CN1362303A - 制备钢铁材料半固态流变浆料的装置 - Google Patents
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Abstract
一种制备钢铁材料半固态流变浆料的装置,由浇口、电磁搅拌器、冷却水套、搅拌坩埚、搅拌坩埚加热系统、隔热保温层、流变浆料输送管道、流变浆料流量控制系统等几部分组成,浇口的下口直接插入搅拌坩埚(6)中,搅拌坩埚(6)为底漏式,位于电磁搅拌器产生的旋转磁场的作用空间内,上接浇口(5),下接输送管道(8),流变浆料流量控制系统(7)竖直装在搅拌坩埚的中心,它由塞杆和塞杆提升机构组成,采用本装置,钢水或铁水可以从浇口直接流入搅拌坩埚中,制备出初生固相为球状的钢铁材料半固态流变浆料,保证金属液不受污染,并通过塞杆及其提升机构将半固态流变浆料定量输送出来,满足后续的半固态流变成形的需要。
Description
技术领域：本发明属于钢铁材料的成形装置，特别涉及一种钢铁材料半固态的成形。
背景技术：半固态成形是七十年代产生一种新型的金属成形方法。与传统固态或液态金属成形的不同之处，该方法是用含初生固相为球状或近球状的半固态金属浆料来成形零件。制备半固态流变浆料或坯料或是半固态成形技术的关键，目前出现多种制备半固态金属浆料或连铸坯料的方法，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应力激活法、低温浇注法等等，但成功地应用于工业生产中只有电磁搅拌法，而且制备的合金主要是有色合金，如铝合金、锌基合金等。钢铁材料半固态浆料的制备工艺和半固态成形技术的研究相对较少，主要原因是因为由于钢铁材料的熔点高，给制备钢铁材料的半固态流变浆料或坯料带来很大的困难，特别是对制备设备要求更高，主要表现在：1)钢铁材料熔点高，与环境的温差大，其散热快，在相同的加热和保温条件下，钢铁材料保持半固态时间相对于低熔点的有色合金短，这样要求搅拌坩埚的加热温度更高，保温措施更好，以保证高温的钢液或铁水在搅拌坩埚中散热慢，保持半固态温度的时间长，使之能充分搅拌；2)制备钢铁材料半固态浆料的搅拌坩埚必须具有足够的耐火度、良好的抗热震性和高温持久强度，以便能承受高温钢水或铁水的冲刷和热冲击作用；3)要求使用无接触的搅拌方法，采用普通的机械搅拌制备半固态钢铁材料的浆料时其搅拌棒的使用寿命短；4)由于制备半固态钢铁材料的浆料的温度高，要求有更好的控温方法和防止金属液氧化措施。半固态成形具有很多的优点，被称为是二十一世纪近终形的材料加工方法，将半固态成形技术应用到钢铁材料中，可以提高钢铁材料的加工性能和使用性能，研制适合于制备钢铁材料半固态流变浆料装置对推动钢铁材料半固态成形技术的发展具有重要的意义。
美国专利第3902544、3948650和3954455号公开了几种制备半固态浆料的机械搅拌方法和相关设备，该方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相打碎，获得球状或近球状初生固相的半固态浆料，通过控制搅拌室的温度来控制半固态浆料的固相率，这种方法虽然能制备出初生固相为球状或近球状的半固态浆料，并且半固态浆料能通过搅拌坩埚底部的小孔流出，但这种在制备高熔点的钢铁材料半固态浆料时，其旋转叶片或搅拌棒的使用寿命低，不能满足批量生产的要求，并且这种机械搅拌对金属液有一定的污染作用。文献(Hiroyuki Nomura等，Mtaterials Transaction，2001，Vol.42，No.2，p303-308)报道了一种灰口铸铁半固态机械搅拌实验装置和实验结果，该装置采用镁质坩埚、刚玉搅拌棒和硅碳棒加热炉，坩埚的直径为φ40mm，灰口铸铁在硅碳棒加热炉熔化后进行连续的搅拌，制备出初生固相为球状或近球状的半固态浆料，但该装置并不能将制备好的半固态浆料输送出来，而且其容量有限。
