CN100355518C - 用于金属连续或半连续铸造的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于金属连续或半连续铸造尤其是铝直冷(DC)铸造的方法和设备，该设备包括至少一个具有一型腔(11)的铸型(3)，该铸型设有与金属存储器连接的入口(4)和具有用于冷却金属的装置(27)的出口，从而通过该出口铸造出细长线材、棒材(25)或条材形式的物体。金属按照这样一种方式并且通过这样一种调节提供给铸型(3)，从而在抵靠铸型壁的接触位置(凝固区)中的金属静压力在铸造期间实际上为零。
Description
技术领域
本发明涉及用于金属连续或半连续铸造尤其是直冷(DC)铝铸造的方法和设备，它包括具有型腔或激冷铸型的模具，该模具设有与金属存储器连接的入口和具有用于冷却金属的装置的出口，从而通过出口铸造出以细长线材、棒材或条材形式的物体。
背景技术
上面类型的设备广泛公知用于铸造合金或非合金金属，其要在生产线下游进一步加工，例如用于再熔融或挤出成型的目的。
这种现有技术铸造设备的主要难题在于难以在产品铸件上实现无偏析光滑表面。这对于其中表面在加工之前没有清除的产品而言尤为重要。
假设表面偏析由以下两个主要现象引起：
1.反偏析：在金属与激冷铸型接触时，凝固将以薄层形式开始。该凝固通常将从激冷铸型朝着条材中央进行。在金属从液相转变成固相时，体积将在外侧处减小，并且这必须用来自该棒材更里面的区域的合金熔体取代。这产生出所谓的反向凝固，因为偏析朝着凝固前方进行。这种偏析通常在棒材的表面下产生出薄合金区域，其合金元素比标称合金含量高10-20％。
2.流痕(blooms)：在棒材外侧上的凝固外壳没有与激冷铸型壁物理接触时，可以通过凝固或局部凝固外壳将合金金属压出(重新熔融)。该凝固在初始表面外侧产生出薄高合金区域以及在初始表面下方的相应贫化区。
假设反偏析受到以下因素影响：
1.从棒材到激冷铸型壁的热传递。
2.在激冷铸型和条材之间的接触区的长度。
3.晶粒细化和凝固形态。
4.在条材表面附近的流量及其对热场的影响。
5.合金的特定性能(例如，导热性和凝固路径)。
而且，假设钢坯受到以下因素影响：
1.从棒材到激冷铸型壁的热传递。
2.在激冷铸型中的接触区和水击打点之间的距离。
3.凝固形态和晶粒细化。
4.外壳的固定的和周期性的变形(海绵效应)。
5.在凝固/半凝固外壳上的压力差。
6.在条材表面附近的流量及其对热场的影响。
7.合金的特定性能(例如，导热性和凝固过程)。
为了降低偏析，假设下面的因素是重要的：
1.降低在激冷铸型和棒材之间的热传递。这也包括降低在激冷铸型壁和棒材之间的摩擦。
2.优化在接触区起始部分和水击打点之间的距离(必须根据铸造参数和在激冷铸型和棒材之间的热传递来调节)。
3.降低在激冷铸型上方或其中的金属静压力。
4.降低在金属液面中的波动(在表面形貌方面产生出更少的偏析和更少的变化)。
5.避免由于在铸型内部的气穴中的气压和体积变化而导致在接触区中的周期性波动。这产生出在金属条材或棒材表面上看得到的特征轮圈。
能够导致没有表面偏析的条材的日常使用的唯一方法是电磁铸造，但是该方法需要高投资和大型的控制系统。在电磁铸造情况下，消除了在外壳上的压力差，即流痕消失。同时，在金属和铸型壁之间没有任何接触，并且也没有形成任何反偏析区。采用传统的铸造技术，可以通过降低激冷铸型与金属的接触效果来降低流痕和反偏析。
采用如下的所谓热顶铸造设备，其具有用于位于金属凝固区中的气体和油的供应装置并且其中在热顶炉下面形成气垫，从而与激冷铸型的接触区和向激冷铸型的热交换随着从水击打点到与激冷铸型壁的接触区的距离减小而减小。这样将实现较小的反偏析区。但是，在该铸造方法中，采用了相对较高的金属静力学压力，从而仍然存在一些流痕。另外，该方法由于气体供应而产生出波动，同时激冷铸型壁周期性降低，这产生出环形偏析过程还有在棒材上的环形形貌。
采用喷嘴/针或喷嘴/浮球，也可以降低在凝固外壳以及位于激冷铸型和条材之间的接触区上面的压力差，从而表面偏析降低。但是，由于模具的单独调节和其中金属流会突然停止(堵塞喷嘴)的安全方面的原因，该方法难以最佳使用。在表面偏析的最佳铸造条件下，水将渗透进液态铝中并且产生出爆炸的危险。因此，大部分喷嘴/针工艺在铸型中的金属液面比对于减小表面偏析而言最优的金属液面更高的情况下进行，即偏析的原动力增大。
