扁坯和铸锭轧制时减少切头损失用的方法和设备的制作方法

专利名称：扁坯和铸锭轧制时减少切头损失用的方法和设备的制作方法
背景技术：
发明领域本发明一般地涉及金属铸锭的轧制，以及更具体地说，涉及用于增加铸锭轧制生产率和轧机效率的方法和设备，例如，这种增加是借助降低扁平坯料的轧制时的端部切头的损失。在材料利用率和轧制效率中这种有利的增加是借助新型的扁坯铸锭的端部几何形状获得时，该端部是在铸锭的一端或两端，优选地是在铸锭铸造时形成的。本发明最有利使用于铝合金轧制产品的制造。
现有技术的说明一种广泛使用的制造铝厚板、薄板和箔材产品的方法，开始时包括扁坯形铸锭的垂直的半连续铸造，它具有最底下的前端，在技术中它称为铸锭的“平端部(butt end)，平端部是当液体金属在可移动的底块或者铸型的开口底部内的起动铸块上凝固时形成的。凝固之后，平端部具有底块的成形的几何形状。当凝固的金属铸锭从铸型的开口端原先被底块占据的位置排出时，底块连续地移动向下和离开铸型。金属的垂直铸造的铸锭的横截面具有铸型的水平的横截面几何形状。铸型的侧壁和由铸型排出的凝固的铸锭的侧壁被喷水以提高凝固速率。这种铸造技术称为直接冷激铸造或“DC”铸造，它们在技术中都是已知的。当铸锭达到预定的长度，浇至铸型的熔融金属流停止，以及凝固的铸锭由铸造坑取出，用于进一步加工。在商业的直接冷激铸造中普通的实践是在一个铸造工序中由一组肩并肩的多个铸型浇注出多个铸锭。当然，对于本专业普通技术人员很容易理解，本发明适合于与其它半连续铸造系统结合使用，比如，电磁铸造(EMC铸造)。
DC或EMC铸造的铸锭随后可以剥皮除去铸造表面缺陷和在炉中加热进行均匀化，以保证在轧制前沿铸锭横截面的化学性均匀。为了使这样处理过的铸锭加工成为合格的最终产品，比如薄板、厚板、箔材、或类似产品，铸锭加热至希望的轧制温度，以及在扁坯轧机内经受多次的热轧粗加工道次。这种轧机组通常使用一台或多台反向粗轧机。
在铸锭或有限宽度、厚度和长度的扁坯上存在的自由表面允许在热轧时在长度和宽度尺寸上产生不均匀的轧制变形。这种不均匀的变形引起在其中心区扁坯的延伸，它形成一个凸起的、在其两端纵向延伸的“舌形”状态，特别是在一般不使用侧面或边缘轧辊的、反向轧机内粗加工铝扁坯上。然而，舌形状态的形成在铝合金的轧制中并非罕见，即使轧机配备了边缘轧辊。上述的不均匀的变形现象更严重地出现在扁坯的长度方向，导致其它的情况，在技术中称为“折叠”，“重叠”或“裂痕”。这些在扁坯两端上不利的情况随着轧制的继续而更为恶化，以及最终必须用切头剪机去除，以允许轧制继续进行。由于切头剪切机设备的限制，某些轧机有对切头长度的限制，以及必须采取两次或更多次切头，以切去重叠和舌形变形限定的所需的长度。在某些情况下，业已发现，严重的扁坯端部延伸可能产生在早期的轧制道次时，理想的是借助中间的端部切头来除去这一缺陷，但是如果对于切头剪切扁坯的厚度过大，这种切头就是不可能的。在此种情况下，端部变形随后变得更糟，在轧制继续时引起附加的端部切头损失。众所周知，如果切头能延迟至后面的轧制工序，较短的切头长度可以提供显著的金属回收效益和/或工作效益。此外，业已知道，重叠或裂痕现象在某些严重情况下，会导致扁坯的上表面和下表面向上和向下扩张，超出了在水平的中心线处的扁坯端部。该重叠必须剪切掉，以允许轧制为较小的厚度，以便安全地进入连续的轧制设备。此外，“裂痕”的扩张的端部移动或损坏台面轧辊表面和工作轧辊，这样破坏了生产。还有众所周知，重叠引起金属内的夹层裂隙，它在轧制时增大，如果不将其用切头剪切机剪去，将会导致不合格的厚板和薄板产品。
申请人的同事们早期的实验工作试图减少扁坯的轧制切头损失，方法是借助机加工去掉铸锭的上和下横向边缘，而使扁坯铸锭的两端具有锥度，这样由纵向侧视观察时，形成了截头锥形的、箭头形端部型面。在厂内试验中，是采用具有30°、38°和45°锥形端的铸锭进行的。最佳的形状发现是在30°和34°之间的锥度，以减少“折叠”、“重叠”、“裂痕”等问题。30°～40°的深锥度是借助机加工达到的，它代表附加的制造费用，以及也引起一些材料损失。此外，虽然“裂痕”问题借助机加工的锥形端部有某些减少，但“舌形”延伸问题，即凸起形状的端部(顶视图看)仍然存在。
在美国专利4,344,309(Matsuzaki)中建议轧制钢扁坯的一种方法，用于防止“鱼嘴”重叠的增长，凹陷形成在钢扁坯的两端，方法是在几个短反向轧辊咬入轧件中局部轧制扁坯的两端。用于减少钢扁坯内重叠的形成。也可在扁坯的两端相对的侧边上的宽度方向上形成凹陷部位，方法是以相同的方式垂直地延伸侧面轧辊，试图防止鱼尾的形成。随后轧制进行，以减少钢扁坯的厚度，加上补充的侧面边缘轧制，及形成所需的中间的凹陷。这种精巧的轧制程序可以减少钢扁坯中重叠和鱼尾的形成，但它要求附加的轧制时间，从而增加了最终产品的费用。此外，许多扁坯粗轧机组，特别是铝工业中的扁坯粗轧机组，并未配备美国专利NO.4,344,309要求的垂直的侧面轧辊。该文献还建议钢铸锭的两端的成形法，方法是将铸锭的底端制成截头锥形，以减少切头损失，同时使用钢扁坯的边缘轧制。这些建议也不适用于不使用具有垂直取向轧辊的侧面或边缘轧制的铝粗轧机组。
