铸造设备和铸造方法与流程

本发明涉及一种用于金属的连续或半连续铸造的铸造设备，该铸造设备使用泵来对抗由重力引起的金属流动，从而更精确地控制液态金属的流动，并且具有更少的紊流。

背景技术：

在连续或半连续铸造中，液态金属被供应到铸造模具的模腔中。在模腔中，液态金属至少部分凝固成铸造制品，铸造制品经由通过铸造制品与模具之间的相对运动导致的模腔的开口侧离开模腔。半连续铸造例如用于铸造轧制锭(例如热轧和冷轧以生产轧制品如金属板的锭)、锻造锭(锻造成锻造品的锭)或挤压坯料(例如在挤压机中挤压以生产挤压品的坯料)。例如，连续铸造用于连续生产轧制品，而不生产作为中间产品在单独的生产步骤中热轧和冷轧的轧制锭。

铸造设备通常包括用于保持和/或生产液态金属的储器，例如熔炉或熔融罐，熔融罐用于保持从例如熔炉或电解过程供应到熔融罐的液态金属。

液态金属从储器经由流动路径供应到铸造模具的模腔中，该流动路径例如实施为分配流槽。在模腔中，液态金属冷却并至少部分凝固。如上文所提到的，通过模具与铸造制品之间的相对运动，例如通过启动器块的运动，铸造制品经由模具的开口侧离开模腔。

一种常规的铸造设备如图1所示，并在美国专利申请us20100032455a1中述及。从图1中可以明显看出，在常规的铸造设备中，液态金属从储器经由流动路径1(在此以剖视图示出并实施为流槽)供应到模具3的模腔2中。流动路径1包括出口4，在此实施为喷嘴，液态金属通过该出口离开流动路径1并流入模腔2。液态金属流动的驱动力是重力。为了控制液态金属的流动，提供了销组件5，该销组件5可以通过销组件的竖向运动来增大或减小液态金属流过喷嘴4的有效横截面积，从而控制液态金属从流动路径1进入模腔2的体积流率。铸造制品经由启动器块6的向下运动离开模腔2。

希望有一种铸造设备和铸造方法，其具有较少紊流的液态金属进给系统，并允许生产具有改善的性质如改善的表面品质的铸造制品。

技术实现要素：

发明人已经发现，铸造制品(也称为铸造产品)的品质很大程度上取决于对模腔中液态金属液位的精确控制，以使得尽管在连续或半连续铸造操作期间模具与铸造制品之间存在相对运动，但模腔中液态金属的液位对应于预定值。发明人已经发现，模腔中的低金属静压(见图2中的ρ)和当液态金属进入模腔时液态金属的层流改善了铸造制品的品质，特别是表面品质。在上述常规设备中，由于销组件的运动，难以精确控制模腔中的金属液位。此外，常规的铸造设备产生液态金属的紊流，因为根据文丘里效应，有效流动横截面减小并且流速增大。紊流可能导致待铸造液态金属的氧化和铸造制品的品质问题。

在这方面，为了避免或减轻上述问题，本发明的一个方面提供一种用于铸造制品的连续或半连续铸造(例如竖向直接激冷铸造)的铸造设备，该铸造设备包括：储器，其用于供应液态金属；直接激冷铸造模具，其具有模腔，模腔用于至少暂时保持液态金属并至少部分地将液态金属凝固成铸造制品，其中，用于液态金属的流动路径被限定在储器与模腔之间，并且其中，铸造设备被配置为使得液态金属具有通过重力从储器沿着流动路径流入模腔的趋势，其中，液态金属经由模具的第一竖向较高侧进入模腔，并且其中，铸造制品经由模具的第二竖向较低侧离开模具；以及设置在储器与模腔之间的流动路径上的泵，其中，该泵能操作以在液态金属中产生抵抗液态金属通过重力从储器沿着流动路径流入模腔的趋势的力，以控制液态金属从储器到模腔的流动。铸造制品可以以直线方式经由模具的第二侧以直线竖向方向离开模具。从至少部分凝固到完全凝固，铸造制品的纵向轴线可以是连续直线的。铸造制品可以是挤压锭或轧制板坯。

