CN1112039A - 金属铸拉制造法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种金属铸拉制造法及设备，其 特征在于对拉模内的金属熔液施加压力及使拉模分 段冷却和发生高频振动，通过拉模直接从金属熔液中 拉制型材。采用本发明制造的金属型材精度高，表面 光洁，组织密实，内部缺陷少，与现有的制造方法相 比，设备投资少，工艺简单，可节能40～60％。

Description

本发明涉及一种金属铸拉制造法及设备，是金属成型的新工艺，属于金属成型技术领域。

金属型材一般有，板材、管材、线材及型材等，在国民经济的各部门都被广泛地应用。这里将几种传统方法简要概述如下：

一、管材    金属管材一般有无缝热轧管及焊管。

（1）无缝热轧管一般采用这样的工艺生产，铸坯-荒管穿孔-轧管-整径-定径-矫直。这种方法制造的管材一般称为热轧管。生产热轧管设备投资巨大，维修费也高昂，能耗高，所以无缝热轧管价格较高。

（2）焊管是先将金属板材切成带材，然后卷成管状，再将缝口进行焊合的一种管材。如果将轧制板材这道工序算上，也是存在投资大，能耗高的不足。焊管还存在精度不高，表面不光洁，强度不如热轧管的缺点。

二、板材    一般有连续轧机轧制的热轧板及连续铸轧板。

（1）热轧板    轧制板材用的原料一般是初轧坯、连铸坯、锻压坯等，在轧机上经过多次轧制才能达到要求的厚度，这种方法获得的产品性能好，缺点是投资巨大，维修费用高;由于要经过多次加热，能耗较大。尤其轧制薄板及箔材，设备复杂，能耗巨大。

（2）连续铸轧板    连续铸轧是制造板材的一种新方法，发展历史较短，它是将金属熔液连续通过旋转的结晶器制成毛坯同时轧制成板带。这种方法的优点是，能量消耗少，一般可节省40%左右，设备投资小，生产周期短。主要缺点是：产品力学性能差，表面质量差，质量不如传统方法生产的产品;品种少，每台机组产量小等。

三、型材 这里型材指的是断面形状简单的线材、丝材及断面形状复杂的线材如H型工字钢、

型槽钢、T型钢、轨道钢以及各种断面形状复杂的异型材等，这些型材一般轧制工艺复杂，所以设备投资巨大，能耗高。对于规格复杂的异型材甚至不能轧制。

本发明的目的就是提供一种制造工艺简单，能耗低、投资少、产品质量高的金属铸拉制造法及设备。

本发明的目的是这样实现的，其工艺流程是：熔炉（熔炼）-盛液桶（中转）-均温器（搅拌、控温）-过滤器

冷却、振动、加压

（过滤）-拉模系统（冷凝、成型）-牵引机（拉出）-卷筒机构（卷筒）、切割机（切割）。在熔炉内将金属熔炼成熔液，按照产品的性能要求调制其化学成分。经过盛液桶将金属熔液由粗过滤器滤去杂质后排入均温器内，通过搅拌使金属熔液的成分及温度更加均匀。搅拌的方法根据金属的品种不同可以采用机械搅拌、超声波搅拌及吹惰性气体搅拌。在均温器内必须根据成型要求，控制金属熔液的温度，使其温度高于该金属的液相线20-100℃。经过滤器过滤后用高压输液装置将熔液注入由结晶器和模头构成的拉模内，使结晶器内的金属保持20-500个大气压，同时使拉模产生高频振动。产生高频振动的方法有超声波激振、电磁激振、机械激振。为了保证金属熔液在拉模内冷却结晶、凝固成型而被顺利拉出，由冷却系统供给冷却水使结晶器受到分段冷却;在模头内，用具有一定润滑性能的冷却剂对模头产生冷却及润滑。冷却水供给量、金属熔液的初温、高压输液装置的供液速度、拉出速度四个因素由控制系统自动控制，使它们稳定在一个平衡点附近。然后由牵引机从拉模模头将凝固成型的金属连续匀速拉出，最后由卷筒机卷筒或由切割机断开即成。

简而言之，本发明的金属铸拉制造法，其要点是：（1）对结晶器内的金属熔液施加压力;（2）使拉模产生高频振动;（3）对拉模进行分段冷却;（4）金属熔液在拉模内完成结晶凝固、成型而被匀速拉出。

