上引連鑄銅管用帶芯結晶器及其制備高性能銅合金管的方法
【專利摘要】一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器及其制備高性能銅合金管的方法，外部的石墨外套和內部的石墨芯棒形成環形的內腔；石墨外套的下部設有進液口，石墨外套中部往上依次套裝有壓板、法蘭以及冷卻銅套；壓板與石墨外套之間設有耐火材料保護套；壓板內側設有冷卻水套，冷卻水套內設有電磁發生腔，電磁發生腔內安裝多個電磁線圈，電磁線圈與三相電源連接，電磁線圈的外側裝有導磁材料制成的磁軛；壓板和法蘭均為奧氏體不銹鋼。本發明中的上引連鑄法采用有芯結晶器，直接向上牽引就可以得到空心管坯，并且通過電磁發生器的電磁攪拌效應，使金屬液體在結晶器內腔中能夠發生流動及傳熱傳質，從而達到細化晶粒而使凝固組織更細，提高鑄坯的質量。
【專利說明】上引連鑄銅管用帶芯結晶器及其制備高性能銅合金管的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及銅合金管材生產設備及工藝領域，具體涉及一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器及其制備高性能銅合金管的方法。
【背景技術】
[0002]銅管和銅合金管是海水淡化、火電核電和艦船中的熱交換系統的關鍵材料。目前生產銅合金管，主要方法為擠壓法，采用其它方式如斜鑄穿孔，連鑄軋拉很少，擠壓工序生產過程為:先配料鑄圓坯，經鋸切、分揀、加熱、擠壓、酸洗、然后經軋制、拉伸至成品管，其缺陷在于:(1)生產工序繁雜，輔助設施多，維修模具費用高，占地面積大，人員要求多，素質要求高；(2)投資規模大，少則上億元，多則幾億元；(3)圓坯二次加熱，需擠壓成型，擠壓筒、針，工作前需預熱等能耗高；(4)攪拌、鑄錠、鋸切、加熱、壓余、脫皮、酸洗等工序金屬損耗大，成品率低，供坯成品率〈90% ； (5)采用單體爐半連續鑄造或分體爐熔鑄，生產連續性差，效率低；(6)鋅燒損大，攪拌，二次加熱，擠壓及潤滑等煙霧大，污染嚴重；(7)管坯偏心大，影響后續冷加工，尤其是正向擠壓大口徑薄壁黃銅管的擠壓成品率為40%?60%。總的來說目前我國銅基銅合金管的工藝落后，產品的質量不夠穩定、成品率低以及成本高。上引連鑄是一種連續鑄造的方法，其原理是利用金屬熔液冷卻結晶的原理，從熔融的金屬或者合金熔液中緩慢連續地抽出具有一定形狀的固態金屬線材或板材，其優點是無需經過擠壓、軋制、拉拔等工作過程，連續生產能力大，目前主要用于無氧銅線、鋼材的生產；冷卻結晶系統是上引連鑄的一個關鍵設備，目前國內研究采用無氧銅線生產中采用的無芯式結晶器來生產空心連鑄坯，通過控制冷卻水的強度來控制管坯壁厚，此種方式對生產條件的穩定性要求較高，產品的質量不容易控制，并且冷卻過程中金屬熔液受熱不均勻，靠近水套的一側冷卻速度快而遠離的一次冷卻速度慢，造成管坯外表有裂紋、內部凝固組織粗大的缺陷。此外國內部分廠家采用水平連鑄法生產銅合金管，但是此種方法熔煉和鑄造分別在單臺爐中進行，轉爐過程中容易與氧解接觸，造成產品含氧量高。

【發明內容】

[0003]本發明的目的就是針對現有技術存在的缺陷，提供一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器及其制備高性能銅合金管的方法，其制備的產品耐腐性強、機械強度高且加工性能好。
[0004]首先提供一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器，其技術方案是:包括外部的石墨外套和內部的石墨芯棒，且石墨外套和石墨芯棒形成環形的內腔；石墨外套的下部設有進液口，石墨外套中部往上依次套裝有壓板、法蘭以及冷卻銅套；所述的壓板與石墨外套之間設有15-20mm厚的耐火材料保護套；所述壓板內側設有冷卻水套，冷卻水套內設有電磁發生腔，電磁發生腔內安裝多個電磁線圈，電磁線圈與三相電源連接，電磁線圈的外側裝有導磁材料制成的磁軛；所述的壓板和法蘭均為奧氏體不銹鋼；所述的三相電源的電流頻率為50Hz,電流強度為80-90A ;所述的石墨芯棒為錐度為1.2-1.4的圓臺。[0005]上述方案可進一步改進為:
