PL230182B1 - Method for products from metals and their alloys, using a continuous casting with the additional structure shaping and the system for execution of this method - Google Patents

Method for products from metals and their alloys, using a continuous casting with the additional structure shaping and the system for execution of this method

Info

Publication number
PL230182B1
PL230182B1 PL414263A PL41426315A PL230182B1 PL 230182 B1 PL230182 B1 PL 230182B1 PL 414263 A PL414263 A PL 414263A PL 41426315 A PL41426315 A PL 41426315A PL 230182 B1 PL230182 B1 PL 230182B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
alloys
casting
melting
metals
cooling
Prior art date
Application number
PL414263A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL414263A1 (en
Inventor
Tadeusz Knych
Andrzej Mamala
Paweł Kwaśniewski
Witold Gajdek
Adam Pęczar
Grzegorz Kiesiewicz
Wojciech Ściężor
Artur Kawecki
Beata Smyrak
Radosław Kowal
Szymon Kordaszewski
Krystian Franczak
Justyna Grzebinoga
Eliza Sieja-Smaga
Original Assignee
Adamet Witold Gajdek Adam Peczar Spolka Jawna
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Adamet Witold Gajdek Adam Peczar Spolka Jawna filed Critical Adamet Witold Gajdek Adam Peczar Spolka Jawna
Priority to PL414263A priority Critical patent/PL230182B1/en
Publication of PL414263A1 publication Critical patent/PL414263A1/en
Publication of PL230182B1 publication Critical patent/PL230182B1/en

Links

Landscapes

  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

Zgłoszenie dotyczy sposobu wytwarzania wyrobów z metali i ich stopów, z wykorzystaniem ciągłego odlewu z dodatkowym kształtowaniem struktury, który obejmuje etap: topienia w temperaturze nie mniejszej niż temperatura topnienia metali i ich stopów zawartych w materiale wsadowym w postaci granulatu z metali nieżelaznych i ich stopów lub/i złomu metali nieżelaznych oraz etap odlewania wyborów wraz z ich schładzaniem, zwłaszcza wyrobów o przekroju poprzecznym zbliżonym do okręgu lub prostokąta, charakteryzujący się tym, że przed etapem odlewania stopiony materiał wsadowy poddaje się dodatkowemu mieszaniu z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego w temperaturze nie mniejszej niż temperatura topnienia metali zawartych w materiale wsadowym. Zgłoszenie dotyczy także układu do wytwarzania wyrobów z metalu i ich stopów z wykorzystaniem ciągłego odlewu z dodatkowym kształtowaniem struktur.The application concerns a method of producing products from metals and their alloys, using continuous casting with additional structure shaping, which includes the stage of: melting at a temperature not lower than the melting point of metals and their alloys contained in the feed material in the form of granules of non-ferrous metals and their alloys or /and non-ferrous metal scrap and the stage of casting selections together with their cooling, especially products with a cross-section close to a circle or rectangle, characterized by the fact that before the casting stage, the molten charge material is subjected to additional mixing using an electromagnetic field at a temperature not less than melting of metals contained in the feed material. The application also concerns a system for producing products from metal and their alloys using continuous casting with additional structure shaping.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania wyrobów z metali i ich stopów z wykorzystaniem ciągłego odlewu z dodatkowym kształtowaniem struktury, w tym zwłaszcza odnosi się do wytwarzania prętów, profili i blach. Wynalazek dotyczy także układu do realizacji tego sposobu. W wyniku zastosowania sposobu będącego przedmiotem wynalazku, uzyskuje się wyroby o drobnoziarnistej strukturze krystalicznej, w wyniku zastosowania w procesie odlewu dodatkowego elementu w postaci układu grzewczo-chłodzącego. Przedstawiony sposób otrzymywania materiałów stanowi efekt badań nad własnościami stopów na bazie miedzi. Materiał uzyskiwany w wyniku zastosowania sposobu według wynalazku posiada silnie rozdrobnioną strukturę wewnętrzną i cechuje się podwyższonymi własnościami eksploatacyjnymi. Wynalazek dotyczy także układu do realizacji ww. sposobu.The invention relates to a method of producing products from metals and their alloys using continuous casting with additional shaping, in particular it relates to the production of bars, profiles and sheets. The invention also relates to a system for carrying out the method. As a result of the method being the subject of the invention, products with a fine-grained crystal structure are obtained as a result of using an additional element in the casting process in the form of a heating and cooling system. The presented method of obtaining materials is the result of research on the properties of copper-based alloys. The material obtained by applying the method according to the invention has a finely fragmented internal structure and is characterized by increased operating properties. The invention also relates to a system for implementing the above-mentioned way.

Rozwiązania według wynalazku dotyczą rozwiązań stosowanych w metalurgii.The solutions according to the invention relate to solutions used in metallurgy.

