CN102114530B - 复层管坯铸造装置和连续铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种复层金属材料的铸造装置和铸造方法，特别是一种复层管坯铸造装置和连续铸造方法。铸造装置的结构为：外保温炉的出口端设有外控制阀门，内保温炉的出口端设有内控制阀门，内保温炉通过内控制阀门与结晶器连通，结晶器的前端设有芯头，外保温炉的出口端设有浇铸管，芯头位于浇铸管内，结晶器和外保温炉分别与浇铸管连通；浇铸管内设有牵引管，牵引管的内端与芯头插接，牵引管的外端与牵引器连接；电磁发生装置设于浇铸管的外面。连续铸造方法包括合金坯料的熔炼和保温、复层管坯的电磁连续铸造、管坯切割及复层管坯的质量检验。本发明的工艺过程和设备都比较简单，易于实现大规模连续生产，显著降低了复层管坯的生产成本。
Description
技术领域
本发明是一种复层金属材料的铸造装置和铸造方法，特别是一种复层管坯铸造装置和连续铸造方法。
背景技术
复层金属材料是利用复合技术使两种或两种以上的物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固结合而制备的一种新型复合材料，在保持母材金属特性的同时具有“互补效应”，可以弥补各自的不足，被广泛的应用到汽车、舰船、航空航天、石油化工、电子和核工业等领域。
当前，生产复合管坯的方法主要有：复合板卷焊法、双层管坯固定针挤压法、离心浇铸法、爆炸复合法、离心铸造挤压法、直接浇注法等。其中复合板卷焊法是采用经轧制复合获得的复合铝板带材，经裁切后进行卷曲，然后利用高频超声进行焊接得到后续复合管材；双层管坯固定针挤压法采取先分别制备两种不同成分的合金管材，然后通过固定针调节挤压比例，将两种管材套在一起进行固定针挤压，得到复合管材；离心浇铸法是通过离心铸造的方法先铸造外层金属后再浇注内层金属，从而得到复层管坯；爆炸复合法采取将内外两种管材经爆炸的方式连接到一起，得到复合管坯；离心铸造挤压法采取先离心铸造复合管坯后再经热挤压得到相应尺寸的管坯；直接浇铸法的制备过程是先浇注外层高熔点金属制得外层管坯后再向其内表面浇注内层低熔点管坯，得到复层管坯。
复合板卷焊法，工艺复杂、设备投入大、成本高，在管材轧制复合制备铝板带的过程中需要经过表面处理，对环境有一定危害，同时由于轧制过程中的扩散和化学反应进行的不充分，未完全在复合界面形成过度结构，因此结合强度不合理，在使用过程中，两种材料可能出现结合不牢固的情况；双层管坯固定针挤压法，生产工序较简单、成本较低，但是在挤压过程中，固定针不易固定，使得所得产品尺寸偏心严重，导致成品率不高，同时因工艺限制，其结合界面也存在不牢固的现象；离心浇铸法、离心铸造挤压法、爆炸复合法及直接浇注法，均存在生产不连续、生产效率低的缺点，不适应大规模连续化生产，直接浇铸法只能做外层金属熔点高、内层金属熔点低的复合管材。
根据以上的介绍，可以归纳出现有复层管坯的制造存在两个问题，一是制造工艺缺陷，导致成品率不高，管坯的复合界面结合不牢固；二是制造方法上生产不连续、生产效率低。
发明内容
本发明的目的之一是为了克服现有复合管坯生产方法制备复层管坯过程中存在的复合界面结合不牢固、成品率不高的缺陷，发明一种复层管坯铸造装置，用该装置可以生产出界面清晰，表面光洁，内外层成分和性能各不相同的复层管坯。
本发明的目的之二是为了克服现有复合管坯生产中存在的不连续、生产效率低的缺陷，发明一种工艺流程简单、成本低、可连续生产的复层管坯连续铸造方法。
本发明的目的是按如下的方式来实现的：
