NO830653L - Fremgangsmaate for vertikal, kontinuerlig hoeyhastighetsstoeping av aluminium og legeringer derav - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for vertikal, kontinuerlig høyhastighetsstøping av aluminium og legeringer derav, spesielt i form av barrer og plater, hvis minste dimensjon ikke overskrider 150 mm.

Fagmannen har lenge hatt kjennskapet til den vertikale støpe-prosess der et metall i flytende tilstand kontinuerlig formes ved føring nedover gjennom en avkjølt, bunnløs for-m-r—fo-r- å danne barrer eller plater med større eller mindre lengde.

Etter hvert som ti-årene har gått er denne prosess forbedret med det formål å øke ytelsesnivået, både ut fra et produksjons-kapasitetssynspunkt og fra et kvalitetsaspekt.

I forsøket på å oppnå høyere støpehastigheter har man måttet

tåle problemer i forbindelse med overflatedefekter, både fysisk, nemlig en uregulær hud, og kjemiske, nemlig invers segregerings fenomener, som først ble overvunnet på relativt utilfredsstill-ende måte, ved å gjennomføre innimellom lagte "scalping" trinn på støpen. Deretter gjorde forskjellige forholdsregler hva angår materialene som ble benyttet for formene og smøring av disse, avkjølingsinnretninger samt støpeprogrammet det mulig å redusere og enkelte ganger sågar å unngå denne "scalping".

I den senere tid og spesielt for å oppnå produkter som kan benyttes direkte for transformeringstrinn, har man tydd til spesielt formingsutstyr slik som f.eks. "hot-top" der et toppmate-

hode er anordnet over råemneformen, i form av et slags reservo-

ar av flytende metall som har samme tverrsnitt som tverrsnittet for det støpte produkt og som har variabel høyde, og som dannes av et ildfast og isolerende materiale.

En slik apparatur resulterte i produkter som er forbedret med henblikk på overflatebetingelsene men, avhengig av typen legering som støpes, er det funnet at det er en optimal hastighet som ikke må overskrides da ellers huden eller overflatesjiktet for den støpte overflate lider av opprivningseffekter. Selv om det er mulig å begrense denne defekt ved å forbinde toppmatehodet med former som er av liten høyde, kan likevel ikke slik koblet montering benyttes i forbindelse med plater som er nær 150 mm i tykkelse, for på grunn av deformasjon av denne i det øyeblikk bevegelsen starter, kan de forårsake skade på

mater hodet, spesielt når diameteren i mater hodet er mindre enn den for råemneformen.

Under disse betingelser er det funnet at hvis det er et behov

for å støpe høykvalitetsbarrer med en diameter på 100 mm, selv med en form som er 1,5 cm høy, er den beste hastighet som kan oppnås med den mest egnede legering 3 00 mm pr. minutt, noe som også bekreftes av FR-PS 2 249 728.

En annen måte for reduksjon av opptredenen av defekter på over-flaten av støpeemnene omfatter å utføre formingstrinnet uten noen kontakt med en form. Dette kan oppnås ved å føre flyten-

de metall gjennom senteret av en induksjonsinnretning som skaper et elektromagnetisk felt og som således danner krefter som bidrar til å gi væsken en egnet definert form. Denne form blir således opprettholdt ved å tillate metallet å størkne,

ved å sprøyte direkte på det med en varmevekslervæske.

Det er hevet over enhver tvil at en slik prosess gjorde det

mulig i det vesentlige å forbedre overflatetilstanden for støp-en og vesentlig å redusere opptredenen av invers segregering men metoden lider av visse mangler. Ved bruk av denne prosess nødvendiggjøres således en opprettholdelse av en konstant høyde av flytende metall over grenseflaten med størknende metall. For å oppnå dette er det tatt i bruk en dyse- flyte inn-

retning som er noe romkrevende og som er spesielt vanskelig å anbringe i posisjon når det ønskede mål er å støpe komponenter ,der en av dimensjonene til komponentene ikke over-

