Литье магния и магниевых сплавов посредством пары валков

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству полосы из магниевого сплава методом непрерывного двухвалкового литья. Жидкий сплав от источника снабжения подают к устройству, из которого сплав через сопло поступает в камеру, образованную выходом сопла и валками. При вращении валков, расположенных с зазором относительно друг друга, сплав охлаждают за счет протекания охлаждающей жидкости через каждый валок. Сплав затвердевает в камере до его прохождения через зазор между валками и выходит в виде горячекатаной полосы. В источнике температуру сплава поддерживают достаточной для поддержания сплава в подающем устройстве при температуре перегрева. Уровень жидкого сплава в подающем устройстве поддерживают на высоте от 5 мм до 22 мм над центральной линией зазора. Выходящая из зазора полоса имеет температуру поверхности ниже 400°С. Обеспечивается получение полосы из магниевого сплава без трещин. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Настоящее изобретение относится к литью магния и магниевых сплавов (здесь обобщенно называемых «магниевым сплавом») посредством пары валков.

Концепция двухвалкового литья металлов уже давно известна, она датируется, по меньшей мере, изобретениями Генри Бессемера в середине 1900-х годов. Однако лишь 100 лет спустя появился интерес к возможности коммерческого использования двухвалкового литья. Концепция, предложенная Бессемером, основывалась на производстве полосы при помощи металлоподающей системы подачи металла, через которую жидкий металл подавался вверх через зазор, образованный между двумя параллельными валками, удаленными вбок друг от друга. Большинство современных предложений основываются на подаче жидкого металла вниз к валкам. Однако предпочтительным расположением принято считать такое расположение, при котором валки расположены вертикально, а не горизонтально, как в этих предшествующих предложениях, при этом сплав подается по существу горизонтально. Несмотря на то что валки удалены друг от друга по вертикали, их оси предпочтительно лежат в плоскости, которая наклонена под небольшим углом до 15° к вертикали. При таком наклоне нижний валок смещен вниз по отношению к верхнему валку, относительно направления подачи сплава к зазору и через него.

Хотя имело место некоторое коммерческое использование двухвалкового литья, оно не распространилось широко. Оно также ограничивалось применением к ряду сплавов, так что использование, как правило, было сведено к подходящим алюминиевым сплавам. На этом этапе наблюдался ограниченный успех в создании подходящего процесса для двухвалкового литья магниевых сплавов.

При создании практического процесса для успешного двухвалкового литья магниевых сплавов, например, на практически непрерывной или полунепрерывной основе имеют место некоторые проблемы, которые необходимо преодолеть. Первая из них - это то, что расплавленный магниевый сплав имеет тенденцию к окислению и воспламенению, при этом влага из любого источника представляет собой потенциальную опасность взрыва. Существуют установленные процедуры, основанные на походящем потоке или подходящей окружающей среде для избежания окисления и риска воспламенения, обеспечивающие отсутствие влажности. Также магний и некоторые магниевые сплавы, которые не содержат или имеют лишь маленькую примесь бериллия, такие как AZ31, могут иметь высокую тенденцию к окислению в жидком состоянии, при этом традиционный поток или контроль атмосферы является недостаточным в течение процесса двухвалкового литья. Преодоление этих проблем добавляет сложности процессу двухвалкового литья.

Еще одной проблемой является то, что магниевые сплавы имеют теплоемкость, такую что по отношению к алюминиевым сплавам они быстро застывают. Также относительно алюминиевых сплавов некоторые магниевые сплавы, такие как AM60 и AZ91, имеют значительно больший диапазон застывания, или промежуток температур между температурой солидус и температурой ликвидус. Диапазон или промежуток может быть примерно от 70 до 100°С или выше для магниевых сплавов по сравнению с промежутком от примерно 10 до 20°С для многих алюминиевых сплавов. Большой диапазон или промежуток застывания обуславливает рост дефектов поверхности и внутренней сегрегации в листе после двухвалкового литья.

Важно, что существует постоянное требование к снижению эксплуатационных расходов, включая затраты на расходные материалы и подготовку к литью и, таким образом, повышению конкурентоспособности двухвалкового литья по отношению к альтернативным технологиям, повышению приспосабливаемости как к короткому периоду эксплуатации (например, 1 день), так и к длинным периодам эксплуатации (например, недели) и расширению ряда ее применений. Это обычная проблема для технологии двухвалкового литья, но она является наиболее острой для прокатки магниевых сплавов ввиду других проблем, описанных выше. Также для расширения распространения технологии двухвалкового литья существует проблема в отношении улучшения физических качеств полосы производимого материала. В то время как эта проблема является обычной для технологии, она особо актуальна в случае с магниевыми сплавами из-за сложности производства по существу не растрескивающейся полосы, которая имеет хорошее качество поверхности и по существу не имеет внутренней сегрегации расслоения.

Настоящее изобретение относится к способу двухвалкового литья магния и магниевых сплавов, в котором, по меньшей мере, в предпочтительных формах уменьшены одна или более из вышеупомянутых проблем.

Настоящее изобретение относится к улучшенному способу двухвалкового литья магниевых сплавов для производства полосы из магниевого сплава с требуемой толщиной и шириной. Способ в соответствии с данным изобретением позволяет производить полосу с шириной более 300 мм, например до 1800 мм при необходимости. Вообще, толщина полосы может лежать в промежутке от примерно 1 мм или менее до примерно 15 мм, но предпочтительно толщина составляет от примерно 3 мм до примерно 8 мм.

Способ в соответствии с настоящим изобретением предусматривает литье магниевого сплава путем подачи расплавленного сплава в камеру, образованную между соплом и парой вращающихся в разные стороны по существу параллельных валков, которые охлаждаются изнутри жидкостью и которые расположены с интервалом, как правило, один над другим для образования между ними зазора. Этот способ включает поступление жидкого магниевого сплава через сопло и охлаждение магниевого сплава путем отведения от него тепловой энергии охлажденными валками, посредством чего достигается практически полное затвердевание магниевого сплава в камере, до того как магниевый сплав проходит через зазор, образованный между валками.

