用于细长截面金属产品的立式热顶连铸的铸型顶部的制作方法

专利名称：用于细长截面金属产品的立式热顶连铸的铸型顶部的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属特别是钢的热顶连铸。本发明特别涉及具有细长截面的产品的热顶连铸，尤其是具有宽截面的产品的热顶连铸，诸如板坯、通常被称为“扁平型材”的热顶连铸。
从当前的发展来看，热顶连铸可被认为是常规连铸方法的一种延伸，热顶连铸的目的在于，将铸造金属由于与冷却铜壁内表面接触而在铸型中开始凝固的位置沿竖直方向上从上方的铸造液体金属自由表面所处(“弯月面”)的位置移动。已知的是，起始凝固是由一个很敏感的物理机理所导致的，同时在所要获得的产品质量方面又构成了一个重要因素。特别对于热顶连铸，通过将上述两个位置的高度分开，能够使铸造金属在一个远离由弯月面区域所形成的紊流区域且流体压力很小的位置处开始凝固。简单地讲，所述两个位置的分离是通过在所述铸型的冷却铜制主体的顶部上设置一个未被冷却的冒口，所述冒口是由一种具有良好绝热性能的耐火材料制成的，所述冒口的内部与所述铸型对中，且在所述冒口内，浇铸机能够将从一个上面的中间包注入的铸造金属的弯月面加以保持。
根据这种原理，这种热顶连铸早已为人们所知，例如在FR-2,009,365中所述的，但是据本申请人所知，在FR-2,009,365中所述的热顶连铸技术还没有用于工业生产中。他们最近在这方面的研究(见法国专利申请N° 96/04304和96/04305)具有一些优点，在由耐火材料制成的绝热冒口和支承所述冒口的所述冷却铜制铸型之间设置一个嵌入件，所述嵌入件也是由一种耐火材料制成的，但它是一种致密的耐火材料，因此机械强度优于普通的纤维状绝热耐火材料。所述嵌入件实际上必须是一个较好的绝热体以使其中的熔融钢水能够保持所述冒口中的液态形式，并且还应具有良好的机械强度以便能够尽可能地长时间保护熔融金属所压靠的铜制铸型壁上部边缘的几何形状，特别是在铸造金属开始凝固的位置处。这样一种材料是已知的，诸如SiALON就能够满足上述要求。
但是，这种材料是很贵的，尤其是当必须将它们加工成一个与所述铸型的内周边配合的环时。当用于铸造一种具有较大横截面的产品、诸如板坯而需要一个很长凝固周长的铸型时，需要一个很长的嵌入件，其费用是非常昂贵的。另外，本申请人通过研究发现，使所述SiALON与所述铸型之间的对中定位保持在一个很小的公差范围(最大为0.1毫米)内对于铸造的成功是重要的。这样一个要求对于这种情况是非常高的，因为当与熔融金属接触时，各个部件出现不均匀热膨胀的现象是必然的，这必然会导致部件之间的错位。另外，应该注意的是，这样的现象对于细长的铸型更为重要，特别是铸造钢板时(钢板的宽度通常为1800毫米或更宽)更是如此。
本发明的目的在于，针对上述铸造宽截面的产品所遇到的困难，提供一种简单、可靠且廉价的解决方法。
因此，本发明提供一种用于金属特别是钢的立式热顶连铸的铸型顶部，所述铸型顶部包括一个由一种绝热耐火材料制成的冒口，所述冒口安装在所述铸型的冷却金属结晶器(通常由铜或铜合金制成的)的顶部之上，所述冷却金属结晶器的内部与所述冒口对中并且所述铸型顶部在所述冒口和结晶器之间还包括一个由一种致密耐火材料(诸如SiALON)制成的嵌入件(insert)，制作所述嵌入件的耐火材料具有较好的机械强度并且所述嵌入件为环形以便能够与所述铸型的内周边配合，其特征在于，所述嵌入件由多个横板(bar)构成，所述每一个横板由多个并置对准连接的元件所构成的一个刚性组件形成，利用在所述横板中的一个卡紧装置将这些元件相互之间卡紧在一起，设置用于使所述横板与所述铸型的主体对齐的装置，该装置包括一个推动装置，所述推动装置与一个形成在所述冷却铜制主体上的定位止动件相关联，所述推动装置始终向着所述铸型的内部方向推动所述横板，从而使所述横板被压靠在所述定位止动件上。