所述复层管坯铸造装置，由外保温炉、内保温炉、结晶器、芯头、浇铸管、牵引管和牵引器组成，内保温炉设于外保温炉内，外保温炉的出口端设有外控制阀门，内保温炉的出口端设有内控制阀门，内保温炉通过内控制阀门与结晶器连通，结晶器的前端设有芯头，外保温炉的出口端设有浇铸管，芯头位于浇铸管内，结晶器和外保温炉分别与浇铸管连通；浇铸管内设有牵引管，牵引管的内端与芯头插接，牵引管的外端与牵引器连接；内保温炉内设有内层金属液，外保温炉内设有外层金属液；内层金属液在芯头的外面凝固成内层管坯，外层金属液在内层管坯的外面凝固成外层管坯。
所述浇铸管的外面且位于浇铸管与外保温炉相连接的位置上，设有电磁发生装置，其内部有冷却水。
所述电磁发生装置所产生的磁场，是直流磁场或交流磁场。
所述浇铸管和牵引管之间有冷却水。
所述内层金属液和外层金属液为两种不同成分和性能的合金。
所述复层管坯连续铸造方法，包括以下步骤：
A.将复层管坯的外层金属和内层金属分别加热至熔化，其温度保持在凝固点以上300℃以内，经精炼去气后，将外层金属液置于外保温炉内保温待用，将内层金属液置于内保温炉内保温待用；
B.将牵引管插接在芯头上；
C.复层管坯的连续铸造
一.当内层金属液熔点高、外层金属液熔点低时：
1)打开内控制阀门，使内保温炉的内层金属液流到结晶器内，结晶器内的内层金属液则流入浇铸管并进一步浇铸到芯头的外面，内层金属液凝固后在芯头的外面形成内层管坯，内层管坯在凝固的过程中与插接在芯头上的牵引管挂接；
2)启动牵引器，牵引器的牵引速度范围是：0.1-4m/min；
3)当内层金属液凝固后开启外控制阀门，使外层金属液流入浇铸管内并在内层管坯的外面凝固形成外层管坯，随着牵引器的牵引过程不断进行，最后制得具有内外两层结构的复层管坯。
二.当内层金属液熔点低、外层金属液熔点高时：
1)打开外控制阀门，使外保温炉的外层金属液流到浇铸管内，并在浇铸管的内壁凝固形成外层管坯，外层管坯在凝固的过程中与插接在芯头上的牵引管挂接；
2)启动牵引器，牵引器的牵引速度范围是：0.1-4m/min；
3)当外层金属液凝固后开启内控制阀门，使内层金属液流到结晶器内，并进一步浇铸到芯头和外层管坯所夹的空间，内层金属液凝固后形成内层管坯，随着牵引器的牵引过程不断进行，最后制得具有内外两层结构的复层管坯。
在上述两种不同的浇铸情况下，均可在启动牵引器的同时，开启电磁发生装置，如为直流磁场，其磁场强度的范围是：100mT-500mT，如为交流磁场，其磁场强度范围是10-300mT，磁场频率为1-2000Hz。
所述牵引器的牵引速度的优选范围为：0.3-2m/min。
所述直流磁场强度的优选范围为：150-300mT；交流磁场强度的优选范围是：30-100mT，交流磁场频率的优选范围是：1-500Hz。
本发明的积极效果如下：本发明的工艺过程和设备都比较简单，易于实现大规模连续生产，显著降低了复层管坯的生产成本；管坯的内外层厚度可调，可生产不同规格的管坯；通过调整制备工艺，本发明既可以制备内层金属熔点高、外层金属熔点低的复层管材，也可以制备外层金属熔点高，内层金属熔点低的复层管材；本发明中的电磁发生装置，如果是直流磁场，其产生的电磁力能阻碍结晶器出口处液体金属的流动，抑制了内层金属和外层金属的混流，防止内层金属被外层金属熔化，保证了界面具有良好的冶金结合；如果是交流磁场，其产生的磁场能细化晶粒，抑制熔体的偏析，利于管材的成型。
附图说明
图1是复层管坯铸造装置的结构示意图。
图中：1外保温炉 2内保温炉 3结晶器
4芯头 5电磁发生装置 6浇铸管
7牵引管 8牵引器 9外控制阀门
10内控制阀门 11内层金属液 12外层金属液
13内层管坯 14外层管坯
具体实施方式
