CN1088860A - 用于控制连续运动带冷却的封闭式骤冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种对运动的带进行连续骤冷却并同时将骤冷 却流体排离带的方法和装置，骤冷却流体流被横向地 引导到金属带表面，对其进行骤冷却，一个封闭流体 位于骤冷却流体的每一侧，流向骤冷却流体流，形成 一个连续的封闭流体流动帘，防止骤冷却流体流出封 闭流体的引入处之外。

Description

本发明涉及一种对运动的带（web）连续冷却的方法和装置，特别涉及金属带材铸造的设备和方法，在此，对环形带冷却的方式的改进使金属铸造的质量得以改善。

薄金属带材连铸的方法并不完善，一般来讲，用于金属带材连铸的现有工艺只适用于相对少数的合金与产品。出现的问题是，随着各种金属的合金成分增加，产品铸面质量变差。结果，许多合金必须使用模铸方法来生产。

就铝而言，相对纯净的铝产品（如铝箔）可以在工业上进行连铸。同样，建筑用材能够被进行连续的带材铸造，这主要是因为对这种产品的表面的要求不高，不像对制罐头用的铝片有那么高的要求。但是，随着铝合金成分的增加，表面质量问题显现出来，总之，这种带材铸造不能适应许多种铝合金产品的制造。

现有技术已出现了许多带材铸造机。一种惯用的设备是双带式带材铸造机，但它不适用于许多种金属的铸造，特别不适用于具有宽凝固温度范围的合金的铸造。在这种双带式带材铸造机中，设置了两条运动的带，在其之间确定了一个用于欲被铸造金属的一个移动铸模，带的冷却是这样进行的，即把冷却液与带的一侧相接触，该侧是和与熔融金属接触的一侧相反的那一侧。

结果，该带承受了很高的热梯度，在一侧上熔融的金属与带接触，而在另一侧用冷却剂如水与带接触，这种动态的不稳定的热梯度会引起带的变形，使其上下部分变得不平。由此生产的产品具有成片的如下面所述的隔层或孔隙。

里诺（Leone）在“Proceedings    of    The    Aluminum    Association，Ingot    and    Continuous    Casting    Process    Technology    Seminar    For    Flat    Rolled    Products”第二卷（1989年5月10日）中称：如果不能获得带的稳定性及合理的热流动的话，将会出现严重的问题。首先，如果当熔融金属固体后，带的任何一部分出现变形，并出现带材外层的内聚现象时，都将增大变形处的带材与带之间的间隙，这将导致带材外层被重新加热，或至少局部地减小外层的生长率。上述情况将进一步导致带材的反向分离，该分离在表面上产生树枝状晶间的低共溶点渗出物。此外，在具有介质和宽凝固范围合金的情况下，液体金属将从变形处流到带材邻近的、固化较快的部位。这又将导致带材表面被破坏，在其上形成多处收缩孔。上述破坏和收缩孔会在其后的辊轧工艺中断裂或在辊轧过的表面上产生严重的表面条纹。

结果，上述双带式的铸造工艺不适用于对表面精度有一定要求的合金铸造，例如制罐头用的带材的制造。现有技术中提出了各种改进方法，例如在美国专利3937270和4002197中提到的对带进行预热。美国专利3795269中提到的连续施压并除去分离层;美国专利4586559中提到的除去无端侧的突起;及美国专利4061177、4061178和4193440中提到的改进的带冷却方式。然而上述技术都没有取得满意的效果。

其它的现有技术中提出的连续铸造工艺是公知的模铸。在此技术中，一定数量的冷模邻接安置在一对相对的轨道上。每套冷模在相对方向转动，在其中形成一个铸造腔，腔中引入诸如铝合金这样的熔融金属。接触到冷模的液态金属被冷却并凝固。模铸在概念上和实施方式上都不同于连续带式铸造。模铸依赖冷模本身的热传导。热从熔融金属上被传导到设备的铸造部位的冷模上，然后在返回路线上被取出。模铸器要求精确的尺寸控制以防止溢料（即横向的金属毛刺），这种溢料由模间的小间隙产生。当金属条在热辊轧时，这样的溢料会产生毛刺的缺陷，从而难以得到高质量的表面。美国专利4235646和4238248中对这种模铸工艺给出了说明。

