CN111230073B - 一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法，属于复合板制备技术领域。本发明通过界面融合实现冶金连接，其强度足以满足后续热轧要求，而且该中复合方式对结合层氧化皮的要求较低，降低了生产难度，同时，本发明的固液复合法生产的铸坯减小了热轧前结合面预加工的工作量，能够显著提高生产效率，降低了生产过程对真空度的要求。本发明通过设计内、外双层模具的方式，简化了工艺流程，并可适应多种规格、多种成分的生产要求；同时本发明制备复合板的夹持模具可以重复利用，方便模具运输过程的同时起到预防不锈钢模具鼓肚变形，提升复层表面质量的作用。本发明的自动化程度高，无需大量人工操作，提高了产品稳定性及生产效率。

Description

一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法

技术领域

本发明涉及复合板技术领域，具体涉及一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法。

背景技术

随着工业与科技的快速发展，材料的综合性能要求在不断提高。尤其在能源输送、海洋工程、石油化工等领域，高磨损或高腐蚀环境下除了要考虑材料本身的机械性能，还必须采用相应的抗磨损或抗腐蚀材料以防止破坏环境。不锈钢复合板通过在碳钢或低合金钢钢板上以一定工艺结合一层具有高耐蚀性不锈钢的层状复合材料，适应高腐蚀环境的同时极大地节约了昂贵的不锈钢用量，可以显著降低生产成本。

目前，绝大多数不锈钢复合板生产均采用固固复合连接方式，其中爆炸复合法环境污染严重，自动化程度低，无法实现连续生产；轧制复合法相对而言生产效率较高，但结合界面极易受氧化影响，降低界面结合强度。

中国专利CN 103495604 A公开了一种锁扣式真空轧制金属复合板的方法，通过预先在基板与复板两端加工出相配合的“L”型沟槽，并在四周焊接封焊板后加工出气孔对板间抽真空，有效改善了后续加热与轧制过程中的界面氧化问题及首道次轧制过程中的上下板分离现象。然而该方法加工过程繁琐，“L”型沟槽造成轧制过程结合面增多、切除余钢量大，且轧制过程中封堵的气孔被破坏后仍有可能造成界面氧化问题。

中国专利CN 101352805 A公开了一种不锈钢复合钢板的制造方法，在加热轧制前先利用爆炸焊接法进行单面或双面不锈钢复合，再结合热轧复合可以生产出总厚度小于2mm的不锈钢复合冷轧薄钢板及钢带。然而爆炸焊接法无法进行大尺寸、高厚度的不锈钢复合，且复合界面容易产生起伏，减薄时存在漏覆的可能性；另外每次爆炸只能进行单面焊接，严重制约了生产效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法，以解决现有不锈钢复合板生产效率低、复合界面性能低的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法，不锈钢/碳钢复合板的复合层为不锈钢或碳钢，基层为碳钢或不锈钢，制作方法包括以下步骤：

（1）制备复合层模具

取与不锈钢/碳钢复合板中复合层材质相同的板材并根据预计的复合层尺寸分别制作侧板、端板和底板；然后，在侧板的两端分别焊接端板，在侧板的底部焊接底板，得到顶部开口、底部封闭且具有腔体的复合层模具；

（2）制备夹持模具

根据复合层模具的尺寸采用板材制备同样顶部开口、底部封闭且具有腔体的夹持模具，且夹持模具的腔体与复合层模具的尺寸和形状相匹配并且足以容纳复合层模具，并且在夹持模具的外壁设置吊具；

（3）组合模具和浇注

将复合层模具放入夹持模具中，形成模具组，并且在不锈钢模具的顶部安装保温冒口，然后将模具组通过夹持模具的吊具吊装至加热炉中，并在惰性气氛或还原气氛中加热；将与不锈钢/碳钢复合板中基层材质相同的浇注液浇注至不锈钢模具的腔体内；

