HU231169B1 - Eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására - Google Patents
Eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására Download PDFInfo
- Publication number
- HU231169B1 HU231169B1 HU1700390A HUP1700390A HU231169B1 HU 231169 B1 HU231169 B1 HU 231169B1 HU 1700390 A HU1700390 A HU 1700390A HU P1700390 A HUP1700390 A HU P1700390A HU 231169 B1 HU231169 B1 HU 231169B1
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- inductor
- crystallization
- magnetic field
- melt
- flow
- Prior art date
Links
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 56
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 25
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 12
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 11
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 6
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 5
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 4
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 244000052616 bacterial pathogen Species 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000035784 germination Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 description 2
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 241000894007 species Species 0.000 description 2
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910020220 Pb—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000000411 inducer Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- 229960005486 vaccine Drugs 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons
- C22F3/02—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons by solidifying a melt controlled by supersonic waves or electric or magnetic fields
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
A találmány eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására, haladó mágneses teret
létrehozó mágneses keverőberendezéssel.
A találmány lényege, hogy az eljárás során a mágneses keverőberendezés a kristályosító csatornában (21) levő
fémolvadékban és a keverékzónában erős turbulens áramlást és nagy nyíróerőt hoz létre, oly módon, hogy az olvadék
egyes részeit egymással szemben áramoltatja.
Az eljárást megvalósító berendezésnek fémolvadék mágneses keverésére alkalmas zárt mágneskörű TMF iker- induktora
van, amely az "A" oldali induktorrészből (13) a "B" oldali induktorrészből (14), a hozzájuk csatlakoztatott járomból (19),
fűtő-hűtő köpenyből (20), és a kristályosító csatornából (21) van összerendezve.
Description
ELJÁRÁS ÉS BERENDEZÉS KRISTÁLYOSODÁS SORÁN KIALAKULÓ SZEMCSESZERKEZET FINOMÍTÁSÁRA
A találmány tárgya eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására.
A szilárd anyagok mechanikai tulajdonságait (szakítószilárdság, keménység, nyúlás) a kristályosodáskor kialakuló szemcseméret és szemcseeloszlás jelentős mértékben befolyásolja, meghatározza. Kristályosodás során - a kristályosodási paraméterek (kristályosodási front sebessége, hőmérséklet gradiens) bizonyos értékeinél un. oszlopos (kolumnáris) szerkezet alakulhat ki, aminek eredményeképpen egyik irányban más tulajdonsággal bír a munkadarab, mint a másikban (az oszlopokkal párhuzamos irányban sokkal nagyobb a szakítószilárdság, mint rá merőlegesen). Ez általában nem cél (kivéve egyes különleges eseteket, mint pl. az egykristály turbinalapátok). Ha a kristályosodás során nem is jön létre oszlopos szerkezet, az un. homogén csíraképzödés eredményeként nagy kristályokból álló szilárd munkadarabot kapunk, ráadásul a munkadarabnak a kristályosítóval (kokilla fallal) érintkező felületén más (finomabb) lesz a szemcseszerkezet, mint a munkadarabnak a belsejében, a falon kialakuló heterogén csíraképzödés miatt.
Különböző technológiák ismertek a munkadarab minden pontján közelítőleg azonos, finom szemcseszerkezet létrehozására. Mindegyik technológia azon alapul, hogy az olvadékba valamilyen szilárd részecskéket juttatunk, amely szilárd részecskék heterogén csíraképződést idéznek elő (hasonlóan a kokilla falához), azaz ezek felületén alakulnak ki a csírák, az olvadék sokkal kisebb túlhűlése mellett.
[G.K. Sigworth, T.A. Kuhn: Grain Refinement of Aluminium Casting Alloys, paper07-067(02).pdf, Page 1 of 12, AFS Transactions 2007 © American Foundry Society, Schaumburg, IL USA, és Mark Easton 1,2, Cameron Davidson 1,3, David StJohnl,4 Grain Morphology of As-Cast Wrought Aluminium Alloys, Proceedings of the 12th International Conference on Aluminium Alloys, September 5-9, 2010, Yokohama, Japan, 010 The Japan Institute of Light Metals pp. 173-178, valamint S.A. Kori *, B.S. Murty 1. M. Chakraborty Development of an Efficient Grain Refiner for A1-7SÍ Alloy Materials Science an Engineering A280 (2000) 58-^1.]
