CN104827006A - 一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备及铜管生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，包括水平设置的熔炼系统、水平冷凝系统、加热系统与辊轧系统，熔炼系统包括熔炼炉以及炉底的铜液浇口，水平冷凝系统包括内芯棒组件与冷凝器，内芯棒组件设置在冷凝器与熔炼炉之间，其中的内芯棒一端设置与铜液浇口连通的内浇道以及垂直于内浇道的内浇口，另一端与冷凝器内壁形成铜管成型的环形管腔，辊轧系统包括环形固定架、轧辊、设置在环形固定架中心的扩径芯头以及拉引装置，拉引装置与冷凝后形成的铜管连接；利用本设备生产大口径锻态铜管的工艺步骤包括熔炼铜液、冷凝成型、加热、辊轧扩径。本发明克服垂直连铸带来的长度方面的技术瓶颈，在连铸之后对铜管进行辊轧，消除了铸造铜管的缺陷。

Description

一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备及铜管生产工艺

技术领域

本发明属于冶金领域的装置设备以及生产工艺，尤其是一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备及利用该设备进行大口径锻态铜管连铸的生产工艺。

背景技术

铜管制造工艺一般要经过熔炼、铸造、压力加工等过程，才能形成产品，然而，铸造铜及铜合金常常有疏松、气孔、裂纹等缺陷，且废品率较高，在质量要求较高的场合无法使用。为此，目前铜管生产均采用铜锭压制成型，特别是直径300mm以上的大口径铜管的压力加工，需要吨位很大的加热设备、挤压设备，投资大，成本高。

有人提出采用垂直连铸工艺生产大口径铜管，但铜管长度受到很大的限制，尤其重要的是，该工艺生产的铜管没有经过压力加工，仍然属于铸造铜管，存在上述铸造铜管无法避免的的质量缺陷，因此，在大多质量要求高的场合无法应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种大口径锻态铜管的水平连铸连挤压设备以及利用该设备进行大口径锻态铜管连铸连挤压生产工艺，该设备以及工艺是在现有技术中的垂直连铸的基础上进行改进，实现铜管的水平连铸，进而克服垂直连铸带来的铜管长度方面的技术瓶颈，并且，在铜管连铸之后设置辊轧系统，对铜管进行辊轧，并扩径减壁，一方面消除铸造铜管的缺陷，另一方面，可以得到口径更大、管壁更薄的铜管。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，包括依次水平设置的熔炼系统、水平冷凝系统以及辊轧系统；

所述的熔炼系统包括熔炼炉、熔炼炉底部设置的坡面以及在坡面最低端设置的供铜液流出的铜液浇口；

所述的水平冷凝系统包括内芯棒组件与冷凝器，内芯棒组件包括内芯棒、连接法兰、固定板Ⅰ与固定板Ⅱ，其中，连接法兰夹持在固定板Ⅰ与固定板Ⅱ之间，并分别通过固定板Ⅰ与固定板Ⅱ固定设置在熔炼炉与冷凝器之间，内芯棒一端依次穿过固定板Ⅱ、连接法兰与固定板Ⅰ中心的通孔，然后与熔炼炉的铜液浇口连接，内芯棒的另一端伸入冷凝器中，与冷凝器的内壁构成铜管成型的环形管腔，所述内芯棒与铜液浇口连接的一端的中心沿内芯棒长度方向设置铜液流过的内浇道，内浇道上设置多个垂直于内浇道的内浇口，经熔炼炉熔化的铜液由熔炼炉的铜液浇口流出，通过内浇道由内浇口流入冷凝器的环形管腔中，形成铜管；

