專利名稱：連續(xù)鑄造的工字梁異形坯制成的梁的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及成形結構構件，尤其涉及連續(xù)鑄造的軋制工字梁用的異形坯，這種坯隨后可加工成成品結構梁。
用金屬，尤其是用碳素鋼或低合金鋼制成的成形結構構件有著廣泛的應用。對金屬成形技術而言，各種構形的成形結構構件是眾所周知的，這些構件包括有梁。常規(guī)的梁有一個帶對置翼緣的腹板部分，翼緣從腹板部分的兩端沿大致垂直腹板部分的方向延伸。梁一般都是由鋼鑄件，例如鑄錠加工成形的，即鑄錠隨后用已知的方法熱加工成具有所需的成品尺寸和構形的梁結構。另一方面，梁也可以通過連續(xù)鑄造工序來成形。該工序或者制成一種隨后要進行熱加工以制成梁的方坯或者生產出一種具有接近梁的最終構形橫截面的成形截面鑄件，爾后對該鑄件進行一系列的熱軋和冷軋以加工出具有成品尺寸和構形的梁制品。連續(xù)鑄件的優(yōu)點是一系列的工字梁異形坯可以在基本上連續(xù)操作的情況下由一爐或多爐鋼水鑄出。這樣就能夠實現(xiàn)能量節(jié)省，并且還能增加生產量。在鋼鐵工業(yè)中，術語“軋制工字梁用的異形坯”(本文以下簡稱為工字梁異形坯)指的是這樣一種成型截面鑄件，一種具有接近梁的構形的成型截面的半成品，這種半成品在經受進一步的軋制工序后就從半成品狀態(tài)，即鑄造狀態(tài)轉變成具有需要和要求的成品尺寸和特定的成品構形的成品。工字梁異形坯被用作生產各種成品結構構件形狀的先驅物或原材料，這些結構構件包括有H型梁、工字梁(通常稱為“I型梁”)，寬緣型梁，英國標準型梁、日本工業(yè)標準型梁、和鋼軌斷面件，這又包括有鐵路、起重機和吊車臺架的軌條。
有鋼鐵制造技術中眾所周知的是，熱軋操作制得近似形狀的坯件并將其軋制成具有成品尺寸的成形件，同時使鋼的初始冶金和結晶狀態(tài)改變成最終所需要的狀態(tài)，它具有要求的結晶狀態(tài)和形式。接著采用輔助工序來弄直具有成品尺寸和構形的構件并將其截成所需要的長度。
這種工字梁異形坯的連續(xù)鑄件的鑄模有一條中央澆鑄通道，該通道是以一對平行壁為界的，用來形成工字梁異形坯的腹板。在中央澆鑄通道的兩側有一些輔助澆鑄通道，這些通道在背離中央澆鑄通道的方向上變寬。這些輔助或膨脹澆鑄通道用來形成工字梁異形坯的翼緣或翼緣先驅物的內側部分。每一個膨脹澆鑄通道匯合成一個大體為矩形的終端澆鑄通道，用來形成工字梁異形坯的翼緣或翼緣先驅物的外側部分。
早先對成形截面鑄件的償試，準確地說是對工字梁異形坯的鑄造償試最早報道于約1961年(N.N.Guglin,A.K.Provoring,G.F.Zasetskey和B.B.Gulyaev在1961年的Stal中作了報道)，其內容是在實驗室規(guī)模上制造出的帶有兩個厚度不等(分別為30和40毫米)的支腿的僅僅125°的寬傾斜截面。該鑄件的截面約為127cm2。這些實驗最初并未顯示出用于連續(xù)鑄造方法的可行性。
某些其它實驗室工作后來曾由英國鋼鐵研究協(xié)會(BISRA)在其謝菲爾德實驗室內完成(H.S.Marr,B.Witt、B.W.H.Marsden和R.I.Marshall，鋼鐵學會雜志，1966年12月)，生產出的成形截面鑄件，包括有工字梁異形坯。英國專利第1049698號(1965)描述了對稱和非對稱的型材，這些型材包括與一般可以粗略地稱為鋼軌型截面，漏斗型截面和工字梁型截面近似的構形體。工字梁型截面鑄件的截面面積平均為670cm2，其尺寸為464×254×76[腹板長度×翼緣高度×翼緣厚度，單位為毫米(18-1/4英寸×10英寸×3英寸)]另外，BISRA與阿爾戈馬鋼鐵公司(有限)(Algoma SteelCorporation,Ltd，地處加拿大、安大略省、蘇圣瑪麗)所進行的研究工作研究了采用英國專利1049698號中公開的技術將鑄造的工字梁異坯軋制成通用寬緣工字梁的可能性。1968年在阿爾戈馬安裝了一臺用于連續(xù)鑄造這種工字梁異形坯的工業(yè)用雙流裝置。由這種裝置鑄造的工字梁異形坯的截面面積平均為845-1435cm2，具有各種組合尺寸，其中包括有451×305×102；559×267×102；775×356×102；673×260×102；和1164×356×102，大部分都具有近似的工字梁型橫截面。
隨后至1968年這段時間，曾安裝了許多特別用于生產工字梁異形坯的成形截面連續(xù)鑄造裝置，這些裝置曾生產出三種著名型式的橫截面坯件中的一種或更多種坯件。這些裝置包括許多日本裝置，其中有川崎鋼鐵公司在日本岡山水島安裝的四流大型鋼坯和工字梁異形坯鑄造機(工字梁異形坯的截面面積平均為1155cm2，其尺寸為460×400×120和560×287×120)；東京鋼鐵制造有限公司在日本四國Kohchi制作所安裝的單流裝置(工字梁異形坯的截面面積平均為820cm2，其尺寸為445×280×110；在日本姬路Yamato Kygyo KK的姬路制作所安裝的單流裝置(工字梁異形坯的截面面積平均為1100cm2，其尺寸為460×370×140)；和在日本福山Nippon Kohan kk的福山工廠安裝的四流工字梁異形坯裝置(工字梁異形坯的截面面積平均為1145-1165cm2，其尺寸為480×400×120)，以及許多歐洲和蘇聯(lián)的裝置，其中包括在西德Huckingen-Duisbury曼內斯曼股份公司冶煉廠安裝的裝置(工字梁異形坯的截面面積平均為460cm2，其尺寸為350×210×80)；“蘇聯(lián)鋼鐵”1975年第11期上由O.V.Martynov,A.I.Mazun,IB.Forlova,S.M.Gorlov和L.S.Nechaev撰文介紹的蘇聯(lián)圖拉研制發(fā)展工程(Research Development Works)的裝置(工字梁異形坯的截面面積平均為550cm2，其尺寸為245×310×130，腹板長度短于翼緣高度)；1976年第7期上由V.T.Sladkoshteev,M.S.Gordienko、N.F.Gritsuk,R.V.Potanin和L.D.Kutsenko撰文介紹的蘇聯(lián)烏克蘭金屬研究院的裝置(工字梁異坯的截面面積平均為520cm2，其尺寸為415×284×50)；和聯(lián)合工國特倫特河畔斯托克，英國鋼鐵公司綜合鋼鐵部的裝置(工字梁異形坯的截面面積平均為790cm2，英尺寸為286×355×178mm[11-1/2″×14″×17″]，其腹板長度短于翼緣高度)。
