D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.02.022 北京铜铁学晓学报 1983年第2期 液芯轧制 压力加工第三教研室唐伟骤黎最全* 摘 要 本文研究了液芯轧制时三维空间中金属流动，着重地研究了液芯率对轧制的 彩响。 试验指出，液芯率≤6%的钢锭是可进行正常轧制的。液芯轧制与普通轧制比 较，节省淞料80%，均热炉生产能力提高30%以上，减少燃损0.5%。 这项研究成果己用于初轧生产。 液芯轧制系指在钢锭芯部还存在着一定数量的未凝固的钢液条件下进行轧制。它是在本 世纪七十年代末期才开始研究的一项新的轧制技术·)，它能充份地利用浇铸后钢锭本身 在鞭固过程中放出的潜热，少加热，甚至不加热就可以进行轧制。这对于节能、降低金属损 耗、加速均热炉周转、用钢锭直接轧成钢材、减少偏析、保证产品质量、提高产量具有重要 的现实意义。 一、实验设计 为了把钢锭液芯轧制技术运用到生产实践中去，在实验室内进行了一系列试验3·！， 其主要目的在于弄清液芯锭轧制时的变形特点： 1.探讨液芯率、压下量和加热温度对液芯轧制（主要是轧件凸度）的影响规律，并找 出主要的影响因素。 A 2.研究液芯率与轧件凸度的定量关系，从中确定 出最大可轧液芯率。 液芯锭是以铅作为凝固外层，以塑料作为液芯部 分，其锭型与使用的F8.5吨沸腾钢锭相同，尺寸缩小 12倍（见图1)。液芯锭长度为160毫米，大头端部尺寸 为55×62毫米，小头端部尺寸为52×60毫米，液芯率分 别做成5%、6%、7%、8%、10%、12%、14%、18%、 图1液芯锭和液芯的形 状示意图 22%、30%。 试验是在二辊不可逆式轧机上进行的，轧辊形状和尺寸见图2。 试验用压下规程见表1。 酱该项研究成果己于1982年7月治金部召开的技术鉴定会上通过鉴定。 参加本银题的还有1977及1978届同学张承伸、韩畴、會建仲、钟永群及潭新才等。 24
北 京 栩 铁 学 映 学 报 年第 期 液 芯 轧 制 压 力加工 第三 教研 室 右伟操 殡 全 价 摘 典 本文研 究 了 液 芯轧制 时三 维空 间 中金 属 流 动 ， 着重 地研 究 了液芯率对 轧制的 形 响 。 试 验指出 ， 液 芯率 《 的钢锭是 可进行 正 常轧制的 。 液 芯轧制与普通 轧制 比 较 ， 节省燃 料 ， 均热炉生产 能力提 高 以上 ， 减少燃损 。 这书 研 究成果 己用 于初 轧生产 。 液芯 轧制系指在钢锭芯部还存在着一定数最 的未凝 固的钢液条件下进行轧制 。 它是在本 世纪七十年代末期 才开 始研究的一项新 的轧制技术 ‘ ” ” ， 它能充份地 利用代铸后钢 锭 本身 在凝固 过程 中放出的潜热 ， 少加 热 ， 甚至不加热就 可 以进行轧制 。 这对于节能 、 降低 金属 损 耗 、 加速均热炉周 转 、 用钢 锭直接轧成钢材 、 减少偏析 、 保 证产 品 质量 、 提高产量具 有重 要 的 现实意义 。 一 、 实验设 计 为 了把 钢锭液芯 轧制技 术运 用到生产实践 中去 ， 其主 要 目的在 于弄 清液芯锭轧 制 时的变形 特点 在实验室 内 进行 了一 系列试 验 “ ’ ‘ 探讨液芯率 、 压 下量 和加热温度对液芯轧制 主要是 轧件凸度 的影响规律 ， 并找 出主要的影响因素 。 研究液芯率与轧件凸度的定量 关系 ， 从 中确定 出最大可轧液芯率 。 液芯锭是 以铅作为凝 固 外层 ， 以塑料作 为液 芯部 分 ， 其锭型与使用 的 吨 沸 腾钢锭相 同 ， 尺 寸 缩小 倍 见图 。 液芯锭 长度为 。 毫米 ， 大头 端部尺 寸 为 毫米 ， 小头端部尺寸为 毫米 ， 液芯率分 别 做成 、 、 、 、 、 、 、 、 、 。 二 二 图 液芯锭 和 液芯的形 状示 意图 试 验是在二辊不可逆式 轧机 上进行的 ， 轧辊形状和尺 寸见图 。 试验用压下规程见表 。 该项研 究成果 己于 年 月 冶金 部召 开 的技术 鉴定会上 通过 鉴 定 。 参加 本裸题 的还 有 及 届 同 学张承 伟 、 韩 畴 、 曹 建 伟 、 钟永 群及 潭 新才 等 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．02．022
