BR112018004747B1

BR112018004747B1 - Dispositivos de processamento de metal fundido

Info

Publication number: BR112018004747B1
Application number: BR112018004747-3A
Authority: BR
Inventors: Kevin Scott Gill; Michael Caleb Powell; Victor Frederic Rundquist; Venkata Kiran Manchiraju; Roland Earl Guffey
Original assignee: Southwire Company, Llc
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2022-08-09
Also published as: JP7191692B2; US10639707B2; MX2018003033A; TW202144101A; DK3347150T3; WO2017044769A8; SI3347150T1; PT3347150T; WO2017044769A1; KR20180083307A; LT3347150T; BR112018004747A2; US10022786B2; AU2016319762A1; US20170252799A1; US20170282241A1; JP2018526229A; RU2020124617A; TWI739760B; RU2729003C2

Abstract

DISPOSITIVO DE PROCESSAMENTO DE METAL FUNDIDO, MÉTODO E SISTEMA PARA FORMAR UM PRODUTO DE METAL, MOINHO DE FUNDIÇÃO, E, PRODUTO METÁLICO. Um dispositivo de processamento de metal em fusão incluindo um conjunto montado na roda de fundição, incluindo pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional para fundir metal fundido na roda de fundição enquanto o metal fundido na roda de fundição é resfriado, e um dispositivo de suporte que retém a fonte de energia vibracional. Um método associado para formar produto de metal que provê metal fundido em uma estrutura de contenção incluída como uma parte de um moinho de fundição, resfria o metal fundido na estrutura de contenção, e acopla energia vibracional no metal fundido na estrutura de contenção.

Description

FUNDAMENTOS Referência Cruzada a Pedidos Relacionados

[001] Este pedido é relacionado ao documento dos EUA de número de série 62/372.592 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de referência) depositado em 9 de agosto de 2016, intitulado “PROCEDIMENTOS E SISTEMAS DE REFINAMENTO DE GRÃOS E DESGASEIFICAÇÃO ULTRASSÔNICOS PARA LINGOTAMENTO DE METAL” (no original, “ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING”). Este pedido é relacionado ao documento dos EUA de número de série 62/295.333 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) depositado em 15 de fevereiro de 2016, intitulado “REFINAMENTO DE GRÃOS ULTRASSÔNICO E DESGASEIFICAÇÃO PARA LINGOTAMENTO DE METAL” (no original, “ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING FOR METAL CASTING”). Este pedido é relacionado ao documento dos EUA de número de série 62/267.507 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) depositado em 15 de dezembro de 2015, intitulado REFINAMENTO DE GRÃOS ULTRASSÔNICO E DESGASEIFICAÇÃO DE METAL FUNDIDO (no original, “ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING OF MOLTEN METAL”). Este pedido é relacionado ao documento dos EUA de número de série 62/113.882 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) depositado em 9 de fevereiro de 2015, intitulado REFINAMENTO DE GRÃOS ULTRASSÔNICO (no original, “ULTRASONIC GRAIN REFINING”). Este pedido é relacionado ao documento dos EUA de número de série 62/216.842 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) depositado em 10 de setembro de 2015, intitulado REFINAMENTO DE GRÃOS ULTRASSÔNICO EM CORREIA DE LINGOTAMENTO CONTÍNUA (no original, “ULTRASONIC GRAIN REFINING ON A CONTINUOUS CASTING BELT”).

Campo

[002] A presente invenção se relaciona a um método para produzir peças de lingotamento de metal com tamanhos de grão controlados, e produtos obtidos pelas peças de lingotamento de metal. Descrição da Técnica Relacionada

[003] Um esforço considerável foi gasto no campo da metalurgia para desenvolver técnicas para lingotamento de metal fundido em hastes ou produtos de lingotamento contínuo de metal. Ambos o lingotamento em batelada e o lingotamento contínuo são bem desenvolvidos. Há diversas vantagens no lingotamento contínuo em relação ao lingotamento em batelada, embora ambos sejam proeminentemente usados na indústria. Na produção contínua de lingotamento de metal, o metal fundido passa de uma fornalha de espera para uma série de bateias e para dentro do molde de uma roda de lingotamento, onde ele é fundido em uma barra de metal. A barra de metal solidificada é removida da roda de lingotamento e direcionada para dentro de uma estação de lingotamento onde ela é laminada em uma haste contínua. Dependendo do uso final desejado para o produto e liga de haste de metal, a haste pode ser sujeita a resfriamento durante a laminação ou a haste pode ser resfriada ou temperada imediatamente após a saída da estação de lingotamento para transmitir à mesma as propriedades mecânicas e físicas desejadas. Técnicas como aquelas descritas na Patente dos EUA de número 3.395.560 de Cofer et al. (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) foram usados para processar continuamente um produto de haste ou barra de metal.

[004] A Patente dos EUA de número 3.938.991 de Sperry et al. (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) mostra que há um problema reconhecido há tempos com o lingotamento de produtos de metal “puros”. Por fundições de metal “puras”, esse temo se refere a um metal ou uma liga de metal formada por elementos metálicos primários projetados para uma condutividade ou resistência à tração ou ductilidade específicas sem inclusão de impurezas separadas adicionadas para o propósito de controle de grãos.

[005] O refinamento de grãos é um processo pelo qual o tamanho dos cristais da fase recém-formada é reduzido seja por meios químicos ou físicos/mecânicos. Refinadores de grãos são usualmente adicionados em metal fundido para reduzir significativamente o tamanho de grão da estrutura solidificada durante o processo de solidificação ou o processo de transição de fase líquida para sólida.

[006] De fato, o Pedido de Patente WIPO WO/2003/033750 de Boily et al. (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve o uso específico de “refinadores de grãos”. 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 mestra. Uma liga mestra típica para uso em lingotamento de alumínio compreende de 1% a 10% de titânio e de 0,1% a 5% de boro ou carbono, o equilíbrio consistindo essencialmente em alumínio ou magnésio, com partículas de TiB2 ou TiC sendo dispersas ao longo da matriz de alumínio. De acordo com o pedido ‘750, ligas mestras que contenham titânio e boro podem ser produzidas pela dissolução das quantidades necessárias de titânio e boro em um fundido de alumínio. Isso é obtido pela reação do alumínio fundido com KBF4 e K2TiF6 em temperaturas superiores a 800 °C. Esses sais de haletos complexos reagem rapidamente com alumínio fundido e proveem titânio e boro para o fundido.

[007] O pedido ‘750 também descreve que, em 2002, essa técnica foi usada para produzir ligas mestras comerciais por quase todas as empresas de produção de refinadores de grãos. Refinadores de grãos frequentemente referidos como agentes nucleadores ainda são usados hoje. Por exemplo, um fornecedor comercial de uma liga mestra TIBOR descreve que o controle próximo da estrutura de lingotamento é um requisito principal na produção de produtos de liga de alumínio de alta qualidade.

[008] Antes desta invenção, refinadores de grãos eram reconhecidos como a forma mais efetiva de prover uma estrutura de grãos fina e uniforme conforme lingotamento. As referências a seguir, (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) proveem detalhes desse trabalho fundamental:

[009] Abramov, O.V., (1998), “High-Intensity Ultrasonics”, Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdã, Países Baixos, págs. 523-552.

[0010] Alcoa, (2000), “New Process for Grain Refinement of Aluminum”, Relatório Final do Projeto do DOE, Contrato no DE-FC07- 98ID13665, 22 de setembro de 2000.

[0011] Cui, Y., Xu, C.L. e Han, Q., (2007), “Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations, Advanced Engineering Materials”, v. 9, n°3, págs.161-163.

[0012] Eskin, G.I., (1998), “Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts”, Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdã, Países Baixos .

[0013] Eskin, G.I. (2002) “Effect of Ultrasonic 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, junho, 2002, págs. 502-507.

[0014] Greer, A.L., (2004), “Grain Refinement of Aluminum Alloys”, em Chu, M.G., Granger, D.A. e Han, Q., (eds.), “Solidification of Aluminum Alloys”, Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, págs. 131- 145.

[0015] Han, Q., (2007), “The Use of Power Ultrasound for Material Processing”, Han, Q., Ludtka, G. e Zhai, Q., (eds), (2007), “Materials Processing under the Influence of External Fields”, Atas de um simpósio patrocinado pela TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, págs. 97-106.

[0016] Jackson, K.A., Hunt, J.D. e Uhlmann, D.R. e Seward, T.P., (1966), “On Origin of Equiaxed Zone in Castings”, Trans. Metall. Soc. AIME, v. 236, págs.149-158.

[0017] Jian, X., Xu, H., Meek, T.T. e Han, Q., (2005), “Effect of Power Ultrasound on Solidification of Aluminum A356 Alloy”, Materials Letters, v. 59, no. 2-3, págs. 190-193.

[0018] Keles, O. e Dundar, M., (2007). “Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes”, Journal of Materials Processing Technology, v. 186, págs.125-137.

[0019] Liu, C., Pan, Y. e Aoyama, S., (1998), Atas da 5a Conferência Internacional sobre Processamento semi-sólido de ligas e compósitos, Ee.: Bhasin, A.K., Moore, J.J., Young, K.P. e Madison, S., Colorado School of Mines, Golden, CO, págs. 439-447.

[0020] Megy, J., (1999), “Molten Metal Treatment”, Patente dos EUA no 5.935.295, agosto, 1999

[0021] Megy, J., Granger, D.A., Sigworth, G.K. e Durst, C.R., (2000), “Effectiveness of In-Situ Aluminum Grain Refining Process”, Light Metals, págs.1-6.

[0022] Cui et al., “Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations”, Advanced Engineering Materials, 2007, vol. 9, no. 3, págs. 161-163.

[0023] Han et al., “Grain Refining of Pure Aluminum”, Light Metals 2012, págs. 967-971.

[0024] Antes desta invenção, as Patentes dos EUA de números 8.574.336 e 8.652.397 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descrevem métodos para reduzir a quantidade de um gás dissolvido (e/ou várias impurezas) em um banho de metal fundido (por exemplo, desgaseificação ultrassônica), por exemplo, pela introdução de um gás de purga no banho de metal fundido bastante próximo do dispositivo ultrassônico. Essas patentes serão referidas daqui em diante como a patente ‘336 e a patente ‘397.

SUMÁRIO

[0025] Em uma modalidade da presente invenção, é provido um dispositivo de processamento de metal fundido para afixação em uma roda de lingotamento em uma estação de lingotamento. O dispositivo inclui um conjunto montado na roda de lingotamento, incluindo pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional ao metal fundido que é fundido na roda de lingotamento enquanto o metal fundido na roda de lingotamento é resfriado e incluindo um dispositivo de suporte que sustenta dita pelo menos uma fonte de energia vibracional.

[0026] Em uma modalidade da presente invenção, é provido um método para formar um produto de metal. O método provê metal fundido em uma estrutura de confinamento incluída como parte de uma estação de lingotamento. O método resfria o metal fundido na estrutura de confinamento e acopla energia vibracional no metal fundido na estrutura de confinamento.

[0027] Em uma modalidade da presente invenção, é provido um sistema para formar um produto de metal. O sistema inclui 1) o dispositivo de processamento de metal fundido descrito acima e 2) um controlador que inclui entradas de dados e saídas de controle e é programado com algoritmos de controle que permitem operação das etapas de método descritas acima.

[0028] Em uma modalidade da presente invenção, é provido um dispositivo de processamento de metal fundido para uma estação de lingotamento. O dispositivo inclui uma fonte de metal fundido, um desgaseificador ultrassônico que inclui uma sonda ultrassônica inserida no metal fundido, uma peça de lingotamento para recepção do metal fundido, um conjunto montado na peça de lingotamento, incluindo pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional para metal fundido, fundido na peça de lingotamento, enquanto o metal fundido na peça de lingotamento é resfriado, e um dispositivo de suporte que sustenta a dita pelo menos uma fonte de energia vibracional.

[0029] Deve-se entender que tanto a descrição geral anterior da invenção quanto a descrição detalhada a seguir são exemplares, mas não são restritivas da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0030] Uma apreciação mais completa da invenção e de muitas de suas vantagens presentes será prontamente obtida conforme a mesma se torna melhor entendida em referência à descrição detalhada a seguir quando considerada em conexão com os desenhos que acompanham, nos quais: a Figura 1 é uma representação esquemática de uma estação de lingotamento contínua de acordo com uma modalidade da invenção; a Figura 2 é uma representação esquemática de uma configuração de roda de lingotamento de acordo com uma modalidade da invenção utilizando ao menos uma fonte de energia vibracional ultrassônica; a Figura 3 é uma representação esquemática de uma configuração de roda de lingotamento de acordo com uma modalidade da invenção especificamente utilizando ao menos uma fonte de energia vibracional acionada mecanicamente; a Figura 3A é uma representação esquemática de uma configuração híbrida de roda de lingotamento de acordo com uma modalidade da invenção utilizando tanto a pelo menos uma fonte de energia vibracional ultrassônica quanto a pelo menos uma fonte de energia vibracional acionada mecanicamente; a Figura 4 é uma representação esquemática de uma configuração de roda de lingotamento de acordo com uma modalidade da invenção que mostra um dispositivo de sonda vibracional acoplado diretamente no metal fundido, fundido na roda de lingotamento; a Figura 5 é uma representação esquemática de um molde estacionário que utiliza fontes de energia vibracionais da invenção; a Figura 6A é uma representação esquemática em seção transversal de componentes selecionados de uma estação de lingotamento vertical; a Figura 6B é uma representação esquemática em seção transversal de outros componentes de uma estação de lingotamento vertical; a Figura 6C é uma representação esquemática em seção transversal de outros componentes de uma estação de lingotamento vertical; a Figura 6D é uma representação esquemática em seção transversal de outros componentes de uma estação de lingotamento vertical; a Figura 7 é uma representação esquemática de um sistema de computador ilustrativo para os controles e controladores aqui descritos; a Figura 8 é um fluxograma que ilustra um método de acordo com uma modalidade da invenção; a Figura 9 é uma representação esquemática que ilustra uma modalidade da invenção que utiliza tanto a desgaseificação ultrassônica quanto o refinamento de grãos ultrassônico; a Figura 10 é um fluxograma de processo de fio ACSR; a Figura 11 é um fluxograma de processo de fio ACSS; a Figura 12 é um fluxograma de processo de tira de alumínio; a Figura 13 é uma vista lateral esquemática de uma configuração de roda de lingotamento de acordo com uma modalidade da invenção utilizando, para a pelo menos uma fonte de energia vibracional ultrassônica, um elemento magnetostritivo; a Figura 14 é uma representação esquemática seccional do elemento magnetostritivo da Figura 13; a Figura 15 é uma comparação micrográfica de uma liga de alumínio 1350 EC que mostra a estrutura de grãos de peças de lingotamento sem refinadores de grãos químicos, com refinadores de grãos e com apenas refinamento de grãos ultrassônico; a Figura 16 é uma comparação tabular de uma haste de liga de alumínio 1350 EC convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma haste de liga de alumínio 1350 EC (com refinamento de grãos ultrassônico); a Figura 17 é uma comparação tabular de um Fio de alumínio ACSR com Diâmetro de 0,33 cm (0,130 pol.) convencional (com refinadores de grãos químicos) com um Fio de alumínio ACSR com Diâmetro de 0,33 cm (0,130 pol.) (com refinamento de grãos ultrassônico); a Figura 18 é uma comparação tabular de uma haste de liga de alumínio 8176 EEE convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma haste de liga de alumínio 8176 EEE (com refinamento de grãos ultrassônico); a Figura 19 é uma comparação tabular de uma haste de liga de alumínio 5154 convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma haste de liga de alumínio 5154 (com refinamento de grãos ultrassônico); a Figura 20 é uma comparação tabular de uma tira de liga de alumínio 5154 convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma tira de liga de alumínio 5154 (com refinamento de grãos ultrassônico); a Figura 21 é uma representação tabular das propriedades de uma haste de liga de alumínio 5356 (com refinamento de grãos ultrassônico). DESCRIÇÃO DETALHADA

[0031] O refinamento de grãos de metais e ligas é importante por vários motivos, incluindo maximização da taxa de lingotamento de lingote, melhoria da resistência a trinca de contração, minimização da segregação elementar, melhoria de propriedades mecânicas, particularmente ductilidade, melhoria das características de finalização de produtos forjados, aumento das características de preenchimento de molde e diminuição da porosidade de ligas de lingotamento. Usualmente, o refinamento de grãos é uma das primeiras etapas de processamento para a produção de produtos de metal e liga, especialmente ligas de alumínio e ligas de magnésio, que são dois dos materiais de peso leve crescentemente usados nas indústrias aeroespacial, de defesa, automotiva, de construção e de empacotamento. O refinamento de grãos também é uma etapa de processamento importante para tornar metais e ligas fundíveis pela eliminação de grãos colunares e pela formação de grãos equiaxiais.

[0032] O refinamento de grãos é uma etapa de processamento de solidificação pela qual o tamanho do cristal das fases sólidas é reduzido, seja por meios químicos, físicos ou mecânicos, para tornar ligas fundíveis e para reduzir a formação de defeitos. Atualmente, a produção de alumínio tem os grãos refinados com o uso de TIBOR, resultando na formação de uma estrutura de grãos equiaxiais no alumínio solidificado. Antes dessa intervenção, o uso de impurezas ou “refinadores de grãos” químicos era a única forma de visar o problema longamente reconhecido da indústria de lingotamento de metais, da formação de grãos colunares em peças de lingotamento de metal. Adicionalmente, antes desta invenção, não havia sido adotada uma combinação de 1) desgaseificação ultrassônica para remover impurezas do metal fundido (antes do lingotamento) junto do 2) refinamento de grãos ultrassônico citado acima (isto é, com ao menos uma fonte de energia vibracional). No entanto, há grandes custos associados ao uso de TIBOR e restrições mecânicas devido à entrada desses inoculantes no fundido. Algumas das restrições incluem ductilidade, usinabilidade e condutividade elétrica.

[0033] Apesar do custo, aproximadamente 68% do alumínio produzido nos Estados Unidos é primeiramente fundido em lingotes antes de ser adicionalmente processado em chapas, placas, extrusões ou folhas. O processo de lingotamento semicontínuo por refrigeração direta (DC, do inglês direct chill) e o processo de lingotamento contínuo (CC, do inglês continuous casting) tem sido o pilar da indústria de alumínio por conta principalmente de sua natureza robusta e relativa simplicidade. Uma questão com os processos de DC e CC é a formação de trinca de contração ou a formação de fissuração durante a solidificação de lingotes. Basicamente, quase todos os lingotes sofreriam fissuração (ou seriam não fundíveis) sem o uso de refinamento de grãos.

[0034] Ainda, as taxas de produção desses processos modernos são limitadas pelas condições para evitar a formação de fissuração. O refinamento de grãos é uma forma efetiva de redução da tendência a trinca de contração de uma liga e, portanto, de aumento das taxas de produção. Como resultado, uma quantidade significativa de esforço foi concentrada no desenvolvimento de refinadores de grãos poderosos que possam produzir tamanhos de grãos tão pequenos quanto possível. A superplasticidade pode ser obtida se o tamanho do grão puder ser reduzido para um nível inferior ao mícron, o que permite que ligas não apenas sejam fundidas a taxas muito mais rápidas, mas também laminadas/extrudadas a temperaturas inferiores a taxas muito mais rápidas do que os lingotes são processados hoje, levando a economias de custo e economias de energia significativas.

[0035] Atualmente, cerca de todo o alumínio fundido no mundo, seja de sucata interna primária (aproximadamente 20 bilhões de kg) ou secundária (25 bilhões de kg) passa por refinamento de grãos com núcleos heterogêneos de núcleos de TiB2 insolúveis com aproximadamente alguns mícrons de diâmetro, o que causa a nucleação de uma estrutura de grãos finos no alumínio. Uma questão relacionada ao uso de refinadores de grãos químicos é a capacidade de refinamento de grãos limitada. De fato, o uso de refinadores de grãos químicos causa uma diminuição limitada do tamanho de grão de alumínio, de uma estrutura colunar com dimensões de grão lineares algo superiores a 2.500 μm, a grãos equiaxiais de menos de 200 μm. Grãos equiaxiais de 100 μm em ligas de alumínio aparentam ser o limite que pode ser obtido usando os refinadores de grãos químicos comercialmente disponíveis.

