鑄軋鋁合金帶坯橫紋缺陷產生原因分析及其控制

張開寶， 張宏強， 李斌亮， 丁萬武*

（1. 甘肅東興嘉宇新材料有限公司，甘肅 嘉峪關 735100； 2. 蘭州理工大學材料科學與工程學院， 蘭州 730050）

鋁合金板帶鑄軋法生產工藝與傳統的半連續鑄造相比，具有顯著的成本和環保優勢，在國內外得到了廣泛的應用[1-2]。橫紋缺陷是鋁合金鑄軋過程中頻繁出現的板面缺陷，顯著影響帶坯的表面質量[3]。銅輥套的熱導率為250 W/（m·K），是常規鋼輥套的8～10 倍[4-5]，具備大幅度提高鑄軋速度的潛力。輥套材質的導熱能力、輥套表面與冷卻介質的換熱系數對輥套熱應力場有顯著影響[6-8]，實踐過程中發現，應用銅輥套鑄軋技術生產的鑄軋帶坯出現橫紋缺陷的概率更高，缺陷的嚴重程度明顯高于常規鋼輥套，在后續冷軋過程中也無法消除[9]。國內對銅輥套鑄軋橫紋缺陷并沒有開展深入研究，嚴重制約了銅輥套技術的應用范圍。業內普遍認為，鑄軋輥與鑄嘴之間形成的氧化膜周期性循環建立和破裂是造成橫紋缺陷的根本原因[10-11]，本文在深入研究銅輥套鑄軋過程中橫紋組織特點的基礎上，揭示了鑄軋橫紋缺陷的產生機制，為解決鑄軋橫紋缺陷提供一些思路。

1 實驗部分

對使用配備有銅輥套的Φ850 mm×1 700 mm鑄軋機生產的3 系合金鑄軋帶坯，采用切割方式進行取樣，對酸洗后存在橫紋缺陷的樣板縱截面進行取樣金相分析，金相制樣后經Keller's 試劑腐蝕，用蔡司Axio Observer 7 倒置金相顯微鏡觀察帶坯橫紋缺陷處微觀組織形貌，化學成分分析結果見表1 所列。

表1 鑄軋帶坯化學成分Table1 Chemical composition of aluminum alloy單位：%（質量分數）

2 銅輥套鑄軋帶坯橫紋缺陷

圖1 所示為鑄軋速度為1 500 mm/min 時生產的帶坯下表層金相組織。鑄軋速度在1 500 mm/min時，帶坯上、下板面均出現橫紋缺陷，通常下板面橫紋要明顯重于上表面，本文著重對下板面的橫紋組織進行研究。從圖1 可以看出，橫紋缺陷沿著軋制方向規律性間隔分布（圖1（a）），板面暗紋與亮紋對應位置表層枝晶組織存在顯著的差異，暗紋位置枝晶均勻且細密（圖1（ b）），亮紋位置枝晶粗大且呈花瓣狀枝晶網包（圖1（c）），大小為200～400 μm，暗紋與亮紋兩者交替出現，因2 種組織對光的吸收和反射不同，形成了肉眼可見的明暗橫紋缺陷。

圖1 鑄軋板縱截面下表層組織金相圖（1 500 mm/min）：（a） 酸洗后低倍橫紋組織；（b） 暗紋處金相；（c） 亮紋處金相Fig.1 Lower surface metallographic structure of longitudinal section of the casting plates（1 500 mm/min）：（a） low magnification transverse texture after acid pickling； （b） metallography of dark lines；（c） metallography of bright lines

