一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料的连铸成形装置及方法与流程

本发明公开一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料的连铸成形装置及方法，属于连铸技术领域。

背景技术

随着现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，不仅要求材料有某些特殊的性能，同时还需具备良好的综合性能。因为在现代工业生产当中，由于生产节奏不断提升，机械设备运转速度逐步提高，导致机械零部件的磨损不断加快，设备的使用工况日益恶化，传统的、单一的金属合金耐磨材料已不能满足日常生产的需要，成为制约工业技术进步的短板，所以想要提高生产效率，保障生产的安全性和可靠性，发展新型耐磨复合材料已成为提高设备运转周期的研究热点之一，而陶瓷颗粒增强金属基复合材料能有效提高材料的硬度和强度，延长耐磨材料服役周期，降低设备运行成本，提高经济效益。

目前生产陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方式大多是先通过高温烧结等方式生产陶瓷颗粒预制体，待预制体稳定后将钢液浇入预制体当中，钢液凝固后制得陶瓷颗粒增强金属基复合材料。花费时间与工艺稳定性要求很高，其制备工序复杂，涉及步骤繁多。制备陶瓷颗粒预制体的方法主要包括手工制备和机械工业化制备，如采用手工方法制备预制体，生产效率很低，不利于大规模工业化生产，且制得的预制体工艺稳定性不高。如采用机械工业化的方法制备，虽然提高了生产效率，但是无法解决陶瓷硬质颗粒在金属基体中均匀分布的问题，制得的材料组织和力学性能不均匀。针对上述问题，如何采用高效连铸并在生产过程中设置搅拌装置使得金属液与硬质陶瓷颗粒混合均匀的工艺与设备成为急需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明设计一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料的连铸成形装置，以满足硬质颗粒分布均匀的金属基复合材料一体化、自动化生产的要求，在大幅度提高生产效率，降低人力成本，节约资源的同时，提高了材料的均匀性，也进一步提高了材料的性能。

本发明通过以下技术方案实现：

一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料的连铸成形装置，包括燃料输送管1、燃料储存罐2、陶瓷颗粒输料管3、中间搅拌包4、塞棒5、塞棒杆6、滑动水口7、结晶器电磁搅拌装置8、结晶器9、二次冷却装置10、拉矫机11、矫直辊12、钢液输料管13、混料包14、浸入式水口15、中间包电磁搅拌装置16、引锭杆17、引锭杆存放装置18、火焰切割机19、中间包混料罐20、支撑杆21、运料槽22，燃料输送管1的右端与燃料储存罐2连通，陶瓷颗粒输料管3右端与陶瓷颗粒储存罐连接，钢液输料管13左端与钢水包连接，燃料输送管1、陶瓷颗粒输料管3、钢液输料管13的一端竖直平行插入混料包14，陶瓷颗粒输料管3和钢液输料管13底部出料口与混料包14侧壁紧密接触，且与混料包14底部不接触；浸入式水口15上端插入混料包14底部，并设置有滑动开关，下端插入中间包混料罐20内，且与中间包混料罐20内液面紧密接触，中间包混料罐20位于中间搅拌包4内，固定于中间搅拌包4左侧，中间包电磁搅拌装置16固定于中间搅拌包4左侧的外壁上；塞棒5底部与中间搅拌包4底部出料口闭合连接，通过上下移动塞棒5控制中间搅拌包4右侧底部出料口开启与闭合；滑动水口7固定于中间搅拌包4底部，滑动水口7上部端口与中间搅拌包4右侧底部出料口连接，滑动水口7下端出料口与结晶器9连接；结晶器电磁搅拌装置8固定在结晶器9两侧外壁上，运料槽22头部固定于结晶器9底部，尾端与引锭杆存放装置18连接，二次冷却装置10固定于结晶器9下方运料槽22壁外侧，拉矫机11与运料槽22末端连接，引锭杆17从拉矫机11内部穿过，引锭杆17头部插入结晶器9底部，形成可活动的内底，控制结晶器9底部出料口开合，引锭杆17尾端与引锭杆存放装置18连接，引锭杆17放置于运料槽内，矫直辊12固定在运料槽的外面，位于运料槽（22）的末端，且与矫直机连接，引锭杆存放装置18设在运料槽末端，用于存放回收的引锭杆17，火焰切割机19设在引锭杆存放装置18后方。

