用连续铸造模具减少金属铸锭内气泡或气袋的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种方法和设备以用连续铸造模具铸造金属铸锭以使铸锭基本没有气袋，该气袋由形成期间困于铸锭的糊状区和固态区的气泡产生。其中这些气泡可由向形成中的铸锭的熔化的液态部分倾倒金属熔液引起或由等离子体焰炬的等离子体羽撞击在熔化的液态部分上表面引起。
【专利说明】用连续铸造模具减少金属铸锭内气泡或气袋的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及用于熔化金属的炉。尤其是，本发明涉及连续铸造炉及消除或减少铸锭内气泡或气袋的方法。
【背景技术】
[0002]金属铸锭连续铸造的问题之一是形成或截留铸锭内的气泡或气袋。下文进行更详细的进一步讨论，这些气泡或气袋可能由向连续铸造模具内的金属熔液中倾倒熔料引起或由等离子焰炬的羽流沿着模具内熔融材料上表面的冲击引起。
【发明内容】
[0003]一方面，本发明提供一种方法，包括如下步骤:提供分段连续铸造模具，所述连续铸造模具包括交替的多个导电且向上伸出的多个指状物及多个不导电的高温绝缘片；将金属铸锭从所述模具退出，其中，所述铸锭包括固态部分、位于所述固态部分顶上的糊状区及位于所述糊状区顶上的液态部分；通过下述至少一个方式在所述液态部分产生气泡:(a)向所述液态部分内倾倒金属熔液及(b)用等离子体焰炬的等离子体羽加热所述液态部分；及用与所述模具相邻的感应线圈加热所述液态部分，所述液态部分包括液态金属头及气泡区，以使所述液态金属头(metal head)位于所述糊状区顶上且基本没有气泡，所述气泡区位于所述液态金属头顶上并包括气泡。
[0004]另一方面，本发明提供一种方法，包括以下步骤:提供分段连续铸造模具，所述连续铸造模具包括交替的多个导电且向上伸出并具有各自顶部的指状物及多个不导电的高温绝缘片；从所述模具中退出金属铸锭；用顶部构件阻止所述倾倒中的金属熔液接触所述多个指状物的顶部，所述顶部构件设置在所述多个指状物正上方并与所述多个指状物相邻；和用与所述模具相邻的感应线圈加热所述模具中的所述铸锭的一部分。
[0005]另一方面，本发明提供一种设备，包括:分段连续铸造模具，包括交替的多个导电且向上伸出并具有各自顶部的指状物及多个不导电的高温绝缘件；顶部构件，设置在所述多个指状物的顶部正上方且与所述多个指状物的顶部相邻，并适于阻止倾倒中的金属熔液与所述多个指状物的顶部接触；和感应线圈，与所述模具相邻。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]本发明的优选实施方案(其描述了 申请人:采用其原理而构思出的最佳方式)将在下文描述中阐明并在附图中示出，并且在所附的权利要求中具体地和明确地指出并阐明。
[0007]图1为现有技术中连续铸造设备剖视图，显示了被限制在铸锭内的气泡或气袋；
[0008]图2为一示例性实施例的侧视图，带有以截面显示的各种组件；
[0009]图3为沿图2中3-3线取的连续铸造模具的顶部构件及部分俯视图；
[0010]图4为连续铸造模具沿图3中4-4线的剖视图；
[0011]图5为沿图4中5-5线的剖视图；
[0012]图6为与图2中相同视角的视图并显示了基本没有气泡截留的铸锭结构。
[0013]附图中相同的标号指相同的部分。
【具体实施方式】
[0014]参照图1，更详细地说明现有技术。现有的连续铸造炉可包括连续铸造模具CCM、熔化炉H及位于模具上方的等离子体焰炬T。在铸锭I形成期间，铸锭将具有固态区或部分S、位于固态部分S上方的糊状区M及位于糊状区M上方的液态部分或池L。本领域众所周知的是，糊状区M是过渡区，其部分为固体、部分为液体，且随着铸锭I降下和冷却变为固体。当金属熔液MM从炉H倒入模具CCM内液态部分L顶上时，倾倒中的金属熔液迫使一些气泡BP (气泡BP可能是惰性气体泡)进入液态区L。当使用等离子体焰炬时，它的等离子体羽P冲击液态区L的上表面，且可能也会在液态区L产生气泡BT。由于铸锭I冷却及下降，一些气泡BP和BT也可能会进入糊状区M并最终被困在固态区S，这样形成具有气泡或气袋BP、BT的铸锭I。不幸的是这些气袋或气孔不能通过铸锭的机械热处理去除，且对最终产品的机械性能不利。
