专利名称：连续铸造的工字梁异形坯制成的梁的制作方法
技术领域：
本发明涉及成形结构构件，尤其涉及连续铸造的轧制工字梁用的异形坯，这种坯随后可加工成成品结构梁。
用金属，尤其是用碳素钢或低合金钢制成的成形结构构件有着广泛的应用。对金属成形技术而言，各种构形的成形结构构件是众所周知的，这些构件包括有梁。常规的梁有一个带对置翼缘的腹板部分，翼缘从腹板部分的两端沿大致垂直腹板部分的方向延伸。梁一般都是由钢铸件，例如铸锭加工成形的，即铸锭随后用已知的方法热加工成具有所需的成品尺寸和构形的梁结构。另一方面，梁也可以通过连续铸造工序来成形。该工序或者制成一种随后要进行热加工以制成梁的方坯或者生产出一种具有接近梁的最终构形横截面的成形截面铸件，尔后对该铸件进行一系列的热轧和冷轧以加工出具有成品尺寸和构形的梁制品。连续铸件的优点是一系列的工字梁异形坯可以在基本上连续操作的情况下由一炉或多炉钢水铸出。这样就能够实现能量节省，并且还能增加生产量。在钢铁工业中，术语“轧制工字梁用的异形坯”(本文以下简称为工字梁异形坯)指的是这样一种成型截面铸件，一种具有接近梁的构形的成型截面的半成品，这种半成品在经受进一步的轧制工序后就从半成品状态，即铸造状态转变成具有需要和要求的成品尺寸和特定的成品构形的成品。工字梁异形坯被用作生产各种成品结构构件形状的先驱物或原材料，这些结构构件包括有H型梁、工字梁(通常称为“I型梁”)，宽缘型梁，英国标准型梁、日本工业标准型梁、和钢轨断面件，这又包括有铁路、起重机和吊车台架的轨条。
有钢铁制造技术中众所周知的是，热轧操作制得近似形状的坯件并将其轧制成具有成品尺寸的成形件，同时使钢的初始冶金和结晶状态改变成最终所需要的状态，它具有要求的结晶状态和形式。接着采用辅助工序来弄直具有成品尺寸和构形的构件并将其截成所需要的长度。
这种工字梁异形坯的连续铸件的铸模有一条中央浇铸通道，该通道是以一对平行壁为界的，用来形成工字梁异形坯的腹板。在中央浇铸通道的两侧有一些辅助浇铸通道，这些通道在背离中央浇铸通道的方向上变宽。这些辅助或膨胀浇铸通道用来形成工字梁异形坯的翼缘或翼缘先驱物的内侧部分。每一个膨胀浇铸通道汇合成一个大体为矩形的终端浇铸通道，用来形成工字梁异形坯的翼缘或翼缘先驱物的外侧部分。
早先对成形截面铸件的偿试，准确地说是对工字梁异形坯的铸造偿试最早报道于约1961年(N.N.Guglin,A.K.Provoring,G.F.Zasetskey和B.B.Gulyaev在1961年的Stal中作了报道)，其内容是在实验室规模上制造出的带有两个厚度不等(分别为30和40毫米)的支腿的仅仅125°的宽倾斜截面。该铸件的截面约为127cm2。这些实验最初并未显示出用于连续铸造方法的可行性。
某些其它实验室工作后来曾由英国钢铁研究协会(BISRA)在其谢菲尔德实验室内完成(H.S.Marr,B.Witt、B.W.H.Marsden和R.I.Marshall，钢铁学会杂志，1966年12月)，生产出的成形截面铸件，包括有工字梁异形坯。英国专利第1049698号(1965)描述了对称和非对称的型材，这些型材包括与一般可以粗略地称为钢轨型截面，漏斗型截面和工字梁型截面近似的构形体。工字梁型截面铸件的截面面积平均为670cm2，其尺寸为464×254×76[腹板长度×翼缘高度×翼缘厚度，单位为毫米(18-1/4英寸×10英寸×3英寸)]另外，BISRA与阿尔戈马钢铁公司(有限)(Algoma SteelCorporation,Ltd，地处加拿大、安大略省、苏圣玛丽)所进行的研究工作研究了采用英国专利1049698号中公开的技术将铸造的工字梁异坯轧制成通用宽缘工字梁的可能性。1968年在阿尔戈马安装了一台用于连续铸造这种工字梁异形坯的工业用双流装置。由这种装置铸造的工字梁异形坯的截面面积平均为845-1435cm2，具有各种组合尺寸，其中包括有451×305×102；559×267×102；775×356×102；673×260×102；和1164×356×102，大部分都具有近似的工字梁型横截面。
随后至1968年这段时间，曾安装了许多特别用于生产工字梁异形坯的成形截面连续铸造装置，这些装置曾生产出三种著名型式的横截面坯件中的一种或更多种坯件。这些装置包括许多日本装置，其中有川崎钢铁公司在日本冈山水岛安装的四流大型钢坯和工字梁异形坯铸造机(工字梁异形坯的截面面积平均为1155cm2，其尺寸为460×400×120和560×287×120)；东京钢铁制造有限公司在日本四国Kohchi制作所安装的单流装置(工字梁异形坯的截面面积平均为820cm2，其尺寸为445×280×110；在日本姬路Yamato Kygyo KK的姬路制作所安装的单流装置(工字梁异形坯的截面面积平均为1100cm2，其尺寸为460×370×140)；和在日本福山Nippon Kohan kk的福山工厂安装的四流工字梁异形坯装置(工字梁异形坯的截面面积平均为1145-1165cm2，其尺寸为480×400×120)，以及许多欧洲和苏联的装置，其中包括在西德Huckingen-Duisbury曼内斯曼股份公司冶炼厂安装的装置(工字梁异形坯的截面面积平均为460cm2，其尺寸为350×210×80)；“苏联钢铁”1975年第11期上由O.V.Martynov,A.I.Mazun,IB.Forlova,S.M.Gorlov和L.S.Nechaev撰文介绍的苏联图拉研制发展工程(Research