（材料加工工程专业论文）薄壁内肋片铜管热型连铸控制系统研究.pdf

摘要 薄壁内肋片铜管传热面积可达到相同规格普通光滑铜管的2 到3 倍，在制 冷和空调等行业中有广泛的应用和巨大的使用量。传统内肋片铜管的加工分为 铜管管坯加工和内肋片加工两部分，不仅工艺复杂，而且设备投资大、能源消 耗高、成品率低。表面质量也难以得到保证。 热型连铸作为一种全新的近终形加工方法，只要一道工序就可以从铜液中 直接连铸出所需形状和尺寸参数的内肋片铜管，是传统加工工艺的革命性交革。 控制固。液界面的位置是热型连铸成功的关键。热型连铸中冷却距离、铸型 温度、连铸速度共同决定了固液界面的位置。计算结果表明从固液界面到冷却 点，铸件温度呈线性分布，可以通过测量铸型外铸件某一点的温度，调节冷却 距离控制固液界面的位置。热电偶测量铸型温度和手动调节冷却距离反应速度 慢，效率低，不能满足工业化生产的需要。铜导热系数高，采用红外辐射温度 计直接测量铸件温度，实际记录结果证明比热电偶响应速度快，对温度变化趋 势反应及时。 引锭管与铜液的连接是顺利连铸出内肋片铜管的重要环节。在铸型设定温 度为1 0 8 0 时，铸型内实际温度将高于此温度，引锭管管壁很薄，插入部分在 连铸之前已经熔化在铸型内，必须保证熔化后的铜液仍能充满内外模之间的空 隙，并在内模倒角以上，使上面下来的铜液能顺利进入内模槽内，必须从铸型 和引锭管两方面考虑进行改进。 红外辐射温度计输出的电信号，通过a d 模块转化为数字量再输入可编程 控制器中进行运算，数据经过处理后作为可编程控制器脉冲输出指令的参数来 控制脉冲输出，进而控制步进电机的角位移和转向，从而调节冷却距离。通过 冷却距离的调整使测量点的温度达到设定值，实现系统的自动控制。 驱动铜管拉拔辊的直流电机采用调压调速，为了实现调速的稳定性，可使 用拨档开关按级调速。调压过程同样可以用可编程控制器实现自动控制，使连 铸速度与铸型设定温度和冷却水距离实现联动，使整个系统在较宽的调速范围 内实现自动控制。 采用红外辐射温度计、a d 转换器、可编程控制器、步进电机、直流电机 广东工业大学工学硕士学位论文 进行连铸速度、冷却距离的自动控制是可行的，可做进一步的研究以应用于工 业化生产。 关键词：热型连铸；薄壁内肋片铜管；红外测温；串行通信；p l c 控制 i i a b s t r a c t t h eh e a tt r a n s f e ra r e ao ft h i n w a l l e di n n e r - r i b b e dc o p p e rt u b ei st w ot ot h r e e t i m e so ft h a to fc o m m o nt u b ew h i c hh a sn oi n n e rr i b s ，s oi ti sw i d e l yu s e di nt h e i n d u s t r i e so fr e f r i g e r a t i o n ，a i r c o n d i t i o ne t c t h et r a d i t i o n a lp r o c e s so fi n n e r r i b b e d c o p p e r t u b ei n c l u d e st h ef o r m a t i o n so ft u b ea n di n n e rr i b sw h i c hh a v et h e d i s a d v a n t a g e s o f c o m p l i c a t e dp r o c e s s ，h u g e i n v e s t m e n ti n e q u i p m e n t s ，h i g h c o n s u m p t i o no fe n e r g y , l o wf i n i s h e dp r o d u c tr a t ea n dd i f f i c u l t yt og u a r a n t e es u r f a c e q u a l i t y h e a t e d - m o l dc o n t i n u o u sc a s t i n g ( o c c ，o h n oc o n t i n u o u sc a s t i n g ) i san e w n e a r n e t s h a p ep r o c e s s i n gm e t h o da n d ar e v o l u t i o nt ot r a d i t i o n a lm a c h i n i n g p r o c e s s i n n e r r i b b e dc o p p e rt u b et h a th a st h ei d e a l s h a p e a n dd i m e n s i o n sc a nb ec a s t e d d i r e c t l yf r o mc o p p e rl i q u i dt h r o u g ho n l y o n e s t e p