CN1788890A - 金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带工艺及设备，属于冶金领域。特点是：喷嘴置于两水平放置的轧辊上方，轧辊内部可通水冷却，轧辊辊缝隙上方的两侧面设有侧封板。通过雾化喷嘴的高速惰性气体气流将液态金属流碎化后，形成弥散的半凝固状金属颗粒，喷射到绕过其中一个轧辊的预拉紧的、经过预处理的金属母带与另一个轧辊之间，利用高温时母带与沉积金属颗粒的易结合性，使其能够牢固地粘结在母带上；在双辊转动轧制力的作用下，母带与沉积金属组成的双金属进一步结合，形成优良的双金属薄板(带)。本发明工艺流程短、设备结构紧凑；且喷覆后直接轧制、生产的双金属薄板(带)具有高的结合强度；且轧制力小、能源消耗低等。

Description

金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的工艺及设备

一、技术领域

本发明涉及一种金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带工艺及设备，属于冶金领域。

二、背景技术

金属材料的复合化和功能化是新世纪金属材料发展的主要趋势。双金属复合板(带)是通过温度和压力将由两种具有合适性能的金属材料结合在一起的新型金属复合材料。它可以按设计要求充分发挥每个组份的性能特长，并以其高强、耐磨、抗蚀等力学、物理、化学等工程性能来满足现代工业对材料多种性能的要求。单一的金属板与其无法比拟。双金属复合材料能够起到测量、过载保护和机构调节等作用，已广泛应用于航空、仪表、机电、家电等领域，并将大量取代传统的单一金属材料，成为现代材料的生力军。

双金属复合板(带)材的主要生产方法是固-固相复合，如固相复合轧制，粉末轧制，爆破轧制等。这些固-固相复合方法由于存在工序多，装机容量大，以及产品成材率低等问题，制约了金属复合板(带)材的应用推广。采用热、冷大压下轧制及扩散退火工艺(压合方法)，很难生产合金含量高的金属板(带)，因为在铸造过程中，极易产生成分偏析和开裂；在轧制过程中更易开裂。另外，采用压合方法制作双金属板(带)，虽然采用了扩散退火工艺，但二者的结合力仍然不够强，工艺复杂，生产率低。为此，世界各国都在寻求新的更经济更先进的生产工艺，以推进金属复合板(带)的发展。

由中国东北大学崔建忠教授研究开发的“液-固相轧制双金属复合板”技术，与国内外普遍采用的固-固相轧制复合板相比，具有明显优势。该技术是将金属热浸镀和铸轧技术巧妙地结合，利用液态金属的高扩散能力和轧制时高压，使材料实现冶金结合。它以低投入、高产出、低成本、高效益、短工序、高复合强度及优良的产品质量等优势，进入双金属复合板生产领域，但两种金属是包覆关系。

喷射成形技术是一项新兴的先进冶金加工技术，该技术可生产高合金或超高合金材料，并能克服常规工艺制备的这类材料在铸造中极易产生宏观偏析，在轧制过程材料极易开裂的致命缺点；获得的材料不仅组织均匀细小，无宏观偏析，而且还有良好的加工性能。

正是基于喷射成形技术制备的材料在显微组织以及后续变形加工方面所具有的优势，最先提出喷射成形思想的Singer教授于1986年发明的专利(美国专利号：4,579,168)所涉及的生产金属带的工艺，与上述直喷-水平拉带的方式有所不同。其工艺过程为：将雾化金属直接喷射到两个水平放置的水冷轧辊的辊缝间，在轧辊逆向转动轧制力的作用下，被热压实而形成单金属带(板)。该专利的特点是轧制应力较小，但只用于制作单金属带(板)，并要求雾化金属喷射位置必须在双辊的辊缝正上方。

专利号为4,420,441的美国专利提供的工艺也采用直喷-水平拉带的方式，以生产具有不同熔点的双相或多相组成的金属薄带(板)。该工艺过程：将低熔点的基体材料(如铝)雾化的同时，把高熔点的第二相颗粒(如铁)引入其中形成复合相后，沉积到位于下方的基带上，再通过垂直放置但同样偏离雾化金属喷射位置的双辊轧机轧制，实现制备具有双相或多相组织的单金属带(板)的目的。可见，所述的专利只能生产单金属带板，并存在结构欠紧凑和轧制变形应力增加的缺点。

