CN1317378A - 半固态金属材料连轧工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可以根据需要设有多架轧机，构成连轧的金属材料半固态轧制工艺及设备，通过电磁搅拌的金属半固态浆料，在导流管内输送，然后直接沿垂直方向，从轧机上部进入轧制区。在轧制区内，轧机布置成垂直段、扇形段、水平段三段，使浆料通过多机架进行连续轧制。采用本工艺所设计的设备主要由多架二辊轧机、导卫装置及冷却装置等组成，浆料搅拌器与轧机采用上、下垂直布置。本发明可以实现稳定控制半固态金属连续轧制，扩大产品加工的尺寸范围和品种，并且生产成本低，设备结构简单，维修操作方便。
Description
本发明属于半固态金属材料轧制，特别涉及半固态钢铁材料的连续轧制。
半固态金属材料的轧制成形是近20年来新发展的一项技术，由于该项技术可以达到近终形轧制，提高生产效率，扩大产品范围，因此具有广阔的工业基础和潜力，但是这种连续成形过程，在半固态浆料的输送方面存在着一定的困难，影响了其应用，使金属材料的半固态轧制成形主要集中在铝合金、镁合金、铅合金、铜合金等低熔点材料方面。尽管低熔点材料半固态轧制的研究为高温钢铁材料半固态轧制的研究奠定了一定的基础，但是由于钢铁材料存在(1)固相线与液相线温度区间较小；(2)两相区温度高，半固态浆料难于连续稳定地制备；(3)浆料的温度、固相的比率和分布难以准确控制；(4)浆料在高温输送和保温困难；(5)成形温度高，工具材料的高温性能难以保证等问题，而使半固态轧制更为困难。根据Proceedings of The 3rd International Coference onProcessing of Semi-Solid Alloys and Composites和Proceedings of The 4thInternational Conference on Processing of Semi-Solid Alloys andComposites等有关文献报道，90年代以来日本、美国、英国和韩国等国对钢铁材料的半固态轧制进行了大量的研究，其轧制工艺是将半固态坯料加热至半熔融状态，进行单块坯料的轧制，若加热时固相率过高(70％以上)，其变形与热轧基本相同，若固相率较低(70％以下)，则液固相变形不易控制，使轧制过程及产品质量不稳定。他们实验所采用的轧机一般为单机架，并且试轧的材料主要为铝合金等低熔点金属和不锈钢，轧制的产品为薄板，不仅产品的尺寸范围小，而且产品单一。
本发明的目的在于，克服上述半固态坯料再加热轧制的能耗高和加热坯料固相率及轧制过程和产品质量不稳定问题，提出一种将半固态金属浆料直接送入轧机辊缝实现浆料直接连续轧制，通过半固态浆料固相率稳定输送及多机架轧制实现稳定控制轧制过程及轧件质量，并且设备结构简单，维修操作方便。
在本轧制工艺中，通过电磁搅拌或电磁与振动复合搅拌获得组织均匀、晶粒细小的金属半固态浆料，半固态浆料经过浆料导流管直接沿垂直方向，从轧机上部输送至第一架轧机入口处，并通过导卫装置进入轧制变形区轧制成形。半固态浆料经第一架轧机轧制变形后，边冷却边进入下面机架继续轧制变形。轧机布置成垂直段、扇形段、水平段三段，使浆料通过多机架进行连续轧制。
采用本工艺所设计的设备主要由多架二辊轧机、导卫装置及冷却装置等组成，浆料搅拌器及输送装置与轧机采用上、下垂直布置，四个立柱构成机架框架8，机架框架8是安放两架或多架轧机的总体构架，每架轧机由连接在机架框架8内侧一段上的左右两条矩形板13支撑。第一架轧机的轧辊为空心轧辊4，并在内部装有喷水冷却水管10，第二架以后的各轧机轧辊为实心轧辊5。
