CN110802128A - 一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置与方法，其在地基上阶梯状布置熔炼炉、静置炉，在静置炉右下方与保温输送管道左端配合，前箱的右端铸嘴与低温快速辊和高温慢速辊紧密接触；高温慢速辊挤压模具、接触处设有挡料块，模具设置于高温慢速辊与三辊减径机之间，而右侧输送辊与矫直机左侧衔接，右侧通过输送辊与剪切机链接，夹送辊配于分拨收集台与剪切机之间。本发明的铸挤槽W型结构设计可有效增加熔体依附面积，提升铸挤槽推挤力；差温异速辊在实现熔体厚向梯度凝固的同时，可有效提高熔体内的搅拌强度，增强剪切作用，产生动态凝固，促使枝晶破碎，晶粒细化并球状化，获得高质量的镁合金管坯。

Description

一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置与方法
技术领域
本发明涉及镁合金管材制备领域，具体涉及一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置与方法。
背景技术
作为当前可应用的最轻的金属结构材料，镁合金被广泛应用于航空航天、国防科技、汽车制造、轨道交通等领域。管材是工业生产中的基础型材，而镁合金管材在航空航天、轨道交通等领域有着广阔的应用前景。目前，镁合金管材主要通过铸造和挤压加工成形。铸态管材中常有缩孔缩松、夹杂等铸造缺陷，力学性能不够理想，难以满足高性能结构材料的需求。挤压管材生产成本高、生产流程长、效率低，受挤压单向成形工艺的束缚，织构特性显著。目前应用较为广泛的无缝管轧制方法，是将加热后的管坯送入穿孔机进行穿孔，穿孔后再送入轧管机轧成荒管，最后送到张力减径机组中进行定径轧制成成品管。其轧制方式主要有纵轧、周期轧制以及顶管轧制，在轧制镁合金管材时，都存在不同程度的弊端：纵轧中由于轴向的延展变形，使不同道次的辊组间存在速差，镁合金作为低塑性材料，对速差所引起的拉引力或压应力极为敏感，易出现开裂或外表面褶皱现象；周期轧制中成形效率较低，轧制单根镁管所需时间比较长，管材尾部的温降严重，塑性降低，管材易开裂；顶管轧制中很好的克服了速比和效率的问题，但其轧制过程中，需依靠缩口工序的压紧力拉动管材轧制，费时费力，缩口处易发生断裂，且顶管轧制时，金属沿芯棒运动反方向流动，容易引起表面拉应力，影响管材成形性能。尽管轧制方式可以解决挤压管的各向异性突出和生产规格受限的问题，但生产方式工艺流程长，对于散热快、低温塑性差的镁合金材质不适用，同时，采用此方法加工过程中坯料金属受到一向压、二向拉的应力，不利于镁合金坯料均匀变形，成形质量难保证。上述加工问题大大限制了镁合金管材在实际生产中的推广应用。连续铸挤工艺已经成熟运用于铝合金，但是活泼的化学性质限制了其在镁合金中的推广应用，且传统铸挤镁合金产品中存在凝固组织特征明显、组织粗大、偏析严重等问题，使役性能受限。因此，急需开发一种短流程、产能高、灵活性大的镁合金无缝管生产新工艺，这对于扩宽镁合金及其管材的应用领域，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种短流程镁合金无缝管生产装置与方法，可有效地解决现有压铸生产产品组织性能差、缺陷严重，挤压生产镁合金焊管承载能力差、各向异性突出、温耗高、成形率低，以及常规轧制生产工艺流程冗长、灵活性差、产能低、生产成本高等存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置与方法，其系统包括：熔炼炉、静置炉、保温输送管道、前