專利名稱：懸浮連鑄法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬懸浮連鑄法及設(shè)備，屬于金屬連鑄技術(shù)領(lǐng)域。
目前，冶金工業(yè)的各種連鑄方法，歸納起來說，一般是將金屬熔液澆入金屬型結(jié)晶器，對結(jié)晶器進行水冷，從另一端拉出。這類連鑄方法存在的不足是(1)設(shè)備極為龐大、復(fù)雜，造價高昂；(2)拉坯速度慢，受冷卻速度的限制，其拉速一般在2—3米/分，對大斷面坯料，拉速甚至小于0.5米/分；(3)坯料表面質(zhì)量不好，有細微拉裂紋；(4)拉速快時，很容易出現(xiàn)拉斷、漏鋼現(xiàn)象。
本發(fā)明的目的的就是為了克服上述不足而提供的一種使用液態(tài)結(jié)晶器的懸浮連鑄法及設(shè)備，其設(shè)備簡單，造價低廉，可以實現(xiàn)任意斷面的坯料高速連鑄，工況穩(wěn)定、可靠，坯料質(zhì)量好。
本發(fā)明的原理是所謂液態(tài)結(jié)晶器就是用比原料金屬熔點低且不與其發(fā)生混溶的物質(zhì)為懸浮劑；在一個封閉的結(jié)晶器殼的兩端有熔液澆注口和坯料出坯口，在工作狀態(tài)時，澆注口連續(xù)澆注金屬熔液，出坯口連續(xù)拉出或擠出坯料，也就是說，從澆注口至出坯口懸浮劑與金屬熔液及殼層構(gòu)成連續(xù)的呈動態(tài)平衡的二相界面，形成一個被金屬熔液占據(jù)的型腔；由于液態(tài)懸浮劑是不可壓縮的，因而在封閉的結(jié)晶器殼內(nèi)懸浮劑的體積不變，因而懸浮劑中被金屬熔液占據(jù)的型腔體積也不變，只要金屬熔液的澆注是連續(xù)的，這種型腔就是穩(wěn)定的，并不會因為懸浮劑是不定形的液態(tài)而產(chǎn)生變形，這一點由力學(xué)分析及實踐均已證實；另外，金屬熔液進入低溫懸浮劑后，立刻在表面形成一個凝固殼層，而且隨后逐漸增厚，這種殼層足以抵抗由于懸浮劑熱傳導(dǎo)及坯料拉動引起的紊流產(chǎn)生的不平衡力的破壞。
一般連鑄設(shè)備采用水平布置，以便使設(shè)備高度降低，這時懸浮劑的比重應(yīng)與金屬熔液的比重相近，以減小懸浮劑浮力對初澆注的尚未凝固的金屬熔液的坯型的破壞；也可采用立式和立孤式結(jié)構(gòu)，立孤式結(jié)構(gòu)必須有一個垂直的澆注段，以便金屬熔液在初澆段，不至于由于浮力不平衡而破壞柱流，其懸浮劑的比重宜比金屬熔液小；立式結(jié)構(gòu)呈垂直布置，可以用上注法及下注法，上注法使用的懸浮劑的比重宜小于金屬熔液，下注法則反之。
金屬熔液以一定的壓力、甚至高壓澆注，澆注口適當(dāng)大于出坯口，這樣一方面可以提高澆注速度，實現(xiàn)高速連鑄，另一方面，使已凝固的高溫鑄態(tài)組織在液態(tài)結(jié)晶器內(nèi)受到液等靜壓力的作用，產(chǎn)生擠壓變形，使坯料質(zhì)量提高，甚至直接連續(xù)壓鑄擠出成品材料。
概而言之，實現(xiàn)懸浮連鑄的必要條件是(1)金屬熔液連續(xù)澆注；(2)液態(tài)結(jié)晶器是一個封閉的系統(tǒng)即保持懸浮劑中被金屬熔液占據(jù)的體積不變；(3)懸浮劑的熔點比金屬熔液凝固點低且不與其發(fā)生混溶；控制懸浮劑的溫度在金屬熔液凝固點以下，懸浮浮劑熔點以上，使金屬熔液逐漸凝固而懸浮劑始終呈液態(tài)；(4)水平澆注時，懸浮劑的比重與金屬熔液相近；用立式設(shè)備連鑄時，上注法懸浮劑的比重小于金屬熔液，下注法則反之；用立弧式設(shè)備連鑄時，懸浮劑的比重小于金屬熔液的比重。
本發(fā)明適用于所有金屬的棒、型、板、管及線各種斷面坯料的連鑄，尤其可以實現(xiàn)近終足寸的精密高速連鑄。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳述。
附

圖1是連鑄工藝及設(shè)備示意圖。
附圖2是連鑄管坯工藝及設(shè)備示意圖。
