专利名称:连续铸钢机及其方法
本发明关于高温金属连续铸造机，尤其是那种用喷射冷却液来冷却模子及控制模子在使用时的膨胀和收缩的系统。
在传统的连续金属铸造机中，熔化的金属被送入铸模以凝固成予定的形状。当熔化的金属进入铸模时，形成了外壳并硬化。在许多机器中，铸模是垂直放置的，当金属带继续固化时，它就弯成90°，也即作水平方向移动，它随后被切成独立的段。在水平连续铸造机的场合，带不弯成90°角，只是水平地存在于铸模中。不管在垂直和水平的机器中，带被切成段或予定的长度。
熔化的钢的温度典型地是2850°F，虽然某些规格的温度也有低到2600°F的。一般来说，虽然这里大多数的参考例讲的是铸钢，本发明考虑到任何金属或合金的铸造，只要它们的液化温度超过2600°F。
形成钢带的铸模包含着液态钢并提供它的初期固化，即，外壳的硬化。固化中的带被连续地从模底引出，其速度和从顶部加入的液态钢相同，生产率是由外壳变成足够硬的时间所决定的，此时带的外壳包容着液态钢的内心，从模子中出来。目前几乎所有的铸造机中液态钢的冷却是由一个供水系统将冷却水流绕着铸模循环。水进入围绕铸模的压密容器的底部，逆着液态钢移动的方向向上流动。逆流的水流被发现在连续铸造机中适合于传递热量。这种冷却系统包括一个紧绕着铸模的隔套，形成一个环形空间，冷却水在其中流动。
使用中发现当铸模直接接触到被铸造的熔化金属而被加热膨胀时，它会减小处于模子和隔套之间冷却水循环用的环形空间。这就减少了吸热效率，使铸模进一步受热膨胀，因此进一步减小环形空间以及循环冷却用的冷却水量。这种情况继续下去，在极端的事例中能终究会导致模壁和隔套内表面相接触。当发生这种接触时，会导致整个铸模的熔化，但在任何事例中，冷却作用被急剧减小，带的质量变坏。
为了想控制和维持模壁和隔套的相对位置，连续铸造机设计师有时在隔套内表面上焊上小的撑杆或销。这个办法是相对地不成功的，然而，因为铸模在撑杆之间的区域膨胀，这进一步增加了铸模的变形。况且，这种模子变形会造成带外形的菱形鼓起和其他的变形。如果模子膨胀超过0.0755英寸，在铸模中产生的应力会超过模子铜材的屈服强度而造成铸模的永久变形，进一步使带的质量恶化和损坏铸模。
在申请人的先有的美国专利第4，494，594号中公开了一种喷射冷却系统，它改善了上述系统中发现的许多问题。在这个专利中所述的喷射冷却系统能比上述先有技术的系统更有效地冷却铸模和控制它的膨胀。结果是，当使用专利4，494，594号所述的喷射冷却系统时，能得到高质量的铸钢带。
然而，在申请人的先有的美国专利4，494，594中不论是隔套设计还是先有的喷射冷却系统都没有考虑到在一个连连续铸造机中发现的不同的膨胀区域(弯液面，中部和下部)，而且先有的装置缺乏任何手段以持久地监控铸模在一些区域中的膨胀和调节冷却率以维持在予先决定的最膨胀率之内。由于传统的铸模冷却系统不可能控制铸模子的膨胀，逼得连续铸造机的操作者或研究者去接受不可控铸模膨胀在铸件结构上产生的不利影响，以及接着而来的工甚操作中产生的不利影响，以及由此得的成品质量。
按照本发明，提供一种连续金属铸造机，它的喷射冷却系统的一个或多个参数被形成和建立以维持所需的铸模外形，并能检测和纠正铸模的变形。
