CN102083569A - 通过水喷射从铸锭去除冷却水的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本示例性实施例涉及一种在铸造的过程中去除用于冷却铸锭表面的冷却水。所述冷却水被以一定角度和动量的水喷雾从铸锭表面去除，这就使得所述冷却水接触到喷口时离开所述铸锭表面，然后将上述冷却水流入到能防止冷却水再次与铸锭表面接触的，在去除上述冷却水的范围之外的位置的通路里。为此目的的所述装置包括能产生水喷射的喷嘴和在喷嘴的足够压力和流量下供给水的设备。

Description

通过水喷射从铸锭去除冷却水的方法和装置

技术领域

本发明涉及金属铸锭的铸造，更具体地，本发明涉及将所述铸锭从铸造设备中移出时通过利用冷却水到铸锭外表面的应用和去除对其进行冷却。

背景技术

目前有各种铸造金属铸锭的技术，比如，直接冷(DC)铸法(一种包括电磁铸造(EMC)的技术)，制造轧板锭、挤压锭、锻造锭(坯)等的热顶技术。上述各种制造金属铸锭的技术包括当铸锭从铸模中分离时通过在铸锭表面采用冷却介质来使得在铸锭完全凝固之前减少铸锭内部熔融金属的溢出和保证铸锭表面完全固化。通常，铸锭为垂直铸造，有时也会采用水平铸造，比如，水平直接冷铸(HDC)。而在垂直直接冷铸时，特别地，冷却水被直接引入到铸模底部周围的铸锭外表面然后顺着铸锭的两侧流下来。

为了达到一定的技术效果，可以在距模具出口的一定距离处从铸锭表面去除冷却水。这样可以降低该点铸锭的冷却速度，因为该点是空气冷却，而不是水冷。例如在美国专利US4237961(1980年12月9日，Zinniger)中，可以通过与金属表面相切的物理刮水器或涂刷去除冷却水，但是如果铸锭的表面仍然很热时，尤其是熔融金属溢出使得其与弹性刮水器或金属支撑结构接触时，物理刮水器就会很快退化。在铸造过程中的前期阶段采用机械式刮水器之类的器具也会比较困难。铸锭底部的几何形状使得机械式刮水较难实施，特别是薄钢锭。例如在直接冷铸的过程中，在初始填充时，开始第一和第二阶段的卷曲时，有时金属会从模具中溢出，熔融金属会流到刮水器上并在与其接触的弹性材料对铸锭实施刮水之前将其烧掉。因此，只有在对接卷曲后即当晶锭长至10-14英寸后才使用刮水器。在卷曲完成之前不能对铸锭使用刮水器，去除冷却水之前，晶锭的10-14英寸阶段被大幅度的冷却。而在使用刮水器之后，在对接部分和运行部分的不同温度会产生不同的应力和晶相结构，这就导致再次处理的问题或当铸造、预处理以及轧制时会形成碎屑。

美国专利US2705353(1955年4月5日，Zeigler)公开了通过向铸造金属的冷却水上吹送喷射的气体，如压缩空气的方式来去除冷却水。但是由于压缩空气制备时效率低下，故压缩空气刮水器的使用和安装时价格比较昂贵。

美国专利US5685359(Wagstaff等人)指出具有重叠喷孔的冷却喷孔只用于二次冷却，而不用于冷却水的去除。

美国专利US5431214(Ohatake等人)也提到冷却水喷口，但是这些喷口都不是用于冷却水的去除。

因此有必要对去除所述铸锭表面的冷却水的手段进行改进。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了一种从金属铸锭表面去除冷却水的方法，其中所述冷却水在所述表面上沿着铸造方向流动，所述方法包括以一定的角度和流量将一个或多个水喷雾引导到铸锭的所述表面上，其用于导致在所述表面上流动的所述冷却水当所述冷却水遇到所述一个或多个喷雾时与所述表面分离。优选地，去除足够的冷却水以允许发生自然薄膜沸腾，从而才能在较短的水喷雾距离内将全部的冷却水去除。