另一种在连续的带材铸造中被提出的技术是单筒铸造设备。在该设备中，熔融金属注入后被送到一个转动筒的表面，该筒从内部被水冷却，熔融金属被拉到筒表面上，在其上冷却并形成一片薄金属带材。该金属带材一般由于太薄而用途不广，并且其自由表面由于慢冷却和微收缩裂痕而质量较差。现也提出了这种筒铸造设备的各种改进。如美国专利4793400和4945974中提出在筒体上开槽以改善表面质量;美国专利493443推荐在筒表面上使用一种金属氧化物来改善表面质量;美国专利4979557、4828012及4940077和4955429中还提出了其它的改进技术。

现有技术中还存在一种使用双筒模铸的设备，如美国专利3790216、4054173、4303181和4751958中所披露的。这种装置包括一个熔融金属供应部分，熔融金属被注入到一对反向转动的、内部冷却的筒间的空间中。这种双筒式铸造与前述的其它技术不同，在此，双筒施加于固化金属上的一个压力，促使冷凝之后的金属的热量立刻降低。这种双筒式技术具有最广泛的商业实用性，但它也存在严重的缺点，至少其产量一般只是前述现有技术的10%。此外，在铸造高纯铝（如铝箔）中，这种双筒铸造技术可满足表面质量要求，但在铸造具有高合金成分和宽凝固范围的铝合金时，产品的表面质量较差。使用双筒铸造设备的另一个问题是因固化时的变形而产生的合金的中心线偏析。

本发明的一个目的是提供一种借助于冷却流体连续地对环形带进行冷却的方法和装置，这种冷却是通过冷却流体对环形带的温度进行精确控制实现的，同时整个骤冷却系统是封闭的而不会对相邻工艺步骤产生污染，从而可免去复杂和高投资的密封设施。这种铸造工艺要求通过以可控制的方式对环形带骤冷却（quenching）来吸纳由产品传递过来的热量。环形带上的熔融金属所在部分的温度必须精确地予以控制，因为这是这种工艺的关键，它直接影响到产品的厚度。还对工艺和产品表面质量起重要作用的是，温度分布宽度要被适当控制在增量区域中，从而可保持环形带平整并保证环形带与产品之间的热接触的均一性。

用于骤冷产品的骤冷却系统要求区域性骤冷速度的控制等类似特性，以取得良好的、均匀的冶金工艺效果，即以固体分解状态保留这些元素，从而增加其强度和改善抗腐蚀力。

在两种使用情况下，骤冷却介质必须完全包括在骤冷却装置中。在对环形带进行骤冷却时，绝对不允许存在丝毫骤冷却介质进入熔融金属的进入部位，这是出于表产品表面质量和安全的要求。在对产品进行骤冷却时，最终的带材必须不能是潮湿的，以防水的锈蚀。

本发明的各种目的和优点将通过后面更具体的描述变得更清楚。

本发明方法和装置用于对运动的带诸如环状带，进行连续冷却，它利用至少一个邻近环形带表面设置的骤冷却箱。该骤冷箱却包括第一通道，向环状带整个宽度横向地提供骤冷却流体以对环形带进行冷却。位于骤冷却液箱第一通道两旁有一对第一封闭通道，该封闭通道可使封闭流体导向第一通道，从而形成一连续的流体帘，来防止骤冷却流体越出第一封闭通道装置。位于箱体上的每个运动带出口处的是气体排放件，使用气流，从而提供一种骤冷却和封闭流体的最后封闭的手段。骤冷却箱还具有出口以释放冷却流体和封闭流体。

本发明在使用时，环形带的温度借助于骤冷却流体精确地控制在离散的区域上，并且流体是封闭的，即使终端的运动带温度超过骤冷却流体的沸点也不需要使用复杂的和高成本的密封系统来防止骤冷却液沾染整个工艺的其它部分。

按照本发明，变热的骤冷却流体被从环形带表面上排出而不对其它操作产生污染，并且同时实现环形带的精确的区域温度的方便控制，以最大限度地减小其受热变形。

本发明构思特别适用于金属的连续带材的铸造，并且特别适用于对铝的、使用双带方式的带材连铸，这种双环带的骤冷却是在环形带不与熔融金属接触的环形外侧部分上进行的。

图1是一个按本发明构思实施的骤冷却箱的立体图;

