CN1010463B - 金属带棒的连续铸造方法和设备 - Google Patents

Abstract

有至少一条铸件传送带部分形成铸模的一种金属带或棒的连续铸造的方法及设备，任意长度的开端传送带从传送卷绕轴绕至接收卷绕轴，所述传送带以特定进口速度进入铸模，并以另一特定出口速度拉出铸模，所述出口速度大于入口速度，致使传送带在铸模内不可回复地伸长，以防止传送带产生翘曲和/或皱纹。

Description

本发明涉及金属带棒的连续铸造方法及设备，更具体地说是涉及带有至少一条铸件传送带的、金属带或棒的连续铸造方法及设备。

已知多种的连续铸造铁基或非铁基金属带，薄板坯或棒的方法和设备，在这些设备中，铸造室（或称为铸模）的至少一个壁由一条挠性金属传送带组成，它带着铸件一起运动直到铸件完全凝固或者到形成了具有足够强度的凝固的外壳，如在铸钢中那样。特别要提到具有两条传送带的铸造设备，金属液浇在一对对置的环形挠性金属传送带之间，在金属凝固时金属传送带一直把其包在中间。在通过铸造区时，传送带通常在其外表面用水冷却以带走从铸材中释放出来的热量。

在E.Herrmann著的“连续铸造手册”（65～85页，1980年）中列出了各种具有传送带的连续铸造设备的特点及一般的设计。

已有的这类设备使用厚度为0.5mm-1.5mm或更厚一些的传送带。一般这些传送带由钢制成，但是也推荐使用其它材料。

虽然具有传送带的铸造设备为世人所知已经有数十年了，并且这种铸造方法看来也很经济，但是主要由于传送带引起的问题（如后面所述），它们还没有被普遍使用。

一般使用跟传送带一起运动的所谓的侧挡板来密封铸模的侧面。 也有用静止的侧挡板的。因此，传送带的宽度应考虑大于铸模的宽度，以使在传送带两侧的边缘部分之间可设置侧挡板，以提供要求厚度的铸模。

尽管在通过铸造区时，强烈冷却传送带，但在其表面与铸造金属接触时，传送带会产生很可观的温升。在铸模的进口处，存在着特别严重的状况，在该处传送带与浇口嘴流出的金属液刚开始接触时，就被非常突然的加热。在该处，传送带达到它的最高温度（参考“Stahl    und    Eisen”№.11，1986，P.635，fig8〕。

加热的部分会产生体积热膨胀。传送带厚度的增长没有受到阻碍，但是它的冷却的边缘部分以及将与金属液接触的它的冷的横截面部分阻止传送带在它的平面内的自由膨胀。结果，传送带的自然的反应是，始于铸模的入口并延伸在铸模的大部分出现翘曲和皱纹。

很明显地，每当传送带与铸件的表面分离或同其接触时，从铸件传到传送带的热传导就会产生局部和暂时的波动。这一现象通常是引起铸造产品出现厚度波动的原因，也是引起裂纹及其它结构缺陷的有害热潭的原因。传送带的翘曲也妨碍在侧挡板和在浇口嘴处的铸模的密封。这些问题常引起铸造材料的废品，也是造成使这种铸造方法存在有严重问题的原因。随铸件的宽度的增加，这些问题变得更为严重。

在铸钢时会出现更大的困难。到目前为止，只能用比较高的传送带的张力和/或在与铸材接触的传送带的表面涂上一层隔热层（美国专利3871905）和/或在传送带进入铸造区之前先预热传送带 （美国专利3937220，4002197和4537243）。尽管上述方法有助于减小在传送带中由于热应力而产生的变形，但它们不能完全避免在铸造区中传送带的翘曲和变形。

为了避免传送带在工作中产生不允许的伸长，仅仅允许传送带承受适中的拉力，因此当环形传送带在铸模前或铸模后的带轮上弯转时，必须保持所增加的应力要在弹性极限的范围内。超过弹性极限的反复应力将明显地引起传送带拉长，因而使它在短的使用周期后就报废。