Development Works)的装置(工字梁异形坯的截面面积平均为550cm2，其尺寸为245×310×130，腹板长度短于翼缘高度)；1976年第7期上由V.T.Sladkoshteev,M.S.Gordienko、N.F.Gritsuk,R.V.Potanin和L.D.Kutsenko撰文介绍的苏联乌克兰金属研究院的装置(工字梁异坯的截面面积平均为520cm2，其尺寸为415×284×50)；和联合工国特伦特河畔斯托克，英国钢铁公司综合钢铁部的装置(工字梁异形坯的截面面积平均为790cm2，英尺寸为286×355×178mm[11-1/2″×14″×17″]，其腹板长度短于翼缘高度)。
人们在各种各样的文章和论文中，还发表了其他有关成形截面铸件和用于生产工字梁异形坯(包括其他截面的坯料)的成形截面铸件的连续浇注装置的评论。其中有G.S.Lucenti在“钢铁工程师”中(1967年7月)，Y.Yagi,H.Fastert和H.Tokunaga在1975度钢铁工程师协会(AISE)年会中(俄亥俄州，克利夫兰)，K.Ushijima在“ISIJ学报”(1975年)第15期中；T.Saito,M.Kodama和K.Komoda在“国际钢铁”第48期(1975年10月)中；以及W.Puppe和H.Schenck在“钢铁95”第25期中(1975年12月4日)都发表了有关这方面的评论。
哈特曼的欧洲专利申请第0297258号(已转让给SMS Schloemann-Siemag股份公司)公开了一种用于“梁轧制的预成型件(连续铸造的工字梁异形坯)的连续浇注的铸模，它与铸模腹板部分中的浸入式浇注水口一起使用。该铸模可任意地调整而与腹板高度、腹板厚度和翼缘厚度无关，以使上述三个尺寸都能变化从而生产出一种由一个腹板和两个翼缘构成的工字梁异形坯。哈特曼铸模在腹板区域还构形成包括有一个变宽的弓形或凸出的金属进口区域，以便于熔融液通过浸在溶池液面下面的浇铸浸入管流入，并使坯件端部区域的浇铸金属形成良好的分布。哈特曼没有揭示腹板厚度与可以论证通过使用该铸模能够铸造出的翼缘先驱物的宽度之间的关系，对实际上可以用该铸模制造的有限数量产品的最大腹板厚度和/或最大翼缘或翼缘先驱物的厚度也没有作任意揭示或暗示。
哈特曼提到的文献DE-AC 2218408公开了一种铸模，其中使熔化的钢液从中间模槽通过浸入式浇注浸水口流入该铸模的腹板部分内。可调整该铸模来改变翼缘厚度，但不改变腹板高度或腹板厚度。
由于需要控制已知的工字梁异形坯所遇到的应力和裂纹问题，还曾公开过其它特定的铸模构形。1986年1月21日颁发给Masui等人的美国专利证书第4565236号介绍了利用型腔避免在工字梁异形坯介于腹板和翼缘先驱物部分之间的圆角部分中形成裂纹的方法，该型腔在浇铸方向上在其腹板部分配置有一个尖锥体，在浇铸方向上型腔弯曲的圆角部分的曲率1/R是可变化的。曲率的变化要根据工字梁异形坯流疑固壳的自由收缩量的大小来决定(理论上是这样的)。Masui等人声言他们的发明在大尺寸或腹板高度超过775mm的工字梁异形坯的铸造中有特别重要的意义(10、11两栏53-65页；图9,H=腹板高度)，并且是提供带有大于500mm的内侧腹板高度(图9,W=内侧腹板高度)的工字梁异形坯所需要的结构方式。在Masui等人的专利中没有试图通过控制工字梁异形坯各个部分的最大厚度或者这些部分相互之间关系来避免这些问题的内容。
连续铸造的成形截面工字梁异形坯的商业好处在于能够用供给该方法和设备的一炉或多炉钢水来生产一系列的工字梁异形坯，生产持续时间的长短可以由制造厂家来决定，而无需先铸造方坯，进行再加热，然后使该方坯经受必须的加工处理。如此，从要生产一种要比用铸锭或方坯铸件获得的构形更接近成品所需要构形的铸造成品的观点来看，确实达到了节省能量的目的。
众所周知的还有，通过将熔化状态的金属连续地浇注进具有可以称为“犬骨”状横截面，即漏斗型横截面的一种变更截面的连续铸造铸模中的方式来生产工字梁异形坯。1989年2月21日颁发给Lorento的美国专利证书第4805685号介绍了采用连续铸造方式生产“犬骨”状工字梁异坯的已知实际作法中的一个特定的实例。商业性装置生产出了一种“犬骨”状工字梁异形坯，它具有至少4英寸厚的腹板和尺寸及厚度更大的翼缘或翼缘先驱物部分。
上述所有常规的生产方法以及用这些生产方法生产出的工字梁异坯都有这样的缺点，即工字梁异形坯的膨胀端部分、即翼缘先驱物部分，由于横截面面积相对于工字梁异形坯的腹板部分增大了，因而需要增加热轧道次以获得成品梁要求的翼缘结构。这就大大增加了生产这种梁的复杂性及总成本，尤其是能量成本。此外，还需要成本高的大型热轧机或轧机机座来获得工字梁异形坯的膨胀端部分所需的压下量，以及需要冷轧机或轧机机座设备来进行精加工操作(弄直和截成一定的长度)，所有这些都需要有庞大的基建投资。现有技术中已知的各种连续铸造成形的工字梁异形坯也必须经受基本的热加工程度，这不仅是要获得成品梁所需要的尺寸，而且是要提供目前成品结构构件中要求的金属所需的冶金结构和性能(包括结晶在内)。
