CN103958093B - 用于对金属进行连铸的模具 - Google Patents

Abstract

一种用于铸造金属坯的连铸模具，所述连铸模具具有模具腔2，所述模具腔具有用于液体金属的浇注口和用于铸坯的排出口，并且具有对应于铸坯的基本形状的横截面，其中，横截面至少部分地由沿着铸造方向延伸的轮廓部8，8’，8”，8’”叠加而成，其特征在于，轮廓部8，8’，8”，8’”由褶皱构成，所述褶皱包括多个槽(9)，所述多个干槽以大体平行关系从模具腔的浇注口延伸至排出口，其中，模具腔的内周长与槽9的宽度W的比值大于30，并且槽9的宽度W处于1.5mm至30mm的范围内。

Description

用于对金属进行连铸的模具

技术领域

本发明涉及一种用于对金属进行连铸的模具。

背景技术

在相关领域中已经多次描述了用于对钢或者具有高熔点的其它金属的部分进行连铸的铜或铜合金模具。理想地，由连铸钢制造的铸坯应当具有其铸造模具的形状，所述铸坯由于正被铸造的金属收缩而略微小于模具。有时，没有形成这样的形状并且这常常导致在实心部分中出现裂纹和裂缝。当铸钢的碳含量处于0.2-0.4质量百分比之间时这个问题变得更糟糕。在这种碳含量范围内，对于正方形或者矩形构造来说存在变成菱形的明显趋势。已经表明的是，随着铸坯的菱形构造增加以及矩形特征减弱，内部裂缝的程度大到导致铸坯的质量下降并且在极端情况中使得其必须被作为废料处理掉。当使用高速连铸设备时这种问题变得愈发重要。

已经提出了多种方法来解决该问题，诸如：改变模具腔的几何形状以更接近正被铸造的金属的收缩率；改变模制坯的冷却；或者改变钢成分。尽管改变用于高速连铸的钢合金的化学成分可能看起来很有效，但是负面影响是钢的成本增加。因此，迄今为止，通常采用的方法是针对修改模具腔，以使得尽可能均匀地固化铸坯。因为铸坯的不均匀固化会导致出现理想矩形铸坯的菱形构造，所以应当尽可能地进行铸坯的坯壳生长(即，从外侧至内侧的固化)。已经提出拥有相当复杂的几何形状的模具腔；然而，这使得整个制造过程更为复杂并且导致当因磨损必须整修模具时增加维护成本(US 2007/0125511 A1)。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对金属进行连铸的模具，所述模具具有模具腔，所述模具腔能够使得铸坯在不需要改变铸坯的金属合金成分的前提下获得明显更好的形状精度。

通过本发明所提出的模具来实现所述目的。

根据本发明，提出了一种用于对金属进行连铸的模具，所述模具有模具腔，所述模具腔设置有用于液体金属的浇注口和用于明显固化的铸坯的排出口。这种模具具有由与铸坯的基本形状对应的基本形状限定的横截面。根据本发明，所述横截面至少部分地具有沿着铸造方向延伸的轮廓部(profiling)。

轮廓部构造成为褶皱，所述褶皱包括以大体平行关系延伸的多个槽(沟)。这些槽在模具腔的有效长度上延伸。重要的是已经在液体金属与模具腔相接触的区域中设置槽。因此，槽不必延伸直到浇注口的上边沿，而是可以与浇注口相距一段距离，只要槽从所谓的弯液面上方开始即可。弯液面表示由液体金属填充的模具腔的铸造液位。模具的有效长度应当长到足以使得能够从液体金属消散掉足够的热量并且因此使得能够形成足够牢固的铸坯壳，使得其能够支撑所包含的在内侧的液体钢。因此，理论的铸造液位位于模具腔的长度的毗邻浇注口的上三分之一处，具体是在长度的上20％处的区域中。

已经表明非常有利的是，在模具腔的内圆周与各个槽的宽度的比值大于30时，其中，各个槽的宽度处于1.5mm至30mm的范围内。

增加分布在模具腔的内圆周上的槽的数量可基本确保提高形状的稳定性或者减小形成菱形形状的趋势。然而，测试结果显示：因为各个槽的宽度随后会变得太小，所以槽的数量必须不能过多。为了使得槽有效，槽的宽度的下限为大约1.5mm。优选地，槽的宽度超过2mm并且特别地超过4.5mm。

