BR112019018435B1 - Refinamento de grão com acoplamento vibracional direto - Google Patents

Abstract

Trata-se de um transportador de metal fundido que tem uma placa receptora em contato com metal fundido durante transporte do metal fundido. A placa receptora se estende de uma entrada pela qual o metal fundido entra na placa receptora para uma saída pela qual o metal fundido sai da placa receptora. O transportador de metal fundido tem pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional diretamente para a placa receptora em contato com metal fundido. Um método correspondente para formar um produto de metal inclui fornecer metal fundido em um transportador fundido; resfriar o metal fundido por controle de um meio de resfriamento que flui através de uma passagem de resfriamento no ou fixada ao transportador; e acoplar energia vibracional diretamente a uma placa receptora em contato com o metal fundido no transportador.

Description

Antecedentes Referência Cruzada aos Pedidos Relacionados

[001] Este pedido reivindica prioridade ao documento de no Serial U.S. 62/468,709 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em quarta-feira, 8 de março de 2017, intitulado “Grain Refining with Direct Vibrational Coupling”.

[002] Este pedido é relacionado ao documento de no Serial U.S. 62/372,592 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em 9 de agosto de 2016, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING. Este pedido é relacionado ao documento de no Serial U.S. 62/295,333 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em 15 de fevereiro de 2016, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING FOR METAL CASTING. Este pedido é relacionado ao documento de no Serial U.S. 62/267,507 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em 15 de dezembro de 2015, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING OF MOLTEN METAL. Este pedido é relacionado ao documento de no Serial U.S. 62/113,882 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em 9 de fevereiro de 2015, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING. Este pedido é relacionado ao documento de no Serial U.S. 62/216,842 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em 10 de setembro de 2015, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING ON A CONTINUOUS CASTING BELT. Este pedido é relacionado ao documento PCT/2016/050978 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em 9 de setembro de 2016, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING. Este pedido é relacionado ao documento de no Serial U.S. 15/337,645 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em sexta-feira, 28 de outubro de 2016, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING.

[003] Este pedido é relacionado ao documento de no Serial U.S. 62/460,287 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) depositado em sexta-feira, 17 de fevereiro de 2017, intitulado ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING INCLUDING ENHANCED VIBRATIONAL COUPLING.

Campo

[004] A presente invenção é relacionada a um método para produzir fundições de metal com tamanho de grão controlado, um sistema para produzir as fundições de metal, e produtos obtidos pelas fundições de metal.

Descrição da Técnica Relacionada

[005] Tem sido despendido esforço considerável no campo metalúrgico para desenvolver técnicas para fundir metal fundido em haste de metal ou produtos fundidos contínuos. Tanto fundição em lotes quanto fundições contínuas estão bem desenvolvidas. Há diversas vantagens de fundição contínua sobre fundições em lotes embora ambas sejam usadas de forma proeminente na indústria.

[006] Na produção contínua de fundição de metal, metal fundido passa em um forno de retenção em uma série de lavagens e no molde de uma roda de fundição onde o mesmo é fundido em uma barra de metal. A barra de metal solidificada é removida da roda de fundição e dirigida para uma laminadora onde a mesma é laminada em haste contínua. Dependendo do uso final pretendido do produto de haste de metal e liga, a haste pode ser submetida a resfriamento durante laminação ou a haste pode ser resfriada ou arrefecida de forma brusca imediatamente ao sair na laminadora para transmitir à mesma as propriedades mecânicas e físicas desejadas. Técnicas tais como aquelas descritas na Patente no U.S. 3,395,560 para Cofer et al. (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) têm sido usadas para processar continuamente um produto de haste ou barra de metal.

[007] A Patente noU.S. 3, 938,991 para Sperry et al. (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) mostra que tem havido um problema há muito reconhecido com fundição de produtos de metal “puro”. Por fundições de metal “puro”, esse termo se refere a um metal ou uma liga de metal formada dos elementos metálicos primários projetados para uma condutividade ou resistência à tração ou ductilidade particular sem a inclusão de impurezas separadas adicionadas com o propósito de controle de grão.

[008] Refino de grãos é um processo pelo qual o tamanho do cristal da fase recém formada é reduzido por meio químico ou físico/mecânico. Refinadores de grão são usualmente adicionados ao 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.

[009] Na verdade, um Pedido de Patente WIPO WO/2003/033750 para Boily et al. (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve o uso específico de “refinadores de grão”. O pedido ‘750 descreve em sua seção de antecedentes que, na indústria de alumínio, refinadores de grão diferentes são, em geral, incorporados no alumínio para formar uma liga mestra. Ligas mestras típicas para uso em fundição de alumínio compreendem de 1 a 10% de titânio e de 0,1 a 5% de boro ou carbono, o saldo consistindo essencialmente de alumínio ou magnésio, com partículas de TiB2 ou TiC que são dispersas por toda a matriz de alumínio. De acordo com o pedido ‘750, ligas mestras contendo titânio e boro podem ser produzidas dissolvendo-se as quantidades exigidas de titânio e boro em uma fundição de alumínio. Isso é alcançado reagindo-se alumínio fundido com KBF4 e K2TiF6 em temperaturas superiores a 800 °C. Esses sais de halogeneto complexos reagem rapidamente com alumínio fundido e fornecem titânio e boro para a fundição.

[0010] O pedido ‘750 também descreve que, como de 2002, essa técnica foi usada para produzir ligas mestras comerciais por quase todas as empresas fabricantes de refinador de grão. Refinadores de grão frequentemente denominados como agentes nucleantes ainda são usados atualmente. Por exemplo, um fornecedor comercial de uma liga mestra TIBOR descreve que o controle rigoroso da estrutura fundida é uma exigência principal na produção de produtos de liga de alumínio de alta qualidade.

[0011] Antes dessa invenção, refinadores de grão eram reconhecidos como a forma mais eficaz para fornecer uma estrutura de grão fina e uniforme como fundida. As referências a seguir (cuja totalidade de conteúdo é incorporada ao presente documento a título de referência) fornecem detalhes desse trabalho antecedente:

[0012] Abramov, O.V., (1998), “High-Intensity Ultrasonics”, Gordon e Breach Science Publishers, Amsterdã, Holanda, páginas 523 a 552.

[0013] Alcoa, (2000), “New Process for Grain Refinement of Aluminum”, DOE Project Final Report, Contrato no DE-FC07-98ID13665, 22 de setembro de 2000.

[0014] Cui, Y., Xu, C.L. e Han, Q., (2007), “Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations, Advanced Engineering Materials”, v. 9, no 3, páginas 161 a 163.

[0015] Eskin, G.I., (1998), “Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts”, Gordon e Breach Science Publishers, Amsterdã, Holanda.

[0016] 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 e Advanced Techniques, v.93, no 6, Junho de 2002, páginas 502 a 507.

[0017] Greer, A.L., (2004), “Grain Refinement of Aluminum Alloys”, in 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 a 7528, páginas 131 a 145.

[0018] 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”, Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086 a 7528, páginas 97 a 106.

[0019] 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, páginas 149 a 158.

[0020] 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 a 3, páginas 190 a 193.

[0021] Keles, O. e Dundar, M., (2007). "Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes”, Journal of Materials Processing Technology, v. 186, páginas 125 a 137.

[0022] Liu, C., Pan, Y., e Aoyama, S., (1998), Proceedings of the 5th International Conference on Semi Solid Processing of Alloys e Composites, Eds.: : Bhasin, A.K., Moore, J.J., Young, K.P., e Madison, S., Colorado School of Mines, Golden, CO, páginas 439 a 447.

[0023] Megy, J., (1999), “Molten Metal Treatment”, Patente noUS 5.935.295, Agosto de 1999

[0024] Megy, J., Granger, D.A., Sigworth, G.K., e Durst, C.R., (2000), “Effectiveness of In-Situ Aluminum Grain Refining Process”, Light Metals, páginas 1 a 6.

[0025] Cui et al., “Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations”, Advanced Engineering Materials, 2007, vol. 9, no 3, páginas 161 a 163.

[0026] Han et al., “Grain Refining of Pure Aluminum”, Light Metals 2012, páginas 967 a 971.

[0027] Antes desta invenção, as Patentes nos U.S. 8,574,336 e U.S. 8,652,397 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreveram 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, introduzindo-se um gás de purga no banho de metal fundido em grande proximidade ao dispositivo ultrassônico. Essas patentes serão denominadas doravante como a patente ‘336 e a patente ‘397.

Sumário

[0028] Em uma modalidade da presente invenção, é fornecido um transportador de metal fundido que tem uma placa receptora em contato com metal fundido durante transporte do metal fundido. A placa receptora se estende de uma entrada pela qual o metal fundido entra na placa receptora para uma saída pela qual o metal fundido sai da placa receptora. O transportador de metal fundido tem pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece energia vibracional diretamente para a placa receptora em contato com metal fundido.

[0029] Em uma modalidade da presente invenção, é fornecido um método para formar um produto de metal que inclui fornecer metal fundido a um transportador fundido; resfriar o metal fundido por controle de um meio de resfriamento que flui através de uma passagem de resfriamento no ou fixado ao transportador; e acoplar energia vibracional diretamente a uma placa receptora em contato com o metal fundido no transportador.

[0030] Deve ser compreendido que tanto a descrição geral acima da invenção quanto a descrição detalhada a seguir são exemplificativas, mas não são restritivas da invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

[0031] Uma avaliação mais completa da invenção e muitas das vantagens inerentes da mesma serão prontamente obtidas conforme a mesma for mais bem compreendida por referência à descrição detalhada a seguir quando considerada em conexão com os desenhos anexos, em que:

[0032] A Figura 1 é um esquema de um moinho de fundição contínua, de acordo com uma modalidade da invenção;

[0033] A Figura 2 é um esquema de um transportador de metal fundido que tem múltiplos transdutores magnetostritivos fixados ao longo de um comprimento longitudinal de uma placa vibratória;

[0034] A Figura 3 é um esquema de um transportador de metal fundido que tem um transdutor ultrassônico piezoelétrico fixado a uma placa vibratória 54;

[0035] A Figura 4 é um esquema de múltiplos transdutores fixados em uma matriz bidimensional a um fundo de placa vibratória;

[0036] A Figura 5 é um esquema de múltiplos transdutores fixados a um fundo da placa vibratória, com uma densidade maior na extremidade da placa vibratória que dispensa o metal fundido;

[0037] A Figura 6A é uma vista lateral de transportador de metal, que mostra canais interiores para o meio de resfriamento para fluir no mesmo;

[0038] A Figura 6B é uma vista de um transportador de metal/ dispositivo de escoamento de acordo com a invenção;

[0039] A Figura 7 é um esquema de uma configuração de roda de fundição de acordo com uma modalidade da invenção, que utiliza um dispositivo de processamento de metal fundido na roda de fundição;

[0040] A Figura 8 é um esquema de uma configuração de roda de fundição, de acordo com uma modalidade da invenção, que mostra um dispositivo de sonda vibracional acoplado diretamente ao metal fundido, fundido na roda de fundição;

[0041] A Figura 9 é um esquema de um molde estacionário que utiliza as fontes de energia vibracional da invenção;

[0042] A Figura 10A é um esquemático em corte transversal de componentes selecionados de um moinho de fundição vertical;

[0043] A Figura 10B é um esquemático em corte transversal de outros componentes de um moinho de fundição vertical;

[0044] A Figura 10C é um esquemático em corte transversal de outros componentes de um moinho de fundição vertical;

[0045] A Figura 10D é um esquemático em corte transversal de outros componentes de um moinho de fundição vertical;

[0046] A Figura 11 é um esquema de uma modalidade da invenção que utiliza tanto desgaseificação ultrassônica quanto refinamento de grão ultrassônico;

[0047] A Figura 12 é um esquema de um sistema de computador ilustrativo para os controles e controladores retratados no presente documento;

[0048] A Figura 13 é um fluxograma que retrata um método, de acordo com uma modalidade da invenção;

[0049] A Figura 14 é um fluxograma de processo de fio ACSR;

[0050] A Figura 15 é um fluxograma de processo de fio ACSS; e

[0051] A Figura 16 é um fluxograma de processo de tira de alumínio;

Descrição Detalhada

[0052] O refino de grãos de metais e ligas é importante por muitas razões, incluindo maximizar taxa de fundição de lingote, aprimorar resistência a ruptura por calor, minimizar segregação elementar, melhorar propriedades mecânicas, particularmente ductilidade, aprimorar as características de acabamento produtos forjados e aumentar as características preenchimento de molde, e diminuir a porosidade de ligas de fundição. Usualmente o refino 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, os quais são dois dos materiais leves cada vez usados mais na indústria aeroespacial, defesa, automotiva, construção e embalagens. Refino de grãos também é uma importante etapa de processamento para produzir metais e ligas fundíveis eliminando-se grãos colunares e formando- se grãos equiaxiais.

[0053] Refino de grãos é uma etapa de processamento de solidificação pela qual o tamanho do cristal das fases sólidas é reduzido por meio químico, físico ou mecânico a fim de produzir ligas fundíveis e reduzir formação de defeitos. Atualmente, na produção de alumínio grão é refinado com o uso de TIBOR, que resulta na formação de uma estrutura de grão equiaxial no alumínio solidificado. Antes dessa invenção, o uso de impurezas ou “refinadores de grão” químicos foi a única forma para enfrentar o problema há muito reconhecido na indústria de fundição de metal de formação de grão colunar em fundições de metal. Adicionalmente, antes dessa invenção, uma combinação de 1) desgaseificação ultrassônica para remover impurezas no metal fundido (antes da fundição) ao longo e 2) o refino ultrassônico de grãos observado acima (isto é, pelo menos uma fonte de energia vibracional) não tinha sido realizado.

[0054] Entretanto, há custos elevados associados ao uso de TIBOR e restrições mecânicas devido à inserção daqueles inoculantes na fundição. Algumas das restrições incluem ductilidade, maquinabilidade e condutividade elétrica.

[0055] Apesar do custo, aproximadamente 68% do alumínio produzido nos Estados Unidos é primeiro fundido em lingote antes de processamento adicional em folhas, placas, extrusões ou lâmina. O processo de fundição semicontínua de arrefecimento direto (DC) e processo de fundição contínua (CC) tem sido o sustentáculo da indústria de alumínio em grande parte devido a sua natureza robusta e relativa simplicidade. Uma questão com os processos de DC e CC é a formação de ruptura por calor ou formação de rachaduras durante solidificação do lingote. Basicamente, quase todos os lingotes seriam rachados (ou não fundíveis) sem o uso de refino de grãos.

[0056] Entretanto, as taxas de produção desses processos modernos são limitadas pelas condições para evitar formação de rachaduras. Refino de grãos é uma forma eficaz para reduzir a tendência de ruptura por calor de uma liga e, desse modo, aumentar as taxas de produção. Como um resultado, uma quantidade significativa de esforço tem sido concentrada no desenvolvimento de refinadores de grão poderosos que possam produzir tamanhos de grãos tão pequenos quanto possível. Superplasticidade pode ser alcançada se o tamanho de grão puder ser reduzido para o nível submicrônico, o qual permite que ligas não apenas sejam fundidas em taxas muito mais rápidas, mas também laminadas/extrudadas em temperaturas inferiores em taxas muito mais rápidas do que lingotes são processados atualmente, levando a economias de custos e economias de energia significativas.

[0057] No presente, quase todo o alumínio fundido no mundo em fragmento primário (aproximadamente 20 bilhões de kg) ou secundário e interno (25 bilhões de kg) é de grão refinado com núcleos heterogêneos de núcleos de TiB2 insolúveis com aproximadamente alguns mícrons de diâmetro, os quais formam núcleos de uma estrutura de grão fino em alumínio. Uma questão relacionada ao uso de refinadores de grão químicos é a capacidade limitada de refino de grãos. Na verdade, o uso de refinadores de grão químicos provoca uma diminuição limitada em tamanho de grão alumínio, em uma estrutura colunar com dimensões lineares de grão de algo acima de 2.500 μm, para grãos equiaxiais de menos do que 200 μm. Grãos equiaxiais de 100 μm em ligas de alumínio parecem ser o limite que pode ser obtido com o uso dos refinadores de grão químicos disponíveis comercialmente.

