ES2955265T3 - Refinado de grano con acoplamiento vibratorio directo - Google Patents
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Abstract
Un transportador de metal fundido que tiene una placa receptora en contacto con el metal fundido durante el transporte del metal fundido. La placa receptora se extiende desde una entrada por la que el metal fundido entra en la placa receptora hasta una salida por la que el metal fundido sale de la placa receptora. El transportador de metal fundido tiene al menos una fuente de energía vibratoria que suministra energía vibratoria directamente a la placa receptora en contacto con el metal fundido. Un método correspondiente para formar un producto metálico incluye proporcionar metal fundido sobre un transportador fundido; enfriar el metal fundido mediante el control de un medio de enfriamiento que fluye a través de un conducto de enfriamiento en el transportador o unido al mismo; y acoplar energía vibratoria directamente en una placa receptora en contacto con el metal fundido en el transportador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Refinado de grano con acoplamiento vibratorio directo
Antecedentes
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica prioridad para el documento de Estados Unidos N°. 62/468.709, presentado el 8 de marzo de 2017, titulado Grain Refining with Direct Vibrational Coupling.
Campo
La presente invención está relacionada con un método para producir coladas metálicas con tamaño de grano controlado, un sistema para producir las coladas metálicas y productos obtenidos mediante las coladas metálicas.
Descripción de la técnica relacionada
Se ha realizado un esfuerzo considerable en el campo metalúrgico para desarrollar técnicas para colar metal fundido con el fin de obtener productos colados o de varilla metálica continua. Tanto la colada por lotes como la colada continua están bien desarrolladas. Existe una serie de ventajas de la colada continua con respecto a la colada por lotes, aunque ambas se utilizan de forma destacada en la industria.
En la producción continua de la colada metálica, el metal fundido pasa de un horno de contención a una serie de lavas y al molde de una rueda de colada donde se produce la colada para dar lugar a una barra metálica. La barra metálica solidificada se retira de la rueda de colada y se dirige a un molino de laminado donde tiene lugar el laminado para dar una barra continua. Dependiendo del uso final previsto del producto de varilla metálica y la aleación, la varilla se puede someter a enfriamiento durante el laminado o se puede enfriar o templar inmediatamente tras abandonar el molino de laminado con el fin de conferir las propiedades mecánicas y físicas deseadas. Se han empleado técnicas como las descritas en la patente de Estados Unidos N°. 3.395.560 de Cofer y col. (cuyos contenidos completos se incorporan por referencia en la presente memoria) para procesar de forma continua un producto de varilla o barra metálica.
La patente de Estados Unidos N°. 3.938.991 de Sperry y col. (cuyo contenido completo se incorpora por referencia en la presente memoria) muestra que existe un problema reconocido desde hace mucho tiempo con la colada de productos metálicos "puros". Por coladas metálicas "puras", la expresión se refiere a un metal o aleación metálica formada por los elementos metálicos primarios diseñados para una conductividad particular o resistencia a la tracción o ductilidad, sin la inclusión de impurezas separadas añadidas con vistas a controlar el grano.
El refinado de grano es un proceso mediante el cual el tamaño de cristal de la fase recién formada se reduce por medios químicos o físicos/mecánicos. Los refinadores de grano generalmente se añaden al metal fundido para reducir significativamente el tamaño de grano de la estructura solidificada durante el proceso de solidificación o el proceso de transición de fase líquida a sólida.
De hecho, la solicitud de patente de la WIPO WO/2003/033750 de Boily y col. (cuyo contenido completo se incorpora por referencia en la presente memoria) describe el uso específico de "refinadores de grano". La solicitud '750 describe en su sección de antecedentes que, en la industria de aluminio, generalmente se incorporan diferentes refinadores de grano en el aluminio para formar una aleación maestra. Las aleaciones maestras típicas para usar en la colada de aluminio comprenden de un 1 a un 10 % de titanio y de un 0,1 a un 5 % de boro o carbono, consistiendo esencialmente el equilibrio en aluminio o magnesio, con partículas de TiB2 o TiC que se dispersan por toda la matriz de aluminio. Según la solicitud '750, las aleaciones maestras que contienen titanio y boro se pueden producir disolviendo las cantidades requeridas de titanio y boro en una masa fundida de aluminio. Esto se logra haciendo reaccionar aluminio fundido con κΒF4 y K2TiF6 a temperaturas superiores a 800 °C. Estas sales complejas de haluros reaccionan rápidamente con aluminio fundido y proporcionan titanio y boro a la masa fundida.
La solicitud '750 también describe que, a partir de 2002, esta técnica se usó para producir aleaciones maestras comerciales por casi todas las empresas de fabricación de refinadores de grano. Los refinadores de grano, a los que se hace referencia con frecuencia como agentes de nucleación, todavía se usan en la actualidad. Por ejemplo, un proveedor comercial de aleación maestra TIBOR describe que el control estricto de la estructura colada constituye un requisito importante en la generación de productos de aleación de aluminio de alta calidad.
Antes de la presente invención, los refinadores de grano eran reconocidos como la forma más eficaz de proporcionar una estructura de grano fino y uniforme en el momento de la colada. Las siguientes referencias (cuyos contenidos completos se incorporan por referencia en la presente memoria) brindan detalles del presente trabajo de antecedentes:
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Jian, X, Xu, H., Meek, T. T. y Han, Q., (2005), "Effect of Power Ultrasond on Solidification of Aluminum A356 Alloy", Materials Letters, v. 59, N°. 2-3, pp. 190-193.
Keles, O. y Dundar, M., (2007). "Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes", Journal of Materials Processing Technology, v. 186, pp. 125-137.
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Antes de la presente invención, las patentes de Estados Unidos 8.574.336 y 8.652.397 describieron métodos para reducir la cantidad de un gas disuelto (y/o diversas impurezas) en un baño de metal fundido (por ejemplo, desgasificación por ultrasonidos), por ejemplo, mediante la introducción de un gas de purga en el baño de metal fundido en estrecha proximidad con el dispositivo de ultrasonidos. Las presentes patentes se denominan en lo sucesivo patente '336 y patente '397. Dichos métodos también se describen en los documentos de patente US2016/228943A1, US2007/235159A1 y JP2002321044A.
Sumario
En una realización de la presente invención, se proporciona un dispositivo de transporte de metal fundido que tiene una placa receptora en contacto con el metal fundido durante el transporte del mismo, como se divulga en las reivindicaciones adjuntas 1-14.
En una realización de la presente invención, se proporciona un método para conformar un producto metálico que incluye proporcionar metal fundido sobre un dispositivo de transporte de fundido como se divulga en la reivindicación 16 adjunta.
Se debe comprender que tanto la descripción general anterior de la invención como la siguiente descripción detallada son a modo de ejemplo, pero no restringen la invención.
Breve descripción de los dibujos
Se obtiene de forma sencilla una apreciación más completa de la invención y muchas de las ventajas concomitantes de la misma a medida que se comprenda mejor con referencia a la siguiente descripción detallada cuando se considere en relación con los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es un esquema de un molino de colada continua según una realización de la invención;
La Figura 2 es un esquema de un dispositivo de transporte de metal fundido que tiene múltiples transductores magnetoestrictivos unidos a lo largo de una distancia longitudinal de una placa vibratoria;
La Figura 3 es un esquema de un dispositivo de transporte de metal fundido que tiene un transductor de ultrasonidos piezoeléctrico unido a una placa vibratoria 54;
La Figura 4 es un esquema de transductores múltiples unidos en una matriz bidimensional a la parte inferior de la placa vibratoria;
La Figura 5 es un esquema de transductores múltiples unidos a la parte inferior de una placa vibratoria con una mayor densidad en el extremo de la placa vibratoria que dispensa el metal fundido;
La Figura 6A es una vista lateral de un dispositivo de transporte de metal que muestra los canales interiores para que fluya el medio de refrigeración a través de los mismos;
La Figura 6B es una vista de un dispositivo de transporte de metal/dispositivo de colada según la invención;
La Figura 7 es un esquema de una configuración de rueda de colada según una realización de la invención que utiliza un dispositivo de procesado de metal fundido en la rueda de colada;
La Figura 8 es un esquema de una configuración de rueda de colada según una realización de la invención que muestra un dispositivo de sonda vibratorio directamente acoplado a la colada de metal fundido en la rueda de colada;
La Figura 9 es un esquema de un molde estacionario que utiliza las fuentes de energía vibratoria de la invención;
La Figura 10A es un esquema en sección transversal de componentes seleccionados de un molino de colada vertical; La Figura 10B es un esquema en sección transversal de otros componentes de un molino de colada vertical;
La Figura 10C es un esquema en sección transversal de otros componentes de un molino de colada vertical;
La Figura 10D es un esquema en sección transversal de otros componentes de un molino de colada vertical;
La Figura 11 es un esquema de una realización de la invención que utiliza tanto desgasificación por ultrasonidos como refinamiento de grano por ultrasonidos;
La Figura 12 es un esquema de un sistema informático ilustrativo para los controles y controladores representados en la presente memoria;
La Figura 13 es un diagrama de flujo que representa un método según una forma de realización de la invención;
La Figura 14 es un diagrama de flujo de proceso de alambre ACSR;
La Figura 15 es un diagrama de flujo de proceso de alambre ACSS; y
La Figura 16 es un diagrama de flujo de proceso de tira de aluminio;
Descripción detallada
El refinado de grano de metales y aleaciones es importante por muchas razones, incluida la maximización de la tasa de colada de lingotes, la mejora de la resistencia al desgarro en caliente, la minimización de la segregación elemental, la mejora de las propiedades mecánicas, en particular ductilidad, la mejora de las características de acabado de los productos forjados y el aumento de las características de llenado de molde, y la disminución de porosidad de las aleaciones de fundición. Por lo general, el refinado de grano es una de las primeras etapas de procesado para la generación de productos metálicos y aleaciones, especialmente aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio, que son dos de los materiales ligeros que se usan cada vez más en la industria aeroespacial, defensa, automoción, construcción y embalaje. El refinado de grano también es una etapas de procesado importante para convertir a los metales y aleaciones en materiales susceptibles de colada al eliminar los granos columnares y formar granos equiaxiales.
El refinado de grano es una etapa de procesado de solidificación mediante el cual el tamaño de cristal de las fases sólidas se reduce por medios químicos, físicos o mecánicos para hacer que las aleaciones se puedan colar y reducir la formación de defectos. Actualmente, la producción de aluminio tiene lugar con refinado de grano utilizando TIBOR, lo que tiene como resultado la formación de una estructura de grano equiaxial en el aluminio solidificado. Antes de la presente invención, el uso de impurezas o "refinadores de grano" químicos era la única manera de abordar el problema reconocido desde hace mucho tiempo en la industria de coladas metálicas relativo a la formación de granos columnares en las coladas metálicas. Además, antes de la presente invención, no se había utilizado una combinación de 1) desgasificación por ultrasonidos para eliminar las impurezas de metal fundido (antes de la colada) y 2) refinado de grano por ultrasonidos anteriormente referido (es decir, al menos una fuente de energía vibratoria).
No obstante, existen grandes costes asociados al uso de TIBOR y restricciones mecánicas debidas a la entrada de esos inoculantes en la masa fundida. Algunas de las restricciones incluyen ductilidad, aptitud de maquinizado y conductividad eléctrica.
A pesar del coste, aproximadamente un 68 % del aluminio producido en Estados Unidos se somete a colado primero para dar lugar a lingotes antes de su procesado posterior con vistas a la obtención de láminas, planchas, extrusiones o papel metalizado. El proceso de colada semicontinua de enfriamiento directo (DC) y el proceso de colada continua (CC) han constituido el pilar básico de la industria de aluminio debido en gran parte a su naturaleza robusta y relativa simplicidad. Una cuestión relativa a los procesos DC y CC es la formación de desgarro en caliente o fisuración durante la solidificación del lingote. Básicamente, casi todos los lingotes experimentan fisuración (o no resultan susceptibles de colada) sin usar el refinado de grano.
Aun así, las tasas de producción de estos procesos modernos están limitadas por las condiciones para evitar la formación de fisuras. El refinado de grano es una forma eficaz de reducir la tendencia al desgarro en caliente de una aleación y, por tanto, aumentar las tasas de producción. Como resultado de ello, se ha concentrado un esfuerzo considerable en el desarrollo de potentes refinadores de grano que puedan producir tamaños de grano lo más pequeños posibles. La superplasticidad se puede lograr si el tamaño de grano se puede reducir a nivel submicrónico, lo que permite que las aleaciones no solo se pueden colar a tasas mucho más rápidas, sino que también se puedan laminar/someter a extrusión a temperaturas más bajas a tasas mucho más rápidas que los lingotes que se procesan en la actualidad, lo que supone importantes ahorros de coste y energía.
En la actualidad, casi todas las coladas en el mundo, ya sea en forma de chatarra primaria (aproximadamente 20 000 millones de kg) o en forma de chatarra secundaria e interna (25000 millones de kg), es de grano refinado con núcleos heterogéneos de TiB2 insolubles de aproximadamente unos pocos micrómetros de diámetro, que producen la nucleación de una estructura de grano fino en el aluminio. Una cuestión relacionada con el uso de refinadores químicos de grano es la limitada capacidad de refinado de grano. De hecho, el uso de refinadores químicos de grano provoca una disminución limitada del tamaño de grano de aluminio, desde una estructura columnar con dimensiones de grano lineales de algo más de 2.500 gm, hasta granos equiaxiales menores que 200 gm. Los granos equiaxiales de 100 gm de las aleaciones de aluminio parecen ser el límite que se puede obtener utilizando los refinadores químicos de grano comercialmente disponibles.
La productividad se puede incrementar de forma significativa en caso de reducir aún más el tamaño de grano. El tamaño de grano en el nivel submicrónico se traduce en superplasticidad que facilita mucho la formación de aleaciones de aluminio a temperatura ambiente.
Otra cuestión relacionada con el uso de refinadores químicos de grano es la formación de defectos asociados al uso de refinadores de grano. Aunque en la técnica anterior consideradas necesarias para el refinado de grano, las partículas extrañas insolubles resultan indeseables en el aluminio, en particular en forma de conglomerados de partículas ("asociaciones"). Los refinadores de grano actuales, que están presentes en forma de compuestos en las aleaciones maestras basadas en aluminio, se producen mediante una serie complicada de procesos de extracción, aprovechamiento y fabricación. Las aleaciones maestras usadas en la actualidad contienen a menudo sal de fluoruro de potasio y aluminio (KAIF) e impurezas de óxido de aluminio (escoria) que surgen del proceso convencional de fabricación de refinadores de grano de aluminio. Estos dan lugar a defectos locales en el aluminio (por ejemplo, "fugas" en latas de bebidas y "orificios" en láminas delgadas), abrasión de máquinas de herramienta y problemas de acabado superficial en aluminio. Datos de una de las empresas de cable de aluminio indican que un 25 % de los defectos de producción se deben a los conglomerados de partículas de TiB2 , y otro 25 % de los defectos se debe a la escoria que queda atrapada en el aluminio durante el proceso de colada. Los conglomerados de partículas de TiB2 a menudo rompen los alambres durante la extrusión, especialmente cuando el diámetro de alambre es menor que 8 mm.
Otra cuestión relacionada con el uso de refinadores químicos de grano es el coste de los refinadores de grano. Esto es extremadamente cierto para la producción de lingotes de magnesio utilizando refinadores de grano Zr. El refinado de grano usando refinadores de grano de Zr cuesta aproximadamente 1 $ extra por kilogramo de colada de Mg producida. Los refinadores de grano para aleaciones de aluminio cuestan aproximadamente 1,50 $ por kilogramo.
Otra cuestión relacionada con el uso de refinadores químicos de grano es la conductividad eléctrica reducida. El uso de refinadores químicos de grano introduce una cantidad excesiva de Ti en el aluminio, provoca una disminución sustancial de la conductividad eléctrica de aluminio puro para aplicaciones de cable. Para mantener cierta
conductividad, las empresas tienen que pagar dinero extra para usar aluminio más puro con vistas a la fabricación de cables y alambres.
