CN1470344A

CN1470344A - 高熔点半固态金属浆料连续制备工艺及设备

Info

Publication number: CN1470344A
Application number: CNA031462669A
Authority: CN
Inventors: 杨卯生; 李士琦; 钟雪友; 毛卫民
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2004-01-28

Abstract

本发明属于冶金工艺与设备领域，特别涉及一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺与设备。制备设备包括浆料制备装置和浆料输送装置；浆料制备装置主要由加热、保温、保护、电磁搅拌、输送控制等五部分所构成，五部分由里到外同轴安装；浆料输送装置包括复合耐热管、硅碳加热管、复合保温管、测温热电偶、法兰端盖、电源线、壳体；复合耐热管、硅碳加热管、复合保温管，依次同轴安装于壳体内部；浆料输送装置与浆料制备装置下端相连。金属浆料连续制备工艺，包括合金熔炼处理，浇注、保温、浆料制备和定量输送五个步骤。浆料制备室、导流管上采用硅碳管加热装置，所形成的温度场均匀、可控，浆料制备过程采用氩气保护，制备结束后通过封闭的导流管定量地进入轧机。本发明工艺先进；设备结构简捷、维修操作方便；生产效率高；流程短、能耗低。

Description

高熔点半固态金属浆料连续制备工艺及设备

技术领域：

本发明属于冶金工艺与设备领域，特别涉及一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺与设备。

背景技术：

传统液态金属成形，其初生相以枝晶方式长大，当固相率为20％时则形成连续枝晶网架结构，过早使合金丧失流动性而导致制件品质下降。半固态加工原理是在液态金属凝固过程中施以剧烈搅拌，破碎所生成的树枝晶，而形成近球形初晶晶粒和残余液相共同构成的具有非枝晶组织特征的合金浆料。此种浆料在力的作用下即使固相率达到60％仍具有较好的流动性。可以将浆料直接输送到成形设备，利用轧制、压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。在近三十年的时间内，半固态加工技术由于具有独特的技术优势和广阔的应用前景倍受人们的关注并且发展迅速。目前研究集中在铝合金半固态组织演变、浆料流变学行为和非枝晶合金的形变特性。在半固态基础研究成果之上，国内外研究并开发了机械搅拌、电磁搅拌等半固态浆料制备工艺；触变与流变等半固态成形工艺，为半固态加工技术的工程化奠定了基础。相比触变成形，半固态流变成形由于节省能源、流程较短、设备简单等特点受到国内外的广泛关注，其主要技术难点是半固态浆料制备、保存和输送。由于减少二次加热环节，对高熔点合金的半固态成形具有一定应用前景。美国在上世纪70年代初最早发现半固态技术特征，随后对其进行应用基础研究，并在80年代达到了有色金属半固态成形的试生产水平。当时，美国Alumax公司于1985年购买MIT该技术大约30多项专利，其中包括一些采用机械搅拌半固态流变成形工艺。目前，国内外研究与应用较多是熔点较低的Sn合金、Al合金、Zn合金和Mg合金等，而用于生产主要集中在铝合金与镁合金。对于铸铁、碳钢、不锈钢等高熔点材料，由于涉及半固态组织稳定获得与组织形态高温保持，高温浆料稳定定量输送，浆料与模具的温度控制，耐高温浆料制备及输送装置的制造等技术问题。对其设备与工艺应用研究相对较少。

半固态浆料制备与输送作为半固态流变成形工艺的基础，倍受国内外的关注。目前半固态浆料制备已经发展有机械搅拌法、磁场搅拌法、应变诱变激活法、喷射沉积法、单棍旋转法、晶粒细化热处理法、控制冷却法、近液相浇注法、斜坡冷却法、液体混合法等坯料、浆料制备方法。机械搅拌法出现最早的一种坯料制备方法，由于存在效率低、搅拌装置材质寿命低、污染金属熔体等缺点，主要用于实验研究及低熔点合金的实际生产；应变诱变激活法由于工艺要求合金原料获得较大的变形量，因此只适应小型零件的生产；喷射沉积由于过程复杂，导致成本增加，只适应质量要求较高材料的半固态浆料制备；日本等国最近发展的控制冷却法、近液相浇注法、斜坡冷却法、液体混合法等具有操作简单、成本较低等特点，但由于上述工艺均需要精确控制合金凝固过程，因此只适应低熔点半固态合金浆料制备。

