一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置和方法制造方法及圖紙

一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置和方法，屬于金屬材料加工和冶金技術領域。該制備裝置主要由離心模具、輥輪、流槽、移動小車和小車導軌組成。該制備方法包括：1.計算機模擬仿真，確定凝固速度；2.配制輕合金熔液；3.制備管坯：(1)離心模具預熱；(2)逐層澆注，最終制得大直徑輕合金長管坯。該方法采用臥式離心鑄造，通過逐層凝固的方式即從外層至內層依次澆注，層與層之間實現冶金結合不能出現分層，制備出了外直徑400mm?1400mm，內直徑為380?1380mm，長度2m?20m的鎂合金管材，鑄件組織細小、組織致密，消除了宏觀偏析，開創了大直徑高性能鎂合金長管坯制備工藝的先河。

Device and method for preparing large diameter light alloy long tube blank

The invention relates to a device and a method for preparing a large diameter light alloy long tube blank, belonging to the field of metal material processing and metallurgy. The preparation device is mainly composed of centrifugal mold, roller, groove, mobile car and car rail. The preparation method comprises the following steps: 1. computer simulation is used to determine the solidification speed; 2. to prepare molten alloy molten liquid; 3. to prepare a tube blank; (1) to preheat a centrifugal mold; (2) to layer by layer pouring; finally, to obtain a large diameter light alloy long tube blank. This method adopts horizontal centrifugal casting, the solidification mode of layer by layer from outer to inner successively casting, metallurgical bonding can not appear delamination between layers, prepared by 400mm outer diameter 1400mm, inner diameter of 380 1380mm magnesium alloy tube length 2m 20m, small and compact castings, eliminating macro segregation, creating a large diameter high performance magnesium alloy tube billet preparation precedent.

