專利名稱：鑄件,垂直鑄造法和垂直鑄造設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有預(yù)定長(zhǎng)度的鑄件，垂直鑄造方法和可以澆鑄該鑄件的垂直鑄造設(shè)備。鑄件的獲得是通過(guò)垂直拉出已經(jīng)在鑄模中冷卻并只是表面部分凝固了(或在表面形成殼層)的鑄件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由于垂直鑄造法在多個(gè)方面優(yōu)于鑄錠法，比如節(jié)省能量和能源消耗。已經(jīng)進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)來(lái)澆鑄特別是具有大截面的普通種類的包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鑄件，并確保鑄件具有更加恒定的凝固。然而，通過(guò)垂直鑄造法形成的鋼鑄件會(huì)產(chǎn)生多種內(nèi)部缺陷，比如心部氣孔和心部偏析或V形偏析，因此降低了鑄件的質(zhì)量和產(chǎn)量。另外，傳統(tǒng)的垂直鑄造法還會(huì)出現(xiàn)鑄件頂部縮孔等內(nèi)部缺陷。換句話，傳統(tǒng)的垂直鑄造法不能生產(chǎn)出完全滿足對(duì)質(zhì)量有嚴(yán)格要求的包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鑄件。
為了更好地解決這些問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種具有預(yù)定長(zhǎng)度的鑄件，可通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液進(jìn)行澆鑄，然后從所述鑄模的底部垂直拉出所述鑄件，所述鑄件具有所要求的截面形狀并在表面上形成殼層，其特征在于，至少兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面具有錐度，兩個(gè)相對(duì)側(cè)面的尺寸從頂部朝所述底部變小。
為了更好地解決這些問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提出一種澆鑄具有預(yù)定長(zhǎng)度鑄件的垂直鑄造方法，通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液，然后從所述鑄模的底部垂直拉出所述鑄件，所述鑄件具有所要求的截面形狀并在表面上形成殼層。
其中，在澆鑄所述鑄件時(shí)，通過(guò)使所述鑄模的至少兩個(gè)相對(duì)的可移動(dòng)的鑄模件相對(duì)移動(dòng)而離開(kāi)，同時(shí)從所述鑄模的底部拉出所述鑄件，使鑄件的至少一對(duì)相對(duì)的側(cè)面具有錐度，其兩個(gè)側(cè)面的相對(duì)側(cè)面尺寸從頂部到底部逐漸變小。
為了更好地解決這些問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)不同的方面，提出一種澆鑄包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鑄件的垂直鑄造設(shè)備，設(shè)備包括開(kāi)口向上及向下的鑄模，其具有至少一對(duì)可移動(dòng)的鑄模部件，所述鑄?？梢酝ㄟ^(guò)移動(dòng)裝置互相移近或移開(kāi)，包括所述高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液可倒入所述鑄模。
升降工作臺(tái)，以可垂直移動(dòng)的方式設(shè)置在所述鑄模的下面，用于支撐帶有表面上形成有殼層的所述鑄件的底部并可將所述鑄件的底部從所述鑄模的底部拉出；和升降機(jī)構(gòu)，用于上下移動(dòng)所述升降工作臺(tái)。
為了更好地解決這些問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)不同的方面，提出一種澆鑄具有預(yù)定長(zhǎng)度的鑄件的垂直澆鑄方法，通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液，然后從所述鑄模的底部垂直拉出所述鑄件，所述鑄件具有所要求的截面形狀并在表面上形成殼層。
其中，在澆鑄所述鑄件時(shí)，鋼液倒入鑄模后，用頂蓋覆蓋所述鑄模的頂部，通過(guò)其內(nèi)部的加熱腔在惰性氣體氣氛中用等離子或電弧加熱所述鑄模中的鋼液；在這種條件下，能夠保持所述鋼液的表面溫度在固相澆鑄溫度之上，因此抑制了澆鑄的所述鑄件內(nèi)部缺陷的發(fā)生。
