CN1119567A - 金属带的连铸方法及装置 - Google Patents

Abstract

连铸金属带(20)的方法和装置。熔融金属浇注熔池(30)构造成与运动的铸制表面接触，熔池(30)中的金属凝固到运动的铸制表面上。此外，使声波作用于熔融金属浇注熔池，从而在浇注熔池(30)的熔融金属和铸制表面之间产生相对振动。

Description

金属带的连铸方法及装置

本发明涉及金属带的连铸，尤其是黑色金属带的连铸的方法及装置。

众所周知，可用双辊连铸机通过连铸法铸制金属带。熔融金属注入到一对相向旋转且被冷却的水平铸辊之间，因此金属坯料在运动辊的表面上凝固，并带入两辊之间的辊缝中，自两辊之间的辊缝向下产出凝固带材。这里的术语“辊缝”是指两铸辊最靠近的整个区域。熔融金属可从浇注包注入到较小的中间包中，再通过位于辊缝以上的金属浇注口流出，从而导入两辊之间的辊缝中，因此，刚好在辊缝之上形成了一支撑在铸辊铸制表面上的熔融金属浇注熔池。该浇注熔池可限制在两个侧板或侧堰之间，侧板或侧堰与铸辊的端部滑动连接。

尽管双辊连铸法已成功地用于连铸某些冷却时能快速凝固的有色金属，但用于连铸黑色金属时有一些问题，特别是如何使金属在铸辊表面上实现足够快速和均匀的冷却。

我们的国际专利申请PCT/AU93/00593描述了一种改进方式，即通过采取某些措施以保证铸辊表面具有一定的光洁度，同时使浇注熔池的熔融金属和铸辊铸制表面之间产生相对振动运动，从而显著改善铸辊铸制表面金属的冷却。尤其是该申请公开了通过施加所选择的频率和振幅的振动运动可使金属凝固过程获得全新的效果，大大改善正在凝固的熔融金属的传热。这种改进的特点是在某一特定注速时连铸的金属厚度显著增加，或者在连铸某一特定带材厚度时注速可显著增加。这种传热的改进带来连铸金属表面组织结构的大大改善。

现在已可以确定通过对浇注熔池的熔融金属施加声波，就可以在浇注熔池的熔融金属和铸辊铸制表面之间引入有效的相对振动。通过采用很低功率音频范围的声波就能取得提高热传导和改善凝固体组织结构的有益效果。

在以下描述中有必要提及铸辊铸制表面光洁度的定量度量方法。在试验过程中使用的并且有助于限定本发明的范围的一个专门度量方法是标准度量方法，即粗糙度算术平均值，通常用符号Ra表示。该值规定为在测定长度1m范围内，各粗糙形外缘距其中心线的距离绝对值的算术平均值。粗糙形外缘中心线是用来度量粗糙度的直线，它平行于粗糙形外缘的长度方向，介于待测粗糙度表面的宽度范围内，在其与其两侧的粗糙形断面轮廓线所包围的面积是相等的。粗糙度的算术平均值可表示为 $\mathrm{Ra}=\frac{1}{1m}{\∫}_{x=0}^{x=1m}\left|Y\right|\mathrm{dx}$

本发明提供了一种连铸金属带的方法，即熔融金属浇注熔池构造成与运动的铸制表面相接触，从而金属从熔池凝固到运动的铸制表面上，其中将声波作用于熔融金属的浇注熔池中以便在浇注熔池的熔融金属和铸制表面之间产生相对振动。

尤其是本发明提供了一种连续铸制金属带的方法，即熔融金属通过位于辊缝之上的金属浇注水口注入到两个铸辊之间的辊缝中，从而恰好在辊缝之上形成一个支撑在铸辊铸制表面上的熔融金属浇注熔池，铸辊旋转时使凝固的金属带自辊缝向下运动，其中声波作用于熔融金属的浇注熔池中，以使浇注熔池的熔融金属和铸辊铸制表面之间产生相对振动。

本发明进一步提供了连铸金属带的装置，它包括在其之间形成辊缝的一对铸辊；将熔融金属浇注到铸辊之间的辊缝中的金属浇注口，当熔融金属注入辊缝时就在辊缝以上形成支撑在铸辊表面上的熔融金属浇注熔池；使两个铸辊沿相反方向旋转的铸辊驱动装置，以从辊缝向下产出金属带；以及将声波作用于熔融金属浇注熔池的声波作用装置，这样即可使浇注熔池的熔融金属和铸辊铸制表面之间产生相对振动。