优选的，本发明所述燃料输送管（1）插入混料包（14）的一端为上下可伸缩输送管,通过手控或程序控制机械传动装置改变管口与底部的高度，调节烘烤位置，插入混料包14一端头部设有点火器，燃料储存罐2内部设有压力装置。

优选的，本发明所述滑动水口7和浸入式水口15的外侧均包覆耐火材料。

优选的，本发明所述装置还包括支撑杆21、塞棒杆6，塞棒5和支撑杆21的上固定在横杆的两端，支撑杆21通过紧固螺栓固定在中间搅拌包4右侧外壁上，通过塞棒杆6和弯杆组成的杠杆装置控制支撑杆21上下活动，从而带动塞棒5上下活动，弯杆固定在中间搅拌包4右壁外侧下方紧固螺栓上，为塞棒杆6提供支点，塞棒杆6左端固定在支撑杆21上，中部通过铰链与弯杆头端固定作为支点，塞棒杆6右端可上下带动塞棒移动。

本发明的另一目的在于提供所述装置用于成形陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）在混料包14入料前，打开燃料输送管1端口点火器，利用燃料储存罐2内部压力装置将燃料喷射到燃料输送管1端口处，对混料包14进行干燥预热，燃料输送管1前端为可伸缩输送管，通过伸长或收缩输送管长度可控制火焰高度，待混料包内壁温度达到1000℃~1200℃后收缩燃料输送管1至混料包14外，通过陶瓷颗粒输料管3将陶瓷颗粒加入到混料包14中，通过混料包内的热量干燥5min后通过钢液输料管13迅速加入钢液，出钢温度设在1680℃~1760℃；

（2）待钢液加入完毕后迅速打开浸入式水口15，钢液和陶瓷颗粒进入中间包混料罐20，关闭中间包混料罐20出料口，开启固定于中间包混料罐20外侧中间包电磁搅拌装置16，使钢液充分搅动，带动陶瓷颗粒均匀分布；

（3）混合搅拌完毕后向上提起塞棒杆6右端，塞棒杆6通过支撑杆21和横杆提起塞棒5，并打开滑动水口7使钢液进入结晶器9，可通过滑动水口7开启大小控制钢液下流速度；

（4）钢液进入结晶器9后，打开结晶器电磁搅拌装置8对含有陶瓷颗粒的钢液持续搅动，同时冷却水不断冲刷结晶器9器壁，靠近结晶器9底部引锭杆17处的钢液先凝固，远离引锭杆17处的钢液在结晶器电磁搅拌装置8作用下持续搅动，使陶瓷颗粒和钢液混合均匀；

（5）待结晶器9中含有陶瓷颗粒的钢液形成初始坯壳后，利用拉矫机11将插入结晶器9底部与初始复合连铸坯坯壳粘连在一起的引锭杆17从结晶器9中持续拉出，拉出前钢液凝固形成的坯壳厚度≥3mm；

（6）利用二次冷却装置10对拉出的陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯持续水冷；

（7）利用拉矫机11牵引，并将孤形铸坯多次矫直，直到铸坯通过拉矫机11与引锭杆17脱钩为止，引锭杆17运至引锭杆存放装置18处，拉坯速度为5-500mm/min；

（8）利用火焰切割机19将陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯头部和尾部陶瓷颗粒分布不均匀的部分切去，运至连铸坯存放处，获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料连铸坯。

可以更换不同种类的陶瓷颗粒及钢液种类，获得不同成分的陶瓷颗粒增强金属基复合材料连铸坯，同时可以设置不同种类的轧机，获得不同形状的陶瓷颗粒增强金属基复合材料连铸坯。

本发明的有益效果：

（1）采用连铸的方法生产复合材料，不仅节约了生产时间，提高了生产效率，有利于大规模生产和连续化生产。

（2）本工艺基于传统的连铸生产工艺，但又在该工艺上进行了创新与改造，传统连铸工艺的研究理论可以很好的指导该工艺的调整与设计。

（3）在中间搅拌包中设置混料罐和电磁搅拌装置，相比于直接将钢液注入中间搅拌包，并在整个中间搅拌包外侧设置电磁搅拌装置，其特点在于每次从混料包中注入的钢液量更容易控制，且由于注入的钢液量更少，电磁搅拌力更大，搅拌效果更好，提高复合连铸坯质量；同时可以控制搅拌时间和凝固前的温度，保证钢液和陶瓷颗粒混合均匀。

