双辊薄带铸轧技术被誉为21世纪冶金工业最具革命性的技术,其工艺直接使钢水在结晶辊的作用下实现铸和轧,将金属的亚快速凝固技术与热加工成型技术合二为一,真正实现"一火成材"。然而双辊薄带铸轧工艺是个高度耦合的复杂问题,涉及流体力学、传热学、金属的凝固及热变形等多学科多领域,工艺参数微小的变化都可能导致铸带产品出现严重缺陷。为促进双辊薄带铸轧技术尽快实现产业化,其工艺的稳定性控制、溶池流场和温度场分布规律以及工艺在线调控技术等关键问题还需进一步深入研究。本文基于双辊薄带铸轧工艺的特点,研究了熔池与结晶辊面的换热模型,并开发了双辊薄带铸轧的工艺软件确定了合理的工艺取值范围。自主设计研发了Φ500×350双辊薄带微振幅铸轧机,研究了熔池流场、温度场、溶质场分布规律,并结合铸轧实验结果,对带坯裂纹问题、芯部偏析问题、铸坯组织控制等关键问题进行了相应的研究。本文的主要研究内容如下:1.分析双辊薄带铸轧熔池和结晶辊接触换热特点,以K1ss点为界将熔池接触区分为软接触区和刚性接触区,并利用换热实验分别确定了软接触区和刚性接触区的换热规律,进而得到整个熔池区辊面换热模型。利用该换热模型开发了用于双辊薄带铸轧计算的工艺软件,确定了较为合理的浇铸工艺,包括铸轧力、Kiss点位置、出口温度等,为铸轧设备设计提供了理论基础。2.自主设计研发了 Φ500×350双辊薄带微振幅铸轧机,该铸轧机高3.7m,重约30T,采用了中间包冶金技术、浮动辊缝控制技术,振动细晶技术等,可铸轧不锈钢、碳钢、硅钢、复合板带及有色金属等一系列产品。本文还对结晶辊的热应力、过盈量以及模态分析等问题进行了系统剖析。采用该型铸轧机成功生产出了 2mm厚低碳钢薄带,并分析了铸轧薄带的组织特点。3.为了准确把握铸轧熔池的流动规律,建立了等比例水模型实验平台,发现了熔池芯部存在回流现象。开发了用于铸轧溶池研究的数值仿真系统,研究了铸轧速度、浇铸温度、熔池包角以及辊缝开度等因素对熔池流场、K1ss点以及出口温度的影响。4.建立了耦合气体层换热和流动的VOF三维熔池模型,分析了传统楔形布流器三维熔池流场的流动规律,发现辊缝出口温度场分布不均,K1ss曲线呈余弦函数的形式,尤其是侧封板附近区域温降严重。为此研发出新型船形布流器,并利用热-水模型和数值仿真模型验证了新型布流器的优越性。5.基于三维熔池流场温度场仿真结果和铝合金轧制实验,分析了带坯斜裂纹的产生机理。由于熔池各区域的温度场和K1ss点位置分布不均导致在辊缝轧制区各点的压下量不一致,材料不均匀的横向移动产生平行于裂纹面的剪切力,致使裂纹沿着滑移面动态滑开扩展,产生贯穿状的裂纹,属于X型裂纹(滑移裂纹)。6.采用Scheil模型建立了耦合溶质场、温度场、流场的数学模型,研究了溶质成分在凝固过程中的再分配规律,并解释了铸带芯部偏析机理。基于数学模型研究了不同铸轧速度、辊缝开度等因素对芯部偏析的影响,解释了 K1ss点位置是影响偏析的主要因素,为工业化铸轧薄带生产提供依据。7.基于枝晶熔断和成分过冷理论等凝固学理论理推导了振动形核率模型,结合KGT枝晶生长模型建立了用于振动凝固的CAFE模型,搭建振动凝固实验平台,并基于实验验证了该CAFE模型的正确性,实验和仿真结果也证明了振动可以有效提高形核率,细化凝固组织。进而将振动细晶技术引入双辊薄带铸轧工艺,实验表明振动铸轧可以提高带坯芯部形核率并细化带坯。本文进一步研究了不同频率和振动工艺对熔池组织的影响。