CN1040337A - 连续铸造带材的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用一个装熔融金属的腔体形式的第一凝固区连续铸造金属带材。腔体一部分由振动冷却壁限定，将热量从冷却壁上排走，熔融金属能在该壁上凝固，形成最终金属带材的一个表面。一个第二凝固区与第一凝固区相连，接受第一区的凝固金属。第二区一部分由与上述壁对置的第二冷却壁限定，熔融金属靠该第二壁凝固，以形成金属带的第二个表面。在第二凝固区中的金属保持靠在第二壁上，以防止熔体冲出。热量也从第二壁排走，形成的金属带从第一区经第二区而拉出。

Description

本发明涉及一种生产薄钢板和带钢的方法和设备，特别是涉及一种能够直接铸造上述材料的工艺。

制造带钢的一种传统方法是应用公知的连续铸造工艺制造板材，其可以是典型的200毫米到250毫米的厚度，然后这些板材通过一个热带钢轧机而轧到典型的1.8到4.8毫米的厚度，随后它们通过一个冷精轧机，达到最终的厚度。

与刚才所述的工艺过程相对照，也流行使用着薄带铸造方法，该方法使用某一形式的双辊或对辊铸造机，生产典型厚度约1毫米到12毫米的薄带。

这种工艺的代表是法国专利2457518，1984年12月21日公布，另一个典型的专利是U.S.4546814，1985年10月15日公布。

从双辊铸造概念的一个重大改变由日本专利申请2230458号（转让给了日本钢铁有限公司）给出，在这个改进结构中，一个带有敞开顶部的容器由一个倾斜的底壁和一个环绕三个侧面伸展的低坝（横壁）限定而成，底壁是水冷的，并且接受用于减少摩擦而输入的高频振荡能，热的金属液浇入如上限定的溶池并靠在冷却的底壁上凝固为一层，然后将该凝固层经缺掉的第四个壁拉出，并穿过一对或多对轧辊最终成为带材。

上述日本的结构，主要缺点是熔体的上表面暴露于空气中，此外，在带钢正离开连续铸模的区域内，熔融钢水的上表面完全地“成为”最终铸造产品的顶面，这是非常不利的，因为熔体的上表面趋于被熔渣，熔剂和氧化物所覆盖，它们在成品带材的顶面形成夹渣是不期望的，另外，在设法由液态表面铸造的同时，存在一定液体的流动问题，该问题可能会造成一个粗糙（波纹状）的凝固表面。

本发明的目的是提供一个改进的带钢铸模，它没有日本的结构那种缺点，该铸模的设计，使之可以最大程度地降低浮游物卷入铸造产品中的危险，并且提供一个光滑的，晶粒细化的钢结构。

更特别地，本发明给出了一个制造金属带材的设备，它包括：

一个第一凝固区，它是一个腔体的形式，用于盛装熔融金属，该腔体部分地由一个振动冷却壁来限定，熔融金属可以在此冷却壁上凝固，从而产生金属带材的一个表面。

用于从所述的冷却壁排走热量的第一冷却装置。

一个与第一凝固区相连的第二凝固区，用于接受来自第一凝固区的凝固金属，第二凝固区部分地由另一个与所述的振动冷却壁反向对置第二冷却壁来限定。因此，熔融金属可以靠在该第二冷却壁上凝固并形成金属带材的第二个表面，第二凝固区包括维持金属带并置到所述的第二冷却壁上的装置。

用于从所述的第二冷却壁排出热量的第二冷却装置。

用于将金属带材从所述的第一凝固区经第二凝固区拉出的引出装置。

另外，本发明提供一个连续制造等于或接近所需要的最终厚度之金属带材的方法，该方法包括如下步骤：

计量熔融金属注入腔体形式的第一凝固区，该腔体部分地由冷却壁来限度。

从所述的冷却壁排走热量，以使金属靠着在冷却壁上凝固为一层，从而构成金属带材的一个表面。

振动所述的冷却壁，以防止凝固的金属粘附到该冷却壁上。

将凝固的金属层传入与第一凝固区相接的第二凝固区，第二凝固区部分地由一个与第一次所述的冷却壁相反对置的第二冷却壁来限定，从而熔融金属的凝固能够靠在第二冷却壁上来进行，以形成金属带材的第二个表面。

