專利名稱:用于對(duì)水平鑄造系統(tǒng)中的熔融金屬電磁約束的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及金屬帶坯的連鑄,尤其是涉及在連鑄系統(tǒng)中對(duì)熔融金屬的電磁約束。
背景技術(shù):
金屬的連鑄是在雙輥連鑄機(jī)和帶式連鑄機(jī)或它們的組合中進(jìn)行的。在水平方向和豎直方向上的鑄造方法都是有的。特別的是,近來鋼鐵工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了在豎直向下方向運(yùn)作的高速雙輥帶坯連鑄機(jī)。到目前為止,已經(jīng)采用機(jī)械側(cè)封以提供對(duì)鑄造區(qū)域中熔融金屬的約束。上述裝置包括與帶還一起移動(dòng)的履帶式側(cè)封(如在Hazelett連鑄機(jī)中),或壓在棍表面上的固定側(cè)封。后者用于雙輥鋼帶鑄造領(lǐng)域。上述固定的機(jī)械側(cè)封具有較短的使用壽命,因?yàn)樗鼈冇捎谂c輥的冷側(cè)壁接觸而侵蝕。另外,上述機(jī)械側(cè)封提供了用于形成凝殼的部位,凝殼具有剝離的傾向,并且因此會(huì)進(jìn)入到鑄造的帶坯中,從而使冶金的微觀結(jié)構(gòu)不理想。履帶式側(cè)封盡管已證明對(duì)于較厚的板坯鑄件(10-25mm厚)來說很好,但是對(duì)于鋼鐵工業(yè)中的薄帶連鑄機(jī)或雙滾筒連鑄機(jī)而言是不實(shí)用的,因?yàn)橐幌拗频臋M截面沿著鑄造區(qū)域急劇地變化。電磁側(cè)封已經(jīng)應(yīng)用在現(xiàn)有技術(shù)中的立式雙滾筒(輥)鑄造系統(tǒng)中的金屬帶坯鑄造中。磁系統(tǒng)類型的電磁側(cè)封使用磁體組件和交流線圈的組合來產(chǎn)生約束力。感應(yīng)系統(tǒng)類型的電磁側(cè)封僅僅依靠交流線圈來產(chǎn)生約束力。磁系統(tǒng)電磁側(cè)封使用的磁性元件包括連接兩個(gè)極面的磁軛或磁芯,這兩個(gè)極面設(shè)置在要約束熔融金屬 的間隙的兩側(cè)。磁性元件由鐵磁性材料制成,并且在磁軛的給定長度上被運(yùn)載交流電流的線圈圍繞。由在線圈中的電流流動(dòng)產(chǎn)生的磁通量經(jīng)過磁軛傳遞到磁體的磁極,并且在間隙中的金屬表面形成約束力。通常在磁系統(tǒng)中,磁性元件的一部分被導(dǎo)電罩覆蓋,以使磁通在離開間隙的方向上的泄漏最少。上述磁約束系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于,約束電流不必與僅僅使用感應(yīng)線圈的那些系統(tǒng)相比那樣高。如果需要更強(qiáng)的磁場,這可以通過減少極面面積以集中磁場從而以相同的電流水平來實(shí)現(xiàn)。然而,上述系統(tǒng)也并非沒有缺點(diǎn)。例如,上述系統(tǒng)通常具有較差的工作效率,這是由于磁芯損耗和當(dāng)交變磁場施加于磁性材料時(shí)由于磁滯導(dǎo)致的損耗造成的。此外,需要通過冷卻消除通常產(chǎn)生的高溫,以免損害磁系統(tǒng)。感應(yīng)約束系統(tǒng)通常采用設(shè)置在靠近要限制熔融金屬的間隙的成形感應(yīng)器。在感應(yīng)器中流動(dòng)的交流電流在要被限制的熔融金屬表面上產(chǎn)生感應(yīng)電流以及時(shí)變磁場。在電流和磁場之間的相互作用提供了約束力。為了提高效率,磁性元件圍繞感應(yīng)器設(shè)立,以將電流集中到朝向熔融金屬的感應(yīng)器表面。感應(yīng)線圈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常比磁系統(tǒng)簡單。然而,感應(yīng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在可由該系統(tǒng)限制的最大金屬靜力學(xué)壓頭方面受限制。感應(yīng)線圈系統(tǒng)中可以支持的最大金屬靜力學(xué)壓頭是有限的,因?yàn)楦袘?yīng)線圈系統(tǒng)要求很強(qiáng)的感應(yīng)器電流以提供足夠的約束力,其中上述的強(qiáng)電流伴隨有增加的發(fā)熱量,這在鑄造過程中會(huì)妨礙或減緩凝固過程。參見圖1,在立式雙輥連鑄機(jī)中,必須要提供約束的熔融金屬壓頭傾向于非常高。對(duì)于一般的工作條件,該金屬壓頭高度H1大約為鑄輥半徑的65%。因此,使用在立式雙輥連鑄機(jī)中的電磁側(cè)封裝置必須提供足夠強(qiáng)的磁場,以限制壓頭高度H1為鑄輥半徑的65%的金屬熔池。由于兩個(gè)理由,上述電磁側(cè)封還沒有成功地商業(yè)化。第一,限制熔融金屬熔池所需的高電流在金屬熔池的頂面上產(chǎn)生駐波,該駐波對(duì)于鑄造過程而言太大。第二,用來限制形成在立式輥連鑄機(jī)系統(tǒng)頂部的熔融金屬壓頭所需的大電磁力在金屬熔池的側(cè)壁上產(chǎn)生感應(yīng)加熱,這干擾了凝固過程。美國專利4,936,374描述了立式鑄造系統(tǒng)和具有如上所述缺點(diǎn)的電磁約束裝置。此外,美國專利4,936,374描述的鑄輥具有凸邊部分,其中約束磁場經(jīng)過鑄輥的凸邊部分傳導(dǎo)。除了感應(yīng)加熱和波產(chǎn)生以外,在美國專利4,936,374中公開的鑄輥的凸邊部分還在鑄件中產(chǎn)生脊,因此不能提供具有均勻側(cè)壁(邊緣)的鑄造帶坯。采用美國專利4,936,374中公開的設(shè)備和方法所生產(chǎn)的鑄造帶坯中形成的脊必須在鑄造帶坯的軋制之前進(jìn)行機(jī)加工。額外的機(jī)加工不利地增加了生產(chǎn)成本。因此,仍然需要金屬和合金的高速連鑄方法,以在鑄造帶坯表面中實(shí)現(xiàn)均勻性,在鑄造區(qū)域中提供良好的熔融金屬約束,并使帶坯邊緣可以不需要通過修邊機(jī)加工就能軋制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供與水平鑄造設(shè)備結(jié)合的電磁約束裝置克服了上述的妨礙和缺點(diǎn),其中電磁約束裝置的定位和由交流電流產(chǎn)生的磁場提供了具有基本上均勻的邊緣(側(cè)壁)的鑄造金屬帶坯。此外,本發(fā)明還提供用于生產(chǎn)鑄造金屬帶坯的方法和設(shè)備,其提供了用于調(diào)整鑄造金屬帶坯的側(cè)壁輪廓的裝置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,通過電磁約束裝置施加的電流以及相對(duì)于水平鑄造設(shè)備的鑄型區(qū)域的電磁約束裝置的定位`被選擇,以提供具有基本上均勻的邊緣的鑄造金屬帶坯,其中鑄造金屬帶坯邊緣的側(cè)壁相對(duì)于鑄造金屬帶坯的中心線可以基本上是平的、或者凹的或者凸的。鑄造金屬帶坯的基本上均勻的邊緣允許鑄造金屬帶坯不需要另外的機(jī)加工就能軋制。概括地說,本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例包括:(a)—對(duì)適合于沿著水平軸線接納熔融金屬的鑄輥,其中,分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離限定了鑄型區(qū)域;(b)電磁邊緣約束設(shè)備,其設(shè)置在鑄型區(qū)域的每一側(cè),包括圍繞磁性元件的一部分纏繞的感應(yīng)線圈以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線,其中所述磁性元件包括第一和第二磁極,該第一和第二磁極設(shè)置成遠(yuǎn)離并對(duì)齊所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁,并且電流提供了垂直于所述水平軸線的磁力線,以保持熔融金屬與鑄輥接觸,同時(shí)基本不會(huì)增加熔融金屬的溫度;和(C)用于沿著所述水平軸線從中間包將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域同時(shí)基本上保證所述熔融金屬不會(huì)氧化的裝置,其中,中間包與鑄型區(qū)域分隔一定距離,以基本上消除由于磁力線而在中間包內(nèi)產(chǎn)生波。