Ze stanu techniki znane są różne sposoby wytarzania prętów z wykorzystaniem ciągłego odlewu oraz układy do realizacji tych sposobów.Various methods of producing rods using continuous casting and systems for carrying out these methods are known in the art.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US4515204 znany jest sposób wytwarzania odlewów charakteryzujących się strukturą wewnętrzną z kilkoma długimi kryształami na przekroju wzdłużnym odlewu, która jest uzyskiwana przez specjalny układ krystalizatora lokalnie podgrzewający metal poprzez wyeliminowanie układu chłodzenia pierwotnego. Wewnętrzne ścianki formy krystalizatora, utrzymuje się w temperaturze nieco wyższej od temperatury krzepnięcia, w ten sposób metal utrzymuje stan ciekły, aż do momentu jego opuszczenia. Dodatkowo zastosowana atmosfera ochronna w postaci azotu, argonu bądź helu, pozwala uniknąć ewentualne utlenienia bądź segregacji składników stopowych w wyniku działania wysokiej temperatury. Powierzchnia roztopionego metalu w otworze wylotowym może mieć zasadniczo zerowe ciśnienie. Przedstawiony wynalazek umożliwia ciągły odlew w układzie pionowym w dół, poziomym oraz każdym innym kierunku, który umożliwia otrzymanie wlewków, w tym płyt, rur z powierzchnią o wysokiej gładkości. W wyniku tego procesu otrzymuje się materiał o ukierunkowanej kolumnowej strukturze powstającej wzdłuż osi odlewania. Parametry procesu posiadające silny wpływ na jakość otrzymanego wyrobu to m.in. ciśnienie na wyjściu z krystalizatora, prędkość odlewania oraz temperatura.From the American patent application US4515204 there is known a method of producing castings characterized by an internal structure with several long crystals on the longitudinal section of the casting, which is obtained by a special crystallizer system locally heating the metal by eliminating the primary cooling system. The inner walls of the mold of the crystallizer are kept at a temperature slightly above the freezing point, thus keeping the metal in a liquid state until it exits. Additionally, the protective atmosphere used in the form of nitrogen, argon or helium avoids possible oxidation or segregation of alloy components as a result of high temperature. The surface of the molten metal at the outlet may be substantially zero pressure. The present invention enables continuous casting in a vertical downward, horizontal and any other direction, which allows to obtain ingots, including plates, pipes, with a high smooth surface. The result of this process is a material with an oriented columnar structure along the casting axis. Process parameters that have a strong influence on the quality of the product obtained include: pressure at the outlet from the mold, pouring speed and temperature.

Inny przykład wykorzystania metody ciągłego odlewania przedstawiono w amerykańskim zgłoszeniu patentowym US4605056. W myśl tego rozwiązania metal podlega stopieniu w otwartej poziomej formie, której ściany posiadają wyższą temperaturę od temperatury krzepnięcia metalu. Podczas, gdy stopiony metal utrzymywany jest w formie pod zerowym ciśnieniem wyjście z formy ulega otwarciu, wprowadzany jest pręt startowy, który ma za zadanie wyprowadzenie ciekłego metalu z formy w postaci zakrzepniętego wyrobu. W przedstawionym rozwiązaniu autorzy wielokrotnie zwracają uwagę na dobór odpowiedniej szybkości odlewania oraz utrzymywanie stosunkowo wysokiej temperatury formy wypełnionej ciekłym metalem. Spełnienie tych dwóch warunków ma się stać gwarantem minimalizacji strat związanych z pękaniem odlewów. Utrzymywanie otwartej górnej powierzchni ciekłego metalu pozwala całkowicie wyeliminować w trakcie krzepnięcia wydostawanie się gazów z ciekłej kąpieli do otaczającej atmosfery. To z kolei daje możliwość uniknięcia możliwych do wystąpienia pęcherzów gazu na powierzchni wyrobów - prętów bądź blach. Przedstawione rozwiązanie posiada dużą zaletę, a mianowicie możliwość wprowadzenia kilku kanałów wnękowych, w celu odlewania większej ilości prętów.Another example of the use of the continuous casting method is presented in the US patent application US4605056. According to this solution, the metal is melted in an open, horizontal mold, the walls of which have a temperature higher than the solidification point of the metal. While the molten metal is held in the mold at zero pressure, the exit from the mold opens and a starter bar is introduced to guide the molten metal out of the mold as a solidified product. In the presented solution, the authors repeatedly pay attention to the selection of the appropriate casting speed and maintaining a relatively high temperature of the mold filled with liquid metal. The fulfillment of these two conditions is to guarantee the minimization of losses associated with cracking of the castings. By keeping the upper surface of the liquid metal open, it is possible to completely eliminate the escape of gases from the liquid bath into the surrounding atmosphere during solidification. This, in turn, makes it possible to avoid possible gas bubbles on the surface of products - bars or sheets. The presented solution has a great advantage, namely the possibility of introducing several cavity channels in order to cast more bars.

Z kolei w amerykańskim zgłoszeniu patentowym US5271452 przedstawione zostało kolejne rozwiązanie technologiczne obejmujące proces ciągłego odlewania wykorzystując w tym celu przejściowy kanał odlewniczy. Ściany formy odlewniczej, przez który przepływa ciekły metal ogrzewane są za pomocą gazu podawanego pod ciśnieniem. Pozwala to wyeliminować możliwość wystąpienia menisku w dolnej części ścian formy. Technologia ta przewiduje również zastosowanie jedynie systemu chłodzenia w postaci układu bezpośrednio natryskiwanej na zakrzepły materiał wody chłodzącej.In turn, the US patent application US5271452 presents another technological solution involving a continuous casting process using for this purpose a casting transition channel. The walls of the casting mold, through which the liquid metal flows, are heated by a pressurized gas. This eliminates the possibility of a meniscus in the lower part of the mold walls. This technology also provides for the use of only a cooling system in the form of a system of cooling water directly sprayed onto the solidified material.

Sposób ciągłego odlewania przedstawiony w polskim patencie PL 134 861 przewiduje podwyższenie własności użytkowych wyrobów, a przede wszystkim poprawę struktury odlewów poprzez wprowadzenie dodatkowego czynnika, jakim jest działanie wirującego rewersyjnego pola magnetycznego w trakcie krzepnięcia ciekłego metalu. Powyższy sposób prowadzenia procesu odlewania eliminuje niekorzystny efekt rozrostu dendrytów, wprowadzając układ generujący rewersyjne prądy wirowe. Zmniejszenie gradientu temperatury kąpieli w konsekwencji umożliwia sukcesywną fragmentację dendrytów, zmniejszenie segregacji oraz powstawanie zarodków krystalizacji.The method of continuous casting presented in the Polish patent PL 134 861 provides for the improvement of the functional properties of the products, and above all the improvement of the structure of castings by introducing an additional factor, which is the action of the rotating reverse magnetic field during solidification of the liquid metal. The above method of conducting the casting process eliminates the unfavorable effect of dendrite growth by introducing a system that generates a reverse eddy current. The reduction of the bath temperature gradient as a consequence enables the successive fragmentation of dendrites, reduction of segregation and the formation of nucleating agents.

