CN106583672B - 一种铜铬系合金水平连铸工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铜铬系合金水平连铸工艺，属于金属材料制备加工技术领域。该设备包括熔炼系统、金属液保温系统、水平连铸系统和辅助系统。合金在熔炼系统中熔化后，经导流管进入金属液保温系统中保温；当保温炉的温度与铸型加热段的温度达到设定值后，开启水平连铸系统进行铜铬系合金棒材或板材水平连铸成形。采用本发明设计的复合铸型可有效解决铜铬系合金水平连铸过程中合金元素与石墨铸型发生反应的问题。此外，采用本发明提出的复合铸型水平连铸工艺生产铜铬系合金棒材或板材，有利于合金熔体中的夹杂物和凝固析出气体排入液相，提高合金组织致密性，进而提高合金的后续加工性能。

Description

一种铜铬系合金水平连铸工艺

技术领域

本发明涉及金属材料制备加工技术领域，特别是指一种铜铬系合金水平连铸工艺。

背景技术

铜铬系合金具有高的强度和优良的导电、导热性能，抗软化温度高，耐磨性能好，广泛应用于电子元器件接插件、引线框架、高速铁路接触线、水冷结晶器等方面。

目前国内外铜铬系合金材料的典型制备工艺为“真空感应熔炼→热加工(热锻、热轧)→固溶淬火→冷加工→时效→冷加工”[米绪军等，一种铜铬锆系合金及其制备和加工方法，中国发明专利，CN10171876A，2010-06-02.]。但是该工艺存在以下问题：真空熔炼设备复杂，投资高；非连续铸造，生产效率低；需热加工开坯，能耗大，金属烧损大。解决上述问题，进而开发一种高性能铜铬系合金的短流程制备加工工艺具有重要的意义。

本专利申请人等前期针对铜合金管材开发了一种二段式热冷组合铸型水平连铸技术[谢建新等，一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸工艺与设备，中国发明专利，CN101966564A，2010-10-09；谢建新等，一种黄铜管材的短流程高效生产方法，中国发明专利，CN102260840A，2011-11-30.]，其原理是在传统水冷结晶器连铸基础上发明了一种采用加热段和冷却段组成的二段式热冷组合铸型进行连铸的工艺，铸型的加热段采用感应加热装置进行强制加热，冷却段采用水冷结晶器进行强制冷却，由此在管坯凝固界面附近建立起超高的轴向温度梯度。该工艺的优点是：(1)连铸管坯组织致密且具有沿轴向取向的柱状晶组织，具有优良的冷加工性能，有利于室温轧制、拉拔等后续加工；(2)管坯内外表面质量优良，无橘皮、褶皱、裂纹等缺陷，不需内外表面铣面等处理可直接用于后续冷加工；(3)可获得较大的拉铸速度，可实现较大直径薄壁管坯的水平连铸。该发明工艺为铜合金管材高效生产提供了崭新的途径。

然而，包括上述发明工艺在内的铜及铜合金连铸通常采用石墨材质的结晶器(铸型)，难以应用于含有易与石墨发生反应合金元素的铜合金的连铸。例如，由于铬元素与石墨发生反应，采用传统的石墨铸型难以实现表面质量良好的铜铬系合金棒材或板材连铸。为此，本发明开发了一种适合于易与石墨铸型发生反应的铜铬系合金棒材或板材的水平连铸复合铸型和连铸设备及工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铜铬系合金水平连铸工艺，用于含易与石墨铸型发生反应元素的铜合金棒材或板材的水平连铸，进而实现表面质量良好的铜铬系合金棒材或板材的高质量连铸。

该工艺所用设备包括熔炼系统、金属液保温系统、水平连铸系统和辅助系统，熔炼系统包括熔炼炉、热电偶一、塞棒和惰性气体吹入装置，金属液保温系统包括保温炉和热电偶二，水平连铸系统包括复合铸型、感应加热装置、热电偶三、热电偶四、循环水冷结晶器、惰性气体通气管、水平牵引机构和喷水二次冷却装置，热电偶一和塞棒插入熔炼炉的合金液中，熔炼炉上部连接惰性气体吹入装置，熔炼炉与保温炉通过导流管连接，热电偶二插入保温炉一端，保温炉另一端连接复合铸型，合金液流入复合铸型中，热电偶三和热电偶四插入复合铸型的热型段中，复合铸型的热型段上设置感应加热装置，复合铸型的冷型段设置循环水冷结晶器和惰性气体通气管，复合铸型末端设置喷水二次冷却装置，复合铸型后连接水平牵引机构，喷水二次冷却装置和水平牵引机构依次设置在复合铸型沿连铸方向分布在同一轴线上。

