一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法和装置

本发明属于双辊铸轧，具体涉及一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法和装置。

背景技术：

1、双辊薄带概念的提出距今已经超过一个半世纪，但基本技术特征并没有变化，也在有色金属领域取得了巨大的成功，是制备铝及其合金薄带的标准方法。在钢铁领域，各主要经济体均对双辊薄带工艺进行了密集的研发，美国nucor在2000年前后率先实现钢铁薄带的商业化生产。nucor将双辊薄带的商业化的取得归功于时代进步下的工业整体实力的增强，具体包括四个方面：控制（high speed computing and process control）；材料（advanced ceramics and materials）；传感器（sensing technology）；数学模型（mathematical modeling of physical phenomena）。尽管nucor取得了商业化成功，但有一名叫luiten的博士生，在他的博士研究生阶段，广泛采访了国际上从事双辊薄带研究的相关人员，最终认为双辊薄带自诞生以来并无决定性、影响深远的进展。luiten博士在他的博士学位论文中，详细阐述了他的采访过程和结论。目前，世界上四条商业化运行的双辊薄带生产线（美国、墨西哥、中国），都建立在nucor最初的基础之上。nucor成功的原因至今没有公开，但是，nucor的工艺路线在可制备的钢种成分上具有一定的局限性。相比与有色金属，双辊薄带工艺在钢铁领域的发展是缓慢的。各研究机构反映的失败原因有很多，根本在于研究人员无法对熔池传输行为进行准确的把握，而熔池传输行为是工艺稳定性和铸带质量控制的基石。

2、由于双辊铸机构造独特，在发明人提出示踪方法（发明专利申请号：2021101226378；发明名称：一种表征双辊铸轧过程中熔池内传输行为的方法）和kiss角测量方法（发明专利申请号：2021112909655；发明名称：一种测量双辊铸轧kiss角的方法）之前，世界上并无直接研究熔池中传输过程的实验手段。示踪方法的技术基础是发明人首次发现的熔池内湍流分区现象。关于熔池内湍流分区现象，可参考文献：《physical andcomputational study of a novel submerged entry nozzle design for twin-rollcasting process》（journal of iron and steel research international, 2021,p1390-1399）。kiss角测量方法利用凝固过程中元素浓度分布差异来捕捉坯壳穿越两相区时的发展过程，kiss角测量方法没有利用熔池锭的组织特征，是因为急停方法获得的熔池铸锭的相变过程是复杂的，急停瞬间所得的组织特征仍然在变化。

3、在缺乏实验手段的情况下，研究人员认为熔池内的凝固坯壳生长规律像附图1中所描述的那样。附图1是领域内的常识，但从未被实际实验证实。附图1可参考文献：《progress in twin roll casting of magnesium alloys, a review》(journal ofmagnesium and alloys, 2021,p362-391);《simulation of microstructures insolidification of aluminum twin-roll casting》(transactions of nonferrousmetals society of china, 2012, p1452-1456)。

4、根据附图1，领域内人员提出用辊缝浮动方法来增强工艺稳定性和改善铸带质量。

5、辊缝浮动是指，铸轧过程中，以驱动装置驱动两结晶辊中至少一个结晶辊运动，使得两对向旋转的结晶辊的相对位置发生变化。两结晶辊的最小距离处称为辊缝，辊缝的中点称为nip点，在三维空间，辊缝为一个面，nip点为一条线。辊缝开度是指两结晶辊间的最小距离，在无辊缝浮动发生时，两结晶辊的辊轴所在平面称为基准平面。辊轴是指结晶辊自转时的旋转轴线，旋转轴线是假想的辅助线。

6、传统的辊缝浮动方法有两种，分别如附图2和附图3所示。附图2所示为零角度运动方法（发明专利申请号2017800317704，发明名称：操作双辊薄带连铸机以减少颤动的方法）。附图3所示为垂直运动方法（发明专利号：2007101853779，发明名称：振动式双辊薄带铸轧机）。