这种类型的几个组件是以适当的连接角度(通常为直角，这是因为连铸产品通常为矩形截面)一个接着一个地连接在一起，形成了一个最终几何形状与所述铸型的周边相配合的嵌入件。
在本发明的一个优选实施例中，所述卡紧装置由一个在其长度方向上具有螺纹的横向杆和与之相关联的卡紧螺母(通常为卡紧垫)构成，所述卡紧螺母至少能够压靠在所述组件每一个端部处的所述元件的自由前表面上。最好，所述横向杆位于一个靠近所述组件之“冷”表面的偏移位置处，所述组件的“冷”表面也就是与能够和待铸造的熔融金属相接触的前“热”表面相对的后表面。
最好提供用于压靠在各个所述元件的内前表面上的中间卡紧螺母，从而在长度方向上为每一个所述元件提供机械压紧。
根据本发明的另一个优选实施例，除了为所述嵌入件的由多个所述元件构成的组件提供上述卡紧装置以外，还提供了用于机械加固所述“冷”表面的装置。
已经可理解的是，本发明的主要特征在于，利用多个由致密耐火材料制成的元件(这里假定特别是由SiALON制成的)构成一个长直横板，所述元件可以是相同的，在所有情况下根据需要对所述元件进行修整以使它们之间的接合处被密封，将所述这些元件一个接着一个连接在一起，连接后的长度相应于所述横板的所需长度，然后利用内置的卡紧装置将它们连接成一个刚性整体以保证所述组件被机械紧固。这样，就生产出一个具有所需长度的SiALON横板，所述SiALON横板与一个同样的整体横板相比，其比较廉价且强度较高，因此具有商业价值。因而，这种强度的增加使得能够采用简单却精确且可靠的“止动件+推动装置”的定位方案，“止动件+推动装置”这种方式不适用于脆的或易碎的元件。
为了便于从说明书中更清楚地理解本发明的特征和优点，下面将通过附图对本发明的实施例进行详细描述，所述实施例仅是为了说明，而没有对本发明进行限定，在附图中-

图1是本发明所涉及的用于钢板坯连铸设备的顶部的一个纵向截面图，其中，中间平面与所述铸型的较大的表面垂直；-图2是沿着图1中的A-A截面所得到的一个俯视截面图。
从图1中可以看出，一个用于钢板坯的立式热顶连铸设备的顶部在待生产的金属产品PL的引出方向上(即在图中从上到下的方向上)包括一个中间包1，所述中间包1中装有熔融金属2，利用一个浸入式水口4(或几个浸入式水口)将熔融金属2从中间包1中输送到一个位于下方的铸型((mould)在连铸领域中也称为结晶器)3中，所述浸入式水口4的横向金属排出孔5形成在所述铸型3中的液体金属自由表面6(“弯月面”)下方几十厘米处。
从图1中还可看出，所述铸型包括两个部分7和8。
下部7构成了结晶器，也被称为铸型的“主体”。所述主体由铜或通常由铜合金制成并利用循环水进行冷却，所述主体具有一个用于铸造金属的内部通道9，当铸造金属经过所述内部通道9时，铸造金属与冷的金属壁接触，从而，所述铸造金属随着浇注产品PL在所述铸型内逐渐向下移动而沿着从外部向着中心的方向逐渐凝固。
所述结晶器7自身最好由两个叠置的部分构成，即，一个附加部分11在一个主要部分10的顶部延伸，所述附加部分11安装在所述底部10上并与所述底部10相互对中以便为所述铸造产品提供一个均匀且连续的通道。