[0058] A produtividade pode ser aumentada significativamente se o tamanho de grão puder ser reduzido adicionalmente. O tamanho de grão no nível submicrônico leva a superplasticidade que torna a formação de ligas de alumínio muito mais fácil em temperatura ambiente.

[0059] Outra questão relacionada ao uso de refinadores de grão químicos é a formação de defeitos associados ao uso de refinadores de grão. Embora consideradas na técnica anterior como sendo necessárias para refino de grãos, as partículas estranhas insolúveis são de outra forma indesejáveis em alumínio, particularmente na forma de aglomerados de partículas (“agregados”). Os refinadores de grão atuais, os quais estão presentes na forma de compostos em ligas mestras à base de alumínio, são produzidos por uma cadeia complicada de mineração, beneficiamento e processos de fabricação. As ligas mestras usadas agora frequentemente contêm fluoreto de alumínio e potássio (KAIF) sal e impurezas de óxido de alumínio (escória) os quais resultam do processo de fabricação convencional de refinadores de grão de alumínio. Esses dão origem a local defeitos no alumínio (por exemplo “vazamentos” em latas de bebidas e “furos de pinos” em lâmina fina), abrasão de máquina-ferramenta e problemas de acabamento de superfície em alumínio. Dados em uma das empresas de cabos de alumínio indicam que 25% dos defeitos de produção são devido a aglomerados de partículas de TiB2, e outros 25% de defeitos são devido a escória que fica presa no alumínio durante o processo de fundição. Aglomerados de partícula de TiB2 frequentemente quebram os fios durante a extrusão, especialmente quando o diâmetro dos fios é menor do que 8 mm.

[0060] Outra questão relacionada ao uso de refinadores de grão químico é o custo dos refinadores de grão. Isso é extremamente verdadeiro para a produção de lingotes de magnésio com o uso de refinadores de grão de Zr. Refino de grãos com o uso de refinadores de grão de Zr custa cerca de um dólar ($1) a mais por quilograma de fundição de Mg produzido. Refinadores de grão para ligas de alumínio custam cerca de $1,50 por quilograma.

[0061] Outra questão relacionada ao uso de refinadores de grão químicos é a condutividade elétrica reduzida. O uso de refinadores de grão químicos introduz excedente de Ti em alumínio, provoca uma diminuição substancial em condutividade elétrica de alumínio puro para aplicações de cabo. A fim de manter certa condutividade, empresas têm que pagar dinheiro adicional para usar alumínio mais puro para produzir cabos e fios.

[0062] Diversos outros métodos de refino de grãos, além dos métodos químicos, foram explorados no século passado. Esses métodos incluem o uso de campos físicos, tais como campos magnéticos e eletromagnéticos, e o uso de vibrações mecânicas. Vibração ultrassônica de alta intensidade e baixa amplitude é um dos mecanismos físicos/mecânicos que tem sido demonstrados para refino de grãos de metais e ligas sem o uso de partículas estranhas. Entretanto, resultados experimentais, tais como em Cui et al, 2007 anotado acima, foram obtidos em lingotes pequenos até alguns quilogramas de metal submetidos a um período curto de tempo de vibração ultrassônica. Pequeno esforço tem sido realizado em refino de grãos de fundição de CC ou DC de lingotes/tarugos com o uso de vibrações ultrassônicas de alta intensidade.

[0063] Conforme usado no presente documento, modalidades da presente invenção serão descritas com o uso de terminologias empregadas comumente por especialistas no assunto da técnica para apresentar seu trabalho. Esses termos devem ter o significado comum, tal como entendido pelas pessoas de habilidade comum nas técnicas de ciência de materiais, metalurgia, fundição de metal e processamento de metal. Alguns termos que assumem um significado mais especializado são descritos nas modalidades abaixo. No entanto, o termo “configurado para” é compreendido no presente documento como retratando estruturas apropriadas (ilustradas no presente documento ou conhecidas ou implícitas na 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 tem as estruturas necessárias para sustentar o primeiro objeto em uma posição relativa ao segundo objeto (por exemplo, limítrofe, fixado, deslocado uma distância predeterminada, adjacente, contíguo, unido, destacáveis entre si, desmontáveis entre si, fixados juntos, em contato deslizante em contato rolante) com ou sem fixação direta do primeiro e segundo objetos entre si.

[0064] A Patente no 4.066.475 para Chia et al. (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um processo de fundição contínua. Em geral, a Figura 1 retrata sistema de fundição contínua que tem um moinho de fundição 2 que tem um dispositivo de entrega 10 (tal como tina de fusão) o qual fornece metal fundido para um bico de escoamento 11 o qual dirige o metal fundido para um ranhura periférica contida em um anel de molde giratório 13. Uma banda de metal flexível sem fim 14 circunda tanto uma porção do anel de molde 13 bem como uma porção de um conjunto de cilindros de posicionamento de banda 15 de modo que um molde de fundição contínua é definido pela ranhura no anel de molde 13 e banda de metal sobreposta 14. Um sistema de resfriamento é fornecido para resfriar o aparelho e efetuar solidificação controlada do metal fundido durante seu transporte no anel de molde giratório 13. O sistema de resfriamento inclui uma pluralidade de encabeçamentos laterais 17, 18, e 19 dispostos no lado do anel de molde 13 e encabeçamentos de banda interno e externo 20 e 21, respectivamente, dispostos nos lados interno e externo da banda de metal 14 em uma localização em que a mesma circunda o anel de molde. Uma rede de condutos 24 que tem válvulas adequadas é conectada para fornecimento e escape de refrigerante para os vários encabeçamentos de modo a controlar o resfriamento do aparelho e a taxa de solidificação do metal fundido.

[0065] Por essa construção, metal fundido é alimentado no bico de escoamento 11 no molde de fundição e é solidificada e parcialmente resfriado durante seu transporte por circulação de refrigerante através do sistema de resfriamento. Uma barra fundida sólida 25 é retirada da roda de fundição e alimentada para um transportador 27 o qual transporta a barra fundida para uma laminadora 28. Deve ser observado que a barra fundida 25 foi resfriada apenas uma quantidade suficiente para solidificar a barra, e a barra permanece em uma temperatura elevada para permitir que uma operação de laminação imediata seja realizada na mesma. A laminadora 28 pode incluir uma matriz dupla de suportes de laminação os quais rolam sucessivamente a barra em um comprimento contínuo de haste de arame 30 a qual tem um corte transversal circular substancialmente uniforme.

[0066] A Figura 1 mostra o controlador 500 o qual controla as várias partes do sistema de fundição contínua mostradas nas mesmas, 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 fundição continuamente e os componentes do mesmo.

[0067] A Patente no U.S. 9, 481,031 por Chia et al. (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um dispositivo de processamento de metal fundido que inclui uma estrutura de contenção de metal fundido para recepção e transporte de metal fundido ao longo de um comprimento longitudinal do mesmo. O dispositivo incluía adicionalmente uma unidade de resfriamento para a estrutura de contenção que inclui um canal de resfriamento para passagem de um meio líquido no mesmo, e uma sonda ultrassônica disposta em relação ao canal de resfriamento de modo que ondas ultrassônicas sejam acopladas através do meio líquido no canal de resfriamento e através da estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido.

[0068] Conforme descrito na patente '031, uma sonda de onda ultrassônica forneceu vibrações ultrassônicas (UV) através do meio líquido e através de uma placa de fundo de uma estrutura de contenção de metal fundido na qual metal líquido foi abastecido. Na patente '031, a sonda de onda ultrassônica foi mostrada inserida na passagem de meio líquido. Conforme descrito na patente '031, uma quantidade relativamente pequena de resfriamento inferior (por exemplo, menos do que 10° C.) no fundo do canal resulta em uma camada de núcleos pequenos de alumínio mais puro sendo formada. As vibrações ultrassônicas do fundo do canal cria núcleos de alumínio puro que então são usados como agentes de nucleação durante a solidificação resultando em um estrutura de grão uniforme. Conforme descrito na patente '031, as vibrações ultrassônicas do fundo do canal dispersam esses núcleos e rompe dendritos que se formam na camada subresfriada. Esses núcleos de alumínio e fragmentos de dendritos são, então, usados para formar grãos equiaxiais no molde durante solidificação que resulta em uma estrutura de grão uniforme.

[0069] Em uma modalidade da presente invenção, o refino ultrassônico de grãos envolve aplicação de energia ultrassônica (e/ou outra energia vibracional) para o refino do tamanho de grão. Embora a invenção não esteja ligada a nenhuma teoria em particular, uma teoria é que a injeção de energia vibracional (por exemplo, potência ultrassônica) em uma liga fundida ou em solidificação pode dar origem a efeitos não lineares tais como cavitação, transmissão acústica e pressão de radiação. Esses efeitos não lineares podem ser usados para formar núcleos de grãos novos, e romper dendritos durante o processo de solidificação de uma liga.

[0070] Sob essa teoria, o processo de refino de grãos pode ser dividido em dois estágios: 1) nucleação e 2) crescimento do sólido recém formado no líquido. Núcleos esféricos são formados durante o estágio de nucleação. Esses núcleos se desenvolvem em dendritos durante o estágio de crescimento. Crescimento unidirecional de dendritos leva à formação de grãos colunares que, potencialmente, provoca ruptura por calor/rachadura e distribuição não uniforme das fases secundárias. Isso, por sua vez, pode levar a fundibilidade fraca. Por outro lado, crescimento uniforme de dendritos em todas as direções (tal como possível com a presente invenção) leva à formação de grãos equiaxiais. Fundidos/lingotes contendo grãos pequenos e equiaxiais têm excelente formabilidade.

[0071] Sob essa teoria, quando a temperatura em uma liga está abaixo da temperatura liquidus; pode ocorrer nucleação quando o tamanho dos embriões sólidos é maior do que um tamanho crítico dado na seguinte equação:

[0072] em que r* é o tamanho crítico, ' é a energia interfacial associada à interface sólido-líquido, e ■, e a energia livre de Gibbs associada com a transformação de uma unidade de volume de líquido para sólido.

[0073] Sob essa teoria, a energia livre de Gibbs, , diminui com tamanho crescente dos embriões sólidos quando seus tamanhos são maiores do que r*, indicando o crescimento do embrião sólido é favorável termodinamicamente. Sob tais condições, os embriões sólidos se tornam núcleos estáveis. Entretanto, nucleação homogênea de fase sólida que tem tamanho maior do que r* ocorre apenas sob condições extremas que exigem grande subresfriamento na fundição.

[0074] Sob essa teoria, os núcleos formados durante a solidificação podem transformar-se em grãos sólidos conhecidos como dendritos. Os dendritos também podem ser quebrados em múltiplos fragmentos pequenos por aplicação da energia vibracional. Os fragmentos dendríticos formados desse modo, podem transformar-se em grãos novos e resultar na formação de grãos pequenos criando, desse modo, uma estrutura de grão equiaxial.

[0075] Em outras palavras, vibrações ultrassônicas transmitidas para o metal líquido sub-resfriado criam locais de nucleação nos metais ou ligas metálicas para refinar o tamanho de grão. Os locais de nucleação podem ser gerados através da energia vibracional que atua como descrito acima para romper os dendritos criando no metal fundido inúmeros núcleos que não são dependentes de impurezas estranhas.

[0076] Aqui, em uma modalidade da invenção, um dispositivo ultrassônico não é configurado para ter ondas ultrassônicas exclusivamente acopladas através de um meio líquido em um canal de resfriamento e então através de uma placa de fundo de uma estrutura de contenção de metal fundido no metal fundido. Em vez disso, nessa modalidade, ondas ultrassônicas são diretamente acopladas a uma placa ou receptor em contato com metal fundido.

[0077] Um ou mais dispositivos ultrassônicos magnetostritivos podem ser fixados diretamente à placa ou receptor em contato com metal fundido durante transporte do metal fundido. A placa receptora pode se estender longitudinalmente de uma entrada pela qual o metal fundido entra na placa receptora para uma saída pela qual o metal fundido sai da placa receptora. De fato, a Figura 2 retrata um transportador de metal fundido 50 (paredes laterais não mostradas) que tem múltiplos transdutores magnetostritivos 52 fixados e uniformemente separados ao longo de um comprimento longitudinal de placa vibratória (ultrassônica) 54. Os transdutores 52 não precisam ser uniformemente espaçados. Ademais, os transdutores podem ser espaçados com uma separação lateral em uma direção da largura da placa 54. A Figura 2 retrata a superfície do metal fundido 53 acima da placa 54. O metal fundido que se desloca acima da placa 54 pode ser confinada em um canal de fluxo de qualquer formato incluindo retangular, quadrado ou redondo.

[0078] Em uma modalidade da invenção, a espessura do metal fundido que se desloca acima da placa 54 é menos do que 10 centímetros de espessura em uma modalidade. Nessa modalidade, a espessura do metal fundido pode ser menos do que 1 centímetro. Alternativamente, a espessura do metal fundido pode ser menos do que uma metade de um centímetro.

[0079] Consequentemente, a placa receptora 54 pode ter uma largura lateral igual ou menor que um comprimento longitudinal, ou a largura lateral pode ser igual ou menor que uma metade do comprimento longitudinal; ou a largura lateral pode ser igual ou menor que um terço do comprimento longitudinal. Por exemplo, a placa receptora 54 pode ter uma largura lateral entre 2.5 cm e 300 cm. O comprimento da placa receptora 54 pode ser entre 2,5 cm a 300 cm. Ademais, a placa receptora 54 pode ter uma largura lateral que se afunila para baixo em largura em direção à saída. As dimensões da placa receptora 54 em uma modalidade pode variar até (porém, sem limitação) 220 cm de largura e 70 cm de comprimento, embora outras dimensões pode ser usadas. As dimensões podem ser invertidas com 220 cm sendo um comprimento e 70 cm sendo uma largura.

[0080] Além disso, a placa receptora 54 pode ser disposta através de um amplo alcance de disposição angular de uma orientação horizontal próxima (dentro de 20 graus angulares) a uma orientação quase vertical (dentro de 20 graus angulares), com gravidade forçando o metal fundido para a saída. Mais especificamente, a placa receptora 54 pode ser disposta dentro de 10 graus angulares (ou 5 graus angulares) a partir de uma orientação horizontal com gravidade forçando o metal fundido para a saída. Alternativamente, a placa receptora 54 pode ser disposta dentro de 10 graus angulares (ou 5 graus angulares) a partir de uma orientação vertical com gravidade forçando o metal fundido para a saída. A superfície da placa pela qual o metal fundido é transportado (ou flui) pode ser lisa, polida, rugosa, elevada, endentada, e/ou texturizada. Alternativamente, a placa receptora 54 pode ser disposta em qualquer posição angular da horizontal (ou quase horizontal) a vertical (ou quase vertical). Esse amplo alcance angular permite que metal fundido seja transportado ao longo da placa receptora 54 se a placa vibratória é aplicada em um sistema de vertimento de nível ou uma situação de bico inferior em um molde de fundição.

[0081] Em uma modalidade da invenção, é incluído um controlador (por exemplo, controlador 500) que controla pelo menos uma dentre uma taxa de vertimento do metal fundido na placa receptora e/ou uma taxa de resfriamento do metal fundido na placa receptora. O controlador é preferencialmente programado para ajustar a taxa de vertimento de modo que uma altura do metal fundido acima da placa receptora seja entre 1,25 cm e 10 cm, ou entre 2,5 cm e 5 cm, ou entre 3 cm e 4 cm. Tendo um fluxo tipo lâmina de metal fundido ao longo da placa receptora 54, os núcleos induzidos e liberados da placa receptora 54 podem ser uniformemente dispersos no volume do metal fundido instantaneamente na placa receptora 54. Se a área de superfície da placa receptora for considerada como a área disponível para a geração de os núcleos, então ter uma forma similar a lâmina de metal fundido também servirá para resfriar o metal fundido mais de forma mais completa por todo o volume do metal instantaneamente na placa receptora 54. Sem alcançar esse resfriamento total, os núcleos liberados poderiam ser refundidos em metal fundido e perdidos da contagem total de núcleos que fluem ao molde ou roda de fundição. Consequentemente, tendo-se controlador 500 em controle da altura do metal fundido na placa receptora 54, há um efeito sinérgico ao usar o metal fundido similar a lâmina pelo fato de que há ambos mais núcleos por volume de unidade gerados e menos perda de núcleos devido à refundição.

