NO165581B - Fremgangsmaate for aa regulere nivaaet for kontaktlinjen mellom den frie metalloverflate og stoepeformen ved kontinuerlig vertikalstoeping. - Google Patents

Description

Foreliggende søknad angår en fremgangsmåte for å regulere nivået for kontaktlinjen mellom den frie overflate av metallet og støpeformen ved vertikalstøping.

Når man fremstiller halvfabrikata i form av metallurgiske produkter ved å støpe jernholdige eller lette metaller som aluminium og legeringer derav, søker man å gi hver støp som barrer, plater og lignende den best mulig grad av fysikalsk og kjemisk homogenitet for å unngå opptreden av visse defekter av den efterfølgende transformering av slike produkter til andre former slik som folier og tråder.

I de fleste kjente og benyttede industrielle støpeprosesser oppstår større eller mindre homogenitetsdefekter når metallet passerer fra væske- til fast tilstand. Dette skyldes i det vesentlig at avkjølingsbetingelsene for de støpte produkter er forskjellige fra et punkt til et annet. Når således støping av metall i en støpeform har en vertikal passasje hvori metallet suksessivt avkjøles indirekte ved hjelp av formen og så direkte ved hjelp av et vannforheng, er det funnet at det halvferdige produkt har et såkalt "primær kortikalt sjikt". Dette sjikt hvis struktur og sammensetning skiller seg fra den indre del av det halvferdige produkt oppstår ved indirekte avkjøling av metallet i kontakt med formen. I tillegg kan det inntre andre former for heterogenitet som er meget mindre utpreget men som er like plagsomme, slik som de små hull eller groper som spesielt skyldes dannelsen av et sjikt av oksyd på overflaten av det flytende metall når dette er i kontakt med atmosfæren og dennes dispersjon inn i metallmassen.

Mange forsøk har vært gjort på å løse disse problemer. Eksisterende løsninger er i større eller mindre grad tilfredsstillende når det gjelder eliminering eller i det minste redusering av alvorligheten av slike heterogenitets-fenomener.

I FR-PS 1 509 962 blir elektromagnetisk støping anbefalt. I denne prosess betyr det faktum at metallet omgis ved hjelp av krefter av elektromagnetisk opprinnelse at det er mulig å eliminere formen og således opptredenen av dette kortikal-sjikt da det ikke lenger er noen indirekte avkjøling.

Dette forbedrer homogenitetsnivået for de halvferdige produkter.

Imidlertid lider denne prosess av en rekke mangler: støperiet må utstyres med en elektrisk installasjon som er relativt komplisert og kostbar på grunn av behovet for å tilveiebringe strømmer i en ikke-industriell frekvens (500 - 4000 Hz) for å danne et egnet begrens-ningsfelt;

faren for heterogenitet på grunn av små hull eller groper økes på grunn av fraværet av enhver form og derfor en økning av overflatearealet av flytende metall som kan oksyderes, og på grunn av omrøringsfenomenet i den flytende masse på grunn av feltet, noe som sterkt bidrar til forflytning av oksydfilmene og dennes

dispergerlng i metallet;

det er hyppig vanskelig å danne en egnet begrensning

når man starter opp den elektromagnetiske støpeprosess, sikkerheten for personalet kan bringes i fare når man støper aluminium og aluminiumlegeringer fordi hvis det skjer et elektrisk brudd vil flytende metall som ikke lenger begrenses spre seg ut utenfor formen og således kan metallet komme i kontakt med direktekjølings-fluidet, noe som kan forårsake eksplosjon.

Andre enkle oppløsninger har også vært foreslått for å redusere tykkelsen av kortikalsjiktet. For eksempel lærer FR-PS 1 398 526 bruken av en strimmel av fiberfraks som klebes til formen for å redusere høyden av metallet i kontakt med formen for derved å redusere virkningene på grunn av indirekte kjøling. Imidlertid kan denne reduksjonen av høyden ikke fikseres en gang for alle da den spesielt avhenger av støpehastigheten. Når således denne parameter varierer er det nødvendig enten å endre formen eller i det minste å modifi-

sere høyden av strimmelen. Dette betyr at det er en mangel på fleksibilitet i en løsning som generelt sett kun gir en delvis undertrykkelse av heterogenitetsfenomenene.