在板坯连铸的情况下，所述底部10通常由四块板(或壁)构成，所述四块板相互之间以直角连接在一起，即包括两个相对设置的较大的壁12和12′以及两个较小的端壁或侧壁(图中未示出)。所述四个壁的内表面用于与铸造金属接触，利用沿着所述四个壁的外表面流动的循环水使所述四个壁被冷却。通常，设置一个与每一个板12、12′保持一个较小间距的钢套13以引导水流14最好在竖直方向上流动。所述钢套13的两个端部具有通道15和15′，所述通道15和15′能够使水流14分别与一个注入腔室16和一个位于所述注入腔室16上方的排出腔室17相通，这些腔室被一个外部隔壁18界定，所述外部隔壁18处在所述钢套13的后面并与所述钢套13保持一定的间距。
所述附加上部11形成了一个环，所述环由一个通道19内的内循环水冷却，所述通道19尽可能地靠近所述铸型的上部边缘20，铸造金属在所述上部边缘20处开始凝固。所述环11的作用是通过对所述边缘20进行冷却从而对在金属浇注过程中将会受到很大热机械作用力的所述边缘20提供适当的热保护，而上述所采用的对边缘20进行冷却的方式要比通过采用用于冷却所述由多个板组装而成的主要部分10的冷却循环水流14来对所述边缘20进行冷却的效果更好。所述冷却环11的底部被修整以使所述冷却环11能够与所述管式组件10的上表面紧密配合，所述冷却环11压靠在所述管式组件10的上表面上，从而避免熔融金属渗漏。
所述上部8是由一个冒口形成，所述冒口由未被冷却的耐火材料制成，由于与上述相同的原因，所述冒口内壁最好与所述结晶器7的主体对中(对于所有情况)。
在铸造过程中，“装有所述由耐火材料制成的冒口8的冷却金属结晶器7”的结构对于铸造金属PL限定了一个校准(calibrating)通道，所述校准通道的位于所述冒口内的上部21构成了一个缓冲区域，所述缓冲区域用于限制由通过水口4中的孔5注入到所述铸型中的熔融金属而引起的液压扰动，所述校准通道的从所述上部21向下延伸的下部9是一个用于使所述铸造金属凝固的区域。
从图1中可以看出，当铸造金属与结晶器7的冷却金属壁接触时，即当铸造金属在所述铜制环11的上部边缘20上时，所述铸造金属就开始凝固，并且当铸造金属连续向下移动时，形成了一个凝固型壳22，所述凝固型壳22的厚度是沿着从外部向着中心的方向逐渐增加的。当离开所述结晶器时，所述凝固型壳22的厚度稍稍大于1厘米，所述型壳的强度足以承受仍为液体的芯部的钢水静压力并在位于所述设备下半部的喷水轨道(未示出)的作用下继续向着中心的方向生长直至所述铸造产品PL完全凝固。当所述铸造产品完全凝固后，将所获得的产品按照所需长度切成可接着用于后续成型工序(轧制等)的型材(板材)。
从图中可以看出，所述由耐火材料制成的冒口8自身是由两个独立的部件叠置而成的-一个上部的冒口套23，所述冒口套23由一种耐火材料制成，由于所述冒口套用于防止铸造金属在所述紊流区域21中出现过早的寄生凝固，因此可根据其绝热性能来选择制作所述冒口套的材料。所选择的材料可以是一种纤维状耐火材料，例如由KAPYROK公司所出售的名称为A 120K的材料；以及-一个下部元件24，被称为一个“嵌入件”(“insert”)，所述下部元件24可由一种具有良好机械强度的耐火材料制成，由于所述嵌入件设置在结晶器7的附近，它必须尽可能地承受凝固型壳22的上部在所述冷却金属环11的边缘20上所造成的机械冲蚀，而所述组件还受到金属浇注过程中所需的立式振动以及由于浇注方法自身的连续性而导致的热循环对所述设备操作所造成的热机械应力，因此所述嵌入件必须是致密的。这样一种材料可采用SiALON(Sialon(R))，在SiALON材料中最好搀入氮化硼。
