专利名称：水平式直接冷硬铸造设备和方法
技术领域：
本发明一般涉及直接冷硬铸造(direct chill casting)设备。更具体地说，本发明一般涉及一种适于制造不定长度金属件的水平定向的直接冷硬铸造设备。此外，本发明还指出这样的方法，即通过直接冷硬铸造将金属，例如铝，铸造成细长的金属件，例如坯段、杆、板等。
背景技术：
直接冷硬铸造是本技术领域人所共知的一项技术，它用于将金属，例如铝，铸造成细长的金属件，例如坯段。当用这种方式铸造熔融金属时，该熔融金属通常被导入位于出料端具有支撑的垂直定向和开端的铸型腔中。当熔融金属向下流入铸型腔的同时，所述支撑，或底块(bottom block)，慢慢地降低。直接冷硬铸模的壁被持续地冷却，使固体金属外壳与所述壁形成接触。金属进一步在下游铸型腔内充分地固化以形成细长的金属件。
直接冷硬铸造技术最新的改进是在直接冷硬铸模的壁中使用石墨或类似石墨的环。该石墨环通常在铸型腔中形成固体但流体可穿透的壁部。在Wagstaff等人的美国专利No.4,598,763中公开了一个装有石墨或类似石墨环的铸模或直接冷硬铸造设备的实例。
在Wagstaff的‘763专利中，所述石墨环位于铸模的垂直定向铸型腔中周边壁的下方。所述周边壁由隔热耐火材料环构成。该周边壁限定尖角或紧靠石墨环上游的突出部(overhang)。石墨环是流体可穿透的。在铸模的操作过程中，石墨环供给润滑油或气体，这至少部分地固化在铸型腔中向下流动的熔融金属(即形成固体金属外壳)。所述流体可穿透的石墨环使润滑油或气体能通过其中扩散。Wagstaff等人的一些其它专利在本领域中也为人所知，它们中的每个都大致地公开了在直接冷硬铸模中石墨环的使用，特别是，在垂直定向直接冷硬铸模中的使用。本领域中其它有关Wagstaff等人的专利包括美国专利Nos.5,582,230、5,323,841、5,318,098和4,947,925。上面所示的Wagstaff等人的每个专利在此引用作为参考。
在Wagstaff的‘098专利中公开一种传统装有石墨环的垂直定向直接冷硬铸模。该参考文件还公开一种用于固化石墨环下游熔融金属的液态冷却剂排放装置。该冷却剂装置呈液态冷却剂盒的形式，它限定多个孔，以便把液态冷却剂输送到从石墨环向下流过的金属表面上。这些孔朝向下面(即形成角度)，以向通常形成于石墨环处的金属体上释放冷却剂。
Wagstaff等人的美国专利No.4,947,925中公开一种通常构造成制造矩形横截面铸锭等的直接冷硬铸模。本参考文件中公开的用于该铸模中的铸造环分成四(4)个通常为直线的壁部，这些壁部通过机械紧固件固定在一起。
Wagstaff等人的美国专利No.5,582,230中公开一种直接冷硬铸模，它装有与Wagstaff的‘098专利中所公开的相同的下游冷却剂装置。当铸模在使用中时，该冷却剂装置适于把液态冷却剂直接施加到从石墨环向下流过的半固化金属的外表面上。铸型腔设有多个流体排放开口，加压流体的射流通过该开口释放到半固化金属的表面上。所述液态冷却流或射流通过两组开口释放。
尽管装有石墨或类似石墨环的直接冷硬铸模在本技术领域人所共知，但实际上仍有改进的余地，特别是铸模操作过程中在石墨环与直接冷硬铸模铸型腔内熔融金属之间的分界面上更是如此。
发明内容
