BR112023009528B1 - Method and system for producing a large steel ingot - Google Patents
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Abstract
SISTEMA E METODO PARA PRODUZIR UM LINGOTE DE AQO GRANDE. O lingotamento de ago grande e realizado com um dispositivo de aquecimento por indugao suspenso superior fornecido com potencia variavel e frequencia variavel de uma fonte de energia. Pelo aquecimento por indugao e agitagao providos pelo dispositivo de aquecimento por indugao suspenso superior, a solidificagao do metal avanga progressivamente para cima de baixo para cima, e o metal fundido superior em uma parte do alimentador compensa a contragao do metal solidificado inferior na parte principal. As inclusoes sao removidas seletivamente do metal fundido por uma forga de agitagao eletromagnetica variavel e a formagao de defeitos de fundigao e suprimida.SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING A LARGE STEEL INGOT. Large steel casting is carried out with an overhead induction heating device supplied with variable power and variable frequency from a power source. By the induction heating and stirring provided by the overhead induction heating device, the solidification of the metal advances progressively upward from the bottom to the top, and the upper molten metal in a feeder part compensates for the contraction of the lower solidified metal in the main part. Inclusions are selectively removed from the molten metal by a variable electromagnetic stirring force, and the formation of casting defects is suppressed.
Description
[001] Esse pedido reivindica o beneflcio de Pedido Provisorio dos Estados Unidos da America N° 63/116.455, depositado em 20 de novembro de 2020, aqui incorporado por referencia em sua totalidade.[001] This application claims the benefit of United States Provisional Application No. 63/116,455, filed November 20, 2020, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[002] Esta invensao e sobre lingotamento de metal de grande volume em geral e particularmente sobre lingotamento de aço de grande volume, para a qual uma bobina em formato de panqueca ou dispositivo de aquecimento por induçao semelhante e suspenso sobre a superficie superior do metal fundido para fomecer potencia de aquecimento induzida e for£a de agitaçao eletromagnetica no material fundido no molde. O processo do aquecimento por induçao e da agitaçao eletromagnetica retardara a solidificaçao do material na parte do molde superior a linha de solidificaçao para garantir que o metal fundido na parte superior resfrie e solidifique mais lentamente que na parte inferior. Os objetivos gerais sao garantir que a solidificaçao do metal avance progressivamente para cima de baixo para cima, de modo que o metal fundido superior compense a contraçao do metal solidificado inferior e os defeitos seletivos sejam removidos pela for£a de agitaçao com potencia variavel e frequencia variavel fomecidas ao dispositivo de aquecimento por induçao. Os beneficios desta tecnica sao reduzir os defeitos de fundiçao e melhorar a qualidade dos lingotes finais.[002] This invention is about large volume metal casting in general and particularly about large volume steel casting, for which a pancake-shaped coil or similar induction heating device is suspended over the upper surface of the molten metal to provide induced heating power and electromagnetic stirring force to the molten material in the mold. The process of induction heating and electromagnetic stirring will retard the solidification of the material in the part of the mold above the solidification line to ensure that the molten metal in the upper part cools and solidifies more slowly than in the lower part. The general objectives are to ensure that the solidification of the metal progresses progressively upward from the bottom upward so that the upper molten metal compensates for the shrinkage of the lower solidified metal and selective defects are removed by the stirring force with variable power and variable frequency supplied to the induction heating device. The benefits of this technique are to reduce casting defects and improve the quality of the final ingots.
[003] A fundiçao de lingotes de aço de grande volume demanda um tempo consideravel devido ao grande volume substancial de material fundido no molde. Correspondentemente, pode ocorrer contraçao significativa no lingote durante o processo de solidificaçao, que trara grandes defeitos estruturais e por fim deteriorara a qualidade dos produtos fundidos. Consequentemente, abordagens de fundiçao apropriadamente projetadas para otimizar principalmente o processo de solidificasao sao desejadas.[003] Casting large volume steel ingots requires considerable time due to the substantial large volume of molten material in the mold. Accordingly, significant shrinkage may occur in the ingot during the solidification process, which will lead to large structural defects and ultimately deteriorate the quality of the cast products. Consequently, appropriately designed casting approaches to primarily optimize the solidification process are desired.
[004] O processo tipico de fundiçao para lingotes de aço de grande volume inclui despejar o material fundido no molde e resfriar o metal fundido ate que esteja completamente solidiflcado. Esse processo requer regularmente um espaço de um alimentador, um vazio extra no molde que e preenchido com material fundido para compensar a contraçao durante a solidificaçao. Quando o aço e despejado no molde de lingote, a solidificaçao progressiva começa nas paredes e na base do molde, movendo-se para dentro em direçao ao centra termico ou eixo geometrico. O aço liquido diminui em volume durante e apos a solidificaçao e havera metal solido insuficiente para preencher a primeira casca formada se o material fundido no alimentador for solidiflcado antes ou no mesmo ritmo que o material na parte principal do molde. O resultado e um corpo de aço com cavitaçao especialmente na regiao do ultimo metal a solidificar. Tal cavitaçao tambem esta associada a impurezas, que se concentram, por segregaçao formando uma distribuiçao indesejavel de elementos indesejaveis no produto final.[004] The typical casting process for large-volume steel ingots involves pouring the molten material into the mold and cooling the molten metal until it is completely solidified. This process often requires a hopper space, an extra void in the mold that is filled with molten material to compensate for shrinkage during solidification. As the steel is poured into the ingot mold, progressive solidification begins at the walls and base of the mold, moving inward toward the thermal center or geometric axis. The liquid steel decreases in volume during and after solidification, and there will be insufficient solid metal to fill the first shell formed if the molten material in the hopper solidifies before or at the same rate as the material in the main part of the mold. The result is a steel body with cavitation, especially in the region of the last metal to solidify. Such cavitation is also associated with impurities, which concentrate through segregation, forming an undesirable distribution of undesirable elements in the final product.
[005] Convencionalmente, ha uma variedade de abordagens que foram adaptadas para manter o material no alimentador no estado fundido ate que o metal na parte principal do molde de lingote tenha solidiflcado completamente. Baseia-se na percepçao de que manter o metal fundido solidificando progressivamente para cima de baixo para cima e crucial para a qualidade dos produtos finais.[005] Conventionally, there are a variety of approaches that have been adapted to keep the material in the feeder in the molten state until the metal in the main part of the ingot mold has completely solidified. It is based on the perception that keeping the molten metal solidifying progressively upwards from the bottom up is crucial to the quality of the final products.
[006] A patente coreana n° KR10 2123914B1 (doravante denominada Patente KR ‘914) descreve uma tecnica de lingotamento de aço empregando um dispositivo de aquecimento por induçao eletrica em formato de panqueca com bobina interna disposta em formato de espiral e rejuntada por refratario, que e montado e suspenso sobre o topo do molde. O procedimento de lingotamento por esta tecnica compreende quatro etapas: a primeira etapa e despejar o aço fundido no molde, por exemplo, atraves de uma entrada de fundo; a segunda etapa e adicionar material gerador de calor e material isolante termico na superflcie superior do aço fundido no molde; a terceira etapa e abaixar o dispositivo de aquecimento por induçao para o local necessario adjacente a superflcie superior do metal fundido; e a quarta etapa e aplicar uma corrente altemada de ffequencia especificada a bobina para aquecer o metal ate que esteja totalmente solidificado. O beneflcio dessa tecnica e manter a parte superior do metal fundido para garantir que a solidificaçao avance para cima de baixo para cima progressivamente. Portanto, o metal fundido superior compensara a contraçao do metal solidificado inferior e reduzira os defeitos estruturais.[006] Korean Patent No. KR10 2123914B1 (hereinafter referred to as KR '914 Patent) describes a steel casting technique employing a pancake-shaped electric induction heating device with an internal coil arranged in a spiral pattern and gasketed with refractory, which is mounted and suspended above the top of the mold. The casting procedure by this technique comprises four steps: the first step is to pour the molten steel into the mold, for example, through a bottom inlet; the second step is to add heat-generating material and thermal insulating material to the upper surface of the molten steel in the mold; the third step is to lower the induction heating device to the required location adjacent to the upper surface of the molten metal; and the fourth step is to apply an alternating current of specified frequency to the coil to heat the metal until it is fully solidified. The benefit of this technique is to maintain the upper part of the molten metal to ensure that the solidification progresses upwards from the bottom to the top progressively. Therefore, the upper molten metal will compensate for the shrinkage of the lower solidified metal and reduce structural defects.
