NL2001248C2 - Werkwijze en inrichting voor het regelen van de stroming tijdens het stollen van een metallische legering. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het regelen van de stroming tijdens het stollen van een metallische legering

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op werkwijze voor het verticaal 5 gieten van een metallische legering, omvattende het voorzien in een onderste gestold deel van die metallische legering, een bovenste volledig vloeibaar deel van dat materiaal bij het boveneinde van een vorm, en een twee-fase vloeibaar - gestold deel daartussen, waarbij in het gestolde deel een uitwendig opgewekte gedwongen stroom opgelegd wordt in een in hoofdzaak axiale zichting en omvat het plaatselijk verpompen 10 van de vloeibare metallische legering met het kenmerk, dat de gedwongen stroom alleen opgewekt wordt in het volledig vloeibare deel van de metallische legering.

. De smeltstroming in het vloeibare deel van een gietstuk (ingot, billet) verwezenlijkt de onderlinge beweging van vaste en vloeistoffasen in het tweefasen (vloei-stof/vast) gebied van het gietstuk. Door deze invloed worden de structuur van het giet-15 stuk en de segregatie van legeringselementen beïnvloed. Macrosegregatie is bijvoorbeeld een belangrijk falen tijdens de productie van grote billets en ingots tijdens het proces met direct afschrikkend gieten en wordt gestuurd door de smeltstroming in de vloeistofhouder van het gietstuk. De smeltstroming in het vloeistofdeel stijgt op natuurlijke wijze door thermische en convectie door oplossing en kunstmatig door de ver-20 schillende smelt toevoerende en verdeelinrichtingen. Thans is het ontwerp van de inrichtingen voor stroomregeling tijdens het gietproces van verschillende metalen gebaseerd op de toepassing van uitwendige krachten (b.v. elektromagnetische krachten KR20020091532, US 3692697A1) en smeltverdeelinrichtingen. Smelt-verdeelinrichtingen worden in de stand der techniek beschreven en omvatten een 25 bijzonder ontworpen toevoerstelsel (CA 217321), tuiten (GB 486.420) enz.

In US 3163895 wordt een externe stroomkracht opgewekt nabij eht grensvlak tussen de vloeibare en gestolde zones van het gietstuk, wat zou moeten leiden tot purificatie van een metallische legering. In US3163895 is de stroomkracht in feite geplaatst in het vloeibaar-gestolde deel van het gietstuk nadat de positie van het 30 “vloeibaar-gestolde grensvlak”is opgemeten door het peilen met een grafieten stok. Op een dergelijke manier kan de grensen tussen de “slurry”en de “mushy”zone bepaald worden, welke in de vloeibaar-gestolde zone van het gietstuk ligt. Er wordt ook 2 opgemerkt dat de roerder tegen het grensvlak loopt, wat betekent dat het grensvlak bijna gestold is en diep onder de vloeistof.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding in een werkwijze te voorzien voor het regelen van de stroming van vloeibaar materiaal tijdens gietprocessen. Een derge-5 lijke regeling kan in een gelijkmatige verdeling van segregatie-elementen voorzien. Echter het zou ook mogelijk moeten zijn om in een hogere concentratie van segregatie-elementen op bepaalde plaatsen van het gietstuk te kunnen voorzien of om de structuur van het vaste materiaal te beïnvloeden.

Dit doel wordt verwezenlijkt met een hierboven beschreven werkwijze doordat 10 die stroomkracht het plaatselijk verpompen van die vloeibare metallische legering in in hoofdzaak de verticale richting omvat de gedwongen stroom alleen opgewekt wordt in het volledig vloeibare deel van de metallische legering.

Door het gebruik van plaatselijk (mechanisch) pompen, kunnen de effecten van de stroming gebaseerd op natuurlijke convectie in een vloeibare smelt versterkt worden 15 of gedempt worden of het is zelfs mogelijk een stroming te verkrijgen die tegenovergesteld is aan de natuurlijke convectiestroming. Daardoor ontstaan vele mogelijkheden om de segregatie en de structuur van het uiteindelijke gietstuk te beïnvloeden.