例如，BISRA的实验室工作显示要转变铸态成形工字梁异形坯的结构以得到最终的成品尺寸以及获得必要的冶金性能需要有至少6∶1的热加工压缩量(H.S.Mart等人，同上文)。对于一系列的成品工字梁尺寸，实际的压缩量过高，平均约介于8∶1至10.5∶1之间轧制梁尺寸 面积 面缩率英寸 毫米 平方厘米H×B H×B14×6-3/4 356×17164.5 10.4∶116×7 406×17876.1 8.8∶116×7 406×17868.4 9.8∶118×7-1/2 457×19185.1 7.9∶1H=成品梁高度(腹板长度+每个翼缘的厚度)B=成品翼缘的宽度阿尔戈马钢铁公司的设备要求必须进行的进一步热加工具有等效水平，其压缩量范围为6∶1至17.5∶1。工字梁异 经轧制的梁尺寸形坯尺寸 英寸毫米(mm)面积(cm2) 面缩率H×B H×B12×10305×254100.68.4∶112×10305×254110.37.7∶112×8 305×20376.1 11.1∶112×8 305×20385.1 9.9∶112×8 305×20394.8 8.9∶1[173/4＂ 12×6 1/2 305×16551.0 16.6∶1×12×6 1/2 305×16558.7 14.4∶112＂×4＂,12×6 1/2 305×16568.4 12.4∶1845 cm2]14×8 356×20381.3 10.4∶1
14×8356×20390.99.3∶114×8356×203100.6 8.4∶114×6 3/4356×17156.814.9∶114×6 3/4356×17164.513.1∶114×5 3/4356×17172.211.7∶118×7 1/2457×19176.111.5∶118×7 1/2457×19185.110.3∶118×7 1/2457×19194.89.2∶118×7 1/2457×191104.5 8.4∶1[22＂× 18×7 1/2457×191114.2 7.6∶110 1/2＂ 16×7406×17860.614.4∶1× 4＂ 16×7406×17868.412.8∶1873cm2] 16×7406×17876.111.5∶116×7406×17885.110.3∶116×7406×17894.89.2∶116×5 1/2406×14049.717.6∶116×5 1/2406×14058.714.9∶124×9610×229129.0 11.1∶124×9610×229144.5 9.9∶1[30 1/2＂ 24×9610×229159.3 9.0∶1×14＂ 24×9610×229178.0 8.1∶1×4＂, 24×12 610×305189.6 7.6∶11434 cm2]24×12 610×305209.06.9∶124×12 610×305227.7 6.3∶1类似地，川崎水岛的设备也需要约9.5∶1至18∶1的热加工压缩量，以获得具有要求的尺寸和必要的冶金性能的成品工字梁轧制梁尺寸面积 压缩率英寸(mm) 平方厘米H×B (cm2)300×300119.89.6∶1350×25092.2 12.5∶1350×250101.511.4∶1350×200400×20084.1 13.7∶1300×20072.4 16.0∶1350×17563.1 18.3∶1虽然已知的成形连续浇铸工艺公开了种种工字梁异形坯的尺寸和构形，但现有技术中并没有介绍或揭示铸态工字梁异形坯的任一参数之间的任何有意的或公认的相互关系。特别是缺少对坯件腹板部分的平均厚度所受到的限制、坯料翼缘先驱物部分的平均厚度所受到的限制、或翼缘先驱物部分的平均厚度和腹板的平均厚度之间所受的任何限制或相互关系、或者坯料腹板平均厚度所受限制和坯件翼缘先驱物部分平均厚度所受限制、或者进一步包括翼缘先驱物部分的平均厚度和腹板平均厚度之间相互关系三方面组合情况的介绍或揭示。
先有技术连续铸造的工字梁异形坯都至少有一个4英寸厚的腹板部分，而不管总的坯料形状是否是钢轨型截面、漏斗型截面、亦或工字梁型截面。这些坯件也有很厚的翼缘先驱物部分。所生产坯料的笨重性在某种程度上是先有技术基本上要进行费用大的热轧截面压缩和形状变更的主要原因。这种坯料还呈现出如果要进行基本的进一步热加工就无法接受的铸态冶金性能，在大多数情况下，这种热加工是在可以得到结构构件要求的最终尺寸之前实施的。通过进一步的热轧保存需要的冶金性能在大多数情况下证明是很困难，在许多情况下是不可能的。
现有的连续铸造工字梁异形坯和工字梁异形坯的铸造技术还受到实施浇铸操作所需要进行的已知工艺的限制。由于薄型板坯的铸件要求商业性的连续浇注速度和铸态坯件的商业性质量，现有技术曾介绍过使用浸入式水口的情况。所公开的各种浸入式注口结构，例如欧洲专利申请第0336158号中公开的浸入式水口结构，在这样的浇铸工艺中是有用的。
由于连续浇铸的铸模中的空间互相关系，以及在商业性操作中需要的也是必需的高浇铸速度，当用薄的板坯铸件操作生产薄型型钢时要获得恒定的受控固化速率是很困难的。这常常导致在浇铸的某些钢号中出现纵向裂纹，这就是呈现出严重的质量和完整性问题。为避免这个问题，曾有人论述说必须使用一种特定配方的铸造粉末。请参见H.J.Ehrenberg等，“Controlling of Thin slabs at theMannesmannrohren-Werke AG,MPT International,12,3/89,P52。
