CN104470655B - 用于铸造铝锂合金的装置 - Google Patents

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Abstract

直接冷激铸造方法允许在铸造期间将惰性流体连续或按次序地引入冷却剂流中，如果出现“渗漏”或“漏出”，则允许停止冷却剂流并且仅将惰性流体作为冷却剂引入。

Description

用于铸造铝锂合金的装置
技术领域
铝锂合金的直接冷激铸造。
背景技术
自1938年由美国的Aluminum Company(现在的Alcoa)发明直接冷激(“DC”)铸造以来，传统的(不含锂)铝合金在开底模具中半连续地铸造。自那以后对方法进行了许多修改和改变，但是基本的方法和装置仍然类似。铝锭铸造领域的技术人员能够理解新的创新以改善方法，同时仍然保持其主要功能。从使用该方法开始，水一直被用作优选的冷却剂以冷却底开式模具，在形成实心铸锭外壳的过程中起到主要的冷却作用，水也可以用于在模具底部的下方辅助地冷却铸锭外壳。
不幸的是，在铸造方法期间存在缘于“渗漏”或“漏出”的固有风险。由于该方法的这种固有特性，铸锭外周包括固化金属的薄外壳，该外壳保持局部固化的液态熔融金属构成的内腔，如果正铸造的铝锭未适当地固化，那么该液态熔融金属将从铸锭的外壳中流出。如果水能通过在模具底部下方的铸锭外壳上的裂缝进入铸坑和铸锭腔中，那么熔融的铝能够在铸坑和铸锭腔内的不同位置处(例如铸锭尾部或底部和始用粗料(starting block)之间，金属(通常为钢)制成的底模基底上、铸坑壁上或铸坑的底部)相应地接触水冷却剂。水在“渗漏”或“漏出”期间能够由于以下的原因而导致爆炸：(1)由将水加热到>212°F的铝的热质量产生的水到蒸汽的转化；或(2)熔融金属与水的化学反应，导致引起爆炸性化学反应的能量释放。
美国专利US4651804描述一种更现代的铝铸坑设计。略高于地面安装金属熔炉并且铸模处于或接近于地面已成为标准惯例，并且当铸造操作进行时将铸锭降低到含水铸坑中。来自直接冷激的冷却水流动到铸坑中并且从铸坑中连续地被去除，同时在铸坑内留下永久深水池。该方法目前仍在使用，并且在全世界每年大概有超过5百万吨的铝及其合金是通过该方法生产。但是，使用这种持久保持深水位的水不能防止铸坑中出现的所有爆炸，原因在于，爆炸仍会出现在铸坑中的其他位置上，如上所述，会出现在水接触熔融铝的位置上。尽管已经出现这些改进，但是，即使使用这种深水位铸坑，每年在铸造方法过程中仍会出现大量爆炸。
随着铝锂合金的出现，爆炸危险进一步增加，原因在于，一些通常用于最小化熔融金属和水发生爆炸的可能性的预防措施不再有效。再次参照美国专利US4651804，在过去的几年中，对含锂的轻质金属合金的兴趣不断增加。锂会使熔融金属更容易起反应。在“金属进展(Metal Progress)”上刊登的一篇文章(1957年5月，第107至112页，下文中称之为“Long”)中，Long引用了H.M.Higgins先前的研究，H.M.Higgins针对许多合金(包括铝锂合金)介绍了铝/水反应，得出如下结论：熔融金属以任何方式分散在水中时，铝锂合金发生激烈的反应。美国铝业协会公司宣布，通过直接冷却方法铸造这种合金时，存在特定的危险。美国铝业公司随后发表了测试视频文件，展示了这类合金与水混合时，会猛烈爆炸。
