CN104148599B - 一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备与方法 - Google Patents
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Abstract
一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备与方法，属于包覆材料连铸技术领域。本发明通过采取芯材保护装置、导流管、反向凝固器等安装于坩埚下方，事先不加热芯材，设计小容量反向凝固器，避免芯材长时间穿过包覆层金属熔体，熔体依靠自重从坩埚底部流出，有效调控反向凝固器和水冷结晶器的尺寸等措施，水平连铸成形所需形状尺寸的高质量包覆材料，适于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的难以卷取的大尺寸包覆材料水平连铸成形。本发明设备结构简单、零部件更换容易、操作维护方便、布局合理紧凑、生产效率高、投资少、易实现自动控制、便于大规模工业化生产，成形过程流程短、节能环保、高效、低成本，包覆层金属与芯材金属的组合自由度大，所制备包覆材料质量和性能好。
Description
技术领域
本发明属于包覆材料连铸技术领域，具体涉及一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备与方法，特别适用于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的难以卷取的大尺寸包覆材料水平连铸成形。
技术背景
包覆材料是在芯材上包覆一层异种金属的复合材料，兼具包覆层金属与芯材金属的优点，不仅综合使用性能优异，而且极大地减少了贵重金属的用量，降低了成本，因此在航空航天、能源环保、建筑机械、石油化工、交通运输、电子信息、国防军工以及日常生活等领域用途广泛，是目前复合材料的一个重点发展方向。
传统的包覆材料成形方法主要包括芯材表面镀覆法（如电镀法、化学镀法、置换镀法等）、固相复合法（如包覆焊接法、包套塑性加工复合法）以及复合铸造法。前两种方法在包覆材料的成形方面发挥了一定的积极作用，也在一些包覆材料的生产上得到了实际应用；但是，这两种方法也存在着各自明显的缺点。例如，有的方法环境污染较大、包覆层金属厚度较薄、界面结合强度低；有的方法设备投入大、生产流程长、难以实现连续生产、生产效率低、复合界面质量较差、包覆层金属厚度受限且包覆比难以精确控制、包覆材料的质量和性能不稳定、生产成本高。而基于金属熔体的包覆材料复合铸造法不仅具有短流程、近终形、高效率、低成本、绿色环保、应用范围广等显著优点，并且容易实现包覆材料的连续化、自动化和批量化生产，是包覆材料成形的一种主流技术和重要发展趋势，其研究开发和推广应用日益受到重视。
目前基于金属熔体的包覆材料连续复合铸造法可以分为两大类，一类为采用两种金属熔体进行直接复合成形的复合铸造法（如双流铸造法、水平磁场制动复合连铸法），另一类为采用包覆层金属熔体对已成形的固体芯材进行连续包覆成形的复合铸造法（如反向凝固法、热浸镀法）。前一类方法由于采用的是两种金属熔体，存在着两种金属熔体在界面处容易发生程度难以控制的混合或过度复合，也极易生成金属间化合物，容易出现界面层厚度不均匀、界面结合强度难以保证以及界面质量的一致性较差等问题，同时对设备制造、工艺水平、操作技能及自动化控制要求很高，特别是正确控制和合理匹配工艺参数，使两种金属界面结合良好且界面稳定比较困难，而且投资大、所需能耗高，金属的组合自由度也受到很大程度的限制，因此严重制约了其推广应用。后一类方法由于采用了已成形的固体芯材，因此克服了前一类方法的许多缺点，设备、工艺及控制的难度也大大降低，所以该类方法成为了目前包覆材料复合铸造成形所采用的主要方法，在一些包覆材料的生产中获得了实际应用；但是，现有的该类方法也存在着各自的不足。
比如，反向凝固法是把芯材（一般为金属带材）穿过包覆层金属熔体，包覆层金属熔体附在芯材表面凝固，二者在界面处形成冶金结合，并且随着芯材的不断移动，芯材表面凝固的包覆层金属厚度逐步增加，直至完全通过包覆层金属熔体，然后通过一对轧辊对所成形的包覆材料进行轧制，达到平整表面、控制包覆材料厚度的目的，最终获得所需包覆材料的一种工艺方法，主要用于包覆带材的连续成形。反向凝固是包覆层金属熔体通过芯材的导热而在其表面发生凝固的，没有传统连铸的结晶器的冷却凝固作用，因此反向凝固设备上也没有安装结晶器。采用传统的反向凝固法成形包覆材料时，除了存在着芯材长时间浸在包覆层金属熔体中，芯材容易被熔化过多或熔断的问题外，还存在着包覆层金属厚度难以稳定控制，制备工艺参数正确控制及合理匹配较困难，界面扩散层厚度及界面质量（如易生成金属间化合物等）难以控制，包覆层金属表面质量较差等问题。