為了更好地解決這些問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提出一種通過(guò)澆鑄具有預(yù)定長(zhǎng)度的鑄件的垂直澆鑄設(shè)備，通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液，支撐帶有在表面上形成的殼層的所述鑄件的底部，然后通過(guò)升降工作臺(tái)從所述鑄模的底部垂直拉出所述鑄件的所述底部，所述升降工作臺(tái)設(shè)置在所述鑄模的下面并可通過(guò)升降裝置垂直上下移動(dòng)，其包括頂蓋，能夠覆蓋所述鑄模的頂部，可將其內(nèi)部形成的加熱腔置于惰性氣體氣氛中；和加熱裝置，可通過(guò)等離子或電弧加熱被所述頂蓋覆蓋的所述鑄模中的鋼液。
如圖2所示，鑄模12包括一對(duì)在鑄件厚度方向分開(kāi)設(shè)置的固定的鑄模件28，28和一對(duì)可在兩個(gè)固定的鑄模件28，28之間滑動(dòng)的并在鑄件26的寬度方向分開(kāi)的可移動(dòng)的鑄模件30，30。鋼液倒入這四個(gè)鑄模件28，28和30，30所形成的空間中。各可移動(dòng)的鑄模件30連接到液壓缸(移動(dòng)裝置)32的桿32a，液壓缸32設(shè)置在澆鑄臺(tái)14并利用液壓壓力或類似的作用力。當(dāng)兩個(gè)液壓缸32，32沿前后方向同步推動(dòng)時(shí)，一對(duì)可移動(dòng)的鑄模件30，30相對(duì)移動(dòng)接近或離開(kāi)。如后面將介紹的那樣，當(dāng)一對(duì)可移動(dòng)的鑄模件30，30互相相對(duì)離開(kāi)，同時(shí)將鑄件26從鑄模12的底部拉出時(shí)，從鑄模12中拉出的鑄件26的兩個(gè)寬度方向的側(cè)面(兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面)帶有錐度，兩側(cè)面(兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面)的寬度方向尺寸從頂部到底部變小(見(jiàn)圖3)。實(shí)際上，鑄件26的錐度在每米4到15毫米的范圍內(nèi)(見(jiàn)圖4)。
如

圖1所示，可以從寬度方向的兩側(cè)夾持鑄件26的多個(gè)導(dǎo)輪44，44以可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的方式設(shè)置在鑄模12的正下方，其中的鑄件26已經(jīng)在鑄模12中冷卻(第一冷卻)，其表面上形成有外殼層(外殼)。由于剛從鑄模12的底部拉出的鑄件26被導(dǎo)輪44，44從兩側(cè)夾持，這樣可防止出現(xiàn)膨臌。沿上下方向分開(kāi)設(shè)置的多個(gè)噴嘴46設(shè)置在導(dǎo)輪44，44位置的下面，位于夾持鑄件26的兩個(gè)寬度方向并互相面對(duì)。當(dāng)冷卻水(水)從各噴嘴46直接噴向鑄件26時(shí)，進(jìn)行第二冷卻以加速鑄件26的凝固。應(yīng)當(dāng)注意到導(dǎo)輪44和噴嘴46設(shè)計(jì)成可以縮回到不干涉升降工作臺(tái)50的位置，這在后面會(huì)加以討論。所以，升降工作臺(tái)50可以在寬度方向上相對(duì)的導(dǎo)輪44，44和噴嘴46，46之間上下移動(dòng)。
具有支撐鑄件26底部的引模端部48的升降工作臺(tái)50可垂直移動(dòng)地設(shè)置在鑄模12的下面?；?2，52可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在兩側(cè)，鑄件26通過(guò)滑輪得到固定。一端連接到適當(dāng)?shù)墓潭ú糠值匿摻z繩54圍繞兩個(gè)滑輪52，52纏繞，另一端連接到速度可調(diào)的卷?yè)P(yáng)機(jī)。升降工作臺(tái)50通過(guò)在兩個(gè)滑輪52，52之間伸展的鋼絲繩54而懸吊，并可通過(guò)升降裝置58上下移動(dòng)，升降裝置58包括鋼絲繩54和卷?yè)P(yáng)機(jī)56。換句話，當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)56以將鋼絲繩54卷起的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，升降工作臺(tái)50通過(guò)鋼絲繩54向上移動(dòng)；另一方面，當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)56以將鋼絲繩54松開(kāi)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，升降工作臺(tái)50通過(guò)鋼絲繩54向下移動(dòng)。