CN104203452B - 直冷铸造金属的附加淬冷原位均化法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于原位均化直冷铸造锭块的方法和设备。在固体锭块中可能形成共晶材料的大颗粒并且金属可能出现合金组分的宏观偏析，特别是在通过该方法铸造大锭块时。这可如下减轻：将第一冷却液施加于从模具脱出的锭块，通过擦拭器在锭块上一定距离处去除第一冷却液，然后在锭块上更大距离处施加第二冷却液以进行淬冷。淬冷使锭块中熔融贮槽的位置升高，这有助于克服所述问题，而不影响有效引发原位均化所需的一段时间的锭块壳温度回弹(通常至少425℃(797℉))。

Description

直冷铸造金属的附加淬冷原位均化法

技术领域

本发明涉及熔融金属，特别是熔融金属合金通过直冷铸造法等方法进行的铸造。更具体而言，本发明涉及包括原位均化的这类铸造。

背景技术

金属合金，特别是铝合金，通常由熔融形式铸造以制造锭块或坯段，铸锭或铸坯随后进行轧制、热加工和/或其它处理来制造用于生产多种产品的片材或板材制品。锭块通常通过直冷(DC)铸造法制造，但也可采用同等铸造方法，例如电磁铸造(例如以均授予Goodrich等人的美国专利3,985,179和4,004,631为代表）。术语“直冷”是指在锭块或坯段进行铸造时将冷却液直接施用于其表面。以下论述主要涉及DC铸造，但相同原理适用于在铸造金属中产生相同或同等微结构性质的所有这类铸造工艺。

用于制造锭块的金属(例如铝和铝合金-下文统称为铝)DC铸造通常在浅的端开口轴向垂直模具中进行，该模具具有围绕铸造腔的模具壁(铸造表面)。该模具初始时在其底端被可向下移动的平台(常被称作底座)封闭，该平台保持原位，直至一定量的熔融金属已堆积于模具中(所谓的启动物料)并已开始冷却。然后使底座以调控速率向下移动，使得锭块从模具底端逐步脱出。模具壁通常被冷却套管围绕，水之类的冷却流体连续循环通过该套管，以为模具壁及铸造腔内与其接触的熔融金属提供外部冷却。将熔融的铝(或其它金属)连续引入冷却模具的上端，以替代随着底座下降脱离模具下端的金属。随着该底座的有效连续移动和相应地向模具连续供应熔融铝，可制造所需长度的锭块，其仅受到模具下方可供使用的空间的限制。DC铸造的进一步细节可获自授予Ennor的美国专利2,301,027(其公开内容经此引用并入本文)和其它专利。

DC铸造尽管通常如上所述垂直进行，但也可以水平进行，即模具非垂直取向且通常精准水平取向，并对设备作出一些修改，在这类情况下，由于可随着锭块从模具脱出将其切割为所需长度，因而铸造操作可以是基本连续的。在水平DC铸造的情况下，可免于使用外部冷却模具壁。在以下论述中，参照垂直直冷铸造，但相同构思适用于水平DC铸造。

在DC铸造中从模具下端(或出口)脱出的锭块在外部是固体但在其中心仍然熔融。换言之，模具内的熔融金属池作为外部固体壳内的熔融金属贮槽向下延伸到向下移动的锭块的中心部分直达模具下方的一定距离。随着锭块从外表面向内冷却和固化形成固体外壳，该贮槽的横截面沿向下的方向逐渐减小，直至其芯部完全变为固体。铸造金属产品的具有固体外壳和熔融芯的部分在本文中被称作锭坯(embryonic ingot)，其在完全固化时变为铸造锭块。

如上所述，直冷铸造通常在具有主动冷却壁的模具中进行，该主动冷却壁在熔融金属接触壁时启动对熔融金属的冷却。所述壁通常由一级冷却剂(一般为水)冷却，该一级冷却剂从围绕壁外表面的室流过。使用时，这种冷却常被称为金属的“一级冷却”。在这些情况下，第一冷却液(例如水)直接施用于脱出的锭坯被称为“二级冷却”。锭块表面的这种直冷同时有助于使锭块边缘部分保持适度固态以形成限制壳和促进锭块的内部冷却和固化。二级冷却通常提供锭块经受的主要冷却。

传统上，在模具下方提供单个冷却区域。通常，通过沿紧邻模具出口下方的锭块边缘均勻引导基本连续的水流，实现这一区域中的冷却作用，例如从冷却套管的下端排出水。在该工艺过程中，水以相当大的力或冲量与锭块表面呈相当大的角度撞击该表面并伴随着连续但递减的冷却作用向下流经锭块表面，直至锭块表面温度接近水的温度。

2009年4月14日授予Wagstaff等人的美国专利7,516,775披露了上述种类的熔融金属铸造方法，该方法具有附加特征，即在模具出口下方一定距离处使用擦拭器从锭块外部去除用于二级冷却(即直冷)的液体冷却剂，该擦拭器可以是锭块经过的环形实心弹性部件，或者替换性地可以是与二级冷却液流反向以使冷却流从锭块表面提起的射流(气体或液体)形成的擦拭器。从锭块表面去除二级冷却剂的原因在于，使锭坯外部固体壳的温度得以升高并接近仍然熔融的内部的温度保持使固体金属中足以发生冶金学变化的时长。发现这些冶金学变化与这种锭块铸造并完全冷却之后所进行的固体铸件传统均化过程中发生的变化类似或完全相同。冷却剂擦除之后壳温的升高是归因于与固体外壳的冷却金属相比内部熔融金属的过热以及由于内部熔融金属随着时间的推移不断固化而产生的潜热两者。通过这种再加热效应，实现了所谓的“原位均化”，从而无需铸造操作之后额外的传统均化步骤。该工艺过程的全部细节可获自美国专利7,516,775，其全部公开内容经此引用并入本文。