箱、机架、低温快速辊、高温慢速辊、弧形密封腔、挡料块、挤压模具、输送辊、三辊减径机、矫直机、剪切机、夹送辊及分拨收集台；其中，在地基上阶梯状布置熔炼炉、静置炉，在静置炉右下方与保温输送管道左端配合，保温输送管道右端与安装在机架上的前箱的左端链接，前箱的右端设有导料铸嘴，铸嘴与低温快速辊和高温慢速辊形成的W型铸挤槽紧密接触，低温快速辊与高温慢速辊分别安装于机架里面；其外表面设有弧形密封腔安装于机架里面；高温慢速辊挤压模具、接触处设有挡料块，其右端与模具左端衔接，模具右端与三辊减径机左侧输送辊衔接，而右侧输送辊与矫直机左侧衔接，右侧通过输送辊与剪切机链接，夹送辊配于分拨收集台与剪切机之间。
所述低温快速辊和高温慢速辊外表面采用可拆换式轧辊曲面，所述弧形密封腔和挤压模具内侧采用可更换式接触套环。
一种镁合金无缝管材的连铸连挤直轧装置与方法，具体采用如下步骤依次进行：在熔炼炉内熔炼的镁合金溶液，经静置炉精炼和净化，期间通过机械搅拌装置进行反复搅拌制备半固态浆料，然后通过保温输送管道进入充满惰性保护气体的前箱除杂、控流，再经铸嘴导入由低温快速辊和高温慢速辊组合形成的W型铸挤槽内，在工作辊转动作用下牵引镁合金熔体流入弧形密封腔，通过控制轧辊转速及密封腔温度，控制熔体推至挤压模具的合金熔体固相率，经弧形密封腔送至挡料块，从而压入可实现梯度冷却的连续弯剪挤压模具，在推挤力的作用下制备镁合金无缝管坯，然后将带有余热的管坯直接送入轧线进行轧制定径，之后经输送辊送入矫直机进行矫直，再经输送辊送入剪切机进行定尺剪切，最后经夹送辊送入分拨收集台进行智能分拣拨料堆垛出线。
所述的低温快速辊和高温慢速辊外表面采用可拆换式轧辊曲面、弧形密封腔和挤压模具内侧采用可更换式接触套环。
所述高温慢速辊和低温快速辊上分别设有多个定位凸条，通过配合连接可使辊套与辊轴体之间的定位接合可靠，根据不同轧制要求更换不同规格的辊套，操作灵活方便。
所述低温快速辊上的轮槽为矩形形状，溶液不易黏附在上辊上，高温慢速辊上的轮槽为W型形状，溶液依附面积大，作用力强；两辊的温度、速度不同，产生的搓轧及离心力作用强烈，使在W型槽表面形成的晶核易于离开表面进入到熔体中，增加形核率，细化组织。
一种镁合金无缝管材的连铸连挤直轧方法，具体操作步骤如下：
1）铸挤前，先调整高温慢速辊与弧形密封腔之间的间隙，大致在0.5～1mm范围，启动铸挤装置，先空转，对铸挤装置进行预热、除杂；然后将上辊预热温度在350℃～400℃，转速控制在8～12r/min；下辊预热温度在400℃～450℃，转速控制在6～10r/min；
2）开始铸挤，前箱温度控制在580℃～630℃使镁合金溶液固相率在10%～30%；通过前箱流入供料铸嘴中，再由铸嘴直接进入差温异速铸轧辊，中间的W型槽内，与两辊表面接触的溶液通过轮槽转动进入预热温度在380℃～400℃弧形密封腔；连铸装置内部四周设有喷水冷却系统对W型密封腔内溶液温度进行实时调整，使腔内溶液温度稳定在530℃～570℃后，溶液通过90°包角进入挤压模具，挤压筒内温度控制在470℃～520℃左右，组合模具内采用后进式螺旋循环水，来平衡凝固潜热和金属形变热，铸挤相应规格管材，铸挤出的管材通过输送辊牵引矫直、在线冷却、剪切、分拨收集；
3）待铸挤即将完成时，需降低连铸装置转速，转速调到5～8r/min，打开连铸装置四周设置的喷水冷却系统对其进行冷却，同时，通过调节螺钉使弧形密封腔与铸挤装置分开，然后对铸挤装置停车；同时继续通水冷却5～10min，待铸挤装置温度降到一定温度以下后，停止冷却，并关闭所有电源。
所述步骤（2）中形成的差温异速铸轧辊，上辊的转速控制在16～20r/min；下辊的转速控制在8～10r/min。
本发明的有益效果是：铸挤槽W型结构设计可有效增加熔体依附面积，提升铸挤槽推挤力；差温异速辊在实现熔体厚向梯度凝固的同时，可有效提高熔体内的搅拌强度，增强剪切作用，产生动态凝固，促使枝晶破碎，晶粒细化并球状化，获得高质量的镁合金管坯；在铸造工序与挤压工序并线生产过程中实现管坯组织细化及性能改善；充分利用铸挤工序余热，节约能源，缩短流程；具有产能高、质量好、灵活性强和稳定生产的优点及积极效果。
附图说明
图1为镁合金无缝管材的连铸连挤工艺流程示意图；
图2为镁合金无缝管材的连铸连挤装置示意图；
图3为镁合金无缝管材的连铸装置局部放大示意图；
图4为分拨收集台示意图。
图中：1、熔炼炉；2、静置炉；3、保温输送管道；4、前箱；5、机架；6、低温快速辊；7、高温慢速辊；8、弧形密封腔；9、挡料块；10、挤压模具；11、三辊减径机；12、输送辊；13、矫直机；14、剪切机；15、夹送辊；16、分拨收集台。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，基于本发明中的方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它方案，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供镁合金无缝管材的连铸连挤直轧装置，在地基上阶梯状布置熔炼炉1、静置炉2，在静置炉2右下方与保温输送管道3左端配合，保温输送管道3右端与安装在机架5上的前箱4的左端链接，前箱4的右端设有导料铸嘴，铸嘴与低温快速辊6和高温慢速辊7形成的W型铸挤槽紧密接触，低温快速辊6与高温慢速辊7分别安装于机架5里面；其外表面设有弧形密封腔8安装于机架5里面；高温慢速辊7与挤压模具10接触处设有挡料块9，其右端与模具10左端衔接，模具10右端与三辊减径机11左侧输送辊12衔接，而右侧输送辊12与矫直机13左侧衔接，右侧通过输送辊与剪切机14链接，夹送辊15配与分拨收集台16与剪切机14之间。
在熔炼炉1内熔炼的镁合金溶液，经静置炉2精炼和净化，然后通过保温输送管道3进入充满惰性保护气体的前箱4除杂、控流，再经铸嘴导入低温快速辊6和高温慢速辊7形成的差温异速W型槽内，W型槽内有凸缘结构可增加溶液依附面积，增强交叉剪切作用，增强轮槽推挤能力；通过轮槽转动牵引半固态镁合金产生离心剪切作用，从而控制溶液固相率，经弧形密封腔8送至挡料块9，从而压入具有梯度冷却液的挤压模具10，在挤压力的作用下推出成型产品，经输送辊12送入三辊减径机11中定径，再经输送辊12送入矫直机13矫直，然后经输送辊12送入剪切机14进行定尺剪切，最后经夹送辊15送入分拨收集台16进行智能分拣拨料堆垛出线。
实施案例1：选用AZ91镁合金来验证上述理论分析，该镁合金管材（管外径Φ25.00-50.00mm；壁厚6.30-10.00mm）加工的连铸连挤工艺如下所示：
将AZ91镁合金锭在感应熔炼炉内加热至750℃~760℃使其熔化，然后流入静置炉，通过用无水氯化镁等溶剂对AZ91镁合金溶液进行精炼、扒渣、净化；精炼时间4min左右，保温25min。期间通过机械搅拌装置进行反复搅拌制备半固态浆料，然后通过静置炉上的液压泵使熔液从静置炉流出，进入保温输送管道流入可以控制液面高度的前箱内，前箱温度控制在590℃左右。通过前箱底侧的横浇道流入由保温材料制成的供料铸嘴中，液体金属靠静压力由铸嘴直接进入差温异速铸轧辊（上辊：预热温度在350℃左右，转速控制在18r/min；下辊预热温度在410℃左右：转速控制在9r/min）中间的W型槽内，与两辊表面接触的溶液通过轮槽转动进入预热温度在390℃左右弧形密封腔。