7、附图2和附图3所示的现有技术存在的关键问题是：工艺稳定性差，可制备的钢铁材料成分非常少，钢种的两相区宽了不行，窄了也不行，即使现在能够商业化制备的钢种，也存在卡带、断带、侧封板漏液、侧封板损坏等常见的工艺稳定性问题，出熔池的铸带容易出现常见的“脊梁”、“蛇蛋”和“鸡蛋灌饼”等缺陷，铸带厚度波动较大，铸轧力波动较大，铸轧力也称结晶辊顶紧力，有时也称铸力。一个半世纪以来，工艺稳定性难题和铸带质量问题没有更好改善的关键在于：缺乏研究实际熔池传输行为的方略，附图1解释不了技术人员实际遇到的多样化工艺稳定性难题和铸带质量问题所蕴含的科学机理。

技术实现思路

1、发明人根据示踪方法和kiss角测量方法得到图4中所示结果（见申请号为2021112909655的中国专利文献），在某个时间段，熔池内的“凝固坯壳”其实是像附图4中所示那样发展的。附图1和附图4的区别在于：附图1中，两条曲线汇聚成kiss点；附图4中，两条直线汇聚成kiss点。附图4的实验结果表明，附图1的认识在本质上是错误的。附图4的示意图如附图5所示，附图5是基于示踪技术和kiss角测量技术绘制出的，附图5也是国际上首次清晰、完整地描述了存在长程剪切变稀界面时，熔池内的传输行为特征。

2、发明人后续的研究表明，附图4中所观察到的两条直线实际为两个长程剪切变稀平面，这两个长程剪切变稀界面是类周期性崩溃的。熔池中存在类周期性的物质、动量和能量传输行为，如附图6至附图10所示。

3、附图6并不是一个持续稳定存在的阶段，由于多因素导致熔池底部两相区变宽，熔池下部出现长程剪切变稀界面，长程剪切变稀界面汇聚成kiss角，形成附图7。由于汇聚成kiss点的两个长程剪切变稀界面具有不同的速度方向，因此，kiss点实际是不存在的，kiss点实际为一个高度紊乱的区域，这个区域的范围很小，但具体有多小，目前还很难给出具体的数值，发明人根据多年研究经验，认为应该在几个微米至几十个微米的级别。

4、附图7中，长程剪切变稀界面阻碍了结晶辊驱动力的传递，导致两长程剪切变稀界面所夹区域的物质无法获得移出熔池所需的驱动力，因此，kiss角物质不易更新。kiss角物质的难以更新会促使长程剪切变稀界面进一步发展，形成附图8。两长程剪切变稀界面（或长程剪切变稀平面）汇聚所形成的kiss角物质不易更新。

5、附图8中，长程剪切变稀界面继续发展，熔池中冷区面积扩大，冷区温度持续降低。熔池深度是一定的，当冷区范围增加、温度降低后，热区范围相应收缩、温度升高，冷区和热区的温差进一步加大，熔池传输环境极端化。长程剪切变稀界面的持续发展对熔体流动范围展现出抑制效果。半固态金属的剪切变稀行为是不稳定的，受熔池底部温度的持续降低，长程剪切变稀界面自然崩溃，形成附图9。

6、附图9中，长程剪切变稀界面崩溃，长程剪切变稀界面两侧物质焊合在一起，熔池中的剪切挤压区瞬间变为轧制区，剪切过程瞬间变为轧制过程，引起熔池中压力的陡然升高，形成压力峰值。长程剪切界面崩溃会产生三种可能：结晶辊转动停止，如，结晶辊被长程剪切变稀平面两侧物质焊合后的卡停；强烈的轧制过程，并引发足以中断工艺进程的后果，如，峰值压力作用于侧封板，导致侧封板被顶开，引发侧封板处漏液，峰值压力也会使得侧封板损坏和\或侧封板附着物脱落；强烈的轧制过程，但并未引发足以中断进程的后果，如，裂纹、铸带厚度均匀性降低。靠近结晶辊端部的位置，由于温度较低，压力峰值更高。熔池中的峰值压力还会大幅磨损结晶辊，降低关键设备服役寿命。

7、附图10中，冷区为剧烈轧制区，轧制区物质移出熔池，冷区面积缩小，热区向下移动，布流区温度下降，冷区温度上升。附图10回到附图6，由于热区具有较高的温度，可能出现横贯铸带的“亮线”，“亮线”的存在可以证明沿辊身方向，传输过程的周期性具有同步性。

8、本发明专利申请文件与附图2和附图3所示传统方法的不同之处在于，发明所基于的出发点不同：本发明是基于附图4至附图10中的认识，而附图4至附图10是发明人利用在示踪方法和kiss角测量方法在国际上首次得到的；附图2和附图3所示传统方法是根据附图1而来的，而附图1所示的现象是领域内的错误认知造成的。

9、本发明专利申请文件与附图2和附图3所示传统方法的不同之处还在于，效果不同：本发明专利申请文件中，运动辊的运动方向指向附图4和附图5中所示长程剪切变稀界面；附图2和附图3中，结晶辊的运动方向不指向熔池中的长程剪切变稀界面。

10、针对背景技术中的不足，本发明提出一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法和装置，该方法和装置采用与现有技术完全不同的思路，半固态金属剪切变稀理论和发明人所进行的双辊薄带实验表明，本发明所提方法和装置能够极大改善现有技术中因熔池中压力峰值过高所引起的多样化的工艺稳定性问题，并能够改善铸带质量。

11、本发明提供了一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，取垂直于第一结晶辊的辊轴的任意一个平面φ，所述第一结晶辊在所述平面φ的投影为以点o1为圆心的圆形，第二结晶辊在所述平面φ的投影为以点o2为圆心的圆形，所述第一结晶辊和\或所述第二结晶辊为运动辊，所述运动辊在所述平面φ的投影的圆心的运动轨迹与线段o1o2所在直线的位置关系为斜交。所述斜交所成的角称为斜交角。

12、所述运动结晶辊在所述平面φ的投影的圆心的运动轨迹可能是直线，也可能是弧线。若所述运动辊在所述平面φ的投影的圆心的运动轨迹是弧线段，则取该弧线段上任一点（不包括端点）的切线，此时的斜交角为该切线与线段o1o2所在直线的斜交角。

13、结晶辊的运动轨迹为直线还是弧线，应由设备的构造来认定，若设备的设计是使得结晶辊的运动轨迹为直线，那么，即使由于铸轧过程中的载荷使得所述运动轨迹发生变形，则该变形的运动轨迹仍应被认定为直线；若设备的设计是使得结晶辊的运动轨迹为弧线，那么，即使由于铸轧过程中的载荷使得运动轨迹变形，则该变形的运动轨迹仍应被认定为弧线。

14、由于实际结晶辊的垂直于结晶辊辊轴的截面不可能是完美的圆形，存在制造和\或特意设计的非圆辊形，且在工作状态下的负载也会使得结晶辊变形，因此，结晶辊在所述平面φ的投影应认为是近似的圆形，所述圆心应被认为是质心。特别的，举个例子来说明，若结晶辊在所述平面φ的投影为矩形（或任意多边形），则该矩形应被认为是近似的圆形，该矩形（或任意多边形）的质心应被认为是该近似圆形的圆心。

15、所述运动结晶辊在所述平面φ的投影的圆心的运动轨迹可能是直线，也可能是弧线。所述弧线是指具有一定弧度的、连续的线型。所述弧线包括圆弧、椭圆弧、抛物线。曲线可以分解为若干弧线。

16、本发明申请书中，圆心o1和o2为起始圆心，所述起始圆心定义为结晶辊运动开始时的点。当运动结晶辊在开始运动的瞬间，其在所述平面φ的投影产生的圆心即为起始圆心，起始圆心的定义是为方便说明斜交角。领域内普通技术人员完全可以理解，圆心o1和o2是辊缝浮动未发生时，两结晶辊在所述平面φ的投影的圆心。未发生辊缝浮动时，在三维空间，两结晶辊的辊轴所构成的平面被称为基准平面。未发生辊缝浮动时，所述第一结晶辊在所述平面φ的投影为以点o1为圆心的圆形，所述第二结晶辊在所述平面φ的投影为以点o2为圆心的圆形。

17、进一步地，一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，所述运动辊在所述平面φ的投影的圆心的运动轨迹为直线段。

18、进一步地，一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，在所述平面φ，所述运动辊的投影的圆心的运动轨迹是弧线段。

19、进一步地，一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，所述斜交的角不大于60度，所述斜交角不小于3度。