Ha megfelelő mennyiségű szilárd részecskét juttatunk az olvadékba akkor a
SZTNH-10006179 munkadarab finom szemcsés lesz. A folyamatot beoltásnak, a bevitt anyagot pedig beoltó anyagnak hívják.
A beoltó anyagokkal szemben az alábbi követelményeket támasztják:
• a keletkező szilárd fázis nedvesítse a beoltó anyag részecskéit, • a beoltó anyag részecskéi a kristályosodás hőmérsékletén szilárd halmazállapotúak legyenek, azaz ne olvadjanak meg, • a technológia ideje alatt ne oldódjanak fel, • ne ülepedjenek ki, vagy ne ússzanak fel (közelítőleg azonos legyen a sűrűségűk) • ne változtassák meg a munkadarab fizikai és mechanikai tulajdonságait lényegesen.
Könnyű belátni, hogy nem egyszerű megfelelő beoltó anyagot találni a különböző ötvözetek számára. Az alumínium ötvözetek esetében sikeresen alkalmazzák az A15% Til%B ötvözetet, amiben T1B2 részecskék szolgálnak beoltó anyagként. Az acélok és rézalapú ötvözetek esetében nem ismertek hatékony beoltó anyagok. Különösen az acélok esetében nehéz ilyen anyagot találni az igen nagy olvadék hőmérséklet miatt. Amely anyagok alkalmasak lehetnének olvadáspontjuk miatt, azok jelentősen rontják a mechanikai tulajdonságokat.
Egy másik lehetőség az alapfém oxidjainak bevitele pl. az olvadék mechanikus keverésével.
[H.T.Li,b,M.Xia, Ph.Jarry, G.M.Seamans, Z.Fan Grain refinement in a AlZnMgCuTi alloy by intesive melt shearing: A multi-step nucleation mechanism Journal of Crystal Growth]
Az olvadék felületén, ha azt nem védjük az oxidálódástól, vagy szándékosan oxidáljuk, oxidok keletkeznek, melyeket az olvadék mozgatásával, áramoltatásával be lehet keverni az olvadékba. Az oxidok olvadáspontja általában magasabb, mint az alapfémé. Ennek a technológiának hibája, hogy igen nehezen kézben tartható, és számos esetben az oxidot nem nedvesíti a szilárd állapotú ötvözet (az (i) feltétel nem teljesül). Mechanikus keveréshez, különösen nagy hőmérsékleten (acélok) igen nehéz megfelelő anyagú keverő lapátot találni, ami ráadásul viszonylag hosszabb időn keresztül is használható. Az oxidkerámiák ridegek, törékenyek, a grafit viszont az oxidáló atmoszférában elég, és kis szilárdsága miatt könnyen elkopik.
A szilárdoldat típusú (legalább részben szilárd oldatot tartalmazó) ötvözetek kristályosodása során kialakul egy un. keverék (mushy) zóna. Ennek az oka az, hogy ezek az ötvözetek egy hőmérséklet tartományban kristályosodnak. A keverék zónában együtt található szilárd és olvadék fázis. A mechanikus keveréssel létrehozott olvadék intenzív áramlással el lehet szakítani apró részecskéket a szilárd fázisból (a dendritekből). Ezeket a kis szilárd részeket bekeverve az olvadékba a kristályosodási front előtt, azok önmagukban saját fajú csíraként viselkednek. Olyan esetben, amikor hagyományos szemcsefinomító anyag nem áll rendelkezésre, ez a technológia elvileg eredményes lehet. Gyakorlatilag rendkívül nehéz kivitelezni. Folyamatos acélöntés során a kristályosítóban kellene elhelyezni a keverőlapátot, amelynek hosszú ideig ki kellene bírni az igen magas (nagyobb, mint 1700 °C) hőmérsékletet, és az igen erős mechanikai igénybevételt.
A villamos vezetőképességgel rendelkező olvadékokat váltakozó mágneses tér alkalmazásával is áramlásra lehet kényszeríteni a magnetohidrodinamika által leírt módon.
