CN102825067B - 一种采用冷芯连续铸轧工艺生产双金属复合管材或棒材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用冷芯连续铸轧工艺生产双金属复合管材或棒材的方法，其主要是将冷芯基材由入口夹送导卫装置将其喂入铸轧辊的孔型内，将钢包内的熔融态覆材连续浇注入基材与铸轧辊孔型构成的环形结晶器内，驱动铸轧辊，使熔融态覆材连续、均匀地涂覆在冷芯基材表面，并在出口侧设置二次冷却装置和出口夹送导卫装置，实现双金属复合管材或棒材的冷芯连续铸轧复合成型。其优点是：采用该工艺方法生产双金属复合管材或棒材，具有对坯料尺寸和形状精度要求低、无需预先装配，成材率和金属利用率高，产品长度和覆层厚度不受限制、产品规格范围广等优点，是一种高效的生产工艺方法。产品可直接作为成品，或作为轧管、冷拔等工序的坯料使用。
Description
技术领域：
本发明属于金属材料的复合加工领域，涉及一种采用冷芯连续铸轧工艺生产双金属复合材料的方法，特别是一种生产双金属复合管或棒的方法。
背景技术：
双金属复合管(棒)是一种高效复合材料，它通过一定的工艺方法，将两种不同金属(即基体金属和覆层金属)在整个接触表面上，形成紧密牢固的结合效果，被广泛应用于石油化工、机械制造、电力、造船、造纸、海洋开发、原子能应用等工业技术领域。目前，用于制造双金属管(棒)的金属主要有碳钢、合金钢、耐蚀钢、铜及铜合金、铝及铝合金、镍及镍合金、钛、钽、钴、难熔金属等。其中，耐蚀性和耐磨性较差的碳素钢或低合金钢作为基材，而耐蚀性好的不锈钢、镍基合金、铜及铜合金、钛及钛合金等作为覆层金属，组成如铜-钢，铜-铝，镁-铝合金，铝青铜-钢等复合形式。由于采用了两种具有不同性能特征的金属复合而成，与同品种的钢管(或棒材)相比，其综合性能(包括机械性能、导电性能、物理化学性能等)更为理想。
目前，国内外围绕双金属复合管，已陆续开发了油井管、机械结构管、轴承管、输送管、锅炉管、原子能用管、电缆管，热交换器用管及耐热耐蚀管、耐磨管等，产品规格有管径Φ0.8～Φ1500mm，壁厚0.15～70mm。在双金属复合棒材方面，也成功开发了具有良好耐腐蚀性能的钢-铝复合棒，以及在电镀、电解、湿法冶金等工序中应用于较强腐蚀工况条件下的导电钛-铜复合棒等。其中，钢-铝复合棒材被广泛应用于船体、海上石油钻井平台、水坝闸门等水下或地下工作部件的防腐保护。根据不同的使用要求，双金属复合管(棒)的覆层厚度通常为0.3-10mm，少数甚至达到20mm以上。
国内外现有的双金属复合管的制造方法主要有嵌套成型、内爆炸焊接法、包复焊接法、离心铸造法、热轧法和粉末冶金法等。其中，嵌套成型一般采用两种成品管材来制造，利用机械力(如冷拔、旋压、热挤压和水压胀形等方法)或利用两种金属具有不同热膨胀系数的特性(如热膨胀法，类似于热装过盈装配)，将基材与覆材成品管强制嵌套在一起，该方法的缺点是产品尺寸范围相对较窄，装配精度要求高，工序复杂，成材率低，且高温下易产生应力松弛而分层失效。爆炸焊接是利用炸药爆炸产生的可控巨大能量和冲击波，使不同金属在一定碰撞角度下高速碰撞，在碰撞点产生高温、高压，碰撞点附近金属产生强烈塑性变形，而实现不同金属材料组合的高质量冶金结合的技术。采用内爆炸的方法可在金属管的内表面焊上另一种金属材料的管材,材质选择范围广且焊接界面处强度大于基体材料的强度，但界面结合区易形成波形且尺寸精度难以保证，管坯长度受到限制(通常只能生产长度在1000mm以下的管子)。