翁文憑，鄧 康，任忠鳴，陳 琦，遲之東，趙奇特

(1. 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2. 蘇州有色金屬研究院有限公司 材料工藝研究所，蘇州 215026)

鎂合金鑄軋凝固層焊合點(diǎn)控制及工藝優(yōu)化

翁文憑1,2，鄧 康1，任忠鳴1，陳 琦2，遲之東2，趙奇特2

(1. 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2. 蘇州有色金屬研究院有限公司 材料工藝研究所，蘇州 215026)

結(jié)合鎂合金鑄軋工藝特點(diǎn)，分析鎂合金板坯鑄軋過程中凝固層焊合點(diǎn)位置與板坯缺陷的影響規(guī)律；針對板坯厚度、鑄軋區(qū)長度及鑄軋速度等關(guān)鍵參數(shù)，簡化凝殼徑向生長及凝固前沿周向轉(zhuǎn)動過程，確定鑄軋速度匹配范圍，建立凝固層焊合點(diǎn)位置控制模型，并通過工藝試驗(yàn)對控制模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：通過理論模型確定工藝匹配范圍，可穩(wěn)定并優(yōu)化鎂合金鑄軋工藝，大幅度降低鑄軋板坯宏觀缺陷，獲得表面光潔、質(zhì)量良好的鎂合金鑄軋板坯。

鎂合金；雙輥鑄軋；凝固層焊合點(diǎn)；控制模型；工藝優(yōu)化

鎂及鎂合金為密排六方(HCP)晶體結(jié)構(gòu)，其變形加工相對困難，傳統(tǒng)工藝在制備厚度小于10 mm的鎂合金薄板時，存在工序復(fù)雜、成材率低等缺點(diǎn)[1?2]。板帶雙輥鑄軋工藝集凝固和變形于一體，具有投資少、流程短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是鎂合金薄板帶制備技術(shù)發(fā)展的主流趨勢[3?5]。目前，雙輥鑄軋技術(shù)在鋼鐵、鋁帶坯加工行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用，鎂合金鑄軋技術(shù)集中在前期設(shè)備研制及工藝開發(fā)階段[6?7]，國內(nèi)外學(xué)者也對鎂合金鑄軋板坯物相組成、組織特征以及后續(xù)熱溫軋制板帶組織性能進(jìn)行了一些研究[8?15]，但針對鎂合金鑄軋板坯凝固前沿的基礎(chǔ)研究較少。

鎂合金結(jié)晶潛熱小、熱傳導(dǎo)性能好，凝固過程中冷卻速率大，導(dǎo)致鎂合金鑄軋工藝敏感，工藝參數(shù)匹配范圍狹窄。凝固層前沿位置是鑄軋工藝參數(shù)匹配情況的綜合體現(xiàn)，鑄軋工藝參數(shù)、凝固層焊合點(diǎn)位置及板坯宏觀缺陷之間存在相互作用。在鋼鐵、鋁鑄軋領(lǐng)域，許多學(xué)者通過理論計算與工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法對凝固層焊合點(diǎn)位置開展了大量理論及工藝試驗(yàn)研究[16?18]，研究結(jié)果表明：鑄軋區(qū)長度、鑄軋速度及鑄軋板坯厚度對鑄軋凝固層焊合點(diǎn)位置起著重要作用，當(dāng)鑄軋區(qū)長度和板坯厚度等參數(shù)恒定時，鑄軋速度顯著影響凝固層焊合點(diǎn)位置。

根據(jù)鑄軋工藝特點(diǎn)，本文作者針對鎂合金鑄軋板坯凝固前沿生長特征，建立凝固層焊合點(diǎn)位置控制模型，主要分析鑄軋溫度、冷卻強(qiáng)度較穩(wěn)定情況下，鑄軋速度對凝固層焊合點(diǎn)位置的作用規(guī)律。通過工藝試驗(yàn)分析凝固層焊合點(diǎn)位置對板坯質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 鎂合金鑄軋板坯凝固過程及數(shù)理模型