3 橫紋缺陷的產生原因分析

3.1 嘴輥間隙熔體受力分析

由于鑄嘴與鑄軋輥的相對位置關系，兩者之間存在一定的間隙，通常稱之為嘴輥間隙，鋁熔體從鑄嘴內流出，進入由鑄嘴前沿、軋輥表面組成的近似梯形腔體內[12-14]。受液體表面張力作用，在鑄嘴與鄰近軋輥表面之間形成帶有一定曲率的彎液面，經由鑄嘴進入鑄軋區內的鋁液被這一層弧形彎液面所包圍，上、下彎液面的存在避免了鋁液從嘴輥間隙流出[15]。BRADBURY[16]、王珊等[17]認為較短的鑄軋區有利于板面質量的改善； DAALAND 等[18]認為彎液面與軋輥表面的凝固殼之間的相互作用造成橫紋缺陷的產生，而鑄軋速度、鑄嘴供料系統和軋輥表面性能的均勻性決定了彎液面的穩定性；焦建剛等[19]認為前箱液位過高容易在板面形成橫向波紋缺陷。因橫紋缺陷更容易在鑄軋板下板面產生，對鑄嘴下彎液面進行受力分析，根據表面張力對所包攏液體金屬的壓力與彎液面受前箱鋁液相對高度產生靜壓力相等這一基本關系[20]，由此可以推導出前箱熔體水平面與彎液面之間的垂直高度差H：

式（1）中：R為彎液面曲率半徑；σ為表面張力系數；ρ為熔體密度；g為重力加速度。

根據式（1）可以計算出保持彎液面穩定時的前箱液位與彎液面相對最大高度差（Hmax）。對彎液面進行受力分析，當前箱液位高度與彎液面高度差不大于Hmax時，嘴輥間隙處的彎液面承受的靜壓力小于其所能承受的極限壓力，彎液面將穩定存在，鑄軋過程穩定進行；當前箱液位高度與彎液面高度差大于Hmax時，彎液面所受到的靜壓力超過了其所能承受的極限壓力，彎液面將會被所包攏的液體金屬沖破，鋁液將會從嘴輥間隙流出，造成鑄軋過程中斷[21-22]。通過式（1）對銅輥套鑄軋試驗過程中的前箱極限液位高度進行計算，主要工藝參數見表2所列。

表2 嘴輥區域主要工藝參數Table 2 Main process parameters of nozzle roller area

根據上述計算方法得出銅輥套鑄軋過程中，嘴輥間隙處下彎液面保持穩定的前箱液位極限高度Hmax為22.76 mm，鑄嘴下唇沿承受的熔體靜壓力大于上唇沿，因此可以得出前箱液位極限高度（前箱液位相對于軋輥中心線高度）為16.56 mm，而生產過程中前箱液位高度設定為12～14 mm，未超過造成彎液面破裂的極限液位高度。在此條件下，鑄軋生產基本能夠穩定進行，板面存在橫紋缺陷且不出現氧化膜的情況，因此彎液面破裂不是造成橫紋缺陷產生的原因，板面橫紋與氧化膜的出現沒有相關性。

3.2 橫紋缺陷產生機理分析

鑄軋生產過程中嘴輥間隙值是保持不變的，一旦鑄軋參數保持穩定后，將前箱內熔體液位設定在某一高度后，嘴輥間隙處彎液面所承受的前箱熔體靜壓力是恒定的，根據公式R=σ/Pm可以得出彎液面的曲率半徑是固定值，冷卻區內彎液面不隨軋輥的轉動而發生變化，因此，不會造成橫紋缺陷的出現。根據上述分析，鑄軋板橫紋缺陷的產生不在于鑄軋區中的冷卻區，而是在實現結晶過程的鑄造區內形成。

