专利名称:用于垂直浇铸中能调节液态金属自由表面与模壁接触高度的铸模的制作方法
本发明是关于用于垂直浇铸中能调节液态金属自由表面与模壁接触高度的铸模。
用浇铸法生产黑色金属或有色金属诸如铝及铝合金等的半成品时，技术人员总是设法得到具有尽可能均匀的物理，化学性能的锭坯、条坯及板坯，以避免这些坯料进一步加工成板材或线材等产品时出现某些缺陷。
然而，目前在工业部门的大多数浇铸工艺中，亦即金属从液态凝固成固态的过程中，或多或少的非均匀性缺陷的形成基本上由铸坯各处不同的冷却条件所引起的。用铸模垂直浇铸时，金属连续穿过铸模且被间接冷却，接着当金属离开铸模后就被水流直接冷却，用这种工艺在坯件上能看到被称为“初外皮层”。外皮层的结构和成份不同于坯件中心部分的原因是由于金属与模壁接触产生间接冷却。对于合金，还会出现另一种不均匀性，虽然它不是很明显，但同样是很讨厌的，诸如“针状物”(Pocks)或小坑，它们是由于液态金属接触大气后形成的氧化物弥散在金属中引起的。
当然，技术人员在这些问题面前没有消极，他们采取了一些效果不一的解决办法，目的在消除或者至少减少非均匀性严重程度。
法国专利1509962就是这样的，建议使用电磁浇铸法，此技术目前已经成熟，其原理是依靠电磁力把液态金属约束住，这就可能取消铸模而避免外皮层的出现，因为在这工艺中已没有铸模的间接冷却作用了。
这样就提高了半成品坯料的均匀性。
然而，这种技术有下述几点不足之处-浇铸系统必须具备较复杂及昂贵的电气设备，这是，因为用来产生合适的约束磁场所用的电流不是工业频率50赫，而是高频500到4000赫;
-由于小坑的形成引起的非均匀性的危险理所当然地增加了，这一方面是由于不用锭模而使液态金属和空气接触产生氧化物的表面积增加了，另一方面是由于约束磁场对液态金属的搅动，致使氧化膜移动并弥散在金属中;
-在电磁浇铸起始时，常常难以产生合适的约束磁场;及-当浇铸铝或铝合金时，人身安全也许会有问题，万一由于供电不足，液态金属不再被约束住漏出来直接和冷却水接触而导致爆炸。
另一种被建议的方法更简单些，是设法减少外皮层的厚度。例如法国专利1398526是用Frax环纤维(Fiberfrax)粘合到铸模上，以减少金属与锭模接触高度，以减弱间接冷却的作用。但是环的高度确定后不能适应不同的工况，因为它在极大程度上由浇铸速度所决定的。这样当浇铸过程的参数变动时，要末换铸模，或至少要改变环的高度，由于这一方案灵活性差，所以不能彻底解决问题而只是部分地消除了非均匀性。
在法国专利1496241中，用不冷却的石墨铸模来消除间接冷却的不利之点，然而，由于石墨是脆性材料，所以出现了维修和频繁更换铸模的问题。
另一种解决问题的方法是采用内表面有折皱的铸模，这样例如浇铸1050铝时外皮层厚度可减少30%，但是，使用这种铸模不但价钱很贵，而且由于折皱的存在、同一铸模不能用于不同的浇铸速度。
大家知道还有一种方法是“热顶(Hot TOP)”浇铸法，然而由于周期性弯月形固化表面的扩展会在坯料表面形成小的皱纹，以及伴随着的难以起始浇铸，使得这一技术不宜被采用。
最后，近来法国专利2417357又提出一种方法，此方法是在铸模内壁放置一滑动套圈以控制模壁和金属接触的高度。此方法也有不足之处，如果金属有不定时的固化会导致滑套和铸模的粘连，这样当移动滑套时会损坏设备。
