包括样式调节系统的连续带材铸造装置和连续铸造方法与流程

发明领域

本发明涉及用于进行金属带材铸造的方法和装置。本发明特别适用于双辊铸造，但也可应用于其它连续或准连续铸造工艺，例如带式铸造，块铸造和DC(直接冷却)铸造。

有关技术

本发明人已经提出使用电磁边缘屏障(electromagnetic edge dam)用于铝双辊铸造。其相关讨论在参考文献McBrien和Allwood(2013)中阐述。

双辊铸造包括在两个反向旋转的冷却辊之间供给液态金属，金属在冷却辊之间固化并形成具有均匀厚度和宽度的片材。液态金属通常被约束在具有设定片材宽度的机械的“边缘屏障”的固定的陶瓷供料系统中。这些屏障在每次浇铸后，或者当要浇铸不同宽度的片材时必须更换。

期望的是限制在铸造工艺和最终产品形成之间金属的产率损失。

McBrien和Allwood(2013)提出了一种在双辊铸造工艺中使用的可移动电磁(EM)边缘屏障。与已知的机械的解决方案相比，EM约束的非接触性质意味着可以实现更长的铸造时间，同时EM边缘屏障的几何形状被设计成使得线圈的宽度可以在铸造期间通过边缘屏障的简单位移来改变。

发明概述

本发明人认为可以进一步改进已知的带材铸造方法，例如双辊铸造。特别地，在本发明的第一发展中，他们认为更紧密地控制固化的金属带材的横截面样式(即，横截面形状和/或横截面面积)的能力将具有显着的商业意义，允许铸造具有比已知方法更接近期望的最终形状的形状的带材。这又将允许在将铸造带材修整成期望的最终形状时浪费较少的铸造带材。已经设计了本发明的第一发展以便解决已知的方法不能为这个问题提供令人满意的解决方案的事实。优选地，本发明减少、改善、避免或克服了该问题。

在总体方面，本发明的第一发展提供了在带材铸造期间与屏障的移动协作地控制熔融金属供料中的熔融金属压力，以便改变供给到辊的熔融金属供料的横截面样式，并因此改变固化的金属带材的横截面样式。

因此，在第一优选方面中，本发明的第一发展提供了一种连续铸造装置，用于铸造具有沿着带材的长度变化的横截面样式的金属带材，该连续铸造装置包括：

相对的冷却设备；

熔融金属供料系统，其可定位以在该相对的冷却设备之间提供用于固化的熔融金属供料，以沿着长度方向形成固化的金属带材；

样式调节系统，其包括至少一个屏障以至少部分地确定供给到相对的冷却装备的熔融金属供料的横截面样式，从而确定固化的金属带材的横截面样式，其中，屏障在装置的操作期间是可移动的以改变供给到相对的冷却设备的熔融金属供料的横截面样式，

该连续的铸造装置还包括：

熔融金属压力控制系统，其可操作以在装置的操作期间与屏障的移动协作地控制熔融金属供料中的熔融金属的压力。

在第二优选的方面中，本发明的第一发展提供了一种连续铸造方法，用于铸造具有沿着带材的长度变化的横截面样式的金属带材，该方法包括：

提供用于在两个相对的冷却设备之间固化的熔融金属供料，以沿着长度方向形成固化的金属带材；

操作样式调节系统，该样式调节系统包括至少一个屏障以至少部分地确定到供给相对的冷却设备的熔融金属供料的横截面样式，并且从而影响固化的金属带材的横截面样式，其中，屏障在装置的操作期间被移动以改变到供给相对的冷却设备的熔融金属供料的横截面样式，

操作熔融金属压力控制系统，用于在铸造期间与屏障的移动协作地控制熔融金属供料中的熔融金属的压力。

本发明的第一发展的第一和/或第二方面可以具有以下可选特征的任何一个或在它们是兼容的范围内的任何组合。

优选地，本发明用在双辊铸造中。在这种情况下，该相对的冷却设备是辊。由于下游变形(即，在双辊铸造之后为了制造最终产品而施加到带材上的变形)通常相对较小，因此双辊铸造特别适合。因此，通常不会进行带材的随后的轧制，或者仅进行到较小的程度。这意味着带材的不规则横截面样式不是显著的长形的。

可选地，本发明可应用于其它连续或准连续铸造工艺，例如带式铸造，块铸造和DC(直接冷却)铸造。

铸造带材的横截面样式包括铸造带材的横截面形状和/或横截面面积。在本领域中，术语“横截面轮廓”通常被保留以描述带材横跨其宽度的厚度的变化。该术语因此包括在术语“横截面形状”的范围内。因此，本发明的优选的实施方案可以用于在铸造连续的带材期间改变带材的横截面样式，例如，通过增加带材的宽度和/或减小带材的宽度和/或包括带材中的孔。预期的是，带材的横截面样式的变化不包括带材的仅厚度的均匀变化(横跨带材的宽度)。这种厚度变化可以例如通过在铸造运行期间改变辊的间距和速度和/或改变沿着辊的固化长度来实现。

优选地是，带材的宽度为至少500mm，更优选地，至少1000mm。带材的宽度通常不大于2000mm。带材的厚度优选地为至少1mm，更优选地为至少2mm。带材的厚度可以达到10mm。带材的长度没有特别的限制。实践中，带材的最大长度由待铸造的可用金属和制造商处理铸造带材，例如，通过将铸造带材置于卷取机上的能力决定。

优选地，屏障是由至少一个电磁体提供的AC电磁场屏障。优选地，该电磁场屏障以至少0.5kHz的频率操作。更优选地，该电磁场屏障以至少1kHz的频率操作。该电磁场屏障可以以多达100kHz的频率操作。更优选地，该电磁场屏障以多达50kHz或达到30kHz的频率操作。

优选地，该电磁场屏障是可操作的以在熔融金属供料内提供至少25mT的磁场强度(磁通密度)。

优选地，提供电磁场屏障的电磁体是可操作的以提供至少1000At(安匝)的磁动势。

该电磁体优选地具有已知的种类的通量集中器和载流绕组。该通量集中器优选地具有马蹄形或C形，其中提供间隙以便将通量集中器安装在供料嘴(feed tip)周围。通量集中器的形状适合于符合供料嘴附近的辊的形状，这将在下面讨论。该电磁体优选地定向成使得马蹄形或C形的臂沿着铸造带材的纵向方向在供料嘴后面会合。这允许屏障沿供料嘴横向于铸造方向在宽范围内移动。

该熔融金属供料系统通常包括供料嘴。供料嘴通常将熔融金属输送到相对的冷却设备。可以提供熔融金属储器。金属储器可以经由管道与供料嘴流体连通。储器，管道和/或供料嘴可以设置有合适的加热和/或绝缘，以便在固化之前将熔融金属保持在期望的温度。忽略管道和供料嘴中的损失(其特别适合于例如，在双辊铸造中的相对小的流速的情况)，供料嘴中的熔融金属的静态压力与在和供料嘴相同的高度处的储器中的熔融金属的静态压力大体上相同。因此，可以通过控制储器中的熔融金属的压力来控制供料嘴处的熔融金属的压力。方便地，这可以通过控制储器中的熔融金属的水平来完成。实现这一点的一种方式是相对于供料嘴升高或降低储器。然而，这可能需要柔性管道，且因此这不是特别优选的。更优选的选择是使储器中的熔融金属排开，以便控制与供料嘴相比的储器中的熔融金属的水平的位置。

特别优选的布置具有排开主体，该排开主体布置成被推入到储器中。合适的排开主体被设定尺寸并成形为安装到储器中以为该储器中的熔融金属留下合适的空间。合适的排开主体是绝缘的和/或主动加热的，以便限制其对冷却熔融金属的影响。将排开主体推入到储器中以使熔融金属排开，从而改变储器中的熔融金属的水平。进而，这调节储器和供料嘴中的熔融金属的静态压力。

与例如限制熔融金属沿管道的流动相比，使用排开主体控制压力的优点在于，实现熔融金属压力的快速且精确的调节是可能的。

优选地，当屏障被移动以便增加带材的宽度时，熔融金属压力增加。据认为，这通过更快地填充先前被屏障阻塞的供料嘴中的空间而提供了优点。这允许带材的宽度更快且更确定地增加。

优选地，一旦屏障已经被移动以增加带材的宽度且该宽度已经增加至所需的量，熔融金属压力减小。例如，熔融金属压力可以减小到与带材的宽度增加之前所使用的水平相对应的水平。

