CN106694836A - 一种固‑液包覆复合材料的连续铸造成形装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固‑液包覆复合材料的连续铸造成形装置和方法，通过设计导流管及结晶器一体式装置，可以有效避免芯材长时间浸泡在高温液态包覆材料中，又实现了对芯材进行预热，提高了芯材与包覆层的结合力。通过该装置可水平连铸成形所需形状尺寸的高质量包覆复合材料，适用于包覆层材料熔点低于芯材熔点的包覆材料水平连铸成形。本发明设备结构简单、各组件更换简单、操作维护方便、生产效率高、易于实现自动化控制，便于大规模工业化生产。工艺流程短，节能环保、成本低，包覆层与芯材的结合致密，所制备的包覆材料质量和性能好。
Description
技术领域
本发明涉及包覆复合材料连铸技术领域，具体涉及一种固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置和方法。
背景技术
复合材料是集两种性能不同的金属于一体的新型材料，采用复合材料可达到综合利用单一金属各自的性能，减少短缺资源的用量、减轻单位长度线材重量的目的，以降低生产成本，可广泛应用于通信、接地、传输等领域。随科学水平不断进步和社会经济的持续发展，复合材料这类将会成为材料领域的发展趋势。
复合材料制备方法通常包括固-固相复合法、液-液相复合法和固-液相复合法。其中固-固相复合法是将两种已经处理好的金属通过施加外力作用使其机械复合在一起、形成良好结合界面的复合材料，如轧制法复合、连续挤压法包覆复合等。该方法对两种材料的表面质量要求高，但是复合结合界面不牢固，成本高。液-液相复合法可以很大程度上简化工艺，降低生产成本，使结合界面达到冶金结合，但是在生产过程中芯部材料的保护措施及温度控制困难，设备投资很大，设备维护费也很高，生产成本高。固-液相复合法目前包括熔铜浸渍法和电镀法。熔铜浸渍法利用金属热渗透原理形成包覆层，结合界面良好，但是对包覆层的厚度难以精确控制，芯材与金属液接触时间长，容易发生侵蚀并污染金属液，另外该方法工艺复杂，生产成本高。电镀法成本低，但是电镀层不均匀影响结合界面导致包覆层开裂或脱落，并且镀层厚度较薄，且镀液对环境污染大。
专利“一种包覆材料固/液复合水平连铸成形设备与方法”(授权公告号CN104148599 B)中的包覆材料连铸成形设备与方法，芯线没有预热，从而影响了包覆材料的结合界面；芯线需要预热需要增设芯线加热装置，造成能源浪费；芯线牵引速度受冷却速度限制，导流管及反向凝固器内容易受芯线激冷而无法顺利牵引。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置和方法，设备结构简单、操作维护方便、生产效率高、质量控制稳定。
一种固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，包括炉体、用于对炉体进行加热的加热元件，以及结晶器冷却套，还包括有导流管；所述导流管设于所述炉体内且其前端和后端分别与炉体的外部连通；所述导流管的前端伸出所述炉体外并套接于所述结晶器冷却套形成结晶区；所述导流管的前部设有金属液入口连通导流管的内部，所述金属液入口配置有可分离的堵件。
进一步地，所述导流管和结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
进一步地，装置还包括有入口冷却水套，所述导流管的后端伸出所述炉体外并且套接于所述入口冷却水套；所述入口冷却水套与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
进一步地，装置还包括有芯材定位机构，所述芯材定位机构设于与所述导流管的后端对应的位置；所述芯材定位机构与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
进一步地，装置还包括有牵引机构和牵引杆，所述牵引杆的一端伸入导流管的结晶区内，并且另一端连接于牵引机构；所述牵引机构和牵引杆与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
进一步地，所述结晶器冷却套的前方还设有二次冷却机构，所述二次冷却机构与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
进一步地，所述导流管的后部为芯材预热区，内径大小与所述芯材的外径相匹配；前部为金属液入口通道，其内径大于芯材预热区的内径。
利用上述装置进行固-液包覆复合材料的连续铸造成形的方法，包括如下步骤：