热浸镀法是把预热的芯材（一般为金属线材）浸入到包覆层金属熔体中，使得芯材与包覆层金属之间通过溶解、化学反应和扩散等方式在界面形成冶金结合的过渡层，当芯材从包覆层金属熔体中提出时，在过渡层表面附着的包覆层金属熔体经冷却凝固成为包覆层金属，从而获得所需包覆材料的一种工艺方法，主要用于包覆线材的连续成形。同样，热浸镀设备也没有安装结晶器。采用热浸镀法成形包覆材料时，芯材需要事先预热到一定的高温，而且芯材也会较长时间浸在包覆层金属熔体中，高温芯材在包覆层金属熔体中更易被过度熔蚀，包覆材料的界面扩散层厚度、界面质量（如易生成金属间化合物等）及包覆层金属厚度难以控制，且包覆层金属的厚度均匀性和稳定性难以保证，包覆层金属表面质量较差，同时设备复杂、投资大，技术难度大，生产成本高。其他一些正在发展中的采用包覆层金属熔体对已成形的固体芯材进行连续包覆成形的复合铸造法（如水平连铸包覆法、下引连铸包覆法、终形铸轧包覆法）也存在着各种问题，主要包括芯材事先要被加热、流程较长、芯材防氧化投入大、所需配套设施多、设备复杂、操作繁琐、能耗大、生产成本高，或者芯材需要穿过一直被加热的包覆层金属熔体、芯材表面容易被过度熔蚀、芯材金属元素易扩散进入包覆层金属熔体中造成污染、包覆材料质量和性能难以满足高标准使用要求等。而且，上述现有采用包覆层金属熔体对已成形的固体芯材进行连续包覆成形的复合铸造法还都存在一个共同的缺点，即无法实现难以卷取的大尺寸包覆材料的连铸成形。
因此，急需开发一种采用包覆层金属熔体对已成形的固体芯材进行连续包覆成形的新型设备与方法，短流程、近终形、高效率、节能降耗、绿色环保、低成本连铸成形高质量包覆材料，特别要适用于难以卷取的大尺寸包覆材料的连铸成形。
发明内容
本发明将反向凝固原理引入，与金属熔体在结晶器内的正向凝固水平连铸成形原理相结合，构成一种水平双重凝固连铸技术，并通过采取芯材保护装置、导流管、反向凝固器等安装于坩埚下方，事先不加热芯材，设计小容量反向凝固器，避免芯材从一直被加热的包覆层金属熔体中穿过，使包覆层金属熔体依靠自身重力从坩埚底部向下流过导流管进入反向凝固器和结晶器，简化设备结构，有效调控反向凝固器和水冷结晶器的尺寸等措施，实现短流程、近终形、高效率、节能降耗、绿色环保、低成本水平连铸成形所需形状尺寸高质量包覆材料。本发明的目的是提供一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备与方法（简称“水平式包芯连铸法”），特别适用于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的难以卷取的大尺寸高质量包覆材料水平连铸成形。
一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，由芯材导引定位装置、芯材保护装置、坩埚、加热器、导流管、反向凝固器、水冷结晶器、二次冷却装置、牵引机构、引锭杆组成。其特征在于，芯材导引定位装置、芯材保护装置、反向凝固器、水冷结晶器、二次冷却装置和牵引机构沿引锭方向依次水平配置于同一轴线上；芯材导引定位装置为从动件，安装在芯材保护装置沿引锭方向的后端，起到精确对中定位和导引约束芯材的作用，在牵引机构的带动下，实现将芯材连续输送穿过芯材保护装置、反向凝固器、水冷结晶器以及二次冷却装置，芯材导引定位装置的运动速度受到主动件牵引机构的制约；芯材保护装置对通过其内部的芯材起到密封、防氧化和对中定位作用，对反向凝固器中的包覆层金属熔体进行侧封以避免溢出；坩埚安装于导流管的上方，用于盛装包覆层金属熔体；加热器安装于坩埚周围或者嵌入坩埚壁中或者缠绕在坩埚外表面，用于对坩埚和包覆层金属熔体进行加热与保温；导流管安装于坩埚的下方，其上端与坩埚底部外表面连接，下端与反向凝固器连接，坩埚中的包覆层金属熔体通过导流管进入反向凝固器及水冷结晶器中；反向凝固器紧贴芯材保护装置出口，使包覆层金属熔体在未预热芯材表面发生强制反向凝固，实现包覆层金属熔体在芯材表面的薄层凝固；水冷结晶器与反向凝固器紧密相连，保证从反向凝固器中进入水冷结晶器的包覆层金属熔体实现快速正向凝固，抑制已凝固包覆层金属与芯材的界面处在离开水冷结晶器前继续发生反应生成金属间化合物，并获得所需厚度的包覆层金属，确保包覆层金属厚度的均匀性和一致性，提高生产效率；二次冷却装置位于水冷结晶器与牵引机构之间，对包覆材料实现进一步的冷却；牵引机构安装在二次冷却装置之后，用于实现对包覆材料的连续拉出；引锭杆头端与芯材前部连接，放置于反向凝固器中，引锭杆头端的顶部紧贴芯材保护装置出口，引锭杆头端的侧面紧贴导流管出口，在连铸开始前起到阻塞包覆层金属熔体流入反向凝固器中的作用，连铸刚开始时堵住水冷结晶器的出口，使包覆层金属熔体在反向凝固器和水冷结晶器内与芯材复合，然后在牵引机构的作用下不断拉出，实现包覆材料的水平连铸成形。