CN104646421B - 一种双金属复合板电脉冲固液铸轧设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双金属层复合板电脉冲固液铸轧设备，包括凸字型机架以及设置在其上的铸轧辊。铸轧辊设置有辊芯、辊套以及多个冷却水通道，铸轧辊包括第一主铸轧辊、第二主铸轧辊以及辅助铸轧辊，第一主铸轧辊与辅助铸轧辊之间构成一个用于形成单金属带坯或板坯的单金属铸轧区，第一主铸轧辊与第二主铸轧辊之间构成一个形成双金属复合板的双金属固液铸轧复合区，大功率脉冲电流源的正负极通过导电滑环分别与第一主铸轧辊和第二主铸轧辊的辊套相连接。本发明利用单金属铸轧区，替代了传统成品带材作为复合基材，使固液铸轧复合工艺流程更加紧凑，电脉冲处理有利于细化金属熔体凝固组织、增强固液复合界面润湿效果，提高双金属复合板的界面结合强度。

Description

一种双金属复合板电脉冲固液铸轧设备及方法
技术领域
本发明属于金属层状复合材料塑性加工领域，具体的涉及一种双金属复合板电脉冲固液铸轧设备及方法。
背景技术
双金属固-液复合是指在复合过程中，其中一种金属组元处于固态，另外一种金属组元处于液态。目前常见的固-液复合法有浇注复合法、铸轧复合法、浸入法、逆向凝固法等。与固-固复合法相比，固-液复合法利用金属的高温熔合结合和扩散结合机制，能够获得更为理想的界面复合质量，且可选择的金属范围更广。
固液铸轧复合法是将较低熔点的液态金属连续浇注在高熔点金属板带上，液态金属在半凝固状态下与固态板带同时被送入双辊铸轧机进行轧制，该工艺将铸造法与轧制法结合起来，既有液相高温，又有轧制压力，能够获得较高的界面结合强度，且具有连续生产、高效低成本等优点。然而，现有的固液铸轧复合法中高熔点金属板带均采用成品带材，且要预先进行表面处理，工艺流程较长。此外，由于固液铸轧复合区内液态金属仅一侧与铸轧辊直接接触，另一侧与固态板带接触，熔体凝固的冷却强度被削弱，会对基体微观组织性能造成一定负面影响。
因此，缩短固液铸轧复合工艺流程，改善基体组织性能，获得界面结合性能优异的双金属复合板成为目前亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种高效、短流程、结构简单的双金属复合板固液铸轧设备，在合金凝固过程中施加脉冲电流能改变金属的凝固行为，合理的脉冲电流参数不仅可以使合金的凝固组织得到不同程度的细化，而且对金属固-液界面润湿和扩散行为会产生积极的促进作用。
具体的，本发明提供一种双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其包括机架、通过固定装置设置在机架上的三个铸轧辊以及辊缝调节装置，所述机架为凸字型机架，用于安装和固定所述三个铸轧辊；所述三个铸轧辊设置有辊芯、辊套以及设置在辊芯内部的多个冷水通道，所述辊套以过盈装配方式套设在所述辊芯上，所述辊套的内表面热喷涂有氧化物陶瓷涂层；所述三个铸轧辊包括第一主铸轧辊、第二主铸轧辊以及辅助铸轧辊，所述第一主铸轧辊与所述辅助铸轧辊之间构成一个用于形成单金属带坯或板坯的单金属铸轧区，所述第一主铸轧辊与所述第二主铸轧辊之间构成一个用于形成双金属复合板的双金属固液铸轧复合区；所述第一主铸轧辊与所述辅助铸轧辊之间设置有水平布流器以及第一中间包，所述第一主铸轧辊与所述第二主铸轧辊之间设置有竖直布流器以及第二中间包；以及大功率脉冲电流源，其用于通过安装在铸轧辊上的供电滑环将强脉冲电流导入所述双金属固液铸轧复合区中熔融液态金属以及固液复合界面内。