圖2 所示為鑄軋時結晶前沿凝固殼動態變化及橫紋缺陷形成過程。鑄軋是通過連續水冷卻軋輥，對熔體進行結晶成型和一定程度的熱軋加工，形成了最終的鑄軋帶坯。鋁熔體從鑄嘴流出后溫度為680～690 ℃，鑄軋輥經冷卻后輥面溫度為40～50 ℃，因兩者存在很大的溫差，鋁熔體與軋輥輥面接觸后發生凝固，鑄軋結晶由此開始。借助熔體中存在的結晶核心，以及輥面上微小可以起到形核作用的質點，鋁熔體接觸鑄軋輥輥面瞬間會產生很大的過冷度，在鑄軋板表層形成組織細密的凝固殼，如圖2（a）中St 所示。緊接著，由于鋁液發生結晶后形成凝固殼會發生體積收縮，收縮速度為Vs（圖2（a）），鑄軋時凝固殼受到軋輥向上的軋制壓力，凝固殼在向前運行過程中與軋輥有持續靠近的傾向，速度為軋輥線速度Vt在垂直方向的分量Va（圖2（b）中θ為軋輥圓周切向方向與水平方向的夾角），但凝固殼的收縮速度Vs1大于軋輥向凝固殼靠近的速度Va1，凝固殼包裹的熔體脫離軋輥表面，凝固殼與軋輥之間會形成氣隙（如圖2（a）中①所示）。氣隙形成后軋輥對熔體的冷卻能力下降，結晶后形成的晶粒與初始晶粒相比較大，并且隨著凝固過程的持續進行，相鄰鋁液傳導的熱量以及鋁液自身結晶過程中釋放的大量結晶潛熱，會使凝固殼溫度升高，局部高溫造成已發生結晶的晶粒長大，如圖1（c）所示。隨后，凝固殼溫度回升后支撐強度下降，在熔體靜壓力的作用下凝固殼再次與軋輥接觸，熱傳導系數又一次升高，再次生成細小的晶粒（如圖1（b））；經冷卻后凝固殼因Va2＜Vs2，與軋輥之間會再次形成氣隙，上述過程反復循環（如圖2（a）中①～（○n -1）所示），周期性的出現氣隙導致軋輥對熔體的冷卻過程周期性變化，使鑄軋帶坯表層結晶組織出現周期性的變化規律。直至凝固殼厚度達到一定值，旋轉的軋輥向凝固殼靠近速度Van大于或等于凝殼的收縮速度Vsn時，即Van≥Vsn（如圖2（a）中○n -1 所示），凝固殼與軋輥之間再不會產生氣隙，這一循環才會停止，最終在板面上形成了周期性的橫紋缺陷（如圖1（a））。

圖2 鑄軋過程中橫紋缺陷形成示意：（a）結晶前沿演變示意;（b）輥面切線速度分解示意Fig.2 Schematic diagram of transverse defect formation in the twin-roll casting process: （a） schematic diagram of evolution of crystallization front; （b） exploded view of tangent speed of roller surface

根據DAALAND 等[18]建立的鑄軋過程結晶模型，對鑄軋過程中的結晶過程進行分析，如圖3所示。

圖3 鑄軋過程中光亮晶組織形成示意：（a）光亮晶形成示意；（b）鑄軋帶坯中的光亮晶粒Fig.3 Schematic diagram of bright crystal structure formation during twin-roll casting： （a） schematic diagram of bright crystal formation； （b） bright crystal in twin-roll casting strip

銅輥套鑄軋過程中固液兩相區內的液穴前沿具有較大的溫度梯度，在熔體局部具備充足形核質點和較大過冷度時，這些區域會優先生成低成分的樹枝狀晶體（如圖3（a）中①所示），在被新流入的鋁液沖刷后，部分這種樹枝狀晶體從已形成的凝固殼上脫落掉入熔體，尤其是凝固殼與軋輥之間會形成氣隙后（如圖2），軋輥對熔體的冷卻強能力的下降會使凝固殼局部附著的新生樹枝狀晶體溫度升高，大幅增加掉入熔體的概率，脫落的樹枝晶在過冷的熔體中下落有進一步長大的趨勢，最終被靠近帶坯表面的液穴結晶前沿捕捉，成為鑄軋帶坯的一部分，在帶坯內部形成組織特征有別于基體，且隨機分布的粗大光亮晶粒，如圖3（a）中②～③所示。分析存在橫紋缺陷的鑄軋帶材金相（如圖3（b）），橫紋缺陷表層附近區域存在若干隨機分布的光亮晶粒（如圖3（b）中Ⅰ～ Ⅳ），其枝晶尺寸明顯大于基體，色澤光亮且析出相稀少，合金元素含量低，從分布數量來看亮紋對應的區域（圖1（c））要多于暗紋對應區域（如圖1（b）），這一結論與上述光亮晶粒形成機理完全吻合。

