CN1051262C - 连续铸造装置的冷却筒及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够连续铸造出热变形少而良好的带状铸片的冷却筒及其制造方法。该冷却筒包括刚性材料51、冷却用材料53以及耐热材料54的三层构造。刚性材料51用奥氏体系不锈钢，冷却用材料53用铜或铜合金，耐热材料54用镍或其合金、或钴或其合金制成。驱动旋转的中空轴52热装在刚性材料51的两端后，并且螺栓52a予以固紧。在冷却用材料53的内部贯穿设有流通冷却剂的冷却孔57、58。冷却孔57、58通过冷却通路57a、58a与由隔壁61、62和管状隔壁63形成的冷却剂流路连接在一起。

Description

连续铸造装置的冷却筒及其制造方法

本发明涉及双筒式连续铸造装置或单筒式连续铸造装置的冷却筒及其制造方法。

历来，在用单筒或用双筒连续铸造带状铸片的装置中，关于防止热变形而考虑的冷却筒的构造曾提出种种方案。

图6所示为根据日本专利特开平3-169461号而公开的“用于在单辊或双辊之间进行连续铸造的装置的辊”，即这种冷却筒的一例。

在该辊中与金属熔液接触的套筒7的中央部分与芯部6对接，并被侧板4和环状的夹紧部件3机械地约束着，芯部6通过其毂部1固定在转轴2上。在套筒7和芯部6的内部如图6的箭头所示流通着冷却液使套筒7冷却。

在上述辊中，由于套筒7被芯部6机械地约束着，在离开约束部的位置上有较大的热变形，并且，该热变形的程度随着铸造时间而增大。

这是因为，套筒7产生的热应力超过屈服应力，致使套筒7与芯部6的连接应力下降。另外，由于套筒7的热延伸而引起的套筒7与芯部6之间的滑动使两者的嵌合面磨掉，致使连接力慢慢下降，终于产生间隙。

因此，随着铸造时间决定铸片形状的冷却辊的热变形变大是一个缺点。

就冷却筒的工作而言，套筒7如用钢那样热传导率低的材料制成时只能用几分钟，如用铜合金那样热传导率高的材料制成时也只能用几小时便达到限度。而在该限度附近，热变形会超过1000μm，铸片的隆起的偏差也会超过±50μm，这也是一个缺点。

本发明的一个课题是要提供能消除前述在连续铸造装置的冷却筒中所看到的缺点而能充分防止热变形的冷却筒，从而提供能连续铸造出中央与两端板厚差小的高质量的带状铸片的冷却筒。

本发明的另一个课题是要使从金属熔液传导到冷却筒上的热传导小，同时使传导到冷却筒上的热迅速除去，并且，使冷却筒的耐蚀性和刚性提高来防止变形，使其寿命长。

本发明还有一个课题是要提供刚性高的并且能使从金属熔液传导来的热除去的具有冷却剂圆滑地流通结构的冷却筒。

本发明另外还有一个课题是要提供能使从金属熔液传导来的热迅速除去同时又能防止温度分布的不均一、具有这样的冷却剂流通构造的冷却筒。

另外，本发明还有一个课题是要提供使不同金属能用可靠性高的金相结构上的接合面来接合以便制出刚性高、难以发生变形并且寿命长的连续铸造装置用的制造方法。

本发明为了解决在连续铸造装置用冷却筒方面的上述课题，具有三层构造，一层是圆筒状的刚性材料，另一层是圆筒状的冷却用材料以其内周面嵌插在该刚性材料的外周面上，与该外周面在金相结构上接合，第三层是耐热材料，在上述冷却用材料的内部在其全圆周上贯穿设有沿上述冷却筒的轴向延伸的冷却孔，还具有上述各冷却孔的轴向两端与上述刚性材料的内周部连接的冷却剂通路，冷却用材料与刚性材料在金相结构上相接合，耐热材料为电镀形成的镀层。

这样，按照本发明的冷却筒采用的结构，具有刚性材料、在其外侧用金相结构接合的冷却用材料以及在其外周面上用电镀形成的耐热材料的三层构造，并且在其冷却用材料的内部贯穿设有许多冷却剂使用的冷却孔。这种冷却筒在使用时，先使冷却筒旋转，同时连续供给金属熔液，使它冷却面凝固，这样就能连续铸造出高质量的带状铸片。

