CN108788031A - 连续水冷结晶器与凝固成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金制备的结晶器领域，公开一种连续水冷结晶器与凝固成型方法，连续水冷结晶器包括水冷铜结晶器、水冷旋转铜杆、导引杆以及电机，其中：水冷铜结晶器，成圆筒状结构，其限定了一用于成型管材或者棒材的圆柱形腔体；水冷旋转铜杆，可移除地安装到水冷铜结晶器的上方，并延伸进入圆柱形腔体内；位于水冷旋转铜杆上方的驱动水冷旋转铜杆旋转的电机，通过齿轮与啮合并传动连接；位于水冷铜结晶器下方的导引杆，并通过摩擦力安装到腔体内部，水冷铜结晶器以及水冷旋转铜杆上均安装有独立的水冷通道。本发明可快速实现管材或者棒材的生产切换，还可针对需要生产不同管径的管材，不需要额外开设生产线，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备及加工领域，具体涉及一种连续水冷结晶器与凝固成型方法。
背景技术
钛及钛合金因具有低密度、高比强度、耐高温、耐腐蚀、无磁、生物兼容等优异性能，在航空、航天、舰船等领域得到大量的应用，然而钛的高成本限制了钛及钛合金的应用范围，尤其在民用领域。目前工业钛合金中除了原材料的成本居高不下，钛及钛合金的真空熔炼及其加工占据总成本的60％也影响了钛合金的使用范围。为了降低钛合金成本，钛及钛合金相关研究人员从海绵钛的低成本制造技术、低成本钛合金研究等方面已开展了许多的研究工作。目前降低钛合金成本的途径有：通过改进原材料(海绵钛)的制备方式来降低原材料成本、采用廉价合金化元素、简化钛合金加工工艺、优化钛制品加工技术等各种方法。
工业制备中熔炼钛及钛合金的手段上，一般通过等离子枪、真空熔炼等方式将原料融化，原料熔化进入熔池，熔池中的钛液在结晶器中冷却凝固，直到电极全部熔化后形成钛锭。例如现有技术的中国专利201510398496.7提出一种钛及钛合金制备的连铸技术和设备，是一种钛合金的短流程生产工艺，在氩气保护或惰性气体气氛下，采用等离子枪作为热源，通过结晶器、等离子枪和下拉机构来实现钛及钛合金圆形、扁形铸锭的连续铸造，降低钛合金加工成本约15％以上。但从制备工艺和设备来看，其提出了短流程制备钛合金的设想，采用的倒梯形的结晶器不能实现制备不同的管材和棒材的需求。在实际生产实践中需要更换设备或者生产线。
发明内容
本发明目的在于提供一种适于钛和钛合金短流程生产的连续水冷结晶器，可快速实现管材或者棒材的生产切换，而且还可针对需要生产不同管径的管材，不需要额外开设生产线，提高生产效率。
为达成上述目的，本发明提出一种适于钛和钛合金短流程生产的连续水冷结晶器，包括水冷铜结晶器、水冷旋转铜杆、导引杆以及电机，其中：
水冷铜结晶器，成圆筒状结构，其限定了一用于成型管材或者棒材的圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的直径定义为D0；
水冷旋转铜杆，可移除地安装到水冷铜结晶器的上方，并延伸进入圆柱形腔体内，水冷旋转铜杆的外径定义为D1，且满足：D1小于D0；
位于水冷旋转铜杆上方的驱动水冷旋转铜杆旋转的电机，通过齿轮与啮合并传动连接；
位于水冷铜结晶器下方的导引杆，并通过摩擦力安装到腔体内部；导引杆的外径D2与圆柱形腔体的直径D0相当；
其中，所述水冷铜结晶器以及水冷旋转铜杆上均安装有独立的水冷通道。
进一步的实施例中，所述水冷铜结晶器的顶部位置被设置成为金属液体的入口，并且在顶部位置围绕水冷铜结晶器设置有环状感应加热线圈，通以外部激励电源用于感应加热以防止金属液体冷却凝固而堵塞结晶器。
进一步的实施例中，所述环状感应加热线圈连接至一中频激励电源，其工作频率范围是1.0-50kc。
进一步的实施例中，所述水冷铜结晶器的底部位置被设置成为成型的管材或者棒材的拉出口，并且在底部位置设置有超声振动器，通过超声振动振荡以优化凝固过程。
进一步的实施例中，所述水冷旋转铜杆采用制备管材/棒材的对应母材材料制作，以保证连续生产时首根产品的质量和拉出。