Ilyen olvadékok a fémek- illetve a fémötvözetek olvadékai is (továbbiakban : fémolvadékok).
Az áramlás jellegét a váltakozó mágneses tér sajátossága határozza meg.
A fémolvadékok mágneses térrel való áramoltatásával (keverésével) is le lehet szakítani a keverék zónában levő szilárd fázisról apró részecskéket, ha a kristályosodó fémolvadékokban az áramlások intenzitása nagyobb egy határértéknél. A keverésre alkalmazható mágneses tér lehet: lüktető-, forgó-, vagy haladó mágneses tér.
Lüktető mágneses térrel történő fémolvadék áramoltatás estén az olvadék áramlás intenzitása lényegesen kisebb mint a hasonló villamos energia befektetéssel történő forgó- illetve haladó mágneses térrel megvalósított áramoltatás. További hátrányt jelent az áramlás irányának és intenzitásának nehézkes szabályozhatósága.
A fémolvadékot a kristályosodási fronttal párhuzamosan forgó mágneses térrel (rotating magnetic field, (RMF)) célszerű áramoltatni.
[ G. Zimmermann, L. Sturz, M. Waiterfang, J. Dagner, 2009, Effect of melt flow on dendrites growth in AlSi7-based alloy during directional solidification, Int. J. Cast Metals Research 22, 335-338,
G . Zimmermann, W.T. Vitusevych, L. Sturz, 2010, Microsturcture Formation in AlSi6Cu4 Alloy with Forced Melt Flow induced by a Rotating Magnetic Field, Materials Science Forum 649, 249-254,
P.A. Nikrityuk, K. Eckert, R. Grundmann, 2006, A numerical study of unidirectional solidification of a binary metal alloy under influence of a rotating magnetic field, Int. J. Heat and Mass Transfer 49, 1501-1515,
S. Eckert, P.A. Nikrityuk, D. Rabiger, K. Eckert, G. Gerbeth, 2007, Efficient melt stirring using pulse sequences of a rotating magnetic field. Metall. Mater. Trans. B, Vol. 39B, 374-386.]
Az RMF-fel történő áramoltatás esetében, ha a tér elég nagy ahhoz, hogy az általa keltett olvadék áramlás nagymennyiségű szilárd részecskét leszakítva jelentős szemcsefinomodást okozzon, akkor az jelentős makro dúsulást is okoz. Az áramlási kép az 1 ábrán látható. Az 1 primer (kristályosodási fronttal párhuzamos) áramlás hatására a munkadarab közepén vagy szélén alakul ki jelentős dúsulás. A 2 szekunder áramlás (a primer áramlástól jelentősen kisebb intenzitású áramlás) hatására, ami az ötvözöket a keverék zónából a kristályosodási frontra merőlegesen elszállítja, a munkadarab hossztengelye irányában is létre jön erőteljes dúsulás.
Ezért az ilyen típusú mágneses keverés, bár okoz bizonyos mértékű szemcsefinomodást, a gyakorlatban csak igen korlátozottan alkalmazható.
A fémolvadékot a kristályosodási frontra merőleges irányban haladó mágneses térrel (traveling magnetic field, (TMF)) lehet áramoltatni, ha a kristályosodási front haladási irányával azonos, vagy ellentétes irányú a haladó mágneses tér sebessége.
[K.Zaidat, T.Ouled-Khachroum, G.Vian, C.Gamier, N.Mangelinck-Noe, M.D Dupouya, R.Moreau Directional solidification of refined Al-3.5wt% Ni under natural convection and under a forced flow driven by a travelling magnetic field Journal of Crystal Growth 275 (2005) el501-el505,
SU Yan-qing, XU Yan-jin, ZHAO Lei, GUO Jing-jie, FU Heng-zhi Effect of electromagnetic force on melt induced by travelling magnetic field.