如附圖1所示，連鑄設(shè)備一般由液態(tài)結(jié)晶器(I)、冷卻器(II)，拉坯機(III)、澆注系統(tǒng)(IV)組成。液態(tài)結(jié)晶器(I)由結(jié)晶器殼(1)，調(diào)節(jié)器(2)，澆注口(3)；出坯口(4)，懸浮劑(5)構(gòu)成。以下對各部件的結(jié)構(gòu)及功能作詳細描述1、液態(tài)結(jié)晶器(I)是連鑄設(shè)備的主體部分，也是本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)工藝的關(guān)鍵所在。它由結(jié)晶器殼(1)，調(diào)節(jié)器(2)，冷卻器(II)構(gòu)成一個封閉的系統(tǒng)；澆注口(3)及出坯口(4)進行澆注金屬熔液及出坯料，由于這個通道是始終連續(xù)的，懸浮劑(5)中被金屬熔液占據(jù)的型腔就處于穩(wěn)定的封閉狀態(tài)；液態(tài)結(jié)晶器(I)的長度L(m)，與澆注速度(或拉出速度)G(kg.min-1)，傳熱斷面周長D(m)，液態(tài)結(jié)晶器(I)導(dǎo)熱率λ(kc·m-2·min-1)及金屬熔液的凝固熱H(kc·kg-1)的關(guān)系應(yīng)滿足L≥H·G/D·λ。
2、結(jié)晶器殼(1)是一個與坯料斷面相匹配的長形剛性殼，有很好的高溫強度及耐金屬熔體或熔鹽浸蝕，在高壓連鑄時，其結(jié)構(gòu)滿足強度高、散熱快的要求，在結(jié)晶器殼(1)的殼壁上用環(huán)狀增強筋及縱向柵狀增強筋提高耐壓能力并增大散熱面積；3、懸浮劑(5)，在工作狀態(tài)始終呈液態(tài)，采用熔點比金屬熔液凝固點低且不與其發(fā)生混溶的物質(zhì)為材料；水平澆注時，其比重與金屬熔液比重相近，盡量減小浮力的不利影響；在立式設(shè)備中連鑄，上注時，采用其比重比金屬熔液比重小的懸浮劑，下注時反之；在立孤式設(shè)備中連鑄時，懸浮劑的比重小于金屬熔液比重；懸浮劑一般可用熔鹽、易熔玻璃熔液或低熔點金屬熔液；4、澆注口(3)和出坯口(4)，分別在液態(tài)結(jié)晶器(I)的兩端，澆注口(3)及出坯口(4)都必須用高溫強度好、耐磨耐金屬熔體及熔鹽浸蝕的材料制作；在高壓高速連鑄時，澆注口(3)的截面積適當(dāng)大于出坯口(4)，使坯料呈擠壓狀態(tài)輸出，一方面可以提高連鑄速度，另一方面，可以提坯料質(zhì)量；當(dāng)澆注壓力高于坯料的屈服強度時，就可以直接擠出成品材；出坯口(4)的模具對坯料僅起坯料定型及密封懸浮劑(5)作用，并不對坯料產(chǎn)生很大的壓縮變形，其壓縮變形主要是靠懸浮劑的液等靜壓力作用，所以其工作面很窄，以減小拉坯或擠坯的摩擦力；5、調(diào)節(jié)器(2)，由調(diào)節(jié)閥(6)及儲液罐(7)組成，調(diào)節(jié)閥(6)由一個開關(guān)及微調(diào)柱塞組成，其作用是調(diào)節(jié)液態(tài)結(jié)晶器(I)內(nèi)懸浮劑(5)的體積；開關(guān)起放出或增加并密封懸浮劑(5)的作用，微調(diào)柱塞起微調(diào)作用，可以用液壓或螺旋方式給進；6、冷卻器(II)，其作用對液態(tài)結(jié)晶器(I)進行冷卻，由于連鑄工藝不同，有多種情況①連鑄速度不高、低壓澆注時，由于結(jié)晶器殼(1)很薄，用冷卻器(II)對結(jié)晶器殼(1)噴水冷卻就可以滿足要求；②高壓澆注高速連鑄時，結(jié)晶器殼(1)很厚，熱阻很大，需要用外冷卻管(8)及循環(huán)泵(9)組成的冷卻器(II)直接對懸浮劑(5)強制循環(huán)冷卻；或者用內(nèi)冷卻管通水冷卻；7、拉坯機(III)，其作用是從液態(tài)結(jié)晶器(I)中將坯料拉出；8.澆注系統(tǒng)(IV)的作用是根據(jù)工藝要求，以適當(dāng)?shù)膲毫白⑺傧蛞簯B(tài)結(jié)晶器(I)澆注金屬熔液。
對連鑄大斷面坯料，可以從液態(tài)結(jié)晶器拉出殼層液芯坯料，用二冷段噴霧冷卻至完全凝固，這樣可以減小液態(tài)結(jié)晶器的長度并提高連鑄速度。
在用立孤式連鑄設(shè)備連鑄時，液態(tài)結(jié)晶器分為兩個區(qū)段，其一是垂直的澆注段，具二是孤形段，在孤形用導(dǎo)輥對殼層液芯坯料壓縮導(dǎo)流并矯直，然后水平輸出。
如附圖2所示連鑄管坯時，液態(tài)結(jié)晶器(V)由外結(jié)晶器及內(nèi)結(jié)晶器構(gòu)成，其中內(nèi)結(jié)晶器就是由一根芯棒(12)連接澆注內(nèi)模(11)及出坯內(nèi)模(13)，在澆注內(nèi)模(11)與出坯內(nèi)模(13)之間的空腔用懸浮劑(14)填充，這樣就形成內(nèi)結(jié)晶器；外結(jié)晶器由結(jié)晶器殼(15)，調(diào)節(jié)器(16)、出坯口(17)、澆注口(18)，懸浮劑(14)構(gòu)成。附圖2所示的水平連鑄管坯設(shè)備，由液態(tài)結(jié)晶器(V)，冷卻器(VI)，拉坯機(VII)及澆注系統(tǒng)(VIII)組成；其中，調(diào)節(jié)器(16)由，調(diào)節(jié)閥(19)及儲液罐(20)構(gòu)成，調(diào)節(jié)閥(19)由開關(guān)及微調(diào)柱塞構(gòu)成。高壓連鑄時，冷卻器(IV)由外冷卻管(21)及循環(huán)泵(10)組成，外冷卻管(21)用于對外結(jié)晶器的懸浮劑(14)進行強制循環(huán)，內(nèi)結(jié)晶器用內(nèi)冷卻管通水冷卻。低壓連鑄時可直接對液態(tài)結(jié)晶器噴水冷卻。管坯形成的情況是這樣的，由管狀金屬熔體與內(nèi)結(jié)晶器形成一個懸浮劑(14)體積不變的內(nèi)封閉系統(tǒng)；由外結(jié)晶器與管狀金屬熔液形成一個懸浮劑(14)體積不變的外封閉系統(tǒng)；即環(huán)狀金屬熔液將懸深刻(14)分為外結(jié)晶器及內(nèi)結(jié)晶器，并形成從澆注口(18)到出坯口(17)的環(huán)狀型腔；懸浮劑(14)對環(huán)狀金屬熔液壓縮冷凝，經(jīng)出坯口(17)定型而被拉出即成。懸浮劑(14)的比重宜與金屬熔液比重相近，以減小懸浮劑(14)浮力對初澆注的尚未凝固的金屬熔液的管狀的破壞，高速連鑄時，懸浮劑(14)用冷卻器(VI)進行強制循環(huán)冷卻。
下面介紹本發(fā)明的實施例。
實施例1加壓連鑄20#鋼20×1200板坯。采用如附圖1所示的工藝及連鑄設(shè)備，其中用鉛基合金熔液為懸浮劑，熔點為200—320℃，比重為7.20～8.0g/cm3；用冷卻器對懸浮劑強制循環(huán)冷卻，溫度控制320—800℃；澆注口的截面為30×1200mm2，出坯口截面為20×1200mm2，澆注壓強為50--100N/mm2，出坯溫度1000—1200℃，出坯速度6m/min，其液態(tài)結(jié)晶器總長度4—5米。連鑄開始時，用一根引坯桿從出坯口伸進液態(tài)結(jié)晶器并穿過，引坯桿的頂端是一個與出坯口截面相同的帽頭，帽頭與金屬熔液粘接后就慢速拉出，同時，液態(tài)結(jié)晶器內(nèi)的懸浮劑從調(diào)節(jié)閥排出，待坯料拉至出坯后，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉并增加澆注壓力至50—100N/mm2，再調(diào)節(jié)微調(diào)柱塞，液態(tài)結(jié)晶器內(nèi)懸浮劑壓縮金屬熔液，使金屬熔體所占體積減小，即從出坯口至澆注口呈梯形狀；同時啟動冷卻器對懸浮劑進行循環(huán)冷卻；坯料由拉坯機以6m/min的速度勻速拉出；實施例2高壓連續(xù)壓鑄型鋼。
連鑄型鋼的設(shè)備與實施例1相似，所不同的是澆注口與出坯口斷面形狀，依制造的品種而異，有軌鋼、工字鋼、槽鋼等。由于型鋼有較大的比表面積，同樣長度的液態(tài)結(jié)器可以以很大的速度高速連鑄。一次連續(xù)壓鑄成品型鋼，采用的工藝如下(1)出坯口鋼材溫度控制在再結(jié)晶溫度以下，如800—850℃；(2)澆注壓強為3—5×103kg/cm2；(3)澆注口截面和比出坯口大50—100％；(4)懸浮劑的溫度控制在320～600℃。
