CN114558887B - 一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轧制设备技术领域，具体涉及一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置及方法，装置包括设置在轧机入口侧的箱体，在箱体底板的左右两侧均设置有多组一号滑槽，在箱体的上方设置有绝缘耐高温送料板，在绝缘耐高温送料板上设置有与一号滑槽相对应的二号滑槽，在二号滑槽内滑动设置有耐高温导电块，在一号滑槽内滑动设置有调节组件，耐高温导电块与调节组件绝缘连接，调节组件用于调节左右两侧耐高温导电块之间的间距以及耐高温导电块对板带的支持力，左右两侧的耐高温导电块分别通过导线与外部脉冲电流电源的正极和负极连接。本发明成功地利用电致塑性，保证了电流的施加效果，同时减轻了附加装置对原轧制过程的影响。

Description

一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置及方法

技术领域

本发明属于轧制设备技术领域，具体涉及一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置及方法。

背景技术

难变形金属材料在航空航天、国防军工等高新技术行业领域的应用越来越广泛，发挥着日益重要的作用。但是其变形抗力大，延伸率低，塑性差，因而加工难度较大，轧制成形有着常温难成形、高温易氧化、加工窗口窄的特点，并且轧制过程中板件上易产生裂纹，发生边裂等现象。

在材料轧制过程中在材料上施加脉冲电流可以产生电致塑性，对材料的力学性能产生影响，增强其塑性变形能力，降低变形抗力；电致塑性还可以影响材料的组织，加快金属的再结晶过程，细化晶粒。研究表明当在难变形金属材料的轧制过程中施加脉冲电流时，带来的能量可以促使位错移动、修复其缺陷，从而减少材料表面的裂纹，抑制边裂现象，同时改善材料组织，防止其晶粒粗大，提高加工质量。

板材轧制领域内已有许多利用脉冲电流产生电致塑性的装置和方法：

按电流的施加方式，有的方法通过直接外加脉冲电流辅助轧制，有的方法利用磁场的电效应来辅助轧制，但是这种方法只能用于中低温板材轧制领域，一旦板材温度超过居里温度并失去磁性，该类方法就失去效用了。

按电流的施加位置，主要将脉冲电流直接施加在轧辊上、在轧机进料口后侧和出料口前侧两端连接电源施加电流、在轧机左右两侧施加脉冲电流三类。有的方法将脉冲电流直接施加在轧辊上，从对辊的影响考虑，这种方法没有考察电流作用于轧辊的具体效应，在增强被轧制板料塑性变形能力的同时也可能造成轧辊的刚度降低、轧辊寿命缩短等不良影响；从安全方面考虑，可能使得电流在轧机上传导，包含许多不确定因素，不能保证安全要求；从能量利用方面考虑，电流在轧辊和轧机上的传导也会增大功率损耗，降低效率。有的方法在轧机进料口后侧和出料口前侧两端连接电源施加电流，轧机进料口和出料口间跨度较大，如果要形成有效电流回路需要板料横跨两端，从可轧制的板材类型来看，该类方法无法轧制长度较小板材；从轧制效果和经济性方面来看，即使板材有足够长度，在轧制时板材前端和尾部处也无法形成回路，使得板材轧制效果不均匀，前端和尾部处需要切除，浪费材料。有的方法在轧机左右两侧施加脉冲电流，在连接电极区段和实际轧制区段间存在一定距离，但是未考虑电流密度的衰减和电致塑性效应的作用范围，实际轧制时需要施加较大脉冲电流，增大了能量损耗。

有的方法只考虑了特定材料、特定尺寸的板材轧制过程，施加电流方式简单，没有通用性，未考虑板材的送入阻力、板材尺寸的变化、板材温度的影响等，只能用于特定的轧制过程；或是没有考虑电流在板材上的分布，使得电流密度大小在板材上不同部分有较大差别，导致轧制材料组织不均匀。有的方法装置较为复杂，部件多、成本高、可靠性低，难以实际应用。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置及方法。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置，包括设置在轧机入口侧的箱体，在所述箱体底板的左右两侧均设置有多组一号滑槽，且左右两侧的一号滑槽对称设置，在所述箱体的上方设置有绝缘耐高温送料板，在所述绝缘耐高温送料板上设置有与一号滑槽相对应的二号滑槽，在所述二号滑槽内滑动设置有耐高温导电块，在所述一号滑槽内滑动设置有调节组件，所述耐高温导电块与调节组件绝缘连接，所述调节组件用于调节左右两侧耐高温导电块之间的间距以及耐高温导电块对板带的支持力，左右两侧的所述耐高温导电块分别通过导线与外部脉冲电流电源的正极和负极连接。

