直接冷铸铸模的制作方法

专利名称：直接冷铸铸模的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及将液态金属连续和半连续地相对于成形面成形的 铸造工艺。更具体地说，本实用新型涉及通过直接向坯料制品上施加 液体冷却剂进行坯料的直接冷铸。
背景技术：
铸造包括将熔融材料引入到模具中制造物体，在所述模具中，随着热量从材料中被去除，材料凝固。流铸(slip casting:或"粉浆浇 铸")或者连续浇铸(连铸)可以是一种通过吸热环借助重力供应熔融 金属、使熔融金属凝固的工艺。具有安装在液压推杆(hydraulic ram) 上的底座的起动头(starting head)形成独立于吸热环的底部。吸热 环和起动头构成滑移模具(slip mold)的基础部件。当熔融金属填充到模具中并开始凝固时，可以将起动头以可控的 速度降低。凝固的金属可以退出吸热环以便形成坯体。凝固的金属外 壳可以残留在坯体的上方和吸热环内，用于稳定坯体在吸热环与起动 头之间的运动。在该外壳的贮槽( sump)内可以^卜充溶融金属。溶融 金属进入该外壳贮槽，并通过吸热环，坯体的长度可以增长。可以将坯体(或者锭)看作是由坯体供应者铸造成标准形状的一 块伸长的金属，便于储存或运输。坯体可以具有吸热环的圆柱形截面 的形状，可以用铝或者铝合金制成。尽管吸热环的高度可以低于两英 寸，但是坯体可以有20英尺长，并具有从3英寸到36英寸的直径。 制造者进一步通过热机械锻造、挤压、轧制、修整、或者拉拔坯体， 加工圓柱形坯体，以便生产适合于销售的产品，例如用于室内的窗帘 杆，发动机支架，飞机起落架，船用金属板，用于建筑物的工字横梁。为了更好地控制坯体的热传递冷却处理，可以在固体金属离开吸 热环时直接向固体金属的表面上施加水。从而，随着起动头下降，装
在模具内部的喷水口可以向坯体上喷射水，以便冷却其表面，进一步将金属凝固。这种在1942年由W.T.Ennor ( U.S.Pat.No.2，301，027 )实 用新型的连续的直接冷(DC)铸工艺，产生具有最小偏析的细晶粒金 属结构。当同时在模具台采用多重DC铸造模具时，可以在铸造车间 达到很高的生产速度。尽管自从1942年以后在本领域取得某些进展，但是，在工业上仍 然需要生产具有所需的表面光洁度的铸造产品的最佳金相组织的直接 冷铸铸模系统组件。与传统的工业模具系统组件相比，这种直接冷铸 铸模系统组件将会操作更安全，更容易使用和维护，将会使铸造生产 率最大化，制造和运转不会很昂贵。实用新型内容因此，本实用新型的目的是提供一种铸模，该铸模的操作更安全， 更容易使用和维护，可以实现铸造生产的最大化，并且制造和运转不 会很昂贵。本实用新型的一个技术方案为一种直接冷铸铸模，包括铸模体， 所述铸模体包括方向面和沿径向向外延伸的凸缘；用于保持冷却剂的 箱型装置，该箱型装置结合到铸模体凸缘的上侧；冷却剂环，其包括 调节面，所述冷却剂环结合到箱型装置的下侧，用于保持冷却剂，以 便使调节面和方向面相互靠近以形成喷嘴，所述方向面具有以调节面 的位置为基础的位置，其中，所述方向面的位置和调节面的位置中的 至少一个是可以调节的；位于铸模体最内表面处的吸热环，其中，所 述吸热环包括具有一定高度的多孔环，其中，所述多孔环的高度在3/8 英寸至7/8英寸的范围内；铸模起动头，所述铸模起动头位于与所述 吸热环相邻并隔有间隙的位置处；以及润滑剂供应路径，该路径从冷 却剂环的下侧起，通过冷却剂环的内部，并结合到铸模箱上。


图l表示本实用新型的DC铸模系统100;图2是沿着图1的线2取出的铸模系统102的详细视图；图3A表示吸热环120和由冷却剂箱116的材料加工成的方向面122;图3B表示由冷却剂箱的材料加工成的调节面164;图3C表示每一个铸模体110和冷却环118都可以调节的实施例；图3D展示用于生产本实用新型的坯体132的方法300;图4表示本实用新型的DC铸造方法400;图5表示挡环430的等距视图；图6表示陶瓷集流管440的等距视图；图7表示本实用新型的DC铸模系统700;图8是图7的模具台702的等距顶视图；图9是包含有图4的铸模400的模具台702的等距仰视图；以及图IO表示由本实用新型生产的坯体1000。
具体实施方式
一个实施例，包括铸模。铸模可以包括具有方向面的铸模体，以 及结合到铸模体上的冷却剂箱。铸模可以进一步包括具有调节面的冷 却剂环，在该调节面处，冷却剂环可以结合到冷却剂箱上，以便将调 节面和方向面聚集到一起，以形成喷嘴，特别是使得喷嘴口、喷射紊 流和冷却剂沖击角可以快速、方便并且花费不高地变化。铸模可以进 一步包括铸模起动头。I.DC铸造法和铸模系统图l表示本实用新型的DC铸模系统100。 DC铸模系统IOO，可 以包括铸模系统102，辅助系统200，和控制系统250。铸模系统102、 辅助系统200和控制系统250的每一个可以是一起工作的子系统，以 便形成DC铸模系统100。铸模系统102可以被看作包括一个DC铸 模。A.铸模系统102铸模系统102可以包括铸模体110，铸模起动头112，给料管114, 冷却剂箱116，冷却剂环118。图2是沿着图1的线2取出的铸模系统102的详细视图。如在图 2中看到的，铸模体110可以在铸模体110的内部的最内表面上，包
括吸热环120。吸热环120的水平截面可以被在挤压技术或者直接冷 铸技术中使用的任何对称或不对称的旋转限定。例如，吸热环120的 水平或X截面可以被一个环形、方形、星形、卵形或者矩形限定。由 于坯体的优选的形状是圆柱形，所以，在一个实施例中，吸热环120 由环形限定。不对称的形状的例子包括用于扁(轧制)锭的带有圆 角的矩形形状，用于薄带铸件的带有凹边的平面形状，用于再熔锭铸 件的截头"T"形形状。锭、扁坯以及凝固用标准形状物体铸造的材 料，也可以用本实用新型生产。铸模体110可以包括方向面122、内螺紋124、外螺紋126和凸缘 128。方向面122可以用来以所需的角度134(图2)将冷却剂幕流(flow of coolant curtain ) 130 (图1)对准坯体表面133。角度134可以在 60度至85度的范围内。在一个实施例中，角度134可以在60度到75 度的范围内。角度134可以是相对于水平面而言的。在另一个实施例 中，角度134在67度到72度的范围内。如在图2中看到的，给料管114可以从顶部安装到铸模体110内， 从而，重力可以帮助将给料管114固定到铸模体110上。内螺紋124 可以用于进一步将给料管114固定到铸模体110上，并且还提供一个 衬垫136可以压缩于其上的表面。衬垫136可以是用于匹配的机械零 件之间以便防止诸如熔融金属等流体溢出的各种各样的密封垫或密封 件中的一种。衬垫136的材料在高达2100华式度的温度可以具有热稳 定性，对于待铸造的熔融材料是化学上非浸润的，通过进行压缩能够 密封任何和所有的内部多孔性，可以是具有低热传导率的材料，可以 是在负40到2100华式度范围内的温度下，具有低的热膨胀或收缩系 数的材料。衬垫可以包括由Thermal Ceramics，Inc"of Augusta，Ga.制 造并销售的陶瓷Kaowool (TM)型的可压缩毡。衬垫136还可以包 括由Unifrax，Inc.of Niagara Falls，N.Y.制造和销售的Fiberfrax (TM) J970型的可压缩陶瓷纸。在本实用新型的一个重要的实施例中，铸模体110可以从下面安 装到冷却剂箱116内。可以利用外螺紋126将铸模体110进一步固定
