CN1066364C - 铸造金属带材的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铸造金属带材(9)，特别是钢的带材的一种方法，根据这种方法，通过把液态金属引入到具有水平轴的反向旋转的两个轧辊(1，1’)之间进行所说的带材(9)的固化，辊子用冷却剂流体的内部循环冷却，在轧辊之间确定了铸造腔，轧辊的外表面(3，3’)是凹凸不平的，通过盖在所说的铸造腔上的一个罩子(10)吹入气体或气体混合物来进行所说的铸造腔的封闭，特点是通过至少在每个轧辊(1，1’)与液态金属接触的区域的迎流面的表面附近，调节吹入量和/或所说的气体的性质或所说的气体混合物的组成来进行所说的轧辊(1，1’)的中间凸起的调整。

本发明还涉及实施该方法的设备。

Description

铸造金属带材的方法和设备

本发明涉及直接从液态金属获得小厚度冶金产品的铸造。更准确地说，它涉及靠两个具有水平轴的，反向旋转的，内冷的，近距离安装的轧辊使液体金属固化来铸造薄带材，尤其是薄钢带材的设备。

在两个反向旋转的轧辊之间铸造薄钢带材的设备中，带材的厚度分布取决于在铸造腔内轧辊的外表面采用的形状。理想地，带材的厚度分布应该是矩形的或略微中凸的，以保证冷轧工序的顺利进行，并保证最终产品有满意的厚度均匀性。为此，每个轧辊的母线应该保持为直线的或略微中凹的，特别是在两辊之间的辊隙处，即铸造腔内轧辊相互间靠得最近的区域内。在实际中并不是这样，因为轧辊承受强大的热应力。因此，在冷却时完全为直线母线的轧辊在膨胀的作用下会使其外表面变成中凸的。由于固化后的带材的厚度分布是在两辊之间辊隙处的铸造腔部分的准确再现，所以得到从中心到边缘厚度明显逐渐增大的带材。这会不利于该带材冷轧的顺利进行，也不利于由此得到的产品的质量。

这就是为什么在制造时通过使每个轧辊的外表面为轻微内凹的，在辊子中心表现为“凸起(crown)”来预期这个热膨胀，也就是说中心相对于边缘的半径是不同的。在冷却时，这个凸起的最优值会随轧辊的尺寸而变化，例如可以是大约0.5mm，这种该凸起随着轧辊膨胀而减小，在铸造腔内轧辊的轮廓趋于接近于直线的轮廓。在进行铸造时，该凸起的值取决于制造轧辊的材料和用于冷却轧辊周边外壳的系统，以及该外壳的几何形状和其固定在轧辊中心上的方式，该固定方式可以允许外壳的较大的或较小的膨胀。然而，该凸起的值还取决于操作条件，从一次铸造到另一次铸造，甚至在同一铸造过程中，操作条件可能发生变化，例如，在铸造腔内存在的液体金属的高度和通过冷却轧辊从金属中排出的热流的强度。

重要的是有有效的方法使负责铸造机操作的操作者有可能调整轧辊的凸起到某种程度，使得不管铸造条件及其变化，可连续获得最佳的凸起值。此外，这可以避免不得不使用不相连的几对轧辊，每对轧辊有不同的原始中间凸起值，对每一级来说，希望在最佳条件下进行铸造。

调节这个凸起的一个方法是通过调节在每个轧辊外壳内循环的冷却水的流量来调节从金属中排出的热流量。事实上，仅通过这种方法获得的凸起的变化是极小的，在百分之几毫米的数量级上。其原因是该水流量的允许调节值限制在相对于最大允许流量的一小部分之内，否则，代价是外壳与水之间发生的热传递条件的格外敏感的恶化，那么就不再有可能以满意的方式控制金属固化的条件。