本发明克服了现有技术的缺点，它提供了用来减少至少在扁坯的平端部上的热轧端部的切头的方法、设备和成形的扁坯铸锭，极大地改善了轧制生产率以及金属生产率，特别是在铝合金轧制产品的热轧中。
本发明提供了可提供具有特殊形状的铸锭的方法、产品和设备，这种特殊形状至少成形在铸锭的平端部，优选地是在铸造时成形的。本发明提供的特殊形状的扁坯铸锭减少了扁坯轧制时重叠/裂痕以及舌形的发生，从而减少了切头损失，以提高轧制生产率和金属回收率。
本发明还提供了在扁坯铸锭铸造时使用的特殊形状的底块，以提供在铸锭内的成形的平端部，从而减少在随后热轧/扁坯成形时的重叠/裂痕的形成，按照本发明控制铸锭端部的形状，提供了较容易的切头，这是由于在需要切头时轧制的铸锭是较薄的。此外，本发明提供了使用“热顶”型铸型，用以在铸锭浇注结束时放置在铸型上，以便在铸锭头部端形成特殊的形状，它与平端部的形状相同。因此，头部端也减少了与舌形和重叠/裂痕有关的共同的轧制切头损失的问题。再者，本发明提供的扁坯铸锭具有至少一端是借助铸造或机加工制成的特殊形状的，以减少轧制时形成舌形和重叠等问题。
发明概要本发明提供一种设备，它具有特殊形状的底块或起动铸块，以便给予直接冷激铸造(DC)或电磁铸造(EMC)的铸铝扁坯铸锭的平端部相同的形状。本发明还提供一种扁坯铸锭，其一端或两端借助铸造和/或机加工制成特殊的形状。本发明还包括借助提供一种扁坯铸锭，具有用铸造和/或机加工制成的至少一个特殊形状的端部，减少金属扁坯铸锭轧制时端部切头损失的过程或方法。已发现本发明在铝合金工业中特别的适用性。
简单地说，按照本发明的设备具有一个底块或起动铸块，用于在半连续铸造站形成扁坯铸锭的平端部。底块具有在顶视图中的矩形。当由纵侧面图的横剖面观察时，底块具有凸起的中心区，在其相对的横向间隔的两端具有向下的锥形段，以形成在相对的横向的两端向下延伸的凹陷区。底块的凸起的中心区和横向间隔的凹陷的端部区当由狭边缘的侧面立视图观察时，在相对的侧面部分具有锥度，以提供平的表面，这些表面沿着一条公共线相交，这条公共线沿着底块的长度方向纵向地延伸。代替形成锥形的平的表面，锥度也可由弯曲的表面形成。
在铸锭铸造之后，上述的特殊形状的底块具有实质上与扁坯铸锭的平端部相同的特殊的形状。本专业普通技术人员可以理解，凝固的金属将收缩和卷曲离开铸型，以及具有尺寸稍有不同的形状。更具体地说，如果底块的形状考虑为负像，则其铸造出的铸锭的平端部为其正像。因此，铸锭的平端部具有纵向向外延伸的扩大的部分，它倾斜向下延伸至凹陷的中心谷区。扩大的端部部分和凹陷的中心谷区的横侧面带有锥度的或弯曲的边缘。此外，相同形状的热顶型铸型可以使用于形成铸锭的头部端上相同的或类似的特殊的形状。当使用本实施例时，在铸造工序结束时，熔融的金属可充填特殊成形的顶铸型，以保证扁坯铸锭具有其形状与平端部相同或相似的头部端。使用这种方式，由于舌形和重叠问题而引起的切头损失，在轧制的扁坯的两端都可减少。
本发明还设想上述的特殊的端部形状，可以在铸造之后借助机加工、锻造或类似金属成形技术制成在普通的铸造扁坯的一端或两端。虽然机加工或锻造工序代表超过就地铸造的附加的费用组成，但仍相信，它将被更偏重，因为由于减少了端部切头损失和提高了轧机效率而通过提高材料的回收率而实现了节约。
本发明的方法包括下列步骤提供一种扁坯铸锭，具有至少一个成形的端部，优选地为平端部。成形的一端或两端具有至少两个纵向向外延伸的扩大的端部部分，位于相对的横向间隔的位置，与扁坯铸锭的相对的边缘或测量面相邻，扁坯铸锭具有减少的纵向尺寸或在它们之间凹陷的谷区。铸锭的成形的一端或两端还具有上锥形段和下锥形段，横向延伸跨过扁坯的宽度，分别从铸绽的上轧制面和下轧制面延伸，跨过向外延伸的扩大的端部部分以及也跨过减少纵向尺寸的凹陷的谷区。扁坯铸锭的特殊的成形部分优选地是使用相同形状的端部底块和热顶铸型借助铸造制成的。代替的方案是，此特殊成形的端部可以是借助机加工或锻造一个普通的铸造的扁坯铸锭而制成的。然而，本发明的提供的这种优选的方法包括的步骤是提供带有特殊形状的扁坯铸锭，它是使用成形的底块在铸造时形成的。扁坯铸定的头部端可保留是平坦的，如同普通的铸造实践中那样，或者通过使用与热顶铸型形状相同的成形铸型进行成形步骤，以便在铸造工序结束时形成铸锭头部的上述的特殊的形状。此外，本发明设想如果在铸造后头部端保持为平坦的，它可以机加工或锻造至接近对接的末端的特殊的形状，包括带有凹陷的中间谷、在其之间的扩大的端部部分、以及从铸锭的上和下轧制面横向地延伸的锥形段。代替的方案是，如果在铸造之后扁坯的头部端和/或平端部保持为平坦的，它们可以机加工或锻造，或仅部分地轧制至提供横向的锥形段，跨过上和下轧制面(没有扩大的端部部分)，从而减少在轧制的铸锭的头部端上的重叠问题。
