CN114555260A - 连铸模具 - Google Patents
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Abstract
模具包括：铸轮，在其外表面上制有开口通道；连续带，其从铸轮的外表面与铸轮相邻，以封闭指定的开口通道；以及冷却系统，其能够至少在铸轮的外表面、内表面和两个侧表面这几侧，向铸轮和连续带可调地供应冷却剂，其中铸轮的内表面上的冷却剂流量与铸轮的外表面上的冷却剂流量之比为1.9至3.0，并且铸轮的侧表面上的总冷却剂流量与铸轮的内表面上的冷却剂流量之比为1.3至1.7。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域，特别是金属的连铸，并且本发明能够用于生产包括铝及其合金在内的金属的连铸锭。
背景技术
已知一种冷却装置，其用在轮带式连铸车间中(IT1126618，1986年5月21日)。该冷却装置包括一个环，该环设有喷射冷却剂的喷嘴的支架。在铸造过程中将该环放在铸轮上以提供铸锭的冷却，并且该环在维护期间可以移除。该装置的缺点是铸锭的冷却不均匀，在金属凝固过程中会导致杂质偏析、裂纹、表面粗糙和脆化。此外，该已知装置提供的冷却速度不足，导致生产能力下降。
已知一种用于高速连铸的装置(US3,774,669，1973年11月27日)。该已知装置是在铸轮外侧包括喷射冷却剂的喷嘴的模具，以加强铸锭的二次冷却过程。该装置的缺点是铸锭的冷却不均匀，导致主要在铸锭的中心部分形成缩孔形式的缺陷。
另一种用于生产铝锭和铜锭的已知装置是2017年6月27日在RU2623559中提出的模具。该已知模具的特征在于，在旋转铸造机的铸轮的径向截面中呈梯形形式的卡槽包括一个等腰三角形的中空部，其中三角形的顶点处的角度与三角形的边和梯形的边所成的角度相等，等于123°...130°。该装置的优点是减少了热影响区，从而降低了模具表面开裂和破坏的可能性，从而延长了其使用寿命。在所提出的模具设计的缺点中，有必要强调的是，需要执行调整使用已知装置获得的铸锭形状的附加操作。
用于连铸车间的冷却系统是已知的(US4,957,155，1990年9月18日)。在该已知车间中，由于铸轮带上存在隔热层，实现了定向凝固，同时一些冷却剂通过下部孔被供给至铸轮的凹槽中以改善冷却。所有外部喷洒器整体提供铸锭的从上往下的定向和密集凝固，从而产生最大的传热差异。当在连铸车间中使用该已知冷却系统时，所获得的铸锭形成有最少数量的铸造缺陷。该技术方案的缺点是冷却系统难以实现，由于铸锭凝固所需的时间较长，生产能力相对较低。
与要求保护的本发明最接近的是连铸车间中的冷却装置(US3,800,852，1974年2月4日)。该已知冷却装置包括用于对铸轮进行冷却的内部喷洒器的喷嘴排、以及用于对带进行冷却的外部喷洒器的喷嘴排。同时，只有外部喷洒器的喷嘴具有冷却剂流量控制功能。该装置的缺点是对冷却剂流量的控制效率低，这导致铸锭中形成缺陷(裂纹、表面粗糙)，以及冷却速度不足导致生产能力下降。
发明内容
要求保护的本发明的技术任务是确保铸轮的内表面、外表面和侧表面的均匀且受控的冷却，以获得高质量的连铸锭。
要求保护的本发明的技术效果是通过消除凝固缺陷的形成来提高连铸锭的可制造性、提高其生产速度并改善其质量，即，获得基本上不含裂纹、空隙等的连铸锭。
要求保护的本发明的技术效果是通过所提出的连铸模具而实现的。
根据本发明，连铸模具包括：铸轮，在其外表面上制有开口通道，该开口通道具有等腰梯形形式的横截面(即梯形横截面)；连续带(即无限长的带)，连续带通过铸轮的外表面与铸轮相邻，以封闭指定的开口通道；此外，连铸模具还包括冷却系统。
