CN109482831A - 一种固液金属复合材料连续铸造的装备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属连续复合铸造领域，具体涉及一种固液金属复合材料连续铸造的装备及方法。包括输送辊道以及依次沿输送辊道布置的表面处理装置、自动焊接装置、对中装置、加热装置、坩埚熔池、结晶器、拉坯机、切割机与冷床，还包括中间包、长水口、引锭杆存放台架、引锭杆；中间包与长水口布置在坩埚熔池上面，中间包外部配置保温装置，结晶器与坩埚熔池紧密相连。将熔覆复合与连铸方法相结合，具有设备简单、流程短、近终形、生产效率高、节能降耗、生产成本低的优点，适于制备包覆层金属致密、厚度均匀、包覆比可调、表面质量与界面冶金结合质量好的高性能金属复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及金属连续复合铸造领域，具体涉及一种固液金属复合材料连续铸造的装备及方法。
背景技术
近年来随着科技进步和国民经济的快速发展，我国基础金属材料面临总体产能严重过剩、产品结构不合理、高端应用领域尚不能完全实现自给等三大突出何题，单纯的去产能和资源优化重组只是暂时缓解，不能从本质上改变现状，并且在此过程中还会给社会带来巨大的就业压力。面对原有设备基础和技术封锁两大限制，传统行业难以转型进入特殊高端材料行列，与此同时，普通基础材料受其性能限制难以服役恶劣环境，因此，迫切需要发展高性能、轻量化、功能化的先进基础材料，推动基础材料产业的转型升级和可持续发展。
层状金属复合材料应运而生，它是将物理、化学和力学性能不同的两种或者两种以上基础金属组元，利用特殊复合工艺技术使其在界面处形成牢固冶金结合而形成的新型结构和功能材料，极大发挥了各组元金属的特性，克服了单一金属的性能缺陷，整体的强度、硬度、导电、导热、耐磨、耐腐蚀和耐高温等性能均得到很大的提高，可以显著降低应用成本。因此在石油开采、电力传送、化工、制药、冶金、机械、船舶制造、汽车制造、家用电器、日常生活用品、核能甚至是航空航天等众多领域和部门得到广泛的应用。随着技术的逐渐成熟和市场需求日益扩大，层状金属复合材料的发展已经成为传统行业的突破受到国内外众多企业和科研院所的广泛关注，目前产品类型主要有复合管、棒、线、板材及异形件等。
金属复合管、棒、线等长材作为层状金属复合材料的一大分支，可广泛应用于核电、汽车、能源、桥梁、隧道、电子电力、航空航天、海洋工程等领域，然而，其与双金属复合板相比起步较晚，并且制备难度也相对较大，虽然国内外学者提出了多种制备工艺，为推动行业的发展和进步做出了重要贡献，但大部分工艺界面层厚度不均匀、结合强度难以保证，同时存在设备投资大、效率低、能耗高、工艺技术参数控制难等问题，严重制约了技术的推广应用。
目前国内连铸直接复合成形法主要形式有两种，一是水平磁场制动复合连铸法、双流连铸梯度复合法和充芯连铸法将两种金属熔液同时注入复合结晶器内，通过金属熔液温度和冷却控制，使包覆层金属在复合结晶器中首先凝固形成包覆层，然后芯材金属液在已凝固成形的包覆层型腔内与包覆层复合凝固，该方法制备的复合材料界面清洁、无氧化且达到良好的冶金结合状态，并具有流程短、节能降耗和生产成本低等优点。ZL200610112817.3公开了《一种包复材料水平连铸直接复合成形设备与工艺》只适合用于制备包覆层熔点高于芯材金属熔点的复合材料。