En el siglo pasado se exploraron otros métodos de refinado de grano, además de los métodos químicos. Estos métodos incluyen el uso de campos físicos, tales como campos magnéticos y electromagnéticos, y el uso de vibraciones mecánicas. La vibración por ultrasonidos de alta intensidad y baja amplitud es uno de los mecanismos físicos/mecánicos que se han demostrado para el refinado de grano de metales y aleaciones sin utilizar partículas extrañas. No obstante, los resultados experimentales, tales como los de Cui y col., 2007 mencionados anteriormente, se obtuvieron en lingotes pequeños de hasta unas pocas libras de metal sometidos a un período corto de vibración por ultrasonidos. Se ha dedicado cierto esfuerzo al refinado de grano de lingotes/tochos de colada de CC o CC utilizando vibraciones por ultrasonido de alta intensidad.
Como se usa en el presente documento, las realizaciones de la presente invención se describen usando terminologías comúnmente empleadas por los expertos en la técnica para presentar su trabajo. A estos términos se les debe dar el significado común tal como lo entienden aquellos con conocimientos habituales en las técnicas de ciencia de materiales, metalurgia, colada de metales y procesado de metales. Algunos términos que adoptan un significado más especializado se describen en las realizaciones siguientes. No obstante, se entiende que la expresión "configurado para" en la presente memoria representa estructuras apropiadas (ilustradas en la presente memoria o conocidas o implícitas en la técnica) que permiten que un objeto de las mismas realice la función que sigue a la expresión "configurado para". La expresión "acoplado a" significa que un objeto acoplado a un segundo objeto tiene las estructuras necesarias para soportar el primer objeto en una posición relativa al segundo objeto (por ejemplo, colindante con, unido a, desplazado una distancia predeterminada de, adyacente, contiguo, unido de manera conjunta a, separables entre sí, desmontables entre sí, fijado de manera conjunta, en contacto deslizante con, en contacto rodante con) con o sin unión directa del primer y segundo objeto de manera conjunta.
La patente de Estados Unidos N°. 4.066.475 de Chia y col. describe un proceso de colada continua. En general, la Figura 1 representa un sistema de colada continua que tiene un molino de colada 2 que tiene un dispositivo de suministro 10 (tal como una artesa) que proporciona metal fundido a una boquilla de vertido 11 que dirige el metal fundido a una ranura periférica presente en un anillo 13 de molde rotatorio. Una banda 14 de metal flexible sin fin rodea tanto la parte del anillo de molde 13 como la parte de un conjunto de rodillos 15 de posicionamiento de banda de manera que el molde de colada continua queda definido por la ranura del anillo de molde 13 y la banda 14 de metal superpuesta. Se proporciona un sistema de enfriamiento para enfriar el aparato y llevar a cabo la solidificación controlada del metal fundido durante su transporte sobre el anillo 13 de molde rotatorio. El sistema de enfriamiento incluye una pluralidad de cabezales laterales 17, 18 y 19 dispuestos en el lado del anillo de molde 13 y cabezales 20 y 21 de banda internos y externos, respectivamente, dispuestos sobre los lados interno y externo de la banda de metal 14 en una ubicación en la que rodea el anillo de molde. Una red de conductos 24 que tiene válvulas adecuadas está conectada para suministrar y evacuar refrigerante en los diversos cabezales, con el fin de controlar el enfriamiento del aparato y la tasa de solidificación del metal fundido.
Mediante dicha construcción, el metal fundido es alimentado desde la boquilla de vertido 11 al interior del molde de colada y se solidifica y se enfría parcialmente durante su transporte mediante la circulación de refrigerante a través del sistema de refrigeración. Se extrae una barra 25 colada sólida de la rueda de colada y se alimenta a un dispositivo de transporte 27 que transporta la barra colada a un molino de laminado 28. Se debe apreciar que la barra colada 25 solo se ha enfriado lo suficiente para solidificar la barra, y la barra permanece a temperatura elevada para permitir que tenga lugar una operación inmediata de laminado sobre la misma. El molino de laminado 28 puede incluir una configuración en tándem de cajas de laminado que producen el laminado sucesivo de la barra para proporcionar una longitud continua de varilla de alambre 30 que tiene una sección transversal circular y sustancialmente uniforme.
La Figura 1 muestra el controlador 500 que controla las diversas partes del sistema de colada continua que se muestran en ella, como se comenta con más detalle a continuación. El controlador 500 puede incluir uno o más procesadores con instrucciones programadas (es decir, algoritmos) para controlar el funcionamiento del sistema de colada continua y sus componentes.
La patente de Estados Unidos N°. 9.481.031 de Han y col. describe un dispositivo de procesado de metal fundido que incluye una estructura de contención de metal fundido para albergar y transportar el metal fundido a lo largo de su sección longitudinal. El dispositivo incluye además una unidad de enfriamiento para la estructura de contención que incluye un canal de enfriamiento para el paso de un medio líquido presente en el mismo, y una sonda de ultrasonidos dispuesta con respecto al canal de enfriamiento, de manera que las ondas de ultrasonidos se acoplan a través del medio líquido en el canal de enfriamiento y a través de la estructura de contención de metal fundido en el interior del metal fundido.
Como se describe en la patente '031, la sonda de ondas de ultrasonido proporcionó vibraciones de ultrasonido (UV) a través del medio líquido y a través de una placa inferior de la estructura de contención de metal fundido en la que se suministró el metal líquido. En la patente '031, la sonda de ondas de ultrasonido se muestra insertada en el paso de medio líquido. Como se describe en la patente '031, una cantidad relativamente pequeña de subenfriamiento (por ejemplo, menos que 10 °C) en la parte inferior del canal tiene como resultado la formación de una capa de pequeños núcleos de aluminio más puro. Las vibraciones de ultrasonidos de la parte inferior del canal crean núcleos de aluminio
puro que posteriormente se utilizan como agentes de nucleación durante la solidificación, lo que da como resultado una estructura de grano uniforme. Como se describe en la patente '031, las vibraciones de ultrasonidos de la parte inferior del canal dispersan estos núcleos y rompen las dendritas que se forman en la capa subenfriada. Estos núcleos de aluminio y fragmentos de dendritas se utilizan a continuación para formar granos equiaxiales en el molde durante la solidificación, lo que da como resultado una estructura de grano uniforme.
En una realización de la presente invención, el refinado grano por ultrasonidos implica la aplicación de energía de ultrasonidos (y/u otra energía vibratoria) para el refinado del tamaño de grano. Si bien la invención no está ligada a teoría particular alguna, una teoría es que la inyección de energía vibratoria (por ejemplo, energía de ultrasonidos) en una aleación fundida o solidificada puede dar lugar a efectos no lineales tales como cavitación, flujo acústico y presión de radiación. Estos efectos no lineales se pueden utilizar para producir la nucleación de nuevos granos y romper las dendritas durante el proceso de solidificación de la aleación.
Bajo esta teoría, el proceso de refinado de grano se puede dividir en dos etapas: 1) nucleación y 2) crecimiento del sólido recién formado a partir del líquido. Los núcleos esféricos se forman durante la etapa de nucleación. Estos núcleos se convierten en dendritas durante la etapa de crecimiento. El crecimiento unidireccional de las dendritas conduce a la formación de granos columnares que pueden causar el potencial desgarro/fisuración en caliente y la distribución no uniforme de las fases secundarias. Esto, a su vez, se puede traducir en una aptitud de colada deficiente. Por otro lado, el crecimiento uniforme de dendritas en todas las direcciones (tal como resulta posible con la presente invención) conduce a la formación de granos equiaxiales. Las coladas/lingotes que contienen granos pequeños y equiaxiales tienen una excelente aptitud de conformación.
Bajo esta teoría, cuando la temperatura de la aleación está por debajo de la temperatura de líquido; la nucleación puede tener lugar cuando el tamaño de los embriones sólidos es mayor que un tamaño crítico dado en la siguiente ecuación:
en la que r* es el tamaño crítico, asi es la energía de interfaz asociada a la interfaz sólido-líquido, y AGv, es la energía libre de Gibbs asociada a la transformación de una unidad de volumen de líquido en sólido.
Bajo esta teoría, la energía libre de Gibbs, AG, disminuye al aumentar el tamaño de los embriones sólidos cuando su tamaño es mayor que r , indicando que el crecimiento del embrión sólido resulta termodinámicamente favorable. En tales condiciones, los embriones sólidos se convierten en núcleos estables. Sin embargo, la nucleación homogénea de la fase sólida que tiene un tamaño mayor que r* tiene lugar únicamente en condiciones extremas que requieren un gran subenfriamiento en la masa fundida.
Según esta teoría, los núcleos formados durante la solidificación se pueden convertir en granos sólidos conocidos como dendritas. Las dendritas también se pueden romper para dar lugar a múltiples fragmentos pequeños mediante la aplicación de energía vibratoria. Los fragmentos dendríticos formados de este modo se pueden convertir en nuevos granos y dar como resultado la formación de pequeños granos; creando de este modo una estructura de grano equiaxial.
En otras palabras, las vibraciones de ultrasonidos transmitidas al metal líquido subenfriado crean sitios de nucleación en los metales o aleaciones metálicas para refinar el tamaño del grano. Los sitios de nucleación se pueden generar a través de la energía vibratoria que actúa como se ha descrito anteriormente, para romper las dendritas, creando en el metal fundido numerosos núcleos que no dependen de impurezas extrañas.
En este caso, en la invención, el dispositivo de ultrasonidos no está configurado para tener ondas de ultrasonidos acopladas exclusivamente a través de un medio líquido en un canal de enfriamiento y a continuación a través de una placa inferior de una estructura de contención de metal fundido en el interior del metal fundido. En cambio, en esta realización, las ondas de ultrasonidos se acoplan directamente a una placa o receptor en contacto con el metal fundido.
Uno o más dispositivos de ultrasonidos magnetoestrictivos se encuentran unidos directamente a la placa o receptor en contacto con el metal fundido durante el transporte del metal fundido. La placa receptora se puede extender longitudinalmente desde una entrada por donde penetra el metal fundido en la placa receptora hasta una salida por donde sale el metal fundido de la placa receptora. De hecho, la Figura 2 representa un dispositivo 50 de transporte de metal fundido (no se muestran las paredes laterales) que tiene múltiples transductores magnetoestrictivos 52 unidos y espaciados de manera uniforme a lo largo de la sección longitudinal de placa vibratoria 54 (ultrasonidos). No es necesario que los transductores 52 estén espaciados de manera uniforme. Además, los transductores pueden estar espaciados con una separación lateral en la dirección de anchura de la placa 54. La Figura 2 representa la superficie del metal fundido 53 sobre la placa 54. El metal fundido que viaja sobre la placa 54 puede quedar confinado en un canal de flujo de cualquier forma, incluyendo forma rectangular, cuadrada o redonda.
En una realización de la invención, el espesor de metal fundido que se desplaza por encima de la placa 54 es menor que 10 centímetros en una realización. En esta realización, el espesor de metal fundido puede ser menor que 1 centímetro. Alternativamente, el espesor de metal fundido puede ser menor que medio centímetro.
Por consiguiente, la placa receptora 54 puede tener una anchura lateral igual o menor que la longitud longitudinal, o la anchura lateral puede ser igual o menor que la mitad de la longitud longitudinal; o la anchura lateral puede ser igual o menor que un tercio de la longitud longitudinal. Por ejemplo, la placa receptora 54 puede tener una anchura lateral de entre 2,5 cm y 300 cm. La longitud de la placa receptora 54 puede estar entre 2,5 cm y 300 cm. Además, la placa receptora 54 puede tener una anchura lateral que se estrecha hacia la salida. Las dimensiones de la placa receptora 54 en una realización pueden variar hasta (pero sin limitarse a) 220 cm de anchura y 70 cm de longitud, aunque se pueden usar otras dimensiones. Las dimensiones se pueden invertir siendo 220 cm de longitud y 70 cm de anchura.
Además, la placa receptora 54 se puede disponer en un amplio intervalo de disposición angular desde una orientación casi horizontal (dentro de 20 grados angulares) a una orientación casi vertical (dentro de 20 grados angulares), con la gravedad forzando la salida del metal fundido. Más específicamente, la placa receptora 54 se puede disponer dentro de 10 grados angulares (o 5 grados angulares) desde una orientación horizontal con la gravedad forzando la salida del metal fundido. Alternativamente, la placa receptora 54 se puede disponer dentro de 10 grados angulares (o 5 grados angulares) desde una orientación vertical con la gravedad forzando la salida del metal fundido. La superficie de la placa sobre la que se transporta (o fluye) el metal fundido puede ser lisa, pulida, rugosa, realzada, dentada y/o texturizada. Alternativamente, la placa receptora 54 se puede disponer en cualquier posición angular desde horizontal (o casi horizontal) a vertical (o casi vertical). Este amplio intervalo angular permite que el metal fundido sea transportado a lo largo de la placa receptora 54, ya sea que la placa vibratoria se aplique en un sistema de vertido a nivel o en un escenario de pico descendente en un molde de fundición.
En una realización de la invención, se incluye un controlador (por ejemplo, el controlador 500) que controla al menos uno de tasa de vertido del metal fundido sobre la placa receptora y/o tasa de enfriamiento del metal fundido sobre la placa receptora. El controlador se programa preferentemente para ajustar la tasa de vertido de modo que la altura del metal fundido por encima de la placa receptora esté entre 1,25 cm y 10 cm, o entre 2,5 cm y 5 cm, o entre 3 cm y 4 cm. Al tener un flujo de metal fundido en forma de lámina a lo largo de la placa receptora 54, los núcleos inducidos y liberados de la placa receptora 54 se pueden dispersar de manera uniforme en el volumen del metal fundido instantáneamente en la placa receptora 54. Si se considera el área superficial de la placa receptora como área disponible para la generación de los núcleos, entonces el hecho de tener una forma de metal fundido en forma de lámina también sirve para enfriar el metal fundido más a fondo en todo el volumen del metal de manera instantánea sobre la placa receptora 54. Sin lograr este enfriamiento completo, los núcleos liberados se podrían volver a fundir para dar lugar al metal fundido y se puede perder del recuento total de núcleos que fluyen hacia el molde o la rueda de colada. Por consiguiente, mediante el hecho de hacer que el controlador 500 supervise la altura de metal fundido sobre la placa receptora 54, existe un efecto sinérgico cuando se usa el metal fundido en forma de lámina en el que hay más núcleos por unidad de volumen generado y menos pérdida de núcleos debido a re-fundición.
Los componentes del dispositivo 50 de transporte de metal fundido pueden estar formados por un metal tal como titanio, aleaciones de acero inoxidable, aceros con bajo contenido de carbono o acero H13, otros materiales de alta temperatura, una cerámica, un composite o un polímero. Los componentes del dispositivo 50 de transporte de metal fundido también pueden estar formados por uno o más de niobio, aleación de niobio, titanio, aleación de titanio, tantalio, aleación de tantalio, cobre, aleación de cobre, renio, aleación de renio, acero, molibdeno, aleación de molibdeno, acero inoxidable y cerámica. La cerámica puede ser una cerámica de nitruro de silicio, como por ejemplo un nitruro de sílice y alúmina o SIALON.
Aunque no se muestra en la Figura 2, los transductores magnetoestrictivos 52 tienen una bobina interna enrollada alrededor de una pila de capas magnéticas. La bobina proporciona una corriente de alta frecuencia que produce un campo magnético de alta frecuencia que induce la extracción y compresión de la pila y, de este modo, imprime vibraciones sobre la placa 52.
Los transductores magnetoestrictivos suelen estar compuestos por un gran número de placas de material que se expanden y contraen una vez que se aplica un campo electromagnético. Más específicamente, los transductores magnetoestrictivos adecuados para la presente invención pueden incluir en una realización un gran número de placas o laminados de níquel (u otro material magnetoestrictivo) dispuestos en paralelo con un borde de cada laminado unido a la parte inferior de un recipiente de proceso u otra superficie objeto de vibración. Se coloca una bobina de alambre alrededor del material magnetoestrictivo para proporcionar el campo magnético. Por ejemplo, cuando se suministra un flujo de corriente eléctrica a través de la bobina de alambre, se crea un campo magnético. Este campo magnético hace que el material magnetoestrictivo se contraiga o se alargue, introduciendo de este modo una onda de sonido en un fluido en contacto con el material magnetoestrictivo que se expande y contrae. Las frecuencias ultrasónicas típicas de los transductores magnetoestrictivos adecuados para la invención oscilan entre 20 y 200 kHz. Se pueden usar frecuencias más altas o más bajas dependiendo de la frecuencia natural del elemento magnetoestrictivo.
