CN103658572A - 铜管水平连铸气体保护结晶器及其制备铜合金管的方法 - Google Patents

Abstract

一种铜管水平连铸气体保护结晶器及其制备铜合金管的方法，结晶器石墨外套的下部设有进液口，石墨外套中部往上依次套装有压板、法兰以及冷却铜套；压板内侧设有冷却水套，冷却水套内设有电磁发生腔，电磁发生腔内安装多个电磁线圈；冷却铜套的内腔安装冷却盘管，冷却盘管一端穿过冷却铜套外套与进气口及惰性气体气源连接、另一端依次穿过冷却铜套内套、石墨外套与出气口连接；本发明水平连铸采用的结晶器通过电磁搅拌效应，使金属液体在结晶器内腔中能够发生流动及传热传质，从而达到细化晶粒而使凝固组织更细，提高铸坯的质量；同时通过气体保护系统，石墨外套内表面的附作物明显减少，并且相对要分散一些，石墨外套的使用寿命比原有的延长了50%。

Description

铜管水平连铸气体保护结晶器及其制备铜合金管的方法

技术领域

本发明涉及铜合金管材生产设备及工艺领域，具体涉及一种铜管水平连铸气体保护结晶器及其制备铜合金管的方法。

背景技术

铜管和铜合金管是海水淡化、火电核电和舰船中的热交换系统的关键材料。目前生产铜合金管，主要方法为挤压法，采用其它方式如斜铸穿孔，连铸轧拉很少，挤压工序生产过程为：先配料铸圆坯，经锯切、分拣、加热、挤压、酸洗、然后经轧制、拉伸至成品管，其缺陷在于：(1)生产工序繁杂，辅助设施多，维修模具费用高，占地面积大，人员要求多，素质要求高；(2)投资规模大，少则上亿元，多则几亿元；(3)圆坯二次加热，需挤压成型，挤压筒、针，工作前需预热等能耗高；(4)搅拌、铸锭、锯切、加热、压余、脱皮、酸洗等工序金属损耗大，成品率低，供坯成品率<90%；(5)采用单体炉半连续铸造或分体炉熔铸，生产连续性差，效率低；(6)锌烧损大，搅拌，二次加热，挤压及润滑等烟雾大，污染严重；(7)管坯偏心大，影响后续冷加工，尤其是正向挤压大口径薄壁黄铜管的挤压成品率为40%～60%。总的来说目前我国铜基铜合金管的工艺落后，产品的质量不够稳定、成品率低以及成本高。水平连铸是一种连续铸造的方法，其原理是利用金属熔液冷却结晶的原理，从熔融的金属或者合金熔液中缓慢连续地抽出具有一定形状的固态金属线材或板材，其优点是无需经过挤压、轧制、拉拔等工作过程，连续生产能力大；冷却结晶系统是水平连铸的一个关键设备，冷却过程中金属熔液受热不均匀，靠近水套的一侧冷却速度快而远离的一次冷却速度慢，造成管坯外表有裂纹、内部凝固组织粗大的缺陷。在冷凝管市场，HSn70-1和Ha177-2黄铜管、BFe10-1-1和Bfe30-1-1白铜管应用比较多，其中HSn70-1和Ha177-2黄铜管若采用水平连铸，随着金属的凝固收缩，液体金属在石墨模上由仅靠石墨壁到收缩出一定的间隙，黄铜中合金成分还含有较多的锌，且锌的熔点较低，在熔液凝固的区域内部分锌会挥发在结晶器石墨模上凝结，外界的空气容易从管坯的出口端渗透进间隙中，并与石墨模上半凝固的金属锌发生反应，从而生成氧化物粘附在石墨壁上，增大了管坯拉出的摩擦力，并影响传热效果，大大缩短了石墨模板的使用寿命；并且随着生产进行，粘附的氧化物越来越多，在管坯拉铸时，与凝固金属接触时容易使管坯出现裂纹，如果氧化物脱落镶嵌在管坯内部或者表面，会破坏基体的延展性。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种铜管水平连铸气体保护结晶器及其制备铜合金管的方法，其制备的产品耐腐性强、机械强度高且加工性能好，并且结晶器的使用寿命长。