本发明的方法也可以包括下列步骤，进行部分地轧制的扁坯的中间的端部切头，其中，切头剪切机给予扁坯特殊的形状。此切头的端部包括扩大的端部部分以及凹陷的中心低谷部分，从而减少了随后轧制时舌形的形成。
按照本发明的方法是以通过热反向开坯轧机一系列的减厚道次的热反向轧制而结束，以减少铸锭的厚度和增加其长度，而这时特殊成形的扁坯铸锭端部减少了重叠和舌形的形成，从而借助减少端部切头损失而改善了材料回收率，以及借助增加金属的通过量从而提高了轧机的效率。
本发明的这些和那些优点和特点，将通过参见附图和结合下列的详细的说明而明确地表达出来。
附图的简要说明

图1是扁坯端部的局部的简化的透视图，示出普通的舌形和重叠的轧制变形的形成；图2是图1的扁坯的顶轧制面的不完全的顶视图，示出普通的凸起的舌形变形的发展；图3是图1和2的扁坯的边缘或测量面的局部侧视图，示出在远端上的普通的重叠的轧制变形的发展；图4是在热反向轧机内1道次后普通的铸造的扁坯铸锭的平端部的照片；图5是在热反向轧机内3道次后图4的铸锭的平端部的照片；图6是在5轧制道次后图4和5的铸锭的平端部的照片；图7(a)是在7轧制道次后图4-6的铸锭的平端部的照片；
图7(b)是在7轧制道次后图4-6的铸锭的平端部的照片，但拍摄的位置角度稍不同；图8是两个垂直叠放的扁坯铸锭的平端部的照片，示出按照本发明在铸锭中形成的特殊形状的端部；图9是在热反向轧机内1道次后本发明图8的铸锭的平端部的照片；图10是在热反向轧机内3轧制道次后，本发明的图8和9的铸锭的平端部的照片；图11是5轧制道次后本发明的图8-10的铸锭的平端部的照片；图12是7轧制道次后本发明的图8-11的铸锭的平端部的照片；图13是按照本发明制造的具有特殊形状的端部几何形状的部分的扁坯形铸锭的透视图；图14是图13的铸锭的侧视图；图15是图13的铸锭的特殊形状的端部几何形状的端视图；图16是图13的铸锭的顶视图；图17是按照本发明具有轻度改变的平端部的扁坯形铸锭的顶视图；图18是按照本发明的用于铸造特殊形状的端部几何形状的底块或起动铸块的一个最佳实施例的顶视图；图19是沿图18的剖面线IXX-IXX切取的底块的横剖面图；图20是沿图18的剖面线XX-XX切取的底块的横剖面图；图21是沿图18的剖面线XXI-XXI切取的底块的横剖面图；图22是沿图18的剖面线XXII-XXII切取的底块的横剖面图；图23是图18的底块的端视图；图24是按照本发明的用于铸造特殊成形的端部几何形状的底块的另一最佳实施例的顶视图；图25是沿图24的剖面线XXV-XXV切取的横剖面图；图26是沿图24的剖面线IIVI-XXVI切取的横剖面图；图27是沿图24的剖面线XXVII-XXVII切取的横剖面图28是先前轧制的扁坯的局部的顶视图，示出按照本发明的特殊的切头剪切型面；图29是一台锻压机的简化的立视图，用于按照本发明的在铸锭的端部上特殊成形；图30(a)-30(f)是一对锥形模具和一个铸锭的简化的局部侧视图，顺序地说明类似于图29的压机的操作，用于在按照本发明的铸锭上形成双面的横向锥度。
本发明的详细说明为了更好地理解本发明的细节，有帮助的是确定铸锭铸造和轧制中包括的空间和方向关系，以及这里所使用的术语。这些空间和方向关系将参见图1-3予以说明。图1-3示出普通的铸造的扁坯铸锭1，已经在反向的粗轧机内经过多道次的轧制。图1的透视图确定了三个空间轴线。“X”、“Y”和“Z”。“X”轴线表示扁坯铸锭1的横向宽度方向，“Y”轴线表示铸锭1的垂直的高度或厚度方向，“Z”轴线表示铸锭1的纵向方向，它与轧制方向重合。
扁坯铸锭1具有上轧制面或顶轧制面3以及下轧制面或底轧制面5，它与穿过“X”-“Z”轴线的平面平行或重合。铸锭1还具有第一边缘或测量面7，以及相对的、横向间隔的第二边缘或测量面9，它们两者处于被“Y”-“Z”轴线限定的平行平面内。铸锭1还具有一个平端部(butt end)，实质上处于普通的铸造状态的“X”-“Y”轴线的平面内(图1-3未示出)。如在技术中已知，扁坯铸锭的平端部是借助一个起动铸块或底块形成的，该底块一般是平坦的或稍凹的，它给予铸锭的平端部在金属凝固后平坦的或稍凸的形状。此铸锭1具有头部端(head end)(图1-3未示出)，它是在铸造工序结束时形成的，以及它也通常具有平坦的或凸起的表面，接近平行于“X”-“Y”轴线的平面。
在普通的扁坯形铝铸锭1的反向粗轧的典型情况下，如图1-3所示，在轧机内几道次后，一些轧制变形开始出现在铸锭的端部11内。一个向外延伸的凸起的“舌形”13在“X”-“Z”平面上形成(图2)以及一个“重叠”15在“Y”-“Z”平面上发展(图3)。