s u c c e s so fc a s t i n gt h i n - w a l l e di n n e r - r i b b e dc o p p e rt u b eb yt h ev e r t i c a l0 c c e q u i p m e n td e p e n d so nw h e t h e rt h e s + li n t e r f a c ec a nb e k e p t i n p o s i t i o n t h e l o c a t i o no fs + li n t e r f a c ei nt h em o l di sd e t e r m i n e db yc o o l i n gd i s t a n c e ，m o l d t e m p e r a t u r e ，c a s t i n gs p e e d c a l c u l a t i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l do f c a s t i n gi s l i n e a rf r o ms + li n t e r f a c et oc o o l i n gp o i n t i ti sr e a s o n a b l et oc o n t r o lt h e l o c a t i o no fs + li n t e r f a c eb ym e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r eo fo n ep o i n to u t s i d ec a s t i n g m o l da n da d j u s t i n gc o o l i n gd i s t a n c e t h er e a c t i o ns p e e di ss l o wb ym e a s u r i n gm o l d t e m p e r a t u r ew i t ht h e r m o c o u p l e a n da d j u s t i n gc o o l i n gd i s t a n c eb yh a n d ，s oi tc a nn o t m e e tt h en e e do fi n d u s t r i a l i z a t i o n c o p p e rt r a n s f e r sh e a tw e l l t h et e m p e r a t u r e r e c o r d s t h r o u g hc o m p u t e rs e r i a l c o m m u n i c a t i o ns h o wt h a ti th a sam o r er a p i d r e a c t i o n s p e e d t om e a s u r e t e m p e r a t u r eb y i n f r a r e dt h e r m o m e t e rt h a n b y t h e r m o c o u p l e i ti s v e r yi m p o r t a n tt oc o n f i r mt h ed u m m yi n g o tt u b ej o i n tc o p p e rl i q u i dv e r y w e l lb e f o r ec a s t i n g w h e nt h e s e t t i n gv a l u eo fm o l dt e m p e r a t u r ei s 1 0 8 0 ( 2 ，t h e t e m p e r a t u r ei n s i d em o l di sh i g h e rt h a ni t ，t h e t h i n d u m m yi n g o t t u b eh a sm e l t e d b e f o r ec a s t i n g s ot h em e l t e dc o p p e rl i q u i dm u s tf i l lt h es l o tb e t w e e no u t s i d em o l d 1 1 1 广东工业大学工学硕士学位论义 i i _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 口_ _ - - - _ _ _ _ _ - a n di n n e rm o l di no r d e rt oj o i n tt h el i q u i df r o mm e l t i n gf u r n a c e b o t ht h em o l da n d t h ed u m m y i n g o tt u b es h o u l db em e n d e d o u t p u t e l e c t r i c a l s i g n a l f r o mi n f r a r e dt h e r m o m e t e ri sc o n v e r t e di n t o d i g i t a l n u m b e rt h e ni n p u tp l ct oc a l c u l a t e ，a n dt h er e s u l t si n f l u e n c et h ep a r a m e t e r so fp u l s e i n s t r u c t i o no fp w mo rp l sy ，t h e r e f o r ec o n t r o l st h e a n g u l a rd i s p l a c e m e n t a n d d i r e c t i o no fs t e pm o t o la n da d j u s t st h ec o o l i n gd i s t a n c et om a k et h et e m p e r a t u r eo f m e a s u r e m e n ti se x a c ta st h es e t t i n gt e m p e r a t u r e ，s oa st or e a l i z ec o o l i n gs y s t e m a u t o m a t i o n t h es p e e do fd cm o t o ri sa d j u s t e db yc o n t r o l l i n gv o l t a g e i no r d e rt og e ta s t e a d yc a s t i n gs p e e d ，i ti s d i v i d e di n t ot w e l v es p e e ds t e p s t h ea d j u s t m e n tp r o c e s s c a nb ec o n t r o l l e db yp l ct o o i tc a nm a k ec a s t i n gs p e e d ，c o o l i n gd i s t a n c ea n dm o l d t e m p e r a t u r ei n t e r a c ta n d r e a l i z ea u t o m a t i o ni naw i d es p e e dr a n g e i ti sf e a s i b l et or e a l i z ea u t o m a t i o nb yi n f r a r e dt h e r m o m e t e r ，a dc o n v e r t er p l c ， s t e pm o t o r a n dd cm o t o r r e s e a r c hc a nb ef u r t h e r e dt oa p p l yi tt oi n d u s t r i a l i z a t i o n k e y w o r d s ：0 c c ：t h i n - w a l l e d i n n e r - r i b b e d c o p p e rt u b e ；i n f r a r e d t h e r m o m e t e r m e a s u r e m e n t ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；p l c c o n t r o l i v 1 1 课题背景和研究现状 第一章摄述 肋片管根据肋片所处位置可分为外肋片管和内肋片管。内肋片管是1 9 7 1 年首 先由a e - 泊格利斯等提出用来强化管内单相流体给热的，国外很早就开始了对肋 片管的研究和试验，国内从上世纪8 0 年代末开始对肋片管进行研究和使用【1 1 。 1 1 1 内肋片管目前的使用、生产状况 目前常用的内肋片管根据肋片形状的不同可分为螺旋形内肋片管和直线形 内肋片管。图1 - 1 为国外几种型号的内肋片管截面图，表1 - 1 列出了主要的尺寸 参数。国内还没有相应的标准。 ooo oo o 6 1 0 1 4 1 52 0 2 1 ooo o o 2 43 0 3 2 图1 - 1 管形截面圈 f i g 1 - ls e c t i o n a lv i e w o fi n n e r r i b b e dt u b e 表1 - 1 内肋片管尺寸参数 t a b l e l - 1p a r a m e t e r so fi n f l e r - r i b b e dt u b e 管号61 01 4l s2 02 l2 22 43 03 23 4 外狰1 2 79 5 31 5 99 5 31 2 71 5 91 9 】2 5 41 5 92 5 41 9 1 内径 l o 68 0 01 3 96 8 61 0 41 401 7 02 3 81 4 52 3 71 7 4 肋片数l o1 61 061 61 61 61 63 23 2 3 8 螺旋角 0006 02 55 01 1 o2 001 6 23 0 02 7 0 广东工业大学一 学硕士学位论文 肋片主要被用来增加换热面积，进而提高整体的换热效率。