二是采用固/液复合工艺，包覆层金属在熔化坩埚中进行熔化后，通过导流管进入复合装置的铸型中在芯材和水冷结晶器的冷却作用下凝固并于芯材复合成一体。采用由冷型段和热型段构成的热冷组合铸型，可精确控制包覆层金属液温度以及包覆层金属与芯材的界面反应，避免生成过厚的界面扩散层和金属间化合物层，提高包覆层金属和界面结合质量。ZL201610486425.7公开了《一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备与工艺方法》，技术受装备限制，无法实现连续生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种固液金属复合材料连续铸造的装备及方法。具有设备简单、流程短、近终形、生产效率高、节能降耗、生产成本低的优点，适于制备包覆层金属致密、厚度均匀、包覆比可调、表面质量与界面冶金结合质量好的高性能金属复合材料。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种固液金属复合材料连续铸造的装备，包括输送辊道以及依次沿输送辊道布置的表面处理装置、自动焊接装置、对中装置、加热装置、坩埚熔池、结晶器、拉坯机、切割机与冷床，还包括中间包、长水口、引锭杆存放台架、引锭杆；中间包与长水口布置在坩埚熔池上面，中间包外部配置保温装置，结晶器与坩埚熔池紧密相连；引锭杆存放台架用于存放引锭杆，浇注开始前提升装置将引锭杆从台架上取下，通过铸坯输送辊道将引锭杆反送入拉坯机，拉坯机将引锭杆返送至结晶器出口处与坯料连接后推入结晶器入口处等待浇注。
所述坩埚熔池外部为金属结构，内部由耐火材料砌筑而成，浇口下设有斜坡砖；坩埚熔池内设有温度、液位检测装置，其坯料入口端内部设高温陶瓷套管，管内通入惰性气体或还原性气体。
所述加热装置与坩埚熔池之间设有密封罩，罩内通入惰性气体或还原性气体。
所述加热装置内部设有高温陶瓷套管，套管内通入惰性气体或还原性气体。
一种固液金属复合材料连续铸造方法，将熔覆复合与连铸方法相结合，实现在固态金属表面熔覆复合液态金属，具体包括如下步骤：
步骤一：坯料由输送辊道输送至表面处理装置，在线清除坯料表面的氧化铁皮及杂质，清理后的坯料由输送辊道运送至自动焊接装置对坯料进行焊接；
步骤二：坯料经自动焊接装置焊接后，再经对中装置导向与推送入加热装置；
步骤三：加热装置对坯料进行加热，根据复合材料品种不同将坯料表面温度加热到300℃～1000℃，加热深度为10mm～20mm；
步骤四：浇注平台上安装好长水口并经烘烤预热的中间包，坐入中间包座架，长水口插入已预热至900℃～1000℃的坩埚熔池上部的浇注口中；经加热后的坯料穿过坩埚熔池，推出结晶器出口外与引锭杆对接后，回送至结晶器入口，等待浇注。；
步骤五：用于包覆的液态金属由钢水罐浇入配置有保温装置的中间包内，待包内金属液达到中间包的总高度的三分之二时，开启塞棒，液态金属由长水口浇注到坩埚熔池中；通过坩埚熔池内部设置的温度、液位检测装置，实时检测坩埚熔池内金属溶液的温度及液面高度；浇入液态金属的中间包中加入保护渣，加盖中间包盖并通入保护气体用以防止液态金属被氧化；
步骤六：待液态金属充满坩埚熔池后，启动拉坯机，将复合后铸坯从结晶器中拉出，实现异种金属的固液复合；
步骤七：铸坯从结晶器中拉出后，经切割机切割，由出坯辊道输送至冷床冷却。
所述的液态金属为金属、合金或金属复合材料；所述的固态金属为金属棒材、型材、板材或管材。
所述连铸方法为上引式、下拉式、水平式、倾斜式、弧形中的一种。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明具有设备简单、流程短、近终形、生产效率高、节能降耗、生产成本低的优点，适于制备包覆层金属致密、厚度均匀、包覆比可调、表面质量与界面冶金结合质量好的高性能金属复合材料。以现有连铸设备所生产的高质量连铸坯为原料，形成层状包覆复合铸坯工艺核心技术，在国内钢铁业率先实现产业化。