铸轮的开口通道的梯形横截面的大底的长度与梯形横截面的小底的长度之比在1.3至1.6的范围内。
冷却系统制造成具有以下可能性，即：可以在至少四侧，即在铸轮的外表面、内表面和两个侧表面这几侧，向铸轮和连续带可调地供应冷却剂，其中铸轮的内表面这一侧上的冷却剂流量与铸轮的外表面这一侧上的冷却剂流量之比为1.9至3.0，并且铸轮的侧表面上的总冷却剂流量与铸轮的内表面这一侧上的冷却剂流量之比为1.3至1.7。
这种冷却系统能够提供一次冷却，即在金属凝固过程中对连铸锭的冷却，以及连铸锭的二次冷却，即对凝固的金属的冷却，其中连铸锭的外围部分的冷却速率比其中心部分的冷却速度快。经实验证实，连铸锭的任何中心部分与任何外围部分之间的冷却速率差异都不超过1.5倍。
冷却系统可以包括至少四个弧形管状喷洒器，这些喷洒器沿着铸轮的外表面、内表面和侧表面设置，并且制造成具有向铸轮的相应表面和带可调地供应冷却剂的可能性：
位于铸轮的外表面这一侧和连续带上的外部喷洒器，用于向它们供应冷却剂；
位于铸轮的内表面这一侧上的内部喷洒器，用于向其供应冷却剂；
分别位于铸轮的右侧表面和左侧表面这两侧上的右侧喷洒器和左侧喷洒器，用于向它们供应冷却剂。
冷却剂的受控供应可以通过沿每个喷洒器的整个长度分布的喷嘴来进行。
冷却剂流量的控制可以通过控制截止阀和相应的流量控制喷嘴来进行。
借助于内部横向隔板，可以将管状喷洒器分成独立的区域，以确保冷却剂到每个区域的独立可调供应。
上述独立区域中的每一个都可以设置有对冷却剂供应的单独控制，以确保对该区域的冷却剂供应的调节。因此，可以针对每个独立区域单独配置冷却控制系统。
冷却剂从喷洒器到铸轮和带的供应可以通过带有单独的冷却剂流量控制单元的平焰喷嘴进行。
通常使用水作为冷却剂，但也可以使用适合此目的的其他液体(例如乙二醇)以用于特殊合金，例如铝锂合金。
根据另一方面，本发明涉及一种使用所提出的模具冷却连铸锭的方法，该方法包括在至少四侧，即在模具铸轮的外表面、内表面和两个侧表面向模具铸轮和连续带供应冷却剂，同时根据以下比例控制冷却剂流量：
铸轮的内表面上的流量与铸轮的外表面上的流量之比在1.9至3.0的范围内；
铸轮的侧表面这两侧上的总冷却剂流量与铸轮的内表面这一侧上的冷却剂流量之比在1.3至1.7的范围内。
冷却剂供应可以通过至少四个弧形管状喷洒器进行，这些喷洒器沿着铸轮的外表面、内表面和侧表面设置，并且存在调节冷却剂供应的可能性：
位于铸轮的外表面这一侧和连续带上的外部喷洒器，用于向它们供应冷却剂；
位于铸轮的内表面这一侧上的内部喷洒器，用于向其供应冷却剂；
分别位于铸轮的右侧表面和左侧表面这两侧上的右侧喷洒器和左侧喷洒器，用于向它们供应冷却剂。
冷却剂可以通过沿着每个喷洒器的整个长度分布的喷嘴供应。
冷却剂流量的控制可以通过控制截止阀和相应的流量控制喷嘴来进行。
借助于内部横向隔板，可以将管状喷洒器分成独立的区域，以确保冷却剂到每个区域的独立可调供应。
上述独立区域中的每一个都可以设置有对冷却剂供应的单独控制，以确保对该区域的冷却剂供应的调节。因此，可以针对每个独立区域单独配置冷却控制系统。
冷却剂从喷洒器到铸轮和带的受控供应可以通过带有单独的冷却剂流量控制单元的平焰喷嘴进行。
根据本发明的其中一个实施方式，所述装置和方法旨在用于由包含至少一种选自以下组的合金元素的铝基合金生产连铸锭：铁、硅、镁、锆、钪、锰、钛、铜、镍和铬，而铸锭的结构是铝基体，其中分布着共晶起源颗粒。
以下阐明模具的所给出的参数的合理性，以确保实现技术效果：提高连铸锭的可制造性，提高其质量，以及提高模具的生产能力(通过提高连铸锭生产率实现)。
