金属带材的铸造的制作方法

专利名称：金属带材的铸造的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属带材的铸造。本发明特别地但又不局限于黑色金属带材的铸造。
在双辊铸造机中连续铸造金属带材是一种公知技术。将熔融金属送入一对转向相反的水平铸辊之间，这对铸辊被冷却使金属壳在运动中的辊面上固化，金属壳被一起送至辊间的压辊间隙以便形成从压辊间隙向下输送的固化带材。“压辊间隙”这个术语本文中指铸辊最为接近的区域。熔融金属可从浇包注入一个较小的槽，再通过一位于压辊间隙上方的金属输送注口流入铸辊间的压辊间隙，从而形成由紧靠压辊间隙上方的铸辊的铸造表面支承的熔融金属的铸池。该铸池可以在两个侧板(或称侧坝)之间限定，侧板保持与铸辊两端的滑动接合。
双辊铸造一直较为成功地应用于冷却时能迅速固化的有色金属如铝。但是，将这种技术应用于黑色金属的铸造却一直存在问题。由于黑色金属的固化速率要慢得多。为了使连铸能够满意地进行，在铸造表面实现均匀的冷却和固化就成了绝对关键的问题。这可能很难实现，尤其是在铸造刚刚开始的时候。一般需要使熔融金属流过在金属输送注口中用耐火材料形成的较小流动通道。虽然在铸造之前金属输送注口经过预热，但是围绕小流动通道的耐火材料很容易使冷却限制于局部，这可能使熔融金属是过早固化，尤其是在开始铸造时。因此，一直需要在比熔融金属液相线温度高许多的温度下向输送注口供送熔融金属，以便保证在其流过输送注口时不会由于局部冷却效应而过早固化。一般来说，在开始时金属可以需要预热，使其过热100℃以上，即达到高于金属液相线温度100℃以上的某一温度。在本发明之前，在液相线温度较高的低碳钢的情形中，为了实现这一点，而且为了不只在开始阶段而且在铸造过程中补偿热损失，从炉中放出的熔融金属也许需要超过1700℃的温度。
将大量熔融金属加热至上述高温需要消耗大量能源，显然也存在操作安全，大大地缩短铸辊和耐火材料的寿命等问题，所有这一切都严重影响到工作成本。我们已确定，在铸造的初始阶段之后，输送注口的耐火材料的温度将通过来自熔融金属的热传递而均匀上升，因此，其后并不需要极高的熔融金属温度来防止过早固化。另外，我们还确定，上述高温也限制了铸造机的生产率。因为如果铸池的温度可降低，则可以获得更高的固化速率。
以前曾有人提出，当熔融金属通过浇口盘和浸入式注口流向连铸模时，通过对金属提供补充加热的方式来防止过早固化而又减小了在板坯连铸机中对熔融金属的预热。美国专利第4，645，534号描述了对流动金属的加热，作法是使电流从加热装置如等离子电弧炬通过熔融金属。加热装置可以应用于浇口盘中的金属，使电流通过流向浇口盘下游的浸入式注口或铸模的流动的金属。日本专利第J91018979-B(公开号J59202142)也描述了当熔融金属从浇口盘通过浸入式注口流入连铸模时，使来自浇口盘中的等离子电弧炬的电流向连接于浸入式注口的阳极，从而加热熔融金属。
美国专利第4，645，534号和日本专利第J91018979-B号所描述的技术方案并不是直接用于薄板双辊铸造的。在铸造过程中通过瞬间加热的方式并不能克服在初始阶段在输送系统中的复杂多样的小流动通道中熔融金属过早固化的问题，这是因为不可能以足够大的速率使能量进入金属，或者也不可能将热传递控制在一个足够大的程度以便保持温度，从而保持通过输送系统的流动通道的流动速率。本发明提供了一种方法和装置，能够以一种不同的方式解决这个问题，使熔融金属能够在初始阶段以较高的温度送至输送注口，但在铸造的整个其它时间中以显著较低的温度送至输送注口。
按照本发明的一种铸造金属带材的方法，其中，熔融金属通过一个设压辊间隙上方的金属输送注口送入一对铸辊间的压辊间隙，从而形成由紧靠压辊间隙上方的辊面支承的熔融金属铸池，使铸辊转动以便在压辊间隙下游形成固化的带材，所述铸池形成过程是，先将第一批具有高于金属液相线温度的第一温度的熔融金属通过输送注口送入铸辊间的压辊间隙，然后将具有低于所述第一温度的第二批溶金属通过输送注口送入铸辊间的压辊间隙。
所述第一温度最好至少高于所述第二温度50℃，也可以至少高于所述第二温度100℃。