本发明的目的是为操作者提供一种方法，使他们在铸造过程中能在足够大的范围内调节轧辊的中间凸起。

为此，本发明的目标是铸造金属带材，特别是钢带材的一个方法，根据这个方法，通过在两个反向旋转的轧辊之间引入液态金属进行所说的带材的固化，这两个辊子具有水平的轴，通过冷却剂流体的内循环冷却，在两个轧辊之间确定了铸造腔，轧辊的外表面具有凹凸不平的表面，通过盖在所说的铸造腔上的一个罩子吹入一定量的气体或气体的混合物，来进行所说的铸造腔的封闭，特点是至少在每个轧辊与液态金属接触区域的迎流面附近通过调节所说的气体的吹入量和/或所说的气体的性质或所说的混合气体的组成来进行所说的轧辊的中间凸起的调整。

本发明的另一个目标是铸造金属带材，特别是钢带材的一种设备，这种类型的设备包括两个反向旋转的，具有水平轴的，通过冷却剂流体的内循环冷却的轧辊，在两个轧辊之间确定了用于接受液态金属的铸造腔，轧辊的外表面是凹凸不平的，还包括通过盖在铸造腔上的一个罩子吹入气体或气体混合物的设备，和至少在每个轧辊与液体金属接触区域的迎流面附近调节所说的气体的吹入量和/或所说的气体的性质或所说的混合气体的组成的装置，特点是它包括测量或计算在所说的铸造腔上的轧辊的中间凸起，或代表在所说的铸造腔上轧辊的所说的中间凸起的效值的装置。

正如将会明白的那样，本发明在于，为了调整辊子的凸起，刚好在轧辊与液态金属的液面接触之前，调节在每个轧辊表面附近存在的气体的量和/或组成，或同时调节这两个参数。事实上，当铸造机的轧辊不光滑而在表面上呈现出凹凸不平时，在轧辊表面的凹部分上存在的气体的量和组成对金属和轧辊之间的热传递有直接影响。正是通过这个途径改变从金属中排出的热流量，而轧辊的热膨胀及由此产生的轧辊的中间凸起是依赖于从金属中排出的热流量的。轧辊中间凸起的变化可以在铸造过程中作为此时的具体条件的函数进行。

阅读下面的说明和附图给出的说明将会更好的理解本发明，附图以横截面图解表示了能使本发明实施的两个轧辊之间铸造金属带材的设备。

如上所述，轧辊的热膨胀由从存在于铸造腔内的金属中排出的热流量具体决定。因此，经验表明由轧辊从与其接触的部分金属中排出的瞬时热流量φ_i，用MW/m²表示，可以写成：

                   φ_i=At_i ^-0.35

t_i是从上一部分金属与轧辊在弯液面处接触所经过的时间，弯液面即在轧辊和存在于铸造腔的液态金属的自由表面相互接触的区域处。φ_i随t_i增大而降低的事实反映了随温度降低热传递质量的降低。A是热传递系数，用MW/m²S^0.35表示，其值取决于在金属-轧辊界面处常用的条件。

从这个用于瞬时热流量的表达式中，有可能计算从与轧辊接触的固化并冷却的铸皮任何部分中排出的平均热流量φ_m。通过在整个铸皮上对φ_i积分可以做到这一点，铸皮的各部分在与轧辊接触的时间上是不同的。这个时间包括在0和t_c之间，0是表示一部分铸皮位于弯液面上时的情况，t_c是表示在一部分铸皮离开在轧辊之间间隙处的轧辊时的情况。t_c可以做为在金属和轧辊之间接触的弧线的长度和轧辊转速的函数来计算。因此φ_m可以写成： ${\mathrm{\Φ}}_m=\frac{1}{t_c}\underset{0}{\overset{l_c}{\∫}}{\mathrm{\Φ}}_i\mathrm{dt}=\frac{A}{0.65}{t}_c^{-0.35}$

