摘要

用激光掃描儀準確測量了斷裂后的金屬殼體厚度，殼體厚度的變化與模具熱監(jiān)測數(shù)據(jù)有關。高度詳細的3D厚度測量技術證實，模具中可能發(fā)生殼厚度的局部變化。結合模具熱監(jiān)測，確定了這些厚度變化的根本原因。

本文對直板廠(DSP)高速薄板鑄造機發(fā)生的兩次斷裂殼事件進行了討論。第一次斷裂與一個大的包裹物有關。第二次是與局部殼體厚度變薄和不正確的設置錐度有關。

在這兩種情況下，斷裂都與殼層厚度的局部減少有關。這些位置的模具熱溫度確定了熱電偶溫度的降低，表明鋼殼和銅之間存在“空氣”間隙或絕緣層。使用CON1D進行的額外計算來驗證絕緣層的存在，并更好地理解導致這些斷裂的事件。

介紹

在激光厚度測量技術的幫助下，對通常用于測量和評估汽車車身部件的激光厚度測量技術進行改編，準確測量了兩個斷裂的殼體厚度。

用這種技術研究的兩個斷裂殼分布是斷裂A，原因是包裹物滯留在西寬面；斷裂B，南部狹窄面的錐形斷裂。

在結果評估過程中，值得注意的是，在兩個斷裂中，殼體沒有恒定的厚度，并且表現(xiàn)出三種變薄趨勢：

- 在縱向方向上的局部變薄

- 在垂直方向上的局部變薄

- 外殼區(qū)域的變薄

一些變薄區(qū)域，同時出現(xiàn)縱向和橫向裂紋。

殼體厚度的測量結果與熱電偶信號進行了比較，較薄的殼體溫度越低，較厚的殼體溫度越高。

3D激光測量技術

為了測量斷裂殼層，我們使用了一個3D數(shù)字化儀(ATOS)和光學坐標測量儀(TRITOP)[1]相結合的儀器。

ATOS是一種基于三角測量原理（圖1）的柔性光學測量機，用兩個攝像機觀察投影條紋圖案。高精度地計算每個攝像機像素的三維坐標，生成對象表面的多邊形網(wǎng)格[1]。

三角測量的原理:激光源和傳感器之間的距離是已知的。激光向被測物體發(fā)射光線，光線通過透鏡反射回傳感器。點b可以通過知道a、c和距離d來計算。

TRITOP是一種光學坐標測量儀。該移動技術旨在定義標記的精確3D位置（遙測）。TRITOP用于識別外殼兩側的參考標記，以支持ATOS測量。

當殼體兩側在同一坐標系中時，3D厚度的計算是可能的[1]。圖2顯示了三個步驟的測量過程。

斷裂分析示例

斷裂A

當在直接薄板廠薄板坯連鑄機中鑄造低范圍HSLA鋼(高強度低合金)時，在鋼包更換期間，發(fā)生了斷裂。 在斷裂前，熱電偶溫度和其他工藝參數(shù)非常正常，幾乎沒有不穩(wěn)定的跡象。然后在斷裂前幾分鐘，由于模具水平的波動，鑄造速度降低。

考慮到斷裂的原因不明，決定用這種新技術來研究殼體。因此，用3D激光技術測量斷裂殼體厚度。

3D激光測量

由于斷裂孔和一些飛濺附著在殼體的斷裂一側，在激光測量中使用了斷裂的另一側。因此，采用全固定面?zhèn)群蛢蓚日娴囊话脒M行測量。

殼層厚度的3D視圖如圖5所示。在這張圖中，值得注意的是，斷裂殼體沒有恒定的厚度，并顯示了三種變薄趨勢：

- 在縱向方向上的局部變薄

- 在垂直方向上的局部細化

- 外殼區(qū)域的變薄

與其他區(qū)域相比，厚度的局部減少約為50%；特別是在縱向上。

厚度測量

為了能夠闡明厚度的減少，使用了兩個位置來測量沿一條線(圖4中的紅色和藍色線)的外殼厚度。

這些位置與3D視圖相比較的結果如圖6所示。這些線條更清楚地顯示了殼層厚度的減少，表明局部和區(qū)域變薄。

斷裂B

在清除礦渣邊緣的過程中，在直接板材廠鑄造HSLA鋼（高強度低合金）時發(fā)生了斷裂。在斷裂之前，熱電偶的溫度非常不穩(wěn)定，斷裂的原因尚不清楚。因此，我們也決定用3D激光技術來研究外殼。