升降工作臺(tái)50的升降速度(澆鑄速度)在這種情況下設(shè)定在非常低的不大于0.2米/分的速度，因此抑制了鑄件26的內(nèi)部缺陷，如心部氣孔和心部偏析或V形偏析的產(chǎn)生。第一實(shí)施例的操作現(xiàn)在給出根據(jù)第一實(shí)施例的垂直鑄造設(shè)備進(jìn)行的垂直鑄造法的操作的介紹。卷?yè)P(yáng)機(jī)56以預(yù)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)向上移動(dòng)升降工作臺(tái)50。當(dāng)鑄模12的底部接近引模端部48時(shí)包括高合金鋼或工具鋼的特殊鋼的鋼液經(jīng)過(guò)鋼水包12和中間罐18倒入鑄模12中，倒入鑄模12中的鋼液在鑄模12中進(jìn)行第一冷卻，因此在鋼液的表面形成殼層。當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)56以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以給定的澆鑄速度向下垂直移動(dòng)升降工作臺(tái)50時(shí)，底部被引模端部48支撐的鑄件26從鑄模12的底部拉出。
剛從鑄模12拉出的鑄件26受到寬度方向兩側(cè)的導(dǎo)輪44，44的夾持，如圖1所示，因此防止了膨臌的發(fā)生。當(dāng)冷卻水從噴嘴46，46噴射到鑄件26時(shí)，進(jìn)行鑄件26的二次冷卻。
與升降工作臺(tái)50的向下移動(dòng)同步，兩個(gè)可移動(dòng)的鑄模件30，30在液壓缸32，32推動(dòng)力的作用下相對(duì)移動(dòng)離開(kāi)，因此，使鑄件26的寬度方向兩側(cè)具有要求的錐度，兩側(cè)的寬度尺寸從頂部到底部變小(見(jiàn)圖3)。通過(guò)這種方式使鑄件26產(chǎn)生錐度并可以抑制鑄件26內(nèi)部缺陷的發(fā)生，如心部氣孔和心部偏析或V形偏析。
看來(lái)鑄件26內(nèi)部缺陷，如心部氣孔和心部偏析或V形偏析，似乎是受到鋼液的凝固前側(cè)角度的影響。即，當(dāng)鑄件26的兩個(gè)寬度方向側(cè)面是直線時(shí)，相對(duì)鑄件內(nèi)部鋼液凝固界面的中心線的角度θ(凝固前側(cè)角)很小，如圖5A所示。這樣促進(jìn)了已經(jīng)富集有碳硫磷或類似元素的鋼液的吸入，產(chǎn)生多種內(nèi)部缺陷。另一方面，在鑄件26的寬度方向側(cè)面或厚度方向側(cè)面都有錐度的情況下，在凝固界面附近的上部的寬度變寬，使角度θ變大，如圖5B所示。這樣會(huì)減少已經(jīng)富集有碳硫磷或類似元素的鋼液的吸入，使其可能完全地抑制內(nèi)部缺陷的發(fā)生。凝固前側(cè)角θ可以通過(guò)觀察鑄件縱向截面的宏觀組織來(lái)決定。
通過(guò)垂直鑄造設(shè)備10澆鑄的鑄件26的兩個(gè)側(cè)面的寬度方向尺寸具有錐度，從頂部到底部變小，如圖3所示。該鑄件26具有優(yōu)良的質(zhì)量和很少的內(nèi)部缺陷，比如心部氣孔、心部偏析或V形偏析。即，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的垂直鑄造法可以滿足鋼種，如包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼，對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求。在澆鑄鑄件26的頂部截面尺寸為厚度500毫米或更大、寬度500毫米或更大時(shí)，根據(jù)第一實(shí)施例的垂直鑄造法尤其有效。
雖然前面介紹的第一實(shí)施例已經(jīng)給出了鑄件具有錐度等條件，但是同樣可以應(yīng)用于錐度和非常低澆鑄速度的組合。將澆鑄速度設(shè)定在0.2米/分或更低可進(jìn)一步增加凝固前側(cè)角θ，減少已經(jīng)富集有碳硫磷或類似元素的鋼液的吸入。這進(jìn)一步抑制了鑄件26的內(nèi)部缺陷的發(fā)生，如心部氣孔和心部偏析或V形偏析。