首先提供一种铜管水平连铸气体保护结晶器，其技术方案是：包括外部的石墨外套和内部的石墨芯棒，且石墨外套和石墨芯棒形成环形的内腔；石墨外套的下部设有进液口，石墨外套中部往上依次套装有压板、法兰以及冷却铜套；所述的压板与石墨外套之间设有15-20mm厚的耐火材料保护套；所述压板内侧设有冷却水套，冷却水套内设有电磁发生腔，电磁发生腔内安装多个电磁线圈，电磁线圈与三相电源连接，电磁线圈的外侧装有导磁材料制成的磁轭；所述的压板和法兰均为奥氏体不锈钢；所述的三相电源的电流频率为50Hz，电流强度为85-95A；所述的石墨芯棒为锥度为1.2-1.4的圆台；所述的冷却铜套的内腔安装冷却盘管，冷却盘管一端穿过冷却铜套外套与进气口连接、另一端依次穿过冷却铜套内套、石墨外套与出气口连接，且所述的出气口的出口方向与所述的石墨外套的内壁相切，且出气口的出口方向轴线与石墨外套的轴线夹角小于90°；所述的进气口连接惰性气体气源。

上述方案可进一步改进为：

所述的冷却铜套（5）内设有间隔布置的折流板（4）；所述的冷却水套（14）为不锈钢冷却水套；所述的奥氏体不锈钢优选为1Cr17Mn6Ni15N、0Cr18Ni10Ti或者1Cr18Ni12Mo3Ti。

所述的耐火材料保护套通过以下方法制得：将15-25重量份的硅酸盐水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化铝、3-5重量份的蛭石粉、2-4重量份的氧化锆、1-2重量份的氧化钠及1-2重量份石墨混匀为混合粉末，然后加入占混合粉末总重量的5-6%的结合剂，在液压机成型后，经过干燥、烧结为即得成品，烧结的温度控制在1550-1580℃，时间为2-3小时。实验证明，此种方法得到的耐火材料保护套热稳定性高，耐高温且机械强度高。

所述的出气口的出口方向轴线与石墨外套的轴线夹角为45-60°；所述的惰性气体气源为氮气或氩气气源；所述的惰性气体气源上还连接缓冲腔，其内部间隔安装缓冲挡板。

接着提供一种应用上述铜管水平连铸气体保护结晶器的铜合金管的制备方法，采用采用水平连铸-冷轧-冷拉-光亮退火工艺，具体步骤为：

（1）、将重量百分比25-28%的锌、1.2-1.4%的铝、0.6-0.65%的铁、0.02-0.04%的镍、0.2-0.4%的锰、0.02-0.04%的锆、0.01-0.02%的钛以及余量的阴极铜投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖60-70mm木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过气体保护结晶器冷却并经牵引装置拉出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1080-1120℃；结晶器冷却铜套的进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃，冷却水压力控制在0.3-0.35MPa； 

（2）、管坯经过切断、铣面后进入冷轧机连续轧制得到毛坯管，然后通过冷拉得到管材；

（3）、将管材放入网链式退火炉进行光亮退火，退火温度为700-720℃，时间为3-3.5小时。

与现有技术相比，本发明中采用独创的合金配比，水平连铸法采用的结晶器安装了电磁发生器，通过电磁搅拌效应，使金属液体在结晶器内腔中能够发生流动及传热传质，从而达到细化晶粒而使凝固组织更细，提高铸坯的质量；同时实验验证，通过气体保护系统，石墨外套内表面的附作物明显减少，并且相对要分散一些，石墨外套的使用寿命比原有的延长了50%。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图中：1、进液口，2、石墨外套，3、压板，4、折流板，5、冷却铜套，5.1、冷却铜套内套，5.2、冷却铜套外套，6、空心管坯，6.1、液体段，6.2、半凝固段，6.3、凝固段，7、石墨芯棒，8、法兰，9、磁轭，10、电磁线圈，11、耐火材料保护套，12、内腔，13、冷却盘管，13.1、进气口，13.2、出气口，14、不锈钢冷却水套，15、电磁发生腔，16、缓冲腔，17、缓冲挡板，18、间隙。