1.1 鎂合金鑄軋板坯凝固過程

板帶鑄軋過程集中在狹小的鑄軋區(qū)內(nèi)，僅數(shù)秒鐘就完成澆鑄、凝固、軋制變形和出坯這一系列復(fù)雜的流變和物理化學(xué)過程[19]。鑄軋帶坯的凝殼從鑄軋輥表面垂直向鑄軋坯中心逐漸擴(kuò)展，隨著鑄軋輥的不斷旋轉(zhuǎn)，熱量從垂直于鑄軋輥表面由冷卻水連續(xù)帶出，與液相線溫度相一致的等溫面便逐漸向熔體深處推移。對于具有一定結(jié)晶溫度范圍的鎂合金，這個等溫面相當(dāng)于結(jié)晶的開始面，而等同于不平衡凝固固相線溫度的等溫面，則為結(jié)晶結(jié)束面，等溫面與鑄軋坯中心線的交點(diǎn)即為凝固層焊合點(diǎn)，也稱為全凝固點(diǎn)。

凝固層焊合點(diǎn)位置是雙輥鑄軋過程中需要控制的關(guān)鍵參數(shù)之一。它不僅對鑄軋板坯表面質(zhì)量和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)具有重要影響，而且還決定著鑄軋過程能否連續(xù)進(jìn)行。分析鎂合金鑄軋凝固前沿生長特征可知，凝固層焊合點(diǎn)位置必須滿足兩個位置極限：軋制變形咬入極限位置和輥縫中心線，其示意圖如圖1所示。圖1中A點(diǎn)對應(yīng)于軋制咬入極限位置時焊合點(diǎn)所處位置(咬入條件下對應(yīng)焊合點(diǎn)位置)，E點(diǎn)為輥縫中心線與板坯中心線的交點(diǎn)，即鑄軋凝固層焊合點(diǎn)下限位置。

1.2 凝固層焊合點(diǎn)位置數(shù)理方程建立

根據(jù)鎂合金鑄軋板坯凝固前沿生長特點(diǎn)，可將凝殼生長過程簡化為兩個方向上的運(yùn)動：熔體進(jìn)入鑄軋區(qū)與軋輥接觸后，沿軋輥徑向形成凝殼并不斷沿徑向長大，直到上下輥凝殼焊合，結(jié)束徑向上的凝固生長過程，為徑向凝殼生長過程；熔體進(jìn)入鑄軋區(qū)后，凝殼隨軋輥在周向朝鑄軋方向轉(zhuǎn)動，該運(yùn)動在到達(dá)凝固層焊合點(diǎn)后，即進(jìn)入變形區(qū)，為凝殼周向移動。由于鑄軋區(qū)僅僅數(shù)十毫米，遠(yuǎn)小于軋輥直徑，因此將凝殼隨軋輥的周向運(yùn)動簡化為水平運(yùn)動，即周向運(yùn)行位移簡化為與水平分量相等。

圖1 鎂合金鑄軋凝固層焊合點(diǎn)極限位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of kiss-point position of solidification layer during twin-roll casting of magnesium alloy

據(jù)此，在鑄軋區(qū)內(nèi)針對凝殼生長建立如下坐標(biāo)系：

以軋輥中心為軸心，軋輥徑向?yàn)樽鴺?biāo)軸，凝殼生長方向?yàn)檎较?，建立凝固層徑向生長坐標(biāo)系；以鑄嘴出液端中心點(diǎn)為軸心，板坯中心線為坐標(biāo)軸，板坯鑄軋方向?yàn)檎较颍⒛龤に竭\(yùn)動坐標(biāo)系。具體如圖2所示。

圖2 鑄軋區(qū)凝固層坐標(biāo)系建立Fig.2 Coordinate system establishment for solidification layer