相反地，槽也不应当太宽，这是因为宽度的增加将导致槽数量减小，从而对铸坯的引导造成不利影响。已经表明，宽度不应当超过30mm。优选地，槽制得明显更窄并且宽度高达15mm，尤其高达13mm。

各个槽的精确数量、几何形状和布置取决于多种因素并且可以因应用而有所变化。因素包括模具腔的几何形状、模具腔的内圆周、正被铸造的金属的温度控制和冷却方式、模具的润滑和振动激发。然而，对于所有应用所共有的是成褶皱形式的轮廓部叠加模具的基础几何形状，以便生产出最终产品，具有一表面的铸坯，所述表面因轮廓部获得独特轮廓并且因槽模式或者模具腔的褶皱而具有一几何形状的纵向脊部。

连铸模具典型地具有响应于冷却而遵循铸坯收缩的几何形状。结果，模具腔的在排出口处的内圆周小于在弯液面区域中的内圆周。根据本发明，轮廓部适于模具腔的几何形状。换言之，轮廓部的槽的数量保持恒定，尽管槽之间的相互距离对应于模具沿着铸造方向的几何形状而略微变化。结果，各个槽没有完全相互平行地延伸，而是对应于模具的几何形状相互以非常小的锐角延伸。模具的几何形状沿着铸造方向可发生变化并且还在模具腔的内圆周上发生变化；其甚至每米减小至0％。换言之，槽在每米0％锥度的条件下在长度区域中以平行关系延伸，而同时对应于几何形状在其它长度区域中仅仅以基本平行关系延伸。而且，模具可具有弯曲构造，在所述弯曲构造中，当然槽同时遵循曲率和几何形状。

可基本上不受轮廓部构造的影响地建立模具腔的基本形状和模具腔的几何形状。轮廓部仅仅叠加这种包括几何形状的基本构造，可与符合模具腔的尺寸和图案的弹性覆盖物相当。仅仅需要确保槽在模具腔的横断面内保持它们的相对位置，使得槽在更远地位于铸造方向下方的横断面中实际上更接近彼此地运动。

存在多种方式来构造各个槽的几何形状。根据本发明的有利特征，槽可具有一轮廓，所述轮廓易于制造并且使得液体金属能够易于承载在模具壁上。因此，本发明含义内的槽不包括具有口的窄深槽口。优选地，槽在相应槽的中心具有它们的最深点，其中，深度连续减小至槽的边界。从槽的最深点过渡到槽边沿特别地是连续的，即，不存在跳跃部。而且，中间毗邻槽之间过渡可以够是连续的，即，没有跳跃部。有利地，毗邻槽具有正弦曲线的横截面图案。

在本发明的范围内还能够提供一种具有锯齿状横截面的槽。换言之，模具腔的壁具有成实际上之字状构造的横截面。由此，之字状形状涉及一种构造，在所述构造中，具有三角形横截面的多个槽相互紧邻，以使得多个三角形槽并列。

可能将多种槽形状相互组合。还可能将不同的槽几何形状(特别是槽宽度)相互组合。

因此，在本发明的范围内可能构造具有不同深度(也称作幅度)的一些槽和/或由槽构成的组。而且，根据即将发生的应用，槽可布置成与其它槽相距更远的距离或者组合成组。各个槽还可以定位成与其它槽相距更远的距离。换言之，可能在各个槽之间设置不同的间隔。

槽可对称于模具腔横截面的纵向中央轴线或者中心线布置在模具腔的内圆周上。因此，在轴线对称的分布中，镜像轴线将与该中心线相交。

当然，在本发明的范围内还可能提供各个槽在模具腔的横截面上的非对称或者非均匀的分布。

当遵守特定几何学条件时，尤其是当模具具有拥有矩形横截面的腔时，轮廓部根据本发明的连铸模具的优势尤为明显。在这些很常见的横截面构造中，可由以下等式来决定各个槽的宽度和深度之间的最佳相关性：