舌形13和重叠15的轧制变形相继地示出在图4-7的照片内，这些照片是厚度20″×宽度54″的1050铝合金(铝协会规定)普通的铸造的扁坯铸锭上拍摄的。图4给在在1轧制道次后的扁坯，以及示出实质上在铸造形状的平端部。图5，6和7分别地示出第3、第5和第7轧制道次后舌形和重叠的变形的发展。
在反向轧制/粗轧过程中，类似的舌形和重叠变形也产生在坯料的头部端，但与产生在铸锭的平端部上的舌形比较，程度稍轻。这是由于，事实上该平端部比普通的凸起形的平端部较平坦，以及因为与头部端比较，该平端部在轧机内经过一个附加的进入道次。
在反向轧机内经过一系列的轧制道次后，例如7道次后，铸锭的厚度由20in减少至约5in(“Y”方向)。带有舌形13和重叠15变形的轧制的扁坯的端部随后通过剪切被除去或把扁坯端部形成为方形，从而使扁坯可以继续加工和进一步轧制至厚度为约1in。
如图1-3所示，舌形和重叠变形在沿“Z”轴线的轧制方向延伸一定的距离。不能使用的金属沿切头剪切线17被除去，以保证扁坯没有重叠15和舌形13变形。由切头剪切线17延伸至平端部11的切头的端部19随后从扁锭1上切除。类似的切头也使用剪切机在头部端进行。因此，这些切头端部19代表轧制过程中的材料损失以及金属产量的减少。此外，许多商用轧机使用的切头剪切机能进行的切头长度有限制。经常，要求的切头剪切线离开扁坯端部的距离超出了设备的能力，其中已超过剪切长度的限制。在此种情况下，必须进行若干次小增量的切头。这种多次的剪切有损于轧机效率，同时增加了端部切头损失。当然，切头可在轧制过程的不同时间进行，它取决于不同的因素，包括合金，道次的安排，轧机和剪切机的设计，这里涉及几项，其全部对于本领域普通技术人员是已知的。
为了减少端部切头损失和提高轧机效率，按照本发明发展了一种特殊成形的铸锭端部。此特殊成形的铸锭端部的形状示于图8和图13-16。特殊成形的底块，在技术中称为起动铸块，用于制造按照本发明所述的铸锭端部形状，示于图17-23。
参见图13-16，扁坯形铸锭20具有按照本发明的一个最佳实施例的特殊形状的平端部22。此特殊形状的平端部22具有两个纵向延伸的扩大部分24(在“Z”方向上)，处于相对的、横向间隔的位置，邻接相对的边缘或测量面(gage face)7′和9′。纵向尺寸减少的、凹陷的低谷26(“Z”方向)在两个扩大部分24之间横向地延伸(“X”方向)。此扩大部分24包括中间段25，它向内倾斜(“Z”方向)以会合凹陷的低谷区26。代替的方案是，中间段25可以从相对的扩大部分24以较小的角度倾斜和会合或接近扁坯的纵向中心线，以及因此，形成与凹陷的低谷区26稍有不同的形状。上述的铸锭形状使用带有中间的低谷区26的两个扩大部分24以对抗扁坯形铸锭20轧制时的凸起的舌形13的形成(图1-2)。
与此同时，重叠15变形的问题(图1-3)可借助使用在扁坯形铸锭20的平端部22上形成横向锥形段30和32来克服。此横向锥形段30由上轧制面3′和由下轧制面5′延伸至扩大部分24的端面28。此横向锥形段30形成角度α，限定在轧制面3′和5′的平面和相邻的锥形段30的平面之间(见图14)。此角度α优选的范围为约30°至约70°内。一个50°的角度α优选地用于轧制宽度约50″和厚度约20″的铝扁坯形铸锭。
横向锥形段32由上轧制面3′和下轧制面5′沿纵向方向向外延伸，以便与低谷区26的端面27相交。此横向锥形段32形成角度β，限定在轧制面3′和5′的平面和相邻的锥形段32的平面之间(见图14)。此角度β优选地为约30°至约70°的范围内。一个约60°的角度β适合于本发明的实践中用于轧制上述尺寸的铝扁坯形铸锭。中间的倾斜段25也具有锥形段的上和下表面34，从扩大部分24的锥形段30向下倾斜，以便与低谷区26的横向锥形段32相交和会合。
在本发明的一个最佳实施例中，如图13-16所示，铝扁坯形铸锭20在“X”和“Y”方向上分别地具有尺寸48″×19″，特殊成形的平端部的尺寸如下。扩大部分24的端面28在“Z”方向上纵向向外延伸约1.5in，离开低谷区26的距离(“Δ”或δ值)。如果要求铸锭端部可以具有多于两个扩大部分24和多于一个低谷区26(如图17所示)。在图17中，铸锭20′具有4个扩大部分24″和3个低谷区26′，形成在其平端部上。通常，用一个Δ值作为低谷区26，26′的全部底板的最低位和扩大部分24，24′的全部高峰的最高升起之间的距离。此“Δ”或δ值就是低谷区26的底板和扩大部分24的外面或高峰28之间的距离，它在控制舌形变形的形成方面是重要的。铸锭的端部形状和它的δ值有助于规定可形成舌形变形的材料体积沿宽度(“X”方向)的分布。这种分布由扁坯的端部除去材料以对抗凸起的舌形13的形成，从而使在轧制至某一要求的剪切厚度后形成基本上方形的扁坯端部(在顶视图上)。