CN107159861B - 一种半固态铜合金连续铸造装置与方法 - Google Patents

一种半固态铜合金连续铸造装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半固态铜合金连续铸造装置与方法。本发明的装置包括炉体，机械搅拌装置从上方插入所述炉体中，所述机械搅拌装置的搅拌头呈螺旋状；所述炉体中还设有热电偶，所述热电偶电性连接至设置于所述炉体外的PID温度控制器，所述PID温度控制器电性连接至高频感应加热器；所述炉体还通过液体管道与水箱、水泵流量计串连；牵引棒的一端从下方插入所述炉体中，另一端固定连接至抓盘，所述抓盘通过丝杆连接至减速器，所述减速器连接至步进电机控制器；所述炉体还通过气体管道连接至炉体气氛控制系统。本发明铸造装置结构简单、原材料单炉熔化、炉体温度在连铸时保持稳定，降低能耗、提高效率、缩短铜合金铸造流程。

Description

一种半固态铜合金连续铸造装置与方法
技术领域
本发明涉及铜合金加工领域，特别涉及结晶温度区间较大、流动性较差的铜合金的连续铸造应用，更具体地，涉及一种半固态铜合金连续铸造装置与方法。
背景技术
随着社会工业的不断发展，在对铜基复合材料的需求数量不断加大的同时，另一方面也对铜基复合材料性能质量提出越来越高的要求。
目前，铜基复合材料的制备工艺较多，主要包括粉末冶金、液态压力浸渗法、机械合金化法、机械搅拌铸造法等。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：粉末冶金法可以将金属粉末和增强颗粒进行任意比例混合，制得的复合材料性能优异，但该工艺程序多、周期长、且制得样品的大小和形状受到一定限制；液态压力浸渗法对增强颗粒的伤害较小，可制得致密度较高的样品，但是由于过程中需要抽真空的环境，设备复杂，制备成本较高；机械合金化法工艺条件简单，操作程序连续可调，可使晶粒细化到纳米级，但是在操作过程中容易会带入杂质元素，降低材料的性能，另外该工艺需要长时间的球磨，生产率较低；机械搅拌铸造法工艺设备简单，但加入的增强相颗粒易上浮，使得增强相分布不均，同时在搅拌过程中会将空气带入到熔体中。
针对现有技术中存在的上述问题，目前尚未有有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种半固态铜合金连续铸造装置与方法，能够进行半固态铜合金连续铸造，铸造装置结构简单、原材料单炉熔化、炉体温度在连铸时保持稳定，降低能耗、提高效率、缩短铜合金铸造流程。
基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种半固态铜合金连续铸造装置，包括炉体，机械搅拌装置从上方插入所述炉体中，所述机械搅拌装置的搅拌头呈螺旋状；所述炉体中还设有热电偶，所述热电偶电性连接至设置于所述炉体外的PID温度控制器，所述PID温度控制器电性连接至高频感应加热器；所述炉体还通过液体管道与水箱、水泵流量计串连；牵引棒的一端从下方插入所述炉体中，另一端固定连接至抓盘，所述抓盘通过丝杆连接至减速器，所述减速器连接至步进电机控制器；所述炉体还通过气体管道连接至炉体气氛控制系统。
在一些实施方式中，所述炉体与所述机械搅拌装置的相连接处使用耐高温密封圈密封。
在一些实施方式中，所述高频感应加热器为所述炉体提供铸造半固态铜合金所需的热量；所述PID温度控制器在通过预先设定的温度调节指令以提供电流大小形式控制所述高频感应加热器输出热量的同时，还根据所述热电偶采集的炉内实时温度，反馈性调整所述高频感应加热器的输出热量。
在一些实施方式中，所述炉体气氛控制系统在工作时抽出所述炉体5中的空气并向所述炉体充入使炉内加压的氩气。
在一些实施方式中，所述步进电机控制器通过预先设定的运动指令与所述减速器一同通过所述丝杆控制所述牵引棒的运动形式。