W＝K×SR^K2

其中，K和K2是常数因子，

SR是长边和短边之间的边长比值。

当L1是模具腔的长边的长度且L2表示模具腔的短边的长度时，由以下等式来决定边长比值SR：

SR＝L1/L2

对常数因子K的选择取决于各个槽的幅度或者深度的量。在幅度处于0.5-1mm范围内的条件下，因子K处于3-12的范围内。在幅度处于1.5-2.5mm范围内的条件下，常数因子K处于6-13的范围内。在处于2.5-3.5mm范围内的甚至更大幅度的条件下，因子K处于11-14的范围内。

因子K2对于长边和短边而言各不相同。对于长边而言，因子K2处于0.6-0.9的范围内。对于短边而言，因子K2处于－0.3至－0.6的范围内。这意味着各个槽的宽度在矩形模具的长边和短边上不同。

通常，各个槽的深度处于0.5-5mm的范围内，优选地处于1-3mm的范围内。

而且，槽应当具有侧向角，所述侧向角在槽连接点处不小于滑移面角。滑移面角定义为反正切(a/b)。其中，a是连接点与平行于带槽面的腔中心线之间的垂直距离，b是连接点与垂直于带槽面的腔中心线之间的垂直距离。侧向角旨在表示槽不太浅，但也不应当太深，以能够获得引导铸坯的期望效果，并且特别地防止铸坯在收缩期间发生阻塞或者将过大的摩擦力施加在模具上。相对于模具腔的表面上的法线测量侧向角，其中，表面法线在相应槽的连接点处定向。侧向角处于80°至10°的范围内，优选地处于70°至20°的范围内。当偏离这些角范围时，铸坯在模具上的摩擦力以不想要的方式增大。虽然更大的磨损依然能够实现本发明的提高形状精度的目的，但是模具的使用寿命会受到不利影响。

根据本发明的一个优选实施例，通过并置凹陷部来实现各个槽，以提供脊状的轮廓部，所述轮廓部的横截面整体具有正弦曲线进程。正弦曲线进程包括在各个槽的侧面区域中具有转折点的曲线。已经表明：第一两个槽的连接点的侧向角和面的最后两个槽的侧向角处于下表的值的+/－5°的范围内：

表格示出了当槽深度是1或者2mm或者边长比值SR＝L1/L2＝1，即，在正方形模具的条件下，长边的侧向角和短边的侧向角相等。在边长比值保持相等的同时，随着槽深度或者幅度增大，槽侧向角仅仅在长边上略微增加而短边上的侧向角减小。随着边长比值增加，侧向角在长边区域中变得越来越小而在短边区域中增大。

根据本发明的尤为有利的特征，平均侧向角关于表格中表示的角度处于大约+/－5°。可插入中间值。

本发明通常可应用于模具腔的任何横截面轮廓。因此模具可以具有圆形、正方形、矩形、多角形或者其它横截面，例如，截面梁(例如，双T梁)的横截面的形状。

应当理解的是，本发明还涉及一种呈板模具形式的模具，在所述模具中，单独制造的板被组合形成模具腔。然而，目前优选的是连铸模具，所述连铸模具包括均质材料制成并且单件式的模具。

根据本发明的模具具有以下益处：

1、模具设计允许坯壳生长更均匀。

2、坯壳的均匀生长和改善的模具引导性使得致产生铸坯具有非常小的几何学偏差。

3、减小模具磨损，以使得可延长模具的维护间隔。

4、当再处理模具时模具腔区域方面的改进耗费更少成本。而且，减小磨损确保在更长时间期间内产品质量更高。

5、而且，在没有对铸坯的形状稳定性造成不利影响的前提下，可铸造成本低于其它合金元件的钢合金。在需要添加合金元素的情况中，可使用低成本的合金元素。特别地，可将锰的含量保持最小。

6、其它优势在于：由于褶皱使得润滑剂分布得以改善。典型地，如果润滑剂分布不均匀，则出于安全因数在实践中已经提出施加更多的润滑剂。然而，作为润滑剂的油有助于增强热量传递，使得模具承受更高的热应力。这可导致在模具的铜材料的弯液面区域中产生疲劳裂纹。提供根据本发明的褶皱产生更好的分布，使得总体上可使用更少的润滑剂。这继而使得弯液面区域中的模具的热应力减小并且因此延长了模具的使用寿命。