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，所述坩埚可用中间包取代，以便于进行连续生产；可以在所述水冷结晶器出口附近设置的所述二次冷却装置的基础上再次实施冷却。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，所述芯材保护装置采用石墨、陶瓷或金属制作；所述加热器采用外部热源或感应加热器。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，在所述坩埚下方安装二次导流管，其上端与所述坩埚底部外表面连接，下端与所述水冷结晶器连接，一部分包覆层金属熔体可以不流经所述导流管，直接从所述坩埚流经二次导流管进入所述水冷结晶器中。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，是将所述坩埚放置于空气或真空或氮气或惰性气体或还原性气体保护的环境中；整个连铸成形过程可以采用人工控制或计算机控制。
一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，其特征在于，制备工艺为：在空气、真空或氮气或惰性气体或还原性气体保护条件下，通过加热器对坩埚内的包覆层金属熔体进行加热和保温；启动牵引机构，使芯材经过芯材导引定位装置和芯材保护装置开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆头端的侧面离开导流管位置；随后坩埚内的包覆层金属熔体从坩埚底部向下流过导流管进入反向凝固器中，通过高温的包覆层金属熔体与未预热的芯材在反向凝固器中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层金属熔体在芯材表面的薄层凝固；未凝固的包覆层金属熔体紧接着进入水冷结晶器与表面具有薄层包覆层金属的芯材之间的间隙中，在水冷结晶器的强制冷却作用下，未凝固的包覆层金属熔体发生完全凝固，形成界面为冶金结合的包覆材料；制备的包覆材料在经过二次冷却装置时被进一步冷却；在牵引机构的作用下，实现包覆材料的水平连铸成形。包覆层金属所需的冷却速度由牵引机构的拉坯速度、水冷结晶器的冷却强度以及加热器的加热温度来控制。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，所述芯材保护装置中可以充入氮气、惰性气体或还原性气体。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，所述芯材可以是金属线材、棒材、管材、板材或型材中的至少一种，数量可以是一根或不少于两根。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，当芯材为金属管材或中空金属型材时，封闭芯材两端并抽真空，或者连铸成形过程中往金属管材或中空金属型材内连续充入氮气或惰性气体或还原性气体。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，所述金属可以是纯金属、合金或者金属复合材料。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，所述包覆材料可以是包覆线材、棒材、管材、板材或型材。
本发明的优点在于：
1.包覆材料固/液复合水平连铸成形设备结构简单、节约能源、灵活性高、通用性强、适用范围广、零部件更换容易、操作和维护方便、使用安全可靠、布局合理紧凑、投资少、生产效率高、使用寿命长、易实现自动控制，无需复杂的卷取机构和高大的厂房及地坑，适用于大规模工业化生产推广应用。
2.包覆材料固/液复合水平连铸成形设备中小容量反向凝固器的设计和使用，使得芯材仅仅在小容量反向凝固器中与包覆层金属熔体短时间接触，且很快发生反向凝固，同时芯材不穿过坩埚，避免了传统反向凝固中芯材穿过坩埚时与包覆层金属熔体较长时间接触导致的过度加热、熔蚀甚至芯材被完全熔断，无需考虑由此而导致的额外的防氧化技术问题，也减少或避免了包覆材料界面处金属间化合物的产生以及芯材金属元素扩散进入坩埚内包覆层金属熔体中造成污染的问题，有利于反向凝固阶段的高质量强制反向凝固成形，容易控制包覆层金属和芯材金属的复合程度，生产效率以及包覆层金属、复合界面和包覆材料的质量大幅度提高，并且避免了包覆层金属熔体加热温度等工艺参数波动对包覆层金属厚度和包覆材料界面质量等的影响。
3.包覆材料固/液复合水平连铸成形设备中的引锭杆不仅起到引锭作用，而且在连铸开始前起到阻塞包覆层金属熔体流入反向凝固器中的作用，简单易行，控制可靠，操作方便，省去了采用其他阻塞机构在设计、安装和使用等方面的复杂性与繁琐性，也避免了阻塞机构有可能给包覆层金属熔体造成的污染问题。
4.包覆材料固/液复合水平连铸成形设备采用单独外置的水冷结晶器，易于实现快速凝固，减少了包覆材料的界面元素过多扩散，减少或避免了金属间化合物的生成，同时提高了生产效率；包覆层金属熔体依靠自身重力从坩埚底部下方流入导流管，无需固体或气压作用的液位高度控制装置，降低了成本，减少了污染；包覆层金属熔体从坩埚底部下方流入导流管，而包覆层金属熔体中的杂质、气体和废渣则向上排除或浮于坩埚中的包覆层金属熔体表面，不会进入导流管中，因此保证了导流管中包覆层金属熔体的纯度，提高了包覆层金属及包覆材料的质量和性能。
5.包覆材料固/液复合水平连铸成形设备中将芯材保护装置安装于坩埚之外，无需考虑对芯材进行隔热处理，消除了芯材保护装置对包覆层金属熔体的污染，避免了芯材保护装置与芯材隔热材料材质选择以及机构设计和制造等复杂问题。
6.包覆材料固/液复合水平连铸成形方法所采用的芯材为室温状态，没有利用烘干炉或加热炉事先对其进行一定高温下的干燥或预热，节约了能源，简化了设备，缩短了流程，特别是避免了已加热芯材表面在进入包覆层金属熔体之前过多氧化或需要过于严格的防氧化控制，防止了已加热芯材进入包覆层金属熔体发生局部快速溶解或化学反应，减少或避免了过度熔蚀以及金属间化合物的产生，有利于获得结合强度高及平整的复合界面，提高了芯材与包覆层金属之间的界面质量以及包覆材料的质量。
7.包覆材料固/液复合水平连铸成形方法采用的包覆层金属与芯材金属的组合自由度大，即使是易于产生金属间化合物的两种金属也能正常成形；而且芯材和包覆材料的外形及尺寸变化范围大，特别有利于连铸成形包覆层金属厚度和包覆材料本身尺寸较大的包覆材料。
8.包覆材料固/液复合水平连铸成形方法不仅可以制备包覆层金属厚度较薄的包覆材料，而且可以在保持反向凝固器小容量的情况下，通过调整水冷结晶器与芯材之间的间隙宽度来控制包覆层金属厚度，借助二次导流管额外提供包覆层金属熔体，制备包覆层金属厚度大的包覆材料，实现有效任意调控包覆层金属厚度，制备包覆层金属厚度变化范围大的包覆材料，扩大包覆材料的品种规格。
9.包覆材料固/液复合水平连铸成形方法具有短流程、近终形、高效率、节能降耗、绿色环保、生产成本低等特点，可制备出包覆层金属致密、包覆层金属厚度均匀或不同部位的厚度可变、包覆比稳定，复合界面为冶金结合、清洁平整且结合强度高，以及纯度高、质量好、性能优的包覆材料。
10.利用包覆材料固/液复合水平连铸成形设备与方法可以实现无限长包覆材料的连续制备，特别适用于芯材金属熔点高于包覆层金属熔点的难以卷取的大尺寸高质量和高性能包覆材料的水平连铸成形。
附图说明
图1为本发明的包覆材料固/液复合水平连铸成形设备示意图。其中，（1）为芯材，（2）为芯材导引定位装置，（3）为芯材保护装置，（4）为包覆层金属熔体，（5）为坩埚，（6）为加热器，（7）为导流管，（8）为反向凝固器，（9）为水冷结晶器，（10）为二次冷却装置，（11）为牵引机构，（12）为包覆材料，（13）为引锭杆。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，凡是根据本发明技术实质对以下实施例所作的任何非本质的改进和调整，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，由芯材导引定位装置（2）、芯材保护装置（3）、坩埚（5）、加热器（6）、导流管（7）、反向凝固器（8）、水冷结晶器（9）、二次冷却装置（10）、牵引机构（11）、引锭杆（13）组成。其特征在于，芯材导引定位装置（2）、芯材保护装置（3）、反向凝固器（8）、水冷结晶器（9）、二次冷却装置（10）和牵引机构（11）沿引锭方向依次水平配置于同一轴线上；芯材导引定位装置（2）为从动件，安装在芯材保护装置（3）沿引锭方向的后端，起到精确对中定位和导引约束芯材（1）的作用，在牵引机构（11）的带动下，实现将芯材（1）连续输送穿过芯材保护装置（3）、反向凝固器（8）、水冷结晶器（9）以及二次冷却装置（10），芯材导引定位装置（2）的运动速度受到主动件牵引机构（11）的制约；芯材保护装置（3）对通过其内部的芯材（1）起到密封、防氧化和对中定位作用，对反向凝固器（8）中的包覆层金属熔体（4）进行侧封以避免溢出；坩埚（5）安装于导流管（7）的上方，用于盛装包覆层金属熔体（4）；加热器（6）安装于坩埚（5）周围或者嵌入坩埚（5）壁中或者缠绕在坩埚（5）外表面，用于对坩埚（5）和包覆层金属熔