CN1309507C - 用于铸造金属的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于连续或半连续铸造金属的装置，包括：具有多个模具件(1，2)的模具，这些模具件一起形成了可容纳液态金属(6)的铸模；模具支撑结构(30，31)，其围绕着模具并对其进行机械式支撑；以及设置成与模具相邻以便降低熔体和模具之间的接触压力的感应线圈(20)。至少一个模具件被至少分成设置成相互间电绝缘的第一部分(1a，2a)和第二部分(1b，2b)，第一模具件部分相对于铸造方向而言设置在第二模具件部分之前，并且所述感应线圈设置成接近于第一模具件部分(1a，2a)。

Description

用于铸造金属的装置

技术领域

本发明涉及一种用于连续或半连续铸造金属的装置，包括：具有多个模具件的模具，这些模具件可一起形成适于容纳液态金属的铸模；模具支撑结构，其围绕着模具并对其进行机械式支撑；以及设置成与模具相邻以便降低熔体和模具之间的接触压力的感应线圈。该装置可用于在金属或金属合金的连铸中形成细长的铸件，即所谓的铸带。

背景技术

在金属和金属合金的连续或半连续铸造中，将热熔体供应到温度较低的用于连铸的模具中，即在铸造方向上的两端均敞开的模具中。该模具通常用水来冷却，并被支撑结构所包围且由它来支撑。一般来说，支撑结构包括支撑梁或支撑板，其设有用于冷却剂如水的内腔或通道。熔体被供应到模具中，当其通过铸模时金属固化，并且形成了铸带。当铸带从模具中出来时，它包含有围绕着剩余熔体的固化的自支撑壳。

为了防止铸带粘附在模具壁上，应对模具施加振动。为了进一步防止固化的自支撑壳粘附在模具壁上，通常对模具中的熔体上表面提供润滑油。通过振动便在铸带的表面上形成了所谓的振动痕迹。如果固化的表面层会粘附在模具上，这本身便表现为显著的表面缺陷，在一些情况下还会表现为固化表面层的裂纹。

防止在铸带上产生振动痕迹的一种已知方法是使用电磁铸造(EMC)。在电磁铸造期间，交流场产生了用于使熔体和模具分离的力，因此便降低了熔体和模具之间的接触压力。由于这些分离力的存在，粘附的危险和振动痕迹的危险便减轻了。另外，还实现了润滑模具的改善条件。这样，成品铸件的表面光洁度得到了提高。

电磁铸造期间所需的交流场可通过设于模具上端处的线圈来得到。该线圈可具有一个或多个相位。优选施加高频交变磁场。通常为感应线圈提供交变电流，其基频为50赫兹或更高。对于钢板来说，频率优选在50-1000赫兹的范围内，然而更高的频率也是可行的。由高频磁场产生的压力减小了模具壁和熔体之间的压力，因而显著了改善了润滑条件。铸带的表面质量提高，铸造速度增加且不会影响表面质量。电磁铸造的一项缺点在于，感应功率损耗变得很大。

铸造大型铸件的典型模具包括四块由铜或铜合金制成的板，它们一起形成了铸模。这些板由板和/或梁的支撑结构来支撑。为了降低感应功率损耗，已经知道可在该支撑结构中使用不锈钢，然而感应功率损耗仍很大。

瑞典专利文献No.512691公开了一种用于铸造金属的装置，其中可以降低在模具的支撑梁和支撑板中所感应的功率，结果又导致整体感应功率损耗下降。所公开的这种装置包括模具、设于模具上端处的感应线圈，以及可机械式地支撑模具的模具支撑结构。模具包括多个通过分隔部分隔开的模具件，各分隔部分均包括有电绝缘的屏障。各模具件包括有相应的机械式支撑的模具支撑结构部分和导电体，导电体的导电率高于支撑结构的导电率。

导电体设置成接近于模具支撑结构部分中的背离模具一侧上的模具支撑结构部分。分隔部分中的屏障阻断了由磁场在模具中感应出来的电流的电流通路，因此促进了因磁场导致的熔体的渗透，并且减少了模具中的感应功率损耗。导电体提供了针对高频磁场感应电流的有利返回通路，使得支撑结构中的感应功率损耗下降。无可否认，这种模具装置降低了感应功率损耗，但感应功率损耗仍太高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于使用电磁铸造来连续或半连续铸造金属的装置，其能够改善用于铸带的初始固化的条件，并具有较低的感应功率损耗。