School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China, Trans. NonferrousMet. Soc. China (2010) 662-667,
Q.C.Zou, J.C.Jie, S.C.Liu, T.M.Wang, G.M.Yin, T.J.Li Effect of travelling magnetic field on separation and purification of Si from Al-Si melt during solidification Jumal of Crystal Growth 429 (2015) 68-73,
Ling Qin, Jun Shen, Zhourong Feng, Zhao Shang, Hengzhi Fu: Microstructure evolution in directionally solidified Fe-Ni alloys under travelling magnetic field Materials Letters 115 (2014) 155-158,
Zhixian Min, Jun Shen, Zhourong Feng, Lingshui Wang, Lei Wang, Hengzh iFu Effects on melt flow on the primary dendrites pacing of Pb-Sn binary alloy during directional solidification Journal of Crystal Growth 320 (2011) 41-45]
Egy függőleges tengelyű TMF induktor hossztengelyében, elhelyezett tégelyben lévő fémolvadékra ható erő - az induktorra kapcsolt gerjesztés bázissorrendjétől függőenaz olvadék tengelyével párhuzamosan vagy felfelé, vagy lefelé irányban mutat.
[Zhixian Min, JunShen, Zhourong Feng, Lingshui Wang, LeiWang, Hengzh iFu Effects of melt flow on the primary dendrites pacing of Pb-Sn binary alloy during directional solidification Journal of Crystal Growth 320 (2011) 41-45],
Ilyenkor a fémolvadék egészére a fémolvadék tengelyével párhuzamos, azonos irányba mutató Lorentz erő hat. Az erő nagysága (az erő által létrehozott nyomás) a sugár függvényében változik. Ennek eredményeként létrejön egy áramlás a fémolvadékban. Ekkor, ha a mágneses tér haladási iránya felfelé mutat a fémolvadék a tégely fala mentén felfelé áramlik, a tégely közepén pedig ellentétes irányban. így kialakul két áramlási hurok Ha a mágneses tér haladási iránya lefelé mutatat az olvadék áramlási iránya megváltozik a tégely fala mentén és a tégely közepén is. Az áramlási képek az 2a és 2b ábrán láthatóak. Az 2a ábrán a haladó mágneses tér fentről lefelé halad, az 2b ábrán fordítva. (A 3 fentről lefelé haladó mágneses tér által létrehozott áramlásirány, a 4 lentről felfelé haladó mágneses tér által létrehozott áramlási irány).
Kétféle TMF induktor kialakítás használatos. A leggyakrabban alkalmazott a hengeres (cső) felépítésű megoldás. Előnye az egyszerű megvalósíthatóság.
[K.Zaidat, T.Ouled-Khachroum, G.Vian, C.Gamier, N.Mangelinck-Noe, M.D
Dupouya, R.Moreau Directional solidification of refined Al-3.5wt% Ni under natural convection and under a forced flow driven by a travelling magnetic field Journal of Crystal Growth 275 (2005) e!501-el505,
Q.C.Zou, J.C.Jie, S.C.Liu, T.M.Wang, G.M. Yin, T.J,Li Effect of travellig magnetic field on separation and purification of Si from Al-Si melt during solidificacion Journal of Crystal Growth 429 (2015) 68-73].
A másik, a ritkán alkalmazott TMF induktor típus a sík elrendezésű induktor.
[Su Yan-qing, XU Yan-jin, ZHAO Lei, GUO Jing-jie, FU Heng-zhi Effect of electromagnetic force on melt induced by travelling magnetic field. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China, Trans. NonferrousMet. Soc. China (2010) 662-667]
A sík elrendezésű induktor ritkán történő alkalmazásának oka az induktor bonyolultabb tekercsrendszere.
A sík elrendezés előnye a cső kialakítású TMF induktorhoz viszonyítva (azonos geometria esetén), hogy az olvadékban létrehozott egységnyi mágneses indukció eléréséhez lényegese kisebb villamos teljesítményre van szükség.
Mind a kétféle TMF induktor típus alkalmazása esetén az olvadékban kialakuló olvadék áramlási kép hasonló (2a. és 2b. ábrák).
Ezek az áramlások képesek leszakítani szilárd részecskéket a keverék zónában, aminek eredményeként szemcsefinomodás lép fel. Hátránya azonban ezeknek a TMF induktoroknak, hogy csak igen nagy mágneses térrel (igen nagy villamos teljesítménnyel) lehet megfelelő szemcsefinomodást elérni.
Lehetséges az RMF és a TMF induktort kombinálni.