另一个示例性实施例提供了一种从金属铸锭表面去除冷却水的装置，其中所述冷却水在所述表面上沿着铸造方向流动，所述装置包括一个或多个适用于将水喷雾引导到所述表面上的喷嘴，所述喷嘴被定位且成一定的角度从而使得当所述冷却水遇到所述喷雾时对于用于导致在所述表面上流动的所述冷却水与所述表面分离是有效的。装置还包括一个或多个给所述喷嘴供给水的导管；以及给供给到所述喷嘴的水加压的加压装置。

根据这些示例性实施例，当铸造时水喷射或喷雾用于去除铸锭表面的冷却水。给定去除介质是水的话，用于产生水喷射的装置的提供和操作是经济的(所述水是来自相同的被用作冷却铸锭的水源)。所述方法及其装置可以用于铸造过程的早期，且接近铸造模具的出口，喷射不被溢出的熔融金属所影响，在铸造的过程中它们随着铸锭轮廓的变化而变化。

附图说明

下面结合附图更详细地说明本发明，其中：

图1是具有用于去除冷却水的机械式刮水器的已知直接冷铸模具的垂直截面图；

图2是实施例中直接冷铸过程中用于去除冷却水的铸锭的水平截面图；

图3是图2中的喷水嘴在作用时的放大图；

图4是图2中喷水嘴在作用前的部分垂直截面图；

图5是在喷水嘴作用之后与图4相同部分的垂直截面图；

图6是实施例中用于移除冷却水的排水口的与图5类似的垂直方向的截面图；

图7是另一个实施例中利用波纹状的屏蔽壁形成从铸锭表面剥离的冷却水通道的截面图；

图8至图10是用于说明其他实施例中利用窄圆柱形的喷水嘴来移除铸锭表面的冷却水；以及

图11是示例性实施例中用于水平直接冷铸的截面图；

具体实施方式

本发明的示例性实施例可以采用各种利用水流来冷却新形成的金属铸锭，比如非铁或轻金属铸锭，如铝、镁、铜合金铸锭。然而，示例性实施例最适合与DC铸造装置(直接冷铸装置)一起使用，其中一种如图1所示，为了更好的理解本申请的示例性实施例在下面作简要的说明，尽管本发明并不局限于此种装置。

图1是用于制造金属铸锭的直接冷铸模具和现有技术中的从铸锭外表面去除冷却水的装置的垂直截面图。所述装置被美国专利US2007/0102136(2007年5月10日，Wagstaff等人)公开(其公开的内容在此被特别的引用)。通常模具用10来表示，其具有开放的上入口11和开放的下出口12组成。熔融金属被引入模具的入口用箭头13来表示。模具包括充满了用于冷却模具内壁的循环冷却水15的初始冷却通道14。临近模具壁的熔融金属冷却，并形成从模具内脱出的坯锭16。所述坯锭具有被固体金属壳18包围的熔融金属池17，直到完全固化所述金属壳的厚度随着铸锭的下降而增加，直到完全固化，在一个离模具出口12较远的地方形成完全固体铸锭19。冷却水20的流或射流用于从与模具下出口12相邻的通道14注入铸锭的表面，用于形成和维持熔融金属池周围的固体外壳18。水流向下顺着坯锭的侧，然后被放置于距离模具距离X的机械式刮水器21去除。以这种方式去除的冷却水20形成与铸锭19分隔开形成没有进一步冷却作用的水流22。所述刮水器是环形的、由柔软的柔性或弹性材料制成，与铸锭的外表面物理接触从而擦去冷却水。所述刮水器由刚性的由金属之类的材料制成的刚性固定器(未示出)所固定，在图1中的装置中，距离X被制定成允许铸锭“自均匀”。当然，还有其他关于冷却水以一个预定的距离被去除的原因，因此实施例并不局限于这一个目的。

