CN105658355B - 分配装置 - Google Patents
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Abstract
用于立式铸造系统的分配装置（8），包括由耐热材料制成的主体（9），该主体包括基部（12）和外周壁（14）。基部（12）和外周壁（14）围成一个用于容纳和分配液态金属的槽（10）。隔热层（36）位于基部（12）下方的凹部（30）内。主体（9）的耐热材料具有第一热导率，隔热层（36）由具有小于第一热导率的第二热导率的材料制成。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于立式铸造系统联的分配装置，尤其是(但不是唯一地)用于直接激冷铸造系统的分配装置。本发明还涉及一种包括多个分配装置的铸造台，以及涉及一种直接激冷铸造系统。
背景技术
直接激冷(direct chill，DC)铸造为立式半连续铸造工艺的一个例子，其用于采用例如铝及其合金这样的有色金属制造圆柱形坯件。在美国专利US 4598763中描述了直接激冷金属铸造设备的一个例子。直接激冷铸造工艺也可用于金属锭的制造。
直接激冷铸造设备通常包括多个水冷模具，每个水冷模具都具有可供液态金属流过的开口竖直通道。当流经水冷模具时，熔融金属被冷却而使得金属的外围区域凝固。这种模具通常相当短(一般为75-150mm)，当金属从模具的下端出现时，它进一步由水射流冷却，使金属的剩余部分凝固，从而形成圆柱形的坯件。坯件的下端由起始头(或挤压垫块)所支撑，该起始头(或挤压垫块)由液压顶逐渐降低(通常以50-150mm/min的速率)。液态金属被连续地供给到模具，直至液压顶到达其底部位置。通常情况下，通过直接激冷工艺生产的坯件具有50-500mm的直径和4-8米的长度。
直接激冷铸造系统一般具有多个模具，通常能够同时形成2-140个坯件。所述模具是由钢铸造台支撑并通过金属分配系统供给熔融金属。直接激冷铸造系统存在两种主要的设计：在第一种设计中，金属的流动通过浮子进行控制，而在第二种设计中，金属通过由耐热材料制成的供料装置而流进模具中。本发明涉及第二种设计，这种设计通常称之为“热顶(hot-top)”铸造系统。
在典型的热顶铸造系统中，金属分配系统包括多个被称为“交叉供料器”的耐热分配装置，其容纳液态金属并将其分配至模具以形成坯件。这种分配装置通常由陶瓷耐热材料制成，例如由派罗特克公司(Pyrotek Inc.)生产的140，它的热导率低，以防止液态金属在经过模具之前快速冷却。这种陶瓷材料还必须具有良好的机械性能。然而，要获得机械性能和热性能之间理想的平衡是很难的，因为热导率非常低的耐热材料往往机械强度较弱，而机械强度高的耐热材料往往具有高得多的热导率。因此，具有足够机械强度的耐热材料可能会具有相对较高的热导率。
这会导致许多问题。首先，经过较长的一段时间后(通常为几个月或几年)，液态金属的热量经过耐热分配装置传导至钢铸造台，这会导致钢铸造台因热疲劳而产生变形。通常情况下，这将导致被称为“鼓起”(crowning)的现象，即该铸造台呈现出略微圆顶的形状，使得与该铸造台的中心比其边缘更高。第二，液态金属在沿分配系统流动的过程中所损失的热量，会在分配系统的不同部分产生温度差，通常靠近金属供料点的金属最热而在分配系统中距离供料点最远的部分最冷。这会导致在铸造过程当中，从分配系统的“热”的部分出现的金属将会比从分配系统的“冷”的部分出现的金属更慢地凝固，从而难以将液压顶的速度与金属的凝固速率进行匹配。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种能够缓解一个或多个上述问题的分配装置。
根据本发明的一个方面,提供了一种用于在立式铸造系统中分配液态金属的分配装置，所述分配装置包括由耐热材料制成的主体，所述主体包括基部、外周壁和位于所述基部下方的隔热层，所述基部和外周壁共同提供了用于容纳和分配液态金属的槽，其中所述主体的耐热材料具有第一热导率，所述隔热层由隔热材料制成，所述隔热材料具有小于所述第一热导率的第二热导率。