[Qiu Leyuan 1,2, Li Qiulinl, Liu Wei2 Modelling and Experiments on Electromagnetic Separation of Inclusions from Aluminium Melt under Combined Magnetic Field Rare Metal Materials and Engineering Volume 43, Issue 8, August 2014 Online English edition of the Chinese language journal,
Yanjie H, Qiulin Li, Wei Liu Effect of combined magnetic field on the eliminating inclusions from liquid aluminium alloy. Materials Letters 65 (2011) 1226-1228] Elvben ez a megoldás mind a kristályosodási fronttal párhuzamos, mind arra merőleges áramlást hoz létre. Egy lehetséges elrendezést a [Qiu Leyuan 1,2, Li Qiulin 1, Liu Wei2 Modelling and Experiments on Electromagnetic Separation of inclusions from Aluminium Melt under Combined Magnetic Field Rare Metal Materials and Engineering Volume 43, Issue 8, August 2014 Online English edition of the Chinese language journal] szemléltet.
Ez esetben belül egy hengeres elrendezésű TMF, kívül 6 pólusból álló RMF induktor található. Ez egy légmagos megoldás, számottevő mágneses indukció elérése az olvadékban, nagyon nagy villamos teljesítményt igényel. Továbbá az egyik típusú (például RMF típusú) induktor mágneses tere a másik típusú (TMF) induktor tekercseiben is örvényáramot hoz létre, így benne többlet hőt fejleszt. A TMF induktor tekercsei bizonyos mértékig leárnyékolják az RMF induktor mágneses terét. Ezen tények miatt az olvadékban a szemcsefmomodáshoz szükséges áramláshoz képest csak kis intenzitású áramlás jöhet létre. Ha nem légmagos, hanem vasmaggal rendelkező megoldást választanánk, a vasmagok mágnesesen teljesen leárnyékolnák a TMF és az RMF induktor részek valamelyikének hatását. A gyakorlatban szemcsefinomításra ez a megoldás nem alkalmazható.
A mágneses térrel való olvadék keverést lehet kombinálni ultrahangos vibrációval is.
Az ismertetett mágneses keverőkben az olvadékban csak nagyon nagy mágneses tér előállításával (nagyon nagy villamos energia befektetéssel) jöhet létre jelentős szemcsefinomodást megvalósító áramlás, mert az egymással érintkező olvadék részek egy irányban mozognak. (1. és 2. ábrák)
A találmánnyal célunk az ismertetett megoldások hiányosságainak kiküszöbölése, azaz olyan eljárás és berendezés megalkotása, amely alkalmas a kristályosodás közben minimális dúsulással szemcsefmomodást létrehozni mágneses térrel történő keverés alkalmazásával, mégpedig az ismert megoldásokénál alacsonyabb villamosenergiafelhasználással.
Az új eljárást megvalósító berendezés keverő egységéhez olyan mágneses induktort kell megalkotni, amely a nagy nyíróerőt biztosító áramlást képes létrehozni a keverék zónában, a hagyományos mágneses keverő berendezésekétől kisebb villamosenergiafelhasználás mellett. .
A kitűzött feladat megoldását az a felismerés tette lehetővé, hogy ha a fémolvadék keverését végző berendezés TMF induktorát úgy építjük meg, hogy a fémolvadékban egymással ellentétes irányú áramlási zónákat (3. ábra) lesz képes létrehozni, akkor örvényes áramlás alakul ki, és az olvadékban jelentős nyíróerö lép fel.
A célban meghatározott hatást találmány szerinti berendezés speciális felépítésű TMF induktora úgy hozza létre, hogy az általa áramoltatott fémolvadékot a kristályosodási front haladási irányára merőlegesen és a front haladási irányával párhuzamosan is áramoltatja.
A találmány szerinti berendezés induktora a legjelentősebb nyíróeröt, a kristályosodási frontra merőleges áramlásnál az egymással érintkező fémolvadék rétegek egy részének egymással ellentétes irányban történő áramoltatásával oldja meg. Az ellentétes irányba áramló fémolvadék rétegek áramlása ( adott nagyságú mágneses tér esetén) nagyon erős turbulenciát hoz létre, amely turbulens áramlás a keverék zónában levő szilárd fázisból nagy mennyiségű részecskét szakít le és visz az olvadék/szilárd front elé, ahol azok saját fajú csíraként szerepelnek, biztosítva a nagymértékű szemcsefinomodást.
