CN112974531A - 连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备*** - Google Patents
连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于钛合金丝材的制备技术领域，提供一种连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，包括钛合金棒材制备装置、补热炉、连续热拉拔轧制装置、梯度降温装置以及快速冷却装置与收线装置。本发明基于降温速率对钛合金成分的影响，钛合金在轧制后由近β相区向常温过度时，其内部的组织结构受到过冷度的影响较大，如果过冷度较高，钛合金内部很容易产生马氏体相，对钛合金的力学性能容易产生较大的影响，因此在本发明连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***首先保证钛合金内部产生足够多的α相，使得钛合金丝材快速进入两相区。当丝材进入两相区后，可以采取快速冷却的方式，使丝材的温度迅速下降至400℃，最后送入收线装置进行收线。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，尤其是钛合金丝材的制备技术，具体而言涉及一种连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***。
背景技术
钛合金具有强度高，重量轻，耐腐蚀等一系列独特的物理特性，在较多领域里都有比较广泛的应用，特别是在海洋环境以及化工等高腐蚀的环境中，利用钛合金制备的部件往往具有更高的使用寿命。然而钛合金的冶炼加工成本较高，一方面，钛合金的轧制温区在β相变区，温度大约为980℃～1050℃之间，因此对于预轧制的钛合金坯料往往要加热至该温度区间，另一方面，钛合金的导热性较差，所需要加热的时间较长，通常为2～3小时，这也导致了钛合金的生产效率较低，能耗过高，因此这种生产工艺也决定了钛合金具有较高的制造成本，以及较低的生产效率，难以适用于更广泛的实际应用。
目前针对钛合金丝材(也称为丝材)、棒材的加工方式提出了连铸连轧工艺以及高速连轧等方式，这些连轧工艺在生产方面依然没有摆脱需要对预加工坯料实施二次加热的难题，也即在结晶出钛棒后，需要通过加热炉进行补热，这种方式直接制约了钛合金棒材的生产效率，也增加了钛合金成品的加工成本。另外由于钛合金的导热性较差，在进行温度监测和反馈过程中，往往容易造成坯料的外表与内芯附近出现较大的温度梯度，不利于加工后成本成分的一致性，导致微观组织的变化，因此物理化学性能的差异性和变劣。
为了解决钛合金棒材二次加热效率较低的难题，通常采用连续热拉拔轧制的方式来使Φ20的钛合金棒材加工成Φ6的丝材。针对钛合金连铸连轧加工钛合金丝材的方式，根据钛合金本身的特性，轧制温度应保持在950℃以上的α相区，而钛合金在700℃以上的化学性质极其活泼，因此在连铸连轧过程后，如何控制钛合金丝材的化学稳定性保持其内部优良微观组织结构是连铸连轧钛合金丝材短流程低成本制造生产的关键。
发明内容
本发明目的在于提供一种连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，包括钛合金棒材制备装置、补热炉、连续热拉拔轧制装置、梯度降温装置以及快速冷却装置与收线装置；
所述钛合金棒材制备装置，用于通过结晶器结晶制备钛合金棒材；
所述补热炉，用于对钛合金棒材进行加热，以达到钛合金棒材预定的连续热拉拔轧制温度区间；
所述连续热拉拔轧制装置，用于对补热后的钛合金棒材进行连续热拉拔轧制，轧制钛合金丝材；