[0036] A produtividade pode ser significativamente aumentada se o tamanho do grão puder ser adicionalmente reduzido. O tamanho do grão em níveis inferiores ao micro leva a superplasticidade que torna a formação de ligas de alumínio muito mais fácil a temperaturas ambiente.

[0037] Outra questão relacionada ao uso de refinadores de grãos químicos é a formação de defeitos associada ao uso de refinadores de grãos. Embora consideradas necessárias no estado da técnica anterior para o refinamento de grãos, as partículas externas, insolúveis, são, em outros casos, indesejáveis no alumínio, particularmente na forma de aglomerados de partículas (“clusters”). Os refinadores de grãos atuais, que estão presentes na forma de compostos em ligas mestras à base de alumínio, são produzidos por uma cadeia complicada de processos de mineração, beneficiação e manufatura. As ligas mestras agora usadas frequentemente contêm sal de fluoreto de alumínio-potássio (KAlF) e impurezas de óxido de alumínio (escória) que surgem do processo de manufatura convencional de refinadores de grãos de alumínio. Estes fazem surgir defeitos locais no alumínio (por exemplo, vazamentos em latas de bebidas e furos (pin holes) em folhas finas), abrasão de máquina-ferramenta e problemas de acabamento de superfície no alumínio. Dados de uma das empresas de cabos de alumínio indicam que 25% dos defeitos de produção são por conta de aglomerados de partícula de TiB2, e outros 25% dos defeitos são por conta de escória que é aprisionada no alumínio durante o processo de lingotamento. Os aglomerados de partículas de TiB2 frequentemente quebram os fios durante a extrusão, especialmente quando o diâmetro dos fios for inferior a 8 mm.

[0038] Outra questão relacionada ao uso de refinadores de grãos químicos é o custo dos refinadores de grãos. Isso é extremamente verdadeiro para a produção de lingotes de magnésio usando refinadores de grãos de Zn. O refinamento de grãos usando refinadores de grãos de Zn custa cerca de 1 dólar adicional por quilograma de peça de lingotamento de Mg produzida. Refinadores de grão para ligas de alumínio custam cerca de 1,50 dólares por quilograma.

[0039] Outra questão relacionada ao uso de refinadores de grãos químicos é a condutividade elétrica reduzida. O uso de refinadores de grãos químicos introduz uma quantidade excessiva de Ti no alumínio, causa uma queda substancial na condutividade elétrica de alumínio puro para aplicações de cabo. Para manter certa condutividade, as empresas têm que pagar dinheiro adicional para usar alumínio mais puro para produzir cabos e fios.

[0040] Diversos outros métodos de refinamento de grãos, além dos métodos químicos, foram explorados no último século. Esses métodos incluem o uso de campos físicos, tais como campos magnéticos e eletromagnéticos, e o uso de vibrações mecânicas. Vibrações ultrassônicas de alta densidade e baixa amplitude são um dos mecanismos físicos/mecânicos que foram demonstrados para o refinamento de grãos e ligas sem o uso de partículas externas. No entanto, resultados experimentais, tais como de Cui et al., 2007, citado acima, foram obtidos em pequenos lingotes, de até algumas libras de metal submetido a um curto intervalo de tempo de vibração ultrassônica. Pouco esforço foi realizado no refinamento de grãos de fundição de CC ou DC de lingotes/tarugos usando vibrações ultrassônicas de alta densidade.

[0041] Alguns dos desafios técnicos visados pela presente invenção para o refinamento de grãos são (1) o acoplamento de energia ultrassônica ao metal fundido por um tempo estendido, (2) a manutenção das frequências de vibração naturais do sistema a temperaturas elevadas e (3) o aumento da eficiência de refinamento de grãos do refinamento de grãos ultrassônica quando a temperatura da onda guia ultrassônica for quente. Um resfriamento melhorado tanto para a onda guia ultrassônica quanto para o lingote (como descrito abaixo) é uma das soluções apresentadas aqui para lidar com esses desafios.

[0042] Ainda, outro desafio técnico visado pela 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 grãos tais como TiB (boreto de titânio) em alumínio puro, tal como a série 1100, 1100 e 1300 de alumínio, continua difícil obter-se uma estrutura de grãos equiaxiais. No entanto, usando-se uma nova tecnologia de refinamento de grãos descrita aqui, um refinamento de grãos substancial foi obtido.

[0043] Em uma modalidade da invenção, a presente invenção suprime parcialmente a formação de grãos colunares sem a necessidade de introduzir refinadores de grãos. A aplicação de energia vibracional ao metal fundido conforme ele está sendo derramado em uma peça de lingotamento permite a realização de tamanhos de grãos comparáveis ou menores do que os obtidos com os refinadores de grãos do estado da técnica, tais como liga mestra TIBOR.

[0044] Conforme abordado aqui, as modalidades da presente invenção serão descritas usando terminologias comumente empregadas por profissionais do campo para apresentar seu trabalho. Esses termos devem ser entendidos como tendo o sentido comum, conforme entendido por aqueles com habilidades ordinárias nos campos de ciência dos materiais, metalurgia, fundição de metal e processamento de metal. Apesar disso, o termo “configurado para” é entendido aqui como ilustrando estruturas apropriadas (ilustradas aqui ou conhecidas e implícitas, a partir do estado da técnica) que permitem que um objeto da mesma realize a função que segue o termo “configurado para”. O termo “acoplado a” significa que um objeto acoplado a um segundo objeto (por exemplo, entrando em contato com, afixado a, deslocado por uma distância predeterminada de, adjacente a, contíguo a, unidos um ao outro, desafixáveis um do outro, desmontáveis um do outro, fixos um ao outro, em contato deslizante, em contato por rolagem) com ou sem afixação direta dos primeiro e segundo objetos um ao outro.

[0045] A Patente dos EUA de número 4.066.475 de Chia et al. (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve um processo de lingotamento contínuo. Em geral, a Figura 1 ilustra um sistema de lingotamento contínuo que possui uma estação de lingotamento 2 incluindo uma calha de derrame 11 que direciona o metal fundido para um entalhe periférico contido em um anel de moldagem giratório 13giratóri. Uma tira de metal 14 flexível sem fim circunda tanto uma porção do anel de moldagem 13, como uma porção de um conjunto de rolos de posicionamento de tira 15 de modo que um molde de lingotamento contínuo seja definido pelo entalhe no anel de moldagem 13 e na tira de metal sobreposta 14. Um sistema de resfriamento é provido para resfriar o aparelho e realizar uma solidificação controlada do metal fundido durante seu transporte no anel de moldagem 13. O sistema de resfriamento inclui uma pluralidade de coletores laterais 17, 18 e 19 dispostos na lateral do anel de moldagem 13 e coletores de tira internas e externas 20 e 21, respectivamente, dispostos nos lados interno e externo da tira de metal 14 em um local em que a mesma circunda o anel de moldagem. Uma rede de condutos 24 possuindo válvulas adequadas é conectada para fornecer e despejar refrigerante para os vários coletores de modo a controlar o resfriamento do aparelho e a taxa de solidificação do metal fundido.

[0046] Por meio de tal construção, o metal fundido é alimentado a partir da calha de derrame 11 para dentro do molde de fundição e é solidificado e parcialmente resfriado durante seu transporte pela circulação de refrigerante através do sistema de resfriamento. Uma barra fundida 25 sólida é removida da roda de fundição e alimentada em uma esteira 27 que transporta a barra fundida para um laminador 28. Deve-se observar que a barra fundida 25 foi apenas resfriada o suficiente para solidificar a barra e que a barra se mantém em uma temperatura elevada para permitir que uma operação de laminação imediata seja realizada na mesma. O laminador 28 pode incluir um arranjo emparelhado de cilindros de laminação que laminam sucessivamente a barra em um comprimento contínuo de haste de fio 30 que possui uma seção transversal substancialmente uniforme e circular.

[0047] As Figuras 1 e 2 mostram o controlador 500 que controla as várias partes do sistema de lingotamento contínuo aqui mostrado, como discutido em mais detalhes abaixo. O controlador 500 pode incluir um ou mais processadores com instruções programadas (isto é, algoritmos) para controlar a operação do sistema de lingotamento contínuo e os componentes do mesmo.

[0048] Em uma modalidade da invenção, como mostrado na Figura 2, a estação de lingotamento 2 inclui uma roda de fundição 30 que possui uma estrutura de confinamento 32 (por exemplo, uma calha ou um canal na roda de fundição 30) na qual o metal fundido é derramado (por exemplo, despejado) e um dispositivo de processamento de metal fundido 34. Uma tira 36 (por exemplo, uma tira de metal flexível de aço) confina o metal fundido à estrutura de confinamento 32 (isto é, o canal). Rolos 38 permitem que o dispositivo de processamento de metal fundido 34 se mantenha em uma posição estacionária na roda de fundição giratória conforme o metal fundido se solidifica no canal da roda de fundição e é transportado para longe do dispositivo de processamento de metal fundido 34. Em uma modalidade da invenção, o dispositivo de processamento de metal fundido 34 inclui um conjunto 42 montado na roda de fundição 30. O conjunto 42 inclui ao menos uma fonte de energia vibracional (por exemplo, um vibrador 40), um alojamento 44 (isto é, um dispositivo de suporte) que sustenta a fonte de energia vibracional 42. O conjunto 42 inclui ao menos um canal de resfriamento 46 para transporte de um meio de resfriamento através do mesmo. A tira flexível 36 é vedada no alojamento 44 por uma vedação 44a afixada ao lado inferior do alojamento, permitindo, assim, que o meio de resfriamento do canal de resfriamento flua ao longo de um lado da tira flexível oposto ao metal fundido no canal da roda de fundição. Um tubo de ar 52 direciona ar (como uma precaução de segurança) de tal forma que qualquer água que vaze do canal de resfriamento seja direcionada ao longo de uma direção para longe da fonte de despejo do metal fundido. A vedação 44a pode ser feita de diversos materiais, incluindo etileno propileno, Viton, buna-n (nitrilo), neoprene, borracha de silicone, uretano, fluorossilicone, politetrafluoroetileno, bem como outros materiais de vedação conhecidos. Em uma modalidade da invenção, um dispositivo de guia (por exemplo, rolos 38) guia o dispositivo de processamento de metal fundido 34 em relação à roda de fundição giratória 30. O meio de resfriamento provê resfriamento para o metal fundido na estrutura de confinamento 32 e/ou na pelo menos uma fonte de energia vibracional 40. Em uma modalidade da invenção, componentes do dispositivo de processamento de metal fundido 34 incluindo o alojamento podem ser feitos de um metal tal como titânio, ligas de aço inoxidável, aços de baixo carbono ou aço H13, outros materiais de alta temperatura, uma cerâmica, um compósito, ou um polímero. Componentes do dispositivo de processamento de metal fundido 34 podem ser feitos de um ou mais dentre nióbio, uma liga de nióbio, titânio, uma liga de titânio, tântalo, uma liga de tântalo, cobre, uma liga de cobre, rênio, uma liga de rênio, aço, molibdênio, uma liga de molibdênio, aço inoxidável e uma cerâmica. A cerâmica pode ser uma cerâmica de nitreto de silício, tal como, por exemplo, um nitreto de sílica alumina ou SIALON.

[0049] Em uma modalidade da invenção, conforme um metal fundido passa por baixo da tira de metal 36 sob o vibrador 40, energia vibracional é fornecida ao metal fundido conforme o metal começa a se resfriar e solidificar. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é transmitida com transdutores ultrassônicos gerados, por exemplo, por um transdutor ultrassônico de dispositivo piezoelétrico. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é transmitida com transdutores ultrassônicos gerados, por exemplo, por um transdutor magnetostritivo. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é transmitida com vibrações mecanicamente acionadas (a serem discutidas mais adiante). A energia vibracional em uma modalidade permite a formação de múltiplas pequenas sementes, produzindo, assim, um produto de metal de grãos finos.

[0050] Em uma modalidade da invenção, o refinamento de grãos ultrassônico envolve a aplicação de energia ultrassônica (e/ou outra energia vibracional) para o refinamento do tamanho do grão. Embora a invenção não esteja limitada a qualquer teoria particular, uma teoria é que a injeção de energia vibracional (por exemplo, energia ultrassônica) em uma liga fundida ou em solidificação pode fazer surgirem efeitos não lineares, tais como cavitação, fluxo acústico (acousting streaming) e pressão de radiação. Esses efeitos não lineares podem ser usados para criar nucleação de novos grãos e quebrar os dendritos durante o processo de solidificação de uma liga.

[0051] Por essa teoria, o processo de refinamento de grãos pode ser dividido em dois estágios: 1) nucleação e 2) crescimento do sólido recém- formado a partir do líquido. Núcleos esféricos são formados durante o estágio de nucleação. Esses núcleos se desenvolvem em dendritos durante o estágio de crescimento. O crescimento unidirecional de dendritos leva à formação de grãos colunares que potencialmente causam trinca de contração/fissuração e distribuição não uniforme das fases secundárias. Isso pode, por sua vez, levar a uma fundibilidade fraca. Por outro lado, o crescimento uniforme de dendritos em todas as direções (tal como possível com a presente invenção) leva à formação de grãos equiaxiais. Peças de fundição/lingotes que contenham grãos pequenos e equiaxiais têm excelente conformabilidade.

[0052] Por essa teoria, quando a temperatura em uma liga está abaixo da temperatura liquidus; a nucleação pode ocorrer quando o tamanho dos embriões sólidos for maior do que um tamanho crítico, dado na seguinte equação: r* = - 2 • (osi/ΔGv), onde r* é o tamanho crítico, Osi é a energia de interface associada à interface sólido-líquido, e ΔGv é a energia livre de Gibbs associada à transformação de um volume unitário de líquido em sólido.

[0053] Por essa teoria, a energia livre de Gibbs, ΔG, diminui com o aumento do tamanho dos embriões sólidos quando seus tamanhos são maiores do que r*, indicando que o crescimento do embrião sólido é termodinamicamente favorável. Sob tais condições, os embriões sólidos se tornam núcleos estáveis. No entanto, a nucleação homogênea da fase sólida tendo tamanho superior a r* ocorre apenas sob extremas condições que mostram grande sub-resfriamento no fundido.

[0054] Por essa teoria, os núcleos formados durante a solidificação podem crescer e se tornar grãos sólidos conhecidos como dendritos. Os dendritos também podem ser quebrados em múltiplos fragmentos pequenos pela aplicação de energia vibracional. Os fragmentos dendríticos assim formados podem crescer e se tornarem novos grãos e resultar na formação de pequenos grãos; criando, assim, uma estrutura de grãos equiaxiais.

[0055] Embora não limitada por nenhuma teoria, uma quantidade relativamente pequena de sub-resfriamento do metal fundido (por exemplo, menos do que 2 °C, 5 °C, 10 °C, ou 15 °C) no topo do canal da roda de fundição 30 (por exemplo, contra o lado inferior da tira 36) resulta em uma camada de pequenos núcleos de alumínio puro (ou outro metal ou liga) sendo formada contra a tira de aço. A energia vibracional (por exemplo, as vibrações ultrassônicas ou acionadas mecanicamente) libera esses núcleos que são, então, usados como agentes de nucleação durante a solidificação, resultando em uma estrutura de grãos uniforme. Consequentemente, em uma modalidade da invenção, o método de resfriamento empregado garante que uma pequena quantidade de sub-resfriamento no topo do canal da roda de fundição 30 contra a tira de banda resulte no processamento de pequenos núcleos do material para dentro do metal fundido conforme o metal fundido continua a se resfriar. As vibrações que atuam na tira 36 servem para dispersar esses núcleos dentro do metal fundido e no canal da roda de fundição 30 e/ou podem servir para quebrar dendritos que se formam na camada sub-resfriada. Por exemplo, a energia vibracional transmitida para dentro do metal fundido conforme ele resfria pode, por cavitação (ver abaixo), quebrar dendritos para formar novos núcleos. Esses núcleos e fragmentos de dendritos podem, então, ser usados para formar (promover) grãos equiaxiais no molde durante a solidificação, resultando em uma estrutura de grãos uniforme.

[0056] Em outras palavras, as vibrações ultrassônicas transmitidas para dentro do metal líquido sub-resfriado criam locais de nucleação nos metais ou ligas metálicas para refinar o tamanho do grão. Os locais de nucleação podem ser gerados por meio da energia vibracional que age como descrito acima para quebrar os dendritos, criando, no metal fundido, diversos núcleos que não são dependentes de impurezas externas. Em um aspecto, o canal da roda de fundição 30 pode ser um metal refratário ou outro material de alta temperatura, tal como cobre, ferros e aços, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio e ligas destes, incluindo um ou mais elementos tais como silício, oxigênio ou nitrogênio, que podem estender os pontos de fusão desses materiais.

[0057] Em uma modalidade da invenção, a fonte de vibrações ultrassônicas para a fonte de energia vibracional 40 provê uma potência de 1,5 kW a uma frequência acústica de 20 kHz. Esta invenção não é restrita a essas potências e frequências. Em vez disso, uma ampla faixa de potências e frequências ultrassônicas pode ser usada, embora as faixas a seguir sejam de interesse: Potência: em geral, potências entre 50 e 5.000 W para cada sonotrodo, dependendo das dimensões do sonotrodo ou da sonda. Essas potências são tipicamente aplicadas ao sonotrodo para garantir que a densidade de potência na extremidade do sonotrodo seja maior do que 100 W/cm2, que pode ser considerada o limiar para causar cavitação em metais fundidos dependendo da taxa de resfriamento do metal fundido, do tipo de metal fundido e outros fatores. As potências dessa região podem se situar em faixas entre 50 e 5.000 W, entre 100 e 3.000 W, entre 500 e 2.000 W, entre 1.000 e 1.500 W, ou qualquer faixa intermediária ou sobreposta. Potências mais elevadas para sondas/sonotrodos maiores e potências inferiores para sondas menores são possíveis. Em várias modalidades da invenção, a densidade de potência de energia vibracional aplicada pode se situar em uma faixa entre 10 W/cm2 e 500 W/cm2, ou entre 20 W/cm2 e 400 W/cm2, ou entre 30 W/cm2 e 300 W/cm2, ou entre 50 W/cm2 e 200 W/cm2, ou entre 70 W/cm2 e 150 W/cm2, ou quaisquer faixas intermediárias ou sobrepostas a essas. Frequência: em geral, de 5 a 400 kHz (ou qualquer faixa intermediária) pode ser usado. Alternativamente, de 10 a 30 kHz (ou qualquer faixa intermediária) pode ser usado. Alternativamente, de 15 a 25 kHz (ou qualquer faixa intermediária) pode ser usado. A frequência aplicada pode estar em uma faixa entre 5 kHz e 400 kHz, entre 10 kHz e 30 kHz, entre 15 kHz e 25 kHz, entre 10 kHz e 200 kHz, ou entre 50 kHz e 100 kHz ou quaisquer faixas intermediárias ou sobrepostas a essas.

[0058] Em uma modalidade da invenção, é disposto acoplado aos canais de resfriamento 46 pelo menos um vibrador 40 que, no caso de uma sonda de onda ultrassônica (ou sonotrodo, um transdutor ultrassônico, ou radiador ultrassônico, ou elemento magnestostritivo) de um transdutor ultrassônico provê energia vibracional ultrassônica através de um meio de resfriamento bem como através do conjunto 42 e da banda 36 dentro do metal líquido. Em uma modalidade da invenção, é fornecida energia ultrassônica a partir de um transdutor que é capaz de converter correntes elétricas de energia mecânica, criando, assim, frequências vibracionais acima de 20 kHz (por exemplo, até 400 kHz), com a energia ultrassônica sendo fornecida a partir de qualquer um ou de ambos os elementos piezoelétricos ou elementos magnetostritivos.

[0059] Em uma modalidade da invenção, uma sonda de onda ultrassônica é inserida no canal de resfriamento 46 para estar em contato com um meio de resfriamento líquido. Em uma modalidade da invenção, uma distância de separação de uma ponta de uma sonda de onda ultrassônica até a tira 36, se houver, é variável. A distância de separação pode ser, por exemplo, inferior a 1 mm, inferior a 2 mm, inferior a 5 mm, inferior a 1 cm, inferior a 2 cm, inferior a 5 cm, inferior a 10 cm, inferior a 20 cm, inferior a 50 cm. Em uma modalidade da invenção, mais do que uma sonda de onda ultrassônica ou um arranjo de sondas de onda ultrassônica podem ser inseridas no canal de resfriamento 46 para estarem em contato com um meio de resfriamento líquido. Em uma modalidade da invenção, a sonda de onda ultrassônica pode ser afixada a uma parede do conjunto 42.