可见，已知技术要求使用在铸模断面中浇注的浸入式水口和铸造粉末，在要求薄型型钢时尤其如此。虽然现有技术中没有作介绍，但有关工字梁异形坯使用薄板坯铸件概念的任何偿试都必须使用浸入式水口浇注和铸造粉末。
每一种已知的现有连续铸造工字梁异形坯或预成型坯，以及生产这些坯件的技术都存在许多严重的缺陷和问题。在所有已知的现有连续铸造工字梁异形坯中，腹板厚度基本上都超过3英寸，通常超过4英寸。这些坯料的“眼位”部分(或翼缘先驱物部分)相对于所述腹板部分都过于厚重。在以先有技术中已知的方式连续铸造这些工字梁异形坯时的金属冷却和固化过程中，会在液态金属中形成温度梯度。这些温度梯度会促进柱状晶结构的形成。因此，工字梁异形坯常常具有脆弱平面的微观结构特征，这种脆弱平面贯穿整个横截面，导致冶金性能低劣，延展性和韧性尤其如此。
同样，通过使用已知的轧机机座型设备的常规轧制技术进行热加工的次数也是非常重要的，其次数平均超过15道次，需要时可高达32道次。所需的轧制设备的基建投资是很庞大的，而达到所需要很多道次的时间和耗用能量亦不是无关紧要的。通过轧制规范获得和保持需要的冶金性能是很复杂的。坯件的腹板部分经常出现不希望有也无法控制的延伸率过高或过低的情况，而且这种情况是难以准确地预测和控制的。此外，梁的翼缘先驱物和翼缘部分出现撕裂也是一个一直存在的严重问题，腹板部分的屈曲亦是如此。对浇注点和浇铸工艺的限制是很严格的敞开浇注必须浇注到对应于已知坯料结构厚重“眼位”部分之一的近似中心的铸模区域内。
目前，还没有铸态工字梁异形坯中腹板和翼缘部分之间任何关系以及如何简便地使工字梁异形坯或成品获得所需要的冶金性能方法的介绍，也没有披露过任何有关工字梁异形坯的腹板厚度与翼缘先驱物部分厚度之间关系的技术内容，无论是控制或不控制腹板或翼缘的最大厚度的情况。
因此，需要达到如下条件的一种连续铸造态的工字梁异形坯和生产这种坯件的工艺1．使坯料近似于成品梁的形状和构形或者所需要的其它结构形状
2．为了达到需要的成品尺寸必须把热轧道次或工序的次数减至最少，这样又会使生产这种坯件所要求的基建投资减至最小，并将显著地减小标志先有技术工艺的特征的最大能量成本；3．以可能的最少的轧制工序提供需要的冶金性能，并通过所需的最少的辅助轧制工序来保持这些性能以便达到成品尺寸，为了获得理想的冶金性能所要求的工序数要远小于已知的工字梁异形坯及其工艺要求的工序数；4．不要求使用浸入式浇注技术，也不要求使用铸件粉末；5．不但控制腹板厚度和翼缘先驱物厚度之间的相互关系，以实现对所要求的加工和使翼缘的撕裂及腹板部分不希望有的延伸率和/或屈曲以及所导致的坯料扭曲减小到最小程度的控制，而且因铸模内的快速固化提供附带有益的冶金性能。
市场上还设有连续铸造的工字梁异形坯，或者设有生产这种坯料的工艺，能达到如下显著的综合的有利条件以最少的轧制道次获得成品的形状和理想的冶金性能，且腹板设有不利的伸长或屈曲或翼缘撕裂现象；能够使用敞口浇注技术和避免使用必须要用的浸入式浇铸技术和/或铸造粉末，甚至在要求薄型截面腹板的场合下亦是如此，和成品梁具有改进的冶金特征，并可通过所需热轧道次数的控制来保持这些冶金特征以达到成品尺寸及其构形。
因此，本发明的主要目的是提供一种连续铸造态的工字梁异形坯，这种坯料随后可以通过一系列热轧操作的压缩而轧制成梁，这些热轧操作所需的设备比常规作法小，所需的费用也较低，而且在制造这种成品构件时，既省时又节省能量。
本发明的另一个目的是提供一种连续铸造的工字梁异形坯，其中其组分和显微组织受到控制以提供一种具有成品尺寸的梁，用这种坯件制造的这种成品梁，与常规工艺生产的成品梁相比，具有理想的冶金性能。
广义地说，本发明提供了一种连续铸造态的工字梁异形坯，它包括有一个腹板部分和多个从腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物。腹板部分具有不大于3英寸的平均厚度，每个翼缘先驱物部分具有不大于3英寸的平均厚度。本发明的进一步变型提供了一种坯料，其中提供了最大尺寸的腹板和翼缘，而翼缘先驱物部分的平均厚度与腹板部分的平均厚度的比值在约0.5∶1至约2∶1之间。这样有利于降低为获得需要的机械性能所要求的压缩量(通常约3∶1)，同时建立理想的也是要求有的冶金性能。通过选择和保持腹部厚度、翼缘先驱物厚度、最好还有翼缘先驱物部分的厚度与腹板厚度之比值，这就为工字梁异形坯和成品梁结构两者提供了有利的显微组织。先驱物的铸态显微组织和冶金性能的关系是非常密切的，以致用最低程度的进一步热加工规范就可达到更适合于结构构件的成品形式。实际上，用本发明的工字梁异形坯，以基本上与达到所需成品尺寸所要求的热轧道次同样多的次数，就可以获得最终的显微组织。为完成成品的尺寸加工所需要进行的几次辅助热轧道次并不会对提供的冶金性能造成不利的影响，这是本发明对先有技术的一个显著的改进。
腹板部分和翼缘先驱物部分每个都可以有1-1/2至3英寸范围的厚度。工字梁异形坯的每个翼缘先驱物部分都可以有基本上相等的厚度。腹板部分的厚度可以大于每一个翼缘先驱物部分的厚度，或者每一个翼缘先驱物部分的厚度可以大于腹板部分的厚度。