[007] Na patente KR ‘914, o dispositivo de aquecimento por induçao suspenso junto com o agente de aquecimento (material) provido e o agente de isolamento termico (material) destinam-se a manter o metal na parte superior do molde fundido, o que e crucial para eliminar os defeitos intemos dos produtos finais. Os defeitos estruturais dos produtos finais incluem macrossegregaçao, porosidade de contraçao e inclusao. Em termos de eliminaçao da inclusao, os beneficios do aquecimento por induçao sao o gerenciamento da direçao da solidificaçao e o controle de todo o tempo de solidificaçao.[007] In the KR '914 patent, the suspended induction heating device together with the provided heating agent (material) and thermal insulation agent (material) are intended to keep the metal on top of the molten mold, which is crucial to eliminate the internal defects of the final products. The structural defects of the final products include macrosegregation, shrinkage porosity and inclusion. In terms of eliminating inclusion, the benefits of induction heating are the management of the solidification direction and the control of the entire solidification time.
[008] Se a aplicaçao for fundiçao de aço, as inclusoes nao metalicas serao classificadas como inclusoes nativas e inclusoes exogenas por suas fontes. As inclusoes nativas sao produtos de desoxidaçao ou precipitados formados durante os processos de resfriamento e solidificaçao. Por exemplo, materias nao metalicas aprisionadas por dendritos em crescimento. As inclusoes exogenas surgem de reaçoes quimicas e mecanicas nao intencionais entre o aço fundido e seus ambientes, o que levara a defeitos no lingote, como porosidade e orificios. Algumas inclusoes nao metalicas tendem a fluir para a parte superior do metal fundido e fleam presas na escoria e podem ser descartadas cortando o produto final na extremidade. O corte descartado e inutilizavel e geralmente ocupa 13 a 15% do produto final.[008] If the application is steel casting, non-metallic inclusions are classified as native inclusions and exogenous inclusions by their sources. Native inclusions are deoxidation products or precipitates formed during the cooling and solidification processes. For example, non-metallic materials trapped by growing dendrites. Exogenous inclusions arise from unintentional chemical and mechanical reactions between the molten steel and its surroundings, which will lead to defects in the ingot, such as porosity and pinholes. Some non-metallic inclusions tend to flow to the top of the molten metal and remain trapped in the slag and can be discarded by cutting the final product at the end. The discarded cutting is unusable and usually occupies 13 to 15% of the final product.
[009] Ha uma demanda constante por aços limpos, que sao os materials isentos de defeitos e utilizados em aplicaçoes desafiadoras, como peças automotivas e componentes utilizados em ambientes corrosivos.[009] There is a constant demand for clean steels, which are materials free from defects and used in challenging applications, such as automotive parts and components used in corrosive environments.
[0010] Um objetivo da presente invensao e reduzir ainda mais os defeitos em produtos de lingote de fundiçao variando de forma coordenada a potencia induzida e a ffequencia fomecida ao dispositivo de aquecimento por induçao suspenso.[0010] An object of the present invention is to further reduce defects in cast ingot products by coordinately varying the induced power and frequency supplied to the suspended induction heating device.
[0011] Em um aspecto, a presente invensao compreende um sistema e um metodo dedicados a grandes aplicapoes de fundiçao em moldes de lingotes, em que um dispositivo de aquecimento por induçao eletrica e empregado para manter a porsao superior do metal fundido e o processo de solidificaçao avan£a para cima de baixo para cima progressivamente por induzir energia termica e forsa de agitaçao eletromagnetica no metal de fundiçao atraves de uma bobina de aquecimento por induçao fomecida com corrente altemada de uma fonte de energia tendo uma potencia variavel e uma saida de ffequencia variavel. A vantagem de manter a parte superior do metal de fundiçao fundido e empregar a forsa de agitaçao eletromagnetica e reduzir substancialmente os defeitos estruturais e melhorar a qualidade dos produtos de lingotes finais.[0011] In one aspect, the present invention comprises a system and method dedicated to large ingot mold casting applications, wherein an electric induction heating device is employed to hold the upper portion of the molten metal and the solidification process advances upward from the bottom progressively by inducing thermal energy and electromagnetic stirring force into the casting metal through an induction heating coil supplied with alternating current from a power source having a variable power and variable frequency output. The advantage of holding the upper portion of the molten casting metal and employing the electromagnetic stirring force is to substantially reduce structural defects and improve the quality of the final ingot products.
[0012] Em outro aspecto, a presente inven5ao compreende um dispositivo de aquecimento por induçao montado e suspenso sobre o topo do molde de fundiçao e uma fonte de energia com uma potencia variavel e uma saida de ffequencia variavel provendo energia eletrica ao dispositivo de aquecimento por induçao para aquecer o aço fundido no molde de fundiçao para produçao de lingotes. O dispositivo de aquecimento por induçao compreende: uma bobina de induçao; um reffatario para embutir a bobina de induçao dentro do mesmo para prender a bobina e reduzir a dissipaçao de calor do metal fundido; e um dispositivo de içamento para elevar ou abaixar a bobina de induçao. A fonte de energia e configurada para prover corrente altemada com uma gama de diferentes taxas de frequences e potencia, que melhor corresponde aos requisitos de energia de aquecimento e forsa de agitaçao do processo de solidificaçao para reduzir os defeitos de fundiçao.[0012] In another aspect, the present invention comprises an induction heating device mounted and suspended above the top of the casting mold and a power source with a variable power and a variable frequency output providing electrical power to the induction heating device for heating molten steel in the casting mold for producing ingots. The induction heating device comprises: an induction coil; a refractory for embedding the induction coil therein to secure the coil and reduce heat dissipation of the molten metal; and a lifting device for raising or lowering the induction coil. The power source is configured to provide alternating current with a range of different frequency and power rates that best matches the heating power and agitation force requirements of the solidification process to reduce casting defects.
[0013] Em outro aspecto, a presente invensao e um metodo de produto de lingote que emprega um dispositivo de aquecimento por induçao suspenso sobre um molde de fundiçao em que uma fonte de energia de potencia variavel e ffequencia variavel fomece energia ao dispositivo de aquecimento por induçao. O processo de lingotamento por esta tecnica compreende quatro etapas: a primeira etapa e despejar o aço fundido no molde por uma entrada de fundo; a segunda etapa e adicionar material gerador de calor e isolante termico na superficie superior do aço fundido no molde; a terceira etapa e abaixar o dispositivo de aquecimento por induçao ate o local para pre-aquecer o reffatario do dispositivo de aquecimento por induçao a uma temperatura de pre-aquecimento do reffatario; e a quarta etapa e aplicar uma corrente altemada com uma ffequencia de aquecimento de metal fundido da fonte de energia de potencia variavel e de ffequencia variavel a bobina para aquecer o metal de fundiçao, mantendo a parte superior do metal fundido quando a solidificaçao começa de baixo para cima progressivamente e acelerando a remoçao de inclusoes aumentando a velocidade de agitaçao eletromagnetica pelo controle da saida de frequencia variavel da fonte de energia de potencia variavel e de frequencia variavel.[0013] In another aspect, the present invention is a method of producing ingots that employs an induction heating device suspended over a casting mold wherein a variable power and variable frequency power source supplies power to the induction heating device. The casting process by this technique comprises four steps: the first step is to pour molten steel into the mold through a bottom inlet; the second step is to add heat-generating and thermally insulating material to the upper surface of the molten steel in the mold; the third step is to lower the induction heating device to a location to preheat the refractory of the induction heating device to a refractory preheat temperature; and the fourth step is to apply an alternating current with a molten metal heating frequency from the variable power and variable frequency power source to the coil to heat the casting metal, keeping the upper part of the molten metal when solidification starts from the bottom to the top progressively and accelerating the removal of inclusions by increasing the electromagnetic stirring speed by controlling the variable frequency output of the variable power and variable frequency power source.