（4）在结晶器外侧设置电磁搅拌装置，可以使得材料在凝固前不至于产生陶瓷颗粒的偏析，提高复合连铸坯的质量，同时减少后续火焰切割过程中不均匀部分的切去量，节约材料成本，提高生产经济效益。

附图说明

图1是陶瓷颗粒增强金属基复合材料的高效连铸成形方法示意图；

图2是中间搅拌包结构示意图；

图3是结晶器结构示意图。

图4是陶瓷颗粒金属基复合材料成品。

图中：1-干燥装置燃料输送管；2-干燥装置燃料储存罐；3-陶瓷颗粒输料管；4-中间搅拌包；5-塞棒；6-塞棒杆；7-滑动水口；8-结晶器电磁搅拌装置；9-结晶器；10-二次冷却装置；11-拉矫机；12-矫直辊；13-钢液输料管；14-混料包；15-浸入式水口；16-中间包电磁搅拌装置；17-引锭杆；18-引锭杆存放装置；19-火焰切割机；20-中间包混料罐；21-支撑杆；22-运料槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步向详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

本发明实施例所用装置结构如图1~3所示，包括燃料输送管1、燃料储存罐2、陶瓷颗粒输料管3、中间搅拌包4、塞棒5、塞棒杆6、滑动水口7、结晶器电磁搅拌装置8、结晶器9、二次冷却装置10、拉矫机11、矫直辊12、钢液输料管13、混料包14、浸入式水口15、中间包电磁搅拌装置16、引锭杆17、引锭杆存放装置18、火焰切割机19、中间包混料罐20、支撑杆21、运料槽22，燃料输送管1的右端与燃料储存罐2连通，陶瓷颗粒输料管3右端与陶瓷颗粒储存罐连接，钢液输料管13左端与钢水包连接，燃料输送管1、陶瓷颗粒输料管3、钢液输料管13的一端竖直平行插入混料包14，陶瓷颗粒输料管3和钢液输料管13底部出料口与混料包14侧壁紧密接触，且与混料包14底部不接触；浸入式水口15上端插入混料包14底部，并设置有滑动开关，下端插入中间包混料罐20内，且与中间包混料罐20内液面紧密接触，中间包混料罐20位于中间搅拌包4内，固定于中间搅拌包4左侧，中间包电磁搅拌装置16固螺栓固定于中间搅拌包4左侧的外壁上；塞棒5底部与中间搅拌包4底部出料口闭合连接，通过上下移动塞棒5控制中间搅拌包4右侧底部出料口开启与闭合；滑动水口7固定于中间搅拌包4底部，滑动水口7上部端口与中间搅拌包4右侧底部出料口连接，滑动水口7下端出料口与结晶器9连接；结晶器电磁搅拌装置8固定在结晶器9两侧外壁上，运料槽22头部固定于结晶器9底部，尾端与引锭杆存放装置18连接，二次冷却装置10固定于结晶器9下方运料槽22壁外侧，拉矫机11与运料槽22末端连接，引锭杆17从拉矫机11内部穿过，引锭杆17头部插入结晶器9底部，形成可活动的内底，控制结晶器9底部出料口开合，引锭杆17尾端与引锭杆存放装置18连接，引锭杆17放置于运料槽内，矫直辊12固定在运料槽的外面，位于运料槽22的末端，且与矫直机连接，引锭杆存放装置18设在运料槽末端，用于存放回收的引锭杆17，火焰切割机19设在引锭杆存放装置18后方。

所述燃料输送管1插入混料包14的一端为上下可伸缩输送管,通过手控或程序控制机械传动装置改变管口与底部的高度，调节烘烤位置，插入混料包14一端头部设有点火器，燃料储存罐2内部设有压力装置。

所述滑动水口7和浸入式水口15的外侧均包覆耐火材料。

所述塞棒5和支撑杆21的上固定在横杆的两端，支撑杆21通过紧固螺栓固定在中间搅拌包4右侧外壁上，通过塞棒杆6和弯杆组成的杠杆装置控制支撑杆21上下活动，从而带动塞棒5上下活动，弯杆固定在中间搅拌包4右壁外侧下方紧固螺栓上，为塞棒杆6提供支点，塞棒杆6左端固定在支撑杆21上，中部通过铰链与弯杆头端固定作为支点，塞棒杆6右端可上下带动塞棒移动。