优选地，当屏障被移动以便减小带材的宽度时，熔融金属压力减小。据认为，这通过减小抵抗带材宽度的减小而作用的力而提供了优点。这允许带材的宽度更快且更确定地减小。

优选地，一旦屏障已经被移动以减小带材的宽度且该宽度已经减小至所需的量，熔融金属压力增加。例如，熔融金属压力可以增加到与带材的宽度减小之前所使用的水平相对应的水平。

通过这种方式，优选地，熔融金属压力控制系统用于在屏障运动期间调节熔融金属压力，以便增加带材的横截面样式的可靠变化的速度。

此外，熔融金属压力控制系统可以用于在需要保持带材的大体上恒定的横截面样式，例如，恒定的宽度的情况下保持大体上恒定的熔融金属压力。

优选地，该方法大体上允许带材的横截面样式的阶跃变化。例如，该方法可以允许带材的宽度沿带材的纵向(铸造)方向在30cm的距离上改变至少10％。在一些实施方案中，该方法允许实现更急剧的宽度变化。例如，实现带材的宽度沿带材的纵向(铸造)方向在10mm或更少的距离上改变至少10％。可以实现甚至更大的宽度变化。例如，可以实现带材的宽度沿带材的纵向(铸造)方向在10mm或更少的距离上改变多达50％。在这种情况下，宽度的绝对变化从130mm到65mm。这里，边缘屏障以大约100mm/s的速度移动，这远大于Smith等人(2004)用机械屏障所表明的速度(1.5mm/s)。

屏障可以是可移动的，例如通过具有沿供料嘴横向可移动的电磁体。然而，在不同位置处提供能够选择性地切换到操作的至少两个屏障的阵列是可能的。从一个屏障切换到另一个屏障的效果具有移动屏障位置的效果。因此，这相当于移动屏障。可以提供两个以上的屏障的阵列，例如，三个、四个、五个、六个或更多。屏障的实际位置可以相对于供料嘴是固定的，但是选择性地接通和切断屏障提供了有效可移动的屏障。优选地，这些屏障是EM屏障。

在边缘屏障的控制控制铸造带材的边缘的位置的意义上，该屏障可以是边缘屏障。可以在铸造带材的相对侧提供边缘屏障。

然而，该屏障不一定必需是边缘屏障。这是因为本发明人已经认识到，具有在屏障的每一侧上的熔融金属流动的屏障的操作使得屏障充当分流器，使熔融金属流从分流器作用的特定区域转向。在分流器不在熔融金属流的外边缘处的情况下，分流器的操作可以导致在铸造带材中形成开口。当铸造继续时，分流器的移动可以导致开口的形状的相应变化。分流器的进一步运动和/或分流器的停用可以关闭该开口。

该分流器可以是EM分流器，其具有如上面描述的关于EM屏障的结构和操作能力。可以提供一个或多个可移动分流器。可选地，可以提供两个或更多个的静态分流器的阵列，其可以如上面描述的静态屏障阵列一样切换到操作以及从操作中切换出来。

发明人已经认识到，然而，当使用分流器时(尽管其可能是优选的)，压力控制可能不是必需的。因此，在本发明的第二发展中，本发明人已经考虑可以对带材铸造进行的另外的可能的改进。他们已经认识到，不仅在带材的边缘的位置方面，而且在带材中定位孔方面影响带材的横截面样式是可能的。这里“孔”可以是穿过带材厚度的腔，该“孔”是封闭的或部分打开的。在优选的实施方案中，它们是封闭的。

以这种方式控制带材的横截面样式具有当期望的产品包括带材中的孔时在减少浪费的意义上的优点。因此，再次，控制固化的金属带材的横截面样式(即，横截面形状和/或横截面面积)具有显着的商业意义，允许铸造具有比已知方法更接近期望的最终形状的形状的带材。这又允许在将铸造带材修整成期望的最终形状时浪费较少的铸造带材。已经设计了本发明的第二发展以解决这个问题。优选地，本发明减少、改善、避免或克服了这个问题。

在总体方面，本发明的第二发展提供了分流器的操作以侧向地分开熔融金属供料，以便改变供料到辊的熔融金属的样式横截面，并且因此改变固化的金属带材的横截面样式，从而在固化的金属带材中提供至少一个孔。

因此，在第一优选方面中，本发明的第二发展提供了一种连续铸造装置，用于铸造具有沿带材的长度变化的横截面样式的金属带材，该连续铸造装置包括：

相对的冷却设备；

熔融金属供给系统，其可定位以在该相对的冷却设备之间提供用于固化的熔融金属供给，以沿长度方向形成固化的金属带材；

样式调节系统，其包括至少一个分流器，其中，该分流器是可操作的以侧向地分开熔融金属供料，以便改变供应到辊的熔融金属供料的横截面样式，并且因此改变固化的金属带材的横截面样式，从而在固化的金属带材中提供至少一个孔。

在第二优选的方面中，本发明的第二发展提供了一种连续铸造方法，用于铸造具有沿带材的长度变化的横截面样式的金属带材，该方法包括：

提供用于在两个相对的冷却设备之间固化的熔融金属供给，以沿长度方向形成固化的金属带材；

提供样式调节系统，其包括至少一个分流器，并操作该分流器以侧向地分开熔融金属供料，以便改变供给到辊的熔融金属供料的横截面样式，并且因此改变固化的金属带材的横截面样式，从而在固化的金属带材中提供至少一个孔。

本发明的第二发展的第一和/或第二方面可以具有以下可选特征中的任何一个或在它们是相容的程度上的任何组合，和/或具有关于第一发展阐述的可选特征中的任何一个或在它们相容的程度上任何组合。

特别地，关于第一发展所阐述的屏障的优选特征可以应用于第二发展的分流器。例如，该分流器优选地是电磁分流器。其可以是可移动的。可以提供一个以上的分流器，以便为铸造带材产生横截面样式上的所需的变化。可以提供两个或更多分流器的阵列。这些分流器可以是静态的，通过对阵列中的分流器的适当控制来提供铸造带材的横截面形状的所需变化。

可选地，提供熔融金属压力控制系统，该熔融金属压力控制系统是可操作的以在装置的操作期间与分流器的操作协作地来控制熔融金属供料中的熔融金属的压力。在操作分流器以将熔融金属转向远离特定区域的情况下，可以通过使供料系统中的熔融金属的静压力的相应减小来辅助转向。当通过分流器的操作减小带材的总横截面积时，这是有利的。类似地，当分流器被切断或以其它方式操作以增加带材的总横截面积时，增加供给系统中的熔融金属的静态压力可以有助于填充所需的区域。熔融金属压力的这些变化可以如上文关于第一发展所阐述的那样来实现。

不像边缘屏障，意图是操作屏障以允许每一个横向侧上的熔融金属流。因此，有必要考虑熔融金属应该如何达到每一侧。从熔融金属储器提供一个以上的供料管道是可能的。第一供料管道可以将熔融金属供给到分流器的一个横向侧，并且第二供料管道可以将熔融金属供给到分流器的另一个横向侧。在提供多于一个分流器的情况下，可以为每个分流器的每个横向侧提供相应的供料管道。

在分流器是可移动的情况下，提供对应于分流器的每个可能位置的供料管道阵列可能是不切实际的。在这种情况下，可以提供至少一个旁路管道。旁路管道可以是可操作的，以允许熔融金属到达分流器的远离供料嘴的主供给管道的横向侧。

在EM分流器的情况下，该旁路管道可以是大体上屏蔽旁路管道内的熔融金属免受EM场的管道。例如，该旁路管道可以是形成在供料嘴内的管道。该旁路管道可以由导电材料形成，例如，诸如耐火金属的金属。

本发明人已经认识到，与边缘屏障的操作相比，分流器转移熔融金属流的操作可能存在更显著的挑战。这是由于分流器必须将熔融金属推出熔融金属流的主体内的所要求的位置，而不是在边缘位置。因此，可能提供一个或多个转向辅助特征部。这些特征部例如可以设置在供料嘴内。它们可以具有固定的位置。在EM分流器的情况下，合适的转向辅助特征部是允许EM分流器产生的EM场集中在供料嘴中的结构性特征部。通常，EM场的集中与分流器辅助特征部的位置一致。其效果是，当由EM分流器产生的EM场增长时，该EM场集中在转向辅助特征部处，并且在熔融金属中开始形成腔。该腔由于腔中的EM场的集中而增长，转移熔融金属并形成开口。

