BR112013013129B1 - método de eliminar completa ou parcialmente uma cavidade de contração em um lingote de metal - Google Patents

Abstract

método de eliminar completa ou parcialmente uma cavidade de contração em um lingote de metal. uma modalidade exemplar provê um método de eliminar completa ou parcialmente uma cavidade de contração em um lingote de metal em fusão por lingotamento com resfriamento direto. o método envolve fundir ok lingote de metal pela introdução de metal em fusão em um molde de lingotamento com resfriamento direto a partir de uma tubeira para formar um lingote perpendicular com uma superfície superior em uma altura predeterminada. ao término do lingotamento, a ponta inferior da tubeira é preferivelmente mantida abaixo da superfície superior no metal em fusão no centro da superfície do lingote, ou próximo a ele. o fluxo de metal através da tubeira termina, ainda mantendo calor suficiente dentro do metal e suprindo a tubeira para manter o metal em fusão para subsequente entrega através da tubeira. permite-se que uma cavidade de contração parcial se forme na superfície superior do lingote à medida que o metal do lingote retrai e contrai. preferivelmente, antes de a cavidade parcial expor a ponta inferior da tubeira, a cavidade de contração parcial é preferivelmente transbordada com metal em fusão, ao mesmo tempo evitando que todo ou uma quantidade significante do respingo de metal da cavidade parcial, e estão o fluxo de metal através da tubeira é terminado. as etapas de permitir que uma cavidade de contração parcial se forme na superfície superior e então, preferivelmente, transborde a cavidade de ponta inferior são repetidas, preferivelmente, até que nenhuma contração adicional do metal do lingote faça com que qualquer parte da superfície superior contraia abaixo da altura predeterminada. a tubeira é então retirada de contato com o metal em fusão do lingote e então se permite que todas as partes do lingote esfriem naturalmente até uma temperatura na qual o metal é completamente sólido.

Description

(54) Título: MÉTODO DE ELIMINAR COMPLETA OU PARCIALMENTE UMA CAVIDADE DE CONTRAÇÃO EM UM LINGOTE DE METAL (51) Int.CI.: B22D 7/12; B22D 15/04 (30) Prioridade Unionista: 22/12/2010 US 61/460,029 (73) Titular(es): NOVELIS INC.

(72) Inventor(es): MARK ANDERSON; TODD F. BISCHOFF; JAMES BOORMAN; WAYNE J. FENTON; DAVID SINDEN; JOHN STEVEN TINGEY; ROBERT BRUCE WAGSTAFF / 33 “MÉTODO DE ELIMINAR COMPLETA OU PARCIALMENTE UMA CAVIDADE DE CONTRAÇÃO EM UM LINGOTE DE METAL”

CAMPO TÉCNICO [0001] Esta invenção diz respeito à eliminação parcial ou completa de cavidades de contração em lingotes fundidos. Mais particularmente, a invenção diz respeito à eliminação parcial ou completa de tais cavidades que se formam durante lingotamento com resfriamento direto (RD) de lingotes de metal, especialmente (embora não exclusivamente) lingotes feitos de alumínio e ligas à base de alumínio.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] Lingotes de metal, especialmente aqueles feitos de alumínio e ligas à base de alumínio, podem ser formados por técnicas de lingotamento com resfriamento direto (RD) nas quais metal em fusão é alimentado na extremidade superior de um molde anular resfriado (normalmente retangular) como um suporte de lingote (uma assim denominada “barra falsa”) é gradualmente forçado a descer de uma posição inicial que fecha a extremidade inferior do molde. O molde resfria o corpo de metal em fusão no molde em torno de sua periferia até que a superfície periférica fique suficientemente sólida para se suportar e evitar vazamento de metal em fusão do centro quente do lingote. Desta maneira, à medida que o suporte do lingote desce gradualmente, o lingote cresce até um comprimento predetermino enquanto metal em fusão é continuamente introduzido no molde na z

extremidade superior. Água de resfriamento é normalmente vertida na superfície do lingote imediatamente abaixo da extremidade inferior do molde para melhorar o processo de resfriamento.

[0003] Uma vez que o lingote tenha atingido seu máximo comprimento, o suprimento de metal em fusão é interrompido e o suporte do lingote permanece fixo em um lugar suportando o peso do lingote. À medida que o lingote resfria e continua a solidificar, o metal contrai e diminui. Uma vez que

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 10/47 / 33 o resfriamento começa das superfícies periféricas do lingote, o núcleo do lingote na sua extremidade superior é a última parte a resfriar e solidificar, e contração do metal fica aparente a partir do surgimento de uma cavidade que se forma em uma posição central na superfície superior do lingote. Se esta cavidade for deixada após completo resfriamento do lingote, uma poção da extremidade superior do lingote é no geral cortada abaixo da cavidade para prover o lingote com uma superfície superior plana. Embora o metal cortado desta maneira possa ser reciclado, o procedimento, no entanto, é caro e ineficiente. Se a cavidade não for removida desta maneira, pode ocorrer um defeito conhecido como “rabo de peixe” durante a laminação do lingote. Isto envolve a formação de formas cônicas (parecendo com mandíbulas de um jacaré) estendendo-se das duas faces de laminação do lingote e eventualmente se agrupam à medida que a laminação continua para formar um laminado de duas camadas que tem que ser sucatado.

[0004] Antigamente, compensação da contração de metal era provida retendo-se um reservatório de metal em fusão acima da “superfície superior” nominal do lingote, de forma que metal em fusão adicional ficasse disponível para descer na cavidade à medida que a cavidade era formada. Como explicado, por exemplo, na patente US 3.262.165, que foi concedida a A. J. Inghan em 26 de julho de 1966, isto pode ser feito provendo-se a cabeça de um molde com paredes isoladas que podem ser parcialmente cheias com uma poça de metal em fusão que é mantida fundida pelo isolamento. Alternativamente, compensação da contração pode ser conseguida provendose revestimentos de topo quente flexíveis que novamente fornecem um espaço isolado acima do lingote para reter uma poça fundida de metal. Tais revestimentos são revelados, por exemplo, na patente US 4.081.168 que foi concedida a R. E. Atterbury em 28 de março de 1978. O uso de tais “topos quentes” não é conveniente para o processo de lingotamento com resfriamento direto e novamente pode resultar na necessidade de remoção do

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 11/47 / 33 excesso de metal da parte superior do lingote à medida que o próprio reservatório fundido resfria e solidifica em contato com o próprio lingote. [0005] Ingham na patente supraidentificada também sugeriu repetidas complementações de topo da massa em solidificação, isto é, adição de metal em fusão adicional na cavidade à medida que a cavidade se forma. Entretanto, esta solução geralmente não é possível em aparelho de lingotamento com resfriamento direto convencional em virtude de o metal em fusão nos canais e tubeiras acima do molde tender solidificar, uma vez que a operação de lingotamento principal tenha sido terminada, e, de qualquer forma, o tipo de controle preciso que permitiria enchimento da cavidade, ao mesmo tempo evitando respingo, não foi ainda no geral possível.

[0006] O pedido de patente europeu EP 0.150.670, que foi publicado em 2 de agosto de 1985 em nome de C. Alborghetti como o inventor revela um aparelho de lingotamento no qual o nível de metal no molde ou canal de vazamento, ou similares, é regulado medindo-se a magnitude de correntes parasitas induzidas no metal por meio de uma bobina de medição, a magnitude sendo proporcional à distância da bobina até o banho metálico. O monitoramento de tais distâncias é usado no lingotamento eletromagnético de alumínio, mas não com lingotamento com resfriamento direto.

[0007] A publicação da patente US 2010/0032455, que foi publicada em 11 de fevereiro de 2010 em nome de Cooper et al como inventores revela um sistema de haste de controle para uso no controle do fluxo de metal em fusão em um sistema de distribuição para lingotamento. A haste de controle controla o fluxo de metal em fusão através de uma tubeira e provê aquecimento para a haste de controle ou a tubeira para impedir solidificação de metal na tubeira quando o fluxo é interrompido.

[0008] A despeito dessas revelações, existe uma necessidade de um método melhorado e de um aparelho para eliminar a cavidade de contração em um lingote formado por lingotamento com resfriamento direto.