优选地，所述第一主铸轧辊的一侧的辊芯上安装有第一供电滑环，所述第二主铸轧辊的一侧的辊芯上安装有第二供电滑环，所述第一供电滑环以及所述第二供电滑环的定子固定在所述机架上，所述第一供电滑环的定子导线连接有所述大功率脉冲电流源的负极，所述第二供电滑环的定子导线连接所述大功率脉冲电流源的正极，所述第一供电滑环的转子导线穿过所述第一主铸轧辊的辊芯与其辊套连接在一起，使得所述第一供电滑环的转子与所述第一主铸轧辊一起转动；以及第二供电滑环的转子导线穿过所述第二主铸轧辊的辊芯与其辊套连接在一起，使得所述第二供电滑环的转子与所述第二主铸轧辊一起转动。
优选地，所述辊缝调节装置包括驱动电机和由所述驱动电机驱动的用于调节铸轧辊位置的调节螺丝。
优选地，所述第一中间包灌装有用于形成单金属带坯或板坯的第一金属液，所述第二中间包灌装有与所述单金属带坯或板坯进行复合的第二金属液。
优选地，所述水平布流器和所述第一中间包之间以及所述竖直布流器和所述第二中间包之间均设置有滑动开关。
优选地，所述双金属固液铸轧复合区包括位于第一区域的固液铸轧复合区和位于第二区域的固固轧制复合区。
一种根据本发明的双金属复合板电脉冲固液铸轧设备进行双金属复合板加工的方法，其包括以下步骤：
步骤1：利用所述辊缝调节装置调节设定第一主铸轧辊与辅助铸轧辊之间的辊缝、第一主铸轧辊与第二主铸轧辊之间的辊缝，以及辅助铸轧辊相对于第一主铸轧辊的周向位置，同时所述的设备设定各铸轧辊的速度、各铸轧辊内部冷却水的流量和温度，铸轧辊进入空转待机状态；
步骤2：启动水平布流器，向第一主铸轧辊与辅助铸轧辊辊缝内浇铸第一金属液，使单金属带坯或板坯出带，将其引入第一主铸轧辊与第二主铸轧辊的辊缝后，再启动竖直布流器，将第二金属液浇入到第一主铸轧辊与第二主铸轧辊缝中，使第二金属液涂覆在单金属带坯或板坯的表面，在高温和铸轧压力共同作用下，实现双金属复合板的固液铸轧复合成形；
步骤3：打开大功率脉冲电流源开关，大功率脉冲电流源的负极通过第一供电滑环与第一主铸轧辊辊套相连，电流源的正极通过第二供电滑环与第二主铸轧辊辊套相连，从而使大功率脉冲电流源的正负极与双金属固液铸轧复合区内的金属导通而形成回路，实现将强脉冲电流导入固液铸轧复合区中熔融液态金属以及固液复合界面内，并在固固轧制复合区内利用电脉冲形成电脉冲轧制板。
优选地，所述辅助铸轧辊相对于第一主铸轧辊的周向位置角为-30°～30°，单金属铸轧区的铸轧速度为15～150mm/s，双金属固液铸轧复合区的铸轧速度为15～200mm/s，辅助铸轧辊与第一主铸轧辊辊面线速度异速比为1.05～1.3，第一主铸轧辊与第二主铸轧辊辊面线速度异速比为0.7～1.6，铸轧辊内冷却水的流量为50～200吨/小时，冷却水入口温度为25℃。
优选地，所述大功率脉冲电流强度为500～20000A、频率为30～2000Hz。
本发明的优点如下所述：
利用辅助铸轧辊与第一主铸轧辊形成的单金属铸轧区，替代了传统成品带材作为复合基材，使固液铸轧复合工艺流程更加紧凑，可实现双金属层状复合板的高效、低能耗的连续化生产；
根据两种基材金属的固、液相状态，双金属固液铸轧复合区可分为固液铸轧复合区和接近轧制出口处的固固轧制复合区，通过引入强脉冲电流作为外场强化手段能够实现对固液铸轧复合区内液态基材金属凝固过程进行脉冲电流处理，细化晶粒，提升基材微观组织性能；脉冲电流对固液复合界面浸润性和原子扩散具有很好的强化作用，可提高复合界面结合强度；在主铸轧辊铸轧出口前的固相轧制复合区内形成电塑性轧制效果，可进一步改善基材微观组织性能。