因此，在斷裂事件發(fā)生后，進一步分析斷裂殼，用3D激光技術研究斷裂殼，并測量其厚度。圖7顯示了一個斷裂殼的照片。

3D激光測量

考慮到斷殼狀態(tài)良好，激光測量分兩部分進行：

第一部分：松散邊的一側和每個窄面的一側

第二部分：完整固定的一側，和每個窄面的一側，包括斷開孔的一半。

第一部分將作為參考文獻顯示。

第二部分：測量采用全東寬面（固定側）和兩側窄面的一半進行測量。圖8顯示了正在研究的半斷裂殼。在這個半殼的中間發(fā)現(xiàn)了縱向裂縫（白色圈）。紅色表示裂縫到半月板的距離和從南窄面的距離。

外殼厚度的3D視圖如圖9所示。在圖中，值得注意的是，斷裂殼沒有恒定的厚度，再次顯示與斷裂A相同的三種變薄特點：

- 在縱向方向上的局部變薄

- 在垂直方向上的局部變薄

- 外殼區(qū)域的變薄

與其他區(qū)域相比，厚度的局部減少約50%，尤其是縱向（縱向裂紋）。

在圖9和圖10中，縱向裂紋用白色橢圓形標記。這種斷裂的橫向裂紋發(fā)生在從機器中提取斷裂殼的過程中，因為殼是從模具的頂部提取出來的；很明顯，外殼在角落區(qū)域有一個橫向局部薄殼，從而引發(fā)了這種裂紋（圖11，藍線）。

厚度測量

為了能夠闡明厚度的減少，使用多個位置來沿著一條線測量外殼厚度。

在斷裂部分選擇兩組位置，三組在橫向位置，三組在縱向位置。圖10顯示了這些位置。

線路選擇如下：

- R1（紅線）：窄面（南）縱向平面，距拐角約15mm。

- L1（藍線）和L2（綠線）：都是在縱向截面，距拐角約15mm處，L1靠近南窄面，L2靠近北窄面。

- L3（深黃色線）：縱剖面，比較板中間和兩側的外殼厚度。

- D1（橙色線）：位于縱向裂紋的中間

- D2（粉紅色線）和D3（綠松石線）：分別位于裂紋末端和開始處。

這些位置與3D視圖的比較結果顯示，縱向截面如圖11和橫向截面如圖12所示。

同樣，這些線條更清楚地顯示殼厚度的減少，表明局部和面積的減少。

圖12橫向截面與3D視圖的比較結果

表面輪廓

3D激光測量也可以評估斷裂殼體的表面輪廓(平滑度)(圖13)。

考慮到殼層厚度的局部減少，觀察斷裂殼層的內(nèi)外表面輪廓是很有趣的。

根據(jù)表面研究的結果，在3D結果中可以使用一個假設的平面切割來評估殼厚度。

為了評估凹陷，選擇了前面7個剖面中的3個(圖10中的3個)進行平面切割分析。

在圖14中，靠近斷裂孔的兩個部分R1和L1都表明殼（凹陷）的變薄來自斷裂的內(nèi)部。

熱電偶信號

在這次斷裂中，熱電偶信號也與水平面上的殼層厚度進行了比較。

在圖15中，熱電偶信號在3分鐘內(nèi)的平均值（綠線和綠點）、最大值（淺藍色線和淺藍色點）和最小值（洋紅色線和洋紅色點）；與斷裂殼中測量的外殼厚度（圖10和圖12中的橙色線）進行比較。

圖中還繪制了槽和鉆孔源的位置（深藍色方塊）、漏斗形（紅線）、熱電偶的位置（紅色方塊）、通常使用的兩種傳感類型的位置（灰色和深藍色線）。

從這張圖中可以清楚地看出，熱電偶信號遵循與殼層厚度相同的趨勢。然而，這與殼層厚度、變薄和模具特征（水槽、孔紋、熱電偶位置或漏斗形狀）沒有相關性。

結果討論

考慮到兩個斷裂的殼體厚度與熱電偶讀數(shù)遵循相同的趨勢，殼體變薄最合理的解釋是殼體和模具之間的低導熱層。

如果殼變薄的原因是由于高鋼流量從內(nèi)部沖刷殼，那么熱電偶將看到與現(xiàn)在看到的相反的趨勢，即當殼較薄時，信號將顯示更高的溫度。

這種低導電層可以是空氣；由于這種材料的隔離特性，熱電偶不能記錄殼體表面的“真實”溫度；由于缺乏良好的熱提取，外殼很薄。

CON1D模擬

傳熱模型CON1D模擬了連鑄過程的幾個方面，包括殼體和模具溫度、熱通量、界面微觀結構和速度、預測錐度的收縮估計、模具水溫上升和對流傳熱系數(shù)、界面摩擦等許多現(xiàn)象。傳熱計算通過殼體的厚度和界面間隙進行了一維計算，并在模具中進行了二維傳導計算。在現(xiàn)代電腦上，整個模擬只需要幾秒鐘[2]。

