CN107138529B - 一种双金属复合板带材固液振动铸轧设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双金属复合板带材固液振动铸轧设备及方法，其设备主要包括自张紧开卷机构、卷取机构、机架、振动系统及压下侧铸轧辊和振动侧铸轧辊，其方法主要由自张紧开卷机将固态金属A带坯送入，使其紧贴在压下侧铸轧辊面上，将金属B液浇入到振动侧铸轧辊与固态金属A带坯之间的辊缝中，使金属B液涂覆在固态金属A带坯的表面，同时由振动系统带动振动侧铸轧辊振动，在振动条件下完成双金属复合板的固‑液铸轧复合成形。本发明利用振动系统带动铸轧辊振动，在振动条件下完成双金属复合板的固‑液铸轧复合成形，振动有利于细化金属熔体凝固组织，并能够在复合界面上施加双向剪切力，促进界面物理冶金结合，提高双金属复合板的界面结合强度。

Description

一种双金属复合板带材固液振动铸轧设备及方法
技术领域
本发明涉及金属的轧制，具体涉及一种双金属复合板带材固液振动铸轧设备及方法。
背景技术
随着现代科技的发展，金属材料的使用要求不再局限于单一的机械性能，而是要求金属材料在多场甚至是极端服役条件下，兼具结构和功能的综合特性。双金属复合板是将物理、化学性能各异的两种金属通过适当工艺复合而成的一种层状复合材料，通过发挥各自的性能优势，实现单一金属板无法达到的综合性能，节约贵重金属材料。选择不同金属层的抗腐蚀、抗磨损、抗冲击、韧性、强度、热传导性、电磁性能、热膨胀等特性，可制备出具有多种优异性能的复合材料。目前被试验可以复合的金属组合达百余种，其中，钢-铝复合板、钛-钢复合板、铜-铝复合板等多种复合产品已被广泛应用于建筑、航空航天、石油化工、交通运输、机械设备、电力和电子等领域，取得了显著的经济效益。
目前，虽然层状复合材料制备工艺较多，但各有其局限性。爆炸复合法只能生产中厚板，板型差，难以校平，且生产安全性不足；固-固轧制复合工艺复合强度有限，需要进行扩散热处理；双流连铸法(液-液复合)易造成界面层的过渡生长和烧蚀，复合材料界面结合强度差，尺寸受限。上述工艺方法虽然经过多年的完善，但明显的弊端无法根本解决。因此，发展一种复合界面具有良好冶金结合、工艺过程可控、复合材料尺寸精度高、范围宽的复合技术是双金属复合材料发展的关键。
发明内容
本发明旨在提供一种双金属复合板带材固液振动铸轧设备及方法，以便强化层状复合材料的复合界面，改善材料的晶粒组织。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种双金属复合板带材固液振动铸轧设备，其包括卷取机、机架、固定在机架上的中频炉、中间包、浇注系统、侧封系统、压下机构以及两个铸轧辊，两个铸轧辊内部设有多个冷却水道，其还包括自张紧分卷机构和振动系统，所述两个铸轧辊包括压下侧铸轧辊和振动侧铸轧辊，所述压下侧铸轧辊与压下机构连接，所述振动侧铸轧辊安装于振动系统上，压下侧铸轧辊与振动侧铸轧辊在机架上呈水平放置，所述振动系统带动振动侧铸轧辊做上下往复运动，向复合板坯的复合界面施加双向剪切力；所述自张紧分卷机构位于压下机构的两个压下液压缸之间，固定在机架上，所述卷取机位于复合板带材出口处，固态金属A带坯缠绕于自张紧开卷机构的张紧辊上，抽出所述带坯端部经由两个铸轧辊辊缝引至卷取机并固定在卷取机上，由所述自张紧开卷机构提供的张紧力使固态金属A带坯紧贴于压下侧铸轧辊辊面；所述中频炉通过支架固定于机架顶部，所述中间包用于盛装液态金属B，其位于两个铸轧辊辊缝的正上方，在机架顶部与中频炉的支架呈水平放置，所述浇注系统位于两个铸轧辊辊缝上方与中间包连通，液态金属B通过浇注系统从中间包流至振动侧铸轧辊与侧封系统和固态金属A带坯围成的熔池中，在振动状态下经两个铸轧辊铸轧成形，得到双金属复合板带材，所述复合板带材通过卷取机收纳成卷。
