CN114603097B - 一种金属管材低压离心连铸装置及方法 - Google Patents

一种金属管材低压离心连铸装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种金属管材低压离心连铸装置及方法，本发明为了解决现有离心铸造设备及方法无法满足长尺寸金属管材在小尺寸设备下短流程、高效率、连续近净成形的问题。本发明金属管材低压离心连铸装置中的成形装置由砂芯和外模组成，圆形砂芯套设在外模内部，砂芯与外模之间形成型腔，离心装置驱动旋转基座和成形装置旋转，低压浇注装置通过连接管与型腔相连通，在型腔的敞口处设置有连铸抽拉装置，连铸抽拉装置中设置有冷却基板，在工作状态下，连铸抽拉装置沿轴向方向抽拉型腔内的熔体。本发明低压离心连铸装置及方法通过连续抽拉成形，能实现小尺寸设备连续、高效、大批量、近净成形长尺寸金属管材。

Description

一种金属管材低压离心连铸装置及方法
技术领域
本发明涉及低压离心连铸设备及方法，具体涉及通过将低压铸造、离心铸造、连续铸造多种技术进行耦合，实现金属管材的长尺寸、高效、大批量、连续近净成形的设备和方法。
背景技术
目前，金属管材的制备方法主要有热轧、冷轧、拉拔和挤压等，但是这些设备和方法通常需要将合金熔体先制备成棒状铸锭，然后再经过冷变形或者热变形工艺来进行管材的加工，这类方法会造成金属管材的工艺流程严重增多、工艺成本加大、生产效率降低等问题。
目前，现有的离心铸造设备及方法，在制备金属管材时，通常无法制备较长尺寸的管材，通常为3米以内，且离心铸造设备的尺寸通常决定了管材的尺寸，因此在制备长尺寸管材时，就要求离心铸造设备尺寸也加长，这就增大了设备成本，且无法有效解决更长尺寸的金属管材制备问题。且传统的离心铸造方法需要通过计算金属管的尺寸和熔体浇注量来对金属管的成形尺寸进行控制，这种方法导致金属管的内径无法保证均匀一致性，还需要后续机械加工，因此无法实现金属管材长尺寸、高效率、近净成形。
综上所述，针对金属管材的长尺寸、高效率、近净成形，需要提出一种全新的离心连铸设备来同时满足所有要求，实现金属管材直接通过连续铸造方法近净成形，并实现利用小设备高效率制备长尺寸金属管材的目的，减少设备成本，缩短工艺流程，降低生产成本，提高生产效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有离心铸造设备及方法无法满足长尺寸金属管材在小尺寸设备下短流程、高效率、连续近净成形的问题，而提供了一种金属管材低压离心连铸装置及方法。
本发明金属管材低压离心连铸装置包括低压浇注装置、离心装置、成形装置和连铸抽拉装置，其中成形装置由砂芯和外模组成，外模为卧式圆筒形，圆柱形砂芯套设在外模内部，砂芯与外模之间形成型腔；
离心装置包括第一主动辊和第二主动辊，成形装置固定在旋转基座上，成形装置和旋转基座同轴设置，第一主动辊驱动旋转基座旋转运动，第二主动辊驱动成形装置旋转运动，低压浇注装置通过连接管与型腔相连通，在型腔的敞口处设置有连铸抽拉装置，连铸抽拉装置中设置有冷却基板，在工作状态下，连铸抽拉装置沿轴向方向抽拉型腔内的熔体。
本发明金属管材低压离心连铸方法按照以下步骤实现：
一、在低压浇注装置的加热炉中加热熔化金属材料，向加热炉内通入压缩气体，使金属熔体经过连接管进入成形装置的型腔中，型腔的出口处为温度测量区域；
二、合金熔体填满型腔后，开启离心装置以及连续抽拉装置中的水冷系统，金属熔体在型腔中离心成形，通过连铸抽拉装置从冷却基板向金属熔体内部顺序凝固；
三、当温度测量区域处于金属固相区域时，开启连续抽拉装置，使金属材料向外连续拉出，抽拉过程中保证温度测量区域始终为金属材料的固相区域，且低压浇注装置向型腔连续充填金属熔体；