為了使CON1D能夠準確預測熱電偶溫度，該模型采用三維傳熱方法進行了校準計算以確定每個模具面的偏移距離，以調(diào)整熱電偶的模型深度[2]。

驗證殼體與模具之間低導電層的理論；用CON1D對5.2m/min的鑄造速度和新模板，即最大銅層進行了兩次計算，模擬工作按照以下標準進行：

1- 模具與鋼殼之間無氣隙的模擬；

2- 模擬在彎月面處從零到模具出口處從0.05毫米的厚度拋物線增加之后的氣隙模擬(圖16中的綠線，第二Y軸)

從圖16可以看出，即使殼與模具之間有很小的氣隙（模具出口最大為0.05mm）也會對凝固產(chǎn)生有顯著影響。

由于空氣的低導電性能（導電率為0.06W/mK），如預期的那樣，存在氣隙時的模具溫度將低于無氣隙時的模具溫度（圖16A中的紅線表示有氣隙模擬，圖16A中的藍線表示無氣隙模擬）；同樣的行為將具有熱電偶信號（圖16A中紅色圓圈表示無氣隙，藍色方塊表示氣隙）

因此，當鋼和模具之間存在氣隙時，外殼將更?。▓D16B中的藍線表示有氣隙模擬，紅線表示無氣隙模擬）。

此外，氣隙模擬中殼體的表面溫度比沒有氣隙時的表面溫度以及低于表面5毫米的溫度更高。此外，在有氣隙的模擬中，表面和表面下5毫米之間的溫差低于無氣隙情況(圖16C中的藍線表示有氣隙模擬，紅線表示無氣隙模擬)。

殼層厚度預測

在CON1D模型中，殼層厚度由液相線和固相線之間的位置插值定義，溫度對應于特定的固體分數(shù)，(f_s)等于0.1，該分數(shù)是合理的，因為樹突間液體在斷裂期間由表面張力保持[3]。

為了比較預測的穩(wěn)定殼厚度與斷裂殼的厚度，需要進行校正以說明，在斷裂期間液態(tài)金屬排出時發(fā)生的凝固時間[3]。因此，根據(jù)公式（1）[3]，穩(wěn)態(tài)模擬中的時間對應于斷裂殼下方的距離：

其中：

t_d：排水時間，是金屬水平液面從彎月面下降到獲得斷裂殼層的時間[min]

Z：獲得的斷裂殼切片[m]

V_c:鑄造速度[m/min]

t:瞬態(tài)時間[min]

排水時間根據(jù)伯努利方程和質(zhì)量平衡計算，公式(2)[3]:

其中:

Z_b:彎月面的斷裂孔位置[min]

C_D:排水系數(shù)[-]

N:板坯厚度[min]

W:板寬[min]

d_b:斷裂孔直徑[min]

這個裂縫的洞位于狹窄的表面。假設流向模具的鋼流被切斷，

同時金屬水平液面開始下降到彎月面以下，斷裂孔直徑從35mm開始，并在所有液態(tài)鋼排出時線性增長到55mm。表1顯示了計算中使用的變量。

圖17給出了在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的預測殼層厚度。與瞬態(tài)預測的緊密匹配普遍傾向于驗證假設。彎月面板附近的外殼厚度預測不足，可能是由于在斷裂開始后、液面水平控制和流量關閉之前，進入模具的液體流量增加的時間較短。這將允許液位隨著斷裂殼的頂部向下移動一段較短的時間間隔（不包括在計算中），從而在斷裂殼的頂部提供額外的凝固時間。這是一種在斷裂殼層中非常常見的現(xiàn)象[3]。

結論

借助激光測厚技術，可以得出以下結論：

●激光測量是測量斷開殼體三維厚度分布的一種有價值的工具。

●斷裂殼無恒定厚度，顯示三種變薄趨勢：

- 在縱向方向上的局部變薄

- 在垂直方向上的局部變薄

- 外殼區(qū)域的變薄

●一些變薄，同時出現(xiàn)縱向和橫向裂紋。

●斷裂殼的表面比內(nèi)部更光滑。

●殼厚度與熱電偶信號有關，較薄的殼溫度越低，較厚的殼溫度值越高。

●即使在這里分析的兩種情況中變薄的原因尚未完全了解，也可能在鋼殼和銅模具之間放置絕緣層（氣隙），而殼變薄不是由模具流體流動造成的。

●鋼板上的槽和/或鉆孔源的位置與鋼殼的變薄之間沒有明顯的關系。

參考文獻：

1 , "GOM MBH", Vol. Mittelweg 7-8, 38106 Braunschweig, Germany, 2011, pp.

2 Santillana, B., Hibbeler, L. C., Thomas B.G., Kamperman A.A., and van der Knoop W., "Heat Transfer in Funnel-mould Casting: Effect of Plate Thickness", ISIJ International, Vol. 48, No. No 10, 2011, pp. 1380-1388.

3 Meng Y., "Modelling Interfacial Slag Layer Phenomena in the Shell/Mold Gap in Continuous Casting of Steel", PhD Thesis, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2004.