到冷却剂箱116的内螺紋上。如可以在图1中最清楚地看到的，凸缘 128可以从外螺紋124下面的一个点沿径向向外延伸，以便提供一个 衬垫138可以压缩于其上的面。衬垫138可以是用于匹配的机械零件之间、以便防止诸如淬火水 等流体溢出的各种各样的密封垫或密封件中的一种。衬垫138可以包 括Viton ( TM )(维通橡胶)，Buna(丁钠橡胶)，或者硅材料。衬垫138可以具有"O"型环的形状。取决于凸缘128的延伸长 度(而这种延伸长度反过来依赖于坯体132的总直径)，衬垫138的横 截面会发生变化。衬垫138的截面可以是圆形的或者卵形的或者带有 圆角的矩形的。这种衬垫138的可压缩性，对于衬垫138配置于其间 的匹配的面之间的0.005到0.250英寸的范围内的间隙，可以提供密封。由于图1的坯体132可以借助使熔融材料152通过吸热环120形 成，所以，可以在坯体外壳140与吸热环120之间包括降低摩擦的部 件。例如，作为降低摩擦的部件，可以通过润滑通道将润滑剂引入到 图2的间隙144内。如下面将要更详细地指出的，润滑剂142可以是 液体、例如油，或者气体、例如一种惰性气体。或者气体的混合物， 或者它们的组合。铸模体110包括铝合金，铜-铍合金，或者以石墨为基础的材料。 铝合金可以是AA6061铝合金或者AA5052铝合金。用于铸模体110 的材料可以显示出热稳定性以及对待铸造的材料的惰性。进而，用于 铸模体110的材料可以提供足够的热传导向，并且在加工过程中以及 在铸造中可能遇到的极端的温度条件下提供保持精密的尺寸公差的可 能性。在另外一个实施例中，铸模体110和冷却剂箱116是一个单一的 部件。例如，图3A表示由冷却剂箱116的材料加工成的吸热环120 和方向面122。其中，冷却剂箱116包括吸热环120和方向面122，并 且，其中，图1的吸热环120和方向面122限定出铸模体110、内螺 紋124、外螺紋126、凸缘128、以及衬垫138,并不要求作为铸模系 统102的一部分。其中，内螺紋124可以要求作为铸模系统102的一 可以省略，从而，吸热环120可以直 接接收用于加工进入坯体132中的熔融金属的供应。可以取消润滑通 道146。例如，在吸热环120与熔融材料头154之间的摩擦系数足够 低，以便使得熔融材料经由吸热环120通过的部位，可以取消润滑通 道146。如图1所示，铸模系统102还可以包括铸模起动头112。铸模起 动头112可以包括基座148和液压推杆150。铸模起动头112可以用 作相对于吸热环120独立的底部。液压推杆150可以结合到一个压盘 上。铸模系统102还可以包括结合到铸模体110上的给料管114。给 料管114可以给料管114可以将熔融材料152作为熔融材料头154输 送给吸热环120上的第一开口。熔融材料头154可以提供正压差，以 便驱动坯体132使之通过吸热环120。在熔融材料152达到吸热环120之前使熔融材料冷却是不理想的。 因此，给料管114可以绝热地将熔融材料头154输送到吸热环120。 为了以最小的热损失完成这一输送，可以利用各种坚固的、易碎的耐 热和耐腐蚀的材料中的任何一种制造。给料管114所用的材料显示出低的热传导率，低的体膨胀系数， 高的耐热疲劳性，在高温下的高强度，以及对于待铸造的熔材料的化 学不浸润行为。在一个实施例中，给料管114包括非金属材料，例如 粘土。在另外一个实施例中，给料管114可以包括陶瓷材料。所述陶 瓷材料可以是以纯a氧化铝和高岭土为基础的。陶瓷材料可以包括硅 酸铝。在另外一个实施例中，给料管114的材料可以通过真空成形二 氧化硅浆料制成，在所述二氧化硅浆料中托添加有适当的高温粘合剂。 可以烧结所得到的浆料，以便达到粘结性和强度。铸模系统102中还可以包括冷却剂箱116。为了容纳并引导冷却 剂134，冷却剂箱116可以包括腔体156以及与腔体156流体连通地 设置的冷却剂入口 158。如前面指出的，铸模体110可以通过外螺紋 126结合到冷却剂箱116上。冷却剂箱116可以包括涂有底漆的1020
钢或者诸如SS316型等的不锈钢。在一个实施例中，冷却剂箱包括铝 合金AA5052或AA6061-T651消除应力的板料。冷却剂箱116所包含 的材料可以加工到非常精确的公差，例如正负50微米或者两千分之一 英寸，并且能够将该公差保持一个很长的时间，例如几年。作为铸模系统102的一部分可能包括的项目，是冷却剂环118。 冷却剂环可以包括唇160、外螺紋162、调节面164。如可以从图1中 最清楚地看到的，唇160可以从外螺紋162下面的一点起沿径向方向 向外延伸，以便提供衬垫138能够压缩于其上的面。外螺紋162可以 用来将冷却剂环118固定到冷却剂箱116的内螺紋上。如图2所示，当冷却剂环118安装到冷却剂箱116内时，冷却剂 环118的调节面164能够以角度168与铸模体110的方向面122相交， 以便限定出内喷嘴区166和喷嘴开口 170。角度168可以在0度到90 度的范围内，因为从喷嘴176喷射出来的冷却剂134更多地沿着方向 面122。在一个实施例中，角度168在4度到12度的范围内。在另外 一个实施例中，角度168为6度。喷嘴开口 170可以被第一X-Y平面 内的方向面122上的最低的Y-点与相邻的在第一X-Y平面内的调节面 164上的最低的Y-点之间的平均截面距离限定。喷嘴开口 170的平均 截面距离可以在0.050至0.150英寸的范围内。在一个实施例中，喷嘴 开口 170的平均截面距离在0.075至0.108英寸的范围内。喷嘴开口 170也可以由喷嘴高度172和喷嘴距离174限定。喷嘴 高度172可以由第一X-Y平面内的方向面122上的最低的Y-点与在第 一X-Y平面内的调节面164上相邻的最低的Y-点之间的距离限定。喷 嘴距离174,可以作为在喷嘴开口 170的中心与坯体表面133之间在 X方向上空间的宽度被限定。喷嘴高度172可以在正或负0.200英寸的范围内。在一个实施例 中，喷嘴高度172在0到O.IOO英寸的范围内。在另一个实施例中， 喷嘴高度172是0.010的倍数，与所用的单位无关。在进一步的一个 实施例中，喷嘴高度172是0英寸。在喷嘴高度172是0英寸的情况 下，调节面164不伸出到方向面122之外。如下面所述，在不伸出的 情况下，调节面164不会从喷嘴176激励冷却剂柱的下半部以便离开 该冷却剂柱的上半部。喷嘴距离174可以在0.06英寸到0.36英寸的范围内。在另一个实 施例中，喷嘴距离174与所使用的单位无关，至少是0.001和0.006 中的一个的倍数。在进一步的一个实施例中，喷嘴距离是0.090英寸 和0.106英寸中之一。内喷嘴区166可以和喷嘴开口 170 —起作为喷嘴176，调节并引 导作为冷却剂幕130来自于喷嘴176的流体流(例如，冷却剂134)。 冷却剂幕流130可以是配置在坯体表面133附近的连续的冷却剂的层 流。冷却剂幕流130的层流可以没有作为DC铸模中的传统冷却剂的 特征的断续的空间，以便提供更好的热传递特性。为了调节冷却剂幕130的流体体积和力以及冷却剂幕130的方向， 本实用新型的一个实施例包括调节喷嘴172的高度的能力，通过调节 喷嘴的高度，则可以调节冷却剂幕130碰撞坯体132的角度。齿轮齿178可以从冷却剂环118的唇160沿径向方向向外延伸。 为了和齿轮齿178紧密配合，作为铸模系统102的一部分，可以包括 冷却剂环齿轮180。可以这样设置冷却剂环齿轮180，使之与齿轮齿 178啮合并允许冷却剂环118旋转。冷却剂环118的旋转，则允许调 节离开喷嘴176的冷却剂134的形状和体积。