專利名稱：寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與加強(qiáng)薄而寬的回轉(zhuǎn)撓性帶表面及帶中的傳熱效果有關(guān)。該撓性帶用以形成各種黑色和有色金屬連續(xù)鑄造機(jī)中的運(yùn)動模壁，其正面即面向被鑄金屬的一面具有永久性的多孔隔離復(fù)蓋層，該復(fù)蓋層具有透氣性孔隙，按所列專利號4588021專利之規(guī)定。更為具體地說，本發(fā)明是以通過增大和控制被鑄金屬向鑄造帶傳熱的傳熱率，使之更加均勻并能穩(wěn)定在較高的傳熱率值上的方法來實現(xiàn)提高帶的平面度的，改善傳熱又是通過在被鑄金屬與鑄造帶之間形成一含氦氣膜達(dá)到的，該氣膜與被鑄金屬不產(chǎn)生反應(yīng)。在某些實施方案中，采用銅或銅合金鑄造帶以增強(qiáng)傳熱效果和改善帶的平面度。金屬的凝固可以穩(wěn)定在較高的凝固速率下進(jìn)行，其鑄件的冶金狀態(tài)和外觀均有所改進(jìn)。
在先前所采用的工藝中，力圖使連續(xù)鑄造機(jī)中鑄造帶上的熔融金屬與鑄造帶之間的傳熱率減小，甚至降為極小，以便保護(hù)寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶，以達(dá)到使帶的扭曲、翹曲、起皺、浪彎、局部凹陷等變形為極小的目的。
為了到達(dá)此種目的，在帶與金屬接觸之前，就對雙帶式鑄造機(jī)的撓性鑄造帶進(jìn)行有控制的升溫。同時，還使熱流體，例如蒸汽在鑄造區(qū)域的進(jìn)口處的空心壓輥內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，以提高鑄造帶的溫度。接著，將用于冷卻鑄造帶的反(內(nèi))面的高速冷卻液通入帶的內(nèi)表面，使其冷卻效果與在熔融金屬同鑄造帶正面相接觸的同一時刻或僅略早片刻才產(chǎn)生，這一過程為美國專利號4082101專利所申請的內(nèi)容，在該專利中有所描述。鑄造帶升溫所用的方法及裝備為美國專利3937270及4002197所描述及申請。此外，還采用直接蒸汽，在帶未進(jìn)入鑄造區(qū)前在帶的反面進(jìn)行預(yù)熱，以便減小帶在未進(jìn)入鑄造區(qū)和進(jìn)入之后的溫差，從而減少其變形。這種蒸汽預(yù)熱所采用的方法和裝備為美國專利4537243所描述和申請。
為了減少向回轉(zhuǎn)帶和移動式邊堰中傳輸熱量的傳熱率，改進(jìn)它們在承受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力下的耐久性和改善鑄造成品，鑄造帶和邊堰的正面復(fù)蓋有隔離和保護(hù)材料，例如在美國專利3871905、4588021和4545423中所描述和保護(hù)的那些材料。4588021號專利描述一種具有孔隙率可以調(diào)整的單一復(fù)蓋層，復(fù)蓋層采用熔接的方法粘于帶上，帶通常是由低碳鋼冷軋而成，其厚度范圍約為0.035英寸至0.065英寸。有些帶是由含鈦的鋼制成的，如美國專利4092155所描述，該種鋼材在冷軋中產(chǎn)生加工硬化。據(jù)信，熔接上的覆蓋層的孔隙率的可調(diào)整特性是需要的而且是很重要的，其意義在于，合適的孔隙率水平，對于復(fù)蓋帶的隔離效果和耐久性能起很大的作用，同時這種透氣的孔隙加強(qiáng)了帶子在熔融金屬中的不浸潤性能。據(jù)信，對不浸潤性的增強(qiáng)主要是由于截留在多孔性復(fù)蓋層的孔隙中的空氣的作用。當(dāng)熔融金屬與具有復(fù)蓋層的帶子接觸時，孔隙中的空氣受熱膨脹而逸出，在熔融金屬與復(fù)蓋層間形成氣膜，從而在連續(xù)鑄造過程中鑄件成型的最初時刻也是關(guān)鍵的時刻即固化金屬皮形成的時刻，起到阻止熔融金屬潤濕具有復(fù)蓋層的帶子的作用。
美國專利4487157及4487790描述并申請了一種能在寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶上產(chǎn)生隔離保護(hù)復(fù)蓋層的機(jī)具、一種往返移動的熱噴槍以及可以橫向器熱噴涂鑄造帶的系統(tǒng)。
在美國專利4593742及4648438中還描述并申請通過將惰性氣體注入模內(nèi)和使惰性氣體散布在運(yùn)動的模面上以便保護(hù)模腔內(nèi)熔融金屬表面免受氧和其它有害氣體如氫、水蒸汽、硫的氧化物、碳酸氣等的損害的方法和所用器具。在該專利中提到的一些惰性的且與被鑄金屬基本上不起反應(yīng)的適合于作為保護(hù)之用的氣體如氮、氬、二氧化碳。此外，在專利中還建議，在模內(nèi)被鑄金屬下部采用比空氣輕的氣體，在被鑄金屬上部采用比空氣重的氣體。所提到的比空氣輕的氣體是氮氣，它比空氣約輕3%，所提到的比空氣重的氣體是氬氣，它比空氣約重35%。
在雙帶式連續(xù)鑄造機(jī)中，特別是在那些用于鑄造銅的鑄造機(jī)中，移動式邊堰是由將許多開槽的堰塊懸掛于撓性金屬帶的全長上而構(gòu)成的，各堰塊均可沿著帶自由滑動。這些堰塊在一冷卻室內(nèi)通過可控冷卻液的噴灑而使之冷卻，冷卻后的堰塊溫度要進(jìn)行測量，然后在堰塊返回鑄造區(qū)之前要涂敷隔離材料。這些堰塊希望用青銅合金來制造，青銅合金比以往在鑄銅中所用的鎳鉻鋼具有更好的抗熱裂的性能和更好導(dǎo)熱性能。所用的青銅合金是Usines a Cuivre et a Zinc de Liege的商用名稱為“Bronze Corson”的材料，其組分為Ni1.5～2.5%，Si0.4～0.9%，F(xiàn)e0.1～0.3%，Cr0.1～0.5%，余Cu。由這種材料制成的堰塊可將鑄造銅棒(成品)兩側(cè)面的熱量迅速傳走。這種采用“Bronze Corson”合金堰塊連續(xù)生產(chǎn)鑄銅棒的方法和設(shè)備，在美國專利4155396中描述并為該專利的保護(hù)內(nèi)容。
鑄造帶的扭曲、翹曲、起皺、浪彎、局部凹陷等變形問題在靠近鑄模進(jìn)口處表現(xiàn)得尤為明顯。通常在從帶和鑄模進(jìn)口處的輥輪切線算起約15～20英寸(即約38～51cm)范圍內(nèi)，變形更顯著，如美國專利3937270及4002197的圖8所說明。
過去一些年來鑄鋁的經(jīng)驗表明，鋁含量較高的鋁和鋁合金有較窄的固化溫度范圍，即其固化溫度不超過15℃，可以在雙帶式連續(xù)鑄造機(jī)中連續(xù)鑄造成符合商用技術(shù)規(guī)范的成品而不會遇到過多的困難。然而那些固化溫度范圍超過40℃的鋁合金就很難采用連續(xù)鑄造的方法制成符合商用技術(shù)規(guī)范的成品。