优选地，铸锭20的δ值(或ΔC1)在约1/2in至2-1/2in范围内，更优选地在约0.6in至1-1/2in范围内，以及最优选地在约0.75和1-1/4in范围内，用于此尺寸(48″×19″)的铝铸锭。“ΔC1”值是下列因数的函数开始的扁坯铸锭厚度，合金，铸锭压缩量，轧机能力，以及剪切机的设计/剪切厚度。扩大部分24的长度(即δ值)在扁坯的中部除去材料，以便把金属重新分配至扁坯的端部，因而克服凸起的舌形13的形成，从而在轧制后形成顶视图中基本上方形的端部。该δ值可以根据加工的参数改变，这些参数包括被轧制的合金；每道次扁坯轧制所取的压缩量；轧机的功率；轧辊速度；轧辊直径；冷却剂和轧辊咬入轧件的特性；开始的铸锭厚度和要求的剪切道次所要求的扁坯厚度。
在本最佳实施例中，在“X”方向上低谷区26的长度为约15.5in，如图15的低谷区26的中间的倾斜段25和端面27之间的相交线测定的。如用与上和下横向锥形段32的相交线测定的，在“Y”方向上端面27的宽度为约2in。扩大部分24的端面28在“Y”方向测量为约5in，在“X”方向上为约6in。
图18-23示出适合于成形上述特殊的铸锭端部形状的底块40的一个最佳实施例，本专业技术人员很容易理解直接冷激铸造铝铸锭时底块或起动铸块的作用。底块40通常在顶视图中为矩形，如图18所示。底块40位于用于铸造扁坯形铸锭的相同尺寸的矩形铸型的开口的底部(图中未示出)。熔融的铝随后浇注入铸型和在底块40内凝固，以及因而在其平端部的铸造形状接近底块40的形状。底块40随后由铸型的开启底部缓慢下降以及在此之后以普通的方式形成细长的铸造的扁坯形铸锭。
扁坯形铸锭是使用本发明的底块40铸造的，以形成上述的特殊形状的平端部。图8的照片中示出两个这种铸锭的平端部。图8所示的扁坯铸锭的尺寸为厚度(“Y”方向)20in宽度(“X”方向)49in。这些铸锭是用铝协会的3103型的铝合金铸造的。图9示出在使用图4-7所示普通的扁坯铸锭加工用的相同的反向粗轧机一个轧制道次后的一个铸锭的平端部。图10、11和12示出分别经过第3、第5和第7轧制道次后本发明的特殊形状的平端部。图7和图12的比较表明，本发明实质上消除了普通成形的扁坯铸锭中存在的舌形和重叠变形。
在实践中，有可能继续轧制图12所示的扁坯，而不需要在第7道次之后切头，因为基本上已消除了舌形和重叠。图12的扁坯经过5次附加的轧制道次，已减少至厚度1in，而不需要进行任何中间的切头，从而提高了轧机效率。下表说明了借助本发明实现的材料的节约。表格示出了与普通的铸锭轧制至5.5in厚扁坯的比较。本发明的特殊形状的铸锭提供的平端部切头的节约量。每个扁坯的材料节约量为300Ib至900Ib，代表表中所列各种铸锭尺寸的材料回收增益为1.2％至3.5％。在高通过量轧机中，这种节约代表制造工序的整个经济指标的巨大的改进。
表1
如从图18-23特别是图19-22的剖面图的底块40的一个最佳实施例可看出，底块40具有深凹陷的空腔用于形成扁坯铸锭的特殊的端部几何形状。凹陷的空腔包括深切割部分42，用于形成扩大部分24，和较浅的深切割的中间部分44用于在扁坯铸锭的平端部上形成凹陷的低谷区26。本专业技术人员很容易理解，凝固的金属壳，特别是铝壳将收缩和卷曲离开铸型的底块。同时还知道，某些铝合金比其它合金收缩更大。底块的尺寸设成可以补偿边缘卷曲，它引起凝固的金属在深切割部分42上移离底块边缘的距离大于在中间部分44上的移离距离，因此，深切割部分42制成稍长，以补偿在深切割部分42上产生的边缘卷曲(或较大的收缩)。典型地，在机加工的底块40中的铸锭的δ值，增加约1至2-1/2in，以达到铸锭内希望的δ值。例如，如果希望在铸锭内的δ值为1in(“ΔC1”)随后在底块内的δ值设置为约3in(“ΔBB”)，假设对接卷曲或收缩为2in。如上所述，本专业普通技术人员也会知道，铝合金的对接卷曲量随着合金和横剖面尺寸改变。例如，5000系列的铝合金在铸造时可能具有2in对接卷曲，而1100系列铝合金同样尺寸的铸锭具有约1-1/2in的对接卷曲。因此，在制造底块40时必须考虑铸造的铝合金的类型以及其收缩/卷曲特性。
如图18的底块40的顶视图，以及图22的剖面图所见，底块的长侧面47和49是由铸锭的上和下轧制面3′和5′限定的，它形成连续的向外延伸的凸起的曲线，由隅角45至底块的横向中心线的中点51(与图18的剖面线XX-XX重合)。被侧面47和49限定的凸起的弯曲表面抵消了跨过铸锭的轧制面的卷曲或金属收缩的作用，从而保证了铸锭凝固后平坦的轧制面。必然地，在3-1/2ft宽的铸锭尺寸内，在每个底块侧面47和49内尺寸约1in的凸起的曲度足以克服跨过轧制面的卷曲作用。当然，侧面47和49的凸起的曲线的程度对较宽的铸锭应该增加，较宽的铸锭中产生较大量的卷曲。此外，底块40的测量面侧面53和57以相同的形式形成，带有向外延伸的凸起的弯曲形状，以抵消铸造时测量面边缘的卷曲作用。底块40的测量面侧面53和57以凸起的形式弯曲，由底块的隅角45凸起至底块的纵向中心线的中点59，与图18的剖面线IXX-IXX重合。弯曲的测量面减少了扁锭的边缘轧制裂痕和减少了切头损失。