隔热层有助于减少液态金属的热量通过分配装置而传导至支撑台。这有助于减轻支撑台的热疲劳。分配装置的减小的热导率也有助于降低液态金属热量损失的速率，从而降低液态金属中的温度梯度和改善由铸造系统所形成的金属坯件的质量和一致性。
使用隔热层还允许选择更广泛的材料来制造分配装置的主体，例如包括具有较高热导率而强度较高或具有其他改善的机械特性的材料。该隔热层确保了即便该主体是由具有较高热导率的材料制成，该分配装置的热损失速率仍然很低。使用具有改善的机械性能的材料可以使分配装置更轻和/或强度更高，或者能够延长使用寿命。
有利的是，所述第二热导率小于所述第一热导率的50％，优选的是小于所述第一热导率的20％，更优选的是小于所述第一热导率的10％。
有利的是，所述第二热导率小于0.25W/mK，优选的是小于0.1W/mK，更优选的是0.05W/mK。
有利的是，所述分配装置的主体由耐热陶瓷材料制成。该分配装置优选地包括交叉供料器或者与连接交叉供料器的铸造台相关联的其他耐热件，例如流入槽、十字槽或弯头。
有利的是，所述第一热导率在0.25-1.0W/mK的范围内，优选的是在0.25-0.5W/mK的范围内。
有利的是，所述隔热层是由从包括微孔板材料、真空形成或压制纤维板、耐热纸或可浇铸耐热材料的范围内选择的隔热材料制成。
有利的是，所述分配装置的主体包括了所述外周壁上的至少一个流动通道和所述基部上的至少一个供料孔，在铸造过程中，液态金属能够通过所述流动通道流入所述分配装置或者从所述分配装置流出，并且液态金属能够通过所述供料孔从所述分配装置流出。
有利的是，所述分配装置的主体包括在所述外周壁的第一部分的流入通道、在所述外周壁的第二部分的流出通道以及从所述流入通道延伸至所述流出通道的主流动槽，液态金属能够经由所述流入通道流入所述分配装置、经由所述主流动槽从所述流入通道流过所述分配装置而流至所述流出通道、并且经由所述流出通道流出所述分配装置，其中，所述槽还包括至少一个支槽，所述支槽沿基本垂直于所述主流动槽的方向延伸，所述支槽包括在其基部的至少一个供料孔。
有利的是，所述分配装置的主体设置为使多个分配装置能够被布置成阵列，以使得一个分配装置的流出通道与相邻分配装置的流入通道对齐并形成密封连接。
有利的是，所述隔热层包括预成型的垫。
有利的是，所述隔热层的厚度范围为3-25mm，优选的是5-15mm，更优选的是8-12mm。
在一个优选的实施方案中，所述主体包括在该主体基部的凹部，所述隔热层位于所述凹部内。有利的是，所述凹部的深度等于或大于所述隔热层的厚度。有利的是，所述主体包括围绕主体基部上的凹部周边的外周边缘。有利的是，所述外周边缘的宽度在5-25mm的范围内，优选的是在8-15mm的范围内。
在另一个优选的实施方案中，所述主体的基部基本上是平坦的，并且所述隔热层位于所述主体的基部下方。
有利的是，所述隔热层覆盖基部面积的至少50％，优选的是覆盖基部面积的至少70％。
有利的是，所述分配装置包括延伸穿过主体基部和隔热层的至少一个供料孔。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于立式铸造系统的铸造台组件，所述铸造台包括支撑台和安装在所述支撑台上的多个分配装置，所述多个分配装置当中的至少一个分配装置包括根据前述发明的描述中任一项所述的分配装置，其包括主体和隔热层，其中所述隔热层位于所述主体的基部与所述支撑台之间。
有利的是，所述支撑台包括用于将液态金属从分配装置引导至一个或多个铸造点的一个或多个引导部件，所述引导部件包括了从包含套管、过渡板和管式铸造环的范围中选择的一个或多个部件。
本发明的另一个方面涉及一种直接激冷坯件铸造系统，其包括根据前述发明的描述中的任一项所述的铸造台组件，以及支撑由该系统铸造的一个或多个金属坯件的顶升组件。