所述第二温度最好使铸池温度不高于金属液相线温度50℃。更精确来说，所述第二温度最好使铸池温度不超过金属液相线温度25℃。
熔融金属可以是熔融的钢，所述第一批熔融金属可以在1至6吨的范围内。
所述第二批熔融金属可以至少比第一批重5倍，也可以重10倍以上。
第一批熔融金属可以在位于输送注口上方的浇口盘中预热至所述第一温度，并从浇口盘释放以便流至输送注口，从而开始铸造工作。
熔融金属可以通过一个分配器从浇口盘流向输送注口。
第二批熔融金属在第一批溶融金属通过输送注口浇入时可盛放在一个浇包内，然后再从浇包继续送向输送铸口。
第二批熔融金属可以浇包浇入上述浇口盘以便通过浇口盘流至输送注口。
第一批熔融金属可从所述浇包浇入浇口盘，然后当其盛放在浇口盘中时向其加热至所述第一温度。所述加热可通过等离子电弧炬装置进行。
当将第二批熔融金属从浇色流向输送注口时也可对其加热以便在铸造中保持铸池中熔融金属的温度。上述加热也可以当熔融金属流过浇口盘时例如通过等离子电弧炬装置进行。
本发明还提供一种铸造金属带材的装置，该装置具有一对铸辊，在其间限定了一个压辊间隙；一个设置在铸辊上方的金属输送注口，用于将熔融金属送入铸辊间的压辊间隙；一个浇口盘，用于将熔融金属送至所述输送注口；注口及浇口盘的预热装置，用于预热所述输送注口及浇口盘；浇口盘出口装置，可操纵以便从浇口盘中向输送注口释放所述第一批的金属流；以及浇包装置，用于盛放第二批熔融金属，并可被操作以便将第二批熔融金属浇入浇口盘，再从浇口盘流向输送注口。
该装置还可包括一个位于浇口盘之下的熔融金属分配器，用来接纳来自浇口盘的熔融金属，并将其送至输送注口。
所述等离子电弧炬可具有大约1兆瓦的功率。
现在参阅以下附图详述本发明在钢板连铸中的应用，以便对本发明作更为详尽的说明。


图1表示研究低碳钢生产率和铸造温度之间关系的实验结果；图2表示按照本发明制造和操作的板材连铸机的侧视图；图3是图2所示装置连铸钢带的铸造时间表。
在本发明的研制过程中，最初的试验工作是在一个金属固化试验架上进行的，其中，将一个40mm×40mm的经冷却的块送入一个熔融钢槽中，送入的速度严格地模拟双辊连铸机的铸造表面的状态况。当冷却块移过熔槽时钢在冷却块上固化，在冷却块的表面形成一层固化钢。该层的厚度可以在其整个面积的各点上测量，以形成一个总固化速率，测量参数一般称为K系数，规定为K=lt-0.5，其中l为沉积的金属厚度，t为沉积时间。
图1表示在上述试验架上进行的试验结果，以确定由k系数测定的铸池温度对生产率的效应。更具体来说，该图表示在一个具体基底上测量的k系数，该基底用于改变熔体的预热，即改变高于熔融金属的液相线温度的温度。可以看出，k系数非常显著地随着减小的过热值而增加，这就是说，如果铸池的温度可减小到不超过50℃的过热，最好减小到小于25℃的过热，那么就可以大大增加铸造机的生产率。在某些情况中可以预见，使铸池温度下降至液相线温度，甚至于稍低于液相线温度也是可能的，以便实现流变铸造状态。图2所示的铸造机能够在初始阶段之后以上述低的熔体过热进行连续铸造，而在初始阶段中，温度高得多的熔融金属可通过输送注口，使输送注口中的流动通道提高至一个均匀的温度半形成一个初始铸池。
图2所示铸造机具有一个主机架11，放置在厂房地面12上。主机架11支承着可在装配工位和铸造工位之间水平移动的铸辊滑座13。滑座13支承着一对平行的铸辊16，铸辊16形成一压辊间隙，在压辊间隙中形成熔融金属的铸池，并被保留在两侧板(未画)之间，侧板保持与辊端的滑动接合。
在铸造中，熔融金属从一浇包17，经过浇口盘18，输送分配器19a和注口19b送入铸池。在组装在滑座13上之前，浇口盘18，分配器19a，注口19b以及侧板均在适当的预热炉(未画)中预热至1000℃以上的温度。上述零件可被预热和移入滑座13上的组件中的方式更详细地公开于美国专利第5，184，688号中。
铸辊16是水冷式的，使熔融金属作为在运动中的铸造表面上的壳而从铸池中固化，所述壳在压辊间隙处被挤压在一起以便在铸辊出口形成带材20。带材20被送至一输出辊道21，然后送至一标准缠卷装置。一容器23装在机架临近铸造工位处，熔融金属可通过分配器19a上的溢流口25分流入容器23，或者，如果在铸造中出现严重故障，撤回分配器19a一侧上的紧急塞，使熔融金属流入容器23。
