專利名稱：雙輥連鑄薄帶凝固的物理模擬方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連鑄薄帶凝固物理模擬方法及其實現(xiàn)裝置，屬金屬凝固組織生長
過程物理模擬及控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雙輥薄帶連鑄被認為是生產(chǎn)厚1 10mm薄帶最有前途的一種近終形連鑄技術(shù)，其主要優(yōu)點在于使用它可以省去熱軋工藝過程，并可以節(jié)省大量成本。由于這種工藝能從熔融金屬直接鑄出小于10mm厚的薄帶，從而省去了昂貴和復(fù)雜的熱軋設(shè)備，和常規(guī)的生產(chǎn)工藝相比，既可以減少設(shè)備投資，又可以降低生產(chǎn)成本30%以上。此外，由于快速凝固和直接成型的特點，采用雙輥薄帶連鑄技術(shù)還有可能改善材料性能，并可望解決某些材料塑性差和難加工的問題，在這方面，雙輥薄帶連鑄將起到重要的作用。它與傳統(tǒng)的連續(xù)鑄鋼相比，將鑄造和熱軋合為一個操作，既顯著縮短了生產(chǎn)步驟，又節(jié)約了大量的能源。由于它在經(jīng)濟和冶金上的突出特點，因而在世界范圍內(nèi)開展了許多工作來發(fā)展該工藝。
雙輥式薄帶連鑄技術(shù)已經(jīng)在連鑄不銹鋼、碳鋼上有應(yīng)用，取得了一些研究成果。雙輥薄帶連鑄過程具有亞快速凝固的特點(冷卻速速率為102_1031(/8)，可以用來生產(chǎn)塑性差、難加工的材料，還能改善材料性能。這一技術(shù)在連鑄硅鋼薄帶上得到了越來越重要的應(yīng)用。 薄帶連鑄技術(shù)的基本原理是將金屬液澆入兩個逆向旋轉(zhuǎn)的金屬輥子，輥子與兩側(cè)的側(cè)封之間形成熔池區(qū)，經(jīng)過輕微軋制和復(fù)雜的熱傳導(dǎo)過程而形成薄帶。金屬液接觸水冷輥套部分經(jīng)傳導(dǎo)散熱，首先成為半凝固層，然后在雙輥的逆向轉(zhuǎn)動下進入吻合點，并最終成為薄帶。所以，薄帶連鑄中金屬凝固過程的最主要特征有兩點一是激冷條件下的亞快速凝固，二是銅輥的軋制作用。 現(xiàn)在對于薄帶連鑄凝固的研究，一是直接分析工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，二是采用實驗鑄機改變實驗條件研究， 一般的薄帶連鑄模擬試驗機都采取雙輥或單輥的形式，這兩種方法都存在實驗成本高，實驗周期長，實驗數(shù)據(jù)采集困難等問題。尤其是這些裝置存在一個嚴重的問題，就是都不能實時采集薄帶凝固過程中的溫度、應(yīng)力和收縮等重要數(shù)據(jù)，不能為薄帶凝固研究提供最有力的證據(jù)。 因此現(xiàn)在對薄帶連鑄過程的研究急需在研究方法上找到一個突破口，亦即如何能夠規(guī)避上述兩種方法的種種缺點，實現(xiàn)連鑄過程的實驗室準確模擬。其關(guān)鍵技術(shù)在于(l)找到一個準確模擬薄帶凝固過程的方法，這種方法能夠模擬連鑄過程中傳熱傳質(zhì)過程，能夠模擬連鑄過程中金屬晶體的生長過程。(2)能夠制造實現(xiàn)上述模擬方法的裝置。如果能夠在這兩個關(guān)鍵點上獲得突破，將極大地提高薄帶連鑄研究水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的提供了一種雙輥連鑄薄帶凝固的物理模擬方法，并開發(fā)出一套實現(xiàn)上述模擬方法的裝置。
本發(fā)明提出了一種能模擬薄帶連鑄過程中凝固組織生長過程及研究其凝固基本 規(guī)律的方法。本發(fā)明在發(fā)現(xiàn)薄帶連鑄生產(chǎn)中組織轉(zhuǎn)變過程有一定相似性的基礎(chǔ)上，改變傳 統(tǒng)薄帶連鑄單輥或雙輥的形式，從而更好的實現(xiàn)了對薄帶連鑄過程凝固組織生長過程的物 理模擬。 本發(fā)明的雙輥連鑄薄帶凝固的物理模擬方法采用輥板模型實現(xiàn)連鑄薄帶凝固過 程的物理模擬，輥板模型保留了薄帶連鑄激冷和擠壓兩個特征；銅輥和銅板靠齒輪齒條嚙 合傳動，銅板背面布置快速反應(yīng)熱電偶，采集薄帶凝固時的溫度數(shù)據(jù)；在輥板的縫隙處安裝 應(yīng)力應(yīng)變傳感器，采集薄帶凝固收縮產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變；輥板系統(tǒng)置于真空室內(nèi)，并可充氣 氛保護，保證金屬(如硅鋼)需要的特定氣氛；將金屬料置于感應(yīng)坩堝內(nèi)熔煉并保溫，達 到所需溫度后澆注，同時銅輥開始旋轉(zhuǎn)，銅板被帶動向下平移，金屬液在二者縫隙內(nèi)形成熔 