在本发明优选的示例性实施例中，图中所示的用于去除铸锭外表面的冷却水的机械式刮水器21可以由一系列的喷水器所代替。这通过下面的图2-11的例子来说明。图2所示为铸锭的水平截面图，其在距离直接冷铸模具下面一定距离的地方去除冷却水。铸锭19(或者坯锭16)具有向下流动的冷却水20表层，其完全被较短的固体竖直壁25(例如由铝或不锈钢等金属制成)以较窄的水平间隔所包围，其向下从直接冷铸模具10的底壁26延伸(参见图4和图5)。壁25不是必须的，但是作为屏蔽来阻止水喷雾到任何其他铸锭，该其他铸锭可为同时在任何邻近区域内的铸造。在说明的实施例中，壁25上穿孔有很多全部置于相同垂直高度的孔或槽27。延长的喷嘴28从壁的外面延伸穿过每个槽直至距离铸锭外表面29的一小段距离。如图2最佳所示，铸锭19每一侧的喷嘴28与能在压力下给喷嘴提供水的歧管30连接，所述歧管30通过柔性高压软管31，32，33串联连接在一起。串联的第一歧管通过柔性高压软管34与装置35连接，装置35例如是泵，用于在压力下提供水。当以这种方式在压力下提供水时，每个喷嘴朝向铸锭表面29喷出水喷射36(图3)。要指出的是每个喷嘴产生扁平扇形的喷射36。这样，所述喷射36在竖直侧视图上看是大致平的，而在平面视图上看是向外扩展的，使得它们在竖直方向比在水平方向延伸的距离要小得多。如图所示，所述扇形的喷射36优选为部分重叠。水喷射顶点的角度(如图3所示的平面图)优选为至少65°，也可以是72°或者更大。喷嘴优选为互相(和/或离铸锭)分开一定的距离，从而有效地在铸锭表面29提供可以重叠1-2英寸的水喷射。虽然上述布置尤其优先考虑，但是后面实施例中的也可采用能产生其他形状水喷雾的喷嘴，例如可以是圆柱形水喷雾，而水喷雾互相重叠可以不总是必须的。

歧管30可以是任何尺寸和形状的，但是优选为截面为正方形(比如每个边长为1.25英寸)、喷嘴28优选为互相间隔5英寸设置，尽管这可以为了适应特定的模具或间距布置而变化。对于标准的直接冷铸设备，歧管30例如可以是1720mm长(铸锭的长边)和560mm长(铸锭的短边)。提供给喷嘴28的水的压力应当足够去除铸锭表面大部分或全部的冷却水，优选为至少80psi至大约150psi，最优选为在100-120psi范围内，且模具周围的每个喷嘴的水具有至少0.4加仑每分钟至大约1.5gpm/in(理想的是在范围0.6-1.0gpm/in之间)的流量。模具的排放流量(所述流量是指在刮水器前面的从模具总的水排放)优选为至少0.6直至大约1.5gpm/in，最好在0.7-0.1gpm/in之间。高压软管31，32，33和34优选为通过快速释放装置与歧管连接，这样如果它们阻塞或者需要其他关注时才可以被容易地拆卸和安装来替换歧管中的一个或多个。而且歧管30优选为被设备所支持(未示出)从而它们才可以被移动得与铸锭19更近或更远，和/或与铸造模具更近或更远。而且，为了使得与铸锭表面有关的喷射角度可以调整喷嘴最好可以绕水平轴旋转，这个视情况而定。

喷射作用在图4、5中最好的说明，这是铸造模具10的底壁26的区域的详细竖直截面图。为了简化歧管30在此图中省略歧管30，而其被直接置于壁25的外侧。图4是喷射开始之前的位置。喷嘴28通过竖直壁25延伸，与从铸造模具的出口12脱出的铸锭19的表面29相对。冷却水20从模具的通道14的底部的孔流到表面29上，所述水流沿着铸锭的外表面在连续层中向下流(由箭头A所示)。不用操作水喷射，直到水流达到铸锭的底部或水收集池，冷却水在此路径沿着铸锭向下流。如图5所示，为了去除距离模具底部距离X的冷却水，在压力下向喷嘴28提供水，从而产生与铸锭表面29接触的扁平扇形水喷射36。当喷射具有足够的动量(水的体积和流量)时，并且相对于表面29的适合角度α(优选为在65-75°范围内，更优选为68-72°)具有与冷却水20流动方向逆向的运动分量，它们将冷却水20从铸锭的表面剥离，使之在离开铸锭表面29之后采用向上流40(如图中箭头B所示)。这就意味着喷嘴28优选为角度从水平(当水流20向下流动时)向上15-25°，更优选为19-22°，尽管最有效的角度在特殊情况下需要试验来决定。喷射的重叠有助于从铸锭上去除流水因为重叠区域的水产生的动量可以使得流水由于“交互喷泉”作用而喷洒。理想的是以这种方式冷却水足以去除仅仅留下残余的薄的膜，从而可以使得铸锭由于高温迅速干燥。