合适的转向辅助特征部是结构特征部，其减少或阻挡在该特征部处的熔融金属的流动，但允许EM场比EM场可以穿透熔融金属更容易地穿透。例如，可以通过供料嘴内的非铁磁材料(例如，诸如陶瓷的非导电材料)的突出部来提供分流器辅助特征部。合适的突出部可以从供料嘴的后内面向前突出。另外地或可选地，合适的突出部可以从对应于铸造带材的主表面的供料嘴的内面朝上或朝下突出。

一旦在熔融金属中形成合适的开口，该分流器可以被控制(例如，移动)以控制孔的形状。

本发明的其它可选特征在下面阐述。

附图简述

参考附图，通过示例的方式，现在将描述本发明的实施方案，在附图中：

图1示出双辊铸轧机的示意性横截面视图，其示出了固化区域。

图2示出Whittington等人(1998)的EM边缘屏障布置的示意性局部横截面视图。

图3示出McBrien和Allwood(2013)的EM边缘屏障布置的示意性侧视图。

图4示出McBrien和Allwood(2013)的EM边缘屏障你凶的示意性透视局部横截面图。

图5示出McBrien和Allwood(2013)所使用的用于确定EM边缘屏障保持的熔融铝的静态压力的实验布置的示意性透视图。

图6示出本工作中所使用的实验布置的示意性透视图，其示出了供料系统和EM边缘屏障。

图7示出了电路图以图示电感器(EM边缘屏障)和电容器的并联谐振组合，该电容器放大来自在电源中使用的信号发生器的信号，以向在本工作中使用的EM边缘屏障提供电流。

图8示出来自早期低频测试和本工作中使用的电源(对于所有频率应用于EM边缘屏障的1700At)的磁场测量的图形比较。FEA代表有限元分析。

图9示出了铸造带材的视图以及当EM屏障被接通时对宽度的影响。

图10示出静止时的EM边缘屏障的刚度图，包括用于数据的最佳拟合线。

图11示出了铸造带材的视图以及当EM屏障反复接通和断开时对宽度的影响。

图12示出与目标宽度相比，随着移动EM边缘屏障和可变压头铸造带材宽度的测量。

图13示出具有和不具有EM边缘屏障(根据ASTM B557-06，1″标距长度，0.5mm/min测试)的拉伸试样品的极限拉伸强度和伸长率的扩展。

图14示出横跨正常和EM铸造带材宽度上的硬度变化(根据ASTM E92-92使用10kg载荷测试)。

图15示出铸造带材的贯穿厚度的显微照片：(a)纵向视图，带材中心线，无EM边缘屏障(EMED)(b)纵向视图，带材中心线，接通EMED(c)横向视图，带材边缘，无EMED(d)横向视图，接通EMED，靠近边缘(e)横向视图，接通EMED，远离边缘。

图16示出在EM边缘屏障的成功(绿色)使用和不成功(红色)使用中生产的铸造带材的测量的宽度和厚度。

图17示出用于在铸造期间模拟力平衡的简化的2D切片。

图18示出了对于图17的模型表面张力对约束的贡献。

图19示出铸造带材和对静态EM边缘屏障输入的宽度的阶跃反应的视图。

图20示出了随着宽度变化，在无铝表面上的压力变化的FEA计算的曲线图。

图21示出优选实施方案的装置的平面图，表示了所提出的搅拌机构。

图22示出根据本发明的实施方案的熔融金属供料装置的示意性透视图。

图23和图24示出通过排开主体的移动引起的熔融金属水平的位移的示意性剖视图。

图25-27示出EM边缘屏障线圈电流、位置和压头的相互作用以实现片材宽度的期望变化。

图28示出使用静态EM边缘屏障阵列的可选的实施方案。

图29示出形成铸造带材中的孔的实施方案的供料嘴、铸造带材以及EM分流器的示意性平面图。

图30示出图29的可选的实施方案。

图31示出图30的实施方案的纵向横截面视图。

图32示出穿过用于在铸造带材中形成孔的变化的实施方案的供料嘴的示意性横截面透视图。

图33示出图32的可选的实施方案。

优选的实施方案的详细描述以及本发明的另外的可选特征

由于供应链配置成制造均为规则形状的原料产品，因此在制造不规则形状的产品的过程中，大量的铝被铸造且然后被切去。用于片材金属产品的供应链的更好的集成是可能的，其中，电磁体用于在双辊铸造中操纵片材金属的轮廓。下面，提出了第一实验性试验，在该实验性试验期间片材的一个边缘由电磁体控制和移动。

铝供应链分为两个不同的部分：金属工业，其从矿石生产铝，然后铸造和轧制金属以制造诸如片材卷的原料产品；以及制造工业，其采用这些原料产品并使它们重新成形以制造例如汽车门的消费产品。这使得供应链是减量性的，金属铸件的很大的部分被移除并且不能实现最终的消费产品。该损失可以通过产率来量化，产率是最终产品中的金属与金属铸件的初始质量的比率。Cullen和Allwood(2013)计算所有铝产品的平均产率为60％，在一个铝车门的案例研究中Milford等人(2011)发现产率为40％，其中一半的金属减量归因于矩形片材被切割以在冲裁和冲压过程中产生门和窗轮廓。因此，直接铸造不规则片材产品的轮廓的能力将产生显著提高产率的机会。

本发明的优选实施方案基于为了铸造更接近净厚度的现有努力通过添加额外的控制以允许直接铸造不规则片材产品的轮廓。最成熟的直接片材铸造工艺，双辊铸造，被作为起点。如图1中所示，在双辊铸造(TRC)中，通过在两个反向旋转冷却辊12、14(相对的冷却装备)之间通过耐火的(例如，陶瓷)供料嘴10供给液态金属20来直接铸造片材。一旦液态金属接触辊，它开始形成固体壳层，该固体壳层在朝向标记为线B的辊缝移动时增长。上部辊和底部辊上的壳层在即将到达辊缝之前在固化点18处会合，并且从那里片材16像其处在热轧过程中时那样形变。固化区域的横截面示出在图1中。铸造方向是方向C。液槽深度标记为22。

电磁(EM)边缘屏障可以用于通过在铸造期间沿液槽施加压力来操纵金属，允许控制金属的边缘，从而改变铸造片材的宽度。如下面更加详细地讨论的，EM边缘屏障可以用在带材的每一个边缘上，和/或EM致动器可以被添加以铸造具有孔的带材(需要对金属供料进行另外的改变)。作为第一步，在本公开中，通过在实验室规模的双辊铸轧机上控制铸造带材的一个边缘来说明该方法。

下面描述在常规双辊铸造工艺中设置和改变宽度的方法以及电磁约束的原理，并且识别使用用于宽度控制的EM边缘屏障的机会。

该双辊铸造工艺在Ferry(2006)文本中详细描述。液态铝经由耐火的供料嘴被进给至TRC的背部，该耐火的供料嘴完全约束金属直到其固化。顶部件和底部件的端部位于由所需的固化长度确定的从辊缝的固定退后(setback)处。两个边缘件进一步朝向辊缝突出，以提供对液态金属的物理屏障，从而用作静态的机械的边缘屏障。为了改变带材的宽度，必须停止铸造过程，并且插入具有不同宽度的新的供料嘴或用于减小现有供料嘴中的孔的宽度的耐火塞。

Smith等人(2004)提出并在试验性铸轧机上展示了Fata Hunter Optiflow系统，该系统将边缘屏障与供料嘴分开，使其可以在该嘴内沿宽度横向滑动。石墨密封件防止液态铝穿过间隙泄漏，并且边缘屏障被致动以提供受控的宽度。在不停止铸造的情况下，它们展示在两小时的铸造过程中以最大速率1.5mm/s递增地200mm的宽度增加。Optiflow系统被设计成在不中断铸造的情况下铸造不同宽度的片材的顺序卷，但是当试图以快得多的速率移动边缘屏障时会遇到问题：石墨在供料嘴中可以保持良好的密封吗？其寿命会受到快速运动的危害吗？当减小宽度时，移动的边缘屏障与部分固化的壳层如何相互作用？文献中没有作出后续报告。