PL230 182 Β1PL230 182 Β1

W szczególności znany jest także z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.393457 układ zawierający piec indukcyjny wraz z krystalizatorem opracowany przez zespół pod kierownictwem T. Knycha. Jest on wyposażony w układ krystalizacji pierwotnej obejmujący krystalizator w osłonie ceramicznej oraz układ chłodzenia wtórnego.In particular, a system containing an induction furnace with a crystallizer, developed by a team led by T. Knych, is also known from the Polish patent application No. P.393457. It is equipped with a primary crystallization system including a crystallizer in a ceramic sheath and a secondary cooling system.

Istotnym staje się zapewnienie odpowiedniego stopnia rozdrobnienia struktury odlewów, która w klasycznych technologiach odlewania jest typową gruboziarnistą strukturą dendrytyczną przenoszącą się na znaczną niejednorodność strukturalną chociażby w procesie kształtowania odkuwek w procesie jednooperacyjnego kucia matrycowego. Gruboziarnista niejednorodna struktura wewnętrzna jest zazwyczaj bardzo niepożądana, z punktu widzenia np. odporności korozyjnej, reologiczne oraz udarności, rzutuje również na szereg cech eksploatacyjnych elementów konstrukcyjnych, dlatego też celowe są działania zmierzające do jej rozdrobnienia.It becomes important to ensure the appropriate degree of fragmentation of the structure of the castings, which in classic casting technologies is a typical coarse-grained dendritic structure that translates into significant structural heterogeneity, for example in the process of shaping forgings in the process of single-operation die forging. The coarse-grained inhomogeneous internal structure is usually very undesirable, from the point of view of e.g. corrosion resistance, rheological resistance and impact toughness, it also affects a number of operational features of structural elements, therefore actions aimed at its fragmentation are purposeful.

Aby możliwe było uzyskanie odpowiednio drobnoziarnistej struktury krystalicznej wyrobu, niezbędnym staje się wprowadzenie nowego układu krystalizacji ze strefą grzewczo-chłodzącą. Aby krystalizacja zachodziła z dużą intensywnością wymagane jest szybkie odprowadzanie ciepła. Zwiększenie intensywności chłodzenia, powoduje zwiększenie prawdopodobieństwa wystąpienia niekorzystnego zjawiska przechłodzenia odlewanego profilu, który odbierając ciepło od ciekłego metalu szczególnie w strefie tzw. buta, czyli zasilania krystalizatora w metal, w konsekwencji prowadzi do jego zamrożenia w piecu oraz zerwania pasma odlewanego profilu.To obtain a sufficiently fine-grained crystal structure of the product, it becomes necessary to introduce a new crystallization system with a heating and cooling zone. For crystallization to occur with high intensity, rapid heat removal is required. Increasing the cooling intensity increases the probability of the unfavorable phenomenon of supercooling of the cast profile, which receives heat from the liquid metal, especially in the zone of the so-called shoe, i.e. supplying the crystallizer with metal, as a consequence leads to its freezing in the furnace and breaking the strip of the cast profile.

Z opisanego wyżej stanu techniki wynika potrzeba opracowania takiego rozwiązania technologicznego, które dadzą możliwość skutecznego kształtowania struktury drobnoziarnistej w jednej operacji formowania odlewu w sposób ciągły, co w efekcie doprowadziłoby do otrzymania materiałów o podwyższonych własnościach eksploatacyjnych. Nastąpiłoby także skrócenie technologii otrzymywania materiałów oraz zmniejszenie energochłonności całego procesu. Pozwoli to na zmniejszenie kosztu produkcji poszczególnych etapów linii technologicznej.From the above-described prior art, there is a need to develop such a technological solution that will enable effective shaping of a fine-grained structure in one continuous casting operation, which would result in obtaining materials with improved operational properties. The technology of obtaining materials would also be shortened and the energy consumption of the entire process would be reduced. This will allow to reduce the cost of production of individual stages of the technological line.

Ogólnie znane i powszechnie stosowane na świecie są różnorakie technologie odlewania ciągłego w postaci przemysłowych instalacji takich jak Upcast, Routomead, Unicast, Conticast, Termetal, SMS Meer, systemy łączące w sobie ciągły odlew z przeróbką plastyczną na gorąco - linie OCR Southwire - linie OCR Southwire COiW Continuus-Properzi oraz metody Twin Roli Casting, jak i klasyczne metody uzyskiwania wyrobów w procesach wyciskania, walcowania, kucia, ciągnienia czy tłoczenia.Generally known and widely used in the world are various continuous casting technologies in the form of industrial installations such as Upcast, Routomead, Unicast, Conticast, Termetal, SMS Meer, systems combining continuous casting with hot plastic processing - Southwire OCR lines - Southwire OCR lines COiW Continuus-Properzi and Twin Roli Casting methods, as well as classic methods of obtaining products in the processes of extrusion, rolling, forging, drawing or stamping.