这是因为，冷却筒上的耐热材料使金属熔液的显热和凝固热较少传导到冷却用材料上，而传导到冷却用材料上的上述的热由于冷却用材料冷却孔内流通的冷却剂将热传导出去使其温度较少上升，并且，冷却用材料上仅仅由于残留温度分布不均一而造成的热变形也由于刚性材料的约束而变小。

另外，本发明为了解决上述课题，上述刚性材料是由奥氏体系的不锈钢构成的，上述冷却用材料是由铜和铜合金两者中任一构成的，上述耐热材料是由镍、镍合金、钴、钴合金那样的单一镀层和镍-蒙脱土-铬那样的复合镀层中任一构成的。

按照本发明，上述刚性材料采用奥氏体系不锈钢、上述冷却用材料采用铜或铜合金、上述耐热材料采用上述的镍-蒙脱土-铬、镍和钴等金属，这些材料构成的冷却筒可以增加下列作用：刚性材料由于奥氏体系不锈钢的高耐蚀性可使寿命长久，由于其高杨氏模数在使用中可以提高刚性，增大对冷却用材料的约束力。

另外，采用铜或铜合金的冷却用材料由于其热导性提高，从辊表面的耐热材料传导来的热可被冷却剂迅速传导出去而冷却，使它的热变形减少。

另外，薄壁而热导率较低的镍-蒙脱土-铬、镍或钴等金属制成的耐热材料，在连续铸造时高温方面的消耗可以减少，金属熔液的显热和凝结热传导到冷却用材料上的数量亦可减少。

另外还有，本发明为了解决上述课题，所采用的冷却筒，除了上述刚性材料的内径尺寸与外径尺寸是按0.4-0.6的比值成形的以外，上述冷却用材料的各相邻冷却孔中心在滚筒圆周方向的间隔为冷却孔中心与上述冷却用材料外周面之间的距离的2倍以内。

这样做的好处是，按照本发明，所使用的冷却筒的刚性材料具有内径对外径之比为0.4-0.6，可以增加的作用是，由于圆筒状刚性材料的厚壁，在其内部冷却剂圆滑地流通的程度可以增大，其刚性还可提高，对只剩下温度分布不均一的冷却用材料的约束力可以增大，从而可以制出热变形小的质量高的带状铸片。

另外，按照本发明所采用的冷却筒，相邻冷却孔中心在滚筒圆周方向上的间隔为冷却孔中心与冷却用材料外周面之间的距离的2倍以内，可增加的作用是，由于冷却用材料各冷却孔在圆周方向上的间隔较小，因此可以促进冷却剂在冷却用材料冷却孔内的流通而引起的冷却用材料的冷却，同时还可减少冷却用材料的温度分布不均一的程度，从而能够连续铸造出高质量的带状铸片。

此外，本发明为了解决其冷却筒在制造方法方面的课题，所采用的冷却筒的制造方法是，在嵌插有圆筒状刚性材料的冷却用材料的外周面上再嵌插约束材料，两者的接合面上隔有分型剂，使上述刚性材料与上述冷却用材料的接合面保持在真空状态升温到900℃以上并保持着，再在上述刚性材料的内周侧加热使其温度比上述约束材料高，由于上述刚性材料与上述约束材料热膨胀之差而加压在上述接合面上用冶金方法完成接合后，再在冷却用材料的表面上电镀耐热材料，形成镀层。

这样做的好处是，按照本发明的冷却筒的制造方法，刚性材料和冷却用材料是在金相结构上接合的，刚性材料、冷却用材料和约束用材料加热时，使刚性材料与冷却用材料的接合面保持在真空状态升温到900℃以上，并在刚性材料的内周侧加热使其温度比约束材料高，由于刚性材料的膨胀比约束材料大，冷却用材料被约束材料约束，因而在上述接合面上作用着该项金相结构接合所必要的表面压力，刚性材料的外周面与冷却用材料的内周面在金相结构上牢固地接合起来。