肋片管被广泛 使用在能量发生器、放热的反应堆、半导体和其它的一些产生热并有热传递的 设备中。由于内肋片管大大的提高了换热效率，因此得到了广泛的应用 纠。 目前使用量最大的为空调器。制造高效节能环保型空调器，为进一步提高换 热效率、节能，就必须使用内肋片管。空调器用内肋片管与同规格光管相比，内 表面积增加了2 - 3 倍，换热效率提高2 0 - - 3 0 ，可节能1 5 【3 】。近年来螺旋内肋片 管在锅炉省煤器中得到广泛应用，螺旋肋片能大幅度扩展传热面积( 通常是光管的 5 倍以上1 ，使省煤器管材数量大幅度减少( 减少约4 0 5 0 ) 卜j 。 国内内肋片铜管生产从上世纪8 0 年代末、9 0 年代初开始。1 9 9 4 年第一个生产 企业在常州诞生，之后一批新建的铜盘管生产线相继在铜陵、中山、上海、洛阳 等地建成投产。从1 9 9 7 年开始经过7 8 年的研制，国产内肋片铜管的旋压盘拉技术 和设备终于问世并投入生产。 1 1 2 传统内肋片铜管加工工艺及其缺点 1 1 2 1 薄壁( 螺旋状) 内肋片铜管的传统j n - r - r 艺 传统( 螺旋状) 内肋片铜管的加工方法很多，但主要是采用高速旋压成型法。 国内已经能生产出满足控制内螺纹肋片铜管质量要求的铜管坯料，并且研制出 加工内螺纹肋片的高速旋压机，但是工艺仍很复杂。 1 铜管坯料的加工： 国内一直以来主要采用传统的挤压、轧管、拉伸生产铜管工艺流程；国外 的方法主要为【5 1 ：电弧炉、反射炉熔炼一半连续或全连续铸造一挤压一高速轧管 一圆盘拉伸，这是2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初的先进工艺，随着技术的发展， 目前的发展趋势为： ( 1 ) 挤压取代斜轧穿孔的生产方法生产铜管。 ( 2 ) 铸轧方法。 ( 3 1 水平连铸或立式铸造空心坯锭直接进冷轧管机的生产方法。 ( 4 1 采用大挤压比、润滑挤压小直径薄壁盘管坯的方法。 ( 5 ) 反向挤压生产薄壁管坯的方法。 f 6 1 带材焊接法。 近几年来，国内也开始使用连铸技术生产铜管坯，这是对传统加工方法的 第一苹概述 突破。2 0 0 3 年青岛宏泰铜业有限公司采用上引法生产铜管坯2 万吨，取得了巨 大的经济效益1 6 j 。 2 内螺纹肋片的加工： 内螺纹肋片的加工主要是采用旋压拉伸成形法。尤其小直径、薄壁内螺纹肋 片铜管的高速连续旋压成形加工方法是少数发达国家2 0 世纪8 0 年代开发并垄 断至今的先进加工方法。国内已经有华南理工大学【7 1 、安阳第二机电厂等研制成 功旋压机。传统的强力旋压工艺大多用于加工大、中型筒形钢件，其特点为旋 压速度低、挤压力大且沿轴向加工长度短，其旋压目的多为减小壁厚。相对而 言，小直径、薄壁内螺纹肋片铜管的高速旋压拉伸成形加工具有以下特点： 1 旋压轮( 珠) 沿管外壁的旋压速度极高( 1 0 0 0 0 r r a i n 以上) 。内螺纹肋片铜管 的拉伸速度也可达l o m m i n 以上，从而引起被加工铜管的振颤并导致润滑机理 发生变化。 2 被旋压铜管长度大、管壁厚且塑性大，旋压力较小。 3 旋压管外壁的目的是为了在管内壁连续挤压出内螺纹肋片。 小直径、薄壁内螺纹肋片铜管旋压拉伸工艺的早期研究主要是解决肋片高 度不够的问题。随着研究的不断深入，如何在高速旋压条件下同时保证被加工 内螺纹肋片的肋片高度及表面粗糙度，成为一个重要的内容。目前我国进口的 大多数内螺纹肋片铜管均存在内、外表面粗糙度偏大的问题，根据有关专家分 析，内螺纹肋片铜管表面粗糙度较大是制约热交换器效率提高的关键因素之一。 目前国内的内螺纹铜管制造方法除了高速旋压成型法，还有少量企业用焊 接方法生产。用焊接方法制造内螺纹铜管是一种新型的工艺，是最近十几年发 展起来的新技术。在日本和欧美发达国家，焊接内螺纹铜管已经在空调和制冷 行业得到了广泛的应用，被认为是传统无缝内螺纹铜管的更新换代产品。焊接 方法是选用一定规格铜带，先在铜带上轧制出螺纹，然后经成型焊接而成。 1 i 2 2 薄壁( 赢线形) 内肋片铜管的加工方法 目前对内肋片铜管研究和生产主要集中在有螺旋角的内肋片铜管上，对无 螺旋角的内肋片铜管国内正处在研究阶段。目前的加工方法主要是针对钢管， 内直筋管的成形方法主要有五种：( 1 ) 机加工成形；( 2 ) 滚压加工与焊接相结合成 形：( 3 ) 焊接与拔制相结合成形：( 4 ) 挤压成形；( 5 ) 冷拔成形【8 1 。从国外的情况看， 内肋片铜管( 无螺旋角) 成形法主要有挤压法、冷轧法、拉伸法、液压加工焊接法 广东工业大学工学硕士学位论文 一i i i i i i 日t 日一 等。相比之下，拉伸法具有生产率高、成本低、质量好、灵活性大以及适用性 广等优点，是目前加工的主要方法。 在拉伸法加工中，由于管子整个截面变形不均匀，即肋片处变形小，槽底 处变形大，因而产生了附加应力，在肋片处为拉应力，导致在肋片处产生拉伸 变形，这就使肋片充填困难，肋片高度不易控制。因此如何减少不均匀变形， 增加肋片的充填，以及有效的控制肋片高度，就成为拉伸工艺制定中的技术难 点。 由于拉伸过程中软态管坯的变形抗力小于硬态管坯，所以软态管坯较硬态 管坯对内肋片充填更有利。为保证肋片的充填，管坯应具有低的变形抗力，因 此，拉伸前，管坯一定要进行中间退火。 1 1 2 3 传统加工方法的缺点 1 投资规模大。就建一个产能规模为1 0 0 0 0 - 3 0 0 0 0 吨年的工厂而言，其设 备投资规模起码在3 5 0 0 万美元，加以辅助设备及厂房设施及流动资金，约需4 5 0 0 万美元。 2 成材率很难达到并稳定在8 0 以上水平。因受挤压机吨位限制，坯锭重 量不大于4 0 0 k g ，由于要除掉头、尾及压余，挤压工序成品率不大于8 5 ，这不 利于降低成本。 3 装机容量大，一般不低于7 5 0 0 k w h ，二次能源消耗大( 例如挤压前坯锭加 热) ，传统工艺能耗不低于1 6 5 0 k w h t ，这也不利于成本的降低。 4 人员素质要求高，特别是挤压机、皮尔格轧机，维修技术要求很高。 5 工模消耗大，必须配备足够的机修力量，这样又加大了生产制造成本。 6 厂房建筑面积大，需增加厂内运输设施。 1 1 3 小结 通过对内肋片铜管的介绍，了解到内肋片铜管有着广泛的应用，使用量巨 大，现有加工工艺虽然能够生产内肋片铜管，但是存在一系列的问题，仅仅靠 改进现有加工工艺难以解决问题，随着资源保护和环境保护的呼声日益高涨， 传统的高能耗、高投资的方法已经不适应要求，必须引入或发展一种全新的制 造概念。 1 2 热型连铸工艺 热型连铸技术是将先进的定向凝固技术和高效的连铸技术相结合的近终形 ( n e a r - n e t s h a p e ) 带d 备工艺，很多传统工艺难以加工的材料和形状复杂的产品都可 以采用热型连铸的方法得到近终形或终形的铸件。 1 2 1 热型连铸技术的原理 热型连铸法法( o h n o c o n t i n u o u sc a s t i n g 简称o c 。c 技术1 ，由日本大野笃美 f a o h a o ) 于1 9 7 8 年发明 9 1 ，其原理如图1 - 2 所示【1 0 ，1 1 1 。大野提出的热型连铸技 术与传统连续铸造方法主要不同之处在于：热型连铸法的铸型8 不进行强制冷 却，而是被加热至高于被铸金属的液相线温度以上，铸型壁上不发生结晶：通 过型外冷却装鬣4 喷水冷却铸件，使热量沿连铸方向由铸型出口向冷却区传输； 控制铸型的加热温度、铸件的冷却距离及连铸速度等参数，可使凝固界面保持 在铸型出口附近，从而使金属液在铸型出口端凝固并被连续拉出。 ( a ) 1 2 3 4 、 乡 1 o o 、o 蕊 o o 气 ；寓 o 匠 ；宅 o 匠章c t 8 1 - 金属液 2 - 冷却水；3 铸型；4 - 冷却永喷嘴 5 - 铸锭； 6 气孔；7 电炉丝 8 加热铸型；9 ，液体膜 1 0 单向凝固铸锭 图1 - 2 普通连铸与热型连铸对比示意图 1 2 1 f i g 1 - 2o c ci nc o n t r a s tw i t ht h ec o o l e dm o l d c o n t i n u o u sc a s t i n g 热型连铸技术的工艺特征主要有以下方面【1 3 】： 1 金属液仅在铸型出口附近凝固，使铸件几乎不与铸型壁发生摩擦，因此 广东工业大学工学硕士学位论文 _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ t _ _ _ _ i i - _ _ _ - _ _ _ _ 可获得表面非常光滑的复杂截面形状的薄壁型材。 2 热型连铸中，金属液沿连铸方向单向凝固，补缩良好，且可将金属液中 的气体和杂质从凝固前沿排斥到型内金属液中，获得纯净致密的铸件，使铸件 性能得到改善。由于铸件没有气孔、缩孔、夹杂、偏析等缺陷，有利于后续的 冷加工，可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火，节省能源，提高生产率。 而普通连铸中往往存在这些缺点，影响产品的性能。 3 热型连铸中，铸型出口端和冷却端之间有悬殊温差，形成很高的温度梯 度，造成有利于定向凝固的条件，晶体沿铸件轴向生长。众多晶粒竞争生长后， 具有择优生长方向的晶粒最终得以生长成单晶，因此可获得无限长单晶或定向 凝固组织。 1 2 2 热型连铸装置 根据铸造合金、铸材形状和尺寸的不同，目前已开发出多种热型连铸装置。 其中最常用的是水平热型连铸装置如图1 - 3 【1 3 1 所示，它主要用于连铸小直径棒 材，由坩埚熔炼炉8 、加热器4 、铸型5 、液面监控系统( 液面控制杆2 、液面探 测器3 ) 、金属液导流管9 、喷水冷却系统1 1 、引锭系统7 组成。坩埚、流道和 铸型由电热元件加热，热电偶测温；坩埚内金属液面高度由液面探测器3 和液 面控制棒2 监控，通过调节控制棒插入熔池的深度，使坩埚内液面高度保持恒 定。 