Para los transductores magnetoestrictivos, níquel es uno de los materiales más utilizados. Cuando se aplica tensión al transductor, el material de níquel se expande y contrae a frecuencias de ultrasonidos. En una realización de la invención, las placas de níquel se sueldan directamente con plata a una placa de acero inoxidable. Con referencia a
la Figura 2, la placa de acero inoxidable del transductor magnetostrictivo es la superficie que vibra a frecuencias de ultrasonidos y (como se muestra en la Figura 2) está unida a la placa vibratoria 54 (de ultrasonidos).
La patente de Estados Unidos N.° 7.462.960 describe un controlador de transductor de ultrasonidos que tiene un elemento magnetostrictivo gigante. Por consiguiente, en una realización de la invención, el elemento magnetoestrictivo se puede preparar con materiales basados en aleaciones de tierras raras, tales como Terfenol-D y sus composites, que tienen un efecto magnetoestrictivo inusualmente grande en comparación con los primeros metales de transición, tales como hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni). Alternativamente, el elemento magnetoestrictivo en una realización de la invención puede estar formado por hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni).
Alternativamente, el elemento magnetoestrictivo en una realización de la invención puede estar formado por una o más de las siguientes aleaciones de hierro y terbio; hierro y praseodimio; hierro, terbio y praseodimio; hierro y disprosio; hierro, terbio y disprosio; hierro, praseodimio y disprosio; hierro, terbio, praseodimio y disprosio; hierro y erbio; hierro y samario; hierro, erbio y samario; hierro, samario y disprosio; hierro y holmio; hierro, samario y holmio; o mezcla de los mismos.
La patente de Estados Unidos N°. 4.158.368 describe un transductor magnetostrictivo. Como se describe en ese documento y resulta adecuado para la presente invención, el transductor magnetoestrictivo puede incluir un émbolo de un material que exhibe magnetoestricción negativa dispuesto dentro de una carcasa. La patente de Estados Unidos N°. 5.588.466 describe un transductor magnetostrictivo. Como se describe en ese documento y resulta adecuado para la presente invención, se aplica una capa magnetostrictiva a un elemento flexible, por ejemplo, un haz flexible. El elemento flexible es desviado por un campo magnético externo. Como se describe en la patente '466 y resulta adecuado para la presente invención, se puede usar una capa magnetoestrictiva fina para el elemento magnetoestrictivo que consiste en Tb(1-x) Dy(x) Fe2. La patente de Estados Unidos N°. 4.599.591 describe un transductor magnetostrictivo. Como se describe en ese documento y resulta adecuado para la presente invención, el transductor magnetoestrictivo puede utilizar un material magnetoestrictivo y una pluralidad de devanados conectados a múltiples fuentes de corriente que tienen una relación de fase para establecer un vector de inducción magnética rotatorio dentro del material magnetoestrictivo. La patente de Estados Unidos N°. 4.986.808 describe un transductor magnetostrictivo. Como se describe en ese documento y resulta adecuado para la presente invención, el transductor magnetoestrictivo puede incluir una pluralidad de tiras alargadas de material magnetoestrictivo, presentando cada tira un extremo proximal, un extremo distal y una sección transversal sustancialmente en forma de V, estando cada brazo de la V formado por una longitud longitudinal de la tira y estando cada tira unida a una tira adyacente, tanto en el extremo proximal como en el extremo distal, para formar una columna integral sustancialmente rígida que tiene un eje central con aletas que se extienden radialmente con respecto a este eje.
La patente de Estados Unidos N°. 6.150.753 describe un conjunto de transductor de ultrasonidos, que tiene una carcasa de aleación basada en cobalto con al menos una sección de pared plana y al menos un transductor de ultrasonidos montado en la sección de pared plana, estando dispuesto el transductor de ultrasonidos de forma operativa para impartir una fuerza vibratoria de ultrasonidos a la sección de pared plana de la carcasa. Tanto el material de antecedentes como las descripciones de la patente '753, que describen formas de montar transductores de ultrasonidos en placas de acero inoxidable, se pueden usar en la presente invención para formar un acoplamiento mecánicamente estable entre los transductores 52/56 y la placa vibratoria 54 (de ultrasonidos). Por ejemplo, la aleación de marca ULTIME®, disponible de Haynes International, Inc. de Kokomo, Ind. ULTIMET® es una aleación de cobaltocromo adecuada para la presente invención. Esta aleación tiene una composición química nominal (porcentaje en peso) como sigue: cobalto (54 %), cromo (26 %), níquel (9 %), molibdeno (5 %), tungsteno (2 %) y hierro (3 %). Esta aleación también contiene trazas (menos de un 1 % en peso) de manganeso, silicio, nitrógeno y carbono.
La patente de Estados Unidos N°. 5.247.954 describe un método de unión de los transductores cerámicos piezoeléctricos que no supera los 250 °C. Este método se puede usar en la presente invención para formar un acoplamiento mecánicamente estable entre los transductores 52/56 y la placa vibratoria 54 (de ultrasonidos). Por ejemplo, se utiliza una aleación de soldadura a baja temperatura para unir transductores cerámicos piezoeléctricos plateados y una superficie premetalizada de la placa 54. Esta soldadura puede ser un 96,5 % de estaño preformado, un 3,5 % de plata y se funde a aproximadamente 221 °C. Dicha soldadura se adhiere a las superficies de plata y plata/tungsteno que se ha sometido a calentamiento sobre la superficie de la placa 54 antes de la aplicación de la soldadura a baja temperatura. La unión de los transductores cerámicos piezoeléctricos a la placa 54 tiene lugar a continuación en un horno que opera a 230 °C.
En una realización de la invención, uno o más dispositivos piezoeléctricos de ultrasonidos se unen directamente a la placa o receptor en contacto con el metal fundido. La Figura 3 representa un dispositivo 50 de transporte de metal fundido (no se muestran las paredes laterales) que tiene en la presente representación un transductor 56 piezoeléctrico de ultrasonidos unido a la placa vibratoria 54 (de ultrasonidos). En la presente realización, es preferible (pero no necesario) usar el amplificador 58 para aumentar la energía de ultrasonidos suministrada a la placa.
En un aspecto de la invención, los transductores piezoeléctricos que suministran la energía vibratoria pueden estar formados por un material cerámico intercalado entre electrodos que proporcionan puntos de unión para el contacto eléctrico. Una vez que se aplica tensión a la cerámica a través de los electrodos, la cerámica se expande y se contrae a frecuencias de ultrasonidos. En una realización de la invención, el transductor piezoeléctrico que sirve como fuente
40 de energía vibratoria está unido a un amplificador, que transfiere la vibración a la sonda. La patente de Estados Unidos N°. 9.061.928 describe un conjunto de transductor de ultrasonidos que incluye un transductor de ultrasonidos, un amplificador de ultrasonidos, una sonda de ultrasonidos y una unidad auxiliar de refrigeración. El amplificador de ultrasonidos de la patente '928 está conectado al transductor de ultrasonidos para amplificar la energía acústica generada por el transductor de ultrasonidos y transferir la energía acústica amplificada a la sonda de ultrasonidos. La configuración de amplificador de la patente '928 puede resultar útil aquí en la presente invención para proporcionar energía a las sondas de ultrasonidos directa o indirectamente en contacto con el medio refrigerante líquido comentado con anterioridad.
De hecho, en una realización de la invención, se usa un amplificador de ultrasonidos en el campo de los ultrasonidos para amplificar o intensificar la energía vibratoria creada por un transductor piezoeléctrico. El amplificador no aumenta ni disminuye la frecuencia de las vibraciones, aumenta la amplitud de la vibración. (Cuando se instala un amplificador al revés, también puede comprimir la energía vibratoria). En una realización de la invención, el amplificador se conecta entre el transductor piezoeléctrico y la sonda. En caso de utilizar un amplificador para el refinado de grano por ultrasonidos, a continuación se muestra un número de etapas del método a modo de ejemplo que ilustran el uso de un amplificador con una fuente de energía vibratoria piezoeléctrica:
1) Se suministra una corriente eléctrica al transductor piezoeléctrico. Las piezas de cerámica dentro del transductor se expanden y contraen una vez que se aplica la corriente eléctrica, esto convierte la energía eléctrica en energía mecánica.
2) Esas vibraciones en una realización se transfieren a continuación a un amplificador, que amplifica o intensifica esta vibración mecánica.
3) Las vibraciones amplificadas o intensificadas procedentes del amplificador en una realización se propagan a continuación a la sonda. La sonda posteriormente vibra a las frecuencias de ultrasonidos, generando de este modo cavitaciones.
4) Las cavitaciones de la sonda vibratoria impactan en la banda de colada, que en una realización está en contacto con el metal fundido.
5) Las cavitaciones en una realización rompen las dendritas y generan una estructura de grano equiaxial.
En la realización de la Figura 3, aunque no se muestra, puede haber más de un transductor de ultrasonidos 56 con dichos transductores conectados y espaciados de manera uniforme a lo largo de una longitud longitudinal de la placa vibratoria 54 (ultrasonidos). Como se ha indicado anteriormente, no es necesario que los transductores 56 se encuentren espaciados de manera uniforme. Además, los transductores 56 pueden estar espaciados con una separación lateral en la dirección de anchura de la placa 54.
La Figura 4 es una representación de múltiples transductores 52/56 unidos en una matriz bidimensional a la parte inferior de la placa vibratoria 54. No es necesario que el patrón de unión sea un patrón de rejilla regular (como se muestra). Por ejemplo, el patrón de unión puede estar espaciado de forma irregular. Alternativamente, el patrón de unión puede ser con transductores 52/56 de mayor densidad en el extremo de la placa vibratoria 54 que recibe el metal fundido o en una densidad mayor en el extremo de distribución de metal fundido. La Figura 5 es una representación de múltiples transductores 52/56 unidos a la parte inferior de la placa vibratoria 54 con una densidad mayor en el extremo de distribución de metal fundido. La Figura 5 también muestra que los transductores se pueden colocar en una configuración diagonal a lo largo de la placa receptora. En una realización de la invención, la energía vibratoria se imparte con vibradores accionados de forma mecánica. Los vibradores accionados de forma mecánica adoptan el lugar de uno cualquiera o todos los transductores 52/56 mencionados con anterioridad.
Los vibradores mecánicos útiles para la invención pueden operar de 8.000 a 15.000 vibraciones por minuto, aunque se pueden usar frecuencias más altas y más bajas. En una realización de la invención, el mecanismo vibratorio está configurado para vibrar entre 565 y 5.000 vibraciones por segundo. En una realización de la invención, el mecanismo vibratorio está configurado para vibrar a frecuencias incluso más bajas hasta una fracción de vibración cada segundo hasta las 565 vibraciones por segundo. Los intervalos de vibración accionada de forma mecánica adecuados para la invención incluyen, por ejemplo, de 6.000 a 9.000 vibraciones por minuto, de 8.000 a 10.000 vibraciones por minuto, de 10.000 a 12.000 vibraciones por minuto, de 12.000 a 15.000 vibraciones por minuto y de 15.000 a 25.000 vibraciones por minuto. Los intervalos de vibración accionada de forma mecánica adecuados para la invención de los informes de la bibliografía incluyen, por ejemplo, intervalos de 133 a 250 Hz, de 200 Hz a 283 Hz (de 12.000 a 17.000 vibraciones por minuto) y de 4 a 250 Hz. Además, se puede imprimir una amplia diversidad de oscilaciones accionadas de forma mecánica en la rueda de colada 30 o la carcasa 44 mediante un simple martillo o dispositivo de émbolo accionado de forma periódica para que golpee la rueda de colada 30 o la carcasa 44. En general, las vibraciones mecánicas pueden variar hasta a 10 kHz. Por consiguiente, los intervalos adecuados para las vibraciones mecánicas utilizadas en la invención incluyen: de 0 a 10 KHz, de 10 Hz a 4000 Hz, de 20 Hz a 2000 Hz, de 40 Hz a 1000 Hz, de 100 Hz a 500 Hz e intervalos intermedios y combinados de los mismos, incluyendo un intervalo preferido de 565 a 5000 Hz.
Independientemente del tipo de transductor utilizado, los transductores se colocan en contacto mecánico y acústico con la placa 54. Se puede usar soldadura fuerte de plata (u otro tipo de aleación de alta temperatura) para unir la carcasa de transductor o la carcasa de amplificador a la placa 54. Un medio de refrigeración (aire comprimido, agua, fluidos iónicos, etc.) puede fluir a través de los canales interiores de la placa 54. La Figura 6A es una vista lateral del dispositivo 50 de transporte de metal que muestra los canales interiores 60 para que fluya el medio de refrigeración dispuestos en un espesor de la placa 54 y dispuestos bajo las paredes laterales 62. El medio de refrigeración se usa para reducir la temperatura del metal que fluye a través de la placa. Si bien puede haber algún acoplamiento de la energía vibratoria a través del medio de refrigeración, la mayor parte de la energía vibratoria se acopla directamente desde el transductor a través de una sección de metal de la placa 54 al aluminio fundido.
En una realización de la invención, el medio refrigerante (aire comprimido, agua, fluidos iónicos, etc.) puede fluir a través del lado inferior de la placa 54. El medio refrigerante se usa para reducir la temperatura del metal que fluye a través de la placa. Este método de refrigeración es externo a la placa y no está dispuesto (o confinado dentro) del espesor de la placa 54. En este caso, en un ejemplo, un sistema de vórtice de aire forzado insufla un gas a través del lado inferior de la placa 54.
El espesor de placa vibratoria 54 puede variar entre 5 cm y 0,5 cm. El espesor de placa vibratoria 54 también puede variar entre 3 cm y 1 cm. El espesor de placa vibratoria 54 también puede variar entre 2 cm y 1,5 cm. El espesor de placa vibratoria 54 no necesariamente es uniforme a través de la longitud o anchura. La placa vibratoria 54 puede tener secciones más finas que pueden actuar más como un diafragma y amplificar las vibraciones. Para placas vibratorias finas, se puede proporcionar la refrigeración mediante la unión de tubos de refrigeración a la placa 54 y/o paredes laterales 62. Mientras que en este caso se representan con transductores montados en la parte inferior de la placa 54, los transductores también se pueden colocar en la pared lateral 62.
En una realización de la invención, la placa vibratoria 54 puede ser la parte inferior de un dispositivo de vertido, tal como la parte inferior de la boquilla de vertido 11 que se muestra en la Figura 1. Alternativamente, el dispositivo 50 de transporte de metal fundido puede aceptar el metal fundido procedente de la boquilla de vertido 11 y a continuación suministrar el metal fundido a una rueda de colada. La Figura 6B es una vista de un dispositivo 55 de vertido/dispositivo de metal según la invención. En el dispositivo 55 que se muestra en la Figura 6B, hay un dispositivo de vertido (por ejemplo, la boquilla de vertido 11 que se muestra en la Figura 1 o la artesa 245 de la Figura 10) configurado y ubicado para suministrar metal fundido al dispositivo 50 de transporte de metal fundido comentado con anterioridad. El metal fundido es transportado a lo largo del dispositivo 50 de transporte de metal fundido (por ejemplo, por gravedad) donde está sujeto a refrigeración y la energía vibratoria comentada con anterioridad. El metal fundido que sale del dispositivo 50 de transporte de metal fundido contiene numerosos núcleos que no dependen de impurezas extrañas.
Aunque el agua es un medio de refrigeración apropiado, se pueden usar otros refrigerantes. En una realización de la invención, el medio de refrigeración es un líquido superenfriado (por ejemplo, líquidos a una temperatura entre 0 °C y -196 °C o menos, es decir, un líquido entre las temperaturas de hielo y nitrógeno líquido). En una realización de la invención, el líquido superenfriado, tal como nitrógeno líquido, se acopla con una fuente de energía de ultrasonidos u otra fuente de energía vibratoria. El efecto neto es un aumento de las tasas de solidificación que permite un procesado más rápido. En una realización de la invención, el medio de refrigeración que sale de la(s) sonda(s) no solo genera cavitaciones, sino que también atomiza y sobreenfría el metal fundido. En una realización preferida, esto tiene como resultado un aumento de la transferencia de calor en la zona de la rueda de colada.
En una realización de la invención, como se muestra en la Figura 7, el molino de colada 2 incluye una rueda de colada 30a que tiene una estructura de contención 32 (por ejemplo, un conducto o canal en la rueda de colada 30) en la que se vierte el metal fundido (por ejemplo, colada). La Figura 7 muestra una realización en la que se incluye opcionalmente un dispositivo 34 de procesado de metal fundido. El dispositivo 34 de procesado de metal fundido se describe como se ha comentado anteriormente en el documento de Estados Unidos N°. Serie 15/337.645. Una banda 36 (por ejemplo, una banda de metal flexible de acero) confina el metal fundido a la estructura de contención 32 (es decir, el canal). Los rodillos 38 permiten que el dispositivo 34 de procesado de metal fundido permanezca en una posición estacionaria sobre la rueda de colada giratoria a medida que el metal fundido se solidifica en el canal de la rueda de colada y se aleja del dispositivo 34 de procesado de metal fundido.
En resumen, el dispositivo 34 de procesado de metal fundido incluye un conjunto 42 montado sobre la rueda de colada 30. El conjunto 42 incluye al menos una fuente de energía vibratoria (por ejemplo, un vibrador 40), una carcasa 44 (es decir, un dispositivo de soporte) que contiene la fuente 42 de energía vibratoria. El conjunto 42 incluye al menos un canal de refrigeración 46 para el transporte de un medio de refrigeración a través del mismo. La banda flexible 36 está sellada a la carcasa 44 por medio de un sello 44a unido a la parte inferior de la carcasa, lo que permite que el medio de refrigeración del canal de enfriamiento fluya a lo largo de un lado de la banda flexible opuesto al metal fundido en el canal de la rueda de colada.
La banda de fundición (es decir, un receptor de energía vibratoria) puede estar formada por al menos uno o más de cromo, niobio, aleación de niobio, titanio, aleación de titanio, tantalio, aleación de tantalio, cobre, aleación de cobre, níquel, aleación de níquel, renio, aleación de renio, acero, molibdeno, aleación de molibdeno, aluminio, aleación de aluminio, acero inoxidable, cerámica, composite o metal o aleaciones y combinaciones de los anteriores.
La anchura de banda de colada puede oscilar entre 25 mm y 400 mm. En otra realización de la invención, la anchura de banda de colada oscila entre 50 mm y 200 mm. En otra realización de la invención, la anchura de banda de colada oscila entre 75 mm y 100 mm.
El espesor de la banda de colada puede oscilar entre 0,5 mm y 10 mm. En otra realización de la invención, el espesor de la banda de colada oscila entre 1 mm y 5 mm. En otra realización de la invención, el espesor de la banda de colada oscila entre 2 mm y 3 mm.
A medida que el metal fundido pasa por debajo de la banda de metal 36 bajo el vibrador 40, cuando se utiliza el dispositivo 34 de procesado de metal fundido opcional, se suministra energía vibratoria adicional al metal fundido a medida que el metal comienza a enfriarse y solidificar. En una realización de la invención, la energía vibratoria se imparte con transductores de ultrasonidos generados, por ejemplo, por transductores de ultrasonidos de dispositivos piezoeléctricos. En una realización de la invención, la energía vibratoria se imparte con transductores de ultrasonidos generados, por ejemplo, por un transductor magnetoestrictivo. En una realización de la invención, la energía vibratoria se imparte con vibradores accionados de forma mecánica (que se analizan a continuación). La energía vibratoria en una realización permite la formación de múltiples semillas pequeñas, generándose de este modo un producto metálico de grano fino. Estas fuentes de energía vibratoria son del mismo tipo de fuentes que las descritas anteriormente con referencia a las Figuras 2-5.
En un aspecto, el canal de la rueda de colada 30 puede ser un metal refractario u otro material de alta temperatura tal como cobre, hierros y aceros, niobio, niobio y molibdeno, tantalio, tungsteno y renio, y sus aleaciones que incluyen uno o más elementos tales como silicio, oxígeno o nitrógeno que pueden ampliar los puntos de fusión de estos materiales.
En una realización de la invención, la fuente de vibraciones de ultrasonidos para energía vibratoria (a la placa 54 o para uso en el dispositivo 34 de procesado de metal fundido) proporciona una potencia de 1,5 kW a una frecuencia acústica de 20 kHz. La presente invención no está restringida a esas potencias y frecuencias. Más bien, se puede usar un intervalo amplio de potencias y frecuencias de ultrasonidos, aunque los intervalos siguientes resultan de interés.
Potencia: En general, potencias entre 50 y 5000 W por cada sonotrodo, dependiendo de las dimensiones del sonotrodo o sonda. Estas potencias se aplican normalmente al sonotrodo para garantizar que la densidad de potencia en el extremo del sonotrodo sea mayor que 100 W/cm2, lo que se puede considerar el umbral para provocar cavitación en metales fundidos dependiendo de la tasa de enfriamiento del metal fundido, tipo de metal fundido y otros factores. Las potencias en esta zona pueden variar de 50 a 5000 W, 100 a 3000 W, 500 a 2000 W, 1000 a 1500 W o cualquier intervalo intermedio o superpuesto. Son posibles potencias más altas para sondas/sonotrodos más grandes y potencias más bajas para sondas más pequeñas. En diversas realizaciones de la invención, la densidad de potencia de energía vibratoria aplicada puede oscilar de 10 W/cm2 a 500 W/cm2, o de 20 W/cm2 a 400 W/cm2, o de 30 W/cm2 a 300 W/cm2, o de 50 W/cm2 a 200 W/cm2, o de 70 W/cm2 a 150 W/cm2, o cualquier intervalo intermedio o superpuesto de los mismos.
Frecuencia: En general, se pueden usar de 5 a 400 kHz (o cualquier intervalo intermedio). Alternativamente, se puede usar 10 y 30 kHz (o cualquier intervalo intermedio). Alternativamente, se pueden usar 15 y 25 kHz (o cualquier intervalo intermedio). La frecuencia aplicada puede variar de 5 a 400 KHz, de 10 a 30 kHz, de 15 a 25 kHz, de 10 a 200 KHz o de 50 a 100 kHz o cualquier intervalo intermedio o superpuesto de los mismos.
Aunque se ha descrito anteriormente con respecto a las realizaciones de ultrasonidos y accionadas mecánicamente (aplicables a la placa 54 o para su uso en el dispositivo 34 de procesado de metal fundido), la invención no se limita a uno u otro de estos intervalos, sino que se puede usar para un amplio espectro de energía vibratoria de hasta 400 KHz, incluidas fuentes de frecuencia individual y frecuencia múltiple. Además, se puede utilizar una combinación de fuentes (fuentes de ultrasonidos y accionadas mecánicamente, o diferentes fuentes de ultrasonidos, o diferentes fuentes accionadas mecánicamente o fuentes de energía acústica que se describen a continuación).
Aspectos de la invención
En un aspecto de la invención, la energía vibratoria (procedente de vibradores accionados mecánicamente de baja frecuencia en el intervalo de 8.000 a 15.000 vibraciones por minuto o hasta 10 KHz y/o frecuencias de ultrasonidos en el intervalo de 5 a 400 kHz) se puede aplicar al dispositivo 50 de transporte de metal fundido o dispositivo 34 de procesado de metal fundido o ambos. En un aspecto de la invención, la energía vibratoria se puede aplicar a múltiples frecuencias distintas. En un aspecto de la invención, la energía vibratoria se puede aplicar a una diversidad de aleaciones metálicas que incluyen, entre otros, los metales y aleaciones que se enumeran a continuación: aluminio, cobre, oro, hierro, níquel, platino, plata, cinc, magnesio, titanio, niobio, tungsteno, manganeso, hierro y aleaciones y combinaciones de los mismos; aleaciones de metales que incluyen: latón (cobre/cinc), bronce (cobre/estaño), acero (hierro/carbono), aleación de cromo (cromo), acero inoxidable (acero/cromo), acero para herramientas (carbono/tungsteno/manganeso), titanio (hierro /aluminio) y calidades normalizadas de aleaciones de aluminio, incluidas las series 1100, 1350, 2024, 2224, 5052, 5154, 5356, 5183, 6101, 6201, 6061, 6053, 7050, 7075, 8XXX; aleaciones de cobre que incluyen, bronce (comentado anteriormente) y cobre aleado con una combinación de cinc,
estaño, aluminio, silicio, níquel, plata; magnesio aleado con aluminio, cinc, manganeso, silicio, cobre, níquel, circonio, berilio, calcio, cerio, neodimio, estroncio, estaño, itrio, tierras raras; hierro y hierro aleado con cromo, carbono, silicio cromo, níquel, potasio, plutonio, cinc, circonio, titanio, plomo, magnesio, estaño, escandio y otras aleaciones y combinaciones de los mismos.
En un aspecto de la invención, la energía vibratoria (procedente de vibradores accionados de forma mecánica de baja frecuencia en el intervalo de 8.000 a 15.000 vibraciones por minuto o hasta 10 KHz y/o frecuencias de ultrasonidos en el intervalo de 5 a 400 kHz) se acopla a través de una placa 54 o banda 36 o ambos en el metal solidificado respectivamente, en el dispositivo 50 de transporte de metal fundido o debajo del dispositivo 34 de procesado de metal fundido. En un aspecto de la invención, la energía vibratoria se acopla de forma mecánica entre 565 y 5.000 Hz. En un aspecto de la invención, la energía vibratoria es accionada de forma mecánica a frecuencias incluso más bajas hasta una fracción de vibración cada segundo hasta las 565 vibraciones por segundo. En un aspecto de la invención, la energía vibratoria es accionada por ultrasonidos a frecuencias desde el intervalo de 5 kHz a 400 kHz.
En un aspecto, el medio de refrigeración puede ser un medio líquido tal como agua. En un aspecto, el medio de refrigeración puede ser un medio gaseoso tal como aire comprimido o nitrógeno. Como se ha comentado anteriormente, se puede usar un sistema de vórtice de aire forzado para suministrar un gas para refrigerar la placa 54. En un aspecto, el medio de refrigeración puede ser un material de cambio de fase. Es preferible que el medio de refrigeración se proporcione a una tasa suficiente para subenfriar el metal adyacente a la banda 36 (menos que 5 a 10 °C por encima de la temperatura de líquido de la aleación o incluso por debajo de la temperatura de líquido).
En un aspecto de la invención, se obtienen granos equiaxiales dentro del producto colado sin necesidad de añadir partículas de impurezas, tales como boruro de titanio, al metal o aleación metálica para aumentar el número de granos y mejorar la solidificación heterogénea uniforme. En lugar de usar los agentes de nucleación, en un aspecto de la invención, se puede usar energía vibratoria para crear sitios de nucleación.
Durante la operación, el metal fundido a una temperatura sustancialmente mayor que la temperatura de líquido de la aleación fluye por gravedad desde el dispositivo 50 de transporte de metal fundido al interior del canal de la rueda de colada 30 y, opcionalmente, pasa por debajo del dispositivo 34 de procesado de metal fundido donde queda expuesto a la energía vibratoria (es decir, vibraciones de ultrasonidos o accionadas de forma mecánica). La temperatura del metal fundido que fluye al interior del canal de colada depende del tipo de aleación elegida, la tasa de vertido y el tamaño del canal de la rueda de colada, entre otros. Para aleaciones de aluminio, la temperatura de colada puede oscilar entre 1220 F (660 °C) y 1350 F (732,2 °C), con intervalos preferidos intermedios tales como, por ejemplo, de 1220 (6602C) a 1300 F (704,4 °C), de 1220 (660 °C) a 1280 F (693,3 °C), de 1220 (660 °C) a 1270 F (687,8 °C), de 1220 (660 °C) a 1340 F (726,7 °C), de 1240 (671,1 °C) a 1320 F (715,5 °C), de 1250 (676,7 °C) a 1300 F (704,4 °C), de 1260 (682,2 °C) a 1310 F (710 °C), de 1270 (687,8 °C) a 1320 F (715,5 °C), de 1320 (715,5 °C) a 1330 F (721,1 °C), con intervalos superpuestos e intermedios y variaciones de /- 10 grados F (-12,2 °C) también adecuados. El canal de la rueda de colada 30 se enfría para garantizar que el metal fundido del canal esté cerca de la temperatura de sublíquido (por ejemplo, menos que 5 a 10 °C por encima de la temperatura de líquido de la aleación o incluso más baja que la temperatura de líquido, aunque la temperatura de vertido puede ser mucho mayor que 10 °C). Durante el funcionamiento, la atmósfera alrededor del metal fundido se puede controlar por medio de una cubierta (no mostrada) que se llena o purga, por ejemplo, con un gas inerte tal como Ar, Hc o nitrógeno. El metal fundido sobre la rueda de colada 30 se encuentra típicamente en un estado de detención térmica en el que el metal fundido se convierte de líquido a sólido.
Como resultado del subenfriamiento próximo a la temperatura de sublíquido, las tasas de solidificación no son suficientemente lentas como para permitir el equilibrio a través de la interfase sólido-líquido, lo que a su vez tiene como resultado variaciones en las composiciones a través de la barra colada. La no uniformidad de la composición química tiene como resultado la segregación. Además, la cantidad de segregación está directamente relacionada con los coeficientes de difusión de los diversos elementos en el metal fundido, así como con las tasas de transferencia de calor. Otro tipo de segregación es el lugar donde los constituyentes con los puntos de fusión más bajos se congelan en primer lugar.
En las realizaciones de vibración de ultrasonidos o accionadas de forma mecánica de la invención, la energía vibratoria agita el metal fundido a medida que se enfría, independientemente de que el metal fundido esté en el dispositivo 50 de transporte de metal fundido o debajo del dispositivo 34 de procesado de metal fundido. En esta realización, la energía vibratoria se imparte con una energía que agita y revuelve eficazmente el metal fundido. En una realización de la invención, la energía vibratoria accionada de forma mecánica sirve para agitar de forma continua el metal fundido a medida que se enfría. En diversos procesos de fundición de aleaciones, resulta deseable tener concentraciones elevadas de silicio en la aleación de aluminio. No obstante, a concentraciones más elevadas de silicio, se pueden formar precipitados de silicio. Al "remezclar" estos precipitados de nuevo en el estado fundido, el silicio elemental puede volver al menos parcialmente a la disolución. Alternativamente, incluso si los precipitados permanecen, la mezcla no da como resultado la segregación de los precipitados de silicio, provocando de este modo un mayor desgaste abrasivo en el troquel y los rodillos metálicos situados aguas abajo.
En diversos sistemas de aleaciones metálicas, se produce el mismo tipo de efecto cuando un componente de la aleación (típicamente el componente de punto de fusión más alto) precipita en forma pura, "contaminando" la aleación
con partículas del componente puro. En general, cuando se funde una aleación, tiene lugar segregación, por lo que la concentración de soluto no es constante a lo largo de la colada. Esto puede venir provocado por una diversidad de procesos. Se cree que la microsegregación, que ocurre en distancias comparables al tamaño del espacio entre los brazos de las dendritas, es el resultado de que el primer sólido formado tenga una concentración más baja que la concentración de equilibrio final, lo que tiene como resultado la separación del exceso de soluto en el líquido, por lo que ese sólido formado a continuación tiene una concentración más elevada. La macrosegregación tiene lugar en distancias similares al tamaño de la colada. Esto se puede deber a un número de procesos complejos que implican efectos de contracción a medida que se solidifica la colada y una variación en la densidad del líquido a medida que el soluto se separa. Resulta deseable evitar la segregación durante la colada, para proporcionar un tocho sólido que tenga propiedades uniformes de manera uniforme.
Por consiguiente, algunas aleaciones que se benefician del tratamiento de energía vibratoria de la invención incluyen las aleaciones comentadas con anterioridad.