Эти признаки способа в соответствии с настоящим изобретением совпадают с признаками способа двухвалкового литья алюминиевых сплавов. Однако этим и ограничивается, как правило, схожесть между соответствующими способами для магниевых сплавов и для алюминиевых сплавов. В самом деле, несмотря на вышеуказанную схожесть, способ литья алюминиевых сплавов малоэффективен в качестве руководства для способа, подходящего для магниевых сплавов. Однако, принимая во внимание то, что двухвалковое литье применяется с другими сплавами, было необходимо, чтобы эти способы были идентичны тем, которые применяются для алюминиевых сплавов, и малоэффективны в качестве руководства для способа, подходящего для магниевых сплавов.

Таким образом, в соответствии с изобретением предлагается способ для производства полосы из магниевого сплава путем двухвалкового литья, включающий следующие этапы:

(a) поступление расплавленного сплава от источника снабжения к подающему устройству;

(б) подачу расплавленного сплава из подающего устройства через сопло в камеру, образованную между вытянутым выходным отверстием сопла и парой по существу параллельных валков, которые расположены один над другим с образованием зазора между ними;

(в) вращение вышеуказанных валков в противоположных направлениях одновременно с подачей сплава по этапу б), при этом сплав проходит из камеры через зазор;

(г) протекание охлаждающей жидкости внутри каждого из валков в течение этапа вращения (в) для обеспечения внутреннего охлаждения валков и таким образом охлаждения сплава, получаемого в камере, путем отведения тепловой энергии охлажденными валками, вследствие чего достигается практически полное затвердевание магниевого сплава в камере перед тем, как сплав проходит через зазор, образованный между валками, и выходит из него в виде горячекатаной полосы из сплава;

причем способ дополнительно включает:

- поддержание сплава в источнике при температуре, достаточной для поддержания сплава в подающем устройстве при температуре перегрева выше температуры ликвидус для этого сплава;

- поддержание уровня расплавленного сплава в подающем устройстве на достаточной, регулируемой, по существу постоянной высоте расплавленного сплава над центральной линией зазора в плоскости, содержащей оси валков; и

- обеспечение отведения тепловой энергии охлажденными валками на этапе (в) на уровне, достаточном для поддержания температуры поверхности полосы сплава, выходящей из зазора ниже 400°С;

посредством чего горячекатаная полоса сплава по существу не имеет трещин и обладает хорошим качеством поверхности.

В способе согласно изобретению магниевый сплав также может подаваться к входному концу сопла для прохождения через него и попадания в камеру через выходной конец сопла из подающего устройства, содержащего промежуточное накопительное устройство, к которому сплав подается из подходящего источника расплавленного сплава. Однако вместо промежуточного накопительного устройства может применяться поплавковая камера или другая альтернативная форма подающего устройства. Требуется, чтобы подающее устройство обеспечивало управляемый, по существу постоянный уровень расплавленного магниевого сплава. То есть расплавленный сплав в промежуточном накопительном устройстве, поплавковой камере или тому подобных приспособлениях должен поддерживаться с такой глубиной, чтобы поверхность жидкого сплава находилась в нем на управляемой, по существу постоянной высоте (или гидростатическом уровне) над пересечением между горизонтальным продолжением центральной плоскости сопла и плоскости, содержащей оси валков. Относительно этого пересечения, которое по существу соответствует центральной линии зазора между валками в этой плоскости, уровень сплава для проката магниевого сплава с вышеуказанной толщиной полосы, обеспеченной изобретением, предпочтительно составляет от 5 мм до 22 мм. Уровень сплава может быть от 5 до 10 мм для магния и магниевых сплавов с более низкими количествами добавленного компонента сплава, например для товарного чистого магния и AZ31, и от 7 мм до 22 мм для магниевых сплавов с более высокими количествами добавленного компонента сплава, таких как АМ60 и AZ91.

Уровень сплава от 5 до 22 мм, требуемый в настоящем изобретении, заметно контрастирует с требованиями для двухвалкового литья алюминиевых сплавов. В последнем случае уровень сплава, как правило, сводится к минимуму от 0 до 1 мм. Эта разница, значительная сама по себе, связана с некоторым количеством других важных отличий, как станет ясно из последующего описания.

В способе согласно изобретению магниевый сплав, подаваемый в промежуточное накопительное устройство или другое подающее устройство, подвергается перегреву выше его температуры ликвидус. Величина перегрева может составлять от примерно 15°С до примерно 60°С над температурой ликвидус. Как правило, нижний конец этого диапазона, например от 15°С до примерно 35°С, предпочтительно от 20°С до 25°С, является более подходящим для магния и магниевых сплавов с более низкими количествами добавленных компонентов сплава. Для сплавов с более высокими количествами добавленных компонентов сплава, как правило, наиболее подходит верхний конец этого диапазона, от примерно 35°С до примерно 50-60°С.

Величина перегрева, необходимая для двухвалкового литья магниевых сплавов, идентична величине, требуемой для алюминиевых сплавов. При двухвалковом литье алюминиевых сплавов перегрев может быть от 20°С до 60°С, как правило примерно 40°С над ликвидусом, по сравнению с величиной перегрева от 15°С до 35°С для магниевых сплавов с более низкими количествами добавок или от 35°С до 50-60°С для магниевых сплавов с более высокими количествами добавок, как требуется в настоящем изобретении. Несмотря на это сходство, существуют принципиальные отличия между двумя отдельными типами алюминиевых и магниевых сплавов. Существенное отличие между алюминиевыми сплавами и магниевыми сплавами, в частности магниевыми сплавами с высокими количествами добавленного компонента сплава, заключается в соответственном температурном интервале между температурами ликвидус и солидус. В то время как алюминиевые сплавы, как правило, имеют интервал между температурами ликвидус и солидус примерно от 10°С до 20°С, интервал для, по меньшей мере, магниевых сплавов с высокими количествами добавок составляет, как правило, от примерно 70°С до 100°С, но может значительно выходить за пределы этого диапазона. Даже когда диапазоны затвердевания для алюминиевых сплавов и магниевых сплавов одинаковы, например, для магниевых сплавов с более низкими количествами добавок, магниевые сплавы имеют намного большую жидкотекучесть, чем алюминиевые сплавы.

