專利名稱:用于垂直澆鑄中能調(diào)節(jié)液態(tài)金屬自由表面與模壁接觸高度的鑄模的制作方法
本發(fā)明是關于用于垂直澆鑄中能調(diào)節(jié)液態(tài)金屬自由表面與模壁接觸高度的鑄模。
用澆鑄法生產(chǎn)黑色金屬或有色金屬諸如鋁及鋁合金等的半成品時，技術人員總是設法得到具有盡可能均勻的物理，化學性能的錠坯、條坯及板坯，以避免這些坯料進一步加工成板材或線材等產(chǎn)品時出現(xiàn)某些缺陷。
然而，目前在工業(yè)部門的大多數(shù)澆鑄工藝中，亦即金屬從液態(tài)凝固成固態(tài)的過程中，或多或少的非均勻性缺陷的形成基本上由鑄坯各處不同的冷卻條件所引起的。用鑄模垂直澆鑄時，金屬連續(xù)穿過鑄模且被間接冷卻，接著當金屬離開鑄模后就被水流直接冷卻，用這種工藝在坯件上能看到被稱為“初外皮層”。外皮層的結構和成份不同于坯件中心部分的原因是由于金屬與模壁接觸產(chǎn)生間接冷卻。對于合金，還會出現(xiàn)另一種不均勻性，雖然它不是很明顯，但同樣是很討厭的，諸如“針狀物”(Pocks)或小坑，它們是由于液態(tài)金屬接觸大氣后形成的氧化物彌散在金屬中引起的。
當然，技術人員在這些問題面前沒有消極，他們采取了一些效果不一的解決辦法，目的在消除或者至少減少非均勻性嚴重程度。
法國專利1509962就是這樣的，建議使用電磁澆鑄法，此技術目前已經(jīng)成熟，其原理是依靠電磁力把液態(tài)金屬約束住，這就可能取消鑄模而避免外皮層的出現(xiàn)，因為在這工藝中已沒有鑄模的間接冷卻作用了。
這樣就提高了半成品坯料的均勻性。
然而，這種技術有下述幾點不足之處-澆鑄系統(tǒng)必須具備較復雜及昂貴的電氣設備，這是，因為用來產(chǎn)生合適的約束磁場所用的電流不是工業(yè)頻率50赫，而是高頻500到4000赫;
-由于小坑的形成引起的非均勻性的危險理所當然地增加了，這一方面是由于不用錠模而使液態(tài)金屬和空氣接觸產(chǎn)生氧化物的表面積增加了，另一方面是由于約束磁場對液態(tài)金屬的攪動，致使氧化膜移動并彌散在金屬中;
-在電磁澆鑄起始時，常常難以產(chǎn)生合適的約束磁場;及-當澆鑄鋁或鋁合金時，人身安全也許會有問題，萬一由于供電不足，液態(tài)金屬不再被約束住漏出來直接和冷卻水接觸而導致爆炸。
另一種被建議的方法更簡單些，是設法減少外皮層的厚度。例如法國專利1398526是用Frax環(huán)纖維(Fiberfrax)粘合到鑄模上，以減少金屬與錠模接觸高度，以減弱間接冷卻的作用。但是環(huán)的高度確定后不能適應不同的工況，因為它在極大程度上由澆鑄速度所決定的。這樣當澆鑄過程的參數(shù)變動時，要末換鑄模，或至少要改變環(huán)的高度，由于這一方案靈活性差，所以不能徹底解決問題而只是部分地消除了非均勻性。
在法國專利1496241中，用不冷卻的石墨鑄模來消除間接冷卻的不利之點，然而，由于石墨是脆性材料，所以出現(xiàn)了維修和頻繁更換鑄模的問題。
另一種解決問題的方法是采用內(nèi)表面有折皺的鑄模，這樣例如澆鑄1050鋁時外皮層厚度可減少30%，但是，使用這種鑄模不但價錢很貴，而且由于折皺的存在、同一鑄模不能用于不同的澆鑄速度。
大家知道還有一種方法是“熱頂(Hot TOP)”澆鑄法，然而由于周期性彎月形固化表面的擴展會在坯料表面形成小的皺紋，以及伴隨著的難以起始澆鑄，使得這一技術不宜被采用。
最后，近來法國專利2417357又提出一種方法，此方法是在鑄模內(nèi)壁放置一滑動套圈以控制模壁和金屬接觸的高度。此方法也有不足之處，如果金屬有不定時的固化會導致滑套和鑄模的粘連，這樣當移動滑套時會損壞設備。
