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非晶薄带厚度控制研究进展

2014-9-30 9:15:21

(宝山钢铁股份有限公司 1.研究院   2.硅钢部 )
 
摘要:本文从纵向厚度和横向厚度两个角度介绍了非晶薄带厚度控制研究情况。就纵向厚度控制而言,主要影响因素有喷嘴间隙,辊嘴间距,冷却辊转速等工艺参数,并对各种厚度控制的经验公式进行了比较;实际生产中,纵向厚度控制主要是对辊嘴间距的控制。相对于纵向厚度控制,横向厚度控制更为复杂,主要分析了喷嘴横向形状、熔潭稳定性、冷却辊辊型三个主要因素对横向厚度的影响。非晶薄带厚度控制还必须结合相关制带工艺的研究,与带材厚度检测相结合,实现非晶带材厚度的自动闭环控制,才能进一步提高厚度控制水平。
关键词:非晶薄带;厚度控制;平面流铸法
 Progress in Research on Thickness Control of Amorphous Ribbons
Ma Changsong1, Liu Jinxue2, Sun Huande1, Xie shishu1
(1.Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co. ,Ltd.,2.Silicon Steel Department, Baoshan Iron & Steel Co. ,Ltd., )
 
Abstract: In this paper, progress in research on thickness control of amorphous ribbons is reviewed from the view of the thickness of longitudinal direction and cross-sectional direction. For the control of longitudinal thickness, the main process parameters are the gap of nozzle, the distance between nozzle and the wheel, the wheel velocity and the difference between empirical equation are compared. In the industry, the major method for the control of longitudinal thickness is to control the distance between nozzle and the wheel. Compared with longitudinal thickness, the  control of cross-sectional thickness is more complicated. The influnce of nozzle shape, the stability of puddle, wheel shape is discussed. Furthermore, it is important for the combination of the research of process prameters and the detection of thickness to achieve the closed-loop control and high level thickness control.
Keywords:amorphous ribbon  thickness control  planar flow casting
 
1 概述
      非晶薄带不同于传统晶体材料,其内部原子呈无序排列,具有优异的力学性能和软磁性能[1]。其中铁基非晶薄带已广泛应用于配电变压器领域,电机铁芯领域的应用也开始走向产业化[2]。相对于这两个领域使用的传统材料——硅钢而言,非晶薄带具有电阻率高、损耗低的特点,其不足之处在于其饱和磁感和叠片系数低[3]。目前通过改进成分、优化生产工艺,已成功开发出饱和磁感高达1.64T的非晶带材[4],但非晶薄带的叠片系数尚无明显进步。叠片系数与多种因素有关[5],如钢板表面光滑度和平整度、厚度偏差和同板差等。非晶带材由于厚度仅20~40µm,叠片时厚度偏差的放大效应更明显,导致叠片系数低,因此改善非晶带材厚度偏差是提高非晶带材叠片系数的有效途径。
      另一方面,按国家标准(GB 19345-2003-T 非晶纳米晶软磁合金带材)规定非晶带材厚度允许偏差为同一炉带材沿长度方向的厚度偏差应在平均厚度的士10%以内,在宽度方向的厚度偏差应在士0.002mm以内,也就是说,若带材平均厚度为30µm,长度方向上厚度偏差应控制在士3µm,宽度方向上厚度偏差应在控制士2µm。相对于进口带材,国产带材在厚度控制上仍存在不小的差距,图1为实测的国产与进口带材横向厚度情况(170mm宽),进口带材平均厚度为28µm,厚度偏差为2µm,而国产带材平均厚度为27µm,厚度偏差为5µm,且明显呈现一边薄一边厚。因此提高非晶带材的厚度控制显得非常重要。
 
 传统冷轧薄板厚度采用辊缝中的物质流量守恒原理进行自动厚度控制,轧制过程中施加弯辊、窜动,并配合CVC辊型等手段可得到较高的厚度控制精度[6]。与薄板冷轧厚度控制不同,非晶薄带的生产系一次成形,采用液态钢水浇注到冷却辊上,直接从固态变为液态,要求冷却速度达到106K/s,生产速度快,在厚度控制上存在较大难度。为此,本文对非晶薄带厚度控制的相关文献报道进行梳理,从纵向厚度和横向厚度两个角度(对应薄带长度和宽度方向),介绍非晶带材厚度控制情况和常见的控制方法,并对带材厚度控制的发展进行了展望。 
  
2 纵向厚度控制进展
      非晶薄带采用平面流注法生产,图2为生产流程图。熔炼好的非晶母合金钢液由中间包、喷嘴包浇注到高速旋转的冷却辊上形成非晶薄带,再经由压辊、卷取为非晶带卷。实际生产中为监控带材厚度情况,常在带材卷取前配置有测厚仪进行厚度监控。
 