根据本发明，与常规铸造设备相比，可以为液态金属沿流动路径的流动提供更大的横截面积，同时改善液态金属流动的可控性。横截面积越大，液态金属的紊流越小，层流越多。例如，根据本发明的流动路径的出口处的最小流动横截面面积可以是2000mm²(平方毫米)，这明显大于使用销组件来控制熔融金属流动的常规铸造设备中的横截面面积。根据本发明，液态金属从储器流入模腔的流动由重力驱动，并且泵用于通过产生作用在与流动方向相反的方向上的力来限制流动，而不改变流动方向。换句话说，根据本发明，泵可以用作流量调节器。根据本发明，泵可用于使液态金属从储器流到模腔的流动完全停止。

根据本发明的一些实施例，铸造设备还可以包括传感器和控制器，传感器用于检测模腔中的液态金属的液位，并用于输出指示模腔中液态金属液位的液位值，其中，传感器和泵可以与控制器能操作地连接，并且其中，控制器可以被配置为基于液位值和指示模腔中液态金属的期望液位的预定设定值来操作泵，使得液位值与设定值之间的差被最小化。

根据本发明的一些实施例，模具的第一侧可以是密封的，并且可以控制模腔中的液态金属与第一侧之间的气体气氛，以便控制模腔中液态金属的氧化。

根据本发明的一些实施例，传感器可以是发射电磁雷达辐射的雷达传感器，该电磁雷达辐射具有例如80ghz或更高的频率，其可以入射到雷达辐射区中的模腔中的液态金属上。根据一些实施例，传感器可以是激光距离传感器、电容距离传感器或超声波距离传感器。利用雷达频率为80ghz或更高的雷达传感器可以获得特别好的结果，因为具有这种雷达频率的电磁雷达辐射可以穿透可能存在于模腔中在传感器与液态金属表面之间的烟雾和灰尘。

根据本发明的一些实施例，可以在雷达传感器与模腔中的液态金属之间的雷达波束路径中设置至少部分雷达辐射透明体，其中，至少部分雷达辐射透明体可以具有两个外表面，每个外表面具有的法向矢量可以不平行于雷达辐射区中在传感器与模腔中的液体金属之间的直线，以使得雷达传感器检测到由至少部分雷达辐射透明体反射的雷达辐射的可能性被避免或降低。

根据本发明的一些实施例，至少部分雷达辐射透明体可以与模具的封闭的第一侧一体地设置。

根据本发明，泵是电磁泵，特别是直流电磁泵。电磁泵特别高效，因为它允许对液态金属的流动进行精确且无延迟的控制，这归因于没有运动的机械部件。

根据本发明的一些实施例，控制器可以被配置为在铸造制品的铸造操作期间改变预定设定值。

根据本发明的一些实施例，控制器可以被配置为将预定设定值从在铸造制品的铸造操作的早期指示模腔中的液态金属的较高液位的值改变为在同一铸造制品的铸造操作的后期指示模腔中的液态金属的较低液位的值。

根据本发明的一些实施例，模具可以包括用于铸造制品的主动地冷却的装置，例如冷却水喷嘴，其用于在经由第二侧离开直接激冷铸模腔的铸造制品上喷水。

根据本发明，液态金属是液态铝或铝合金，铸造制品是铝或铝合金产品。

根据本发明，引流器设置在泵下游的流动路径上，以在模腔中沿预定方向导向液态金属的至少一部分。引流器可以被配置为使得液态金属的部分被导向到不是竖向方向的方向。例如，引流器可以包括管状结构，该管状结构具有限定用于液态金属的流动路径的横截面(液态金属可以通过该横截面流入模腔)，该流动路径具有纵向中心轴线，该纵向中心轴线具有偏离竖向方向的方向。所述横截面可以沿着流动路径在上游-下游方向上从矩形(例如方形(quadratic))横截面朝着与引流器出口相邻的矩形横截面变化，例如连续变化。如果铸造制品是轧制板坯，这尤其有用。横截面可以沿着流动路径在上游-下游方向上从矩形横截面(例如方形横截面)改变(例如连续改变)为邻近引流器出口的圆形横截面。如果铸造制品是挤压坯料，这尤其有用。引流器可以被配置为使得液态金属的至少一部分被导向至具有水平分量的方向。

根据本发明的另一个方面，提供了一种使用上述设备进行铸造制品的连续或半连续铸造的方法，该方法包括仅通过使用例如重力将液态金属从储器沿储器与模腔之间限定的流动路径供应到直接激冷铸造模具的模腔中，以及使用泵产生作用在液态金属上的力，该力抵抗由重力引起的液态金属沿流动路径的流动，以控制液态金属向模腔的供应，从而控制模腔中液态金属的液位。

