本申请要求于2017年4月11日提交的序列号为62/483,987的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及金属的连铸，尤其涉及一种用于连铸金属的双带铸造系统和方法。
背景技术：
轻质金属合金(例如铝合金)的连铸通常在连铸机中进行，例如双辊铸机和双带铸机。双辊铸机通常包括相对的旋转辊对，熔融金属抵靠该旋转辊对而进给。辊的中心线处于垂直或大致垂直的平面内，该平面穿过辊之间的最小间隙区域，称为“轧”，使得铸造带形成大致水平的路径，尽管存在其他双辊铸造设备可以成角度或垂直方向生成条带。
如图1所示，另一方面，双带铸机例如双带式铸造设备10通常包括由一对上带轮16、18和相应的一对下带轮20、22承载的一对环形输送带12、14。(带轮16和20在本文中也被称为轧带轮或轧辊。带轮18和22在本文中也被称为下游带轮或下游辊)。轧辊16、18和20、22的一个在另一个之上的布置限定了由输送带12、14界定的模具区A。输送带12、14之间的间隙决定铸造带材24的厚度。通过具有喷嘴30的供给装置28直接供给到辊隙中的熔融金属26被限制在移动的环形输送带12、14之间并且随着其移动的同时被固化。来自凝固金属的热量通过本领域已知的各种手段被引入到与正在铸造的金属相邻的输送带12、14的部分中。
虽然现有的双辊铸造系统和双带铸造系统通常适用于可被认为是普通性能的产品，但在不牺牲生产能力的情况下，还是期望在最小条带厚度和冶金质量(包括表面质量)方面有所改进。例如，对于双辊铸造，其中金属在相对的轧辊上铸造，铸模的长度在相对辊的切点之前被限制在短距离内，其直径受到实际考虑的限制，例如供给装置必须提供的空间。这些轧辊直径和周长的上限限制了铸造速度、轧辊寿命和冶金质量。
如上所述，在双带铸造中，熔融金属一般在切点处或刚好在过了切点处被供给到带上，所述切点为输送带从由轧辊或带轮限定的弯曲路径过渡到模具区域的平面路径。尽管与双辊铸造相比，双带铸造允许延长模具长度，但是紧接在辊隙之后的区域中发生初始凝固，该区域中带最不稳定。具体而言，如图2所示，当输送带14从轧辊20周围的弯曲路径过渡到模具区域的平面路径行进时，在模具区域，输送带12、14通过支承辊32支撑，在辊隙之后的区域34(称为输送带脱离区)中会出现被称为“输送带带脱离”的现象。如本文使用的“输送带脱离”是指在传送过程中，张紧输送带离开圆角或平面的引导表面时由于受到弯曲力矩或其他力量的原因而脱离的自然趋势。如容易理解的那样，冶金质量可能在带不稳定区域中受到不利影响，例如紧接在辊隙之后的区域中，特别是在铸造具有宽凝固范围的合金时。
此外，在将熔融金属供给到模具的基本平行部分的双带铸造中，铸造厚度也限制在厚度通常超过15毫米的较厚部分。因此，通常需要进行额外的后铸造操作(例如轧制)以达到小于15毫米的厚度，从而增加了总体成本。此外，这些较厚铸件的内层的凝固由于表面层的热阻而显着减慢，这在铸造具有宽凝固范围的合金时尤其有害。
鉴于上述情况，需要一种用于金属的双带连铸的系统和方法，相比于现有系统和设备，其能够生产更薄的金属带并且实现铸造带的冶金质量的改进，包括表面质量，并且不牺牲生产力。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种双带连铸设备。
本发明的另一个目的是提供一种双带连铸设备，与现有设备相比，该铸造设备改善了整个铸造带材厚度的传热速率。
本发明的另一个目的是提供一种双带连铸设备，与现有设备相比，该设备能生产更薄的金属带。
本发明的另一个目的是提供一种双带连铸设备，其能改善铸造带材的包括表面质量在内的冶金质量。
本发明的另一个目的是提供一种双带连铸设备，其有利于使用比迄今为止可能的更厚的带。
本发明的另一个目的是提供一种用于双带连铸的方法，其最小化了输送带脱离。
本发明的另一个目的是提供一种用于双带连铸的方法，其能够生产厚度小于约7毫米的带材。
本发明的另一个目的是在不牺牲生产率的情况下实现上述目标。
本发明可以实现上述和其他目的。