其它工作也已证明与没有锂的铝合金相比，与将锂加入铝合金相关联的爆炸力能够使爆炸能量的性质增加若干倍。当包含锂的熔融铝合金与水接触时，发生氢的快速析出，原因是水离解成Li-OH和氢离子(H+)。美国专利US5212343教导加入铝、锂(以及其它元素)和水以启动爆炸反应。这些元素(特别是铝和锂)在水中的放热反应产生大量氢气，典型地每一克含3％锂的铝合金能产生14立方厘米的氢气。该数据的实验验证可以在美国能源部资助的研究合同号#DE-AC09-89SR18035下执行的研究中找到。应当注意美国专利US5212343的权利要求1描述了执行该剧烈相互作用以便经由放热反应产生水爆炸的方法。该专利描述一种方法，其中诸如锂的元素的加入导致每个单位体积的材料的高能量反应。如美国专利US5212343和US5404813中所述，锂(或某种其它的化学反应元素)的加入促进爆炸。这些专利教导了爆炸反应是期望结果的方法。与没有锂的铝合金相比，这些专利增强了将锂加入“渗漏”或“漏出”的爆炸性。
美国专利US4651804所述的改进铸坑设计的目的是，最小化铸造铝锂合金过程中出现“渗漏”或“漏出”时在铸坑底部产生爆炸的可能性。即使在渗漏之后，该技术仍继续使用冷却剂水来冷却模具和铸锭外壳。如果停止输送冷却剂，那么可能会产生更严重的问题：由于模具熔穿或铸锭外壳的进一步熔穿，因此在熔融的铝-锂和水形成接触时，会引起附加的爆炸可能性。出现“渗漏”或“漏出”现象之后让水冷却剂流动具有两种不同的缺点：1)在铸坑顶部附近或铸锭熔坑中的不同位置处可能会出现熔融金属和水爆炸；2)由于产生氢气(如上所述)，可能会出现氢爆炸。
在进行直接冷激铸造的另外的方法中，已公布专利涉及使用铸锭冷却剂而不是水提供铸锭冷却来铸造Al-Li合金而没有来自“渗漏”或“漏出”的水-锂反应。美国专利US4593745描述使用卤代烃或卤代醇作为铸锭冷却剂。美国专利US4610295、US4709740和US4724887描述使用乙二醇作为铸锭冷却剂。为此，卤代烃(典型地是乙二醇)必须没有水和水蒸汽。这是爆炸危险的解决方案，但是引入强火风险并且实现和维护成本高。在铸坑内将需要灭火系统以控制潜在的醇火。为了实现包括醇处理系统、使醇脱水的热氧化剂和铸坑防火系统的基于醇的铸锭冷却剂系统，成本一般为大约$5百万到$8百万美元(用如今的美元衡量)。用100％醇作为冷却剂进行铸造导致另一问题。醇或其它卤代烃的冷却能力不同于水，并且使用该类型的方法需要不同的铸造实践以及铸造工具。与使用醇作为直接冷却剂联系的另一缺点在于由于醇具有比水低的热导率和表面热传递系数，因此用于100％醇作为冷却剂铸造的金属的微结构具有更粗的非期望冶金成分并且在铸造产品中呈现更高量的中线收缩孔隙度。缺少更精细的微结构并且同时存在更高浓度的收缩孔隙度对从这样的初始原料制造的最终产品的性质产生不利影响。
在试图减小Al-Li合金的铸造中的爆炸危险的另一种情况下，如美国专利US4237961中所述，在直接冷激铸造期间将水从铸锭中去除掉。在欧洲专利No.0-183-563中，描述用于在铝合金的直接冷激铸造期间收集“渗漏”或“漏出”熔融金属的装置。收集“渗漏”或“漏出”熔融金属将浓缩熔融金属的该质量。该教导不能用于Al-Li铸造，原因是它将产生人为爆炸条件，其中当水正被收集以便去除时水的去除将导致水的池化。在熔融金属的“渗漏”或“漏出”期间，“渗漏”材料也将在池化水区域中浓缩。如美国专利US5212343中教导的，这将是产生反应水/Al-Li爆炸的优选方式。
因此，十分需要一些改进的装置和方法过程来进一步最小化直接冷激铸造铝锂合金过程中出现爆炸的可能性，同时能够生产更高质量的铸造产品。
附图说明
图1是直接冷激铸造系统的一个部分的剖视图。
图2是图1中的系统的一部分的简要顶视图，示出了一种布置结构，该布置结构可用于将冷却剂和惰性流体同时地或依次地注入直接冷却铸造模具或冷却剂输送装置中，以在正常铸造操作期间冷却铸锭。
图3是图1中的系统的一部分的简要顶视图；在检测出“渗漏”或“漏出”现象期间或之后，停止输送液态冷却剂(水)流，之后，仅注入惰性流体作为冷却剂。
具体实施方式