保持金属带并置到所述的第二冷却壁上，以防止熔融金属从所述的腔体中穿出。

从所述的第二凝固区拉出金属带。

在附图中说明了本发明的几个实施例，其中，相同的数字表示几个视图中相同的部件。

图1是带材铸造设备主要部分的示意图;

图2是根据本发明的一个实施例构成的带材铸型的垂直剖视图;

图3是图2中沿3-3线的水平剖视图;

图4是图2装置派生结构的正视图;

图5是图4中沿5-5线的垂直剖视图;

图6是图5中沿6-6线的水平剖视图;

图7是本发明第二个实施例的示意图。

首先注意图1，图1中给出了一个浇包10，它将钢水送到中间包12，从中间包12，钢水传到一个带材铸模14中，铸模14将在本发明书的下面给予更详细的描述。带材铸模14连续地铸出一条带钢，带钢穿过一个护罩16再经过许多辊子18，辊子18再将带钢导向水平方向。一层状的喷水冷却机构20用于降低带钢的温度，最后，带钢卷到一个卷绕装置22上。

现在注意图2，图2说明了带材铸模14的一个实施例的细节。

内腔24具有一个敞开的顶端26，它由基本上为竖直的面28基本上为竖直的保温侧壁30（在图2剖视图中仅能看到一个）和斜的保温壁32来限度。在靠近铸模14的顶部，斜壁32与一个短的竖直壁34相接，壁32和34是整体式耐火体36的表面，耐火体36由刚架38、底部支撑板39和竖直壁板40固定就位。

竖直面28，如实施例中所描绘的，是壁板43的内表面，板43最好由高导热性的铜制成，它构成了一个冷却壁，根据凝固的钢，该冷却壁上涂有表面光滑的氮化硼。尽管考虑到氮化硼因其是一种低摩擦材料而能够有利地用于本发明，但需要强调的是，其他具有类似这种性能的材料也可以选择用于本发明。如图2中所看到的，板43具有一个复合几何结构的部分，该结构具有水平的集成冷却片50，它们竖直地被分开，并构成若干腔体，与管道54相连的适当布置的大量喷咀52可以将冷却水喷入上述腔体中。在壁板43形成上述复合结构的部分中，包含侧壁56（在图2所示的垂直剖视图中仅能看到一个）。

应注意到，壁板43并非伸展至壁的整个高度，它与一个顶壁60相接，该顶壁60构成了绝热腔62的底端。在腔体62中具有绝热材料，其顶部由一个板64限定，腔体62中的绝热材料可以是氧化铝（刚玉）或氧化铝-石墨复合材料，这种材料可以在内侧面65a用诸如氧化锆（Zr₂O₃）类的材料来涂覆。

壁板43在带有凸缘60a的底部是完整（整体）的，凸缘60a支撑在板64a上。结构65用于简略地表示带材铸造机的支撑机构。

如在图2中所看到的，所需要的熔融钢的高度在线66处，该线在冷却装置的上壁60之上，这意味着热量并不是从上部区域的熔体中排出的，结果，熔体的上层保持高的温度，并且不利于材料形成金属带，这样就避免形成表面弯月面，于是防止带材靠在壁板43凝固时在其中产生熔剂，熔渣和氧化物的夹渣，这样凝固是在熔体表面之下某一选择深度上，开始并靠在一个连续的完整表面来进行。

看图2的底部，可注意到这里装有一个第二冷却壁68，其在左侧与壁板43的底部表面相隔开，正在形成的带钢将从这两部分之间的间隙中拉出，典型的间隙可以是在12毫米范围内。冷却壁68是C形的断面，它与一个竖直的板69配合以形成一个水腔70，该水腔经管道72和74供水。壁68也可以具有一个氮化硼或等效的涂层76，以减少与带钢的摩擦。