接合完毕且在常温下冷却，在冷却用材料与约束材料之间由于隔着分型剂，没有在金相结构上接合，因此冷却用材料和刚性材料能够容易地从约束材料中拔出。

在金相结构上接合和成形加工后再将耐热材料电镀在冷却用材料的外表面上形成镀层。

现将附图简单说明如下：

图1为示出采用本发明一个实施例的冷却筒的双筒式连续铸造装置的要部的单侧剖开的平面图。

图2为图1中沿II-II线剖面的放大侧面图。

图3为图中要部的放大侧面图。

图4为示出在本发明的冷却筒制造方法中刚性材料与冷却用材料在金相结构上的接合方式的纵剖面图。

图5为在冷却筒上设有鼓状的预变形时表示带状铸片的变形量的图。

图6为现有技术的冷却筒的一例的单侧剖面图。

以下将用附图1到4对本发明的连续铸造装置的冷却筒的实施例和本发明的冷却筒的制造方法的实施方式进行具体说明。

在图1到图3中，刚性材料51是由SUS304的奥氏体系不锈钢制成内径272mm、外径512mm、厚120mm、长600mm的圆筒状，内径/外径比约为0.53。

在该刚性材料51的外周面上是厚为42mm的由0.6％铬、0.15％锆构成的铜合金，热导率在150℃以下、与IACS的50-80％相当的冷却用材53，通过扩散接合冶金地接合着。

另外，在刚性材料51的内部装着隔壁61、62和管状隔壁63，在刚性材料51的两端，被驱动旋转的中空轴在热装后，在其圆周方向上和多个螺栓52加以紧固。

刚性材料51与冷却用材料53在金相结构上的接合部用图4所示的装置和夹具进行扩散接合。

如图4所示，要将冷却用材料53装在刚性材料上，例如用冷装或热装，其间隙应小到能嵌插进去，在该冷却用材料的外周面上涂布分型剂，再将例如用铸钢制的热膨胀率比刚性材料还要低的约束件1装在冷却用材料53上，例如用冷装或热装，其间隙应小到能嵌插进去，在该嵌插部的两端用密封焊接24固定设置着环状的真空密封盖23，在该真空密封盖23上连接着排气管26，并且还用绝热材料25覆盖着。

将由这些部件组合而成的组件送入加热炉31内。在该刚性材料51的内周部插入多孔隔焰套27并用支承台30支承起来，从排气管26进行抽真空排气，使接合界面55大致成为真空状态，开成干馏罐。

然后通过各个燃烧器29使加热炉31的雾围气升温，并将燃气通过导管28导入从多孔隔焰套27喷出到刚性材料51的内周面上，使刚性材料51比约束材料21的温度约高50-100℃。

这么一来，使接合界面55升温到900-950℃，同时由于刚性材料和约束材料21的热膨胀率和温度的差别，使刚性材料51比约束材料21的膨胀来得大，在接合界面55上就产生这种扩散接合所必要的表面压力，按所定时间保持在该状态就可进行金相结构上的接合。

使该组件降温到接近常温，就可从加热炉运出，除去绝热材料25、真空密封盖23、排气管26，约束材料1便可从冷却用材料53上拔出。

另外，刚性材料51与冷却用材料53的接合亦可用高温下静水压加压法进行。

这样扩散接合的刚性材料51和冷却用材料53在成形加工后，再在冷却用材料上电镀厚度为2mm的镍的耐热材料54的镀层。耐热材料54的材质和厚度根据下列条件决定。

在材质方面，要选比较容易氧化的、对金属熔液71的反应小的、融点比较高的、难以产生由于连续铸造时的升温而引起的材质变化等，并且，与铜合金的冷却用材料53的结合力大，镍、镍合金、钴、钴合金、镍-蒙脱土-铬，热导率在300℃时为0.10-0.18cal/cm.k，都是较适用的材料。

关于耐热材料的厚度，下面的算式可以给出适用的数值。

〔算式1〕 $\mathrm{\δ}\left(\mathrm{cm}\right)\≤\sqrt{k\·{\mathrm{\τ}}^{\′\′}}$

式中

  τ″＝金属熔液和铸片的接触时间(秒)

K＝热扩散率(cm²/秒)

θ＝金属熔液和铸片的接触角(弧度)

D＝滚筒的外径(cm)

V＝最适铸造速度(cm/秒)