人們在各種各樣的文章和論文中，還發(fā)表了其他有關成形截面鑄件和用于生產工字梁異形坯(包括其他截面的坯料)的成形截面鑄件的連續(xù)澆注裝置的評論。其中有G.S.Lucenti在“鋼鐵工程師”中(1967年7月)，Y.Yagi,H.Fastert和H.Tokunaga在1975度鋼鐵工程師協(xié)會(AISE)年會中(俄亥俄州，克利夫蘭)，K.Ushijima在“ISIJ學報”(1975年)第15期中；T.Saito,M.Kodama和K.Komoda在“國際鋼鐵”第48期(1975年10月)中；以及W.Puppe和H.Schenck在“鋼鐵95”第25期中(1975年12月4日)都發(fā)表了有關這方面的評論。
哈特曼的歐洲專利申請第0297258號(已轉讓給SMS Schloemann-Siemag股份公司)公開了一種用于“梁軋制的預成型件(連續(xù)鑄造的工字梁異形坯)的連續(xù)澆注的鑄模，它與鑄模腹板部分中的浸入式澆注水口一起使用。該鑄模可任意地調整而與腹板高度、腹板厚度和翼緣厚度無關，以使上述三個尺寸都能變化從而生產出一種由一個腹板和兩個翼緣構成的工字梁異形坯。哈特曼鑄模在腹板區(qū)域還構形成包括有一個變寬的弓形或凸出的金屬進口區(qū)域，以便于熔融液通過浸在溶池液面下面的澆鑄浸入管流入，并使坯件端部區(qū)域的澆鑄金屬形成良好的分布。哈特曼沒有揭示腹板厚度與可以論證通過使用該鑄模能夠鑄造出的翼緣先驅物的寬度之間的關系，對實際上可以用該鑄模制造的有限數(shù)量產品的最大腹板厚度和/或最大翼緣或翼緣先驅物的厚度也沒有作任意揭示或暗示。
哈特曼提到的文獻DE-AC 2218408公開了一種鑄模，其中使熔化的鋼液從中間模槽通過浸入式澆注浸水口流入該鑄模的腹板部分內?？烧{整該鑄模來改變翼緣厚度，但不改變腹板高度或腹板厚度。
由于需要控制已知的工字梁異形坯所遇到的應力和裂紋問題，還曾公開過其它特定的鑄模構形。1986年1月21日頒發(fā)給Masui等人的美國專利證書第4565236號介紹了利用型腔避免在工字梁異形坯介于腹板和翼緣先驅物部分之間的圓角部分中形成裂紋的方法，該型腔在澆鑄方向上在其腹板部分配置有一個尖錐體，在澆鑄方向上型腔彎曲的圓角部分的曲率1/R是可變化的。曲率的變化要根據工字梁異形坯流疑固殼的自由收縮量的大小來決定(理論上是這樣的)。Masui等人聲言他們的發(fā)明在大尺寸或腹板高度超過775mm的工字梁異形坯的鑄造中有特別重要的意義(10、11兩欄53-65頁；圖9,H=腹板高度)，并且是提供帶有大于500mm的內側腹板高度(圖9,W=內側腹板高度)的工字梁異形坯所需要的結構方式。在Masui等人的專利中沒有試圖通過控制工字梁異形坯各個部分的最大厚度或者這些部分相互之間關系來避免這些問題的內容。
連續(xù)鑄造的成形截面工字梁異形坯的商業(yè)好處在于能夠用供給該方法和設備的一爐或多爐鋼水來生產一系列的工字梁異形坯，生產持續(xù)時間的長短可以由制造廠家來決定，而無需先鑄造方坯，進行再加熱，然后使該方坯經受必須的加工處理。如此，從要生產一種要比用鑄錠或方坯鑄件獲得的構形更接近成品所需要構形的鑄造成品的觀點來看，確實達到了節(jié)省能量的目的。
眾所周知的還有，通過將熔化狀態(tài)的金屬連續(xù)地澆注進具有可以稱為“犬骨”狀橫截面，即漏斗型橫截面的一種變更截面的連續(xù)鑄造鑄模中的方式來生產工字梁異形坯。1989年2月21日頒發(fā)給Lorento的美國專利證書第4805685號介紹了采用連續(xù)鑄造方式生產“犬骨”狀工字梁異坯的已知實際作法中的一個特定的實例。商業(yè)性裝置生產出了一種“犬骨”狀工字梁異形坯，它具有至少4英寸厚的腹板和尺寸及厚度更大的翼緣或翼緣先驅物部分。
上述所有常規(guī)的生產方法以及用這些生產方法生產出的工字梁異坯都有這樣的缺點，即工字梁異形坯的膨脹端部分、即翼緣先驅物部分，由于橫截面面積相對于工字梁異形坯的腹板部分增大了，因而需要增加熱軋道次以獲得成品梁要求的翼緣結構。這就大大增加了生產這種梁的復雜性及總成本，尤其是能量成本。此外，還需要成本高的大型熱軋機或軋機機座來獲得工字梁異形坯的膨脹端部分所需的壓下量，以及需要冷軋機或軋機機座設備來進行精加工操作(弄直和截成一定的長度)，所有這些都需要有龐大的基建投資。現(xiàn)有技術中已知的各種連續(xù)鑄造成形的工字梁異形坯也必須經受基本的熱加工程度，這不僅是要獲得成品梁所需要的尺寸，而且是要提供目前成品結構構件中要求的金屬所需的冶金結構和性能(包括結晶在內)。
