压下量受到制约，传统塑性变形量为30%左右，铸轧镁合金板带坯存在效率低、板带质量不理想等问题。 

发明内容

本实用新型针对上述已有技术的不足，提供一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，以提高连续铸轧镁合金板带产品的质量及生产效率。 

本实用新型是通过以下技术方案实现的： 

本实用新型的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述装置结构包括：两组相对设置、相向旋转的铸轧轮组，所述的每一组铸轧轮组结构包括：连续铸轧主动轮，设置在连续铸轧主动轮上方的第一从动轮，设置在第一从动轮侧方的钢带张紧轮，所述钢带张紧轮的下方固定有基座，基座与钢带张紧轮之间通过张紧弹簧联接；以及设置在基座下方的第二从动轮；在所述两组铸轧轮组外侧分别缠绕有一根钢带，所述的两根钢带之间形成V字形铸轧区域；在两根钢带之间形成的V字形铸轧区域内设有供料装置，所述供料装置上部为储料仓，下部为供料嘴；位于供料装置下方设有阻尼挡块；以及设置在钢带内侧的水雾冷却装置，所述水雾冷却装置包括一个或多个水雾冷却喷嘴，所述水雾冷却喷嘴朝向钢带，与钢带成15～20°的夹角。

根据上述的装置，其特征在于所述供料嘴的结构包括：两块相对设置的侧板，在所述两侧板之间横向方向均匀的分布有若干个分流块，所述分流块为锥形。 

根据上述的装置，其特征在于所述供料嘴的结构包括：两块相对设置的盖板，在所述两盖板之间设有熔体入口，在熔体入口的下面设有倒梯形的分流块，在倒梯形分流块两侧均布有三角形分流块，或者在熔体入口的下面设有均布的丁字形分流块。 

根据上述的装置，其特征在于所述阻尼挡块采用高强耐火材料或高温合金制造，所述阻尼挡块的中部开有通孔，阻尼挡块的两侧面开有凹槽。

根据上述的装置，其特征在于所述水雾冷却装置采用高压空气与水雾冷却的方式，所述水雾冷却装置的冷却强度（对流散热系数）在20~2000W/㎡·K范围内调节。 

根据上述的装置，其特征在于所述水雾冷却喷嘴为2～6个。 

根据上述的装置，其特征在于所述装置结构还设有熔体保护罩，所述熔体保护罩罩在供料装置的储料仓上，在熔体保护罩上设有进气管和进料管。 

根据上述的装置，其特征在于所述装置结构还设有液面控制装置，所述液面控制装置安装在进料管的下端。 

根据上述的装置，其特征在于铸轧的镁合金板坯的尺寸：宽度为200mm～800mm，厚度为3mm～6mm。 

本实用新型的有益技术效果：本实用新型提供了一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，具有以下优点： 

（1）    采用钢带铸轧能增加熔体与冷却钢带的接触长度，提高冷却强度，提高铸轧速度；

同时，能迅速冷却邻近钢带内表面的熔体，使之凝固并附着在钢带上长大，当受到邻近阻尼挡块的影响而脱落，熔体在成为冷却质点，并受到不断冷却的影响，继续长大，成为半固态熔体（浆料），实现动态制备半固态浆料的过程；

（2）    在供料装置下方安装了阻尼挡块，能促进钢带内表面上冷却凝固的金属结晶颗粒脱

落，在熔体中形成大量结晶核心，促进熔体均匀、快速结晶，并生成近球形的非枝晶组织；在阻尼挡块的左右外侧表面具有凹槽，增加流经挡块外侧与钢带内侧之间的阻力，促进在钢带表面凝固结晶较大的颗粒脱落，成为熔体中的结晶核心；

（3）    水雾冷却装置具有极高的冷却强度和冷却均匀性，并且具有很强的冷却强度和调节

能力；钢带外表面的冷却强度（对流散热系数）可以在20~2000（W/㎡·K）范围内调节，当采用低速空气冷却时，钢带外表面的对流散热系数为20W/㎡·K；当采用高压空气加水雾冷却时，钢带外表面的对流散热系数可达2000W/㎡·K；水雾冷却装置包括多个喷嘴，喷嘴与钢带成15～20°的夹角，有利于水雾及蒸汽的排出；