[0014] Para certas aplicaçoes deste metodo, a cavidade do molde de lingote pode ser dividida em uma parte principal e uma parte do alimentador. Durante a quarta etapa apresentada acima, o processo de aquecimento pode ser iniciado no momento em que a solidificaçao na parte principal estiver completamente concluida e o metal no alimentador ainda estiver fundido.[0014] For certain applications of this method, the ingot mold cavity may be divided into a main part and a feeder part. During the fourth step presented above, the heating process may be started at the time when solidification in the main part is completely completed and the metal in the feeder is still molten.
[0015] Em outro aspecto, a presente invensao compreende um aquecedor de induçao superior que e montado e suspenso sobre o topo do molde de fundiçao e uma fonte de energia tendo uma potencia variavel e uma saida de frequencia variavel que prove energia eletrica ao aquecedor de induçao. O aquecedor de induçao superior e a fonte de energia sao configurados para produçao de lingotes de metal. O aquecedor de induçao superior e configurado como um refratario em formato de panqueca que incorpora uma bobina de induçao disposta em um formato de espiral. Dentro do refratario em formato de panqueca, a bobina de induçao e rejuntada e la ceramica (cerakwool), potencia isolante e cimento refratario sao usados para cobrir a bobina rejuntada de dentro para fora camada por camada. Essas estruturas formam o corpo solido do aquecedor por induçao que pode ser levantado ou abaixado pelo equipamento de içamento.[0015] In another aspect, the present invention comprises an upper induction heater that is mounted and suspended over the top of the casting mold and a power source having a variable power and a variable frequency output that provides electrical power to the induction heater. The upper induction heater and the power source are configured for producing metal ingots. The upper induction heater is configured as a pancake-shaped refractory that incorporates an induction coil arranged in a spiral pattern. Within the pancake-shaped refractory, the induction coil is grouted and ceramic wool (cerakwool), insulating power and refractory cement are used to cover the grouted coil from the inside out layer by layer. These structures form the solid body of the induction heater that can be raised or lowered by lifting equipment.
[0016] As modalidades acima da presente invensao sao particularmente aplicaveis a adaptaçao de lingotes existentes, uma vez que o dispositivo de aquecimento por induçao eletrica e posicionado sobre o topo da superflcie do metal liquido. No entanto, a invensao nao esta limitada a aplica5oes de adaptaçao.[0016] The above embodiments of the present invention are particularly applicable to retrofitting existing ingots, since the electrical induction heating device is positioned on top of the liquid metal surface. However, the invention is not limited to retrofitting applications.
[0017] Esses e outros aspectos da presente inven5ao sao apresentados nesse relatorio descritivo e nas reivindica5oes anexas.[0017] These and other aspects of the present invention are presented in this descriptive report and in the attached claims.
[0018] Os desenhos, conforme brevemente resumidos abaixo, sao providos para entendimento exemplificativo da inven5ao, e nao limitam a inven5ao como adicionalmente apresentado nesse relatorio descritivo e nas reivindica5oes anexas.[0018] The drawings, as briefly summarized below, are provided for exemplary understanding of the invention, and do not limit the invention as further presented in this descriptive report and in the attached claims.
[0019] A figura 1 e uma representaçao esquematica simplificada de uma modalidade de um sistema de lingotamento de aço fundido da presente inven5ao.[0019] Figure 1 is a simplified schematic representation of one embodiment of a molten steel casting system of the present invention.
[0020] A figura 2(a) e uma representaçao esquematica de urn grande molde de fundiçao preenchido com aço fundido no inicio da solidificasao direcional.[0020] Figure 2(a) is a schematic representation of a large casting mold filled with molten steel at the onset of directional solidification.
[0021] A figura 2(b) e uma representaçao esquematica de quando metade do corpo principal de aço fundido solidificou.[0021] Figure 2(b) is a schematic representation of when half of the main body of molten steel has solidified.
[0022] A figura 2(c) e uma representaçao esquematica de quando todo o aço fundido solidificou.[0022] Figure 2(c) is a schematic representation of when all the molten steel has solidified.
[0023] A figura 3(a) e a figura 3(b) sao modelos parametricos de uma faixa selecionavel coordenada de valores de tensao e corrente (potencia) e valores de ffequencia como saidas de uma fonte de energia de potencia variavel e de ffequencia variavel para uma bobina de aquecimento por induçao eletrica em um exemplo da presente invensao na produçao de um grande lingote de aço de 100 toneladas metricas com uma potencia induzida nominal de 250 kW da fonte de energia.[0023] Figure 3(a) and Figure 3(b) are parametric models of a coordinated selectable range of voltage and current (power) values and frequency values as outputs from a variable power and variable frequency power source to an electric induction heating coil in an example of the present invention in the production of a large 100 metric ton steel ingot with a nominal induced power of 250 kW from the power source.
[0024] A figura 4(a) e a figura 4(b) sao modelos parametricos de uma faixa selecionavel coordenada de valores de tensao e corrente (potencia) e valores de ffequencia como saidas de uma fonte de energia de potencia variavel e de ffequencia variavel para uma bobina de aquecimento por induçao eletrica em um exemplo da presente invensao na produçao de um grande lingote de aço de 100 toneladas metricas com uma potencia induzida nominal de 325 kW da fonte de energia.[0024] Figure 4(a) and Figure 4(b) are parametric models of a coordinated selectable range of voltage and current (power) values and frequency values as outputs from a variable power and variable frequency power source to an electric induction heating coil in an example of the present invention in the production of a large 100 metric ton steel ingot with a nominal induced power of 325 kW from the power source.
[0025] A figura 5(a) e a figura 5(b) sao modelos parametricos de uma faixa selecionavel coordenada de valores de tensao e corrente (potencia) e valores de ffequencia como saidas de uma fonte de energia de potencia variavel e de ffequencia variavel para uma bobina de aquecimento por induçao eletrica em um exemplo da presente inven5ao na produçao de um grande lingote de aço de 150 toneladas metricas com uma potencia induzida nominal de 250 kW da fonte de energia.[0025] Figure 5(a) and Figure 5(b) are parametric models of a coordinated selectable range of voltage and current (power) values and frequency values as outputs from a variable power and variable frequency power source to an electric induction heating coil in an example of the present invention in the production of a large 150 metric ton steel ingot with a nominal induced power of 250 kW from the power source.
[0026] A figura 6(a) e a figura 6(b) sao modelos parametricos de uma faixa selecionavel coordenada de valores de tensao e corrente (potencia) e valores de frequencia como saidas de uma fonte de energia de potencia variavel e de frequencia variavel para uma bobina de aquecimento por induçao eletrica em um exemplo da presente invensao na produçao de um grande lingote de aço de 150 toneladas metricas com uma potencia induzida nominal de 350 kW da fonte de energia.[0026] Figure 6(a) and Figure 6(b) are parametric models of a coordinated selectable range of voltage and current (power) values and frequency values as outputs from a variable power and variable frequency power source to an electric induction heating coil in an example of the present invention in the production of a large 150 metric ton steel ingot with a nominal induced power of 350 kW from the power source.