以上所提及的所有專利及本申請專利均轉(zhuǎn)讓給同一受讓者。在此參照上述專利的內(nèi)容。
本發(fā)明之目的在于提供一種改進(jìn)連續(xù)鑄造機(jī)的方法和一種新的鑄造帶，該連續(xù)鑄造機(jī)具有活動鑄模，其中至少有一個模壁是由薄的回轉(zhuǎn)撓性環(huán)狀金屬鑄造帶構(gòu)成，該帶具有永久透氣性的多孔隔離復(fù)蓋層。
本發(fā)明的其它的目的是改進(jìn)由具有寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性環(huán)狀鑄造帶作為鑄模的一個或幾個模壁的連續(xù)鑄造機(jī)生產(chǎn)出的鑄造成品的冶金狀態(tài)和外觀。另外的目的是增加鑄造的生產(chǎn)率。
本專利發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，寬而薄的回轉(zhuǎn)環(huán)狀撓性鑄造帶的翹曲、浪彎，起皺和局部凹陷的問題是由沿著帶表面和帶中的溫度梯度引起的這可以通過加強(qiáng)傳熱大幅度地減輕，特別是在由上部鑄造帶和下部鑄造帶組成的雙帶式鑄造機(jī)中。本發(fā)明的這一基本概念與以前的技術(shù)原則完全不一樣而且還是相反的。按以前的技術(shù)原則，為了保護(hù)鑄造帶就要加強(qiáng)它們的熱絕緣，因而將絕緣復(fù)蓋層熱噴涂并粘結(jié)于帶的表面上，該復(fù)蓋層由透氣性多孔材料構(gòu)成，以便空氣可截留于其中，當(dāng)受熱膨脹后可以在熔融金屬和帶的復(fù)蓋層之間形成一隔離氣體層。
按照本發(fā)明，其中一個見解就是被鑄金屬和鑄造帶之間提供具有較高導(dǎo)熱性能的氣體膜，以便熱量可以更快地和更均勻地由該導(dǎo)熱氣膜傳出。本發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)，在該氣膜中采用含氮氣體可以顯著地改進(jìn)鑄造過程的傳熱率和傳熱動態(tài)特性也可以改善鑄造成品的冶金狀態(tài)和外觀。
各種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)載于由Chemical Rubber Publishing Co在1947年出版的物理化學(xué)手冊(Hand-book of Chemistry and Physics)，第三版的第1868頁上?？諝?、氮氣、氬氣、二氧化碳及氦氣的數(shù)值如下空氣，0℃ 0.0000568氮氣，7°～8℃ 0.0000524氬氣，0℃ 0.0000389二氧化碳，0℃ 0.0000307氦氣，0℃ 0.000339其意義并不在于這些絕對數(shù)值和它們的準(zhǔn)確度，而在于氦氣與空氣和其它氣體相比較的相對導(dǎo)熱性?？梢钥闯?，氦氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為空氣的6倍，氮氣的6.5倍，氬氣的8.7倍，二氧化碳的11倍。
與以前那些尋求通過抑制由熔融金屬向鑄造帶傳熱來達(dá)到保護(hù)寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶的目標(biāo)的方法和裝備相反，本發(fā)明極大地增強(qiáng)這一傳熱以便(1)改善帶的平面度，(2)改善鑄造成品的冶金狀態(tài)，(3)改進(jìn)鑄造成品的外觀，(4)較大幅度地增加鑄造生產(chǎn)率，(5)提供控制連續(xù)鑄造動力狀態(tài)的方法。在以前的技術(shù)中，緊貼在被鑄金屬上的氣膜構(gòu)成了由被鑄金屬向鑄造帶傳輸熱量中的最大的阻力，在本發(fā)明中提供了不與金屬起反應(yīng)的含氦氣膜后就有以下好處(6)使傳熱率大為增加，(7)還使這一增加了的傳熱率沿凝固的金屬表面寬度方向更加均勻。以上所述各條優(yōu)點也因此而產(chǎn)生。
在此所用的名詞“增強(qiáng)了的傳熱(enhanced heat fransfer)”，“傳熱的增強(qiáng)(enhancing of the heat fransfer)”以及“傳熱的增強(qiáng)作用(enhancement of the heat fransfer)”，其含意是包括下列概念(ⅰ)增加傳熱率，及/或(ⅱ)使這一增大了的傳熱率沿著被鑄金屬表面寬度方向更加均勻及/或增加其凝固率從而改善鑄造成品的外觀及/或增加其鑄造生產(chǎn)率，鑄造生產(chǎn)率是以每小時公斤計并且增加生產(chǎn)率是指與同樣尺寸的同樣產(chǎn)品相比而言的。
“有效地增強(qiáng)其傳熱效果的氦體積百分?jǐn)?shù)(a heat-fransfer-enhancement-offective porcentage by volume-amount of Helium)”這一術(shù)語指的是，在被鑄金屬與帶式鑄模的運(yùn)動鑄造帶之間的氣膜中所含氦氣的體積百分?jǐn)?shù)足以有效地增強(qiáng)其傳熱效果。
按照本發(fā)明的另一個見解，通過采用導(dǎo)熱率比以往采用的鋼帶高得多的材料制成的鑄造帶會驚人地改進(jìn)帶的平面度和產(chǎn)品的冶金狀態(tài)并且提高產(chǎn)品的小時噸產(chǎn)量。采用導(dǎo)熱率高的鑄造帶可以使每單位時間(秒)通過帶傳出熱量與采用鋼帶的情況相比增大，帶中溫度梯度減小。
按照本發(fā)明的另一個見解，采用由楊氏彈性模量低得多的材料制造的鑄造帶，具有比在以往技術(shù)中所用鋼帶有低得多的剛度模量，這樣就會驚人地改善寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶的平面度，鑄造成品的冶金狀態(tài)、外觀和每小時的產(chǎn)量(噸)都得到提高。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，采用高銅合金制造寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶，在上二段中所述的那些驚人的改善都可以實現(xiàn)，被鑄金屬和鑄造帶界面上的溫差可以減小。
雖然銅具有比鋼和鐵都高的導(dǎo)熱系數(shù)是眾所皆知的，反對采用銅的偏見仍然存在。首先，以往總認(rèn)為，在薄的鑄造帶中，高的絕緣性能低于低的。其次，過去采用鋼是因為認(rèn)為在使用條件下，鋼帶有更好的耐久性能而且鋼材承受雙帶式鑄造機(jī)中作用于帶上的巨大的張力的能力較強(qiáng)。一般所采用的帶上的張力高于每平方英寸10000磅。