在一些实施方式中，所述炉体包括石墨坩埚，所述石墨坩埚外部覆盖耐火石棉，加热线圈缠绕所述石墨坩埚设置并固定于所述耐火石棉的材料中；所述炉体顶部设有压力计与泄压阀；所述石墨坩埚底部连接石墨结晶器，所述石墨结晶器通过耐火砖固定，正对所述石墨结晶器的出料口设有水冷铜盘。
在一些实施方式中，所述石墨坩埚为高纯度石墨的圆筒结构，承载熔化的铜合金；所述石墨坩埚与所述石墨结晶器之间致密连接并设有贯通的圆形金属液体通道，该圆形金属液体通道位于所述加热线圈的线圈的正中间。
在一些实施方式中，所述牵引棒通过所述石墨结晶器插入所述炉体中。
在一些实施方式中，所述石墨结晶器在连续铸造过程中通过所述水冷铜盘进行冷却；所述水泵流量计通过液体管道连接至所述水冷铜盘，并根据所述水冷铜盘的冷却速率示出所述水泵流量计的观察数值。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种半固态铜合金连续铸造方法，使用了上述的连续铸造装置，该方法包含以下步骤：
第一步骤：将铜锭和铝锭表面打磨干净，后放入炉体内，将炉体密封后，开启炉体气氛控制系统以形成氩气保护气氛；启动高频感应加热器将铜锭和铝锭熔化成熔融液，之后启动PID温度控制器将温度降至预定温度，并保温一定时间得到熔融液；
第二步骤：将搅拌头预热后，伸入熔融的铜铝合金液中进行搅拌，边搅拌边降温，将混合熔融液降温至预定温度范围，得到半固态浆料；
第三步骤：调整所述炉体气氛控制系统，使混合的半固态浆料上方获得一定的压力，再启动牵引装置，制得铜合金棒材。。
本发明具有以下有益技术效果：由于铜合金需要添加颗粒或纤维增强相，制成铜基复合材料，以增强铜合金的综合性能，因此需要铜合金具有一定的粘度，阻碍增强相上浮。而另一方面粘度较大的铜合金的流动性较差，不利于连续铸造的生产。通过本发明实施例提供的半固态铜合金连续铸造装置与方法，可以解决上述问题，具体地，本发明通过同时进行加压和机械搅拌，打碎原有的枝晶以获得高粘度且流动性好的半固态组织，并在半固态浆料上方加压的技术方案，能够进行半固态铜合金连续铸造，铸造装置结构简单、原材料单炉熔化、炉体温度在连铸时保持稳定，降低能耗、提高效率、缩短铜合金铸造流程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的半固态铜合金连续铸造装置的第一个实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的半固态铜合金连续铸造装置的第二个实施例的炉体结构示意图；
图3为本发明提供的半固态铜合金连续铸造方法所铸造出的铜合金式样的金相组织图。
图示中，1为机械搅拌装置，2为PID温度控制器，3为热电偶，4为高频感应加热器，5为炉体，6为水箱，7为水泵流量计，8为牵引棒，9为抓盘，10为炉体气氛控制系统，11为丝杆，12为减速器，13为步进电机控制器，14为压力计，15为泄压阀，16为耐高温密封圈，17为搅拌头，18为石墨坩埚，19为石墨结晶器，20为加热线圈，21为耐火石棉，22为耐火砖，23为水冷铜盘。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了一种能够进行半固态铜合金连续铸造的半固态铜合金连续铸造装置的第一个实施例。图1示出的是本发明提供的半固态铜合金连续铸造装置的第一个实施例的结构示意图。
所述半固态铜合金连续铸造装置，包括炉体5，机械搅拌装置1从上方插入所述炉体5中，所述机械搅拌装置1的搅拌头17呈螺旋状；所述炉体5中还设有热电偶3，所述热电偶3电性连接至设置于所述炉体5外的PID温度控制器2，所述PID温度控制器2电性连接至高频感应加热器4；所述炉体5还通过液体管道与水箱6、水泵流量计7串连；牵引棒8的一端从下方插入所述炉体5中，另一端固定连接至抓盘9，所述抓盘9通过丝杆11连接至减速器12，所述减速器12连接至步进电机控制器13；所述炉体5还通过气体管道连接至炉体气氛控制系统10。