所述的辊轧系统包括设置在环形固定架上的轧辊、设置在环形固定架中心的扩径芯头以及用于拉引铜管的拉引装置，拉引装置与冷凝后形成的铜管连接，环形固定架设置在轧辊支架上，所述扩径芯头呈圆台形，其小头端朝向铜管的方向，大头端与一支撑顶杆连接，铜管在拉引装置的拉引下，铜管内壁沿扩径芯头的侧壁移动，所述轧辊环绕扩径芯头倾斜设置，其倾斜角度与扩径芯头的锥度相一致，并且轧辊侧壁与铜管的外壁相接触，由电机驱动环形固定架以其轴心为圆心转动，使得轧辊在与铜管之间摩擦力的作用下被动旋转，与扩径芯头相互配合挤压铜管管壁，使其管壁减小、管径增大。

进一步的，在冷凝器与辊轧系统之间设有加热系统，加热系统中的加热丝环绕在铜管的管壁外侧，轧制前的铜管进行加热，该加热系统为市售的加热装置。

进一步的，所述的铜液浇口上设有插槽以及插在插槽内的插板。

进一步的，所述的固定板Ⅰ、固定板Ⅱ以及连接法兰的两侧分别围绕所述的通孔设置环槽以及安装在环槽内的弹性密封环，并且弹性密封环的上表面露出环槽。

所述扩径芯头的锥度为6°~15°，长度不大于40mm，其大头端的边沿朝铜管的移动方向水平延伸以形成长度为5-10mm的圆柱状结构。

所述的环形固定架、扩径芯头以及铜管的轴线重合。

利用上述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备进行大口径锻态铜管生产的生产工艺，具体步骤如下：

步骤一：将冷却水通入冷凝器中，并将金属铜在熔炼炉中熔炼成铜液，然后拉起铜液浇口的插板，使得铜液通过铜液浇口与内芯棒组件中的内浇道，由内浇口流入冷凝器中的环形管腔中，在冷却水的作用下，铜液在冷凝器的环形管腔中冷却形成铜管；

步骤二：利用拉引装置将步骤一中所形成的铜管从冷凝器中拉出，被拉出的铜管温度为300~400℃，所述拉引装置的拉引速度V₂与熔炼炉中铜液浇口处铜液流速V₁之间的关系如下：

，其中R为铜管扩径后的外半径，r₁为铜液浇口的半径，r₂为所述扩径芯头大头端的半径，k%为铸铜收缩率；

步骤三：启动加热系统，被拉出冷凝器的铜管在拉引装置的拉引下进入加热系统被加热到400~600℃；

步骤四：启动辊轧系统的驱动电机，带动环形固定架以30~200r/min的速度转动，在拉引装置的拉动下，铜管由加热系统进入辊轧系统，并且铜管内径沿扩径芯头的侧壁移动，使得铜管管壁进入轧辊与扩径芯头之间，在轧辊与扩径芯头的共同挤压作用下，铜管管壁减小、管径增大，形成所需管径的成品铜管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明通过设置水平冷凝系统与拉引装置，实现了铜管的水平连铸，与垂直连铸相比，所受的空间局限较小，在拉引装置的作用下，能够得到较大长度的铜管，并且，增设的辊轧系统可以对冷凝器出来的铜管进行辊轧、扩径、减壁，进而克服铸造铜管的缺陷，增大所得铜管的强度，同时又能够使得铜管的口径更大，管壁更薄，满足不同的需求；

第二，本发明所设置的内芯棒组件，可以避免铜液在从熔炼炉流入冷凝器的过程中泄漏，保障生产的安全，尤其是弹性密封环的设置，由于冷凝器的外壁为钢结构，内芯棒的连接法兰、固定板Ⅰ以及固定板Ⅱ也是钢结构，钢结构与钢结构之间属于硬连接，其固定连接后，无法起到密封作用，经由铜液浇口、内浇道、内浇口流出的铜液可能会从彼此之间的缝隙溢出，因此在固定连接的过程中，通过挤压弹性密封环，使其发生弹性形变，进而将彼此之间的缝隙封闭，实现良好的密封效果；