这一目的可通过如下所述的用于连续或半连续铸造金属的装置来实现，其包括：具有多个模具件的模具，所述模具件一起形成了可容纳液态金属的铸模；模具支撑结构，其围绕着该模具并对其进行机械式支撑；以及设置成与该模具相邻以便降低熔体和模具之间的接触压力的感应线圈，其特征在于，至少一个模具件被至少分成设置成相互间电绝缘的第一部分和第二部分，第一模具件部分相对于铸造方向而言设置在第二模具件部分之前，并且所述感应线圈设置成接近于第一模具件部分。

对线圈感应电流的分析表明，模具外部的感应电流集中在线圈前方的右侧地带，而模具内部的感应电流沿整个模具的高度基本上均匀地分布。电流在模具内部沿垂直方向的这种均匀分布导致了形成于模具和熔体之间的空间内的磁场在从模具下边缘至熔体表面上基本上恒定，即形成所谓的弯月面(meniscus)。因此，电磁压力在整个模具高度上变得基本上恒定。电流的这种分布出于下述两个原因而变得低效：第一，只有在最接近弯月面下方的区域中的电磁压力可被利用，第二，电磁压力在垂直方向上与电流的传播成反比。这意味着模具越高，电磁压力将越小。目前的趋势是增加模具的长度，这意味着磁场的效果将下降。

通过将模具垂直地分成至少两个相互间电绝缘的部分，并且将感应线圈布置成接近其中一个模具部分，就可将模具内部的感应电流在垂直方向上的传播限制在弯月面周围的区域，因而可降低感应功率损耗。即使在一个或几个模具件被分开时，也可以实现效率的提高。本发明的一项优点在于，电磁压力可与模具的长度无关地保持相同。

根据本发明的一个优选实施例，第一和第二模具件部分设置成相互间隔开，使得在它们之间形成了间隙，该间隙设置成基本上穿过铸造方向。模具件被间隙分开，防止感应电流到达模具件的下部。优选可在该间隙中填充一些绝缘材料，但也可以填充空气。

根据本发明的另一优选实施例，间隙设置在离线圈下边缘的距离小于15厘米的位置处。通过这种设置并假定线圈基本上设置成与弯月面平齐，就可在真正需要熔体的位置处、即弯月面的附近施加集中的磁场，因而施加较大的向内作用力。

根据本发明的一个实施例，分开的模具件构成了铸模中的至少一个侧面，该间隙设置成使得间隙相对于线圈的位置沿模具的这一侧面有所变化。作为具有纯水平式间隙的替代，间隙的位置允许在垂直方向上变化。这样，至少在一定程度上可以控制熔体上的电磁压力沿模具侧面的分布。

根据本发明的一个实施例，该间隙在横穿过其纵向轴线的截面上具有不规则的形状，以便在第一和第二模具件部分的侧面方向上实现相互间的锁定。根据本发明的另一实施例，该间隙设置成在横穿过其纵向轴线的截面上相对于穿过铸造方向的平面呈倾斜。该模具的一项任务是夹持铸带，因此模具件有时会承受到较大的向外作用力。为了防止模具件部分滑开，该间隙优选在横穿过模具厚度的截面上形成为具有倾斜的或不规则的形状，或者是形成为具有可将模具件部分相互间锁定的槽。

根据本发明的另一实施例，模具包括四个形式为模板的模具件，其中两个模板构成了铸模的长侧面，而另两个模板构成了铸模的短侧面，至少构成了铸模长侧面的两个模板被分成所述第一和第二模具件部分。构成了铸模短侧面的两个模板优选由一个整体部分构成。仅使模具的长侧面分开而使两个短侧面不分开的优点在于，当两个侧面不分开时模具能够以更佳的方式控制上述向外作用力，同时效率的提高与所有四个侧面均分开的情况一样高。

根据本发明的另一实施例，模具支撑结构包括多个模具支撑件，它们均设置成可支撑一个所述模具件，因此，设置成可支撑所述分开的模具件的模具支撑件以与模具件相同的方式被分成相互电绝缘的第一和第二模具支撑部分，第一模具支撑部分设置成可支撑第一模具件部分，而第二模具支撑部分设置成可支撑第二模具件部分。线圈所感应的电流不仅在模具件中、而且然在周边支撑结构中被感应出来。为了进一步降低感应功率损耗，还可以与模具相同的方式将周边支撑结构分开。

根据本发明的另一实施例，模具支撑结构包括多个模具支撑部分，各模具支撑部分设置成可支撑任一所述模具件部分，因此，设置成可支撑所述分开模具件部分的模具支撑部分包括有可支撑上、下模具件部分的整体部分。通过仅将模具件分开而不将支撑了模具件部分的模具支撑件分开，便可以在模具中得到更佳的机械稳定性。

