專利名稱:用于半連續鑄造中空錠塊的方法和裝置及由此所得的產品的制作方法
技術領域:
本發明總地涉及諸如在生產大直徑鑄件或管子時使用的中空錠塊(ingot)的鑄造。更具體地,公開的本發明涉及用于半連續鑄造金屬中空錠塊和由其所得的產品的方法和裝置。
背景技術:
傳統上,生產大直徑鑄件或管子或輥環一般要求先制造大直徑錠塊,然后通過鍛造來生產小直徑坯錠(billet)。然后,坯錠被刺穿以形成管狀預制件,隨后管狀預制件被擠壓以形成鑄件或管子,或者被輥軋以形成環。然而,如果可以直接鑄造管狀預制件,可免去相當多的下游處理時間和花費。已進行了數種嘗試來鑄造高質量、大直徑的中空錠塊。一種方法是將水冷固定心軸插入熔池。一旦足夠量的熔融金屬固化到心軸表面上,就從池中提出心軸。在將固化的錠塊從心軸中移除之后,心軸本身可再次引入熔池中并重復該過程。例如在授予Aso等人的美國專利第4,287, 124號中所述,另一種嘗試是將熔融金屬鑄造到模具中,該模具包括由坩堝(crucible)封閉的固定芯以形成環狀空間,熔融金屬可傾倒到該空間中并允許熔融金屬進行固化。(該專利此后稱為“Aso”)。在一些實施例中, 在Aso中的芯內部通過壓力感應來冷卻,由此提供對鑄造中空錠塊內壁處的冷卻速率的控制。另一種嘗試是將固定量的熔融金屬加入鑄造器皿。然后,該器皿被轉動且離心力驅動金屬朝向器皿外壁。隨著金屬固化,一層所期望的金屬形成在器皿的壁上,由此產生中空錠塊。在又一種嘗試中,熔融金屬被引入由固定的外模具和固定心軸形成的環形空間內,以便于以水平方式連續鑄造,如在授予Henders的美國專利第4,456,OM號中更為詳細所述。然而,所有上述嘗試都會有許多問題,這些問題包括但不限于產生偏心的內部孔,在內模表面處頻繁斷裂,尺寸不一致,較長的冷卻時間和較低的鑄造速率。因此,在本領域中需要一種用于生產中空錠塊的更低成本的技術,該技術充分可控和可重復,以用作一種商業制造工藝。
發明內容
鑒于上述問題、需要和目標,本發明提供用于半連續鑄造中空錠塊的技術。在一個實施例中提供用于半連續鑄造金屬中空錠塊的方法。該方法包括提供具有模具中心和外模的模具,模具中心具有設置成形成用于冷卻介質的環形空間的內管和外管,使冷卻介質在環形空間內循環,將原料饋送到形成于模具中心和外模之間的模腔,熔化原料,使模具中心相對于外模逐步向下運動,以及,使原料固化以形成中空錠塊。在一些實施例中,模具中心使用拉出器逐步向下運動。此外,可以基本上在模具的基底處提供冷卻介質,并且冷卻介質可通過內管向上流動并通過環形空間向下流動。冷卻介質可以是水,但不限于此。可使用拉出器將模具中心鎖定在位。在一些實施例中,使用一個或多個電子束槍來熔化原料。在替代的實施例中,可使用電爐渣再熔、等離子弧焊處理或通過使用等離子焊炬來熔化原料。原料較佳的是包括但不限于包括鈦、鋯、鈮、鉭、鉿、鎳及其合金的金屬材料。可以基本上在模具頂部饋送原料。在替代實施例中,外管可由鋼、銅或陶瓷材料構成。外管可在鑄造之后保留有錠塊直到作進一步處理為止。該方法還可包括提供接納件,該接納件保持模具中心以防止在鑄造過程中模具中心的側向運動。在另一個實施例中提供用于半連續鑄造中空錠塊的裝置。該裝置包括模具中心、 外模和用于向下移除模具中心的拉出器,模具中心具有內管和外管,內管和外管被設置成形成用于冷卻介質的環形空間。在一些實施例中,外管是可消耗的并可留有鑄造中空錠塊直到作進一步處理為止。拉出器可具有設置成接納模具中心的孔。拉出器可將模具中心鎖定在位。該裝置還包括一個或多個電子束槍、電爐渣再熔裝置、等離子弧焊裝置或者一個或多個等離子焊炬。該裝置還可包括位于模具中心上方的接納件,該接納件設置成防止在鑄造過程中模具中心的側向運動。在又一實施例中,本發明提供金屬中空錠塊產品。金屬中空錠塊產品包括金屬中空錠塊和在金屬中空錠塊的內表面處與該金屬中空錠塊緊密連接的管子。金屬中空錠塊可以是諸如鈦、鋯、鈮、鉭、鉿、鎳及其合金的金屬材料。管子可以是、但不限于是鋼、銅或陶瓷。包含在本公開中并構成本公開的一部分的附圖示出所公開的發明的示例性實施例并用于解釋所公開的發明的原理。