例如，BISRA的實驗室工作顯示要轉變鑄態(tài)成形工字梁異形坯的結構以得到最終的成品尺寸以及獲得必要的冶金性能需要有至少6∶1的熱加工壓縮量(H.S.Mart等人，同上文)。對于一系列的成品工字梁尺寸，實際的壓縮量過高，平均約介于8∶1至10.5∶1之間軋制梁尺寸 面積 面縮率英寸 毫米 平方厘米H×B H×B14×6-3/4 356×17164.5 10.4∶116×7 406×17876.1 8.8∶116×7 406×17868.4 9.8∶118×7-1/2 457×19185.1 7.9∶1H=成品梁高度(腹板長度+每個翼緣的厚度)B=成品翼緣的寬度阿爾戈馬鋼鐵公司的設備要求必須進行的進一步熱加工具有等效水平，其壓縮量范圍為6∶1至17.5∶1。工字梁異 經軋制的梁尺寸形坯尺寸 英寸毫米(mm)面積(cm2) 面縮率H×B H×B12×10305×254100.68.4∶112×10305×254110.37.7∶112×8 305×20376.1 11.1∶112×8 305×20385.1 9.9∶112×8 305×20394.8 8.9∶1[173/4＂ 12×6 1/2 305×16551.0 16.6∶1×12×6 1/2 305×16558.7 14.4∶112＂×4＂,12×6 1/2 305×16568.4 12.4∶1845 cm2]14×8 356×20381.3 10.4∶1
14×8356×20390.99.3∶114×8356×203100.6 8.4∶114×6 3/4356×17156.814.9∶114×6 3/4356×17164.513.1∶114×5 3/4356×17172.211.7∶118×7 1/2457×19176.111.5∶118×7 1/2457×19185.110.3∶118×7 1/2457×19194.89.2∶118×7 1/2457×191104.5 8.4∶1[22＂× 18×7 1/2457×191114.2 7.6∶110 1/2＂ 16×7406×17860.614.4∶1× 4＂ 16×7406×17868.412.8∶1873cm2] 16×7406×17876.111.5∶116×7406×17885.110.3∶116×7406×17894.89.2∶116×5 1/2406×14049.717.6∶116×5 1/2406×14058.714.9∶124×9610×229129.0 11.1∶124×9610×229144.5 9.9∶1[30 1/2＂ 24×9610×229159.3 9.0∶1×14＂ 24×9610×229178.0 8.1∶1×4＂, 24×12 610×305189.6 7.6∶11434 cm2]24×12 610×305209.06.9∶124×12 610×305227.7 6.3∶1類似地，川崎水島的設備也需要約9.5∶1至18∶1的熱加工壓縮量，以獲得具有要求的尺寸和必要的冶金性能的成品工字梁軋制梁尺寸面積 壓縮率英寸(mm) 平方厘米H×B (cm2)300×300119.89.6∶1350×25092.2 12.5∶1350×250101.511.4∶1350×200400×20084.1 13.7∶1300×20072.4 16.0∶1350×17563.1 18.3∶1雖然已知的成形連續(xù)澆鑄工藝公開了種種工字梁異形坯的尺寸和構形，但現(xiàn)有技術中并沒有介紹或揭示鑄態(tài)工字梁異形坯的任一參數(shù)之間的任何有意的或公認的相互關系。特別是缺少對坯件腹板部分的平均厚度所受到的限制、坯料翼緣先驅物部分的平均厚度所受到的限制、或翼緣先驅物部分的平均厚度和腹板的平均厚度之間所受的任何限制或相互關系、或者坯料腹板平均厚度所受限制和坯件翼緣先驅物部分平均厚度所受限制、或者進一步包括翼緣先驅物部分的平均厚度和腹板平均厚度之間相互關系三方面組合情況的介紹或揭示。
先有技術連續(xù)鑄造的工字梁異形坯都至少有一個4英寸厚的腹板部分，而不管總的坯料形狀是否是鋼軌型截面、漏斗型截面、亦或工字梁型截面。這些坯件也有很厚的翼緣先驅物部分。所生產坯料的笨重性在某種程度上是先有技術基本上要進行費用大的熱軋截面壓縮和形狀變更的主要原因。這種坯料還呈現(xiàn)出如果要進行基本的進一步熱加工就無法接受的鑄態(tài)冶金性能，在大多數(shù)情況下，這種熱加工是在可以得到結構構件要求的最終尺寸之前實施的。通過進一步的熱軋保存需要的冶金性能在大多數(shù)情況下證明是很困難，在許多情況下是不可能的。
現(xiàn)有的連續(xù)鑄造工字梁異形坯和工字梁異形坯的鑄造技術還受到實施澆鑄操作所需要進行的已知工藝的限制。由于薄型板坯的鑄件要求商業(yè)性的連續(xù)澆注速度和鑄態(tài)坯件的商業(yè)性質量，現(xiàn)有技術曾介紹過使用浸入式水口的情況。所公開的各種浸入式注口結構，例如歐洲專利申請第0336158號中公開的浸入式水口結構，在這樣的澆鑄工藝中是有用的。
由于連續(xù)澆鑄的鑄模中的空間互相關系，以及在商業(yè)性操作中需要的也是必需的高澆鑄速度，當用薄的板坯鑄件操作生產薄型型鋼時要獲得恒定的受控固化速率是很困難的。這常常導致在澆鑄的某些鋼號中出現(xiàn)縱向裂紋，這就是呈現(xiàn)出嚴重的質量和完整性問題。為避免這個問題，曾有人論述說必須使用一種特定配方的鑄造粉末。請參見H.J.Ehrenberg等，“Controlling of Thin slabs at theMannesmannrohren-Werke AG,MPT International,12,3/89,P52。
可見，已知技術要求使用在鑄模斷面中澆注的浸入式水口和鑄造粉末，在要求薄型型鋼時尤其如此。雖然現(xiàn)有技術中沒有作介紹，但有關工字梁異形坯使用薄板坯鑄件概念的任何償試都必須使用浸入式水口澆注和鑄造粉末。
