金属的水平连续铸造的制作方法

专利名称：金属的水平连续铸造的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属的水平连续铸造，更具体地说，本发明涉及轻金属例如铝及其合金的水平连续铸造。
背景技术：
在金属例如铝的水平连续铸造中，熔融金属被保持在一个隔热贮器中并从该处被送入一个水平端部开口的型腔的入口端，所述型腔具有一条大致水平的轴线。在该型腔内，该熔融金属被初期充分激冷以便形成一个金属本体，该金属本体包括一个围绕着仍然熔融的金属芯部的外层或者外壳。当这个金属本体从该型腔引出时，它被用液体冷却剂，例如水进行喷射，以便进一步冷却和凝固。
熔融金属通过一个横截面比型腔横截面更小的孔或者喷嘴送入型腔，以致于在型腔入口端处形成唇部或者说突出物。这个金属入口喷嘴通常是一块带有入口孔的耐火盘。
当该熔融金属通过入口喷嘴进入并向外扩展以便充满型腔时，在入口突出物和型腔周壁之间形成金属弯液面。在这个弯液面后面是一个相对无金属空间的凹穴(pocket)。
为了实现金属在不粘附到型腔壁上的情况下平稳流动通过该型腔，将一种气体和润滑剂注入铸型是众所周知的。在美国专利No.4,157,728中，将一股加压空气流引入该弯液面后方的凹穴，以便通过型腔周壁向下展开该弯液面。此外，还送入一种油以便润滑该型腔的壁。
Wagstaff等的美国专利No.4,598,763描述了一种用于将气体和润滑剂的混合物经过该型腔周壁的一个可渗透壁部注入型腔中的系统。该气体和润滑剂在该可渗透壁内进行混合并且被输送到型腔周壁。由于在铸型顶部和底部之间的金属静压头差异协同在耐火过渡盘(盘状)和铸型壁(圆筒状)之间的不同关系起作用，因此在水平铸造中，防止发生粘附这一问题变得更加复杂。在这种铸型中注入气体能使正在引出棒料表面上产生的氧化物围绕着正在引出棒料周边不均匀地形成，其结果是产生表面缺陷。
Watts的专利No.3,630,266描述了一种水平铸造机，其中气体借助于多条通道被注入例如在弯液面后方的铸型凹穴。该气体可含有多种不同的润滑剂，并且利用金属压力头测量结果控制该气流。
在Suzuki等人的美国专利No.4,653,571中，气体也被引入铸型的多个入口拐角，即在弯液面后面的凹穴。这种结构使用了多条用来引导气体和润滑剂的分离通道，并且提供多条通道来控制在铸型周围某些位置内的气体泄出。
在Johansen等人的国际申请WO 91/00352中，用来自铸型周围多个分离部段的气体供应围绕该铸型周边的可渗透壁。
在Wagstaff的美国专利No.6,260,602中，描述了一种水平连续铸造系统，其中型腔具有一个向外的锥度，并且用来进行冷却的水射流具有交错的轮廓。锥度大小和铸型周围的水射流的位置可以改变以便平衡外张力与热收缩力，因而得到符合要求的棒料形状。因此，它能用于水平铸造机中以便从金属遭受不均匀重力的铸型中得到圆形横截面棒料。
在Ohno的美国专利No.4,605,056中描述了一种水平连续铸造系统，其中在铸型内设置一个辅助加热系统以便推迟金属凝固。
在铸型内形成的金属本体上产生一致的表面是水平连续铸造的一个重要方面。例如，铸型内的不一致或者说不平整的外壳或者说外层可能会粘到该铸型上，从而导致在铸造棒料上产生不规则表面或者可能发生熔融金属被“劈开”。
本发明的一个目的在于提供一种改进的方法，所述方法能够控制金属平稳地通过水平型腔并借此获得表面性能改善的铸造棒料。
本发明的另一个目的在于能增加通过正在引出的棒料表面的热通量并获得该铸造棒料的更迅速凝固。
本发明的又一个目的在于获得一种具有改进显微组织的铸造棒料。
本发明的又一个目的在于提供一种能可靠地控制润滑剂使用的装置以便改善铸造棒料的表面质量。

发明内容
