专利名称：用于薄壁铸造的低压头供给系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及从中间包中将熔融金属输送到薄壁连铸机内的装置，尤其是涉及将熔融金属以低压头和匀速流过连铸机整个宽度的输送装置，以便能有效地保持“闭池”式铸造过程。
传统的铸造大横截面，如板坯、方坯或坯段的连铸机是广泛地用于钢铁工业中。这些铸机通过减少浇铸前对板坯、方坯或坯段的滚轧而节省了大量的能量。另外通过浇铸更薄的钢板或带状横截面的板能进一步节省能量。尽管热滚轧工序并没有被取消，而加热和滚轧则大大减少了。可以采用工业用装置浇铸有色金属工业中，例如铸铝工业中的这种薄壁铸件。目前，已研制成的一种隧道式垂直铸模机可以浇铸大约2英寸厚的薄钢板。并希望能浇铸更薄的，如1英寸的和更薄的钢板，并使浇铸速度能达到每分钟400-600英寸。为了完成上述后者的那个技术条件，就需要如用于有色金属浇铸中的那种水平式连铸机。典型的连铸机具有型面，如膜、滚轮或钢带，它们仅在浇铸方向运动，并不象传统的垂直铸模那样摆动。以前所做的大量工作是在一对带式连铸机内浇铸熔融钢水。这些努力未获成功，部分原因是由于“开池”式浇铸操作所引起的钢带表面问题。开池指的是将熔融金属从喷嘴处输送到钢带间的空间但并没有完全充满喷嘴出口和钢带之间的空间。为了在浇铸时获得较好的表面，最好采用闭池操作，但喷嘴出口和钢带间仅能保持大约0.020或更小的间隙，而且喷嘴和钢带间的金属会形成弯月液面，该弯月液面完全封闭了喷嘴和钢带之间的空间。
为了控制和保持喷嘴和钢带间的间隙，就必须允许喷嘴和中间包之间以尽可能多的方向做有限的相对运动。如果喷嘴是刚性地连到中间包上，这种相对运动是困难的，但并不完全不能保持所需的间隙。中间包的热膨胀和其他供给系统的部件在预热和浇铸过程中会引起较大的运动。同时最好保持喷嘴出口和钢带间的间隙而不应在喷嘴上施加过大的力。另一个因素是由于需要形成和保持喷嘴出口和钢带间的弯月液面所造成的。为形成弯月液面，喷嘴出口处熔融金属的压力应是稳定的，且具有较低的正压。最后，另一个因素是，从在供给系统和金属进入连铸机的区域内防止回流涡流和气孔或负压的意义上说，熔融金属的流动应该是均匀的。
美国专利4，544018、4，576，218和4，627，481中描述了将熔融金属输送到双带式连铸机的供给系统。4，544，018号专利描述了一个具有球形耐火接合件的供给系统，从而允许中间包和铸机间因热膨胀而做相对运动。该文献还描述了钢水流动通道，该通道从靠近中间包处的圆形横截面转变为靠近喷嘴处的矩形横截面。同时应该注意到，该系统用于在浇铸口或喷嘴和连铸机钢带间带有窄间隙的“闭池”式操作(1栏第14-16行，3栏第20-29行，9栏第61-10栏第2行)。可是，该系统并不是为低压头运行而设计的，这可以通过事实来证明，即，所有供给系统内和中间包内金属的高度都高于喷嘴出口部分的高度，US4，576，218号专利是US4，544，018号专利有关，并且还公开了具有一对球形耐火接合件的供给系统，设置两个球形接合件是为相对于中间包提供附加的自由度。US4，627，481号专利公开了类似于上述两专利的供给系统。值得注意的是喷嘴内的流动通道的横截面积沿流动方向扩张，从而接近于钢带或铸模的截面尺寸(1栏第68行-2栏第1-3行)。而该文献指出设备的总高度较低(2栏第54-61行)，但中间包和供给系统内的所有金属仍是处在高于喷嘴出口处的高度。上述三篇文献都没有公开低压头供给系统。US3，568，756和3，905，418号专利公开了压力弹簧组为在连铸机供给系统上提供弹性联接。上述最后那篇专利还公开了一个输送熔融金属的较小的孔以提高熔融金属的流速和减小熔融金属在孔内固化的可能性(3栏第44-53行)。最后，US4，550，763公开了一种向滚轧连铸机提供熔融金属的喷嘴。该喷嘴的侧面在流动方向上随隔板一起收缩并在距其喷嘴出口端长度的至少1.5倍距离处收缩终止(3栏第11行-5栏第51行)。该文献指出，喷嘴的收缩面为的是防止喷嘴内发生流动分离和回流涡流。据该文献描述的收缩角是在1-45°范围。较好的是1-15°，最好是0-10°。文献还指出隔板的位置，即它们的终点与喷嘴出口相隔一段距离，对于减小流动曲线上的隔板的下游的尾流影响是很重要的。由于隔板终止于喷嘴出口之前的一段合理的距离，所以能获得更均匀的流动分布。
