CN102059250B - 采用低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机。所述轧机入口处的机架(6)上安装两个滑行轨道(12，12′)，两个滑行轨道(12，12′)的轨道槽内装有送料夹(13)，滑行轨道(12，12′)后端的下方设置冷却槽(14)，轧机出口处的机架(6)上安装出口导板(16)，出口导板(16)的下方设置收集槽(4)，液氮容器(9)安装在固定于机架(6)的托架(10)上；脉冲电源(1)的负极通过电缆(2)连接送料夹(13)的上夹板(28)，其正极通过电缆(2)连接轧辊电极(3)。该发明在轧制过程中低温液氮对轧件变形区自动喷淋，轧件在轧制加工前、轧制塑性变形过程中、轧制加工后的整个过程均处于-160℃至-70℃的低温条件中。同时，在上、下轧辊之间的轧件变形区内导入垂直于变形方向的强脉冲电流，通过电塑性效应降低轧件的变形抗力，提高轧件的塑性变形能力，以获得具有严重塑性变形的轧件制品。

Description

采用低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机

技术领域

本发明涉及一种金属材料压力加工技术领域，特别是涉及一种低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机。 

背景技术

在过去20年中，通过塑性变形技术使金属材料晶粒细化已被广泛证明并应用于实际，其中通过严重塑性变形技术制备金属纳米晶粒材料更为典型，已被世界各国的研究者广泛研究和使用。但是，随着金属材料晶粒尺寸的减小，金属晶粒的回复再结晶极限温度降低，在较低温度时就会发生晶粒的长大和回复。同时，伴随着金属塑性变形过程，还会出现塑性变形热，加剧了这种晶粒的长大和回复过程。抑制塑性变形热是目前金属纳米晶粒材料研究的重要课题之一。 

另外，由于受材料内在变形能力和严重塑性变形技术双方面的限制，目前制备出的带、棒和线状块体纳米结构材料都有一定的尺寸限制。如何制备出长尺寸的带、棒和线状块体纳米结构材料成为当前人们在纳米材料制备科学与技术方面面临的一个巨大挑战，即如何在材料严重塑性变形过程中提高材料的可变形能力，使其不发生断裂。许多早期的研究工作表明，电脉冲处理可以引起材料内部微结构细化和组织再构，可以显著地改变材料的物理和机械特性，如强度、塑性、冲击韧性及变形应力等。对传统粗晶材料(金属、合金)而言，电脉冲处理可以降低加工材料的变形应力，提高材料的塑性。脉冲加工处理具有的这种优点对于难变形等材料，特别是长尺寸纳米尺度结构材料的制备来说是非常有益的。 

发明内容

为了制备出长尺寸的带、棒和线状块体纳米晶粒组织制品，本发明提供一种低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机。该发明以液氮为冷却介质对轧件进行冷却，从而抑制金属塑性变形的热效应和晶粒回复。同时，在轧件和上、下轧辊之间的轧件变形区内导入垂直于变形方向的强脉冲电流，通过电塑性效应降低轧件的变形抗力，提高轧件的塑性变形能力，得到严重塑性变形的带、棒和线状块体纳米晶粒轧件制品。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机由二辊轧机、低温液氮冷却系统、强脉冲电流回路和夹持送料机构四部分组成，其中： 

所述低温液氮冷却系统包括轧机前设置的冷却槽、轧机后设置的收集槽和轧制过程中的液氮喷淋系统。液氮喷淋系统主要部件有液氮容器、阀门、液氮管道和喷嘴。在冷却槽和收集槽中，均存留一定量的液氮，轧件在轧制加工前浸没于冷却槽的液氮中保持低温，轧制加工后落入收集槽的液氮中及时降温。在液氮容器中存留一定量液氮，轧制加工前，由于液氮的挥发，在液氮容器内形成一定的压力，由液氮容器上的加压盖调节氮气排出孔的大小，从而改变液氮容器内压力的大小。轧制加工时，液氮从液氮容器中流出，由阀门控制开闭，经管道分流，由喷嘴流出。在管道通路中设置可转动部位，可以调整喷嘴的垂直角度和水平角度，使液氮从喷嘴流出时正对轧制塑性变形区，直接抑制轧制塑性变形热，以实现较好的冷却效果。液氮容器中存留的液氮可保证轧制过程中液氮不间断的自动喷淋。 

所述强脉冲电流回路以脉冲电源的负极连接送料夹，送料夹上、下夹板之间安装弹簧，弹簧压缩后的反向作用力使上、下夹板以导向柱为回转轴夹紧轧件；强脉冲电流回路以脉冲电源的正极连接轧辊电极，轧辊电极抱紧在上、下轧辊端头的凹槽中。当送料夹将轧件送入辊缝后，由脉冲电源负极、送料夹、轧件、轧辊、轧辊电极、脉冲电源正极构成电流通路，从而在轧件和上、下轧辊之间的轧制塑性变形区内导入垂直于变形方向的强脉冲电流。另外，正极在轧辊电极的安装位置是可调的，以实现电路电阻的调整，改变电路中的电流强度。 

所述夹持送料机构主要包括送料夹和滑行轨道。送料夹由上、下夹板、弹簧、导向柱和转向导柱组成。送料夹上、下夹板之间安装弹簧，弹簧压缩后的反向作用力使上、下夹板以导向柱为回转轴夹紧轧件。滑行轨道加工有轨道槽，轨道槽包括相互连通的垂直槽、斜向槽和水平槽三部分。送料夹的导向柱和转向导柱被限制在滑行轨道的轨道槽中运行。送料夹初始位置处于垂直槽的最下端，此时送料夹夹持轧件浸没在冷却槽的液氮中。轧制开始时，操作送料夹沿滑行轨道的轨道槽运行，在运行到滑行轨道垂直槽上端时，依靠滑行轨道斜向 槽部分引导转向导柱，使送料夹从垂直状态过渡到水平状态，再沿滑行轨道水平槽送料进入辊缝，从而导通强脉冲电流通路。送料夹的导向柱和转向导柱均为塑料材质，保证了轧件与滑行轨道和操作人员之间的绝缘。送料夹到达滑行轨道最远端时，导向柱由滑行轨道水平槽限位，避免送料夹误进入轧机辊缝。导向柱伸出于滑行轨道的部分加工有防滑纹，便于操作人员手持操作，且避开了液氮工作空间，避免液氮冻伤。 

本发明的有益效果是：该发明以液氮为冷却介质对轧件进行冷却，使轧件在轧制加工前、轧制塑性变形过程中及轧制加工后的整个过程均处于-160℃至-70℃的低温条件中，从而抑制金属塑性变形的热效应和晶粒回复。同时，轧制变形时，在轧件和上、下轧辊之间的轧件变形区内导入垂直于变形方向的强脉冲电流，通过电塑性效应降低轧件的变形抗力，提高轧件的塑性变形能力，以得到实现严重塑性变形的纳米晶粒组织金属材料制品。 

附图说明

图1是低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机的等轴侧视图； 

图2是低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机的中面剖视图； 

图3、图4是液氮管道结构示意图； 

图5是强脉冲电流回路示意图； 

图6、图7、图8是送料夹结构示意图； 

图9、图10、图11是送料夹在运行过程中特定位置示意图。 

在上述附图中，1.脉冲电源，2.电缆线，3.轧辊电极，4.收集槽，5.上轧辊，5′.下轧辊，6.机架，7.压下结构，8.加压盖，9.液氮容器，10.托架，11.阀门，12.滑行轨道，13.送料夹，14.冷却槽，15.液氮，16.出口导板，17.液氮管道，18.轧件，19.喷嘴，20.分流管，21.三通管，22.强脉冲电流，23.转向导柱，24.导向柱，25.螺母，26.弹簧，27.弹簧导柱，28.上夹板，29.下夹板。 

具体实施方式

实施例 

图1、图2是本发明公开的低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机，轧辊辊身的公称直径为90mm。所述低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机包括传动部分和工作机座部分，传动部分有电机、变频器和齿轮分配箱，电机的输入经齿轮分 配箱传递到上、下轧辊(5，5′)，变频器用于实现电机的无级调速。工作机座由辊系、机架6和压下机构7构成，辊系指上、下轧辊(5，5′)及相应的轴承座等零件，辊系置于机架6窗口内，机架6为闭式机架。压下机构7采用压下螺丝形式，手动压下调整辊缝。 

滑行轨道(12，12′)后端的下方设置冷却槽14，开始轧制前，送料夹13夹持轧件18浸入冷却槽14的液氮15内冷却。冷却时间根据轧件厚度而定。轧制厚度最大为3mm的轧件，最长冷却时间定为5分钟；其余轧件的冷却时间随厚度减薄依次递减，最短的冷却时间定为2分钟。冷却后，实测获知轧件温度均降至-160℃以下。 

出口导板16的下方设置收集槽4，轧件18轧出后沿出口导板16滑落，落入收集槽4内。收集槽4内存留液氮15，可浸没轧后的轧件18，使轧件18在轧后立即置于低温环境中，抑制晶粒回复。 

液氮容器9安装在托架10上，用螺钉将托架10固定在机架6上，液氮容器9的上表面装有加压盖8，其下表面装有阀门11及与阀门11相连通的液氮管道17，液氮管道17的下部连接三通管21，三通管21连接两个分流管(20，20′)，在液氮容器9中预先存留一定量液氮15，由于液氮15的挥发，在液氮容器9中形成一定的气压，由液氮容器9上的加压盖8控制压力的大小。轧制时，由阀门11控制液氮15的流通与否。当阀门11打开时，液氮15从液氮容器9中流出，经三通管21分流，流入两个分流管(20，20′)，最后由喷嘴(19，19′)流出。三通管21与分流管(20，20′)之间、分流管(20，20′)与喷嘴(19，19′)之间均由螺纹连接，可以实现对喷嘴19在水平面和垂直面的转动角度进行调节。通过调整喷嘴19的角度，使液氮15从喷嘴19流出时正对轧制塑性变形区，从而实现较好的冷却效果。实测获知轧件在轧制出口的温度在-70℃以下，最低达到-110℃。 

轧机入口处的机架(6)上安装两个结构相同的滑行轨道(12，12′)，两个滑行轨道(12，12′)的轨道槽内装有送料夹13，所述滑行轨道(12，12′)加工有轨道槽，轨道槽为相互连通的垂直槽、斜向槽和水平槽三部分。所述送料夹13的上夹板28和下夹板29之间设置两个弹簧26，弹簧26由弹簧导柱27和螺母25被约束在上夹板28和下夹板29之间，压缩弹簧26产生的反向作用力推 动上夹板28和下夹板29以导向柱24为回转轴夹紧轧件。上夹板28和下夹板29的两侧设置转向导柱(23，23′)和导向柱(24，24′)，所述转向导柱(23，23′)和导向柱(24，24′)均为塑料材质。送料夹13的导向柱24和转向导柱23被限制在滑行轨道12的轨道槽范围内。操作人员手持送料夹13的导向柱24伸出于滑行轨道12的防滑纹部分，推动使送料夹13沿滑行轨道12的轨道槽运行。送料夹13的初始位置处于滑行轨道12的垂直槽最下端，此时送料夹13夹持轧件18浸没在冷却槽14的液氮15中。送料夹13先沿滑行轨道12的垂直槽运行(见图9)到垂直槽上端，依靠滑行轨道12的斜向槽引导送料夹13的转向导柱23，使送料夹13从垂直状态经斜向位置(见图10)过渡到水平状态(见图11)。再由操作人员手持送料夹13沿滑行轨道12的水平槽运行，将轧件18送入辊缝。到达滑行轨道12的水平槽最远端时，送料夹13导向柱24受滑行轨道12的水平槽限位停止向前运行，避免送料夹13进入轧机辊缝。此后，轧件18由轧辊5与其之间的摩擦带动进入辊缝，从送料夹13中脱出。 

轧制时，脉冲电源1的负极通过电缆2连接送料夹13的上夹板28，正极通过电缆2连接轧辊电极3。在送料夹13的上夹板28和下夹板29之间设置有弹簧26，压缩弹簧26产生的反向作用力推动上夹板28和下夹板29以导向柱24为回转轴夹紧轧件。轧辊电极3抱紧轧辊5端头。当送料夹13沿滑行轨道12的水平槽将轧件18送入辊缝后，由脉冲电源1的负极、送料夹13、轧件18、轧辊5、轧辊电极3及脉冲电源1的正极构成电流通路，从而在轧件18和上、下轧辊(5，5′)之间的轧制塑性变形区内导入垂直于变形方向的强脉冲电流22。另外，脉冲电源1的正极在轧辊电极3上的安装位置是可调的，以实现电路电阻的调整，改变电路中的电流强度。导向柱和转向导柱均为塑料材质，保证了轧件与滑行轨道和操作人员之间的绝缘。 

Claims (5)

1.一种使用低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机，包括电机、变频器和齿轮分配箱，电机的输入经齿轮分配箱传递到上、下轧辊(5，5′)，机架(6)为闭式机架，压下机构(7)采用压下螺丝形式，其特征是：所述轧机入口处的机架(6)上安装两个结构相同的滑行轨道(12，12′)，两个滑行轨道(12，12′)的轨道槽内装有送料夹(13)，滑行轨道(12，12′)后端的下方设置冷却槽(14)，轧机出口处的机架(6)上安装出口导板(16)，出口导板(16)的下方设置收集槽(4)，液氮容器(9)安装在固定于机架(6)的托架(10)上；脉冲电源(1)的负极通过电缆(2)连接送料夹(13)的上夹板(28)，其正极通过电缆(2)连接轧辊电极(3)。

2.根据权利要求1所述的使用低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机，其特征是：液氮容器(9)的上表面装有加压盖(8)，其下表面装有阀门(11)及与阀门(11)相连通的液氮管道(17)，所述液氮管道(17)的下部连接三通管(21)，三通管(21)连接两个分流管(20，20′)，两个分流管(20，20′)连接两个喷嘴(19，19′)，三通管(21)与分流管(20，20′)之间、分流管(20，20′)与喷嘴(19，19′)之间均由转动部件连接，实现对喷嘴(19，19′)在水平面和垂直面的转动角度调节。

3.根据权利要求1所述的使用低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机，其特征是：所述滑行轨道(12)加工有轨道槽，轨道槽为相互连通的垂直槽、斜向槽和水平槽三部分。

4.根据权利要求1所述的使用低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机，其特征是：所述送料夹(13)的上夹板(28)和下夹板(29)之间设置两个弹簧(26)，弹簧(26)由弹簧导柱(27)和螺母(25)被约束在上夹板(28)和下夹板(29)之间，上夹板(28)和下夹板(29)的两侧设置转向导柱(23，23′)和导向柱(24，24′)，所述转向导柱(23，23′)和导向柱(24，24′)均为塑料材质。

5.根据权利要求1或2所述的使用低温液氮冷却介质的电塑性二辊轧机，其特征是：所述液氮容器(9)、收集槽(4)和冷却槽(14)内均盛有液氮(15)。

Images