BR112021001244A2 - ultrasonic enhancement of cast materials by direct cooling - Google Patents
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Abstract
São proporcionados um método e aparelho para fundição por resfriamento direto de metais e ligas metálicas que inclui a aplicação de energia vibracional ao material fundido em um molde de extremidade aberta e na saída do molde. Em um aspecto, o método está direcionado à produção de ligas de alumínio fundidas.A method and apparatus for direct cooling casting of metals and metal alloys is provided which includes applying vibrational energy to the molten material in an open-ended mold and at the mold outlet. In one aspect, the method is directed towards the production of cast aluminum alloys.
Description
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Campo da InvençãoBACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention
[001] A presente invenção relaciona-se à fundição por resfriamento direto (DC) de metais e ligas metálicas, particularmente alumínio e ligas de alumínio, em que um produto homogêneo apropriado para formar produtos de metal, tais como artigos de folha e placa, é obtido diretamente. Descrição da Técnica Anterior[001] The present invention relates to direct cooling (DC) casting of metals and metal alloys, particularly aluminum and aluminum alloys, in which a homogeneous product suitable for forming metal products, such as sheet and plate articles, is obtained directly. Description of Prior Art
[002] Os metais e ligas metálicas, em especial o alumínio e as ligas de alumínio, são fundidos a partir de uma fase fundida para produzir lingotes ou tarugos que são subsequentemente sujeitos a processo adicional, tal como laminação ou trabalho a quente, para produzir artigos de folha ou placa que podem ser convertidos em produtos finais. Por toda a descrição a seguir, o termo “tarugo” será usado para descrever o produto do processo de fundição DC. Um tarugo representa um produto de fundição de metal alongado, geralmente de formato cilíndrico, e com um diâmetro pequeno comparado a seu comprimento. Entretanto, os princípios e operações aplicados aqui também podem ser aplicáveis à produção de lingotes. A fundição DC para produzir tarugos ou lingotes é convencionalmente realizada em um molde axialmente vertical raso, de extremidade aberta, que é inicialmente fechado em sua extremidade inferior por uma plataforma móvel no sentido descendente (muitas vezes chamada de bloco inferior). O molde é circundado por uma camisa de resfriamento através da qual um fluido de resfriamento, tal como água, é circulado continuamente para propiciar o resfriamento externo da parede do molde. O alumínio fundido (ou outro metal) é introduzido na extremidade superior do molde resfriado e, à medida que o metal fundido se solidifica em uma região adjacente à periferia interna do molde, a plataforma é movida para baixo. Com um movimento efetivamente contínuo da plataforma e a alimentação contínua correspondente de alumínio fundido ao molde, é possível produzir um tarugo de comprimento desejado.[002] Metals and metal alloys, in particular aluminum and aluminum alloys, are melted from a molten stage to produce ingots or billets which are subsequently subjected to further processing, such as rolling or hot working, to produce sheet or board articles that can be converted into final products. Throughout the following description, the term “billet” will be used to describe the product of the DC casting process. A billet represents an elongated metal casting product, usually cylindrical in shape, and having a small diameter compared to its length. However, the principles and operations applied here may also be applicable to ingot production. DC casting to produce billets or ingots is conventionally carried out in a shallow axially vertical, open-ended mold which is initially closed at its lower end by a downwardly movable platform (often called a lower block). The mold is surrounded by a cooling jacket through which a cooling fluid, such as water, is continuously circulated to provide external cooling of the mold wall. The molten aluminum (or other metal) is introduced into the upper end of the cooled mold and, as the molten metal solidifies in a region adjacent to the inner periphery of the mold, the platform is moved downward. With an effectively continuous movement of the platform and the corresponding continuous feed of molten aluminum into the mold, it is possible to produce a billet of desired length.
[003] A FIG. 1 (técnica anterior) mostra uma seção transversal esquemática de um exemplo de um fundidor DC vertical 10 convencional. O metal fundido 12 é introduzido em um molde 14 de extremidade aberta resfriado a água orientado verticalmente através de uma entrada do molde 15 e emerge como um tarugo 16 a partir de uma saída do molde 17. A parte superior do tarugo 16 tem um núcleo de metal fundido 24 formando um reservatório afunilado internamente 19 dentro de uma carcaça externa sólida 26 que se torna mais espessa à medida que aumenta a distância a partir da saída do molde 17 conforme o tarugo se resfria, até que um tarugo fundido completamente sólido seja formado a uma certa distância abaixo da saída do molde 17. O molde 14 que possui paredes de molde resfriadas por líquido (superfícies de fundição) devido ao refrigerante líquido circulando através de uma camisa de resfriamento circundante, a qual proporciona o resfriamento do metal fundido, confina perifericamente e resfria o metal fundido para começar a formação da carcaça sólida 26, e o metal de resfriamento se move para fora e para longe do molde através da saída do molde 17 em uma direção de avanço indicada pela seta A. Jatos 18 de líquido refrigerante são direcionados a partir da camisa de resfriamento sobre a superfície externa do tarugo 16 à medida que emerge do molde de modo a propiciar o resfriamento direto que torna a carcaça 26 mais espessa e aprimora o processo de resfriamento. O líquido refrigerante é geralmente água, mas outros fluidos apropriados podem ser empregados para ligas especializadas. Um limpador anular fixo 20 de formato igual ao do tarugo pode ser proporcionado em contato com a superfície externa do tarugo espaçado a uma distância X abaixo da saída 17 do molde, e isso tem o efeito de remover o líquido refrigerante (representado pelos fluxos 22) da superfície do tarugo de modo que a superfície da parte do tarugo abaixo do limpador fique livre de líquido refrigerante à medida que o tarugo avança ainda mais.[003] FIG. 1 (prior art) shows a schematic cross section of an example of a conventional vertical DC caster 10. The molten metal 12 is introduced into a vertically oriented water-cooled open-end mold 14 through an inlet of the mold 15 and emerges as a dowel 16 from an outlet of the mold 17. The top of the dowel 16 has a core of molten metal 24 forming an internally tapered reservoir 19 within a solid outer shell 26 which becomes thicker as the distance from the mold outlet 17 increases as the billet cools, until a completely solid cast billet is formed at a distance below the mold outlet 17. Mold 14 which has liquid cooled mold walls (casting surfaces) due to liquid coolant circulating through a surrounding cooling jacket, which provides cooling of the molten metal, peripherally confines and cools the molten metal to begin the formation of solid housing 26, and the cooling metal moves out and away from the mold through the s. exits the mold 17 in an advancing direction indicated by arrow A. Jets 18 of coolant are directed from the cooling jacket onto the outer surface of the dowel 16 as it emerges from the mold so as to provide direct cooling which makes the 26 thicker casing and improves the cooling process. The coolant is usually water, but other suitable fluids can be used for specialized alloys. A fixed annular cleaner 20 of the same shape as the billet can be provided in contact with the external surface of the billet spaced a distance X below the mold outlet 17, and this has the effect of removing coolant (represented by flows 22) of the billet surface so that the surface of the billet portion below the cleaner is free of coolant as the billet advances further.
[004] O tarugo emergindo da extremidade (de saída) inferior do molde na fundição DC vertical é externamente sólido, mas ainda está fundido em seu núcleo central. Em outras palavras, a poça de metal fundido dentro do molde se estende para baixo até a porção central do lingote movendo-se para baixo por certa distância abaixo do molde na forma de um reservatório de metal fundido. Este reservatório tem uma seção transversal progressivamente decrescente na direção para baixo à medida que o lingote se solidifica internamente a partir da superfície externa até que sua parte de núcleo se torne completamente sólida.[004] The billet emerging from the lower (outlet) end of the mold in the vertical DC casting is externally solid, but is still cast in its central core. In other words, the pool of molten metal within the mold extends down to the center portion of the ingot moving down some distance below the mold in the form of a molten metal reservoir. This reservoir has a progressively decreasing cross section in the downward direction as the ingot solidifies internally from the external surface until its core portion becomes completely solid.