所述梯度降温装置，与连续热拉拔轧制装置的出口连接，采用三段式降温区段对拉出的钛合金丝材降温；所述三段式降温区段分别在第一区段降温炉、第二区段降温炉、第三区段降温炉中实现，第一区段降温炉设定的恒温区为800-900℃范围，第二区段降温炉设定的恒温区为700-800℃范围，第三区段降温炉设定的恒温区为600-700℃范围；
所述快速冷却装置，包括一与梯度降温装置出口连接的冷却箱以及位于冷却箱内的至少一个冷却通道和压缩空气快速冷却装置，所述至少一个冷却通道用于接收从梯度降温装置梯度降温后的钛合金丝材，通过压缩空气快速冷却装置吸入冷空气在冷却通道中进行热交换，对钛合金丝材快速降温；
所述收线装置，与快速冷却装置的出口连接，用于接收冷却后的钛合金丝材和收线。
由以上本发明的实施方案课件，其显著的有益效果在于：本发明基于降温速率对钛合金成分的影响，钛合金在轧制后由近β相区向常温过度时，其内部的组织结构受到过冷度的影响较大，如果过冷度较高，钛合金内部很容易产生马氏体相，对钛合金的力学性能容易产生较大的影响，因此在本发明的制备***中首先要保证钛合金内部产生足够多的α相，使得钛合金丝材能够快速进入两相区。当丝材进入两相区后，可以采取快速冷却的方式，使丝材的温度迅速下降至400℃，甚至更低，最后送入收线装置进行绕制收线。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是降温速率对TC4钛合金成分的影响的示意图。
图2是本发明的实施例连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***中钛合金丝材的降温曲线示意图。
图3是本发明的实施例的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***的示意图。
图4是本发明的实施例的梯度降温装置的三段式降温区段的示意图。
图5是本发明的实施例的快速冷却装置的示意图。
图6是本发明的实施例的快速冷却装置的沿着风筒的剖面图示意图。
图7是本发明的实施例的快速冷却装置的沿着冷却箱的剖面示意图。
图8是本发明的实施例的收线装置的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图3-8所示的示例性实施例的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，包括钛合金棒材制备装置10、补热炉20、连续热拉拔轧制装置30、梯度降温装置40以及快速冷却装置50与收线装置60。
钛合金棒材制备装置10，用于制备钛合金棒材，例如通过海绵钛原料制备Φ30、Φ20(单位mm)等直径范围的钛合金棒材。制备***或者生产线在可以采用现有技术中公开号为CN111676380A中公开的方式，通过结晶器结晶进行钛合金棒材的制备。
补热炉20，用于对钛合金棒材进行加热，以达到钛合金棒材预定的连续热拉拔轧制温度区间。在可选的实施例中，补热炉采用电阻炉，内部设置热电偶等温度检测装置进行温度检测和反馈，通过控制电阻炉的加热功率使得经过电阻炉的钛合金棒材得到快速升温，达到连续热拉拔轧制的温度范围，例如TC4钛合金需要的980-1050摄氏度的温度区间。
连续热拉拔轧制装置30，用于对补热后的钛合金棒材进行连续热拉拔轧制，轧制钛合金丝材。在可选的实施例中，连续热拉拔轧制装置30可采用现有的热拉拔装置实现对大直径棒材到小直径棒材的热轧制。
梯度降温装置40，与连续热拉拔轧制装置30的出口连接，采用三段式降温区段对拉出的钛合金丝材降温。
结合图4所示，三段式降温区段分别在第一区段降温炉、第二区段降温炉、第三区段降温炉中实现，第一区段降温炉设定的恒温区为800-900℃范围，第二区段降温炉设定的恒温区为700-800℃范围，第三区段降温炉设定的恒温区为600-700℃范围。