S1堵件堵塞导流管的金属液入口，在炉体内加入需要包覆的金属固体或者金属液，并利用加热元件对炉体加热，从而对金属液保温或将金属加热为金属液，金属液需要没过导流管；
S2将芯材从导流管的后端伸入导流管；
S3在金属液加热到预设温度后将堵件提升离开金属液入口，金属液进入导流管的前部并流往结晶区，在结晶器冷却套的作用下，在结晶区内金属液凝固和芯材形成包覆复合材料铸坯；
S4将结晶区内的包覆材料往前牵引，则后续的芯材部分继续进入结晶区，与后续流入结晶区内的金属液继续凝固形成包覆复合材料铸坯，则在连续的牵引下就能实现包覆复合材料铸坯的连续铸造。
需要说明的是，当设有芯材定位机构时，芯材先通过芯材定位机构再进入导流管，芯材定位机构对芯材进行定位和引导，避免芯材在行进过程中偏离位置；当设有牵引机构和牵引杆时，步骤S1中，芯材的前端固定在牵引杆位于结晶区内的一端；在步骤S3中，牵引杆的一端与芯材和金属液一并形成包覆复合材料铸坯，牵引机构通过将牵引杆向前牵引，将初始在结晶区形成的包覆复合材料铸坯牵引出来，步骤S4中，在牵引机构的连续运行下，结晶区内连续形成包覆复合材料铸坯。
需要说明的是，当具有二次冷却机构时，包覆复合材料铸坯在从结晶区被牵引出来后，二次冷却机构对其实现再次冷却；当具有入口冷却水套时，所述入口冷却水套不断对导流管的后端进行冷却，当有金属液流向导流管的后端时，入口冷却水套对金属液实现冷却凝固，则金属液不能从导流管的后端流出。
本发明的有益效果在于：
1.通过导流管的设计和使用，使得可以根据芯材和包覆复合材料的规格尺寸确定导流管芯材预热区、结晶区的规格尺寸，从而使得产品的尺寸的控制更加稳定；另外还可通过设计金属液通道长度，控制芯材与金属液的接触距离和时间，防止芯材被侵蚀，污染金属液。
2.利用金属液的温度对芯材进行预热作用，可避免芯材与包覆金属材料之间形成气孔，提高包覆复合材料铸坯的界面结合质量，同时不用额外对其进行加热，节约了能源；
3.通过设置芯材定位机构，对芯材起到定位的作用，保证芯材在铸造过程中位置的稳定，从而稳定产品的质量；
4.通过设置牵引杆并使芯材的前端固定在牵引杆在结晶区内的一端上，不仅能够解决在铸造初始牵引铸坯的问题，也起到铸造初始芯材固定与定位作用。
5.入口冷却水套既防止金属液从导流管芯材通道间隙溢出，也可以有效保护导流管和芯材，防止其裸露在空气中氧化。
6.利用导流管、牵引杆等实现对芯材在包覆材料铸坯中的定位，定位方法简单、准确、且适用于偏心定位。
7.本发明方法具有短流程、效率高、节能环保、工艺简单、生产成本低等特点，可制备包覆层组织均匀、厚度均匀且界面结合好的包覆复合材料铸坯。
8.通过导流管的规格尺寸设计可以实现不同包覆率、不同规格形状的包覆复合材料的铸造。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
如图1所示，一种固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，包括炉体4、用于对炉体4进行加热的加热元件5，以及结晶器冷却套9，还包括有导流管8；所述导流管8设于所述炉体4内且其前端和后端分别与炉体4的外部连通；所述导流管8的前端伸出所述炉体4外并套接于所述结晶器冷却套9形成结晶区；所述导流管8的前部设有金属液入口(即图1中堵件7下端穿过导流管的部分)连通导流管8的内部，所述金属液入口配置有可分离的堵件7。
加热元件5可以安装在炉体4的外侧，或者嵌在炉体内部。图1所示为加热元件5安装在炉体4的外侧的状态。
炉体可以用中间包或者保温炉替代。炉体材料可以浇筑或者坩埚替代。加热元件可以采用感应加热器或者电阻加热器，其位置可以在炉体及导流管下侧或者覆盖整个炉体。另外，炉体可以选择置于大气中、真空中或者特定保护性气氛环境中。
导流管的芯材预热区、金属液入口通道和结晶区可以采用一体成形的方式，也可以采用分段组合式结构，材料则可以选择石墨、陶瓷、金属或者混合选择组成。
进一步地，所述导流管8和结晶器冷却套9位于同一水平轴线上。
进一步地，装置还包括有入口冷却水套3，所述导流管8的后端伸出所述炉体4外并且套接于所述入口冷却水套3；所述入口冷却水套3与导流管8、结晶器冷却套9位于同一水平轴线上。
进一步地，装置还包括有芯材定位机构2，所述芯材定位机构2设于与所述导流管8的后端对应的位置；所述芯材定位机构2与导流管8、结晶器冷却套9位于同一水平轴线上。