在铸模系统102上可以 增加附加的降低摩擦的零件，例如轴承和油脂，以便使之能够更容易 地形状冷却剂环118。在DC铸模中，从坯体的热传递是冷却剂速度、冷却剂薄膜的厚 度、冷却剂的体积、碰撞角以及冷却剂碰撞坯体的表面时的冷却剂流 的雷诺数(Reynolds number)的函数。假定其它变量保持不变，直 到一个阈值，冷却剂速度越高，热传递越高。尽管冷却剂压力的增大 会增大冷却剂的速度，但是，冷却剂泵的容量一般是固定的。调整离 开喷嘴176的冷却剂的形状和体积的能力可以代表调整冷却剂速度、 薄膜厚度和碰撞角度至少其中之一的能力。因此，调整离开喷嘴176 的冷却剂134的形状和体积的能力，可以提供几乎是瞬时改变DC铸 模的热传递的特征的能力。在操作过程中，当冷却剂环齿轮180向一个方向旋转时，冷却剂 环118向涂1的箭头A的方向旋转，从而降低涂2的喷嘴高度172。 降低喷嘴高度172可以缩小喷嘴开口 170。假定冷却剂压力，轮廓喷 嘴176的冷却剂的体积134减少，以便对于冷却剂幕130给出更多的 锐缘。进而，降低喷嘴高度172可以将喷嘴开口 170的中心向坯体133 的表面移动，从而降低喷嘴距离174，当冷却剂134被拉向冷却剂环 118时，增加冷却剂幕130碰撞坯体132的角度。当向相反的方向旋 转冷却剂齿轮180时，可以向图1的箭头B的方向旋转冷却剂环118。在另外一个可供选择的实施例中，冷却剂环118和冷却剂箱116 是一个单一的部件。例如，图3B表示调节面164由冷却剂箱116的 材料加工而成。在冷却剂箱116包括调节面164的情况下，可以不要 求唇160、外螺紋162、和衬垫138作为铸模系统102的一部分。如图3B所示，可以通过结合到配置在唇182附近的冷却剂环齿 181调节铸模体110，以便改变喷嘴开口 170。在另外一个可供选择的实施例中，每一个铸模体110和冷却剂环 118都可以被调节，以便至少在X、 Y和Z方向中的一个方向上改变 喷嘴开口 170的截面，并且进行调节以便改变喷嘴开口 170的平均X 直径。图3C表示铸模体110和冷却剂环118的每一个都可以被调节 的实施例。这里，铸模体IIO和冷却剂环118的每一个都可以被调节， 以改变喷嘴开口 170的位置。在该实施例中，为了提供一个更大的熔 融材料头154,可以通过螺紋将给料管114结合到铸模体110的内表 面上，并且可以通过在齿轮190和配置在进给管114附近的齿的啮合 遥控地上下移动。在给料管114是易碎的情况下，在给料管114的附 近可以使用齿环以便阈齿轮190啮合。在一个可供选择的实施例中，铸模体110和冷却剂环118至少其 中之一的调节，可以在Y方向、X方向、节距方向、滚动方向、偏转 方向和极坐标方向至少其中之一上进行。本实用新型的一个关键的方面在于，其中，铸模体(110)安装在
冷却剂箱(116)上，对于铸造金属技术带来显著的改进。所获得的优 点在于提高金属铸造的质量，易于操作，易于维修，提高安全性，降 低设备的制造成本。如将在下面的段落中描述的那样，本实用新型对 于提高安全性和铸造质量是非常显著的。通过无需破坏铸模体和供应浇铸系统的耐火连接就可以从冷却剂 箱上拆卸铸模体，到达操作和维修的容易性。另外， 一旦将铸模从冷 却剂箱的腔体上卸下，通过能够直接进入冷却剂箱的内部进行清洗、 修理和维护，达到操作的容易性。这种操作的容易性还提高在车间内 的安全性，因为众所周知，如果熔融金属和水的相互作用会发生爆 炸并且是极其危险的，并且将不能使铸造系统容易维护和操作，会增 加铸造系统的故障和危害安全的可能性。B.辅助系统200图1所示的DC铸模系统100可以包括辅助系统200。辅助系统 200可以包括液压箱202、液压箱204、冷却剂供应箱206、材料箱208 以及润滑剂箱210。液压箱202可以结合到冷却剂环齿轮180上，以 ^更控制冷却剂环180的运动，从而控制冷却剂幕130。液压箱204可 以通过诸如压盘经由液压推杆150结合到铸模起动头112上，以便控 制铸模起动112的运动。液压箱202和液压箱204可以是例如由流体， 特别是由水和空气在压力下操作的单一动力箱。冷却剂供应箱206可以结合到冷却剂入口 158上，向冷却剂箱116 供应作为淬火流体的冷却剂134。在一个实施例中，冷却剂134是液 体。所述液体可以是水，或者与乙二醇混合的水(例如，3%到25% 体积的乙二醇)。材料箱208可以包含将要加工成坯体132的材料214。材料先锋 官208可以结合到给料管114的内部，以便提供用于加工成坯体132 的熔融材料152。材料214可以是通过利用热和压力至少其中之一能 够从固态变化到液态的任何一种材料。在一个实施例中，材料214是金属。金属可以包括铝、铝合金、 镁、镁合金、铜、铜合金、锂、锂合金、或者责金属及其合金。在另
一个实施例中，材料214是塑料。塑料可以包括热塑性树脂，包括聚 苯乙烯，或者聚乙烯。在另一个实施例中，材料包括玻璃。所述玻璃 可以包括有色玻璃。在另一个实施例中，材料包括双相混合物。该双 相混合物可以包括金属基体复合材料。金属基体复合材料可以包括金 属和陶资颗粒，以及金属和非晶质玻璃颗粒中之一。在另一个实施例 中，所述材料可以包括处于半固态条件下的触变淤浆。润滑剂箱210可以结合到图2所示的润滑剂通道146上，以便向 间隙144输送降低摩擦的部件。润滑剂142可以是液体、例如油，气 体、例如惰性气体，固态材料，或者它们的组合。润滑剂可以显示出与待铸造的材料(例如材料214)以及所使用 的冷却介质的物理兼容性及化学兼容性。润滑剂物理兼容性的因素包 括闪点、比重、比热、表面张力以及润滑剂的流动性。润滑剂化学兼 容性的因素可以包括表面的反应性，分解产物，化学反应的可逆性， 润滑剂从冷却介质上的分离性，以及从环境的角度考虑，用过的润滑 剂的处理。优选地的液体润滑剂可以包括生物能够分解的植物油，例 如花生油和蓖麻油。也可以^使用合成矿物油。进而，可以<吏用外加01-烯烃的合成油。气体润滑剂可以是带有或者不带有与空气混合的惰性气体的混合 物。固态的润滑剂可以是石墨环插入件，石墨粉和二硫化钼粉末。 C.控制系统250图1所示的DC铸模系统100可以包括控制系统250。控制系统 250可以包括计算机服务器252、通信线路254。计算机服务器252可 以是进行计算的任何一种装置，特别是一种可编程的电子设备，所述 电子设备可以完成高速的数学或者逻辑运算，并且可以集合、存储、 信息和将信息相互关联，或者相反地处理信息。通信线路254可以用 来在计算才几服务器252与液压箱202、液压箱204、冷却剂供应箱206、 材料箱208以及润滑剂箱210之间传送通信信号。通信信号可以通过 缆线或者无线电缆至少其中之一检测传送。控制系统250还可以包括通过网络连接到计算机服务器252上的
