鎂合金鑄軋機關節流道的設計

王 立，孫斌煜，高 林，李 斌

（太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西太原 030024）

鎂在實用金屬中是最輕的金屬。因其具有比強度高、消震性好、較高的電磁屏蔽性和優良的機械加工性能而被廣泛用于軍事、民用領域，是一種極具潛力的工程材料。

雙輥鑄軋工藝[1]是一種短流程、近終形凝固加工技術。它是以液態金屬為原料，以旋轉方向相反的兩個鑄輥為結晶器，用液態金屬直接生產薄帶材的新工藝。該技術不但能使帶坯顯微組織細化，還可直接獲得接近最終板帶尺寸的帶材，大大縮短了加工工序，顯著降低帶材的生產成本。

雙輥鑄軋機經歷了下注式、傾斜式和水平式的設備革新，而傾斜式和水平式被廣泛使用。產品材料也從鋼帶、鋁帶逐漸發展到鎂合金帶材。

1 問題的提出

目前雙輥鑄軋機在鎂帶的軋制上還存在著諸多問題，熔液輸送問題[2]就是其中之一，如輸送中熔液散熱太快、輸送管的材料的選擇等。針對以上問題，通過對鐵、鋁鑄軋機的對比研究，設計出一種鎂合金鑄軋機專用流道，解決了熔液輸送和密封的問題。

2 難點分析

相對于鐵、鋁板帶的鑄軋，鎂合金的鑄軋難度較大，表1列出了鐵、鋁、鎂三種材料的物理化學性質。

表1 鐵、鋁、鎂物理化學性質對比

由表1可以看出，鎂具有較大的熱導率和較小的比熱容，這就是熔液散熱快的主要原因，鎂合金的化學不穩定性為鎂合金的熔煉、輸送增加了難度。

在鑄軋生產中，金屬液經流道由鑄嘴提供給鑄軋輥，生產前需要調整鑄嘴和軋輥的相對位置[3]。鐵、鋁鑄軋機采用的是開放式流槽，調節比較方便，而鎂合金鑄軋機采用的是封閉流道，需要一種柔性結構的流道。最近還出現了一種可調式鑄軋機，角度可圍繞鑄軋中心從水平到15°之間任意調節。針對這種鑄軋機，應保證液面平穩，避免坩堝隨鑄軋機一起傾斜，而且要求鑄嘴調整靈活。

因此，對鎂合金熔液輸送管的要求有如下幾點：

1）柔性，能適應鑄嘴的微調和軋機的傾斜。

2）化學穩定性，包括內壁鎂合金的腐蝕和外壁空氣的氧化。

3）耐高溫，最高溫度800℃.

4）保溫性能好，必要時需要加熱。

5）密封性好，防止漏液造成事故。

6）不含有害雜質元素，主要為Cu和Ni.

3 問題的解決

現有的柔性管材都不能滿足要求，因此本文設計出一種關節流道來代替柔性流道，如圖1.鑄軋機的坩堝和鑄軋中心無相對位移，僅有鑄軋機圍繞鑄軋中心的傾動。因此可采用四連桿機構，將坩堝和鑄軋中心作為四連桿機構的機架，將流道分為三段，分別作為兩個連架桿和一個連桿，各段之間用關節球聯接。其中3#流道與鑄嘴6為剛性聯接。關節最大折角為35°，流道材料采用無鎳耐熱不銹鋼2Cr13[4]，各段流道安裝加熱器，整個系統接頭的密封方式采用錐密封。三段流道和鑄嘴組成四連桿機構，可在鑄軋中心和坩堝位置不變的前提下適應鑄軋機的任意角度，在鑄軋過程中實現對鑄軋機角度的調節。

圖1 流道示意圖（水平方向）

4 數據計算

4.1 已知條件

圖2為流道簡圖，其中坩堝鉸點O1與鑄軋中心O2水平距離 O1O2=1 250 mm，3#流道5及鑄嘴6長度 BO2=480 mm，1#流道3 O1A=400 mm，2#流道4 AB=400 mm，任意兩流道所夾銳角α、β、γ不大于35°.

圖2 流道簡圖（傾斜15°方向）

4.2 建立數學模型

假設 O1點坐標（0，0），O2點坐標（1250，0）A 點坐標（xA，yA），B 點坐標（xB，yB），以鑄軋機傾斜角度為自變量（0°～15°），建立方程組如下：

其中（xA，yA），（xB，yB）即為 A 鉸點和 B 鉸點的運動軌跡，進而可求出各段流道夾角。

用MATLAB編寫程序計算、繪圖，如圖3。

圖3 鑄軋機傾斜角度與流道夾角關系圖

從圖3可以看出，在鑄軋機圍繞鑄軋中心傾動過程中，三段流道之間的夾角均未超過35°，屬關節允許夾角范圍內。同時1#流道3與坩堝1的鉸點O1沒有相對位移，保證了坩堝液面的穩定。

5 結論

關節流道解決了流道在彎曲時的密封、強度等問題，坩堝和鑄嘴相互獨立，使鑄嘴調節更為方便，實現了鎂合金熔液的柔性輸送。目前鎂合金板帶的生產仍以壓鑄為主[5]，鑄軋機在鎂合金板帶的生產中需要解決的問題還很多，但隨著板帶鑄軋理論的發展和鑄軋機的技術革新，雙輥鑄軋工藝必將在板材的生產上取代傳統壓鑄工藝，生產出高質量、低成本的鎂合金板材，為鎂合金的普及奠定基礎。

［1］孫斌煜.板帶鑄軋理論和技術［M］.北京：冶金工業出版社，2002：17-18.

［2］吳迪.AZ61鎂合金雙輥鑄軋工藝研究［D］.沈陽：東北大學，2008.

［3］秋海濱，張明.鑄嘴傾角可調的偏心異徑雙輥鑄軋機［J］.重型機械，2008（6）：5-8.

［4］宋廣飛，許樹勤.2Cr13與Q235耐鎂合金液腐蝕對比研究［J］.新技術新工藝，2007（4）：85-86.

［5］張瑩，耿茂鵬.鎂合金的雙輥板帶連續鑄軋技術［J］.鑄造技術,2005，26（1）:79-81.