通过至少一个振荡器可致使根据本发明的模具额外地振动，以便防止熔融物粘附到模具壁并且加速生产。

附图说明

现在将参照附图更加详细地描述本发明的示例性实施例，在附图中：

图1示意性示出了传统模具的横截面；

图2示意性示出了根据本发明的模具的第一实施例的横截面；

图3示意性示出了根据本发明的模具的第二实施例的横截面；

图4示意性示出了根据本发明的模具的第三实施例的横截面；和

图5示意性示出了根据本发明的模具的第四实施例的横截面。

具体实施方式

图1示出了用于连铸金属的呈管状模具形式的模具1。模具1具有矩形外横截面和内横截面。模具腔2的横截面是正方形的。模具腔2的角部3是圆形的。这种类型的模具的长度为例如1000mm。模具腔2接收金属熔融物，所述金属熔融物在模具腔2内沿着铸造方向固化成铸坯。铸坯从外侧至内侧逐渐冷却并且形成所谓的坯壳，所述坯壳随着熔融物固化而从外侧至内侧生长直到坯完全固化为止。在此，模具以未详细示出的方式在其外侧4上冷却。通常，这涉及到水冷却。当然，还可以设想在模具壁中设置冷却孔或者在外侧上设置用于使得冷却液通过的凹陷部。

图1中描绘的模具1具有正方形构造。模具腔2具有相同长度的两个侧壁。相对侧壁6，6’的长度L1与相对侧壁5，5’的长度L2相等，所述相对侧壁5，5’垂直于侧壁6、6’延伸。这种示例性实施例的几何形状被设计为模具腔的基本构造。

现在参照图2，示意性示出了根据本发明的总体用附图标记7表示的模具的第一实施例的横截面。与图1中示出的部件对应的部件用相同附图标记表示并且不再进行解释。以下描述将重点关注实施例之间的差异。在这个实施例中，通过为模具7在侧壁5、5’、6、6’的内侧上在模具腔2的区域中提供轮廓部8来改变基本构造。模具腔2也具有正方形横截面的基本构造。相对于图1的模具1，模具7的比例保持不变。除了轮廓部8之外，模具7的任何几何形状(附图中未示出)或者其它特征确实是相同。

轮廓部8构造成由并置槽9构成的褶皱。槽9具有正弦曲线形横截面并且相互紧邻，以使得模具腔2内侧的表面在横截面中并且沿着圆周方向以正弦曲线的方式形成褶皱。

在这个示例性实施例中，所有槽9均具有相同的槽宽度W和相同的槽深度T，也称作幅度。这个示例性实施例具有总共40个槽，其中每个槽的侧壁5、5’、6、6’均具有10个槽。由于沿着圆周方向的正弦曲线进程，因此槽9全部具有宽度W并且还具有对应于尺寸W的相同间隔。

图3示意性示出了根据本发明的总体用附图标记10表示的模具的第二实施例的横截面，并且所述模具10与图2的模具7的不同之处仅仅在于槽9的构造。在这个实施例中，模具10的槽9具有与模具7的槽9的正弦曲线构造相对的锯齿形构造。模具10的每个槽9因此具有三角形横截面，以总体上建立之字状构造的轮廓部8’。

图2和图3之间的比较表明模具10的槽9的数量大于模具7的槽9的数量。还有，模具10的槽9的宽度不应当太小并且宽度不应当小于1.5mm。优选地，模具10的槽9的宽度处于1.5-30mm的范围内，特别地处于2-15mm的范围内。目前优选的是宽度处于4.5-13mm的范围内。

图4示意性示出了根据本发明的总体用附图标记11表示的模具的第三实施例的横截面，并且所述模具在侧壁5、5’、6、6’内侧具有轮廓部8”，所述轮廓部8”与图2的模具7的轮廓部8的不同之处在于槽9的设置，所述槽9的横截面仍然为正弦曲线形但却布置成相互之间相距不同的距离。例如，当在视图平面中观察时，上侧壁5具有间隔开布置的两组12并且每一组均具有两个槽9。朝向角部3中的每一个，均布置有另一单个槽9。每一组12的各个槽9之间的间隔小于槽9的两组12之间的间隔。