(2)用复合技术形成不锈钢包覆钢筋材料有望降低不锈钢钢筋的价格，在保留了不锈钢耐腐蚀性能的同时提高不锈钢钢筋强度。以18mm规格不锈钢钢筋，材质2101为例，复合材料以Q235B普碳钢作为钢筋基体材料，包覆层厚度1.5mm。复合铸造成本600元预估，吨钢成本可降低8080.6元，以港珠澳大桥使用量计，一座桥可降低成本近1.6亿。
附图说明
图1为本发明结构示意主视图；
图2为本发明结构示意侧视图；
图3为本发明坩埚熔池结构示意主视图；
图4为本发明坩埚熔池结构示意侧视图；
图5为本发明的工艺流程图。
图中：1-坯料 2-表面处理装置 3-自动焊接装置 4-上下对中装置 5-左右对中装置 6-加热装置 7-坩埚熔池 8-熔池水口 9-分离环 10-结晶器 11-拉坯机 12-切割机13-输送辊道 14-出坯辊道 15-冷床 16-中间包 17-长水口 18-保温装置 19-推钢机 20-引锭杆 21-铸坯 22-引锭杆存放台架 23-斜坡砖
具体实施方式
本发明公开了一种固液金属复合材料连续铸造的装备及方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
下面结合附图1-5对本发明的具体实施方式进一步说明：
如图1-4所示，一种固液金属复合材料连续铸造的装备，包括输送辊道13以及依次沿输送辊道13布置的表面处理装置2、自动焊接装置3、对中装置、加热装置6、坩埚熔池7、熔池水口8、分离环9、结晶器10、拉坯机11、切割机12与冷床15。表面处理装置2采用激光表面处理装置，对中装置包括上下对中装置4与左右对中装置5，切割机12采用火焰切割。
还包括中间包16、长水口17、引锭杆存放台架22、引锭杆20以及推钢机19。中间包16与长水口17布置在坩埚熔池7上部浇注平台上中间包台架，中间包16外部配置保温装置18，坩埚熔池7通过熔池水口8和分离环9与结晶器10紧密连结。引锭杆存放台架22用于存放引锭杆20，开浇前，引锭杆存放台架22的提升装置将引锭杆20取下并由出坯辊道14反送入拉坯机11，拉坯机11反向将引锭杆20送入结晶器10出口外与坯料1对接。
坩埚熔池7外部为金属结构，内部由耐火材料砌筑而成，浇口下设有斜坡砖23；坩埚熔池内设有温度、液位检测装置，其坯料入口端内部设高温陶瓷套管，管内通入惰性气体或还原性气体。
加热装置6与坩埚熔池7之间设有密封罩，罩内通入惰性气体或还原性气体。加热装置6内部设有高温陶瓷套管，套管内通入惰性气体或还原性气体。
表面处理装置2安装在坯料1上料输送辊道13上，将坯料1周向包围，用于在线清除坯料1表面的氧化铁皮及杂质。自动焊接装置3安装于表面处理装置2后，用于清理后坯料1的焊接，保证复合后铸坯的连续生产，减少切头尾损耗。上下对中装置4与左右对中装置5起到精准定位和引导约束坯料1准确送入加热装置6。
在对中装置4、5引导下坯料1进入加热装置6，保证复合前坯料1表面温度达到工艺要求。加热装置6内设高温陶瓷套管，套管内通入惰性气体或还原性气体防止坯料1被二次氧化。加热装置6和坩埚熔池7之间设置一个封闭的特殊材质密封罩，罩内通入惰性气体或还原性气体防止铸坯1在输送过程中被二次氧化。
坩埚熔池7浇口下设有斜坡砖23用于引导液态金属进入坩埚熔池7，避免液态金属直接对坯料造成冲刷，影响熔池内部液态金属温度场分布。坩埚熔池7内部设置热电偶及液位检测装置，实时检测坩埚熔池7内金属液的温度及液面高度。坩埚熔池7其坯料入口端内部设高温陶瓷套管，套管内通入惰性气体或还原性气体防止坯料1被二次氧化。坩埚熔池7通过熔池水口8和分离环9与结晶器10紧密连结，所述的结晶器8结构及拉坯机11的拉坯速度及频率根据复合材料品种进行设计，确保初凝铸坯经坩埚熔池7后进入水冷结晶器10后实现复合凝固。
