一种复合板坯铸造方法及装置与流程

本发明涉及一种复合板坯铸造方法及装置。

背景技术：

常规合金由于性能单一，不能很好满足如运载工具、结构、电子等工程方面的多种性能综合的要求，因此复合材料成为新材料研发的重点。层状复合材料由于成本低、综合性能好，是应用广泛、生产量最大的复合材料，其中复合板带材则是目前用量最多的复合材料。

复合板带材的主要生产方法可以分成三类：一类为固相复合法，包括热轧复合，冷轧复合等，第二类为液固复合法，如反向凝固法等，第三类为液态复合法，如连续浇铸法。传统的复合板带材的生产技术是轧制复合，在高温大压率下创造更多的新表面来实现复合，但它们的缺点是：浇铸是将钢液从钢水包浇入中间包，而钢液的获得需要铁水及废钢中含有c、mn、si、p、s等杂质，在低温融化过程中，c、si、p、s被氧化，使单质态的杂质变为化合态的杂质，以利于后期进一步去除杂质。氧来源于炉料中的铁锈(成分为fe2o3·2h2o)、氧化铁皮、加入的铁矿石以及空气中的氧和吹氧。各种杂质的氧化过程是在炉渣与钢液的界面之间进行的。氧化过程是在高温下进行的脱炭、去磷、去气、去杂质反应、脱氧、脱硫与出钢。氧化末期，钢中含有大量过剩的氧，通过向钢液中加入块状或粉状铁合金或多元素合金来去除钢液中过剩的氧，产生的有害气体co随炉气排出，产生的炉渣可进一步脱硫，即在最后的出钢过程中，渣、钢强烈混合冲洗，增加脱硫反应。从炼钢炉中冶炼出来的钢水含有少量的气体及杂质，一般是将钢水注入精炼包中，进行吹氩、脱气、钢包精炼等工序，得到较纯净的钢液。

在材料加工领域，尤其是复合浇铸过程中，避免钢液被氧化是复合浇铸工艺的最基本最重要的目标。然而在实际过程中，钢液在浇铸过程中不可避免的接触空气、耐材、覆盖剂等物质，其中接触空气产生的氧化对最终复合钢材的质量影响最大，同时也是最难控制的，导致在钢液浇铸在模具里的同时，就已经发生氧化，严重时导致钢液结瘤无法继续进行浇注。

申请号为201110100831.2的中国专利公开了了一种铝合金复合铸锭的连铸方法及其装置，属于铝合金铸造技术领域，将待复合的两种合金分别熔炼，向冷却板水腔和水箱内通入冷却水并保持水流动，将芯材合金液导入芯材熔体腔，启动引锭开始铸造，能够保证表材合金液体流动均匀，液面稳定，温度均匀，确保复合面的全面冶金结合；申请号为201510462834.9的中国专利公开了一种铜铝复合铸造用的二次冷却装置，可以满足铝芯铸造的冷却条件，冷却强度和精度都较高，极大提升铸坯铜铝结合性能；申请号为201210513238.5的中国专利公开了一种铝铜复合板及其制备方法，通过控制厚度，铝层代替了部分铜层，降低了材料成本，具有较小的比重。

以上阐述的方法可以生产出质量较好的复合铸锭，但是由于液面控制环节太多，操作复杂，配合较困难，表材液面容易形成虚焊，最关键处在于无法根除由于氧化迅速导致钢液结瘤无法继续进行浇注的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种复合板坯铸造方法及装置，用于制造两种钢种的复合板材，减少杂质的产生，提高复合板坯的质量。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种复合板坯铸造装置，包括箱体、导轨、浇注小车，箱体顶部固定有导轨，浇注小车走行在导轨上，浇注小车由电动机驱动；所述的箱体内壁上铺设有耐火砖。

所述的导轨由两根相互平行的金属导轨组成。

所述箱体侧壁设有若干喷孔。

一种复合板坯铸造方法，包括以下步骤：

1)将待复合的两种合金分别熔炼，然后精炼，将获得的两种合金液分别静置；

2)一种合金液通过钢包铸入浇注小车，由浇注小车将合金液铸入箱体，通过浇注小车将呈熔融态的合金铺满整个金属箱体的底部；然后将保护剂和保护砂填入浇注小车，利用小车移动把保护砂注入箱体中，两次过程保证浇注小车速度一致，使合金液落下后来不及发生氧化就会被保护剂覆盖；最后浇注小车将另一种合金液浇铸到保护剂上；在整个浇铸过程中，向箱体内持续通氮气或氩气；