进一步地，装置还包括有牵引机构12和牵引杆13，所述牵引杆13的一端伸入导流管8的结晶区内，并且另一端连接于牵引机构12；所述牵引机构12和牵引杆13与导流管8、结晶器冷却套9位于同一水平轴线上。图1中所示为牵引杆已经与初始形成的包覆复合材料铸坯被牵引出的状态。牵引机构为电动式牵引机构，可以采用人工控制，也可以通过控制系统采用自动控制。
进一步地，所述结晶器冷却套9的前方还设有二次冷却机构10，所述二次冷却机构10与导流管8、结晶器冷却套9位于同一水平轴线上。
进一步地，入口冷却水套3后端可增设气氛保护装置，防止易氧化芯材被氧化。
进一步地，所述导流管8的后部为芯材预热区，内径大小与所述芯材的外径相匹配；前部为金属液入口通道，其内径大于芯材预热区的内径。
利用上述装置进行固-液包覆复合材料的连续铸造成形的方法，包括如下步骤：
S1堵件堵塞导流管的金属液入口，在炉体内加入需要包覆的金属固体或者金属液，并利用加热元件对炉体加热，从而对金属液保温或将金属加热为金属液，金属液6需要没过导流管；
S2将芯材1从导流管的后端伸入导流管；
S3在金属液加热到预设温度后将堵件提升离开金属液入口，金属液进入导流管的前部并流往结晶区，在结晶器冷却套的作用下，在结晶区内金属液凝固和芯材形成包覆复合材料铸坯11；
S4将结晶区内的包覆材料往前牵引，则后续的芯材部分继续进入结晶区，与后续流入结晶区内的金属液继续凝固形成包覆复合材料铸坯，则在连续的牵引下就能实现包覆复合材料铸坯的连续铸造。
需要说明的是，当设有芯材定位机构时，芯材先通过芯材定位机构再进入导流管，芯材定位机构对芯材进行定位和引导，避免芯材在行进过程中偏离位置；当设有牵引机构和牵引杆时，步骤S1中，芯材的前端固定在牵引杆位于结晶区内的一端；在步骤S3中，牵引杆的一端与芯材和金属液一并形成包覆复合材料铸坯，牵引机构通过将牵引杆向前牵引，将初始在结晶区形成的包覆复合材料铸坯牵引出来，步骤S4中，在牵引机构的连续运行下，结晶区内连续形成包覆复合材料铸坯。
需要说明的是，当具有二次冷却机构时，包覆复合材料铸坯在从结晶区被牵引出来后，二次冷却机构对其实现再次冷却；当具有入口冷却水套时，所述入口冷却水套不断对导流管的后端进行冷却，当有金属液流向导流管的后端时，入口冷却水套对金属液实现冷却凝固，则金属液不能从导流管的后端流出。
实施例1：
芯材为直径4mm的预处理碳纤维线，包覆层为4mm厚纯铜的铜包碳纤维水平连铸成形。
碳纤维先通过表面镀镍、镀铜等预处理。预处理后的碳纤维线作为芯材依次穿过入口冷却水套、导流管，并在结晶区与穿入牵引杆的一端并与之固定。牵引杆的另一端固定在牵引机构上。堵件塞住导流管的金属液入口。入口冷却水套、结晶器冷却套通循环水。在大气条件下，通过加热元件对炉体内的纯铜加热成纯铜金属液，1150℃保温；启动牵引机构的同时提升堵件，炉体的纯铜金属液流入导流管的金属液入口通道并进入结晶区中与碳纤维线和牵引杆的一端凝固并被牵引机构牵引出来，纯铜金属液与碳纤维线在结晶器冷却套的冷却作用下，凝固形成铜包碳纤维复合杆材，并通过牵引机构不断地牵引出来，并经过二次冷却机构冷却到收卷温度。
实施例2：
芯材为“◇”型、边长为5mm，厚度为2mm的紫铜异型空芯材，包覆层厚度为1mm的锡层的锡包铜水平连铸成形。
芯材依次穿过入口冷却水套、导流管，并在结晶区与穿入牵引杆的一端并与之固定。牵引杆的另一端固定在牵引机构上。堵件塞住导流管的金属液入口。入口冷却水套、结晶器冷却套通循环水。在大气条件下，通过加热元件对炉体内的纯锡加热成纯锡金属液，320℃保温；启动牵引机构的同时提升堵件，炉体的纯锡金属液流入导流管通道进入结晶区中与紫铜异型空芯材和牵引杆的一端凝固并被牵引机构牵引出来，纯锡金属液与紫铜异型空芯材在结晶器冷却套的冷却作用下，凝固形成锡包铜复合异型空芯材，并通过牵引机构不断地牵引出来，并经过二次冷却机构冷却到收卷温度。
实施例3：
芯材为直径为6mm，壁厚为1.5mm的紫铜管材，包覆层H65黄铜厚度为2mm的黄铜包紫铜管水平连铸成形。
芯材依次穿过入口冷却水套、导流管，并在结晶区与穿入牵引杆的一端并与之固定。牵引头的另一端固定在牵引机构上。堵件塞住导流管的金属液入口。入口冷却水套、结晶器冷却套通循环水。在入口冷却水套前连接氮气保护箱，保护紫铜管材表面不被氧化。往紫铜管材管内通入氮气，防止内管壁氧化。在大气条件下，通过加热元件对炉体内的H65黄铜金属液进行1000℃保温；启动牵引机构的同时提升堵件，炉体的H65黄铜金属液流入导流管通道进入结晶器中与紫铜管材和牵引杆的一端凝固并牵引出来，H65黄铜金属液与紫铜管材在结晶器冷却套的冷却作用下，凝固形成黄铜包紫铜管材，并通过牵引机构不断地牵引出来，并经过二次冷却机构冷却到收卷温度。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，包括炉体、用于对炉体进行加热的加热元件，以及结晶器冷却套，其特征在于，还包括有导流管；所述导流管设于所述炉体内且其前端和后端分别与炉体的外部连通；所述导流管的前端伸出所述炉体外并套接于所述结晶器冷却套形成结晶区；所述导流管的前部设有金属液入口连通导流管的内部，所述金属液入口配置有可分离的堵件。
