BR112017016985B1

BR112017016985B1 - Dispositivo de processamento de metal fundido, e, método para formar um produto de metal

Info

Publication number: BR112017016985B1
Application number: BR112017016985-1A
Authority: BR
Inventors: Qingyou Han; Lu Shao; Clause Xu
Original assignee: Hans Tech, Llc
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2022-01-04
Also published as: JP6743034B2; SI3256275T1; AU2016219505B2; EP3256275A1; AU2016219505A1; US20170021414A1; KR102507806B1; RU2017131521A; CN107848024B; CN107848024A; US20160228943A1; HUE048957T2; PL3256275T3; DK3256275T3; JP2018506434A; US10441999B2; EP3256275B1; KR20170120619A; PT3256275T; LT3256275T

Abstract

um dispositivo de processamento de metal fundido que inclui uma estrutura de contenção de metal fundido para recepção e transportar metal fundido ao longo de um comprimento longitudinal do mesmo. o dispositivo inclui adicionalmente uma unidade de resfriamento para a estrutura de contenção que inclui um canal de resfriamento para passagem de um meio líquido no mesmo, e uma sonda ultrassônica disposta em relação ao canal de resfriamento de modo que ondas ultrassônicas são acopladas através do meio líquido no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido.

Description

FUNDAMENTOS CAMPO

[001] A presente invenção diz respeito a um método para a produção de metal fundido com tamanho de grão controlado, um sistema para produzir metal fundido, e produtos obtidos pelas fundições de metal.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA ANTERIOR

[002] Muito esforço tem sido despendido no campo metalúrgico para desenvolver técnicas para moldar o metal fundido em haste metálica contínua ou produtos fundidos. Tanto as fundições em lote como as fundições contínuas estão bastante desenvolvidas. Há numerosas vantagens de fundições contínuas sobre fundições em lotes embora ambas sejam proeminentemente utilizadas na indústria.

[003] Na produção contínua de metal fundido, o metal fundido passa a partir de um forno de contenção para uma série de calhas e para o molde de uma roda de fundição na qual ele é fundido em uma barra de metal. Tal barra de metal solidificada é removida da roda de fundição e direcionada para um laminador, por onde ela é laminada em vareta contínua. Dependendo do uso final pretendido do produto de vareta metálica e da sua liga, a vareta pode ser submetida a resfriamento durante laminação, ou a vareta pode ser resfriada ou temperada imediatamente após deixar o laminador para transferência a ela das propriedades mecânicas e físicas desejadas. Técnicas tais como as descritas na patete US 3.395.560, de Cofer et al. (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência), têm sido usadas para processamento contínuo de um produto de vareta ou barra metálica.

[004] A patente US 3.938.991, de Jackson et al., cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência) mostra que há um antigo e conhecido problema com a fundição de produtos de metal “puro” quando na fundição do produto. Por fundições de metal “puro”, este termo se refere a um metal ou a uma liga metálica formado dos elementos metálicos primários projetados para uma articular condutividade ou resistência \à tração ou ductilidade sem inclusão de impurezas separadas adicionadas para a finalidade de controle de grãos.

[005] Refino de grãos é um processo pelo qual o tamanho do cristal da fase recém-formado é reduzido por meios químicos ou físicos/mecânicos. Refinadores de grão são adicionados normalmente ao metal fundido para reduzir significativamente o tamanho de grãos da estrutura solidificada durante o processo de solidificação ou processos de transição de fase líquida para sólida.

[006] Na verdade, um pedido de patente WIPO WO/2003/033.750, de Boily et al. (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência) descreve o uso específico de “refinadores de grão”. O pedido ‘750 descreve em sua seção de Fundamentos que, na indústria de alumínio, diferentes refinadores de grãos são geralmente incorporados no alumínio para formar uma liga mestre. Ligas mestres típicas para uso em fundição de alumínio compreende de 1 a 10% de titânio e de 0,1 a 5% de boro ou carbono, o equilíbrio consistindo essencialmente de alumínio ou magnésio, com partículas de TiB2 ou TiC sendo dispersadas por toda a matriz de alumínio. De acordo com o pedido ‘750, ligas mestres contendo titânio e boro podem ser produzidas pela dissolução de quantidades necessárias de titânio e boro em um alumínio fundido > isto é obtido pela reação de alumínio fundido com KBF4 e K2TiF6 a temperaturas maiores do que 800°C. Estes sais de halogenetos complexos reagem rapidamente com alumínio fundido e proveem titânio e boro à fusão.

[007] O pedido ‘750 descreve também que, a partir de 2002, esta técnica foi usada para produzir ligas mestres comerciais por quase todas as companhias de fabricação de refinador de grão. Refinadores de grãos, frequentemente referidos como agentes nucleantes são usados até hoje. Por exemplo, um fornecedor comercial de uma liga mestre de Tibor descreve que o rígido controle da estrutura de fundido é um principal requisito na produção de produtos de ligas de alumínio de alta qualidade.

[008] Antes desta invenção, refinadores de grão foram reconhecidos como o meio mais efetivo para prover uma estrutura de grão fina e uniforme no fundido. As referências a seguir (cujos inteiro teor é aqui incorporado pela referência) proveem detalhes do trabalho anterior: Abramov, O.V., (1998), “High-Intensity Ultrasonics,” Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands, pp. 523552. Alcoa, (2000), “New Process for Grain Refinement of Aluminum,” DOE Project Final Report, Contract No. DE-FC07-98ID13665, September 22, 2000. Cui, Y., Xu, C.L. and Han, Q., (2007), “Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations, Advanced Engineering Materials,” v. 9, No. 3, pp.161-163. Eskin, G.I., (1998), “Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts,” Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands. Eskin, G.I. (2002) “Effect of Ultrasonuc Cavitation Treatment of the Melt on the Microstructure Evolution during Solidification of Aluminum Alloy Ingots,” Zeitschrift Fur Metallkunde/Materials Research and Advanced Techniques, v.93, n.6, June, 2002, pp. 502-507. Greer, A.L., (2004), “Grain Refinement of Aluminum Alloys,” in Chu, M.G., Granger, D.A., and Han, Q., (eds.), “ Solidification of Aluminum Alloys,” Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp. 131-145. Han, Q., (2007), The Use of Power Ultrasound for Material Processing,” Han, Q., Ludtka, G., and Zhai, Q., (eds), (2007), “Materials Processing under the Influence of External Fields,” Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp. 97-106. Jackson, K.A., Hunt, J.D., and Uhlmann, D.R., and Seward, T.P., (1966), “On Origin of Equiaxed Zone in Castings,” Trans. Metall. Soc. AIME, v. 236, pp.149-158. Jian, X., Xu, H., Meek, T.T., and Han, Q., (2005), “Effect of Power Ultrasoud on Solidification of Aluminum A356 Alloy,” Materials Letters, v. 59, no. 2-3, pp. 190-193. Keles, O. and Dundar, M., (2007). “Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes,” Journal of Materials Processing Technology, v. 186, pp.125-137. Liu, C., Pan, Y., and Aoyama, S., (1998), Proceedings of the 5th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds.: Bhasin, A.K., Moore, J.J., Young, K.P., and Madison, S., Colorado School of Mines, Golden, CO, pp. 439-447. Megy, J., (1999), “Molten Metal Treatment,” US Patent No. 5,935,295, August, 1999 Megy, J., Granger, D.A., Sigworth, G.K., and Durst, C.R., (2000), “Effectiveness of In-Situ Aluminum Grain Refining Process,” Light Metals, pp.1-6. Cui et al., “Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations,” Advanced Engineering Materials, 2007, vol. 9, no. 3, pp. 161-163. Han et al., “Grain Refining of Pure Aluminum,” Light Metals 2012, pp. 967-971.

SUMÁRIO

[009] Em uma modalidade da presente invenção, é provido um dispositivo de processamento de metal fundido incluindo uma estrutura de contenção de metal fundido para recepção e transporte de metal fundido ao longo do comprimento longitudinal da mesma. O dispositivo inclui, adicionalmente, uma unidade de resfriamento para a estrutura de contenção, que inclui um canal de resfriamento para a passagem pelo mesmo um meio líquido, e uma sonda ultrassônica disposta em relação ao canal de resfriamento de modo que ondas ultrassônicas sejam acopladas através do meio líquido no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido.

[0010] Em uma modalidade da presente invenção, é provido método para formar um produto metálico. O método transporta metal fundido ao longo de um comprimento longitudinal de uma estrutura de contenção de metal fundido. O método resfria a estrutura de contenção de metal fundido pela passagem de um meio através de um canal de resfriamento acoplado termalmente à estrutura de contenção de metal fundido, e acopla ondas ultrassônicas através do meio no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido.

[0011] Em uma modalidade da presente invenção, é provido um sistema para formar um produto metálico. O sistema inclui 1) o dispositivo de processamento de metal fundido descrito acima e 2) um controlador incluindo entradas de dados e saídas de controle, e programado com controle que permite operação das etapas de método descritas acima.

[0012] Em uma modalidade da presente invenção, é provido um produto metálico incluindo uma composição metálica fundida tendo tamanhos de grão submilimétricos e incluindo menos do que 0,5% de refinadores de grão no mesmo.