利用滑环，实现了脉冲电流源供电电极与转动辊体上辊套的导通连接，本发明通过在辊套内表面喷涂氧化物陶瓷涂层可导热电绝缘材料，可导热电绝缘材料的具体材料为Al2O3、MgO、ZrO2等氧化物陶瓷涂层。在不削弱辊体内冷却水对辊套的冷却强度前提下，解决了辊体整体带电、冷却水对外接地导通等问题，保障了该固液铸轧脉冲电流强化复合工艺的可行性；采用凸型机架和三个独立的辊缝调节装置，可实现第一主铸轧辊和辅助铸轧辊间单金属铸轧区辊缝、第一主铸轧辊与第二主铸轧辊间固液铸轧复合区辊缝的独立调节，以及辅助铸轧辊相对于第一主铸轧辊的周向位置调节，保证设备对不同金属组合层状复合板生产的工艺适应性。
附图说明
图1为本发明双金属复合板电脉冲固液铸轧设备的原理图；
图2为本发明双金属复合板电脉冲固液铸轧设备的结构图；
图3为本发明设备沿图2的A-A线剖视图。
具体实施方式
下面将结合图1、图2和图3，以铜/铝固液铸轧电流强化复合为例，具体说明本发明的设备及实施方法。
如图1及图2所示，本发明提供一种双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其包括凸字型机架1、通过固定装置设置在机架1上的铸轧辊以及用于调节铸轧辊位置的辊缝调节装置。
铸轧辊设置有轧辊扁头13，轧辊扁头13由电机独立驱动。铸轧辊包括第一主铸轧辊31、第二主铸轧辊32以及辅助铸轧辊33，第一主铸轧辊31以及第二主铸轧辊32基本平行地设置在机架1的底部，辅助铸轧辊33设置在机架1的上部并与第一主铸轧辊31相邻，第一主铸轧辊31设置有辊芯311、辊套312、设置在辊套312内表面的可导热电绝缘涂层313以及设置在辊芯311内部的多个冷水通道314，第二主铸轧辊32设置有辊芯321、辊套322、设置在辊套322内表面的可导热电绝缘涂层323以及设置在辊芯321内部的多个冷水通道324，辅助铸轧辊33设置有辊芯331、辊套332、设置在辊套332内表面的可导热电绝缘涂层333以及设置在辊芯331内部的多个冷水通道334。可导热电绝缘涂层的具体材料为Al2O3、MgO、ZrO2等氧化物陶瓷涂层，涂层的厚度为10～30μm，涂层具有高导热率和良好的电绝缘性能。
第一主铸轧辊31的一侧的辊芯311上安装有第一供电滑环51，第二主铸轧辊32的一侧的辊芯321上安装有第二供电滑环52，前述的“一侧”为工作人员的操作侧，第一供电滑环51的定子导线511连接大功率脉冲电流源6的负极，第二供电滑环的定子导线521连接大功率脉冲电流源6的正极，第一供电滑环51的转子导线512穿过辊芯311与辊套312连接并与第一主铸轧辊31一起转动，转子导线512穿过辊芯311的部分包覆有绝缘材料，第二供电滑环52的转子导线522穿过辊芯321与辊套322连接并与第二主铸轧辊32一起转动，转子导线522穿过辊芯321的部分也包覆有绝缘材料，辊套312与辊芯311间以及辊套322与辊芯321间分别设置可导热绝缘材料涂层，在不削弱铸轧辊内冷却水对辊套的冷却强度前提下，解决了辊体整体带电、冷却水对外接地导通等问题。第一主铸轧辊31与辅助铸轧辊33之间设置有水平布流器71以及第一中间包81，第一主铸轧辊31与第二主铸轧辊32之间设置有竖直布流器72以及第二中间包82，竖直布流器72和第二中间包82之间以及水平布流器71和第一中间包81之间均设置有滑动开关9。第一中间包81中盛放有熔融态的第一金属液A，第二中间包82中盛放有熔融态的第一金属液B。