（4）后处理

浇注结束后将模具组的夹持模具脱除，然后对得到复合板坯体进行控冷和热处理，待浇注液完全凝固后进行轧制处理，制得不锈钢/碳钢复合板。

本发明的不锈钢/碳钢复合板可以以不锈钢作为复合层、碳钢作为基层，也可以以碳钢作为复合层、不锈钢作为基层。以本发明的技术构思作为指导，本领域技术人员还可以衍生出其他材质金属复合板的制作方法，亦在本发明的保护范围之内，例如可用于海洋平台的钛-碳钢复合板。

本发明的制作原理是：取欲作为复合层的板材制备复合层模具，通过固体金属板材直接得到复合层，然后以复合层模具通过浇注与基层材质相同的浇注液得到基层，通过固液复合的方式将碳钢和不锈钢进行复合，从而得到不锈钢/碳钢复合板。由于本发明直接以复合层作为模具，基层通过浇注液形式注入至复合层构成的腔体，通过熔合实现冶金结合，结合强度高能够满足后续工艺处理，因界面通过熔合形成，避免了界面氧化的问题，且整个过程时间简单，极大地提高了生产效率。

本发明在制备过程中通过设置夹持模具一方面便于运输，另一方面夹持模具起到预防不锈钢模具鼓肚变形，提升复层表面质量。夹持模具在选材方面优选强度较高的材料，以防在制备过程中变形，从成本角度考虑，可以采用碳素结构钢Q235。

在加热过程中，由于复合板结构为六面矩形板材，在顶角处散热较快，因此，在加热过程中，可增加对顶角的加热密度，从而保证整体性能均匀。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤（1）中，制备复合层的板材厚度为5-20mm，腔体的宽度为100-300mm。

腔体的宽度对应为基层的宽度。制备复合层的板材厚度则对应复合层的厚度。优选地，制备复合层的板材厚度为5mm，腔体的宽度为100mm。优选地，制备复合层的板材厚度为20mm，腔体的宽度为300mm。优选地，制备复合层的板材厚度为10mm，腔体的宽度为200mm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤（2）中，制备夹持模具的板材厚度为10-50cm。

采用制备夹持模具的板材厚度为10-50cm，可有效限制内部的不锈钢模具热变形，并且在移动过程中能够满足承重要求。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤（3）中，模具组的预热温度为100-1500℃，预热时间为0.5-3h。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤（3）中，浇注包括以下具体过程：

将浇注液置于浇包中，升温至高于基层材质熔点50-55℃的温度后，将浇注液注入至中间包中，然后通过连通中间包和加热炉的长水口和导流管注入至模具组中，导流管的材质与浇注液的材质相同，在浇注过程中，导流管逐渐熔化；

在浇注过程中，还通过液位检测系统对模具组中的液位进行实时检测，并且通过设置在长水口处的塞棒控流装置控制模具组内液面保持平稳。

需要说明的是，本发明所指的“滑动水口”，是指在水口（意为钢液流出的出口，也可理解为通孔结构）设置滑板的方式来控制浇包与中间包之间的联通状态。本发明所指的“长水口”，是指在水口设置长管的方式来连通中间包和加热炉。

本发明采用的塞棒控流装置的工作原理是，通过在长水口内设置棒状塞子，使塞子在长水口内沿长管上下移动，调节长水口大小，从而来控制钢液加热炉的流量大小。塞子完全拔出来时水流最大，一般情况下通过塞子部分堵塞水口来控制钢液流速，一般通过液压控制耐火材料材质的塞棒垂直移动调整流量。塞棒控流装置的具体结构可以参照现有技术中的结构实现，本发明对此不做也别限定。