分段冷却、施加压力及高频振动，使金属熔液在拉模内结晶成型而被拉制的过程以及提高产品质量和有利于成型的机理是这样的：结晶器分为两个冷却段，在第Ⅰ冷却段，金属熔液被冷却到近熔点状态，高频振动使金属熔液在冷却套壁面形成的结晶壳层被打碎，形成均匀的、有大量晶粒的近熔点状态的固液混合体，同时对固液混合体产生搅拌、均温作用，并且增加其流动性。其温度范围在该金属的液相线与固相线之间;在第Ⅱ冷却段，金属固液混合体被进一步冷却到固相线以下，软化点以上，晶粒进一步长大，晶界形成，金属呈泥状的软化态，高频振动使晶粒被进一步破碎细化，同时增加其流动性。对结晶器内的金属熔液施加压力，在第Ⅱ冷却段起非常重要的作用，在高频振动状态下软化态金属就变得如同粘性流体一样，受迫向模头挤压运动。在第Ⅲ冷却段，金属凝固成具有一定强度的固态，这个阶段主要是使金属进一步冷却，同时使高温铸态组织受到拉制、挤压变形而被破坏，形成晶粒细，内部缺陷少，组织密实，具有较高强度及表面质量的型材。这个过程是在模头内完成，模头进口金属的温度在软化点附近;模头出口的金属温度，应控制在金属的再结晶温度左右50～100℃。这个温度范围相当于轧制工艺的始轧温度和终轧温度。尤其是模头出口温度，如果低于此温度太多，金属的变形抗力大，而且会使金属发生变形硬化;高于再结晶温度过多，金属会产生较大的收缩变形及晶粒长大。

冷却速度对快速拉制是较大的制约因素，如果以每分钟5～10米的速度拉出，其冷却速度就达到400～800度/秒。为了适应快速拉制的要求，这个阶段的冷却就必须在模头上开设冷却槽，通过冷却剂直接对初步成型有一定强度的金属接触冷却。由于受传导速度的限制，冷却剂供给量就变得次要了，其冷却速度主要由冷却槽的宽度来决定，其冷却槽的总宽度与拉出速度成正比例关系。由于在模头内金属已具有一定强度，变形抗力较大，在拉出时对模头有较大的摩擦力，所以用具有一定润滑性能的冷却剂，同时产生冷却及润滑作用。高频振动在这个阶段产生两个有利的效果，一是减小金属对模头的摩擦力;二是使拉模的模头受激产生高频振动，对已成型的型材起到精整定厚的作用，同时对表面还起到抛光的作用，从而使金属型材尺寸精确，表面非常光洁。

按照上述方法，使用不同的拉模可以生产管材，板材、线材及异型板。

实施上述铸拉制造法的关键设备是拉模系统，由高压输液装置，高频振动发生及传递装置，冷却系统以及拉模组成。其配套设备有熔炉、盛液桶、均温器、过滤器、牵引机、卷筒机或切割机及控制系统等。

本发明给出以下附图：

附图1是本发明工艺流程示意图。

附图2是拉管模结构示意图。

附图3是拉板模结构示意图。

下面结合以上附图给出实施例，对本发明的工作原理及设备的结构进一步描述。

（一）管材的铸拉制造法及拉管模的结构。

熔炉（1）将金属炼制成达到性能要求的熔液，注入盛液桶（2）内，由盛液桶（2）再转入均温器（3）内，均温器（3）的作用是通过控温冷却并搅拌，使熔液的温度及组分均匀，控制温度在金属液相线以上20-100℃（拉制钢管时，熔体温度应控制在液相线以上40～60℃）;利用超声波搅拌，均温器（3）壁外使用冷却蛇管套，内通冷却水，均温器（3）内装有测温传感器，它将温度信息传给控制系统（10），由控制系统（10）来控制冷却蛇管套中冷却水的流量，实现均温器（3）的均温目的。

经过均温后的熔液由过滤器（4）过滤后进入拉模系统（5），由高压柱塞泵（6）注入拉管模（8）内。过滤器（4）可以用高温精密瓷如氧化铝、氧化镁、氧化钍及碳化硅等制成的微孔过滤器。经过滤后的熔液极大减少了夹砂、氧化渣等杂质。高压柱塞泵（6）将金属熔液以20-500个大气压的压力注入拉管模（8）的结晶器（16）内，并使结晶器（16）保持这种高压状态。为使结晶器（16）内熔液的脉动减小，在高压柱塞泵（6）与结晶器（16）之间安装一个蓄液瓶（11）及高压气室（12）。由超声波发生器（13）产生20000赫兹的超声波，通过传递装置将超声波传递到拉管模（8），使拉管模（8）产生高频振动。

