CN1275101A - 改进的连续铸造模具系统以及相关的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改进的连续铸造模具和方法,这种改进模具和方法涉及采用既是非金属又是热导体并且比常规材料更耐剥蚀的材料(如金刚石)制成的模具表面以及用在模具表面上的涂层。在一个实施方案中,所述非金属材料粘接在常规的模具衬层上。在第二个实施方案中,采用所述非金属材料制成完整的模具壁。本发明的另一方面,由于象金刚石那样的材料在红外波段是透明的,所以可以在不干扰铸造过程的情况下透过所述非金属材料监视铸件外层的温度,并且可以把这种信息用于控制一个或多个铸造变量。

Description

改进的连续铸造模具系统以及相关的方法
本发明的技术领域
这项发明涉及采用连续铸造工艺制造和加工金属的技术领域。更具体地说，这项发明涉及改进用于连续铸造机的模具表面，以及适合在机器运行时通过实际监视模具表面的铸件温度来控制铸造过程的系统和方法。
本发明的现有技术
自从大约30年前大规模引进连续铸造技术以来，利用它生产的金属已日渐增长，现在它已在钢以及其它金属的生产中占有相当大的百分比。众所周知，连续铸造装置包括具有两个基本上平行对置的宽壁和两个基本上平行对置的窄壁，后者与宽壁合作定义横截面为矩形的铸造通道。熔融金属被源源不断地供应到铸造通道的顶端中，并且模具是为冷却而设计的，以致在这样形成的扁锭或长锭(strand)铸造通道底部伸出之前形成外层铸皮。为了使熔融金属有效地散热，模具的铸造表面通常用铜做衬或者具有铜合金的表面层，并且包含许多流水的通道，以便在模塑成型过程中进行快速热交换。在某些情况下，模具是通过对着模具衬层的冷却器一侧直接喷水冷却的。长锭在它离开模具继续移动时通过喷淋进一步得到冷却，直到它完全变成固体为止。然后，可以进一步把它加工成中间产品或终产品，例如通过传统技术(如轧制)使它变成钢板、薄钢板或盘圆钢材。
模具的铸造表面(也称为模具的“灼热面”)长期暴露在高温的钢液和腐蚀性的模内流动下。铜是非常有效的热导体，但是它比较软并因此对早期的磨耗和其它类型的剥蚀是敏感的。在正常的铸造条件下，模具的灼热面经历比较快的剥蚀，如磨耗、龟裂以及液流和化学腐蚀。这种作用在力图在更高的温度下运行的高速模具中更为严重，其中铜材开始进一步软化。这项发明的受让人(A.G.Industries股份有限公司)是北美最大的连续铸造装置的制造和维修服务供应商，它十分精通在铸造期间在模具面上发生的剥蚀和磨耗。
为了尽可能长地延长模具表面的寿命，通常是用耐磨蚀材料预先涂敷铜模具。保护模具壁表面的其它技术已被提出和/或已经进入工业应用。例如，美国专利第5,499,672号揭示了一种保护铜模具表面的方法，其方法是将金属碳化物防护材料涂在模具表面上。另一种防护涂层技术涉及用热喷镀法将镍铬合金镀在铜模具面上。这种方法是在Nippon Steel Corporation and MishimaCo.有限公司1989年5月的出版物“连续铸造模具窄面的镍铬合金热喷镀(Ni-Cr Alloy Thermal Spraying of the Narrow face ofContinuous Casting modl)”中介绍的。尽管迄今已经研制的涂层能够在某种程度上降低模具的磨耗速率和严重性，但是模具面必须定期清除和更换或维修在连续铸造工业中仍然是活生生的事实。为了这样做必须使模具与衬层分离，这意味着必须支付给钢铁工人相当高的费用，或许多达每小时1万5千美金。
长锭或扁锭在模具中开始形成时具有非常薄的铸皮。这层铸皮的破裂无论如何必须避免，因为它能引起被称为“跑火”的情况，即熔融金属通过铸皮逸出到模具的下方。严重的跑火能够将在其路径中的机器零部件包埋在熔融金属中，使那些零部件报废因此必须更换和修理。在确定是否会跑火时一个重要因素是在铸件通过模具移动时铸皮是否有一定的厚度。从理论上说，铸皮厚度可以在铸造期间通过监视扁锭的红外辐射就地测量，但是实际上这是不可行的，因为整个扁锭被模具包围着，因此不可能进行测量。一些系统试图通过在模具衬层中选定的位置进行温度采样，借此将铸件厚度模型化，但是这些系统可能不够精确，因为在传感器和铸件表面之间铜材厚度是变化的。
在连续铸造工业中需要一种与常规的模具面相比较少受铸造期间的磨耗和剥蚀伤害的模具面。因此，需要一种连续铸造模具，这种模具可以更好地监视通过模具移动的铸件，因此可以防止跑火和其它有害情况。
本发明的概述
因此，本发明的一个目的是提供一种适合连续铸造的模具面设计，这种设计与常规的模具面相比较，少受铸造期间的磨耗和剥蚀伤害。
本发明的另一个目的是提供一种连续铸造模具，该模具可以更好地监视通过模具移动的铸件，因此可以防止跑火和其它有害情况。
为了实现本发明的上述和其它目的，按照本发明的第一方面适合在连续铸造装置中使用的改进的模具壁组件包括：结构和布局适合在运行期间将热量从模具衬层中传导出去的内层部分，以及形成模具的铸造表面的外表面，其中外表面包括具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料，借此使模具衬层在连续铸造装置运行期间呈现良好的耐磨耗和热转移特征。