本发明的任务是解决上面的现有技术中存在的问题，避免铸模中传送带出现翘曲和皱纹，并因而消除现有技术的铸造方法的缺点。

按照决定材料强度的定律，承受拉伸应力的物体产生拉伸并且有横向收缩。这一性能表现为弹性及塑性变形。这两种影响沿同一方向作用，且是累积附加的。

已知随着温度的升高，传送带材料的弹性极限降低。

解决上述的由于铸件传送带而引起的问题的技术方案就基于这些物理原理的应用，其特征在于，任意长度的开端传送带从传送卷绕轴绕至接收卷绕轴，所述传送带以特定进口速度进入铸模，并以另一特定出口速度拉出铸模，所述出口速度大于入口速度，致使传送带在铸模内不可回复地伸长，以防止传送带产生翘曲和/或皱纹。

鉴于在传送带中可能仍有小的热应力而并不引起翘曲这一事实，因此所减小的横截面积可能稍微小于热膨胀引起面积的增加。

通过合理的设计传送带的冷却***，可以使传送带在通过铸模区 时其温度保持在允许的温度极限内。通过使用高效率的冷却***，也可以使用裸露的，也就是未涂覆涂料的传送带，如果需要的话，在通过铸造区前也可以用已知的方法用隔离剂和/或隔热剂涂覆在传送带上。涂料可以是永久性的或可在铸模中分解的。

在铸模进口设置一个适当控制传送带的制动装置，并且在铸模的出口边设置一个合理设计的传送带的传动装置，可给传送带施加上所需要的张紧力，以使其在铸模中达到要求的应力程度。

作为拉紧铸模中传送带的结果，产生了本方法的另一特点，在离开铸造区并被冷却后传送带的速度将相应地高于铸模进口处的传送带的速度。

调整并保持在铸模进口前和出口后的传送带的速度在一定的比值而不是控制传送带的张力，被证明是有利的。可以用多种方法来做到这一点。以此，可以达到一个预定的稳定的和可控制的传送带的张紧。也就是，传送带的张紧及应变的调整用调整铸模进口前及出口后的传送带的速度的比率来控制。

由于传送带拉长而要使传送带速度增加取决于传送带实际的温度，进入铸模前它的宽度方向上可能存在的应力分布，和在传送带中允许的热应力。后者又取决于传送带和铸模宽度的比率，传送带的厚度，传送带材料的物理特性以及传送带的支撑方式，和铸模中液态金属静压力。

上述各个值决定了铸模进口和出口之间的传送带速度所要求的增加量。根据所给定的条件，并考虑到在传送带从铸造区出口后的冷却，如果要避免传送带的翘曲，最小的速度增加应在0.1～2%之间。

这种铸造设备的传动***可以设计成使传送带在铸模的进口和出口的速度具有确定的稳定的比率，或者可对传送带的速度进行模拟或数字控制，例如用一个计算机控制，因而可在不同的情况下调整速度比率。然后连续地测量传送带在铸模前后的速度并用控制器控制以将速度比保持在一个要求的值。

很明显地，开端的传送带必须足够长，以使得能在足够的时间里以要求的铸造速度进行连续的操作。传送带要能方便地从带卷上展开，并在它通过铸造室以所述的方式用作为铸模的壁以后能再盘绕起来。

因此，具有一条或多条铸件传送带的金属带或棒的连续铸造设备，其特征在于，任意长度的开端传送带从传送卷绕轴绕至接收卷绕轴，驱动装置以特定的出口速度将传送带从铸模拉出，传送装置以另一特定入口速度将传送带送入铸模，所述出口速度大于所述入口速度，致使传送带在铸模内产生不可回复的伸长，以防止传送带在铸模内产生翘曲和/或皱纹。

下面结合具有两条传送带的最佳实施例来说明本发明，该实施例示于图1和图2，该两图示出了设置有对称的相对安放的传送带的竖式铸造设备的侧面示意图。该设备可以用活动的或静止的侧挡板。

金属液10用已知的方法如通过出液槽11从熔炼炉中流到中间包12，然后通过注口13流到铸模14中，铸模14由面对着的传送带15，16和夹在它们之间的侧挡板17，18（图2）组成。图中所示的冷却器19，20在传送带的外表面起作用。带着卷带 23，24的两个卷绕轴21，22用可控制的传动装置驱动，而带有卷带27，28的两个落卷卷绕轴25，26由适当的可控制***来减速，以便给传送带15、16提供必须的张力，以使其在铸模内达到要求的张紧程度。铸棒，或如实施例所示的铸造条坯34由两个受控速度的滚轮29、30夹住及将其以铸造速度拉出铸模。