При двухвалковом литье магниевых сплавов с высокими количествами добавок полное затвердевание жидкого сплава может быть отрегулировано так, чтобы происходить внутри относительно маленькой области между выходом сопла и зазором между валками. Ввиду этого удивительно, что значительный перегрев выше уровня ликвидус сплава является подходящим. Следует понимать, что такой перегрев значительно повышает количество тепловой энергии, которую необходимо извлечь из жидкого сплава для полного затвердевания сплава. Также следует понимать, относительно широкий интервал температур между ликвидусом и солидусом магниевого сплава, например, с высоким количеством добавок также делает регулировку полного затвердевания более сложной. Однако, как правило, требуемое регулирование может быть достигнуто, когда литье проводится при условиях, обеспечивающих полосе сплава, выходящей из валков, температуру поверхности в пределах заданного диапазона. В частности, необходимо, чтобы полоса сплава выходила из валков при температуре поверхности ниже примерно 400°С.

При двухвалковом литье магниевых сплавов полное затвердевание жидкого сплава должно быть отрегулировано так, чтобы происходить внутри достаточно узкой области между выходом сопла и зазором между валками. Эта область не такая узкая для сплавов с более низкими количествами добавленного элемента сплава, как для сплава с более высокими количествами добавленного элемента сплава. Несмотря на это и более низкую степень перегрева, выбираемую для сплавов с более низкими количествами добавок, степень перегрева этих сплавов также удивляет, даже притом, что она более типична, при заданном более узком диапазоне затвердевания. К тому же, требуемой управляемости можно достичь, когда литье происходит при условиях, обеспечивающих полосе, выходящей с валков, температуру поверхности ниже приблизительно 400°С. Однако эта температура предпочтительно значительно ниже 400°С, например от приблизительно 180°С до 300°С, для сплавов с более низкими количествами добавленного элемента сплава.

Как указано выше, необходима температура поверхности полосы ниже примерно 400°С. Однако величина, на которую желательно снизить температуру ниже этого уровня, изменяется в зависимости от количества добавок. Для магниевых сплавов с более высокими количествами добавленного компонента сплава необходима температура поверхности полосы сплава, выходящей из валков, от примерно 300°С до 400°С для обеспечения производства полосы без трещин с хорошей чистотой поверхности. Для сплавов с более низкими количествами добавленного компонента сплава необходима меньшая температура поверхности, от 300°С до 180°С, для производства полосы без трещин и с хорошей чистотой поверхности.

При постепенном увеличении температуры вероятность трещин, дефектов поверхности и зон локального перегрева растет. Однако достижение таких температур в полосе, выходящей из валков, неизбежно влечет за собой высокий уровень извлечения тепловой энергии, в частности, у сплавов, имеющих более низкие количества добавок. Следует понимать, что извлечение тепловой энергии должно быть таким, чтобы отводить тепловую энергию сплава, связанную с перегревом, тепловую энергию, необходимую для преодоления температурного интервала между ликвидусом и солидусом сплава, и получать температуру поверхности значительно ниже температуры солидус. Однако температура поверхности, которую следует поддерживать в диапазоне от 180°С до 400°С, зависит от температуры солидус для данного сплава. Она также может уменьшаться при увеличении толщины полосы, так как температура поверхности должна быть такой, чтобы обеспечить подходящую температуру ниже солидус в центре полосы.

Указанный верхний предел, равный 400°С, для температуры поверхности полосы, находится на примерно 40-190°С ниже температуры солидус для литейных магниевых сплавов. Для обеспечения того, что температура в центре полосы находится на подходящем уровне, температура поверхности предпочтительно должна быть не меньше чем на 85°С ниже температуры солидус для данного сплава. Это необходимо не только для того, чтобы обеспечить полное затвердевание полосы. Скорее, это необходимо для обеспечения того, что по всей своей толщине полоса сплава имеет достаточную прочность для осуществления ее производства без трещин или дефектов поверхности, под удельной нагрузкой, прилагаемой к валкам.

Необходимость достижения температуры поверхности в указанном диапазоне ниже 400°С при производстве полосы из магниевого сплава является особенностью, отличающей способ в соответствии с настоящим изобретением от способа для производства полосы из алюминиевого сплава. В случае алюминиевых сплавов необходимо лишь, чтобы полоса затвердела по всей ее толщине, так что центр полосы может быть слегка ниже температуры солидус. При таких условиях полоса алюминиевого сплава имеет достаточную прочность для обеспечения возможности ее горячей прокатки. Однако в случае полосы магниевого сплава необходимо, чтобы по существу вся толщина полосы находилась под температурой значительно ниже температуры солидус для того, чтобы полоса могла быть подвергнута горячей прокатке.

Степень удельной нагрузки является еще одной особенностью, которая значительно отличает настоящее изобретение от процесса для производства полосы из алюминиевого сплава. Удельная нагрузка, прилагаемая к валкам в способе согласно настоящему изобретению для магниевых сплавов, составляет от 2 до 500 кг/мм длины валка. Предпочтительно этот диапазон составляет от 100 до 500 кг/мм. Однако диапазон может быть и малым, от 2 до 20 кг/мм, и, следовательно, удельная нагрузка в процессе настоящего изобретения может быть более чем на порядок величины меньше, чем удельная нагрузка, применяемая при производстве полосы из алюминиевого сплава при помощи двухвалкового литья. Для алюминиевых сплавов обычной является удельная нагрузка от примерно 300 до 1200 кг/мм. В каждом случае происходит результирующая горячая прокатка сплава путем продвижения к зазору между валками и прохождению через него. Степень удельной нагрузки, применяемой для алюминиевых сплавов, приводит к тому, что горячая прокатка дает обжатие по толщине от примерно 20% до примерно 25%. А удельная нагрузка, требуемая для настоящего изобретения, приводит к обжатию по толщине от примерно 4% до примерно 9% в производимой полосе из магниевого сплава.

При диапазоне температуры поверхности полосы сплава от 180°С до 400°С степень прилагаемой нагрузки и результирующее обжатие по толщине должны способствовать производству полосы из магниевого сплава, которая по существу не имеет трещин и обладает хорошим качеством поверхности. При более высоких степенях прилагаемой нагрузки и обжатия по толщине сложно достичь производства полосы, которая по существу не имеет трещин, в то время как дефекты поверхности начинают возникать с большей вероятностью.