尽管已证实该原位均化工艺过程对于其意图而言最为有效，但发现在一些情况下(例如当铸造特别大的锭块时)可能出现的某些冶金学效应是不期望的。例如，随着冷却剂擦除之后锭块固体壳的升温，固体金属和熔融金属之间的内部界面处开始膨胀，从而使共晶成分金属(最后固化的熔融金属)汇集于界面之上存在的成分稍有不同的先固化金属晶粒或枝晶之间的大孔洞之中。共晶成分汇集金属最终固化形成大的金属组成颗粒，这些颗粒对于一些应用而言可能是所不期望的粗大颗粒。通过擦拭去除二级冷却剂还易于改变熔融金属贮槽(锭坯中的熔融金属中心池)的性质。由此可导致比标准DC锭块中所遭遇的更为严重的贯穿锭块厚度的化学变化，也称为宏观偏析。如果全液区和全固区之间被称为半固区或糊状区的部分固化区变厚，则固化收缩诱发的流动增强。当铝晶体(或其它溶剂金属晶体)冷却并开始收缩时，固化收缩诱发的流动出现。收缩晶体产生吸力，该吸力将溶质富集液体从糊状区的高处推入糊状区底部的小裂缝中。该现象具有消耗溶质元素锭块中心而使锭块或坯段表面金属浓缩的趋势。影响为宏观偏析的另一现象被称为热质对流，糊状区厚度增加也使其增强。在热质对流中，在模具壁和模具冷却液流附近于贮槽顶部经受冷区作为的液体金属变得更冷且密度更大。液体金属由于其密度增大而下沉，并可穿越糊状区的上部，追随贮槽分布向下朝向锭块中心移动。该现象具有将溶质富集液体推向锭块中心的倾向，从而提高锭块中心的溶质浓度并降低锭块表面的溶质浓度。影响宏观偏析的第三种现象是浮动晶粒。在含共晶合金元素的体系中由铝合金固化的第一晶体是溶质不足的。在糊状区的上部区域，这些晶体不稳固且可容易地被驱离。如果将这些晶体推向贮槽的底部，如重力和热质对流两者所倾向做的那样，则随着这些晶粒聚积于贮槽底部锭块中心的溶质浓度将降低。同样地，对于一些应用而言这可能是不期望的。

1973年10月9日授予Behr等人的美国专利3,763,921披露了金属的直冷铸造，其中紧邻模具下方从锭块表面去除冷却剂，并在稍低的位置重新向锭块表面施加冷却剂。如此以减少锭块开裂及容许高的铸锭速度。

1995年7月11日授予Ohatake等人的美国专利5,431,214披露了内部设置有第一和第二冷却水套管的冷却模具。擦拭器布置于该冷却模具下游以擦拭冷却水。第三冷却水喷嘴设置于该擦拭器下游。该公开内容集中于直径较小的坯段。

期望提供对上述原位均化方法的改进，当对于所得铸锭的预期应用而言一些效应被视为不良效应时，来减少或克服一部分或全部这些不需要的效应。

发明内容

根据本发明的示例性实施方案，提供铸造金属锭块的A方法，包括下列步骤：(a)将熔融金属从至少一个来源供应至在边缘限定熔融金属的区域中，并形成具有外部固体壳和内部熔融芯的锭坯；(b)沿推进方向推进锭坯以远离在边缘限定熔融金属的区域，同时向所述区域供应追加的熔融金属，由此使固体壳内所含的熔融芯延伸超出该区域；(c)通过将第一供量的第一冷却液供应品引导至从在边缘上限定该金属的区域中脱出的所述锭坯的外表面上，为所述锭坯提供直冷；(d)在锭块外表面上的第一位置(在此，与推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分熔融芯)处，从锭坯外表面去除所述第一冷却液以便在去除所述第一冷却剂后，来自熔融芯的内热将与熔融芯相邻的固体壳再加热；和(e)通过进一步沿推进方向自所述第一位置在锭块上的第二位置(在此，与推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分熔融芯)处，向所述外表面施加第二冷却液，在去除所述第一冷却液之后，进一步为所述锭坯的外表面提供直冷，所述第二冷却液以第二供量施加，所述第二供量少于第一冷却液的第一供量且使锭坯有效淬冷而不妨碍淬冷之后芯和壳的温度随后接近425℃(797℉)或更高的会合温度并保持至少10分钟的时长。

表述“使锭坯淬冷”是指使锭坯的温度迅速降低，不仅是在外表面且延伸至锭块内部以影响熔融贮槽。

另外，以少于所述第一冷却液的供量施加第二冷却液的要求是指施加于锭块表面的相对量，即在锭块表面先后施加第一和第二冷却液两者的那些区域中沿垂直于锭块从模具的推进方向每单位时间(例如每秒)每长度单位(例如每厘米或英寸)经过锭块表面的液体的体积。通常围绕锭块边缘施加第一冷却液，但可能将第二冷却液限制于边缘的某些部分，例如矩形锭块轧制面的中心区域。由此，当锭块前进离开模具出口时差量施加于经受两种冷却液射流或喷雾的那些区域。

在上述方法中，第二位置优选沿推进方向与第一位置相隔150至450mm的距离，淬冷液优选以施加于第一位置的第二冷却液的4%至20%的供量施加。

根据本发明的另一示例性实施方案，提供铸造金属锭块的设备，包括：(a)端开口直冷铸模，具有通过模具入口供应于模具的熔融金属由模具壁边缘限定的区域，从而为供应于模具的熔融金属提供边缘部分，并具有接纳可移动底座的模具出口；(b)围绕模具壁用于容纳一级冷却剂的腔室，以冷却模具壁，进而冷却金属边缘部分，来形成具有外部固体壳和内部熔融芯的锭坯；(c)底座的可移动支承体，使底座能够沿推进方向前进离开模具出口，同时通过入口将熔融金属引入模具，从而能够形成具有熔融芯和固体壳的锭坯；(d)用于将第一冷却液供应品引导至锭坯外表面上的射流；(e)用于在锭块外表面上的第一位置(在此，与推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分熔融芯)处从锭坯外表面去除第一冷却液的擦拭器；和(f)用于在与推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分所述熔融芯的第二位置处向锭坯外表面施加第二冷却液的出口，所述出口以少于射流施加的第一冷却液的供量施加第二冷却液。