所述复层管坯铸造装置是按图1所示的结构来实施的，本装置由外保温炉1、内保温炉2、结晶器3、芯头4、浇铸管6、牵引管7和牵引器8组成，内保温炉2设于外保温炉1内，外保温炉1的出口端设有外控制阀门9，内保温炉2的出口端设有内控制阀门10，内保温炉2通过内控制阀门10与结晶器3连通，结晶器3的前端设有芯头，外保温炉1的出口端设有浇铸管6，芯头4位于浇铸管6内，结晶器3和外保温炉1分别与浇铸管6连通；浇铸管6内设有牵引管7，牵引管7的内端与芯头4插接，牵引管7的外端与牵引器8连接；内保温炉2内设有内层金属液11，外保温炉1内设有外层金属液12；内层金属液11在芯头4的外面凝固成内层管坯13，外层金属液12在内层管坯13的外面凝固成外层管坯14。
所述浇铸管6的外面且位于浇铸管6与外保温炉1相连接的位置上，设有电磁发生装置5，其内有冷却水进行冷却。电磁发生装置可产生直流或交流磁场。如产生直流磁场，其作用是通过产生的电磁力，阻碍结晶器出口处液体金属的流动，抑制了内层金属液和外层金属液的混流，防止内层金属被外层金属熔化，保证了界面具有良好的冶金结合；如产生交流磁场，其产生的磁场能细化合金金相组织，抑制金属熔体的偏析，有利于管材的成型。
所述浇铸管6和牵引管7之间设有冷却水。
所述内层金属液11和外层金属液12为两种不同成分和性能的合金。
所述复层管坯连续铸造方法，具体实施方式如下：
实施例1
步骤1：合金坯料的熔炼和保温
将3003铝合金和4004铝合金分别作为内层金属液11和外层金属液12，将他们分别加热到730℃和700℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层管坯的连续铸造
将牵引管7放到结晶器3的前方，经过调整使其保持水平位置，检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液11经过内控制阀门10进入到结晶器3中，开启电磁发生装置5，采用磁场方式为直流磁场，产生200mT的直流磁场，牵引器8通过牵引管7以0.5m/min的速度拉坯，当内层金属液凝固后，开启外控制阀门9将外层金属液12浇注到已凝固的内层金属液11的外面，随着铸造过程的不断进行，得到复层管坯。
步骤3：管坯切割
本方法可连续铸造，当铸造出的复层管坯达到所要求的长度时，
利用锯床进行切割。
步骤4：复层管坯的质量检验
检查铸坯的表面质量，将制得的复层管坯从距离前端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其打磨、抛光后进行腐蚀，观察宏观金相组织，可以看到管坯的内外层分别为3003和4004合金，有清晰的界面，表面光洁，为合格产品。
实施例2
步骤1：合金坯料的熔炼和保温
将3003铝合金和4045铝合金分别作为内层金属液11和外层金属液12，将他们分别加热到730℃和715℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层管坯的连续铸造
将牵引管7放到结晶器3的前方，经过调整使其保持水平位置，检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液11经过内控制阀门10进入到结晶器3中，开启电磁发生装置5，采用磁场方式为直流磁场，产生150mT的直流磁场，牵引器8通过牵引管7以0.8m/min的速度拉坯，当内层金属液凝固后，开启外控制阀门9将外层金属液12浇注到已凝固的内层金属液11的外面，随着铸造过程的不断进行，得到复层管坯。
步骤3：管坯切割
本方法可连续铸造，当铸造出的复层管坯达到所要求的长度时，利用锯床进行切割。
步骤4：复层管坯的质量检验
检查铸坯的表面质量，将制得的复层管坯从距离前端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其打磨、抛光后进行腐蚀，观察宏观金相组织，可以看到管坯的内外层分别为3003和4045合金，有清晰的界面，表面光洁，为合格产品。