150 8 90 265 图2 轧辊形状和尺寸示意图 表1 压下规程 孔型 I 道次 2 钢 3 4 6 7 钢 9 10 11 12 翻 钢 13 14 翻 钢 15 轧件出口高度 毫米 6156 534843383328 51.744.237.530.8 27.521.7 27.5 试验分两步进行，首先采用正交试验设计研究了液芯率、压下量和加热温度对液芯轧制 的影响（见图3）。试验表明，液芯率影响最大，压下量次之，温度影响最小。因此，着重 地研究了液芯率对轧制过程的影响。为此，做了不同液芯率的液芯锭和普通锭（非液芯锭）的 轧制对比试验，试验结果如图3所示。 日 3 2 2 0 1012 120 160. 81012 液% 压下置拉m ()液芯事与凸度关系 (b)温度与凸度关系 (c)压下量与凸度关累 图3正交模拟试验各因素与凸度的关系 二、试验结果分析 液芯轧制与普通轧制比较有许多特点。 1.横向变形 液芯轧制通常只用于钢锭轧制，，它属于高（厚）轧件变形，因此轧件侧面容易产生凸 (凹)度，故轧件横向变形的主要特征表现为轧件侧面的凸（凹）度和宽度大小的变化。 我们把轧件中部横截面的最大宽度与该处上下表面的平均宽度之差的一半称为凸度，规 定：凸度取“十”值，凹度取“-”值，在没有特别指明的情况下，统称为凸度，如图4 所示。 当轧件侧面呈凸形时， 25
表 图 轧辊形状和尺 寸示 意图 压下规程 孔型 ， 翻 月 人 白 钢 任 ， 】 纂 丽压 】 ‘ 一 到呈竺巴盈竺 试 验 分两步 进行 ， 首先采 用 正交试验 设计 研 究 了液芯率 、 压下量 和 加热温度 对液芯轧制 的 影 响 见图 。 试验 表 明 ， 液芯 率影响最 大 ， 压下量 次之 ， 温度影 响最小 。 因此 ， 着重 地 研 究 了液芯 率 对轧制 过程 的影响 。 为此 ， 做 了不 同液芯 率的液芯锭和普通锭 非液芯锭 的 轧制 对 比试验 ， 试验结果如 图 所示 。 日 日 创 红 图 正 交模 拟试 验各 因素与凸度 的关 系 二 、 试 验结 果 分 析 液芯 轧制 与普 通 轧制 比较有许多特点 。 横 向变形 液芯轧 制通常只 用 于钢锭 轧制 ， ， 它属 于高 厚 轧件变形 ， 因此轧件侧 面 容易产生 凸 凹 度 ， 故轧件横向变形 的 主 要 特征表 现为 轧件侧面 的 凸 凹 度和 宽度大小的 变 化 。 我们 把 轧件 中部横截面 的 最大宽度与该 处 上下表面 的平均宽度之差 的一半称为凸度 ， 规 定 凸度取 “ 十 ” 值 ， 凹度取 “ 一 ” 值 ， 在 没有 特 别 指 明的 情 况下 ， 统 称为 凸度 ， 如图 所示 。 当轧件侧面 呈 凸形 时