本发明一般涉及一种用于沿水平轴直接冷硬铸造金属的铸造设备。该铸造设备包括用于容纳熔融金属供给源的浇口盘，铸模和与铸模相联的起动装置(starter block)。该铸模通过在浇口盘壁内限定的通道与浇口盘流体连通。铸模通常由内浇口板(header plate)、铸造环和进给环构成。内浇口板限定连接到所述通道的弓形开口。该内浇口板具有上游侧和下游侧。该下游侧限定具有锥形侧壁的凹槽。所述铸造环连接在内浇口板的下游侧，并限定紧靠内浇口板侧壁的槽。所述进给环布置在上述槽内，用于冷却和至少部分地固化流过铸模的熔融金属。起动装置通常布置在铸造环内。
内浇口板的侧壁优选地从铸模的中心轴向外逐渐变细。该侧壁可以直接向进给环逐渐变细。进给环优选地由石墨制成。该进给环可以是流体可穿透的，而铸造环可以构造为向进给环提供冷却和润滑流体。冷却环可以连接在铸造环上。该冷却环可限定多个凸齿。该冷却环可与铸造环相配合，使得在铸模的操作过程中，所述齿形成多个喷嘴，以将冷却流体喷射液至少输送到铸造环上。所述冷却环可限定与所述喷嘴流体连通的环形腔。在铸模的操作过程中，该环形腔可适于将冷却流体供给至喷嘴，以便至少施加到铸造环上。
进给环可以通过螺纹连接连接在铸造环上。所述弓形开口可以包括扩张开口。限定在浇口盘内的通道可以至少部分地收敛。
本发明一般还涉及一种用于直接冷硬铸造金属的铸模。本发明的铸模通常包括内浇口板、铸造环和进给环。内浇口板限定弓形开口。该内浇口板具有上游侧和下游侧。该下游侧限定具有锥形侧壁的凹槽。所述铸造环连接在内浇口板的下游侧，并限定紧靠内浇口板侧壁的槽。所述进给环布置在上述槽内，用于冷却和至少部分地固化流过铸模的熔融金属。
此外，本发明还涉及一种直接冷硬铸造金属的方法。在本发明的方法中，直接冷硬铸造设备通常包括浇口盘，铸模和与铸模相联的起动装置。所述浇口盘容纳熔融金属供给源。铸模通过限定在浇口盘壁内的通道与浇口盘流体连通。该铸模通常由内浇口板、铸造环和进给环构成。内浇口板限定连接到所述通道的弓形开口。所述内浇口板具有上游侧和下游侧。该下游侧限定具有锥形侧壁的凹槽。所述铸造环连接在内浇口板的下游侧，并限定紧靠内浇口板侧壁的槽。所述进给环布置在上述槽内，用于冷却和至少部分地固化流过铸模的熔融金属。
该方法通常包括拉出铸造环中的启动装置，通过浇口盘壁内的浇口盘通道和内浇口板上的弓形开口将熔融金属注入铸模，并冷却和至少部分地固化进给环处的熔融金属，以形成金属件。注入熔融金属的步骤可以包括熔融金属在接触进给环之前沿着内浇口板的侧壁在铸模内向外发散。进给环可以是流体可穿透的，而铸造环可以构造为向进给环提供冷却和润滑流体。该方法可以包括向进给环提供冷却和润滑流体，以冷却和至少部分地固化进给环处的熔融金属。
冷却环可连接在铸造环上。该冷却环可以限定多个凸齿，并与铸造环相配合，使得这些齿形成多个喷嘴。该方法还进一步包括将冷却流体喷射液至少通过喷嘴输送到铸造环上，以便在铸模的操作过程中冷却铸造环。冷却环可限定与喷嘴流体连通的环形腔。该方法可进一步包括从环形腔向喷嘴提供冷却流体。
本发明直接冷硬铸造金属的铸造设备和方法的进一步细节和优点将通过结合附图阅读下面的详细说明变得更加明显。
图1是根据本发明包括浇口盘和铸模的水平式直接冷硬铸造设备横截面图；图2是图1铸造设备中使用的铸模横截面图；图3是图2中铸模的前视图；图4是图1和2所示铸模中使用的内浇口板横截面图；图5是图4中内浇口板的前视图；图6是图1和2所示铸模中使用的铸造环横截面图；图7是图6中铸造环的前视图；图8是沿图7中8-8线剖取的横截面图；图9是图1和2所示铸模中使用的进给环平面图。
图10是沿图9中10-10线剖取的横截面图；图11是图2中铸模的出料端视图，示出图1和2中铸模使用的冷却环；图12是沿图11中12-12线剖取的横截面图；
图13是图1铸造设备中连接浇口盘和铸模的浇口盘开口的浇口盘侧视图；图14是沿图13中浇口盘开口的垂直轴剖取的横截面图；图15是沿图13中浇口盘开口的水平轴剖取的横断面图；和图16是图13-15中浇口盘开口的铸模侧视图。
具体实施例方式
为了以下的说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其衍生词均涉及本发明，它们标定在附图中。但是，应当理解，本发明可以采取各种可替换的变型和步骤次序，除非有与之相反的明确规定。还应当理解，附图中描绘的和下文中描述的特定装置和工艺仅仅是本发明的典型实施例。因此，涉及下文中公开的实施例的具体尺寸和其它物理特性不应认为是限制。
参照图1，本发明的铸造设备10适于直接冷硬铸造固体横截面金属件(未示出)。该铸造设备10通常包括浇口盘12和与浇口盘12流体连通的铸模14。该浇口盘12适于保持熔融金属供给源，例如，供给铸模14的熔融铝或镁。其它典型可用于该铸造设备10的金属包括锌，青铜，铜，或其它有色金属。
浇口盘12通常包括优选地由金属，例如钢制成的外壳16，和衬在外壳16内的隔热层18。该隔热层18优选地是适于与铝或镁合金等一同使用的耐火材料。该隔热层18限定熔融金属保持腔20，在铸造设备10工作过程中，该保持腔20保持用于向铸模14输送熔融金属的现成供给源。如图1所示，通道22(下文中的“浇口盘通道22”)形成于隔热层18和外壳16中，以向铸模14供应熔融金属。浇口盘通道22至少部分地收敛，如图所示，以便于向铸模14输送熔融金属。浇口盘的进一步细节将在下文中结合图13-16进行论述。该浇口盘通道22通常具有两个功能。首先，浇口盘通道22使熔融金属能非紊流地流向铸模14；其次，通过引导热熔融金属到达铸模14底部防止表面出现疵病。
参照图1-3，铸模14优选地固定连接在外壳16上。该铸模14通常包括内浇口板24，连接在内浇口板24上的铸造环26，连接在铸造环26上的进给环28，和优选地连接在铸造环26上的冷却环30。内浇口板24通过内浇口夹(header clamp)和机械紧固件34优选地固定连接在外壳16上。内浇口板24限定与浇口盘12内浇口盘通道22流体连通的弓形开口36。该开口36使熔融金属在铸造设备10工作过程中能进入铸模14。如图1和2所示，开口36优选地构成扩张开口。
参照图1-5，内浇口板24具有第一或上游侧38和第二或下游侧40。下游侧40向内面对着铸模14的铸型腔42。铸型腔42通常由内浇口板24的下游侧40、铸造环26和底部或起动装置44限定。在铸造设备10和铸模14的工作过程中，起动装置44最初定位或固定在铸造环26内，并且在熔融金属通过内浇口板24上的开口36和浇口盘通道22同步地流入铸型腔42的同时，该起动装置44也缓慢地从铸造环26中拉出，这在本技术领域中广为人知。
内浇口板24的下游侧40限定凹陷或凹槽46。如图1和2所示，该凹槽46具有锥形侧壁48。该锥形侧壁48通常从铸模14的中心轴L向外逐渐变细。优选地，该侧壁48从内浇口板24的弓形开口36基本上向进给环28逐渐变细，使得在铸模14的工作过程中进入铸型腔42的熔融金属平稳地由内浇口板24过渡到进给环28，在此，熔融金属至少部分地固化，以形成细长的金属件。该锥形侧壁48提供均匀的熔融金属流并将该熔融金属平稳地输送到固化交界面，该交界面基本产生在进给环28处。
