趙日東 黃華貴 馮淼 孫靜娜 袁喜利 宋建民

摘 要：雙輥鑄軋工藝是一種短流程、高效、低能耗的近終成形工藝。但較低的鑄軋速度成為制約提高鑄軋工藝生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素?；诖耍褂脫Q熱效率更高的銅輥套成為提高鑄軋工藝生產(chǎn)效率的研究熱點(diǎn)。本文通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)，探究了銅輥套與鋼輥套分別能夠達(dá)到的最快鑄軋速度，量化銅輥套對(duì)鑄軋速度的提升效果。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，基于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，穩(wěn)定鑄軋時(shí)，銅輥套的最快鑄軋速度可達(dá)到10 m/min，是鋼輥套的2.5倍。最后建立了雙輥鑄軋穩(wěn)態(tài)的熱阻模型，通過計(jì)算得到，在相同條件下，銅輥套的熱流量是鋼輥套的4～8倍。上述研究結(jié)果能夠?yàn)楣I(yè)化鑄軋機(jī)提速改造提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：雙輥鑄軋；銅輥套；鋼輥套；鑄軋速度；傳熱熱阻

中圖分類號(hào)： TG355? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2023.01.002

0 引言

雙輥鑄軋是一種短流程的近終成形工藝［1］，它集快速凝固和熱軋為一體，具有生產(chǎn)率高、能耗低、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在雙碳背景下，節(jié)能減排成為社會(huì)和行業(yè)的共識(shí)，雙輥鑄軋以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已成為推動(dòng)冶金行業(yè)綠色化的熱點(diǎn)［2-3］。

目前，鋁帶雙輥鑄軋技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用已非常普遍，我國(guó)擁有上百條雙輥連續(xù)鑄軋生產(chǎn)線，為鋰電池、印刷、包裝、電子等行業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。然而，與傳統(tǒng)軋制生產(chǎn)工藝相比，仍存在鑄軋速度低、可生產(chǎn)的合金牌號(hào)少等問題，在一定程度上影響了生產(chǎn)效率。為了提高鑄軋速度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究，其中采用換熱效率更高的銅輥套受到業(yè)界普遍關(guān)注。Haga［4-6］改良并設(shè)計(jì)了新型高速鑄軋機(jī)，其使用銅輥套提高熱傳遞效率，鑄軋速度高達(dá)15 m/min，1000鋁合金工業(yè)生產(chǎn)速度達(dá)到12 m/min，3003鋁合金工業(yè)生產(chǎn)速度達(dá)到10 m/min。在國(guó)內(nèi)，中南大學(xué)較早開展有關(guān)銅輥套方面的研究工作，包括Cu-Be-Ni-Ti合金（鈹青銅）輥套研制、在實(shí)驗(yàn)室鑄軋機(jī)（400 mm×500 mm）及華北鋁業(yè)工業(yè)鑄軋機(jī)（1 050 mm×1 600 mm）上開展高速鑄軋可行性驗(yàn)證等［7-8］。王祝堂［9］、李憲熙等人［10］對(duì)雙輥鑄軋銅輥套（鈷青銅）進(jìn)行了細(xì)致研究和總結(jié)，得出銅輥套的導(dǎo)熱能力約為鋼輥套的十倍，其鑄軋產(chǎn)品更為致密、均勻。銅輥套在提升鑄軋換熱性能的同時(shí)也帶來了其他問題。周耀邦等人［11］發(fā)現(xiàn)鋁帶在銅輥套鑄軋過程中比在鋼輥套鑄軋過程中更容易發(fā)生粘輥現(xiàn)象。與此同時(shí)，目前銅輥套相比鋼輥套對(duì)傳熱性能提升及鑄軋速度提速的量化研究仍為空白，這使得鑄軋機(jī)在設(shè)備能力改造時(shí)缺乏理論依據(jù)。

為此，本文將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，探究銅輥套相對(duì)鋼輥套對(duì)鑄軋速度的提升能力，對(duì)比銅輥套與鋼輥套對(duì)鑄軋鋁帶表面質(zhì)量、微觀組織與力學(xué)性能的影響。并通過建立鋁帶雙輥鑄軋熱阻模型，量化銅輥套相對(duì)鋼輥套傳熱能力的提升效果，為高速鑄軋技術(shù)開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 二維熱流耦合模型

為探究銅輥套與鋼輥套鑄軋能夠達(dá)到的最快鑄軋速度，基于FLUENT模擬軟件，建立鑄軋工藝的熱流耦合模型。

1.1 基本假設(shè)