根据本发明的一些实施例，该方法可以进一步包括计算指示模腔中液态金属的期望液位的设定值，测量指示模腔中液态金属的实际液位的实际值，以及对使用泵产生力加以控制，以使得设定值与实际值之间的差在铸造操作期间被最小化。

根据本发明的一些实施例，使用泵产生力可以包括产生作用在液态金属上的电磁场，该电磁场产生的力的方向与液态金属沿着流动路径的流动方向相反。

本发明的所有实施例和特征可以相互结合。与设备相关的特征也与方法相关，反之亦然。

附图说明

图1示出了根据常规技术的铸造设备的视图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的铸造设备的示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的流动路径的示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的直流电磁泵沿着图2中的线a-a的示意性剖视图。

图5示出了根据本发明另一实施例的铸造设备的示意图。

图6示出了根据本发明另一实施例的铸造设备的示意图。

图7示出了根据本发明的一个实施例的包括引流器的铸造设备的示意图。

图8示出了根据本发明的一个实施例的包括控制器的铸造设备的示意图。

应当理解，附图不一定是按比例绘制的，以呈现本发明的各种说明性特征的稍微简化的图示。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各种实施例，其示例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合示例性实施例描述本发明，但是应当理解，本描述并不旨在将本发明限制于这些示例性实施例。

参照图2，根据本发明的铸造设备10包括储器15。储器15可以供应液态金属20。例如，储器可以是熔炉或分配流槽或用于储存和/或生产液态金属20的任何其他装置。

液态金属20可以是液态铝、液态铝合金、液态钢或任何其他液态金属。

铸造设备10还包括直接激冷铸造模具25。铸造模具25包括用于接收液态金属20的模腔30，模腔30用于至少暂时保持液态金属20并至少部分地将液态金属20凝固成铸造制品35。模腔30可以在其横向侧被铸造模具25的模具框架40包围。铸造制品35例如可以是轧制锭、挤压坯料、t形棒或任何其他铸造制品35。

铸造模具25可以具有第一竖向较高侧26和第二竖向较低侧27。液态金属20可以经由/通过第一侧26进入模腔30。液态金属20可以在模腔30中至少部分凝固，以生产铸造制品35。图2示意性地示出了液态金属20、其中发生凝固的部分凝固金属区域21、以及模腔中的凝固金属22。铸造制品35可以经由铸造制品35与铸造模具25之间的相对运动经由第二侧27离开模腔30。铸造制品35的铸造过程可以在稳态过程中进行，在稳态过程中，可选地在非稳态初始化过程之后，对应于液态金属20、部分凝固金属21和凝固金属22的区域的空间位置保持固定，同时铸造制品35被生产并且在新的液态金属20从储器15被供应到模腔30中的同时在向下方向上连续地运动。

铸造模具25可以包括用于在模腔30中主动地冷却液态金属20和/或用于主动地冷却部分凝固的金属21和/或用于主动地冷却铸造制品35的装置。在图2中，用于主动地冷却的装置由模具框架40中的中空水通道45实现。图2中的主动冷却装置还包括设置在模具框架40中的孔50，使得水可以经由孔50离开中空水通道45，并与铸造制品35接触，从而冷却铸造制品35。为了冷却，水可以被供应到中空水通道45中，可以经由通过模具框架40的热传递来冷却模腔30中的液态金属20，并且还可以经由孔50离开中空水通道45以直接冷却铸造制品35。在图2中，直接冷却铸造制品35的水由铸造制品35的横向侧上的波浪区域示意性地示出。

进一步参考图3，铸造设备10可以包括限定在储器15与模腔30之间的流动路径55。流动路径55可以被配置为在储器15与模腔30之间限定流体连接，使得液态金属20可以从储器15流入模腔30。铸造设备10可以被配置为使得液态金属20具有从储器15流入模腔30的趋势。这种趋势可以是由重力引起的，如图2中标记为g的箭头所示，该箭头表示代表重力的矢量。流动路径55可以实施为流动导管或流动管道或流动通道。