拉管模（8）的结构，如附图2所示，拉管模（8）由测温传感器（14）、模套（15）、结晶器（16）、模头（17）及端盖（18）和模头盖（19）组成。结晶器（16）由外冷却套（20）及内冷却套（21）组成;外冷却套（20）装在模套（15）上，内冷却套（21）装在芯棒（22）上。测温传感器（14）安装在结晶器（16）内。模头（17）由外模子（23）及内模子（24）组成;外模子（23）装在模套（15）上，内模子（24）装在芯棒（22）上。结晶器（16）与模头（17）紧密接触，结晶器（16）与模头（17）沿拉管模（8）进液端向出口端逐渐收缩。端盖（18）紧固在拉管模（8）的进液端，模头盖（19）紧固在拉管模（8）的出口端。模套（15）的内壁开有冷却槽（25），芯棒的表面开有轴向冷却槽（26）。模套（15）及芯棒（22）的冷却槽与供水系统相通。外模子（23）的内壁及内模子（24）的外壁开有冷却槽（27），模头（17）上的冷却槽（27）的总宽度对冷却速度起决定作用，它影响拉出速度，冷却槽（27）的总宽度与拉出速度成正比例关系。

结晶器（16）处于第Ⅰ冷却段及第Ⅱ冷却段。在结晶器（16）内，第Ⅰ冷却段金属被冷却至液相线以下，固相线以上，金属呈固液混合态;高频振动使金属熔液在结晶器（16）的冷却套上形成的结晶壳层被打碎，形成均匀的、有大量晶粒的近熔点状态的固液混合体;高频振动的搅拌作用，使混合体的温度趋于均匀一致，同时增其流动性能;在第Ⅱ冷却段，金属固液混合体被进一步冷却到固相线以下，软化点以上，晶粒进一步长大，晶界形成，金属里泥状软化态，高频振动使晶粒被碎而细化，同时增加其流动性能。对结晶器（16）内金属熔体施加的压力，在第Ⅱ冷却段起至关重要的作用，这时的金属粘度大、流动性能差，施加压力及高频振动，金属呈泥状的软化态组织变得类似高粘度的粘性流体受迫向模头（17）挤压运动，从而避免了缩松、断裂的发生。在接近模头（17）时，金属被冷却至软化点，形成具有一定强度的高温铸态组织。测温传感器（14）将结晶器（16）内的温度信息传递给控制系统（10），由控制系统（10）来控制冷却系统的冷却水供应量，实现结晶器（16）内金属熔体的控制冷却。

在第Ⅲ冷却段，金属进入模头（17）内，这个阶段的主要作用是：使金属进一步冷却，将金属铸态组织经过拉管模（8）拉制产生变形而被破坏，形成晶粒细、内部缺陷少、组织密实、具有较高机械化强度的型材被拉出。金属模头（17）的进口温度在软化点以下50-100℃，模头（17）的出口温度在再结晶温度左右50～100℃。这个温度范围相当于轧机制型材的始轧温度和终轧温度范围。

在模头（17）内用具有一定润滑性能的冷却剂对初步成型并有一定强度的金属直接接确冷却及润滑，使拉出速度提高。

由于拉管模（8）的高频振动，模头（17）对金属的阻力减小，同时对管材的内壁及外壁产生抛光作用。

在模头（17）内成型、定径的管材，由牵引机（38）连续匀速拉出，再由切割机（9）切断即完成拉管过程。

整个拉管过程中的高压柱塞泵的供液速度，金属熔液初温，冷却速度及拉出速度由控制系统（10）自动控制。

（二）板材的铸拉制造法及拉板模的结构

板材的铸拉制造法与管材的制造工艺相同，所不同的是拉板模（9）的结构。

如附图3所示，拉板模（9）由测温传感器（14）、结晶器（16）、模头（17）模套（15）及厚度调节机构（29）等组成。测温传感器（14）装在结晶器（16）内，结晶器（16）装在模套（15）内;模套（15）由上模套（30）及下模套（31）构成其结合处有垫片（37），模套（15）的内壁开有冷却槽（34）。模头（17）是由上模（32）及下模（33）构成，上模（32）的下壁及下模（33）的上壁开有冷却槽（35）;上模（32）紧固在上模套（30）上，下模（33）紧固下模套（31）上。上模（32）与下模（33）构成的狭缝形成模头（17）的型腔。模头（17）型腔的厚度，通过厚度调节机构（29）上的螺杆（36）和垫片（37）的厚度精确调节。结晶器（16）与模头（17）紧密接触，结晶器（16）与模（17）沿拉板模（9）进液端向出口端逐渐收缩。

在拉板模（9）的出口端装有测温传感器（38），将温度信息传递给控制器（10），由控制器（10）控制模头（17）内的冷却剂的流量及拉出速度，用以控制板材的拉出温度。

（三）型材的铸拉制造方法及拉模的结构

型材的制造方法与管材拉制工艺及方法相同，所不同的是拉制型材的拉模与拉管模有所不同，拉模的结晶器只有外冷却套，模头只有外模子而不需要内模子。模头根据所拉制的型材的截面形状而定。

Claims (5)

1、一种金属型的铸拉制造法及设备，其工艺流程是金属熔液由均温器(3)将熔液温度均匀地控制在液相线以上20-100℃，由过滤器(4)过滤除去杂质，然后由高压输液装置加压输入拉模(7)内，使结晶器(16)内保持高压状态，使拉模(7)产生高频振动，同时用冷却水对拉模(7)分段冷却，金属熔液在拉模(7)的结晶器(16)内经冷却凝固成高温铸态组织，在模头(17)内金属铸态组织被进一步冷却，受到拉制变形而被破坏，形成具有精度高，表面光洁，组织密实，内部缺陷少的型材，由牵引机(8)拉出，再由卷筒机卷筒或由切割机(9)切断即成。其特征在于：

(1)金属熔液在结晶器(16)内被施加压力，同时使拉模(7)产生高频振动，对拉模(7)用冷却水分段冷却，通过拉模(7)直接从金属熔液中拉制型材。

(2)拉制型材的主要设备是由高压输液装置、使拉模(7)产生高频振动的高频振动发生及传递装置、冷却系统以及拉模(7)组成的拉模系统(5)。

2、根据权力要求1所述的金属铸拉制造法，其特征在于，

（1）在拉模（7）内分三段对金属进行冷却，第Ⅰ冷却段与第Ⅱ冷却段在结晶器（16）内进行。第Ⅰ冷却段，金属温度控制在液相线与固相线之间，金属呈固液混合态;在第Ⅱ冷却段，金属温度控制在固相线以下，软化点以上，使金属呈泥状软化态;在第Ⅲ冷却段（模头内），用具有润滑性能的冷却剂对初步成型并有一定强度的金属直接接触冷却，同时起润滑作用，使金属在模头的出口温度控制在再结晶温度左右50～100℃。

（2）对拉模（7）的结晶器（16）内的金属施加高压，使金属产生向模头（17）方向的挤压运动。

（3）用高频振动发生及传递装置使拉模（7）发生高频振动，对结晶器（16）内固液混合体及软化态金属产生搅拌均温作用，并且破碎结晶壳层，细化晶粒，增加其流动性;使模头（17）发生高频振动，减小拉制的变形抗力及固态金属对模头（17）的摩擦力，并对型材的表面进行抛光。

3、根据权力要求1所述的金属铸拉制造法，其特征是铸拉制造法可以制造金属管材，板材、型材及线材。

4、根据权力要求1、3，制造管材的主要设备是拉管模系统，由高压输液装置、使拉管模（8）产生高频振动的高频振动发生及传递装置、冷却系统以及拉管模（8）组成。其中拉管模（8）由测温传感器（14）、结晶器（16）、模头（17）、端盖（18）和模头盖（19）组成，其特征在于：结晶器（16）由外冷却套（20）及内冷却套（21）构成;外冷却套（20）装在模套（15）上，内冷却套（21）装在芯棒（22）上;模头（17）由外模子（23）及内模子（24）构成，外模子（23）装在模套（15）上，内模子（24）装在芯棒（22）上;模套（15）的内壁开有冷却槽（25）;芯棒（22）的表面开有轴向冷却槽（26）;外模子（23）的内壁及内模子（24）的外壁开有冷却槽（27）。结晶器（16）与模头（17）紧密接触，结晶器（16）与模头（17）沿拉管模（8）进液端向出口端逐渐收缩。

5、根据权力要求1、3，制造板材的主要设备是拉板模系统，由高压输液装置、使拉板模（9）产生高频振动的高频振动发生及传递装置、冷却系统以及拉板模（9）组成。其中拉板模（9）由测温传振器（14）、结晶器（16）、模头（17）、垫片（37）、模套（15）及厚度调节机构（29）组成。其特征在于模套（15）由上模套（30）及下模套（31）构成，其结合处有垫片（37），模套（15）的内壁开有冷却槽（34）;模头（17）由上模（32）及下模（33）构成，上模（32）的下壁及下模（33）的上壁开有冷却槽（35），上模（32）和下模（33）分别紧固在上模套（30）和下模套（31）上，上模（32）与下模（33）构成的狭缝形成模头（17）的型腔。模头（17）型腔的厚度，通过调节厚度调节机构（29）上的调节螺杆（36）和垫片（37）的厚度精确调节。结晶器（16）与模头（17）紧密接触，结晶器（16）与模头（17）沿拉板模（9）进液端向出口端逐渐收缩。

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