厚度小的者尤其没有问题，但机械加工精度必须在0.3mm以上。

这样耐热材料54的适当厚度约为0.3-2mm。

在冷却用材料53的内部，沿滚筒的轴向、分布在圆方向上的整个圆周上，贯穿设有d＝16mm的44个冷却孔57、58，就其位置言，L₂＝25mm，L₁/L₂＝1.56。

式中如图3所示，L₁为相邻冷却孔的中心间的距离，L₂为冷却孔的中心与冷却用材料53的表面之间的距离。

该冷却孔57、58的位置可按下法设定。

从冷却用材料53的外周面到冷却孔57、58的长度(L₂-d/2)可以给出算式2所示的热的浸透深度。

〔算式2〕 $\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{cm}\right)=(L_2-\frac{1}{2}d)\≤2.0\sqrt{K{\·\mathrm{\τ}}^{\′}}$

d＝冷却孔的直径(cm) ${\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{(2\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})\·D}{2V}$

τ′＝金属熔液和铸片的非接触时间(冷却用材料的冷却时间)

Δ值随冷却用材料53的材质而异。对于铬-锆铜，最大2.5cm

    以上会招致冷却用材料53的温度上升，并会引起表面的

    54的温度上升等，招致装置的不正常。

另外，各该相邻的冷却孔57、58在圆周方向上的间隔(L-d)可由下面的算式3来设定。

〔算式3〕 $(L_1-d)\≤2.5(L_2-\frac{1}{2}d)$ $\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{cm}\right)=(L_2-\frac{1}{2}d)\≤2.0\sqrt{K\·{\mathrm{\τ}}^{\′}}$ ${\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{(2\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})}{2V}$

L₁：各冷却孔的中心间隔(cm)

(L₁-d)如果增大，冷却用材料54的冷却孔57、58的间隔部在连续铸造时的温度差也会增大，在铸片72上会产生裂纹等缺陷。

在另一方面，(L₁-d)如果减小，由于冷却筒的压紧力，在冷却孔57、58的间隔部上会产生弯曲，采用单筒方式时因为不需担心这个问题，所以没有特别限制。

可是，圆筒材料的刚性取决于其外径和壁厚。对刚性材料51的试验结果证明D_Ri/D_R以0.4-0.65为宜。

D_R：刚性材料的外径

D_Ri：刚性材料的内径

D_Ri/D_R不满0.4时，虽然对热变形的变形阻力较大，但在确保滚筒转矩及冷却水通路上有困难。

D_Ri/D_R超过0.65时，热变形超过600μm，并且，因为连续铸造时的偏差超过50μm，其铸片72用作冷轧用的材料是不合适的。

由以上所述部件构成一对外径为600mm、宽为604mm的冷却筒50。标号69为一对侧堰，配设得可在旋转的冷却筒50的两个侧面上滑动。

接下来对以上说明的装置的实施例进行说明。

(第1实施例)

如图1所示，由于各冷却孔57、58上的冷却剂通路57a、58a互相以相反方向流通冷却剂，流量达3000公升/分，使冷却用材料53从滚筒轴向的中央部向两端对称地冷却，同时使刚性材料51也被冷却剂冷却，使两方的冷却筒50转动，由两边的侧堰形成的熔液聚集部供给奥氏体系不锈钢的熔液并使它凝固，连续铸造出带状的铸片72。

在连续铸造中，冷却筒50由于吸收金属熔液71的显热和凝固热容易热变形成鼓状，铸片72也会出现中央部比两端薄，即铸造出所谓反隆起型。

可是，对于本实施例的冷却筒50，由于耐热材料54抑制了冷却用材料53对上述热的吸收，同时由于在冷却孔57、58内流通的冷却剂使冷却用材料53冷却，使其升温达到最小限度，而且由于刚性材料51做得较厚使其刚性提高，同时由于使冷却用材料53与该高刚性的刚性材料51全面地在金相结构上接合。试验结果，作为铸片数据的半径差为160μm，随着铸造时间的推移，该项鼓状热变形可被抑制在标准偏差±12μm的小范围内。

另外，由于冷却筒50的上述热变形较小，其与侧堰69的间隙也就非常小，因此铸片72的铸造毛边也可较小。

由于这样，在冷却用材料53与刚性材料51接合后，在外周面上加工，作鼓状(反弯)磨削，然后使用，所得铸片板形如图5所示，结果非常良好。

(第2实施例)

接下来，作为本发明的第2实施例，冷却筒50的外径为1200mm，宽604mm，刚性材料51的厚度为250mm，冷却用材料的厚度为48mm，耐热材料的厚度为0.4mm(D_Ri/D_R＝0.55)，其他尺寸、形状和材质与第1实施例相同，成对制作，供给奥氏体系不锈钢的双筒式连续铸造试验之用。

结果，作为铸片数据的半径差为300μm，随着铸造时间的推移，冷却筒50外周面的鼓状变形的标准偏差为土15μm。

由于这样，在冷却筒50的外周面上进行鼓状磨削，便可供给使用。

另外，在上述第1实施例和第2实施例中，本发明的冷却筒都是用在双筒式连续铸造装置上，但这种冷却筒也可用在单筒式连续铸造装置上，而且同一冷却筒还可用在碳钢、铝和铜合金的连续铸造装置上。

以上，以图示的实施例为依据对本发明具体地进行了说明，具体的形状、构造等在权利要求的范围所示的本发明的范围内是可以作种种改变的，这是不用说的。

如同上面详细说明的情况，在本发明的连续铸造装置的冷却筒中，圆筒状的刚性材料与圆筒状的冷却用材料在金相结构上接合在一起，另外还有耐热材料电镀在冷却用材料的外周面上成为镀层，一共是三层的构造；由于沿冷却用材料的轴向、在滚筒圆周方向上的全圆周上分布设有冷却用材料的冷却孔，可以取得下列效果：首先由耐热材料传导到冷却用材料上的金属熔液的显热和凝固热可以减少。传导到冷却用材料上的上述热量由于在冷却用材料的冷却孔内流通的冷却剂而可传导出去，使其温度上升为最小。

而且，由于刚性材料对冷却用材料的约束，可以防止后者的变形。从而能够连续铸造出板宽方向的中央部与两端的厚度差小的高质量的带状铸片。

Claims (5)

1.一种连续铸造装置的冷却筒，用旋转的冷却筒使金属熔液冷却而凝固，连续铸造带状铸片；该连续铸造装置的冷却筒具有三层构造，其中第一层为圆筒状的刚性材料，第二层为圆筒状的冷却用材料，第三层为耐热材料，在上述冷却用材料的内部在其全圆周上贯穿设有沿上述冷却筒的轴向延伸的冷却孔，还具有上述各冷却孔的轴向两端与上述刚性材料的内周部连接的冷却剂通路；其特征在于，冷却用材料的内周面嵌插在同一刚性材料的外周面上并与上述外周面在金相结构上相接合，第三层的耐热材料为在该冷却用材料的外周面上用电镀形成的镀层。

2.按照权利要求1的冷却筒，其特征在于，该连续铸造装置的冷却筒的上述刚性材料是由奥氏体系不锈钢构成，上述冷却用材料用铜和铜合金中两者任一构成，上述耐热材料由镍、镍合金、钴、钴合金那样的单一镀层和镍-蒙脱土-铬那样的复合镀层中任一构成。

3.按照权利要求1的冷却筒，其特征在于，该连续铸造装置的冷却筒的上述刚性材料的内径尺寸与外径尺寸之比为0.4-0.6。

4.按照权利要求1的冷却筒，其特征在于，该连续铸造装置的冷却筒的上述冷却用材料的各相邻冷却孔中心在滚筒圆周方向上的间隔不大于同一冷却孔中心与上述冷却用材料外周面的距离的2倍。

5.一种连续铸造装置的冷却筒的制造方法，其特征在于，该方法包括下列内容：将圆筒状的刚性材料嵌插在圆筒状的冷却用材料内，将约束材料嵌插在该冷却用材料的外周面上，嵌插时两者的接合面用分型剂隔开，将上述刚性材料与上述冷却用材料的接合面保持在真空状态升温到900℃以上并保持在该温度，在上述刚性材料的内周侧加热使其温度高于上述约束材料，利用上述刚性材料与上述约束材料的热膨胀之差加压在上述接合面上使它们在金相结构上接合后，再在冷却用材料的表面上电镀耐热材料，形成镀层。

Images