凸度名 B中-B上艺 B上+B下 毫米 当轧件侧面呈凹形时， 由图4可见： 四度=号1+，毫米 (1)当液芯率≤6%时， 11 在所有道次中均产生凹度。 (2)当液芯率在7~8% 10 范围内轧制时，仅在I孔轧 0 22% 制的后几道次中出见小凸 8 度。 (3)当液芯率≤14%， 7 在I孔轧制时，轧件均产生 18% 凹度，且随道次增加，凹度 5 增加。 4.在I孔轧制时，凸 度明显增大。液芯率越大， 液心率=30% 14% 增大的程度越明显。这是因 12% 为由I孔翻后进入【孔轧制 10% 时，钢锭凝固层厚度变为上 8% 下厚，两侧薄，故使轧件凸度 11 215 0 显著增大。因此，【孔的第 7% 道次 一道次是液芯轧制中轧件产 生凸度的关键道次。 5% ·在没有孔型侧壁(I孔)-3 液芯率=0% 影响的条件下，轧件凸度与 液芯率成正比。液芯率越 图4 在模拟试验条件下，不同液芯率时的轧 制道次与轧件凸度的关系 大，凸度越大（见图6）。 液芯轧制和普通轧制的轧制表面宽度和中部宽度是不一样的，其差值称为宽度差。为了 排除孔型侧壁的影响，仅对I孔轧制的六个道次的平均宽度差进行分析（见图6）。 C-C C-C (a) (b) 图5模拟试验凸度、宽度差的测量位置 a一一轧件长度测量位置， b一中部载面呈凸形， c一中部载面呈凹形。 26
凸鲜傲一粤笋〕 毫米 当轧件侧面 呈 凹形 时 ， 由图 可 见 当液芯 率《 时 ， 在所有道次 中均产生 凹 度 。 当液芯 率在 范 围内轧制 时 ， 仅在 孔 轧 制 的 后 几 道 次 中出 现小凸 度 。 ， ， ， 、 石 ， 、 ，， 凹 度 · ” ， 一顶厂 佗 ‘ 十 ， ， 笔术 当液芯 率《 遵 ， 在 孔 轧制 时 ， 轧件均产生 凹度 ， 且 随道次增加 ， 凹 度 增加 。 在 ，孔 轧制 时 ， 凸 度明显增大 。 液芯 率越 大 ， 增大的程度越 明显 。 这 是 因 为 由 孔 翻后进 入 孔 轧制 时 ， 钢锭凝 固层 厚度 变为 上 下厚 ， 两 侧薄 ， 故使 轧件凸度 显著 增大 。 因此 ， 孔 的 第 一道次是 液芯轧制 中轧件产 生凸度的 关键道次 。 在没有孔型侧壁 孔 影响的 条件下 ， 轧件凸度 与 液芯 率成 正 比 。 液芯 率 越 大 ， 凸度 越 大 见图 。 图 在 模 拟试验 条件 下 ， 不 同液芯率时的轧 制道 次与 轧件 凸度 的关 系 液芯 轧制 和普通 轧制 的 轧制表面 宽度和 中部宽度是 不一样的 ， 其差 值 称为宽度差 。 为 了 排除孔型 侧壁 的 影 响 ， 仅对 孔 轧制 的六个道 次的平均宽度差 进行分析 见图 。 牙 一 一 画 闭 扛》 图 一 一」 二丁’ 厂， 模 拟试 验凸度 、 宽度差的测 位 置 － 轧件长度测蚤位里， － 中部截面 呈 凸形， “ － 中部截面 呈 凹 形
由图7可以看出，轧件表面和中部的宽度差 值均与液芯率成正比。但是，随着液芯增加， 3 轧件表面宽度差增加慢，而中部宽度差增加快。 2 综上所述，液芯率过大对控制产品质量不 仍。 2.纵向变形 5101620250 根据轧制前后的轧件长度，算出不同液芯 液芯率 籽时的总延伸（见图8）。 由图8可以看出，随着液芯率增加，总延 伸率减小。当液芯率≤6%时，总延伸率变化 3 不大，但当液芯率<6%时，总延伸率下降很 快。这是因为随着液芯率增加，凸度明显增 图6 【孔轧制时液芯率与平均宽度的关系 加，故使延伸率减小之故。 轧后将轧件尾部剖开，测量鱼尾长度示于 10 图9。由图9可见，鱼尾长度与液芯率呈线性关 系。随着液芯率增大，鱼尾长度减小，因此， 液芯轧制对减少切损有利。 3.高向变形 液芯轧制时，轧件高向变形的主要特征表 现为上下表面的凸（凹）度，它主要产生在第 1015202630 七道次以后。因为此时轧件上下表面凝固层明 液芯率% 显变薄，故容易产生凸度。在不同液芯率条件 图7 轧件平均宽度差与液芯的关系 下，测得的上下表面凸度如表2所列。 1一轧件表面平均宽度差 2~轧件中部平均宽度差 由表2可见，第八道次是最容易产生上下 表面凸度的道次。第九道次产生凹度。 30 4.5 4.0 15 3.5 0 3.0 510 15 2025 51015202580 液芯事⅓ 液芯率% 图8轧件总延伸率与液芯率的关系 图9鱼尾长度与液芯率的关系 随着液芯率增大，凸度增大。 三、液芯轧制特点 1.普通钢锭轧制是单相（固相）均匀的连续塑性体，而液芯钢锭却是双相（固相和液 相)共存体，它是在外层为固体，芯部为液体，外层温度低，内层温度高的条件下进行的。 27