优选地，所述振动系统为机械式振动系统、液压式振动系统或电磁式振动系统；振动系统的振幅及频率均可调节，振幅调控范围为0.1～10mm，频率为1～200Hz。
优选地，所述自张紧开卷机构通过弹簧压紧摩擦片产生的摩擦力进行固态金属A带坯的预紧。
一种根据上述设备进行双金属复合板带材固液振动铸轧的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择两种合适的金属材料—金属A和金属B，并确定复合板带材厚度和层厚比，调整两个铸轧辊间的辊缝，选取适宜厚度的固态金属A带坯；
步骤2：将适宜厚度的固态金属A带坯缠绕于自张紧开卷机构的张紧辊上，抽出所述带材端部经由两铸轧辊辊缝引至卷取机并固定在卷取机上，在张紧力的作用下保证金属带材紧贴于压下侧铸轧辊辊面，将固态金属B置于中频炉内加热至熔融状态；
步骤3：根据工艺要求，调节两个铸轧辊的速度、振动系统的频率及振幅和铸轧辊内冷却水的流量和强度，铸轧机进入空转待机状态；
步骤4：将熔融态的金属B自中频炉倾倒于中间包内，静置到开浇温度，打开浇注系统的水口，使液态金属B通过浇注系统从中间包流至两个铸轧辊与侧封系统和固态金属A带坯围成的熔池中，在振动状态下经两个铸轧辊铸轧成形，得到金属A和金属B的复合板带材；
步骤5：转动卷取机，将产出的复合板带材收纳成卷。
优选地，所述步骤4中，通过振动侧铸轧辊振动对双金属复合界面施加双向剪切力，通过调整振幅控制塑性剪切应变量值，通过调整振频控制双向剪切次数。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、通过振动侧铸轧辊的振动，可以在复合铸轧过程中对复合界面施加剪切力，促进复合界面的物理冶金结合，从而对复合界面起到良好的强化效果。
2、所形成的振动搓轧可以改变固-液复合铸轧中液态金属的凝固机理，使凝固终了点位置上移，改变凝固液穴的形状，均布合金成分，减少偏析，细化晶粒。
3、有利于提高铸轧速度，从而提高产品质量和生产效率。
4、振动可以改变振动侧铸轧辊与液态金属之间的换热效率，从而有效平衡由固态金属带坯所带来的两侧换热效率之间的差异，从而减少动态凝固终点(KISS点)的水平偏移量，改善由KISS点偏移带来的组织成分偏析和轧制力波动的问题。
附图说明
图1为双金属复合板带材固液振动铸轧设备结构示意图。
图2为图1所示设备的工作原理图。
图3为图1所示设备的自张紧开卷机构结构示意图。
图4为本发明的振动强化复合界面原理图。
图中：1-卷取机，2-机架，3-压下机构，4-自张紧分卷机，5-压下侧铸轧辊辊系，6-中频炉，7-中间包，8-浇注系统，9-侧封系统，10-振动侧铸轧辊辊系，11-振动系统，12-冷却水箱，13-冷却水循环系统，14-熔池，15-铸轧辊水道，16-产品复合板带，17-摩擦片，18-摩擦环，19-一体式轴承座，20-张紧辊，21-调节螺母，22-弹簧。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明实施例的一种双金属复合板带材固液振动铸轧设备，其包括：卷取机1、机架2、压下机构3、自张紧分卷机构4、压下侧铸轧辊5、中频炉6、中间包7、浇注系统8、侧封系统9、振动侧铸轧辊10、振动系统11、冷却水箱12和冷却水循环系统13。
参见图2，立式双辊振动铸轧机有两个并列且转动方向相反的铸轧辊，铸轧辊内设有冷却水通道15。两铸轧辊辊缝上方设有盛装熔融金属并可进行中间包冶金过程的中间包7。中间包7通过浇注系统8与由两铸轧辊和侧封系统9(见图1)所围成的熔池14相连通，便于将熔融金属引入熔池14。自张紧开卷机4位于压下机构3的两个压下液压缸之间，固定在机架2上(见图1)。固态金属A带坯缠绕于自张紧开卷机4的张紧辊上，抽出带坯端部经由两铸轧辊辊缝引至卷取机并固定在卷取机1上，在张紧力的作用下保证金属A带坯紧贴于压下侧铸轧辊的辊面。卷取机1位于复合带坯出口处。由振动系统11带动振动侧铸轧辊10做上下往复运动，向复合界面施加双向剪切力(见图4)，强制液态金属B原子的扩散与钉扎，对熔池区的熔融金属B与固态金属A带坯形成振动复合铸轧的效果，促进复合界面的物理冶金结合，以实现强化复合界面的效果。
如图3所示，自张紧开卷机构4的张紧辊20的两侧轴端分别安装在两侧的一体式轴承座19中，摩擦环18通过键连接在一侧轴端上。摩擦片17在弹簧22的作用下压紧在摩擦环18上，由摩擦力提供复合铸轧过程中固态金属A带坯的张紧力。可通过调节螺母21控制弹簧弹力从何调节张紧力的大小。
实施例1
以铜-铝复合板为例，采用本发明设备及方法加工铜-铝复合板带材，金属A选用工业紫铜、金属B选用工业纯铝，其复合板厚度为2mm，铜铝厚度比约为1:3，产品宽度为350mm。根据成品厚度规格，设定两铸轧辊之间的辊缝为2mm，考虑复合轧制对固态金属A带坯的压下，取厚度为0.6mm的铜带作为固基材料。将0.6mm厚的铜带缠绕于自张紧开卷机构4的张紧辊20上，抽出带坯端部经由两铸轧辊辊缝引至卷取机1并固定在卷取机1上，在张紧力的作用下保证金属A带坯紧贴于压下侧铸轧辊的辊面，将工业纯铝置于中频炉6内加热至熔融状态。调节铸轧辊的速度至20m/min，设定振动系统11的频率为25Hz，振幅为0.1mm，铸轧辊内冷却水压强为0.5MPa，铸轧机进入空转待机状态。将熔融态工业纯铝自中频炉6倾倒于中间包7内，静置到680℃，打开浇注系统8的水口，使液态金属B通过浇注系统8从中间包7流至铸轧辊面与侧封板和固态金属A带坯围成的熔池14中，在振动状态下经两铸轧辊铸轧成形，得到铜-铝双金属复合板带材。转动卷取机，将产出的复合板带材收纳成卷。

Claims (2)

1.一种双金属复合板带材固液振动铸轧的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择两种合适的金属材料—金属A和金属B，并确定复合板带材厚度和层厚比，调整两个铸轧辊间的辊缝，选取适宜厚度的固态金属A带坯；
步骤2：将适宜厚度的固态金属A带坯缠绕于自张紧开卷机构的张紧辊上，其自张紧开卷机构通过弹簧压紧摩擦片产生的摩擦力进行固态金属A带坯的预紧，并通过调节弹簧压力对预紧力进行调节，抽出固态金属A带坯端部经由两铸轧辊辊缝引至卷取机并固定在卷取机上，由卷取机对固态金属A带坯进行收卷，在张紧力的作用下保证金属带材紧贴于压下侧铸轧辊辊面，将固态金属B置于中频炉内加热至熔融状态；
步骤3：根据工艺要求，调节两个铸轧辊的速度、振动系统的频率及振幅和铸轧辊内冷却水的流量和强度，铸轧机进入空转待机状态；
步骤4：将熔融态的金属B自中频炉倾倒于中间包内，静置到开浇温度，打开浇注系统的水口，使液态金属B通过浇注系统从中间包流至两个铸轧辊与侧封系统和固态金属A带坯围成的熔池中，在振动状态下经两个铸轧辊铸轧成形，得到金属A和金属B的复合板带材；
步骤5：转动卷取机，将产出的复合板带材收纳成卷。
2.根据权利要求1所述的双金属复合板带材固液振动铸轧的方法，其特征在于：所述步骤4中，通过振动侧铸轧辊振动对双金属复合界面施加双向剪切力，通过调整振幅控制塑性剪切应变量值，通过调整振频控制双向剪切次数；通过振动改变振动侧铸轧辊辊面边界的换热条件，改善复合铸轧过程中凝固点位置向固相金属侧偏移的问题，增强复合铸轧工艺的稳定性；通过张紧力的施加，增加复合铸轧过程中双向剪切力的作用效果，加剧固态金属板带新鲜金属裸露程度，促进复合界面的物理冶金结合，同时改善双金属加工过程中不协同变形引发的翘曲问题，改善产品复合带坯的板形质量，并且有效防止液态金属铸轧过程中粘辊的现象发生。
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