圖2 中θt為進(jìn)入鑄軋區(qū)熔體形成凝殼后在t時刻沿圓周方向的轉(zhuǎn)動角；θ0為轉(zhuǎn)動角的最大范圍；rt為t時刻凝殼在徑向坐標(biāo)上的位置；st為t時刻凝殼在水平坐標(biāo)上的位置；A點(diǎn)為凝固層焊合點(diǎn)咬入極限位置；K點(diǎn)為可能的凝固層焊合點(diǎn)位置。

在建立的坐標(biāo)體系中，時間坐標(biāo)以熔體進(jìn)入鑄軋區(qū)初始時刻為起點(diǎn)，兩個方向的凝固前沿運(yùn)動滿足如下兩個方程：

凝殼周向運(yùn)動：

式中：v為鑄軋線速度；t為熔體進(jìn)入鑄軋區(qū)經(jīng)歷凝固的時間；L為鑄軋區(qū)長度。

凝殼徑向生長：

式中：R為軋輥半徑，在試驗(yàn)工況條件下為280 mm；tδ為凝殼在t時刻的生長厚度。

根據(jù)假設(shè)，鑄軋區(qū)熔體僅沿垂直凝殼沿軋輥傳熱，凝殼徑向生長滿足平方根定理，則凝殼厚度滿足

式中：k為凝固系數(shù)，為4.6 mm·s?1/2[20]。

凝殼周向轉(zhuǎn)動角度：

式中：ω為鑄軋輥角速度；0θ參考文獻(xiàn)[21]。

凝固層運(yùn)行至焊合點(diǎn)K時，存在如下幾何關(guān)系：

式中：h1為輥縫厚度。

聯(lián)立式(1)～(5)，可對凝固層焊合點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)理計算。

1.3 鎂合金板坯鑄軋凝固前沿控制模型

理想情況下，試驗(yàn)人員可通過大量爐次的試驗(yàn)，收集足夠多的數(shù)據(jù)，并按試驗(yàn)結(jié)果繪制出凝固層焊合點(diǎn)位置不同區(qū)域?qū)嶋H圖形，與板坯質(zhì)量進(jìn)行對應(yīng)分析，從而繪制出凝固層焊合點(diǎn)優(yōu)化區(qū)域。但該方法耗時長、投資大，為縮短研發(fā)周期，采用二分法將咬入極限位置至輥縫中心線位置等分為4個區(qū)域，假定當(dāng)凝固層焊合點(diǎn)對應(yīng)在中點(diǎn)位置時，對應(yīng)最佳工藝，據(jù)此可認(rèn)為靠近最佳工藝點(diǎn)左右兩側(cè)區(qū)域?yàn)楣に噧?yōu)化區(qū)域，如圖3所示。

對圖中鑄軋變形區(qū)幾何關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，可知

式中：LAE為凝固層焊合點(diǎn)位置范圍；L為鑄軋區(qū)長度。

而工藝優(yōu)化區(qū)邊界點(diǎn)F和G點(diǎn)對應(yīng)的變形區(qū)長度分別為

圖3 凝固層焊合點(diǎn)位置控制區(qū)域Fig.3 Optimum zone of kiss-point of solidification layer

當(dāng)板坯厚度和鑄軋區(qū)長度一定時，鑄軋速度需設(shè)置在如下范圍，方可控制凝固層焊合點(diǎn)在工藝優(yōu)化區(qū)域內(nèi)。因此，建立凝固層焊合點(diǎn)控制模型如下：

2 試驗(yàn)方案的驗(yàn)證

為驗(yàn)證凝固層焊合點(diǎn)控制模型的實(shí)際效果，設(shè)計工藝試驗(yàn)方案如表1所列。在板坯厚度、鑄軋區(qū)長度固定的情況下，調(diào)整鑄軋速度進(jìn)行工藝試驗(yàn)，考察凝固層焊合點(diǎn)位置變化規(guī)律，并分析不同情況下鑄軋板坯缺陷及宏觀形貌。為排除偶然因素，每組試驗(yàn)進(jìn)行兩次重復(fù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)原料為商用AZ31合金錠，鑄軋板坯化學(xué)成分檢測結(jié)果如表 2所列。試驗(yàn)主要設(shè)備包括 d 560 mm×600 mm鎂合金鑄軋機(jī)、800 kg鎂合金熔保爐以及輔助剪切、卷取等設(shè)備。試驗(yàn)流程為原材料及輔助工具準(zhǔn)備—鎂合金熔煉、靜置—鑄嘴裝配—軋機(jī)啟動及系統(tǒng)預(yù)熱—參數(shù)設(shè)置與安全檢查—熔體澆注—鑄軋立板—穩(wěn)定鑄軋—鑄軋板坯切頭—鑄軋板坯穿帶—卷取—鑄軋結(jié)束及清理。試驗(yàn)中熔保爐澆注溫度控制在710～720 ℃范圍內(nèi)。

表1 鎂合金鑄軋試驗(yàn)方案Table 1 Experimental parameters of magnesium alloys twin-roll casting

表2 鎂合金鑄軋板坯的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of magnesium alloys strip obtained by twin-roll casting (mass fraction, %)

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

鎂合金鑄軋試驗(yàn)實(shí)際工藝參數(shù)記錄及試驗(yàn)結(jié)果簡述如表3所列。將試驗(yàn)方案中板坯厚度、鑄軋區(qū)長度及鑄軋速度等試驗(yàn)工況條件代入1.2節(jié)方程組，計算出不同試驗(yàn)方案下凝固層焊合點(diǎn)理論計算值sk，以及咬入極限值sA(sA=Rtanθ0)。理論計算忽略實(shí)際操作中鑄軋區(qū)長度調(diào)整差異，均采用45和50 mm進(jìn)行計算；僅立板階段鑄軋速度v1，尚未進(jìn)入穩(wěn)定階段，因此穩(wěn)定鑄軋速度v2無法讀取，凝固層焊合點(diǎn)sk速度按立板階段速度計算。具體結(jié)果如表3所列。

3.2 討論分析

結(jié)合表4數(shù)理計算及試驗(yàn)結(jié)果，以鑄嘴出液端為原點(diǎn)，板坯中心線為橫坐標(biāo)，鑄軋速度為縱坐標(biāo)，可繪制試驗(yàn)條件下凝固層焊合點(diǎn)位置與試驗(yàn)結(jié)果匯總圖如圖4所示。圖4所示為不同鑄軋速度、板坯厚度條件下鑄軋板坯凝固層焊合點(diǎn)位置理論計算值，以及相應(yīng)工況條件下板坯表面出現(xiàn)缺陷的情況。坐標(biāo)原點(diǎn)O對應(yīng)板坯厚度6 mm，鑄軋長度45 mm的試驗(yàn)結(jié)果；坐標(biāo)原點(diǎn)O′ 對應(yīng)板坯厚度8 mm，鑄軋區(qū)長度50 mm的試驗(yàn)結(jié)果；凝固層焊合點(diǎn)在鑄軋區(qū)不同位置時對應(yīng)鑄軋板坯表面缺陷特征(標(biāo)注在圖上方)。從圖 4可以看出，當(dāng)鑄軋板坯厚度、鑄軋區(qū)長度一定時，當(dāng)鑄軋速度越快，凝固層焊合點(diǎn)位置向輥縫中心線方向偏移，鑄軋區(qū)中變形區(qū)長度逐漸縮小，此時鑄軋板坯軋卡、冷凝塊及橫向裂紋缺陷逐漸消除，板坯表面質(zhì)量逐步提高；當(dāng)鑄軋速度進(jìn)一步提高時，板坯又會出現(xiàn)熱帶、孔洞、表面氧化及拉漏等缺陷。根據(jù)凝固層焊合點(diǎn)位置控制模型，針對前期試驗(yàn)工況，計算鑄軋速度控制范圍，其結(jié)果如表4所列。

