连续铸造具有类似凝固范围的金属的制作方法

专利名称：连续铸造具有类似凝固范围的金属的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过直接冷硬(DC)铸造技术来铸造金属，尤其是铝和铝合金。更具体 地，本发明涉及通过包括连续固化的直接冷硬铸造来共铸金属层。
背景技术：
通常通过直接冷硬铸造熔融金属来生产金属锭。这包括将熔融金属倾入具有冷却 壁、开口上端和(在启动之后)开口下端的模中。在铸造操作进行时，金属作为固相金属锭从 模的下端露出，下降并拉长。在其它情形中，铸造在水平方向进行，但是过程是大致相同的。 通过在初生锭露出模时将液体冷却剂(通常是水)流引导到初生锭上，有利于并且确保从模 中露出的锭的固化。这称为锭的“二次冷却”(一次冷却通过冷却模壁实现)。这种铸造技 术尤其适于铸造铝和铝合金，但是也可用于其它金属。这种直接冷硬铸造技术在Wagstaff的美国专利No. 6，260，602中详尽地讨论，其 专门涉及铸造单体锭，即，完全由相同金属制成并且铸造为单层的锭。在Anderson等人的 美国专利公布No. 2005/0011630 Al中公开了通过连续固化技术来铸造单层或多层结构 (称为“复合锭”)的装置和方法。连续固化涉及铸造单层或多层并且包括铸造第一层(例如， 旨在作为内层或“芯”的层)并随后接着在相同铸造操作中在第一层已经实现合适程度的固 化程度之后在第一层上铸造一层或多层其它金属(例如，作为外层或“覆盖”层)。于1992年9月22日授予Mueller等人的美国专利5，148，856公开了一种设置有 偏转器装置的铸造模，所述偏转器装置取决于被形成的锭的局部收缩状况使得冷却剂流在 可变方向上偏转，使得冷却剂围绕锭的外围以恒定距离冲击到锭上。偏转器装置优选地是 可移动的挡板。虽然这些技术是有效的，但是当试图在某些合金组合、尤其是在熔融状态冷却时 具有类似或更特别地重叠的凝固范围(即，在各自合金的固相线和液相线温度之间的重叠 范围)的合金组合时可能遇到困难。具体地说，当这种金属被连续铸造时，有时发现覆盖层 可能不会像所期望地那样紧固地结合到芯层上、或者在铸造期间由于在各个层中产生的高 收缩力而导致在覆盖层与芯层之间的分界面可破裂或坍陷。因此，在共铸这些种类的金属时，需要一种改进的铸造设备和技术。

发明内容
—个示例性实施例提供了用于铸造复合金属锭的装置。该装置包括端部开口的大 致矩形模腔，其具有入口端部分、排出端开口、围绕模腔以形成模的相对侧壁和相对端壁的 冷却模壁、以及可移动底部块，所述可移动底部块适于装配到排出端内并且在铸造期间在 模的轴向上移动。至少一个冷却分隔壁定位在模的入口端部分，以将入口端部分分为至少 两个输送腔。提供用于将内层的金属输送到该至少两个输送腔之一的装置，并且存在用于 将至少一个外层的另一金属输送到至少一个另一个输送腔的至少一个装置，以从而在排出 端开口处形成大致矩形锭，所述锭具有相对的侧表面和相对的端表面以及包括内层和至少一个外层。锭的二次冷却设备在铸造的方向上从排出端开口间隔开并且适于提供从排出端 开口露出的锭的每个表面的二次冷却。二次冷却设备具有定位成提供每个相对侧表面和相 对端表面的二次冷却的部分，至少一个部分在铸造的方向上独立于至少一个其它部分可移 动。提供用于将至少一个部分在铸造方向上移动的装置。二次冷却设备的部分优选地配置成在距模的排出端开口有效距离处开始露出锭 的两个侧表面的二次冷却，该有效距离不同于开始端表面的二次冷却的有效距离。因此，二 次冷却缺乏围绕锭的竖直对齐，至少在一个侧表面上是如此。二次冷却设备的部分可由模 的相邻侧壁和端壁支撑，并且至少一个侧壁可相对于模的其它壁在铸造方向上可移动。替 代性地，二次冷却设备的部分可由模的相邻侧壁和端壁支撑，且相对的端壁能够相对于模 的至少一个侧壁在铸造方向上移动。根据另一示例性实施例，提供一种用于铸造复合金属锭的装置，其包括端部开口 的大致矩形模腔，所述模腔具有入口端部分、排出端开口、围绕模腔以形成模的相对侧壁和 相对端壁的冷却模壁、以及可移动底部块，所述可移动底部块适于装配到排出端内并且在 铸造方向上在模的轴向上移动。在模的入口端部分处提供至少一个冷却分隔壁，以将入口 端部分分为至少两个输送腔。提供用于将内层的金属输送到至少两个输送腔之一的管道以 及用于将至少一个外层的金属输送到至少一个另一输送腔中的至少一个另一管道，以从而 在排出端开口处形成大致矩形锭，所述锭具有相对的侧表面和相对的端表面并且包括内层 和至少一个外层。提供一种用于控制金属输送通过管道的设备，以保持在不同输送腔中的 金属上表面处于不同的竖直高度，最下表面保持在达到高于至少一个冷却分隔壁的下端多 达3 mm的位置、或者在低于该下端的位置处，其中在使用中该表面接触来自于相邻输送腔 的半固体金属。