（4）    为保证产品质量，节约保护气体的消耗，还可以采用封闭式的浇注系统，镁合金熔

体是通过进料管注入带有保护罩的供料装置中，保护罩下充有适量的保护气体，使金属液面受到保护；

（5）    能进一步加大铸轧时塑性变形量，即能从传统的铸轧塑性变形量为30%左右，提高

到60%以上，有效的加大了铸轧工序的塑性变形量，实现了充分利用铸轧时的热能，对镁合金材料进行热加工。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图； 

图2为喷嘴的排列示意图；

图3为供料嘴的第一种结构示意图；

图4为供料嘴的第二种结构示意图；

图5为供料嘴的第三种结构示意图；

图6为阻尼挡块的结构示意图；

图7为使用本实用新型装置的工艺过程示意图；

图8为半固态连续铸轧结晶区的结构及镁合金熔体凝固过程示意图；

图9为图8的局部放大图；

图10为AZ91D合金轧制板坯进行进一步轧制加工获得试样的外形图；

图11为AZ318合金轧制板坯进行进一步轧制加工获得试样的外形图；

图12为对本实用新型工艺进行简化后建立的几何模型及划分的网格图；

图13为不同入口熔体温度连铸区的温度场分布图；

图14为不同入口熔体温度固相体积分数分布图；

图15为不同铸轧速度连铸区的温度场分布图；

图16为不同铸轧速度熔体固相体积分数分布图。

具体实施方式

结合图1-图6所示，一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述装置结构包括：两组相对设置、相向旋转的铸轧轮组1，所述的每一组铸轧轮组结构包括：连续铸轧主动轮2，设置在连续铸轧主动轮上方的第一从动轮3，设置在第一从动轮侧方的钢带张紧轮4，所述钢带张紧轮的下方固定有基座5，基座与钢带张紧轮之间通过张紧弹簧6联接；以及设置在基座下方的第二从动轮7；在所述两组铸轧轮组外侧分别缠绕有一根钢带8，所述的两根钢带之间形成V字形铸轧区域9；在两根钢带之间形成的V字形铸轧区域内设有供料装置10，所述供料装置上部为储料仓，下部为供料嘴；位于供料装置下方设有阻尼挡块11；以及设置在钢带内侧的水雾冷却装置，所述水雾冷却装置包括一个或多个水雾冷却喷嘴12，所述水雾冷却喷嘴朝向钢带，与钢带成15～20°的夹角。 

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述供料嘴的结构包括：两块相对设置的侧板13，在所述两侧板之间横向方向均匀的分布有若干个分流块14，所述分流块为锥形。当铸轧板坯宽度为200mm时，可选择如图3所示的分流块为锥形的分配供料嘴。 

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述供料嘴的结构包括：两块相对设置的盖板15，在所述两盖板之间设有熔体入口16，在熔体入口的下面设有倒梯形的分流块17，在倒梯形分流块两侧均布有三角形分流块18，或者在熔体入口的下面设有均布的丁字形分流块19。当铸轧板坯宽度为800mm时，可选择如图5所示的分流块为丁字形结构的分配供料嘴。 

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述阻尼挡块采用高强耐火材料或高温合金制造，所述阻尼挡块的中部开有保证熔体顺利通过的通孔20，阻尼挡块的两侧面开有凹槽21。

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述水雾冷却装置采用高压空气与水雾冷却的方式，所述水雾冷却装置的冷却强度（对流散热系数）在20~2000W/㎡·K范围内调节，当采用低速空气冷却时，钢带外表面的对流散热系数为20W/㎡·K；当采用高压空气加水雾冷却时，钢带外表面的对流散热系数可达2000W/㎡·K。 

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述水雾冷却喷嘴为2～6个。 

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述装置结构还设有熔体保护罩22，所述熔体保护罩罩在供料装置的储料仓上，在熔体保护罩上设有进气管23和进料管24，在所述熔体保护罩下充有适量的保护气体，保护气体为以二氧化碳为主的混合气体。 

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，所述装置结构还设有液面控制装置25，所述液面控制装置安装在进料管的下端。 

一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，铸轧的镁合金板坯26的尺寸：宽度为200mm～800mm，厚度为3mm～6mm。 

如图7-图9所示，一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置的工作过程为：镁合金熔体通过进料管注入供料装置中，并在液面控制装置的控制下保持液面的设定高度；同时，保护罩下充有适量的保护气体，金属液面将受到保护。供料装置中的镁合金熔体在两个连续铸轧主动轮转动而向下移动的钢带驱动下，向下流动；大部分熔体是通过阻尼挡块的中间通孔向下流动；少部分熔体是通过阻尼挡块的两边间隙间向下流动，这部分熔体受到冷钢带的迅速冷却，被凝固在钢带内表面，如图9中所指的A区，随着钢带向下移动并不断长大。当凝固的镁合金颗粒长大到一定尺寸，由于受到重力的作用与阻尼档块的影响，从钢带表面脱落下来，回到熔融的熔体中，如图9中所指的B区。由于两侧冷钢带的冷却作用，熔体在向下流动的同时温度也在不断的降低，同时受到从钢带表面脱落下来的大量细小凝固颗粒影响，即已凝固的细小颗粒回到熔体中成为熔体凝固的核心的影响，该区的镁合金（指流入图9中所指的C区）处于半固态状态；继续在两侧冷钢带向下运动的带动下，从上向下固相体积分数在不断的增加，最后全部凝固成具有近球形非枝晶组织结构的固态，即进入图9中所指D区。完全凝固的镁合金在两侧冷钢带的带动下进入两连续铸轧主动轮中间，在两连续铸轧主动轮的压轧下，产生塑性变形，即完成铸轧过程。由于采用了钢带包裹着凝固的镁合金进行轧制（一是，刚凝固的镁合金处于很高的温度，变形抗力小；二是、钢带与凝固镁合金的接触长度较大，产生的牵拉也较大，能将凝固的镁合金带进轧轮），因此能实现较大的塑性变形量，试验表明可以达到60%左右。 

实施例1：应用本专利制备宽度为600mm、厚度为6mm的AD91镁合金板带坯。 

1、 有关参数设定和相关资料 

（1）    有关参数设定

设定：铸轧板坯宽度为600mm；厚度为6mm；铸轧速度为2m/min；铸轧板坯出口温度为300℃；注入熔体温度设定为740℃；

（2）相关资料

AZ91D镁合金的化学成分如表1所示。有关实验材料的物理参数见表2所示。

表1  AZ91D镁合金的化学成分 

表2  有关实验材料的物理参数

（3）主要数据计算

1）铸轧体系单位时间流出的体积及金属量

V=60(cm)×0.4(cm)×200(cm/min)=4800 (cm³/min) ； 

W=V×1.74= 4800(cm³/min)×1.74(g/cm³)=8352g=8.352kg;

2）需要传导出的热量（熔体进口平均温度740℃；板坯出口温度300℃）

Q=W×（（740-300）×0.25+8.8）= 8352×118.8=992217.6cal=992.2176Kcal

3）表面散热面积（考虑系统传热效应，设表面散热面积为最小接触面积的1.2倍）

S=1.2×2×60(cm)×8.2(cm)=1180(cm²)

4）钢带外表面的散热要求（即散热系数，也就是需要达到的冷却强度），对流散热公式  q=Q/S=λ（T_固体-T_汽体）；设钢带外表面的平均温度为600℃，回流气体温度100℃。

λ= q/（T_固体-T_汽体））=（60×992217.6）/（1182×（600-100））=100.7328（h·kcal/m²k） 

（1(h·kcal/m²k）=1.16279（w/m²·K）)

λ=100.7328（h·kcal/m²k）×1.16279=137.1311（w/m²·K）

λ=100.7328＜＜1000  (冷却系统的最大冷却能力)