为避免碳钢液对不锈钢模具内壁的冲刷而导致结合面性能降低，从而影响整个复合板的性能，本发明通过液位检测装置（也可称之为液位检测系统或液位波动检测系统）对液位进行监控，通过液面波动变化的剧烈程度来调节塞棒控流装置的流速大小。当液面波动剧烈时，通过数值模拟技术，将检测到的信号传递给控制器，然后控制器根据检测的信号调节塞棒控流装置调节流速大小，由此避免碳钢液对不锈钢模具内壁的冲刷。控制器为外接的控制设备，可选择上位机或PLC。前述所指的液位的剧烈程度是指单位时间内液面的变化高度，根据变化高度是否超过预设阈值来判断，超过则判断为剧烈，此时需要减小流速，反之，则可不变或适当增大流速。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤（4）中，控冷方式为空冷、水淬和油淬中的至少一种。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤（4）中，热处理为退火、正火、回火和淬火中的至少一种。

上述制作方法制备得到的不锈钢/碳钢复合板，包括：基层以及具有与基层的材质不同的复合层，基层为不锈钢或碳钢，复合层为碳钢或不锈钢；复合层包括间隔设置的至少两个侧板、设置在侧板两端且与侧板焊接的端板以及焊接在至少两个侧板的底部的底板，相邻两个侧板以及底板限定出顶部开口的腔体，基层填充在腔体内，复合层包围基层。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过固液结合的方式，通过界面融合实现冶金连接，其强度足以满足后续热轧要求，而且该中复合方式对结合层氧化皮的要求较低，降低了生产难度，同时，本发明的固液复合法生产的铸坯减小了热轧前结合面预加工的工作量，能够显著提高生产效率。此外，本发明采用固液复合的方式生产不锈钢/碳钢复合板，降低了生产过程对真空度的要求。

本发明通过设计内、外双层模具的方式，简化了采用砂型铸造或消失模铸造进行固液复合时复杂的前置工艺流程，并可适应多种规格、多种成分的生产要求；同时本发明制备复合板的夹持模具可以重复利用，方便模具运输过程的同时起到预防不锈钢模具鼓肚变形，提升复层表面质量的作用。

本发明的自动化程度高，无需大量人工操作，提高了产品稳定性及生产效率。

本发明的复合层通过侧板、端板和底板围合形成用于填充基层的腔体，这种结构使得基层的四周至少有三边都是被复合层包围，使得复合层与基层的结合界面绝大部门在复合板内部，避免了复合板结合界面氧化的问题，从而提高了复合板性能。

附图说明

图1为本发明实施例复合层模具的结构示意图；

图2为本发明实施例夹持模具的结构示意图；

图3为本发明实施例生产系统的结构示意图。

图中：1-加热炉；2-行车通道；3-浇包；4-钢水处理站；5-中间包；6-滑动水口；7-长水口；8-塞棒控流装置；9-导流碳钢管；10-模具组件；11-模具运输平台；110-导轨；111-输送车；101-不锈钢侧板；102-不锈钢边板；103-不锈钢底板；104-模具空腔；106-夹持侧板；107-夹持边板；108-夹持底板；109-吊具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法，不锈钢/碳钢复合板的复合层为不锈钢，基层为碳钢，制作方法包括以下步骤：

（1）制备复合层模具

取与不锈钢/碳钢复合板中复合层材质相同的板材并根据预计的复合层尺寸分别制作侧板、端板和底板。复合层本实施例中为不锈钢板。侧板为304不锈钢，表面尺寸2000*1500mm，厚度10mm，两板内壁间距150mm。端板和底板均为厚度20mm。然后，在侧板的两端分别焊接端板，在侧板的底部焊接底板。各面焊接前均经过精整，焊接后外部尺寸经激光测距仪检测负偏差小于0.1mm。得到顶部开口、底部封闭且具有腔体的复合层模具。

在图1所示的实施例中，复合层为不锈钢，基层为碳钢。因此，按照上述方法制备得到不锈钢模具。如图2所示，不锈钢模具包括两片相对设置的不锈钢侧板101、设置在两片不锈钢侧板101端部之间的不锈钢边板102以及设置在两片不锈钢板101底部之间的底板103，两片不锈钢侧板101、不锈钢边板102及不锈钢底板103之间共同形成模具空腔104。两块不锈钢板101内壁间距等同于基层碳钢板的厚度，焊接后模具外部尺寸与复合板产品需求一致，尺寸负偏差小于0.1mm。