De onderhavige uitvinding kan gebruikt worden bij allerlei soorten gietstukken en als voorbeeld waar de voorkeur aangegeven wordt wordt het direct koelend gieten ge-20 noemd. Direct koelend gieten omvat continu of halfcontinu gieten, waarbij de vloei-stoflegeringsstroming gemakkelijk en continu met de hierboven beschreven werkwijze geregeld kan worden.

Het is mogelijk een of meer pompen te gebruiken afhankelijk van de (dwarsdoor-snede)-afmeting van het smeltbed. Bij gietstukken met verhoudingsgewijs kleine dia-25 meter kan een enkele pomp voldoende zijn. Een dergelijke pomp kan in het midden van het vloeistofbad aangebracht worden. Afhankelijk van de gewenste stroomrichting, mengintensiteit en dergelijke kan het echter mogelijk zijn om een of meer pompen te gebruiken aangebracht volgens de symmetrieas van het vloeistofbad. Bij grotere gietstukken kan ook een aantal pompen gebruikt worden. Zoals aangegeven wordt pompen 30 hoofdzakelijk in verticale richting uitgevoerd maar daaraan kan een horizontale component toegevoegd worden.

Met de hierboven beschreven werkwijze kan verdeling van segregerende elementen over de dwarsdoorsnede van een gegoten voorwerp naar wens beïnvloed wor- 3 den. Voor veel toepassingen zal een gelijkmatige verdeling wenselijk zijn. In dat geval zal een gematigde centrale neerwaartse stroming met pompen voldoende zijn om een natuurlijke opwaartse stroming tegen te gaan, die opgewekt wordt door convectie in de smelt vanwege de temperatuurverschillen tussen de gekoelde buitenomtrek van het 5 stollende metaal en de verhoudingsgewijs warme kem daarvan.

Bij andere toepassingen kan het wenselijk zijn om de hoeveelheid legerende elementen in het middendeel van het gietstuk te verminderen en in een dergelijk geval dient de natuurlijke convectiestroming versterkt te worden. Dit betekent dat de pomp moet werken in een richting tegenovergesteld aan die in het voorgaande voorbeeld. 10 Indien de concentratie segregatie-elementen in het hart van het gietstuk gewenst is, moet pompen in verticale neerwaartse richting uitgevoerd worden met toenemende opbrengst van het pompen.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een gietinrichting voor het verwezenlijken van de werkwijze zoals hierboven beschreven. Volgens de uitvinding omvat 15 deze gietinrichting voor vloeibare metallische legeringen een verticale vorm met een bovenste inlaatopening en een zijdelings koelkanaal en middelen voor het opwekken van een stroomkracht in het vloeibare metaal, waarbij die middelen een pomp omvatten met een bovenste inlaat of uitlaat en een onderste uitlaat of inlaat, waarbij de positie van die onderste uitlaat of inlaat verticaal en horizontaal verstelbaar is ten opzichte van 20 die vorm.

De pomp omvat bij voorkeur een schroefpomp met een spiraalvormig inwendig deel draaibaar ontvangen in een stationaire huls. De hartlijn van de schroef valt bij voorkeur samen met de hartlijn van de cilindrische huls en is in hoofdzaak evenwijdig aan de zwaartekrachtrichting.

25 De gedwongen smeltstroming voorgebracht door de inrichting is hetzij laminair hetzij turbulent. Het stroomregiem in het vloeibare deel van het gietstuk kan door de rotatiesnelheid gestuurd worden. Gebaseerd op experimentele resultaten wordt een ro-tatiesnelheid tijdens het gieten van een 200 mm ronde billet aanbevolen van ongeveer 120 opm. Bij deze snelheid kan de neerwaartse stroming macrosegregatie helpen te 30 voorkomen. Het stroompatroon in de vloeibare houder van de gietinrichting kan eveneens gestuurd worden door de afstand van het tweefasengebied (vloeibare/vaste zone) die bij voorkeur 1-2 cm is.