有利的是，所述支撑台包括用于将液态金属从分配装置引导至一个或多个铸造点的一个或多个引导部件，所述引导部件包括了从包含套管、过渡板和管式铸造环的范围中选择的一个或多个部件。
根据本发明的优选实施方式，提供了一种用于在立式铸造系统中分配液态金属的分配装置，所述分配装置包括由耐热陶瓷材料制成的主体，所述主体包括基部、外周壁、在所述外周壁上的至少一个流动通道、在所述基部上的至少一个供料孔以及位于所述基部下方的隔热层，所述基部和外周壁共同提供了用于容纳和分配液态金属的槽，在铸造过程中，液态金属能够通过所述流动通道流入所述分配装置或者从所述分配装置流出，并且液态金属能够通过所述供料孔从所述分配装置流出，其中所述主体的耐热陶瓷材料具有在0.25-1.0W/mK范围内的第一热导率，所述隔热层是由从包括微孔板材料、真空形成或压制纤维板、耐热纸或可浇铸耐热材料的范围内选择的隔热材料制成，所述隔热材料具有小于所述第一热导率的50％的第二热导率。
根据本发明的另一优选实施方案中，提供了一种用于在立式铸造系统中分配液态金属的分配装置，所述分配装置包括由耐热材料制成的主体和位于所述主体下方的隔热层，其中所述主体包括基部、外周壁、所述基部上的至少一个供料孔、位于所述基部下表面的凹部以及围绕所述凹部的周边的外周边缘，所述基部具有上表面和下表面，所述外周壁从所述基部的上表面向上延伸以提供用于容纳和分配液态金属的槽，在铸造过程中，液态金属能够通过所述供料孔从所述分配装置流出，所述隔热层位于所述主体的基部的凹部内，其中所述主体的耐热材料具有第一热导率，所述隔热层由隔热材料制成，所述隔热材料具有小于所述第一热导率的第二热导率。
以上所述的每个优选实施方案都可与其前述发明描述的有利特征相结合。
附图说明
本发明的某些实施例现在将通过参照附图以示例的方式来进行描述，其中：
图1是用于直接激冷铸造系统的铸造台的平面图；
图2是根据本发明第一实施例的分配装置的等距视图；
图3是该分配装置的侧视图；
图4是显示该分配装置下表面的平面图；
图5是该分配装置的端视图；
图6是显示该分配装置上表面的平面图；
图7是图6沿C-C线的侧剖视图；
图8是包含分配装置的铸造台组件的剖视图，以及
图9是包含本发明第二实施例的分配装置的铸造台组件的剖视图。
具体实施方式
在图1所示的铸造台2包括了呈矩形的钢支撑台4和包含多个耐热分配装置8的分配器系统6，分配装置8共同限定了顶部开口槽10，以用于容纳和分配液态金属至支撑台4下方的多个铸造点。这种独特的铸造台2反映了本发明的一个优选实施例，其适用于直接激冷(DC)铸造系统，该铸造系统用于采用例如铝及其合金这样的有色金属制造圆柱形坯件。然而，应该理解的是，这里所描述的本发明也适用于其他的立式铸造系统，包括用于铸造金属锭的直接激冷铸造系统。
根据本发明一个实施例的分配装置8如图2-图7所示。该分配装置8包括由耐热陶瓷材料制成的耐热主体9，其包括基部12和从基部12向上延伸的外周壁14。基部12和外周壁14共同限定所述顶部开口槽10的一个部分。外周壁14可以是连续的或不连续的，其包括两个短的端壁16和两个较长的侧壁18。每个侧壁18包括一个中心部分20和两个端部部分22。端部部分22的最里面部分向外弯曲，从而中心部分20凸出于端部部分22所在平面。中心部分20内形成有U形通道24，其从外周壁14的上沿向下延伸并穿过该分配装置的大约三分之二的高度。
如图1所示，当多个分配装置8一起安装在铸造台上时，每个侧壁18的中心部分20抵靠相邻分配装置侧壁的中心部分，形成在相邻壁内的U形通道24彼此对齐而形成顶部开口槽10，以允许液态金属在各分配装置8之间流动。
耐热主体9的基部12设置有两个圆形供料孔26。在使用中，液态金属能够通过这些孔26流至由铸造台2所限定的铸造点，以便形成坯件。虽然在本实施例中，分配装置8具有两个供料孔26，然而它也可以具有多于两个或少于两个的供料孔。