通過上述分析也進一步驗證了鑄軋輥因具備較強的冷卻能力，與初始凝固殼反復接觸和脫離，軋輥對熔體的冷卻不連續造成帶坯表層結晶狀態的不連續，是造成板面橫紋缺陷產生的主要原因，而光亮晶的形成加劇了橫紋缺陷的嚴重程度。

銅輥套熱導率顯著高于鋼輥套，在鑄軋區內形成更大過冷度的環境，鋁液從鑄嘴流出后與銅輥接觸瞬間形成的結晶凝固殼更厚，凝固殼發生體積收縮的量也越大，因此凝固殼與軋輥之間形成的氣隙也就越大，氣隙熱阻很大，大幅降低了鋁液熱量向軋輥的傳導。而相鄰鋁液傳導的熱量以及鋁液自身結晶過程中釋放的大量結晶潛熱使凝固殼溫度升高，造成部分已結晶組織長大甚至重熔，枝晶得到充分的生長，而光亮晶粒也在這一過程大量產生，循環反復，最終造成銅輥套橫紋缺陷顯著重于鋼輥套。

3.3 氧化膜產生原因分析

從上述分析可以得出，鑄軋過程中橫紋缺陷的產生與板面氧化膜壓入并沒有直接的聯系。彎液面外側與外界空氣直接接觸，會形成一層致密的薄氧化鋁膜，氧化膜的存在可以保護彎液面內鋁熔體被進一步氧化。但氧化膜長時間跟空氣接觸，其厚度會隨著接觸時間的持續而增厚，而氧化膜韌性較差，導致其隨著設備震動或前箱液位的波動引起的彎液面的動態變化而出現擾動。盡管氧化膜與鋁液能夠潤濕，但氧化膜厚度達到一定程度后也會從彎液面破裂脫落，隨著軋輥轉動最終壓附在板面上，這是鑄軋過程中板面出現氧化膜壓入的原因。

4 橫紋缺陷控制措施

4.1 降低軋輥冷卻強度措施分析

通過對鑄軋過程中橫紋缺陷產生機理的分析，銅輥套導熱能力顯著高于常規鋼輥套，對鋁液結晶強過冷是造成橫紋缺陷產生的直接原因?；谏鲜龇治?，采取適當減弱銅輥套對熔體冷卻能力的措施，可以達到控制橫紋缺陷的目的。蔣顯全等[23]認為，通過采取提高鑄軋溫度，提升冷卻水溫度，降低冷卻水流量，提高火焰噴涂的強度，提升輥面溫度，提高鑄軋速度等技術措施，來增加鑄軋區中液穴的長度，降低鑄軋過程中帶材的加工率，均可以實現降低軋輥對鋁液結晶過程的冷卻強度。綜合分析，上述措施中既可以保證產品的內部質量，又能方便實施且不犧牲工作產量的，只有提高鑄軋速度。

4.2 鑄軋提速實驗

為盡可能減低銅輥套鑄軋過程中橫紋缺陷對鑄軋帶坯質量的影響，在鑄軋速度保持不變的情況下，通過采用激光穩流器控制前箱液位、減小嘴輥間隙、減薄鑄嘴前沿厚度、降低前箱液位高度、提高前箱溫度以及提升精細化操作水平等措施后，板面橫紋缺陷依舊存在，改善作用不明顯。根據本文提出的橫紋缺陷產生機理，在線開展了銅輥套鑄軋提速實驗，將鑄軋速度從1 500 mm/min逐步提高至2 232 mm/min，并分別在1 850 mm/min和2 232 mm/min取樣進行顯微組織檢測，提速過程中帶坯厚度穩定為7.0 mm，以進一步研究鑄軋速度對橫紋缺陷的影響。