可以从工字梁异形坯腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，每个翼缘具有基本上平行的侧边。腹板部分的侧边也可以是平行的。两个翼缘先驱物部分在腹板部分的每一端可以由它们各自的纵向中心线之间所夹的角度分开，该角度的范围为30°-180°。
此处所用术语“工字梁异形坯”是想表示一种铸态的连续金属成型件，它包括腹板和翼缘先驱物或预成型部分，经过进一步的加工工序后，就可生产出一种具有成品尺寸和构形的工字梁。
此处所用术语“接近成品形状的梁”是想表示一种铸态的连续金属成型件，它包括腹板和翼缘先驱物或预成型部分，通过经受总数不超过15个热轧道次的必要的热加工，该成型件可以转变成具有最终加工尺寸的成品梁制品。特别是，该术语是想表示这样一种连续的金属成型件，其中(ⅰ)腹板和翼缘各自都有1-1/2至3英寸范围的厚度；(ⅱ)工字梁异形坯的每个翼缘都具有基本上相等的厚度；(ⅲ)从工字梁异形坯腹反部分的每一端伸出两个翼缘，每个翼缘具有基本上平行的两个侧边；(ⅳ)腹板部分的侧边也可以是平行；(ⅴ)在腹板部分每一端的两个翼缘由一个范围为30°至180°的角度分开。
此处所用术语“连续铸造态的”是想表示在没有任何热加工操作情况下连续铸造后因冷却所产生的结构。这是一种在连续浇铸操作后立刻冷却和固化的连续铸造的工字梁异形坯结构。
本发明的工字梁异形坯由于腹板部分和所有翼缘先驱物部分在铸模中较快和较均匀的固化而为成品梁提供了理想的冶金性能。在以标准的商业连续浇铸速度浇铸时，腹板部分和翼缘先驱物部分受到控制的最大厚度使较均匀的热传递能够以基本上同样的速率从坯件的各个部分出现，这可在整个金属件上产生出均匀的比现有技术的工字梁异形坯更细的晶粒。快速固化可防止出现不希望有的晶粒长大，而整个梁的构形和尺寸也有助于防止在进一步的加工过程中晶粒长大，这可避免降低屈服强度和拉伸强度，并能够保持韧性。所需要的显微组织在热轧规范中要比使用现有技术的坯件时早出现，通常是在约3∶1的压缩量时即完成了。(已知的现有技术的坯件要达到同样的台金性能需要不小于约6∶1的压缩量)。
本发明还提供了一种连续铸造态的工字梁异形坯，它包括一个腹板部分和多个从所述腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物部分，所述腹板部分具有不大于约3英寸的平均厚度，所述翼缘先驱物部分的每一个也具有不大于约3英寸的平均厚度，其中工字梁异形坯是通过将单股熔融金属流在工字梁异形坯铸模中形成所述坯件腹板的铸模部分内接近所述腹板的所述端之一的位置敞开地浇注进所述铸模中而连续地浇铸成的。翼缘先驱物部分的平均厚度与所述腹板部分平均厚度之比值可以介于约0.5∶1至约2∶1之间。
本发明还进一步提供了一种连续铸造态的工字梁异形坯，它包括一个腹板部分和多个从所述腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物部分，所述腹板部分具有不大于约3英寸的平均厚度。所述翼缘先驱物部分的每一个也具有不大于约3英寸的平均厚度，其中工字梁异形坯是由两股独立而同时浇注的熔融金属流连续铸造而成的，每股所述金属流在工字梁异形坯铸模中形成所述坯件腹板的铸模部分内接近所述腹板部分的所述端之一的位置敞开地浇注进所述铸模中。同样，翼缘先驱物部分的平均厚度与所述腹板部分的平均厚度之比值可以介于约0.5∶1至约2∶1之间。
本发明还为本发明的连续铸造态的工字梁异形坯的生产厂家提供了某些经改进的方法。首先，在一种连续地浇铸工字梁异形坯的方法中，该坯件包括有一个腹板部分和多个从腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物部分，其改进之处是通过将一股熔融金属流在工字梁异形坯的铸模中形成该坯件腹板的铸模部分内接近腹板所述端之一的位置敞开地浇注进该铸模中而浇铸出该工字梁异形坯，该腹板部分具有不大于3英寸的平均厚度。
其次，在一种连续地浇铸工字梁异形坯的方法中，该坯件包括一个腹板部分和多个从腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物部分，其改进之处是用两股独立而同时浇注的熔融金属流来铸造该工字梁异形坯，每股金属流在工字梁异形坯的铸模中形成该坯件腹板的铸模部分内接近所述腹板部分的所述端之一的位置敞开地浇注进该铸模中，腹板部分具有不大于3英寸的平均厚度。
本发明的连续铸造态的工字梁异形坯的腹板部分和翼缘的晶粒结构是细的铁素体+基本上没有针状铁素体的珠光体+晶界上的铁素体膜。这种“细的铁素体+基本上没有针状铁素体的珠光体+晶界上的铁素体膜的晶粒结构”是用来给本发明的铸态结构下定义的。附图2的金相照片表示出本发明的铸态结构的特征。此结构为先有技术的大型钢坯或方坯铸件经快速冷却的外表部分所特有的，该部分与由图3和4中所示出的在已知工字梁异形坯内部产生的晶粒结构是不同的。这些图示出了一种具有很大粒度的针状铁素体的常规连续铸态的显微结构，而且先共析铁素体的晶界勾画出先前的奥氏体晶粒。
术语“基本上没有”是想表示在本发明的连续铸造态的工字梁异坯中可以存在不影响其性能的少量针状铁素体和珠光体。
