專利名稱：用于在連續(xù)鑄造熔爐中控制溫度的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及連續(xù)鑄造熔爐。特別是，本發(fā)明涉及一種具有溫 度控制裝置的連續(xù)鑄造熔爐，該溫度控制裝置用于控制通過熔爐的連 續(xù)鑄造模具而制造的金屬鑄件的溫度。具體地說，本發(fā)明涉及這樣一 種溫度控制裝置，它包括溫度傳感器、加熱源和冷卻源，用于控制金 屬鑄件的溫度，以便提供改進的鑄件特征。
背景技術：
連續(xù)鑄造的原理是將熔融金屬傾倒至水冷銅模具中，并從模具中 連續(xù)取出固化的金屬，以便形成鑄錠/毛坯/鋼坯/板坯。連續(xù)鑄造過程
廣泛用于制造鋼鑄件，直接激冷鑄造(DC鑄造)過程用于制造鋁、 銅和鎳基合金，且電渣重熔(ESR)過程用于制造鎳基超級合金、工 具鋼和不銹鋼。在鋼的連續(xù)鑄造過程中，鑄造毛坯/鋼坯/板坯可以切 成特定長度并取出。這樣，鑄造過程在理論上可以無限連續(xù)。另一方 面，DC鑄造和ESR過程用于鑄造有限長度的錠/鋼坯/板坯。因此， 它們通常稱為半連續(xù)鑄造過程。
對于鋼的連續(xù)鑄造和非鐵合金的半連續(xù)鑄造，鑄錠/鋼坯/板坯的 溫度控制是保證鑄造處理平滑操作的關鍵因素。通常使用噴水來加速 從金屬鑄件除去熱量，從而在所形成的錠/鋼坯/板坯中形成較快的冷 卻速率和減小的宏觀偏析程度。為了合適的冷卻效果，可以使用強制 空氣冷卻。不過，為了鑄造易于偏析和易于產生裂紋的合金例如工具 鋼，有時使用絕緣覆蓋層來覆蓋鑄錠的表面和減慢鑄錠的冷卻速率。 這使得鑄錠中的溫度梯度、殘佘應力和裂紋趨勢都減小。
等離子熔煉(PAM)和電子束熔煉(EBM)是通常用于制造鈦合 金和(在更小程度上的)鎳基超耐熱合金的兩種半連續(xù)鑄造方法。PAM在惰性氣體(Ar或He)環(huán)境中進行，而EBM在真空環(huán)境中進行。 對于兩種過程，熔爐腔室與外部空氣密封。因此，噴水和強制空氣冷 卻的方法不能用于在PAM和EBM中控制錠溫度。
本發(fā)明是一種控制連續(xù)鑄錠的溫度的新穎方法，本發(fā)明的某些方 面在惰性氣體或真空環(huán)境中特別有用。這樣的溫度控制改進了金屬鑄 件的特征(例如表面光滑性和內部冶金結構)，它們特別依賴于在錠內
的溫度分布。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種裝置，該裝置包括連續(xù)鑄造模具，用于制造 金屬鑄件；金屬鑄件通路，該金屬鑄件通路布置在模具下面，并用于 允許金屬鑄件通過；以及溫度控制機構，該溫度控制機構包括布置在 通路附近的部分，因此該結構用于控制金屬鑄件的溫度；其中，溫度 控制機構包括溫度傳感器，用于檢測布置在通路上的一定位置處的溫 度，因此，溫度傳感器用于測量在該位置處的金屬鑄件溫度。
本發(fā)明還提供了一種方法，該方法包括以下步驟通過連續(xù)鑄造 模具來形成金屬鑄件；當金屬鑄件離開模具時檢測該金屬鑄件的溫度； 以及根據(jù)該檢測步驟來控制離開模具的金屬鑄件的溫度。


圖l是本發(fā)明的連續(xù)鑄造熔爐和溫度控制機構的示意正視圖，表 示了金屬鑄件的形成的早期階段。
圖2類似于圖1，表示了金屬鑄件的形成的更后面階段。 圖3是表示本發(fā)明的基本方法的流程圖。 在整個說明書中，類似參考標號表示類似部件。
具體實施例方式
本發(fā)明的連續(xù)鑄造熔爐在圖1和2中總體表示為10。熔爐10包 括熔融爐膛12，該熔融爐膛12具有熔融空腔；以及供給機構14，用于將固體金屬供給材料16供給爐膛12的熔融空腔中。熔爐10還包 括連續(xù)鑄造模具18，該連續(xù)鑄造模具18定位成用于接收來自熔融爐 膛12的溢流的熔融材料20，以便通過它形成金屬鑄件22。第一和第 二熱源24和26分別位于熔融爐膛12和模具18的上面。第一熱源24 提供用于熔化材料16以便形成熔融材料20的熱量，第二熱源26提供 用于當材料進入模具18后控制該材料的固化速率的熱量。上述部件通 常布置在熔融腔室25內，該熔融腔室25與外部環(huán)境密封。腔室25 可以充裝有惰性氣體例如氬氣或氦氣，與等離子弧熔煉中使用的相同， 或者可以處于真空，與使用電子束熔煉的情況相同。熱源24和26通 常為等離子體炬或電子束槍，不過也可以使用本領域已知的其它熱源。