申请人:发现通过利用某种条件以及通过改进另外一些在先有的美国专利4，494，594中讲到的工作条件，就能正确地控制铸模的膨胀以及接着控制铸模中连续铸出的带的质量。特别是，申请者发现通过小心地调节冷却液朝向位于一个范围中的区域，该范围自弯液面上方大约2.5英寸延伸到液面下大约2.5英寸，这能最有效地控制铸模的变形。在大多数用来生产短锭、扁锭和其他形状的连续铸造机中，这区域位于大致在模顶下面2至14英寸的地点。在此弯液面区域，应该把熔化的金属的大约70%的热量抽出以便使熔化的金属开始快速和均匀的固化。申请人也确定了最大的模子膨胀允许量是沿着垂直于模子纵轴方向大约是0.0755英寸，在液面区域最好在0.0550英寸之内，这是在铸造时根据铸带的表面和下表面定出来的。膨胀超过0.0755英寸如果是在中部和下部区域也是可容忍的，因为不会对铸带造成损坏。如果超过这些最大允差，会使铸带发生纵向和横向的表面开裂;表面以下0.025至1.250英寸的下表面开裂;菱形鼓起和其他的外形畸变;和过度和振痕深度(从0.007至0.100英寸)。此外，会产生铸模的过度磨损。
为了按照本发明去检测和纠正这些问题，申请人把形变测量计紧靠铸模在外(冷的)表面以监控铸造过程中各面的膨胀。铸模任何一个被测面的膨胀被控制在选定的范围内，这是由选择地调节该面的吸热率而达到的。
为了在铸造过程中获得对铸模膨胀的精密控制，喷咀维持着下列参数a)对着弯液面区域的冷却水喷咀的喷射角度被选择到不超过100°;
b)对着弯液面区域的喷咀压力被保持在表压15磅/平方英寸以上;
c)在弯液面区域的喷射图形的覆盖被设计成这样，即在整个喷射表面的单位面积中，相邻喷咀之间的覆盖图形是均匀的;
d)在弯液面区域的水滴尺寸被维持在从475微米至1450微米。
在其他的区域，膨胀的控制是按照申请人的先有的美国专利4，494，594中所提出的。
由于有这么多的热量必须从熔化的金属的弯液面区域中吸出，由喷射水汽化造成的汽障必须被水滴穿透以获得快速和均匀的冷却。当喷射角超过100°，水滴的力矢垂直于铸模需冷却的表面，朝向喷射图形的边缘，不能够穿透汽障。同样，当喷咀的水压低于表压15磅/平方英寸时，水滴也不能穿透汽障。况且，由于水滴的尺寸影响喷射水穿透汽障的能力以及吸热的速度，最佳工作条件的获得是当水滴尺寸在上述范围之内时。
铸件的大部份形变是发生在铸造机铸模中，由于铸模不均匀膨胀而造成被铸金属和冷的模壁之间的不均匀接触。由于工作于上述的参数中以及由于在铸造中对模壁变形的监控，这就使得操作者或研究者能够利用增加或减少喷到铸模上的冷却水量来得到所需的铸模膨胀情况。铸件的状况和质量也因此得到控制。例如，如需要膨胀铸模的一部份能允许它膨胀而同时使另一部份则收缩，或铸模的各部份被控制作同样程度的膨胀/收缩。
利用本发明，铸造机的操作者能在铸造的全过程中监控膨胀的情况，并按铸模中可能发生的情况作出反应，对冷却系统做必要的或大或小的调节，因而影响固化中的带的质量。因此能够做到在所有的连续铸造机上对固化过程进行全面控制，不管它是生产短锭，大锭，扁锭，圆的或其他形状。况且，由于操作者能监控铸模的膨胀，因此监控带和铸模的接触，他现在有能力控制铸带和铸模的接触，铸模的应力和铜模表面的高温，因而直接有利地影响铸模的磨损和/或损坏。因为铸模的损坏是由于铸造金属的高温最快地发生在弯液面区域，这种连续地监控铸模膨胀和温度的能力能让操作者直接地和有利地影响铸模磨损的型式。