如此，在本发明的实施例中，结合图1、2所示，基于降温速率对钛合金成分的影响，钛合金在轧制后由近相区向常温过度时，其内部的组织结构受到过冷度的影响较大，如果过冷度较高，钛合金内部很容易产生马氏体相，对钛合金的力学性能容易产生较大的影响。因此在本发明的制备***中，采用基于图2所示的降温曲线，首先要保证钛合金内部产生足够多的相，使得钛合金丝材能够快速进入两相区，提高钛合金丝材的组织性能，维持钛合金丝材的化学稳定性并保持其内部优良微观组织结构。当丝材进入两相区后，可以采取快速冷却的方式，使丝材的温度迅速下降至400℃。
结合图5所示的快速冷却装置50，如前述的，此时丝材进入两相区，通过快速冷却装置50对梯度降温后的钛合金丝材进行快速冷却。
结合图5、6、7所示，快速冷却装置50包括一个与梯度降温装置40的出口连接的冷却箱51以及位于冷却箱内的至少一个冷却通道52和压缩空气快速冷却装置53，至少一个冷却通道52用于接收从梯度降温装置40梯度降温后的钛合金丝材。
如图6、7所示，冷却通道52的两侧分别设置有入口通道52A和出口通道52B，钛合金丝材通过入口通道52A进入到冷却通道，通过压缩空气快速冷却装置53吸入冷空气在冷却通道中进行热交换，对钛合金丝材快速降温，再通过出口通道52B输送出来。
结合图示，冷却箱51优选为水平横置的长方体冷却箱，并在内部设置至少两个冷却通道52，每个冷却通道构造成沿着纵长方向的凹槽，供钛合金丝材通过，冷却通道入口连接到梯度降温装置的出口，冷却通道的出口连接到收线装置。
优选地，压缩空气快速冷却装置53包括与冷却通道连通的风筒56，多个风筒56沿着冷却通道方向间隔排列，并且每个风筒的上部设置进气管道57，连接到一个压缩空气冷箱58，在冷却通道的凹槽下方并在风筒范围内对应设置至少一个排气管道59，连接到压缩空气冷箱58，每个风筒的内部设置扇叶56A、并通过电机56B驱动旋转以形成负压，从进气管道57抽入冷空气，在冷却通道52进行热交换后，经由排气管道59排入压缩空气冷箱。
压缩空气冷箱设置有制冷装置。
优选地，梯度降温装置40的三段式降温区段中通入惰性气体保护气，例如氩气保护气。
优选地，梯度降温装置40的三段式降温区段中设置有测温装置，用于检测通过的钛合金丝材温度以事实调整炉膛加热温度，保持不同区段内的恒温范围。
如此，结合图2和图4所示，本发明基于钛合金丝材的连铸连轧装置的降温以及收线装置进行设计，考虑钛合金尤其是TC4钛合金的降温工艺曲线，依照图2的标准进行设定。其中降温曲线第1，2，3段的降温过程，分别在设计有电阻加热的三段式降温炉即电阻炉的炉体内完成，降温曲线第4段在快速冷却装置50中实现快速冷却。
结合图4所示，从1区段至3区段炉体内部充有氩气作为保护气氛，第一区段降温炉的左侧与连续热拉拔轧制装置30(即轧机设备)的出口相接，接头法兰设计有气密装置。第一区段设计为高温区域，其温度恒定在800～900℃范围内，当轧制丝材进入第一区段炉体范围内，根据红外测温装置对丝材表面上的温度变化可以实时调整炉膛的温度，使其保持在预设的温度范围内。
第二区段降温炉的温度设置恒定在700～800℃，第三区段降温炉的温度设置恒定在600～700℃范围内。可选地，其中炉体的长度取决于轧制丝材的出料速度决定，以确丝材通过每个炉膛时的时间不小于240s。
进一步的，第二区段降温炉和第三区段降温炉同样设置有红外测温传感器，并且炉体的功率能够随着炉膛内的温度的升降而做出相应的变化。
从第三区段降温炉出来的丝材温度应低于700℃，在该温度区间，钛合金的化学性质趋近于稳定，则可利用压缩冷空气的方式对丝材进行进一步降温。
优选地，压缩空气冷箱设置有空气压缩机，用于调整空气压缩比例以保持冷却通道内的温度梯度维持均匀。如图所示的三个风筒可以对应在进气管路设置调节阀(例如电磁阀)实现对进气量的调节，以保持冷却通道内的温度梯度维持均匀。
下面我们结合具体的实例对轧制冷却进行具体的说明。