根据本发明的一个实施例，本发明提供了一种用于铸造金属带材的连铸设备。该连铸设备包含有：由第一上游带轮和第一下游带轮承载的第一输送带；由第二上游带轮和第二下游带轮承载的第二输送带；和供给熔融金属的模具区域，所述模具区域由布置在所述第一上游带轮和所述第一下游带轮中间的所述第一输送带后面的第一模具支撑部和布置在所述第二上游带轮和第二下游带轮中间的所述第二输送带后面的第二模具支撑部限定；所述第一模具支撑部分支撑所述第一输送带并且限定所述模具区域中的所述第一输送带的形状；所述第二模具支撑部分支撑所述第二输送带并且限定所述模具区域中的所述第二输送带的形状；所述第一模具支撑部分和所述第二模具支撑部分中的至少一个包括过渡部分和在所述过渡部分下游的平坦部分；以及所述过渡部分具有可变半径，所述可变半径被配置成从金属供给装置接收熔融金属。
根据本发明的另一个实施例，本发明提供了一种用于连铸金属带材的方法。该方法包含有：在第一上游带轮和第一下游带轮上布置第一输送带；在第二上游带轮和第二下游带轮上布置第二输送带；通过在所述第一上游带轮和所述第一下游带轮中间且在第一输送带后面布置第一模具支承部，以及在所述第二上游带轮和所述第二下游带轮中间且在第二输送带后面布置第二模具支承部，而形成模具区域，至少所述第一模具支撑部分和所述第二模具支撑部分中的一个具有在所述第一上游带轮和所述第二上游带轮轮下游的弯曲过渡部分，以及在所述弯曲过渡部分下游的平坦部分；以及将熔融金属供给到弯曲的过渡部分上。
根据本发明的再一个实施例，本发明提供了一种用于铸造金属带材的连铸设备。该连铸设备包含有：由第一上游带轮和第一下游带轮承载的第一输送带；由第二上游带轮和第二下游带轮承载的第二输送带；以及模具区域，其由布置在所述第一上游带轮和所述第一下游带轮中间的所述第一输送带后面的第一模具支撑部分和布置在所述第二上游带轮和第二下游带轮中间的所述第二输送带后面的第二模具支撑部分限定。所述模具区域包括第一区域，所述第一区域下游的第二区域以及所述第二区域下游的第三区域。
附图说明
通过参考附图阅读以下非限制性实施例的描述，将更好地理解本发明，其中：
图1为现有技术双带连铸机的简化示意图。
图2为现有技术的双带连铸机的一部分的详细示意图，其示出了在连铸机的模具区域中的输送带脱离现象。
图3为根据本发明实施例的双带铸造设备的简化示意图。
图4为图3所示的本发明的实施例所述的双带铸造设备的模具支撑部分的放大细节图。
具体实施方式
参考图3，其示出了根据本发明实施例所述的双带铸造设备100。其示出了，铸造设备100包括由第一上游带轮或辊116和第一下游带轮或辊118承载的第一环形输送带112以及由第二上游带轮或辊120和第二下游带轮或辊122承载的第二环形输送带114。每个辊被安装为围绕其纵向轴线旋转并且用于旋转、引导和/或拉紧环形输送带112、114。上辊116、118和下辊120、122中的任一个或两个可通过合适的电机(图中未示出)驱动。环形输送带112、114是连续的，且优选地由具有低反应性的金属或与被铸造的金属不反应的金属形成。如图3中所示，上游辊116、120彼此上下设置，相隔一定距离，以允许空间用于设置金属供给装置128，并限定延伸通过辊116、120的相应切线的平面P1。
用于铸造的熔融金属126通过具有喷嘴130的供给装置128供给，所述喷嘴130设置为使得在平面P1下游的点129处将熔融金属的水平流输送到装置100的模具区域中，下文将进行详述。在一个实施例中，可以采用消除对行进边挡块的需要的边缘遏制手段来将熔融金属容纳在模具入口处和/或遍及模具区域。例如，可以采用位于第一输送带112和第二输送带114之间的静止边缘坝来实现与设备的模具区域的第一，第二和/或第三区域相邻的熔融金属的侧面容纳，如下文所讨论的。
如图3进一步所示，铸造设备还包括一对相对的模具支撑部分132、134，其沿着移动的输送带112、114的路径设置，所述模具支撑部分132、134分别用于支撑移动的输送带112、114并且限定所述移动带112、114的移动路径的至少一部分。在P1面上，模具支撑部分132、134之间限定了模具区域136。重要的是，模具区域136由位于上游辊116、120和下游辊118、122之间且大致中间位置处的分开的模具支撑部分132、134形成，而不是紧邻轧辊116、118的辊隙。如下文所讨论的，模具支撑部分132、134中的一个或两个可以包括大半径的弯曲部分，其支撑供给熔融金属126的移动的输送带112、114。这种构造允许移动的输送带即使在围绕模具支撑部分132、134有轻微张紧时也能固有地施加有效的压紧力，该压紧力使得输送带的形状符合弯曲的模具支撑部分132、134的形状。尽管本文中的实施例示出了支撑移动的输送带并将输送带在模具区域136中的形状限定为实心“模具支撑部分”的支撑结构，其他支撑装置例如支撑辊或压板的阵列也可以用于限定移动的输送带112、114的支撑，且在模具区域136中限定移动的输送带112、114的形状，而不偏离本发明的更广泛方面。