引锭杆存放台架22用于存放引锭杆20，开浇前，引锭杆存放台架22的提升装置将引锭杆20取下并由出坯辊道14反送入拉坯机11，拉坯机11反向将引锭杆20送入结晶器10出口外与坯料1对接，等待浇注。
浇注平台上安装好长水口17并经烘烤预热的中间包16，坐入中间包座架，长水口17插入坩埚熔池7上部的浇注口中，实现将液态金属注入坩埚熔池7中。
拉坯机11采用对辊式悬臂拉坯机，布置在结晶器10后，根据复合铸坯的材质及工艺采用“拉、停、推、停”工艺及选择合适的拉坯速度及拉坯频率将复合后的铸坯拉出结晶器10。
如图1-5所示，一种固液金属复合材料连续铸造的方法，将熔覆复合与连铸方法相结合，实现在固态金属表面熔覆复合液态金属，液态金属为金属、合金或金属复合材料；固态金属为金属棒材、型材、板材或管材。所述连铸方法为上引式、下拉式、水平式、倾斜式、弧形式中的一种。具体包括如下步骤：
步骤一：坯料1由输送辊道13的上料运输辊道输送至激光表面处理装置2，激光表面处理装置2将坯料1周向包围，表面处理装置2在线清除坯料1表面的氧化铁皮及杂质，清理后的坯料1由输送辊道13运送至自动焊接装置3。
步骤二：坯料1经自动焊接装置3焊接后，再经对中装置导向与推送入加热装置6。
步骤三：感应加热装置6对坯料1进行加热，根据复合材料品种不同将坯料表面温度加热到300℃～1000℃，加热深度10～20mm。
步骤四：浇注平台上安装好长水口17并经烘烤预热的中间包16，坐入中间包座架，长水口17插入已烘烤预热至900℃～1000℃的坩埚熔池7上部的浇注口中；经加热后的坯料1穿过坩埚熔池7，推出结晶器10出口外与引锭杆20对接后，回送至结晶器10入口，等待浇注。
步骤五：用于包覆的液态金属由钢水罐浇入配置有保温装置的中间包16内，待包内金属液达到中间包16的总高度的三分之二时，开启塞棒，液态金属由长水口17浇注到坩埚熔池7；通过坩埚熔池7内部设置的温度、液位检测装置，实时检测坩埚熔池7内金属溶液的温度及液面高度；浇入液态金属的中间包16中加入保护渣，加盖中间包盖并通入保护气体用以防止液态金属被氧化。
步骤六：在坩埚熔池7内部设置热电偶及液位检测装置，实时检测坩埚熔池7内金属液的温度及液面高度。待坩埚熔池7注满后，拉坯机11根据复合铸坯的材质及工艺采用“拉、停、推、停”工艺，以0.5～1.5m/min拉坯速度，80～120次/min拉坯频率将铸坯21拉出结晶器10，实现异种金属的固液复合。
步骤七：拉坯机11拉出的铸坯21，经火焰切割机12火焰切割定尺后由输送辊道13及出坯辊道14输送至冷床15冷却。
实施例：
采用Φ100的Q235坯料1作为芯材，制备包覆层厚度为30mm的Φ160不锈钢/碳钢复合连铸坯。
经过人工打磨去除表面氧化层及杂质的坯料1经对中装置4、5后在氩气保护条件下进入感应加热装置6，将坯料1表面温度加热到900℃，加热深度10mm，由输送辊道13经预先烘烤到1000℃的坩埚熔池7及结晶器10推出，引锭杆20被反送至结晶器10出口处与坯料1连接后，引锭杆推回封堵在结晶器10入口，待中间包16内不锈钢钢水充满坩埚熔池7后，启动拉坯机11，将复合后的铸坯以拉坯速度0.5m/min，拉坯频率80～120次/min，通过长300mm的结晶器10拉出，不锈钢钢水浇注温度1550℃。感应加热装置6及结晶器10采用0.8MPa软水作为设备冷却水，流量50m3/h。
本发明具有设备简单、流程短、近终形、生产效率高、节能降耗、生产成本低的优点，适于制备包覆层金属致密、厚度均匀、包覆比可调、表面质量与界面冶金结合质量好的高性能金属复合材料。以现有连铸设备所生产的高质量连铸坯为原料，形成层状包覆复合铸坯工艺核心技术，在国内钢铁业率先实现产业化。