底块40还具有向下倾斜的侧壁46和48，用于在铸锭上形成相应的横向锥形段30和32，以及还具有向下倾斜的表面50，用以形成铸锭的上和下锥形面34。底块40还具有向上倾斜的梯度表面52，由端部深切割部分42的底面延伸至中间部分，用于在铸锭内形成中间的倾斜段25。
底块40中还具有多个普通的镗孔55，以便与位于一端的空腔的各部分，及位于另一端的底块的外部连通。镗孔55允许冷却在激冷铸造工序时由底块的空腔排出，以及在铸锭渗漏或熔融金属溅入底块的情况下，减少熔融金属蒸汽爆炸的可能性。
本专业普通技术人员可以理解，虽然图中所示的底块40具有机加工表面，它切割成平坦的小面形的表面，但可使用代替的形状，例如，倒圆的或弯曲的(非小面形的)几何形状，或者多小面几何形状。平滑弯曲的“哑铃”形状是底块形状的另一最佳实施例，它可生产较大材料质量的铸锭，在扁坯的横向边缘或进行带有平坦的、或者带有圆弧的上和下横向锥度，从而达到本发明的目的。按照本发明的一个改进的底块60的实例示于图24-27。底块60具有空腔62，它由连续的圆弧的或椭圆的表面形成，以便形成较深的切割端部64和比较小深度的切割中间部分66，以及圆弧表面68和70，以便形成双面的横向锥度。对于这些形状，侧面型面更椭圆形，在该处，在角度从轧制面的零度改变至低谷平坦处的90°时，因此，这种形状，而不是角度本身与非小面形状有关。
本发明适合使用于铸造的或者其它成形的(机加工的)金属铸锭，这些铸锭通常由扁坯形铸锭轧成平厚板或薄板。金属，比如钢、铜、钛，特别是铝及铝合金是关心的。关于铝，本发明可使用于下列合金的铸造铝协会的1000，2000，3000，4000，5000，7000，和8000系列合金。特别感兴趣的是铝协会的1000，3000，5000，和6000系列铝合金。也感兴趣的是2000和7000系列铝合金，在这里扁坯被轧制成厚板和薄板结构的产品，供航空和航天技术使用。
按照本发明的一种改进的方法可以任选地包括中间扁坯剪切或切头步骤，在其中，轧制的扁坯例如在7至10轧制道次之后，其端部借助特殊形状的剪切机切头。切头剪切机具有图28所示的特殊的型面72。特殊的型面72保证切头的扁坯端部在顶视图中具有凹陷的中心低谷部分74以及向外扩大的端部部分76。特殊的剪切型面72因而在切头后的继续的轧制时减少舌形的形成。
上述的本发明的特殊形状的铸锭端部优选地是在铸锭铸造时形成，特别是借助特殊成形的底块40(小面形状)或底块60(弧形的，哑铃形的)在铸锭的端部上形成。铸锭的头部端也可是特殊成形的，以设想与平端部的形状实质上相同，它是通过使用位于铸型上面的相同形状的热顶铸型和在铸造工序结束时用熔融的金属充填。代替的方案是，头部端的特殊的形状，可以借助机加工以复制或接近图13-17所示的铸锭端部的形状。铸锭的一端或两端也可以借助锻造或使用要求形状的模具挤压成形。例如，适当能力的锻造或挤压机配备一对带锥度的模具，以变形扁坯铸锭的一端或两端成为双面锥度的形状。用于在铸锭上形成双面锥度形状的设备示于图29和30。压机或锻造压机80示于图29，它具有一对带锥度的模具，用于，例如在铸锭的头部端和/或平端部上形成横向锥度。
一种功率900t的液压机适合于在铝铸锭上形成锥度。优选地，在锥度形成前铸锭加热至温度850～950°F。
图30(a)-30(f)顺序地示出使用图29所示液压锻造机的机械成形工序，在其中在扁坯形铸锭90的一个端部形成双面横向锥形段。在图30(a)-30(f)中，端止点84是顶模具82的一部分，下模具标为82′。本实施例的铸锭90具有厚度21in和宽度50in，以及图30(f)所示的加工后的端部形状具有在锥形段端部处的7in垂直平面，以及上和下锥形段86的长度约16in。锥形段和模具82，82′的锥度约25°(由水平线起)。下面的表估算液压锻造机需要的峰值载荷，用于在50in宽的3×××系统铝合金铸锭上形成双面横向端部锥形段，在锻造机的一个冲程内，以冲头速度0.1in/s和1.0in/s和铸锭温度85°F和950°F进行。
表2
如果使用较小尺寸的模具，表格中报告的峰值载荷可以减少。例如，在上述表格中，可以假设，50in宽的模具使用于在锻造机内的一个冲程内变形铸锭的整个宽度。如果模具的长度减小，可以在较低的液压载荷下获得相同的端部形状。例如，如果带锥度的模具的宽度为10in，铸锭端部可以借助10in内的5次镦锻形成，各与铸锭的宽度横交。这样仅需要表格中所示峰值载荷的20％。
