一种异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及成形方法

本发明属于异质金属固-液铸轧复合，特别涉及一种异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及成形方法。

背景技术：

1、异质金属层状复合材料是由两种及以上具有不同性状的金属材料通过冶金结合或者机械结合进行界面匹配而成的结构功能一体化新兴复合材料，兼具各组元金属性能优点，既可以提高材料的综合性能，同时实现贵重金属节约，对于日益减少的自然资源和不断增长的生产需求显得尤为重要。

2、异质金属层状复合材料固-液铸轧复合技术具有生产效率高、生产流程短以及能源消耗少等优点，已经成为当前行业的重要发展方向。然而，固-液铸轧复合成形过程以固态基体板带与液态覆层金属作为原料，液态金属浇注过程的分布均匀性难以控制，在高速时更加显著，因此组织性能均匀性控制难度极大，除此以外，固态基体金属与液态覆层金属之间复合界面处于固-液状态，温度梯度难以控制，例如制备4343/3003/4343三层异质铝合金热传输复合板带时，3003铝合金凝固区间643~654℃，4343铝合金凝固区间570~610℃，芯材与覆层之间凝固区间温差仅73℃~84℃，因此当液态覆层金属与固态基体板带的熔点较为接近时极易出现固态基体板带熔断现象，稳定成形控制难度极大，层厚比波动严重、并且非对称固-液铸轧区结构会导致非对称传热传质和凝固现象，极大影响成品综合性能，同时还存在开浇立板困难、固态基体板带和铸轧辊之间贴合性不好等问题，既影响传热传质均匀性，又影响工艺控制稳定性，极大限制了产品质量稳定控制和应用前景，成为了加快层状金属复合材料工业化推广进程中亟待解决的关键瓶颈。

3、因此，异质金属复合界面结合过程中覆层金属凝固均匀性控制、基体金属喂入稳定性控制、基体-覆层间温度梯度控制、组元层厚比例控制等关键技术亟待解决，有必要提出一种异质金属层状复合板带连铸连轧设备及其成形方法以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及成形方法，解决了传统固-液铸轧复合生产异质金属层状复合材料存在的覆层金属布流均匀性差、基体金属喂入稳定性差、基体-覆层间温度梯度不可控、熔断立板困难等问题导致的组织性能差、层厚比不可控、板形质量差、开浇成功率低等，可以实现熔点接近、组元金属间界面反应强烈的异质金属层状复合材料高效率短流程一体化连续生产。

2、本发明采用的技术方案是提供一种异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备，其包括开卷单元、熔炼浇注单元、连续铸造单元、连续铸轧单元、导向剪切单元和卷取单元，

3、开卷单元设于连续铸轧单元上，且开卷单元包括开卷机机架、开卷机和仿形压辊模块，开卷机机架设于连续铸轧单元中的连续铸轧单元机架上，且开卷机对称设于开卷机机架的第一端和第二端，仿形压辊模块设于开卷机机架上且位于两端开卷机的中间位置，熔炼浇注单元设于开卷单元上，且熔炼浇注单元包括熔炼浇注单元机架、熔炼炉、前箱和布流器，熔炼炉和前箱均设于熔炼浇注单元机架上，熔炼炉设于前箱上，且熔炼炉底部和前箱之间通过熔管连接，布流器内部为空腔结构，且布流器的上端通过熔管与前箱的底部连接，布流器下端的浇嘴置于连续铸造单元中的结晶器上；

4、连续铸造单元设于连续铸轧单元上，且连续铸造单元包括结晶器、结晶器振动装置、承重平台和振动平台，结晶器下方的第一端和第二端均设有承重平台，且承重平台支撑于连续铸轧单元机架上，结晶器上端的两侧对称设有振动平台，且振动平台与承重平台之间均设有用于使结晶器产生振动的结晶器振动装置；