在所有机械的边缘屏障的情况下，在向前移动的固体壳层和边缘屏障的面向静态金属的表面之间存在滑动接触。摩擦和从带材传递出来的不期望的热在其边缘处导致缺陷。特别是，边缘裂纹通过Monaghan等人(1993)描述的机理形成。穿过边缘屏障的额外的热传递导致在带材的边缘处比在中心处更早发生固化，且因此当带材被轧制时，边缘形变更多导致开裂，特别是对于硬合金。这是铝双辊铸造中的常见问题，并且因此所有工业铸轧机在下游具有边缘修整以从2000mm的总宽度去除通常20-30mm的破裂区域(Romano和Romanowski，2009)。

鉴于这些缺陷，已经提出和证明了用于铝双辊铸造中的电磁(EM)约束。Davidson(2001)更详细地得出的原理涉及对所包含的表面切向地施加AC磁场。在适当高的频率(kHz数量级)下，交变场可以仅扩散进入金属小的距离(“皮肤深度”)。金属的表面中感应出电流，并且所施加的磁场与该电流的相互作用产生用于从场中排斥金属的磁压力。平均磁压力Pm在公式(1)中给出。μ₀是自由空间的磁导率，且B₀是磁场的大小。

在双辊铸轧中使用EM边缘屏障已经由Whittington等人(1998)在实验室规模上针对水平的铝TRC和由Gerber(2000)提出的用于竖直的钢铸轧机的理论设计中得到证明。Whittington EM边缘屏障的几何形状及其磁场在图2中示出。Whittington设计是螺栓连接到铸轧机侧面的马蹄形芯部30，其使用以下事实：钢辊32、34是磁性的，以将通量(flux)36、38引导到辊缝中。磁场的分布使得铝中的压力的增加将导致场聚集并在强度上增加，使得该布置是内在地刚性的和稳定的。

Whittington EM边缘屏障在16-30kHz下操作，具有所施加的高达4000At，并且成功地约束铸造带材的一个边缘。当在启动期间改变施加到EM边缘屏障的电流时，注意到3mm的小的宽度变化，但是由于远离磁体场快速衰减，因此通过单独改变电流，宽度上的大变化将是不可能的。基于刚度的优化选择操作频率；在该频率下，随着铝中的压力宽度上的变化被最小化。铝中的皮肤深度是0.6mm。在施加4000At的情况下，EM边缘屏障需要水冷却以引出由芯部中的涡电流和滞后作用产生的热。

Gerber设计使用没有通量集中器的楔形导体，在围绕其的同心圆中产生磁场。导体的几何形状被设计成使得磁场在辊缝处变得最强，其中静压力最大，使得自由液态金属表面近似竖直。

这两个EM边缘屏障设计不适合于宽度上的快速且大的变化，因为它们不能容易地沿辊横向移动而不撞击液态金属。不同的几何形状由McBrien和Allwood(2013)提出，且该设计示出在图3和图4中。类似于Whittington EM边缘屏障，使用了马蹄形电磁体40，但是旋转90°并且位于供料嘴的后面，指向铸造方向C。马蹄形物被设定轮廓以安装在供料嘴周围并且经由辊42、44的表面将磁场引导到辊咬合区域中，从而允许其直接横向(平行于辊的旋转轴线)移动以控制宽度。这种EM边缘屏障设计在5kHz和15kHz的频率下用低熔点合金进行测试，并且表明需要较低的频率以增加辊缝处的通量密度，以提高约束的强度和刚度。

除了约束之外，EM场和液态金属的相互作用可以用于产生更宽范围的效应。在工业应用的综述中，Li(1998)确定了在运输金属(阀、制动器和泵)，搅拌以分配溶质(在钢的连续铸造中)或熔化金属中的用途。在工业中，EM用于约束的使用主要是通过在DC铸造过程中替代铜模具的EM场，其中可选的冷却条件和搅拌产生更均匀的微观结构，使得用于去除表面的铸造毛坯的剥离被减少。Vives(1989)描述的CREM(“铸造、精炼、电磁”)方法和Mao(2003)的“电磁辊铸造”方法均使用较低频磁场(10-50Hz)的搅拌效应来细化铸造金属的微观结构。在固化点施加，搅拌破坏了固-液界面并广泛分布成核位置。在这两种情况下，观察到的晶粒细化没有比通过添加专用晶粒细化添加剂获得的晶粒细化更好。

McBrien和Allwood(2013)的EM边缘屏障设计包括4.75转的铜线圈和适合围绕铸轧机供料喷嘴安装马蹄形的芯部。见图3和图4。芯部40具有与辊半径匹配的被设定轮廓的端部46、48，使得通量50可以有效地连接到它们中。磁场线被集中穿过该芯部并且被引导到铁磁辊中，通过跳过它们之间的空气间隙而形成环。与Whittington(1998)的设计一样，空气间隙中的场提供了液态金属的约束。该EM边缘屏障可以平行于辊的转动轴线移动以实现期望的宽度变化。

McBrien和Allwood(2013)的EM边缘屏障被数个外部因素约束。它必须适合现有的实验室规模的双辊铸轧机，并因此受到辊半径和材料的约束。Statipower BSP12电源用于McBrien和Allwood(2013)报道的初步试验中，该电源具有合适的额定电流(高达3000A)并且在恰当的频率范围(约15-30kHz)中操作。另外的几何约束是取决于片材厚度的供料喷嘴的高度，和对防止冻结的足够的绝缘的要求。

McBrien和Allwood(2013)的EM边缘屏障使用由Fluxtrol公司，“Fluxtrol EM”制造的实验材料制成的芯部。它是掺杂了塑料的铁，其减少因振荡磁场中产生的涡流而导致的内部加热。尽管这样，但是仍然需要冷却。经由在芯部的两个半部的内表面上机加工的冷却通道(未示出)提供内部水流。这些半部胶合在一起以提供密封，通过软管在芯部的后部供给水。

McBrien和Allwood(2013)中的实验的基础是双辊铸轧机的对磁场的分布具有重要影响的区域的代表。进行两个实验；首先，进行磁场的测量，其次，用液态金属测试边缘屏障以确定可以约束的压力的极限。

为了测量磁场，使用围绕瓷模缠绕的铜线来构造探测线圈。穿过线圈的平均通量密度可以从其面积和开路电压推断。在EM边缘屏障静态保持的情况下，将探测线圈放置在辊之间的各个位置处以测量通量密度的分布。

使用在70℃熔化的伍德合金来验证EM边缘屏障对于液态金属的性能。现在参考图5(其中未示出辊)，来自聚碳酸酯储器52的固定体积的伍德合金填充陶瓷喷嘴51，其中辊间隙在距辊缝的各种偏移处被堵塞和密封。EM边缘屏障54经由致动器56在辊之间移动，向伍德合金施加磁压力并使其流回到储器中。压头提高到可以由EM边缘屏障施加的极限，并且金属和EM边缘屏障的相对运动指示边缘屏障的刚度。

磁场分布测量和静压约束测试的实验结果描述如下。EM边缘屏障以384A和16.3kHz操作。

磁场分布的测量表明该边缘屏障具有低刚度。

在静压约束试验中确定的最大压力等于约5mm的铝。

在McBrien和Allwood(2013)中报告的实验显示，系统的操作将受到辊缝附近的通量密度的影响，从而限制可以约束的总体压力以及EM边缘屏障的刚度，影响铸造过程中边缘的稳定性。

通量密度以及因此可以约束的压力随着离EM边缘屏障芯部的距离而衰减。存在多种选择来增加辊缝通量密度；可以增加到EM边缘屏障的电流以增加各处场的强度。使用在McBrien和Allwood(2013)中陈述的设计，芯部的饱和度将限制超过大约800A的电流的增益，并且更高的电流将在芯部中产生更多的热量，增加冷却需求或限制操作时间。更有吸引力的选择是降低操作频率，这增加了辊中的趋肤效应的厚度，从而允许传送更多的通量。随着电流增加到800A并且频率降低到3kHz，可以实现60mT的辊缝通量密度，产生等同于30mm Al头的磁压。这是低的，但对于水平双辊铸造操作是足够的。

由于EM边缘屏障的定向，EM边缘屏障的低刚度是该几何形状的固有缺点，由于需要执行宽度上的大变化的能力，这将看起来是唯一可能的定向，并且因此必须接受低刚度。在实践中，低刚度可能在铸造期间在边缘位置中引起振荡，并且当在不同尺寸的片材之间改变时限制宽度的变化率。为了减轻这种影响，将需要液态金属中的低的总压力，这将降低传递到辊的热传递以及铸造工艺的潜在的稳定性。