2.根据权利要求1所述的固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，其特征在于，所述导流管和结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
3.根据权利要求1所述的固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，其特征在于，还包括有入口冷却水套，所述导流管的后端伸出所述炉体外并且套接于所述入口冷却水套；所述入口冷却水套与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
4.根据权利要求1所述的固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，其特征在于，还包括有芯材定位机构，所述芯材定位机构设于与所述导流管的后端对应的位置；所述芯材定位机构与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
5.根据权利要求1所述的固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，其特征在于，还包括有牵引机构和牵引杆，所述牵引杆的一端伸入导流管的结晶区内，并且另一端连接于牵引机构；所述牵引机构和牵引杆与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
6.根据权利要求1所述的固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，其特征在于，所述结晶器冷却套的前方还设有二次冷却机构，所述二次冷却机构与导流管、结晶器冷却套位于同一水平轴线上。
7.根据权利要求1所述的固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置，其特征在于，所述导流管的后部为芯材预热区，内径大小与所述芯材的外径相匹配；前部为金属液入口通道，其内径大于芯材预热区的内径。
8.利用权利要求1所述的固-液包覆复合材料的连续铸造成形装置进行固-液包覆复合材料的连续铸造成形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1堵件堵塞导流管的金属液入口，在炉体内加入需要包覆的金属固体或者金属液，并利用加热元件对炉体加热，从而对金属液保温或将金属加热为金属液，金属液需要没过导流管；
S2将芯材从导流管的后端伸入导流管；
S3在金属液加热到预设温度后将堵件提升离开金属液入口，金属液进入导流管的前部并流往结晶区，在结晶器冷却套的作用下，在结晶区内金属液凝固和芯材形成包覆复合材料铸坯；
S4将结晶区内的包覆材料往前牵引，则后续的芯材部分继续进入结晶区，与后续流入结晶区内的金属液继续凝固形成包覆复合材料铸坯，则在连续的牵引下就能实现包覆复合材料铸坯的连续铸造。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当设有芯材定位机构时，芯材先通过芯材定位机构再进入导流管，芯材定位机构对芯材进行定位和引导，避免芯材的行进过程中偏离位置；当设有牵引机构和牵引杆时，步骤S1中，芯材的前端固定在牵引杆位于结晶区内的一端；在步骤S3中，牵引杆的一端与芯材和金属液一并形成包覆复合材料铸坯，牵引机构通过将牵引杆向前牵引，将初始在结晶区形成的包覆复合材料铸坯牵引出来，步骤S4中，在牵引机构的连续运行下，结晶区内连续形成包覆复合材料铸坯。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当具有二次冷却机构时，包覆复合材料铸坯在从结晶区被牵引出来后，二次冷却机构对其实现再次冷却；当具有入口冷却水套时，所述入口冷却水套不断对导流管的后端进行冷却，当有金属液流向导流管的后端时，入口冷却水套对金属液实现冷却凝固，则金属液不能从导流管的后端流出。
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