辅助铸轧辊的辊径为第一主铸轧辊和第二主铸轧辊的辊径大小相同，优选为辅助铸轧辊的辊径通常设置为小于第一主铸轧辊和第二主铸轧辊的辊径。三个铸轧辊通过各自的辊缝调节装置独立驱动。
在使用时，首先设置各铸轧辊的工作参数：辅助铸轧辊相对于第一主铸轧辊的周向位置角θ为-30°～30°，辅助铸轧辊相对于第一主铸轧辊的周向位置角θ为辅助铸轧辊的轴线和第一主铸轧辊的轴线之间的连线与竖直方向所成的夹角，与单金属铸轧区铸轧速度为15～150mm/s、双金属固液铸轧复合区铸轧速度为15～200mm/s，调节辅助铸轧辊与第一主铸轧辊辊面线速度异速比为1.05～1.3，使单金属带坯或板坯向下弯曲，便于引入第一主铸轧辊和第二主铸轧辊辊缝，第一主铸轧辊与第二主铸轧辊辊面线速度异速比为0.7～1.6，以控制复合板出口平直度。铸轧辊内冷却水的流量为50～200吨/小时，冷却水入口温度为25℃。
第一主铸轧辊31与辅助铸轧辊33之间形成一个单金属铸轧区100，第一主铸轧辊31与第二主铸轧辊32之间形成一个双金属固液铸轧复合区101。双金属固液铸轧复合区101包括位于第一区域的固液铸轧复合区和位于第二区域的固固轧制复合区，第一区域为双金属固液铸轧复合区101的上部分区域，第二区域为双金属固液铸轧复合区101的下部分区域。
熔融态的第一金属液A首先从第一中间包81内进入水平布流器71，在第一主铸轧辊31和辅助铸轧辊33之间形成的单金属铸轧区100内铸轧成单金属带坯或板坯，并随第一主铸轧辊31的转动继续冷却前行。同时熔融态的第二金属液B从第二中间包82内进入竖直布流器72内，在第一主铸轧辊31和第二主铸轧辊32形成的双金属固液铸轧复合区101内，与单金属铸轧区100铸轧的板坯一起铸轧成型，实现固-液复合法制备双金属复合板10，双金属固液铸轧复合区101通过设置在主铸轧辊辊身端面的侧封板12对金属熔体11进行侧封，避免发生金属液B溢出事故。
辊缝调节装置包括用于调节铸轧辊位置的调节螺丝41以及用于驱动调节螺丝41的驱动电机42。调节螺丝41为压下螺丝，第一主铸轧辊31、第二主铸轧辊32以及辅助铸轧辊33均设置有自己独立的辊缝调节装置，方便调节各铸轧辊之间的辊缝以及第一主铸轧辊31相对于辅助铸轧辊33的位置。
下面结合图1、图2和图3对本发明双金属复合板电脉冲固液铸轧设备的工作步骤做进一步说明，其中第一金属液A选用工业紫铜，第二金属液B选用工业纯铝，生产铜/铝复合带材10的厚度为4mm、宽度为400mm，铜/铝厚度比约为1:3。第一主铸轧辊31和第二铸轧辊32的辊径均为辅助铸轧辊33的辊径为
步骤1：根据成品规格，第一主铸轧辊31和第二主铸轧辊32之间的辊缝值调整为4mm，取压下率为50％，考虑两种金属压下率分配不同，将第一铸轧辊31和辅助铸轧辊33之间辊缝值调整为1.8mm。开启铸轧机，控制辅助铸轧辊33轧制速度为15～150mm/s、辅助铸轧辊33和第一铸轧辊异速比为1.05～1.3，控制第一主铸轧辊31与第二主铸轧辊32异速比为0.7～1.6，使铸轧机处于空转待机状态。
步骤2：将700℃熔融态的工业纯铝盛放在第二中间包82内，1200℃熔融态的工业紫铜盛放在第二中间包81内，关闭滑动开关9。
步骤3：开启脉冲电流源6，设置脉冲电流为500～20000A，脉冲频率为30～2000Hz。