侧叮降 由图 可 以看 出 ， 轧件表 面 和 中部的 宽度差 值均与液芯 率成 正 比 。 但是 ， 随着液芯率增加 ， 轧件表面 宽度差 增加慢 ， 而 中部宽度差 增加 快 。 综 上所述 ， 液芯 率过大 对控制产 品 质量 不 仍 。 纵 向变形 根据轧 制前后的 轧 件长度 ， 算 出不 同液芯 率时的 总延伸率 见图 。 由图 可 以 看 出 ， 随 着液芯 率增 加 ， 总 延 伸率减 小 。 当液 芯 率 时 ， 总 延 伸率变 化 不大 但 当 峨芯 率 时 ， 总延 伸率下 降很 快 。 这 是 因为 随 着液芯率 增加 ， 凸度 明 显增 加 ， 故使延伸率减小之故 。 轧后将轧件尾部剖开 ， 测 量 鱼 尾 长度示于 图 。 由图 可 见 ， 鱼 尾长度与液芯率呈线性关 系 。 随着液芯率 增大 ， 鱼尾长度减小 ， 因此 ， 液芯 轧制 对减少切 损有利 。 二 高 向变形 液芯 轧制 时 ， 轧件高向变形 的 主要 特征表 现为 上下表面 的 凸 凹 度 ， 它主要 产生在 第 七道 次 以后 。 因为此 时轧件上下表面 凝 固层 明 显变薄 ， 故 容易产生 凸度 。 在不 同液芯率条件 下 ， 测得 的 上下表 面 凸度如表 所 列 。 由表 可 见 ， 第八道次是 最 容易产 生 上下 表面 凸度的道 次 。 第 九道 次产生 凹度 。 图 孔 轧制时液 芯率与平 均 宽度 的关系 翻封权翁玲 图 轧件平 均 宽度差与液芯 的关系 一 乳件表 面 平均 宽度差 一 乳件 中部 平均 宽度差 半训哩树 几 “ 一嘴一峨尸丫犷气犷一节 认 浪芯串 图 轧件 总延 伸率与液 芯率的关 系 随 着液 芯率增 大 ， 凸度增大 。 液芯率 图 鱼尾 长 度与液芯率 的关 系 三 、 液 芯轧 制特 点 普通钢锭轧制是 单相 固相 均匀的 连续塑性体 ， 而液芯钢锭却是 双 相 固相和浓 相 共存体 ， 它是在外层为 固体 ， 芯部为液体 ， 外层 温度低 ， 内层温度高 的 条件下进 行的
表2 轧件上下表面凸起高度数据 凸 液芯率 高 度 % 5% 6% 7% 8%10%12% 14% }18%1 22% 道次 7 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.65 0.60 3.10 2.80 8 0.00 0.25 0.10 0.40 0.30 0.93 1.62 1.70 4.30 4.70 9 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -0.65 -0.35 -1.15 -2.15 10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 11 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.05 12 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.17 0.60 3.00 6.18 13 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.70 4.53 14 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.30 0.65 3.50 3.93 15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.60 0.45 1.88 2.70 2. 