翻1 - 3 水平热型连铸装置示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no ft h eh o r i z o n t a lo c ce q u i p m e n t 己开发的热型连铸装置有垂直下拉、垂直上拉、虹吸式垂直下拉、水平、 水平带状连铸装置等，见图1 - 4 1 1 4 1 。 ；荦三稍型黧 一炉丝i 争水r 卢5 金属曲燃 轮 电炉灶冷却水 牵引轮 金属d 骶乎 图1 4 热型连铸种类 f i g 1 4s c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o n o ft h es o r t so f0 c ce q u i p m e n t 垂直下拉热型连铸装置主要用于连铸大直径铸件，凝固界面金属液压头均 匀，气体、杂质容易上浮，铸锭质量好，但是容易拉漏。虹吸式垂直下拉热型 连铸装置主要用于连铸容易拉漏的合金，它具有垂直下拉优点的同时降低了金 属液压头，即使在较高连铸速度下也不容易拉漏，但是虹吸管清理困难。垂直 上拉热型连铸可解决垂直下拉法的拉漏问题，适于空冷的高熔点合金，但对于 需要喷水冷却的合金则由于高温下冷却水很难密封，不宜用此法进行连铸。水 平带状热型连铸装罱主要用于连铸铝、镁合金带材。它们的工艺原理和主要组 成基本上与水平热型连铸相同，但在装鬻结构和铸型结构上各有特点。 1 2 ，3 热型连铸的应用 热型连铸自问世以来因其独特的优点，引起了广泛的关注，目前有很多国 内外机构对其进行了研究，国内目前主要集中在具体应用方面，对连铸过程中 一些参数的把握尚在不断探索阶段，主要应用于生产单晶材料、截面形状复杂 的薄壁型材及其他工艺难以加工的连铸材料。 1 2 3 1 金属单晶材料 由于热型连铸的盒属单晶材料表面异常光洁，又没有晶界和各种铸造缺陷， 具有优异的变形加工性能，可拉制成极细的丝和压延成极薄的箔。用热型连铸 厂累工业大学工学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - - _ _ _ _ - - _ - _ - _ - - _ _ _ _ - - _ _ i i i i i i i i i i - _ - _ - _ - - _ - _ _ - _ 一 的铝硅合金单晶可拉制成直径2 舡m 的细丝，用作集成电路的引线；热型连铸的 单晶镁可压延成跏n l 厚的箔，用作耳机的振动膜【1 4 l ；热型连铸的单晶铜拉制成 的缅丝已用于高级视听器材的接线和扬声器线圈等。这些金属单晶材料具有极 好的耐腐蚀、耐疲劳和抗高温蠕变性能，以及优异的磁学性能和电学性能，在 传输信号时不会失真。日本和台湾已有此类产品5 1 。 1 2 3 2 截面形状复杂钓薄壁型材 由于型内金属为液态，与型壁几乎无摩擦力，因此可以连铸出截面非常复 杂且壁厚很薄的型材，本研究就是利用热型连铸的这一特性，尝试连铸形状复 杂的内肋片铜管。 1 2 3 3 其他工艺难以加工的型材 用热型连铸法还可生产表面光洁、尺寸精度很高的近终形或终形型材，例 如硬质合金、不锈钢和高硬度铝铜合金焊条( 丝) 等。日本大阪富士公司用热型连 铸法生产的高硬度a i 3 5 c u 合金焊条，用于硬面堆焊及铝柴油机活塞环槽的合 金件的焊补【1 6 , 1 7 l ；热型连铸的含钻的s t e l l i t e 合金焊条，可完全消除气孔、夹杂、 缩孔( 松) 等f 4 部缺陷，且表面质量良好1 1 8 ，1 9 l 。而且，热型连铸焊条的生产效率远 高于挤压焊条的生产效率。 近年来，双金属也可以铸出内外层不同的管状材料。目前已成功的制备出 中心为s n b i ，s n p b ，s n z n 共晶金属，外层为纯s n ；中心为a i c u 合金和外 层为a l 的管状材料，并对其工艺过程进行了研究。采用o c c 技术已成功的用 s n 和铝合金包铸光纤【2 0 1 ，而且光纤完好无损，经检验证明能正常传送信号，改 进了不锈钢管套光纤的方法。同时，0 c c 技术成功制备了a i c u 和a l - y 合金 铸棒 2 1 , 2 2 。由于0 c c 技术生产出的铸锭具有完全单向组织，其产品具有极好 的耐腐蚀、耐疲劳和抗高温蠕变性能，以及优异的磁学性能和电学性能，因此， 对于制造磁性材料，以及共晶复合材料将发挥巨大的作用。 1 2 4 热型连铸件的性能 热型连铸可获得单晶或定向凝固组织，具有一系列与多晶材料不同的性能。 1 良好的塑性加工性能 共晶成分的s n z n 合金是公认的塑性加工性能差的材料。普通铸造方法 s n z n 合金在压缩率3 0 时就出现裂纹，而热型连铸的这种合金在压缩率1 0 0 第一苹概述 时仍不出裂纹。连铸成m 4 m ms n z n 线材，可吼直接拉伸成0 0 1 m m 的丝而无 须中间退火【2 孙。 2 抗腐蚀性能高 9 9 9 8 的镁热型连铸后和金属型分别放入5 盐水溶液中做腐蚀试验，普通 镁的腐蚀率为l k g c m ：天，而单晶镁为o 2 k g c m ) 天。很明显，热型连铸单晶材料 的抗腐蚀性比多晶材料的优越的多。 3 抗疲劳性能高 a i 一4 c u 合金分别用金属型和热型连铸做成0 6 m m 的线材，并作9 0 。循环 弯曲试验，金属型线材弯曲3 5 次就断，热型连铸线材则可弯曲到3 0 次，且 弯曲后硬度比金属型的高。 