每一種已知的現(xiàn)有連續(xù)鑄造工字梁異形坯或預成型坯，以及生產這些坯件的技術都存在許多嚴重的缺陷和問題。在所有已知的現(xiàn)有連續(xù)鑄造工字梁異形坯中，腹板厚度基本上都超過3英寸，通常超過4英寸。這些坯料的“眼位”部分(或翼緣先驅物部分)相對于所述腹板部分都過于厚重。在以先有技術中已知的方式連續(xù)鑄造這些工字梁異形坯時的金屬冷卻和固化過程中，會在液態(tài)金屬中形成溫度梯度。這些溫度梯度會促進柱狀晶結構的形成。因此，工字梁異形坯常常具有脆弱平面的微觀結構特征，這種脆弱平面貫穿整個橫截面，導致冶金性能低劣，延展性和韌性尤其如此。
同樣，通過使用已知的軋機機座型設備的常規(guī)軋制技術進行熱加工的次數(shù)也是非常重要的，其次數(shù)平均超過15道次，需要時可高達32道次。所需的軋制設備的基建投資是很龐大的，而達到所需要很多道次的時間和耗用能量亦不是無關緊要的。通過軋制規(guī)范獲得和保持需要的冶金性能是很復雜的。坯件的腹板部分經常出現(xiàn)不希望有也無法控制的延伸率過高或過低的情況，而且這種情況是難以準確地預測和控制的。此外，梁的翼緣先驅物和翼緣部分出現(xiàn)撕裂也是一個一直存在的嚴重問題，腹板部分的屈曲亦是如此。對澆注點和澆鑄工藝的限制是很嚴格的敞開澆注必須澆注到對應于已知坯料結構厚重“眼位”部分之一的近似中心的鑄模區(qū)域內。
目前，還沒有鑄態(tài)工字梁異形坯中腹板和翼緣部分之間任何關系以及如何簡便地使工字梁異形坯或成品獲得所需要的冶金性能方法的介紹，也沒有披露過任何有關工字梁異形坯的腹板厚度與翼緣先驅物部分厚度之間關系的技術內容，無論是控制或不控制腹板或翼緣的最大厚度的情況。
因此，需要達到如下條件的一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯和生產這種坯件的工藝1．使坯料近似于成品梁的形狀和構形或者所需要的其它結構形狀
2．為了達到需要的成品尺寸必須把熱軋道次或工序的次數(shù)減至最少，這樣又會使生產這種坯件所要求的基建投資減至最小，并將顯著地減小標志先有技術工藝的特征的最大能量成本；3．以可能的最少的軋制工序提供需要的冶金性能，并通過所需的最少的輔助軋制工序來保持這些性能以便達到成品尺寸，為了獲得理想的冶金性能所要求的工序數(shù)要遠小于已知的工字梁異形坯及其工藝要求的工序數(shù)；4．不要求使用浸入式澆注技術，也不要求使用鑄件粉末；5．不但控制腹板厚度和翼緣先驅物厚度之間的相互關系，以實現(xiàn)對所要求的加工和使翼緣的撕裂及腹板部分不希望有的延伸率和/或屈曲以及所導致的坯料扭曲減小到最小程度的控制，而且因鑄模內的快速固化提供附帶有益的冶金性能。
市場上還設有連續(xù)鑄造的工字梁異形坯，或者設有生產這種坯料的工藝，能達到如下顯著的綜合的有利條件以最少的軋制道次獲得成品的形狀和理想的冶金性能，且腹板設有不利的伸長或屈曲或翼緣撕裂現(xiàn)象；能夠使用敞口澆注技術和避免使用必須要用的浸入式澆鑄技術和/或鑄造粉末，甚至在要求薄型截面腹板的場合下亦是如此，和成品梁具有改進的冶金特征，并可通過所需熱軋道次數(shù)的控制來保持這些冶金特征以達到成品尺寸及其構形。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯，這種坯料隨后可以通過一系列熱軋操作的壓縮而軋制成梁，這些熱軋操作所需的設備比常規(guī)作法小，所需的費用也較低，而且在制造這種成品構件時，既省時又節(jié)省能量。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種連續(xù)鑄造的工字梁異形坯，其中其組分和顯微組織受到控制以提供一種具有成品尺寸的梁，用這種坯件制造的這種成品梁，與常規(guī)工藝生產的成品梁相比，具有理想的冶金性能。
廣義地說，本發(fā)明提供了一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯，它包括有一個腹板部分和多個從腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物。腹板部分具有不大于3英寸的平均厚度，每個翼緣先驅物部分具有不大于3英寸的平均厚度。本發(fā)明的進一步變型提供了一種坯料，其中提供了最大尺寸的腹板和翼緣，而翼緣先驅物部分的平均厚度與腹板部分的平均厚度的比值在約0.5∶1至約2∶1之間。這樣有利于降低為獲得需要的機械性能所要求的壓縮量(通常約3∶1)，同時建立理想的也是要求有的冶金性能。通過選擇和保持腹部厚度、翼緣先驅物厚度、最好還有翼緣先驅物部分的厚度與腹板厚度之比值，這就為工字梁異形坯和成品梁結構兩者提供了有利的顯微組織。先驅物的鑄態(tài)顯微組織和冶金性能的關系是非常密切的，以致用最低程度的進一步熱加工規(guī)范就可達到更適合于結構構件的成品形式。實際上，用本發(fā)明的工字梁異形坯，以基本上與達到所需成品尺寸所要求的熱軋道次同樣多的次數(shù)，就可以獲得最終的顯微組織。為完成成品的尺寸加工所需要進行的幾次輔助熱軋道次并不會對提供的冶金性能造成不利的影響，這是本發(fā)明對先有技術的一個顯著的改進。
腹板部分和翼緣先驅物部分每個都可以有1-1/2至3英寸范圍的厚度。工字梁異形坯的每個翼緣先驅物部分都可以有基本上相等的厚度。腹板部分的厚度可以大于每一個翼緣先驅物部分的厚度，或者每一個翼緣先驅物部分的厚度可以大于腹板部分的厚度。
可以從工字梁異形坯腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，每個翼緣具有基本上平行的側邊。腹板部分的側邊也可以是平行的。兩個翼緣先驅物部分在腹板部分的每一端可以由它們各自的縱向中心線之間所夾的角度分開，該角度的范圍為30°-180°。