四、连续拉出铸件后，金属管材外壁上安装外置转动辊组，并开启外置水冷装置对拉出的铸件进行降温冷却；
五、当连续拉出铸件达到所需要的管材尺寸后，关闭低压浇注装置，完成金属管材的低压离心连铸。
本发明金属管材低压离心连铸设备主要包括低压浇注装置、离心装置、成形装置和连铸抽拉装置组成。在连续拉出铸件的过程中，在拉出的管件上设置多个外置转动辊组，每个外置转动辊组由6个辊轮组成，其中每2个辊轮一组，由下方的一个主动辊进行转动，其它从动辊主要起到限位作用。在外置转动辊组中还可设置喷水装置，对抽拉出来的管材进行降温冷却。
本发明金属管材低压离心铸造方法包括利用低压浇注装置向成形装置中连续充填合金熔体，同时开启离心装置和连铸抽拉装置，实现金属液离心铸造的同时能够连续抽拉成形，其中离心装置进行熔体的离心成形，连续抽拉装置进行熔体的顺序凝固和连续抽拉。
本发明能实现小尺寸设备连续、高效、大批量、近净成形长尺寸金属管材，解决目前设备和方法无法通过铸造方法高效连续成形长尺寸管材的问题。
附图说明
图1是本发明金属管材低压离心连铸装置在初始时刻的结构示意图；
图2是本发明金属管材低压离心连铸装置在工作状态的结构示意图；
图3是外置转动辊组的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式金属管材低压离心连铸装置包括低压浇注装置1、离心装置2、成形装置3和连铸抽拉装置4，其中成形装置3由砂芯3-1和外模3-2组成，外模3-2为卧式圆筒形，圆柱形砂芯3-1套设在外模3-2内部，砂芯3-1与外模3-2之间形成型腔；
离心装置2包括第一主动辊2-2和第二主动辊2-3，成形装置3固定在旋转基座5上，成形装置3和旋转基座5同轴设置，第一主动辊2-2驱动旋转基座5旋转运动，第二主动辊2-3驱动成形装置3旋转运动，低压浇注装置1通过连接管6与型腔相连通，在型腔的敞口处设置有连铸抽拉装置4，连铸抽拉装置4中设置有冷却基板4-1，在工作状态下，连铸抽拉装置4沿轴向方向抽拉型腔内的熔体。
本实施方式连铸抽拉装置4和旋转基座5均是通过主动辊驱动同速旋转。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在型腔的出口处设置有测温装置8。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的砂芯3-1为覆膜砂或树脂砂。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是外模3-2的材质为石墨或不锈钢。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是成形装置3的外部罩设有保护罩2-1。
具体实施方式六：本实施方式金属管材低压离心连铸方法按照以下步骤实施：
一、在低压浇注装置1的加热炉中加热熔化金属材料，向加热炉内通入压缩气体，使金属熔体经过连接管6进入成形装置3的型腔中，型腔的出口处为温度测量区域；
二、合金熔体填满型腔后，开启离心装置以及连续抽拉装置中的水冷系统，金属熔体在型腔中离心成形，通过连铸抽拉装置4从冷却基板4-1向金属熔体内部顺序凝固；
三、当温度测量区域处于金属固相区域时，开启连续抽拉装置4，使金属材料向外连续拉出，抽拉过程中保证温度测量区域始终为金属材料的固相区域，且低压浇注装置1向型腔连续充填金属熔体；
四、连续拉出铸件后，金属管材外壁上安装外置转动辊组7，并开启外置水冷装置对拉出的铸件进行降温冷却；
