[发明专利]一种快速凝固制备金属带材的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于金属快速凝固的技术领域，具体地说是一种快速凝固制备金属带材的方法及装置。

背景技术

金属快速凝固技术自出现以来已获得了快速的发展，快速凝固过程能获得极高的冷却速率，大幅度改善了液态金属凝固后的组织和性能，早期的快凝技术用于获得快速凝固的金属薄片，目前该技术已能实现金属粉末、细线材和薄带的生产制备，从而得到了广泛的应用。其中快速凝固薄带既可以作为直接成形的最终产品应用，也可以对其进一步进行轧制等后续加工，已成为快速凝固技术最主要的应用领域。薄带快凝技术工艺方案因结晶器的不同主要分为辊式（单辊法和双辊法）与辊带式等。

单辊法（熔体自旋法），采用高速旋转的激冷圆辊将合金液流铺展成液膜并在激冷作用下实现快速凝固，由于该方法原理简单且设备投资少，目前应用最广泛。但单辊法存在显著的缺陷——1. 在非真空环境下生产时，辊子高速转动带来的辊面风对喷射液流造成严重影响，导致工艺过程不稳定，因此，需要采用单辊片状流法，依靠严格控制喷嘴与辊面的间隙（100~300μm）来实现稳定的出流成带，对装置制造与调整要求极其严格；2. 金属液接触到辊子外圆面后，立刻受到离心力的作用，在辊面停留时间很短即被甩离，难以强化冷却效果。

为减小离心力的这种不利影响，又提出了利用辊子的内圆面制备快凝带的方法，如中国发明专利200410009581.1公开了一种快速凝固制备非晶薄带的方法,首先将冷却体设计成滚筒环形,熔池置于冷却体环内,熔融的液体垂直喷射到滚筒内壁；然后,在冷却体环内安装一弹性旋转轴,轴外周涂少许粘液,以粘住最初的薄带,轴以一定的速度旋转,将产生的薄带绕在轴上;根据内环与旋转轴的半径比,调节两者的相对转速,使喷射与绕带同时进行;最后将旋转轴抽出冷却体,获得快凝薄带。其采用滚筒环形冷却体，利用滚筒的内壁进行冷却，但要获得宽而长的快凝带，要求滚筒的长度和直径都要足够大，为获得光滑的快凝带表面，要求滚筒内壁表面必须精磨，而且，每工作一段时间还必须对滚筒内壁冷却面进行精磨和清理，导致制造、维护难度都很大，并且必须在滚筒内部安装薄带卷曲装置，使用操作均有不便，另一方面，一个大直径又较长的空心滚筒要实现稳定高速转动，也存在较多的困难。

为适应宽带生产，又有人提出双辊法，使金属液在两辊之间的缝隙中完成凝固而获得快凝薄带，该法可以生产较宽的薄带且生产效率较高，目前在薄带连铸生产中获得了广泛的应用。但该方法存在明显的不足：一是金属液的侧封问题，生产实践表明，因侧封引起的连铸失败几率达到60％以上，且侧封材料的消耗占薄带坯生产成本的20％以上，提高了生产成本且破坏了生产过程的稳定性；另一方面，实验结果证明双辊法能达到的冷却速度不够理想，存在生产效率与薄带品质控制的矛盾，要提高生产效率，就需要提升熔池液面高度以延长金属液与辊面的接触范围（即有效冷却距离），但液位的提高直接带来了偏析严重、侧封更加困难、凝固终止点难以控制等问题，导致薄带坯的品质变差。

带法是改善冷却条件的努力方向之一，如SCR轧机，在两个辊之间增加一条包绕其中一辊的冷却钢带，使熔融金属在钢带和被包绕冷却辊之间冷却凝固，在一定程度上改善了冷却条件，但结构复杂且同样存在着金属液的侧封问题，而且冷却带始终处于高温条件下的高张力服役条件，使用寿命很短。如中国发明专利00106176.3公开了一种金属带材快速凝固成形的方法，背面实施冷却的冷却钢带(3)(3’)由驱动辊(6)(6’)、定位辊(4)(4’)和张紧辊(5)(5’)支撑，形成冷却区域；冷却钢带在驱动辊的带动下以线速度0.1～20m/s运动，熔融金属(1)在压力作用下由坩埚(2)进入冷却区域，在运动过程中被冷却而实现快速凝固成形，制备厚度100μm～2mm的快速凝固金属带材。其采用两条封闭冷却带，在两条冷却带之间构成冷却凝固区域，这可看做是双辊式的变形，虽然采用带式冷却提高了凝固效率，但由于传动带的侧封更加困难，且冷却凝固区完全靠冷却带控制快凝带的厚向尺寸，由于冷却带在厚度方向的刚度差而难以保证快凝带材的厚度均匀性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的上述不足，提供一种结构合理，能够有效强化并控制冷却条件，生产工艺简单、效率高的快速凝固制备金属带材的方法及装置。