CN112986527B - 一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法：持续地向熔池中注入液态金属，沿着结晶辊的工作面投放示踪基材，示踪基材用于在熔池中释放与液态金属之间构成相界面的示踪粒子；利用结晶辊带动示踪基材向液态金属的凝固界面迁移；在示踪基材完全经过凝固界面之前，使结晶辊的转速骤降为零，同时，停止向熔池中注入液态金属并使熔池内的液态金属骤冷至凝固形成铸锭，从熔池中取出铸锭；剖切铸锭以形成暴露扩散至铸锭内部的示踪粒子的切面；利用示踪粒子在铸锭中扩散情况，获取关于被铸轧金属在熔池内传输行为的信息。基于上述传输行为信息，便于利用缺陷形成机制调整双辊铸轧的工艺参数，可以提高产品质量和达到高效优化双辊铸轧工艺的效果。

Description

一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法
技术领域
本发明属于双辊铸轧领域，具体地，涉及一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法。
背景技术
双辊铸轧是目前生产金属薄带的重要方法，该方法在有色金属和钢铁材料均取得了巨大的商业化成功。作为以凝固为最终目的的制备工艺，其原理是将金属液通过布流***注入到由对向旋转的结晶辊与侧封板共同围成的熔池，侧封板一般由耐火材料构成，结晶辊内通水冷却。熔池内的熔融金属液在对向旋转的结晶辊表面降温，双辊铸轧的平均冷却速率接近1000℃/s，因此，其凝固速度要比常规工艺大约快1000倍左右，经过熔池底部的轧制过程后，最终在熔池出口处离开熔池，形成毫米级的金属铸带，熔融金属液转化为固态的金属铸带的位置称为熔融金属在双辊铸轧***中的凝固界面。与常规的连铸连轧技术相比，双辊铸轧具有显著的低能耗、低排放，是一种“绿色”技术。
根据现有的加工经验，双辊铸轧工艺大多数不稳定性是由实现铸轧功能的熔池内不均匀热流的传输行为所造成的。然而，由于双辊铸轧设备独特的构造和实验手段的缺失，使得实现铸轧功能的熔池就像一个“黑盒子”，尽管双辊铸轧提出距今已有160余年，但在国际上，尚没有准确、直观的方法可表征熔池内的传输行为。目前所取得的巨大商业化成就还是建立在经验，而非建立在坚固的理论认识基础之上。表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为，对于扩展双辊铸轧工艺的应用领域，改进工艺参数控制策略和提升铸带质量具有极为重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，以实现准确、直观地了解液态金属在双辊铸轧***的熔池内的传输情况，便于及时调整双辊铸轧的工艺参数，优化双辊铸轧的铸轧效果、提高铸带质量。
根据本发明的一个方面，提供一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，包括以下步骤：步骤一，向由两个结晶辊与侧封板共同围成的熔池中投放被铸轧金属，沿着至少一个结晶辊的工作面投放示踪剂；步骤二，在结晶辊的工作状态下，结晶辊带动示踪剂向被铸轧金属的凝固界面迁移，此期间，示踪剂向被铸轧金属扩散；步骤三，在达到预设时间时，使结晶辊的转速骤降为零，与此同时，停止向熔池中投放被铸轧金属并使熔池内的被铸轧金属骤冷至凝固形成铸锭，从熔池中取出铸锭；步骤四，在铸锭中，以铸锭的宽度逐渐收窄的方向为铸锭的y轴，沿y轴或平行于y轴的方向剖切铸锭，以形成暴露扩散至铸锭内部的示踪剂的切面；步骤五，利用示踪剂在铸锭中的分布情况表征被铸轧金属在熔池内的传输行为。利用上述方法，可以表征双辊铸轧过程中熔炉内的传输行为，便于研究铸带缺陷形成过程中的复杂传输机制，有利于构建双辊铸轧工艺与铸带质量的关联关系，进而高效优化双辊铸轧工艺的效果。在实际操作的过程中，研究示踪剂在铸锭中的分布情况的方法可选但不限于目测、仪器分析。可以根据实际应用场景选择合适的示踪基材，示踪基材需要满足能够向待铸轧的液态金属中释放可扩散的示踪粒子，示踪粒子的形态可以是但不限于固体粉末、采用壳包裹着粉末、液滴、溶胶。
优选地，在示踪剂向被铸轧金属扩散的过程中，示踪剂与被铸轧金属之间存在相界面。由此，便于观察示踪粒子的扩散行为。
可选地，示踪基材在结晶辊启动前或启动后加入。
优选地，示踪剂为金属材料。金属材料的热稳定性较高，以金属材料作为示踪剂，有利于避免示踪剂的引入对铸轧工艺的传输行为带来难以排除的干扰。
优选地，示踪剂的熔点低于熔池内温度；在步骤二的过程中，示踪剂以液滴的形式向被铸轧金属扩散。优选地，选择沸点高于液态金属的温度的材料作为示踪剂。由此，示踪剂在熔池内始终不发生汽化，避免气态物对熔池内的浆液传输带来过于激烈的扰动，有利于示踪剂扩散情况准确地反应熔池内的传输行为。
优选地，在步骤一中，利用呈固态的示踪剂实施投放操作。固态物料便于投料与定位。
优选地，在步骤一中，贴合结晶辊的工作面投放示踪剂。
优选地，在示踪剂进入熔池之前，将示踪剂固定在结晶辊的工作面上。
尽可能地使示踪剂与结晶辊保持同步运动，有利于示踪剂对结晶辊工作面的质能交换情况的还原，有利于准确反映熔池内的传输行为。
优选地，呈固态的示踪剂为条状或带状。
优选地，在步骤三中，使两个结晶辊反向旋转，以取出铸锭。
优选地，在步骤四中，还包括对切面的后处理操作，后处理操作包括打磨、抛光、刻蚀中的至少一种。
附图说明
图1为双辊铸轧***的结构示意图；