进一步，所述调节组件包括滑动设置在一号滑槽内的调节螺丝以及设置在箱体底板上表面的调节板，所述调节板的前后边缘与箱体的前后侧壁相接触，从而保证调节板在箱体内部只能进行滑动，所述调节板上固定设置有定位螺母，所述调节螺丝与定位螺母螺纹连接，在所述调节螺丝上还螺纹连接有夹紧螺母，所述夹紧螺母位于箱体的下方，在所述调节螺丝的上方设置有绝缘板，所述耐高温导电块设置在绝缘板上。

再进一步，在所述调节螺丝的上部固定设置有圆螺母，在所述圆螺母的上端面设置有弹簧，所述弹簧的上端与绝缘板的下表面相接触。

更进一步，在所述绝缘板上设置有通孔，在所述通孔内设置有绝缘螺纹柱，所述绝缘螺纹柱的上端穿过通孔与耐高温导电块螺纹连接，所述弹簧的下部套设在调节螺丝上，所述弹簧的上部套设在绝缘螺纹柱上。

更进一步，在所述绝缘板与耐高温导电块之间设置有铜接线头，所述铜接线头套设在绝缘螺纹柱上，所述铜接线头的外延端通过导线与外部脉冲电流电源连接。

更进一步，所述箱体通过螺栓与连接板相连，所述连接板通过螺栓与轧机相连。

一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加方法，包括以下步骤：

1)向下旋转夹紧螺母，使调节螺丝与箱体松开，根据板带的宽度推动调节板移动，以调节左右两侧耐高温导电块之间的间距，改变加电宽度，使电流能够分布于板材的整个宽度跨度上；

2)根据板带的大小和重量旋转调节螺丝，调整其旋入长度，从而改变弹簧的压缩长度，改变弹簧的弹力，使得放入板带后，板带与耐高温导电块之间有一定的压力，在保证板带与耐高温导电块接触的前提下，板带的自重大于弹簧提供给耐高温导电块的升力，使板带能将耐高温导电块压下，并与绝缘耐高温送料板接触，保证板带能平稳地被送入轧机进行轧制；

3)向上旋转夹紧螺母，通过夹紧螺母与定位螺母的配合夹紧箱体，使调节板的位置得到固定；

4)打开外部脉冲电流电源，向耐高温导电块通入电流。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明克服了其它已有装置的缺点，成功地利用电致塑性，保证了电流的施加效果，同时减轻了附加装置对原轧制过程的影响；本装置能应用于多种材料，尤其是高温难变形材料的轧制过程，并有体积小、可靠性高以及成本低等优点；

2、本发明利用电致塑性，通过施加脉冲电流改善轧制工艺过程，一方面对材料的力学性能产生影响，增强其塑性变形能力，降低变形抗力，利用施加脉冲电流时带来的能量促使位错移动、修复其缺陷，从而减少材料表面的裂纹，抑制边裂现象；另一方面通过电致塑性改善材料的组织，加快金属的再结晶过程，细化晶粒，提高加工质量；

3、本发明能够保证施加电流的效果，第一，本发明保证了加电装置与板材的接触面积：本发明通过弹簧施力进行接触，因此导电块的顶面可以不严格地平行于送料板，即使板材表面有一定斜度，导电块也能在弹簧的柔性伸缩下以平面贴合板材表面；第二，本发明保证了电流施加的有效性：本发明可以进行宽度调节，使得电流能够分布于板材的整个宽度跨度上，电致塑性能够作用于轧制的整个宽度区域；第三，本发明减小了电流损耗：本发明直接取代送料板，加电位置与实际轧制区域间距离小，电流密度衰减小，减小了电流损耗；

4、本发明减轻了电流施加装置对原轧制过程的影响：一方面，本发明没有对原轧机造成影响：本发明通过导电块加电，在导电块周围用绝缘材料防止了电流的传导，只保留了从导电块到电源这一条电流通路，相较于直接在轧辊上施加电流的脉冲电流施加装置，本发明延长了轧辊寿命，保证了大脉冲电流下的安全性，同时减少了电流施加于轧机上造成的不确定效应；另一方面，本发明减小了板材送入的阻力：本发明利用板材自重，通过弹簧向上顶起，平衡板材一部分支持力，当使用带有润滑性质的石墨材料进行导电时，由于石墨导电块与板材间的摩擦系数小，而又通过弹簧使得石墨导电块承担了板材的大部分自重，因此在加电接触面紧贴合的前提下实现了板材送入时的低阻力：

5、本发明综合考虑到隔热、绝缘以及强度等问题，可以适用于包括高温难变形材料在内的多种不同材料的脉冲电流辅助轧制过程；当使用石墨材料导电块、氧化铝特种陶瓷材料的绝缘耐高温送料板和绝缘板时，该装置能适用于极端工作条件，由于石墨材料导电性好且有自润滑性能，且使用温度可达1200摄氏度以上，优于目前以铜基导体为主的使用温度，因此适用于高温板料的轧制过程，而氧化铝特种陶瓷有绝缘隔热性能，耐高温性能优于一般陶瓷，最高使用温度可达1600摄氏度以上，且有一定强度，能满足高温材料轧制过程的要求。

