CN101080291A - 使用玻璃涂层的反应金属的连续铸造 - Google Patents

Abstract

一种用于连续铸造炉(12)的密封件(10)，该铸造炉(12)包括带有模具(20)的熔化室(16)，其用于生产金属铸件，所述密封件包括介于熔化室和外部大气(44)之间的通道(48)。当铸件移动通过通道时，铸件的外表面和通道的内表面之间限定用于容纳液体玻璃或其它熔融材料的储存部(62)，用以防止外部大气进入到熔化室中。被供送到储存部中的粒状材料在来自于铸件热量的作用下熔化以形成熔融材料。当铸件移动穿过通道时所述熔融材料涂覆在铸件上并凝固，从而形成涂层以保护热的铸件使之不与外部大气发生反应。

Description

使用玻璃涂层的反应金属的连续铸造

技术领域

本发明总体上涉及金属的连续铸造。更确切地说，本发明涉及在熔化或高温时保护反应金属(reactionary metal)使其不与大气产生反应。特别地，本发明涉及利用熔融材料如液体玻璃来形成屏障以阻止大气进入到连铸炉的熔化室，以及为由该金属形成的金属铸件涂层以保护金属铸件使其不与大气反应。

背景技术

在炉床熔炼技术中，电子束冷炉床精炼(EBCHR)和等离子弧冷炉床精炼(PACHR)最初研发出来是用以改进用作喷气式发动机旋转部件的钛合金的品质。在这一领域中，质量的改进主要涉及除去有害的颗粒，如高密度夹杂物(HDI)和硬质α粒子。近来，EBCHR和PACHR的应用更加集中在考虑降低成本上。实现成本降低的一些方式有：提高各种形式的输入材料的灵活使用，创建一步熔融工艺(例如，传统的钛合金熔化需要两步或三步熔融步骤)以及促进高产量。

钛和其它金属非常易于发生化学反应，因此必须在真空或惰性气氛中进行熔化。在电子束冷炉床精炼(EBCHR)技术中，炉内和铸腔中始终保持高真空状态，以允许能够操作电子束枪。在等离子弧冷炉床精炼(PACHR)工艺中，等离子弧喷枪利用惰性气体如氦或氩(通常为氦)来产生等离子体，因此炉内的大气主要由利用等离子喷枪产生的一部分气体或正压气体构成。在任何一种情况下，可以与熔融钛产生反应的氧或氮对炉腔的污染都可能导致钛铸件出现硬质阿尔法缺陷。

为了能够在尽可能少的中断铸造工艺以及不使熔化室受到氧、氮或其它气体污染的情况下从炉内取出铸件，目前的炉子都采用了取出腔(withdrawal chamber)。在铸造过程中，拉长的铸件通过隔离闸门阀移出模具的底部，进入到取出腔中。当铸件长度达到所要求的长度或最大长度时，则通过闸门阀从模具中完全取出铸件并进入到取出腔中。接着，闸门阀闭合将取出腔与炉子的熔化室隔离，取出腔从炉子之下移动，将铸件取出。

尽管有上述功能，但这种炉子还具有一些局限性。首先，铸件的最大长度受到取出腔长度的限制。此外，在从炉内取出铸件的过程中，必须使铸造停止。因此，这种炉子允许连续熔炼操作，但却不允许连铸。而且，在对铸件冷却时，铸件的顶部通常会形成缩孔(缩管)。对铸件顶部即“热炉顶”进行控制冷却能够减少缩孔，但热炉顶是一项费时的工艺，这就降低了生产率。出现缩孔或缩管的铸件顶部是无法使用的材料，这就导致了产量损耗。此外，由于铸件底部连结到回缩冲头(withdrawal ram)上的燕尾，这也会导致产量损耗。

本发明利用一种密封装置消除或基本减少了这些问题，该密封装置可实现钛、超耐热合金、难熔金属和其它反应金属的连铸，因此，能够将铸锭、棒材、板坯或类似形式的铸件从连铸炉的内部移到外部，而不把空气或其它外界大气引入到炉腔中。