二次冷却设备靠近排出端开口定位并且具有布置成与模的每个侧壁和端壁 相邻的部分。至少一个分隔壁在铸造的方向上可移动。用于控制输送金属的设备可被调节， 以将在至少一个输送腔中的金属上表面相对于至少一个分隔壁保持处于固定的相对位置。本发明的另一示例性实施例提供一种铸造由具有类似凝固范围的金属制成的复 合锭的方法。该方法包括以下步骤通过将具有类似凝固范围的金属传送通过模而连续铸 造大致矩形复合锭，所述锭具有至少两个金属层并且具有相对的侧表面和相对的端表面， 所述模设置有冷却模壁和至少一个冷却分隔壁，从而使得金属经受一次冷却以形成锭，并 接着在锭通过模的排出端开口露出之后通过向锭的侧表面和端表面施加二次冷却来进一 步冷却所述锭。二次冷却初始施加到在距排出端开口有效距离处的锭的至少一个侧表面 上，该有效距离不同于二次冷却初始施加到端表面上的有效距离，以从而通过使得较晚铸 造层的熔融金属经由与较早铸造金属最初接触而将较早铸造层的金属加热至在较早铸造 金属的凝固范围内的温度来改进金属层之间的结合。在该方法中，二次冷却优选地通过将水流从模的侧壁或端壁喷射到锭上来实现， 且至少一个模壁相对于至少一个另一个模壁移动以产生在锭的表面上的二次冷却的首次 应用的有效距离的差异。本发明的另一示例性实施例提供铸造由具有类似凝固范围的金属制成的复合锭 的方法，包括以下步骤通过将具有类似凝固范围的金属传送通过模而连续铸造大致矩形 复合锭，所述锭具有至少两个金属层并且具有相对的侧表面和相对的端表面，所述模设置 有冷却模壁和至少一个冷却分隔壁，从而使得金属经受一次冷却以形成锭，并接着在锭通
6过模的排出端开口露出之后通过向锭的侧表面和端表面施加二次冷却来进一步冷却所述 锭；其中，所述至少一个冷却分隔壁在铸造方向上在所述模中可移动并且定位成使得所述 金属的所述层之间的结合最大化。该示例性实施例尤其可应用于复合锭的相邻层金属具有类似或重叠的凝固范围 的情形。“重叠”是指一种金属的凝固范围可部分延伸高于或低于另一金属的凝固范围，或 者一种金属的凝固范围可完全处于另一金属的凝固范围内。当然，事实上，这种重叠范围可 相同，如在两层金属相同的情况中那样。要注意，当共铸具有重叠的凝固范围的合金时，可 观测到关于层结合和/或铸造可靠性的困难。任何量的凝固范围的重叠可能产生这种困 难，但是当范围重叠达至少大约5 °C、更具体地达至少大约10 ！时这种困难开始尤其成 问题。应当理解的是，在本说明书中，当术语“矩形”用于描述模或锭时其意味着包括术 语“正方形”。同样，在铸造矩形锭中，铸造腔通常具有轻微球根状的(bulbous)壁，至少在 长侧壁上是如此，以允许在冷却时金属的不同收缩，并且术语“矩形”也旨在包括这种形状。应当理解的是，描述复合锭的层的术语“外”和“内，，在此十分宽泛地使用。例如， 在两层锭中，就其本身而言可能没有外层或内层，但是外层是在制成最终产品时通常旨在 暴露于大气、暴露于天气、或暴露于人眼的那层。同样，“外”层通常比“内”层更薄，通常认 为如此，且因而作为薄涂覆层或覆盖层位于下面的“内，，层或芯锭上，该“内，，层或芯锭为锭 提供其重要特性。在旨在热轧和/或冷轧以形成片材物品的锭的情形中，通常期望的是涂 覆锭的两个主要(轧制)面部，在该情形中存在明显可识别的“内，，和“外”层。在这种情形 中，内层通常称为“芯”或“芯层”，外层称为“覆+层”或“覆盖层”。


在下文中参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，在附图中
图1是在芯层的相对面部上铸造两个涂覆层的连续铸造模的竖直截面，所述涂覆层首 先被铸造；
图2和图3是根据图1的装置的放大局部截面，但是示出了在“基准”位置(图2)和在 升高位置(图3)的模的一个侧壁；
图4是表示铸造模的俯视平面的示意图，示意了图5中所示的视图； 图5是连续铸造模的分裂竖直截面，示出了在模的面部和端部处模壁的不同相对高
度；
图6A和图6B是模的简化截面草图，示出了模的侧壁的相对运动；以及 图7和图8是示出了各种铝合金的凝固范围的图表。
具体实施例方式本发明可采用例如在署名为Anderson等人的于2005年1月20日公布的美国专 利公布No. 2005/0011630 (所述文献以引用的方式并入本文)中所描述的一般类型的铸造 装置，但是对其所本文所描述的进行了修改。本发明还涉及到在Wagstaff的美国专利No. 6，260，602中所描述的技术(所述文献也以引用的方式并入到本文)。众所周知的是，不同于纯金属，金属合金在处于具体熔融点或温度时并不立即熔