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的半固态铜合金连续铸造装置，通过同时进行加压和机械搅拌，打碎原有的枝晶以获得高粘度且流动性好的半固态组织，并在半固态浆料上方加压的技术方案，能够进行半固态铜合金连续铸造，铸造装置结构简单、原材料单炉熔化、炉体温度在连铸时保持稳定，降低能耗、提高效率、缩短铜合金铸造流程。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述炉体5与所述机械搅拌装置1的相连接处使用耐高温密封圈16密封。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述高频感应加热器4为所述炉体5提供铸造半固态铜合金所需的热量；所述PID温度控制器2在通过预先设定的温度调节指令以提供电流大小形式控制所述高频感应加热器4输出热量的同时，还根据所述热电偶3采集的炉内实时温度，反馈性调整所述高频感应加热器4的输出热量。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述炉体气氛控制系统10在工作时抽出所述炉体5中的空气并向所述炉体5充入使炉内加压的氩气。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述步进电机控制器13通过预先设定的运动指令与所述减速器12一同通过所述丝杆11控制所述牵引棒8的运动形式。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述炉体5包括石墨坩埚18，所述石墨坩埚18外部覆盖耐火石棉21，加热线圈20缠绕所述石墨坩埚18设置并固定于所述耐火石棉21的材料中；所述炉体5顶部设有压力计14与泄压阀15；所述石墨坩埚18底部连接石墨结晶器19，所述石墨结晶器19通过耐火砖22固定，正对所述石墨结晶器19的出料口设有水冷铜盘23。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述石墨坩埚18为高纯度石墨的圆筒结构，承载熔化的铜合金；所述石墨坩埚18与所述石墨结晶器19之间致密连接并设有贯通的圆形金属液体通道，该圆形金属液体通道位于所述加热线圈20的线圈的正中间。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述牵引棒8通过所述石墨结晶器19插入所述炉体5中。
在一些可选实施方式中，上述任意一个实施例中的所述石墨结晶器19在连续铸造过程中通过所述水冷铜盘23进行冷却；所述水泵流量计7通过液体管道连接至所述水冷铜盘23，并根据所述水冷铜盘23的冷却速率示出所述水泵流量计7的观察数值。
本发明实施例还提出了一种能够进行半固态铜合金连续铸造的半固态铜合金连续铸造装置的第二个实施例。
所述半固态铜合金连续铸造装置，包括炉体5，机械搅拌装置1从上方插入所述炉体5中，所述机械搅拌装置1的搅拌头17呈螺旋状；所述炉体5中还设有热电偶3，所述热电偶3电性连接至设置于所述炉体5外的PID温度控制器2，所述PID温度控制器2电性连接至高频感应加热器4；所述炉体5还通过液体管道与水箱6、水泵流量计7串连；牵引棒8的一端从下方插入所述炉体5中，另一端固定连接至抓盘9，所述抓盘9通过丝杆11连接至减速器12，所述减速器12连接至步进电机控制器13；所述炉体5还通过气体管道连接至炉体气氛控制系统10。所述炉体5是单炉，熔炼和铸造保温在同一个炉体中进行的技术手段可以缩短铜合金的生产流程。所述机械搅拌装置1的目的是将处在固液两相区的铜合金枝晶打碎，从而获得一种含有近似球状或椭球状组织的半固态浆料，这种半固态浆料的粘度比液态金属高，流动性比较好，可以方便金属液体中加入增强颗粒和后续的连续铸造。
其中，可选地，所述炉体5与所述机械搅拌装置1的相连接处使用耐高温密封圈16密封。在所述炉体气氛控制系统10对所述炉体5抽取空气或冲入氩气时，所述耐高温密封圈16起到抗压隔离作用，防止气体从所述机械搅拌装置1处泄漏。