耐热主体9的基部12包括在其下表面的浅凹部30，除了沿外周壁14形状的外周边缘32和围绕圆形供料孔26的两个圆形基底部分34外，该浅凹部30延伸覆盖了基部12的整个区域。本实施例的凹部30具有大约10mm的深度。一般而言，该凹部30的深度为3-25mm，较好的是5-15mm，更好的是8-12mm。外周边缘32与圆形基底部分34各自具有约10mm的宽度，一般而言可具有5-20mm的宽度，更好的是8-15mm。
凹部30容纳有由具有非常低的热导率的材料制成隔热垫36。在本实施例中，该层包括了由隔热材料制成的垫36，其形状与耐热主体9的基部12内的凹部30相适配，在垫36的边缘与外周区域32的内表面之间具有小的间隙(例如大约1.0mm)。该垫36的厚度约为10mm。一般来说，该垫的厚度约为3-25mm，较好的是5-15mm，更好的是8-12mm。优选地，隔热垫36的厚度等于或略小于(例如小0.0-0.2mm)凹部30的深度，使得该垫不会在耐热主体9与台4之间被压缩。视情况需要，垫36也可以通过适合的粘合剂附着到耐热主体9的底面。
通过在凹部30内设置隔热垫36，可以极大地减少液态金属的热量通过分配装置8而传导至钢支撑台4。这有助于减轻钢支撑台的热疲劳。分配装置8的减小的热导率也降低了液态金属热量损失的速率，从而降低了液态金属中的温度梯度和改善由直接激冷铸造系统所形成的金属坯件的质量和一致性。
隔热垫36优选地由热导率显著小于形成耐热主体9的陶瓷材料的热导率的隔热材料制成。换句话说，主体的耐热材料具有第一热导率，隔热垫的隔热材料具有小于所述第一热导率的第二热导率。优选地，第二热导率小于第一热导率的50％，较好的是小于其20％，更好的是小于其10％。作为一个例子，隔热垫36可以由微孔板材料制成，例如由保全(英国)有限公司(Promat UK Ltd)所制造的-320，其在800℃下具有0.036W/mK的热导率。通常情况下，形成耐热主体9的陶瓷材料的热导率约为0.5W/mK，隔热垫可以由热导率小于0.05W/mK(即形成主体9的耐热材料的热导率的约10％)的材料制成。
任何适宜的隔热材料都可用于形成隔热层36，并且该层可以由容纳于凹部30内的预成型垫构成，或者该层还可以形成在该凹部30内，例如通过将可浇铸耐热材料浇注至该凹部30内而形成。下面将讨论适合用作隔热层36的材料的一些实例。
优选地，隔热层36覆盖耐热主体9的基部12面积的至少50％(更优选的是至少70％)，不包括供料孔26的面积。在本实施例中，该层包括了覆盖基部12的大约70％面积的垫，即覆盖除了由外周边缘32和两个圆形基底部分34所占据面积之外的整个基部。在某些情况下，较小的垫也是足够的。例如覆盖供料孔26之间的基部12中央区域的垫可能就足够了。
由隔热垫36所带来的热导率的减小使得陶瓷材料可被选择用于分配装置8的耐热主体9，这样的耐热主体9机械强度高，并且热导率相对较低。例如，该分配装置的主体9可由派罗特克(Pyrotek)公司所生产的来制成，其具有20MPa的常温抗碎强度(coldcrushing strength)、4.5MPa的室温下断裂模量(modulus of rupture)以及在686℃下具有0.47W/mK的热导率。该材料对于热循环裂化具有高抵抗性。当然，还可以使用其它任何适宜的材料，例如包括由雷克斯罗托公司(Rex Roto Inc.)生产的Pyroform HP。典型地，该陶瓷材料具有0.25-0.5W/mK的热导率，尽管在某些情况下也可使用热导率更高的材料，尤其是在更深的凹部内使用较厚的垫时。
在使用时，分配装置8如图8所示安装在支撑台4上，使隔热垫36位于耐热主体9基部12的凹部30内。一片陶瓷纸38位于分配装置8与支撑台4的上表面之间。在形成坯件的过程中，还可以设置铸造系统的附加耐热组件，以引导液态铝从分配装置8流过台4。这些耐热组件例如可包括圆柱形套筒(或“套管”或“排液管”)40、圆形过渡板(或“顶环”)42以及管状的圆柱形石墨铸造环(或“铸模”)44，该圆柱形套筒(或“套管”或“排液管”)40适配于圆形供料孔26内并穿过耐热主体9的基部以及台4的厚度，圆形过渡板(或“顶环”)42从台4的下表面下方的套管40下端沿径向朝外延伸，圆柱形石墨铸造环(或“铸模”)44从过渡板42的外周边缘向下延伸。这些部件都是常规的，例如可以如美国专利US 4598763所述。
位于分配装置8的耐热主体9与支撑台4的上表面之间的隔热垫36降低了分配装置8内的液态铝的热量传导至支撑台4的速率，从而有助于维持分配装置中的液态铝的温度，并避免了对台4的过度加热。从而，铸铝的质量能够得到改善并更具有可预测性，并且能够避免由于过度加热而对该支撑台造成的损坏。
图9示出了根据本发明第二实施例的分配装置8。该分配装置类似于附图1-8所示的上述第一实施例，不同之处在于省略了第一实施例的外周边缘32和两个圆形基底部分34，从而隔热垫36延伸覆盖了耐热主体9基部12的全部面积。因此，本实施方式的耐热主体9不具有凹部，且基部12的下表面是平坦的。为了在不增加分配装置8整体高度的情况下容纳垫36的厚度，耐热主体9的基部12比常规分配装置的基部更薄。例如，相对于常规的分配装置，该基部12的厚度可以减少3-25mm，较好的是减少5-15mm，更好的是减少8-12mm。
测试结果
为了证明本发明的有效性而进行了一个测试，将本发明的新分配装置的热导率与常规分配装置的热导率进行比较。在每种情况下，分配装置的主体都是由相同的浇铸耐热材料制成(在本例子中，采用的是称作Pyrotek X-75.1的专有材料)并采用相同的设计，除了常规分配装置具有50mm的基部厚度而新分配装置具有形成在其基部内的10mm深的凹部而只有40mm的基部厚度之外。或者，也可以使用例如140这样的市售耐热材料。包括了厚度约为10mm的320微孔隔热材料垫的隔热层放置在该凹部内。
两种分配装置的热导率是采用按照ASTM C-8提案142的测试方法在一定的温度范围内进行测量。结果如下所列。
1.常规的分配装置
热导率计算表
标识:X-75.150mm厚
2.新分配装置(示例1)
热导率计算表
标识:X-75.140mm厚+微孔
从以上所列的结果可以看出，分配装置在热表面温度约为800K时的热导率从常规分配装置的0.640W/mK减少为新分配装置的0.120W/mK。因此新分配装置的热导率小于常规分配装置热导率的20％。从而在新分配装置中的液态铝的热损失将极大地降低。
当然，上述分配装置的各种变型也是可能的。例如，隔热层36可使用任何合适的隔热材料制成，例如包括像-320这样的微孔保温板，或者像 U1密压板这样的真空形成或压制纤维板，或者像纸这样的耐热纸。这些材料都可以用于制造预成型垫，这样的预成型垫可以位于凹部30内或者位于该分配装置下方。或者，例如 Wollite 30ST-1这样的可浇铸耐热材料可通过直接浇注材料至凹部30而形成模制的隔热层。
分配装置的主体也可以由不同的耐热材料制成，例如包括派罗特克公司(PyrotekInc.)生产的40或者由雷克斯罗托公司(Rex Roto Inc.)生产的 HP。在某些情况下，也可以使用具有更高热导率的材料，尤其是当该分配装置下方设置有较厚绝缘层的情况下。
Claims (20)
1.用于在立式铸造系统中分配液态金属的分配装置，所述分配装置包括由耐热陶瓷材料制成的主体和位于所述主体的下方的隔热层，所述主体包括基部、外周壁、在所述外周壁上的至少一个流动通道、在所述基部上的至少一个供料孔以及在所述基部上的凹部，所述基部和外周壁共同提供了用于容纳和分配液态金属的槽，在铸造过程中，液态金属能够通过所述流动通道流入所述分配装置或者从所述分配装置流出，并且液态金属能够通过所述供料孔从所述分配装置流出，其中所述隔热层位于所述凹部内，所述凹部的深度等于或大于所述隔热层的厚度，所述主体的所述耐热陶瓷材料具有在0.25-1.0W/mK范围内的第一热导率，所述隔热层的厚度范围为3-25mm并且由隔热材料制成，所述隔热材料具有小于0.1W/mK的第二热导率。