7融(除非该合金碰巧具有低共熔成分)。相反地，当合金的温度升高时，金属仍完全呈固态， 直到温度达到合金的固相线温度，且之后金属进入半固体状态(固体和液体的混合物)直到 温度达到合金的液相线温度，在该温度时金属将完全变为液态。固相线和液相线之间的温 度范围通常称为合金的“凝固范围”，合金在该温度范围中处于“糊状”状态。根据Anderson 等人的装置使得可能通过连续固化来铸造金属，以在内层(例如，芯层)上形成至少一个外 层(例如，覆盖层)。具有较高液相线温度的合金通常首先铸造(即，其上表面定位在模内的 较高竖直高度，使得其首先经受冷却)。如Anderson等人的申请所公开的那样，为了在层之 间实现良好的结合，期望的是确保较晚铸造金属的表面(即，在模中具有较低位置的金属表 面)保持在某位置，该位置稍微高于(且优选地以不大于3 mm高于)用于抑制并冷却较早铸 造金属的冷硬分隔壁的下端、或者替代性地稍微低于该分隔壁的下端，使得熔融金属接触 较早铸造金属的表面。当以这种方式首先由熔融金属接触时，该较早铸造金属的外表面优 选地是半固体的，或者使得其可由熔融金属再加热以变成半固体。理论上，较晚铸造合金的 熔融金属可混合(或许仅在微小程度上在非常薄的分界面区域中)当较早铸造合金处于半 固体状态时较早铸造合金的熔融金属含量，以便获得良好的分界面结合。甚至在不存在熔 融合金的共同混合(comingling)时，至少某些合金成分可在分界面上充分地移动，该分界 面利于冶金结合。这在合金具有很大的不同凝固范围或者具有至少显著不同的液相线温度 时效果良好，但是当合金的凝固范围相类似或者重叠、且尤其当液相线温度彼此十分接近 时，已经发现出现一些困难。在不希望受任何具体理论约束的情况下，由于以下原因，可能出现问题。在首先铸 造合金的情形中，层必须在其移动到冷硬分隔壁下方之前在表面上形成自支撑半固体或全 固体外壳，尽管锭的中心在此时将通常仍是全液体的。当温度降至低于液相线时，在以其它 方式熔融的合金中固体金属的体积分数增加，直到其达到固相线为止(此时金属是全固体 的)。自支撑表面的失效风险(例如，外壳的破裂允许熔融金属从中心流出)随着在该表面上 半固体区域中金属的体积分数增加而降低。如果两层合金具有接近的液相线温度，那么较 晚铸造合金的熔融金属可在较早铸造合金的体积分数相对微小的点处接触较早铸造合金 的表面。于是，来自于较晚铸造合金的热量可引起自支撑表面屈曲并且失效，这继而需要终 止整个铸造操作。因此，在接触区域中的较早铸造合金中具有足够熔融金属以实现良好冶 金结合与具有固体金属的足够体积分数以避免自支撑表面失效之间存在微妙的平衡，与合 金不具有类似或重叠的凝固范围时相比，在合金具有类似或重叠的凝固范围时更难以实现 该平衡。在铸造期间遇到的困难还可能与合金的热传导系数相关。同样，不希望受任何具 体理论约束，目前认为其原因可解释如下。在直接冷硬铸造过程中，冷却水在锭从模露出时 接触该锭的外表面。这产生了提前的冷却效果，即，锭的外层比在未施用冷却水的情况下较 快地冷却(更接近模出口)。此外，由于金属的热传导系数，冷却水从模内的金属收回热量， 即，施加比在与冷却水初始接触的点甚至更大的冷却作用。提前冷却作用的幅度随着与锭 外表面相邻的合金的热传导系数以及冷却水的排热率而变化。在合金具有重叠的凝固范围 的情形中、尤其在覆盖合金具有相对低的热传导系数时，已经发现提前冷却作用对于覆盖 层与芯层之间的分界面的稳定性具有深远影响。这可能是因为这种合金结合的分界面固有 地不稳定，这是由在不同层的合金之间在初始接触点处类似的温度引起的(如上所述)，且这由在覆盖合金具有低热传导系数时从该区域的低劣热量去除性能而变得更差。通常，在 两种金属(当处于固体形式时)之间的热传导系数相差大于大约-10 W/(mK)(瓦/米-开 尔文)时，发现金属难以铸造。不可能对产生铸造困难的凝固范围的重叠程度或液相线温度的差给出精确的数 值，因为这在一定程度上取决于所包括的合金组合、锭的物理尺寸、铸造装置的性质和铸造 速度等等。然而，容易认识到合金组合何时遭受到这种困难因为那时很可能存在失效铸造 操作的数量增加或在得到的锭或轧制产品中分界面结合的强度降低。举例来说，当合金AA 1200作为覆盖层首先铸造到用作芯层的AA 2124上时，已知会出现铸造困难。合金AA 1200 具有618 °C的固相线和658 °C的液相线，而合金AA 2124具有640 °C的液相线。因此，凝 固范围重叠并且液相线温度相差仅18 °C。类似地，当合金AA 3003作为覆盖层首先铸造 到合金AA 6111上时，存在困难。合金AA 3003具有636 ！的固相线温度和650 °C的液相 线温度，而合金AA 611具有650 ！的液相线温度。从而，液相线温度的差仅为17 °C。在 首先铸造芯层的情形中，当合金AA 2124 (固相线620 ！