电磁搅拌是利用导电的熔融金属与变化磁场间产生的感应力驱动金属熔体进行旋转运动，电磁搅拌在金属熔体中形成水平旋转，从而改变金属熔体的温度场与浓度场，进而抑制枝晶生长而形成球状晶。实现钢铁材料半固态组织演变。电磁搅拌技术已经广泛应用于钢铁材料的连铸工艺上，对组织细化具有明显作用。由于电磁搅拌无接触，所以不受搅拌器材料高温耐热性的限制，可以适应高熔点材料半固态浆料的制备。文献(K E Blazek等ISIJInter.，1995，35(6)：813-818)介绍了带有双电磁搅拌器的连铸装置，并成功地制出了表面质量较好的碳钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢及合金钢棒，组织均为非枝晶。文献(冈野忍，铁钢界，1994，12：44-50)介绍了日本学者采用电磁搅拌与薄板连铸技术相结合，将经电磁搅拌的一定固相率的合金，直接浇入薄板连铸机，制成薄板。但整个浆料制备过程没有保护措施、塞杆没有提升机构。中国(专利号：01138616.9)介绍了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、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所构成。但整个过程没有防氧化措施；没有具体的浆料流量控制装置；输送管道无加热装置；制浆室与输送管道等径可能导致浆料流动不连续；浆料流动输送仅靠重力作用，对于低流速、高固相分数浆料输送具有一定困难。

发明内容：

本发明目的是要解决制浆过程的防氧化问题、浆料流动过程的流量控制问题、保温问题、浆料输送流动困难问题。

一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺，包括合金熔炼处理，浇注、保温、浆料制备和定量输送五个步骤。1、合金熔炼处理：采用中频感应电炉对原材料进行熔化，其中包括熔化、除气去渣、冷却及测温等工序；2、合金浇注：将熔炼处理合格的合金熔体浇入经过预热的半固态浆料制备室，浇入温度控制在合金液相线上20-100℃，浆料制备室预热温度最高达到1300℃；3、保温：在合金熔体通过制浆室的过程中使其连续冷却，达到一定温度时，进行保温；4、浆料制备：保温一段时间，进行电磁搅拌，即施加一个使金属熔体产生水平旋转的搅拌力，浆料制备室磁感应强度范围为0.03-0.1T；5、定量输送：待一定固相分数的半固态浆料制备完成后，在保护气体压力及垂直方向浆料静压力以及旋转的塞杆的共同作用下进入导流管内，进入导流管浆料可以实施冷却、保温及定量输送。输送流量由塞杆高度实现定量控制，导流管的温度由硅碳管加热提供。

本发明涉及一种高熔点半固态金属浆料连续制备设备，该制备设备包括浆料制备装置和浆料输送装置；整个设备通过上盖板12、下托板31和筒体17固定在操作平台上。所述的浆料制备装置与输送装置同轴安装，浆料输送装置装在浆料制备设备的底部；所述高熔点半固态金属浆料制备装置主要由加热、保温、保护、电磁搅拌、输送控制等五部分所构成。上述五部分由里到外同轴安装；所述的浆料输送装置包括复合耐热管24、硅碳加热管25、复合保温管26、测温热电偶27、法兰端盖28、电源线29、壳体30。复合耐热管24、硅碳加热管25、复合保温管26依次同轴安装于壳体内部，浆料输送装置与浆料制备装置下端相连，法兰端盖四周留有八个螺栓孔，与轧辊的侧封相接。浆料制备装置与浆料输送装置相通，浆料制备装置的内径大于浆料输送装置内径，两者直径比为2.5-3.5∶1。

本发明所提出高熔点半固态连续铸轧金属浆料制备工艺与设备，所制备的高熔点合金浆料可以连续输送到压铸机、锻机、轧机，特别适用于半固态连续铸轧成形工艺。如附图1所示，半固态连续铸轧主要由高熔点半固态浆料制备、半固态浆料输送装置、半固态浆料轧制。具体流程为首先通过高熔点金属材料浆料连续制备装置1进行浆料制备，所获得半固态浆料通过浆料输送装置3，沿垂直方向，从轧机上部进入轧机4，通过水冷轧辊直接轧制后获得铸轧钢板5。半固态浆料制备装置1安装在操作平台2上，并与轧机采用上、下垂直布置。

本发明具有工艺先进；设备结构简捷、维修操作方便；生产效率高；流程短、能耗低、稳定制备并输送半固态浆料；浆料输送流量可控；浆料制备温度可达到1600℃，特别适合高熔点金属材料半固态浆料制备及输送等优点。

