专利名称：有色金属与轻金属的带式铸造方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于铸造诸如铝、镁、铜、锌及它们的合金的有色金属与轻金属的带式连铸机所用的铸造带。尤其地，本发明涉及由具有优良热性能与其它物理性能的材料制成的金属铸造带。
背景技术：
双带式连铸机已经相当长时间地用于铸造金属。在这种机器中，在旋转轨道型式(race-track patterns)中转动的环形带上下地(或者，在某种情况下，并行地)进行定位777，且互相紧邻定位以在其间限定铸模的各个铸造带通常平面平行地运转。熔化的金属由一端注入铸模而金属通过移动的铸造带的表面由铸模拉出。来自熔化的金属的热量经由铸造带传递，且该传递是由作用在铸模区内的铸造带的相对边的诸如洒水的冷却装置进行辅助。结果，金属在通过铸模时凝固，且固态的金属板或者金属带由铸模的相对端脱出。例如，分别于1977年2月22日和1977年12月6日公告且与本申请为同一受让人的美国专利No.4,008,750和No.4,061,177记述了这种改良的铸造机器。铸造机器也使用诸如记述在1980年3月18日公告且与本申请为同一受让人的美国专利No.4,193,440，以及申请于2001年8月7日且与本申请也为同一受让人的国际申请公开WO 02/11922中的高效的冷却液施加系统。这些公开物的内容通过引用结合于本文中。
这些铸造机器以及其高效冷却液施加系统通过在铸造带后面产生薄且高速流动的冷却液进行运转。这导致了冷却液和铸造带之间的极高的热传递系数。铸造带另外″漂浮″在铸件的临界面积中的冷却液层上，而非仅仅支撑在滑轮之间。
用于这种铸造机器中的铸造带通常由织构钢制成或者较少地由铜制成。这种材料公开于例如在1997年6月10日公告且与本申请为同一受让人的美国专利No.5,636,681中。而且，于1990年4月10日公告并让与给Hazelett Strip-Casting Corporation的美国专利No.4,915,158公开了为陶瓷覆层提供衬背的铜带。然而，由这些材料制成的(尤其是那些由铜制成的)带对于制造是昂贵的，且铜带易受″塑料化″(也就是说，由于操作或者缺乏外部支撑系统的变形)的影响。此外，钢带趋于具有只适合于铸造一种有色金属与轻金属合金的导热系数，而铜带却具有适合于另一种有色金属与轻金属合金的导热系数。例如，织构的(如，喷丸加工的)钢带可以用于许多相对短凝固点范围的诸如鳍片或者薄片合金的铝合金，然而铜带需要用于表面临界应用，如用于具有较常态凝固点范围更长的汽车铝合金。使用高热通量性能的铜带铸造这种汽车合金的方法公开于1997年4月1日公告且与本申请为同一受让人的美国专利No.5,616,89中。在此专利中，发现了高达4.5MW/m2的热通量是适当的，且这种热通量通常需要使用铜带。其它如那些记述在1989年5月由Leone等人发表于Alcan Belt Casting Mini-Mill Process中的长凝固点范围的合金，较适宜以更高的热通量(超过5MW/m2)进行铸造。
然而，由于铜带的更高的导热系数，这种带因涉及到″壳体变形″(通过在锭铁横截面内由临近低热传递区形成的更高的热传递区产生的变化所导致，也就是说不均匀的热消除)的发生而不能用于铸造薄壁合金。因此，当铸造设备用于铸造多种有色金属合金时，其在铸造操作之间经常必须将刚带改变为铜带，或者反之亦然。这是耗费时间、昂贵且麻烦的。对上述类型的现代铸造机来说，它们以宽范围的产量运转最好还是所希望的，也希望在高的热通量的简易操作。
此外，申请人已发现织构钢带比铜带需要使用不同的脱模剂施加系统(刷子相对于旋转喷雾雾化器和清洗箱)，所以在改变合金系统时必须改变脱模剂施加系统。于1968年12月3日公告的A.R.Wagner的美国专利No.3,414,043公开了在超前的一次性使用的金属带之间形成铸模的铸造方法。金属带由与熔化的金属(尚未确定)相同的材料制成，但金属带材料可以合成到最终产品中，这对带式铸造机明显是不可接受的。