具体实施方式

实施例1

参见图1，一种铜管水平连铸气体保护结晶器，包括外部的石墨外套2和内部的石墨芯棒7，且石墨外套2和石墨芯棒7形成环形的内腔12；石墨外套2的下部设有进液口1，石墨外套2中部往上依次套装有压板3、法兰8以及冷却铜套5，冷却铜套内设有间隔布置的折流板4；压板3与石墨外套2之间设有15-20mm厚的耐火材料保护套11，耐火材料保护套优选为碳化硅砖、刚玉砖保护套或耐火泥套；压板3内侧设有不锈钢冷却水套14，不锈钢冷却水套14内设有电磁发生腔15，电磁发生腔15内安装多个电磁线圈10，电磁线圈10与电源连接，电磁线圈10的外侧装有导磁材料制成的磁轭9，磁轭可以用纯铁来制作；压板3和法兰8均为奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢优选为1Cr17Mn6Ni15N、0Cr18Ni10Ti或者1Cr18Ni12Mo3Ti，实验证明压板和法兰选择以上弱导磁或者非导磁材质时，被其吸收的磁力线最少，电磁发生器的磁感应强度削弱最少；电源的电流频率为50Hz，电流强度优选为85-95A，电流强度过高，感应电流产生的joule热过大，导致部分形核核心被重融，凝固组织的细化作用被抑制，凝固组织开始变粗；石墨芯棒7为锥度为1.2-1.4的圆台，锥度圆台是为了避免牵引拉坯过程中管坯收缩包覆石墨芯棒而增大摩擦力。石墨外套2的内表面以及石墨芯棒7外表面的粗糙度在0.5以下。冷却铜套5的内腔安装冷却盘管13，冷却盘管13一端穿过冷却铜套外套5.2与进气口13.1连接、另一端依次穿过冷却铜套内套5.1、石墨外套2与出气口13.2连接，且所述的出气口13.2的出口方向与所述的石墨外套2的内壁相切，且出气口13.2的出口方向轴线与石墨外套2的轴线夹角小于90°，优选为45-60°，为了避免气体的气流对熔液凝固（主要是液体段6.1和半凝固段6.2）造成影响，造成管坯表面出现缺陷，出气口13.2的出口应当指向管坯凝固段6.3，此区域内由于熔液已经凝固，流量和压力较低的气流不会对管坯产生影响，“出气口13.2的出口方向与所述的石墨外套2的内壁相切，且出气口13.2的出口方向轴线与石墨外套2的轴线夹角小于90°，优选为45-60°”，“相切”目的是为了尽量减少气流直接吹向管坯，使惰性气体绕管坯运动，此外“夹角小于90°”是为了使气体在间隙18中螺旋环绕管坯向结晶器的出口移动，减少对内部液体段6.1和半凝固段6.2的影响，同时也更利于排净空气。进气口13.1连接惰性气体气源，惰性气体气源为氮气或氩气气源，气体的压力以及流量控制，以排净空气且气流不会对管坯产生冲击为宜。气源上还可以连接缓冲腔16，其内部间隔安装缓冲挡板17，缓冲腔16的目的是为了缓冲来自气源的气流，使其平缓的进入结晶器。冷却盘管13的作用一是缓冲气流，二是可以降低惰性气体的温度，当气体进入缝隙18能够对管坯进行冷却，提高管坯的冷却速度；当然若惰性气体的温度低于冷却水温度时，其可以降低冷却水的温度，同样可以提高管坯的冷却速度。

本发明的工作过程为：通过压板3和法兰8将本装置固定在保温炉的下部，使石墨外套2的进液口1浸入金属熔液液面之下，向冷却铜套5、不锈钢冷却水套14中通入冷却水，打开电源，此时金属熔液进入内腔12，接通惰性气体气源，即可以在牵引装置牵引作用下形成连续的管坯。磁轭9可以增强电磁线圈10产生的电磁场，磁轭材质可以选择纯铁。不锈钢冷却水套14中的冷却水能够防止电磁线圈10长时间高温烘烤而损坏。