此處所用術語“工字梁異形坯”是想表示一種鑄態(tài)的連續(xù)金屬成型件，它包括腹板和翼緣先驅物或預成型部分，經過進一步的加工工序后，就可生產出一種具有成品尺寸和構形的工字梁。
此處所用術語“接近成品形狀的梁”是想表示一種鑄態(tài)的連續(xù)金屬成型件，它包括腹板和翼緣先驅物或預成型部分，通過經受總數(shù)不超過15個熱軋道次的必要的熱加工，該成型件可以轉變成具有最終加工尺寸的成品梁制品。特別是，該術語是想表示這樣一種連續(xù)的金屬成型件，其中(ⅰ)腹板和翼緣各自都有1-1/2至3英寸范圍的厚度；(ⅱ)工字梁異形坯的每個翼緣都具有基本上相等的厚度；(ⅲ)從工字梁異形坯腹反部分的每一端伸出兩個翼緣，每個翼緣具有基本上平行的兩個側邊；(ⅳ)腹板部分的側邊也可以是平行；(ⅴ)在腹板部分每一端的兩個翼緣由一個范圍為30°至180°的角度分開。
此處所用術語“連續(xù)鑄造態(tài)的”是想表示在沒有任何熱加工操作情況下連續(xù)鑄造后因冷卻所產生的結構。這是一種在連續(xù)澆鑄操作后立刻冷卻和固化的連續(xù)鑄造的工字梁異形坯結構。
本發(fā)明的工字梁異形坯由于腹板部分和所有翼緣先驅物部分在鑄模中較快和較均勻的固化而為成品梁提供了理想的冶金性能。在以標準的商業(yè)連續(xù)澆鑄速度澆鑄時，腹板部分和翼緣先驅物部分受到控制的最大厚度使較均勻的熱傳遞能夠以基本上同樣的速率從坯件的各個部分出現(xiàn)，這可在整個金屬件上產生出均勻的比現(xiàn)有技術的工字梁異形坯更細的晶粒?？焖俟袒煞乐钩霈F(xiàn)不希望有的晶粒長大，而整個梁的構形和尺寸也有助于防止在進一步的加工過程中晶粒長大，這可避免降低屈服強度和拉伸強度，并能夠保持韌性。所需要的顯微組織在熱軋規(guī)范中要比使用現(xiàn)有技術的坯件時早出現(xiàn)，通常是在約3∶1的壓縮量時即完成了。(已知的現(xiàn)有技術的坯件要達到同樣的臺金性能需要不小于約6∶1的壓縮量)。
本發(fā)明還提供了一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯，它包括一個腹板部分和多個從所述腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物部分，所述腹板部分具有不大于約3英寸的平均厚度，所述翼緣先驅物部分的每一個也具有不大于約3英寸的平均厚度，其中工字梁異形坯是通過將單股熔融金屬流在工字梁異形坯鑄模中形成所述坯件腹板的鑄模部分內接近所述腹板的所述端之一的位置敞開地澆注進所述鑄模中而連續(xù)地澆鑄成的。翼緣先驅物部分的平均厚度與所述腹板部分平均厚度之比值可以介于約0.5∶1至約2∶1之間。
本發(fā)明還進一步提供了一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯，它包括一個腹板部分和多個從所述腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物部分，所述腹板部分具有不大于約3英寸的平均厚度。所述翼緣先驅物部分的每一個也具有不大于約3英寸的平均厚度，其中工字梁異形坯是由兩股獨立而同時澆注的熔融金屬流連續(xù)鑄造而成的，每股所述金屬流在工字梁異形坯鑄模中形成所述坯件腹板的鑄模部分內接近所述腹板部分的所述端之一的位置敞開地澆注進所述鑄模中。同樣，翼緣先驅物部分的平均厚度與所述腹板部分的平均厚度之比值可以介于約0.5∶1至約2∶1之間。
本發(fā)明還為本發(fā)明的連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯的生產廠家提供了某些經改進的方法。首先，在一種連續(xù)地澆鑄工字梁異形坯的方法中，該坯件包括有一個腹板部分和多個從腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物部分，其改進之處是通過將一股熔融金屬流在工字梁異形坯的鑄模中形成該坯件腹板的鑄模部分內接近腹板所述端之一的位置敞開地澆注進該鑄模中而澆鑄出該工字梁異形坯，該腹板部分具有不大于3英寸的平均厚度。
其次，在一種連續(xù)地澆鑄工字梁異形坯的方法中，該坯件包括一個腹板部分和多個從腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物部分，其改進之處是用兩股獨立而同時澆注的熔融金屬流來鑄造該工字梁異形坯，每股金屬流在工字梁異形坯的鑄模中形成該坯件腹板的鑄模部分內接近所述腹板部分的所述端之一的位置敞開地澆注進該鑄模中，腹板部分具有不大于3英寸的平均厚度。
本發(fā)明的連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯的腹板部分和翼緣的晶粒結構是細的鐵素體+基本上沒有針狀鐵素體的珠光體+晶界上的鐵素體膜。這種“細的鐵素體+基本上沒有針狀鐵素體的珠光體+晶界上的鐵素體膜的晶粒結構”是用來給本發(fā)明的鑄態(tài)結構下定義的。附圖2的金相照片表示出本發(fā)明的鑄態(tài)結構的特征。此結構為先有技術的大型鋼坯或方坯鑄件經快速冷卻的外表部分所特有的，該部分與由圖3和4中所示出的在已知工字梁異形坯內部產生的晶粒結構是不同的。這些圖示出了一種具有很大粒度的針狀鐵素體的常規(guī)連續(xù)鑄態(tài)的顯微結構，而且先共析鐵素體的晶界勾畫出先前的奧氏體晶粒。
術語“基本上沒有”是想表示在本發(fā)明的連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異坯中可以存在不影響其性能的少量針狀鐵素體和珠光體。