[005] Os tarugos fundidos por resfriamento direto produzidos desta maneira são geralmente submetidos a etapas de laminação a frio e a quente, ou a outros procedimentos de trabalho a quente, de modo a produzir artigos com uma forma desejada. Entretanto, convencional, é necessário um tratamento de homogeneização a fim de converter o metal em uma forma mais utilizável. Durante a solidificação das ligas de fundição DC, múltiplos eventos estão ocorrendo dentro da microestrutura. Primeiramente, a fase metálica está se nucleando em grãos que podem ser celulares, dendríticos, ou uma combinação dos mesmos, e convencionalmente, substâncias químicas de refino químico de grãos são adicionadas para auxiliar neste processo. Tais substâncias químicas adicionam custo e criam problemas na operação, e podem até mesmo afetar adversamente as propriedades do produto final. Além disso, quando existem condições de solidificação fora de equilíbrio, os componentes da liga podem ser rejeitados dos grãos em formação e se concentram em bolsos na microestrutura, dessa forma também afetando adversamente as propriedades de desempenho do produto. O resultado desses eventos são divergências composicionais não apenas entre o grão, mas também nas regiões adjacentes às fases intermetálicas onde regiões relativamente duras e macias coexistem na estrutura, e, se não modificadas ou transformadas, criarão variações de propriedades inaceitáveis para o produto final.[005] Direct-cooled cast billets produced in this way are generally subjected to cold and hot rolling steps, or other hot working procedures, in order to produce articles with a desired shape. However, conventionally, a homogenizing treatment is needed in order to convert the metal into a more usable form. During the solidification of DC casting alloys, multiple events are taking place within the microstructure. First, the metallic phase is nucleating into grains that may be cellular, dendritic, or a combination thereof, and conventionally, chemical grain refining chemicals are added to aid in this process. Such chemicals add cost and create problems in operation, and can even adversely affect the properties of the final product. Furthermore, when out-of-equilibrium solidification conditions exist, alloy components can be rejected from the forming grains and concentrate in pockets in the microstructure, thereby also adversely affecting the performance properties of the product. The result of these events are compositional divergences not only between the grain, but also in regions adjacent to the intermetallic phases where relatively hard and soft regions coexist in the structure and, if not modified or transformed, will create unacceptable property variations for the final product.
[006] A homogeneização convencionalmente envolve tratamento térmico para corrigir as deficiências microscópicas descritas acima na microestrutura fundida. A homogeneização envolve aquecer o tarugo fundido a uma temperatura elevada (geralmente, uma temperatura acima de uma temperatura de transição, por exemplo, uma temperatura próxima à temperatura liquidus do alumínio ou liga de alumínio, por algumas horas ou até chegando a 24 horas ou até mesmo mais tempo. Como resultado do tratamento de homogeneização, a distribuição de grãos se torna mais uniforme. Adicionalmente, as partículas constituintes de baixo ponto de fusão que podem ter se formado durante a fundição se dissolvem novamente em grãos. Adicionalmente, quaisquer partículas intermetálicas que se formaram durante a fundição podem ser fraturadas. Finalmente, os precipitados de aditivos químicos para a finalidade de reforçar o material que possam ter se formado são dissolvidos e então redistribuídos uniformemente à medida que o tarugo se resfria. A operação de homogeneização é uma operação de alto consumo de energia tem um efeito de custo direto sobre a operação em consideração ao atual custo elevado da energia.[006] Homogenization conventionally involves heat treatment to correct the microscopic deficiencies described above in the fused microstructure. Homogenization involves heating the molten billet to an elevated temperature (usually a temperature above a transition temperature, for example, a temperature close to the liquidus temperature of aluminum or aluminum alloy, for a few hours or up to 24 hours or even even longer. As a result of the homogenization treatment, the distribution of grains becomes more uniform. Additionally, the constituent particles of low melting point that may have formed during the melting again dissolve into grains. Additionally, any intermetallic particles that may have formed during melting. formed during casting can be fractured. Finally, precipitates of chemical additives for the purpose of reinforcing material that may have formed are dissolved and then evenly redistributed as the billet cools. high energy consumption has a direct cost effect on the operation in consideration of the current al high cost of energy.
[007] É um objetivo da presente invenção oferecer um método e aparelho de fundição DC que proporcione diretamente um tarugo de metal fundido possuindo uma microestrutura homogênea sem a necessidade de um tratamento térmico de homogeneização ou necessitando apenas de tratamento de homogeneização mínimo.[007] It is an objective of the present invention to offer a DC casting method and apparatus that directly provides a cast metal billet having a homogeneous microstructure without the need for a homogenization heat treatment or requiring only minimal homogenization treatment.
[008] É um objetivo adicional da presente invenção oferecer um método e aparelho de fundição DC que proporcione diretamente um tarugo de metal fundido possuindo uma microestrutura homogênea sem a necessidade de inclusão de uma substância química de refino de grãos, ou somente de o mínimo de substância química de refino de grãos.[008] It is a further objective of the present invention to provide a DC casting method and apparatus that directly provides a molten metal billet having a homogeneous microstructure without the need to include a grain refining chemical, or only a minimum of grain refining chemical.
[009] Estes e outros objetivos são proporcionados pela presente invenção, cuja primeira modalidade proporciona um método para fundição por resfriamento direto de um metal ou liga metálica, compreendendo: alimentar um material fundido fluido compreendendo um metal fundido ou liga metálica fundida a um molde de resfriamento direto (DC) provido de uma entrada e uma saída; resfriar o material fundido fluido no molde para obter um tarugo com um núcleo fundido formando um reservatório internamente afunilado e uma carcaça sólida externa que se torna mais espessa quanto mais se distancia da saída do molde; aplicar energia vibracional ao material fundido fluido no reservatório de núcleo fundido de um tarugo saindo do molde com um dispositivo posicionado dentro do molde; injetar um fluxo de um gás de purga no material fundido fluido no reservatório de núcleo fundido do tarugo; aplicar energia vibracional à carcaça sólida externa do tarugo após a saída do molde em uma região do reservatório afunilado; remover o tarugo da saída do molde; e adicionalmente resfriar o tarugo após a saída do molde para obter um tarugo sólido.[009] These and other objectives are provided by the present invention, the first modality of which provides a method for casting by direct cooling of a metal or metal alloy, comprising: feeding a fluid molten material comprising a molten metal or metal alloy fused to a mold of direct cooling (DC) provided with an inlet and an outlet; to cool the fluid molten material in the mold to obtain a billet with a molten core forming an internally tapered reservoir and an external solid shell that becomes thicker the further away it is from the mold outlet; applying vibrational energy to fluid molten material in the molten core reservoir of a billet exiting the mold with a device positioned within the mold; injecting a stream of a purge gas into the fluid molten material in the billet's molten core reservoir; apply vibrational energy to the external solid shell of the billet after exiting the mold in a region of the tapered reservoir; remove the dowel from the mold outlet; and additionally cooling the billet after exiting the mold to obtain a solid billet.
[010] Em um aspecto da primeira modalidade, aplicar energia vibracional ultrassônica à carcaça sólida externa do tarugo na região do reservatório afunilado inclui aplicar a energia vibracional a partir de uma pluralidade de fontes de energia vibracional localizadas em uma pluralidade de posições ao redor da circunferência do tarugo.[010] In one aspect of the first embodiment, applying ultrasonic vibrational energy to the solid outer shell of the billet in the region of the tapered reservoir includes applying vibrational energy from a plurality of vibrational energy sources located in a plurality of positions around the circumference of the billet.