Klasyczne technologie odlewania ciągłego opierają się na metodzie krystalizacji poprzez układ chłodzenia pierwotnego oraz wtórnego. Warunki krystalizacji (tj. prędkość odlewania, intensywność chłodzenia, temperatura ciekłego metalu i inne) są tak dobierane, aby zachodził proces krystalizacji i nie następowało zarówno nadmierne przechłodzenie metalu w piecu (migracja frontu krystalizacji w kierunku tygla) oraz zbyt niska intensywność chłodzenia (migracja frontu krystalizacji do wyjścia z krystalizatora). Metody ciągłego odlewania i przeróbki plastycznej na gorąco czy na zimno umożliwiają znacznie większe możliwości kształtowania struktury i własności wyrobów i półwyrobów jednakże, wiążą się jednoznacznie ze wzrostem cen produktów finalnych. W analizowanych aktualnie stosowanych przemysłowych rozwiązaniach nie stosuje się linii do odlewania ciągłego opartych o piec wyposażony w układ modyfikacji elektromagnetycznej w strefie przykrystalicznej i układ krystalizacji do ultraszybkiego chłodzenia z zastosowaniem nowych materiałów krystalizatorowych. Zastosowanie nowatorskich kształtów krystalizatorów z wkładkami z materiałów wysoko przewodzących cieplnie oraz odpornych na ścieranie (syntetycznego diamentu polikrystalicznego TSP alternatywnie węglika krzemy) zwiększy efekty szybkiego przechłodzenia oraz pozwoli na wydłużenie czasu eksploatacji krystalizatorów.Classic continuous casting technologies are based on the method of crystallization through a primary and secondary cooling system. The crystallization conditions (i.e. casting speed, cooling intensity, liquid metal temperature, etc.) are selected so that the crystallization process takes place and there is no excessive overcooling of the metal in the furnace (migration of the crystallization front towards the crucible) and too low cooling intensity (migration of the front crystallization to exit from the crystallizer). The methods of continuous casting and hot or cold plastic working allow for much greater possibilities of shaping the structure and properties of products and semi-finished products, however, they are clearly associated with an increase in the prices of final products. In the currently used industrial solutions, continuous casting lines based on a furnace equipped with an electromagnetic modification system in the crystalline zone and a crystallization system for ultrafast cooling with the use of new crystallizing materials are not used. The use of innovative shapes of crystallizers with inserts made of highly thermally conductive and abrasion-resistant materials (synthetic polycrystalline diamond TSP, or silicon carbide) will increase the effects of rapid supercooling and will extend the service life of the crystallizers.

Celem wynalazku jest uzyskanie lepszych parametrów użytkowych wytarzanych materiałów, korzystnie prętów, bądź też płaskowników, czy blach, w nowatorskim procesie odlewania ciągłego z układem wysoko wydajnej elektromagnetycznej modyfikacji struktury w strefie przykrystalicznej systemu chłodzenia pierwotnego przeznaczonych do wyrobów na bazie czystych metali i ich stopów.The aim of the invention is to obtain better performance parameters of the produced materials, preferably bars, or flat bars or sheets, in an innovative continuous casting process with a system of highly efficient electromagnetic structure modification in the crystalline zone of the primary cooling system intended for products based on pure metals and their alloys.

Istotną wynalazku jest sposób wytwarzania wyrobów z metali i ich stopów, zwłaszcza stopów aluminium, z wykorzystaniem ciągłego odlewu z dodatkowym kształtowaniem struktury, który obejmuje etap: topienia w temperaturze nie mniejszej niż temperatura topnienia metali zawartych w materiale wsadowym w postaci granulatu z metali nieżelaznych i ich stopów lub/i złomu metali nieżelaznych, oraz etap odlewania wyborów wraz z ich schładzaniem, zwłaszcza wyrobów o przekroju poprzecznym zbliżonym do okręgu lub prostokąta, charakteryzujący się tym, że przed etapem odlewania stopiony materiał wsadowy poddaje się mieszaniu z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego w temperaturze nie mniejszej niż temperatura topnienia metali zawartych w materiale wsadowym.An important aspect of the invention is a method of producing products from metals and their alloys, especially aluminum alloys, using continuous casting with additional structure shaping, which includes the step of: melting at a temperature not lower than the melting point of metals contained in the charge material in the form of granules of non-ferrous metals and their alloys and / or scrap of non-ferrous metals, and the stage of casting the selections with their cooling, especially products with a cross-section close to a circle or a rectangle, characterized in that before the casting stage, the molten batch material is mixed with the use of an electromagnetic field at a temperature not lower than than the melting point of metals contained in the feed material.

PL230 182 Β1PL230 182 Β1

Korzystnie, gdy materiał wsadowy w postaci granulatu z metali nieżelaznych i ich stopów lub/i złomu metali nieżelaznych stanowią stopy zawierające jako bazowy składnik stopowy aluminium i/lub miedź, zwłaszcza gdy do bazowego składnika stopowego w postaci aluminium dodaje się żelazo (seria 8000) albo magnez i krzem (seria 6000).Preferably, the charge material in the form of granules of non-ferrous metals and their alloys and / or scrap of non-ferrous metals are alloys containing aluminum and / or copper as the base alloying component, especially when iron is added to the aluminum base alloy component (8000 series) or magnesium and silicon (6000 series).

Szczególnie korzystnie, gdy materiał wsadowy w postaci granulatu z metali nieżelaznych i ich stopów lub/i złomu metali nieżelaznych stanowią mieszaniny stopów wyżej wymienionych seriiParticularly preferably, the charge material in the form of granules of non-ferrous metals and their alloys and / or scrap of non-ferrous metals are mixtures of alloys of the above-mentioned series

Korzystnie, gdy w sposobie według wynalazku mieszanie zachodzi z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego o częstotliwości min. 50 Hz. Szczególnie korzystnie, gdy mieszanie z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego zachodzi w temperaturze równej bądź wyższej od temperatury topnienia metali zawartych w materiale.Preferably, in the method according to the invention, mixing takes place with the use of an electromagnetic field with a frequency of min. 50 Hz. It is particularly advantageous when the mixing with the use of the electromagnetic field takes place at a temperature equal to or higher than the melting point of the metals contained in the material.

Równie korzystnie, gdy schładzanie zachodzi w temperaturze nie większej niż 400°C.It is also preferred that the cooling takes place at a temperature of not more than 400 ° C.

Korzystnie, gdy w trakcie procesu topnienia dodaje się do stopionego materiału wsadowego mikrododatki w postaci pierwiastków wysokotopliwych lub/i zaprawy.Preferably, during the melting process, micro-additives in the form of high-melting elements and / or mortar are added to the molten batch material.

Równie korzystnie, gdy po etapie odlewania następuje proces przeróbki plastycznej bądź obróbki mechanicznej.It is also preferred that the casting step is followed by a plastic working or machining process.

Przedmiotem wynalazku jest także układ do realizacji sposobu według wynalazku zawierający piec topielno-odlewniczy, układ sterujący, układ chłodzący oraz układ wyciągający odlewany materiał charakteryzujący się tym, że pomiędzy piecem topielno-odlewniczego a układem chłodzącym umieszczony jest układ grzewczy do mieszania z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego.The invention also relates to a system for carrying out the method according to the invention, comprising a melting and casting furnace, a control system, a cooling system and a cast material extraction system, characterized in that a heating system for mixing with the use of an electromagnetic field is arranged between the melting and casting furnace and the cooling system.