3)在保护气体环境下，用高压气除去保护剂、保护砂及氧化杂质，最后经冷却结晶得到复合板材。

步骤2)中浇注小车的浇注速度保持在50～70mm/s。

步骤2)浇注小车的浇注合金液的速度为120～180kg/min。

所述的保护剂由萤石和石化组成，其中萤石按质量百分比占保护剂的5％～8％；保护剂的粒径为4-6mm。

所述的保护砂为硼砂，硼砂的粒径为1-3mm。

所述的保护气为氮气或氩气。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过喷涂保护气和保护砂两种方法，可以给予钢液一种致密的保护气氛，而且保护砂由于覆盖在钢液表面，这种覆盖率可以高达97％以上，可以有效排除环境中的氧化性气体对高温金属的氧化影响，氧化率降到10％以内，从而有效避免氧化铁皮的产生。此外，由于复合板坯铸造装置中，浇注小车经电机驱动实现了可移动性，熔融金属在浇铸过程中很大程度上处于流动状态，有效解决了浇铸过程中“死区”的产生，保证浇铸成品的内部组织更加致密均匀，提高了复合板材的质量。

附图说明

图1是复合板坯铸造装置的结构示意图。

图2是浇注小车的结构示意图。

图中：1-电动机驱动装置2-浇注小车3-箱体4-不锈钢5-导轨6-保护剂和保护砂7-碳钢201-支架202-挡板焊接件203-钢包204-金属钢架205-耐火材料层206-承液管207-中间包208-漏液口209-铁水包耳210-电子秤211-电线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1，复合板坯铸造装置，包括箱体3、导轨5、浇注小车2，箱体3顶部固定有导轨5，浇注小车2走行在导轨5上，浇注小车2由电动机1驱动；箱体3内壁上铺设有耐火砖。导轨5由两根相互平行的金属导轨5组成，两根金属导轨5之间的距离与浇注小车2的车轮距离相对应。箱体3用于承接从漏液口208流出的钢液。箱体3侧壁设有若干喷孔，用以喷吹保护气。

见图2，浇注小车2包括支架201、电动机驱动装置1、挡板焊接件202、电线211、钢包203、金属钢架204、承液管206、中间包207、漏液口208、铁水包耳209、电子秤210，支架201固定在下部支撑平台上，支架201位于箱体3正上方，支架201与箱体3顶部的距离为300-350mm；支架201与金属钢架204固定连接，支架201通过电动机驱动装置1驱动在导轨5上移动；电动机驱动装置1主要由滚轮、电动机组成，电动机固定在支架201上，滚轮设置在支架201上，滚轮由电动机驱动，滚轮在导轨5上滚动，实现驱动浇注小车2移动的目的；钢包203和中间包207设置在金属钢架204上，钢包203承接浇注液，钢包203两侧固定有铁水包耳209，钢包203通过铁水包耳209放置在金属钢架204上，钢包203下面设置有中间包207，耐火材料层205置于钢包203和中间包207之间，并固定在中间包207上，耐火材料层205厚度为8mm以上；

钢包203内设有承液管206，承液管206底部延伸到中间包207内，中间包207底部设有漏液口208，漏液口208上连接有阀门；电子秤210设置在金属钢架204边缘上；支架201与金属钢架204之间焊接有挡板焊接件202，用于固定支架201与金属钢架204；电线211连接电源用于电子秤210和电动机驱动装置1供电；

其中，金属钢架204的尺寸为1500×10000×500mm，用来放置钢包203和中间包207。

复合板坯铸造方法，包括以下步骤：

1)将待复合的两种合金分别熔炼，然后精炼，将获得的两种合金液分别在钢包203中静置。

2)一种合金液通过钢包203铸入浇注小车2，由浇注小车2将合金液铸入箱体3，通过移动式的浇注小车2将呈熔融态的合金铺满整个金属箱体3的底部；之后，将所用到的保护剂和保护砂6填满浇注小车2，再次利用小车将保护剂和保护砂6铺在合金的表面，两次浇铸过程保证浇注小车2速度一致，使合金液落下后来不及发生氧化就会被保护砂覆盖；最后浇注小车2将另一种合金液浇铸到保护剂上；在整个浇铸过程中，向箱体3内持续通保护气；浇注小车2的浇铸速度保持在50～70mm/s。浇注小车2的浇铸合金液的速度为120～180kg/min。

3)在保护气体环境下，用高压气除去保护剂、保护砂及氧化杂质，最后经冷却结晶得到复合板材。所用到的高压气，气压一般不超过20mpa，吹扫整个箱体3，持续时间固定在60s以内。其中，保护剂由萤石和石化组成，其中萤石按质量百分比占保护剂的5％～8％。保护剂的粒径维持在5±1mm，保护剂使钢液中浮渣效果增强，萤石的主要作用是稀释炉渣，降低炉渣的熔点，提高炉渣的流动性。保护砂为硼砂，硼砂的粒径尽量保持在2±1mm，可以清除金属表面的氧化物。保护气为氮气或氩气，保护气主要是氮气，而且氮气纯度要求99.99％以上；此外，还可以在浇铸过程中吹入氩气，使成分均匀，钢液净化，并可除掉溶解在钢中的氢、氮、氧等杂质，提高质量，吹入氩气还可以缩短冶炼时间，提高产量，节约电能。其中，保护剂与保护砂的加入量可按照1∶(0.8-1.2)的重量比。

实施例1

见图1，箱体3尺寸为2000×8000×2000mm，箱体3选择高强度耐高温的合金板材，导轨5横搭在箱体3上，两根金属导轨5的间距与浇注小车2的车轮间距相适应，即为1000mm；浇注小车2可选用2000×2000×1000mm的尺寸；复合板坯铸造方法，包括以下步骤：

