TWI451921B - 鑄模 - Google Patents

Description

鑄模

本發明涉及一種具有申請專利範圍第1項前言所述特徵之鑄模。

在澆鑄時，特別是在金屬(特別是鋼)的連續澆鑄時，由銅材料構成的鑄模經歷巨大的熱負載，特別是在澆鑄浴鏡面之區域中且特別是在澆鑄速率較2米/分鐘大很多之快速澆鑄的連續澆鑄設備中的熱負載很大。此種熱負載會造成銅材料中材料的變化或裂傷，這樣會使鑄模之停機時間大大地縮短。

在快速澆鑄的連續澆鑄設備(例如，薄扁錠設備)中，目前幾乎只使用CuAg-合金作為銅材料。特別是在新的硬模板之參考配件中，銅材料必須在較短的時間之後由製程中取出且更換，此乃因在澆鑄區或浴鏡面區中須對各種膨脹進行調整。由於膨脹，則位於下方的材料將會流動，使得該膨脹最後會持續著且相對應的鑄模必須再處理。

以CuCrZr-、CuCoBe-、或CuNiBe-合金為主之銅材料顯示出很弱的膨脹性，但其在溫度變換的應力下傾向於較以CuAg-為主的銅材料更早地形成裂痕，特別是在扁錠之快速的連續澆鑄過程中以CuCrZr-、CuCoBe-、或CuNiBe-為主之銅材料只使用在一些特殊情況中。

本發明的目的是提供一種鑄模，其中可在浴鏡面區中防 止膨脹以及裂痕的形成，這樣就可提高該鑄模的使用時間，且在快速澆鑄時特別是可使用以CuCrZr-、CuCoBe-、或CuNiBe-合金所構成之銅材料。

上述目的以具有申請專利範圍第1項特徵之鑄模來達成。

申請專利範圍各附屬項涉及有利的其它形式。

重要的是，在澆鑄面中配置至少一膨脹縫，其中該膨脹縫之寬度須小，使得在澆鑄過程中金屬熔合物不會侵入至該膨脹縫中。藉由該膨脹縫，可使銅材料對應於熱負載而在多個方向中自由地膨脹。於是，可使該鑄模不會在一側發生膨脹，使有害的內部應力減小或完全消失。此外，可快速地使該鑄模冷卻而不會形成裂痕。

特殊的特徵在於，該膨脹縫的寬度選擇成很小，且甚至須很小，使金屬熔合物不會由於其表面應力而進入至該膨脹縫中。藉由本發明之鑄模，可對不同的金屬熔合物(特別是鋼-、鋁-、或銅合金)進行澆鑄。

各膨脹縫具有使位於各膨脹縫之間的材料區之熱膨脹受到補償且在快速的冷卻時防止裂痕的形成之功能。依據標準，硬模在其與金屬熔合物之接觸側上形成平面或形成很輕微的表面組織，其中整體而言通常仍存在一種幾乎是平坦的表面。該些組織對金屬熔合物之浴鏡面中的情況具有較小的影響。該膨脹縫不是一種表面組織，反之，該膨脹縫基本上所具有的深度較寬度大很多。深度對寬度的比例較佳是10：1，特別是20：1至50：1。各膨脹縫較佳是應 具有很小的寬度，其是在0.1至最多0.4毫米之範圍中。在澆鑄過程中(即，在鑄模之熱負載最大時)，注入側的寬度不應大於0.4毫米，其在室溫時較佳是不大於0.4毫米。

該膨脹縫之寬度不只與金屬熔合物之表面應力有關，而且亦與各膨脹縫之距離有關。主要是須確保：金屬熔合物不會侵入至膨脹縫中。另一方面，該膨脹縫亦應足夠寬，以便可補償相鄰的材料區之熱膨脹。在澆鑄過程中，當寬度至少在注入之區域(即，該膨脹縫之靠近澆鑄面之區域)中較室溫時所測得的寬度還小至少90%時被視為是有利的。

各膨脹縫較佳是配置成互相隔開一距離，此距離選擇成在澆鑄過程中會由於熱膨脹而使各膨脹縫在注入側受到最大程度的封閉。即，在室溫時各膨脹縫是敞開的，但須進行測量且進行配置，使各膨脹縫會由於熱膨脹而最大部份地或完全地被封閉。

各膨脹縫平行地配置著及/或與澆鑄方向成橫向而配置著。各膨脹縫亦可配置成特定的圖樣，例如，配置成蜂房形或菱形。各膨脹縫之外形可以是直線形或彎曲形。各膨脹縫未必都具有相同的橫切面或相同的長度。各膨脹縫之外形和配置是與具體的應用情況有關。

依據各膨脹縫之位置，各膨脹縫以互相不同的距離而配置著。然而，基本上各膨脹縫仍試圖配置成在澆鑄過程中在澆鑄側被封閉著。

由於製程技術上的原因，各膨脹縫之側壁在室溫時互相 平行地膨脹著。基本上亦可使各膨脹縫形成為多個後切部或具有寬度，其中朝向注入側的寬度大於朝向縫底部之寬度。各膨脹縫之幾何形狀的選擇在該鑄模之各別區域中是依據溫度落差來進行。

各膨脹縫應有助於該鑄模內部的應力消除。因此，各膨脹縫之縫底部可形成為對各膨脹縫之側壁成一角度，即，形成有角隅狀或亦可形成圓形狀，以防止應力尖峰。

對於應力補償之功能而言重要的是，各膨脹縫具有特定的最小深度。特別是應測量各膨脹縫之深度，使各膨脹縫之最深處(即，位於最深之點)會由於冷卻而儘可能地未受到熱應力。該鑄模基本上會受到冷卻作用。於是，多個冷卻通道以冷卻槽或冷卻孔的形式而施加在鑄模的背面上。各膨脹縫應膨脹至該鑄模的一種深度中，其中可藉由背面的冷卻而在澆鑄過程中使與溫度有關-且會造成該鑄模之膨脹的應力不會發生。為了此一目的，各膨脹縫可在其最深的位置處具有一種至少8毫米之深度。

各膨脹縫之深度可朝向下方(即，澆鑄方向)而減少，此乃因溫度負載隨著至澆鑄鏡面之逐漸增大的距離而連續地減少。須以長形方式來形成該膨脹縫，使縫底部通常保持著充份的無應力狀態。縫底部因此可由上向下以逐漸減小的深度而在對澆鑄面成平坦角度中膨脹。

在幾乎無應力的膨脹中，特殊的設計方式是：該膨脹縫之深度朝向該膨脹縫之末端而減少。縫底部可在縱切面中成弧形地延伸，這特別適用於該鑄模之由較大的深度至澆 鑄面之過渡區中。

在有利的另一形式中，澆鑄開始時的膨脹縫暫時地封閉。於是，可設置一種填料，其在澆鑄過程中由膨脹縫中釋放出來。以此種方式，則能以較大的寬度來設置各膨脹縫，其只有在較高的溫度下才封閉或寬度減少至一種程度，使金屬熔合物不會侵入至膨脹縫。例如，可列舉出石墨糊以作為填料。

除了朝向澆鑄面成敞開的膨脹縫之外，在另一實施形式中各膨脹縫設置成在其注入側被封閉。這同樣可在澆鑄開始時像以石墨糊來填充時一樣有利。各膨脹縫之封閉例如可藉由下述方式來達成：該鑄模設有一種用來使磨損減小之塗層，其在該鑄模之持續的使用時間中可被剝蝕。然而，注入側封閉的膨脹縫亦會使膨脹減少或不會發生且在快速冷卻時亦會使裂痕的形成減少或不會發生，這與所塗佈的塗層無關。因此，基本上亦可在注入側藉由轉熔化方法(例如，摩擦活化焊接法)而將各膨脹縫封閉。

本發明的鑄模可以是一種硬模板、硬模管、澆鑄輪、澆鑄滾筒或坩堝。本發明的構想是形成一種具有寬度的膨脹縫，其須夠小以便在剝蝕該注入側的塗層時金屬熔合物不會侵入至膨脹縫中，其基本上適用於與金屬熔合物相接觸的所有形式之鑄模，且不限於特定的幾何形式之鑄模。

各膨脹縫在澆鑄時配置在溫度負載最大的區域中。各膨脹縫可開始於澆鑄鏡面之上方或各膨脹縫之上端可位於該澆鑄鏡面之上方。各膨脹縫亦可完全配置在該澆鑄鏡面下 方。

本發明的鑄模之特殊優點在於，由於幾何上的形式，則亦可使用以CuCrZr-、CuCoBe-、或CuNiBe-合金為主之銅材料。已顯示的事實是，在以CuAg-合金作為鑄模用的銅材料而進行澆鑄時，特別是在快速澆鑄時，可在浴鏡面區中使硬模板之靠近表面之層加熱至大於350℃之溫度，這樣可引起該銅材料之再結晶。於是，該銅材料成為粗顆粒狀而變軟且失去對腐蝕和其它侵蝕之抵抗性。CuAg-材料中已確定的特殊效果是：一參考配件中顯著的膨脹。浴鏡面區中局部性的膨脹妨礙了澆鑄期間硬模狹窄側之調整。在重新開始澆鑄時，在狹窄側和較寬側之間會在靠近膨脹處形成大的間隙。

以CuCrZr-、CuCoBe-、或CuNiBe-為主之銅材料改變了其材料特性，其中在澆鑄時現存的溫度不會改變或只很慢地改變。然而，在澆鑄過程中由於所施加的熱而亦會使該銅材料受到內部的熱應力。由於浴鏡面高度之突然改變或在澆鑄過程結束時突然發生的溫度變動會在最後所提及的銅合金中很快地造成裂痕，其會不期望地限制該銅合金之使用頻譜。然而，藉由本發明，特別是鉻含量0.65%且鋯含量0.1%之CuCrZr-合金、鈷含量1.0%且鈹含量0.1%之CuCoBe-合金、以及鎳含量1.5Wt.%且鈹含量0.2Wt.%之CuNiBe-合金亦可用於快速之澆鑄過程中，特別是用於連續澆鑄之硬模中。

各膨脹縫由於其小的寬度(特別是因切削加工)而例如可 藉由使用很薄的切鋸片來製成。亦可使用雷射來對各膨脹縫進行烙印或以適當的侵蝕方法來製成各膨脹縫。其它加工用的模以及上述各製造方法之組合亦不排除。

本發明以下將依據附圖中的實施例來詳述。

第1圖顯示由銅材料構成的鑄模之一小部份，其形式特別是連續澆鑄式硬模之硬模板。

第1圖顯示硬模板形式之鑄模之一部份區域之橫切面。鑄模1具有一種面對未詳細顯示的金屬熔合物之澆鑄面2。澆鑄面2中配置多個膨脹縫3，其互相平行而延伸且垂直於該澆鑄面2。各膨脹縫3被組構成相同且具有寬度B，其須夠小以使澆鑄過程中金屬熔合物不會侵入至各膨脹縫3中。本實施例中，該寬度B是0.4毫米。各膨脹縫3中以石墨糊形式之填料4來填充。在澆鑄過程中，該填料4由各膨脹縫3中釋放出來。在澆鑄開始時，須防止金屬熔合物進入至各膨脹縫3中。

所示的各膨脹縫3在其注入側5是敞開的。各膨脹縫3具有深度T，其較該寬度B大很多且較佳是至少為8毫米。各膨脹縫3到達該鑄模1之位於冷卻凹口6附近之深度區中，該冷卻凹口6由圖中所示之鑄模1之背面7而延伸至該鑄模1中。冷卻凹口6由冷卻水所流過。須測量各膨脹縫3之深度T，使各膨脹縫3之最深處可藉由各冷卻凹口6之區域中之冷卻而未受到熱應力。當然，不可避免的是，該鑄模1之銅材料在靠近該澆鑄面2之區域中會發生熱膨 脹，就像第2圖中可辨認者一樣。由於該澆鑄面2之區域中的溫度最大，則在澆鑄過程中各膨脹縫之注入口8將封閉，使金屬熔合物不會侵入至各膨脹縫3中。各膨脹縫3因此在澆鑄過程中具有一種由槽底部朝向上方成圓錐狀變窄的橫切面。

各膨脹縫3理想方式是以距離A而互相配置著，須測量此距離A，使其在室溫測量時加上在室溫測量時的寬度B之後等於澆鑄過程中各膨脹縫之注入口8之距離C。換言之，滿足條件A+B=C。在此種狀態下，在注入口8之區域中不會造成熱應力且因此在至金屬熔合物之方向中不會造成該鑄模1之膨脹。在冷卻時，注入口8之距離C又減小至室溫時之距離A。各膨脹縫3在注入側又敞開，使該澆鑄面2或該鑄模1之內部中不會形成裂痕。各膨脹縫3之側壁9然後又互相平行而延伸，如第1圖所示，且不再互相成一種角度，如第2圖所示。

第3圖顯示另一形式，其中膨脹縫3之注入側5藉由用來使摩損減小之塗層10而被封閉。在此種形式中各膨脹縫縫3亦可防止銅材料之裂痕的形成或對避免膨脹的形成作出貢獻。這特別是在該塗層10由於該鑄模1之持續之損耗而被剝蝕時發生作用。

又，第3圖之實施形式中應指出：縫底部11例如在所有其它的實施形式中都被圓形化而形成。縫底部11亦可以成為角隅形，就像第1圖和第2圖之實施例中可辨認者一樣。

第4圖之實施形式不同於第3圖之處在於：各膨脹縫3 在注入側不是由塗層10來封閉而是藉由一種轉熔化方法(例如，摩擦活化焊接法)來封閉。

第5圖顯示沿著第4圖之線V-V之縱切面圖。由第5圖可辨認出：膨脹縫3之深度T朝向其末端12而減小。特別是縫底部11在某種程度上在膨脹縫3之縱向中被圓形化。由膨脹縫3之最深處至澆鑄面2之過渡區因此不是跳躍式地形成而是連續地形成。

第6a圖至第6c圖顯示各膨脹縫3之可能的外形之三種不同的實施例，其分別與鑄模1之澆鑄面2之圖式有關。在第6a圖之形式中，各膨脹縫3以平行的距離互相在金屬熔合物之澆鑄方向G中延伸，金屬熔合物在圖面中由上朝下而在鑄模旁流過。第2圖所示的另一實施形式顯示多個膨脹縫3，其定向成與澆鑄方向G成橫向。第6c圖所示的另一形式顯示交叉之膨脹縫3，其形成棋盤式或蜂房式之圖樣。各膨脹縫3之每一種不同的定向都是可能的。各膨脹縫之外形未必是直線而是亦可為彎曲形。就像各膨脹縫之外形可改變一樣，各膨脹縫3之深度、寬度和距離亦可改變。

1‧‧‧鑄模

2‧‧‧澆鑄面

3‧‧‧膨脹縫

4‧‧‧填料

5‧‧‧注入側

6‧‧‧冷卻凹口

7‧‧‧背面

8‧‧‧注入口

9‧‧‧側壁

10‧‧‧塗層

11‧‧‧縫底部

12‧‧‧末端

A‧‧‧距離

B‧‧‧寬度

C‧‧‧距離

G‧‧‧澆鑄方向

T‧‧‧深度

第1圖顯示室溫時鑄模之一部份區域之橫切面。

第2圖顯示澆鑄操作時第1圖之橫切面。

第3圖顯示鑄模之另一實施形式，其在澆鑄面上具有塗層。

第4圖顯示鑄模之另一實施形式，其具有多個膨脹縫， 各膨脹縫縫藉由轉熔接方法來封閉。

第5圖是沿著第4圖之線V-V之縱切面。

第6a圖至第6c圖是具有不同定向之膨脹縫之鑄模之澆鑄面之俯視圖。

1‧‧‧鑄模

2‧‧‧澆鑄面

3‧‧‧擴張縫

4‧‧‧填料

5‧‧‧注入側

6‧‧‧冷卻凹口

7‧‧‧背面

9‧‧‧側壁

A‧‧‧距離

B‧‧‧寬度

T‧‧‧深度

Claims (10)

1. 一種由銅材料構成的鑄模，具有一與金屬熔合物相面對的澆鑄面(2)，其特徵為：該澆鑄面(2)中配置至少一膨脹縫(3)，其中該膨脹縫(3)具有寬度(B)，其須夠小以使澆鑄過程中該金屬熔合物不會侵入至該膨脹縫(3)中；其中各膨脹縫中以填料來填充且其中該填料在澆鑄過程中由該等膨脹縫(3)中釋放出來。
2. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中該寬度(B)是在0.1至0.4毫米之範圍中。
3. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中須測量各膨脹縫(3)之深度(T)，使各膨脹縫(3)之最深處藉由冷卻而不存在熱應力。
4. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中各膨脹縫(3)之深度(T)朝向各膨脹縫(3)之末端(12)而減小。
5. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中各膨脹縫(3)之側壁(9)在室溫時互相平行地延伸或以一種角度而延伸。
6. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中各膨脹縫(3)須在其寬度(B)中進行測量且以距離(A)而互相配置著，使各膨脹縫(3)在澆鑄過程中由於熱膨脹而最大程度地在注入側被封閉。
7. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中該鑄模(1)是硬 模板、硬模管、澆鑄輪、澆鑄滾筒或坩堝。
8. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中各膨脹縫(3)配置在該鑄模(1)之溫度負載最大的區域中。
9. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中該銅材料是CuCrZr-、CuCoBe-、或CuNiBe-合金。
10. 如申請專利範圍第1項之鑄模，其中槽底部設有一種過渡半徑。