當使用方坯作為工字梁異形坯的起始成形件時，要經過熱軋軋機的次數(shù)必須高達72道次才能使結構構件產生理想的冶金性能、成品尺寸及構形。如果“犬骨”型連續(xù)鑄造工字梁異形坯用作起始成型件，則必須經過高達32道次的軋制。通常經過熱軋軋機15道次的軋制后就可獲得理想的冶金性能，而余下的道次必須用來將坯件軋制到成品尺寸和構形。不過，“犬骨”坯件在軋制時對不易延伸很敏感，所以該技術一直困擾著這種梁的制造，其延伸不好會導致翼緣撕裂和/或腹板延展過度或屈曲。軋制“犬骨”狀坯件的理想道次也需要同樣龐大的基建投資和昂貴的能量成本，這是先有技術的坯料及其生產所特有的。
不過，本發(fā)明的工字梁異形坯能夠以最少的道次制成需要的成品梁；通常經過少于15道次的熱軋-這是獲得理想的冶金性能必須有的最少量的加工-就可獲得最終的成品形狀，這和約3∶1的壓縮量是一致的。同樣，本發(fā)明的工字梁異形坯的構形由于比現(xiàn)有技術的坯件更接近所需要的成品梁的形狀，因而可以在軋制過程中最大程度地減小金屬上的應力和應變，這又會減小不均勻翼緣/腹板的延伸性、翼緣的撕裂和腹板的屈曲。
為獲得理想的成品形狀和冶金性能將必須的軋制道次減小到最低限度將會大大地減少實施本發(fā)明工藝，即生產成品梁必需的基建投資。還導致能量的大量節(jié)省，而且，由于道次減少了，操作工序也顯著地減少了，這又會增加本發(fā)明坯件進一步加工到最終產物的潛在輸入量/生產量，而無需增加連續(xù)鑄造生產線或設備的數(shù)量。
雖然本發(fā)明用于敞口式澆鑄技術是最佳的，而且最好還同時使用菜子油或等效油料潤滑劑/阻擋層以控制氧化(以此條件進行澆鑄)，但是也應該考慮到，作為一種選擇方案，還可以使浸入式澆鑄技術，如果愿意的話，還可使用鑄造粉末，但這些技術都不是必需的。
因此，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯及其制造方法的上述不足和缺陷。


圖1是本發(fā)明連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯橫截面示意圖；圖2是本發(fā)明連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯的晶粒結構的金相照片，該種晶粒結構是細的鐵素體和基本上設有針狀鐵素體的珠光體和晶界上的鐵素體膜。
圖3是常規(guī)連續(xù)鑄造態(tài)的鋼坯的金相照片；圖4是常規(guī)連續(xù)鑄造態(tài)的方坯的金相照片；圖5是在各種溫度下，常規(guī)的工字梁異形坯與本發(fā)明的一個工字梁異坯的擺錘式沖擊值的比較條形圖；圖6是常規(guī)的工字梁異形坯異形坯與本發(fā)明的工字梁異形坯的拉伸性能的比較條形圖。
參見附圖中的圖1，該圖示意地示出了一個構成本發(fā)明一個實施例的連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯，它用標號10表示。工字梁異形坯10有一個腹板部分12和從腹板部分的相反的兩端伸出的對置翼緣14、16和18、20。從工字梁異形坯的腹板部分12的相反的兩端中的每一端伸出的翼緣都可以由一個由它們各自的縱向中心線所夾的介于約30°至約180°的角度分開。腹板厚度、翼緣先驅物厚度、腹板厚度與翼緣先驅物厚度的比值，以及翼緣先驅物的分離夾角都必須保持不變以確保在對工字梁異坯進行連續(xù)鑄造的過程中足夠快的冷卻，從而在這些翼緣的整個橫截面面積上獲得細的鐵素體和基本上沒有針狀鐵素體的珠光體和晶界上的鐵素體膜的晶粒結構。另外，翼緣先驅物部分的內側或內表面將比工字梁異形坯的其余部分冷卻慢，從而導致大量出現(xiàn)上面所述并在圖3和4中示出的晶粒結構。
如圖1所示，腹板部分的厚度A可以與翼緣14、16、18和20的厚度B和C一樣，在此實施例中，這些翼緣的厚度B和C基本上與其大體上是平行的側邊B1、B2和C1、C2相等。對于圖1中示出的工字梁異形坯的鑄態(tài)尺寸和構形，在連續(xù)鑄造期間熔化的金屬可以獲得足夠快和均勻的冷卻以確保在工字梁異形坯的整個模截面上產生理想的晶粒結構，即細的鐵素體和基本上沒有針狀鐵素體的珠光體和晶界上的鐵素膜的晶粒結構。
眾所周知，在工字梁異形坯的連續(xù)鑄造中，采用了其內部構形與所需要的成品工字梁異形坯橫截面一致的無逆流水冷式銅質連續(xù)澆鑄鑄模。由于在冷卻過程中熔融合金的收縮，常規(guī)的作法是使連續(xù)澆注鑄模制備有向澆鑄方向逐漸的壁，因而得以補償在熔融合金通過鑄模的過程中漸漸冷卻和固化的效應。鑄模的出口端與從鑄模中冒出的成品工字梁異坯所需要的橫截面尺寸和構形一致。
一旦本發(fā)明的連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯最終冷卻和固化后(見圖1)，其晶粒結構將如構成圖2金相照片中所示的典型結構。從圖2的金相照片中可以看出，該顯微結構是細的鐵素體和基本上沒有針狀鐵素體的珠光體和晶界上的鐵索體膜。實例作為證實本發(fā)明的一些特定實例，下面本發(fā)明的實驗性連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯是用表Ⅰ所列鋼成分制成的。