其中，可选地，所述高频感应加热器4为所述炉体5提供铸造半固态铜合金所需的热量；所述PID温度控制器2在通过预先设定的温度调节指令以提供电流大小形式控制所述高频感应加热器4输出热量的同时，还根据所述热电偶3采集的炉内实时温度，反馈性调整所述高频感应加热器4的输出热量。所述PID温度控制器2以此种手段控制炉内恒温。
其中，可选地，所述炉体气氛控制系统10在工作时抽出所述炉体5中的空气并向所述炉体5充入使炉内加压的氩气。反复的抽负压、充氩气可以保证所述炉体5内铜合金在氩气保护气氛中熔炼，防止铜合金在高温环境下氧化；加气压可以使氩气在铜合金熔体的上方形成一定的压力，有利于铸出连续且合格的铜合金材料。
其中，可选地，所述步进电机控制器13通过预先设定的运动指令与所述减速器12一同通过所述丝杆11控制所述牵引棒8的运动形式。所述步进电机控制器13也可以根据本领域技术人员的实际需要控制所述牵引棒8间歇和往复运行。
图2示出的是炉体5的结构示意图。如图2所示，所述炉体5包括石墨坩埚18，所述石墨坩埚18外部覆盖耐火石棉21，加热线圈20缠绕所述石墨坩埚18设置并固定于所述耐火石棉21的材料中；所述炉体5顶部设有压力计14与泄压阀15；所述石墨坩埚18底部连接石墨结晶器19，所述石墨结晶器19通过耐火砖22固定，正对所述石墨结晶器19的出料口设有水冷铜盘23。
其中，可选地，所述石墨坩埚18为高纯度石墨的圆筒结构，承载熔化的铜合金；所述石墨坩埚18与所述石墨结晶器19之间致密连接并设有贯通的圆形金属液体通道，该圆形金属液体通道位于所述加热线圈20的线圈的正中间。
其中，可选地，所述牵引棒8通过所述石墨结晶器19插入所述炉体5中。所述牵引棒8控制所述炉体5均匀输出铜合金棒材。
其中，可选地，所述石墨结晶器19在连续铸造过程中通过所述水冷铜盘23进行冷却；所述水泵流量计7通过液体管道连接至所述水冷铜盘23，并根据所述水冷铜盘23的冷却速率示出所述水泵流量计7的观察数值。所述水泵流量计7用于确定所述水冷铜盘23的冷却速率。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的半固态铜合金连续铸造装置，通过同时进行加压和机械搅拌，打碎原有的枝晶以获得高粘度且流动性好的半固态组织，并在半固态浆料上方加压的技术方案，能够进行半固态铜合金连续铸造，铸造装置结构简单、原材料单炉熔化、炉体温度在连铸时保持稳定，降低能耗、提高效率、缩短铜合金铸造流程。
基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种能够进行半固态铜合金连续铸造的半固态铜合金连续铸造方法。所述半固态铜合金连续铸造方法使用了上述的半固态铜合金连续铸造装置。
所述半固态铜合金连续铸造方法，包括以下步骤：
准备工作：将热电偶3端部做成L型，通过所述石墨坩埚18侧壁的孔洞伸入到炉体内部，后将热电偶2与PID温度控制器2相连；所述石墨结晶器19从设备上方放置在水冷铜盘23上，周围并用耐火砖22包围；将带有热电偶3的石墨坩埚18放置在石墨结晶器19的正上方，并且用耐火石棉21将石墨坩埚18和高频感应加热器4上的加热线圈20分隔开；机械搅拌装置1放置在炉体的正上方，其搅拌头17为螺旋上升状，且与水平方向呈30°夹角；牵引棒8一端做成螺纹状，然后将其端部通过石墨结晶器19内孔伸入到石墨坩埚18的底部，另一端固定在丝杆11上的抓盘9；将步进电机控制器13和减速器12相连后，接入丝杆11的底部，确保其能够带动丝杆运行。
第一步骤：将铜锭和铝锭表面打磨干净，后放入炉体5内，将炉体5和炉盖通过耐高温密封圈16密封好，开启炉体气氛控制系统10，反复抽负压、充氩气，确保炉体内空气已除尽，形成氩气保护气氛，启动高频感应加热器4将铜锭和铝锭熔化成熔融液，启动PID温度控制器2将温度降至1100℃，并保温一定时间得到熔融液；
第二步骤：将搅拌头17预热后，伸入熔融的铜铝合金液中进行搅拌，边搅拌边降温，将混合熔融液降温至1040-1050℃。搅拌器的搅拌速度为200-400r/min，搅拌时间为15-30min，得到半固态浆料.