圖1是示出根據本發明的實施例的半連續鑄造中空錠塊的方法的流程圖。圖2A是根據本發明的實施例的模具中心的外管的側視圖。圖2B是沿根據本發明的實施例的圖2A中所示外管的部分D-D處獲得的剖視圖。圖2C是沿根據本發明的實施例的圖2A中所示外管的部分C-C處獲得的剖視圖。圖3A是根據本發明的實施例的模具中心的內管的側視圖。圖;3B是根據本發明的實施例的在圖3A中所示內管的部分E處的特寫視圖。圖4A是根據本發明的實施例的模具中心的被插入外管中的內管的側視圖。圖4B是沿根據本發明的實施例的圖4A中所示被插入外管的內管的部分A-A處獲得的剖視圖。圖5A是根據本發明的實施例的被鎖入模具中心外管中的內管的側視圖。圖5B是沿圖5A的部分B-B處獲得的剖視圖,其示出根據本發明的實施例的被鎖入外管中的內管。
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圖6A是根據本發明一實施例的板的俯視圖。圖6B是根據本發明的實施例的圖6A中所示板的立體圖。圖6C是根據本發明的實施例的圖6A中所示板的側視圖。圖6D是沿根據本發明的實施例的圖6C中所示板的部分F-處F獲得的剖視圖。圖7A是根據本發明的實施例的拉出器(puller)的俯視圖。圖7B是根據本發明的實施例的圖7A中所示拉出器的立體圖。圖8是根據本發明的實施例的熔爐的側剖視圖。圖9A是示出在錠塊長度15、10和5英寸、鑄造速率為20001b/h的情況下,作為中空錠塊的截面面積函數的長度校正因數1Λ的值的曲線圖。圖9Β是示出在錠塊長度15、10和5英寸、鑄造速率為1,5001b/h的情況下,作為中空錠塊的截面面積函數的長度校正因數1Λ的值的曲線圖。圖9C是示出在錠塊長度L11塊為15、10和5英寸、鑄造速率為l,0001b/h情況下,作為中空錠塊的截面面積函數的長度校正因數kb的值的曲線圖。在整個附圖中,除非另有說明,相同的附圖標記和字母用于表示所述實施例的相同的特征、元件、部件或部分。此外,盡管現將參見附圖來詳細描述所公開的本發明,但還是要結合說明性實施例來描述。
具體實施例方式本發明提供用于半連續鑄造中空錠塊的裝置和方法,其增大鑄造速率并降低用于下游處理的成本和時間。所公開的裝置和方法允許所得結果的可重復性,從而使根據公開的發明生產的中空錠塊實現一致的尺寸和所期望的表面質量。圖1示出根據所公開發明的用于半連續鑄造中空錠塊的示例性方法。如圖1中所示,過程開始于在步驟110中提供模具。該模具具有模具中心和外模具,并具有在兩者之間的模腔。模具中心包括內管和外管,內管和外管設置成形成用于冷卻介質的環形空間。為了說明的目的,在圖2A-C中示出模具中心的外管200的示例性實施例。如圖2A 中所示,外管200包括外管本體210,該本體可以是實現所得中空錠塊所期望內徑的任何合適的尺寸。例如,管子的直徑可以在約2和14英寸之間。外管200可由能夠抵抗與熔融金屬相關聯的嚴酷條件和高溫的任何合適材料制成,從而呈現足夠的冷卻。此外且更為重要的是,外管200必須能夠抵抗收縮的熔融金屬材料的壓力,因為模具中心的徑向壓力會有約1至^si (千磅每平方英寸)。因此,用于模具中心的材料較佳地具有30ksi的最小抗拉屈服強度、^ksi的最小抗拉最終強度和25BTU/ hr-ft- T (英制熱量單位/小時-英寸)的最小導熱率。