整个装置在保护气氛的控制下，开启滑动开关9，熔融态的工业紫铜从第一中间包81内经过导管进入水平布流器71内，在第一铸轧辊31和辅助铸轧辊33形成的单金属铸轧区100内铸轧成1.8mm板坯，并随第一铸轧辊31的转动继续冷却前行。同时熔融态的工业纯铝从第二中间包82内经过导管进入竖直布流器72内，然后再由导管浇注到第一铸轧辊31和第二铸轧辊32形成的双金属固液铸轧复合区101内，并与单金属铸轧区100铸轧的工业紫铜板一起铸轧成型，实现固-液复合法制备铜/铝双金属复合板10。
进一步，铸轧成形的铜板进入由第一铸轧辊31和第二铸轧辊32形成的双金属固液铸轧复合区101时的温度，可以通过调整辊速、冷却水流量和强度来控制。第一铸轧辊31和第二铸轧辊32可以采用异速铸轧实现对复合板翘曲的控制。
利用辅助铸轧辊33与第一主铸轧辊31形成的单金属铸轧区100，替代了传统成品带材作为复合基材，使固液铸轧复合工艺流程更加紧凑，可实现双金属层状复合板的高效、低能耗的连续化生产；
根据两种基材金属的固、液相状态，双金属固液铸轧复合区100可分为位于上部分区域的固液铸轧复合区和接近轧制出口处的固固轧制复合区，通过引入大功率强脉冲电流作为外场强化手段能够实现对固液铸轧复合区内液态基材金属凝固过程进行脉冲电流处理，细化晶粒，提升基材微观组织性能；脉冲电流对固-液复合界面浸润性和原子扩散具有很好的强化作用，可提高复合界面结合强度；在主铸轧辊铸轧出口前的固相轧制复合区内形成电塑性轧制效果，可进一步改善基材微观组织性能。
利用滑环，实现了脉冲电流源供电电极与转动辊体上辊套的导通连接；以往传统的绝缘材料大多为热的不良导体，本发明通过在辊套内表面喷涂氧化物陶瓷涂层导热绝缘材料，在不削弱辊体内冷却水对辊套的冷却强度前提下，解决了辊体整体带电、冷却水对外接地导通等问题，保障了该固液铸轧脉冲电流强化复合工艺的可行性；
采用凸字型机架1和三个独立的辊缝调节装置，可实现第二主铸轧辊32和辅助铸轧辊33间单金属铸轧区101辊缝、第一主铸轧辊31与第二主铸轧辊32间双金属固液铸轧复合区101辊缝的独立调节，以及辅助铸轧辊33与第一主铸轧辊31间的相位调节，保证设备对不同金属组合层状复合板生产的工艺适应性。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其包括机架、通过固定装置设置在机架上的三个铸轧辊以及辊缝调节装置，其特征在于：
所述机架为凸字型机架，用于安装和固定所述三个铸轧辊；
所述三个铸轧辊设置有辊芯、辊套以及设置在辊芯内部的多个冷水通道，所述辊套以过盈装配方式套设在所述辊芯上，所述辊套的内表面热喷涂有氧化物陶瓷涂层；
所述三个铸轧辊包括第一主铸轧辊、第二主铸轧辊以及辅助铸轧辊，所述第一主铸轧辊与所述辅助铸轧辊之间构成一个用于形成单金属带坯或板坯的单金属铸轧区，所述第一主铸轧辊与所述第二主铸轧辊之间构成一个用于形成双金属复合板的双金属固液铸轧复合区；
所述第一主铸轧辊与所述辅助铸轧辊之间设置有水平布流器以及第一中间包，所述第一主铸轧辊与所述第二主铸轧辊之间设置有竖直布流器以及第二中间包；以及
大功率脉冲电流源，其用于通过安装在铸轧辊上的供电滑环将强脉冲电流导入所述双金属固液铸轧复合区中熔融液态金属以及固液复合界面内。