计算表明，采用的冷却装置能满足正常铸轧的冷却强度。

2、合金的配置及熔炼 

首先根据AZ91D合金的成分（参见表1）进行配、备料，在熔炼炉中将备好的金属镁锭、中间合金或金属添加剂，熔炼炉熔化后的镁合金熔体通过扒渣、搅拌，分析成份合格后，将温度控制在730－755℃导入静置炉，液体在静置炉中进行静置、精炼后，控制静置炉熔体温度720－745℃。

3、浇注 

首先，将铸轧装置启动，调整到设定铸轧速度的1.5-2倍；并启动冷却装置，调整到较低冷却速率。然后，将精炼后的镁合金熔体通过进料管将镁合金熔体注入铸轧生产线的供料装置中，并尽可能的保持供料装置内液面高度稳定在供料装置高度的四分之三。同时，通过进气口注入保护气体，保持保护罩下有适量的保护气体，使熔体液面金属不受到氧化。

4、稳定铸轧带坯的引出及卷取 

建立正常的铸轧过程是需要对工艺参数进行反复的调整，才能稳定到设定的工艺参数，通常称为立板。对于垂直上注式铸轧机，熔体从下往上进入铸轧区内，在立板时，依靠轧轮转动将熔体带出轧轮缝。在开始流入铸轧区内的熔体，由于其本身重力的作用，将会凝固在供料嘴内，无法正常出板。所以，开始启动需要加快铸轧速度将凝固的料带出，再逐步降到设定铸轧速度，实现铸轧过程；同时调整冷却强度，将凝固线调整到设定的位置，实现设定的塑性变形量。

铸轧带坯离开连续铸轧主动轮，经牵引机送进机列，切掉头部，至卷取机，卷成所需直径的大卷。当板带坯达到给定尺寸时，切断卸卷，再重新开始下一个卷。 

5、铸轧区的凝固和变形过程 

（1） 供料装置中的镁合金熔体在两个连续铸轧主动轮的转动下，带动钢带向下移动的驱动力下，向下流动；大部分熔体是通过阻尼挡块的中间通孔向下流动；少部分熔体是通过阻尼挡块的两边间隙间向下流动，这部分熔体受到冷钢带的迅速冷却，被凝固在钢带内表面，如图9中所指的A区，随着钢带向下移动并不断长大；当凝固的镁合金颗粒长大到一定尺寸，由于受到重力的作用与阻尼档块的影响，从钢带表面脱落下来，回到熔融的熔体中，如图9中所指的B区。

（2）由于两侧冷钢带的冷却作用，熔体在向下流动的同时温度也在不断的降低，同时受到从钢带表面脱落下来的大量细小凝固颗粒影响；已凝固的细小颗粒回到熔体中成为熔体凝固的核心，在不断降温的同时迅速长大，该区的镁合金（流入图9中所指C区）处于半固态状态；继续在两侧冷钢带向下运动的带动下，从上向下固相体积分数在不断的增加，最后全部凝固成具有近球形非枝晶组织结构的固态，即进入图9中所指D区。 

（3） 完全凝固的镁合金在两侧冷钢带的带动下进入两连续铸轧主动轮之间，在两连续铸轧主动轮的压轧下，产生塑性变形，即完成铸轧过程。由于采用了钢带包裹着凝固的镁合金进行轧制，因此能实现较大的塑性变形量，试验表明可以达到60%左右。 

6、半固态铸轧AZ91D合金材料试验及铸轧板坯的力学性能 

采用简单的试验方法，进行了半固态铸轧AZ91D合金材料的试验研究，研究结果表明：该发明专利具有很强的实际应用价值。半固态铸轧后的AZ91D合金板坯进行进一步轧制加工获得的试样如图10所示，其力学性能如表3所示。

表3  半固态铸轧后的AZ91D合金板坯的加工性能 

实施例2：应用本专利制备宽度为300mm、厚度3mm的AZ31B镁合金板带坯。

1、有关参数设定和相关资料 

（2）    有关参数设定

设定：铸轧板坯宽度为300mm；厚度为3mm；铸轧速度为2.5m/min；铸轧板坯出口温度为300℃；注入熔体温度设定为740℃；

（2）相关资料

AZ31B镁合金的化学成分如表4所示。有关实验材料的物理参数见表2所示。

表4  AZ31B镁合金的化学成分 

（3）主要数据计算

1）铸轧体系单位时间流出的体积及金属量

V=30(cm)×0.3(cm)×250(cm/min)=2250 (cm³/min) ； 

W=V×1.74= 2250(cm³/min)×1.74(g/cm³)=3915g=3.915kg;