利用两个叠置的部件23、24构成一个冒口8的优点是使受到由铸造金属凝固点往复运动所导致的冲刷作用的所述底部其机械强度得到提高，所述铸造金属的凝固点的往复运动是由结晶器立式振动而造成的。另一方面，所述强度较高的下部嵌入件24的绝热性能必然比所述上部冒口套23低。因此，当铸造金属接触所述嵌入件24的与所述冷却环11的内壁对中的内壁时，可能形成一个铸造金属过早寄生凝固的薄层。所述薄层对于将在结晶器7中出现的可控制的凝固过程是一个导致凝固不均匀的重要因素。
为了这个原因，根据已知的一种热顶铸造设备(FR-A-93/03871)，有效的解决方法是在所述冒口8的底部吹入一种气体以防止所述铸造金属过早寄生凝固的薄层形成在所述嵌入件24上，从而使与所述冷却环11接触的铸造金属能够均匀且快速地开始凝固。为此，在所述冒口8和结晶器7之间设置一个用于注入一种可损耗的惰性气体(例如氩气)的通路。所述气体通路包括一个环形槽缝25，所述环形槽缝25位于所述冒口/结晶器的界面处，所述环形槽缝25的一端处在所述铸型的内周边上，另一端与一个输送腔室26相连，通过一个校准输入通道27向所述输送腔室26提供氩气，所述校准输入通道27通过一个围绕所述冒口8的加压箱28与一个氩气供应源(未示出)相连。这种结构的优点是防止在所述铸型内铸造液体金属被通过所述绝热耐火物质23的空气中的氧气氧化，所述绝热耐火物质23稍微有一些透气是难免的。
根据本发明，所述SiALON嵌入件不是一个单一的构件，而是由多个并置连接的元件构成，利用所述嵌入件中所带有的一个卡紧装置将所述多个并置连接的元件相互之间刚性地卡紧在一起。图2中示出一个实施例，图2中示出了一个构成所述嵌入件的横板，所述横板位于所述铸型的每一个较大的面上。当然，所述嵌入件围绕着所述铸型的内周边。当将所述嵌入件安装完以后，所述嵌入件为一个矩形框架形式，所述框架的短边或长边是由多个直横板形成的，所述多个横板的形状与图2中所示的一个直横板29相似。
从图2中可以看出，一个横板29是由多个并置连接的元件30构成的组件，利用所述横板中所带有的一个卡紧装置将所述多个并置连接的元件30相互之间刚性地卡紧在一起。在所述的实施例中，所述横板内的所述卡紧装置是一个由连接杆31构成的卡子，所述连接杆31通过一个通道32垂直贯穿每一个元件，设置所述通道32的目的是为了将所述这些元件穿在一起，至少在所述连接杆从所述组件伸出的两端上攻上螺纹，将相应的卡紧螺母33拧到所述两端以使所述螺母压靠在所述端部元件30的自由前表面上。这样一个卡紧装置被称为一种“全面作用”卡紧装置，因为它象一个台钳一样仅通过作用在所述横板的端部元件上即可使由所述元件构成的组件处于机械压紧状态。当然，也可利用所述连接杆31对每一个元件进行单独的预压紧。为此，需要在一个连接杆的整个长度上攻上螺纹并在所述两个元件30之间的接合处加入中间螺母。
如图2中所示，由于所述铸型中的钢水静应力作用在所述嵌入件24所处的高度处，对于可能发生的铸造液体金属的渗漏，使所述元件30的连接前表面成形有利于提高所述元件30之间的相互锁紧能力、它们之间的定位以及所述接合区域的密封。
所述连接杆最好处于一个向着所述横板的“冷”表面方向(在所述图中向着底部方向)偏移的位置处。与拟接触熔融金属的“热”表面相比，嵌入件的所述“冷表面”是与所述“热”表面相对的表面，因此受到的热应力作用较小。所述连接杆32的位置向着所述冷表面方向偏移的目的是防止通常由钢制成的所述连接杆由于过于靠近所述热表面而温度过高，所述连接杆的温度过高会使所述组件由于受到很大的不均匀膨胀作用而产生解体。