[0015]本发明的炉的示例性实施例总体上由图2中的I表示。炉I可包括熔化腔室2、分段连续铸造模具4、熔化炉6、供给机构8、炉热源(如炉等离子体焰炬10)、模具热源(如模具等离子体焰炬12)、盖或顶板或构件16、铸锭升降器18、真空泵20及惰性气源22。熔化腔室2包括腔室壁24，腔室壁24限定设置有模具4、炉6、供给机构8、焰炬10和12、感应线圈14及顶部构件16的内腔室26。铸锭升降器18的顶部可移动进入及退出内腔室26。尤其是，熔化腔室2还包括环形通道壁28，环形通道壁28固定至壁24并具有限定通道30的内周，通道30与内腔室26及壁24和腔室2外的大气相通。铸锭升降器18的顶部因而可通过通道30进入和移出内部腔室26。炉I可在通道壁28区域内配置有各类密封组件，诸如在此通过引用而包括在本文中的美国专利8，196，641中所描述的。通常，这些密封组件与铸锭的外周形成密封，以阻止铸锭铸造期间空气通过通道30进入腔室26。
[0016]供给机构8可以为任何类型的供给机构，如输送机、振动给料器或其它本领域已知的用于向炉6的熔化腔室32供给固体金属的供给机构。炉6还可包括溢出或倾倒边缘34，溢出或倾倒边缘34沿着炉6的一侧以允许金属熔液通过溢出边缘34移动进入模具4的顶部。炉焰炬10设置在熔化腔室32上方，以当模具焰炬12同样设置在模具4上方以加热模具4内金属时，加热腔室32内的金属。感应线圈4可包围模具4，在下文进一步详细描述。顶部构件16为设置在模具4顶部的正上方并与模具4顶部相邻的环形构件。
[0017]主要参照图3?5，模具4包括具有内周38的模具侧壁36，内周38限定了模具腔或通道40，模具腔或通道40具有顶部入口 42和底部入口 44。通道40具有位于通道40中心的中心垂直轴X。内周38具有基本垂直的下部和基本垂直的上部，该下部限定腔或通道40的较窄的下腔部分46，上部限定腔室或通道40的较宽的上腔室部分48。当下部46和上部48为圆柱形(典型地是与内周38关于轴X同轴)时，较窄的部分46的内径小于较宽的部分48的内径。内周38在台阶50处从上部分48的底部向下部分46的顶部向内进一个台阶。台阶50可形成从上部48的底部至下部46的顶部径向向内且向下的角。侧壁36可包括具有下部54和上部56的导电或金属部分52。下部54和上部56均为环形。下部54限定环形腔58，环形腔58围绕或包围下腔部分46的下部，与底部入口 44相邻。金属部分52(可由铜形成)包括向上伸出的多个指状物60，多个指状物60为从下部54的顶部向上至限定侧壁36顶部的终端或顶端62及模具4的悬臂。
[0018]因此，每个指状物60具有底端64，底端64作为上部56的底端和下部54的顶端。每个指状物60的底端64刚性固定连接至下部54的顶端，并向上延伸，或从那里向上形成悬臂。因此，每个指状物60大体垂直并包括内表面66、外表面68及一对相对的侧面70和72，侧面70和72从轴X径向向外从内表面66向外表面68延伸。指状物60的内表面66形成较宽的上腔部分48的大部和较窄的下腔部分45的上部。至于每对相邻的指状物60，该对之一的侧面70和该对中另外一个指状物的侧面72通常为直立的、相互平行且紧密相邻，并于二者间限定槽或间隙74,槽或间隙74从底端64向顶端62并从内表面66向外表面68延伸。
[0019]侧壁36还包括位于每个间隙74内的耐火绝缘片76，间隙74从相邻的底端64向相邻的顶端62延伸，以使每个片76的相对面分别紧靠侧面70和侧面72，侧面70和侧面72限定给出的间隙74。每个片76的内表面与相邻的一对指状物的内表面66大体齐平，该相邻一对指状物限定了设置有片76的间隙。同样的，每个片76的外表面与相邻的一对指状物60的外表面68大体齐平，该相邻一对指状物60限定了设置有片76的间隙。每个绝缘片76可由云母或其它合适的非导电耐高温绝缘材料组成。指状物60和片76具有上段和下段，上段限定上腔部分48，下段限定下腔部分45的上部。尽管所有的指状物60通过它们与金属部分52的下部54的物理和电接触彼此电通信，限定给定间隙的每对表面70和72相互间不直接电接触。因此，模具4包括交替的多个导电的向上延伸的指状物60和多个向上延伸的非导电的耐高温绝缘片76。示例中，模具4包括16个指状物60，而这个数量可根据需要的具体特征变化。感应线圈14的顶部可与多个指状物60的顶端62、片76的顶部和模具4的顶部相邻，而感应线圈14的底部可与多个指状物60的底端64和片76的底端相邻。
