镁合金铸轧机关节流道的设计

王 立，孙斌煜，高 林，李 斌

（太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，山西太原 030024）

镁在实用金属中是最轻的金属。因其具有比强度高、消震性好、较高的电磁屏蔽性和优良的机械加工性能而被广泛用于军事、民用领域，是一种极具潜力的工程材料。

双辊铸轧工艺[1]是一种短流程、近终形凝固加工技术。它是以液态金属为原料，以旋转方向相反的两个铸辊为结晶器，用液态金属直接生产薄带材的新工艺。该技术不但能使带坯显微组织细化，还可直接获得接近最终板带尺寸的带材，大大缩短了加工工序，显著降低带材的生产成本。

双辊铸轧机经历了下注式、倾斜式和水平式的设备革新，而倾斜式和水平式被广泛使用。产品材料也从钢带、铝带逐渐发展到镁合金带材。

1 问题的提出

目前双辊铸轧机在镁带的轧制上还存在着诸多问题，熔液输送问题[2]就是其中之一，如输送中熔液散热太快、输送管的材料的选择等。针对以上问题，通过对铁、铝铸轧机的对比研究，设计出一种镁合金铸轧机专用流道，解决了熔液输送和密封的问题。

2 难点分析

相对于铁、铝板带的铸轧，镁合金的铸轧难度较大，表1列出了铁、铝、镁三种材料的物理化学性质。

表1 铁、铝、镁物理化学性质对比

由表1可以看出，镁具有较大的热导率和较小的比热容，这就是熔液散热快的主要原因，镁合金的化学不稳定性为镁合金的熔炼、输送增加了难度。

在铸轧生产中，金属液经流道由铸嘴提供给铸轧辊，生产前需要调整铸嘴和轧辊的相对位置[3]。铁、铝铸轧机采用的是开放式流槽，调节比较方便，而镁合金铸轧机采用的是封闭流道，需要一种柔性结构的流道。最近还出现了一种可调式铸轧机，角度可围绕铸轧中心从水平到15°之间任意调节。针对这种铸轧机，应保证液面平稳，避免坩埚随铸轧机一起倾斜，而且要求铸嘴调整灵活。

因此，对镁合金熔液输送管的要求有如下几点：

1）柔性，能适应铸嘴的微调和轧机的倾斜。

2）化学稳定性，包括内壁镁合金的腐蚀和外壁空气的氧化。

3）耐高温，最高温度800℃.

4）保温性能好，必要时需要加热。

5）密封性好，防止漏液造成事故。

6）不含有害杂质元素，主要为Cu和Ni.

3 问题的解决

现有的柔性管材都不能满足要求，因此本文设计出一种关节流道来代替柔性流道，如图1.铸轧机的坩埚和铸轧中心无相对位移，仅有铸轧机围绕铸轧中心的倾动。因此可采用四连杆机构，将坩埚和铸轧中心作为四连杆机构的机架，将流道分为三段，分别作为两个连架杆和一个连杆，各段之间用关节球联接。其中3#流道与铸嘴6为刚性联接。关节最大折角为35°，流道材料采用无镍耐热不锈钢2Cr13[4]，各段流道安装加热器，整个系统接头的密封方式采用锥密封。三段流道和铸嘴组成四连杆机构，可在铸轧中心和坩埚位置不变的前提下适应铸轧机的任意角度，在铸轧过程中实现对铸轧机角度的调节。

图1 流道示意图（水平方向）

4 数据计算

4.1 已知条件

图2为流道简图，其中坩埚铰点O1与铸轧中心O2水平距离 O1O2=1 250 mm，3#流道5及铸嘴6长度 BO2=480 mm，1#流道3 O1A=400 mm，2#流道4 AB=400 mm，任意两流道所夹锐角α、β、γ不大于35°.

图2 流道简图（倾斜15°方向）

4.2 建立数学模型

假设 O1点坐标（0，0），O2点坐标（1250，0）A 点坐标（xA，yA），B 点坐标（xB，yB），以铸轧机倾斜角度为自变量（0°～15°），建立方程组如下：

其中（xA，yA），（xB，yB）即为 A 铰点和 B 铰点的运动轨迹，进而可求出各段流道夹角。

用MATLAB编写程序计算、绘图，如图3。

图3 铸轧机倾斜角度与流道夹角关系图

从图3可以看出，在铸轧机围绕铸轧中心倾动过程中，三段流道之间的夹角均未超过35°，属关节允许夹角范围内。同时1#流道3与坩埚1的铰点O1没有相对位移，保证了坩埚液面的稳定。

5 结论

关节流道解决了流道在弯曲时的密封、强度等问题，坩埚和铸嘴相互独立，使铸嘴调节更为方便，实现了镁合金熔液的柔性输送。目前镁合金板带的生产仍以压铸为主[5]，铸轧机在镁合金板带的生产中需要解决的问题还很多，但随着板带铸轧理论的发展和铸轧机的技术革新，双辊铸轧工艺必将在板材的生产上取代传统压铸工艺，生产出高质量、低成本的镁合金板材，为镁合金的普及奠定基础。

［1］孙斌煜.板带铸轧理论和技术［M］.北京：冶金工业出版社，2002：17-18.

［2］吴迪.AZ61镁合金双辊铸轧工艺研究［D］.沈阳：东北大学，2008.

［3］秋海滨，张明.铸嘴倾角可调的偏心异径双辊铸轧机［J］.重型机械，2008（6）：5-8.

［4］宋广飞，许树勤.2Cr13与Q235耐镁合金液腐蚀对比研究［J］.新技术新工艺，2007（4）：85-86.

［5］张莹，耿茂鹏.镁合金的双辊板带连续铸轧技术［J］.铸造技术,2005，26（1）:79-81.