本技术方案的提出就是为了解决这些问题，以获得均匀的坯料外皮层厚度为零，晶粒是精细的，表面没有小坑状。和以前的方案相比较，具优点如下-与传统的电磁浇铸法相比使用较简单的电气设备;
-从起始浇铸到稳定状态浇铸的过渡操作容易。
-便于适应不同的浇铸参数，当浇铸速度改变时不必作任何变动，如更换铸模;
-能适应各种类型的通常铸模;
-没有任何移动机构;
-与传统的电磁浇铸法相比，因液态金属泄漏引起爆炸的危险性小得多。
为了说明问题，申请者根据下述观察陈述以下
-一方面，浇铸的起始时与铸模中液态金属面高时一样容易。实际上，当液态金属面低时，因为用于控制液面的玻璃布过滤器和供料口要靠近金属固化面。这样当坯料尺寸小时，就会由金属不定时的固化而出现卡住和丧失其功能的危险。同样，在大尺寸铸模中较明显的“弯月形”现象也限制了在液面低时起始浇铸过程。
-另一方面，在稳定状态的浇铸工艺中，总是希望铸模内金属液面的高度尽量低，以降低金属和模壁接触线高度来减少外皮层的厚度，就象上面所说的那样，外皮层的厚度基本上是由间接冷却作用所决定择。
必须指出，用传统的铸模起始浇铸过程时是带有其偶然性的，也就是说当保持铸模内金属液面一定高度时，然后以不妨碍过滤器适当的工作为条件确定浮子的位置，这样就能尽量减少金属和模壁面接触的高度、因此又回到如何找到一种方法来控制自由金属面和模壁面接触线高度的问题上来了。
这个方法就是在液态金属固化时加上一个方向和铸模轴线平行并作周期性变化的磁场，磁场强度则根据所希望的液面高度来调节。
实际上，本发明是用一个或多个线圈围绕铸模组成一个磁体，用交流工业频率电源供电由于电源电压的变化直接关系到相应的磁场强度的变化，这样可调整金属面弯月形分布并特别地能控制金属与模壁面接触线的高度。
这样，增加磁场强度时就能降低液面从而减少金属与模壁面的接触高度，反过来就能提高液面从而增加金属与模壁面接触的高度。
这种新工艺吸引人的是，金属和铸模接触线的高度能任意改变，及外皮层的厚度简单地由磁场而定。磁场用50或60赫的工业频率供电，这样各种电力不足就不会影响金属在铸模中的高度，也就是说由于液态金属泄漏引起的危险能被避免，而在常规电磁浇铸法中这是难以避免的。
其次，在限制弯月形金属液面氧化的同时，由于铸模的存在靠金属与模壁面的接触能阻止金属氧化膜向模侧壁移动，进而消除坯料表面出现小坑的危险。
另外，作用于金属上的磁场同样对液体内部产生作用力，使液体均匀冷却及导致坯料的晶粒细化。
但是，系用环形磁体围绕铸模的方法还有其不足处，如果说这一方法的很大优点是不需对原有的浇铸设备进行改装，其缺点则是要消耗可观的电能。实际上铸模要吸收约占总电能消耗的15～30%的磁能量，此外，由于铸模的存在，线圈不能紧贴液态金属，有效磁场强度与空间距离成比例，其结果是要浪费额外的电能。
考虑到能耗及由于按装大功率电气设备使成本迅速增加，发明者要探索新方法以减少到电磁浇铸法的能耗。
经过研究更新的有特色的铸模研制出来了，即至少下部可以是金属制成的，其内表面有电绝缘层，沿径向在整个模壁面内插入一层电绝缘体(复盖住其整个高度及厚度)，在上述模子下部外表面处，上述的插入的绝缘体两边装上接线柱以连接交流电。
发明者实际上做出了一个能同时起磁体作用的铸模，它能产生磁场改变金属弯月形液面的分布形状及改变金属与模壁面接触线的高度，因此，本发明能省去模外磁体及同时解决了电能消耗大的缺点。