根据本发明的另一实施例，所述分开的模具件被分成至少三个部分，第三模具件部分相对于铸造方向而言设置在第一模具件部分之前，并且与第一模具件部分电绝缘。第三和第一模具件部分优选设置成相互间隔开，因此在它们之间形成了间隙，该间隙设置成基本上模穿过铸造方向。通过在模具的上部中引用第三部分，感应电流在垂直方向上的传播就被进一步限制在弯月面周围的区域。该第二间隙可具有多种形状，其与针对第一间隙所述的相同。

根据本发明的另一实施例，模具件设置成相互间电绝缘，并且在模具支撑结构的背离模具的一侧上设有导电体，其具有比支撑结构的导电率更高的导电率。为了进一步降低功率损耗，根据本发明的分开模具可设有位于支撑结构外部上的导电体。该导电体构成了电流的有利返回通路，因而降低了支撑结构中的感应功率损耗。

附图说明

下面将通过以示例方式介绍的不同实施例并参考附图来说明本发明。

图1是根据本发明第一实施例的连铸装置沿铸造方向的截面图。

图2是图1所示装置的横穿过铸造方向的截面A-A。

图3是根据本发明第二实施例的连铸装置沿铸造方向的截面图。

图4a-4b显示了横穿过模具厚度的截面中的模具件部分之间的间隙的另一实施例。

图5显示了该间隙的另一实施例，其中该间隙设置成使得间隙相对于模具上端的位置在模具侧面上有所变化。

图6是根据本发明第三实施例的连铸装置沿铸造方向的截面图。

图7和8显示了根据本发明的连铸装置的其它实施例。

具体实施方式

连铸模具在铸造方向上的两端处均敞开，并包括用于保证成型铸带可连续地离开模具的装置。该模具被连续地供应热的熔融金属流。在熔体从模具中通过时，它被冷却且至少部分地固化，因而形成了铸带。

图1和2显示了用于连铸金属的装置。该装置包括有模具，其包括多个模具件1，2，3和4，它们一起形成了可容纳液态金属6的铸模。模具件1-4为板形，在下文中它们将称为模板。模板通常由铜或铜合金制成，在其于操作期间朝向熔体的内表面上可设有涂层。模板1和2也相互面对，它们构成了铸模的短侧面。另外，模板具有较高的导热率和导电率。在冷却板上设有冷却通道(未示出)。

构成铸模中的长侧面的模板1和2均分成两个部分，即第一模具件部分1a，2a和第二模具件部分1b，2b。从铸造方向上来看，第一模具件部分1a，2a设在第二模具件部分1b，2b之前。第一模具件部分1a，2a设置成与第二模具件部分1b，2b电绝缘。第一模具件部分1a，2a优选设置成与熔体的上表面即弯月面22平齐。

第一模具件部分1a设置在第二模具件部分1b之上并与之间隔开一段距离，使得在模具件部分之间形成了间隙8a。相应地，第一模具件部分2a设置在第二模具件部分2b之上并与之间隔开一段距离，因此在它们之间形成了间隙8b。间隙8a，8b设置成基本上垂直于铸造方向。在连铸期间铸造方向优选是垂直的，这意味着这些间隙优选设置成水平。间隙8a，8b优选填充有一些绝缘材料，例如玻璃纤维增强的环氧树脂，然而这些间隙也可以是气隙。

构成了铸模中的短侧面的模板3，4可通过与模板1，2相同的方式分成第一和第二模具件部分，或者模板3，4中的每一个均包括一个单独的整体部分。通常来说，短侧面的高/宽比使得模板3，4的分开仅能提供最低限度的效率提高。因此从强度的观点来看，仅将构成了长侧面的模板1，2分开是更适合的。

模具被机械式地支撑了模具的模具支撑结构所围绕。模具支撑结构包括多个形式为模具支撑板的模具支撑件10，11，12，13，它们设置可分别支撑模板1，2，3，4中的一个。模具支撑板10，11，12，13通常由钢梁制成，并包括用于容纳流动的冷却剂如水的内部通道或凹腔。模板1，2，3，4及相应的模具支撑板10，11，12，13借助于隔板15，16，17，18而设置成相互间电绝缘。模具支撑板10，11，12，13优选由不锈钢制成以降低感应功率损耗。