内腔24的设置，具有如下的优点：1）它可以采用铸口之类的通用供料装置;2）它促使熔融温度的稳定。

将图2的实施例结构看作提供两个分开的凝固区是很方便的，第一个凝固区从上壁60的高度（在壁板43的顶部）向下伸展至耐火体36底部的高度，第二个凝固区在第一凝固区的下面伸展至第二冷却壁68的底部，最后的带材的右侧表面在第一凝固区靠在壁板43的竖直面28上形成，最后的带材左侧表面在第二凝固区靠在第二冷却壁68上形成。

第一与第二凝固区的区别在图7中看到是很清楚的。图7是本发明另外一个实施例的示意的垂直剖面图，根据带钢的厚度该图有点夸张，目的在于能更好地理解带钢凝固的过程。

图7中，一个腔体224被限定在斜绝热壁232和垂直冷却壁228之间的部分中，冷却壁228由高导热性的铜制成，其上涂有氮化硼，水流252所喷射的冷却壁228所具有的冷却作用仅向上到达其顶部凸缘260处。数字262表示在冷却壁228之上的绝热材料，以保证在熔体表面的熔渣和杂质不会进入正在形成的带材中。

第一凝固区由245所指的范围，在本实施例中它仅伸展至冷却壁228的底部。

在第一凝固区之下，第二凝固区一直伸展至冷却装置268的底部，该冷却装置的结构和图2中所示的68，69和70一样，在图7中，第二凝固区由247所指的范围。

图7中，正在成形的带材的厚度被夸大了。正如从剖面270所看到的，带材由于冷却壁228的冷却作用其厚度在第一凝固区向下的方向逐渐增加，然而一旦带钢离开第一凝固区，其从右侧的厚度的增长以大大降低的速率进行，在第二凝固区，装置268的冷却作用导致从左侧产生凝固，其厚度迅速增长，直到固化成完整的带钢。凝固更可取的是在第二凝固区247内完成。在一个优先的实施例中，装置268经受可能是水平平行于带钢的、或垂直的或二者结合的振动。

要注意到，在图2所示的实施例中，由于壁板43实际上是伸展至第二凝固区的底部，最终的带钢从右侧的凝固并非局限于第一凝固区，而是延续至第二凝固区。

返回图7，对于本技术领域的熟练人员将知道，因为带钢的相对表面是从相对的方向分别结晶的，所以似有可能使缩孔或孔洞271将沿着两个凝固前沿到达一起处的内平面出现，在一个优先的实施例中，这些孔洞通过拉辊275对已经形成的带钢273的拉出而焊在一起，拉辊275不仅夹住和向下拉动带钢，而且减小其厚度。为了达到减小厚度，可以调节所施的压力，以焊合任何存在的孔洞271。当然，可以辅助辊（没有示出）来降低带材由于其厚度的减小过程而产生（圆弧）凸面的倾向。理想的是，辊子275用于几个目的;1）如已经叙述的那样，它的用于焊合孔洞（缩孔），2）它们精轧表面，使之更光滑，3）达到客户所指定的最终（带材的）厚度，而不必改变从第一到第二凝固区的间隔。

在图7中的第二凝固区247内，装有压辊279它们是弹性安装的，以便对第二凝固区的带钢施加一个向左的力，这个力使带钢保持靠在冷却装置268上，从而防止熔融金属在第二凝固区中冲出。可考虑安装一个辊子279的止挡，以确定冷却装置268与辊子279之间的最小距离。在图2所示的实施例中，不存在辊子279，这是因为壁板43一直伸展到第二凝固区247的底部。然而图2实施例中由于壁板43和壁68之间的间隔是固定的，因此需要更高程度的监控。

图7中也示出了许多加热元件281，其目的是给熔体加热，以保证熔体保持在液相线温度之上。最下部的加热元件281a是非常重要的，因为其靠近临界的颈区供热，在该处氧化铝可能沉积到壁232上。

下面来看剩下的附图，以解释附加的特征。

图4-6所示结构的变型，其包括一个由进口管82供水的下部密封的水腔80，一个向出口管86排水的上部密封的水腔84，和许多与腔体80和84连通的横向隔开的竖槽88，其排列可以从图6清楚地看出。