對(duì)于鑄件26的錐度，盡管在第一實(shí)施例中只有在鑄件寬度方向上相對(duì)的一對(duì)側(cè)面形成錐度，但也可以只是在厚度方向有一對(duì)側(cè)面形成錐度或所有四個(gè)側(cè)面都形成錐度。即，至少一對(duì)相對(duì)的側(cè)面應(yīng)當(dāng)形成錐度。
另外，移動(dòng)鑄模的可移動(dòng)的鑄模件的移動(dòng)裝置并不限于液壓缸，而是可以采用各種不同的機(jī)構(gòu)，比如由馬達(dá)帶動(dòng)的球螺紋，螺紋和齒條齒輪。雖然第一實(shí)施例中提到鋼絲繩和卷?yè)P(yáng)機(jī)組合成的單元作為了升降工作臺(tái)的提升機(jī)構(gòu)。也可以采用各種不同的裝置，比如液壓缸或馬達(dá)與球螺紋的組合。示例1在使用包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼作為材料澆鑄頂部厚度為600毫米、寬度為750毫米的鑄件的情況下，圖6中顯示了測(cè)得的碳心部偏析和凝固前側(cè)角θ的結(jié)果，沒(méi)有錐度且澆鑄速度(Vc)是變化的情況用●表示。給定錐度且澆鑄速度(Vc)是變化的情況用▲表示。鑄件的錐度為4毫米/米。
如圖6所示，確定了使鑄件形成錐度可抑制碳偏析。還確定了即使在沒(méi)有錐度的情況下，將澆鑄速度設(shè)定的慢些能夠抑制鑄件心部碳偏析和可以增加凝固前側(cè)角θ。顯示出形成錐度加上降低澆鑄速度能夠抑制鑄件心部碳偏析和進(jìn)一步增加凝固前側(cè)角θ。第二實(shí)施例圖7中示意性地顯示了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的垂直鑄造法的垂直鑄造設(shè)備100。第二實(shí)施例中的垂直鑄造設(shè)備中與第一實(shí)施例中對(duì)應(yīng)部件相同的部件采用類似或相同的標(biāo)號(hào)，以免重復(fù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。垂直鑄造設(shè)備100具有置于澆鑄臺(tái)14上的開(kāi)口向上及向下的鑄模120。垂直鑄造設(shè)備100設(shè)計(jì)成可將包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼的鋼液經(jīng)過(guò)設(shè)置在鑄模之上的鋼水包16和中間罐180倒入鑄模120。中間罐180設(shè)置在滑架200上，滑架可以沿設(shè)置在澆鑄臺(tái)14上的導(dǎo)軌(未顯示)移動(dòng)?；茉O(shè)計(jì)成可在位于鑄模120之上的澆鑄位置和與鑄模120分開(kāi)的縮回位置之間移動(dòng)。中間罐180設(shè)置成可以通過(guò)適當(dāng)?shù)纳禉C(jī)構(gòu)相對(duì)滑架200上下移動(dòng)。當(dāng)中間罐180在澆鑄位置和縮回位置之間移動(dòng)時(shí)，設(shè)置在中間罐180上的鴨嘴狀噴嘴(duck nozzle)180a向上移動(dòng)到與鑄模120不發(fā)生干涉的位置。鑄模120設(shè)計(jì)成可以通過(guò)未示出的震動(dòng)裝置來(lái)上下震動(dòng)以減少將從鑄模120的底部拉出的鑄件220和鑄模120之間的摩擦，因此防止了出現(xiàn)燒損。
滑架200設(shè)置有可覆蓋鑄模120頂部的頂蓋240。頂蓋240設(shè)計(jì)成當(dāng)中間罐180位于澆鑄位置和加熱位置(見(jiàn)圖10)時(shí)可以處于與鑄模120分開(kāi)的等待位置(見(jiàn)圖7)，當(dāng)中間罐180位于澆鑄縮回位置時(shí)，鑄模120的頂部在該加熱位置被覆蓋。頂蓋240設(shè)置成可以通過(guò)適當(dāng)?shù)纳禉C(jī)構(gòu)相對(duì)滑架200上下移動(dòng)。當(dāng)頂蓋240在等待位置和加熱位置之間移動(dòng)時(shí)，頂蓋240向上移動(dòng)到不會(huì)干涉鑄模120的位置，或移動(dòng)到從鑄模120的上端部突出的位置(下面將就此進(jìn)行討論)。
如圖8所示，頂蓋240形成一個(gè)帶有底部開(kāi)口的箱體，箱體具有三層結(jié)構(gòu)，其包括難熔材料的內(nèi)襯里層260，覆蓋內(nèi)襯里層外表面的由絕熱材料構(gòu)成的外襯里層280，和覆蓋外襯里層280外表面的鐵殼300。在內(nèi)襯里層260的內(nèi)部形成加熱腔240a。在頂蓋240的頂部形成了多個(gè)孔240b(在第二實(shí)施例中是兩個(gè))。構(gòu)成了對(duì)位于滑架200上鑄模120中的鋼液進(jìn)行加熱的加熱單元(加熱裝置)320的電極340以可縮回的方式通過(guò)孔240b插入加熱腔240a。在完成了將在后面討論的倒入鋼液后，當(dāng)仍在持續(xù)進(jìn)行凝固時(shí)加熱鋼液，預(yù)定的電壓施加在鑄模120中的鑄件220和電極340之間，鑄模12的頂部覆蓋著頂蓋240，使得鑄模120中的鋼液被電極340發(fā)出的等離子或電弧加熱。在加熱鋼液時(shí)，惰性氣體如氬氣和氮?dú)馔ㄟ^(guò)孔240b供應(yīng)到加熱腔240a之中，使腔240a處于惰性氣體氣氛中。
主要由Al2O3構(gòu)成的難熔材料最好用于內(nèi)襯里260，具有可改進(jìn)絕熱性能的摻雜在Al2O3中的SiO2的絕熱材料最好用于外襯里280。然而這些材料也可以用其它材料代替。外襯里280使用具有低熱傳導(dǎo)性的熱絕緣材料可以減少頂蓋240加熱和預(yù)熱時(shí)釋放的熱量，因而保證了輸入功率的減少，這在后面將加以討論。
加熱裝置320的各電極340可上下移動(dòng)地支撐于配置有電動(dòng)機(jī)和脈沖發(fā)生器等的升降機(jī)構(gòu)360。頂蓋240設(shè)置了檢測(cè)加熱腔240a溫度的溫度傳感器380，如圖9所示。溫度傳感器380檢測(cè)到的溫度輸入到溫度控制單元400。溫度控制單元400設(shè)計(jì)成可根據(jù)檢測(cè)到的溫度設(shè)定輸入加熱單元320的功率，根據(jù)功率的大小設(shè)定輸入電壓和輸入電流，以便將加熱腔240a的溫度保持在預(yù)定的目標(biāo)溫度。根據(jù)輸入電壓，溫度控制單元400控制升降機(jī)構(gòu)360的操作以調(diào)節(jié)電極340和鋼液的表面水平(彎液面)之間的距離(間隙)，從而使加熱功率變化。變化的加熱功率使加熱腔240a的溫度保持在目標(biāo)溫度。加熱腔240a的目標(biāo)溫度設(shè)定的水平要使被頂蓋240覆蓋的鑄模120中的鋼液表面溫度水平可以保持在或高于固相鑄造溫度。這樣可防止鋼液的表面凝固。即，提供與從鋼液表面釋放的熱量相等的熱量使表面溫度保持在或高于固相鑄造溫度。
通過(guò)加熱裝置320對(duì)鋼液進(jìn)行加熱是在鋼液倒入完成之后仍在持續(xù)凝固時(shí)進(jìn)行的。這時(shí)，升降工作臺(tái)50的向上移動(dòng)推動(dòng)鑄件220的上部向上，這時(shí)鑄件已經(jīng)從鑄模120的頂端開(kāi)始在表面上形成預(yù)定長(zhǎng)度的殼層(見(jiàn)圖10A)，因此防止了從電極340放電的等離子或電弧使鑄模120電腐蝕或使雜散電流提供到鑄模120。盡管碳、鎢和銅可作為電極的材料，同樣可以使用其它的材料。
如圖7所示，功率接收板420，比如可用碳制成，設(shè)置在位于等待位置的頂蓋240下面的澆鑄臺(tái)14上。頂蓋240設(shè)置在功率接收板420上。當(dāng)惰性氣體供給到加熱腔240a時(shí)，由于有預(yù)定的電壓施加在功率接收板420和電極340之間，從電極340放出等離子或電弧。等離子或電弧可將加熱腔240a或頂蓋240預(yù)熱到預(yù)定的溫度。根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例，用于加熱鋼液的加熱裝置320還可以用作預(yù)熱頂蓋240的預(yù)熱裝置。取代這種方法，還可以采用獨(dú)立的加熱裝置，或者加熱系統(tǒng)；不限于通過(guò)等離子或電弧加熱，還可以使用燃燒器或類似裝置。而頂蓋240最佳的預(yù)熱溫度等于或高于加熱腔240a的目標(biāo)溫度，預(yù)熱溫度也可以低于目標(biāo)溫度。
如圖1所示。升降工作臺(tái)50具有同第一實(shí)施例一樣設(shè)置在鑄模下面的導(dǎo)輪44，44，噴嘴46、引模端部48和升降機(jī)構(gòu)58。第二實(shí)施例的操作現(xiàn)在給出根據(jù)第二實(shí)施例的垂直鑄造設(shè)備進(jìn)行的垂直鑄造法的操作的介紹。卷?yè)P(yáng)機(jī)56以預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，向上移動(dòng)升降工作臺(tái)50。鑄模120的底部用引模端部48封閉，包括高合金鋼或工具鋼的特殊鋼的鋼液通過(guò)鋼水包16和中間罐180倒入鑄模120中。倒入鑄模120中的鋼液在鑄模中受到第一冷卻，因而在鋼液的表面形成殼層。當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)56以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以給定的澆鑄速度垂直向下移動(dòng)升降工作臺(tái)50，底部受到引模端部48支撐的鑄件220從鑄模120的底部拉出。