发明内容

本发明提供了一种用于带有内腔壁的连铸炉的密封件，所述密封件包括加热的金属铸件；与内腔和内腔外部的大气连通的通道；所述加热的金属铸件可从内腔穿过通道移动到外部大气中；以及熔融材料的屏障，当金属铸件移动通过通道时，所述熔融材料的屏障用来防止外部大气进入到内腔中。

本发明还提供了一种与连续铸造炉一起使用的设备，该设备包括：用于熔化材料以形成熔融材料的装置；用于将加热的金属铸件从铸造炉内移到铸造炉外部的大气中的装置；所述的大气会与加热的金属铸件发生反应；以及在金属铸件从铸造炉移动到外部反应大气中时，用于将熔融材料施加到加热的金属铸件上以便在金属铸件上形成保护屏障的装置。

本发明进一步提供了一种方法，其包括允许熔融材料涂覆在加热的金属铸件上以形成保护屏障，同时在大气中，加热的金属铸件不会与大气发生反应；将加热的金属铸件移动到会与金属铸件发生反应的大气中，从而保护屏障保护加热的金属铸件使之不与所述可反应的大气发生发应；以及使熔融材料在加热的金属铸件上凝固。

本发明进一步提供了一种方法，其包括步骤：把加热的金属铸件从连续铸造炉的内腔中经由通道移到内腔外部的大气中，其中所述通道由一内周边限定而成；以及允许熔融材料在金属铸件和通道的内周边之间形成屏障，以防止外部大气进入到内腔。

附图说明

图1是与连铸炉用在一起的本发明中密封件的截面图。

图2类似于图1，示出了利用熔融材料形成铸锭的初始阶段，其中所述熔融材料从熔化/精炼炉床流入到模具内，并且在炉床和模具上均受到热源的加热。

图3类似于图2，示出了当铸锭下降到起模(lift)区域并进入到密封区域时铸锭形成的另一阶段。

图4类似于图3，示出了铸锭形成的又一阶段和在铸锭上形成玻璃涂层。

图5是图4包围部分的放大视图，示出了进入到液体玻璃储存部中的粒状玻璃和玻璃涂层的形成。

图6是在把铸锭从炉子的熔化室中取出后铸锭的截面图，示出了在铸锭的外表面上的玻璃涂层。

图7是沿图6中线7-7的剖视图。

具体实施方式

在图1-5中，本发明的密封件整体用10表示，其与连铸炉12一起使用。炉12包括包围熔化室16的炉墙14，其中密封件10布置在熔化室内。在熔化室16中，炉12还包括与模具20流体连通的熔化/精炼炉床18，所述模具20具有基本为圆柱形的侧壁22，侧壁22的基本为圆柱形的内表面24在其内限定出模腔26。热源28和30分别布置在熔化/精炼炉床18和模具20上，用于加热和熔化反应金属，如钛和超耐热合金。热源28和30优选是等离子喷枪，不过也可以采用其它适宜的热源，如感应加热器和电阻加热器。

炉12还包括用于使金属铸件34(图2-4)下降的起模冲头或回缩冲头32。可以使用任何适宜的取出装置。金属铸件34可以是任何适宜的形状，如圆形铸锭、矩形坯等。冲头32包括细长的臂36和位于臂36的顶部、基本为圆柱形板的模具支撑件38。模具支撑件38具有基本呈圆柱形的外表面40，当冲头32沿垂直方向移动时，该圆柱形外表面40被设置成紧密相邻于模具20的内表面24。在操作过程中，熔化室16内含有大气42，大气42不会与诸如钛和超耐热合金之类可以在炉12内熔化的反应金属发生反应。特别是当使用等离子喷枪时，可以利用惰性气体来构成不反应的大气42，通常为氦气或氩气，特别常用的是氦气。炉墙14的外部是在受热状态下可以与反应金属发生反应的大气44。

在反应金属如钛和超耐热合金的连铸过程中，密封件10被构造成防止反应大气44进入到熔化室16中。密封件10还被构造成当加热的金属铸件34进入到反应大气44中时保护加热的金属铸件34。密封件10包括具有基本呈圆柱形内表面47的通道壁或端口壁46，该内表面47在其内限定出具有入口50和出口52的通道48。端口壁46包括向内延伸的环形凸缘54，所述凸缘54具有一内表面或圆周面56。与入口50相邻的端口壁46的内表面47限定通道48的增大或变宽部分58，同时凸缘54形成了通道48的狭窄部分60。在环形凸缘54之下，端口壁46的内表面47限定通道48的增大的出口部分61。

在炉12的操作过程中，在通道48的增大部分58中形成了用于熔融材料如液体玻璃的储存部62，稍后将对此进行说明。粒状玻璃或其它适宜的可熔融材料如熔盐或熔渣源64与供送机构66相通，供送机构66则与储存部62连通。密封件10还可以包括热源68，所述热源68包含感应线圈、电阻加热器或其它适宜的热源。此外，可以在密封件10周围设置绝缘材料70，这样有助于保持密封温度。

现在参照图2-5描述炉12和密封件10的操作。图2示出了可操作来熔化熔化/精炼炉床18内的反应金属72的热源28。熔融金属72沿箭头A指示的方向流入到模具20的模腔26中，并且在热源30的作用下最初保持熔融状态。

图3示出了当另外的熔融金属72从炉床18流入到模具20中时，冲头32沿箭头B指示的方向向下回缩。金属72的上部73在热源30的作用下保持熔融状态，而金属的下部75则开始冷却以形成铸件34的初始部分。当冲头32向下回缩时，模具20的水冷壁22促使金属72凝固成铸件34。大约在铸件34进入到通道48的狭窄部分60(图2)时，从源64经由供送机构66向储存部62供给粒状玻璃74。尽管已经对铸件34充分冷却使其部分凝固，但通常其足够热来熔化粒状玻璃74从而在储存部62内形成液体玻璃76，这里该储存部62由铸件34的外表面79和端口壁46的内表面47限定。如果需要，可以操作热源68以提供额外的热量，所述热量通过端口壁46来帮助熔化粒状玻璃74以确保足够的液体玻璃源，以及/或者有助于将液体玻璃保持在熔融状态。液体玻璃76充满了储存部62内和狭窄部分60处的空间，从而形成了可防止外部的反应大气44进入到熔化室16中并与熔融金属72反应的屏障。环形凸缘54限定出储存部62的下端，减小了铸件34外表面79和端口壁46内表面47之间的间隙或缝隙。通过凸缘54使通道48变得狭窄，这样就能够使液体玻璃76在储存部62中形成池(图2)。储存部62内的液体玻璃76池向金属铸件34周围延伸，与铸件外表面79形成接触，从而在通道48内形成基本为圆柱形的环形池。因此，液体玻璃76池形成了液封。形成这种密封之后，已经将不反应的大气42与反应大气44分隔开的底门(未示出)可以被打开以允许将铸件34从熔化室16中取出。

铸件34如图4和图5所示继续向下移动，在铸件通过储存部62和通道48的狭窄部分60时，液体玻璃76涂覆在铸件34的外表面79上。狭窄部分60减小了邻近铸件34外表面79的液体玻璃76的层厚，以便能够利用铸件34控制离开通道48的玻璃层的厚度。然后充分冷却液体玻璃76使其在铸件34的外表面79上凝固成固态的玻璃涂层78。液态和固态的玻璃涂层78都可以形成保护屏障以防止用来形成铸件34的反应金属72与反应大气44发生反应，此时铸件34仍然被加热到允许发生这种反应的温度。涂层78还可以在低温下提供氧化屏障。

图5更清晰地示出了沿箭头C指示的方向穿过供送机构66并进入到通道48的增大部分58和储存部62中的粒状玻璃74，其中在所述储存部62中，粒状玻璃74熔化从而形成液体玻璃76。图5也示出了当铸件34向下移动时处于通道48的狭窄部分60处的液体玻璃涂层的形成。图5还示出了当带有涂层78的铸件34移动通过通道48的增大的出口部分61时，位于出口部分61内的端口壁46和玻璃涂层78之间的空间。

一旦铸件34离开炉12足够的程度，就可以切去一部分铸件34从而形成如图6所示具有所需任意长度的铸锭80。如图6和图7所示，固态玻璃涂层78沿着铸锭80的整个圆周面延伸。

因此，密封件10提供了可阻止反应大气44进入到熔化室16中的机构，并保护铸锭、棒状、板坯等形式的铸件34使之不与反应大气44发生反应，同时铸件34仍然被加热到可以与大气44发生反应的温度。如前所述，模具20的内表面24基本呈圆柱形，以便产生基本为圆柱形的铸件34。同样，端口壁46的内表面47也基本为圆柱形，以便形成用于储存部62的足够的空间，以及在铸件34和凸缘54的内表面56之间形成空间，从而形成密封，并且当铸件34向下通过时，还在铸件34上形成了具有适当厚度的涂层。不过，液体玻璃76也能够形成具有除圆柱形之外的其它横截面形状的密封件。模具内表面和铸件的外表面的横截面形状优选和端口壁内表面的横截面形状基本一致，尤其是与向内延伸的环形凸缘的内表面一致，使铸件和凸缘之间的空间足够小，以便能够在储存部内形成液体玻璃，并且被充分地扩大，从而提供出足够厚的玻璃涂层来防止热的铸件和炉外部的反应大气之间产生反应。为了形成具有适宜的尺寸以运动穿过通道的金属铸件，模具内表面的横截面形状应小于端口壁的内表面。

可以对密封件10和炉12作出另外的变化，这也属于本发明的范围。例如，炉12可以由一个以上的熔化室构成，从而材料72可以在一个腔室内熔化，然后再输送到另一个分开的腔室内，该腔室内可设置连续铸造模具以及从其设置到外部大气中的通道。此外，可以缩短通道48以消除或基本消除通道的增大的出口部分61。而且，用于容纳熔融玻璃或其它材料的储存部可以形成在通道48外部，并与通道48构成流体连通，从而容许熔融材料流入到类似于通道48的一通道中，从而形成密封来防止外部大气进入到炉内，并且在铸件穿过这一通道时在该金属铸件的外表面涂覆涂层。在这种情况下，供送机构可以与该可选的储存部连通以允许固态材料能够进入到该储存部内并熔化在其内。因此，可选的储存部可以被设置在用于固态材料的熔融位置上。不过，密封件10的储存部62应当更简单，并且当金属铸件通过通道时，利用金属铸件的热量而易于熔化材料。

本发明提供的密封件能够提高产量，这是因为可以在炉外切断铸件的长度，同时使铸造工艺连续而不间断。此外，可以提高产量，这是因为在切断时暴露的各铸件部分都不含有缩孔或缩管，并且铸件的底部不会具有燕尾。而且，由于炉不具有取出腔，因此铸件的长度不会受到这种腔室的限制，因而铸件可以具有生产中可实现的任何长度。此外，通过使用适当类型的玻璃，铸件上的玻璃涂层可以为随后铸件的挤压提供润滑。而且在对铸件锻造之前进行加热时，铸件上的玻璃涂层还可以形成屏障来防止铸件与氧气或其它大气的反应。

尽管本发明的密封件的优选实施例描述了使用粒状玻璃物质来形成玻璃涂层，但是也可以采用其它材料来形成密封件和玻璃涂层，如熔盐或熔渣。

本发明的设备和工艺特别适用于在反应金属处于熔融状态时特别容易与熔化室外部的大气产生反应的易反应金属，如钛。不过，所述工艺也适于任何类别的金属，如超耐热合金，其中屏障用于使外部大气保持在熔化室外以防止熔融金属暴露于外部大气中。

如前所述，为了简洁、清楚和便于理解，使用了一些术语。这些不必要的限制并不表明现有技术所要求之外的内容，这是因为采用这些术语是用于描述的目的，并且旨在被广泛地解释。

此外，本发明的描述和说明仅作为示例，本发明并不限于图示或描述的确切的细节。

Claims (45)

1.一种用于制造金属铸件的铸造炉，所述炉包括：

带有侧壁的内腔；

穿过内腔的侧壁而形成的通道，其与内腔和内腔外部的大气连通；以及

邻近通道形成的熔融池，用以防止外部的大气进入到内腔中。

2.如权利要求1所述的铸造炉，进一步包括固态材料源和用于熔化材料以形成熔融池的热源。

3.如权利要求2所述的铸造炉，其中所述热源包括由加热的金属铸件辐射的热。

4.如权利要求2所述的铸造炉，其中所述用于熔化材料的热源包括位于通道附近的外部热源。

5.如权利要求1所述的铸造炉，其中所述熔融池包括液体玻璃。

6.如权利要求1所述的铸造炉，其进一步包括容纳所述熔融池的储存部。

7.如权利要求6所述的铸造炉，其中所述储存部设置在通道附近；所述熔融池至少部分位于储存部内。

8.如权利要求7所述的铸造炉，其中所述通道具有与内腔连通的入口和与外部大气连通的出口；并且所述通道在储存部之下变得狭窄。

9.如权利要求1所述的铸造炉，其中所述内腔的侧壁具有限定通道的内周边；当金属铸件移动通过通道时，该通道适于限定用于容纳位于内周边和金属铸件外周边之间的熔融池的空间。

10.如权利要求1所述的铸造炉，其进一步包括固态材料源和把固态材料供送到熔融位置处的供送机构。

11.如权利要求1所述的铸造炉，其中所述通道的横截面形状与金属铸件的横截面形状基本相同，但比其大。

12.如权利要求1所述的铸造炉，其中所述内腔为熔化室；连续铸造模具设置在该熔化室中并适于生产金属铸件。

13.如权利要求1所述的铸造炉，其中所述铸造炉没有取出腔。

14.一种与连续铸造炉一起使用的设备，该设备包括：

用于熔化涂覆材料的热源；

传送器，其适于将加热的金属铸件从铸造炉内移到铸造炉外部的大气中；所述大气会与加热的金属铸件发生反应；以及

涂层涂覆器，当金属铸件从铸造炉移动到外部反应大气中时，该涂层涂覆器适于将涂层材料施加到加热的金属铸件上以便在金属铸件上形成保护屏障。

15.如权利要求14所述的设备，其中所述热源包括来自于加热的金属铸件的热量。

16.如权利要求15所述的设备，其中所述热源还包括被设置在邻近涂层涂覆器处的附加热源。

17.如权利要求14所述的设备，其中所述熔融材料包括液体玻璃。

18.如权利要求14所述的设备，其中所述涂层涂覆器包括涂覆材料的熔池，当金属铸件从铸造炉移到外部大气中时，该熔池延伸在加热的金属铸件周围，并且与金属铸件的外表面接触。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述铸造炉具有一内部；一通道与所述铸造炉的内部和炉外部的大气连通；所述熔池布置在该通道内。

20.如权利要求14所述的设备，其进一步包括一分配器，在金属铸件从铸造炉移到外部大气中时，该分配器将固态材料分配到邻近金属铸件的熔融位置。

21.如权利要求20所述的设备，其中所述铸造炉具有一内部；一通道与所述铸造炉的内部和炉外部的大气连通；所述传送器用于把金属铸件从铸造炉内部经由通道移到外部大气中；所述熔融位置设置在通道内。

22.一种方法，包括步骤：

向加热的金属铸件涂覆熔融材料以形成一保护屏障，同时在大气中所述加热的金属铸件不会与大气发生反应；

将加热的金属铸件移动到会与金属铸件发生反应的大气中，从而保护屏障保护加热的金属铸件使之不与所述可反应的大气发生反应；以及

使熔融材料在加热的金属铸件上凝固。

23.如权利要求22所述的方法，其中涂覆的步骤包括在铸件从可反应的大气移到不反应的大气中时，涂覆铸件的步骤。

24.如权利要求23所述的方法，进一步包括将与加热的金属铸件接触的熔融材料形成池以形成储存部的步骤。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述形成池的步骤包括将通道的内周边和加热的铸件的外表面之间的熔融材料形成池的步骤。