[0020]金属部分52内形成有多个大体垂直的指状物通道78，每个指状物通道78具有封闭的顶端80和与环形腔58相通的底部入口 82。每个指状物通道78向上延伸入指状物60，并从指状物60延伸至邻近并低于其顶端62处。空心环84设置在环形腔58内从而包围下腔部分46的下部。环84限定环形通道85。多个流体管86连接至环84的顶端并从环84的顶端向上延伸，并分别进入指状物通道78。每个流体管86可大体垂直并限定大体垂直的通道88。通道88具有顶部入口 90和底部入口 92，顶端入口 90邻近并位于封闭顶端80下方，底端入口 92与环形通道85连通。下部54限定流体(或水)入口 94和流体(或水)出口96，流体(或水)入口 94与环形腔85流体连通，流体(或水)出口 96与环形腔85流体连通。流体输送管线98和流体返回管线100的一端分别连接至入口 94和出口 96，另一端连接至水源或其它冷却液源102。
[0021]顶部构件16 (图2、3、6)包括总体凹陷/中空(hollow)的环形壁104，因此环形壁104限定环形倾倒通道106。壁104具有顶面108和底面110，顶面108为圆环形、面向上且总体水平，底面110为圆环形、面向下且总体水平，底面110与多个指状物的顶端62及模具4的顶端相邻，并与二者的上方有间隔。壁104具有圆环形内表面(或内周)112及圆环形外表面(或外周)114，圆环形内表面(或内周)112呈放射状面向内并从顶面108向底面110延伸，圆环形外表面(或外周)114呈放射状面向外并从顶面108向底面110延伸。内周112限定了通过通道116，通过通道116具有顶部入口 118和底部入口 120，底部入口 120位于顶部入口 42正上方以使通道116和通道40相互流体连通。内周112可位于内周38的上部分的正上方或关于内周38的上部分径向向内，内周38限定上腔部分48，而外周114可位于壁104外周/多个指状物60的外表面68的正上方，以使顶部构件16完全覆盖指状物60的顶端62，使从上面看顶端62不可见，如图3所示。
[0022]壁104由导电材料(如铜或另外的金属)形成，除了它的相邻的圆周端122和124(图3)，壁104形成几乎连续的环。圆周端122和124相互面对且相互紧密相邻以在二者间限定间隙126。间隙126从顶面108向底面110、从内周112向外周114连续延伸。在实施例中，间隙126充满水泥浆128或其它非导电材料。如图3所示，壁104沿着外周114限定与端122相邻的水或流体入口 130和与端124相邻的流体或水出口 132，以使入口 130和出口 132在间隙126和水泥浆128的两侧并与间隙126和水泥浆128相邻。供料管线134的一端连接至入口 130，相对端连接至冷却液源102或其它的相似源。同样，回流管136的一端连接至出口 132，相对端连接至源102或其它类似源。虽然图中未示出，但感应线圈104也采用水冷或液冷，因此通常具有供料管线和回流管，供料管线从感应线圈14的入口间向源(如源102)延伸，回流管从感应线圈14的出口向源(如源102)延伸。
[0023]现在，主要参照图6描述示例性的炉的运作。例如使用等离子体焰炬的情况下，要求腔室26内为惰性气氛，使用真空泵20排空腔室26，因而从那里基本去除所有空气，然后用来自源22的惰性气体回填，以在腔室26内产生惰性气氛，腔室26内全部或基本全部为惰性气体，如氩气或氮气。移动固体金属从供给机构(图2)进入炉6的腔32内，点燃炉焰炬10以加热并熔化固体金属以在腔32内形成熔料MM，并保持加热以使其维持熔化形态。然后通过顶部构件16的通道116将金属熔液2倒入模具4的通道40内，至升降器18顶部顶上模具4或至模具4内的起动桩(starter stub)上。顶部构件16配置为阻止倾倒中的从炉6至模具4内的金属熔液接触多个指状物60的顶端62及模具4的顶端。感应线圈14是电动的，以在水或其它冷却液从源102穿过感应线圈14、模具4的水冷系统和顶部构件16以冷却感应线圈14、模具4及顶部构件16电感加热模具4内的金属熔液。尤其是，参照图4，冷却液流动(图4中各类箭头)通过供料管线98进入环形腔85并从腔85向上经由入口 92进入通道88内，并从通道88经由出口 90进入指状物通道78。然后，液体从通道78顶部向通道78底部向下流动，经由底部入口 82进入腔58，并从腔58进入回流管100回到源102。如图3中箭头所示，同样的，从源102抽送水或其它类似冷却液经由入口 130至顶部构件16的环形通道106，流过通道106流通至出口 132，从出口 132经由回流管136回到源102。同样，点燃模具焰炬12以产生等离子体羽P以从顶端加热模具4内液态部分L的金属熔液。
[0024]参照前面描述的图1中现有技术例子，将熔料丽(图6)倾倒至液态部分或区L的顶上，在液态部分L内产生气泡BP，这些气泡通常由惰性气体(如氩气或氦气)形成，特别是在用等离子体焰炬熔化的情况下形成。此外，熔化涉及到模具等离子体焰炬12的使用，当羽流P加热液态部分L时，焰炬的羽流P撞击液态部分L的上表面也在那里形成气泡BT。然而，不同于现有技术的系统，示例性的实施例中阐明了液态区L可分为气泡区BZ和液态金属头MH，气泡区BZ位于沿着液态部分L的上部，并包括气泡BP和/或BT，液态金属头MH位于气泡区BZ正下方，液态金属头MH没有或基本没有气泡BP或BT。金属头MH位于糊状区M的顶部正上方并与糊状区M的顶部接触，糊状区M位于铸锭I的固态部分S顶部正上方，并与固态部分S顶部接触。感应线圈14及模具4的使用允许熔化池或液态部分L具有比先前已知的更大的深度，以允许气泡BP和BT在被困在糊状区M和固态部分S之前有足够的时间如现有技术的系统和方法的情况那样向上移动至液态部分L的上表面。因此，糊状区M和固态部分S没有或基本没有气泡或气袋。熔化(或液态)部分L从台阶50上方向台阶50下方延伸通常至指状物60的底端64和线圈14的底部或低于指状物60的底端64和线圈14的底部。随着铸锭I通过升降器18下降或从模具4退出及额外的金属熔液丽倾倒在模具4内的液态部分L的顶上，液态部分L或金属头MH的下部冷却并成为糊状区M的一部分，随后成为铸锭的固态部分S的一部分，铸造过程中，金属头MH保持没有气泡BP和BT以形成基本没有气袋的铸锭I。
[0025]因此，此处示例性的方法和设备的例子提供用连续铸造模具生产铸锭的途径，其中，铸锭没有或基本没有在其内形成的气袋，这些气袋由向模具内倾倒金属熔液引起的气泡和/或由等离子体焰炬的等离子体羽冲击模具内金属熔液上表面引起的气泡引起。该方法和设备示例因此提供大幅改进铸锭的能力。
[0026]在前面的描述中，使用了某些术语以便于描述的简洁，清楚和可理解。因为这些术语是用于描述的目的，并应予以广义的解释，所以对这些术语并无超出现有技术要求之外的不必要限定。
[0027]此外，本发明的优选方案的说明书和附图只是示例，本发明不局限于显示或描述的具体细节。
【权利要求】
1.一种方法，包括如下步骤: 提供分段连续铸造模具，所述连续铸造模具包括交替的多个导电的向上伸出的指状物及多个不导电的高温绝缘片； 将金属铸锭从所述模具退出，其中，所述铸锭包括固态部分、位于所述固态部分顶上的糊状区及位于所述糊状区顶上的液态部分； 通过下述至少一种方式在所述液态部分产生气泡:(a)向所述液态部分内倾倒金属熔液，以及(b)用等离子体焰炬的等离子体羽加热所述液态部分；和 用与所述模具相邻的感应线圈加热包含液态金属头及气泡区的所述液态部分，以使所述液态金属头位于所述糊状区顶上且基本没有气泡，所述气泡区位于所述液态金属头顶上并包括气泡。
2.如权利要求1所述的方法，还包括用等离子体焰炬的等离子体羽加热所述液态部分的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将金属熔液倒入所述液态部分的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述倾倒步骤包括如下步骤:从炉中向所述液态部分倒入金属熔液；其中，所述炉及所述模具在惰性气氛中。