[0027] Um lingote fundido de aço “grande” e aqui definido como um lingote tendo uma seçao transversal com pelo menos 0,10 metros quadrados de area e de formato redondo, quadrado, retangular ou outros.[0027] A “large” steel casting ingot is defined herein as an ingot having a cross-sectional area of at least 0.10 square meters and of round, square, rectangular or other shape.
[0028] A figura 1 ilustra uma modalidade do sistema 10 da presente invensao para produzir um grande lingote de aço por solidificaçao de um aço fundido em um molde de fundiçao. Na figura 1 molde de fundiçao 80 e preenchido com aço fundido atraves da entrada de molde de fundo 80’ e um dispositivo de aquecimento por induçao eletrica 14 e posicionado sobre o topo do molde de fundiçao 80. O aço fundido (tambem conhecido como “metal liquido”) e despejado atraves da entrada de molde de fundo para altura de preenchimento do metal liquido 78. Em outras modalidades da invensao, e usado um molde de fundiçao de despejo superior. Quando o molde de fundiçao 80 e preenchido para altura de preenchimento do metal liquido 78 com aço fundido, a solidificaçao direcional do aço fundido começa a formar o produto de lingote de aço final. O aço fundido 70 no molde de fundiçao (do fundo de molde 80a ate a altura de preenchimento do metal liquido 78 e designado como parte principal 70a e parte do alimentador 70b. Nesta representaçao esquematica, a parte do alimentador começa na altura do molde de fundiçao 74 e termina na altura de preenchimento do metal liquido 78. O tamanho da parte do alimentador 70b pode ser determinado por um versado na tecnica dado o tamanho do lingote de aço grande e os parametros do processo de solidificaçao para uma aplicaçao particular.[0028] Figure 1 illustrates one embodiment of the system 10 of the present invention for producing a large steel ingot by solidifying a molten steel in a casting mold. In Figure 1, casting mold 80 is filled with molten steel through bottom mold inlet 80' and an electric induction heating device 14 is positioned over the top of casting mold 80. Molten steel (also known as "liquid metal") is poured through the bottom mold inlet to liquid metal fill height 78. In other embodiments of the invention, a top pour casting mold is used. When casting mold 80 is filled to liquid metal fill height 78 with molten steel, directional solidification of the molten steel begins to form the final steel ingot product. The molten steel 70 in the casting mold (from the mold bottom 80a to the liquid metal fill height 78) is designated as main portion 70a and feeder portion 70b. In this schematic representation, the feeder portion starts at the casting mold height 74 and ends at the liquid metal fill height 78. The size of the feeder portion 70b can be determined by one skilled in the art given the size of the large steel ingot and the solidification process parameters for a particular application.
[0029] Um primeiro passo no processo e determinar a magnitude da potencia induzida para o aço fundido no molde. Em uma modalidade da presente invensao, um valor inicial de potencia induzida e selecionado como 10 kW por metros quadrados da area da superficie superior do aço fundido no molde de fundiçao.[0029] A first step in the process is to determine the magnitude of the induced power for the molten steel in the mold. In one embodiment of the present invention, an initial value of induced power is selected as 10 kW per square meter of top surface area of the molten steel in the casting mold.
[0030] Em modalidades altemativas da invensao, o dispositivo de aquecimento por induçao eletrica 14 compreende uma bobina de aquecimento por induçao eletrica; uma bobina de aquecimento por induçao enrolada em espiral plana; ou uma bobina de aquecimento por induçao eletrica, pelo menos parcialmente envolta em um reffatario. A Patente KR ‘914 descreve uma bobina de aquecimento em formato de panqueca envolta em um reffatario como um exemplo de um dispositivo de aquecimento por induçao eletrica adequado para a presente invensao. Preferivelmente, a bobina ou bobinas sao configuradas para serem inicialmente colocadas adjacentes a area de superficie superior do aço fundido no molde de fundiçao na altura de preenchimento do metal liquido 78.[0030] In alternative embodiments of the invention, the electric induction heating device 14 comprises an electric induction heating coil; a flat spiral wound induction heating coil; or an electric induction heating coil at least partially enclosed in a refractory. The KR '914 patent describes a pancake shaped heating coil enclosed in a refractory as an example of an electric induction heating device suitable for the present invention. Preferably, the coil or coils are configured to be initially placed adjacent the upper surface area of the molten steel in the casting mold at the liquid metal fill height 78.
[0031] A distancia de deslocamento indicada como dosna figura lea distancia entre a area de superficie superior do aço fundido ate o fundo do dispositivo de aquecimento por induçao 14. O dispositivo de aquecimento por induçao eletrica 14 pode ser montado de forma movel acima da area de superficie superior do aço fundido por meio de um aparelho de elevaçao e abaixamento adequado, conforme conhecido na tecnica. A Patente KR ‘914 descreve um dispositivo de elevaçao e abaixamento para elevar ou abaixar um dispositivo de aquecimento em formato de panqueca como um exemplo de um aparelho de elevaçao e abaixamento adequado para a presente inven5ao. Em algumas modalidades da inven5ao, a distancia dos e alterada durante a solidificaçao direcional do metal fundido que forma o lingote de aço grande, elevando ou diminuindo o dispositivo de aquecimento por induçao. Quando o fundo do dispositivo de aquecimento por induçao e movido para mais perto da superficie do metal liquido, a eficiencia eletrica e aumentada para uma determinada potencia para o metal liquido, o que resulta na reduçao da potencia, tensao e corrente totais da saida de uma fonte de energia PS de potencia variavel e frequencia variavel (VP/VF), enquanto a forsa de repulsao eletromagnetica permanece a mesma, pois a forsa de Lorentz e proporcional a potencia para metal liquido.[0031] The displacement distance indicated as θ in the figure is the distance from the upper surface area of the molten steel to the bottom of the induction heating device 14. The electric induction heating device 14 may be movably mounted above the upper surface area of the molten steel by means of a suitable raising and lowering apparatus as known in the art. Patent KR '914 describes a raising and lowering device for raising or lowering a pancake-shaped heating device as an example of a suitable raising and lowering apparatus for the present invention. In some embodiments of the invention, the displacement distance is changed during the directional solidification of the molten metal forming the large steel ingot by raising or lowering the induction heating device. When the bottom of the induction heating device is moved closer to the surface of the liquid metal, the electrical efficiency is increased for a given power to the liquid metal, which results in the reduction of the total output power, voltage, and current of a variable power, variable frequency (VP/VF) PS power source, while the electromagnetic repulsion force remains the same, since the Lorentz force is proportional to the power to the liquid metal.
[0032] Em algumas modalidades da invensao, o molde de fundiçao tern uma seçao de molde superior, que cobre a seçao de molde de fundo contendo o aço fundido para formar um volume de molde interior totalmente fechado e o dispositivo de aquecimento por induçao e posicionado em relaçao a seçao de molde superior para fomecer calor induzido durante a solidificaçao direcional do grande lingote de aço.[0032] In some embodiments of the invention, the casting mold has an upper mold section, which covers the bottom mold section containing the molten steel to form a fully enclosed interior mold volume, and the induction heating device is positioned relative to the upper mold section to provide induced heat during directional solidification of the large steel ingot.