包复焊接法以基材成品管为内层金属，外层覆材金属为热轧带材，借鉴直缝焊管生产工艺，利用孔型系统和焊接机，将覆层金属带材连续包复在基材金属管上，形成直缝复合管。该方法生产率高、质量好、成本低，可大量降低金属材料的耗损，但要求一次性投资大，材料选择范围小。离心铸造法是将固体管置于离心机上，然后向其内部注入金属熔液，在离心力的作用下，金属熔液附着并凝固于管子内壁上，最后将离心后产品放入压力机中，在压力机的作用下，使复合管管径减少，厚度减薄达到要求。利用离心铸造法生产的双层金属管易产生壁厚不均缺陷，表面需要机械加工，且铸造时液体金属相互冲刷和拌合易形成过渡层。近年来，出现了采用三辊斜轧的方法生产双金属复合管，将双金属复合坯料放入三辊斜轧机中进行轧制，类似于无缝钢管的生产方式，通过减径达到所需的尺寸规格。粉末冶金法通过高温静压成型，主要用于高强度难变形金属的复合，可加工出强度和耐蚀性能良好的复合管。气相沉积(Vapor Deposition)是利用气相中发生的物理化学过程，在材料表面形成具有特种性能的金属或化合物涂层的工艺方法，能够形成极薄的金属覆层，目前广泛用于纳米加工领域。
相对于双金属复合管，双金属复合棒的加工方法仍较少，主要有包覆热轧复合法与北京科技大学提出的双结晶器连铸工艺和充芯连铸工艺等。
综合国内外现有的双金属复合管(棒)生产工艺技术方法，开发对基材和覆材坯料尺寸和形状精度要求低、工艺高效稳定以及产品规格范围更广的新复合工艺，是本领域努力的方向。
发明内容：
本发明的目的是为了实现高效洁净地生产合格的双金属复合管(棒)产品，提供一种采用冷芯连续铸轧工艺生产双金属复合管材或棒材(管或棒)的方法，实现基材与覆层金属的固液柔性高效复合。
为了达到如上目的，本发明通过如下技术方案实现：
步骤1，选择常温金属成品管或棒作为冷芯基材，并对其表面进行预处理，去除表面氧化铁皮和油渍，使其洁净；
步骤2，将金属覆材加热至熔融态，并置于钢包中；
步骤3，利用铸轧机入口处的入口夹送导卫装置，将处理好的冷芯基材沿铸轧方向送入铸轧辊的孔型内，铸轧辊内部采用循环水冷却，冷芯基材表面与铸轧辊孔型构成一环形结晶器；
步骤4，利用钢包向环形结晶器内均匀连续地浇入熔融态的金属覆材，驱动铸轧辊，金属覆材被均匀连续地涂覆在冷芯基材表面，与冷芯基材表面形成固液柔性复合，实现双金属复合管或棒的冷芯连续铸轧复合成型；
步骤5，启动设置在铸轧机出口侧的二次冷却装置和出口夹送导卫装置，对双金属复合管或棒进行加速凝固、冷却控制以及牵引对中；
步骤6，控制冷芯基材的喂入速度、熔融态金属覆材的布流方式及浇铸流量、铸轧辊转速、铸轧辊内冷却水流速参数，使冷芯基材与金属覆材的复合界面达到满意的结合效果。
所述方法中的铸轧机采用立式配置或采用卧式配置；
所述方法中的铸轧机铸轧辊的孔型为圆形或方形。
本发明的有益效果是：采用该工艺方法生产双金属复合管或棒，具有对坯料尺寸和形状精度要求低、无需预先装配，成材率和金属利用率高，产品长度和覆层厚度不受限制、产品规格范围广等优点，是一种高效的生产工艺方法。产品可直接作为成品，或作为轧管、冷拔等工序的坯料使用。
附图说明：
图1为本发明实施例一的生产过程示意图；
图2为本发明实施例二的生产过程示意图；
图3为本发明实施例三的生产过程示意图；
图4为本发明实施例四的生产过程示意图；
图5为利用本发明生产不同截面形状双金属复合管或棒的孔型示意图。
其中，图5(a)为双金属复合圆管的铸轧孔型示意图，图5(b)为双金属复合圆棒的铸轧孔型示意图，图5(c)为双金属复合方管的铸轧孔型示意图，图5(d)为双金属复合方截面棒材的铸轧孔型示意图。