铸轮的开口通道的梯形横截面的大底的长度与梯形横截面的小底的长度之比应在1.3至1.6的范围内。
如果横截面的大底与横截面的小底的指定长度之比大于1.6，那么得到的连铸锭的形状将与正方形有很大不同，从以下观点来看这是优选的：为了将连铸锭进一步加工成产品，需要额外的操作来对其进行校准，这将对连铸锭的可制造性产生不利影响。
如果横截面的大底与横截面的小底的指定长度之比小于1.3，那么在铸造低线性收缩的合金时，由于难以从铸轮的开口通道中取出连铸锭，会形成冷裂纹，因此连铸锭的质量会下降。
来自内部喷洒器(即铸轮的开口通道的横截面小底这一侧)的冷却剂流量与来自外部喷洒器(横截面大底这一侧)的冷却剂流量之比应在1.9至3.0的范围内。
如果在调节喷洒器的冷却剂流量时，指定的比值小于1.9或大于3.0，则结晶槽将分别更靠近梯形的大底和小底移动，导致冷却不均匀，在锭中形成裂纹，即导致连铸锭的质量下降。
为了在模具的铸轮的被冷却表面的不同部位上形成高质量的铸锭内部结构，需要不同的冷却强度，这取决于合金并取决于模具的生产能力。
为了确保这些条件，可以通过沿着铸轮的外表面、内表面和侧表面设置的弧形管状喷洒器将冷却剂供应到铸轮和带，并由内部横向隔板隔开，以确保冷却剂到独立区域的可调供应。
上述独立区域中的每一个都可以设置有对冷却剂供应的单独控制，以确保对该区域的冷却剂供应的调节。因此，可以针对每个独立区域单独配置冷却控制系统。
冷却剂可以通过带有单独的冷却剂流量控制单元的平焰喷嘴供应。
为了更精确地单独调节冷却剂流量，可以在每个喷嘴的上游安装带有针阀的控制单元。
附图说明
通过附图来说明本发明的实质。
图1示出了作为铸造线的一部分的模具的总体视图，其中：
1：连铸锭；2：对模具轮的金属供应系统；3：连续带的张紧轮；4：连续带；5：模具；6：铸轮；7：冷却系统喷嘴；8：冷却剂过滤器；9：连续带的压辊。
图2包括A视图在内示出了模具的冷却剂分布模式(冷却系统)，其中：
4：连续带；6：铸轮；10：右侧喷洒器；11：外部喷洒器；12：内部喷洒器；13：左侧喷洒器；14：喷洒器的喷嘴；15：铸轮的外表面；16：铸轮的侧表面；17：铸轮的内表面；A视图示出了第二侧表面16。
图3是模具的截面图，其中：
4：连续带；6：铸轮；10：右侧喷洒器；11：外部喷洒器；12：内部喷洒器；13：左侧喷洒器；18：铸轮的连接环；19：梯形横截面的大底；20：梯形横截面的小底。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式的示例。
示例1
使用Procast软件包对形成等腰梯形形状的连铸锭的铸轮的开口通道横截面的几何尺寸的选择进行验证。
该示例的目的是选择铸轮的开口通道的梯形(即梯形形状)横截面的底边的长度比，以确保连铸锭中金属的均匀凝固。
以下参数被用作具有至少2吨/小时的高铸件生产能力的凝固均匀性标准：
内部拉伸应力的矢量的存在/不存在，主要在梯形的大底的拐角处；
凝固熔体的槽的深度，其值控制中心缩孔的存在/不存在；
在凝固区间内没有明显的热梯度。
在存在拉伸应力的多方向矢量的情况下，凝固过程中铸锭被破坏(或出现裂纹)的可能性高。
在深槽的情况下，中心线缩孔的形成很可能是由于实际冷却过程中热梯度的变化。计算对于1000-3600mm2范围内的横截面有效。
如果至少有一个参数具有最大结果，则获得无法使用的锭的风险很高。定性建模结果见表1。
表1：梯形横截面选择的建模结果