此外，φ_m还可以通过冷却水通过轧辊的流量Q，冷却水进出轧辊时的温度变化ΔT和金属与轧辊的接触面积S来测量，根据：

            φ_m=QΔT/S

当t_c已知时，根据下式通过计算可推出A：

    A=0.65φm/t_c ^-0.35=0.65QΔT/S·t_c ^-0.35

表明A的值取决于金属-辊子界面处的条件。该界面的最重要特征之一是轧辊外壳的冷却的表面是凹凸不平的。已经发现具有均一热导率的完全平滑的轧辊表面会导致在铸带上出现缺陷。其原因是在冷却过程中带材的铸皮的收缩作用反抗该铸皮对外壳的粘附力。这个对抗导致在铸皮内部产生热应力，而这些热应力可以导致表面微裂纹的产生。为了克服这些问题，优选地使用有一些凹凸不平的外壳的轧辊是可以接受的。也就是说，平滑区域(或凸起的区域)和与之相对的凹下的区域交替使用，使两种区域均匀分布或随机分布。在平滑的区域和凸起的区域上，金属铸皮通常粘附在外壳上，可以快速冷却。另一方面，凹下区域的宽度是计算出来的以使得正在固化的金属应该只有部分填满这些区域，而且在表面张力的作用下，不应该到达这些凹下区域的底部。因此，至少在与这些凹下区域的中心部分成垂直直线的方向上，金属与冷却表面不直接接触。所以在铸皮上与这些凹下区域相对，产生一系列表现为轻微凸起的区域，这些区域的固化和冷却比在铸皮的其它区域上要慢。可以说，它们构成了具有几分弹性的保留的金属，可以在不开裂的情况下吸收与铸皮收缩相联系的表面应力。为了获得令人满意的表面质量的铸造带材，已经考虑了在轧辊外壳上安排各种类型的雕刻，例如十字交叉的V型截面的凹槽。最后提出了在外壳上构造凹坑，这些凹坑基本上是圆型的或椭圆形的，互不接触，直径为0.1到1.2mm，深度为5到100μm(见欧洲专利0,309,247)。

在与液态金属接触之前，凹下的区域内充满气体，该气体在旋转的轧辊正上方形成气体边界层，而且旋转的辊子携带着该气体。当凹下的区域与弯液面接触并被正在固化的金属铸皮覆盖时，充满其中的气体被封闭在那里。正是通过该气体的中介作用，使得不与铸皮接触的凹下区域的冷却壁仍然会参加从金属中排出热流量。系数A的计算值考虑了外壳凹凸不平对金属和轧辊之间总的热传递的影响。

非常普遍地要避免把钢液的表面暴露在大气中，否则由于含氧夹杂物的形成会使金属产生污染。此外，这种夹杂物的形成还会引起钢中存在的最易氧化的元素的消耗。为了把表面与空气隔开，在大多数情况下，铸造腔用一个形成罩子的装置盖住。在罩子下，向钢液表面吹入对液态金属完全惰性的气体(如氩气)，或可以部分溶解在液态金属中但相对来说是可以允许的气体(例如铸造不锈钢时的氮气，其中没有特别要求低含量的氮)，或这些气体的混合物。为了避免轧辊和罩子的磨损问题，罩子一般不放在轧辊上而是在离轧辊表面非常近的地方固定(几毫米)。这样安排的缺点是轧辊，尤其是在其表面的凹下区域，夹带一个空气边界层，而空气的氧化能力对在弯液面处及弯液面以下与其相接触的金属的质量是不利的。在某些场合下，除了向液态钢表面吹入气体外，还向在罩子下面的轧辊表面附近吹入氩气和/或氮气来克服这个问题。这是以可调节流量的方式进行的，流量必须足以使空气边界层稀释，使其失去其大部分的氧化能力。这是在法国申请专利FR 9414571中特别采用的解决方法。

由于在它们的物理性质和化学性质之间的差别，不是所有的用于液态金属防护的气体和气体混合物对在金属和轧辊之间的热传递有相同的影响。例如，已经观察到，当用氮气而不是氩气作为保护气体时，这些热传递能更有效率地进行。这个现象的一个可能的解释是，由于氩在钢中实际是不溶的，所有的氩保留在凹下区域内。因此，在凹下区域的底部和金属铸皮之间，氩气连续地形成气热，这可防止金属明显进入凹下区域内。另一方面，在金属还没有完全固化时，封闭在凹下区域内的氮气或多或少会被金属吸收(取决于要铸造的金属的等级)。一般地，存在于凹下区域内的气体量也是吹入的气体流量的函数，尤其是在轧辊附近。当吹入相同流量的气体时，使用氮气时保留在每一凹下区域内的气体量比用氩气时要小。因此，氮气不能象氩气一样地阻止金属进入凹下的区域内，形成了与平滑轧辊更接近的固化条件。换句话说，当氩气形成由到弯液面为止的轧辊携带的气体边界层时，轧辊和正在固化的金属铸皮之间的热传递系数A比在边界层内含氮时要低。同时，在使用这两种气体的混合气体时，观察到当在轧辊表面附近，弯液面的迎流面吹入的混合气体中氩的百分数增大时，A从A0开始减小，A0是假设在纯氮气情况下的A值：