4

Een voordeel van de uitvinding is de mogelijkheid de inrichting te gebruiken voor een breed bereik legeringen onafhankelijk van de hoeveelheid legeringselement.

Een voordeel van de onderhavige uitvinding is de eenvoud van het ontwerp en de regeling van het proces.

5 Een voordeel van de uitvinding is de mogelijkheid de smeltstroming plaatselijk en in een richting te regelen.

Een ander voordeel van de onderhavige uitvinding is een betere temperatuur en oplossingsverdeling in het vloeibare deel van het gietstuk als het gevolg van het innig mengen door de inrichting.

10 Een verder voordeel van de onderhavige uitvinding is het onderdrukken van fou ten vaak aanwezig in gegoten materialen, zoals macrosegregatie.

Een ander voordeel is de mogelijkheid een gegradeerde (periodieke) structuur te vervaardigen door middel van gestuurd stroompatroon en daarom ontwikkeling van nieuwe functioneel gegradeerde materialen (FGM).

15 Bovendien is het voordeel van de uitvinding de mogelijkheid deze toe te passen bij vele gietprocessen zoals bij direct koelend gieten, en dergelijke.

De uitvinding zal verder uiteengezet worden aan de hand van een voorkeursuitvoering afgebeeld in de tekening, waarin: 20 Fig. 1 schematisch een direct koelende gietinrichting toont;

Fig. 2 schematisch de pomp volgens de uitvinding toont die daarbij gebruikt wordt;

Fig. 3a-d verschillende stroomtoestanden tonen waarbij fig. 3a de natuurlijke convectiestroom toont en fig. 3b-d geforceerde stroming met de pomp to- 25 nen; en

Fig. 4a-d de overeenkomstige segregatie van elementen geven.

In fig. 1 is een gietinstallatie getoond omvattende een vorm 2. Deze vorm 2 is ringvormig en heeft een koelring 3, waarin continu een koelvloeistof toegevoerd wordt.

30 Deze vorm heeft eveneens openingen die in een stroom koelvloeistof op het oppervlak van het gietstuk voorzien. Een onderblok 4 is aanwezig voor het dragen van het gestolde materiaal en voor het verwijderen van het gestolde materiaal 9 in neerwaartse richting met gebruik van een vijzel 14. Boven het vaste of gestolde materiaal 9 is een 5 vloeistofbad met smelt 13 aanwezig. Tussen smelt 13 en vast deel 9 is een overgangs-(vloeibaar/vast) gebied (10) aanwezig omvattende een suspensiezone 12 en een brijachtige zone 11. De geometrische configuratie en de afmeting van het overgangsgebied zijn afhankelijk van de samenstelling van de gesmolten legering en de intensiteit van 5 het koelen verwezenlijkt door de vorm 2. De vloeibare legering wordt ingebracht door de opening 15 in de bovenzijde 16 van de vorm.

Volgens de uitvinding is een pomp 5 aanwezig waarvan de rotatie geregeld wordt door regeling 17. Het benedendeel van de pomp 5 ligt bij voorkeur op enkele centimeters afstand boven de bovenzijde van het overgangsgebied 10. Deze afstand zal afhan-10 kelijk zijn van de afmeting van het vloeistofbad, de samenstelling van de legering, de gewenste stroming zowel betreft de richting als omvang en vele andere parameters.

Fig. 2 toont verdere details van pomp 5. Pomp 5 omvat een huls 6 die normaliter stilstaat en vervaardigd kan worden uit een metallisch of keramisch materiaal. Binnen huls 6 bevindt zich een as 7 die draaibaar aangedreven kan worden met een motor (niet 15 afgebeeld) die op afstand ligt boven de vorm. As 7 drijft een spiraalvormig gevormde schroef 8 aan.