池，然后進入輥板縫隙，凝固并軋制成型；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時采集溫度和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；該 方法特征在于 1)結(jié)晶器由銅輥和銅板組成，銅輥和銅板的間隙可調(diào)，二者線速度相同并可調(diào)速， 傳熱條件與雙輥薄帶連鑄機接近； 2)銅板背面安裝熱電偶，輥板的縫隙處安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，用來采集薄帶凝固 過程的溫度、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)； 3)真空或氣氛保護環(huán)境熔煉金屬料，有效降低夾雜；
4)澆注過程可以施加物理場。 要用薄帶凝固對連鑄過程進行較為準確的模擬，首先要能夠?qū)崿F(xiàn)薄帶連鑄的傳熱 條件的模擬，冷卻強度要與實際的雙輥薄帶連鑄接近；其次要能夠?qū)崿F(xiàn)薄帶的順利成型和 數(shù)據(jù)的實時采集。影響薄帶質(zhì)量的因素很多，要起到物理模擬的效果，對模擬試驗的工藝要 求也很苛刻，薄帶連鑄的拉坯速度要可控，通過調(diào)試達到最佳工藝；最后，某些特殊金屬如 硅鋼等的熔煉需要特定的氣氛條件，而且薄帶在凝固過程中也易氧化，所以也需要特定的 保護氣氛。 本方法改變了傳統(tǒng)的雙輥或單輥模型，采用輥板模型實現(xiàn)連鑄薄帶凝固過程的物 理模擬。輥板模型保留了薄帶連鑄激冷和擠壓兩個特征，其提供的薄帶凝固過程及凝固組 織與雙輥薄帶凝固過程及凝固組織相似。銅輥和銅板靠齒輪齒條嚙合傳動，可保證二者的 線速度相同。銅板上穿孔布置快速反應(yīng)熱電偶，采集薄帶凝固時的溫度數(shù)據(jù)；背面附鋼板支 撐，避免軋制時銅板變形；在輥板的縫隙處安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，采集薄帶凝固收縮產(chǎn)生的 應(yīng)力和應(yīng)變。輥板系統(tǒng)置于真空室內(nèi)，并可充氣氛保護，保證金屬(如硅鋼)需要的特定氣 氛。 本發(fā)明開發(fā)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)對連鑄薄帶凝固過程模擬的裝置。針對于上述模擬方 法的要求，設(shè)計了可控制加熱溫度和拉坯速率的薄帶連鑄裝置。本裝置在幾何相似的基礎(chǔ) 上，減小裝置的規(guī)模，能節(jié)約實驗成本和試驗周期，并能巧妙的模擬薄帶連鑄的凝固過程研 究其凝固基本規(guī)律。本裝置的輥板系統(tǒng)即結(jié)晶器可將數(shù)據(jù)采集的傳感器布在銅板的背面， 整個數(shù)據(jù)采集過程與薄帶凝固的過程相同步。該物理模擬裝置主要由熔煉及澆注系統(tǒng)、鑄 軋(輥板)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動力及控制系統(tǒng)、真空及充氣系統(tǒng)和施加物理場系統(tǒng)組成。 本發(fā)明裝置特征如下 熔煉及澆注系統(tǒng)由感應(yīng)坩堝、熔煉電源、同軸電纜、激光測溫儀、反饋電路、控溫儀表和澆注機構(gòu)組成。完成金屬的熔煉和澆注過程。 鑄軋(輥板)系統(tǒng)輥板靠齒輪齒條嚙合；銅輥位置固定，并可與齒輪同步旋轉(zhuǎn)； 兩齒條間安裝銅板，后襯鋼板，并且銅板與銅輥的間隙連續(xù)可調(diào)。實驗時將金屬液澆注于輥 板之間，通過齒輪齒條嚙合實現(xiàn)輥板的相對運動，實現(xiàn)模擬連鑄薄帶凝固過程的目的。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由快速熱測控軟件系統(tǒng)、壓力傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、熱電偶和 工控機構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集的傳感器布在銅板的背面，整個數(shù)據(jù)采集過程與薄帶凝固的過程相 同步。 動力及控制系統(tǒng)，由調(diào)速電機、傳動機構(gòu)、PLC控制程序及工控機等組成，實現(xiàn)澆 注、鑄軋動作及其關(guān)聯(lián)動作。拉坯速度通過控制自轉(zhuǎn)的銅輥帶動銅板的同步運動速率來控 制。結(jié)晶器的間隙即所鑄帶坯厚度可通過調(diào)節(jié)輥板間隙來實現(xiàn)。