一方面，本发明涉及一种用于熔融金属水平铸造的铸型，所述铸型包括一个铸型本体，所述铸型本体形成一个具有入口端和出口端的端部开口的型腔。一个环形可渗透壁构件被安装在该铸型本体中并邻接该型腔的入口端而且它的一个内表面形成该铸型的一个内部表面。一块耐火过渡盘被安装在该型腔的入口端，并提供一个横截面小于该型腔横截面的铸型入口孔。这就在该型腔入口端处提供一个环形肩部。设置一个用于通过所述入口孔供应熔融铝的装置。还设置多根分离的导管以便经过该可渗透壁构件把气体送入该肩部和所述内表面。
送到该肩部的气体在金属弯液面后方形成一个无金属空间的凹穴，所述凹穴在该肩部和型腔壁之间的拐角处形成。
送到该内表面的气体在该金属和型腔壁之间形成一层气体。
优选润滑剂还是用导管进行输送以便流入该可渗透壁构件。该导管布置在所述两条气体导管之间。
在一个实施例中，供应所述肩部的该气体导管借助多条沟槽或者说细槽与金属弯液面后方拐角处的该无金属空间或者说凹穴相连通。在一个特定优选实施例中，这根气体导管通过该可渗透壁构件的一部分与该无金属凹穴相连通。
所述两根气体导管优选供应不同的气体，与该无金属凹穴相连通的气体比与该铸型内表面相连通的气体更易与熔融铝起反应。
所用的更易反应气体是一种与熔融铝起反应的气体，例如氧、空气、硅烷、SF6或甲烷，还包括这种气体在一种惰性气体中的混合物，从而在熔融铝上形成一个层或者说壳。当使用氧、空气或者这些气体在一种惰性气体中的混合物(也就是说，该易反应气体是一种氧化气体)时，所述层包括铝和/或它的一些合金元素的氧化物。而所用的反应性较弱气体是与熔融铝反应相对较弱的气体并且可包括空气、氮或纯惰性气体。只有当使用比该无金属凹穴内的空气更易反应的气体时，空气才能是一种反应性较弱(即氧化)的气体。在一个特定优选实施例中，更易反应的气体是氧而反应性较弱气体是氧在惰性气体例如氩中的混合物。
通过采用两阶段气体注入而不是现有技术中的单阶段注入，在该熔融金属弯液面上形成含有铝合金成分的反应产物(最经常是氧化物)工艺薄膜。尤其是，在上游位置使用更易反应的气体能在确保该表面上形成或修复一个坚固担载反应产物薄膜的同时保留无金属肩部来抵抗金属静压头，而下游的反应性较弱气体能确保该反应产物薄膜和该铸型壁之间的最小程度接触并且在此同时使润滑剂与气体反应的有害影响减至最低程度，如果全使用相同的气体，那么润滑剂与气体的反应就可能发生。由此，这种结合保证在该金属和铸型壁之间(即在所谓的初级冷却区域内)的热通量减小，并且该棒料在高表面温度情况下从铸型内引出，而且借助于直接对引出表面施加辅助冷却剂而几乎整体地冷却和凝固。因此，通过该辅助冷却剂冲击点处表面的热通量显著增大并且使大体上跨过整个棒料直径的凝固速率提高。
这意味着，有可能实现大于100℃/s的凝固速率，从而生成一个具有细晶粒结构的棒料。因此本发明进一步涉及一种具有平均晶粒尺寸(内枝晶臂间隔小于10微米)的径向均匀铸态显微组织的铸造棒料产品。该棒料还在引出铸造棒料各周边表面的至少50％的范围内具有小于约50微米的表面粗糙度(Rz)。
在本发明中添加的润滑剂量较少，并且所述润滑剂主要用来改善该可渗透壁构件将该气体从送往铸型内表面的导管引导到该表面的效能。这需要最少程度的润滑剂。因此，提供一种相当精确的用于测定润滑剂需要量的装置是有利的。根据本发明的另一个进一步优选特征，布置多个探测装置以便测量该型腔壁和该铸型内熔融金属之间的电阻。润滑剂流量根据测得电阻而改变。


在示出了本发明的一些优选实施例的附图中图1是一台典型水平铸造设备的简明正视图；图2是根据本发明的一个铸型的剖视图；图3a、3b、3c和3d均为根据本发明的一个铸型的局部剖视图，图中示出了各种气体和/或润滑剂供给装置的实施例；图4为示出了在该铸型具有一个空气隙情况下的一个电阻测量装置的剖视图；图5为示出了在该铸型没有空气隙情况下的一个电阻测量装置的剖视图；图6是用于该电阻测量作业的框图；和图7为显示出使用本发明的棒料铸件的铸态显微组织的显微照片。
具体实施例方式