考虑到产生磁场需要相当大的电流，因此模子必须用金属制成、同时最好金属的电阻率是低的，如铜、铝及其合金。这不会产生任何问题，因为通常的铸模也是用这些材料制成的。
但是，模子不必要全部用金属做，而是做成复合模子更为恰当，其下部材料一定要用金属，而上部的环状物用电绝缘材料，或者至少用导电差的材料，如不锈钢。实际上由于限制了电流在铸模中流动的通路，就能获得满意的结果，可从下文看到。
这种复合铸模可用本技术领域：
的技术人员熟悉的装配法来制备。
按本发明制成的铸模是有特色的，特别是其内表面涂覆电绝缘膜，以防止模子内的电流流到金属坯料上去。因此这层绝缘膜必须覆盖从上到下的整个内表面。同时这个电绝缘层应为热传导性能良好，否则影响模子和金属间的热传导降低产品的质量。为此，发明者做了大量试验研究工作，发现只有少数膜是符合条件的。
鉴于上述的原因，铸模可用铝或铝合金制成，用阳极氧化法生成氧化膜，实际上，可以不考虑所采用的氧化的形式，连续的氧化膜整个地覆盖模子内表面，同时具有相当大的电绝缘性及良好的导热性能，所以膜的厚度可以较小，如1μm厚的膜能承受100伏的电压，其次，这种膜是有抗磨性的，也许它能承担起润滑剂的作用(高温下滑动)以便于浇铸的进行。另外，这种氧化膜的颜色不同于铝材，这样在生产过程中膜的破损易于发现。
另外一种具有和氧化膜同样优点的是珐琅，这种膜可用本技术领域：
中人员熟知道的技术来制作。
同样也可用氟碳树脂来制膜，它有同样优良的性能，而其脆特性则可由其极好的耐磨性能来补偿，浇铸时可以不必使用任何润滑剂。
别的一种有意义的方案是用几微米厚的石墨层隔开金属和模子，用石墨膜同样可以不用润滑剂。
本发明另一特点是在模子壁截面插入电绝缘材料，铸模就能起线圈的作用，电流沿着铸模环园周方向流动，这样模子就相当于磁体了。这要按着模子的轴向整个地劈开模子，然后在缝中插入电绝缘材料，再在模子下部外表面在绝缘材料两边装上两个接线柱以便加交流电。这个绝缘材料可用大家熟知的材料，如云母，同样可用模子材料的氧化膜，特别是用铝或者某种铝合金做模子时，用阳极氧化生成氧化膜。至于连接电源的接线柱可用任何已知的型式。
参看下列附图将有助于更好地了解本发明·图1是两个不同模子的纵剖面图，左边是没有液面调节的;右边是装有园环形磁体来调节液面的;
·图2按本发明用一种非金属材料制成的模子的图;
·图3按本发明制造的复合模子的图。
在图1中，可看到液态金属的供料口(1)及控制液面的注塞(2)，冷却液(4)前冷却铸模(3)再在点(6)直接冷却金属(5)。右边半个铸模装有磁体(7)，由交流电(8)供电，产生方向为(9)的磁场，按工序把金属与铸模壁接触线的高度从点(10)降到点(11)。点(12)是间接冷却线(13)与直接冷却线(14)的交点，因此能从图上看金属与模接触成的高度从h1降到对应于点(11)的极小的高度h2。
参照图2，铝铸模(15)的内表面有用阳极氧化法生产的氧化铝膜(16)，(17)是在其上的一条缝隙，缝内两侧面也有用阳极氧化法生成的绝缘膜，与其相连的(18)是接通电源(未表示出来)的接线柱。
在图3上，复合的铸模，上部(19)是不锈钢的，下半部(20)是铝的。整个内表面有氟碳树脂的绝缘层(21)，铸模下半部的外表面有连接交流电源(未表示出来)的接线柱(22)。