如图4所示，模具支撑部分132、134中的一个或两个可包括限定带通的第一区域(区域I)的第一小半径部分138、邻接小半径部分138且限定带通的第二区域(区域II)的第二大半径过渡部分140，以及邻接大半径过渡部分140且限定带通的第三区域(区域III)的第三基本平坦部分142。在一个实施例中，小半径部分138和大半径部分140可以具有从约0.4米至约1.5米的半径，其中大半径部分140具有不同于并且大于小半径部分138半径的半径。在一个实施例中，小半径部分138可具有从约0.3米至约1米的恒定或可变曲率的半径，并且大半径过渡部分140可具有从约0.5米至约25米的恒定或可变曲率的半径。在一个实施例中，大半径过渡部分140可以具有从小半径部分138到平坦部分142逐渐增加(即，斜率减小)的曲率半径(即，可变或变化的曲率半径)。在一个实施例中，限定带通的第二区域II的大半径部分140可以具有从上游端到下游端连续变化的曲率的半径。
重要的是，靠近过渡到模具136的平坦部分或段142的大半径部分或段140(即第二区域II)的存在消除或基本上减少了在相对较小的固定半径辊120(或其等同物)的切线处的输送带的带脱离的可能性，在该切线处输送带从弯曲路径过渡到平面路径，并且至少将熔融金属最开始供给的模具进入点129和设备100的输送带可能脱离的任何区域分离。进一步地，模具支撑部分132、134的弯曲部分的几何形状用于支撑迄今为止未被支撑的带子输出区域34的输送带114(或112)。结果，这种非常稳定的性质进料熔融金属的模具进入区域(包括模具进入点129)允许以比在现有双带式脚轮上通常可能的薄一个数量级的厚度进行铸造。例如，本发明的双带铸造设备100的构造允许铸造大约7毫米厚，并且更优选地大约5毫米厚的薄铸造部分，这种铸造迄今为止在现有的双带铸造设备所不能实现的。
此外，在大半径部分140(区域II)之前的小半径部分138(区域I)容纳金属供给装置128和相关联的支撑结构。
由模具支撑部分132、134的平坦部分142限定的区域III执行模具力控制、冷却控制和来自热机械力的带稳定的功能。
在一个实施例中，模具支撑部分132、134的相应区域的半径可以基于诸如抛物线，双曲线或其他更高阶函数的数学函数。在一个实施例中，连接几个部分可以通过将不同形式(例如可变半径、连续半径和间断直线部分)以切向方式结合在一起。在一个实施例中，模具支撑部分132、134的形状和轮廓可以被设计成在操作期间与带脱离区域34中的输送带的自然轮廓匹配(其可以取决于热输入的水平、速度/动态、张力水平、输送带带厚度、输送带带材料、合金/固化细微差别等)。在某些实施例中，模具136可以被构造成其物理形状可以在金属铸造或其它铸造活动之间变化。在一个实施例中，上模支撑部分132可以具有与下模支撑部分134不同的形状、轮廓或构造。
可以进一步预期到的是，聚拢的输送带112、114的半径可以增加或减小(通过增加或减小模具支撑部分132、134的圆角部分138的半径)以适应将凝固区域进一步移动到设备100中或使其更靠近金属供给尖端130。在一个实施例中，由模具支撑部分132、134的相对平坦部分142限定的模具136的大致平行的平坦部分可以稍微渐缩并调整为当带材124收缩时不需要对冷却金属进行热加工就需要从两条输送带提供均匀的冷却。在一个实施例中，上部或下部模具支撑部分132、134可以被弹簧加载或以其他方式偏向下部模具支撑部分的上部中的另一个(例如机械、流体、电等)。也可以调整模具的出口端以缩短或延长铸造装置100的有效冷却区域，而不必改变铸造速度。