参照图1-10，铸造环26靠近内浇口板24设置，并优选地通过例如机械紧固件固定连接到内浇口板24上。铸造环26可以由金属，例如铝、铜或钢制成。该铸造环26具有细长的内壁50，该内壁50限定通常面对铸型腔44的环形槽52。如图所示，凹槽52优选地设置在紧邻并处于内浇口板24的下游。进给环28布置在凹槽52内，并优选地例如通过螺纹连接固定装在铸造环26上。该进给环28优选地为流体可穿透的石墨环，并且在铸造设备10和铸模14的工作过程中用于至少部分地固化流过铸型腔42的熔融金属，这在下文中进一步说明。在直接冷硬铸造设备中使用石墨环为本技术领域众所周知，如在前文中有关Wagstaff专利所论述的，这些专利曾在前面作为参考引用于本文。
参照附图1-12，冷却环30靠近铸造环26设置。当铸模14在工作时，该冷却环30构造为冷却铸造环26并充分固化至少部分固化的流经进给环28的金属。该冷却设定为将冷却流体喷射液输送到铸造环26细长壁50的外表面54上，并且优选地输送到流经铸造环26的至少部分固化的金属表面上。该冷却环30优选地例如通过机械紧固件固定装在铸造环26上。冷却环30可以由金属制成，例如铝、铜、钢或不锈钢，或由非金属材料制成，例如适当性能的聚合物。
冷却环30其中限定环形腔58。该环形腔58适于保持冷却流体，例如水的供给源，其中，所述供给源在铸模14的工作过程中，施加到铸造环26细长壁50的外表面以及流经进给环28和铸造环26的至少部分固化的金属上。优选地，冷却流体(即水)以冷却喷射液的形式施加到外表面54和半固化金属上。为此，冷却环30限定多个凸齿60。该冷却环30连接或与铸造环26配合，使得凸齿60限定或构成多个喷嘴62，以向铸造环26的外壁54供给冷却喷射液。该喷嘴62与向喷嘴62供给冷却流体的环形腔58流体连通。该喷嘴62通常向内对着铸模14的中心轴L。所述凸齿60，此后和喷嘴62优选地绕着铸造环26有规则地间隔布置，以向铸造环26的外壁54和从铸造环26流过的半固化金属提供基本均匀的冷却流体喷射液。
进给环28被进给冷却和润滑流体或这些流体的组合，例如蓖麻油，油菜籽油(canola oil)、花生油或适当的合成润滑剂，以便固化在铸模14的工作过程中从浇口盘12和流经铸型腔44进入铸模14的熔融金属。冷却和润滑流体通过在铸造环26内限定的导管系统输送到进给环28。该导管系统包括沿圆周方向延伸的供给导管64，它使冷却和润滑流体通过铸造环26沿圆周方向循环；还包括多个横向延伸的分支导管66，这些分支导管直接将冷却和润滑流体供给到流体可穿透的进给环28。该流体可穿透的进给环28使冷却和润滑流体能到达进给环28的表面，以冷却并至少部分地固化从浇口盘12流过铸型腔42的熔融金属。进给环28以与本技术领域已知的石墨环基本类似的方式工作，例如，前文论述的那些在Wagstaff专利中所公开的。
参照图13-16，图中示出在浇口盘12侧壁中限定的浇口盘通道22。该浇口盘通道22便于熔融金属从浇口盘12向铸模14的运动。熔融金属在重力的作用下从熔融金属保持腔20穿过浇口盘通道22(即腔20与浇口盘通道22之间的位差(head level differences))。浇口盘通道22通常是收敛通道，它分为两个部分或区域。具体地说，浇口盘通道22包括在浇口盘通道22中形成收敛区的第一部分70，和通常为圆柱形的第二部分72。第一部分70形成浇口盘通道22的进入区或开口，从而使熔融金属平稳地从保持腔20过渡进入浇口盘通道22。第二部分72形成浇口盘通道22的出口，并将熔融金属输送到内浇口板24中的弓形开口36。该弓形开口36通常在其整个长度内是扩张的，以使熔融金属能流入铸型腔42，从而平稳地过渡与内浇口板24的下游侧40相接触。
参照图1-16，上文中一般描述的铸造设备10基本上以如下方式运行。首先，起动装置44安置在紧靠内浇口板24的铸造环26内。当起动装置44从铸造环26中拉出时，熔融金属从保持腔20流入浇口盘通道22。浇口盘通道22的第一部分70使熔融金属集中在第二部分72。然后，熔融金属通过扩张的弓形开口36流入铸模14的铸型腔42中。在熔融金属流入铸型腔42时，熔融金属沿着形成于内浇口板24下游侧40的侧壁48向外发散。熔融金属向外发散，直到接触进给环28为止。进给环28凝结熔融金属，以形成与进给环28相接触的固化金属的固体外壳。这时至少部分固化的金属流到铸造环26，并在那里充分地固化成为所需的金属件，例如坯段。所述至少部分固化的金属沿着铸造环26的细长壁50流动，并在那里冷却和固化。该铸造环26和至少部分固化的金属通过施加前文所示的冷却流体喷射液而冷却，其中，所述冷却流体喷射液是由形成在冷却环30上的凸齿60限定的喷嘴62喷射出的。冷却喷射液的冷却流体由环形腔58供给，该环形腔58由冷却环30限定。环形腔58优选地与外部冷却流体源，例如水源流体连通。
尽管本发明参照铸造设备和铸模的优选实施例进行了说明，但是那些本技术领域的技术人员可以在不背离本发明精神和范围的前提下对本发明作出修改和变更。因此，前文的细节描述是说明性的，而非限定性的。本发明由所附权利要求限定，而且所有属于与所附权利要求等值的含义和范围之列对本发明作出的改变都应体现在其范围内。
权利要求
1.一种用于直接冷硬铸造金属的铸模，该铸模包括内浇口板，该内浇口板限定弓形开口，并且该内浇口板具有上游侧和下游侧，所述下游侧限定具有锥形侧壁的凹槽；铸造环，该铸造环连接在内浇口板的下游侧上，并限定紧靠内浇口板侧壁的槽；和进给环，该进给环布置在所述槽内，以冷却和至少部分地固化流过铸模的熔融金属。
2.根据权利要求1所述的铸模，其中，所述侧壁从铸模的中心轴向外逐渐变细。
3.根据权利要求2所述的铸模，其中，所述侧壁向进给环逐渐变细。
4.根据权利要求1所述的铸模，其中，所述进给环由石墨制成。
5.根据权利要求1所述的铸模，其中，所述进给环是流体可穿透的，并且所述铸造环构造为向进给环提供冷却和润滑流体。
6.根据权利要求1所述的铸模，还包括连接在铸造环上的冷却环。
7.根据权利要求6所述的铸模，所述冷却环限定多个凸齿并且与铸造环相配合，使得所述齿形成多个喷嘴，以便在铸模的工作过程中把冷却流体喷射液至少输送到铸造环上。
8.根据权利要求7所述的铸模，所述冷却环限定与所述喷嘴流体连通的环形腔，该环形腔适于向喷嘴提供冷却流体，以便在铸模的工作过程中至少施加到铸造环上。
9.根据权利要求1所述的铸模，其中，所述进给环通过螺纹连接连接在铸造环上。
10.根据权利要求1所述的铸模，其中，所述弓形开口包括扩张开口。
11.一种用于直接冷硬铸造金属的铸造设备，该铸造设备包括浇口盘，用于容纳熔融金属供给源；铸模，该铸模通过限定在浇口盘壁内的通道与浇口盘流体连通，所述铸模进一步包括内浇口板，该内浇口板限定与通道连接的弓形开口，所述内浇口板具有上游侧和下游侧，该下游侧限定具有锥形侧壁的凹槽；铸造环，该铸造环连接在内浇口板的下游侧上，并限定紧靠内浇口板侧壁的槽；和进给环，该进给环布置在所述槽内，以冷却和至少部分地固化流过铸模的熔融金属；以及起动装置，该起动装置与铸造环相联。
12.根据权利要求11所述的铸造设备，其中，所述侧壁从铸模的中心轴向外逐渐变细。
13.根据权利要求12所述的铸造设备，其中，所述侧壁向进给环逐渐变细。
14.根据权利要求11所述的铸造设备，其中，所述进给环由石墨制成。
15.根据权利要求11所述的铸造设备，其中，所述进给环是流体可穿透的，并且所述铸造环构造为向进给环提供冷却和润滑流体。
16.根据权利要求11所述的铸造设备，还包括连接在铸造环上的冷却环。
17.根据权利要求16所述的铸造设备，所述冷却环限定多个凸齿并且与铸造环相配合，使得所述齿形成多个喷嘴，以便在铸模的工作过程中把冷却流体喷射液至少输送到铸造环上。
18.根据权利要求17所述的铸造设备，所述冷却环限定与所述喷嘴流体连通的环形腔，该环形腔适于向喷嘴提供冷却流体，以便在铸模的工作过程中至少施加到铸造环上。
19.根据权利要求11所述的铸造设备，其中，所述进给环通过螺纹连接连接在铸造环上。
20.根据权利要求11所述的铸造设备，其中，所述弓形开口包括扩张开口。
21.根据权利要求11所述的铸造设备，其中，所述限定在浇口盘壁内的通道是至少部分收敛的。
22.一种在直接冷硬铸造设备内铸造金属的方法，该方法包括浇口盘容纳熔融金属供给源；铸模通过限定在浇口盘壁内的通道与浇口盘流体连通，所述铸模进一步包括内浇口板，该内浇口板限定与通道连接的弓形开口，所述内浇口板具有上游侧和下游侧，该下游侧限定具有锥形侧壁的凹槽；铸造环，该铸造环连接在内浇口板的下游侧上，并限定紧靠内浇口板侧壁的槽；和进给环，该进给环布置在所述槽内，以冷却和至少部分地固化流过铸模的熔融金属；以及起动装置，该起动装置与铸造环相联；所述方法包括如下步骤将起动装置从铸造环中拉出；通过浇口盘壁内的通道和内浇口板上的弓形开口将熔融金属输送至铸模；并且冷却并至少部分地固化进给环处的熔融金属，以形成金属件。
23.根据权利要求22所述的方法，输送熔融金属的步骤包括熔融金属在接触进给环之前在铸模内沿着内浇口板侧壁向外发散。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，进给环是流体可穿透的，而铸造环构造为向进给环提供冷却和润滑流体，所述方法还包括向进给环提供冷却和润滑流体，以便在进给环处冷却和至少部分地固化熔融金属。
25.根据权利要求22所述的方法，还包括冷却环连接到铸造环上，所述冷却环限定多个凸齿并且与铸造环相配合，使得所述齿形成多个喷嘴，所述方法还包括将冷却流体喷射液通过喷嘴至少输送到铸造环上，以便在铸模的工作过程中冷却铸造环。
26.根据权利要求25所述的方法，所述冷却环限定与所述喷嘴流体连通的环形腔，所述方法还包括从环形腔向喷嘴提供冷却流体。
全文摘要
一种用于直接冷硬铸造金属的铸造设备(10)，该铸造设备(10)包括容纳熔融金属供给源的浇口盘(12)、铸模(14)、和与铸模(14)相联的起动装置(44)。铸模(14)通过限定在浇口盘壁内的通道(22)与浇口盘(12)流体连通。铸模(14)包括内浇口板(24)、铸造环(26)和进给环(28)。内浇口板(24)限定连接通道(22)的弓形开口(36)。内浇口板(24)具有上游侧(38)和下游侧(40)。铸造环(26)连接在内浇口板(24)的下游侧(40)上，并限定紧靠内浇口板(24)侧壁(48)的槽(52)。进给环(28)布置在槽内。
文档编号B22D11/045GK1819883SQ03826913
公开日2006年8月16日 申请日期2003年9月11日 优先权日2003年7月1日
发明者J·A·布罗克, S·J·约斯特, D·C·希茨, J·D·奥尔芒, M·谢尔巴克, H·C·德里林格, R·L·戴森, G·克赖顿 申请人:阿尔科公司