客户机256。网络258可以是被例如电话线、电缆和无线电波等信息 通道相互连接的任何计算机系统，以便共享信息。在一个实施例中， 网络258是因特网。因特网可以是任何全球信息系统，所述信息系统 可以是根据网际协议(IP)或者该协议的后续扩展/下一代的全球惟一 地址空间局部连接到一起的，可以利用传输控制协议/网际协议 (TCP/IP )组或者其后续扩展/下一代，和/或者其它IP兼容的协议支 承通信。在一个实施例中，因特网可以公开地或者秘密地提供、使用 或者能够达到对通信和相关的基础设施分层的高水平的服务。在另一 个实施例中，网络258是多个用户终端。 D.操作铸造诸如坯体132这样的物体的第一种方法包括提供具有方向面 的铸模体、冷却剂箱、以及具有调节面的冷却剂环。下一个步骤是形 成喷嘴，形成喷嘴的方式为提供靠近方向面配置调节面，提供调节喷 嘴开口的可能性。这可以通过将冷却剂箱结合到冷却剂环与铸模体之 间来进行。可以对喷嘴进行调节，以便改变喷嘴开口。这种调节可以 是静态的或动态的。所述方法可以进一步包括使冷却剂通过喷嘴，以便形成冷却剂幕 流，并且通过使熔融材料通过铸模体和冷却剂环并使熔融材料与铸模 起动头接触，将熔融材料硬化。然后可以借助降低铸模起动头使硬化的材料通过冷却剂幕流。如果需要的话，当硬化的材料通过冷却剂幕使，可以调节喷嘴。在一个实施例中，喷嘴的调节包括旋转齿轮和添加薄垫片至少其中之一，其中，齿轮与至少冷却剂环和铸模体其中之一旋转接触，并且，其中，薄垫片配置在冷却剂箱和与铸模体之间以及冷却剂环与冷却剂箱之间 的至少其中的一个之间。图3D表示展示用于生产本实用新型的坯体132的方法300。在步 骤302,图1的铸模起动头112靠近吸热环120,使得在铸模起动头 112与吸热环120之间具有一个间隙。在步骤304,可以调节冷却剂环 118以便获得所需的喷嘴开口 170。如下面所述，可以通过起动冷却剂 环齿轮180或者通过插入/除去薄垫片进行调节。在步骤306，可以起 动冷却剂供应箱206,以便迫使冷却剂134作为冷却剂幕130通过喷 嘴开口 170 (图2)。在步骤308,可以起动材料箱，以便向给料管114 内输送熔融材料。这会形成熔融材料头154。在步骤310,熔融材料头 154，例如，由于和铸模起动头112和吸热环120接触，因为在熔融材 料头154与铸模起动112及吸热环120两个部件的显著的温度差，会 在沿着周边的表面上硬化形成外壳140。金属静压力会在柱状液体材料的整个深度上变化，并可以被表示成材料的密度乘以重力常数乘以液体柱的高度。当材料头154或者凝 固或者部分凝固时，会发生由熔融材料头154向外壳140的相变，从 而，相变的材料显示出足够的强度(例如，厚度)耐受材料头154的 金属静压力。随着熔融的材料头154的硬化，通过起动液压箱204， 可以在步骤312将基座148沿着箭头C的方向降低到冷却剂幕130的 通路内。为了提供更均匀的坯体132，随着基座148的降低，在吸热 环120的截面允许的情况下，旋转基座148。随着在步骤312将基座148降低到冷却剂幕130内，在步骤314， 冷却剂134在表面133处碰撞坯体132，以便进一步取走热量。随着 时间的进展，在步骤316可以进一步降低基座148,直到获得所需长 度的坯体132。为了熔融材料152的整个X截面凝固，需要花费时间。因此，离 开坯体132的Y中心线最远的材料冷却，会形成坯体外壳140。坯体 外壳140的形成会形成槽182。槽182和坯体外壳140会在液相面184 处相遇。液相面184的截面由凹形抛物线限定。该凹形抛物线的性质 以熔融材料152冷却时由于基座148的移动在坯体132的顶端形成的 弯月面为基础。来自于约30到120华式度的冷却剂幕130的冷却剂会冲击坯体表 面133，其中，坯体表面133大约在900华式度。由于大的温度差(830 华式度)，在冷却剂134为液体的情况下，冷却 述气泡附着在坯体133的表面上。如上面指出的，当第一组水冲击坯体132时，在坯体表面133上 形成微小的蒸气气泡。微细的蒸气气泡主要由来自于喷嘴176的冷却 剂柱的上半部形成。随后，当第二组水冲击坯体132时，第二组水从 坯体表面133上将微细的蒸气气泡剪切下来，形成其自己的微细蒸气 气泡。微细的蒸气气泡主要地被来自于喷嘴176的冷却剂柱的下半部 从坯体表面133上剪切掉。在图2所示的喷嘴高度172大于0英寸的情况下，在冷却剂134 与调节面164的凸起之间的额外的附着，会促进来自于喷嘴176的冷 却剂柱的下半部从同一个冷却剂柱的上半部分离。在冷却剂柱的下半 部从同一个冷却剂柱设施半部分离的情况下，由于水蒸气内中的内部 剪切力和冷却剂柱的下半部在冲击坯体表面133之前必须行进的距离 的增大两个因素至少其中之一，冷却剂下半部冲击坯体的速度降低。 这减少了冷却剂的蒸气气泡的剪切性质，使得更多的蒸气气泡停留在 坯体表面133上。随着更多的蒸气气泡停留在坯体表面133上，从坯 体132的热传递减少。因此，为了将冷却剂柱的整个垂直剖面上的冲 击速度梯度降低到最小限度，对于某些材料而言，图2所示的喷嘴高 度172优选地为0英寸。在铸造材料对淬火敏感的情况下，延迟沿着坯体表面133的排热 是优选的。对于这些应用，希望在整个冷却剂柱的垂直剖面上存在速 度梯度，从而，图2的喷嘴高度172可以不同于0英寸。将蒸气气泡从坯体表面133上剪除，通过清除坯体表面133的区 域，使之与冷却剂134接触，促进热传递。选择图2的角度134的值， 可以促进将蒸气气泡从坯体表面133上剪除。超过冷却剂冲击表面133 的点之外的12英寸的跨度，也可以发生热传递。除促进蒸气气泡的剪 除之外，对于角度134选择的值可以将从坯体表面133弹跳回来的冷 却剂134的量降低到最低限度。实验表明，如前面所述，角度134的 优选的角度是60度到75度。随着来自于冷却剂幕130的冷却剂134冲击坯体132，图1所示
的水帘186跌落坯体表面133。在一个实施例中，水帘186以每秒钟6 英尺的速度跌落坯体表面133。水帘186可以跌落坯体132的坯体表 面133，并进入水槽188。为了制造20英尺长的坯体，可以将基座148 降低约90分钟。在这段时间的某一点，坯体132可以降低到水槽188 内。停留在坯体表面133上的气泡，可以变成自由上升的蒸气。从坯 体表面133被剪除的自由的气泡，可以被水帘186带入到水槽188内， 在该处，它们不变成自由上升的蒸气。因此，水槽188可以帮助控制 蒸气的形成，并且提供一个容器，从该容器中再循环冷却剂134。水 槽188可以是8到10英尺深。控制冷却剂幕130可以帮助控制蒸气的形成。如果产生太多的蒸 气，或者不能恰当地冷却坯体132，可以在基座148移动的过程中调 节冷却剂环118，以便通过驱动冷却剂环齿轮180获得所需的喷嘴开 口 170，以便将更多的气泡带入到水槽188内。图4表示本实用新型的DC铸模400。 DC铸模400可以包括铸模 体410、铸模起动头412、给料管414、冷却剂箱416和冷却剂环418。 如从图4看到的，铸模体410在铸模体410的内部的最内部的表面上， 可以包括吸热环420。吸热环420可以包括多孔环422和铸模柄脚 (mold tang ) 424。本实用新型的熔融材料在其凝固时可以移动。因此，多孔环422 可以起着允许流体通过多孔环422的材料内的小孔或空隙的作用，以 便在多孔环422与诸如坯体外壳140等坯体外壳之间，提供减少摩擦 的面。这种流体是液体或者气体或者它们的組合，可以在熔融材料与 多孔环422之间提供角降低摩擦的面，以便允许熔融材料通过多孔环 422。为了允许流体通过多孔环422的材料内的小孔或空隙，多孔环422 可以包括结晶的碳的同素异形体。在另一个实施例中，多孔环422包 括石墨。在另外一个实施例中，多孔环包括碳化硅。多孔环422的水平截面可以由在挤压技术或直接冷铸技术中采用