Для того чтобы учесть интервал между ликвидусом и солидусом, а также избежать ликвации, необходимо, чтобы отвод энергии тепла из жидкого и затвердевающего магниевого сплава происходил относительно быстро. Температура сплава, контактирующего с поверхностью каждого из валков, быстро опускается ниже солидуса, но, так как затвердевание продолжается в центре образуемой полосы, там охлаждение менее быстрое. Так как сформированная полоса продвигается по направлению к зазору между валками, линии в продольных сечениях через толщину полосы, показывающие сплав, находящийся при температуре ликвидус, имеют V-образную форму, указывая на направление продвижения полосы и беря начало в точках, где сплав контактирует с каждым из валков. Линии в этих сечениях, показывающие сплав при температуре солидус, также имеют V-образную форму, указывая на упомянутое направление и беря начало в упомянутых точках контакта, но при этом V-образные ветви имеют больший внутренний угол. Таким образом, температурный промежуток между этими линиями для сплава при ликвидусе и солидусе увеличивается в направлении удаления от поверхности каждого валка к центру образуемой полосы. Требуется, чтобы увеличение этого промежутка было сведено к минимуму. Как правило, оказывается, что этого можно достичь, если полоса, выходящая из зазора между валками, имеет температуру поверхности ниже примерно 400°С, например в диапазоне от 300°С до 400°С.

В камере, образованной между соплом и валками, поперечные сечения, параллельные плоскости, проходящей через оси валков, уменьшаются по площади, достигая минимума в зазоре между валками, благодаря изогнутым поверхностям валков. Расстояние от выхода сопла до этой плоскости называется «отставанием». В ходе прохождения зоны отставания (задерживающей зоны) жидкий магниевый сплав, выходящий из сопла, проходит короткую начальную часть зоны отставания до контакта с валками. Контакт с каждым валком осуществляется вдоль продольной линии на его поверхности. Расстояние от выхода сопла до соответствующей линии контакта каждого валка зависит от ширины кромок сопла, образующих выход, близости установки сопла к валкам и диаметра валков. В способе согласно настоящему изобретению зона отставания, которая также меняется в зависимости от диаметра валков, может быть в пределах от 12 мм до 17 мм для валков, имеющих диаметр примерно в 185 мм. Зона отставания увеличивается или уменьшается с увеличением или уменьшением диаметра валков, и, например, для валков, имеющих диаметр около 255 мм, зона отставания наиболее предпочтительно составляет от примерно 28 до примерно 33 мм, например 30 мм.

Начальная часть зоны отставания, от выхода из сопла до упомянутой линии, по которой сплав контактирует с поверхностью каждого валка, зависит от диаметра валка и зоны отставания. Однако начальная часть зоны отставания наиболее предпочтительно такова, что факторы, в том числе поверхностное натяжение магниевого сплава и уровень сплава, обеспечивают формирование выпуклого мениска в каждой из верхней и нижней жидких поверхностей металла по длине начальной части зоны отставания. В зависимости от толщины производимой полосы эта начальная часть может достигать 35%, например от примерно 10% до 30% зоны отставания, при этом затвердевание сплава достигается на оставшейся части этой длины и до зазора между валками. От линий контакта, которые выпуклый мениск сплава образует с валками, полное затвердевание сплава между верхней и нижней поверхностями предпочтительно осуществляется до конечных 5-15% длины зоны отставания, которые непосредственно предшествует зазору валков. Таким образом, может существовать необходимость, чтобы полное затвердевание сплава по всей толщине образуемой полосы достигалось на не более чем 50% зоны отставания. Таким образом, требуется охлаждение сплава от температуры перегрева в сопле и в начальной части зоны отставания.

Особенности настоящего изобретения для двухвалкового литья магниевых сплавов обеспечивают практическое преимущество по сравнению с обычной технологией в отношении алюминиевых сплавов. Оно относится к периоду пуска для начала цикла литья. Процедуры, предусмотренные в настоящем изобретении, позволяют получить длительность периода пуска не более нескольких минут, например от 0,5 до 3-5 мин для настоящего изобретения, по сравнению с 50 мин по обычной технологии для алюминиевых сплавов.

В обычной технологии для двухвалкового литья алюминиевых сплавов применяется также временный или твердо-листовой пуск. При временном пуске валки вращаются по существу с превышением производственной скорости, например, на 40%, когда начинается цикл литья. Жидкий сплав не способен наполнить камеру, образованную между соплом и валками при более высокой скорости валков. Таким образом производиться только ломаный лист, который тоньше и уже, чем требуется, несмотря на то, что ширина постепенно увеличивается. После достижения полной ширины скорость валков постепенно уменьшается, позволяя толщине листа постепенно увеличиваться. В итоге камера заполняется и обеспечивается стабильная работа при производственной скорости валков.

При твердо-листовом пуске скорость валков изначально значительно ниже, например на 40%, чем производственная скорость. Более низкая скорость обеспечивает наполнение камеры, образованной между соплом и валками, и быстрое начало производства твердого листа полной толщины и ширины. Постепенно скорость валков увеличивается для достижения стабильной работы при производственной скорости валков.

Значительный период времени, необходимый для достижения производственной скорости литья, в каждой из этих форм стандартных технологий для двухвалкового литья алюминиевых сплавов устраняет необходимость в эффективной и рациональной стабилизации температуры. Таким образом, производственный запуск осуществляется подачей перегретого жидкого сплава в промежуточное накопительное устройство для прохождения из последнего к соплу. Нагрев разливочного устройства и сопла входящим сплавом осуществляется постепенно, и обязательно необходим значительный период для достижения равновесия рабочих температур по всей литейной установке.

В настоящем изобретении предусмотрено, что равновесные рабочие температуры могут быть эффективно достигнуты в короткий период времени путем предварительного нагрева промежуточного накопительного устройства или другого подающего устройства и сопла. Для этого горячий воздух предпочтительно продувается через промежуточное накопительное устройство и затем через сопло до выхода. Горячий воздух имеет температуру, достаточную для быстрого нагрева промежуточного накопительного устройства практически до его требуемой рабочей температуры, и может быть от примерно 500°С до 655°С, например от 550°С до 600°С. За короткий период времени сопло нагревается до достаточной температуры в диапазоне от примерно 200°С до 400°С вдоль выхода сопла. Там, например, где сопло имеет внутренние направляющие элементы для направления сплава к каждому краю выхода, для достижения однородного потока сплава вдоль длины выхода температура сопла может составлять примерно 400°С на каждом из краев выхода и из-за того, что направляющие элементы мешают движению горячего воздуха, примерно 200°С на центральном участке выхода.