五、当连续拉出铸件达到所需要的管材尺寸后，关闭低压浇注装置1，完成金属管材的低压离心连铸。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是控制连铸抽拉装置的转速为0～2000r/min。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是控制连铸抽拉装置的转速为50～150r/min。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是步骤四所述的外置转动辊组7是在金属管材的外壁上沿圆周方向均匀设置有3组转动辊组，每组转动辊组由两个转动辊组成。
本实施方式当铸件抽拉一定距离后，固态和液态之间产生扭矩。只靠单一辊进行旋转，很难保证同轴度及克服旋转阻力的问题，因此对铸件间隔距离放置与离心装置的原辊同向、同速的多组辊减小扭矩；且沿圆环方向均匀设置多组转动辊，保证转动时同轴度。外置转动辊组7的结构示意图如图3所示。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是外置转动辊组7中至少含有一个主动辊，主动辊位于下部。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九不同的是外置转动辊组7中设置有喷水冷却装置9。
实施例一：本实施例金属管材低压离心连铸方法按照以下步骤实施：
一、在低压浇注装置的加热炉中以750℃加热熔化Al-5wt.％Cu合金材料并保温，向加热炉内通入干燥压缩空气，实现合金熔体的低压浇注，使金属熔体经过连接管进入成形装置的型腔中，在型腔的出口处为温度测量区域；
二、合金熔体填满型腔后，开启离心装置以及连续抽拉装置中的水冷系统，离心装置的转速为50r/min，金属熔体在型腔中离心成形，通过连铸抽拉装置从冷却基板向金属熔体内部顺序凝固；
三、当温度测量区域≤548℃时，开启连续抽拉装置，使金属材料向外连续拉出，抽拉过程中保证温度测量区域始终为铝合金材料的固相区域，且低压浇注装置向型腔连续充填金属熔体；
四、连续拉出铸件后，金属管材外壁上安装外置转动辊组，并开启外置水冷装置对拉出的铸件进行降温冷却，外置转动辊组和外置水冷装置随着距离增大而增多；
五、当连续拉出铸件达到所需要的管材尺寸后，关闭低压浇注装置，完成金属管材的低压离心连铸。
本实施例成形装置包括砂芯和外模组成，砂芯和外模之间为型腔，用来储存由低压浇注装置浇注进来的合金熔体，并在型腔中成形。其中砂芯采用覆膜砂，内部有熔体传输通道，用来传输合金熔体，并设有测温通道，可放置热电偶对合金凝固过程中的固液区进行温度监测。
本实施例应用具体实施方式一所述的金属管材低压离心连铸装置，连续抽拉出长度3.5m，内径70mm，壁厚10mm管材，管材能够连续成形不断裂。
实施例二：本实施例金属管材低压离心连铸方法按照以下步骤实施：
一、在低压浇注装置的加热炉中以750℃加热熔化ZL205A铝合金材料并保温，向加热炉内通入干燥压缩空气，实现合金熔体的低压浇注，使金属熔体经过连接管进入成形装置的型腔中，在型腔的出口处为温度测量区域；
二、合金熔体填满型腔后，开启离心装置以及连续抽拉装置中的水冷系统，离心装置的转速为100r/min，金属熔体在型腔中离心成形，通过连铸抽拉装置从冷却基板向金属熔体内部顺序凝固；
三、当温度测量区域≤510℃时，开启连续抽拉装置，使金属材料向外连续拉出，抽拉过程中保证温度测量区域始终为铝合金材料的固相区域，且低压浇注装置向型腔连续充填金属熔体；
四、连续拉出铸件后，金属管材外壁上安装外置转动辊组，并开启外置水冷装置对拉出的铸件进行降温冷却，外置转动辊组和外置水冷装置随着距离增大而增多；
