连续铸轧机的工作原理及各主要参数

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  连续铸轧机的工作原理及各主要参数2.1铸轧机的工作原理铸轧机的铸轧过程就是在两个相对旋转被水冷却的轧辊的辊缝间不断输入液态金属，通过冷却、铸造，连续轧出板卷坯料。2.1.1生产工艺流程Ar图42-2铸轧生产工艺流程图1-除气系统2-过滤系统Ar图42-2铸轧生产工艺流程图1-除气系统2-过滤系统3-液面控制4-铸咀5-铸轧机6-喷涂系统7-剪切机8-板卷12345678LL1L2L3L铸咀辊轴线-板带厚度h-金属凝固厚度L-铸轧区L1-固相区L2-固液区L3-液相区2.1.2铸轧区的建立(1)铸轧区的定义铸轧区是指两辊中心连线又称轧辊中心线到铸咀前沿之间的区域。铸轧区的长度是在铸轧开始前就已确定了，它由铸轧板厚、轧辊辊径、合金、设备能力及铸咀咀唇厚度确定。铸轧区设定的一般原则：a.铸轧板板厚增厚，铸轧区减短。b.铸轧辊辊径增大，铸轧区增长。c.铸咀咀唇厚度增加，铸轧区增长。d.设备轧制力大，铸轧区增长。e.纯铝、软合金铸轧区稍长，硬合金稍短。(2)铸轧区的三个区域铸轧区的三个区域见图42-3。铸轧区由固相区、固液区和液相区组成。L=L1+L2+L3(42-1)A.固相区固相区又称变形区或热加工区，此区域的金属已完全凝固，可近似表示为：LL1＝R·(h-h0)(42-2)固相区的热加工率表示为：＝――(42-3)h-h0ha.固相区随着铸轧速度的增加而减小，随铸轧区的增加而相应增加。b.在铸轧区和铸轧速度相同的条件下，板厚减薄，固相区增加。c.在此区域，轧辊对金属不断地进行冷却，轧制也一起进行，铸轧板出辊时的温度比固相线温度要低得多。在相同的板厚条件下，铸轧区愈大、铸轧速度愈慢、辊套厚度愈薄、其铸轧板出辊温度愈低，热加工率也愈高。B.固液区固液区又称糊状区或铸造区，在此区域的金属正处在凝固之中，其长短与合金的结晶区间有关，结晶区间大的合金，其区域稍长；纯铝和低合金较短。同时，由于铸轧时冷却速度较快，该区域较短。C.液相区液相区又称液穴区，该区域的金属全是液态。相同工艺条件下，其液穴的深度随下列参数变化：a.铸轧速度提高，液穴加深。b.铸轧区增大，液穴加深。c.板厚增加，液穴加深。2.2铸轧主要工艺参数2.2.1铸轧速度铸轧速度是指铸轧板的出板速度。铸轧速度与铸轧辊线速度相比有一定的前滑量，辊径不同，前滑量不同，前滑量一般为6～10％左右。铸轧速度是由液穴确定的，当铸轧速度增加到某一临界值时，结晶前沿朝着铸轧辊出口平面移动，由于冷却不及时，液穴加深，直至金属来不及凝固，液态金属从辊缝流出，影响正常轧制。因此铸轧速度存在着一个极限速度，即在临界液穴稳定轧制的最大速度。在生产中要获得较高的铸轧速度，结晶前沿在整个板宽上均匀一致是很重要的(图42-4)。但由于受金属流动性、温度场分布、轧辊的冷却能力、辊面状态等因素的影响，结晶前沿在整个板宽上是不一致的，有时甚至很不均匀(图42-5)。当铸轧速度超过极限速度时，会出现局部渗漏。在铸轧过程中，要保持连续铸轧的稳定性，主要是调整铸轧速度，使铸轧速度与液体金属在铸轧区内的凝固速度成一比例，铸轧速度过大，熔融金属冷却不足，呈液态状被轧辊带出；铸轧速度过小，液态金属在铸轧区内停滞时间过长，过度冷却，会造成液态金属凝固于铸咀内，破坏铸轧过程。2.2.2铸轧区铸轧区是连续铸轧的关键参数，其受影响的因素很多，如辊径、板厚、合金、铸咀咀唇厚度等，其变化范围可达50mm左右，但在相同工装条件下，其变化范围较小。在相同铸轧条件下，铸轧区增加，凝固区也增加，可提高铸轧速度。但当铸轧区超过一定值时，铸轧速度却变化不大；每一种合金规格，都有其获得最大速度的铸轧区。铸轧速度相同时，铸轧区增加，其加工率、轧制力和轧制力矩增大。相同铸轧速度条件下，铸轧区增加，传热能力增加，铸轧板出辊温度降低。铸轧辊辊径增大，铸轧区可以相应增加。2.2.3冷却强度铸轧板的凝固与冷却都是由辊套的蓄热量来保证的，当辊套与金属接触时，辊套很快变热，接触后热量扩散，辊套整个温度上升；最后经循环水将辊套冷却，热量由循环水吸收而排出。其排出的热量多，则表示冷却强度大。在铸轧过程中，冷却强度增大，有利于凝固结晶和铸轧速度提高。在相同的铸轧速度条件下，冷却强度的增加，热加工率、轧制力和轧制力矩增大。影响冷却强度的因素很多，如轧辊的材质、辊套壁厚、辊芯结构、冷却水水温和流量等。(1)辊套的材质辊套材质的导热性愈好，冷却强度增加。(2)辊芯结构有利于增加冷却水流量和传热面积的辊芯结构其冷却强度增加。(3)辊套的厚度辊套厚度减薄，辊套与液态金属接触时热交换加快，使辊面温度降低，循环水的冷却能力提高。