skrider 150 mm. I tillegg forårsakes turbulens der denne innretning befinner seg hvis støpehastigheten skal økes ut over visse verdier, og en slik turbulens resulterer i deformasjon av metall menisken og resulterer i dannelse av unduler-inger eller uregelmessigheter på den støpte gjenstands overflate. I tillegg kan slik deformasjon flytte nivå for det smeltede metall til fluktelinjen for varmevekslerfluidet eller kan resultere i dannelse av en hud som fremdeles vil være tynn på det tidspunkt der den slipper ut fra påvirkning-eri--av- fel-t-e-t og i henhold til dette vil rives opp under virkningen av det-metallostatiske trykk, eller igjen kan en slik deformasjon forårsake at huden smeltes om igjen. Virkningen av dette vil være å øke overflatedefektene på den støpte gjenstand for ikke å nevne den risiko arbeidspersonalet løper på grunn av eksplo-sjonsfare.

Slike vanskeligheter betyr når det gjelder stenger med diamet-

er på 150 mm at det er vanskelig å oppnå støpehastigheter på

mer enn 300 mm pr. minutt.

Foreliggende søknad har tilstrebet å komme frem til støpte stenger eller plater med minste dimensjon på ikke mer enn 150

mm med støpehastigheter på mer enn 500 mm pr. min. og har søkt og utviklet en prosess som tillater at man overvinner de an-. gitte vanskeligheter. t\

Denne vertikale kontinuerlige støpeprosess kombinerer bruken

av et varmtopp- eller matehode for tilførselen av flytende metall, en elektromagnetisk induksjonsinnretning og en direkte avkjølingsinnretning for forming av produktet som skal frem-stilles. Fremgangsmåte karakteriseres ved at posisjonen for toppmatehodei kontrolleres ved hjelp av en vertikal bevegelse

med henblikk på induksjonsinnretningen som danner feltet på

en slik måte under støpingen at det opprettholdes en konstant avstan^ mellom basisplanet for toppmatehodet og planet som passerer gjennom størkningsfronten ved periferien av det stø-

pte produkt.

Således benytter foreliggende søknader et konvensjonelt toppmatehode som i tverrsnitt er nær det støpte produkt og som er åpen i de to ender og hvor det flytende metall justeres til en viss høyde ved hjelp av et egnet matesystem. Anbragt uten-for matehodet og omtrent på samme nivå befinner det seg en ringkjøleinnretning som besprøyter det støpte produk-t-over-den hele periferi i en avstand fra basisplanet for matehodet slik at størkningen av metallet initieres under dette plan, og at en region av ikkeomhyllet flytende materiale opprettholdes

over hele tverrsnittet av det støpte produkt.

Det er over det ovenfor nevnte område for ikke omhyllet flytende materiale at virkningen av feltet som skapes ved induksjonsinnretningene legges på, idet virkningen av disse er å mot-virke det metallostatiske trykk for væsken inneholdt i matehodet og å gi det ikke omhyllede flytende materiale en gitt profil.

I drift begynner størkningen i periferien av produktet langs

en linje som ligger i et plan som generelt er loddrett på aks-

en for den støpte gjenstand hvis kjøleinnretningene er egnet posisjonert, og denne skrider omtrent symmetrisk og progressivt frem innover og nedover i det støpte materiale inntil, etter en større eller mindre avstand fra toppmatehodet, kontakt mellom flytende og fast fase reduseres til et punkt eller en del av en rett linje langs tverrsnittet i den støpte gjenstand. Grensen mellom fasene angis som størkningsfronten.

Et slikt system tillater ikke å oppnå de ønskede støpehastig- heter da størkningsfronten ikke er stabil og skiftes i økende grad nedover i forhold til økende hastighet. Dette resulter-

er i en økning av lengden for området av ikkeomhyllet flytende materiale slik at virkningen av det dannede felt finnes å være utilstrekkelig, noe som før størkning resulterer i dannelse av en abnorm profil eller sågar resulterer i at metallet bryter og det renner materiale ut fra formen.