首先结合钛合金的特性简单验证以下降温炉体的可靠性，已知钛合金的连铸速度v＝0.09cm/s，密度r＝4.2*103kg/m3，比热Ck＝0.52J/(kg℃)，导热功率为15.24W/(mK)，根据表1的工艺参数，经过连续轧制后丝材的拉拔速度为铸锭速度的36倍，根据图2的降温曲线和图3-7所示实施例的降温处理，降温需要在240s以上的时间完成，因此需要炉管的总长约为778cm，为了验证方便，按照7.8m进行验证。
在第一区段降温炉内，钛合金棒材需要从温度为1020℃的温度，降低至850℃。根据体积计算公式可以计算出，7.8米直径为Φ5的钛合金丝材，体积约为0.02m3，其质量约为84kg，根据比热计算公式，若将84kg的丝材降温170℃，需要放掉7426J的能量。
根据钛合金热导率公式，同时假设温差为能够计算出在7.8m长度下，每相差1℃时，钛合金导热功率为117W，相当于1s内能传导出117J的热量。
按照导出的热量，在1℃的温差下，仅需要63s的时间，温差越大，导热功率就越大，因此当丝材进入降温炉体内部时，在短时间内便可将热量导走，因此对于工艺要求降温速率为240s以上，炉体的长度完全可以保证其热量的传导。
表1钛合金棒材轧制工艺，Φ20轧制到Φ5丝材加工参数
结合图3所示，收线装置60与快速冷却装置的出口连接，用于接收冷却后的钛合金丝材和收线。
结合图8所示，收线装置60包括框架式主体61，框架式主体朝向快速冷却装置的方形设置有一收线入口61A，供钛合金丝材穿过。
框架式主体61的内部还包括驱动电机62、传动轴63、收线盘64、导轨65以及前端摇臂66与后端摇臂67。
收线盘64通过导轨移入和移出框架式主体的内部。例如，收线盘受底部的导轨65(包含多个导向辊轴)移至右端，再由另一方向的导向滚轴送出收线装置。
驱动电机62固定到框架式主体的上部，并驱动传动轴63旋转。收线盘64包括与第一盘面64A、第二盘面64B以及设置在第一盘面和第二盘面之间的绕线部64C。第一盘面64A朝上并面向驱动电机62。
结合图8，第一盘面64A上设置有沿着径向的凹口，使得在装入时允许传动轴63穿过凹口从而将第一盘面的中心对接到传动轴上，传动轴与第一盘面的中心采用键连接以驱动收线盘旋转，对从收线入口进入的丝材进行旋转收线。
框架式主体内部、位于收线入口方向设置有前端摇臂66与后端摇臂67，前端摇臂66与后端摇臂67的运动方向为水平与竖直两种运动模式，后端摇臂67在收线时不参与工作，在前端摇臂66接近收线盘的外端时，后端摇臂与前端摇臂的引线接头重合。
可选地，后端摇臂67的引线处设有剪线钳口，用于将丝材剪断。
结合图8所示的收线装置中，当空的收线盘通过导轨65推送到框架式主体61内部时，收线盘64的凹口与传动轴63对正，此时，后端导线摇臂位于中线位置，推动收线盘使卡槽卡住后端摇臂。通过提升后端摇臂67，使丝材提升至收线盘64外侧，继续推送收线盘，并使传动轴63卡入收线盘的第一盘面中并实现键连接配合，随后控制驱动电机开始转动进行收线。由于线材卡入收线盘上端卡槽，外加驱动电机转动，使得丝材形成一定的张力不至于脱离收线盘，至此完成一次收换线。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，包括钛合金棒材制备装置、补热炉、连续热拉拔轧制装置、梯度降温装置以及快速冷却装置与收线装置；
所述钛合金棒材制备装置，用于通过结晶器结晶制备钛合金棒材；
所述补热炉，用于对钛合金棒材进行加热，以达到钛合金棒材预定的连续热拉拔轧制温度区间；
所述连续热拉拔轧制装置，用于对补热后的钛合金棒材进行连续热拉拔轧制，轧制钛合金丝材；
所述梯度降温装置，与连续热拉拔轧制装置的出口连接，采用三段式降温区段对拉出的钛合金丝材降温；所述三段式降温区段分别在第一区段降温炉、第二区段降温炉、第三区段降温炉中实现，第一区段降温炉设定的恒温区为800-900℃范围，第二区段降温炉设定的恒温区为700-800℃范围，第三区段降温炉设定的恒温区为600-700℃范围；
