CN109894590A - 一种大直径铜合金管的连铸设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料技术制备加工技术领域，尤其涉及一种大直径铜合金管的连铸设备和方法。所述连铸设备包括：熔化炉、转注槽、外模、芯棒、液位监测装置、保温装置、铸型加热装置、温度监测装置、水冷铜套和二次冷却装置。本发明提出采用热冷组合铸型垂直连续铸造方法生产大直径铜合金管，在凝固前沿形成强烈的沿轴向的温度梯度，管材具有沿轴向的柱状晶组织，利于铸造杂质的上浮和排除，管材杂质含量低，壁厚均匀好、单根重量大长度长，具有生产效率高、工艺流程短、成材率高、成本低等优势。

Description

一种大直径铜合金管的连铸设备和方法

技术领域：

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种大直径铜合金管材生产方法。

背景技术：

铜合金具有优良的力学性能、良好的导热性能、耐腐蚀性能和抗生物附着性能，广泛应用于火力发电、船舶、海水淡化等领域。

目前，国内大直径铜合金管主要采用“半连铸实心铸锭—穿孔挤压—酸洗—扩径拉拔—中间退火—缩径拉拔—退火”的工艺(简称“挤扩拉”工艺) [见：王华星等，一种大直径铜合金管的制作工艺方法，中国发明专利，授权号ZL200710054272.X；陈琴，刘广龙，李娟，大口径铜合金管产品开发及工艺研究，上海有色金属，2013，Vol34，No.2，p.55～58]进行生产。然而，采用“挤压—扩径拉伸—缩径拉伸”工艺，存在以下问题：

(1)设备投资大，生产直径φ300mm以上的管坯需要5000吨以上的大型挤压机；

(2)挤压管坯偏心严重，采用扩径拉伸在扩大直径的同时，会进一步放大管材壁厚的不均匀度，极易造成产品报废；

(3)扩径/缩径拉伸单道次变形量小，加工道次多，还需中间退火，工艺流程长；

(4)综合成材率低(不足30%)，生产成本高。

“水平连铸—拉拔”法是最近提出的一种大直径铜合金管生产方法[姜雁斌、刘新华、谢建新、毛晓东，一种大直径薄壁铜合金管材短流程生产方法，中国专利，授权号CN105312353 B]，该方法通过热冷组合水平连铸制备具有轴向取向柱状晶组织空心管坯，再对空心管坯进行拉拔，生产大直径铜合金管，此方法相比“挤压—扩径拉伸—缩径拉伸”方法，工艺流程大幅缩短，实现了大直径铜合金管材的短流程制备。但是，该方法在制备大直径特别是超过φ300以上的管坯存在一定的缺点和局限性，主要表现为：

(1)由于水平连铸管材收到重力的影响，上下冷却轻度不同，管坯在连铸过程中产生凝固组织和成分不均匀现象, 同时也会造成连铸管坯壁厚偏差增大，直径越大这种影响越明显；

(2)由于采用“水平连铸—拉拔”法，就决定了连铸管坯的直径要始终大于成品管材，因此当成品管材直径较大(＞300mm)时，水平连铸φ300mm以上的高质量薄壁铜合金管难度较大。

传统的垂直连续铸造都是合金熔体浇口直接注入结晶器内，熔液在凝固时没有保温和静置过程，熔体中的气体、夹杂没有时间和空间进行上浮和去除，另一方面，随着铜合金管直径的变大，管材径向散热面积增加，径向传热增强，尤其是在φ200mm以上的大直径管材更为明显。

基于上述背景，本发明提出采用热冷组合铸型垂直连续铸造工艺生产大规格铜合金管，克服了水平连铸和垂直连铸的缺陷，实现管材组织和成分均匀化，实现大直径、高精度、高质量铜合金管材生产。

发明内容：

本发明的目的是针对大直径铜合金管材传统生产工艺流程长、成材率低、成本高等问题，提供一种具有高成材率、低成本等特点的大直径铜合金管材的生产设备和方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种大直径铜合金管的垂直连铸设备，所述连铸设备包括：

