一种管材铸造的方法及装置

1.本发明涉及管材连铸技术领域，尤其涉及一种管材铸造的方法及装置。


背景技术：

2.在管材的生产加工过程中，管坯的连续铸造是管材生产的第一步，管坯铸造成型的好坏直接影响了最终加工完成的管材质量，因此管坯的连续铸造工艺是管材生产加工过程中最重要的一步，提升其生产效率和工艺质量，对于管材整个的生产工艺过程都具有十分可观的经济价值。现有的管材铸造装置在生产效率、工艺质量甚至是生产流程控制等方面都具有较大的缺陷，比较现有的这些装置，总结了以下急需解决的问题：
3.1.现有的管材铸造装置，在金属液凝固成型为管坯的过程中，由于固液相变体积的变化加之高温的工况影响，往往导致芯棒在固液相变分界点产生小范围受损，直接导致生产的管坯的质量不合要求，现有的装置及方法中并不能及时发现芯棒受损。
4.2.现有的管材铸造装置对于芯棒的利用率较低，在研究管材实际生产过程中发现，大多数装置在芯棒受损后为保证生产质量便直接停机更换芯棒或铸造型腔，然而换下的芯棒往往仅有几毫米的受损区域，对于芯棒的利用率极低，且频繁的停机更换严重影响生产效率易造成生产安全事故。
5.3.现有的管材铸造装置不能实时监测生产管坯的质量，对于管坯的生产过程中，尤其管坯的内孔质量十分影响后续工艺以及制造的管材好坏，但是现有的装置中并不能实时监测管坯的内孔质量。
6.因此为解决上述问题急需一种管材铸造的方法及装置。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种管材铸造的方法及装置，采用应力传感器和振动传感器实时监测芯棒的轴向受力和径向跳动振幅，根据数据波动可以及时发现芯棒是否受损，并及时控制管坯凝固点移出芯棒受损区域，能够有效提升芯棒的利用率，减少因停机更换芯棒带来的安全问题，并实现对管坯的内孔质量进行监测。
8.本发明采用的技术方案如下：
9.本发明所提出的一种管材铸造的装置，其包括，浇铸装置、冷凝装置、电磁结晶装置、铸造外腔、芯棒、轧辊、管坯、应力传感器、振动传感器，浇铸装置一侧设置有冷凝装置，冷凝装置外部设置有电磁结晶装置，冷凝装置内部设置有铸造外腔，铸造外腔内部设置有芯棒，芯棒固定端设置于浇铸装置内部，芯棒固定端外壁均匀设置有应力传感器和振动传感器，管坯成型于铸造外腔和芯棒之间，管坯一侧设置有轧辊，所述浇筑装置用于提供金属液；所述冷凝装置和电磁结晶装置用于控制金属液结晶凝固，所述应力传感器和振动传感器用于监测芯棒的振动状况，基于应力传感器和振动传感器监测的信息对冷凝装置的输出状态和电磁结晶装置的位置进行调节。
10.进一步的，所述浇注装置包括进液箱、浇铸管、保温腔，进液箱下方设置有浇铸管，
浇铸管下方设置有保温腔，金属液通过浇注管进入保温腔中保温。
11.进一步的，所述冷凝装置包括冷凝腔、水槽、加压泵、入水口、出水口，冷凝腔上端设置有入水口，冷凝腔下端设置有出水口，出水口下方设置有水槽，水槽前端设置有加压泵。
12.进一步的，所述电磁结晶装置包括电磁结晶器，对所述电磁结晶装置进行位置调节的机构包括连接在其上的光杠和丝杠电机，电磁结晶器外部均匀设置四根光杠，电磁结晶器下方设置有丝杠电机。
13.进一步的，所述应力传感器和振动传感器为耐高温型传感器，二者外层均有耐高温材料包裹。
14.进一步的，铸造外腔具有预设的导热性能，便于冷凝水将金属液的热量带出使其成型为管坯。
15.进一步的，冷凝腔具有预设的导热性能，便于冷凝水将金属液的热量带出使其成型为管坯。
16.本发明还公开了一种管材铸造的方法，包括以下步骤：
17.s1:装置初始化：
18.在浇注装置的进液箱中盛放金属液，金属液通过浇注管进入保温腔中保温，并随之流入冷凝装置中降温，电磁结晶装置的初始位置位于靠近冷凝装置入水口的一侧，加压泵负载压力达到设定初始值，以控制冷凝装置中冷凝水流量q，通过冷凝装置和电磁结晶装置的共同作用控制金属液结晶凝固，在铸造外腔和芯棒的作用下形成管坯，通过轧辊的拉拽将管坯拉出，进而实现管坯的连续铸造；
19.s2：芯棒受损监测：