[0013] Deve ser entendido que ambas a descrição geral da invenção e a descrição detalhada são exemplificativas, mas não restritivas da invenção. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0014] Uma apreciação mais completa da invenção e muitas de suas respectivas vantagens será prontamente obtida quando a mesma se torna mais entendida pela referência à descrição detalhada a seguir quando considerada em conexão com os desenhos anexos, nos quais: A figura 1A é um esquema de um canal de fundição de acordo com uma modalidade da invenção; A figura 1B é uma representação fotográfica da base de um canal de fundição de acordo com uma modalidade da invenção; A figura 1C é uma representação fotográfica compósita da base de um canal de fundição de acordo com uma modalidade da invenção; A figura 1D é uma representação esquemática de dimensões ilustrativas de uma modalidade da invenção; A figura 2 é uma representação fotográfica de um molde de acordo com uma modalidade da invenção; A figura 3A é uma representação esquemática de um laminador contínuo de acordo com uma modalidade da invenção; A figura 3B é uma repre4sentaçao esquemática de outro laminador contínuo de acordo com uma modalidade da invenção; A figura 4A é uma fotografia microscópica mostrando macroestruturas presentes em um lingote de alumínio; A figura 4B é outra fotografia microscópica mostrando macroestruturas presentes em um lingote de alumínio; A figura 4C é outra fotografia microscópica mostrando macroestruturas presentes em um lingote de alumínio; A figura 4D é outra fotografia microscópica mostrando macroestruturas presentes em um lingote de alumínio; A figura 5 é um gráfico representando tamanho de grão em função de temperatura de fundição; A figura 6A é uma microfotografia mostrando a macroestrutura presente em um lingote de alumínio preparado sob condições aqui descritas; A figura 6B é outra microfotografia mostrando a macroestrutura presente em um lingote de alumínio preparado sob condições aqui descritas; A figura 6C é uma microfotografia mostrando a macroestrutura presente em um lingote de alumínio preparado sob condições aqui descritas; A figura 7 é um gráfico representando tamanho de grão em função de temperatura de fundição; A figura 8 é outro gráfico representando tamanho de grão em função de temperatura de fundição; A figura 9 é outro gráfico representando tamanho de grão em função de temperatura de fundição; A figura 10 é outro gráfico representando tamanho de grão em função de temperatura de fundição; A figura 11A é uma microfotografia mostrando macroestruturas presentes em um lingote de alumínio preparado sob condições aqui descritas; macroestruturas presentes em um lingote de alumínio preparado sob condições aqui descritas; A figura 11C é uma representação esquemática de dimensões ilustrativas de uma modalidade de canais de fundição; A figura 11D é uma representação esquemática de dimensões ilustrativas de uma modalidade de canais de fundição; A figura 12 é outro gráfico representando tamanho de grão em função de temperaturas de fundição; A figura 13A é outra representação esquemática de dimensões ilustrativas de uma modalidade de um canal de fundição; A figura 13B é outro gráfico representando tamanho de grão em função de temperaturas de fundição; A figura 14 é uma representação esquemática de uma máquina de fundição contínua de acordo com uma modalidade da invenção; A figura 15A é uma seção transversal esquemática de um componente de um laminador vertical; A figura 15B é uma seção transversal esquemática de outro componente de um laminador vertical; A figura 15C é uma seção transversal esquemática de outro componente de um laminador vertical; A figura 15D é uma seção transversal esquemática de outro componente de um laminador vertical; A figura 16 é uma representação esquemática de sistema de computador ilustrativo para os controles e controladores aqui descritos; A figura 17 é um fluxograma mostrando um método de acordo com uma modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0015] O refinamento de grãos de metais e ligas é importante por muitas razões, incluindo a maximização de velocidade de fundição de lingote, aumento da resistência a rompimento a quente, minimização de segregação elementar, realce de propriedades mecânicas, particularmente ductilidade, aumento de características de acabamento de produtos de calhas e aumento de características de enchimento de molde, e diminuição de porosidade de ligas, e porosidade de ligas de fundição. Normalmente, o refinamento de grãos é uma das primeiras etapas de processamento para a produção de produtos metálicos e ligas, especialmente ligas de alumínio e ligas de magnésio, que são dois dos materiais leve usados crescentemente no setor aeroespacial, de defesa, automotivo, de construção e de empacotamento. Refinamento de grão é também uma etapa de processamento importante para se fazer metais e ligas fundíveis pela eliminação de grãos colunares e formação de grãos equiaxiais. Todavia, antes desta invenção, o uso de impurezas ou “refinadores de grão” químicos era apenas o único meio de tratar o problema conhecido por longo tempo no setor de fundição de metal representado pela formação de grão colunar em fundições de metal.

[0016] Aproximadamente, 68% do alumínio produzido nos EEUA é, primeiro, fundido em lingote antes de processamento adicional em lâminas, placas, extrusões ou folhas. O processo de fundição semicontínua de resfriamento direto (DC, em inglês) e processo de fundição contínua (CC, em inglês)) têm sido a base da indústria de alumínio devido, fortemente, à sua natureza robusta e relativa simplicidade. Uma questão com os processos DC e CC é a formação de rompimento a quente ou formação de fissuras durante a solidificação do lingote. Basicamente, todos os lingotes seriam fissurados (ou não fundíveis) sem o uso de refinamento de grão.

[0017] Além disso, as velocidades de produção destes processos modernos são limitadas pelas condições para evitar formação de fissuras. Refinamento de grão é um modo eficaz de reduzir a tendência de rompimento a quente de uma liga e, desse modo, aumentar as velocidades de produção. Como resultado, uma quantidade significativa de esforço foi concentrada no desenvolvimento de potentes refinadores de grãos que podem produzir tamanhos de grãos os menores possíveis. Superplasticidade pode ser obtida se o tamanho de grão puder ser reduzido ao nível sub-micrométrico, o que permite que ligas não só sejam fundidas a velocidades muito grandes, como também, laminadas/extrudadas a menores temperaturas a velocidades muito maiores do que lingotes são processados atualmente, levando à economia significativa de custos e de energia.

[0018] No momento, aproximadamente toda a fundição de alumínio, seja primária (aproximadamente, 20 bilhões de kg), ou secundária e de sucata interna (25 bilhões de kg), é de grãos refinados com núcleos heterogêneos de núcleos de TiB2 insolúveis de aproximadamente alguns mícrons de diâmetro, que nucleiam uma estrutura de grão fino no alumínio. Uma questão relativa ao uso de refinadores químicos de grãos é a capacidade limitada de refinamento de grão. Além disso, o uso de refinadores químicos de grãos causa uma diminuição limitada em tamanho de grão de alumínio, de uma estrutura colunar com dimensões lineares de grão algo acima de 2.500 μm, para grãos equiaxiais de menos de 200 μm. Grãos equiaxiais de 100 μm em ligas de alumínio parecem ser o limite que pode ser obtido com uso de refinadores químicos de grãos comercialmente disponíveis.

[0019] É amplamente conhecido que a produtividade pode ser significativamente aumentada se o tamanho de grão puder ser reduzido ainda mais. Tamanho de grão em nível sub-micrométrico leva à superplasticidade que torna a formação de ligas de alumínio muito mais fácil a temperaturas ambientes.

[0020] Outra questão relativa ao uso de refinadores químicos de grãos a formação imperfeita associada ao uso de refinadores de grãos. Embora considerado na técnica anterior como necessário para refino de grãos, as partículas estranhas insolúveis são, de outro modo, indesejáveis no alumínio, particularmente em forma de aglomerados de partículas (“agrupamentos”) os refinadores de grão atuais, que são presentes em forma de compostos em ligas mestres de base em alumínio, são produzidos por uma sequência de processos complicados de mineração, beneficiamento e fabricação. As ligas mestres agora usadas frequentemente contêm impurezas sal de fluoreto de potássio e alumínio (KAlF) e óxido de alumínio (escória) que surgem do processo convencional de fabricação de refinadores de grão de alumínio. Estas originam imperfeições locais no alumínio (por exemplo, “vazadouros” em latas de bebida e pequenos furos em folha fina), abrasão de ferramenta de máquina, e problemas de acabamento superficiais no alumínio. Dados de uma companhia de cabo de alumínio indicaram que 25% de defeitos de produção se devem a aglomerados de partículas de TiB2, e outros 25% de defeitos se devem a escórias aprisionadas no alumínio durante o processo de fundição. Aglomerados de partículas de TiB2 rompem, frequentemente, os fios durante extrusão, especialmente quando o diâmetro dos fios for menor do que 8 mm. Outra questão relativa ao uso de refinadores químicos de grãos é o custo destes refinadores. Isto se aplica verdadeiramente à produção de lingotes de magnésio usando refinadores de grão de Zr. O refino de grãos pelo uso de refinadores de grão de Zr custa cerca de um extra US$1,00 por quilograma de fundição de Mg produzido. Refinadores de grão para ligas de alumínio custam cerca de US$1,50 por quilograma.

[0021] Outra questão relativa ao uso de refinadores químicos de grãos é a baixa condutividade elétrica. O uso de refinadores químicos de grãos introduz uma quantidade excessiva de Ti no alumínio, o que causa uma diminuição substancial na condutividade elétrica de alumínio puro para aplicações em cabos. Para que certa condutividade elétrica seja mantida, companhias têm que pagar um valor extra para usar alumínio mais puro na produção de cabos e fios.

[0022] Vários outros métodos de refino de grão, em adição aos métodos químicos, foram explorados no século passado. Estes métodos incluem o uso de campos físicos, como campos magnéticos e eletromagnéticos, e o uso de vibrações mecânicas. Vibração ultrassônica de baixa amplitude e de alta intensidade é um dos mecanismos físicos/mecânicos que foi demonstrado para refino de grãos de metais e ligas sem uso de partículas estranhas. Entretanto, resultados experimentais, como de Cui et al., 2007 citado acima, foram obtidos em pequenos lingotes de até uns poucos quilos de metal sujeito a um curto período de tempo de vibração ultrassônica. Pequeno esforço foi dispendido em refino de grãos de fundição tipo CC ou DC de lingotes/tarugos pelo uso de vibrações ultrassônicas de alta intensidade.

[0023] Os desafios técnicos tratados na presente invenção para refino de grão são (1) o acoplamento de energia ultrassônica ao metal em fusão por tempo prolongado, (2) a manutenção de frequências de vibrações naturais do sistema a temperaturas elevadas, e (3) o aumento de eficiência de refino de grãos ultrassônico quando a temperatura da guia de onda ultrassônica estiver quente. Resfriamento realçado para ambas a guia de onda ultrassônica e o lingote (conforme descrito abaixo) é uma das soluções apresentas aqui para enfrentar esses desafios.

[0024] Além disso, outro desafio técnico tratado na presente invenção se refere ao fato de que, quanto mais puro o alumínio, mais difícil é a obtenção de grãos equiaxiais durante o processo de solidificação. Mesmo com o uso de refinadores de grão externos, como TiB (boreto de titânio) em alumínio puro, como as séries 1000, 1100 e 1300 de alumínio, permanece difícil a obtenção de uma estrutura de grãos equiaxiais. Entretanto, o uso da inédita tecnologia de refino de grãos aqui descrita, uma estrutura de grãos equiaxiais foi obtida.

[0025] A presente invenção elimina o problema de formação de grão colunar sem a necessidade de introdução de refinadores de grão. Os inventores descobriram, surpreendentemente, que o uso de aplicação controlada de vibrações ultrassônicas ao metal em fusão ao ser despejado para a fundição permite a realização de tamanhos de grãos comparáveis ou menores aos obtidos com refinadores de grão do estado da técnica como TiB ou liga mestre.

[0026] Em um aspecto da invenção, grãos equiaxiais dentro do produto fundido são obtidos sem a necessidade de adição de partículas de impurezas como boreto de titânio, no metal ou liga metálica, para aumentar o número e grãos e melhorar solidificação heterogênea uniforme. Em vez de usar os agentes nucleantes, vibrações ultrassônicas podem ser usadas para criar locais de nucleação. Especificamente, como explicado com mais detalhe abaixo, vibrações ultrassônicas são acopladas a um meio líquido para refinar os grãos em metais e ligas metálicas, e criar grãos equiaxiais.