实施例1

（1）在混料包14入料前，打开燃料输送管1端口点火器，利用燃料储存罐2内部压力装置将燃料喷射到燃料输送管1端口处，对混料包14进行干燥预热，燃料输送管1前端为可伸缩输送管，通过伸长或收缩输送管长度可控制火焰高度，喷射火焰温度为1200℃，火焰对混料包持续喷射加热60min，待混料包内壁温度达到1100℃后收缩燃料输送管1至混料包14外，通过陶瓷颗粒输料管3将20目氧化铝陶瓷颗粒加入到混料包14中，通过混料包内的热量干燥5min后通过钢液输料管13迅速加入钢液，出钢温度设在1700℃；

（2）待钢液加入完毕后迅速打开浸入式水口15，钢液和陶瓷颗粒进入中间包混料罐20，关闭中间包混料罐20出料口，开启固定于中间包混料罐20外侧中间包电磁搅拌装置16，使钢液充分搅动，带动陶瓷颗粒均匀分布；

（3）搅拌钢液3min后向上提起塞棒杆6右端，塞棒杆6通过支撑杆21和横杆提起塞棒5，并打开滑动水口7使钢液进入结晶器9，可通过滑动水口7开启大小控制钢液下流速度；

（4）钢液进入结晶器9后，打开结晶器电磁搅拌装置8对含有陶瓷颗粒的钢液持续搅动，同时冷却水（冷却水流量为500l/h）不断冲刷结晶器9器壁，靠近结晶器9底部引锭杆17处的钢液先凝固，远离引锭杆17处的钢液在结晶器电磁搅拌装置8作用下持续搅动，使陶瓷颗粒和钢液混合均匀；

（5）待结晶器9中含有陶瓷颗粒的钢液形成5mm初始坯壳后，利用拉矫机11将插入结晶器9底部与初始复合连铸坯坯壳粘连在一起的引锭杆17从结晶器9中持续拉出；

（6）利用二次冷却装置10对拉出的陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯持续水冷，二次冷却水流量为1000l/h。

（7）利用拉矫机11牵引，拉坯速度为200mm/min，并将孤形铸坯多次矫直，直到铸坯通过拉矫机11与引锭杆17脱钩为止，引锭杆17运至引锭杆存放装置18处；

（8）利用火焰切割机19将陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯头部和尾部陶瓷颗粒分布不均匀的部分切去，运至连铸坯存放处，获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料连铸坯。

本实施例制备得到的陶瓷颗粒增强金属基复合材料组织和力学性能均匀，硬度高，耐磨性好，陶瓷颗粒在金属基体中分布均匀，不易脱落。

将本实施例制得的陶瓷颗粒增强金属基复合材料，可在高冲击高磨损工况下用作耐磨件，其中所述金属基体为高锰钢。陶瓷颗粒增强超高锰钢复合材料在保证了较高的韧性和加工硬化性能的同时增强了其硬度和耐磨性。

实施例2

（1）在混料包14入料前，打开燃料输送管1端口点火器，利用燃料储存罐2内部压力装置将燃料喷射到燃料输送管1端口处，对混料包14进行干燥预热，燃料输送管1前端为可伸缩输送管，通过伸长或收缩输送管长度可控制火焰高度，喷射火焰温度为1300℃，火焰对混料包持续喷射加热50min，待混料包内壁温度达到1200℃后收缩燃料输送管1至混料包14外，通过陶瓷颗粒输料管3将16目碳化硼陶瓷颗粒加入到混料包14中，通过混料包内的热量干燥5min后通过钢液输料管13迅速加入钢液，出钢温度设在1680℃~1760℃；

（2）待钢液加入完毕后迅速打开浸入式水口15，钢液和陶瓷颗粒进入中间包混料罐20，关闭中间包混料罐20出料口，开启固定于中间包混料罐20外侧中间包电磁搅拌装置16，使钢液充分搅动，带动陶瓷颗粒均匀分布；

（3）4min后向上提起塞棒杆6右端，塞棒杆6通过支撑杆21和横杆提起塞棒5，并打开滑动水口7使钢液进入结晶器9，可通过滑动水口7开启大小控制钢液下流速度；

（4）钢液进入结晶器9后，打开结晶器电磁搅拌装置8对含有陶瓷颗粒的钢液持续搅动，同时冷却水不断冲刷结晶器9器壁（水流量为600l/h），靠近结晶器9底部引锭杆17处的钢液先凝固，远离引锭杆17处的钢液在结晶器电磁搅拌装置8作用下持续搅动，使陶瓷颗粒和钢液混合均匀；