2.根据权利要求1所述的双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其特征在于：所述第一主铸轧辊的一侧的辊芯上安装有第一供电滑环，所述第二主铸轧辊的一侧的辊芯上安装有第二供电滑环，所述第一供电滑环以及所述第二供电滑环的定子固定在所述机架上，所述第一供电滑环的定子导线连接有所述大功率脉冲电流源的负极，所述第二供电滑环的定子导线连接所述大功率脉冲电流源的正极，所述第一供电滑环的转子导线穿过所述第一主铸轧辊的辊芯与其辊套连接在一起，使得所述第一供电滑环的转子与所述第一主铸轧辊一起转动；以及第二供电滑环的转子导线穿过所述第二主铸轧辊的辊芯与其辊套连接在一起，使得所述第二供电滑环的转子与所述第二主铸轧辊一起转动。
3.根据权利要求1所述的双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其特征在于：所述辊缝调节装置包括驱动电机和由所述驱动电机驱动的用于调节铸轧辊位置的调节螺丝。
4.根据权利要求1所述的双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其特征在于：所述第一中间包灌装有用于形成单金属带坯或板坯的第一金属液，所述第二中间包灌装有与所述单金属带坯或板坯进行复合的第二金属液。
5.根据权利要求1或者2所述的双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其特征在于：所述水平布流器和所述第一中间包之间以及所述竖直布流器和所述第二中间包之间均设置有滑动开关。
6.根据权利要求1所述的双金属复合板电脉冲固液铸轧设备，其特征在于：所述双金属固液铸轧复合区包括位于第一区域的固液铸轧复合区和位于第二区域的固固轧制复合区。
7.一种根据权利要求1-6中任一权利要求所述的设备进行双金属复合板加工的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤1：利用所述辊缝调节装置调节设定第一主铸轧辊与辅助铸轧辊之间的辊缝、第一主铸轧辊与第二主铸轧辊之间的辊缝，以及辅助铸轧辊相对于第一主铸轧辊的周向位置，同时所述的设备设定各铸轧辊的速度、各铸轧辊内部冷却水的流量和温度，铸轧辊进入空转待机状态；
步骤2：启动水平布流器，向第一主铸轧辊与辅助铸轧辊辊缝内浇铸第一金属液，使单金属带坯或板坯出带，将其引入第一主铸轧辊与第二主铸轧辊的辊缝后，再启动竖直布流器，将第二金属液浇入到第一主铸轧辊与第二主铸轧辊缝中，使第二金属液涂覆在单金属带坯或板坯的表面，在高温和铸轧压力共同作用下，实现双金属复合板的固液铸轧复合成形；
步骤3：打开大功率脉冲电流源开关，大功率脉冲电流源的负极通过第一供电滑环与第一主铸轧辊辊套相连，电流源的正极通过第二供电滑环与第二主铸轧辊辊套相连，从而使大功率脉冲电流源的正负极与双金属固液铸轧复合区内的金属导通并形成回路，实现将强脉冲电流导入固液铸轧复合区中熔融液态金属以及固液复合界面内，并在固固轧制复合区内利用电脉冲形成电脉冲轧制板。
8.根据权利要求7所述的双金属复合板加工的方法，其特征在于：所述辅助铸轧辊相对于第一主铸轧辊的周向位置角为-30°～30°，单金属铸轧区的铸轧速度为15～150mm/s，双金属固液铸轧复合区的铸轧速度为15～200mm/s，辅助铸轧辊与第一主铸轧辊辊面线速度异速比为1.05～1.3，第一主铸轧辊与第二主铸轧辊辊面线速度异速比为0.7～1.6，铸轧辊内冷却水的流量为50～200吨/小时，冷却水入口温度为25℃。
9.根据权利要求8所述的双金属复合板加工的方法，其特征在于：所述大功率脉冲电流强度为500～20000A、频率为30～2000Hz。
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