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SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0009] Uma modalidade exemplar provê um método de eliminar total ou parcialmente uma cavidade de contração em um lingote de metal em fusão por lingotamento com resfriamento direto. O método envolve lingotar um metal em fusão introduzindo-se metal em fusão em um molde de lingotamento com resfriamento direto por uma tubeira para formar um lingote vertical com uma superfície superior a uma altura predeterminada. Ao término do lingotamento, a ponta inferior da tubeira é preferivelmente mantida abaixo da superfície superior no metal em fusão no centro, ou próximo dele, da superfície superior do lingote. O fluxo de metal através da tubeira termina ainda mantendo calor suficiente no metal dentro e suprindo a tubeira para manter o metal em fusão para subsequente entrega através da tubeira. Uma cavidade de contração parcial pode se formar naturalmente na superfície superior do lingote à medida que o lingote contrai e comprime. Preferivelmente, antes de a cavidade parcial expor a ponta inferior da tubeira, a cavidade de contração parcial é pelo menos parcialmente cheia e, preferivelmente, cheia ou supercheia, com metal em fusão, enquanto todo respingo ou respingo significante de metal em fusão da cavidade parcial é evitado, e então o fluxo de metal através da tubeira é terminado. As etapas de deixar que uma cavidade de contração parcial se forme na superfície superior e então encher pelo menos parcialmente e preferivelmente encher ou superencher a cavidade de contração parcial com metal em fusão da tubeira antes de a cavidade expor a ponta inferior são repetidas pelo menos uma vez e preferivelmente (se for necessária eliminação total da cavidade) até que nenhum retração ou contração adicional do metal do lingote faça qualquer parte da superfície superior contrai ou retrai abaixo da altura predeterminada. A tubeira é então retirada de contato com metal em fusão do lingote e todas as partes do lingote são resfriadas naturalmente até uma temperatura na qual o metal está completamente sólido.

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 13/47 / 33 [00010] A expressão “cavidade de contração parcial” na forma aqui usada significa uma cavidade que representa somente uma parte do tamanho da cavidade total resultante de retração e contração do metal que forma em um lingote depois do completo resfriamento, se não for empregado nenhum dispositivo de enchimento de cavidade. Ou seja, uma cavidade de contração parcial é uma com uma profundidade predeterminada que é menor que a profundidade de uma cavidade de contração completamente formada.

[00011] A expressão “encher pelo menos parcialmente” uma cavidade de contração parcial inclui superencher uma cavidade como esta, encher exatamente uma cavidade como esta, ou encher apenas parcialmente uma cavidade como esta. Os termos “superenchimento” ou “supercheio” significam que o metal em fusão é introduzido em uma cavidade de contração parcial até uma altura acima do nível da pele da cavidade sólida em volta, mas sem respingo de metal em fusão substancial da cavidade. Isto é possível em virtude de a tensão superficial do metal em fusão que permite que um menisco de confinamento virado para baixo se forme em torno da periferia da poça de metal à medida que ela sobe a uma distância acima da pele da cavidade. O termo “enchimento” de uma cavidade como esta significa que a cavidade é cheia até um ponto que a superfície da poça de metal atinge, mas não excede, a altura da pele sólida envolta da cavidade. A expressão “enchimento parcial” é claramente uma quantidade de introdução e metal menor que a exigida para “enchimento”; se “superenchimento” não for usado para todas as etapas, ele é mais preferivelmente usado para uma ou mais das últimas etapas. Superenchimento torna mais metal em fusão disponível para alimentar em uma cavidade de contração parcial à medida que o resfriamento continua e este excesso tende a ser mais significante nas etapas de enchimento finais quando os volumes das cavidades ficam menores. Preferivelmente, todas as etapas de enchimento envolvem tanto enchimento quanto superenchimento das cavidades de contração parcial. Por questão de

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 14/47 / 33 simplificação, as expressões “enchimento da cavidade”, “etapas de enchimento” e similares usadas na descrição seguinte devem ser expressões genéricas cobrindo toda de enchimento de cavidade parcial, enchimento de cavidade exata e superenchimento de cavidade, a menos que o contexto deixe claro que eles dizem respeito somente ao exato enchimento da cavidade. Também, esses termos referem-se ao enchimento de cavidades de contração parcial, como será entendido.

[00012] As repetidas etapas de enchimento tendem produzir um lingote com um “abaulamento” elevado escalonado na superfície superior, especialmente quando é realizado superenchimento. Entretanto, à medida que o lingote contrai, o metal na cabeça pode solidificar de uma maneira que forma um abaulamento escalonado, mesmo quando é realizado mero enchimento.

[00013] Pode haver apenas duas etapas de enchimento da cavidade, mas, normalmente, existe pelo menos três, e pode haver até 15 ou mais. As pausas entre essas etapas são em geral grandes o bastante para permitir solidificação de metal na periferia da poça de metal no lingote e contração suficiente para formar uma cavidade de contração parcial definida, isto é, uma redução comensurável na altura da superfície da poça de metal. Preferivelmente, as pausas não são feitas longas para que a ponta mais inferior da tubeira de entrega de metal fique exposta ao ar atmosférico.

[00014] Uma outra modalidade exemplar provê um método de eliminar uma cavidade de contração em um lingote de metal em fusão por lingotamento com resfriamento direto. O método compreende fundir um lingote de metal introduzindo-se metal em fusão em um molde de lingotamento com resfriamento direto por meio de uma tubeira para formar um lingote vertical com uma superfície superior a uma altura predeterminada. Mediante término do lingotamento, o fluxo de metal em fusão através da tubeira termina enquanto calor suficiente no metal dentro e suprimento a

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 15/47 / 33 tubeira é limitado para manter o metal em fusão para subsequente entrega através da tubeira. Uma cavidade de contração parcial é formada naturalmente na superfície superior do lingote à medida que metal do lingote contrai, e então a cavidade de contração parcial é supercheia, enquanto todo respingo, ou respingo significante de metal em fusão da cavidade parcial é evitado, e então o fluxo de metal através da tubeira termina. As etapas de deixar que se forme uma cavidade de contração parcial na superfície superior, então superencher a cavidade de contração parcial com metal em fusão pela tubeira, seguido pelo término do fluxo de metal através da tubeira, são repetidas pelo menos uma vez. A repetição das etapas então termina quando nenhuma retração ou contração adicional do metal do lingote faz com que qualquer parte da superfície superior retraia ou contrai abaixo da altura predeterminada. A tubeira é então retirada de contato com o metal em fusão do lingote e todas partes do lingote são resfriadas naturalmente até uma temperatura na qual o metal é completamente sólido.

[00015] O começo de cada operação de enchimento da cavidade pode ser determinado de acordo com uma escala de tempo ou de acordo com a altura medida de uma região da superfície da poça de metal à medida que ele desce no lingote. Se a taxa de contração de um lingote for bem conhecida, as operações de enchimento da cavidade podem ser sincronizadas para ocorrer em intervalos suficientes para permitir a formação de cavidades de contração parcial de profundidade adequada. Mais preferivelmente, entretanto, as profundidades das cavidades de contração parcial são medidas e as operações de enchimento iniciadas quando as profundidades atingem níveis detectados predeterminados. Medições de profundidade da cavidade podem ser atingidas de diversas maneiras, por exemplo, visualmente por um operador (que atua uma chave para começar uma operação de enchimento quando uma cavidade de profundidade adequada for observada) ou automaticamente por meio de um sensor, por exemplo, pelo uso de um detector laser de altura da superfície

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 16/47 / 33 ou um dispositivo ótico projetado para disparar uma operação de enchimento automaticamente quando uma profundidade da cavidade de contração parcial predeterminada for detectada. Entretanto, as profundidades das cavidades de contração parcial são mais preferivelmente determinadas por meio de um sensor que induz uma corrente elétrica no metal em fusão e usa a intensidade da corrente induzida como um indicador da profundidade da cavidade. Quando é empregado um sensor que opera próximo da superfície do metal em fusão, tal como o tipo de sensor que induz corrente elétrica, o sensor é preferivelmente levantado na altura à medida que as etapas de enchimento parcial continuam a fim de evitar contato entre o sensor e o metal em fusão que enche uma cavidade de contração parcial. Tal subida ou elevação do sensor pode ser realizada passo a passo (por exemplo, depois do final de cada etapa de enchimento), mas é mais preferivelmente realizada continuamente a uma taxa fixa efetiva para evitar contato sensor/metal indesejado. A diferença na separação medida entre o sensor e o metal em fusão pode então ser alimentada em um controlador lógico que calcula a altura superficial da cavidade a despeito do movimento do sensor e determina quando uma etapa de enchimento em andamento deve ser terminada e quando uma etapa adicional deve ser iniciada depois de uma pausa adequada.