[011] Em outro aspecto da primeira modalidade, aplicar energia vibracional ultrassônica à carcaça sólida externa do tarugo na região do reservatório afunilado inclui aplicar a energia vibracional através de uma camada de fluido refrigerante pulverizado na superfície externa do tarugo após a saída do molde.[011] In another aspect of the first embodiment, applying ultrasonic vibrational energy to the external solid shell of the billet in the region of the tapered reservoir includes applying vibrational energy through a layer of coolant sprayed on the external surface of the billet after exiting the mold.
[012] Em outro aspecto da primeira modalidade, o molde de resfriamento direto é um molde DC vertical.[012] In another aspect of the first modality, the direct cooling mold is a vertical DC mold.
[013] Em outro aspecto da primeira modalidade, o molde de resfriamento direto é um molde DC horizontal.[013] In another aspect of the first modality, the direct cooling mold is a horizontal DC mold.
[014] Em uma segunda modalidade, a presente invenção proporciona um molde de fundição por resfriamento direto (DC), compreendendo: um molde de extremidade aberta orientado verticalmente possuindo uma entrada posicionada na parte superior e uma saída posicionada na parte inferior; uma calha de alimentação para alimentação de um material fundido fluido para a entrada superior do molde; um sistema de resfriamento de líquido proporcionando uma camisa de resfriamento de fluido na saída do molde; uma fonte de energia vibracional posicionada verticalmente acima da entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; uma unidade de alimentação de gás de purga posicionada verticalmente acima da entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; e uma pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente abaixo da saída do molde; em que a posição vertical da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente está localizada em estreita proximidade da saída do molde, de modo que a energia vibracional seja aplicada a um tarugo saindo do molde em uma região de um reservatório de material fundido afunilado internamente dentro do tarugo.[014] In a second embodiment, the present invention provides a casting mold by direct cooling (DC), comprising: a vertically oriented open-end mold having an inlet positioned at the top and an outlet positioned at the bottom; a feed chute for feeding a fluid molten material to the upper inlet of the mold; a liquid cooling system providing a fluid cooling jacket at the mold outlet; a vibrational energy source positioned vertically above the mold inlet and extending into the mold; a purge gas supply unit positioned vertically above the mold inlet and extending into the mold; and a plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet; wherein the vertical position of the plurality of circumferentially disposed vibrational energy sources is located in close proximity to the mold outlet such that vibrational energy is applied to a billet exiting the mold in a region of a reservoir of molten material tapered internally within. of the billet.
[015] Em um aspecto da segunda modalidade, a fonte de energia vibracional posicionada verticalmente compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente, ou uma combinação dos mesmos.[015] In an aspect of the second modality, the vertically positioned vibrational energy source comprises at least one ultrasonic transducer, at least one mechanically driven vibrator, or a combination thereof.
[016] Em outro aspecto da segunda modalidade, a fonte de energia vibracional posicionada verticalmente e a unidade de alimentação de gás de purga são combinadas como uma unidade de desgaseificador ultrassônico, em que o desgaseificador ultrassônico compreende: uma sonda alongada compreendendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade conectada a um transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta localizada na saída do molde, e uma distribuição de gás de purga compreendendo uma entrada de gás de purga e uma saída de gás de purga, a saída de gás de purga disposta na ponta da sonda alongada para introduzir um gás de purga na região na saída do molde.[016] In another aspect of the second modality, the vertically positioned vibrational energy source and the purge gas supply unit are combined as an ultrasonic deaerator unit, wherein the ultrasonic deaerator comprises: an elongated probe comprising a first end and a second end, the first end connected to an ultrasonic transducer and the second end comprising a tip located at the mold outlet, and a purge gas distribution comprising a purge gas inlet and a purge gas outlet, the outlet of purge gas disposed at the tip of the elongated probe to introduce a purge gas to the region at the mold outlet.
[017] Em outro aspecto da segunda modalidade, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente embaixo da saída do molde compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente, ou uma combinação dos mesmos.[017] In another aspect of the second embodiment, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet comprises at least one ultrasonic transducer, at least one mechanically driven vibrator, or a combination thereof.
[018] Em outro aspecto da segunda modalidade, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente embaixo da saída do molde é posicionada para entrar diretamente em contato com uma superfície sólida de um tarugo saindo do molde.[018] In another aspect of the second embodiment, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet is positioned to directly contact a solid surface of a billet exiting the mold.
[019] Em outro aspecto da segunda modalidade, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente embaixo da saída do molde é posicionada para entrar em contato com uma camisa de fluido resfriamento em uma superfície sólida de um tarugo saindo do molde.[019] In another aspect of the second embodiment, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet is positioned to contact a coolant jacket on a solid surface of a billet exiting the mold.
[020] Em uma terceira modalidade, a presente invenção proporciona um molde de fundição por resfriamento direto (DC), compreendendo: um molde de extremidade aberta orientado horizontalmente possuindo uma entrada e saída;[020] In a third embodiment, the present invention provides a casting mold by direct cooling (DC), comprising: a horizontally oriented open-end mold having an inlet and outlet;
uma calha de alimentação para alimentação de um material fundido fluido para a entrada do molde; um sistema de resfriamento de líquido proporcionando uma camisa de resfriamento de fluido na saída do molde; uma fonte de energia vibracional posicionada na entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; uma unidade de alimentação de gás de purga posicionada na entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; e uma pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente para além da saída do molde; em que a posição vertical da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente está localizada em estreita proximidade da saída do molde, de modo que a energia vibracional seja aplicada a um tarugo saindo do molde em uma região de um reservatório de material fundido afunilado internamente dentro do tarugo.a feed chute for feeding a fluid molten material to the mold inlet; a liquid cooling system providing a fluid cooling jacket at the mold outlet; a vibrational energy source positioned at the entrance to the mold and extending into the mold; a purge gas supply unit positioned at the mold inlet and extending into the mold; and a plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed beyond the mold outlet; wherein the vertical position of the plurality of circumferentially disposed vibrational energy sources is located in close proximity to the mold outlet such that vibrational energy is applied to a billet exiting the mold in a region of a reservoir of molten material tapered internally within. of the billet.
[021] Em um aspecto da terceira modalidade, a fonte de energia vibracional posicionada na entrada do molde compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente, ou uma combinação dos mesmos.[021] In an aspect of the third modality, the vibrational energy source positioned at the mold inlet comprises at least one ultrasonic transducer, at least one mechanically driven vibrator, or a combination thereof.
[022] Em outro aspecto da terceira modalidade, a fonte de energia vibracional posicionada na entrada do molde e a unidade de alimentação de gás de purga são combinadas como uma unidade de desgaseificador ultrassônico, em que o desgaseificador ultrassônico compreende: uma sonda alongada compreendendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade conectada a um transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta localizada na saída do molde, e uma distribuição de gás de purga compreendendo uma entrada de gás de purga e uma saída de gás de purga, a saída de gás de purga disposta na ponta da sonda alongada para introduzir um gás de purga na região na saída do molde.[022] In another aspect of the third modality, the vibrational energy source positioned at the mold inlet and the purge gas supply unit are combined as an ultrasonic deaerator unit, wherein the ultrasonic deaerator comprises: an elongated probe comprising a first end and a second end, the first end connected to an ultrasonic transducer and the second end comprising a tip located at the mold outlet, and a purge gas distribution comprising a purge gas inlet and a purge gas outlet, the purge gas outlet disposed at the tip of the elongated probe to introduce a purge gas into the region at the outlet of the mold.
[023] Em outro aspecto da terceira modalidade, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente após a saída do molde compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente, ou uma combinação dos mesmos.[023] In another aspect of the third embodiment, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed after exiting the mold comprises at least one ultrasonic transducer, at least one mechanically driven vibrator, or a combination thereof.