[0060] Em uma modalidade da invenção, os transdutores piezoelétricos fornecendo a energia vibracional podem ser formados de um material cerâmico que é sanduichado entre eletrodos que proveem pontos de afixação para contato elétrico. Uma vez que uma voltagem seja aplicada à cerâmica através dos eletrodos, a cerâmica se expande e se contrai a frequências ultrassônicas. Em uma modalidade da invenção, um transdutor piezoelétrico que sirva como fonte de energia vibracional 40 é afixada a um reforçador, que transfere a vibração para a sonda. A Patente dos EUA de número 9.061.928 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve um conjunto de transdutor ultrassônico incluindo um transdutor ultrassônico, um reforçador ultrassônico, uma sonda ultrassônica e uma unidade de resfriamento de reforçador. O reforçador ultrassônico na patente ‘928 é conectado ao transdutor ultrassônico para amplificar a energia acústica gerada pelo transdutor ultrassônico e transferir a energia vibracional ampliada à sonda ultrassônica. A configuração de reforçador da patente ‘928 pode ser útil na presente invenção para prover energia para as sondas ultrassônicas diretamente ou indiretamente em contato com o meio de resfriamento de líquido discutido acima.

[0061] De fato, em uma modalidade da invenção, um reforçador ultrassônico é usado no campo da ultrassônica para amplificar ou intensificar a energia vibracional criada por um transdutor piezoelétrico. O reforçador não aumenta ou diminui a frequência da vibração, aumenta a amplitude da vibração. (Quando um reforçador é instalado ao contrário, o mesmo também pode comprimir a energia vibracional). Em uma modalidade da invenção, um reforçador se conecta entre o transdutor piezoelétrico e a sonda. No caso de usar um reforçador para refinamento de grãos ultrassônico, segue abaixo uma série exemplar de etapas de método que ilustram o uso de um reforçador com fonte de energia vibracional piezoelétrica: 1) Uma corrente elétrica é fornecida ao transdutor piezoelétrico. As peças cerâmicas dentro do transdutor se expandem e se contraem uma vez que a corrente elétrica seja aplicada, isso converte a energia elétrica em energia mecânica. 2) Essas vibrações em uma modalidade são, então, transferidas para um reforçador, o que amplifica ou intensifica essa vibração mecânica. 3) As vibrações amplificadas ou intensificadas do reforçador em uma modalidade são, então, propagadas para a sonda. A sonda vibra, então, em frequências ultrassônicas, criando, assim, cavitações. 4) As cavitações da sonda vibratória impactam a tira de fundição, que, em uma modalidade, está em contato com o metal fundido. 5) As cavitações em uma modalidade quebram os dendritos e criam uma estrutura de grãos equiaxial.

[0062] Em referência à Figura 2, a sonda é acoplada ao meio de resfriamento que flui através do dispositivo de processamento de metal fundido 34. Cavitações, que são produzidas no meio de resfriamento por meio da vibração da sonda a frequências ultrassônicas, impactam a tira 36 que está em contato com o alumínio fundido na estrutura de confinamento 32.

[0063] Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional pode ser fornecida por transdutores magnetostritivos que servem como fonte de energia vibracional 40. Em uma modalidade, um transdutor magnetostritivo que serve como fonte de energia vibracional 40 possui o mesmo posicionamento que é utilizado com a unidade de transdutor piezoelétrico da Figura 2, com a única diferença sendo que a fonte ultrassônica que aciona a superfície que vibra na frequência ultrassônica é o pelo menos um transdutor magnetostritivo, em vez do pelo menos um elemento piezoelétrico. A Figura 13 ilustra uma configuração de roda de fundição de acordo com uma modalidade da invenção que utiliza, para a pelo menos uma fonte de energia vibracional ultrassônica, um elemento magnestostritivo 40a. Nessa modalidade da invenção, o(s) transdutor(es) magnestostritivo(s) 40a vibra(m) uma sonda (não mostrada na vista lateral da Figura 13) acoplada ao meio de resfriamento a uma frequência de, por exemplo, 30 Hz, embora outras frequências possam ser usadas como descrito abaixo. Em uma modalidade da invenção, o transdutor magnetostritivo 40a vibra uma placa inferior 40b mostrada no diagrama esquemático seccional da Figura 14 dentro do dispositivo de processamento de metal fundido 34 com a placa inferior 40b sendo acoplada ao meio de resfriamento (mostrado na Figura 14).

[0064] Transdutores magnetostritivos são tipicamente compostos por um grande número de placas materiais que irão se expandir e se contrair uma vez que um campo eletromagnético seja aplicado. Mais especificamente, transdutores magnetostritivos para a presente invenção podem incluir em uma modalidade um grande número de placas ou laminações de níquel (ou outro material magnestostritivo) arranjadas em paralelo com uma extremidade de cada laminado afixada ao fundo de um recipiente de processamento ou outra superfície a ser vibrada. Uma bobina de fio é posicionada em torno do material magnestostritivo para prover o campo magnético. Por exemplo, quando um fluxo de corrente elétrica é fornecido através da bobina de fio, é criado um campo magnético. Esse campo magnético faz com que o material magnestostritivo se contraia ou se alongue, introduzindo, assim, uma onda sonora em um fluido em contato com o material magnestostritivo que se expande e se contrai. Frequências ultrassônicas típicas de transdutores magnetostritivos adequadas para a invenção se situam em uma faixa entre 20 kHz e 200 kHz. Frequências maiores ou menores podem ser usadas dependendo da frequência natural do elemento magnestostritivo.

[0065] Para transdutores magnetostritivos, o níquel é um dos materiais mais comumente utilizados. Quando uma voltagem é aplicada ao transdutor, o material de níquel se expande e se contrai em frequências ultrassônicas. Em uma modalidade da invenção, as placas de níquel são diretamente brasadas com prata em uma placa de aço inoxidável. Em referência à Figura 2, a placa de aço inoxidável do transdutor magnetostritivo é a superfície que está vibrando em frequências ultrassônicas e é a superfície (ou sonda) acoplada diretamente ao meio de resfriamento que flui através do dispositivo de processamento de metal fundido 34. As cavitações que são produzidas no meio de resfriamento por meio da placa vibrando em frequências ultrassônicas impactam, então, a tira 36 que está em contato com o alumínio fundido na estrutura de confinamento 32.

[0066] A Patente dos EUA de número 7.462.960 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve um acionador de transdutor ultrassônico tendo um elemento magnestostritivo gigante. Consequentemente, em uma modalidade da invenção, o elemento magnestostritivo pode ser feito de materiais à base de ligas de terras raras tais como Terfenol-D e seus compósitos que têm um efeito magnestostritivo incomumente alto quando comparado com metais de transição iniciais, tais como ferro (Fe), cobalto (Co) e níquel (Ni). Alternativamente, o elemento magnestostritivo em uma modalidade da invenção pode ser feito de ferro (Fe), cobalto (Co) e níquel (Ni).

[0067] Alternativamente, o elemento magnestostritivo em uma modalidade da invenção pode ser feito de um ou mais das seguintes ligas: ferro e térbio; ferro e praseodímio; ferro, térbio e praseodímio; ferro e disprósio; ferro, térbio e disprósio; ferro, praseodímio e disprósio; ferro, térbio e disprósio; ferro, praseodímio e disprósio; ferro, térbio, praseodímio e disprósio; ferro e érbio; ferro e samário; ferro, érbio e samário; ferro, samário e disprósio; ferro e hólmio; ferro, samário e hólmio; ou uma mistura destes.

[0068] A Patente dos EUA de número 4.158.368 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito na mesma, de forma adequada para a presente invenção, o transdutor magnetostritivo pode incluir um êmbolo de um material que mostra magnestostrição negativa disposto dentro de um alojamento. A Patente dos EUA de número 5.588.466 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito na mesma, e de forma adequada para a presente invenção, uma camada magnestostritiva é aplicada em um elemento flexível, por exemplo, uma viga flexível. O elemento flexível é flexionado por um campo magnético externo. Como descrito na patente ‘466, e adequado para a presente invenção, uma camada magnestostritiva fina pode ser usada para o elemento magnestostritivo que consiste em Tb(1-x) Dy(x) Fe2. A Patente dos EUA de número 4.599.591 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito aqui e adequado para a presente invenção, o transdutor magnetostritivo pode utilizar um material magnestostritivo e uma pluralidade de enrolamentos conectados a múltiplas fontes de corrente que tenham uma relação de fase de modo a estabelecer um vetor de indução magnética giratório dentro do material magnestostritivo. A Patente dos EUA de número 4.986.808 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito na mesma, e adequado para a presente invenção, o transdutor magnetostritivo pode incluir uma pluralidade de tiras alongadas de material magnestostritivo, cada tira tendo uma extremidade próxima, uma extremidade distal e uma seção transversal substancialmente em formato de V, com cada braço do V sendo formado por um comprimento longitudinal da tira e cada tira sendo afixada a uma tira adjacente em ambas a extremidade próxima e a extremidade distal para formar uma coluna integral substancialmente rígida tendo um eixo central com barbatanas se estendendo radialmente em relação a esse eixo.

[0069] A Figura 3 é uma representação esquemática de outra modalidade da invenção que mostra uma configuração de vibração mecânica para fornecer energia vibracional de baixa frequência para o metal fundido em um canal da roda de fundição 30. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional vem de uma vibração mecânica gerada por um transdutor ou outro agitador mecânico. Como é conhecido do estado da técnica, um vibrador é um dispositivo mecânico que gera vibrações. Uma vibração é frequentemente gerada por um motor elétrico com uma massa desbalanceada em seu eixo de transmissão. Alguns vibradores mecânicos consistem em um acionador eletromagnético e um eixo mexedor que se agita por movimento recíproco vertical. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é fornecida por um vibrador (ou outros componentes) que é capaz de usar energia mecânica para criar frequências vibracionais de até, mas não limitadas a, 20 kHz, e preferencialmente em uma faixa entre 5 kHz e 10 kHz.

[0070] Independentemente do mecanismo vibracional, afixar um vibrador (um transdutor magnetostritivo, um transdutor piezoelétrico, ou um vibrador acionado mecanicamente) ao alojamento 44 significa que a energia vibracional pode ser transferida do metal fundido no canal sob o conjunto 42.

[0071] Vibradores mecânicos úteis para a invenção podem operar de 8.000 a 1.500 vibrações por minuto, embora frequências mais altas e mais baixas possam ser usadas. Em uma modalidade da invenção, o mecanismo vibracional é configurado para vibrar entre 565 e 5.000 vibrações por segundo. Em uma modalidade da invenção, o mecanismo vibracional é configurado para vibrar a frequências ainda mais baixas, de uma fração de uma vibração a cada segundo até as 565 vibrações por segundo. Faixas de vibração acionada mecanicamente adequadas para a invenção incluem, por exemplo, 6.000 a 9.000 vibrações por minuto, 8.000 a 10.000 vibrações por minuto, 10.000 a 12.000 vibrações por minuto, 12.000 a 15.000 vibrações por minuto e 15.000 a 25.000 vibrações por minuto. Faixas de vibrações mecanicamente acionadas adequadas para a invenção dos relatórios da literatura incluem, por exemplo, faixas de 133 Hz a 250 Hz, de 200 Hz a 283 Hz (12.000 a 17.000 vibrações por minuto), e 4 Hz a 250 Hz. Ainda, uma ampla variedade de oscilações mecanicamente acionáveis pode ser transmitida à roda de fundição 30 ou ao alojamento 44 por um dispositivo de martelo ou êmbolo simples acionado periodicamente para atingir a roda de fundição 30 ou o alojamento 44. Em geral, as vibrações mecânicas podem chegar a 10 kHz. Consequentemente, faixas adequadas para as vibrações mecânicas usadas na invenção incluem: 0 Hz a 10 kHz, 10 Hz a 4.000 Hz, 20 Hz a 2.000 Hz, 40 Hz a 1.000 Hz, 100 Hz a 500 Hz, e faixas intermediárias e combinadas das mesmas, incluindo uma faixa preferida de 565 Hz a 5.000 Hz.

[0072] Embora descritos acima em relação a modalidades ultrassônicas e acionadas mecanicamente, a invenção não é limitada a uma ou a outra dessas faixas, mas pode ser usada para um amplo espectro de energia vibracional até 400 kHz incluindo fontes de frequência única e de frequência múltipla. Adicionalmente, uma combinação de fontes (fontes ultrassônicas e acionadas mecanicamente, ou diferentes fontes ultrassônicas, ou diferentes fontes acionadas mecanicamente, ou fontes de energia acústica a serem descritas abaixo) pode ser usada.

[0073] Como mostrado na Figura 2, a estação de lingotamento 2 inclui uma roda de fundição 30 que possui uma estrutura de confinamento 32 (por exemplo, uma calha ou canal) na roda de fundição 30 na qual o metal fundido é derramado e um dispositivo de processamento de metal fundido 34. A tira 36 (por exemplo, uma tira de aço) confina o metal fundido à estrutura de confinamento 32 (isto é, o canal). Como acima, rolos 38 permitem que o dispositivo de processamento de metal fundido 34 se mantenha estacionário conforme o metal fundido 1) se solidifica no canal da roda de fundição e 2) é transportado para longe do dispositivo de processamento de metal fundido 34.

[0074] Um canal de resfriamento 46 transporta um meio de resfriamento através de si. Como antes, um tubo de ar 52 direciona o ar (como precaução de segurança) de tal forma que qualquer água que vaze do canal de resfriamento seja direcionada ao longo de uma direção para longe da fonte de derramamento do metal fundido. Como antes, um dispositivo de laminação (por exemplo, rolos 38) guia o dispositivo de processamento de metal fundido 34 em relação à roda de fundição 30 giratória. O meio de resfriamento provê resfriamento para o metal fundido e para a pelo menos uma fonte de energia vibracional 40 (mostrada na Figura 3 como um vibrador mecânico 40).

[0075] Conforme o metal fundido passa sob a tira de metal 36 sob o vibrador mecânico 40, energia vibracional acionada mecanicamente é fornecida ao metal fundido conforme o metal começa a se resfriar e a solidificar. A energia vibracional acionada mecanicamente em uma modalidade permite a formação de múltiplas sementes pequenas, produzindo, assim, um produto de metal de grãos finos.

[0076] Em uma modalidade da invenção, é disposto acoplado aos canais de resfriamento 46 pelo menos um vibrador 40 que, no caso de vibradores mecânicos, provê energia vibracional acionada mecanicamente através do meio de resfriamento bem como através do conjunto 42 e da tira 36 para dentro do metal fundido. Em uma modalidade da invenção, a cabeça de um vibrador mecânico é inserida no canal de resfriamento 46 para estar em contato com um meio de resfriamento líquido. Em uma modalidade da invenção, a cabeça do vibrador mecânico pode ser afixada a uma parede do conjunto 42.

[0077] Embora não limitada por nenhuma teoria particular, uma quantidade relativamente pequena de sub-resfriamento (por exemplo, menos do que 10 °C) no fundo do canal da roda de fundição 30 resulta na formação de uma camada de pequenos núcleos de alumínio (ou outro metal ou liga) mais puro. As vibrações acionadas mecanicamente criam esses núcleos que são, então, usados como agentes nucleadores durante a solidificação, resultando em uma estrutura de grãos uniforme. Consequentemente, em uma modalidade da invenção, o método de resfriamento empregado garante que uma quantidade pequena de sub-resfriamento no fundo do canal resulte em no processamento de uma camada de pequenos núcleos do material. As vibrações acionadas mecanicamente do fundo do canal dispersam esses núcleos e/ou servem para quebrar dendritos que se formam na camada sub- resfriada. Esses núcleos e fragmentos de dendritos são, então, usados para formar grãos equiaxiais no molde durante a solidificação, resultando em uma estrutura de grãos uniforme.

[0078] Em outras palavras, em uma modalidade da invenção, vibrações acionadas mecanicamente transmitidas para dentro do metal fundido criam locais de nucleação nos metais ou ligas metálicas para refinar o tamanho dos grãos. Como acima, o canal da roda de fundição 30 pode ser um metal refratário ou outro metal de alta temperatura, tal como cobre, ferros e aços, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio, e ligas destes, incluindo um ou mais elementos tais como silício, oxigênio ou nitrogênio, que podem estender os pontos de fusão desses materiais.

[0079] A Figura 3A é uma representação esquemática de uma configuração híbrida de roda de fundição de acordo com uma modalidade da invenção que utiliza ambas pelo menos uma fonte de energia vibracional ultrassônica e pelo menos uma fonte de energia vibracional acionada mecanicamente (por exemplo, um vibrador acionado mecanicamente). Os elementos mostrados em comum com aqueles da Figura 3 são elementos similares que realizam funções similares, como observado acima. Por exemplo, a estrutura de confinamento 32 (por exemplo, uma calha ou um canal) observada na Figura 3A está na roda de fundição ilustrada, na qual o metal fundido é derramado. Como acima, uma tira (não mostrada na Figura 3A) confina o metal fundido na estrutura de confinamento 32. Aqui, nessa modalidade da invenção, ambas uma ou mais fontes de energia vibracional ultrassônicas e uma ou mais fontes de energia vibracional acionada mecanicamente são ativáveis seletivamente e podem ser acionadas separadamente ou em conjunção uma(s) com a(s) outra(s) para prover vibrações que, sendo transmitidas para o metal líquido, criam locais de nucleação nos metais ou ligas metálicas para refinar o tamanho do grão. Em várias modalidades da invenção, diferentes combinações de fonte(s) de energia vibracional ultrassônica e fonte(s) de energia vibracional acionada mecanicamente podem ser arranjadas e usadas.

Aspectos da Invenção

[0080] Em um aspecto da invenção, a energia vibracional (de vibradores acionados mecanicamente de baixa frequência na faixa de 8000 a 15000 vibrações por minuto ou até 10 kHz e/ou frequências ultrassônicas na faixa de 5 kHz a 400 kHz) pode ser aplicada ao confinamento de um metal fundido durante o resfriamento. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional pode ser aplicada em múltiplas frequências distintas. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional pode ser aplicada a uma variedade de ligas de metal incluindo, mas não limitada, aos metais e ligas listados abaixo: Alumínio, Cobre, Ouro, Ferro, Níquel, Platina, Prata, Zinco, Magnésio, Titânio, Nióbio, Tungsténio, Manganês, Ferro e ligas e combinações dos mesmos; ligas de metais, incluindo Latão (Cobre/Zinco), Bronze (Cobre/Estanho), Aço (Ferro/Carbono), liga de Cromo (Cromo), Aço Inoxidável (Aço/Cromo), Aço Ferramenta (Carbono/Tungstênio/Manganês), Titânio (Ferro/Alumínio) e qualidades padronizadas de ligas de alumínio, incluindo 1100, 1350, 2024, 2224, 5052, 5154, 5356, 5183, 6101, 6201, 6061, 6053, 7050, 7075, série 8XXX; ligas de cobre, incluindo, bronze (citado acima) e cobre em liga com uma combinação de Zinco, Estanho, Alumínio, Silício, Níquel, Prata; Magnésio em liga com Alumínio, Zinco, Manganês, Silício, Cobre, Níquel, Zircônio, Berílio, Cálcio, Cério, Neodímio, Estrôncio, Estanho, Ítrio, terras raras; Ferro e Ferro em liga com Cromo, Carbono, Cromo de Silício, Níquel, Potássio, Plutônio, Zinco, Zircônio, Titânio, Chumbo, Magnésio, Estanho, Escândio; e outras ligas e combinações das mesmas.

[0081] Em um aspecto da invenção, a energia vibracional (de vibradores acionados mecanicamente de baixa frequência na faixa de 8.000 a 15.000 vibrações por minuto ou até 10 kHz e/ou frequências ultrassônicas na faixa de 5 kHz a 400 kHz) é acoplada através de um meio líquido em contato com a tira para dentro do metal em solidificação sob o dispositivo de processamento de metal fundido 34. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional é acoplada mecanicamente entre 565 Hz e 5.000 Hz. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional é acoplada mecanicamente em frequências ainda mais baixas, de uma fração de vibração a cada segundo até as 565 vibrações por segundo. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional é acionada por ultrassom em frequências da faixa de 5 Hz até 400 kHz. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional é acoplada através do alojamento 44 que contém a fonte de energia vibracional 40. O alojamento 44 se conecta a outros elementos estruturais, tais como a tira 36 ou rolos 38 que estão em contato seja com as paredes do canal ou diretamente com o metal fundido. Em um aspecto da invenção, esse acoplamento mecânico transmite a energia vibracional da fonte de energia vibracional para dentro do metal fundido conforme o metal se resfria.