附图说明

图1为本发明的使用状态图；

图2为本发明箱体与连接板安装示意图；

图3为本发明箱体的内部结构图；

图4为本发明调节组件的安装示意图；

图5为本发明单个调节组件的安装示意图；

图6为本发明调节组件的爆炸图；

图7为本发明实施案例中钛铝合金坯料的实体图；

图8为本发明实施案例中轧制得到的钛铝合金板的显微视图；

图中，轧机—1、箱体—2、一号滑槽—3、绝缘耐高温送料板—4、二号滑槽—5、耐高温导电块—6、导线—7、外部脉冲电流电源—8、调节螺丝—9、调节板—10、定位螺母—11、夹紧螺母—12、绝缘板—13、圆螺母—14、弹簧—15、通孔—16、绝缘螺纹柱—17、铜接线头—18、连接板—19。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

如图1至图6所示，一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置，包括设置在轧机1入口侧的箱体2，所述箱体2通过螺栓与连接板19相连，所述连接板19通过螺栓与轧机1相连，在所述箱体2底板的左右两侧均设置有多组一号滑槽3，且左右两侧的一号滑槽3对称设置，在所述箱体2的上方设置有绝缘耐高温送料板4，在所述绝缘耐高温送料板4上设置有与一号滑槽3相对应的二号滑槽5，在所述二号滑槽5内滑动设置有耐高温导电块6，在所述一号滑槽3内滑动设置有调节组件，所述耐高温导电块6与调节组件绝缘连接，所述调节组件用于调节左右两侧耐高温导电块6之间的间距，以及耐高温导电块6对板带的支持力，左右两侧的所述耐高温导电块6分别通过导线7与外部脉冲电流电源8的正极和负极连接。

所述调节组件包括滑动设置在一号滑槽3内的调节螺丝9以及设置在箱体2底板上表面的调节板10，所述调节板10的前后边缘与箱体2的前后侧壁相接触，从而保证调节板10在箱体2内部只能进行滑动，所述调节板10上固定设置有定位螺母11，所述调节螺丝9与定位螺母11螺纹连接，在所述调节螺丝9上还螺纹连接有夹紧螺母12，所述夹紧螺母12位于箱体2的下方，在所述调节螺丝9的上方设置有绝缘板13，所述耐高温导电块6设置在绝缘板13上表面的凹槽中；在所述调节螺丝9的上部固定设置有圆螺母14，在所述圆螺母14的上端面设置有弹簧15，所述弹簧15的上端与绝缘板13的下表面相接触；在所述绝缘板13上设置有通孔16，在所述通孔16内设置有绝缘螺纹柱17，所述弹簧15的下部套设在调节螺丝9上，所述弹簧15的上部套设在绝缘螺纹柱17上，所述绝缘螺纹柱17的上端穿过通孔16与耐高温导电块6螺纹连接，在所述绝缘板13与耐高温导电块6之间设置有铜接线头18，所述铜接线头18套设在绝缘螺纹柱17上，所述铜接线头18的外延端通过导线7与外部脉冲电流电源8连接。

一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加方法，包括以下步骤：

1)向下旋转夹紧螺母12，使调节螺丝9与箱体2松开，根据板带的宽度推动调节板10移动，以调节左右两侧耐高温导电块6之间的间距，改变加电宽度，使电流能够分布于板材的整个宽度跨度上；

2)根据板带的大小和重量旋转调节螺丝9，调整其旋入长度，从而改变弹簧15的压缩长度，改变弹簧15的弹力，使得放入板带后，板带与耐高温导电块6之间有一定的压力，在保证板带与耐高温导电块6接触的前提下，板带的自重大于弹簧15提供给耐高温导电块6的升力，使板带能将耐高温导电块6压下，并与绝缘耐高温送料板4接触，保证板带能平稳地被送入轧机1进行轧制；

3)向上旋转夹紧螺母12，通过夹紧螺母12与定位螺母11的配合夹紧箱体2，使调节板10的位置得到固定；

4)打开外部脉冲电流电源8，向耐高温导电块6通入电流。

实施案例

根据轧制工艺安排，开展轧制实验；轧制板材尺寸选用长200mm，宽100mm，厚8mm的TiAl合金坯料，经打磨后放置保温箱中进行加热；

调节调节螺丝9，使得全部耐高温导电块6可提供的总的支持力大致等于板料重量的50％～80％，在进口处的耐高温导电块6支持力适当调小一些，以防板料轧制过程快结束时尾部被顶起使得轧制不平稳，推动调节板10，调节两侧的耐高温导电块6间距离为70mm，使得两侧耐高温导电块6间距离加上耐高温导电块6宽度略微大于板料宽度；