现在请参照附图，图1示出了直接冷激铸造(DC)系统的部件。系统10包括铸坑12，在铸造操作期间，通过铸造筒体(未示出)降下铸锭14将其放入铸坑12中。模具16固定在铸造平台18上。熔融金属(如铝锂合金)被倒入模具16中。倒入模具16中的熔融金属被铸造筒体9上的台板8支撑。当以预定的时变进给率从上方倒入熔融金属时，模具16通过容纳在模具16内的容腔20中的冷却剂被冷却并且将铸锭14成型。从该图的角度来观察，铸造筒体9以预定速度在向下方向上移动，以制造具有合适的长度尺寸和合适的几何形状(这由模具16的外周界定)的铸锭。
引入冷却剂降低模具的温度，从而被倒入模具16中的熔融金属被冷却；其中，冷却剂从模具型腔流入模具16底部周围的一组模具输送装置13(图中示出了两个输送装置)中之后，冷却剂冲击铸锭14。应该意识到，可具有许多被构造成将冷却剂(如，水)从容腔20输送到铸坑12中的输送装置，包括位于模具16底部周围的一些输送装置(它们的数量和位置合适以达到合适的熔融金属固化速率)。冷却剂流到铸锭14外周周围，对应于制冷剂从模具输送装置13排出的位置正下方的位置。如果冷却剂是水，那么，水和空气的混合物产生在铸坑12中，位于铸锭14外周周围；当铸造操作继续进行时，所产生的新鲜水蒸汽会被连续引入到铸坑12中。
图1中所示的铸造系统的实施例还包括“渗漏”检测装置17(如，红外测温仪)。“渗漏”检测装置17可直接和/或逻辑联接至与系统相连的控制器15上。在一个实施例中，控制器15控制台板8和铸造筒体9的运动、熔融金属(其被输送到模具16中)输送和水(其被输送到与模具16相关的容腔20中)输送。控制器15包括为永久可触媒体形式的机器可读的程序指令。在一个实施例中，当“渗漏”检测装置检测出铝锂熔融金属“渗漏”或“漏出”时，信号将从“渗漏”检测装置被发送给控制器15。储存在控制器15中的机器可读指令使台板8的运动和熔融金属输送(未示出)停止、使流入到与模具16相关的容腔20的冷却剂流(未示出)停止和/或转向。
图2中示出了系统10的简要顶视图。在该实施例中，系统10包括冷却剂输送系统21，该冷却剂输送系统21布置在冷却剂输送装置路中，位于容腔20和输送装置22之间或位于容腔20上游。如图2所示，冷却剂输送系统21位于容腔20上游。模具16(在该实施例中示出为圆形模具)包围铸锭14。另外，如图2所示，冷却剂输送系统21包括联接至输送装置22上的阀系统28，该输送装置22将物料输送到容腔20中。用于输送装置22以及文中所述的其他管道和阀的合适材料包括但不局限于不锈钢(如，不锈钢管)。阀系统28包括与第一管道33相连的第一阀30。第一阀30可将冷却剂(通常为水)从冷却剂源32引入第一阀30和第一管道33中。阀系统28还包括与第二管道37相连的第二阀36。在一个实施例中，第二阀36可将惰性流体从惰性流体源35引入阀和第二管道37中。第一管道33和第二管道37分别将冷却剂源32和惰性流体源35联接至输送装置22上。惰性流体是不与锂或铝发生反应而产生活性(如，爆炸性)产物且同时不易燃或不支持燃烧的液体或气体。在一个实施例中，惰性流体是惰性气体。合适的惰性气体是密度比空气小且不与锂或铝发生反应而产生活性产物的气体。要求被使用在该目标实施例中的合适惰性气体具有另一种属性，即，该气体的热导率应高于惰性气体或空气、以及惰性气体混合物通常可达到的热导率。能同时满足上述所有要求的这种合适气体的例子是氦(He)。在优选的替换实施例中，可使用氦气和氩气的混合物。根据一个实施例，这种混合物包括至少大致20％的氦气。根据另一实施例，这种混合物包括至少大致60％的氦气。
请注意，熔化和直接冷激铸造铝合金(除熔化和铸造铝锂合金之外)技术领域的普通技术人员可能会想到使用氮气代替氦气，原因在于，一般的工业常识是，氮气也是一种比空气轻的惰性气体。但是，为了保持方法安全，在此要注意，就氮气与液态铝锂合金发生反应这一方面而言，应该认为氮气并不是惰性气体。氮气与熔融铝锂合金发生反应，产生氨气，氨气进而与水反应，会产生带来危险后果的其他反应，因此，应该完全避免使用氮气。还应该认为，上述原因同样适用于另一种可能的惰性气体-二氧化碳。在存在熔融铝锂合金与二氧化碳接触的有限机会的任何应用情况下，应避免使用二氧化碳。
图2示出了正常的铸造状态，在图2中，第一阀30打开，第二阀36关闭。在这种阀配置下，仅来自于冷却剂源32的冷却剂被允许进入输送装置22中，而来自于惰性流体源35的惰性流体被阻止进入输送装置22中。可选择第一阀30的位置(如，完全打开，局部打开)以达到合适的流量，该流量可通过与第一阀30相连或单独位于第一阀30附近的流量检测器(如图所示，位于第一阀30下游的第一流量检测器38)来测量。根据一个实施例，如果需要，第二阀36可局部打开，使得在正常铸造状态期间，来自于惰性流体源35的惰性流体(如，惰性气体)与来自于冷却剂源32的冷却剂混合。可选择第二阀36的位置已达到合适的流量，该流量可通过与第二阀36相连或单独位于第二阀36附近的流量检测器(如图所示，位于第二阀36下游的第二流量检测器39)(如，用于惰性流体源的压力检测器)来测量。
在一个实施例中，第一阀30、第二阀36、第一流量检测器38和第二流量检测器39均电连接和/或逻辑联接至控制器15上。控制器15包括非瞬时性机器可读指令，执行这些指令时，会引起第一阀30和/或第二阀36被致动。例如，在正常铸造操作(如，如图2所示)下，这种机器可读指令可引起第一阀30局部或完全打开，引起第二阀36关闭或局部打开。
现在转向图3，该图示出了阀系统28在出现“渗漏”或“漏出”现象时的配置。在这些情况下，渗漏检测装置17(参照图1)一检测出“渗漏”或“漏出”现象，第一阀30就关闭以停止来自于冷却剂源32的冷却剂(如，水)流。在另一实施例中，第一阀30关闭以将冷却剂流量减小至大于零但小于预定流量，其中，选择该预定流量的冷却剂流到正形成的铸锭上，以直接冷却和固化金属。在一个实施例中，可将冷却剂的流量减小至一定流量，针对为处理“渗漏”或“漏出”现象而执行的其他检测而言，该流量(如，等于或小于几升/分钟)是可接受的、安全的。同时地或此后不久，在3至20秒内，第二阀36打开以让来自于惰性流体源35的惰性流体进入，从而，仅让惰性流体流入输送装置中。如果惰性流体是氦气等惰性气体，在这种情况下，由于氦气的密度低于空气、水或水蒸气，因此，铸坑12顶部和模具16(参见图1)周围的区域可立即充满惰性气体，从而置换掉水和空气的混合物，阻止在该区域形成氢气或阻止熔融铝/锂合金和冷却剂(如，水)在该区域接触，从而可大大降低由于该区域存在这些材料而出现爆炸的可能性。采用的速度在1.0ft/秒至6.5ft/秒之间，优选在1.5ft/秒至3ft/秒之间，最优选大致为2.5ft/秒。
图2和图3中还示出了分别与第一阀30和第二阀36连接的止回阀40和止回阀42。一检测出渗漏且流入模具中的材料漏出现改变，每个止回阀将阻止冷却剂流和/或气流，使其回流到相应的第一阀30和第二阀36中。
如图2和图3简要所示，在一个实施例中，第一管道33优选还配置有旁通阀43，可让冷却剂流在进入第一阀30之前立即转向流到外部“堆积处”中，这样，第一阀30一关闭，就能将水击作用或对输送系统的危害或第一阀30中的泄露降低到最小。在一个实施例中，控制器15中的机器可读指令包括下列指令：例如，一旦通过从红外测温仪发送给控制器15的信号检测出“渗漏”现象，指令就引起旁通阀43被致动打开以使冷却剂流转向，引起第一阀30被依次致动关闭，引起第二阀36被致动打开以让惰性气体进入。
如上所述，一种合适的惰性气体是氦。氦具有较高热导率，一旦中止冷却剂流动就允许从铸模和从固化区域连续抽取热。该连续热抽取用于冷却正在铸造的铸锭/坯，由此减小由于铸锭/坯的头部中的残余热发生的任何附加“渗漏”或“漏出”的可能性。同时保护模具免于过度加热，由此减小损坏模具的可能性。作为比较，氦、水和醇的热导率如下：He；0.1513W·m-1·K-1；H2O；0.609W·m-1·K-1；以及乙二醇；0.258W·m-1·K-1。
尽管氦和上述的气体混合物的热导率低于水和醇，但是当这些气体在固化区域处或附近撞击中间铸造产品、例如铸锭或坯时，不产生否则可能减小表面热传递系数并且由此减小冷却剂的有效热导率的“蒸汽帘”。因此，与最初仅仅考虑它们的直接相对热导率时的预期相比，单一惰性气体或气体混合物具有的有效热导率很接近于水或醇。
尽管图2和图3示出了正在形成的铸造金属的坯锭或圆段的中间铸造产品，但是熟练技术人员将显而易见的是本发明的装置和方法同样适用于矩形铸锭的铸造。
因此，描述了一种用于最小化在直接冷激铸造铝/锂合金过程中出现爆炸的可能性的系统和装置，可选择性地停止液态冷却剂并同时引入惰性流体(如，导热率相对高、进入固化区的比重较低的惰性气体)。根据优选的某替换实施例，惰性流体和冷却剂的混合物可被输送到固化区，或者惰性气体混合物可被输送到冷凝区。
在上面的描述中，为解释目的，已经阐述了一些特定要求和一些特定细节，以能彻底理解实施例。但是，本领域的普通技术人员可明显看出，不需要这些特定细节的一些内容，也可实施一个或多个其他实施例。文中所述的具体实施例并没有限制本发明，而是用于解释本发明。本发明的范围不由上述具体实例限定，而仅由下面的权利要求书界定。在其他情况下，公知的结构、装置和操作已经显示在方框图中，或者这些内容未被详细示出以免不能清楚理解说明书。在合适的情况下，在这些图中重复使用了一些数字标记或数字标记的尾数部分以表示具有类似特性的相应或相似元件。
也应该理解到，说明书中涉及到的表述“一个实施例”、“某实施例”、“一个或多个实施例”或“不同实施例”表示例如在实施本发明的过程中可包含某特定特征。类似地，应该理解到，在描述过程中，各种特征可组合在单一的实施例、附图或者对实施例或附图的描述部分中，以让公开内容合理并有助于理解本发明的各个方面。但是，本发明的方法不应解释为：本发明要求具备的特征比每个权利要求中清楚指明的特征要多。更确切地说，如所附的权利要求所述，本发明的各个方面仅体现在公开的一个实施例的所有特征中的一部分特征。因此，“具体实施方式”部分之后所附的“权利要求书”部分可以明确地合并到“具体实施方式”部分中，每一项权利要求自身都表示本发明的一个单独实施例。

Claims (19)

1.一种用于直接冷激铸造的装置，所述装置包括：
铸坑，所述铸坑具有支撑模具的模具台；冷却剂输送装置，所述冷却剂输送装置与所述模具相关联以允许冷却剂冲击到正被铸造的金属的固化区上，所述装置包括阀系统，所述阀系统至少包括第一阀和第二阀，所述第一阀允许让冷却剂进入所述冷却剂输送装置中，所述第二阀允许让惰性气体进入所述冷却剂输送装置中；
熔融金属渗漏检测装置；和
控制器，所述第一阀、所述第二阀和所述熔融金属渗漏检测装置电联接至所述控制器，