液芯钢锭相当于一个盛有流体的密封容器，在轧制压力作用下，会形成内压力。借 助液芯可把这个内压力传递到整个轧件上，所以只要内压力足够大，不仅在变形区，而且在 离变形区较远的地方，也要受到液芯的挤压作用而产生弹塑性变形，这就是轧件产生凸度和 裂纹的主要原因。 3.在普通高（厚）轧件轧制时，其两侧出现双鼓形（凹度）。而在液芯轧制（尤其是 液芯常较大)时，由于液芯作用，轧件两侧多呈单鼓形（凸度），有时还能产生四面鼓。 四、工业实验 在实际生产中，为了确定钢锭凝固过程的液芯率，除了采用理论计算【]外，还用模拟 对比试验法。对照模拟试验中的变形规律，找出所轧钢锭液芯率≤6的临界点位置。根据现 场试睑，当轧制钢锭的液芯率≤6%时，F8.5吨钢锭从铸完到轧制的延续时间为120分钟左 右。 钢锭的加热制度取决于热锭温度，当钢锭温度在900~1000℃时，可采用逆“L”加热 法，加热最高温度为1220~1250℃。热锭在炉时间约为50分钟[31。 试验结果表明，液芯轧制与普通轧制比较，节省撚料80%，提高均热炉生产能力30%以 上，减少了金属烧损0.5%，杜绝烧化，改善了加热质量，同时也延长了炉子寿命，减少钢 锭端部切损，有利于提高收得率。 五、结论 1.液芯锭是可以进行轧制的，关键是要控制住液芯率大小。因为把带有少量液芯率的 钢锭轧成钢坯时，随着轧制过程进行，液芯逐渐凝固而减小。最后，甚至全部凝固，不会影 响钢坯的质量、形状和尺寸，因此，液芯率≤6%的钢锭不用改变现有轧制工艺规程即可进 行正常轧制。 28
轧件 上下表面 凸起高度数据 ’ 心八 行了 · 。 。 · · ‘ ” · · ” ” · · ” ” · · ” ” · · ” ” · · ” ” · · ” · · · 一 一 八人甲勺，甘‘ 芯舀甘︹一 … ，曰内舀自﹃任， … 日口︹甘︸︸了︸八甘”﹄甘丹︹︸一 … ︸“， ， ’ “ 液芯钢 锭相 当于一个 盛 有流体 的 密封 容器 ， 在 轧 制压力作用 下 ， 会形成 内压力 。 借 助液芯可把 这个 内压力传 递 到 整个轧件 上 ， 所 以只 要 内压力足够大 ， 不 仅在变形 区 ， 而且在 离变形 区较远 的地 方 ， 也要受 到 液芯 的挤 压作 用而产生弹 塑性变形 ， 这 就是轧件产生凸度和 裂纹 的 主 要原因 。 在普通高 厚 轧件轧制时 ， 其两侧 出现双鼓形 凹 度 。 而在液芯轧制 尤其是 液芯 率较大 时 ， 由于 液芯 作用 ， 轧件两 侧 多呈 单鼓形 凸度 ， 有 时还能产生 四面 鼓 。 四 、 工 业 实验 在实际 生 产 中 ， 为 了 确定钢锭凝 固过程 的 液芯 率 ， 除 了采 用 理论计算 〔 “ 】 外 ， 还用模拟 对比试验法 。 对照模 拟试验中的 变形规律 ， 找 出 所轧钢锭液芯率《 的临界点位置 。 根据现 场 试验 ， 当轧制钢 锭的 液芯 率《 时 ， 吨钢 锭从铸完到轧 制 的延续时间为 分钟左 右 。 钢锭的加热制度取决于热 锭温度 ， 当钢锭温 度在 ℃时 ， 可采 用 逆 “ ” 加热 法 ， 加热最高温 度为 ℃ 。 热锭 在炉时间约为 分钟 吕 。 试验结果 表 明 ， 液芯轧 制 与普通轧 制 比较 ， 节省燃料 ， 提高均热炉生产能力 以 上 ， 减 少 了金属烧 损。 ， 杜绝烧化 ， 改 善了加热质量 ， 同时也延 长 了炉子寿命 ， 减 少钢 锭端部切 损 ， 有利于提 高收得 率 。 五 、 结论 液芯锭是可 以进 行轧制 的 ， 关键是要控制住液芯 率大小 。 因为把带有少里 液芯率的 钢锭轧 成钢 坯时 ， 随 着轧制 过程进 行 ， 液芯逐渐 凝 固而减小 。 最后 ， 甚至全 部凝 固 ， 不 会影 响钢 坯的 质量 、 形状 和尺寸 ， 因此 ， 液芯率《 的钢锭不 用改 变现有 轧制工艺规程 即可 进 行正常轧制