因此，需要对用于上述类型的带式连铸机中的铸造带进行改进。
发明内容
本发明的一个目的是提供比传统的由织构钢和/或者铜制成的铸造带更便于制造和使用的用于带式连铸机的铸造带。
本发明的另一个目的是提供可以用于铸造宽范围的合金类型并在宽范围的热消除速度下运转而无须在合金类型之间改变的用于铸造机器的铸造带。
依照本发明的一个方面，提供了一种用于连续铸造金属带的连续带式铸造设备，其包括至少一个具有至少部分地限定铸造腔的铸造表面的可移动的环形带，用于推进所述至少一个环形带通过所述铸造腔的装置，用于将熔化的金属注入所述铸造腔内的装置，以及当所述至少一个环形带通过所述铸造腔时用于将其冷却的装置，其中，所述至少一个环形带是由铝或者铝合金制成。
依照本发明的另一个方面，提供了一种将熔化的金属铸造成金属带的形式的方法，其包括提供至少一个由铝或者铝合金制成并且具有至少部分地限定铸造腔的铸造表面的铸造带，连续推进所述至少一个铸造带通过所述铸造腔，将熔化的金属注入所述铸造腔的入口，当所述至少一个铸造带通过所述铸造腔时将其冷却，以及从所述铸造腔的出口连续收集所制得的铸造金属带。
依照本发明的再一个方面，提供了一种适用于连续铸造设备的铸造带，其包括设有至少部分地限定铸造腔的铸造表面的至少一个可移动的环形带，用于推进所述至少一个环形带通过所述铸造腔的装置，用于将熔化的金属注入所述铸造腔内的装置，以及当所述至少一个环形带通过所述铸造腔时用于将其冷却的装置，其中，所述铸造带是由铝或者铝合金制成。
在本发明中，该铸造带优选地具有1毫米至2毫米范围的厚度，并优选地由选自AA5XXX和AA6XXX合金系的金属制成。进一步地，本发明的铸造带优选地具有至少100MPa的屈服强度和大于120W/m-K的导热系数。
本发明的铸造带可以用于铸造诸如铝、镁、铜、锌及它们的合金的有色金属与轻金属，特别是诸如铝镁、铝镁硅、铝铁硅和铝铁锰硅合金系的铝合金。
已经出乎意料地发现铝带拥有使其适合于现代带式铸造机所需的柔性带式铸造操作的独特性能。在此铸造机中，需要带在苛刻的热应力下保持稳定(无永久性变形)，并需要其即使在″漂浮″于冷却液层上时仍顺应在铸造腔的上游端的入口曲线。需要达到这种性能的结合是复杂的，并依赖于，例如，材料导热系数、强度、模量和热膨胀系数。
本发明具有铝合金带比钢带或者铜带易于制作(费用少)的优势。铝带较典型的铜带更少遭受″塑料化″的影响。塑料化是金属带或者铸造带在遭受热变形力时呈现永久性变形的趋向。抗塑料化的带在热变形应力消除时弹性回复到其最初的形状。相信塑料化是受有助于抵抗塑料化的具有较高数值的特定的硬度(杨氏模量/密度)和特定的强度(屈服强度/密度)控制。在此方面铝合金通常好于铜。具有超过100MPa范围的屈服强度以确保抵抗塑料化的铝合金带是尤其首选的。
已经发现铝带可以对某些诸如铝铁硅或者铝铁硅锰类型的鳍片和薄片合金的合金赋予改良的表面品质，并提供比钢或者铜带更宽范围的可铸性。这种合金也经常认作″短凝固点范围合金″并且在过去已在带式铸造期间呈现某些问题。例如，鳍片和薄片合金可以在织构钢带或者陶瓷覆层钢带上进行铸造。制作在这些带上的铸造板没有壳体变形，但具有不连续的表面偏析层。如果将合金铸造在铜带上，表面品质是优良的，但板的内在品质因壳体变形而不可接受。当薄片合金铸造在铝带上时，所制得的板是没有表面偏析和壳体变形的。铝带也可以通过在将这种合金铸造在铜带上时减少壳体变形基础的数量而改善铝镁和铝镁硅汽车合金上的表面品质。