已经进行了进一步的实验工作，以便显示可以实现铸造带材的宽度上的怎样的相对快速的变化。

实验在实验室规模的水平TRC上进行。该铸轧机是一种较小型的工业规模单元，具有小直径辊(320mm)和窄工作区段(相比于最大工业铸轧机的2000mm，其为120mm的片材宽度)。该辊由H13热加工工具钢制成，其具有大约680的磁相对磁导率(Smithells Metal Reference，2004)。这种铸轧机的主要用途是进行需要未变形的微观结构的冶金实验，因此其设计成具有低刚度。上部辊可以朝上移动，从而不施加大的轧制力，意味着带材微观结构尽可能接近铸造状态。EM边缘屏障和其它设备专门设计为适合该铸轧机。

EM边缘屏障60是缠绕在由Fluxtrol100制成的通量集中器上的铜线圈。Fluxtrol100是铁掺杂的塑料，其具有120的相对磁导率，具有因涡流的最小化而引起的减少的热生成。尽管这样，但是芯部仍然必须经由内部通道进行水冷却。如在图4中示出的，集中器几何形状被设定轮廓以将通量引导到辊表面中，其中通量朝向辊缝被向前传送，并且围绕供料嘴安装。EM边缘屏障的横向位置经由线性致动器控制。

供料系统和EM边缘屏障示出在图6中。供料嘴62必须是非导电的和非磁性的，以便对由EM边缘屏障产生的磁场是可透过的。它是由N17制成，N17是一种通常用在TRC供料嘴中的硅酸钙耐火材料。供料嘴被设计成尽可能薄，使得EM边缘屏障可以更靠近辊缝放置，从而增加沿液槽的磁场的强度。两个机械边缘屏障64、66集成在供料嘴中——一个用于在不受控的边缘上提供约束，并且一个用于在启动期间位于EM边缘屏障旁边，并且如果EM边缘屏障断电则提供故障保护情况。

目标宽度变化为供料嘴开口宽度的50％至100％(65mm至130mm)。为了允许所需的EM边缘屏障运动，进入到该嘴的液态金属供料是不对称的。供料嘴的内部轮廓是锥形的，以促进横跨宽度的均匀流动。在铸造期间一旦建立了来自已经固化的带材的阻塞，则液态金属填充整个嘴。液态金属经由供料管(也由N17制成)从不锈钢储器70供给，该储器70距EM边缘屏障足够远，以便不影响磁场的分布。整个供料系统用插入在每个部分中的机加工孔中的筒式加热器72来预热。由于N17是有效的绝缘体并且具有低的热质量，因此供料嘴62和供料管68使用低功率(每个部分中2×100W的加热器，总共400W)，而储器70具有更多的加热器和更高的功率以补偿更多的被传导走的热(6个加热器，总共1400W)。通过改变预热温度和/或时间，或通过改变浇注时液态铝的过热，可以改变液态铝在其输送到铸轧机时的温度。

液体铝的金属静压力，其与来自EM边缘屏障的所施加的磁性压力平衡，由储器中的液态金属表面的高度设定(具有小流量和低粘度，供料管中的压力损失被忽略)。OptoNCDT-1302激光距离传感器74用于测量压头，并且可以通过在铸造期间改变浇注速率来手动控制该头部。附图标记76表示储器中的液态金属表面的高度变化。

使用EM边缘屏障概念的先前测试的建议是在1-3kHz的较低频率下操作，以便提高辊缝处的场强度。由于没有合适规格的现成解决方案，制造了定制电源。这包括一起产生正弦输出电压的信号发生器和工业放大器。放大器90是AE Techron 7700(最大75Vrms，1.2kHz)。电感器(EM边缘坝)和电容器的并联谐振组合放大信号，以向EM边缘屏障提供高电流。电容器92是并联的12×47μF，提供564μF的总电容。由电感器94和电阻器96示意性表示的EM边缘屏障具有24μH的电感和20mΩ的电阻。图7给出了电路图。电感和电容的值选择成在大约1.2kHz谐振。

这些实验的目的是证明和量化变化宽度的EM边缘屏障的操作，以确定哪些参数或物理效应是重要的，并且检查铸造带材的质量。首先，调试试验是必要的，以确定新设备用于可靠铸造的最佳设定点。EM边缘屏障首先作为静态边缘屏障被测试，旨在保持恒定的宽度，然后作为动态单元，旨在改变宽度。通过保持磁体静止并接通和断开，观察宽度变化，，获得EM边缘屏障的阶跃响应，然后在具有和不具有压力头的变化的情况下，通过横向移动EM边缘屏障，尝试受控制的宽度变化。

用拉伸试验和硬度测量来检查铸造片材的机械性能，并且样品用于金相分析。

在COMSOL AC/DC模块中创建了有限元模型，以计算辊之间的区域中的磁场的分布。该模型计算磁场如何与辊和代表性的铝供料几何形状相互作用，包括趋肤效应，不包括来自导电金属内部的磁场。该模型假设了用于自由铝表面的形状，而不是解决磁场分布和流体压力/表面张力的耦合问题。其之前通过在McBrien和Allwood(2013)描述的实验中对双辊铸轧机的实物模型部分进行的测量得到证实，并且在这里用于解释观察到的对铝运动的影响。

从使用TRC的所建立的成功铸造试验开始，发现表1中给出的铸造参数提供了可靠的铸造带材，在供料嘴中没有破裂或过早固化。为了避免粘结，所选择的合金具有2.5wt％的Mg含量，并且在铸造之前用石墨润滑剂对辊进行喷涂。该合金由纯铝和镁预先制备，混合并在浇铸之前允许其均质化1小时，并且通过就在浇注之前撇去表面而除去氧化物。

表1-铸造参数

在供料嘴中进行的温度测量表明热损失高于预期，因此使用40℃的浇注过热来补偿。预热温度在筒式加热器的能力的极限上，但是使用足够的预热时间，可以达到稳定状态。

辊速度设定为1rpm，并且在3mm的标称辊间隙下以18mm/s的线性铸造速度生产厚度为4-5mm的带材。这表明固化点从辊缝处充分偏移以确保铸造不无液体中断的倾向。使用为供料嘴的部分的机械边缘屏障，生产宽度为130mm的带材且通常观察到一些边缘裂纹。

该EM边缘屏障初始地独立于供料系统被测试。其操作的限制是在放大器过热并跳闸之前可以保持输出信号多长时间。以170A输出(等于施加到8转EM边缘屏障的1400At)和1.2kHz的3分钟的操作是可能的。在朝向辊缝突出的芯部的中心线上的点处进行通量密度测量，并且与FEA结果一起，在图8中在来自定制电源单元的磁场和先前使用的较高频率之间进行比较。由于频率较低，磁场在辊之间传送得更远，因此磁场在最终固化发生的区域中更强。测量的磁通密度表明磁压力从供料嘴出口处的6mmAl到靠近EM边缘屏障的多达15mmAl。由于磁场线倾向于围绕铝边缘聚集，因此这些值在铝的存在下增大。

通过使用更强大的放大器或并联的两个放大器来提高输出，从而产生更强的磁场是可能的。从对较高频率电源的先前经验来看，限制是芯部中的热产生或芯部材料的饱和。考虑到这些，使用增加的放大器功率，基于上述公式(1)，磁场强度可以增加两倍，因此压力将是四倍大。

通过保持在供料嘴的中心线处并用于铸轧机械边缘屏障的宽度的大约一半的片材EM边缘屏障得到证明。在这些试验中，在接通EM边缘屏障之前浇注金属，所以随着金属耗尽，压头降低。观察到宽度的逐渐减小，如图9中所示，并用于通过在图10中绘制宽度对压头的曲线推断EM边缘屏障的刚度，图10示出了用于两个单独的铸造运行的数据。刚度是每两个铸件的压头中的每毫米变化的约2.1-2.7mm的宽度变化，给出了使用EM边缘屏障以恒定宽度铸造所需的压力控制的精度的指示。曲线还表明，对于相同的所施加的电流、压头以及铸造条件，带材宽度变化10mm，表明EM边缘屏障的响应不是完全可重复的。