本发明的效果可从比较三个不同铸模实用的结果来说明，当铝铸模壁截面尺寸为1100×300毫米，模子中心液面高度相对于铸模下缘为60毫米，在降低金属与模壁接触线高度分别为15，30和40毫米时，对不同类型的模子需要不同的电流强度。
三种不同类型的模子为-类型1按本发明模子内表面阳极氧化的铝铸模，模子高度为104毫米;
-类型2按本发明做的复合铸模，下半部为阳极氧化铝，高度为60毫米，上部是高度为44毫米的绝缘材料;及-类型3同样高度的铝模子，采用先有的技术，也就是讲没有内绝缘层，没有插入的绝缘材料，用园环形磁体产生磁场。
下表给出试验的结果电流强度(安)接触线高度的下降(毫米) 类型1 类型2 类型315 4800 3400 980030 6200 5300 1400040 7000 6300 16000从表中可以发现接触线降低同样高度，复合模子(类型2)所需的电流强度最小，也就是说这种模子能最大程度地降低装置的成本，考虑供电装置的电耗也是这种模子，从总的来说是消耗电能最少的。类型1的性能明显较差，然而相对于先有技术的类型3还是大有改善的，电流强度减少了一半。
本发明可用于各种金属生产中的半成品的浇铸工艺中，特别适用于铝及铝合金，例如锂铝合金;也可用于想得到外皮层厚度为零，不用象AT5B那样的晶粒细化剂而得到精细晶格，没有小坑出现的浇铸工艺中。
权利要求
1.铸模(15)在垂直浇铸能调节液态金属自由表面与模壁面接触高度，其特征为模子全部、或者至少下半部用金属制成；模子的内表面涂覆着一层电绝缘材料(16)；模子成为一个线圈、在模子上沿着其整个高度及整个厚度插入电绝缘材料(17)；在模子外表面的下半部、插入绝缘材料的缝的两边有连接交流电源的两个电接头(18)。
2.按照权利要求
1，其特征在于模子是用低电阻率金属制成的。
3.按照权利要求
1，其特征在于模子的上半部(19)是用电绝缘材料或者不良导电材料制成。
4.按照权利要求
1，其特征在于制造模子的金属是属于由铜、铝及其合金所组成的这类材料。
5.按照权利要求
4，其特征在于制造模子的材料是铝和铝合金，内表面涂层是阳极氧化法生成的氧化铝膜。
6.按照权利要求
5，其特征在于氧化膜是有颜色的。
7.按照权利要求
1，其特征在于模子内表面是珐琅膜。
8.按照权利要求
1，其特征在于模子内表面是氟碳树脂膜。
9.按照权利要求
1，其特征在于模子内表面由润滑剂复盖。
10.按照权利要求
1，其特征在于用石墨来隔开浇铸金属和铸膜。
11.按照权利要求
1，其特征在于模子中插入的电绝缘材料和内表面的绝缘膜是同种材料。
专利摘要
本发明为在垂直浇铸中能调节液态金属自由表面与模壁面接触高度的铸模。此铸模特点是模子的材料是金属、或至少模的下半部分是金属；模内表面覆盖电绝缘膜；铸模壁上并沿壁整个高度和厚度截面插入电绝缘材料使模子起线圈作用；模子下半部的外表面，在上述插入绝缘材料相应的两侧设有接通电源的接线柱。此铸模能用于浇铸金属半制品特别是铝和铝合金如锂铝合金，铸模能用于获得外皮层厚度为零，且不依靠晶粒细化剂如AT5B来获得精细晶粒及没有小坑的浇铸坯料。
文档编号B22D11/059GK87101863SQ87101863
公开日1987年9月23日 申请日期1987年3月13日
发明者让-皮埃尔里乌埃 申请人:皮奇尼铝公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan