CN111112566A - 一种提高内螺纹铜管螺纹质量的方法及其水平连铸装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高内螺纹铜管螺纹质量的方法及其水平连铸装置，其包括机架、轴承座、导轨、丝杠、移动台、结晶器、电磁搅拌装置、冷却铜套、热电偶和质量在线检测装置。通过质量在线检测装置实时检测的管坯内表面质量变化反映连铸过程中结晶器芯棒的磨损情况，采用安装于结晶器芯棒内的热电偶测量结晶器芯棒上轴向不同位置的金属温度，根据金属的熔点和测得的实时温度确定结晶器芯棒上金属固液结合点的位置，再通过电磁搅拌装置和铸坯拉坯速度的变化改变结晶器芯棒上金属固液结合点的位置。本发明装置可在当内螺纹管坯内表面质量因结晶器芯棒某一位置磨损严重而逐渐变差时改变结晶器芯棒上固液结合点位置，提高内螺纹管坯内表面质量。

Description

一种提高内螺纹铜管螺纹质量的方法及其水平连铸装置

技术领域

本发明属于冶金铸造领域，特别涉及一种提高内螺纹铜管螺纹质量的方法及其水平连铸装置。

背景技术

冷凝管是制作管式热交换器的重要部件，在热交换器工作时冷凝管内部流通冷却介质，冷凝管外部则是高温高压的蒸汽。在海水淡化、舰船锅炉、核电站等领域常用海水作为热交换器内部流通的冷却介质，由于海水具有较强的腐蚀性，因此，冷凝管的工作环境非常恶劣，这对冷凝管提出了更高的要求。内螺纹铜管是一种内表面沿管轴线方向有螺旋齿槽的铜管，具有明显的高强度、耐热性和耐蚀性，以及良好的热传导性能，满足热交换器用冷凝管的工作条件，因此得到了广泛应用。

铜管水平连铸是铸轧法生产的首道工序，对后续其他工序有着重要的影响，铜管成品质量的优劣更是可以直接在铸坯品质中体现。在内螺纹铜管坯水平连铸过程中，铸造铜液在一冷冷却水的强冷效果作用下开始凝固成管坯，铜液与管坯间的区域称为固液结合面，固液结合面在结晶器铅垂方向的对称面上显示为与结晶器轴向成一定夹角的曲线，该曲线称为液穴线，液穴线靠近结晶器入口一侧的铜液温度高于铜管的熔点，液穴线靠近结晶器出口一侧的管坯温度低于铜管的熔点。铜液在液穴线附近开始凝固成坯壳，坯壳有一定的厚度和强度，结晶器芯棒也存在一定的锥度，在拉坯运动和结晶器震动过程中，由于液穴线两侧金属与结晶器芯棒的摩擦系数不同，液穴线附近结晶器芯棒的磨损是结晶器芯棒上最严重的，而结晶器芯棒与管坯内表面直接接触，管坯内表面在后续工序中无法进行铣削加工，因此芯棒的好坏直接决定了内螺纹管坯内表面质量，然而内螺纹管坯内表面裂纹直接影响到内螺纹成品率，所以，减小结晶器芯棒磨损对内螺纹铜管生产有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在内螺纹铜管水平连铸过程中，当铸坯内表面质量因结晶器芯棒某一位置磨损严重而逐渐变差时，基于固液结合面动态调整的原理，通过改变结晶器芯棒上固液结合点的位置，提高内螺纹管坯内表面质量的装置及方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种提高内螺纹铜管螺纹质量的方法，其包括如下步骤：

步骤1，内螺纹管坯水平连铸开始时，以管坯生产允许的最低拉坯速度进行管坯生产，质量在线检测装置开始工作；

步骤2，热电偶测温，确定结晶器铅垂方向的对称面内结晶器芯棒上固液结合点的位置，其中确定固液结合点位置的步骤具体如下：

步骤S21，在结晶器芯棒端面上开设轴向测温孔，轴向测温孔内均匀安装有热电偶；

步骤S22，根据热电偶测得的温度，在结晶器铅垂方向的对称面内分别确定固液结合面与结晶器芯棒交点的位置，从上到下依次记为A、B；

步骤S23，根据A、B两交点左右热电偶的编号，按照结晶器轴向最大宽度的标准确定最左侧热电偶和最右侧热电偶的编号，最左侧热电偶与最右侧热电偶之间的位置即为结晶器芯棒上固液结合点的位置范围；

步骤3，当质量在线检测装置显示管坯内表面质量因结晶器芯棒磨损严重而逐渐变差时，控制电机移动电磁搅拌装置至固液结合点处；

步骤4，闭合电磁线圈开关，使固液结合点的位置移动至电磁线圈电源断开后下一档拉坯速度稳定生产时的固液结合点位置处；

步骤5，逐渐提升拉坯速度，同时逐渐降低电磁线圈电流，直至电磁线圈电流为零，使固液结合点的位置停留在当前位置；

步骤6，返回执行步骤2至步骤5，直至拉坯速度达到铸坯生产所能允许的最大拉坯速度。

优选地，所述结晶器芯棒上设有第一轴向测温孔和第二轴向测温孔，所述第一轴向测温孔的轴线、所述第二轴向测温孔的轴线与所述结晶器芯棒的轴线在同一竖直平面内，所述第一轴向测温孔和第二轴向测温孔中均设有十个热电偶。

本发明的另一方面，提供一种提高内螺纹铜管螺纹质量的水平连铸装置，其包括机架、轴承座、导轨、丝杠、移动台、电磁搅拌装置、结晶器、冷却铜套和质量在线检测装置，所述结晶器固定于所述机架上，包括结晶器进液口、结晶器芯棒以及设于所述结晶器芯棒上的测温孔，所述结晶器进液口与进液腔相连，所述质量在线检测装置安装于所述结晶器芯棒的端面，所述结晶器与所述冷却铜套同心；所述导轨、所述轴承座与电机均安装于所述机架上，所述导轨与滑块组成移动副，所述丝杠通过轴承安装于轴承座上，所述电机通过联轴器带动所述丝杠转动，所述丝杠与所述移动台组成螺旋副，能带动所述移动台进行直线运动；所述移动台的底部与所述滑块固连，所述移动台的顶部安装有所述电磁搅拌装置，所述电磁搅拌装置包括搅拌装置外壳和电磁线圈，所述冷却铜套与所述电磁搅拌装置同心并穿过所述电磁搅拌装置。

优选地，所述轴向测温孔直径为3mm且所述轴向测温孔轴线离所述结晶器芯棒表面的距离为3mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)基于结晶器内固液结合面移动的原理，在管坯内表面质量因结晶器芯棒某一位置磨损严重而逐渐变差时改变结晶器芯棒固液结合点位置，提高了管坯内表面的质量；

2)基于拉坯速度和电磁搅拌参数动态控制的原理，根据实际生产调整拉坯速度和电磁搅拌相关参数的合理搭配，满足了不同成分铜液、不同拉坯速度、不同铸液温度、不同结晶器参数和结晶器冷却等引起的的固液结合面位置变化需求，减少了资源浪费，降低了成本。

附图说明

图1是本发明提供的提高内螺纹铜管螺纹质量的方法的流程框图；

图2是本发明确定结晶器芯棒上固液结合点位置的流程框图；

图3是本发明提供的提高内螺纹铜管螺纹质量的水平连铸装置的立体装配示意图；

图4是本发明固液结合点移动前装置位置示意简图；

图5是本发明固液结合点开始移动时装置位置示意简图；

图6是本发明固液结合点移动后装置位置示意简图；以及

图7时本发明电磁搅拌装置结构示意简图。

其中，1-轴承座，2-机架，3-导轨，4-丝杠，5-滑块，6-移动台，7-轴承，8-联轴器，9-电机，10-进液腔，11-结晶器，111-结晶器进液口，112-第一轴向测温孔，113-结晶器芯棒，114-第二轴向测温孔，12-搅拌装置外壳，13-冷却铜套，14-质量在线检测装置，15-电磁线圈，16-热电偶，17-铸造铜液，18-管坯，19-固液结合面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图3～图7所示，结晶器11通过两端支撑架固定于机架2上，结晶器11包括结晶器进液口111、第一轴向测温孔112、第二轴向测温孔114和结晶器芯棒113，在结晶器芯棒113端面上从上到下开设第一轴向测温孔112和第二轴向测温孔114，第一轴向测温孔112的轴线、第二轴向测温孔114的轴线与结晶器芯棒113的轴线在同一竖直平面内，第一轴向测温孔112和第二轴向测温孔114中均设有多个热电偶16，且热电偶16之间的距离相等，进液腔10通过结晶器进液口111与结晶器11连接，冷却铜套13安装于结晶器11上，且两者轴线相重合，质量在线检测装置14安装于结晶器芯棒113端面上。

导轨3、轴承座1与电机9均安装于机架2上，导轨3与滑块5组成移动副，丝杠4通过轴承7安装于轴承座1上，电机9、联轴器8、丝杠4同轴线相连，且轴线与导轨3的方向平行，电机9通过联轴器8带动丝杠4转动，丝杠4与移动台6组成螺旋副，能带动移动台6沿导轨3进行直线运动，导轨3与滑块5对移动台6起到支撑及导向的作用。移动台6的底部与滑块5固连，移动台6的顶部安装有电磁搅拌装置，电磁搅拌装置包括搅拌装置外壳12和电磁线圈15，冷却铜套13与电磁搅拌装置同心并穿过电磁搅拌装置。

基于上述装置，按照图1的流程框图，可减小结晶器芯棒113磨损对内螺纹铜管的质量影响，提高内螺纹铜管的螺纹质量，具体步骤为：

步骤1，内螺纹管坯18水平连铸开始时，以管坯18生产允许的最低拉坯速度进行管坯18生产，质量在线检测装置14开始工作；

步骤2，热电偶16测温，确定结晶器11铅垂方向的对称面内结晶器芯棒113上固液结合点的位置；

步骤3，当质量在线检测装置14显示管坯18内表面质量因结晶器芯棒113磨损严重而逐渐变差时，控制电机9移动电磁搅拌装置至固液结合点处；

步骤4，闭合电磁线圈15开关，使固液结合点的位置移动至电磁线圈15电源断开后下一档拉坯速度稳定生产时的固液结合点位置处；

步骤5，逐渐提升拉坯速度，同时逐渐降低电磁线圈15电流，直至电磁线圈15电流为零，使固液结合点的位置停留在当前位置；

步骤6，返回执行步骤2至步骤5，直至拉坯速度达到铸坯生产所能允许的最大拉坯速度。

而图2则能确定结晶器芯棒113上固液结合点的位置，具体步骤为：

步骤S21，在结晶器芯棒113端面上开设轴向测温孔，轴向测温孔内均匀安装有热电偶16；

步骤S22，根据热电偶16测得的温度，在结晶器11铅垂方向的对称面内分别确定固液结合面19与结晶器芯棒113交点的位置，从上到下依次记为A、B；

步骤S23，根据A、B两交点左右热电偶16的编号，按照结晶器11轴向最大宽度的标准确定最左侧热电偶16和最右侧热电偶16的编号，最左侧热电偶16与最右侧热电偶16之间的位置即为结晶器芯棒113上固液结合点的位置范围。

实施例1

使用本发明的装置和方法生产Φ12.7mm×1.2mm的内螺纹管坯，其装置的工作过程为：

结晶器11开始工作前，在结晶器芯棒113端面上从上到下开设第一轴向测温孔112和第二轴向测温孔114，第一轴向测温孔112的轴线、第二轴向测温孔114的轴线与结晶器芯棒113的轴线位于同一竖直平面内，第一轴向测温孔112、第二轴向测温孔114的直径为3mm且其轴线离结晶器芯棒113表面的距离也为3mm，然后在第一轴向测温孔112内从结晶器入口到结晶器出口的方向上等距离安装M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10共十个热电偶16，在第二轴向测温孔114内从结晶器入口到结晶器出口的方向上等距离安装N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10十个热电偶16，相邻两热电偶16之间的距离为20mm，然后实时记录各热电偶16测得的温度数据。

管坯18水平连铸开始时，质量在线检测装置14开始运行，进液腔10内的铸造铜液17通过结晶器进液口111进入结晶器11内，以130mm/min的拉坯速度进行铜管坯18生产，在冷却铜套13内一冷冷却水的强冷作用下凝固成管坯18，固液结合面19处于铸造铜液17和管坯18之间；管坯18水平连铸稳定时，根据固液结合面19左右铜的温度与铜管熔点的关系，通过二十个热电偶16测量的各自位置处的实时温度，确定结晶器11铅垂方向的对称面内固液结合面19与结晶器芯棒113的交点。

在本实施例中，铜管的熔点为1084℃，当管坯18水平连铸稳定时，将结晶器11铅垂方向的对称面内固液结合面19与结晶器芯棒113的交点从上到下依次记为A、B，由于M1、M2、M3号热电偶16测得的温度高于铜管的熔点1084℃，M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10号热电偶16测得的温度低于铜管的熔点1084℃；N1、N2号热电偶16测得的温度高于铜管的熔点1084℃，N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10号热电偶16测得的温度低于铜管的熔点1084℃，则由此可以确定交点A左右热电偶16的编号依次分别是：M3、M4，交点B左右热电偶16的编号依次分别是：N2、N3，因此按照结晶器11轴向最大宽度的标准确定固液结合面19与结晶器芯棒113交点的位置范围为2号热电偶16到4号热电偶16之间。

由于该交点左侧铜液与结晶器芯棒113之间的滑动摩擦系数为0.05、该交点右侧铜管坯18与结晶器芯棒113之间的摩擦系数为0.15，所以该交点的摩擦力变化非常剧烈，造成结晶器芯棒113上该交点附近的区域磨损非常严重，严重影响了管坯18内表面质量；当质量在线检测装置14显示管坯18内表面质量逐渐变差时，证明结晶器芯棒113上当前固液结合点处的磨损已经相当严重，此时启动电机9，通过联轴器8、丝杠4与移动台6进行传动，通过滑块5对移动台6进行支撑及导向，移动电磁搅拌装置直至电磁搅拌装置的工作范围完全覆盖2号热电偶16到4号热电偶16之间的区域，然后闭合电磁线圈15开关，向电磁线圈15通120A的电流，使结晶器芯棒113上固液结合点的位置向结晶器11出口移动15mm，再逐渐将拉坯速度从135mm/min提升至150mm/min，在提升拉速的同时逐渐将电磁线圈15的电流从120A降低至0A，使结晶器芯棒113上固液结合点的位置停留在当前位置；

重复执行上述操作，直至拉坯速度达到内螺纹管坯18生产所能允许的最大拉坯速度225mm/min。

以常用的水平连铸装置和工艺生产内螺纹管坯18，其生产的内螺纹管坯18在螺纹成形工序中螺纹成形率仅为95.63％左右，缺齿、断齿、齿折叠等缺陷出现率为7.2％左右；相比较于常用的生产内螺纹管坯18的水平连铸装置和工艺，使用本发明的装置与方法进行内螺纹管坯18的水平连铸生产，内螺纹管坯18的内表面质量得到了更好地保证，在后续的内螺纹成形工序中螺纹成形率最低达到了97.46％，缺齿、断齿、齿折叠等缺陷减少到了3.45％左右，不仅提高了内螺纹铜管的螺纹质量，还减少了材料的浪费，降低了生产成本。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种提高内螺纹铜管螺纹质量的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1，内螺纹管坯水平连铸开始时，以管坯生产允许的最低拉坯速度进行管坯生产，质量在线检测装置开始工作；

步骤2，热电偶测温，确定结晶器铅垂方向的对称面内结晶器芯棒上固液结合点的位置，其中确定固液结合点位置的步骤具体如下：

步骤S21，在结晶器芯棒端面上开设轴向测温孔，轴向测温孔内均匀安装有热电偶；

步骤S22，根据热电偶测得的温度，在结晶器铅垂方向的对称面内分别确定固液结合面与结晶器芯棒交点的位置，从上到下依次记为A、B；

步骤S23，根据A、B两交点左右热电偶的编号，按照结晶器轴向最大宽度的标准确定最左侧热电偶和最右侧热电偶的编号，最左侧热电偶与最右侧热电偶之间的位置即为结晶器芯棒上固液结合点的位置范围；

步骤3，当质量在线检测装置显示管坯内表面质量因结晶器芯棒磨损严重而逐渐变差时，控制电机移动电磁搅拌装置至固液结合点处；

步骤4，闭合电磁线圈开关，使固液结合点的位置移动至电磁线圈电源断开后下一档拉坯速度稳定生产时的固液结合点位置处；

步骤5，逐渐提升拉坯速度，同时逐渐降低电磁线圈电流，直至电磁线圈电流为零，使固液结合点的位置停留在当前位置；

步骤6，返回执行步骤2至步骤5，直至拉坯速度达到铸坯生产所能允许的最大拉坯速度。

2.根据权利要求1所述的提高内螺纹铜管螺纹质量的方法，其特征在于，所述结晶器芯棒上设有第一轴向测温孔和第二轴向测温孔，所述第一轴向测温孔的轴线、所述第二轴向测温孔的轴线与所述结晶器芯棒的轴线在同一竖直平面内，所述第一轴向测温孔和第二轴向测温孔中均设有十个热电偶。

3.一种利用权利要求1所述提高内螺纹铜管螺纹质量的方法的水平连铸装置，其包括机架、轴承座、导轨、丝杠、移动台、电磁搅拌装置、结晶器、冷却铜套和质量在线检测装置，其特征在于，

所述结晶器固定于所述机架上，包括结晶器进液口、结晶器芯棒以及设于所述结晶器芯棒上的测温孔，所述结晶器进液口与进液腔相连，所述质量在线检测装置安装于所述结晶器芯棒的端面，所述结晶器与所述冷却铜套同心；

所述导轨、所述轴承座与电机均安装于所述机架上，所述导轨与滑块组成移动副，所述丝杠通过轴承安装于轴承座上，所述电机通过联轴器带动所述丝杠转动，所述丝杠与所述移动台组成螺旋副，能带动所述移动台进行直线运动；

所述移动台的底部与所述滑块固连，所述移动台的顶部安装有所述电磁搅拌装置，所述电磁搅拌装置包括搅拌装置外壳和电磁线圈，所述冷却铜套与所述电磁搅拌装置同心并穿过所述电磁搅拌装置。

4.根据权利要求3所述的水平连铸装置，其特征在于，所述轴向测温孔的直径为3mm且所述轴向测温孔轴线离所述结晶器芯棒表面的距离为3mm。

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