和液相线658 °C)用作芯、且合 金AA 4043 (液相线629 °C )用作芯时，出现困难。这里，液相线温度的差为28 °C，但是铸 造中的困难依然出现。其它困难组合包括合金AA 6063/6061,6066/6061以及3104/5083。 顺便提及，为了理解在命名和识别铝及其合金中最通常使用的数字名称系统(AA数字)， 参考 The Aluminum Association 出版的于 2001 年 1 月修订的 “International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys”(其公开以引用的方式并入到本文中)。发明人令人惊奇地发现，当冷却水在与芯/覆盖层分界面相邻的锭的面部上首次 应用的点(二次冷却)不同于在连续共铸装置中通常会采用的首次应用的点时，可实现或恢 复这种困难合金组合的铸造属性的所需平衡。在这种装置中，通常围绕铸造锭在所有点以 相同高度(离模出口或模内金属池的上表面的距离)施用冷却水。在优选的示例性实施例 中，与在锭的端部或在锭的相对面部(如果不存在位于该表面下方的金属分界面)进行冷却 相比，二次冷却水在存在相邻的下部金属分界面的面部上的首次应用点被提前(应用成更 接近在模内金属池的上表面)。也就是说，与锭的端部面部以及未覆盖面部(如果存在话)相 比，冷却水更快地施加到(一个或多个)覆盖面部。与在常规冷却装置中的情形相比，在覆盖 和芯金属在模中汇合之前，覆盖于是被更大程度地冷却(由于提前冷却作用)，从而使得分 界面具有更大的稳定性。然而，二次冷却的提前程度不应当如此大以致覆层的冷却去除了 熔融金属和半固体金属在分界面处实现接触的可能性，基于前述原因该接触对于强分界面 结合是必要的。图1示出了适用于连续共铸的装置10的示例。在该视图中，该装置看起来类似于 上述Anderson等人的公布的装置，但是从在其它附图中示出的其它视图可显见不同之处。 图1示出了优选用于本发明的示例性实施例的一种装置，其中两个外(覆盖)层在内芯层之 前被铸造，但是芯层首先被铸造的替代性装置也是可能的。因而，在所示意的装置中，外层11被首先铸造在矩形内层或芯层12的主侧表面 (轧制面部)上。涂覆层11在铸造过程期间首先被固化(至少部分地)，且接着芯层被铸造与 外层的半固化表面接触。通常而言(虽然不必要地)，用于两个涂覆层11的金属是相同的， 且该金属不同于用于芯层12的金属，但是所选金属是通常情况下显现低劣分界面结合性能的金属，即，那些凝固范围与优选具有低热传导系数的外层金属的凝固范围相类似或相 同或者重叠的金属。根据图1的装置包括矩形铸造模组件13，其具有形成用于一次冷却的水夹套15的 一部分的模壁14，冷却水的一个或多个环绕流16从该模壁分配，用于通过孔或槽对露出锭 17的外表面进行二次冷却。在图1中，模壁由总体的附图标记14表示，但在其它附图中， 模壁被表示成用附图标记14A表示模的(通常更宽的)侧壁，并且用附图标记14B表示模的 (通常更窄的)端壁。在这种装置中的锭铸件通常是矩形截面且通常具有达70英寸乘以35 英寸的尺寸，但是也可以更大或更小。得到的锭通常用于通过常规热轧和冷轧工序在轧机 中轧制成覆盖片材。如已经提及的，重要的是在锭的内层和外层之间获得良好程度的结合， 使得在铸造、轧制或使用产品期间不会出现层分离。当然，避免由分界面的破裂或坍陷引起 的铸造失效也是很重要的。模的入口端部分18由分隔壁19 (有时称为“冷硬”或“冷硬壁”)分离成三个输送 腔，每个腔用于三层锭结构的一层。通常由具有良好热传导系数的铜制成的分隔壁19例如 通过冷硬水冷却设备(未示出)接触位于熔融金属表面高度上方的分隔壁而被冷硬(即，被 冷却)。因此，分隔壁冷却并固化与其接触的熔融金属。类似地，同样水冷的模壁14冷却并 固化与其接触的熔融金属。由模壁和分隔壁两者同时提供的组合冷却称为金属的“一次” 冷却，因为其是造成产生从模露出的初期固化锭的最主要原因的冷却以及因为这是金属在 其经过模时首先遇到的冷却。如箭头A所示，两个侧腔从金属贮存器23 (或者单个贮存器) 供应有相同的金属，且如箭头B所示，中心腔从熔融金属贮存器24供应有不同的金属。该 三个腔中的每个均经由分离熔融金属传输喷嘴20供应熔融金属达到期望高度(竖直高度)， 所述喷嘴每个均配备有可调节节流阀20A以在铸造操作期间将熔融金属的上表面保持在 预定高度。竖直可移动的底部块单元21最初关闭模的开口下端22，并且在铸造期间在启动 时段之后降低(如箭头C所示)，同时在初期复合锭17从模露出时对其进行支撑。在用于铸造这类装置的常规装置中，冷却水流16均首先在锭的所有面部和端部 上的相同竖直高度处接触锭。