根據(jù)本發(fā)明的特征，熔爐10包括溫度控制機構28，用于當金屬 鑄件離開模具18時控制金屬鑄件22的溫度，以便如本申請的背景技 術部分中所述提供改進的特性。機構28包括第三熱源，該第三熱源 成感應線圏30的形式；冷卻裝置，該冷卻裝置優(yōu)選是成氬氣或氦氣冷 卻環(huán)32的形式；以及溫度傳感器34。感應線圏30和冷卻環(huán)32布置 成鄰近金屬鑄件通路36，該金屬鑄件通路36從模具18向下延伸，且 金屬鑄件22在它離開模具18時經過該金屬鑄件通路36。優(yōu)選是，感 應線圏30和冷卻環(huán)32各自環(huán)繞通路36，并因此當金屬鑄件經過該通 路時(當它通過升降裝置38而如箭頭A所示降低時)環(huán)繞該金屬鑄 件22。感應線圏30和冷卻環(huán)32各自布置在模具18下面。盡管環(huán)32 表示為在線圈30下面，但是需要時可以使它們的位置顛倒。溫度傳感 器34設置成在布置于通路36上的溫度測量位置40處測量或感測金屬 鑄件22的溫度。特別是，位置40布置在模具18下面以及在各線圏 30和環(huán)32的上面，盡管這也可以變化。傳感器34適用于惰性氣體或 真空環(huán)境中，或者其它情況中。
才幾構28還包括電源42，該電源42通過電導體44而與感應線圏 30電連通。此外，線圏30通常為水冷線圏，因此通過導管48而與冷 卻水或其它冷卻液體的源46連通。源46包括泵，用于使液體通過線 圏30而重復循環(huán)，該泵有開關位置和速率控制機構。機構28還包括冷卻氣體源50，該冷卻氣體源50通過至少一個導管52而與冷卻環(huán)32 連通。源50包括氣體流量控制裝置，該氣體流量控制裝置具有開關位 置和速率控制機構。在一個實施例中，氣體可以通過環(huán)32以閉環(huán)形式 重新循環(huán)。在可選實施例中，冷卻氣體通路54與冷卻裝置32和金屬 鑄件通路36流體連通，以便使氣體能夠從環(huán)32流向通路36。機構28 還包括控制單元56，該控制單元56通常通過電導體58而與溫度傳感 器34、電源42、冷卻液體源46和冷卻氣體源50的每一個連通。
下面參考圖1 - 2介紹溫度機構28的操作。當金屬鑄件22通過模 具18而形成，并通過升降裝置38而降低時，溫度傳感器34沿金屬鑄 件的外表面在位置40處測量或感測金屬鑄件22的溫度。與該溫度相 對應的信號通過導體58而從傳感器34發(fā)送給控制單元56,該控制單 元56包括邏輯電路，該邏輯電路編程為根據(jù)需要來控制電源42、冷 卻液體源46和冷卻氣體源50的操作，以便當金屬鑄件22經過線圏 30和環(huán)32時調節(jié)金屬鑄件22的溫度。控制單元56使得傳感器34感 測的溫度與金屬鑄件22所需的預定溫度值范圍比較，并因此控制該機 構28。
圖3中表示了基本過程。特別是，傳感器34檢驗金屬鑄件22的 溫度，如方框60所示，且只要溫度處于可接受的范圍內，傳感器34 就繼續(xù)檢驗該溫度，且控制單元56并不進行任何變化來調節(jié)金屬鑄件 22的溫度。在圖3所示的簡化模式中，當溫度太低時，控制單元56 打開加熱線圏30，以便升高金屬鑄件22的溫度，且當金屬鑄件22的 溫度太高時，控制單元56打開冷卻環(huán)32,以便根據(jù)需要冷卻金屬鑄 件22。
不過，該過程可以以多種方式變化，以便當金屬鑄件如圖l和2 中所示向下運動時控制金屬鑄件22的溫度。例如，當由傳感器34感 測的、金屬鑄件22的溫度太低時，熱源例如感應線圏30可以打開， 如前所述，或者熱源的功率可以增大(當熱源已經打開時)，以便提高 溫度。當感測的、金屬鑄件22的溫度太高時，加熱線圏30或其它熱 源可以關閉或者減少它的熱輸出，在本實施例中，這將包括降低由電源42提供給線圏30的功率。簡單地說，線圏30可以操作成升高金屬 鑄件22的溫度，或者可以操作成降低熱輸出量，以便有效降低金屬鑄 件22的溫度。另外，線圏30也可以(double)設置成用作冷卻裝置。 例如，冷卻液體源46可以操作成使得冷卻液體通過導管48而移動經 過線圏30的管形結構，與普通使用水冷感應線圏相同。當然，線圏 30還可以是電阻加熱元件，它也可以包括使用管形線圏，該管形線圏 允許冷卻液體通過源46而循環(huán)。因此，當金屬鑄件22的溫度太高時， 線圏30可以在它的冷卻模式中經由通過它的冷卻液體的循環(huán)操作，以 寸更冷卻金屬鑄件22。
