專利名稱：金屬薄板雙輥異步鑄軋機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種金屬薄板帶材的生產(chǎn)設(shè)備，尤其屬于一種用于各種厚度的金屬薄板帶材生產(chǎn)的雙輥連續(xù)鑄軋設(shè)備。
背景技術(shù)：
板材是金屬使用最廣泛的材料，對板材進行各種金屬加工工藝的進一步加工，即可得到各種機器零件、金屬結(jié)構(gòu)件和設(shè)備等，金屬以板材的形式作為中間產(chǎn)品供應，極大地簡化了金屬材料深加工的生產(chǎn)流程、降低生產(chǎn)成本、擴大金屬材料的應用范圍。
金屬板材的生產(chǎn)一般是從鑄錠經(jīng)熱軋或冷軋生產(chǎn)，難變形的材料也有采用擠壓的工藝。經(jīng)過上述途徑生產(chǎn)的金屬板材，尤其是薄板，生產(chǎn)成本高，對于某些材料，如鎂合金，上述工藝的生產(chǎn)流程十分復雜、生產(chǎn)周期很長，生產(chǎn)成本高昂。
采用連鑄的工藝，雖然由液體金屬直接生產(chǎn)出板料，但該法得到的板材，其組織是鑄造組織，即使是同一種合金成分，其鑄造組織和由變形加工得到的組織有本質(zhì)的差別。
鑄造狀態(tài)的合金同變形狀態(tài)的合金相比，晶粒粗大、存在鑄造缺陷，如縮松、氣孔或針孔、夾雜、偏析和裂紋、殘余應力等，第二相粗大，即使是固溶體型的合金，由于鑄造過程的不平衡凝固，也會在晶界出現(xiàn)網(wǎng)狀脆性的第二相。鑄造狀態(tài)的合金組織的嚴重不均勻，不僅強度和塑性比變形狀態(tài)的差，而且鑄造狀態(tài)的合金一般也不能用做進行各種金屬加工工藝的進一步加工的板料。
連鑄連軋能使板坯在熱的鑄造狀態(tài)進一步軋制成為變形狀態(tài)的組織，但設(shè)備復雜，常用于固定產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，應用范圍受到限制。
雙輥式連續(xù)鑄軋在鋁的板材生產(chǎn)中已廣泛使用，各國雙輥連續(xù)鑄軋機主要用來生產(chǎn)鋁及鋁合金板材坯料，已用雙輥連續(xù)鑄軋生產(chǎn)出了0.6-2米寬、6-10毫米厚的純鋁及鋁合金板帶坯。雙輥連續(xù)鑄軋機設(shè)備投資小、運行費用低，但只能生產(chǎn)厚度最薄為大約6毫米的板帶，而且只能生產(chǎn)凝固溫度范圍小的合金。傳統(tǒng)雙輥連續(xù)鑄軋的鋁合金，深拉性能差，主要用做熱軋的板坯。雖雙輥式連續(xù)鑄軋的板坯也有少量的塑性變形，但雙輥式連續(xù)鑄造的板坯仍是鑄造狀態(tài)的組織。鎂工業(yè)的發(fā)展途徑是大力發(fā)展金屬的應用，但鎂制品的生產(chǎn)目前以鎂的熔化和鑄造為主要手段，由于鎂容易氧化和燃燒，所以以鎂的熔化和鑄造為主要手段的鎂制品加工途徑需要特殊的專門化知識和設(shè)備及人員，這給鎂的發(fā)展造成很大的束縛。為此應該大力開發(fā)一種使用鎂型材和板材為原料的鎂制品制造路線，如沖裁、沖壓等變形加工的技術(shù)。大力發(fā)展鎂的變形加工必須能提供高性能、低價格的金屬板材和型材。為了改變鎂工業(yè)的生產(chǎn)流程，擴大以板材為中間材料，通過各種變形加工的生產(chǎn)方法，避開通過金屬熔煉的途徑生產(chǎn)金屬零件，能大大地克服鎂的專業(yè)困難。但變形加工的生產(chǎn)方法要求板材必須適合變形的要求，有良好的冷熱變形的能力，而金屬的此種性能較差。因此，開發(fā)生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低的金屬板材的連續(xù)鑄軋技術(shù)有十分重大的意義。
液體金屬拖曳的雙輥連續(xù)鑄軋機是在傳統(tǒng)的雙輥連續(xù)鑄軋機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型薄板箔材生產(chǎn)設(shè)備，其特征是下邊的一個水冷輥負責凝固，當浸于金屬熔池中并快速旋轉(zhuǎn)時，金屬液一接觸輥面立即開始凝固，凝固層向熔池中生長變厚，由于輥面的運動，帶動凝固層的轉(zhuǎn)動，當凝固層轉(zhuǎn)動移出熔池后，緊貼輥面的金屬已凝固，表面層尚處于半固態(tài)，甚至當輥面的速度很快時，由于液體的粘滯作用，表層還有一薄層液體。如果金屬的凝固溫度間隔很小，液體的自由面凝固后也能得到致密的金屬組織；如果金屬的凝固溫度間隔寬，液體的自由面凝固后就不能得到致密的金屬組織，這時如果在半固態(tài)時用另一個處于上部的水冷輥對其施加適當?shù)哪雺毫Γ瑒t不論是凝固溫度間隔很小或凝固溫度間隔寬的合金液都能得到致密的組織和平整的上表面，該輥起導出半固態(tài)金屬并壓實、整平的作用。下輥承擔金屬液的凝固(凝固輥)，上輥承擔業(yè)已呈半固態(tài)的帶坯的上部自由面的成形(成形輥)。為了提高導熱率，采用導熱率高的銅輥。開放的金屬液池取代雙輥連續(xù)鑄軋機的流嘴，帶材的厚度是通過調(diào)整輥縫、輥的導熱率、旋轉(zhuǎn)速度、熔池液體金屬的深度來決定。液體金屬拖曳的雙輥連續(xù)鑄軋機，由于半固態(tài)時需要的碾壓力不大，大約為傳統(tǒng)雙輥連續(xù)鑄軋機鑄軋力的百分之一左右，很低的輥壓力可大大簡化設(shè)備。專利(03143980.2)液體金屬拖曳的超高速雙輥連續(xù)鑄軋機是在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型適合于金屬薄板箔材生產(chǎn)設(shè)備，該原理已在鎂、鋁、銅、鋼等材料上進行研究實驗，專利(03143980.2)首先完成了金屬研究和應用。
液體金屬拖曳的超高速雙輥連續(xù)鑄軋的金屬薄板雖然晶粒度在數(shù)十微米以上，但其組織基本仍屬鑄造組織，鑄造組織存在鑄造應力、缺陷、粗大的過剩相、橫向晶粒、偏析、條帶等組織不均勻性，嚴重影響板材的塑性加工能力。
變形組織比鑄造組織有更優(yōu)異的塑性加工能力，如果用連續(xù)鑄軋的方法一次直接生產(chǎn)出具有變形組織的高性能金屬薄板帶材，則在技術(shù)上是重大突破，實際意義極其重大。
目前國內(nèi)外還沒有用連續(xù)鑄軋的方法直接生產(chǎn)出具有變形組織的金屬薄板帶材的技術(shù)，它是目前世界鎂工業(yè)界的最前沿研究開發(fā)課題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明的目的是采用連續(xù)鑄軋的方法一次直接生產(chǎn)出具有變形組織的高性能金屬薄板帶材。
為了實現(xiàn)把連鑄的金屬薄板用于多種塑性加工的目的，需要滿足的條件晶粒尺寸大體小于10微米的組織，經(jīng)過變形鑄軋消除缺陷，使具有鑄造組織特征的連鑄金屬薄板帶材變?yōu)榫哂凶冃谓M織特征。采用傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機，把凝固和變形在金屬薄板雙輥鑄軋機上的空間位置分開，在不同的位置完成凝固和變形。
組織的晶粒細化通過對液體金屬的快速凝固能達到，為了達到此目的，可強化凝固輥的激冷效果，采用高導熱性的銅質(zhì)水冷棍、增加凝固金屬同輥的接觸面積和接觸時間。為此，本發(fā)明是把液體金屬拖曳的雙輥連續(xù)鑄軋的原理應用到傳統(tǒng)的雙輥連續(xù)鑄軋機上而發(fā)展起來的一種新型金屬薄板箔材生產(chǎn)設(shè)備。其特征是下邊的一個水冷輥負責凝固，浸于金屬熔池中并快速旋轉(zhuǎn)，金屬液一接觸輥面立即開始凝固，凝固層向熔池中生長變厚，由于輥面的運動，帶動凝固層轉(zhuǎn)動，當凝固層轉(zhuǎn)動移出熔池后，緊貼輥面的金屬已凝固，而表面層尚處于半固態(tài)，甚至當輥面的速度很快時，由于液體的粘滯作用，表層還有一薄層液體。如果金屬的凝固溫度間隔很小，液體的自由面凝固后也能得到致密的金屬組織；如果金屬的凝固溫度間隔寬，液體的自由面凝固后就不能得到致密的金屬組織。如果在半固態(tài)時用另一個處于上部的水冷輥對其施加適當?shù)哪雺毫?，則不論是凝固溫度間隔很小或凝固溫度間隔寬的合金液都能得到致密的組織和平整的上表面，下輥承擔金屬液的凝固(凝固輥)，上輥承擔業(yè)已呈半固態(tài)的帶坯上部自由面的成形(成形輥)、壓實、整平作用。為了提高導熱率，采用導熱率高的銅輥。開放的一體化前箱流唇取代雙輥連續(xù)鑄軋機的流嘴，帶材的厚度不僅對輥縫加以調(diào)整，而且對輥的導熱率、旋轉(zhuǎn)速度、一體化前箱流唇處液體金屬的深度應進行調(diào)整。液體金屬拖曳的雙輥連續(xù)鑄造機，由于半固態(tài)時需要的碾壓力不大，大約為傳統(tǒng)雙輥連續(xù)鑄軋機鑄軋力的百分之一左右。
在金屬薄板雙輥鑄軋機上同時完成大變形效果的軋制，僅靠加大雙輥下壓量是難于實現(xiàn)的，為此應改變塑性變形的模式。本發(fā)明鑄軋板坯在壓縮變形的基礎(chǔ)上增加一種搓剪變形，壓縮變形和搓剪變形的疊加大幅度地提高初始形成的鑄造組織的變形程度，促進塑性變形組織特征的薄板帶的形成。
雙輥旋轉(zhuǎn)表面線速度差速，凝固輥的轉(zhuǎn)速通常是根據(jù)對快速凝固的需要和板帶厚度的要求設(shè)計，對某一種鑄軋材料和板帶規(guī)格，一般變動范圍一定，因此為了定量地衡量金屬薄板雙輥異步鑄軋機的異步參數(shù)，采用異速比——成形輥表面線速度與凝固輥表面線速度之比。
實驗證明，當異速比增大時，搓軋區(qū)也擴大，當速度比等于金屬的延展系數(shù)時，形成全搓軋區(qū)，即整個搓軋區(qū)擴展到整個變形區(qū)。此時，鑄軋體進入速度等于凝固輥表面線速度，軋制體離開速度等于成形輥表面線速度。由于異步軋制時剛剛形成的鑄造組織坯料尚處于高溫，金屬的延展系數(shù)要比常溫狀態(tài)下大得多，一般異速比通過理論估算，再由實驗最后確定。最終的評價一般是通過對板帶進行各種分析，取以細小的等軸晶、最佳力學性能和后續(xù)加工工藝的有利進行為依據(jù)。
實驗表明，金屬薄板雙輥異步鑄軋機很難實現(xiàn)穩(wěn)定的軋制的全搓狀態(tài)，因為從力學上分析，軋制的全搓狀態(tài)需要保持成形輥表面的接觸摩擦力與凝固輥表面的接觸摩擦力相等且方向相反。由于輥的打滑和振動，必然對接觸摩擦力產(chǎn)生影響，造成穩(wěn)定狀態(tài)的破壞，使板帶厚度產(chǎn)生波動。所以不克服其中不穩(wěn)定狀態(tài)，就不能實現(xiàn)穩(wěn)定的異步鑄軋生產(chǎn)。
搓軋區(qū)的微觀區(qū)域變形比純壓縮變形可更易獲得組織均勻、微觀組織晶粒細小、具有變形組織特點的優(yōu)質(zhì)連鑄連軋金屬薄板。


附圖中1.凝固輥，2.成形輥，3.氣體保護系統(tǒng)，4.一體化前箱流唇，5.液面調(diào)節(jié)器，6.循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，7.機架，8.噴射裝置。
具體實施例方式實施例一鋁及其合金凝固輥(1)、成形輥(2)采用性能好的炮鋼，為了提高冷卻速度，可采用氧化鋁彌散強化銅。輥的直徑600毫米，內(nèi)有水冷槽，輥旋轉(zhuǎn)表面線速度為10-100米/分，連續(xù)可調(diào)，使一臺機器能生產(chǎn)多種品種鋁及其合金板帶。
一體化前箱流唇(4)供料被設(shè)置在凝固輥的側(cè)面，機架(7)向板材運動方向傾斜15°，通過凝固輥(1)轉(zhuǎn)動時把金屬液拖帶；板帶的厚度可通過調(diào)整輥的轉(zhuǎn)速、輥的導熱速度和流唇(4)處中液體的深度、雙輥間輥縫來決定。供料池在流唇(4)處金屬液的深度為10-70毫米，雙輥異速比1.05～1.25，根據(jù)不同的金屬材料和需要的板帶厚度確定。
液面高度精密控制方法采用液面調(diào)節(jié)器(5)，控制精度要達到0.5～1mm。
本實施例未說明部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。
實施例二鎂及其合金凝固輥(1)、成形輥(2)采用性能好的炮鋼，為了提高冷卻速度，可采用氧化鋁彌散強化銅。輥的直徑600毫米，內(nèi)有水冷槽，輥旋轉(zhuǎn)表面線速度為20-120米/分，連續(xù)可調(diào)，使一臺機器能生產(chǎn)鎂及其多品種合金板帶。
一體化前箱流唇(4)供料被設(shè)置在凝固輥的側(cè)面，機架(7)向板材運動方向傾斜15°，通過凝固輥(1)轉(zhuǎn)動時把金屬液拖帶，板帶的厚度可通過調(diào)整輥的轉(zhuǎn)速、輥的導熱速度、流唇(4)中液體的深度、雙輥間輥縫來決定，雙輥異速比為1.1～1.25都能得到良好的結(jié)果。供料池在流唇處金屬液的深度為10-70毫米，根據(jù)不同的金屬材料和需要的板帶厚度確定。
液面高度精密控制方法采用液面調(diào)節(jié)器(5)，控制精度要達到0.5～1mm。鎂液采用復合氣體保護。
本實施例未說明部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。
本發(fā)明對多種低熔點金屬包括鋁、鋅、錫、鎂等及其合金板材進行多種厚度的生產(chǎn)性連鑄實驗，各項操作性能良好，符合規(guī)定指標。
實驗結(jié)果表明，本發(fā)明具有投資省、設(shè)計生產(chǎn)率高、安全性能優(yōu)良，可用于0.1-3毫米厚度低熔點金屬薄板材的生產(chǎn)，板材質(zhì)量良好。
權(quán)利要求
1.一種金屬薄板雙輥異步鑄軋機，由凝固輥(1)、成形輥(2)、氣體保護系統(tǒng)(3)、一體化前箱流唇(4)、液面調(diào)節(jié)器(5)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)(6)、機架(7)、噴射裝置(8)組成，其特征在于凝固輥(1)承擔液體金屬的快速凝固任務，與凝固輥表面線速度不同的成形輥(2)承擔剛凝固金屬的異步軋制塑性變形任務，從而使得到的金屬薄板具備一定的塑性變形組織的特點，組織均勻、晶粒細小，是一種比普通雙輥鑄軋制成的薄板有更高的強韌性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬薄板雙輥異步鑄軋機，其特征在于一體化前箱流唇(4)的位置偏離雙輥中心線向下移，金屬液與處于下部內(nèi)通冷卻水的凝固輥面接觸激冷而發(fā)生快速凝固，生成細晶粒的鑄造組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬薄板雙輥異步鑄軋機，其特征在于在凝固輥(1)上部位置的鑄造組織，其溫度處于液相線附近呈固態(tài)或半固態(tài)，隨即進入安置在上部的成形輥(2)和下輥凝固輥(1)之間進行異步軋制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬薄板雙輥異步鑄軋機，其特征在于成形輥(2)以不同于凝固輥(1)的表面線速度旋轉(zhuǎn)，從而對鑄造板坯在壓縮變形的基礎(chǔ)上增加一種搓剪變形，壓縮變形和搓剪變形的疊加，大幅度地提高初始形成的鑄造組織的變形程度，促進具有塑性變形組織特征的薄板帶的形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬薄板雙輥異步鑄軋機，其特征在于機架是傾斜式，機架向板材運動方向傾斜10°～15°。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種金屬薄板帶材連續(xù)鑄軋生產(chǎn)設(shè)備，主要由凝固輥、成形輥、雙輥異步驅(qū)動裝置、一體化前箱流唇、液面調(diào)節(jié)器、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)組成。其特征在于直接把液體金屬變?yōu)榫邆湟欢ㄋ苄宰冃谓M織特征的均勻細晶粒組織的薄板帶材。金屬薄板帶的凝固和成形分別在凝固輥和成形輥兩個不同的位置完成的，并且凝固輥和成形輥速度不同，從而使在凝固條件相同的前提下，在半固態(tài)的軋制階段增加一種搓剪變形，促進塑性變形組織特征的薄板帶的形成。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、不易粘輥，可用于各種厚度、不同品種的金屬薄板帶材的生產(chǎn)。
文檔編號B22D11/06GK1647870SQ20041000174
公開日2005年8月3日 申請日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者李華倫, 黃育宏, 李書偉, 楊仲可 申請人:李華倫, 黃育宏, 李書偉, 楊仲可