其中，所述控制器包括非瞬时性机器可读指令，当所述控制器执行所述非瞬时性机器可读指令时，一旦通过所述熔融金属渗漏检测装置检测到熔融金属的渗漏，就促使所述第一阀关闭以停止冷却剂流，并且促使所述第二阀打开以将惰性气体流引入冷却剂输送容腔中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阀系统位于所述冷却剂输送装置中，以使得能够将冷却剂、冷却剂和惰性气体的混合物、或者仅惰性气体选择性地输送至正被铸造的铸锭的固化区。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述模具包括容腔，所述阀系统位于所述容腔的上游。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括联接至所述第二阀的惰性气体源，其中所述惰性气体源包括氦气。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括联接至所述第二阀的惰性气体源，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括联接至所述第二阀的惰性气体源，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物，所述混合物至少包括20％的氦气。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括联接至所述第二阀的惰性气体源，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物，所述混合物至少包括60％的氦气。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，惰性气体是氦气。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物，所述混合物至少包括20％的氦气。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物，所述混合物至少包括60％的氦气。
12.一种直接冷激铸造方法，所述方法使用一种装置，所述装置包括：铸坑，所述铸坑具有支撑模具的模具台；所述模具中的冷却剂容腔；以及冷却剂输送装置，所述冷却剂输送装置由所述冷却剂容腔供给冷却剂以允许冷却剂冲击到正被铸造的金属的固化区上，所述装置还包括阀系统，所述阀系统至少包括第一阀和第二阀，所述第一阀允许选择性地让冷却剂从所述冷却剂容腔进入所述冷却剂输送装置中，所述第二阀允许选择性地让惰性气体进入所述冷却剂输送装置中，所述方法包括：
在没有检测到熔融金属的渗漏的情况下，让冷却剂进入所述冷却剂输送装置中；以及
在检测到熔融金属的渗漏时，让惰性气体进入所述冷却剂输送装置中且关闭所述第一阀以停止让冷却剂进入所述冷却剂输送装置中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，惰性气体是氦气。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物，所述混合物至少包括20％的氦气。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，惰性气体是氦气和氩气的混合物，所述混合物至少包括60％的氦气。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，在没有检测到熔融金属的渗漏的情况下，让惰性气体进入所述冷却剂输送装置中。
18.一种金属，所述金属通过如权利要求12-17中的任意一项所述的方法制造。
19.一种铝锂合金，所述铝锂合金通过如权利要求12-17中的任意一项所述的方法制造。
CN201380037689.9A 2012-05-17 2013-05-16 用于铸造铝锂合金的装置 Active CN104470655B (zh)

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