所述的冷卻銅套(5)內設有間隔布置的折流板(4);所述的冷卻水套(14)為不銹鋼冷卻水套；所述的奧氏體不銹鋼優選為lCrl7Mn6Nil5N、0Crl8Nil0Ti或者lCrl8Nil2Mo3Ti。
[0006]所述的耐火材料保護套通過以下方法制得:將15-25重量份的硅酸鹽水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化鋁、3-5重量份的蛭石粉、2_4重量份的氧化鋯、1-2重量份的氧化鈉及1-2重量份石墨混勻為混合粉末，然后加入占混合粉末總重量的5-6%的結合劑，在液壓機成型后，經過干燥、燒結為即得成品，燒結的溫度控制在1550-1580°C，時間為2-3小時。實驗證明，此種方法得到的耐火材料保護套熱穩定性高，耐高溫且機械強度高。
[0007]接著提供一種應用上述帶芯結晶器的高性能銅合金管的制備方法，采用上引連鑄-冷軋-冷拉-光亮退火工藝，具體步驟為:
(I )、將重量百分比2-3%的鎳、1.1-1.8%的鋁、0.5-0.8%的鐵、0.02-0.04%的鋅、
0.5-1.0%的錳、0.02-0.04%的鋯、0.01-0.02%的鈦以及余量的陰極銅投入到潛流式電磁攪拌工頻感應組合電爐內熔煉為熔液，且銅液上覆蓋80-100mm木炭，通入氬氣形成氣氛保護，然后通過帶芯結晶器冷卻并經牽引裝置引出得到管坯；具體控制參數如下:熔煉時銅液溫度為1050-1100°C;牽引速度為100-120mm/min，牽引頻率為60-70次/分鐘；結晶器插入熔液深度為15-18mm ;結晶器冷卻銅套的進水溫度為25_28°C、出水溫度不超過60°C，冷卻水壓力控制在0.3-0.35MPa ；
(2)、管坯經過切斷、銑面后進入冷軋機連續軋制得到毛坯管，然后通過冷拉得到管
材；
(3)、將管材放入網鏈式退火爐進行光亮退火，退火溫度為650-680°C，時間為2-2.5小時。
[0008]與現有技術相比，本發明中采用獨創的合金配比，通過上引連鑄法采用有芯結晶器直接向上牽引得到空心管坯，提高了管坯的厚度的均勻性，并且通過電磁發生器的作用，通過電磁攪拌效應，使金屬液體在結晶器內腔中能夠發生流動及傳熱傳質，從而達到細化晶粒而使凝固組織更細，提高鑄坯的質量。與現有的熱交換銅合金管相比，本發明制備的銅合金管在抗拉強度、延伸率以及耐腐蝕性方面具有大幅度提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發明上引連鑄用帶芯結晶器的結構示意圖；
圖中:1、進液口，2、石墨外套，3、壓板，4、折流板，5、冷卻銅套，6、空心管坯，7、石墨芯棒，8、法蘭，9、磁軛，10、電磁線圈，11、耐火材料保護套，12、內腔，14、不銹鋼冷卻水套，15、電磁發生腔。
【具體實施方式】
[0010]實施例1
參見圖1，一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器，包括外部的石墨外套2和內部的石墨芯棒7，且石墨外套2和石墨芯棒7形成環形的內腔12 ;石墨外套2的下部設有進液口 1，石墨外套2中部往上依次套裝有壓板3、法蘭8以及冷卻銅套5，冷卻銅套內設有間隔布置的折流板4 ;壓板3與石墨外套2之間設有15-20mm厚的耐火材料保護套11，耐火材料保護套可以選擇為碳化硅磚、剛玉磚保護套或耐火泥套；壓板3內側設有不銹鋼冷卻水套14，不銹鋼冷卻水套14內設有電磁發生腔15，電磁發生腔15內安裝多個電磁線圈10，電磁線圈10與電源連接，電磁線圈10的外側裝有導磁材料制成的磁軛9，磁軛可以用純鐵來制作；壓板3和法蘭8均為奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼優選為lCrl7Mn6Nil5N、0Crl8Nil0Ti或者lCrl8Nil2Mo3Ti，實驗證明壓板和法蘭選擇以上弱導磁或者非導磁材質時，被其吸收的磁力線最少，電磁發生器的磁感應強度削弱最少；電源的電流頻率為50Hz，電流強度優選為80-90A，電流強度過高，感應電流產生的joule熱過大，導致部分形核核心被重融，凝固組織的細化作用被抑制，凝固組織開始變粗；石墨芯棒7為錐度為1.2-1.4的圓臺，錐度圓臺是為了避免牽引拉坯過程中管坯收縮包覆石墨芯棒而增大摩擦力，
本發明的工作過程為:通過壓板3和法蘭8將本裝置固定在電爐上，使石墨外套2的進液口 I浸入金屬熔液液面之下，向冷卻銅套5、不銹鋼冷卻水套14中通入冷卻水，打開電源，此時金屬熔液進入內腔12，并在牽引裝置牽引作用下形成連續的管坯。磁軛9可以增強電磁線圈10產生的電磁場，磁軛材質可以選擇純鐵。不銹鋼冷卻水套14中的冷卻水能夠防止電磁線圈10長時間高溫烘烤而損壞。
[0011]實施例2
一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器，在實施例1的基礎上，為了減少漏磁，同時提高工作區域內的磁感應強度，電磁發生腔15內還設有環形聚磁框。
[0012]實施例3
一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器，在實施例1或2的基礎上，其中的耐火材料保護套優選采用以下方法自制的耐火材料:將15-25重量份的硅酸鹽水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化鋁、3-5重量份的蛭石粉、2_4重量份的氧化鋯、1-2重量份的氧化鈉及1-2重量份石墨混勻為混合粉末，然后加入占混合粉末總重量的5-6%的結合劑(比如磷酸二氫鋁)，在液壓機成型后，經過干燥、燒結為即得成品，燒結的溫度控制在1550-1580°C，時間為2-3小時。實驗證明，此種方法得到的耐火材料保護套熱穩定性高，耐高溫且機械強度高，用于上引連鑄法中，使用壽命比現有常規耐火材料長2-3倍,且成本比較低廉。
[0013]實施例4
一種應用實施例1-3任一所述帶芯結晶器的高性能銅合金管的制備方法，采用上引連鑄-冷軋-冷拉-光亮退火工藝，具體步驟為:
(I )、將重量百分比2-3%的鎳、1.1-1.8%的鋁、0.5-0.8%的鐵、0.02-0.04%的鋅、
0.5-1.0%的錳、0.02-0.04%的鋯、0.01-0.02%的鈦以及余量的陰極銅投入到潛流式電磁攪拌工頻感應組合電爐內熔煉為熔液，且銅液上覆蓋80-100mm木炭，通入氬氣形成氣氛保護，然后通過帶芯結晶器(控制電流頻率50Hz，電流強度為80-90A)冷卻并經牽引裝置引出得到管坯；具體控制參數如下:熔煉時銅液溫度為1050-1100°C ;牽引速度為100-120mm/min，牽引頻率為60-70次/分鐘；結晶器插入熔液深度為15_18mm ;結晶器冷卻銅套的進水溫度為25-28°C、出水溫度不超過60°C，冷卻水壓力控制在0.3-0.35MPa ；
(2)、管坯經過切斷、銑面后進入冷軋機連續軋制得到毛坯管，然后通過冷拉得到管
材；(3)、將管材放入網鏈式退火爐進行光亮退火，退火溫度為650-680°C，時間為2-2.5小時。
[0014]經過多次實驗證明，結晶器未施加電磁場時，管坯的表面有明顯的裂紋及振痕，當施加電磁場后，管坯表面基本沒有振痕，非常光滑，有的不用銑面即可以進行軋制；并且未施加電磁場時，金屬熔液內部主要是自然對流，存在溫度梯度，因此整個管坯橫截面基本都是粗大的柱狀晶，晶粒平均尺寸為5-5.5mm,并且分布不均勻，凝固組織呈現各向異性；當施加電磁場后，凝固組織得到和顯著的細化，柱狀晶完全消失，而變成非常細小均勻的等軸晶，晶粒平均尺寸在0.5mm以下。并且我們還發現隨著電流強度的提高，管坯的抗拉強度和延伸率不斷提高，但當電流強度高于90A即開始降低。
[0015]目前常規的熱交換器管主要采用白銅管BFelO-1-1，其中鎳含量較高，造成材料的成本較高且加工性能較差，本發明大幅度降低了鎳的含量，并通過增加微量的鋯、鈦等合金元素，采用本實施例中的上引連鑄法制備的銅合金管與BFelO-1-1相比，管材的抗拉強度提高了 25-30%，延伸率提高了 65-70%，并且通過在同等條件下分別在淡水、海水以及蒸汽冷凝水做耐腐蝕實驗，本實施例制備的銅合金管的腐蝕速度還不到BFelO-1-1腐蝕速度的15%。并且當各成分選擇:重量百分比2.5%的鎳、1.5%的鋁、0.5%的鐵、0.03%的鋅、0.8%的錳、0.04%的鋯、0.01%的鈦以及余量的陰極銅，且電磁發生器中電力強度為85A時，得到的銅合金管的性能最佳，晶粒平均尺寸在0.35mm,與BFelO-1-1相比管材的抗拉強度提高了29.2%，延伸率提高了 72.2%，并且腐蝕速度僅為BFelO-1-1腐蝕速度的10%。
[0016]此外本實施例優選采用本發明中的帶有電磁效應的帶芯結晶器，但是不限于此種結晶器；經過經過試驗驗證，只要采用本實施例中的銅以及合金配比，使用其他的帶芯結晶器得到的銅合金管與BFelO-1-1相比，抗拉強度、延伸率以及耐腐蝕性也有相應提高，但是提高的效果明顯不如本實施例。
【權利要求】
1.一種上引連鑄銅管用帶芯結晶器，其特征在于:包括外部的石墨外套(2)和內部的石墨芯棒(7)，且石墨外套(2)和石墨芯棒(7)形成環形的內腔(12);石墨外套(2)的下部設有進液口(1)，石墨外套(2)中部往上依次套裝有壓板(3)、法蘭(8)以及冷卻銅套(5);所述的壓板(3)與石墨外套(2)之間設有15-20_厚的耐火材料保護套(11);所述壓板(3)內側設有冷卻水套(14)，冷卻水套(14)內設有電磁發生腔(15)，電磁發生腔(15)內安裝多個電磁線圈(10)，電磁線圈與三相電源連接，電磁線圈(10)的外側裝有導磁材料制成的磁軛(9);所述的壓板(3)和法蘭(8)均為奧氏體不銹鋼；所述的三相電源的電流頻率為50Hz，電流強度為80-90A ;所述的石墨芯棒(7)為錐度為1.2-1.4的圓臺。
2.根據權利要求1所述的上引連鑄銅管用帶芯結晶器，其特征在于:所述的冷卻銅套(5)內設有間隔布置的折流板(4);所述的冷卻水套(14)為不銹鋼冷卻水套；所述的奧氏體不銹鋼優選為lCrl7Mn6Nil5N、0Crl8Nil0Ti或者lCrl8Nil2Mo3Ti ;所述的石墨外套(2)的內表面以及石墨芯棒(7)外表面的粗糙度在0.5以下。
3.根據權利要求1所述的上引連鑄銅管用帶芯結晶器，其特征在于:所述的耐火材料保護套通過以下方法制得:將15-25重量份的硅酸鹽水泥、20-25重量份的粉煤灰、18-22重量份的碳化硅、30-40重量份的氧化鋁、3-5重量份的蛭石粉、2-4重量份的氧化鋯、1_2重量份的氧化鈉及1-2重量份石墨混勻為混合粉末，然后加入占混合粉末總重量的5-6%的結合齊U，在液壓機成型后，經過干燥、燒結為即得成品，燒結的溫度控制在1550-1580°C，時間為.2-3小時。
4.一種應用權利要求1-3所述帶芯結晶器的高性能銅合金管的制備方法，其特征在于:采用上引連鑄-冷軋-冷拉-光亮退火工藝，具體步驟為: (I )、將重量百分比2-3%的鎳、1.1-1.8%的鋁、0.5-0.8%的鐵、0.02-0.04%的鋅、.0.5-1.0%的錳、0.02-0.04%的鋯、0.01-0.02%的鈦以及余量的陰極銅投入到潛流式電磁攪拌工頻感應組合電爐內熔煉為熔液，且銅液上覆蓋80-100mm木炭，通入氬氣形成氣氛保護，然后通過帶芯結晶器冷卻并經牽引裝置引出得到管坯；具體控制參數如下:熔煉時銅液溫度為1050-1100°C;牽引速度為100-120mm/min，牽引頻率為60-70次/分鐘；結晶器插入熔液深度為15-18mm ;結晶器冷卻銅套的進水溫度為25_28°C、出水溫度不超過60°C，冷卻水壓力控制在0.3-0.35MPa ； (2)、管坯經過切斷、銑面后進入冷軋機連續軋制得到毛坯管，然后通過冷拉得到管材； (3)、將管材放入網鏈式退火爐進行光亮退火，退火溫度為650-680°C，時間為2-2.5小時。
【文檔編號】B22D11/00GK103691901SQ201310735840
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月29日 優先權日:2013年12月29日
【發明者】燕志富, 孟文光, 李忠茂, 李明竹 申請人:山東亨圓銅業有限公司