材料還應當相對易于機加工。較佳地,外管由鋼、銅、其它金屬材料、陶瓷或任何其它合適的材料制成。此外,可使用具有陶瓷涂層的金屬材料。示例性的涂層包括氧化鋯、硅石、氧化釔和其它合適的陶瓷材料。 在較佳的實施例中,外管是可消耗的并將留有所得的中空錠塊以作進一步處理。因此,外管應當由廉價并易于得到的材料制成,其還能夠抵抗收縮的熔融金屬的壓力。合適材料的例子是諸如管子表號SO(ScheduleSO)的鋼管之類的重載管。如圖2A中所示,板220可焊接到外管本體210的底部。從板220向下延伸的可以是正方形管230,如圖2A中所示。圖2B是沿圖2A中的D-D線獲得的剖視圖,而圖2C則是圖2A中C-C線獲得剖視圖。如圖2C中可見,板220包括用于容納內管300的圓形開口 240。為了說明而不是限制的目的,在圖3A和;3B中提供內管300的示例性實施例。圖 3A中所示內管本體310的尺寸應設計成它在內管300和外管200(圖2中)之間形成合適的環形空間,以用于冷卻介質的循環。例如,如果外管200直徑約10英寸,則內管300的直徑較佳為6英寸。內管300可由任何合適的材料制成。例如,內管300可由鋼、銅、其它金屬材料、陶瓷或任何其它合適的材料制成。在外管200(圖2中)是可消耗的示例性實施例中,內管 300較佳地可在生產中空錠塊之后從外管200中移除并因此可再使用。由此,內管300不限制于廉價和易于得到的材料。在較佳實施例中,內管300是管子表號40的鋼管。如圖3A中進一步示出,在示例性實施例中,諸如1/2英寸夾具之類的夾具320附連于內管本體310的頂部。用于允許冷卻介質的循環的循環裝置330附連于夾具320。圖 3B中提供循環裝置330的特寫視圖。循環裝置330可以是諸如孔或通道之類的任何合適的結構。然而,應將循環裝置330選擇成提供足夠的截面面積,以向通過循環裝置330的冷卻介質提供足夠的流量而不受限制。實際上,內管300 (圖3A中)被插入外管200 (圖2A中),如圖4A和4B中所示。 一旦內管本體310完全插入外管本體210,如圖5A和5B中所示,板600被插入底部,如圖 5B中所示,以相對于外管200(圖2A中)而固定內管300(圖3A中)并形成氣密密封。內管本體310和外管本體210的結構形成環形空間400。在較佳實施例中,使用內部焊縫來固定板600,以避免干擾將中心模具放置到拉出器中的問題,這下面將作更詳細地描述。為了說明而不是限制的目的,在圖6A-D中示出了示例性板600。板600的頂部可包括支承環610,該支承環設置成容納內管本體310(圖3A中)的底部并形成氣密密封。孔 620可包含在板600中以如圖5B中所示地允許冷卻介質流入和流出內管300 (圖3A中)和內管300與外管200之間的環形空間400。盡管示例的板600是正方形的,但可以采用其它形狀的板。現返回到圖1,然后,繼續該方法,進行步驟120,使冷卻介質在環形空間內循環。 冷卻介質的入口和出口可基本上設置在模具的基底處。在較佳實施例中,冷卻介質管路經由孔620附連于板600,如圖6A中所示。在較佳實施例中,冷卻介質向上流經內管本體310, 經循環裝置330流出,然后經由環形空間400向下流動,如在例如圖5B中所示的那樣。這種結構使模具頂部處的水更冷,從而呈現優良的冷卻效果,而模具頂部則是液池的彎液面所形成的位置。這種結構還具有額外的益處,即,向外管200(圖2A中)提供附加的冷卻, 該外管暴露于會與管子接觸的來自液池表面并且來自任何入射電子束或其它加熱裝置的輻射。或者,冷卻介質可向上流經環形空間400,通過循環裝置330,然后向下流經內管本體 310(沿與圖5B中所示相對的方向)。