从表1可以看出，在梯形的大底与梯形的小底的长度比等于1.1的情况下，在凝固过程中形成深中心槽的概率很高，这会导致最大缩孔率的出现。当梯形的大底与梯形的小底的长度比约为1时，从模具中取出铸锭变得困难。
在梯形的大底与梯形的小底的长度比在1.3至1.6的范围内的情况下，排除了深槽的形成，并且不存在临界拉伸应力。
如果梯形的大底与梯形的小底的长度比大于2，则排除了深槽的形成，但在梯形大底的拐角处存在拉伸应力的多方向矢量，这将导致锭在变形过程中的破坏。同时应当注意，在梯形大底的拐角处存在热梯度，这将导致形成偏析区，从而导致锭的化学成分的不均匀性。
基于所获得的结果，制造具有开口通道的模具5(图1)，开口通道具有梯形横截面，并且具有大底19和小底20，如图3所示。模具5包括铸轮6、连续带4和冷却系统。连续带4通过张紧轮3缠绕。带的压辊9将带4压在铸轮6上。铸轮6使用连接环18安装。
所制造的模具作为铸轧机的一部分安装，用于生产由铝及其合金制成的线材，产能为2至5吨/小时。连铸锭在轧机机架上轧制，得到在输出端直径为9.5mm、12mm和22mm的铝线材。
在模具5的工作过程中，液态金属通过金属供应系统2被供给至模具5的铸轮6的开口通道中，然后由于金属凝固，在通道的壁与连续带4之间形成连铸锭1；在整个凝固过程中，连铸锭1通过经由冷却系统的喷嘴7向铸轮6的外表面15、内表面17、侧表面16和连续带4供应的冷却剂而被冷却。
模具5的冷却系统包括沿铸轮6的外表面5、内表面17和两个侧表面16布置的四个弧形管状喷洒器，并且制成具有可调节地供应冷却剂的可能性(图2的A视图)：
外部喷洒器11，其位于铸轮6的外表面15这一侧和连续带4上，用于向它们供应冷却剂；
内部喷洒器12，其位于铸轮6的内表面17这一侧上，用于向其供应冷却剂；
右侧喷洒器10和左侧喷洒器13，其分别位于铸轮6的右侧表面16和左侧表面16这两侧上，用于向它们供应冷却剂。
喷嘴7位于：内部喷洒器12(图2)上，内部喷洒器12由内部隔板分成三个独立区域；外部喷洒器11上，外部喷洒器11也由三个独立的内部区域构成；以及两个侧面喷洒器10、13上，每个侧面喷洒器10、13均由两个独立区域构成。上述独立区域中的每一个都设有单独的供水控制装置以用于控制对该区域的供水。冷却控制系统针对每个独立区域单独进行配置。
喷嘴类型的选择取决于喷洒器和轮的选择设计(轮的尺寸、喷洒器与轮之间的距离等)，因为喷嘴形成一定形状的冷却剂射流。在每种特定情况下，确定射流的必要形状，根据该形状选择喷嘴类型。在这种情况下，安装了平焰喷嘴。
为了更准确地单独调节水流，在每个喷嘴的上游都安装了带有针阀的控制单元。
为了快速安装/拆卸带，可以使用旋转支架(图中未示出)将右侧喷洒器和内部喷洒器向侧方移动20°。
以水为冷却剂的模具5的冷却系统的参数如表2所示。
| 1 | 喷嘴的数量 | 158件(个) |
| 2 | 水冷系统的最大水流量 | 9.9l/min(升/分) |
表2：冷却系统参数
可以在冷却剂(例如，水)供应系统(图1)中提供自清洁过滤器8(例如，水过滤器)。
水流量控制以手动和自动模式进行。冷却水的温度在模具5之前和之后进行控制。
示例2
测定确保获得无缺陷铸锭的条件
进行了一系列研究，表明了冷却系统的各种设定的影响，并发现了系统的冷却剂流量控制的那些确保在凝固过程中生产出无缺陷的连铸锭的参数。
以6101型合金(1号)和工业铝(2号)为例进行熔化，其化学成分见表3。
表3：合金的化学成分(wt.％；重量百分比)
以下参数被用作铸锭的质量评价标准：
无缩孔，生产线产能不低于2吨/小时。
冷却剂(水)控制参数见表4。
表4：用于调节在梯形的小底侧和大底侧上供应的冷却剂的流量(量)之比的参数
