CN104525564A - 一种三层金属复合板的短流程轧制成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种三层金属复合板的短流程轧制成形装置及方法，包括机架、水平并排安装在机架上的两个轧辊、安装在两个轧辊上面的结晶器、安装在结晶器上面的两个中间包和安装在结晶器上面中间位置并位于两个中间包之间的预热装置，所述结晶器的中心和预热装置的中心设置有供芯层金属板穿过的长方形通道。本发明由于采用了在结晶器与两个轧辊之间设置有两个结晶腔和在结晶器中心设置有一个供芯层金属板穿过的长方形通道的结构，在两个结晶腔内，可使两种包覆层金属液被连续冷却搅拌成半固态浆料后与芯层金属板直接复合轧制成三层金属复合板，因此采用本发明生产三层金属复合板具有生产工艺流程短、复合板质量好等优点。

Description

一种三层金属复合板的短流程轧制成形装置及方法

技术领域

    本发明属于金属复合板制备技术领域，特别是涉及一种三层金属复合板的短流程轧制成形装置及方法。

背景技术

三层金属复合板是在芯层金属板的上、下两面包覆另外两层金属而成的一种三明治结构形式的金属复合板。芯层金属与包覆层金属之间通过界面冶金结合而成，芯层金属与上、下两面的包覆层金属是不同的金属，上、下两面的包覆层金属可以是同一种金属，也可以是不同的金属，因此，三层金属复合板综合了两种或者三种金属的性能，是一种多功能、多用途的金属板，可广泛应用于汽车、电子电器、冶金、化工、航天航空等领域。

三层金属复合板的生产方法目前主要是热轧复合法，该方法一般是先铸造出两种或者三种金属的锭坯，经过铣面、加热、粗轧后得到金属的板坯，然后对金属板坯的表面进行打磨和清洗，去除表面的油污和氧化皮，再按照三明治结构形式将金属板坯叠放和捆紧，加热后再送入轧机进行多道次的轧制变形，最后得到三层金属复合板，生产工艺流程如下：铸锭→铣面→加热→粗轧→打磨→清洗→叠放→捆扎→热轧轧制复合→三层金属复合板。因此，热轧复合法的生产工序多、工艺流程长，材料和能源消耗大。

目前还公开报道了很多双金属复合板的制备方法，如铸轧复合、***复合、喷射沉积复合等，但这些方法在一个生产周期内无法制备出三层金属复合板。如果采用这些方法制备三层金属复合板，需要先制备出两层的双金属复合板，然后再采用同样的方法将两层的双金属复合板与另一种金属复合，最终才能得到成三层金属复合板。因此，采用这些方法制备三层金属复合板，同样生产工序多、工艺流程长，材料和能源消耗大。

发明内容

本发明的目的是针对现有三层金属复合板生产方法中存在的不足，提供了一种三层金属复合板的短流程轧制成形装置及方法，属于一种新型的半固态/固态/半固态复合方法。

本发明的目的是按如下技术方案实现的：

本发明所述的三层金属复合板的短流程轧制成形装置，其特点是包括机架、水平并排且可转动地设置在机架上的两个轧辊、位于两个轧辊上的结晶器、水平并排地设置在结晶器上的两个中间包和设置在结晶器上面中间位置且位于两个中间包之间的预热装置，其中所述结晶器的上部两侧各设置有一个长方形的流道，结晶器的中心位置设置有一个长方形通道，该长方形通道的四周设置有隔热板，所述结晶器的下部设置有两个各与一个轧辊位于同一侧的弧面，所述两个弧面的外侧部各设置有一个与结晶器一体连接的弧形侧封块，所述各弧形侧封块分别和与其位于同一侧的轧辊相接触而使各位于同一侧的弧形侧封块、轧辊及弧面之间共同形成有一个结晶腔，所述两个结晶腔的上端各与一个流道相连通，其下端与两个轧辊之间预留的辊缝相连通，且所述结晶器靠近各弧面的位置处及各轧辊上分别设置有冷却水孔，所述两个中间包内分别设置有用于盛放金属液的方形炉膛，所述各中间包位于方形炉膛的底部分别设置有一个长方形的出液口，所述各出液口各与一个流道相连通，所述预热装置的中心位置设置有一个长方形通道，该长方形通道的两侧设置有加热体，且该长方形通道的底端与结晶器上的长方形通道相连通。