声波最好作用于熔融金属浇注熔池的自由上表面。

声波也可从声波发生器通过声波连接波道传送到浇注熔池的自由表面。

声波发生器可以是扬声器，从扬声器到浇注熔池自由表面的连接波道可由空心管子或管线提供。管子或管线可做成喇叭形伸向熔池表面。

声波可作用于浇注熔池表面的各区域，在这种情况下，有多个声波发生器和多个声波连接装置，后者从声波发生器一直延伸到浇注熔池表面的各区域。特别是可以有一对声波发生器和相应的一对声波连接装置，后者从声波发生器一直延伸到浇注熔池表面并设置到金属浇注水口的两侧。

声波最好是音频范围内的波。例如它们的频率范围可以是50～1000 Hz。

采用的声波最好是在该频率范围内。例如它们采取覆盖200～300 Hz频率的宽频带噪声信号。

声波可以125～150 dB的声波强度传播。

铸辊铸制表面的粗糙度算术平均值(Ra)最好小于5微米。

本发明能够象前述的国际专利申请PCT/AU93/00593一样，改进金属带的表面晶粒组织结构，因此可生产出晶核密度至少为400个核/mm²的金属带。

在本发明的典型方法中，生产的带钢的晶核密度为600～700个核/mm²。

以下将结合附图详述本发明。附图中：

图1表示用于确定金属凝固速率的试验装置，该装置模拟了把声波作用于浇注熔池表面的双辊连铸机的情况；

图2表示试验中声波作用和不作用于浇注熔池表面所获得的热通量值；

图3和图4为得出图2中的数据所进行的金属凝固试验时所获得的凝固表面金属的粗、细表面组织的显微照片；

图5表示采用不同声波功率的声波和不同粗糙度的基底时获得的凝固常数；

图6为本发明使用的金属带连铸机的平面图；

图7是图6所示的金属带连铸机的侧视图；

图8是沿图6中的8-8线剖开的竖直剖视图；

图9是沿图6中的9-9线剖开的竖直剖视图；

图10表示沿图6中的10-10线剖开的竖直剖视图。

图1表示金属凝固试验装置，其中40mm×40mm的激冷试块送入钢水熔池中，并且送入速度贴近于模拟双辊连铸机的熔融金属/辊子界面的情况。当激冷试块通过熔池时，钢水凝固到激冷试块上，从而在试块表面上形成一凝固钢层。在试块的整个区域的各点上可测出该凝固层的厚度，以绘制各位置的凝固速率的变化曲线并从而得出有效热传导率的变化曲线。因此可以确定总凝固速率并进而绘制整个凝固带上各点的凝固速率。凝固速率通常用根据公式d＝k√t确定的系数k来计量，式中d表示带材厚度，t表示时间。也可以检测带材表面的微观结构，使凝固微观结构的变化与检测的热传导值的变化联系起来。

图1所示的试验装置包括在氩气惰性气氛中盛有熔化的熔融金属2的感应炉1。以标号3表示的浸入叶片安装在滑移杆4上，滑移杆可通过计算机控制马达5以选定的速率送入熔融金属2中，其后可收回。

浸入叶片3包括一钢体6，钢体6上有一40×40mm方×18mm厚的铜基底7，其上备有热电偶以监测铜基底的温升。

试验装置还包括声波发生器8和将声波从发生器8传送到熔池金属2的自由上表面的声波连接装置9。声波发生器8是一标准的扬声器，通过电信号发生器和放大器10供电，扬声器可产生声波。在试验装置中，声波连接装置9是一简单的管状结构，其终端距炉内的熔融金属表面有一很短的距离。通过伸入炉内靠近熔池表面的压力传感器P可探测传送到浇注熔池表面的声波。

用图1所示的试验装置进行的试验表明在金属凝固过程中把声波作用于熔融金属可随着热传导的大大提高而改善凝固金属的晶粒结构，这与前述国际专利申请PCT/AU93/00593中所公开的把机械振动作用于运动基体的方式非常相似。正如把机械振动作用于运动的基体一样，如果激冷铸制表面的表面粗糙度降到很低的Ra值，那么采用声波的效果特别显著。