(4)冷却水温和流量在铸轧过程中，金属与轧辊接触，其热量由金属进入辊套被存储起来，然后通过辊套传递给冷却水排出。这期间水不直接冷却金属，其作用是冷却辊套。由冷却水带走的热量Q1可由下式计算：Q1=W·(Tc-Tr)·Cw(42-4)式中：W-水的总流量Tc-水的出口温度Tr-水的入口温度Cw-水的比热由金属凝固至出板释放的热量Q2可由下式计算：Q2=m·[(T1-T2)·CL+L+(T2-T3)·CS](42-5)式中：m-金属质量T1-与辊接触时液态金属的平均温度T2-金属熔点T3-离开轧辊时固态金属的平均温度CL-液态金属比热CS-固态金属比热L-金属结晶潜热热交换平衡时：Q1=Q2(42-6)金属的质量m，可用下式计算：m=Bρhv(42-7)式中：B-金属板宽ρ-金属密度h-板厚v-铸轧速度把式(42-4)、(42-5)和(42-6)合并得：V＝——————————————————V＝——————————————————(42-8)B·ρ·h·[(T1-T2)·CL+L+(T2-T3)·CS]w·(Tc-Tr)·Cwa.冷却水流量增加，铸轧速度提高；b.板厚减薄，铸轧速度提高；c.由ΔT=Tc-Tr可知，只要ΔT是相同的，其带走的热量亦是相同的。但是实际生产中水温升高ΔT将使辊套表面温度上升ΔT，辊套表面温度的变化会影响热交换，进水温度的降低，有利于降低辊面温度，提高热交换能力，来提升铸轧速度。一般认为：入口水温在18～22℃时，热交换最有利。(5)冷却水压冷却水压增加，可促进冷却水加速循环，有利于提高冷却强度。2.2.4前箱液面高度在铸轧过程中要维持铸轧的连续性，除液穴深度外，前箱液面高度是一个极重要的参数。正常铸轧时，金属液穴在铸咀前沿与轧辊的间隙处存在一弯曲面，其表面膜的表面张力产生的附加压力P1为：P1P1＝——(42-9)d2σσ-表面膜张力系数d-咀辊缝隙在前箱液面高度下，熔体对铸咀间隙作用的静压力P2为：P2=2ρgh(42-10)式中：ρ-金属液体密度g-重力加速度h-液面高度正常铸轧时，静压力和表面张力处于平衡状态，即：P1=P2(42-11)由式(42-9)、(42-10)和(42-11)得h＝——(42-12)ρgd2h＝——(42-12)ρgd2σ前箱液面高度的调整，主要是调整前箱静压力和液膜表面张力的关系，在维持P1=P2平衡条件下，前箱液面越高，越有利于金属液体的供给，来保证金属结晶的连续性，使铸轧板获得较为致密的组织。前箱液面过低，静压力小，会造成金属供流不足或金属液体在铸轧区域局部过冷凝固，影响铸轧板质量，甚至造成铸轧中断。相同铸轧条件下，铸轧区增大，咀辊间隙增大，前箱液面高度的调节范围减小。2.2.5浇铸温度浇铸温度一般指前箱的液体金属温度。从式(42-5)可知，金属凝固至出板后释放的热量Q2与液态金属接触时的平均温度有关，浇铸温度的降低，其凝固释放的热量减少；同时浇铸温度愈低，传热能力提高，有利于提高铸轧速度。在铸轧生产中，浇铸温度一般控制在680～700℃，尽量把温度控制在下限。浇铸温度的控制是通过静置炉的温控实现的，其定温要最大限度地考虑到流槽的长度及温降。保证前箱液体金属温度的稳定，就是确保铸轧区内液穴的稳定，进而达到稳定铸轧。2.2.6合金成份合金元素和杂质，对连续铸轧机的运转有重要的影响，连续铸轧机大范围的应用于生产1×××、8×××、3×××系列合金，随着铁、硅、锰、锌等合金元素的增加，在其它相同的铸轧条件下：(1)铸轧速度相应降低；(2)轧制力、轧制力矩相应增加。2.3热交换理论上，在铸轧过程中，金属凝固过程释放的热量通过辊套的吸收后由冷却水排出。但在实际生产中，金属非接触面的辊套表面温度也升高了，主要是做为蓄热器的辊套，金属与其接触的时间很短(仅4～6秒)；热量进入辊套的传递深度有限，其所存储的热量基本上全部用来加热辊套本身，然后再由循环水带走，部分通过空气进行交换。Φ＝————＝——(42-13Φ＝————＝——(42-13)Tg-TlRRΔt式中：Tg-辊套表面温度Tl-金属的温度R-接触热阻(1)Δt愈大，R愈小，热交换愈有效。减小辊套厚度，降低冷却水温度，均可增大Δt。(2)在铸轧区内，液体金属与轧辊接触的瞬间，热交换能力最大；随着凝固和热加工，接触热阻不断降低，此时尽管接触热阻降低，但热交换变弱，根本原因是由于辊套温度逐渐变高，而金属板温度降低，Δt大幅度下降所致。(3)辊面状态的影响。当辊面存在较多的氧化物或绝热涂层、接触面潮湿等，接触热阻增大，热交换降低。当用新辊或重磨后的新辊生产铝板时，由于辊套表面温度低，与铝接触后需几小时才可以做到热平衡，有利于热交换；随着轧制的进行，辊面会逐渐被铝屑粘附在辊面上，从而改变其热交换条件。

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