20.在冷凝装置和电磁结晶装置以及轧辊拉拽速度v的共同作用下，管坯的固、液相线在电磁结晶器的作用范围内出现，通过应力传感器和振动传感器实时监测芯棒的轴向受力和径向振动，当芯棒出现损毁时应力传感器监测到的轴向受力大小会出现不稳定波动或突变，振动传感器监测到的径向振动的振幅大小也会出现不稳定波动；
21.s3：凝固点位置监测：
22.管坯成形时凝固点处液相和固相之间有体积转变，当凝固点与芯棒固定端距离d越远，芯棒的径向跳动振幅f越大，多次测量距离d和振幅f确定二者的函数关系d＝f(f)，根据振动传感器获取的振幅f以及函数关系d＝f(f)得到凝固点d的位置；
23.s4：凝固点位置移动：
24.当芯棒在管坯凝固点处发生损毁时，丝杠电机控制电磁结晶器向冷凝装置出水口一侧移动，直至应力传感器和振动传感器监测到的数据达到稳定，并获取电磁结晶器中点和芯棒固定端之间的距离l，即此时凝固点已经脱离芯棒损毁范围，微调凝固点使其位于电磁结晶器的作用范围内；
25.重复上述步骤直至连铸完成或芯棒完全损毁。
26.进一步的，凝固点位置微调具体包括如下步骤：
27.电磁结晶器作用宽度为x，当凝固点位置d≤l-x/2时，即凝固点在电磁结晶器的左侧，减少冷凝装置中冷凝水流量q，并增加轧辊拉拽速度v，当凝固点位置d≥l x/2时，即凝固点在电磁结晶器的右侧，增加冷凝装置中冷凝水流量q，并减少轧辊拉拽速度v；
28.在凝固点微调时，不局限于通过冷凝水流量q和轧辊拉拽速度v来进行调控，还可通过控制电磁结晶器通电电流i的大小来协同调控。
29.进一步的，丝杠电机控制电磁结晶器移动一次距离y后，停留t时间，给予应力传感器和振动传感器监测时间，并根据监测数值判定凝固点是否还位于损毁处，以确定是否继续移动。
30.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
31.1、本发明的装置，通过应力传感器和振动传感器实时监测芯棒的轴向受力和径向跳动振幅，根据数据波动可以及时发现芯棒是否受损，并及时控制管坯凝固点移出芯棒受损区域，能够有效提升芯棒的利用率，减少停机次数，减少因更换芯棒带来的安全问题，并带来十分可观的经济效益；
32.2、本发明的方法简单明了，对于现有的管材铸造装置具有较好的兼容性，通过简单的应力传感器和振动传感器即可实现芯棒是否受损的判定，以及管坯凝固点位置的确定等，对于大多数管材铸造装置都可以利用本发明的方法实现，无需进行过多的结构改变。
33.3、本发明能够实现对管坯内孔质量的监测，通过应力传感器以及振动传感器监测的实时数据，可以判定芯棒在生产过程中的受力和振动状态，由于管坯的内孔是在芯棒的作用下凝固成型的，因此芯棒在生产过程中的状态直接影响管坯内孔的质量，由此管坯的内孔质量可以经由分析传感器获取芯棒的实时数据进而实现监测。
附图说明
34.图1是本发明装置的整体结构示意图；
35.图2是本发明装置的主视图；
36.图3是本发明装置的局部剖视图；
37.图4是图1中冷凝装置的结构示意图；
38.图5是图1中芯棒的结构示意图；
39.图6是本发明方法的操作流程示意图。
40.其中，附图标记：1-浇铸装置；101-进液箱；102-浇铸管；103-保温腔；2-冷凝装置；201-冷凝腔；202-水槽；203-加压泵；204-入水口；205-出水口；3-电磁结晶装置；301-电磁结晶器；302-光杠；303-丝杠电机；4-铸造外腔；5-芯棒；6-轧辊；7-管坯；8-应力传感器；9-振动传感器。
具体实施方式
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
43.参见附图1至5，给出了本发明所提出的一种管材铸造的装置的一个实施例的具体结构，其包括，浇注装置1、冷凝装置2、电磁结晶装置3、铸造外腔4、芯棒5、轧辊6、管坯7、应力传感器8、振动传感器9，浇铸装置一侧设置有冷凝装置，冷凝装置外部设置有电磁结晶装置，冷凝装置内部设置有铸造外腔，铸造外腔内部设置有芯棒，芯棒固定端设置于浇铸装置内部，芯棒固定端外壁均匀设置有应力传感器和振动传感器，管坯成型于铸造外腔和芯棒之间，管坯一侧设置有轧辊；
44.浇注装置包括进液箱101、浇铸管102、保温腔103，进液箱下方设置有浇铸管，浇铸管下方设置有保温腔；