虽然详细地说明了本发明的专门的实施例，本专业普通技术人员可以理解，根据公开内容的整个教导，对这些细节可发展各种改变和代替。这里所述的最佳实施例，仅是作为说明性的，以及不对本发明的范围的限制。本发明的范围按照所附的权利要求书和任何的和全部的等同物的范围而给出。
权利要求
1.一种在轧制金属铸锭时减少切头损失的方法，它包括下列步骤(a)提供一个铸锭，它具有至少一个成形的端部，其中上述的成形的端部具有至少两个纵向向外延伸的扩大部分，设在位于相对的横向间隔的位置，与铸锭的相对的边缘面相邻，以及具有在扩大部分之间的减少纵向尺寸的低谷区，该低谷区被尺寸“Δ”限定；上述的铸锭的至少一个成形端部还具有上和下锥形段，横向延伸跨过上述的铸锭的宽度，分别从上述的铸锭的上轧制面和下轧制面延伸，跨过上述的扩大部分以及跨过上述的低谷区；以及(b)在上述扁坯铸锭上进行多个轧制道次，以便减少其厚度和增加上述铸锭的长度，在其中上述的端部向外延伸的扩大部分和上述的横向延伸的锥形段，分别用于减少重叠/夹层和舌形缺陷的形成，从而使上述缺陷引起的切头损失减少。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，铸锭的至少一个成形的端部是平端部，它是在铸锭铸造时借助一个成形的底块形成的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，铸锭的至少一个成形的端部是在铸锭铸造后，轧制前借助机加工形成的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，铸锭的平端部和头部端各设置一个成形的端部，在其中，至少一个在平端部上的成形的端部是在铸锭铸造时借助成形的底块形成的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在铸锭的头部端上的成形的端部是借助铸造、机加工、轧制或锻造中的一种方法形成的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，成形的铸锭端部的尺寸“Δ”在约1/2in至2-1/2in范围内。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，延伸跨过扩大部分的横向锥形段是从角度“α”形成的，该角度被在铸锭的轧制面的平面和通过扩大部分上横向锥形段的平面之间的夹角限定，上述的角度“α”在约30°和70°之间，以及在其中，延伸跨过低谷在的横向锥形段是以角度“β”形成的，该角度被轧制面的平面和通过低谷区的横向锥度的平面之间的夹角限定，以及其中，上述的角度“β”在约30°和70°之间。
8.一种具有特殊形状的端部的用于随后轧制时减少切头损失的金属铸锭，上述的特殊成形的端部具有至少两个纵向向外延伸的扩大部分，位于相对的横向间隔的位置，与铸锭的相对的边缘面相邻，以及具有在它们之间的减少纵向尺寸的低谷区，该区被尺寸“Δ”限定；上述的至少一个铸锭的成形端部也具有上和下锥形段，横向延伸跨过上述的铸锭的宽度，分别从上述的铸锭的上轧制面和下轧制面延伸，跨过上述的扩大部分以及跨过上述的低谷区。
9.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的扁坯铸锭的头部端具有特殊形状的端部，它的形状实质上与上述的平端部的相同。
10.如权利要求9所述的铸锭，其特征在于，特殊形状的平端部是借助铸造或机加工中的一种方法形成的，以及特殊形状的头部端是借助铸造或机加工形成的。
11.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的扁坯铸锭的头部端具有特殊形状的端部，该末段具有上和下锥形段，横向延伸跨过上述的铸锭的宽度，从头部端的上轧制面和下轧制面延伸至头部端的前表面。
12.如权利要求11所述的铸锭，其特征在于，所述的特殊成形的头部端是借助铸造、轧制或锻造形成的。
13.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的尺寸“Δ”在约1/2in至2-1/2in之间。
14.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是选自包括铝、铝合金、钢和钛的一组金属中的一种。
15.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是铝或选自包括铝协会的1000，2000，3000，4000，5000，6000，7000，和8000系列铝合金的一组铝合金中的一种。
16.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是铝协会的1000系列的铝合金。
17.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是铝协会2000系列的铝合金。