Az áramlási irányok adott frekvenciával történő megváltoztatgatásával a makro dúsulás kiküszöbölhető. Az áramlási irányok megváltoztatása a keverő berendezés induktora által létrehozott mágneses tér haladási irányának megváltoztatásával érhető el.
A találmány szerinti berendezést ábrák segítségével ismertetjük, ahol • az 1. ábra az RMF induktorok által létrehozható áramlási képek • a 2. ábra a hagyományos TMF induktorok által létrehozható áramlási képek • a 3. ábra a találmány szerinti TMF iker-induktor által létrehozható áramlási képek • a 4a ábra a forgó mágneses teret előállító 4 pólusú RMF induktor elölnézete (tengelyre merőleges képe) a tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 4b ábra ugyanannak az axonometrikus képe a tekercsfejek ábrázolása nélkül • az 5a ábra az „A” és „B” oldali póluspárok egymástól való eltávolítása után létrejövő nyitott mágneskörű „fél” induktor-pár elölnézete a tekercsfejek ábrázolása nélkül • az 5b ábra ugyanennek az axonometrikus képe a tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 6a ábra a „fél” induktor-pár mágneses körének összekapcsolásával (a mágneskor zárttá tétele) ferromágneses közdarabokkal (jármokkal) létrehozott zárt mágneskörű, ívelt induktor elölnézete a tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 6b ábra az előbbi axonometrikus képe a tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 7a ábra a 6. ábrán látható ívelt induktorszakaszok átalakításával (síkká történő átalakításával) létrehozott, zárt mágneskörű TMF ikerinduktor elölnézete, tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 7b ábra az előző ábrán bemutatott ikerinduktor axonometrikus képe, tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 8 ábra a találmány szerinti végleges kialakítású TMF iker-induktor axonometrikus képe (jármokban kialakított nyílásokkal, amelyekben a kristályosító csatorna fog elhelyezkedni) a tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 9a ábra a találmány szerinti új típusú, TMF ikerinduktoros kristályosító berendezés elölnézete, tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 9b ábra a 8a ábrán bemutatott berendezés felülnézete, tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 9c ábra a 9a és 9b ábrán bemutatott berendezés axonometrikus képe, tekercsfejek ábrázolása nélkül • a 9d ábra a 8a, 8b és a 8c ábrán bemutatott berendezés hosszmetszete (a 9b ábrán látható E-E síkkal történő metszés szerint).
• a 10 ábra a találmány szerinti kristályosító berendezésben a kristályosítás közben, a TMF iker-induktor által létrehozott olvadékáramlás képe látható, a berendezés hosszmetszetén.
A találmány szerinti kristályosító berendezés a fémolvadék áramoltatására egyetlen, hagyományos mágneses keverőktől jelentősen különböző felépítésű, zárt mágneskörrel rendelkező TMF iker-induktort alkalmaz.
A zárt mágneskörű, TMF iker-induktor felépítése bármilyen, páros póluspárszámú RMF induktorból származtatható.
A származtatás lépéseit egy 2 póluspárszámú (4 pólusú) RMF induktor felhasználásával szemléltetjük. A származtatás lépései a 4-9. ábrákon láthatóak.
1. lépés:
A 4a, 4b ábrán látható, 2 póluspárszámú (4 pólusú) RMF induktort a D-D metszösíkkal felvágjuk.
2. lépés:
A kettévágott induktor A és B oldalát eltávolítjuk egymástól a 5a; 5b ábra szerint, így létrejön két, egyenként 1-1 póluspárú (2-2 pólusú) fél-induktor szegmens.
3. lépés:
A 5. ábrán látható két fél-induktor mágneses körét ferromágneses közdarabok (tekercselést nem tartalmazó jármok) alkalmazásával zárttá tesszük az 6/a, 6/b. ábra szerint. A ferromágneses közdaraboknak az örvényáramok kialakulásának megakadályozására alkalmas anyagból kell lenniük.