按照本发明，浇口盘18可以盛放首批熔融金属，这些熔融金可被预热至一个充分高于液相线温度的温度，以便在开始阶段通过输送注口浇铸，其后，可将浇包中的熔融金属以低得多的温度通过同一浇口盘和输送注口浇入铸池。
浇口盘18配有一个盖32，其底板在24处是阶梯形的以便在浇口盘底部左侧形成一凹陷26如图2所示。熔融金属通过一出口37和滑动门阀38从浇包17注入浇口盘的右侧。在凹陷26的底部有一在浇口盘底板上的出口40，使熔融金属通过出口42从浇口盘流至输送分配器19a和注口19b。浇口盘18装有一止动杆46和滑动门阀47以便有选择地打开和闭合出口40并有效地控制金属通过该出口的流动。
在浇口盘底部设置凹陷26是为了接纳首批熔融金属，按照本发明，首批溶融金属被预热至超过浇包温度的温度。为此，一等离子电弧炬48在凹陷26上方装在绕口盘盖32内，并可向下延伸以便用来加热凹陷中的溶融金属。一氩气扩散装置28装在凹陷的底板内，并通过管30提供加压氩气以形成通过凹陷内的熔融金属上升的气泡，以促进在等离子电弧炬区域内的循环并从等离子电弧炬周围的金属表面清除熔渣。已经发现，如果氩气扩散装置具有一对间隔紧密的多孔出口以便释放两束间隔紧密的气泡流，它们相互作用以维持临近于等离子电弧炬的平稳垂直上升的气泡幕，这样可以取得最佳效果。如果只使用一个出口，那么产生的单一气泡流容易偏移垂直方向且容易分散。使用每分钟大约44升的气流并使用在背离浇口盘出口40并朝向浇口的盘从浇包出口37接受熔融金属那一端的方向上距离等离子电弧炬大约200mm的气泡，可以取得良好的效果。这样可以保证在从浇包出口37至浇口盘出口40的流动中，气泡通过金属上升后才到达等离子电弧炬区域，以便促进围绕等离子电弧炬区域且在凹陷26中的良好循环。
在一种典型的设置中，浇口盘18可以具有大约8至11吨的总容量，凹陷26可以具有大约2至4吨的容量，等离子电弧炬48的功率大约为1兆瓦左右。
图3是在图2所示的铸造机中连续铸造钢带的铸造时间表，浇包可以具有30吨的容量。在图3中，实线表示从电弧炉浇入浇包17的在铸造过程中盛放在其内的低碳钢的温度随时间的变化。虚线表示在浇口盘17中金属温度的变化。
在注满浇包17所需的10分钟内，熔融金属的温度平稳地从浇入温度1640℃降至1590℃(A点)，在随后的将浇包17从电弧炉输送至图2所示铸造位置所需10分钟内，熔融金属的温度降至1585℃(B点)。从该时间点开始，实线记录了浇包17内熔融金属温度稳定地降至70分钟后的1560℃(C点)。
为了准备开始铸造，一批大约3吨熔融金属浇入烧口盘18中，此时浇口盘18的出口40是闭合的，从而使首批溶触金属收集在浇口盘的凹陷26中。这需要2分钟时间，在这个时间内，热量从熔融金属传入浇口盘，使浇口盘达到工作温度。因此，熔融金属的温度在此期间从1585℃降至1535℃(D点)。然后操纵等离子电弧炬48将首批3吨熔融金属在10分钟内预热至大约1635℃(E点)。图3中的阴影区下代表为将熔融金属提高到这个温度值所需要传递给熔融金属的热量。
当首批熔融金属已预热至1635℃时，浇口盘出口40打开，使熔融金属通过出口42从浇口盘18流向输送注口，进入铸辊间的压辊间隙，形成铸池。当熔融金属流过输送注口中的窄小流动通道时，使流动通道的温度上升至一个均匀的温度，同时避免任何金属冷却至可产生过早固化的温度。
当已形成稳定的铸造时，操纵浇包的滑门。将金属从浇包浇入浇口盘，以便将浇口盘注满并在铸造期间保持浇口盘的注满状态。因此，处于浇包温度的熔融金属与在浇口盘中剩余的温度较高的首批熔融金属相混合，因此，从浇口盘流出的熔融金属在从第32至第38分钟的6分钟内从1635℃降至1565℃(H点)。在此期间，等离子电弧炬工作加热从浇包流过浇口盘的熔融金属，以便使流向输送注口的金属温度基本恒定在1565℃。图3中的阴影区J代表寝阶段后上述铸造阶段中传递至熔融金属的热能。关于这一点，底线k从第38分钟延伸至第70分钟，它记录了在浇口盘中熔融金属无任何外来加热时的温度变化情况，并考虑到在稳定铸造阶段中在浇包和浇口盘之间在无外来加热时熔融金属的温度下降20℃。