在保持EM边缘屏障静止的同时，此外使中心与供料嘴的中心对齐，通过接通和断开开关电流来测量EM边缘屏障的阶跃响应。产生的带材示出在图11中。接通EM边缘屏障导致在宽度上从130mm到大约75mm的初始的减小，并且在稳定下来之前有轻微的反弹。在所有竖直后缘上可以观察到“尾部”特征。当切断EM边缘屏障时，宽度回到130mm，在一些情况下，具有超过供料嘴的短暂溢出。在接通电源和观察到的宽度减小之间存在约5s的延迟，但是当切断EM边缘屏障时，响应立即发生。这表明使宽度增加和减小的机制是不同的，并且在下面的讨论中进一步探讨。

最后一组铸造试验使用移动的EM边缘屏障进行，目的是将宽度从90mm改变为130mm，并且通过以2mm/s的速度的斜坡运动复原。获得的最准确的结果如图12中所示。目标宽度由EM边缘屏障的运动来计算，而实际宽度经由在铸造带材上的直接测量获得。还给出的是用激光器测量的压头的测量。在通过改变浇注速率而具有压头的一些手动扰动的情况下，片材宽度遵循与目标相同的形状。对于EM边缘屏障的40mm移动，带材在宽度上的变化为大约30mm。再次，在磁体的作用和片材宽度的减小之间存在观察到的延迟，而增加宽度几乎是瞬时的。

在EM边缘屏障有效的情况下，在边缘开裂方面或带材表面的可见的情况中不存在可察觉的变化。在EM边缘屏障有效以及无效的情况下，从带材获取拉伸试样并根据ASTM B557-06进行测试，其中所获得的机械性能绘制在图13中。结果表明，当施加磁场时，铸造带材的强度和延展性都增加。然而，在使用EM边缘屏障的情况下，结果的扩展更大，并且对于最坏情况的试样，在失效表面中存在可见的腔，表明EM边缘屏障的效果是不稳定的。图13中的结果来自纵向样品-横向样品也被测试且没有发现性能上的差异。

还在接通或不接通EM边缘屏障的情况下横跨带材的顶表面的宽度在三个点处进行硬度测量。图14示出了横跨宽度的平均值和针对正常带材和EM边缘屏障的总平均值。铝的平均硬度从53HV增加到59HV，然而从图14的曲线我们可以看到，如同拉伸测试一样，这些值比“正常”带材具有较大的变化。横跨宽度在硬度上没有显著差异，表明EM边缘屏障在距边缘60mm的距离处具有一些效果。

为了解释机械性能的明显改进，从样品中获取显微照片，将带材的正常微观结构与在施加磁场的情况下的微观结构进行比较。切割、安装和抛光样品，然后在Barker溶液中在20V下电解蚀刻30秒，其中样品作为阳极，不锈钢罐作为阴极。在偏振光下用着色板拍摄图像。

图15(a)和图15(b)是分别穿过正常铸件和EM铸件的厚度检查微观结构的纵向视图(注意，样品之间在厚度上存在差异；这是由于当带材较窄时铸轧机的偏转减小)。两个微观结构显示有在与辊接触的表面处的细晶粒尺寸和非常高的局部冷却速率，以及在最终固化点处的从底表面向上约2/3的厚度的中心线偏析。然而，尽管正常带材具有遍布的大的树枝状晶粒，但是EM带材在带材的顶部部分中显示出显著的晶粒细化和更圆的“玫瑰状”晶粒形状。底部的第三区段似乎不受场的作用的影响。

图15还示出了将正常带材的边缘(图15(c))与距EM边缘屏障最近(d)和最远(e)边缘处的EM带材比较的横向视图。再次，可以看到晶粒细化，但是远离EM屏障越远晶粒细化程度则较小，表明横跨带材的宽度的不均匀影响。

铸造试验的结果已经证明了对带材宽度的有希望的控制和铸造带材的性质的有趣变化。在该部分中，讨论了这些结果的影响。

总的来说，新的供料系统设计和预热方法如预期地工作，没有金属过早冻结的问题，并且获得了具有合理边缘质量的固体带材。供料的不对称性不会导致关于铸造的问题。然而，有理由相信铸造操作不一致足以干扰EM边缘屏障的性能。图16示出了针对用EM边缘屏障的不同试验中获得的一系列点的范围的宽度对厚度的曲线图，其中基于试验是否成功来着色点(绿色，指示由EM边缘屏障的作用控制的宽度上的变化)，不成功(红色，宽度上没有变化)，或者其间的某处(琥珀色，其中宽度改变，但是并不与EM边缘屏障的动作直接相关)。

存在一个总体趋势，其中对于更成功的试验而言，在给定宽度处的厚度更大。宽度和厚度之间的比由铸轧机的刚度，其是恒定的，以及通过促使辊分开的固化壳层的生长来确定。较厚的铸造片材可以归因于较早的固化，更靠近EM边缘屏障——在这种情况下，磁场更强，因此预期试验变得更成功。改变辊速度以试着直接测试该理论，并且结果一致。在铸件11和12中，使用较慢的辊速度以引起较早的固化，导致如所预期的更大的厚度。

因此，在本工作中所使用的机构中的铸轧机和供料系统的组合不足以重复以适当地孤立对最终固化点的位置非常敏感的EM边缘屏障的性能。推测这可能是由于当铝离开供料嘴时铝温度的变化或者辊速度的变化。

最大约束压力为15mmAl(来自图10)，显著大于供料嘴出口处的磁压力(图8)，甚至在考虑由于铝的存在而引起的场强增强时。铝不会泄漏出来，因此一定有辅助约束带材边缘的额外的因素。

磁场的物理效应是将磁压力施加到铝边缘的表面。该压力必须与流体压力、表面张力以及在动态情况下的惯性和粘度平衡。在三个维度上，问题是复杂的——液态铝的边缘形成自由表面，该自由表面可以改变供料嘴中的轮廓中的形状，以及改变沿着边缘的截面中的形状。磁场的分布和强度耦合到该形状，并且表面张力的贡献根据与供料嘴的固定几何形状和移动的固体壳层的接触角而变化。

在图17中提出了简单的二维近似，图17示出了横向于铸造方向(即，铸造方向进入到页面的平面中)的切片。假设在平面外没有变化，并且液态金属被约束在具有凸度104的间隔h的两个固体壳层100、102之间，以在液体和表面张力γ起作用的固体表面之间形成一定的接触角α。磁场106在辊之间被竖直地传送，并且由于趋肤效应而被约束在铝的表面。磁场施加磁压力Pm，其用于排斥带材。最后，存在来自储器中的压头的内部流体压力Pf，其用于将液态铝从自由边缘朝外推出，以及潜在地分别来自惯性和粘性阻力Fi和Fv的贡献，两者都与液态铝的运动相反。

现在考虑用移动EM边缘屏障控制宽度的影响，力的平衡根据磁体运动而变化，并且存在三种不同的状态：

·恒定宽度，其中惯性和粘性力为零，并且表面张力与磁压力一起工作以约束液态铝

·增加宽度——流体压头克服表面张力、惯性和粘度，并且磁场的作用是控制最终宽度

·减小宽度——最具挑战性的情况，其中磁场朝内推动边缘并且必须克服压头、惯性和粘度以及代替表面张力对约束的贡献

显然，最大的挑战是减小带材的宽度，如在铸造试验期间的这种情况下的响应延迟所证实的。

对于恒定宽度的情况，其中惯性和粘性力为零，在公式(2)中给出水平力平衡：

_Pmh+2γsinα＝P_fh 公式(2)

使用公式(2)，我们可以确定表面张力在通过图18的曲线帮助具有液槽中的液态金属约束的EM边缘屏障方面是如何起重要作用的。当固体壳层生长时，更靠近辊缝的固体壳层的间隔h变得更小，并因此水平力平衡中的表面张力的作用增加。在刚刚形成的固体壳层之间存在h＝6mm的分离的供料嘴出口处，表面张力可以保持高达4mmAl的压头。这增加直到最终固化点，例如在固化之前5mm，20mmAl的压头可以仅通过表面张力来保持。

如果表面张力对于静态约束是重要的，则其中宽度是变化的任何情况都需要克服表面张力以及压头、惯性和粘度。由于通过移动EM边缘屏障或降低EM边缘屏障的功率可以降低磁场的强度，并且如果必要，增加压头以克服表面张力，因此增加宽度是相对简单的。这就解释了为什么在增加片材宽度时没有观察到延迟。