体（4）进行加热与保温；导流管（7）安装于坩埚（5）的下方，其上端与坩埚（5）底部外表面连接，下端与反向凝固器（8）连接，坩埚（5）中的包覆层金属熔体（4）通过导流管（7）进入反向凝固器（8）及水冷结晶器（9）中；反向凝固器（8）紧贴芯材保护装置（3）出口，使包覆层金属熔体（4）在未预热芯材（1）表面发生强制反向凝固，实现包覆层金属熔体（4）在芯材（1）表面的薄层凝固；水冷结晶器（9）与反向凝固器（8）紧密相连，保证从反向凝固器（8）中进入水冷结晶器（9）的包覆层金属熔体（4）实现快速正向凝固，抑制已凝固包覆层金属与芯材（1）的界面处在离开水冷结晶器（9）前继续发生反应生成金属间化合物，并获得所需厚度的包覆层金属，确保包覆层金属厚度的均匀性和一致性，提高生产效率；二次冷却装置（10）位于水冷结晶器（9）与牵引机构（11）之间，对包覆材料（12）实现进一步的冷却；牵引机构（11）安装在二次冷却装置（10）之后，用于实现对包覆材料（12）的连续拉出；引锭杆（13）头端与芯材（1）前部连接，放置于反向凝固器（8）中，引锭杆（13）头端的顶部紧贴芯材保护装置（3）出口，引锭杆（13）头端的侧面紧贴导流管（7）出口，在连铸开始前起到阻塞包覆层金属熔体（4）流入反向凝固器（8）中的作用，连铸刚开始时堵住水冷结晶器（9）的出口，使包覆层金属熔体（4）在反向凝固器（8）和水冷结晶器（9）内与芯材（1）复合，然后在牵引机构（11）的作用下不断拉出，实现包覆材料（12）的水平连铸成形。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，所述坩埚（5）可用中间包取代，以便于进行连续生产；可以在所述水冷结晶器（9）出口附近设置的所述二次冷却装置（10）的基础上再次实施冷却。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，所述芯材保护装置（3）采用石墨、陶瓷或金属制作；所述加热器（6）采用外部热源或感应加热器。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，在所述坩埚（5）下方安装二次导流管，其上端与所述坩埚（5）底部外表面连接，下端与所述水冷结晶器（9）连接，一部分包覆层金属熔体（4）可以不流经所述导流管（7），直接从所述坩埚（5）流经二次导流管进入所述水冷结晶器（9）中。
所述一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，是将所述坩埚（5）放置于空气或真空或氮气或惰性气体或还原性气体保护的环境中；整个连铸成形过程可以采用人工控制或计算机控制。
实施例1：
芯材为直径6mm的CuNi44Mn1白铜线材、包覆层纯铜厚度为0.75mm的铜包白铜复合线材水平连铸成形。
在氩气保护条件下，通过加热器（6）对坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体进行加热和保温至1150℃；启动牵引机构（11），使CuNi44Mn1白铜线材经过芯材导引定位装置（2）和芯材保护装置（3）开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆（13）头端的侧面离开导流管（7）位置；随后坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体从坩埚（5）底部向下流过导流管（7）进入反向凝固器（9）中，通过高温的包覆层纯铜熔体与未预热的CuNi44Mn1白铜线材在反向凝固器（9）中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层纯铜熔体在CuNi44Mn1白铜线材表面的薄层凝固；未凝固的包覆层纯铜熔体紧接着进入水冷结晶器（9）与表面具有薄层包覆层纯铜的CuNi44Mn1白铜线材之间的间隙中，在冷却水流量600L/h、冷却水温度20℃的水冷结晶器（9）的强制冷却作用下，未凝固的包覆层纯铜熔体发生完全凝固，形成界面为冶金结合的铜包白铜复合线材；制备的铜包白铜复合线材在经过二次冷却装置（10）时被进一步冷却；在牵引机构（11）以拉坯速度100mm/min的作用下，实现芯材为直径6mm的CuNi44Mn1白铜线材、包覆层纯铜厚度为0.75mm的铜包白铜复合线材的水平连铸成形。
实施例2：
芯材为直径15mm的Q235钢棒材、包覆层纯铜厚度为1mm的铜包钢复合棒材水平连铸成形。