在雙輥鑄軋實(shí)際生產(chǎn)中，鋁液流動(dòng)和傳熱行為較為復(fù)雜。為避免其他因素的干擾，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行以下合理假設(shè)：

1） 鑄軋區(qū)內(nèi)鋁液、鑄軋輥沿板帶寬度方向傳熱均勻，鑄軋成形過程簡(jiǎn)化為二維傳熱問題；

2） 鋁液在鑄軋區(qū)內(nèi)快速凝固，非牛頓流體的半固態(tài)金屬存在時(shí)間較短，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將鋁液視為不可壓縮的牛頓流體；

3） 鑄軋輥在鑄軋過程中彈性變形量相對(duì)鑄軋區(qū)較小，可以忽略，因此假設(shè)鑄軋輥為導(dǎo)熱剛體，在鑄軋過程中不發(fā)生彈性變形，并且做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；

4） 由于鑄軋過程中，鋁液的流動(dòng)性較強(qiáng)，凝固殼與心部鋁液之間的剪切強(qiáng)度較小，因此凝固殼與鑄軋輥之間相對(duì)滑動(dòng)量較小，故設(shè)耦合接觸面無相對(duì)滑動(dòng)；

5） 在鑄軋區(qū)內(nèi)，輻射換熱的熱流遠(yuǎn)小于接觸換熱熱流，因此只考慮對(duì)流換熱與熱傳導(dǎo)，忽略鑄軋區(qū)輻射換熱對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。

1.2 網(wǎng)格劃分

以雙輥立式鑄軋機(jī)為對(duì)象，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立1/2對(duì)稱網(wǎng)格模型，在ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示，網(wǎng)格模型包括右鑄軋輥輥套與1/2鋁液熔池，共2個(gè)計(jì)算域。其中鑄軋輥外徑250 mm，輥套內(nèi)徑190 mm，熔池高度45 mm，鑄軋區(qū)入口為5 mm，輥縫為2 mm。為提高計(jì)算精度，對(duì)網(wǎng)格模型中熔池區(qū)域與右鑄軋輥輥套部分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

1.3 材料參數(shù)

本文使用純鋁作為鑄軋對(duì)象，軋輥材料分別為42CrMo鋼、銅，其熱物性參數(shù)如表1所示。鋁的凝固區(qū)間為646～657 ℃，凝固潛熱為393.5 kJ/kg，液態(tài)的粘度為0.001 2 kg/（m·s）［12］。

3 雙輥鑄軋實(shí)驗(yàn)

3.1 鋼輥套鑄軋實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用鋼輥套在立式鑄軋機(jī)上進(jìn)行鑄軋實(shí)驗(yàn)，當(dāng)澆鑄溫度為680 ℃，輥縫寬度為2 mm，熔池高度為45 mm，鑄軋速度分別為3.0 m/min、3.6 m/min、4.2 m/min時(shí)，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)鑄軋速度為3.0 m/min、3.6 m/min時(shí)，制備所得板帶表面平整，無缺陷存在。當(dāng)鑄軋速度為4.2 m/min時(shí)出現(xiàn)部分漏液，表明Kiss點(diǎn)高度已接近臨界值。當(dāng)鑄軋速度提高至4.6 m/min時(shí)，鋁液發(fā)生泄露，已無法鑄軋出鋁帶。因此，鋼輥套鑄軋時(shí)的最快鑄軋速度為4.2 m/min，與數(shù)值模擬的4 m/min保持一致。

上述結(jié)果是基于實(shí)驗(yàn)室條件所得，然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鋼輥套的鑄軋速度一般控制在2 m/min以內(nèi)。可能存在以下原因：首先，需要保證Kiss點(diǎn)處于較高位置，留有足夠裕度以避免漏液事故，保證鑄軋過程的穩(wěn)定進(jìn)行；其次，Kiss點(diǎn)較高可使鋁帶具有較大的塑性變形以消除鑄軋缺陷；最后，在實(shí)際連續(xù)鑄軋生產(chǎn)過程中，鑄軋輥輥面溫度長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，相比實(shí)驗(yàn)室鑄軋輥換熱效率降低，使得生產(chǎn)過程中鑄軋速度比實(shí)驗(yàn)室條件更慢。