            A=A₀-K(％Ar)

经验表明，在各种奥氏体不锈钢和轧辊的粗糙度一定的情况下，A₀可以不同，如在4.2和4.8之间变化，当氩气的含量范围小于或等于30％时，K是0.025的量级。超过这一极限，由于氩气含量对A值的影响，可观察到A值明显减小。在铁素体不锈钢的情况下，氩气含量对A的影响不太明显，而在碳素钢的情况下，该影响变得相当弱。这些发现应该是与在这些不同级别类型的钢中氮的溶解度不同有关：在钢中氮气溶解度越高，用不溶解的气体部分或全部代替氮气对气体/金属界面上的条件改变得就越多。这意味着根据本发明的方法的另一种形式在铸造不锈钢，特别是奥氏体不锈钢时有其优选的应用，其中通过调节保护气体的性质或保护气体混合物的组成来调节轧辊的中间凸起。根据该方法的另一种形式是在应用于碳素钢时，仅通过调节吹入气体的流量来调整辊子的中间凸起。很明显，同时调节这两个参数，流量和组成，也是可能的。

铸造速率已知时，通过实验和通过计算推出由此得到A值，操作者可以确定通过轧辊的热流量的值。借助前面的实验或模拟技术，对于每一类型的凹凸不平程度的辊子和对每个级别的钢材，操作者可以从该A值推断出，如果轧辊在冷却时具有完全为直线的母线所预期的辊子的中间凸起程度。最后，操作者可由此推出在制造轧辊时对辊子优选应用的形状校正，为此，根据本发明，至少在大部分实际实验条件下，仅通过调整保护气体的组成和/或流量，应该有可能获得在加热时其母线为理想直线或稍微中凹的形状的轧辊。

为了调节保护气体的性质，操作者有使用纯氮或纯氩的可能性，这是为了在给定气体流量和给定铸造条件下能在两种轧辊中间凸起程度之间选择。但是，明显地，优选的是有使用相应比例的这两种气体的混合气体(或任何其它合适的气体)的可能性，该比例可以根据调节中间凸起的需要任意改变，以便使该调节能精确地进行。

附图所示为本发明所用铸造设备的示意图。

一个能使本发明实施的设备的非限制性的实施例图示于附图中，按传统的方式，铸造设备包括两个放置较近的轧辊1,1’,这两个轧辊要在内部进行强有力的冷却并被驱动绕其水平轴反向旋转，驱动设备没有表示出来，和把钢液2送入铸造腔的设备，铸造腔是由轧辊1,1’的外表面3,3’构成的，两边用两块耐火材料板封闭，其中之一，4可以在图1中看到。这些送入钢液的设备包括一个与布料器相连的小铸口5，其下端浸在被包围在铸造腔内的钢液2的液面6下面，(布料器没有表示出来)。钢液2在轧辊1,1’的外表面3,3’上开始固化形成铸皮7,7’，铸皮在轧辊中间的空隙8处结合在一起，也就是说在轧辊1,1’之间空隙最小的区域内，得到厚度为几毫米的固化的带材9，带材9从铸造设备内连续排出。铸造腔的封闭是用罩子10来保证的，小铸口5通过罩子10，罩子10放在伸展在轧辊1,1’整个宽度上的两个砌块11,11’上。砌块11,11’的下表面12,12’的形状要与轧辊1,1’的外表面3,3’的弧度相配合，当封闭装置工作时，由其确定宽度“e”等于几个毫米的空隙13,13’。保护气体的吹入首先是导管14提供的，导管14穿过罩子10并在存在于铸造腔内的钢液2的表面6的上方喷射气体。导管14与装有气体，如氮气或氩气的贮存容器15相连，气体的流量和吹入压力由阀门16控制。