美国专利第4229210、4434837号公开了几种制备半固态浆料的电磁搅拌方法和相关设备，利用通电的线圈绕组产生的磁场对正在凝固的金属液进行半固态搅拌，抑制了枝晶状初生固相的形成，制备含球状初生固相的半固态浆料，然后利用连铸技术生产球状初生晶的坯料。文献(K.E.Blazek等，ISIJ International，1995，Vol.35，No.6，p813-818)报道了Inland钢铁公司在黑色金属和高熔点合金的半固态成形方面的进展情况，介绍了该公司研制开发的双电磁搅拌器的流变铸造机，通过双电磁搅拌器对凝固中的金属液进行搅拌，获得球状初生晶的半固态浆料，并凝固成连续铸锭。这些半固态浆料的电磁搅拌方法和装置可以制备高熔点的钢铁材料的半固态浆料，但一般都是将半固态浆料进一步凝固成锭，生产出球状初生晶的坯料，并不能将半固态浆料定量输送出来，满足后续的半固态浆料流变成形或半固态浆料直接轧制成形的需要，
本发明的目的在于提出将底漏式的搅拌坩埚位于电磁搅拌器的圆柱体内腔内，采用高温发热元件对搅拌坩埚进行加热及无接触式的搅拌方法，制备出初生固相为球状的钢铁材料半固态流变浆料，保证金属液不受污染，并通过塞杆及其提升机构将半固态流变浆料定量输送出来，满足后续的半固态流变成形的需要。
发明内容：本发明的装置主要包括电磁搅拌器(1)、冷却水套(2)、隔热保温层(3)、搅拌坩埚加热系统(4)、浇口(5)、搅拌坩埚(6)、流变浆料流量控制系统(7)、流变浆料输送管道(8)。浇口(5)在装置的上部，呈T形，浇口的外壳是由1mm厚的钢板焊接而成，内层由人造石英砂和水玻璃混合的型砂打结而成，下口直接插入搅拌坩埚(6)中，装置的外围一圈装有电磁搅拌器(1)，它主要由线圈绕组和铁芯组成，很多个线圈在圆周的空间上均匀分布，构成了一个具有圆柱体内腔三相线圈绕组，它固定在外侧的一个由8mm钢板焊接并装有吊轴的外壳(9)上，电磁搅拌器(1)与该外壳(9)组装固定在一起，电磁搅拌器的圆柱体内腔紧靠线圈绕组处装有冷却水套(2)，冷却水套(2)上下底面由4mm厚、内外两个侧面由厚度为1mm的不锈钢板焊接成一个封闭的内腔，内腔厚度为8-10mm，并通过进水口(12)和出水口(13)与冷却水系统相连接，在冷却水套(2)与搅拌坩埚加热系统(4)中的发热元件之间设置隔热保温层(3)，隔热保温层(3)用轻质Al2O3耐火砖制作，其厚度为15mm，耐火度大于1600℃，搅拌坩埚加热系统(4)中的发热元件采用由碳化硅制成的硅碳管或钼丝，搅拌坩埚(6)为底漏式，位于电磁搅拌器产生的旋转磁场的作用空间内，上接浇口(5)，下接输送管道(8)，搅拌坩埚(6)采用熔模精密铸造型壳，并用电熔刚玉作为耐火材料，用硅溶胶作为粘接剂，或刚玉管内打结砂衬，流变浆料流量控制系统(7)竖直装在搅拌坩埚的中心，它由塞杆和塞杆提升机构组成。
本发明的优点：1)采用电磁搅拌器无接触式的搅拌方法制备初生固相为球状或近球状的钢铁材料半固态流变浆料，不会污染金属液；2)可以将钢铁材料半固态流变浆料定量输送出来，满足后续的半固态流变成形的需要；3)采用熔模精密铸造型壳或刚玉管内结砂衬作为搅拌坩埚，具有很好的抗热震性，而且成本较低；4)采用硅碳管或钼丝作为发热元件，对搅拌坩埚进行加热保温，其加热温度高，易于控制搅拌坩埚的温度，从而有效地控制了半固态流变浆料的固相分数。
附图说明：
图1为钢铁材料半固态流变浆料制备装置的示意图。
图2为浇口的示意图，(10)为水玻璃型砂，(11)为钢板。
图3为冷却水套的示意图。