与通过传统原位铸造方法制造的锭块相比，上述实施方案可具有降低锭块热轧之后再结晶粒径的效应，和/或降低宏观偏析的效应。

附图说明

以下，结合附图披露本发明的示例性实施方案，其中：

图1是直冷铸模的一种形式的垂直截面图，其示例了用于包括原位均化的传统铸造的设备；

图2是类似于图1的截面图，但其示例了本发明的一种示例性实施方案；

图3A是图2中擦拭器下方的锭块的水平示意截面图，其显示了用于锭块三级冷却(水淬)的喷嘴和喷雾器；

图3B是图3A所示锭块的局部侧视图，其示例了三级冷却喷雾器接触锭块面的位置；

图4至9、10A、11A、12A、13A、14A、14B、15A和15B显示了以下说明的实施例部分中进行和讨论的实验的结果；

图10B、11B、12B和13B显示了锭块上获取分别用于生成图10A、11A、12A和13A的样品的位置；

图16A、16B、16C、17A、17B、17C、18A、18B、18C、19A、19B和19C是根据实施例铸造的金属的显微照片；和

图16D、17D、18D和19D显示了锭块上获取各显微照片样品的位置。

具体实施方式

下列描述涉及铝合金的直冷铸造，但仅是举例说明，因为其它共晶合金和包晶合金在进行DC原位铸造时也可能呈现上述问题。

因而，下述示例性实施方案，事实上本发明总体上适用于各种铸造金属锭块的方法，适用于多数合金的铸造，特别是轻金属合金，尤其是转变温度高于425℃(797℉)，尤其是高于450℃(842℉)，且要求在铸造后和在热加工(例如轧制以形成片材或板材)之前均化的那些。除了基于铝的合金外，可以铸造的其它金属的实例包括基于镁、铜、锌、铅-锡和铁的合金。

附图中的图1是美国专利7,516,775的图1的复制，提供该图以示例用于原位均化的设备和装置。该图显示了垂直DC铸造机10的简化垂直横截面。当然，本领域技术人员会实现，这类铸造机可以构成均同时以相同方式运行的更大组的铸造机的一部分，例如构成多铸造台的一部分。

将熔融金属12通过模具入口15引入垂直取向的水冷端开口模具14，并作为锭坯16从模具出口17脱出。锭块16的上部(在此，锭块为坯料)在固体外壳26内具有形成内缩贮槽19的熔融金属芯24，该外壳随锭块坯部冷却以及与模具出口17距离的增大而变厚，直至在模具出口17下方一定距离处形成完全为固体的铸锭。要理解的是，具有液冷模具壁(铸造表面)的模具14由于冷却液流过环绕冷却套管而为熔融金属提供最初的一级冷却，在边缘限定并将熔融金属冷却以引发固体壳26的形成，且冷却中的金属以箭头A所示的推进方向通过模具出口17移出并远离模具。随着锭块16从模具中脱出，将冷却液射流18引导到锭块16的外表面上以提供直冷，由此使壳26变厚并强化冷却处理。冷却液通常是水，但对于特种合金，例如铝-锂合金，可能可以使用另一液体，例如乙二醇。

在模具出口17下方间隔距离X处，提供与锭块外表面接触的与锭块(通常为矩形)形状相同的固定环形擦拭器20，这具有从锭块表面去除冷却液(表示为流22)的作用以便随着锭块进一步推进，擦拭器下方的锭块部分的表面不含冷却液。冷却剂流22显示为从擦拭器20上流走，但它们与锭块16的表面间隔一定距离以致它们不提供任何显著地冷却作用。

确定距离X(模具出口与擦拭器之间)，以便在锭块仍然是坯料处(即锭块仍然含有包含在固体壳26内的贮槽19中的熔融中心24的位置处)从锭块上去除冷却液。换言之，在擦拭器20的放置位置，与推进方向A垂直截取的锭块横截面贯穿锭坯的熔融金属芯24的一部分。在擦拭器20的上表面下方的位置(在此去除冷却剂)，锭块芯内的熔融金属的继续冷却和固化向先前已被射流18冷却的固体壳26释放出固化潜热和显热。潜热和显热的这种从芯到壳的转移在缺乏连续强制(液体)直冷的情况下导致固体壳26的温度(在擦拭器20去除冷却剂的位置下方)升高(与刚好在擦拭器上方的其温度相比）并与熔融芯的温度会合在高于金属发生原位均化的转变温度的温度。至少对于铝合金，会合温度通常等于或高于425℃(797℉)，更优选等于或高于450℃(842℉)。出于温度测量方面的实际原因，“会合温度”(熔融芯和固体壳首次达到的共同温度)被认为与“回弹温度”相同，回弹温度是固体壳外表面在该方法中在去除二级冷却液后升至的最大温度，并且是更容易监测的温度。

优选使回弹温度尽可能高于425℃(797℉)，通常，温度越高，原位均化的所需结果越好，但回弹温度当然不升至金属的初熔点，因为冷却和固化的外壳26从芯中吸收热并对回弹温度施加最高限度。顺便提及，通常至少425℃(797℉)的回弹温度通常高于金属的退火温度(铝合金的退火温度通常为343至415℃(650至779℉))。

425℃(797℉)的温度是多数铝合金的临界温度，因为在更低温度下，金属元素在固化结构内的扩散速率太慢以致不能使整个金属晶粒内的合金化学组成正规化或均等。在等于和高于该温度下，特别在等于和高于450℃(842℉)下，扩散速率适当快地产生所需均衡化以引起金属的原位均化。

实际上，确保会合温度达到高于425℃(797℉)的某一最小温度通常是理想的。对于任何特定合金，通常存在在425℃(797℉)和合金熔点之间的过渡温度，例如固溶线温度或转变温度，在该温度以上，发生合金的某些微结构变化，例如从β相转化成α相成分或金属间结构。如果会合温度安排成超过这种转变温度，可以在合金结构内引入进一步所需的转变。