 
2.1非晶薄带厚度的理论研究
      常见的平面流注法非晶制带工艺参数见表1[7]。由表1可见,非晶制带是一个高速、高温、高精度控制的过程,这也为厚度控制增加了难度。非晶薄带厚度取决于喷嘴间隙、辊嘴间距、冷却辊转速等[8],许多研究者[9-15]尝试采用这些参数进行非晶带材厚度的预测和控制,表2列出了部分相关非晶带材厚度的公式。由表2可见,非晶带材厚度影响因素较复杂,基本上与冷却辊速度成反比,与喷嘴间隙、辊嘴间隙成正相关。表2中的公式主要是依据伯努利方程及质量连续性方程进行推导,验证的设备和成分体系也不相同,因此得出的公式难以具有普适性,需要根据特定的生产设备和成分体系进行推导,如表2中的公式2为大生产情况下推导和验证的,应适合生产中采用。需要指出的是,带材厚度同时也受熔体温度的影响,这在表2的公式中体现较少。熔体温度主要指钢水的过热度,主要通过钢水黏度、表面张力及冷却过程对带材厚度造成影响[12]
表1 非晶带材制带工艺参数范围[7] 
Table 1 The range of process parameters of producing amorphous ribbon
工艺参数
 范围
带材厚度/µm
20~30
喷嘴间隙/mm
0.4~0.7
辊嘴间距/mm
0.1~0.4
制带温度/℃
1200~1400
冷却辊转速/(m·s-1)
20~30
喷嘴包液位/mm
300~500
 
 
表2 非晶带材厚度相关公式
Table 2 The thickness formula of amorphous ribbon
 
 
 注:t为非晶薄带厚度;G为辊嘴间距;b为喷嘴间隙;P为喷铸时氩气压力;v为辊面线速度;ρ为熔体密度;ρs为带材密度;We为Weber数;h为喷嘴包液位高度;g为重力加速度;S为喷嘴截面积;D为冷却辊直径;R为冷却辊转数;PO为喷嘴出口压力;Ks为带材热导率;Kw为熔潭与冷却辊界面传导系数;αs为带材热扩散系数;Tt为带材形成温度;Ts为熔潭与冷却辊界面温度;TL为熔体度;A1,B1,C1,A2,B2,K1,K2为系数
 
2.2非晶薄带厚度的生产控制
      虽然基于上述讨论,影响非晶薄带厚度的参数较多,但实际生产过程中,生产工艺往往对熔体温度、冷却辊转速等进行明确规定,这样操作者最容易控制的工艺参数主要是辊嘴间隙。因此,就非晶带材纵向厚度控制而言,一般先根据生产经验,预设辊嘴间隙,再根据带材厚度实绩对辊嘴间隙进行二次调节,这样大大提高了带材的厚度控制精度。但这种方法的前提是准确测定辊嘴间隙,通常辊嘴间距难以实现精确测定,原因在于辊嘴间距非常狭小,又处于流淌着高温熔融合金的恶劣环境当中,很难安装探测装置,因此绝大多数情况下辊嘴间距的调节依靠操作者的经验。目前主要采用间接测量的方法测定辊嘴间距,如采用通过测量旋转体和平动物体之间空气压强与大气压强之差,随旋转体和平动物体之间狭缝距离的变化,间接测定辊嘴间距[16]。安泰科技股份有限公司的专利[17]表明对于辊嘴间距的测定也可采用图像方法即通过长焦距镜头将狭缝放大并成像在CCD摄像机上,由计算机控制的图像采集卡从CCD摄像机上获取放大后的图像并显示在计算机屏幕上,计算机软件根据图像的光强分布确定狭缝边缘并动态跟踪,根据标尺定标后将辊嘴间距实时显示在计算机屏幕上,同时显示辊嘴间距。
      实际生产中,为实现恒定辊嘴间距控制,仍然需要考虑其他因素的影响,如阎仲亭等[18]考虑到高速旋转的冷却辊受高温而膨胀,使喷嘴包下端面与冷却辊之间的工作间隙发生变化,提出了对冷却辊的热膨胀进行自动跟踪的工艺方法,实现了非晶带材生产过程中的恒辊嘴间距控制。王强[19]基于BP神经网络对辊嘴间距数据的处理,对间距进行预测分析,仿真结果表明,辊嘴间距预测模型具有较好的预测精度。因此,实际生产过程中,带材纵向厚度的准确控制主要依赖于稳定熔体温度、冷却辊转速等参数的前提下,通过辊嘴间距调节获得,而这又依赖于辊嘴间距的检测。
 
3 横向厚度控制进展
      相对于纵向厚度控制,横向厚度控制更为复杂。图3为制带过程中熔潭区域的侧视图(熔潭为喷嘴与冷却辊接触部分的熔体)。由图3可知,熔体由液态从喷嘴流出到接触冷却辊固化成带材,其横向厚度即横截面形状,与三个条件有关:喷嘴横向形状、熔潭稳定性、冷却辊辊型,正如前述,这三者同时影响纵向厚度控制,而横向厚度主要与这三者的横向分布情况有关。
 