[0082] Componentes do transportador de metal fundido 50 podem ser produzidos a partir de um metal tal como titânio, ligas de aço inoxidável, aços de baixo teor de carbono ou aço H13, outros materiais de alta temperatura, uma cerâmica, um compósito, ou um polímero. Componentes do transportador de metal fundido 50 também podem ser produzidos a partir 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.

[0083] Embora não mostrado na Figura 2, os transdutores magnetostritivos 52 têm uma bobina interna enrolada ao redor de uma pilha de camadas magnéticas. A bobina fornece uma corrente de alta frequência que produz um campo magnético de alta frequência que induz a extração e compressão da pilha, e imprime assim vibrações na placa 52.

[0084] Transdutores magnetostritivos são, tipicamente, compostos de um grande número de placas de material que se expandirão e contrairão uma vez que um campo eletromagnético é aplicado. Mais especificamente, transdutores magnetostritivos adequados à presente invenção podem incluir em uma modalidade um grande número de placas ou laminações de níquel (ou outro material magnetostritivo) dispostas em paralelo a uma borda de cada laminado fixado ao fundo de um recipiente do processo ou outra superfície a ser vibrada. Uma bobina de fio é colocada ao redor do material magnetostritivo para fornecer o campo magnético. Por exemplo, quando um fluxo de corrente elétrica é fornecido através da bobina de fio, um campo magnético é criado. Esse campo magnético faz com que o material magnetostritivo contraia ou alongue introduzindo, desse modo, uma onda sonora em um fluido em contato com o material magnetostritivo que se expande e contrai. Frequências ultrassônicas típicas em transdutores magnetostritivos adequados para a invenção variam de 20 a 200 kHz. Frequências superiores ou inferiores podem ser usadas dependendo da frequência natural do elemento magnetostritivo.

[0085] Para transdutores magnetostritivos, níquel é um dos materiais usados mais comumente. Quando uma tensão é aplicada ao transdutor, o material de níquel se expande e contrai em frequências ultrassônicas. Em uma modalidade da invenção, as placas de níquel são soldadas com prata diretamente a uma placa de aço inoxidável. Em referência à Figura 2, a placa de aço inoxidável do transdutor magnetostritivo é a superfície que vibra em frequências ultrassônicas e (conforme mostrado na Figura 2 é fixado à placa vibratória (ultrassônica) 54.

[0086] A Patente no U.S. 7,462,960 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um acionador de transdutor ultrassônico que tem um elemento magnetostritivo gigante. Consequentemente, em uma modalidade da invenção, o elemento magnetostritivo pode ser produzido em materiais à base de ligas de terras raras tais como Terfenol-D e seus compósitos os quais têm um efeito magnetostritivo excepcionalmente grande quando comparado a metais de transição precoce, tais como ferro (Fe), cobalto (Co) e níquel (Ni). Alternativamente, o elemento magnetostritivo em uma modalidade da invenção pode ser produzido em ferro (Fe), cobalto (Co) e níquel (Ni).

[0087] Alternativamente, o elemento magnetostritivo em uma modalidade da invenção pode ser produzido em uma ou mais dentre as 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, 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 mistura dos mesmos.

[0088] A Patente no U.S. 4,158,368 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito na mesma e adequado à presente invenção, o transdutor magnetostritivo pode incluir um êmbolo de um material que exibe magnetostrição negativa disposto dentro de um alojamento. A Patente no U.S. 5, 588,466 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito na mesma e adequado à presente invenção, uma camada magnetostritiva é aplicada a um elemento flexível, por exemplo, um feixe flexível. O elemento flexível é defletido por um campo magnético externo. Como descrito na patente ‘466 e adequado à presente invenção, uma camada magnetostritiva fina pode ser usada para o elemento magnetostritivo a qual consiste em Tb(1-x) Dy(x) Fe2. A Patente no U.S. 4,599, 591 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito na mesma e adequado à presente invenção, o transdutor magnetostritivo pode utilizar um material magnetostritivo e uma pluralidade de enrolamentos conectados a múltiplas fontes de corrente que tem uma relação de fase de modo a estabelecer um vetor de indução magnética giratória dentro do material magnetostritivo. A Patente no U.S. 4,986,808 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um transdutor magnetostritivo. Como descrito na mesma e adequado à presente invenção, o transdutor magnetostritivo pode incluir uma pluralidade de tiras alongadas de material magnetostritivo, sendo que cada tira tem uma extremidade proximal, uma extremidade distal e um corte transversal substancialmente em formato de V com cada braço do V sendo formado por um comprimento longitudinal da tira e cada tira sendo fixada a uma tira adjacente tanto na extremidade proximal quanto na extremidade distal para formar e integrar coluna substancialmente rígida que tem um eixo geométrico central com aletas que se estendem radialmente em relação a esse eixo geométrico.

[0089] A Patente no U.S. 6,150,753 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve transdutor ultrassônico montagem, que tem um alojamento de liga à base de cobalto com pelo menos uma seção de parede plana, e pelo menos um transdutor ultrassônico montado na seção de parede plana, o transdutor ultrassônico disposto de modo operativo para conferir uma força de vibração ultrassônica à seção de parede plana do alojamento. Tanto o material de antecedentes quanto as descrições da patente '753, que descrevem modos de montar transdutores ultrassônicos nas placas de aço inoxidável, podem ser usados na presente invenção para formar acoplamento mecanicamente estável entre transdutores 52/56 e a placa vibratória (ultrassônica) 54. Por exemplo, a liga da marca ULTIMET®, disponível junto à Haynes International, Inc. de Kokomo, Ind. ULTIMET® é uma liga de cobalto-crômio adequada para a presente invenção. Essa liga tem uma composição química nominal (porcentagem em peso) da seguinte maneira: cobalto (54%), crômio (26%), níquel (9%), molibdênio (5%), tungstênio (2%), e ferro (3%). Essa liga também contém quantidades vestigiais (menos do que 1% de porcentagem em peso) de manganês, silício, nitrogênio e carbono.

[0090] A Patente no U.S. 5,247,954 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve um método de ligação dos transdutores de cerâmica piezoelétrica que não excede 250° C. Esse método pode ser usado na presente invenção para formar acoplamento mecanicamente estável entre transdutores 52/56 e placa vibratória (ultrassônica) 54. Por exemplo, uma liga de brasagem de baixa temperatura é usada para ligação entre transdutores de cerâmica piezoelétrica prateada e uma superfície pré-metalizada de placa 54. Essa solda pode ser 96,5% de estanho pré-formado, 3,5%, prata, e se funde em 221° C. Tal solda grudaria nas superfícies de prata e prata/tungstênio que foram lançadas na superfície de placa 54 antes da aplicação da solda de baixa temperatura. A fixação dos transdutores de cerâmica piezoelétrica à placa 54 ocorreria então em uma fornalha que opera em 230° C.

[0091] Em uma modalidade da invenção, um ou mais dispositivos ultrassônicos piezoelétricos são fixados diretamente à placa ou receptor em contato com metal fundido. A Figura 3 retrata um transportador de metal fundido 50 (paredes laterais não mostradas) que tem em sua representação um transdutor ultrassônico piezoelétrico 56 fixado à placa vibratória (ultrassônica) 54. Nessa modalidade, é preferencial (porém, não necessário) usar intensificador 58 para aumentar a potência ultrassônica entregue à placa.

[0092] Em um aspecto da invenção, transdutores piezoelétricos que fornecem a energia vibracional podem ser formados de uma material cerâmico que é prensado entre eletrodos os quais fornecem pontos de fixação para contato elétrico. Uma vez que uma tensão é aplicada à cerâmica através dos eletrodos, a cerâmica se expande e contrai em frequências ultrassônicas. Em uma modalidade da invenção, transdutor piezoelétrico que serve como fonte de energia vibracional 40 é fixado a um amplificador, o qual transfere a vibração para a sonda. A Patente no U.S. 9,061,928 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência) descreve uma montagem de transdutor ultrassônico incluindo um transdutor ultrassônico, um amplificador ultrassônico, uma sonda ultrassônica e um unidade de resfriamento de amplificador. O amplificador ultrassônico na patente ‘928 é conectado ao transdutor ultrassônico para amplificar energia acústica gerada pelo transdutor ultrassônico e transferir a energia acústica amplificada para a sonda ultrassônica. A configuração de amplificador da patente ‘928 pode ser útil aqui na presente invenção para fornecer energia para as sondas ultrassônicas direta ou indiretamente em contato com o meio de resfriamento líquido discutido acima.

[0093] Na verdade, em uma modalidade da invenção, um amplificador ultrassônico é usado no domínio de ultrassom para amplificar ou intensificar a energia vibracional criada por um transdutor piezoelétrico. O amplificador não aumenta ou diminui a frequência das vibrações, o mesmo aumenta a amplitude da vibração. (Quando um amplificador é instalado invertido, o mesmo também pode comprimir a energia vibracional.) Em uma modalidade da invenção, um amplificador conecta entre o transdutor piezoelétrico e a sonda. No caso de usar um amplificador para refino ultrassônico de grãos, abaixo estão um número exemplificativo de etapas de método que ilustram o uso de um amplificador com uma fonte de energia vibracional piezoelétrica:

[0094] 1) Uma corrente elétrica é fornecida para o transdutor piezoelétrico. As peças de cerâmica dentro do transdutor se expandem e contraem uma vez que a corrente elétrica é aplicada, isso converte a energia elétrica para energia mecânica.

[0095] 2) Essas vibrações em uma modalidade são, então, transferidas para um amplificador, o qual amplifica ou intensifica essa vibração mecânica.

[0096] 3) As vibrações amplificadas ou intensificadas no amplificador em uma modalidade são, então, propagadas para a sonda. A sonda está, então, vibrando nas frequências ultrassônicas criando, desse modo, cavitações.

[0097] 4) As cavitações na sonda vibratória impactam a banda de fundição, a qual em uma modalidade está em contato com o metal fundido.

[0098] 5) As cavitações em uma modalidade rompem os dendritos e criam uma estrutura de grão equiaxial.

[0099] Na modalidade da Figura 3, embora não mostrado, pode haver mais do que um transdutor ultrassônico 56 com tais transdutores fixados e uniformemente separados ao longo de um comprimento longitudinal de placa vibratória (ultrassônica) 54. Conforme acima, transdutores 56 não precisam ser uniformemente espaçados. Ademais, os transdutores 56 podem ser espaçados com uma separação lateral em uma direção da largura da placa 54.

[00100] A Figura 4 é a representação de múltiplos transdutores 52/56 fixados em uma matriz bidimensional ao fundo de placa vibratória 54. O padrão de fixação não precisa ser um padrão de grade regular (conforme mostrado). Por exemplo, o padrão de fixação poderia ser espaçado de modo irregular. Alternativamente, o padrão de fixação poderia ser com uma transdutores de maior densidade 52/56 na extremidade da placa vibratória 54 que recebe o metal fundido ou em uma densidade maior ao fim da dispensação do metal fundido. A Figura 5 é a representação de múltiplos transdutores 52/56 fixados no fundo de placa vibratória 54 com uma densidade maior ao fim da dispensação do metal fundido. A Figura 5 também mostra que os transdutores podem ser colocados em uma configuração diagonal ao longo do comprimento da placa receptora. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é transmitida com vibradores acionados mecanicamente. Os vibradores mecanicamente acionados tomariam o lugar de qualquer um ou todos os transdutores 52/56 observados acima.

[00101] Vibradores mecânicos úteis para a invenção podem operar em 8.000 para 15.000 vibrações por minuto, embora frequências superiores e inferiores 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 até mesmo em frequências inferiores até uma fração de uma vibração a cada segundo até as 565 vibrações por segundo. Faixas de acionadas vibrações 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 acionadas mecanicamente adequadas para a invenção na relatórios bibliográficos incluem, por exemplo, de faixas de 133 a 250 Hz, 200 Hz a 283 Hz (12.000 a 17.000 vibrações por minuto), e 4 a 250 Hz. Além disso, uma ampla variedade de oscilações acionadas mecanicamente pode ser impressa na roda de fundição 30 ou no alojamento 44 por um simples martelo ou êmbolo dispositivo acionado periodicamente para atingir a roda de fundição 30 ou o alojamento 44. Em geral, as vibrações mecânicas podem variar até 10 kHz. Consequentemente, faixas adequadas para as vibrações mecânicas usadas na invenção incluem: 0 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 preferencial de 565 a 5.000 Hz.

[00102] Independentemente do tipo do transdutor usado, os transdutores são colocados em contato mecânico ou acústico com placa 54. A brasagem de prata (ou outro tipo de liga de alta temperatura) poderia ser usada para unir o alojamento de transdutor ou o alojamento de intensificador à placa 54. Um meio de resfriamento (ar comprimido, água, fluidos iônicos etc.) pode fluir através de canais interiores de placa 54. A Figura 6A é uma vista lateral de transportador de metal 50 que mostra canais interiores 60 para que o meio de resfriamento flua dispostos em uma espessura da placa 54 e dispostos abaixo das paredes laterais 62. O meio de resfriamento é usado para reduzir a temperatura do metal que flui através da placa. Embora possa haver algum acoplamento da energia vibracional através do meio de resfriamento, a maior parte da energia vibracional é diretamente acoplada do transdutor através de uma seção de metal de placa 54 ao alumínio fundido.

[00103] Em uma modalidade da invenção, um meio de resfriamento (ar comprimido, água, fluidos iônicos etc.) pode fluir através do lado de fundo da placa 54. O meio de resfriamento é usado para reduzir a temperatura do metal que flui através da placa. Esse método de resfriamento é externo da placa e não é disposto na (ou confinado dentro da) espessura da placa 54. Aqui, em um exemplo, um sistema de vórtice de ar forçado sopra um gás através do lado de fundo de placa 54.

[00104] A espessura da placa vibratória 54 pode variar entre 5 cm e 0,5 cm. A espessura da placa vibratória 54 também pode variar entre 3 cm e 1 cm. A espessura da placa vibratória 54 também pode variar entre 2 cm e 1,5 cm. A espessura da placa vibratória 54 não é necessariamente uniforme ao longo de seu comprimento ou largura. A placa vibratória 54 pode ter seções mais fina que podem atuar mais como um diafragma e amplificar as vibrações. Para placas vibratórias finas, o resfriamento pode ser fornecido pela fixação de tubos de resfriamento à placa 54 e/ou paredes laterais 62. Embora retratado aqui com transdutores montados no fundo de placa 54, os transdutores poderiam ser adicional ou alternativamente colocado na parede lateral 62.

[00105] Em uma modalidade da invenção, a placa vibratória 54 pode ser o fundo de um dispositivo de escoamento, tal como o fundo do bico de escoamento 11 mostrado na Figura 1. Alternativamente, o transportador de metal fundido 50 pode aceitar metal fundido do bico de escoamento 11 e então entregar metal fundido em uma roda de fundição. A Figura 6B é uma vista de um transportador de metal/ dispositivo de escoamento 55 de acordo com a invenção. No dispositivo 55 mostrado na Figura 6B, há um dispositivo de escoamento (por exemplo, bico de escoamento 11 mostrado na Figura 1 ou tina de fusão 245 na Figura 10) é configurado e posicionado para entregar metal fundido no transportador de metal fundido 50 discutido acima. O metal fundido é transportado ao longo do transportador de metal fundido 50 (por exemplo, por gravidade) em que o mesmo é submetido a resfriamento e a energia vibracional observada acima. O metal fundido que sai o transportador de metal fundido 50 contém núcleos inúmeros núcleos que não são dependentes de impurezas estranhas.

[00106] Embora água seja um meio de resfriamento conveniente, outros refrigerantes podem ser usados. Em uma modalidade da invenção, o meio de resfriamento é um líquido super gelado (por exemplo, líquidos a ou abaixo de 0 °C a - 196 °C líquido, isto é, um líquido entre as temperaturas de gelo e nitrogênio líquido). Em uma modalidade da invenção, um líquido super gelado tal como nitrogênio líquido é acoplado a uma fonte de energia ultrassônica ou outra vibracional. O efeito líquido é um aumento nas taxas de solidificação que permite processamento mais rápido. Em uma modalidade da invenção, o meio de resfriamento que sai da sonda (ou sondas) não apenas criará cavitações, mas também atomizará e super resfriará o metal fundido. Em uma modalidade preferencial, isso resulta em um aumento na transferência de calor na zona da roda de fundição.