第三，本发明在铜液浇口设置插板可以根据需要控制铜液的流量与流速，进而适应拉引装置的拉引速度；

第四，由于铜管经冷凝后温度较低，硬度较大，不利于后续的辊轧系统的轧制，因此，本发明在辊轧系统之前设置加热系统，可以对经冷凝器冷凝形成的铜管进行加热并保温，便于后续辊轧系统对铜管进行轧制；

第五，本发明通过拉引装置对铜管的拉引，使其匀速不间断的加长，以达到所需的长度，并与扩径芯头配合减小铜管管壁的厚度；

第六，本发明扩径芯头设置为圆台形，并且其锥度为6°~15°，一方面，便于对铜管进行扩径，另一方面，所设置的锥度不妨碍铜管向后移动，也就是能够保证拉引装置对铜管保持匀速不间断的拉引。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中轧辊系统的结构示意图。

图3本发明中内芯棒组件的剖面图。

图中标记：1、熔炼炉，2、铜液浇口，201、插板，3、内芯棒组件，301、内芯棒，302、连接法兰，303、固定板Ⅰ，304、固定板Ⅱ，305、内浇道，306、内浇口，4、冷凝器，401、进水口，402、出水口，5、加热丝，601、轧辊，602、环形固定架，603、扩径芯头，604、支撑顶杆，605、轧辊支架，606、拉引装置，7、铜管。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图所示，一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，包括按照工艺流程依次水平设置的熔炼系统、水平冷凝系统、加热系统和辊轧系统。

所述的熔炼系统为一个将金属铜熔炼成铜液的熔炼炉1，熔炼炉1炉底设为坡面，以便于铜液的流出，在坡面最低端一侧的熔炼炉1炉壁上设置突出并垂直于炉壁的铜液浇口2，并在铜液浇口2上设置一个插槽，用于控制铜液流量与流速的插板201插设在插槽中，并动密封良好。

所述的水平冷凝系统包括内芯棒组件3和冷凝器4，内芯棒组件3由内芯棒301、连接法兰302、固定板Ⅰ303以及固定板Ⅱ304组成，在固定板Ⅰ303、固定板Ⅱ304与连接法兰302的中心均设有孔径一致的通孔，并且连接法兰302固定在固定板Ⅰ303与固定板Ⅱ304之间，其通孔相互对应，并通过固定板Ⅰ303与固定板Ⅱ304固定设置在冷凝器4与熔炼炉1之间，所述内芯棒301的一端依次穿过固定板Ⅱ304、连接法兰302与固定板Ⅰ303的通孔，与前面熔炼炉1的铜液浇口2连接，内芯棒301的另一端伸入冷凝器4中，与冷凝器4的内壁形成环形管腔，在内芯棒301与铜液浇口2连接的一端的中心沿内芯棒301长度方向设置与铜液浇口2连通的内浇道305，内浇道305的末端设置垂直于内浇道305的内浇口306，所述的内浇口306开口于环形管腔的前端入口处进而与环形管腔相连通，所述的冷凝器4由薄壁不锈钢制成，包括法兰、进水口401与出水口402，冷却水在冷凝器4中的流动方向与铜液的流动方向相反。