首先接触的位置通常与用于铸造单体(单层)锭的位置相同， 且旨在当锭从模露出时稳定锭的固体外壳，但是在模的底部与冷却水的首先接触点之间通 常存在空间或间隙。首先接触的常规位置可被认为是模的二次冷却的“基准高度”。模壁 14通常具有围绕模的相同高度，且如所注意到的，水流16的开口定位成以短距离低于每个 模壁的底部并且在相同的竖直高度处彼此对齐。图2是根据图1的装置的右手侧的细节截面图。该视图示出了模的侧壁14A (与 锭的主轧制面部中的一个相邻的壁)与端壁14B竖直对齐，使得二次冷却在锭的所有面部 和端部上以相同竖直高度开始。当熔融金属被输送到形成于分隔壁19与侧壁14A之间的 侧隔间中时，其形成具有熔融金属池或贮槽28的层，该熔融金属池或贮槽冷却下部和外侧 周围以形成半固体(糊状)区域30并且最终形成固体区域32。该糊状区域由表面29和表 面31约束，在表面29处，金属温度处于液相线，在表面31处，金属温度处于固相线。金属 的上部高度41高于在模的中心隔间中存在的芯金属的上部高度39，事实上，高度39低于 分隔壁19的下端，如图所示。芯金属自身形成熔融贮槽35、半固体区域36以及固体区域 37。芯12的熔融金属35和半固体区域36在区域D上接触外层11的表面33，如双头箭头 所示。为了层之间的正确结合，表面33应当充分地自支撑以避免在金属层之间的分界面27的坍陷，该坍陷(如果出现的话)会允许来自于隔间的熔融金属不受限制的相互混合并且导 致铸造操作失效。然而，各自金属的温度应当使得芯的熔融金属接触外层的半固体金属，这 可能是因为芯的熔融金属将外层的金属加热至在其固相线与液相线温度之间的温度。在图 2的装置中，熔融贮槽28和35以及半固体区域30和36彼此相当接近(大概分开4_8 mm), 并且在金属的凝固范围重叠且由于外层11的低热传导系数而不能通过外层迅速收回热量 时，存在分界面破裂的风险。当然，来自于外层的热量部分地通过在模壁14A自身后面的一 次冷却水、以及分隔壁19给予的冷却、以及部分地通过来自于冷却水流16的二次冷却而从 外层被吸取。虽然该流接触区域D下方的锭，但是该区域的温度以及贮槽28的形状和深度 仍然不受冷却水影响，这是因为热量通过外层11向下地被吸取。图3示出了一种变型，其中模壁14A已经相对于端壁14B升高了距离E。这具有 升高二次冷却流16的作用，使得与图2的装置的情形相比，该流更快地施加到锭(更接近上 金属表面41)。因此，该冷却源更接近贮槽28并且提供对于锭的该部分更大的冷却。结果 是，贮槽28比在图2中的情形更浅，如图所示。这意味着，在图3的装置中，芯的熔融金属 35和外层的熔融金属28之间的距离更大，因而分界面27坍陷的风险要小得多。然而，在 区域D中表面33处外层的固体金属32的温度仍足够高，使得芯的熔融金属35可再加热表 面33以产生半固体金属的小区域，如区域43所示(例如，可以是仅50 - 200微米深)。因 此，可实现期望的良好分界面结合。如果壁14A升高得更多，那么存在这样的风险通过冷 却水流16的作用，金属32将在表面33如此多地被冷却，以致将不会形成半固体金属的区 域43，并且也将不会实现期望的强分界面结合。壁以此方式的运动不会产生在一次冷却的 作用方面的明显不同，因而影响主要在于水流16所产生的二次冷却作用。在任何具体情形 中，壁14A应当升高的距离E取决于若干因素，尤其是芯和外层的金属的特性。对于合金的 任何组合，通过试验和经验确定最优距离。通常，对于许多合金组合，所发现的是，距离E在 0. 25至1. 0英寸的范围内，且通常在0. 25至0. 50英寸的范围内。对于在两侧上均具有外覆盖层11的锭来说，如图1所示，在锭两个面部上的模壁 将被升高以实现在锭的两侧上的期望结合。端壁会保持在其初始位置。如果两个外层的金 属是相同的，则壁在模的两侧上将被升高的距离相同。如果两个外层的金属不同，侧面被升 高的距离可能有一些不同，以实现最优效果。对于仅在一侧上具有覆盖层的锭，仅在该侧上 的模壁将被升高，并且在相对侧上的模壁将保持未移动，从而将冷却水流16以与施加到锭 端部的冷却水相同的高度分配。作为升高侧壁14A的替代方式，端壁14B可被降低以实现相同的效果(相对于端壁 14B的二次冷却，与侧壁14A相邻的二次冷却被升高)。在这种情形中，分隔壁19将保持在 相同的位置且因而将不会固定到模的端壁上。作为又一替代方式，可将分隔壁19在模内降 低(连同芯金属的表面39以及覆盖金属的(一个或多个)表面41)同时将所有侧壁和端壁 保持在“基准”高度。芯和覆层的表面保持与常规模制操作中相同的相对高度，但是模制操 作在模中的下部发生，从而二次冷却比其它情形中在更高(更接近熔融金属表面)的位置出 现。这同样具有与相对于区域D升高二次冷却流的首次应用的位置的相同效果。