Korzystnie, gdy krystalizator w układzie według wynalazku wyposażony jest dodatkowo w wkładkę z wysoko przewodzących cieplnie materiałów oraz odpornych na ścieranie, zwłaszcza z syntetycznego diamentu polikrystalicznego TSP lub z węglika krzemu.Preferably, the crystallizer in the system according to the invention is additionally equipped with an insert made of highly thermally conductive and wear-resistant materials, in particular of synthetic polycrystalline diamond TSP or of silicon carbide.

Równie korzystnie, gdy układ chłodzący w układzie według wynalazku stanowi krystalizator wraz z systemem chłodzeniaEqually preferably, the cooling system in the system according to the invention comprises a crystallizer together with a cooling system

Wykorzystanie elektromagnetycznego układu mieszania ciekłego metalu w strefie przykrystalicznej w postaci wzbudnika indukcyjnego o niskiej/średniej częstotliwości w strefie buta tygla zapewniającego intensywne mieszanie metalu co w połączeniu z procesem modyfikacji chemicznej przy zastosowaniu wydajnego układu chłodzenia pierwotnego pozwoli na wytworzenie ogromnej ilości zarodków krystalizacji, a następnie ultraszybką krystalizację odlewów, które cechować się będą jednorodnym na długości i przekroju poprzecznym składem chemicznym oraz drobnoziarnistą strukturą wewnętrzną.The use of an electromagnetic mixing system for liquid metal in the crystalline zone in the form of a low / medium-frequency inductor in the crucible's shoe zone ensuring intensive mixing of the metal, which, combined with the process of chemical modification using an efficient primary cooling system, will allow for the production of a huge amount of crystallization seeds, and then ultrafast crystallization of castings, which will be characterized by a uniform chemical composition along their length and cross-section, and a fine-grained internal structure.

Modyfikacja materiału następuje dzięki zastosowaniu układu grzewczo-chłodzącego, który modyfikuje mikrostrukturę odlewu w taki sposób, iż możliwe jest uzyskanie struktury o wysokim rozdrobnieniu ziarna w całej jego objętości w trakcie ciągłego procesu topienia odlewania. Strefa intensywnego grzania indukcyjnego układu wykonana jest z materiału o odpowiednich własnościach, np. miedzi lub miedzi powierzchniowo chromowanej. Zastosowanie induktora grzewczego, przewiduje wykorzystanie działania pola elektromagnetycznego o częstotliwości umożliwiającej ruch metalu w całej jego objętości, co pozwala uzyskać korzystny efekt strukturalny w skrzepniętym już materiale, po jego strefowym gwałtownym schłodzeniu w ultraszybkich warunkach. Efekt uzyskuje się w wyniku zwiększenia strefy kryształów zamrożonych oraz zmniejszenia grubości i długości strefy kryształów kolumnowych w odlewie.The modification of the material takes place thanks to the use of a heating and cooling system, which modifies the microstructure of the casting in such a way that it is possible to obtain a structure with high grain refinement throughout its volume during the continuous casting melting process. The intensive induction heating zone is made of a material with appropriate properties, e.g. copper or surface-chrome-plated copper. The use of a heating inducer provides for the use of an electromagnetic field with a frequency that allows the movement of the metal in its entire volume, which allows to obtain a favorable structural effect in the already solidified material, after its rapid zonal cooling in ultra-fast conditions. The effect is achieved by increasing the frozen crystal zone and reducing the thickness and length of the columnar crystal zone in the casting.

Wyposażenie krystalizatora z wkładkami z materiałów wysoko przewodzących cieplnie oraz odpornych na ścieranie (np. syntetyczny diament polikrystaliczny TSP lub węglik krzemu) pozwoli zwiększyć efekty szybkiego przechłodzenia, wydłużając czas eksploatacji krystalizatorów.Equipping the crystallizer with inserts made of highly thermally conductive and abrasion-resistant materials (e.g. synthetic polycrystalline diamond TSP or silicon carbide) will allow to increase the effects of quick subcooling, extending the service life of the crystallizers.

Prezentowana technologia opracowana przez zgłaszającego we współpracy z jednostkami badawczymi umożliwia uzyskiwanie odlewów o ukierunkowanej wzdłużnej strukturze krystalicznej poprzez zastosowanie odpowiedniej konstrukcji krystalizatora izolowanego oraz zapewnienie warunków cieplnych poprzez układy chłodzenia pierwotnego i wtórnego oraz odpowiednie ruchy posuwisto zwrotne odlewu.The presented technology, developed by the applicant in cooperation with research units, makes it possible to obtain castings with a directed longitudinal crystal structure through the use of an appropriate structure of an insulated crystallizer and to ensure thermal conditions through primary and secondary cooling systems and appropriate reciprocating movements of the casting.

Zastosowany w ramach wynalazku induktor grzewczy o średniej częstotliwości skonstruowany jest w taki sposób, aby poprzez pole elektromagnetyczne wnikające w ciekły metal powodowało jego nagrzewanie oraz dodatkowo ruch w krystalizatorze, co zwiększa efekt rozdrobnienia ziaren. W tym procesie niezbędne jest również zastosowanie odpowiedniego krystalizatora grafitowego, który powinien odznaczać się wysoką przewodnością cieplną, będzie posiadał odpowiednio cienką ściankę oraz wyposażony będzie w specjalną wkładkę izolującą układ grzania od układu chłodzenia, w celu wyeliminowania bariery związanej z oddawaniem ciepła.The medium-frequency heating inductor used in the context of the invention is designed in such a way that, through the electromagnetic field penetrating the liquid metal, it causes its heating and additionally movement in the crystallizer, which increases the grain grinding effect. In this process, it is also necessary to use an appropriate graphite crystallizer, which should have high thermal conductivity, will have a suitably thin wall and will be equipped with a special insert isolating the heating system from the cooling system, in order to eliminate the barrier related to heat dissipation.