45.冷凝装置包括冷凝腔201、水槽202、加压泵203、入水口204、出水口205，冷凝腔上端设置有入水口，冷凝腔下端设置有出水口，出水口下方设置有水槽，水槽前端设置有加压泵；
46.电磁结晶装置包括电磁结晶器301、光杠302、丝杠电机303，电磁结晶器外部均匀设置四根光杠，电磁结晶器下方设置有丝杠电机。
47.应力传感器和振动传感器外层有耐高温材料包裹且为耐高温型传感器。
48.铸造外腔和冷凝腔均具有较高的导热性能，便于冷凝水将金属液的热量带出使其成型为管坯。
49.参见附图6所示，给出了一种管材铸造的方法，其包括以下步骤：
50.s1:装置初始化：
51.在浇注装置的进液箱中盛放有金属液，金属液通过浇注管进入保温腔中保温，并随之流入冷凝装置中降温，电磁结晶装置的初始位置位于靠近冷凝装置入水口的一侧，加压泵负载压力达到设定初始值，以控制冷凝装置中冷凝水流量q，通过冷凝装置和电磁结晶装置的共同作用控制金属液结晶凝固，在铸造外腔和芯棒的作用下形成管坯，通过轧辊的拉拽将管坯拉出，进而实现管坯的连续铸造；
52.s2：芯棒受损监测：
53.在冷凝装置和电磁结晶装置以及轧辊拉拽速度v的共同作用下，管坯的固液相线在电磁结晶器的作用范围内出现，由于金属固相和液相的差异，导致芯棒在凝固点易产生小范围损毁如d点所示，通过应力传感器和振动传感器实时监测芯棒的轴向受力和径向振动，当芯棒出现损毁时应力传感器监测到的轴向受力大小会出现不稳定波动或突变，振动传感器监测到的径向振动的振幅大小也会出现不稳定波动；
54.s3：凝固点位置监测：
55.管坯凝固成形时，由于金属液相和固相之间体积的转变，使得芯棒在径向会发生跳动，当凝固点越远离芯棒的固定端时，芯棒的径向跳动振幅f越大，则凝固点和芯棒固定端之间的距离d，有函数d＝f(f)，其关系式可通过实际调验获得，由此可以根据振动传感器振幅获取凝固点d的位置；
56.s4：凝固点位置移动：
57.当芯棒在管坯凝固点处发生损毁时，丝杠电机控制电磁结晶器向冷凝装置出水口一侧移动，直至应力传感器和振动传感器监测到的数据达到稳定，并获取电磁结晶器中点和芯棒固定端之间的距离l，即此时凝固点已经脱离芯棒损毁范围，为保证管坯的铸造质量和效率，还应微调凝固点使其位于电磁结晶器的作用范围内；
58.s5：凝固点位置微调：
59.电磁结晶器作用宽度为x，当凝固点位置d≤l-x/2时，即凝固点在电磁结晶器的左侧，可减少冷凝装置中冷凝水流量q，并增加轧辊拉拽速度v，当凝固点位置d≥l x/2时，即凝固点在电磁结晶器的右侧，可增加冷凝装置中冷凝水流量q，并减少轧辊拉拽速度v；
60.根据应力传感器以及振动传感器监测的实时数据，判定芯棒在生产过程中的受力和振动状态，根据芯棒的受力和振动状态记录管坯内孔的成型质量。
61.重复上述步骤直至连铸完成或芯棒完全损毁。
62.丝杠电机控制电磁结晶器移动一次距离y后，停留t时间，给予应力传感器和振动传感器监测时间，并根据监测数值判定凝固点是否还位于损毁处，以确定是否继续移动。
63.在凝固点微调时，不局限于通过冷凝水流量q和轧辊拉拽速度v来进行调控，还可通过控制电磁结晶器通电电流i的大小来协同调控。
64.本发明一种管材铸造的方法及装置与现有技术中装置的不同之处在于：本发明通过应力传感器和振动传感器实时监测芯棒的轴向受力和径向跳动振幅，可以及时发现芯棒是否受损，丝杠电机控制电磁结晶器的移动并配合冷凝装置，可以及时控制管坯凝固点移出芯棒受损区域，在保证管坯的铸造质量的同时，能够有效提升芯棒的利用率，减少停机次数，减少因更换芯棒带来的安全问题，并带来十分可观的经济效益；；
65.本发明一种管材铸造的方法及装置与现有技术中装置的不同之处在于：本发明相较于传统的管材铸造装置仅添加了应力传感器和振动传感器以及电磁结晶装置，通过简单的应力传感器和振动传感器即可实现芯棒是否受损的判定，以及管坯凝固点位置的确定等，对于大多数管材铸造装置都可以利用本发明的方法实现，无需进行过多的结构改变。
66.本以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。