铸造速度近似地相应于传送带速度，可以调整到要求值，并由卷绕轴（21，22）的传动装置来控制，使传送带内产生要求的力以产生所要求的张紧作用。控制信号传送到卷绕轴21，22的传动装置以连续控制铸模出口后的传送带速度，并传送到卷绕轴25，26以控制铸模进口前的传送带的速度，使得铸模进出口之间的速度差可调整到使在传送带内达到要求的张紧程度。

为了减轻在卷绕轴21，22加上太大的作用力，在铸模出口后设置的滚轮31，32也被驱动和/或在轴21和滚轮31及轴22和滚轮32之间设置如图1所示的另外的一些滚轮39，40。传送带可以部分地绕过这些滚轮和/或它们可夹住传送带，这些滚轮可被驱动或仅仅作为自由轮（如果仅仅要把传送带的运动轨迹改变到另一方向）。同样地，在铸模前设置的滚轮35，36可以制动和/或卷绕轴25，26可用附加的能制动的滚轮37，38来减轻载荷。另外，可以用任意设计的传送带制动器来使卷绕轴25和26减轻载荷。

在图1中标以37，38和39，40的附加滚轮的结构，数目和直径取决于要求的传送带的张力，传送带传送装置的选择，铸造方向或其它的条件，并且可调整到指定的条件。传送带在其上滑动的同样的或附加的滚轮和/或其它元件可用来减小传送带中的残余应力。也可以用已知的方法和装置来处理铸造机外的传送带，以去除存在的残余应力。

在铸模前和/或铸模后，可使传送带在导向元件上滑动或通过，该导向元件可以是静止的或以圆周速度低于传送带的速度转动，也可设置使传送带在离开铸造区后仍能被拉紧并可减少或完全消除传送带中的残余应力的装置。

在整个传送带的长度用完后，取下带卷23和24，并分别将其放在卷绕轴25和26上。将传送带15和16穿过铸造室并分别将其固紧到卷绕轴21和22上后，该铸造机又可以开始新的操作。

更换带卷的另一种方法是倒转卷绕轴21，22，25和26以便分别把传送带再绕到卷绕轴25和26上。

基本上，本发明的目的在于使铸模中传送带被加热时仍能张紧，以应用到具有垂直的、水平的和其它铸造方向的各种铸造设备中。

本发明也可以用到仅仅用一条传送带的连续铸造方法和设备中，可以根据要生产的铸造带坯的要求厚度将所需数量的金属液用例如已知的方法绕到一条水平运动的传送带的表面上。

当通过铸造区时，一般必须在传送带的背部支撑传送带，以避免由于金属液的静压力或铸坯的重量而引起不允许的塌陷。但是，传送带的背部必须与流动的冷却剂保持接触以防止产生不允许的局部过热从实践中已经知道两相邻的支撑点的设置位置跟传送带的厚度有关。在现有的设备中，该距离为传送带厚度的30到50倍。如果应用本发明的原理，由于不可忽视的更高的传送带的张力，该相对距离实质上更大，根据传送带支撑的负载，该距离可为传送带的厚度的100到250倍。在与现有设备的支撑点之间的距离相同的情况下，本发明设备的传送带的厚度可用0.1mm到0.3mm，而传送带并不会产生不允许的塌陷。