实施例2

一种铜管水平连铸气体保护结晶器，在实施例1的基础上，为了减少漏磁，同时提高工作区域内的磁感应强度，电磁发生腔15内还设有环形聚磁框。

实施例3

一种铜管水平连铸气体保护结晶器，在实施例1或2的基础上，其中的耐火材料保护套优选采用以下方法自制的耐火材料：将15-25重量份的硅酸盐水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化铝、3-5重量份的蛭石粉、2-4重量份的氧化锆、1-2重量份的氧化钠及1-2重量份石墨混匀为混合粉末，然后加入占混合粉末总重量的5-6%的结合剂（比如磷酸二氢铝），在液压机成型后，经过干燥、烧结为即得成品，烧结的温度控制在1550-1580℃，时间为2-3小时。实验证明，此种方法得到的耐火材料保护套热稳定性高，耐高温且机械强度高，用于水平连铸法中，使用寿命比现有常规耐火材料长2-3倍，且成本比较低廉。

实施例4

一种应用实施例1-3任一铜管水平连铸气体保护结晶器的铜合金管的制备方法，采用水平连铸-冷轧-冷拉-光亮退火工艺，具体步骤为：

（1）、将重量百分比25-28%的锌、1.2-1.4%的铝、0.6-0.65%的铁、0.02-0.04%的镍、0.2-0.4%的锰、0.02-0.04%的锆、0.01-0.02%的钛以及余量的阴极铜投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖60-70mm木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过气体保护结晶器冷却并经牵引装置拉出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1080-1120℃；结晶器冷却铜套的进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃，冷却水压力控制在0.3-0.35MPa； 

（2）、管坯经过切断、铣面后进入冷轧机连续轧制得到毛坯管，然后通过冷拉得到管材；

（3）、将管材放入网链式退火炉进行光亮退火，退火温度为700-720℃，时间为3-3.5小时。

经过多次实验证明，结晶器未施加电磁场时，管坯的表面有明显的裂纹及振痕，当施加电磁场后，管坯表面基本没有振痕，非常光滑，有的不用铣面即可以进行轧制；并且未施加电磁场时，金属熔液内部主要是自然对流，存在温度梯度，因此整个管坯横截面基本都是粗大的柱状晶，晶粒平均尺寸为6-7mm，并且分布不均匀，凝固组织呈现各向异性；当施加电磁场后，凝固组织得到和显著的细化，柱状晶完全消失，而变成非常细小均匀的等轴晶，晶粒平均尺寸在0.5mm以下。并且我们还发现随着电流强度的提高，管坯的抗拉强度和延伸率不断提高，但当电流强度高于95A即开始降低。

采用本实施例中的水平连铸法制备的铜合金管与黄铜管HSn70-1相比，管材的抗拉强度提高了25-30%，延伸率提高了30-40%，并且通过在同等条件下分别在淡水、海水以及蒸汽冷凝水做耐腐蚀实验，本实施例制备的铜合金管的腐蚀速度还不到黄铜管HSn70-11腐蚀速度的15%。并且当各成分选择：重量百分比26%的锌、1.3%的铝、0.6%的铁、0.03%的镍、0.3%的锰、0.04%的锆、0.01%的钛以及余量的阴极铜，且电磁发生器中电力强度为90A时，得到的铜合金管的性能最佳，晶粒平均尺寸在0.45mm，与HSn70-1相比管材的抗拉强度提高了30.2%，延伸率提高了39.5%，并且腐蚀速度仅为黄铜管HSn70-1腐蚀速度的8%。并且结晶器石墨外套的使用寿命提高了50%，每个石墨外套能够生产的管坯重量提高了30%。

此外本实施例优选采用本发明中的带有电磁效应以及气体保护装置的铜管水平连铸气体保护结晶器，但是不限于此种结晶器；经过经过试验验证，只要采用本实施例中的铜以及合金配比，使用其他的结晶器得到的铜合金管与黄铜管HSn70-11相比，抗拉强度、延伸率以及耐腐蚀性也有相应提高，但是提高的效果明显不如本实施例。