De hoofdparameters van de pomp zijn inwendige schroefdiameter D die bijvoorbeeld 0,125 van de gietdiameter is (diameter van de ronde billet, d) (D=0,125 d), uitwendige schroefdiameter, die bijvoorbeeld 0,225 van de gietdiameter (Di= 0,225 d), 20 inwendige behuizingsdiameter die bijvoorbeeld 0,235 is van de gietdiameter (D2=0,235 d), steek van de schroefdraad) (P=0,09 d), insteekdiepte van het schroefkanaal (H=0,05 d), kanaalbreedte (W=0,04 d), en axiale lengte van de schroef (Ls=0,45 d). Er bestaat een kleine radiale spleet tussen de punt van het blad en het inwendige oppervlak van de behuizing (ruimte blad C=0,01 d). De lengte van de cilindrische behuizing is 25 0,55 van de behuizingsdiameter (Lh=0,55 d). De pomp wordt bijvoorbeeld onderge dompeld langs de verticale hartlijn van het gietstuk. Het smeltniveau bevindt zich boven de bodemzijde van de cilindrische behuizing. De inrichting is geplaatst in het vloeistofdeel van het gietstuk boven het tweefasengebied (vloeistof/vast) op een afstand van 1-2 cm. Op deze wijze beïnvloedt de voortgebrachte gedwongen stroming de 30 structuur van het tweefasengebied door mechanische werking niet. Door het opbren-ging van draaiing aan de as met het bevestigde schroefdeel, wordt smelt overgebracht tussen de cilindrische behuizing en de schroefbladen vanaf een wikkeling naar de volgende waardoor de gerichte gedwongen stroming ontstaat.

6

Het effect van de pompwerking zal aan de hand van een voorbeeld verwijzend naar fig. 3a-d en overeenkomstige fig. 4a-d verduidelijkt worden.

Fig. 3a toont de situatie waarin geen pompwerking plaatsvindt en de pijlen daarin tonen de natuurlijke convectiestroom. Zoals duidelijk is uit Fig. 4a ontstaat daardoor 5 een toegenomen segregatie nabij de wanden van het product en een lagere concentratie van segregatie-elementen bij het hart daarvan.

Fig. 3b toont het gebruik van de pomp bij de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij de pomp een verticale opwaartse stroming opwekt. Op deze wijze wordt de natuurlijke convectiestroming versterkt waardoor een lagere concentratie elementen 10 ontstaat bij de kern en de concentratie van segregatie-elementen bij de buitenwand van het gegoten voorwerp toeneemt zoals in fig. 4b getoond.

Fig. 3c toont een gematigde neerwaartse stroming in het hart opgewekt door de pomp volgens de uitvinding. Deze stroming is voldoende om de natuurlijke stroming zoals afgebeeld in fig. 3a te compenseren, waardoor uiteindelijk geen wezenlijke stro-15 ming in de smelt ontstaat. Daardoor ontstaat een gelijkmatige verdeling van segregatie-elementen zoals in fig. 4c getoond is.

Indien de pompkracht in neerwaartse richting toeneemt, zoals in fig. 3d getoond, zal de natuurlijke convectiestroming overstuurd worden, waardoor een tegenovergestelde stroming in de smelt vanaf het hart van het vloeistofbad in buitenwaartse op-20 waartse richting ontstaat, zoals in fig. 3d getoond is. Daardoor ontstaat de segregatie-verdeling zoals getoond in fig. 4d, met positieve segregatie van legeringselementen in het centrale deel van het gegoten voorwerp.

Uit het bovenstaande is het duidelijk dat door de richting van pompen en de omvang van pompen, segregatie naar wens geregeld kan worden. Begrepen worden dat het 25 plaatsen van de pomp in een andere positie dan in de centrale positie die afgebeeld is, een overeenkomstig effect verkregen zal worden. Het is ook mogelijk om zoals hierboven aangegeven, meer dan een enkele pomp te gebruiken.