Søkeren har overvunnet dette problem ved å kontrollere posisjonen av toppmatehodet ved hjelp av en vertikal bevegelse med henblikk på- induksjonsinnretningene på en slik måte at det opprettholdes en konstant avstand mellom basisplanet for toppmat e hodet og planet som går gjennom størkningsfronten ved periferien av støpen. Når således størkningsfronten har en tendens til å beveges seg bort fra matehodet trer den ovenfor antydede kontrollvirkning i virksomhet og gjør det mulig å holde områd-

et for ikkeomhyllet flytende materiale på en høyde som er for-enelig med regulær geometri for den støpte gjenstand. Den ovenfor antydede høyde opprettholdes til en verdi på mindre enn 15 mm og fortrinnsvis 10 mm uten noen gang å være 0, i hvilket tilfelle størkningen ville inntre i matehodet og resultere i dårlig overflatetilstand.

Mens posisjonen for matehodet således er bundet til posisjonen for fronten må posisjonen for denne først oppdages. Posisjon-

en for fronten kan fastslås ved bruk.av hvilken som helst for fagmannen kjente innretninger, f. eks. sonder, eller ved å

bruke matematiske forhold som gir posisjonen for fronten med henblikk på punktet for sammentreff med vannet, avhengig av støpehastighet. Posisjonen for toppmatehodet justeres deretter ved å bevege dette vertikalt ved hjelp av et hvilket som helst egnet system som kan kontrolleres på basis av fastslåelse av størkningsfrontposisjonen.

Søkeren har også funnet at bevegelse av matehodet kan kombin-

eres med bevegelse av kjøleinnretningene.

Det ska,l først gjøres kjent at området for sammenstøt med varmevekslerfluidet, spesielt når det er vann, må være uten-

for området for ikke omhyllet flytende materiale da det ellers ville foregå en kjemisk reaksjon med aluminium, noe som med-fører fare for eksplosjon. Som et resultat er fluidstrålen rettet mot den faste del av den støpte gjenstand.

Ved driftlikevektsforhold inntrer størkningsfronten i konstant avstand over sammenstøtsområdet; det er derfor mulig for front-posisjonen å justeres ved å regulere bevegelsen av--k-j-ø-leinn-re-t= ningene.

Når støpehastigheten økes er det sett at fronten beveges nedover; hvis akselerasjonshastigheten er lav forblir fremgangsmåten nær likevektsbetingelser og størkningsfronten kan opprettholdes idet man lar kjølemidlene være stasjonære; hvis på

den annen side akselerasjonen er høy flyttes systemet over i en ikkelikevekts tilstand og kjøleinnretningen må beveges nedover for å unngå besprøyting av det flytende område av den støpte gjenstand. Fortrinnsvis er den øvre grense for området som besprøytes med fluid fra kjøleinnretningene i en avstand av 1 - 6 mm fra fronten.

Når systemet har nådd driftsbetingelser kan kjøleinnretningene progresivt beveges oppover igjen for å føre fronten oppover til en posisjon nær midten av induksjonsinnretningene, noe som er den beste posisjon for støping. Da toppmatehodet er bevegetinedover som antydet ovenfor for å opprettholde området av ikkeomhyllet flytende materiale ved konstant høyde kan matehodet nu beveges oppover igjen etterhvert som fronten beveger seg oppover. Systemet returnerer således progresivt til ut-gangsposisjonen for matehodet og kjøleinnretningene og en ny akselerasjonsprosedyre kan således igangsettes.

På denne måte tillater kombinasjonen av de to bevegelser en større hastighetsøkning.

Her kan også bevegelsen for kjølesystemet tilveiebringes på

en hvilken som helst egnet måte.