圖4 所示為銅輥套鑄軋速度提高過程中帶坯表面的低倍組織和金相組織。通過對比鑄軋速度1 500（圖4（a）、圖4（b））、1 850 mm/min（圖4（c）、圖4（d））和2 232 mm/min（圖4（e）、圖4（f））的金相組織可知，隨著鑄軋速度的提高，表層低倍組織和截面金相組織橫紋缺陷特征均呈減弱趨勢，團簇狀粗大樹枝晶長度由1 500 mm/min 時的200～400 μm（圖4（b）），減小到1 850 mm/min 時的50～100 μm（圖4（d）），直至在2 232 mm/min時徹底消除（圖4（f）），酸洗后板面低倍組織達到正常水平，由此可以看出，提高鑄軋速度是可以減輕或消除板面橫紋缺陷的有效措施。

圖4 鑄軋速度提高后帶坯縱截面下表層組織金相圖：（a）1 500 mm/min酸洗后低倍組織；（b）1 500 mm/min金相組織；（c）1 850mm/min酸洗后低倍組織；（d）1 850 mm/min金相組織；（e） 2 232 mm/min酸洗后低倍組織；（f） 2 232 mm/min金相組織Fig.4 Lower surface metallographic structure of longitudinal section after increasing casting speed: （a） macrostructure after acid pickling of 1 500 mm/min; （b） metallographic structure of 1 500 mm/min; （c） macrostructure after acid pickling of 1 500 mm/min; （d） metallographic structure of 1 850 mm/min; （e） macrostructure after acid pickling of 2 232 mm/min; （f） metallographic structure of 2 232 mm/min

大幅提高鑄軋速度可以控制橫紋缺陷的產生，這是因為提高鑄軋速度后單位時間內通過鑄軋區的鋁液量增大，可以增加鑄軋區中液穴的長度，提高軋輥回轉周期內的輥面的平均溫度，降低軋輥對熔體的冷卻強度，從而減薄初始凝固殼的厚度。同時，鑄軋速度提高后軋輥向凝殼靠近速度Va更大，初始凝殼收縮后與軋輥表面形成的氣隙較小，對帶坯表層的凝固結晶過程影響較小，較薄的凝固殼強度較低，在前箱靜壓力的作用下有進一步向軋輥表面靠近的趨勢，Va與Vs的差值將進一步減小，板面橫紋缺陷逐漸減弱[24-26]。當鑄軋速度達到一定值，初始凝固殼厚度和支撐強度降低到某一值時，軋輥向凝固殼靠近速度Va大于或等于凝殼的收縮速度Vs（如圖5所示），這時初始凝固殼與軋輥表面不產生氣隙，鑄軋輥對熔體可以實現連續的冷卻和結晶，不再具備橫紋缺陷產生的條件。同時，鑄軋速度提高后結晶前沿過冷度和溫度梯度的降低可以有效控制光亮晶粒的產生，板面橫紋缺陷得到有效控制。

圖5 高鑄軋速度結晶前沿示意Fig.5 Schematic diagram of the crystallization front at a high casting speed

5 結 論

1）鑄軋過程中板面橫紋缺陷沿帶坯軋制方向間隔分布，暗紋處晶粒正常，亮紋處枝晶粗大，呈明顯的白亮團簇狀枝晶網包。

2）銅輥套鑄軋輥具備很強的冷卻能力，受初始凝固殼體積收縮和前箱熔體靜壓力作用，軋輥向初始凝固殼靠近速度Va小于凝固殼的收縮速度Vs，凝固殼與軋輥表面反復接觸、脫離，導致軋輥對熔體的冷卻不連續，在鑄軋區中的鑄造區造成帶坯表層結晶的不連續，這是造成板面橫紋缺陷產生的根本原因，而光亮晶的形成加劇了橫紋缺陷的嚴重程度。

3）提高鑄軋速度可以控制橫紋缺陷的產生，這是因為當鑄軋速度達到一定值時，旋轉的軋輥向凝固殼靠近速度Va大于或等于凝殼的收縮速度Vs時，即Va≥Vs，鑄軋過程中初始凝固殼與軋輥表面之間不產生氣隙。鑄軋輥對熔體可以實現連續穩定的冷卻和結晶，有效抑制了光亮晶粒的產生，板面不再出現橫紋缺陷。