在铸造扁锭时，铸模是由铜板角对拚在一起形成板之间的大空腔。由于在大多数场合中，扁板有相对更大些的断面面积，更大的热量必须被移去，铜模必须承受更大的铁水静压。在传统的铸扁锭的模子系统中，上述事实需要在铜板的背(冷)表面额外加支持系统。这种需要支持的机理在铸造小些(短锭和/或大锭)断面时也会碰到。使用本发明，就能使设计者和操作者显著减少支持系统并在大多数场合下在铸模子中同时取消了第二支持系统。
本发明的进一步的目的，性能和优点通过下面参照附图的详细说明后会更明白，在下面图中相同的另件用相同的符号，其中图1是先有金属系统的铸模和隔套的纵向垂直断面的部份视图;
图2是图1中装置的横断面图;
图3是相似于图1的视图，概略地显示出铸模相对于冷却液空间的膨胀效果;
图4是相似于图2的视图，显示图3中所述的铸模的膨胀;
图5是相似于图2的视图，表示出先有技术系统的另一形式，其中的撑杆用来企图控制铸模铜材的膨胀，这样的形式是为了减轻铸模膨胀而造成的冷却液空间的减小;
图6是相似于图4的视图，表示出图5的系统，显示用了撑杆后铸模变形的增加;
图7是用于本发明连续铸造机的喷射冷却模部份的纵向断面图;
图8是图7系统的横断面图;
图9是一部份铸模和一对邻近的喷咀的放大简图，显示邻近喷射的覆盖，以获得被喷射表面单位面积大体上均匀的喷射覆盖;
图10是一个铸模横断面的概略图，其中铸模的各部份的膨胀由按照本发明的方法被控制;
图11是一个扁锭模的横断面图，显示铜板被连接在一起以形成铸模的情况;
图12是和图11相似的视图，显示图11中模的支持系统;
图13是和图11相似的视图，简单地画出扁锭模板受温度和铁水压力而造成的变形。
先看图1到图6以及图11到图12，先有技术系统一般相应地被标为10和10′。在图1到图6中，模11同心地隔套12中延伸，在两者之间形成环形空间13，以便冷却水按箭头A循环。如图3图4中所示，当铸模被通入的熔化金属流加热时，它就膨胀因而使环形空间13的尺寸减小，从而改变了拂过铸模表面冷却水的量和速度而影响热的传导。
在图5和6中，一种装置被显示于14，它是用来打算克服图3和图4中显示的问题。在这个先有技术装置中，销或撑杆15被布置于顶着铸模的外表面。然而，如图6所示，这种系统不能防止铸模变形，事实上，撑杆起着进一步增加铸模变形的作用。
在图11到图13所示的扁锭模子10′由多块板16用螺钉栓在一起以形成扁锭模腔17。支持系统18用螺钉栓在铸模两侧的铜板上，如图12所示。在图13中，取消了支持系统，并采用喷射水来控制板的膨胀。例如，可以使较大流量的冷却水作用在模子中间区域，而较小流量的冷却水作用到边缘上。
本发明在图7中，用标号20来总的表示连续铸造机，它包括框架21，在框架内装有一个铜模22，在顶部和框架的顶板24上的中心开口23配准。该铜模有一个开口的入口端和一个开口的出口端。在典型结构里，框架21可以用A-36钢来制造，而模管可以用DHP牌号的铜来制造。把熔化钢水束25以一个和凝固速率及拔出的速率相当的速率注入铸模内，使弯液面25a处在铸模上部区域，即处于模子顶部下面从大约2英寸到14英寸的范围内。铸模的底端没有和框架的底板26连接，只是简单地在其上端上悬挂住，而下端和底板26不接触。铸模底端和底板26的开口27对齐。带坯从开口27被拉出。