4. lépés
Az 6a, 6b ábrán látható, zárt mágneskörű induktor ívelt szakaszait síkká alakítjuk a 7a, 7b ábra szerint. így az „A” oldalon és a „B” függőlegesen, egymással ellentétes irányban mozgó haladó mágneses tér jön létre.
5. lépés
A 7a, 7b ábrán látható, zárt mágneskörü iker-induktor alsó és felső ferromágneses jármán a 8. ábra szerint egy- egy, egymással egybevágó nyílást készítünk. így kialakul a találmány szerinti kristályosító berendezés végleges kialakítású, zárt mágneskörű TMF iker-induktora, amely három fő részből áll:
• A 13 fel irányba haladó mágneses teret geijesztő induktor rész • A 14 le irányba haladó mágneses teret gerjesztő induktor rész • A nyílással ellátott 19 jármok
A 8. ábrán látható, TMF iker-induktor 19 jármain lévő nyílásokba befűzhető a 20 fűtő- hűtő köpennyel ellátott 21 kristályosító csatorna a 9. ábrán látható módon.
A 20 fűtő- hűtő köpeny és a 21 kristályosító csatorna nem tartalmazhat ferromágneses anyagot.
A találmány tárgyát képező, új típusú kristályosító berendezés két fő részből áll, úgymint:
• TMF iker-induktor • A hőszigeteléssel és 20 fűtő-hűtő köpennyel ellátott ellátott, 21 kristályosító csatorna
A 10. ábrán vázolt módon a 21 kristályosító csatorna felső nyílásán vezethető be a kristályosítandó fémolvadék.
A 21 kristályosító csatornában a TMF iker-induktor által létrehozott haladó mágneses tér intenzív áramlásba hozza a kristályosítandó fémolvadékot. A 21 kristályosító csatorna fűtő-hűtő köpenye szabályozott módon lehűti (kristályosítja) a rajta áthaladó fémolvadékot, ami az alsó nyílásán távozik, mint finomított szemcseszerkezetü szilárd fém.
A találmány tárgya tehát eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására.
Az eljárás kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására, amelyet speciális, haladó mágneses teret létrehozó mágneses keveröberendezéssel valósítunk meg.
Az eljárás során a kristályosító csatornában levő fémolvadékban és a keverékzónában erős turbulens áramlást és nagy nyíróerőt létesítünk, oly módon, hogy az olvadék egyes részeit egymással szemben áramoltatjuk.
A kristályosodott szerkezetben esetleg létrejött makrodúsulás megszüntetésére az olvadék áramlási irányát 0,01-0,1 Hz frekvenciával változtatjuk - a haladó mágneses tér irányának váltogatásával.
A kristályosodás kialakuló szemcseszerkezet finomítására kialakított berendezésnek fémolvadék mágneses keverésére alkalmas TMF iker-induktora van. Ez az induktor zárt mágneskörü iker-induktor, amely egymással szemben kialakított síkjain egymással ellentétes irányú haladó mágneses teret képes létrehozni. A 21 kristályosító csatorna az iker-induktor légrésében helyezkedik el.
A berendezés egy előnyös kiviteli példáját a 9a, 9b, 9c,9d ábrákon mutatjuk be .
A zárt mágneskörű TMF iker-induktor a 13 A oldali induktorrészból , a 14 B oldali induktorrészból, a hozzájuk csatlakoztatott 19 járomból , a 20 fűtő-hűtő köpenyből, és a 21 kristályosító csatornából van összerendezve.
Kísérleti berendezésünkkel előállított daraboknál csaknem két nagyságrenddel finomabb szemcseméretet mértünk, mint más berendezésekből származó, szemcsefinomítót nem tartalmazó mintáknál.
Kiemeljük, hogy a finomabb szemcseméretet szemcsefinomító anyag hozzáadása nélkül értük el.
A fentiek alapján megállapíthatjuk, hogy a kitűzött célt elértük.
Claims (3)
1. A találmány eljárás kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására, haladó mágneses teret létrehozó mágneses keverő berendezéssel, azzal jellemezve, hogy az eljárás során a kristályosító csatornában (21 ) levő fémolvadékban és a keverékzónában erős turbüléns áramlást és nagy nyíróerőt létesítünk, oly módon, hogy az olvadék egyes részeit egymással szemben áramoltatjuk.