铸挤前，先调整高温慢速辊与弧形密封腔之间的间隙，大致在0.75mm范围，再将所有固定螺钉拧紧，并启动铸挤装置，通过PLC控制器对高温慢速辊进行控制，转速控制在9r/min进行空转，时间3分钟，对铸挤装置进行预热、磨擦、除杂质。然后将上辊下辊温度转速稳定在8r/min，开始连铸，连铸装置内部四周设有喷水冷却系统对W型密封腔内溶液温度进行实时调整，使腔内溶液温度稳定在510℃~530℃后，在腔内溶液随着铸轧辊的转动，镁熔体的热量不断通过凝固壳被铸轧辊带走，结晶前沿温度持续下降；结晶面不断向熔体内部推进，随着铸轧辊的转动形核率越来越高；溶液通过90°包角进入挤压模具，挤压筒内温度控制在450℃~480℃左右，组合模具内采用后进式螺旋循环水，来平衡凝固潜热和金属形变热，保证线材不出现周期性裂纹、脱皮等缺陷。铸挤出的管材通过输送辊牵引定径矫直、在线冷却、剪切、分拨收集。
待铸挤即将完成浇注时，需降低连铸装置转速，转速调到6r/min，打开连铸装置四周设置的喷水冷却系统对其进行冷却，同时，通过调节螺钉使弧形密封腔与铸挤装置分开，然后对铸挤装置停车。同时继续通水冷却10钟，待铸挤装置温度降到一定温度以下后，停止冷却，并关闭所有电源。
实施案例2：选用AM60镁合金来验证上述理论分析，该镁合金管材（管外径Φ25.00-50.00mm；壁厚6.30-10.00mm）加工的连铸连挤工艺如下所示：
将AM60镁合金锭在感应熔炼炉内加热至780℃~810℃使其熔化，经静置炉精炼导入前箱，前箱温度控制在600℃~615℃。经铸嘴直接进入差温异速铸轧辊（上辊：预热温度在350℃，转速控制在16r/min；下辊预热温度在410℃：转速控制在8r/min）中间的W型槽内与两辊表面接触的溶液通过轮槽转动进入预热温度在400℃弧形密封腔。开始连铸，连铸装置内部四周设有喷水冷却系统对W型密封腔内溶液温度进行实时调整，使腔内溶液温度稳定在535℃~550℃后，在腔内溶液随着铸轧辊的转动，镁熔体的热量不断通过凝固壳被铸轧辊带走，结晶前沿温度持续下降，结晶面不断向熔体内部推进，随着铸轧辊的转动形核率越来越高；溶液通过90°包角进入挤压模具，挤压筒内温度控制在470℃~535℃左右，组合模具内采用后进式螺旋循环水，来平衡凝固潜热和金属形变热，铸挤出的管材通过输送辊牵引定径矫直、在线冷却、剪切、分拨收集。
实施案例3：选用AZ31镁合金来验证上述理论分析，该镁合金管材（管外径Φ25.00-50.00mm；壁厚6.30-10.00mm）加工的连铸连挤工艺如下所示：
将AZ31镁合金锭在感应熔炼炉内加热至750℃~760℃使其熔化，经静置炉精炼导入前箱，前箱温度控制在615℃~635℃，经铸嘴直接进入差温异速铸轧辊（上辊：预热温度在350℃，转速控制在14r/min；下辊预热温度在410℃：转速控制在7r/min）中间的W型槽内与两辊表面接触的溶液通过轮槽转动进入预热温度在400℃弧形密封腔。开始连铸，连铸装置内部四周设有喷水冷却系统对W型密封腔内溶液温度进行实时调整，使腔内溶液温度稳定在560℃~600℃后，在腔内溶液随着铸轧辊的转动，镁熔体的热量不断通过凝固壳被铸轧辊带走，结晶前沿温度持续下降。结晶面不断向熔体内部推进，随着铸轧辊的转动形核率越来越高；溶液通过90°包角进入挤压模具，挤压筒内温度控制在470℃~540℃左右，组合模具内采用后进式螺旋循环水，来平衡凝固潜热和金属形变热，铸挤出的管材通过输送辊牵引定径矫直、在线冷却、剪切、分拨收集。