[00016] Embora metal em fusão possa ser introduzido continuamente na cavidade de contração parcial à medida que ela se forma, isto é, sem pausa entre as etapas de enchimento da cavidade, é difícil controlar adequadamente a taxa de enchimento e evitar respingo de metal, especialmente se o lingote for um dos diversos que estão sendo submetidos ao enchimento da cavidade ao mesmo tempo (como frequentemente ocorre em aparelho de lingotamento com uma mesa de molde contendo diversos moldes de lingotamento RD operando ao mesmo tempo). Portanto, é desejável encher a cavidade em inúmeras etapas de enchimento discretas separadas por pausas durante as quais o fluxo de metal em fusão para a cavidade é interrompido e o metal

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 17/47 / 33 deixado resfriar e contrair sem ser perturbado. A pausa entre cada etapa de enchimento permite que uma cavidade de lingotamento parcial seja novamente formada até uma profundidade que permite que uma etapa de enchimento adicional seja realizada sem o risco de que metal em fusão vaze sobre o topo de metal previamente solidificado para causar uma “dobra” (um defeito que não pode normalmente ser deixado quando um lingote é levado para uma laminação). A mínima duração da pausa depende da taxa de resfriamento e contração do metal em fusão, que basicamente depende do efeito de resfriamento da água que é normalmente mantida escoando sobre o lado externo do lingote durante esta operação, e da condutividade térmica da liga que está sendo fundida. Embora a duração mínima possa assim variar, ela normalmente não é menor que 5 segundos, frequentemente não menor que 10 segundos, e mais normalmente não menor que 15 segundos. Portanto, pode-se dizer que o mínimo normalmente cai na faixa de 5-15 segundos e mais normalmente 10-15 segundos. Portanto, o número de etapas de enchimento é determinado por algumas ou todas as considerações seguintes: a duração de tais pausas, o tempo necessário para cada etapa de enchimento, e o tempo necessário para a eliminação da cavidade até um ponto desejado, ou a quantidade de metal em fusão disponível para as etapas de enchimento. A quantidade de metal em fusão disponível pode em si ser determinada pela quantidade de metal em fusão na tubeira de enchimento e no distribuidor que supre a tubeira (depois do término do lingotamento propriamente dito), ou a taxa de resfriamento do metal em fusão uma vez que o metal não está mais disponível para enchimento da cavidade uma vez que ele tenha sido resfriado suficientemente para ficar sólido.

[00017] Embora as modalidades exemplares possam ser empregadas para completa eliminação da cavidade de contração, elas podem também ser empregadas para eliminação da cavidade parcial, isto é, enchimento da cavidade parcial. Enchimento da cavidade parcial ainda provê um benefício

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 18/47 / 33 em relação ao não enchimento da cavidade em absoluto, uma vez que menos metal tem que ser então descartado do lingote antes ou depois da laminação. Além disso, mera eliminação da cavidade parcial pode ser necessária em alguns casos quando metal em fusão insuficiente é disponível para completa eliminação da cavidade após o término do lingotamento em si. Além disso, em virtude de os lingotes estarem no geral ainda sendo resfriados com água durante a operação de enchimento da cavidade, a forma das cavidades parciais muda e fica mais estreita à medida que o enchimento da cavidade continua e o resfriamento pelos lados continua, assim, mesmo se uma cavidade remanescente estender-se abaixo da altura predeterminada da superfície superior da cavidade, uma cavidade como esta desloca menos metal do lingote do que seria uma cavidade “natural” (uma formada sem operações de enchimento) da mesma profundidade.

[00018] A disponibilidade de metal em fusão para as etapas de enchimento no término do próprio lingotamento pode ser garantida de várias maneiras. No final do lingotamento, o forno de metal em fusão usado para suprir metal no molde é frequentemente basculado de volta para que o fluxo de metal para o molde termine. Entretanto, metal em fusão está ainda presente nos distribuidores ou outros canais providos para transferir o metal em fusão do forno para o molde. Uma ou mais barragens podem ser empregadas para manter o nível de metal em fusão nos distribuidores antes de o forno ser basculado de volta, retendo assim metal em fusão para enchimento da cavidade. Entretanto, tão logo tal metal solidifique nos distribuidores, ou nas tubeiras que suprem os moldes, o metal não fica mais disponível para operações de enchimento do corpo da tubeira. Se resfriamento de metal provavelmente for muito rápido, a solidificação de metal pode ser atrasada ou impedida provendo-se o metal em fusão com calor adicional. Isto pode ser feito, por exemplo, provendo-se aquecedores para os distribuidores e/ou tubeiras (por exemplo, aquecedores elétricos nas paredes dos distribuidores

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 19/47 / 33 e/ou tubeiras ou imersas no metal, ou provendo calor do exterior dos distribuidores ou tubeiras, por exemplo, direcionando uma chama (por exemplo, de uma tocha de propano ou similares) para o exterior dessas partes. Uma combinação de barragens de metal e aquecedores de canal/tubeira pode ser empregada.

[00019] As modalidades exemplares podem ser empregadas para o lingotamento de lingotes de uma única camada (como ilustrado a seguir) ou lingotes de múltiplas camadas, isto é, lingotes fundidos com uma camada de núcleo e pelo menos uma camada de revestimento. Neste último caso, as camadas de revestimento são normalmente bastante finas em relação ao núcleo, de maneira que não é necessária nenhuma compensação da contração de metal e modalidades exemplares são empregadas somente para a camada de núcleo mais espessa.

[00020] As modalidades exemplares podem ser realizadas durante o lingotamento de uma variedade de metais, tais como ferro, cobre, magnésio, alumínio e suas ligas. Basicamente, o método pode ser adequado para qualquer metal que tende a formar uma cavidade de contração e, se for desejado superenchimento, para qualquer metal que não molha uma superfície sólida do mesmo metal (dessa forma tornando superenchimento possível). Alumínio e ligas a base de alumínio são especialmente adequadas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00021] Modalidades exemplares da invenção são descritas com detalhes a seguir com referência aos desenhos anexos, em que:

[00022] A figura 1 é um diagrama esquemático simplificado mostrando um aparelho de lingotamento com resfriamento direto no final de uma operação de lingotamento e incluindo aparelho de acordo com uma modalidade exemplar;

[00023] As figuras 2A a 2H mostram esquematicamente um lingote fundido em estágios progressivos no desenvolvimento e eliminação da

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 20/47 / 33 cavidade de contração;

[00024] A figura 3 é uma representação gráfica das etapas de enchimento das figuras 2A a 2H;

[00025] A figura 4 é uma vista lateral de uma tubeira para entregar metal em fusão a um molde de lingotamento e incluindo uma haste de controle; [00026] A figura 5 é uma seção transversal vertical da tubeira e haste de controle da figura 4;

[00027] A figura 6 é uma vista plana de topo de uma mesa de lingotamento para lingotar dois lingotes simultaneamente e operada de acordo com modalidades exemplares aqui;

[00028] As figuras 7A e 7B são desenhos baseados em fotografias dos topos de lingotes produzidos sem nenhuma tentativa de compensar a contração de metal (figura 7A) e produzidos com compensação de contração de metal de acordo com uma modalidade exemplar (figura 7B); e [00029] A figura 8 é um gráfico mostrando comparações de cavidade de cabeça de lingote para lingotes fundidos como descrito no exemplo 2 da descrição seguinte.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [00030] O termo “anular” na forma aqui usada para descrever um molde significa um molde que tem uma parede do molde efetivamente contínua ou superfície de lingotamento de qualquer forma desejada que circunda ou circunscreve uma cavidade de lingotamento, com uma entrada aberta e uma saída. A forma da parede do molde é frequentemente retangular ou quadrada, mas pode ser redonda ou de qualquer outra forma simétrica ou mesmo não simétrica para produzir lingotes de formas seccionais transversais correspondentes. Se desejado, a parede do molde circundante pode ser ajustável no comprimento e/ou forma, por exemplo, provendo-se paredes de extremidade que são deslizáveis entre um par de paredes laterais paralelas para variar a área seccional transversal e a forma da cavidade de lingotamento

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 21/47 / 33 definida pelas paredes. Em um arranjo como este, embora as paredes de extremidade possam não ser integrais com as paredes laterais, as paredes se encaixam de forma justa de maneira que a constituição da parede do molde combinada das paredes de extremidade e das paredes laterais seja efetivamente contínua e evita vazamento do metal em fusão.