图2是图1所示骤冷却箱的局部切掉的断面图;

图3是图1所示骤冷却箱的断面图，出示了各种流体的流动方式。

图4是本发明骤冷箱使用于金属铸造时的示意图;

图5是一个使用本发明骤冷却箱的铸造装置的立体图;

图6是使用本发明骤冷箱的金属铸造方法和装置的另一个实施例的立体图。

本发明使用的装置参照附图1-3。如图所示，其骤冷却箱10包括一个纵长开口11，运动带或环形带穿过开口11。在本发明最佳实施例中，骤冷却箱设置在环形带12的两侧，环形带穿过纵长开口11，该开口11穿过整个骤冷却箱，从而允许环形带穿过开口11持续前移。骤冷却箱10的上部13上有一横向延伸的通道14，骤冷却流体通过其进入。进入通道14的骤冷却流体冲击到环形带12的表面上使其冷却。

在实施例本发明时，骤冷却流体的进入是通过一系列管15进到一个集合管16中的。骤冷却箱的开口17与集合管16相通，从管15进入的骤冷却流体经过17，肯定从槽14直接进到环形带12的表面上。

图3中，通过管15进入到集合管16、再经开口17的骤冷却流体实质上垂直地被导向到环形带表面上，如箭头18所示。

在本发明最佳实施例中，每根管15具有各自独立的集合管，如图2中的19、20、21等，它们由分隔件22相互隔开。由此，第一根管15向集合管19输入流体，集合管19与20由一个分隔件22隔开。在这种方式中，进入到每个隔离开的集合管中的骤冷却流体的数量和（或）温度均能够被分开控制，从而可确保整个环形带表面的均匀冷却。

在骤冷却通道14的每一侧上设置有一对横向延伸的返回孔23，它包括开口槽24，该开口槽24紧挨着环形带12并位于其上方。

开口槽24与环形带流体可通过地相通着，用于在流体冲击环形带12后使流体从其流过。如图1所示，返回孔23与返回管25和26流体可通过地相通，返回管又与排放管27和28相通，以使骤冷却流体流入到贮液槽和流出管29和30中。在这种优选的实施方式中，流出管被维持在或低于大气压的压力，以缓解骤冷却箱中的气体压力并进一步确保骤冷却流体的封闭。

骤冷却箱13中还有一个内集合管31，其内的封闭流体由一根导管32提供。内集合管31与一个横向延伸的有槽开口33相通，开口33延伸并横穿骤冷却箱10的整个宽度，并成角度地向下倾斜，向内地指向骤冷却流体在环形带12表面上的冲击点。由此，由管32进入、再进入到集合管31中的封闭流体流经一个通道至所述的有槽开口33，形成一个连续的帘布式封闭流，该流体流朝向带12的表面。所述的封闭流体可改变流向有槽开口33方向的所有骤冷却流体的方向，而使其流向返回孔23，以流到返回管25和26及流出管29和30中去。

骤冷却箱10的相对端包括一个相应的导管34，它向一个图中未示出的集合管供给流体，该集合管又向一个横向延伸的，有槽开口35提供封闭流体，开口35位于开口33的相对方向，同样又产生了一个连续的封闭流体帘，它朝向带的表面。于是，因为每个有槽开口33和35位于通道14的两侧，它们起到封闭槽开口33和35之间的骤冷却流体的作用，从而确保骤冷却流体不会沿传送带12表面纵向地流失，同时也确保了骤冷却流体被导向返回孔23，避免其沾染装置的邻近部分。

在本发明最佳实施例中，骤冷却箱还包括在其外面的一对垂直通道，它与管36和37相通，并由36和37供给流体。

在本优选实施例中，一最后封闭流体垂直地流向环形带12的表面，以确保骤冷却流体被导向骤冷却箱10的中心。为此目的，所述的被供应到管36和37中的最后封闭流体最好是封闭气体，将一部分气体流导向箱10的内部，从而可防止带面上任何少量的流体流出箱体10。