（5）待结晶器9中含有陶瓷颗粒的钢液形成4mm初始坯壳后，利用拉矫机11将插入结晶器9底部与初始复合连铸坯坯壳粘连在一起的引锭杆17从结晶器9中持续拉出；

（6）利用二次冷却装置10对拉出的陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯持续水冷，二次冷却水流量为1200l/h；

（7）利用拉矫机11牵引（拉坯速度为250mm/min），并将孤形铸坯多次矫直，直到铸坯通过拉矫机11与引锭杆17脱钩为止，引锭杆17运至引锭杆存放装置18处；

（8）利用火焰切割机19将陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯头部和尾部陶瓷颗粒分布不均匀的部分切去，运至连铸坯存放处，获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料连铸坯。

本实施例制备得到的陶瓷颗粒增强金属基复合材料组织和力学性能均匀，硬度高，耐磨性好，陶瓷颗粒在金属基体中分布均匀，不易脱落。

将本实施例制得的陶瓷颗粒增强金属基复合材料，可在高冲击高磨损工况下用作耐磨件，其中所述金属基体为普通中碳钢。陶瓷颗粒增强中碳钢复合材料不仅保证了碳钢的可焊接性，同时增强了强度。

实施例3

（1）在混料包14入料前，打开燃料输送管1端口点火器，利用燃料储存罐2内部压力装置将燃料喷射到燃料输送管1端口处，对混料包14进行干燥预热，燃料输送管1前端为可伸缩输送管，通过伸长或收缩输送管长度可控制火焰高度，喷射火焰温度为1400℃，火焰对混料包持续喷射加热60min，待混料包内壁温度达到1100℃后收缩燃料输送管1至混料包14外，通过陶瓷颗粒输料管3将30目锆刚玉陶瓷颗粒加入到混料包14中，通过混料包内的热量干燥5min后通过钢液输料管13迅速加入钢液，出钢温度设在1720℃；

（2）待钢液加入完毕后迅速打开浸入式水口15，钢液和陶瓷颗粒进入中间包混料罐20，关闭中间包混料罐20出料口，开启固定于中间包混料罐20外侧中间包电磁搅拌装置16，使钢液充分搅动，带动陶瓷颗粒均匀分布；

（3）混合搅拌3min后向上提起塞棒杆6右端，塞棒杆6通过支撑杆21和横杆提起塞棒5，并打开滑动水口7使钢液进入结晶器9，可通过滑动水口7开启大小控制钢液下流速度；

（4）钢液进入结晶器9后，打开结晶器电磁搅拌装置8对含有陶瓷颗粒的钢液持续搅动，同时冷却水不断冲刷结晶器9器壁（冷却水流量为700l/h），靠近结晶器9底部引锭杆17处的钢液先凝固，远离引锭杆17处的钢液在结晶器电磁搅拌装置8作用下持续搅动，使陶瓷颗粒和钢液混合均匀；

（5）待结晶器9中含有陶瓷颗粒的钢液形成初始坯壳后（坯壳厚度应在4mm以上），利用拉矫机11将插入结晶器9底部与初始复合连铸坯坯壳粘连在一起的引锭杆17从结晶器9中持续拉出；

（6）利用二次冷却装置10对拉出的陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯持续水冷，二次冷却水流量为1300l/h；

（7）利用拉矫机11牵引（拉坯速度为230mm/min），并将孤形铸坯多次矫直，直到铸坯通过拉矫机11与引锭杆17脱钩为止，引锭杆17运至引锭杆存放装置18处；

（8）利用火焰切割机19将陶瓷颗粒金属基复合材料连铸坯头部和尾部陶瓷颗粒分布不均匀的部分切去，运至连铸坯存放处，获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料连铸坯。

本实施例制备得到的陶瓷颗粒增强金属基复合材料组织和力学性能均匀，硬度高，耐磨性好，陶瓷颗粒在金属基体中分布均匀，不易脱落。

将本实施例制得的陶瓷颗粒增强金属基复合材料，可在高冲击高磨损工况下用作耐磨件，其中所述金属基体为高铬钢。陶瓷颗粒增强高铬钢复合材料增强了材料的抗冲击性和强度。