I FR-PS 1 496 241 elimineres manglene ved indirekte avkjøling

ved å benytte en grafittform som ikke avkjøles, men denne prosess lider så under mangler med henblikk på opprett-holdelse og hyppig endring av formen, på grunn av sprøhet i materialet.

En annen løsning er å benytte former med en striert eller ribbet indre overflate ved hjelp av hvilken tykkelsen av kortikalsjiktet reduseres med mer enn 30% når man for eksempel støper aluminium 1050 (Aluminium Association). Ved siden av maskineringsarbeidet i forbindelse med slike former,

noe som i sterk grad øker deres pris, lider denne prosess igjen under manglene som oppstår ved å tilpasse formen og i dette tilfelle ribbene til enhver støpehastighet.

Også kjent er støping med et matehode, vanligvis kalt varmtopp-prosessen, men også denne lider under mangler som gir grunn til periodisk størkning av menisken, noe som er grunnen til små foller på overflaten av de oppnådde halvfabrikata, likeledes involveres vanskeligheter ved oppstarting av prosessen.

Til slutt og nyere, beskriver FR-PS 2 417 357 en fremgangs-

måte der aksiallengden av den del av formen som er i kontakt med det flytende metall varieres ved bruk av en mansjett som glir på den innvendige veggoverf late av formen. Et slikt system lider under den mangel at det ved den siste størkning av metallet forårakes sammenklebing mellom form og mansjett,

noe som kan gi skader når ny bevegelse initieres.

Dette er hvorfor søkeren, klar over de problemer som disse teknikker medfører, og 1 den hensikt å oppå homogene halvfabrikata der tykkelsen av kortikalsjiktet så og si er null, kornstørrelsen er forbedret og huden er fri for groper, søker å oppnå en fremgangsmåte som i forholdet til den kjente teknikk har følgende fordeler: anvendelse av elektriske installasjoner som er mindre

komplikerte enn de med elektromagnetisk støping,

lett overgang fra oppstartingsfasen til den videre

produksjon,

lett tilpasning av forskjellige parametre slik som strømningshastighet slik at prosessen ikke nødven-diggjør noen modifikasjon av materiellet slik som

endring av utforing,

anvendelse av en hvilken som helst type utforing,

fravær av enhver bevegelig innretning,

redusert eksklusjonsrisiko i forhold til elektromagnetisk støping.

For å komme til dette resultat har søkeren funnet at: oppstarting av støpingen er lettere i direkte forhold til en stigning av nivået i formen. Med et lavt nivå nærmer strømmen som regulerer nivået og tilmatningen av metall til formen seg størkningsfronten og for halvfabrikata med små dimensjoner løper man en risiko for blokkering ved utilsiktet størkning av metallet slik at funksjonen ikke lenger oppfylles. Videre forhindrer kamberfenomenet som opptrer med halvfabrikata med vesentlig bredde, også støpingen fra oppstarting med metallet på lavt nivå.

i stabile tilstander er det på den annen side fore-trukket å støpe med en metallhøyde i formen så lav mulig for derved å redusere kontakthøyden av metall med veggen i formen for derved å redusere tykkelsen av kortikalsonen.

Tar man derfor som utgangspunkt en konvensjonell form der en konstant metallhøyde bibeholdes, en høyde som fikseres av flottørens posisjon, men tilstrekkelig til ikke å interferere med denne funksjon, var det nødvendig i størst mulig grad å begrense kontakthøyden for metall med formoverflaten. Dette ga seg utslag i å finne en måte for regulering av nivået for kontaktlinjen mellom fri overflate i det flytende metall og formveggen.

I henhold til dette tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å regulere nivået for kontaktlinjen mellom den frie overflate av metall og en form ved kontinuerlig vertikal støping og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at man legger på det flytende metall under størknings-prosessen et periodisk magnetisk felt med variabel intensitet og en retning i det vesentlige parallell med formens akse og at Intensiteten for feltet tilpasses det ønskede nivå.