此外，利用根据本发明的方法，以控制的流量和组成吹入气体是通过砌块11,11’进行的。装有阀门18的贮氮容器17和装有阀门20的贮氮容器19与混合室相连。正是从混合室21，根据本发明，气体或更一般地，混合气体被送出并被轧辊1,1’的外表面携带直到与液态金属的表面6接触的区域内形成边界层，液态金属是存在于形成弯液面的铸造腔内的。为此，装有阀门23的导管22从混合室21连出并把一部分气体混合物送入砌块11内，在此处槽24(或许多间隔很近的孔，或多孔部件)尽可能均匀地把气体混合物分配到由砌块11的内表面12和轧辊1的外表面3确定的空隙13中，阀门23使得气体混合物的流量和压力可调。一个对称的装置包括装有阀门23’的导管22’，也把气体混合送入砌块11’，然后通过槽24’，送入分开砌块11’和轧辊1’的空隙13’中。

在另一种形式中，也可以为每个砌块11，11’提供相互之间完全独立的供气装置，使得有可能分别调节存在于空间13,13’的气体混合物的组成，并由此调整每个轧辊1,1’的中间凸起。这样就可考虑每个轧辊1,1’的冷却条件的不同。此外，也可能选择从在罩子10下吹入的气体中抽取气体送入混合室21中，使其与在轧辊1,1’的表面上形成边界层的气体混合物具有相同的组成。

根据本发明的设备的另一种选择形式，如在法国申请专利9414571中已经指出的，包括在每个砌块11,11’内提供类似于槽24,24’的第二个槽(或者另一个功能相当的构件)，在空间13,13’内形成与轧辊1,1’的表面3,3’的向前运动相应的向上气流。这个第二个槽引导已经形成的气流向空间13,13’的外部流动，而槽24,24’导引气体向铸造腔流动并因此向轧辊1,1’的表面3,3’的前进方向流动。因此空间13,13’相对于外部环境得到更好封闭，由此可以更好地控制边界层的组成。这使得辊子1,1’的中间凸起更易调节。

类似地，送入分开砌块11,11’和辊子1,1’的空间13,13’的气体或气体混合物不仅可以是气态的，象至今为止所暗指的那样，而且还可以是液态的。预计加热它，调整它的温度也是可能的。

必须清楚，刚刚描述的封闭装置形成了本发明的唯一一个实施例，而其它任何使控制在铸造腔上的，尤其是由每个辊子到达弯液面处的外表面携带的气体边界层的气体组成成为可能的装置也可能是合适的。

为了控制在铸造过程中轧辊的中间凸起，根据本发明，负责铸造设备操作的操作者(或自动装置)必须选取一些数据，以保证所采用的保护气体的组成和流量能确实产生希望的中间凸起，由此得到合适的产品质量。为此，一种可能性包括连续采集使得计算通过轧辊的热流量成为可能的数据(冷却水流量，辊子进出口之间的温度差)，比较短的时间间隔计算这些数据，从这些数据推断中间凸起量，例如通过数学模型和/或以前的标定来预测。另一个处理方法是在尽可能靠近铸造腔的区域内连续测量轧辊的中间凸起，由此推断其接触区域上的中间凸起值，从而调节保护气体的组成。例如，借助于一组沿轧辊之一的一条母线分布的，或者更好是两组的无接触的形状传感器，每一组安装在不同的轧辊上，如电容传感器或激光传感器，进行中间凸起的测量。附图表示了这样的传感器25,25’，它们与计算装置26相连。计算装置26也接收到上述的数据，使其能计算通过辊子1,1’的热流量，并由此确定阀门18,20的各自的开度，这是为了控制在阀门处气体混合物的流量和组成使在轧辊1,1’处的中间凸起为最佳。在轧辊出口处进行的带材沿其宽度方向的热分布至少可以提供定性的表示，因为带材中心与靠近边缘区域之间的温度差是带材厚度变化的表征。最后，一个直接测量带材厚度及其沿宽度方向变化量的装置，如X射线测量仪，可以装在轧辊的背流面，通过它可以直接观察轧辊的中间凸起对带材的影响，如果有必要，可以用根据本发明的方法对中间凸起进行校正。