[0033] O aço fundido 70 no molde de fundiçao 80 e mostrado em diagrama na altura de preenchimento do metal liquido 78 na figura 1 no inicio do processo de solidificaçao direcional. Apos a solidificaçao direcional de todo o metal fundido ter sido concluida, um grande lingote de aço solidificado final 90, conforme mostrado na figura 2(c).[0033] The molten steel 70 in the casting mold 80 is shown diagrammatically at the liquid metal fill height 78 in FIG. 1 at the start of the directional solidification process. After the directional solidification of all the molten metal has been completed, a final large solidified steel ingot 90 is formed, as shown in FIG. 2(c).
[0034] A magnitude de potencia variavel e a frequencia variavel sao fomecidas a partir da fonte de energia PS VP/VF mostrada na figura 1. Em algumas modalidades da inven5ao, a potencia variavel e provida variando a saida de magnitude de tensao da fonte de energia PS VP/VF, por exemplo, de um controlador de saida de tensao variavel associado a fonte de energia PS VP/VF. Em outras modalidades da inven5ao, a potencia variavel e provida variando uma combinaçao de saidas de magnitude de tensao e de magnitude de corrente da fonte de energia PS VP/VF, por exemplo, de um controlador de saida de tensao e corrente variavel associado a fonte de energia PS VP/VF.[0034] The variable power magnitude and variable frequency are provided from the power source PS VP/VF shown in FIG. 1. In some embodiments of the invention, the variable power is provided by varying the voltage magnitude output of the power source PS VP/VF, e.g., from a variable voltage output controller associated with the power source PS VP/VF. In other embodiments of the invention, the variable power is provided by varying a combination of voltage magnitude and current magnitude outputs of the power source PS VP/VF, e.g., from a variable voltage and current output controller associated with the power source PS VP/VF.
[0035] Os valores de frequencia, tensao e corrente variaveis de corrente eletrica altemada que sao fomecidos da fonte de energia PS VP/VF para o dispositivo de aquecimento por induçao 14 sao determinados por uma duraçao particular do processo de solidificaçao direcional e a duraçao particular do processo de solidificaçao direcional e ainda determinada pelo tamanho e formato do lingote, e composiçao quimica do material de fundiçao. Os parametros de controle do processo sao selecionados para garantir que o metal fundido na parte do alimentador 70b nao começarao a solidificar ate que o processo de solidificaçao direcional na parte principal 70a esteja completamente concluido na formaçao da parte principal do lingote.[0035] The variable frequency, voltage and current values of alternating electric current that are supplied from the power source PS VP/VF to the induction heating device 14 are determined by a particular duration of the directional solidification process, and the particular duration of the directional solidification process is further determined by the size and shape of the ingot, and the chemical composition of the casting material. The process control parameters are selected to ensure that the molten metal in the feeder portion 70b will not begin to solidify until the directional solidification process in the main portion 70a is completely completed in forming the main portion of the ingot.
[0036] Em algumas modalidades da invensao, a frequencia variavel e selecionada para controlar a profundidade de referencia da corrente penetrada no aço fundido de modo que a profundidade de referencia da corrente penetrada pennaneça dentro da parte do alimentador 70b. Com a profundidade de referencia de corrente limitada a parte do alimentador, o aço fundido e mantido no estado fundido na parte do alimentador com o calor gerado na parte do alimentador sendo transferido para a parte principal por conduçao e convecçao para garantir a solidificaçao direcional na parte principal.[0036] In some embodiments of the invention, the variable frequency is selected to control the reference depth of the current penetrated into the molten steel so that the reference depth of the current penetrated remains within the feeder portion 70b. With the reference depth of current limited to the feeder portion, the molten steel is maintained in the molten state in the feeder portion with the heat generated in the feeder portion being transferred to the main portion by conduction and convection to ensure directional solidification in the main portion.
[0037] Em algumas modalidades da invensao, a saida de frequencia variavel da fonte de energia PS e selecionada para inibir que defeitos de fundiçao surjam na parte principal 70a solidificaçao direcional com a frequencia selecionada para formar um tipo particular de padrao de agitaçao eletromagnetica e velocidade dependendo do tipo de defeitos de fundiçao.[0037] In some embodiments of the invention, the variable frequency output of the power source PS is selected to inhibit casting defects from arising in the main part 70a directional solidification with the frequency selected to form a particular type of electromagnetic agitation pattern and speed depending on the type of casting defects.
[0038] Em algumas modalidades da inven5ao, uma Interface Homem- Maquina pode ser utilizada para armazenar os valores de saida de potencia variavel e os valores de saida de frequencia variavel da fonte de energia eletrica para um futuro processo de lingotamento grande. Em algumas modalidades da inven5ao, o controle direcional do processo de solidificaçao do lingote em tempo real com a fonte de energia PS VP/VF para a bobina de induçao no dispositivo de aquecimento por induçao 14 para um determinado molde de fundiçao e formula de fundiçao de liga de aço usados para construir modelos parametricos de controle de potencia e frequencia do processo para lingotamento futuro no mesmo molde de fundiçao com a mesma formula de fundiçao de liga pode ser armazenado em uma unidade de memoria de uma Interface Homem-Maquina (HMI) para lingotamentos futuros.[0038] In some embodiments of the invention, a Human Machine Interface may be used to store variable power output values and variable frequency output values of the electrical power source for a future large casting process. In some embodiments of the invention, directional control of the ingot solidification process in real time with the PS VP/VF power source for the induction coil in the induction heating device 14 for a given casting mold and steel alloy casting formula used to build parametric power and frequency control models of the process for future castings in the same casting mold with the same alloy casting formula may be stored in a memory unit of a Human Machine Interface (HMI) for future castings.
[0039] Em algumas modalidades da invensao, os parametros de controle do processo da solidificaçao direcional para um determinado molde de fundiçao e tipo de liga de aço podem ser armazenados em um dispositivo eletronico adequado, como um componente de memoria de estado solido em uma Interface Homem-Maquina (HMI) mostrada na figura 1 para uso futuro. A taxa de potencia e a frequencia e os parametros de controle estabelecidos podem ser fixados como uma formulaçao por um software de processo de fundiçao executado em um processador de sistema na HMI e armazenado no componente de memoria de estado solido da HMI para uso posterior da formulaçao.[0039] In some embodiments of the invention, the directional solidification process control parameters for a given casting mold and steel alloy type may be stored in a suitable electronic device, such as a solid state memory component in a Human Machine Interface (HMI) shown in FIG. 1 for future use. The power rate and frequency and control parameters set may be fixed as a formulation by casting process software running on a system processor in the HMI and stored in the solid state memory component of the HMI for later use of the formulation.
[0040] A figura 3(a) a figura 6(b) ilustra modelos parametricos para quatro exemplos da presente invensao para ftmdiçao controlada com lingotamento de aço grande no molde com potencia variavel induzida e frequencia variavel aplicada a area de superficie superior do metal fundido no modelo.[0040] Figure 3(a) to Figure 6(b) illustrate parametric models for four examples of the present invention for controlled melting of large steel castings in the mold with variable induced power and variable frequency applied to the upper surface area of the molten metal in the model.
[0041] A metade superior de cada figura 3(a) a figura 6(a) plota relaçoes parametricas tipicas entre a magnitude da tensao de saida variavel da fonte de energia (valores do eixo geometrico vertical a direita) e a magnitude da corrente variavel (valores do eixo geometrico vertical a esquerda) com valores de frequencia variavel sendo referenciados no eixo geometrico horizontal.[0041] The upper half of each Figure 3(a) through Figure 6(a) plots typical parametric relationships between the magnitude of the variable output voltage of the power source (right-hand vertical axis values) and the magnitude of the variable current (left-hand vertical axis values) with variable frequency values being referenced on the horizontal axis.
