CN1647870B - 金属薄板双辊异步铸轧机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种金属薄板带材连续铸轧生产设备，主要由凝固辊、成形辊、双辊异步驱动装置、一体化前箱流唇、液面调节器、循环水冷却系统组成。其特征在于直接把液体金属变为具备一定塑性变形组织特征的均匀细晶粒组织的薄板带材。金属薄板带的凝固和成形分别在凝固辊和成形辊两个不同的位置完成的，并且凝固辊和成形辊速度不同，从而使在凝固条件相同的前提下，在半固态的轧制阶段增加一种搓剪变形，促进塑性变形组织特征的薄板带的形成。设备结构简单、不易粘辊，可用于各种厚度、不同品种的金属薄板带材的生产。
Description
技术领域：
本发明属于一种金属薄板带材的生产设备，尤其属于一种用于各种厚度的金属薄板带材生产的双辊连续铸轧设备。
背景技术：
板材是金属使用最广泛的材料，对板材进行各种金属加工工艺的进一步加工，即可得到各种机器零件、金属结构件和设备等，金属以板材的形式作为中间产品供应，极大地简化了金属材料深加工的生产流程、降低生产成本、扩大金属材料的应用范围。
金属板材的生产一般是从铸锭经热轧或冷轧生产，难变形的材料也有采用挤压的工艺。经过上述途径生产的金属板材，尤其是薄板，生产成本高，对于某些材料，如镁合金，上述工艺的生产流程十分复杂、生产周期很长，生产成本高昂。
采用连铸的工艺，虽然由液体金属直接生产出板料，但该法得到的板材，其组织是铸造组织，即使是同一种合金成分，其铸造组织和由变形加工得到的组织有本质的差别。
铸造状态的合金同变形状态的合金相比，晶粒粗大、存在铸造缺陷，如缩松、气孔或针孔、夹杂、偏析和裂纹、残余应力等，第二相粗大，即使是固溶体型的合金，由于铸造过程的不平衡凝固，也会在晶界出现网状脆性的第二相。铸造状态的合金组织的严重不均匀，不仅强度和塑性比变形状态的差，而且铸造状态的合金一般也不能用做进行各种金属加工工艺的进一步加工的板料。
连铸连轧能使板坯在热的铸造状态进一步轧制成为变形状态的组织，但设备复杂，常用于固定产品的大规模生产，应用范围受到限制。
双辊式连续铸轧在铝的板材生产中已广泛使用，各国双辊连续铸轧机主要用来生产铝及铝合金板材坯料，已用双辊连续铸轧生产出了0.6-2米宽、6-10毫米厚的纯铝及铝合金板带坯。双辊连续铸轧机设备投资小、运行费用低，但只能生产厚度最薄为大约6毫米的板带，而且只能生产凝固温度范围小的合金。传统双辊连续铸轧的铝合金，深拉性能差，主要用做热轧的板坯。虽双辊式连续铸轧的板坯也有少量的塑性变形，但双辊式连续铸造的板坯仍是铸造状态的组织。镁工业的发展途径是大力发展金属的应用，但镁制品的生产目前以镁的熔化和铸造为主要手段，由于镁容易氧化和燃烧，所以以镁的熔化和铸造为主要手段的镁制品加工途径需要特殊的专门化知识和设备及人员，这给镁的发展造成很大的束缚。为此应该大力开发一种使用镁型材和板材为原料的镁制品制造路线，如冲裁、冲压等变形加工的技术。大力发展镁的变形加工必须能提供高性能、低价格的金属板材和型材。为了改变镁工业的生产流程，扩大以板材为中间材料，通过各种变形加工的生产方法，避开通过金属熔炼的途径生产金属零件，能大大地克服镁的专业困难。但变形加工的生产方法要求板材必须适合变形的要求，有良好的冷热变形的能力，而金属的此种性能较差。因此，开发生产率高、生产成本低的金属板材的连续铸轧技术有十分重大的意义。
液体金属拖曳的双辊连续铸轧机是在传统的双辊连续铸轧机的基础上发展起来的一种新型薄板箔材生产设备，其特征是下边的一个水冷辊负责凝固，当浸于金属熔池中并快速旋转时，金属液一接触辊面立即开始凝固，凝固层向熔池中生长变厚，由于辊面的运动，带动凝固层的转动，当凝固层转动移出熔池后，紧贴辊面的金属已凝固，表面层尚处于半固态，甚至当辊面的速度很快时，由于液体的粘滞作用，表层还有一薄层液体。如果金属的凝固温度间隔很小，液体的自由面凝固后也能得到致密的金属组织；如果金属的凝固温度间隔宽，液体的自由面凝固后就不能得到致密的金属组织，这时如果在半固态时用另一个处于上部的水冷辊对其施加适当的碾压力，则不论是凝固温度间隔很小或凝固温度间隔宽的合金液都能得到致密的组织和平整的上表面，该辊起导出半固态金属并压实、整平的作用。