如所提及，原位均化方法和设备的全部细节可获自美国专利7,516,775的公开内容。

图2示例了根据本发明示例性实施方案的设备的一种形式。该设备与图1部分类似，类似或相同的部分使用与图1相同的标记来表示。与图1的情形类似，该图是铸造矩形锭块16工艺中的矩形直冷铸造设备10的垂直横截面，该锭块具有大的通常称为轧制面的相对面25A(参见图3A)和窄的相对端面25B。图2的横截面沿平行于锭块窄端面25B的中心垂直面截取，并显示了具有仍然熔融的金属24的锥形熔融金属贮槽19的锭坯。与所示横截面呈直角的垂直横截面(在平行于轧制面25A的中心垂直面上截取)情况类似，不同之处在于，由于沿此方向锭块的宽度较大，大致在锭块厚度的四分之一位置之间(即从窄端起锭块上位于1/4距离和3/4距离的位置之间)贮槽底部基本上是平的。如图1的情形类似，该设备具有垂直取向的水冷端开口模具14、模具入口15和模具出口17。将熔融金属通过喷口26引入模具，该喷口通过设计用于配送锭头中进料金属的可移动金属筛网过滤袋27排出金属。金属在模具14中经受一级冷却并开始形成与模具壁接触的固体壳26。锭坯从模具出口17脱出，在模具出口处由射流18供应冷却液，由此为锭块16的外部提供金属直冷。该设备还配置有擦拭器20，与图1的实施方案相似，该擦拭器完全环绕从模具出口脱出的锭坯16并用于擦去射流18提供的冷却液，以使冷却剂仅在模具出口下方间隔距离X处保持与锭块外表面接触。与图1的设备相似，该擦拭器20位于锭块上仍为坯料之处，即锭块具有围绕贮槽19(容纳仍然熔融的金属24)的固体壳26之处，以便该设备有效地使壳金属随着锭块下降进行原位均化。然而，与图1的设备不同，图2的设备至少在大轧制面25A的中心区域配置有多个喷嘴28，所述喷嘴将方向向下的冷却液喷雾30喷至先前擦拭的锭块外表面上。所述喷雾为锭块提供所谓的“淬冷”，或为锭块提供进一步的直冷。喷雾30中的冷却剂可与射流18中的冷却液相同且通常为水。事实上，如果需要，喷雾30可由擦拭器20先前从锭块去除的冷却水形成并通过喷嘴28重新导入。喷嘴28向内向下呈一定角度，以便喷雾30在擦拭器20从锭块外表面(即从擦拭器20上表面)去除冷却液处的下方间隔距离Y的位置32接触锭块外表面。所取位置32是喷雾30干流首先接触锭块外表面之处。以正常的铸造速度(例如30至75mm/min(1.18-2.95in/min))，更为常见地40-65mm/min(1.57-2.56in/min)且常为约65mm/min(2.56in/min)，距离Y优选在150至450mm(5.9至17.7英寸)，更优选在250至350mm(9.8至13.8英寸)范围内，且通常约为300mm(11.8英寸)±10%。超过75mm/min(2.95in/min)的速度在工业上目前并不常见，但本文披露的技术经过微调仍然适用。随着铸造速度的加快，通常也将距离Y加大，因为需要与擦拭器间隔较大的距离，以使金属壳得以远离二级冷却作用温度回弹。一般优选使外壳温度回弹至少100℃(212℉)，可能最多约400℃(752℉)，但随着距离Y的不同常见范围为200至400℃(392至752℉)。因此，外壳在其离开模具出口与冷却液射流18相遇时温度降低，在擦拭器去除该冷却液之后温度回弹达到第一回弹温度，随后在经受喷雾30淬冷时温度再次降低，然后在淬冷剂的作用减退且来自仍然熔融的芯的加热作用占主导时温度再次升至第二回弹温度。因此，在逐渐冷却至环境温度(可能需要在空气中冷却数小时或数天)之前，外壳最终达到第二回弹温度(这是原位均化所要求的壳与熔融芯之间的温度会合实现的标志)。

在位置32处锭块16的外表面温度通常高至足以造成淬冷液的泡核沸腾，甚或薄膜状沸腾，所造成的该液体自金属表面的蒸发和偏离(由于蒸汽形成或喷溅)通常意味着沿锭块表面与淬冷有效位置32间隔的距离可能过于有限(例如不超过几英寸)。

喷雾30提供淬冷的目的在于从锭块去除足够的热量，以使虚线表示的位置19'(在缺少喷雾30淬冷的情况下形成贮槽壁的位置)处的熔融贮槽变得更浅并在实线表示的位置形成当前的贮槽19。即，与缺少这种冷却的情况相比喷雾30发挥作用时，在锭块中位置较高处锭坯完全变为固体。如箭头B所示喷雾30中的冷却剂将热量从锭块内部去除，如箭头C所示这具有提升贮槽的作用。由此，根据锭块的尺寸和其他变量，可能将贮槽提升100至300mm，或更常见地提升150至200mm。由图2可看出，三级冷却的结果是较浅的贮槽19，与缺少三级冷却19'时形成的壁夹角相比，该贮槽的壁具有较小的水平夹角。图2未示出的另一结果是由于喷雾30的追加冷却而形成较薄的糊状区。这两种作用相结合可减少全固化锭块中由于固化收缩、热质对流和浮动晶粒而发生的宏观偏析。

如上所述，淬冷液(喷雾30)首先施加在锭块上由于三级冷却作用锭块仍为坯料之处，即邻近的芯仍然熔融的位置。淬冷本身减小贮槽深度，但未减小过多而使锭块在此位置完全变为固体。即，淬冷之后锭块仍具有液体芯，由此使得外壳温度在冷却之后回弹。事实上，三级冷却剂喷雾30优选施加在相应于预淬冷贮槽深度(贮槽中心处熔融金属的深度)约一半或不足一半的位置处，更优选施加在不超过预淬冷贮槽深度四分之三的位置处。尽管淬冷足以减小贮槽深度，但不应减小过多而影响淬冷之后进行的所需原位均化。即，锭块的固体金属必须仍历经高于金属转变温度(例如高于425℃(797℉))的回弹温度(第二回弹温度)并保持适当的时长(通常为至少10分钟，更优选为30分钟或更长)，以使金属结构发生所需的转变。尽管淬冷使外部固体金属壳的温度暂时从第一回弹温度降下，但其持续时间短且作用有限，一旦淬冷剂消失即允许适当的第二表面温度回弹。淬冷作用持续时间短且作用有限一部分是因为发生泡核沸腾或薄膜状沸腾(由此导致冷却剂从表面蒸发和/或上升)，还因为与用于初始直冷的射流18施加的体积(每单位时间和单位距离)相比使用了低比率体积的冷却液(锭块边缘上每单位时间和单位距离)。淬冷所用冷却液的体积优选为初始直冷所用冷却液的体积的2至25%，更优选为4至15%。如果遭遇薄膜状沸腾，则可能需要较高流速来补偿与表面接触的不足，以提供所需的淬冷度。通常，可在锭块周围施加0.60至1.79升/分钟/厘米(lpm/cm)(锭块周围0.40至1.2美国加仑/分钟/线性英寸(gpm/in))用于初始直冷的冷却剂，更优选0.67至1.49lpm(0.45至1.00gpm/in)。用于淬冷的冷却剂可经由喷雾30以优选0.042至0.140lpm/cm(0.028至0.094gpm/in)，更优选0.057至0.098lpm/cm(0.038至0.066gpm/in)的速度施加。

由图3A和3B可很好地看出，用于淬冷的冷却剂优选以相当低的冷却剂流速以V形(宽度随着与喷嘴的距离而增大)喷雾30的形式施加，所述相当低的流速可能导致在喷雾到达锭块表面之前形成液滴。替换性地，喷雾30可为圆锥形(横截面为圆形)或大致为线形(伸长的薄水平带)，或者在锭块表面产生冷却剂均匀分布而不造成冷却剂流不均匀图案的任意形状。喷雾通常在最远的边缘处交叠，但并未过多而在锭块表面上产生不均匀冷却区。事实上，在一种实施方案中，喷嘴可以一定的方式成角，以使喷雾30的接触区如图3B所示以交替方式垂直偏移。该图显示了垂直偏移距离Z的图3A的三个喷雾，距离Z通常为1英寸(2.54cm)以下。尽管由于垂直间隔而不存在喷雾30初始接触区的直接交叠，但所述初始接触区沿水平方向具有轻微的交叠，使得锭块向下前进经过喷嘴28时锭块面的冷却不间断，但缺少直接交叠避免了喷雾之间的相互作用，这种相互作用可能导致异常的水流模式并从而导致异常冷却。距离Y(去除二级冷却剂和接触喷雾30之间的距离)如图3A所示基于喷雾接触区的平均垂直位置，并且如上所述根据锭块尺寸和铸造条件(例如铸造速度)而变化。

通常在矩形锭块较大轧制面的宽边中央连续施加淬冷剂即足以，从而无需将淬冷剂施加于窄边面25B或大轧制面25A的角部区域。理想地，将淬冷剂施加于紧邻锭坯芯内熔融贮槽的区域以造成所需的贮槽升高。达到所需的施加区域需要的喷嘴28数量取决于锭块的尺寸和铸造条件、喷嘴和锭块表面之间的距离、以及喷雾30的分散。然而，通常对于锭块的每个长辊轧面可能仅提供三个或四个淬冷喷嘴即足以。

施加淬冷剂可使锭块表面的温度降低200℃(392℉)以上，例如200-250℃(392-482℉)，甚或高达400℃(752℉)，但冷却作用消失后温度重新回升至高于转变温度，例如高于425℃(797℉)，且在喷雾30的接触位置32下方处可能升至高达500℃至560℃(932至1040℉)。随后表面温度可能保持高于转变温度至少10分钟且通常更长例如30分钟以上，以确保发生原位均化。在此期间及直至锭块达到环境温度，可允许接触空气缓慢冷却。

尽管图2的设备使用例如由耐热弹性材料制成的物理擦拭器20，但使用流体替代所述擦拭器在与模具间隔所需距离X处从锭块表面去除冷却液射流18可能具有优势。例如，如Reeves等人的美国专利公开2009/0301683中所披露的，可使用水射流去除冷却液，其公开内容经此特别引用并入本文。

还可在铸造操作的不同阶段调节擦拭器20的垂直位置(如美国专利7,516,775所披露的)以改变距离X，在此情况下可调节喷嘴28的垂直位置相同的量值以保持所需距离Y。

尽管示例性实施方案可适用于任意尺寸的锭块，但应用于贮槽深度往往较大且有害效应(例如形成大颗粒和宏观偏析)更明显的大锭块时尤为有效。例如，所述实施方案尤其适用于短边面尺寸为400mm或更大的矩形锭块。

以下描述本发明的具体实施例以供进一步理解。这些实施例仅以举例说明为目的提供且不应该被视为限制本发明的范围。

实施例

进行锭块铸造实验以研究包括淬冷和不包括淬冷(三级冷却)的原位均化直冷铸造的效果，从而研究本发明示例性实施方案的效果。所得结果示例于附图中的图4至19。

首先，对以下讨论的各样品进行简单说明。这些样品按时间顺序列出而非按照以下出现的顺序列出。

样品1是在生产中心600×1850mm(23.6×72.8英寸)的模具上以68mm/min(2.68in/min)的铸造速度铸造的试样。该铸造采用常规DC铸造操作。

样品2来源于与样品1相同的铸造，但获自经受了原位均化方法的不同锭块。该方法造成550℃(1022℉)的最大回弹温度。样品2是从该锭块上切下的切片，沿该切片的宽度和厚度具有多个关注检测点。

样品3A和3B在研究机构560×1350mm(22×53.1英寸)的模具上铸造。尽管该模具较小，但锭块宽度相近(600与560)，这是重点所在。铸造速度同样与所述生产锭块的铸造速度相近，为65mm/min(2.56in/min)。样品3A取自铸造长度的700mm(27.6英寸)处。该样品经受常规原位均化，尝试复制与样品2相同的结构。样品3B取自铸造长度的1900mm(74.8英寸)处并经受三级冷却。

样品4A和4B获自560×1350mm(22×53.1英寸)的模具并进行了原位均化和三级冷却。这些样品分别取自铸造长度的1200mm(47.2英寸)和1900mm(74.8英寸)处。

样品5A和5B也获自560×1350mm(22×53.1英寸)的模具。相对于样品4对原位均化擦拭器和三级冷却的设置进行了一些微调。样品5A取自铸造长度1000mm(39.4英寸)处，样品5B取自铸造长度1900mm(74.8英寸)处。