本发明所述的三层金属复合板的短流程轧制成形方法，其特点是包括如下步骤：

第一步：对芯层金属板的表面进行清洗，去除表面的油污和氧化皮；

第二步：将芯层金属板依次穿过预热装置上的长方形通道和结晶器上的长方形通道，最后达到两个轧辊的辊缝，然后接通预热装置的电源，对芯层金属板进行预热，预热温度为150~350℃；

第三步：在一个或两个熔炼炉内加热熔炼好一种或两种包覆层金属液，并控制好金属液的温度在690~1550℃；

第四步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速均为30~60转/分钟；

第五步：接通水阀，使结晶器和两个轧辊上的冷却水孔通入冷却水，结晶器上的冷却水流量为5~15升/分钟，两个轧辊上的冷却水流量分别为10~20升/分钟；

第六步：将包覆层金属液各转移到一个中间包内，位于各中间包内的金属液分别由中间包上设置的出液口及结晶器上对应设置的流道各流进一个结晶腔内，且在两个结晶腔内，包覆层金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后与芯层金属板汇合后同时进入辊缝后经两个轧辊轧制复合成三层金属复合板。

本发明是将包覆层金属液连续冷却搅拌成半固态浆料后与芯层金属板直接轧制复合成三层金属复合板，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）生产工序减少，工艺流程缩短。本发明实现了三层金属复合板的一次轧制成形，并且实现了包覆层金属半固态浆料的制备和轧制复合成形的一体化和连续化，因此，生产工序明显减少，工艺流程明显缩短，并有利于降低三层金属复合板的生产成本；

（2）三层金属复合板的质量更好。本发明属于半固态/固态/半固态复合方法，不仅可以实现芯层金属与包覆层金属之间的冶金结合，而且还可以避免复合界面上产生铁铝、铜铝等脆性化合的出现，从而可以提高复合板的界面结合强度。同时半固态浆料细小均匀的晶粒组织还可以提高复合板的强韧性，因此，采用本发明制备的三层属复合板的质量更好；

（3）生产灵活好。采用本发明生产三层金属复合板，只要更换两个中间包里的包覆层金属液，即可生产出各种类型的三层金属复合板，如铝/铝/铝、铝/钢铝、钢/铝/钢、铜/铝/铜等三层金属复合板，因此，本发明还有生产灵活性好、适应性强的优点。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的局部剖面结构示意图。

图3是本发明中结晶器的俯视结构示意图。

图4是本发明中结晶器的仰视结构示意图。

图5是本发明中预热装置的结构示意图。

图6是本发明中中间包的结构示意图。

图7是本发明的使用状态结构示意图。

具体实施方式

如图1-图7所示，本发明所述的三层金属复合板的短流程轧制成形装置，它包括机架1、两个轧辊2、一个结晶器3、两个中间包4和一个预热装置10。所述两个轧辊2是水平并排且可转动地安装在机架上1，轧辊2上设置有冷却水孔5，两个轧辊2之间预留有辊缝23，辊缝23的宽度等于三层金属复合板6的厚度。

所述结晶器3是安装在两个轧辊2的上面，结晶器3上部两侧各设置有一个长方形的流道31，各流道31长度等于三层金属复合板6的宽度。结晶器3上部中心位置设置有一个长方形通道11，该长方形通道11的四周设置有隔热板8。结晶器3下部设置有两个对称的且位于两个流道31之间的弧面32，各弧面32的宽度等于三层金属复合板6的宽度，各弧面32的包角均为60~90°，各弧面32的半径等于轧辊2的半径加上0.5~5倍三层金属复合板的厚度，结晶器3靠近各弧面32的位置处分别设置有冷却水孔5。所述两个弧面32的外侧部各设置有一个与结晶器3一体连接的弧形侧封块33，各弧形侧封块33的弧形半径等于轧辊2的半径，且各弧形侧封块33的弧形包角均为90~120°，如图2所示，所述各弧形侧封块33分别和与其位于同一侧的轧辊2相接触而使各位于同一侧的弧形侧封块33、轧辊2及弧面32之间共同形成有一个结晶腔34，也就是说，在结晶器3与两个轧辊2之间对称地形成有两个结晶腔34。而且，两个结晶腔34的上端各与结晶器3上的一个流道31相连通，其下端与两个轧辊2的辊缝23相连通，如图2所示，位于左侧的结晶腔34与位于左侧的流道31相连通，位于右侧的结晶腔34与位于右侧的流道31相连通。且各结晶腔34的宽度等于三层金属复合板6的宽度。