5、连续铸轧单元设于地面上，且连续铸轧单元包括连续铸轧单元机架、铸轧辊、压下装置和主传动装置，连续铸轧单元机架的第一端和第二端均设有铸轧辊，且连续铸轧单元机架第一端的铸轧辊的一侧设有压下装置，铸轧辊包括辊芯和辊套，铸轧辊内部设有冷却水流通通道，铸轧辊通过万向轴与主传动装置连接，导向剪切单元设于连续铸轧单元的一侧，卷取单元设于导向剪切单元的一侧；

6、开卷机机架的第一端的开卷机上设有第一侧固态基体板带，开卷机机架的第二端的开卷机上设有第二侧固态基体板带，第一侧固态基体板带经过仿形压辊模块中的第一压辊组进入连续铸轧单元，第二侧固态基体板带经过仿形压辊模块中的第二压辊组进入连续铸轧单元，熔炼浇注单元通过熔炼炉、前箱以及布流器持续向连续铸造单元中的结晶器内浇注液态覆层金属，液态覆层金属进入结晶器中并经过结晶器振动装置的冷却作用后进入连续铸轧单元，与第一侧固态基体板带以及第二侧固态基体板带经过连续铸轧单元内的铸轧辊的连续异温铸轧复合后形成异质金属层状复合板带。

7、优选地，仿形压辊模块包括压辊支架、第一压辊组和第二压辊组，第一压辊组设于压辊支架内部的第一端，第二压辊组设于压辊支架内部的第二端，第一压辊组包括 m1个压辊，第二压辊组包括 m2个压辊， m1和 m2均为正整数，且 m1个压辊和 m2个压辊从外向内沿铸轧辊的外侧弧面依次布置，与铸轧辊形成包络角度，每个压辊内部均为空腔结构，每个压辊的两端分别设有用于在压辊内部流通冷却水的压辊进水口和压辊出水口，且每个压辊内部流通冷却水的开闭状态能够独立控制。

8、优选地，压辊包括多个不同直径的压辊，且多个不同直径压辊的辊径沿铸轧辊的圆周方向由远离铸轧区至靠近铸轧区依次减小。

9、优选地，结晶器振动装置包括上平台、振动电机、主动轮、凸轮轴、从动轮、皮带、导向柱、弹簧以及滑轮，振动平台与上平台连接，振动电机设于承重平台上，且振动电机的输出轴与主动轮连接，凸轮轴支撑于承重平台上，且凸轮轴的第一端与从动轮连接，主动轮与从动轮之间通过皮带传动连接，滑轮设于上平台底部，且滑轮与凸轮轴滚动接触，导向柱均布设于承重平台的边角处，且导向柱的第一端与承重平台固定连接，导向柱的第二端与上平台滑动连接，弹簧设于承重平台与上平台之间，且弹簧的第一端与承重平台连接，弹簧的第二端与上平台连接。

10、优选地，结晶器振动装置的振动规律采用矩形速度振动规律、梯形速度振动规律、正弦速度振动规律或非正弦速度振动规律。

11、优选地，结晶器包括两个单侧结晶器，两个单侧结晶器对称组合形成铸造通道；单侧结晶器包括结晶器外壁和结晶器内壁，结晶器内壁设有锥度，且锥度范围为0.1%/m~10%/m，且结晶器外壁扣合于结晶器内壁上形成内部环形水道，两个单侧结晶器的两端均设有结晶器出水口和结晶器进水口，冷却水从结晶器进水口进入两个单侧结晶器的内部环形水道，且通过结晶器出水口流出。

12、本发明还提供一种基于上述异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备的异质金属层状复合板带成形方法，其包括以下步骤：

13、s1、覆层熔炼保温：覆层金属原料在熔炼浇注单元的熔炼炉内进行加热，使覆层金属原料达到液态，精炼后调配合金成分配比，并在覆层浇注温度 tcast进行保温；

14、s2、基体牵引穿带：开卷机机架第一端的开卷机对第一侧固态基体板带进行开卷，开卷机机架第二端的开卷机对第二侧固态基体板带进行开卷，且仿形压辊模块中的第一压辊组具有 m1个冷却水开闭状态独立调控的压辊，仿形压辊模块中的第二压辊组具有 m2个冷却水开闭状态独立调控的压辊，两侧固态基体板带的一端分别在两组压辊组的作用下与连续铸轧单元中的两端铸轧辊紧密贴合送进，形成第一包络角度 α1和第二包络角度 α2，铸轧辊、固态基体板带和仿形压辊模块进行接触换热后，第一侧固态基体板带和第二侧固态基体板带温度分别达到第一基体轧前温度 ts1-in和第二基体轧前温度 ts2-in，连续稳定进入连续铸轧单元；