本技術方案的提出就是為了解決這些問題，以獲得均勻的坯料外皮層厚度為零，晶粒是精細的，表面沒有小坑狀。和以前的方案相比較，具優(yōu)點如下-與傳統(tǒng)的電磁澆鑄法相比使用較簡單的電氣設備;
-從起始澆鑄到穩(wěn)定狀態(tài)澆鑄的過渡操作容易。
-便于適應不同的澆鑄參數(shù)，當澆鑄速度改變時不必作任何變動，如更換鑄模;
-能適應各種類型的通常鑄模;
-沒有任何移動機構;
-與傳統(tǒng)的電磁澆鑄法相比，因液態(tài)金屬泄漏引起爆炸的危險性小得多。
為了說明問題，申請者根據(jù)下述觀察陳述以下
-一方面，澆鑄的起始時與鑄模中液態(tài)金屬面高時一樣容易。實際上，當液態(tài)金屬面低時，因為用于控制液面的玻璃布過濾器和供料口要靠近金屬固化面。這樣當坯料尺寸小時，就會由金屬不定時的固化而出現(xiàn)卡住和喪失其功能的危險。同樣，在大尺寸鑄模中較明顯的“彎月形”現(xiàn)象也限制了在液面低時起始澆鑄過程。
-另一方面，在穩(wěn)定狀態(tài)的澆鑄工藝中，總是希望鑄模內(nèi)金屬液面的高度盡量低，以降低金屬和模壁接觸線高度來減少外皮層的厚度，就象上面所說的那樣，外皮層的厚度基本上是由間接冷卻作用所決定擇。
必須指出，用傳統(tǒng)的鑄模起始澆鑄過程時是帶有其偶然性的，也就是說當保持鑄模內(nèi)金屬液面一定高度時，然后以不妨礙過濾器適當?shù)墓ぷ鳛闂l件確定浮子的位置，這樣就能盡量減少金屬和模壁面接觸的高度、因此又回到如何找到一種方法來控制自由金屬面和模壁面接觸線高度的問題上來了。
這個方法就是在液態(tài)金屬固化時加上一個方向和鑄模軸線平行并作周期性變化的磁場，磁場強度則根據(jù)所希望的液面高度來調(diào)節(jié)。
實際上，本發(fā)明是用一個或多個線圈圍繞鑄模組成一個磁體，用交流工業(yè)頻率電源供電由于電源電壓的變化直接關系到相應的磁場強度的變化，這樣可調(diào)整金屬面彎月形分布并特別地能控制金屬與模壁面接觸線的高度。
這樣，增加磁場強度時就能降低液面從而減少金屬與模壁面的接觸高度，反過來就能提高液面從而增加金屬與模壁面接觸的高度。
這種新工藝吸引人的是，金屬和鑄模接觸線的高度能任意改變，及外皮層的厚度簡單地由磁場而定。磁場用50或60赫的工業(yè)頻率供電，這樣各種電力不足就不會影響金屬在鑄模中的高度，也就是說由于液態(tài)金屬泄漏引起的危險能被避免，而在常規(guī)電磁澆鑄法中這是難以避免的。
其次，在限制彎月形金屬液面氧化的同時，由于鑄模的存在靠金屬與模壁面的接觸能阻止金屬氧化膜向模側(cè)壁移動，進而消除坯料表面出現(xiàn)小坑的危險。
另外，作用于金屬上的磁場同樣對液體內(nèi)部產(chǎn)生作用力，使液體均勻冷卻及導致坯料的晶粒細化。
但是，系用環(huán)形磁體圍繞鑄模的方法還有其不足處，如果說這一方法的很大優(yōu)點是不需對原有的澆鑄設備進行改裝，其缺點則是要消耗可觀的電能。實際上鑄模要吸收約占總電能消耗的15～30%的磁能量，此外，由于鑄模的存在，線圈不能緊貼液態(tài)金屬，有效磁場強度與空間距離成比例，其結果是要浪費額外的電能。
考慮到能耗及由于按裝大功率電氣設備使成本迅速增加，發(fā)明者要探索新方法以減少到電磁澆鑄法的能耗。
經(jīng)過研究更新的有特色的鑄模研制出來了，即至少下部可以是金屬制成的，其內(nèi)表面有電絕緣層，沿徑向在整個模壁面內(nèi)插入一層電絕緣體(復蓋住其整個高度及厚度)，在上述模子下部外表面處，上述的插入的絕緣體兩邊裝上接線柱以連接交流電。
發(fā)明者實際上做出了一個能同時起磁體作用的鑄模，它能產(chǎn)生磁場改變金屬彎月形液面的分布形狀及改變金屬與模壁面接觸線的高度，因此，本發(fā)明能省去模外磁體及同時解決了電能消耗大的缺點。
考慮到產(chǎn)生磁場需要相當大的電流，因此模子必須用金屬制成、同時最好金屬的電阻率是低的，如銅、鋁及其合金。這不會產(chǎn)生任何問題，因為通常的鑄模也是用這些材料制成的。
但是，模子不必要全部用金屬做，而是做成復合模子更為恰當，其下部材料一定要用金屬，而上部的環(huán)狀物用電絕緣材料，或者至少用導電差的材料，如不銹鋼。實際上由于限制了電流在鑄模中流動的通路，就能獲得滿意的結果，可從下文看到。
這種復合鑄模可用本技術領域：
的技術人員熟悉的裝配法來制備。
按本發(fā)明制成的鑄模是有特色的，特別是其內(nèi)表面涂覆電絕緣膜，以防止模子內(nèi)的電流流到金屬坯料上去。因此這層絕緣膜必須覆蓋從上到下的整個內(nèi)表面。同時這個電絕緣層應為熱傳導性能良好，否則影響模子和金屬間的熱傳導降低產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，發(fā)明者做了大量試驗研究工作，發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)膜是符合條件的。
鑒于上述的原因，鑄?？捎娩X或鋁合金制成，用陽極氧化法生成氧化膜，實際上，可以不考慮所采用的氧化的形式，連續(xù)的氧化膜整個地覆蓋模子內(nèi)表面，同時具有相當大的電絕緣性及良好的導熱性能，所以膜的厚度可以較小，如1μm厚的膜能承受100伏的電壓，其次，這種膜是有抗磨性的，也許它能承擔起潤滑劑的作用(高溫下滑動)以便于澆鑄的進行。另外，這種氧化膜的顏色不同于鋁材，這樣在生產(chǎn)過程中膜的破損易于發(fā)現(xiàn)。
另外一種具有和氧化膜同樣優(yōu)點的是琺瑯，這種膜可用本技術領域：
中人員熟知道的技術來制作。
同樣也可用氟碳樹脂來制膜，它有同樣優(yōu)良的性能，而其脆特性則可由其極好的耐磨性能來補償，澆鑄時可以不必使用任何潤滑劑。
別的一種有意義的方案是用幾微米厚的石墨層隔開金屬和模子，用石墨膜同樣可以不用潤滑劑。
本發(fā)明另一特點是在模子壁截面插入電絕緣材料，鑄模就能起線圈的作用，電流沿著鑄模環(huán)園周方向流動，這樣模子就相當于磁體了。這要按著模子的軸向整個地劈開模子，然后在縫中插入電絕緣材料，再在模子下部外表面在絕緣材料兩邊裝上兩個接線柱以便加交流電。這個絕緣材料可用大家熟知的材料，如云母，同樣可用模子材料的氧化膜，特別是用鋁或者某種鋁合金做模子時，用陽極氧化生成氧化膜。至于連接電源的接線柱可用任何已知的型式。
參看下列附圖將有助于更好地了解本發(fā)明·圖1是兩個不同模子的縱剖面圖，左邊是沒有液面調(diào)節(jié)的;右邊是裝有園環(huán)形磁體來調(diào)節(jié)液面的;
·圖2按本發(fā)明用一種非金屬材料制成的模子的圖;
·圖3按本發(fā)明制造的復合模子的圖。
在圖1中，可看到液態(tài)金屬的供料口(1)及控制液面的注塞(2)，冷卻液(4)前冷卻鑄模(3)再在點(6)直接冷卻金屬(5)。右邊半個鑄模裝有磁體(7)，由交流電(8)供電，產(chǎn)生方向為(9)的磁場，按工序把金屬與鑄模壁接觸線的高度從點(10)降到點(11)。點(12)是間接冷卻線(13)與直接冷卻線(14)的交點，因此能從圖上看金屬與模接觸成的高度從h1降到對應于點(11)的極小的高度h2。
參照圖2，鋁鑄模(15)的內(nèi)表面有用陽極氧化法生產(chǎn)的氧化鋁膜(16)，(17)是在其上的一條縫隙，縫內(nèi)兩側(cè)面也有用陽極氧化法生成的絕緣膜，與其相連的(18)是接通電源(未表示出來)的接線柱。
在圖3上，復合的鑄模，上部(19)是不銹鋼的，下半部(20)是鋁的。整個內(nèi)表面有氟碳樹脂的絕緣層(21)，鑄模下半部的外表面有連接交流電源(未表示出來)的接線柱(22)。
本發(fā)明的效果可從比較三個不同鑄模實用的結果來說明，當鋁鑄模壁截面尺寸為1100×300毫米，模子中心液面高度相對于鑄模下緣為60毫米，在降低金屬與模壁接觸線高度分別為15，30和40毫米時，對不同類型的模子需要不同的電流強度。
三種不同類型的模子為-類型1按本發(fā)明模子內(nèi)表面陽極氧化的鋁鑄模，模子高度為104毫米;
-類型2按本發(fā)明做的復合鑄模，下半部為陽極氧化鋁，高度為60毫米，上部是高度為44毫米的絕緣材料;及-類型3同樣高度的鋁模子，采用先有的技術，也就是講沒有內(nèi)絕緣層，沒有插入的絕緣材料，用園環(huán)形磁體產(chǎn)生磁場。
下表給出試驗的結果電流強度(安)接觸線高度的下降(毫米) 類型1 類型2 類型315 4800 3400 980030 6200 5300 1400040 7000 6300 16000從表中可以發(fā)現(xiàn)接觸線降低同樣高度，復合模子(類型2)所需的電流強度最小，也就是說這種模子能最大程度地降低裝置的成本，考慮供電裝置的電耗也是這種模子，從總的來說是消耗電能最少的。類型1的性能明顯較差，然而相對于先有技術的類型3還是大有改善的，電流強度減少了一半。
本發(fā)明可用于各種金屬生產(chǎn)中的半成品的澆鑄工藝中，特別適用于鋁及鋁合金，例如鋰鋁合金;也可用于想得到外皮層厚度為零，不用象AT5B那樣的晶粒細化劑而得到精細晶格，沒有小坑出現(xiàn)的澆鑄工藝中。
權利要求
1.鑄模(15)在垂直澆鑄能調(diào)節(jié)液態(tài)金屬自由表面與模壁面接觸高度，其特征為模子全部、或者至少下半部用金屬制成；模子的內(nèi)表面涂覆著一層電絕緣材料(16)；模子成為一個線圈、在模子上沿著其整個高度及整個厚度插入電絕緣材料(17)；在模子外表面的下半部、插入絕緣材料的縫的兩邊有連接交流電源的兩個電接頭(18)。
2.按照權利要求
1，其特征在于模子是用低電阻率金屬制成的。
3.按照權利要求
1，其特征在于模子的上半部(19)是用電絕緣材料或者不良導電材料制成。
4.按照權利要求
1，其特征在于制造模子的金屬是屬于由銅、鋁及其合金所組成的這類材料。
5.按照權利要求
4，其特征在于制造模子的材料是鋁和鋁合金，內(nèi)表面涂層是陽極氧化法生成的氧化鋁膜。
6.按照權利要求
5，其特征在于氧化膜是有顏色的。
7.按照權利要求
1，其特征在于模子內(nèi)表面是琺瑯膜。
8.按照權利要求
1，其特征在于模子內(nèi)表面是氟碳樹脂膜。
9.按照權利要求
1，其特征在于模子內(nèi)表面由潤滑劑復蓋。
10.按照權利要求
1，其特征在于用石墨來隔開澆鑄金屬和鑄膜。
11.按照權利要求
1，其特征在于模子中插入的電絕緣材料和內(nèi)表面的絕緣膜是同種材料。
專利摘要
本發(fā)明為在垂直澆鑄中能調(diào)節(jié)液態(tài)金屬自由表面與模壁面接觸高度的鑄模。此鑄模特點是模子的材料是金屬、或至少模的下半部分是金屬；模內(nèi)表面覆蓋電絕緣膜；鑄模壁上并沿壁整個高度和厚度截面插入電絕緣材料使模子起線圈作用；模子下半部的外表面，在上述插入絕緣材料相應的兩側(cè)設有接通電源的接線柱。此鑄模能用于澆鑄金屬半制品特別是鋁和鋁合金如鋰鋁合金，鑄模能用于獲得外皮層厚度為零，且不依靠晶粒細化劑如AT5B來獲得精細晶粒及沒有小坑的澆鑄坯料。
文檔編號B22D11/059GK87101863SQ87101863
公開日1987年9月23日 申請日期1987年3月13日
發(fā)明者讓-皮埃爾里烏埃 申請人:皮奇尼鋁公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan