悬浮连铸法及设备 本发明涉用一种金属悬浮连铸法及设备，属于金属连铸及成形技术领域。
现代可供大量生产的金属成形工艺有两种：一种是采用完全液态的金属成形，如各种铸造；一种是采用完全是固态的金属成形，如锻造、轧制、挤压等；以上两种工艺一般是独立进行的，从铸坯到成材，不仅工艺复杂，设备庞大，而且材料损失及能耗都是较大的；连铸连轧工艺，实际上只是由连铸和连轧两个完全独立的工段同步联动而已，但由于铸坯与轧制的同性困难等不利因素限制了它的发展。
目前，冶金工业的各种连铸方法，归纳起来说，一般是将金属熔液浇入金属型结晶器，对结晶器进行水冷，从另一端拉出凝固的坯料。这类连铸方法存在的不足是：(1)设备极为庞大、复杂，造价高昂；(2)拉坯速度慢，受冷却速度的限制，其拉速一般在2-3米/分，对大断面坯料，其拉速更小；(3)坯料表面质量不好，如各种细微裂纹；(4)拉速快时，很容易出现拉断、漏钢事故。
本发明的目的就是为了克服上述不足而提供的一种使用液态结晶器的悬浮连铸法及设备，其设备简单，造价低廉，可以实现任意断面的坯料高速连铸及直接压铸挤压成材，工况稳定、可靠坯料质量好。
本发明的原理是：所谓液态结晶器就是由结晶器壳与结晶器壳内比原料金属熔点低且不与其发生混溶和反应地悬浮剂组成；在一个封闭的结晶器壳的两端有金属熔液浇注口和坯料出坯口，在工作状态时，浇注口连续浇注金属熔液，控制悬浮剂的温度在悬浮剂熔点以上在金属熔液凝固点以下，使金属熔液被冷凝成固体而悬浮剂始终呈液态，固体坯料从液相悬浮剂中经过出坯口连续挤出；也就是说，从浇注口至出坯口悬浮剂与金属熔液及其坯壳构成连续的呈动态平衡的二相界面形成一个被金属熔液占据的型腔；由于液态悬浮剂是不可压缩的，因而在封闭的结晶器壳内悬浮剂的体积不变，因而悬浮剂中被金属熔液占据的型腔体积也不变，只要金属熔液的浇注是连续的，这种型腔就是稳定的，并不会因为液态悬浮剂的不定性而产生变形，这一点由力学分析及实践均已证实；另外，金属熔液进入低温悬浮剂后，立刻在表面形成一个凝固壳层而且随后逐渐增厚，这种壳层足以抵抗由于悬浮剂热传导及坯料运动引起的紊流产生的不平衡力的破坏。
连铸设备一般采用水平布置，以便使设备高度降低，这时悬浮剂的比重应与金属熔液的比重相近，以减小悬浮剂浮力对初浇注的尚未凝固的金属熔液的坯型的破坏；也可采用立式结构，立式结构呈垂直布置，可以用上注法及下注法，上注法使用的悬浮剂的比重宜小于金属熔液，下注法则反之。悬浮剂可用熔盐，易熔金属及易熔玻璃熔液。
金属熔液以一定的压力浇注，浇注口适当大于出坯口，这样可以提高浇注速度，实现高速连铸；另一方面，使已凝固的高温铸态组织在液态结晶器内受到液等静压力的作用，产生挤压弹性变形，使坯料质量提高；如果金属熔液以高压浇注，其压力大于金属屈服强度时，已凝固的高温铸态组织在液态结晶器内受到液等静压力的作用而被破坏，产生挤压塑性变形，就可以直接连续压铸挤出成品材料。
概而言之，实现悬浮连铸的必要条件是：(1)金属熔液连续浇注；(2)液态结晶器是一个动态平衡的封闭系统即保持悬浮剂中被金属熔液占据的体积不变；(3)悬浮剂的熔点比金属熔液凝固点低且不与其发生混溶和反应；控制悬浮剂的温度在金属熔液凝固点以下、悬浮剂熔点以上，使金属熔液逐渐固而悬浮剂始终呈液态；(4)直接连续压铸挤出成品材料时，其浇注压力必须大于金属的屈服强度。
本发明适用于型、板、管及线各种断面坯料的连铸，尤其可以实现近终尺寸的高速连铸及高压挤出成品材料。本发明可广泛用于钢铁、铝、铜等金属的连铸。
本发明的优点是：
1.连铸设备造价低，投资少，高压挤出成材，可以省掉轧制工序；
2.可以实现高速连铸及压铸挤出成品材料，尤其是可以实现复杂型材近终尺寸高速连铸及一次挤压成材；
3.完全消除传统连铸工艺中常见的拉伸内裂及表面热裂，铸坯内部组织很密实，表面光洁；
4.对于某些塑性较差的高合金材料可以连续压铸挤压成材；
5.由于悬浮剂的液相悬浮作用拉坯力很小；高压压铸直接挤出成品材，减少了轧制、拨制能耗，综合能耗较低。
下面结合附图对本发明进行详述。
附图1是连铸工艺及设备示意图。
附图2是叠铸板坯的液态结晶器示意图。
附图3是超宽薄板坯的液态结晶器示意图。
附图4是群铸线材的液态结晶器示意图。
附图5是连铸管坯工艺及设备示意图。
如附图1所示，连铸设备一般由浇注系统(I)、液态结晶器(II)、拉坯机(III)组成。液态结晶器(II)由结晶器壳(1)，调节器(2)，浇注口(3)，出坯口(4)，悬浮剂(5)及冷却器(8)构成。以下对各部件的结构及功能作详细描述：
1、液态结晶器(II)是连铸设备的主体部分，也是本发明区别于传统工艺的关键所在。它由结晶器壳(1)，调节器(2)构成一个封闭的系统；浇注口(3)及出坯口(4)进行浇注金属熔液及出坯料，这个通道是悬浮剂(5)被金属熔液占据后形成的型腔，实际上就是处于动态平衡状态的连续的二相界面；液态结晶器(II)的长度L(m)，与浇注速度(或挤出速度)G(kg·min-1)，传热断面周长D(m)，液态结晶器(II)导热率λ(kc·m-2·min-1)及金属熔液的放热H(kc·kg-1)的关系应满足：L≥H·G/D·λ；
2、结晶器壳(1)是一个坯料断面相匹配的长形刚性壳，有很好的高温强度并耐悬浮剂浸蚀；在高压连铸时，其结构满足强度高、散热快的要求，在结晶器壳(1)的壳壁上用环状增强筋及纵向栅状增强筋提高耐压能力并增大散热面积；
3、悬浮剂(5)在工作状态终呈液态，采用熔点比金属熔液凝固点低且不与其发生混溶和反应的物质为材料；水平浇注时，其比重宜与金属熔液比重相近，尽量减小浮力的不利影响；在立式设备中连铸，上注时，采用其比重比金属熔液比重小的悬浮剂，下注时反之；悬浮剂一般可用熔盐、易熔玻璃熔液或低熔点金属熔液；当然，适当的液态结晶器(II)内部结构如冷却蛇管的“托圈”的保形作用，就对悬浮剂的比重没有限制了；
4、浇注口(3)和出坯口(4)，分别在液态结晶器(II)的两端，浇注口(3)及出坯口(4)都必须用高温强度好、耐磨、耐悬浮剂浸蚀的材料制作；在加压高速连铸时，浇注口(3)的截面积适当大于出坯口(4)，使坯料呈弹性挤压状态输出，一方面可以提高连铸速度，另一方面，可以提坯料质量；当浇注压力高于坯料的屈服强度时，已凝固的金属在高压液等静压力的作用下产生塑性变形，就可以直接挤出成品材；出坯口(4)的模具对坯料起定型及密封悬浮剂(5)作用，并对坯料产生压缩变形。
5、调节器(2)由调节阀(6)及储液罐(7)组成，调节阀(6)由一个开关及微调柱塞组成，其作用是调节液态结晶器(II)内悬浮剂(5)的体积；
6、冷却器(8)的作用是对液态结晶器(II)进行冷却，由于具体要求不同，有多种情况：①连铸速度不高、低压浇注时，由于结晶器壳(1)较薄，对结晶器壳(1)喷水冷却就可以满足要求；②高压浇注挤出成材时，结晶器壳(1)很厚，热阻很大，冷却器(8)用冷却蛇管直接对悬浮剂(5)强制冷却；在液态结晶器(II)内的冷却器(8)就是一个冷却蛇管或排管，其截面应与所铸的坯形相似，尤其在浇注口(3)附近，其截面宜略大于浇注口(3)，其作用如同“托圈”，对初浇注的柱流起保形作用；
7、拉坯机(III)，其作用是将从液态结晶器(II)中已凝固而被挤出的坯料匀速拉出；拉坯机(III)只起同步辅助输送作用，如果拉力太大或拉速太快，导致拉出速度与浇注速度不同步，就会出现拉断或裂纹等工艺事故和质量缺陷；拉坯机(III)的另一个作用是适当的拉力可以减小挤出压力即减小浇注压力。
8、浇注系统(I)的作用是根据工艺要求以适当的压力及注速向液态结晶器(II)连续浇注金属熔液。
附图1所示的连铸工艺可以用来生产板坯、板材、型坯、型材、线材、棒坯，其工艺过程是这样的：连铸开始前，在液态结晶器内装进一个可以清除的砂芯，砂芯的大小与型腔相同，安装在浇注口与出坯口之间，然后将悬浮剂熔液浇注到液态结晶器内，使其凝固，再将砂芯清除，这样型腔就形成了；连铸开始时，金属熔液注进液态结晶器的型腔内，凝固的悬浮剂升温至熔化，金属熔液冷却至凝固，启动冷却器控制悬浮剂温度在其熔点以上，被连铸金属凝固点以下，浇注压力适当提高至5--10kg/cm2；如果连续挤出成材，其压力提高到足以克服金属的屈服强度，挤出钢材时，出坯温度在950--1200℃，其压力为25--80N/mm2；这样，金属熔液在适当的压力下连续浇注，在液态结晶器内悬浮剂始终呈液态而金属熔液凝固成固体从出坯口挤出，在高压连续压铸挤出成材时，浇注口适当大于出坯口，使铸态组织在适当的塑性变形下被破坏。从液态结晶器挤出的坯料或成材，在拉坯机的同步辅助输送下被输出。
如附图2所示，对板坯或板材的生产，可以在同一个液态结晶器内设置数个重叠而又被悬浮剂隔开的型腔，这样一次可以生产数块很薄的板坯或板材。这种在同一液态结晶器内有多个流道型腔重叠的方法不防称为“叠铸”。叠铸法生产板坯或挤出板材的工艺特点是：①层数多；②单板薄；③冷却速度大，铸坯多呈细晶组织；④连铸速度高，总体产量大；⑤液态结晶器结构紧凑，体积小；⑥其薄坯可直接供轧机叠轧薄板。
用如附图3所示的液态结晶器，可以生产超宽薄板材或板坯，该液态结晶器与“叠铸”用的液态结晶器相似，所不同的是出坯口的相邻的型腔有一端错开相通，这样就成了一个曲折的型腔，其展开宽度呈数倍增加，浇注口与之相对应。再将所浇注的板坯或挤出的板材进行展开平整即得超宽薄板坯或板材。
用如附图4所示的液态结晶器，可以在同一液态结晶器内设置一群孔径相同或不相同的型腔，这样一次就可以生产数根直径在3--30mm的线材，这种方法可称为“群铸”。群铸法也可用于生产小规格型材。群铸法挤出线材具有与“叠铸”法相似的特点。
对连铸大断面坯料，可以从液态结晶器拉出壳层液芯坯料，在二冷段用喷雾冷却至完全凝固；这部分与一般连铸法相似，这样可以减小液态结晶器的长度并提高连铸速度。
附图5所示的连铸管坯工艺，其设备由浇注系统(IV)液态结晶器(V)及拉坯机(VI)组成，其中液态结晶器(V)由外结晶器及内结晶器构成；内结晶器就是由结晶器内壳(12)连接浇注内模(11)及出坯内模(13)、在浇注内模(11)与出坯内模(13)之间的空腔用悬浮剂(14)填充，其间有内冷却蛇管(9)，这样就形成了内结晶器；外结晶器由结晶器外壳(15)，外冷却蛇管(10)，调节器(16)，出坯口(17)、浇注口(18)、悬浮剂(14)构成。其中调节器(16)由调节阀(19)及储液罐(20)构成，用于调节液态结晶器(V)内悬浮剂(14)的体积；内冷却蛇管(9)和外冷却蛇(10)分别对内结晶器和外结晶器进行强制冷却；管坯形成的情况是这样的，金属熔液浇注到由结晶器内壳(12)与结晶器外壳(15)构成液态结晶器(V)内，金属熔液将悬浮剂(14)分为外结晶器和内结晶器，并形成从浇注口(18)至出坯口(17)的被金属熔液占据的环状型控；控制悬浮剂(14)的温度在其熔点以上及金属熔液的凝固点以下，金属熔液被凝固，经出坯口(17)定型而被挤出。另外，在高压挤压管材尤其是挤出小直径管材时，内、外结晶器壳宜呈喇叭状，即浇注口(18)大而出坯口(17)小，这样的结构有利于产生较大的压缩比而提高材料品质及提高挤压速度，同时也便于其他部件的配置。
下面介绍本发明的实施例，结合实例对本发明的工作原理及设备作进一步说明。
实施例1，连铸3号普通碳素钢板坯，其板坯断面为15×600mm2。其设备如附图1所示，由浇注系统、液态结晶器、拉坯机组成，呈水平布置；液态结晶器由结晶器壳、调节器、浇注口、出坯口、悬浮剂及冷却器构成，液态结晶器的有效容积为长×宽×高＝2400×840×100mm3；悬浮剂材料为铅基合金，熔点在220℃左右，比重7.0--7.2g/cm3；浇注口截面为60×600mm2，用耐火材料制成；出坯口截面为15×600mm2，用具有自润滑性的碳化钨基高温硬质合金制成；冷却器为φ10×4φ16×4mm的钼管组成的排管，在浇注口近处钼管排列较密，且管径较小，相互间隔1--2mm；冷却排管在近浇注口部位与型腔间距2--5mm，用净化水为冷却介质；结晶器壳壁上有网格状增强筋，其材质为热强钢；其连铸工艺过程是这样的：连铸开始前，在液态结晶器内装进一个可以清除的砂芯，砂芯的大小与型腔相同，安装在浇注口与出坯口之间，然后将铅基合金熔液浇注到液态结晶器内，使其凝固，再将砂芯清除，这样型腔就形成了；连铸开始时，将经过脱气等工艺处理过的镇静钢，以适当的流速注入液态结晶器中的型腔内，这时凝固的铅基合金升温至熔化，钢液冷却至凝固，这时将浇注压力增加到10--15kg/cm2，同时启动冷却器控制悬浮剂温度在350--850℃，已凝固1100--1250℃钢坯从出坯口呈弹性挤压状态被挤出液态结晶器，钢坯的挤出速度为9.6m/min；拉坯机将钢坯同步辅助输出。浇注系统保持连续浇注钢液，出坯口就连续挤出钢坯；在连铸过程中，悬浮剂会缓慢减少，因此，调节器要适时调节，使液态结晶器中的悬浮剂的体积保持基本不变。
例2，用叠铸法挤出断面为2×400mm2的A2钢带，基本工艺过程同例1；液态结晶器内有5个型腔，每个型腔的浇注口截面为10×400mm2，出坯口截面2×400mm2；悬浮剂为铅基合金熔液，熔点220℃左右，比重7.0--7.2g/cm3；液态结晶器长度×宽度×高度为1800×400×800mm3；浇注压力为60N/mm2，钢带在出坯口挤出时温度在950--1050℃；挤出速度为28m/min。
例3高压连续压铸挤出普通工字钢，钢种16Mn型号20a。连铸型钢的设备与实施例1相似液态结晶器长度为1.8米，浇注口截面尺寸是出坯口尺寸三倍线性尺寸，但腰高尺寸是例外的，以1.5倍即可，这样即减小了液态结晶器的高度又能使钢液从凝固到挤出塑性变形这个过程物流合理运动。浇注压力为80N/mm2，挤出型材的温度为950--1100℃；挤出速度为8米/分，悬浮剂温度控制在350--850℃。
例4高压连续压铸挤出无缝钢管，钢号为12MnV，规格φ76×6，使用附图5所示的工艺及设备，其液态结晶器内的型腔呈喇叭状，浇注口截面为φ140×30，出坯口截面为φ76×6；液态结晶器长度为1800mm；冷却器的内冷却蛇管由φ10×2的钢管制成，装在内结晶器内；外冷却蛇管用φ12×2.5钢管制成；用熔点为220℃左右、比重为7.0--7.2g/cm2的铅基合金为悬浮剂；浇注压力为80N/mm2，出坯温度为950--1100℃，挤出速度为18米/分。