實施例3高壓連續(xù)壓鑄鋼管，如附圖2所示，其液態(tài)結(jié)晶器由外結(jié)晶器及內(nèi)結(jié)晶器構(gòu)成。用鉛基合金熔液作懸浮劑，其此重7.2—8.0g/cm2，熔點200—320℃。啟動冷卻器對懸浮劑進行強制循環(huán)冷卻，同時內(nèi)冷卻管對內(nèi)結(jié)晶器通水冷卻，控制在320—600℃，澆注開始時，用一根頂端有一個與出坯口截面相同的環(huán)狀帽頭的引坯桿伸進液態(tài)結(jié)晶器并穿過澆注口，使之與金屬熔液粘接，然后，慢速拉出至出坯口，同時使懸浮劑從調(diào)節(jié)閥排出，然后調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，并調(diào)節(jié)微調(diào)柱塞，懸浮劑壓縮金屬熔液，使金屬熔體所占的體積減小，即從澆注口至出坯口，逐漸減少；增大澆注壓力至3—5×103kg/cm2；坯料在800℃左右從出坯口以6—8m/min的速度擠出。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1、連鑄設(shè)備造價低，投資少；2、可以實現(xiàn)高速連鑄及壓鑄成品材料，尤其是可以實現(xiàn)復(fù)雜型材近終尺寸精密連鑄及一次壓鑄成材；3、鑄坯內(nèi)部組織很密實，表面光潔；4、對于某些塑性較差的材料可以連續(xù)壓鑄成材；5、由于懸浮劑的液相懸浮作用拉坯力很小；高壓壓鑄直接擠出成品材，減少了軋制，撥制能耗，綜合能耗較低。
權(quán)利要求
1.一種懸浮連鑄法，其特征在于將金屬熔液連續(xù)注入用比金屬熔點低且不與其發(fā)生混溶的物質(zhì)為懸浮劑的封閉的液態(tài)結(jié)晶器內(nèi)，保持懸浮劑中被金屬熔液占據(jù)的型腔體積不變，控制懸浮劑的溫度在金屬熔液凝固點以下，懸浮劑物質(zhì)熔點以上，使金屬熔液逐漸凝固而懸浮劑始終呈液態(tài)，凝固的坯料連續(xù)拉出。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的懸浮連鑄法，其特征在于液態(tài)結(jié)晶器的型腔，就是通過控制工藝過程、使懸浮劑與金屬熔液及殼層在澆注口至出坯口形成的連續(xù)的處于動態(tài)平衡的二相界面。
3.一種懸浮連鑄設(shè)備，其特征是懸浮連鑄設(shè)備由澆注系統(tǒng)，液態(tài)結(jié)晶器，冷卻器及拉坯機構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)力要求書3所述的懸浮連鑄設(shè)備，其特征是液態(tài)結(jié)晶器由結(jié)晶器殼，調(diào)節(jié)器，澆注口，出坯口及懸浮構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)力要求書4所述的懸浮連鑄設(shè)備，其特征是懸浮劑是一種比金屬熔點低且不與其發(fā)生混溶的物質(zhì)，工作狀態(tài)時呈液態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種金屬懸浮連鑄法及設(shè)備，其特征是將金屬熔液注入用比該金屬熔點低且不與其發(fā)生混溶的物質(zhì)為懸浮劑的封閉的液態(tài)結(jié)晶器內(nèi)，冷凝結(jié)晶成固體坯料拉出。本發(fā)明可以實現(xiàn)各種斷面坯料的高速連鑄，而且坯料質(zhì)量好，拉坯力小，不會出現(xiàn)拉斷、裂紋現(xiàn)象；工藝簡單，設(shè)備投資小。
文檔編號B22D11/01GK1126120SQ9510020
公開日1996年7月10日 申請日期1995年1月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月4日
發(fā)明者潘代發(fā) 申請人:潘代發(fā)