由于有应变发生，每次穿过铸模后，传送带的横截面将变小。因而传送带宽度的相应的缩小决定了在传送带磨坏前，传送带可使用的次数。

下面的计算显示了在一个具有两条钢传送带的铸造设备生产铝带材的实例，数据如下：

铸造铝带的厚度    a＝20mm

铸造铝带的宽度    b＝1000mm

铸造速度    V＝6m/min

新的铸件传送带的最大宽度 B₁＝1200mm

用过的铸件传送带的最小允 B₂＝1080mm

许宽度

铸件传送带的厚度    C＝0.2mm

进入铸模前传送带的温度 T₁＝40℃

在铸模中传送带的最高温度 T₂＝160℃

温升    △T＝120℃

线膨胀系数 α＝11×10^-6（℃）^-1

全带卷的最大外径    D＝1500mm

卷绕轴的直径    d＝400mm

出于下面的考虑，还定义了如下符号：

v    铸造速度

v₁进入铸模前传送带的速度

v₂在铸模中加热后传送带的速度

A₁进入铸模前传送带的横截面积

A₂在铸模中加热后传送带的横截面积

V₁进入铸模前单位传送带的体积

V₂在模中加热后单位传送带的体积

△V    由于在模中加热单位传送带的体积增长

△B    由于通过铸模传送带宽度的减小

假定，铸造室中的传送带的温升是△T，单位传送带的体积增加约为：

△V＝3α△T V₁

如果要避免横截面积的增加，也就是使A₂＝A₁，以避免传送带的扭曲，那末连续方程如下：

v₁V₂＝v₂V₁

因此，

$V_2\mathrm{=\; V}{}_1\frac{V_2}{V_1}{\mathrm{=\; V}}_1·\frac{V_1\mathrm{·(\; 1\; +3\alpha \; △\; T)}}{V_1}{\mathrm{=\; V}}_1\mathrm{(1+3\alpha \; △T\; )}$

代入实施例所给定的值，则

v₂＝v₁（1+3×11×10^-6×120）＝1.0040v₁

这意味着传送带在加热后其速度须增加0.40%以避免带的横截面积的增加。但是实际上在所介绍的情况下，传送带的速度增加0.38%就足够了，因为传送带可以承受低的热应力而并不产生有 害的扭曲或皱纹。

如上所述，在每次通过铸模后，由于横向收缩，传送带的宽度减小。在所讨论的实施例中，每次传送带的宽度减小约为：

△B＝△T·α·β· 0.38/0.40 ＝120×11×10^-6×1200×0.95＝1.5mm

已给定传送带的最大及最小宽度分别为B₁＝1200mm，B₂＝1080mm，则传送带可用的次数为：

m＝ (1200-1080)/1.5 ＝80（次）

因此，传送带厚度减少约10%，即减到0.18mm厚。

给定铸造速度v＝6m/min和全卷带的直径D＝1500mm，相应于贮有8200m长的传送带，设备可连续操作22.8小时。如此，每天的产量为440吨。

Claims (11)

1、有至少一条铸件传送带部分形成铸模的一种金属带或棒的连续铸造方法，其特征在于，任意长度的开端传送带从传送卷绕轴绕至接收卷绕轴，所述传送带以特定进口速度进入铸模，并以另一特定出口速度拉出铸模，所述出口速度大于入口速度，致使传送带在铸模内不可回复地伸长，以防止传送带产生翘曲和/或皱纹。

2、按照权利要求1的方法，其特征在于，在离开铸模并被冷却后的传送带的速度比铸模进口前的传送带的速度大0.1%～2%。

3、按照权利要求1的方法，其特征在于，在铸模前后分别测量传送带的速度，并将该速度比维持在一个要求值。

4、有至少一条铸件传送带部分形成铸模的一种金属带或棒的连续铸造设备，其特征在于，任意长度的开端传送带从传送卷绕轴绕至接收卷绕轴，驱动装置以特定的出口速度将传送带从铸模拉出，传送装置以另一特定入口速度将传送带送入铸模，所述出口速度大于所述入口速度，致使传送带在铸模内产生不可回复的伸长，以防止传送带在铸模内产生翘曲和/或皱纹。

5、按照权利要求4的设备，其特征在于，传送带厚0.1～0.3mm。

6、按照权利要求4或5的设备，其特征在于，在铸模中传送带的相邻支撑点之间距离为传送带厚度的100-250倍。

7、按照权利要求4的设备，其特征在于，在铸模出口后设置了一个或几个滚轮，用来夹紧传送带，和/或使传送带部分绕在其上，所述的滚轮是自由轮或是被驱动或是被制动，以给传送带施加力。

8、按照权利要求4的设备，其特征在于在铸模进口前设置了一个或几个滚轮，用来夹紧传送带，和/或使传送带部分绕在其上，所述的滚轮是自由轮或是被驱动或是被制动的，以给传送带施加力。

9、按照权利要求4的设备，其特征在于任意设计的传送带制动装置安装在铸模入口前。

10、按照权利要求4的设备，其特征在于在铸模前和/或铸模后，传送带在导向元件上滑动或通过，该导向元件可以是静止的或以圆周速度低于传送带的速度转动。

11、按照权利要求7的设备，其特征在于设置了使传送带在离开铸造区后仍能被拉紧并可减少或完全消除传送带中的残余应力的装置。