[0082] Em um aspecto, o meio de resfriamento pode ser um meio líquido tal como água. Em um aspecto, o meio de resfriamento pode ser um meio gasoso tal como um de ar comprimido ou nitrogênio. Em um aspecto, o meio de resfriamento pode ser um material de mudança de fase. É preferido que o meio de resfriamento seja provido a uma taxa suficiente para sub- resfriar o metal adjacente à tira 36 (menos de 5 °C a 10 °C acima da temperatura liquidus da liga ou ainda abaixo da temperatura liquidus).

[0083] Em um aspecto da invenção, grãos equiaxiais dentro do produto fundido são obtidos sem a necessidade de adição de partículas de impureza, tais como boreto de titânio, dentro do metal ou liga metálica para aumentar o número de grãos e melhorar a solidificação heterogênea uniforme. Em vez de usar os agentes nucleadores, em um aspecto da invenção, energia vibracional pode ser usada para criar locais de nucleação.

[0084] Durante a operação, metal fundido em uma temperatura substancialmente maior do que a temperatura liquidus da liga flui por gravidade para dentro do canal da roda de fundição 30 e passa sob o dispositivo de processamento de metal fundido 34 onde é exposto a energia vibracional (isto é, vibrações ultrassônicas ou mecanicamente acionadas). A temperatura do metal fundido que flui para dentro do canal da roda de fundição depende do tipo de liga escolhida, da taxa de derramamento, do tamanho do canal da roda de fundição, entre outros. Para ligas de alumínio, a temperatura de fundição pode estar situada entre 1220 F e 1350 F, com faixas intermediárias preferidas tais como, por exemplo, de 1220 F a 1300 F, de 1220 F a 1280 F, de 1220 F a 1270 F, de 1220 F a 1340 F, de 1240 F a 1320 F, de 1250 F a 1300 F, de 1260 F a 1310 F, de 1270 F a 1320 F, de 1320 F a 1330 F, com faixas intermediárias e sobrepostas e variâncias de +/- 10 graus F também adequados. O canal da roda de fundição 30 é resfriado para garantir que o metal fundido no canal esteja perto da temperatura inferior a liquidus (por exemplo, menos de 5 °C ou 10 °C acima da temperatura liquidus da liga ou ainda abaixo da temperatura liquidus, embora a temperatura de derramamento possa ser muito maior do que 10 °C). Durante a operação, a atmosfera em torno do metal fundido pode ser controlada por meio de uma proteção (não mostrada) que é preenchida ou purgada, por exemplo, com um gás inerte, tal como Ar, He ou nitrogênio. O metal fundido na roda de fundição 30 está tipicamente em um estado de parada térmica (thermal arrest), no qual o metal fundido está se convertendo de um líquido para um sólido.

[0085] Como resultado do sub-resfriamento próximo à temperatura abaixo de liquidus, as taxas de solidificação não são lentas o suficiente para permitir equilíbrio através da interface solidus-liquidus, o que, por sua vez, resulta em variações nas composições através da barra de fundição. A não uniformidade de composição química resulta em segregação. Em adição, a quantidade de segregação é diretamente relacionada aos coeficientes de difusão dos vários elementos no metal fundido, tanto quanto às taxas de transferência de calor. Outro tipo de segregação é o local em que os constituintes com os menores pontos de fusão irão se congelar primeiramente.

[0086] Nas modalidades de vibração ultrassônica ou mecanicamente acionada da invenção, a energia vibracional agita o metal fundido conforme ele se resfria. Nessa modalidade, a energia vibracional é transmitida com uma energia que agita e efetivamente mexe o metal fundido. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional mecanicamente acionada serve para mexer continuamente o metal fundido conforme ele resfria. Em vários processos de fundição de ligas, é desejável ter altas concentrações de silício em uma liga de alumínio. No entanto, em concentrações de silício mais elevadas, precipitados de silício podem se formar. Ao “remisturar” esses precipitados de volta para o estado fundido, o silício elementar pode ir ao menos parcialmente de volta para solução. Alternativamente, mesmo que os precipitados se mantenham, a mistura não resultará na segregação dos precipitados de silício, causando, assim, mais desgaste abrasivo na matriz de metal e nos rolos à jusante.

[0087] Em vários sistemas de liga de metal, o mesmo tipo de efeito ocorre, em que um componente da liga (tipicamente, o componente de maior ponto de fusão) se precipita em uma forma pura, de fato “contaminando” a liga com partículas do componente puro. Em geral, ao fundir uma liga, ocorre segregação, por meio da qual a concentração de soluto não é constante através da peça de fundição. Isso pode ser causado por diversos processos. Acredita- se que a microssegregação, que ocorre ao longo de distâncias comparáveis ao tamanho do espaçamento de braço de dendrito, seja um resultado de o primeiro sólido formado ser de uma concentração inferior à concentração de equilíbrio final, resultando no particionamento do soluto em excesso dentro do líquido, de modo que o sólido formado posteriormente possui uma concentração mais alta. A macrossegregação ocorre ao longo de distâncias similares ao tamanho da peça fundida. Isso pode ser causado por diversos processos complexos que envolvem efeitos de encolhimento conforme a peça fundida se solidifica, e uma variação na densidade do líquido conforme o soluto é particionado. É desejável prevenir a segregação durante a fundição, para gerar um tarugo sólido que tenha propriedades uniformes ao longo de si.

[0088] Consequentemente, algumas ligas que se beneficiariam do tratamento de energia vibracional da invenção incluem as ligas citadas acima. Outras Configurações

[0089] A presente invenção não é limitada à aplicação de energia vibracional meramente às estruturas de canal descritas acima. Em geral, a energia vibracional (de vibradores acionados mecanicamente de baixa frequência na faixa de até 10 kHz e/ou frequências ultrassônicas na faixa de 5 kHz a 400 kHz) podem induzir nucleação em pontos no processo de fundição em que o metal fundido está começando a resfriar-se a partir do estado fundido e entrar no estado sólido (isto é, o estado de parada térmica). Vista diferentemente, a invenção, em várias modalidades, combina energia vibracional de uma ampla variedade de fontes com gestão térmica tal que o metal fundido adjacente à superfície de resfriamento esteja perto da temperatura liquidus da liga. Nessas modalidades, a temperatura do metal fundido no canal ou contra a tira 36 da roda de fundição 30 é baixa o suficiente para induzir nucleação e crescimento de cristais (formação de dendritos), enquanto a energia vibracional cria núcleos e/ou quebra dendritos que podem se formar na superfície do canal na roda de fundição 30.

[0090] Em uma modalidade da invenção, aspectos benéficos associados ao processo de fundição podem ser obtidos sem que as fontes de energia vibracional sejam energizadas, ou sejam energizadas continuamente. Em uma modalidade da invenção, as fontes de energia vibracional podem ser energizadas durante ciclos ligado/desligado programados com latitude em relação ao ciclo de serviço em porcentagens situadas entre 0% e 100%, entre 10% e 50%, entre 50% e 90%, entre 40% e 60%, entre 45% e 55%, e quaisquer faixas intermediárias entre essas por meio de controle da potência para as fontes de energia vibracional.

[0091] Em outra modalidade da invenção, energia vibracional (ultrassônica ou mecanicamente acionada) é diretamente injetada no alumínio fundido derramado na roda de fundição antes de a banda 36 entrar em contato com o metal fundido. A aplicação direta de energia ultrassônica como a energia vibracional no metal fundido pode causar cavitação no metal fundido.

[0092] Embora não limitada por nenhuma teoria particular, a cavitação consiste na formação de pequenas descontinuidades ou cavidades em líquidos, seguida por seu crescimento, pulsação e colapso. Cavidades aparecem como resultado de tensão de tração produzido por uma onda acústica na fase de rarefação. Se a tensão de tração (ou pressão negativa) persistir após a cavidade ter sido formada, a cavidade irá expandir-se para diversas vezes o tamanho inicial. Durante a cavitação em um campo ultrassônico, muitas cavidades aparecem simultaneamente em distâncias inferiores ao comprimento de onda ultrassônico. Nesse caso, as bolhas de cavidade retêm seu formato esférico. O comportamento subsequente das bolhas de cavitação é altamente variável: uma pequena fração das bolhas se aglutinam para formar bolhas grandes, mas quase todas são colapsadas por uma onda acústica na fase de compressão. Durante a compressão, algumas dessas cavidades podem colapsar por conta de tensões de compressão. Portanto, quando essas cavitações colapsam, altas ondas de choque ocorrem no fundido. Consequentemente, em uma modalidade da invenção, ondas de choque induzidas por energia vibracional servem para quebrar os dendritos e outros núcleos crescentes, gerando, portanto, novos núcleos, que, por sua vez, resultam em uma estrutura de grãos equiaxiais. Em adição, em outra modalidade da invenção, vibração ultrassônica contínua pode efetivamente homogeneizar os núcleos formados auxiliando adicionalmente a estrutura equiaxial. Em uma modalidade da invenção, vibrações ultrassônicas ou mecanicamente acionadas descontínuas podem efetivamente homogeneizar os núcleos formados auxiliando adicionalmente em uma estrutura equiaxial.

[0093] A Figura 4 é uma representação esquemática de uma configuração de roda de fundição de acordo com uma modalidade da invenção especificamente com um dispositivo de sonda vibracional 66 possuindo uma sonda (não mostrada) inserida diretamente no metal fundido derramado em uma roda de fundição 60. A sonda seria de uma construção similar àquela conhecida no estado da técnica para desgaseificação ultrassônica. A Figura 4 ilustra um rolo 62 pressionando uma tira 68 em um aro da roda de fundição 60. O dispositivo de sonda vibracional 66 acopla energia vibracional (ultrassônica ou mecanicamente acionada) diretamente ou indiretamente para dentro do metal fundido derramado dentro de um canal (não mostrado) da roda de fundição 60. Conforme a roda de fundição 60 gira no sentido anti-horário, o metal fundido transita sob o rolo 62 e entra em contato com um dispositivo de resfriamento de metal fundido 64 opcional. O dispositivo 64 pode ser similar ao conjunto 42 das Figuras 2 e 3, mas sem os vibradores 40. Esse dispositivo 64 pode ser similar ao dispositivo de processamento de metal fundido 34 da Figura 3, mas sem os vibradores 40 mecânicos.

[0094] Nessa modalidade, como mostrado na Figura 4, um dispositivo de processamento de metal fundido para uma estação de lingotamento utiliza ao menos uma fonte de energia vibracional (isto é, o dispositivo de sonda vibracional 66) que fornece energia vibracional por uma sonda inserida dentro do metal fundido derramado na roda de fundição (preferencialmente, mas não necessariamente diretamente dentro do metal fundido derramado na roda de fundição), enquanto o metal fundido na roda de fundição é resfriado. Um dispositivo de suporte sustenta a fonte de energia vibracional (dispositivo de sonda vibracional 66) em seu lugar.

[0095] Em outra modalidade da invenção, a energia vibracional pode ser acoplada dentro do metal fundido conforme ele está sendo resfriado através de um ar ou gás como meio através do uso de osciladores acústicos. Osciladores acústicos (por exemplo, amplificadores de áudio) podem ser usados para gerar e transmitir ondas acústicas para dentro do metal fundido. Nessa modalidade, os vibradores ultrassônicos ou acionados mecanicamente discutidos acima seriam substituídos ou suplementados pelos osciladores acústicos. Amplificadores de áudio adequados para a invenção iriam prover oscilações acústicas de 1 a 20.000 Hz. Oscilações acústicas maiores ou menores do que essa faixa podem ser usadas. Por exemplo, oscilações acústicas de 0,5 Hz até 20 Hz; 10 Hz até 500 Hz, de 200 Hz até 2.000 Hz, de 1.000 Hz até 5.000 Hz, de 2.000 Hz até 10.000 Hz, de 5.000 Hz até 14.000 Hz, e de 10.000 Hz até 16.000 Hz, de 14.000 Hz até 20.000 Hz, e de 18.000 Hz até 25.000 Hz podem ser usadas. Transdutores eletroacústicos podem ser usados para gerar e transmitir a energia acústica.

[0096] Em uma modalidade da invenção, a energia acústica pode ser acoplada através de um meio gasoso diretamente para dentro do metal fundido, onde a energia acústica vibra o metal fundido. Em uma modalidade da invenção, a energia acústica pode ser acoplada através de um meio gasoso indiretamente para dentro do metal fundido onde a energia acústica vibra a tira 36 ou outra estrutura de suporte que contém o metal fundido, que, por sua vez, vibra o metal fundido.

[0097] Além do uso do tratamento de energia vibracional da presente invenção nos sistemas de lingotamento contínuos de tipo roda descritos acima, a presente invenção também possui utilidade em moldes estacionários e em moinhos de fundição verticais.

[0098] Para moinhos estacionários, o metal fundido seria derramado em um molde estacionário 62 tal como o mostrado na Figura 5, que, por sua vez, possui um dispositivo de processamento de metal fundido 34 (mostrado esquematicamente). Dessa forma, energia vibracional (de vibradores acionados mecanicamente de baixa frequência operando em até 10 kHz e/ou frequências ultrassônicas na faixa de 5 kHz a 400 kHz) podem induzir nucleação em pontos no molde estacionário nos quais o metal fundido está começando a se resfriar, a partir do estado fundido, e entrar no estado sólido (isto é, o estado de parada térmica).

[0099] As Figuras 6A a 6D ilustram componentes selecionados de uma estação de lingotamento vertical. Mais detalhes desses componentes e de outros aspectos de uma estação de lingotamento vertical são encontrados na Patente dos EUA número 3.520.352 (cujo conteúdo é incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de em referência). Como mostrado nas Figuras 6A a 6D, a estação de lingotamento vertical inclui uma cavidade de lingotamento de metal fundido 213, que é genericamente quadrada na modalidade ilustrada, mas que pode ser redonda, elíptica, poligonal ou de qualquer outro formato adequado, e que é limitada por primeiras porções de parede 215 verticais, que se interceptam mutuamente 215, e porções de parede segundas ou de quina 217, situadas na porção de topo do molde. Um envelope de retenção de fluidos 219 circunda as paredes 215 e os membros de quina 217 da cavidade de lingotamento em uma relação espaçada com a mesma. O envelope 219 é adaptado para receber um fluido de resfriamento, tal como água, por meio de um conduto de admissão 221, e para descartar o fluido de resfriamento por meio de um conduto de emissão 223.

[00100] Enquanto as primeiras porções de parede 215 são preferencialmente feitas de um material altamente condutor de temperatura, tal como cobre, as porções de parede segundas ou de quina 217 são construídas com um material menos condutor de temperatura, tal como, por exemplo, um material cerâmico. Como mostrado nas Figuras 6A a 6D, as porções de parede de quina 217 têm uma seção transversal genericamente em formato de L ou angular, e os vértices verticais de cada quina se inclinam para baixo, convergindo um para o outro. Portanto, o membro de quina 217 termina em algum nível conveniente no molde acima da extremidade de descarte do molde, que se situa entre as seções transversais.

[00101] Durante a operação, o metal fundido flui a partir de um funil de distribuição 245 para dentro de um molde de lingotamento que faz um movimento recíproco verticalmente e um fio de metal fundido (moldado) é continuamente removido do molde. O metal fundido (derretido) é, primeiramente, resfriado no molde a partir do contato com as paredes de molde mais frias, no que pode ser considerado uma primeira região de resfriamento. O calor é rapidamente removido do metal fundido nessa região, e acredita-se que uma pele do material se forma completamente em torno de uma poça central de metal fundido.

[00102] Em uma modalidade da invenção, as fontes de energia vibracional (os vibradores 40, ilustrados esquematicamente apenas na Figura 6D por conta da simplicidade) estariam dispostas em relação com o envelope de retenção de fluidos 219 e preferencialmente dentro do meio de resfriamento que circula no envelope de retenção de fluidos 219. A energia vibracional (de vibradores acionados mecanicamente de baixa frequência operando na faixa entre 8.000 e 15.000 vibrações por minuto e/ou frequências ultrassônicas na faixa de 5 kHz a 400 kHz e/ou os osciladores acústicos supracitados) induziria a nucleação em pontos no processo de lingotamento no qual o metal fundido (derretido) está começando a se resfriar, do estado derretido, e entrar no estado sólido (isto é, o estado de parada térmica) conforme o metal fundido se converte de um líquido para um sólido e o fio de metal fundido (moldado) é continuamente removido da cavidade de lingotamento de metal 213.

[00103] Em uma modalidade da invenção, o refinamento de grãos ultrassônico descrito acima é combinado com a desgaseificação ultrassônica citada acima para remover impurezas do banho derretido antes que o metal seja moldado. A Figura 9 é uma representação esquemática que ilustra uma modalidade da invenção que utilizam ambos a desgaseificação ultrassônica e o refinamento de grãos ultrassônico. Como mostrado na mesma, uma fornalha é uma fonte de metal fundido. O metal fundido é transportado em uma bateia a partir da fornalha. Em uma modalidade da invenção, uma desgaseificação ultrassônica é disposta no trajeto da bateia antes que o metal fundido seja provido em uma máquina de lingotamento (por exemplo, uma roda de lingotamento) que contenha um refinador de grãos ultrassônico. Em uma modalidade da invenção, o refinamento de grãos na máquina de lingotamento não precisa ocorrer em frequências ultrassônicas, mas poderia, em vez disto, estar em uma ou mais das frequências mecanicamente acionadas discutidas em outro momento.

[00104] Embora não limitada aos desgaseificadores ultrassônicos específicos a seguir, a patente ’336 descreve desgaseificadores que são adequados para diferentes modalidades da presente invenção. Um desgaseificador adequado seria um dispositivo ultrassônico possuindo um transdutor ultrassônico; uma sonda alongada que possui uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade afixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta; e um sistema de fornecimento de gás de purga, em que o sistema de fornecimento de gás de purga pode compreender uma admissão de gás de purga e uma emissão de gás de purga. Em uma modalidade da invenção, a emissão de gás de purga pode estar dentro de cerca de 10 cm (ou 5 cm, ou 1 cm) da ponta da sonda alongada, enquanto, em outras modalidades, a emissão de gás de purga pode estar na ponta da sonda alongada. Ainda, o dispositivo ultrassônico pode compreender múltiplas montagens de sonda e/ou múltiplas sondas por transdutor ultrassônico.

[00105] Embora não limitada aos desgaseificadores ultrassônicos específicos a seguir, a patente ’397 descreve desgaseificadores que são adequados para diferentes modalidades da presente invenção. Um desgaseificador adequado seria um dispositivo ultrassônico possuindo um transdutor ultrassônico; uma sonda afixada ao transdutor ultrassônico, a sonda compreendendo uma ponta; e um sistema de fornecimento de gás, o sistema de fornecimento de gás compreendendo uma admissão de gás, um trajeto de fluxo de gás através da sonda, e uma emissão de gás na ponta da sonda. Em uma modalidade da invenção, a sonda pode ser uma sonda alongada compreendendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade afixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta. Ainda, a sonda pode compreender aço inoxidável, titânio, nióbio, uma cerâmica, e afins, ou uma combinação de quaisquer desses materiais. Em outra modalidade, a sonda ultrassônica pode ser uma sonda SIALON unitária, com o sistema de fornecimento de gás integrado através da mesma. Em ainda outra modalidade, o dispositivo ultrassônico pode compreender múltiplos conjuntos de sonda e/ou múltiplas sondas por transdutor ultrassônico.