上述分析表明，通過凝固層焊合點(diǎn)控制模型，固定板坯厚度與鑄軋區(qū)長度后，可計算出鑄軋速度理論匹配范圍；根據(jù)理論匹配范圍結(jié)果，控制速度在優(yōu)化范圍時，鑄軋工藝穩(wěn)定性及板坯質(zhì)量均得到大幅度提高，驗(yàn)證理論計算模型，計算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)基本吻合。表4中8 mm板坯，鑄軋區(qū)長度50 mm時，設(shè)置鑄軋速度為2.0 m/min條件下，其板坯的宏觀照片如圖5所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果及凝固層焊合點(diǎn)位置Table 3 Experimental results and kiss-point position of solidification layer

表4 鎂合金工藝優(yōu)化計算結(jié)果Table 4 Optimized parameters of magnesium alloys twin-roll casting though model

圖4 不同工況下凝固層焊合點(diǎn)位置及板坯質(zhì)量Fig.4 Kiss-point position of solidification layer and strip quality under different conditions (O—Strip thickness 6 mm,setback length 45 mm; O′—Strip thickness 8 mm, setback length 50 mm; A—Kiss-point of griping condition of rolling;E—Kiss-point of roll nip)

4 結(jié)論

1) 鎂合金鑄軋過程中，凝固層焊合點(diǎn)位置是鑄軋工藝參數(shù)匹配狀況的綜合體現(xiàn)，對鑄軋板坯質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)凝固層焊合點(diǎn)靠近咬入極限點(diǎn)時，板坯傾向出現(xiàn)軋卡、冷凝塊、橫向裂紋及縮邊等缺陷；當(dāng)凝固層焊合點(diǎn)靠近輥縫中心線時，鑄軋板坯傾向出現(xiàn)熱帶、孔洞及拉漏缺陷。

2) 當(dāng)鑄軋區(qū)長度、板坯厚度一定時，鑄軋速度應(yīng)嚴(yán)格滿足匹配條件，可控制凝固層焊合點(diǎn)位置位于優(yōu)化區(qū)域?？刂颇Ｐ蜑?/p>

3) 建立理論模型主要針對鎂合金鑄軋板坯宏觀缺陷考慮，而對于鎂合金鑄軋板坯的微觀組織優(yōu)化、成分偏析缺陷控制存在局限性。后期需通過大量爐次工藝試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、歸納及總結(jié)，進(jìn)一步對本研究模型進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到控制微觀組織、全面提升板坯力學(xué)性能的目的。

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Kiss-point of solidification layer position control and process optimization for magnesium alloys twin-roll casting

WENG Wen-ping1,2, DENG Kang1, REN Zhong-ming1, CHEN Qi2, CHI Zhi-dong2, ZHAO Qi-te2
(1. School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China;2. Department of Materials Science and Technology, Suzhou Nonferrous Metals Research Institute,Suzhou 215026, China)

The effect of kiss-point position of solidification layer of twin-roll casting on macro-defects of magnesium alloys strip was analyzed through experiments and theoretical derivation. A kiss-point model which considers the strip thickness, set-back length and roll speed was established to optimize the process and enhance the surface quality of magnesium alloys strip. The results show that the model of kiss-point of solidification layer effectively stabilizes and optimizes the twin-roll casting processing, and the defect-free magnesium alloys strip is obtained by twin-roll casting.

magnesium alloys; twin-roll casting; kiss-point of solidification layer; model; process optimization

TG146.2

A

1004-0609(2011)06-1229-06

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2010249)；中色科技股份有限公司科技發(fā)展計劃基金(2008YK02)

2010-06-03；

2010-11-20

鄧康，教授，博士；電話：021-56331102；E-mail: dengk2000@163.com

(編輯 李艷紅)