[00031] A figura 1 é uma seção transversal vertical esquemática simplificada de um aparelho de lingotamento com resfriamento direto vertical 10 no final de uma operação de lingotamento. O aparelho inclui um molde de lingotamento com resfriamento direto resfriado a água 11, preferivelmente de forma anular retangular em vista plana de topo, mas opcionalmente circular, ou de outra forma, e uma barra falsa 12 que é movimentada de forma gradual verticalmente para baixo por meio de dispositivo de suporte adequado (não mostrado) durante a operação de lingotamento de uma posição superior inicialmente fechando e selando uma extremidade inferior 14 do molde 11 para uma posição inferior (mostrada) suportando um lingote lingotado completamente formado 15. O lingote é produzido na operação de lingotamento introduzindo-se metal em fusão em uma extremidade superior 16 do molde através de uma tubeira oca vertical 18 ou mecanismo de alimentação de metal equivalente enquanto a barra falsa 12 é lentamente abaixada. Metal em fusão 19 é suprido na tubeira 18 por um forno de fusão de metal (não mostrado) por meio de um distribuidor 20 que forma um canal horizontal acima do molde. A tubeira 18 circunda uma extremidade inferior de uma haste de controle 21 que regula e periodicamente termina o fluxo de metal em fusão através da tubeira de uma maneira que será descrita com mais detalhes a seguir. A haste de controle 21 tem uma extremidade superior 22 estendendo-se para cima da tubeira. A extremidade superior 22 é anexada a pivô em um braço de controle 23 que levanta ou abaixa a haste de controle 22 da maneira necessária para regular ou terminar o fluxo de metal em fusão através da tubeira. Durante a operação de lingotamento, a haste de controle 21

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 22/47 / 33 é mantida em uma posição levantada pelo braço de controle 23 de forma que metal em fusão possa correr livremente e rapidamente através da tubeira 18 e para dentro do molde 11. Para lingotamento, o distribuidor 20 e a tubeira 18 são abaixados suficientemente para permitir que uma ponta inferior 17 da tubeira mergulhe no metal em fusão, que forma uma poça 24 no lingote embrionário para evitar respingo e turbulência no metal em fusão. Isto minimiza formação de óxido e introduz metal em fusão fresco abaixo de um filme de óxido que se forma no topo da poça de metal. A ponta pode também ser provida com um saco de distribuição (não mostrado) na forma de um pano de malha de metal que ajuda distribuir e filtrar o metal em fusão à medida que ele entra no molde. No término do lingotamento, a haste de controle 21 movese para uma posição inferior onde ela bloqueia a tubeira e impede completamente que metal em fusão passe através da tubeira, dessa forma terminando o fluxo de metal em fusão para o molde. Neste momento, a barra falsa 12 não mais desce, ou desce adicionalmente somente uma pequena quantidade, e o lingote recém-lingotado 15 permanece no lugar suportado pela barra falsa 12 com sua extremidade superior ainda no molde 11. Durante a operação de lingotamento, água de resfriamento é vertida no exterior do lingote 15 por aberturas no molde 11 em torno de sua periferia inferior, e isto preferivelmente tem continuidade por um tempo depois do término do lingotamento. A poça de metal em fusão 24 permanece acima de uma interface 29 com uma região completamente sólida 34 do lingote. Com o decorrer do tempo e à medida que o lingote resfria ainda mais e continua a solidificar, a interface 29 sobe através do lingote e a poça de metal contrai e eventualmente desaparece, quando o lingote está completamente sólido. Na interface 29, dendritas sólidas crescem da superfície sólida e contraem, arrastando metal em fusão em volta e causando uma redução da altura da superfície da poça de metal 24, dessa forma causando a formação de uma cavidade de lingotamento 25 mediante completa solidificação do lingote. No

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 23/47 / 33 ponto do término do lingotamento, mas antes de resfriamento adicional, o lingote tem uma superfície superior 26 em uma altura vertical desejada predeterminada 27, como mostrado, e a superfície 26 é essencialmente plana, mesmo que o lingote ainda tenha uma poça de metal 24 envolta pelo metal solidificado da região completamente sólida 34 na superfície. A altura desejada predeterminada 27 representa a posição visada da extremidade superior do lingote que seria alcançada se não ocorresse contração do metal. Entretanto, à medida que o lingote resfria e solidifica ainda mais depois do término do lingotamento, o metal contrai e retrai e eventualmente a cavidade de contração 25 forma no centro da face superior 26 do lingote e chega a uma profundidade considerável abaixo da altura da superfície predeterminada 27. Por exemplo, profundidades da cavidade de 100 a 150 mm ou mais são comuns para lingotes de tamanho comercial. A contração ocorre na região central 28 da superfície superior correspondente no geral à superfície da poça de metal em fusão 24 no final da operação de lingotamento. A região 28 é colocada para dentro dos lados e extremidades do lingote 15 em virtude de esta parte do lingote resfriar e solidificar posterior aos lados e extremidades onde a perda de calor é maior.

[00032] De acordo com uma modalidade exemplar, o metal dentro da tubeira 18 e metal no distribuidor 20 que supre a tubeira são mantidos líquidos depois do término da operação de lingotamento, preferivelmente, de uma maneira explicada com mais detalhes a seguir. Então, à medida que começa a contração e uma cavidade de contração 25 começa se formar na superfície superior 26 do lingote, produzindo uma cavidade de contração parcial, metal em fusão da tubeira 18 é entregue na poça líquida 24 para elevar a superfície do metal em fusão e assim encher novamente a cavidade de contração parcial para compensar a contração. Esta operação de enchimento pode ser feita repetidamente em uma série de etapas discretas separadas por pausas, cada vez primeiro deixando que uma cavidade de

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 24/47 / 33 contração parcial se forme e então entregando metal em fusão na poça de metal em fusão 24 e então pausando novamente para contração adicional. Este enchimento repetido passo a passo é explicado adicionalmente com referência às figuras 2A a 2H dos desenhos anexos. Nesses desenhos, e também na figura 1, o item 50 representa um sensor de altura da superfície usado para monitorar e controlar as operações de enchimento de metal em fusão. O sensor 50 é preferivelmente posicionado o mais próximo possível da tubeira 18 para detectar a altura da poça de metal em fusão imediatamente envolvendo a tubeira. Deve-se notar também que as figuras 2A a 2H mostram somente as partes superiores de um lingote de altura muito maior.

[00033] A figura 2A mostra o lingote e aparelho logo depois do término do lingotamento, isto é, imediatamente depois da situação mostrada na figura

1. O saco de distribuição (caso haja) foi removido da tubeira e o detector de altura da superfície 50 foi posicionado próximo da superfície do lingote. Com base em informação do detector 50, o lingote 15 é deixado em repouso depois do lingotamento até que a região 28 da superfície superior 26 desça uma pequena quantidade predeterminada (por exemplo, apenas 2 mm) para formar uma cavidade de contração parcial 25a (que é muito rasa nesta vista). A região da superfície 28 não tem tempo suficiente para descer a quantidade total necessária para criar uma cavidade de contração completamente formada 25 como mostrado na figura 1. De fato, a região da superfície preferivelmente não pode descer o bastante para expor a ponta inferior 17 da tubeira, que permitiria exposição de metal em fusão na tubeira ao ar. Uma vez que a região da superfície 28 adjacente à tubeira tiver descido uma quantidade predeterminada, metal em fusão é alimentado pela tubeira 18 na poça de metal 24 para fazer com que a cavidade de contração parcial 25a encha novamente (pelo menos parcialmente) e, de fato, preferivelmente, superencha, como mostrado na figura 2B. Ou seja, metal em fusão suficiente é introduzido na poça de metal 24 para encher a cavidade parcial até uma altura acima

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 25/47 / 33 daquela das partes sólidas em volta 34 da superfície superior 26, isto é, até uma posição acima da altura da superfície do lingote predeterminada 27. O enchimento até uma posição acima da altura das partes sólidas imediatamente em volta 34 da superfície superior é possível em virtude de um menisco virado para baixo 31 se formar em torno da periferia da poça líquida 24 e da tensão superficial no metal em fusão manter a poça dentro dos limites horizontais da cavidade parcial 25a, mesmo que sua superfície superior 33 fique acima do nível da superfície 27 do lingote em volta, como mostrado pela linha pontilhada. Certamente, a quantidade de metal em fusão suprida pela tubeira 18 preferivelmente não deve ser tão grande a ponto de que o metal em fusão transborde na cavidade parcial 25a para espalhar na superfície em volta do lingote, embora quantidades pequenas e insignificantes de respingo da cavidade parcial possam ser toleradas na prática. No geral, a altura da superfície 33 pode ser até cerca de 8 mm acima das partes sólidas em volta 34 do lingote, mas uma altura excessiva em uma faixa de 4-6 mm é mais preferivelmente provida.

[00034] Uma vez que a cavidade parcial 25a tenha sido supercheia até um ponto desejado, determinado pelo detector 50, o fluxo de metal em fusão através da tubeira 18 é pausado e o lingote é deixado resfriar ainda mais. Durante este tempo, como mostrado na figura 2C, a interface sólido/líquido 29 eleva no lingote por causa do resfriamento e solidificação, formando uma nova camada sólida 35, e o tamanho da poça de metal 24 é reduzido correspondentemente. A nova camada 35 de metal sólido estende-se até a superfície 26 em torno da poça do metal em contração 24 e forma uma pele 45 em torno de toda a borda da poça. A pele é elevada em relação às áreas sólidas em volta 34 em virtude de o superenchimento da cavidade parcial 25a e em virtude do resfriamento relativamente rápido do metal na camada 35 que causa solidificação do metal antes de a contração ter tido uma chance de puxar para baixo a altura da superfície das partes periféricas da poça de metal

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24.