在这种情 形中，二次冷却可围绕模在相同高度处施加。如果仅在锭的一侧存在覆层，那么分隔壁19 可降低到该侧上，且在另一侧上的侧壁14A可降低以补偿在该侧上芯金属的降低高度。应当记住的是，在图2和图3中示出的情形仅是层之间的结合如何通过调节围绕锭的二次冷却的首次应用的位置来实现的一个示例。取决于各种因素，可出现其它情形。例 如，可存在二次冷却在锭的涂覆面部上的首次应用的点相对于该端面部向下移动的情形， 而不是如图2和图3所示的向上移动。例如，如果涂覆层的贮槽在首次应用的常规位置处 太浅，那么可能期望的是将二次冷却向下移动以降低贮槽，从而确保表面33的合适温度以 允许形成区域43。作为又一替代方式，模10可设计成具有围绕模的固定的但是不同的二次冷却高 度。这可适合于设计用于铸造具体合金组合的模，并且该模不太可能用于其它合金组合。因 此，基于铸造这种组合的现有经验，围绕模的冷却高度的变型可被构建到设计中去。例如， 与用于模端壁的角度相比，流16可布置成在一个或两个相对侧上的不同角度。图4和图5示出了二次冷却的位置如何能够变化。图5是连续铸造模的分裂视 图，且参照图4能够最佳地被理解，图4是类似于图1的矩形模的平面图，示出了端壁14B、 侧壁14A以及分隔壁19。图4的两组截面箭头分别表示在图5的左手侧上示出的视图以及 在图5的右手侧上示出的视图。因此，分裂视图的左手侧示出了在模的侧面部14A处的一 次冷却和二次冷却(两个侧面部是相同的)，右侧示出了在模的端面部14B处的一次冷却和 二次冷却(两个端面部是相同的)。图5示出了首先铸造涂覆层11的模。在图5的情形中，锭的侧面上的模壁14A升高成高于锭的端部处的模壁14B。锭端 部处的模壁14B定位成使得二次冷却处于“基准高度”。二次冷却装置(水流16)定位在沿着 锭侧面相对于锭端部的不同高度，且这导致所期望地在锭的相应层中调节固化区域(液体 至半固体，以及半固体至固体)的位置，从而提供局部半固体熔合以及层之间的良好结合。在图2、图3、图4和图5所示意的实施例中，模具有可相对于模的端壁移动的侧 壁，该端壁可固定到位。如已经注意的那样，不是升高侧壁，通过降低端壁同时保持侧壁固 定可实现等同的效果。这在图6A和图6B中示出。在图6A的情形中，端壁14B具有与侧壁 14A相同的高度，但是在图6A中，端壁14B已经相对于端壁14A降低。在该实施例中，在模 的两端处的端壁14B可移动相同的距离，且这在模配置成在锭的两侧上均提供外覆盖层时 最优选地实现。模的端壁14B可悬置在侧壁14A之间，例如以允许铸造锭的尺寸变化(通过 将端壁在侧壁之间滑进或滑出)。侧壁和端壁的相对高度可通过升高端壁14B (例如，通过 所示出的绞盘50和缆索51)来调节。在所有这些实施例中，在不允许熔融金属在壁彼此接触的点处从模泄漏的情况 下，可移动的壁必须在高度上可调节。为此目的，在模的壁之间可提供合适的密封(未示 出)。通常而言，一个壁或一对壁(例如，端壁)可固定到位，而另一对(例如，侧壁)可向下和 /或向上移动。替代性地，模的所有四个壁可独立地竖直可调节。可提供任何合适装置用于 支撑壁并且竖直移动壁，例如液压缸或气压气缸和活塞装置、或者包括可旋转竖直杆的支 撑件，所述竖直杆设置有螺纹，可通过位于模壁的外表面上的带螺纹孔眼。图5和图6A示 出了另一这种代表性装置，即，可旋转的绞盘50和缆索51。在又一替代性实施例中，冷却水的首次应用的位置可通过除了将模的侧壁或端壁 升高或降低以外的手段进行调节。例如，在一些模中，模的每侧都设置有双排孔，用于产生 冷却水的射流(例如，如Wagstaff的美国专利5，685，359中所公开的，所述文献以引用的方 式并入到本文中)。一组孔产生在角度上不同于另一组孔的射流，使得射流以不同高度接触 锭。所施加的两组射流一起产生平均冷却高度，但是这可通过堵塞形成下部组的水射流的孔而进行变化(向上移动)。当然，二次冷却装置在锭不同侧面上的相对运动对于本发明的一些示例性实施例 是十分重要的。因此，在一些实施例中，模壁可相对于彼此不可移动，并且二次冷却装置可 独立于模壁(例如，由管件输送的冷却水射流定位成低于冷却壁，并且装置可被提供用于独 立地升高和/或降低与模的一个或多个侧面相邻的二次冷却装置的部分)。然而，由于常见 的是，在供应来自于孔或槽的二次冷却流的这种铸造设备中通常优选的是移动模壁，其中 该孔或槽形成在用于一次冷却的水夹套中，。在其它可替代的示例性实施例中，不是将模壁或冷却装置移动以使得围绕模的二 次冷却的首次应用的竖直位置变化，而是围绕模可改变冷却液体的喷射角度。如果冷却流 在接触锭表面之前在铸造的方向上喷射成更接近露出锭，其首次接触的点将更接近模的排 出端出口。类似地，如果冷却流可从模的底部端部喷射得更远，那么可有效地降低首次应用 的点。可能期望的是，使得围绕模的喷射角度可变化，使得在锭的具体侧面或端部上的首次 接触高度可变化，并且最优位置用于任何具体金属组合。图7和图8是示出了各种铝合金的凝固范围的图表。上面提到过，适合用于示例 性实施例中的合金组合的示例可包括铝合金3104/5083、6063/6061和6066/6061 (其中，首 先给出覆层)。图7示出了各种合金但是包括第一组合的合金3104和5083 (以箭头标记)。 将看到的是，这些合金的凝固范围重叠了 15 °C。图8示出了合金6066、6061和6063的凝 固范围。组合6063/6061重叠了 23 °C，而组合6066/6061重叠了 46 °C。