Fig.3 The side view of melt puddle zone of producing amorphous ribbon
 
3.1喷嘴对横向厚度的影响
     喷嘴在使用过程中,横向温度差异可以达到25~50℃[20],另外通过喷嘴处的熔体流场也会对制带过程造成影响[21],进而影响带材厚度。喷嘴形状主要通过两个方面影响流场[22],一是由于边界层效应喷嘴边部熔体比中部熔体流动速度慢,二是由于表面张力的影响导致边部熔体表面张力比中部熔体表面张力大,如不考虑冷却辊膨胀,上述影响的综合效果即是带材中部的厚度要比边部的厚度薄。因此,从喷嘴角度提高薄带横向厚度控制主要是进行合理的喷嘴的设计,这可从改善喷嘴处熔体横向温度及流场的均匀性角度考虑,如表3所示。按Chen[22]的报道最优的喷嘴为两边部为半球型的喷嘴,其次为锥角形状的,主要原因为使用半球型喷嘴有利于熔体横向流动均匀性及可获得较好的带材表面光洁度,这与青岛云路新能源科技有限公司[23]设计的弧形间隙喷嘴具有一致性。除了设计喷嘴间隙形状外,为配合冷却辊在制带过程中的辊型,安泰科技股份有限公司将喷嘴的底端面制备成沿喷嘴缝长度方向为弧形面,即弧形喷嘴[24];katsumi Kurokawa[25]采用底端面为曲线的新型喷嘴后,所制得带材横向厚度均匀性大大提高,如图4[25]所示。
表3 不同喷嘴形状
Table 3 Various nozzle shapes
 
 
 
 
 
Fig.4 Thickness distribution of amorphous ribbon manufactured by invention and the conventional nozzle
 
3.2熔潭稳定性对横向厚度的影响
      熔潭稳定性方面,除了熔体自身参数如黏度,表面张力等,前述提到的制带工艺参数对熔潭稳定性也起到很大的作用[26]。稳定的熔潭是获得优质非晶带材的前提条件,生产过程中要避免熔潭受到干扰和破坏[27]。生产中可采用气氛铸造的方法改善熔体的流动性,从而提高融潭稳定性,促进熔体横向流动的均匀性[28-30]。美国metglas公司[31]采用控制到达熔潭不同分散区段的气流方法,降低冷却辊表面与熔体之间的气泡形成和滞留,保证薄带宽度上提供均匀的带厚分布。近期,日立金属专利[32]提到制带过程中在熔融合金与喷嘴正下方的界面处提供浓度至多为5%体积的O2来提高熔体表面张力,进而改善熔潭稳定性。
3.3冷却辊型对横向厚度的影响
      冷却辊在非晶带材浇注过程中承受高温钢水长时间的冲刷,因此提高厚度横向均匀性主要是改进冷却辊横向冷却效果、提高冷却均匀性[33-34],另外不可忽视的是长时间制带后冷却辊产生的膨胀量变化,通过数值模拟表明,辊面沿圆周方向膨胀量变化小于10µm,但沿辊面宽度方向的膨胀量非常大,呈现中间高两边低的凸度形状[35],有研究表明膨胀量最大可达到350µm[36]。表4[36]为制带过程中冷却辊膨胀量,由表4可知,制带过程中需要控制冷却辊膨胀量保持在最优值,同时对应于不同的带材宽度存在不同的最优膨胀量值。为控制冷却辊辊型,青岛云路新能源科技有限公司采取对熔潭与冷却辊交界处的冷却辊加热 [37]和优化内部水路设计[38-40]的方法,提高厚度的横向均匀性。同时辊面温度也必须恒定控制,以保持非晶带材厚度尺寸稳定,如新日铁设计出的冷却辊恒温装置,可将辊温偏差控制在±10℃,带厚偏差控制在±0.01µm[41]
表4 制带过程中冷却辊膨胀量
Table 4  The swelling amount of cooling roll
带材宽度/mm
冷却辊表面膨胀量/µm
最优膨胀量/µm
80
100
160
106
120
260
142
180
350
      因此,从上述分析可知,提高非晶带材横向厚度精度需要统筹考虑喷嘴、冷却辊型准确设计和熔潭的稳定性的密切配合,单纯某一方面的调整往往达不到最佳的控制效果。
 
4 展望   
     由于非晶制带涉及高速旋转的冷却辊,高温钢水,狭小的辊嘴间距等恶劣的环境,因此必须开发稳定、可靠、高精度的辊嘴间距检测方法和装置,从而与带材厚度检测相结合,进一步实现非晶带材厚度的自动闭环控制,减少人为因素的干扰,这对于提高非晶带材的厚度控制精度具有重要意义。
其次要重视相关制带工艺的研究,如长时间制带后冷却辊膨胀量的变化规律,长时间钢水冲刷喷嘴的磨损规律等,这样才能准确的进行冷却辊辊型、喷嘴嘴型设计及二者的匹配性设计。非晶带材厚度控制实际上涉及材料学、传热学、流体力学等多学科知识,这就需要材料工作者拓宽自己的知识领域,发挥团队合作精神,加强相关设备及规律性研究,才能进一步提高厚度控制水平。
 
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