所述两个中间包4是水平并排地安装在结晶器3的上面，且其排列方向与两个轧辊2的排列方向一致，各中间包4内设置有盛放金属液的方形炉膛41，同时各中间包4位于方形炉膛41的底部分别设置有长方形的出液口42，各出液口42的长度等于三层金属复合板6的宽度，且各出液口42各与结晶器3上的一个流道31相连通，如图2所示，位于左侧的流道31与位于左侧的出液口42相连通，位于右侧的流道31与位于右侧的出液口42相连通。

所述预热装置10设置在结晶器3上面的中间位置且位于两个中间包4之间，预热装置10中心位置设置有一个长方形通道11，该长方形通道11两侧设置有加热体7，预热装置10上的长方形通道11与结晶器3上的长方形通道11相连通。

本发明所述的三层金属复合板的短流程轧制成形方法，包括如下步骤：

第一步：对芯层金属板12的两个表面进行清洗，去除表面的油污和氧化皮；

第二步：将芯层金属板12依次穿过预热装置10上的长方形通道11和结晶器3上的长方形通道11，最后达到两个轧辊2的辊缝23，然后接通预热装置10的电源，对芯层金属板12进行预热，预热温度为150~350℃；

第三步：在一个或两个熔炼炉内加热熔炼好一种或两种包覆层金属液，并控制好金属液的温度均在690~1550℃；

第四步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为30~60转/分钟；

第五步：接通水阀，使结晶器3和两个轧辊2上的冷却水孔5通入冷却水，结晶器3上的冷却水流量为5~15升/分钟，两个轧辊2上的冷却水流量分别为10~20升/分钟；

第六步：将包覆层金属液各转移到一个中间包4内，位于各中间包4内的金属液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，两种金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后与芯层金属板12汇合后同时进入辊缝23后经两个轧辊2轧制复合成三层金属复合板6。

本发明的工作原理如下：

当两个中间包里的包覆层金属液分别流进结晶腔后，受到结晶器和轧辊的冷却作用，金属液被逐渐冷却，并凝固结晶，金属液的固相体积分数逐渐增加。由于结晶器是静止不动的，而轧辊是旋转运动的，因此金属液在结晶腔里是不断受到旋转轧辊的剪切搅拌作用，剪切搅拌作用使金属液中已形成的固相晶粒发生破碎和细化，金属液逐渐转变成由细小均匀的固相晶粒和液相共同组成的半固态浆料。在结晶腔底部出口位置，两种包覆层金属的半固态浆料与芯层金属板汇合后同时进入辊缝经两轧辊轧制复合成三层金属复合板。

本发明是将包覆层金属液连续冷却搅拌成半固态浆料后直接与芯层金属板轧制复合成三层金属复合板，为了保证包覆层金属液能够被冷却搅拌成半固态浆料，因此，结晶器和轧辊上必须设置冷却水孔，同时结晶器和轧辊需要用耐热冲击、导热性好和强度较高的钢材制造，如3Cr2W8V、W18Cr4V、4Cr5MoSiV等，以保证结晶器和轧辊的高速散热和结构强度。为了保证轧制复合时包覆层金属的凝固状态都是半固态浆料，并获得具有冶金结合的三层金属复合板，需要控制好芯层金属板的预热温度、两个中间包内的金属液的温度、两个轧辊的转速、以及两个轧辊和结晶器内的冷却水流量。

另外，为了使轧辊2上面的结晶器3有更好的稳定性，可以通过固定装置9将结晶器3与机架1进行固定连接。为了使转移到各中间包4内的金属液的温度尽可能保持不变，可以在两个中间包4的两侧或者四周设置加热体7，用于对中间包4内的金属液进行加热保温。为了防止两个中间包4的热量可能传输到结晶器3上，可以在两个中间包4与结晶器3之间设置隔热板8。此外，为了降低轧辊的制造成本，还可以将轧辊2设计成由辊芯21和辊套22构成的结构，并将冷却水孔5设置在辊套22上，只需辊套22用耐热冲击、导热性好和强度较高的钢材制造就可以了。

实施例1：

采用本发明生产4005/3003/4005三层铝合金复合板，这种三层铝合金复合板同时具有4005铝合金焊接性能好和3003铝合金耐腐蚀性能好的优点，常用于制造汽车、电子、电器等的换热器，方法如下：

第一步：对芯层3003铝合金板的表面进行清洗，去除表面的油污和氧化皮；

第二步：将芯层3003铝合金板依次穿过预热装置上的长方形通道和结晶器上的长方形通道，最后达到两个轧辊的辊缝，然后接通预热装置的电源，对芯层金属板进行预热，预热温度为200℃；