的任何对称或不对称的形状来限定。例如，多孔环422的水平截面可 以由环形、方形、星形、卵形或者矩形限定。由于坯体的优选的形状 是圆柱形，所以，在一个实施例中，多孔环422由环形限定。图4的铸模柄脚424可以用作箱426的下部，除了从熔融材料头 154的槽182取走一些热量之外，还对坯体132提供支撑结构。被多孔环从槽内的熔融材料头取出的热量，主要形成坯体外壳。 在形成坯体外壳之后，熔融材料继续在多孔环附近硬化，柄变成坯体 外壳的一部分。在硬化时，材料从多孔环退缩。在从多孔环退缩之后， 来自于槽内的熔融材料的热量和向外的径向压力将坯体外壳软化，将 材料推向多孔环。随着这种软化的材料向多孔环移动，材料再次硬化。 在再次硬化时，材料从多孔环退缩，经受来自于槽内的熔融材料的热 量和向外的径向压力。这种循环表示重复，其效果限定出靠近坯体的 Y表面的表面下熔析带。这种表面下熔析带的特征在于不希望有的表 面下的凝固偏析。将表面下的熔析带降低到最低限度是合乎需要的。表面下的熔析 带可以是以下因素至少其中之一的函数，所述因素为来自于槽中的 熔融金属的向外的径向压力，材料的凝固温度范围，冷却介质的沖击 点与熔融材料弯月面在环442上的第一接触点之间的距离，冷却介质 的冲击速度，熔融材料的温度比标准熔点高出的值，以及推杆150降 低的速度。来自于槽中的熔融材料的向外的径向压力可以是槽的深度 的函数。随着槽的深度的降低，来自于液体熔融材料的向外径向压力 会降低。来自于熔融材料的向外的径向压力的降低，会令人满意地降 低表面下的熔析带。因此，将槽的深度减少到最低限度是很理想的。 在一个特定的连铸的实施例中，不能很快地改变给料管114的内部的 材料进给水平，由于这些变量材料的温度可能具有很高的惰性，这里， 高的惰性可能是部分地是由于从材料的熔化炉内连续地供应熔融材料 所保持的变量引起的。将槽的深度降低到最低限度的 一种技术，是利用冷却剂尽可能靠 近坯体的顶部X面地冲击坯体的Y面。换句话说，冷却剂水越靠近坯
体的顶部X面冲击坯体的Y面，槽的深度越浅。冷却剂冲击坯体Y面所处的X面，可以至少是吸热环的垂直跨度 的函数。吸热环的垂直跨度越长，冷却剂越远离坯体的顶部X面冲击 坯体的Y面。吸热环的垂直跨度越短，冷却剂越靠近坯体的顶部X面 冲击坯体Y面。但是，吸热环的垂直跨度必须超过一个最小长度，以 便防止熔融材料从吸热环的底部泄漏。我们记得，图4的铸模柄脚424可以用作箱426的下部，除了从 熔融材料头154取走热量之外，还对坯体132提供支撑结构。铸模柄 脚的垂直跨度越长，冷却剂越远离坯体的顶部X面冲击坯体Y面。通 常，用于吸热环的工业标准包括一英寸高的石墨环和[5/8英寸高的铸 模柄脚，以便给出一个l-[5/8j英寸垂直跨度的工业标准吸热环。本实用新型的冷却剂幕的惊人的结果是，这种冷却剂幕的效率允 许吸热环420的垂直跨度低到[7/8英寸。吸热环420的高度的降低， 可以给出相对于传统的工业标准的25%的改进。吸热环420的低的垂 直跨度，可以显著地降低槽的深度，同时达到铸造材料的金相组织。金相组织可以看作是一个集体术语，可以描述铸造材料的以下属 性。如果所述属性包括至少下面所述的内容之一，金相组织可以是很 优秀的(i)比较细的枝晶间的间距；(ii)最小的表面下的熔析；(iii) 在晶粒内最小的显微偏析；(iv)从表面到坯体的轴上的最小的显微偏 析；(v)微细的晶粒粒度；(vi)没有收缩孔隙度；以及(vi)避免不 希望有的共晶和包晶初晶相。进而，通过利用冷却剂提前很多冲击金 属，可以增大铸造速度。通过达到更高的铸造速度，可以将利用本实 施例的8工时一班的生产率最大化。在一个实施例中，吸热环420的垂直高度小于l-[5/8英寸。在一 个实施例中，吸热环420的垂直高度在[7/8英寸将1-{分数(4/8) }英 寸的范围内。在另一个实施例中，多孔环422的高度在3/8到[7/8英 寸的范围内，铸模柄脚424的垂直高度在{分数(2/8) }英寸至{分数 (6/8) }英寸的范围内。在另一个实施例中，多孔环422的垂直高度为[3/8英寸、[5/8英
寸和{分数(6/8) }英寸之一，铸模柄脚424的垂直高度为{分数(2/8) }英寸、[3/8I英寸、和{分数(4/8) }英寸之一。冷却剂箱416,作为调节冷却剂流的静态装置，可以包括挡环430。 图5表示挡环430的等距视图。如图4所示，挡环430可以和冷却剂 箱416滑动配合或者压配合，并被冷却剂环418和铸模箱426保持在 Y方向上。由于可以将挡环430配置在冷却剂箱416内，二无需在冷 却剂箱416的材料内加工挡环保持唇，所以，与传统的DC铸模相比， 利用本实用新型的这一 实施例，可以引人注目地降低制造成本并减少 材料的浪费。除了多孔环422和铸模柄脚424之外，铸模体410还可以包括铸 模箱426和保持环428。如图所示，在从顶部安装到挡环430内的图4 的铸模箱426中，可以利用保持环428和重力将铸模箱426固定到冷 却剂箱416内。如图所示，可以利用衬垫432防止诸如熔融金属或者 冷却剂等流体逸出。铸模箱426可以包括方向面434和螺紋孔436。DC铸模400中可以包括铸模起动头412。铸模起动头412类似于 图1中的铸模起动头112。铸模起动头412可以包括基座和大螺紋的 腔体，液压推杆可以固定在该腔体内。进而，铸模起动头412可以用 作相对于吸热环420独立的底部。给料管414可以包括陶瓷环438。陶瓷环438可以从顶部安装到 铸模箱426内，使得重力帮助将陶瓷环438固定到铸模箱426上。模具台可以包括一个或多个铸模，从同一个水平流体流通道供应 熔融材料。在冷却剂箱416是模具台的一部分的情况下，在模具台的 水平流体流通道与向铸模体410的入口之间提供中间连接是很主重要 的。因此，给料管414可以进一步包括陶瓷集流管440。陶瓷集流管 440可以包括集流管开口 442。图6表示陶瓷集流管440的等距jf见图。为了将陶瓷集流管440固定到陶瓷环438上，并且霸陶瓷环438 固定到铸模箱426上，本实用新型的一个实施例可以通过配置在压紧 螺栓41附近和集流管保持环444的下方的管状支承件465。对于配置 在陶瓷集流管440的顶面上的集流管保持环444，可以通过开口将压
紧螺栓441置于集流管变成环444内和管状支承件465内，并且固定 到铸模箱426的螺紋孔436内。管状支承件465，在组装DC铸模400 时，可以防止使用过大的转矩。而这反过来会将陶瓷环438的易碎的 完整性保持一个更长的时间，可以长达几年。如图所示，可以利用陶资垫片纸防止熔融材料从给料管414中泄 漏。可以利用胶态石墨填料，例如填料447，进一步作为衬垫并防止 熔融材料的泄漏，以便给予否则是粗糙的陶资环438的表面一润滑的 性质，并且填充角落，使得在诸如熔融材料152的熔融材料的行进路 径上不存在裂缝。包括在DC铸模400中的另外一个项目可以是冷却剂环418。冷 却剂环418可以包括唇450和调节面452。如可以从图4中最清楚地 看到的，唇450可以沿着径向方向向外延伸，以便提供一个面，冷却 剂环418可以通过该面固定到冷却剂箱416上。在一个实施例中，冷 却剂环418由一系列螺栓从冷却剂箱416的底部侧固定到冷却剂箱 416上。在另一个实施例中，冷却剂环418由一系列栓锁固定到冷却 剂箱416上，每一个栓锁可以包括一个棒，该棒套在一个挂钩上，并 通过向下压到结合在所述棒上的杆上被固定。在另一个是实施例中， 冷却剂环438可以利用螺紋啮合到挡环430的内表面上，并且可以利 用齿轮机构进行遥控使之上下运动。对于安装到冷却剂箱416内的冷却剂环418，冷却剂环418的调 节面可以和铸模箱426的方向面424以一定的角度相交，以便限定出 内部喷嘴区域和喷嘴开口。所述角度，喷嘴区域和喷嘴开口可以和图 2的角度168、内部喷嘴区域166,以及喷嘴开口 170相似。为了调节流体体积和冷却剂幕流的力，以及冷却剂幕流的方向， 可以通过配置或除去唇450与冷却剂箱416之间的薄垫片，将本实施 例的喷嘴开口170改型。薄垫片可以看作是一个薄的、常常是锥形的 材料片，根据需要用于调节需要配合的部件。所述薄垫片可以包括铝 箔，薄尺寸的不锈钢片，或者任何衬垫材料。本实用新型的一个实施例可以包括一组薄垫片，其中，薄垫片组