Odpowiednie sterowanie strefą krystalizacji, tj. z jednej strony podgrzewanie ciekłego metalu poprzez induktor wytwarzający pole elektromagnetyczne niskiej/średniej częstotliwości gwarantujący ruch metalu w krystalizatorze oraz natychmiastowe jego duże przechłodzenie w połączeniu z modyfikacjąAppropriate control of the crystallization zone, i.e. on the one hand heating of the liquid metal by an inductor generating a low / medium frequency electromagnetic field that guarantees the movement of the metal in the crystallizer and its immediate high subcooling combined with modification

PL230 182 Β1 chemiczną, daje pozytywny efekt w postaci odlewu cechującego się drobnoziarnistą strukturą krystaliczną. Znaczące zwiększenie strefy kryształów zamrożonych oraz zmniejszeniem grubości i długości kryształów kolumnowych, to pożądane efekty zastosowanych operacji. Opracowane wytyczne do technologii uzyskiwania odlewów dla przykładu CuNi2Si lub aluminium w gat. EN AW-8079 o bardzo drobnym ziarnie stają się innowacyjnym rozwiązaniem w budowie lub modyfikacji istniejących technologii wytwarzania prętów, profili, blach w procesach odlewania ciągłego odmiennych stopów oraz metali czystych, które aktualnie posiadają niekorzystną gruboziarnistą strukturę krystaliczną. Uzasadnieniem ekonomicznym rozwiązania jest konkurencyjna linia technologiczna, ograniczająca energochłonność procesu wytwarzania odlewów.PL230 182 Β1 chemical, gives a positive effect in the form of a casting characterized by a fine-grained crystal structure. A significant increase in the frozen crystal zone and a decrease in the thickness and length of the columnar crystals are the desired effects of the applied operations. The developed guidelines for the technology of obtaining castings, for example CuNi2Si or aluminum of the EN AW-8079 grade with very fine grain, become an innovative solution in the construction or modification of existing technologies for the production of bars, profiles, sheets in the continuous casting processes of various alloys and pure metals, which are currently have an unfavorable coarse-grained crystal structure. The economic justification for the solution is a competitive technological line, limiting the energy consumption of the casting production process.

Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku uzyskuje się wysoki poziom własności mechanicznych, udarnościowych, odporności Teologicznej wynikających z jednorodnej struktury otrzymanego materiału. Dodatkowo uzyskuje się wysoką odporność korozyjną, znaczne podwyższenie walorów antykorozyjnych oraz obniżenie prawdopodobieństwa zaistnienia zwłaszcza korozji międzykrystalicznej.By using the method according to the invention, a high level of mechanical, impact and rheological properties is achieved, resulting from the homogeneous structure of the material obtained. In addition, high corrosion resistance is achieved, a significant increase in anti-corrosion properties and a reduction in the likelihood of intercrystalline corrosion in particular.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładach wykonania oraz na załączonym rysunku niebędącym jednak ograniczeniem zakresu zgłoszenia, na którym:The subject of the invention has been shown in the exemplary embodiments and in the attached drawing, which, however, is not a limitation of the scope of the application, in which:

Fig. 1 ilustruje schematycznie sposób wytwarzania prętów z wykorzystaniem ciągłego odlewu z dodatkowym kształtowaniem struktury, który jest przedmiotem wynalazku,Fig. 1 schematically illustrates the method of producing bars using a continuous casting with additional shaping, which is the subject of the invention,

Fig. 2 ilustruje układ strefowej krystalizacji wraz z sterowaniem,Fig. 2 illustrates a zonal crystallization system with control,

Fig. 3 ilustruje układ strefowej krystalizacji z piecem topielno-odlewniczym oraz układem wyciągającym,Fig. 3 illustrates a zonal crystallization system with a melting and casting furnace and a pull system,

Fig. 4 ilustruje grzewczo-chłodzący układ strefowej krystalizacji z wkładką izolacyjną,Fig. 4 illustrates a heating / cooling zonal crystallization system with an insulating insert,

Fig. 5 ilustruje wkładkę ceramiczną oraz krystalizator grafitowy.Fig. 5 illustrates a ceramic insert and a graphite crystallizer.

Przykład 1Example 1

Materiał w postaci granulatu poddany został procesowi topienia w temperaturze 1250°C w tyglu grafitowym indukcyjnym pieca topielno-odlewniczego 3. W skład całego układu odlewania wchodzi aparatura sterująca 1,2. Skład chemiczny stopu CuNi2Sn obejmuje zawartość procentową poszczególnych składników: 1,6-2,5% wag. niklu w miedzi i 0,4-0,8% wag. krzemu w miedzi. Proces odlewania zachodzi w atmosferze gazu obojętnego w temperaturze 1250°C oraz z prędkością 10 mm/s. Ciekły metal po stopieniu przechodzi do strefy układu grzewczego 4. Zastosowany układ grzewczy 4 w postaci wzbudnika indukcyjnego o wysokiej częstotliwości 2 kHz. Odlew na wyjściu z układu chłodzącego 5 w postaci krystalizatora 5a oprócz ruchów posuwistych nadanych poprzez układ wyciągający 7 w postaci walców, poddany jest naprzemiennemu skręceniu o kąt max 90° w kierunku prostopadłym do osi wyrobu. Układ grzewczy 4 dodatkowo utrzymuje temperaturę ciekłego metalu w układzie krystalizatora 5a w temperaturze 1250°C, a następne w układzie chłodzenia 5 następuje obniżenie temperatury do 3°C. W wyniku tego procesu otrzymano pręty, które następnie skierowano do procesu jednooperacyjnego kucia matrycowego. Po operacji przeróbki plastycznej zastosowano proces starzenia sztucznego w temperaturze 500°C w czasie 5 h.The material in the form of granules was melted at a temperature of 1250 ° C in the graphite crucible of the induction melting and casting furnace 3. The entire casting system includes control apparatus 1,2. The chemical composition of the CuNi 2 Sn alloy includes the percentage content of the individual components: 1.6-2.5 wt. % nickel in copper and 0.4-0.8 wt. silicon in copper. The casting process takes place in an inert gas atmosphere at a temperature of 1250 ° C and at a speed of 10 mm / s. After melting, the liquid metal passes into the zone of the heating system 4. The used heating system 4 in the form of a high-frequency inductor of 2 kHz. The casting at the outlet from the cooling system 5 in the form of a crystallizer 5a, in addition to the sliding movements provided by the pulling system 7 in the form of cylinders, is subjected to alternate twisting by an angle of max 90 ° in the direction perpendicular to the product axis. The heating system 4 additionally maintains the temperature of the liquid metal in the crystallizer system 5a at a temperature of 1250 ° C, and then in the cooling system 5 the temperature is reduced to 3 ° C. As a result of this process, bars were obtained and then directed to the process of single-step die forging. After plastic working, the artificial aging process was applied at the temperature of 500 ° C for 5 hours.