[00107] Em uma modalidade da invenção, como mostrado na Figura 7, o moinho de fundição 2 inclui uma roda de fundição 30a que tem uma estrutura de contenção 32 (por exemplo, uma calha ou canal na roda de fundição 30) na qual metal fundido é despejado (por exemplo, fundido). A Figura 7 mostra uma modalidade em que um dispositivo de processamento de metal fundido 34 é opcionalmente incluído. O dispositivo de processamento de metal fundido 34 é descrito no n° de série U.S. 15/337,645 observado acima (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência). Uma banda 36 (por exemplo, uma banda metálica flexível de aço) confina o metal fundido à estrutura de contenção 32 (isto é, o canal). Cilindros 38 permitem que o dispositivo de processamento de metal fundido 34 permaneça 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 no dispositivo de processamento de metal fundido 34.

[00108] Em resumo, o dispositivo de processamento de metal fundido 34 inclui uma montagem 42 montada na roda de fundição 30. A montagem 42 inclui pelo menos uma fonte de energia vibracional (por exemplo, vibrador 40), um alojamento 44 (isto é, um dispositivo de sustentação) que mantém a fonte de energia vibracional 42. A montagem 42 inclui pelo menos um canal de resfriamento 46 para transporte de um meio de resfriamento através do mesmo. A banda flexível 36 é vedada para o alojamento 44 por uma vedação 44a fixada ao lado inferior do alojamento permitindo, desse modo, que o meio de resfriamento no canal de resfriamento flua ao longo de um lado da banda flexível oposto ao metal fundido no canal da roda de fundição.

[00109] A banda de fundição (isto é, um receptor de energia vibracional) pode ser produzida de pelo menos um ou mais dentre cromo, nióbio, uma liga de nióbio, titânio, uma liga de titânio, tântalo, uma liga de tântalo, cobre, uma liga de cobre, níquel, uma liga de níquel, rénio, uma liga de rénio, aço, molibdênio, uma liga de molibdênio, alumínio, uma liga de alumínio, aço inoxidável, uma cerâmica, um compósito, ou um metal ou ligas e combinações dos acima.

[00110] Uma largura da banda de fundição pode variar entre 25 mm a 400 mm. Em outra modalidade da invenção, uma largura da banda de fundição varia entre 50 mm a 200 mm. Em outra modalidade da invenção, uma largura da banda de fundição varia entre 75 mm a 100 mm.

[00111] Uma espessura da banda de fundição pode variar entre 0,5 mm a 10 mm. Em outra modalidade da invenção, uma espessura da banda de fundição varia entre 1 mm a 5 mm. Em outra modalidade da invenção, uma espessura da banda de fundição varia entre 2 mm a 3 mm.

[00112] À medida que o metal fundido passa sob a banda de metal 36 sob o vibrador 40, quando o dispositivo de processamento de metal fundido 34 opcional é utilizado, a energia vibracional é adicionalmente abastecido ao metal fundido à medida que o metal começa a resfriar e se solidificar. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é transmitida com transdutores ultrassônicos gerada, por exemplo, por transdutor ultrassônico de dispositivos piezoelétricos. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é transmitida com transdutores ultrassônicos gerada, por exemplo, por um transdutor magnetostritivo. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional é transmitida com vibradores acionados mecanicamente (a serem discutidos posteriormente). A energia vibracional em uma modalidade permite a formação de múltiplas pequenas sementes produzindo, desse modo, um produto de metal de grão fino. Essas fontes de energia vibracional são o mesmo tipo de fontes conforme descrito acima em referência às Figuras 2 a 5.

[00113] Em um aspecto, o canal da roda de fundição 30 pode ser um metal refratário ou outro material para alta temperatura tal como cobre, ferros e aços, nióbio, nióbio e molibdênio, tântalo, tungstênio e rênio, e ligas dos mesmos incluindo um ou mais elementos tais como silício, oxigênio ou nitrogênio o que pode estender os pontos de fusão desses materiais.

[00114] Em uma modalidade da invenção, a fonte de vibrações ultrassônicas para a energia vibracional (à placa 54 ou para uso no dispositivo de processamento de metal fundido 34) fornece uma potência de 1,5 kW em uma frequência acústica de 20 kHz. Essa 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.

[00115] Potência: Em geral, potências entre 50 e 5.000 W para cada sonotrodo, dependendo das dimensões do sonotrodo ou sonda. Essas potências são aplicadas, tipicamente, ao sonotrodo para garantir que a densidade de potência na extremidade do sonotrodo seja superior a 100 W/cm2, o que pode ser considerado o limiar para provocar cavitação em metais fundidos dependendo da taxa de resfriamento do metal fundido, do tipo de metal fundido, e outros fatores. As potências nessa área podem variar de 50 a 5.000 W, 100 a 3.000 W, 500 a 2.000 W, 1.000 a 1.500 W ou qualquer faixa intermediária ou sobreposta. Potências superiores para sonda/sonotrodo maior e potências inferiores para sonda menor são possíveis. Em várias modalidades da invenção, a densidade de potência de energia vibracional aplicada pode variar de 10 W/cm2 a 500 W/cm2, ou 20 W/cm2 a 400 W/cm2, ou 3 0 W/cm2 a 300 W/cm2, ou 50 W/cm2 a 2 00 W/cm2, ou 7 0 W/cm2 a 150 W/cm2, ou quaisquer faixas intermediárias ou sobrepostas às mesmas.

[00116] Frequência: Em geral, 5 a 400 kHz (ou qualquer faixa intermediária) pode ser usada. Alternativamente, 10 e 30 kHz (ou qualquer faixa intermediária) podem ser usadas. Alternativamente, 15 e 25 kHz (ou qualquer faixa intermediária) podem ser usadas. A frequência aplicada pode variar de 5 a 400 KHz, 10 a 30 kHz, 15 a 25 kHz, 10 a 200 KHz ou 50 a 100 kHz ou quaisquer faixas intermediárias ou sobrepostas às mesmas.

[00117] Embora descrito acima em relação às modalidades ultrassônica e mecanicamente acionada (aplicáveis à placa 54 ou para uso no dispositivo de processamento de metal fundido 34), a invenção não é tão 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 ou múltiplas frequências. Adicionalmente, uma combinação de fontes (fontes ultrassônica e acionada mecanicamente, ou fontes ultrassônicas diferentes, ou fontes acionadas mecanicamente diferentes ou fontes de energia acústica a ser descrita abaixo) pode ser usada.

Aspectos da Invenção

[00118] Em um aspecto da invenção, a energia vibracional (em vibradores de baixa frequência acionados mecanicamente na faixa de 8.000 a 15.000 vibrações por minuto ou até 10 KHz e/ou frequências ultrassônicas na faixa de 5 a 400 kHz) pode ser aplicada ao transportador de metal fundido 50 ou dispositivo de processamento de metal fundido 34 ou ambos. 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 diversas ligas de metal incluindo, porém, sem limitação, aqueles metais e ligas listados abaixo: Alumínio, Cobre, Ouro, Ferro, Níquel, Platina, Prata, Zinco, Magnésio, Titânio, Nióbio, Tungstênio, Manganês, Ferro, e ligas e combinações dos mesmos; ligas de metais incluindo- Latão (Cobre/Zinco), Bronze (Cobre/Estanho), Aço (ferro/Carbono), Chromalloy (cromo), Aço Inoxidável (aço/Cromo), Aço para Ferramentas (Carbono/Tungstênio/Manganês, Titânio (Ferro/alumínio)) e graus padronizados de ligas de Alumínio incluindo - séries 1100, 1350, 2024, 2224, 5052, 5154, 5356, 5183, 6101, 6201, 6061, 6053, 7050, 7075, 8XXX; ligas de cobre incluindo, bronze (observado acima) e cobre ligado com uma combinação de Zinco, Estanho, Alumínio, Silício, Níquel, Prata; Magnésio ligado com - Alumínio, Zinco, Manganês, Silício, Cobre, Níquel, Zircônio, Berílio, Cálcio, Cério, Neodímio, Estrôncio, Estanho, Ítrio, terras raras; Ferro e Ferro ligado com Cromo, Carbono, Silício Cromo, Níquel, Potássio, Plutônio, Zinco, Zircônio, Titânio, Chumbo, Magnésio, Estanho, Escândio; e outras ligas e combinações dos mesmos.

[00119] Em um aspecto da invenção, a energia vibracional (de vibradores mecanicamente acionados 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 a 400 kHz) é acoplada através de placa 54 ou banda 36 ou ambas no metal de solidificação respectivamente no transportador de metal fundido 50 ou sob dispositivo de processamento de metal fundido 34. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional é acoplada mecanicamente entre 565 e 5.000 Hz. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional é acionada mecanicamente até mesmo em frequências inferiores até uma fração de um vibração a cada segundo até as 565 vibrações por segundo. Em um aspecto da invenção, a energia vibracional é acionado de modo ultrassônico em frequências na faixa de 5 kHz a 400 kHz.

[00120] 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 dentre ar comprimido ou nitrogênio. Conforme observado acima, um sistema de vórtice de ar forçado pode ser usado para abastecer um gás para resfriar a placa 54. Em um aspecto, o meio de resfriamento pode ser um material de mudança de fase. É preferencial que o meio de resfriamento seja fornecido em uma taxa suficiente para subresfriar o metal adjacente à banda 36 (menos do que 5 a 10 °C acima da temperatura liquidus da liga ou até mesmo inferior à temperatura liquidus).

[00121] Em um aspecto da invenção, grãos equiaxiais dentro do produto fundido são obtidos sem a necessidade de adicionar partículas de impureza, tais como boreto de titânio, no metal ou liga metálica para aumentar o número de grãos e melhorar solidificação heterogênea uniforme. Em vez de usar os agentes nucleantes, em um aspecto da invenção, energia vibracional pode ser usada para criar locais nucleantes.

[00122] Durante operação, metal fundido a uma temperatura substancialmente superior à temperatura liquidus da liga flui por gravidade do transportador de metal fundido 50 para o canal da roda de fundição 30 e passa opcionalmente sob o dispositivo de processamento de metal fundido 34 onde o mesmo é exposto a energia vibracional (isto é, vibrações ultrassônicas ou acionadas mecanicamente). A temperatura do metal fundido que flui para o canal da fundição depende do tipo de liga escolhido, da taxa de derramamento e do tamanho da canal de roda de fundição, entre outros. Para ligas de alumínio, a temperatura de fundição pode variar de 1.220 F a 1.350 F, com faixas preferenciais entre algo como, por exemplo, 1.220 a 1.300 F, 1.220 a 1.280 F, 1.220 a 1.270 F, 1.220 a 1.340 F, 1.240 a 1.320 F, 1.250 a 1.300 F, 1.260 a 1.310 F, 1.270 a 1.320 F, 1.320 a 1.330 F, com faixas sobrepostas e intermediárias e variâncias de +/- 10 graus F também adequadas. O canal de roda de fundição 30 é resfriado para garantir que o metal fundido no canal esteja próximo à temperatura sub-liquidus (por exemplo, menos do que 5 a 10 °C acima a temperatura liquidus da liga ou até mesmo inferior à temperatura liquidus, embora a temperatura de derramamento pode ser muito superior a 10 °C). Durante operação, a atmosfera ao redor do metal fundido pode ser controlada por meio de um invólucro (não mostrado) o qual é preenchido ou purgado, 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 no qual o metal fundido se converte de um líquido para um sólido.

[00123] Como um resultado do subresfriamento próximo à subtemperatura liquidus, 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 fundida. A não uniformidade de composição química resulta em segregação. Além disso, a quantidade de segregação é relacionada diretamente aos coeficientes de difusão dos vários elementos no metal fundido bem como às taxas de transferência de calor. Outro tipo de segregação é o local onde constituintes com os pontos de fusão inferiores congelarão primeiro.

[00124] Nas modalidades de vibração ultrassônica ou mecanicamente acionada da invenção, a energia vibracional agita o metal fundido à medida que a mesma resfria, independentemente de o metal fundido estar no transportador de metal fundido 50 ou sob o dispositivo de processamento de metal fundido 34. Nessa modalidade, a energia vibracional é transmitida com um energia que agita e agita de modo eficaz o metal fundido. Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional acionada mecanicamente serve para agitar continuamente o metal fundido conforme o mesmo resfria. Em vários processos de liga de fundição, é desejável ter altas concentrações de silício em uma liga de alumínio. Entretanto, em concentrações de silício superiores, precipitados de silício podem se formar. Ao “remisturar” esses precipitados de volta para o estado fundido, silício elementar pode voltar, pelo menos parcialmente, para solução. Alternativamente, mesmo se o precipitados permanecer, a mistura não resultará nos precipitados de silício serem segregados provocando, desse modo, desgaste mais abrasivo na matriz e cilindros de metal a jusante.

[00125] Em vários sistemas de liga de metal, o mesmo tipo de efeito ocorre onde um componente da liga (tipicamente o componente de ponto de fusão superior) precipita em uma forma pura “contaminando” de fato a liga com partículas do componente puro. Em geral, quando de funde uma liga, segregação ocorre, de modo que a concentração de soluto não é constante por toda a fundição. Isso pode ser provocado por diversos processos. Microssegregação, que ocorre por distâncias comparáveis ao tamanho do espaçamento de braço de dendrito, acredita-se que seja um resultado do primeiro sólido formado ser de uma concentração inferior à concentração de equilíbrio final, que resulta em particionamento do excesso de soluto no líquido, de modo que sólido formado posteriormente tenha uma concentração superior. Macrossegregação ocorre por distâncias similares ao tamanho da fundição. Isso pode ser provocado por diversos processos complexos que envolvem efeitos de encolhimento conforme a fundição se solidifica, e uma variação na densidade do líquido conforme o soluto é particionado. É desejável impedir segregação durante a fundição, para fornecer um tarugo sólido que tenha propriedades uniformes do começo ao fim.

[00126] Consequentemente, algumas ligas que se beneficiariam do tratamento de energia vibracional da invenção incluem aquelas ligas observadas acima.

[00127] A Figura 8 é um esquema de uma configuração de roda de fundição, de acordo com uma modalidade da invenção, especificamente com um dispositivo de sonda vibracional 86 que tem uma sonda (não mostrada) inserida diretamente no metal fundido, fundido em uma roda de fundição 80. O metal fundido pode ser abastecido à roda de fundição 80 pelo transportador de metal fundido 50 (descrito acima). A sonda do dispositivo de sonda vibracional 86 seria de uma construção similar à conhecida na técnica para desgaseificação ultrassônica. A Figura 8 retrata um cilindro 82 que pressiona a banda 88 sobre um aro da roda de fundição 80. O dispositivo de sonda vibracional 86 acopla energia vibracional (energia ultrassônica ou acionada mecanicamente) direta ou indiretamente no metal fundido, fundido em um canal (não mostrado) da roda de fundição 80. Conforme a roda de fundição 80 gira no sentido anti-horário, o metal fundido transita sob o cilindro 82 e entra em contato com dispositivo de resfriamento de metal fundido opcional 84.

[00128] Nessa modalidade, energia vibracional pode ser acoplada ao metal fundido in roda de fundição 80 enquanto o mesmo é resfriado através de um ar ou gás. Em outra modalidade, osciladores acústicos (por exemplo, amplificadores de áudio) podem ser usados para gerar e transmitir ondas acústicas para o metal fundido. Nessa modalidade, os vibradores ultrassônicos ou acionados mecanicamente discutidos acima seriam substituídos por ou complementados pelos osciladores acústicos. Amplificadores de áudio adequados para a invenção forneceriam oscilações acústicas de 1 a 20.000 Hz. Oscilações acústicas superiores ou inferiores a esse faixa podem ser usadas. Por exemplo, oscilações acústicas de 0,5 a 20 Hz; 10 a 500 Hz, 200 a 2.000 Hz, 1.000 a 5.000 Hz, 2.000 a 10.000 Hz, 5.000 a 14.000 Hz, e 10.000 a 16.000 Hz, 14.000 a 20.000 Hz, e 18.000 a 25.000 Hz podem ser usadas. Transdutores eletroacústicos podem ser usados para gerar e transmitir a energia acústica.