通過程序控制的動作將澆 注和鑄軋協(xié)調(diào)起來。 真空及充氣系統(tǒng)，對于易氧化的金屬在熔煉和凝固過程中都需要一定的氣氛保 護，本裝置的熔煉系統(tǒng)與結(jié)晶器置于同一真空腔體內(nèi)。 施加物理場系統(tǒng)，由脈沖電源、導(dǎo)線和電極組成；電極置于熔池內(nèi)，澆注過程中施 加脈沖電流。 本裝置不僅能實現(xiàn)薄帶連鑄凝固物理模擬，而且能施加物理場(如脈沖電流)來 研究物理場作用下薄帶連鑄的凝固過程。通過物理場的加入，研究不同的生長條件下的晶 體生長過程，開發(fā)一種薄帶連鑄凝固組織控制技術(shù)。 本發(fā)明裝置具有的主要參數(shù)為加熱溫度區(qū)間室溫 1700°C ，輥板的間隙在0 10mm間可調(diào)(調(diào)節(jié)步長0. 5mm)，拉伸速率在0 lm/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，坩堝容量為500 1000g (硅鋼，密度為7. 6g/cm3)，真空室極限真空度為1. 3 X 10—3Pa，壓升率為0. 7Pa/h。


圖1為本發(fā)明模擬連鑄薄帶凝固過程的方法示意圖，(a)原理圖(b)效果圖。
圖2為本發(fā)明薄帶凝固模擬裝置示意圖。 圖3為本發(fā)明薄帶凝固模擬裝置動作示意圖(a)熔煉(b)澆注
圖1、2、3中各數(shù)字代號表示如下 1.銅輥2.熔池3.銅板4.鋼板5.工控機6.控制柜7.控溫儀8.數(shù) 據(jù)傳輸線 9.數(shù)據(jù)采集模塊 10.真空室 11.氣缸 12.同軸電纜 13.傳動機構(gòu) 14.調(diào)速電機15.電纜 16.熔煉電源 17.真空系統(tǒng)18.齒輪19.感應(yīng)坩堝20.保 溫層21.激光測溫儀22.齒條23.導(dǎo)軌
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖將本發(fā)明的具體實施例進一步說明如后。 本實例采用工業(yè)純鋁做試驗設(shè)定澆注溫度75(TC，薄帶厚度2mm。首先將純鋁料 清洗、吹干，置于熔煉坩堝19內(nèi)，閉合真空室10，抽真空至2 X 10—3Pa，然后充氬氣至-0. 5大 氣壓左右。實驗開始打開工控機準備采集溫度，打開加熱電源，開始加熱。鋁液在75(TC保 溫5min，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，然后澆注。坩堝19旋轉(zhuǎn)，金屬液澆下，同時鑄軋(輥 板)系統(tǒng)開始動作。澆注持續(xù)約10s，薄帶順利澆下并成型。實驗結(jié)束，系統(tǒng)復(fù)位。采集的數(shù)據(jù)用于計算薄帶凝固過冷度、收縮率及應(yīng)力應(yīng)變。 實現(xiàn)本發(fā)明目的的雙輥連鑄薄帶凝固的物理模擬裝置(圖2、圖3)主要由熔煉及 澆注系統(tǒng)、鑄軋(輥板)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動力及控制系統(tǒng)和真空及充氣系統(tǒng)組成。圖 3(a)、 (b)分別示意熔煉和澆注時裝置的狀態(tài)。 熔煉及澆注系統(tǒng)由感應(yīng)坩堝19、熔煉電源16、同軸電纜12、激光測溫儀21、反饋 電路、控溫儀表和澆注機構(gòu)組成。完成金屬的熔煉和澆注過程。本系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱方式 熔化金屬料，熔煉時坩堝19上方蓋保溫層20，以減少熱耗散、降低能耗。澆注時，保溫層20 被氣缸11提起；坩堝19由同軸電纜支撐并置于真空室內(nèi)，同軸電纜與熔煉電源連接；激光 測溫儀21測得坩堝19內(nèi)金屬料的溫度，經(jīng)反饋電路傳送給控溫儀表，實現(xiàn)控溫。
鑄軋(輥板)系統(tǒng)輥板靠齒輪18齒條22嚙合連接；銅輥1與齒輪18同軸，其位 置固定，通過聯(lián)軸器與調(diào)速電機14的傳動機構(gòu)13聯(lián)接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動；兩根齒條22間安裝銅板 3，后襯鋼板4，并且銅板3與銅輥1的間隙可沿導(dǎo)軌23連續(xù)調(diào)節(jié)。鑄軋(輥板)系統(tǒng)安裝 在真空室10內(nèi)；實驗時將金屬液澆注于輥板之間，通過齒輪18齒條22嚙合傳動實現(xiàn)輥板 的運動，實現(xiàn)模擬連鑄薄帶凝固過程的目的。