从对表4给出的结果的分析可知，当从铸轮的开口通道的梯形横截面的小底和大底供应的冷却剂的量之比小于1.9时，不可能实现1.5吨/小时以上的无缺陷铸锭产能。
当从铸轮的开口通道的梯形横截面的小底和大底供应的冷却剂的量(来自内部喷洒器的冷却剂流量与来自外部喷洒器的冷却剂流量)之比在1.9至3.0的范围内时，可以完全消除缩孔形式的缺陷形成，并且确保2吨/小时以上的铸锭的生产线产能(超过原型)，这已通过对连铸锭模板的内部结构的金相研究得到证实。
最优选的是从铸轮的开口通道的梯形横截面的小底侧和大底侧供应的冷却剂的流量(量)(来自内部喷洒器的冷却剂流量与来自外部喷洒器的冷却剂流量)之比在1.9至2.4的范围内，这确保了铸造线的最大产能。
对模板的分析表明，当使用包括具有呈所提出的梯形横截面的开口通道的铸轮的模具时，通过模具冷却系统的指定调整设置，即每个喷洒器上的水流量之比，可以排除缩孔、结晶源裂纹等结晶源缺陷，同时梯形(铸轮的通道横截面)的大底的拐角处的偏析数量减至最少，这一点得到了对连铸锭模板的内部结构的金相研究结果的证实，并且从锭质量的角度来看是可以接受的。
对由6101合金(表3中的1号成分)制成的铸锭的显微组织分析表明，该铸锭的典型结构以硅和镁在铝中的铝溶液以及含共晶铁相的脉络为代表。对由工业铝(表3中的2号成分)制成的铸锭的结构分析表明，该结构以具有含共晶铁相的脉络的铝溶液为代表。同时，计算出的6101合金和工业铝(表3)在整个横截面中的凝固区间内的冷却速率至少为10K/s。由于在使用所提出的模具时实施的高冷却速率，已知的含有铁、硅、镁、锆、钪、锰、钛、铜、镍和铬的工业合金的结构将主要以铝溶液和由相应的合金元素形成的共晶相为代表。
使用要求保护的模具可以获得高质量的连铸锭(几乎没有缺陷)，该连铸锭可以进一步加工成具有较低生产成本的产品，即，要求保护的模具使得能够增加锭的可制造性。同时，保证了铸造线的2吨/小时以上的高产能。
Claims (15)
1.一种连铸模具(1)，包括：
铸轮(6)，在所述铸轮(6)的外表面上(15)制有开口通道，所述开口通道具有等腰梯形形式的横截面，并且梯形的大底(19)的长度与梯形的小底(20)的长度之比在1.3至1.6的范围内；
连续带(4)，所述连续带(4)在所述铸轮(6)的外表面(15)侧与所述铸轮(6)相邻，以封闭所述开口通道；以及
冷却系统，所述冷却系统制造成具有以下可能性，即：至少在所述铸轮(6)的外表面(15)、内表面(17)和两个侧表面(16)这几侧，向所述铸轮(6)和所述连续带(4)可调地供应冷却剂，其中所述铸轮的内表面(17)这一侧上的冷却剂流量与所述铸轮(6)的外表面(15)这一侧上的冷却剂流量之比为1.9至3.0，并且所述铸轮(6)的侧表面(16)这两侧上的总冷却剂流量与所述铸轮(6)的内表面(15)这一侧上的冷却剂流量之比为1.3至1.7。
2.根据权利要求1所述的模具，其中，所述冷却系统包括至少四个弧形管状喷洒器，所述喷洒器沿着所述铸轮(6)的外表面(15)、内表面(17)和侧表面(16)设置，并且制造成具有可调地供应冷却剂的可能性：
外部喷洒器(11)位于所述铸轮(6)的外表面(15)这一侧和所述连续带(4)上，用于向所述铸轮(6)的外表面(15)和所述连续带(4)供应冷却剂；
内部喷洒器(12)位于所述铸轮(6)的内表面(17)这一侧上，用于向所述铸轮(6)的内表面(17)供应冷却剂；
右侧喷洒器(10)和左侧喷洒器(13)分别位于所述铸轮的右侧表面(16)和左侧表面(16)这两侧上，用于向所述铸轮的右侧表面(16)和左侧表面(16)供应冷却剂。
3.根据权利要求2所述的模具，其中，所述管状喷洒器(10、11、12、13)通过内部横向隔板被分成独立的区域，所述管状喷洒器(10、11、12、13)在每个区域中提供对冷却剂流量的单独控制，以调节冷却剂到每个区域的独立供应。
4.根据权利要求2所述的模具，其中，冷却剂的受控供应通过沿每个喷洒器(10、11、12、13)的整个长度分布的喷嘴(7)进行。
5.根据权利要求4所述的模具，其中，通过控制截止阀和相应的流量控制喷嘴单元(7)来调节冷却剂流量。
6.根据权利要求4所述的模具，其中，通过具有单独的冷却剂流量控制单元的平焰喷嘴来供应冷却剂。
7.根据权利要求1所述的模具，其中，使用水作为冷却剂。
8.根据权利要求1所述的模具，其中，所述模具用于凝固包含选自铁、硅、镁、锆、钪、锰、钛、铜、镍和铬的至少一种合金元素的铝合金，并且铸锭的结构是铝基体，在所述铝基体中分布有共晶源颗粒。
9.一种用于在根据权利要求1所述的模具中冷却连铸锭的方法，包括在调节冷却剂流量时，根据以下比例，至少在所述铸轮(6)的外表面(15)、内表面(17)和两个侧表面(16)这几侧，向所述模具(5)的所述铸轮(6)和所述连续带(4)可调地供应冷却剂：
所述铸轮(6)的内表面(17)这一侧上的流量与所述铸轮(6)的外表面(15)这一侧上的流量之比在1.9至3.0的范围内；并且
所述铸轮的侧表面(16)这两侧上的总冷却剂流量与所述铸轮(6)的内表面(17)这一侧上的冷却剂流量之比在1.3至1.7的范围内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，冷却剂通过至少四个弧形管状喷洒器(10、11、12、13)供应，所述喷洒器(10、11、12、13)沿着所述铸轮(6)的外表面(15)、内表面(17)和侧表面(16)设置，并且制造成具有可调地供应冷却剂的可能性：
外部喷洒器(11)位于所述铸轮(6)的外表面(15)这一侧和所述连续带(4)上，用于向所述铸轮(6)的外表面(15)和所述连续带(4)供应冷却剂；
内部喷洒器(12)位于所述铸轮的内表面(17)这一侧上，用于向所述铸轮的内表面(17)供应冷却剂；并且
右侧喷洒器(10)和左侧喷洒器(13)分别位于所述铸轮(6)的右侧表面(16)和左侧表面(16)这两侧上，用于向所述铸轮(6)的右侧表面(16)和左侧表面(16)供应冷却剂。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述管状喷洒器(10、11、12、13)通过内部横向隔板被分成独立的区域，所述管状喷洒器(10、11、12、13)在每个区域中提供对冷却剂流量的单独控制，以调节冷却剂到每个区域的独立供应。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，通过沿每个喷洒器(10、11、12、13)的整个长度分布的喷嘴(7)供应冷却剂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过控制截止阀和所述喷嘴(7)的相应流量控制单元来进行冷却剂流量的控制。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过具有单独的冷却剂流量控制单元的平焰喷嘴来供应冷却剂。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，使用水作为冷却剂。
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