26.如权利要求25所述的方法，其中将所述内周边和外表面之间的熔融材料形成池的步骤包括在储存部内形成一层熔融材料的步骤；以及进一步包括在金属铸件移动通过储存部后使熔融材料层变薄的步骤。

27.如权利要求24所述的方法，其中所述涂覆铸件的步骤包括允许熔融材料从储存部流到金属铸件上。

28.如权利要求24所述的方法，进一步包括向储存部中供送固态材料和熔化所述固态材料以形成熔融材料的步骤。

29.如权利要求25所述的方法，进一步包括使加热的铸件移动穿过通道的步骤；其中涂覆铸件的步骤包括在铸件移动通过通道时涂覆铸件的步骤。

30.如权利要求25所述的方法，进一步包括向通道内供送固态材料和利用来自于加热的铸件的热量熔化至少一部分固态材料以形成至少一部分熔融材料的步骤。

31.如权利要求30所述的方法，进一步包括使用另一热源对材料进行加热的步骤。

32.如权利要求22所述的方法，进一步包括利用所述金属铸件上的保护屏障将至少一部分铸件冷却到一定温度的步骤，在该温度下，至少部分金属铸件基本不会与反应大气发生反应；还包括切掉金属铸件的冷却部分以形成一段铸件、同时由熔融金属继续形成金属铸件的步骤。

33.如权利要求22所述的方法，其中所述涂覆的步骤包括向加热的金属铸件涂覆含有液体玻璃的熔融材料。

34.一种方法，包括步骤：

把加热的金属铸件从铸造炉的内腔中经由通道移到内腔外部的大气中，其中所述通道由一内周边限定而成；以及

在金属铸件和通道的内周边之间形成熔融金属的屏障，以防止外部大气进入到内腔。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述形成屏障的步骤进一步包括使熔融材料从通道的第一段流入到通道中比第一段狭窄的第二段。

36.如权利要求34所述的方法，进一步包括在所述通道内熔化固态材料以形成熔融材料的步骤。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述熔融步骤包括利用来自于加热铸件的热量对固态材料进行加热的步骤。

38.如权利要求37所述的方法，其中所述熔融步骤包括利用设置在通道外部的热源对固态材料进行加热的步骤。

39.如权利要求34所述的方法，进一步包括向加热的金属铸件涂覆熔融材料以便在金属铸件上形成保护涂层的步骤。

40.如权利要求39所述的方法，进一步包括使金属铸件上的熔融材料固化、以及切掉已经冷却到一温度下的金属铸件的一部分的步骤，其中在所述温度下，金属铸件基本不会与外部大气发生反应。

41.一种金属铸件和一种用于制造这种金属铸件的铸造炉的组合，所述铸造炉包括：

带有侧壁的内腔；

穿过内腔的侧壁形成的通道，其用于把金属铸件从内腔传送到内腔外部的大气中；以及

邻近通道形成的熔融池，其用来防止外部大气进入到内腔中。

42.如权利要求41所述的组合，进一步包括固态材料源和用于熔化材料以形成熔融池的热源，所述热源包括由金属铸件辐射的热。

43.如权利要求41所述的组合，其中所述金属铸件具有一外周边；所述内腔的侧壁具有限定通道的内周边；所述通道包括在金属铸件移动通过通道时用于容纳至少部分熔融池的空间，其中该熔融池介于侧壁的内周边和金属铸件的外周边之间。

44.如权利要求41所述的组合，其中所述金属铸件具有一横截面形状；所述通道的横截面形状与金属铸件的横截面形状基本相同，但比其大。

45.如权利要求41所述的组合，其中当金属铸件从内腔移到外部大气中时，所述熔融池与金属铸件接触，从而在金属铸件上形成了保护屏障。

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