La Figura 8 es un esquema de una configuración de rueda de colada según una realización de la invención específicamente con un dispositivo 86 de sonda vibratoria que tiene una sonda (no mostrada) insertada directamente en la colada de metal fundido de la rueda de colada 80. El metal fundido se puede suministrar a la rueda de colada 80 por medio del dispositivo 50 de transporte de metal fundido (descrito anteriormente). La sonda del dispositivo 86 de sonda vibratoria sería de una construcción similar a la conocida en la técnica para la desgasificación por ultrasonidos. La Figura 8 representa un rodillo 82 que presiona la banda 88 sobre un borde de la rueda de colada 80. El dispositivo 86 de sonda vibratoria acopla la energía vibratoria (energía de ultrasonidos o accionada de forma mecánica) directa o indirectamente en la colada de metal fundido en el interior de un canal (no mostrado) de la rueda de colada 80. A medida que la rueda de colada 80 gira en sentido contrario a las agujas del reloj, el metal fundido pasa por debajo del rodillo 82 y entra en contacto con el dispositivo 84 de refrigeración de metal fundido opcional.
En esta realización, la energía vibratoria se puede acoplar en el metal fundido de la rueda de colada 80 mientras se enfría por medio de aire o gas. En otra realización, se pueden usar osciladores acústicos (por ejemplo, amplificadores de audio) para generar y transmitir ondas acústicas al metal fundido. En esta realización, los vibradores de ultrasonidos o accionados de forma mecánica comentados anteriormente son reemplazados o complementados con osciladores acústicos. Los amplificadores de audio adecuados para la invención proporcionan oscilaciones acústicas de 1 a 20.000 Hz. Se pueden utilizar oscilaciones acústicas mayores o menores que este intervalo. Por ejemplo, se pueden usar oscilaciones acústicas de 0,5 a 20 Hz; de 10 a 500 Hz, de 200 a 2.000 Hz, de 1.000 a 5.000 Hz, de 2.000 a 10.000 Hz, de 5.000 a 14.000 Hz y de 10.000 a 16.000 Hz, de 14.000 a 20.000 Hz y de 18.000 a 25.000 Hz . Se pueden utilizar transductores electroacústicos para generar y transmitir la energía acústica.
En una realización de la invención, la energía acústica se puede acoplar a través de un medio gaseoso directamente al metal fundido, en el que la energía acústica hace vibrar el metal fundido. En una realización de la invención, la energía acústica se puede acoplar a través de un medio gaseoso indirectamente al metal fundido, donde la energía acústica hace vibrar la banda 36 u otra estructura de soporte que contiene el metal fundido, que a su vez hace vibrar el metal fundido.
La presente invención también tiene utilidad en moldes estacionarios y en molinos de fundición verticales.
Para molinos estacionarios, el metal fundido se vierte en una colada estacionaria 62 tal como la que se muestra en la Figura 9, que tiene un dispositivo 34 de procesado de metal fundido (que se muestra de forma esquemática). En una realización, el dispositivo 34 de procesado de metal fundido se sustituye o complementa con el dispositivo 50 de transporte de metal fundido. De esta manera, la energía vibratoria (de vibradores accionados de forma mecánica de baja frecuencia que funcionan hasta 10 KHz y/o frecuencias de ultrasonidos dentro del intervalo de 5 a 400 kHz) puede inducir nucleación en puntos de la colada estacionaria donde el metal fundido comienza a enfriarse desde el estado fundido y entra en el estado sólido (es decir, el estado de detención térmica).
Las Figuras 10A-10D representan componentes seleccionados de un molino de colada vertical. Más detalles de estos componentes y otros aspectos de un molino de colada vertical se encuentran en la patente de Estados Unidos N°. 3.520.352 (cuyo contenido completo se incorpora por referencia en la presente memoria). Como se muestra en las Figuras 10A-10D, el molino de colada vertical incluye una cavidad 213 de colada de metal fundido, que generalmente es cuadrada en la realización ilustrada, pero que puede ser redonda, elíptica, poligonal o de cualquier otra forma adecuada, y que está delimitada por partes 215 de pared primeras verticales que se intersecan mutuamente, y partes 217 de pared segundas o de esquina, situadas en la parte superior del molde. Una envoltura 219 de retención de fluidos rodea las paredes 215 y los miembros de esquina 217 de la cavidad de colada en una relación de separación entre ellos. La envoltura 219 está adaptada para recibir un fluido refrigerante, tal como agua, a través de un conducto de entrada 221 y para descargar el fluido de refrigeración a través de un conducto de salida 223.
Mientras que las primeras partes de pared 215 están formadas preferentemente por un material de alta conductividad térmica tal como cobre, las segundas partes de pared o de esquina 217 están construidas con un material de menor conductividad térmica, tal como, por ejemplo, un material cerámico. Como se muestra en las Figuras 10A-10D, las partes 217 de pared de esquina tienen una sección transversal generalmente angular o con forma de L, y los bordes verticales de cada esquina se inclinan hacia abajo y de manera convergente uno hacia el otro. De este modo, el
miembro de esquina 217 termina en algún nivel conveniente en el molde, por encima del extremo de descarga del molde que está entre las secciones transversales.
Durante la operación, el metal fundido fluye desde una artesa 245 al interior de un molde de colada que se corresponde verticalmente y se extrae de forma continua una hebra colada de metal fundido a partir del molde. El metal fundido se enfría primero en el molde al entrar en contacto con las paredes más frías del molde en lo que se puede considerar la primera zona de enfriamiento. La artesa 245 puede incluir como parte de su configuración el dispositivo 50 de masa fundida o el dispositivo 50 de masa fundida puede estar dispuesto entre la artesa 245 y la cavidad 213 de colada de metal fundido. El calor se elimina rápidamente del metal fundido en esta zona, y se piensa que tiene lugar la formación de una capa de material completamente alrededor del baño central de metal fundido.
En una realización de la invención, las fuentes de energía vibratoria del dispositivo 50 de transporte de masa fundida generan núcleos en el metal fundido antes de que el metal fluya al interior del molde estacionario. En una realización de la invención, el refinado de grano por ultrasonidos comentado anteriormente se combina con desgasificación por ultrasonidos mencionada anteriormente, para eliminar las impurezas del baño de masa fundida antes de colar el metal.
La Figura 11 es un esquema que representa una realización de la invención que utiliza tanto desgasificación por ultrasonidos como refinado de grano por ultrasonidos. Como se muestra, el horno es una fuente de metal fundido. El metal fundido es transportado en una lava desde el horno. En una realización de la invención, se dispone un desgasificador por ultrasonidos en la trayectoria de la lava antes de suministrar el metal fundido a una máquina de colada (por ejemplo, una rueda de colada) que contiene un refinador de grano por ultrasonidos (no mostrado). En una realización de la invención, el desgasificador por ultrasonidos se dispone en el dispositivo 50 de transporte de metal fundido antes de que el metal fundido se suministre a la máquina de colada (por ejemplo, se vierte sobre una rueda de colada).
Aunque no se limita a los siguientes desgasificadores específicos de ultrasonidos, la patente '336 describe desgasificadores que resultan apropiados para diferentes realizaciones de la presente invención. Un desgasificador apropiado sería un dispositivo de ultrasonidos que tuviera un transductor ultrasonidos; una sonda alargada que comprende un primer extremo y un segundo extremo, estando el primer extremo unido al transductor de ultrasonidos y comprendiendo el segundo extremo una punta; y un sistema de suministro de gas de purga, en el que el sistema de suministro de gas de purga puede comprender una entrada de gas de purga y una salida de gas de purga. En algunas realizaciones, la salida del gas de purga puede estar a una distancia que comprende 10 cm (o 5 cm o 1 cm) de la punta de la sonda alargada, mientras que, en otras realizaciones, la salida del gas de purga puede estar en la punta de la sonda alargada. Además, el dispositivo de ultrasonidos puede comprender múltiples conjuntos de sonda y/o múltiples sondas por transductor de ultrasonidos.
Aunque no se limita a los siguientes desgasificadores específicos de ultrasonidos, la patente '397 describe desgasificadores que también resultan apropiados para diferentes realizaciones de la presente invención. Un desgasificador apropiado sería un dispositivo de ultrasonidos que tuviera un transductor de ultrasonidos; una sonda unida al transductor de ultrasonidos, de forma que la sonda comprende una punta; y un sistema de suministro de gas, comprendiendo el sistema de suministro de gas una entrada de gas, una trayectoria de flujo de gas a través de la sonda y una salida de gas en la punta de la sonda. En una realización, la sonda puede ser una sonda alargada que comprende un primer extremo y un segundo extremo, estando el primer extremo unido al transductor de ultrasonidos y comprendiendo el segundo extremo una punta. Además, la sonda puede comprender acero inoxidable, titanio, niobio, una cerámica y similares, o una combinación de cualquiera de estos materiales. En otra realización, la sonda ultrasónica puede ser una sonda SIALON unitaria con el sistema de suministro de gas integrado en la misma. En otra realización más, el dispositivo de ultrasonidos puede comprender múltiples conjuntos de sonda y/o múltiples sondas por transductor de ultrasonidos.
En una realización de la invención, la desgasificación de ultrasonidos que usa, por ejemplo, las sondas de ultrasonidos comentadas anteriormente, complementa el refinado de grano por ultrasonidos. En diversos ejemplos de desgasificación por ultrasonidos, se añade un gas de purga al metal fundido, por ejemplo, por medio de las sondas comentadas anteriormente a una tasa dentro del intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 50 l/min. Mediante la divulgación de que el caudal está en un intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 50 l/min, el caudal puede ser de aproximadamente 1, aproximadamente 2, aproximadamente 3, aproximadamente 4, aproximadamente 5, aproximadamente 6, aproximadamente 7, aproximadamente 8, aproximadamente 9, aproximadamente 10, aproximadamente 11, aproximadamente 12, aproximadamente 13, aproximadamente 14, aproximadamente 15, aproximadamente 16, aproximadamente 17, aproximadamente 18, aproximadamente 19, aproximadamente 20, aproximadamente 21, aproximadamente 22, aproximadamente 23, aproximadamente 24, aproximadamente 25 , aproximadamente 26, aproximadamente 27, aproximadamente 28, aproximadamente 29, aproximadamente 30, aproximadamente 31, aproximadamente 32, aproximadamente 33, aproximadamente 34, aproximadamente 35, aproximadamente 36, aproximadamente 37, aproximadamente 38, aproximadamente 39, aproximadamente 40, aproximadamente 41, aproximadamente 42, aproximadamente 43, aproximadamente 44, aproximadamente 45, aproximadamente 46, aproximadamente 47, aproximadamente 48, aproximadamente 49 o aproximadamente 50 l/min. Además, el caudal puede estar dentro de cualquier intervalo de aproximadamente de 1 a aproximadamente 50 l/min (por ejemplo, la tasa está dentro de un intervalo de aproximadamente 2 a aproximadamente 20 l/min), y esto también incluye cualquier combinación de intervalos entre aproximadamente 1 y aproximadamente
50 l/min. Los intervalos intermedios son posibles. Asimismo, todos los demás intervalos divulgados en la presente memoria se deben interpretar de manera similar.
Las realizaciones de la presente invención relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos pueden proporcionar sistemas, métodos y/o dispositivos para la desgasificación por ultrasonidos de metales fundidos, incluidos, entre otros, aluminio, cobre, acero, cinc, magnesio y similares o combinaciones de estos y otros metales (por ejemplo, aleaciones). El procesado o fundición de artículos a partir de un metal fundido puede requerir un baño que contenga el metal fundido, y este baño de metal fundido se puede mantener a temperaturas elevadas. Por ejemplo, cobre fundido se puede mantener a temperaturas de aproximadamente 1100 °C, mientras que aluminio fundido se puede mantener a temperaturas de aproximadamente 750 °C.
Como se usa en la presente memoria, el término "baño", la expresión "baño de metal fundido" y similares pretenden abarcar cualquier recipiente que pueda contener un metal fundido, incluidos recipientes, crisoles, cubetas, lavas, hornos, cucharones y similares. El término baño y la expresión baño de metal fundido se utilizan para abarcar operaciones discontinuas, continuas, semicontinuas, etc., y, por ejemplo, donde el metal fundido está generalmente estático (por ejemplo, a menudo asociado a un crisol) y donde el metal fundido está generalmente en movimiento (por ejemplo, a menudo asociado a una lava).
Se pueden usar muchos instrumentos o dispositivos para supervisar, someter a ensayo o modificar las condiciones del metal fundido en el baño, así como para la producción final o colada del artículo de metal deseado. Existe la necesidad de que estos instrumentos o dispositivos soporten mejor las temperaturas elevadas que se encuentran en los baños de metal fundido, que tengan de manera ventajosa una vida útil más prolongada y que estén limitados a reactividad nula con el metal fundido, tanto si el metal es (o comprende) aluminio como si es cobre, o acero, o cinc, o magnesio y similares.
Además, los metales fundidos pueden tener uno o más gases disueltos en ellos, y estos gases pueden tener un impacto negativo en la producción final y la colada del artículo metálico deseado y/o en las propiedades físicas resultantes del propio artículo metálico. Por ejemplo, el gas disuelto del metal fundido puede comprender hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, dióxido de azufre y similares, o combinaciones de los mismos. En algunas circunstancias, puede resultar ventajoso eliminar el gas o reducir la cantidad de gas en el metal fundido. Por ejemplo, el hidrógeno disuelto puede resultar perjudicial en la colada de aluminio (o cobre, u otro metal o aleación) y, por tanto, las propiedades de los artículos terminados producidos a partir de aluminio (o cobre, u otro metal o aleación) se pueden mejorar reduciendo la cantidad de hidrógeno arrastrado en el baño fundido de aluminio (o cobre, u otro metal o aleación). El hidrógeno disuelto por encima de 0,2 ppm, por encima de 0,3 ppm o por encima de 0,5 ppm, en masa, puede tener efectos perjudiciales en las tasas de colada y calidad de las varillas de aluminio (o cobre, u otro metal o aleación) y otros artículos resultantes. El hidrógeno puede penetrar en el baño de aluminio fundido (o cobre, u otro metal o aleación) por su presencia en la atmósfera por encima del baño que contiene aluminio fundido (o cobre, u otro metal o aleación), o puede estar presente en el material de partida de materia prima de aluminio (o cobre u otro metal o aleación) utilizado en el baño de aluminio fundido (o cobre u otro metal o aleación).
Los intentos de reducir las cantidades de gases disueltos en los baños de metal fundido no han tenido un éxito completo. A menudo, estos procesos en el pasado implicaban equipos adicionales y costosos, así como materiales potencialmente peligrosos. Por ejemplo, un proceso utilizado en la industria de colada de metales para reducir el contenido de gas disuelto de un metal fundido puede consistir en rotores formados por un material tal como grafito, y estos rotores se pueden colocar dentro del baño de metal fundido. Además, se puede añadir cloro gaseoso al baño de metal fundido en posiciones adyacentes a los rotores dentro del baño de metal fundido. Si bien la adición de cloro gaseoso puede tener éxito en la reducción, por ejemplo, de la cantidad de hidrógeno disuelto en el baño de metal fundido en algunas situaciones, este proceso convencional tiene inconvenientes notables, entre los que se encuentran el coste, complejidad y uso de sustancias potencialmente peligrosas y gas de cloro potencialmente nocivo para el medio ambiente.
Además, los metales fundidos pueden tener impurezas incorporadas, y estas impurezas pueden afectar negativamente la producción final y colada del artículo metálico deseado y/o las propiedades físicas resultantes del propio artículo metálico. Por ejemplo, la impureza en el metal fundido puede comprender un metal alcalino u otro metal que no se requiere ni se desea su presencia en el metal fundido. Pequeños porcentajes de determinados metales están presentes en diversas aleaciones de metales, y dichos metales no se consideran impurezas. Como ejemplos no limitantes, las impurezas pueden comprender litio, sodio, potasio, plomo y similares, o combinaciones de los mismos. Varias impurezas pueden penetrar en el baño de metal fundido (aluminio, cobre u otro metal o aleación) debido a su presencia en el material de partida de la corriente de alimentación de metal entrante que se utiliza en el baño de metal fundido.
Las realizaciones de la presente invención relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos pueden proporcionar métodos para reducir la cantidad de gas disuelto en el baño de metal fundido o, en un lenguaje alternativo, métodos para desgasificar metales fundidos. Uno de dichos métodos puede incluir la operación de un dispositivo de ultrasonidos en el baño de metal fundido, la introducción de un gas de purga en el baño de metal fundido muy cerca del dispositivo de ultrasonidos. El gas disuelto puede ser o puede comprender oxígeno, hidrógeno, dióxido de azufre y similares, o combinaciones de los mismos. Por ejemplo, el gas disuelto puede ser o
puede comprender hidrógeno. El baño de metal fundido puede comprender aluminio, cobre, cinc, acero, magnesio y similares, o mezclas y/o combinaciones de los mismos (por ejemplo, incluidas diversas aleaciones de aluminio, cobre, cinc, acero, magnesio, etc.). En algunas realizaciones relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos, el baño de metal fundido puede comprender aluminio, mientras que en otras realizaciones, el baño de metal fundido puede comprender cobre. Por consiguiente, el metal fundido del baño puede ser aluminio o, alternativamente, el metal fundido puede ser cobre.
Además, las realizaciones de la presente invención pueden proporcionar métodos para reducir la cantidad de una impureza presente en el baño de metal fundido o, en un lenguaje alternativo, métodos para eliminar las impurezas. Uno de dichos métodos relacionado con la desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos puede comprender la operación del dispositivo de ultrasonidos en el baño de metal fundido y la introducción de un gas de purga en el baño de metal fundido muy cerca del dispositivo de ultrasonidos. La impureza puede ser o comprender litio, sodio, potasio, plomo y similares, o combinaciones de los mismos. Por ejemplo, la impureza puede ser o comprender litio o, alternativamente, sodio. El baño de metal fundido puede comprender aluminio, cobre, cinc, acero, magnesio y similares, o mezclas y/o combinaciones de los mismos (por ejemplo, incluidas diversas aleaciones de aluminio, cobre, cinc, acero, magnesio, etc.). En algunas realizaciones, el baño de metal fundido puede comprender aluminio, mientras que, en otras realizaciones, el baño de metal fundido puede comprender cobre. Por consiguiente, el metal fundido en el baño puede ser aluminio o, alternativamente, el metal fundido puede ser cobre.
El gas de purga relacionado con la desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos empleado en los métodos de desgasificación y/o métodos para eliminar impurezas divulgados en la presente memoria puede comprender uno o más de nitrógeno, helio, neón, argón, criptón y/o xenón, pero no se limita a los mismos. Se contempla que se puede usar cualquier gas adecuado como gas de purga, siempre que el gas no reaccione de forma apreciable con el metal o metales específicos en el baño de metal fundido, ni se disuelva en ellos. De manera adicional, se pueden emplear mezclas o combinaciones de gases. Según algunas realizaciones divulgadas en la presente memoria, el gas de purga puede ser o puede comprender un gas inerte; alternativamente, el gas de purga puede ser o puede comprender un gas noble; alternativamente, el gas de purga puede ser o puede comprender helio, neón, argón o combinaciones de los mismos; alternativamente, el gas de purga puede ser o puede comprender helio; alternativamente, el gas de purga puede ser o puede comprender neón; o alternativamente, el gas de purga puede ser o puede comprender argón. Además, en algunas realizaciones, la técnica de desgasificación convencional se puede usar junto con los procesos de desgasificación por ultrasonidos divulgados en la presente memoria. Por consiguiente, el gas de purga puede comprender además cloro gaseoso en algunas realizaciones, tal como el uso de cloro gaseoso como gas de purga solo o en combinación con al menos uno de nitrógeno, helio, neón, argón, criptón y/o xenón.
No obstante, en otras realizaciones de la presente invención, los métodos relacionados con la desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos para desgasificar o reducir una cantidad de gas disuelto en el baño de metal fundido se pueden llevar a cabo en ausencia sustancial de cloro gaseoso o sin cloro gaseoso. Como se usa en la presente memoria, una ausencia sustancial significa que no se puede usar más de un 5 % de cloro gaseoso en peso, basado en la cantidad de gas de purga usado. En algunas realizaciones, los métodos divulgados en la presente memoria pueden comprender la introducción de un gas de purga, y este gas de purga puede estar seleccionado entre el grupo que consiste en nitrógeno, helio, neón, argón, criptón, xenón y combinaciones de los mismos.
La cantidad de gas de purga introducido en el baño de metal fundido puede variar dependiendo de un número de factores. A menudo, la cantidad de gas de purga relacionada con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos introducido en un método para desgasificar metales fundidos (y/o en un método para eliminar impurezas de metales fundidos) según realizaciones de la presente invención puede estar dentro de un intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 150 litros estándar/min (l/min). En algunas realizaciones, la cantidad de gas de purga introducido puede estar dentro del intervalo de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 100 l/min, de aproximadamente 1 a aproximadamente 100 l/min, de aproximadamente 1 a aproximadamente 50 l/min, de aproximadamente 1 a aproximadamente 35 l/min, de aproximadamente 1 a aproximadamente 25 l/min, de aproximadamente 1 a aproximadamente 10 l/min, de aproximadamente 1,5 a aproximadamente 20 l/min, de aproximadamente 2 a aproximadamente 15 l/min, o de aproximadamente 2 a aproximadamente 10 l/min. Estos caudales volumétricos están en litros estándar por minuto, es decir, a una temperatura (21,1 °C) y presión (101 kPa) estándar.
En operaciones de metal fundido continuas o semicontinuas, la cantidad de gas de purga que se introduce en el baño de metal fundido puede variar según el rendimiento de metal fundido o la tasa de producción. Por consiguiente, la cantidad de gas de purga introducido en el método de desgasificación de metales fundidos (y/o en el método de eliminación de impurezas de metales fundidos) según dichas realizaciones relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos puede estar dentro del intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 500 ml/h de gas de purga por kg/h de metal fundido (ml de gas de purga/kg de metal fundido). En algunas realizaciones, la relación entre caudal volumétrico de gas de purga y caudal de salida de metal fundido puede estar dentro de un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 400 ml/kg; alternativamente, de aproximadamente 15 a aproximadamente 300 ml/kg; alternativamente, de aproximadamente 20 a aproximadamente 250 ml/kg; alternativamente, de alrededor de 30 a alrededor de 200 ml/kg; alternativamente, de alrededor de 40 a alrededor de 150 ml/kg; o alternativamente, de alrededor de 50 a alrededor de 125 ml/kg. Como anteriormente, el caudal volumétrico de gas de purga es a temperatura (21,1°C) y presión (101 kPa) estándar.
Los métodos para desgasificar metales fundidos coherentes con las realizaciones de la presente invención y relacionados con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos pueden resultar eficaces para eliminar más que aproximadamente un 10 por ciento en peso del gas disuelto presente en el baño de metal fundido, es decir, la cantidad de gas disuelto en el baño de metal fundido se puede reducir en más que aproximadamente un 10 por ciento en peso de la cantidad de gas disuelto presente antes de que se empleara el proceso de desgasificación. En algunas realizaciones, la cantidad de gas disuelto presente se puede reducir en más que aproximadamente un 15 por ciento en peso, más que aproximadamente un 20 por ciento en peso, más que aproximadamente un 25 por ciento en peso, más que aproximadamente un 35 por ciento en peso, más que aproximadamente un 50 por ciento en peso, más que aproximadamente un 75 por ciento en peso, o más que aproximadamente un 80 por ciento en peso, de la cantidad de gas disuelto presente antes de que se empleara el método de desgasificación. Por ejemplo, si el gas disuelto es hidrógeno, los niveles de hidrógeno en el baño fundido que contiene aluminio o cobre mayores que aproximadamente 0,3 ppm o 0,4 ppm o 0,5 ppm (en masa) pueden resultar perjudiciales y, con frecuencia, el contenido de hidrógeno en el metal fundido puede ser de aproximadamente 0,4 ppm, aproximadamente 0,5 ppm, aproximadamente 0,6 ppm, aproximadamente 0,7 ppm, aproximadamente 0,8 ppm, aproximadamente 0,9 ppm, aproximadamente 1 ppm, aproximadamente 1,5 ppm, aproximadamente 2 ppm o más que 2 ppm. Se contempla que el empleo de los métodos divulgados en las realizaciones de la presente invención puede reducir la cantidad de gas disuelto en el baño de metal fundido a menos que aproximadamente 0,4 ppm; alternativamente, a menos que aproximadamente 0,3 ppm; alternativamente, a menos que aproximadamente 0,2 ppm; alternativamente, dentro del intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 0,4 ppm; alternativamente, dentro del intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 0,3 ppm; o alternativamente, dentro del intervalo de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,3 ppm. En estas y otras realizaciones, el gas disuelto puede ser o comprender hidrógeno, y el baño de metal fundido puede ser o comprender aluminio y/o cobre.
Las realizaciones de la presente invención relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos y dirigidas a métodos de desgasificación (por ejemplo, reducción de la cantidad de gas disuelto en un baño que comprende metal fundido) o a métodos para eliminar impurezas pueden comprender la operación de un dispositivo de ultrasonidos en el baño de metal fundido. El dispositivo de ultrasonidos puede comprender un transductor de ultrasonidos y una sonda alargada, y la sonda puede comprender un primer extremo y un segundo extremo. El primer extremo se puede unir al transductor de ultrasonidos y el segundo extremo puede comprender una punta, y la punta de la sonda alargada puede comprender niobio. A continuación se describen detalles específicos sobre ejemplos ilustrativos y no limitantes de dispositivos de ultrasonidos que se pueden emplear en los procesos y métodos divulgados en el presente documento.
En lo que se refiere a un proceso de desgasificación por ultrasonidos o a un proceso para eliminar impurezas, el gas de purga se puede introducir en el baño de metal fundido, por ejemplo, en una ubicación próxima al dispositivo de ultrasonidos. En una realización, el gas de purga se puede introducir en el baño de metal fundido en una ubicación próxima a la punta del dispositivo de ultrasonidos. En una realización, el gas de purga se puede introducir en el baño de metal fundido dentro de aproximadamente 1 metro de la punta del dispositivo de ultrasonidos, tal como, por ejemplo, dentro de aproximadamente 100 cm, dentro de aproximadamente 50 cm, dentro de aproximadamente 40 cm, dentro de aproximadamente 30 cm, dentro de unos 25 cm, o dentro de unos 20 cm, de la punta del dispositivo de ultrasonidos. En algunas realizaciones, el gas de purga se puede introducir en el baño de metal fundido dentro de aproximadamente 15 cm de la punta del dispositivo de ultrasonidos; alternativamente, dentro de unos 10 cm; alternativamente, dentro de unos 8 cm; alternativamente, dentro de unos 5 cm; alternativamente, dentro de unos 3 cm; alternativamente, dentro de unos 2 cm; o alternativamente, dentro de aproximadamente 1 cm. En una realización particular, el gas de purga se puede introducir en el baño de metal fundido adyacente o a través de la punta del dispositivo de ultrasonidos.
Aunque no se pretende quedar ligado a esta teoría, el uso de un dispositivo de ultrasonidos y la incorporación de un gas de purga en las proximidades tiene como resultado una reducción en la cantidad de gas disuelto en el baño que contiene metal fundido. La energía de ultrasonidos producida por el dispositivo de ultrasonidos puede crear burbujas de cavitación en la masa fundida, en las que se puede difundir el gas disuelto. No obstante, en ausencia de gas de purga, muchas de las burbujas de cavitación pueden colapsar antes de alcanzar la superficie del baño de metal fundido. El gas de purga puede disminuir la cantidad de burbujas de cavitación que colapsan antes de llegar a la superficie y/o puede aumentar el tamaño de las burbujas que contienen el gas disuelto y/o puede aumentar el número de burbujas en el baño de metal fundido y/o puede aumentar la tasa de transporte de burbujas que contienen gas disuelto hasta la superficie del baño de metal fundido. El dispositivo de ultrasonidos puede crear burbujas de cavitación muy cerca de la punta del dispositivo de ultrasonidos. Por ejemplo, para un dispositivo de ultrasonidos que tiene una punta con un diámetro de aproximadamente 2 a 5 cm, las burbujas de cavitación pueden estar dentro de aproximadamente 15 cm, aproximadamente 10 cm, aproximadamente 5 cm, aproximadamente 2 cm o aproximadamente 1 cm de la punta del dispositivo de ultrasonidos antes de colapsar. Si el gas de purga se añade a una distancia demasiado alejada de la punta del dispositivo de ultrasonidos, es posible que el gas de purga no se pueda difundir en las burbujas de cavitación. Por tanto, en realizaciones relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos, el gas de purga se introduce en el baño de metal fundido dentro de aproximadamente 25 cm o aproximadamente 20 cm de la punta del dispositivo de ultrasonidos, y de manera más ventajosa, dentro de aproximadamente 15 cm, dentro de aproximadamente 10 cm, dentro de unos 5 cm, dentro de unos 2 cm, o dentro de aproximadamente 1 cm, de la punta del dispositivo de ultrasonidos.
Los dispositivos de ultrasonidos según las realizaciones de la presente invención pueden estar en contacto con metales fundidos como aluminio o cobre, por ejemplo, como se divulga en la patente de Estados Unidos N°. Publicación 2009/0224443. En un dispositivo de ultrasonidos para reducir el contenido de gas disuelto (por ejemplo, hidrógeno) en el metal fundido, se puede usar niobio o una aleación del mismo como barrera protectora para el dispositivo cuando se expone al metal fundido, o como componente del dispositivo con exposición directa al metal fundido.
Las realizaciones de la presente invención relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y el refinado de grano por ultrasonidos pueden proporcionar sistemas y métodos para aumentar la vida útil de los componentes directamente en contacto con metales fundidos. Por ejemplo, las realizaciones de la invención pueden usar niobio para reducir la degradación de materiales en contacto con metales fundidos, lo que da como resultado mejoras significativas de calidad en los productos finales. En otras palabras, las realizaciones de la invención pueden aumentar la vida útil o preservar materiales o componentes en contacto con metales fundidos mediante el uso de niobio como barrera protectora. Niobio puede tener propiedades, por ejemplo, su elevado punto de fusión, que pueden contribuir a proporcionar las realizaciones de la invención anteriormente mencionadas. Además, niobio también puede formar una barrera protectora frente a óxido cuando se expone a temperaturas de aproximadamente 200 °C y superiores.
Además, las realizaciones de la invención relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos pueden proporcionar sistemas y métodos para aumentar la vida útil de los componentes directamente en contacto o que forman interfase con metales fundidos. Debido a que niobio tiene baja reactividad con determinados metales fundidos, el uso de niobio puede evitar que el material de sustrato se degrade. Por consiguiente, las realizaciones de la invención relacionadas con la desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos pueden usar niobio para reducir la degradación de los materiales del sustrato, lo que da como resultado mejoras significativas de calidad en los productos finales. Por consiguiente, niobio en asociación con metales fundidos puede combinar el elevado punto de fusión de niobio y su baja reactividad con metales fundidos, tales como aluminio y/o cobre.
En algunas realizaciones, se puede usar niobio o una aleación del mismo en un dispositivo de ultrasonidos que comprende un transductor de ultrasonidos y una sonda alargada. La sonda alargada puede comprender un primer extremo y un segundo extremo, donde el primer extremo se puede unir al transductor de ultrasonidos y el segundo extremo puede comprender una punta. Según esta realización, la punta de la sonda alargada puede comprender niobio (por ejemplo, niobio o una aleación del mismo). El dispositivo de ultrasonidos se puede usar en un proceso de desgasificación por ultrasonidos, como se ha comentado con anterioridad. El transductor de ultrasonidos puede generar ondas de ultrasonidos, y la sonda unida al transductor puede transmitir las ondas de ultrasonidos a un baño que comprende el metal fundido, tal como aluminio, cobre, cinc, acero, magnesio y similares, o mezclas y/o combinaciones de los mismos (por ejemplo, incluyendo diversas aleaciones de aluminio, cobre, cinc, acero, magnesio, etc.).
En diversas realizaciones de la invención, se usa una combinación de desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos. El uso de la combinación de desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos proporciona ventajas tanto por separado como en combinación, como se describe a continuación. Si bien no se limita a la siguiente discusión, la siguiente discusión proporciona una comprensión de los efectos únicos que acompañan a una combinación de desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos, lo que lleva a una(s) mejora(es) de calidad general en el producto colado que no cabría esperar cuando cualquiera de los dos se usó solo. Estos efectos han sido observados por los inventores en su desarrollo del presente procesado por ultrasonidos combinado.
En la desgasificación por ultrasonidos, las sustancias químicas de cloro (utilizadas cuando no se usa desgasificación por ultrasonidos) se eliminan del proceso de colada de metales. Cuando cloro como sustancia química está presente en un baño de metal fundido, puede reaccionar y formar enlaces químicos fuertes con otros elementos extraños en el baño, tales como álcalis, que pueden estar presentes. Cuando los álcalis están presentes, se forman sales estables en el baño de metal fundido, lo que podría dar lugar a inclusiones en el producto de metal colado que deterioren su conductividad eléctrica y propiedades mecánicas. Sin refinado de grano por ultrasonidos, se utilizan refinadores de grano químicos tales como boruro de titanio, pero estos materiales normalmente contienen álcalis.
Por consiguiente, con la desgasificación por ultrasonidos que elimina cloro como elemento del proceso y con el refinado de grano por ultrasonidos que elimina los refinadores de grano (una fuente de álcalis), la probabilidad de formación de sal estable y la formación de inclusiones resultante en el producto de metal colado se reduce de forma sustancial. Además, la eliminación de estos elementos extraños como impurezas mejora la conductividad eléctrica del producto de metal colado. Por consiguiente, en una realización de la invención, la combinación de desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos significa que el producto colado resultante tiene propiedades mecánicas y de conductividad eléctrica superiores, ya que se eliminan dos de las principales fuentes de impurezas sin sustituir una impureza extraña por otra.
Otra ventaja proporcionada por la combinación de desgasificación por ultrasonidos y refinado de grano por ultrasonidos se relaciona con el hecho de que tanto la desgasificación por ultrasonidos como el refinado de grano por ultrasonidos "agiten" de manera eficaz el baño fundido, homogeneizando el material fundido. Cuando una aleación del metal se
funde y a continuación se enfría hasta la solidificación, pueden existir fases intermedias de las aleaciones debido a las respectivas diferencias en los puntos de fusión de las diferentes proporciones de aleación. En una realización de la invención, tanto la desgasificación por ultrasonidos como el refinado de grano por ultrasonidos agitan y mezclan las fases intermedias de nuevo en la fase fundida.
Todas estas ventajas permiten obtener un producto de grano pequeño, con menos impurezas, menos inclusiones, mejor conductividad eléctrica, mejor ductilidad y mayor resistencia a la tracción de lo que cabría esperar cuando se usa desgasificación por ultrasonidos o refinado de grano por ultrasonidos, o cuando uno o ambos son reemplazados por procesado de cloro convencional o se utilizan refinadores químicos de grano.
Productos metálicos
En un aspecto de la presente invención, se pueden formar productos que incluyen una composición metálica fundida en un canal de una rueda de colada o en las estructuras de colada comentadas anteriormente sin la necesidad de refinadores de grano y aun teniendo tamaños de grano submilimétricos. Por consiguiente, las composiciones metálicas fundidas se pueden preparar con menos de un 5 % de las composiciones que incluyen refinadores de grano y todavía obtener tamaños de grano submilimétricos. Las composiciones metálicas coladas se pueden preparar con menos de un 2 % de las composiciones que incluyen refinadores de grano y todavía obtener tamaños de grano submilimétricos. Las composiciones metálicas coladas se pueden preparar con menos de un 1 % de las composiciones, incluidos los refinadores de grano, y aun así obtener tamaños de grano submilimétricos. En una composición preferida, los refinadores de grano son menos que un 0,5 % o menos que un 0,2 % o menos que un 0,1 %. Las composiciones metálicas fundidas se pueden preparar con composiciones que no incluyen refinadores de grano y todavía obtener tamaños de grano submilimétricos.
Las composiciones metálicas coladas pueden tener una diversidad de tamaños de grano submilimétricos dependiendo de una serie de factores que incluyen los constituyentes del metal "puro" o aleado, tasas de vertido, temperaturas de vertido, tasa de enfriamiento. El listado de tamaño de grano disponible para la presente invención incluye lo siguiente. Para aluminio y aleaciones de aluminio, el tamaño de grano varía de 200 a 900 micrómetros, o de 300 a 800 micrómetros, o de 400 a 700 micrómetros, o de 500 a 600 micrómetros. Para cobre y aleaciones de cobre, el tamaño de grano varía de 200 a 900 micrómetros, o de 300 a 800 micrómetros, o de 400 a 700 micrómetros, o de 500 a 600 micrómetros. Para el oro, la plata o el estaño o sus aleaciones, el tamaño de grano varía de 200 a 900 micrómetros, o de 300 a 800 micrómetros, o de 400 a 700 micrómetros, o de 500 a 600 micrómetros. Para magnesio o aleaciones de magnesio, el tamaño de grano varía de 200 a 900 micrómetros, o de 300 a 800 micrómetros, o de 400 a 700 micrómetros, o de 500 a 600 micrómetros. Si bien se proporcionan en intervalos, la invención también es susceptible de valores intermedios. En un aspecto de la presente invención, se pueden añadir pequeñas concentraciones (menos de un 5 %) de refinadores de grano para reducir aún más el tamaño de grano a valores entre 100 y 500 micrómetros. Las composiciones metálicas coladas pueden incluir aluminio, cobre, magnesio, cinc, plomo, oro, plata, estaño, bronce, latón y sus aleaciones.
Las composiciones metálicas coladas se pueden extraer o formar de otro modo para dar lugar a barras, varillas, materiales, láminas, alambres, tochos y gránulos.
Control informático
Se puede implementar el controlador 500 de la Figura 1 (por ejemplo) mediante el sistema informático 1201 que se muestra en la figura 12. El sistema informático 1201 se puede utilizar como controlador 500 para supervisar los sistemas de colada mencionados anteriormente o cualquier otro sistema o aparato de colada empleando el tratamiento por ultrasonidos de la presente invención. Si bien se representa de forma singular en la Figura 1 como controlador, el controlador 500 puede incluir procesadores discretos y separados en comunicación entre sí y/o destinados a una función de control específica.
En particular, el controlador 500 se puede programar de forma específica con algoritmos de control que llevan a cabo las funciones representadas en el diagrama de flujo de la Figura 13.
La Figura 13 muestra un diagrama de flujo cuyos elementos se pueden programar o almacenar en un medio legible por ordenador o en uno de los dispositivos de almacenamiento de datos que se comentan a continuación. El diagrama de flujo de la Figura 13 representa un método de la presente invención para inducir sitios de nucleación en un producto metálico. En el elemento de etapa 1802, el elemento programado dirige la operación de vertido de metal fundido en un dispositivo de transporte de metal fundido. En el elemento de etapa 1804, el elemento programado dirige la operación de enfriamiento de metal fundido, por ejemplo, mediante el control de flujo o paso de un medio líquido a través de un canal de enfriamiento en el dispositivo de transporte o conectado al mismo. En el elemento de etapa 1806, el elemento programado dirige la operación de acoplamiento de energía vibratoria directamente en una placa receptora en contacto con el metal fundido del dispositivo de transporte. En este elemento, la energía vibratoria tiene una frecuencia y una potencia que inducen sitios de nucleación en el metal fundido, como se ha comentado anteriormente. En el etapa 1804, el enfriamiento de metal fundido puede ocurrir mediante el control de un medio de refrigeración que fluye por la placa receptora como, por ejemplo, mediante el control de enfriamiento por vórtice que sopla a través de la placa receptora.
Elementos tales como temperatura de metal fundido, tasa de vertido, flujo de enfriamiento a través de los conductos del canal de refrigeración y refrigeración de molde, y elementos relacionados con el control y la extracción de producto colado a través del molino, incluido el control de potencia y frecuencia de energía vibratoria (por ejemplo, las fuentes de energía vibratoria del dispositivo de transporte de metal fundido 50), se programan con lenguajes de software convencionales (comentados a continuación) para generar procesadores de propósito especial que contengan instrucciones para aplicar el método de la presente invención, con el fin de inducir sitios de nucleación en el producto de metal.
Más específicamente, el sistema informático 1201 que se muestra en la Figura 12 incluye un enlace común 1202 u otro mecanismo de comunicación para comunicar información, y un procesador 1203 acoplado con el enlace común 1202 para procesar la información. El sistema informático 1201 también incluye una memoria principal 1204, tal como una memoria de acceso aleatorio (RAM) u otro dispositivo de almacenamiento dinámico (por ejemplo, RAM dinámica (DRAM), RAM estática (SRAM) y DRAM síncrona (SDRAM)), acoplada con el enlace común 1202 para almacenar información e instrucciones que ejecuta el procesador 1203. Además, la memoria principal 1204 se puede usar para almacenar variables temporales u otra información intermedia durante la ejecución de instrucciones por parte del procesador 1203. El sistema informático 1201 incluye además una memoria 1205 exclusiva de lectura (ROM) u otro dispositivo de almacenamiento estático (por ejemplo, memoria exclusiva de lectura programable (PROM), PROM susceptible de borrado (EPROM) y PROM susceptible de borrado por medios eléctricos (EEPROM)) acoplado al enlace común 1202 para almacenar información estática e instrucciones para el procesador 1203.
El sistema informático 1201 también incluye un controlador de disco 1206 acoplado al enlace común 1202 para controlar uno o más dispositivos de almacenamiento, con el fin de almacenar información e instrucciones, tal como un disco 1207 duro magnético y una unidad 1208 de medios extraíbles (por ejemplo, una unidad de disco compacto, unidad de disco compacto exclusiva de lectura, una unidad de disco compacto de lectura/escritura, unidad de disco compacto, unidad de cinta y unidad magneto-óptica extraíble). Los dispositivos de almacenamiento se pueden añadir al sistema informático 1201 usando una interfaz de dispositivo adecuada (por ejemplo, interfaz de sistema informático pequeña (SCSI), electrónica de dispositivo integrado (IDE), IDE mejorado (E-IDE), acceso directo a memoria (DMA), o ultra-DMA).
El sistema informático 1201 también puede incluir dispositivos lógicos con finalidad especial (por ejemplo, circuitos integrados de aplicación específica (ASIC)) o dispositivos lógicos configurables (por ejemplo, dispositivos lógicos programables simples (SPLD), dispositivos lógicos programables complejos (CPLD) y matrices de puertas programables en campo (FPGA)).
El sistema informático 1201 también puede incluir un controlador de pantalla 1209 acoplado a la unidad de enlace 1202 para controlar una pantalla, tal como un tubo de rayos catódicos (CRT) o pantalla de cristal líquido (LCD), con el fin de mostrar información al usuario del ordenador. El sistema informático incluye dispositivos de entrada, tales como un teclado y un dispositivo señalador, para interactuar con el usuario del ordenador (por ejemplo, un usuario que interactúa con el controlador 500) y proporcionar información al procesador 1203.
El sistema informático 1201 realiza parte o la totalidad de las etapas de procesado de la invención (tales como, por ejemplo, las descritas con relación al suministro de energía vibratoria a un metal líquido en un estado de detención térmica) en respuesta al procesador 1203 que ejecuta una o más secuencias de una o más instrucciones contenidas en una memoria, tal como la memoria principal 1204. Dichas instrucciones se pueden leer en la memoria principal 1204 desde otro medio legible por ordenador, tal como un disco duro 1207 o una unidad 1208 de medio extraíble. También se puede emplear uno o más procesadores en una configuración de procesado múltiple para ejecutar las secuencias de instrucciones contenidas en la memoria principal 1204. En realizaciones alternativas, se pueden usar circuitos cableados en lugar de o en combinación con instrucciones de software. De este modo, las realizaciones no se limitan a ninguna combinación específica de circuitos de hardware y software.
El sistema informático 1201 incluye al menos un medio o memoria legible por ordenador para contener instrucciones programadas según las consideraciones de la invención y contener estructuras de datos, tablas, registros u otros datos descritos en la presente memoria. Ejemplos de medios legibles por ordenador son discos compactos, discos duros, disquetes, cintas, discos magnetoópticos, PROM (EPROM, EEPROM, flash EPROM), DRAM, SrAm , SDRAM o cualquier otro medio magnético, discos compactos (por ejemplo, CD-ROM), o cualquier otro medio óptico, u otro medio físico, una onda portadora (descrita a continuación), o cualquier otro medio desde el cual se pueda llevar a cabo la lectura por ordenador.
Almacenada en uno cualquiera o una combinación de medios legibles por ordenador, la invención incluye software para controlar el sistema informático 1201, controlar un dispositivo o dispositivos para implementar la invención y permitir que el sistema informático 1201 interactúe con la persona. Dicho software puede incluir, entre otros, controladores de dispositivo, sistemas operativos, herramientas de desarrollo y software de aplicaciones. Dicho medio legible por ordenador incluye además el producto de programa por ordenador de la invención para llevar a cabo parte o la totalidad (si el procesado es distribuido) del procesado realizado en la implementación de la invención.
Los dispositivos de código informático de la invención pueden ser cualquier mecanismo de código interpretable o ejecutable, incluidos, entre otros, escritura, programas susceptibles de interpretación, bibliotecas de enlaces dinámicos
(DLL), clases Java y programas ejecutables completos. Además, se pueden distribuir partes del procesado de la invención para un mejor rendimiento, fiabilidad y/o coste.
La expresión "medio legible por ordenador" como se usa en la presente memoria se refiere a cualquier medio que participe en proporcionar instrucciones al procesador 1203 para su ejecución. El medio legible por ordenador puede adoptar muchas formas, incluidas, entre otras, medios no volátiles, medios volátiles y medios de transmisión. Los medios no volátiles incluyen, por ejemplo, discos ópticos, magnéticos y magnetoópticos, tales como el disco duro 1207 o la unidad 1208 de medio extraíble. Los medios volátiles incluyen memoria dinámica, tal como la memoria principal 1204. El medio de transmisión incluye cables coaxiales, hilos de cobre y fibra óptica, incluidos los hilos que componen el enlace común 1202. El medio de transmisión también puede adoptar la forma de ondas acústicas o luminosas, tal como las generadas durante las comunicaciones de datos por infrarrojos y ondas de radio.
El sistema informático 1201 también puede incluir una interfaz de comunicación 1213 acoplada al enlace común 1202. La interfaz de comunicación 1213 proporciona un acoplamiento de comunicación de datos bidireccional a un enlace de red 1214 que está conectado, por ejemplo, a una red 1215 de área local (LAN), o a otra red de comunicaciones 1216 tal como Internet. Por ejemplo, la interfaz de comunicación 1213 puede ser una tarjeta de interfaz de red para conectar a cualquier LAN conmutada por paquetes. A modo de otro ejemplo, la interfaz de comunicación 1213 puede ser una tarjeta de línea de abonado digital asimétrica (ADSL), una tarjeta de red digital de servicios integrados (ISDN) o un módem para proporcionar una conexión de comunicación de datos a un tipo correspondiente de línea de comunicaciones. También se pueden implementar enlaces inalámbricos. En cualquier implementación de este tipo, la interfaz de comunicación 1213 envía y recibe señales eléctricas, electromagnéticas u ópticas que transportan flujos de datos digitales que representan diversos tipos de información.
El enlace de red 1214 normalmente proporciona comunicación de datos a través de una o más redes a otros dispositivos de datos. Por ejemplo, el enlace de red 1214 puede proporcionar una conexión a otro ordenador a través de una red local 1215 (por ejemplo, una LAN) o a través de un equipo operado por un proveedor de servicios, que brinda servicios de comunicación a través de una red de comunicaciones 1216. En una realización, esta capacidad permite que la invención tenga algunos de los controladores 500 descritos anteriormente conectados en red para fines tales como la automatización de toda la fábrica o el control de calidad. La red local 1215 y la red de comunicaciones 1216 utilizan, por ejemplo, señales eléctricas, electromagnéticas u ópticas que transportan flujos de datos digitales y la capa física asociada (por ejemplo, cable CAT 5, cable coaxial, fibra óptica, etc.). Las señales a través de las diversas redes y las señales en el enlace de red 1214 y a través de la interfaz de comunicación 1213, que transportan los datos digitales hacia y desde el sistema informático 1201, se pueden implementar en señales de banda de base o señales basadas en ondas portadoras. Las señales de banda de base transmiten los datos digitales como pulsos eléctricos no modulados que son descriptivos de un flujo de bits de datos digitales, donde el término "bits" se debe interpretar en sentido amplio para hacer referencia a símbolo, donde cada símbolo transmite al menos uno o más bits de información. Los datos digitales también se pueden usar para modular una onda portadora, tal como con señales moduladas por cambio de frecuencia, fase y/o amplitud que se propagan sobre un medio conductor, o se transmiten en forma de ondas electromagnéticas a través de un medio de propagación. De este modo, los datos digitales se pueden enviar como datos de banda de base no modulados a través de un canal de comunicación "alámbrico" y/o se pueden enviar dentro de una banda de frecuencia predeterminada, diferente de la banda de base, modulando una onda portadora. El sistema informático 1201 puede transmitir y recibir datos, incluido el código de programa, a través de la(s) red(es) 1215 y 1216, el enlace de red 1214 y la interfaz de comunicación 1213. Además, el enlace de red 1214 puede proporcionar una conexión a través de una LAN 1215 a un dispositivo móvil 1217 tal como un ordenador portátil con asistente digital personal (PDA) o un teléfono móvil.
Más específicamente, en una realización de la invención, se proporciona un sistema de colada y laminado continuo (CCRS) que puede producir varillas de aluminio de calidad de conductor eléctrico puro y bobinas de varillas de aluminio de calidad de conductor de aleación directamente a partir de metal fundido de forma continua. El CCRS puede usar uno o más de los sistemas informáticos 1201 (descritos anteriormente) para implementar el control, supervisión y almacenamiento de datos.
En una realización de la invención, con el fin de promover el rendimiento de una varilla de aluminio de alta calidad, un sistema avanzado de adquisición de datos y control por ordenador (SCADA) supervisa y/o controla el molino de laminado (es decir, el CCRS). Las variables y parámetros adicionales de este sistema se pueden mostrar, representar gráficamente, almacenar y analizar para control de calidad.
En una realización de la invención, uno o más de los siguientes procesos de ensayo posteriores a la producción se capturan en el sistema de adquisición de datos.
Se pueden usar detectores de fallo por corrientes de Foucault en línea para controlar de forma continua la calidad de la superficie de la varilla de aluminio. Se pueden detectar inclusiones, si se encuentran cerca de la superficie de la varilla, ya que la inclusión de la matriz actúa como defecto discontinuo. Durante la colada y laminado de varillas de aluminio, los defectos del producto terminado pueden provenir de cualquier parte del proceso. La química de fusión incorrecta y/o el exceso de hidrógeno en el metal pueden provocar fallos durante el proceso de laminado. El sistema de corrientes de Foucault es ensayo no destructivo y el sistema de control de CCRS puede alertar al(a los) operador(es) sobre cualquiera de los defectos descritos con anterioridad. El sistema de corrientes de Foucault puede
detectar defectos superficiales y clasificar los defectos como pequeños, medianos o grandes. Los resultados de las corrientes de Foucault se pueden registrar en el sistema SCADA y se pueden rastrear hasta el lote de aluminio (u otro metal que se esté procesando) y cuándo se produjo.
Una vez que la varilla se enrolla al final del proceso, se pueden medir las propiedades mecánicas y eléctricas en bruto del aluminio colado y registrar en el sistema SCADA. Los ensayos de calidad de producto incluyen: tracción, estiramiento y conductividad. La resistencia a la tracción es una medida de la resistencia de los materiales y es la fuerza máxima que el material puede soportar bajo tensión antes de romperse. Los valores de estiramiento son una medida de la ductilidad del material. Las mediciones de conductividad generalmente se presentan como porcentaje del "patrón internacional de cobre recocido" (IACS). Estas métricas de calidad de producto se pueden registrar en el sistema SCADA y se pueden rastrear hasta el lote de aluminio y cuándo se produjo.
Además de los datos de corrientes de Foucault, el análisis de superficie se puede llevar a cabo mediante ensayos de torsión. La varilla de fundición de aluminio se somete a un ensayo de torsión controlada. Los defectos asociados a la solidificación inadecuada, inclusiones y defectos longitudinales generados durante el proceso de laminado se magnifican y revelan en la varilla torsionada. Generalmente, estos defectos se manifiestan en forma de una costura paralela a la dirección de laminado. Una serie de líneas paralelas después de girar la varilla en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj indica que la muestra es homogénea, mientras que la ausencia de homogeneidad en el proceso de colada tiene como resultado líneas fluctuantes. Los resultados de los ensayos de torsión se pueden registrar en el sistema SCADA y se pueden rastrear hasta el lote de aluminio y cuándo se produjo.
Preparación de muestras y productos
Las muestras y los productos se pueden preparar con el sistema CCR mencionado anteriormente utilizando el acoplamiento mejorado de energía vibratoria y/o las técnicas de refrigeración mejoradas detalladas con anterioridad. El proceso de colada y laminado comienza como un flujo continuo de aluminio fundido desde un sistema de hornos de fusión y contención, suministrado a través de un sistema de lava revestido de refractario a un sistema de refinado de grano químico en línea o al sistema de refinado de grano por ultrasonidos comentado con anterioridad. Adicionalmente, el sistema CCR puede incluir el sistema de desgasificación por ultrasonidos comentado anteriormente que utiliza ondas acústicas por ultrasonidos y un gas de purga para eliminar el hidrógeno disuelto u otros gases del aluminio fundido. Desde el desgasificador, el metal fluye a un filtro de metal fundido con elementos cerámicos porosos que reducen aún más las inclusiones en el metal fundido. El sistema de lava a continuación transporta el aluminio fundido a la artesa. Desde la artesa, el aluminio fundido se vierte en un molde formado por la ranura periférica de un anillo de colada de cobre y una banda de acero, como se ha comentado con anterioridad. El aluminio fundido se enfría hasta obtener una barra fundida sólida mediante agua distribuida a través de boquillas de pulverización de colectores de agua de multizona con medidores de flujo magnéticos para zonas críticas. La barra de colada continua de aluminio abandona el anillo de colada a un dispositivo de transporte de extracción de barras hasta un tren de laminado.
El tren de laminado puede incluir cajas de laminado de accionamiento individual que reducen el diámetro de barra. La barra se envía a un molino de estirado donde las barras se estiran a diámetros predeterminados y a continuación se enrollan. Una vez que se enrolla la varilla al final del proceso, se miden las propiedades mecánicas y eléctricas en bruto del aluminio colado. Los ensayos de calidad incluyen: tracción, estiramiento y conductividad. La resistencia a la tracción es una medida de la resistencia de los materiales y es la fuerza máxima que el material puede soportar bajo tensión antes de romperse. Los valores de estiramiento son una medida de la ductilidad del material. Las mediciones de conductividad generalmente se presentan como porcentaje del "patrón internacional de cobre recocido" (IACS).)
1) La resistencia a la tracción es una medida de la resistencia de los materiales y es la fuerza máxima que el material puede soportar bajo tensión antes de romperse. Las medidas de tracción y estiramiento se llevaron a cabo sobre la misma muestra. Se seleccionó una muestra de calibre de 10" (25,4 cm) de longitud para medir la tracción y el estiramiento. La muestra de varilla se insertó en la máquina de tracción. Las mordazas se colocaron en marcas de calibre de 10" (25,4 cm). Resistencia a la tracción = Fuerza de rotura (libras)/área de la sección transversal (nr2) donde r(pulgadas) es el radio de la varilla.
2) % Estiramiento = ((Li -L2)/L1)x100. L i es la longitud calibrada inicial del material y L2 es la longitud final que se obtiene juntando las dos muestras rotas del ensayo de tensión y midiendo el fallo que se produce. En general, cuanto más dúctil sea el material, más estrechamiento se aprecia en la muestra en tensión.
3) Conductividad: las mediciones de conductividad generalmente se presentan como un porcentaje del "patrón internacional de cobre recocido" (IACS). Las mediciones de conductividad se llevan a cabo utilizando el Kelvin Bridge y los detalles se proporcionan en la norma ASTM B193-02. IACS es una unidad de conductividad eléctrica para metales y aleaciones en relación con un conductor de cobre recocido normalizado; un valor IACS de un 100 % hace referencia a una conductividad de 5,80 x 107 siemens por metro (58,0 MS/m) a 20 °C.
El proceso de varilla continua como se ha descrito anteriormente se podría usar para producir no solo conductores de aluminio de grado eléctrico, sino que también se puede usar para aleaciones de aluminio mecánicas utilizando el refinado de grano por ultrasonidos y la desgasificación por ultrasonidos. Para los ensayos y el control de calidad, el proceso de refinado de grano por ultrasonidos, se recogen muestras de barras coladas y se someten a ataque químico.
La Figura 14 es un diagrama de flujo de proceso de alambre ACSR. Muestra la conversión de aluminio fundido puro en alambre de aluminio que se utiliza en alambre ACSR. La primera etapa del proceso de conversión es convertir el aluminio fundido en varilla de aluminio. En la siguiente etapa, la barra se estira a través de diversos troqueles y, según el diámetro del extremo, esto se puede lograr mediante uno o múltiples estiramientos. Una vez que la barra se estira hasta los diámetros finales, el alambre se enrolla en carretes de peso que oscila entre 200 (90,7 kg) y 500 libras (228,8 kg). Estos carretes individuales se trenzan alrededor de un cable con hebras de acero para dar lugar a cables ACSR que contienen varios hilos de aluminio individuales. El número de hebras y el diámetro de cada hebra dependen, por ejemplo, de los requisitos del cliente.
La Figura 15 es un diagrama de flujo de proceso de alambre ACSS. Muestra la conversión de aluminio fundido puro en alambre de aluminio que se usa en el alambre ACSS. La primera etapa del proceso de conversión consiste en procesar el aluminio fundido para dar lugar a una varilla de aluminio. En la siguiente etapa, la varilla se estira a través de diversos troqueles y, según el diámetro del extremo, esto se puede lograr mediante uno o múltiples estiramientos. Una vez que la varilla se estira hasta los diámetros finales, el alambre se enrolla en carretes de peso que oscila entre 200 (90,7 kg) y 500 libras (226,8 kg). Estos carretes individuales se trenzan alrededor de un cable de hebras de acero en cables ACSS que contienen varias hebras de aluminio individuales. El número de hebras y el diámetro de cada hebra depende de los requisitos del cliente. Una diferencia entre el cable ACSR y ACSS es que, una vez que el aluminio se trenza alrededor del cable de acero, todo el cable se trata térmicamente en hornos para llevar el aluminio a una condición completamente blanda. Es importante apreciar que en ACSR la resistencia del cable deriva de la combinación de las resistencias debidas al cable de aluminio y acero, mientras que en el cable ACSS la mayor parte de la resistencia proviene del acero del interior del cable ACSS.
La Figura 16 es un diagrama de flujo de proceso de tiras de aluminio, donde la tira finalmente se procesa para dar lugar a un cable revestido metálico. Muestra que la primera etapa consiste en convertir el aluminio fundido en una varilla de aluminio. Después de esto, la varilla se enrolla a través de diversos troqueles de laminado para convertirla en una tira, generalmente de aproximadamente 0,375" (0,95 cm) de anchura y de aproximadamente 0,015 (0,038 cm) a 0,018" (0,046 cm) de espesor. La tira enrollada se procesa para dar lugar a almohadillas con forma de rosquilla que pesan aproximadamente 600 libras (272,2 kg). Es importante tener en cuenta que también se pueden producir otras anchuras y espesores mediante el proceso de laminado, pero una anchura de 0,375" (0,95 cm) y un espesor de 0,015 (0,038 cm) a 0,018" (0,046 cm) resultan los más comunes. Estas almohadillas a continuación se tratan térmicamente en hornos para llevar las almohadillas a una condición de recocido intermedio. En esta condición, el aluminio no está completamente duro ni en una condición completamente blanda. Posteriormente, la tira se usa como cubierta protectora ensamblada a modo de armadura de cinta metálica entrelazada (tira) que encierra uno o más conductores de circuito aislados.
Los materiales con refinado de grano por ultrasonidos de la presente invención que utilizan el acoplamiento de energía vibratoria directa descrito anteriormente se pueden fabricar para dar lugar a los productos de alambre y cable indicados anteriormente, utilizando los procesos descritos con anterioridad.
Declaraciones generalizadas de la invención
Numerosas modificaciones y variaciones de la presente invención son posibles a la luz de las consideraciones anteriores. Por tanto, se debe entender que dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la invención se puede llevar a la práctica de forma diferente a como se describe de forma específica en la presente memoria.
Claims (16)
1.- Un dispositivo (50) de transporte de metal fundido que comprende:
una placa receptora (54) en contacto con el metal fundido (53) durante el transporte del metal fundido; extendiéndose dicha placa receptora (54) desde una entrada por donde el metal fundido entra en la placa receptora (54) hasta una salida por donde el metal fundido sale de la placa receptora; y
al menos una fuente (40, 52, 56) de energía vibratoria adaptada para suministrar energía vibratoria directamente a la placa receptora (54) en contacto con el metal fundido;
en el que:
la al menos una fuente (40, 52, 56) de energía vibratoria comprende una pluralidad de transductores dispuestos en un patrón ordenado en la placa receptora (54);
la al menos una fuente de energía vibratoria comprende un elemento (56) transductor piezoeléctrico o un elemento de transductor magnetoestrictivo unido a la placa receptora (54).
2. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que dicha placa receptora (54) comprende un canal de refrigeración (46) para el paso de un medio de refrigeración.
3. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 2, en el que dicho canal de refrigeración (46) está dentro de la placa receptora (54) o dicho canal de refrigeración (46) comprende un conducto (221,223) unido a la placa receptora (54).
4. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, que comprende además un dispositivo de insuflado que proporciona un flujo de gas para refrigerar la placa receptora (54).
5. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, que comprende además un conjunto (42) que monta dicha placa receptora (54) en relación con una rueda de colada (30) de un molino de colada o con una artesa que suministra metal fundido a un molde.
6. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que al menos una fuente (40, 52, 56) de energía vibratoria comprende al menos uno de un transductor de ultrasonidos, un transductor magnetoestrictivo y un vibrador accionado de forma mecánica que proporciona energía vibratoria directamente a la placa receptora (54) en contacto con metal fundido (53).
7. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que la energía de vibración proporcionada a dicha placa receptora (54) está dentro de un intervalo de frecuencias de hasta 400 kHz.
8. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que la placa receptora (54) comprende al menos uno o más de niobio, aleación de niobio, titanio, aleación de titanio, tantalio, aleación de tantalio, cobre, aleación de cobre, renio, aleación de renio, acero, molibdeno, aleación de molibdeno, acero inoxidable, cerámica o un composite.
9. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que el patrón ordenado sobre la placa receptora (54) tiene una mayor densidad de dichos transductores en un lado de la placa receptora.
10. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que un amplificador de ultrasonidos (58) está acoplado al elemento (56) de transductor piezoeléctrico unido a la placa receptora (54).
11. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, que comprende además un desgasificador por ultrasonidos insertado en un canal de flujo de metal fundido.
12. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que la placa receptora (54) tiene un espesor de entre 0,5 cm y 5 cm.
13. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que la placa receptora (54) está dispuesta sobre una rueda de colada (30) y proporciona el metal fundido (53) a un conducto (32) de la rueda de colada (30).
14. - El dispositivo de transporte de la reivindicación 1, en el que la placa receptora (54) comprende una anchura lateral entre 2,5 cm y 300 cm.
15. - Un molino de colada que comprende:
un molde de fundición configurado para enfriar metal fundido, y
el dispositivo de transporte de cualquiera de las reivindicaciones 1-14.
16.- Un método para conformar un producto metálico, que comprende:
proporcionar metal fundido a un dispositivo de transporte de metal fundido según la reivindicación 1, que transporta el metal fundido a lo largo de una placa receptora del dispositivo de transporte en contacto con el metal fundido; refrigerar el metal fundido mediante el control de un medio de refrigeración que fluye por la placa receptora o a través de un conducto de refrigeración en o unido a la placa receptora; y
acoplar la energía vibratoria directamente en la placa receptora.
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