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由快速熱、應(yīng)力應(yīng)變測控軟件、壓力傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、熱電 偶、傳輸線8和工控機5構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集的傳感器布在銅板的背面，整個數(shù)據(jù)采集過程與薄 帶凝固的過程相同步。傳感器采集的薄帶鑄軋過程的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸線傳送到工控機，由快速 熱、應(yīng)力應(yīng)變測控軟件采集并記錄。 動力及控制系統(tǒng)，由調(diào)速電機14、傳動機構(gòu)13、 PLC控制程序及工控機5等組成， 實現(xiàn)澆注、鑄軋動作及其關(guān)聯(lián)動作。拉坯速度通過控制自轉(zhuǎn)的銅輥1帶動銅板3的同步運 動速率來控制。結(jié)晶器的間隙即所鑄帶坯厚度可通過調(diào)節(jié)輥板間隙來實現(xiàn)。通過程序控制 的動作將澆注和鑄軋協(xié)調(diào)起來。 真空及充氣系統(tǒng)，由真空室10、真空系統(tǒng)17及充氣系統(tǒng)組成；對于易氧化的金屬 在熔煉和凝固過程中都需要一定的氣氛保護，本裝置的熔煉系統(tǒng)與輥板機構(gòu)置于同一真空 腔體內(nèi)，精簡機構(gòu)、減小裝置規(guī)模。 施加物理場系統(tǒng)，由脈沖電源、導(dǎo)線和電極組成；電極置于熔池內(nèi)，澆注過程中施 加脈沖電流。
權(quán)利要求
一種雙輥連鑄薄帶凝固的物理模擬方法，該方法采用輥板模型實現(xiàn)連鑄薄帶凝固過程的物理模擬，輥板模型保留了薄帶連鑄激冷和擠壓兩個特征；銅輥和銅板靠齒輪齒條嚙合傳動，銅板背面布置快速反應(yīng)熱電偶，采集薄帶凝固時的溫度數(shù)據(jù)；在輥板的縫隙處安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，采集薄帶凝固收縮產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變；輥板系統(tǒng)置于真空室內(nèi)，并可充氣氛保護，保證金屬(如硅鋼)需要的特定氣氛；將金屬料置于感應(yīng)坩堝內(nèi)熔煉并保溫，達到所需溫度后澆注，同時銅輥開始旋轉(zhuǎn)，銅板被帶動向下平移，金屬液在二者縫隙內(nèi)形成熔池，然后進入輥板縫隙，凝固并軋制成型；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時采集溫度和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；該方法特征在于1)結(jié)晶器由銅輥和銅板組成，銅輥和銅板的間隙可調(diào)，二者線速度相同并可調(diào)速，傳熱條件與雙輥薄帶連鑄機接近；2)銅板背面安裝熱電偶，輥板的縫隙處安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，用來采集薄帶凝固過程的溫度、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；3)真空或氣氛保護環(huán)境熔煉金屬料，有效降低夾雜；4)澆注過程可以施加物理場。
2. —種用于權(quán)利要求1所述的雙輥連鑄薄帶凝固的物理模擬方法的裝置，該裝置由熔 煉及澆注系統(tǒng)、鑄軋(輥板)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動力及控制系統(tǒng)、真空及充氣系統(tǒng)和施加 物理場系統(tǒng)組成，該裝置特征在于1) 熔煉及澆注系統(tǒng)由感應(yīng)坩堝(19)、熔煉電源(16)、同軸電纜(12)、激光測溫儀 (21)、反饋電路、控溫儀表和澆注機構(gòu)組成；本系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱方式熔化金屬料，熔煉時 坩堝(19)上方蓋保溫層(20)，澆注時保溫層(20)被氣缸(11)提起；坩堝(19)由同軸電 纜支撐并置于真空室內(nèi)，同軸電纜與熔煉電源連接；激光測溫儀(21)測得坩堝(19)內(nèi)金屬 料的溫度，經(jīng)反饋電路傳送給控溫儀表，實現(xiàn)控溫；2) 鑄軋(輥板)系統(tǒng)輥板靠齒輪(18)齒條(22)嚙合連接；銅輥(1)與齒輪(18)同 