板料加热完毕后启动轧机，设置轧制速度10mm/s，轧制温度1200℃，道次压下率10％，总压下率60％，接通外部脉冲电流电源8，设置功率为10kW，脉冲频率为200Hz，施加电流密度为150A/mm²，用推板送入板料。

在轧制过程中，通过对本发明施加脉冲电流，能够提高塑性变形能力，降低变形抗力，利用施加脉冲电流时带来的能量促使位错移动、修复其缺陷，减少了材料表面的裂纹，抑制其边裂，同时提高了轧机使用寿命。电致塑性改善了材料的组织，加快金属的再结晶过程，细化其晶粒，提高了加工质量。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置，其特征在于：包括设置在轧机（1）入口侧的箱体（2），在所述箱体（2）底板的左右两侧均设置有多组一号滑槽（3），且左右两侧的一号滑槽（3）对称设置，在所述箱体（2）的上方设置有绝缘耐高温送料板（4），在所述绝缘耐高温送料板（4）上设置有与一号滑槽（3）相对应的二号滑槽（5），在所述二号滑槽（5）内滑动设置有耐高温导电块（6），在所述一号滑槽（3）内滑动设置有调节组件，所述耐高温导电块（6）与调节组件绝缘连接，所述调节组件用于调节左右两侧耐高温导电块（6）之间的间距，以及耐高温导电块（6）对板带的支持力，左右两侧的所述耐高温导电块（6）分别通过导线（7）与外部脉冲电流电源（8）的正极和负极连接；

所述调节组件包括滑动设置在一号滑槽（3）内的调节螺丝（9）以及设置在箱体（2）底板上表面的调节板（10），所述调节板（10）的前后边缘与箱体（2）的前后侧壁相接触，从而保证调节板（10）在箱体（2）内部只能进行滑动，所述调节板（10）上固定设置有定位螺母（11），所述调节螺丝（9）与定位螺母（11）螺纹连接，在所述调节螺丝（9）上还螺纹连接有夹紧螺母（12），所述夹紧螺母（12）位于箱体（2）的下方，在所述调节螺丝（9）的上方设置有绝缘板（13），所述耐高温导电块（6）设置在绝缘板（13）上。

2.根据权利要求1所述的一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置，其特征在于：在所述调节螺丝（9）的上部固定设置有圆螺母（14），在所述圆螺母（14）的上端面设置有弹簧（15），所述弹簧（15）的上端与绝缘板（13）的下表面相接触。

3.根据权利要求2所述的一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置，其特征在于：在所述绝缘板（13）上设置有通孔（16），在所述通孔（16）内设置有绝缘螺纹柱（17），所述绝缘螺纹柱（17）的上端穿过通孔（16）与耐高温导电块（6）螺纹连接，所述弹簧（15）的下部套设在调节螺丝（9）上，所述弹簧（15）的上部套设在绝缘螺纹柱（17）上。

4.根据权利要求3所述的一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置，其特征在于：在所述绝缘板（13）与耐高温导电块（6）之间设置有铜接线头（18），所述铜接线头（18）套设在绝缘螺纹柱（17）上，所述铜接线头（18）的外延端通过导线（7）与外部脉冲电流电源（8）连接。

5.根据权利要求1所述的一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加装置，其特征在于：所述箱体（2）通过螺栓与连接板（19）相连，所述连接板（19）通过螺栓与轧机（1）相连。

6.基于权利要求4所述装置的一种面向高温难变形金属材料轧制的电流施加方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）向下旋转夹紧螺母（12），使调节螺丝（9）与箱体（2）松开，根据板带的宽度推动调节板（10）移动，以调节左右两侧耐高温导电块（6）之间的间距，改变加电宽度，使电流能够分布于板材的整个宽度跨度上；

2）根据板带的大小和重量旋转调节螺丝（9），调整其旋入长度，从而改变弹簧（15）的压缩长度，改变弹簧（15）的弹力，使得放入板带后，板带与耐高温导电块（6）之间有一定的压力，在保证板带与耐高温导电块（6）接触的前提下，板带的自重大于弹簧（15）提供给耐高温导电块（6）的升力，使板带能将耐高温导电块（6）压下，并与绝缘耐高温送料板（4）接触，保证板带能平稳地被送入轧机（1）进行轧制；

3）向上旋转夹紧螺母（12），通过夹紧螺母（12）与定位螺母（11）的配合夹紧箱体（2），使调节板（10）的位置得到固定；

4）打开外部脉冲电流电源（8），向耐高温导电块（6）通入电流。