所述冷表面的优先压紧具有另一个优点。由于所述由耐火材料制成的嵌入件24可作为所述冷却的金属结晶器7和由绝热耐火材料制成的冒口套23之间的一个过渡部件，因此，该嵌入件的导热性必然较差。因此，在其热表面和冷表面之间始终存在一个极大的热量梯度。另外，所述嵌入件在厚度方向上始终受到较大的不均匀膨胀作用。这样，使所述嵌入件的冷表面处于一种预应力压紧状态下将有助于抵制开裂，否则，在所述嵌入件与熔融金属接触时所述热表面膨胀的过程中，由于所述冷表面处于拉伸状态下会使所述嵌入件开裂。
所述卡紧连接杆31的偏移的另一个优点是，如果需要的话，可使所述嵌入件24的厚度降低，例如是在所述嵌入件24被磨损之后对所述热表面进行修复的过程中。
根据一个优选实施例，设置用于使所述横板的冷表面被加固的装置。由于利用所述偏移的连接杆31进行卡紧而产生的“悬臂”作用会使所述横板呈一种“香蕉”形状，因此使所述横板29的冷表面得到加固有助于避免所述横板出现弯曲。可利用一个壳体34来完成这样的功能，图2中清楚地示出了所述壳体34。所述壳体的形状为具有一个很小尖角的“L”形，所述壳体是由弹簧钢制成的。所述底板35直接作用在所述横板的冷表面上，通过使所述壳体34的上弯边缘37与为此设置在所述横板的横向表面(在这种情况下，是上表面)中的一个槽接合借助于被固定在所述嵌入件24材料中的横向颊板36使该底板35以弹性方式固定。
将所述横板29正确地安装到所述铸型中的方法包括，根据所述铸造板坯的宽度，使所述横板的热表面36在其整个长度上非常均匀地与所述铸型的内表面平齐，所述横板的长度可达到1.5米，甚至超过1.5米。根据本发明的一个重要特征，利用所述横板的定位可达到上述效果，使所述横板定位的方法包括始终使所述横板以弹性方式被推向所述铸型的内部并使所述横板抵靠在一个与所述结晶器7的铜制上环11一体的止动件上。特别是，这样的装置可包括一排弹簧38和一个止动件39，所述弹簧38与所述横板的冷表面相对设置，通过使所述弹簧38固定在所述箱28的隔壁上对所述横板产生作用，所述止动件39可通过对所述冷却环11的上表面进行机械加工来获得。在所述的示例中，所述止动件的形状为舌状以同时构成了一个可限制所述分配腔室26的分隔部件，所述分隔部件可使氩气在所述由耐火材料制成的嵌入件24下方围绕所述铸型的内周边流动。
当然，所述横板29的下表面也必须进行相应的机械加工，以形成一个可与所述止动件39接合的肩部40，所述肩部40可从图1中看出。
本发明并不仅限于上述实施例，可在由后面的权利要求书所限定的保护范围内对上述实施例进行各种改进和变型。
这里，没有对构成一个横板29的单个元件30的数量和长度进行限定，这些元件的长度可是相同的也可是不同的。另外，尽管使用一个单一的横板较好，但是也可端对端地设置几个诸如横板24的横板以占据所述铸型的一个较大表面的宽度。
另外，所述卡紧连接杆贯穿所述元件30并不是必须的。只要在所述铸型的这个位置处具有足够的空间，沿着所述横板的冷表面提供一个外部连接杆并以常规的G-clamp(G-夹紧)的方式在所述外部连接杆的两端设置两个爪。
另外，应该理解的是，尽管本发明是特别为铸造板坯以及其它具有细长截面的产品而提出的，但是，本发明还适用于铸造任何截面的产品，当然，这种产品是可利用热顶连铸方法进行铸造的。