在空气条件下，通过加热器（6）对坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体进行加热和保温至1140℃；水平连铸成形过程中往芯材保护装置（3）内连续充入氮气；启动牵引机构（11），使Q235钢棒材经过芯材导引定位装置（2）和芯材保护装置（3）开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆（13）头端的侧面离开导流管（7）位置；随后坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体从坩埚（5）底部向下流过导流管（7）进入反向凝固器（9）中，通过高温的包覆层纯铜熔体与未预热的Q235钢棒材在反向凝固器（9）中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层纯铜熔体在Q235钢棒材表面的薄层凝固；未凝固的包覆层纯铜熔体紧接着进入水冷结晶器（9）与表面具有薄层包覆层纯铜的芯材Q235钢棒材之间的间隙中，在冷却水流量900L/h、冷却水温度25℃的水冷结晶器（9）的强制冷却作用下，未凝固的包覆层纯铜熔体发生完全凝固，形成界面为冶金结合的铜包钢复合棒材；制备的铜包钢复合棒材在经过二次冷却装置（10）时被进一步冷却；在牵引机构（11）以拉坯速度110mm/min的作用下，实现芯材为直径15mm的Q235钢棒材、包覆层纯铜厚度为1mm的铜包钢复合棒材的水平连铸成形。
实施例3：
芯材为直径6mm、壁厚1mm的纯钛管材以及包覆层纯铜厚度为1mm的铜包钛复合管材水平连铸成形。
在氩气保护条件下，通过加热器（6）对坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体进行加热和保温至1130℃；水平连铸成形过程中分别往芯材保护装置（3）和纯钛管材内连续充入氩气；启动牵引机构（11），使纯钛管材经过芯材导引定位装置（2）和芯材保护装置（3）开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆（13）头端的侧面离开导流管（7）位置；随后坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体从坩埚（5）底部向下流过导流管（7）进入反向凝固器（9）中，通过高温的包覆层纯铜熔体与未预热的纯钛管材在反向凝固器（9）中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层纯铜熔体在纯钛管材表面的薄层凝固；未凝固的包覆层纯铜熔体紧接着进入水冷结晶器（9）与表面具有薄层包覆层纯铜的纯钛管材之间的间隙中，在冷却水流量800L/h、冷却水温度20℃的水冷结晶器（9）的强制冷却作用下，未凝固的包覆层纯铜熔体发生完全凝固，形成界面为冶金结合的铜包钛复合管材；制备的铜包钛复合管材在经过二次冷却装置（10）时被进一步冷却；在牵引机构（11）以拉坯速度140mm/min的作用下，实现芯材为直径6mm、壁厚1mm的纯钛管材以及包覆层纯铜厚度为1mm的铜包钛复合管材的水平连铸成形。
实施例4：
芯材为厚度10mm的Q235碳钢板材、包覆层纯铜厚度为1mm的铜包钢复合板材水平连铸成形。
在氮气保护条件下，通过加热器（6）对坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体进行加热和保温至1150℃；水平连铸成形过程中往芯材保护装置（3）内连续充入氮气；启动牵引机构（11），使Q235碳钢板材经过芯材导引定位装置（2）和芯材保护装置（3）开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆（13）头端的侧面离开导流管（7）位置；随后坩埚（5）内的包覆层纯铜熔体从坩埚（5）底部向下流过导流管（7）进入反向凝固器（9）中，通过高温的包覆层纯铜熔体与未预热的Q235碳钢板材在反向凝固器（9）中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层纯铜熔体在Q235碳钢板材表面的薄层凝固；未凝固的包覆层纯铜熔体紧接着进入水冷结晶器（9）与表面具有薄层包覆层纯铜的芯材Q235碳钢板材之间的间隙中，在冷却水流量1000L/h、冷却水温度20℃的水冷结晶器（9）的强制冷却作用下，未凝固的包覆层纯铜熔体发生完全凝固，形成界面为冶金结合的铜包钢复合板材；制备的铜包钢复合板材在经过二次冷却装置（10）时被进一步冷却；在牵引机构（11）以拉坯速度90mm/min的作用下，实现芯材为厚度10mm的Q235碳钢板材、包覆层纯铜厚度为1mm的铜包钢复合板材的水平连铸成形。
实施例5：
芯材为直径8mm的304不锈钢棒材、包覆层H70黄铜厚度为1mm的黄铜包不锈钢复合棒材水平连铸成形。
在氩气保护条件下，通过加热器（6）对坩埚（5）内的包覆层H70黄铜熔体进行加热和保温至1000℃；水平连铸成形过程中往芯材保护装置（3）内连续充入氩气；启动牵引机构（11），使304不锈钢棒材经过芯材导引定位装置（2）和芯材保护装置（3）开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆（13）头端的侧面离开导流管（7）位置；随后坩埚（5）内的包覆层H70黄铜熔体从坩埚（5）底部向下流过导流管（7）进入反向凝固器（9）中，通过高温的包覆层H70黄铜熔体与未预热的304不锈钢棒材在反向凝固器（9）中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层H70黄铜熔体在304不锈钢棒材表面的薄层凝固；未凝固的包覆层H70黄铜熔体紧接着进入水冷结晶器（9）与表面具有薄层包覆层H70黄铜的304不锈钢棒材之间的间隙中，在冷却水流量800L/h、冷却水温度18℃的水冷结晶器（9）的强制冷却作用下，未凝固的包覆层H70黄铜熔体发生完全凝固，形成界面为冶金结合的黄铜包不锈钢复合棒材；制备的黄铜包不锈钢复合棒材在经过二次冷却装置（10）时被进一步冷却；在牵引机构（11）以拉坯速度90mm/min的作用下，实现芯材为直径8mm的304不锈钢棒材、包覆层H70黄铜厚度为1mm的黄铜包不锈钢复合棒材的水平连铸成形。
实施例6：
芯材为直径17mm的Cu/Q235复合棒材、包覆层纯锡厚度为0.5mm的锡包Cu/Q235复合棒材水平连铸成形。
在氩气保护条件下，通过加热器（6）对坩埚（5）内的包覆层纯锡熔体进行加热和保温至290℃；水平连铸成形过程中往芯材保护装置（3）内连续充入氩气；启动牵引机构（11），使芯材Cu/Q235复合棒材经过芯材导引定位装置（2）和芯材保护装置（3）开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆（13）头端的侧面离开导流管（7）位置；随后坩埚（5）内的包覆层纯锡熔体从坩埚（5）底部向下流过导流管（7）进入反向凝固器（9）中，通过高温的包覆层纯锡熔体与未预热的Cu/Q235复合棒材在反向凝固器（9）中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层纯锡熔体在Cu/Q235复合棒材表面的薄层凝固；未凝固的包覆层纯锡熔体紧接着进入水冷结晶器（9）与表面具有薄层包覆层纯锡的Cu/Q235复合棒材之间的间隙中，在冷却水流量1000L/h、冷却水温度23℃的水冷结晶器（9）的强制冷却作用下，未凝固的包覆层纯锡熔体发生完全凝固，形成界面为冶金结合的锡包Cu/Q235复合棒材；制备的锡包Cu/Q235复合棒材在经过二次冷却装置（10）时被进一步冷却；在牵引机构（11）以拉坯速度80mm/min的作用下，实现芯材为直径17mm的Cu/Q235复合棒材、包覆层纯锡厚度为0.5mm的锡包Cu/Q235复合棒材的水平连铸成形。
Claims (10)
1.一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，其特征在于，由芯材导引定位装置(2)、芯材保护装置(3)、坩埚(5)、加热器(6)、导流管(7)、反向凝固器(8)、水冷结晶器(9)、二次冷却装置(10)、牵引机构(11)、引锭杆(13)组成；芯材导引定位装置(2)、芯材保护装置(3)、反向凝固器(8)、水冷结晶器(9)、二次冷却装置(10)和牵引机构(11)沿引锭方向依次水平配置于同一轴线上；芯材导引定位装置(2)为从动件，安装在芯材保护装置(3)沿引锭方向的后端，起到精确对中定位和导引约束芯材(1)的作用，在牵引机构(11)的带动下，实现将芯材(1)连续输送穿过芯材保护装置(3)、反向凝固器(8)、水冷结晶器(9)以及二次冷却装置(10)，芯材导引定位装置(2)的运动速度受到主动件牵引机构(11)的制约；芯材保护装置(3)对通过其内部的芯材(1)起到密封、防氧化和对中定位作用，对反向凝固器(8)中的包覆层金属熔体(4)进行侧封以避免溢出；坩埚(5)安装于导流管(7)的上方，用于盛装包覆层金属熔体(4)；加热器(6)安装于坩埚(5)周围或者嵌入坩埚(5)壁中或者缠绕在坩埚(5)外表面，用于对坩埚(5)和包覆层金属熔体(4)进行加热与保温；导流管(7)安装于坩埚(5)的下方，其上端与坩埚(5)底部外表面连接，下端与反向凝固器(8)连接，坩埚(5)中的包覆层金属熔体(4)通过导流管(7)进入反向凝固器(8)及水冷结晶器(9)中；反向凝固器(8)紧贴芯材保护装置(3)出口，使包覆层金属熔体(4)在未预热芯材(1)表面发生强制反向凝固，实现包覆层金属