[0027] Para entender a morfologia de um grão equiaxial, considere o crescimento natural de grãos de metal, no qual dendrites crescem unidimensionalmente, e grãos alongados são formados. Estes grãos alongados são referidos como grãos colunares. Se um grão crescer livremente em todas as direções, um grão equiaxial será formado. Cada grão equiaxial contém 6 dendrites primárias crescendo perpendicularmente. Essas dendrites podem crescer a velocidades idênticas. Nesse caso, os grãos parecem mais esféricos, se ignorar as características detalhadas de dendríticas dentro do grão.

[0028] Em uma modalidade da presente invenção, uma estrutura de canal 2 (ou seja, uma estrutura de contenção), como mostrada na figura 1A, transporta metal em fusão para um molde de fundição (não mostrado na figura 1A), como, por exemplo, a roda de fundição detalhada abaixo. A estrutura de canal 2 inclui paredes laterais 2a contendo o metal em fusão e uma placa inferior 2b. As paredes laterais 2a e a placa inferior 2b podem ser entidades separadas, conforme mostrado, ou podem ser uma unidade integrada. Sob a placa inferior 2b, há uma passagem 2c de meio líquido que, em operação, é carregada com um meio líquido. Além disso, esses dois elementos podem ser integrados como em um objeto fundido.

[0029] Disposta acoplada à passagem de meio líquido 2c, há uma sonda de onda ultrassônica 2 (ou sonotrodo, ou irradiador ultrassônico que provê vibrações ultrassônicas (UV) através do meio líquido e através da placa inferior 2b para o metal líquido. Em uma modalidade da invenção, mais de uma sonda de onda ultrassônica ou um arranjo de sondas de onda ultrassônica podem ser inseridas na passagem de meio líquido 2c. Em uma modalidade da invenção, a sonda de onda ultrassônica 2d é presa a uma parede da passagem de meio líquido 2c. Embora não vinculada a qualquer teoria particular, uma quantidade relativamente pequena de sub-resfriamento (por exemplo, menos do que 10°C) no fundo do canal resulta em uma camada de pequenos núcleos de alumínio mais pura começar a ser formada. As vibrações ultrassônicas do fundo canal criam estes núcleos de alumínio puro que podem, então, ser usados como agentes nucleantes durante solidificação, resultando em uma estrutura de grão uniforme. Consequentemente, em uma modalidade da invenção, o método de resfriamento assegura que uma pequena quantidade de sub-resfriamento no fundo do canal resulta em uma camada de pequenos núcleos de alumínio. As vibrações ultrassônicas do fundo do canal dispersam estes núcleos e rompem dendrites que se formam na camada sub-resfriada. Estes núcleos de alumínio e fragmentos de dendrites são, então, usados para formar grãos equiaxiais no molde durante solidificação, resultando em uma estrutura de grãos uniforme.

[0030] Em outras palavras, vibrações ultrassônicas transmitidas através da placa inferior 2b para o metal líquido criam locais de nucleação nos metais ou ligas metálicas para refinar o tamanho de grão. A placa inferior pode ser de um metal refratário ou outro material de alta temperatura, como cobre, ferros e aços, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio, e ligas dos mesmos incluindo um ou mais elementos como silício, oxigênio ou nitrogênio que podem estender os pontos de fusão destes materiais. Além disso, a placa e fundo ode ser uma de um número de ligas de aço como, por exemplo, aços de baixo carbono ou aço H13.

[0031] Em uma modalidade da presente invenção, é provida uma parede entre o metal em fusão e a unidade de resfriamento, na qual a espessura da parede é suficientemente fina (como detalhado abaixo nos exemplos) de modo que, em produção de estado firme, o metal em fusão adjacente a esta parede será resfriada abaixo de temperaturas críticas para o metal particular sendo fundido.

[0032] Em uma modalidade da presente invenção, o sistema de vibração ultrassônica é usado para realçar transferência de calor através da fina parede entre o canal de resfriamento e o metal em fusão, e induzir nucleação ou romper dendrites que se formam no metal em fusão adjacente à fina parede do canal de resfriamento.

[0033] Nas demonstrações abaixo, a fonte de vibrações ultrassônicas proveu uma potência de 1,5 kW a uma frequência acústica de 20 kHz. Esta invenção não está restrita a aquelas potências e frequências. Ao contrário, uma ampla faixa de potências e frequências pode ser usada, embora as faixas a seguir sejam de interesse. Potência: Em geral, potências entre 50 e 5000 W para cada sonotrodo, dependendo das dimensões do sonotrodo ou sonda. Estas potências são, tipicamente, aplicadas ao sonotrodo para assegurar que a densidade de potência na ponta do sonotrodo seja maior do que 100 W/cm2, que é o limiar para causar cavitação em metais em fusão. As potências nesta área podem variar de 50 a 5000 W, 100 a 3000 W, 500 a 2000 W, 1000 a 1500 W ou qualquer faixa intermediária ou sobreposta. Maiores potências para sonda/sonotrodo maiores e menores potências para menor sonda são possíveis. Frequência: Em geral, 5 a 400 kHz (ou qualquer faixa intermediária) pode ser usada. Alternativamente, 10 e 30 kHz (ou qualquer faixa intermediária) pode ser usada. Alternativamente, 15 e 25 kHz (ou qualquer faixa intermediária) pode ser usada A frequência aplicada pode variar de 5 a 400 kHz, 10 a 30 kHz, 15 a 25 kHz, 10 a 200 kHz, ou 50 a 100 kHz ou qualquer faixa intermediária ou faixa sobreposta.

[0034] Além disso, a sonda/sonotrodo ultrassônica 2d pode ser feita de modo similar às sondas ultrassônicas usadas para de-gaseificação de metal em fusão, como descrito na patente US 8,574.336 (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência).

[0035] Na figura 1A, as dimensões da estrutura de canal 2 são selecionadas de acordo com o fluxo volumétrico de material a ser fundido. As dimensões da passagem de meio líquido 2c são selecionadas de acordo com uma taxa de vazão do meio refrigerante através do canal para assegurar que o meio refrigerante permanece substancialmente em fase líquida. O meio líquido pode ser água. O meio líquido também pode ser óleo, líquidos iônicos, metais líquidos, polímeros líquidos, ou outros líquidos minerais (inorgânicos). O desenvolvimento de vapor, por exemplo, na passagem de refrigerante, pode degradar o acoplamento das ondas ultrassônicas ao metal em fusão em processamento. A espessura e material de construção da placa inferior 2b são selecionados de acordo com a temperatura do metal em fusão, o gradiente de temperatura através da espessura da placa inferior, e natureza da parede subjacente da passagem de meio líquido 2c. Mais detalhes a respeito das considerações termais são providos abaixo.

[0036] As figuras 1B e 1C são vistas em perspectiva da estrutura de canal 2 (sem as paredes laterais 2a) mostrando a placa inferior 2b, entrada de passagem de meio líquido 2c-1, saída de passagem de meio líquido 2c-2, e sonda de onda ultrassônica 2d. A figura 1D mostra as dimensões associadas à estrutura de canal 2 ilustrada nas figuras 1B e 1C.

[0037] Durante operação, metal em fusão a uma temperatura substancialmente maior do que a temperatura de liquidus da liga flui por gravidade ao longo do topo da placa inferior 2b e é exposta a vibrações ultrassônicas à medida que transita pela estrutura de canal 2. A placa inferior é resfriada para assegurar que o metal em fusão adjacente à placa inferior fique próxima à temperatura sub-liquidus (por exemplo, menos do que 5 a 10°C acima da temperatura de liquidus da liga ou mesmo menor do que a temperatura de liquidus, embora a temperatura de despejo possa ser muito maior do que 10°C em nossos resultados experimentais). A temperatura da placa inferior pode ser controlada, caso necessário, pelo uso do líquido no canal ou pelo uso de aquecedores auxiliares. Durante operação, a atmosfera ao redor do metal em fusão pode ser controlada por meio de uma mortalha (não mostrada) que é carregada ou purgada, por exemplo, com um gás inerte como Ar, He ou nitrogênio. O metal em fusão escoando pela estrutura de canal 2 está, tipicamente, em um estado de parada termal, na qual o metal em fusão está se convertendo de um líquido para um sólido. O metal em fusão escoando pela estrutura de canal 2 sai por uma extremidade da estrutura de canal 2 e é despejada em um molde, como o molde 3 mostrado na figura 2. O molde 3 tem uma contenção de metal em fusão feita de um material de temperatura relativamente alta, como cobre ou aço, parcialmente envolvendo uma região de cavidade 3b. O molde 3 por ter uma tampa 3c. O molde mostrado na figura 2 pode conter cerca de 5 kg de um al em fusão. A presente invenção não está restrita a esta capacidade de peso. O molde não está restrito à forma mostrada na figura 2. Em um exemplo alternativo, um molde de cobre dimensionado para produzir lingotes de forma cônica com, aproximadamente, 7,5 m de diâmetro e 6,35 cm de altura foram usados. Outros tamanhos, formas e materiais podem ser usados para o molde. O molde pode ser estacionário ou móvel. O molde 3 pode ter atributos dos moldes descritos na patente U 4.211.271 (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência) usados para máquinas de roda fundição de metal contínua do tipo de serra de fita (wheel-band). Em particular, como descrito na patente citada e aplicável como uma modalidade desta invenção, um dispositivo ou material de carregamento de quina é usado em combinação com os membros de molde, como a roda e a fita para modificar a geometria do molde, de modo a prevenir fissuramento de quina devido a tensões de solidificação presentes em outras formas de molde que têm bordas afiladas ou quadradas. Materiais ablativos, condutivos ou isolantes, selecionados de acordo com a alteração desejada no padrão de solidificação, podem ser introduzidos no molde separados de, ou presos aos membros de moldes móveis, como a fita sem fim ou a roda de fundição.

[0038] Em um modo de operação, uma bomba de água (não mostrada) bombeia água para a estrutura de canal 2, e a água saindo da estrutura de canal 2 borrifa o lado externo da contenção de metal em fusão 3. Em outros odos de operação, outros fluidos que não água podem ser usados para o meio refrigerante. No molde, o metal se esfria formando um corpo solidificado, tipicamente encolhendo de volume e se soltando das paredes laterais do molde.

[0039] Embora não mostrado na figura 2, em um processo de fundição contínua, o molde 3 seria uma parte de uma roda giratória, e o metal em fusão preencheria o molde 3 pela entrada através de uma extremidade exposta. Este processo de fundição contínua está descrito na patente US 4.066.475, de Chris et al. (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência). Por exemplo, em um aspecto da presente invenção e com referência à figura 3A, as etapas de fundição contínua podem ser executadas no aparelho nela mostrado. O aparelho inclui um dispositivo de despacho 10 que recebe metal de cobre em fusão contendo impurezas normais e despacha o metal a um bocal de despejo 11. O bocal de despejo incluiria como um acessório separado (ou teria integrado ao mesmo os componentes de) a estrutura de canal 2 mostrada nas figuras 1A-1B (ou outras estruturas de canal descritas em outro lugar neste relatório) de modo a prover o tratamento ultrassônico ao metal em fusão para induzir locais de nucleação.