本发明的供给系统用于将熔融金属提供给薄壁连铸机，该连铸机具有仅在浇铸方向运动的型面。该系统以足够低的压头将熔融金属输送到连铸机，从而在喷嘴出口和铸机型面间形成弯月液面。现已发现，必须将喷嘴出口中心线处的熔融金属的压力控制在0.5-3.0英寸范围内。供给系统由耐火管道组成，该管道具有许多以首尾相联的方式联接在一起的段。耐火管道的纵向通道在靠近其一端以接收熔融金属的地方为圆形截面，而在将熔融金属提供给连铸机的相反一端是矩形截面。纵向通道的过渡部分的接收端具有圆形横截面，而输送端具有矩形横截面。该系统有一上表面，该表面包含供给系统的最高提升点。为了防止空气进入供给系统和保持正压(或只有微小的负压，即低于大气压大约1英寸)，最高提升点所处的位置低于喷嘴出口处熔融金属的压力(该压力以英寸表示)。同时，当供给系统在某位置向连铸机供给熔融金属时，最高提升点应在高于喷嘴出口中心线以上0.5-3.0英寸范围内。该特点具有特别的意义，因为这样消除了因空气进入供给系统而在供给系统中形成的气泡对熔融金属的流动所产生的压力波动。
图1是本发明供给系统的侧视图;
图2是图1所示的供给系统的放大纵断面视图;
图3是本发明的供给系统的关节接合部分的放大侧视图。
图4是供给系统的过渡段纵面图;
图5是图4Ⅴ-Ⅴ线剖视图;
图6是图4Ⅵ-Ⅵ线剖视图;
图7是图4Ⅶ-Ⅶ线剖视图;
图8是供给系统过渡部分内的耐火内衬前视图;
图9是图4所示过渡部分下游端的放大断面图;
图10是本发明过渡部分内的通道孔下游方向的示意图;
图11是图10所示孔的侧视图;
图12是图11所示孔的上游方向的侧视图;
图13是图11所示通道的平面图;
图14A是图13的ⅪⅤA-ⅪⅤA线的断面图;
图14B是图13的ⅪⅤB-ⅪⅤB线的断面图;
图14C是图13的ⅪⅤC-ⅪⅤC线的断面图;
图14D是图13的ⅪⅤD-ⅪⅤD线的断面图;
图15是去除了顶面的供给系统耐火喷嘴的平面图;
图16是图15ⅩⅥ-ⅩⅥ线的纵向垂直断面图。参考图1，本发明供给系统由标号10表示，其一端与提供熔融金属14的中间包12相联通。供给系统用于将中间包内的熔融金属供给连铸机，该机上有一对相互对置的钢带16和18，并且钢带最好以相对于水平方向成6°的角向下倾斜。供给系统的一端支承在梁20上，而另一端由框架22支承。提升装置24在轮26上可横向运动，轮26安装在轨道28上，而轨道28固定在高架梁30上。提升装置有一安装在杆34上的吊环32，杆34利用支承件36、38和40连接在供给系统的上部。杠杆42可用手操作来移动框架22上的供给系统，以便能粗调供给系统相对于中间包的位置。
参考图2，在靠近中间包的出口45处设置了滑门组件44，用来调节流入供给系统的熔融金属流量，组件包括传统的固定板46和滑动板48，后者可由可动机构(未表示)来操作。供给系统包括固定门式耐火段50该耐火段安装在绝热耐火材料52和金属外壳54上，金属外壳54用键56将它固定在框架22上。供给系统包括耐火的中心部件58和耐火过渡段64，中心部件58安装在金属外壳62内的绝热耐火层60上，耐火过渡段64安装在金属外壳68内的绝热耐火层66上。供给系统到耐火喷嘴70处终止，喷嘴安装在绝热耐火板72和74上。绝热耐火板有一些将它们固定在金属夹件78和80内的键形表面76。夹件78和80由锁闭杆82固定在套板84上，该套板被固定在过渡段的外壳68上。
参考图3，分别利用门形段50和中心件58的金属球表面86和88来提供关节接合，并分别利用中心件58和过渡段64的金属球形面90和92来提供关节接合，这种接合是利用安装在法兰盘96和98上的许多螺栓94将它们保持在一起并且用螺母100固定住。压力弹簧102安放在位于球底垫圈106和平垫圈108之前的止动器内。在螺母100和法兰盘98之间也安放了球底垫圈106。球底垫圈使螺栓在关节接合期间很方便地转动。由于在预热和浇铸过程的热膨胀，这种关节接合允许供给系统相对于中间包移动。同时也应注意到，喷嘴在连铸机钢带间的空间内的精确定位，使得喷嘴外表面和喷嘴出口处各钢带间保持大约0.020英寸的精确间隙。未画出用来调节喷嘴位置的装置，它不属于本发明的范围。
根据本发明，当供给系统处于工作位置而将金属供给连铸机时，在使熔融金属流过供给系统的通道110(图2)上的最高提升位置是在过渡段64的通道上表面111上，例如在靠近喷嘴的点42处的表面的轴向中心线上。该点相对于喷嘴出口中心线114的提升位置应特别予以限制，以便使该提升高度小于喷嘴出口处的以英寸为单位测量出的熔融金属压力。换言之，如果喷嘴出口处的金属压力是2英寸，供给系统内的通道的高点112则小于喷嘴出口中心线114上方2英寸。这种限制确保了供给系统内金属压力总是保持为正压，从而防止了空气通过供给系统的接合处进入金属内。过渡段64内通道的上表面111(图4)最好是一个平面且为等腰三角形(图13)。这个特征在当熔融金属首先进入系统中时，允许通道内的空气完全有效地冲击。过渡段弯曲的上表面会使靠近弯曲表面的金属夹带空气，并且随后会使送到连铸机的金属产生波动。金属的波动会破坏喷嘴出口处的弯月液面而造成不良表面或裂口，防碍了浇铸工作。设计的过渡段的上表面111最好在供给系统处于给连铸机供应金属的工作位置时成水平状态。这样将进一步增强上面提到过的系统内空气的冲击。
整个供给系统内的流动通道的截面尺寸和形状应设计成能防止回流涡流并能促进熔融金属均匀流动。这就需要防止金属内颗粒的沉淀，因为这种沉淀会引起系统的卡滞和堵塞。这个特点在浇铸熔钢时对防止氧化铝的沉淀有极重要的作用。通道110的截面积设计成从靠近中间包出口处的端部向喷嘴出口方向逐渐缩小。在每个关节接合的表面处使通道截面逐渐减少，以确保各段的移动不会引起朝向喷嘴的下游方向的通道截面积的增加。减少截面积的要求也会影响过渡段64内通道的形状(图4-8)。过渡段64内流动通道从接收端118的圆截面转变为靠近喷嘴的输送端120的矩形截面。在圆形截面变为矩形截面的那一段，为使截面缩小和在过渡段的流动通道内获得一平的水平顶面，于是在其底面122设计了复杂的曲面，使通道呈内弧面形。很明显，对一个该领域的普通技术人员来说可以设计出许多种可接受的不同形状的通道来满足上述的要求。图10进一步清楚地表示了过渡段64下游方向的通道111的截面逐渐变化的情况。
参考图15和16，耐火喷嘴70有一对耐火插入件126和128，并提供有朝喷嘴出口方向130宽度逐渐增加的流动通道。喷嘴内通道顶面和底面132和134(图16)在向喷嘴出口方向130收缩以便在那个方向使通道的横截面减小。为了浇铸熔钢，需用耐高温材料制作喷嘴。由于使用这种材料，在整个喷嘴宽度方向上，相隔一定距离设置一些支撑顶面和底面的部件。中心耐火隔墙136(图15)就是为这个目的而设置的。中心隔墙有一流线形前沿138，它从喷嘴接收端延伸到其输送端。在喷嘴的顶面和底面设置了一对用作辅助支承的隔墙140和142。后两隔板是从喷嘴输送端起延伸到特定选择的位置，在该位置处将熔融金属分成同等宽度的几股液流，但基本不增加下游方向横截面。因而，隔墙140和142的前沿的设置应使它离中心隔墙和相邻的耐火插入件的内表面间的距离相等。喷嘴顶面132在喷嘴出口的区域144内以一更大的下倾角收缩。这个特点使得喷嘴在刚运行时能够完全地充满熔融金属。否则最初送入的金属过快地流出喷嘴并进入连铸机而可能将气泡留在过渡段内。
在运行时，应将供给系统定位，使其在起动前精确地排在连铸机钢带之间。开始时，从中间包输送的熔融金属的体积流量至少比正常浇铸过程中的体积流量大三倍。按初始流量提供熔融金属直到供给系统完全充满为止，然后再将流量减回到连铸机运行所需的流量。初始流量最好比在随后的浇铸过程的流量至少大四倍。流量的变化可以先利用具有直径为3英寸的孔口的滑门板，然后再使用具有直径为1 7/8 英寸的孔口的滑门板来完成。
权利要求