模板1，2，3，4和模具支撑板10，11，12，13被感应线圈20所围绕。线圈20优选设置在模具的上端处并与弯月面22平齐。线圈20设置成可在铸造期间产生并施加作用于模具上端中的熔体6上的高频交变磁场。该磁场又在熔体上产生了压力，因而导致模板1，2，3，4和熔体6之间的压力减小。对于钢板的铸造来说，磁场的频率优选为50-1000赫兹，然而更高的频率也是可行的。线圈20通常是单相线圈，并在铸造方向上具有约15厘米的长度。为了得到提高的效率，间隙8a，8b应当设置在离线圈下边缘的距离h小于15厘米的位置处。为了进一步集中电磁场并因而提高效率，最好将线圈设置在离线圈下边缘的距离h小于10厘米的位置处。

从图1中可以清楚，模具支撑板10，11设置在模板之外，从而沿着第一模具件部分1a，1b和第二模具件部分2a，2b延伸。模具支撑板10，11与第一模具件部分1a，2a电接触。模具支撑板10，11与第二模具件部分1b，2b设置成相互间电绝缘。因此，模板1，2被分开，而支撑板未被分开以提供更好的机械稳定性。

图3显示了金属连铸装置的另一实施例。应当注意的是，在所有实施例中，具有相应的结构和功能的部件用相同的标号来表示。图3中的装置与图1中的装置的不同之处在于，设置成可支撑分开的模板1，2的模具支撑板30，31以与模板1，2相同的方式被分成相互间电绝缘的第一模具支撑部分30a，31a和第二模具支撑部分30b，31b。第一模具支撑部分30a，31a设置成可支撑第一模具件部分1a，2a，第二模具支撑部分30b，31b设置成可支撑第二模具件部分1b，2b。

第一模具支撑部分30a设置成沿着整个模具件部分1a，而模具支撑部分30b设置成沿着模具件部分1b的整个长度。模具支撑部分30a和模具件部分1a一起形成了第一单元，模具支撑部分30b和模具件部分1b形成了第二单元，这些单元设置成相互间隔开以在它们之间形成了间隙35。间隙35设置成基本上垂直于铸造方向。模具件部分2a，2b和模具支撑部分31a，31b以相应的方式设置。

在上述实施例中，间隙8a，8b，35在横穿过其纵向轴线的截面中是基本上水平的。为了提高机械强度，该间隙例如可形成为如图4a和4b所示。在图4a中显示了相对于水平面呈倾斜的间隙40。这种倾斜间隙吸收了来自熔体的向外作用力，这种力以促使分开的方式作用在模具件部分上。图4b显示了设有狭槽的间隙41，该槽可将第一模具件部分2a和相应的模具支撑部分31a锁定在第二模具件部分2b和相应的模具支撑部分31b上。

如图5所示，还可以使间隙在垂直方向上的位置沿着模具的侧面有所变化。图5显示了模具件部分2a，2b之间的间隙43，其中在图中的z方向上，间隙相对于模具的下侧的位置在模具的侧面上有所变化。这样，可以改变熔体上的电磁压力在模具侧面上的分布。

通过用于电磁场问题解决方案的三维有限元程序来对根据图3所示的本发明实施例的连铸装置进行功率计算，其中铸条的尺寸为2000×250毫米，模具高度为700毫米。计算表明，在弯月面处的熔体上的相同电磁压力下，与未分开的模具相比，总体有效功率下降了约44％。同时，无功功率下降了约47％。对于根据图1所示实施例的铸造装置而言，总体有效功率和无功功率的数值分别为25％和28％。

为了将感应电流在垂直方向上的传播进一步限制在弯月面周围的区域，可将模板分成超过两个部分。图6显示了这样一个实施例，其中至少两个模板50，51被分成三个模具件部分，即第一模具件部分50a，51a、第二模具件部分50b，51b和第三模具件部分50c，51c。从铸造方向来看，第三模具件部分50c，51c设在第一模具件部分50a，51a之前。模具件部分50a，50b，50c设置成相互间隔开且电绝缘，从而形成了两个间隙55，56。

因此，模板50包括两个设置成基本上垂直于铸造方向的间隙55，56。对于垂直的铸造方向而言，该间隙为基本上水平地设置。第一间隙55设在弯月面22之上，而第二间隙56设在弯月面22之下。这样，感应电流的传播被向上和向下限制到弯月面22周围的区域。在如图6所示的实施例中，模具支撑板10，11沿着所有三个模具件部分50a，50b，50c，51a，51b，51c延伸。图7显示了另一实施例，其中模具支撑板60被分成三个模具支撑部分60a，60b，60c。模具支撑部分60a，60b，60c与模具件部分50a，50b，50c一起形成了多个单元，从铸造方向来看，它们一个接一个地设置并相互间隔开，从而在它们之间形成了间隙65，66。

