EP0439981B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von thixotropen metallischen Produkten mittels Strangguss und elektromagnetischem Rühren - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von thixotropen metallischen Produkten mittels Strangguss und elektromagnetischem Rühren Download PDF

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EP0439981B1
EP0439981B1 EP90420578A EP90420578A EP0439981B1 EP 0439981 B1 EP0439981 B1 EP 0439981B1 EP 90420578 A EP90420578 A EP 90420578A EP 90420578 A EP90420578 A EP 90420578A EP 0439981 B1 EP0439981 B1 EP 0439981B1
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S164/00—Metal founding
    • Y10S164/90—Rheo-casting

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for manufacturing thixotropic metal products by continuous casting of plates or billets of circular, elliptical or polygonal section.
  • a thixotropic metal product is a metal product having a non-dendritic primary phase consisting in particular of dendrites degenerated into roughly spherical nodules.
  • thixotropic products provide advantages during their shaping compared to conventional products: the shaping energy is lower, the cooling time shorter, the shrinkage reduced, the wear of the molds and die reduced.
  • US Patent 3,948,650 (equivalent to French Patent 2,141,979) describes a casting process which consists in raising the temperature of a composition to the liquid state, in cooling to cause partial solidification and in vigorous stirring of the liquid-solid mixture to breaking the dendrites and transforming them into degenerate substantially spherical nodules representing up to approximately 65% by weight of the initial composition.
  • US patent 4434837 describes an electromagnetic stirring device applied to the continuous casting of thixotropic metal in which a two-pole stator creates a magnetic field rotating in a plane perpendicular to the axis of the mold and directed towards this axis. The interaction of this field with the current induced in the metal parallel to this axis generates electromagnetic forces located in a horizontal and tangential plane at the ingot mold resulting in a shear rate of at least 500 sec ⁇ 1.
  • the patent US 4482012 describes an improvement consisting in using an ingot mold formed by two chambers connected to each other by a non-conductive seal, the first of which plays the role of heat exchanger and in the patent US 4565241, conditions of agitation such that the ratio of the shear rate to the solidification rate is between 2.103 and 8.103.
  • the present invention consists in obtaining the transformation of dendrites into nodules by causing a reflow of the surface of these dendrites by a continuous transfer from the cold zone where they form towards a warmer zone. According to the invention, it is therefore an essentially thermal effect.
  • the liquid metal is poured into a mold with a vertical or horizontal axis with a movable bottom consisting of: of a so-called hot upstream part whose wall or at least its internal face is made of a heat insulating material of a so-called cold downstream part, the wall of which, at least partially, made of a heat conducting material is in external contact with a cooling fluid.
  • a solidification front is formed, as in known manner in continuous casting, represented in FIG. 1 by the reference 7.
  • a liquid-solid zone made up of primary crystals suspended in still liquid metal.
  • the invention consists in printing on this liquid metal in the course of solidification a movement represented by the arrow of FIG. 1, ensuring a transfer of the primary crystals from the cold zone to the hot zone in a time less than or equal to 1 second to cause a reflow on the surface of the dendritic crystals and transform them into degenerate nodules.
  • This transfer movement is provided by one or more polyphase inductors, the arrangement of which is explained below.
  • the continuous casting apparatus intended for implementing the invention is shown in vertical half-section in FIG. 1. This is an example illustrating a particular embodiment of the invention, that of a vertical casting; similar devices, having the same functions are found in another embodiment of the invention that of a horizontal casting.
  • the device intended for pouring, solidifying and extracting the metal will be described successively, then the electromagnetic device intended to ensure the circulation of the metal.
  • the electromagnetic stirring device whose combination with the pouring device constitutes the invention consists of one or more inductors supplied with polyphase current surrounding the entire casting device, hot zone and cold zone.
  • any type of n-phase current can be used, in practice we will obviously use the three-phase current: this is what is illustrated in FIG. 1.
  • six successive windings A, B, C, D, E, F have been represented from top to bottom of the figure. These windings are placed in planes perpendicular to the casting axis.
  • the casting speed was 150 mm / minute.
  • the casting temperature was 640 ° C.
  • the upstream part of the mold consisted of a ring of refractory material with an internal diameter of 145 mm and a height of 100 mm.
  • the downstream part had the classic form of an ingot mold for the casting of this type of alloy in this diameter.
  • a linear cylindrical motor with a total winding height of 180mm surrounded these two parts. It consisted of 9 windings, each made using 15 copper discs 1 mm thick, 200 mm internal diameter and 300 mm external diameter.
  • the assembly was supplied with three-phase star mounting and the voltage applied between phases was 15 volts.

