CN105328167A - 一种生产钢铝复合管材的dc铸造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置及方法，所述装置包括导向引杆、导向滑块、热顶、石墨环、结晶器和引锭块。所述方法工艺步骤为：（1）将钢管材外表面涂覆助焊剂；（2）将涂覆助焊剂的管材插入装置；（3）将铝或铝合金液引入装置进行铸造；（4）待钢管尾部进入并通过热顶后停止铸造。采用本发明装置进行DC铸造方法生产钢/铝或铝合金复合管材，与传统方法相比，具有钢/铝或铝合金复合界面无气孔疏松和夹杂，界面结合强度高、电导率高、复合层致密，复合管精度高等优点，且生产装备简单、工艺简单、生产率高，制备的钢/铝复合管材，界面电阻为0.240~0.340mΩ，界面剪切强度为24.6~28.6Mpa。

Description

一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置及方法

技术领域

本发明涉及一种DC铸造装置及方法，具体涉及一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置及方法。

背景技术

复合材料可以充分发挥各组元的优点，形成具有高综合性能的新材料，其中层状复合材料是工业应用量最大的一种。层状复合金属材料多为板材，主要采用轧制复合方法生产，最近也出现了铸造复合技术，可生产同类但是成分不同的合金的复合锭坯，来轧制复合板材。复合管材大多采用挤压复合办法生产，利用挤压时的高温、高压使各组元形成冶金结合。但是挤压复合方法工序长，生产率和成材率较低，近年来也有人采用冷喷涂或热喷涂方法来生产复合管材，但是该方法制备的复合管材，基体/复合层界面结合强度低，生产率低，复合层的冶金质量不易保证。

发明内容

针对现有技术存在的各种问题，本发明提供一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置及方法，所述装置及方法可在钢管材的表面形成均匀的铝或铝合金层。本发明的技术方案如下：

一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，包括导向引杆、导向滑块、热顶、石墨环、结晶器和引锭块，所述导向滑块插装在导向引杆上，热顶位于结晶器的正上方，通过压杆将热顶固定在结晶器上，通过热装将石墨环镶嵌在结晶器的内壁上，引锭块设置在结晶器的正下方，并且引锭块固定在铸造机的平台上，所述导向引杆上端具有用于连接固定端的连接螺孔。

所述导向引杆的长度根据需要铸造的钢铝复合管材的长度确定，比管材长100~300mm。

所述导向滑块由钢材料制备，优选A3钢和不锈钢304，其作用是防止管材在铸造过程发生倾斜，导致凝固层不均匀。

所述热顶内部设有迷宫式流道，流道内设有4个大小相同的三角形挡块，挡块处形成8个浇口，作用是使铝或铝合金液经过浇口分流后，均匀分布到钢或不锈钢管的外表面，热顶由中耐7号高密度耐火材料制作。

所述石墨环与结晶器内壁紧密接触，作用是将与其直接接触的熔体热量传至结晶器内的冷却水中，实现铸锭的一次冷却，并在铸锭表面形成凝固壳，并且石墨环还具有润滑作用。

所述结晶器内部为中空结构，内壁由铝合金制作，壳体由钢板制作，壳体内通入冷却水，结晶器底部设有喷水孔，壳体内的冷却水可带走由石墨环和结晶器内壁传来的熔体热量，对熔体实现一次冷却，而喷水孔直接将水喷到铸锭表面的凝固壳上，实现铸锭的二次激冷。

所述引锭块采用与钢管相同材质或热膨胀系数相近的材料制作，以防止铝或铝合金液浇入时，引锭块膨胀过大，铸造完毕后卸料困难；或钢管膨胀过大，与引锭块的间隙过大，下拉时复合管脱离引锭块，铸造不能进行。

所述固定端为墙顶，通过螺栓、螺母与导向引杆上端连接。

采用上述装置生产钢铝复合管材的DC铸造方法，按照以下工艺步骤进行：

（1）将钢管材外表面依次经过除锈、打磨至露出新鲜金属表面，将处理的钢管材全部浸入助焊剂中，温度为80~100°C保持5~20min后取出，自然冷却至钢管外表面形成白霜状涂层；

（2）和步骤（1）的间隔时间不超过4h，将涂覆助焊剂的管材插入结晶器内并座于引锭块上，在导向引杆内插入导向滑块，滑块与管材接触并使管材保持竖直；

（3）将熔炼、净化后的温度在680~750°C的铝或铝合金液通过溜槽引入热顶中，待液面上升至热顶高度的2/3时，在结晶器中通入冷却水，开动铸造机，引锭块向下运动，铸造开始，控制铸造速度为100~300mm/min，铸造开始，保持稳定速度进行，控制液面稳定；

（4）待钢管尾部进入热顶内，停止引入铝或铝合金液，复合钢管全部通过热顶后停止铸造，得到钢铝复合钢管材。

所述步骤（1）的助焊剂为氟钛酸钾水溶液，浓度为5-15wt%，制备方法为：将纯净水加热至80~100℃，加入氟钛酸钾，搅拌至氟钛酸钾全溶即得。

所述钢铝复合管材中，钢为任意一种钢材，包括不锈钢，其厚度为1~10mm；铝为高纯、工纯铝或任意一种铝合金，复合管材表面铝或铝合金层的厚度为5~100mm。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用DC铸造方法生产钢/铝或铝合金复合管材，与传统的热喷涂方法，热浸镀方法和包覆方法生产钢/铝或铝合金复合管材方法相比，具有钢/铝或铝合金复合界面无气孔疏松和夹杂，界面结合强度高、电导率高、复合层（铝或铝合金）致密，复合管精度高等优点，且生产装备简单、工艺简单、生产率高。

2.本发明装置采用了导向杆和导向滑块装置，可以有利于铸造过程中钢管内部的残留助焊剂及水分可能产生气体的排除，更重要的是可以有效防止铸造过程中钢管由于铝或铝合金液凝固过程中产生的应力导致的横向运动，及倾斜和摇摆，因此可以显著提高复合管材的精度，即保证复合层的厚度均匀和偏心度。

3.本发明方法中利用助焊剂，促进液态铝和铝合金在钢管表面润湿，在钢管外表面润湿的液态铝和铝合金具有高扩散能力，可以扩散到钢中，使复合材的界面形成冶金结合。且控制铸造温度和铸造速度，可以人为地控制界面化合物的厚度，控制界面结合强度，因此界面结合强度高。

4.采用本发明装置及方法制备的钢/铝复合管材，界面电阻为0.240~0.340mΩ，界面剪切强度为24.6~28.6Mpa。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置中热顶的结构示意图。

图3为图2中热顶A-A面的剖视图。

图4为本发明装置中导向滑块的结构示意图。

图5为本发明装置中导向滑块的俯视图。

图6为本发明实施例1制备的304不锈钢/高纯铝复合管材其复合界面的微观组织图。

图7为本发明实施例2制备的16Mn钢/6063铝合金复合管材其复合界面的微观组织图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，本发明的实施例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。根据本发明的实质对本发明进行的简单改进都属于本发明要求保护的范围。

实施例1

一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，如图1所示，其中1、固定端，2、导向引杆，3、导向滑块，4、钢管，5、热顶，6、铝或铝合金熔体，7、石墨环，8、结晶器，9、钢铝复合管，10、引锭块，11喷水孔。

所属装置包括导向引杆2、导向滑块3、热顶5、石墨环7、结晶器8和引锭块10，所述导向滑块3插装在导向引杆2上，热顶5位于结晶器8的正上方，通过压杆将热顶5固定在结晶器8上；通过热装将石墨环7镶嵌在结晶器8的内壁上，引锭块10设置在结晶器8的正下方，并且引锭块固定在铸造机的平台上，所述导向引杆2上端具有用于连接固定端1的连接螺孔。