进一步的实施例中，所述水冷铜结晶器上设置有进水口以及出水口，并在水冷铜结晶器的圆筒状本体内形成水冷通道。
进一步的实施例中，所述水冷通道从所述水冷铜结晶器的底部朝向顶部成螺旋状分布，入口和出口位于水冷铜结晶器的底部位置，入口于所述进水口连通，最顶层螺旋的出口朝向底部方向延伸并位于螺旋的中心位置，出口的末端于所述出水口连通。如此，一方面确保冷却的正常进行，另一方面通过螺旋结构的水冷以及下拉直线的中心水冷循环，将下拉的出水位置设置在螺旋的中央位置，加强的水冷效果，同时避免设置在周边时带来的局部冷却不均匀的问题，提高产品成型的质量，减少不同的冷却效果带来的产品的内部结构和应力差异。
进一步的实施例中，所述水冷旋转铜杆设置有进水口和出水口，进水口和出水口均设置在水冷旋转铜杆的上部位置。如此，将水冷旋转铜杆以及水冷铜结晶器的进出水口设置在对应的不同位置，确保在生产管材和棒材时，都不会发生相互的影响。
进一步的实施例中，水冷旋转铜杆可选择不同的尺寸。如此，在需要生产不同尺寸的管材时，只需要更换不同外径尺寸的水冷旋转铜杆即可。
根据本公开，还提出一种基于上述结晶器的凝固成型方法。
由以上本发明的各个实施例可见，与现有技术相比，本发明的显著优点在于：本发明提出一种可实现快速切换即可实现管材和棒材制备的连续水冷结晶器，在生产管材时，保持旋转铜杆在水冷铜结晶器内腔内旋转即可，而在生产棒材时，移除旋转铜杆即可。在进行产品成型时，在管材制备模式下，将水冷旋转铜杆放进水冷铜结晶器内，在结晶过程中通过电机保持旋转即可，流入到水冷铜结晶器中的金属液体围绕水冷旋转铜杆而成型管材，管材的直径可随着水冷旋转铜杆的不同而不同。而在棒材制备模式下，移除水冷旋转铜杆即可，金属液体直接溢出流进水冷铜结晶器的圆筒状腔体内成型，如此实现了棒材和管材两者制备制造功能的一体化，不需要更换整个制备装置和重新上一条制备线，成本底，切换方便，制备效率得到提升。
同时，在连续水冷结晶器的构造中，采用更加具体的优化设计提高产品成型质量，例如为了保证整个设备的散热性能良好，水冷旋转铜杆和水冷铜结晶器均为紫铜材料制作，并且，导引杆采用制备管材对应母材材料制作。圆筒状水冷铜结晶器的顶部设置有围绕水冷铜结晶器的环状感应加热线圈，通以外部激励电源用于感应加热以防止金属液体冷却凝固而堵塞。同时，在水冷铜结晶器的底部设置有超声波振动器，以优化管材凝固质量。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的示例性连续水冷铜结晶器的结构示意图。
图2是本发明的示例性连续水冷铜结晶器的结构示意图，为连续生产管材状态下的示例。
图3是本发明的示例性连续水冷铜结晶器的结构示意图，为连续生产棒材状态下的示例。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-图3所示，本公开提出适于钛和钛合金短流程生产的连续水冷结晶器，包括电机1、水冷旋转铜杆2、水冷铜结晶器4和导引杆11。水冷旋转铜杆2设置在水冷铜结晶器4的上方，导引杆11设置在水冷铜结晶器4的下方。
如图1、2、3，水冷铜结晶器4，整体呈圆筒状结构，其限定了一用于成型管材或者棒材的圆柱形腔体。该腔体用于接住并容纳流入的金属液体(母料熔炼后形成)，通过水冷铜结晶器进行冷却凝固成型，制备出管材或者棒材。
圆柱形腔体的直径定义为D0。
水冷旋转铜杆2，可移除地安装到水冷铜结晶器4的上方，并延伸进入圆柱形腔体内，水冷旋转铜杆的外径定义为D1，且满足：D1小于D0。
在更多的实施例中，水冷旋转铜杆2的外径尺寸可以有不同的选择，以适应不同的管径的管材的生产制备需求。
电机1，设置在水冷旋转铜杆上方，用于驱动水冷旋转铜杆2旋转，其输出轴通过齿轮与啮合并传动连接到水冷旋转铜杆2。
在一些实施例中，电机1的输出轴连接到减速机，通过减速机将电机输出减速后输出到水冷旋转铜杆2，驱动水冷旋转铜杆2以一定的速度旋转。
