CN104438324B - 一种双金属复合板的短流程轧制成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种双金属复合板的短流程轧制成形装置及方法，包括机架、水平并排安装在机架上的两个轧辊、安装在两个轧辊上面的结晶器和安装在结晶器上面的两个中间包，所述两个中间包上各设置有一个出液口，所述结晶器上设置有两个各与一个出液口相连通的流道，且所述结晶器与两个轧辊之间设置有两个各与一个流道相连通的结晶腔，所述两个结晶腔的下端与两个轧辊之间预留的辊缝相连通。本发明由于采用了在结晶器与两个轧辊之间设置有两个结晶腔的结构，在两个结晶腔内，可使两种金属液被连续冷却搅拌成半固态浆料后直接轧制成双金属复合板，因此采用本发明生产双金属复合板，具有复合板的质量好、生产工艺流程短、生产灵活性好等优点。

Description

一种双金属复合板的短流程轧制成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属复合板制备技术领域，特别是涉及一种双金属复合板的短流程轧制成形装置及方法。

背景技术

双金属复合板是一种由两种金属通过界面冶金结合而成的层状金属复合材料，它结合了两种金属的优点，获得了单一金属所不具有的性能，广泛应用于汽车、电子电器、冶金、化工、航天航空等领域。

目前已公开报道的双金属复合板的生产方法有很多，按照复合时两种金属的凝固状态，可以分为四类：

第一类是固/固相复合法，即复合时两种金属均为固态的板材，如固/固相轧制复合技术、爆炸复合技术等。固/固相复合法需要事先制备好两种金属板，还需要对两种金属板的表面进行预处理，如铣面、磨刷、酸洗、碱洗等，去除金属板表面的油污、氧化皮等，最后才能将两种金属板复合成双金属复合板。因此，固/固相复合法的生产工序较多、生产工艺流程较长。另外，爆炸复合时炸药爆炸还会产生的巨大声响和冲击波，给人们心理和周围环境带来刺激和污染。

第二类是液/固相复合法，即复合时一种金属是液态，另一种金属是固态的板材，如液/固相轧制复合技术、喷射沉积复合技术等。液/固相复合法同样需要先制备好一种金属板，并对金属板的表面进行预处理，去除金属板表面的油污、氧化皮等，最后才能将金属板与金属液复合成双金属复合板。因此，液/固相复合法同样生产工序较多，生产工艺流程较长。

第三类是液/液相复合法，即复合是两种金属均为液态，如液/液相轧制复合技术、铸造复合技术等。液/液相复合法对工艺参数的控制要求非常苛刻，否者两种金属液在复合时容易形成混合，导致双金属复合的复合界面不清晰、不平整。另外，铸造复合得到的只是金属复合锭坯，还需要对金属复合锭坯进行多道次的热轧和冷轧，最后才能得到双金属复合板，因此生产工序同样较多，生产工艺流程同样较长。

第四类是半固态/固相复合法，即复合时一种金属是半固态浆料，另一种金属是固态板，如半固态/固态轧制复合技术。现有的半固态/固相轧制复合技术同样还需要事先制备好一种金属板，并对金属板的表面进行预处理，然后再通过机械搅拌、电磁搅拌等方法制备好另一种金属的半固态浆料，最后再将半固态浆料浇注到金属板上轧制成双金属复合板。因此，半固态/固相复合法同样生产工序较多，生产工艺流程较长。

发明内容

本发明的目的是针对现有双金属复合板生产方法存在的不足，提供了一种双金属复合板的短流程轧制成形装置及方法，属于一种新型的半固态/半固态复合方法。

本发明的目的是按如下技术方案实现的：

本发明所述的双金属复合板的短流程轧制成形装置，其特点是包括机架、水平并排且可转动地设置在机架上的两个轧辊、位于两个轧辊上的结晶器和水平并排地设置在结晶器上的两个中间包，其中所述结晶器的上部两侧各设置有一个长方形的流道，所述结晶器的下部设置有两个各与一个轧辊位于同一侧的弧面，所述两个弧面的外侧部各设置有一个与结晶器一体连接的弧形侧封块，各弧形侧封块的弧形半径等于轧辊的半径，所述各弧形侧封块分别和与其位于同一侧的轧辊相接触而使各位于同一侧的弧形侧封块、轧辊及弧面之间共同形成有一个结晶腔，所述两个结晶腔的上端各与一个流道相连通，其下端与两个轧辊之间预留的辊缝相连通，且所述结晶器靠近各弧面的位置处及各轧辊上分别设置有冷却水孔，所述两个中间包内分别设置有用于盛放金属液的方形炉膛，所述各中间包位于方形炉膛的底部分别设置有一个长方形的出液口，所述各出液口各与一个流道相连通。