在本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例中,提供了水平輥鑄造設(shè)備,其中通過機(jī)械側(cè)封和電磁側(cè)封的結(jié)合來提供對(duì)通過設(shè)備的金屬的約束。廣泛地說,本發(fā)明的鑄造設(shè)備包括:(a)—對(duì)適合于沿著水平軸線接納熔融金屬的鑄輥,其中,分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離限定了鑄型區(qū)域;(b)輸出嘴結(jié)構(gòu),其設(shè)置用于從中間包沿著所述水平軸線將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域,同時(shí)保證所述熔融金屬基本上保持不氧化;和(c)設(shè)置在鑄型區(qū)域每一側(cè)的邊緣約束裝置,所述邊緣約束裝置包括:機(jī)械側(cè)封,其設(shè)置在所述輸出嘴結(jié)構(gòu)的至少端部部分之上并且部分地朝向所述鑄型區(qū)域延伸;以及電磁側(cè)封,所述電磁側(cè)封包括第一和第二磁極,所述第一和第二磁極設(shè)置成遠(yuǎn)離并對(duì)齊所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁,并且位于部分地朝向所述鑄型區(qū)域延伸的所述機(jī)械側(cè)封的一部分之上,其中,所述電磁側(cè)封提供垂直于所述水平 軸線的磁力線,以保持熔融金屬與鑄輥接觸。在每個(gè)實(shí)施例中,分隔水平設(shè)置的一對(duì)鑄輥的豎直距離提供的金屬壓頭高度允許由電磁約束裝置提供的磁力線來約束熔融金屬,同時(shí)基本上不會(huì)增加熔融金屬的溫度。出于說明的目的,術(shù)語"設(shè)置成遠(yuǎn)離并對(duì)齊所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁"意在表示電磁側(cè)封的磁極不是朝向鑄造設(shè)備的中心線延伸超出由鑄輥側(cè)壁限定的平面,而是設(shè)置成足夠接近鑄輥的側(cè)壁,以提供足夠的磁場以將熔融金屬限制在鑄型區(qū)域內(nèi)。需要注意的是,電磁側(cè)封的磁極可以從靠近鑄輥側(cè)壁調(diào)整到距該側(cè)壁任意距離處,只要通過磁極給鑄型區(qū)域提供充分的約束力。在一個(gè)實(shí)施例中,鑄輥的側(cè)壁可以基本上是平的。關(guān)于鑄輥側(cè)壁的術(shù)語"基本上平的"是表示該鑄輥不包括唇緣部分。在一個(gè)實(shí)施例中,電磁力線是由通過電磁邊緣約束裝置的頻率范圍從40Hz到10,OOOHz的交流電流所產(chǎn)生的。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中,提供的帶式鑄造系統(tǒng)采用了電磁邊緣約束并且生產(chǎn)具有基本上均勻的邊緣的金屬帶坯,其中,基本上均勻的邊緣允許鑄造金屬帶坯不需要另外機(jī)加工就可軋制。廣泛地說,本發(fā)明的用于熔融金屬的帶坯鑄造的帶式鑄造系統(tǒng)包括:(a)—對(duì)對(duì)置的環(huán)形金屬帶,所述一對(duì)對(duì)置的環(huán)形金屬帶的每一個(gè)繞在輥?zhàn)由?,并且具有基本上與輥?zhàn)拥闹苓厡?duì)齊的周邊,所述一對(duì)對(duì)置的環(huán)形金屬帶的每一個(gè)具有用于接收熔融金屬的表面,其中分隔該對(duì)對(duì)置的環(huán)形金屬帶的豎直尺寸限定了鑄型區(qū)域;(b)設(shè)置在鑄型區(qū)域每一側(cè)的電磁邊緣約束裝置,包括圍繞磁性元件的一部分纏繞的感應(yīng)線圈,以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線,其中所述電流提供的磁力線將熔融金屬限制在一定寬度內(nèi)并且與所述一對(duì)對(duì)置的環(huán)形金屬帶的至少一部分接觸,同時(shí)基本上不會(huì)增加溶融金屬的溫度;和(c)用于沿著水平軸線從中間包將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域的裝置,中間包與所述鑄型區(qū)域分隔一定距離,以基本上消除由于磁力線而在中間包內(nèi)產(chǎn)生波。在本發(fā)明的另一方面,提供了可以通過上述的鑄造設(shè)備形成的鑄造帶坯。廣泛地說,該鑄造帶坯包括:(a)第一殼;(b)第二殼;和(C)位于所述第一殼和第二殼之間的中心部分,所述中心部分包括具有等軸組織的晶粒,其中,所述鑄造金屬帶坯具有基本上均勻的的側(cè)壁邊緣。在本發(fā)明的另一個(gè)方面,提供了用于鑄造帶坯的方法,其中利用磁場來控制金屬帶坯的側(cè)壁的幾何形狀。廣泛地說,本發(fā)明的方法包括:沿著水平軸線將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域;利用磁性約束裝置將所述熔融金屬限制在鑄型區(qū)域內(nèi);和將所述熔融金屬鑄造成鑄造金屬帶坯,其中所述鑄造金屬帶坯的側(cè)壁的幾何形狀是通過調(diào)整所述磁性約束裝置來形成的??梢哉{(diào)節(jié)磁場以提供金屬鑄造帶坯側(cè)壁的幾何形狀,以使其相對(duì)于該鑄造金屬帶坯的中心線是平的或凹的或凸的。在一個(gè)實(shí)施例中,磁性約束裝置可以包括圍繞磁性元件纏繞的感應(yīng)線圈以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線。該磁性元件具有設(shè)置成遠(yuǎn)離到鄰近鑄型區(qū)域的第一和第二磁極。通過磁性約束裝置產(chǎn)生的磁力線可以通過增加或減少經(jīng)過感應(yīng)線圈的電流來調(diào)整,或者通過改變磁性約束裝置相對(duì)于鑄型區(qū)域的定位來調(diào)整。將磁性約束裝置的第一和第二磁極設(shè)置得鄰近鑄型區(qū)域可以產(chǎn)生具有凹的側(cè)壁的鑄造金屬帶坯,將磁性約束裝置的第一和第二磁極設(shè)置得遠(yuǎn)離鑄型區(qū)域可以產(chǎn)生具有凸的側(cè)壁的鑄造金屬帶坯。根據(jù)本發(fā)明,提供了一種用于熔融金屬的帶坯鑄造的設(shè)備,包括:(a)—對(duì)適合于沿著水平軸線接納熔融金屬的鑄輥,其中分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離限定了鑄型區(qū)域;( b )定位在鑄型區(qū)域每一側(cè)的電磁邊緣約束裝置,其包括感應(yīng)線圈,該感應(yīng)線圈圍繞磁性兀件的一部分纏繞,以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線,其中所述磁性兀件包括第一磁極和第二磁極,該第一磁極和第二磁極遠(yuǎn)離所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁和與所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁對(duì)齊,并且電流提供垂直于所述水平軸線的磁力線,磁力線保持熔融金屬與鑄輥接觸,同時(shí)基本上不會(huì)增加熔融金屬的溫度;和(C)用于沿著所述水平軸線從中間包將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域同時(shí)確保所述熔融金屬基本上保持非氧化狀態(tài)的裝置,其中中間包與鑄型區(qū)域分隔一定距離,以基本上消除由磁力線導(dǎo)致的在中間包內(nèi)的波生成;(d)所述設(shè)備生·產(chǎn)鑄造金屬帶坯,所述鑄造金屬帶坯具有固態(tài)中間層,所述固態(tài)中間層包含位于上殼和下殼之間的小球狀枝晶??蛇x地,所述電流包括頻率范圍從40Hz到10,OOOHz的交流電流。可選地,所述電流包括小于2,000安培匝。可選地,該設(shè)備包括圍繞磁性元件設(shè)置的罩裝置??蛇x地,磁性元件具有大體C形結(jié)構(gòu),包括磁芯部分和與磁芯部分整體形成并從磁芯部分延伸的平行磁極??蛇x地,分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離提供的金屬壓頭高度允許通過在所述電流下的磁力線將熔融金屬約束在鑄輥之間,并且基本上不會(huì)由磁力線引起在熔融金屬中的溫度增加??蛇x地,分隔所述一對(duì)鑄輥的豎直距離小于1.0英寸??蛇x地,磁性元件定位到鑄型區(qū)域以定位磁力線,以便使鑄型區(qū)域內(nèi)的熔融金屬產(chǎn)生凸的側(cè)壁、凹的側(cè)壁或大體上平的側(cè)壁??蛇x地,磁性元件由鐵磁性材料的粘接或機(jī)械連接的疊層片的堆疊構(gòu)成,或者該磁性元件是由鐵磁性材料的完整磁芯構(gòu)成??蛇x地,所述一對(duì)鑄輥包括鐵磁性材料、非鐵磁性材料或至少在所述一對(duì)鑄輥的鑄造表面和所述側(cè)壁上至少覆有鐵磁性材料的非鐵磁性材料。
可選地,所述一對(duì)鑄輥的所述側(cè)壁基本上是平的。根據(jù)本發(fā)明,提供了一種鑄造設(shè)備,包括:(a)—對(duì)適合于沿著水平軸線接納熔融金屬的鑄輥,其中,分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離限定了鑄型區(qū)域;(b)輸出嘴結(jié)構(gòu),其定位成從中間包沿著所述水平軸線將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域,同時(shí)確保所述熔融金屬基本上保持不氧化;和(c)邊緣約束裝置,其定位在鑄型區(qū)域的每一側(cè),所述邊緣約束裝置包括:機(jī)械側(cè)封,該機(jī)械側(cè)封位于所述輸出嘴結(jié)構(gòu)的至少端部部分之上并且部分地朝向所述鑄型區(qū)域延伸;以及電磁側(cè)封,該電磁側(cè)封包括第一磁極和第二磁極,該第一磁極和第二磁極定位成遠(yuǎn)離所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁和與所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁對(duì)齊,并且位于部分地朝向所述鑄型區(qū)域延伸的所述機(jī)械側(cè)封的一部分之上,其中,所述電磁側(cè)封提供垂直于所述水平軸線的磁力線,以保持熔融金屬與鑄輥接觸;(d)所述設(shè)備生產(chǎn)鑄造金屬帶坯,所述鑄造金屬帶坯具有固態(tài)中間層,所述固態(tài)中間層包含位于上殼和下殼之間的小球狀枝晶??蛇x地,所述輸出嘴結(jié)構(gòu)具有的長度可大體上消除由磁力線導(dǎo)致的在中間包內(nèi)的波產(chǎn)生??蛇x地,所述電磁側(cè)封包括圍繞磁性元件纏繞的感應(yīng)線圈以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線。可選地,所述電流提供的磁力線保持熔融金屬與鑄輥接觸,并且基本上不會(huì)增加溶融金屬的溫度。 根據(jù)本發(fā)明,提供了一種形成鑄造金屬帶坯的方法,包括:沿著水平軸線將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域;利用磁性約束裝置將所述熔融金屬限制在鑄型區(qū)域內(nèi);和將所述熔融金屬鑄造成鑄造金屬帶坯,其中,所述鑄造帶坯的側(cè)壁的幾何形狀是通過調(diào)整所述磁性約束裝置來形成的,其中所述鑄造金屬帶坯具有固態(tài)中間層,所述固態(tài)中間層包含位于上殼和下殼之間的小球狀枝晶??蛇x地,所述側(cè)壁的幾何形狀相對(duì)于所述鑄造金屬帶坯的中心線部分是平的或凹的或凸的??蛇x地,所述磁性約束裝置包括圍繞磁性元件纏繞的感應(yīng)線圈以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線,所述磁性元件具有定位成遠(yuǎn)離到鄰近所述鑄型區(qū)域的第一磁極和第二磁極??蛇x地,對(duì)所述磁性約束裝置的所述調(diào)整包括增加或減少通過所述感應(yīng)線圈的所述電流。
圖1 (側(cè)向橫截面視圖)是立式輥連鑄機(jī)鑄造設(shè)備的一部分的示意圖,描繪了依照現(xiàn)有技術(shù)操作的一對(duì)輥和熔融金屬壓頭。圖2a (側(cè)向橫截面視圖)是依照本發(fā)明的具有電磁側(cè)封的水平鑄造設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。圖2b (側(cè)向橫截面視圖)描繪了依照本發(fā)明的裝備有電磁側(cè)封裝置的雙帶式連鑄機(jī)的一個(gè)實(shí)施例。
圖3 (側(cè)向橫截面視圖)描繪了本發(fā)明的水平鑄造裝置的鑄型區(qū)域。圖4的表格匯總了將鋁的熔池限制在不同壓頭高度所需的磁通密度(magneticfield density)。圖5描繪了在不同電流和距離時(shí)依照本發(fā)明的電磁約束裝置產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的曲線圖,其中所述距離是距連鑄機(jī)輥的側(cè)壁的距離。圖6 (側(cè)向橫截面視圖)是沿圖2a中的線2 — 2截取的截面圖,并且圖示了電磁側(cè)封相關(guān)于連鑄機(jī)輥側(cè)壁的定位。圖7a_7c為本發(fā)明的電磁側(cè)封裝置的截面圖,圖示了與水平輥連鑄機(jī)鑄造設(shè)備的輥連鑄機(jī)相關(guān)的磁力線的路徑。圖8a_8d (側(cè)視圖)圖示了依照本發(fā)明的不同的極面角度和朝向。圖9圖示了本發(fā)明的示例性的實(shí)施例,其中磁性元件具有拼合式磁芯。圖10圖示了本發(fā)明的示例性的實(shí)施例,其中磁性元件具有疊片式設(shè)計(jì)。圖11圖示了本發(fā)明的示例性的實(shí)施例,其中機(jī)械側(cè)封與電磁側(cè)封聯(lián)合使用。圖12是匯總電磁側(cè)封的推動(dòng)(push)的表格。圖13圖示了鑄造帶坯的側(cè)壁。圖14a_b是利用在電磁側(cè)封中的高磁力形成的帶坯邊緣的圖示。圖15是具有平邊緣輪廓(直邊 緣)的鑄造帶坯的圖示。圖16是87%壓下量的鑄造帶坯的圖示(可接受的邊緣開裂程度)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種電磁側(cè)封,其將熔融金屬約束在水平輥式連鑄系統(tǒng)或帶式連鑄系統(tǒng)的鑄型區(qū)域中,并且磁場是由比之前可行的更低的交流電流產(chǎn)生。通過在較低的交流電流下提供充分的電磁約束裝置,本發(fā)明利用的電磁約束不會(huì)引起熔融金屬的溫度大幅度增加或者產(chǎn)生波生成效應(yīng)。如上所述,在熔融金屬壓頭高度較大的現(xiàn)有立式澆鑄方法中,要求較大的磁力以限制由熔融金屬產(chǎn)生的較大壓力,其中較大的磁力通常要求更大的電流,該較大的電流產(chǎn)生熱量。例如,作為典型立式澆鑄方法的代表,為了將熔融鋁限制在300mm高度,需要的最小磁場強(qiáng)度為0.24T。在本發(fā)明中,金屬壓頭高度保持得較低,這通過水平式連鑄系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),以便可以通過相對(duì)較低的磁通密度來滿足需要的約束。例如,在依照本發(fā)明的水平連鑄設(shè)備中,50mm的壓頭高度僅僅要求0.055T的磁通密度,以在鑄造時(shí)將熔融鋁限制在水平位置?,F(xiàn)在將參照本申請(qǐng)的附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。在附圖中,相似的和/或相應(yīng)的元件由相似的附圖標(biāo)記表示。參見圖2a,在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,提供了具有電磁側(cè)封15的水平輥式連鑄設(shè)備10,該電磁側(cè)封15設(shè)置用來提供磁力線,以將熔融金屬M(fèi)限制在該設(shè)備10的鑄型區(qū)域20內(nèi),其中磁力線沿著與引出鑄件的平面垂直的平面延伸。