[024] Em outro aspecto da segunda modalidade, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente após a saída do molde é posicionada para entrar diretamente em contato com uma superfície sólida de um tarugo saindo do molde.[024] In another aspect of the second embodiment, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed after exiting the mold is positioned to directly contact a solid surface of a billet exiting the mold.
[025] Em outro aspecto da terceira modalidade, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente após a saída do molde é posicionada para entrar em contato com uma camisa de fluido resfriamento em uma superfície sólida de um tarugo saindo do molde.[025] In another aspect of the third embodiment, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed after exiting the mold is positioned to contact a coolant jacket on a solid surface of a billet exiting the mold.
[026] Em uma quarta modalidade, a presente invenção proporciona tarugo de metal ou liga metálica obtido pelo método da primeira modalidade, em que o tarugo não compreende uma substância química de refino de grão e o tarugo não foi submetido a um tratamento de homogeneização térmica.[026] In a fourth modality, the present invention provides metal or metal alloy billet obtained by the method of the first modality, in which the billet does not comprise a grain refining chemical and the billet has not been subjected to a thermal homogenization treatment .
[027] Em um aspecto especial da quarta modalidade, o tarugo é um tarugo de alumínio ou liga de alumínio.[027] In a special aspect of the fourth modality, the billet is an aluminum or aluminum alloy billet.
[028] Os parágrafos anteriores foram apresentados a título de introdução geral, e não pretendem limitar o escopo das reivindicações seguintes. As modalidades descritas, juntamente com as vantagens adicionais, serão melhor compreendidas por referência à descrição detalhada a seguir, considerada em conjunto com os desenhos acompanhantes.[028] The foregoing paragraphs are given by way of general introduction, and are not intended to limit the scope of the following claims. The described embodiments, together with the additional advantages, will be better understood by reference to the following detailed description, considered in conjunction with the accompanying drawings.
[029] A Fig. 1 mostra um diagrama esquemático de uma unidade de fundição em molde por resfriamento direto (DC) convencional e é rotulado como “Técnica Anterior”.[029] Fig. 1 shows a schematic diagram of a conventional direct-cooled (DC) die-casting unit and is labeled “Prior Art”.
[030] A Fig. 2 mostra um conceito visual de um sistema de fundição DC convencional e é rotulado como “Técnica Anterior”.[030] Fig. 2 shows a visual concept of a conventional DC casting system and is labeled “Prior Art”.
[031] A Fig. 3 mostra uma vista interior aberta do sistema de fundição DC convencional da Fig. 2, e é rotulado como “Técnica Anterior”.[031] Fig. 3 shows an open interior view of the conventional DC casting system of Fig. 2, and is labeled “Prior Art”.
[032] A Fig. 4 mostra um conceito visual de um sistema de fundição DC de acordo com uma modalidade da invenção.[032] Fig. 4 shows a visual concept of a DC casting system according to an embodiment of the invention.
[033] A Fig. 5 mostra uma vista interior aberta do sistema de fundição DC ilustrado na Fig. 4.[033] Fig. 5 shows an open interior view of the DC casting system illustrated in Fig. 4.
[034] Na descrição a seguir, as palavras “um” e “uma”, e similares, transmitem o significado de “um(a) ou mais”. As expressões "selecionado dentre o grupo consistindo em", "escolhido dentre", e similares, incluem misturas dos materiais especificados. Termos tais como “contém” ou “contêm”, e similares, são termos abertos cujo significado é “incluindo pelo menos”, salvo indicação específica em contrário. Todas as referências, patentes, aplicações, testes, padrões, documentos, publicações, prospectos, textos, artigos, etc. mencionados aqui são incorporados no presente documento para fins de referência. Quando se declara um limite ou intervalo numérico, incluem-se os pontos finais. Além disso, todos os valores e subintervalos dentro de um limite ou intervalo numérico são especificamente incluídos como se explicitamente escritos por extenso.[034] In the following description, the words "a" and "an", and the like, convey the meaning of "one or more". The expressions "selected from the group consisting of", "chosen from", and the like, include mixtures of the specified materials. Terms such as “contains” or “contains”, and the like, are open-ended terms whose meaning is “including at least”, unless specifically stated otherwise. All references, patents, applications, tests, standards, documents, publications, prospectuses, texts, articles, etc. mentioned herein are incorporated herein for reference purposes. When declaring a numerical limit or range, end points are included. In addition, all values and subranges within a numerical limit or range are specifically included as if explicitly spelled out.
[035] Por todo o restante desta descrição, a liga de alumínio será discutida.[035] Throughout the remainder of this description, aluminum alloy will be discussed.
[036] Entretanto, deve-se entender que a essência das modalidades descritas pode não ser limitada à liga de alumínio e pode ser igualmente aplicável a qualquer metal ou liga metálica fundida em uma operação de fundição DC. Além disso, embora tarugos sejam descritos nas modalidades, o método também pode ser considerado aplicável à fundição de lingotes. Assim, de acordo com as modalidades do presente método, a aplicação de energia vibracional ou ultrassônica em um sistema de duas camadas a um processo de fundição DC é proporcionada. Na primeira camada, uma combinação de energia ultrassônica e/ou gás de purga é inserida diretamente em um reservatório de material fundido de um tarugo formado em um molde aberto de um sistema de fundição DC em um ponto onde o tarugo está fora da saída do molde. Esta combinação de energia vibracional e gás de purga serve para distribuir uniformemente os elementos de formação de liga na região do reservatório de material fundido e para remover os gases aprisionados no material fundido. Adicionalmente, acredita-se que o refino de grão também resulte desta aplicação direta de energia vibracional na região do reservatório de material fundido. Uma vez que esta área de reservatório de material fundido é adjacente ao limite de solidificação do tarugo de resfriamento, a distribuição uniforme dos elementos de formação de liga pode ser retida no tarugo solidificado. Adicionalmente em uma segunda camada, pela aplicação da energia vibracional, especialmente energia ultrassônica, através da parede do tarugo na região do reservatório de fusão, os cristais se solidificando na frente de solidificação são desprendidos da frente em unidades de cristal menores e se tornam ainda mais uniformemente distribuídos na liga solidificada.[036] However, it should be understood that the essence of the described modalities may not be limited to aluminum alloy and may be equally applicable to any metal or metallic alloy cast in a DC casting operation. Furthermore, although billets are described in the modalities, the method can also be considered applicable to ingot casting. Thus, according to the embodiments of the present method, the application of vibrational or ultrasonic energy in a two-layer system to a DC casting process is provided. In the first layer, a combination of ultrasonic energy and/or purge gas is inserted directly into a molten material reservoir of a billet formed in an open mold of a DC casting system at a point where the billet is outside the mold outlet . This combination of vibrational energy and purge gas serves to uniformly distribute the alloying elements in the region of the molten material reservoir and to remove gases trapped in the molten material. Additionally, it is believed that grain refining also results from this direct application of vibrational energy in the region of the molten material reservoir. Since this area of molten material reservoir is adjacent to the solidification boundary of the quench billet, the uniform distribution of the alloying elements can be retained in the solidified billet. Additionally in a second layer, by applying vibrational energy, especially ultrasonic energy, through the billet wall in the region of the fusion reservoir, the crystals solidifying on the solidification front are detached from the front into smaller crystal units and become even more evenly distributed in the solidified alloy.
[037] Assim, como resultado das duas camadas de tratamento, obtém-se um tarugo com uma distribuição homogênea dos elementos de formação de liga e dos grãos finos. Este é exatamente o resultado almejado no processo de homogeneização térmica, como descrito anteriormente, e assim, podem-se evitar os custos de energia e operacionais de uma operação de homogeneização. Adicionalmente, à medida que grãos finos são gerados pela aplicação da energia ultrassônica na frente de solidificação, como descrito acima, obtém-se uma estrutura de grãos finos sem a necessidade de inclusão de substâncias químicas de refinamento de grãos, tal como boreto de titânio (TIBOR) ou a mistura de titânio- carbono (TiCar).[037] Thus, as a result of the two treatment layers, a billet with a homogeneous distribution of alloying elements and fine grains is obtained. This is exactly the desired result of the thermal homogenization process, as described above, and thus the energy and operating costs of a homogenization operation can be avoided. Additionally, as fine grains are generated by applying ultrasonic energy to the solidification front, as described above, a fine grain structure is obtained without the need to include grain refining chemicals such as titanium boride ( TIBOR) or the titanium-carbon blend (TiCar).