2）需要传导出的热量（熔体进口平均温度740℃；板坯出口温度300℃）

Q=W×（（740-300）×0.25+8.8）=3915×118.8=461970cal=461.97Kcal

3）表面散热面积（考虑系统传热效应，设表面散热面积为最小接触面积的1.2倍）

S=1.2×2×60(cm)×8.2(cm)=1180(cm²)

4）钢带外表面的散热要求（即散热系数，也就是需要达到的冷却强度），对流散热公式  q=Q/S=λ（T_固体-T_汽体）；设钢带外表面的平均温度为600℃，回流气体温度100℃。

λ= q/（T_固体-T_汽体））=（60×461970）/（1182×（600-100））=46.90051（h·kcal/m²k） 

（1(h·kcal/m²k）=1.16279（w/m²·K）)

λ=46.90051（h·kcal/m²k）×1.16279=54.53544（w/m²·K）

λ=46.90051＜＜1000  (冷却系统的最大冷却能力)

计算表明，采用的冷却系统能满足正常铸轧的冷却强度。

2、合金的配置及熔炼 

首先根据AZ31B合金的成分（参见表4）进行配、备料，在熔炼炉中将备好的金属镁锭、中间合金或金属添加剂，熔炼炉熔化后的镁合金熔体通过扒渣、搅拌，分析成份合格后，将温度控制在730－755℃导入静置炉，液体在静置炉中进行静置、精炼后，控制静置炉熔体温度720－745℃。

3、浇注 

首先，将铸轧机启动，调整到设定铸轧速度的1.5-2倍；并启动冷却装置，调整到较低冷却速率。然后，将精炼后的镁合金熔体通过进料管将镁合金熔体注入铸轧生产线的供料装置中，并尽可能的保持供料装置内液面高度稳定在供料装置高度的四分之三。同时，通过进气口注入保护气体，保持保护罩下有适量的保护气体，使熔体液面金属不受到氧化。

4、稳定铸轧带坯的引出及卷取 

建立正常的铸轧过程是需要对工艺参数进行反复的调整，才能稳定到设定的工艺参数，通常称为立板。对于垂直上注式铸轧机，熔体从下往上进入铸轧区内，在立板时，依靠连续铸轧主动轮将熔体带出轮缝。在开始流入铸轧区内的熔体，由于其本身重力的作用，将会凝固在供料嘴内，无法正常出板。所以，开始启动需要加快铸轧速度将凝固的料带出，再逐步降到设定铸轧速度，实现铸轧过程；同时调整冷却强度，将凝固线调整到设定的位置，实现设定的塑性变形量。

铸轧带坯离开连续铸轧主动轮，经牵引机送进机列，切掉头部，至卷取机，卷成所需直径的大卷，当板带坯达到给定尺寸时，切断卸卷，再重新开始下一个卷。 

5、铸轧区的凝固和变形过程 

（1）供料装置中的镁合金熔体在两个连续铸轧主动轮的转动下，带动钢带向下移动的驱动力下，向下流动；大部分熔体是通过阻尼挡块的中间通孔向下流动；少部分熔体是通过阻尼挡块的两边间隙间向下流动，这部分熔体受到冷钢带的迅速冷却，被凝固在钢带内表面，如图9中所指的A区，随着钢带向下移动并不断长大；当凝固的镁合金颗粒长大到一定尺寸，由于受到重力的作用与阻尼档块的影响，从钢带表面脱落下来，回到熔融的熔体中，如图9中所指的B区。

（2）由于两侧冷钢带的冷却作用，熔体在向下流动的同时温度也在不断的降低，同时受到从钢带表面脱落下来的大量细小凝固颗粒影响；已凝固的细小颗粒回到熔体中成为熔体凝固的核心，在不断降温的同时迅速长大，该区的镁合金（流入图9中所指C区）处于半固态状态；继续在两侧冷钢带向下运动的带动下，从上向下固相体积分数在不断的增加，最后全部凝固成具有近球形非枝晶组织结构的固态，即进入图9中所指D区。 

（3） 完全凝固的镁合金在两侧冷钢带的带动下进入两连续铸轧主动轮之间，在两连续铸轧主动轮的压轧下，产生塑性变形，即完成铸轧过程。由于采用了钢带包裹着凝固的镁合金进行轧制，因此能实现较大的塑性变形量，试验表明可以达到60%左右。 

6、半固态铸轧AZ31B合金材料试验及铸轧板坯的力学性能 

采用简单的试验方法，进行了半固态铸轧AZ31B合金材料的试验研究，研究结果表明：该发明专利具有很强的实际应用价值。半固态铸轧后的AZ31B合金板坯进行进一步轧制加工获得的试样如图11所示，其力学性能如表5所示。

表5 半固态铸轧后的AZ31B合金板坯的加工性能 

实施例3：数值仿真AZ91D镁合金连续铸轧的凝固过程。

1.概述 

镁合金薄板带连续铸轧过程中，金属在熔池内的流动行为与温度密切相关，熔体的温度及分布又与轧轮、熔体的流动相关，同时熔体的温度变化与它的状态相关。熔体和/或铸带坯的传热问题是铸轧过程重要问题，它直接影响到连铸材料的最终凝固面的位置，对于控制连铸坯料的质量密切相关。因此在采用数值模拟方法研究工艺参数变化对金属流动和凝固特性的影响具有非常重要的意义。

2. 模拟中应用的主要软件及相关参数 

采用流体分析软件FLOW3D对AZ91D镁合金连续铸轧工艺的凝固过程进行数值模拟，分别研究入口浆料温度、铸轧速度等工艺参数对金属流动及凝固特性的影响，所得结果可以更好的优化工艺参数，从而为双铸轧轮薄带半固态镁合金的铸轧工业化生产提供基础数据。

金属凝固过程的流动属于带有自由表面变粘性不可压缩非稳态流动。描述半固态合金流动方程主要有质量守恒方程、动量守恒方程、能量方程和体积函数方程。 

半固态金属连续铸轧工艺的凝固过程是一个伴有相变的非稳态导热过程。随着凝固过程的进行，熔体从液相到半固态，进一步由固液共存的半固态浆料转变为纯固相，在转变过程中要释放出大量的结晶潜热。所谓的结晶潜热指的是合金熔液从液相线温度到固相线温度，即完成从液相到固相转变的凝固过程中放出的热量。处理结晶潜热的方法有温度回升法(或称温度补偿法)、有效比热法(又称当量比热法或等价比热法)、热焓法、假想热流法等，这里采用热焓法，即通过定义材料的焓随温度的变化来考虑结晶潜热。 

根据已有的研究结果表明，半固态金属的流变行为主要受下列因素的影响：剪切速率、固相体积分数、固相微粒的形态和附聚程度等。可用  式表述； 当合金熔体在流过辊缝时，表观粘度与剪切速率及流体温度相关，因此在FLOW3D中使用Carreau模型来描述非牛顿流体。研究结果表明：半固态镁合金具有强烈的剪切变稀特性，其表观粘度与剪切速率的关系服从Power-law定律，且指数n在低剪切速率时接近0.65，而在高剪切速率时接近0.95。 

3. 设备参数及模拟参数 

（1）设备参数及模拟条件

研究所用的设备参数及模拟条件如表6所示。

表6 设备参数及模拟条件 

（2）模拟材料的物理参数

模拟研究中材料选用AZ91D镁合金，其物理性能见表7所示，本研究中假设材料的特性不变，今后的研究可以考虑这些物理性能随温度变化的函数。

表7  AZ91D合金的热物理性能 

（3）几何模型建立及网格划分

根据以上所建立的数值模型，对连续铸轧工艺进行简化后建立的几何模型及划分的网格如图12所示。

4. 数值模拟结果 

设定连铸条件如下：板带铸轧速度=1，浆料进口速度=0.05，轮缝=4，熔池高度=20。模拟计算中，首先AZ91D镁合金半固态浆料从右边入口处进入液池，此时不考虑轧轮温度影响，待连铸区流场进入稳定状态时，使用FLOW3D中的重启动功能，设置轧轮的温度边界条件，使半固态浆料在轧轮的冷却作用下开始凝固。结果一段时间，连铸过程进入稳定阶段，从而获得稳定时获得了连铸区的温度场及固相体积分数的分布。