图1是本发明可以应用的连续的双带式连铸机的简化的侧视图；图2是图1中的铸造机器的出口部分的放大视图；图3是双带式连铸机在将熔化的金属注入铸造腔的区域的放大的局部截面图；图4a和4b是显示钢带相对于铝带在铸态薄片合金板的表面偏析上的效果的显微照片；图5a和5b是显示铝带相对于铜带在如图4a和4b所示的相同的铸态薄片合金板的内部结构上的效果的射线照片；图6a和6b是显示铝带相对于铜带在铸态铝镁合金板的内部结构上的效果的射线照片；图7a和7b是显示铝带相对于铜带在如图6a和6b所示的相同的铸态合金板的表面结构上的效果的光学照片；以及图8a和8b是显示铝带相对于铜带在铸态铝镁硅合金板的表面结构上的效果的光学照片。
具体实施例方式
图1和图2显示了(以简化的形式)用于将诸如熔化铝合金的熔化金属连续铸造成金属带的双带式连铸机10。本发明可以应用于，但不意味着专有地，例如公开于美国专利No.4,061,177和No.4,061,178中的铸造带，其内容通过引用结合于本文中。注意本发明的原理也可以成功地应用于单一带式铸造系统的铸造带。图1和2的连续的带式连铸机的简要的结构和操作在下面说明。
如图1和2所示，铸造机器10包括一对环形的柔性铸造带12和14，其分别由在一端的上滑轮16和下滑轮17以及在另一端的上液体轴承18和下液体轴承19运载。各个滑轮可转动地安装在机器的支撑结构上并由适当的驱动装置驱动。为了简单的目的，支撑结构和驱动装置未在图1和2中显示。铸造带12和14布置成相互大致平行地运转(优选地，具有小的汇聚角度)并以大致相同的速度穿过在它们之间也就是说在带的邻近的铸造表面之间所限定的铸造腔22(也指作模具)。铸造腔22的宽度可以调整，这依赖于所铸造的金属带所希望的厚度。熔化的金属以箭头24的方向通过入口25连续注入铸造腔22，而带在其相反面进行冷却，例如，通过将冷却液20直接冲在相反表面上。
在图示的设备中，所铸造的熔化的金属的通道大致水平并从入口25到铸造腔的出口26具有小度数的向下倾斜。
熔化的金属通过适当的设置在铸造腔22的入口25处的流槽或者凹槽(图未示)注入铸造腔22。例如，让与给本申请的受让人的、记述在美国专利No.5,636,681的熔化金属注射器可以用于将熔化的金属注入铸造机器10。尽管图未示，机器的各个侧面设置了边缘障碍物以便完成铸造腔22边缘的包围。应该理解在铸造机器的操作中，注入铸造腔22的入口25的熔化的金属依靠带12、14的连续动作通过铸造腔22前进到出口26。在沿着铸造腔(移动铸模)22行进期间，来自金属的热通过带12，14传递并由供给的冷却液20移除，而这样熔化的金属从其与带的铸造表面接触的上下面向内逐渐凝固。熔化的金属在到达铸造腔的出口26前完全凝固并以箭头27的方向以连续的、固体的、铸造金属带30(图2)的形式由出口26脱出，金属带30的厚度依靠由带12和14的铸造表面限定的铸造腔22的宽度决定。铸造金属带30的宽度对应于铸造带12、14的宽度。
依照本发明，铝或者铝合金用作双带式连铸机10的铸造带12、14的材料，特别用于诸如铝、镁、铜、锌或者它们的合金的有色金属与轻金属的铸造。同时，多数铝合金是适合做带的材料，铝镁(AA5XXX类型)或者铝镁硅(AA6XXX类型)合金尤其适合，这是因为它们提供了稳定的热通量操作的最宽的可能，并因此最适合于用于多种产品类型和/或者超过铸造速度范围运转的铸造机。尤其首选的合金是AA5754、AA5052和AA6061。
一般而言，任何易于焊接、具有适当的规格和经应变硬化或热处理的优良屈服强度(优选地，至少100MPa)的铝合金均可以采用。尽管较薄或者较厚的带都可以因具体的应用而提供，本发明的带通常以1毫米到2毫米的厚度范围进行制作。
由铝合金制成的铸造带可以用于铸造类似金属的事实是令人惊讶的。本发明的发明人之前认为在其相反表面进行冷却、由熔化的铝进行冲击的铝带因相较于钢和铜的高热膨胀性的热变形会降低铸锭的表面品质。然而，假如有充分的冷却通过带的横截面，例如当供给由冷却喷嘴流出的喷水(优选地，以高速流动)到带的后表面上时，铝合金带可以有效且可靠地用于有色金属与轻金属的铸造。此外，脱模剂和适当的带的张力的使用可能得到高品质、可靠的铸造方法。
更令人惊讶的是，已发现通常在织构钢带上进行铸造的鳍片和薄片合金可以更好地在铝合金带上的进行铸造并具有更好的表面品质。典型地，这些鳍片和薄片合金是铝铁硅或者铝铁锰硅系，并具有以下成分0.06至2.2wt.％(重量百分比)的铁，0.05至1.0wt.％的硅，并可能包括达到1.5wt.％的锰。
另外，铝带提供了铸造宽范围的铝合金的性能，诸如在一种类型的带上的短凝固点范围的铝铁硅合金和长凝固点范围的铝镁合金，而无须为了不同的合金而在钢带和铜带之间转换。可以在本发明的带上进行铸造的这种铝合金似乎没有任何限制。
如上所谈到的，本发明的铝合金带可以用于铸造类似的熔化的金属，这是因为冷却的发生防止了带被加热到高于其变形、软化或者融化的温度。图3显示了在金属铸造期间在带式连铸机内的铸造带的横截面。带的表面的不平坦在该图中经过夸大以便于看清楚。在图3中，熔化的有色的和/或者轻金属32(例如铝合金)从喷嘴34的端部灌注到移动的铸造带38的铸造表面36上，除了通过薄气体层40与带的铸造表面36保持分离的金属。带的表面也具有将其自气体层分离的例如液体聚合物层或者石墨粉层的脱模剂层42。在本发明中，首选但非必要地使用了液体脱模剂层。脱模剂层有助于形成隔离气体层40。在带38的与铸造表面36相反侧上，冷却水层44与带接触以实现足够的冷却。在双带式连铸机的例子中，相同的结构存在于熔化的金属32的上方部分，尽管该结构未示于图3。
铸造表面36主要由气体层40并较少程度地由脱模剂层42保持了与高温的隔离。因此带的金属绝对不会遭受到高到足以导致变形或者熔化问题的温度。冷却液通过任何方便的装置施加到带的相反边，只要其提供足够的热量移除以确保带的热的表面温度优选地低于120℃，且穿过带的温差优选地小于90℃。如记述在美国专利No.4,193,440的冷却液应用设备可以非常均衡的方式提供足够的冷却(该专利的内容通过引用结合于本文中)。
如上所谈到的，铝合金具有在钢和铜中间的导热系数。带的导热系数是用于铸造方法的重要因素。如果导热系数低，金属在铸模中冷却的更慢。如果导热系数高，金属冷却的更快。热量自熔化的金属消除的速度(热通量)在某种程度上依赖于带的导热系数。通常，对于特别类型的合金，存在产生适当的产品品质的一定范围的热通量。产生大约在此范围内的热通量的带认为是最适合于铸造合金类型的。对于短凝固点范围的合金，由铝合金制成的带产生中等的热通量，并因而最适合于铸造该种类型的合金。铜带和钢带趋于在所希望范围的热通量的任一个端点有效地操作，因而需要转换带以适应不同成分的合金，然而铝合金带可以用于所有已指出类型的合金。
在此处所记述的类型的带式铸造机中，临界的操作参数是在导致下等的铸造并需要更换铸造带的带的永久变形前可以接受的最大的热通量。最大的可以接受的热通量依赖于冷却液和带之间的热传递。典型地，热传递系数可以随着位置而从10kW/m-K变化到60kW/m-K。表1列出了在此热传递系数和相同的操作条件下(包括带的厚度)可能用于不同材料的带的可以接受的热通量的范围。用于典型的钢带、记述在美国专利No.4,915,158中的铜带材料，以及铝镁和铝镁硅类型的铝合金带均显示于此表中。
对于铝带，首选的导热系数大于120W/m-K且首选的屈服强度应该大于100MPa。表1中的铝合金均超过这些首选的限制。由此表可以看出，铝合金带提供了可以比钢宽的临界热通量的范围，并在低凝固点范围合金的多数铸造操作都可以完成的区域范围内与铜范围的部分交迭。
表1 计算出的用于各种铸造带材料的扭曲的临界热通量
当然，此性能可以通过施加覆层、脱模层和其它诸如表面阳极电镀的对带的抛光进一步地更改(减少最大热通量)。设有织构表面的带也是首选的。
本发明进一步参照下面的实施例进行说明。此实施例并不意味着限制本发明的范围。