4 减少偏析 由于热型连铸时冷却速度快，凝固界面基本上是以平面推进，可以大大减 轻晶内偏析、晶界偏析及宏观偏析，有利于提高合金的性能。此外，这种凝固 方式也有利于消除气孔、缩孔及夹杂等缺陷。 1 2 5 热型连铸在现代制造技术中的优势 由以上介绍可以看出，热型连铸作为近终形或终形制造的一种方法，有其 独特的优点： ( 1 ) 工艺简单，工序大大减少。比如，采用传统加工方法生产白铜管需要经 过一系列工序，而采用热型连铸仅仅一道工序，可直接从铜液中连铸出所需尺 寸的白铜管f “1 。 ( 2 ) 成本降低。熟型连铸设备简单，采用易于加工的石墨模，极大的降低了 成本。 ( 3 ) 能源消耗少。采用传统加工方法，由于工序繁多，能源消耗非常大，而 采用热型连铸，其能源消耗仅用于熔融金属，所以能源消耗少。 ( 4 ) 产品精度高。采用传统加工方法，工艺中需要振动脱模，降低了产品精 度；若采用挤压成型方法，很难得到复杂截面形状的产品。采用热型连铸理论 上可以得到任何复杂截面形状的产品，且表面光滑。 ：銮：! ：些盔兰三耋要圭兰磐兰耋 1 3 课题的提出及本文研究的内容 由以上的分析可知，热型连铸法铸造近终形( n e a r n e t s h a p e ) 高质量薄壁内肋 片铜管，将能够克服传统制管工艺中存在的产品合格率低、工序复杂、设备庞 大、材料和能源消耗大的问题，可直接从铜液中连铸出内肋片管。因此这是传 统加工方法的一个革命性变革。 图1 - 5 所示为铸型组合剖面图，铸型外模与芯子通过台阶定位，并用陶瓷浆 固定。铜液通过铸型芯子上的4 个孔进入铸型型腔内。 ( 4 个) 图1 - 5 铸型内部凝固示意图 f g 1 5s c h e m a c i cc o n f i g u r a t i o no f s o l i d i f i c a t i o ni nm o l d 固液界面的位置控制对连铸的成败有决定性的影响。当凝固界面在h 以上 时，就会使铜管抱紧型芯导致拉不动，如果凝固界面接近铸型出口，则很容易 受其他因素影响导致拉漏。即使凝固界面在h 处，由h 至铸型出口的距离l 只 有1 0 m m ，在连铸速度较大时，凝固界面通过1 0 m m 距离只需几秒钟，这段时间 还包括了温度测量的滞后和冷却距离变化到温度变化的滞后，如果控制不及时， 也容易发生拉漏的情况。而固液的位置是由铸型温度、连铸速度、冷却距离决 定的。由此可见合理的控制凝固界面的位置既非常关键又十分复杂，是热型连 铸内肋片铜管的技术难点之一。必须研究各种因素对铸型内部铜液凝固过程的 影响，并且设计出一套能自动匹配连铸过程中各参数关系的设备。 1 3 1 目前连铸中存在的问题 1 固- 液界面的位置的控制是热型连铸最主要的问题。实验中难以直接测量 铸型中固液界面的位最，只能通过测量铸型温度来判断界面位置，而测量铸型 温度采用热电偶，响应速度慢，存在滞后现象，热电偶测出的温度不能反映铸 型内部铜液的瞬时实际温度。虽然热电偶本身响应速度不高于o 4 秒，但热电偶 结点采用陶瓷浆封装，并且由于实验中采用抗氧化性强的石墨，降低了石墨的 导热性，造成响应滞后。而且由于热型连铸薄壁内肋片铜管壁厚非常薄，仅仅 为o 5 r a m ，热容量小，温度的微小变化往往造成固液界面的很大波动。在连铸 实验中，经常出现拉漏、拉不动等现象，有必要研究一下，这类现象的出现是 否与测温方法有关。 2 在连铸过程中，采用手动操作冷却装置。当拉动铸件时，熔化炉中的高 温铜水进入铸型中的速度非常快，经常造成铸型温度的不稳定，在此期间，要 手动调节丝杆，将冷却距离调到合适的位景是非常困难的，冷却距离过短则拉 不动，冷却距离太大，又容易拉漏。另外采用手动调节必须保证操作人员始终 注视温度显示，并据此调节步进电机，这在实验室内试制产品时是可以的，但 要在工厂内实现工业化生产则是不可行的。 3 铜液在铸型内的凝固过程，铜液与引锭管的连接情况还不是很清楚，经 常出现引锭管与铜液接不上的情况，进而导致拉漏。 因此，必须改进测温方法，实现自动控制，才能有效的控制固一液的位置， 满足工业化生产的需要。 1 3 2 本文研究的内容 ( 1 1 铸型温度、连铸速度、冷却距离对热型连铸内肋片铜管的影响； ( 2 ) 铸型、引锭拉拔装置的改进； f 3 1 温度记录系统的设计、使用； ( 4 ) 冷却水自动调节系统的设计、调试。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章热型连铸的设备研究 2 1 热型连铸设备的整体结构 热型连铸设备的组成包括：熔炼部分、液面控制部分、导流部分、铸型部 分、冷却部分、引锭部分。本实验中采用的是垂直下拉式热型连铸设备，设备 结构如图2 1 所示，实物见图2 2 。 