也有可能把用冷却轧辊的冷却水的流量来控制中间凸起的方法与根据本发明的方法联合起来。已经说明了只用冷却水的流量来控制轧辊中间凸起的方法难以获得中间凸起的大幅度变化。但是可以用来对预先通过改变保护气体的流量和/或组成进行的较粗略的控制中间凸起进行补充的细调。

当然，本发明不局限于钢带材的铸造，也可应用于其它金属材料的铸造。

Claims (11)

1．铸造金属带材的方法，根据这种方法，通过把液态金属引入到具有水平轴的反向旋转的两个轧辊之间进行所说的的带材的固化，轧辊用冷却剂流体的内部循环冷却，在轧辊之间确定了铸造腔，轧辊的外表面是凹凸不平的，通过盖在所说的铸造腔上的一个罩子吹入一定量的气体或气体混合物对所说的铸造腔进行覆盖，其特征是通过调节所说气体的吹入量，或其性质或者吹入量和性质两者，或调节所说的气体混合物的组成来进行所说的轧辊的中间凸起的调整，气体的调节至少是在每个轧辊与液态金属接触区域的迎流面的表面附近进行的。

2．根据权利要求1的方法，其特征是所说的中间凸起的控制用调节所说的冷却剂流体的流量来进行补充。

3．铸造金属带材(9)的设备，这种类型的设备包括具有水平轴的，用冷却剂流体的内部循环冷却的，反向旋转的两个轧辊(1,1’)，轧辊之间确定了一个用于接受液态金属(2)的铸造腔，轧辊的外表面(3,3’)是凹凸不平的，通过盖在所说的铸造腔上的一个罩子(10)吹入气体或气体混合物的一个装置(14,15,16)，和至少在每个轧辊(1,1’)与液态金属(2)接触区域的迎流面的表面附近(3,3’)调节所说气体吹入量，或其性质或者吹入量和性质两者，或调节所说的气体混合物的组成的装置(17,18,19,20、21、22、22’、23、23’、24、24’)，其特征是包括测量或计算在所说的铸造腔内轧辊(1,1’)的中间凸起，或代表在所说的铸造腔内轧辊(1,1′)的所说的中间凸起的量的装置(25,25′,26)。

4．根据权利要求3的设备，其特征是为了得到所需的轧辊中间凸起，该设备还包括根据由计算装置(26)收集和计算的数据自动地控制惰性气体组成和流量的装置。

5．根据权利要求3的设备，其特征是所说的罩子(10)包括两个砌块(11,11′)和装置(24,24′)，每个砌块的下表面(12,12′)与其所说的轧辊(1,1′)之一的外表面(3,3′)确定了一个空间，所说的砌块(11,11′)伸展在所说的轧辊(1,1′)的整个宽度上，设备(24,24′)用于吹入在所说的腔内可调节其量或种类或其量和种类两者或组成的所说的气体或所说的气体混合物。

6．根据权利要求3的设备，其特征是所说的气体混合物是氮气和氩气的混合物。

7．根据权利要求3的设备，其特征是测量轧辊(1,1′)的中间凸起的装置包括至少一组沿每个轧辊(1,1′)的母线排列的形状传感器(25,25′)。

8．根据权利要求3的设备，其特征是所说的计算辊子(1,1′)的中间凸起的装置(26)包括测量通过轧辊(1,1′)的热流量的装置。

9．根据权利要求3的设备，其特征是所说的代表轧辊(1,1′)的中间凸起的量是带材(9)沿其宽度方向的厚度分布。

10．根据权利要求9的设备，其特征是包括测量所说的带材(9)沿其宽度方向的温度变化的装置。

11．根据权利要求10的设备，其特征是包括直接测量所说的带材(9)沿其宽度方向的厚度分布的装置。

Images