参照图2和3，根据本发明的铸造设备10包括泵60，该泵60设置在储器15与模腔30之间的流动路径55上。泵60可被操作以产生作用在液态金属20上的力，该力至少部分地(并且在最大程度上完全地)对抗液态金属20从储器15流入模腔30的趋势。因此，液体金属20从储器15进入模腔30的流率可以由泵60控制(例如，通过限制重力引起的流动)。泵60可以被操作或配置为使得由泵60产生的最大力基本上阻止液态金属20从储器15到模腔30内的流动，但是不会使流动方向反向。在图2和5至8中，由泵60产生的力由指向上的箭头示意性地指示。通过泵60的操作，可以控制熔体腔(moltcavity)30中液态金属20的液位h。发明人已经发现，铸造制品35的品质在很大程度上依赖于铸造操作期间金属液面h的精确控制。比图3中储器15与泵60之间的箭头更短的泵60与模腔30之间的箭头示意性地指示通过减小由重力引起的液态金属20从储器15进入模腔30的流率而实施的控制。

泵60例如可以是电磁泵，特别是感应型的直流(dc)电磁泵，没有运动部件，例如在图2和4中示意性所示。这种泵在下文中也简称为dc电磁泵。dc电磁泵60在根据本发明的铸造设备10中是特别有利的，因为它允许非常精确地控制液态金属20的流动，这归因于高响应性(即，泵60的输入信号与由泵60产生的作用在液态金属20上的合力之间的短时间延迟)和良好的可控性(由泵60产生的力的量值可以通过控制供应给泵60的电流来精确控制)。图4示出了沿着图2中的线a-a的dc电磁泵60的示意性剖视图。参考图4，dc电磁泵60可以包括壳体61，该壳体61限定形成流动路径55的一部段的管腔。dc电磁泵60还可以包括永磁体65，该永磁体65具有布置在流动路径55的相对横向两侧的磁北极n和磁南极s。电磁泵60还可以包括两个电极70，这两个电极70布置在流动路径55的横向两侧上，使得这两个电极70布置成垂直于永磁体65的北极n与南极s之间的线。通过向电极70施加电压来操作电极70，这将使起始电流通过壳体61内的液态金属20，沿着流动路径55从储器15进入模腔30，这在液态金属20中产生洛伦兹力，其中，洛伦兹力对抗液态金属20通过重力从储器15流入模腔30的趋势。这导致从储器10进入模腔30的流率的可控的减小或增大(通过减小泵60产生的力)，从而允许在铸造操作期间动态地控制模腔30中液态金属20的液位h。

根据本发明的一些实施例并参考图5，模具25的第一竖向较高侧26可以至少部分地(例如完全)气密设置，以便将模腔30中的气氛与铸造设备10周围的气氛分开。例如，可以提供壳体或可移除的盖子(在图5中示例性地用附图标记80表示)，以便至少部分地(例如完全地)闭合模具25的第一侧26，从而将模腔30内的气氛与铸造设备10周围的气氛分开。铸造设备10周围的气氛例如可以是铸造室内的环境空气。铸造设备10可以进一步包括控制模腔30内部气氛(例如以便控制模腔中液态金属20的氧化)的装置。控制模腔30内部气氛的装置可以例如通过气体注入系统来实施，以在模腔30内部产生惰性或还原性气体气氛。

参照图6，铸造设备10可以进一步包括传感器75，其用于检测模腔30中液态金属的液位h，并用于输出指示模腔30中液态金属20的液位h的液位值。传感器75例如可以是激光距离传感器、电容距离传感器或雷达距离传感器。例如，传感器75可以是雷达传感器，其发射频率为80ghz或更高的电磁雷达辐射。从传感器75发射的电磁辐射76可以入射到模腔30中的液态金属20上，可以被液态金属20的表面反射，并且反射的雷达辐射可以被传感器75中的检测器检测到。在图6中，为了更清楚起见，仅示出了从传感器75发射的辐射76，并用附图标记76表示。然后，可以经由发射和接收电磁雷达辐射76之间的时间或相位差来计算模腔30中的液态金属20的液位h。已经发现使用频率为80ghz或更高的雷达辐射的传感器75特别高效，因为具有这种频率的雷达辐射76可以穿透烟雾和固体沉积物，从而允许更精确地测量模腔30中的金属液位h。

传感器75(图5中未示出)可以设置在模腔30内，并且至少部分竖向地位于盖子或壳体80的下方。传感器75也可以竖向设置在盖子或壳体80的上方，并且可以经由盖子或壳体80中的孔(例如，对于传感器信号透明但对于气体不可渗透的孔)发射和接收信号以测量液态金属20的液位h。