15、s3、稳定开浇立板：向连续铸造单元中的结晶器中通入冷却水，将引锭盘放置于结晶器底部，液态覆层金属经过熔炼浇注单元的熔炼保温后进入连续铸造单元，经过布流器下端的浇嘴以覆层浇注温度 tcast进入结晶器中的铸造通道内；

16、s4、连续振动铸造：开启结晶器振动装置，液态覆层金属在结晶器内凝固形成目标厚度的坯壳后，通过引锭盘开始牵引覆层金属坯，并以覆层轧前温度 tc-in进入连续铸轧单元；

17、s5、原位铸轧复合：向铸轧辊中通入冷却水，第一侧固态基体板带以及第二侧固态基体板带在两侧开卷机的作用下连续不断的分别以第一基体轧前温度 ts1-in以及第二基体轧前温度 ts2-in进入连续铸轧单元，覆层金属坯在熔炼浇注单元以及结晶器的冷却作用下连续不断的以覆层轧前温度 tc-in进入连续铸轧单元，第一侧固态基体板带以及第二侧固态基体板带分别与覆层金属坯之间具有第一原位温度梯度 δt1以及第二原位温度梯度 δt2，其中 δt1= tc-in- ts1-in， δt2= tc-in- ts2-in，覆层金属坯和第一侧固态基体板带以及第二侧固态基体板带在铸轧辊之间进行原位异温铸轧复合，实现两侧固态基体板带和覆层金属坯之间的高强冶金结合；

18、s6、连续稳定成形：两侧固态基体板带与覆层金属坯经过连铸连轧成形后获得异质金属层状复合板坯，在导向剪切单元中的导向辊的作用下改变运动方向，并在卷取单元的作用下卷曲成卷，在金属卷达到目标半径后，通过导向剪切单元中的剪切机剪切分离，得到界面洁净的异质金属层状复合板卷。

19、优选地，步骤s2中，通过调整第一压辊组和第二压辊组中压辊的冷却水开闭状态以及压辊组在铸轧辊上的包络范围，能够调整对固态基体板带的冷却能力，改变第一基体轧前温度 ts1-in以及第二基体轧前温度 ts2-in，进而能对步骤s5中第一侧固态基体板带以及第二侧固态基体板带分别与覆层金属坯之间第一原位温度梯度 δt1以及第二原位温度梯度 δt2进行调整，实现原位异温铸轧复合过程的复合界面温度梯度调控。

20、优选地，步骤s4中，通过调整结晶器的结构参数、液态覆层金属的浇注温度、连续铸造速度以及连续铸造厚度，能实现对覆层金属坯进入连续铸轧单元时的覆层轧前温度 tc-in的调整，进而能对步骤s5中第一侧固态基体板带以及第二侧固态基体板带分别与覆层金属坯之间第一原位温度梯度 δt1以及第二原位温度梯度 δt2进行调整，实现原位异温铸轧复合过程的复合界面温度梯度调控。

21、优选地，通过调整送入第一侧固态基体板带、第二侧固态基体板带以及进入连续铸轧单元中覆层金属坯的厚度，能实现异质金属层状复合板卷的组元金属层厚比例控制，异质金属层状复合板卷中各组元金属层厚度占比及厚度表达式为：

22、；

23、；

24、式中， εc为异质金属层状复合板卷中覆层金属坯的厚度占比； h0-c为异质金属层状复合板卷中覆层金属坯的厚度； hs1-in为第一侧固态基体板带的厚度； hs2-in为第二侧固态基体板带的厚度； hc-in为覆层金属坯的厚度； h0为异质金属层状复合板卷的厚度，与连续铸轧单元出口处异质金属层状复合板坯的厚度相同；