[00106] Em uma modalidade da invenção, a desgaseificação ultrassônica usando, por exemplo, sondas ultrassônicas discutidas acima complementa o refinamento de grãos ultrassônico. Em vários exemplos de desgaseificação ultrassônica, um gás de purga é adicionado ao metal fundido, por exemplo, por meio das sondas discutidas acima em uma taxa situada em uma faixa entre cerca de 1 L/min e cerca de 50 L/min. Pela descrição de que a taxa de fluxo está situada em uma faixa entre cerca de 1 L/min e cerca de 50 L/min, a taxa de fluxo pode ser cerca de 1 L/min, cerca de 2 L/min, cerca de 3 L/min, cerca de 4 L/min, cerca de 5 L/min, cerca de 6 L/min, cerca de 7 L/min, cerca de 8 L/min, cerca de 9 L/min, cerca de 10 L/min, cerca de 11 L/min, cerca de 12 L/min, cerca de 13 L/min, cerca de 14 L/min, cerca de 15 L/min, cerca de 16 L/min, cerca de 17 L/min, cerca de 18 L/min, cerca de 19 L/min, cerca de 20 L/min, cerca de 21 L/min, cerca de 22 L/min, cerca de 23 L/min, cerca de 24 L/min, cerca de 25 L/min, cerca de 26 L/min, cerca de 27 L/min, cerca de 28 L/min, cerca de 29 L/min, cerca de 30 L/min, cerca de 31 L/min, cerca de 32 L/min, cerca de 33 L/min, cerca de 34 L/min, cerca de 35 L/min, cerca de 36 L/min, cerca de 37 L/min, cerca de 38 L/min, cerca de 39 L/min, cerca de 40 L/min, cerca de 41 L/min, cerca de 42 L/min, cerca de 43 L/min, cerca de 44 L/min, cerca de 45 L/min, cerca de 46 L/min, cerca de 47 L/min, cerca de 48 L/min, cerca de 49 L/min ou cerca de 50 L/min. Adicionalmente, a taxa de fluxo pode estar dentro de qualquer faixa de cerca de 1 L/min até cerca de 50 L/min (por exemplo, a taxa está em uma faixa de cerca de 2 L/min até cerca de 20 L/min), e isso também inclui qualquer combinação de faixas entre cerca de 1 L/min e cerca de 50 L/min. Faixas intermediárias são possíveis. Igualmente, todas as outras faixas aqui descritas devem ser interpretadas de forma similar.

[00107] Modalidades da presente invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e a refinamento de grãos ultrassônico podem prover sistemas, métodos e/ou dispositivos para a desgaseificação ultrassônica de metais fundidos incluindo, mas não limitado a, alumínio, cobre, aço, zinco, magnésio, e afins, ou combinações destes e de outros metais (por exemplo, ligas). O processamento ou lingotamento de artigos de um metal fundido pode exigir um banho contendo o metal fundido, e esse banho do metal fundido pode ser mantido a temperaturas elevadas. Por exemplo, o cobre fundido pode ser mantido a temperaturas de cerca de 1.100 °C, enquanto o alumínio fundido pode ser mantido a temperaturas de cerca de 750 °C.

[00108] Conforme usados aqui, os termos “banho”, “banho de metal fundido”, e afins se destinam a abranger qualquer recipiente que possa conter um metal fundido, incluindo vasos, cadinhos, calhas, bateias, fornalhas, conchas, e afins. Os termos banho e banho de metal fundido são usados para abranger operações em lote, contínuas, semicontínuas, etc. e, por exemplo, em que o metal fundido é genericamente estático (por exemplo, frequentemente associado a um cadinho) e em que o metal fundido está genericamente em movimento (por exemplo, frequentemente associado a uma bateia).

[00109] Muitos instrumentos ou dispositivos podem ser usados para monitorar, para testar, ou para modificar as condições do metal fundido no banho, bem como para a produção final ou lingotamento do artigo de metal desejado. Há uma necessidade que esses instrumentos ou dispositivos resistam melhor às altas temperaturas encontradas em banhos de metal fundido, tendo, beneficamente, uma vida útil mais longa e reatividade limitada, ou nenhuma, ao metal fundido, quer o metal seja (ou quer o metal contenha) alumínio, ou cobre, ou aço, ou zinco, ou magnésio, e afins.

[00110] Ainda, metais fundidos têm um ou mais gases dissolvidos nos mesmos, e esses gases podem impactar negativamente a produção final e lingotamento do artigo de metal desejado, e/ou as propriedades físicas resultantes do próprio artigo de metal. Por exemplo, o gás dissolvido no metal fundido pode compreender hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, e afins, ou combinações destes. Em algumas circunstâncias, pode ser vantajoso remover o gás, ou reduzir a quantidade do gás no metal fundido. Como um exemplo, o hidrogênio dissolvido pode prejudicar o lingotamento de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) e, portanto, as propriedades dos artigos terminados produzidos a partir de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) podem ser melhoradas pela redução da quantidade de hidrogênio incorporada no banho derretido de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga). Hidrogênio dissolvido em mais de 0,2 ppm, mais que 0,3 ppm, ou mais que 0,5 ppm, com base na massa, pode ter efeitos prejudiciais nas taxas de lingotamento e na qualidade das hastes de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) resultantes, e outros artigos. O hidrogênio pode entrar no banho de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) fundido por meio de sua presença na atmosfera acima do banho que contém o alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) derretido, ou pode estar presente em matéria prima de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) usada no banho de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) fundido.

[00111] Tentativas de reduzir as quantidades de gases dissolvidos nos banhos de metal fundido não foram completamente bem-sucedidas. Frequentemente, esses processos envolveram, no passado, equipamentos adicionais e caros, bem como materiais potencialmente perigosos. Por exemplo, um processo usado na indústria de lingotamento de metal para reduzir o conteúdo de gás dissolvido de um metal fundido pode consistir em rotores feitos de um material tal como grafite, e esses rotores podem ser posicionados dentro do banho de metal fundido. Gás de cloro pode adicionalmente ser adicionado ao banho de metal fundido em posições adjacentes aos rotores dentro do banho de metal fundido. Enquanto a adição de gás de cloro pode ser bem-sucedida em algumas situações, esse processo convencional tem limitações notáveis, algumas das principais sendo custo, complexidade, e o uso de gás de cloro potencialmente perigosos e potencialmente ambientalmente prejudiciais.

[00112] Adicionalmente, metais fundidos podem ter impurezas presentes nos mesmos, e essas impurezas podem impactar negativamente a produção final e a lingotamento do artigo de metal desejado, e/ou as propriedades físicas resultantes do próprio artigo de metal. Por exemplo, a impureza no metal fundido pode compreender um metal alcalino ou outro metal cuja presença no metal fundido não seja nem necessária nem desejada. Pequenas porcentagens de certos metais estão presentes em várias ligas metálicas, e tais metais não seriam considerados impurezas. Como exemplos não limitantes, impurezas podem entrar em um banho de metal fundido (alumínio, cobre, ou outro metal ou liga) por sua presença na matéria-prima de entrada usada no banho de metal fundido.

[00113] Modalidades dessa invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e a refinamento de grãos ultrassônico podem prover métodos para reduzir uma quantidade de um gás dissolvido em um banho de metal fundido ou, em uma linguagem alternativa, métodos para desgaseificar metais fundidos. Um desses métodos pode compreender a operação de um dispositivo ultrassônico no banho de metal fundido, e a introdução de um gás de purga no banho de metal fundido bastante próximo ao dispositivo ultrassônico. O gás dissolvido pode ser, ou compreender, oxigênio, hidrogênio, dióxido de enxofre, e afins, ou combinações destes (por exemplo, incluindo várias ligas de alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, etc.). Em algumas modalidades relacionadas a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grãos ultrassônico, o banho de metal fundido pode compreender alumínio, enquanto, em outras modalidades, o banho de metal fundido pode compreender cobre. Consequentemente, o metal fundido no banho pode ser alumínio ou, alternativamente, o metal fundido pode ser cobre.

[00114] Ainda, modalidades dessa invenção podem prover métodos para reduzir uma quantidade de uma impureza presente em um banho de metal fundido, ou em linguagem alternativa, métodos para remover impurezas. Um desses métodos relacionado a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grãos ultrassônico pode compreender operar um dispositivo ultrassônico no banho de metal fundido, e introduzir um gás de purga no banho de metal fundido bastante próximo ao dispositivo ultrassônico. A impureza pode compreender lítio, sódio, potássio, chumbo, e afins, ou combinações destes. Por exemplo, a impureza pode ser ou compreender lítio ou, alternativamente, sódio. O banho de metal fundido pode compreender alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, e afins, ou misturas e/ou combinações destes (por exemplo, incluindo várias ligas de alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, etc.). Em algumas modalidades, o banho de metal fundido pode compreender alumínio, enquanto, em outras modalidades, o banho de metal fundido pode compreender cobre. Consequentemente, o metal fundido pode ser alumínio ou, alternativamente, o metal fundido pode ser cobre.

[00115] O gás de purga relacionado a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grãos ultrassônico empregado nos métodos de desgaseificação e/ou métodos de remover impurezas aqui descritas pode compreender um ou mais dentre hidrogênio, hélio, neônio, argônio, criptônio e/ou xenônio, mas não está limitado a estes. Está contemplado que qualquer gás adequado pode ser usado como um gás de purga, contanto que o gás não reaja adequadamente com o(s) metal(is) específico(s) no banho de metal fundido, ou dissolva-se nele(s). Adicionalmente, misturas ou combinações de gases podem ser empregadas. De acordo com algumas modalidades aqui descritas, o gás de purga pode ser ou pode compreender um gás inerte; alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender um gás nobre; alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender hélio, neônio, argônio, ou combinações destes; alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender hélio; alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender neônio; ou alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender argônio. Consequentemente, o gás de purga pode compreender adicionalmente gás de cloro em algumas modalidades, tal como o uso de gás de cloro como o gás de purga sozinho ou em combinação com ao menos um dentre nitrogênio, hélio, neônio, argônio, criptônio e/ou xenônio.

[00116] No entanto, em outras modalidades desta invenção, métodos relacionados a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grãos ultrassônico para desgaseificação ou para reduzir uma quantidade de um gás dissolvido em um banho de metal fundido podem ser conduzidos na ausência substancial de gás de cloro, ou sem a presença de gás de cloro. Como usado aqui, uma ausência substantiva significa que não mais do que 5% de gás de cloro em peso pode ser usado, com base na quantidade de gás de purga usado. Em algumas modalidades, os métodos aqui descritos podem compreender a introdução de um gás de purga, e esse gás de purga pode ser selecionado do grupo que consiste em nitrogênio, hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio, e combinações destes.

[00117] A quantidade de gás de purga introduzida no banho de metal fundido pode variar dependendo de uma série de fatores. Frequentemente, a quantidade do gás de purga relacionado a desgaseificação ultrassônica e a refinamento de grãos ultrassônico introduzido em um método para desgaseificar metais fundidos (e/ou em um método de remover impurezas de metais fundidos) de acordo com modalidades dessa invenção pode se situar em uma faixa de cerca de 0,1 até cerca de 150 litros/min padrão (L/min). Em algumas modalidades, a quantidade de gás de purga introduzida pode se situar em uma faixa entre cerca de 0,5 L/min e cerca de 100 L/min, de cerca de 1 L/min até cerca de 100 L/min, de cerca de 1 L/min até cerca de 50 L/min, de cerca de 1 L/min até cerca de 35 L/min, de cerca de 1 L/min até cerca de 25 L/min, de cerca de 1 L/min até cerca de 10 L/min, de cerca de 1.5 L/min até cerca de 20 L/min, de cerca de 2 L/min até cerca de 15 L/min, ou de cerca de 2 L/min até cerca de 10 L/min. Essas taxas de fluxo volumétricas são em litros por minuto padrão, isto é, em uma temperatura (21,1 °C) e pressão (101 kPa) padrão.

[00118] Em operações de metal fundido contínuas ou semicontínuas, a quantidade de gás de purga introduzida no banho de metal fundido pode variar com base na saída de metal fundido ou na taxa de produção. Consequentemente, a quantidade de gás de purga introduzida em um método de desgaseificiação de metais fundidos (e/ou em um método para remover impurezas de metais fundidos) de acordo com tais modalidades relacionadas a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grãos ultrassônico pode se situar dentro de uma faixa de cerca de 10 mL/h até cerca de 500 mL/h de gás de purga por kg/h de metal fundido (mL de gás de purga/kg de metal fundido). Em algumas modalidades, a razão da taxa de fluxo volumétrica do gás de purga em relação à taxa de saída do metal fundido pode estar em uma faixa de cerca de 10 mL/kg até cerca de 400 mL/kg; alternativamente, de cerca de 15 mL/kg até cerca de 300 mL/kg; alternativamente, de cerca de 20 mL/kg até cerca de 250 mL/kg; alternativamente, de cerca de 30 mL/kg até cerca de 200 mL/kg; alternativamente, de cerca de 40 mL/kg até cerca de 150 mL/kg; or alternativamente, de cerca de 50 mL/kg até cerca de 125 mL/kg. Como acima, a taxa de fluxo volumétrica do gás de purga está em uma temperatura (21,1 °C) e pressão (101 kPa) padrão.

[00119] Métodos para desgaseificação de metais fundidos consistentes com modalidades dessa invenção e relacionados a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grãos ultrassônico podem ser efetivos em uma remoção maior do que 10 porcento em peso do gás dissolvido presente no banho de metal fundido, isto é, a quantidade de gás dissolvido no banho de metal fundido pode ser reduzido em mais do que 10 porcento em peso do gás dissolvido presente antes que o processo de desgaseificiação tenha sido empregado. Em algumas modalidades, a quantidade de gás dissolvido presente pode ser reduzida em mais do que 15 porcento em peso, em mais do que 20 porcento em peso, em mais do que 25 porcento em peso, em mais do que 35 porcento em peso, em mais do que 50 porcento em peso, em mais do que 75 porcento em peso, ou em mais do que 80 porcento em peso, a partir da quantidade de gás dissolvido presente antes de o método de desgaseificação ter sido empregado. Por exemplo, se o gás dissolvido for hidrogênio, níveis de hidrogênio em um banho fundido contendo alumínio ou cobre em mais do que 0,3 ppm ou 0,4 ppm ou 0,5 ppm (com base na massa) pode ser prejudicial, e, frequentemente, o conteúdo de hidrogênio no metal fundido pode ser de cerca de 0,4 ppm, de cerca de 0,5 ppm, de cerca de 0,6 ppm, de cerca de 0,7 ppm, de cerca de 0,8 ppm, de cerca de 0,9 ppm, de cerca de 1 ppm, de cerca de 1,5 ppm, de cerca de 2 ppm, ou maior do que 2 ppm. Está contemplado que o emprego dos métodos descritos nas modalidades dessa invenção pode reduzir a quantidade do gás dissolvido no banho de metal fundido para menos do que cerca de 0,4 ppm; alternativamente, para menos do que cerca de 0,3 ppm; alternativamente, para menos do que cerca de 0,2 ppm; alternativamente, para dentro de uma faixa entre cerca de 0,1 e cerca de 0,4 ppm; alternativamente, para dentro de uma faixa entre cerca de 0,1 e cerca de 0,3 ppm; ou alternativamente, para dentro de uma faixa entre cerca de 0,2 e cerca de 0,3 ppm. Nessas e em outras modalidades, o gás dissolvido pode ser, ou compreender, hidrogênio, e o banho de metal fundido pode ser, ou compreender, alumínio e/ou cobre.

[00120] Modalidades dessa invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e a refinamento de grãos ultrassônico e direcionadas a métodos de desgaseificação (por exemplo, reduzindo a quantidade de um gás dissolvido em um banho compreendendo um metal fundido) ou a métodos para remoção de impurezas pode compreender operar um dispositivo ultrassônico no banho de metal fundido. O dispositivo ultrassônico pode compreender um transdutor ultrassônico e uma sonda alongada, e a sonda pode compreender uma primeira extremidade e uma segunda extremidade. A primeira extremidade pode ser afixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade pode compreender uma ponta, e a ponta da sonda alongada pode compreender nióbio. Detalhes sobre os exemplos ilustrativos e não limitantes de dispositivos ultrassônicos que podem ser empregados nos processos e métodos aqui descritos são descritos abaixo.

[00121] Uma vez que pertence a um processo de desgaseificação ultrassônica ou a um processo para remover impurezas, o gás de purga pode ser introduzido no banho de metal fundido, por exemplo, em um local próximo ao dispositivo ultrassônico. Em uma modalidade, o gás de purga pode ser introduzido no banho de metal fundido em um local próximo da ponta do dispositivo ultrassônico. Em uma modalidade, o gás de purga pode ser introduzido dentro do banho de metal fundido dentro de cerca de 1 metro da ponta do dispositivo ultrassônico, tal como, por exemplo, dentro de cerca de 100 cm, dentro de cerca de 50 cm, dentro de cerca de 40 cm, dentro de cerca de 30 cm, dentro de cerca de 25 cm, ou dentro de cerca de 20 cm da ponta do dispositivo ultrassônico. Em algumas modalidades, o gás de purga pode ser introduzido dentro do banho de metal fundido dentro de cerca de 15 cm da ponta do dispositivo ultrassônico; alternativamente, dentro de cerca de 10 cm; alternativamente, dentro de cerca de 8 cm; alternativamente, dentro de cerca de 5 cm; alternativamente, dentro de cerca de 3 cm; alternativamente, dentro de cerca de 2 cm; alternativamente, dentro de cerca de 1 cm. Em uma modalidade particular, o gás de purga pode ser introduzido dentro do banho de metal fundido adjacente ao dispositivo ultrassônico, ou através de sua ponta.

[00122] Embora não se pretenda que seja limitado por essa teoria, o uso de um dispositivo ultrassônico e a incorporação de um gás de purga bastante próximo, resulta em uma redução dramática na quantidade de um gás dissolvido em um banho contendo metal fundido. A energia ultrassônica produzida pelo dispositivo ultrassônico pode criar bolhas de cavitação no fundido, dentro das quais o gás dissolvido pode se difundir. No entanto, na ausência de gás de purga, muitas das bolhas de cavitação podem colapsar antes de atingir a superfície do banho de metal fundido. O gás de purga pode diminuir a quantidade de bolhas de cavitação que contenham o gás dissolvido, e/ou aumentar o tamanho das bolhas que contenham o gás dissolvido, e/ou pode aumentar o número de bolhas no banho de metal fundido, e/ou pode aumentar a taxa de transporte de bolhas contendo gás dissolvido para a superfície do banho de metal fundido. O dispositivo ultrassônico pode criar bolhas de cavitação bastante próximas à ponta do dispositivo ultrassônico. Por exemplo, para um dispositivo ultrassônico tendo uma ponta com um diâmetro de cerca de 2 cm a 5 cm, as bolhas de cavitação podem estar dentro de cerca de 15 cm, cerca de 10 cm, cerca de 5 cm, cerca de 2 cm, ou cerca de 1 cm da ponta do dispositivo ultrassônico antes de colapsar. Se o gás de purga for adicionado a uma distância que esteja muito longe da ponta do dispositivo ultrassônico, o gás de purga pode não ser capaz de se difundir dentro das bolhas de cavitação. Portanto, nas modalidades relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grãos ultrassônico, o gás de purga é introduzido dentro do banho de metal fundido dentro de cerca de 25 cm ou cerca de 20 cm da ponta do dispositivo ultrassônico, e, mais beneficamente, dentro de cerca de 15 cm, dentro de cerca de 10 cm, dentro de cerca de 5 cm, dentro de cerca de 2 cm, ou dentro de cerca de 1 cm, da ponta do dispositivo ultrassônico.

[00123] Dispositivos ultrassônicos de acordo com modalidades dessa invenção podem estar em contato com metais fundidos, tais como alumínio ou cobre, por exemplo, como descrito na Publicação de Patente dos EUA número 2009/0224443, que é incorporada ao presente documento em sua totalidade a título de referência. Em um dispositivo ultrassônico para reduzir o conteúdo de gás dissolvido (por exemplo, hidrogênio) em um metal fundido, nióbio ou uma liga deste pode ser usado como uma barreira protetora para o dispositivo quando está exposto ao metal fundido, ou como um componente do dispositivo com exposição direta ao metal fundido.

[00124] Modalidades da presente invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e a refinamento de grãos ultrassônico podem prover sistemas e métodos para aumentar a vida útil de componentes diretamente em contato com metais fundidos. Por exemplo, modalidades da invenção podem usar nióbio para reduzir a degradação de materiais em contato com metais fundidos, resultando em melhorias de qualidade significativas em produtos acabados. Em outras palavras, modalidades da invenção podem preservar ou aumentar a vida útil de materiais e componentes em contato com metais fundidos usando nióbio como uma barreira protetora. O nióbio pode ter propriedades, por exemplo, seu alto ponto de fusão, que pode ajudar a prover as modalidades supracitadas da invenção. Ainda, o nióbio também pode formar uma barreira de óxido protetora quando exposta a temperaturas de cerca de 200 °C e acima.

[00125] Ainda, modalidades da presente invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e a refinamento de grãos ultrassônico podem prover sistemas e métodos para aumentar a vida útil de componentes diretamente em contato com metais fundidos, ou em interface com esses. Uma vez que o nióbio tem baixa reatividade com certos metais fundidos, o uso de nióbio pode prevenir um material substrato a partir da degradação. Consequentemente, modalidades da presente invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e a refinamento de grãos ultrassônico podem usar nióbio para reduzir degradação de materiais substratos que resultam em melhorias de qualidade significativas em produtos terminados. Consequentemente, nióbio em associação com metais fundidos pode combinar o alto ponto de fusão do nióbio e sua baixa reatividade com metais fundidos, tais como alumínio e/ou cobre.

[00126] Em algumas modalidades, o nióbio ou uma liga deste pode ser usado em um dispositivo ultrassônico compreendendo um transdutor ultrassônico e uma sonda alongada. A sonda alongada pode compreender uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade pode ser afixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade pode compreender uma ponta. De acordo com essa modalidade, a ponta da sonda alongada pode ser usada em um processo de dispositivo ultrassônico, como discutido acima. O transdutor ultrassônico pode gerar ondas ultrassônicas, e a sonda afixada ao transdutor pode transmitir as ondas ultrassônicas para dentro de um banho compreendendo um metal fundido, tal como alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, e afins, ou misturas e/ou combinações desses (por exemplo, incluindo várias ligas de alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, etc.).

[00127] Em várias modalidades da invenção, uma combinação da desgaseificação ultrassônica com o refinamento de grãos ultrassônico é usada. O uso de uma combinação da desgaseificação ultrassônica com o refinamento de grãos ultrassônico provê vantagens ambos separadamente e em combinação, como descrito abaixo. Embora não limitada à discussão a seguir, a discussão a seguir provê um entendimento dos efeitos únicos que acompanham uma combinação da desgaseificação ultrassônica com um refinamento de grãos ultrassônico, levando a melhoria(s) na qualidade geral de um produto fundido, que não seriam esperadas quando ambos fossem usados sozinhos. Esses efeitos foram percebidos pelos inventores em seu desenvolvimento desse processamento ultrassônico combinado.

[00128] Na desgaseificação ultrassônica, produtos químicos de cloro (utilizados quando a desgaseificação ultrassônica não é usada) são eliminados do processo de lingotamento de metais. Quando o cloro como um produto químico está presente em um banho de metal fundido, ele pode reagir e formar ligações químicas fortes com outros elementos externos no banho, tais como álcalis, que podem estar presentes. Quando os álcalis estão presentes, sais estáveis são formados no banho de metal fundido, que poderiam levar a inclusões no produto de metal fundido, que deteriora sua condutividade elétrica e propriedades mecânicas. Sem o refinamento de grãos ultrassônico, refinadores de grãos químicos, tais como boreto de titânio são usados, mas esses materiais tipicamente contêm álcalis.

[00129] Consequentemente, com a desgaseificação ultrassônica eliminando o cloro como um elemento de processo e com refinamento de grãos ultrassônico eliminando refinadores de grãos (uma fonte de álcalis), a probabilidade de que a formação de sais estáveis e a formação de inclusão resultante no produto de metal fundido é reduzida substancialmente. Ainda, a eliminação desses elementos estranhos como impurezas melhora a condutividade elétrica do produto de metal fundido. Consequentemente, em uma modalidade da invenção, a combinação de desgaseificação ultrassônica com o refinamento de grãos ultrassônico significa que o produto fundido resultante tem propriedades mecânicas e de condutividade elétrica superiores, uma vez que as maiores fontes de impurezas são eliminadas sem substituir uma impureza estranha por outra.

[00130] Outra vantagem provida pela combinação da desgaseificação ultrassônica e do refinamento de grãos ultrassônico se refere ao fato de que ambos a desgaseificação ultrassônica e o refinamento de grãos ultrassônico efetivamente “mexem” o banho fundido, homogeneizando o material fundido. Quando uma liga do metal está sendo fundida e, então, resfriada até solidificação, fases intermediárias das ligas podem existir por conta de diferenças respectivas nos pontos de fusão de diferentes proporções de liga. Em uma modalidade da invenção, ambos a desgaseificação ultrassônica e o refinamento de grãos ultrassônico mexem e misturam as fases intermediárias de volta para a fase fundida.

[00131] Todas essas vantagens permitem que se obtenha um produto que tenha grãos pequenos, tendo menos impurezas, menos inclusões, melhor condutividade elétrica, melhor ductibilidade, e maior resistência à tração do que o que seria esperado quando um dentre a desgaseificação ultrassônica e o refinamento de grãos ultrassônico fosse usado, ou quando um deles, ou ambos, tenham sido substituídos com processamento por cloro convencional ou quando refinadores de grãos químicos tenham sido usados. Demonstração de Refinamento de Grãos Ultrassónico

[00132] As estruturas de confinamento mostradas nas Figuras 2 e 3 e 3A foram usadas tendo uma profundidade de 10 cm e uma largura de 8 cm formando uma calha ou canal retangular na roda de lingotamento 30. A espessura da tira de metal flexível foi 6,35 mm. A largura da tira de metal flexível foi de 8 cm. A liga de metal usada para a tira foi aço 1010. Uma frequência ultrassônica de 20 kHz foi usada a uma potência de 120 W (por sonda) sendo fornecida a um ou dois transdutores tendo as sondas vibratórias em contato com água no meio de resfriamento. Uma seção da roda de lingotamento de liga de cobre foi usada como molde. Como um meio de resfriamento, água foi fornecida próxima à temperatura ambiente e fluindo a aproximadamente 15 litros/min através dos canais 46.

[00133] Alumínio fundido foi derramado a uma taxa de 40 kg/min produzindo um fundido de alumínio contínuo mostrando propriedades consistentes com uma estrutura de grãos equiaxial, embora nenhum refinador de grãos tenha sido adicionado. De fato, aproximadamente 4 milhões de kg (9 milhões de libras) de haste de alumínio foram fundidas e trefiladas para dimensões finais para aplicações de fios e cabos usando essa técnica.

Produtos de Metal

[00134] Em um aspecto da presente invenção, produtos incluindo uma composição metálica fundida podem ser formados em um canal de uma roda de lingotamento ou nas estruturas de lingotamento discutidas acima sem a necessidade de refinadores de grãos e ainda tendo tamanhos de grãos inferiores ao milímetro. Consequentemente, as composições metálicas fundidas podem ser feitas com menos de 5% das composições incluindo os refinadores de grãos e ainda obter tamanhos de grão inferiores ao milímetro. As composições metálicas fundidas podem ser feitas com menos de 2% das composições incluindo os refinadores de grãos e ainda obter tamanhos de grão inferiores ao milímetro. As composições metálicas fundidas podem ser feitas com menos de 1% das composições incluindo os refinadores de grãos e ainda obter tamanhos de grão inferiores ao milímetro. Em uma composição preferida, os refinadores de grãos 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 composições não incluindo nenhum refinador de grãos e ainda obter tamanhos de grão inferiores ao milímetro.

[00135] As composições metálicas fundidas podem ter uma diversidade de tamanhos de grão inferiores ao milímetro dependendo do número de fatores incluindo os constituintes do metal “puro” ou em liga, as taxas de derrame, as temperaturas de derrame, a taxa de resfriamento. A lista de tamanhos de grãos disponível para a presente invenção inclui o seguinte. Para alumínio e ligas de alumínio e, tamanhos de grãos são situados entre 200 microns e 900 microns, ou 300 microns e 800 microns, ou 400 microns e 700 microns, ou 500 microns e 600 microns. Para cobre e ligas de cobre, tamanhos de grãos são situados entre 200 microns e 900 microns, ou 300 microns e 800 microns, ou 400 microns e 700 microns, ou 500 microns e 600 microns. Para ouro, prata ou estanho, ou ligas destes, tamanhos de grãos são situados entre 200 microns e 900 microns, ou 300 microns e 800 microns, ou 400 microns e 700 microns, ou 500 microns e 600 microns. Para magnésio ou ligas de magnésio, tamanhos de grãos são situados entre 200 microns e 900 microns, ou 300 microns e 800 microns, ou 400 microns e 700 microns, ou 500 microns e 600 microns. As composições metálicas fundidas podem incluir alumínio, cobre, magnésio, zinco, chumbo, ouro, prata, estanho, bronze, latão, e ligas destes.

[00136] As composições metálicas fundidas podem ser trefiladas ou formadas de outro modo em estoques de barra, estoques de haste, estoques de chapas, fios, bilhas e grânulos.

Controle Computadorizado

[00137] O controlador 500 nas Figuras 1, 2, 3, e 4 podem ser implantados por meio do sistema de computador 1201 mostrados na Figura 7. O sistema de computador 1201 pode também ser usado como o controlador 500 para controlar os sistemas de lingotamento citados acima ou qualquer outro sistema ou aparelho de lingotamento que empregue o tratamento ultrassônico da presente invenção. Embora ilustrado unicamente nas Figuras 1, 2, 3 e 4 como um controlador, o controlador 500 pode incluir processadores discretos e separados em comunicação uns com os outros e/ou dedicados a uma função de controle específica.

[00138] Em particular, o controlador 500 pode ser programado especificamente com algoritmos de controle que executam as funções ilustradas no fluxograma na Figura 8.

[00139] A Figura 8 ilustra um fluxograma cujos elementos podem ser programados ou armazenados em um meio legível em computador ou em um dos dispositivos de armazenamento de dados discutidos abaixo. O fluxograma da Figura 8 ilustra um método da presente invenção para induzir locais de nucleação em um produto de metal. No elemento de etapa 1802, o elemento programado se direcionaria para a operação de derramamento de metal fundido, em uma estrutura de confinamento de metal fundido. No elemento de etapa 1804, o elemento programado direcionaria a operação de resfriamento da estrutura de confinamento de metal fundido, por exemplo, pela passagem de um meio líquido através de um canal de resfriamento em proximidade com a estrutura de confinamento do metal fundido. No elemento de etapa 1806, o elemento programado direcionaria a operação de acoplamento da energia vibracional dentro do metal fundido. Nesse elemento, a energia vibracional teria uma frequência uma potência que induz locais de nucleação no metal fundido, como discutido acima.

[00140] Elementos tais como a temperatura de metal fundido, taxa de derramamento, o fluxo de resfriamento através das passagens de canal de resfriamento, e o resfriamento de molde e elementos relacionados ao controle e trefilação do produto fundido por meio do moinho, incluindo controle da potência e frequência das fontes de energia vibracional, seria programado com linguagens de software padrão (discutido abaixo) para produzir processadores de propósito especial que contenham instruções para aplicar o método da presente invenção para induzir locais de nucleação em um produto de metal.

[00141] Mais especificamente, o sistema de computador 1201 mostrado na Figura 7 inclui um barramento 1202 ou outros mecanismos de comunicação para comunicar informações, e um processador 1203 acoplado com o barramento 1202 para processar a informação. O sistema de computador 1201 também inclui uma memória principal 2104, tal como uma memória de acesso aleatório (RAM, do inglês random access memory) ou outros dispositivos de armazenamento dinâmico (e.g., RAM dinâmica (DRAM, do inglês dynamic RAM), RAM estática (SRAM, do inglês static RAM), e RAM síncrona (SDRAM, do inglês synchronous DRAM)), acoplado ao barramento 1202 para informação e instruções para serem executadas pelo processador 1203. Em adição, a memória principal 1204 pode ser usado para armazenar variáveis temporárias ou outras informações intermediárias durante a execução de instruções pelo processador 1203. O sistema de computador 1201 inclui adicionalmente uma memória apenas leitura (ROM, do inglês read only memory) 1205 ou outros dispositivos de armazenamento estáticos (por exemplo, memória apenas leitura programável (PROM, do inglês programmable read only memory), PROM apagável (EPROM, do inglês erasable PROM), PROM eletricamente apagável (EEPROM, do inglês electrically erasable PROM)) acoplado ao barramento 1202 para armazenar informações estáticas e instruções para o processador 1203.

[00142] O sistema de computador 1201 também inclui um controlador de disco 1206 acoplado ao barramento 1202 para controlar um ou mais dispositivos de armazenamento para armazenar informações e instruções, tais como um disco rígido magnético 1207, e um unidade de mídia removível 1208 (por exemplo, unidade de disco flexível, unidade de disco compacto de apenas leitura, unidade de disco compacto escrita/leitura, jukebox de disco compacto, unidade de fita, e unidade óptica-magnética 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 computador pequena (SCSI, do inglês small computer system interface), aparelhos eletrônicos de dispositivo integrado (IDE, do inglês integrated device electronics), IDE melhorado (E-IDE, do inglês enhanced-IDE), acesso de memória direta (DMA, do inglês direct memory access) ou ultra-DMA).

[00143] O sistema de computador 1201 também pode incluir dispositivos lógicos de propósito especial (por exemplo, circuitos integrados específicos a aplicativos (ASICs, do inglês application specific integrated circuits)) ou dispositivos lógicos configuráveis (por exemplo, dispositivos lógicos programáveis simples (SPLDs, do inglês simple programmable logic devices), dispositivos lógicos programáveis complexos (CPLDs, do inglês complex programmable logic devices), e arranjos de porta programáveis em campo (FPGAs, do inglês and field programmable gate arrays).

[00144] O sistema de computador 1201 também pode incluir um controlador de visor 1209 acoplado ao barramento 1202 para controlar um visor, tal como um tubo de raio de catodo (CRT, do inglês cathode ray tube) ou visor de cristal líquido (LCD, do inglês liquid crystal display), para exibir informações para um usuário de computador. O sistema de computador inclui dispositivos de entrada, tais como um teclado e um dispositivo apontador, para interagir com um usuário de computador (por exemplo, um usuário que faz interface com o controlador 500) e prover informações para o processador 1203.

[00145] O sistema de computador 1201 executa uma porção de todas as etapas de processamento da invenção (tais como, por exemplo, aqueles descritos em relação à provisão de energia vibracional para um metal líquido em um estado de parada térmica) em resposta à execução pelo processador 1203 de uma ou mais sequências de uma ou mais instruções contidas em uma memória, tal como uma memória principal 1204. Tais instruções podem ser lidas dentro da memória principal 1204 a partir de outro meio legível em computador, tal como um disco rígido 1207 ou uma unidade de mídia removível 1208. Um ou mais processadores em um arranjo de processamento múltiplo pode também ser empregados para executar as sequências de instruções contidas na memória principal 1204. Em modalidades alternativas, conjuntos de circuitos conectados por fios (hard-wired) podem ser usados no lugar de instruções de softwares, ou com combinação com essas. Portanto, modalidades não são limitadas a qualquer combinação específica de circuitos de hardware e software.

[00146] O sistema de computador 1201 inclui ao menos um meio legível em computador ou memória para manter instruções programadas de acordo com os ensinamentos da invenção e para conter estruturas de dados, tabelas, registros, ou outros dados aqui descritos. Exemplos de meios legíveis em computador são discos compactos, discos rígidos, discos flexíveis, fitas, discos ópticos-magnéticos, PROMs (EPROM, EEPROM, ERPOM flash), 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 a partir do qual um computador pode ler.

[00147] A invenção inclui, armazenado em qualquer meio legível em computador, ou em uma combinação de tais meios, software para controlar o sistema de computador 1201, para acionar um dispositivo ou dispositivos que implantam a invenção, e para permitir que o sistema de computador 1201 interaja com um usuário humano. Tal software pode incluir, mas não é limitado a, acionadores de dispositivo, sistemas operacionais, ferramentas de desenvolvimento, e software de aplicativos. Tais meios legíveis em computador incluem, ainda, o produto de programa de computador da invenção realize todo o processamento realizado na implantação da invenção, ou uma porção deste (se o processamento for distribuído).

[00148] Os dispositivos de código de computador da invenção podem ser qualquer mecanismo interpretável ou executável, incluindo, mas não limitado a scripts, programas interpretáveis, bibliotecas de conexões dinâmicas (DLL, do inglês dynamic link libraries), classes Java, e programas executáveis completos. Ainda, partes do processamento da invenção pode ser distribuído para melhor desempenho, confiabilidade e/ou custo.

[00149] O termo “meio legível em computador” como aqui usado se refere a qualquer meio que participe na provisão de instruções para o processador 1203 para execução. Um meio legível em computador pode assumir várias formas, incluindo, mas não limitado a mídias não voláteis, mídias voláteis e mídias de transmissão. Mídias não voláteis incluem, por exemplo, discos ópticos, magnéticos, e discos ópticos-magnéticos, tal como o disco rígido 1207 ou a unidade de mídia removível 1208. A mídia volátil inclui memória dinâmica, tal como a memória principal 1204. A mídia de transmissão inclui cabos coaxiais, fio de cobre e fibra ótica, incluindo os fios que compõem o barramento 1202. Mídias de transmissão também podem assumir a forma de ondas acústicas ou de luz, tal como as geradas durante comunicações de onda de rádio e de dados infravermelhos.

[00150] O sistema de computador 1201 também pode incluir uma interface de comunicação 1213 acoplada ao barramento 1202. A interface de comunicação 1214 provê um acoplamento de comunicação de dados de duas vias para um enlace de rede 1214 que é conectado a, por exemplo, uma rede de área local (LAN, do inglês local area network) 105, ou a uma outra rede de comunicação 1216, tal como a Internet. Por exemplo, a interface de comunicação 1213 pode ser um cartão de interface de rede para afixar a qualquer LAN com pacotes comutados. Como outro exemplo, a interface de comunicação 1213 pode ser um cartão de linha de assinatura digital assimétrica (ASDL, do inglês asymmetrical digital subscriber line), um cartão de rede digital de serviços integrados (ISDN, do inglês integrated services digital network) ou um modem para prover uma conexão de comunicação de dados com um tipo correspondente de linha de comunicações. Enlaces sem fio também podem ser implantados. Em qualquer tal implantação, a interface de comunicações 1213 envia e recebe sinais elétricos, eletromagnéticos ou ópticos que porta fluxos de dados digitais que representam vários tipos de informação.

[00151] O enlace de rede 1214 tipicamente provê comunicação de dados através de uma ou mais redes para outros dispositivos de dados. Por exemplo, o enlace de rede 1214 pode prover uma conexão a outro computador através de uma rede local 1215 (por exemplo, uma LAN) ou através de equipamentos operador por um provedor de serviços, o que provê serviços de comunicação através de uma rede de comunicações 1216. Em uma modalidade, essa capacitação permite que a invenção tenha múltiplos dos controladores 500 descritos acima juntos em rede para propósitos tais como automação em toda a fábrica ou controle de qualidade. A rede local 1215 e a rede de comunicações 1216 usam, por exemplo, sinais elétricos, eletromagnéticos ou ópticos que portam fluxos de dados digitais, e a camada física associada (por exemplo, cabo CAT 5, cabo coaxial, fibra ótica, etc.). Os sinais através dos quais as várias redes e os sinais no enlace de rede 1214 e através da interface de comunicações 1213, que transportam os dados digitais do sistema de computador 1201 e para o sistema de computador 1201 podem ser implantados em sinais de banda base, ou sinais baseados em onda portadora. Os sinais de banda base transportam os dados digitais em pulsos elétricos não modulados que descrevem um fluxo de bits de dados digitais, onde o termo “bits” deve ser entendido amplamente como representando símbolo, em que cada símbolo transporta ao menos um ou mais bits de informações. Os dados digitais também podem ser usados para modular uma onda portadora, tal como com sinais com chave de deslocamento de amplitude, fase e/ou frequência que são propagados através de um meio condutor, ou transmitidos como ondas eletromagnéticas através de um meio de propagação. Portanto, os dados digitais podem ser enviados como dados de banda base não modulados através de um canal de comunicações “cabeado” e/ou enviados dentro de uma banda de frequência, diferente da banda base, pela modulação de uma onda portadora. O sistema de computador 1201 pode transmitir e receber dados, incluindo códigos de programação, através da(s) rede(s) 1215 e 1216, do enlace de rede 1214, e da interface de comunicações 1213. Ainda, o enlace de rede 1214 pode prover uma conexão através de uma LAN 1215 para um dispositivo móvel 1217, tal como um computador laptop assistente digital pessoal (PDA, do inglês personal digital assistant), ou telefone celular.

[00152] Mais especificamente, em uma modalidade da invenção, é provido um sistema de lingotamento e laminação contínuas (CCRS, do inglês continuous casting and rolling system) que pode produzir bobinas de hastes de alumínio padrão (grade) condutor elétrico puro e de hastes de alumínio padrão condutor elétrico em liga diretamente do metal fundido em uma base contínua. O CCRS pode usar um ou mais dentre o sistema de computador 1201 (descrito acima) para implantar controle, monitoramento e armazenamento de dados.

[00153] Em uma modalidade da invenção, para promover a produção de uma haste de alumínio de alta qualidade, um sistema de aquisição de dados e monitoramento computacional avançado (SCADA, do inglês advanced computer monitoring and data acquisition system) monitora e/ou controla a estação de lingotamento (isto é, o CCRS). Variáveis e parâmetros adicionais desse sistema podem ser exibidos, plotados, armazenados e analisados para controle de qualidade.

[00154] Em uma modalidade da invenção, um ou mais dos processos de teste pós-produção a seguir são capturados no sistema de aquisição de dados.

[00155] Detectores de falha de corrente parasita podem ser usados em linha para monitorar continuamente a qualidade da superfície da haste de alumínio. Inclusões, se localizadas próximas à superfície da haste, podem ser detectadas, uma vez que a inclusão de matriz age como um efeito descontínuo. Durante a lingotamento e laminação da haste de alumínio, defeitos no produto terminado podem vir de qualquer lugar no processo. Uma química do fundido incorreta e/ou hidrogênio em excesso no metal pode causar falhas durante o processo de laminação. O sistema de corrente parasita é um teste não destrutivo, e o sistema de controle para o CCRS pode alertar o(s) operador(es) a respeito de qualquer um dos defeitos descritos acima. O sistema de corrente parasita pode detectar defeitos de superfície, e classificar os defeitos como pequenos, médios ou grandes. Os resultados de corrente parasita podem ser registrados no sistema SCADA e rastreados até o lote de alumínio (ou outro metal sendo processado) e quando ele foi produzido.

[00156] Uma vez que a haste seja bobinada no final do processo, as propriedades mecânicas e elétricas do volume de alumínio fundido podem ser medidas e registradas no sistema SCADA. Testes da qualidade de produto incluem: tração, alongamento e condutividade. A resistência à tração é uma medida da força dos materiais e é a força máxima que o material pode suportar sob tração antes de quebrar. Os valores de alongamento são uma medida da ductilidade do material. Medições de condutividade são genericamente relatados como uma porcentagem do “padrão de cobre recozido internacional” (IACS, do inglês international annealed copper standard). Essas métricas de qualidade de produto podem ser registradas no sistema SCADA e rastreados até o lote de alumínio e quando ele foi produzido.

[00157] Em adição aos dados de corrente parasita, análises de superfície podem ser realizados usando testes de torção. A haste de alumínio fundido é sujeita a um teste de torção controlado. Defeitos associados com solidificação imprópria, inclusões e defeitos longitudinais criados durante o processo de laminação e magnificado e revelado na haste torcida. Genericamente, esses defeitos se manifestam na forma de uma costura que é paralela à direção de laminação. Uma série de linhas paralelas após a haste ser torcida no sentido horário e anti-horário indica que a amostra é homogênea, enquanto não homogeneidades no processo de lingotamento que resultarão em linhas flutuantes. Os resultados dos testes de torção podem ser registrados no sistema SCADA e rastreados até o lote de alumínio e quando ele foi produzido.

Análise de Amostra

[00158] As amostras discutidas abaixo foram feitas com o sistema CCR citado acima. O processo de lingotamento e laminação que produziu as amostras iniciou como um fluxo contínuo de alumínio fundido de um sistema de fornalhas de fundição e retenção, fornecidas através de um sistema de bateias alinhadas refratárias seja para um sistema de refinamento de grãos químico em linha ou o sistema de refinamento de grãos ultrassônico discutido acima. Adicionalmente, o sistema CCR incluído no sistema de desgaseificação ultrassônica discutido acima que usa as ondas acústicas ultrassônicas e um gás de purga para remover hidrogênio dissolvido ou outros gases do alumínio fundido. O sistema de bateias transporta, então, o alumínio fundido para o funil distribuidor. A partir do funil distribuidor, o alumínio fundido foi derramado dentro de um molde formado pelo entalhe periférico de um anel de lingotamento de cobre e uma tira de aço, como discutidos acima. Alumínio fundido (derretido) foi resfriado em uma barra fundida (moldada) sólida pela água distribuída através de bocais de borrifo de distribuidores de água de zonas múltiplas com medidores de fluxo magnético para zonas críticas. A barra fundida de alumínio contínua saiu do anel de lingotamento para um transportador de extração de barra até um moinho de laminação.

[00159] O moinho de laminação incluiu cilindros de laminação individualmente acionados que reduzem o diâmetro da barra. A haste foi, então, enviada para um moinho de trefilação no qual as hastes foram trefiladas em diâmetros predeterminados e, então, bobinadas. Uma vez que a haste foi bobinada no final do processo, as propriedades mecânicas e elétricas do volume de alumínio fundido foram medidas. Os testes de qualidade incluem: tração, alongamento e condutividade. A resistência à tração é uma medida da força dos materiais e é a força máxima que o material pode suportar sob tração antes de quebrar. Os valores de alongamento são uma medida da ductilidade do material. Medições de condutividade são genericamente relatados como uma porcentagem do “padrão de cobre recozido internacional” (IACS). 1) A resistência à tração é uma medição da força dos materiais e é a força máxima que o material pode suportar sob tração antes de quebrar. As medições de tração e de alongamento foram executadas na mesma amostra. Uma amostra de comprimento de calibre 10” foi selecionada para medições de tração e de alongamento. A amostra de haste foi inserida na máquina de tração. Os fixadores foram posicionados nas marcas de calibre 10”. Resistência à Tração = Força de Quebra (libras)/Área da Seção Transversal (πr2) em que r (polegadas) é o raio da haste. 2) % Alongamento = ((L1 - L2)/L1) x 100. L1 é o comprimento de calibre inicial do material e L2 é o comprimento final que é obtido pelo posicionamento das duas amostras quebradas do teste de tensão juntas e medindo a falha que ocorre. Genericamente, quanto mais dúctil o material, mais alongamento será observado na amostra sob tração. 3) Condutividade: medições de condutividade são genericamente relatadas como uma porcentagem do “padrão de cobre recozido internacional” (IACS). Medições de condutividade são executadas usando Ponte Kelvin e detalhes são providos em ASTM B193-02. IACS é uma unidade de condutividade elétrica para metais e ligas relativo a um condutor de cobre recozido padrão; um valor IACS de 100% se refere a uma condutividade de 5,80 x 107 siemens por metro (58,0 MS/m) a 20 °C.

[00160] O processo de haste contínua descrito acima foi usado para produzir não apenas os condutores de alumínio padrão elétrico, mas também pode ser usado para ligas de alumínio mecânicas que utilizem o refinamento de grãos ultrassônico e a desgaseificação ultrassônica. Para testar o processo de refinamento de grãos ultrassônico, amostras de barra fundida foram coletadas e gravadas.

[00161] Uma análise comparativa foi completada a respeito das propriedades de haste entre uma haste que foi fundida com o uso do processo de refinamento de grãos ultrassônico e uma haste fundida refinadores de grãos TIBOR convencionais. A Tabela 1 mostra os resultados da haste processada usando o refinamento de grãos ultrassônico contra os resultados da haste processada usando refinadores de grãos TIBOR. Tabela 1: Testes de Qualidade: refinamento de grãos ultrassônico vs. refinamento de grãos químicos1

[00162] Defeitos associados a solidificação imprópria, inclusões e defeitos longitudinais criados durante o processo de laminação foram magnificados e revelados na haste torcida. Genericamente, esses defeitos se manifestam na forma de uma costura que é paralela à direção de laminação. Uma série de linhas paralelas após a haste ser torcida no sentido horário e no sentido anti-horário indica que a amostra é homogênea, enquanto não homogeneidades no processo de lingotamento irão resultar em linhas flutuantes.

[00163] Os dados na Tabela 2 abaixo indicaram que muito poucas falhas foram produzidas usando ultrassônica. Embora nenhuma conclusão definitiva tenha sido alcançada, ao menos a partir desse conjunto de pontos de dados, parece que o número de defeitos de superfície observados por um testador de corrente parasita foi inferior para o material processado usando ultrassônica. Tabela 2: Análise de Falha: refinamento de grãos ultrassônico vs. refinamento de grãos químicos

[00164] Um teste de torção indicou que a qualidade de superfície da haste de refinamento de grãos ultrassônico foi tão boa quanto a qualidade de superfície da haste produzida usando refinadores de grãos químicos. Após o refinador de grãos químico ter sido instalado no processo de haste contínua (CR, do inglês continuous rod), o refinador de grão química foi reduzido a zero enquanto se produz a barra fundida de alta qualidade. A haste laminada a quente foi, então, trefilada até os vários tamanhos de fio situados entre 0,267208 cm (0,1052”) e 0,0477012 cm (0,01878”). Os fios fora, então, processados em cabos de transmissão aéreos.

[00165] Há dois condutores separados para os quais o produto poderia ser usado: condutor de alumínio suportado por aço (ACSS, do inglês aluminum conductor steel supported) e condutor de alumínio reforçado por aço (ACSR, do inglês aluminum conductor steel reinforced). Uma diferença entre os dois processos de se fazer os condutores é que o fio de alumínio ACSS é recozido após entrançamento.

[00166] A Figura 10 é um fluxograma de processo de fio ACSR. Ele mostra que a conversão de alumínio fundido puro em fio de alumínio será usada no fio ACSR. A primeira etapa no processo de conversão é converter o alumínio fundido em uma haste de alumínio. Na etapa seguinte, a haste é trefilada em várias matrizes e, dependendo do diâmetro da extremidade, isso pode ser feito por uma ou múltiplas trefilações. Uma vez que a haste seja trefilada até os diâmetros finais, o fio é enrolado em carreteis com pesos situados entre 90,71 kg (200 libras) e 226,79 kg (500 libras). Esses carreteis individuais são entrançados em torno de um cabo entrançado de aço para formar cabos ACSR que contêm diversos entrançamentos de alumínio individuais. O número de entrançamentos e o diâmetro de cada entrançamento dependerá dos requisitos dos consumidores.

[00167] A Figura 11 é um fluxograma de processo de fio ACSS. Ele mostra que a conversão de alumínio fundido puro em fio de alumínio será usada no fio ACSS. A primeira etapa no processo de conversão é converter o alumínio fundido em uma haste de alumínio. Na etapa seguinte, a haste é trefilada em várias matrizes e, dependendo do diâmetro da extremidade, isso pode ser feito por uma ou múltiplas trefilações. Uma vez que a haste seja trefilada até os diâmetros finais, o fio é enrolado em carreteis com pesos situados entre 90,71 kg (200 libras) e 226,79 kg (500 libras). Esses carreteis individuais são entrançados em torno de um cabo entrançado de aço para formar cabos ACSS que contêm diversos entrançamentos de alumínio individuais. O número de entrançamentos e o diâmetro de cada entrançamento dependerá dos requisitos dos consumidores. Uma diferença entre o cabo ACSR e o cabo ACSS é que, uma vez que o alumínio seja entrançado em torno do cabo de aço, todo o cabo é tratado a quente em fornalhas para levar o alumínio para uma condição de revenimento brando (dead soft). É importante observar que, no ACSR, a força do cabo é derivada da combinação das forças por conta do alumínio e do cabo de aço, enquanto no cabo ACSS, a maior parte da força vem do aço dentro do cabo ACSS.

[00168] A Figura 12 é um fluxograma de processo de tira de alumínio, no qual a tira é finalmente processada no cabo revestido de metal. Ele mostra que a primeira etapa é converter o alumínio fundido em haste de alumínio. Em seguida, a haste é laminada através de diversas matrizes de laminação para convertê-la em uma tira, genericamente de largura de cerca de 0,952 cm (0,375 polegada) e espessura de cerca de 0,038 cm (0,015 polegada) a cerca de 0,045 cm (0,018 polegada). É importante observar que outras larguras e espessuras também podem ser produzidas usando o processo de laminação, mas a largura de 0,952 cm (0,375 polegada) e a espessura de 0,038 cm (0,015 polegada) a 0,045 cm (0,018 polegada) são as mais comuns. Essas placas são, então, tratadas a quente em fornalhas para levar as placas para uma condição de recozimento intermediária. Nessa condição, o alumínio não está nem totalmente endurecido nem em uma condição de revenimento branco. A tira é, então, usada como um revestimento protetor montado como uma armadura de fita (tira) de metal intertravada que cerca um ou mais condutores de circuito insulados.

[00169] A análise comparativa mostrada abaixo com base nesses processos foi completada em fio de alumínio trefilado que foi processado com o processo de refinamento de grãos ultrassônico e com fio de alumínio que foi processado usando refinadores de grãos TIBOR convencionais. Todas as especificações como esboçadas nos padrões ASTM para fio condutor elétrico 1350 foram cumpridas nas amostras retiradas. Propriedades de haste convencional incluindo refinadores de grãos TIBOR

Condições de processamento para hastes processadas ultrassónicas

* Designações de liga são referentes às Especificações de Associação de Alumínio (Aluminum Association Specifications). ** Condutor de Alumínio Suportado por Aço. *** Condutor de Alumínio Reforçado por Aço. A. 453,59 kg (1000 libras) por 6,45 cm2 (polegada quadrada). B. Resistência à tração em megapascals. C. Porcentagem de Alongamento. D. Padrão de Cobre Recozido Internacional (IACS). * Todas as dimensões de comprimento estão em polegadas.

[00170] A Figura 15 é uma comparação micrográfica de uma liga de alumínio 1350 EC que mostra a estrutura de grãos de peças de lingotamento sem refinadores de grãos químicos, com refinadores de grãos, e com apenas refinamento de grãos ultrassônico.

[00171] A Figura 16 é uma comparação tabular de uma haste de liga de alumínio 1350 EC convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma haste de liga de alumínio 1350 EC (com refinamento de grãos ultrassônico)

[00172] A Figura 17 é uma comparação tabular de um Fio de alumínio ACSR com Diâmetro 0,130” convencional (com refinadores de grãos químicos) com um Fio de alumínio ACSR com Diâmetro 0,330 cm (0,130 polegada) (com refinamento de grãos ultrassônico).

[00173] A Figura 18 é uma comparação tabular de uma haste de liga de alumínio 8176 EEE convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma haste de liga de alumínio 8176 EEE (com refinamento de grãos ultrassônico).

[00174] A Figura 19 é uma comparação tabular de uma haste de liga de alumínio 5154 convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma haste de liga de alumínio 5154 (com refinamento de grãos ultrassônico).

[00175] A Figura 20 é uma comparação tabular de uma tira de liga de alumínio 5154 convencional (com refinadores de grãos químicos) com uma tira de liga de alumínio 5154 (com refinamento de grãos ultrassônico).

[00176] A Figura 21 é uma descrição tabular das propriedades de uma haste de liga de alumínio 5356 (com refinamento de grãos ultrassônico).

Afirmativas Generalizadas da Invenção

[00177] As afirmativas a seguir da invenção proveem uma ou mais caracterizações da presente invenção e não limitam o escopo da presente invenção.

[00178] Declaração 1. Dispositivo de processamento de metal fundido para uma roda de lingotamento em uma estação de lingotamento compreendendo: um conjunto montado na roda de lingotamento (ou acoplado à mesma), incluindo, pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece (por exemplo, possui uma configuração que fornece) energia vibracional (por exemplo, energia ultrassônica, mecanicamente acionada e/ou acústica fornecida diretamente ou indiretamente) para o metal fundido derramado na roda de lingotamento enquanto o metal fundido na roda de lingotamento é resfriado, um dispositivo de suporte que retém dito pelo menos uma fonte de energia vibracional, e opcionalmente um dispositivo de guia que guia o conjunto em relação ao movimento da roda de lingotamento.

[00179] Declaração 2. Dispositivo de acordo com a declaração 1, em que o dispositivo de suporte inclui um alojamento que compreende um canal de resfriamento para transporte de um meio resfriamento através do mesmo. Declaração 3. Dispositivo de acordo com a declaração 2, em que o canal de resfriamento inclui dito meio de resfriamento compreendendo pelo menos um dentre água, gás, metal líquido e óleos de motor.

[00180] Declaração 4. Dispositivo de acordo com a declaração 1, 2, 3 ou 4, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente ou uma combinação destes.

[00181] Declaração 5. Dispositivo de acordo com a declaração 4, em que o transdutor ultrassônico (por exemplo, um transdutor piezoelétrico) está configurado para prover energia vibracional em uma faixa de frequências até 400 kHz ou em que o transdutor ultrassônico (por exemplo, um elemento magnestostritivo) é configurado para prover energia vibracional em uma faixa de frequências de 20 kHz até 200 kHz. Declaração 6. Dispositivo de acordo com a declaração 1, 2 ou 3, em que o vibrador acionado mecanicamente compreende uma pluralidade de vibradores acionados mecanicamente. Declaração 7. Dispositivo de acordo com a declaração 4, em que o vibrador acionado mecanicamente está configurado para prover energia vibracional em uma faixa de frequências até 10 KHz, ou em que o vibrador acionado mecanicamente é configurado para prover energia vibracional em uma faixa de frequências de 8.000 a 15.000 vibrações por minuto.

[00182] Declaração 8a. Dispositivo de acordo com a declaração 1, em que a roda de lingotamento inclui uma tira que confina o metal fundido em um canal da roda de lingotamento. Declaração 8b. Dispositivo de acordo com qualquer uma das declarações 1 a 7, em que o conjunto está posicionado acima da roda de lingotamento e tem passagens em um alojamento para uma tira que confina o metal fundido em um canal da roda de lingotamento para passar através do mesmo. Declaração 9. Dispositivo de acordo com a declaração 8, em que dita tira é guiada ao longo do alojamento para permitir que o meio de resfriamento do canal de resfriamento flua ao longo de um lado da tira oposto ao metal fundido.

[00183] Declaração 10. Dispositivo de acordo com qualquer uma das declarações 1 a 9, em que o dispositivo de suporte compreende pelo menos um ou mais de nióbio, uma liga de nióbio, titânio, uma liga de titânio, tântalo, uma liga de tântalo, cobre, uma liga de cobre, rênio, uma liga de rênio, aço, molibdênio, uma liga de molibdênio, aço inoxidável, uma cerâmica, um compósito, um polímero ou um metal. Declaração 11. Dispositivo de acordo com a declaração 10, em que a cerâmica compreende uma cerâmica de nitreto de silício. Declaração 12. Dispositivo de acordo com a declaração 11, em que a cerâmica compreende um SIALON.

[00184] Declaração 13. Dispositivo de acordo com qualquer uma das declarações 1 a 12, em que o alojamento compreende um material refratário. Declaração 14. Dispositivo de acordo com a declaração 13, em que o material refratário compreende pelo menos um de cobre, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio, e ligas dos mesmos. Declaração 15. Dispositivo de acordo com a declaração 14, em que o material refratário compreende um ou mais de silício, oxigênio ou nitrogênio.

[00185] Declaração 16. Dispositivo de acordo com a qualquer uma das declarações 1 a 15, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende mais do que uma fonte de energia vibracional em contato com um meio de resfriamento; por exemplo, em contato com um meio de resfriamento que flui através do dispositivo de suporte ou do dispositivo guia. Declaração 17. Dispositivo de acordo com a declaração 16, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos uma sonda de vibração inserida em um canal de resfriamento no dispositivo de suporte. Declaração 18. Dispositivo de acordo com qualquer uma das declarações 1 a3 e 6 a 15, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos uma sonda de vibração em contato com o dispositivo de suporte. Declaração 19. Dispositivo de acordo com qualquer uma das declarações 1 a 3 e 6 a 15, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos uma sonda de vibração em contato direto com uma tira em uma base do dispositivo de suporte. Declaração 20. Dispositivo de acordo com qualquer uma das declarações 1 a 19, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende várias fontes de energia vibracional distribuídas em posições diferentes no dispositivo de suporte.

[00186] Declaração 21. Dispositivo de acordo com qualquer uma das declarações 1 a 20, em que o dispositivo de guia é disposto em uma tira em um aro da roda de lingotamento.

[00187] Declaração 22. Método para formar um produto de metal, compreendendo: prover metal fundido em uma estrutura de contenção de uma estação de lingotamento; resfriar o metal fundido na estrutura de contenção, e acoplar energia vibracional no metal fundido na estrutura de contenção durante dito resfriamento.

[00188] Declaração 23. Método de acordo com a declaração 22, em que prover metal fundido compreende derramar metal fundido em um canal em uma roda de lingotamento.

[00189] Declaração 24. Método de acordo com as declarações 22 ou 23, em que acoplar energia vibracional compreende fornecer dita energia vibracional de pelo menos um dentre um transdutor ultrassônico ou um transdutor magnetostritivo. Declaração 25. Método de acordo com a declaração 24, em que fornecer a dita energia vibracional compreende prover a energia vibracional em uma faixa de frequências de 5 kHz a 40 kHz. Declaração 26. Método de acordo com as declarações 22 ou 23, em que acoplar energia vibracional compreende fornecer dita energia vibracional a partir de um vibrador acionado mecanicamente. Declaração 27. Método de acordo com a declaração 26, em que fornecer a dita energia vibracional compreende prover a energia vibracional em uma faixa de frequências de 8.000 a 15.000 vibrações por minuto ou até 10 KHz.

[00190] Declaração 28. Método de acordo com qualquer uma das declarações 22 a 27, em que resfriar compreende resfriar o metal fundido por aplicação de pelo menos um de água, gás, metal líquido, e óleo de motor a uma estrutura de confinamento que retém o metal fundido.

[00191] Declaração 29. Método de acordo com qualquer uma das declarações 22 a 28, em que prover metal fundido compreende dispensar dito metal fundido em um molde. Declaração 30. Método de acordo com qualquer uma das declarações 22 a 29, em que prover metal fundido compreende dispensar dito metal fundido em molde de lingotamento contínuo. Declaração 31. Método de acordo com qualquer uma das declarações 22 a 30, em que prover metal fundido compreende dispensar dito metal fundido em um molde de lingotamento horizontal ou vertical.

[00192] Declaração 32. Estação de lingotamento, compreendendo um molde de fundição configurado para resfriar metal fundido, e o dispositivo de processamento de metal fundido como definido em qualquer uma das declarações 1 a 21. Declaração 33. Moinho de acordo com as declarações 32 ou 33, em que o molde compreende um molde de lingotamento contínuo. Declaração 34. Estação de acordo com as declarações 32 ou 33, em que o molde compreende um molde de lingotamento horizontal ou vertical.

[00193] Declaração 35. Estação de lingotamento compreendendo: uma estrutura de confinamento de metal fundido configurada para resfriar metal fundido; e uma fonte de energia vibracional afixada ao confinamento de metal fundido e configurada para acoplar energia vibracional no metal fundido em frequências que ficam na faixa de até 400 kHz.

[00194] Declaração 36. Estação de lingotamento, compreendendo: uma estrutura de confinamento de metal fundido configurada para resfriar metal fundido; e uma fonte de energia vibracional acionada mecanicamente afixada ao confinamento de metal fundido e configurada para acoplar energia vibracional em frequências que ficam na faixa de até 10 kHz (incluindo uma faixa entre 0 e 15.000 vibrações por minuto e 8.000 a 15.000 vibrações por minuto) no metal fundido.

[00195] Declaração 37. Sistema para formar um produto de metal, compreendendo: meios para derramar metal fundido em uma estrutura de confinamento de metal fundido; meios para resfriar a estrutura de confinamento de metal fundido; meios para acoplar energia de vibração no metal fundido em frequências que ficam na faixa de até 400 kHz (incluindo faixas entre 0 e 15.000 vibrações por minuto, entre 8.000 e 15.000 vibrações por minuto, até 10 kHz, entre 15 e 40 kHz, ou entre 20 e 200 kHz); 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 como definidos nas declarações 22 a 31.

[00196] Declaração 38. Sistema para formar um produto de metal, compreendendo: o dispositivo de processamento de metal fundido como definido em qualquer uma das declarações l a 21; e um controlador incluindo entradas de dados e saídas de controle, e programado com algoritmos de controle que permitem operação de qualquer um dos elementos de etapa como definidos nas declarações 22 a 31.

[00197] Declaração 39. Sistema para formar um produto de metal, compreendendo: um conjunto acoplado a uma roda de lingotamento, incluindo, um alojamento que retém um meio de resfriamento tal que metal fundido que é fundido na roda de lingotamento seja resfriada pelo meio de resfriamento, e um dispositivo que guia o conjunto com relação ao movimento da roda de lingotamento.

[00198] Declaração 40. Sistema de acordo com a declaração 38, incluindo quaisquer dos elementos definidos nas declarações 2, 3, 8 a 15, e 21.

[00199] Declaração 41. Dispositivo de processamento de metal fundido para uma estação de lingotamento, compreendendo: pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional ao metal fundido que é fundido na roda de lingotamento enquanto o metal fundido na roda de lingotamento é resfriado; e um dispositivo de suporte retendo dita fonte de energia vibracional.

[00200] Declaração 42. Dispositivo de acordo com a declaração 41, incluindo quaisquer dos elementos definidos nas declarações 4 a 15.

[00201] Declaração 43. Dispositivo de processamento de metal fundido para uma roda de lingotamento em uma estação de lingotamento, compreendendo: um conjunto acoplado à roda de lingotamento, incluindo, 1) pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional ao metal fundido que é fundido na roda de lingotamento enquanto o metal fundido na roda de lingotamento é resfriado, 2) um dispositivo de suporte retendo dita pelo menos uma fonte de energia vibracional, e 3) um dispositivo de guia que guia o conjunto em relação ao movimento da roda de lingotamento.

[00202] Declaração 44. Dispositivo de acordo com a declaração 43, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional fornece a energia vibracional diretamente no metal fundido que é fundido na roda de lingotamento.

[00203] Declaração 45. Dispositivo de acordo com a declaração 43, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional fornece a energia vibracional indiretamente no metal fundido derramado na roda de lingotamento.

[00204] Declaração 46. Dispositivo de processamento de metal fundido para uma estação de lingotamento, compreendendo: pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional por uma sonda inserida para fundir metal fundido na roda de lingotamento enquanto o metal fundido na roda de lingotamento é resfriado; e um dispositivo de suporte retendo dita fonte de energia vibracional, em que a energia vibracional reduz segregação de metal fundido conforme o metal solidifica.

[00205] Declaração 47. Dispositivo de acordo com a declaração 46, incluindo quaisquer um dos elementos definidos nas declarações 2 a 21.

[00206] Declaração 48. Dispositivo de processamento de metal fundido para uma estação de lingotamento, compreendendo: pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia acústica no metal fundido que é fundido na roda de lingotamento enquanto o metal fundido na roda de lingotamento é resfriado; e um dispositivo de suporte retendo dita fonte de energia vibracional.

[00207] Declaração 49. Dispositivo de acordo com a declaração 48, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende um amplificador de áudio.

[00208] Declaração 50. Dispositivo de acordo com a declaração 49, em que o amplificador de áudio acopla energia vibracional através de um meio gasoso no metal fundido.

[00209] Declaração 51. Dispositivo de acordo com a declaração 49, em que o amplificador de áudio acopla energia vibracional através de um meio gasoso em uma estrutura de suporte que retém o metal fundido.

[00210] Declaração 52. Método para refinar o tamanho do grão, compreendendo: fornecer energia vibracional para um metal fundido enquanto o metal fundido é resfriado; quebrar dendritos que se formam no metal fundido para gerar uma fonte de núcleos no metal fundido.

[00211] Declaração 53. Método de acordo com a declaração 52, em que a energia vibracional compreende ao menos uma ou mais dentre vibrações ultrassônicas, vibrações mecanicamente acionadas, e vibrações acústicas.

[00212] Declaração 54. Método de acordo com a declaração 52, em que a fonte de núcleos no metal fundido não inclui impurezas externas.

[00213] Declaração 55. Método de acordo com a declaração 52, em que uma porção do metal fundido é sub-resfriada para produzir ditos dendritos.

[00214] Declaração 56. Dispositivo de processamento de metal fundido, compreendendo: uma fonte de metal fundido; um desgaseificador ultrassônico incluindo uma sonda ultrassônica inserida no metal fundido; um molde para recepção do metal fundido; um conjunto montado no molde, incluindo, pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional para o metal fundido derramado no molde enquanto o metal fundido no molde é resfriado, e um dispositivo de suporte que retém dita pelo menos uma fonte de energia vibracional.

[00215] Declaração 57. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que o molde compreende um componente de uma roda de lingotamento de uma estação de lingotamento.

[00216] Declaração 58. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que o dispositivo de suporte inclui um alojamento compreendendo um canal de resfriamento para transporte de um meio de resfriamento através do mesmo.

[00217] Declaração 59. Dispositivo de acordo com a declaração 58, em que o canal de resfriamento inclui dito meio de resfriamento compreendendo pelo menos um dentre água, gás, metal líquido, e óleos de motor.

[00218] Declaração 60. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos um transdutor ultrassônico.

[00219] Declaração 61. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos um vibrador acionado mecanicamente.

[00220] Declaração 62. Dispositivo de acordo com a declaração 61, em que o vibrador acionado mecanicamente está configurado para prover energia vibracional em uma faixa de frequências de até 10 kHz.

[00221] Declaração 63. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que uma roda de lingotamento inclui uma tira que confina o metal fundido em um canal da roda de lingotamento.

[00222] Declaração 64. Dispositivo de acordo com a declaração 63, em que o conjunto está posicionado acima da roda de lingotamento e tem passagens em um alojamento para uma tira confinando o metal fundido em um canal da roda de lingotamento para passar através do mesmo.

[00223] Declaração 65. Dispositivo de acordo com a declaração 64, em que dita tira é guiada ao longo do alojamento para permitir que o meio de resfriamento do canal de resfriamento flua ao longo de um lado da tira oposto ao metal fundido.

[00224] Declaração 66. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que o dispositivo de suporte compreende pelo menos um ou mais de nióbio, uma liga de nióbio, titânio, uma liga de titânio, tântalo, uma liga de tântalo, cobre, uma liga de cobre, rênio, uma liga de rênio, aço, molibdênio, uma liga de molibdênio, aço inoxidável, uma cerâmica, um compósito, um polímero ou um metal.

[00225] Declaração 67. Dispositivo de acordo com a declaração 66, em que a cerâmica compreende uma cerâmica de nitreto de silício.

[00226] Declaração 68. Dispositivo de acordo com a declaração 67, em que a cerâmica de nitreto de silício compreende um SIALON.

[00227] Declaração 69. Dispositivo de acordo com a declaração 64, em que o alojamento compreende um material refratário.

[00228] Declaração 70. Dispositivo de acordo com a declaração 69, em que o material refratário compreende pelo menos um dentre cobre, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio e ligas dos mesmos.

[00229] Declaração 71. Dispositivo de acordo com a declaração 69, em que o material refratário compreende um ou mais dentre silício, oxigênio ou nitrogênio.

[00230] Declaração 72. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende mais do que uma fonte de energia vibracional em contato com um meio de resfriamento.

[00231] Declaração 73. Dispositivo de acordo com a declaração 72, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos uma sonda de vibração inserida em um canal de resfriamento no dispositivo de suporte.

[00232] Declaração 74. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos uma sonda de vibração em contato com o dispositivo de suporte.

[00233] Declaração 75. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos uma sonda de vibração em contato direto com uma tira em uma base do dispositivo de suporte.

[00234] Declaração 76. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende várias fontes de energia vibracional distribuídas em posições diferentes no dispositivo de suporte.

[00235] Declaração 77. Dispositivo de acordo com a declaração 57, compreendendo adicionalmente um dispositivo de guia que guia o conjunto com relação ao movimento da roda de lingotamento.

[00236] Declaração 78. Dispositivo de acordo com a declaração 72, em que o dispositivo de guia está disposto em uma tira em um aro da roda de lingotamento.

[00237] Declaração 79. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que o desgaseificador ultrassônico compreende: uma sonda alongada que compreende uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade afixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta, e um fornecimento de gás de purga compreendendo uma admissão de gás de purga e uma emissão de gás de purga, dita emissão de gás de purga disposta na ponta da sonda alongada para introduzir um gás de purga no metal fundido.

[00238] Declaração 80. Dispositivo de acordo com a declaração 56, em que a sonda alongada compreende uma cerâmica.

[00239] Declaração 81. Produto metálico, compreendendo: uma composição metálica fundida tendo tamanhos de grão inferiores ao milímetro e incluindo menos do que 0,5% de refinadores de grão na mesma e tendo pelo menos uma das seguintes propriedades: um alongamento que fica na faixa de 10% a 30% sob uma força de estiramento de 100 lbs/pol2(lbs = 0,45 kg/pol2 = 6,45 cm2), uma resistência à tração que fica na faixa de 50 MPa a 300 MPa; ou uma condutividade elétrica que fica na faixa de 45% a 75% de IAC, onde IAC é uma unidade de porcentagem de condutividade elétrica com relação a um condutor de cobre recozido padrão.

[00240] Declaração 82. Produto de acordo com a declaração 81, em que a composição inclui menos do que 0,2% de refinadores de grão na mesma.

[00241] Declaração 83. Produto de acordo com a declaração 81, em que a composição inclui menos do que 0,1% de refinadores de grão na mesma.

[00242] Declaração 84. Produto de acordo com a declaração 81, em que a composição inclui nenhum refinador de grão na mesma.

[00243] Declaração 85. Produto de acordo com a declaração 81, em que a composição inclui pelo menos um dentre alumínio, cobre, magnésio, zinco, chumbo, ouro, prata, estanho, bronze, latão e ligas dos mesmos.

[00244] Declaração 86. Produto de acordo com a declaração 81, em que a composição é formada em pelo menos um dentre um aço em barras, um estoque de haste, um estoque de placas, fios, tarugos e grânulos.

[00245] Declaração 87. Produto de acordo com a declaração 81, em que o alongamento se situa entre 15% e 25% ou a resistência à tração se situa entre 100 MPa e 200 MPa ou a condutividade elétrica se situa entre 50% e 70% de IAC.

[00246] Declaração 88. Produto de acordo com a declaração 76, em que o alongamento se situa entre 17% e 20% ou a resistência à tração se situa entre 150 MPa e 175 MPa ou a condutividade elétrica se situa entre 55% e 65% de IAC.

[00247] Declaração 89. Produto de acordo com a declaração 76, em que o alongamento se situa entre 18% e 19% ou a resistência à tração se situa entre 160 MPa e 165 MPa ou a condutividade elétrica se situa entre 60% e 62% de IAC.

[00248] Declaração 90. Produto de acordo com qualquer uma das declarações 81, 87, 88, e 89, em que a composição compreende alumínio ou uma liga de alumínio.

[00249] Declaração 91. Produto de acordo com a declaração 90, em que o alumínio ou a liga de alumínio compreende um entrançamento de fio reforçado com aço.

[00250] Declaração 92. Produto de acordo com a declaração 90, em que o alumínio ou a liga de alumínio compreende um entrançamento de fio suportado com aço.

[00251] Declaração 92. Produto metálico feito por qualquer uma ou mais das etapas de processo estabelecidas nas declarações 52 a 55 e compreendendo uma composição metálica fundida.

[00252] Declaração 93. Produto de acordo com a declaração 92, em que o produto metálico possui ao menos uma das seguintes propriedades: um alongamento que fica na faixa de 10% a 30% sob uma força de estiramento de 100 lbs/pol2(lbs = 0,45 kg/pol2 = 6,45 cm2), uma resistência à tração que fica na faixa de 50 MPa a 300 MPa; ou uma condutividade elétrica que fica na faixa de 45% a 75% de IAC, onde IAC é uma unidade de porcentagem de condutividade elétrica com relação a um condutor de cobre recozido padrão.

[00253] Declaração 95. Produto de acordo com a declaração 92, em que a composição inclui menos do que 0,2% de refinadores de grão na mesma.

[00254] Declaração 96. Produto de acordo com a declaração 92, em que a composição inclui menos do que 0,1% de refinadores de grão na mesma.

[00255] Declaração 97. Produto de acordo com a declaração 92, em que a composição inclui nenhum refinador de grão na mesma.

[00256] Declaração 98. Produto de acordo com a declaração 92, em que a composição inclui pelo menos um dentre alumínio, cobre, magnésio, zinco, chumbo, ouro, prata, estanho, bronze, latão e ligas dos mesmos.

[00257] Declaração 99. Produto de acordo com a declaração 92, em que a composição é formada em pelo menos um dentre um aço em barras, um estoque de haste, um estoque de placas, fios, tarugos e grânulos.

[00258] Declaração 100. Produto de acordo com a declaração 92, em que o alongamento se situa entre 15% e 25% ou a resistência à tração se situa entre 100 MPa e 200 MPa ou a condutividade elétrica se situa entre 50% e 70% de IAC.

[00259] Declaração 101. Produto de acordo com a declaração 92, em que o alongamento se situa entre 17% e 20% ou a resistência à tração se situa entre 150 MPa e 175 MPa ou a condutividade elétrica se situa entre 55% e 65% de IAC.

[00260] Declaração 102. Produto de acordo com a declaração 92, em que o alongamento se situa entre 18% e 19% ou a resistência à tração se situa entre 160 MPa e 165 MPa ou a condutividade elétrica se situa entre 60% e 62% de IAC.

[00261] Declaração 103. Produto de acordo com a declaração 92, em que a composição inclui alumínio ou liga de alumínio.

[00262] Declaração 104. Produto de acordo com a declaração 103, em que o alumínio ou a liga de alumínio compreende um entrançamento de fio reforçado com aço.

[00263] Declaração 105. Produto de acordo com a declaração 103, em que o alumínio ou a liga de alumínio compreende um entrançamento de fio suportado com aço.

[00264] Diversas modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz dos ensinamentos acima. Deve-se, portanto, ser entendido que, dentro do escopo das reivindicações em anexo, a invenção pode ser praticada de forma distinta daquilo que é especificamente descrito aqui.

Claims

1. Dispositivo de processamento de metal fundido para uma roda de lingotamento em uma estação de lingotamento, compreendendo: uma roda de lingotamento (30) incluindo uma banda (36) configurada para cercar o metal fundido em um canal (32) da roda de lingotamento (30); um conjunto (42) montado na roda de lingotamento (30), incluindo: pelo menos uma fonte de energia vibracional (40) configurada para fornecer energia vibracional ao metal fundido na roda de lingotamento (30) enquanto o metal fundido na roda de lingotamento (30) é resfriado, e um dispositivo de suporte (44) segurado a referida pelo menos uma fonte de energia vibracional (40); caracterizado pelo fato de que o dispositivo de suporte inclui um alojamento (44) compreendendo um canal de resfriamento (46) para transporte de um meio de resfriamento através do mesmo, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional (40) é configurada para fornecer a energia vibracional ao metal fundido na roda de lingotamento (30) através do meio de resfriamento.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o canal de resfriamento (46) é adaptado para incluir o meio de resfriamento compreendendo pelo menos um de água, gás, metal líquido e óleos de motor.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma fonte de energia vibracional (40) compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente ou uma combinação dos mesmos.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o transdutor ultrassônico é configurado para prover energia vibracional em uma faixa de frequências até 400 kHz.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o vibrador acionado mecanicamente está configurado para prover energia vibracional em uma faixa de frequências de até 10 KHz.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto (42) está posicionado acima da roda de lingotamento (30), e em que o alojamento (44) tem passagens para a banda (36) confinando o metal fundido no canal (32) da roda de lingotamento (30) para passar através do mesmo.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a dita banda (36), durante operação, é adaptada para ser guiada ao longo do alojamento (44) para permitir que o meio de resfriamento do canal de resfriamento (46) possa fluir ao longo de um lado da banda (36) oposto ao metal fundido.

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de suporte (44) compreende pelo menos um ou mais de nióbio, uma liga de nióbio, titânio, uma liga de titânio, tântalo, uma liga de tântalo, cobre, uma liga de cobre, rênio, uma liga de rênio, aço, molibdênio, uma liga de molibdênio, aço inoxidável, uma cerâmica, um compósito ou um polímero.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a cerâmica compreende uma cerâmica de nitreto de silício.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de nitreto de silício compreende um nitreto de alumina-sílica.

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o alojamento (44) compreende um material refratário.

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o material refratário compreende pelo menos um de cobre, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio, e rênio e ligas dos mesmos.

13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 10 ou 12, caracterizado pelo fato de que o material refratário compreende um ou mais de silício, oxigênio ou nitrogênio.

14. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que compreende um dispositivo de guia (38) configurado para guiar o conjunto (42) em relação ao movimento da roda de lingotamento (30).

15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o dispositivo guia (38) é disposto na banda (36) em um aro da roda de lingotamento (30).