Предварительный нагрев, используемый в способе согласно настоящему изобретению, позволяет равновесным рабочим температурам установиться меньше чем за несколько минут, например примерно от 3 до 5 мин. Поскольку временная процедура пуска значительно увеличивает риск того, что жидкий сплав не затвердевает перед прохождением через зазор между валками, то для магниевого сплава существует значительная пожарная опасность. Также несмотря на то, что твердо-листовая процедура более легко обеспечивает то, что сплав затвердевает до прохождения через валки, существует пожарная опасность, возникающая из повышенной возможности вытекания жидкого сплава из камеры между соплом и валками. Настоящее изобретение устраняет необходимость во всех этих длительных пусковых процедурах, используемых при двухвалковом литье алюминиевых сплавов, так как короткое время, требуемое для достижения равновесных температур, обеспечивает запуск при скорости валков, близкой к рабочей скорости. Таким образом, может быстро быть достигнут выход листа или полосы полной ширины.

При двухвалковом литье в соответствии с настоящим изобретением обнаружилось, что по ширине полосы или листа, выходящего из зазора или промежутка между валками, может иметь место заметное изменение температуры. Это изменение таково, что центральная область полосы горячее, чем краевые области. Изменение температуры может достигать 70°С, как правило, оно превышает примерно 20°С. Изменение температуры может вызвать дефект поверхности, называемый «горячая линия» (коробление), и/или может привести к закручиванию полосы из-за термического напряжения. Такие же температурные изменения и последствия могут встречаться в сплавах, отличных от магниевых сплавов.

Авторы изобретения обнаружили, что изменение температуры может по меньшей мере быть понижено при помощи модифицированной формы сопла. Модифицированное сопло имеет верхнюю пластину и нижнюю пластину, поперечная протяженность выхода сопла определяется соответствующими гранями каждой пластины. В центральной области по меньшей мере одной из пластин эта грань смещена назад относительно других концевых областей грани. Центральная область грани имеет длину и расположение, соответствующие центральной области полосы или листа, который должен получиться в результате литья. В то время как центральная область каждой пластины может быть смещена, предпочтительно, чтобы только у верхней пластины была такая смещенная центральная область.

Это смещение предпочтительно однородно по всей центральной области, хотя оно может иметь изогнутую аркообразную форму. Смещение предпочтительно составляет менее примерно 7 мм, например от 2 до 4 мм. Когда это смещение совпадает с областью полосы, которая имеет относительно высокую температуру, разница температур по ширине полосы может быть значительно уменьшена или устранена. Таким образом, эффект «горячей линии» понижается или устраняется, в то же время закручивание полосы снижается или предотвращается.

Как указано выше, при двухвалковом литье магниевых сплавов существуют некоторые проблемы, которые следует преодолеть. Первая из них это риск окисления и возгорания. Настоящее изобретение не устраняет необходимость в использовании установленных процедур, основанных на применении подходящего потока и окружающей среды. Однако оно позволяет еще больше снизить опасность. Таким образом, эффективные процедуры пуска, которые возможны в настоящем изобретении, помогают значительно избежать риска возгорания от того, что жидкий сплав не полностью затвердел перед прохождением через валки или от вытекания жидкого сплава из камеры между соплом и валками. Также, низкая нагрузка на валки примерно от 2 до 500 кг/мм и соответствующий низкий уровень обжатия в валках совместно с ограниченным перегревом и быстрым затвердеванием до зазора между валками дополнительно снижают риск прохождения жидкого сплава через зазор и его взаимодействия с атмосферой, что ведет к трещинам или дефектам поверхности.

Как сказано выше, изобретение не устраняет необходимость в применении подходящих окружающих условий для уменьшения пожарной опасности. Однако важная предпочтительная форма изобретения обеспечивает улучшение в установленных процедурах. Для уменьшения пожарной опасности обычным является использование смеси сернистых гекса-фторидов в сухом воздухе. Смеси сухого воздуха и SF₆ не подходят для магниевых сплавов так, как для алюминиевых, поскольку они не всегда стабильны при старте или в конце цикла литья. В каждом случае авторы обнаружили, что возможно значительное улучшение при помощи добавления к смеси нескольких процентов, например от приблизительно 2 до 6 об.%, гидрофторуглерода. Структура 1,1,1,2-тетрафторэтан, имеющая обозначение HFC-134a, является особенно предпочтительной. Однако другие газы могут быть применены с добавлением или без добавления SF₆/HFC-134a.

В течение операции литья защитная окружающая среда, состоящая из SF₆ и сухого воздуха, или другая подходящая среда поддерживается для защиты от риска возгорания. Когда отливаемый сплав является сплавом, для которого смесь обеспечивает ограниченную защиту, подаваемая смесь также содержит гидрофторуглерод, предпочтительно HFC-134a. Это значительно улучшает защиту возгорания. Однако для сплавов, для которых смесь SF₆/сухой воздух эффективна, как правило, необходимо добавить гидрофторуглерод на короткий период при пуске и при окончании операции литья.

Проблема преждевременного остывания значительно преодолевается быстрым созданием равновесных рабочих температур и высокой скоростью, а также хорошей жидкотекучестью магниевых сплавов. Факторы, обеспечивающие это, включают перегрев, как описано выше, быстрое достижение скорости валков и, следовательно, других рабочих условий.

Сложности, связанные с широким диапазоном затвердевания магниевых сплавов с большим количеством добавок, уменьшаются при помощи особенностей настоящего изобретения, что также способствует улучшению физических качеств полосы магниевого сплава, производимой в соответствии с данным изобретением. Существует ряд взаимосвязанных особенностей, которые подходят для этих вопросов.

Если сплав алюминиевый, быстрое затвердевание может быть достигнуто при помощи хорошего качества контакта между жидким сплавом и поверхностью валков благодаря большому обжатию в валках примерно от 20% до 25%. Однако, если сплав магниевый, такая степень обжатия в валках не подходит, так как это будет вызывать дефекты поверхности, такие как растрескивание поверхности. Однако достижение выпуклого мениска поддерживает оптимальный контакт жидкого магниевого сплава с каждым валком и образует область однородного затвердевания, делая возможным относительно быстрое затвердевание. Выпуклый мениск достигается посредством поддержания уровня сплава на значительной высоте, требуемой в данном изобретении, в то время как контакт между сплавом и валками дополнительно усиливается низким уровнем обжатия в валках, необходимым для избежания дефектов поверхности, таких как трещины. Если сплав алюминиевый, высокий уровень обжатия в валках и небольшой уровень сплава, если он вообще имеется, значительно препятствуют образованию выпуклого мениска и связывает формирование вогнутого мениска или мениска, форма которого изменяется от вогнутой до выпуклой.

При быстром затвердевании, предусмотренном в настоящем изобретении для производства полосы из магниевого сплава, обнаружилось, что возможно получить некоторые практические преимущества. Так, полоса может иметь микроструктуру, содержащую вторичные оси дендритов в первичном магнии, размещенные на расстоянии примерно 5-15 мкм по сравнению с промежутком от 25 до 100 мкм для микроструктуры магниевого сплава, получающегося в результате традиционных технологий литья. Это ведет к однородному распределению интерметаллических вторичных фаз, таким образом способствуя улучшению механических свойств при холодной обработке полосы.

Также быстрое затвердевание уменьшает размер частиц интерметаллических вторичных фаз до 1 мкм по сравнению с величиной от 25 до 50 мкм для микроструктуры магниевого сплава, полученного при помощи традиционных технологий литья. Это минимизирует образование трещин вокруг этих частиц, дополнительно способствуя улучшению механических свойств при холодной обработке полосы.

Более того, быстрое затвердевание может регулироваться для достижения равноосного роста альфа-магниевых дендритов по толщине образуемой полосы путем изменения скорости охлаждения от начального до окончательного затвердевания по середине толщины полосы. Это вместе с плавильной обработкой, такой как рафинирование зерен, минимизирует вредную центральную ликвацию, в то же время поддерживая целостность прокатанной полосы магниевого сплава. Это не распространяется на двухвалковое литье алюминиевых сплавов, так как альфа-алюминиевые дендриты всегда имеют столбчатую структуру и проблемы ликвации для этих сплавов не существует.

Дополнительно, полоса из магниевого сплава, производимая в соответствии с настоящим изобретением, хорошо подходит для обработки для управления ее микроструктурой и свойствами. Так, горячая прокатка и конечная термическая обработка могут быть осуществлены на прокатываемой полосе для улучшения ее микроструктуры и улучшения механических свойств окончательной полосы. Традиционные необходимые условия для ряда применений требуют уменьшения размера зерна первичного магния и по существу однородных свойств как в продольном, так и в поперечном направлениях. Авторы установили, что при помощи одного или двух продольных проходов холодного валка, за которыми следует подходящая термическая обработка, можно уменьшить зерна первичного магния путем рекристаллизации. Также приложение регулируемого поперечного напряжения и подходящей термической обработки как после одного, так и после второго продольного прохода холодного валка позволяет уменьшить зерна первичного магния, а также получить основательно равномерные продольные и поперечные механические свойства.

Что касается стоимости производства, было бы предпочтительно, чтобы особое значение придавалось возможности достижения стабильного затвердевания и установления производства в течение нескольких минут. Установление стабильного распределения тепла является существенным в этом отношении. Достаточная защита жидкого магния при производстве полосы снижает время приготовления между операциями и позволяет осуществлять приемлемые по стоимости циклы производства малого и среднего размера.

Для облегчения понимания изобретения сделана ссылка на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 схематичное изображение двухвалковой литейной установки, применяемой в настоящем изобретении;

Фиг.2 и 3 показывают боковое сечение и вид сверху соответственно промежуточного накопителя/сопла установки по Фиг.1;

Фиг.4 и 5 показывают вертикальное боковое сечение и частичный вид сверху соответственно системы устройства сопло/валки для установки по Фиг.1;

Фиг.6-8 показывают альтернативные модульные устройства форсунок, подходящих для установки по Фиг.1;

Фиг.9 показывает в увеличенном масштабе затвердевание магниевого сплава в установке по Фиг.1;

Фиг.10 показывает улучшенную форму сопла, подходящую для настоящего изобретения;

Фиг.11 сечение, взятое по линии XI-XI на Фиг.10; и

Фиг.12 соответствует Фиг.10, но показывает альтернативную форму сопла.

В схематичном изображении на Фиг.1 установка 10 содержит печь 12 для поддержания подачи жидкого магниевого сплава и промежуточное накопительное устройство 14. Сплав может поступать из печи 12 к устройству 14 по переходной подающей трубе 16, предусмотренной для поддержания по существу постоянного уровня сплава в устройстве 14. Переливающийся сплав способен вытекать из устройства 14 по трубе 18 для сбора в контейнере 20. Для каждого из этих элементов - печи 12, устройства 14, контейнера 20 и трубки 16 существует соответствующий входной соединитель 22, через который из подходящего источника (не показан) может подаваться газ для поддержания защитной атмосферы, как описано ранее. Как печь 12, так и контейнер 20 имеют выходной соединитель 24, через которые газы могут выходить в возвращающий сосуд (не показан).

Форма емкости 26 для устройства 14 показана на Фиг.2 и 3. Емкость 26 имеет переднюю и заднюю стенки 26а и 26b, боковые стенки 26 с и основание 26d, которые совместно образуют камеру 28. Емкость 26 также имеет крышку (не показана) и поперечную перегородку 30, которая простирается между стенками 26с, но ее нижняя грань удалена от основания 26d. Перегородка 30, таким образом, делит камеру 28 на заднюю часть 28а и переднюю часть 28b.

Установка 10 также содержит сопло 30 и валковое устройство 32. Сопло 30 выступает вперед от стенки 26а емкости 26 и заходит в зазор между верхним и нижним валками 32а и 32b устройства 32. Валки 32а, 32b расположены горизонтально и разнесены по вертикали для образования зазора или промежутка 34 между ними. Устройство 32 также включает в себя выходной стол или конвейер 35 по ту сторону валков 32а, 32b, которая удалена от сопла 30.

На фиг.2 и 3, 4 и 5 показаны альтернативные формы сопел. Их соответствующие части имеют одинаковые ссылочные номера. В каждом случае сопло 30 имеет горизонтально расположенные, вертикально удаленные верхнюю и нижнюю пластины 36 и 37 и противоположные боковые пластины 38. Канал 39 для потока сплава проходит через сопло 30 и образуется горизонтальными пластинами 36, 37 и боковыми пластинами 38. Сплав из емкости 26 способен попадать в сопло 30 через отверстие 40 в передней стенке 26а емкости 26, при этом сплав подается в пространство между валками 32а, 32b через вытянутый выход 42 вдоль краев пластин 36, 37, удаленных от емкости 26. Как наиболее явно видно на Фиг.2 и 4, пластины 36, 37 и боковая пластина 38 являются сужающимися для того, чтобы иметь возможность близко подходить к каждому из валков 32а, 32b. Однако выход 42 удален от плоскости Р, содержащей оси валков 32а, 32b, так что камера 44 образовывается между соплом 30 и валками 32а, 32b.

При использовании установки 10 емкость 26 и сопло 30 изначально подвергаются предварительному нагреву до уровней температур, описанных ранее. В этих целях пневмопушка 46 для горячего воздуха (показанная на Фиг.2 и 3) может помещаться в отверстие 48 в задней стенке 26b емкости 26. После достижения упомянутых температур пневмопушка 46 отводится и отверстие 48 закрывается. Затем жидкий сплав подается из печи 12 по трубе 16 в емкость 26. Сплав в емкости 26 поддерживается на требуемом уровне, показанном пунктирной линией L на Фиг.1 и 2, над горизонтальной плоскостью, представленной линией М, проходящей через центр выхода 42 сопла и зазор или промежуток 34 между валками 32а, 32b. Жидкий сплав защищается путем поддержания подходящей атмосферы, как ранее описано, газ, обеспечивающий ее, подается к соединителям 22. В окружающей среде поддерживается давление слегка больше атмосферного давления, при этом избыточный газ забирается через соединители 24.

Из емкости 26 сплав течет с регулируемой скоростью через отверстие 40 к каналу 39 сопла 30. Из канала 39 сплав протекает по всей длине выхода 42 в камеру 44 и затем в зазор или промежуток 34 между валками 32а, 32b. Валки 32а, 32b подвергаются внутреннему водяному охлаждению и согласованно вращаются в соответствующих направлениях, показанных стрелками Х. Жидкий сплав постепенно затвердевает в камере 44 благодаря охлаждающему эффекту валков 32а, 32b, образуя полосу магниевого сплава 50 (как показано на Фиг.9), которая проходит вдоль стола 35. Как показано на Фиг.4 и 5, стол 35 может иметь отверстия 35а вблизи от его края, приближенного к валкам 32а, 32b, через которые может подаваться сжатый газ напротив нижней поверхности полосы 50, для дальнейшего охлаждения полосы и облегчения ее продвижения на столе 35.

Фиг.6 и 7 показывают альтернативные устройства, в которых пластины 36, 37 сопла 30 выполнены в виде двух одинаковых модулей 30а, 30b. Каждый модуль может принимать жидкий сплав из соответствующей емкости 26, при этом каждая емкость получает сплав из печи 12 по общей трубе 16 (Фиг.6) или соответствующей трубе 16 (Фиг.7).

Фиг.8 идентична Фиг.6. Однако вместо одной пары модулей, принимающих сплав по общей трубе 16, здесь использовано две пары модулей, при этом у каждой пары имеется соответствующая труба 16, общая для ее модулей.

На Фиг.9 показаны плоскости Р и М. Расстояние S между плоскостью Р и плоскостью N, параллельной плоскости Р и проходящей перпендикулярно выходу 42 сопла 30, определяет горизонтальную протяженность камеры 44. Расстояние называется зоной отставания, а высота линии L (см. Фиг.1 и 2) над плоскостью М называется уровнем сплава. Как было подробно описано ранее, зона отставания, уровень сплава, скорость вращения валков 32а и 32b и нагрузка, оказываемая валками 32а, 32b на сплав, контролируются для достижения требуемой скорости потока сплава для данного диаметра валка. Эти параметры и степень отведения тепловой энергии от сплава регулируются так, чтобы между выходом 42 и соответствующей линией контакта 52а, 52b вдоль каждого из валков 32а, 32b жидкий сплав образовывал выпуклый мениск, который показан ссылкой 54. На протяжении контакта с каждым из валков 32а, 32b от линий контакта 52а, 52b сплав полностью затвердевает на поверхности. Однако дальше по потоку от линий 56а, 56b сплав по существу полностью расплавленный, в то время как перед линиями 58а, 58b сплав по существу полностью затвердевший и между двумя сочетаниями линий сплав лишь частично затвердевший. Относительные показатели, с которыми линии из каждого сочетания сходятся в направлении D движения полосы/сплава, определяют скорость, с которой сплав затвердевает, от его поверхности напротив каждого из валков 32а, 32b до плоскости М. Точка сходимости линий 58а, 58b на плоскости М обозначает основательно полное затвердевание, и, как подробно описано выше, оно должно быть достигнуто до того, как сплав достигнет зазора или промежутка 34 (т.е. плоскости Р).

На Фиг.10 и 11 показано сопло 130, имеющее верхнюю пластину 136, нижнюю пластину 137 и боковые пластины 138. На их передних гранях пластины образуют вытянутый выход 142 сопла. Нижняя пластина 137 имеет переднею грань 137а, которая расположена линейно между пластинами 138. При обычном расположении верхняя пластина 136 будет иметь соответствующую грань, но полоса проката при таком обычном расположении будет иметь центральную область, которая горячее, чем краевые области. Для того чтобы избежать этого, верхняя пластина 136 имеет грань, которая имеет центральный участок 136а, который смещен назад от соответственных ее краевых участков 136b. Такое расположение, как подробно описано ранее, позволяет снизить колебание температуры по ширине полосы проката, при этом снижая или устраняя вредные последствия этого.

Устройство с Фиг.12 должно быть понятно из описания Фиг.10 и 11. В этом примере передняя грань верхней пластины 136 смещена в двух центральных участках 136а между краевыми участками 136b, при этом между двумя участками 136а существует срединный участок 136с. Такое расположение является подходящим, когда более сложное колебание температур возникает в результате внутренних разделителей между пластинами 136, 137. В случае с Фиг.11 могут присутствовать два центральных разделителя, образующих две центральные горячие зоны, разделенные средней зоной, промежуточной по температуре между горячими зонами и охлажденными краевыми зонами.

В конечном счете, следует понимать, что различные изменения, модификации и/или добавления могут быть произведены в конструкциях и расположениях ранее описанных частей, не выходя за рамки и сущность изобретения.

1. Способ производства полосы из магниевого сплава методом двухвалкового литья, включающий (а) поступление жидкого сплава от источника к подающему устройству; (б) подачу жидкого сплава из подающего устройства через сопло в камеру, образованную между удлиненным выходным отверстием сопла и парой по существу параллельных валков, расположенных один над другим с образованием зазора между ними; (в) вращение вышеуказанных валков в противоположных направлениях, одновременно с подачей жидкого сплава по этапу б) и прохождением сплава из камеры через зазор; (г) протекание охлаждающей жидкости внутри каждого из валков в течение этапа (в) для охлаждения валков и тем самым охлаждения сплава, поступающего в камеру путем отведения тепловой энергии охлажденными валками, практически полное затвердевание магниевого сплава в камере до его прохождения через зазор, образованный между валками, выход из зазора горячекатаной полосы, при этом осуществляют поддержание сплава в источнике при температуре, достаточной для поддержания сплава в подающем устройстве при температуре перегрева выше температуры ликвидус этого сплава; поддержание уровня жидкого сплава в подающем устройстве на регулируемой, по существу постоянной высоте жидкого сплава над осевой линией зазора в плоскости, проходящей через оси валков; обеспечение отведения тепловой энергии охлажденными валками на этапе (в) на уровне, достаточном для поддержания температуры поверхности полосы, выходящей из зазора, ниже 400°С и для получения горячекатаной полосы без трещин и с хорошим качеством поверхности.

2. Способ по п.1, в котором сплав поддерживают в источнике при температуре, достаточной для поддержания температуры сплава в подающем устройстве примерно на 15-60°С выше температуры ликвидус для данного сплава.

3. Способ по п.1, в котором количество тепловой энергии, отведенной на этапе охлаждения (в), достаточно для поддержания упомянутой температуры поверхности значительно ниже 400°С.

4. Способ по п.1, в котором количество тепловой энергии, отведенной на этапе охлаждения (в), достаточно для поддержания температуры поверхности полосы от примерно 180 до примерно 300°С.

5. Способ по п.3 или 4, в котором температуру поверхности полосы поддерживают, по меньшей мере, на 85°С ниже температуры солидус сплава.

6. Способ по п.1, в котором валки воздействуют на затвердевший сплав, проходящий через зазор, с удельной нагрузкой от примерно 2 до примерно 500 кг на мм длины валка.

7. Способ по п.6, в котором удельная нагрузка составляет от примерно 100 до примерно 500 кг на миллиметр длины валка.

8. Способ по п.6 или 7, в котором посредством приложения удельной нагрузки осуществляют обжатие по толщине горячекатаной полосы примерно на 4-9%.

9. Способ по п.1, в котором в начальной части зоны отставания, расположенной от выхода сопла до плоскости, проходящей через оси валков, формируют выпуклый мениск сплава между выходом сопла и поверхностью каждого валка.

10. Способ по п.9, в котором каждый мениск формируют от выхода сопла на расстоянии, составляющем примерно до 35% от длины зоны отставания.

11. Способ по п.10, в котором каждый мениск формируют от выхода сопла на расстоянии, составляющем примерно от 10 до 30% от длины зоны отставания.

12. Способ по п.1, в котором полное затвердевание между верхней и нижней поверхностями сплава осуществляют на расстоянии до 5-15% от конечной длины упомянутой зоны отставания.

13. Способ по п.1, в котором перед этапом (а) подающее устройство и сопло предварительно нагревают до требуемой рабочей температуры.

14. Способ по п.13, в котором предварительное нагревание осуществляют посредством продувания горячего воздуха через подающее устройство и сопло.

15. Способ по п.13 или 14, в котором подающее устройство предварительно нагревают до температуры от примерно 500 до примерно 655°С, а сопло предварительно нагревают до температуры от примерно 200 до 400°С.

16. Способ по п.1, в котором на этапе (б) сплав подают через центральный участок выхода сопла, который смещен назад относительно направления потока сплава через сопло по отношению к боковым внешним участкам выхода сопла для уменьшения или устранения колебания температур по ширине горячекатаной полосы.

17. Способ по п.16, в котором смещение не превышает 7 мм.

18. Способ по п.1, в котором вокруг жидкого сплава создают окружающую защитную среду от окисления или опасности возгорания, причем окружающая среда содержит незначительное количество подходящего гидрофторуглерода.

19. Способ по п.18, в котором гидрофторуглерод представляет собой 1,1,1,2-тетрафтороэтан.

20. Способ по п.18 или 19, в котором количество гидрофторуглерода в окружающей среде составляет от примерно 2 до 6 об.%.

21. Способ по п.18 или 19, в котором окружающая среда, в которую добавлен гидрофторуглерод, содержит смесь SF₆ и сухого воздуха.

22. Способ по п.1, в котором уровень магниевого сплава в подающем устройстве поддерживают по существу постоянным, на высоте над осевой линией зазора от примерно 5 до примерно 22 мм.

23. Способ по п.22, в котором сплав имеет низкое содержание легирующих добавок, при этом упомянутая высота составляет от 5 до 10 мм.

24. Способ по п.22, в котором упомянутый сплав имеет высокое содержание легирующих добавок, при этом упомянутая высота составляет от 7 до 22 мм.

25. Полоса из магниевого сплава, характеризующаяся тем, что она получена способом по любому из пп.1-24 и имеет микроструктуру, содержащую вторичные оси дендритов в первичном магнии, размещенные на расстоянии примерно от 5 до 15 мкм, и по существу однородное распределение интерметаллических вторичных фаз.

26. Полоса по п.25, в которой частицы упомянутых интерметаллических фаз имеют размер около 1 мкм.

27. Полоса по п.25 или 26, в которой микроструктура содержит равноосные альфа магниевые дендриты, распределенные по толщине полосы.