Watson等人发明的专利(美国专利号：4,961,457)采用直喷-水平拉带以及履带式传动的方式，将金属雾化后沉积到通过履带传动的基带上，实现制备铜基原位反应复合材料带的目的。该工艺的特点是在铜基合金中加入0.1-0.5％重量的Al，Si，Ti，Cr，Zr或它们的混合物，这些元素容易同雾化用氮气反应而形成细小的氮化物，并弥散分布在基体材料中，这种通过原位反应得到的铜基复合合金经过气体雾化后沉积在接收基带上而形成复合材料带。该专利的最大不足是获得的金属带本身所存在的空隙由于不能及时轧制而无法弥合，从而影响其结合强度。

Singer教授于1973年发明了利用喷射沉积与双辊轧机相结合工艺生产金属复合带(板)的技术。该技术专利(美国专利号：3,775,156)，采用直喷-水平拉带的方式。首先将来自于两个不同钢包容器的具有不同密度的金属进行雾化，然后沉积到位于下方经过预热的金属背带上，再随背带的运动而通过垂直放置的双辊轧机轧制，形成金属复合带(板)，并利用常用方法将它进一步加工成轴瓦。该工艺需要两个钢包容器，并要求两个钢包容器装有的不同金属在液态是难互溶或部分互溶；另外，由于用于轧制的双辊轧机偏离雾化金属喷射位置，使得双金属复合带在进入轧机辊缝时由于背带上的沉积层金属经历了较长的冷却时间而处于固态，其结果使轧制应力明显增加，且喷覆金属层与母带由于未得到及时轧制，二者的结合力不够而易开裂。另外，该专利在喷射与背带之间未设置侧封机构，部分雾化金属液滴将会向背带的两个边缘飞逝，会造成沉积层的边缘质量、形状差和金属的收得率低的问题。由此可见，该专利具有结构欠紧凑、沉积层金属冷却时间较长而导致双金属结合力差及轧制变形难和金属收得率低、边部质量差的不足。

三、发明内容

本发明解决的技术问题是：工艺生产流程短、设备结构紧凑，产品收得率高，轧制力小，且获得的双金属具有良好的冶金结合和边部质量的一种金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带工艺及设备

本发明的技术解决方案：

本发明包括喷嘴、双轧制辊、母带，喷嘴置于两水平放置的两个轧辊的上方，轧辊内部可通水冷却，轧辊辊缝隙上方的两侧面设有侧封板，喷覆轧制双金属薄板或带的母带是通过双轧制辊与开卷辊或助开卷辊预张紧的。

可采用一排多个喷嘴布置。

可使用一个扁平式单喷嘴；

可采用一个扫描式喷嘴或多个扫描式喷嘴。

所述的雾化喷嘴可置于双轧制辊间隙的正上方或右上方而喷覆在母带上。

所述的母带部分包缠在其中一个轧辊上。

所述的母带是经过除锈处理和预热处理的。

金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带工艺，工艺步骤如下：

1)液态合金的准备：冶炼被喷覆金属，将过热度控制在50～200℃之间；

2)母带的准备：母带是热轧卷带或冷轧卷带；

3)对母带进行开卷和平整处理；

a)除污：去除母带表面的油污；

b)去除氧化层：采用喷丸或喷砂或其它机械处理方式去除母带上的氧化层；

c)母带加热：通过对母带加热工序到其固相线温度以下50～250℃之间，以进一步提高母带与喷覆层之间的结合力。

4)母带通过助卷辊对母带进行张紧并绕过一只轧辊转动，将母带输送到二个水平放置的轧辊和之间；

5)从雾化喷嘴喷出的高速气流将液态金属破碎成细小的金属颗粒；

6)金属颗粒随高速气流在运动的同时被逐渐冷却，在半固态状况下以较高的速度喷覆在经表面处理和预热的母带与另一个轧辊及侧封机构围成的区域内形成喷覆层；

7)喷覆层随预热的母带和轧制辊运动，通过二个逆向转动的轧制辊；

8)将预热的母带与喷覆层组成的双金属进行轧制，形成良好结合的双金属薄板或带；

9)再对双金属薄板或带进行后续热处理、轧制、喷淋冷却，通过助卷进入到卷取机卷取成卷。

10)通过上述步骤即可连续生产双金属薄板或带。

本发明综合了多重喷嘴的喷射成形、连续轧制以及在双轧制辊辊缝两侧设立侧封机构的优点，采用喷射-复合-轧制在同一工位同时完成的工艺方式，来制备双金属薄板(带)。本发明具有结构紧凑，生产的双金属薄板(带)的结合强度高、表面质量优、边部质量好、收得率高、轧制力低以及能够连续生产双金属薄板(带)等特点。