的数目可以从l到100。本实用新型的一个实施例，作为包括本实用 新型的DC铸模的工具组件的一部分，可以包括一组IO个薄垫片。在 IO个一组的薄垫片组中的每一个薄垫片，可以被0.001到0.01英寸的 范围内的厚度限定，其中，每一个薄垫片的厚度在一组10个薄垫片的 组中是惟一的。10个薄片的另外一组可被0.01英寸的厚度限定，其中， 每一个薄垫片0.01厚。不同的合金具有不同的热传递特性。例如，有大约60种铝合金， 每一个都具有不同的热传递特性。传统的实际操作，对于每一种将要 铸造的合金，要求使用不同的工具组件，或者，对于每一种合金，使 用推杆速度、冷却剂体积和压力、材料温度、铸造启动程序等的经过 研究的周密的组合。但是，本实用新型的每一个薄垫片可以提供改变 铸模的热传递特性的能力，使得可以利用同一个工具组件，采用预定 的铸造实际操作步骤，可以铸造不同的合金。利用本实用新型的同一 个工具组件和同样的铸造实际操作铸造不同的合金的可能性，与传统 上对于每一种将要铸造的合金或者利用不同的工具组件或者利用一组新的实际操作步骤的实际操作，形成十分明显的对比。图7表示本实用新型的DC铸模系统700。在DC铸模系统700 中可以包括具有DC铸模400的模具台702。 DC铸模400可以是包括 在铸模系统102中的DC铸模。如前面指出的，铸模系统700还可以 包括有各种控制系统和辅助系统。图8是图7的模具台702的等距顶视图。如图所示，模具台702 的供应通道704设有通路，用于熔融材料达到每一个集流管开口 442。 由于坯体可以被穿过图4的吸热环420形成，所以，在坯体表面 与吸热环420之间可以表面降低摩擦的部件，以便帮助器通过。在本 实用新型的 一个实施例中，通过润滑剂供应通道454将润滑剂引入到 多孔环422的外径侧。润滑剂供应通道454可以是柔性的，并且可以 通过冷却剂环418结合到铸模箱426上，以便润滑剂供应通道454不 会与冷却剂幕干扰。这可以通过将润滑剂通道设定成以下的路线来达 到，即，润滑剂供应通道从冷却剂箱416的底部起，在冷却剂环418
的内部和冷却剂幕流的外部之间，并且将润滑剂通道454固定到铸模 箱426上。作为润滑剂通道454的轴端，可以通过螺紋配合或者滚珠 和棘爪啮合固定到铸模箱426上。在本实用新型的DC铸模的优选实施例中，在铸模从模具台底部 安装的情况下，润滑剂供应通道也选择从模具台的底部起的路线。将 润滑剂供应通道454的路线选择成向冷却剂箱416的底部起，并且在 冷却剂环418的内部与冷却剂幕流的外部之间，允许模具台的单位面 积有更多的DC铸模，并且不需要在挡环与润滑剂供应通道之间的密 封。无需在挡环与润滑剂通道之间的密封，可以争取达到将润滑剂与 冷却水混合的机会降低到最低限度。图9是图7的模具台702的等距仰视图。可以在该视图中看到图 4的冷却剂环418和润滑剂供应通道454。图IO表示由本实用新型生 产的坯体1000。坯体1000可以是窄的或者可以具有大的直径。例如， 坯体可以是20英尺长，并具有26英寸的直径。标准的6英尺的人1002， 对于以20英尺长具有4英寸直径表示出大尺度的坯体1000提供一个参考。II.例子尽管对于从热的材料向流动的冷却介质的热传递已经研究了超过 一个世纪，对于在直接冷铸的热传递已经研究了超过半个世纪，但是， 没有一个研究人员在没有作出某些假定和接收很多近似的情况下，将 直接冷铸中的热传递动态模型整集中到一起。缺乏整体分析。这部分 地是由于在泡核沸腾区热传递的速度会突然地跳越一到两个数量级。当利用普通的水作为冷却剂时，泡核沸腾发生的温度范围为330 华式度到390华式度。特别是，在直接冷铸铸造铝合金的情况下，在 利用循环水作为冷却介质实际操作时，呈现在水的蒸气中的铝的最初 的表面温度可以在1100华式度到1200华式度的范围内。当处于室温 的(或者在室温的士50华式度)水遇到1200华式度的表面时，在界面 上发生各种各样的反应。基本上，这些反应实质上时物理反应和化学 反应。
利用热力学定律和瞬时条件以及对流热-质量(heat-mass)传递 方程，研究人员概括地用公式表示出各种热传递模型。但是，这些模 型不能充分预言铸造材料的铸造行为和金相组织。其中的一个原因可 能是，在铸造材料表面上的温度分布不断地变化，真正的"稳态"温 度分布是一个在某个间隔内振动的变化的条件的模式。这些变化的条 件可以由以下因素表示(a)铸造变量，如速度，水的体积，铸模 的几何形状，金属温度，以及合金的特定物理性质，以及(b)外界 因素，例如，启动条件，铸模填充速度，进给材料温度的变化速度， 通过陶瓷给料管的热传递，熔融材料的氧化，以及其它一些参数，诸 如大气温度，湿度，这些因素的每一个都在用于建立模型的方程式的 范围之外。从而，开发和试验直接冷铸铸模系统的一个主要的途径是 实验。下面是伴随着本实用新型的一些实验。A.例子1配置根据上述实施例制造用于坯体铸模系统的工具，用于使用 自来水作为冷却介质铸造铝合金。制造所述工具用于(i)在具有30 个铸模容量的模具台上铸造6英寸(")直径的坯体，(ii)在具有24 个铸模容量的模具台上铸造7"直径的坯体，(iii)在具有18个铸模容 量的模具台上铸造8"直径的坯体。在上述三种情况的每一个中，从冷 却剂箱的上部的下侧配合提供引导面的铸模体。进而，从冷却剂箱的 下部的下侧，安装具有调节面的水环(冷却剂环)。润滑轴穿过冷却剂 环和冷却剂箱。配置不包括在DC铸坑中准备排汽管。上面描述的整 个工具的制造成本在U.S.$160，000±U.S.$20，000的范围内。所述成本 包括冷却剂箱是一个整体部分的模具台的成本。在操作当中，多孔润滑环的高度保持恒定，为0.81英寸，铸模柄 脚的高度保持恒定，为0.66英寸，因此，吸热环的总高度被保持在 0.147"。方向面相对于水平面的角度以68度保持固定。于在线冷却剂 过滤器的下游，在每平方英寸9磅的供应压力下，所供应的冷却剂的 总体积保持恒定，为每分钟720加仑。供应侧的冷却剂的温度保持在 75±5华式度的范围内。熔融材料的温度保持在1250至1350的更宽的 范围内。在熔融材料中添加0.003%的钛(在线)用于晶粒细化。将花 生油用作润滑介质，在每20秒钟的时间间隔内，将对每个铸模的供应 量调节到0.005立方英寸。在第一组试验中，将喷嘴开口保持恒定， 为0.93英寸，喷嘴高度为O英寸。在生产过程中，对于每一个坯体尺寸，对于合金AA6063 (Aluminum Association ( AA ) Specification:铝业协会(AA)规格) 完成多于一打的铸件。坯体的长度从225到240英寸的范围内，每一 个铸件的总平均重量约为21,000磅。例子l的观察在观察当中，可以在相对于铸模系统的尺寸稳定 性方面没有遇到任何问题的情况下进行铸造。铸模系统保持刚性，并性。在铸模组件反复的使用过禾;中，在熔融金属r冷却剂介质和润滑油管线流路中没有观察到泄漏。在水冲击到坯体的部位上以及在模具 台的下方和模具上方的点的下游，未观察到蒸气。坯体的表面是光滑 的其质量符合为直接挤压应用设定的工业标准。在坯体的中心处，坯 体的金相组织显示出75微米的晶粒尺寸和大约30微米的晶胞尺寸(枝 晶之间的间隙)。表面下的熔析带其深度在0.015至0.060英寸的范围 内变化，平均接近于0.030英寸。在不引起破裂，撕裂或者泄漏的情 况下，可以达到的铸造速度，对于8"的直径为4.957分钟，对于7"的 直径为5.5/分钟。对于6"的直径为5.95"/分钟。 