五、当连续拉出铸件达到所需要的管材尺寸后，关闭低压浇注装置，完成金属管材的低压离心连铸。
本实施例成形装置包括砂芯和外模组成，砂芯和外模之间为型腔，用来储存由低压浇注装置浇注进来的合金熔体，并在型腔中成形。其中砂芯采用覆膜砂，内部有熔体传输通道，用来传输合金熔体，并设有测温通道，可放置热电偶对合金凝固过程中的固液区进行温度监测。
本实施例应用具体实施方式一所述的金属管材低压离心连铸装置，连续抽拉出长度3.3m，内径65mm，壁厚8mm管材，管材能够连续成形不断裂。

Claims (10)

1.金属管材低压离心连铸装置，其特征在于该金属管材低压离心连铸装置包括低压浇注装置(1)、离心装置(2)、成形装置(3)和连铸抽拉装置(4)，其中成形装置(3)由砂芯(3-1)和外模(3-2)组成，外模(3-2)为卧式圆筒形，圆柱形砂芯(3-1)套设在外模(3-2)内部，砂芯(3-1)与外模(3-2)之间形成型腔；砂芯(3-1)内部有熔体传输通道，用来传输合金熔体；
离心装置(2)包括第一主动辊(2-2)和第二主动辊(2-3)，成形装置(3)固定在旋转基座(5)上，成形装置(3)和旋转基座(5)同轴设置，第一主动辊(2-2)驱动旋转基座(5)旋转运动，第二主动辊(2-3)驱动成形装置(3)旋转运动，低压浇注装置(1)通过连接管(6)与型腔相连通，在型腔的敞口处设置有连铸抽拉装置(4)，连铸抽拉装置(4)中设置有冷却基板(4-1)，在工作状态下，连铸抽拉装置(4)沿轴向方向抽拉型腔内的熔体。
2.根据权利要求1所述的金属管材低压离心连铸装置，其特征在于在型腔的出口处设置有测温装置(8)。
3.根据权利要求1所述的金属管材低压离心连铸装置，其特征在于所述的砂芯(3-1)为覆膜砂或树脂砂。
4.根据权利要求1所述的金属管材低压离心连铸装置，其特征在于外模(3-2)的材质为石墨或不锈钢。
5.根据权利要求1所述的金属管材低压离心连铸装置，其特征在于成形装置(3)的外部罩设有保护罩(2-1)。
6.应用如权利要求1所述的金属管材低压离心连铸装置进行金属管材低压离心连铸方法，其特征在于该低压离心连铸方法按照以下步骤实现：
一、在低压浇注装置(1)的加热炉中加热熔化金属材料，向加热炉内通入压缩气体，使金属熔体经过连接管(6)进入成形装置(3)的型腔中，型腔的出口处为温度测量区域；
二、合金熔体填满型腔后，开启离心装置以及连续抽拉装置中的水冷系统，金属熔体在型腔中离心成形，通过连铸抽拉装置(4)从冷却基板(4-1)向金属熔体内部顺序凝固；
三、当温度测量区域处于金属固相区域时，开启连续抽拉装置(4)，使金属材料向外连续拉出，抽拉过程中保证温度测量区域始终为金属材料的固相区域，且低压浇注装置(1)向型腔连续充填金属熔体；
四、连续拉出铸件后，金属管材外壁上安装外置转动辊组(7)，并开启外置水冷装置对拉出的铸件进行降温冷却；
五、当连续拉出铸件达到所需要的管材尺寸后，关闭低压浇注装置(1)，完成金属管材的低压离心连铸。
7.根据权利要求6所述的金属管材低压离心连铸方法，其特征在于控制连铸抽拉装置(4)的转速为0～2000r/min。
8.根据权利要求6所述的金属管材低压离心连铸方法，其特征在于步骤四所述的外置转动辊组(7)是在金属管材的外壁上沿圆周方向均匀设置有3组转动辊组，每组转动辊组由两个转动辊组成。
9.根据权利要求8所述的金属管材低压离心连铸方法，其特征在于外置转动辊组(7)中至少含有一个主动辊，主动辊位于下部。
10.根据权利要求8所述的金属管材低压离心连铸方法，其特征在于外置转动辊组(7)中设置有喷水冷却装置(9)。
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