权利要求
1.一种用于铸造复合金属锭的装置，包括端部开口的大致矩形的模腔，所述模腔具有入口端部分、排出端开口、围绕所述模腔以 形成所述模的相对侧壁和相对端壁的冷却模壁、以及可移动底部块，所述可移动底部块适 于装配到所述排出端内并且在铸造方向上在所述模的轴线上移动；至少一个冷却分隔壁，所述冷却分隔壁在所述模的入口端部分处以将所述入口端部分 分为至少两个输送腔；用于将内层的金属输送到所述至少两个输送腔之一的管道以及用于将至少一个外层 的金属输送到至少一个另一个所述输送腔的至少一个管道，以从而在所述排出端开口处形 成大致矩形锭，所述锭具有相对的侧表面和相对的端表面并且包括内层和至少一个外层；设备，所述设备用于控制金属输送通过所述管道，以保持在不同输送腔中的金属的上 表面处于不同的竖直高度；和二次冷却设备，其与所述排出端开口相邻并且具有与所述模的每个所述侧壁和端壁相 邻定位的部分；其中，所述冷却设备与所述端壁相邻的部分布置成相对于所述二次冷却设备与所述侧 壁的至少一个相邻的所述部分在铸造的方向上沿着所述锭在不同位置开始所述二次冷却。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，用于控制输送金属的所述设备可操作以将最下 表面定位成高于所述至少一个冷却分隔壁的下端多达3 mm，或者将所述最下表面定位成低 于所述下端使得在使用中所述表面接触来自于相邻输送腔的半固体金属。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述二次冷却设备与所述端壁相邻的部分 配置成相对于所述二次冷却设备与所述两个侧壁相邻的所述部分沿着所述锭在不同位置 开始二次冷却。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述二次冷却设备的部分由所述模 的侧壁和端壁的每个支撑，并且所述侧壁的至少一个相对于所述模的其它壁在铸造的方向 上能够移动。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述二次冷却设备的部分由所述模 的侧壁和端壁的每个支撑，并且所述相对的端壁相对于所述模的至少一个侧壁在铸造的方 向上能够移动。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述冷却模壁由包含冷却液体的夹 套围绕，并且所述二次冷却设备包括孔口，所述孔口在所述夹套中且与所述模的排出端开 口相邻，用于将所述冷却液体的流喷射到所述锭的表面上。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中，所述二次冷却设备的所述部分的所 述至少一个在铸造的方向上能够移动0. 25至1. 0英寸范围内的量。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，用于控制输送金属的所述设备连接 到包含熔融金属的贮存器，所述熔融金属具有重叠的凝固范围。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其中，用于控制输送金属的所述设备连接 到包含熔融金属的贮存器，所述熔融金属在固态时其热传导系数相差超过-10 W/(mK)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中，所述二次冷却设备配置成使得所 述锭的端表面的二次冷却在所述模的基准位置开始，并且所述至少侧表面的二次冷却在所 述基准位置以外的位置开始。
11.一种用于铸造复合金属锭的装置，包括端部开口的大致矩形的模腔，所述模腔具有入口端部分、排出端开口、围绕所述模腔以 形成所述模的相对侧壁和相对端壁的冷却模壁、以及可移动底部块，所述可移动底部块适 于装配到所述排出端内并且在铸造方向上在所述模的轴线上移动；至少一个冷却分隔壁，所述冷却分隔壁在所述模的入口端部分处以将所述入口端部分 分为至少两个输送腔；用于将内层的金属输送到至少两个输送腔之一的管道以及用于将至少一个外层的金 属输送到至少一个另一个所述输送腔的至少一个管道，以从而在所述排出端开口处形成大 致矩形锭，所述锭具有相对的侧表面和相对的端表面并且包括内层和至少一个外层；设备，所述设备用于控制金属输送通过所述管道，以保持在不同输送腔中的金属的上 表面处于不同的竖直高度，最下表面保持在高于所述至少一个冷却分隔壁的下端多达3 mm 的位置，或者在低于所述下端的位置，其中在使用中所述表面接触来自于与输送腔相邻的 半固体金属；和二次冷却设备，其与所述排出端开口相邻并且具有定位成与所述模的每个所述侧壁和 端壁相邻的部分；其中，所述至少一个分隔壁在所述铸造的方向上可移动，用于控制输送金属的所述设 备可调节以便将在至少一个所述输送腔中的金属的上表面相对于所述至少一个分隔壁保 持在固定的相对位置。
12.—种铸造由具有类似凝固范围的金属制成的复合锭的方法，包括以下步骤通过将具有类似凝固范围的金属传送通过模而连续铸造大致矩形复合锭，所述锭具有 至少两个金属层并且具有相对的侧表面和相对的端表面，所述模设置有冷却模壁和至少一 个冷却分隔壁，从而使得金属经受一次冷却以形成所述锭，并接着在锭通过所述模的排出 端开口露出之后通过向所述锭的侧表面和端表面施加二次冷却来进一步冷却所述锭；其中，所述二次冷却沿着所述锭在不同于(一个或多个)位置的位置处施加到所述锭的 侧表面或端表面中的至少一个上，在所述(一个或多个)位置处，冷却水被施加到至少一个 另一个所述表面上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，金属被供应以形成具有内层和两个外层的 锭，且其中，所述两个外层的表面的二次冷却在铸造的方向上在不同于所述锭的端部的二 次冷却开始的位置的位置开始。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述侧表面的二次冷却在铸造的方向上 变化，以使得所述层之间的结合最大化。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法，其中，所述至少一个侧表面的二次冷却的 有效距离不同于端表面的二次冷却开始的有效距离，相差从0. 25至1. 0英寸范围内的量。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中，端表面的二次冷却在所述模的 基准位置处开始，并且所述至少一个侧表面的二次冷却在不同于所述基准位置的位置处开 始。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的方法，其中，二次冷却通过将水流从所述模 壁喷射到所述锭上来实施，所述模的至少一个壁相对于至少一个另一个壁移动以产生在所 述锭的表面上的二次冷却的首次应用的有效距离的差异。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，其中，所述金属被选择成在固态时热 传导系数相差大于-10 W/(mK)。
19.根据权利要求12-18中任一项所述的方法，其中，所述金属被选择成具有重叠的 凝固范围。
20.一种铸造由具有类似凝固范围的金属制成的复合锭的方法，包括以下步骤通过将具有类似凝固范围的金属传送通过模而连续铸造大致矩形复合锭，所述锭具有 至少两个金属层并且具有相对的侧表面和相对的端表面，所述模设置有冷却模壁和至少一 个冷却分隔壁，从而使得金属经受一次冷却以形成所述锭，并接着在所述锭通过模的排出 端开口露出之后通过向所述锭的侧表面和端表面施加二次冷却来进一步冷却所述锭；其中，所述至少一个冷却分隔壁在铸造方向上在所述模中能够移动并且定位成使得所 述金属的所述层之间的铸造可靠性和结合最大化。
全文摘要
公开了一种用于连续直接冷硬铸造由具有类似凝固范围的金属制成的复合锭的方法和装置。层之间的低劣结合以及铸造的低可靠性通过调节与二次冷却的首次应用的常规位置相比的二次冷却(通过将水流应用到露出锭来产生)相对于熔融金属池的上表面的位置来解决。这能够通过移动一个或多个模壁(当二次冷却源自这种壁的底部时)、或者调节熔融金属池在模内的高度并且移动在池之间的冷却分隔壁来实现。因此，可优化金属在金属分界面处汇合的位置处各种金属的相对温度和状况。
文档编号B22D7/02GK102112254SQ200980129720
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月30日 优先权日2008年7月31日
发明者W. 里弗斯 E., 布尔曼 J., B. 沃斯塔夫 R., J. 芬顿 W. 申请人:诺维尔里斯公司