与上述相关地，在操作中，熔融金属126被输送到输送带112、114上的区域中，在该区域中，通过除了轧辊之外的方式支撑在相对较大半径上的张紧传输带聚拢。例如，在一个实施例中，熔融金属126被供给到由模具支撑部分132、134的大半径部分140(区域II)限定的带路径的大半径部分上。由模具支撑部分132、134的支撑型材提供的带的曲率和带张紧的结合在发生初始固化的区域中提供非常稳定的输送带状况。因此，较薄的带材可以通过较高的凝固速率铸造，与现有的双带铸机相比，特别是对于具有广泛的凝固范围的合金，实现了冶金改进。此外，铸造较薄钢带的能力减少或消除了后续轧制成品规格的要求，从而降低了资金和运营成本。
除了上述益处之外，本发明的铸造设备100还使得能够使用比现有带式铸机上使用的铸带更厚的铸带，现有的铸机具有相对较小的固定直径的轧带轮或其等效物。特别是，实际的输送带厚度受到其在张力下必须符合的最小半径的限制。通常，这意味着在环境温度下，带式铸机上带轮(或其等效物)的直径必须约为高强度低合金钢带厚度的400-600倍。任何较小的比率和输送带的外部纤维都可以承受屈服点以上的压力。对于1.2毫米厚的输送带，这意味着600毫米(0.6米)的带轮直径。在高传热条件下，钢带的外部纤维受到进一步的应力，甚至需要更大的带轮半径。
由于使用具有大半径部分140的模具支撑部分132、134，并且将原材料供给所述较大半径部分140而不是较小半径的带轮或轧辊，可以使用比现有技术更厚的传输带。这是特别理想的，因为较厚的输送带具有较高的热容量并且促进较高的传热速率，这对于铸造具有宽凝固范围的合金时特别有用。通过结合例如小于约7毫米厚度的薄铸造段，同时利用厚输送带(例如大约2毫米或更大)，可以实现比现有带式铸机上基本上大一个数量级的热传递速率，同时保持输送带的稳定性。在一个实施例中，输送带可以在约1-4毫米厚的范围内。这反过来又使得具有非常宽凝固范围的合金能够以高生产率在双带铸机上铸造，具有卓越的冶金和表面质量。
除了上述优点之外，利用模具支撑部分132、134支撑移动的输送带并且在上游带轮的下游形成模具区域136允许输送带在基本上无摩擦的支撑模具支撑部分上膨胀和收缩。与现有装置形成鲜明对比的是：在旋转入口/上游带轮处的移动的输送带的扩张和收缩可能导致不稳定性。事实上，本发明基本上将模具区域136与驱动输送带的上游带轮或辊分开。
尽管上述实施例公开了模具部分132、134包括通向大致平面部分的第一和第二半圆部分(radiused portions)，但可以设想，模具部分132、134可替代地在大致平坦部分的上游形成有单个弯曲或半圆部分(radiused portions)，所述熔融金属进料到单个弯曲或者半圆部分(radiused portions)。在一个实施例中，该半圆(radiused)过渡部分可以具有从模具部分的上游端到模具部分的平坦部分逐渐增加的半径。在其他实施例中，模具部分132、134可以具有多于两个不同的半圆(radiused)或弯曲部分，其具有恒定的半径或可变的半径，例如三个、四个、五个或更多个通向大致平坦部分的半圆部分(radiused portions)。
与上述相关，较厚的输送带和较薄铸造带材的某些组合允许使用输送带的自然热容作为传导冷却装置，其水平远高于现有铸造系统所经历的水平，并允许铸造带材的更快速的凝固。在现有技术系统中，由于较薄输送带(例如，约小于～1.2毫米)的热容量相对于较厚铸造带材(例如，超过约15毫米)的有限性，热量被有效地从模具区内和靠近模具区的输送带去除。相反，如本发明所设想的，通过较厚的输送带(最多约4毫米)铸造较薄的铸造带材(约2-6毫米)提供更有利的热容量比例，这使得输送带热传导能够更快速地完成铸造带材的初始凝固。因此，可以通过靠近和远离模具区域或完全远离模具区域的输送带冷却的组合来实现输送带区域的热移除。
虽然本发明已经参照其具体实施例进行了展示和描述，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，可以在不背离本发明基本范围的情况下进行修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明的保护范围不限于以上详细描述中公开的特定实施例，而是包括落入本公开的范围内的所有实施例。