其中，复合铸型主体为石墨套，石墨套内部设置刚玉管或石英管内衬，石墨套上留有热电偶插孔和惰性气体通路。

复合铸型的石墨套横截面为圆形或矩形。

石墨套采用等静压或高纯石墨制成，为由热型段和冷型段组成的一体式结构。石墨套内部镶入刚玉管或石英管内衬，以防止铜合金熔体或凝固后仍处于高温状态的合金棒材或板材与石墨反应。刚玉管或石英管内衬要求表面光滑，内腔尺寸为所制备铜铬系合金棒材或板材断面尺寸，外腔尺寸大于石墨套内腔尺寸0.2％～0.5％，两者装配后形成过盈配合，其中选择合适的过盈量是复合铸型制造的关键。测温装置安装在加热段和过渡段用于监测铸型温度变化。气体保护装置主要由一个主进气孔连接惰性气体源，环形的气体分配通道使惰性气体均匀分布，沿环形通道有4～6个支气孔，将惰性气体吹到凝固时的铜铬系合金表面，起到气体保护作用。

采用该铜铬系合金水平连铸设备进行连铸的工艺，包括如下步骤：

(一)将铜铬系合金加入熔炼炉中，加热至1200～1450℃将合金熔化，加入覆盖剂和精炼剂；

(二)加热石墨套到350℃，将刚玉管或石英管内衬热装到加热的石墨套中，使两者形成过盈配合，组成复合铸型；

(三)将包括加热装置、冷却装置、复合铸型的连铸装置组装好后，连接于保温炉上，装配好水平牵引机构；

(四)启动加热装置和冷却装置，将复合铸型的热型段加热到1150～1300℃，循环水冷结晶器的冷却水流量设定为200～2000L/h；

(五)提起塞棒，将熔化的合金液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼铜铬系合金；

(六)控制保温炉的温度为1200～1400℃，静置0.1～1h；

(七)启动水平牵引机构和复合铸型出口处的喷水二次冷却装置，以拉铸速度为20～500mm/min进行连铸，获得具有强轴向取向柱状晶组织的高性能铜铬系合金棒材或板材。

其中，步骤(一)中铜铬系合金为含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.02wt％～0.20wt％Zr的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.005wt％～0.05wt％B的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.05wt％～0.5wt％Nb的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.05wt％～0.5wt％Ag的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.005wt％～0.05wt％P的铜铬系合金。

步骤(一)中熔炼炉内以及凝固时的铜铬系合金表面根据需要，可以通入惰性气体进行保护，惰性气体为氩气。

步骤(七)中喷水二次冷却装置的水流量为100～1000L/h。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)采用本发明设计的复合铸型可有效解决铜铬系合金水平连铸过程中合金元素与石墨铸型发生反应的问题。

(2)通过控制合金凝固固液界面位于复合铸型加热段和冷却段之间的过渡区域，抑制晶粒由铸型内表面形核和径向生长，可获得高轴向取向的柱状晶，提高合金的后续冷加工性能；可显著改善合金棒材或板材表面质量。