1)将待复合的两种合金，不锈钢4和碳钢7，分别熔炼，然后精炼，将获得的两种合金液分别在钢包203中静置。

2)将不锈钢4金属液通过钢包203铸入浇注小车2，浇注小车2开始以60mm/s进行往复移动，先由浇注小车2将不锈钢4金属液铸入箱体3，通过浇注小车2将呈熔融态的不锈钢4铺满整个金属箱体3的底部；然后将硼砂6装入浇注小车2利用小车的移动性铺在不锈钢4的表面，两次浇铸过程保证浇注小车2速度一致，使不锈钢4液落下后来不及发生氧化就会被保护剂覆盖；最后浇注小车2将制得的1600℃高温的碳钢7金属液800kg，浇铸到保护剂上；在整个浇铸过程中，向箱体3内持续通保护气，两种钢液落下后来不及被氧气氧化就会被保护气和保护砂覆盖笼罩，有效防止钢液由于高温而被瞬间氧化；浇注小车2的浇铸速度保持在50～70mm/s。钢液会在小车单方向移动一次就浇铸完毕，一次浇铸经历5min，钢包203减重160kg/min。

3)在保护气体环境下，钢液会在小车单方向移动一次就浇铸完毕。一次浇铸经历5min，钢包203减重160kg/min。两种钢液浇铸完成后，利用高压气除去保护砂及氧化杂质，最后经冷却结晶得到复合钢板。制成的铸锭尺寸为2000×8000×2000mm，经抛光观测两种相的复合界面发现其平直稳定，界面处无氧化和夹杂，结合良好。

实施例2

见图1，复合板坯铸造方法，包括以下步骤：

1)将待复合的两种金属分别熔炼，然后精炼，将获得的两种合金液(不锈钢4液和其它钢液)分别静置。保证电动机1的功率为120kw以上，浇注小车2开始以60mm/s进行往复移动，先铺满一层熔融态的不锈钢4，进而铺满一层硼砂6，最后利用钢包203将制得的其他钢液铸入小车中。此时所加钢液的质量为1000kg，处于钢包203中的钢液从上往下进行浇铸。底部箱体3，其尺寸为2000×8000×2000mm，钢液落下后来不及被氧气氧化就会被保护气和保护砂覆盖笼罩，有效防止钢液由于高温而被瞬间氧化。单种钢液会在小车单方向移动一次就浇铸完毕。一次浇铸经历3～5min，钢包203减重200kg/min。通常情况下上层钢液浇注速度要慢于底层钢液。

2)两种钢液浇铸完成后，利用高压气除去保护砂及氧化杂质，最后经冷却结晶得到复合钢板。

制成的铸锭尺寸为2000×8000×2000mm，经抛光观测两种相的复合界面发现其平直稳定，界面处结合良好。

实施例3

见图2，复合板坯包括作为基层的q235钢液，以及作为覆层的306钢液，两种钢液的比例应满足1:1，其厚度的取值范围为100～200mm。q235碳钢/306不锈钢复合板坯铸造方法，包括以下步骤：

1、利用机械臂将制得的1600℃高温的q235钢液注入钢包203中，打开电动机开关，浇注小车2开始以50mm/s进行往复移动，所加钢液的质量为800kg，此时，旋开底部中间包207活塞，打开底部的两个承液口，处于钢包203中的钢液顺着承液管206从上往下进行浇铸。箱体3尺寸为1500×1000×400mm，在钢液注入箱体3的同时，箱体3四周上边缘处设有喷孔，在于移动方向相平行的两侧装有四个喷孔，每两个喷孔间距在200mm，流量保持在0.5l/s，在浇铸过程中会喷出保护气，部分保护砂也可由该喷孔喷出，并保证与浇注小车2保证同方向同速率，保证在钢液落下后来不及被氧气氧化就会被保护气和保护砂覆盖笼罩，有效防止钢液由于高温而被瞬间氧化。

2、q235钢液会在浇注小车2单方向移动一次就浇铸完毕。一次浇铸经历3～5min，钢包203减重160kg/min。306钢液的浇注过程和q235钢液类似。在q235钢液浇注完成后，箱体3以前进方向为轴向进行一定角度的倾斜，让硼砂充分覆盖在q235钢液的表面。之后进行306钢液的浇注。此时，利用机械臂将制得的1600℃高温的306钢液注入钢包203中。重新开启电动机，浇注小车2会反方向以50mm/s进行移动，其余步骤与步骤1类似。

3、两种钢液浇铸完成后，利用高压气除去保护砂及氧化杂志，最后经冷却结晶得到复合钢板。

本发明通过装置内模具小孔喷出的保护气和保护砂，可以构成致密的保护气氛而且保护砂由于覆盖在q235钢液表面，可以有效排除氧气对高温金属的氧化影响。此外，由于浇铸装置的可移动性，有效避免了浇注过程中“死区”的产生，保证浇注成品的内部组织更加致密均匀。