根据本发明和铸造装置优选设有位于模具支撑结构附近的导电体。导电率比支撑结构的导电率更高的导电体70，71设置成接近于第一模具支撑部分30a，31a，并位于背离模具的一侧上。导电体70，71提供了针对高频磁场感应电流的返回通路，因此支撑结构中的感应功率下降。

本发明并不限于所示实施例，而是可在所附权利要求的范围内变化和修改。例如，感应线圈可由若干个线圈来代替。

Claims (14)

1.一种用于连续或半连续铸造金属的装置，包括：具有多个模具件(1，2，3，4，50，51)的模具，所述模具件一起形成了可容纳液态金属(6)的铸模；模具支撑结构(10，11，12，13，30，31，60)，其围绕着所述模具并对其进行机械式支撑；以及设置成与所述模具相邻以便降低熔体和模具之间的接触压力的感应线圈(20)，其特征在于，至少一个所述模具件被至少分成设置成相互间电绝缘的第一部分(1a，2a，50a，51a)和第二部分(1b，2b，50b，51b)，所述第一模具件部分相对于铸造方向而言设置在所述第二模具件部分之前，并且所述感应线圈设置成接近于所述第一模具件部分(1a，2a，50a，51a)。

2.根据权利要求1所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述第一模具件部分(1a，2a，50a，51a)和第二模具件部分(1b，2b，50b，51b)设置成相互间隔开，使得在它们之间形成了间隙(8a，8b，35，40，41，43，56，66)，所述间隙设置成使得所述间隙的宽度方向平行于所述铸造方向。

3.根据权利要求2所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述间隙(8a，8b，35，40，41，43，56，66)填充有绝缘材料。

4.根据权利要求2或3所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述间隙(8a，8b，35，40，41，43，56，66)设置在离所述线圈(20)的下边缘的距离小于15厘米的位置处。

5.根据权利要求4所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述分开的模具件构成了所述铸模的至少一个侧面，所述间隙(43)设置成使得所述间隙相对于所述线圈的位置在所述模具侧面上有所变化。

6.根据权利要求2所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述间隙(40，41)在模具件厚度方向上具有不规则的形状，以便在所述第一和第二模具件部分的侧面方向上实现所述第一和第二模具件相互间的锁定。

7.根据权利要求2所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述间隙(40)设置成在所述模具件的平行于铸造方向和模具件厚度方向的截面上相对于垂直所述铸造方向的平面呈倾斜。

8.根据权利要求1所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述模具包括四个形式为模板(1，2，3，4)的模具件，其中两个所述模板(1，2)构成了所述铸模的长侧面，而另两个模板(3，4)构成了所述铸模的短侧面，至少构成了所述铸模长侧面(1，2)的两个模板被分成所述第一和第二模具件部分。

9.根据权利要求8所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，构成了所述铸模短侧面(3，4)的两个模板均由一个整体部分构成。

10.根据权利要求9所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述模具支撑结构包括多个模具支撑件(30，60)，它们均设置可支撑任一个所述模具件(1，50)，设置成可支撑所述分开的模具件的模具支撑件以与所述模具件相同的方式分成相互电绝缘的第一模具支撑部分(30a，60a)和第二模具支撑部分(30b，60b)，所述第一模具支撑部分(30a，60a)设置成可支撑所述第一模具件部分(1a，50a)，所述第二模具支撑部分(30b，60b)设置成可支撑所述第二模具件部分(1b，50b)。

11.根据权利要求1所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述模具支撑结构包括多个模具支撑件，它们均设置可支撑任一个所述模具件，设置成可支撑所述分开的模具件(1，2，50，51)的模具支撑部分(10，11)由整体部分构成，其可支撑所述上方模具件部分(1a，2a，50a，51a)和下方模具件部分(1b，2b，50b，51b)。

12.根据权利要求1所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述分开的模具件(50，51)被分成至少三个部分(50a，50b，50c，51a，51b，51c)，所述第三模具件部分(50c，51c)相对于所述铸造方向而言设置在所述第一模具件部分(50a，51a)之前，并且与所述第一模具件部分电绝缘。

13.根据权利要求12所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述第三模具件部分(50c)和第一模具件部分(50a)设置成相互间隔开，使得在它们之间形成了间隙(55)，所述间隙设置成使得所述间隙的宽度方向平行于所述铸造方向。

14.根据权利要求1所述的用于铸造金属的装置，其特征在于，所述模具支撑结构包括多个模具支撑件(30，31)，它们均设置可支撑任一个所述模具件(1a，1b，2a，2b)，所述模具支撑件(1，2，3，4)设置成相互间电绝缘，在所述模具支撑结构的背离所述模具的一侧上设有导电率高于所述支撑结构的导电率的导电体(70，71)。

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