以上所述，仅为本发明中一例具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，基于本发明中的方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它方案，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置，结构包括：熔炼炉、静置炉、保温输送管道、前箱、机架、低温快速辊、高温慢速辊、弧形密封腔、挡料块、挤压模具、输送辊、三辊减径机、矫直机、剪切机、夹送辊及分拨收集台；其特征在于，在地基上阶梯状布置熔炼炉、静置炉，在静置炉右下方与保温输送管道左端配合，保温输送管道右端与安装在机架上的前箱的左端链接，前箱的右端设有导料铸嘴，铸嘴与低温快速辊和高温慢速辊形成的W型铸挤槽紧密接触，低温快速辊与高温慢速辊分别安装于机架里面；其外表面设有弧形密封腔安装于机架里面；高温慢速辊挤压模具、接触处设有挡料块，其右端与模具左端衔接，模具右端与三辊减径机左侧输送辊衔接，而右侧输送辊与矫直机左侧衔接，右侧通过输送辊与剪切机链接，夹送辊配于分拨收集台与剪切机之间。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置，其特征在于：所述低温快速辊和高温慢速辊外表面采用可拆换式轧辊曲面，所述弧形密封腔和挤压模具内侧采用可更换式接触套环。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置，其特征在于：所述高温慢速辊和低温快速辊上分别设有多个定位凸条。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧装置，其特征在于：所述低温快速辊上的轮槽为矩形形状，高温慢速辊上的轮槽为W型形状。
5.一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
1）铸挤前，先调整高温慢速辊与弧形密封腔之间的间隙，大致在0.5～1mm范围，启动铸挤装置，先空转，对铸挤装置进行预热、除杂；然后将上辊预热温度在350℃～400℃，转速控制在8～12r/min；下辊预热温度在400℃～450℃，转速控制在6～10r/min；
2）开始铸挤，前箱温度控制在580℃～630℃使镁合金溶液固相率在10%～30%；通过前箱流入供料铸嘴中，再由铸嘴直接进入差温异速铸轧辊，中间的W型槽内，与两辊表面接触的溶液通过轮槽转动进入预热温度在380℃～400℃弧形密封腔；连铸装置内部四周设有喷水冷却系统对W型密封腔内溶液温度进行实时调整，使腔内溶液温度稳定在530℃～570℃后，溶液通过90°包角进入挤压模具，挤压筒内温度控制在470℃～520℃左右，组合模具内采用后进式螺旋循环水，来平衡凝固潜热和金属形变热，铸挤相应规格管材，铸挤出的管材通过输送辊牵引矫直、在线冷却、剪切、分拨收集；
3）待铸挤即将完成时，需降低连铸装置转速，转速调到5～8r/min，打开连铸装置四周设置的喷水冷却系统对其进行冷却，同时，通过调节螺钉使弧形密封腔与铸挤装置分开，然后对铸挤装置停车；同时继续通水冷却5～10min，待铸挤装置温度降到一定温度以下后，停止冷却，并关闭所有电源。
6.根据权利要求5所述的一种镁合金无缝管材连铸连挤直轧方法，其特征在于：所述步骤（2）中形成的差温异速铸轧辊，上辊的转速控制在16～20r/min；下辊的转速控制在8～10r/min。
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