美国专利6070647涉及一种将金属熔融物，尤其是钢，通过漏斗或中间容器浇注到立式模具中的方法和设备，所述漏斗或中间容器设有一个浸没式喷嘴来产生环形钢股，此处模具向上朝着周围环境开放。根据该文件的技术方案使用虹吸原理将钢溶液转送到模具中，但是由于模具与大气开放，不可能控制模具中金属之上的反压力来平衡模具中的金属静压力，在使用惰性气体覆盖模具中金属时，这是尤为重要的。
发明内容
本发明提出了一种用于金属连续或半连续铸造方法，它包括一个模具，该模具具有至少一个具有一型腔的铸型或激冷铸型，型腔设有与金属存储器连接的入口和具有用于冷却金属的装置的出口，从而通过该出口铸造出细长线材、挤压锭或拉丝锭形式的物体，其特征在于，借助金属供应系统，将金属从金属存储器供给到铸型，该金属供应系统与环境密封由此通过反压力相对激冷铸型中的金属静压力调节金属液面上的气压，从而在抵靠铸型的接触点，也就是，凝固区中的金属静压力在铸造期间实际上为零。
本发明还提出一种用于金属连续或半连续铸造的设备，它包括一个模具，该模具具有至少一个具有一型腔的铸型或激冷铸型，型腔设有与金属存储器连接的入口和具有用来冷却金属的装置的出口，从而通过该出口铸造出细长线材、挤压锭或棒形式的物体，其特征在于，一个金属供应系统与环境密封隔开，设置在金属存储器和铸型的入口之间，反压力装置用于相对铸型中的金属静压力调节铸型中金属液面上的气压，从而在抵靠铸型的接触点，也就是凝固区中的金属静压力在铸造期间实际上为零。
附图的简要说明
下面将通过实施例并且参照以下附图对本发明进行更详细的说明，其中：
图1显示出根据本发明的简单铸造设备的部分从侧面和前面看的透视图，其中设计用来从上方关闭该设备的罩子保持打开，从而可以部分看到热绝缘金属供应管道。
图2显示出在图1中所示的设备的正视图，其中在铸造操作开始期间将液态金属提供给该设备。
图3显示出与图2相同的设备，但是在铸造操作后阶段期间。
图4显示出用来铸造铝拉丝锭的可选铸造设备的正视图。
图5a)和c)分别显示出传统热顶铸造设备和根据本发明设备铸造的棒材的图片，并且图5b)和d)分别显示出在图5a)和b)中所示的棒材的金属试样的滑移图像。
优选实施方案的详细说明
如上所述，图1显示出根据本发明用于铸造挤压锭的简化铸造设备1的实施例的透视图。简单地说，它只包括12个具有金属入口4的铸型3(也参见图2和3)。这种设备可以具体根据其直径包括更多例如几百个激冷铸型，并且能够每小时铸造几十吨金属。
大致的说，除了在图1中未示出的激冷铸型之外，该设备包括一框架结构2，它具有用于从金属存储器(保温炉等)供应金属的热绝缘水口(gully)系统6和用于将金属分配到相应的激冷铸型中的相应绝缘分配腔室(金属支管)5。在分配腔室5上面，该设备设有一可拆卸盖子或罩子7，设计用来从周围部分密封该分配腔室。布置成与尤其用来在铸造期间进行观察的罩子7连接的短管8(pipe stub)与每个激冷铸型3的入口4连接，并且在铸造期间关闭，同时埋入在其它短管中并且在设备的罩子7上方具有关闭装置的通风管道9(也参图2-3)与在铸型3中的型腔11连接。在设备的端部处，具有一控制面板19，它不会形成本发明的一部分并且在这里将不进行进一步说明。
如在图2和3中更详细地显示出的一样，所示的铸造设备涉及一种垂直半连续方案，其中活动支撑件13用于每个激冷铸型3以使激冷铸型在每个每次铸造开始时在底部处保持关闭。激冷铸型自身为热顶型，其中热绝缘凸缘或凸出部14通过入口直接用于型腔。而且，油和气通过在型腔11的壁中的一个可渗透环或多个可渗透环15提供。如上所述，通风管道9设置用于每个激冷铸型。这在每次铸造开始时由关闭装置10或插塞16关闭(参见下面的相关部分)。
另外，设有一连接短管27，设计用来与真空容器(负压容器或抽气系统)连接，从而在铸造期间将负压施加在分配腔室5上(参见下面的相关部分)。