5.如权利要求4所述的方法，还包括用等离子体焰炬的等离子体羽加热所述液态部分的步骤。
6.如权利要求3所述的方法，还包括用顶部构件阻止所述倾倒中的金属熔液接触所述多个指状物的顶部的步骤，所述顶部构件直接设置在所述多个指状物正上方并与所述多个指状物相邻。
7.如权利要求1所述的方法，还包括通过倾倒通道向所述模具内倾倒熔料的步骤，所述倾倒通道由直接设置在所述多个指状物正上方并与所述多个指状物相邻的环形顶部构件限定。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述顶部构件具有顶面、底面、外周及内周，所述内周限定所述倾倒通道；所述顶部构件内形成间隙，从所述顶面至所述底面、从所述外周至所述内周延伸。
9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述间隙内的非导电材料。
10.如权利要求7所述的方法，还包括使冷却液移动穿过所述顶部构件内形成的冷却通道冷却所述顶部构件的步骤。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述顶部构件完全覆盖所述多个指状物的顶部以使所述多个指状物的顶部从上面看不可见。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述模具具有侧壁，所述侧壁具有内周，所述内周限定其内设有所述液态部分的模具型腔；所述内周限定较宽的上腔部分及较窄的下腔部分，并包括从所述较宽的上腔部分向所述较窄的下腔部分向内延伸的台阶。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述台阶形成从所述较宽的上腔部分向所述较窄的下腔部分向内且向下的角。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述多个指状物包括各自的上段及各自的下段，所述上段限定所述较宽的上腔部分，所述下端限定所述较窄的下腔部分的至少一部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述侧壁具有下部；所述多个指状物为从所述下部向上的悬臂。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述感应线圈包围所述模具。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述多个指状物具有各自的底部；所述感应线圈具有与所述多个指状物的底部相邻的底部。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述多个指状物具有各自的顶部；所述感应线圈具有与所述多个指状物的顶部相邻的顶部。
19.一种方法，包括如下步骤: 提供分段连续铸造模具，所述连续铸造模具包括交替的多个导电并向上伸出的具有各自顶部的指状物及多个不导电的高温绝缘片； 从所述模具中退出金属铸锭； 用顶部构件阻止所述倾倒中的金属熔液接触所述多个指状物的顶部，所述顶部构件设置在所述多个指状物正上方并与所述多个指状物相邻；和 用与所述模具相邻的感应线圈加热所述模具中的所述铸锭的一部分。
20.—种设备,包括: 分段连续铸造模具，包括交替的多个导电并向上伸出且具有各自顶部的指状物及多个不导电的高温绝缘件； 顶部构件，设置在所述多个指状物的顶部正上方且与所述多个指状物的顶部相邻并适于阻止倾倒中的金属熔液与所述多个指状物的顶部接触；和 感应线圈，与所述模具相邻。
【文档编号】B22D11/00GK104128573SQ201410112247
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2013年5月2日
【发明者】迈克尔·P·杰克斯, K·O·余 申请人:Rti国际金属公司