Ved å gå frem ifølge oppfinnelsen og spesielt i forbindelse med de nedenfor beskrevne spesielle fordeler, oppnås et antall fordeler som beskrevet ovenfor.

Oppfinnelsen gjør det ved å omgi formen med en sirkulær vikling omfattende en elektrisk krets tildannet av en eller flere viklinger og å legge på denne en vekselstrøm med tilstrekkelig spenning muliggjør å modifisere meniskprofilen for metallet og spesielt å variere nivået for kontaktlinjen mellom metall og formen, så meget mer som variasjoner i matespenning og i forbindelse dermed feltstyrken øker.

Ved således å øke feltstyrken var det mulig å senke nivået og derved redusere høyden av kontaktområdet mellom metall og form. Ved omvendt å redusere feltstyrken var det mulig å heve nivået og som et resultat å øke høyden av kontaktområdet .

Det vesentlige ved en slik prosess er derfor at den muliggjør å redusere høyden av kontaktflate metall/form og som et resultat derav tykkelsen av kortikalsjiktet på en enkel måte med en vikling som mates med en strøm med en industrifrekvens på 50 - 60 Hz der den eneste konsekvens av elektrisk sammenbrudd er å variere høyden av metall i formen, det vil si at enhver fare for lekkasje av flytende metall er eliminert, noe som ikke er tilfelle når man benytter den elektromagnetiske støpeprosess.

Videre, nærværet av en form som begrenser muligheten for oksydasjon av flytende metall på nivået for menisken på grunn av kontakt mellom form og metall, forhindrer enhver for-skyvning av oksydfilmen mot sideveggen og derfor enhver fare for gropdannelse på overflaten av det halvferdige produkt.

Videre har feltet som legges på metallet også den virkning at det dannes krefter i det flytende metall som homogeniserer avkjølingsvirkningen og dette gir en forbedret kornkvalitet.

Formen av spolen som danner det magnetiske felt er fortrinns-vis tilpasset den til formen slik at det dannes et felt i en retning som i det vesentlige er parallell med formaksen. Den er anordnet langs denne akse på en slik måte at det område der feltet utøver sin maksimale virkning ligger på et nivå mellom 1/2-part og 1/3 av høyden av formen, målt fra bunnen.

Kår man gjennomfører en slik støpeprosess gjør den det mulig å gi normal oppstarting under de best mulige betingelser, det vil si med et høyt metallnivå i formen. For dette formål reduseres feltstyrken eller den slås eventuelt av for å eliminere enhver modifikasjon av det vanlige metallnivå. Derefter og for å gå over i stabil driftsfase økes feltstyrken inntil det oppnås en minimumhøyde, noe som resulterer i en minimumstykkelse for kortikalsjIktet. Den maksimalt tillatelige feltstyrken kan lett påvises ved opptreden av deformasjon på overflaten av det støpte produkt når dette maksimum overskrides.

Det er derfor kun nødvendig å bestemme dette maksimum under oppstartingen av en prøvestøp og så benytte disse resultater for all støping av samme type.

Dette maksimum tilsvarer vanligvis det tidspunkt på hvilket nivået som nås av kontaktlinjen tilsvarer nivået for skjæringslinjen mellom størkningsfronten på grunn av indirekte kjøling og størkningsfronten på grunn av direkte kjøling ved en vanlig støping. Kontakthøyden reduseres så til en sirkulær linje og kortikalsjiktet opptrer ikke.

Avhengig av den type legering som støpes er det kjent at det vil være nødvendig å utføre støpingen ved forskjellige hastigheter. Prosessen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å modifisere styrken av et felt for å tilpasse denne hastig-hetsvariasjoner og for, som tidligere, å bestemme den maksimale verdi for tillatelig feltstyrke for hver av disse støpehastigheter.

Oppfinnelsen vil forstås bedre under henvisning til den ledsagende tegning som er et vertikalsnitt av to halvformer, den til venstre benyttet ifølge kjent teknikk og den til høyre benyttet ifølge oppfinnelsen.