水平輥式連鑄設(shè)備10采用了一對(duì)分別在箭頭4和4的方向上反向旋轉(zhuǎn)的冷卻輥R1和民。就術(shù)語“水平”而言,其意在表示鑄造帶坯是沿著水平面生產(chǎn),其中該水平面與剖面線2-2平行,或者與水平面成約±30度的角度。參見圖2b,在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,提供了具有電磁側(cè)封15的水平帶式連鑄設(shè)備10’,該電磁側(cè)封15設(shè)置用來提供磁力線,以將熔融金屬M(fèi)限制在該設(shè)備10’的鑄型區(qū)域20內(nèi),其中磁力線沿著與引出鑄件的平面2-2垂直的平面延伸。水平帶式連鑄設(shè)備10’采用了一對(duì)分別在箭頭A1和A2的方向上旋轉(zhuǎn)的反向旋轉(zhuǎn)帶B1和B2。需要注意的是,盡管隨后的附圖是針對(duì)圖2a中所示的水平輥式連鑄機(jī)10,但是下面的描述也同樣適用于在圖2b中披露的水平帶式連鑄機(jī)10’,其不同之處是,熔融金屬不是與輥RpR2接觸,而是與反向旋轉(zhuǎn)的帶1、B2接觸。還需要指出的是,在依照本發(fā)明的水平輥式連鑄設(shè)備10和帶式連鑄設(shè)備10’之間的進(jìn)一步的差別將在本說明書隨后部分相關(guān)聯(lián)時(shí)指出。參見圖3,熔融金屬M(fèi)通過可以由適合的陶瓷材料制造的供料嘴T輸送到鑄型區(qū)域
20。供料嘴T將熔融金屬M(fèi)在箭頭B的方向直接分配到分別在箭頭A1和A2的方向旋轉(zhuǎn)的鑄輥R1和R2上。在供料嘴T與各個(gè)輥R1和R2之間的間隙G1和G2保持得盡量地小,以防止熔融金屬泄漏,并且使熔融金屬暴露于大氣最少化。間隙G1和G2的適合尺寸大約為0.01英寸(0.25mm)。通過輥R1和R2的中心線的平面L經(jīng)過輥R1和R2之間被稱為輥縫N的最小間隙的區(qū)域。從供料嘴T輸出的熔融金屬M(fèi)分別在區(qū)域18和19直接接觸冷卻輥R1和R2。在與輥R1和R2接觸后,金屬M(fèi)開始冷卻并凝固。冷卻的金屬在輥R1附近生成凝固金屬的上殼16,并且在輥R2附近生成凝固金屬的下殼17。隨著金屬M(fèi)朝向輥縫N前進(jìn),殼16和17的厚度增加。凝固金屬的大枝晶21 (未按比例顯示)在上殼16和下殼17與熔融金屬M(fèi)之間的界面產(chǎn)生。大枝晶21破碎并被拖入較慢流動(dòng)的熔融金屬M(fèi)的中心部分12,并且在箭頭C1和C2的方向被運(yùn)載。熔融金屬流的牽引作用可以促使大枝晶21進(jìn)一步破碎成較小的枝晶22 (未按比例顯示)。在輥縫N上游的中心部分12中,金屬M(fèi)是半固態(tài)的,包括固體成分和熔融金屬成分,其中固體成分包括凝固的小枝晶22。在區(qū)域23中的金屬M(fèi)具有兩相連貫性,這在某種程度上是由于小枝 晶22在其中的分散導(dǎo)致的。在輥縫N處,一些熔融金屬在與箭頭C1和C2相反的方向被向后擠壓。在輥縫N處輥R1和R2的正轉(zhuǎn)基本上僅僅使金屬的固體部分(在中心部分12中的上殼及下殼16和17以及小枝晶22)前進(jìn),同時(shí)促使熔融金屬進(jìn)入輥縫N上游的中心部分12中,以便當(dāng)金屬離開輥縫N時(shí)它就完全是固態(tài)的。輥縫N的下游,中心部分13是固態(tài)中間層13,其包含夾在上殼16和下殼17之間小枝晶22。在中間層13中,小枝晶22的尺寸可以為大約20至50微米,并且具有基本上等軸的(球狀的)形狀而不是柱狀。上殼16、下殼17和凝固的中間層13這三層組成了固體的鑄造帶坯。輥R1和R2用作吸收熔融金屬M(fèi)的熱量的熱壑。在本發(fā)明中,熱量以均勻的方式從熔融金屬M(fèi)傳遞到輥R1和R2,以保證鑄造帶坯表面的均勻性。各個(gè)輥R1和R2的表面D1和D2可以由具有良好導(dǎo)熱性的材料例如鋼或銅或其它的金屬材料制造,它們是毛面的,并且包括與熔融金屬M(fèi)接觸的表面不規(guī)則(未顯示)。該表面不規(guī)則可以用來增加從表面D1和D2的熱傳遞。輥R1和R2可以覆有用于增強(qiáng)鑄造帶坯從輥R1和R2上分離的材料,例如鉻或鎳。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,包括表面D1和D2的輥R1和R2由鐵磁性材料構(gòu)成。在輥R1和R2不是由鐵磁性材料構(gòu)成的本發(fā)明實(shí)施例中,輥的鑄造表面Dp D2和輥的側(cè)壁可以覆有鐵磁性材料。對(duì)輥札和民的適當(dāng)速度的控制、保持和選擇可以影響本發(fā)明的可操作性。輥速度決定熔融金屬M(fèi)朝向輥縫N前進(jìn)的速度。如果該速度太慢,大枝晶21所承受的力將不足以使其被夾帶入中心部分12并破碎成小枝晶22。因此,本發(fā)明適合于在高速下工作,例如約25至約400英尺/分鐘或約100至約400英尺/分鐘或約150至約300英尺/分鐘。熔融鋁輸出到輥R1和R2的線速度可以小于輥R1和R2的速度,或約為輥速度的四分之一。依照本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高速連鑄,這在某種程度上是因?yàn)槊娴谋砻鍰1和D2保證了從熔融金屬M(fèi)的均勻熱傳遞。輥分離力可以是實(shí)施本發(fā)明的限定因素。輥分離力是由于在輥間隙內(nèi)的帶坯的存在所導(dǎo)致的在輥之間存在的力。在輥鑄過程中當(dāng)帶坯塑性變形時(shí),輥的分離力特別高。本發(fā)明的顯著益處是直到金屬到達(dá)輥縫N時(shí)才開始生成固體帶坯。其厚度由輥R1和R2之間的輥縫N的尺寸確定。輥分離力可以足夠地大,以將熔融金屬向上游擠壓并離開輥縫N。通過輥縫N的過多熔融金屬會(huì)使上殼16、下殼17和固體中心部分13這些層彼此分離和變得不重合。到達(dá)輥縫N的熔融金屬不足會(huì)導(dǎo)致帶坯過早地形成,如在常規(guī)輥連鑄工藝中產(chǎn)生的一樣。過早地形成的帶坯20會(huì)在輥R1和R2的作用下變形,并產(chǎn)生中心線偏析。適當(dāng)?shù)妮伔蛛x力是大約25至大約300磅每英寸鑄件寬度,或約100磅每英寸鑄造寬度。一般說來,當(dāng)鑄造較厚規(guī)格的鋁合金時(shí)需要較慢的鑄造速度,以將熱量從較厚的合金除去。不同于常規(guī)的輥連鑄,在本發(fā)明中上述較慢的鑄造速度不會(huì)導(dǎo)致過度的輥分離力,這是因?yàn)樵谳伩p的上游不產(chǎn)生完 全固態(tài)的鋁帶坯。在現(xiàn)有的應(yīng)用中,輥分離力在小規(guī)格鋁合金帶坯產(chǎn)品的生產(chǎn)中已經(jīng)成為了限制因素,但是本發(fā)明不受此限制,因?yàn)槠漭伔蛛x力比常規(guī)工藝要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。鋁合金帶坯可以在25至大約400英尺/分鐘的鑄造速度以大約0.1英寸或更小的厚度生產(chǎn)。較厚規(guī)格的鋁合金帶坯也可以利用本發(fā)明的方法生產(chǎn),例如以大約1/4英寸的厚度。依照本發(fā)明連鑄的鋁合金帶坯20包括鋁合金的第一層和鋁合金的第二層(相當(dāng)于殼16和17),在其間具有中間層(凝固的中間層13)。在本發(fā)明鋁合金帶坯中的晶?;旧蠜]有變形,因?yàn)檩伿┘拥牧κ禽^低的(300磅每英寸寬度或更少)。帶坯在到達(dá)輥縫N前不是固態(tài);因此,它不是以常規(guī)的雙輥連鑄的方式熱軋,并且不接受典型的熱-機(jī)械處理。當(dāng)不在連鑄機(jī)中進(jìn)行常規(guī)的熱軋時(shí),在帶坯20中的晶粒基本上沒有變形,并且保持在凝固后達(dá)到的初始組織,即等軸組織,例如球狀。通過在開始選擇相應(yīng)于帶坯S要求規(guī)格的輥縫N的所需尺寸,實(shí)現(xiàn)了依照本發(fā)明的鋁合金的連鑄。輥R1和R2的速度可以增加到所需的生產(chǎn)率,或增加到這樣一個(gè)速度,該速度小于輥分離力增加到表示輥R1和R2之間鑄造帶坯發(fā)生塑性變形的水平時(shí)的速度。通過以本發(fā)明的速率鑄造(即約25至約400英尺/分鐘),使得鋁合金帶坯的凝固比鋁合金作為錠鑄造時(shí)快約1000倍,并且與鋁合金作為錠鑄造相比改善了帶坯的特性。從供料嘴T輸出的熔融金屬M(fèi)被至少一個(gè)電磁側(cè)封15約束在鑄型區(qū)域20內(nèi),該電磁約束15設(shè)置用來導(dǎo)引垂直于鑄件引出的平面2-2的磁力線。在一個(gè)實(shí)施例中,電磁側(cè)封15設(shè)置在鑄造設(shè)備的每一側(cè)。在優(yōu)選的實(shí)施例中,在鑄造過程中,熔融金屬M(fèi)被機(jī)械側(cè)封55和電磁側(cè)封15共同約束在鑄型區(qū)域20內(nèi),其中機(jī)械側(cè)封55設(shè)置為靠近供料嘴T,而電磁側(cè)封15設(shè)置為在機(jī)械側(cè)封55的末端上面并沿著鑄型區(qū)域20的整個(gè)長度提供約束力,如圖6和11所示。電磁側(cè)封15用來將熔融金屬M(fèi)保持在鑄型區(qū)域20內(nèi)的電流和/或頻率基本上小于通常在利用電磁側(cè)封的現(xiàn)有鑄造設(shè)備中的所需電流和/或頻率。在采用電磁側(cè)封的現(xiàn)有鑄造設(shè)備中,需要高的磁力場來約束熔融金屬,這導(dǎo)致在熔融金屬內(nèi)的感應(yīng)加熱,從而對(duì)凝固過程產(chǎn)生不利影響。在本發(fā)明中,通過減少所需電磁力的大小,傳導(dǎo)通過電磁側(cè)封的電流和/或頻率也減小了,因此有利于減少在鑄型區(qū)域中熔融金屬側(cè)壁上感應(yīng)加熱的發(fā)生。不是為了限制,而是為了進(jìn)一步的描述本發(fā)明,與在圖1中所示的現(xiàn)有立式澆鑄設(shè)備中位于輥式連鑄機(jī)頂部的熔融金屬熔池的較大高度H1相對(duì)比,申請(qǐng)人相信將金屬限制在鑄型區(qū)域中所需的電磁力的減小與從供料嘴T輸出的熔融金屬的壓頭高度H的減小有關(guān),如圖2A和2B中所示。如上所述,在立式鑄輥頂部的熔池高度(或深度)H1大約為鑄輥R1和民的高度的65%,并且可以在8英寸至20英寸的范圍內(nèi),如圖1所示。參見圖3,在本發(fā)明中,從供料嘴T輸出到鑄型區(qū)域20的熔融金屬的壓頭高度H可以大約為I英寸,并且在某些例子中還可以減少到0.5英寸。在下文中,在中間包中的金屬液面的豎直位置與正在鑄造的帶坯中心的豎直位置之差稱為〃熔融金屬壓頭〃。熔融金屬的壓頭高度H與用于將熔融鋁限制在不同的壓頭水平所需的磁通密度之間的關(guān)系可以通過下列等式最好地描述。首先,必須由磁場限制在鑄型區(qū)域20內(nèi)的熔融金屬壓頭所施加的壓力是這樣計(jì)算的:P= P gH其中P是磁壓力Pa,P是金屬的密度,g是重力加速度,而H是熔融金屬的壓頭高度。熔融金屬壓頭產(chǎn)生的壓力確定了必須由電磁邊緣約束裝置15產(chǎn)生以限制鑄型區(qū)域20內(nèi)的熔融金屬壓頭的磁場強(qiáng)度。在本發(fā)明中,通過供料嘴T水平地輸出到鑄型區(qū)域20的熔融金屬的壓頭高度H可以低為0.5英寸。通過改變從本發(fā)明的水平輥式連鑄設(shè)備10的供料嘴T輸出的熔融金屬的壓頭高度H產(chǎn)生的壓力利用上述的等式確定,并且列在圖4所示的表格中。概括來說,該壓力從對(duì)應(yīng)于約0.5英寸(12.7毫米)的熔融金屬的壓頭高度H的約125Pa到對(duì)應(yīng)于約10英寸 (254毫米)的熔融金屬的壓頭高度H的約2,492Pa。之后,在鑄型區(qū)域20內(nèi)限制熔融金屬的壓頭高度H所需的壓力被用于下列等式,以確定所需的磁通密度(B):ρ=Β2/2μ 0,其中P是磁壓力Pa (帕斯卡),B是磁通密度T (Tesla),和μ。是空氣的磁導(dǎo)率(=4πχ10 — 7Η/πι)。參見圖4,由上述的等式,計(jì)算出對(duì)于由供料嘴T輸出的約254毫米(10英寸)的較高的熔融金屬的壓頭高度H而言,所需磁通密度是0.079T(790Gauss),而對(duì)于約
12.7毫米(0.5英寸)的熔融金屬的壓頭高度H而言,所需磁通密度是大約0.0177T。如圖4所示,熔融金屬的壓頭高度H的減小降低了將熔融金屬M(fèi)限制在鑄型區(qū)域20內(nèi)所需的磁通密度。按照本發(fā)明,限制金屬壓頭高度所需的磁通密度可以利用在相對(duì)較低電流水平的電磁體獲得。在一個(gè)實(shí)施例中,電磁側(cè)封在大約2000安培匝(S卩10膽,電流200A的線圈)下工作。在本發(fā)明的另一方面,即電磁側(cè)封的物理定位、熔融金屬壓頭高度和磁場的強(qiáng)度可以改變,以控制鑄型區(qū)域內(nèi)熔融金屬的邊緣相對(duì)于鑄輥RpR2側(cè)壁的定位。在距輥式連鑄機(jī)的輥面(邊緣)的不同距離處的磁場強(qiáng)度可以通過下列等式計(jì)算:Bl= ( μ 0nl/l) { (2D/H) sinh (L/1) + (w/1) cosh (L/1) }其中:
Bf在距輥面的間隙中的距離L (m)處的磁場強(qiáng)度。nl=線圈阻數(shù)和電流。W=輥間隙,其中μ r=鋼連鑄機(jī)輥的相對(duì)磁導(dǎo)率(取為600),δ =對(duì)
于鋼(連鑄機(jī)輥的材料)的穿透深度,并且w是輥間隙。D=電磁體磁極和輥面之間的距離。H=磁極的高度。參見圖5,利用上述等式,磁場強(qiáng)度可以作為通過電磁側(cè)封15傳導(dǎo)的電流的頻率(Hz)的函數(shù)計(jì)算并繪制,其中,計(jì)算磁場強(qiáng)度的距離為從鋼鑄輥的側(cè)壁向內(nèi)10毫米到80毫米(基準(zhǔn)線1=10毫米,基準(zhǔn)線2=20毫米,基準(zhǔn)線3=30m,基準(zhǔn)線4=40毫米,基準(zhǔn)線5=60毫米,并且基準(zhǔn)線6=60毫米)。在每個(gè)計(jì)算中,磁極的高度(H)設(shè)定在8毫米,電磁磁極和輥面之間的距離(D)設(shè)定在4毫米,而輥間隙(w)設(shè)定在4毫米。此外,繪制的基準(zhǔn)線是表示限制熔融金屬的壓頭高度H等于250毫米(基準(zhǔn)線7)、150毫米(基準(zhǔn)線8)、100毫米(基準(zhǔn)線9)和50毫米(基準(zhǔn)線11)所需的最小磁場強(qiáng)度。在圖5中的曲線圖示出了:通過該電磁體,在輥間隙中遠(yuǎn)到20毫米的距離,可產(chǎn)生250毫米金屬壓頭8所需的0.079T的磁通密度。因此,如果需要,通過增加在側(cè)封中的電流,可以將鑄造帶坯的邊緣限制得從鑄輥RpR2的輥面(側(cè)壁)向內(nèi)。需要注意的是,磁通密度在距輥面較遠(yuǎn)距離處迅速地下降,并且,通過在2000安培匝工作的該側(cè)封,僅僅較小的金屬壓頭高度(大約50毫米)可以被限制在40毫米或更大的距離。如果需要,約束的范圍可以通過增加側(cè)封上的磁通勢(nl)來進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展。當(dāng)增大電磁力時(shí),需要適當(dāng)?shù)乜紤]側(cè)封的加熱效果。進(jìn)一步要注意的 是,在圖5中描繪的曲線也圖示出在本發(fā)明中采用的電磁側(cè)封將在任意選定的頻率下有效地操作。僅僅在大于IOkHz的頻率下操作時(shí),磁場中的損耗變得很顯著。除了熔融金屬壓頭的高度和磁通密度以外,也可調(diào)節(jié)電磁側(cè)封相對(duì)于鑄輥的定位,以提供將熔融金屬M(fèi)約束在鑄型區(qū)域20內(nèi)的電磁力線。參見圖6,電磁側(cè)封15可以這樣定位,其中磁性元件的磁極與鑄輥RpR2的側(cè)壁13對(duì)齊。在一個(gè)實(shí)施例中,電磁側(cè)封可這樣定位,其中磁性元件的磁極遠(yuǎn)離各個(gè)鑄輥凡、R2的側(cè)壁。在采用如圖2a所示水平帶式連鑄設(shè)備的本發(fā)明實(shí)施例中,電磁側(cè)封15可以這樣定位,其中磁性元件的各個(gè)磁極從遠(yuǎn)離連鑄帶BpB2的相鄰側(cè)壁到與連鑄帶BpB2的相鄰側(cè)壁對(duì)齊。