图6是图5结构中的底部切过壁板68的水平剖面（图），可以看到，壁板68和两个端部结构90是一个整体，端部结构90可以通过调节壁板68和43之间的横向间隔而移动，壁板68和43的间隔的可调性使得可以控制带钢的初始厚度，要注意到，图4-6所示的壁板43是三部分复合板的一层，该复合板包括层43a和43b，尽管可以使用这样一种结构，但认为单层（如图2和7）是更可取的。

如参照图7已经提及的，本发明试图应用振荡或振动来减小带钢对冷却壁的粘附，特别是提供一个步移式布置的振动模，在此，壁板43在一个闭合的环路上运动，该闭合环路依次包括;向内（向左）运动，至与正在形成的带钢接触，然后向下运动，以向下推动钢带，再向外（向右）运动，与带钢脱离或减少接触，最后是向上运动，这样重复循环将促进正在凝固的带钢向下运动，这是因为壁板43的向上运动发生在它离开带钢之后。刚才所述的循环运动有可能要在产品带钢上留下振动痕迹，鉴于此，打算应用高的频率，以使所有这样的痕迹紧密相间，从而很少看得见。重要的是要知道上述的循环运动是可以由水平和垂直运动的叠加而成，并且该环路与一个严格的矩形或园形线路不同。

图7进一步给出了一个虚线所示的护罩282，它将辊子275和第二凝固区247围住，护罩282提供了一个还原气氛，以减少起鳞皮和防止金属带的再次氧化。

由于摩擦牵引对带材重量的比值高，降低带材壁板43之间的摩擦力是相当重要的，但类似的问题的确出现于较厚材料，如板坯的连续铸造中，但由于其表面对重量比的关系，有可能使用油或熔剂来减少摩擦，使产品的重量提供了大部分或者全部所需的拉引力。然而在本设计中，期望在带材产品上的一个附加的向下拉力是必要的，但是，由于带材从铸模中出来时温度很高，其抗拉强度很低，这意味着可以安全地施加的拉力大小是有限的，为此目的而使用的压延辊275，已参照图7描述过了。

应当明白，根据本发明的范围，并非是指仅局限于氮化硼可作为壁板43上的涂层，重要的是对壁板43来说它能够从腔体24中传走热量，并且对于热的熔体来说具有相当“滑”的表面。一种称为SIALON的新材料作为涂层来说明是相当于或优于氮化硼。特别是涂层材料应当在减少甚或氧化的条件下具有极度的高温抵抗能力（如在1600℃左右），另外，还应具有突出的几何学热稳定性，例如低的或零热膨胀系数，材料的导热性应当至少与钢的一样高，理想的是它应具有低的热容量。尽管氧化硼在低的热容不够理想，但其低的密度在一定程度上会予以补偿，最后，（涂层）材料应当具有“非湿润”性和低摩性，这可以克服或降低对带钢的“耦合”摩擦，认为，对于适当地应用前述的行走振动来说，适度大小的“滑动摩擦”将是有益的。

值得欣赏的是，本发明的装置除了已示出的之外还可以具有其他的取向，例如图2中的表面28可以相对于垂直线而改变角度。

对本发明的工艺，温度控制的重要性不论如何强调也不过分，温度控制调节熔融金属在冷却壁上的冷却（凝固）速率，并且也调节或保持在铸模中用于铸造的熔融金属的温度，这对于得到高质量的产品至关重要。

在冷却壁的纵向和横向两个方向控制冷却对于得到好的表面质量的平整带材是重要的。在图2所示的冷却系统中，水的喷洒系统不是机械地连接到壁板43上，由于质量减小，使壁板在任何希望施加的频率下可更容易振动。喷咀的控制可以由埋在壁板43中不同位置或区域的热电偶完成，热电偶能够提供用于计算机分析的数据，并一个区一个区的控制冷却。与壁板43成一体的冷却片50帮助确定冷却区，提高冷却能力，并防止壁板43变形。

