上方侧注式双辊铸轧1 050铝薄带的研究

 王  德  周  成  张友亮  付  远  程香平  胡  强

 （1．江西省科学院应用物理研究所；2．北京科技大学材料科学与工程学院）

 摘要采用上方侧注式双辊铸轧工艺制备了1050铝铸轧薄带，并观察了薄带金相组织。结果表明，1050铸轧薄带表面质量良好；薄带厚度随带坯长度的增加而先增加后趋于稳定。金相组织观察表明，上方侧注式双辊铸轧薄带上辊侧与下辊侧组织存在明显差异。上辊侧为等轴生长的凝固组织，下辊侧为轧制变形组织，且中间存在一条分界线，是由于轧制作用改善冷却条件所产生的。

 铝合金薄带连续铸轧在铝板带工业生产中占有重要地位。目前普遍应用的水平式或倾斜式双辊铸轧存在铸轧速度慢、生产效率低等缺点口。上方侧注式双辊铸轧是在单辊甩带法和双辊薄带连铸的基础上提出来的，旨在提高铝薄带铸轧的生产效率，同时扩大铝铸轧适用合金范围。前期研究中，已经对工业纯铅、Al-lOCu合金进行了试验与分析，结果表明，上方侧注式双辊铸轧能够以不低于36 m/min的速度制备带型良好的金属薄带。本课题将对1050工业纯铝铸轧薄带进行研究，讨论利用上方侧注式双辊铸轧制备1050铝薄带的宏观与微观组织特征，为深入理解上方侧注式双辊铸轧机性能，提高铸轧薄带质量提供参考。

1  试验方法

 采用纯度≥99. 5%（质量分数，下同）的工业纯铝1050作为试验材料，将铝锭置于熔炼炉中升温至(680±3)℃，待铝锭熔化后经搅拌、扒渣等操作，保温20min，待温度稳定后进行铸轧试验。全程试验中，熔炼炉内均采用Ar保护(流量18 L／min)。浇注时，布流器中液面高度为20 mm，闸门开口高度为3 mm，辊速为36～48 m／min，辊缝厚度为2 mm，上辊倾斜角度e=45°。上方侧注式双辊铸轧过程见图1。

 为研究1050铝薄带的组织特征，在轧制方向上取样，经预磨、抛光后用Keller试剂(95 mL的H2 0+2.5mL的HN03 +1.5 mL的HCl+1.0 mL的HF)腐蚀15～20 s，用酒精擦拭并吹干后，在金相显微镜下观察微观组织。

2  试验结果与讨论

2.1  1050铝薄带的宏观特征

 图2a为上方侧注式双辊铸轧制备的1050铝薄带卷，宽40 mm，厚2 mm。薄带表面较光滑，仅中间部位存在少量缺陷。观察薄带上下表面，发现上表面比较光亮，主要表现出凝固特征，很少有轧制的痕迹，而下表面则能清晰观察到轧制痕迹，见图2b和图2c。这是因为下表面金属先凝固，上表面在接触了上辊后才逐渐凝固。与Al-lOCu合金不同，1050纯铝凝固温度区间较窄，且材质较软。在进行Al-lOCu合金薄带铸轧时，其糊状区较宽，上下辊的挤压力实现了上下层凝固壳的焊合，但因强度较大而不能形成明显的变形组织。对于1050纯铝而言，由于其强度较低，加之上下表面凝固先后顺序不同及凝固潜热在较窄温度区间内释放，使得下表面凝固壳较厚，而上表面可能仍然处于凝固点附近。在经过辊缝时，下表面发生较明显的变形，而上表面只经受较轻挤压，变形不明显。

 图3为铝薄带在长度方向上的厚度分布。从图3可以看出，随着薄带长度的增加，厚度先增大最后趋于稳定。这种现象反映了上方侧注式双辊铸轧过程中辊缝的变化规律。由于经过辊缝时薄带产生了变形，上辊受到薄带变形抗力的作用被迫向外移动（主要是由于预紧弹簧的能力有限），辊缝逐渐增大。初期，由于铝薄带较薄，对辊缝的影响较小。随后由于凝固金属厚度的增加，变形抗力增大，辊缝逐渐增大。但当薄带变形抗力与预紧力达到平衡时，铸轧过程达到了稳态，辊缝不再增大，薄带的厚度也逐渐趋于稳定。从测量的结果看，厚度的偏差在5%以内。增加铸轧机刚性，可减小带坯厚度波动。但从试验情况来看，增加铸轧机刚性对于带坯的立板过程有不利影响（易造成“卡辊”），因此需要综合考虑进出口流量、浇注温度等因素，以获得连续的带型良好的带坯。

2.2 1050铝薄带微观组织特征

 图4为铸轧铝薄带沿轧制方向的微观组织。从图4a中可以看出，上辊面与下辊面的金相组织存在明显差异，下辊侧组织被拉长，这是明显的变形组织；而上辊侧虽有一定的取向，但基本上保持等轴生长，属于凝固组织。上下表面都存在一层很薄的细晶层，是受到辊面急冷而形成的。上方侧注式双辊铸轧铝薄带并没有表现出普通铝铸轧薄带的“人”字形晶粒特征，说明它们的凝固与变形过程存在差异。普通铸轧时，铝熔体与上下辊几乎同时接触，由于速度较慢，铝熔体以层流方式流动。在通过辊缝前，上下辊侧的凝固金属先焊合，随后经过辊缝的轧制作用形成薄带，铝薄带上下晶粒几乎成镜像对称分布。而对于上方侧注式双辊铸轧，铝熔体首先与下辊面接触，熔体上部分还处于流动状态，由于速度较快，熔体在辊面的拖拽及高度落差影响下，进入熔池时处于强烈的紊流状态。与上辊面接触并冷却形核的晶粒被搅动的流体“刮落”并随之进入熔池中心，随后等轴生长。因此上辊侧金相组织呈现出等轴凝固特征。虽然带坯上表面晶粒变形不大，但是仍然呈现出“扁平状”趋势，说明上辊起到了一定的挤压作用。而下辊侧金属由于经过长时间冷却已完成凝固，进入熔池时受熔体的搅动影响小，在通过辊缝时发生轧制作用。因此，下辊侧金相呈现轧制变形特征，见图4d。

 在薄带的中间部位，发现一道“分界线”，呈现出“单边羽毛状”，见图4b。其形成过程与铸轧过程传热行为有关：下辊侧由于凝固收缩，增加了熔体传热的热阻。在轧制力产生时刻（见图5a），熔体受压导致下辊侧金属与辊面的接触条件改善，界面传热系数增大(见图5b)，冷却速度增大，熔体中的热量通过已经凝固的固体铝导出，晶粒垂直于固体界面生长。由于上辊的带动及轧制力作用，晶粒产生一定角度的倾斜。随着与界面距离的增加，冷却速度减小，晶粒在紊流作用下表现出等轴生长特征。该现象验证了前期关于上方侧注式双辊铸轧传热行为的研究结果。

3  结  语

 通过对1050工业纯铝进行上方侧注式双辊铸轧薄带的试验研究，获得表面质量良好的铸轧铝薄带。薄带的厚度随长度的增加而增大并逐渐趋于稳定。薄带上辊侧的金相组织为等轴生长的凝固组织，而下辊侧则为轧制变形组织。由于轧制力改善冷却条件，使得中间分界线呈现“单边羽毛状”特征。