附图中：1—冷芯基材，2—入口夹送导卫装置，3—金属覆材，4—钢包，5—铸轧辊，6—二次冷却装置，7—出口夹送导卫装置，8—防漏装置A，9—浇注池，10—防漏装置B。
具体实施方式：
下面结合附图来说明本发明实施例，对本发明的技术方法进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
实施例一：
如附图1所示，可根据复合管或棒耐酸或耐碱性、耐腐蚀性和耐氧化性等具体使用要求，选择具有不同物理、化学和力学特性的冷芯基材1和金属覆材3。其中基材1为常温态金属成品管材或棒材，利用冷芯辊式连续铸轧工艺，将熔融态覆材3均匀、连续地涂覆在冷芯基材1表面，经高温连续铸轧复合成形。
本发明第一实施例是在立式铸轧机上，采用冷芯连续铸轧技术生产钢-铝复合圆管。如图1所示，具体步骤如下：
步骤1，冷芯基材1选用普碳钢Q235成品钢管，对其表面进行去除氧化铁皮和脱脂等处理，使其表面洁净。
步骤2，金属覆材3选用铝合金3A21，将熔融态的铝合金置于钢包4中。
步骤3，利用入口夹送导卫装置2，将处理好的基材1沿铅垂铸轧方向送入铸轧辊5的圆孔型内，铸轧辊内部采用循环水冷却，冷态基材1表面与铸轧辊孔型构成一环形结晶器。
步骤4，利用钢包4向环形结晶器内均匀连续地浇入熔融态的铝合金覆材3，驱动铸轧辊，覆材3被均匀连续地涂覆在基材1表面，与冷芯基材1表面形成固液柔性复合，实现双金属复合管的冷芯连续铸轧复合成型。
步骤5，启动二次冷却装置6，对铸轧出来复合管进行加速凝固和冷却控制。
步骤6，出口夹送导卫装置7夹持住双金属复合管后，对其进行牵引和对中，以保证覆层金属厚度均匀。
步骤7，控制冷芯基材1的喂入速度、熔融态覆材3的布流方式及浇铸流量、铸轧辊转速、铸轧辊内冷却水流速等参数，使基材1与覆材3复合界面达到满意的结合效果。
实施例二：
本发明第二实施例是在立式铸轧机上，采用冷芯连续铸轧技术生产钢-铝复合棒材。如图2所示，具体步骤如下：
步骤1，冷芯基材1选用普碳钢Q235成品棒材，对其表面进行去除氧化铁皮和脱脂等处理，使其表面洁净。
步骤2，金属覆材3选用铝合金3A21，将熔融态的铝合金覆材置于钢包4中。
步骤3，利用入口夹送导卫装置2，将处理好的基材1沿铅垂铸轧方向送入铸轧辊5的圆孔型内，铸轧辊内部采用循环水冷却，冷态基材1表面与铸轧辊孔型构成一环形结晶器。
步骤4，利用钢包4向环形结晶器内均匀连续地浇入熔融态的铝合金覆材3，驱动铸轧辊，覆材3被均匀连续地涂覆在基材1表面，与冷芯基材1表面形成固液柔性复合，实现双金属复合棒材的冷芯连续铸轧复合成型。
步骤5，启动二次冷却装置6，对铸轧出来复合棒材进行加速凝固和冷却控制。
步骤6，出口夹送导卫装置7夹持住双金属复合棒材后，对其进行牵引和对中，以保证覆层金属厚度均匀。
步骤7，控制冷芯基材1的喂入速度、熔融态覆材3的布流方式及浇铸流量、铸轧辊转速、铸轧辊内冷却水流速等参数，使基材1与覆材3复合界面达到满意的结合效果。
实施例三：
本发明第三实施例是在卧式铸轧机上，采用冷芯连续铸轧工艺生产钢-铝复合管。如图3所示，具体步骤如下：
步骤1，冷芯基材1选用普碳钢Q235成品钢管，对其表面进行去除氧化铁皮和脱脂等处理，使其表面洁净。
步骤2，金属覆材3选用铝合金3A21，将熔融态的铝合金置于钢包4中。
步骤3，利用入口夹送导卫装置2，将处理好的基材1沿水平铸轧方向送入铸轧辊5的圆孔型内，铸轧辊内部采用循环水冷却，冷态基材1表面与铸轧辊孔型构成一环形结晶器。