－熔化炉，用于熔化铜合金原料；

－转注槽，用于对熔化后的铜合金熔液进行导流；

－外模，用于存储铜合金熔液；

－芯棒，置于所述外模的内部，所述芯棒的外侧壁与外模的内侧壁之间留有空隙，用于配合外模成型大直径铜合金；

－液位监测装置，用于实时监测所述外模内的铜合金熔液的液位变化；

－保温装置，用于对外模内的铜合金熔液保温；

－铸型加热装置，设置在所述保温装置下端，用于对进入外模与芯棒空隙之间的铜合金熔液进行铸型加热；

－温度监测装置，用于实时监控铸型加热的温度变化；

－水冷铜套，用于对成型后大直径合金管进行初次冷却；

－二次冷却装置，用于对成型后大直径合金管进行二次冷却。

根据本公开实施例，所述熔化炉内部的底面中心位置设有出液孔，所述出液孔上设有塞棒控流结构；

所述出液孔与设置在所述熔化炉底部内的水平出液流道的一端连通，所述水平出液流道的另一端与所述转注槽的一端连通，所述转注槽另一端置于所述外模内部；

所述外模从上到下依次分为保温段、铸型加热段和冷却段，所述保温装置设置在所述保温段的外侧壁上，所述铸型加热装置设置在所述铸型加热段的外侧壁上，所述水冷铜套设置在所述冷却段的外侧壁上；所述二次冷却装置设置在所述水冷铜套的下方；

所述液位监测装置设置在所述外模的侧壁上，所述液位监测装置与所述塞棒控流结构控制连接，所述液位监测装置的探头设置在所述外模内部；

所述温度监测装置设置在所述外模的铸型加热段；

所述芯棒置于所述外模内部，且位于铸型加热段和冷却段；

所述引锭头设置在所述外模底部的出口处，所述引锭头与引锭杆连接，所述引锭杆的两侧设有牵引机；锯切机设在所述引锭杆的下端。

根据本公开实施例，所述大直径铜合金管的连铸设备还包括保温层，所述保温层包覆在位于所述保温段和铸型加热段的所述外模的外侧壁上，所述保温层为耐火材料浇筑而成，所述外模和芯棒均采用石墨制成；所述铸型加热段的长度为30～100mm。

根据本公开实施例，所述水冷铜套高度与成型后大直径合金管的直径之比为0.5～0.8。

根据本公开实施例，所述保温装置为高频加热保温线圈；所述铸型加热装置为热型段热型段高频线圈，所述的热型段高频线圈为内外双层线圈结构。

本公开实施例还公开了一种运用上述设备制备大直径铜合金管的连铸方法，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：将各个部件在铸造平台上安装到位，接通水冷铜套的一次冷却水；

步骤2：启动保温装置对所述外模的保温段进行预热；

再将熔化炉中铜合金置于熔化，得到铜合金溶液，打开塞棒控流结构铜合金熔液通过转注槽输入到外膜内部，使铜合金熔液位于保温段，通过液位控制系统监测铜合金液位高度，在铜合金熔液液面上放置石墨鳞片或覆盖剂覆盖防止氧化，静置一段时间；

步骤3：启动铸型加热装置，对外模的铸型加热段的持续加热，使温度保持在一定的温度；

步骤4：被加热后的铜合金溶液在重力的作用下进入位于冷却段外模和芯棒之间的空隙，使固液界面位置处于热型段和冷型段的过渡区，在水冷铜套的冷却下铸型得到大直径合金管坯，打开二次冷却水装置，对铸型得到大直径合金管坯进行二次冷却，启动牵引机构，以一定初始牵引速度牵引铸型得到大直径合金管坯；

步骤5：通过锯切机进行定尺锯切得到大直径铜合金管材。

根据本公开实施例，所述步骤1中一次冷却水流量为5～100L/h。

根据本公开实施例，所述步骤2中：所述熔化炉的液位高度为350～450mm；所述外模的预热温度为800～1200℃；转入外模内的铜合金熔液温度为铜合金液相线以上100～200℃，保温温度为铜合金液相线以上50～150℃；静置时间为10～30分钟。

根据本公开实施例，所述步骤3中铸型加热的温度为铜合金液相线以上50～150℃。

根据本公开实施例，所述步骤4中，初始牵引速度为20～60mm/min，稳定生产速度50～600mm/min，二次冷却水流量为10～100L/min。

本发明的有益效果是：

(1) 采用本发明提出的大直径铜管垂直连铸设备能够实现大规格(＞φ300mm以上)铜合金管的快速生产，有安装方便、使用简单、易于操作、成本低廉等优点；

(2) 随着铜合金管直径的变大，管材径向散热面积增加，径向传热增强，尤其是直径大于φ200mm以上的大直径管材更为明显，本发明在石墨模具一体化设计、热型段高频大功率双层线圈等方面提出新的设计，以保证实现大直径铜合金管凝固前沿较高的温度梯度。