以往，認(rèn)為銅合金只適于制造雙帶式連續(xù)鑄造機(jī)的邊堰塊。然而，這些體積較大的矩形堰塊的作用與寬而薄的撓性鑄造帶迥然不同，其尺寸與后者也有很大差異。具體地說，鑄造帶是在相當(dāng)大的拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力下作旋轉(zhuǎn)和彎曲運(yùn)動的，而堰塊則處于壓力作用下互相壓在一起，使在鑄造區(qū)中的堰塊之間沒有縫隙，以防熔融金屬泄漏和產(chǎn)生飛邊。例如，典型的中等大小的銅合金堰塊的規(guī)格是，高2.36英寸(60mm)，橫向?qū)挾?.97英寸(50mm)，沿鑄造方向的長度為1.57英寸(40mm)。而金屬鑄造帶是又寬而又薄的，典型的厚度范圍為0.035英寸～0.065英寸(0.89mm～1.65mm)，其寬度可達(dá)76英寸(1930mm)上下，具體寬度取決于雙帶式連續(xù)鑄機(jī)的寬度尺寸。環(huán)狀撓性帶的長度為340英寸上下，隨鑄造機(jī)長度變化較大。
上已說到，銅或高銅合金的楊氏彈性模量E小于鋼。銅或含銅高于85%(重量)的高銅合金的彈性模量的范圍為約15～18×106磅/英寸2，(約10.3～12.4×106N/cm2)，而鋼的E約為30×106磅/英寸2(21×106N/cm2)。
(新近的一個令人吃驚的發(fā)現(xiàn)是，由加工硬化的銅或高銅合金制成的鑄造帶，其屈服強(qiáng)度接近于標(biāo)準(zhǔn)低碳鋼鑄造帶，因而在受張力作用下，銅和高銅合金的鑄造帶比先前采用的一般鋼的鑄造帶有更大的彈性伸長量。)可能有人會想，因為銅的強(qiáng)度低而且熱膨脹系數(shù)大，不適宜于制造鑄造帶。如上所述，撓性鑄造帶經(jīng)常要在高于10000磅/英寸2的拉力下運(yùn)動。據(jù)報道，銅在100℃下的熱膨脹系數(shù)為17.4×10-6/℃，而低碳鋼在同樣的溫度下的熱膨脹系數(shù)為13.0×10-6/℃，據(jù)信100℃代表在鑄造過程中鑄造帶的平均溫度，即在該溫度下銅的膨脹量為鋼的4/3倍。我們的試驗，至少是我們的試驗可以表明，雖然銅的熱膨脹系數(shù)稍高，但是在同樣的連續(xù)鑄造的條件下，銅鑄造帶的實際熱膨脹量小于鋼鑄造帶，因為在這種條件下，銅帶的平均溫度比銅帶明顯的均勻，而在面向熔融金屬一側(cè)，銅帶溫度低于鋼帶。再加上，因銅的楊氏彈性模量低，其結(jié)果沿帶厚度方向引起的溫差彎矩就小，這是因為Cu的E小，由熱膨脹引起的力就小。
在審查以下關(guān)于目前較好的實施方案的說明及附圖后，會對本發(fā)明的其它各有關(guān)內(nèi)容、見解、優(yōu)點及目的有更全面的了解，所附的圖未按比例畫出，不過它們的畫法有助于清晰的圖示和說明問題。


圖1為沿雙帶式連續(xù)金屬鑄造機(jī)的活動鑄模的縱(即上/下游方向)向中心線剖開的豎面示意圖，圖上示出由鑄模進(jìn)口端不遠(yuǎn)處開始約20%整個鑄模長度的部分。為了圖示和說明清楚，圖的豎向比例比水平大得多。在圖上繪出兩條用解析法計算的溫度曲線，這兩條曲線是沿上下方向貫穿活動鑄模的。我們相信，該圖可以表示按美國專利4593742及4648438所描述的采用氮氣保護(hù)熔融金屬時模內(nèi)的情況和溫度梯度。雖然圖上所示活動鑄模是水平方向的，應(yīng)理解這類鑄模一般是向下游方向(“鑄流”)傾斜的。
圖2與圖1相似，但圖2所示兩條用解析法計算的溫度曲線可以很好地表示采用不與被鑄金屬起反應(yīng)的含氦氣體膜時的情況，該氣體膜在被鑄金屬與寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶之間形成。
圖3為雙帶式鑄造機(jī)中輥輪和繞過輥輪的帶的簡單透視圖，借以說明由帶的彎曲剛度而產(chǎn)生的抬高效應(yīng)。
圖4所示兩條曲線分別為采用先前工藝的鋼鑄造帶和采用銅或高銅合金鑄造帶下，含鎂鋁合金鑄品沿寬度方向所測得的扁錠的厚度。
圖5為用以說明問題的橫截面示意圖。該視圖包括雙帶式連續(xù)鑄造機(jī)的活動鑄模的上下鋼鑄帶的接近于鑄模的進(jìn)口部分，用以說明先前技術(shù)中的問題。該問題，在本發(fā)明中已克服或者已大為減輕。
參見圖1，雙帶式活動鑄模10和被鑄金屬M(fèi)的運(yùn)動方向為向右(“鑄流”方向(casting flow))?；顒予T模10的上部以寬而薄的回轉(zhuǎn)鋼帶12為壁，該鋼帶之正(即下)表面有一永久性復(fù)蓋層14，該復(fù)蓋層采用熔焊粘接的方法固定于帶12之上且具有透氣性孔隙，如美國專利4588021中所描述。該美國專利已在介紹背景情況中提到。永久性的復(fù)蓋層14外面還有一層干燥的多孔性涂敷層16(見放大圖)，在該層之外有一惰性氣體膜18，該層氣體可為氮氣。被鑄金屬M(fèi)，例如用以鑄造鋁扁錠的鋁，包括上部凝固殼20，內(nèi)部熔融鑄金屬芯22和下部凝固殼24。應(yīng)注意，凝固部分20及24的厚度沿著鑄流方向逐漸增大，而液芯的厚度相應(yīng)逐漸減小。在下部凝固殼的下面是一層與上部氣體膜18相似的氣體膜(圖中未示出)，其下為干燥多孔涂敷層涂敷于覆蓋層26上，該覆蓋層熔粘于下部寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶28的正(上)表面。
按照以前的技術(shù)，鑄造帶12及28是鋼制成的，以便有足夠韌度和抵抗應(yīng)力應(yīng)變的能力，并且能承受巨大的張力和在連續(xù)鑄造中，所產(chǎn)生的應(yīng)力差。
在過去的技術(shù)中，為了使鑄造帶12及28的反面冷卻和使金屬固化，在鑄造帶12及28的反面(即上鑄造帶12的上表面，下鑄造帶28的下表面)上維持高速冷卻液的流動，冷卻液可為水，且一般含有腐蝕抑制劑。在圖中上部帶的冷卻劑為30，下部為32。
第一個和第二個采用分析的方法計算的溫度分布圖分別為34與36。這兩個溫度分布圖34、36是由上向下畫的，即與鑄流方向垂直的方向，且貫穿活動鑄模10。第一個溫度分布圖代表垂直于鑄流方向的第一個平面38上的計算溫度情況，平面38用點畫線表示。平面38在距模進(jìn)口處(下游方向)約20～25cm(約8～10英寸)處。模的進(jìn)口處在圖底部厘米標(biāo)尺上表示為0。第一個溫度分布圖的溫標(biāo)示于圖42處，其溫度標(biāo)度在冷卻劑30之上的部位，由平面38起向右標(biāo)，其0℃位于平面38上。
第二個溫度分布圖代表垂直于鑄流方向的第二個平面40(用點劃線表示)上的計算溫度情況。平面40位于距離模的進(jìn)口處(下游方向)約55～65cm(約21～25英寸)處。第二個溫度分布圖36的溫標(biāo)示于圖上標(biāo)44的部位，其0℃位于平面40上，溫度標(biāo)度由左向右。
為了使讀者更好地理解這類雙帶式活動鑄模10的熱動力學(xué)特性，在圖的上部有一條相對熱流率分布曲線46。在模的進(jìn)口處即熔融金屬進(jìn)入模的部位上，其相對熱流率為最大，并沿下游方向逐漸減小。該曲線46的斜率和形狀隨下列因素而改變鑄模的特性，具體的被鑄金屬M(fèi)，被鑄金屬進(jìn)模溫度，被鑄合金成分，固化溫度范圍，凝固時釋放的潛熱，鑄造速率等。不過，應(yīng)該了解到，這條曲線46一般地可以代表采用當(dāng)今雙帶式活動式鑄模鑄造一系列由金屬特別是鑄造鋁或鋁合金扁錠中的情況。
在圖2中所示的雙帶式活動鑄模10A與圖1所示相同，但在被鑄金屬M(fèi)′(譬如是鋁或鋁合金扁錠)與兩鑄造帶之間所形成的氣膜18A是由不與金屬M(fèi)′反應(yīng)的含氦氣體組成。圖2中的被鑄金屬稱為M′，以表明所鑄造的金屬扁錠比采用以往的技術(shù)鑄出的扁錠即圖1中的M在冶金狀態(tài)以及外觀上均有改進(jìn)。氣膜18A中所用氣體可以是例如氮氣和25%(體積)的氦氣的混合物。還應(yīng)理解，在被鑄金屬M(fèi)′與下部鑄造帶之間還有一層含氦的惰性氣體，圖上未示出。
一種在被鑄金屬M(fèi)′的表面與兩鑄造帶之間提供含氦惰性氣膜層18A的方法是，在鑄造帶進(jìn)入活動鑄模時，將含氦惰性氣體截留在帶的永久性的多孔復(fù)蓋層14和干燥的多孔涂敷層16之中，像美國專利4593742及4648438的圖3、4和9所描述的那樣。
另一種在被鑄金屬M(fèi)′的表面與兩鑄造帶之間提供含氦惰性氣膜層18A的方法是，按上述兩個美國專利中圖6或圖7及8所描述的方法將含氦惰性氣體注到進(jìn)入活動鑄模10A的金屬的上表面及/或下表面，同時也使該氣體截留于永久性的復(fù)蓋層14及帶的涂敷層16中，如上二專利圖3、4及9所描述。
為了取得顯著的改進(jìn)效果，該干燥含氦惰性氣膜層18A應(yīng)至少含8%(體積)干氦氣，希望含15%(體積)以上的干氦氣，最好含20%(體積)以上的干氦氣。溫度分布圖34A與36A就是代表采用25%(體積)的干氦氣下的溫度分布情況。該含氦氣體的另一主要成分希望為氮氣、氬氣或二氧化碳中之一種，對于連續(xù)鑄鋁，最好是氮氣。
在將氦氣與上述幾種氣體中之一種相混合時，應(yīng)該特別注意到，由于氦氣的相對密度很小，會出人意料地影響環(huán)孔球形流量計的標(biāo)定，從而使讀數(shù)偏低，也就是如果采用同樣的球形流量計來同時測量氦氣和氮、氬、二氧化碳等的流量，就會造成氦流速過快，其混合物中氦體積含量過大。將干燥氦氣與干燥的氮、氬、二氧化碳等氣體相混合，應(yīng)采用壓力模調(diào)節(jié)器、一對球和一對環(huán)形孔(球和錐管)組成的流量計(未示出)。這一混合過程應(yīng)采用自動控制以便獲得下面要說到的好處。
按本發(fā)明，所采用的涂敷層或分隔層16，應(yīng)為干燥的，多孔性的材料且不為被鑄金屬所潤濕。我們已經(jīng)得出結(jié)論，在以往的技術(shù)中在如圖1所示雙帶式活動鑄模中常用來做為絕緣隔層的各種天然和合成的油品，在與熔融金屬接觸時易于產(chǎn)生氣體。這類油在受熱時易于分解而產(chǎn)生氫氣。氫氣會被熱金屬吸收而引起脆性和氣孔。而且我們還得出結(jié)論，認(rèn)為由油品釋放出的各種氣體顯然阻礙含氦氣膜18A進(jìn)入鑄模10A或10B。永久性的透氣多孔復(fù)蓋層14及干燥多孔涂敷層16有助于截留和吸收含氦氣體層18A并將之帶入模內(nèi)。
在本發(fā)明中采用的各種干燥的鑄造帶涂敷層16中，最好的一種是在鑄造過程中可以連續(xù)涂敷而且可以調(diào)整的干涂敷劑(無油的)，例如由缺氧乙炔火焰產(chǎn)生的乙炔碳黑。其涂敷可以是連續(xù)的，也可以是間斷的，也可以間斷調(diào)整。其它適于做為鑄造帶干涂敷層16的材料是石墨或其它含碳物質(zhì)，其中還可含有二硫化鉬。二硫化鉬的潤滑性可以使鋁金屬扁錠M的剛凝固的外殼20及24冷縮時所受的摩擦力減小，該摩擦力由未凝固的晶間的低共熔物產(chǎn)生。
可以注意到，圖2中的計算溫度分布圖34A及36A與圖1中的計算溫度分布圖34及36相比，有顯著的改進(jìn)，以后還要詳細(xì)描述。
在圖2中還示出雙帶式活動鑄模10B，它與已描述過的雙帶式活動鑄模10A相同，不過它的寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶已由如圖3所示的帶50取代，而且該帶是由高銅合金制成。這種高銅合金可以是例如UNS C 19500牌號的合金，其正常成分為，鐵1.5%，鈷0.8%，錫0.6%，磷0.1%。
圖3所示為在雙帶式活動鑄模10C或10B(圖2)中，寬而薄的回轉(zhuǎn)撓性鑄造帶50繞過輥輪52的那一部分，其旋轉(zhuǎn)方向由箭頭53表示。帶50所用的銅或高銅合金的彈性模量比常用的碳鋼低，這就帶來了幾個令人吃驚的而且是以前不被人們所認(rèn)識的優(yōu)點。在一定的厚度下，這種帶在通過輥輪時的彎曲應(yīng)力較小。而且，一般厚度的帶，在通過輥輪之后離開輥輪時，特別是上游輥輪即帶進(jìn)活動模時，總要抬高一個距離“Y”或稱凸起。如果在理想下，帶不抬高，它將沿著輥輪園周的切向54而成一直線，與鑄模的流線同在一平面上。然而，帶子金屬材料的剛度使帶子不可能沿著切線方向直線運(yùn)動，而總是有一凸起，凸起的方向朝向模內(nèi)。圖3中的抬高量“Y”就是帶子超過平行于流線的切面54的凸起量。
根據(jù)我們的公式，Y值可以如下確定(1)Y＝Eh2/12DS式中h是帶的厚度，D是輥輪52的直徑，S是所考慮的帶子的部位的實際拉應(yīng)力。公式兩邊的量綱已調(diào)整合適，可適用任何單位制，例如可以用磅/英寸2與英寸代入。采用由銅或高銅合金制成的帶50，其抬高量Y可以比采用鋼時減少，因為銅或高銅合金的彈性模量只有鋼的一半。因此，由這一新的材料制成的帶50有助于在采用注射進(jìn)料或者閉池進(jìn)料方法向鑄模輸送熔融金屬中使接管咀與鑄模之間有一緊密的處處均勻的配合。在以往的技術(shù)中接管咀的不均勻配合是由于很寬的帶的邊緣部位與當(dāng)中部位的配合緊密程度不一致引起的。而且，由本發(fā)明帶來的鑄模的更好的平行度對鑄造鎂鋁合金是重要的。在其它因素相同情況下，所獲得的好處(抬高量減小)與彈性模量成反比。這就是說，如果鋼帶的抬高量Y是約0.30mm，在同一輥輪上受同樣的張力的銅帶的抬高量稱為0.17mm。但若銅的允許應(yīng)力為鋼的80%，則其抬高量Y將為0.21mm左右。在這種計算中，只應(yīng)考慮局部拉應(yīng)力，而不考慮帶的平均應(yīng)力，因為帶的邊緣，如果相對地冷一些的話，將承受總拉力中的較大部分因而有較高的應(yīng)力S值，其抬高量將小于帶的當(dāng)中部分。
前面已經(jīng)說過，銅或高銅合金所制成的鑄造帶，其屈服強(qiáng)度已接近在以往的技術(shù)中所用的典型的標(biāo)準(zhǔn)低碳鋼鑄造帶，而銅的楊氏模量E只約為鋼的一半，這就帶來了另一個很大的好處。對于帶厚度h為一定的情況，在通過輥輪52上時引起的帶中彎曲應(yīng)力，銅帶比鋼帶小。因此我們現(xiàn)在相信銅帶是有前途的，它實際上比現(xiàn)在通用的典型鋼制鑄造帶更加耐用，壽命更長。銅制鑄造帶中的銅含量至少應(yīng)為85%(重量)。有些含有少量鐵、鈷等元素和去氧銅的高銅合金具有所需要的性質(zhì)。
另一個使我們相信這類高銅合金鑄造帶會更加耐用，具有更長的使用壽命和未來的前途的原因是它有比以往技術(shù)中所用鋼帶更好的熱傳導(dǎo)性能。銅在27℃(81°F)時的導(dǎo)熱系數(shù)K為3.98wt/cm/℃，而鋼在同樣溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.803wt/cm/℃。這樣，銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的5倍，因而可以有減少沿帶厚度h方向的溫差的好處。因而高銅組分的帶50沿厚度方向的溫差應(yīng)力比較小，溫差應(yīng)力會引起不穩(wěn)定。換言之，由于約為鋼的5倍的高導(dǎo)熱系數(shù)與約為鋼的一半的彈性模量E同時起作用，可以顯著地減少帶50上需要平直的鑄模定型區(qū)域A的自產(chǎn)生的會引起不穩(wěn)定的彎曲應(yīng)力。其結(jié)果，引起如本申請書中附圖5以及專利3937270和4002197中圖8所示空穴與凹陷的熱膨脹推力就大為減少。
在圖4上示出，在雙帶式活動鑄模10(圖1)采用一般鋼鑄帶時，14英寸(355mm)寬的AA3105鋁合金(含0.5%鎂)扁錠上測得的厚度(以英寸表示)分布圖60。在圖中還示出在具有兩個高銅合金鑄造帶50(圖3)的雙帶活動鑄模10C中的同樣寬度同樣合金扁錠的厚度分布62。在曲線60與62上，各有15個測量點64，它們沿整個扁錠的寬度分布，間距為1英寸。在鑄造用于提供測量以繪制曲線60與62的兩個扁定時，雙帶式鑄造機(jī)是這樣調(diào)整的，在采用鋼帶和高銅合金帶時，模腔的形狀和尺寸(在常溫下和帶子在旋轉(zhuǎn)中測量)完全一樣。當(dāng)采用高銅合金帶50時，其厚度均勻性的顯著改進(jìn)從圖上一目了然。而且這一改進(jìn)是在扁錠上下表面均未采用含氦氣膜的情況下取得的。在兩個扁錠的鑄造中都是采用先前采用的干氮氣18作為保護(hù)氣。
現(xiàn)請看圖5中的橫剖面圖，圖中示出雙帶式活動鑄模10的鋼鑄造帶12及28，高速流動的冷卻液30及32，被鑄金屬M(fèi)。已固化了的外皮或殼層在液芯22之外。因注意，該剖面圖5與鑄流方向相垂直，故所示凝固層20及24厚度大致均勻。帶12及28產(chǎn)生了熱變形，與美國專利3937270及4002197圖8所示情況相同，這導(dǎo)致帶12、28與凝固金屬20、24之間產(chǎn)生明顯的間隙70和緊貼區(qū)域72?？梢宰⒁獾?，在以往的技術(shù)中，如果采用了保護(hù)氣，間隙70就充滿保護(hù)氣18，如若不然則為空氣所充填。
為了更清楚地說明我們的新發(fā)現(xiàn)，在圖5中有意略去帶上的永久性復(fù)蓋層14和涂敷層16(見圖1)。現(xiàn)在請回到圖1上，可以看出，活動鑄模上的4個固體構(gòu)件(即帶12，復(fù)蓋層14，涂敷層16和凝固外殼20)的計算溫降總和約為220℃，而保護(hù)氮氣層18的計算溫降約為380℃。若該層為空氣，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與氮氣相近，故溫降也為此數(shù)。總的溫降約為600℃即220℃與380℃之和。這樣，氣體層18上的溫降就是4個固體構(gòu)件上溫降總和的1.73倍，也是總的溫降600℃的63%。
簡而言之，在如圖1所示的采用以往技術(shù)的活動鑄模中，由熔融金屬芯22至鑄造帶外表的總溫降的大部分或者說是主要部分，發(fā)生于保護(hù)氣膜層18，在沒有惰性氣保護(hù)情況下發(fā)生于空氣膜中。而且在以往的技術(shù)中，該氣膜層18的溫度降與活動鑄模10的4個固體構(gòu)件上的溫降總和的比例是1.73。反過來說就是4個固體構(gòu)件上的溫降總和與氣膜溫降的比是0.58。
(請理解，在此采用經(jīng)細(xì)致分析計算而得的溫度是由于就我們所知至今還沒有人設(shè)計出能測量具有熔融金屬鑄流的雙帶式活動模中溫度的方法。)現(xiàn)在回到圖5，使我們注意的是，由于惰性保護(hù)氣膜18上的較大溫降，很可能存在一個我們所不希望的正反饋機(jī)理(在沒有惰性保護(hù)氣時空氣層的溫降很大，情況也一樣)，下面來說明這一問題。
如上所說，本發(fā)明在處理鑄造帶熱不穩(wěn)定性問題的做法和以往的做法正好相反。我們并不知道為什么采用氦氣體為惰性氣膜18A(圖2)或者氦的混合氣體為氣膜會改變合金鋁的連續(xù)鑄件。不過我們已發(fā)現(xiàn)了三種理論，它們都適應(yīng)一系列的事實。這三個理論可稱為(ⅰ)均衡理論，(ⅱ)正反饋理論，(ⅲ)“活性”氦吹洗理論。
第一個理論認(rèn)為，傳熱氣膜18A與上述模壁的三固體層的熱阻間的均衡是所述好結(jié)果的關(guān)鍵。我們相信，正如在上面所討論的，在先前技術(shù)中，氣膜18構(gòu)成總熱阻的主要部分。在圖1中所示的計算溫度分布曲線34與36表明模壁3層固體(帶12、復(fù)蓋層14、涂敷層16)總的溫差約140℃而氮氣層18的溫差約為400℃。換言之，在原先的技術(shù)中，通過氣膜層18的溫降與通過模壁三層固體的溫降總和之比為2.8。即，僅25%總溫度降產(chǎn)生于模壁三層固體構(gòu)件中，而75%的溫降產(chǎn)生于氮氣膜之中。
與此相對比，圖2所示計算溫度分布34A及36A說明氦氮混合氣使總溫度降的分布產(chǎn)生很大的改變?nèi)龑幽１诠腆w的溫降約為220℃(三層為帶12'復(fù)蓋層14和涂敷層16)，而新的氣膜18A的計算溫降減小到260℃。換言之，新氣膜層18A的溫降與三模壁固體層溫低之比為1.2，只是原先技術(shù)下的一半左右。其結(jié)果在模壁固體與新氣體膜18A之間的溫降分配比例，更趨于平衡或平均或均衡。現(xiàn)在總溫降中有45%是產(chǎn)生于幾層固體中而有55%是產(chǎn)生新氣膜層18A中。按照我們的均衡理論，這一改變是合乎要求的。
倘若再仔細(xì)地觀察曲線34和36與相對應(yīng)的曲線34A和36A的相異之處，可看出在圖2中的復(fù)蓋層14和涂敷層16總的溫差中所占的比例較圖1中來得大，是圖1中的1.6倍。由于采用新的傳熱性較好的氣膜(或氣體層)18A，促使了保護(hù)層14與16起到它們保護(hù)鑄造帶的作用。由曲線34A及36A可看出，帶12、復(fù)蓋層14、涂敷層16上的溫降與氣體層18A上的溫降大致的均衡，按照我們的均衡理論，這是符合希望的。
在雙帶式活動鑄模10B中采用高銅合金帶50并同時采用傳熱氣膜18A(圖2)，將使復(fù)蓋層14及16上的溫差所占的比例在采用鋼帶和以往用的氣體層18時更大，這一點已在上面與實現(xiàn)均衡聯(lián)系起來進(jìn)行描述。如果超越均衡理論進(jìn)行思考，很有可能將來的證據(jù)會使我們相信要是模壁上三層固體的溫差超過氣體層18A，其結(jié)果會更有利于實現(xiàn)溫度梯度的均衡狀態(tài)。
第二個關(guān)于正反饋的理論，需要用較長的篇幅來說明，它集中了我們對于新的傳熱氣膜18A的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣，氮氣和二氧化碳(也就是18A熱阻小于后者)的深入的理解和由圖5的啟示而得的新認(rèn)識及新發(fā)現(xiàn)。這一正反饋理論認(rèn)為有一個內(nèi)在的不穩(wěn)定的熱-機(jī)械過程在起作用。(圖5中)運(yùn)動著的金屬帶12或28在運(yùn)行中縱向受較大的拉力。而在圖5中沿著帶寬W方向所造成的情況，實際上是一薄段在受壓縮載荷下形成的。因此，薄段12或28是不穩(wěn)定的，易于產(chǎn)生翹曲和凹陷。沿著橫向，即側(cè)面或W方向的引起不穩(wěn)定的壓縮載荷，是由帶的邊緣區(qū)域一般比較冷引起的。在“冷邊框”現(xiàn)象中，鑄造帶中面對熱金屬20、22和24的部分產(chǎn)生熱膨脹。其結(jié)果不僅像前面提到的專利3937270和4002197的圖8所說明在帶的上游區(qū)造成變形，而且還在帶的冷邊框產(chǎn)生拉應(yīng)力從而使帶的當(dāng)中部位變松并且易于產(chǎn)生變形。這一相對溫度低又受高拉應(yīng)力的邊緣實際上形成了一種限制沿W方向位移的不動的機(jī)械障礙物，它限制了當(dāng)中部位的熱膨脹，造成帶子當(dāng)中部位處于圖5中W方向的壓應(yīng)力。
熔融金屬與鑄造帶的上游的初次接觸所產(chǎn)生的初次熱沖擊效應(yīng)不可避免地要使鑄造帶產(chǎn)生局部的翹曲、卷曲、凹陷、起皺等變形，這已在本文多次提及的專利3397270及4002197的圖8中示出。如果所產(chǎn)生的卷曲變形在帶的旋轉(zhuǎn)過程中極迅速地消失，在熔融金屬22產(chǎn)生堅硬的凝固外殼20、24(見圖5)之前帶就恢復(fù)平直，那么鑄件就不會有問題。如若不然，圖5中所示的鑄造帶的卷曲變形與熔融金屬的凝固外殼20、24上所形成的浪彎就會一起起到破壞從此以后的帶與被鑄金屬間的接觸的作用。于是形成圖5中的空隙70，它們由空氣或保護(hù)氣體18充填。空氣、氮氣、氬氣和二氧化碳，這些氣體本身都是高度絕熱的。如果間隙各處厚度不均勻又存在這些高度絕熱氣體，那么活動模壁各處局部熱阻就會相應(yīng)有很大的變化。各處熱阻的差異就會使各處局部熱流率不同，熱阻小處，熱流率大。而熱流率的差異又進(jìn)一步使鑄造帶12或28各處局部溫度不同。熱流率大處，其溫度高，帶的靠熱金屬一側(cè)尤為厲害。于是，帶上凸出的局部部位的溫度，如圖5中之72就要進(jìn)一步變得比凹陷的局部區(qū)域如圖5中之74部位更高(即更熱)。
帶上任意分布的局部高溫區(qū)產(chǎn)生局部的熱膨脹并使帶產(chǎn)生局部變形。平帶12或28上如圖5所示的72處的較小的局部熱膨脹造成局部的變形，或產(chǎn)生凹陷或凸起，或拱起，這種局部效應(yīng)相當(dāng)?shù)拇?，從而產(chǎn)生如圖5所示的凹谷74。
據(jù)信，這些局部的熱-機(jī)械變形效應(yīng)會由稱為正反饋的一系列不穩(wěn)定的有害過程加劇。所產(chǎn)生的局部拱起72和局部凹谷會使已開始形成的間隙70進(jìn)一步擴(kuò)大，使由空氣或保護(hù)氣18所造成的局部熱阻進(jìn)一步加厚。在局部區(qū)域70的熱流率又進(jìn)一步減少，從而造成凹陷區(qū)的帶74溫度進(jìn)一步降低，而在凸出區(qū)域72的帶則仍保持在高溫下或者進(jìn)一步升溫，其結(jié)果使70處的帶金屬的距離進(jìn)一步加大。這一進(jìn)一步的分離使凹谷74擴(kuò)大，因而帶12或28的凹谷區(qū)74進(jìn)一步遠(yuǎn)離凝固金屬20或24，其運(yùn)動方式猶如杠桿，72處猶如支點，整個杠桿繞著支點向離開金屬方向運(yùn)動。
因而，整個過程是一個正反饋的過程，分得越開，就會進(jìn)一步使帶12的凹谷區(qū)像杠桿一樣離開凝固金屬20越遠(yuǎn)。這一不穩(wěn)定的熱-機(jī)械動力學(xué)的不利影響也許要加劇到產(chǎn)生如圖5所示的貫通凹谷74。實際上，帶在“脊”72與“谷”74之間上下波動，其上下距離在極端情況下甚至可達(dá)3mm(1/8英寸)，從而相應(yīng)影響鑄造成品M的質(zhì)量。
若采用圖2中含氦氣膜18A來取代圖1及5中所示先前用的惰性保護(hù)氣層18(或空氣)，其各處間隙70的變化對局部熱阻、局部熱流率和局部帶溫的影響就可大為減小。其結(jié)果，沿著雙帶式活動鑄模寬度方向的熱-機(jī)械效應(yīng)就變得相當(dāng)?shù)木鶆颍瑥亩鴰硎箮捵兊梅€(wěn)定和平直的好處。
我們的理論認(rèn)為，提供了含氦氣膜18A會極大地減小各處熱阻差別，從而幾乎完全制止了以前不穩(wěn)定的有害過程的加劇作用，即基本上阻止了或抑制了或防止了上述不希望的正反饋作用。因為氦氣的熱阻僅約為空氣的1/6，氮氣的2/13，氬氣的10/87，二氧化碳的1/11，這就帶來了含氦氣膜18A因厚度變化而使各處熱阻變化的絕對值小得多的好處。這樣，間隙70就不會再過度擴(kuò)大，也不會造成各處傳熱有過大差異致使鑄造帶產(chǎn)生皺曲、浪彎或凹陷。模內(nèi)引起逐漸增大的不穩(wěn)定性的不均勻性已被抑制。運(yùn)動中的寬而薄的撓性帶12及28與凝固金屬20、22及24界面之間的熱-機(jī)械相互作用與反作用已被限制住和抑制住。因而，我們的結(jié)論是，氣膜18A應(yīng)該是惰性的，同時其熱傳導(dǎo)性應(yīng)在實際可能范圍內(nèi)盡可能地好，以使活動鑄模10A或10B的熱-機(jī)械動力狀態(tài)盡可能的穩(wěn)定，因而我們得出應(yīng)用含氦氣體層18A的結(jié)論。我們的結(jié)論已被當(dāng)今的試驗所證實。
我們的第三種理論認(rèn)為氦是一種“活性”的高效吹洗氣體。氦氣的高導(dǎo)熱系數(shù)是與該元素氣態(tài)原子的高速有關(guān)的。氦的高導(dǎo)熱性能顯然與氦原子本身具有較大活性和體積很小密切相關(guān)，這使氦原子可以進(jìn)入復(fù)蓋層14的透氣孔隙之中，置換或吹洗出截留于其中的以往用的氣體，這一特性是我們所希望的，因為這些氣體對雙帶式活動鑄模的穩(wěn)定性是不利的。含氦氣膜18A起了穩(wěn)定和促進(jìn)傳熱的作用，而以往的保護(hù)氣18起破壞穩(wěn)定和阻抗傳熱的作用。
不論我們的理論是否正確，在試驗中，所提供的含氦氣膜18A已獲得了很好的結(jié)果，這將在底下進(jìn)行討論。
我們相信，如果讀者知道一些關(guān)于在以往雙帶式鑄模10中連續(xù)鑄造鋁合金的特點，就會有助于更好地了解本發(fā)明的具體改進(jìn)效果。在鑄造中，合金成分和鑄造條件微小的改變都有可能使鑄品質(zhì)量產(chǎn)生較大變化。我們相信主要的因素是在鑄造中帶的穩(wěn)定性與阻止帶的變形。合金化的影響可以通過一類鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)冶金狀態(tài)來說明。當(dāng)鋁扁錠中鎂的含量低于1.8%時，在凝固之前鎂是穩(wěn)定的溶解于合金之中的，凝固之后鎂也是存在于固溶體之中的，并起增加合金硬度與強(qiáng)度的作用。若在鑄造中，穩(wěn)定性參量稍有變化，在鑄造含鎂低于1.8%的鋁合金時所遇到的麻煩比鑄造含鎂高于1.8%的鋁合金少得多。
若鋁合金中鎂含量增加至1.8%以上，即將出現(xiàn)一種冶金情況。在熔融狀態(tài)下，鎂以鎂與鋁或其它合金元素形成各種不穩(wěn)定或半穩(wěn)定狀態(tài)的復(fù)合物形式存在。一般地講，這些復(fù)合物或者溶體的密度各不相同，在熔融狀態(tài)下有偏析的傾向。這些成分的熔點也不一樣。一些工業(yè)鋁合金，它們凝固溫度范圍超過40℃。凝固時間越長，偏析就越嚴(yán)重。打個比方，如要將豆湯、西紅柿汁、蛤肉等的混合物凍結(jié)，就必須一邊攪拌，同時必須迅速冷凍而且一次凍住，使各種成分來不及浮出或下沉、或析出。如果凝結(jié)過慢，第二相就會偏析，也就是合金元素含量不定的共熔復(fù)合物會析出，這些復(fù)合物易于起到增加合金硬度的作用。凝結(jié)得慢往往會出現(xiàn)粗大而且不均勻的晶粒，而且在表面底下會檢查到孔洞和重熔。共熔物最后凝固，而后來的軋制中可能又會造成斑點、裂縫、分層、破裂等問題。
在含鎂高于1.8%的鋁合金(如大多數(shù)AA5000鋁合金)的鑄造中，快速均勻凝固的標(biāo)志(用冶金學(xué)的術(shù)語說)就是在主平面下1.25～2.5mm區(qū)域內(nèi)枝狀晶的平均尺寸為10微米(0.0004英寸)。我們的試驗表明，采用了本發(fā)明，產(chǎn)品就應(yīng)該有所要求的特點。(關(guān)于枝狀晶尺寸的定義請見R.E.Spear及G.R.Gardncr“Dendrite Cell Size”在American Foundrymen′s Society Transaction 71，1963，209～215)。
采用圖2的干燥氦氣18A代替圖1的干燥氮氣，已使雙帶式鑄造機(jī)在鑄造AA3003鋁合金中的產(chǎn)量(噸/小時)增加30%。應(yīng)注意，在這里的討論中，AA是Aluminum Association(美國鋁業(yè)協(xié)會)的分類牌號。
在鑄造AA5052鋁合金中，所采用的干燥惰性氣膜18A，是一種至少含20%(體積)氦的混合氣，除氦外的主要成分是氮。這種混合氣形成傳熱氣膜18A。雖然這種合金的固化溫度范圍為42℃。在采用這種氣膜后，鑄錠的質(zhì)量很好，若用以往的干燥氮氣膜18進(jìn)行保護(hù)，鑄錠就會出現(xiàn)微裂紋。
在鑄造AA6061鋁合金中，采用干燥惰性氣膜18A，所含氦至少20%(體積)，其它成分成為氮，這層氣膜起傳熱氣膜18A。雖然固化溫度范圍高達(dá)70℃，其外觀有很大的改進(jìn)。
在鑄造AA3000系列的鋁合金中，如采用氦氣的體積含量不少于20%的干燥含氦氣膜18A作為傳熱氣膜(18A)以代替氮氣保護(hù)氣膜18，在同樣的鑄流率下，可以使鋁扁錠的出口溫度平均降低55℃。
若在鑄造鋅的扁錠中，采用氦氣體積含量不少于20%(余為氮氣)的干燥氣膜作為傳熱氣膜18A，在其它預(yù)定的操作的參量不變情況下，可使其在鋅錠出口溫度由采用干燥的氮氣保護(hù)膜厚18下的600°F(315℃)降至425°F(218℃。
曾經(jīng)在雙帶式活動鑄模10B中鑄造AA3105鋁合金(鎂含量0.5%)，其鑄帶14(圖4)寬335mm(14英寸)由高銅合金帶50制成，其上有永久性復(fù)蓋層26，采用熔融粘接的方法固定。在鑄造中采用基本上是干燥氮氣組成的惰性保護(hù)氣膜18，在同樣的鑄造速度下相比較，其出口溫度可低約60℃，溫度差可減少35℃。而且由肉眼對表面質(zhì)量檢查表明傳熱相對的均勻，鋁扁錠表面更高，而且其厚度可由62表示比先前的60有所改進(jìn)。由高銅合金帶50鑄出的鋁合金扁錠的形狀比較均勻，表面較平，而不像在采用鋼帶鑄造中出現(xiàn)當(dāng)中凹陷那樣(60)(圖4)。
上面所述幾種產(chǎn)品的外觀都比同種材料在以往的鑄模10(圖1)中進(jìn)行鑄造時有所改進(jìn)。采用本發(fā)明的另一結(jié)果是扁錠出模時沿寬度方向的溫度更加均勻，也就是在被鑄金屬M(fèi)′上面和下面采用含氦氣膜18A之后，沿著寬度方向的溫差減小了。鑄造扁錠出口溫度更加均勻又有利于扁錠的下一步聯(lián)機(jī)軋制，從而使產(chǎn)品產(chǎn)量提高，質(zhì)量更均勻。本發(fā)明擴(kuò)大了可鑄合金范圍，可用于固化溫度范圍較大的合金，在一般情況下可提高雙帶式鑄造的速度。
采用連續(xù)紅外(或可見光)輻射監(jiān)測法對活動模10A或10B或10C出口的被鑄金屬M(fèi)′的溫度分布進(jìn)行監(jiān)測，可以判斷和測量溫度范圍是否控制在最佳狀態(tài)。于是，操作者可以手動或自動控制鑄造成品上面和下面的惰性氣膜18A中的氦含量，以實現(xiàn)最佳效果。一般地講，在其它條件一樣的情況下，金屬在模中凝固越快，鑄件出口的溫度就越低。反過來，凝固率越低，鑄件出來時的溫度就越有可能高。通過高速由環(huán)狀撓性帶確定的活動鑄模10A或10B的速度來控制成品出口的溫度是辦得到的，不過由于實際的原因(包括上游供料和下游軋制方面的原因)，活動鑄模最好在鑄造過程正常進(jìn)行后就一直保持在最佳速度下運(yùn)行而沒有波動。對凝固率進(jìn)行調(diào)整而又使鑄造速率保持在允許的波動范圍內(nèi)可以通過調(diào)整所形成的傳熱氣膜18A中氦氣與氮氣的比例來實現(xiàn)。本發(fā)明的一個改進(jìn)就是在模10A或10B中熔融金屬M(fèi)′的凝固速率是通過改變氦氣與氮氣或者氦氣與二氧化碳等的混合比例來調(diào)整到最佳值上。
本發(fā)明的另一發(fā)展，是可以采用兩種不同的含氦混合氣，每種混合氣中除氦外至少還含有一種惰性氣體，其中一種混合氣體截留在連續(xù)鑄造機(jī)的一個模壁上14、16上，而另一種混合氣則引到并截留在另一個模壁26上。在斜置或水平的雙帶式鑄造機(jī)中，兩個模壁是指上部鑄造帶12或50和下部鑄造帶28或50，后者受重力的影響較大，因為它承受被鑄金屬M(fèi)′的重量。其結(jié)果為該二(頂部和底部)界面處的氣膜18A可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便使連續(xù)活動鑄模處于真正的均衡傳熱狀態(tài)。按美國專利4593742及4648438的圖3、4及9所描述的對向上部帶和下部帶提供惰性氣體的方法和裝配，就可以實現(xiàn)在鑄造過程中實現(xiàn)向兩個鑄造帶提供不同的含氦混合氣。
上述對上、下帶采用不同混合氣的方案的一個變更方案是，專為雙帶式鑄造機(jī)的下部鑄造帶在接近鑄模進(jìn)口處提供氦氣與氬氣或二氧化碳(兩者均為較重氣體)或者其它較重氣體的混合氣。如果混合氣較空氣重，它們就不會因為純氦或氦的混合氣的活性而向上逸散。還可以做出適當(dāng)?shù)淖兏员銓⑦@一技術(shù)用于目前還不可能的條件下。例如，從理論上講，在開池供料中，采用較重的氣體可以進(jìn)行溫度控制和起保護(hù)作用。所謂開池供料就是不采用密封的或半密封式的注入裝置，而將熔融金屬傾倒至位于下部鑄造帶上的敞開的池中，該池有一對著上部鑄造帶的自由表面暴露在外。
由于在被鑄金屬M(fèi)′上部和下部含氦氣膜18A加強(qiáng)了傳熱，鑄造速度一般都有所增加。鑄造速度的增加，又使冶金質(zhì)量改進(jìn)，產(chǎn)量提高。鑄造速度的提高也為將來在鑄造黑色金屬中與常用連軋機(jī)串用提供機(jī)會。這種連軋機(jī)要求黑色金屬的產(chǎn)量穩(wěn)定在較高的水平上，其最小線速度應(yīng)在9～12m/分(30～40英尺/分)，其厚度范圍為25～51mm(1～2英寸)。
雖然在這里描述的本發(fā)明最初是用鋁合金和鋅合金進(jìn)行試驗的，相信本發(fā)明可用于一切可以在連續(xù)鑄造帶上鑄造的金屬。
在本文中所說“惰性”的意思是指在活動鑄造帶鑄模的條件下對被鑄金屬基本上是不反應(yīng)的。
雖然在這里透露了本發(fā)明的一些最佳的具體實施方案的詳情，應(yīng)該理解，所描述的這些例子只是為了說明的目的。這些透露不應(yīng)被誤認(rèn)為本發(fā)明僅限于此，因此熟悉技術(shù)者可以在不超出下列權(quán)利要求書所申請的范圍內(nèi)，改變所描述的方法的某些細(xì)節(jié)，使之可以適用于具體的連續(xù)鑄造機(jī)的情況。
權(quán)利要求
1.一種用于直接由熔融金屬在連續(xù)鑄造機(jī)中連續(xù)鑄成金屬鑄件的寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶，其特點為該鑄造帶(50)的材料為含銅不少于85%(重量)的高銅合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶，其特點為該鑄造帶(50)上粘有永久性的隔離復(fù)蓋層(14)，其復(fù)蓋層具有透氣性孔隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶，其特點為該鑄造帶(50)是由具有楊氏彈性模量范圍在15-18×106磅/英寸2(10.3-12.4×106N/cm2)的金屬材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶，其特點為該鑄造帶(50)上粘有永久性的隔離復(fù)蓋層(14)，其復(fù)蓋層具有透氣性孔隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶，其特點為該孔隙含有混合氣體，而該混合氣體中含至少約8%(體積)的氦。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬而薄的環(huán)狀撓性鑄造帶，其特點為該孔隙含有混合氣體，而該混合氣體中含至少約8%(體積)的氦。
全文摘要
一種直接由熔融金屬在運(yùn)動帶式鑄模中連續(xù)鑄成金屬鑄件的方法，其帶式鑄模中至少有一個運(yùn)動的模壁是由薄的環(huán)狀撓性金屬鑄造帶組成，其改進(jìn)的特點為在被鑄金屬(M′)與該鑄造帶(12、28或50)之間具有一層含氦的混合氣體(18A)，該含氦混合氣體所含氦的體積百分?jǐn)?shù)可以有效地增強(qiáng)其傳熱效果，而且該混合氣為惰性。
文檔編號B22D11/06GK1059110SQ91109178
公開日1992年3月4日 申請日期1991年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月9日
發(fā)明者杰羅姆·B·阿蘭, 沃吉克·茨克茨皮爾斯基, J·F·貝里梧德, 廉姆斯·G·維拉 申請人:哈茨來特帶鋼公司