在本发明实施例中，骤冷却箱10还包括一个下部38，它与上部13完全一样，包括一个通道39对环形带下方提供骤冷却流体，并且最好通过邻接的集合管在传送带12的整个宽度范围内进行分别控制。类似的，下部38还包括分别对应于33和35的有槽开口40和41。这些有槽开口具有对环形带12的下表面提供封闭流体的相同功能。类似的，下部38还包括有返回通道42和43，与带的下面相通，以确保骤冷却流体和封闭流体从带12下面的迅速并有效地排离。

在本发明的实施例中，骤冷却箱上还设有排出口44和45，用于接纳由通道36和37提供的封闭气体从运动带上排离的冷却剂。最后封闭气体的一部分（从通道36和37引入）经过带12的表面，从而使遗留在表面上任何少量的液体经过排出口44和45进入到返回通道25和26中，并从箱体排出。

各种流体的流动方式在图3中出示。图3中的箭头18出示的是由通道管15供应给多个集合管的骤冷却流体冲击带12表面的方向。最好是一种液体状的冷却流体冲击到环形带12的表面上，然后沿两个纵向方向在带上流动，如图3中所示的箭头46和47。48和49箭头表示由有槽开口33和35引入的封闭流体，形成相应的流动帘，作为封闭流迫使骤冷却液朝向骤冷却箱10的中心，以使其通过返回孔23排出。由此，一旦封闭流体冲击到带12的表面上，它将按箭头50和51的方向流动，迫使骤冷却液体流向骤冷却箱10的中心，并从返回孔23排出。所述的最后封闭气体按箭头52、53、54和55方向运动，它能垂直地冲击到带12的表面上，如图所示。所述最后封闭气体的一部分用于确保骤冷却流体和封闭流体被封闭住。如果希望的话，所述最后封闭气体的方向能成角度地指向箱体10的中心，以增大该方向的封闭气体的流速，从而进一步确保骤冷却流体或封闭流体不会经水平开口11流出箱体10。

在本发明实施例中，一般希望骤冷却流体是一种液体形式。从经济性考虑，水是较好的选择，而其它公知的冷却液较贵。类似地，封闭流体也最好是液体。在本发明最佳实施例中也采用水作为封闭流体。而最后封闭气体也出于经济性考虑采用空气即可。

本发明骤冷却箱装置最适于在金属的带材连铸中对环形带/运动带的骤冷却。图4和图5示出了其在金属带材连铸、最好是对铝的连铸中的使用。

所示的装置包括一对环形带56和57，它们由一对上滚筒58和59及一对下滚筒60和61（图4）带动。每个滚筒绕一个图5中示出的相应轮轴62、63、64和65转动。滚筒是抗热性好的种类。上滚筒58和59的一个或两个被图中未示出的适当的电机所驱动，下滚筒60和61也与上滚筒的种类和驱动形式一样。带56和57中的每一条均是环形带或运动带，最好由金属制成，这种金属应当是与铸件金属不反应或反应度差的种类。本领域技术人员公知的许多种适合的金属合金可以使用。使用钢和铜合金制成的环形带已经取得很好效果。

图4和图5中所示的滚筒处在上下位置，形成其间的模缝。在本发明实施例中，所述的缝隙的尺寸要相应于要铸的金属带材的厚度。

待铸金属以熔融状态通过一个适当的金属供应件66，诸如一个漏斗或浇铸盘，被送入到模缝中。浇铸盘66的内宽相当于带56和57的宽度，它包括一个浇铸口67，通过该口将熔融金属送入到带56和57之间的模缝中，这种浇铸盘是在带材铸造中常用的现有技术。

按本发明构思，铸造装置包括一对骤冷却箱68和69，它们被安置在环形带某一部分的相对部分上，该某一部分与环形带56和57之间的熔融金属接触。骤冷却箱起对环形带56和57的冷却作用，这种冷却是当环形带经过滚筒59和61后在与金属接触之前进行的。图1和图2实施例中，骤冷却箱安置在环形带返回路程中。

在一个实施例中，可设置用一个刷子件70与经过滚筒58和60的环形带56和57分别有摩擦地接触，以清除带表面上残留的金属及其它残质，从而可使环形带表面在接触到来自浇铸盘66的熔融金属之前保持清洁。