(3) 传统的垂直连续铸造都是合金熔体浇口直接注入结晶器内，熔液在凝固时没有保温和静置过程，熔体中的气体、夹杂没有时间和空间进行上浮和去除，合金铸锭容易产生缺陷，本发明针对该问题在铜合金管凝固上方设有保温区域，熔体在保温域内实现气体、夹杂等上浮，实现熔体净化，另一方面实现铸造温度稳定控制。

(4) 本发明提出的热冷组合垂直连续铸造工艺，在凝固界面前沿形成高温度梯度，形成近水平状的固液界面，有利于熔体中气体和杂质元素的上浮和排除，所制备铜合金管坯坯组织致密，成分均匀。铸坯轴向受到的重力影响相同，冷却强度相同，凝固组织均匀，管坯壁厚偏差小，可制备高质量的大直径铜合金连铸管坯。

附图说明：

图1为本发明提出的大直径铜合金管垂直连铸设备示意图。

图中：

1.熔化炉，2. 转注槽，3. 液位监测装置，4. 外模，5. 保温装置，6.芯棒，7.铸型加热装置，8. 温度监测装置，9. 水冷铜套，10. 二次冷却装置，11. 引锭头，12. 牵引机，13.引锭杆，14. 锯切机。

具体实施方式

下面结合一个实例对本发明的技术方案进行详细说明，显然，所描述的实例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实例。基于本发明中的实例，本领域人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种大直径铜合金管的垂直连铸设备，所述连铸设备包括：

－熔化炉，用于熔化铜合金原料；

－转注槽，用于对熔化后的铜合金熔液进行导流；

－外模，用于存储铜合金熔液；

－芯棒，置于所述外模的内部，所述芯棒的外侧壁与外模的内侧壁之间留有空隙，用于配合外模成型大直径铜合金；

－液位监测装置，用于实时监测所述外模内的铜合金熔液的液位变化；

－保温装置，用于对外模内的铜合金熔液保温；

－铸型加热装置，设置在所述保温装置下端，用于对进入外模与芯棒空隙之间的铜合金熔液进行铸型加热；

－温度监测装置，用于实时监控铸型加热的温度变化；

－水冷铜套，用于对成型后大直径合金管进行初次冷却；

－二次冷却装置，用于对成型后大直径合金管进行二次冷却；

根据本公开实施例，所述熔化炉内部的底面中心位置设有出液孔，所述出液孔上设有塞棒控流结构；

所述出液孔与设置在所述熔化炉底部内的水平出液流道的一端连通，所述水平出液流道的另一端与所述转注槽的一端连通，所述转注槽另一端置于所述外模内部；

所述外模从上到下依次分为保温段、铸型加热段和冷却段，所述保温装置设置在所述保温段的外侧壁上，所述铸型加热装置设置在所述铸型加热段的外侧壁上，所述水冷铜套设置在所述冷却段的外侧壁上；所述二次冷却装置设置在所述水冷铜套的下方；

所述液位监测装置设置在所述外模的侧壁上，所述液位监测装置与所述塞棒控流结构控制连接，所述液位监测装置的探头设置在所述外模内部；

所述温度监测装置设置在所述外模的铸型加热段；

所述芯棒置于所述外模内部，且位于铸型加热段和冷却段；

所述引锭头设置在所述外模底部的出口处，所述引锭头与引锭杆连接，所述引锭杆的两侧设有牵引机；锯切机设在所述引锭杆的下端。

根据本公开实施例，所述大直径铜合金管的连铸设备还包括保温层，所述保温层包覆在位于所述保温段和铸型加热段的所述外模的外侧壁上，所述保温层为耐火材料浇筑而成，所述外模和芯棒均采用石墨制成；所述铸型加热段的长度为30～100mm；所述冷型段的长度为50～150mm。

根据本公开实施例，所述水冷铜套高度与成型后大直径合金管的直径之比为0.5～0.8。

根据本公开实施例，所述保温装置为高频加热保温线圈；所述铸型加热装置为热型段高频线圈，所述的热型段高频线圈为内外双层线圈结构。

本公开实施例还公开了一种运用上述设备制备大直径铜合金管的连铸方法，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：将各个部件在铸造平台上安装到位，接通水冷铜套的一次冷却水；