为了减小宽度，磁场必须将液体弯液面推回到供料嘴内部并且保持固体壳层之间的约束。对于给出小的表面厚度的频率，则固体壳层将主要用于阻挡来自已经开始固化的区域的场。因此，宽度变化必须在供料嘴内开始，并且将不可避免地存在延迟，其取决于固化长度和辊的速度。在使用移动的EM边缘屏障(图12)和静态、切断的EM边缘屏障两者的试验中观察到延迟。偏移为43mm且辊表面速度为18mm/s，产生2.4s的延迟。这比观察到的延迟(5-10s)短，所以其它因素一定在发挥作用。

在供料嘴内，两个效应抵抗液态金属的运动。首先，表面张力将用于试图保持最小自由表面区域，该最小自由表面区域将用从固体壳层到供料嘴的后部的直边缘获得。其次，必须克服液态铝的惯性和供料嘴的壁上的粘性阻力。没有一个铸造试验给出表面张力的影响的明显证据，并且计算惯性力将取决于流体在供料嘴内部如何流动。作为近似，我们可以说，如果流出铸轧机的质量(其随着宽度线性地变化，如果厚度和片材速度是固定的话)远大于改变宽度的横向质量流，则只有小体积的金属需要受到EM边缘屏障的影响，且惯性只有很小的影响。如果横向质量流大(对应于快速的宽度变化)，则由于质量守恒定律，金属必须被推回到储器中并且惯性力大。

现在我们考虑通过接通和切断静态EM边缘屏障改变宽度。显示了在减小和增加宽度上的非常快速的变化的带材的阶跃响应意味着存在用于控制带材宽度的另外的机制。不是用于移动带材的边缘，而是当EM边缘屏障接通时，它将已经在供料管中的流分开。图19示出了在使用切换的、静止的EM边缘屏障的铸造试验中产生的特征图案，以及该图案随着铸造的持续时间如何变化。由于场在带材的中间产生，所以它在供料嘴中将金属在中心线处有效地分成两部分。在图19中的底部上的固定边缘具有铝的连续供料，而到顶部边缘的供料被磁场阻挡。其余的铝从该顶部边缘作为尾部固化，然后快速流出，留下大约一半宽度的带材。

当EM边缘屏障切断时，在产生标准130mm带材之前，短暂地发生超过由机械边缘屏障设定的孔的溢出。在没有由已经固化的带材提供的阻塞的情况下，液态金属最初可以流动超出供料嘴的宽度，但是如果这种液态金属固化而没有从铸轧机完全泄漏，则形成固体屏障，并且情况迅速转变从而产生稳定的铸件。当压头较小并且金属将已经冷却时，溢出效应变得更小，并且然后在铸件中消失，这表明可以通过适当控制这些参数来防止溢出。

在所有的情况中，在接通EM边缘屏障之后发生宽度的单振荡。过冲(overshoot)和最终稳定下来的宽度随着铸造时间而变化，并且由于储器的温度低于浇注的铝，因此供料温度的变化是这种变化的最可能的原因，并且存在观察到的共同的趋势。最高的供料温度产生最大的过冲和最宽的带材，并且随着温度降低，过冲和宽度减小到它们最终步骤的最小值。供料温度影响固化轮廓，再次显示固化点的位置在确定EM边缘屏障的性能方面的重要性。

场的分布根据液态铝填充供料嘴的程度而变化，其中金属表面上的磁压相对于带材宽度的曲线图在图20中作出。这些值是根据有限元模型计算的，假设液态铝具有完全填充供料嘴直到带材的宽度的形状，并且假设自由边缘平行于浇铸方向——这两个在实践中不太可能是真实的，因此只能从这些结果作出定性结论。结果表明，对于宽带材，自由边缘上的磁压力是弱的，在自由边缘与EM边缘屏障位置对齐的位置增加到最大，然后再次减小。这可以解释为什么在阶跃响应中观察到回弹和稳定下来的效应——金属首先响应缓慢，因为场弱，朝向较小的宽度加速并且过冲，并且然后因为场更弱，它反弹到与EM边缘屏障相一致的平衡位置。假设该机制是正确的，则可以用控制EM边缘屏障电流和压头来改善阶跃响应的精度以抑制该振荡。

现在转向铸造带材的质量，注意到，带材应当满足或超过对正常片材的要求，以便用于制造产品。实际上，这意味着由于预期修整，EM边缘屏障可能产生质量差的边缘，但是片材的表面质量必须良好，并且片材的机械特性必须超过规格，并且理想地遍布板材是一致的。在边缘裂纹或表面质量方面没有可辨别的变化，但是由于微观结构的变化而改善了机械性能。

这种变化归因于EM边缘屏障的搅拌运动。这种产生搅拌运动的机制在图21中提出。磁场102从边缘屏障100朝向辊缝B减弱，并且该梯度沿着平行于铸造方向的边缘建立流体流动。通过质量守恒，液态金属必须再循环104，在液-固界面处产生液态铝的横向流动。反而该横向流动中断树枝状生长，分布潜在的成核位点，并产生观察到的特征性玫瑰状结构。没有与添加晶粒细化剂进行比较，但是看起来EM边缘屏障将至少实现与通常铸造片材的机械性能同等。

图15的显微照片显示微观结构细化主要发生在带材的上半部分，其中底部三分之一的厚度显示出与正常带材相比很少的改变。这可能是由于热传递的差异以及因此带材的固化速率的差异——由于中心线偏析被发现更接近带材的顶部表面，清楚的是固体壳层在底部辊上比在顶部上更快地生长，留下用于搅拌的更少的时间以影响微观结构。固化速率的差异可以归因于供料嘴的设置的细节以及液态金属和辊之间的接触压力的差异。供料嘴相对于铸轧机的底部辊固定，并且液态金属和该底部辊之间的接触将直接位于供料嘴的出口处，而上部辊朝上偏转1-2mm，导致初始接触的延迟。由于压头与片材的厚度具有相同的数量级，接触压力也变化，使得顶部表面接触压力低至底部表面的一半，导致热传递系数降低，并因此使固化更慢。

另外的点涉及带材的机械特性。它们是相对不一致的，因为，不是从EM控制带材取得的所有样品都具有超过正常带材的改进。这表明，对所产生的搅拌流存在不稳定的因素，这可能需要进一步的工作，假定期望改善机械特性，而不仅仅是提高产率(这项工作的主要焦点)。

在该部分的结论中，尽管没有使得该方法准备好供实践中使用所需的控制程度，但是已经成功地证明了所提出的EM边缘屏障设计在双辊铸造中比任何先前的尝试更快地改变宽度。使用EM边缘屏障的铸造试验已经确定了两种改变宽度的方法——随着片材宽度上的同时变化横向移动EM边缘屏障，或者通过接通和求单静态EM边缘屏障，其分开流并且产生宽度上的离散的阶跃变化。

切换的静态EM边缘屏障产生更快的宽度变化，但是两种方法都使用另外的控制来改进。特别地，由于EM边缘屏障性能对固化轮廓的敏感性，铸造工艺必须进一步稳定，并且压头连同EM边缘屏障位置和电流的直接控制对于实现精确的几何形状和更快的宽度变化是必要的。

除了示出在这些铸造试验中的一个边缘的移动，第二EM边缘屏障可以以类似的方式用于控制相对的边缘。电磁体也可以围绕供料嘴中心地定位，并且在对金属供料的方式进行一些修改的情况下，用于铸造孔，这将赋予在铸造片材中的任何轮廓的灵活性，实现产率损失的最大可能的降低。因为仍然存在边缘裂纹，需要进行一些修整，并且产率不会是100％，但是在高度不规则的产品中，改进仍将是相当大的。特别合适的目标应用将是车身板，虽然这将需要双辊铸造工艺的一些发展以提高铸造片材的质量。

可以改进这里公开的铸造程序以更精确地控制固化点，并且可以使用更宽的双辊铸轧机来提供更大的宽度变化。可以通过利用更强大的电源(例如，使用并联的多个放大器)增加输出来改善EM边缘堤屏障。这些改变提供了更稳定的基础，根据该基础构建控制系统，该控制系统将EM边缘屏障电流和位置与储器中的压头的控制相连，以便铸造精确的宽度几何形状。对于恒定宽度和变化宽度的两种情况，已经显示出了对该控制的需要。