Vanzelfsprekend kunnen wijzigingen en ontwerpparameters van de onderhavige uitvinding verwezenlijkt worden, afhankelijk van de metallische legering, gietproces-30 sen en procesomstandigheden. Daarom moet begrepen worden dat degene bekwaam in de stand der techniek uit de bovenstaande beschrijving en bijgaande tekeningen en conclusies zal begrijpen dat varianten van de onderhavige uitvinding verwezenlijkt kunnen 7 worden zonder buiten de ware geest van de uitvinding zoals beschreven in de volgende conclusies te geraken.

Meer in het bijzonder worden rechten gevraagd voor de volgconclusies als zodanig, d.w.z. zonder de combinatie met een van de eerdere conclusies en/of hoofdconclu-5 sie.

Claims (17)

1. Werkwijze voor het verticaal gieten van een metallische legering, omvattende het voorzien in een onderste gestold deel (9) van die metallische legering, een 5 bovenste volledig vloeibaar deel (13) van dat materiaal bij het boveneinde van een vorm (2), en een twee-fase vloeibaar-gestold deel daartussen, waarbij in het gestolde deel een uitwendig opgewekte gedwongen stroom opgelegd wordt in een in hoofdzaak axiale richting en omvat het plaatselijk verpompen van de vloeibare metallische legering met het kenmerk, dat de gedwongen stroom alleen opgewekt 10 wordt in het volledig vloeibare deel van de metallische legering.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij dit gieten direct koelend gieten omvat

3. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij dat gieten continu 15 of semi-continu gieten omvat.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die metallische legering een stoltraject heeft en pompen verwezenlijkt wordt in het volledig vloeibare deel van de smelt. 20

5. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij dat plaatselijk verpompen verwezenlijkt wordt bij het hart van dat vloeibare metallische materiaal.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij dat pompen in neerwaartse richting plaatsvindt (fig. 3c en fig. 3d).

7. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij dat pompen zodanig verwezenlijkt wordt dat over de dwarsdoorsnede van dat vaste materiaal een in hoofdzaak homogene 30 verdeling van elementen verkregen wordt (fig. 3c en fig. 4c).

8. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de richting van het pompen een opwaartse richting is.

9. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die metallische legering een aluminium legering omvat.

10. Gietinrichting (2) voor een metallische legering, omvattende een verticale vorm (2) met een bovenste inlaatopening en een zijdelings koelkanaal (3) en middelen (5) voor het opwekken van een stroomkracht in het vloeibare metaal, omvattende een pomp (5) met een bovenste inlaat of uitlaat en een onderste uitlaat of inlaat, waarbij de positie van die onderste uitlaat of inlaat verticaal en horizontaal 10 verstelbaar is ten opzichte van die vorm, waarbij de pomp omvat een spiraalvormig draaiend gedeelte opgenomen in een huls, met het kenmerk dat de huls stilstaat.

11. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij die onderste uitlaat aangebracht is om in 15 een in hoofdzaak verticaal gerichte uitstroming van vloeibaar metaal te voorzien.

12. Inrichting volgens conclusie 10 en 11, waarbij die bovenste inlaat of uitlaat verticaal in lijn ligt boven die onderste inlaat of uitlaat.

13. Inrichting volgens een van de conclusies 10-12, waarbij de pomp een spiraalvor mige schroefpomp (5) omvat met een stationair omgevende huls (6).

14. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die pomp keramisch materiaal omvat. 25

15. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die pomp een warmteweerstand biedend metallisch materiaal omvat.

16. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die pomp een stu- 30 ring (17) omvat voor het variabel regelen van het uitgangsvermogen daarvan.

17. Inrichting volgens conclusie 16, waarbij die regeling (17) het variabel regelen van zowel de rotatiesnelheid als de rotatierichting van die pomp mogelijk maakt.