[0040] O bocal de despacho 11 direciona o metal em fusão a uma ranhura periférica contida em um anel de molde rotativo 13 (por exemplo, molde 3 mostrado na figura 2 sem a tampa 3c). Uma tira metálica flexível sem-fim 14 circunda tanto a porção do anel de molde 13, como também uma porção de um conjunto rolos de posicionamento de tira 15 para que um molde de fundição contínua seja definido pela ranhura no anel de molde 13 e a tira de metal sobrejacente 14 entre os pontos A e B. Um sistema de resfriamento é provido para resfriar o aparelho e efetuar solidificação controlada do metal em fusão durante seu transporte sobre o anel de molde rotativo 13. O sistema de resfriamento inclui uma pluralidade de ressaltos laterais17, 18 e 19 dispostos sobre a lateral do anel de molde 13 e ressaltos de tiras internos e externos 21 e 22, respectivamente, dispostos sobre os lados interno e externo da tira de metal 14 em um local no qual ele circunda o anel de molde. Uma rede de condutos 24 tendo sistema de válvulas adequado é conectado para suprir e descarregar refrigerante para vários tubos de distribuição para controlar o resfriamento do aparelho e a velocidade de solidificação do metal em fusão. Para uma demonstração e explicação mais detalhadas deste tipo de aparelho, referência pode ser feita à patente US 3.596.702, de Ward et al. (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência).

[0041] A figura 3A mostra também o controlador 500 que controla as várias partes do sistema de fundição contínua de alumínio na mesma. Como explicado em detalha mais abaixo, o controlador 500 inclui um ou mais processadores com instruções programadas para controlar a operação do sistema de fundição contínua ilustrado na figura 3A.

[0042] Por meio desta construção, o metal em fusão é suprido do bocal de despacho 11 para o molde de fundição no ponto A e é solidificado e parcialmente resfriado durante seu transporte entre os pontos A e B pela circulação de refrigerante através do sistema de resfriamento. Desse modo, no momento em que a barra fundida chega ao ponto B, ela está em forma de barra fundida sólida 25. A barra fundida sólida 25 é removida da roda de fundição e suprida a um transportador 27 que a conduz para um laminador 28. Deve ser notado que, no ponto B a barra fundida 25 só terá sido resfriada de modo suficiente para solidificar a barra, e esta permanecer a uma temperatura elevada para permitir que uma operação de laminação imediata seja efetuada na mesma. O laminador 28 pode incluir um arranjo em tandem de mesas de rolos que laminam sucessivamente a barra em um comprimento contínuo de fio-máquina 30 com uma seção transversal circular substancialmente uniforme.

[0043] A figura 3B é uma representação esquemática de outro laminador contínuo de acordo com uma modalidade da invenção. A figura 3B provê uma vista global de um sistema de vareta contínua (CR, em inglês) e um inserto mostrando uma vista expandida ao redor do bocal de despacho. O sistema CR mostrado na figura 3B é caracterizado como um sistema de fundição de roda e correia, que tem uma roda de fundição de cobre resfriada a água 50 e uma tira de aço flexível 52. Em uma modalidade da invenção, a roda de fundição 50 tem uma ranhura (não aparente na vista provida) na periferia externa da roda de fundição, e a tira de aço flexível 52 passa, aproximadamente, por metade do caminho ao redor da roda de fundição 50 para incluir a ranhura de fundição. Em uma modalidade da invenção, a ranhura de fundição e a tira de aço flexível que envolve a ranhura de fundição formam uma cavidade de molde 60. Em uma modalidade da invenção, um recipiente em forma de funil 62, um bocal de despacho 64, e um dispositivo medidor 66 despacham alumínio em fusão para a ranhura de fundição à medida que a roda 50 gira. Em uma modalidade da invenção, um agente separador/revestimento de molde é aplicado à roda e tira de aço imediatamente antes do ponto de despacho. O metal em fusão é, tipicamente, mantido no lugar pela tira de aço 52 até a completação do processo de solidificação. À medida que a roda gira, o alumínio (ou o metal despejado) solidifica. O alumínio solidificado, com a ajuda de uma sapata decapante 70, sai da roda 50. A roda 50 é, então, limpa, e o agente desmoldador é reaplicado antes da introdução de alumínio em fusão fresco.

[0044] No sistema CR da figura 3B, o bocal de despejo incluiria, como um acessório separado (ou teria integrados ao mesmo os componentes de), a estrutura de canal 2 mostrada nas figuras 1A-1B (ou outras estruturas de canal descritas em outro local neste relatório) de modo a prover o tratamento ultrassônico ao metal em fusão para induzir locais de nucleação.

[0045] A figura 3B mostra ainda o controlador 500 que (como acima) controla as várias partes do sistema de fundição contínua de alumínio mostrada na mesma. O controlador 500 inclui um ou mais processadores com instruções programadas para controlar a operação do sistema de fundição contínua ilustrado na figura 3B.

[0046] Como mencionado acima, o molde pode ser estacionário, como seria utilizado em fundição em areia, fundição em molde de gesso, moldagem em casca, fundição em cera perdida, fundição em molde permanente, fundição sob pressão etc. Embora descrito abaixo em relação a alumínio, esta invenção não está limitada a isto, e outros metais, como cobre, prata, ouro, magnésio, bronze, latão, estanho, aços, ferros e suas ligas podem utilizar os princípios desta invenção. Adicionalmente, compósitos de metal- matriz podem utilizar os princípios desta invenção para controlar os tamanhos de grão resultantes nos objetos fundidos.

Demonstrações

[0047] As demonstrações a seguir mostram a utilidade da presente invenção e não têm a intenção de limitar a presente invenção a qualquer das específicas dimensões, condições de resfriamento, taxas de produção, e temperaturas apresentadas abaixo, a não ser que tal especificação seja usada nas reivindicações.

[0048] O uso de estruturas de canal mostradas nas figuras 1A-1D e o molde da figura 2, resultados da invenção forma documentados. Exceto como mencionado abaixo, as estruturas de canal tinham placas de fundo 2b com, aproximadamente, 5 cm de largura e 54 cm de comprimento constituindo um trajeto vibratório de cerca de 52 cm (ou seja, aproximadamente ao comprimento do canal de resfriamento de líquido 2c). A espessura da placa inferior variou como notado abaixo, mas para uma placa inferior de aço a espessura era de 6,35 mm. A liga de aço aqui usada era de aço 1010. A altura e largura do canal de resfriamento de líquido 2c era, aproximadamente, de 2 cm e 4,5 cm, respectivamente. O fluido de resfriamento era água suprida aproximadamente, à temperatura ambiente e escoando a, aproximadamente, 22-25 l/min. 1) SEM REFINADORES DE GRÃO E SEM VIBRAÇÃO ULTRASSÔNICA

[0049] As figuras 4A e 4B são ilustrações das macroestruturas de um lingote de alumínio puro despejado sem refinadores de grão e sem vibrações ultrassônicas da presente invenção. AS amostras fundidas foram formadas a temperaturas de despejo de 670°C (figura 4A) e 700°C (figura 4B), respectivamente. O molde foi resfriado por borrifo de água sobre o mesmo durante o processo de solidificação. Um canal de aço, tendo uma espessura de 6,35 mm, foi usado para a estrutura de canal nas figuras 4A-4D. As figuras 4C e 4D são ilustrações das macroestruturas de um lingote de alumínio puro sem refinadores de grão e sem as vibrações ultrassônicas da presente invenção. AS amostras fundidas foram formadas a temperaturas de despejo de 730°C (figura 4C) e 760°C (figura 4D), respectivamente. O molde foi resfriado mais uma vez por borrifo de água sobre o mesmo durante o processo de solidificação. Nas figuras 4A-4D, a taxa de despejo foi, aproximadamente, de 40 kg/min.

[0050] A figura 5 é uma plotagem dos tamanhos de grãos medidos em função do despejo (ou temperatura de fundição). Os grãos mostram cristais que são colunares e têm tamanhos de grão variando de mm a dezenas de mm, com um tamanho médio de grãos de mais de 12 mm a mais de 18 mm, dependendo da temperatura de fundição. 2) SEM REFINADORES DE GRÃO E COM VIBRAÇÃO ULTRASSÔNICA

[0051] As figuras 6A-6C são ilustrações das macroestruturas de um lingote de alumínio puro sem refinadores de grão e com vibrações ultrassônicas da presente invenção. As amostras fundidas foram formadas a temperaturas de despejo de 680°C (figura 6A) ou 700C (figura 6B), e 720°C (figura 6C), respectivamente. O molde foi resfriado mais uma vez por borrifo de água sobre o mesmo durante o processo de solidificação. Um canal de aço, tendo uma espessura de 6,35 mm, foi usado para a estrutura de canal usada para formar as amostras mostradas nas figuras 6A-6C. Nestes exemplos, o alumínio em fusão escoou sobre o canal de aço (uma placa inferior de 5 cm de largura) para uma distância de escoamento de cerca de 35 cm sobre a superfície superior. Uma sonda de vibração ultrassônica foi instalada sob o lado superior da estrutura de canal de aço e localizada por cerca de 7,5 cm da extremidade da estrutura de canal da qual o alumínio em fusão era despejado. Nas figuras 6A-6C, a taxa de despejo era, aproximadamente, de 40 kg/min. A sonda/sonotrodo ultrassônica era feita de liga de Ti (Ti-6Al-4V). A frequência era de 20kHz, e a intensidade de vibração ultrassônica era de 50% da amplitude máxima, cerca de 40 μm.

[0052] A figura 7 é uma plotagem dos tamanhos de grãos em função do despejo (ou temperatura de fundição). Os grãos mostram cristais que são colunares e com tamanhos de grãos menores do que 0,5 mícrons. Estes resultados mostram que o tratamento ultrassônico da presente invenção é tão eficaz quanto refinadores de grão de Tibor (um composto contendo titânio e boro) na produção de grãos equiaxiais de metal puro. Ver, por exemplo, a figura 13 para dados com amostras tendo refinadores de grão de Tibor.

[0053] Além disso, o efeito da presente invenção foi determinado mesmo ainda para maiores taxas de despejo. O uso de uma taxa de despejo de 75 kg/min através do canal de aço (uma placa inferior de 7,5 cm de largura) para uma distância de escoamento de cerca de 52 cm sobre a superfície superior do tratamento ultrassônico da presente invenção foi também tão eficaz quanto refinadores de grão de Tibor na produção de grãos equiaxiais de metal puro. A figura 8 é uma plotagem dos tamanhos de grãos medidos em função do despejo (ou temperatura de fundição) abaixo das taxas de despejo de 75 kg/min.