第三步骤：调整炉体气氛控制系统10，使得压力计14上示数为1-2Mpa，使混合的半固态浆料上方获得一定的压力，再启动牵引装置，以20-80mm/min牵引速度运行，制得铜合金棒材。
本发明实施例中的铜合金材料是指铜铝二元合金，包括质量百分比为7-11％的铝与质量百分比为89-93％的铜，所述的铝的纯度大于99.9％，铜的纯度大于99.9％。最后铸出的铜合金式样的金相组织图如图3所示。
本发明实施例提供的半固态铜合金连续铸造方法，通过同时进行加压和机械搅拌，打碎原有的枝晶以获得高粘度且流动性好的半固态组织，并在半固态浆料上方加压的技术方案，能够进行半固态铜合金连续铸造，铸造装置结构简单、原材料单炉熔化、炉体温度在连铸时保持稳定，降低能耗、提高效率、缩短铜合金铸造流程。
需要特别指出的是，上述半固态铜合金连续铸造方法的实施例采用了所述半固态铜合金连续铸造方法的实施例来具体说明各步骤的工作过程，本领域技术人员能够很容易想到，将这些步骤应用到所述半固态铜合金连续铸造装置的其他实施例中。各个实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于半固态铜合金连续铸造方法也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半固态铜合金连续铸造装置，其特征在于，包括炉体(5)，机械搅拌装置(1)从上方插入所述炉体(5)中，所述机械搅拌装置(1)的搅拌头(17)呈螺旋状；所述炉体(5)中还设有热电偶(3)，所述热电偶(3)电性连接至设置于所述炉体(5)外的PID温度控制器(2)，所述PID温度控制器(2)电性连接至高频感应加热器(4)；所述炉体(5)还通过液体管道与水箱(6)、水泵流量计(7)串连；牵引棒(8)的一端从下方插入所述炉体(5)中，另一端固定连接至抓盘(9)，所述抓盘(9)通过丝杆(11)连接至减速器(12)，所述减速器(12)连接至步进电机控制器(13)；所述炉体(5)还通过气体管道连接至炉体气氛控制系统(10)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述炉体(5)与所述机械搅拌装置(1)的相连接处使用耐高温密封圈(16)密封。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高频感应加热器(4)为所述炉体(5)提供铸造半固态铜合金所需的热量；所述PID温度控制器(2)在通过预先设定的温度调节指令以提供电流大小形式控制所述高频感应加热器(4)输出热量的同时，还根据所述热电偶(3)采集的炉内实时温度，反馈性调整所述高频感应加热器(4)的输出热量。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述炉体气氛控制系统(10)在工作时抽出所述炉体(5)中的空气并向所述炉体(5)充入使炉内加压的氩气。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述步进电机控制器(13)通过预先设定的运动指令与所述减速器(12)一同通过所述丝杆(11)控制所述牵引棒(8)的运动形式。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述炉体(5)包括石墨坩埚(18)，所述石墨坩埚(18)外部覆盖耐火石棉(21)，加热线圈(20)缠绕所述石墨坩埚(18)设置并固定于所述耐火石棉(21)的材料中；所述炉体(5)顶部设有压力计(14)与泄压阀(15)；所述石墨坩埚(18)底部连接石墨结晶器(19)，所述石墨结晶器(19)通过耐火砖(22)固定，正对所述石墨结晶器(19)的出料口设有水冷铜盘(23)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述石墨坩埚(18)为高纯度石墨的圆筒结构，承载熔化的铜合金；所述石墨坩埚(18)与所述石墨结晶器(19)之间致密连接并设有贯通的圆形金属液体通道，该圆形金属液体通道位于所述加热线圈(20)的线圈的正中间。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述牵引棒(8)通过所述石墨结晶器(19)插入所述炉体(5)中。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述石墨结晶器(19)在连续铸造过程中通过所述水冷铜盘(23)进行冷却；所述水泵流量计(7)通过液体管道连接至所述水冷铜盘(23)，并根据所述水冷铜盘(23)的冷却速率示出所述水泵流量计(7)的观察数值。
10.一种半固态铜合金连续铸造方法，其特征在于，使用了如权利要求1-9任意一项所述的装置，所述方法包含以下步骤：
第一步骤：将铜锭和铝锭表面打磨干净，后放入炉体(5)内，将炉体(5)密封后，开启炉体气氛控制系统(10)以形成氩气保护气氛；启动高频感应加热器(4)将铜锭和铝锭熔化成熔融液，之后启动PID温度控制器(2)将温度降至预定温度，并保温一定时间得到熔融液；
第二步骤：将搅拌头(17)预热后，伸入熔融的铜铝合金液中进行搅拌，边搅拌边降温，将混合熔融液降温至预定温度范围，得到半固态浆料；
第三步骤：调整所述炉体气氛控制系统(10)，使混合的半固态浆料上方获得一定的压力，再启动牵引装置，制得铜合金棒材。
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