图1示出了一种本发明所涉及类型的典型水平铸型，其包括一个隔热的熔融铝贮器10、一个入口流槽12以及一个水平铸型11。一根棒料13借助传送器14从该铸型中拔出并从该铸型送走。
图2示出了包含水道18的两部分铸型本体16、17，所述水道由冷却剂输送管(图中未示出)供给并与该铸型本体周边周围的一组交错的冷却剂出口孔20、21相连通。
在铸型本体16内侧安装一个锥形的可渗透石墨环形圈24，从而对于该铸型而言形成一个内表面。在该铸型的上游(或者说金属进入端)28安装一个由耐火材料制成的过渡盘26。它具有一个比环形圈24更小的内部横截面孔，借此在该铸型拐角内形成肩部和凹穴30。在耐火盘26、石墨圈24和铸型本体16的交汇处设置有一个O形密封圈31。
冷却剂出口孔20、21可具有可变的间距并相对于铸型轴线指向不同的角度，而且石墨圈24的锥度可如同在美国专利No.6,260,602中进一步描述的那样围绕铸型周边进行变化，故将该专利收编于此作为参考。这种变化被用来补偿在水平铸造中出现的垂直不对称性，该不对称性可用在铸造中出现的实线56表示的凝固前部明显不对称来示例。该过渡盘的入口孔也可做成非圆的并偏离中心布置以便在要铸造圆形棒料时补偿这种不对称性。
气体和润滑剂(在使用时)可以多种不同方式输送到该铸型内部，如图3a至3d所示。
在环形圈24的外表面机加工出两个环形槽32、34，并且所述槽32、34设有穿过铸型本体的供给接头(图中未示出)。环形槽32和34经由多个分离的供给接头供应气体。在一个特定优选实施例中，槽32和24被供应不同的气体，槽32(最靠近该铸型入口)被供应比槽34(更远离该铸型入口)更易反应的气体，例如分别为氧在氩中的混合物和纯氩。
在图3a中，经由环形槽32供应的气体流过可渗透环24以便充满在铸型邻接肩部30内形成的无金属凹穴，而经由环形槽34供应的气体流过可渗透石墨圈24并在该铸型内金属本体40和铸型内表面42之间的邻接界面处形成气体层。
在图3b至3d中，在该石墨圈外表面上设置一个附加环形槽33，所述槽33经由一个或更多接头通过铸型本体(图中未示出供应润滑剂。该润滑剂穿透多孔石墨圈24以便促进气体通过该材料进入。在图3b中，除了该润滑剂的出现提供更加可控的气体流量之外，气体如同在图3a中那样进行供应并与铸型内部连通。
该气体和润滑剂供给装置受到多种已公知结构的控制阀和计量装置(图中未示出)的控制。
在图3c中，环形槽32定位在石墨圈24的一端，而且气体从环形槽32经由在该石墨圈边缘上开槽的许多细孔或者说沟槽44进入凹穴30。
在图3d中，除了在石墨圈24内装有一块不渗透隔板46之外，气体按照与图3b类似的方式进行供给，所述隔板将该石墨圈分成两个部分，其中一个部分用来从环形槽32供应气体，而另一个部分用来从环形槽33和34供应气体/润滑剂。这能防止润滑剂进入该石墨圈上部并与从槽32进入的气体相接触。它还能更加有效地使两股气体流相互隔离。该不渗透隔板还能这样布置，以至于气体和润滑剂被供应到该石墨圈和凹穴的上部而仅有气体被供应到该石墨圈的下部。
在一些实施例中，所述气体可含有多种液体，例如呈形成轻雾的小滴状，而在另一些实施例中，所述气体可被包含在一种用来输送的液体中，例如呈一种乳化液形式。所述液体通常为一种润滑剂。
在另一些实施例中，所述润滑剂也可能含有一种气体，例如借助于在它被输送到该供应槽之前形成该气体在该润滑剂中的乳化液。如果这种气体易与被送到该凹穴的气体发生反应，那么该反应产物可被用来改变反应产物的工艺表面。
由于将气体注入凹穴30以及铸型表面42处，因此金属本体40在该外表面上形成反应产物(通常为铝和/或它的一些合金元素的氧化物)的一个工艺表面。这提供一种比在多种铸型中的通常发现的更大程度的与铸型表面42的热绝缘，并因而与型腔内的惯例间接冷却隔离。因此该棒料在比通常遇到的表面温度高的表面温度情况下从该铸型中引出。由于在棒料表面和冷却剂之间存在升高的温度差异，因此辅助冷却剂52以比正常产生高得多的热通量冲击在表面54上。其结果是(a)在引出棒料内形成一个较浅的液体金属池；以及(b)从该棒料直径的这头到那头产生提高的凝固速率。可以获得超过100℃/s的凝固速率(与通常5℃/s至30℃/s相比)，从而导致形成跨过该棒料直径的细晶粒结构。
