劉 剛，蔣 恩

雙輥薄帶連鑄將連續(xù)鑄鋼工藝和后續(xù)軋制工藝相融合，簡化從鋼水到熱卷的生產(chǎn)工序，使鋼鐵生產(chǎn)流程更緊湊、連續(xù)、高效和環(huán)保。隨著能耗、碳排放指標逐漸成為鋼鐵行業(yè)關注重點，雙輥薄帶連鑄連軋在綠色制造方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。與傳統(tǒng)的薄板材生產(chǎn)工藝相比，可節(jié)約基礎建設投資約30%～50%。由于工藝流程大大簡化，鋼材生產(chǎn)中的能耗大大減少，污染大大降低，與連鑄連軋過程相比，噸鋼可節(jié)省能源約800 kJ，碳排放量降低超80%，NOx降低約90%，SO2降低70%。我國有大量高磷、高硫劣質礦資源，而薄帶連鑄連軋技術因其亞快速凝固的特點能夠有效抑制磷、硫等雜質元素在鋼材中的偏析，使大量資源得到有效利用，符合我國可持續(xù)發(fā)展目標[1～4]。

雙輥薄帶連鑄連軋技術的核心是對熔池范圍內均勻亞快速凝固過程的有效控制。該過程直接影響薄帶成品的表面質量。該凝固過程的傳熱過程可分為兩個階段：在第一階段，高溫鋼水與結晶輥等接觸后，基體溫度驟升，對應的界面熱流密度在20 ms 內達到峰值；在第二階段，基體溫度繼續(xù)上升，但與鋼水的溫度梯度下降，對應的熱流密度迅速下降，在70 ms 左右回落到穩(wěn)定的低值，之后以該低值為中心在一定范圍內波動（見圖1）[5]。本研究范圍內的側封板與高溫鋼水處在第一階段的時間大于氮化硼材料側封的情況，結晶輥與高溫鋼水接觸情況和常規(guī)平輥條件下大致相當。因此，本研究中的傳熱效率略高于現(xiàn)有技術。亞快速凝固的冷卻速度為100～103K/s，介于快速凝固和中速凝固之間，屬于非平衡的凝固過程，在較快的冷卻速度下鑄件的晶粒細小，偏析程度低[6～8]。而由于冷卻速度較高，熔池內的鋼液在1 s 內完全凝固，控制窗口期極短。鋼水與基體接觸后的0.02 s是傳熱效率最高的凝固初期，該階段界面間傳熱的均勻性對薄帶產(chǎn)品的表面質量起著決定性的作用[9]。

圖1 界面熱流密度

彎月面形成于凝固初期，對初始凝固傳熱特性起著關鍵性作用。目前對于彎月面的研究多集中于連續(xù)鑄鋼領域[10]，而關于雙輥薄帶連鑄彎月面的研究鮮有報道。本研究為了釋放應力及施加振動，以凹凸型結晶輥代替平直結晶輥，在前期結晶輥輥面構型對彎月面高度研究成果的基礎上，通過數(shù)值模擬和實驗方法進一步分析結晶輥輥面構型參數(shù)對彎月面高度的影響規(guī)律，并從流場角度進行分析，旨在為后期生產(chǎn)實踐提供理論指導。

1 研究基礎

在之前的研究中，筆者根據(jù)凹凸結晶輥嚙合過程對凹凸結晶輥輥面構型參數(shù)進行了理論推導，確定輥面函數(shù)[11]：

式中：r—結晶輥輥面上某點的極徑（mm）；r1—結晶輥輥面構型的幅度（mm）；f—結晶輥輥面構型的頻率（1）；θ—結晶輥輥面上某點的極角（rad）。

筆者以結晶輥輥面函數(shù)為基礎，分析凹凸結晶輥和平輥條件下彎月面高度的變化規(guī)律（見圖2）。結果顯示，凹凸結晶輥振幅對于彎月面高度的影響比振動頻率更明顯。當振幅從1 mm 下降至0 mm時，彎月面高度從R=1mm， f=36 參數(shù)下的20.4 mm 下降至R=0mm，f=0 的12.9 mm[12]。從彎月面高度變化趨勢看，減小結晶輥輥面幅度，會引起彎月面高度小于平輥的情況。因此，筆者繼續(xù)分析R=0.3 mm，f=36；以及R=0.3 mm，f=24 條件下的彎月面高度（見圖3）。從振幅0.3 mm 時不同頻率下彎月面的高度值可以看到，在0.05 s 時刻，凹凸結晶輥下的彎月面高度稍高于平輥下的彎月面高度。在0.1 s 時刻，彎月面高度從R=0 mm，f=0 的12.9 mm 降至R=0.3 mm，f=24 的12.3 mm。

圖2 振幅≥0.5 mm 時不同頻率下彎月面高度對比

圖3 振幅＜0.5 mm 時不同頻率彎月面高度對比

2 原因分析

熔池內自由液面波動程度直接影響彎月面的穩(wěn)定性及行為，為了揭示凹凸結晶輥對彎月面高度的影響機理，筆者通過實驗對比分析不同輥面參數(shù)對平均自由液面波動的影響。以平輥條件下的彎月面高度為基準，比較不同結晶輥輥面參數(shù)下液面波動的相對值（見圖4）。可知，當結晶輥振幅為1 mm時，液面波動相對值達到0.59 mm；當振幅＜1 mm時，液面波動相對值從R=0 mm，f=0 參數(shù)下的0 mm 下降至R=0.3 mm，f=24 下的-0.03 mm。隨著振幅的減小，液面波動相對值趨于平衡。

圖4 不同結晶輥輥面參數(shù)下液面波動值

當振幅≥1 mm 時，由于自由液面波動幅度過大，受自由液面附近流場的影響，彎月面高度穩(wěn)定性變差，且隨波動的加劇升高。當振幅＜1 mm 時，振幅對自由液面波動的影響大幅度降低，彎月面更容易穩(wěn)定，此時凹凸輥彎月面的高度值低于平輥。在彎月面穩(wěn)定的情況下，彎月面高度主要受鑄輥旋轉產(chǎn)生的粘滯力及自由液面表面張力的影響。彎月面高度的近似方程[13]：

由式（2） 可知，在其它條件不變的情況下，由于凹凸結晶輥與熔體的接觸面積比平輥大，所以粘性力增加，由于粘性力增加引起彎月面高度值的下降。因此，在自由液面波動影響有限的前提下，采用凹凸結晶輥可以降低彎月面的高度。

3 結 語

經(jīng)過本文分析，筆者得出以下結論：

（1） 當振幅＜1 mm 時，彎月面高度從平輥條件下的12.9 mm 下降至R=0.3 mm，f=24 的12.3 mm。

（2） 當振幅＜1 mm 時，液面波動相對值從平輥條件下的0 mm 下降至R=0.3 mm，f=24 的-0.03 mm。

（3） 當振幅＜1 mm 時，因凹凸結晶輥熔體粘性大而降低彎月面高度。