2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kristályosodott szerkezetben esetleg létrejött makrodúsulás megszüntetésére az olvadék áramlási irányát 0,01-0,1 Hz frekvenciával változtatjuk - a haladó mágneses tér irányának váltogatásával.
3. Berendezés az 1-2. igénypontok bármelyike szerinti eljárás végrehajtásához, amely berendezésnek fémolvadék mágneses keverésére alkalmas induktora van, azzal jellemezve, hogy induktora egy zárt mágneskörü, TMF iker-induktor , amely az A oldali induktor-részböl (13), B oldali induktor-részböl (14), a hozzájuk alul-felül csatlakoztatott járomból (19), fűtő-hűtő köpenyből (20), és a kristályosító csatornából (21) van összerendezve.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU1700390A HU231169B1 (hu) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | Eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU1700390A HU231169B1 (hu) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | Eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| HUP1700390A1 HUP1700390A1 (en) | 2019-03-28 |
| HU231169B1 true HU231169B1 (hu) | 2021-07-28 |
Family
ID=89992535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| HU1700390A HU231169B1 (hu) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | Eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| HU (1) | HU231169B1 (hu) |
-
2017
- 2017-09-21 HU HU1700390A patent/HU231169B1/hu unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| HUP1700390A1 (en) | 2019-03-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111347018B (zh) | 非接触式熔融金属流动控制 | |
| CN102728822B (zh) | 制造合金铸件或铸锭的定向凝固方法及定向凝固装置 | |
| CN101624657B (zh) | 磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法及装置 | |
| EP2682201A1 (en) | Method and apparatus for the continuous casting of aluminium alloys | |
| CN203639530U (zh) | 利用稳恒磁场优化金属凝固组织的复合电渣熔铸装置 | |
| Li et al. | Effect of pulsed magnetic field on the grain refinement and mechanical properties of 6063 aluminum alloy by direct chill casting | |
| US5246060A (en) | Process for ingot casting employing a magnetic field for reducing macrosegregation and associated apparatus and ingot | |
| WO2013133318A1 (ja) | チタン溶解装置 | |
| AU778670B2 (en) | Method for vertical continuous casting of metals using electromagnetic fields and casting installation therefor | |
| CN1994623B (zh) | 一种7xxx系铝合金半连续铸造装置及方法 | |
| CN111842821B (zh) | 一种铝合金流盘铸造的熔体电磁处理方法 | |
| HU231169B1 (hu) | Eljárás és berendezés kristályosodás során kialakuló szemcseszerkezet finomítására | |
| Dock-Young et al. | Effects of casting speed on microstructure and segregation of electro-magnetically stirred aluminum alloy in continuous casting process | |
| Peel | A look at the history and some recent developments in the use of electromagnetic devices for improving operational efficiency in the aluminium cast house | |
| CN112281096B (zh) | 一种电磁能晶粒细化装置及铝合金晶粒细化的方法 | |
| EP3238856B1 (en) | A method of controlling the solidification process of continuously cast metals and alloys and a device for implementing the method | |
| Hao et al. | Improvement of casting speed and billet quality of direct chill cast aluminum wrought alloy with combination of slit mold and electromagnetic coil | |
| Cui et al. | Electromagnetic stirring and low-frequency electromagnetic vibration | |
| JP2004306116A (ja) | 電磁振動による組織微細化のための連続鋳造方法及びその装置 | |
| Zhang et al. | The study of refinement mechanism of pure aluminum under surface pulsed magneto oscillation | |
| US5222545A (en) | Method and apparatus for casting a plurality of closely-spaced ingots in a static magnetic field | |
| SK500222016A3 (sk) | Spôsob riadenia procesu tuhnutia kontinuálne liatych kovov a zliatin a zariadenie na uskutočňovanie tohto spôsobu | |
| US20210162491A1 (en) | Electromagnetic modified metal casting process | |
| CN117182013A (zh) | 一种有色合金连铸中氧化夹杂电磁净化装置及净化方法 | |
| JP2003275849A (ja) | 連続鋳造鋳片の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FH92 | Termination of representative |
Representative=s name: PAP BELA, HU |