這種結構有助于防止蒸汽聚集于模具中心的頂部。冷卻介質應選擇成向外管200(圖2A中)提供適當冷卻,進而冷卻熔融材料。示例性的冷卻介質包括水、鈉鉀低共熔物和其他合適的介質。較佳地,冷卻介質是水。應以足夠低的溫度來提供冷卻介質,以實現對熔融材料的所期望的冷卻并散發與電子束與外管的入射接觸有關的任何熱量。例如,提供約60下的水將提供充分的冷卻。介質的流量應選擇成提供適當冷卻并將取決于所用的冷卻介質。例如,如果冷卻介質是水,較佳的流量是在約每分鐘45到100加侖之間。現返回到圖1,繼續該方法,進行步驟130,其中,原料被饋送到模具中。在較佳的實施例中,基本上在模具頂部饋送原料。對用于饋送的混合物的制備選擇成滿足所得中空錠塊的期望屬性和組分。在較佳的實施例中,原料是金屬或金屬合金。原料可以例如是鈦、 鋯、鈮、鉭、鉿、鎳、其它活性金屬及其合金。在示例性實施例中,原料的流量在約每小時100 到3000磅之間并取決于所用原料的密度和所期望的鑄造中空錠塊直徑。現返回到圖1,繼續該方法,進行步驟140,其中,原料被加熱以形成熔融材料。在示例性的實施例中,使用一個或多個電子束槍(如圖8中的850所示)來熔化金屬。可使用任何數目和結構的電子束槍850,只要能提供足夠的熱量以在液池的整個表面上保持熔融金屬即可。例如,圍繞外模具的周邊以約90°間隔開的四個電子束槍850可提供液池表面的充分覆蓋。所用的合適的電子束槍電源將取決于原料的流量和密度、所用槍的數目、 槍的結構和槍的制造商。例如,可使用50-800千瓦的槍電源。模具表面上的電子束型式 (pattern)應調節成確保整個頂面保持液態,由此在管狀預制件的內徑和外徑上都產生所期望的表面。然而,電子束型式的調節必須與電子束太過接近內管300(圖3A中)的風險相平衡,因為如果使內管太熱會導致管內的災難性破裂或者例如在管子和熔融材料之間的界面處形成鐵鈦低共熔物。或者,如現有技術中已知地,可采用電爐渣再熔過程來熔化金屬原料。現返回到圖1,繼續該方法,進行步驟150,其中,模具中心相對于外模逐步向下運動。在較佳實施例中,模具中心以與原料的加入速率基本上相等的速率向下運動,從而液池位置保持在該模具中心周圍。為了說明而不是限制性的目的,如圖7A和7B中所示,提供拉出器840。拉出器840 可用于使模具中心沿向下的方向運動而經過模具(如圖8中所示)。在示例性實施例中,使用裝置來下拉拉出器。例如但不是限制性地,該裝置可以是塌縮的液壓缸。附加地,拉出器 840可用于將模具中心鎖定在位。實際上,將附連于外管本體210(圖2A-B中)的底部的正方形管子230(參見圖2A-B)放置到拉出器840的中心內的孔730中。然后,用設置在拉出器840內的螺栓孔740內的螺栓,將拉出器的兩個部分、即第一部分710和第二部分720牢固地一起固定在正方形管子230周圍。附加地,拉出器840可包括水通道750,以在內部冷卻拉出器840本身。在一個示例性實施例中,拉出器840被磨削或機加工,以形成冷卻介質管路(未示出),這些管路用于將冷卻介質饋送到模具中心中以及從模具中心中排出冷卻介質。現返回到圖1,繼續該方法,在步驟160中固化熔融材料以形成中空錠塊。在示例性實施例中,由于來自水冷模具中心810和水冷外模820的冷卻而使熔融材料固化,如圖8 中所示,該圖示意地示出典型的熔爐860。所用熔爐的類型可以例如是真空熔爐、電渣爐或等離子電弧爐,或者是現有技術中已熟知的任何類型的熔爐。圖8清楚地示出模具中心810 相對于外模820的構造以形成兩者之間的模腔800。模具結構與熔爐交界的方式對于本領域技術人員來說也是顯而易見的。