也可選擇或者與其結合，控制單元56可以操作冷卻氣體源50， 用于使得所述氣體通過冷卻環(huán)32循環(huán)，以便當金屬鑄件22經過時向 該金屬鑄件22提供冷卻效果，如圖2中所示。冷卻環(huán)32可以設置成 使得來自源50的氣體簡單地以閉環(huán)形式重新循環(huán)，或者可以設置成當 鑄件22經過環(huán)32時允許氣體通過冷卻氣體通路54朝著金屬鑄件22 離開環(huán)32,以便通過使冷卻氣體與金屬鑄件22接觸或緊鄰金屬鑄件 22而提供更直接的冷卻效果。當熔爐10在充滿惰性氣體例如氬氣或 氦氣的密封腔室中操作時，后一種結構為優(yōu)選，且源50可以只是在腔 室25中的氣體。因此，氦氣或其它合適的惰性氣體可以用作冷卻環(huán) 32的冷卻氣體，同時保持用于在熔爐10中制造金屬鑄件22的合適環(huán) 境。環(huán)32和源50的閉環(huán)結構可以用于真空環(huán)境、惰性氣體環(huán)境或其 它情況中。
因此，熔爐10提供了用于控制由連續(xù)鑄造模具制造的金屬鑄件的 溫度的裝置和方法，這樣，金屬鑄件的表面光滑性和內部冶金結構可 以更緊密地控制，以便提供更高品質的產品。盡管本發(fā)明可以通用， 但是它對用于惰性氣體或真空環(huán)境中(對于該惰性氣體或真空環(huán)境， 強制空氣冷卻和噴水并不合適)特別有用。
本領域技術人員應當知道，在本發(fā)明的范圍內可以進行各種變化。 溫度傳感器通常為紅外線傳感器，盡管任意合適的溫度傳感器都可以 用于該目的。此外，熱源主要表示為包括感應線圏。不過，也可選擇，附圖可以表示使用通過電源來提供能量的電阻加熱線圏。感應線圏或 電阻加熱器可以用于惰性氣體和真空環(huán)境或其它情況中。
本領域已知的其它熱源也可以使用。類似地，冷卻裝置可以為適 合該目的的任意裝置。另外，絕緣覆蓋層(未示出)可以用于覆蓋錠 表面，以便減慢錠冷卻速率。絕緣覆蓋層可以用于惰性氣體和真空環(huán) 境或其它情況中。
在前述說明中，特定術語是為了簡潔、清楚和進行理解。它們并 不意味著超過現(xiàn)有技術需要的非必須限制，因為這些術語是用于說明 目的，并將廣義解釋。
而且，本發(fā)明的說明和圖示只是實例，本發(fā)明并不局限于所示或 所述的確切細節(jié)。
權利要求
1.一種裝置包括連續(xù)鑄造模具，適于制造金屬鑄件；金屬鑄件通路，該金屬鑄件通路布置在模具下面，并適于允許金屬鑄件通過；以及溫度控制機構，該溫度控制機構包括布置在通路附近的部分，因此該機構適于控制金屬鑄件的溫度；其中，溫度控制機構包括溫度傳感器，用于感測通路上的一定位置處的溫度，因此，溫度傳感器適于測量在該位置處的金屬鑄件溫度。
2. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其中溫度控制機構包括熱源， 該熱源布置在通路附近并在模具下面，因此，熱源適于當金屬鑄件沿 通路運動時選擇地加熱該金屬鑄件。
3. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中熱源也用作冷卻裝置，適 于當金屬鑄件沿通路運動時選擇地冷卻該金屬鑄件。
4. 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中熱源包括導電液體冷卻導管。
5. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中熱源環(huán)繞通路。
6. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中溫度控制機構包括控制單 元，該控制單元與溫度傳感器和熱源連通；控制單元包括邏輯電路， 該邏輯電路編程為根據(jù)來自溫度傳感器的輸入而控制熱源的操作。
7. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中溫度控制機構包括冷卻裝 置，該冷卻裝置與熱源分開，并布置在通路附近和在模具下面，因此， 冷卻裝置適于當金屬鑄件沿通路運動時選擇地冷卻該金屬鑄件。
8. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，還包括腔室，該腔室與外部環(huán) 境密封和處于真空下；其中，熱源布置在腔室中，并包括感應線圏和 電阻加熱元件中的至少一個。
9. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中溫度控制機構包括冷卻裝 置，該冷卻裝置布置在通路附近并在模具下面，因此，冷卻裝置適于當金屬鑄件沿通路運動時選擇地冷卻該金屬鑄件。
10. 根據(jù)權利要求9所述的裝置，其中冷卻裝置環(huán)繞該通路。
11. 根據(jù)權利要求9所述的裝置，還包括腔室，該腔室充滿惰 性氣體，并與外部環(huán)境密封；其中，模具和冷卻裝置布置在該腔室中。
12. 根據(jù)權利要求ll所述的裝置，其中冷卻裝置包括惰性冷卻 氣體源，還包括冷卻氣體通路，該冷卻氣體通路與冷卻裝置和金屬鑄 件通路的每一個都連通，且該惰性冷卻氣體可通過冷卻氣體通路而從 冷卻裝置運動至金屬鑄件通路，因此冷卻氣體適于在金屬鑄件經過金 屬鑄件通路時冷卻該金屬鑄件。
13. —種方法包括以下步驟 通過連續(xù)鑄造模具來形成金屬鑄件； 當金屬鑄件離開模具時感測該金屬鑄件的溫度；以及 根據(jù)該感測步驟來控制離開模具的金屬鑄件的溫度。
14. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中控制步驟包括當溫度低 于預定值時加熱該金屬鑄件的步驟。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中加熱步驟包括當金屬鑄 件離開模具時通過環(huán)繞該金屬鑄件的熱源來加熱該金屬鑄件的步驟。
16. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中控制步驟包括當溫度高 于預定值時減少由熱源提供來加熱金屬鑄件的熱量以便使金屬鑄件冷 卻的步驟。
17. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中控制步驟包括當溫度高 于預定值時通過布置在金屬鑄件附近的冷卻裝置來冷卻金屬鑄件的步
18. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中控制步驟包括當溫度高 于預定值時通過布置在金屬鑄件附近的冷卻裝置來冷卻金屬鑄件的步 驟。
19. 根據(jù)權利要求18所述的方法，其中冷卻步驟包括當金屬鑄 件離開模具時通過環(huán)繞該金屬鑄件的冷卻裝置來冷卻該金屬鑄件的步
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中形成步驟包括通過布置 于充滿惰性氣體的腔室內的連續(xù)鑄造模具來形成金屬鑄件的步驟；且 冷卻步驟包括使冷卻的惰性氣體離開冷卻裝置朝著金屬鑄件進入腔室 內的步驟。
全文摘要
一種連續(xù)鑄造模具包括溫度控制機構，用于當金屬鑄件離開連續(xù)鑄造模具時控制該金屬鑄件的溫度，以便改進該金屬鑄件的特征。溫度控制機構包括溫度傳感器，用于感測金屬鑄件的溫度；以及熱源和冷卻裝置，用于根據(jù)金屬鑄件的溫度而分別加熱和冷卻金屬鑄件?？刂茊卧_定金屬鑄件的溫度是否在預定范圍內，并因此控制熱源和冷卻裝置。熱源也可以用作冷卻裝置，或者冷卻裝置可以與熱源分開。
文檔編號B22D11/00GK101528384SQ200780029716
公開日2009年9月9日 申請日期2007年7月30日 優(yōu)先權日2006年8月11日
發(fā)明者F·P·斯帕達弗拉, M·P·雅克, 余光鄂 申請人:Rmi鈦公司