图22示出不具有铸造辊或EM边缘屏障的铸造系统的示意性透视图。供料嘴62如前图所示，熔融金属通过来自熔融金属储器70的加热管道68提供到供料嘴。在该实施方案中，熔融金属储器的位置相对于供料嘴是固定的。储器中熔融金属的水平由两个因素确定。首先，由储器中熔融金属的量。其次，由排开主体110侵入储器中的熔融金属的程度。如将被清楚地理解的，图22中的排开主体朝下移动至熔融金属中将使一些熔融金属朝上排开。这使储器中的熔融金属的水平上升并增加供料嘴中的熔融金属的静态压力。这示出在图23和图24中，示意性地示出了由于排开主体在熔融金属中的最大浸入，以及储器中熔融金属在供料嘴62的水平之上的从而发生的高度h而导致的熔融金属供料嘴中的静压力的增加。

熔融金属供料压力的控制和EM边缘屏障之间的相互作用被示出在图25-27中。

铸造带材边缘的位置的控制取决于液态金属中的流体压力，液态金属边缘上的表面张力以及由EM边缘屏障施加在金属边缘上的磁压力的平衡。如上所讨论的，液态金属压力可以通过改变储器中的金属与供料嘴(称为压头)的高度相比的高度来控制，并且磁压力由施加到EM边缘屏障的电流及EM边缘屏障相对于液态金属边缘的位置控制。

上述实验工作表明，这些因素的联动控制对于在使用适当的控制实现宽度的快速变化方面是重要的。图25-27示出EM边缘屏障位置和压头可以如何被调节以便实现宽度的期望的变化。应注意，这种方法最适合于在片材的相对的边缘通过在铸造带材的相对侧处的EM屏障对称地移动的情况下的宽度的变化。这种方法也可以在产品几何形状需要不对称运动的情况下使用，然而，存在带材宽度控制的精度相应降低。

在图25-27中，视图是穿过装置中的熔融金属的示意性横截面。然而，应注意，在这里为了方便起见，储器120和管道122被示出为与穿过带材124的横向方向对齐，该横向方向与EM屏障126可移动的方向相同。在实践中，储器和管道如图22中所示被定位，其中EM屏障可以在与熔融金属沿管道从储器到供料嘴的流动方向正交的方向上移动。

图25示出稳定状态的布置，其中，目的是铸造恒定宽度的带材。熔融金属被保持在储器中的期望的基准水平D处(根据需要将另外的熔融金属添加到储器中以将熔融金属保持在基准水平处和/或将排开主体插入到熔融金属中以将熔融金属维持在该基准水平，以在铸造期间补偿来自储器的熔融金属损失)。EM边缘屏障126以恒定的线圈电流保持在期望的位置处。

图26示出增加铸造带材的宽度期间的布置。储器120中的熔融金属的水平通过排开主体的合适的排开而增加。EM边缘屏障126在增加宽度的方向上移动。同时，线圈电流可以减小。供料嘴处的熔融金属压力的增加有助于填充通过EM边缘屏障的移动而可用的另外的区域。

图27示出减小铸造带材的宽度期间的布置。储器120中的熔融金属的水平通过排开主体的合适的排开降低。EM边缘屏障126在减小宽度的方向上移动。同时，线圈电流可以增大。由EM边缘屏障提供的压力用于将熔融金属推入到更有限的区域中，并且熔融金属压力的降低减小了对其的阻力。

在上面描述的实施方案中，EM边缘屏障通过电磁体的物理移动来移动。在示出在图28中的可选的实施方案中，提供静态EM屏障200、202、204、206阵列。在该实施方案中，根据哪些EM屏障被接通，从而界定EM边缘屏障的位置来选择铸造带材208的宽度。该示出的实施方案示出了供料嘴210的一侧处的四个EM边缘屏障。对于商业规模的TRC装置，带材的最大宽度可以高达2000mm，这为许多EM屏障提供了空间，并且因此通过EM屏障的适当的接通-切断控制允许相对精细地控制带材的宽度。EM屏障可以完全横跨供料嘴的宽度设置，或者可以设置在期望的位置处(例如，朝向一个或两个边缘)。

考虑图28的实施方案，图28允许本发明人认识到本发明不必限于控制铸造带材的宽度的位置。当在屏障的任一侧上存在熔融金属时，EM屏障的操作迫使熔融金属分开。通过这种方式，EM屏障用作分流器以使熔融金属向远离磁场。对于适当高的磁场强度，该影响将形成穿过熔融金属供料的孔，并且因此在铸造带材中形成相应的孔。此外切断EM场允许熔融金属回流到之前被逐出的地方，从而封闭孔的尾端。然而，尽管EM屏障可以提供用于实现本发明的特别合适的机构，但是铸造带材内的孔形成的这种概念并不限于使用EM屏障。可以使用包括机械分流器的可选的分流器。

为了在直接铸造产品时实现最小产率损失，除了具有不规则宽度的图案之外或者作为具有不规则宽度图案的替代，容易想到将受益于最初被铸造为具有设置在其中的一个或多个孔的坯件的产品。例如，制造为单件的汽车门板需要不规则的宽度和用于约束窗户的孔。EM边缘屏障可以以类似于外边缘的方式控制孔的内边缘的整体宽度。在这种情况下，有必要在EM屏障的两侧上提供液态金属流。在这种情况下，EM屏障充当分流器而不是边缘屏障。

在EM分流器的两侧上提供液态金属流的合适的方法在图29-31中提出。

图29示出供料嘴300、铸造带材302以及EM分流器304的示意性平面视图。通过经由定位在EM分流器的任一侧上的供料306、308独立地将液态金属提供到供料嘴中的不同位置，为分流器的每一侧供给液态金属。孔310通过EM分流器304的合适的操作产生。

图30示出图29的可选的实施方案，其中，导电管320在供料嘴300内延伸并穿过由EM分流器304产生的磁场，以便大体上使液态金属的流免受导电管内的磁场。这允许液态金属穿过导电管320，绕过EM分流器供给到EM分流器的另一侧。图31示出EM分流器304、EM场线322、供料嘴300、熔融金属324以及导电管320的纵向横截面图。

通过打开EM分流器产生封闭孔，在铸造片材时保持打开以产生所需的内部开口，然后再次切断，使得内部边缘可以重新结合以闭合该孔。

在图29-31的实施方案中，可以使用EM分流器的各种布置。对于小的孔(例如，直径达到约50mm的孔)，可以使用具有上面描述的用于EM边缘屏障的形式的一个EM分流器其。该EM分流器可以是静止的或可移动的，这取决于孔的所需位置和形状。对于更大的孔，可以提供两个EM分流器。这些分流器优选地是可移动的。实际上，每一个提供内部EM边缘屏障。可选地，可以提供静态EM分流器的阵列，如关于图28所描述的，这些分流器的接通-切断控制允许控制孔的内部边缘的位置。通过在横跨铸轧机的宽度上重复上述布置一次或多次，可以横跨片材的宽度产生多个孔。

考虑到上述铸造带材横截面形状关于铸造带材边缘位置的控制的变化，当在铸造带材中形成孔时，控制和调节熔融金属的压力是有利的。

设想了这样的实施方案，其中，铸造带材的一个或多个边缘的位置由EM边缘屏障控制，并且还提供EM分流器以便在铸造期间在铸造带材中的期望位置处形成孔。

在铸造期间使用分流器在熔融金属中促进孔的形成是可能的。图32示出穿过供料嘴300的示意性横截面透视图。提供隔板阵列340。这些隔板由非铁磁性且优选非导电性材料形成。例如，它们可以由陶瓷形成，例如与形成供料嘴的其余部分的材料相同的材料。它们的作用是迫使熔融金属在它们周围流动以便到达辊缝。来自EM分流器304的磁场可以比通过(导电)熔融金属更容易地通过隔板。因此，磁场倾向于集中在最接近EM分流器的位置的多个隔板或隔板处。一旦产生适当高的EM场，则在EM场最高的隔板附近引发孔。通过适当地控制EM分流器该所引发的孔可以然后扩展或被移动，以用于随后到来的熔融金属。认为这种隔板的作用是允许EM场将熔融金属推向侧向，而不是侧向和向前。

图33示出图32的可选的实施方案，其中，供料嘴的后内面具有脊状物的阵列350。这些脊状物由与供料嘴的其余部分的材料相同的材料(即，陶瓷)形成。它们的效果类似于图32的隔板的效果，允许通过适当控制EM分流器来引发孔。

尽管已经结合上面描述的示例性实施方案描述了本发明，但是当给出本公开时，许多等同的改变和变化对于本领域技术人员将是明显的。因此，上面阐明的本发明的示例性实施方案被认为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施方案进行各种改变。

以上提及和/或以下列出的所有参考文献通过引用据此并入本文。

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