熔体(4)在芯材(1)表面的薄层凝固；水冷结晶器(9)与反向凝固器(8)紧密相连，保证从反向凝固器(8)中进入水冷结晶器(9)的包覆层金属熔体(4)实现快速正向凝固；二次冷却装置(10)位于水冷结晶器(9)与牵引机构(11)之间，对包覆材料(12)实现进一步的冷却；牵引机构(11)安装在二次冷却装置(10)沿引锭方向的前端，用于实现对包覆材料(12)的连续拉出；引锭杆(13)头端与芯材(1)前部连接，放置于反向凝固器(8)中，引锭杆(13)头端的顶部紧贴芯材保护装置(3)出口，引锭杆(13)头端的侧面紧贴导流管(7)出口，在连铸开始前起到阻塞包覆层金属熔体(4)流入反向凝固器(8)中的作用，连铸刚开始时堵住水冷结晶器(9)的出口，使包覆层金属熔体(4)在反向凝固器(8)和水冷结晶器(9)内与芯材(1)复合，然后在牵引机构(11)的作用下不断拉出，实现包覆材料(12)的水平连铸成形。
2.如权利要求1所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，其特征在于，所述坩埚(5)用中间包取代；在所述水冷结晶器(9)出口附近设置的所述二次冷却装置(10)的基础上再次实施冷却。
3.如权利要求1所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，其特征在于，所述芯材保护装置(3)采用石墨、陶瓷或金属制作；所述加热器(6)采用外部热源或感应加热器。
4.如权利要求1所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，其特征在于，在所述坩埚(5)下方安装二次导流管，其上端与所述坩埚(5)底部外表面连接，下端与所述水冷结晶器(9)连接。
5.如权利要求1所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备，其特征在于，将所述坩埚(5)放置于空气或真空或氮气或惰性气体或还原性气体保护的环境中；整个连铸成形过程采用人工控制或计算机控制。
6.一种采用权利要求1所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备的包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，其特征在于，制备工艺为：在空气、真空或氮气或惰性气体或还原性气体保护条件下，通过加热器(6)对坩埚(5)内的包覆层金属熔体(4)进行加热和保温；启动牵引机构(11)，使芯材(1)经过芯材导引定位装置(2)和芯材保护装置(3)开始朝引锭方向水平移动，同时引锭杆(13)头端的侧面离开导流管(7)位置；随后坩埚(5)内的包覆层金属熔体(4)从坩埚(5)底部向下流过导流管(7)进入反向凝固器(8)中，通过高温的包覆层金属熔体(4)与未预热的芯材(1)在反向凝固器(8)中的接触，发生瞬间的强制反向凝固，实现包覆层金属熔体(4)在芯材(1)表面的薄层凝固；未凝固的包覆层金属熔体(4)紧接着进入水冷结晶器(9)与表面具有薄层包覆层金属的芯材(1)之间的间隙中，在水冷结晶器(9)的强制冷却作用下，未凝固的包覆层金属熔体(4)发生完全凝固，形成界面为冶金结合的包覆材料(12)；制备的包覆材料(12)在经过二次冷却装置(10)时被进一步冷却；在牵引机构(11)的作用下，实现包覆材料(12)的水平连铸成形；包覆层金属所需的冷却速度由牵引机构(11)的拉坯速度、水冷结晶器(9)的冷却强度以及加热器(6)的加热温度来控制。
7.如权利要求6所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，其特征在于，所述芯材保护装置(3)中充入氮气、惰性气体或还原性气体。
8.如权利要求6所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，其特征在于，所述芯材(1)是金属线材、棒材、管材、板材或型材中的至少一种，数量是一根或不少于两根；所述包覆材料(12)是包覆线材、棒材、管材、板材或型材。
9.如权利要求6所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，其特征在于，当所述芯材(1)为金属管材或中空金属型材时，封闭所述芯材(1)两端并抽真空，或者连铸成形过程中往金属管材或中空金属型材内连续充入氮气或惰性气体或还原性气体。
10.如权利要求6所述的一种包覆材料固/液复合水平连铸成形方法，其特征在于，所述金属是纯金属、合金或者金属复合材料。
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