图2表示碳钢在光洁的铜基底上凝固时，浇注熔池表面有声波和无声波作用时所获得的热通量实测值。在这些试验中，熔融金属是具有下列组成的碳钢：

碳C-0.06wt％

锰Mn-0.5wt％

硅Si-0.25wt％

铝Al-0.002wt％

将会看到把声波振动作用于浇注熔池表面会显著提高热通量值，尤其是在凝固初始阶段。从而，凝固速率明显增加，使得用带材连铸机可生产较厚的金属带或提高生产率。

在以上的试验中，声波的频率分布范围是100～300 Hz，熔池表面上的声波功率为1W/cm²的数量级。为了使所需功率最小，希望采用谐振波。由于精确的谐振波频率难于确定，并且在任何情况下都随着浇注熔池液面的变化而变化，因此，最好传送宽频带信号，使该系统在适当的频率下谐振。

把声波振动作用于熔融金属而提高热通量值，还伴随着凝固钢的晶粒组织结构的明显细化。图3表示不采用声波振动时生产的钢带试样表面组织结构的显微照片，图4表示采用声波时生产的典型试样表面组织结构的显微照片。从中将会看到，不采用声波时，凝固钢带有明显的枝晶结构，且表面晶粒粗。而把声波振动作用于熔融金属表面使表面结构大大改善，晶粒尺寸很小且结构更致密。尤其是，表面结构的晶核密度大于400个核/mm²，典型数值为600～700个核/mm²。

图5表示为改善碳钢凝固而确定的所需声波功率的试验结果。该图绘制了在大量试验中，使用Ra值为0.05的光滑的铜基底和覆铬基底时的凝固速率(用k值表示)随放大器输出功率值的变化。可以看到，随着功率增加凝固速率增大。然而，可购得的扬声器的效率和额定功率通常会限定可获得的声波的强度。声波一般在125～150 dB的声振强度下传送。

在前述国际专利申请PCT/AU93/00593中所描述的把机械振动作用于铸制表面上的情况，已经发现如果铸制表面太粗糙，就不能获得细化晶粒组织和较高的热通量，所希望的是铸制表面的粗糙度的算术平均值(Ra)小于5微米。当Ra值小于0.2微米时取得的效果最好。

图6到图10表示根据本发明操作的双辊带材连铸机。该连铸机包括支撑在工厂地面12上的主机架11。主机架11支撑一铸辊车13，铸辊车在装配站14和连铸站15之间可水平移动。铸辊车13装载着一对平行设置的铸辊16，在连铸期间，熔融金属从浇注包17通过中间包18和浇注口19提供给铸辊，以形成浇注熔池30。铸辊16用水冷却，因此，钢水在旋转辊的表面16A上形成凝固坯料，并聚集在两辊之间的辊缝处，从而在铸辊出口处生产出凝固带材20。该带材被送到标准卷取机21，并可以随后输送到第二个卷取机22。容器23安装在连铸站附近的主机架上，如果在连铸过程中带材出现严重缺陷或其他严重事故，熔融金属可通过中间包上的溢流口24或通过抽出中间包一侧的紧急备用塞25转而流入该容器中。

铸辊车13包括车架31，它通过车轮32支在轨道33上，轨道沿着主机架11的一部分延伸，因此铸辊车13作为一体沿轨道33运动。车架31载着一对辊托34，铸辊16可旋转地安装在辊托上。辊托34通过相互啮合的互补滑动部件35、36安装在车架31上，使辊托在液压缸装置37、38的作用下在铸辊车上移动，以调节铸辊16之间的辊缝，并且，当需要在带材表面仅留下很轻的横向痕迹时，能够使铸辊迅速地在一个很短的时间间隔内分开，这将在下面进行更详细的说明。通过双动式液压活塞和液缸装置39的驱动，铸辊车可作为一个整体沿铁轨33移动，液缸装置39连接在铸辊车上的传动托架40和主机架之间，从而可以驱动使铸辊车在装配站14和连铸站15之间移动，反之亦然。

铸辊16通过电动机的主动轴41和安装在车架31上的传动装置反向旋转。铸辊16的周壁材料是铜，并且沿铸辊径向延伸和间隔分布有水冷管，冷却水从辊子主动轴41中的供水管通过铸辊端部到水冷管，铸辊主动轴41通过转动的密封套43与供水软管42连接。铸辊直径一般约为500mm，长度可达2000mm，以生产出2000mm宽的带材。