不同鑄軋速度下鑄軋帶坯內(nèi)部晶粒形貌如圖7所示。可以看出，當(dāng)鑄軋速度為3 m/min、3.6 m/min時(shí)，晶粒主要以柱狀晶形式長(zhǎng)大。隨著鑄軋速度增大至4.2 m/min時(shí)，冷卻速度下降，鋁液內(nèi)部形核率降低，在鋁帶芯部出現(xiàn)粗大的等軸晶，邊部為粗大的柱狀晶。對(duì)不同鑄軋速度下鋁帶進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。通過對(duì)比可以看出，隨著鑄軋速度升高，鋁帶的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，而延伸率差異不大。

3.2 銅輥套鑄軋實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用銅輥套進(jìn)行鑄軋實(shí)驗(yàn)，澆鑄溫度、輥縫寬度、熔池高度均與鋼輥套鑄軋保持一致，設(shè)置鑄軋速度分別為6 m/min、8 m/min、10 m/min、12 m/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。當(dāng)鑄軋速度為6 m/min、8 m/min、10 m/min時(shí)，制備所得板帶表面質(zhì)量良好。而當(dāng)鑄軋速度提高到12 m/min時(shí)，發(fā)生漏液，無法鑄軋出板帶。因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下銅輥套鑄軋的最快速度可近似為10 m/min，為鋼輥套最快鑄軋速度的約2.5倍。

不同鑄軋速度實(shí)驗(yàn)得到的鋁帶微觀組織形貌如圖9所示。與鋼輥套類似地，鑄軋速度從4 m/min提升至6 m/min、10 m/min，鑄軋區(qū)熱量輸入增加，鑄軋輥對(duì)鑄軋區(qū)冷卻效果逐漸降低，鋁液形核率變差，帶坯內(nèi)部晶粒尺寸相應(yīng)地從10 μm逐漸增加至20 μm和70 μm。如表3所示，為三種鑄軋速度工況下板帶的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率。可以看出，隨著鑄軋速度升高，板帶屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與延伸率均呈下降趨勢(shì)。

4 雙輥鑄軋穩(wěn)態(tài)傳熱熱流計(jì)算

4.1 雙輥鑄軋穩(wěn)態(tài)傳熱熱阻模型

雙輥鑄軋工藝的穩(wěn)態(tài)傳熱如圖10所示，鑄軋區(qū)熱阻由鋁液、凝固坯殼、接觸界面、鑄軋輥套、鑄軋輥冷卻水界面和冷卻水組成。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，液態(tài)純鋁釋放的熱量最終全部傳遞至兩鑄軋輥內(nèi)冷卻水。1/2液態(tài)純鋁向一側(cè)鑄軋輥傳熱的總熱流量q可表示為

q=Tin-Twater-inR，（1）

其中，Tin為對(duì)稱面鋁液溫度，Twater-in為冷卻水溫度，R為鑄軋區(qū)熔池對(duì)稱面向鑄軋輥內(nèi)冷卻水傳熱的熱阻。熱阻可表示為

R=Rmelt+Rshell+Rshell-roll+Rroll+Rroll-water，（2）

其中，Rmelt為液態(tài)鋁熱阻，Rshell為固態(tài)鋁熱阻，Rshell-roll為鋁與輥套的接觸熱阻，Rroll為輥套熱阻，Rroll-water為輥套與冷卻水的接觸熱阻。凝固坯殼和鑄軋輥的傳熱方式為熱傳導(dǎo)，因此熱阻可通過各自的導(dǎo)熱率λ和厚度δ計(jì)算，可以表示為

R=δλ，（3）

鋁液與鑄軋輥、鑄軋輥與冷卻水的熱阻，可參考文獻(xiàn)［17］，認(rèn)為界面接觸熱阻為界面換熱系數(shù)的倒數(shù)，可以表示為

R=1h，（4）

故鑄軋區(qū)內(nèi)的總熱阻為R=δmeltλmelt+δshellλshell+1hshell-roll+δrollλroll+1hroll-water。（5）

4.2 銅輥套與鋼輥套穩(wěn)態(tài)傳熱熱流計(jì)算

為了量化銅輥套相較于鋼輥套對(duì)鑄軋區(qū)冷卻作用的增強(qiáng)效果，分別取鑄軋區(qū)入口與鑄軋區(qū)出口進(jìn)行熱流量對(duì)比。

在鑄軋區(qū)入口，無凝固殼存在，δshell=0，δmelt可由幾何關(guān)系計(jì)算得到，為14.86 mm。導(dǎo)熱系數(shù)均可通過表1得到，輥套厚度為30 mm。因此通過式（5）可計(jì)算得到，鋼輥套與銅輥套鑄軋時(shí)鑄軋區(qū)入口處熱阻分別為0.000 831（m2·K）/ W，0.000 241（m2·K）/W。

已知鋁液澆鑄溫度為680 ℃，假設(shè)冷卻水入口溫度均為25 ℃，將上述熱阻代入式（1），可得鑄軋區(qū)入口處熱流量分別為788.5 kW/m2、2 713.3 kW/m2?？梢钥闯?，銅輥套鑄軋相較于鋼輥套鑄軋時(shí)，在鑄軋區(qū)入口處，熱流量增至4倍。

在鑄軋區(qū)出口處，鋁液已全部完成凝固，δmelt=0，固相厚度與鑄軋區(qū)出口厚度保持一致，為2 mm，故δshell=1 mm。假設(shè)鑄軋區(qū)出口溫度均為600 ℃。使用上述方法，計(jì)算得到出口處的熱流量分別為856.3 kW/m2、6 995.5 kW/m2?？梢钥闯?，相同出口溫度時(shí)，銅輥套鑄軋相較于鋼輥套鑄軋，在鑄軋區(qū)出口處，熱流量增加至8倍。

因此，在不改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，將鑄軋所使用的鋼輥套更換為銅輥套，可使鑄軋區(qū)熔池向鑄軋輥傳遞的熱流增加約4～8倍，鑄軋速度可提高至2.5倍。

5 結(jié)論

本文通過不同材料鑄軋輥鑄軋鋁帶的數(shù)值模擬與鑄軋實(shí)驗(yàn)，探究了銅輥套與鋼輥套可實(shí)現(xiàn)的最快鑄軋速度，隨后建立了雙輥連續(xù)鑄軋過程中的熱阻模型，計(jì)算了銅輥套與鋼輥套穩(wěn)態(tài)鑄軋時(shí)的熱流，得到了如下結(jié)論：

1） 模擬結(jié)果表明，相同Kiss點(diǎn)高度條件下，銅輥套鑄軋速度約為鋼輥套的2.5倍。以Kiss點(diǎn)位置不低于鑄軋區(qū)高度1/3作為條件，鋼輥套最快鑄軋速度為4 m/min，銅輥套最快鑄軋速度為10 m/min。

2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，以不發(fā)生漏液為前提，與模擬結(jié)果保持一致。鋼輥套與銅輥套鑄軋板帶的微觀組織與力學(xué)性能測(cè)試均表明，隨著鑄軋速度的提高，晶粒尺寸逐漸增加，抗拉性能逐漸降低。

3） 熱阻模型表明，由于銅輥套相較于鋼輥套具有更強(qiáng)的強(qiáng)導(dǎo)熱性，將鋼輥套替換為銅輥套，在實(shí)驗(yàn)鑄軋機(jī)工況條件下，熔池向鑄軋輥傳熱熱阻大幅下降，使得穩(wěn)態(tài)鑄軋時(shí)的熱流量增至4～8倍。

上述結(jié)果均表明，在不改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使用銅輥套替代鋼輥套，能夠大幅增加熱流，從而提高鑄軋速度。上述研究結(jié)果能夠?yàn)楣I(yè)化鑄軋機(jī)提速改造提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

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Quantitative study on improvement of twin roll casting speed of aluminum strip by copper roll sleeve

ZHAO Ridong1，2， HUANG Huagui1，2， FENG Miao1，2， SUN Jingna1，2， YUAN Xili3， SONG Jianmin3

（1. School of Mechanical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China; 2. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China;

3. Zhuoshen Non-ferrous Metals Plant & Equipment Co. Ltd.，Baoding， Hebei 072750， China）

Abstract： In order to quantify the effect of copper roll sleeve versus steel roll sleeve on the improvement of casting speed in the process of twin roll casting， a two-dimensional heat-flow coupling model was established， and the fastest casting speed of copper roll sleeve and steel roll sleeve was explored and verified by experiments. The simulation results and experimental results show that the fastest casting speed of copper roll sleeve is twice that of steel roll sleeve. Then the steady-state thermal resistance model of twin roll casting was established. Through analysis， it was found that under the same conditions， the heat flow of copper roll sleeve is 4～8 times higher than that of steel roll sleeve. The above research theoretically quantifies the improvement effect of the heat exchange capacity of the copper roll sleeve relative to the steel roll sleeve， and provides theoretical guidance for the speed-up transformation of the industrial casting mill.

Keywords： twin roll casting; copper roll sleeve; steel roll sleeve; casting speed; thermal resistance