軸，其位置固定，通過聯(lián)軸器與傳動機構(gòu)(13)聯(lián)接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動；兩根齒條(22)間安裝銅板 (3)，銅板(3)后襯鋼板(4)，并且銅板(3)與銅輥(1)的間隙可沿導(dǎo)軌(23)連續(xù)調(diào)節(jié)；鑄 軋(輥板)系統(tǒng)安裝在真空室(10)內(nèi)；3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由快速熱、應(yīng)力應(yīng)變測控軟件、壓力傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、熱電 偶、傳輸線(8)和工控機(5)構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集的傳感器布在銅板的背面，整個數(shù)據(jù)采集過程 與薄帶凝固的過程相同步；傳感器采集的薄帶鑄軋過程的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸線傳送到工控機，由 快速熱、應(yīng)力應(yīng)變測控軟件采集并記錄；4) 動力及控制系統(tǒng)，由調(diào)速電機(14)、傳動機構(gòu)(13)、 PLC控制程序及工控機(5)組 成，實現(xiàn)澆注、鑄軋及其關(guān)聯(lián)動作；拉坯速度通過控制銅輥(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，結(jié)晶器的間隙即 所鑄帶坯厚度可通過調(diào)節(jié)輥板間隙來實現(xiàn)，通過程序控制將澆注和鑄軋動作協(xié)調(diào)起來；5) 真空及充氣系統(tǒng)，由真空室(10)、真空系統(tǒng)(17)及充氣系統(tǒng)組成；本裝置的熔煉系 統(tǒng)與輥板機構(gòu)置于同一真空腔體內(nèi)；6) 施加物理場系統(tǒng)，由脈沖電源、導(dǎo)線和電極組成；電極置于熔池內(nèi)，澆注過程中施加 脈沖電流。
3. 按權(quán)利要求2所述的裝置，該裝置具有的主要參數(shù)為加熱溫度區(qū)間室溫 170(TC，輥板的間隙在0 lOmm間可調(diào)，調(diào)節(jié)步長為O. 5mm，拉伸速率在0 lm/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，坩堝容量為500 1000g，真空室極限真空度為1. 3X10—卞a，壓升率為0. 7Pa/h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連鑄薄帶凝固物理模擬方法及其實現(xiàn)裝置，屬金屬凝固組織生長過程物理模擬及控制領(lǐng)域。本方法采用輥板模型實現(xiàn)連鑄薄帶凝固過程的物理模擬，輥板模型保留了薄帶連鑄激冷和擠壓兩個特征，結(jié)晶器由銅輥和銅板組成，銅輥和銅板的間隙可調(diào)，二者線速度相同并可調(diào)速；銅板背面安裝熱電偶，輥板的縫隙處安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，用來采集薄帶凝固過程的溫度、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；真空或氣氛保護環(huán)境熔煉金屬料，有效降低夾雜；澆注過程可以施加物理場。該裝置由熔煉及澆注系統(tǒng)、鑄軋(輥板)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動力及控制系統(tǒng)、真空及充氣系統(tǒng)和施加物理場系統(tǒng)組成。加熱溫度區(qū)間室溫～1700℃，輥板的間隙在0～10mm間可調(diào)(調(diào)節(jié)步長0.5mm)，拉伸速率在0～1m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，坩堝容量為500～1000g(硅鋼，密度為7.6g/cm3)，真空室極限真空度為1.3×10-3Pa，壓升率為0.7Pa/h。
文檔編號B22D11/06GK101767190SQ20091019957
公開日2010年7月7日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者仲紅剛, 何先勇, 孫權(quán)志, 張榮德, 彭琴, 李仁興, 王磊, 翟啟杰 申請人:上海大學