如参图图7早已述及的，为了进行温度控制，打算对熔融钢水进行感应加热。熔融钢水温度的精确控制和由于中间包加料和微小线速度变化时所产生的温度波动的消除，都能导致改善带材形状、表面质量和厚度的控制。感应线圈的应用可以提供这种附加特性。

这样，将能看到本发明具有许多优点：

（a）高的铸带速度;

（b）由于基本上省去了热带碾压操作，简化了带材的生产;

（c）由于将熔渣限制在熔融金属的表面，带钢具有非常好的表面质量;

（d）由于热辐射分布的严格控制，带钢具有很好的平整度。

指导设计用于薄带铸造机的垂直振动器部件的标准是，铸模的最大速度必须大于带钢的速度，以在带钢和冷却壁之间产生一个剥离作用。

在优先的实施例中，用于薄带铸造机的水平振动部件与模拟一个“步移梁”作用的垂直运动相耦合（配合），铸模在垂直运动的下行程中将保持与带钢接触，在下行程的端点铸模将水平地移离带钢，铸模与带钢之间的接触将直到铸模在其垂直行程的顶端时才再发生。

为达到“步移梁”式运动，在水平面内的振动器频率必须与在垂直平面内的振动器频率相同，行程的长度将根据铸模与带钢之间所需要的投射距离来选择。

尽管在附图中和上面描述了本发明的几个实施例，但对本领域的技术人员来说，显然可以在其中进行变化和改型，而不脱离本发明的实质，正如在权利要求中提出的那样。

Claims (27)

1、一种制造金属带材的设备，包括一个腔体形式的第一凝固区，该腔体用于盛装金属液，它部分地由一个振动冷却壁来限定，金属液能够在该冷却壁上进行凝固，从而构成金属带材的一个表面，用于从振动冷却壁排出热量的第一冷却装置，和从所述的第一凝固区拉出带材的引出装置，其特征在于，它还进一步具有一个与第一凝固区相连的第二凝固区，用于接受来自第一凝固区的凝固金属，第二凝固区部分地由一个与所述的振动冷却壁反向对置的第二冷却壁来限定，因此金属液能够背靠着该第二冷却壁凝固并形成金属带材的第二个表面，第二凝固区包括有维持金属带并置到所述的第二冷却壁上的装置，和从所述的第二冷却壁上排走热量的第二冷却装置。

2、根据权利要求1的设备，其特征在于所述的维持装置至少包括一个弹性安装的辊子，以推动金属带靠在所述的第二冷却壁上。

3、根据权利要求1的设备，其特征在于所述的维持装置包括所述的振动冷却壁的延伸部分。

4、根据权利要求1的设备，其特征在于所述的引出装置包括一对引出辊。

5、根据权利要求4的设备，其特征在于所述的引出辊也起压延辊作用，以焊合带材中的内部孔洞（缩孔），辗平表面，达到最终的带材厚度。

6、根据权利要求1的设备，其特征在于所述的第二冷却壁要经受振动。

7、根据权利要求1的设备，其特征在于它还包括一个封闭金属带的护罩，在此，金属带材离开第一和第二区，在所述的护罩内具有提供还原性气氛以减少起鳞皮的装置。

8、根据权利要求1的设备，其特征在于振动冷却壁基本上是平的，并竖直伸展，第二凝固区在第一凝固区的下面，所述的腔体还由一个与所述的振动冷却壁相对的第一绝热壁来限定，第一绝热壁面朝着振动冷却壁向下倾斜，所述的腔体还由第二和第三绝热壁限定。

9、根据权利要求8的设备，其特征在于第一绝热壁中至少在接近它的较低的部分装有向熔体供热的加热装置，以防止氧化铝沉积在该较低的部分。

10、根据权利要求1的设备，其特征在于振动冷却壁的振动在平行于金属带材通常运动的方向上具有一个分力，并且在垂直于振动冷却壁的方向具有一个分力，上述分力同时发生，给与一个步进运动，以降低振动冷却壁和靠在它上的已凝固的金属之间阻力。