[0042] A metade inferior de cada figura traça relaçoes parametricas tipicas entre forsa de repulsao eletromagnetica (valores do eixo geometrico vertical a direita) e velocidade do metal liquido (valores do eixo geometrico vertical a esquerda) com valores de ffequencia variavel sendo o eixo geometrico horizontal.[0042] The lower half of each figure plots typical parametric relationships between electromagnetic repulsion force (vertical axis values on the right) and liquid metal velocity (vertical axis values on the left) with variable frequency values being the horizontal axis.
[0043] O termo “Antes da Solidificaçao” em um grafico refere-se a parametros que se aplicam quando um molde foi preenchido com metal fundido e todo o aço em um molde esta no estado fundido, conforme representado em diagrama na figura 2(a) ate metade do metal fundido ter solidificado (90’) conforme representado na figura 2(b). O termo “Meia Solidificaçao” em um grafico refere-se a parametros que se aplicam apos a formaçao da parte principal do lingote meio solidificada 90’ ate que a parte principal do lingote completo e a parte do lingote do alimentador tenham se formado.[0043] The term “Before Solidification” in a graph refers to parameters that apply when a mold has been filled with molten metal and all of the steel in a mold is in the molten state as diagrammatically represented in Figure 2(a) until half of the molten metal has solidified (90’) as represented in Figure 2(b). The term “Half Solidification” in a graph refers to parameters that apply after the half-solidified main part of the ingot has formed 90’ until the full main part of the ingot and the feeder part of the ingot have formed.
[0044] O exemplo 1 e ilustrado graficamente na figura 3(a) e na figura 3(b) para um lingotamento de aço de 100 toneladas metricas (mt), em que a magnitude da potencia induzida sobre a superficie superior da parte do metal liquido do alimentador 70b da bobina de induçao energizada do dispositivo de aquecimento por induçao eletrica 14 e mantida em um valor nominal de 250 kW desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate que a parte principal 70a e a parte do alimentador 70b tenham sido solidificadas direcionalmente para formar o lingote de produto final.[0044] Example 1 is illustrated graphically in Figure 3(a) and Figure 3(b) for a 100 metric ton (mt) steel casting, wherein the magnitude of the power induced on the upper surface of the liquid metal portion of feeder 70b from the energized induction coil of electric induction heating device 14 is maintained at a nominal value of 250 kW from the start of directional solidification of head portion 70a after the molten steel has filled the mold until head portion 70a and feeder portion 70b have been directionally solidified to form the final product ingot.
[0045] Grafico Gl.l (parametros de potencia) e Grafico G1.2 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 3(a) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 1 desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate a metade inferior 90’ da parte principal 70a ter solidificado conforme ilustrado na figura 2(b).[0045] Graph G1.1 (power parameters) and Graph G1.2 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 3(a) apply to an ingot solidification process of Example 1 from the start of directional solidification of the main part 70a after the molten steel has filled the mold until the lower half 90' of the main part 70a has solidified as illustrated in Figure 2(b).
[0046] Grafico G1.3 (parametros de potencia) e Grafico G1.4 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 3(b) (Curvas de processo de Meia Solidificaçao) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 1 apos metade da parte principal 70a ter solidificado ate que todo o lingote tenha solidificado.[0046] Graph G1.3 (power parameters) and Graph G1.4 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 3(b) (Half-Solidification Process Curves) apply to an ingot solidification process of Example 1 after half of the main part 70a has solidified until the entire ingot has solidified.
[0047] Para o Exemplo 1, na figura 3(a) a linha de processo de solidificaçao tracejada A1 foi selecionada para potencia variavel e parametros de agitaçao desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a ate que metade da parte principal tenha solidificado. A partir da linha tracejada de processo A1 na figura 3(a), a fonte de energia PS VP/VF produz 7.001 amperes a 976 volts a uma frequencia de 1 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagneticas da velocidade tipica do aço fundido de 0,192 metros por segundo (m/s) e uma for£a de repulsao de Lorentz de 59,3 quilogramas (kg).[0047] For Example 1, in Figure 3(a) the dashed solidification process line A1 was selected for variable power and stirring parameters from the onset of directional solidification of the main part 70a until half of the main part has solidified. From the dashed process line A1 in Figure 3(a), the PS VP/VF power source produces 7,001 amperes at 976 volts at a frequency of 1 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.192 meters per second (m/s) and a Lorentz repulsion force of 59.3 kilograms (kg).
[0048] Para o Exemplo 1, na figura 3(b) (Curvas de processo de Meia Solidificaçao) a linha de processo de solidificaçao tracejada A2 foi selecionada para potencia variavel e parametros de agitaçao apos a metade da parte principal 70a ter solidificado ate o restante da parte principal 70a e a parte do alimentador 70b ter solidificado. A partir da linha tracejada de processo A2 na figura 3(b), saidas da fonte de energia PS VP/VF sao ajustadas para 6164,1 amperes a 1,2792 quilovolts (kV) e a uma frequencia elevada de 1,5 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagnetica da velocidade tipica do aço fundido de 0,142 metros por segundo (m/s) e uma for5a de repulsao de Lorentz de 46 quilogramas (kg).[0048] For Example 1, in Figure 3(b) (Half-Solidification Process Curves) the dashed solidification process line A2 was selected for variable power and stirring parameters after half of the main portion 70a had solidified until the remainder of the main portion 70a and the feeder portion 70b had solidified. From the dashed process line A2 in Figure 3(b), outputs of the PS VP/VF power source are adjusted to 6164.1 amperes at 1.2792 kilovolts (kV) and a high frequency of 1.5 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.142 meters per second (m/s) and a Lorentz repulsion force of 46 kilograms (kg).
[0049] O exemplo 2 e ilustrado graficamente na figura 4(a) e na figura 4(b) para um lingotamento de aço de 100 mt, em que a magnitude da potencia induzida sobre a superficie superior da parte do alimentador 70b da bobina de induçao energizada do dispositivo de aquecimento por induçao eletrica 14 e mantida em um valor nominal de 325 kW desde o inicio do solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate que a parte do corpo principal 70a e a parte do alimentador 70b tenham sido solidificadas direcionalmente para formar o lingote de produto final.[0049] Example 2 is illustrated graphically in Figure 4(a) and Figure 4(b) for a 100 mt steel casting, wherein the magnitude of the power induced on the upper surface of the feeder portion 70b of the energized induction coil of the electric induction heating device 14 is maintained at a nominal value of 325 kW from the start of directional solidification of the main body portion 70a after the molten steel has filled the mold until the main body portion 70a and the feeder portion 70b have been directionally solidified to form the final product ingot.
[0050] Grafico G2.1 (parametros de potencia) e Grafico G2.2 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 4(a) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 2 desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate que a metade inferior 90’ da parte do corpo principal 70a tenha solidificado conforme ilustrado na figura 2(b).[0050] Graph G2.1 (power parameters) and Graph G2.2 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 4(a) apply to an ingot solidification process of Example 2 from the start of directional solidification of the main body part 70a after the molten steel has filled the mold until the lower half 90' of the main body part 70a has solidified as illustrated in Figure 2(b).
[0051] Grafico G2.3 (parametros de potencia) e Grafico G2.4 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 4(b) (Curvas de processo de Meia Solidificaçao) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 2 apos metade do corpo principal 70a ter solidificado ate que todo o lingote tenha solidificado.[0051] Graph G2.3 (power parameters) and Graph G2.4 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 4(b) (Half-Solidification Process Curves) apply to an ingot solidification process of Example 2 after half of the main body 70a has solidified until the entire ingot has solidified.