在侧壁6、6’的内侧上设置有相反的构造，侧壁6、6’垂直于侧壁5、5’延伸。两个槽9的组12均位于边缘处，即，角部3的区域中，而单个槽9更靠近中心定位。整体上，槽9和组12对称地布置。相应的镜像轴线将与模具腔2的中心线M相交，所述中心线M定向朝向视图平面中。

图5示意性示出了根据本发明的模具的第四实施例的横截面，所述模具总体用附图标记13表示并且所述模具在侧壁5、5’、6、6’内侧上具有轮廓部8”’，所述轮廓部8”’与上述轮廓部8、8’、8”不同。这个实施例不仅仅涉及宽度W从角部区域3朝向侧壁5、5’、6、6’中的每一个的中部逐渐减小的变化，而且还涉及各个槽9的幅度或者深度T的变化。模具13的槽9的在角部3区域中的深度T远远大于槽9在侧壁5、5’、6、6’中的每一个的中间部分中的深度。因此，中间部分中的槽9不仅仅具有最小的深度T而且它们的宽度也是最小的，其中，深度和宽度从中心沿着角部3的方向逐渐增大，模具7、10、11、13的深度7处于1-3mm的范围内。

Claims (17)

1.一种用于铸造金属坯的连铸模具，所述连铸模具包括模具腔，所述模具腔具有用于液体金属的浇注口和用于铸坯的排出口，所述模具腔具有对应于铸坯的基本形状的横截面，其中，所述横截面至少部分地由沿着铸造方向延伸的轮廓部(8，8’，8”，8”)叠加而成，其特征在于，所述轮廓部(8，8’，8”，8”)构造成褶皱，所述褶皱包括多个槽(9)，所述槽以大体平行关系从所述模具腔(2)的所述浇注口延伸至所述排出口，其中，所述模具腔(2)的内圆周与所述槽(9)中每一个槽的宽度的比值大于30，并且所述槽(9)的宽度(W)处于1.5mm至30mm的范围内；

其中，所述模具腔(2)具有带有多个基本均匀的平行槽(9)的矩形形状，其中，根据以下等式来计算所述槽(9)的宽度(W)和深度(T)：

W＝K×SR^K2

其中，K＝常数因子，K取决于各个槽的深度的量，

K2＝常数因子

SR＝L1/L2

其中，L1＝所述模具腔(2)的长边的长度

L2＝所述模具腔(2)的短边的长度，

其中K在深度处于0.5mm至1.5mm范围内的情况下处于3-12的范围内，其中K在深度处于1.5mm至2.5mm范围内的情况下处于6-13的范围内，其中K在深度处于2.5mm至3.5mm范围内的情况下处于11-14的范围内，其中K2对于所述模具腔的所述长边而言处于0.6至0.9的范围内并且对于所述模具腔的所述短边而言处于-0.3至-0.6的范围内。

2.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)的宽度(W)处于2mm至15mm的范围内。

3.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)的宽度(W)处于4.5mm至13mm的范围内。

4.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)具有深度(T)，所述深度从所述槽(9)的边界向所述槽(9)的中心连续增大。

5.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)的横截面具有正弦曲线形状。

6.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)的横截面具有锯齿形状。

7.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)在它们的形状方面不同。

8.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)在它们的宽度(W)方面不同。

9.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)和/或由槽构成的组(12)在它们的深度(T)方面不同和/或在垂直于所述铸造方向的横截面内的幅度方面不同。

10.根据权利要求1所述连铸模具，其中，毗邻的槽(9)或者由毗邻的槽(9)构成的组(12)以不同的相互距离定位。

11.根据权利要求1所述连铸模具，其中，所述槽(9)相对于镜像轴线而轴向对称，所述镜像轴线与所述模具腔(2)横截面的沿着所述铸造方向延伸的中心线(M)相交。

12.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)关于所述模具腔的内圆周非均匀地分布。

13.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)的深度(T)处于0.5mm至5mm的范围内。

14.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述槽(9)的深度(T)处于1mm至3mm的范围内。

15.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述模具具有圆形、正方形、多边形的横截面或者横截面呈截面梁的形状。

16.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述模具是连铸模具管。

17.根据权利要求1所述的连铸模具，其中，所述模具是连铸板模具。