第三步：在一个电阻熔炼炉内加热熔炼好4005铝合金液，并控制好4005铝合金液的温度在690℃；

第四步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为60转/分钟；

第五步：接通水阀，使结晶器3和两个轧辊2上的冷却水孔5通入冷却水，两个轧辊2的冷却水流量分别控制在10升/分钟，结晶器3上的冷却水流量控制在5升/分钟；

第六步：将4005铝合金液分别转移到两个中间包4内，位于各中间包4内的4005铝合金液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，4005铝合金液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后与芯层3003铝合金板汇合后同时进入辊缝23后经两个轧辊2轧制复合成4005/3003/4005的三层铝合金复合板6。

实施例2：

采用本发明生产4005/3003/7002三层铝合金复合板，这种三层铝合金复合板同时具有4005铝合金、7002铝合金焊接性能好和3003铝合金耐腐蚀性能好的优点，同样常用于制造汽车、电子、电器等的换热器，方法如下：

第一步：对芯层3003铝合金板的表面进行清洗，去除表面的油污和氧化皮；

第二步：将芯层3003铝合金板依次穿过预热装置上的长方形通道和结晶器上的长方形通道，最后达到两个轧辊的辊缝，然后接通预热装置的电源，对芯层金属板进行预热，预热温度为200℃；

第三步：在一个电阻熔炼炉内加热熔炼好4005铝合金液，在另一个电阻熔炼炉内加热熔炼好7002铝合金液，并控制好4005铝合金液的温度在690℃，7002铝合金液的温度在710℃；

第四步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为60转/分钟；

第五步：接通水阀，使结晶器3和两个轧辊2上的冷却水孔5通入冷却水，两个轧辊2的冷却水流量分别控制在10升/分钟，结晶器3上的冷却水流量控制在5升/分钟；

第六步：将4005和7002两种铝合金液分别转移到两个中间包4内，位于各中间包4内的铝合金液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，4005和7002铝合金液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后与芯层3003铝合金板汇合后同时进入辊缝后经两个轧辊2轧制复合成4005/3003/7002的三层铝合金复合板6。

实施例3：

采用本发明生产钢/铝/钢三层金属复合板，钢是304不锈钢，铝是6063铝合金，这种钢/铝/钢三层金属复合板常用于制造无油烟锅、电饭煲等高档炊具的锅底，具有传热均匀、安全环保等优点，方法如下：

第一步：对芯层6063铝合金板的表面进行清洗，去除表面的油污和氧化皮；

第二步：将芯层6063铝合金板依次穿过预热装置上的长方形通道和结晶器上的长方形通道，最后达到两个轧辊的辊缝，然后接通预热装置的电源，对芯层金属板进行预热，预热温度为150℃；

第三步：在一个中频感应熔炼炉内加热熔炼好304不锈钢液，并控制好304不锈钢液的温度在1550℃；

第四步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为40转/分钟；

第五步：接通水阀，使结晶器3和两个轧辊2上的冷却水孔5通入冷却水，两个轧辊2的冷却水流量分别控制在20升/分钟，结晶器3上的冷却水流量控制在15升/分钟；

第六步：将304不锈钢液分别转移到两个中间包4内，位于各中间包4内的304不锈钢液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，304不锈钢液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后与芯层6063铝合金板汇合后同时进入辊缝后经两个轧辊2轧制复合成钢/铝/钢三层金属复合板6。

实施例4：

采用本发明生产铜/铝/铜三层金属复合板，铜是CuCr1Zr铜合金，铝是6061铝合金，这种铜/铝/铜三层金属复合板同时具有铜合金导电、导热性能好和6061铝合金的重量轻、塑性好、价格低的优点，常用于制造电器开关，达到以铝代铜，降低生产成本的目的。方法如下：

第一步：对芯层6061铝合金板的表面进行清洗，去除表面的油污和氧化皮；

第二步：将芯层6061铝合金板依次穿过预热装置上的长方形通道和结晶器上的长方形通道，最后达到两个轧辊的辊缝，然后接通预热装置的电源，对芯层金属板进行预热，预热温度为350℃；

第三步：在一个中频感应熔炼炉内加热熔炼好CuCr1Zr铜合金液，并控制好CuCr1Zr铜合金液的温度在1150℃；

第四步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊2的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速为30转/分钟；