在一些實施例中,如圖8中所示,為保持模具中心而設置接納件830,以防止在鑄造過程中模具中心810的側向運動。在示例性實施例中,接納件830包括附連于模具中心 810的頂部的三塊板,以在整個鑄造過程中保持模具中心810同心。使用接納件830防止內孔偏心并增大中空錠塊的最終產量。方法還可包括根據構成錠塊的材料而在真空或大氣壓下冷卻熔爐860內的錠塊。 根據本發明制備所得的錠塊在熔化之后從熔爐中移除時比相同直徑的標準錠塊冷得多。因此,公開的本發明的一個優點在于大幅節省在熔化之后冷卻錠塊所需的時間。冷卻時間的減少部分是由于模具中心810的外管200緊密連接到鑄造材料。此外,從模具中心810和外模820來冷卻材料。冷卻時間將取決于中空錠塊的期望直徑并可使用如下經驗公式來適當地近似t冷卻=Ax_截面(1/R鑄造)L錠塊P kakb其中,t冷卻是所需的冷卻時間(小時),Ax_截面是中空錠塊的橫截面積(平方英寸),Ri^是鑄造速率(磅/小時),Llttt是鑄造中空錠塊的長度(英寸),P是材料密度(磅/立方英寸),ka是等于0. 52的校正因數,而是kb長度校正因數。kb的值可以從圖9A、9B和9C中獲得,這些圖是關于分別以2,000磅/小時、 1,500磅/小時以及1,000磅/小時條件下作為鑄造速率R ^帛的函數的kb圖。在圖9A-C 中提供的上曲線、中間曲線和下曲線分別表示15、10和5英尺的錠塊長度1^_。在另一示例性實施例中,本發明提供用于半連續鑄造中空錠塊的裝置。該裝置包括模具中心810 (圖8中)、外模820和用于向下移除模具中心810的拉出器840,模具中心設置有內管300和外管200,內管和外管設置成形成用于冷卻介質的環形空間400。用于接納原料的模腔800設置在模具中心810和外模820之間。內管300和外管200可具有文中前面提及的任何屬性。例如并如上更為詳細所述, 在一些實施例中,外管200是可消耗的并可保留有錠塊直到作進一步處理為止。拉出器840 可包括設置成接納模具中心810的孔,且拉出器840可將模具中心810鎖定在位。裝置可包括一個或多個電子束槍850。在替代的實施例中,可通過電爐渣再熔、等離子弧焊處理或使用等離子焊炬來加熱原料。在較佳的實施例中,在模腔800頂部、位于如例如通過圖8中所提供的較粗的黑箭頭所示的加熱位置附近加入原料。拉出器840和電子束槍850可具有文中前面提及的任何屬性。 在另一示例性實施例中,本發明提供金屬中空錠塊產品。金屬中空錠塊產品包括金屬中空錠塊和在金屬中空錠塊的內表面處緊密連接至該金屬中空錠塊的管子。中空錠塊和管子可具有文中前面提及的任何屬性。例如,管子可由鋼、銅、其它金屬材料、陶瓷或任何其它合適的材料制成。中空錠塊可以從在鈦、鋯、鈮、鉭、鉿、鎳、其它活性金屬及其合金中選擇的材料生產出。在較佳實施例中,中空錠塊使用金屬或金屬材料來鑄造并因此是中空金屬錠塊。公開的本發明適于制備較大范圍尺寸的樣件。為了說明但非限制性的目的,在下表中提供由金屬材料制成的中空錠塊的示例尺寸
權利要求
1.一種用于半連續鑄造中空錠塊的方法,包括 提供具有模腔的模具,所述模腔形成在以下兩者之間模具中心,所述模具中心包括內管和外管,所述內管和所述外管設置成形成用于冷卻介質的環形空間;以及外模;使冷卻介質在環形空間內循環;將原料供給到所述模腔中;加熱所述原料以產生熔融材料;使所述模具中心相對于所述外模逐步向下運動;以及使熔化材料固化以形成所述中空錠塊。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,使用拉出器使所述模具中心逐步向下運動。