（1）不同熔体温度连铸区的温度场分布和固相体积分数分布 

图13-图14所示为入口熔体温度分别为825、830、835、840、845、850连续铸轧达到稳定时连铸区的温度场及固相体积分数分布。从图中可以看出，入口浆料温度的不同对轮缝处合金熔体的温度场及铸轧区的位置影响不大，但对熔池内的温度场及固相体积分数影响较大。

（2）铸轧速度对铸轧区位置的影响 

铸轧速度指的是轧轮对合金熔体的连续冷却时间，即对熔体的冷却程度。图15-图16所示为铸轧速度=0.6、0.8、1、1.2时连铸区的温度场分布及铸轧区位置的变化。由图中可以看出，不同铸轧速度对铸轧区的位置及温度分布有很大影响，铸轧速度越小，则铸轧区位置越长，这也与实际实验情况是一致的。

5. 结论 

（1）冷却强度直接影响到计算入口区熔体的温度，也就会对熔池内的温度场及固相体积分数分布有较大影响。

（2）不同铸轧速度对铸轧区的位置及温度分布也有很大影响，铸轧速度越小，则铸轧区位置越长，这也与实际实验情况是一致的。 

（3）熔体与轧轮（钢带）接触的部分将迅速冷却、凝固，并在移动中受到阻碍而脱落，成为熔体中的结晶核心。 

Claims (8)

1.一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述装置结构包括：两组相对设置、相向旋转的铸轧轮组，所述的每一组铸轧轮组结构包括：连续铸轧主动轮，设置在连续铸轧主动轮上方的第一从动轮，设置在第一从动轮侧方的钢带张紧轮，所述钢带张紧轮的下方固定有基座，基座与钢带张紧轮之间通过张紧弹簧联接；以及设置在基座下方的第二从动轮；在所述两组铸轧轮组外侧分别缠绕有一根钢带，所述的两根钢带之间形成V字形铸轧区域；在两根钢带之间形成的V字形铸轧区域内设有供料装置，所述供料装置上部为储料仓，下部为供料嘴；位于供料装置下方设有阻尼挡块；以及设置在钢带内侧的水雾冷却装置，所述水雾冷却装置包括一个或多个水雾冷却喷嘴，所述水雾冷却喷嘴朝向钢带，与钢带成15～20°的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述供料嘴的结构包括：两块相对设置的侧板，在所述两侧板之间横向方向均匀的分布有若干个分流块，所述分流块为锥形。

3.根据权利要求1所述的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述供料嘴的结构包括：两块相对设置的盖板，在所述两盖板之间设有熔体入口，在熔体入口的下面设有倒梯形的分流块，在倒梯形分流块两侧均布有三角形分流块，或者在熔体入口的下面设有均布的丁字形分流块。

4.根据权利要求1所述的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述阻尼挡块采用高强耐火材料或高温合金制造，所述阻尼挡块的中部开有通孔，阻尼挡块的两侧面开有凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述水雾冷却装置采用高压空气与水雾冷却的方式，所述水雾冷却装置的冷却强度即对流散热系数在20~2000W/㎡·K范围内调节。

6.根据权利要求1所述的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述水雾冷却喷嘴为2～6个。

7.根据权利要求1所述的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述装置结构还设有熔体保护罩，所述熔体保护罩罩在供料装置的储料仓上，在熔体保护罩上设有进气管和进料管。

8.根据权利要求7所述的一种带式连续半固态铸轧镁合金板带坯的装置，其特征在于所述装置结构还设有液面控制装置，所述液面控制装置安装在进料管的下端。