金属通过水口6到达，并且借助阀门装置19(未详细显示出)在稍低的水平处提供给中间容器17。中间容器17在顶部处(在22处)打开，但是管道20设计用来使金属通入到位于更高水平处的分配腔室5中然后进入到激冷铸型中。在该解决方案中，在中间容器17设在较低高度处并且金属从该高度处通过分配腔室5通入(抽入)到位于比容器17高度更高的位置处的型腔中的情况下，采用虹吸原理来将金属输送给激冷铸型。因此也可以通过调节在中间容器17中的液面来调节在型腔11中的金属液面26，并且因此也调节在激冷铸型壁上的接触点(凝固区)。因此，通过调节在容器1 7中的液面，从而也可以调节在型腔中的液面26，同时抵靠在激冷铸型(型腔)中的接触点15上的金属静力学压力实际上为0。这是本发明的核心，并且将在下面作进一步说明。
对于该设备的剩余部分而言，排水短管21设置成与中间容器17连接。通过排水短管，可以从分配腔室5和中间容器17将剩余金属排出(去除)。
参照图2和3，下面将对根据本发明设备的操作方法作进一步说明。图2显示出铸造操作的起始点。金属从存储器(未示出)借助水口6通过打开的阀门装置18提供给中间容器17、分配腔室5和激冷铸型3(由于实际原因，在这些附图中只显示出两个激冷铸型)。配上盖子7，并且使连接短管27与抽气系统连接，从而抽出所有气体。将水口7、中间容器17和分配腔室5包括铸型3填充至相同的高度(用暗灰色显示出该金属)。从型腔11延伸出的通风管9由关闭装置10和/和插塞16关闭。图2显示出这样一种情况，其中铸造操作还没有开始并且支撑件13保持紧紧压靠在激冷铸型的出口上。阀门装置18在这时打开，但是将逐渐地关闭。在已经将液态金属提供给中间容器17、激冷铸型和分配腔室5并且已经进入平衡之后，铸造操作开始。在容器17中的金属液面现在将下落，同时在分配腔室5中的金属液面将通过借助连接短管27进行抽气而形成的负压(与环境相关)保持。如图3所示一样，现在通过铸造形成挤压锭25。用于通风管9的关闭装置10和/或插塞16保持关闭并且防止向大气的通风直到在激冷铸型11中的金属静力学压力等于大气压。然后去除插塞16，并且在位于容器17中的金属液面23和位于激冷铸型中的金属液面26之间存在均衡，结果在从金属水口6将金属提供给中间容器17时金属将流进激冷铸型3。
图3显示出理想(平衡)的铸造情况，其中已经拆除了插塞16并且阀门10打开。在位于铸型3中的金属液面26和位于中间容器17中的金属液面23之间存在均衡。在该情况中，金属静力学压力在金属压在激冷铸型上的接触点上实际上为零。根据本发明的方法如上所述由此被精确地表示，即金属按照这样一种方式并且通过这种调节提供给激冷铸型，从而在激冷铸型上的接触点中的金属静力学压力在铸造期间实际上为零。这是通过在这些附图中所示并且在上面所述的设备来实现的。
在图4中显示出基于相同原理的本发明的可选实施方案。本发明在这里适用于铸造拉丝锭。所要铸造的产品(拉丝锭)的尺寸与上述的铸造挤压锭相比大的多，其中同时铸造大量棒材。该设备这里包括相同的主要部件，用于从存储器提供液态金属的供应水口6、保温炉等(没有详细显示出)、阀门装置18、中间金属容器17和自身具有用于铸造拉丝锭的拉丝锭激冷铸型28的铸造设备30。代替在前面实施例中如图1-3所示的超结构金属分配器腔室或支管，采用单个传送管道31来传送金属。该管道包括具有用于与真空容器或抽气系统(没有更详细显示出)连接的连接短管33的封闭水口32和向下延伸到在容器17中的金属熔体中的入口管道34以及向下延伸到在激冷铸型28中的型腔中的出口管道35。在每次铸造开始时，出口管道或者更精确地说其端部与在激冷铸型28中的浇注靴(铸造支撑件)29接触并且密封。在通过连接件33使水口32与抽气系统连接时，金属将通过入口管道34吸入并且通过水口32吸入到出口管道35，从而如图4所示它部分填充了传送管道31。因此，可以通过向下运动的浇注靴(castingshoe)29开始铸造操作，并且金属将通过传送管道31从容器17传送给激冷铸型28，因此这用作虹吸管。铸造操作的其余部分如在前面实施例中所述一样进行。在该情况中，在激冷铸型28和容器17在顶部处打开时反压力也由大气提供。
但是，应该指出的是，本发明如在权利要求中所限定的一样不限于上面所示和所述的解决方案。因此，本发明的构思不仅适用于半连铸设备，而且还适用于连续以及水平和垂直连铸设备。而且，可以按照其它方式例如通过用与在型腔中的金属静力学压力相等的压力加压铸造容器来实现在激冷铸型上的接触点中实际上为零的压力差(反压力解决方案)。
如在权利要求中所限定的该解决方案也不限于所谓的热顶或激冷铸型，而是可以用在更传统的直冷铸造设备中。而且，设备也可以布置成与激冷铸型的入口连接以搅拌金属以便进一步减少偏析或流痕等任何问题。而且，为了消除可能形成氧化物的问题，可以采用惰性气体例如氩气。
进行几种测试，其中采用根据本发明的设备铸造出各种铝合金挤压锭。通过测试将这些进行比较，其中采用现有的热顶式铸造设备铸造出相同的合金。图5a)和b)显示出用现有热顶式设备铸造出的AA6082合金挤压锭的表面和微观滑移的图像，而图5c)和d)显示出用根据本发明的设备铸造出的挤压锭的图像。如图5c)所示，本发明铸造出的拉杆其表面更精细并且更平滑。而且，图5d)清楚地显示出本发明铸造出的拉杆的微观结构与显示出偏析的表面相比具有更少的黑孔隙。
Claims (8)
1.一种金属连续或半连续铸造方法，它包括一个模具(1)，该模具具有至少一个具有一型腔(11)的铸型或激冷铸型(3)，型腔设有与金属存储器连接的入口(4)和具有用于冷却金属的装置的出口，从而通过该出口铸造出细长线材、挤压锭(25)或拉丝锭形式的物体，其特征在于，
借助金属供应系统(5，31)，将金属从金属存储器供给到铸型(3)，该金属供应系统与环境密封由此通过反压力相对激冷铸型(3)中的金属静压力调节金属液面(26)上的气压，从而在抵靠铸型的接触点，也就是，凝固区中的金属静压力在铸造期间实际上为零。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连续或半连续铸造方法是铝直冷铸造方法。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属被供给到分配腔室(5)或管道(31)，所述分配腔室(5)或管道(31)通过连接短管(33)与真空容器相连通，所述管道(31)进一步与布置在下面高度处的中间金属容器(17)连接并且由它提供金属，由此金属借助阀门装置(18)提供给容器(17)，并且通过该阀门装置调节以通过管道(31)实现虹吸作用，由此在容器(17)中的金属液面(23)与在铸型(3)中的型腔(11)中的金属液面(26)实际上相同或者稍高，由此使在铸造期间在激冷铸型中的反压力等于大气压。
4.用于金属连续或半连续铸造的设备，它包括一个模具(1)，该模具具有至少一个具有一型腔(11)的铸型或激冷铸型(3)，型腔设有与金属存储器连接的入口(4)和具有用来冷却金属的装置的出口，从而通过该出口铸造出细长线材、挤压锭(25)或棒形式的物体，其特征在于，
一个金属供应系统(5，31)与环境密封隔开，设置在金属存储器和铸型(3)的入口(4)之间，反压力装置用于相对铸型中的金属静压力调节铸型中金属液面(26)上的气压，从而在抵靠铸型的接触点，也就是凝固区中的金属静压力在铸造期间实际上为零。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述金属连续或半连续铸造是铝直冷铸造。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，
所述金属供应系统为分配腔室(5)或管道(31)的形式，所述分配腔室(5)或管道(31)通过连接短管(33)与真空容器相连通，所述管道(31)进一步与布置在下面高度处的中间金属容器(17)连接并且由它提供金属，由此金属借助阀门装置(18)提供给容器(17)，并且通过该阀门装置调节以借助管道(31)实现虹吸作用，由此在容器中的金属液面(23)与在铸型(3)中的型腔(11)中的金属液面(26)实际上相同或者稍高，由此使在铸造期间在铸型中的反压力等于大气压。
7.如权利要求4-6任一所述的设备，其特征在于，所述激冷铸型为热顶式，并且包括用于给金属凝固区提供气和/或油的可渗透环或壁元件(15)。
8.如权利要求4-6任一所述的设备，其特征在于，反压力系统包括一压力罐或压力容器，其中压力高于周围大气压。
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