在图2中，典型的凝固前部56(即熔融金属池端部)被显示为一条实线，它能与多种典型现有技术铸型中的凝固前部58相比，后者的池深大得多。
使用如本发明所述的铸型导致产生一根具有良好表面性能的均匀细晶粒棒料。已经发现，为了进一步提高表面性能，对该耐火过渡盘进行处理从而降低其对于熔融铝的反应能力是有用的。绝大多数这种过渡盘用硅石进行制造，所述硅石中含有受熔融铝侵蚀的耐火材料。其结果是棒料表面质量降低。一种这样的保护方法是将氧化钡或硫酸钡添加剂使用到该耐火材料中，例如用2003年12月11日提出的、并且转让给本发明同一受让人的题为“Method for Suppressing Reaction ofMolten Metals with Refractory Materials”的未审定的申请No.10/735,057中的方法生产出的耐火材料，该专利申请的披露内容被收编于此作为参考。
最好是，在铸造棒料期间能使用最小量的润滑剂，并且在按照本发明进行铸造的金属上的一个工艺氧化物表面增强构造物能减少所需润滑剂量，这是因为该金属的保含取决于这样形成的该工艺氧化物表面而较少取决于铸型表面。经由环形可渗透石墨圈供应到该铸型表面的空气和润滑剂在该表面形成一个空气衬层。优选作业状态如图4中所示，其中在正在铸造的金属本体40和型腔表面42之间具有一个小间隙60。这种状态只需要最小量的润滑剂。图5所示状态为该间隙未被保持并且金属本体40已与型腔表面42真正接触，此刻该棒料易被粘附和撕裂。已经发现，这种润滑剂需要量能借助于测量该熔融金属本体20和铸型62之间的电阻而得到自动控制。这可以通过安装电极64和66致使该熔融铝和铸型间的电阻能被测量的方法来完成。这些电极连接在一个电阻测量装置68上。
如图6所示，来自电极64和66的输入量被送到电阻测量装置68，于是得到一个电阻读数。将该电阻读数送到一个比较器70上，在那里将该电阻与一个目标电阻进行比较。当该铸型接近图6所示状态时，该电阻加大，这就给润滑剂泵72提供一个信号以便增加润滑剂流量。
图7为显示出在该铸型中并按照本发明方法的一个棒料铸件的部分横截面的显微照片。测得的平均内枝晶间距小于10微米左右，并且在该棒料的所有径向位置都测得大体上相同的间距。在该棒料表面上0.5英寸长度范围内的表面粗糙度(被测定为Rz)在该表面大部分范围内典型地小于50微米并且通常为小于30微米。该表面的某些部分具有更大的Rz，但是本发明产品的特点在于在该棒料的至少50％周边表面范围内粗糙度(Rz)小于50微米。
权利要求
1.一种用于熔融铝水平铸造的铸型，所述铸型包括一个铸型本体、一个第一环形可渗透壁构件、一个耐火过渡盘、供应装置以及第一和第二导管，所述铸型本体形成一个具有入口端和出口端的端部开口的型腔，所述可渗透壁构件安装在该铸型本体中并邻接该型腔的入口端而且它的一个内表面形成该铸型的内部表面，所述耐火过渡盘安装在该型腔的入口端，并提供一个横截面小于该型腔横截面的铸型入口孔借此在该型腔入口端处提供一个环形肩部，所述供应装置用来通过所述入口孔供应熔融铝，而所述第一和第二导管用于将气体送入所述型腔，并且所述第一导管比所述第二导管更靠近该环形肩部，借此该第一导管适于送入气体以便在该肩部和型腔壁的拐角处形成一个无金属凹穴，而该第二导管适于通过所述可渗透壁构件送入气体从而接触邻接该铸型内部表面的金属。
2.根据权利要求1所述的铸型，包括一根用来将润滑剂送进该可渗透壁构件的第三导管，所述第三导管被安置在所述第一导管和所述第二导管之间。
3.根据权利要求1所述的铸型，其中所述第一导管通过多个沟槽连接至所述凹穴以便将气体送入所述凹穴。
4.根据权利要求1所述的铸型，其中所述第一导管通过所述可渗透壁连接至所述凹穴以便将气体送至所述凹穴。