样品6同样获自560×1350mm(22×53.1英寸)的模具并对原位均化擦拭器和三级冷却进行了调整。该特殊样品取自发现具有极高宏观偏析的表面位置，用以分析粗大组分。

图4显示了一种DC铸造操作的结果，该DC铸造操作开始仅包括二级冷却剂的施加及随后的擦拭，但在该操作的中途也实施了三级冷却(淬冷)。将热电偶插入锭坯中沿整个横截面的不同位置(在表面、四分之一处和中心)，并随着锭块从模具中推出向下移动这些热电偶，由此来记录感应温度。该图显示了从铸造开始记录温度随时间的变化。如上所述，该铸造开始不包括三级冷却，在线A所示的时刻开启三级冷却。线B表示锭块达到700mm(27.5in)长的时刻，线C表示锭块达到1900mm(74.8in)长的时刻。该图还通过线D显示了贮槽测量深度随铸造时间的变化。使用两套插入式热电偶，第二套在开启三级冷却水之后插入。线E、F和G分别显示了初始表面、四分之一和中心热电偶感应到的温度，线H、I和J显示了第二表面、四分之一和中心热电偶感应到的温度。样品3A和3B取自该铸件。

该图的第一半显示了表面温度(线E)，所述表面温度起初在经受二级冷却水作用时降低，但在“擦拭”之后回弹至550+℃(1022+℉)并接近中心熔融金属的温度(线G)。该图的第二半显示了表面温度在二级冷却和擦拭之后类似的温度降低和回弹(至500+℃(1022+℉))(线H)，以及经受三级冷却水作用时温度的进一步降低。在此情况下，三级冷却之后的表面温度没有充分回弹，这是因为温度保持低于400℃(752℉)，即，不够热而不足以适度改善铸造结构的特性。认为这是在此情况下使用了过多的三级冷却。

该图显示了测量贮槽深度在三级冷却开启之前达到约1050mm。

图5类似于图4，但显示了始终包括二级冷却水擦拭和随后三级冷却水(淬冷)施加的DC铸造。贮槽深度由线D表示。线E、F和G分别表示第一套表面、四分之一和中心热电偶感应到的温度，线H、I和J分别表示第二套表面、四分之一和中心热电偶感应到的温度。线B表示铸造长度随时间的变化。表面、四分之一和中心迹线在淬冷之后于550℃(1022℉)会合，这对于原位均化是有效的。线H显示了锭块表面在二级冷却之后经受三级冷却(淬冷)之前回弹至约460℃(860℉)的温度(第一次回弹)。同样，线D表示测量贮槽深度在900mm(35.4英寸)范围内，比不包括三级冷却的情况浅150mm(5.9英寸)。样品4取自该铸件。

图6至9显示了包括和不包括三级冷却(淬冷)的原位方法铸造的锭块的宏观偏析。这些测量结果和图片原始以英寸为单位制作，因而适当之处以该单位进行讨论。所述锭块由相同的含Fe和Mg的铝合金(8135，商用合金AA3104的略微更合金化的变体并从此处起称为3104)铸造。样品取自锭块上从表面至中心不同的位置并测定了Fe和Mg含量与标准含量(固化之前熔融合金中的元素含量)之差。纵坐标显示了不同位置处与标准含量的重量百分比差值。“O”处的平直线显示整个锭块与标准组成无偏差。横坐标显示了取样位置与锭块表面的距离(以英寸为单位)。在图6的情况下(样品2)，锭块在不包括三级冷却(淬冷)的铸造。该锭块为23-24英寸宽，因而取自12英寸处的样品位于或接近锭块中心。该图显示了自表面起5英寸至8英寸之间Fe和Mg增加，而后继续向中心接近这些元素递减。

图7(样品3A)显示了未经三级冷却铸造(即经过二级冷却并随后擦拭)的22英寸厚的锭块自表面至中心Fe和Mg的变化。自贮槽取熔融金属样品作为标准。考虑Fe含量时，自表面起约8英寸处所取的样品Fe增量+17.4%，自中心所取的样品Fe减量-20.8%。

图8和图9分别显示了样品4A和4B的结果。在图8中，Fe的最大偏差出现在距离表面7英寸处，增量百分率为+12.2%，但中心处的样品减量-11.9%。在图9中，对于Fe，7英寸处偏差为+10.9%，中心处偏差为-17.7%。这表明，对于图6不包括三级冷却(淬冷)的原位均化，Fe宏观偏析的偏差为38.2%，而对于图8和图9包括淬冷的原位均化，在1200mm处偏差小于24%，在1900mm处偏差小于28.6%。

对于不同的合金铸件3104(样品1、2、3B、4B、5A、5B和6)，图10A以横坐标(单位μm)显示了观测颗粒的直径和以纵坐标显示了具有这种尺寸或更大的颗粒的数量，其中纵坐标以对数绘制以制成直线。图10B显示了锭块中的取样位置(即中心厚度-四分之一宽度或QC)。进行了四次包括原位均化和淬冷的铸造，得到样品3B、5A、5B和6。还提供了仅通过DC铸造制造的铸件(表示为样品1)以及仅包括二级冷却和擦拭的DC铸件(样品2)的数据。数据表明淬冷材料颗粒总数较大。较大的下行斜度是更优的，这表明较多颗粒具有较小尺寸，图片显示样品5A和5B的取样锭块具有较大的斜度。以下，表1示出了铸件的贮槽深度，表2示出了曲线的斜率。

表1

铸件	铸件长度	贮槽深度
			样品3B	1900mm	1067mm
样品5A	1000mm	806mm
			样品5B	1900mm	946mm
样品6	2000mm	1000mm

表2

铸件	QC	CQ	QQ	CC
					样品1	-0.142	N/A	N/A	N/A
样品2	-0.191	N/A	N/A	N/A
					样品3B	-0.180	N/A	N/A	N/A
样品5A	-0.135	N/A	N/A	N/A
					样品5B	-0.261	N/A	N/A	N/A
样品6	-0.137	N/A	N/A	N/A

假定图片为对数关系，利用通过指数方程获得的最佳拟合线确定斜率。(指数函数的幂定义斜率)。由于宏观偏析效应，对数图中绘图数据点不成直线。由于目的在于观察对宏观偏析的影响，因而忽略不成直线的点，仅对数据的直线部分绘制线条。

还对DC锭块(样品1)和仅原位均化的3104锭块(样品2)进行了分析。样品1的指数为-0.261，高于任何原位淬冷试验锭块的指数。然而，样品2的指数为-0.137。将样品1和样品2视为最佳和最差情况的结果，可看出样品4和样品5在向着期望的方向移动。

另一种情况，将二级冷却剂擦拭器提升一英寸以提高回弹温度，将淬冷喷嘴提升100mm以减少第一次回弹并增强对锭块的挤压作用(归因于热收缩)。以此方式挤压锭块使造成固化收缩的力反向，从而减少宏观偏析。对该位置的分析显示粗大组分的尺寸稍有减小。对于制成样品5A和5B的铸件，擦拭器置于模具下方50mm(2英寸)处，淬冷棒在头部下方300mm(11.8英寸)处并在达到1500mm(59.0英寸)的铸件长度之后吸住磁铁(从模具外部)。1000mm(39.4英寸)处的第一数据点显示出良好的改善，指数变为-0.191。1900mm(74.8英寸)处的第二数据点为-0.180。

图11A显示了取自相同铸件但取于图11B所示不同位置(四分之一厚度-中心宽度或QC)的样品的结果。还在样品2中宏观偏析最大的位置额外取样，指定为样品2-a。与任意包括淬冷的试样锭块相比，该锭块中金属间颗粒更大。该锭块的负指数为-0.108。铸件的贮槽深度同样如表1所示，曲线斜率如表4所示(连同以上数据)。

表3

铸件	QC	CQ	QQ	CC
					样品1	-0.142	-0.161	N/A	N/A
样品2	-0.191	-0.296	N/A	N/A
					样品3B	-0.180	-0.237	N/A	N/A
样品5A	-0.135	-0.184	N/A	N/A
					样品5B	-0.261	-0.232	N/A	N/A
样品6	-0.137	-0.144	N/A	N/A

样品3B表现为负指数-0.161。前一页提及的改变(前一页进行了详细说明)进一步使指数增大，对于1000mm处的切片达到-0.296。

样品2仍为最差情形，在CQ位置为-0.144。然而，-0.232的DC值实际上低于四月的试验结果-0.237和-0.296。

图12A显示了取自如图12B所示四分之一宽度和四分之一厚度(QQ)位置的样品的结果。样品5A的指数数据达到-0.232。样品2为-0.135，样品1为-0.262。此次生产样品数据包括其余的结果。相对于生产和初始试验结果，样品4和样品5的数据进一步改善，接近DC目标值(样品1)。

以下，表4示出了图12A的斜率。

表4

铸件	QC	CQ	QQ	CC
					样品1	-0.142	-0.161	-0.161	N/A
样品2	-0.191	-0.296	-0.232	N/A
					样品3B	-0.180	-0.237	-0.214	N/A
样品5A	-0.135	-0.184	-0.170	N/A
					样品5B	-0.261	-0.232	-0.262	N/A
样品6	-0.137	-0.144	-0.135	N/A

图13A显示了取自中心宽度和中心厚度(CC)位置的样品的结果。CC位置是最后固化的液体金属。因此，该位置通常浓度最大且与其它位置相比具有更大的金属间结构。该位置还是最难以受到影响且轧制过程中最难以再结晶的位置。以下，表5示出了斜率。

表5

铸件	QC	CQ	QQ	CC
					样品1	-0.142	-0.161	-0.161	-0.145
样品2	-0.191	-0.296	-0.232	-0.163
					样品3B	-0.180	-0.237	-0.214	-0.134
样品5A	-0.135	-0.184	-0.170	-0.137
					样品5B	-0.261	-0.232	-0.262	-0.196
样品6	-0.137	-0.144	-0.135	-0.154

这些样品的最佳拟合线的斜度几乎始终比其它样品位置平缓。观察横坐标左侧的数据点，可以看出与任意其他位置相比该区域的小颗粒较少。小颗粒较少大颗粒较多表明在锭块剩余部分正在固化的同时小颗粒有时间进行生长。较大的颗粒在轧制过程中可能破碎，或者可能保持大尺寸并为最终制品带来一些问题。在任一情况下，大颗粒均不会像小颗粒那样对新颗粒成核具有帮助。

因此，样品1和2的指数分别为-0.196和-0.154。包括淬冷原位均化的最佳锭块的斜率为-0.163。

图14A和14B是微观偏析图，比较经受不同处理的样品的元素浓度百分率。图14A比较了常规直冷铸态结构与原位铸态样品中的微观偏析。与理论最大值(0.51)相比，DC锭块的有效分配系数为0.73(线A)。该系数为基线分配系数，用于与原位均化情形下0.87的分配系数(线B)进行比较。

图14B显示了按照600℃/500℃(1112/932℉)AluNorf预热循环进行模拟预热之后的DC样品，该样品的有效分配系数为0.89(线C)，更接近理论平衡水平1.0。原位样品经简化加热至500℃(932℉)的轧制循环之后(线D)达到0.90的分配系数，或与所示DC铸造预热样品(在更高温度保持更长时间)基本相同的微观偏析精度。

图15A和15B是CC位置或中心宽度样品和中心厚度样品类似的图片。样品1或2未在该位置取数据，但可在样品3、4和5之间进行比较。在仅对原位和淬冷程序进行微小改变的情况下，样品4和5显示出优于先前样品3的结果的良好改善。

数据如以下表6所示。

表6

	样品2	样品4A	样品4B
				QC	0.79		0.82
CQ	0.78	0.83	0.85
				CC		0.79	0.84

图16A、16B和16C是以相同放大倍数拍摄的样品1、2和6的显微照片。图16D显示了锭块中的取样位置(CC位置)。图17A、17B和17C，图18A、18B和18C，及图19A、19B和19C显示了分别取自图17D、18D和19D所示位置(分别为CQ、QQ和QC位置)的样品类似的显微照片。