由此，在实施本发明时，熔融金属从浇铸盘中经铸口67流入到带56和57之间的铸造区域，带56和57由于铸带造材与环形带本身的金属材料之间产生热交换而被加热，铸造的金属带材一直被保持在带56、57之间，直到带56、57运动通过滚筒59和61的中心线，在带的返程中，本发明骤冷却箱分别对其进行冷却，除去其从金属铸件上获得的热量。环形带在经过滚筒58和60时被刷件70清洁后，它们又重新相互接近，在其间形成铸造区。

对于铸造的带材的厚度，本领域技术人员知道与环形带56和57的厚度、环形带返回时的温度及带材和环形带的出口处温度有关。在对铝带材进行连铸时发现，铝带材具有0.1英寸（0.254cm）厚度时，使用的钢环形带的厚度可为0.08英寸（0.20cm），其返回温度约300°F（149℃），出口处温度约800°F（427℃）。

本发明骤冷却系统可对钢制的连续运动带进行冷却，这种钢制运动带宽7英寸（17.78cm）、厚0.062英寸（0.16cm）;其工作时的线速度是196英尺/分（59.7m/分）;用于冷却的冷却水具有25psi（1.7大气压）的压力;用作封闭封闭气体的空气压力是70psi（4.76大气压）。所有的试验均表明冷却水可达到被完全封闭的程度。

在试验中，对通过有槽开口33、35、40和41（称为端槽）、5个位于上方和5个位于下方的集合管（称作中心槽区域）的水流速度进行了测试，上述集合管均匀分布在运动带的宽度上（称为中心槽区域）。附表1通过用英制和公制（每次试验的第二行）列举出每次实验中通过上述的4个端槽在整体宽度的全部流量以及每个冷却区的上、下中心槽的全部流量、及环形带始端和终端温度的各种数据。

本发明方法和装置的一个优点是，不需要在环形带上使用隔热涂层以减少热流动和热应力，而在现有技术中这是不可缺少的。不进行对与金属接触的环形带面的背面进行骤冷却有效地减少了热梯度，并且也缓解了当起重要作用的热强度过高时产生的膜泡问题。本发明方法和装置也大大减小了骤冷却结构，现有的冷却结构在三处具有冷却部分：（1）金属进入前;（2）环形带模区两侧的上方。这些结构易引起严重的环形带变形。

按本发明的另外一个实施例，也可以使用单个环形带来体现本发明构思给出的方法和装置。该实施例通过图6示出。在此实施例中，一个环形带71安装在一对滚筒72和73上，滚筒分别绕轴74和75转动。熔融金属通过一个浇铸盘76注进到环形带表面上，铸成产品77从带71的表面上输出。如图1和图2所示的情况类似，图6所示的实施例使用本发明的骤冷却箱78，该箱装在环形带的返回处。该骤冷却箱78与图1中的骤冷却箱一样用于冷却不与熔融金属接触时的环形带71。

对本发明的各种各样具体结构变化都可能落在本发明范围内，特别是落在权利要求所限制的范围内。

Claims (19)

1、一种利用冷却流体对运动的带进行连续冷却并同时将冷却流体排出运动带的装置，其特征在于：它包括：至少一个邻近所述运动带一侧安置的骤冷却箱；位于骤冷却箱中的第一通道装置，用于实质上横向地向运动带供应骤冷却流体流以冷却所述的运动带；位于骤冷却箱第一通道装置上的每一侧上的第一封闭通道装置，该装置设置成能将一股封闭流体导向所述的第一通道装置，以形成连续的封闭流体流动帘，防止所述的骤冷却流体纵向地越过所述第一封闭通道装置；以及将骤冷却和封闭流体排出骤冷却箱的排出装置。

2、按权利要求1所述的装置，其特征在于：它包括另外一个装在运动带另一面上的骤冷却箱，运动带两面上的骤冷却箱邻近运动带相对表面，并对称安置。

3、按权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的通道装置分成一系列区域，对流入每个区域中的骤冷却流体可分别加以控制。

4、按权利要求3所述的装置，其特征在于：还具有分别控制流入所述区域的流体的量和温度的装置。

5、按权利要求1所述的装置，其特征在于：还具有控制最后封闭气体引入的装置，所述的装置产生一种封闭作用，并至少有一股气流被导向骤冷却箱的内部。

6、按权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的第一封闭通道装置是一种槽形通道，该通道安置成能使封闭流体按一定角度流向运动带。

7、一种金属带材连铸装置，其特征在于：它包括至少一个由导热固体材料制成的运动带;向所述运动带表面上提供熔融金属的装置，使熔融金属位于带面上;安置在邻近运动带位置并当运动带不与金属接触时对其进行冷却的装置，所述的冷却装置包括至少一个安置在运动带一个表面附近的骤冷却箱;骤冷却箱中的第一通道装置，用于实质上横向地向所述运动带提供骤冷却流体流以对其进行冷却;位于骤冷却箱中的封闭装置，它设置在所述的第一通道装置的每一侧，将封闭流体导向所述第一通道，产生连续的封闭流体流动帘，防止所述的骤冷却流体纵向地超出所述的第一封闭通道装置;及从骤冷却箱排出骤冷却流体和封闭流体的排出装置。

8、按权利要求7所述的装置，其特征在于：它包括一对运动带，它们上下安置，其间形成模腔。

9、按权利要求8所述的装置，其特征在于：每条运动带都安置在一对可转动的滚筒上。

10、按权利要求9所述的装置，其特征在于：它包括使所述运动带向前运动的装置。

11、按权利要求7所述的装置，其特征在于：供应熔融金属的浇铸盘有一个口，向运动带表面上注出熔融金属。

12、一种利用冷却流体对运动的带连续冷却并同时从运动带上排出冷却流体的装置，其特征在于：它包括：至少一个邻近运动带表面安置的骤冷却箱;位于所述骤冷却箱中的第一通道装置，该装置向运动带上实质上横向地提供骤冷却流体流，以对运动带进行冷却;位于骤冷却箱中的第一封闭通道装置，位于所述第一通道装置的每一侧，向第一通道装置送出封闭流体，以产生连续的封闭流体流动帘，防止所述的骤冷却流体纵向地流出第一封闭通道装置之外;引入一种最后封闭气体的装置，以产生封闭气流，其中至少气流的一部分被导向骤冷却箱的内部;及从金属的带材骤冷却箱排出骤冷却流体和封闭流体的排出装置。

13、用于金属的带材连铸的装置，其特征在于：它包括至少一个由导热固体材料制成的运动带;向运动带上供应熔融金属的装置;当运动带不与金属接触时对运动带进行冷却的、安置在运动带附近的冷却装置，所述的冷却装置包括至少一个安置在运动带一个表面附近的冷却箱;位于所述骤冷却箱中的第一通道装置，用于向运动带实质上横向地供应骤冷却流体，对运动带进行冷却;位于骤冷却箱中的第一封闭通道装置，它位于所述第一通道装置的每一侧，并向第一通道装置提供封闭流体流，产生连续的封闭流体流动帘，防止所述的骤冷却流体纵向地流出所述的第一封闭通道装置之外;引入一种最后封闭气体的装置，以产生一种封闭气流，其中至少气流的一部分被导向骤冷却箱内部;以及从骤冷却箱排出骤冷却流体和封闭流体的装置。

14、一种利用冷却流体对运动的带进行连续冷却并同时从运动带上排出冷却流体的方法，其特征在于：它包括的步骤是：将骤冷却流体横向地导向运动带对其进行冷却，同时还引导一第一封闭流体朝向骤冷却流体，产生一个连续的封闭流体流动帘，防止骤冷却流体流失，并使骤冷却流体流向出口。

15、按权利要求14所述的方法，其特征在于：它还包括同时导出一种封闭气体流的步骤，气体流的至少一部分被导向骤冷却流体，确保骤冷却流体不流散。

16、一种金属铸造方法，其特征在于：它包括的步骤是：连续地运动至少一个运动带，向运动带表面提供熔融金属、使其固化成金属带材;将骤冷却流体实质上横向地导向运动带使其冷却;同时引导一第一封闭流体流使其流向骤冷却流体，形成一个连续的封闭流体流动帘，防止骤冷却流体的流失并使其流向出口。

17、按权利要求16所述的方法，其特征在于：所述的金属是铝。

18、按权利要求14所述的方法，其特征在于：所述运动带是铝带。

19、按权利要求1所述的装置，其特征在于：所述运动带是铝制的。

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