[0052] Para o Exemplo 2, na figura 4(a) a linha de processo de solidificaçao tracejada B1 foi selecionada para potencia variavel e parametros de agitaçao desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a ate metade da parte principal ter solidificado. A partir da linha tracejada B1 do processo na figura 4(a), as saidas da fonte de energia PS VP/VF sao ajustadas para 6.460 amperes a 1,779 kV e uma ffequencia de 2 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagnetica da velocidade tipica do aço fundido de 0,16 metros por segundo (m/s) e uma for£a de repulsao de Lorentz de 50,44 quilogramas (kg).[0052] For Example 2, in Fig. 4(a) the dashed solidification process line B1 was selected for variable power and stirring parameters from the start of directional solidification of the main part 70a until half of the main part has solidified. From the dashed process line B1 in Fig. 4(a), the outputs of the PS VP/VF power source are adjusted to 6,460 amps at 1.779 kV and a frequency of 2 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.16 meters per second (m/s) and a Lorentz repulsion force of 50.44 kilograms (kg).
[0053] Para o Exemplo 2, na figura 4(b) (Curvas de processo de Meia Solidificaçao) a linha de processo de solidificaçao tracejada B2 foi selecionada ate que o restante da parte principal 70a e a parte do alimentador 70b tenham solidiflcado. A partir da linha tracejada de processo B2 na figura 4(b), as saidas PS da fonte de energia VP/VF sao ajustadas para 6.093 amperes a 2,091 kV e uma ffequencia de 2,5 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagnetica da velocidade tlpica do aço fundido de 0,131 m/s e uma for£a de repulsao de Lorentz de 44,88 kg (kg).[0053] For Example 2, in Figure 4(b) (Half-Solidification Process Curves) the dashed solidification process line B2 has been selected until the remainder of the main portion 70a and the feeder portion 70b have solidified. From the dashed process line B2 in Figure 4(b), the PS outputs of the VP/VF power source are adjusted to 6,093 amps at 2.091 kV and a frequency of 2.5 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.131 m/s and a Lorentz repulsion force of 44.88 kg (kg).
[0054] O exemplo 3 e ilustrado graficamente na figura 5(a) e na figura 5(b) para um lingotamento de aço de 150 mt, em que a magnitude da potencia induzida sobre a superflcie superior da parte do alimentador 70b da bobina de induçao energizada do dispositivo de aquecimento por induçao eletrica 14 e mantida em um valor nominal de 250 kW desde o inicio do solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate que as partes principal 70a e do alimentador 70b tenham sido solidificadas direcionalmente para formar o lingote de produto final.[0054] Example 3 is illustrated graphically in Figure 5(a) and Figure 5(b) for a 150 mt steel casting, wherein the magnitude of the power induced on the upper surface of the feeder portion 70b of the energized induction coil of the electric induction heating device 14 is maintained at a nominal value of 250 kW from the start of directional solidification of the main portion 70a after the molten steel has filled the mold until the main portions 70a and feeder portions 70b have been directionally solidified to form the final product ingot.
[0055] Grafico G3.1 (parametros de potencia) e Grafico G3.2 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 5(a) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 3 desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate a metade inferior 90’ da parte principal 70a ter solidiflcado conforme ilustrado na figura 2(b).[0055] Graph G3.1 (power parameters) and Graph G3.2 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 5(a) apply to an ingot solidification process of Example 3 from the start of directional solidification of the main part 70a after the molten steel has filled the mold until the lower half 90' of the main part 70a has solidified as illustrated in Figure 2(b).
[0056] Grafico G3.3 (parametros de potencia) e Grafico G3.4 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 5(b) (Curvas de processo de Meia Solidificaçao) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 3 apos metade da parte principal 70a ter solidiflcado ate que todo o lingote tenha solidiflcado.[0056] Graph G3.3 (power parameters) and Graph G3.4 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 5(b) (Half-Solidification Process Curves) apply to an ingot solidification process of Example 3 after half of the main part 70a has solidified until the entire ingot has solidified.
[0057] Para o Exemplo 3, na figura 5(a) a linha de processo de solidificaçao tracejada Cl foi selecionada para potencia variavel e parametros de agitaçao desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a ate que a parte principal 70a tenha solidiflcado. A partir da linha tracejada de processo Cl na figura 5(a), fonte de energia PS VP/VF produz 7.834,7 amperes a 1,1296 kV e uma frequencia de 1 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagnetica da velocidade tlpica do aço fundido de 0,216 metros por segundo (m/s) e uma forsa de repulsao de Lorentz de 86,2 quilogramas (kg).[0057] For Example 3, in Fig. 5(a) the dashed solidification process line Cl was selected for variable power and stirring parameters from the onset of directional solidification of the main part 70a until the main part 70a has solidified. From the dashed process line Cl in Fig. 5(a), power source PS VP/VF produces 7834.7 amperes at 1.1296 kV and a frequency of 1 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.216 meters per second (m/s) and a Lorentz repulsion force of 86.2 kilograms (kg).
[0058] Para o Exemplo 3, na figura 5(b) (Curvas de processo de Meia Solidificaçao) a linha de processo de solidificaçao tracejada C2 foi selecionada para potencia variavel e parametros de agitaçao apos a metade da parte principal 70a ter solidificado ate o restante da parte principal 70a e a parte do alimentador 70b terem solidificado. A partir da linha tracejada de processo C2 na figura 5(b), as saidas da fonte de energia PS VP/VF sao ajustadas para 7.022,1 amperes a 1,5135 kV e uma frequencia de 1,5 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagnetica da velocidade tipica do aço fundido de 0,16 m/s e uma forsa de repulsao de Lorentz de 70 kg (kg).[0058] For Example 3, in Figure 5(b) (Half-Solidification Process Curves) the dashed solidification process line C2 was selected for variable power and stirring parameters after half of the main portion 70a had solidified until the remainder of the main portion 70a and the feeder portion 70b had solidified. From the dashed process line C2 in Figure 5(b), the PS VP/VF power source outputs are adjusted to 7022.1 amps at 1.5135 kV and a frequency of 1.5 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.16 m/s and a Lorentz repulsion force of 70 kg (kg).
[0059] O exemplo 4 e ilustrado graficamente na figura 6(a) e na figura 6(b) para um lingotamento de aço de 150 mt, em que a magnitude da potencia induzida sobre a superficie superior da parte do alimentador 70b da bobina de induçao energizada do dispositivo de aquecimento por induçao eletrica 14 e mantida em um valor nominal de 325 kW desde o inicio do solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate que a parte principal 70a e a parte do alimentador 70b tenham sido solidificadas direcionalmente para formar o lingote de produto final.[0059] Example 4 is illustrated graphically in Figure 6(a) and Figure 6(b) for a 150 mt steel casting, wherein the magnitude of the power induced on the upper surface of the feeder portion 70b of the energized induction coil of the electric induction heating device 14 is maintained at a nominal value of 325 kW from the start of directional solidification of the main portion 70a after the molten steel has filled the mold until the main portion 70a and the feeder portion 70b have been directionally solidified to form the final product ingot.
[0060] Grafico G4.1 (parametros de potencia) e Grafico G4.2 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 6(a) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 4 desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a apos o aço fundido ter preenchido o molde ate metade da metade inferior 90’ da parte principal 70a ter solidificado conforme ilustrado na figura 2(c).[0060] Graph G4.1 (power parameters) and Graph G4.2 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 6(a) apply to an ingot solidification process of Example 4 from the start of directional solidification of main part 70a after molten steel has filled the mold until half of the lower half 90' of main part 70a has solidified as illustrated in Figure 2(c).
[0061] Grafico G4.3 (parametros de potencia) e Grafico G4.4 (parametros de agitaçao eletromagnetica) na figura 6(b) (Curvas de processo de Meia Solidificasao) aplicam-se a um processo de solidificaçao de lingote do Exemplo 4 apos metade da parte principal 70a ter solidificado ate que todo o lingote tenha solidificado.[0061] Graph G4.3 (power parameters) and Graph G4.4 (electromagnetic stirring parameters) in Figure 6(b) (Half-Solidification Process Curves) apply to an ingot solidification process of Example 4 after half of the main part 70a has solidified until the entire ingot has solidified.