表Ⅰ熔煉爐號#c Mn P S Si Cu Ni Cr Mo Sn Fe試驗型號18-4499.14.85.009.031.24.27.11.13.033 011余量試驗型號28-4731.16.79.010.033.25.25.09.08.022 010余量表Ⅰ中所列成分的試驗型號1共生產了56個工字梁異形坯試件、試驗型號2共生產了72個工字梁異形坯試件，所有這些試件都具有圖1所示的近似形狀。在試驗型號1中，工字梁異形坯的連續(xù)鑄造態(tài)的翼緣厚度是2.5英寸，腹板厚度是2英寸。試件大約3.7英寸寬。在試驗型號2中，工字梁異形坯的連續(xù)鑄造態(tài)的翼緣厚度是3-1/2英寸(平均值)，腹板厚度是4英寸。這些試件在燒天燃氣的爐中加熱到約2300°F以便進行熱軋，試件的熱軋加工溫度的范圍從軋制到1.7至2.5壓縮率的試件適用的1960°F至具有更高壓縮率，例如8.5的試件適用的小于1400°F的溫度值。對熱軋過的試件所做的質量檢查顯示其具有良好的整個試件外表而沒有出現(xiàn)邊緣裂紋或撕裂。試件的寬度在軋制后約為4英寸，其增加的長度與厚度縮小量成正比。
試驗型號1的試件的擺錘式沖擊值(圖5)和拉伸試驗值(圖6)是分別根據ASTM-A673和ASTM-A370標準測定的。用來與由試驗型號2的成分制成的常規(guī)成品的沖擊數(shù)據和拉抻試驗數(shù)據作比較。比較結果由圖5和圖6中的條形圖示出。從這些數(shù)據中可以看出，本發(fā)明的試件呈現(xiàn)的機械性能要優(yōu)于或等于常規(guī)成品的性能。本發(fā)明的試件獲得這些性能，其熱軋過程中的壓縮率只有大約2比1的數(shù)值，而現(xiàn)有技術的試件則需要約6比1的壓縮率。由上面討論可知，本發(fā)明通過降低所需的壓縮率來獲得理想的機械性能的做法，可以在加工工序和軋制設備的要求方面都獲得好的經濟性。
雖然已經導出了本發(fā)明的一些特定實施例和本發(fā)明人為實施該發(fā)明設想出的最好方法，但是當然應該理解到，本發(fā)明并非局限于這些，因為熟悉本技術的人員可以對其做出許多變更，尤其是在看了前面的介紹后更是如此。因此，可以認為權利要求書覆蓋結合有構成在本發(fā)明的本質精神和范圍內所作改進的實質特征的任何這種變更型。
權利要求
1．一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯制成的梁，所述工字梁異形坯包括一個腹板部分和多個從所述腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物部分，所述腹板具有不大于約3英寸的平均厚度，所述翼緣先驅物部分的每一個具有不大于約3英寸的平均厚度。
2．如權利要求1所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于翼緣先驅物部分的所述平均厚度與所述腹板的所述平均厚度的比值在約0.5∶1至約2∶1之間。
3．如權利要求1所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多個翼緣先驅物部分的每一個都有約1-1/2至約3英寸范圍的平均厚度。
4．如權利要求2所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多個翼緣先驅物部分的每一個都有約1-1/2至約3英寸范圍的平均厚度。
5．如權利要求1、2、3或4所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度大于所述多個翼緣先驅物部分的每一個的平均厚度。
6．如權利要求1、2、3或4所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度小于所述多個翼緣先驅物部分的每一個的平均厚度。
7．如權利要求1、2、3或4所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多個翼緣先驅物部分的每一個具有基本上相等的平均厚度。
8．如權利要求1、2、3或4所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分。
9．如權利要求1、2、3或4所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述翼緣先驅物部分的每一個具有基本上平行的側邊。
10．如權利要求5所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述翼緣先驅物部分的每一個具有基本上平行的側邊。
11．如權利要求6所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述翼緣先驅物部分的每一個具有基本上平行的側邊。
12．如權利要求7所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述翼緣先驅物部分的每一個具有基本上平行的側邊。
13．如權利要求8所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述翼緣先驅物部分的每一個具有基本上平行的側邊。
14．如權利要求9所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開。
15．如權利要求10所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開。
16．如權利要求11所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開。
17．如權利要求12所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開。
18．如權利要求13所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開。
19．一種連續(xù)鑄造的工字梁異形坯制成的梁，所述工字梁異形坯包括一個腹板部分和從所述腹板部分相反的兩端伸出的多個對置的翼緣先驅物部分，所述腹板部分具有不大于約3英寸的平均厚度，所述翼緣先驅物部分的每一個具有不大于約3英寸的平均厚度，其中所述工字梁異形坯是通過將單股熔融金屬流在工字梁異形坯的鑄模中形成所述坯件腹板的所述鑄模的部分內部接近所述腹板的所述端之一的位置敞開地澆注進所述鑄模中而連續(xù)地澆鑄出的。
20．如權利要求19所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述翼緣先驅物部分平均厚度與所述腹板部分平均厚度的比值介于約0.5∶1至2∶1之間。
21．如權利要求19或20所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多個翼緣先驅物部分的每一個都具有在約1-1/2至約3英寸范圍內的平均厚度。
22．如權利要求19或20所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述多個翼緣先驅物部分的每一個都具有基本上相等的平均厚度。
23．如權利要求19或20所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度大于所述多個翼緣先驅物部分的每一個的平均厚度。
24．如權利要求19或20所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度小于所述多個翼緣先驅物部分的每一個的平均厚度。
25．如權利要求21所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開，所述翼緣先驅物部分的每一個都還具有基本上平行的側邊。
26．如權利要求22所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開，所述翼緣先驅物部分的每一個都還具有基本上平行的側邊。
27．如權利要求23所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開，所述翼緣先驅物部分的每一個都還具有基本上平行的側邊。
28．如權利要求24所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出兩個翼緣先驅物部分，從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開，所述翼緣先驅物部分的每一個都還具有基本上平行的側邊。
29．如權利要求19或20所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于從所述腹板部分的每一端伸出的所述兩個翼緣先驅物部分由一個在約30°至約180°范圍內的角度分開，所述翼緣先驅物部分的每一個都還具有基本上平行的側邊。
30．一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯制成的梁，所述工字梁異形坯包括一個腹板部分和多個從所述腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物部分，所述腹板部分具有不大于約3英寸的平均厚度，所述翼緣先驅物部分的每一個具有不大于約3英寸的平均厚度，其中所述工字梁異形坯是由兩股獨立而同時澆注的熔融金屬流連續(xù)鑄造而成的，每股所述金屬流在工字梁異形坯的鑄模中形成所述坯件腹板的鑄模部分內接近所述腹板的所述端之一的位置敞開地澆注進所述鑄模中。
31．如權利要求30所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述翼緣先驅物部分的平均厚度與所述腹板部分平均厚度的比值介于約0.5∶1至約2∶1之間。
32．如權利要求30或31所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分和所述多個翼緣先驅物部分的每一個都有約1-1/2至約3英寸范圍的平均厚度。
33．如權利要求30或31所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述多個翼緣先驅物部分的每一個都具有基本上相等的平均厚度。
34．如權利要求30或31所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度大于所述多個翼緣先驅物部分的每一個的平均厚度。
35．如權利要求30或31所述的工字梁異形坯制成的梁，其特征在于所述腹板部分的平均厚度小于所述多個翼緣先驅物部分的每一個的平均厚度。
全文摘要
一種連續(xù)鑄造態(tài)的工字梁異形坯制成的梁,所述工字梁異形坯包括一腹板部分和多個從腹板部分相反的兩端伸出的對置翼緣先驅物部分,兩者都有不大于約3英寸的平均厚度;兩者平均厚度的比值最好在約0.5∶1至約2∶1之間;一種由上述坯件制成的梁;和一種用于澆鑄連續(xù)鑄造的該坯件的方法,它是通過將單股的或雙股獨立的同時澆鑄的熔融金屬流在該坯件鑄模中形成坯件腹板的部分內接近腹板部分兩端之一的位置敞開地澆鑄進該鑄模中;最后所得到的該坯件具有如下一種晶粒結構:細的鐵素體+基本上沒有針狀鐵素體的珠光體+晶界上的鐵素體膜。
文檔編號B22D11/12GK1231222SQ9910404
公開日1999年10月13日 申請日期1999年3月18日 優(yōu)先權日1990年4月20日
發(fā)明者戈登·E·福沃德, 利博·F·羅斯蒂克, 萊德·M·施梅爾素 申請人:查帕拉爾鋼鐵公司