本发明不是采用图1至6所示的隔套和冷却液体的环形空间的方式，而是应用多个绕铸模间隔放置的喷射管28，每个管28上装有多个喷咀29，形成喷射水雾30。用供水管31给喷射管和喷咀供水。喷咀相对于铸模以及喷咀相互间的间隔基本上和发明申请人在早期的美国专利4，494，594中所提出的相同。另外，喷咀尺寸、水流速和水(喷咀)压力都基本和上述专利所提出的相同。然而，如前面所指出的那样，不要使喷射角越过100°，喷射复盖部分的选择要适当，使整个被喷射的区域上的有效喷射面积是均匀的，喷射粒子的微滴尺寸保持在约为475至1450微米的范围内，铸模的膨胀被限制在最大为0.0755英寸每单位面积(在弯液面区最好是0.0550英寸)，而水压力不得小于表压15磅/平方英寸。
关于喷射复盖的问题，请参照图9，它表示了根据本发明的喷射复盖情况。申请人观察到从喷咀流出的总水流量的大约80%产生约超过50%的有效复盖区，在这里表示的是中心区C，它同心地位于喷咀29所产生的整个喷射图形O之内。这样，在进行喷咀的相互调节和喷咀29相对于铸模的调节时，要考虑到最大喷射角和水压，使得相邻两喷射水柱的中心区域C正好相互挨着。
按照本发明，有一个或多个变形测量仪器32和铸模联合起来，用以在铸造过程中测量铸模的膨胀和收缩的程度。如图7，8和9所示，这些测量仪器包括一个细长臂33，伸向铸模表面附近，其端部伸出一个探头34和铸模表面接触。指示器35和探头连接，以指示探头的位移，从而也指示出和探头接触的铸模表面的位移。指示器的安装位置最好使铸造机的操作者容易看到，或者将其连接到计算机上以自动控制和调节。需要时，也可以使用其它类型的偏移测量仪器。操作者通过观察指示器就可以确定铸模的变形即膨胀的程度。正如前面所指出的，使变形量保持在约0.0755英寸以下是很重要的，在弯液面区域最好保持在约0.0550英寸以下。为了使铸模的膨胀保持在这个限度以内，流向铸模的冷却液的流量要进行控制。这种控制可以用多种方法来完成，包括使用流量控制器36，根据指示器在(图7中用点划线表示的37)读出的读数来手工操纵或自动操纵。另外，喷射管28可以制造成很多分段28a，28b，等，每段上装有多个喷咀29，每段上有其自身的供水管31a，31b等，并分别由控制器36a，36b等(在图7中用点划线表示)进行控制。
喷咀的配置位置，也可以使冷却液直接对着铸模表面，如图8中的点划线38所示。
使操作条件保持在上述的参数内，并且在铸造过程中测量和控制铸模的膨胀和收缩量，就可以精确控制相应面A、B、C和D的变形程度。铸造带的质量相应地可以被控制，在验收时不会有前面所指出的缺陷。该缺陷伴随着其后对铸造带坯加工时招来的废品损失，也造成了由于把次品交货给使用的用户所引起的冶金方面的赔偿费用。
尽管本发明是参照具体的实施方案来进行描述的，不用说这些实施方案仅仅是为了对本发明基本原理的应用进行叙述而已。在不离开本发明的精神和范围内，可以做出很多变型，并且可以设计出其他的各种装置。
权利要求
1.熔化金属的连续铸造机，其特征在于它包括一个框架，一个装在框架内的铸模，有一个开口的进口端和一个开口的出口端，熔化金属从进口端注入，而凝固的铸造金属带则从开口端被拉出，把冷却液引向铸模表面的装置，把热量从铸模和在铸模内进行铸造的金属抽出，促使金属凝固，控制冷却液流量的控制装置，以便使被铸造金属排出热量的速率达到最均匀，并且使铸模由于直接接触铸造金属而引起的变形程度变得最小，由此来控制铸造金属带的质量，变形测量装置，和铸模配合操作以测量铸模的变形，当被加热的金属通过铸模时，可以或大或小地调节冷却液控制装置，由此控制变形的程度，从而控制铸造金属带的质量。
2.如权利要求
1的连续铸造机，其特征是冷却液体是水，而喷水装置配置在铸模周围，把水雾喷向铸模。
3.如权利要求
2的连续铸造机，其特征是变形测量装置包含探头，接触铸模的外表面，以测定铸模在垂直于纵轴方向上的膨胀和收缩。
4.如权利要求
3的连续铸造机，其特征是控制装置和冷却液配合，调节冷却液的流量，由此控制铸模的膨胀。
5.如权利要求
4的连续铸造机，其特征是控制装置是手工操纵的，和用测量装置测定时观察到的铸模的变形量成适当比例。
6.如权利要求
4的连续铸造机，其特征是控制装置是自动操纵的，根据用测量装置测定时测量到的铸模的变形来调节冷却液的流量。
7.如权利要求
2的连续铸造机，其特征是喷射装置包括多个喷咀，喷咀相互之间以及喷咀相对于铸模的间隔要适当，使被喷射区可以获得基本均匀的喷射复盖部分。
8.如权利要求
7的连续铸造机，其特征是喷咀的制造要使得从其喷射出的水的喷射角不超过100°，喷射水滴的尺寸在大约475微米到大约1450微米的范围内，而喷咀处的喷射压力不小于表压15磅/平方英寸。
9.连续铸造熔化金属的连续铸造机，其特征在于它包括一个框架，安装在框架内的铸模，铸模有一个开口的进口端和一个开口的出口端，熔化金属从进口端注入，而凝固的铸造金属带从出口端被拉出，喷射装置，把冷却水喷射到铸模表面，冷却铸模，并把铸模内的铸造金属的热量排走，促使金属凝固，上述喷射装置包括多个绕铸模间隔配置的喷射管，每个喷射管上装有多个喷咀，上述喷咀的制造和排列要使得喷射水的喷射角不超过100°，喷射水滴的尺寸在大约475微米到大约1450微米的范围内，喷咀处的喷射压力不小于表压15磅/平方英寸，而从相邻喷咀喷射出的喷雾充分复盖，使被喷射表面上每单位面积的喷射复盖面基本上达到均匀。
10.一种在连续铸造机中控制铸模膨胀的方法，该连续铸造机有一个铸模，熔融金属被注入铸模中，而凝固的金属带则从铸模中被拉出，在铸造机中把冷却液引向铸模，以冷却铸模和其中的金属，使金属凝固，其特征在于该方法包括以下的步骤测量铸模在铸造过程中的变形量，根据测得的变形量控制冷却液，由此控制变形量，从而控制了铸造金属带的质量。
11.如权利要求
10的方法，其特征是把冷却液喷射到铸模上，并且调节喷射冷却液的流量以控制铸模由于其温度增大所引起的变形。
12.如权利要求
11的方法，其特征是冷却液是通过多个绕铸模配置的喷咀喷射出的，使喷射液的喷射角不超过100°，喷射水滴的尺寸是在约475微米到约1450微米的范围内，喷咀处的喷射压力不小于表压15磅/平方英寸，而从相邻喷咀喷射出的喷雾充分复盖，使被喷射表面上每单位面积的复盖面基本上达到均匀。
专利摘要
本发明提供一种金属连续铸造机，可以测定和调节铸模在铸造过程中尺寸的变化以获得所需的铸造金属。连续铸造机有一个管状或板状的铜模，把熔化金属注入其内以形成钢之类的高熔点金属带。铸模周围间隔配置有多个喷嘴，把冷却液喷雾喷向铸模。一个或多个测量装置和铸模相关，以测量铸模在垂直于其纵轴方向上的尺寸变化。控制器和冷却液相连，调节排热速率，由此来调节铸模在铸造熔化金属时的尺寸变化。本文还揭示了连续铸造机在铸造熔化金属时监控和调节铸模的尺寸变化量的方法。
文档编号B22D11/04GK86102328SQ86102328
公开日1986年10月22日 申请日期1986年4月3日
发明者卡斯·里·库津斯基 申请人:卡斯·里·库津斯基导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan