CN103354768B - 用于连续铸造熔融金属模具的冷却剂控制和刮片系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在连续铸造模具中使用的冷却剂或刮片控制系统，其用于在铸造期间控制和管理与铸件的相互作用。在该过程的某些方面，刮片框架开始充分远离底部块以便不干扰或造成/允许冷却剂进入到底部块内；然后在短暂加热期间快速移动回到送出的铸件；并且然后，以受控制的速率远离具有凝固的铸件的模具移动到预定的稳态位置或到铸造的第二暂时状态。

Description

用于连续铸造熔融金属模具的冷却剂控制和刮片系统

技术领域

本发明有关于用于在连续铸造熔融金属模具中使用的冷却剂控制和刮片系统，其可包括位置刮片管理和用于更好地进行系统控制的可缩回的特征。

背景技术

金属锭、坯（billet）和其它铸件可通过一种铸造过程形成，铸造过程运用位于金属铸造设施的底板水平下方的较大铸坑上方的竖直定向的模具，但本发明也可用于卧式/水平模具中。立式/竖直铸造模具的下部件为起熔块或引出块（startingblock）。当铸造过程开始时，起熔块处于它们最上方的位置并且在模具中。在将熔融金属倾倒到模膛或腔内并且冷却(通常利用水)时，起熔块由液压缸或其它装置以预定速率缓慢地降低。当起熔块降低时，凝固的金属或铝从模具的底部出现/送出，并且形成各种几何形状的锭、圆坯或坯，其在本文中也被称作铸件。

虽然本发明总体上适用于金属的铸造，包括但不限于，铝、黄铜、铅、锌、镁、铜、钢等，给出的示例和所披露的优选实施例可针对于铝，并且因此术语铝或熔融金属可在全文中一致地使用，尽管本发明更通常地应用于金属。

虽然存在用以实现和配置一种立式铸造布置的多种方式，图1示出了一个示例。在图1中，铝的立式铸造通常出现在铸坑中工厂底板的标高（elevationlevel）下方。在铸坑底板101a的正下方为沉箱103，其中，放置了用于液压缸的液压缸筒体102。

如图1所示，被示出在铸坑101和沉箱103内的典型立式铝铸造设备的下部的部件为液压缸筒体102、冲头（ram）106、安装底座外壳105、压板107和底部块108(也被称作起始头或起熔块底座)，全都被示出在铸造设施底板104下方的标高处。

安装底座外壳105被安装到铸坑101的底板101a上，在其下方为沉箱103。沉箱103由其侧壁103b和其底板103a限定。

典型模具台组件110也在图1中示出，其可如图所示由液压缸111推动模具台倾斜臂110a而倾斜从而使得其绕点112枢转且由此升高和旋转主铸造框组件，如图1中所示。也设有模具台支架，模具台支架允许模具台组件移动到铸坑上方的铸造位置和从铸坑上方的铸造位置移动。

图1还示出了部分地下降到铸坑101内的压板107和起熔块底座108，并且铸件113(其可为锭或坯)部分地形成。铸件113在起熔块底座108上，起熔块底座108可包括起始头或底部块，其通常(但并非总是)承座于起熔块底座108上，它们全都是本领域中已知的并且因此无需更详细地示出或描述。虽然术语起熔块被用于物品108，应当指出术语底部块和起始头也在该行业中指物品108，并且当铸造锭时通常使用底部块并且当铸造坯时通常使用起始头。

虽然在图1中的起熔块底座108仅示出了一个起熔块108和基座，通常存在着各自安装于每个起熔块底座上的多个起熔块108和基座，当在铸造过程期间降低起熔块时，其同时铸造坯、特殊锥度或配置、或锭。

当液压流体以充分压力引入到液压缸内时，冲头106和因此起熔块108升高到铸造过程的所希望的标高开始水平，这是当起熔块在模具台组件10内时。

通过以预定速率计量来自缸的液压流体而实现了起熔块108的降低，由此以预定并且受控制的速率降低冲头106和因此起熔块。模具在该过程中可控制地受冷却以辅助进行送出锭或坯的凝固，通常使用水冷却手段。尽管在本文中提到了使用液压缸，本领域普通技术人员将会意识到存在可用于降低压板的其它机构和方式。

存在着适合于模具台的多种模具和铸造技术，并且没有特别的模具和铸造技术是用以实践本发明的各种实施例所必需的，因为它们是本领域普通技术人员已知的。

典型模具台的上侧操作性地连接到金属分配系统或者与金属分配系统相互作用。典型模具台也操作性地连接到其所容纳的模具。

当使用一种连续铸造立式模具来铸造金属时，熔融金属在模具中被冷却，并且当降低起熔块底座时从模具下端连续地送出。送出的坯、锭或其它配置预期充分凝固从而使得其维持其所希望的轮廓、锥度或其它所希望的配置。在某些铸造技术中，在送出的凝固金属与可渗透的环壁之间可存在空气间隙，而在其它铸造技术中，可存在直接接触。之下，在送出凝固金属与模具下部与相关设备之间存在模具空气腔。

一旦完成了铸造，在此示例中，从底部块移除铸件、坯。

通过将熔融金属引入到模腔内而起始铸造过程，并且通过施加诸如水这样的冷却流体而发生熔融金属通过模腔的凝固。冷却流体绕模腔的周边施加并且在该过程中，造成模腔的壁冷却。当模腔壁冷却时，与壁相邻的熔融金属通常凝固并且绕铸件的正在凝固的表面发生收缩。然后铸件的收缩造成正在凝固的铸件远离较冷的模具壁而收缩回，导致铸件的正在凝固表面的某些重熔、并且膨胀回到模具壁。发生这种凝固过程并且所形成的铸件从模腔送出，具有凝固的外表面或表皮，并且铸件的内芯仍处于其熔融状态。冷却流体的连续供应被施加到从模腔送出的正在凝固的铸件的周边。

供应到送出铸件的冷却流体的体积可较大/显著，并且如果不加以控制，其将会顺着铸件的外表面侧部向下流淌并且造成铸件芯进一步冷却和凝固。在送出的铸件初始直接致冷后，铸件的外表面向滴落或流动冷却流体的暴露更改了铸件的冷却特征和所得到的铸件的冶金特征。连续铸造过程通常导致铸件外部相对快速的凝固(特别地对于诸如锭的较大铸件而言)，但是内部仍保持处于介于熔融与凝固之间的某种状态。这导致内部应力施加于铸件中的各个内部位置之间，并且可导致不当/不希望的缺点和缺陷。

希望在冷却流体初始直接致冷所述铸件之后控制冷却流体的流动和冷却效果。冷却流体凝固所述铸件表皮的外表面的直接致冷在金属结构中造成内部应力；但是如果正在凝固的铸件的芯的温度允许在初始直接致冷后保持较高持续一段时间，在铸件内发生退火，缓解收缩应力。对于更加希望的合金材料中的某些，尤为如此，诸如用于航空工业中的那些，诸如系列2XXX和/或7XXX合金。

如果过量冷却流体并未受到充分控制并且顺着冷却铸件的侧部流淌，其造成铸件芯不希望的额外冷却，并且妨碍铸件中所希望的退火过程。

刮片型系统长久以来已在该行业中用于控制在冷却铸件表面上的过量冷却流体的流动。发展了这些现有刮片系统来控制和/或转移冷却剂远离正在凝固的铸件的下部。一种刮片通常符合铸件的外表面并且绕外表面接触。刮片以某种方式类似于在窗户上使用的刮刀（squeegee）并且相对于铸件而安装成使得冷却剂远离铸件表面转移、并且脱离铸件表面。

在该行业中已通常使用由硅树脂制成的刮片、可膨胀的橡胶型刮片、或者通常被称作空气刀的工具来实现不当的过量冷却流体的擦拭或转移。刮片通常被配置成以环形围绕特定铸件，并且被设计成与铸件外表面接触。刮片通常转移冷却流体远离铸件的外表面，从而使得其远离铸件表面下降到铸坑内以避免不当的冷却效果。

刮片系统的传统使用已具有刮片的固定或静态位置以在模具下方充分远从而防止在稳态或第二暂时时段过热，并且足够靠近模具从而使得铸件能保持充分的热量来在铸件上造成退火效果。在这些传统系统启动或接近启动时，正在凝固的铸件将会通过刮片，但可存在额外水将会变得截留在刮片、起熔块或头和铸件之间持续一段时间(通常数分钟)的时间。这些额外的水在启动时导致铸件的增加和不当的冷却，并且也可允许冷却流体进入到起熔块区域中、并且增加了在凝固期间和凝固之后在铸件的尾部处或附近形成裂缝的可能性。在本发明的某些实施例中，刮片被移动到铸造模具和铸件起熔块的充分下方以在启动阶段或时段避免将冷却剂错误导向至起熔块或其它位置。

发明内容

因此，本发明的某些实施例的目的在于提供一种新刮片促动器和新过程以相对于铸造长度更好地定位冷却剂控制系统或刮片。这个目的是为了优化冷却剂或刮片控制系统相对于模具的定时和位置以得到铸件更好的退火，而同时最小化不希望的冷却剂在起熔块或起始头内的俘获或截留。

凝固铸件的底部或基部可被称作尾部并且铸件的尾部为其中裂缝高发生率和其它不当的可能铸件缺陷发生的区域。如果在铸件尾部中形成裂缝，铸件通常报废，熔融金属必须被重熔并且再一次被净化。由于锭或铸件尾部中的裂缝使整个铸造件报废的成本较高。

本发明提供一种冷却流体或刮片控制系统，其在铸造过程时段期间更有效地使用、放置和移动刮片以提供已凝固的铸件的更好的受控制的冷却。在整个铸造过程中，与本发明相比，刮片相对于铸件在一个位置的现有技术放置并未有效地优化铸件的冷却。重要的是在启动、短暂加热时段和然后在稳态期间对铸件冷却进行控制并且优化。

因此，本发明的某些实施例的目的是为了提供一种冷却流体和刮片控制系统，其在铸造的所有三个时段，即在启动、短暂加热时段和第二暂时时段期间更有效地控制刮片位置和移动。

在本发明的某些实施例中，可通过在启动期间使刮片开始远离正在凝固的金属和冷却流体、在短暂加热时段期间将刮片快速移动到正在凝固的铸件、并且然后在铸造的第二暂时时段期间在远离模具的方向上控制刮片的移动和位置，来满足这个目的。

通过说明书、权利要求书和构成本发明部分的附图，本发明的其它目的、特征和优点将会显然。在执行本发明的目的时，应了解到，其基本特征易受设计变化和结构布置的影响，根据需要，在附图中仅说明了一个实用并且优选的实施例。

附图说明

将在下文中参考附图来描述本发明的优选实施例。

图1为现有技术立式铸坑、沉箱和金属铸造设备的正视图；

图2为典型底部块配置的正视截面图；

图3为在铸造开始时或接近开始时的连续铸造模具的正视图，具有定位于模腔底部处的底部块，和处于底部块下方的降低位置的冷却剂控制系统；

图4为相对于连续铸造模具框架而安装的本发明的实施例的透视图，其中冷却剂控制系统包括刮片并且被示出处于底部块下方的启动位置；

图5为相对于连续铸造模具框架而安装的本发明的实施例的透视图，其中冷却剂控制或刮片系统被示出处于刚启动后并且其已朝向模腔缩回的位置；

图6为可用于实践本发明实施例的铸造配置的一个示例的正视截面图，示出了处于铸件中熔融金属下液位上方的位置中的冷却剂控制或刮片系统；

图7为可用于实践本发明的实施例的铸造配置的一个示例的正视截面图，示出了处于铸件中熔融金属下液位下方的位置中的冷却剂控制或刮片系统；

图8为可用于实践本发明的实施例的铸造配置的一个示例中的正视截面图，示出了处于铸件中熔融金属下液位下方的位置中的冷却剂控制或刮片系统；

图9为示出刮片运动的示例性位置与贮槽深度之间关系的表；以及

图10为对于本发明的某些实施例，刮片位置的示例性位置与贮槽深度之间关系的曲线图。

具体实施方式

在本发明中所利用的紧固、连接、制造和其它器件和部件中的许多是普遍已知的、并且在所描述的本发明的领域中使用，并且它们的确切性质或类型并非本领域或科学技术人员理解和使用必需的；因此，将不更详细地对它们展开讨论。而且，对于本发明的任何具体应用而言，本文所示或描述的各种部件可像本发明所预期那样变化或更改，并且任何元件的具体应用或实施例的实践可能为本领域中或者本领域或科学技术人员已经普遍已知或使用的；因此，将不对它们各自展开更详细讨论。