具体实施方式：钢水或铁水由浇口(1)流入搅拌坩埚(6)的通道，浇口上口直径大，接纳浇入的钢水或铁水；下口直径小，直接插入搅拌坩埚中，将钢水或铁水导入搅拌坩埚中进行电磁搅拌。当电磁搅拌器(1)接通三相交流电时，在该圆柱体内腔内产生旋转磁场。从浇口浇入的钢水或铁水在搅拌坩埚中受到电磁搅拌器产生的旋转磁场的作用而发生剧烈的运动，可以制成先结晶出的奥氏体为球状或近球状的半固态流变浆料。冷却水套(2)中的循环冷却水由进水口(12)进入该内腔，由出水口(13)流出，通过调节进水口和出水口的流量，控制循环冷却水的水温。冷却水套设置在电磁搅拌器的圆柱体内腔内，紧靠线圈绕组，起保护电磁搅拌器的作用，防止电磁搅拌器受到钢水或铁水高温辐射作用的损坏。同时搅拌坩埚加热系统(4)中的发热元件进行加热，最高可加热温度至1500℃，用硅碳管加热时不需要气体保护，用钼丝作为发热元件时，必须采用气体保护。通过热电偶测温和可控硅电源自动调整加热功率，控制浇入搅拌坩埚的钢水或铁水的温度达到某一设定温度，该设定温度为钢铁合金的液相线温度TL和固相线温度TS之间，从而有效地控制半固态浆料的固相率，通过隔热保温层(3)减少发热元件散发出的热量向外散失。为了搅拌坩埚抗热冲击性能好，耐火度高，采用熔模精密铸造型壳或刚玉管内打结砂衬制作搅拌坩埚，熔模精密铸造型壳的搅拌坩埚用硅溶胶作粘接剂和电熔刚玉作耐火材料。最后，经过电磁搅拌制备的钢铁材料半固态流变浆料可以从搅拌坩埚底部流出，通过流变浆料流量控制系统中的塞杆提升高度来控制半固态流变浆料输送过程的流量。
本发明的装置在制备60Si2Mn弹簧钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢半固态流变浆料实施应用，得到固相分数为0.5-0.6，初生固相为100-200微米的球状或近球状半固态浆料，并将制备的半固态浆料输送出来，进行后续的半固态直接轧制。搅拌坩埚的直径为φ100mm，采用钼丝为发热体对搅拌坩埚进行加热和保温，搅拌坩埚的加热温度为1450℃(60Si2Mn弹簧钢)和1410℃(1Cr18Ni9Ti不锈钢)，电磁搅拌功率为1200kW。
Claims (6)
1、一种制备钢铁材料半固态流变浆料的装置，主要包括电磁搅拌器(1)、冷却水套(2)、隔热保温层(3)、搅拌坩埚加热系统(4)、浇口(5)、搅拌坩埚(6)、浇口(5)在装置的上部，呈T形，浇口的下口直接插入搅拌坩埚(6)中，装置的外围一圈装有电磁搅拌器(1)，电磁搅拌器的圆柱体内腔紧靠线圈绕组处装有冷却水套(2)，在冷却水套(2)与搅拌坩埚加热系统(4)中的发热元件之间设置隔热保温层(3)，其特征在于，搅拌坩埚(6)为底漏式，位于电磁搅拌器产生的旋转磁场的作用空间内，上接浇口(5)，下接输送管道(8)，流变浆料流量控制系统(7)竖直装在搅拌坩埚的中心，它由塞杆和塞杆提升机构组成。
2、如权利要求1所述的制备钢铁材料半固态流变浆料的装置，其特征在于电磁搅拌器主要由线圈绕组和铁芯组成，很多个线圈在圆周的空间上均匀分布，构成了一个具有圆柱体内腔三相线圈绕组。
3、如权利要求1所述的制备钢铁材料半固态流变浆料的装置，其特征在于冷却水套(2)上下底面由4mm厚、内外两个侧面由厚度为1mm的不锈钢板焊接成一个封闭的内腔，内腔厚度为8-10mm，并通过进水口(12)和出水口(13)与冷却水系统相连接。
4、如权利要求1所述的制备钢铁材料半固态流变浆料的装置，其特征在于搅拌坩埚加热系统(4)中的发热元件采用由碳化硅制成的硅碳管或钼丝。
5、如权利要求1所述的制备钢铁材料半固态流变浆料的装置，其特征在于隔热保温层(3)用轻质Al2O3耐火砖制作，其厚度为15mm，耐火度大于1600℃。
6、如权利要求1所述的制备钢铁材料半固态流变浆料的装置，其特征在于搅拌坩埚(6)采用熔模精密铸造型壳，并用电熔刚玉作为耐火材料，用硅溶胶作为粘接剂，或刚玉管内打结砂衬。
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