所述快速冷却装置，包括一与梯度降温装置出口连接的冷却箱以及位于冷却箱内的至少一个冷却通道和压缩空气快速冷却装置，所述至少一个冷却通道用于接收从梯度降温装置梯度降温后的钛合金丝材，通过压缩空气快速冷却装置吸入冷空气在冷却通道中进行热交换，对钛合金丝材快速降温；
所述收线装置，与快速冷却装置的出口连接，用于接收冷却后的钛合金丝材和收线。
2.根据权利要求1所述的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，所述冷却箱为水平横置的长方体冷却箱，并在内部设置至少两个冷却通道，每个冷却通道构造成沿着纵长方向的凹槽，供钛合金丝材通过，冷却通道入口连接到梯度降温装置的出口，冷却通道的出口连接到收线装置。
3.根据权利要求2所述的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，所述压缩空气快速冷却装置包括与冷却通道连通的风筒，多个风筒沿着冷却通道方向间隔排列，并且每个风筒的上部设置进气管道，连接到一压缩空气冷箱，在冷却通道的凹槽下方并在风筒范围内对应设置至少一个排气管道，连接到所述压缩空气冷箱，每个风筒的内部设置扇叶、并通过电机驱动旋转以形成负压，从进气管道抽入冷空气，在冷却通道进行热交换后，经由排气管道排入压缩空气冷箱，所述压缩空气冷箱设置有制冷装置。
4.根据权利要求1所述的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，所述梯度降温装置的三段式降温区段中通入惰性气体保护气。
5.根据权利要求1所述的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，所述梯度降温装置的三段式降温区段中设置有测温装置，用于检测通过的钛合金丝材温度以事实调整炉膛加热温度，保持不同区段内的恒温范围。
6.根据权利要求1所述的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，所述压缩空气冷箱设置有空气压缩机，用于调整空气压缩比例以保持冷却通道内的温度梯度维持均匀。
7.根据权利要求1所述的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，所述收线装置包括框架式主体，框架式主体朝向快速冷却装置的方形设置有一收线入口，供钛合金丝材穿过；
所述框架式主体内还包括驱动电机、传动轴、收线盘、导轨以及前端摇臂与后端摇臂，所述收线盘通过导轨移入和移出框架式主体的内部；
其中驱动电机固定到框架式主体的上部，并驱动传动轴旋转，收线盘包括与第一盘面、第二盘面以及设置在第一盘面和第二盘面之间的绕线部，第一盘面上设置有沿着径向的凹口，使得在装入时允许传动轴穿过所述凹口从而将第一盘面的中心对接到传动轴上，传动轴与第一盘面的中心采用键连接以驱动收线盘旋转，对从收线入口进入的丝材进行旋转收线；
所述框架式主体内部、位于收线入口方向设置有前端摇臂与后端摇臂，前端摇臂与后端摇臂的运动方向为水平与竖直两种运动模式，后端摇臂在收线时不参与工作，在前端摇臂接近收线盘的外端时，后端摇臂与前端摇臂的引线接头重合；所述后端摇臂的引线处设有剪线钳口将丝材剪断。
8.根据权利要求7所述的连铸连轧制备钛合金丝材的可控短流程制备***，其特征在于，所述收线装置中，当空的收线盘通过导轨推送到框架式主体内时，收线盘的凹口与传动轴对正，此时，后端导线摇臂位于中线位置，推动收线盘使卡槽卡住后端摇臂；
通过提升后端摇臂，使丝材提升至收线盘外侧，继续推送收线盘，并使传动轴卡入收线盘的第一盘面中并实现键连接配合，随后控制驱动电机开始转动进行收线。
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