W wyniku realizacji procesu otrzymano odkuwki stanowiące wyposażenie osprzętu sieci trakcyjnych o następujących własnościach: Rm = 650 MPa, R0,2 = 520 MPa, A50 = 12%, twardość w skali Brinella 92-96 HRB, γ = 25 MS/m.As a result of the process, forgings were obtained, which were the equipment of the traction network equipment, with the following properties: Rm = 650 MPa, R0.2 = 520 MPa, A50 = 12%, Brinell hardness 92-96 HRB, γ = 25 MS / m.

Przykład 2Example 2

Materiał w postaci aluminiowych gąsek oraz złomu aluminiowego stanowiącego jedynie jako dodatek do składu w maksymalnej w ilości ok. 10% jego masy. Tak skomponowany materiał wsadowy poddany został procesowi topienia w temperaturze 700°C w piecu topielno-odlewniczym 3 stanowiącym tygiel grafitowy w osłonie gazu obojętnego. W strefie przykrystalicznej zastosowany niską częstotliwość wzbudnika indukcyjnego strefy grzewczej 4 tj. 50 Hz. Ciekły metal po stopieniu z tygla grafitowego przechodzi do strefy układu grzewczego 4, z miedzianym krysta lizało rem 5a o przekroju prostokątnym z wkładką 5 z syntetycznego diamentu polikrystalicznego, gdzie po wstępnej modyfikacji elektromagnetycznej we wkładce 4a ceramicznej i szybkim schłodzeniu do temperatury 5°C następuje wyprowadzenie odlanego wyrobu przez układ wyciągający 7. Proces odlewania przebiega z prędkością 2 mm/s.Material in the form of aluminum ingots and aluminum scrap constituting only an addition to the composition in the maximum amount of approx. 10% of its weight. The charge material composed in this way was subjected to the melting process at the temperature of 700 ° C in the melting and casting furnace 3, constituting a graphite crucible in an inert gas shield. In the crystalline zone, a low frequency of the inductor of the heating zone 4, i.e. 50 Hz, is used. The liquid metal, after melting from the graphite crucible, passes into the heating system zone 4, with a copper crystal lick 5a with a rectangular cross-section with an insert 5 made of synthetic polycrystalline diamond, where, after initial electromagnetic modification in the ceramic insert 4a and rapid cooling to 5 ° C, it is discharged of the product being poured through the drawing system 7. The casting process takes place at a speed of 2 mm / s.

W wyniku tego procesu otrzymane zostały blachy z aluminium w gat. EN AW-8079, które następnie są kierowane w dalszej kolejności do procesu walcowania na zimno. Po operacji przeróbki plastycznej nie zastosowano operacji obróbki cieplnej. Efektem przeprowadzonych procesów są blachy o grubości 3 mm o jednorodnej strukturze w całej objętości wyrobu.As a result of this process, aluminum sheets of EN AW-8079 grade were obtained, which are then directed to the cold rolling process. After the plastic working operation, no heat treatment operation was applied. The results of the processes are 3 mm thick sheets with a homogeneous structure throughout the entire volume of the product.