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Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung von thixotropen metallischen Produkten, insbesondere von Produkten aus Aluminiumlegierung, mittels Strangguß, bei denen wenigstens ein Teil der Primärphase in Form von aus degenerierten Dendriten entstandenen Knötchen (nodules) vorliegt, wobei das flüssige Metall in eine in ihrem stromabwärtigen Bereich durch einen beweglichen Boden verschlossene Form gegossen wird, die aus zwei Bereichen mit derselben Achse aufgebaut ist:
    a) einem stromaufwärtigen, als heiße Zone (1) bezeichneten Bereich, dessen Wand wenigstens an ihrer Innenseite aus wärmeisolierendem Material gefertigt ist,
    b) einem stromabwärtigen, als kalte Zone (3) bezeichneten Bereich, dessen aus wärmeleitendem Material gefertigte Wand durch ein Kühlfluid (5) gekühlt wird, um im flüssigen Metall die Erscheinung von Primärkristallen und in Kontakt mit der gekühlten Wand die Bildung einer festen Kruste und einer Verfestigungsfront (7) hervorzurufen, was die fortschreitende Ausziehung des Produkts mit Hilfe des beweglichen Bodens ermöglicht,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß um die heiße und die kalte Zone der Form eine Reihe von aus ringförmigen Spulen gebildeten Induktoren angeordnet wird, deren Achse die Achse der Form ist, und die mit mehrphasigem Strom in einer derartigen Phasenfolge versorgt werden, daß im Innern der Form ein parallel zur Achse der Form wanderndes, sich in eine oder die andere Richtung oder abwechselnd in eine und dann die andere Richtung fortpflanzendes Feld entsteht, das elektromagnetische Kräfte hervorruft, die das Metall zu Bewegungen in durch die Achse der Form verlaufenden Ebenen antreiben und die Übertragung von dendritischen Kristallen von der kalten Zone in die heiße Zone (10) und zurück (11) sicherstellen, um ein oberflächliches Aufschmelzen dieser Kristalle und ihre Degeneration zu Knötchen sicherzustellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Guß vertikal durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Guß horizontal durchgeführt wird.
  4. Vorrichtung für den Strangguß von thixotropen metallischen Produkten, mit einer in ihrem stromabwärtigen Bereich durch einen beweglichen Boden verschlossenen Form, die aus zwei Bereichen mit derselben Achse gegildet ist:
    einem stromaufwärtigen, als heiße Zone (1) bezeichneten Bereich, dessen Wand wenigstens an ihrer Innenseite aus thermisch isolierendem Material gebildet ist,
    einem stromabwärtigen, als kalte Zone (3) bezeichneten Bereich, dessen aus wärmeleitendem Material gebildete Wand durch ein Kühlfluid (5) gekühlt ist, wobei ein System zur Bewegung des beweglichen Bodens die fortschreitende Ausziehung des Produkts ermöglicht,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß um die heiße und die kalte Zone der Form eine Serie von aus ringförmigen Wicklungen bestehenden Induktoren angeordnet sind, deren Achse die Achse der Form ist, und die mit mehrphasigem Strom in einer solchen Phasenfolge versorgt werden, daß im Innern der Form ein parallel zur Achse wanderndes, sich in eine oder die andere Richtung oder abwechselnd in die eine und dann in die andere Richtung fortpflanzendes Feld erzeugt, das elektromagnetische Kräfte in durch die Achse der Form verlaufenden Ebenen hervorruft.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Achse der Form vertikal ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Achse der Form horizontal ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Innenwand der in der kalten Zone liegenden Kokille auf ihrem gesamten Umfang und in ihrem am weitesten stromaufwärtigen Bereich mit einem Graphitring versehen ist, der dieselbe Achse wie die Kokille hat.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Innenwand der in der kalten Zone liegenden Kokille auf ihrem gesamten Umfang und in ihrem am weitesten stromaufwärts liegenden Bereich von Graphitstäben durchbrochen ist, die das Schmiermittel der Innenwand der Kokille zuführen.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wicklungen mit dreiphasigem Strom versorgt werden.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gesamtlänge der Wicklungen ein Vielfaches des Polabstands ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Kühlsystem des stromabwärtigen Bereichs aus einem von einem Wassertank herrührenden Film gebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Kühlsystem des stromabwärtigen Bereichs aus einem an die Kokille angebauten Wassertank gebildet ist, der an seiner Basis Wasserstrahlen oder eine Wasserschicht bildet, die das gegossene Produkt benetzen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wicklungen in Form übereinanderliegender Scheiben aus gekühltem Kupferrohr oder Kupferdraht gebildet sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Scheiben in Kerben eines aus Platten geschichteten Magnetjochs angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wicklungen aus dünnen ringförmigen metallischen Scheiben, vorzugsweise aus Kupfer, gebildet sind, von denen jede mit einem radialen Spalt versehen ist, und die mit einem durch den Spalt gegebenen Winkelversatz von einer Scheibe zur darauffolgenden aufgeschichtet sind, und wobei zwischen zwei benachbarten Scheiben ein Isolatorblatt angeordnet ist, ausgenommen in der Zone zwischen den Spalten zweier benachbarter Scheiben, um so eine Kontaktfläche zwischen diesen beiden Scheiben herzustellen und die Kontinuität der Wicklung sicherzustellen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die so gebildeten Wicklungen in einer von einer Wasserströmung durchlaufenen ringförmigen Kammer angeordnet sind, die die Gußform umgibt und mit Mitteln zum Einklemmen des Kupferplattenstapels und der Isolatorblätter versehen ist, und daß die Kupfer- und Isolatorscheiben mit fluchtenden Löchern versehen sind, die die Zirkulation des Kühlwassers ermöglichen.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Außenwand der Kammer aus einem magnetischen Joch gebildet ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wicklungen, um ihre Kühlung sicherzustellen, in dem an die Kokille angebauten Wassertank angeordnet sind.
  19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 und 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zur Kühlung der Kupfer- und Isolatorplattenstapel bestimmte Kammer von der zur Kühlung des gegossenen Produkts bestimmten Kammer gebildet wird, deren Innenwand die stromaufwärts mit einem wärmeisolierenden Material verkleidete Kokille ist.
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