这些图片表明与DC锭块(具有标注A的附图)相比常规原位锭块(具有标注B的附图)往往具有更大的粗大组分。对数图先前表明通过原位淬冷(ISQ)制造的锭块具有与直冷(DC)或原位(IS)锭块同样大或更大的粗大组分。然而，显微照片表明原位淬冷(ISQ)锭块的组分具有使它们在轧制过程中有望破碎的物理形状，从而为小颗粒成核提供额外的小尺寸粗大组分。

Claims (27)

1.一种铸造金属锭块的方法，包括下列步骤：

(a) 将熔融金属从至少一个来源供应至在边缘限定熔融金属的区域中，并形成具有外部固体壳和内部熔融芯的锭坯；

(b) 沿推进方向推进所述锭坯以远离所述在边缘限定熔融金属的区域，同时向所述区域供应追加的熔融金属，由此使固体壳内所含的熔融芯延伸超出所述区域；

(c) 通过将第一供量的第一冷却液供应品引导至从所述在边缘上限定所述金属的区域中脱出的所述锭坯的外表面上，为所述锭坯提供直冷；

(d) 在所述锭块外表面上与所述推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分所述熔融芯的第一位置处，从所述锭坯外表面去除所述第一冷却液，以便在去除所述第一冷却剂后，来自熔融芯的内热将与所述熔融芯相邻的固体壳再加热；和

(e)通过进一步沿所述推进方向自所述第一位置在锭块上与所述推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分所述熔融芯的第二位置处，向所述外表面施加第二冷却液，在去除所述第一冷却液之后，进一步为所述锭坯的外表面提供直冷，所述第二冷却液以第二供量施加，所述第二供量少于所述第一冷却液的第一供量，且使所述锭坯有效淬冷而不妨碍淬冷之后所述芯和壳的温度随后接近425℃(797℉)或更高的会合温度并保持至少10分钟的时长，其中，所述第二位置与所述第一位置在所述锭块上沿所述推进方向的间隔距离有效地使来自所述熔融芯的热量得以在去除所述第一冷却液之后随即再加热所述固体壳使其升温至少100℃(212℉)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二位置与所述第一位置在所述锭块上沿所述推进方向的间隔距离有效地使来自所述熔融芯的热量得以在去除所述第一冷却液之后随即再加热所述固体壳使其升温至少200-400℃(392-752℉)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二位置与所述第一位置在所述锭块上沿所述推进方向的间隔距离为150至450mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二位置位于所述锭块上所述固体壳的温度造成所述第二冷却液泡核沸腾或薄膜状沸腾之处。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第二冷却液以施加于所述第一位置的第一冷却液的供量的2%至25%的供量施加。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，使用大致为矩形的模具制造具有较宽轧制面和较窄端面的所述锭块。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述较窄端面的宽度为400mm或更宽。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述锭块的所述进一步冷却限于所述较宽轧制面的中心区域。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第二冷却液由喷嘴施加以产生冷却剂喷雾。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述喷嘴产生具有选自V形、圆锥形和平面形的形状的喷雾。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第二冷却液的所述施加使所述固体壳的温度降低至少200℃(392℉)。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第二冷却液包括所述第一冷却液的一部分在先使用过的冷却剂。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述金属为铝合金。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，一级冷却在所述熔融金属被边缘限定的所述区域施加于所述熔融金属。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，施加于所述熔融金属被边缘限定的所述区域的所述一级冷却通过铸造模具的限定壁施加，通过使冷却剂从围绕所述限定壁的腔室流过，有效冷却所述限定壁。

16.一种用于铸造金属锭块的设备，包括：

(a) 端开口直冷铸模，其具有通过模具入口供应于模具的熔融金属由模具壁边缘限定的区域，从而为供应于模具的熔融金属提供边缘部分，并具有接纳可移动底座的模具出口；

(b) 围绕所述模具壁用于容纳一级冷却剂的腔室，以冷却所述模具壁，从而冷却所述金属边缘部分，来形成具有外部固体壳和内部熔融芯的锭坯；

(c) 所述底座的可移动支承体，使所述底座能够沿推进方向前进离开模具出口，同时通过所述入口将熔融金属引入模具，从而能够形成具有所述熔融芯和固体壳的锭坯；

(d) 用于将第一冷却液供应品引导至所述锭坯的外表面上的射流；

(e) 用于在锭块外表面上与推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分所述熔融芯的第一位置处从锭坯外表面去除第一冷却液的擦拭器；和

(f) 用于在与推进方向垂直的锭块横截面贯穿一部分所述熔融芯的第二位置处向所述锭坯外表面施加所述第二冷却液的出口，所述出口适于以少于所述射流施加的所述第一冷却液的供量施加所述第二冷却液，其中出口倾斜成使得第二位置定位成与第一位置相距一定距离，足以允许所述外表面在第一位置与第二位置之间在温度上回弹至少100℃。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述模具大致为矩形以制造具有较宽轧制面和较窄端面的大致矩形的锭块。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，用于施加所述第二冷却液的所述出口位于从所述模具脱出的锭块的所述较宽轧制面的中心区域附近。

19.根据权利要求16、17或18所述的设备，其中，所述用于施加所述第二冷却液的所述出口为射出所述第二冷却液的喷雾的喷嘴。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述喷嘴适于产生具有选自V形、圆锥形和平面形的形状的所述射流。

21.根据权利要求16至18中任一项所述的设备，其中，用于施加所述第二冷却液的所述出口适于以相当于所述射流供应的所述第一冷却液的供量的4%至20%的供量供应所述第二冷却液。

22.根据权利要求16至18中任一项所述的设备，其中，用于施加所述第二冷却液的所述出口位于沿推进方向与所述擦拭器间隔150-450mm之处。

23.根据权利要求16至18中任一项所述的设备，其中，所述模具成型并设定尺寸以制造具有宽度为至少400mm的较短端面的矩形锭块。

24.根据权利要求16至18中任一项所述的设备，其中，所述擦拭器包括经成形接合并环绕所述锭块的耐热弹性材料。

25.根据权利要求16至18中任一项所述的设备，其中，所述擦拭器包括经引导以从所述锭块去除所述第一冷却液的射流。

26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述射流为液体射流。

27.根据权利要求16至18中任一项所述的设备，其中，所述擦拭器和所述出口经定位使得所述第二位置与所述第一位置在所述锭块上沿所述推进方向的间隔距离为150至450mm。