5.根据权利要求2所述的铸型，还包括一块不可渗透隔板，所述隔板位于所述可渗透壁装置中并位于所述第一导管和所述第三导管之间。
6.根据权利要求2所述的铸型，还包括一块不可渗透隔板，所述隔板位于所述可渗透壁装置中并位于所述第二导管和所述第三导管之间。
7.根据权利要求1所述的铸型，其特征在于，所述第一导管连接在一个较易反应气体的气源上，而所述第二导管连接在一个反应性较弱气体的气源上。
8.根据权利要求1所述的铸型，包括多个探测装置，所述探测装置被设置用以测量在所述型腔壁和铸造期间出现在该铸型中的熔融金属之间的电阻。
9.根据权利要求1所述的铸型，其特征在于，所述型腔沿金属流动方向向外渐缩。
10.根据权利要求9所述的铸型，其特征在于，所述锥度围绕该型腔周边而变化。
11.根据权利要求1所述的铸型，其特征在于，所述铸型入口孔的横截面是非圆形的以便产生具有圆形横截面的棒料。
12.根据权利要求11所述的铸型，其特征在于，所述铸型入口孔被非对称地进行定位。
13.根据权利要求1所述的铸型，其特征在于，所述铸型本体包括多条冷却剂输送通道，所述冷却剂输送通道在该铸型出口端处连接到多个冷却剂排出孔上。
14.根据权利要求13所述的铸型，其特征在于，所述冷却剂排出孔处于多个交错位置处并且所述孔的尺寸和排出角度在该铸型周围变化。
15.一种用于熔融铝水平连续铸造的方法，所述方法包括从给料流槽通过在耐火过渡盘内的孔连续地输送熔融铝，所述耐火过渡盘位于在铸型本体内形成的端部开口的型腔的入口端处，所述过渡盘提供一个铸型入口孔，该入口孔具有小于该型腔横截面的横截面，由此提供一个围绕该型腔入口端的肩部，在该型腔内使所述熔融铝运动经过一个可渗透耐火壁部开形成邻接该肩部的金属弯液面，所述耐火壁部形成该型腔内部表面的一部分，将易与铝反应的第一气体流引入该肩部以便形成一个无金属凹穴并且与该熔融铝接触从而形成一个铝本体，所述铝本体具有包含该气体与该铝的反应产物的外表面，以及将第二气体流引入该型腔并与所述第一气体流下游的所述铝本体层相接触。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述易与铝反应的气体从包括氧、空气、硅烷、SF6和甲烷的组，或者一种惰性气体与所述组中的一种或更多种的混合物中进行选择。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述易反应气体是氩和氧的混合物。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二气体流通过所述可渗透壁部。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第二气体流是氧在一种惰性气体中的混合物，而所述第一气体流是氧。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，与在所述第一气体流中的气体相比较，所述第二气体流中的气体与铝的反应性较弱。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述气体从包括空气、氮和惰性气体的组中进行选择。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述气体是氩。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，一种润滑剂流被输送通过所述可渗透壁部并且在所述第一气体流和所述第二气体流之间的一个位置处与该铝本体的所述层相接触。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在所述第一气体流进入该型腔之前防止所述润滑剂流与所述第一气体流接触。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，在所述第二气体流进入该型腔之前防止所述润滑剂流与所述第二气体流接触。