25、；

26、；

27、式中， εs1为异质金属层状复合板卷中第一侧固态基体板带的厚度占比； h0-s1为异质金属层状复合板卷中第一侧固态基体板带的厚度；

28、；

29、；

30、式中， εs2为异质金属层状复合板卷中第二侧固态基体板带的厚度占比； h0-s2为异质金属层状复合板卷中第二侧固态基体板带的厚度。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

32、1、本发明提供的异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及其成形方法，在原有铸轧机的基础上加装开卷机、仿形压辊模块以及振动结晶器，结构简单，适用性强，与现有设备一致性高，可以满足对原有产线的升级换代，不需要对现有设备进行大范围的改动，即可实现原有单质金属到异质金属层状复合材料的产品升级。

33、2、本发明提供的异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及其成形方法，通过振动结晶器将液态覆层金属连铸成坯，振动结晶器的高冷却强度，可以形成一定厚度以及高度的覆层金属坯壳，不仅可以提高生产效率，同时通过振动可以破碎枝晶生长、提高形核率、细化凝固组织，显著改善液态覆层金属凝固后的组织性能与铸坯表面质量，并且通过控制结晶器高度、结晶器厚度等结构参数和浇注温度、连续铸造速度、连续铸造厚度、振动频率等工艺参数可以控制覆层金属坯进入连续铸轧机组时的温度 tc-in。

34、3、本发明提供的异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及其成形方法，通过振动结晶器预先将中层液态覆层金属冷却连铸成坯，覆层金属坯在熔炼浇注单元以及结晶器的作用下连续不断的以温度 tc-in进入连续铸轧单元，两侧固态基体板带在两侧开卷机和两组压辊组的作用下连续不断的以温度 ts-in进入连续铸轧单元，第一侧固态基体板带以及第二侧固态基体板带分别与覆层金属坯之间具有第一原位温度梯度 δt1= tc-in- ts1-in以及第二原位温度梯度 δt2= tc-in- ts2-in，通过调控温度梯度进行原位异温铸轧复合，可以避免出现固态基体板带熔断现象，保证组元金属层厚比例稳定性，提高生产的连续性和生产效率。

35、4、本发明提供的异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及其成形方法，通过仿形压辊模块将两侧固态基板金属与铸轧辊进行贴合，能够保证立板过程稳定性，不仅可以提高固态基体板带与铸轧辊的贴合程度与接触范围，排除固态基板金属与铸轧辊之间的气隙，通过固态基板金属自身对铸轧辊进行冷却，显著提高铸轧复合过程的稳定性；同时仿形压辊模块可采用成梯度变化的仿形压辊辊径，可增强仿形压辊的刚度和贴合度，提高层厚比例控制精度，此外仿形压辊内部也可通入冷却水或冷却气对两侧固态基体板带进行强制冷却。

36、5、本发明提供的异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及其成形方法，经过连续铸造单元获得覆层金属坯处于较高温度且待复合表面洁净，直接进入连续铸轧单元与固态基体板带进行原位异温铸轧复合，界面结合类型为高强冶金结合，同时与传统固-液铸轧复合相比，通过控制温度梯度可以减少金属间化合物、界面熔蚀等现象的产生，显著提高复合界面结合强度和均匀性。

37、6、本发明提供的异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及其成形方法，包括连铸连轧生产过程中的大部分结构，可实现从原始材料到成品异质金属层状复合板卷的整体生产过程，直接利用连铸后的高温进行连轧，实现原位异温铸轧复合，可以显著缩短生产流程和降低能源消耗，提高了生产效率。

38、7、本发明提供的异质金属层状复合板带高速连铸连轧设备及其成形方法，通过控制送入固态基体板带的厚度以及覆层金属坯进入连续铸轧单元时的厚度，进而改变原位异温铸轧复合过程中固态基体板带和覆层金属坯之间的层厚比例，可以实现异质金属层状热传输金属复合板卷的组元金属层厚比例控制。