De ovenfor antydede justeringer med henblikk på avstanden er heller nøyaktige og krever derfor at sammenstøtsområdet defi-neres klart. Dette oppnås ved hjelp av midler som gir flate perifere stråler eller duker av vann som er mindre enn 1 mm tykke og som er i liten vinkel til vertikalen, mellom 10 og 3 0°. Fluidet må også slynges ut med høy hastighet—fo-r- å unngå kalefaksjonsfenomener; trykket som legges på er vanligvis, tilstrekkelig til å gi en hastighet på minst.1 m/sek.

Likevel er det ikke mulig å sprøyte ut tilstrekkelig fluid til

å gi total størkning på punkt. Av denne grunn suppleres av-kjølingsvirkningen ved hjelp av et ytterligere trinn.

Dette ytterligere trinn kan omfatte en hvilken som helst innretning for å fordele flate stråler eller dråper. Imidlertid er kravet med henblikk på nøyaktighetsgraden for sammenstøtet mellom kjølefluid og materiale mindre alvorlig. F. eks. er det mulig å benytte flate stråler eller vannduker som er 2 mm tykke og som er rettet nedover i.en vinkel på mer enn 4 5°, og som slynges ut med hastigheter på mer enn 3 m/sek.

Under støpingen kan nivået av væske i matehodet variere på en slik måte at høyden over størkningsfronten ved periferien av produktet er 25-80 mm.

Oppfinnelsen vil forstås bedre under henvisning til den led-sagende tegning som viser en støpeinnretning for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Under henvisning til tegningen er de følgende komponenter vist: den bevegelige varmtopp eller toppmatehode 1 har en for- størret øvre del for å lette tilpasning av dyse-flottør matesystemet 2 og en nedre del hvis tverrsnitt er nær den forstøpte produkt,

induksjonsinnretninger 3 for å danne det elektromagnetiske -

felt som virker på området 4 av flytende metall under matehodet ,

de bevegelige kjøleinnretninger 5 som er anordnet rundt matehodet og som slipper ut en flat perifer stråle av vann 6 til en posisjon under størkningsfronten 7,

et ytterligere kjøletrinn 8 som befinner seg under induksjonsinnretningen og som gir en stråle av fluid ved 9.

Under drift opprettholder dyse-flottørsystemet nivået for flytende metall 10 på egnet høyde mens bevegelse av matehodet og kjøleinnretningene kontrolleres på en slik måte at det sprøytes fluid på den støpte gjenstand umiddelbart under fronten, og til å forårsake at fronten beveger seg oppover igjen, uansett støpehastighet, til nivået for midten av induksjonsinnretningen, og til å opprettholde konstant avstand mellom basisplanet for matehodet og strekningsfronten.

Oppfinnelsen skal illustreres ved hjelp av eksempler.

Eksempel 1 K

Ved bruk av en installsjon som omfattet et toppmatehode med 120 mm innvendig diameter og 80 mm høyde, en kjøleinnretning som slapp ut 3 m 3 vann/time i form av en flat stråle med tykkelse 0,8 mm og som var skrådd 30° med henblikk på vertikalplanet, og med en hastighet på 2,5 m pr. sek., en induksjonsinnretning som ble matet med 10 volt spenning med en strøm-styrke på 4200 A og en frekvens på 2000 Hz og en ytterligere kjøleinnretning som slapp ut 6 m^/time vann i form av en flat stråle med en tykkelse på 1 mm og skrådd 45° med henblikk på vertikalen med en hastighet på 3,5 m/sek. ble det støpt en stang med diameter 120 mm av en aluminiumlegering 5754 med en hastighet på 900 mm/min. mens en avstand på 13 mm ble opprettholdt mellom basisplanet for matehodet og planet som gikk gjennom størkningsfronten, og en avstand på 1 mm mellom den øvre grense for området som ble besprøytet med kjølefluid og størkningsfronten.

Høyden for det flytende metall over størkningsfronten, fast-slått ved periferien av produktet, varierte mellom.-3-O—og, ,50,-mnu.