3.如權利要求1或2中任一項所述的方法,其特征在于,基本上在所述模具的基底處提供所述冷卻介質,且所述冷卻介質向上流經所述內管,并向下流經所述環形空間。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法,其特征在于,所述冷卻介質是水或鈉鉀低共熔物。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法,其特征在于,使用拉出器將所述模具中心鎖定在位。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法,其特征在于,通過一個或多個電子束槍、電爐渣再熔裝置、等離子弧焊裝置或一個或多個等離子焊炬來對所述原料加熱。
7.如權利要求1至6中任一項所述的方法,其特征在于,所述外管在鑄造之后保留有所述錠塊直到作進一步處理為止。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法,其特征在于,所述原料是從鈦、鋯、鈮、鉭、 鉿、鎳及其合金中選擇的。
9.如權利要求1至8中任一項所述的方法,其特征在于,所述外管從鋼、銅和陶瓷中選擇。
10.如權利要求1至9中任一項所述的方法,其特征在于,所述原料基本上在所述模具的頂部被饋送到所述模腔中。
11.如權利要求1至10中任一項所述的方法,其特征在于,還包括提供接納件,所述接納件保持所述模具中心以防止在鑄造過程中所述模具中心的側向運動。
12.一種用于半連續鑄造中空錠塊的裝置,包括模具中心,所述模具中心包括內管和外管,所述內管和所述外管設置成形成用于冷卻介質的環形空間;外模,所述外模構造成在所述模具中心和所述外模之間提供模腔; 加熱裝置,所述加熱裝置構造成加熱所述模腔的頂面區域;以及拉出器,所述拉出器用于使所述模具中心相對于所述外模逐步向下運動。
13.如權利要求12所述的裝置,其特征在于,所述外管是可消耗的并保留有所述錠塊直到作進一步處理為止。
14.如權利要求12或13所述的裝置,其特征在于,所述拉出器包括設置成接納所述模具中心的孔。
15.如權利要求12至14中任一項所述的方法,其特征在于,所述拉出器將所述模具中心鎖定在位。
16.如權利要求12至15中任一項所述的方法,其特征在于,所述加熱裝置包括一個或多個電子束槍、電爐渣再熔裝置、等離子弧焊裝置或一個或多個等離子焊炬。
17.如權利要求12至16中任一項所述的方法,其特征在于,還包括接納件,所述接納件位于所述模具中心上方,并設置成防止在鑄造過程中所述模具中心的側向運動。
18.一種金屬中空錠塊產品包括 金屬中空錠塊;以及在所述金屬中空錠塊的內表面處緊密連接到所述金屬中空錠塊的管子。
19.如權利要求18所述的金屬中空錠塊,其特征在于,所述管子是從鋼、銅和陶瓷中選擇的。
20.如權利要求18或19所述的金屬中空錠塊,其特征在于,所述金屬中空錠塊是從鈦、 鋯、鈮、鉭、鉿、鎳及其合金中選擇的。
全文摘要
公開了用于半連續鑄造中空錠塊的方法和相關裝置。在一個實施例中提供用于半連續鑄造金屬中空錠塊的方法。該方法包括提供具有模具中心和外模的模具,該模具包括設置成形成用于冷卻介質的環形空間的內管和外管;使冷卻介質在環形空間內循環;將原料饋送到模具;加熱原料以生產出熔融材料;使模具中心相對于外模逐步向下運動;以及使熔化材料固化以形成中空錠塊。還描述了涉及用于半連續鑄造中空錠塊的裝置和由對中空錠塊的半連續鑄造所得產品的各實施例。
文檔編號B22D11/00GK102421549SQ201080019299
公開日2012年4月18日 申請日期2010年3月24日 優先權日2009年3月27日
發明者A·布萊克本, A·珀瑟, D·梅, R·羅斯 申請人:鈦金屬公司