按照本发明的第二方面，制作连续铸造材料的方法包括下述步骤：(A)将熔融金属引入模具，该模具包括许多模具表面，其中至少一个模具表面具有包括具有高导热性的耐剥蚀非金属材料的外涂层；(B)通过热传导使热量通过外涂层从熔融金属中散发出去冷却熔融金属，同时将铸件移出该铸模。
本发明的第三方面涉及一种用于连续铸造装置的改进的模具组件，该组件包括许多模具壁，每个模具壁至少有一个模具表面，这些模具表面一起定义一个有上开口和下开口的铸造空间；其中至少一个模具表面是用具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料制造的，借此使该模具组件在连续铸造装置运行期间呈现高级的耐磨耗和热转移特征。。
本发明的第四方面涉及制作连续铸造材料的方法，该方法包括如下步骤：将熔融金属引入包括许多模具表面的模具；借助传导型热转移使热量通过外涂层从熔融金属中散发出去使熔融金属得到冷却；以及借助通过至少一个所述模具表面发生的辐射型热转移使模具内的熔融金属得到进一步的冷却。
按照本发明的第五方面，适合在连续铸造装置中使用的改进的模具组件包括一个形成模具的铸造表面的表面，该表面至少对红外波段内的辐射是部分透明的，借此该模具能够借助通过该表面发生的辐射型热转移冷却模具内的熔融金属。
在权利要求书中具体地指出这些和其它描述本发明特征的优点以及新颖性特征。但是，为了更好地理解本发明、它的优点、以及通过它的应用所获得的效果应当进一步参照构成这份说明书的一部分的本发明的优选实施方案的附图以及这些附图的文字说明。
附图简要说明
图1是按照本发明的优选实施方案用于连续铸造装置的模具壁组件的不完整的水平截面图；
图2是通过图1所示组件的一个零部件截取的垂直截面图；
图3是图1和图2所示组件中的优选特征的示意图；
图4是描述用于图1至图3所示组件的优选的控制系统的示意图；
图5是按照本发明的第二优选实施方案构成的用于连续铸造装置的模具壁组件的不完整的水平截面图；
图6是按照本发明的第三优选实施方案构成的用于连续铸造装置的模具壁组件的不完整的垂直截面图。
本发明的详细叙述
现在参照附图，其中相同的参考数字在这些附图中始终指的是相应的结构。具体地参照图1，用于连续铸造装置10的改进的模具壁组件12包括许多模具壁，其中包括对置的一对窄面壁14、16和对置的一对宽面壁18、20。每个模具壁14、16、18和20都具有至少一个模具表面，这些模具表面一起定义具有上开口和下开口的铸造空间26。这个模具壁组件12是象常规组件那样设计的，以致熔融金属源源不断地供应到铸造空间26的顶端中并且在这样形成的扁锭或长锭从铸造通道的底部伸出之前金属经过冷却形成外层铸皮。象常规模具那样，冷却剂供应管22、24是为了把水冷剂分别提供给窄面壁14、16和宽面壁18、20而提供的。
现在参照图2，该图是通过图1所示宽面壁之一20截取的垂直截面图，从中可以看到壁20包括承载模具面28的衬层组件27和固定衬层组件27的支撑组件32。正象在图2中可以看到的那样，衬层组件27包括具体化为铜衬30的内层部分29和形成模具面28的耐剥蚀的非金属材料的外层44(下面将对其详述)。支撑组件32包括冷却剂供应管24、冷却剂返回管42、入口增压室36和出口增压室38。入口和出口的增压室36和38与用衬层组件27的铜衬30定义的冷却通道34连通。在运行时，象常规模具那样，将冷却剂(通常是水)从冷却剂供应管24引入入口增压室36，从那里冷却剂向上流过冷却通道34流入出口增压室38。然后，冷却剂通过返回管42返回到循环泵。
耐剥蚀的非金属材料层44优选是有效的热导体，这种材料非常坚硬并且耐剥蚀，它不仅能承受运行期间连续铸造装置中存在的高温而且能忍耐连续铸造装置通常在其中运行的酸性环境，并且为了下面将更详细讨论的理由，它优选在光谱的红外波段是透明的。呈现这些特征的两种已知材料是金刚石和晶体一氮化硼。
金刚石是碳在常压下的亚稳态同素异形体，它具有阻止它在常温常压下转变成更稳定的同素异形体...石墨的高活化能。人们始终渴望获得它，这不仅仅是由于它作为宝石具有其内在的美丽和价值，而且还由于它具有许多独特的有价值的机械性能、电气性能、光学性能和热性能。金刚石是在自然界中发现的最坚硬的材料，它摩擦系数低、极耐化学腐蚀、对于电磁波波谱中的许多波段是透明的(对红外波段是非常透明的)、并且其导热系数在所有材料中是最高的。晶体一氮化硼(CBN)在许多方面与金刚石具有不相上下的性能。
本发明的一个有利特征是用图3示意描绘的。正象在图2和图3中可以看到的那样，通道46可以在衬层组件27的铜衬板30中形成。光纤48位于通道46中并且与透明的耐剥蚀非金属材料层34光学耦合，其耦合位置在膜层44上与铸造表面即模具面28相对的一侧。传感器50耦合在光纤48的另一端。传感器50的作用是通过研究通过光纤48传输的光线的光谱特征来监视连续铸造过程的性质。在其优选的实施方案中，传感器50的结构设计适合监视透射光线中的红外线分布，以便监视铸造长锭在模具内沿着铸造表面向下移动时其外层的温度。通过监视这个温度，铸件的铸皮厚度可以确定，该厚度是与许多事情相关的重要指标，包括长锭在它从模具底部探出后对跑火的敏感性、从机器中抽取长锭的最佳抽取速度、冷却剂通过模具壁循环的最佳速率、以及壳层增长的均匀性。现在参照图4，人们将看到在模具组件中提供了许多这样的传感器50，而且每个传感器都把信息提供给CPU 52，该CPU作为用于模具壁组件12的本地控制系统。CPU 52以两种方式与连续铸造装置10的主控系统54通信，并且进一步与不同的子系统通信以便修改连续铸造过程的不同的性能变量。图4描绘4个这样的子系统56、58、60、62，但是子系统的数量可多可少，取决于希望对传感器50所完成的光学监控作出反应的性能变量的多寡。例如，其中一个子系统可以用于调整连续铸造装置的撤离速度。另一个子系统可以用于调整模具的锥度。用于调整模具冷却速率的第三和第四子系统可以包括调整冷却剂通过一个或多个模具壁的体积流量的控制系统或为了改变模具的热传导性能而改变模内流体组成的控制系统。
为了分析传感器50收集的数据，可以使用市售的热成象系统。一种可用的热成象系统是购自Mikron Instruments公司(Oakland，New Jersey)的“成象高温计(Imaging Pyrometer)”。美国专利第4,687,344号部分地揭示了这种系统，在此将其揭示内容全部并入。
现在看看图5，按照本发明的第二实施方案构成的模具组件64包括铸造表面66和完全用前面讨论的那种类型的耐剥蚀非金属材料制成的主体68。冷却通道70是由材料主体68定义的，而结构类似于前面讨论的传感器50的传感器72耦合在主体68的后面。在本发明的这个实施方案中，整个模具壁都是由金刚石或CBN材料制成的。我们认为这个实施方案将具有很大的潜力，因为这样的模具壁有希望从本质上胜过今天使用的任何模具壁。完全用象金刚石那样的材料制造的模具壁在铸造期间将热量传导出长锭方面比金属模具壁有效得多，它将呈现比任何金属模具壁低的摩擦，并且就磨耗而言它实际上将是不可破坏的。
图6描绘本发明的又一个实施方案。在这个实施方案中，与参照图5介绍的实施方案一样整个模具衬层80都是用具有高导热性的耐剥蚀非金属材料制成的，借此使模具衬层在连续铸造装置运行期间呈现良好的耐磨耗和热转移性能。与图5所示的实施方案一样，优选的材料是金刚石或CBN，并且该模具衬层可以按照下述的任何一种制造方法或用任何其它有效方法来构成。结构与前面讨论的传感器50类似的传感器72耦合在模具衬层80的后面。在这个实施方案中，模具衬层80没有内部的冷却通道，但是构成“喷淋型”模具，其中与铸件82相对的衬层侧面86经受来自一个或多个喷嘴88的冷却喷淋。这种类型的模具衬层的高导热性将对铸件的有效冷却和形成具有均匀一致的凝固外壳84的铸件作出贡献。此外，由于该模具在红外波段是透明的，借助辐射可以将相当大的一部分热量转移出铸件。这与没有借助辐射通过模具壁热转移的常规的连续铸造模具相反是有利的。
有许多制作象金刚石和一氮化硼那样的涂层和大块材料已知技术，并且发明人承认这些已知技术中任何一种都可以在本发明的权限范围内使用。发明人还认为这类技术正在迅速发展并且在新技术可以利用时希望利用其它更有效的技术制作必要的结构。下面的美国专利和PCT公报揭示了制作象金刚石和一氮化硼那样的涂层和大块材料已知技术并且被看作是这项揭示的示范实例。在此将下面列举的每份文件通过引证全文并入这项揭示：
                施加非金属的耐磨耗层的最优选方法
    美国专利号     发明人     公布日期
    4,490,229     Mirtich等人     12/25/94
    4,504,519     Zelez     3/12/85
    4,770,940   Ovshinsky等人     9/13/88
    4,830,702     Singh等人     3/16/89
    4,910,041   Yanagihara等人     3/20/90
    4,939,763     Pinnio等人     7/3/90
    4,948,629     Kacker等人     8/14/90
    4,954,365     Neifeld     9/4/90
    4,981,717     Thaler     1/1/91
    4,987,007     Wagel等人     1/22/91
    5,015,528     Pinneo     5/14/91
    5,071,677   Patterson等人     12/10/91
    5,080,753     Doll等人     1/14/92
    5,082,359   Kirkpatrick     1/21/92
    5,096,740   Nakagama等人     3/17/92
    5,154,945   Baldwin等人     10/13/92
    5,221,411     Narayan     6/22/93
    5,221,501   Feldman等人     6/22/93
                               续表
    美国专利号     发明人     公布日期
    5,230,931   Yamazaki等人     7/27/93
    5,236,740     Peter等人     8/17/93
    5,243,170   Maruyama等人     9/7/93
    5,260,106   Kawarada等人     11/9/93
    5,264,071   Anthony等人     11/23/93
    5,271,890   Shimura等人     11/21/93
    5,273,731   Anthony等人     12/28/93
    5,273,788     Yu     12/28/93
    5,302,231   Bovenkerk等人     4/24/94
    5,516,500     Liu等人     5/14/96
    5,525,815     Einset     6/11/96
    PCT申请号     发明人     公布日期
  PCT/US95/05941     Mistry     11/23/95
  PCT/US95/00782     Mistry      ？？？
在利用美国专利第4,490,229号所教授的方法的一个实施方案中，通过使基材表面暴露在包含碳氢化合物的氩离子束之下将金刚石状的碳膜沉积在基材表面上。离子束中的电流密度在最初沉积膜层期间是低的。继这个最初的低电流条件之后，该离子束增强到最大功率。同时将第二氩离子束引向基材表面。第二离子束具有比包含碳氢化合物的离子束高得多的能级。这个添加给系统的能量增大了凝聚原子的迁移率并且起清除束缚较弱的原子的作用，从而增加了金刚石键的百分比。
在利用美国专利第4,504,519号所教的方法的第二实施方案中，采用一对一般平行地隔开的碳电极(优选超纯碳电极)通过在沉积舱中利用来自烷烃(如n-丁烷)的射频等离子体分解的混杂流程产生含无定形碳的金刚石状薄膜。尽管这项发明的大多数薄膜是利用正丁烷沉积的，但是在这项发明的生产改进的含碳的金刚石状薄膜的方法中其他的烷烃(如甲烷、乙烷、丙烷、戊烷和己烷)都可以取而代之。沉积舱(如不锈钢舱)包括一对在垂直方向隔开的平行的水平纯碳电极，待涂布基材定位在下面的碳电极上。电极通常彼此相距大约2至8厘米，优选的电极间隔大约为2.5厘米；该舱室被抽空到其最终压力在大约10-7托范围内，然后用烷烃(如n-丁烷)回填到大约8×10-4托的压力。接下来，该真空系统被调节到压力在大约25至100毫托的范围内。在压力稳定后，把射频功率施加到一对纯碳电极上，其中下面的电极(基材靶)的偏置电压在大约0至大约-100伏，上面的电极的偏置电压在大约-200至大约-3500伏。射频等离子体分解开始，于是金刚石状的无定形碳膜以每分钟在大约8埃至35埃之间变化的速率沉积到基材上，以便产生厚度不超过5微米的薄膜。
在利用美国专利第4,770,940号所教的方法的第三实施方案中，坚硬的碳膜是通过气态的碳氢化合物分解形成的，其中碳原子与其最近的毗邻碳原子通过碳-碳单键构成四面体构型。气态碳氢化合物是在射频维持的等离子体中分解的，并且使等离子体分解产物沉积在阴极基材上。非必选的是可以有碳氟化合物在分解气体中存在。
在利用美国专利第4,830,702号所教的方法的第四实施方案中，碳氢化合物/氢的气体混合物通过本身被加热到高温的耐熔金属的空心阴极。该气体混合物借助热和等离子体的综合作用解离。从空心阴极射出的等离子体烟气给定位在阳极表面上的基材加热。金刚石膜的生长通过电子轰击得以增强。
在利用美国专利第4,910,041号所教的方法的第五实施方案中，薄膜是通过使基材与等离子体区接触在基材上形成的，其中等离子体区的形成方法是利用一个或多个电极放电使至少包含一种含碳化合物的气体变成高温或准高温等离子体。这些电极包括有线性部分的狭缝并且与微波电源相连的片状电极。另外，等离子体区的形成方法还包括通过施加磁场迫使在电极之间的电弧中产生的高温或准高温等离子体移动。这种处理能够产生在基材表面上足以形成薄膜的能量。
在利用美国专利第4,939,763号所教的方法的第六实施方案中，合成的金刚石膜是利用甲烷与氢(体积比为0.8-1：99.5-1)在总压力为20至30托、等离子体电流为0.5至1.5安培、温度为600至800℃的条件下通过D.C.等离子体加速沉积形成的。
在利用美国专利第4,948,629号所教的方法的第七实施方案中，金刚石膜在低于400℃的温度下沉积在基材上，其方法是利用高功率脉冲激光和脂肪族羧酸或芳香族羧酐蒸汽的化学汽相淀积。
在利用美国专利第4,954,365号所教的方法的第八实施方案中，金刚石薄膜的制备方法是将基材浸没在包含碳和氢的液体中然后让基材经受至少一个激光脉冲。
在利用美国专利第4,981,717号所教的方法的第九实施方案中，沉积金刚石状薄膜的方法产生来自碳氢化合物气态母体的等离子体淀积物。等离子体是靠激光脉冲产生的，该激光脉冲击中气体并且被与该气体混合的引发剂吸收。最终通过爆燃产生离子、自由基、分子碎片和电子的等离子体，并且借助爆轰波将该等离子体朝基材上推进和淀积。
在利用美国专利第4,987,007号所教的方法的第十实施方案中，提供了一种通过在真空环境中从激光烧蚀的烟气中析取离子在基材上生成一层物质的方法和装置。在基本实施方案中，该装置包括包含靶材的真空舱和聚焦在靶上烧蚀靶材和使一部分烧蚀烟气离子化的激光。为了从烟气中析取离子和把离子引导到基材上使膜层生长，给真空舱内的加速栅级充电。这个基本的实施方案已在洁净的未接种晶种的硅基材上产生金刚石状碳膜，其沉积速率接近每小时20微米。所产生的金刚石状碳膜具有异乎寻常的质量：均匀的厚度，其表面粗糙度大约为1埃；均匀一致的折射指数，该指数在1.5-2.5范围内；电阻率大于每厘米40兆欧；以及耐机械损伤的坚硬表面。增强型实施方案包括在真空舱内的多个靶以及有选择地从每个靶产生离子的机构。因此，可以在基材上制作不同材料或掺杂材料的膜层。此外，增强型实施方案还包括在每个膜层内制作图案或电路的机构。一个变型在离子流内的掩膜和将掩膜图案放大到基材上的离子光学器件。另一个变型使用形成离子束的离子光学器件和控制离子束的反射板，以便在基材上画需要的图案。
在利用美国专利第5,015,528号所教的方法的第十一实施方案中，利用形成合成金刚石的方法，该方法涉及在有原子氢存在的情况下碳气源在包含流化床的基材上的汽相淀积。通过非金刚石材料的汽相淀积可以蒸镀上金刚石。
在利用美国专利第5,071,677号所教的方法的第十二实施方案中，在不同的基材上淀积金刚石薄膜和颗粒的方法是让能够供应(1)碳、(2)氢和(3)卤素的气体或气体混合物流过在基材上方的反应器。反应气体可以与惰性气体预混，以便在气体混合物总组成中保持低体积百分比的碳与丰富的氢。反应气体预处理到高能态是不需要的，因为在大多数现有技术的方法中使用化学汽相淀积。由于不需要预处理，所以可以施加到任何符合实际要求的尺寸、形状或构型的基材上。优选让反应气体通过反应器，该反应器的第一部分被加热到大约400℃至大约920℃的温度，更优选大约800℃至920℃的温度。金刚石将在其上生长的基材放在反应器内温度较低的区域中，该温度从大约250℃至大约750℃，这个温度范围是优选的金刚石生长温度范围。尽管可以使用较低的或较高的压力，但是优选的是在环境压力下实施该方法。只需象8小时那样少的时间就能获得大量的纯金刚石薄膜和颗粒。金刚石薄膜和颗粒的纯度已借助拉曼光谱和粉末X射线衍射技术得到证实。
在利用美国专利第5,080,753号所教的方法的第十三实施方案中，利用激光烧蚀技术在形成了朝硅基材上取向生长的立方晶相的单晶一氮化硼薄膜。
在利用美国专利第5,082,359号所教的方法的第十四实施方案中，在外来的基材上形成类似于金刚石的多晶薄膜的方法涉及在薄膜淀积前对基材进行预处理以便定义晶核形成部位。通过在基材的表面上形成不规则的图案为薄膜的淀积准备基材。这种不规则性通常是凹陷，它是按照与所需的薄膜结晶位置对应的预定图案安排的。这些凹陷优选具有均匀一致的预定尺寸(在亚微米和微米范围内)并且被预定的距离均匀一致地隔开。这些凹陷可以通过许多种技术形成，其中包括利用带图案的光刻胶进行离子束聚焦铣削、激光蒸发和化学蚀刻或等离子体蚀刻。一旦将基材准备好就可以利用许多已知技术淀积薄膜。用这种方法制备的薄膜是以具有规则的结晶表面图案为特征的，该图案可以安排成任何符合要求的图案。
在利用美国专利第5,096,740号所教的方法的第十五实施方案中，高纯度的立方晶系一氮化硼薄膜在基材上形成，其方法涉及使准分子激光器照射在包括硼原子和非必选的氮原子的靶上以及使立方晶系一氮化硼淀积在面对靶放置的基材上。
在利用美国专利第5,154,945号所教的方法的第十六实施方案中，使用红外激光器将金刚石薄膜淀积到基材上。在一个实施方案中，薄膜是在激光照射在表面上时由引入化学汽相淀积舱并且在待涂布的基材表面上方流动的CH4和H2的气体混合物淀积而成的。在另一个实施方案中，将超纯的碳以烟炱形式输送到待涂布的表面上并且在阻止碳被燃烧成CO2的气氛中将激光束引导到该表面上。
在利用美国专利第5,221,411号所教的方法的第十七实施方案中，使金刚石薄膜在非金刚石基材上展开的方法涉及在晶格面匹配的或晶格匹配的基材中移植碳离子。然后，对基材的移植区域进行热处理，以便在非金刚石基材上产生金刚石薄膜。通过这种方法在晶格面匹配的非金刚石基材上产生金刚石薄膜也被揭示了。优选的基材是晶格和晶格面与金刚石匹配的基材，例如铜；优选的移植方法是离子移植；而优选的热处理方法是脉冲激光热处理。
在利用美国专利第5,221,501号所教的方法的第十八实施方案中，采用生成透明的金刚石层压制件的方法，该方法使用第二层沉积在金刚石涂层上之后进行清理的基材，借此使金刚石的光滑表面暴露出来。第二涂层应当具有大体上与金刚石一致的折射指数，硒化锌和二氧化钛是特别优选的。具有两个光滑表面的金刚石薄膜也可以生产，其方法是在两片平行对置的基材上同时淀积直到两片金刚石薄膜融合在一起形成单一的薄膜或板，接下来至少将两片基材的一部分清除掉。
在利用美国专利第5,230,931号所教的方法的第十九实施方案中，借助等离子体加速的化学汽相淀积在物体表面上形成金刚石薄膜或1-碳(1-Carbon)薄膜。在淀积期间通过给该物体加偏压可以提高薄膜的硬度。
在利用美国专利第5,236,740号所教的方法的第二十实施方案中，为了形成一层金刚石薄膜涂层粘接的碳化钨基材采用下述方法进行预处理，首先在待涂布的基材表面上除去少量的碳化钨而留下钴粘接剂本质上保持原封不动。这个阶段优选的是Marakami试剂。然后，该基材再经受下述处理，即将完成清除碳化钨的处理后留在表面上的任何残留物清除。这个阶段优选的是硫酸和过氧化氢的溶液。采用未抛光的基材可以形成带金刚石涂层的粘接的碳化钨工具，其中所述基材可以在淀积金刚石薄膜之前借助上述的蚀刻或在硝酸中蚀刻进行预处理。大体上连续的金刚石薄膜的淀积可以通过活性汽相淀积、热加速的(灼热的灯丝)CVD、等离子体增强的CVD或其它技术来完成。
在利用美国专利第5,243,170号所教的方法的第二十一实施方案中，在基材表面上提供金刚石涂层薄膜的方法涉及等离子体射流淀积法，采用该方法淀积的金刚石薄膜具有不同于常规条件下形成的立方晶系的晶体结构，而是六方晶结构占主导地位，以便在涂布表面的硬度和光滑度方面大幅度增强工具的金刚石涂层所获得的优点。这种改进包括：单独用氢作为产生等离子体的气体；控制等离子体气氛的压力，使它不超过300托；将基材表面温度保持在800℃至1200℃下；以及使基材表面边界层内的温度梯度至少为13000℃/cm。
在利用美国专利第5,260,106号所教的方法的第二十二实施方案中，金刚石薄膜牢牢地附着在基材上，其方法是在表面上形成包括基材的主要成分和用于金刚石的烧结增强剂的混合物的第一层，然后在所述第一层上形成包括所述增强剂和金刚石的混合物的第二层，最后在第二层上形成金刚石薄膜。
在利用美国专利第5,264,071号所教的方法的第二十三实施方案中，金刚石借助化学汽化法淀积在基材上，但是金刚石与基材之间的键能被降低到金刚石可以作为独立的整体薄片从基材上取下的程度。降低键能的方法包括抛光基材、清除基材的棱角、淀积后使基材慢慢地冷却、在金刚石与基材之间冷却或施加或形成中间层时的中间温度延迟。独立的金刚石薄片的前景是具体地应用于图5所示实施方案。
在利用美国专利第5,271,890号所教的方法的第二十四实施方案中，在基材上形成碳的同素异形体涂层薄膜，其方法是将细碳粉源源不断地施加到基材上，同时用高输出功率的激光束照射该细碳粉，借此引发细碳粉升华，然后使升华的细碳粉骤冷使它淀积在基材上。
在利用美国专利第5,273,731号所教的方法的第二十五实施方案中，厚度大于50微米的大体上透明的多晶金刚石薄膜被制作出来。将氢与甲烷的混合物输送到与适当的基材(如钼基材)毗邻的灼热灯丝反应区，以便产生本质上透明的非粘合的多晶金刚石薄膜。
在利用美国专利第5,273,788号所教的方法的第二十六实施方案中，借助Langmuir-Blodgett技术将一层碳氢化合物分子施加到基材上，并且用激光照射该表面使表面上的那层分子分解但不影响基材。分解后碳原子在基材表面上重新排列形成DLC薄膜。
在利用美国专利第5,302,231号所教的方法的第二十七实施方案中，借助化学汽相淀积适合金刚石在金刚石基材上生长的方法涉及在升高的温度下使所述的金刚石基材与通式为CnXm的气体接触，然后与通式为ClZp的气体接触。X和Z都与碳形成单键。X和Z还可以通过反应形成ZX或其衍生物。Z-X键比C-X键牢固并且比C-Z键牢固。在通式中n、m、l、p都是整数。
在利用美国专利第5,516,500号所教的方法的第二十八实施方案中，金刚石材料是通过将含碳材料夹在两个电极之间的间隙中形成的。在两个电极板之间施加高安培数的电流以便给该含碳材料快速加热。该电流足以使含碳材料以至少大约5000℃/秒的速率升温，并且仅仅需要不足1秒的通电时间就能使含碳材料的温度升高至少大约1000℃。在中断电流时，含碳材料经受骤冷(冷却)。这可以采取使一个或多个电极与冷源(如大钢桌)接触的形式。可以使含碳材料反复地经受快速加热和骤冷(RHRQ)(例如在循环中)，直到用含碳材料制造出金刚石材料为止。在“保护”(惰性的或非氧化性的)气体(如氩Ar、氦He或氮气N2)中完成这个过程是有利的。在本发明的实施方案中，含碳材料是聚苯乙烯(如薄膜)或玻璃化碳黑(如薄膜或粉末)。在本发明的另一个实施方案中，含碳材料是聚合物、富勒烯(fullerene)、无定形碳、石墨或类似的东西。电极之一优选是希望在上面形成金刚石涂层的基材，并且基材本身被用作两个电极之一。
在利用美国专利第5,525,815号所教的方法的第二十九实施方案中，揭示了一种通过化学汽相淀积淀积的连续的金刚石结构，该结构具有至少两个受金刚石生长速率控制的导热性金刚石层，其中一个导热性金刚石层是在有利于高生长速率的基材温度下以高生长速率在化学汽相淀积舱中的基材(如钼)上生长的，就灼热灯丝化学汽相淀积而言该速率是每小时至少1微米，就微波等离子体加速的化学汽相淀积而言该速率是每小时至少2-3微米；其它导热性金刚石层是在生长速率和基材温度都低于高生长速率的金刚石层的条件下生长的。为了获得不呈现可区分的分离的柱状晶体层的连续的金刚石结构，并具有改进的热传导性，高生长速率的金刚石层和低生长速率的金刚石层可以按任何顺序淀积。
在第三十实施方案中，利用在PCT公报WO 95/31584(对应于国际专利申请PCT/US95/05941)中教导的方法，例如来自UV准分子激光器、Nd：YAG红外激光器和CO2红外激光器的能量通过喷嘴对准基材表面，以使基材(如钢)内的含碳成分(如碳化物)迁移和汽化。辅助的次级来源(例如含碳气体(如CO2))和惰性的保护气体(如N2)也被引导通过该喷嘴。汽化成分的元素借助该能量发生反应，将其物理结构变成复合材料结构(例如从碳变成金刚石)，它向基材的背面扩散形成复合材料。
在第三十一实施方案中，利用在PCT公报WO 95/20253(对应于国际专利申请PCT/US95/00782)中教导的方法，将激光能量对准基材，使包含在基材内成分的(主要)元素(如碳)迁移、汽化和反应，以便修改该成分元素的组成(例如晶体结构)并且使修改后的成分向后扩散进入基材，作为在基材表面上制作涂层(如金刚石或金刚石状的碳)的附属品。这将在基底下面直接形成一个转化区，在金相方面该区域从下层基材结构过渡到在基材表面上制作的涂层结构，这导致涂层对基材的扩散结合。相同的(如碳)或不同的辅助(次要)元素可以被引入在基材表面上或上方的反应区，以便加强涂层的制作和确定涂层的结构。可以通过把准分子激光器、Nd：YAG激光器和CO2激光器结合起来提供激光能量，这些激光器的输出射束优选通过将次要元素输送到反应区的喷嘴。该反应区受通过该喷嘴输送的惰性的(非活性的)保护气体(如N2)的保护。扁平的等离子体可以借助这些激光形成，基材表面上的成分元素和次要(第二)元素以及扁平的等离子体非必选地围绕着基材边缘扩展，以便在其上制造涂层。预处理和制造涂层可以相互结合地(就地)完成。另外，基材可以通过预处理使其表面特征适合随后的涂布。在任何情况下，由于进行了预处理，某些有利的金相变化都包括在基材之内。这些过程(预处理和制造涂层)都是在不给基材预热和不抽真空的条件下适当地完成的。激光相对基材和/或等离子体以任何适当的角度(包括共轴)对准基材和/或等离子体。
应当理解，即使本发明的许多特征和优点与本发明的结构和功能的细节一起已经在前面的介绍中做了陈述，但是这些揭示仅仅是说明性的，在权利要求书所规定的本发明的范围内在细节方面可以有各种变化，特别是在零件的形状、尺寸和布局方面。

Claims (32)

1.一种在连续铸造设备中使用的改进的模具壁组件，包括：
内层部分，该部分的结构和布局适合在操作期间将热量通过热传导排出模具衬层；以及
外表面，该表面形成模具的铸造表面，所述外表面包括具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料，借此在连续铸造设备中模具衬层在其操作期间将呈现高级良好的耐剥蚀和热转移特征。
2.根据权利要求1的模具壁组件，其中所述具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料选自金刚石和晶体一氮化硼。
3.根据权利要求1的模具壁组件，其中所述具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料包括含碳材料。
4.根据权利要求1的模具壁组件，其中所述具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料包括碳的同素异形体。
5.根据权利要求2的模具壁组件，所述具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料在红外波段大体上是透明的。
6.根据权利要求5的模具壁组件，进一步包括透过所述材料光学法监视连续铸造过程的性质的光学监视装置。
7.根据权利要求6的模具壁组件，其中所述光学监视装置包括光纤，该光纤光学耦合在所述透明材料的侧壁上与模具的铸造表面相对。
8.根据权利要求6的模具壁组件，其中所述光学监视装置包括测量通过所述材料透射的光线的光谱特征的光谱测量装置。
9.根据权利要求6的模具壁组件，其中所述光学监视装置进一步包括分析用所述的光谱测量装置测量到的光线的光谱特征的装置。
10.根据权利要求9的模具壁组件，其中所述光学监视装置进一步包括：对用所述的光谱测量装置测量的光线的光谱特征进行分析的装置的分析结果作出反应，以修改连续铸造过程的至少一个性能变量的装置。
11.根据权利要求9的模具壁组件，其中所述的用于分析所述的光谱测量装置测量到的光线的光谱特征的装置包括：感受位置毗邻模具壁组件的铸造长锭外表面的温度的装置。
12.根据权利要求10的模具壁组件，其中对所述的用于分析所述的光谱测量装置所测量到的光线的光谱特征的装置所完成的分析作出反应、以便修改连续铸造过程中的至少一个性能变量的装置包括：调整连续铸造设备的撤离速度的装置。
13.根据权利要求10的模具壁组件，其中所述的对由所述光谱测量装置测量到的光线的光谱特征进行分析的装置所完成的分析作出反应、以修改连续铸造过程中的至少一个性能变量的装置包括：调整热量从所述的内层部分向外转移的转移速率的装置。
14. 一种制作连续铸造材料的方法，该方法包括下述步骤：
(A)将熔融金属引入模具，该模具包括许多模具表面，其中至少一个具有外部涂层的模具表面，所述涂层包括具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料；
(B)通过热传导使热量通过外部涂层从熔融金属中排出使熔融金属冷却；以及
(C)将铸造长锭从模具中取出。
15.根据权利要求14的方法，其中步骤(A)是在所述的具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料选自金刚石和晶体一氮化硼的情况下完成的。
16.根据权利要求14的方法，其中步骤(A)是在所述的具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料包括含碳材料的情况下完成的。
17.根据权利要求14的方法，其中步骤(A)是在所述的具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料包括碳的同素异形体的情况下完成的。
18.根据权利要求14的方法，其中步骤(A)是在所述的具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料在红外波段大体上是透明的情况下完成的。
19.根据权利要求18的方法，进一步包括通过所述的透明材料用光学法监视连续铸造过程的性质的步骤。
20.根据权利要求19的方法，其中所述的通过所述的晶体透明的金刚石材料用光学法监视连续铸造过程的性质的步骤涉及使用光学耦合在所述材料与模具的铸造表面相对的一侧上的光纤。
21.根据权利要求19的方法，其中所述的透过所述透明材料光学监视连续铸造过程的性质的步骤包括：测量透过所述材料的光线的光谱特征。
22.根据权利要求21的方法，其中所述的光学监视步骤进一步包括：对用所述的光谱测量装置测量的光线的光谱特征进行分析的步骤。
23.根据权利要求22的方法，进一步包括对用所述的光谱测量装置测量的光线的光谱特征进行分析的步骤作出反应，以修改连续铸造过程的至少一个性能变量的步骤。
24.根据权利要求22的方法，在所述的对用所述的光谱测量装置测量的光线的光谱特征进行分析的步骤中，进一步包括：
感受位置毗邻模具的铸造长锭外表面的温度。
25.根据权利要求23的方法，其中所述的修改连续铸造过程的至少一个性能变量的步骤包括：调整连续铸造装置的撤离速度。
26.根据权利要求23的方法，其中所述的修改连续铸造过程的至少一个性能变量的步骤包括：调整热量从所述内层部分向外转移的转移速率。
27.一种用于连续铸造装置的改进的模具组件，包括：
许多模具壁，所述的每个模具壁都至少具有一个模具表面，所述的模具表面一起定义一个具有上开口和下开口的铸造空间，并且
其中至少一个所述的模具表面是由具有高导热性的耐剥蚀的非金属材料制成的，借此该模具组件将在连续铸造装置运行中呈现良好的耐磨耗和热转移特征。
28.一种制作连续铸造材料的方法，该方法包括下述步骤：
(A)将熔融金属引入模具，该模具包括许多模具表面；
(B)借助传导型热转移使热量通过模具表面从熔融金属中传导出去从而使熔融金属得到冷却；以及
(C)借助通过至少一个所述的模具表面发生的辐射型热转移进一步冷却模具内的熔融金属。
29.根据权利要求28的方法，其中至少一个模具表面包括在红外波段大体上是透明的材料。
30.根据权利要求29的方法，其中所述材料选自金刚石和晶体一氮化硼。
31.一种用于连续铸造装置的改进的模具组件，其中包括：
一个形成模具铸造表面的表面，所述表面至少对于红外波段的辐射是局部透明的，借此该模具能够借助通过所述表面发生的辐射型热转移冷却模具内的熔融金属。
32.根据权利要求31的模具组件，其中所述材料选自金刚石和晶体一氮化硼。
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