如在本发明的权利要求中所用的术语“一”、“该”和“所述”以符合长期存在的权利要求撰写惯例而非限制方式使用。除非在本文中具体地陈述，术语“一”、“该”和“所述”并不限于这样的元件中的一个，而是替代地表示“至少一个”。

应了解可结合各种类型的金属倾倒技术和配置来利用本发明。还应了解到，本发明可用于卧式或立式铸造装置。

因此可用于本发明的实施例中的模具或模具框架必须能够从熔融金属源接收熔融金属，无论特定源类型是什么。在模具中的模腔必须相对于熔融金属源在流体或模具金属接纳位置中被定向。

本领域普通技术人员还应意识到，本冷却剂控制系统和刮片系统的实施例可以、并且将与现有系统组合和/或改造现有操作铸造系统，全都在本发明的范围内。

在本发明的某些实施例中，过程或控制系统可表示在三个时段用于铸造过程的机会：(1)在启动时，刮片可放置于起始头和铸件略下方以防止在铸造启动期间在铸件尾部下方截留过量或不当冷却流体(通常为水)。这将被称作启动或非干扰时段或阶段。(2)在铸造的下一时段，短暂加热时段，冷却剂控制或刮片系统可以用快速方式朝向模腔移动经过铸件尾部从而使得水并不被截留在刮片、铸件尾部与起始头或底部块之间。这种朝向模腔的快速移动可被称作向上，但本领域普通技术人员将意识到这种系统并不限于基本上立式的系统。由本发明所设想到的冷却剂控制或刮片系统可前进或者移动到液体贮槽或卷曲缺口上方，这允许在该过程中早期将水从铸件的面上清洁地擦去。

在第三时段存在着用于实现这些目的和冷却剂控制的机会，第三时段也可被称作稳态或退火时段。在此时段，冷却剂控制系统或刮片系统沿着已凝固的铸件并且在远离模腔(其在立式连续铸造布置中将会是竖直向下)的方向上缓慢地移动。取决于铸造，冷却剂控制系统可降低到任何所希望的稳态位置。这样的移动的一个示例是将刮片定位于贮槽下方以当铸件处于稳态移动时防止铸件过热。这种类型控制允许在铸件内所需的应力退火，这是由于液体冷却剂从铸件外表面的擦拭转移。

图1在发明部分的背景中在上文中描述，并且因此将不在此处重复。

图2为典型底部块配置120的正视截面图，并且示出了具有底部块侧121a和121b的底部块121，并且示出了铸件的尾部的高度122。在铸件底部中的区124可易于经受开裂和其它品质问题，如果冷却和冷却剂的施加并未受到充分控制，特别是在航空型合金诸如2XXX和7XXX中。

图3为在本发明的一个实施例中在接近铸造开始时连续铸造模具222的正视图，并且底部块223定位于模腔底部处上方，并且冷却剂控制系统220在底部块下方的延伸位置。图3示出了模具框架221，在引入熔融金属之前在底部块223与模腔之间的间隙224。图3也示出了刮片系统支承结构227和228，从那里延伸并且在操作上通过刮片支架233和234附连到铸造刮片235上的冲头231和232。如本领域中已知的那样，刮片的大小和形状将会被配置成符合于此实施例中铸件的截面形状。

箭头240指示了一旦铸造开始的情况下所述底部块将向下移动并且压板230被示出在底部块223下方并且支承着底部块223。图3也示出了在初始启动时刮片或刮片刀定位成不碍事以避免允许或造成不当的冷却剂提供给底部块223。在本发明的某些实施例中，在过渡加热期间，铸件刮片可向上移动到模具底部处或附近的位置，在本发明的某些实施例中，其可在起始头唇缘和尾部卷曲缺口上方。

图4为相对于连续铸造模具框架181而安装的本发明的实施例的透视图，其中冷却剂控制系统180被示出为呈在启动时可需要的一种可能配置。在图4中，刮片被示出降低为不妨碍起熔块或底部块(在此图中未图示)，其可为启动期间的优选位置以帮助防止额外冷却流体进入起熔块中。如果在启动期间刮片刚好位于起熔块和模腔处或靠近起熔块和模腔，其可增加在起熔块区域中的冷却流体、并且在凝固期间或凝固之后铸件的尾部处或附近形成裂缝的可能性。

箭头191示出液压冲头189和190(其它未图示)能如何延伸和缩回以移动刮片控制系统180。使液压冲头189和190以此方式延伸(远离模具)提供如上文所陈述的更符合需要的启动条件。图4示出了刮片框架188、将刮片框架安装到冲头189和190的刮片支架192和193。

图4还示出了利用经由电导管或线200、201、202和203而电连接到控制器199的促动器195、196、197和198来实践本发明的控制方面的一种方式。图4还示出了模腔壁182、模腔183、刮片驱动框架184、185、186和187，它们各自操作性地安装到模具框架181或者相对于模具框架181操作性地安装。本领域普通技术人员将意识到多种控制器和促动器中的任一个可用于实践本发明，并非特定的一个为实践本发明的所有实施例特别地需要的。

图5为相对于连续铸造模具框架而安装的本发明的实施例的透视图，其中冷却剂控制或刮片系统180被示出刚好在启动之后和其朝向模具181已被移回之后的位置。来自图4的相似标记的物品将不在此处重复。这个铸造阶段可被称作短暂加热时段。在启动期间开始远离底部块之后，在本发明的某些实施例中，优选地将铸件刮片框架188快速移动到模腔183出口处或附近的位置。这将在短暂加热时段降低铸件的不当冷却。

图6为可用于实践本发明的实施例的铸造配置的一个示例的正视截面图，示出冷却剂控制或刮片系统140，其中铸件刮片158位于正在凝固的铸件151的中心处静止熔融金属165的下液位上方、并且在铸造的短暂加热部分之后的位置。图6示出了箭头141，箭头141描绘了熔融金属142到模腔内的流动，其中具有水导管143的模具框架145，施加到正在凝固的铸件151的冷却剂144、液压冲头促动器152和153、用于移动刮片框架158的液压冲头154和155和安装于其上的刮片159。箭头156和157示出了刮片框架158相对于铸件的可能移动并且起熔块121被示出在铸件151下方。当在铸造的第二暂时时段期间铸件刮片远离模腔移动时，其可以以特定速率远离铸造模具移动，速率被确定为得到用以释放凝固应力的充分的锭温度、而同时使在该温度的锭强度最大。刮片通常止于模具下方的最终位置处，其通过稳态维持这种平衡。

图7为可用于实践本发明实施例的铸造配置的一个示例的正视截面图，示出了处于铸件151中熔融金属芯165下方位置的冷却剂控制或刮片系统140。与图6相似标记的物品将不在此处重复。图7示出了刮片框架159和刮片158位于芯熔融金属165的液位下方。刮片框架159可被控制为不动的，以小于或与底部块121在铸造期间下降的速率大约相同的速率而向下移动，和/或大于底部块121下降的速率，这取决于具体应用和所希望的冷却效果。

图8为可用于实践本发明的实施例的铸造配置的一个示例的正视截面图，示出了与图7所示相比，冷却剂控制或刮片系统处于铸件151中熔融金属芯165甚至更下方的位置。与图6和图7的相似标记的物品将不在此处重复。图8示出了刮片框架159和刮片158位于芯熔融金属165的液位甚至更下方，在贮槽下方。

图9为示出对于本发明的某些实施例，刮片运动的示例性位置与贮槽深度之间关系的表。

图10为示出对于本发明的某些实施例而言，刮片位置的示例性位置与贮槽深度的关系。

如本领域技术人员将意识到，存在本发明的许多实施例，和可使用的元件和部件的变型，全都在本发明的范围内。

在一个实施例中，例如，提供一种连续铸造模具冷却剂刮片控制系统，其包括：连续铸造模具，具有被配置成用以产生铸件的模腔；相对于模腔而安装的铸件刮片支承结构；铸件刮片，被配置成符合铸件的外表面周围以控制冷却剂远离铸件外表面的流动，铸件刮片可移动地安装到刮片支承结构以用于相对于模腔在位置之间移动，从而使得启动位置充分地设置于铸造模具和铸件起熔块下方以在铸造的启动阶段期间避免错误导向的冷却剂，一种过渡加热位置设置于模腔紧邻处或下方，并且提供一种移动第二暂时时段位置从而使得刮片以特定速率远离铸造模具移动，该速率被确定为导致预定的铸件凝固效果。

在前述段落中描述的另一实施例中，在前述段落中所描述的连续铸造模具冷却剂系统并且另外其中提供三种单独配置，即，第一配置，其中，在移动期间，第二暂时时段位置以近似等于铸件移动的速率而远离模腔移动；第二配置，其中，在移动期间，第二暂时时段位置以小于铸件移动速率的速率远离模腔移动；以及第三配置，其中，在移动期间，第二暂时时段位置以大于铸件移动速率的速率远离模腔移动。

也将意识到存在本发明的过程实施例，诸如连续铸造模具冷却剂刮片控制过程，包括以下步骤：提供连续铸造模具，具有被配置成用以铸造铸件的模腔；提供铸件刮片，被配置成用以符合铸件的外表面周围且由此引导冷却剂远离铸件外表面的流动；将铸件刮片定位于铸造模具和铸件起熔块的充分下方以在铸造的启动阶段期间避免错误导向冷却剂；起始铸造并且向铸造模具提供冷却剂；在铸造的过渡加热阶段期间，将铸件刮片快速地移动到模腔紧邻处或下方的位置；以及在铸造的第二暂时时段期间，使铸件以特定速率远离模腔移动，速率被确定为导致预定铸件凝固效果。

在前述段落中描述的另一实施例中，如前述段落所陈述的连续铸造模具冷却剂刮片控制过程并且另外其中提供三种单独配置，即：第一配置，其中，在铸造的第二暂时时段，铸件刮片以约等于铸件移动的速率远离铸造模具移动；第二配置，其中，在铸造的第二暂时时段，铸件刮片以小于铸件移动的速率远离铸造模具移动;和第三配置，其中，在铸造的第二暂时时段，铸件刮片以大于铸件移动速率的速率远离铸造模具移动。

Claims (5)

1.一种连续铸造模具冷却剂刮片控制过程，包括下列：

提供连续铸造模具，具有配置成用以铸造铸件的模腔；

提供铸件刮片，配置成符合所述铸件的外表面周围从而导向冷却剂远离所述铸件外表面的流动；

将处于初始启动位置的铸件刮片定位于铸件起熔块的充分下方以在铸造的启动阶段期间避免错误导向冷却剂；

起始铸造并且向所述铸造模具提供冷却剂；

在铸造的过渡加热阶段期间，将所述铸件刮片从初始启动位置快速地移动到所述模腔紧邻处或附近且在铸件的芯凝固的位置上方的位置；以及

然后，在所述铸造的第二暂时时段期间，使所述铸件刮片以特定速率远离所述模腔移动到铸件的芯凝固的位置下方，所述特定速率确定为导致预定铸件凝固效果。

2.根据权利要求1所述的连续铸造模具冷却剂刮片控制过程，并且另外其中，在所述铸造的第二暂时时段，所述铸件刮片以等于所述铸件移动速率的速率远离所述铸造模具移动。

3.根据权利要求1所述的连续铸造模具冷却剂刮片控制过程，并且另外其中，在所述铸造的第二暂时时段，所述铸件刮片以小于所述铸件移动的速率远离所述铸造模具移动。

4.根据权利要求1所述的连续铸造模具冷却剂刮片控制过程，并且另外其中，在所述铸造的第二暂时时段，所述铸件刮片以大于所述铸件移动的速率远离所述铸造模具移动。

5.一种连续铸造模具冷却剂刮片控制过程，包括下列：

提供连续铸造模具，具有配置成用以铸造铸件的模腔；

提供铸件刮片，配置成符合所述铸件的外表面周围从而导向冷却剂远离所述铸件外表面的流动；

将处于初始启动位置的铸件刮片定位于铸件起熔块的充分下方以在铸造的启动阶段期间避免错误导向冷却剂；

起始铸造并且向所述铸造模具提供冷却剂；

在铸造的过渡加热阶段期间，将所述铸件刮片从初始启动位置快速地移动到所述模腔紧邻处或附近且在铸件的芯凝固的位置上方的位置；以及

然后，在所述铸造的第二暂时时段期间，使所述铸件刮片以特定速率远离所述模腔移动到铸件的芯凝固的位置下方更远且在贮槽下方，所述特定速率确定为导致预定铸件凝固效果。