在制备管材的过程中，采用合适的转速范围可改善和提高管材的成型质量，例如优选1000-2000转/分。应当理解，在本发明的教导下，本领域的技术人员可以采用其他范围或者类似的转速来实现管材的制备工艺，本发明的各个实施例的实现过程中，对转速并非严格限定或者当然选择。
在一些实施例中，例如移除水冷旋转铜杆2时，可以将水冷旋转铜杆2与电机1作为整体一起拆除。
位于水冷铜结晶器4下方的导引杆11，导引杆11的外径D2与圆柱形腔体的直径D0相当，并通过摩擦力安装到腔体内部。
尤其是，在一些实施例中，导引杆11采用制备管材/棒材的对应母材材料制作。如此，在生产管材或者棒材时，在首根产品成型时，通过辊轮7(由单独的电机驱动)将成型的产品8(管材或者棒材)向下拉出，而且产品8的成分与导引杆11相同，以保证连续生产时首根产品的质量和拉出,利于分离且保持接头部位的产品质量。
本发明的各个实施例中，水冷铜结晶器4以及水冷旋转铜杆2上均安装有独立的水冷通道，利于对不管是管材或者棒材时，实现有效的冷却凝固成型。
在示例性的图1-图3中，水冷铜结晶器4上设置有进水口10-1以及出水口10-2，尤其是设置在临近底部的位置，并在水冷铜结晶器的圆筒状本体内形成水冷通道，对管材和棒材的成型提供冷却。
尤其是在一些优选的实施例中，水冷铜结晶器4上的水冷通道从水冷铜结晶器的底部朝向顶部成螺旋状分布，入口和出口位于水冷铜结晶器的底部位置，入口于所述进水口连通，最顶层螺旋的出口朝向底部方向延伸并位于螺旋的中心位置，出口的末端于所述出水口连通。如此，一方面确保冷却的正常进行，另一方面通过螺旋结构的水冷以及下拉直线的中心水冷循环，将下拉的出水位置设置在螺旋的中央位置，加强的水冷效果，同时避免设置在周边时带来的局部冷却不均匀的问题，提高产品成型的质量，减少不同的冷却效果带来的产品的内部结构和应力差异。
在示例性的图1-图2中，水冷旋转铜杆设置有进水口9-1和出水口9-2，进水口9-1和出水口9-2均设置在水冷旋转铜杆的上部位置。如此，将水冷旋转铜杆2以及水冷铜结晶器4的进出水口设置在对应的不同位置，确保在生产管材和棒材时，都不会发生相互的影响。
为了改善成品成型的过程和质量，水冷铜结晶器4的顶部位置被设置成为金属液体的入口，并且在顶部位置围绕水冷铜结晶器设置有环状感应加热线圈3，通以外部激励电源用于感应加热以防止金属液体冷却凝固而堵塞水冷铜结晶器4的腔体。
在优选的实施例中，环状感应加热线圈3连接至一中频激励电源，其工作频率范围是1.0-50kc(千赫兹kilocycle)，尤其是针对钛和钛合金母料，其工作频率范围在2-25kc。
在可选的例子中,图1-图3中,水冷铜结晶器4的底部位置被设置成为成型的管材或者棒材的拉出口，并且在底部位置设置有超声振动器5，通过超声振动振荡以优化凝固过程。
在生产产品时,水冷旋转铜杆可选择不同的尺寸。如此，在需要生产不同尺寸的管材时，只需要更换不同外径尺寸的水冷旋转铜杆即可。
由此,上述各个实施例的连续水冷铜结晶器,可实现快速切换即可实现管材和棒材制备，在生产管材时，保持旋转铜杆在水冷铜结晶器内腔内旋转即可，而在生产棒材时，移除旋转铜杆即可。在进行产品成型时，在管材制备模式下，将水冷旋转铜杆放进水冷铜结晶器内，在结晶过程中通过电机保持旋转即可，流入到水冷铜结晶器中的金属液体围绕水冷旋转铜杆而成型管材，管材的直径可随着水冷旋转铜杆的不同而不同。而在棒材制备模式下，移除水冷旋转铜杆即可，金属液体直接溢出流进水冷铜结晶器的圆筒状腔体内成型，如此实现了棒材和管材两者制备制造功能的一体化，不需要更换整个制备装置和重新上一条制备线，成本底，切换方便，制备效率得到提升。
同时，在连续水冷结晶器的构造中，采用更加具体的优化设计提高产品成型质量，例如为了保证整个设备的散热性能良好，水冷旋转铜杆和水冷铜结晶器均为紫铜材料制作，并且，导引杆采用制备管材对应母材材料制作。圆筒状水冷铜结晶器的顶部设置有围绕水冷铜结晶器的环状感应加热线圈，通以外部激励电源用于感应加热以防止金属液体冷却凝固而堵塞。同时，在水冷铜结晶器的底部设置有超声波振动器，以优化管材凝固质量。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (12)