另外，本发明不仅适用于钢的连铸，而且可用于任何金属的连铸，特别是熔点低于钢的金属、例如铝或铜的连铸。
权利要求
1.用于金属特别是钢的立式热顶连铸的铸型顶部，包括一个由一种绝热耐火材料制成的冒口，所述冒口安装在所述铸型的冷却金属结晶器上，所述冒口的内部与所述冷却金属结晶器对中以限定一个连续且均匀的用于铸造金属的通道，所述铸型顶部在所述冒口和结晶器之间还包括一个由一种致密耐火材料制成的嵌入件，制作所述嵌入件的耐火材料具有较好的机械强度并且所述嵌入件为环形以便能够与所述铸型的内周边配合，其特征在于，所述嵌入件(24)由多个横板构成，所述每一个横板(29)由多个并置对齐连接的元件(30)所构成的一个刚性组件形成，利用在所述横板中的一个卡紧装置(31，33)将这些元件(30)相互之间卡紧在一起，设置用于使所述横板与所述铸型的结晶器(7)定位和对齐的装置，所述用于使所述横板与所述铸型的结晶器(7)定位和对齐的装置包括一组推动装置(38)，所述推动装置(38)与一个形成在所述结晶器上的定位止动件(39)相关联，所述推动装置(38)始终向着所述铸型的内部方向推动所述横板(29)，从而使所述横板被压靠在所述定位止动件(39)上。
2.按照权利要求1的用于立式热顶连铸的铸型顶部，其特征在于，所述卡紧装置由一个连接杆(31)构成，所述连接杆(31)与压紧垫(33)相关联，所述压紧垫(33)至少压靠在所述横板(29)的前端面上。
3.按照权利要求2的用于立式热顶连铸的铸型顶部，其特征在于，所述连接杆(31)贯穿用于构成所述横板(29)的元件(30)，所述元件(30)具有一个用于使连接杆(31)贯穿其的通道(32)。
4.按照权利要求3的用于立式热顶连铸的铸型顶部，其特征在于，形成在所述横板(29)中的用于安装所述连接杆(31)的通道(32)朝向所述横板的“冷”表面偏置。
5.按照权利要求3的用于立式热顶连铸的铸型顶部，其特征在于，在所述连接杆(31)上的所述各元件(30)之间的接合区域中存在有中间压紧垫。
6.按照权利要求1的用于立式热顶连铸的铸型顶部，其特征在于，设置了用于加固所述横板的“冷”表面的装置(34)。
7.按照权利要求6的用于立式热顶连铸的铸型顶部，其特征在于，所述加固装置由一个外形为“L”形的金属壳体构成，所述金属壳体的底板(35)以弹性的方式“压靠在所述横板的“冷”表面上。
全文摘要
本发明涉及一种铸型,所述铸型包括一个由绝热耐火材料制成的冒口(23),所述冒口(23)安装在由冷却铜板(7)制成的结晶器上方,所述冷却金属结晶器的内部与所述冒口对中以限定一个用于铸造金属的通道,并且在所述冒口和结晶器之间设置一个嵌入件(24),所述嵌入件(24)是由具有较高机械强度的致密耐火材料制成的。本发明的特征在于,所述嵌入件(24)由多个横板构成,所述每一个横板(29)由多个并置对齐连接的元件(30)所构成的一个刚性组件形成,利用与所述横板成一体的紧固装置将这些元件(30)相互之间紧固在一起,诸如利用一个与压紧板(33)相关联的贯通连接杆(31),利用一组弹簧推动装置(38)与一个位于所述结晶器(7)上的定位止动件(39)相关联来设置用于使所述横板在所述结晶器(7)上定位和对齐的装置,所述模板(29)被压靠在所述定位止动件(39)上。
文档编号B22D11/04GK1259891SQ9880610
公开日2000年7月12日 申请日期1998年5月26日 优先权日1997年6月12日
发明者J·M·若利韦, E·珀林, J·斯皮奎尔, C·萨拉里斯 申请人:洛林连续轧钢公司