本发明所述的双金属复合板的短流程轧制成形方法，其特点是包括如下步骤：

第一步：分别在两个熔炼炉内加热熔炼好两种金属液，并控制好两种金属液的温度在680~1550℃；

第二步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速均为20~50转/分钟；

第三步：接通水阀，使结晶器和两个轧辊上的冷却水孔通入冷却水，结晶器上的冷却水流量为5~15升/分钟，两个轧辊上的冷却水流量分别为10~20升/分钟；

第四步：将两种金属液各转移到一个中间包内，位于各中间包内的金属液分别由中间包上设置的出液口及结晶器上对应设置的流道各流进一个结晶腔内，且在两个结晶腔内，两种金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后同时进入辊缝后经两个轧辊轧制复合成双金属复合板。

本发明是将两种金属液连续冷却搅拌成半固态浆料后直接轧制复合成双金属复合板，属于半固态/半固态复合方法，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）生产工序减少，工艺流程缩短。本发明实现了两种金属半固态浆料的制备和轧制复合成形的一体化和连续化，与现有的固/固相复合、液/固相复合、半固态/固态复合方法相比，本发明无需事先制备任何一种金属板，无需对金属板进行表面预处理，生产工序明显减少，工艺流程明显缩短，有利于降低双金属复合板的生产成本；

（2）双金属复合板的质量更好。本发明制备的两种金属的半固态浆料是由细小均匀的固相晶粒和液相共同组成的混合浆料，首先，这种半固态浆料具有很好的流动性和原子扩散能力，更容易实现两种金属的冶金结合，获得界面结合强度更高的双金属复合板。其次，与液/液相复合法相比，这种半固态浆料具有一定的粘稠性，可以避免两种金属发生混合，获得复合界面清晰、平整的双金属复合板。最后，半固态浆料细小均匀的晶粒组织还有利于提高双金属复合板的强韧性，因此，本发明制备的双金属复合板的质量更好；

（3）生产灵活好，适应性更强。采用本发明生产双金属复合板，只要更换两个中间包里的金属液即可生产出各种类型的双金属复合板，如铝/铝、铝/钢、铝/铜、铜/钢等双金属复合板，因此，本发明还有生产灵活性好、适应性强的优点。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的局部剖面结构示意图。

图3是本发明中结晶器的结构示意图。

图4是本发明中中间包的结构示意图。

图5是本发明的使用状态结构示意图。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明所述的双金属复合板的短流程轧制成形装置，它包括机架1、两个轧辊2、一个结晶器3和两个中间包4。所述两个轧辊2是水平并排且可转动地安装在机架上1，轧辊2上设置有冷却水孔5，两个轧辊2之间预留有辊缝23，辊缝23的宽度等于双金属复合板6的厚度。

所述结晶器3是安装在两个轧辊2的上面，结晶器3上部两侧各设置有一个长方形的流道31，各流道31长度等于双金属复合板6的宽度。结晶器3下部设置有两个对称的且位于两个流道31之间的弧面32，各弧面32的宽度等于双金属复合板6的宽度，各弧面32的包角均为60~90°，各弧面32的弧形半径等于轧辊2的半径加上0.5~5倍双金属复合板的厚度，结晶器3靠近各弧面32的位置处分别设置有冷却水孔5。所述两个弧面32的外侧部各设置有一个与结晶器3一体连接的弧形侧封块33，各弧形侧封块33的弧形半径等于轧辊2的半径，且各弧形侧封块33的弧形包角均为90~120°，如图2所示，所述各弧形侧封块33分别和与其位于同一侧的轧辊2相接触而使各位于同一侧的弧形侧封块33、轧辊2及弧面32之间共同形成有一个结晶腔34，也就是说，在结晶器3与两个轧辊2之间对称地形成有两个结晶腔34。而且，两个结晶腔34的上端各与结晶器3上的一个流道31相连通，其下端与两个轧辊2的辊缝23相连通，如图2所示，位于左侧的结晶腔34与位于左侧的流道31相连通，位于右侧的结晶腔34与位于右侧的流道31相连通。

所述两个中间包4是水平并排地安装在结晶器3的上面，且其排列方向与两个轧辊2的排列方向一致，各中间包4内设置有盛放金属液的方形炉膛41，同时各中间包4位于方形炉膛41的底部分别设置有长方形的出液口42，各出液口42的长度等于双金属复合板6的宽度，且各出液口42各与结晶器3上的一个流道31相连通，如图2所示，位于左侧的流道31与位于左侧的出液口42相连通，位于右侧的流道31与位于右侧的出液口42相连通。

本发明所述的双金属复合板的短流程轧制成形方法，包括如下步骤：

第一步：分别在两个熔炼炉内加热熔炼好两种金属液，并控制好两种金属液的温度均在680~1550℃；

第二步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速均为20~50转/分钟；

第三步：接通水阀，使结晶器3和两个轧辊2上的冷却水孔5通入冷却水，结晶器3上的冷却水流量为5~15升/分钟，两个轧辊2上的冷却水流量分别为10~20升/分钟；

第四步：将两种金属液各转移到一个中间包4内，位于各中间包4内的金属液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，两种金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后同时进入辊缝23后经两个轧辊2轧制复合成双金属复合板6。

本发明的工作原理如下：

当两个中间包里的两种金属液分别流进结晶腔后，受到结晶器和轧辊的冷却作用，金属液被逐渐冷却，并凝固结晶，金属液的固相体积分数逐渐增加。由于结晶器是静止不动的，而轧辊是旋转运动的，因此金属液在结晶腔里是不断受到旋转轧辊的剪切搅拌作用，剪切搅拌作用使金属液中已形成的固相晶粒发生破碎和细化，金属液逐渐转变成由细小均匀的固相晶粒和液相共同组成的半固态浆料。在结晶腔底部出口位置，两种金属的半固态浆料汇合后同时进入辊缝经两轧辊轧制复合成双金属复合板。

本发明是将两种金属液连续冷却搅拌成半固态浆料后直接轧制复合成双金属复合板，为了保证两种金属液能够被冷却搅拌成半固态浆料，因此，结晶器和轧辊上必须设置冷却水孔，同时结晶器和轧辊需要用耐热冲击、导热性好和强度较高的钢材制造，如3Cr2W8V、W18Cr4V、4Cr5MoSiV等，以保证结晶器和轧辊的高速散热和结构强度。为了保证轧制复合时两种金属的凝固状态都是半固态浆料，需要控制好两个中间包内的两种金属液的温度、两个轧辊的转速以及两个轧辊和结晶器内的冷却水流量。

另外，为了使轧辊2上面的结晶器3有更好的稳定性，可以通过固定装置9将结晶器3与机架1进行固定连接。为了使转移到各中间包4内的金属液的温度尽可能保持稳定，可以在两个中间包的方形炉膛的两侧或者四周设置加热体7，用于对中间包4内的金属液进行加热保温。为了防止两个中间包4与结晶器3之间发生热量传输，可以在两个中间包4与结晶器3之间设置隔热板8。此外，为了降低轧辊的制造成本，还可以将轧辊2设计成由辊芯21和辊套22构成的结构，并将冷却水孔5设置在辊套22上，只需辊套22用耐热冲击、导热性好和强度较高的钢材制造就可以了。

实施例 1 ：

采用本发明生产铝/铝双金属复合板，两种铝合金分别是3003和4343铝合金，方法如下：

第一步：分别在两个电阻炉内加热熔化3003和4343铝合金，分别对铝合金液精炼后，将3003铝合金液的温度控制在700℃，4343铝合金液的温度控制在680℃；

第二步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为50转/分钟；

第三步：接通水阀，使两个轧辊2和结晶器3上的冷却水孔5通入冷却水，两个轧辊2的冷却水流量分别控制在10升/分钟，结晶器3上的冷却水流量控制在5升/分钟；

第四步：将两种金属液各转移到一个中间包4内，位于各中间包4内的金属液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，两种金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后同时进入辊缝后经两个轧辊2轧制复合成3003/4343双金属复合板。

实施例 2 ：

采用本发明生产铝/钢双金属复合板，铝合金是Al-10Pb-5.5Cu合金，钢是304不锈钢，方法如下：

第一步：分别在电阻炉和中频感应炉内加热熔化Al-10Pb-5.5Cu合金和304不锈钢，分别对Al-10Pb-5.5Cu合金和304不锈钢液精炼后，将Al-10Pb-5.5Cu合金液的温度控制在730℃，将304不锈钢液的温度控制在1500℃；