11、根据权利要求8的设备，其特征在于振动冷却壁的振动在垂直方向上具有一个分力，在垂直于振动冷却壁的水平方向上具有一个分力，这些分力同时发生，以产生一个步进运动，以降低振动冷却壁和靠在它上的已凝固的金属之间的阻力，并且所说的第二冷却壁也要经受振动。

12、根据权利要求6的设备，其特征在于第二冷却壁经受与钢带平行的水平振动。

13、根据权利要求11的设备，其特征在于第一冷却装置包括许多喷水喷咀，水将热从振动冷却壁上带走，该设备包括调节经过各个喷咀水流量的调节装置，以控制振动冷却壁表面上的温度梯度;所说的第二冷却装置包括一个与第二冷却壁热接触的水腔，以及将水送入水腔和将水从其中排出的装置。

14、根据权利要求13的设备，其特征在于所述的每个冷却壁均包括一个氮化硼内层和一个高导热性的钢外层。

15、根据权利要求13或14的设备，其特征在于引出装置包括引出辊，它可以施加足够的压力以减小（带材的）厚度，从而保证焊合带材的内部缩孔。

16、根据权利要求13或14的设备，其特征在于引出装置包括引出辊，它可以施加足够的压力以减小（带材）厚度，充分保证焊合带材的内部缩孔，该设备还包括一个封闭所述的引出辊和第二区的护罩，用于在其中提供一个还原性气氛防止金属带材的再次氧化。

17、根据权利要求8的设备，其特征在于振动冷却壁具有一个上部边缘，该边缘位于预定的金属液的弯月面平面之下，从而保证在金属弯月面的表面物质不被拖入正在成形的金属带中。

18、一种连续制造等于或接近所希望的最终厚度的金属带材的方法，该方法包括的步骤是：使计量好的熔融金属注入一个腔体形式的第一凝固区，该腔体部分地由一个冷却壁限定，从该冷却壁排走热量，以使金属靠在该冷却壁上凝固成一层，从而形成金属带的一个表面，振动所述的冷却壁，以防止已凝固的金属粘附到冷却壁上，其特征在于，还包括如下步骤：将凝固的金属层传入与第一凝固区相连的第二凝固区，第二凝固区部分地由一个与所述的最初提到的冷却壁反向对置的第二冷却壁限定，从而熔融金属靠在第二冷壁上发生凝固，形成金属带的第二个表面，维持金属带并置靠在第二冷却壁上，以防止熔融金属由腔体中冲出，将金属带从所述的第二凝固区拉出。

19、根据权利要求18的方法，其特征在于从冷却壁排热步骤，其方式实质上是保证均匀的热量横过与金属带通常运动的方向垂直的冷却壁上排出。

20、根据权利要求18的方法，其特征在于，振动冷却壁的步骤包括一个在平行于金属带材通常的运动方向上的分力和一个在垂直于第一冷却壁方向上的分力，这些分力同时发生，提供一个步进运动，以降低所说的最初提到的冷却壁和与之相贴的已凝固的金属间的阻力。

21、根据权利要求18的方法，其特征在于振动冷却壁的步骤是在一个重复叠加的循环中进行，该循环包括：首先向着腔体移动冷却壁，以达到它与金属带的摩擦接触，然后向着第二凝固区移动冷却壁，以便向着第二凝固区推动金属带，再使冷却壁移离腔体，以减少冷却壁与金属带材间的摩擦接触，最后是冷却壁在与上述第二个运动相反的方向上运动。

22、根据权利要求18的方法，其特征在于钢带以保证在第二凝固区之内完成凝固的速度拉出。

23、根据权利要求18的方法，其特征在于它还包括减小金属带厚度的步骤，以焊合金属带材中的任何内部缩孔。

24、根据权利要求23的方法，其特征在于拉出步骤和压延步骤是由于使用压延辊方式拉出金属带而同时完成。

25、根据权利要求18的方法，其特征在于从冷却壁排热的步骤，是通过在冷却壁上喷水来实现。

26、根据权利要求18的方法，其特征在于还包括振动所述的第二冷却壁的步骤。

27、根据权利要求26的方法，其特征在于第二冷却壁的振动是平行于金属带材水平方向进行。

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