初始阶段后在连续铸造过程中可以进行加热，使铸池中的熔融金属的温度在整个稳定铸造期间保持在仅稍高于金属的液相线温度，这样可大大地提高生产率。如果在稳态铸造阶段不进行加热，在铸造期间则必须考虑温度会下降，因而必须从一个更高的初始熔体温度开始铸造。应该注意的是，在稳态铸造过程中最好有基本不变的熔融金属温度(虽然不是必要的)，其优点是可避免调整其它铸造参数如铸辊转速，以便保持均匀的带材厚度。
图示装置可对铸造条件进行控制，从而在初始阶段后的稳态铸造过程中，使铸池保持在接近于液相线温度，以取得最佳的生产率。因此可以在较高的速度下铸造，使铸辊的直径小于普通铸造机，在普通铸造机中，只有一批熔融金属被预热并通过铸造机浇铸，在整个铸造期间会有热损失和温度下降发生。本发明也可大大提高铸辊寿命和耐火材料的寿命。另外可以不必将大批熔融体加热至过高的温度以备开始铸造，从而大大减少了铸造成本和铸造引起的公害。但是图示装置只是一种举例，对其可作很多改变。虽然主要批量的温度较低的金属最好通过首批在其内预热的浇口盘浇铸，但这并不是必要的，也可以沿分开的路径向输送注口独立地提供熔融金属。虽然等离子电弧炬是一种用于在开始阶段和稳态铸造阶段加热熔融金属的普通装置，但是，使用其它装置也是可行的，如感应线圈加热器或向熔融金属中加入化学药剂，图3的时间表显示铸造低碳钢的典型温度，但是对于其它钢种如具有低得多的液相线温度的不锈钢，也可使用显著较低的温度。因此，本发明显然并不局限于图示装置和铸造时间表的细节，可对其作许多修改和变化而并不超出本发明的范围。
权利要求
1.一种铸造金属带材的方法，其中，熔融金属通过设置在一对铸辊(16)之间形成的压辊间隙上方的金属输送注口(19b)引入所述压辊间隙，从而形成由紧靠压辊间隙上方的辊面支承的铸池，使铸辊转动以便从压辊间隙向下输送一条固化带材(20)，其特征在于通过输送注口(19b)向压辊间隙中送入具有高于金属液相线温度的第一温度的第一批熔融金属，从而形成铸池，然后通过输送注口向压辊间隙送入具有低于所述第一温度的第二温度的第二批溶融金属从而维持所述铸池。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于；所述第一温度比第二温度至少高50℃。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第一温度比第二温度至少高100℃。
4.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于；所述第二温度使得所形成的铸池温度不高于金属液相线温度50℃。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述第二温度使得所形成的铸池温度不高于金属液相线温度25℃。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述熔融金属是熔融的钢。
7.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述第一批熔融金属在1至6吨的范围内。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述第一批熔融金属在2至4吨的范围内。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述第二批熔融金属至少比所述第一批熔融金属大五倍。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述第一批熔融金属在所述输送注口(19b)上方的一个浇口盘(18)中被预热至所述第一温度，并从所述浇口盘释放以便流向所述输送注口，从而开始铸造工作。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于从所述浇口盘(18)释放的熔融金属通过一分配器(19a)流向所述输送注口(19b)。