所述导向引杆的长度为4.3m。

所述导向滑块由304不锈钢制备，其作用是防止管材在铸造过程发生倾斜，导致凝固层不均匀，其结构如图4和图5所示。

所述热顶结构如图2和图3所示，其中21、三角形挡块，22、流道，23、铝或铝合金液入口；内部设有迷宫式流道，流道内设有4个大小相同的三角形挡块21，挡块处形成8个浇口，作用是使铝或铝合金液经过浇口分流后，均匀分布到钢或不锈钢管的外表面；热顶由中耐7号高密度耐火材料制作。

所述石墨环7与结晶器8内壁紧密接触，作用是将与其直接接触的熔体热量传至结晶器内的冷却水中，实现铸锭的一次冷却，并在铸锭表面形成凝固壳，并且石墨环还具有润滑作用。

所述结晶器8内部为中空结构，内壁由6061铝合金制作，壳体由不锈钢板制作，壳体内通入冷却水，结晶器底部设有喷水孔11，壳体内的冷却水可带走由石墨环7和结晶器8内壁传来的熔体热量，对熔体实现一次冷却，而喷水孔直接将水喷到铸锭表面的凝固壳上，实现铸锭的二次激冷。

所述引锭块采用304不锈钢制作。

所述固定端为墙顶，通过螺栓、螺母与导向引杆上端连接。

采用上述装置生产钢铝复合管材的DC铸造方法，包括以下工艺步骤：

（1）将尺寸为3mm×Φ120mm×4m的304不锈钢外表面依次经过除锈、打磨至露出新鲜金属表面，将处理的不锈钢管材全部浸入助焊剂中，温度为95°C保持10min后取出，自然冷却至钢管外表面形成白霜状涂层；

（2）和步骤（1）的间隔时间不超过4h，将涂覆助焊剂的管材插入结晶器内并座于引锭块上，在导向引杆内插入导向滑块，滑块与管材接触并使管材保持竖直；

（3）将熔炼、净化后的温度在720°C的高纯铝液通过金属导管引入热顶中，待液面上升至热顶高度的2/3时，在结晶器中通入冷却水，开动铸造机，引锭块向下运动，铸造开始，控制铸造速度为150mm/min，铸造开始，以稳定速度进行，控制液面稳定；

（4）待钢管尾部进入热顶内，停止引入铝液，复合钢管全部通过热顶后停止铸造，得到304不锈钢/高纯铝复合管材。

所述步骤（1）的助焊剂为氟钛酸钾水溶液，浓度为5-15wt%，制备方法为：将纯净水加热至80~100℃，加入氟钛酸钾，搅拌至氟钛酸钾全溶即得。

所述304不锈钢/高纯铝复合管材表面铝层的厚度为50mm，铸锭表面的微观组织如图6所示，界面有一个薄的化合物层，铝侧出现网条状的化合物，证明铝与不锈钢已发生互扩散，铝扩散到不锈钢一侧，但是距离较短，不锈钢中的Fe与Ni扩散到铝侧，扩散的距离较长。经测定，界面电阻为0.240mΩ，界面剪切强度为24.6Mpa。

实施例2

一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，装置结构同实施例1，区别点在于：导向引杆的长度为4.1m，导向滑块由A3钢制备。

采用上述装置生产钢铝复合管材的DC铸造方法，包括以下工艺步骤：

（1）将尺寸为1.5mm×Φ80mm×4m的16Mn低合金结构钢外表面依次经过除锈、打磨至露出新鲜金属表面，将处理的钢材全部浸入助焊剂中，温度为90°C保持5min后取出，自然冷却至钢管外表面形成白霜状涂层；