Claims (5)

1.一种铜管水平连铸气体保护结晶器，其特征在于：包括外部的石墨外套（2）和内部的石墨芯棒（7），且石墨外套（2）和石墨芯棒（7）形成环形的内腔（12）；石墨外套（2）的下部设有进液口（1），石墨外套（2）中部往上依次套装有压板（3）、法兰（8）以及冷却铜套（5）；所述的压板（3）与石墨外套（2）之间设有15-20mm厚的耐火材料保护套（11）；所述压板（3）内侧设有冷却水套（14），冷却水套（14）内设有电磁发生腔（15），电磁发生腔（15）内安装多个电磁线圈（10），电磁线圈与三相电源连接，电磁线圈（10）的外侧装有导磁材料制成的磁轭（9）；所述的压板（3）和法兰（8）均为奥氏体不锈钢；所述的三相电源的电流频率为50Hz，电流强度为85-95A；所述的石墨芯棒（7）为锥度为1.2-1.4的圆台；所述的冷却铜套（5）的内腔安装冷却盘管（13），冷却盘管（13）一端穿过冷却铜套外套（5.2）与进气口（13.1）连接、另一端依次穿过冷却铜套内套（5.1）、石墨外套（2）与出气口（13.2）连接，且所述的出气口（13.2）的出口方向与所述的石墨外套（2）的内壁相切，且出气口（13.2）的出口方向轴线与石墨外套（2）的轴线夹角小于90°；所述的进气口（13.1）连接惰性气体气源。

2.根据权利要求1所述的铜管水平连铸气体保护结晶器，其特征在于：所述的冷却铜套（5）内设有间隔布置的折流板（4）；所述的冷却水套（14）为不锈钢冷却水套；所述的奥氏体不锈钢优选为1Cr17Mn6Ni15N、0Cr18Ni10Ti或者1Cr18Ni12Mo3Ti；所述的石墨外套（2）的内表面以及石墨芯棒（7）外表面的粗糙度在0.5以下。

3.根据权利要求1所述的铜管水平连铸气体保护结晶器，其特征在于：所述的耐火材料保护套通过以下方法制得：将15-25重量份的硅酸盐水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化铝、3-5重量份的蛭石粉、2-4重量份的氧化锆、1-2重量份的氧化钠及1-2重量份石墨混匀为混合粉末，然后加入占混合粉末总重量的5-6%的结合剂，在液压机成型后，经过干燥、烧结为即得成品，烧结的温度控制在1550-1580℃，时间为2-3小时。

4.根据权利要求1所述的铜管水平连铸气体保护结晶器，其特征在于：所述的出气口（13.2）的出口方向轴线与石墨外套（2）的轴线夹角为45-60°；所述的惰性气体气源为氮气或氩气气源；所述的惰性气体气源上还连接缓冲腔（16），其内部间隔安装缓冲挡板（17）。

5.一种应用权利要求1-4所述铜管水平连铸气体保护结晶器的铜合金管的制备方法，其特征在于：采用水平连铸-冷轧-冷拉-光亮退火工艺，具体步骤为：

（1）、将重量百分比25-28%的锌、1.2-1.4%的铝、0.6-0.65%的铁、0.02-0.04%的镍、0.2-0.4%的锰、0.02-0.04%的锆、0.01-0.02%的钛以及余量的阴极铜投入到潜流式电磁搅拌工频感应组合电炉内熔炼为熔液，且铜液上覆盖60-70mm木炭，通入氩气形成气氛保护，然后通过气体保护结晶器冷却并经牵引装置拉出得到管坯；具体控制参数如下：熔炼时铜液温度为1080-1120℃；结晶器冷却铜套的进水温度为25-28℃、出水温度不超过60℃，冷却水压力控制在0.3-0.35MPa； 

（2）、管坯经过切断、铣面后进入冷轧机连续轧制得到毛坯管，然后通过冷拉得到管材；

（3）、将管材放入网链式退火炉进行光亮退火，退火温度为700-720℃，时间为3-3.5小时。

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