步骤4，从钢包4向浇注池9内连续注入覆材金属熔液3，浇注池两端分别由防漏装置A8和防漏装置B10密封，驱动铸轧辊，覆材3被均匀连续地涂覆在基材1表面，与冷芯基材1表面形成固液柔性复合，实现双金属复合管材的冷芯连续铸轧复合成型。
步骤5，启动二次冷却装置6，对铸轧出来复合管材进行加速凝固和冷却控制。
步骤6，出口夹送导卫装置7夹持住双金属复合管材后，对其进行牵引和对中，以保证覆层金属厚度均匀。
步骤7，控制铸轧辊转速、铸轧辊内冷却水流速等参数，使基材1与覆材3复合界面达到满意的结合效果。
实施例四：
本发明第四实施例是在卧式铸轧机上，采用冷芯连续铸轧工艺生产钢-铝复合棒材。如图4所示，具体步骤如下：
步骤1，冷芯基材1选用普碳钢Q235成品棒材，对其表面进行去除氧化铁皮和脱脂等处理，使其表面洁净。
步骤2，金属覆材3选用铝合金3A21，将熔融态的铝合金置于钢包4中。
步骤3，利用入口夹送导卫装置2，将处理好的基材1沿水平铸轧方向送入铸轧辊5的圆孔型内，铸轧辊内部采用循环水冷却，冷态基材1表面与铸轧辊孔型构成一环形结晶器。
步骤4，从钢包4向浇注池9内连续注入覆材金属熔液3，浇注池两端分别由防漏装置A8和防漏装置B10密封，驱动铸轧辊，覆材3被均匀连续地涂覆在基材1表面，与冷芯基材1表面形成固液柔性复合，实现双金属复合棒材的冷芯连续铸轧复合成型。
步骤5，启动二次冷却装置6，对铸轧出来复合棒材进行加速凝固和冷却控制。
步骤6，出口夹送导卫装置7夹持住双金属复合棒材后，对其进行牵引和对中，以保证覆层金属厚度均匀。
步骤7，控制铸轧辊转速、铸轧辊内冷却水流速等参数，使基材1与覆材3复合界面达到满意的结合效果。
本发明实施生产过程采用冷芯连续铸轧技术，通过该技术实现双金属复合管(棒)的高效生产，解决了原有生产技术对坯料尺寸和形状精度要求高、工艺复杂等问题，降低了生产中的工序总数，连续铸轧节约了资源，提高了金属利用率，加工范围更加广泛。本发明为双金属复合管材或棒材的生产，开辟了一条更广阔的道路。
Claims (3)
1.一种采用冷芯连续铸轧工艺生产双金属复合管材或棒材的方法，其特征是：
步骤1，选择常温金属成品管或棒作为冷芯基材，并对其表面进行预处理，去除表面氧化铁皮和油渍，使其洁净；
步骤2，将金属覆材加热至熔融态，并置于钢包中；
步骤3，利用铸轧机入口处的入口夹送导卫装置，将处理好的冷芯基材沿铸轧方向送入铸轧辊的孔型内，铸轧辊内部采用循环水冷却，冷芯基材表面与铸轧辊孔型构成一环形结晶器；
步骤4，利用钢包向环形结晶器内均匀连续地浇入熔融态的金属覆材，驱动铸轧辊，金属覆材被均匀连续地涂覆在冷芯基材表面，与冷芯基材表面形成固液柔性复合，实现双金属复合管或棒的冷芯连续铸轧复合成型；
步骤5，启动设置在铸轧机出口侧的二次冷却装置和出口夹送导卫装置，对双金属复合管或棒进行加速凝固、冷却控制以及牵引对中；
步骤6，控制冷芯基材的喂入速度、熔融态金属覆材的布流方式及浇铸流量、铸轧辊转速、铸轧辊内冷却水流速参数，使冷芯基材与金属覆材的复合界面达到满意的结合效果。
2.根据权利要求1所述的采用冷芯连续铸轧工艺生产双金属复合管材或棒材的方法，其特征是：所述方法中的铸轧机采用立式配置或采用卧式配置。
3.根据权利要求1或2所述的采用冷芯连续铸轧工艺生产双金属复合管材或棒材的方法，其特征是：所述方法中的铸轧机铸轧辊的孔型为圆形或方形。
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