【技術實現步驟摘要】
一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置和方法
本專利技術涉及金屬材料加工和冶金
，具體為一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置和方法。
技術介紹
目前鎂合金的生產工藝主要以壓鑄為主，90％左右的商用鎂合金零部件都是壓鑄件，離心鑄造件很少，而且離心鑄造主要應用在生產鑄鐵、鑄鋼件，在輕質合金方面應用很少。大量實驗研究表明，鎂合金晶粒組織在得到充分細化后，可以顯著地提高鎂合金的室溫力學性能。金屬型離心鑄造工藝所生產的鑄件中少、無夾雜和氣孔、組織致密，顯著地提高了鑄件成品率和力學性能，達到以較少的成本生產出較多優質鑄件的目標，是管件生產的主要方法。專利[CN104625003A]專利技術公開了一種離心鑄造生產鎂合金大型環件的方法，制備出組織致密、抗拉強度好的鎂合金大型環件；專利[CN102601338A]專利技術了一種離心鑄造生產大型環件的方法，運用重力系數公式確定離心模具轉速等參數，制備出組織均勻，抗拉強度好的鎂合金大型環件。上述研究表明離心鑄造鎂合金管件是可行的，但以前的研究存在一定的局限，一些研究工作是立式離心機上進行的，管件長度受到限制，不能制備長度大于10m的大型管件；而另一些臥室離心機上制備的鎂合金管直徑受到限制。
技術實現思路
針對現有技術存在的缺點，本專利技術提供了一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置和方法，該制備裝置為一種臥式離心動力裝置，該裝置主要由離心模具、輥輪、流槽、移動小車和小車導軌組成，該制備方法采用臥式離心鑄造，通過逐層凝固的方式即從外層至內層依次澆注，層與層之間實現冶金結合不能出現分層，制備出了外直徑400mm-1400mm，內直徑為380-1380mm，長度2m-20m的鎂合金管材，鑄件組織細小、組織致密，消除了宏觀偏析，開創了大直徑高性能鎂合金長管坯制備工藝的先河。本專利技術的一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置，包括離心模具、輥輪、流槽、移動小車和小車導軌；所述的離心模具為空心管材，其下方設置有輥輪，在離心模具空心內設置有流槽，流槽的另一端與移動小車相連接，移動小車上方設置有放置熔煉設備的可傾轉澆注支架，移動小車的車輪下方設置有小車導軌；澆注時，熔煉設備放置于移動小車的可傾轉澆注支架上，熔煉設備的垂直中心軸和流槽的水平中心軸垂直。所述的離心模具為澆注模具。所述的輥輪包括支撐輥和驅動輥，驅動輥的作用為驅動離心模具旋轉，驅動輥由電機驅動，支撐模具的作用為支撐離心模具并旋轉離心模具。所述的支撐輥至少為3個，驅動輥至少為1個。驅動輥和支撐輥之一設置于接近移動小車的一端，通過驅動輥帶動離心模具旋轉；在離心模具下方至少設置有一對支撐輥，至少有一對支撐輥設置于離心模具遠離移動小車的一端。所述的流槽與移動小車相連接的方式是螺栓連接。所述的熔煉設備設置有開口，方便輕合金熔液的傾倒，將熔煉設備放置于移動小車的可傾轉澆注支架時，熔煉設備的開口位于流槽的正上方。所述的輕合金具體為鎂合金或鋁合金，優選為鎂合金。本專利技術的一種大直徑輕合金長管坯的制備方法，包括以下步驟：步驟1：確定凝固速度通過計算機模擬離心鑄造逐層凝固過程中溫度場的變化，優化離心鑄造工藝參數，確定合理的凝固速度、裝置中可旋轉澆注支架的角速度、裝置中移動小車的車速；步驟2：配制輕合金熔液按照輕合金成分配比稱量原料，熔煉，制得輕合金熔液，加熱到澆注溫度，保溫待用；步驟3：制備管坯(1)離心模具預熱對離心模具外壁進行加熱，對離心模具內壁溫度進行測量，當離心模具內壁溫度為150℃-300℃時，開始澆注；(2)逐層澆注根據計算機仿真模擬優化后的工藝參數，將裝有輕合金熔液的熔煉設備放入移動小車的可傾轉澆注支架上進行澆注，輕合金熔液流入流槽中，通過流槽引導進入離心模具中進行澆注，同時，移動小車在小車導軌上移動，實現流槽在離心模具內移動，將輕合金熔液采用逐層澆注的方式澆注，最終制得大直徑輕合金長管坯；其中，逐層澆注的具體方法為：離心鑄造過程采用逐層澆注，以設定的大直徑輕合金長管坯的外徑為第一層，由外徑向內徑進行澆注，澆注的層數按照壁厚進行設定，澆注過程中，每層厚度L需滿足L1>L2>L3>……>Li，其中，L1為第一層澆注厚度，L2為第二層澆注的厚度，L3為第三層澆注的厚度，依次類推，Li為最后一層澆注的厚度；其中，每一層澆注過程中，離心模具轉速分為三個階段：第一階段是快速使得合金液盡快達到預設轉速；第二階段中速，當輕合金熔液充滿離心模具后，輕合金熔液與離心模具旋轉同步時適當降低旋轉速度。第三階段慢速，當輕合金熔液凝固完成時進一步降低轉速，防止熱裂的產生。所述的步驟1中，所述優化離心鑄造工藝參數包括：離心模具預熱溫度、澆注溫度、離心模具轉速和澆注速度；其中，離心模具預熱溫度為150℃-300℃，澆注溫度為650℃-850℃，離心模具轉速為700r/min-1500r/min，澆注速度為4.3m3/h-8.3m3/h。所述的步驟1中，所述的計算機為采用計算機模擬仿真，模擬軟件為Flow3d，根據實驗方法進行建模，模擬離心鑄造逐層凝固過程中溫度場的變化，當溫度低于固相線則認為合金完全凝固，得到凝固速度，凝固速度與離心模具預熱溫度和澆注溫度有關系。所述的步驟1中，所述的離心模具轉速的確定方法為：采用康斯坦丁諾夫公式進行計算，其公式如下：其中，n—離心模具轉速(r/min)；r0—鑄件內表面半徑(m)；γ—液體金屬重度(N/m3)；β—調整系數。所述的步驟1中，所述的澆注速度是通過控制可傾轉澆注支架角速度和裝置中移動小車的車速確定的。所述的步驟1中，所述的可傾轉澆注支架角速度和裝置中移動小車的車速采用數值模擬的方法確定。所述的步驟2中，當輕合金為鎂合金時，鎂合金熔液含有的成分及成分的重量百分比為：鋁8.5-9.5％、鋅0.45-0.9％、錳0.17-0.5％、余量為鎂。所述的步驟2中，所述的熔煉，具體包括：在熔煉設備上涂抹涂料，加入輕合金原料，熔煉過程中，通保護氣體防止金屬氧化；當輕合金中的成分完全熔化后，加入精煉劑精煉，扒渣，靜置，得到輕合金熔液。所述的步驟2中，所述的熔煉采用的設備為電阻爐，熔煉設備為鐵質坩堝，所述的涂料為氧化鋅與酒精的混合物；其中，按質量比，氧化鋅：酒精＝1：(3～9)。當輕合金為鎂合金時，所述的涂料為氧化鋅、酒精和硼酸的混合物，按質量比，氧化鋅：酒精：硼酸＝1:(3～9)：(1～2)，加入的硼酸能防止金屬氧化。所述的步驟3(1)中，所述的對離心模具內壁溫度進行測量采用的工具為測溫槍。所述的步驟3(2)中，所述的逐層澆注的過程為：每一層的澆注過程為流槽出口初始位置在離心模具遠離移動小車的一端，移動小車上的熔煉設備開始傾轉，輕合金熔液流入流槽并沿流槽流入旋轉的離心模具中，當輕合金熔液開始順著流槽進入離心模具內時，移動小車帶動流槽開始向著離心模具另一端移動。到流槽出口到達離心模具另一端時熔煉設備停止旋轉，移動小車停止移動，第一層澆注完畢。移動小車帶動流槽移動到第一層澆注的初始位置，準備澆注第二層。所述的步驟3(2)中，所述的移動小車為可變速小車，其中，可變速小車的車速為0.1m/s-1m/s。所述的步驟3(2)中，所述的移動小車的可傾轉澆注支架的傾轉角速度為0.1rad/s-1rad/s。所述的步驟3(2)中，所述的逐層澆注中，每一層澆注速本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置，其特征在于，該制備裝置包括離心模具、輥輪、流槽、移動小車和小車導軌；所述的離心模具為空心管材，其下方設置有輥輪，在離心模具空心內設置有流槽，流槽的另一端與移動小車相連接，移動小車上方設置有放置熔煉設備的可傾轉澆注支架，移動小車的車輪下方設置有小車導軌；澆注時，熔煉設備放置于移動小車的可傾轉澆注支架上，熔煉設備的垂直中心軸和流槽的水平中心軸垂直。