[00035] Depois que o lingote tiver sido resfriado naturalmente por um período de tempo após a etapa da figura 2B, a superfície superior 33 do metal em fusão da poça 24, exceto a que forma a pele 45 da figura 2C, é puxada para baixo pela contração ou retração do metal para formar uma cavidade de contração parcial adicional (não mostrada). Quando a cavidade de contração parcial adicional atinge uma profundidade predeterminada, determinada pelo detector 50, a tubeira 18 é novamente aberta e metal em fusão escoa para a poça de metal em fusão para novamente superencher a cavidade de contração parcial até um nível acima daquele da superfície do lingote imediatamente envolvente e a pele 45, como mostrado na figura 2C. Uma vez que a cavidade de contração parcial adicional tiver sido supercheia com metal em fusão, o fluxo de metal através da tubeira 18 é novamente pausado e o lingote deixado resfriar adicionalmente.

[00036] Este processo é repetido diversas vezes, como mostrado nas figuras 2D a 2G. Ou seja, o lingote pode descansar por um período de tempo adicional até que ainda uma cavidade de contração parcial adicional seja formada na superfície superior do lingote em cujo tempo a interface 29 sobe ainda mais para formar novas camadas de metal 35a, 35b, 35c e 35d, cada qual com peles elevadas 45a, 45b, 45c e 45d. Cada cavidade de contração parcial adicional é por si supercheia com metal em fusão da tubeira 18 até um nível acima daquele da pele em volta formada pela operação de superenchimento anterior. Este procedimento repetitivo e interativo de deixar que cavidades de contração parcial se formem e então superencher as cavidades de contração parcial tem continuidade até que seja atingido um ponto no qual nenhuma contração ou retração remanescente do metal do lingote não faça com que qualquer parte da superfície 26 desça abaixo da altura predeterminada 27. As etapas de superenchimento repetitivas são então terminadas e a tubeira 18 é retirada de contato com a poça de metal em fusão

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 27/47 / 33 ao ser levantada (junto com o distribuidor 20) como representado na figura 2H, que mostra a condição quando o lingote está completamente sólido. Percebe-se que, mesmo que possa haver uma cavidade parcial 25h remanescente depois da total solidificação, seu ponto inferior 26h está ainda acima da altura predeterminada 27 representando a posição visada da extremidade do lingote.

[00037] Assim, depois que as operações de superenchimento estão completadas, a superfície superior 26 do lingote tem um abaulamento escalonado elevado 49 projetando-se acima da altura predeterminada 27. Quando o lingote é retangular, o abaulamento 49 tem a forma de uma pirâmide escalonada no geral retangular, em que os degraus são formados pelas peles criadas pelo superenchimento sequencial das cavidades de contração parcial. Na prática, o abaulamento 49 pode atingir uma altura total de até 150 mm acima da altura predeterminada 27, dependendo do número de operações de superenchimento e a altura da superfície em excesso alcançada em cada etapa, mas tem uma altura mais preferida de até cerca de 50 mm. Por exemplo, sete tais etapas de superenchimento até uma altura em excesso de 4 mm cada produziria um abaulamento 49 com uma altura total de 28 mm, ou talvez um pouco menos, por causa da contração do metal mediante resfriamento. Para alguns propósitos, um abaulamento mais alto é mais vantajoso do que um abaulamento menor (por exemplo, em virtude da menor probabilidade de causar “rabo de peixe” durante subsequente laminação do lingote). O abaulamento 49 geralmente não é cortado, em virtude de sua compatibilidade com operações de laminação subsequentes, mas pode ser cortado, se desejado, por exemplo, serrando o lingote no nível da altura predeterminada 27, para prover um lingote com uma superfície superior completamente plana na altura originalmente visada. Mesmo se o abaulamento 49 for cortado, ele não conterá uma grande quantidade de metal, e assim a quantidade de metal que é sucatada ou retornada para reciclagem

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 28/47 / 33 não é muito grande.

[00038] Embora a intenção desta modalidade exemplar seja atingir superenchimento das cavidades de contração parcial em cada etapa de enchimento parcial, um mero enchimento ocasional (ou talvez mesmo um ligeiro subenchimento) pode ser empregado na prática, especialmente se o baixo nível de metal assim criado for compensado em uma ou mais etapas de enchimento subsequente. Entretanto, em outras modalidades exemplares, mera eliminação da cavidade de contração parcial pode ser a meta, em cujo caso as etapas de enchimento são terminadas antes do completo enchimento, como representado pela figura 2H. Por exemplo, as etapas de enchimento podem ser interrompidas em um estágio intermediário, tal como representado pela figura 2E, após o que a poça de metal solidificará e contrairá abaixo da superfície do lingote em volta, mas a eventual cavidade de contração será menor que a cavidade que forma sem tais etapas, por exemplo, deixando o lingote representado pela figura 2A resfriar completamente.

[00039] O número de operações de superenchimento das cavidades de contração parcial pode variar, mas é normalmente pelo menos 3 e normalmente não mais que 15. Um maior número de operações de enchimento é melhor do que um menor número, em virtude de a superfície do metal em fusão ser mantida mais próxima do nível desejado 27 a todo momento. Entretanto, se muitas operações de enchimento forem tentadas, é difícil detectar formação de cavidade parcial adicional e prover quantidades suficientemente pequenas de metal em fusão para as etapas de superenchimento. Além disso, as peles elevadas 45 podem não ter tempo de solidificar e formar. Consequentemente, existe um equilíbrio entre essas considerações que leva a um número ideal de operações de enchimento para cada situação. Isto pode ser determinado por tentativa e experimentação ou lançando mão de modelos de computador.

[00040] As operações de enchimento são também representadas

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 29/47 / 33 graficamente na figura 3. As barras verticais da esquerda para a direita na figura representam partes superiores do lingote imediatamente em volta da tubeira em vários estágios no procedimento. A barra do lado esquerdo representa o lingote no término do lingotamento e mostra a altura da superfície 28 da poça de metal na altura do lingote desejada 27. A barra também mostra a altura da superfície 28a que, quando detectada, dispara a primeira operação de enchimento da cavidade. A posição da interface 29 é indicada por uma linha identificada por este número e a posição da ponta 17 da tubeira (que preferivelmente não muda até o final do procedimento) está mostrada pela linha tracejada 17. Como representado pela seta escalonada 48, a primeira operação de enchimento move a superfície da altura 28a até uma nova altura 28b mostrada na segunda barra vertical. O resfriamento então reduz a altura da posição 28c, que dispara uma nova operação de enchimento, e assim por diante. Referindo-se novamente à figura 1, o sensor de nível de metal 50 e o aparelho anexo são descritos com mais detalhes. O sensor de nível de metal 50 está mostrado posicionado próximo a um lado da tubeira 18 e, como previamente notado, ele é posicionado e destinado a detectar a altura da superfície do metal em fusão imediatamente em volta da tubeira 18 no geral no centro do lingote. Este sensor incorpora uma bobina de indução (não mostrada) que cria uma corrente de indução no metal em fusão abaixo dela. A potência da bobina de indução é maior quando a superfície do metal está mais próxima e diminui à medida que a superfície do metal recua. A potência ou corrente medida na bobina é assim traduzida para uma medida da distância da superfície do metal em fusão 28 até o sensor. Entretanto, como indicado pelas setas 47 nas figuras 2A a 2H, o sensor 50 move-se para cima à medida que o enchimento das cavidades parciais continua a fim de manter o sensor fora de contato com o metal em fusão à medida que seu nível sobe. A posição vertical do sensor 50 varia para cima e para baixo pelo motor elétrico ou hidráulico 51 pela instrução de um circuito de controle 52 (por exemplo, um controlador

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 30/47 / 33 lógico programável, PLC), essas unidades sendo alojadas em um alojamento 53 que também contém um motor 54 que também recebe instrução do circuito de controle 52. O motor 54 opera uma haste 55 que move o braço de controle 23 em torno de um pivô 56 para dessa forma levantar ou abaixar a haste de controle 21, quando necessário.

[00041] Durante as operações de enchimento da cavidade, a informação do sensor 50 é alimentada no controlador 52 que determina quando a haste de controle 21 deve ser levantada pelo motor 54 de maneira tal que metal possa escoar para a poça de metal 24 para encher uma cavidade parcial, isto é, quando a profundidade da cavidade predeterminada tingir um limite predeterminado. O sensor 50 detecta o aumento na altura do nível da superfície do metal em fusão adicionado na cavidade parcial e, com base nisto, o controlador 52 determina quando a haste de controle deve ser abaixada para fechar o fluxo de metal através da tubeira 18. O controlador pode então fazer com que o motor 51 suba o sensor 50, tanto continuamente quanto de uma maneira passo a passo, para manter uma separação adequada entre a superfície superior do lingote e o sensor. O controlador 52, baseado em informação do sensor 50, determina correspondentemente quantas operações de superenchimento são necessárias e quando elas começam e terminam de acordo com a informação pré-programada no controlador. [00042] Para permitir que metal em fusão seja adicionado às cavidades de contração parcial da maneira exigida, tem que ser possível suprir apenas quantidades suficientes de metal em fusão através da tubeira 18 nos momentos precisamente exigidos. Isto é conseguido nesta modalidade exemplar por meio da haste de controle 21 operando a tubeira 18, como previamente indicado. Uma combinação de haste de controle e tubeira adequada 57 está mostrada nas figuras 4 e 5 dos desenhos anexos. Nesta modalidade exemplar, a tubeira 18 é um corpo tubular, preferivelmente, feito de um material de cerâmica refratária que é resistente ao ataque pelo metal em

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 31/47 / 33 fusão do tipo usado para a operação de lingotamento. A superfície externa do corpo tubular tem uma extremidade superior cônica para fora ampliada 58, um tambor cilíndrico central 59, e um bico cônico para dentro 60 que vai dar na ponta 17. A extremidade superior 58 é modelada para se encaixar em um furo correspondentemente modelado em uma parede inferior 61 de um distribuidor 20 (vide figura 1), o encaixe sendo suficientemente preciso para impedir vazamento de metal, ao mesmo tempo retendo a tubeira firmemente, mas removivelmente, no lugar. Uma superfície interna 62 da tubeira (figura 5) é cilíndrica na maior parte da distância da extremidade superior 58 até o bico 60, mas afunila-se para dentro no mesmo valor do bico na extremidade inferior. A seção cônica da superfície interna 60 funciona em cooperação com a haste de controle 21 para restringir e bloquear o bico quando desejado. A haste de controle 21 é na forma de um tubo oco 64 que leva um tampão contornado 65 de material cerâmico na sua extremidade inferior. Quando a haste de controle está na posição abaixada mostrada na figura 5, o fluxo de metal em fusão através da tubeira é completamente bloqueado. Quando a haste de controle é levantada, metal em fusão pode escoar em torno do tampão 65, e a área da abertura entre o tampão e a tubeira aumenta à medida que a tubeira é levantada até que ela atinja a parte cilíndrica da superfície interna da tubeira. Consequentemente, a vazão do metal em fusão pode ser controlada bastante precisamente levantando e abaixando apropriadamente a haste de controle 21. O fato de que o tampão 65 é provido imediatamente adjacente à ponta 17 significa que o fluxo de metal é interrompido instantaneamente uma vez que a haste de controle seja completamente abaixada, já que não há metal por baixo do tampão para continuar a drenar pela ponta 17.

[00043] A fim de manter todo metal na tubeira 18 fundido a todo momento, a haste de controle 21 é provida no seu interior com um aquecedor elétrico 66 suprido com condutores elétricos 67 que são conectados por meio

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 32/47 / 33 de fios (não mostrados) a uma fonte de alimentação externa (não mostrada). O aquecedor elétrico 66 é anexado no tampão 65 na sua extremidade inferior e pode ser feito de um material cerâmico moldado em torno dos fios de aquecimento de forma que, se a haste de controle oca 21 vazar, os fios de aquecimento elétrico do aquecedor 66 serão protegidos de ataque pelo metal em fusão.

[00044] Na sua extremidade superior, a haste de controle 21 tem um elemento rosqueado externamente 69 que leva um anel rosqueado internamente 70 provido com hastes salientes diametralmente opostas 71 que são retidos a pivô em entalhes correspondentes em uma seção de extremidade em forma de Y 72 do braço de controle 23. Como previamente descrito com relação à figura 1, o braço de controle 23 levanta ou abaixa a haste, e o arranjo pivô provido pelas hastes 71 permite que a haste de controle 21 permaneça vertical e axialmente alinhado com a tubeira 18, não importa qual o ângulo que a haste de controle 23 possa estar à medida que ela é pivotada em torno do pivô 56. A conexão rosqueada entre o anel 70 e o elemento rosqueado 69 permite que a haste de controle 21 seja levantada ou abaixada independentemente do braço de controle 23 de forma que a haste de controle possa ser devidamente assentada na tubeira 18 para fechar completamente a tubeira quando a haste de controle estiver na posição inferior permitida pelo braço de controle 23. O elemento rosqueado 69 é provido com furos passantes 73 em várias alturas, de forma que um pino de torção 75 possa ser temporariamente inserido para facilitar a rotação da haste de controle 21. [00045] O aquecedor elétrico 66 é capaz de entregar calor suficiente ao metal dentro da tubeira 18 para manter o metal em fusão, mesmo quando o fluxo através da tubeira for completamente interrompido pela haste de controle 21. Em uma modalidade alternativa, o corpo da tubeira 18 pode conter um aquecedor embutido ou pode ter um aquecedor externo para manter o metal dentro da tubeira fundido a todo momento. Como ainda uma

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 33/47 / 33 modalidade alternativa, uma combinação de haste de controle e tubeira revelada na US 2010/0032455 pode ser empregada (a revelação da U.S. 2010/0032455 está especificamente incorporada aqui por esta referência). [00046] Para as modalidades exemplares funcionar da maneira pretendida, é também necessário garantir que exista metal suficiente 19 no distribuidor 20 para superencher tantas cavidades de contração parcial quanto necessárias, e que o metal disponível seja mantido fundido para entregar na tubeira 18, e através dela. Uma maneira na qual isto pode ser conseguido é mais bem explicada com relação à figura 6, que é uma vista plana simplificada de uma mesa de lingotamento RD capaz de lingotar dois lingotes lado a lado simultaneamente. Neste aparelho, moldes de lingotamento em tandem 75 são atravessados de cima pelo distribuidor de topo aberto 20 provido com duas combinações de tubeira e haste 57 do tipo mostrado nas figuras 4 e 5, uma para cada molde de lingotamento. Neste desenho, os braços de controle 23 para as hastes de controle 21 são também claramente visíveis. Uma extremidade 20a do distribuidor é permanentemente bloqueada e a outra extremidade 20b é conectada a um forno de fusão de metal (não mostrado) por meio de distribuidores, canais, tubos, etc. adicionais (não mostrados). Depois do término da operação de lingotamento principal, uma barragem 77 é inserida no distribuidor 20 e é mantida por entalhes (não mostrados) nas paredes laterais e fundo do distribuidor para bloquear qualquer fluxo de metal. O suprimento adicional de metal em fusão do forno é então terminado, mas uma poça de metal em fusão 19 é retida pela barragem na parte do distribuidor acima dos moldes de lingotamento 75. O distribuidor tem um revestimento 78 de material refratário que provê isolamento térmico de forma que o metal aprisionado no distribuidor pela barragem resfrie lentamente e permaneça fundido por um período de tempo considerável. Entretanto, se necessário, a parte represada do distribuidor pode ser aquecida a fim de manter a poça de metal fundida para entrega nas tubeiras 18. Por este motivo,

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 34/47 / 33 as paredes do distribuidor podem incluir um aquecedor elétrico embutido (não mostrado), o distribuidor pode incluir um aquecedor de imersão submerso no metal em fusão, ou o aquecimento pode ser provido no lado de fora do distribuidor ou diretamente no metal, por cima.

[00047] Com o uso do aparelho da figura 6, dois lingotes de metal em tandem podem ser lingotados lado a lado, e as cavidades de contração nos lingotes eliminada, ou evitada, pelos procedimentos aqui apresentados.

[00048] Embora seja desejável em algumas modalidades prover uma tubeira 18 com um aquecedor elétrico interno do tipo aqui indicado, isto nem sempre é necessário. O calor necessário para impedir que o metal solidifique na tubeira 18 pode ser proveniente do calor sensível ou latente do metal no distribuidor 20 ou na tubeira 18 em volta da haste 21, ou do calor retido ou introduzido nas paredes sólidas do distribuidor ou tubeira. No início da operação de lingotamento, por exemplo, a tubeira 18 e a haste 21 podem ser pré-aquecidas por alguma forma de dispositivo de aquecimento externo, por exemplo, uma tocha de propano ou outro dispositivo com uma chama aberta. No final da operação de lingotamento, as superfícies de contato do metal da tubeira e da haste são inevitavelmente bem quentes, já que elas foram expostas ao metal em fusão superaquecido durante lingotamento. A tubeira e a haste permanecem quentes o bastante por um tempo suficiente para permitir que ocorra o procedimento de complementação do topo. Por exemplo, um total de 8 ou mais interações de complementação do topo pode ser realizado sem solidificação de metal. Se o distribuidor 20 for equipado com aquecedores de parede elétrica ou de imersão (para o metal em fusão), o número de interações de complementação do topo pode não ter limite específico e, na prática, pode chegar a 15 ou mais.

[00049] Para um entendimento mais completo da modalidade exemplar, é provida uma descrição de uma operação de lingotamento a seguir.

EXEMPLO 1

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 35/47 / 33 [00050] Lingotes de liga de alumínio foram fundidos em um aparelho de lingotamento com resfriamento direto de molde em tandem do tipo mostrado em vista plana na figura 6 dos desenhos anexos.

[00051] Antes do lingotamento, hastes de controle aquecidas foram inseridas nas tubeiras e energizadas a 1.000 watts cada (potência total). A 100 mm adentro na parte lingotada, a potência foi reduzida para 25 % (250 watts). A um comprimento de lingotamento de 200 mm antes do final do lingotamento (parada da barra falsa), a potência dos aquecedores de haste de controle foi aumentada de 250 watts para 1.000 watts para garantir que o metal nas tubeiras permanecesse fundido antes do final do processo de enchimento da parte fundida.

[00052] A sequência de final de lingotamento foi iniciada manualmente quando o comprimento desejado de lingotamento foi atingido. Isto fez com que o forno basculasse de volta e as hastes de controle fechassem as tubeiras. A barra falsa continuou a descer. À medida que o forno começou bascular de volta, uma barragem foi colocada manualmente no distribuidor do banho para impedir que metal escoasse de volta para o forno, mantendo assim um volume suficiente de metal em fusão para enchimento das cavidades de contração. [00053] Quando o nível de metal em qualquer molde caiu em 10 mm abaixo do ponto de ajuste, a descida da barra falsa foi interrompida, o nível de metal do molde em cada molde foi salvo como um ponto de ajuste em uma memória de PLC, os sensores de nível de metal foram retraídos e o distribuidor do banho foi levantado diretamente. Quando o distribuidor foi completamente levantado, os sacos de distribuição (usados para direcionar e filtrar o metal em fusão) foram removidos e um operador abaixou o distribuidor do banho e estendeu os sensores de nível do molde operando um controle.

[00054] Depois de um atraso de 15 segundos para garantir que o distribuidor e os sensores de nível de metal foram completamente abaixados,

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 36/47 / 33 os níveis de metal do molde salvos, como anteriormente indicado, tornaramse pontos de ajuste de partida e o sensor começou a elevar a uma taxa de cerca de 2,0 mm/min.

[00055] Os níveis de metal em fusão no molde caíram lentamente à medida que o metal solidificava. O PLC comparou o nível de metal real em cada molde com o seu ponto de ajuste elevado. Quando o nível de metal real em um molde caiu em 2,0 mm abaixo do ponto de ajuste, a respectiva haste de controle foi aberta para uma vazão de 25 %. O nível de metal subiu em alguns segundos até que o nível de metal real atingisse o novo ponto de ajuste, em cujo tempo a haste de controle foi fechada. Isto foi repetido até que fosse interrompido pelo operador depois de cerca de 14 minutos. Neste momento, a área de metal em fusão no centro do lingote diminuiu (por causa da solidificação de metal) até um ponto onde a medição pelos sensores de nível de metal do molde não foi mais possível (uma poça de metal de forma oval atingiu uma dimensão de cerca de 200 mm x 450 mm).

[00056] O processo de enchimento foi então interrompido, em cujo tempo a barragem do distribuidor foi removida e os sensores de metal do molde foram levantados. Depois de oito segundos, o distribuidor do banho foi basculado e as hastes de controle foram abertas para drenar todo metal remanescente aprisionado nas tubeiras.

[00057] As figuras 7A e 7B dos desenhos anexos são desenhos baseados em fotografias mostrando os topos de dois lingotes. O lingote da figura 7A foi fundido sem nenhuma tentativa de eliminar uma cavidade de contração (tecnologia anterior) e uma cavidade 25 como esta está visível no desenho. O lingote da figura 7B foi formado com o procedimento de enchimento da cavidade indicado anteriormente e pode-se ver que a cavidade de contração da figura 7A foi completamente eliminada e substituída por um abaulamento estriado ou escalonado vertical 49. A fotografia original mostrou um certo transbordamento de metal sobre a projeção escalonada resultante de uma

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 37/47 / 33 continuação não intencional de fluxo de metal da tubeira depois do final pretendido do procedimento de eliminação da cavidade. Entretanto, este transbordamento foi omitido na figura 7B por questão de clareza.

EXEMPLO 2 [00058] Uma operação de lingotamento do tipo descrito no exemplo 1 foi realizada, novamente no aparelho do tipo geral mostrado na figura 6, mas com hastes de controle não aquecidas. À medida que o lingotamento teve continuidade, o calor do metal em fusão manteve as tubeiras e hastes suficientemente quentes para evitar solidificação e bloqueio. A temperatura do metal em fusão suprido no aparelho de lingotamento foi suficientemente elevada para evitar solidificação causada pelas perdas de calor no aparelho. Os detalhes do procedimento de lingotamento são os seguintes.

[00059] O lingotamento foi realizado em uma mesa de molde contendo cinco moldes de lingotamento, mas o molde central (posição número 3) não foi usado, e assim somente quatro lingotes foram fundidos simultaneamente. De fato, os lingotes fundidos desta maneira foram lingotes curtos, isto é, lingotes de altura aquém da normal. Mudanças de automação foram incorporadas no programa PLC para modificar o sincronismo do basculamento do distribuidor e hastes de controle de nível de metal. No final de lingotamento, o forno foi basculado de volta para a posição normal. Quando o nível de metal no distribuidor caiu para um certo valor por causa da contração, operador iniciou um outro sinal de final de lingotamento, que fez com que o prato de pressão parasse, a barragem de metal no distribuidor principal fechasse e a haste de controle de nível de metal fechasse. O distribuidor permaneceu baixo, permitindo que todo o metal no distribuidor nesse momento permanecesse aí. O equipamento de controle de nível automático capturou uma leitura do nível de metal na cabeça de cada lingote e estabeleceu este novo nível como o ponto de ajuste de nível da cabeça atual. Uma elevação foi estabelecida na automação para elevar o ponto de ajuste do

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 38/47 / 33 nível da cabeça em um determinado tempo. A medida que o metal na cabeça do lingote contraiu, o controle do nível de metal (MLC) lê a diferença entre o ponto de ajuste ascendente e o nível real. As hastes foram abertas para liberar metal para as cabeças de lingote quando as diferenças atingiram um certo patamar. Quando as cabeças de lingote foram suficientemente solidificadas, o operador iniciou um sinal de final de operação que levantou o distribuidor na estação de lingotamento e represou o metal restante como em uma rotina de final de lingotamento normal.

[00060] Os detalhes práticos do lingotamento foram os seguintes:

• Tamanho do molde - 30,2 x 62,6 polegadas (76,7 x 158 cm) • Cabeças de partida - alumínio, 13 polegadas (33 cm) de altura • Liga - AA3104 • Anéis de remoção de escória foram usados • Comprimento de lingotamento - 70 polegadas (178 cm), final de lingotamento iniciada a 60 polegadas (152 cm) • Temperatura do distribuidor no início de lingotamento - 680 °C • Temperatura do distribuidor no basculamento do forno de volta 678 °C • Hastes de controle não aquecidas padrões

O lingotamento se deu da seguinte maneira:

• Lingotamento do lingote curto iniciado normalmente • O operador pressionou o botão final de lingotamento para bascular o forno de volta • O operador pressionou novamente o botão final de lingotamento quando o laser mostrou o nível de metal de 6 polegadas logo antes da barragem principal o hastes fechadas o prato de pressão parado o barragem principal fechada

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 39/47 / 33 o barragem manual colocada entre a barragem principal e a saída do filtro de leito Alcan (ABF) • operadores limpam o distribuidor entre a barragem principal e a saída do filtro de leito Alcan (ABF) • automação elevou o nível de metal nas cabeças de lingote para subir a 0,15 polegada/minuto (4 mm/minuto) • o operador pressionou o botão final de lingotamento do tempo final para iniciar a quebra do distribuidor e dreno de metal o hastes permaneceram fechadas por um curto período de tempo e foram então abertos o decisão de terminar o teste foi baseada em observação de que o anel de remoção de escória no #1 estava começando a solidificar na cabeça do lingote • tempo do fechamento da barragem #1 até quebra do distribuidor no final do teste foi 7 minutos • TÊ do distribuidor puxado e escória removida do distribuidor o a escória deixada no distribuidor foi muito espessa e pesada o metal solidificou nas tubeiras nas posições 1 a 5 o os sacos de cabeça foram muito pesados e cheios de cascão quando eles foram removidos [00061] Os contornos da cabeça do lingote mostraram claramente o equipamento automático permitindo mais metal na cabeça do lingote na forma de etapas. No total, oito etapas de enchimento da cavidade parcial foram realizadas. Todas as cabeças de lingote mediram um abaulamento de 1 - 1,5 polegada (2,5 a 3,8 cm) acima da cabeça de lingote padrão.

[00062] O molde 5 apresentou uma cabeça de lingote “escalonada”, indicando que a haste selou corretamente.

[00063] Os moldes 1, 2 e 4 tiveram cabeças de lingote inclinadas, indicando que as hastes não selaram devidamente e permitiram que metal

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 40/47 / 33 vazasse continuamente.

[00064] Medições da cavidade de contração foram feitas com uma unidade de ultrassom na linha de centro do lingote e a ±2, 5, 8 e 12 polegadas (± 5,1, 12,7, 20,3 e 30,5 cm) da linha de centro. Os resultados estão mostrados na figura 8 dos desenhos anexos.

[00065] As cavidades do lingote de teste mediram de 3 polegadas (7,6 cm) a 3,5 (8,9 cm) polegadas nas medições mais profundas feitas na linha de centro e ± 2 polegadas (± 5 cm).

[00066] Para comparação, três lingotes de comprimento total foram lingotados nos mesmos moldes diretamente depois dos lingotamentos dos lingotes curtos, mas sem as etapas de enchimento parcial. Dois lingotes foram da mesma liga dos lingotes curtos (AA3104 - 111129A1 e AA3104 111129A5) e um foi uma liga diferente (AA5182 - 111128A1). Medições de controle feitas nos dois lingotes a partir do lingotamento de comparação seguinte (111129-A1 e A5) apresentaram profundidades de cavidade de 7,25 polegadas (18,5 cm) a 8,0 polegadas (20,3 cm), também feitas na linha de centro e a ± 2 polegadas (± 5 cm) da linha de centro. Medições de controle feitas no lingote 5182 111128-A1 apresentaram profundidades de cavidade de 7,35 polegadas (18,7 cm) a 7,5 polegadas (19,1 cm), também feitas na linha de centro e a ± 2 polegadas (± 5 cm).

[00067] No final do teste, praticamente não houve metal no distribuidor Tê e esse metal foi virando um cascão.

[00068] Isto foi o primeiro lingotamento depois de 9,5 horas sem lingotamento, e foi um lingote curto.

[00069] A temperatura do metal no distribuidor no final do lingotamento era cerca de 10°C menor que tipicamente em um lingotamento de liga AA3104.

[00070] Conclusivamente, este teste mostrou que:

• Redução da cavidade da cabeça usando sequência de final de

Petição 870180046865, de 01/06/2018, pág. 41/47 / 33 lingotamento controlada por automação é um método viável de reduzir o tamanho da cavidade de contração da cabeça do lingote.

• Neste lingote CBS de 30,2 polegadas x 62,2 polegadas (76,7 x 158 cm), o comprimento de lingote útil aumentou em 3,75 polegadas (9,5 cm) se a menor cavidade padrão e a maior cavidade reduzida forem comparadas. Em 183 lb/polegada (32,75 kg/cm), isto é igual a aproximadamente 700 lb (318 kg) mais metal utilizável por lingote. Considerando um lingote de 54,490 lb (24,768 kg), ou seja, um potencial para até 1,2 % de aumento de capacidade.

EXEMPLO 3 [00071] O procedimento do exemplo 2 é repetido, exceto que um aquecedor de imersão elétrica é posicionado dentro do distribuidor 20 para prover superaquecimento para o metal em fusão antes de ele entrar nos distribuidores 18. O aquecedor é operado antes de o lingotamento começar para garantir que não ocorre solidificação do metal nas tubeiras 18 à medida que o metal primeiro corre através delas. Adicionalmente, as tubeiras 18 e hastes 21 são pré-aquecidos por meio de tochas, como no exemplo 2.

[00072] O aquecedor de imersão é operado durante o lingotamento para evitar solidificação de metal e é mantido em operação quando o lingotamento termina, de forma que, durante o procedimento de complementação do topo, o metal em fusão que entra nas tubeiras 18 não solidifique. Por meio disto, 12 a 15 operações de complementação do topo são alcançadas antes de a tubeira 18 e a haste 21 resfriarem suficientemente a ponto de apresentar risco de bloqueio.

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Claims (14)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Método de eliminar completa ou parcialmente uma cavidade de contração (25) em um lingote de metal (15) lingotado por lingotamento com resfriamento direto, o método compreendendo:

   lingotar um lingote de metal (15) pela introdução de metal em fusão em um molde de lingotamento com resfriamento direto (11) por uma tubeira (18) para formar um lingote vertical (15) com uma superfície superior (26, 28) a uma altura predeterminada (27);

   na conclusão do lingotamento, interromper o fluxo de metal em fusão através da tubeira (18), mantendo ainda calor suficiente no metal dentro e suprindo a tubeira (18) para manter o metal em fusão para subsequente entrega através da tubeira (18);

   o método caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

   deixar uma cavidade de contração parcial (25) se formar na superfície superior (26, 28) à medida que metal do lingote (15) contrai, então, encher pelo menos parcialmente a cavidade de contração parcial (25), ainda evitando todo respingo, ou respingo significante, de metal em fusão da cavidade parcial (25), e então terminar o fluxo de metal através da tubeira (18);

   repetir pelo menos uma das etapas de deixar que uma cavidade de contração parcial (25) se forme na superfície superior (26), então encher pelo menos parcialmente a cavidade de contração parcial (25) com metal de fusão da tubeira (18), e então terminar o fluxo de metal através da tubeira (18);

   em que uma ponta inferior (17) da tubeira (18) é mantida abaixo de uma superfície de metal em fusão no lingote (15) durante as etapas de deixar que cavidades de contração parcial (25) se formem na superfície superior (26, 28) e então encher pelo menos parcialmente as cavidades de

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2. 2 / 4 contração parcial (25), em que o enchimento pelo menos parcial de uma cavidade de contração parcial (25) começa antes de a contração da cavidade de contração parcial (25) expor a ponta inferior (17) da tubeira (18);

   interromper a repetição das etapas; e retirar a tubeira (18) de contato com o metal em fusão do lingote (15) e deixar todas as partes do lingote (15) resfriar até uma temperatura na qual o metal está completamente sólido.

   2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a interrupção da repetição das etapas é realizada somente quando nenhuma contração ou retração adicional do metal do lingote (15) faz com que nenhuma parte da superfície superior (26, 28) contraia ou retraia abaixo da altura predeterminada (27) do lingote (15).
3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte dos enchimentos pelo menos parciais das cavidades de contração parcial (25) compreende superencher as cavidades (25), em que as cavidades de contração parcial (25) são supercheias preferivelmente em um excesso de altura de 4-6 mm.
4. 4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a altura da superfície superior (26, 28) é determinada e cada enchimento pelo menos parcial começa quando a altura cai a um nível inferior predeterminado e termina quando a altura eleva até um nível superior predeterminado consistente com o enchimento pelo menos parcial.
5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o nível inferior predeterminado e o nível superior predeterminado são cada qual estabelecidos em um maior valor depois de cada enchimento pelo menos parcial antes do término da repetição.
6. 6. Método, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a altura da superfície superior (26, 28) é

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   3 / 4 determinada por um sensor de nível de superfície (50) e o sensor (50) é levantado depois de cada enchimento pelo menos parcial em uma quantidade pelo menos correspondente ao maior valor do nível superior, ou é gradual e continuamente elevada do término de lingotamento até o término de repetição das etapas.
7. 7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a

   6, caracterizado pelo fato de que a tubeira (18) é mantida a uma altura fixa do término de lingotamento até a remoção da tubeira (18).
8. 8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a

   7, caracterizado pelo fato de que as etapas são repetidas 2 a 15 vezes.
9. 9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a

   8, caracterizado pelo fato de que as etapas são repetidas até que o lingote (15) tenha um abaulamento saliente (49) de até 150 mm na altura total ou de até 50 mm na altura total depois de deixar que todas as partes do lingote (15) resfriem até uma temperatura na qual o metal está completamente sólido.
10. 10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que calor suficiente é mantido no metal dentro da tubeira (18) para manter o metal em fusão, introduzindo-se calor na tubeira (18), ou em volta dela.
11. 11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que calor suficiente é mantido no metal que supre a tubeira (18) para manter o metal em fusão, introduzindo calor em um distribuidor (20) que supre a tubeira (18) com metal em fusão.
12. 12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que um saco de distribuição é conectado na tubeira (18) durante o lingotamento, e em que o saco de distribuição é removido da tubeira (18) mediante o término de lingotamento.
13. 13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a tubeira (18) é posicionada no centro, ou

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    4 / 4 próximo a ele, da superfície superior (26, 28) do lingote (15).
14. 14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que existe uma pausa entre cada das etapas de encher pelo menos parcialmente a cavidade de contração parcial (25), em que a pausa preferivelmente é de pelo menos 5 segundos de duração.

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