（2）和步骤（1）的间隔时间不超过4h，将涂覆助焊剂的管材插入结晶器内并座于引锭块上，在导向引杆内插入导向滑块，滑块与管材接触并使管材保持竖直；

（3）将熔炼、净化后的温度在750°C的6063铝合金液通过金属导管引入热顶中，待液面上升至热顶高度的2/3时，在结晶器中通入冷却水，开动铸造机，引锭块向下运动，铸造开始，控制铸造速度为150mm/min，铸造开始，以稳定速度进行，控制液面稳定；

（4）待钢管尾部进入热顶内，停止引入铝合金液，复合钢管全部通过热顶后停止铸造，得到16Mn低合金结构钢/6063铝合金复合管材。

所述步骤（1）的助焊剂为氟钛酸钾水溶液，浓度为5-15wt%，制备方法为：将纯净水加热至80~100℃，加入氟钛酸钾，搅拌至氟钛酸钾全溶即得。

所述16Mn低合金结构钢/6063铝合金复合管材表面铝层的厚度为10mm，铸锭表面的微观组织如图7所示，界面有一个薄的化合物层，铝侧出现网条状的化合物，证明铝与钢已发生互扩散，铝扩散到钢一侧，但是距离较短，钢中的Fe与Mn扩散到铝侧，扩散的距离较长。经测定，界面电阻为0.340mΩ，界面剪切强度为28.6Mpa。

Claims (10)

1.一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于包括导向引杆、导向滑块、热顶、石墨环、结晶器和引锭块，所述导向滑块插装在导向引杆上，热顶位于结晶器的正上方，通过压杆将热顶固定在结晶器上，通过热装将石墨环镶嵌在结晶器的内壁上，引锭块设置在结晶器的正下方，并且引锭块固定在铸造机的平台上，所述导向引杆上端具有用于连接固定端的连接螺孔。

2.根据权利要求1所述的一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于所述导向引杆的长度根据需要铸造的钢铝复合管材的长度确定，比管材长100~300mm。

3.根据权利要求1所述的一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于所述导向滑块由钢材料制备，优选A3钢和不锈钢304。

4.根据权利要求1所述的一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于所述热顶内部设有迷宫式流道，流道内设有4个大小相同的三角形挡块，挡块处形成8个浇口，热顶由中耐7号高密度耐火材料制作。

5.根据权利要求1所述的一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于所述石墨环与结晶器内壁紧密接触。

6.根据权利要求1所述的一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于所述结晶器内部为中空结构，内壁由铝合金制作，壳体由钢板制作，壳体内通入冷却水，结晶器底部设有喷水孔。

7.根据权利要求1所述的一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于所述引锭块采用与钢管相同材质或热膨胀系数相近的材料制作。

8.根据权利要求1所述的一种生产钢铝复合管材的DC铸造装置，其特征在于所述固定端为墙顶，通过螺栓、螺母与导向引杆上端连接。

9.采用权利要求1所述装置生产钢铝复合管材的DC铸造方法，其特征在于按照以下工艺步骤进行：

（1）将钢管材外表面依次经过除锈、打磨至露出新鲜金属表面，将处理的钢管材全部浸入助焊剂中，温度为80~100°C保持5~20min后取出，自然冷却至钢管外表面形成白霜状涂层；

（2）和步骤（1）的间隔时间不超过4h，将涂覆助焊剂的管材插入结晶器内并座于引锭块上，在导向引杆内插入导向滑块，滑块与管材接触并使管材保持竖直；

（3）将熔炼、净化后的温度在680~750°C的铝或铝合金液通过溜槽引入热顶中，待液面上升至热顶高度的2/3时，在结晶器中通入冷却水，开动铸造机，引锭块向下运动，铸造开始，控制铸造速度为100~300mm/min，铸造开始，保持稳定速度进行，控制液面稳定；

（4）待钢管尾部进入热顶内，停止引入铝或铝合金液，复合钢管全部通过热顶后停止铸造，得到钢铝复合钢管材。

10.根据权利要求9所述的生产钢铝复合管材的DC铸造方法，其特征在于所述步骤（1）的助焊剂为氟钛酸钾水溶液，浓度为5-15wt%。