双辊薄带振动铸轧机理及其仿真实验

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

【摘要】A set of?160 mm×150 mm vibration casting machines were designed and manufac-tured in order to carry out the research on the product quality of twin roll strip casting processes.The effects of vibrations on the crystal nucleation and cast microstructure were studied.The distributions and growth rules of the cast microstructures in the solidification zones under the conditions of vibra-tion and non-vibration were compared and analyzed.It is pointed out that improving the vibration fre-quencies may effectively promote the grain refinement.At the same time,according to the require-ments of industrial experiments,a three-dimensional flow field-temperature field coupling finite ele-ment simulation model of molten pools was established by using CFD software.The results show that increasing the vibration frequencies and amplitudes may enhance the"mixing"effects of the cast roll-ing molten pools,which may promote the grain refinements and restrain the segregations.It is found that the solidification point positions(i.e.Kiss point height)are not distributed along the width direc-tion of the plates in the castrolling processes.As a result,the longitudinal inhomogeneous extensions are the direct factors to induce the cast rolling oblique cracks.And the Kiss point position will be moved up with the increase of the amplitudes and the frequencies.%针对双辊薄带铸轧过程存在的产品质量问题进行研究,设计制造了一套?160 mm×150 mm振动式铸轧机.研究了振动对结

晶形核及其铸态组织的影响,对比分析了振动与非振动条件下凝固区铸态组织分布及其生长规律.指出提高振动频率能够有效促进晶粒细化.同时,按工业化实验要求,利用CFD软件建立了熔池的三维流场温度场耦合有限元仿真模型,仿真结果表明,增大振频和振幅均能强化铸轧熔池场的"搅拌"效果,进而促进晶粒细化、抑制偏析.通过仿真还发现,铸轧过程中,凝固点位置(即Kiss点高度)沿板宽方向分布不均所导致的纵向不均匀延伸,是诱发铸轧斜向裂纹的直接因素,并且Kiss点位置会随振频和振幅的增大而上移.

【期刊名称】《中国机械工程》

【年(卷),期】2018(029)004

【总页数】8页(P477-484)

【关键词】振动;双辊铸轧;铸态组织;晶粒细化;Kiss点

【作者】杜凤山;孙明翰;黄士广;魏洁平;黄华贵;许志强

【作者单位】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,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;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,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;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,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;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,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;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,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004;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,066004;燕山大学机械工程学院,秦皇岛,066004

【正文语种】中文

【中图分类】TG3

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。

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