18.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是铝协会的3000系列的铝合金。
19.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是铝协会的5000系列的铝合金。
20.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于所述的铸锭是扁坯形状以及具有矩形横截面，用于轧制成厚板或薄板产品。
21.如权利要求20所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是铝协会的2000或7000系列中的一种，用于航空和空间技术用部件。
22.如权利要求8所述的铸锭，其特征在于，所述的金属是铝协会的6000系列的铝合金。
23.一种具有特殊形状的平端部和特殊形状的头部端的用于随后轧制时减少切头损失的金属铸锭，上述的特殊形状的头部端和平端部每个具有上和下锥形段，横向延伸跨过上述的铸锭的宽度，由上述的相应的头部端和平端部的上轧制面和下轧制面延伸至前表面。
24.如权利要求23所述的铸锭，其特征在于，特殊形状的平端部和头部端是借助铸造、机加工、轧制或锻造形成的。
25.一种用于铸造金属铸锭的底块，用以在铸造的金属铸锭上提供特殊形状的平端部，从而减少随后轧制时舌形和重叠的形成，上述的底块，在顶视图中通常为矩形，被侧壁、端壁和底板限定，上述的底板具有升起的中心区，它在相对的横向间隔的端部具有向下的锥形段，与侧壁相邻，以形成在底块的相对的横向间隔的端壁上的向下延伸的凹陷的端部区，以及在狭窄的边缘侧面立视图观察时，底块的底板的升起的中心区和凹陷的端部区在相对的侧面部分具有锥形的表面，以提供锥形的侧边缘表面，与底块的底板和侧壁相交。
26.如权利要求25所述的底块，其特征在于，底块的升起的中心区和凹陷的端部区以及锥形表面被实质上平坦的表面限定和与其结合，以具有带小面的形状。
27.如权利要求25所述的底块，其特征在于，底块的升起的中心区，凹陷的端部区以及锥度的侧边缘表面被实质上弯曲的或弧形的表面限定和与其结合，以具有哑铃形的形状。
28.如权利要求25所述的底块，其特征在于所述的底块是由选自包括钢和铝的一组金属中的一种形成的。
29.如权利要求25所述的底块，其特征在于，所述的中心区的最高点和凹陷的端部区的最低点之间的垂直距离被一个值“ΔBB”限定，以及在其中“ΔBB”值比要求的“Δ1”值大约1 in至2-1/2in，其中，“Δ1”值限定作为铸锭的凹陷的低谷区的最低点和扩大的端部部分的最高点之间的距离，该最低点和最高点分别是由底块的升起的中心部分和凹陷的端部区形成的。
30.如权利要求25所述的底块，其特征在于，所述的凹陷的端部区是在横向端壁上形成的，其尺寸比要求的铸锭尺寸大1/2in至约2in，以调节在铸锭凝固时由于对接卷曲而引起的金属收缩。
31.如权利要求1所述的方法，它包括下面步骤使用特殊形状的剪切机对轧制的扁坯切头，以提供轧制扁坯头部端和尾部端部上的剪切的端部，当在顶视观察时，其形状为具有凹陷的中心低谷和向外延伸的扩大的端部部分。
32.一种轧制金属铸锭成为平坦的轧制扁坯用的方法，包括下列步骤a.提供金属铸锭；b.反向轧制铸锭，以形成细长的中间扁坯；c.提供特殊形状的剪切机；以及d.使用特殊形状的剪切机对细长的中间扁坯切头，以提供切头的端部型面，当在顶视观察时，具有凹陷的中心低谷区和向外延伸的扩大的端部部分，从而在中间扁坯的继续轧制时，减少了舌形的形成，以及借助在轧机内的金属产量的增加而提高了轧机的效率。
全文摘要
本发明涉及扁坯和铸锭轧制时减少切头损失用的方法和设备，用于形成具有特殊形状的平端部或头部端的扁坯。特殊的形状是借助机加工，锻造或优选地是借助铸造形成的。在平端部上的特殊的形状是在铸造时借助一个特殊形状的底块制成的。扁坯形铸锭的特殊形状的平端部通常是矩形的，以及具有纵向向外延伸的扩大部分，倾斜向下接近凹陷的中心低谷区。扩大的端部部分和凹陷的低谷区的横向侧面带有横向延伸的锥形的或弯曲的边缘。铸锭的头部端也可以具有类似的形状，其方法是在铸造工序结束时通过使用一个特殊形状的热顶模，或者借助机加工或锻造铸造的头部端。在反向粗轧机内随后的热轧中，特殊形状的扁坯铸锭可以减少重叠和舌形的形成，从而由于减少了端部切头损失而改进了材料回收率，以及由于增加了在轧机内金属的通过量而提高了轧制的效率。
文档编号B21B3/00GK1434752SQ01810793
公开日2003年8月6日 申请日期2001年5月14日 优先权日2000年6月7日
发明者劳伦斯·E·克劳斯特曼, 雷·T·里克特, 马克·D·克劳利, 安杰伊·马斯兰卡 申请人:阿尔科公司