第五步：接通水阀，使结晶器3和两个轧辊2上的冷却水孔5通入冷却水，两个轧辊2的冷却水流量分别控制在15升/分钟，结晶器3上的冷却水流量控制在10升/分钟；

第六步：将CuCr1Zr铜合金液分别转移到两个中间包4内，位于各中间包4内的CuCr1Zr铜合金液分别由中间包4上设置的出液口42及结晶器3上对应设置的流道31各流进一个结晶腔34内，且在两个结晶腔34内，CuCr1Zr铜合金液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后与芯层6061铝合金板汇合后同时进入辊缝后经两个轧辊2轧制复合成铜/铝/铜三层金属复合板6。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种三层金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于包括机架（1）、水平并排且可转动地设置在机架（1）上的两个轧辊（2）、位于两个轧辊（2）上的结晶器（3）、水平并排地设置在结晶器（3）上的两个中间包（4）和设置在结晶器（3）上面中间位置且位于两个中间包（4）之间的预热装置（10），其中所述结晶器（3）的上部两侧各设置有一个长方形的流道（31），结晶器（3）的中心位置设置有一个长方形通道（11），该长方形通道（11）的四周设置有隔热板（8），所述结晶器（3）的下部设置有两个各与一个轧辊（2）位于同一侧的弧面（32），所述两个弧面（32）的外侧部各设置有一个与结晶器（3）一体连接的弧形侧封块（33），所述各弧形侧封块（33）分别和与其位于同一侧的轧辊（2）相接触而使各位于同一侧的弧形侧封块（33）、轧辊（2）及弧面（32）之间共同形成有一个结晶腔（34），所述两个结晶腔（34）的上端各与一个流道（31）相连通，其下端与两个轧辊（2）之间预留的辊缝（23）相连通，且所述结晶器（3）靠近各弧面（32）的位置处及各轧辊（2）上分别设置有冷却水孔（5），所述两个中间包（4）内分别设置有用于盛放金属液的方形炉膛（41），所述各中间包（4）位于方形炉膛（41）的底部分别设置有一个长方形的出液口（42），所述各出液口（42）各与一个流道（31）相连通，所述预热装置（10）的中心位置设置有一个长方形通道（11），该长方形通道（11）的两侧设置有加热体（7），且该长方形通道（11）的底端与结晶器（3）上的长方形通道（11）相连通。

2.根据权利要求1所述的三层金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于上述各弧形侧封块（33）的弧形包角均为90~120°，且各弧形侧封块（33）的弧形半径等于轧辊（2）的半径。

3.根据权利要求1所述的三层金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于上述各弧面（32）的弧形包角均为60~90°，且各弧面（32）的弧形半径等于轧辊（2）的半径加上0.5~5倍三层金属复合板的厚度。

4.根据权利要求1所述的三层金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于上述各出液口（42）的长度、各流道（31）的长度、各弧面（32）的宽度以及各长方形通道（11）的长度均等于三层金属复合板的宽度。

5.一种三层金属复合板的短流程轧制成形方法，该方法采用如上述任一权利要求所述的三层金属复合板的短流程轧制成形装置，其特征在于包括如下步骤：

第一步：对芯层金属板（12）的表面进行清洗，去除表面的油污和氧化皮；

第二步：将芯层金属板（12）依次穿过预热装置（10）上的长方形通道（11）和结晶器（3）上的长方形通道（11），最后达到两个轧辊（2）的辊缝（23），然后接通预热装置（10）的电源，对芯层金属板（12）进行预热，预热温度为150~350℃；

第三步：在一个或两个熔炼炉内加热熔炼好一种或两种包覆层金属液，并控制好金属液的温度在690~1550℃；

第四步：启动轧制成形装置，控制两个轧辊（2）的其中一个顺时针转动，另一个逆时针转动，且转速相同，转速均为30~60转/分钟；

第五步：接通水阀，使结晶器（3）和两个轧辊（2）上的冷却水孔（5）通入冷却水，结晶器（3）上的冷却水流量为5~15升/分钟，两个轧辊（2）上的冷却水流量分别为10~20升/分钟；

第六步：将包覆层金属液各转移到一个中间包（4）内，位于各中间包（4）内的金属液分别由中间包（4）上设置的出液口（42）及结晶器（3）上对应设置的流道（31）各流进一个结晶腔（34）内，且在两个结晶腔（34）内，包覆层金属液分别被冷却搅拌成半固态浆料，然后与芯层金属板（12）汇合后同时进入辊缝（23）后经两个轧辊（2）轧制复合成三层金属复合板（6）。