下辊承担金属液的凝固(凝固辊)，上辊承担业已呈半固态的带坯的上部自由面的成形(成形辊)。为了提高导热率，采用导热率高的铜辊。开放的金属液池取代双辊连续铸轧机的流嘴，带材的厚度是通过调整辊缝、辊的导热率、旋转速度、熔池液体金属的深度来决定。液体金属拖曳的双辊连续铸轧机，由于半固态时需要的碾压力不大，大约为传统双辊连续铸轧机铸轧力的百分之一左右，很低的辊压力可大大简化设备。专利(03143980.2)液体金属拖曳的超高速双辊连续铸轧机是在传统基础上发展起来的一种新型适合于金属薄板箔材生产设备，该原理已在镁、铝、铜、钢等材料上进行研究实验，专利(03143980.2)首先完成了金属研究和应用。
液体金属拖曳的超高速双辊连续铸轧的金属薄板虽然晶粒度在数十微米以上，但其组织基本仍属铸造组织，铸造组织存在铸造应力、缺陷、粗大的过剩相、横向晶粒、偏析、条带等组织不均匀性，严重影响板材的塑性加工能力。
变形组织比铸造组织有更优异的塑性加工能力，如果用连续铸轧的方法一次直接生产出具有变形组织的高性能金属薄板带材，则在技术上是重大突破，实际意义极其重大。
目前国内外还没有用连续铸轧的方法直接生产出具有变形组织的金属薄板带材的技术，它是目前世界镁工业界的最前沿研究开发课题。
发明内容
发明的目的是采用连续铸轧的方法一次直接生产出具有变形组织的高性能金属薄板带材。
为了实现把连铸的金属薄板用于多种塑性加工的目的，需要满足的条件：晶粒尺寸大体小于10微米的组织，经过变形铸轧消除缺陷，使具有铸造组织特征的连铸金属薄板带材变为具有变形组织特征。
本发明是把液体金属拖曳的双辊连续铸轧的原理应用到传统的双辊连续铸轧机上而发展起来的一种新型金属薄板带材生产设备。
本发明采用倾斜式双辊连续铸轧机，通过凝固辊转动时把金属液拖带，其特征是把机架向板材运动方向倾斜10°～15°，凝固辊承担液体金属的快速凝固任务，成形辊承担刚凝固金属的异步轧制塑性变形任务，把凝固和变形在金属薄板双辊铸轧机上的空间位置分开，在不同的位置完成凝固和变形，这样增加凝固金属同辊的接触面积和接触时间。组织的晶粒细化通过对液体金属的快速凝固能达到，可强化凝固辊的激冷效果，采用高导热性的铜质水冷棍。
本发明是把开放的一体化前箱流唇取代双辊连续铸轧设备的流嘴。一体化前箱流唇被设置在凝固辊侧面，位置偏离双辊辊缝中心线向下移，使从一体化前箱流唇流出的金属液与处于内通冷却水的凝固辊面接触激冷而发生快速凝固，生成细晶粒固态或半固态铸造组织板坯，由于凝固辊浸于金属熔池中并快速旋转，带动凝固层转动，当凝固层转动移出熔池后，紧贴辊面的金属已凝固，而表面层尚处于半固态，甚至当辊面的速度很快时，由于液体的粘滞作用，表层还有一薄层液体。如果金属的凝固温度间隔很小，液体的自由面凝固后也能得到致密的金属组织；如果金属的凝固温度间隔宽，液体的自由面凝固后就不能得到致密的金属组织。在凝固辊上部的铸造组织，其温度处于液相线附近呈固态或半固态时用另一个处于上部的成形辊对其施加适当的碾压力，起成形、压实、整平作用。则不论是凝固温度间隔很小或凝固温度间隔宽的合金液都能得到致密的组织和平整的上表面。
在金属薄板双辊铸轧机上同时完成大变形效果的轧制，仅靠加大双辊下压量是难于实现的，为此应改变塑性变形的模式。
本发明设备成形辊以不同于凝固辊的表面线速度旋转，使在凝固辊上部位置的铸造组织，其温度处于液相线附近呈固态或半固态，随即进入安置在上部的成形辊和下辊凝固辊之间进行异步轧制。使铸造板坯在压缩变形的基础上增加一种搓剪变形。压缩变形和搓剪变形的叠加，大幅度地提高初始形成的铸造组织的变形程度，促进塑性变形组织特征的薄板带的形成。
凝固辊的转速通常是根据对快速凝固的需要和板带厚度的要求设计，对某一种铸轧材料和板带规格，一般变动范围一定，因此为了定量地衡量双辊旋转表面线速度差速，金属薄板双辊异步铸轧机的异步参数，采用异速比——成形辊表面线速度与凝固辊表面线速度之比。
实验证明，当异速比增大时，搓轧区也扩大，当速度比等于金属的延展系数时，形成全搓轧区，即整个搓轧区扩展到整个变形区。此时，铸轧体进入速度等于凝固辊表面线速度，轧制体离开速度等于成形辊表面线速度。由于异步轧制时刚刚形成的铸造组织坯料尚处于高温，金属的延展系数要比常温状态下大得多，一般异速比通过理论估算，再由实验最后确定。最终的评价一般是通过对板带进行各种分析，取以细小的等轴晶、最佳力学性能和后续加工工艺的有利进行为依据。