所述的加热系统为一套市售感应加热装置，其加热丝5环绕在从冷凝器4中出来的铜管7外壁，用于铜管7轧制前对铜管7进行加热和保温。

所述的辊轧系统包括轧辊601、环形固定架602、扩径芯头603、支撑顶杆604、轧辊支架605、轧辊连接轴、驱动电机与拉引装置606，其中轧辊支架605为框架结构，一方面用于固定环形固定架602，另一方面用于辊轧系统与水平连铸设备的床身相连，以确保轧辊支架位置的固定；所述的扩径芯头603成圆台形，设置在环形固定架602的中心，扩径芯头603的轴线与环形固定架602的轴线重合，并且扩径芯头603的小头端朝向冷凝器4方向，扩径芯头603的锥度为6°~15°，长度不大于40mm，其大头端还设有一个长度5-10mm的圆柱状结构；多个轧辊601通过轧辊连接轴环绕扩径芯头603的侧壁倾斜的固定在环形固定架602上，倾斜角度与扩径芯头603的锥度相配合，并且多个轧辊601所形成的圆周面的中心与所述的扩径芯头603的中心在同一直线上，以确保扩径后的铜管7管壁厚度均匀，轧辊601与扩径芯头603之间形成供铜管7管壁通过的间隙，并且轧辊601与铜管7的外壁相接触；所述的驱动电机能够驱动环形固定架602在轧辊支架605上以其轴心为圆心转动，进而使得轧辊601与铜管7外壁相摩擦而转动，并在与铜管7内径接触的扩径芯头603的配合下，对铜管7管壁进行挤压，以起到扩径减壁的作用；在扩径芯头603对铜管7进行扩径的过程中，扩径芯头603的大头端设置一支撑顶杆604，并支撑在固定装置上，为扩径芯头603提供足够的支撑力；所述的拉引装置606与冷凝后的铜管7相连，拉引铜管7前进，并使得铜管7在拉引装置606的拉引下其内壁沿扩径芯头603的侧壁移动。

利用上述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备进行大口径锻态铜管生产的工艺如下：

步骤一：将冷却水通入冷凝器4中，并将金属铜在熔炼炉1中熔炼成铜液，然后拉起铜液浇口2的插板201，使得铜液通过铜液浇口2与内芯棒组件3中的内浇道305，由内浇口306流入冷凝器4中的环形管腔中，在冷却水的作用下，铜液在冷凝器4的环形管腔中冷却形成铜管7；

步骤二：利用拉引装置606将步骤一中所形成的铜管7从冷凝器4中拉出，被拉出的铜管7温度为300~400℃，所述拉引装置606的拉引速度V₂与熔炼炉1中铜液浇口2处铜液流速V₁之间的关系如下：

，其中R为铜管7扩径后的外半径，r₁为铜液浇口2的半径，r₂为所述扩径芯头603大头端的半径，k%为铸铜收缩率；

步骤三：启动加热系统，被拉出冷凝器4的铜管7在拉引装置606的拉引下进入加热系统被加热丝5加热到400~600℃；

步骤四：启动辊轧系统的驱动电机，带动环形固定架602以30~200r/min的速度转动，在拉引装置606的拉引下，铜管7由加热系统进入辊轧系统，并且铜管7内径沿扩径芯头603的侧壁移动，使得铜管7管壁进入轧辊601与扩径芯头603之间，在轧辊601与扩径芯头603的共同挤压作用下，铜管7管壁减小、管径增大，形成所需管径的成品铜管。

Claims (7)

1.一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，其特征在于：包括依次水平设置的熔炼系统、水平冷凝系统以及辊轧系统；

所述的熔炼系统包括熔炼炉（1）、熔炼炉（1）底部设置的坡面以及在坡面最低端设置的供铜液流出的铜液浇口（2）；

所述的水平冷凝系统包括内芯棒组件（3）与冷凝器（4），内芯棒组件（3）包括内芯棒（301）、连接法兰（302）、固定板Ⅰ（303）与固定板Ⅱ（304），其中，连接法兰（302）夹持在固定板Ⅰ（303）与固定板Ⅱ（304）之间，并分别通过固定板Ⅰ（303）与固定板Ⅱ（304）固定设置在熔炼炉（1）与冷凝器（4）之间，内芯棒（301）一端依次穿过固定板Ⅱ（304）、连接法兰（302）与固定板Ⅰ（303）中心的通孔，然后与熔炼炉（1）的铜液浇口（2）连接，内芯棒（301）的另一端伸入冷凝器（4）中，与冷凝器（4）的内壁构成铜管成型的环形管腔，所述内芯棒（301）与铜液浇口（2）连接的一端的中心沿内芯棒（301）长度方向设置铜液流过的内浇道（305），内浇道（305）上设置多个垂直于内浇道（305）的内浇口（306），经熔炼炉（1）熔化的铜液由熔炼炉（1）的铜液浇口（2）流出，通过内浇道（305）由内浇口（306）流入冷凝器（4）的环形管腔中，形成铜管（7）；