26.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述气体作为一种气体、一种含有液体的气体或者一种含有气体的液体进行供应。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述润滑剂中含有一种气体。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，在所述润滑剂内的气体与在所述凹穴内的气体发生反应从而在所述铝本体上形成一种改性的反应产物。
29.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述熔融铝被输送通过一个具有非圆横截面的铸型入口孔，从而获得一根具有圆形横截面的棒料。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述熔融铝被输送通过一个不对称定位的铸型入口孔。
31.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当一根正在形成的棒料从所述型腔中引出时将多种冷却剂液体流引导到该棒料上。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述冷却剂液体以大于100℃/s的速度冷却该正在形成的棒料，由此在该棒料内形成细晶粒结构。
33.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，测量在该铸型和正在该铸型内形成的棒料之间的电阻，并且根据测得电阻改变到达该铸型可渗透壁的润滑剂流量。
34.一种用于熔融金属铸造的铸型，所述铸型包括一个铸型本体，所述铸型本体形成一个具有入口端和出口端的端部开口的型腔，而所述型腔包括一个可渗透壁部、供应装置、多根导管以及控制装置，所述可渗透壁部形成该铸型的内部表面，所述供应装置用来输送熔融金属通过该型腔以便形成金属棒料，所述导管用来输送气体和润滑剂通过所述可渗透壁部并与邻接该铸型内部表面的金属相接触，而所述控制装置用来控制正在送入该型腔的润滑剂量，所述型腔还包括被布置用以测量该型腔壁和铸造期间出现在该铸型内的熔融金属之间的电阻的多个探测装置，所述电阻表示出与该金属接触的润滑剂量。
35.一种采用连续铸造而获得的铸造铝或铝合金棒料，所述铸造棒料具有平均内枝晶臂间距小于10微米的均匀的铸态显微组织。
36.根据权利要求35所述的铸造棒料，包括在至少50％周边区域范围内具有小于50微米的表面粗糙度(Rz)。
全文摘要
一种用于水平铸造熔融金属的铸型，所述铸型包括一个铸型本体，所述铸型本体形成一个具有入口端和出口端的端部开口的型腔。一个环形可渗透壁构件被安装在该铸型本体中并邻接该型腔的入口端而且它的一个内表面形成该铸型的一个内部表面。一块耐火过渡盘被安装在该型腔的入口端，并提供一个横截面小于该型腔横截面的铸型入口孔。这就在该型腔入口端处提供一个环形肩部。设置一个用于通过所述入口孔供应熔融铝的装置。还设置多根分离的导管以便经过该可渗透壁构件把气体送入该肩部和所述内表面，从而在该金属和所述铸型内部表面之间提供一层气体。将一种较易与熔融铝反应的气体送入该肩部，并通过该可渗透壁送入一种反应性较弱的气体。与该熔融铝的反应在铝上形成一个层或者说壳，从而使该铝平稳地通过该铸型并允许正在引出的棒料更迅速地二次冷却。
文档编号B22D27/00GK1890040SQ200480036951
公开日2007年1月3日 申请日期2004年12月10日 优先权日2003年12月11日
发明者W·L·鲍尔斯, J·汉比, A·J·菲舍尔, D·A·萨利 申请人:诺维尔里斯公司