本发明的主要优点是：

可以连续生产双金属薄板(带)；

工艺流程短、设备结构紧凑；

喷覆后立即进行轧制；

轧制力应力较小；

获得的双金属薄板(带)具有高的结合强度；

喷覆金属收得率高；

双金属薄板(带)边部质量好；

工艺易控制。

四、附图说明

图1为喷覆轧制双金属薄板薄带连续结构示意图；

图2为轧制段喷覆双金属薄板薄带工艺示意图；

图3为水平段喷覆双金属薄板薄带工艺示意图；

图4为喷覆轧制双金属薄板薄带全工艺方案示意图。

五、具体实施方式

喷嘴1置于两水平放置的轧辊4和41上方，轧辊4和41内部通水冷却，轧辊4和41辊缝隙上方的两侧面设有侧封板15，喷覆轧制双金属薄板或带的母带是通过双轧制辊与开卷辊或助开卷辊预张紧的。

所述的雾化喷嘴可置于双轧制辊间隙的正上方而喷覆在母带11上。

工艺步骤如下：

1)液态合金的准备：冶炼被喷覆金属，将过热度控制在50～200℃之间；

2)母带的准备：母带11是热轧卷带或冷轧卷带；

3)对母带11进行开卷和平整处理；

a)除污：去除母带11表面的油污；

b)去除氧化层：采用喷砂12或其它机械处理方式去除母带11上的氧化层；

c)母带加热：通过对母带11的加热工序13到其固相线温度以下50～250℃之间，以进一步提高母带与喷覆层3之间的结合力。

4)母带11通过助卷辊对母带11进行张紧并绕过一只轧辊转动，将母带11输送到二个水平放置的轧辊4和41之间；

5)从雾化喷嘴1喷出的高速气流将液态金属破碎成细小的金属颗粒2；

6)金属颗粒2随高速气流在运动的同时被逐渐冷却，在半固态状况下以较高的速度喷覆在经表面处理和预热的母带14与另一个轧辊及侧封机构围成的区域内形成喷覆层3；

7)喷覆层3随预热的母带14和轧制辊运动，通过二个逆向转动的轧制辊4和41；

8)将预热的母带14与喷覆层3组成的双金属进行轧制，形成良好结合的双金属薄板或带5；

9)再对双金属薄板或带5进行后续热处理6、轧制7、喷淋冷却8，通过助卷9进入到卷取机10卷取成卷。

10)通过上述步骤即可连续生产双金属薄板或带5。

本发明通过对母带卷先进行开卷及喷砂或喷丸预处理后，再进行预热，然后通过助卷辊对母带进行张紧并绕过一只轧辊转动，实现将母带输送到二个水平放置的轧辊之间。

雾化金属喷覆的方式可采用多雾化喷嘴同时实施喷覆，通过每个喷射园的交叉，实现在母带上能够比较均匀地喷覆第二种金属(或合金)的目的；或采用单雾化扫描喷嘴或多个雾化扫描喷嘴，沿垂直于母带前进方向上的扫描式喷覆，实现在母带上均匀地喷覆第二种金属(或合金)的目的；或通过偏平喷嘴的喷覆，实现在母带上均匀地喷覆第二种金属(或合金)的目的。

液体金属通过位于水平放置的双轧制辊上方的雾化喷嘴雾化后，形成高速运动的、半凝固态的金属液滴。这些金属液滴沉积到金属母带上，具有很高的温度，在双辊轧制力作用下，金属母带与高温沉积金属层被热压实而形成良好的冶金结合。由于母带被预热以及沉积其上的金属层处于半凝固态，因而由此形成的双金属通过轧制，其结合强度比采用常规双金属薄板压合方法制作的双金属带要高得多。这是因为雾化沉积金属处于半凝固状态下就完成了与母带的复合沉积过程，且喷覆金属的组织均匀细小，具有很好的延展性，同时又经过及时的热态下的轧制，由此形成的双金属复合材料的冶金结合非常好；由于在很高温度下实现了轧制，轧制力较小。另外，在双辊的两侧设置侧封机构，以减少或消除细微的金属颗粒向两侧飞逝而降低金属的收得率，并且能够提高双金属带的边部质量。喷覆方法包括：