步骤2：启动保温装置对所述外模的保温段进行预热；

再将熔化炉中铜合金置于熔化，得到铜合金溶液，打开塞棒控流结构铜合金熔液通过转注槽输入到外膜内部，使铜合金熔液位于保温段，通过液位控制系统监测铜合金液位高度，在铜合金熔液液面上放置石墨鳞片或覆盖剂覆盖防止氧化，静置一段时间；

步骤3：启动铸型加热装置，对外模的铸型加热段的持续加热，使温度保持在一定的温度；

步骤4：被加热后的铜合金溶液在重力的作用下进入位于冷却段外模和芯棒之间的空隙，使固液界面位置处于热型段和冷型段的过渡区，在水冷铜套的冷却下铸型得到大直径合金管坯，打开二次冷却水装置，对铸型得到大直径合金管坯进行二次冷却，启动牵引机构，以一定初始牵引速度牵引铸型得到大直径合金管坯；

步骤5：通过锯切机进行定尺锯切得到大直径铜合金管材。

根据本公开实施例，所述步骤1中一次冷却水流量为5～100L/h。

根据本公开实施例，所述步骤2中：所述熔化炉的液位高度为350～450mm；所述外模的预热温度为800～1200℃；转入外模内的铜合金熔液温度为铜合金液相线以上100～200℃，保温温度为铜合金液相线以上50～150℃；静置时间为10～30分钟。

根据本公开实施例，所述步骤3中铸型加热的温度为铜合金液相线以上50～150℃。

根据本公开实施例，所述步骤4中，初始牵引速度为20～60mm/min，稳定生产速度50～600mm/min，二次冷却水流量为10～100L/min。

实施例1：

尺寸为φ325×10mm BFe10-1.4-1铜合金管连铸工艺

步骤1：热冷组合垂直连铸设备安装到位，石墨外模4内径为φ330mm，一次冷却水流量为10L/min；

步骤2：将石墨外模的保温段加热至1000℃，转入BFe10-1.4-1铜合金熔液，溶液温度为1250℃，高频加热保温线圈加热石墨模具和铜合金熔液至1200℃，保温静置30分钟；

步骤3：热型加热线圈加热型温度至1200℃；

步骤4：开启连铸牵引系统，打开二次冷却水，初始牵引速度为30mm/min，二次水流量为10L/min，正产生产速度100mm/min，一次水流量为30L/min，二次水流量为40L/min。

实施例2：

尺寸为φ273×8mm H68铜合金管连铸方法

步骤1：热冷组合垂直连铸设备安装到位，石墨外模4内径为φ280mm，一次冷却水流量为8L/min；

步骤2：将石墨外模的保温段加热至800℃，转入H68铜合金熔液，溶液温度为1050℃，高频加热保温线圈加热石墨模具和铜合金熔液至1050℃，保温静置30分钟；

步骤3：热型加热线圈加热型温度至1000℃；

步骤4：开启连铸牵引系统，打开二次冷却水，初始牵引速度为30mm/min，二次水流量为10L/min，正产生产速度150mm/min，一次水流量为30L/min，二次水流量为40L/min。

实施例3：

尺寸为φ259×6mmBFe30-1-1铜合金管连铸生产方法

步骤1：热冷组合垂直连铸设备安装到位，石墨外模4内径为φ262mm，一次冷却水流量为15L/min；

步骤2：将石墨外模的保温段加热至1000℃，转入BFe30-1-1铜合金熔液，溶液温度为1300℃，高频加热保温线圈加热石墨模具和铜合金熔液至1250℃，保温静置30分钟；

步骤3：热型加热线圈加热型温度至1250℃；

步骤4：开启连铸牵引系统，打开二次冷却水，初始牵引速度为20mm/min，二次水流量为15L/min，正产生产速度60mm/min，一次水流量为40L/min，二次水流量为40L/min。

以上显示和描述了本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种大直径铜合金管的连铸设备，其特征在在于，所述连铸设备包括：