根据本发明的一些实施例，特别是当传感器75被实施为雷达传感器(例如雷达频率为80ghz或更高的传感器)时，参考图6，壳体或可移除盖80可以包括位于雷达传感器75和模腔30中的液态金属20之间的雷达波束路径中的至少部分雷达辐射透明体85，例如部分雷达辐射透明体。至少部分雷达辐射透明体85可以具有两个(外)表面85a、85b，每个表面具有的法向矢量都不平行于雷达辐射区85c中传感器与模腔30中的液态金属20之间的直线，以避免雷达传感器75检测到由至少部分雷达辐射透明体85反射的雷达辐射。雷达辐射区85c是模腔30中的液态金属20的表面上暴露于来自雷达传感器75的雷达辐射的区域。通过使用如上所描述并且在图6中示出的配置，由于雷达传感器75不检测由至少部分雷达辐射透明体85反射的雷达辐射，同时如参考图5所述，模腔30内的气氛可以与铸造设备10周围的气氛分开，因此可以提高检测精度。至少部分雷达透明体85可以例如由玻璃制成和/或可以与壳体或可移除盖子80一体地提供。

图7示出了本发明的另一个实施例。根据本发明的铸造设备10可以包括引流器90，引流器90设置在泵60下游的流动路径55上，以将液态金属20的至少一部分在模腔30中沿预定方向导向。图7中的两个箭头示意性地示出了流入模腔30的液态金属20的至少一部分如何被引流器90分流到模腔30中的预定方向。引流器90可以例如优化液态金属20到模腔30内的流入和在模腔30中的温度分布，特别是当沿着竖向方向(即从模具25的第一侧26朝向第二侧27的方向)观察时模具25具有非对称形状时。例如，如果从竖向方向看，模具25具有矩形、t形或任何其他非对称形状，则可以提供引流器90。

参考图8，铸造设备10可以包括控制器95。控制器95可以例如被实施为电子控制单元。控制器95能操作地与泵60连接，以控制泵60的泵功能。可选地，如果铸造设备10包括传感器75，控制器95还可以与传感器75能操作地连接。控制器95可被配置为基于由传感器75测量的液位值h(实际值)和指示模腔30中液态金属20的期望液位h的预定设定值来操作泵60，使得实际值和设定值之间的差被最小化。也就是说，控制器95可以被配置为通过基于来自传感器75的信号而操作泵60，根据预期值(设定值)来控制模腔30中的液态金属20的液位h。控制器95可以例如根据pid控制算法或使用比例(p)和/或积分(i)和/或微分(d)(闭环)反馈控制的任何其他算法来操作。

控制器95可以被配置为将预定设定值从在铸造制品35的铸造操作的早期的指示模腔30中液态金属20的较高液位h的值改变为在铸造制品35的铸造操作的后期的指示模腔30中液态金属20的较低液位h的值。也就是说，设定值可以改变，例如在铸造操作达到稳定状态操作之前的铸造制品35的铸造操作的初始化阶段。已经发现，在下述过程中，预定设定值的这种改变可以导致铸造制品的更好品质：在铸造的初始阶段期间模腔具有预设填充率，在铸造的早期阶段，金属液位随着铸造速度增大而逐渐降低，朝着稳态情况(其中铸造参数和金属液位保持恒定)发展，直到铸造结束。

鉴于以上所述，根据本发明的用于铸造制品35的连续或半连续铸造的方法可以包括通过使用重力将液态金属20从储器15沿着限定在储器15与模腔30之间的流动路径55供应到直接激冷铸造模具25的模腔30中，以及使用泵60产生作用在液态金属20上的力，该力抵抗由重力引起的液态金属20沿流动路径55的流动，以控制液态金属20向模腔30的供应，从而在铸造制品35的铸造过程中控制模腔30中液态金属20的液位h。

该方法还可以包括计算指示模腔30中液态金属20的期望液位h的设定值，使用传感器75测量指示模腔30中存在的液态金属20的实际液位h的实际值，以及使用泵60(例如直流电磁泵60)控制力的产生，使得设定值与实际值之间的差被最小化。使用泵60产生力可以包括产生作用在液态金属20上的电磁场，该电磁场产生的力具有的方向与液态金属20沿着流动路径55的流动方向相反。这里描述的方法可以使用根据本发明的一些实施例的铸造设备10来执行。

除非另有说明，否则本文描述的所有实施例可以彼此组合。关于铸造设备10描述的特征也适用于这里描述的方法的相应方法步骤，反之亦然。