B.例子2配置除了利用再循环水作为冷却剂之外，其余保持和例子l中 所述的条件。再循环水典型地具有如下的化学性质i) 每升溶解1，200毫克的固体物(对于自来水，为250毫克)；ii) 在铸造过程中通过在线过滤器(筛孔0.064英寸)产生的大约 每立方厘米0.15kg的总的悬浮固体，或者每平方英寸2磅(psi)的压 力差；iii) 每升总的油和油脂的含量为60毫克。例子2的观察在观察中，作为利用再循环水的结果，对于铸模 200620129434.2说明书第24/27页系统的功能未观察到有害的效果。在坯体的铸造实践中，不要求作出 改变，利用再循环水和利用自来水一样，可以保持相同的铸造速度阈 值。坯体的金相组织与例子l中所观察到的未显示出任何不同。C. 例子3配置与例子2相比，将喷嘴开口变窄到0.79英寸，喷嘴高度从 0变化到0.01英寸。所有其它参数和例子2的配置保持相同。制造坯 体尺寸为8"直径的21个铸件。坯体的长度从120英寸变化到236英 寸。例子3的观察在观察中，整个铸模系统的功能得到改进。这可 以从在不影响金相组织、铸造产品的表面或者合金的整个可铸造性的 情况下，能够以更高的铸造速度铸造金属的可能性得到证明。对于8" 直径的坯体，显示出超过每分钟5.85英寸的铸造速度。这表面总的生 产率超过18%的改进。这种铸造速度的显著增大，归因于通过改变喷 嘴开口和喷嘴高度导致的优异的表面热传递系数。这反过来改变成核 沸腾区的面积，提供更高的冲击速度同时保持冷却剂幕内的剪切流， 这将帮助蒸气气泡从坯体的表面上更快地除去。D. 例子4配置除了材料的化学成分改变为合金AA2024 (Aluminum Association ( AA ) Specification:铝业协会(AA )规格)之外，保持 和例子3中给出的同样的条件。合金AA2024材料，包括铜和镁，由 于其更大的凝固温度范围并由于其比合金AA6063经受更高的凝固收 缩，所以具有更高的对于破裂的敏感性。例子4的观察在观察中，根据槽的数据和热传递曲线，可以很 容易借助本实用新型的上述实施例开展铸造这种材料的实践。铸造合金AA2024的金相组织符合与制造广泛的最终应用的挤压件和锻件相 关的全部要求。E. 例子5配置除了除了冲击的冷却剂的方向面相对于水平面的角度从68 度改变到72度之外，所有的条件保持和例子3相同。
例子5的观察在观察中，对于铸造直径8"的AA6063合金坯体， 重复地达到每分钟6.04英寸的铸造速度。这些铸造速度远超过传统的 直接冷铸工业标准，并且对于坯体制造者而言，提供显著的最终效益 优点。III.优点本实用新型的DC铸模和铸模系统提供一个巨大的优点，它们能 够产生优异的金相组织，易于组装，容易修理/维护，增大铸造生产率， 更重要的是，允许现场调节，以便有效地控制热传递。在制造新的合 金时，这有助于降低研究时间和费用。所述实施例的这种高度简单化 的工具，可以从模具台的顶部组装，以便利用重力将铸模密封防止冷 却水泄漏。进而，润滑剂供应通道的路线，可以设定成从模具台的底 部开始并通过冷却剂环。上面所述的实施例DC铸模的克动态调节的冷却能力，提供了一 种能力，即，可以有效地控制材料的可铸性，直到达到稳态的铸造条 件为止。在对于热裂、冷裂、表面撕裂和渗出显示出敏感性的材料的 连铸和半连铸中，严格地要求这种能力。典型地，这些材料显示出以 下的性质(i)很高的凝固收缩(即，当其状态从液体向固态变化时， 材料经受的收缩)，(ii)较大的凝固温度范围(即，从第一个固态颗 粒出现到最后一滴液体从槽中消失为止的温度范围)，以及(iii)与外 部(即，在表面处)的热传递系数相比，较低的内部热传导率。由于在所述实施例中部件数目的减少，每个单元的成本显著地低 于传统的DC铸模和铸模系统。例如，用于7英寸直径的坯体的传统 的30个机架的DC铸模，其价值为U.S.$300，000。利用本实用新型的 用于7英寸直径的坯体的DC铸模，其价值为U.S.$210，000，节省 U.S.$90，000。在所述实施例中部件数目的减少，相对于较少部件磨损 和需要更换。这将导致降低备件和在使用被消耗掉的部件(例如消耗 品)的成本。另外，由于减少配合面的数目和表面面积，所以，较少 的部件具有较小的金属或冷却剂泄漏的机会。这将导致降低不可控的 金属与冷却剂的反应的几率，已知，有些这种反应其本质上会发生爆 本实用新型的DC铸模和铸模系统的实施例，还提供另外的一些 优点。传统上，中断的冷却剂流和冷却剂的紊流，由于不能从坯体表 面上剪除微细的蒸气气泡，促进自由上升的蒸气的产生。但是，铸模 水环几何形状的实施例可以通过图2的喷嘴开口 170，角度134，和喷 嘴高度172特别是在喷嘴高度172为0的情况下，可以控制铸造部内 的蒸气的产生。由于冷却剂幕130可以是配置坯体表面133附近的不 间断的冷却剂的层流，所以，通过本实用新型可以进一步将自由上升 的蒸气的产生降低到最低限度。控制蒸气的产生，将被制造的产品的 可见度最大化，因此增大操作者和设备的安全性。进而，控制自由上 升蒸气的产生，可以无需利用昂贵的蒸气吸风机系统。如在典型的实际操作中那样，当在DC铸造操作中冷却剂是再循 环水时，再循环冷却剂聚集大量的杂质粒子。这些杂质粒子倾向于阻 塞冷却剂通道。进而，如果冷却介质的质量不好。则沉积物或沉淀物 可能会在铸模的背面(例如，在图4的方向面434上)结晶。如果没 有定时地将这些沉积物除去，沉积物将会降低铸模的热传导率。 一个 例子是，如果利用具有高的水硬度的再循环水作为冷却介质的话，则 在铸模的背面侧一般地形成钙和镁的沉积物。通常，诸如DC铸模的冷却通道的检查和清理是在完成每次铸造 之后进行的例行的烦瑣的工作。除了清理铸模之外，单单是传统的铸 模的冷却通道的检查，其本身就是一种麻烦和冗长的任务。整个铸模 连同其全部密封必须拆开。除了用于坯体生产所用的时间，这将花费 相当多的时间。与传统的DC铸模和铸模系统相比，对于本实用新型的冷却剂通 道的维护是非常容易达到的，因为，通过拆下位于本实用新型的铸模 的下面的冷却剂环，工人可以很容易清理冷却剂通道内的通路。实验 表明，本实用新型的一个DC铸模可以在3分钟内清理完毕并装配起 来重新工作。本实用新型的这种维护时间与一个传统的DC铸模的20 分钟的维护时间形成鲜明的对照。因此，本实用新型的这种特别的维
护形式，可以降低总的铸造周转时间，从而，进一步增加生产率。传统的DC铸模系统的吸热环的热传递表面是如此难以接近，使 得维护工人常常忽略清除堵塞在热传递表面上的钩。但是，如从图9可以看出的，位于模具台702下面的维护工人可以清除堵塞在本实用 新型的吸热环的热传递表面上的钓，而无需卸下本实用新型的任何部 件。本实用新型的冷却剂通道可以容易地进行维护，可以緩和对于在 传统的DC铸模系统中使用的冷却剂的严格的过滤的要求。本实用新型的用户友好的、廉价的和简单的实施例，转化为长寿 命的DC铸模。因为可以利用本实用新型的相同的工具组件铸造不同 的合金，所以，和传统的DC铸模相比，本实用新型在坯体生产工业 中具有更替广泛的应用。进而，与传统的铸模设计相比精制的实施例， 在模具台702的单位面积上，允许有更多的DC铸模。这在整个坯体 生产中，可以提供更积极的管理控制。本实用新型的环境友好的DC铸模和铸模系统，提供以下的优点， 即，导致生产率得到改进的铸造速度方面的优点，导致冶金学的改进 的将表面下熔析带降低到最低限度的优点，容易制造，容易组装，以 及导致质量和生产率改进的多用性，导致经济价值的较少的部件，导 致维护改进的易净化性，以及安全性的改进。因此，本实用新型的实 施例提供一种DC铸模组件，所述铸模组件对于操作者的使用而言有 很多改进，通过这些改进，坯体生产工场可以获益。这里所描述的示例性的实施例，只是对本实用新型的原理提供说 明，不应解释为对本实用新型的权利要求所提出的主旨范围的限制。 本实用新型的原理可以应用与广泛的系统，以达到这里所描述的优点， 并达到其它优点并满足其它目的。