（2）制备夹持模具

根据复合层模具的尺寸采用板材制备同样顶部开口、底部封闭且具有腔体的夹持模具，且夹持模具的腔体与复合层模具的尺寸和形状相匹配并且足以容纳复合层模具，并且在夹持模具的外壁设置吊具。本实施例中，夹持模具由Q235碳素结构钢板连接组成，各板厚度均为100mm。其中，夹持模具的端板、底板通过焊接连接，侧板与端板、底板间为插销连接，以便及时脱模，侧板外部加装有吊具。夹持模具内部各面均经过精整，尺寸恰好使步骤（1）的不锈钢模具放入其中，本实施例中为2000*1600*170mm，经激光测距仪检测正偏差小于0.1mm。

如图2所示，夹持模具包括设置在不锈钢侧板101外壁面上的夹持侧板106、设置在不锈钢边板102外壁面上的夹持边板107以及设置在不锈钢底板103外壁面上的夹持底板108，且夹持侧板106与夹持边板107之间、夹持侧板106与夹持底板108之间均通过插销连接。夹持侧板106、夹持边板107以及夹持底板108共同形成有供不锈钢模具放入的夹持空腔，且所述夹持空腔的大小与所述不锈钢模具的大小相适配。在夹持模具的外壁设置吊具109。

（3）组合模具和浇注

将复合层模具（在本实例中也可具体为不锈钢模具）放入夹持模具中，形成模具组，并且在不锈钢模具的顶部安装保温冒口，然后将模具组通过夹持模具的吊具吊装至加热炉中，然后根据模具组尺寸和预热温度制定加热制度，并在惰性气氛或还原气氛中加热。本实施例中，预热温度为1200℃，预热时间为3h。将与不锈钢/碳钢复合板中基层材质相同的浇注液浇注至不锈钢模具的腔体内。待浇Q235碳素结构钢钢液盛放于浇包中，经钢水处理站升温至液相线上50-55℃后，吊运至加热炉上方，通过加热炉浇注系统进行浇注。待浇碳钢钢液经滑动水口注入中间包进行分流，再通过长水口及导流碳钢管注入模具组。碳钢管随浇注进行逐渐溶化，并在浇注过程中通过液位检测系统对模具组中液位进行实时检测，以调整塞棒控流装置保持液面平稳不冲刷不锈钢壁面。

（4）后处理

浇注结束后将模具组的夹持模具脱除，然后对得到复合板坯体进行控冷和热处理，待浇注液完全凝固后进行轧制处理，制得不锈钢/碳钢复合板。具体地，将所述模具组运送至热处理区，将复合板吊入热处理池淬火，并打开插销进行脱模，待完全冷却后切除冒口，去除表面氧化皮，准备运往加热炉或直接轧制。而夹持模具去除内壁氧化皮后即可重新投入使用。

控冷方式为空冷、水淬和油淬中的至少一种。热处理为退火、正火、回火和淬火中的至少一种。

实施例2：

一种不锈钢/碳钢复合板，包括：基层以及具有与基层的材质不同的复合层，基层为不锈钢或碳钢，复合层为碳钢或不锈钢。

复合层包括间隔设置的至少两个侧板、设置在侧板两端且与侧板焊接的端板以及焊接在至少两个侧板的底部的底板，相邻两个侧板以及底板限定出顶部开口的腔体，基层填充在腔体内，复合层包围基层。

实施例3：

基于本发明的制作方法，还提供了不锈钢/碳钢复合板的生产系统，如图3所示，其包括浇注系统、模具组件10、模具运输平台11以及热处理机构。

请参照图3，浇注系统,包括：加热炉1、行车通道2、钢水处理站4、浇包3、中间包5以及液位检测装置（图未示）。行车通道2位于整个浇注系统的上方，其用于调运浇包3，将浇包3调运至中间包5的上方，以向中间包5中注入碳钢液。具体地，行车通道2设置在加热炉1的上方。钢水处理站4与浇包3连接以处理浇包3内的碳钢液，通过钢水处理站4对浇包3内的碳钢液进行温度和成分控制，使之满足浇注要求。浇包3可移动地设置在行车通道2上。浇包3悬吊在行车通道2上，沿行车通道2移动，将其调运至中间包5的上方，以注入碳钢液。本发明通过行车通道2对浇包3进行调运控制，提高了操作方便快捷，而且通过移动中间包5还可以对不同加热炉1上的中间包5进行碳钢液的注入，从而实现大规模连续生产，大大提高生产效率。浇包3的底部设有与中间包5相对应的滑动水口6，通过滑动水口6向中间包5中注入碳钢液。中间包5设置在浇包3的下方。为便于固定安装以及与加热炉1连通的便利性，中间包5同时设置在加热炉1的顶部。中间包5的底部设有连通中间包5和加热炉1的长水口7。长水口7位于中间包5的一侧设有塞棒控流装置8，用于控制碳钢液的流入速度，避免因速度过快对不锈钢模具内表面冲刷，而影响界面结合，同时也避免因速度过慢而降低生产效率。长水口7位于加热炉1的另一侧设有导流碳钢管9。导流碳钢管9用于将浇注液导向不锈钢模具的腔体中部，避免浇注液对不锈钢模具内壁冲刷，而且导流碳钢管9材质与浇注液相同，均为碳钢，在起到导流作用的同时也不会因材质不同而引入新的杂质。液位检测装置设置在制备不锈钢/碳钢复合板的不锈钢模具中，用于实时监测浇注液的液位变化，使得塞棒控流装置8根据检测到的液位变化来控制浇注液的流速，避免浇注液对不锈钢模具内壁的冲刷。不锈钢模具在浇注过程中位于加热炉1内。加热炉1内设有图中未示出的加热系统和气氛保护系统。

如图3所示，模具运输平台11包括导轨110以及配合连接在导轨110上的模具输送车111。模具组件10位于模具输送车111内，模具组件10为多个，并安装在模具运输车上。本发明的模具组件10包括上述不锈钢模具和夹持模具。在不锈钢模具上方安装保温冒口，以提高保温效果，提高了铸件的内在质量和铸件的致密性，且保证浇注后的产品高温收缩小，外形规整。当浇注完成后，当完全冷却后将模具上的冒口切除即可，然后进行后续热处理加工。

下面对本发明的生产系统的生产过程进行说明。

利用模具运输平台11将模具组件10运至加热炉1前，并通过夹持模具两侧吊具109放入加热炉1中指定位置，根据模具组件10尺寸及预热温度制定加热制度，对模具组件10进行预热，预热后通过模具运输车将模具组件10经由加热炉1侧边炉门进入加热炉1并停靠在指定浇注位置，进而通过浇注系统进行浇注作业。

进行浇注时，待浇碳钢钢液经钢水处理站4调控温度、成分后，由顶部行车通道2将钢包吊运至加热炉1上方，通过加热炉1浇铸系统进行浇铸。待浇碳钢液经中间包5分流后可实现多模具连浇、同浇，浇铸时通过液位检测系统对不锈钢模具中碳钢液面进行检测，并在线调整控流装置，确保液面平稳以减少对不锈钢模具内壁的冲刷。浇铸完毕后，由炉前装送系统将模具组件10放入模具运输平台11，并在运输过程中对夹持模具外表面进行控冷，到达热处理区后，将模具组吊入热处理池进行冷却、夹持模具脱模，不锈钢模具及内部凝固碳钢即所生产的双层不锈钢/碳钢复合板。