[038] Dessa forma, pode-se obter um tarugo fundido de liga de alumínio DC de alta qualidade sem o uso de substâncias químicas de refino e com uma redução considerável do tempo de produção e dos custos de energia. Tal aprimoramento na qualidade e no custo da fundição DC dos tarugos foi altamente inesperado e oferece vantagem considerável sobre o sistema de fundição DC convencional agora em operação.[038] In this way, it is possible to obtain a high quality cast aluminum alloy DC billet without the use of refining chemicals and with a considerable reduction in production time and energy costs. Such an improvement in the quality and cost of the billet DC casting was highly unexpected and offers a considerable advantage over the conventional DC casting system now in operation.
[039] Assim, na primeira modalidade, a presente invenção proporciona um método para fundição por resfriamento direto (DC) de um metal ou liga metálica, compreendendo: alimentar um material fundido fluido compreendendo um metal fundido ou liga metálica fundida a um molde de resfriamento direto provido de uma entrada e uma saída; resfriar o material fundido fluido no molde para obter um tarugo com um núcleo fundido formando um reservatório internamente afunilado e uma carcaça sólida externa que se torna mais espessa quanto mais se distancia da saída do molde; aplicar energia vibracional ao material fundido fluido no reservatório de núcleo fundido de um tarugo saindo do molde com um dispositivo posicionado dentro do molde; opcionalmente, injetar um fluxo de um gás de purga no material fundido fluido no reservatório de núcleo fundido do tarugo; aplicar energia vibracional à carcaça sólida externa do tarugo após a saída do molde em uma região do reservatório afunilado; e remover o tarugo da saída do molde; adicionalmente resfriar o tarugo após a saída do molde para obter um tarugo sólido.[039] Thus, in the first embodiment, the present invention provides a method for casting by direct cooling (DC) of a metal or metallic alloy, comprising: feeding a fluid molten material comprising a molten metal or molten alloy to a cooling mold direct provided with an input and an output; to cool the fluid molten material in the mold to obtain a billet with a molten core forming an internally tapered reservoir and an external solid shell that becomes thicker the further away it is from the mold outlet; applying vibrational energy to fluid molten material in the molten core reservoir of a billet exiting the mold with a device positioned within the mold; optionally, injecting a stream of a purge gas into the fluid molten material in the billet molten core reservoir; apply vibrational energy to the external solid shell of the billet after exiting the mold in a region of the tapered reservoir; and removing the billet from the mold outlet; additionally cool the billet after exiting the mold to obtain a solid billet.
[040] O molde de fundição DC pode ser orientado verticalmente ou horizontalmente.[040] The DC casting mold can be oriented vertically or horizontally.
[041] A preparação e alimentação do material fundido fluido do metal ou liga metálica fundida é convencionalmente conhecida, e qualquer um dos sistemas conhecidos pode ser empregado com a presente invenção. Adicionalmente, a manipulação do tarugo solidificado também é convencionalmente conhecida, e quaisquer tais sistemas podem ser apropriadamente combinados com a presente invenção.[041] The preparation and feeding of the fluid molten material of metal or molten metal alloy is conventionally known, and any of the known systems can be employed with the present invention. Additionally, the handling of solidified billet is also conventionally known, and any such systems may be appropriately combined with the present invention.
[042] A aplicação da energia vibracional ultrassônica à carcaça sólida externa do tarugo na região do reservatório afunilado inclui aplicar a energia vibracional a partir de uma pluralidade de fontes de energia vibracional localizadas em uma pluralidade de posições ao redor da circunferência do tarugo. Em teoria, quanto maior o número de entradas de energia vibracional aplicadas, mais eficaz a geração de grãos finos a partir da frente de solidificação. Entretanto, na prática, o número máximo pode ser limitado pela configuração espacial da unidade de moldagem DC. Geralmente, pelo menos duas fontes de energia vibracional podem ser empregadas, de preferência de 2 a 8 fontes de energia, mais preferivelmente de 3 a 6, o mais preferível, 4 dispositivos de energia vibracional podem ser empregados.[042] The application of ultrasonic vibrational energy to the solid outer shell of the billet in the tapered reservoir region includes applying vibrational energy from a plurality of vibrational energy sources located at a plurality of positions around the circumference of the billet. In theory, the greater the number of vibrational energy inputs applied, the more efficient the generation of fine grains from the solidification front. However, in practice, the maximum number may be limited by the spatial configuration of the DC molding unit. Generally, at least two vibrational energy sources can be employed, preferably 2 to 8 energy sources, more preferably 3 to 6, most preferably 4 vibrational energy devices can be employed.
[043] O gás de purga pode ser qualquer gás apropriado para uso com metal fundido ou liga metálica fundida. Geralmente, um gás inerte, tal como nitrogênio ou argônio, é preferido. Entretanto, em aplicações específicas, outros gases podem ser empregados como o gás de purga, inclusive combinações de gases.[043] The purge gas can be any gas suitable for use with molten metal or molten metal alloy. Generally, an inert gas such as nitrogen or argon is preferred. However, in specific applications, other gases can be used as the purge gas, including gas combinations.
[044] Em um aspecto da invenção, quando se emprega um gás de purga, a fonte de energia vibracional posicionada no molde e a unidade de alimentação de gás de purga são combinadas como uma unidade de desgaseificador ultrassônico,[044] In one aspect of the invention, when a purge gas is employed, the vibrational energy source positioned in the mold and the purge gas supply unit are combined as an ultrasonic degasser unit,
em que o desgaseificador ultrassônico compreende: uma sonda alongada compreendendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade conectada a um transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta localizada na saída do molde, e uma distribuição de gás de purga compreendendo uma entrada de gás de purga e uma saída de gás de purga, a saída de gás de purga disposta na ponta da sonda alongada para introduzir um gás de purga na região na saída do molde.wherein the ultrasonic degasser comprises: an elongated probe comprising a first end and a second end, the first end connected to an ultrasonic transducer and the second end comprising a tip located at the mold outlet, and a purge gas distribution comprising an inlet of purge gas and a purge gas outlet, the purge gas outlet disposed at the tip of the elongated probe to introduce a purge gas to the region at the outlet of the mold.
[045] Como indicado anteriormente, o tarugo abaixo ou após a saída do molde é revestido com uma camisa de refrigerante, de preferência uma camisa de água. Assim, há duas configurações para aplicação de energia vibracional à carcaça externa do tarugo. Em uma configuração, a fonte de energia vibracional pode ser inserida através da camisa de refrigerante e entrar diretamente em contato com a superfície do tarugo. Em uma segunda configuração, a fonte de energia vibracional entra em contato com a camisa de água e a energia ultrassônica é transmitida pelo fluido refrigerante à superfície do tarugo.[045] As indicated above, the billet below or after exiting the mold is coated with a coolant jacket, preferably a water jacket. Thus, there are two configurations for applying vibrational energy to the billet's outer shell. In one configuration, the vibrational energy source can be inserted through the coolant jacket and directly contact the billet surface. In a second configuration, the vibrational energy source contacts the water jacket and the ultrasonic energy is transmitted by the coolant to the billet surface.
[046] Qualquer que seja a configuração, em consideração ao fato de que a energia vibracional é amortecida pela estrutura do tarugo sólido, a posição do dispositivo de energia vibracional em relação ao reservatório de afunilamento pode estar localizada próximo à saída do molde, onde a espessura da parede sólida é mínima. Em certas disposições, o posicionamento da pluralidade de dispositivos de energia vibracional pode ser disposto em diferentes localizações do reservatório, de modo que a energia ultrassônica seja aplicada ao longo de uma área máxima da frente de solidificação.[046] Whatever the configuration, in consideration of the fact that the vibrational energy is dampened by the structure of the solid billet, the position of the vibrational energy device in relation to the funnel reservoir can be located near the mold outlet, where the solid wall thickness is minimal. In certain arrangements, the positioning of the plurality of vibrational energy devices can be arranged at different locations in the reservoir so that ultrasonic energy is applied over a maximum area of the solidification front.
[047] O dispositivo de energia vibracional pode ser qualquer dispositivo tal que seja apropriado para utilização no molde de fundição DC, como descrito. Uma vasta gama de pós e frequências ultrassônicas pode ser usada com o método de fundição DC como descrito aqui e pode ser ajustada para desempenho ideal,[047] The vibrational energy device can be any such device that is suitable for use in the DC casting mold as described. A wide range of ultrasonic powders and frequencies can be used with the DC casting method as described here and can be tuned for optimal performance,
dependendo da liga específica sendo fundida e da profundidade, formato e dimensões do molde. Em um aspecto, a fonte de vibrações ultrassônicas pode fornecer uma potência de 1.5 kW em uma frequência acústica de 20 kHz.depending on the specific alloy being cast and the depth, shape and dimensions of the mold. In one aspect, the ultrasonic vibration source can deliver a power of 1.5 kW at an acoustic frequency of 20 kHz.
[048] Em geral, a potência da sonda (dispositivo de energia vibracional) pode variar entre 50 e 5000 W, dependendo das dimensões da sonda. Essas potências são tipicamente aplicadas à sonda para assegurar que a densidade de potência na ponta da sonda seja maior do que 100 W/cm2, o que pode ser considerado o limiar para clivagem dos grãos na frente de solidificação. As potências nesta área podem variar de 50 a 5000 W, 100 a 3000 W, 500 a 2000 W, 1000 a 1500 W, ou qualquer intervalo intermediário ou sobreposto. Potências maiores para sondas maiores e potências menores para sondas menores 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 de 20 W/cm2 a 400 W/cm2, ou de 30 W/cm2 a 300 W/cm2, ou de 50 W/cm2 a 200 W/cm2, ou de 70 W/cm2 a 150 W/cm2, ou quaisquer intervalos intermediários ou sobrepostos dos mesmos.[048] In general, the power of the probe (vibration energy device) can vary between 50 and 5000 W, depending on the dimensions of the probe. These powers are typically applied to the probe to ensure that the power density at the probe tip is greater than 100 W/cm2, which can be considered the threshold for grain cleavage on the solidification front. Powers in this area can range from 50 to 5000 W, 100 to 3000 W, 500 to 2000 W, 1000 to 1500 W, or any intermediate or overlapping range. Higher powers for larger probes and lower powers for smaller probes are possible. In various embodiments of the invention, the applied vibrational energy power density can range from 10 W/cm2 to 500 W/cm2, or from 20 W/cm2 to 400 W/cm2, or from 30 W/cm2 to 300 W/cm2 , or from 50 W/cm2 to 200 W/cm2, or from 70 W/cm2 to 150 W/cm2, or any intermediate or overlapping ranges thereof.
[049] Em geral, uma frequência de 5 a 400 kHz (ou qualquer intervalo intermediário) pode ser usada. Como alternativa, 10 e 30 kHz (ou qualquer intervalo intermediário) pode ser usado. Como alternativa, 15 e 25 kHz (ou qualquer intervalo intermediário) pode ser usado. 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 intervalos intermediários ou sobrepostos dos mesmos.[049] In general, a frequency of 5 to 400 kHz (or any intermediate range) can be used. Alternatively, 10 and 30 kHz (or any intermediate range) can be used. Alternatively, 15 and 25 kHz (or any intermediate range) can be used. The applied frequency can range from 5 to 400 kHz, 10 to 30 kHz, 15 to 25 kHz, 10 to 200 kHz or 50 to 100 kHz, or any intermediate or overlapping intervals thereof.
[050] O dispositivo de energia vibracional pode ser qualquer de tais dispositivos conhecidos na técnica e pode ser uma sonda de ondas ultrassônicas (ou sonotrodo), um transdutor piezelétrico, um radiador ultrassônico ou um elemento magnetoestritivo. Em um caso em que a energia vibracional é transmitida através do meio de resfriamento, um transdutor ultrassônica pode ser preferido. Em uma modalidade da invenção, a energia ultrassônica é alimentada a partir de um transdutor que é capaz de converter correntes elétrico em energia mecânica, criando assim frequências vibracionais acima de 20 kHz (por exemplo, até 400 kHz), com a energia ultrassônica sendo alimentada um dos elementos piezelétricos ou magnetoestritivos, ou ambos[050] The vibrational energy device can be any such device known in the art and can be an ultrasonic wave probe (or sonotrode), a piezoelectric transducer, an ultrasonic radiator or a magnetostrictive element. In a case where vibrational energy is transmitted through the cooling medium, an ultrasonic transducer may be preferred. In one embodiment of the invention, ultrasonic energy is fed from a transducer that is capable of converting electrical currents into mechanical energy, thus creating vibrational frequencies above 20 kHz (eg, up to 400 kHz), with the ultrasonic energy being fed one of the piezoelectric or magnetostrictive elements, or both
[051] Em uma modalidade em que uma sonda de ondas ultrassônicas entra em contato com o meio de resfriamento líquido, uma distância de separação a partir de uma ponta da sonda de ondas ultrassônicas para a parede de tarugo sólido pode ser variável. A distância de separação pode ser, por exemplo, menor do que 1 mm, menor do que 2 mm, menor do que 5 mm, menor do que 1 cm, menor do que 2 cm, menor do que 5 cm, menor do que 10 cm, menor do que 20, ou menor do que 50 cm.[051] In an embodiment where an ultrasonic wave probe comes in contact with the liquid cooling medium, a separation distance from an ultrasonic wave probe tip to the solid billet wall can be variable. The separation distance can be, for example, less than 1 mm, less than 2 mm, less than 5 mm, less than 1 cm, less than 2 cm, less than 5 cm, less than 10 cm, less than 20, or less than 50 cm.
[052] Em um aspecto da invenção, o dispositivo de energia vibracional pode ser um transdutor piezelétrico formado de um material cerâmico que é imprensado entre eletrodos que proporcionam pontos de conexão para contato elétrico. Uma vez que uma tensão seja aplicada à cerâmica através dos eletrodos, a cerâmica se expande e se contrai em frequências ultrassônicas.[052] In one aspect of the invention, the vibrational energy device can be a piezoelectric transducer formed of a ceramic material that is sandwiched between electrodes that provide connection points for electrical contact. Once a voltage is applied to the ceramic through the electrodes, the ceramic expands and contracts at ultrasonic frequencies.
[053] Como é conhecido na técnica, um amplificador ultrassônico pode ser usado para amplificar ou intensificar a energia vibracional criada por um transdutor piezelétrico. O amplificador não aumenta ou diminui a frequência das vibrações; ele aumenta a amplitude da vibração. Em uma modalidade da invenção, um amplificador conecta-se entre o transdutor piezelétrico e a sonda.[053] As is known in the art, an ultrasonic amplifier can be used to amplify or intensify the vibrational energy created by a piezoelectric transducer. The amplifier does not raise or lower the frequency of vibrations; it increases the amplitude of the vibration. In one embodiment of the invention, an amplifier connects between the piezoelectric transducer and the probe.
[054] Os transdutores magnetoestritivos são tipicamente compostos de um grande número de placas de material que irão se expandir e se contrair uma vez que um campo eletromagnético é aplicado. Mais especificamente, os transdutores magnetoestritivos adequados para a presente invenção podem incluir, em uma modalidade, um grande número de placas de níquel (ou outro material magnetoestritivo) ou laminações dispostas em paralelo com uma borda de cada laminado conectada ao fundo de um recipiente de processo ou outra superfície a ser vibrada. Uma bobina de fio é colocada em torno do material magnetoestritivo para fornecer o campo magnético. Por exemplo, quando um fluxo de corrente elétrica é alimentado através da bobina de fio, um campo magnético é criado. Este campo magnético faz com que o material magnetoestritivo se contraia ou alongue, dessa forma introduzindo uma onda sonora em um fluido em contato com o material magnetoestritivo em expansão e contração. Frequências ultrassônicas típicas de transdutores magnetoestritivos adequados para a invenção variam de 20 a 200 kHz. Frequências maiores ou menores podem ser usadas, dependendo da frequência natural do elemento magnetoestritivo.[054] Magnetostrictive transducers are typically composed of a large number of plates of material that will expand and contract once an electromagnetic field is applied. More specifically, magnetostrictive transducers suitable for the present invention may include, in one embodiment, a large number of nickel plates (or other magnetostrictive material) or laminations arranged in parallel with an edge of each laminate connected to the bottom of a process vessel or other surface to be vibrated. A coil of wire is placed around the magnetostrictive material to provide the magnetic field. For example, when a flow of electrical current is fed through the coil of wire, a magnetic field is created. This magnetic field causes the magnetostrictive material to contract or elongate, thereby introducing a sound wave into a fluid in contact with the expanding and contracting magnetostrictive material. Typical ultrasonic frequencies of magnetostrictive transducers suitable for the invention range from 20 to 200 kHz. Higher or lower frequencies can be used depending on the natural frequency of the magnetostrictive element.
[055] Para transdutores magnetoestritivos, o níquel é um dos materiais normalmente mais utilizados. Quando uma tensão é aplicada ao transdutor, o material de níquel se expande e se contrai em frequências ultrassônicas. Em uma modalidade da invenção, as placas de níquel são brasadas diretamente com liga de prata a uma placa de aço inoxidável. A placa de aço inoxidável do transdutor magnetoestritivo é a superfície que está vibrando em frequências ultrassônicas e é a superfície (ou sonda) acoplada diretamente ao meio de resfriamento. As cavitações que são produzidas no meio de resfriamento por meio da vibração da placa em frequências ultrassônicas então impacta a superfície sólida do tarugo.[055] For magnetostrictive transducers, nickel is one of the most commonly used materials. When voltage is applied to the transducer, the nickel material expands and contracts at ultrasonic frequencies. In one embodiment of the invention, nickel plates are directly brazed with a silver alloy to a stainless steel plate. The stainless steel plate of the magnetostrictive transducer is the surface that is vibrating at ultrasonic frequencies and is the surface (or probe) directly coupled to the cooling medium. The cavitations that are produced in the cooling medium by vibrating the plate at ultrasonic frequencies then impact the solid surface of the billet.
[056] Vibradores mecânicos úteis para a invenção podem operar de 8.000 a[056] Mechanical vibrators useful for the invention can operate from 8,000 to
15.000 vibrações por minuto, embora frequências maiores e menores possam ser utilizadas. Em uma modalidade da invenção, o mecanismo vibracional é configurado para vibrar entre 565 e 5.000 vibrações por segundo. Por conseguinte, intervalos adequados para as vibrações mecânicas que podem ser usados na invenção incluem: 0 a 10 KHz, 10 Hz a 4000 Hz, 20 Hz a 2000 Hz, 40 Hz a 1000 Hz, 100 Hz a 500 Hz, e intervalos intermediários e combinados dos mesmos, incluindo um intervalo preferido de range 565 a 5.000 Hz.15,000 vibrations per minute, although higher and lower frequencies can be used. In one embodiment of the invention, the vibrational mechanism is configured to vibrate between 565 and 5,000 vibrations per second. Therefore, suitable ranges for mechanical vibrations that can be used in the invention include: 0 to 10 KHz, 10 Hz to 4000 Hz, 20 Hz to 2000 Hz, 40 Hz to 1000 Hz, 100 Hz to 500 Hz, and intermediate and combined thereof, including a preferred range of range 565 to 5,000 Hz.
[057] Embora descrita acima com respeito a modalidades acionadas por meio ultrassônicos e mecanicamente, a invenção não se restringe a um ou outro desses intervalos, podendo ser usada para um amplo espectro de energia vibracional de até 400 KHz, incluindo fontes de frequência única ou frequência múltipla. Adicionalmente, pode-se usar uma combinação de fontes (fontes acionadas por meios ultrassônicos e mecanicamente, ou diferentes fontes ultrassônicas, ou diferentes fontes acionadas mecanicamente ou fontes de energia acústica a serem descritas abaixo).[057] Although described above with respect to ultrasonic and mechanically driven modalities, the invention is not restricted to either of these ranges and can be used for a wide spectrum of vibrational energy up to 400 KHz, including single frequency sources or multiple frequency. Additionally, a combination of sources (ultrasonic and mechanically driven sources, or different ultrasonic sources, or different mechanically driven sources or acoustic energy sources to be described below) can be used.
[058] Em uma segunda modalidade, a presente invenção proporciona um molde de fundição por resfriamento direto (DC), compreendendo: um molde de extremidade aberta orientado verticalmente possuindo uma entrada posicionada na parte superior e uma saída posicionada na parte inferior; uma calha de alimentação para alimentação de um material fundido fluido para a entrada superior do molde; um sistema de resfriamento de líquido proporcionando uma camisa de resfriamento de fluido na saída do molde; uma fonte de energia vibracional posicionada verticalmente acima da entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; opcionalmente, uma unidade de alimentação de gás de purga posicionada verticalmente acima da entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; e uma pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente abaixo da saída do molde; em que a posição vertical da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente está localizada em estreita proximidade da saída do molde, de modo que a energia vibracional seja aplicada a um tarugo saindo do molde em uma região de um reservatório de material fundido afunilado internamente dentro do tarugo.[058] In a second embodiment, the present invention provides a direct cooling (DC) casting mold, comprising: a vertically oriented open-end mold having an inlet positioned at the top and an outlet positioned at the bottom; a feed chute for feeding a fluid molten material to the upper inlet of the mold; a liquid cooling system providing a fluid cooling jacket at the mold outlet; a vibrational energy source positioned vertically above the mold inlet and extending into the mold; optionally, a purge gas supply unit positioned vertically above the mold inlet and extending into the mold; and a plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet; wherein the vertical position of the plurality of circumferentially disposed vibrational energy sources is located in close proximity to the mold outlet such that vibrational energy is applied to a billet exiting the mold in a region of a reservoir of molten material tapered internally within. of the billet.
[059] O molde pode ser construído de qualquer material compatível com a composição de metal fundido a ser fundida. Geralmente, o molde pode ser construído de cobre ou grafita.[059] The mold can be constructed of any material compatible with the composition of molten metal to be cast. Generally, the mold can be constructed of copper or graphite.
[060] Em um aspecto, a fonte de energia vibracional posicionada verticalmente compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente, ou uma combinação dos mesmos.[060] In one aspect, the vertically positioned vibrational energy source comprises at least one ultrasonic transducer, at least one mechanically driven vibrator, or a combination thereof.
[061] Em um aspecto adicional, a fonte de energia vibracional posicionada verticalmente e a unidade de alimentação de gás de purga são combinadas como uma unidade de desgaseificador ultrassônico, em que o desgaseificador ultrassônico compreende: uma sonda alongada compreendendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade conectada a um transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta localizada na saída do molde, e uma distribuição de gás de purga compreendendo uma entrada de gás de purga e uma saída de gás de purga, a saída de gás de purga disposta na ponta da sonda alongada para introduzir um gás de purga na região na saída do molde.[061] In a further aspect, the vertically positioned vibrational energy source and the purge gas supply unit are combined as an ultrasonic deaerator unit, wherein the ultrasonic deaerator comprises: an elongated probe comprising a first end and a second end, the first end connected to an ultrasonic transducer and the second end comprising a tip located at the mold outlet, and a purge gas distribution comprising a purge gas inlet and a purge gas outlet, the purge gas outlet purge disposed at the tip of the elongated probe to introduce a purge gas to the region at the mold outlet.
[062] Um conceito visual esquemático do sistema de molde de fundição DC é ilustrado na Fig. 4, onde uma unidade de desgaseificador ultrassônico é posicionada verticalmente acima do molde e se projeta para um ponto abaixo da saída do molde (Fig. 5). Quatro dispositivos ultrassônicos são posicionados simetricamente em torno da circunferência do tarugo diretamente embaixo da saída do molde e adjacente à região do tarugo contendo o reservatório de fusão afunilado internamente.[062] A schematic visual concept of the DC casting mold system is illustrated in Fig. 4, where an ultrasonic degasser unit is positioned vertically above the mold and protrudes to a point below the mold outlet (Fig. 5). Four ultrasonic devices are positioned symmetrically around the circumference of the billet directly below the mold outlet and adjacent to the region of the billet containing the internally tapered melt reservoir.
[063] Como descrito anteriormente, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente embaixo da saída do molde compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente, ou uma combinação dos mesmos. Além disso, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente embaixo da saída do molde pode ser posicionada para entrar diretamente em contato com uma superfície sólida de um tarugo saindo do molde. Em outro aspecto, como ilustrado nas Figs. 4 e 5, cada uma da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente embaixo da saída do molde é posicionada para entrar em contato com uma camisa de fluido resfriamento em uma superfície sólida de um tarugo saindo do molde. De preferência, a camisa de resfriamento é uma camisa de água.[063] As described above, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet comprises at least one ultrasonic transducer, at least one mechanically driven vibrator, or a combination thereof. In addition, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet may be positioned to directly contact a solid surface of a billet exiting the mold. In another aspect, as illustrated in Figs. 4 and 5, each of the plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed below the mold outlet is positioned to contact a jacket of cooling fluid on a solid surface of a billet exiting the mold. Preferably, the cooling jacket is a water jacket.
[064] Em uma terceira modalidade, a presente invenção proporciona um molde de fundição por resfriamento direto (DC), compreendendo: um molde de extremidade aberta orientado horizontalmente possuindo uma entrada e uma saída; uma calha de alimentação para alimentação de um material fundido fluido para a entrada do molde; um sistema de resfriamento de líquido proporcionando uma camisa de resfriamento de fluido na saída do molde; uma fonte de energia vibracional posicionada na entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; opcionalmente, uma unidade de alimentação de gás de purga posicionada na entrada do molde e estendendo-se para dentro do molde; e uma pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente para além da saída do molde; em que a posição vertical da pluralidade de fontes de energia vibracional dispostas circunferencialmente está localizada em estreita proximidade da saída do molde, de modo que a energia vibracional seja aplicada a um tarugo saindo do molde em uma região de um reservatório de material fundido afunilado internamente dentro do tarugo.[064] In a third embodiment, the present invention provides a casting mold by direct cooling (DC), comprising: a horizontally oriented open-end mold having an inlet and an outlet; a feed chute for feeding a fluid molten material to the mold inlet; a liquid cooling system providing a fluid cooling jacket at the mold outlet; a vibrational energy source positioned at the entrance to the mold and extending into the mold; optionally, a purge gas supply unit positioned at the mold inlet and extending into the mold; and a plurality of vibrational energy sources circumferentially disposed beyond the mold outlet; wherein the vertical position of the plurality of circumferentially disposed vibrational energy sources is located in close proximity to the mold outlet such that vibrational energy is applied to a billet exiting the mold in a region of a reservoir of molten material tapered internally within. of the billet.
[065] O molde pode ser construído de qualquer material compatível com a composição de metal fundido a ser fundida. Geralmente, o molde pode ser construído de cobre ou grafita.[065] The mold can be constructed of any material compatible with the composition of the molten metal to be cast. Generally, the mold can be constructed of copper or graphite.
[066] Em um aspecto, a fonte de energia vibracional posicionada dentro do molde compreende pelo menos um transdutor ultrassônico, pelo menos um vibrador acionado mecanicamente, ou uma combinação dos mesmos.[066] In one aspect, the vibrational energy source positioned within the mold comprises at least one ultrasonic transducer, at least one mechanically driven vibrator, or a combination thereof.
[067] Em um aspecto adicional, quando se emprega gás de purga, a fonte de energia vibracional posicionada dentro do molde e a unidade de alimentação de gás de purga são combinadas como uma unidade de desgaseificador ultrassônico, em que o desgaseificador ultrassônico compreende: uma sonda alongada compreendendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade conectada a um transdutor ultrassônico e a segunda extremidade compreendendo uma ponta localizada na saída do molde, e uma distribuição de gás de purga compreendendo uma entrada de gás de purga e uma saída de gás de purga, a saída de gás de purga disposta na ponta da sonda alongada para introduzir um gás de purga na região na saída do molde.[067] In a further aspect, when using purge gas, the vibrational energy source positioned within the mold and the purge gas supply unit are combined as an ultrasonic deaerator unit, wherein the ultrasonic deaerator comprises: a elongated probe comprising a first end and a second end, the first end connected to an ultrasonic transducer and the second end comprising a tip located at the mold outlet, and a purge gas distribution comprising a purge gas inlet and a purge gas outlet. purge gas, the purge gas outlet disposed at the tip of the elongated probe to introduce a purge gas to the region at the outlet of the mold.
[068] Em uma quarta modalidade, a presente invenção está voltada a um tarugo de liga fundida obtido pelo método da presente invenção. O tarugo não compreende uma substância química de refino de grão, ou uma quantidade significativamente reduzida de substância química de refino de grão, e o tarugo foi submetido a um tratamento de homogeneização térmica. Em um aspecto preferido, o tarugo é um tarugo de alumínio ou liga de alumínio.[068] In a fourth embodiment, the present invention is directed to a cast alloy billet obtained by the method of the present invention. The billet does not comprise a grain refining chemical, or a significantly reduced amount of grain refining chemical, and the billet has been subjected to a thermal homogenization treatment. In a preferred aspect, the billet is an aluminum or aluminum alloy billet.
[069] A descrição acima é apresentada de forma a possibilitar que um indivíduo experiente na técnica pratique e utiliza a invenção, e é proporcionada no contexto de uma aplicação específica e seus requisitos. Várias modificações às modalidades preferidas serão prontamente aparentes aos versados na técnica, podendo os princípios gerais aqui definidos ser aplicados a outras modalidades e aplicações sem se afastar da essência e escopo da invenção.[069] The above description is presented in order to enable an individual experienced in the art to practice and use the invention, and is provided in the context of a specific application and its requirements. Various modifications to the preferred embodiments will be readily apparent to those skilled in the art and the general principles defined herein may be applied to other embodiments and applications without departing from the essence and scope of the invention.
Portanto, a presente invenção não deve se limitar às modalidades apresentadas, mas está de acordo com o maior âmbito possível consistente com os princípios e aspectos aqui revelados.Therefore, the present invention is not to be limited to the disclosed embodiments, but is in accordance with the widest possible scope consistent with the principles and aspects disclosed herein.
Sob este aspecto, certas modalidades dentro da invenção podem não apresentar todos os benefícios da invenção, considerados amplamente.In this regard, certain embodiments within the invention may not provide the full benefits of the invention, broadly considered.
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