[0054] Demonstrações similares foram feitas com o uso de uma placa inferior de cobre tendo uma espessura de 6,35 mm e as mesmas dimensões laterais como referido acima. A figura 9 é uma plotagem dos tamanhos de grãos medidos em função do despejo (ou temperatura de fundição) abaixo de taxas de despejo de 75 kg/min e usando o canal de cobre explicado acima. Os resultados mostram que o efeito de refino de grãos é melhor para cobre quando a temperatura de fundição está a 670°C.

[0055] Demonstrações similares forma feitas com o uso de uma placa inferior de nióbio tendo uma espessura de 1,4 mm e as mesmas dimensões laterais referidas acima. A figura 10 é uma plotagem dos tamanhos de grãos medidos em função do despejo (ou temperatura de fundição) abaixo de taxas de despejo de 75 kg/min e usando o canal de nióbio explicado acima. Os resultados mostram que o efeito de refino de grãos é melhor para nióbio quando a temperatura de fundição está a 670°C.

[0056] Em outra demonstração desta invenção, com a variação do deslocamento da sonda de onda ultrassônica da extremidade de despejo do canal 3 foi verificado ser provido um modo de variar um tamanho de grão sem adição dos refinadores de grão. As figuras 11A e 11B para a placa de nióbio descrita acima a respectivas temperaturas de despejo de 730°C (figura 11A) e 760° (figura 11B), mostram uma estrutura de grãos muito mais grosseira quando a distância da sonda de onda ultrassônica da extremidade de despejo foi estendida de 7,5 cm para um deslocamento total de 22 cm. As figuras 11C e 11D são representações esquemáticas do posicionamento e deslocamento experimentais da sonda de onda ultrassônica, cujos dados resultantes a respeito do efeito do deslocamento da sonda de onda ultrassônica foram coletados. Deslocamentos abaixo de 23 cm, ou mesmo maiores, são eficazes na redução de tamanho de grão. Entretanto, a janela (ou seja, a faixa) para a temperatura de despejo diminui com o aumento de distância entre a localização da sonda/sonotrodo e a do molde de metal. A presente invenção não está limitada a esta faixa.

[0057] A figura 12 é uma plotagem dos tamanhos de grãos medidos em função do despejo (ou temperatura de fundição) abaixo de taxas de despejo de 75 kg/min e com o uso do canal de nióbio explicado acima, mas com a distância da sonda de onda ultrassônica da extremidade de despejo estendida para o deslocamento total de 22 cm. Esta plotagem mostra que os tamanhos de grãos são significativamente afetados pela temperatura de despejo. Os tamanhos de grãos são muito maiores e com cristais colunares parciais quando a temperatura de despejo for maior do que cerca de 704°C, enquanto os tamanhos de grãos são aproximadamente equivalentes a outras condições pela temperatura de despejo menor do que 700°C.

[0058] Além disso, a maiores temperaturas, o uso de refinadores de grão resultou, tipicamente, em um tamanho de grão menor do que a temperaturas menores. O tamanho de grão médio do lingote de grão refinado a 760°C foi de 397,76 μm, enquanto o tamanho de grão médio do lingote tratado com vibrações ultrassônicas foi de 475,82 μm, com o desvio padrão dos tamanhos de grãos sendo de cerca de 169 μm e 95 μm, respectivamente, mostrando que as vibrações ultrassônicas produziram grãos mais uniformes do que o refinador de grão Al-Ti-B.

[0059] Em um aspecto particularmente atrativo da presente invenção, a temperaturas menores, o tratamento por vibração ultrassônica é mais eficaz do que a adição de refinadores de grão.

[0060] Em outro aspecto da presente invenção, a temperatura de despejo pode ser usada para controlar a mudança de tamanho de grão em lingotes sujeitos a vibração ultrassônica. Os inventores observaram que o tamanho de grão diminuiu com uma diminuição na temperatura de despejo. Os inventores também observaram que grãos equiaxiais ocorreram quando usando vibração ultrassônica e quando o fundido é despejado em um molde a temperaturas dentro de 10°C acima da temperatura de liquidus da liga sendo despejada.

[0061] A figura 13A é uma representação esquemática de uma configuração final de corrida estendida. Na configuração final de corrida estendida da figura 13A, o final de corrida do canal é estendido para cerca de 12,5 cm de 1,25 cm, e a posição de sonda de onda ultrassônica é localizada de 7,5 cm até o final do tubo. O final de corrida estendido é realizado pela adição de uma placa de nióbio ao final de corrida original. A figura 13B é um gráfico mostrando o efeito de temperatura de fundição sobre o tamanho de grão resultante, ao se usar um canal de nióbio. Os tamanhos de grãos realizados eram efetivamente equivalentes aos do final de corrida mais curta, quando a temperatura de despejo era menor do que 700°C.

[0062] A presente invenção não está limitada à aplicação de uso de vibrações ultrassônicas meramente à estrutura de canal descrita acima. Em geral, as vibrações ultrassônicas podem induzir nucleação em pontos no processo de fundição em que o metal em fusão estiver começando a resfriar do estado em fusão e entra no estado sólido (ou seja, o estado de parada termal). Vista de modo diferente, a invenção, em várias modalidades, combina vibração ultrassônica com gerenciamento termal, de modo que, o metal em fusão adjacente à superfície de resfriamento esteja próximo à temperatura do liquidus da liga. Nestas modalidades, a temperatura superficial da placa de resfriamento é suficientemente baixa para induzir nucleação e crescimento de cristal (formação de dendrites) enquanto vibração ultrassônica cria núcleos e rompe dendrites que podem se formar na superfície da placa de resfriamento.

Configurações alternativas

[0063] Consequentemente, na invenção, vibrações ultrassônicas (além daquelas introduzidas na estrutura de canal referidas acima) podem ser usadas para induzir nucleação em um ponto de entrada do metal em fusão para o molde por meio de um vibrador

[0064] Ultrassônico preferencialmente acoplado à entrada de molde por meio de um refrigerante líquido. Esta opção pode ser mais atrativa em um molde estacionário. Em algumas configurações de fundição (por exemplo, com uma fundição vertical), esta opção pode ser a única implementação prática.

[0065] Alternativamente ou conjuntamente, vibrações ultrassônicas podem induzir nucleação a uma calha que provê o metal em fusão à estrutura de canal ou que provê o metal em fusão diretamente a um molde. Como anteriormente, o vibrador ultrassônico é, preferencialmente, acoplado à calha e, desse modo, ao metal em fusão por meio de um refrigerante líquido.

[0066] Adicionalmente, além do uso do tratamento por vibrações ultrassônicas da presente invenção na fundição em moldes estacionários e em moldes do tipo vareta contínua descritos acima, a presente invenção tem também utilidade no laminador descrito na patente US 4.733.717 (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência). Conforme mostrado na figura 14 (reproduzida daquela patente), um sistema de fundição contínua e formação a quente 110 inclui uma máquina de fundição 112 que inclui ainda uma roda de fundição 114 tendo uma ranhura periférica na mesma, uma tira flexível 116 portada por uma pluralidade de rodas guias 117 que forçam a tira flexível 116 contra a roda de fundição 114 por uma porção da circunferência da roda de fundição 114 para cobrir a ranhura periférica e formar um molde entre a tira 116 e a roda de fundição 114. À medida que o metal em fusão é despejado no molde através do bocal de despejo 119, a roda de fundição 114 é girada, e a tira 116 se move com a roda de fundição 114 para formar um molde móvel. O bocal de despejo 119 incluiria, como um acessório separado (ou teria componentes integrados ao mesmo de) a estrutura de canal 2 mostrada nas figuras 1A-1B (ou outras estruturas de canal descritas em outro local neste relatório) de modo a prover o tratamento ultrassônico ao metal em fusão para induzir locais de nucleação.

[0067] Um sistema de resfriamento 115 de máquina de fundição 112 faz com que o metal em fusão solidifique uniformemente no molde e removido da roda de fundição 114 como uma barra fundida.

[0068] Da máquina de fundição 112, a barra fundida 120 atravessa um meio de aquecimento 121. Este meio de aquecimento 121 funciona como um pré-aquecedor para elevar a temperatura da barra 120 da temperatura de fundição sólida para uma temperatura de formação a quente, de cerca de 927°C a cerca de 954°C. Imediatamente após o pré-aquecimento, a barra 120 é passada através de um laminador convencional 124, que inclui mesas de rolos 125, 126, 127 e 128. As mesas de rolos do laminador 124 proveem a formação a quente primária da barra fundida por meio da compressão sequencial da barra pré-aquecida até que a mesma seja reduzida a um tamanho e forma desejados de seção transversal.

[0069] A figura 14 mostra também um controlador 500 que controla várias partes do sistema de fundição contínua mostrado na mesma. Como explicado abaixo em detalhe, o controlador 500 inclui um ou mais processadores com instruções programadas para controlar a operação do sistema de fundição de cobre contínua ilustrada na figura 14.

[0070] Adicionalmente, além do uso do tratamento com vibrações ultrassônicas da presente invenção na fundição em moldes estacionários e nos sistemas de fundição contínua do tipo roda descritos acima, a presente invenção tem também utilidade em laminadores verticais.

[0071] A figura 15 ilustra componentes selecionados de um laminador vertical. Mais detalhes destes componentes e outros aspectos de um laminador vertical são encontrados na patente US 3.520.352 (cujo inteiro teor é aqui incorporado pela referência). Conforme mostrado na figura 15, o laminador vertical inclui uma cavidade de fundição de metal em fusão 213, que é geralmente quadrada na modalidade ilustrada, mas que pode ser arredondada, elíptica, poligonal ou qualquer outra forma adequada, e que é limitada por primeiras porções de paredes 215vets e mutuamente intersectadas, e segundas ou porções de parede de quina 217, situadas na porção de topo do molde. Um envelope retentor de fluido 219 circunda as paredes 215 e membros de quina 217 das técnicas para cavidade de fundição em relação apartada entre elas. O envelope 219 é adaptado para receber um fluido refrigerante, como água, através de um conduto de entrada 221, e descarregar o fluido refrigerante através de um conduto de saída 223.Enquanto as primeiras porções de parede 215 são preferencialmente feitas de um material altamente condutivo termal, como cobre, as segundas porções ou de quina de paredes 217 são construídas de material menos condutivo termal como, por exemplo, um material cerâmico. Conforme mostrado na figura 15, as porções de parede de quina 217 têm, geralmente uma forma em L ou seção transversal angular, e as bordas verticais de cada quina são inclinadas descendente e convergentemente uma em direção à outra. Desse modo, o membro de quina 217 termina em um algum nível conveniente no molde acima da extremidade de descarga do molde que fica ente as seções transversais

[0072] Em operação, o metal em fusão escoa de um funil para dentro de um molde de fundição que reciproca verticalmente e uma trança fundida de metal é continuamente retirada do molde. O metal em fusão é, primeiro, resfriado no molde pelo contato com as paredes de molde mais frias, pelo que pode ser considerado como uma primeira zona de resfriamento. Calor é rapidamente removido do metal em fusão nesta zona, e uma casca de material é acreditada ser formada ao redor de uma poça central de metal em fusão.

[0073] Na presente invenção, a estrutura de canal 2 (ou estrutura similar à mostrada na figura 1) poderia ser provida como parte de um dispositivo de despacho para transportar o metal em fusão para a cavidade de fundição de metal em fusão 213. Nesta configuração, a estrutura de canal 3 com sua sonda de onda ultrassônica proveria o tratamento ultrassônico ao metal em fusão para induzir locais de nucleação.

[0074] Em uma configuração alternativa, uma sonda de onda ultrassônica seria disposta em relação ao envelope retentor de fluido 219 e, preferivelmente, no meio refrigerante circulando no envelope retentor de fluido 219. Como anteriormente, vibrações ultrassônicas podem induzir nucleação no metal em fusão, por exemplo, em seu estado de parada termal no qual o metal em fusão se converte de um líquido para um sólido, à medida que a trança fundida de metal é continuamente retirada da cavidade de fundição de metal 213. Gerenciamento termal

[0075] Como mencionado acima, em um aspecto da presente invenção, vibrações ultrassônicas de uma sonda de onda ultrassônica são acopladas a um meio líquido para melhor refinar os grãos em metais e ligas metálicas, e criar uma solidificação mais uniforme. As vibrações ultrassônicas são, preferencialmente, comunicadas ao metal líquido através de um meio de resfriamento líquido interveniente.

[0076] Embora não limitada a qualquer teoria particular de operação, a explicação a seguir ilustra alguns dos fatores que influenciam o acoplamento ultrassônico.

[0077] É preferido que o fluxo líquido de refrigerante seja provido a uma velocidade suficiente para superfusão do metal adjacente à laca de resfriamento (menos do que ~5 a 10°C acima da temperatura de liquidus da liga ou ligeiramente abaixo da temperatura de liquidus). Desse modo, um atributo da presente invenção usa estas condições de placa de resfriamento e vibração ultrassônica para reduzir o tamanho de grão de uma grande quantidade de metal. Técnicas anteriores usando vibração ultrassônica para refino de grão trabalhava apenas para uma pequena quantidade de metal a curtos períodos de fundição. O uso de um sistema de resfriamento assegura que esta invenção pode ser usada para uma grande quantidade de metal por longos períodos ou, de outro modo, fundição contínua.

[0078] Em uma modalidade, a taxa de vazão do meio refrigerante é, de preferência, mas não necessariamente, suficiente para impedir que a taxa de calor transitando na placa inferior e nas paredes do canal de resfriamento produza uma bolsa de vapor de água que poderia interromper o acoplamento ultrassônico.

[0079] Em uma consideração do fluxo de temperatura do metal em fusão para o canal de resfriamento, a placa inferior (através do projeto de sua espessura e o material de construção) poderia ser projetada para suportar a maior parte da queda de temperatura da temperatura do metal em fusão para a temperatura de água refrigerante. Se, por exemplo, a queda de temperatura através da espessura da placa inferior for apenas em torno de 100°C, então as quedas de temperatura remanescentes existirão através de uma interface água/vapor de água, potencialmente degradando o acoplamento ultrassônico.

[0080] Além disso, como mencionado acima, a placa inferior 2b da estrutura de canal pode ser presa à parede da passagem de meio líquido 2c, permitindo que diferentes materiais sejam usados para estes dois elementos. Nesta consideração de projeto, materiais de diferentes condutividades termais podem ser usados para distribuir a queda de temperatura de maneira adequada. Além disso, a forma de seção transversal da passagem de meio líquido 2c e/ou o acabamento superficial da parede interna da passagem de meio líquido 2c pode ser ajustada para favorecer a troca de calor no meio refrigerante sem o desenvolvimento de uma interface de fase vapor. Por exemplo, protuberâncias superficiais intencionais podem ser providas na parede interna da passagem de meio líquido 2c para promover a ebulição de nucleado caracterizado pelo crescimento de bolhas sobre uma superfície aquecida, que surgem de pontos discretos sobre uma superfície, cuja temperatura é apenas ligeiramente acima da temperatura do líquido.

Produtos metálicos

[0081] Em um aspecto da presente invenção, produtos incluindo uma composição metálica fundida podem ser feitos sem a necessidade de refinadores de grão e tendo ainda tamanhos de grão submilimétricos. Consequentemente, as composições metálicas fundidas podem ser feitas com menos de 2% das composições incluindo os refinadores de grão e obter ainda tamanhos de grão submilimétricos. As composições metálicas fundidas podem ser feitas com menos de 1% das composições incluindo os refinadores de grão e ainda obter tamanhos de grão submilimétricos. Em uma composição preferida, os refinadores de grão são menores do que 0,5% ou menores do que 0,2%, ou menores do que 0,1%. As composições metálicas fundidas podem ser feitas com as composições não incluindo refinadores de grão e ainda obter tamanhos de grão submilimétricos.

[0082] As composições metálicas fundidas podem ter uma variedade de tamanhos de grão submilimétricos dependendo de alguns fatores incluindo os constituintes do metal “puro” ou em liga, as taxas de despejo, as temperaturas de despejo, a taxa de resfriamento. A lista de tamanhos de grão disponível para a presente invenção inclui o que se segue. Para alumínio e ligas de alumínio, tamanhos de grão variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para obre e suas ligas, tamanhos de grão variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para ouro, prata ou estanho ou suas ligas, tamanhos de grão variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para magnésio ou suas ligas, tamanhos de grão variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Embora dados em faixas, a invenção é capaz de valores intermediários também. Em um aspecto da presente invenção, pequenas concentrações (menores do 5%) dos refinadores de grão podem ser adicionadas para reduzir ainda mais o tamanho de grão para valores entre 100 e 500 mícrons. As composições metálicas fundidas podem incluir alumínio, cobre, magnésio, zinco, chumbo, ouro, prata, estanho, bronze, latão e suas ligas.

[0083] As composições metálicas fundidas podem ser extraídas ou formadas de outro modo em barras, varetas, pedaços para fundição, lâminas, fios, tarugos e pellets.

CONTROLE COMPUTADORIZADO

[0084] O controlador 500 nas figuras 3A, 3B e 14 pode ser implementado por meio do sistema de computador 1201 mostrado na figura 16. O sistema de computador 1201 pode ser usado como o controlador 500 para controlar os sistemas de fundição mencionados acima ou qualquer outro sistema ou aparelho de fundição empregando o tratamento ultrassônico da presente invenção. Embora ilustrado de maneira singular nas figuras 3A, 3B e 14 como um controlador, o controlador 500 pode incluir discretos e separados processadores em comunicação um com outro e/ou dedicados a uma função de controle específica.

[0085] Em particular, o controlador 500 pode ser programado especificamente com algoritmos de controle executando as funções ilustradas pelo fluxograma na figura 17.

[0086] A figura 17 ilustra um fluxograma, cujos elementos podem ser programados ou armazenados em um meio legível por computador ou em um dos dispositivos de armazenamento descritos abaixo. O fluxograma da figura 17 ilustra um método da presente invenção para indução de locais de nucleação em um produto metálico. No elemento da etapa 1702, o elemento programado direcionaria a operação de transportar metal em fusão, em um estado de parada termal no qual o metal está se convertendo de um líquido para um sólido, ao longo de um comprimento longitudinal de uma estrutura de contenção de metal em fusão. No elemento de etapa 1704, o elemento programado direcionaria a operação de resfriar a estrutura de contenção de metal em fusão pela passagem de um meio líquido através de um canal de resfriamento. No elemento de etapa 1706, o elemento programado direcionaria a operação de acoplar ondas ultrassônicas através do meio líquido no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal em fusão para o metal em fusão. Neste elemento, as ondas ultrassônicas teriam uma frequência e potência que induz locais de nucleação no metal em fusão, como explicado acima.

[0087] Elementos, como a temperatura de metal em fusão, taxa de despejo, fluxo de refrigerante através de passagens do canal de resfriamento, e resfriamento de molde e elementos relativos ao controle e extração do produto fundido através do laminador, seriam programados com linguagens comuns de software, como explicado abaixo, para produzir processadores de finalidade especial contendo instruções para aplicar o método da presente invenção para induzir locais de nucleação em um produto metálico.

[0088] Mais especificamente, o sistema de computador 1201 mostrado na figura 16 inclui um bus 1202 ou outro mecanismo de comunicação para comunicar informação, e um processador 1203 acoplado ao bus 1202 para processamento da informação. O sistema de computador 1201 inclui também uma memória principal 1204, como uma memória de acesso aleatório (RAM) ou outro dispositivo de armazenamento dinâmico (por exemplo, RAM dinâmica (DRAM), RAM estática (SRAM), e DRAM síncrona (SDRAM), acoplado ao bus 1202 para armazenar informação e instruções a serem executadas pelo processador 1203. Adicionalmente, a memória principal 1204 pode ser usada para armazenar variáveis temporárias ou outra informação intermediária durante a execução de instruções pelo processador 1203. O sistema de computador 1201 inclui ainda uma memória somente de leitura (ROM) 1205 ou outro dispositivo de armazenamento estático (por exemplo, memória somente de leitura programável (PROM), PROM apagável (EPROM) e PROM eletricamente apagável (EEPROM) acoplada ao bus 1202 para armazenar informação estática e instruções para o processador 1203.

[0089] O sistema de computador 1201 inclui também um controlador de disco 1206 acoplado ao bus 1202 para controlar um ou mais dispositivos de armazenamento para armazenar informação e instruções, como um disco rígido magnético 1207, e um drive de mídia removível 1208 (por exemplo, drive de disco flexível, drive de disco compacto somente de leitura, drive de disco compacto de ler/gravar, jukebox de disco compacto, drive de fita, e drive magneto-óptico removível). Os dispositivos de armazenamento podem ser adicionados ao sistema de computador 1201 usando uma interface de dispositivo apropriada (por exemplo, interface de sistema de pequeno computador (SCSI), eletrônicos de dispositivo integrado (IDE), IDE realçado (E-IDE), acesso direto à memória (DMA), ou ultra-DMA).

[0090] O sistema de computador 1201 pode incluir também dispositivos lógicos para fins específicos (por exemplo, circuitos integrados de aplicação específica (ASICs)) ou dispositivos de lógica configurável (por exemplo, dispositivos lógicos complexos programáveis (CPLDs), e Arranjos de Portas Programáveis em Campo (FPGAs)).

[0091] O sistema de computador 1201 pode incluir também um controlador de tela 1209 acoplado ao bus 1202 para controlar uma tela, como um tubo de raio catódico (CRT), para exibir informação a um usuário de computador. O sistema de computador inclui dispositivos de entrada, como um teclado e um dispositivo apontador, para interagir com um usuário de computador (por exemplo, um usuário interfaceando com o controlador 500) e prover informação ao processador 1203.

[0092] O sistema de computador 1201 efetua uma porção ou todas as etapas de processamento da invenção (como, por exemplo, aquelas descritas em relação a prover energia vibracional a um metal líquido em um estado de parada termal) em resposta ao processador 1203 executando uma ou mais sequências de uma ou mais instruções contidas em uma memória, como a memória principal 1204. Essas instruções podem ser lidas na memória principal 1204 por outro meio legível por computador, como um disco rígido 1207 ou um drive de mídia removível 1208. Um ou mais processadores em um arranjo de multiprocessamento também podem ser empregados para executar as sequências de instruções contidas em uma memória principal 1204. Em modalidades alternativas, circuitos interligados podem ser usados em vez de, ou, em combinação com instruções de software. Desse modo, modalidades não são limitadas a qualquer combinação específica de circuito interligado e software.

[0093] Como dito acima, o sic 1201 inclui pelo menos um mel ou memória para conter instruções programadas de acordo com os ensinamentos da invenção e para conter estruturas de dados, tabelas, gravações, ou outros dados aqui descritos. Exemplos de meio legível por computador são discos compactos, discos rígidos, discos flexíveis, fita, discos magneto-ópticos, PROMs (EPROM, EEPROM, EPROM instantânea, DRAM, SRAM, SDRAM, ou qualquer outro meio magnético, discos compactos (por exemplo, CD-ROM), ou qualquer outro meio óptico, ou outro meio físico, uma onda portadora (descrita abaixo), ou qualquer outro meio do qual o computador possa ler.

[0094] Armazenado em qualquer uma ou em combinação de mídia legível por computador, a invenção inclui software para controlar o sistema de computador 1201, para acionar um dispositivo ou dispositivos para implementação da invenção, e para possibilitar que o sistema de computador 1201 interaja com um usuário humano. Este software pode incluir, mas não de modo limitativo, drivers de dispositivos, sistemas operacionais, ferramentas de desenvolvimento e software de aplicações. Essas mídias legíveis por computador incluem o produto de programa de computador da invenção para efetuar toda ou uma porção (caso processamento for distribuído) do processamento efetuado na implementação da invenção.

[0095] Os dispositivos de código de computador da invenção podem ser qualquer mecanismo de código interpretável ou executável, incluindo, mas não de modo limitativo, scripts, programas interpretáveis, bibliotecas de vínculo dinâmico (DLLs), classes de Java e programas completos executáveis. Além disso, partes do processamento da invenção podem ser distribuídas para melhor desempenho, confiabilidade e/ou custo.

[0096] O termo “meio não transitório legível por computador”, como usado aqui, se refere a qualquer meio que participa no provimento de instruções ao processador 1203 para execução. Um meio não transitório legível por computador pode apresentar várias formas, incluindo, mas não de modo limitativo, mídia não-volátil, mídia volátil e mídia de transmissão. Mídia não-volátil inclui, por exemplo, discos ópticos, magnéticos e discos magneto-ópticos, como o disco rígido 1207 ou o drive de mídia removível 1208. Mídia volátil inclui memória dinâmica, como a memória principal 1204; Mídia de transmissão inclui cabos coaxiais, fio de cobre e fibra óptica, incluindo os fios que constituem o bus 1202. Mídia de transmissão também pode assumir a forma de ondas acústicas ou luminosas, como aquelas geradas durante comunicações de dados por onda de rádio ou infravermelho.

[0097] O sistema de computador 1201 pode incluir também uma interface de comunicação 1213 acoplada ao bus 1202. A interface de comunicação 1213 provê um acoplamento de comunicação de dados de duas direções a um link de rede 1214 que é conectado, por exemplo, a uma rede de área local (LAN) 1215, ou a outra rede de comunicações 1216 como a Internet. Por exemplo, a interface de comunicação 1213 pode ser uma placa de interface de rede para conexão a qualquer LAN comutada de pacote. Como outro exemplo, a interface de comunicação 1213 pode ser uma placa de linha de assinante digital assimétrica (ADSL), uma placa de Rede Digital de Serviços Integrados (ISDN) ou um modem para prover uma conexão de comunicação de dados a um tipo correspondente de linha de comunicação. Links sem fio também podem ser implementados. Em qualquer dessas implementações, a interface de comunicação 1213 envia e recebe sinais elétricos, eletromagnéticos ou ópticos que portam correntes de dados digitais representando vários tipos de informação.

[0098] O link de comunicação 1214 provê, tipicamente, comunicação de dados através de uma ou mais redes para outros dispositivos de dados. Por exemplo, o link de rede 1214 pode prover uma conexão a outro computador através de uma rede local 1215 (por exemplo, uma LAN) ou através de equipamento operado por um provedor de serviços, que provê serviços de comunicação através de uma rede de comunicações 1216. Em uma modalidade, esta capacidade permite que a invenção tenha múltiplos controladores dos descritos acima 500 em rede entre eles para fins como uma automação ampla de fábrica ou controle de qualidade. A rede local 1214 e a rede de comunicações 1216 usam, por exemplo, sinais elétricos, eletromagnéticos ou ópticos que portam streams de dados digitais, e a camada física associada (por exemplo, cabo CAT 5, cabo coaxial, fibras ópticas etc.). Os sinais através das várias redes e os sinais no link de rede1214 e através da interface de comunicação 1213, que portam os dados digitais para/de o sistema de computador 1201 podem ser implementados em sinais de banda base, ou sinais baseados em onda portadora. Os sinais de banda base conduzem os dados digitais como pulsos elétricos não modulados que são descritivos de um stream de bits de dados digitais, onde o termo “bits” deve ser entendido amplamente como significando símbolo, em que cada símbolo conduz pelo menos um ou mais bits de informação. Os dados digitais podem ser usados também para modular uma onda portadora, como sinais modulados por comutação de amplitude, fase e/ou frequência que são propagados sobre uma mídia condutiva, ou transmitidos como ondas eletromagnéticas através de um meio de propagação. Desse modo, os dados digitais podem ser enviados como dados de banda base não modulados através de um canal de comunicação “por fio” e/ou enviados dentro de uma banda de frequência predeterminada, diferente da banda base, pela modulação de uma onda portadora. O sistema de computador 1201 pode transmitir e receber dados, incluindo código de programa, através da(s) rede(s) 1215 e 1216, o link de rede 1214, e a interface de comunicação 1213. Além disso, o link de rede 1214 pode prover uma interface 1213. Além disso, p link de rede 1214 pode prover uma conexão através de uma LAN 1215 a um dispositivo móvel 1217, como um assistente digital pessoal (PDA), computador laptop, ou telefone celular.

Declarações gerais da invenção

[0099] As seguintes declarações da invenção proveem uma ou mais caracterizações da presente invenção e não limitam o escopo da presente invenção.

[00100] Declaração 1.Um dispositivo de processamento de metal em fusão compreendendo uma estrutura de contenção de metal em fusão para recepção e transporte de metal em fusão ao longo de uma sua extensão longitudinal; uma unidade de resfriamento para a estrutura de contenção incluindo um canal de resfriamento para passagem de um meio líquido pelo mesmo; e uma sonda de onda ultrassônica disposta em relação ao canal de resfriamento de modo que, as ondas ultrassônicas sejam acopladas através do meio líquido no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal em fusão no metal em fusão.

[00101] Declaração 2. O dispositivo da declaração 1, em que o canal de resfriamento resfria o metal em fusão adjacente ao canal de resfriamento para temperaturas sub-liquidus (menor do que ou menos do que 5-10°C acima da temperatura de liquidus da liga, ou mesmo mais baixas do que a temperatura de liquidus). A espessura de parede do canal de resfriamento em contato com o metal em fusão tem quer dina suficiente para assegurar que o canal de resfriamento pode realmente resfriar o metal em fusão adjacente ao canal para aquela faixa de temperatura. Declaração 3. O dispositivo da declaração 1, em que o canal de resfriamento compreende pelo menos um dentre água, gás, metal líquido e óleos de motor.

[00102] Declaração 4. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção compreende paredes laterais contendo o metal em fusão e uma placa inferior suportando o metal em fusão. Declaração 5. O dispositivo da declaração 4, em que a placa inferior compreende pelo menos um dentre cobre, ferros ou aço, nióbio, ou uma liga de nióbio. Declaração 6. O dispositivo da declaração 4, em que a placa inferior compreende uma cerâmica. Declaração 7. O dispositivo da declaração 6, em que a cerâmica compreende uma cerâmica de nitreto de silício. Declaração 8. O dispositivo da declaração 7, em que a cerâmica de nitreto de silício compreende um SiALON. Declaração 9. Dispositivo da declaração 4, em que as paredes laterais e a placa inferior formam uma unidade integrada. Declaração 10. O dispositivo da declaração 4, em que as paredes laterais e a placa inferior compreendem diferentes placas do mesmo material.

[00103] Declaração 12. O dispositivo da declaração 1, em que s sonda de onda ultrassônica é disposta no canal de resfriamento mais próxima de uma extremidade a jusante da estrutura de contato do que de uma extremidade a montante da estrutura de contato.

[00104] Declaração 13. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção compreende uma estrutura de nióbio. Declaração 14. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção compreende uma estrutura de cobre. Declaração 15. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção compreende uma estrutura de aço. Declaração 16. Dispositivo da declaração 1, em que pelo fato de que a estrutura de contenção compreende uma cerâmica.

[00105] Declaração 17. Dispositivo da declaração 16, em que a cerâmica compreende uma cerâmica de nitreto de silício. Declaração 18. Dispositivo da declaração 17, em que a cerâmica de nitreto de silício compreende um SiALON. Declaração 19. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção compreende um material que tem um ponto de fusão maior do que aquele do metal fundido. Declaração 20. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção compreende um material diferente daquele do suporte. Declaração 21. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção inclui uma extremidade a jusante que tem uma configuração para dispensar o dito metal fundido com os ditos locais de nucleação em um molde.

[00106] Declaração 22. O dispositivo da declaração 21, em que o molde compreende um molde de roda de fundição. Declaração 23. O dispositivo da declaração 21, em que o molde compreende um molde de fundição vertical. Declaração 24. O dispositivo da declaração 21, em que o molde compreende um molde estacionário.

[00107] Declaração 25. O dispositivo da declaração 1, em que a estrutura de contenção compreende um material metálico ou um material refratário. Declaração 26. O dispositivo da declaração 25, em que o material metálico compreende pelo menos um dentre cobre, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio, e ligas dos mesmos. Declaração 27. O dispositivo da declaração 26, em que o material refratário compreende um ou mais de silício, oxigênio ou nitrogênio. Declaração 28. O dispositivo da declaração 25, em que o material metálico compreende uma liga de aço.

[00108] Declaração 29, do dispositivo da declaração 1, em que a sonda ultrassônica possui uma frequência operacional entre 5 e 40 kHz.

[00109] Declaração 30. Um método para formar um produto de metal, compreendendo transportar metal fundido ao longo de um comprimento longitudinal de uma estrutura de contenção de metal fundido; resfriar a estrutura de contenção de metal fundido pela passagem de um meio através de um canal de resfriamento termicamente acoplado à estrutura de contenção de metal fundido; acoplar ondas ultrassônicas através do meio no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido.

[00110] Declaração 31. O método da declaração 30, em que transportar metal fundido compreende transportar o metal fundido na dita estrutura de contenção que tem paredes laterais contendo o metal fundido e uma placa inferior suportando o metal fundido.

[00111] Declaração 32. O método da declaração 31, em que as paredes laterais e a placa inferior formam uma unidade integrada. Declaração 33. O método da declaração 31, em que as paredes laterais e a placa inferior compreendem diferentes placas do mesmo material.

[00112] Declaração 35. O método da declaração 30, em que acoplar ondas ultrassônicas compreende acoplar as ditas ondas ultrassônicas de uma sonda de onda ultrassônica que é disposta no canal de resfriamento mais próxima a uma extremidade de jusante da estrutura de contato do que a extremidade de montante da estrutura de contato.

[00113] Declaração 36. O método da declaração 30, em que transportar metal fundido compreende transportar o metal fundido em uma estrutura de contenção de nióbio. Declaração 37. O método da declaração 30, O método da declaração 30, em que transportar metal fundido compreende transportar o metal fundido em uma estrutura de contato de cobre. Declaração 38. O método da declaração 30, em que transportar metal fundido compreende transportar o metal fundido em uma estrutura de contenção de cobre. Declaração 39. O método da declaração 30, em que transportar metal fundido compreende transportar o metal fundido em uma estrutura compreendendo um material que tem um ponto de fusão maior do que o do metal fundido.

[00114] Declaração 40. O método da declaração 30, em que transportar metal fundido compreende dispensar o dito metal fundido em um molde. Declaração 41. O método da declaração 30, em que transportar metal fundido compreende dispensar o dito metal fundido com os ditos locais de nucleação ao molde. Declaração 42. O método da declaração 41, em que transportar metal fundido compreende dispensar o dito metal fundido com os ditos locais de nucleação a um molde de roda de fundição. Declaração 43. O método da declaração 41, em que transportar metal fundido compreende dispensar o dito metal fundido com os ditos locais de nucleação a um molde estacionário. Declaração 44. O método da declaração 41, em que transportar metal fundido compreende dispensar o dito metal fundido com os ditos locais de nucleação a um molde de fundição vertical.

[00115] Declaração 45. O método da declaração 30, em que acoplar as ondas ultrassônicas compreende acoplar as ditas ondas ultrassônicas com a dita frequência entre 5 e 40 kHz. Declaração 46. O método da declaração 30, em que acoplar as ondas ultrassônicas compreende acoplar as ditas ondas ultrassônicas com a dita frequência entre 15 e 25 kHz. Declaração 48. O método da declaração 30, compreendendo adicionalmente solidificar o metal fundido para produzir uma composição metálica fundida tendo grãos de tamanho submilimétrico com menos do que 5% da composição incluindo refinadores de grão. Declaração 49. O método da declaração 48, em que a solidificação compreende para produzir a dita composição metálica fundida tendo grãos de tamanho submilimétrico com menos do que 1% da composição incluindo refinadores de grão.

[00116] Declaração 50. Um sistema para formar um produto de metal, compreendendo o dispositivo de processamento de metal fundido de qualquer das declarações 1-29; e um controlador que inclui entradas de dados e saídas de controle, e programado com algoritmos de controle que permitem operação de qualquer um dos elementos de etapa mencionados nas declarações 30-49.

[00117] Declaração 51. Um produto metálico compreendendo (ou formado de) uma composição metálica fundida tendo tamanhos de grão milimétricos e incluindo menos do que 0,5% de refinadores de grão na mesma. Declaração 52. O produto da declaração 51, em que a composição inclui menos do que 0,2% de refinadores de grão na mesma. Declaração 53. O produto da declaração 51, em que a composição inclui menos do que 0,1% de refinadores de grão na mesma. Declaração 54. O produto da declaração 51, em que a composição não inclui refinadores de grão na mesma. Declaração 55. Produto da declaração 51, e que a composição inclui pelo menos um de alumínio, cobre, magnésio, zinco, chumbo, ouro, prata, estanho, bronze, latão e ligas dos mesmos. Declaração 56. O produto da declaração 51, em que a composição é formada em pelo menos um dentre barras, varetas, pedaços para fundição, lâminas, fios, tarugos e pellets, de modo que o produto seja um produto de pós-fundição definido aqui como sendo um produto formado do material de fundição e incluindo menos do que 5% de refinadores de grão. Em uma modalidade preferida, o produto pós-fundição teria grãos equiaxiais. Em uma modalidade preferida, o produto de pós-fundição teria tamanhos de grãos entre 100 e 500 mícrons, 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons como, por exemplo, em fundição de alumínio ou de ligas de alumínio. Para cobre e suas ligas, tamanhos de grão variam de 100 a 500 mícrons, 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para ouro, prata ou estanho ou suas ligas, tamanhos de grão variam de 100 a 500 mícrons, 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para magnésio ou ligas de magnésio, tamanhos de grão variam de 100 a 500 mícrons, 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons.

[00118] Declaração 57. Um produto de alumínio compreendendo (ou formado de) uma composição metálica fundida de alumínio tendo tamanhos de grão submilimétricos e incluindo menos do que 5% de refinadores de grão na mesma. Declaração 58. O produto da declaração 57, em que a composição inclui menos do que 2% de refinadores de grão na mesma. Declaração 59. O produto da declaração 57, em que a composição inclui menos do que 1% de refinadores de grão. Declaração 60. O produto da declaração 57, em que a composição não inclui refinadores de grão. O produto da declaração 57 pode ser formado também em pelo menos um de barras, varetas, lâminas, fios, tarugos e pellets, de modo que o produto seja um produto pós-fundição definido aqui como sendo um produto formado do material de fundição e incluindo menos do que 5% de refinadores de grão. Em uma modalidade preferida, o produto pós-fundição teria grãos equiaxiais. Em uma modalidade preferida, o produto de pós-fundição teria tamanhos de grãos entre 100 e 500 mícrons, 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons.

[00119] Declaração 61. Um sistema para formar um produto de metal compreendendo: 1) meios para transportar metal fundido ao longo de um comprimento longitudinal de uma estrutura de contenção de metal fundido, 2) meios para resfriar a estrutura de contenção de metal fundido pela passagem de um meio através de um canal de resfriamento termalmente acoplado à estrutura de contenção de metal fundido, 3) meios para acoplar ondas ultrassônicas, através do meio no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido, ao metal fundido, e programado com algoritmos de controle que permitem operação de qualquer dos elementos de etapa mencionados nas Reivindicações 30-49.

[00120] Numerosas modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz dos ensinamentos acima. Entretanto, deve ser entendido que dentro do escopo das reivindicações anexas, a invenção pode ser praticada de outro modo que não como especificamente descrito aqui.

Claims

1. Dispositivo de processamento de metal fundido, caracterizado por compreender: uma estrutura de contenção de metal fundido para a recepção e o transporte de metal fundido ao longo de um comprimento longitudinal dela; uma unidade de resfriamento para a estrutura de contenção que inclui um canal de resfriamento para passagem (2c) de um meio líquido nele; uma sonda ultrassônica (2d) disposta no canal de resfriamento de maneira tal que ondas ultrassônicas sejam acopladas através do meio líquido no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de contenção compreende paredes laterais (2a) contendo o metal fundido e uma placa inferior (2b) que está em contato com o metal fundido, preferencialmente (a) em que tal placa inferior (2b) compreende pelo menos um dentre nióbio, ou uma liga de nióbio; ou (b) em que a referida placa inferior (2b) compreende uma cerâmica, preferencialmente em que a dita cerâmica compreende uma cerâmica de nitreto de silício, mais preferencialmente em que a referida cerâmica de nitreto de silício compreende um sialon; ou (c) em que as paredes laterais (2a) e a placa inferior (2b) compreendem placas de diferentes materiais.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a sonda ultrassônica (2d) está disposta no canal de resfriamento mais próximo de uma extremidade a jusante da estrutura de contato do que de uma extremidade a montante da estrutura de contato.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de contenção compreende nióbio.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de contenção compreende cobre.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de contenção compreende uma estrutura de aço.

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a mencionada estrutura de contenção compreender uma cerâmica, preferencialmente em que a dita cerâmica compreende uma cerâmica de nitreto de silício, mais preferencialmente em que a referida cerâmica de nitreto de silício compreende um sialon.

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de contenção compreende um material que tem um ponto de fusão maior do que aquele do metal fundido.

9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de contenção inclui uma extremidade a jusante que tem uma configuração para dispensar o metal fundido em um molde (3), preferencialmente (a) em que o molde (3) compreende um molde de roda de fundição; ou (b) em que o molde (3) compreende um molde de fundição vertical; ou (c) em que o molde (3) compreende um molde estacionário.

10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de contenção compreende um material refratário, preferencialmente em que o material refratário compreende pelo menos um dentre cobre, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio, e ligas destes, mais preferencialmente em que o material refratário compreende uma liga de aço.

11. Método para formar um produto de metal usando o dispositivo como definido na reivindicação 1, caracterizado por compreender: transportar metal fundido ao longo de um comprimento/extensão longitudinal de uma estrutura de contenção de metal fundido; resfriar a estrutura de contenção de metal fundido pela passagem de um meio através de um canal de resfriamento termicamente acoplado com a estrutura de contenção de metal fundido, assim atingindo um sub-resfriamento no fundo do canal; e acoplar ondas ultrassônicas através do meio no referido canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido através da sonda ultrassônica (2d) disposta no canal de resfriamento.

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o canal de resfriamento provê resfriamento ao metal fundido de modo que o metal fundido adjacente ao canal de resfriamento alcança a temperatura sub-liquidus.