当使用方坯作为工字梁异形坯的起始成形件时，要经过热轧轧机的次数必须高达72道次才能使结构构件产生理想的冶金性能、成品尺寸及构形。如果“犬骨”型连续铸造工字梁异形坯用作起始成型件，则必须经过高达32道次的轧制。通常经过热轧轧机15道次的轧制后就可获得理想的冶金性能，而余下的道次必须用来将坯件轧制到成品尺寸和构形。不过，“犬骨”坯件在轧制时对不易延伸很敏感，所以该技术一直困扰着这种梁的制造，其延伸不好会导致翼缘撕裂和/或腹板延展过度或屈曲。轧制“犬骨”状坯件的理想道次也需要同样庞大的基建投资和昂贵的能量成本，这是先有技术的坯料及其生产所特有的。
不过，本发明的工字梁异形坯能够以最少的道次制成需要的成品梁；通常经过少于15道次的热轧-这是获得理想的冶金性能必须有的最少量的加工-就可获得最终的成品形状，这和约3∶1的压缩量是一致的。同样，本发明的工字梁异形坯的构形由于比现有技术的坯件更接近所需要的成品梁的形状，因而可以在轧制过程中最大程度地减小金属上的应力和应变，这又会减小不均匀翼缘/腹板的延伸性、翼缘的撕裂和腹板的屈曲。
为获得理想的成品形状和冶金性能将必须的轧制道次减小到最低限度将会大大地减少实施本发明工艺，即生产成品梁必需的基建投资。还导致能量的大量节省，而且，由于道次减少了，操作工序也显著地减少了，这又会增加本发明坯件进一步加工到最终产物的潜在输入量/生产量，而无需增加连续铸造生产线或设备的数量。
虽然本发明用于敞口式浇铸技术是最佳的，而且最好还同时使用菜子油或等效油料润滑剂/阻挡层以控制氧化(以此条件进行浇铸)，但是也应该考虑到，作为一种选择方案，还可以使浸入式浇铸技术，如果愿意的话，还可使用铸造粉末，但这些技术都不是必需的。
因此，本发明克服了现有技术连续铸造态的工字梁异形坯及其制造方法的上述不足和缺陷。
图1是本发明连续铸造态的工字梁异形坯横截面示意图；图2是本发明连续铸造态的工字梁异形坯的晶粒结构的金相照片，该种晶粒结构是细的铁素体和基本上设有针状铁素体的珠光体和晶界上的铁素体膜。
图3是常规连续铸造态的钢坯的金相照片；图4是常规连续铸造态的方坯的金相照片；图5是在各种温度下，常规的工字梁异形坯与本发明的一个工字梁异坯的摆锤式冲击值的比较条形图；图6是常规的工字梁异形坯异形坯与本发明的工字梁异形坯的拉伸性能的比较条形图。
参见附图中的图1，该图示意地示出了一个构成本发明一个实施例的连续铸造态的工字梁异形坯，它用标号10表示。工字梁异形坯10有一个腹板部分12和从腹板部分的相反的两端伸出的对置翼缘14、16和18、20。从工字梁异形坯的腹板部分12的相反的两端中的每一端伸出的翼缘都可以由一个由它们各自的纵向中心线所夹的介于约30°至约180°的角度分开。腹板厚度、翼缘先驱物厚度、腹板厚度与翼缘先驱物厚度的比值，以及翼缘先驱物的分离夹角都必须保持不变以确保在对工字梁异坯进行连续铸造的过程中足够快的冷却，从而在这些翼缘的整个横截面面积上获得细的铁素体和基本上没有针状铁素体的珠光体和晶界上的铁素体膜的晶粒结构。另外，翼缘先驱物部分的内侧或内表面将比工字梁异形坯的其余部分冷却慢，从而导致大量出现上面所述并在图3和4中示出的晶粒结构。
如图1所示，腹板部分的厚度A可以与翼缘14、16、18和20的厚度B和C一样，在此实施例中，这些翼缘的厚度B和C基本上与其大体上是平行的侧边B1、B2和C1、C2相等。对于图1中示出的工字梁异形坯的铸态尺寸和构形，在连续铸造期间熔化的金属可以获得足够快和均匀的冷却以确保在工字梁异形坯的整个模截面上产生理想的晶粒结构，即细的铁素体和基本上没有针状铁素体的珠光体和晶界上的铁素膜的晶粒结构。
众所周知，在工字梁异形坯的连续铸造中，采用了其内部构形与所需要的成品工字梁异形坯横截面一致的无逆流水冷式铜质连续浇铸铸模。由于在冷却过程中熔融合金的收缩，常规的作法是使连续浇注铸模制备有向浇铸方向逐渐的壁，因而得以补偿在熔融合金通过铸模的过程中渐渐冷却和固化的效应。铸模的出口端与从铸模中冒出的成品工字梁异坯所需要的横截面尺寸和构形一致。
一旦本发明的连续铸造态的工字梁异形坯最终冷却和固化后(见图1)，其晶粒结构将如构成图2金相照片中所示的典型结构。从图2的金相照片中可以看出，该显微结构是细的铁素体和基本上没有针状铁素体的珠光体和晶界上的铁索体膜。实例作为证实本发明的一些特定实例，下面本发明的实验性连续铸造态的工字梁异形坯是用表Ⅰ所列钢成分制成的。
表Ⅰ熔炼炉号#c Mn P S Si Cu Ni Cr Mo Sn Fe试验型号18-4499.14.85.009.031.24.27.11.13.033 011余量试验型号28-4731.16.79.010.033.25.25.09.08.022 010余量表Ⅰ中所列成分的试验型号1共生产了56个工字梁异形坯试件、试验型号2共生产了72个工字梁异形坯试件，所有这些试件都具有图1所示的近似形状。在试验型号1中，工字梁异形坯的连续铸造态的翼缘厚度是2.5英寸，腹板厚度是2英寸。试件大约3.7英寸宽。在试验型号2中，工字梁异形坯的连续铸造态的翼缘厚度是3-1/2英寸(平均值)，腹板厚度是4英寸。这些试件在烧天燃气的炉中加热到约2300°F以便进行热轧，试件的热轧加工温度的范围从轧制到1.7至2.5压缩率的试件适用的1960°F至具有更高压缩率，例如8.5的试件适用的小于1400°F的温度值。对热轧过的试件所做的质量检查显示其具有良好的整个试件外表而没有出现边缘裂纹或撕裂。试件的宽度在轧制后约为4英寸，其增加的长度与厚度缩小量成正比。