剛從鑄模120拉出的鑄件220被導(dǎo)輪44，44從寬度方向的兩側(cè)夾持，如圖7所示，因此可防止膨臌的發(fā)生。當(dāng)冷卻水從噴嘴46，46噴到鑄件220上時(shí)，進(jìn)行鑄件220的二次冷卻。
在將鋼液倒入鑄模120的期間，位于功率接收板420上的頂蓋240在等待位置通過(guò)加熱裝置320加熱，同時(shí)惰性氣體供應(yīng)到加熱腔240a，使得頂蓋240被預(yù)熱到接近目標(biāo)溫度的溫度。在鋼液倒入鑄模后，隨著鋼水包16縮回，中間罐180向上移動(dòng)，滑架200移動(dòng)。當(dāng)中間罐180從澆鑄位置移動(dòng)到縮回位置，上升到等待位置的頂蓋240移動(dòng)到加熱位置(見(jiàn)圖10A)。在鋼液倒入鑄模120完成后，升降工作臺(tái)50向上移動(dòng)以推動(dòng)鑄件220的上端部，該鑄件的表面上形成有從鑄模120的頂部開(kāi)始的預(yù)定長(zhǎng)度的殼層。
接下來(lái)，隨著惰性氣體供應(yīng)到加熱腔240a，頂蓋240向下移動(dòng)覆蓋鑄模120的頂部并且通過(guò)加熱裝置320對(duì)鑄模中的鋼液加熱，以便彌補(bǔ)從鋼液表面散發(fā)的熱量，如圖10B所示，這樣就可防止鑄模中的鋼液表面凝固，因此抑制了收縮氣孔或鑄件端部縮孔的產(chǎn)生。另外當(dāng)加熱進(jìn)行時(shí)，鋼液表面在未凝固部分的上下方向上會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度，凝固前側(cè)角度θ會(huì)增加，這在后面會(huì)討論。這樣可適當(dāng)?shù)匾种苾?nèi)部缺陷的發(fā)生，比如心部氣孔、鑄件端部縮孔和心部偏析或V形偏析。在這種情況下，因?yàn)殍T模120的頂部被頂蓋240以近似密封的方式所覆蓋，實(shí)現(xiàn)了加熱裝置320對(duì)鋼液的有效加熱。此外，因?yàn)轫斏w240經(jīng)過(guò)了預(yù)熱，可以防止鋼液表面在鑄件120被頂蓋240覆蓋的位置到加熱開(kāi)始的位置之間溫度的下降。根據(jù)第二實(shí)施例，中間罐180和頂蓋240及加熱裝置320設(shè)置在共用的滑架200上，可以縮短倒入鋼液后用頂蓋240覆蓋鑄件頂部所需時(shí)間。還可以減少在所述時(shí)間內(nèi)鋼液表面溫度的下降。
溫度控制單元400可進(jìn)行反饋控制，可根據(jù)溫度傳感器380檢測(cè)到的加熱腔240a中的溫度，調(diào)節(jié)加熱裝置320中的電極340和鋼液表面之間的間隙，并將加熱腔240a中的溫度保持在目標(biāo)溫度。因此，鑄模120中鋼液表面溫度下降保持在或高于鑄件固相線溫度，直至鑄件220的凝固接近完成。因而可以滿意地防止鋼液表面凝固。經(jīng)過(guò)預(yù)定的時(shí)間之后，加熱裝置320的加熱功率逐漸減小，加熱終止。
如前面所提到的，內(nèi)部缺陷，如心部氣孔和心部偏析或V形偏析的發(fā)生似乎受到鑄模內(nèi)鋼液的凝固前側(cè)角的影響。即，通常鑄件220內(nèi)部鋼液的凝固前側(cè)角(相對(duì)凝固界面中心線的角度)θ會(huì)變小，如圖11A所示，這將促進(jìn)碳硫磷或其它元素已經(jīng)富集的鋼液的吸入，產(chǎn)生多種內(nèi)部缺陷。根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例，作為對(duì)比，上部寬度在凝固界面附近變寬的話，可使角度θ變大，如圖11B所示。這將減少碳硫磷或其它元素已經(jīng)富集的鋼液的吸入，可以滿意地抑制內(nèi)部缺陷的發(fā)生。凝固前側(cè)角θ可以通過(guò)觀察鑄件220的宏觀組織來(lái)決定。
換句話，即使對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有嚴(yán)格要求的鋼種，如包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼，根據(jù)本發(fā)明的垂直鑄造法可以提供具有優(yōu)良質(zhì)量的鑄件，且很少的鑄件內(nèi)部缺陷，如心部氣孔、鑄件端部縮孔、和心部偏析或V形偏析。在澆鑄頂部截面尺寸為厚度不小于500mm、寬度不小于500mm的情況下，根據(jù)第二實(shí)施例的垂直鑄造法和垂直鑄造設(shè)備是特別有效的。
雖然第二實(shí)施例是在頂蓋和加熱裝置設(shè)置在中間罐的滑架上的情況下進(jìn)行說(shuō)明的，頂蓋和加熱裝置也可以設(shè)置在另一個(gè)滑架或移動(dòng)裝置或類似機(jī)構(gòu)，使得當(dāng)中間罐18從澆鑄位置移動(dòng)到縮回位置時(shí)，頂蓋迅速地移動(dòng)到加熱位置。示例2在澆鑄材料為工具鋼，鑄件的厚度為650mm及寬度為850mm的條件下，測(cè)得的鑄件頂端的切斷長(zhǎng)度的結(jié)果顯示在圖12中。其中一種情況(現(xiàn)有技術(shù))是鋼液在倒入鑄模后的持續(xù)凝固時(shí)沒(méi)有進(jìn)行加熱，另一種情況(第二實(shí)施例的示例2)是對(duì)鋼液進(jìn)行加熱。測(cè)得的碳偏析的結(jié)果顯示在圖13中。圖14顯示了凝固前側(cè)角度θ。
如圖12所示，根據(jù)不進(jìn)行加熱的現(xiàn)有技術(shù)，出現(xiàn)了多種內(nèi)部缺陷，如鑄件頂部縮孔、心部偏析或V形偏析。必須廢棄多段鑄件，因此降低了產(chǎn)量。根據(jù)進(jìn)行加熱的第二實(shí)施例的示例2，可以從圖中看出，抑制了在鑄件頂部的內(nèi)部缺陷的發(fā)生，因此極大地減少鑄件頂端的切斷長(zhǎng)度。
如圖13所示，與現(xiàn)有技術(shù)比較，加熱可抑制碳偏析。從圖14可以清楚地看出，加熱增加了凝固前側(cè)角θ。即，可以看出加大凝固前側(cè)角θ可以有效地抑制內(nèi)部缺陷的發(fā)生，比如心部氣孔、鑄件頂部縮孔和心部偏析或V形偏析。
如上所述，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的鑄件的至少一對(duì)相對(duì)側(cè)面帶有錐度，即使鑄件材料是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有嚴(yán)格要求的鋼種，如包括高合金鋼或工具鋼的特殊鋼，也很少出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，如心部氣孔、心部偏析或V形偏析，并具有高質(zhì)量，產(chǎn)量得到提高。
另外，以0.2米/分或更低的鑄造速度進(jìn)行超低速澆鑄可以進(jìn)一步抑制出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，如心部氣孔、心部偏析或V形偏析。
即使鑄件材料是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有嚴(yán)格要求的鋼種，如包括高合金鋼或工具鋼的特殊鋼，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的垂直鑄造法和垂直鑄造設(shè)備可通過(guò)對(duì)頂部覆蓋有頂蓋的鑄模中的鋼液在倒入鑄模后進(jìn)行持續(xù)凝固時(shí)進(jìn)行加熱，可以提供優(yōu)良質(zhì)量的鑄件，且只有很少的內(nèi)部缺陷，比如心部氣孔、鑄件頂部縮孔和心部偏析或V形偏析。這導(dǎo)致了產(chǎn)量的提高。此外，對(duì)頂蓋進(jìn)行預(yù)熱可以在加熱之前抑制鋼液表面溫度的下降。
權(quán)利要求
1.一種具有預(yù)定長(zhǎng)度的鑄件(26)，可通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模12倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液進(jìn)行澆鑄，然后從所述鑄模(12)的底部垂直拉出所述鑄件(26)，所述鑄件具有所要求的截面形狀并在表面上形成殼層，至少兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面具有錐度，兩個(gè)側(cè)面的相對(duì)尺寸從頂部朝所述底部變小。
2.一種澆鑄具有預(yù)定長(zhǎng)度鑄件(26)的垂直澆鑄方法，通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模(12)倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液，然后從所述鑄模(12)的底部垂直拉出所述鑄件(26)，所述鑄件具有所要求的截面形狀并在表面上形成有殼層；其特征在于，在澆鑄所述鑄件(26)時(shí)，通過(guò)使所述鑄模(12)的兩個(gè)相對(duì)的可移動(dòng)的鑄模(30，30)件相對(duì)移動(dòng)而互相離開(kāi)，同時(shí)從所述鑄模(12)的所述底部拉出所述鑄件(26)，使所述鑄件的至少一對(duì)相對(duì)側(cè)面具有錐度，兩個(gè)側(cè)面的相對(duì)尺寸從頂部朝所述底部變小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直鑄造方法，其特征在于，從所述鑄模(12)拉出所述鑄件(26)時(shí)的澆鑄速度設(shè)置在等于或小于0.2米/分，因此，抑制了在澆鑄的所述鑄件(26)心部出現(xiàn)氣孔和偏析。
4.一種澆鑄包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鑄件(26)的垂直鑄造設(shè)備，其包括開(kāi)口向上及向下的鑄模(12)，其具有至少一對(duì)可移動(dòng)的鑄模件(30，30)，所述鑄模件可以通過(guò)移動(dòng)裝置(32，32)互相移近或移開(kāi)，包括所述高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液可倒入所述鑄模；升降工作臺(tái)(50)，以可垂直移動(dòng)的方式設(shè)置在所述鑄模(12)的下面，用于支撐表面上形成有殼層的所述鑄件(26)的底部并可將所述鑄件的所述底部從所述鑄模(12)的底部拉出；和升降機(jī)構(gòu)(54，56)，用于上下移動(dòng)所述升降工作臺(tái)(50)。
5.一種澆鑄具有預(yù)定長(zhǎng)度的鑄件(220)的垂直澆鑄方法，通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模(120)倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液，然后從所述鑄模(120)的底部垂直拉出所述鑄件(220)，所述鑄件具有所要求的截面形狀并在表面上形成殼層；其中，在澆鑄所述鑄件(220)時(shí)，將鋼液倒入鑄模后，用頂蓋(240)覆蓋所述鑄模(120)的頂部，通過(guò)其內(nèi)部的加熱腔(240a)在惰性氣體氣氛中用等離子或電弧加熱所述鑄模(120)中的鋼液；在這種條件下，能夠保持所述鋼液的表面溫度在固相澆鑄溫度之上，因此抑制了澆鑄的所述鑄件(220)的內(nèi)部缺陷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的垂直澆鑄方法，其特征在于，在用所述頂蓋(240)覆蓋所述鑄模的所述頂部之前，所述頂蓋(240)要預(yù)熱到預(yù)定溫度。
7.一種可澆鑄具有預(yù)定長(zhǎng)度的鑄件(220)的垂直鑄造設(shè)備，通過(guò)向開(kāi)口向上及向下的鑄模(120)倒入包括高合金鋼和工具鋼的特殊鋼鋼液，支撐在表面上形成有殼層的所述鑄件(220)的底部，然后通過(guò)升降工作臺(tái)(50)從所述鑄模(120)的底部垂直拉出所述鑄件(220)的所述底部，所述升降工作臺(tái)設(shè)置在所述鑄模(120)的下面并可通過(guò)升降裝置(58)垂直上下移動(dòng)，其包括頂蓋(240)，能夠覆蓋所述鑄模(120)的頂部，可將其內(nèi)部的加熱腔(240a)置于惰性氣體氣氛中；和加熱裝置(320)，可通過(guò)等離子或電弧加熱被所述頂蓋(240)覆蓋的所述鑄模(120)中的鋼液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直澆鑄裝置，其特征在于，所述裝置還包括預(yù)熱所述頂蓋(240)的預(yù)熱裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的垂直澆鑄裝置，其特征在于，所述頂蓋(240)的結(jié)構(gòu)是在難熔材料內(nèi)襯里(260)的外面覆蓋一層絕熱材料的外襯里(280)。
全文摘要
將包括高合金鋼的特殊鋼或類似材料的鋼液倒入鑄模12中,鑄模的底部是通過(guò)升降工作臺(tái)的引模端部48封閉的。當(dāng)升降工作臺(tái)50以給定的速度垂直向下移動(dòng)時(shí),底端被引模端部48支撐的鑄件26連續(xù)地從鑄模12的底部拉出。當(dāng)構(gòu)成鑄模的兩個(gè)可移動(dòng)的鑄模件30,30與向下移動(dòng)的升降工作臺(tái)同步地互相相對(duì)移開(kāi)時(shí),鑄件26寬度方向的側(cè)表面可具有所要求的錐度。
文檔編號(hào)B22D11/12GK1389316SQ0212202
公開(kāi)日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月31日
發(fā)明者高橋元, 天野肇, 久村總一郎 申請(qǐng)人:大同特殊鋼株式會(huì)社