附图说明：

图1为高熔点半固态金属连续铸轧设备示意图

图2为本发明高熔点半固态金属浆料连续制备装置示意图

具体实施方式：

高熔点半固态金属浆料制备装置主要由加热、保温、保护、电磁搅拌、输送控制等五部分，具体实施方式为①加热为电阻加热，热量由加热管22提供。浆料温度底部热电偶32和浆料内部的热电偶37进行实时测温控制。②保温部分为复合保温，包括浆料制备与输送两部分，复合保温管15、21、26通过控制辐射、对流、传导等方式来阻断热量传输。③保护部分为二方面，一为保护电磁搅拌19：冷却水通过进水口36、冷却法兰18、循环水套20、出水口16流动控制电磁搅拌19的温度；二为保护金属熔体避免氧化，浆料制备室通过隔板18分成过渡室与操作室。过渡室是由耐热容器14、法兰盖10与耐火材料层13所构成，操作室则由耐热管23构成。其中圆筒35的作用为保证过渡室密封。当金属熔体通过中间包11和入流管34进入浆料制备室后，则连续通过氩气入口7输入氩气，保护金属熔体表面。④电磁搅拌19部分由变频电源与搅拌器所组成，连续提供不同功率和频率范围的搅拌力。以满足各种半固态浆料的制备需要。⑤输送控制部分为控制浆料输送的关键部分。由提升机构6、塞杆8、电机9三部分所组成。提升机构与电机联合作用控制塞杆位置与状态，从而控制半固态浆料的输送流量。

Claims

1、一种高熔点半固态金属浆料连续制备设备，该制备设备包括浆料制备装置和浆料输送装置；整个设备通过上盖板(12)、下托板(31)和筒体(17)固定在操作平台上其特征在于所述的浆料制备装置与输送装置同轴安装，浆料输送装置装在浆料制备装置的底部；所述高熔点半固态金属浆料制备装置主要由加热、保温、保护、电磁搅拌、输送控制等五部分所构成，五部分由里到外同轴安装；所述的浆料输送装置包括复合耐热管(24)、硅碳加热管(25)、复合保温管(26)、测温热电偶(27)、法兰端盖(28)、电源线(29)、壳体(30)；复合耐热管(24)、硅碳加热管(25)、复合保温管(26)依次同轴安装于壳体内部，浆料输送装置与浆料制备装置下端相连，法兰端盖四周留有螺栓孔，与轧辊的侧封相接。

2、如权利要求1所述连续制备高熔点半固态金属浆料设备，其特征在于浆料制备装置与浆料输送装置相通，浆料制备装置的内径大于浆料输送装置内径，两者直径比为2.5-3.5∶1。

3、一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺，包括合金熔炼处理，浇注、保温、浆料制备和定量输送五个步骤，其特征在于：合金熔炼处理：采用中频感应电炉对原材料进行熔化，其中包括熔化、除气去渣、冷却及测温等工序；合金浇注：将熔炼处理合格的合金熔体浇入经过预热的半固态浆料制备室，浇入温度控制在合金液相线上20-100℃，浆料制备室预热温度最高达到1300℃；保温：在合金熔体通过制浆室的过程中使其连续冷却，达到一定温度时，进行保温；浆料制备：保温一段时间，进行电磁搅拌，即施加一个使金属熔体产生水平旋转的搅拌力，浆料制备室磁感应强度范围为0.03-0.1T；定量输送：待一定固相分数的半固态浆料制备完成后，在保护气体压力及垂直方向浆料静压力以及旋转的塞杆的共同作用下进入导流管内，进入导流管浆料可以实施冷却、保温及定量输送。

4、如权利要求3所述的一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺，其特征在于30min加热时间内浆料制备室温度可以达到1300℃；浆料制备室有复合保温层，温差达到1500℃。

5、如权利要求3或4所述的一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺，其特征在于制备过程中当金属液进入浆料制备室，金属熔体进入充满氩气的封闭空间，制备结束后通过封闭的导流管进入轧机。

6、如权利要求3或4或5所述的一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺，其特征是在浆料制备室、导流管上采用硅碳管加热装置，所形成的温度场均匀、可控。

7、如权利要求3或4或5或6所述的一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺，其特征是浆料制备室、导流管上的耐热管采用复合结构，内层采用密度高、耐火度高耐火材料，温度可以达到1600℃以上，适应高熔点材料的半固态浆料的制备与输送，外层采用热震性能好的耐火材料。

8、如权利要求3或4或5或6或7所述的一种高熔点半固态金属浆料连续制备工艺，其特征是所制备的浆料连续定量输送：通过控制塞杆提升高度，实现浆料输送流量可控，控制塞杆控制档数为2-10档，每档为2-20mm，最佳控制档数为6-9档，每档为4-7mm。