出于本公開的目的,術(shù)語〃從遠(yuǎn)離連鑄帶的相鄰側(cè)壁到與連鑄帶的相鄰側(cè)壁對(duì)齊"是用于表示電磁側(cè)封的磁極不是朝向連鑄設(shè)備中心線延伸超過由連鑄帶側(cè)壁限定的平面,而是設(shè)置得足夠靠近連鑄帶的側(cè)壁,以提供足以將熔融金屬約束在鑄型區(qū)域內(nèi)的磁場。本發(fā)明的電磁側(cè)封還可以實(shí)施在具有由非磁性的(非鐵磁性的)材料例如銅制成的輥的連鑄機(jī)中。然而,當(dāng)輥由非磁性材料構(gòu)成時(shí),會(huì)限制磁場穿透到輥間隙中,因此約束通常會(huì)產(chǎn)生在靠近輥端部的平面上??赏ㄟ^在上述輥的端面和鑄造表面200上包覆鐵磁性材料(例如鐵、鎳或鈷)來實(shí)現(xiàn)穿透到輥間隙中所需的約束深度,如圖8d所示。需要注意的是,現(xiàn)有的鑄造設(shè)備通常將電磁裝置的磁極和鑄輥成形為可將磁場向著鑄型區(qū)域集中。在一個(gè)例子中,現(xiàn)有的鑄輥采用從各個(gè)輥的側(cè)壁伸出的唇部,并且還可以進(jìn)一步地包括具有與現(xiàn)有鑄輥的伸出唇部相應(yīng)的幾何形狀的磁極。與現(xiàn)有鑄造設(shè)備不同,本發(fā)明不要求特殊配置的鑄輥來幫助集中由電磁側(cè)封產(chǎn)生的磁場。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,鑄輥RpR2的側(cè)壁113可以基本上是平的。進(jìn)一步地,本發(fā)明的電磁側(cè)封15可以這樣定位,以使電磁邊緣約束裝置的面與鑄輥的平側(cè)壁113的面對(duì)齊,其中電磁側(cè)封15非常接近鑄輥凡、R2。電磁側(cè)封15還可以定位成遠(yuǎn)離鑄輥的側(cè)壁113。不管電磁側(cè)封15如何定位,該電磁側(cè)封15都要定位成提供足以將熔融金屬M(fèi)約束在鑄型區(qū)域20內(nèi)的電磁力。電磁側(cè)封15的定位可以依靠在電磁側(cè)封中采用的電流或頻率。例如,較低的電流可以提供較少的電磁力線,因此更可能要求側(cè)封15設(shè)置得更接近鑄型區(qū)域20。通過電磁側(cè)封傳導(dǎo)的電流越高,電磁力線的量就越大,因此電磁側(cè)封就可以設(shè)置得離鑄型區(qū)域更遠(yuǎn)。參見圖7a_7c,在一個(gè)實(shí)施例中,選擇電磁側(cè)封15的定位和電磁力線的多少,以在鑄型區(qū)域20內(nèi)的熔融金屬M(fèi)中形成大體上平的側(cè)壁(圖7a)、凸的側(cè)壁(圖7b)或凹的側(cè)壁(圖7c)。在一個(gè)例子中,2200安培匝的電流產(chǎn)生具有凹側(cè)壁的鑄造帶坯;1200安培匝的電流產(chǎn)生具有大體上平的或直的側(cè)壁的鑄造帶坯;而大約1200安培匝的電流產(chǎn)生具有大體上凸的側(cè)壁的鑄造帶坯。需要注意的是,上述的例子僅僅是示例性的,并不意味著對(duì)本發(fā)明的限制,因?yàn)槿我獾碾娏鞫歼m用于本發(fā)明,只要電流向鑄型區(qū)域20提供充分的約束力并且不會(huì)導(dǎo)致過度的感應(yīng)加熱。在鑄造帶坯的側(cè)壁是凹或凸的本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施例中,該側(cè)壁的曲率由大約為熔融金屬壓頭高度的一半的半徑限定。在另一個(gè)實(shí)施例中,電磁側(cè)封15可以構(gòu)造為使鑄型區(qū)域內(nèi)的熔融金屬相對(duì)于鑄型區(qū)域內(nèi)熔融金屬M(fèi)的中心線具有凸的側(cè)壁。優(yōu)選的是,在鑄型區(qū)域內(nèi)的熔融金屬的側(cè)壁大體上與輥連鑄機(jī)的平表面對(duì)齊,如圖8a和Sc所示??商娲氖?,電磁側(cè)封15可以構(gòu)造為使磁力線超出鑄輥的側(cè)壁113,其中熔融金屬限制在輥連鑄機(jī)的邊緣之內(nèi),如圖8b和8d所示。電磁側(cè)封15的結(jié)構(gòu)詳細(xì)地圖示在圖8a中,圖8a表示圖2a所示電磁側(cè)封裝置15的剖面圖。在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中,電磁側(cè)封15為磁體類型的約束系統(tǒng),并且包括大體為C型的磁性元件。因此,磁性元件30包括磁芯32,磁芯32具有上臂或上磁極34和從上臂或上磁極34延伸的下臂或下磁極36,從而限定了大體C形的橫截面。磁芯32包括感應(yīng)線圈繞組38,該感應(yīng)線圈繞組38由圍繞磁性元件30的磁芯32纏繞的線圈構(gòu)成,以建立感應(yīng)線圈。因此,該繞組由圍繞磁性元件30的磁芯32纏繞的多個(gè)導(dǎo)體組成。圍繞磁芯32的磁芯繞組38可以由完整金屬例如銅絲構(gòu)成。仍然參見圖8,上臂34終止在極面42,而下臂36終止在極面44,熔融金屬M(fèi)保持在它們之間。因此,極面42和44限定了這樣的表面,從這樣的表面上,由具有感應(yīng)線圈38的磁性元件30產(chǎn)生的磁力線從一個(gè)極面42到達(dá)另一個(gè)極面44,如圖中的磁力線48所示。圖9a_9c圖示了依照本發(fā)明的極面44的不同角度和朝向。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是,隨著極面之間的間隙43增加,跨過該間隙的場強(qiáng)下降。圖9a顯示了磁性元件30的橫截面,其中極面42和44相對(duì)于大體上與引出鑄件的平面垂直的豎直平面具有負(fù)角度。該負(fù)角度指的是在各個(gè)磁極的外邊緣處的極面之間間隙43小于在各個(gè)極面的內(nèi)邊緣處的極面之間間隙43。因此,由圖9c所示磁性元件產(chǎn)生的約束力在各個(gè)極面的外邊緣處比在各個(gè)極面的內(nèi)邊緣處強(qiáng)。圖9b顯示了磁性元件30的橫截面,其中極面42和44相對(duì)于大體上與引出鑄件的平面垂直的豎直平面沒有角度。零角度指的是極面之間間隙43在各個(gè)極面的外邊緣處與在各個(gè) 極面的內(nèi)邊緣處相等。因此,由圖9b所示的磁性元件產(chǎn)生的磁場跨過每個(gè)極面都是相對(duì)均勻的。圖9c圖示了磁性元件30的橫截面,其具有的極面42和44是部分平行和部分不平行的。極面42和44的內(nèi)側(cè)區(qū)域相對(duì)于水平面具有負(fù)角度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,磁性元件30由鐵磁性材料例如硅鋼構(gòu)成,并且可以由該鐵磁性材料的一體件構(gòu)成??商娲氖?,磁性元件30可以由多個(gè)鐵磁材料組成,例如在圖10中所示的拼合式磁芯設(shè)計(jì)。在另一個(gè)實(shí)施例中,磁性元件30可以由經(jīng)過機(jī)加工并采用機(jī)械方式、粘合劑或類似方式固定在一起以產(chǎn)生所需結(jié)構(gòu)的一系列疊層元件組成,,如圖11所示。在許多情況中,優(yōu)選的是采用上述疊層件,因?yàn)榀B層件可以用于使得磁通線在磁性元件中更均勻地分布,并且減少由于磁性元件的飽和造成的損耗。另外,對(duì)于由疊層的鐵磁性材料構(gòu)成的磁性元件,作為熱量消散的電能也更加均勻地分布和更加容易地消除,特別是在用于將疊層元件固定在一起的粘合劑具有良好的導(dǎo)熱性的情況下。再來參見圖8a_8d,包圍磁性元件30的是外罩50,其優(yōu)選的是由具有結(jié)構(gòu)剛性和非常高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性的材料構(gòu)成,最優(yōu)選的是由金屬構(gòu)成。盡管也可以使用其它的金屬例如銀和金,但優(yōu)選的是,該外罩50是由銅制造。外罩50的高導(dǎo)電率有助于將磁力線限制在磁性元件內(nèi),而其良好的導(dǎo)熱性有助于從整個(gè)設(shè)備散發(fā)熱量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解,外罩50可以在其中設(shè)有冷卻通道,或在其上設(shè)有釬焊管,以穿過外罩分配冷卻流體或在外罩的表面分配冷卻流體,從而進(jìn)一步地有助于消除由電磁場產(chǎn)生的熱量。例如,當(dāng)要求額外的冷卻能力時(shí),可以采用入口來使冷卻流體流過外罩并從排出口除去。因此,冷卻流體可以流過在外罩內(nèi)的導(dǎo)管,以去除由電磁場產(chǎn)生的熱量。在本發(fā)明實(shí)踐中采用的電磁側(cè)封還包括內(nèi)罩56,其尺寸構(gòu)造為適于安置在磁性元件30的C形結(jié)構(gòu)內(nèi)。該內(nèi)罩56同樣地用來限制由磁性元件30的線圈38產(chǎn)生的磁力線,確保磁力線保持在磁性元件30內(nèi)。此外,在想要增加從磁體消散熱量的能力時(shí),還可以,并且有時(shí)也是想要的,在內(nèi)罩中包括導(dǎo)管裝置,以用于使冷卻流體通過。也可以取消內(nèi)罩;尤其是當(dāng)采用晶粒取向的硅鋼疊層片時(shí),此時(shí)磁力線優(yōu)選的是在疊層片內(nèi)流通。本發(fā)明的磁場通路顯示在圖8a至8d中。在圖8a中,磁場在基本上與輥側(cè)面平行的平面中從電磁側(cè)封的一個(gè)磁極流向另一個(gè)。它適合于由非鐵磁性的材料(例如銅)構(gòu)造的金屬輥。該磁場產(chǎn)生了在輥端面上的約束力。圖8顯示了當(dāng)磁場穿透到間隙中并且將熔融金屬從輥面向內(nèi)限制時(shí)的情況。這將是用于鐵磁性的輥和強(qiáng)磁場的情況。如圖8d中所示,這也可以通過在端面和非鐵磁性輥材料鑄造表面的端部施加足夠深度的鐵磁性覆層200來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)用于實(shí)施本發(fā)明的電磁約束設(shè)備時(shí),可以采用許多不同的方法來散發(fā)由電磁場產(chǎn)生的熱量。如圖8c所示,繞組40可以由環(huán)形導(dǎo)體形成,中心開口 41穿過該環(huán)形導(dǎo)體延伸。因此,冷卻水可以通過繞組40的中心開口,以有助于散發(fā)由電磁場產(chǎn)生的熱量。如圖12所示,磁芯30還可以配備有穿過其中延伸的冷卻導(dǎo)管47 ;這樣,冷卻流體可以通過冷卻導(dǎo)管47,以有助于散發(fā)由電磁場產(chǎn)生的熱量。圖12圖不了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例,其中機(jī)械側(cè)封55與具有磁性兀件30的電磁側(cè)封15 —起使用。該磁性兀件30的前面是機(jī)械側(cè)封55。顯不的機(jī)械側(cè)封55理想地應(yīng)該是具有非陶瓷的表面并且由磁性材料構(gòu)成,以減少在鑄型區(qū)域入口部的磁阻。也可以用陶瓷材料制造機(jī) 械側(cè)封55,如果工藝條件不允許采用金屬材料的話。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,機(jī)械側(cè)封55定位成確保當(dāng)熔融金屬從中間包H輸出到供料嘴T時(shí)被限制在鑄造設(shè)備內(nèi)。一旦熔融金屬M(fèi)到達(dá)供料嘴T,通過電磁側(cè)封15提供約束力。在這種布置中,機(jī)械側(cè)封55的使用壽命由于電磁側(cè)封15而增加了,因?yàn)殡姶艂?cè)封15定位在鑄造設(shè)備的最不利部分。下面的例子進(jìn)一步地例示了本發(fā)明,并且顯示出了帶來的一些優(yōu)點(diǎn)。這并不意味著將本發(fā)明限制于所公開的特定例子。例子1-電磁推動(dòng)的證明依照本發(fā)明采用具有鋼輥的連鑄機(jī)來鑄造鋁帶坯。然后,對(duì)該帶坯進(jìn)行金相測試,以證實(shí)電磁力對(duì)鑄型區(qū)域內(nèi)熔融金屬的效果。采用水平輥式連鑄機(jī)和依照本發(fā)明的電磁側(cè)封和機(jī)械側(cè)封的組合來形成試樣。然后,在 2180安培匝操作電磁側(cè)封來鑄造三種不同厚度(2.44毫米、2.29毫米和2.16毫米)的鑄造帶坯。之后,從帶坯的邊緣切下樣品并準(zhǔn)備用于金相檢驗(yàn)。如圖14a和14b所示,可以看出,與帶坯的外表面相比,鑄造帶坯的中心部分被向內(nèi)推動(dòng)。該觀察結(jié)果證明了鑄造過程中電磁側(cè)封的約束效果,因?yàn)閹鞯闹行牟糠质亲詈竽痰?。通過首先在室溫測量鑄造帶坯的寬度來估計(jì)進(jìn)入輥間隙中的約束效果的深度,其中鑄造帶坯的寬度大約是400.5毫米。通過該測量,通過增加在凝固和冷卻到室溫的過程中產(chǎn)生的收縮,在鑄型區(qū)域內(nèi)的帶坯的寬度可以估算為406毫米??紤]到鑄輥的寬度是大約432毫米,很明顯磁場將鑄造帶坯的熔融中心從鑄輥每側(cè)的鑄輥輥面推動(dòng)了大約13毫米(13毫米=(432 (輥連鑄機(jī)的寬度)-406)/2)的距離。更具體地,通過從鑄輥的寬度減去經(jīng)過計(jì)算的在鑄型區(qū)域中鑄造帶坯的寬度,可以計(jì)算出由電磁側(cè)封產(chǎn)生的總位移。由單個(gè)側(cè)封產(chǎn)生的位移量通過所采用的側(cè)封的數(shù)量來計(jì)算,在該試驗(yàn)中側(cè)封由設(shè)置在鑄輥對(duì)立端的兩個(gè)電磁側(cè)封組成。觀察對(duì)所有三種不同的帶坯厚度(帶坯規(guī)格)來說類似的電磁推動(dòng)效果,并概括在圖13中描繪的表格里。磁性推動(dòng)的程度用帶坯的中心部分相對(duì)于邊緣的深度來衡量。磁性推動(dòng)對(duì)于較薄規(guī)格的帶坯來說稍大,因?yàn)檩^窄的輥間隙將在任意給定的距離產(chǎn)生較高的磁通密度。如圖13中的概括,相信的是,在連鑄機(jī)輥兩側(cè)(傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè))之間磁性推動(dòng)的差異是由于電磁側(cè)封和機(jī)械側(cè)封的位置變化造成的。例子2-鑄造帶坯的邊緣輪廓的控制在電磁體中不同的磁通勢水平下操作來檢測鑄態(tài)帶坯的邊緣輪廓。如圖14所示,在2180安培匝操作下獲得的邊緣輪廓被認(rèn)為是不適合于后繼的帶坯軋制,除非在軋制之前修剪邊緣。為了提供具有不經(jīng)過另外機(jī)加工就適合于軋制的邊緣輪廓的鑄造帶坯,減小電磁體的磁通勢,以減小在鑄造帶坯的中心部分上的推動(dòng),從而帶坯的邊緣輪廓將是平的或略凸。在施加于電磁體的180A (或1620安培匝)的電流水平下,在鑄造帶坯中獲得平的邊緣輪廓。為了得到平的邊緣輪廓,磁場應(yīng)被選擇得恰好抵消在鑄型區(qū)域中的熔融金屬產(chǎn)生的壓力,其通過較小份額的小輥壓力的金屬壓頭產(chǎn)生。參見圖15,在這些條件下制造的鑄造帶坯的邊緣是平的和非常直的,表明它不用修整鑄造帶坯的邊緣或其它輔助的機(jī)加工就可以軋制。該帶坯成功地通過四機(jī)架軋機(jī)在線軋制。鑄造帶坯從2.7毫米(0.107英寸)鑄態(tài)厚度軋制到大約0.36毫米(0.014英寸)的厚度,這相當(dāng)于87%的厚度減小。參見圖16,通過該方法制造的薄板在邊緣上僅有較少的裂紋,這可以通過在卷取之前進(jìn)行修整來消除。
通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電磁側(cè)封,可以在鑄態(tài)的帶坯中獲得高質(zhì)量的邊緣,這樣就允許以高的壓下率進(jìn)行軋制,從而節(jié)約材料和改善工藝的效率。盡管已經(jīng)關(guān)于優(yōu)選實(shí)施例特別地顯示和描述了本發(fā)明,但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言可理解的是,可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)形式和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行前述的和其它的改變。因此,本發(fā)明并不局限于所描述和圖示的確切的形式和細(xì)節(jié),而是落在本發(fā)明的保護(hù) 范圍中。
權(quán)利要求
1.一種用于熔融金屬的帶坯鑄造的設(shè)備,包括 (a)—對(duì)適合于沿著水平軸線接納熔融金屬的鑄輥,其中分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離限定了鑄型區(qū)域; (b )定位在鑄型區(qū)域每一側(cè)的電磁邊緣約束裝置,其包括感應(yīng)線圈,該感應(yīng)線圈圍繞磁性元件的一部分纏繞,以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線,其中所述磁性元件包括第一磁極和第二磁極,該第一磁極和第二磁極遠(yuǎn)離所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁和與所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁對(duì)齊,并且電流提供垂直于所述水平軸線的磁力線,磁力線保持熔融金屬與鑄輥接觸,同時(shí)基本上不會(huì)增加熔融金屬的溫度;和 (C)用于沿著所述水平軸線從中間包將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域同時(shí)確保所述熔融金屬基本上保持非氧化狀態(tài)的裝置,其中中間包與鑄型區(qū)域分隔一定距離,以基本上消除由磁力線導(dǎo)致的在中間包內(nèi)的波生成; (d)所述設(shè)備生產(chǎn)鑄造金屬帶坯,所述鑄造金屬帶坯具有固態(tài)中間層,所述固態(tài)中間層包含位于上殼和下殼之間的小球狀枝晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,所述電流包括頻率范圍從40Hz到10,OOOHz的交流電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,所述電流包括小于2,000安培匝。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,該設(shè)備包括圍繞磁性元件設(shè)置的罩裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,磁性元件具有大體C形結(jié)構(gòu),包括磁芯部分和與磁芯部分整體形成并從磁芯部分延伸的平行磁極。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離提供的金屬壓頭高度允許通過在所述電流下的磁力線將熔融金屬約束在鑄輥之間,并且基本上不會(huì)由磁力線引起在熔融金屬中的溫度增加。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,分隔所述一對(duì)鑄輥的豎直距離小于I.O英寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,磁性元件定位到鑄型區(qū)域以定位磁力線,以便使鑄型區(qū)域內(nèi)的熔融金屬產(chǎn)生凸的側(cè)壁、凹的側(cè)壁或大體上平的側(cè)壁。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,磁性元件由鐵磁性材料的粘接或機(jī)械連接的疊層片的堆疊構(gòu)成,或者該磁性元件是由鐵磁性材料的完整磁芯構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,所述一對(duì)鑄輥包括鐵磁性材料、非鐵磁性材料或至少在所述一對(duì)鑄輥的鑄造表面和所述側(cè)壁上至少覆有鐵磁性材料的非鐵磁性材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備,其中,所述一對(duì)鑄輥的所述側(cè)壁基本上是平的。
12.一種鑄造設(shè)備,包括 (a)—對(duì)適合于沿著水平軸線接納熔融金屬的鑄輥,其中,分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離限定了鑄型區(qū)域; (b)輸出嘴結(jié)構(gòu),其定位成從中間包沿著所述水平軸線將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域,同時(shí)確保所述熔融金屬基本上保持不氧化;和 (c)邊緣約束裝置,其定位在鑄型區(qū)域的每一側(cè),所述邊緣約束裝置包括機(jī)械側(cè)封,該機(jī)械側(cè)封位于所述輸出嘴結(jié)構(gòu)的至少端部部分之上并且部分地朝向所述鑄型區(qū)域延伸;以及電磁側(cè)封,該電磁側(cè)封包括第一磁極和第二磁極,該第一磁極和第二磁極定位成遠(yuǎn)離所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁和與所述一對(duì)鑄輥的側(cè)壁對(duì)齊,并且位于部分地朝向所述鑄型區(qū)域延伸的所述機(jī)械側(cè)封的一部分之上,其中,所述電磁側(cè)封提供垂直于所述水平軸線的磁力線,所述磁力線保持熔融金屬與鑄輥接觸; (d)所述設(shè)備生產(chǎn)鑄造金屬帶坯,所述鑄造金屬帶坯具有固態(tài)中間層,所述固態(tài)中間層包含位于上殼和下殼之間的小球狀枝晶。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鑄造設(shè)備,其中,所述輸出嘴結(jié)構(gòu)具有的長度可大體上消除由磁力線導(dǎo)致的在中間包內(nèi)的波產(chǎn)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的鑄造設(shè)備,其中,所述電磁側(cè)封包括圍繞磁性元件纏繞的感應(yīng)線圈以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的鑄造設(shè)備,其中,所述電流提供的磁力線保持熔融金屬與鑄輥接觸,并且基本上不會(huì)增加熔融金屬的溫度。
16.一種形成鑄造金屬帶坯的方法,包括沿著水平軸線將熔融金屬供給到鑄型區(qū)域;利用磁性約束裝置將所述熔融金屬限制在鑄型區(qū)域內(nèi);和將所述熔融金屬鑄造成鑄造金屬帶坯,其中,所述鑄造帶坯的側(cè)壁的幾何形狀是通過調(diào)整所述磁性約束裝置來形成的;其中所述鑄造金屬帶坯具有固態(tài)中間層,所述固態(tài)中間層包含位于上殼和下殼之間的小球狀枝晶。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,其中,所述側(cè)壁的幾何形狀相對(duì)于所述鑄造金屬帶坯的中心線部分是平的或凹的或凸的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法,其中,所述磁性約束裝置包括圍繞磁性元件纏繞的感應(yīng)線圈以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線,所述磁性元件具有定位成遠(yuǎn)離到鄰近所述鑄型區(qū)域的第一磁極和第二磁極。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中,對(duì)所述磁性約束裝置的所述調(diào)整包括增加或減少通過所述感應(yīng)線圈的所述電流。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于熔融金屬的帶坯鑄造的設(shè)備,包括一對(duì)適合于沿著水平軸線接納熔融金屬M(fèi)的鑄輥R1、R2,其中,分隔該對(duì)鑄輥的豎直距離限定了鑄型區(qū)域;和設(shè)置在鑄型區(qū)域每一側(cè)的電磁邊緣約束裝置15,該電磁邊緣約束裝置具有圍繞磁性元件的一部分纏繞的感應(yīng)線圈以在施加電流時(shí)產(chǎn)生磁力線,其中,所述磁性元件的磁極定位成遠(yuǎn)離到對(duì)齊鑄輥的平側(cè)壁,并且電流提供垂直于所述水平軸線的磁力線,以保持熔融金屬與鑄輥接觸,并且基本上不會(huì)增加熔融金屬的溫度。
文檔編號(hào)B22D11/06GK103252462SQ201210398618
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者小D·A·托姆斯, A·尤納爾, G·F·懷特-麥爾, D·W·迪蒙斯 申請(qǐng)人:美鋁公司