优选地，冷却水的向上流40造成其从铸造模具底壁26的反弹但不会影响铸锭和模具之间的连接以及进入模具空穴，使得冲击到垂直壁25(如箭头C所示)的内表面42以至于在距离X之外使得铸锭表面29与冷却水之间没有进一步的接触。因此冷却水从表面剥离而没有任何与设备的机械部件直接接触。

应当指出的是，为了在距离X之外使得铸锭的冷却达到理想的减少，应当从表面29剥离足够多的冷却水。理想的是，所有的或大部分冷却水应当以这种方式去除，但是因为少量的冷却水仍在距离X之外，故这种去除方式并不总是必要的(或者可能的)。然而，由于铸锭热量引起的蒸发会使得残留的冷却水很快甚至立刻消失。此外，根据在任何情况下的理想的冷却效果，少量的残留冷却水是可以接受的，即使它不会立刻蒸发散失。优选地，在X点以上至少90％的冷却水量，更好至少95％，最好是99％的冷却水量通过水喷射本身去除，而只留下较薄的水膜可以很快甚至立即通过蒸发去除。

按照下面的考虑铸锭上喷嘴之间的距离优选为最小。铸锭上放置的喷嘴之间的距离越近，则喷射水接触到铸锭表面的动量就越大，但是在铸造过程中如果熔融金属溢出模具或铸锭，则喷嘴被损坏的风险就加大。而且，铸锭上放置的喷嘴之间的距离越近，则为了在整个铸锭***提供连续的作用于铸锭的冲击水就需要更多的喷嘴。因此，铸锭上喷嘴之间的距离越远越好，只要喷射水的动量减少到能够有效地剥离铸锭上面的冷却水。

在铸锭表面应用水射流的距离X取决于期望的剥离水的操作。如上所述，水剥离可能需要“原位均质化”，这种情况下，距离X是指允许铸锭的温度上升到均匀化的范围内然后再进行水剥离。实施去除冷却水还可以使得铸锭内部的应力得以释放。在更传统的情况下，应用硬质合金擦拭，可以采用更大的距离X以及任何残留冷却水的快速沸腾效应就不那么重要了。

还应当指出的是距离X在某些情况下应当根据铸锭的不同的侧来选择。铸锭的短边(铸锭端)比铸锭的长边(轧面)所需要的喷射接触点要高(更接近模具)。而且，薄钢锭比厚钢锭需要更高的水接触点。然而，通常钢锭所有侧上的水喷射压力和流量应当是相同的，除非在钢锭不同侧上的不同力下作用于水流(例如水平直接冷铸情况下的重力)。在这种情况下，为了达到理想的从每个铸锭表面剥离水的程度，流量和/或压力根据铸锭的不同面而变化。

理想的喷嘴角度产生的冷却水剥离作用取决于手动的调整喷射角度(例如通过旋转歧管30)和观察结果。这可以通过铸造设备的初期运作和之后以相同的特征的铸造运作来维持相同的角度来完成。

应当指出本发明的示例性实施例所使用的上面所提到的美国专利5685359(Wagstaff)的所公开的冷却装置特别有效。这个装置在铸造模具的出口为了达到铸锭的冷却目的采用了***射流/双射流装置。