实施例1一种典型地用于典型的铝铁硅薄片产品(AA1145)的铝合金在双带式测试台中的0.060英寸厚的AA5754铝合金的带上以10毫米的厚度进行铸造。该带通过在其表面施加磨带进行织构化以制出具有一定粗糙度的大致纵向的凹槽，以横向进行测量的凹槽的粗糙度约为25微英寸Ra(表面粗糙度值(Ra)是算术平均的表面粗糙度)。对比样品也铸造在重织构钢带和轻织构铜带上。铸造在钢带和铝带上的材料的表面的显微照片在图4a和4b中进行了比较，并显现出钢带(图4a)对产品产生了表面偏析层，而铝合金带(图4b)则没有。制作在铜和铝合金带上的铸造板内部的射线照片在分别图5a和5b中进行了比较，并显现出铜带(图5a)在材料中引起了壳体变形(显现为被光带包围的区域的范围)，而Al带(图5b)则没有。
实施例2一种典型地用于汽车应用的铝镁(AA5754)合金在双带式测试台上的0.060英寸厚的AA5754铝合金的带上以10毫米的厚度进行铸造。该带如在实施例1中所述的方式进行织构化。对比样品也铸造在轻织构铜带上。因在这种钢带上铸造时表面品质非常差而未在钢带上进行铸造。铸造在铜和铝合金带上的铸造板的内部的射线照片(厚度方向的X射线照片)分别在图6a和6b中进行了比较，并显现出由铜制成的带(图6a)在材料中引起了壳体变形(在射线照片中显现为光斑的范围)，而铝(图6b)则没有。光学图像也由两个铸件的表面制成并分别在图7a和7b中为制作在铜和铝带上的板进行了比较。图7a显示了因在该类型铸造机中使用铜带所产生的壳体变形的圆形表面缺陷特征，而图7b显示了因使用铝带所产生的无缺陷表面。
实施例3一种也典型地用于汽车应用的铝镁硅(AA6111)合金在双带式测试台上的0.060英寸厚的AA5754铝合金的带上以10毫米的厚度进行铸造。该带如在实施例1中所述的方式进行织构化。对比样品也铸造在轻织构铜带上。因在这种钢带上铸造时表面品质通常很差而未在钢带上进行铸造。光学图像由两个铸件的表面制成并分别在图8a和8b中为制作在铜和铝带上的板进行了比较。图8a显示了因在该类型铸造机中使用铜带所产生的表面品质还是差于图8b所示的因使用铝带所产生的表面品质。
尽管本发明已参照个别首选的实施例进行了说明，但此说明是本发明的示例而不是解释为本发明的限制。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，本领域内的技术人员可以对本发明进行许多种修改和变更。
权利要求
1.一种用于连续铸造金属带的连续带式铸造设备，包括至少一个具有至少部分地限定铸造腔的铸造表面的可移动的环形带，用于推进所述至少一个环形带通过所述铸造腔的装置，用于将熔化的金属注入所述铸造腔内的装置，以及当所述至少一个环形带通过所述铸造腔时用于将其冷却的装置，其中，所述至少一个环形带是由铝或者铝合金制成。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个铸造带具有1毫米至2毫米范围的厚度。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述铝合金选自由AA5XXX和AA6XXX合金系组成的群组。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述铝合金选自由AA5754、AA5052和AA6061组成的群组。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个铸造带具有至少100MPa的屈服强度。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个铸造带具有大于120W/m-K的导热系数。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备是具有两个由所述铝或者铝合金制成的所述环形带的双带式铸造机。