Claims (11)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Sposób wytwarzania wyrobów z metali i ich stopów, zwłaszcza stopów aluminium, z wykorzystaniem ciągłego odlewu z dodatkowym kształtowaniem struktury, który obejmuje etap: topienia w temperaturze nie mniejszej niż temperatura topnienia metali i ich stopów zawartych w materiale wsadowym w postaci granulatu z metali nieżelaznych i ich stopów lub/i złomu metali nieżelaznych, oraz etap odlewania wyborów wraz z ich schładzaniem, zwłaszcza wyrobów o przekroju poprzecznym zbliżonym do okręgu lub prostokąta, znamienny tym, że przed etapem odlewania stopiony materiał wsadowy poddaje się dodatkowemu mieszaniu z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego w temperaturze nie mniejszej niż temperatura topnienia metali zawartych w materiale wsadowym.1. A method of manufacturing metal products and their alloys, especially aluminum alloys, using continuous casting with additional structure shaping, which includes the step of: melting at a temperature not lower than the melting point of metals and their alloys contained in the charge material in the form of non-ferrous metal granules and their alloys and / or scrap of non-ferrous metals, and the stage of casting the selections with their cooling, in particular products with a cross-section similar to a circle or a rectangle, characterized in that before the casting stage, the molten batch material is subjected to additional mixing with the use of an electromagnetic field at a temperature not lower than the melting point of metals contained in the feed material. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał wsadowy w postaci granulatu z metali nieżelaznych i ich stopów lub/i złomu metali nieżelaznych stanowią stopy zawierające jako bazowy składnik stopowy aluminium i/lub miedź.2. The method according to p. The method according to claim 1, characterized in that the charge material in the form of granules of non-ferrous metals and their alloys and / or scrap of non-ferrous metals are alloys containing aluminum and / or copper as the base alloy component. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że do bazowego składnika stopowego w postaci aluminium dodaje się żelazo (seria 8000) albo magnez i krzem (seria 6000).3. The method according to p. The process of claim 2, characterized in that iron (series 8000) or magnesium and silicon (series 6000) are added to the aluminum base alloy component. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszanie zachodzi z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego o częstotliwości min. 50 Hz.4. The method according to p. 3. The method of claim 1, characterized in that the mixing takes place with the use of an electromagnetic field with a frequency of min. 50 Hz. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że mieszanie z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego zachodzi w temperaturze równej bądź wyższej od temperatury topnienia metali zawartych w materiale.5. The method according to p. The method of claim 4, wherein the mixing by means of the electromagnetic field takes place at a temperature equal to or higher than the melting point of the metals contained in the material. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że schładzanie zachodzi w temperaturze nie większej niż 400°C.6. The method according to p. The process of claim 1, wherein the cooling takes place at a temperature of not more than 400 ° C. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie procesu topnienia dodaje się do stopionego materiału wsadowego mikrododatki w postaci pierwiastków wysokotopliwych lub/i zaprawy.7. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that, during the melting process, micro-additives in the form of high-melting elements and / or mortar are added to the molten batch material. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po etapie odlewania następuje proces przeróbki plastycznej bądź obróbki mechanicznej.8. The method according to p. Process according to claim 1, characterized in that the casting step is followed by a plastic working or machining process. 9. Układ do realizacji sposobu według zastrz. 1-8 zawierający piectopielno-odlewniczy (3), układ sterujący (1,2), układ chłodzący (5) oraz układ wyciągający (7) odlewany materiał, znamienny tym, że pomiędzy piecem topielno-odlewniczym (3) a układem chłodzącym (5) umieszczony jest układ grzewczy (4) do mieszania z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego.9. A system for carrying out the method according to claim 1, 1-8 containing the melting and casting furnace (3), the control system (1,2), the cooling system (5) and the extraction system (7) of the cast material, characterized in that between the melting and casting furnace (3) and the cooling system (5) ) there is a heating system (4) for mixing with the use of an electromagnetic field. 10. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że układ grzewczy (4) wyposażony jest dodatkowo w wkładkę (4a) z wysokoprzewodzących cieplnie materiałów oraz odpornych na ścieranie, zwłaszcza z syntetycznego diamentu polikrystalicznego TSP lub z węglika krzemu.10. The system according to p. A method as claimed in claim 9, characterized in that the heating system (4) is additionally equipped with an insert (4a) made of highly thermally conductive and wear-resistant materials, in particular made of TSP synthetic polycrystalline diamond or silicon carbide. 11. Układ według zastrz. 10, znamienny tym, że układ chłodzący (5) stanowi krystalizator (5a) wraz z systemem chłodzenia pierwotnego krystalizatora (5a)11. The system according to p. 10, characterized in that the cooling system (5) is a crystallizer (5a) together with a cooling system of the primary crystallizer (5a)
PL414263A 2015-10-06 2015-10-06 Method for products from metals and their alloys, using a continuous casting with the additional structure shaping and the system for execution of this method PL230182B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL414263A PL230182B1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Method for products from metals and their alloys, using a continuous casting with the additional structure shaping and the system for execution of this method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL414263A PL230182B1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Method for products from metals and their alloys, using a continuous casting with the additional structure shaping and the system for execution of this method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL414263A1 PL414263A1 (en) 2017-04-10
PL230182B1 true PL230182B1 (en) 2018-10-31

Family

ID=58463575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL414263A PL230182B1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Method for products from metals and their alloys, using a continuous casting with the additional structure shaping and the system for execution of this method

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL230182B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
PL414263A1 (en) 2017-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107805745B (en) A kind of high-strength weathering aluminum alloy conductor rail profile and preparation method thereof
CN107008873B (en) Method and device for preparing multi-mode electromagnetic field homogenized metal continuous casting billet
CN100566890C (en) A kind of preparation of semi-solid alloy slurry and the equipment of rheoforging
Bin et al. Microstructure refinement of AZ31 alloy solidified with pulsed magnetic field
Haga et al. Billetless simple thixoforming process
Nagasivamuni et al. The effect of ultrasonic treatment on the mechanisms of grain formation in as-cast high purity zinc
JP2014039958A (en) Coagulation microstructure of molding mold molded by aggregate-using casting mold
WO2011127785A1 (en) Casting device and method with solid-liquid phase area temperature as mold temperature
CN102409187B (en) Method and equipment for preparing semi-solid metal slurry/blank with current
WO2004031423A2 (en) Method for making an alloy and alloy
Lei et al. Heat transfer behavior of AZ80–1% Y alloy during low-frequency electromagnetic casting
Zhang et al. Forming properties and microstructure of Al-Cu alloy prepared by liquid-die forging
CN101130207A (en) Equipment for preparing semi-solid metal slurry and rheologic molding
PL230182B1 (en) Method for products from metals and their alloys, using a continuous casting with the additional structure shaping and the system for execution of this method
CN102286710B (en) Method for preparing alloy semi-solid forming plate blanks by casting and rolling dual control method
CN105088038A (en) Corrosion-resistant magnesium alloy with high thermal conductivity and preparation method thereof
Zhang et al. Effect of Primary α-Al morphology in slurry on segregation during 357 semi-solid die casting
Wang et al. Effects of low-frequency electromagnetic field on the surface quality of 7050 aluminum alloy ingots during the hot-top casting process
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
KR102037943B1 (en) Apparatus for continuous casting a magnesium billet and manufacturing method thereof
Guan et al. Effects of annular electromagnetic stirring melt treatment on microstructure and mechanical properties of 7050 rheo-casting
Li et al. Solidification mechanisms of melt conditioned direct-chill (mc-dc) casting
CN104694782A (en) Preparation method of high-strength high-toughness wear-resistant and extrusion-resistant zinc alloy
Rangel-Ortiz et al. Microstructure and tensile properties of a continuous-cast Al–Li–Hf alloy
CN103769551A (en) Production process of aluminum-silicon-magnesium casting aluminum alloy