2.根据权利要求1所述的分配装置，其中所述第二热导率小于所述第一热导率的20％。
3.根据权利要求2所述的分配装置，其中所述第二热导率小于所述第一热导率的10％。
4.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述第二热导率小于0.05W/mK。
5.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述第一热导率在0.25-0.5W/mK的范围内。
6.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述隔热层是由从包括微孔板材料、真空形成或压制纤维板、耐热纸或可浇铸耐热材料的范围内选择的隔热材料制成。
7.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述分配装置的主体包括在所述外周壁的第一部分的流入通道、在所述外周壁的第二部分的流出通道以及从所述流入通道延伸至所述流出通道的主流动槽，液态金属能够经由所述流入通道流入所述分配装置、经由所述主流动槽从所述流入通道流过所述分配装置而流至所述流出通道、并且经由所述流出通道流出所述分配装置，其中，所述槽还包括至少一个支槽，所述支槽沿基本垂直于所述主流动槽的方向延伸，所述支槽包括在其基部的至少一个供料孔。
8.根据权利要求7所述的分配装置，其中所述分配装置的主体设置为使多个分配装置能够被布置成阵列，以使得一个分配装置的所述流出通道与相邻分配装置的所述流入通道对齐并形成密封连接。
9.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述隔热层包括预成型的垫。
10.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述隔热层的厚度范围是5-15mm。
11.根据权利要求10所述的分配装置，其中所述隔热层的厚度范围是8-12mm。
12.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述主体包括围绕所述主体的基部上的凹部周边的外周边缘。
13.根据权利要求12所述的分配装置，其中所述外周边缘的宽度在5-25mm的范围内。
14.根据权利要求13所述的分配装置，其中所述外周边缘的宽度在8-15mm的范围内。
15.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中所述隔热层覆盖所述基部的面积的至少50％。
16.根据权利要求15所述的分配装置，其中所述隔热层覆盖所述基部的面积的至少70％。
17.根据权利要求1至3任一项所述的分配装置，其中延伸穿过所述主体的基部的所述至少一个供料孔还延伸穿过所述隔热层。
18.用于立式铸造系统的铸造台组件，所述铸造台包括支撑台和安装在所述支撑台上的多个分配装置，所述多个分配装置布置成阵列以使得一个分配装置的流出通道与相邻分配装置的流入通道对齐并形成密封连接，所述多个分配装置当中的至少一个分配装置包括根据权利要求1至17任一项所述的分配装置，其包括主体和隔热层，其中所述隔热层位于所述主体的基部与所述支撑台之间。
19.根据权利要求18所述的铸造台组件，其中所述支撑台包括用于将液态金属从所述分配装置引导至一个或多个铸造点的一个或多个引导部件，所述引导部件包括了从包含套管、过渡板和管式铸造环的范围中选择的一个或多个部件。
20.直接激冷坯件铸造系统，其包括根据权利要求18或权利要求19所述的铸造台组件，以及支撑由该系统铸造的一个或多个金属坯件的顶升组件。
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