用复合技术形成不锈钢包覆钢筋材料有望降低不锈钢钢筋的价格，在保留了不锈钢耐腐蚀性能的同时提高不锈钢钢筋强度。以18mm规格不锈钢钢筋，材质2101为例，复合材料以Q235B普碳钢作为钢筋基体材料，包覆层厚度1.5mm。复合铸造成本600元预估，吨钢成本可降低8080.6元，以港珠澳大桥使用量计，一座桥可降低成本近1.6亿。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种固液金属复合材料连续铸造的装备，其特征在于，包括输送辊道以及依次沿输送辊道布置的表面处理装置、自动焊接装置、对中装置、加热装置、坩埚熔池、结晶器、拉坯机、切割机与冷床，还包括中间包、长水口、引锭杆存放台架、引锭杆；中间包与长水口布置在坩埚熔池上面，中间包外部配置保温装置，结晶器与坩埚熔池紧密相连；引锭杆放置在引锭杆存放台架上，引锭杆存放台架将引锭杆反送入拉坯机，拉坯机将引锭杆送入结晶器入口。
2.根据权利要求1所述的一种固液金属复合材料连续铸造的装备，其特征在于，所述坩埚熔池外部为金属结构，内部由耐火材料砌筑而成，浇口下设有斜坡砖；坩埚熔池内设有温度、液位检测装置，其坯料入口端内部设高温陶瓷套管，管内通入惰性气体或还原性气体。
3.根据权利要求1所述的一种固液金属复合材料连续铸造的装备，其特征在于，所述加热装置与坩埚熔池之间设有密封罩，罩内通入惰性气体或还原性气体。
4.根据权利要求1所述的一种固液金属复合材料连续铸造的装备，其特征在于，所述加热装置内部设有高温陶瓷套管，套管内通入惰性气体或还原性气体。
5.一种基于权利要求1所述装备的固液金属复合材料连续铸造方法，将熔覆复合与连铸方法相结合，实现在固态金属表面熔覆复合液态金属，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：坯料由输送辊道输送至表面处理装置，在线清除坯料表面的氧化铁皮及杂质，清理后的坯料由输送辊道输送至自动焊接装置对坯料进行焊接；
步骤二：坯料经自动焊接装置焊接后，再经对中装置导向与推送入加热装置；
步骤三：加热装置对坯料进行加热，将坯料表面温度加热到300℃～1000℃，加热深度为10mm～20mm；
步骤四：浇注平台上安装好长水口并经烘烤预热的中间包，坐入中间包座架，长水口插入已预热至900℃～1000℃的坩埚熔池上部的浇注口中；经加热后的坯料穿过坩埚熔池，推出结晶器出口外与引锭杆对接后，回送至结晶器入口，等待浇注；
步骤五：用于包覆的液态金属由钢水罐浇入配置有保温装置的中间包内，待包内金属液达到中间包的总高度的三分之二时，开启塞棒，液态金属由长水口浇注到坩埚熔池中；通过坩埚熔池内部设置的温度、液位检测装置，实时检测坩埚熔池内金属溶液的温度及液面高度；向浇入液态金属的中间包中加入保护渣，加盖中间包盖，并通入保护气体用以防止液态金属被氧化；
步骤六：待液态金属充满坩埚熔池后，启动拉坯机，将复合后铸坯从结晶器中拉出，实现异种金属的固液复合；
步骤七：铸坯从结晶器中拉出后，经切割机切割，由出坯辊道输送至冷床冷却。
6.根据权利要求5所述的一种固液金属复合材料连续铸造方法，其特征在于，所述的液态金属为金属、合金或金属复合材料；所述的固态金属为金属棒材、型材、板材或管材。
7.根据权利要求5所述的一种固液金属复合材料连续铸造方法，其特征在于，所述连铸方法为上引式、下拉式、水平式、倾斜式、弧形式中的一种。
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