浇注包17完全是传统的结构，它通过轭45挂到上面的吊车上，使浇注包自热融金属盛取位置移至浇注位置。浇注包装有塞棒46，通过伺服缸动作，使熔融金属从烧注包通过浇注口47和耐火罩筒48流入中间包18中。

中间包18也是传统的结构。它由耐火材料(例如MgO)制成，形状象个大盘子。中间包的一侧用来接收来自浇注包的熔融金属，并且装有前述的溢流口24和紧急备用塞25。中间包的另一侧装有许多纵向间隔的金属出口52。中间包的下部带有将中间包固定到铸辊车架31上的安装架53，并设有使分度销54连到车架上的孔，以便准确地固定中间包。

烧注口19由耐火材料(例如氧化铝-石墨)制成细长的部件。其下部是锥形的，致使其向内、向下会聚，因此它能伸入到铸辊16之间的辊缝中。浇注口还装有固定架或板60，从而使其支撑在铸辊车架上，浇注口上部有一向外凸出的固定到安装架上的侧凸缘55。

浇注口19可有一组水平地间隔开的、向下延伸的流道，其沿辊子整个宽度范围流出的熔融金属具有适当较低的速度，并且流出的熔融金属流入铸辊之间的辊缝中而不会在凝固初期直接冲击铸辊表面。另外也可选择另一种方式，即浇注口可以采取一体的连续的槽形出口，从而直接使熔融金属帘低速地流入两辊之间的辊缝中，和/或浇注口可以浸入到熔融金属熔池中。

熔池由一对侧挡板56限定在辊子两端，当铸辊车处于连铸位置时，侧挡板卡到铸辊的分阶端部57上。侧挡板56由高强度耐火材料(例如氮化硼)制成，而且具有扇形的侧边81，以与铸辊分阶端部57的弯曲部分配合。侧挡板可以安装在挡板保持架82上，该挡板保持架可以通过一对液压缸装置83的驱动而移动，使侧挡板与铸辊的分阶端部啮合，从而形成铸制过程中构造在铸辊间的金属熔池的端挡板。

在连铸过程中，启动浇注包塞杆46，使熔融金属从浇注包注入中间包，再通过金属浇注口注入铸辊。带材20的流线形端头通过挡板96导向卷取机21的夹爪。挡板96挂到主机架的枢轴安装装置97上，而且在流线形端头形成后，通过液压缸装置98的动作可使挡板96向卷取机偏转。挡板96可以与由活塞和缸装置101驱动的带材上导板99配合，带材20可被限定在一对立式侧辊102之间。在带材头部导入卷取机的夹爪之后，卷取机就可旋转卷取带材20，这时挡板96可转回到其不工作位置，挂在机架上，与直接卷到卷取机21上的带材离开一定距离。随后所产出的带材20传送到卷取机22上，生产出最终产品带卷，以便运走。

根据本发明图6到图10所述的连铸机的工作可以同时采用一对声波发生器111和相应的声波连接装置112，使声波传送到浇注口19两侧的浇注熔池表面的区域。声波连接装置112可以采取一对喇叭管抵触在或构筑在中间包18底部，并且与浇注口固定板或架60中的槽113连接，通过该连接，声波可传到浇注熔池的自由表面。声波发生器111可采用标准扬声器，喇叭管112大致上由圆形或方形的入口端转变为扁长截面的出口端，出口端大致上沿着浇注熔池的整个长度方向延伸在浇注口的两侧。扬声器111通过放大器(未示出)可提供所需频率和功率的适当的电信号。

固定板或架60中的槽113可以是基本上沿浇注熔池的整个长度延伸的连续的长槽，也可以是沿浇注熔池的长度方向间隔的两列槽。在每种情况下，声波都将作用于位于浇注口一侧的浇注熔池表面的区域，基本上能传到由两个侧挡板56确定的浇注熔池的整个长度上。

上述提到的装置只是为了说明实例，本发明不限于使用这种特别的装置，即双辊连铸机。例如可采用单辊连铸机或移动的带式连铸机。可以理解许多改进和变动都属于后附权利要求的范畴。

Claims (31)

1、一种连铸金属带的方法，在此方法中，熔融金属浇注熔池构造成与运动的烧铸表面接触，因此，金属由熔池凝固于运动的铸制表面，其中，声波作用于熔融金属的烧注熔池，以产生浇注熔池的熔融金属和铸制表面之间的相对振动。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，声波作用于熔融金属浇注熔池的自由上表面。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，声波从声波发生器通过声波连接波道传送到铸制表面的自由表面。