图2为实施例1制得的楔形铸锭的剖面实物图；
图3为实施例1制得的楔形铸锭的亮银色区域的扫描电镜图；
图4为对图3所示区域的能谱分析结果图。
以下附图中所涉及的附图编号的对应关系如下：1.被铸轧金属，2.示踪剂，3.结晶辊，4.水口。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
本实施例利用纯铝作为被铸轧金属1，开展双辊铸轧试验，所采用的的铸轧设备为常规的双辊铸轧机，包括控制***、布流***、结晶辊3和侧封板，本实施例的结晶辊3为钢材质，结晶辊3直径为160mm，辊身长200mm，采用耐火材料制成，两个结晶辊3与侧封板围成熔池，布流***的水口4位于熔池的上方，如图1所示。此外，本实施例利用呈长条状的固态金属纯铜作为示踪剂2，该固态金属铜的横截面呈长方形，厚度为0.5mm。在其他实施方式中，作为示踪剂2的材料不限于固态铜单质，示踪剂2的横截面也不限于方形，如可以选择横截面呈圆形、齿状、三角形等等。
将作为被铸轧金属1的铝基材熔融至液态，过热度控制在15℃，通过布流***的水口4注入熔池中，参照图1，将作为示踪基材的固态金属铜定位在其中一个结晶辊3的工作面的中轴线上，启动铸轧机的结晶辊3，两个结晶辊3以5m/min的转速对向转动，内部通水冷却，然后将液态的被铸轧金属1经由布留***注入熔池内，开始铸轧。在铸轧开始后的第20秒，利用铸轧机的控制***对结晶辊3实施紧急制动，与此同时，停止向熔池内注入被铸轧金属1，并通过向熔池内的自由液面喷水冷却的方式使熔池内的金属浆液骤冷，至形成楔形铸锭。使围成熔池的两个结晶辊3反向旋转并逐渐分离，从而把该楔形铸锭从熔池中取出。以楔形铸锭的宽度逐渐收窄的方向为楔形铸锭的y轴方向，沿y轴方向剖切楔形铸锭，并对楔形铸锭的切面依次进行打磨、抛光、氢氧化钠清洗的平滑处理，经过上述处理后的楔形铸锭如图2所示。如图2，能够清楚辨认出楔形铸锭的右侧形成亮银色区域(图2中箭头所指示)。
推测上述楔形铸锭切面处的亮银色区域是由于示踪剂2进入熔池后向位于熔池中部的液态铝中扩散所形成的。利用扫描电镜以及能谱仪对上述亮银色区域进行分析，其结果如图3、图4所示，根据能谱分析的结果(图4)，既能够检出铝元素，也能够检出铜元素。由此说明，在上述双辊铸轧的过程中，与结晶辊3同步运动的示踪剂2在被铸轧的被铸轧金属1中发生了扩散，由于示踪剂2的扩散使得位于熔池中被铸轧金属1内部形成清晰的亮银色区域。通过观察亮银色区域，可清楚的看到上述铸轧过程中的被铸轧金属1在熔池底部形成的两相区、结晶辊3表面快速剪切层的变化趋势、轧制区域的起始位置。通过分析液态金属在熔池底部两相区形态，可以发现，在当前的轧制工艺条件下，熔池中部存在一个大区域的呆滞区(相当于上述亮银色区域)，该区域的液态金属与结晶辊3表面的快速移动层的交界面发生动量、质量、能量交换，交界面的行为决定了铸带的芯部质量。
以上述亮银色区域的底端作为凝固界面的具***置(即轧制开始位置)，通过确定凝固界面的具***置，以凝固界面到楔形铸锭顶端的距离作为上述铸轧过程中的轧制区的长度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，向由两个结晶辊与侧封板共同围成的熔池中投放被铸轧金属，贴合至少一个所述结晶辊的工作面投放呈固态的示踪剂，在所述示踪剂进入所述熔池之前，将所述示踪剂固定在所述结晶辊的工作面上，所述示踪剂的沸点高于所述熔池的温度；
步骤二，在所述结晶辊的工作状态下，所述结晶辊带动所述示踪剂向所述被铸轧金属的凝固界面迁移，此期间，所述示踪剂向所述被铸轧金属扩散；
步骤三，在达到预设时间时，使所述结晶辊的转速骤降为零，与此同时，停止向所述熔池中投放所述被铸轧金属并使所述熔池内的被铸轧金属骤冷至凝固形成铸锭，从所述熔池中取出所述铸锭；
步骤四，在所述铸锭中，以所述铸锭的宽度逐渐收窄的方向为所述铸锭的y轴，沿所述y轴或平行于所述y轴的方向剖切所述铸锭，以形成暴露扩散至所述铸锭内部的所述示踪剂的切面；
步骤五，利用所述示踪剂在所述铸锭中的分布情况表征所述被铸轧金属在所述熔池内的传输行为。
2.如权利要求1所述表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，其特征在于：在所述示踪剂向所述被铸轧金属扩散的过程中，所述示踪剂与所述被铸轧金属之间存在相界面。
3.如权利要求2所述表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，其特征在于：所述示踪剂为金属材料。
4.如权利要求1所述表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，其特征在于：呈固态的所述示踪剂为条状或带状。
5.如权利要求1所述表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，其特征在于：在所述步骤三中，使两个所述结晶辊反向旋转，以取出所述铸锭。
6.如权利要求1～5任一项所述表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法，其特征在于：在所述步骤四中，还包括对所述切面的后处理操作，所述后处理操作包括打磨、抛光、刻蚀中的至少一种。
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