出于安全、性能和维护考虑，水流经过的软管和歧管需要过滤器、关闭阀和其他常规的设备。例如，需要一个50目的过滤器来保护喷嘴以防堵塞。这种过滤器可以安装在用于在压力下供给水的装置35的供给侧来最小化装置性能的损失。装置35可以是例如可以产生150psi或更高水压、流量为115加仑每分钟或更大的泵。合适的泵可以由例如，310South Sequoia Parkway，Canby，OR 97013，U.S.A.的Pioneer Pump Inc.，获得(例如，型号为SC32C10)。相同的用作冷却的水可以被用于喷嘴，或者由不同的来源来提供。水基本上是纯净的，但也可以含有不同的添加剂，例如乙二醇。当水中含有这种添加剂的时候，当然必须提供不同来源的冷却水。水中还可以包含非目的性的添加剂，尤其是当冷却水流被循环使用时。通常在环境温度下将水输送给喷嘴。

喷嘴28优选为可以以至少65°(优选为72°)的弧度、压力为120psi的条件下传输约0.8-1.0加仑每分钟(或者1.5以上)的水。这样的喷嘴可以由例如P.O.Box 7900，Wheaton，Illinois 60189-7900，U.S.A.的Spraying Systems Co.获得。喷嘴优选为与延伸部一起使用以允许其通过屏蔽壁25伸出足够多来避免因与沿着壁内表面流动的冷却水的逆向流的接触而中断。

图6所示的是替代实施例。在这个实施例中，模具10的下面26具有用于在冷却水20顺着壁25下降至喷嘴28的水平之前收集从铸锭19剥离的冷却水20的排水口50。这样避免了剥离的冷却水中断或对喷嘴28的操作以及水喷射36的形状或功率有不利作用的可能性。排水口50中收集的水流向模具的端部并被允许冲刷铸锭或者通过合适的通道去除(未示出)。

图7中的其他布置使用了在平面图中为波纹形状的屏蔽壁25。喷嘴28从与铸锭19表面29最近的壁25伸出。在图5中所示从铸锭盘绕向下，通过水喷射36从模具上剥离的冷却水20趋向于在与铸锭最接近的壁25的顶点形成垂直通道52。这就引导冷却水远离喷嘴28和喷射36，因此降低了任何对喷射口干涉的可能性。

图8至10的实施例中窄圆柱形水喷射用于替代上述实施例中的扇形的喷射。在图8中，喷射36(前面实施例中角度向上的)穿透冷却水20的层到达铸锭19的表面29，然后展开将冷却水与铸锭表面隔开。在图9的情况下，接触了铸锭19后，喷射36延伸得足以互相接触，在喷嘴之间形成了一个结合的“交互喷泉”54。通过充分地调整喷嘴的压力和流量可以达到上述效果。冷却水层就可以完全和铸锭分离。

在图10的情况中，是图9中所示的效果是通过进一步调整喷嘴之间的角度来使冷却水与铸锭表面最大化的分离而加强。

图11所示是本发明的一个应用于水平直接冷铸的示例性实施例。在水平直接冷铸的装置中，喷嘴的位置会必须被调节以允许擦拭水喷射在相对铸锭的下表面以距离铸造模具不同的距离与铸锭的上表面接触。另外，在说明的实施例中，排水口50在铸锭的上侧被用于收集和去除从铸锭剥离的冷却水20。如果没有这样一个收集和去除剥离的冷却水的装置，其将落回到铸锭上并不利地影响铸锭的冷却特征。在铸锭下侧，冷却水20如图所示从铸锭19上自然下落，或者还可以使用一系列的水喷射来去除距离模具不同距离的冷却水。然而，在模具上侧的排水口(例如50)将不必在模具的下侧，因为在重力的作用下从铸锭剥离的冷却水将无论如何也会远离铸锭流动。在图6所示的实施例中，排水孔50将到模具的端部收集的冷却水去除，将其去除而不允许其与铸锭或喷嘴接触。

上述实施例为优选，也可以进行其他各种变形和替换。如上所述，实施例可以应用于各种铸造设备，而不仅仅是图1所示的直接冷铸设备。而且，本发明适用于使用各种金属，尤其是铝、镁和铜合金。尤其优选的是与铝合金铸造一起使用。

Claims (26)

1.一种从金属铸锭表面去除冷却水的方法，其中所述冷却水在所述表面上沿着铸造方向流动，所述方法包括：

以一定的角度和流量将一个或多个水喷雾引导到所述表面上，其用于导致在所述表面上流动的所述冷却水当所述冷却水遇到所述一个或多个水喷雾时与所述表面分离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水喷雾以65-75°范围内的角度、与所述流动方向逆流的方向被引导到所述表面上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述水喷雾每个都具有直到大约1加仑/分钟的流量。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其中所述水喷雾制造成大致为扁平扇形。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述扇形喷雾被互相紧密放置从而使得喷雾在喷雾接触铸锭的地方重叠。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述水喷雾被互相紧密放置从而使得所述喷雾的重叠量在1-2英寸的范围内。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述喷雾每个以至少65°的弧度延伸。

8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其中所述喷嘴以直到5英寸的距离互相分开。

9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其中通过所述喷雾从所述表面去除的所述冷却水和与所述表面接触后的来自所述喷雾的水，被约束在随着远离所述铸锭的所述表面的路径。

10.根据权利要求1至9任一项所述的方法，其中从所述表面去除的所述冷却水和与所述表面接触后的来自所述喷雾的水，被维持成不与所述表面接触的、但局限于所述铸锭周围的区域。

11.将根据权利要求1至10任一项所述的方法应用于从直接冷铸模具中脱出的铸锭，所述模具具有孔，其将所述冷却水应用到所述铸锭的所述表面，其中所述喷雾全部在距离直接冷铸模具预定距离处引导到所述表面上。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述铸锭为大致矩形并具有四个面，其中所述喷雾在与所述直接冷铸模的所述预定距离处引导到所述铸锭的所有所述四个面上。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述直接冷铸模定向用于垂直铸造。

14.一种从金属铸锭表面去除冷却水的装置，其中所述冷却水在所述表面上沿着铸造方向流动，所述装置包括：

一个或多个适用于将水喷雾引导到所述表面上的喷嘴，所述喷嘴被定位且成一定的角度从而使得当所述冷却水遇到所述喷雾时对于用于导致在所述表面上流动的所述冷却水与所述表面分离是有效的；

一个或多个给所述喷嘴供给水的导管；以及

给供给到所述喷嘴的水加压的加压装置。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述一个或多个喷嘴在与所述流动方向的逆流方向上与所述表面定向成65至75°范围内的角度。

16.根据权利要求14或15所述的装置，其中所述水喷雾的流量为直到大约1.5加仑/分钟。

17.根据权利要求14或15或16所述的装置，其中所述喷嘴被构造为产生大致扁平扇形的水喷雾。

18.根据权利要求14至17任一项所述的装置，其中所述喷嘴被互相紧密地放置使得喷雾在喷雾接触所述铸锭的地方重叠。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述喷嘴被互相紧密放置从而使得所述喷雾的重叠量在1-2英寸的范围内。

20.根据权利要求17或18所述的装置，其中所述喷嘴构造成使得扇形喷雾每个都以至少65°的弧度延伸。

21.根据权利要求14至20任一项所述的装置，其中所述喷嘴互相分开直到5英寸的距离。

22.根据权利要求14至21任一项所述的装置，其中所述喷嘴构造成使得通过所述喷雾从所述表面去除的所述冷却水，以及与所述表面接触后的来自所述喷雾的水，被约束在随着远离所述铸锭的所述表面的路径。

23.根据权利要求14至22任一项所述的装置，其中所述喷嘴构造成使得从所述表面去除的所述冷却水，以及与所述表面接触后的来自所述喷雾的水，被维持成不与所述表面接触、但局限于所述铸锭周围的区域。

24.根据权利要求14至23任一项所述的装置，包括用于生产所述铸锭的直接冷铸模具，所述模具具有孔，其用于将所述冷却水应用到所述铸锭的所述表面，其中所述喷嘴在离所述直接冷铸模具出口的预定距离处设置。

25.根据权利要求24所述的装置，其中所述铸锭为大致矩形并具有四个面，其中所述喷嘴被设置于与所述直接冷铸模所述预定距离处的所述铸锭的所有所述四个面上。

26.根据权利要求24所述的装置，其中所述直接冷铸模具定向用于垂直铸造。

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