【技術特征摘要】
1.一種大直徑輕合金長管坯的制備裝置，其特征在于，該制備裝置包括離心模具、輥輪、流槽、移動小車和小車導軌；所述的離心模具為空心管材，其下方設置有輥輪，在離心模具空心內設置有流槽，流槽的另一端與移動小車相連接，移動小車上方設置有放置熔煉設備的可傾轉澆注支架，移動小車的車輪下方設置有小車導軌；澆注時，熔煉設備放置于移動小車的可傾轉澆注支架上，熔煉設備的垂直中心軸和流槽的水平中心軸垂直。2.如權利要求1所述的大直徑輕合金長管坯的制備裝置，其特征在于，所述的輥輪包括支撐輥和驅動輥，驅動輥由電機驅動；所述的支撐輥至少為3個，驅動輥至少為1個；驅動輥和支撐輥之一設置于接近移動小車的一端，通過驅動輥帶動離心模具旋轉；在離心模具下方至少設置有一對支撐輥，至少有一對支撐輥設置于離心模具遠離移動小車的一端。3.如權利要求1所述的大直徑輕合金長管坯的制備裝置，其特征在于，所述的流槽與移動小車相連接的方式是螺栓連接；所述的熔煉設備設置有開口，方便輕合金熔液的傾倒，將熔煉設備放置于移動小車的可傾轉澆注支架時，熔煉設備的開口位于流槽的正上方。4.采用權利要求1所述的裝置制備大直徑輕合金長管坯的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：確定凝固速度通過計算機模擬離心鑄造逐層凝固過程中溫度場的變化，優化離心鑄造工藝參數，確定合理的凝固速度、裝置中可旋轉澆注支架的角速度、裝置中移動小車的車速；步驟2：配制輕合金熔液按照輕合金成分配比稱量原料，熔煉，制得輕合金熔液，加熱到澆注溫度，保溫待用；步驟3：制備管坯(1)離心模具預熱對離心模具外壁進行加熱，對離心模具內壁溫度進行測量，當離心模具內壁溫度為150℃-300℃時，開始澆注；(2)逐層澆注根據計算機仿真模擬優化后的工藝參數，將裝有輕合金熔液的熔煉設備放入移動小車的可傾轉澆注支架上進行澆注，輕合金熔液流入流槽中，通過流槽引導進入離心模具中進行澆注，同時，移動小車在小車導軌上移動，實現流槽在離心模具內移動，將輕合金熔液采用逐層澆注的方式澆注，最終制得大直徑輕合金長管坯；其中，逐層澆注的具體方法為：離心鑄造過程采用逐層澆注，以設定的大直徑輕合金長管坯的外徑為第一層，由外徑向內徑進行澆注，澆注的層數按照壁厚進行設定，澆注過程中，每層厚度L需滿足L1>L2>L3>……>Li，其中，L1為第一層澆注厚度，L2為第二層澆注的厚度，L3為第三層澆注的厚度，依次類推，Li為最后一層澆注的厚度；其中，每一層澆注過程中，離心模具轉速分為三個階段：第一階段是快...

【專利技術屬性】
技術研發人員：于寶義，朱雪峰，李潤霞，鄭黎，王操，于博寧，張昊，呂舒寧，
申請(專利權)人：沈陽工業大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21