4、根据权利要求3所述的方法，其中，声波发生器是扬声器，声波连接波道由从扬声器延伸到浇注熔池自由表面的空心管或管线实现。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，空心管或管线可做成喇叭形伸向熔池表面。

6、根据上述任一权利要求所述的方法，其中，声波包括音频范围的波。

7、根据权利要求6所述的方法，其中声波包括50～1000 Hz频率范围的波。

8、根据权利要求7所述的方法，其中，声波采取宽频带噪声信号，覆盖200～300 Hz的频率。

9、根据上述任一项权利要求所述的方法，其中声波以125～150 dB的声振强度传播。

10、根据上述任一项权利要求所述的方法，其中，铸制表面粗糙度的算术平均值小于5微米。

11、一种连铸金属带的方法，在该方法中，熔融金属通过设于辊缝上部的金属浇注水口注入一对铸辊之间的辊缝中，恰好在辊缝以上形成了一个支撑在铸辊铸制表面上的熔融金属浇注熔池，铸辊旋转，从辊缝向下产出凝固的金属带，其中，声波作用于熔融金属浇注熔池，产生浇注熔池的熔融金属和辊子浇铸表面之间的相对振动。

12、根据权利要求11所述的方法，其中，声波作用于熔融金属浇注熔池的自由上表面。

13、根据权利要求12所述的方法，其中，声波从声波发生器通过声波连接波道传送到铸制表面的自由表面。

14、根据权利要求13所述的方法，其中，声波发生器是扬声器，声波连接波道由从扬声器延伸到浇注熔池自由表面的空心管或管线实现。

15、根据权利要求14所述的方法，其中，空心管或管线可做成喇叭形伸向熔池表面。

16、根据权利要求13到15中任一项所述的方法，其中，声波通过多个声波发生器和从声波发生器延伸到浇注熔池表面各个区域的多个声波连接装置作用于浇注熔池表面的各个区域。

17、根据权利要求16所述的方法，其中，有一对声波发生器和相应的一对声波连接装置，所述一对声波连接装置从所述一对声波发生器分别延伸到位于金属浇注水口两侧的浇注熔池表面的区域。

18、根据权利要求11到17中任一项所述的方法，其中，声波包括音频范围的波。

19、根据权利要求18所述的方法，其中，声波包括50～1000Hz频率范围的波。

20、根据权利要求19所述的方法，其中声波采用宽频带噪声信号，覆盖200～300 Hz的频率。

21、根据权利要求11到20中任一项所述的方法，其中，声波以125～150 dB的声振强度传播。

22、根据权利要求11到21中任一项所述的方法，其中，浇铸表面粗糙度算术平均值(Ra)小于5微米。

23、根据权利要求11到22中任一项所述的方法，其中，熔融金属凝固到铸辊铸制表面上的晶核结点晶核密度至少为400个核/mm²。

24、根据权利要求23所述的方法，其中，所述晶核密度在600～700个核/mm²的范围。

25、连铸金属带的装置，包括：在其之间形成辊缝的一对铸辊；金属浇注水口，使熔融金属注入铸辊之间的辊缝中，以形成支撑在铸辊表面上、恰好位于辊缝之上的熔融金属浇注熔池；使所述一对铸辊相向旋转、以从辊缝向下产出凝固金属带的辊子驱动装置；以及使声波作用于熔融金属浇注熔池从而产生在浇注熔池的熔融金属和铸辊铸制表面之间的相对振动的声波作用装置。

26、根据权利要求25所述的装置，其中，所述声波作用装置包括声波发生器和声波连接装置，该声波连接装置用于声波发生器和浇注熔池自由表面的声波连接。

27、根据权利要求26所述的装置，其中，声波发生器是扬声器，声波连接装置包括一从扬声器延伸到浇注熔池自由表面的空心管。

28、根据权利要求27所述的装置，其中，空心管可做成喇叭形伸向熔池表面。

29、根据权利要求27或28所述的装置，其中，有一对扬声器和相应的一对声波连接管线，该声波连接管线从扬声器延伸到位于金属浇注水口各侧的熔池表面的区域内。

30、根据权利要求25到29中任一项所述的装置，其中，声波作用装置可操作产生50～1000 Hz频率范围的声波。

31、根据权利要求25到30中任一项所述的装置，其中，铸辊铸制表面粗糙度算术平均值(Ra)小于5微米。

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