(3)采用本发明提出的复合铸型水平连铸工艺生产铜铬系合金棒材或板材，有利于合金熔体中的夹杂物和凝固析出气体排入液相，提高合金组织致密性。

附图说明

图1为本发明的铜铬系合金水平连铸设备结构示意图；

图2为本发明中复合铸型一主视图；

图3为本发明中复合铸型一左视图；

图4为本发明中复合铸型二主视图；

图5为本发明中复合铸型二左视图。

其中：1-熔炼炉；2-覆盖剂和精炼剂；3-热电偶一；4-塞棒；5-惰性气体吹入装置；6-合金液；7-热电偶二；8-保温炉；9-导流管；10-感应加热装置；11-热电偶三；12-热电偶四；13-循环水冷结晶器；14-惰性气体通气管；15-水平牵引机构；16-复合铸型；17-喷水二次冷却装置；21-刚玉管或石英管内衬；22-热电偶插孔；23-石墨套；24-惰性气体通路；I-热型段；II-冷型段。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种铜铬系合金水平连铸工艺。如图1所示，该工艺所用设备包括熔炼系统、金属液保温系统、水平连铸系统和辅助系统，熔炼系统的功能是将满足成分配比要求的合金快速熔化，并为保温系统提供合金熔体；保温系统的功能是将熔炼系统提供的合金熔体进行静置、除气，并为水平连铸系统提供要求温度的熔体；水平连铸系统的功能是将保温炉内金属液通过控制凝固铸造出所需尺寸的棒材或板材，并实现连续铸造；辅助系统为整个系统提供环境保护和监测温度变化等。熔炼系统包括熔炼炉1、热电偶一3、塞棒4和惰性气体吹入装置5，金属液保温系统包括保温炉8和热电偶二7，水平连铸系统包括复合铸型16、感应加热装置10、热电偶三11、热电偶四12、循环水冷结晶器13、惰性气体通气管14、水平牵引机构15和喷水二次冷却装置17，热电偶一3和塞棒4插入熔炼炉1的合金液6中，熔炼炉1上部连接惰性气体吹入装置5，熔炼炉1与保温炉8通过导流管9连接，热电偶二7插入保温炉8一端，保温炉8另一端连接复合铸型16，热电偶三11和热电偶四12插入复合铸型16的热型段I中，复合铸型16的热型段I上设置感应加热装置10，复合铸型16的冷型段II设置循环水冷结晶器13和惰性气体通气管14，复合铸型16末端设置喷水二次冷却装置17，复合铸型16后连接水平牵引机构15。

如图2、图3、图4和图5所示，复合铸型16主体为石墨套23，石墨套23内部设置刚玉管或石英管内衬21，石墨套23上留有热电偶插孔22和惰性气体通路24。复合铸型16的石墨套23横截面可以为圆形或矩形。刚玉管或石英管内衬21与石墨套23之间为过盈配合，铜铬系合金在刚玉管或石英管内衬21中凝固，液态金属和凝固后仍处于高温的金属不与石墨接触，可避免铜铬系合金与石墨铸型发生反应。

结合图1，一种铜铬系合金棒材或板材的短流程水平连铸基本原理如下：合金在熔炼炉1中熔化后，拔出塞棒4后经导流管9进入保温炉8中保温；当保温炉8的温度与复合铸型16热型段的温度达到设定值后，开启水平牵引机构15进行铜铬系合金棒材或板材水平连铸成形。实验时，可通过调整熔体温度、铸型加热段温度、冷却段冷却水流量和拉铸速度等，控制棒材或板材的表面质量与结晶组织。

实施例1：直径Φ30mm Cu-1.0％Cr-0.16％Zr合金棒材的连铸成形

(1)将含1.0wt％Cr，0.16wt％Zr的铜铬系合金铸锭放入熔炼炉中，在熔炼炉内以及凝固时的铜铬系合金表面通入氩气进行保护，加热至1350℃将合金熔化，加入覆盖剂和精炼剂；

(2)加热石墨套至350℃，将内径30mm，外径40+0.1mm，长度150mm的刚玉管热装到加热的石墨套(长250mm)中，使两者形成过盈配合，组成复合铸型；

(3)将由铸型加热装置、冷却装置、复合铸型等组成的连铸装置组装后，连接于保温炉上，装配好水平牵引机构；

(4)启动铸型加热装置和冷却装置，将复合铸型热型段加热到1300℃，循环水冷结晶器的冷却水流量设定为600L/h；

(5)提起塞棒，将熔化的合金液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼铜铬系合金；

(6)控制保温炉的温度设定为1300℃，静置0.6h；

(7)启动水平牵引机构和复合铸型出口处的喷水二次冷却装置，以拉铸速度为200mm/min进行连铸，获得直径30mm、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能铜铬系合金连铸棒材。

实施例2：直径Φ50mm Cu-1.2％Cr-0.01％B合金棒材的连铸成形

(1)将含1.2wt％Cr，0.01wt％B的铜铬系合金铸锭放入熔炼炉中，在熔炼炉内以及凝固时的铜铬系合金表面通入氩气进行保护，加热至1300℃将合金熔化，加入覆盖剂和精炼剂；

(2)加热石墨套至350℃，将内径50mm，外径60+0.2mm，长度150mm的刚玉管热装到加热的石墨套(长250mm)中，使两者形成过盈配合，组成复合铸型；

(3)将由铸型加热装置、冷却装置、复合铸型等组成的连铸装置组装后，连接于保温炉上，装配好水平牵引机构；

(4)启动铸型加热装置和冷却装置，将复合铸型热型段加热到1250℃，循环水冷结晶器的冷却水流量设定为800L/h；

(5)提起塞棒，将熔化的合金液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼铜铬系合金；

(6)控制保温炉的温度设定为1250℃，静置0.5h；

(7)启动水平牵引机构和复合铸型出口处的喷水二次冷却装置，以拉铸速度为100mm/min进行连铸，获得直径50mm、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能铜铬系合金连铸棒材。

实施例3：宽150mm、厚度10mm Cu-0.5％Cr-0.1％Nb合金板材的连铸成形

(1)将含0.5wt％Cr，0.1wt％Nb的铜铬系合金铸锭放入熔炼炉中，在熔炼炉内以及凝固时的铜铬系合金表面通入氩气进行保护，加热至1350℃将合金熔化，加入覆盖剂和精炼剂；

(2)加热石墨套至350℃，将内腔尺寸宽为150mm、厚10mm，外轮廓尺寸宽160+0.2mm，厚20+0.1mm，长150mm的特制石英管热装到加热的石墨套(长250mm)中，使两者形成过盈配合，组成复合铸型；

(3)将由铸型加热装置、冷却装置、复合铸型等组成的连铸装置组装后，连接于保温炉上，装配好水平牵引机构；

(4)启动铸型加热装置和冷却装置，将复合铸型热型段加热到1300℃，循环水冷结晶器的冷却水流量设定为500L/h；

(5)提起塞棒，将熔化的合金液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼铜铬系合金；

(6)控制保温炉的温度设定为1300℃，静置0.8h；

(7)启动水平牵引机构和复合铸型出口处的喷水二次冷却装置，以拉铸速度为80mm/min进行连铸，获得宽150mm、厚10mm、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能铜铬系合金连铸板材。

实施例4：宽200mm、厚度15mm Cu-0.6％Cr-0.1％Ag合金板材的连铸成形

(1)将含0.6wt％Cr，0.1wt％Ag的铜铬系合金铸锭放入熔炼炉中，在熔炼炉内以及凝固时的铜铬系合金表面通入氩气进行保护，加热至1300℃将合金熔化，加入覆盖剂和精炼剂；

(2)加热石墨套至350℃，将内腔尺寸宽为200mm、厚15mm，外轮廓尺寸宽210+0.3mm，厚25+0.1mm，长150mm的特制石英管热装到加热的石墨套(长250mm)中，使两者形成过盈配合，组成复合铸型；

(3)将由铸型加热装置、冷却装置、复合铸型等组成的连铸装置组装后，连接于保温炉上，装配好水平牵引机构；

(4)启动铸型加热装置和冷却装置，将复合铸型热型段加热到1250℃，循环水冷结晶器的冷却水流量设定为1000L/h；

(5)提起塞棒，将熔化的合金液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼铜铬系合金；

(6)控制保温炉的温度设定为1250℃，静置0.5h；

(7)启动水平牵引机构和复合铸型出口处的喷水二次冷却装置，以拉铸速度为60mm/min进行连铸，获得宽200mm、厚15mm、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能铜铬系合金连铸板材。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种铜铬系合金水平连铸工艺，其特征在于：包括如下步骤：

(一)将铜铬系合金加入熔炼炉中，加热至1200～1450℃将合金熔化，加入覆盖剂和精炼剂；

(二)加热石墨套到350℃，将刚玉管或石英管内衬热装到加热的石墨套中，使两者形成过盈配合，组成复合铸型；

(三)将包括加热装置、冷却装置、复合铸型的连铸装置组装好后，连接于保温炉上，装配好水平牵引机构；

(四)启动加热装置和冷却装置，将复合铸型的热型段加热到1150～1300℃，循环水冷结晶器的冷却水流量设定为200～2000L/h；

(五)提起塞棒，将熔化的合金液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼铜铬系合金；

(六)控制保温炉的温度为1200～1400℃，静置0.1～1h；

(七)启动水平牵引机构和复合铸型出口处的喷水二次冷却装置，以拉铸速度为20～500mm/min进行连铸，获得具有强轴向取向柱状晶组织的高性能铜铬系合金棒材或板材；

所述步骤(一)中铜铬系合金为含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.02wt％～0.20wt％Zr的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.005wt％～0.05wt％B的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.05wt％～0.5wt％Nb的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.05wt％～0.5wt％Ag的铜铬系合金或含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.005wt％～0.05wt％P的铜铬系合金。

2.根据权利要求1所述的铜铬系合金水平连铸工艺，其特征在于：所述步骤(一)中熔炼炉内以及凝固时的铜铬系合金表面通入惰性气体进行保护，惰性气体为氩气。

3.根据权利要求1所述的铜铬系合金水平连铸工艺，其特征在于：所述步骤(七)中喷水二次冷却装置的水流量为100～1000L/h。