氪 图2 1 垂直下拉式热型连铸装置 f i g 2 - 1s c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no ft h ev e r t i c a l0 c ce q u i p m e n t 萋三耋垫兰耋鐾氅兰兰里耋 图2 - 2 热型连铸设备 f i g 2 - 2t h ev e r t i c a lo c ce q u i p m e n t 2 2 热型连铸设备各组件 2 2 1 熔炼炉和前炉部分 采用6 根碳化硅棒串并联对熔炼炉中的石墨坩埚及其内部原料铜进行加热， 在设定温度为1 2 0 0 ( 2 下进行铜的熔炼，以提供热型连铸内肋片铜管所需的铜液。 利用数字温度控制仪和镍铬镍硅热电偶控制碳化硅加热元件。熔炼炉中通氮气 以防止高温时石墨坩埚被氧化。 热型连铸薄壁内肋片铜管的关键是要保持固液界面处于铸型中的合适位 置。通过实践可知，合理的调节铸型温度及其他相关因素能使固一液界面位置保 持在合适位置，因此控制铸型温度就变得十分重要。实验中采用碳化硅棒对铸 型进行保温加热，通过镍铬镍硅热电偶测量铸型温度。热电偶接入f y 9 0 0 型温 度控制仪，与设定温度进行比较并进行p i d 运算，温度控制仪输出0 - - 1 0 m v 的 电流，接入可控硅，随着输入电压的改变可控硅的导通角也随之改变，进而改 广东工业大学工学硕士学位论文 i i _ - - _ _ _ j - 4 _ _ _ 日_ 日_ _ _ - _ _ - - _ _ 日_ _ _ _ _ 目_ _ _ _ _ _ _ _ - 变可控硅的输出电压，调节碳硅棒的输入功率。采用p i d 调节避免了二位式调 节温度波动过大的缺点。控温示意图如图2 3 所示。 2 2 2 导流部分 呸 _ 一 ： 二 簿 图2 - 3 铸型温度控制 f i g 2 - 3m o l dt e m p e r a t u r ec o n t r o l 导流管是连接坩埚与铸型的部分，由石墨制成，外面套碳化硅保护管，以 防止石墨的烧损，并可避免石墨导流管烧穿后铜液流出，同时也可以使石墨导 流管内的温度分布更均匀。 2 2 3 液面控制部分 液面控制部分由控制棒、液面探头、外电源、指示灯组成。控制棒由耐火 泥烧成，外表涂石墨粉。液面探头内部为金属线，外面包陶瓷管，上端裸露接 电线，下端为石墨，以免金属线直接与铜液接触，污染铜液。实验中。根据实 际需要设定液面探头与铸型顶部的距离，当铜液面与探头的下端接触时，电路 接通，指示灯变亮，表示金属液高度达到设定值。 2 2 4 引锭部分 引锭部分由直流电机、齿轮减速器、链条传动装霭及拉拔辊组成。调速电 机经过齿轮减速器，通过链条带动拉拔辊进行引锭动作。考虑到直流电机有宽 广的调速范围、平滑的调速特性、较高的过载性能和较大的启动转矩，所以采 用直流电机作为拉拔的原动件。 第二章热型连铸的设备研究 2 2 5 冷却水流量控制 冷却水流量采用l z b 1 0 型玻璃转予流量计进行控制。该流量计流量范围为 l o 1 0 0 升d , 时，并采用电磁阀作为控制开关。在实验前可以预先调好冷却水 的流量。实验中水的流量为4 0 升小时左右。在未拉出铸件之前，由于纯铜引锭 管导热性好，这时开冷却水将使铸型温度难以上升，为使铸型出口处的温度顺 利达到设定温度，将冷却水关闭。当连铸开始时，由于熔化炉的高温铜水进入 铸型中，使铸型温度急剧上升至1 1 0 0 ，所以要迅速打开冷却水，使温度降到 设定值，否则由于固液界面移动到铸型出口附近，容易拉漏。 2 2 6 冷却距离控制 图2 - 4 为冷却水传动示意图，其中轴套和螺母采用黄铜加工。 1 一轴套，2 l 支架，3 - 冷却水喷头，4 丝杆， 5 冷却水支架，6 螺母，7 下支架，8 与整体设备连架， 9 连轴器，i o 电机，1 1 螺钉，1 2 锁紧螺母，1 3 导杆 图2 - 4 冷却水传动示意图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no f t h ec o o l i n gw a t e rt r a n s m i s s i o n 该传动装置采用丝杆传动，丝杆为t 1 6 x 4 。冷却水支架与导轨采用半圆形连 广东工业大学工学硕士学位论文 接，避免由于加工或装配误差造成的卡死现象。采用步进电机作为原动件，由 于步进电机的步距值固定，其脉冲数和脉冲输出速度可根据需要设定，所以可 以通过丝杆传动对冷却水距离进行精确的控制，该两相步进电机型号为 7 h b 0 6 0 a ，电源d c l 2 v ，最大扭矩2 k g e m 。 2 3 步进电机 步进电机是一种用电脉冲进行控制、将电脉冲转换成相应角位移的电机。 2 3 1 步进电机的特点 考虑到步进电机有下列特点，所以采用步进电机作为调节冷却距离的原动 件： 1 步距值不受各种干扰因数的影响，如电压大小、电流的数值、波形、温 度的变化等等，也就是说，通过传动结构，冷却距离的大小取决于总的脉冲信 号。 2 误差不长期积累。步进电机每走一步所转过的角度( 实际步距值) 与理论 步距值总有一定的误差，从某一步到任何一步，也就是走任意一定的步数以后， 也总有一定的累积误差，但是每转一圈的累积误差为零，所以步距的误差不会 长期的积累下去。 3 控制性能好。启动、停车、反转及其他任何运动方式的改变，都是在少 数脉冲内完成的，在一定的频率控制范围内运行时，任何运动方式都不会丢失 一步。 2 3 2 步进电机的控制电路 步进电机的运转需要