8.一种将熔化的金属铸造成金属带的形式的方法，其包括提供至少一个由铝或者铝合金制成并且具有至少部分地限定铸造腔的铸造表面的铸造带，连续推进所述至少一个铸造带通过所述铸造腔，将熔化的金属注入所述铸造腔的入口，当所述至少一个铸造带通过所述铸造腔时将其冷却，以及从所述铸造腔的出口连续收集所制得的铸造金属带。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将熔化的金属注入所述模子的步骤包括注入熔化的铝、镁、铜、锌或者它们的合金。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将熔化的金属注入所述铸造腔的步骤包括注入熔化的铝或者铝合金。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将熔化的金属注入所述铸造腔的步骤包括注入铝铁硅或者铝铁锰硅合金。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将熔化的金属注入所述铸造腔的步骤包括注入铝镁或者铝硅镁合金。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述至少一个带被推进通过所述铸造腔之前进一步包括施加脱模剂到所述铸造表面的步骤。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括提供具有1毫米至2毫米范围的厚度的带作为所述至少一个铸造带。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括提供由AA5XXX或者AA6XXX合金系的铝合金制成的带作为所述至少一个铸造带。
16.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括提供具有至少100MPa的屈服强度的带作为所述铸造带。
17.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括提供具有大于120W/m-K的导热系数的带作为所述至少一个铸造带。
18.一种适用于连续铸造设备的铸造带，包括设有至少部分地限定铸造腔的铸造表面的至少一个可移动的环形带，用于推进所述至少一个环形带通过所述铸造腔的装置，用于将熔化的金属注入所述铸造腔内的装置，以及当所述至少一个环形带通过所述铸造腔时用于将其冷却的装置，其中，所述铸造带是由铝或者铝合金制成。
19.根据权利要求18所述的铸造带，其特征在于，所述铸造带具有1毫米至2毫米范围的厚度。
20.根据权利要求18所述的铸造带，其特征在于，用于所述铸造带的所述铝合金选自AA5XXX和AA6XXX合金系。
21.根据权利要求18所述的铸造带，其特征在于，所述铸造带具有至少100MPa的屈服强度。
22.根据权利要求18所述的铸造带，其特征在于，所述铸造带具有大于120W/m-K的导热系数。
全文摘要
本发明公开了一种用于单带或者双带式铸造设备的铸造带。该铸造带由诸如选自AA5XXX和AA6XXX系的合金的铝合金制成，优选地具有1毫米至2毫米范围的厚度。本发明的铝铸造带适用于铸造诸如铝、镁、铜、锌及它们的合金的有色金属与轻金属，特别是诸如铝镁，铝镁硅，铝铁硅和铝铁锰硅合金系的铝合金。本发明还公开了一种带式连铸机和使用该铝铸造带的方法。
文档编号B22D21/00GK1886213SQ200480035221
公开日2006年12月27日 申请日期2004年10月1日 优先权日2003年10月3日
发明者W·M·T·加莱诺尔特, K·M·加滕比, I·金, R·R·德斯洛西尔斯 申请人:诺维尔里斯公司