所述的辊轧系统包括设置在环形固定架（602）上的轧辊（601）、设置在环形固定架（602）中心的扩径芯头（603）以及用于拉引铜管的拉引装置（606），拉引装置（606）与冷凝后形成的铜管（7）连接，环形固定架（602）设置在轧辊支架（605）上，所述扩径芯头（603）呈圆台形，其小头端朝向铜管（7）的方向，大头端与一支撑顶杆（604）连接，铜管（7）在拉引装置（606）的拉引下，铜管（7）内壁沿扩径芯头（603）的侧壁移动，所述轧辊（601）环绕扩径芯头（603）倾斜设置，其倾斜角度与扩径芯头（603）的锥度相一致，并且轧辊（601）侧壁与铜管（7）的外壁相接触，由电机驱动环形固定架（602）以其轴心为圆心转动，使得轧辊（601）在与铜管（7）之间摩擦力的作用下被动旋转，与扩径芯头（603）相互配合挤压铜管（7）管壁，使其管壁减小、管径增大。

2.根据权利要求1所述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，其特征在于：在冷凝器（4）与辊轧系统之间设有加热系统，加热系统中的加热丝（5）环绕在铜管（7）的管壁外侧，对轧制前的铜管（7）进行加热。

3.根据权利要求2所述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，其特征在于：所述的铜液浇口（2）上设有插槽以及插在插槽内的插板（201）。

4.根据权利要求3所述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，其特征在于：所述的固定板Ⅰ（303）、固定板Ⅱ（304）以及连接法兰（302）的两侧分别围绕所述的通孔设置环槽以及安装在环槽内的弹性密封环，并且弹性密封环的上表面露出环槽。

5.根据权利要求1所述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，其特征在于：所述扩径芯头（603）的锥度为6°~15°，长度不大于40mm，其大头端的边沿朝铜管移动方向水平延伸形成长度为5~10mm的圆柱状结构。

6.根据权利要求1所述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备，其特征在于：所述的环形固定架（602）、扩径芯头（603）以及铜管（7）的轴线重合。

7.利用权利要求4所述的一种大口径锻态铜管水平连铸连挤压设备进行大口径锻态铜管生产的生产工艺，其特征在于：其工艺步骤如下：

步骤一：将冷却水通入冷凝器（4）中，并将金属铜在熔炼炉（1）中熔炼成铜液，然后拉起铜液浇口（2）的插板（201），使得铜液通过铜液浇口（2）与内芯棒组件（3）中的内浇道（305），由内浇口（306）流入冷凝器（4）中的环形管腔中，在冷却水的作用下，铜液在冷凝器的环形管腔中冷却形成铜管；

步骤二：利用拉引装置（606）将步骤一中所形成的铜管从冷凝器中拉出，被拉出的铜管温度为300~400℃，所述拉引装置（606）的拉引速度V₂与熔炼炉（1）中铜液浇口（2）处铜液流速V₁之间的关系如下：

，其中R为铜管扩径后的外半径，r₁为铜液浇口（2）的半径，r₂为所述扩径芯头（603）大头端的半径，k%为铸铜收缩率；

步骤三：启动加热系统（5），被拉出冷凝器（4）的铜管在拉引装置（606）的拉引下进入加热系统（5）被加热到400~600℃；

步骤四：启动辊轧系统的驱动电机，带动环形固定架（602）以30~200r/min的速度转动，在拉引装置（606）的拉引下，铜管由加热系统（5）进入辊轧系统，并且铜管内径沿扩径芯头（603）的侧壁移动，使得铜管管壁进入轧辊（601）与扩径芯头（603）之间，在轧辊（601）与扩径芯头（603）的共同挤压作用下，铜管管壁减小、管径增大，形成所需管径的成品铜管。