实施例3
步骤1：合金坯料的熔炼和保温
将3103铝合金和4343铝合金分别作为内层金属液11和外层金属液12，将他们分别加热到725℃和700℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层管坯的连续铸造
将牵引管7放到结晶器3的前方，经过调整使其保持水平位置，检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液11经过内控制阀门10进入到结晶器3中，开启电磁发生装置5，采用磁场方式为直流磁场，产生300mT的直流磁场，牵引器8通过牵引管7以1m/min的速度拉坯，当内层金属凝固后，开启外控制阀门9将外层金属液12浇注到已凝固的内层金属液11的外面，随着铸造过程的不断进行，得到复层管坯。
步骤3：管坯切割
本方法可连续铸造，当铸造出的复层管坯达到所要求的长度时，利用锯床进行切割。
步骤4：复层管坯的质量检验
检查铸坯的表面质量，将制得的复层管坯从距离前端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其打磨、抛光后进行腐蚀，观察宏观金相组织，可以看到管坯的内外层分别为3103和4343合金，有清晰的界面、表面光洁，为合格产品。
实施例4
步骤1：合金坯料的熔炼和保温
将3003铝合金和4047铝合金分别作为内层金属液11和外层金属液12，将他们分别加热到730℃和700℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层管坯的电磁连续铸造
将牵引管7放到结晶器3的前方，经过调整使其保持水平位置，检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的内层金属液11经过内控制阀门10进入到结晶器3中，开启电磁发生装置5，采用磁场方式为直流磁场，产生300mT的直流磁场，牵引器8通过牵引管7以1.5m/min的速度拉坯，当内层金属凝固后，开启外控制阀门9将外层金属液12浇注到已凝固的内层金属液11的外面，随着铸造过程的不断进行，得到复层管坯。
步骤3：管坯切割
本方法可连续铸造，当铸造出的复层管坯达到所要求的长度时，利用锯床进行切割。
步骤4：复层管坯的质量检验
检查铸坯的表面质量，将制得的复层管坯从距离前端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其打磨、抛光后进行腐蚀，观察宏观金相组织，可以看到管坯的内外层分别为3003和4047合金，有清晰的界面，表面光洁，为合格产品。
实施例5
步骤1：合金坯料的熔炼和保温
将纯铝和纯铜分别作为内层金属液11和外层金属液12，将他们分别加热到730℃和1230℃，精炼去气后保温待用。
步骤2：复层管坯的电磁连续铸造
将牵引管7放到结晶器3的前方，经过调整使其保持水平位置，检查冷却水系统并保证其处于正常工作状态后，将预先保温的外层金属液12经过外控制阀门9进入到结晶器3中，开启电磁发生装置5，采用磁场方式为交流磁场，产生50mT的交流磁场，磁场频率为50Hz，牵引器8通过牵引管7以1.2m/min的速度拉坯，当外层金属凝固后，开启内控制阀门10将内层金属液11浇注到已凝固的外层金属液12的里面，随着铸造过程的不断进行，得到复层管坯。
步骤3：管坯切割
本方法可连续铸造，当铸造出的复层管坯达到所要求的长度时，利用锯床进行切割。
步骤4：复层管坯的质量检验
检查铸坯的表面质量，将制得的复层管坯从距离前端1000mm处锯断，取得厚度为20mm的切片，将其打磨、抛光后进行腐蚀，观察宏观金相组织，可以看到管坯的内外层分别为铝和铜，有清晰的界面，表面光洁，为合格产品。
在实际操作中，电磁发生装置可以开启，也可以不开启，通过精确控制工艺参数都能生产出合格的复层管坯，只是在用到电磁发生装置时，如其产生直流磁场时，可以更好的控制结晶器出口处液体金属的流动速度，抑制内层金属液和外层金属液的混流，防止内层金属被外层金属熔化；如其产生交流磁场时，其产生的磁场能细化合金金相组织，抑制金属熔体的偏析，有利于管材的成型。
Claims (8)
1.一种复层管坯铸造装置，其特征在于：所述复层管坯铸造装置，由外保温炉、内保温炉、结晶器、芯头、浇铸管、牵引管和牵引器组成，内保温炉设于外保温炉内，外保温炉的出口端设有外控制阀门，内保温炉的出口端设有内控制阀门，内保温炉通过内控制阀门与结晶器连通，结晶器的前端设有芯头，外保温炉的出口端设有浇铸管，芯头位于浇铸管内，结晶器和外保温炉分别与浇铸管连通；浇铸管内设有牵引管，牵引管的内端与芯头插接，牵引管的外端与牵引器连接；内保温炉内设有内层金属液，外保温炉内设有外层金属液；内层金属液在芯头的外面凝固成内层管坯，外层金属液在内层管坯的外面凝固成外层管坯；所述浇铸管的外面且位于浇铸管与外保温炉相连接的位置上，设有电磁发生装置，其内部有冷却水。
2.根据权利要求1所述的复层管坯铸造装置，其特征在于：所述电磁发生装置所产生的磁场，是直流磁场或交流磁场。
3.根据权利要求1所述的复层管坯铸造装置，其特征在于：所述浇铸管和牵引管之间有冷却水。
4.根据权利要求1所述的复层管坯铸造装置，其特征在于：所述内层金属液和外层金属液为两种不同成分和性能的合金。
5.一种复层管坯连续铸造方法，其特征在于包括以下步骤：
A.将复层管坯的外层金属和内层金属分别加热至熔化，其温度保持在凝固点以上300℃以内，经精炼去气后，将外层金属液置于外保温炉内保温待用，将内层金属液置于内保温炉内保温待用；
B.将牵引管插接在芯头上；
C.复层管坯的连续铸造
一.当内层金属液熔点高、外层金属液熔点低时：
1)打开内控制阀门，使内保温炉的内层金属液流到结晶器内，结晶器内的内层金属液则流入浇铸管并进一步浇铸到芯头的外面，内层金属液凝固后在芯头的外面形成内层管坯，内层管坯在凝固的过程中与插接在芯头上的牵引管挂接；
2)启动牵引器，牵引器的牵引速度范围是：0.1-4m/min；
3)当内层金属液凝固后开启外控制阀门，使外层金属液流入浇铸管内并在内层管坯的外面凝固形成外层管坯，随着牵引器的牵引过程不断进行，最后制得具有内外两层结构的复层管坯；
二.当内层金属液熔点低、外层金属液熔点高时：
1)打开外控制阀门，使外保温炉的外层金属液流到浇铸管内，并在浇铸管的内壁凝固形成外层管坯，外层管坯在凝固的过程中与插接在芯头上的牵引管挂接；
2)启动牵引器，牵引器的牵引速度范围是：0.1-4m/min；
3)当外层金属液凝固后开启内控制阀门，使内层金属液流到结晶器内，并进一步浇铸到芯头和外层管坯所夹的空间，内层金属液凝固后形成内层管坯，随着牵引器的牵引过程不断进行，最后制得具有内外两层结构的复层管坯。
6.根据权利要求5所述的复层管坯连续铸造方法，其特征在于：在启动牵引器的同时，开启电磁装置，如为直流磁场，其强度范围是：100mT-500mT；如为交流磁场，其强度范围是10-300mT，磁场频率为1-2000Hz。
7.根据权利要求5所述的复层管坯连续铸造方法，其特征在于：所述牵引器的牵引速度的优选范围为：0.3-2m/min。
8.根据权利要求6所述的复层管坯连续铸造方法，其特征在于：所述直流磁场强度的优选范围为：150-300mT；交流磁场强度的优选范围是：30-100mT，交流磁场频率的优选范围是：1-500Hz。
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