权利要求1.一种直接冷铸铸模，其特征在于，包括铸模体，所述铸模体包括方向面和沿径向向外延伸的凸缘；用于保持冷却剂的箱型装置，该箱型装置结合到铸模体凸缘的上侧；冷却剂环，其包括调节面，所述冷却剂环结合到箱型装置的下侧，用于保持冷却剂，以便使调节面和方向面相互靠近以形成喷嘴，所述方向面具有以调节面的位置为基础的位置，其中，所述方向面的位置和调节面的位置中的至少一个是可以调节的；位于铸模体最内表面处的吸热环，其中，所述吸热环包括具有一定高度的多孔环，其中，所述多孔环的高度在3/8英寸至7/8英寸的范围内；铸模起动头，所述铸模起动头位于与所述吸热环相邻并隔有1间隙的位置处；以及润滑剂供应路径，该路径从冷却剂环的下侧起，通过冷却剂环的内部，并结合到铸模箱上。
2. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，吸热环被小 于15/8英寸的跨度限定。
3. 如权利要求2所述的直接冷铸铸模，其特征在于，所述跨度在 7/8英寸和14/8英寸的范围内。
4. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，吸热环进一 步包括具有一定高度的铸模柄脚，其中，所述铸模柄脚的高度在2/8 英寸到6/8英寸的范围内。
5. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，方向面由一 个角度限定，其中，所述角度在60度到85度的范围内。
6. 如权利要求5所述的直接冷铸铸模，其特征在于，所述角度在 60度到75度的范围内，并且该角度是相对于水平面的角。
7. 如权利要求5所述的直接冷铸铸模，其特征在于，所述角度在 67度到72度的范围内。
8. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，铸模体进一 步包括具有铸模柄脚的铸模箱、保持环、以及结合到铸模体上的多孔 环，所述多孔环与铸模体结合的部位靠近铸模柄脚，其中，保持环将 铸模箱结合到用于保持冷却剂的装置上。
9. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，用于保持冷 却剂的装置是模具台的一部分。
10. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，进一步包括 挡环，该挡环被制成配合到用于保持冷却剂的装置内，并被铸模体和 冷却剂环保持。
11. 如权利要求l所述的直接冷铸铸模，其特征在于，调节面被以 一个角度限定，所述角度在0度到90度的范围内。
12. 如权利要求11所述的直接冷铸铸模，其特征在于，所述角度 在4度到12度的范围内。
13. 如权利要求12所述的直接冷铸铸模，其特征在于，所述角度 为6度。
14. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴包括喷 嘴开口，其中，所述喷嘴开口是可以调节的。
15. 如权利要求14所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴开口 在0.050到0.150英寸的范围内。
16. 如权利要求15所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴开口 在0.070到0.108英寸的范围内。
17. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴包括喷 嘴高度，其中，喷嘴高度是可以调节的。
18. 如权利要求17所述的直接冷铸铸模，其特征在于，相对于喷 嘴高度为0的位置，喷嘴高度在正、负0.200英寸的范围内。
19. 如权利要求18所述的直接冷铸铸模，其特征在于，相对于喷 嘴高度为0的位置，喷嘴高度在0到0.100英寸的范围内。
20. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴高度能 够以O.Ol英寸的增量调节。
21. 如权利要求20所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴高度 为O英寸。
22. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴包括喷 嘴距离，其中，所述喷嘴距离是可以调节的。
23. 如权利要求22所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴距离 在0.06英寸到0.36英寸的范围内。
24. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，与所用的单 位无关，喷嘴距离是至少0.0010和0.0060中的一个的倍数。
25. 如权利要求24所述的直接冷铸铸模，其特征在于，喷嘴距离 为0.090英寸。
26. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，进一步包括 至少一个薄垫片，所述薄垫片配置在用于保持冷却剂的装置与铸模体 之间和冷却剂环与用于保持冷却剂的装置之间中的至少 一个中。
27. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，进一步包括 至少一个齿轮，所述齿轮与铸模体和冷却剂环中的至少一个旋转接触。
28. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，进一步包括 结合到铸模体上的给料管。
29. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，进一步包括 辅助系统，所述辅助系统具有至少一个液压箱、冷却剂供应箱、材料 箱、润滑剂箱；以及控制系统，所述控制系统具有与辅助系统通信的 计算机服务器。
30. 如权利要求29所述的直接冷铸铸模，其特征在于，进一步包 括至少一个通过网络结合到计算机服务器上的计算机客户机。
31. 如权利要求30所述的直接冷铸铸模，其特征在于，所述网络 是因特网。
32. 如权利要求1所述的直接冷铸铸模，其特征在于，由于保持冷 却剂的装置包括冷却剂箱。
专利摘要本实用新型为直接冷铸铸模，涉及液态金属铸造领域。本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种操作更安全，更容易使用和维护，使铸造生产率最大化，制造和运转廉价的直接冷铸铸模。本实用新型的该铸模包括具有方向面的铸模体和结合到铸模体上的冷却剂箱。铸模进一步可以包括具有调节面的冷却剂环，在该调节面上，冷却剂环可以结合到冷却剂箱上，以便将调节面和方向面聚集到一起，形成喷嘴。铸模可以进一步包括铸模起动头。
文档编号B22D27/04GK201026523SQ20062012943
公开日2008年2月27日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者R·V·提拉克 申请人:R·V·提拉克