第二步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为35转/分钟；

第三步：接通水阀，使两个轧辊2和结晶器3上的冷却水孔5通入冷却水，两个轧辊2的冷却水流量分别控制在15升/分钟，结晶器3上的冷却水流量控制在10升/分钟；

第四步：将两种金属液各转移到一个中间包4内，位于各中间包4内的金属液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，两种金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后同时进入辊缝后经两个轧辊2轧制复合成Al-10Pb-5.5Cu/304的铝/钢双金属复合板。

实施例 3 ：

采用本发明生产铜/钢双金属复合板，两种金属分别是HSn70-1锡黄铜和08Al低碳钢，方法如下：

第一步：分别在两个中频感应炉内加热熔化HSn70-1锡黄铜和08Al低碳钢，分别对HSn70-1锡黄铜和08Al低碳钢液精炼后，将HSn70-1锡黄铜液的温度控制在1100℃，将08Al低碳钢液的温度控制在1550℃；

第二步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为20转/分钟；

第三步：接通水阀，使两个轧辊2和结晶器3上的冷却水孔5通入冷却水，两个轧辊2的冷却水流量分别控制在20升/分钟，结晶器3上的冷却水流量控制在15升/分钟；

第四步：将两种金属液各转移到一个中间包4内，位于各中间包4内的金属液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，两种金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后同时进入辊缝后经两个轧辊2轧制复合成HSn70-1/08Al的铜/钢双金属复合板。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种双金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于包括机架（1）、水平并排且可转动地设置在机架（1）上的两个轧辊（2）、位于两个轧辊（2）上的结晶器（3）及水平并排地设置在结晶器（3）上的两个中间包（4），其中所述结晶器（3）的上部两侧各设置有一个长方形的流道（31），所述结晶器（3）的下部设置有两个各与一个轧辊（2）位于同一侧的弧面（32），所述两个弧面（32）的外侧部各设置有一个与结晶器（3）一体连接的弧形侧封块（33），各弧形侧封块（33）的弧形半径等于轧辊（2）的半径，所述各弧形侧封块（33）分别和与其位于同一侧的轧辊（2）相接触而使各位于同一侧的弧形侧封块（33）、轧辊（2）及弧面（32）之间共同形成有一个结晶腔（34），所述两个结晶腔（34）的上端各与一个流道（31）相连通，其下端与两个轧辊（2）之间预留的辊缝（23）相连通，且所述结晶器（3）靠近各弧面（32）的位置处及各轧辊（2）上分别设置有冷却水孔（5），所述两个中间包（4）内分别设置有用于盛放金属液的方形炉膛（41），所述各中间包（4）位于方形炉膛（41）的底部分别设置有一个长方形的出液口（42），所述各出液口（42）各与一个流道（31）相连通。

2.根据权利要求1所述的双金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于上述各弧形侧封块（33）的弧形包角均为90~120°。

3.根据权利要求1所述的双金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于上述各弧面（32）的弧形包角均为60~90°，且各弧面（32）的弧形半径等于轧辊（2）的半径加上0.5~5倍双金属复合板的厚度。

4.根据权利要求1所述的双金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于上述各出液口（42）的长度、各流道（31）的长度、各弧面（32）的宽度均等于双金属复合板的宽度。

5.一种双金属复合板的短流程轧制成形方法，该方法采用如上述任一权利要求所述的双金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于包括如下步骤：

第一步：分别在两个熔炼炉内加热熔炼好两种金属液，并控制好两种金属液的温度在680~1550℃；

第二步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊（2）的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速均为20~50转/分钟；

第三步：接通水阀，使结晶器（3）和两个轧辊（2）上的冷却水孔（5）通入冷却水，结晶器（3）上的冷却水流量为5~15升/分钟，两个轧辊（2）上的冷却水流量分别为10~20升/分钟；

第四步：将两种金属液各转移到一个中间包（4）内，位于各中间包（4）内的金属液分别由中间包（4）上设置的出液口（42）及结晶器（3）上对应设置的流道（31）各流进一个结晶腔（34）内，且在两个结晶腔（34）内，两种金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后同时进入辊缝（23）后经两个轧辊（2）轧制复合成双金属复合板（6）。