2.液芯率为6~8%的钢锭，在轧制过程中，于由产生凸度使轧制不稳定。此时应当延 长轧制时间，增加轧制道次及平整道次等改善之。 3.液芯率>8%的钢锭，在轧制过程中，由于产生过大的凸度或裂纹而使轧制难于正 常进行。 参加现场试验工作的有攀钢和我院高仲龙同志。此外，涂厚道、鹿守理、侯宝玉和韩俊 生等同志也参加了部分模拟试验工作，在此一并致谢。 参考文献 〔1)林千博，冲田美幸：铁之钢，63(1977)1-4,77-s212。 〔2〕野崎德彦，白石博章：铁之钢，65(1979)5-8，，79-A149。 〔3)攀枝花钢铁公司，北京钢铁学院：钢锭热芯轧制研究（未发表)，1981,12。 ,〔4)唐伟林等：液芯钢锭轧制研究（待发表），1982,6 〔5)高仲龙：液芯钢锭热状态计算和数值分析（待发表）。 Rolling of Ingot With Liquid Corc (Unisolidification) Tang Weilin,Li Jingquan Abstract The three dimensional flow of metals during rolling of ingot with liquid core has been studied in the article.Here the influence of liquid core ratio on rolling was studied in particular. i Tests have shown that ingot with lipuid core ratio up to 6%could normallA be rolled.Fuel consumption of rolling of in got with liquid Core was reduced by 80%compared with that of normal rolling produc- tivity of soaking-pit furnace was increased by 30%0 Achievements in this scientific research have been applied to bloo- ming Production。 29
液芯率为 的钢锭 ， 在轧制过程 中 ， 于 由产生 凸度使轧制不稳定 。 此 时应 当延 长轧制时间 ， 增加轧制道 次及 平整道 次等改 善之 。 常进行 。 液芯 率 的钢锭 ， 在轧 制 过程 中 ， 由于产生 过大的 凸度或裂 纹 而使轧制难于正 参加 现场试验土 作的有攀钢 和 我院高仲龙 同志 。 生等同志也参加 了部分模拟试 验工 作 ， 在此一 并致谢 此外 ， 涂厚道 、 鹿 守理 、 侯宝玉 和 韩俊 参考文献 林千 博 ， 冲田 美幸 铁 巴钢 ， 一 ， 一 。 野崎德彦 ， 白石博 章 铁 巴钢 ， 叮 一 ， ， 一 。 攀枝花钢 铁公司 ， 北京钢 铁学院 钢 锭热芯轧制 研究 未发表 ， ， 。 唐伟林 等 液芯钢锭轧制 研究 待 发表 ， ， 高仲龙 液芯钢锭热状态 计算和数值分析 待发 表 。 一 、沪、工户、沪沪 ‘移匀 尹‘夕、气尹、 隽 ， 五 过 ， 。 ‘ 一 一 。