1.一种连续水冷结晶器，其特征在于，包括水冷铜结晶器、水冷旋转铜杆、导引杆以及电机，其中：
水冷铜结晶器，成圆筒状结构，其限定了一用于成型管材或者棒材的圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的直径定义为D0；
水冷旋转铜杆，可移除地安装到水冷铜结晶器的上方，并延伸进入圆柱形腔体内，水冷旋转铜杆的外径定义为D1，且满足：D1小于D0；
位于水冷旋转铜杆上方的驱动水冷旋转铜杆旋转的电机，通过齿轮与啮合并传动连接；
位于水冷铜结晶器下方的导引杆，并通过摩擦力安装到腔体内部；导引杆的外径D2与圆柱形腔体的直径D0相当；
其中，所述水冷铜结晶器以及水冷旋转铜杆上均安装有独立的水冷通道。
2.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述水冷铜结晶器的顶部位置被设置成为金属液体的入口，并且在顶部位置围绕水冷铜结晶器设置有环状感应加热线圈。
3.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述环状感应加热线圈连接至一中频激励电源，其工作频率范围是1.0-50kc。
4.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述水冷铜结晶器的底部位置被设置成为成型的管材或者棒材的拉出口，并且在底部位置设置有超声振动器，通过超声振动振荡以优化凝固过程。
5.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述导引杆采用制备管材/棒材的对应母材材料制作。
6.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述水冷铜结晶器上设置有进水口以及出水口，并在水冷铜结晶器的圆筒状本体内形成水冷通道。
7.根据权利要求6所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述水冷铜结晶器的水冷通道从所述水冷铜结晶器的底部朝向顶部成螺旋状分布，入口和出口位于水冷铜结晶器的底部位置，入口于所述进水口连通，最顶层螺旋的出口朝向底部方向延伸并位于螺旋的中心位置，出口的末端于所述出水口连通。
8.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述水冷旋转铜杆设置有进水口和出水口，进水口和出水口均设置在水冷旋转铜杆的上部位置。
9.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述水冷旋转铜杆可选择不同的尺寸。
10.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器，其特征在于，所述水冷旋转铜杆和水冷铜结晶器均为紫铜材料制作。
11.根据权利要求1所述的连续水冷结晶器的凝固成型方法，其特征在于，包括下述步骤：
根据管材和棒材生产需求确定水冷旋转铜杆的使用，其中在棒材制备模式下，移除水冷旋转铜杆，在管材制备模式下，保留水冷旋转铜杆；
在管材连续生产过程中，向水冷铜结晶器内流入金属液体，同时启动电机驱动所述水冷旋转铜杆旋转，使得金属液体围绕水冷旋转铜杆在水冷铜结晶器的圆柱形腔体内凝固成型管材；
在棒材连续生产过程中，向水冷铜结晶器内流入金属液体，使得金属液体直接在水冷铜结晶器的圆柱形腔体内凝固成型棒材；
其中，在生产过程中，通过水冷铜结晶器顶部位置的围绕水冷铜结晶器的环状感应加热线圈对流入的金属液体进行感应加热。
12.根据权利要求11所述的连续水冷结晶器的凝固成型方法，其特征在于，所述方法更包括下述步骤：
在生产过程中，还启动水冷铜结晶器底部位置设置的超声振动器，通过超声振动振荡以优化凝固过程。
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