实验表明，金属薄板双辊异步铸轧机很难实现稳定的轧制的全搓状态，因为从力学上分析，轧制的全搓状态需要保持成形辊表面的接触摩擦力与凝固辊表面的接触摩擦力相等且方向相反。由于辊的打滑和振动，必然对接触摩擦力产生影响，造成稳定状态的破坏，使板带厚度产生波动。所以不克服其中不稳定状态，就不能实现稳定的异步铸轧生产。
搓轧区的微观区域变形比纯压缩变形可更易获得组织均匀、微观组织晶粒细小、具有变形组织特点的优质连铸连轧金属薄板。
带材的厚度不仅对辊缝加以调整，而且对辊的导热率、旋转速度、一体化前箱流唇处液体金属的深度应进行调整。液体金属拖曳的双辊连续铸造机，由于半固态时需要的碾压力不大，大约为传统双辊连续铸轧机铸轧力的百分之一左右。
附图说明：
附图为金属薄板双辊异步铸轧机的结构原理图各部分安装关系与一般铸轧机基本相同，设备中1.凝固辊，2.成形辊，3.气体保护系统，4.一体化前箱流唇，流唇被设置在凝固辊的侧面，位置偏离双辊辊缝中心线向下移，5.液面调节器，6.循环水冷却系统，7.机架，向板材运动方向倾斜，8.喷射装置。
具体实施方式：
实施例一
铝及其合金
凝固辊(1)、成形辊(2)采用性能好的炮钢，为了提高冷却速度，可采用氧化铝弥散强化铜。辊的直径600毫米，内有水冷槽，辊旋转表面线速度为10-100米/分，连续可调，使一台机器能生产多种品种铝及其合金板带。
一体化前箱流唇(4)供料被设置在凝固辊的侧面，机架(7)向板材运动方向倾斜15°，通过凝固辊(1)转动时把金属液拖带；板带的厚度可通过调整辊的转速、辊的导热速度和流唇(4)处中液体的深度、双辊间辊缝来决定。供料池在流唇(4)处金属液的深度为10-70毫米，双辊异速比1.05～1.25，根据不同的金属材料和需要的板带厚度确定。
液面高度精密控制方法采用液面调节器(5)，控制精度要达到0.5～1mm。
本实施例未说明部分与现有技术相同。
实施例二
镁及其合金
凝固辊(1)、成形辊(2)采用性能好的炮钢，为了提高冷却速度，可采用氧化铝弥散强化铜。辊的直径600毫米，内有水冷槽，辊旋转表面线速度为20-120米/分，连续可调，使一台机器能生产镁及其多品种合金板带。
一体化前箱流唇(4)供料被设置在凝固辊的侧面，机架(7)向板材运动方向倾斜15°，通过凝固辊(1)转动时把金属液拖带，板带的厚度可通过调整辊的转速、辊的导热速度、流唇(4)中液体的深度、双辊间辊缝来决定，双辊异速比为1.1～1.25都能得到良好的结果。供料池在流唇处金属液的深度为10-70毫米，根据不同的金属材料和需要的板带厚度确定。
液面高度精密控制方法采用液面调节器(5)，控制精度要达到0.5～1mm。镁液采用复合气体保护。
本实施例未说明部分与现有技术相同。
本发明对多种低熔点金属包括铝、锌、锡、镁等及其合金板材进行多种厚度的生产性连铸实验，各项操作性能良好，符合规定指标。
实验结果表明，本发明具有投资省、设计生产率高、安全性能优良，可用于0.1-3毫米厚度低熔点金属薄板材的生产，板材质量良好。
Claims (3)
1.金属薄板双辊异步铸轧机，由凝固辊(1)、成形辊(2)、气体保护系统(3)、一体化前箱流唇(4)、液面调节器(5)、循环水冷却系统(6)、机架(7)、喷射装置(8)组成，其特征在于：机架(7)向板材运动方向倾斜；一体化前箱流唇(4)被设置在凝固辊(1)的侧面，位置偏离双辊辊缝中心线向下移；双辊旋转表面线速度差速；金属液与内通冷却水的凝固辊(1)面接触激冷而发生快速凝固，使之呈固态或半固态下进入成形辊(2)与凝固辊(1)的辊缝中被压缩变形和搓剪变形。
2.根据权利要求1所述的金属薄板双辊异步铸轧机，其特征在于：机架向板材运动方向倾斜10°～15°。
3.根据权利要求1所述的金属薄板双辊异步铸轧机，其特征在于：成形辊(2)表面线速度与凝固辊(1)的表面线速度之比为1.05～125。
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