Eksempel 2

Ved bruk av en installasjon omfattende et toppmatehode med

et indre tverrsnitt på 100 x 200 mm og en høyde på 80 mm, et kjølesystem som slapp ut 4 m 3/time vann i form av en flat stråle med tykkelse 0,7 mm, skrådd 15° mot vertikalplanet, i en hastighet på 2,5 m/sek., en induksjonsinnretning med en spenning på 18 volt med en strømstyrke på 3600 A og en frekvens på 2000 Hz, og en ytterligere kjøleinnretning som slapp ut 15 m 3/time vann i form av to flate stråler med 1. mm tykkelse skrådd 4 5° med henblikk på vertikalplanet, med en strømnings-hastighet på 3,2 m/sek., ble det støpt en plate med dimensjon 100 x 200 mm av aluminiumlegering 1050 i en hastighet på 960 m/min;, mens en avstand på '8 mm ble holdt mellom basisplanet for matehodet og planet som gikk igjennom størkningsfronten,

og en avstand på 2 til 3 mm mellom den øVre grense av det be-sprøytede område og størkningsfronten.

Eksempel 3.

Ved bruk av en installasjon omfattende et toppmatehode med et indre tverrsnitt på 100 x 1300 mm og en høyde på 80 mm, en kjøleinnretning som slapp ut 17 m^/time vann i form av en flat

stråle med en tykkelse på 0,7 mm og skrådd i en vinkel på

15° med henblikk på vertikalplanet ved en strømningshastighet på 2,4 m/ sek., en induksjonsinnretning matet med 19 volt spenning og en strømstyrke på 5900 A ved en frekvens på 2000

Hz, og en ytterligere kjøleinnretning som slapp ut vann i en mengde av 80 m 3/time i form av fire flate stråler med tykkelse 1 mm og skrådd 4 5° med henblikk på vertikalplanet, ved en hastighet på 2,0 m/sek., ble det støpt en plate med målene 100 x 1300 mm fra en aluminiumlegering 1050 i en hastighet av 750 mm/min. mens det ble opprettholdt en avstand på 14 mm mellom basisplanet for matehodet og planet som gikk gjennom størk-ningsf ronten , og en avstand på 4 mm mellom den øvr-e.—gx-ense -3,v. det besprøytede område og størkningsf ronten.

Foreliggende oppfinnelse tillater kontinuerlig støping av aluminium og legeringer derav i hastigheter på over 500 mm/min.

i form av stenger eller plater hvis minste dimensjon ikke over skrider 150 mm og som har en overflate som ikke krever noen "scalping" behandling.

K

Claims (6)

1. Framgangsmåte for vertikal kontinuerlig støping av aluminium og legeringer derav i form av stenger eller plater, hvis minste dimensjon ikke overskrider 150 mm, i en hastighet på mer enn 500 mm/min., ved å kombinere bruken av et toppmatehode for tilmatning av flytende metall, en elktromagnetisk induksjonsinnretning og direkte kjøleanordning for forming av produktet som skal frem-stilles,karakterisert vedat posisjonen av toppmatehodet reguleres ved hjelp av en vertikal bevegelse med henblikk på posisjonen for induk-s.j-on.sinn-,..„ retningen som danner feltet, på en slik måte at det opp-.-rettholdes en konstant avstand mellom basisplanet for toppmatehodet og planet som går gjennom størkningsfront-en ved periferien av det støpte produkt under støpingen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at det opprettholdes en konstant avstand på mindre enn 15 mm.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at posisjonen av kjøleinnretningene reguleres ved en vertikal bevegelse med henblikk på posisjonen av in-duks jonsinnretningen .

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisertved at den øvre grense av området som besprøytes med fluid ved hjelp av kjøleinnretningene befinner seg i en avstand av 1-6 mm fra fronten.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3,:karakterisertved at kjøleinnretningene slipper ut en flat stråle av vann med en tykkelse på mindre enn 1 mm og som holder en vinkel på mindre enn 30° med henblikk på vertikalplanet og som slynges ut med en hastighet på mer enn 1 m/sek.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at et ytterligere kjøletrinn er anordnet under induksjonsinnretningene.