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于在所述第一批熔融金属通过输送注口最初的浇铸期间，所述第二批熔融金属盛放在一个浇包(17)中，然后从浇包(17)浇入所述浇口盘(18)以便向输送注口(19b)继续提供熔融金属。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一批熔融金属从所述浇包(17)浇入烧口盘(18)，然后在其盛放在浇口盘(18)中时，通过加热将其加热至所述第一温度。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述加热是通过等离子电弧炬装置(48)进行的。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于第所述第二批熔融金属从浇包(17)流向输送注口(19b)时，也向其加热以便使所述铸池中的熔融金属温度在整个铸造过程中保持高于最低铸造温度。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于当所述第二批熔融金属流过浇口盘(18)时，也操纵所述等离子电弧炬装置向其加热，以便使所述铸池中的熔融金属温度在整个铸造过程中保持高于最低铸造温度。
17.一种铸造金属带材的装置，具有一对在其间限定压辊间隙的铸辊(16)，一个设置在铸辊(16)上方，用于将熔融金属送入所述压辊间隙的金属输送注口(19b)，一个具有出口(40)，用于向所述输送注口(19b)供应熔融金属的浇口盘(18)，以及用于预热所述输送注口和浇口盘的注口和浇口盘预热装置，其特征在于所述浇口盘的底部形成一个盛放第一批熔融金属的凹陷(26)，其容量小于浇口盘的容量，设有一个用于在所述凹陷(26)中加热第一批熔融金属的金属预热装置(48)，所述浇口盘的出口装置(40，42，46，47)可用来从浇口盘凹陷(26)向输送注口(19b)释放第一批熔融金属流，设有一个浇包装置(17)，用来盛放第二批溶融金属，并将第二批熔融金属浇入浇口盘(18)，以便通过浇口盘流向输送注口(19b)。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于所述金属预热装置(48)包括一个用来加热浇口盘凹陷(26)中熔融金属的等离子电弧炬装置。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于设有将气泡引入所述凹陷的装置(28)，使气泡在凹陷中临近等离子电弧炬装置地通过熔融金属上升。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于所述引入气泡的装置(28)与所述等离子电弧炬装置(48)的间距使得气泡在熔融金属通过浇口盘(18)向输送注口(19b)的流动中到达等离子电弧炬装置之前通过熔融金属上升。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于所述引入气泡的装置(28)具有两个释放出间隔紧密的两个气泡流的间隔开来的气体开口。
22.如权利要求17至21中任一项所述的装置，其特征在于所述浇口盘在其一端具有阶梯形底板(24)以形成凹陷(26)。
23.如权利要求17至22中任一项所述的装置，其特征在于一个熔融金属分配器(19a)位于浇口盘(18)之下，用以接纳来自浇口盘的熔融金属并将其送至输送注口(19b)。
全文摘要
金属带材的铸造方法及装置，其中熔融金属通过浇口盘和输送注口送至一对平行的铸辊。铸辊被冷却，使固化壳在运动的辊面上形成并在压辊间隙处挤压在一起，从而在辊的出口形成固化的带材。通过输送注口浇铸温度高于熔融金属液相线温度的第一批熔融金属以形成铸池，然后通过输送注口浇铸温度较低的第二批溶融金属以保持铸池。浇口盘的底部制有盛放第一批熔融金属的凹陷，设有加热装置以加热凹陷中的熔融金属。
文档编号B22D11/10GK1100978SQ94105830
公开日1995年4月5日 申请日期1994年5月25日 优先权日1993年5月27日
发明者深濑久彦, 威廉·约翰·福尔德, 瓦尔特·布莱耶德 申请人:石川岛播磨重工业株式会社, Bhp钢铁(吉拉)有限公司