试验型号1的试件的摆锤式冲击值(图5)和拉伸试验值(图6)是分别根据ASTM-A673和ASTM-A370标准测定的。用来与由试验型号2的成分制成的常规成品的冲击数据和拉抻试验数据作比较。比较结果由图5和图6中的条形图示出。从这些数据中可以看出，本发明的试件呈现的机械性能要优于或等于常规成品的性能。本发明的试件获得这些性能，其热轧过程中的压缩率只有大约2比1的数值，而现有技术的试件则需要约6比1的压缩率。由上面讨论可知，本发明通过降低所需的压缩率来获得理想的机械性能的做法，可以在加工工序和轧制设备的要求方面都获得好的经济性。
虽然已经导出了本发明的一些特定实施例和本发明人为实施该发明设想出的最好方法，但是当然应该理解到，本发明并非局限于这些，因为熟悉本技术的人员可以对其做出许多变更，尤其是在看了前面的介绍后更是如此。因此，可以认为权利要求书覆盖结合有构成在本发明的本质精神和范围内所作改进的实质特征的任何这种变更型。
权利要求
1．一种连续铸造态的工字梁异形坯制成的梁，所述工字梁异形坯包括一个腹板部分和多个从所述腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物部分，所述腹板具有不大于约3英寸的平均厚度，所述翼缘先驱物部分的每一个具有不大于约3英寸的平均厚度。
2．如权利要求1所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于翼缘先驱物部分的所述平均厚度与所述腹板的所述平均厚度的比值在约0.5∶1至约2∶1之间。
3．如权利要求1所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多个翼缘先驱物部分的每一个都有约1-1/2至约3英寸范围的平均厚度。
4．如权利要求2所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多个翼缘先驱物部分的每一个都有约1-1/2至约3英寸范围的平均厚度。
5．如权利要求1、2、3或4所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度大于所述多个翼缘先驱物部分的每一个的平均厚度。
6．如权利要求1、2、3或4所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度小于所述多个翼缘先驱物部分的每一个的平均厚度。
7．如权利要求1、2、3或4所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多个翼缘先驱物部分的每一个具有基本上相等的平均厚度。
8．如权利要求1、2、3或4所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分。
9．如权利要求1、2、3或4所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述翼缘先驱物部分的每一个具有基本上平行的侧边。
10．如权利要求5所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述翼缘先驱物部分的每一个具有基本上平行的侧边。
11．如权利要求6所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述翼缘先驱物部分的每一个具有基本上平行的侧边。
12．如权利要求7所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述翼缘先驱物部分的每一个具有基本上平行的侧边。
13．如权利要求8所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述翼缘先驱物部分的每一个具有基本上平行的侧边。
14．如权利要求9所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开。
15．如权利要求10所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开。
16．如权利要求11所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开。
17．如权利要求12所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开。
18．如权利要求13所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开。
19．一种连续铸造的工字梁异形坯制成的梁，所述工字梁异形坯包括一个腹板部分和从所述腹板部分相反的两端伸出的多个对置的翼缘先驱物部分，所述腹板部分具有不大于约3英寸的平均厚度，所述翼缘先驱物部分的每一个具有不大于约3英寸的平均厚度，其中所述工字梁异形坯是通过将单股熔融金属流在工字梁异形坯的铸模中形成所述坯件腹板的所述铸模的部分内部接近所述腹板的所述端之一的位置敞开地浇注进所述铸模中而连续地浇铸出的。