冷却完成后，对双层不锈钢/碳钢复合板进行表面处理，准备运往加热炉1或直接轧制，夹持模具去除内壁氧化皮后即可重新投入使用。加热炉1内部设有加热系统、气氛保护系统，通过加热系统控制加热炉1内部温度保持在100-1500°C，通过气氛保护系统保证生产过程始终保持惰性/还原性气氛。本发明可采用多个加热炉1对模具组件进行热处理，例如可通过两个加热炉1可同时对5组模具进行预热、浇注，从而实现大规模生产。

如图3所示，导轨110横向贯穿加热炉1并延伸至热处理机构内，便于模具运输平台11通过地面轨道可自动化往返于加热炉1-热处理池之间。在运输过程对模具组件10进行控冷。

通过模具运输车将模具组件10运送至热处理区，将复合板吊入热处理池淬火，并打开插销进行脱模，待完全冷却后切除冒口，去除表面氧化皮，准备运往加热炉1或直接轧制，而夹持模具去除内壁氧化皮后即可重新投入使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种不锈钢/碳钢复合板的制作方法，其特征在于，所述不锈钢/碳钢复合板的复合层为不锈钢，基层为碳钢，所述制作方法包括以下步骤：

（1）制备复合层模具

取与不锈钢/碳钢复合板中复合层材质相同的板材并根据预计的复合层尺寸分别制作侧板、端板和底板；然后，在所述侧板的两端分别焊接所述端板，在所述侧板的底部焊接所述底板，得到顶部开口、底部封闭且具有腔体的复合层模具；

（2）制备夹持模具

根据所述复合层模具的尺寸采用板材制备同样顶部开口、底部封闭且具有腔体的夹持模具，且所述夹持模具的腔体与所述复合层模具的尺寸和形状相匹配并且足以容纳所述复合层模具，并且在所述夹持模具的外壁设置吊具；

其中，所述夹持模具的板材厚度为10-50cm；

（3）组合模具和浇注

将所述复合层模具放入所述夹持模具中，形成模具组，并且在所述不锈钢模具的顶部安装保温冒口，然后将所述模具组通过所述夹持模具的吊具吊装至加热炉中，并在惰性气氛或还原气氛中加热；将与不锈钢/碳钢复合板中基层材质相同的浇注液浇注至所述不锈钢模具的腔体内；

其中，模具组的预热温度为1200℃，预热时间为0.5-3h；所述浇注包括以下具体过程：

将浇注液置于浇包中，升温至高于基层材质熔点50-55℃的温度后，将浇注液注入至中间包中，然后通过连通中间包和加热炉的长水口和导流管注入至所述模具组中，导流管的材质与所述浇注液的材质相同，在浇注过程中，导流管逐渐熔化；

在浇注过程中，液位检测装置设置在不锈钢/碳钢复合板的不锈钢模具中，通过液位检测系统对模具组中的液位进行实时检测，使得塞棒控流装置根据检测到的液位变化来控制浇注液的流速，并且通过设置在所述长水口处的塞棒控流装置控制模具组内液面保持平稳；

（4）后处理

浇注结束后将模具组的夹持模具脱除，然后对得到复合板坯体进行控冷和热处理，待浇注液完全凝固后进行轧制处理，制得不锈钢/碳钢复合板。

2.根据权利要求1所述的不锈钢/碳钢复合板的制作方法，其特征在于，步骤（1）中，制备所述复合层的板材厚度为5-20mm，所述腔体的宽度为100-300mm。

3.根据权利要求1-2任一项所述的不锈钢/碳钢复合板的制作方法，其特征在于，步骤（4）中，所述控冷方式为空冷、水淬和油淬中的至少一种。

4.根据权利要求1-2任一项所述的不锈钢/碳钢复合板的制作方法，其特征在于，步骤（4）中，所述热处理为退火、正火、回火和淬火中的至少一种。

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