[00129] Em uma modalidade da invenção, a energia acústica pode ser acoplada através de um meio gasoso diretamente ao 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 ao metal fundido onde a energia acústica vibra a banda 36 ou outra estrutura de sustentação contendo o metal fundido, a qual por sua vez, vibra o metal fundido.

[00130] A presente invenção também tem utilidade em moldes estacionários e em moinhos de fundição vertical.

[00131] Para moinhos estacionários, o metal fundido seria despejado em um fundido estacionário 62 tal como aquele mostrado na Figura 9, o qual tem, ele próprio, um dispositivo de processamento de metal fundido 34 (mostrado esquematicamente). Em uma modalidade, o dispositivo de processamento de metal fundido 34 seria substituído ou suplementado com o transportador de metal fundido 50. Dessa forma, energia vibracional (em vibradores de baixa frequência acionados mecanicamente que operam até 10 KHz e/ou frequências ultrassônicas na faixa de 5 a 400 kHz) pode induzir nucleação em pontos no fundido estacionário onde o metal fundido está começando a resfriar do estado fundido e entrar no estado sólido (isto é, o estado de parada térmica).

[00132] As Figuras 10A a 10D retratam componentes selecionados de um moinho de fundição vertical. Mais detalhes desses componentes e outros aspectos de um moinho de fundição vertical são encontrados na Patente no U.S. 3,520,352 (cujo conteúdo é incorporado em sua totalidade ao presente documento a título de referência). Como mostrado nas Figuras 10A a 10D, o moinho de fundição vertical inclui uma cavidade de fundição de metal fundido 213, a qual é, em geral, quadrada na modalidade ilustrada, mas que pode ser redonda, elíptica, poligonal ou qualquer outro formato adequado, e é delimitada por primeiras porções de parede verticais que se cruzam mutuamente 215, e segundas porções de parede, ou de canto, 217, situadas na porção superior do molde. Um invólucro de retenção de fluido 219 circunda as paredes 215 e membros de canto 217 da cavidade de fundição em relação separada das mesmas. O invólucro 219 é adaptado para receber um fluido de resfriamento, tal como água, através de um conduto de entrada 221, e para descarregar o fluido de resfriamento através de um conduto de saída 223.

[00133] Embora as primeiras porções de parede 215 sejam, preferencialmente, produzidas de um material altamente condutor térmico tal como cobre, as segundas porções de parede, ou de canto 217 são construídas de material menos condutor térmico, tal como, por exemplo, um material cerâmico. Como mostrado nas Figuras 10A a 10D, as porções de parede de canto 217 têm um corte transversal, em geral, em formato de L ou angular, e as bordas verticais de cada canto se inclinam para baixo e convergentemente entre si. Assim, o membro de canto 217 termina em algum nível conveniente no molde acima da extremidade de descarga do molde a qual está entre as seções transversais.

[00134] Em operação, o metal fundido flui em um distribuidor 245 para um molde de fundição que reciproca verticalmente e um filamento fundido de metal é retirado continuamente do molde. O metal fundido é primeiro arrefecido no molde ao contatar o refrigerante nas paredes do molde na que pode ser considerada como uma primeira zona de resfriamento. A tina de fusão 245 poderia incluir como parte de sua configuração, o transportador fundido 50 ou o transportador fundido 50 poderia ser disposto entre tina de fusão 245 e a cavidade de fundição de metal fundido 213. Calor é removido rapidamente do metal fundido nessa zona, e acredita-se que uma película de material é se forma completamente ao redor de um poço central de metal fundido.

[00135] Em uma modalidade da invenção, a energia vibracional fontes do transportador fundido 50 geram núcleos no metal fundido antes de o metal fluir ao molde estacionário. Em uma modalidade da invenção, o refino ultrassônico de grãos descrito acima é combinado com desgaseificação ultrassônica observada acima para remover impurezas no banho de fundido antes do metal ser fundido.

[00136] A Figura 11 é um esquema que retrata uma modalidade da invenção que utiliza tanto desgaseificação ultrassônica quanto refinamento de grão ultrassônico. Como mostrado na mesma, um forno é uma fonte de metal fundido. O metal fundido é transportado em um duto no forno. Em uma modalidade da invenção, um desgaseificador ultrassônico é disposto no trajeto de duto antes de o metal fundido ser fornecido para uma máquina de fundição (por exemplo, roda de fundição) contendo um refinador de grão ultrassônico (não mostrado). Em uma modalidade da invenção, o desgaseificador ultrassônico é disposto no transportador de metal fundido 50 antes do metal fundido ser fornecido a uma máquina de fundição (por exemplo, vertido em uma roda de fundição).

[00137] Embora não limitada aos desgaseificadores ultrassônicos específicos a seguir, a patente ‘336 descreve desgaseificadores que são adequados para modalidades diferentes da presente invenção. Um desgaseificador adequado seria um dispositivo ultrassônico que tem um transdutor ultrassônico; uma sonda alongada que compreende uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade fixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade que compreende uma ponta; e um sistema de distribuição de gás de purga, em que o sistema de distribuição de gás de purga pode compreender uma entrada de gás de purga e uma saída de gás de purga. Em algumas modalidades, a saída 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 saída de gás de purga pode estar na ponta da sonda alongada. Além disso, o dispositivo ultrassônico pode compreender múltiplas montagens de sonda e/ou múltiplas sondas por transdutor ultrassônico.

[00138] Embora não limitada aos desgaseificadores ultrassônicos específicos a seguir, a patente ‘397 descreve desgaseificadores que também são adequados para modalidades diferentes da presente invenção. Um desgaseificador adequado seria um dispositivo ultrassônico que tem um transdutor ultrassônico; uma sonda fixada ao transdutor ultrassônico, sendo que a sonda compreende uma ponta; e um sistema de distribuição de gás, em que o sistema de distribuição de gás compreende uma entrada de gás, um trajeto de fluxo de gás através da sonda, e uma saída de gás na ponta da sonda. Em uma modalidade, a sonda pode ser uma sonda alongada que compreende uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, sendo que a primeira extremidade fixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreende uma ponta. Além disso, a sonda pode compreender aço inoxidável, titânio, nióbio, uma cerâmica, e similares, ou uma combinação de qualquer um desses materiais. Em outra modalidade, a sonda ultrassônica pode ser uma sonda de SIALON unitária com o sistema de distribuição de gás integrado através da mesma. Em ainda outra modalidade, o dispositivo ultrassônico pode compreender múltiplas montagens de sonda e/ou múltiplas sondas por transdutor ultrassônico.

[00139] Em uma modalidade da invenção, desgaseificação ultrassônica com o uso, por exemplo, das sondas ultrassônicas discutidas acima complementa o refinamento de grão 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 em uma faixa de cerca de 1 a cerca de 50 l/min. Por uma revelação de que a vazão está em uma faixa de cerca de 1 a cerca de 50 l/min, a vazão pode ser cerca de 1, cerca de 2, cerca de 3, cerca de 4, cerca de 5, cerca de 6, cerca de 7, cerca de 8, cerca de 9, cerca de 10, cerca de 1, cerca de 12, cerca de 13, cerca de 14, cerca de 15, cerca de 16, cerca de 17, cerca de 18, cerca de 19, cerca de 20, cerca de 21, cerca de 22, cerca de 23, cerca de 24, cerca de 25, cerca de 26, cerca de 27, cerca de 28, cerca de 29, cerca de 30, cerca de 31, cerca de 32, cerca de 33, cerca de 34, cerca de 35, cerca de 36, cerca de 37, cerca de 38, cerca de 39, cerca de 40, cerca de 41, cerca de 42, cerca de 43, cerca de 44, cerca de 45, cerca de 46, cerca de 47, cerca de 48, cerca de 49, ou cerca de 50 l/min. Adicionalmente, a vazão pode estar dentro de qualquer faixa de cerca de 1 a cerca de 50 l/min (por exemplo, a vazão está em uma faixa de cerca de 2 a cerca de 20 l/min), e isso também inclui qualquer combinação de faixas entre cerca de 1 e cerca de 50 l/min. Faixas intermediárias são possíveis. Da mesma forma, todas as outras faixas reveladas no presente documento devem ser interpretadas de uma maneira similar.

[00140] Modalidades da presente invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grão ultrassônico podem fornecer sistemas, métodos e/ou dispositivos para a desgaseificação ultrassônica de metais fundidos incluídos, porém, sem limitação, alumínio, cobre, aço, zinco, magnésio, e similares, ou combinações desses e outro metais (por exemplo, ligas). O processamento ou fundição de objetos em 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, cobre fundido pode ser mantido a temperaturas de cerca de 1.100 °C., enquanto alumínio fundido pode ser mantido a temperaturas de cerca de 750 °C.

[00141] Conforme usado no presente documento, os termos “banho”, “banho de metal fundido”, e similares, se destinam a abranger qualquer recipiente que possa conter um metal fundido, inclusive de recipiente, cadinho, calha, duto, forno, concha, e assim por diante. 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 está, em geral, estático (por exemplo, frequentemente associado a um cadinho) e em que o metal fundido está, em geral, em movimento (por exemplo, frequentemente associado a um duto).

[00142] 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 ou fundição final do objeto de metal desejado. Existe uma necessidade de que esses instrumentos ou dispositivos resistam melhor às temperaturas elevadas encontradas em banhos de metal fundido, que tenham beneficamente uma vida útil mais longa e limitada a nenhuma reatividade com o metal fundido, quer o metal seja (ou o metal compreenda) alumínio, ou cobre, ou aço, ou zinco, ou magnésio, e assim por diante.

[00143] Além disso, metais fundidos podem ter um ou mais gases dissolvidos nos mesmos, e esses gases podem impactar negativamente a produção e fundição final do objeto de metal desejado, e/ou as propriedades físicas resultantes do próprio objeto de metal. Por exemplo, o gás dissolvido no metal fundido pode compreender hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, e similares, ou combinações dos mesmos. Em algumas circunstâncias, pode ser vantajoso remover o gás, ou reduzir a quantidade do gás no metal fundido. Como um exemplo, hidrogênio dissolvido pode ser prejudicial na fundição de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) e, portanto, as propriedades de objetos acabados produzidos em alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) podem ser melhoradas reduzindo-se a quantidade de hidrogênio arrastado no banho fundido de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga). Hidrogênio dissolvido acima de 0,2 ppm, acima de 0,3 ppm, ou acima de 0,5 ppm, em uma base em massa, pode ter efeitos prejudiciais nas taxas de fundição e na qualidade das hastes de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) resultantes e outros objetos. O hidrogênio pode entrar no banho de alumínio fundido (ou cobre, ou outro metal ou liga) por sua presença na atmosfera acima do banho que contém o alumínio fundido (ou cobre, ou outro metal ou liga), ou o mesmo pode estar presente na matéria-prima de partida de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) usada no banho de alumínio (ou cobre, ou outro metal ou liga) fundido.

[00144] Tentativas para reduzir as quantidades de gases dissolvidos em banhos de metal fundido não têm sido completamente bem sucedidas. Frequentemente, esses processos no passado envolveram equipamento adicional e dispendioso, bem como materiais potencialmente perigosos. Por exemplo, um processo usado na indústria de fundição de metal para reduzir o conteúdo de gás dissolvido de um metal fundido pode consistir em rotores produzidos de um material tal como grafite, e esses rotores podem ser colocados dentro do banho de metal fundido. Gás cloro adicionalmente pode ser adicionado ao banho de metal fundido em posições adjacentes aos rotores dentro do banho de metal fundido. Embora adição de gás cloro possa ser bem sucedida na redução, por exemplo, da quantidade de hidrogênio dissolvido em um banho de metal fundido em algumas situações, esse processo convencional tem desvantagens perceptíveis, algumas das quais são custo, complexidade, e o uso de gás cloro potencialmente perigoso e potencialmente nocivo ao meio ambiente.

[00145] Adicionalmente, metais fundidos podem ter impurezas presentes nos mesmos, e essas impurezas podem impactar negativamente a produção e fundição final do objeto de metal desejado, e/ou as propriedades físicas resultantes do próprio objeto de metal. Por exemplo, a impureza no metal fundido pode compreender um metal alcalino ou outro metal cuja presença não seja exigida nem desejada no metal fundido. Pequenos percentuais de certos metais estão presentes em várias ligas de metal, e tais metais não seriam considerados como impurezas. Como exemplos não limitantes, impurezas podem compreender lítio, sódio, potássio, chumbo, e similares, ou combinações dos mesmos. Várias impurezas podem entrar em um banho de metal fundido (alumínio, cobre, ou outro metal ou liga) por sua presença na matéria-prima de partida de metal recebida usada no banho de metal fundido.

[00146] Modalidades dessa invenção relacionadas a desgaseificação ultrassônica e refinamento de grão ultrassônico podem fornecer métodos para reduzir uma quantidade de um gás dissolvido em um banho de metal fundido ou, em linguagem alternativa, métodos para desgaseificar metais fundidos. Esse método pode compreender operar um dispositivo ultrassônico no banho de metal fundido, e introduzir um gás de purga no banho de metal fundido em grande proximidade ao dispositivo ultrassônico. O gás dissolvido pode ser ou pode compreender oxigênio, hidrogênio, dióxido de enxofre, e similares, ou combinações dos mesmos. Por exemplo, o gás dissolvido pode ser ou pode compreender hidrogênio. O banho de metal fundido pode compreender alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, e similares, ou misturas e/ou combinações dos mesmos (por exemplo, incluindo várias ligas de alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, etc.). Em algumas modalidades relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão 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.

[00147] Além disso, modalidades dessa invenção podem fornecer métodos para reduzir uma quantidade de uma impureza presente em um banho de metal fundido ou, em linguagem alternativa, métodos para remover impurezas. Esse método relacionado à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico pode compreender operar um dispositivo ultrassônico no banho de metal fundido, e introduzir um gás de purga no banho de metal fundido em grande proximidade ao dispositivo ultrassônico. A impureza pode ser ou pode compreender lítio, sódio, potássio, chumbo, e similares, ou combinações dos mesmos. Por exemplo, a impureza pode ser ou pode compreender lítio ou, alternativamente, sódio. O banho de metal fundido pode compreender alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, e similares, ou misturas e/ou combinações dos mesmos (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 no banho pode ser alumínio ou, alternativamente, o metal fundido pode ser cobre.

[00148] O gás de purga relacionado à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico empregados nos métodos de desgaseificação e/ou nos métodos de remover impurezas revelados no presente documento pode compreender um ou mais dentre nitrogênio, hélio, néon, argônio, criptônio, e/ou xenônio, mas não é limitado a esses É contemplado que qualquer gás adequado possa ser usado como um gás de purga, desde que o gás não reaja ou dissolva apreciavelmente no metal (ou metais) específico no banho de metal fundido. Adicionalmente, misturas ou combinações de gases podem ser empregadas. De acordo com algumas modalidades reveladas no presente documento, 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, néon, argônio, ou combinações dos mesmos; alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender hélio; alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender néon; ou alternativamente, o gás de purga pode ser ou pode compreender argônio. Adicionalmente, em algumas modalidades, a técnica de desgaseificação convencional pode ser usada em conjunto com processos de desgaseificação ultrassônica revelados no presente documento. Consequentemente, o gás de purga pode adicionalmente compreender gás cloro em algumas modalidades, tais como o uso de gás cloro como o gás de purga isoladamente ou em combinação com pelo menos um dentre nitrogênio, hélio, néon, argônio, criptônio e/ou xenônio.

[00149] Entretanto, em outras modalidades dessa invenção, métodos relacionados à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico para desgaseificar ou reduzir uma quantidade de um gás dissolvido em um banho de metal fundido podem ser conduzidos na ausência substancial de gás cloro, ou sem gás cloro presente. Conforme usado no presente documento, uma ausência substancial significa que não mais do que 5% de gás cloro em peso pode ser usado, com base na quantidade de gás de purga usado. Em algumas modalidades, os métodos revelados no presente documento podem compreender introduzir um gás de purga, e esse gás de purga pode ser selecionado no grupo que consiste em nitrogênio, hélio, néon, argônio, criptônio, xenônio, e combinações dos mesmos.

[00150] A quantidade do gás de purga introduzida no banho de metal fundido pode variar dependendo de diversos fatores. Frequentemente, a quantidade do gás de purga relacionado à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico introduzida em um método de desgaseificar metais fundidos (e/ou em um método de remover impurezas em metais fundidos) de acordo com modalidades dessa invenção pode estar dentro de uma faixa de cerca de 0,1 a cerca de 150 litros padrão/min (l/min). Em algumas modalidades, a quantidade do gás de purga introduzido pode estar em uma faixa de cerca de 0,5 a cerca de 100 l/min, de cerca de 1 a cerca de 100 l/min, de cerca de 1 a cerca de 50 l/min, de cerca de 1 a cerca de 35 l/min, de cerca de 1 a cerca de 25 l/min, de cerca de 1 a cerca de 10 l/min, de cerca de 1,5 a cerca de 20 l/min, de cerca de 2 a cerca de 15 l/min, ou de cerca de 2 a cerca de 10 l/min. Essas vazões volumétricas estão em litros padrão por minuto, isto é, em padrões de uma temperatura (21,1 °C) e pressão (101 kPa) padrões.

[00151] Em operações de metal fundido contínuas ou semicontínuas, a quantidade do gás de purga introduzido no banho de metal fundido pode variar com base na saída ou taxa de produção de metal fundido. Consequentemente, a quantidade do gás de purga introduzido em um método de desgaseificar metais fundidos (e/ou em um método de remover impurezas de metais fundidos) de acordo com tais modalidades relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico pode estar dentro de uma faixa de cerca de 10 a cerca de 500 ml/hr de gás de purga por kg/hr de metal fundido (ml de gás de purga/kg de metal fundido). Em algumas modalidades, a razão entre a vazão volumétrica do gás de purga e a taxa de saída do metal fundido pode ser em uma faixa de cerca de 10 a cerca de 400 ml/kg; alternativamente, de cerca de 15 a cerca de 300 ml/kg; alternativamente, de cerca de 20 a cerca de 250 ml/kg; alternativamente, de cerca de 30 a cerca de 200 ml/kg; alternativamente, de cerca de 40 a cerca de 150 ml/kg; ou alternativamente, de cerca de 50 a cerca de 125 ml/kg. Como acima, a vazão volumétrica do gás de purga está em uma temperatura (21,1 °C) e pressão (101 kPa) padrões.

[00152] Métodos para desgaseificar metais fundidos consistente com modalidades dessa invenção e relacionados à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico podem ser eficazes para remover mais do que cerca de 10 por cento 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 reduzida por mais do que cerca de 10 por cento em peso na quantidade de gás dissolvido presente antes do processo de desgaseificação ter sido empregado. Em algumas modalidades, a quantidade de gás dissolvido presente pode ser reduzida por mais do que cerca de 15 por cento em peso, mais do que cerca de 20 por cento em peso, mais do que cerca de 25 por cento em peso, mais do que cerca de 35 por cento em peso, mais do que cerca de 50 por cento em peso, mais do que cerca de 75 por cento em peso, ou mais do que cerca de 80 por cento em peso, na quantidade de gás dissolvido presente antes do método de desgaseificação ter sido empregado. Por exemplo, se o gás dissolvido for hidrogênio, níveis de hidrogênio em banho fundido contendo uma quantidade de alumínio ou cobre maior do que cerca de 0,3 ppm ou 0,4 ppm ou 0,5 ppm (em uma base em massa) pode ser prejudicial e, frequentemente, o conteúdo de hidrogênio no metal fundido pode ser cerca de 0,4 ppm, cerca de 0,5 ppm, cerca de 0,6 ppm, cerca de 0,7 ppm, cerca de 0,8 ppm, cerca de 0,9 ppm, cerca de 1 ppm, cerca de 1,5 ppm, cerca de 2 ppm, ou mais do que 2 ppm. É contemplado que empregar os métodos revelados em 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 de cerca de 0,1 a cerca de 0,4 ppm; alternativamente, para dentro de uma faixa de cerca de 0,1 a cerca de 0,3 ppm; ou alternativamente, para dentro de uma faixa de cerca de 0,2 a cerca de 0,3 ppm. Nessas e outras modalidades, o gás dissolvido pode ser ou pode compreender hidrogênio, e o banho de metal fundido pode ser ou pode compreender alumínio e/ou cobre.

[00153] Modalidades dessa invenção relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico e dirigidas a métodos de desgaseificação (por exemplo, redução da quantidade de um gás dissolvido em banho que compreende um metal fundido) ou a métodos de remover impurezas podem 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 fixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade pode compreender uma ponta, e a ponta da sonda alongada pode compreender nióbio. Especificidades em exemplos ilustrativos e não limitantes de dispositivos ultrassônicos que podem ser empregados nos processos e métodos revelados no presente documento são descritas abaixo.

[00154] No que se refere 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 uma localização próxima ao dispositivo ultrassônico. Em uma modalidade, o gás de purga pode ser introduzido no banho de metal fundido em uma localização próxima à ponta do dispositivo ultrassônico. Em uma modalidade, o gás de purga pode ser introduzido no 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 no 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; ou alternativamente, dentro de cerca de 1 cm. Em uma modalidade particular, o gás de purga pode ser introduzido no banho de metal fundido adjacente à ponta do dispositivo ultrassônico, ou através da mesma.

[00155] Embora não pretendendo ser limitado por esta teoria, o uso de um dispositivo ultrassônico e a incorporação de um gás de purga em grande proximidade, resulta em uma redução na quantidade de um gás dissolvido em um banho contendo metal fundido. A energia ultrassônica produzida pelo dispositivo ultrassônico pode criar bolhas de cavitação na fundição, na quais o gás dissolvido pode se difundir. Entretanto, na ausência do gás de purga, muitas das bolhas de cavitação podem romper antes de alcançar a superfície do banho de metal fundido. O gás de purga pode diminuir a quantidade de bolhas de cavitação que rompem antes de alcançar a superfície, e/ou pode aumentar o tamanho das bolhas contendo 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 em grande proximidade à ponta do dispositivo ultrassônico. Por exemplo, para um dispositivo ultrassônico que tem uma ponta com um diâmetro de cerca de 2 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 romperem. Se o gás de purga for adicionado a uma distância que seja distante demais da ponta do dispositivo ultrassônico, o gás de purga pode não ser capaz de se difundir nas bolhas de cavitação. Consequentemente, em modalidades relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico, o gás de purga é introduzido no banho de metal fundido dentro de cerca de 25 cm ou cerca de 20 cm da ponta do dispositivo ultrassônico, e de modo mais benéfico, 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.

[00156] Dispositivos ultrassônicos de acordo com modalidades dessa invenção podem estar em contato com metais fundidos tais como alumínio ou cobre, por exemplo, como revelado em Publicação de Patente no U.S. 2009/0224443, a qual é incorporada em sua totalidade ao presente documento a título de referência. Em um dispositivo ultrassônico para reduzir conteúdo de gás dissolvido (por exemplo, hidrogênio) em um metal fundido, nióbio ou uma liga do mesmo pode ser usado como uma barreira de proteção para o dispositivo quando o mesmo é exposto ao metal fundido, ou como um componente do dispositivo com exposição direta ao metal fundido.

[00157] Modalidades da presente invenção relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico podem fornecer sistemas e métodos para aumentar a vida de componentes diretamente em contato com metais fundidos. Por exemplo, modalidades da invenção podem usar nióbio para reduzir degradação de materiais em contato com metais fundidos, que resulta em melhorias de qualidade significativas em produtos finais. Em outras palavras, modalidades da invenção podem aumentar a vida ou preservar materiais ou componentes em contato com metais fundidos com o uso de nióbio como uma barreira de proteção. O nióbio pode ter propriedades, por exemplo, seu ponto de fusão alto, que podem ajudar a fornecer as modalidades da invenção mencionadas acima. Além disso, o nióbio também pode formar uma barreira de óxido de proteção quando exposto a temperaturas de cerca de 200 °C e acima.

[00158] Além disso, modalidades da invenção relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico podem fornecer sistemas e métodos para aumentar a vida de componentes diretamente em contato ou que fazem interface com metais fundidos. Devido ao fato de que nióbio tem baixa reatividade com certos metais fundidos, o uso de nióbio pode impedir a degradação de um material de substrato. Consequentemente, modalidades da invenção relacionadas à desgaseificação ultrassônica e ao refinamento de grão ultrassônico podem usar nióbio para reduzir degradação de materiais de substrato que resultam em melhorias de qualidade significativas nos produtos finais. 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.

[00159] Em algumas modalidades, o nióbio ou uma liga do mesmo pode ser usado em um dispositivo ultrassônico que compreende 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 fixada ao transdutor ultrassônico e a segunda extremidade pode compreender uma ponta. De acordo com essa modalidade, a ponta da sonda alongada pode compreender nióbio (por exemplo, nióbio ou uma liga do mesmo). O dispositivo ultrassônico pode ser usado em um processo de desgaseificação ultrassônica, como discutido acima. O transdutor ultrassônico pode gerar ondas ultrassônicas, e a sonda fixada ao transdutor pode transmitir as ondas ultrassônicas em um banho que compreende um metal fundido, tal como alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, e similares, ou misturas e/ou combinações dos mesmos (por exemplo, incluindo várias ligas de alumínio, cobre, zinco, aço, magnésio, etc.).

[00160] Em várias modalidades da invenção, uma combinação de desgaseificação ultrassônica e refinamento de grão ultrassônico é usada. O uso da combinação de desgaseificação ultrassônica e refinamento de grão ultrassônico proporciona vantagens tanto separadamente quanto em combinação, como descrito abaixo. Embora não limitada à discussão a seguir, a discussão a seguir fornece uma compreensão dos efeitos únicos que acompanham uma combinação da desgaseificação ultrassônica e refinamento de grão ultrassônico, que levam a melhoria (ou melhorias) na qualidade geral de um produto fundido que não seria esperada quando qualquer um deles foi usado isoladamente. Esses efeitos foram alcançados pelos inventores em seu desenvolvimento desse processamento ultrassônico combinado.

[00161] Em desgaseificação ultrassônica, produtos químicos de cloro (utilizados quando desgaseificação ultrassônica não é usada) são eliminados no processo de fundição de metal. Quando cloro como um produto químico está presente em um banho de metal fundido, o mesmo pode reagir e formar ligações químicas fortes com outros elementos estranhos no banho tais como álcalis que podem estar presentes. Quando os álcalis estão presentes, sais estáveis são formados no banho de metal fundido, o que poderia levar a inclusões no produto de metal fundido que deterioram sua condutividade elétrica e propriedades mecânicas. Sem refinamento de grão ultrassônico, refinadores de grão químicos tais como boreto de titânio são usados, mas esses materiais, tipicamente, contém álcalis.

[00162] Consequentemente, com desgaseificação ultrassônica que elimina cloro como um elemento do processo e com refinamento de grão ultrassônico que elimina refinadores de grão (uma fonte de álcalis), a probabilidade de formação de sal estável e a inclusão resultante de formação no produto de metal fundido é reduzida substancialmente. Além disso, 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 e refinamento de grão ultrassônico significa que o produto fundido resultante tem propriedades mecânicas e de condutividade elétrica superiores, uma vez que duas das fontes principais de impurezas são eliminadas sem substituir uma impureza estranha por outra.

[00163] Outra vantagem proporcionada pela combinação de desgaseificação ultrassônica e refinamento de grão ultrassônico se refere ao fato de que tanto a desgaseificação ultrassônica quanto o refinamento de grão ultrassônico “agitam” de modo eficaz o banho de fundido, homogeneizando o material fundido. Quando uma liga do metal está sendo fundida e, então, resfriada para solidificação, fases intermediárias das ligas podem existir devido às respectivas diferenças nos pontos de fusão de proporções de liga diferentes. Em uma modalidade da invenção, tanto a desgaseificação ultrassônica quanto o refinamento de grão ultrassônico agitam e misturam as fases intermediárias de volta para a fase fundida.

[00164] Todas essas vantagens permitem que se obtenha um produto que é de grão pequeno, tem menos impurezas, menos inclusões, melhor condutividade elétrica, melhor ductilidade e resistência à tração superior do que seria esperado quando ou a desgaseificação ultrassônica ou o refinamento de grão ultrassônico foi usado, ou quando qualquer um ou ambos foram substituídos por processamento com cloro convencional ou refinadores de grão químicos foram usados.

Produtos de Metal

[00165] Em um aspecto da presente invenção, produtos incluindo uma composição metálica fundida podem ser formados em um canal de uma roda de fundição ou nas estruturas de fundição discutidas acima sem a necessidade de refinadores de grão e ainda têm tamanhos de grãos submilimétricos. Consequentemente, as composições metálicas fundidas podem ser produzidas com menos do que 5% das composições incluindo os refinadores de grão e ainda obter tamanhos de grãos submilimétricos. As composições metálicas fundidas podem ser produzidas com menos do que 2% das composições incluindo os refinadores de grão e ainda obter tamanhos de grãos submilimétricos. As composições metálicas fundidas podem ser produzidas com menos do que 1% das composições incluindo os refinadores de grão e ainda obter tamanhos de grãos submilimétricos. Em uma composição preferencial, os refinadores de grão são menos do que 0,5% ou menos do que 0,2% ou menos do que 0,1%. As composições metálicas fundidas podem ser produzidas com as composições não incluindo refinadores de grão e ainda obter tamanhos de grãos submilimétricos.

[00166] As composições metálicas fundidas podem ter diversos tamanhos de grãos submilimétricos dependendo de diversos fatores incluindo os constituintes do metal “puro” ou ligado, as taxas de derramamento, as temperaturas de derramamento, a taxa de resfriamento. A lista de tamanhos de grãos disponíveis para a presente invenção inclui os seguintes. Para alumínio e ligas de alumínio, tamanhos de grãos variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para cobre e ligas de cobre, tamanhos de grãos variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para ouro, prata, ou estanho ou ligas dos mesmos, tamanhos de grãos variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Para magnésio ou ligas de magnésio, tamanhos de grãos variam de 200 a 900 mícrons, ou 300 a 800 mícrons, ou 400 a 700 mícrons, ou 500 a 600 mícrons. Embora apresentada em faixas, a invenção também é capaz de valores intermediários. Em um aspecto da presente invenção, pequenas concentrações (menos do que 5%) dos refinadores de grão podem ser adicionadas para reduzir adicionalmente o tamanho de grão para valores entre 100 e 500 mícrons. As composições metálicas fundidas podem incluir alumínio, cobre, magnésio, zinco, chumbo, ouro, prata, estanho, bronze, latão, e ligas dos mesmos.

[00167] As composições metálicas fundidas pode ser trefiladas ou de outra forma formadas em matéria prima em barra, haste, matéria prima, matéria prima em folha, fios, tarugos e pelotas.

Controle Computadorizado

[00168] O controlador 500 na Figura 1 (por exemplo) pode ser implantado por meio do sistema de computador 1201 mostrado na Figura 12. O sistema de computador 1201 pode ser usado como o controlador 500 para controlar os sistemas de fundição observados acima ou qualquer outro sistema de fundição ou aparelho que empregue o tratamento ultrassônico da presente invenção. Embora retratado de modo singular na Figura 1 como um controlador, o controlador 500 pode incluir processadores distintos e separados em comunicação entre si e/ou dedicados a uma função de controle específica.

[00169] Em particular, o controlador 500 pode ser programado especificamente com algoritmos de controle que realizam as funções retratadas pelo fluxograma na Figura 13.

[00170] A Figura 13 retrata um fluxograma cujos elementos podem ser programados ou armazenados em um meio legível por computador ou em um dos dispositivos de armazenamento de dados discutidos abaixo. O fluxograma da Figura 13 retrata um método da presente invenção para induzir locais de nucleação em um produto de metal. No elemento de etapa 1802, o elemento programado dirigiria a operação de derramar metal fundido, em um transportador de metal fundido. No elemento de etapa 1804, o elemento programado direcionaria a operação de resfriar o metal fundido, por exemplo, por controle do fluxo ou passagem de um meio líquido através de um canal de resfriamento in ou fixado ao transportador. No elemento de etapa 1806, o elemento programado dirigiria a operação de energia vibracional de acoplamento a uma placa receptora em contato com o metal fundido no transportador. Nesse elemento, a energia vibracional teria uma frequência e potência que induzem locais de nucleação no metal fundido, como discutido acima. Na etapa 1804, o resfriamento do metal fundido poderia ocorrer por controle de um meio de resfriamento que flui pela placa receptora como, por exemplo, por controle de sopramento por resfriamento de vórtice através da placa receptora.

[00171] Elementos tais como a temperatura de metal fundido, taxa de derramamento, fluxo de resfriamento através das passagens de canal de resfriamento, e resfriamento de molde e elementos relacionados ao controle e trefilagem do produto fundido através do moinho, incluindo controle da potência e frequência das fontes de energia vibracional (por exemplo, as fontes de energia vibracional do transportador de metal fundido 50), seriam programados com linguagens de software padrões (discutidas abaixo) para produzir processadores de propósito especial contendo instruções para aplicar o método da presente invenção para induzir locais de nucleação em um produto de metal.

[00172] Mais especificamente, o sistema de computador 1201 mostrado na Figura 12 inclui um barramento 1202 ou outro mecanismo de comunicação para comunicar informações, e um processador 1203 acoplado ao barramento 1202 para processar as informações. O sistema de computador 1201 também inclui uma memória principal 1204, tal como uma memória de acesso aleatório (RAM) ou outro dispositivo de armazenamento dinâmico (por exemplo, RAM dinâmica (DRAM), RAM estática (SRAM), e DRAM síncrona (SDRAM)), acoplada ao barramento 1202 para armazenar informações e instruções a serem executadas pelo processador 1203. Além disso, a memória principal 1204 pode ser usada 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 somente de leitura (ROM) 1205 ou outro dispositivo de armazenamento estático (por exemplo, memória somente de leitura programável (PROM), PROM apagável (EPROM), e PROM apagável eletricamente (EEPROM)) acoplado ao barramento 1202 para armazenar informações estáticas e instruções para o processador 1203.

[00173] 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 uma unidade de mídia removível 1208 (por exemplo, unidade de disquete, unidade de disco compacto somente de leitura, unidade de disco compacto de leitura/gravação, jukebox de disco compacto, unidade de fita e unidade magneto-óptica removível). Os dispositivos de armazenamento podem ser adicionados ao sistema de computador 1201 com o uso de um interface de dispositivo apropriada (por exemplo, interface de sistema de computador de pequeno porte (SCSI), componentes eletrônicos de dispositivo integrado (IDE), IDE aprimorado (E-IDE), acesso direto a memória (DMA), ou ultra-DMA).

[00174] O sistema de computador 1201 também pode incluir dispositivos lógicos de propósito especial (por exemplo, circuitos integrados de aplicação específica (ASICs)) ou dispositivos lógicos configuráveis (por exemplo, dispositivos lógicos programáveis simples (SPLDs), dispositivos lógicos programáveis complexos (CPLDs), e matrizes de portas programáveis no campo (FPGAs)).

[00175] 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 raios catódicos (CRT) ou visor de cristal líquido (LCD), para exibir informações para um usuário de computador. O sistema de computador inclui dispositivos de entrada, tais como um teclado e um dispositivo de apontar, para interagir com um usuário de computador (por exemplo um usuário que faz interface com o controlador 500) e fornecer informações para o processador 1203.

[00176] O sistema de computador 1201 realiza uma porção ou todas as etapas de processamento da invenção (tais como, por exemplo, aquelas descritas em relação a fornecer energia vibracional para um metal líquido em um estado de parada térmica) em resposta ao processador 1203 executar uma ou mais sequências de uma ou mais instruções contidas em um memória, tal como a memória principal 1204. Tais instruções podem ser lidas na memória principal 1204 em outro meio legível por computador, tal como um disco rígido 1207 ou uma unidade de mídia removível 1208. Um ou mais processadores em um disposição de multiprocessamento também podem ser empregados para executar as sequências de instruções contidas na memória principal 1204. Em modalidades alternativas, conjunto de circuitos ligados por fios pode ser usado no lugar de ou em combinação com instruções de software. Assim, modalidades não são limitadas a qualquer combinação específica de conjunto de circuitos de hardware e software.

[00177] O sistema de computador 1201 inclui pelo menos um meio legível por 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 descritos no presente documento. Exemplos de mídias legíveis por computador são discos compactos, discos rígidos, disquetes, fita, discos magneto- ópticos, PROMs (EPROM, EEPROM, flash EPROM), 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 no qual um computador possa ler.

[00178] Armazenada em qualquer uma ou em uma combinação de mídias legíveis por computador, a invenção inclui software para controlar o sistema de computador 1201, para dirigir um dispositivo ou dispositivos para implantar a invenção, e para habilitar o sistema de computador 1201 a interagir com um usuário humano. Tal software pode incluir, mas não é limitado a, controladores de dispositivo, sistemas operacionais, ferramentas de desenvolvimento e software aplicativo. Tais mídias legíveis por computador incluem adicionalmente o produto de programa de computador da invenção para realizar todo ou uma porção (se processamento for distribuído) do processamento realizado na implantação da invenção.

[00179] Os dispositivos de código de computador da invenção podem ser qualquer mecanismo de código interpretável ou executável, incluindo porém, sem limitação, scripts, programas interpretáveis, bibliotecas de enlace dinâmico (DLLs), classes de Java e programas executáveis completos. Além disso, partes do processamento da invenção podem ser distribuídas para melhor desempenho, confiabilidade e/ou custo.

[00180] O termo “meio legível por computador” Conforme usado no presente documento se refere a qualquer meio que participe do fornecimento de instruções para o processador 1203 para execução. Um meio legível por computador pode assumir muitas formas, incluindo, porém, sem limitação, mídias não voláteis, mídias voláteis, e mídias de transmissão. Mídias não voláteis incluem, por exemplo, discos ópticos, discos magnéticos e discos magneto-ópticos, tais como o disco rígido 1207 ou a unidade de mídia removível 1208. Mídias voláteis incluem memória dinâmica, tal como a memória principal 1204. Mídias de transmissão incluem cabos coaxiais, fio de cobre e fibra óptica, incluindo os fios que constituem o barramento 1202. Mídias de transmissão também podem assumir a forma de ondas acústicas ou luminosas, tais como aquelas geradas durante comunicações de dados por onda de rádio e infravermelha.

[00181] O sistema de computador 1201 também pode incluir uma interface de comunicação 1213 acoplada ao barramento 1202. A interface de comunicação 1213 fornece 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) 1215, ou a outra rede de comunicações 1216 tal como a Internet. Por exemplo, a interface de comunicação 1213 pode ser um cartão de interface de rede para anexar a qualquer LAN comutada por pacote. Como outro exemplo, a interface de comunicação 1213 pode ser um cartão de linha de assinante digital assimétrica (ADSL), um cartão de rede de digital de serviços integrados (ISDN) ou um modem para fornecer uma conexão de comunicação de dados para um tipo correspondente de linha de comunicações. Enlaces sem fio também podem ser implantados. Em qualquer dessas implantações, a interface de comunicação 1213 envia e recebe sinais elétricos, eletromagnéticos ou ópticos que portam correntes de dados digitais que representam vários tipos de informações.

[00182] O enlace de rede 1214, tipicamente, fornece comunicação de dados através de uma ou mais redes para outros dispositivos de dados. Por exemplo, o enlace de rede 1214 pode fornecer uma conexão a outro computador através de uma rede local 1215 (por exemplo, uma LAN) ou através de equipamento operado por um provedor de serviços, o qual fornece serviços de comunicação através de uma rede de comunicações 1216. Em uma modalidade, essa capacidade permite que a invenção tenha múltiplos dos controladores descritos acima 500 interligados em rede para propósitos tais como automação ou controle de qualidade em toda a fábrica. A rede local 1215 e a rede de comunicações 1216 usa, por exemplo, sinais elétricos, eletromagnéticos ou ópticos que portam correntes de dados digitais, e a camada física associada (por exemplo, cabo CAT 5, cabo coaxial, fibra óptica, etc.). Os sinais através das várias redes e os sinais no enlace de rede 1214 e através da interface de comunicação 1213, os quais portam os dados digitais para e do sistema de computador 1201 podem ser implantados em sinais de banda base, ou onda sinais com base em portadora. Os sinais de banda base portam os dados digitais como pulsos elétricos não modulados que são descritivos de uma corrente de bits de dados digitais, em que o termo “bits” deve ser interpretado com o significado amplo de símbolo, em que cada símbolo transporta pelo menos um ou mais bits de informações. Os dados digitais também podem ser usados para modular uma onda portadora, tal como com amplitude, sinais codificados de deslocamento de fase e/ou frequência que são propagados por uma mídia condutora, ou transmitidos como ondas eletromagnéticas através de um meio de propagação. Assim, os dados digitais pode ser enviados como não dados de banda base modulados através de um canal de comunicação “por fio” e/ou enviados dentro de uma banda frequência predeterminada, diferente de banda base, por modulação de uma onda portadora. O sistema de computador 1201 pode transmitir e receber dados, incluindo código de programa, através da rede (ou redes) 1215 e 1216, do enlace de rede 1214 e da interface de comunicação 1213. Além disso, o enlace de rede 1214 pode fornecer uma conexão através de uma LAN 1215 para um dispositivo móvel 1217 tal como um assistente pessoal digital (PDA) computador do tipo laptop, ou telefone celular.

[00183] Mais especificamente, em uma modalidade da invenção, é fornecido um sistema de fundição e laminação contínuo (CCRS) que pode produzir haste de alumínio de grau de condutor elétrico puro e bobinas de haste de alumínio de grau de condutor de liga diretamente de metal fundido em uma base contínua. O CCRS pode usar um ou mais dos sistemas de computador 1201 (descritos acima) para implantar controle, monitoramento e armazenamento de dados.

[00184] Em uma modalidade da invenção, para promover a produtividade de uma haste de alumínio de alta qualidade, um sistema de monitoramento por computador avançado e aquisição de dados (SCADA) monitora e/ou controla a laminadora (isto é, o CCRS). Variáveis e parâmetros adicionais desse sistema podem ser exibidos, traçados, armazenados e analisados para controle de qualidade.

[00185] Em uma modalidade da invenção, um ou mais dos processos de teste pós-produção a seguir são capturados no sistema de aquisição de dados.

[00186] Detectores de falha na corrente de Foucault podem ser usados em linha para monitorar continuamente a qualidade de superfície da haste de alumínio. Inclusões, se localizadas próximas à superfície da haste, podem ser detectadas uma vez que a inclusão de matriz atua como um defeito descontínuo. Durante a fundição e laminação de haste de alumínio, defeitos no produto acabado podem vir de qualquer parte no processo. Química de fundição incorreta e/ou excesso de hidrogênio no metal podem provocar falhas durante o processo de laminação. O sistema de corrente de Foucault é um teste não destrutivo, e o sistema de controle para o CCRS pode alertar o operador (ou operadores) para qualquer um dos defeitos descritos acima. O sistema de corrente de Foucault pode detectar defeitos de superfície, e classificar os defeitos como pequeno, meio ou grande. Os resultados de corrente de Foucault podem ser gravados no sistema SCADA e rastreados para o lote de alumínio (ou outro metal que é processado) e quando o mesmo foi produzido.

[00187] Uma vez que a haste é enrolada no fim do processo as propriedades mecânicas e elétricas de massa de alumínio fundido podem ser medidas e gravadas no sistema SCADA. Testes de qualidade de produto incluem: tração, alongamento e condutividade. A resistência à tração é uma medida da resistência dos materiais e é a força máxima que o material pode suportar sob tensão antes de quebrar. Os valores de alongamento são uma medida da ductilidade do material. Medições de condutividade são, em geral, comunicadas como uma porcentagem da "international annealed copper standard" (IACS). Essas métricas de qualidade de produto podem ser gravadas no sistema SCADA e rastreadas para o lote de alumínio e quando o mesmo foi produzido.

[00188] Além disso para dados corrente de Foucault, análise de superfície pode ser realizada com o uso de testes de torção. A haste de alumínio fundido é submetida a um testes de torção controlado. Defeitos associados a solidificação inapropriada, inclusões e defeitos longitudinais criados durante o processo de laminação são ampliados e revelados na haste torcida. Em geral, esses defeitos se manifestam na forma de um emenda 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 fundição resultarão em linhas flutuantes. Os resultados dos testes de torção podem ser gravados no sistema SCADA e rastreados para o lote de alumínio e quando o mesmo foi produzido.

Preparação de Amostra e Produto

[00189] As amostras e produtos podem ser produzidos com o sistema CCR observado acima que utiliza as técnicas de acoplamento de energia vibracional aprimorado e/ou de resfriamento aprimorado detalhadas acima. O processo de fundição e laminação inicia como uma corrente contínua de alumínio fundido em um sistema de fornos de fundição e espera, entregue através de um sistema de duto com revestimento refratário para um dentre um sistema de refino de grãos químico em linha ou o sistema de refinamento de grão ultrassônico discutido acima. Adicionalmente, o sistema CCR pode incluir o sistema de desgaseificação ultrassônica discutido acima o qual usa ondas acústicas ultrassônicas e um gás de purga a fim de remover hidrogênio dissolvido ou outros gases no alumínio fundido. Do desgaseificador, o metal fluiria para um filtro de metal fundido com elementos cerâmica porosos os quais adicionalmente reduzem inclusões no metal fundido. O sistema de duto, então, transportaria o alumínio fundido para o distribuidor. A partir da tina de fusão, o alumínio fundido seria vertido em um molde formado pelo sulco periférico de um anel de fundição de cobre e uma banda de aço, conforme discutido acima. Alumínio fundido seria resfriado para uma barra fundida sólida por água distribuída através de bicos de pulverização em coletores de água de múltiplas zonas com medidores de fluxo magnético para zonas críticas. A barra fundida de alumínio contínua sai do anel de fundição sobre um transportador de extração de barra para uma laminadora.

[00190] A laminadora pode incluir suportes de laminação acionados individualmente que reduzem o diâmetro da barra. A haste seria enviada para um trefiladora onde as hastes seriam trefiladas para diâmetros predeterminados e, então, enroladas. Uma vez que a haste foi enrolada no fim do processo as propriedades mecânicas e elétricas de massa de alumínio fundido seriam medidas. Os testes de qualidade incluem: tração, alongamento, e condutividade. A resistência à tração é uma medida da resistência dos materiais e é a força máxima que o material pode suportar sob tensão antes de quebrar. Os valores de alongamento são uma medida da ductilidade do material. Medições de condutividade são, em geral, comunicadas como uma porcentagem da "international annealed copper standard" (IACS). )

[00191] 1)A resistência à tração é uma medida da resistência dos materiais e é a força máxima que o material pode suportar sob tensão antes de quebrar. As medições de tração e alongamento foram realizadas na mesma amostra. Um amostra de comprimento de aferição de 25,4 cm (10 polegadas) foi selecionada para medições de tração e alongamento. A amostra de haste foi inserida na máquina de tração. As garras foram colocadas em marcas de aferição de 25,4 cm (10 polegadas). Resistência à Tração = Força de Ruptura (libras)/Área de seção transversal (πr2) em que r(polegadas) é o raio da haste.

[00192] 2) % Alongamento = ((L1 - L2)/ L1)X100. L1 é o comprimento de aferição inicial do material e L2 é o comprimento final que é obtido colocando-se as duas amostras quebradas do teste de tração em conjunto e medir a falha que ocorre. Em geral, quanto mais dúctil é o material mais estreitamento será observado na amostra em tensão.

[00193] 3) Condutividade: Medições de condutividade são, em geral, comunicadas como uma porcentagem da "international annealed copper standard" (IACS). Medições de condutividade são obtidas com o uso de Ponte de Kelvin e detalhes são fornecidos em ASTM B 193-02. IACS é uma unidade de condutividade elétrica para metais e ligas em relação a um condutor de cobre recozido padrão; um valor de IACS de 100% se refere a uma condutividade de 5,80 x 107 Siemens por metro (58,0 MS/m) a 20 °C.

[00194] O processo de haste contínua conforme descrito acima poderia ser usado para produzir não apenas alumínio de grau elétrico condutores, mas também pode ser usado para ligas de alumínio mecânicas que utilizam o refino ultrassônico de grãos e desgaseificação ultrassônica. Para teste e controle de qualidade, do processo refino ultrassônico de grãos, amostras de barra fundida seriam coletadas e cauterizadas.

[00195] A Figura 14 é um fluxograma de processo de fio ACSR. A mesma mostra a conversão de alumínio puro fundido para fio de alumínio que será usado em fio ACSR. A primeira etapa no processo de conversão é para converter o alumínio fundido para haste de alumínio. Na próxima etapa a haste é trefilada através de diversas matrizes e dependendo do diâmetro final isso pode ser alcançado através de uma ou múltiplas trefilações. Uma vez que a haste é trefilada para diâmetros finais o fio é enrolado em carretéis de pesos que variam entre 91 e 227 kg (200 e 500 lbs). Esses carretéis individuais seriam torcidos ao redor de um cabo de aço torcido para cabos ACSR que contêm diversos filamentos de alumínio individuais. O número de filamentos e o diâmetro de cada filamento dependerá de, por exemplo, exigências do cliente.

[00196] A Figura 15 é um fluxograma de processo de fio ACSS. A mesma mostra a conversão de alumínio puro fundido para fio de alumínio que será usado em fio ACSS. A primeira etapa no processo de conversão é para processar o alumínio fundido para haste de alumínio. Na próxima etapa a haste é trefilada através de diversas matrizes e dependendo do diâmetro final isso pode ser alcançado através de uma ou múltiplas trefilações. Uma vez que a haste é trefilada para diâmetros finais o fio é enrolado em carretéis de pesos que variam entre 91 e 227 kg (200 e 500 lbs). Esses carretéis individuais seriam torcidos ao redor de um cabo de aço torcido para cabos ACSS que contêm diversos filamentos de alumínio individuais. O número de filamentos e o diâmetro de cada filamento dependerá das exigências do cliente. Um diferença entre os cabos ACSR e ACSS é que, uma vez que o alumínio é torcido ao redor do cabo de aço, o cabo todo é tratado termicamente em fornos para trazer o alumínio para uma condição totalmente macia. É importante notar que em ACSR a resistência do cabo é derivada da combinação das resistências devido ao alumínio e ao cabo de aço enquanto que no cabo ACSS a maior parte da resistência vem do aço no interior do cabo ACSS.

[00197] A Figura 16 é um fluxograma de processo de tira de alumínio, em que a tira é, por fim, processada para cabo recoberto de metal. A mesma mostra que a primeira etapa é converter o alumínio fundido para haste de alumínio. Em seguida a haste é laminada através de diversas matrizes de laminação para convertê-la para tira, em geral, de cerca de 0,9525 cm (0,375 polegada) de largura e cerca de 0,0381 a 0,04572 cm (0,015 a 0,018 polegada) de espessura. A tira laminada é processada para blocos em formato de rosca que pesam aproximadamente 272 kg (600 lbs). É importante notar que outras larguras e espessuras também podem ser produzidas com o uso do processo de laminação, mas a largura de 0,9525 cm (0,375 polegada) e espessura de 0,0381 a 0,04572 cm (0,015 a 0,018 polegada) são as mais comuns. Esses blocos são, então, tratados termicamente em fornos para trazer os blocos para uma condição de recozimento intermediária. Nessa condição, o alumínio não está totalmente duro nem em uma condição totalmente macia. A tira então, seria usada como uma camisa de proteção montada como uma blindagem de fita (tira) metálica de intertravamento que encerra um ou mais condutores de circuito isolados.

[00198] Os materiais de grão refinado ultrassônico dessa invenção que utilizam o acoplamento de energia vibracional direto descrito acima podem ser fabricados nos produtos de fio e cabo observados acima, com o uso dos processos descritos acima.

Afirmações Generalizadas da Invenção

[00199] As afirmações a seguir da invenção fornecem uma ou mais caracterizações da presente invenção e não limitam o escopo da presente invenção.

[00200] Afirmação 1. Um dispositivo de transporte de metal fundido (isto é, um transportador), que compreende: uma placa receptora em contato com metal fundido, pelo menos uma fonte de energia vibracional que fornece (por exemplo, que tem uma configuração que fornece) energia vibracional (por exemplo, ultrassônica, mecanicamente acionada, e/ou energia acústica) diretamente à placa receptora em contato com metal fundido, opcionalmente enquanto o metal fundido é resfriado. A placa receptora se estende de uma entrada pela qual o metal fundido entra na placa receptora para uma saída pela qual o metal fundido sai da placa receptora.

[00201] Afirmação 2. O dispositivo de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora tem pelo menos um canal para passagem de meio de resfriamento. Afirmação 3. O transportador, de acordo com a afirmação 2, em que o dito meio de resfriamento compreende pelo menos um dentre água, gás, metal líquido, nitrogênio líquido, e óleo de motor. Afirmação 4. O transportador, de acordo com a afirmação 2, em que o dito canal de resfriamento está dentro da placa receptora ou o dito canal de resfriamento compreende um conduto fixado à placa receptora. Afirmação 5. O transportador, de acordo com a afirmação 1, que compreende ainda um soprador fornecer fluxo de gás para resfriar a placa receptora.

[00202] Afirmação 6. O transportador, de acordo com a afirmação 1, que compreende ainda uma montagem que monta a dita placa receptora em relação a uma roda de fundição de um moinho de fundição ou a um tina de fusão fornecer metal fundido a um molde.

[00203] Afirmação 7. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende pelo menos um dentre um transdutor ultrassônico, um transdutor magnetostritivo, e um vibrador mecanicamente acionado fornecer energia vibracional diretamente à placa receptora em contato com metal fundido. Afirmação 8. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a energia de vibração fornecida à dita placa receptora está em uma faixa de frequências até 400 kHz.

[00204] Afirmação 9. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora tem pelo menos um dentre uma finalização suave, uma finalização polida, uma finalização áspera, uma finalização ressaltada, uma finalização texturizada e uma finalização endentada. Afirmação 10. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora compreende pelo menos 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, uma cerâmica, um compósito, ou um metal. Afirmação 11. O transportador, de acordo com a afirmação 10, em que a cerâmica compreende uma cerâmica de nitrito de silício. Afirmação 12. O transportador, de acordo com a afirmação 11, em que a cerâmica de nitrito de silício compreende um nitrito de alumina de silício.

[00205] Afirmação 13. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende uma pluralidade de transdutores dispostos em um padrão ordenado na placa receptora. Afirmação 14. O transportador, de acordo com a afirmação 13, em que o padrão ordenado na placa receptora tem uma densidade maior dos ditos transdutores em um lado da placa receptora. Afirmação 15. O transportador, de acordo com a afirmação 14, em que a densidade maior dos ditos transdutores em um lado da placa receptora está em um lado de saída de metal fundido. Afirmação 16. O transportador, de acordo com a afirmação 14, em que a densidade maior dos ditos transdutores em um lado da placa receptora está em um lado de entrada de metal fundido.

[00206] Afirmação 17. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende um elemento de transdutor piezoelétrico fixado à placa receptora. Afirmação 18. O transportador, de acordo com a afirmação 17, um intensificador ultrassônico acoplado ao elemento de transdutor piezoelétrico fixado à placa receptora. Afirmação 19. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende um elemento transdutor de magnetostrição fixado à placa receptora. Afirmação 20. O transportador, de acordo com a afirmação 1, que compreende ainda um desgaseificador ultrassônico inserido em um canal de fluxo de metal fundido.

[00207] Afirmação 21. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora tem uma espessura menor que 10 cm. Afirmação 22. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora tem uma espessura entre 0,5 cm e 5 cm, ou entre 1 cm e 3 cm. Afirmação 23. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora tem uma espessura entre 1,5 cm e 2 cm. Afirmação 24. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora tem espessuras diferentes em seções diferentes.

[00208] Afirmação 25. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora é disposta acima de uma roda de fundição e fornece o metal fundido a uma calha na roda de fundição. Afirmação 26. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora é fixada a um molde vertical e fornece o metal fundido a um interior do molde vertical.

[00209] Afirmação 27. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora compreende uma largura lateral igual ou menor que um comprimento longitudinal, ou a largura lateral igual ou menor que uma metade do comprimento longitudinal; ou a largura lateral igual ou menor que um terço do comprimento longitudinal. Afirmação 28. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora compreende uma largura lateral entre 2,5 cm e 300 cm. Afirmação 29. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora compreende uma largura lateral que se afunila para baixo em largura em direção à saída.

[00210] Afirmação 30. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora é disposta em uma orientação horizontal próxima com gravidade forçando o metal fundido para a saída. Afirmação 31. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora é disposta em torno ou igual a 45 graus angulares a partir de uma orientação horizontal com gravidade forçando o metal fundido para a saída. Afirmação 32. O transportador, de acordo com a afirmação 1, em que a placa receptora é disposta em torno ou igual a 45 graus angulares a partir de uma orientação vertical.

[00211] Afirmação 33. O transportador, de acordo com a afirmação 1, que compreende ainda um controlador que controla pelo menos um dentre uma taxa de vertimento do metal fundido na placa receptora e uma taxa de resfriamento do metal fundido na placa receptora. Afirmação 34. O transportador, de acordo com a afirmação 33, em que o controlador é programado para ajustar a taxa de vertimento de modo que uma altura do metal fundido acima da placa receptora esteja entre 1,25 cm e 10 cm.

[00212] Afirmação 35. Um método para formar um produto de metal, que compreende: fornecer metal fundido em um transportador fundido que transporta o metal fundido ao longo de uma placa receptora do transportador em contato com o metal fundido; resfriar o metal fundido por controle de um meio de resfriamento que flui pela placa receptora ou através de uma passagem de resfriamento em ou fixada à placa receptora; e acoplar energia vibracional diretamente à placa receptora.

[00213] Afirmação 36. O método, de acordo com a afirmação 35, em que o acoplamento de energia compreende fornecer a dita energia de pelo menos um dentre um transdutor ultrassônico ou um transdutor magnetostritivo ou um vibrador mecanicamente acionado à dita sonda. Afirmação 37. O método da afirmação 36, em que fornecer a dita energia compreende fornecer a energia em uma faixa de frequências de 5 e 400 kHz. Afirmação 38. O método, de acordo com a afirmação 35, em que o resfriamento compreende resfriar o metal fundido por aplicação de pelo menos um dentre água, gás, metal líquido, nitrogênio líquido e óleo de motor como um refrigerante da placa receptora.

[00214] Afirmação 39. O método, de acordo com a afirmação 35, em que fornecer metal fundido compreende verter o metal fundido de um dispositivo de escoamento de uma roda de fundição à placa receptora. Afirmação 40. O método, de acordo com a afirmação 39, que compreende ainda verter o metal fundido da placa receptora a uma calha da roda de fundição. Afirmação 41. O método, de acordo com a afirmação 35, em que fornecer metal fundido compreende verter o metal fundido de uma tina de fusão de um molde vertical à placa receptora. Afirmação 42. O método, de acordo com a afirmação 41, que compreende ainda verter o metal fundido da placa receptora ao molde vertical. Afirmação 43. O método, de acordo com a afirmação 35, que compreende ainda verter o metal fundido da placa receptora a um molde de fundição contínuo. Afirmação 44. O método, de acordo com a afirmação 35, que compreende ainda verter o metal fundido da placa receptora a um molde de fundição horizontal ou vertical.

[00215] Afirmação 45. Um moinho de fundição que compreende: um molde de fundição configurado para resfriar metal fundido, e o transportador de acordo com qualquer uma das afirmações 1 a 34. Afirmação 46. O moinho, de acordo com a afirmação 45, em que o molde compreende um molde de fundição contínua. Afirmação 47. O moinho, de acordo com a afirmação 45, em que o molde compreende um molde de fundição horizontal ou vertical.

[00216] Afirmação 48. Um sistema para formar um produto de metal, que compreende: meios para fornecer metal fundido em um transportador fundido; meios para controlar um meio de resfriamento que flui através de uma passagem de resfriamento em ou fixado a uma placa receptora do transportador em contato com o metal fundido; meios para acoplar energia vibracional diretamente à placa receptora; e um controlador que inclui entradas de dados e saídas de controle, e programado com algoritmos de controle que permitem a operação de qualquer um dos elementos de etapa citados nas afirmações 35 a 44.

[00217] Afirmação 49. Um sistema para formar um produto de metal, que compreende: o transportador de qualquer uma dentre as afirmações 1 a 34; e um controlador que inclui entradas de dados e saídas de controle, e programada com algoritmos de controle que permitem operação de qualquer um dos elementos de etapa citados nas afirmações 35 a 44.

[00218] Afirmação 50. Um sistema para formar um produto de metal, que compreende: um dispositivo de escoamento para verter metal fundido; uma roda de fundição para formar uma fundição contínua do produto de metal; e uma montagem que acopla o transportador de qualquer uma das afirmações 1 a 34 à roda de fundição; 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 citados nas afirmações 35 a 44.

[00219] Inúmeras modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz dos ensinamentos acima. Portanto, deve ser compreendido que dentro do escopo das reivindicações anexas, a invenção pode ser praticada de forma diferente a descrita especificamente no presente documento.

Claims (18)

1. Transportador de metal fundido (50) caracterizado pelo fato de que compreende: uma placa receptora (54) em contato com metal fundido (53) durante o transporte do metal fundido; em que a dita placa receptora (54) se estende de uma entrada, pela qual o metal fundido entra na placa receptora (54), para uma saída pela qual o metal fundido sai da placa receptora; e pelo menos uma fonte de energia vibracional (40, 52, 56) adaptada para fornecer energia vibracional diretamente para a placa receptora (54) em contato com metal fundido.

2. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita placa receptora (54) compreende um canal de resfriamento (46) para passagem de um meio de resfriamento.

3. Transportador, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dito canal de resfriamento (46) está dentro da placa receptora (54) ou o dito canal de resfriamento (46) compreende um conduto (221, 223) fixado à placa receptora (54).

4. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um soprador que fornece fluxo de gás para resfriar a placa receptora (54).

5. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma montagem (42) que monta a dita placa receptora (54) em relação a uma roda de fundição (30) de um moinho de fundição ou a um distribuidor tundish que fornece metal fundido a um molde.

6. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de energia vibracional (40, 52, 56) compreende pelo menos um dentre um transdutor ultrassônico, um transdutor de magnetostrição, e um vibrador mecanicamente acionado que fornece energia vibracional diretamente para a placa receptora (54) em contato com o metal fundido (53).

7. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a energia de vibração fornecida para a dita placa receptora (54) está em uma faixa de frequências até 400 kHz.

8. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa receptora (54) compreende pelo menos 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, uma cerâmica, ou um compósito.

9. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma fonte de energia vibracional (40, 52, 56) compreende uma pluralidade de transdutores dispostos em um padrão ordenado na placa receptora (54).

10. Transportador, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o padrão ordenado na placa receptora (54) tem uma densidade maior dos ditos transdutores em um lado da placa receptora.

11. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende um elemento de transdutor piezoelétrico (56) fixado à placa receptora (54), preferencialmente em que um intensificador ultrassônico (58) é acoplado ao elemento de transdutor piezoelétrico (56) fixado à placa receptora (54), ou em que a pelo menos uma fonte de energia vibracional compreende um elemento de transdutor magnetostritivo fixado à placa receptora.

12. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um desgaseificador ultrassônico inserido em um canal de fluxo de metal fundido.

13. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa receptora (54) tem uma espessura entre 0,5 cm e 5 cm.

14. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa receptora (54) é disposta acima de uma roda de fundição (30) e fornece o metal fundido (53) a uma calha (32) na roda de fundição (30).

15. Transportador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa receptora (54) compreende uma largura lateral entre 2,5 cm e 300 cm.

16. Moinho de fundição caracterizado pelo fato de que compreende: um molde de fundição configurado para resfriar metal fundido, e o transportador conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15.

17. Método para formar um produto de metal caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer metal fundido (53) em um transportador de metal fundido (50) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, que transporta o metal fundido ao longo de uma placa receptora (54) do transportador em contato com o metal fundido; resfriar o metal fundido por controle de um meio de resfriamento que flui pela placa receptora ou através de uma passagem de resfriamento em ou fixado à placa receptora; e acoplar uma energia vibracional diretamente na placa receptora.

18. Sistema para formar um produto de metal caracterizado pelo fato de que compreende: um dispositivo de vertimento para verter metal fundido; uma roda de fundição para formar uma fundição contínua do produto de metal; e uma montagem que acopla o transportador conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15 à roda de fundição; e um controlador que inclui entradas de dados e saídas de controle, e programado com algoritmos de controle que permitem a operação de qualquer um dentre os elementos de etapa conforme descritos na reivindicação 17.