20．如权利要求19所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述翼缘先驱物部分平均厚度与所述腹板部分平均厚度的比值介于约0.5∶1至2∶1之间。
21．如权利要求19或20所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多个翼缘先驱物部分的每一个都具有在约1-1/2至约3英寸范围内的平均厚度。
22．如权利要求19或20所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述多个翼缘先驱物部分的每一个都具有基本上相等的平均厚度。
23．如权利要求19或20所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度大于所述多个翼缘先驱物部分的每一个的平均厚度。
24．如权利要求19或20所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度小于所述多个翼缘先驱物部分的每一个的平均厚度。
25．如权利要求21所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开，所述翼缘先驱物部分的每一个都还具有基本上平行的侧边。
26．如权利要求22所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开，所述翼缘先驱物部分的每一个都还具有基本上平行的侧边。
27．如权利要求23所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开，所述翼缘先驱物部分的每一个都还具有基本上平行的侧边。
28．如权利要求24所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出两个翼缘先驱物部分，从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开，所述翼缘先驱物部分的每一个都还具有基本上平行的侧边。
29．如权利要求19或20所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于从所述腹板部分的每一端伸出的所述两个翼缘先驱物部分由一个在约30°至约180°范围内的角度分开，所述翼缘先驱物部分的每一个都还具有基本上平行的侧边。
30．一种连续铸造态的工字梁异形坯制成的梁，所述工字梁异形坯包括一个腹板部分和多个从所述腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物部分，所述腹板部分具有不大于约3英寸的平均厚度，所述翼缘先驱物部分的每一个具有不大于约3英寸的平均厚度，其中所述工字梁异形坯是由两股独立而同时浇注的熔融金属流连续铸造而成的，每股所述金属流在工字梁异形坯的铸模中形成所述坯件腹板的铸模部分内接近所述腹板的所述端之一的位置敞开地浇注进所述铸模中。
31．如权利要求30所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述翼缘先驱物部分的平均厚度与所述腹板部分平均厚度的比值介于约0.5∶1至约2∶1之间。
32．如权利要求30或31所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多个翼缘先驱物部分的每一个都有约1-1/2至约3英寸范围的平均厚度。
33．如权利要求30或31所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述多个翼缘先驱物部分的每一个都具有基本上相等的平均厚度。
34．如权利要求30或31所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度大于所述多个翼缘先驱物部分的每一个的平均厚度。
35．如权利要求30或31所述的工字梁异形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度小于所述多个翼缘先驱物部分的每一个的平均厚度。
全文摘要
一种连续铸造态的工字梁异形坯制成的梁,所述工字梁异形坯包括一腹板部分和多个从腹板部分相反的两端伸出的对置翼缘先驱物部分,两者都有不大于约3英寸的平均厚度;两者平均厚度的比值最好在约0.5∶1至约2∶1之间;一种由上述坯件制成的梁;和一种用于浇铸连续铸造的该坯件的方法,它是通过将单股的或双股独立的同时浇铸的熔融金属流在该坯件铸模中形成坯件腹板的部分内接近腹板部分两端之一的位置敞开地浇铸进该铸模中;最后所得到的该坯件具有如下一种晶粒结构:细的铁素体+基本上没有针状铁素体的珠光体+晶界上的铁素体膜。
文档编号B22D11/12GK1231222SQ9910404
公开日1999年10月13日 申请日期1999年3月18日 优先权日1990年4月20日
发明者戈登·E·福沃德, 利博·F·罗斯蒂克, 莱德·M·施梅尔素 申请人:查帕拉尔钢铁公司