[0062] Para o Exemplo 4, na figura 6(a) a linha de processo de solidificaçao tracejada D1 foi selecionada para potencia variavel e parametros de agitaçao desde o inicio da solidificaçao direcional da parte principal 70a ate metade da parte principal ter solidificado. A partir da linha tracejada de processo D1 na figura 6(a), fonte de energia PS VP/VF produz 7.428,2 amperes a 2,1229 kV e uma ffequencia de 2 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagnetica da velocidade tipica do aço fundido de 0,185 metros por segundo (m/s) e uma forsa de repulsao de Lorentz de 78,3 quilogramas (kg).[0062] For Example 4, in Fig. 6(a) the dashed solidification process line D1 was selected for variable power and stirring parameters from the onset of directional solidification of the main part 70a until half of the main part has solidified. From the dashed process line D1 in Fig. 6(a), the PS VP/VF power source produces 7428.2 amps at 2.1229 kV and a frequency of 2 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.185 meters per second (m/s) and a Lorentz repulsion force of 78.3 kilograms (kg).
[0063] Para o Exemplo 4, na figura 6(b) (Curvas de processo de Meia Solidificaçao) a linha de processo de solidificaçao tracejada D2 foi selecionada para potencia variavel e parametros de agitaçao apos a metade da parte do corpo principal 70a ter solidificado ate o restante da parte principal 70a e a parte do alimentador 70b terem solidificado. A partir da linha tracejada de processo D2 na figura 6(b), as saidas da fonte de energia PS VP/VF sao ajustadas para 7.010,0 amperes a 2,5041 kV e uma ffequencia de 2,5 kHz, resultando em caracteristicas de agitaçao eletromagnetica da velocidade tipica do aço fundido de 0,15 m/s e uma forsa de repulsao de Lorentz de 70,3 kg (kg).[0063] For Example 4, in Figure 6(b) (Half-Solidification Process Curves) the dashed solidification process line D2 was selected for variable power and stirring parameters after half of the main body portion 70a had solidified until the remainder of the main body portion 70a and the feeder portion 70b had solidified. From the dashed process line D2 in Figure 6(b), the PS VP/VF power source outputs are adjusted to 7010.0 amperes at 2.5041 kV and a frequency of 2.5 kHz, resulting in electromagnetic stirring characteristics of a typical molten steel velocity of 0.15 m/s and a Lorentz repulsion force of 70.3 kg (kg).
[0064] Conforme exibido nos exemplos acima, o lingote de 150 mt tern uma area de superficie superior maior de metal liquido e utiliza uma bobina de induçao maior no dispositivo de aquecimento por induçao eletrica que o lingote de 100 mt. No entanto, o requisito de energia total do lingotamento maior de 150 mt e menos que o do lingotamento de 100 mt, uma vez que a eficiencia da energia eletrica aumenta mais que a area da superficie superior.[0064] As shown in the examples above, the 150 mt ingot has a larger top surface area of liquid metal and utilizes a larger induction coil in the electric induction heating device than the 100 mt ingot. However, the total power requirement of the larger 150 mt ingot is less than that of the 100 mt ingot since the electrical power efficiency increases more than the top surface area.
[0065] Em algumas modalidades da invensao, se menos agitaçao for preferida, por exemplo, devido a preocupaçao de inclusoes nao metalicas migrarem para a parte principal, uma frequencia mais alta e selecionada com altera5oes coordenadas nas saidas de tensao e corrente da fonte de energia PS VP/VF. Para uma determinada potencia de metal liquido, a velocidade do fluxo de metal liquido e inversamente proporcional a raiz quadrada da frequencia. Se a frequencia for aumentada de 1000 Hz para 3000 Hz, a velocidade diminuira 1,732 vezes.[0065] In some embodiments of the invention, if less agitation is preferred, for example due to concern of non-metallic inclusions migrating into the main part, a higher frequency is selected with coordinated changes in the voltage and current outputs of the PS VP/VF power source. For a given liquid metal power, the liquid metal flow velocity is inversely proportional to the square root of the frequency. If the frequency is increased from 1000 Hz to 3000 Hz, the velocity will decrease 1.732 times.
[0066] Conforme exibido nos exemplos acima, em algumas modalidades da invensao, a frequencia variavel fomecida pela fonte de energia PS VP/VF e aumentada coordenadamente com o aumento da tensao e a diminuiçao da corrente.[0066] As shown in the examples above, in some embodiments of the invention, the variable frequency provided by the PS VP/VF power source is increased in coordination with the increase in voltage and the decrease in current.
[0067] A energia induzida e a forsa de agitaçao eletromagnetica concentram-se perto da superficie. Eles nao sao afetados pela profundidade do metal liquido. No entanto, a velocidade do fluxo e o tamanho de cada redemoinho sao afetados pela profundidade do metal liquido.[0067] The induced energy and electromagnetic stirring force are concentrated near the surface. They are not affected by the depth of the liquid metal. However, the flow velocity and the size of each eddy are affected by the depth of the liquid metal.
[0068] A maior parte da potencia termica induzida e da forsa de agitaçao eletromagnetica e produzida dentro de duas vezes a profundidade de referencia, o valor determinado pela frequencia da corrente eletrica altemada. Eles nao sao afetados pela profundidade do metal liquido ate que a linha de solidificaçao se mova para o nivel de duas vezes a profundidade de referencia. No entanto, a velocidade do fluxo do metal liquido e o tamanho de cada redemoinho sao afetados pela profundidade do metal liquido visivelmente.[0068] Most of the induced heat power and electromagnetic stirring force are produced within twice the reference depth, the value determined by the frequency of the alternating electric current. They are not affected by the liquid metal depth until the solidification line moves to the level of twice the reference depth. However, the liquid metal flow velocity and the size of each eddy are affected by the liquid metal depth noticeably.
[0069] Atraves da aplicaçao da presente invensao, a extremidade inferior do molde e resfriada mais rapidamente e o resfriamento da extremidade superior do molde e retardado e, como resultado, e possivel fabricar um lingote de aço de alta qualidade com menos defeitos de solidificasao no produto fundido. Alem disso, e possivel fabricar produtos de lingotes de alta qualidade por meio de controle preciso de temperatura sem introduzir impurezas nos lingotes por meio do controle coordenado de potencia variavel e ffequencia variavel aplicadas.[0069] By applying the present invention, the lower end of the mold is cooled more rapidly and the cooling of the upper end of the mold is retarded, and as a result, it is possible to manufacture a high-quality steel ingot with fewer solidification defects in the casting product. Furthermore, it is possible to manufacture high-quality ingot products by means of precise temperature control without introducing impurities into the ingots by means of coordinated control of applied variable power and variable frequency.
[0070] Embora as modalidades preferidas da presente invensao tenham sido descritas para fins ilustrativos, a presente invensao nao esta limitada a constmçao e operaçao dessas modalidades. Alem disso, os versados na tecnica podem entender que varias mudan5as e modifica5oes podem ser feitas sem se afastar da materia da descrçao. Desse modo, tais alteraçoes e modifica5oes se enquadram no espirito e escopo da descrçao.[0070] Although preferred embodiments of the present invention have been described for illustrative purposes, the present invention is not limited to the construction and operation of those embodiments. Furthermore, those skilled in the art can appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the subject matter of the description. Accordingly, such changes and modifications are within the spirit and scope of the description.
Claims (20)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US63/116,455 | 2020-11-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BR112023009528B1 true BR112023009528B1 (en) | 2024-11-05 |
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