1.一种将熔融金属输送到薄壁连铸机的供给系统，该连铸机有仅在浇铸方向上运动的型面，所述的供给系统包括由许多首尾相接的段构成的耐火管道，所述耐火管道有一纵向通道，在通道的一端接收熔融金属，而在另一端把熔融金属供给连铸机，所述纵向通道在靠近它的接收端为图形截面，而在它的输送端为矩形截面，所述纵向通道包括介于相反两端间的过渡部分，所述过渡部分在靠近接收端处为圆形截面，而在靠近输送端处为矩形截面，所述过渡部分的上表面包含供给系统通道的最高提升点，所述的相对于供给系统出口孔中心线的高度来说的最高提升点处于小于所述出口孔处的熔融金属的以英寸计量的压力的高度，当为了将熔融金属输送到连铸机内使供给系统处在适当位置时，最高点的高度在高于所述出口孔中心线0.5到0.3英寸范围内。
2.如权利要求1所述的供给系统，其特征在于所述过渡段的上表面的基本上是一个平面且为等腰三角形，所述等腰三角形表面的顶点是在所述过渡部分的接收端。
3.如权利要求2所述的供给系统，其特征在于靠近输送端的纵向通道的基本为矩形截面部分有一对相对的、从矩形截面的接收端朝纵向通道的输送端方向扩张的侧壁，所述矩形部分的顶面和底面从所述接收端朝输送端方向收缩，以使在所述扩张的侧壁和收缩的顶面与底面间的所述矩形部分的横截面在朝连铸机下游方向减小。
4.如权利要求2所述的供给系统，其特征在于过渡段的基本平的等腰三角形的上表面的最高提升点是在位于连铸机钢带间的所述出口孔中心线以上0.5-1.5英寸范围内。
5.如权利要求3所述的供给系统，其特征在于当为了将熔融金属输送到连铸机内使供给系统处于适当位置时，所述过渡段的基本平的等腰三角形的上表面排列成基本水平的位置。
6.如权利要求3所述的供给系统，其特征在于还包括许多位于纵向通道内靠近输送端的用于支承顶面和底面的隔墙，所述隔墙从所述纵向通道的输送输朝接收端方向延伸到所述矩形部分的扩张的侧壁之间的某些位置，这些所述隔墙的位置和形状应能将金属流分成偶数的相等流量的液流并流入小通道内，小通道在朝输送端的方向其截面并没有增加。
7.如权利要求3所述的供给系统，其特征在于纵向通道的所述矩形截面部分的顶面在纵向通道的输送端以比靠近接收端处的收缩角度大得多的角度收缩，以便能在一开始向供给系统输送金属时，使熔融金属完全充满喷嘴。
8.如权利要求5所述的供给系统，其特征在于所述过渡段的截面从接收端向输送端方向以基本均匀的比例减小。
9.如权利要求8所述的供给系统，其特征在于所述纵向通道的截面从接收端向输送端方向减小。
10.向薄壁连铸机的供给系统提供熔融金属的方法，该连铸机仅有在浇铸方向上运动的型面，该方法包括开始时以一个比正常浇铸期间熔融金属的供给流量至少大三倍的流量向连铸机供给熔融金属，所述的初始流量仅继续到所述供给系统内完全充满熔融金属为止，随后，以正常浇铸过程中所采用的供给流量向供给系统提供熔融金属。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于供给熔融金属所用初始流量至少是随后的正常浇铸过程中所用供给流量的四倍。
全文摘要
一种用于将熔融金属输送到薄壁连铸机的供给系统，该连铸机具有仅在浇铸方向上运动的型面，该供给系统的通道在靠近接收熔融金属的一端为圆形截面，而靠近连铸机的那一端为矩形截面。供给系统用于以低压“闭池”式运行的连铸机供给熔融金属，系统的熔融金属通道的最高提升点是在过渡段的上表面上，过渡段内的截面从圆形变为靠近喷嘴的矩形。喷嘴出口中心线以上的高度应选择在使其低于喷嘴出口处的金属压力，从而防止空气侵入金属。
文档编号B22D11/06GK1039983SQ8910656
公开日1990年2月28日 申请日期1989年7月13日 优先权日1988年7月13日
发明者沙巴·沙尔曼·丹尼尔, 詹姆斯·迈克尔·亨斯勒, 托马斯·威廉·路易斯, 约翰·弗朗西斯·麦德莫特, 穆斯塔发·拉吉普·奥兹古, 拉尔夫·查尔斯·帕德菲尔德, 艾基利斯·瓦西利科斯 申请人:美国钢铁工程及顾问公司, 托马斯·威廉·路易斯, 穆斯塔发·拉吉普·奥兹古, 拉尔夫·查尔斯·帕德菲尔德