I tegningen blir metall 5 matet til en form 3 ved en matedyse for flytende metall 1. Formen 3 har en nivåregulerende flottør 2 og avkjøles direkte av et fluid 4 som så avkjøler metallet 5 direkte på punktet 6. Den til høyre beliggende halvform er utstyrt med en vikling 7 som mates med veksel-strøm 8 for å danne det magnetiske felt hvis retning er antydet med 9 og for å forårsake en reduksjon av nivået for kontaktlinjen for overflaten av metallet i formen fra et punkt 10 som i den kjente teknikk til et punkt 11 ifølge oppfinnelsen, et punkt som befinner seg på skjæringsnivået 12 for størkningsfronten 13 som skyldes indirekte kjøling og størkningsfronten 14 som skyldes direkte kjøling. Man ser derfor at høyden for kontakten mellom metall og form er redusert fra en verdi h^ til en verdi h£ som er ekstremt liten og som kan samles i punktet 11.

Oppfinnelsen skal illustreres nærmere under henvisning til det følgende eksempel: Ved hjelp av en aluminiumsform med en diameter på 320 mm og en høyde på 100 mm ble det ifølge "Aluminium Association Standard" støpt en aluminiumlegering av typen 2214 i en hastighet av 60 mm/minutt. Flottøren regulerte metallnivået til en posisjon halvveis opp i formen og kjølefluidet kom i kontakt med huden på den støpte barre omtrent 10 mm under formbunnen.

I en første prøve ble støpingen gjennomført under den kjente teknikks betingelser og mikroskopisk undersøkelse av forskjellige snitt av barren viste at den midlere tykkelse av kortikalsjiktet var 18 mm.

Det ble så gjennomført en serie prøver i løpet av hvilke formen ble omgitt av en vikling som hadde 372 mm indre diameter, 465 mm ytre diameter og 48 mm høyde og var tildannet av 120 viklinger kobbertråd med en diameter på 3,35 mm, pålagt 50 Hz vekselstrøm.

Hver av prøvene ble gjennomført med forskjellige spenninger og de tilhørende midlere kortikaltykkelser ble målt, så vel som kornstørrelsen, ved bruk av interseksjonsmetoden.

Resultatene er gitt i den følgende tabell:

Man ser således at anvendelse av oppfinnelsens fremgangsmåte gir en progressiv reduksjon av tykkelsen av kortikalsjiktet proporsjonalt med en økning av den elektriske spenning på polene i viklingen slik at tykkelsen av kortikalsjiktet faller til 0 ved en spenning på 180 volt.

Samtidig ble kornstørrelsen redusert slik at ut fra metall med korn som målte 500 jjm ved konvensjonell støping, oppfinnelsens metode ga korn med 180 pm som gjennomsnitt.

Man fant ingen gropdannelse.

Oppfinnelsens fremgangsmåte kan benyttes ved støping av metallurgiske halvfabrikata, spesielt aluminium og legeringer, for eksempel litium-aluminiumlegeringer, hvori det er et ønske å oppå materialer med et kortikalområde på så og si null, finkornet struktur uten tidligere tilsetning av raffineringsmidler slik som AT5B og også uten gropdannelse.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å regulere nivået for kontaktlinjen mellom den frie overflate av metall og en form ved kontinuerlig vertikal støping, karakterisert ved at man legger på det flytende metall under størkningsprosessen et periodisk magnetisk felt med variabel intensitet og en retning i det vesentlige parallell med formens akse og at intensiteten for feltet tilpasses det ønskede nivå.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man benytter et felt med en Industriell frekvens.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man regulerer den sone der feltet utøver maksimal virkning til det nivå av formen som ligger mellom 1/2 og 1/3 av høyden fra bunnen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man øker feltets intensitet for å senke nivået.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man reduserer feltets intensitet for å øke nivået.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man ved støping reduserer feltets intensitet på oppstartingsøyeblikket, men lar det stige progressivt til en maksimalverdi over hvilken overflaten av det støpte produkt begynner å deformeres.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man modifiserer feltets intensitet når støpe-hastigheten varierer.