－熔化炉，用于熔化铜合金原料；

－转注槽，用于对熔化后的铜合金熔液进行导流；

－外模，用于存储铜合金熔液；

－芯棒，置于所述外模的内部，所述芯棒的外侧壁与外模的内侧壁之间留有空隙，用于配合外模成型大直径铜合金；

－液位监测装置，用于实时监测所述外模内的铜合金熔液的液位变化；

－保温装置，用于对外模内的铜合金熔液保温；

－铸型加热装置，设置在所述保温装置下端，用于对进入外模与芯棒空隙之间的铜合金熔液进行铸型加热；

－温度监测装置，用于实时监控铸型加热的温度变化；

－水冷铜套，用于对成型后大直径合金管进行初次冷却；

－二次冷却装置，用于对成型后大直径合金管进行二次冷却。

2.根据权利要求1所述的大直径铜合金管的连铸设备，其特征在于，所述熔化炉内部的底面中心位置设有出液孔，所述出液孔上设有塞棒控流结构；

所述出液孔与设置在所述熔化炉底部内的水平出液流道的一端连通，所述水平出液流道的另一端与所述转注槽的一端连通，所述转注槽另一端置于所述外模内部；

所述外模从上到下依次分为保温段、铸型加热段和冷却段，所述保温装置设置在所述保温段的外侧壁上，所述铸型加热装置设置在所述铸型加热段的外侧壁上，所述水冷铜套设置在所述冷却段的外侧壁上；所述二次冷却装置设置在所述水冷铜套的下方；

所述液位监测装置设置在所述外模的侧壁上，所述液位监测装置与所述塞棒控流结构控制连接，所述液位监测装置的探头设置在所述外模内部；

所述温度监测装置设置在所述外模的铸型加热段；

所述芯棒置于所述外模内部，且位于铸型加热段和冷却段；

所述引锭头设置在所述外模底部的出口处，所述引锭头与引锭杆连接，所述引锭杆的两侧设有牵引机；锯切机设在所述引锭杆的下端。

3.根据权利要求2所述的大直径铜合金管的连铸设备，其特征在于，所述大直径铜合金管的连铸设备还包括保温层，所述保温层包覆在位于所述保温段和铸型加热段的所述外模的外侧壁上，所述保温层为耐火材料浇筑而成，所述外模和芯棒均采用石墨制成；所述铸型加热段的长度为30～100mm。

4.根据权利要求1所述的大直径铜合金管的连铸设备，其特征在于，所述水冷铜套高度与成型后大直径合金管的直径之比为0.5～0.8。

5.根据权利要求2所述的大直径铜合金管的连铸设备，其特征在于，所述保温装置为高频加热保温线圈；所述铸型加热装置为热型段热型段高频线圈，所述的热型段高频线圈为内外双层线圈结构。

6.一种运用权利要求1-5任一项所述设备制备大直径铜合金管的连铸方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：将各个部件在铸造平台上安装到位，接通水冷铜套的一次冷却水；

步骤2：启动保温装置对所述外模的保温段进行预热；

再将熔化炉中铜合金置于熔化，得到铜合金溶液，打开塞棒控流结构铜合金熔液通过转注槽输入到外膜内部，使铜合金熔液位于保温段，通过液位控制系统监测铜合金液位高度，在铜合金熔液液面上放置石墨鳞片或覆盖剂覆盖防止氧化，静置一段时间；

步骤3：启动铸型加热装置，对外模的铸型加热段的持续加热，使温度保持在一定的温度；

步骤4：被加热后的铜合金溶液在重力的作用下进入位于冷却段外模和芯棒之间的空隙，使固液界面位置处于热型段和冷型段的过渡区，在水冷铜套的冷却下铸型得到大直径合金管坯，打开二次冷却水装置，对铸型得到大直径合金管坯进行二次冷却，启动牵引机构，以一定初始牵引速度牵引铸型得到大直径合金管坯；

步骤5：通过锯切机进行定尺锯切得到大直径铜合金管材。

7.根据权利要求6所述的连铸方法，其特征在于，所述步骤1中一次冷却水流量为5～100L/h。

8.根据权利要求6所述的连铸方法，其特征在于，所述步骤2中：所述熔化炉的液位高度为350～450mm；所述外模的预热温度为800～1200℃；转入外模内的铜合金熔液温度为铜合金液相线以上100～200℃，保温温度为铜合金液相线以上50～150℃；静置时间为10～30分钟。

9.根据权利要求6所述的连铸方法，其特征在于，所述步骤3中铸型加热的温度为铜合金液相线以上50～150℃。

10.根据权利要求6所述的连铸方法，其特征在于，所述步骤4中，初始牵引速度为20～60mm/min，稳定生产速度50～600mm/min，二次冷却水流量为10～100L/min。