多雾化喷嘴同时实施喷覆方法，通过每个喷射园的合理交叉，实现能比较均匀地喷覆第二种金属(或合金)；

单雾化喷嘴或多雾化喷嘴的扫描式喷覆方法，以实现能比较均匀地喷覆第二种金属(或合金)；

单雾化扁平喷嘴的喷覆方法，以实现能比较均匀地喷覆第二种金属(或合金)；

通过控制流入雾化喷嘴的金属流量，控制喷覆层厚度和喷覆层的厚度变化量，和双金属带的拉速来控制和稳定轧制力，为下步轧制提供合理的前提条件和保证。

通过在双辊的两侧设置机械式或气封式或电磁式侧封机构，以减少或消除细微的金属颗粒向两侧飞逝而降低金属的收得率，并且能够提高双金属带的边部质量。

轧制工艺：

根据母带和喷覆层金属的物性特征和温度情况，控制轧制时的压下量、金属带的拉速等工艺参数，生产规定厚度的双金属复合薄带。

在线热处理：

根据两层金属的特性，进行必要的在线加热，以满足后续精轧工艺要求。精轧工艺：

通过一个或多个机架的精轧，达到最终产品规格要求。

喷淋工艺：

根据母带和喷覆层的材料特性，进行必要的喷淋冷却或其它形式的热处理(如固溶处理等)等。

卷取工艺：

控制线上各工序的薄板(带)线速度，将薄板(带)卷取成卷。

通过雾化喷嘴的高速惰性气体气流将液态金属流碎化后，形成弥散的半凝固状金属颗粒，喷射到绕过其中一个轧辊的预拉紧的、经过预处理的金属母带与另一个轧辊之间，利用高温时母带与沉积金属颗粒的易结合性，使其能够牢固地粘结在母带上；在双辊转动轧制力的作用下，母带与沉积金属组成的双金属进一步结合，形成优良的双金属薄板(带)。本发明工艺流程短、设备结构紧凑；且喷覆后直接轧制、生产的双金属薄板(带)具有高的结合强度；且轧制力小、能源消耗低等

通过本发明提供的喷覆轧制双金属薄板(带)工艺，可以连续生产优质的双金属薄板(带)。本专利具有工艺流程短、设备结构紧凑、喷覆后即可直接轧制、轧制力小、工艺易控制，以及所获得的双金属薄板(带)具有高的结合强度等特点。

Claims (7)

1、金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的设备，包括喷嘴(1)、轧辊(4)和(41)、母带(11)，其特征在于：喷嘴(1)置于两水平放置的轧辊(4)和(41)上方，轧辊(4)和(41)内部可通水冷却，轧辊(4)和(41)辊缝隙上方的两侧面设有侧封板(15)，喷覆轧制双金属薄板或带的母带是通过双轧制辊与开卷辊或助开卷辊预张紧的。

2、根据权利要求1所述的金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的设备，其特征在于：可采用一排多个喷嘴布置。

3、根据权利要求1所述的金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的设备，其特征在于：可使用一个扁平式单喷嘴。

4、根据权利要求1所述的金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的设备，其特征在于：可采用一个扫描式喷嘴或多个扫描式喷嘴。

5、根据权利要求1所述的金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的设备，其特征在于：所述的雾化喷嘴可置于双轧制辊间隙的正上方或右上方而喷覆在母带(11)上。

6、根据权利要求1所述的金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带的设备，其特征在于：所述的母带(11)部分包缠在其中一个轧辊上。

7金属雾化喷射连续生产双金属薄板、薄带工艺，其特征在于：工艺步骤如下：

1)液态合金的准备：冶炼被喷覆金属，将过热度控制在50～200℃之间；

2)母带的准备：母带(11)是热轧卷带或冷轧卷带；

3)对母带(11)进行开卷和平整处理；

a)除污：去除母带(11)表面的油污；

b)去除氧化层：采用喷砂(12)或其它机械处理方式去除母带(11)上的氧化层；

c)母带加热：通过对母带(11)的加热工序(13)到其固相线温度以下50～250℃之间，以进一步提高母带与喷覆层(3)之间的结合力。

4)母带(11)通过助卷辊对母带(11)进行张紧并绕过一只轧辊转动，将母带(11)输送到二个水平放置的轧辊(4)和(41)之间；

5)从雾化喷嘴(1)喷出的高速气流将液态金属破碎成细小的金属颗粒(2)；

6)金属颗粒(2)随高速气流在运动的同时被逐渐冷却，在半固态状况下以较高的速度喷覆在经表面处理和预热的母带(14)与另一个轧辊及侧封机构围成的区域内形成喷覆层(3)；

7)喷覆层(3)随预热的母带(14)和轧制辊运动，通过二个逆向转动的轧制辊(4)和(41)；

8)将预热的母带(14)与喷覆层(3)组成的双金属进行轧制，形成良好结合的双金属薄板或带(5)；

9)再对双金属薄板或带(5)进行后续热处理(6)、轧制(7)、喷淋冷却(8)，通过助卷(9)进入到卷取机(10)卷取成卷。

10)通过上述步骤即可连续生产双金属薄板或带(5)。

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