20、进一步地，一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，所述斜交的角在6度至15度的范围。

21、进一步地，一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，所述斜交的角是变化的或恒定的，所述运动辊的运动是周期性的或非周期性的。

22、进一步地，一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，所述运动辊的运动可以是周期性的或非周期性的。所述运动辊的运动要素包括运动速度、运动幅度、运动频率、与o1o2所在直线的角度，所述运动辊的运动要素中的任一项的变化可以是周期性的或非周期性的。

23、进一步地，一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法，第一结晶辊和第二结晶辊均为所述运动辊，所述第一结晶辊以恒定的所述斜交角δ运动，所述第二结晶辊以恒定的所述斜交角η运动，所述δ与所述η相同或不同。

24、一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法的装置，包括所述第一结晶辊、所述第二结晶辊、第一结晶辊轴承座、第二结晶辊轴承座、机架，利用所述机架的几何形状约束所述结晶辊的运动行为，所述机架的几何形状是指所述结晶辊的轴承座与所述机架发生相对运动时，所述轴承座与所述机架相互接触区域的几何形状，所述第一结晶辊通过所述第一结晶辊轴承座连接在所述机架上，所述第二结晶辊通过所述第二结晶辊轴承座连接在所述机架上；所述第一结晶辊或/和所述第二结晶辊为所述运动辊，所述运动辊与驱动机构相连接，所述驱动机构驱动所述运动辊及其轴承座在所述几何形状的约束下运动；其中，所述驱动机构驱动所述运动辊及其轴承座的运动，是指所述运动辊相对机架的运动，不包括运动辊本身的自旋转运动；

25、取所述第一结晶辊的辊轴和所述第二结晶辊的辊轴所构成的平面ψ，则由所述机架的几何形状产生的所述约束应使得所述第一结晶辊的辊轴和\或所述第二结晶辊的辊轴的运动轨迹的所在的平面与所述平面ψ斜交。所述平面ψ是指未发生辊缝浮动时，第一结晶辊的辊轴和第二结晶辊的辊轴所在平面。由于实际结晶辊的垂直于结晶辊辊轴的截面不可能是完美的圆形，存在制造和\或特意设计的非圆辊形，且在工作状态下的负载也会使得结晶辊变形，因此，垂直于结晶辊辊轴的截面应认为是近似的圆形，圆心应被认为是质心，两个所述结晶辊的辊轴应被认为是在某个平面的平行的两条直线。所述第一结晶辊的辊轴和\或所述第二结晶辊的辊轴的运动轨迹的所在的平面与所述平面ψ斜交，当所述运动轨迹为曲面时，所述运动轨迹所在的平面为一系列切平面。

26、进一步地，一种装置，所述斜交的角在1.5至15度的范围或30至45度的范围。

27、进一步地，一种装置，所述第一结晶辊在机架的约束下运动，所述第二结晶辊固定，所述第一结晶辊的辊轴扫过的面是平面或曲面。所述第一结晶辊的辊轴视为理想的直线，所述平面或曲面的认定应从机架的设计上来推断，若所述机架的约束是曲线型的，则所述辊轴扫过的面就是曲面。部分平面和部分曲面的组合应被认定为曲面。所述倾斜机架和\或所述曲线型机架上设置有轨道，用于降低所述第一结晶辊轴承座和\或所述第二结晶辊轴承座运动阻力。

28、本技术文件中所涉及方法，不仅可用于钢铁薄带，也包括但不限于利用双辊铸轧方法制备复层薄板带、铝合金薄板带、铜合金薄板带，高熵合金薄板带。

29、本发明的有益效果为：本发明通过一种用于双辊薄带工艺的结晶辊运动方法和装置，以更有效率的促使长程剪切变稀界面提前崩溃，阻止长程剪切变稀界面过度发展所造成的熔池中部分物质无法更新，避免熔池中因长程剪切变稀界面过度发展后崩溃所造成的足以导致工艺失稳发生的峰值压力，抑制因熔池峰值压力过高所产生的侧封板漏液、侧封板损坏、卡带、断带、裂纹，降低辊缝浮动过程中对结晶辊顶紧力波动幅度，提高铸带厚度均匀性，达到稳定工艺过程和提高铸带质量的效果。