图1为半固态连轧工艺流程图
1半固态浆料
2浆料导流管
3导板
4空心轧辊
5实心轧辊
图2为半固态连轧设备结构简图
6压下螺杆
7平衡弹簧
8机架框架
9轴承座牌坊
11压头
10冷却水管
12轴承座
13矩形板
下面结合实施例详细说明本发明。
经过搅拌后的60Si2Mn半固态浆料，由浆料导流管2和导板3流入与搅拌器垂直放置的轧机，利用手动或电动压下调节辊缝值，通过压下螺杆6推动压头11来改变辊缝的大小，当半固态浆料1通过第一架轧机轧制变形后，半固态浆料已基本凝固，但温度很高，轧制变形抗力低，因此要求轧辊的导热性好。第一架轧机采用空心轧辊4，空心轧辊通过内部的冷却水管10进行喷水冷却，在需要更大的冷却速度时，还可以采用内部和外部冷却同时进行的方式来控制轧件和轧辊的温度。轧件进入第二架轧机时，由于降温，轧件已大部分凝固，温度接近热轧状态，变形抗力增加，因此第二架轧机以后的各架轧机采用实心轧辊5进行连续轧制。
60Si2Mn半固态连轧与常规铸造的工艺相比较，具有以下特点：
1、电磁搅拌半固态坯料与常规铸造60Si2Mn的微观组织比较，精粒细化，组织均匀。
图3为电磁搅拌半固态60Si2Mn的微观组织。
图4为常规铸造60Si2Mn的微观组织。
图5为半固态60Si2Mn在1400℃、e=0.4,ε=0.5的条件下变形后的组织。
图6为常规铸造60Si2Mn在1400℃、e=0.4,ε=0.5的条件下变形后的组织。
从图3与图4可以看出，常规铸造料的枝晶很发达，而经电磁搅拌的半固态坯料晶粒细小、组织均匀。图5与图6表明，在固液两相区变形时，半固态坯料变形后的组织均匀，而常规铸造的组织极不均匀、还存在大量的枝晶结构。
2、60Si2Mn半固态浆料比常规铸造料在固-液两相区的变形抗力小。
图7为60Si2Mn半固态与常规铸造料在固-液两相区真应力-应变曲线(T=1420℃、e=0.5)
从图7可以看出，在固液两相区变形时，半固态坯料变形抗力明显小于常规铸造坯料的变形抗力。
本发明采用了尺寸较小的导流管，使浆料在输送过程中散热少，流动阻力小，又由于半固态金属材料在高温下变形抗力小、组织均匀、晶粒细小、无枝晶和偏析，依靠自身的重力垂直地进入轧制区，所以可以顺利实现咬入和大变形轧制，实现稳定控制轧制，显著缩短工艺流程，生产一些目前热轧较难生产的特殊性能和特殊形状的产品，由此降低了产消耗和成本，提高了生产效率并扩大了产品范围。
Claims (3)
1、一种半固态金属材料连轧工艺，其特征在于，电磁搅拌或电磁与振动复合搅拌获得的组织均匀、晶粒细小的金属半固态浆料经过浆料导流管直接沿垂直方向，从轧机上部输送至第一架轧机入口处，并通过导卫装置进入轧制变形区，半固态浆料经第一架轧机轧制变形后，边冷却边进入下面机架继续轧制变形，轧机布置成垂直段、扇形段、水平段三段，浆料通过多机架进行连续轧制。
2、采用本工艺所设计的半固态金属材料连轧设备，其特征在于，连轧设备主要由多架二辊轧机、导卫装置及冷却装置组成，浆料搅拌器及输送装置与轧机采用上、下垂直布置，四个立柱构成机架框架8，机架框架8是安放两架或多架轧机的总体构架，每架轧机由连接在机架框架8内侧一段上的左右两条矩形板13支撑。
3、根据权利要求2所述的半固态金属材料连轧设备，其特征在于，第一架轧机的轧辊为空心轧辊4，并在内部装有喷水冷却水管10，第二架以后的各轧机轧辊为实心轧辊5。
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