RU2782769C2 - Ultrasound grain grinding - Google Patents

Ultrasound grain grinding Download PDF

Info

Publication number
RU2782769C2
RU2782769C2 RU2017131521A RU2017131521A RU2782769C2 RU 2782769 C2 RU2782769 C2 RU 2782769C2 RU 2017131521 A RU2017131521 A RU 2017131521A RU 2017131521 A RU2017131521 A RU 2017131521A RU 2782769 C2 RU2782769 C2 RU 2782769C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
molten metal
cooling
mold
grain
formulation
Prior art date
Application number
RU2017131521A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2017131521A (en
RU2017131521A3 (en
Inventor
Циню ХАНЬ
Лу ШАО
Клоз СЮЙ
Original Assignee
ХАНС ТЕК, ЭлЭлСи
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 ХАНС ТЕК, ЭлЭлСи filed Critical ХАНС ТЕК, ЭлЭлСи
Priority claimed from PCT/US2016/017092 external-priority patent/WO2016130510A1/en
Publication of RU2017131521A publication Critical patent/RU2017131521A/en
Publication of RU2017131521A3 publication Critical patent/RU2017131521A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2782769C2 publication Critical patent/RU2782769C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, namely to processing of molten metal for the production of metal casts with a controlled grain size. A device for processing of molten metal contains a structure accommodating molten metal for reception and transportation of molten metal along its longitudinal length, and a cooling unit for the accommodating structure, including a cooling channel for fluid passage. An ultrasound probe is located in the cooling channel in contact with cooling fluid, providing transmission of ultrasound waves through fluid in the cooling channel and through the structure accommodating molten metal to molten metal.
EFFECT: obtaining a cast product with equiaxial grains is provided without formation of columnar crystals and without the need for introduction of grain-grinding additives.
28 cl, 17 dwg

Description

ЗАЯВЛЕНИЕ О СПОНСИРУЕМЫХ ФЕДЕРАЛЬНЫМ ПРАВИТЕЛЬСТВОМ ИССЛЕДОВАНИЯХ ИЛИ РАЗРАБОТКАХFEDERAL RESEARCH OR DEVELOPMENT STATEMENT

Это изобретение было сделано при поддержке правительства в соответствии с грантом № IIP 1058494, присужденным Национальным научным фондом. Правительство имеет определенные права в настоящем изобретении.This invention was made with government support under grant No. IIP 1058494 awarded by the National Science Foundation. The government has certain rights in the present invention.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

Настоящее изобретение относится к способу для производства металлических отливок с управляемым размером зерна, к системе для производства металлических отливок, а также к продуктам, получаемым с помощью металлических отливок.The present invention relates to a process for the production of metal castings with a controlled grain size, to a system for the production of metal castings, as well as products obtained using metal castings.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИDESCRIPTION OF THE PRIOR ART

Значительные усилия были потрачены в области металлургии для того, чтобы разработать методики разливки расплавленного металла в непрерывный металлический стержень или литые продукты. Были хорошо разработаны как периодическое литье, так и непрерывное литье. Непрерывное литье имеет ряд преимуществ перед периодическим литьем, хотя оба они широко используются в промышленности.Considerable effort has been expended in the field of metallurgy to develop techniques for pouring molten metal into a continuous metal rod or cast products. Both batch casting and continuous casting have been well developed. Continuous casting has a number of advantages over batch casting, although both are widely used in industry.

В непрерывном производстве металлического отливок расплавленный металл проходит из печи-миксера по ряду желобов в литейную форму карусельной разливочной машины, где он отливается в металлический пруток. Отвержденный металлический пруток удаляется из карусельной разливочной машины и направляется в прокатный стан, где он прокатывается в непрерывный стержень. В зависимости от намеченного конечного использования этого стержня и сплава этот стержень может быть подвергнут охлаждению во время прокатки, или этот стержень может быть охлажден или закален сразу же при выходе из прокатного стана для того, чтобы придать ему желаемые механические и физические свойства. Такие методики, как описанные в патенте США № 3,395,560 (Cofer et al.), полное содержание которого включено сюда путем ссылки, использовались для непрерывной обработки металлических продуктов в виде стержня или прутка.In the continuous production of metal castings, molten metal passes from a mixing furnace through a series of chutes to the mold of a carousel casting machine, where it is cast into a metal rod. The hardened metal bar is removed from the carousel casting machine and sent to a rolling mill where it is rolled into a continuous rod. Depending on the intended end use of the bar and alloy, the bar may be cooled during rolling, or the bar may be cooled or quenched immediately upon leaving the rolling mill to give it the desired mechanical and physical properties. Techniques such as those described in US Patent No. 3,395,560 (Cofer et al.), the entire contents of which are incorporated here by reference, have been used to continuously process metal products in the form of a rod or rod.

В патенте США № 3,938,991 (Jackson et al.) полное содержание которого включено сюда путем ссылки, показано, что долгое время существует проблема с литьем «чистых» металлических продуктов. Термин «литье чистого металла» относится к металлу или металлическому сплаву, сформированному из первичных металлических элементов, предназначенных для обеспечения конкретной удельной электропроводности, или прочности при растяжении, или пластичности, без включения отдельных примесей, добавляемых с целью управления зерном.In US patent No. 3,938,991 (Jackson et al.), the entire content of which is incorporated here by reference, it is shown that there has long been a problem with the casting of "clean" metal products. The term "bare metal casting" refers to a metal or metal alloy formed from primary metal elements designed to provide a specific electrical conductivity or tensile strength or ductility, without the inclusion of individual impurities added for the purpose of grain control.

Измельчение зерна является процессом, с помощью которого размер кристалла вновь сформированной фазы уменьшается либо химическими, либо физическими/механическими средствами. Измельчающие зерно добавки обычно добавляются в расплавленный металл для того, чтобы значительно уменьшить размер зерна отвержденной структуры во время процесса отверждения или процесса перехода жидкости в твердую фазу.Grain refinement is the process by which the crystal size of the newly formed phase is reduced either by chemical or physical/mechanical means. Grain refiners are typically added to the molten metal in order to significantly reduce the grain size of the solidified structure during the solidification or liquid-to-solidization process.

На самом деле в международной публикации WO/2003/033750 (Boily et al.), полное содержание которой включено сюда путем ссылки, описыано конкретное использование «измельчающих зерно добавок». Эта заявка (в дальнейшем упоминаемая как заявка ʹ750) описывает в разделе «Уровень техники», что в алюминиевой промышленности различные измельчающие зерно добавки обычно включаются в алюминий для того, чтобы сформировать лигатуру. Типичные лигатуры для использования в алюминиевом литье содержат от 1 до 10 мас.% титана и от 0,1 до 5 мас.% бора или углерода, с остатком, состоящим по существу из алюминия или магния, с частицами TiB2 или TiC, диспергированными в матрице из алюминия. В соответствии с заявкой ʹ750 лигатуры, содержащие титан и бор, могут быть произведены путем растворения требуемых количеств титана и бора в алюминиевом расплаве. Это достигается путем реакции расплавленного алюминия с KBF4 и K2TiF6 при температурах свыше 800°C. Эти комплексные галоидные соли быстро реагируют с расплавленным алюминием и обеспечивают титан и бор в расплаве.In fact, International Publication WO/2003/033750 (Boily et al.), the entire content of which is incorporated herein by reference, describes the specific use of "grain-refining additives". This application (hereinafter referred to as the ʹ750 application) describes in the Background section that, in the aluminum industry, various grain refining additives are commonly included in aluminum in order to form alloy. Typical master alloys for use in aluminum casting contain from 1 to 10 wt.% titanium and from 0.1 to 5 wt.% boron or carbon, with the remainder consisting essentially of aluminum or magnesium, with particles of TiB 2 or TiC dispersed in aluminum matrix. In accordance with the ʹ750 application alloys containing titanium and boron, can be produced by dissolving the required amounts of titanium and boron in the aluminum melt. This is achieved by reacting molten aluminum with KBF 4 and K 2 TiF 6 at temperatures above 800°C. These complex halide salts react rapidly with molten aluminum and provide titanium and boron in the melt.

Заявка ʹ750 также описывает, что начиная с 2002 г. эта методика использовалась для производства коммерческих лигатур почти всеми компаниями-изготовителями измельчающих зерно добавок. Измельчающие зерно добавки, часто называемые зародышеобразователями, используются и в настоящее время. Например, один коммерческий поставщик лигатуры Tibor описывает, что тщательный контроль литой структуры является главным требованием в производстве продуктов из алюминиевого сплава высокого качества.The ʹ750 application also describes that since 2002 this technique has been used for the production of commercial master alloys by almost all manufacturers of grain refiners. Grain refiners, often referred to as nucleating agents, are still in use today. For example, one commercial alloy supplier Tibor describes that careful control of the cast structure is a major requirement in the production of high quality aluminum alloy products.

До этого изобретения измельчающие зерно добавки были признаны в качестве наиболее эффективного способа обеспечить мелкую и однородную структуру зерна в состоянии сразу после отливки. Следующие ссылки (содержание всех из которых включено сюда путем ссылки) описывают подробности этой исходной работы:Prior to this invention, grain refining additives were recognized as the most effective way to provide a fine and uniform grain structure in the as-cast condition. The following references (the contents of all of which are incorporated here by reference) describe the details of this original work:

Abramov, O. V., (1998), «High-Intensity Ultrasonics», Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands, pp.Abramov, O. V., (1998), "High-Intensity Ultrasonics", Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands, pp. 523-552.523-552.

Alcoa, (2000), «New Process for Grain Refinement of Aluminum», DOE Project Final Report, Contract No. DE-FC07-98ID13665, September 22, 2000.Alcoa, (2000), "New Process for Grain Refinement of Aluminum", DOE Project Final Report, Contract No. DE-FC07-98ID13665, September 22, 2000.

Cui, Y., Xu, C. L. and Han, Q., (2007), «Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations, Advanced Engineering Materials», v. 9, No. 3, pp.161-163.Cui, Y., Xu, C. L. and Han, Q., (2007), "Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations, Advanced Engineering Materials", v. 9, no. 3, pp. 161-163.

Eskin, G. I., (1998), «Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts», Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands.Eskin, G. I., (1998), "Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts", Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands.

Eskin, G. I. (2002) «Effect of Ultrasonuc Cavitation Treatment of the Melt on the Microstructure Evolution during Solidification of Aluminum Alloy Ingots», Zeitschrift Fur Metallkunde/Materials Research and Advanced Techniques, v.93, n.6, June, 2002, pp. 502-507.Eskin, G. I. (2002) "Effect of Ultrasonuc Cavitation Treatment of the Melt on the Microstructure Evolution during Solidification of Aluminum Alloy Ingots", Zeitschrift Fur Metallkunde/Materials Research and Advanced Techniques, v.93, n.6, June, 2002, pp . 502-507.

Greer, A. L., (2004), «Grain Refinement of Aluminum Alloys», in Chu, M. G., Granger, D. A., and Han, Q., (eds.), « Solidification of Aluminum Alloys», Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp.Greer, A. L., (2004), "Grain Refinement of Aluminum Alloys", in Chu, M. G., Granger, D. A., and Han, Q., (eds.), "Solidification of Aluminum Alloys", Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp. 131-145131-145 ..

Han, Q., (2007), The Use of Power Ultrasound for Material Processing», Han, Q., Ludtka, G., and Zhai, Q., (eds), (2007), «Materials Processing under the Influence of External Fields», Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp. 97-106.Han, Q., (2007), The Use of Power Ultrasound for Material Processing", Han, Q., Ludtka, G., and Zhai, Q., (eds), (2007), "Materials Processing under the Influence of External Fields", Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp. 97-106.

Jackson, K. A., Hunt, J. D., and Uhlmann, D. R., and Seward, T. P., (1966), «On Origin of Equiaxed Zone in Castings», Trans. Metall. Soc. AIME, v. 236, pp.149-158.Jackson, K. A., Hunt, J. D., and Uhlmann, D. R., and Seward, T. P., (1966), "On Origin of Equiaxed Zone in Castings", Trans. metall. soc. AIME, v. 236, pp.149-158.

Jian, X., Xu, H., Meek, T. T., and Han, Q., (2005), «Effect of Power Ultrasoud on Solidification of Aluminum A356 Alloy», Materials Letters, v. 59, no. 2-3, pp. 190-193.Jian, X., Xu, H., Meek, T. T., and Han, Q., (2005), "Effect of Power Ultrasoud on Solidification of Aluminum A356 Alloy", Materials Letters, v. 59, no. 2-3, pp. 190-193.

Keles, O. and Dundar, M., (2007). «Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes», Journal of Materials Processing Technology, v. 186, pp.125-137.Keles, O. and Dundar, M., (2007). "Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes", Journal of Materials Processing Technology, v. 186, pp.125-137.

Liu, C., Pan, Y., and Aoyama, S., (1998), Proceedings of the 5Liu, C., Pan, Y., and Aoyama, S., (1998), Proceedings of the 5 thth International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds.: Bhasin, A. K., Moore, J. J., Young, K. P., and Madison, S., Colorado School of Mines, Golden, CO, pp. 439-447. International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds.: Bhasin, A. K., Moore, J. J., Young, K. P., and Madison, S., Colorado School of Mines, Golden, CO, pp. 439-447.

Megy, J., (1999), «Molten Metal Treatment», US Patent No. 5,935,295, August, 1999Megy, J., (1999), "Molten Metal Treatment", US Patent No. 5,935,295, August, 1999

Megy, J., Granger, D. A., Sigworth, G. K., and Durst, C. R., (2000), «Effectiveness of In-Situ Aluminum Grain Refining Process», Light Metals, pp.1-6.Megy, J., Granger, D. A., Sigworth, G. K., and Durst, C. R., (2000), "Effectiveness of In-Situ Aluminum Grain Refining Process", Light Metals, pp.1-6.

Cui et al., «Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations», Advanced Engineering Materials, 2007, vol. 9, no. 3, pp. 161-163.Cui et al., "Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations", Advanced Engineering Materials, 2007, vol. 9, no. 3, pp. 161-163.

Han et al., «Grain Refining of Pure Aluminum», Light Metals 2012, pp. 967-971.Han et al., Grain Refining of Pure Aluminum, Light Metals 2012, pp. 967-971.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается устройство обработки расплавленного металла, содержащее вмещающую расплавленный металл конструкцию для приема и транспортировки расплавленного металла вдоль его продольной длины. Устройство дополнительно содержит блок охлаждения для вмещающей конструкции, включающий в себя охлаждающий канал для прохода в нем жидкой среды, а также ультразвуковой зонд, расположенный относительно охлаждающего канала таким образом, что ультразвуковые волны проходят через жидкую среду в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл.In one embodiment of the present invention, a molten metal handling apparatus is provided, comprising a molten metal containing structure for receiving and transporting molten metal along its longitudinal length. The device additionally comprises a cooling unit for the host structure, which includes a cooling channel for the passage of a liquid medium in it, as well as an ultrasonic probe located relative to the cooling channel in such a way that ultrasonic waves pass through the liquid medium in the cooling channel and through the structure containing the molten metal in molten metal.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается способ для формирования металлического продукта. Этот способ транспортирует расплавленный металл вдоль продольной длины вмещающей расплавленный металл конструкции. Этот способ охлаждает вмещающую расплавленный металл конструкцию путем прохождения среды через охлаждающий канал, термически соединенный со вмещающей расплавленный металл конструкцией, и проводит ультразвуковые волны через эту среду в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл.In one embodiment, the present invention provides a method for forming a metal product. This method transports the molten metal along the longitudinal length of the structure containing the molten metal. This method cools the molten metal-containing structure by passing the medium through a cooling channel thermally connected to the molten metal-containing structure, and conducts ultrasonic waves through this medium in the cooling channel and through the molten metal-containing structure into the molten metal.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается система для формирования металлического продукта. Эта система включает в себя 1) описанное выше устройство обработки расплавленного металла и 2) контроллер, включающий в себя вводы для данных и выводы для управления, и запрограммированный так, чтобы обеспечить выполнение стадий вышеописанного способа.In one embodiment, the present invention provides a system for forming a metal product. This system includes 1) a molten metal processing apparatus as described above and 2) a controller including data inputs and control outputs and programmed to carry out the steps of the method described above.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается металлический продукт, включающий в себя литую металлическую композицию, имеющую субмиллиметровые размеры зерна и включающую в себя менее 0,5 мас.% измельчающих зерно добавок.In one embodiment, the present invention provides a metal product comprising a cast metal composition having submillimeter grain sizes and comprising less than 0.5 wt% grain refiner additives.

Следует понимать, что предшествующее общее описание настоящего изобретения и последующее подробное описание являются примерными, а не ограничивающими настоящее изобретение.It should be understood that the foregoing general description of the present invention and the following detailed description are exemplary and not limiting of the present invention.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Более полное понимание настоящего изобретения и многих из его сопутствующих преимуществ этого будут легко получены после прочтения следующего подробного описания вместе с сопроводительными чертежами, на которых:A more complete understanding of the present invention and many of its attendant advantages thereof will be readily obtained from reading the following detailed description, together with the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1A представляет собой схематическое изображение канала литья в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 1A is a schematic representation of a casting channel in accordance with one embodiment of the present invention;

Фиг. 1B представляет собой фотографическое изображение основания канала литья в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 1B is a photographic view of the base of a casting channel in accordance with one embodiment of the present invention;

Фиг. 1С представляет собой комбинированное фотографическое изображение основания канала литья в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 1C is a composite photograph of the base of a casting channel in accordance with one embodiment of the present invention;

Фиг. 1D представляет собой схематическое изображение иллюстративных размеров для одного варианта осуществления канала литья;Fig. 1D is a schematic representation of exemplary dimensions for one embodiment of a casting channel;

Фиг. 2 представляет собой фотографическое изображение литейной формы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 2 is a photographic representation of a mold in accordance with one embodiment of the present invention;

Фиг. 3A представляет собой схематическое изображение стана непрерывной разливки в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 3A is a schematic representation of a continuous casting mill in accordance with one embodiment of the present invention;

Фиг. 3B представляет собой схематическое изображение другого стана непрерывной разливки в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 3B is a schematic representation of another continuous casting mill according to one embodiment of the present invention;

Фиг. 4A представляет собой микрофотографию, показывающую макроструктуры, присутствующие в алюминиевом слитке;Fig. 4A is a micrograph showing macrostructures present in an aluminum ingot;

Фиг. 4B представляет собой другую микрофотографию, показывающую макроструктуры, присутствующие в алюминиевом слитке;Fig. 4B is another micrograph showing macrostructures present in an aluminum ingot;

Фиг. 4С представляет собой другую микрофотографию, показывающую макроструктуры, присутствующие в алюминиевом слитке;Fig. 4C is another photomicrograph showing macrostructures present in an aluminum ingot;

Фиг. 4D представляет собой другую микрофотографию, показывающую макроструктуры, присутствующие в алюминиевом слитке;Fig. 4D is another micrograph showing macrostructures present in an aluminum ingot;

Фиг. 5 представляет собой график, показывающий размер зерна как функцию температуры литья;Fig. 5 is a graph showing grain size as a function of casting temperature;

Фиг. 6A представляет собой микрофотографию, изображающую макроструктуру, присутствующую в алюминиевом слитке, приготовленном при описанных в настоящем документе условиях;Fig. 6A is a micrograph showing the macrostructure present in an aluminum ingot prepared under the conditions described herein;

Фиг. 6B представляет собой другую микрофотографию, изображающую макроструктуру, присутствующую в алюминиевом слитке, приготовленном при описанных в настоящем документе условиях;Fig. 6B is another micrograph showing the macrostructure present in an aluminum ingot prepared under the conditions described herein;

Фиг. 6С представляет собой другую микрофотографию, изображающую макроструктуру, присутствующую в алюминиевом слитке, приготовленном при описанных в настоящем документе условиях;Fig. 6C is another micrograph showing the macrostructure present in an aluminum ingot prepared under the conditions described herein;

Фиг. 7 представляет собой другой график, показывающий размер зерна как функцию температуры литья;Fig. 7 is another graph showing grain size as a function of casting temperature;

Фиг. 8 представляет собой другой график, показывающий размер зерна как функцию температуры литья;Fig. 8 is another graph showing grain size as a function of casting temperature;

Фиг. 9 представляет собой другой график, показывающий размер зерна как функцию температуры литья;Fig. 9 is another graph showing grain size as a function of casting temperature;

Фиг. 10 представляет собой другой график, показывающий размер зерна как функцию температуры литья;Fig. 10 is another graph showing grain size as a function of casting temperature;

Фиг. 11A представляет собой микрофотографию, показывающую макроструктуры, присутствующие в алюминиевом слитке, приготовленном при описанных в настоящем документе условиях;Fig. 11A is a micrograph showing the macrostructures present in an aluminum ingot prepared under the conditions described herein;

Фиг. 11B представляет собой другую микрофотографию, показывающую макроструктуры, присутствующие в алюминиевом слитке, приготовленном при описанных в настоящем документе условиях;Fig. 11B is another micrograph showing the macrostructures present in an aluminum ingot prepared under the conditions described herein;

Фиг. 11С представляет собой схематическое изображение иллюстративных размеров для одного варианта осуществления каналов литья;Fig. 11C is a schematic representation of exemplary dimensions for one embodiment of casting channels;

Фиг. 11D представляет собой схематическое изображение иллюстративных размеров для одного варианта осуществления каналов литья;Fig. 11D is a schematic representation of exemplary dimensions for one embodiment of casting channels;

Фиг. 12 представляет собой другой график, показывающий размер зерна как функцию температуры литья;Fig. 12 is another graph showing grain size as a function of casting temperature;

Фиг. 13A представляет собой другое схематическое изображение иллюстративных размеров для одного варианта осуществления канала литья;Fig. 13A is another schematic representation of exemplary dimensions for one embodiment of a casting channel;

Фиг. 13B представляет собой другой график, показывающий размер зерна как функцию температуры литья;Fig. 13B is another graph showing grain size as a function of casting temperature;

Фиг. 14 представляет собой схематическое изображение машины непрерывной разливки в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 14 is a schematic representation of a continuous casting machine according to one embodiment of the present invention;

Фиг. 15A представляет собой схематическое изображение поперечного сечения одного компонента стана для литья в форму с вертикально расположенной полостью;Fig. 15A is a schematic cross-sectional view of one component of a vertical cavity mold casting machine;

Фиг. 15B представляет собой схематическое изображение поперечного сечения другого компонента стана для литья в форму с вертикально расположенной полостью;Fig. 15B is a schematic cross-sectional view of another component of a vertical cavity mold casting machine;

Фиг. 15С представляет собой схематическое изображение поперечного сечения другого компонента стана для литья в форму с вертикально расположенной полостью;Fig. 15C is a schematic cross-sectional view of another component of a vertical cavity mold casting machine;

Фиг. 15D представляет собой схематическое изображение поперечного сечения другого компонента стана для литья в форму с вертикально расположенной полостью;Fig. 15D is a schematic cross-sectional view of another component of a vertical cavity mold casting machine;

Фиг. 16 представляет собой схематическое изображение иллюстративной компьютерной системы для средств управления и контроллеров, описанных в настоящем документе;Fig. 16 is a schematic diagram of an exemplary computer system for the controls and controllers described herein;

Фиг. 17 представляет собой блок-схему, изображающую способ в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.Fig. 17 is a flow chart depicting a method in accordance with one embodiment of the present invention.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Измельчение зерна металлов и сплавов является важным по многим причинам, включая максимизацию скорости разливки слитка металла, улучшение устойчивости к горячему разрыву, минимизацию элементарной сегрегации, улучшение механических свойств, в частности пластичности, улучшение конечных характеристик кованых продуктов и увеличение характеристик заполнения литейной формы, а также уменьшение пористости лигатур. Обычно измельчение зерна является одной из первых стадий обработки для производства продуктов из металлов и сплавов, особенно алюминиевых сплавов и сплавов магния, которые являются облегченными материалами, все более используемыми в космической, военной, автомобильной, строительной и упаковочной промышленности. Измельчение зерна является также важной стадией обработки для того, чтобы сделать металлы и сплавы пригодными для литья путем устранения столбчатых зерен и формирования равноосных зерен.Grain refinement of metals and alloys is important for many reasons, including maximizing the casting rate of an ingot of metal, improving resistance to hot tearing, minimizing elemental segregation, improving mechanical properties, in particular ductility, improving the final characteristics of forged products and increasing mold filling characteristics, as well as reduction in the porosity of the ligatures. Typically, grain refining is one of the first processing steps to produce metal and alloy products, especially aluminum and magnesium alloys, which are lightweight materials increasingly used in the aerospace, military, automotive, construction, and packaging industries. Grain refinement is also an important processing step to make metals and alloys suitable for casting by eliminating columnar grains and forming equiaxed grains.

До настоящего изобретения использование примесей или химических «измельчающих зерно добавок» было единственным способом решения этой давно известной проблемы образования столбчатых кристаллов в металлическом литье.Prior to the present invention, the use of impurities or chemical "grain refiners" was the only way to solve this long known problem of columnar crystal formation in metal castings.

Приблизительно 68% алюминия, производимого в США, сначала отливаются в слиток перед дальнейшей обработкой в листы, пластины, экструдированные продукты или фольгу. Процесс полунепрерывного литья с прямым охлаждением (DC) и процесс непрерывной разливки (CC) были основой алюминиевой промышленности в значительной степени благодаря их надежности и относительной простоте. Одной проблемой в процессах DC и CC является образование горячего разрыва или образование трещин во время затвердевания слитка. В основном все слитки металла были бы потрескавшимися (или неспособными к литью) без использования измельчения зерна.Approximately 68% of the aluminum produced in the US is first cast into an ingot before further processing into sheets, plates, extruded products or foils. The direct-cooling semi-continuous casting (DC) process and the continuous casting (CC) process have been the backbone of the aluminum industry in large part due to their reliability and relative simplicity. One problem in the DC and CC processes is the formation of hot fracture or cracking during the solidification of the ingot. Basically all ingots of metal would be cracked (or incapable of casting) without the use of grain grinding.

Однако производительность этих современных процессов ограничивается условиями предотвращения растрескивания. Измельчение зерна является эффективным способом уменьшения тенденции сплава к горячему разрыву, и таким образом увеличения производительности. В результате значительные усилия были сконцентрированы на разработке эффективных измельчающих зерно добавок, которые могли бы сделать размеры зерна минимальными. Суперпластичность может быть достигнута, если уменьшить размер зерна до субмикронного уровня, который позволяет не только отливать сплавы с намного более высокими скоростями, но также и осуществлять прокатку/экструдирование при более низких температурах с более высокими скоростями, чем в настоящее время, что привело бы к значительному снижению издержек и экономии энергии.However, the performance of these modern processes is limited by cracking prevention conditions. Grain refinement is an effective way to reduce the tendency of an alloy to hot break and thus increase productivity. As a result, significant efforts have been concentrated on the development of effective grain refinement additives that could minimize grain size. Superplasticity can be achieved if the grain size is reduced to the submicron level, which allows not only alloys to be cast at much higher speeds, but also to be rolled/extruded at lower temperatures at higher speeds than currently, which would result in significant cost savings and energy savings.

В настоящее время почти все алюминиевое литье в мире, как из первичного (приблизительно 20 миллиардов кг), так и из вторичного алюминия и внутренних отходов (25 миллиардов кг), подвергается измельчению зерна с помощью разнородных нерастворимых ядер TiB2, имеющих приблизительно несколько микронов в диаметре, которые образуют зародыши тонкой зернистой структуры в алюминии. Одной проблемой, относящейся к использованию химических измельчающих зерно добавок, является ограниченная способность к измельчению зерна. Кроме того, использование химических измельчающих зерно добавок вызывает ограниченное уменьшение размера алюминиевого зерна, от столбчатой структуры с линейными размерами зерна примерно свыше 2500 мкм к равноосным зернам размером менее чем 200 мкм. Равноосные зерна с размером 100 мкм в алюминиевых сплавах, похоже, являются пределом, который может быть получен с использованием коммерчески доступных химических измельчающих зерно добавок.At present, almost all aluminum castings in the world, both from primary (approximately 20 billion kg) and from recycled aluminum and domestic waste (25 billion kg), are subjected to grain refinement using dissimilar insoluble TiB 2 cores, having approximately a few microns in diameter, which form nuclei of a fine granular structure in aluminium. One problem related to the use of chemical grain refining additives is the limited grain refining capability. In addition, the use of chemical grain refining additives causes a limited reduction in the size of the aluminum grain, from a columnar structure with linear grain sizes above about 2500 microns to equiaxed grains smaller than 200 microns. The 100 µm equiaxed grains in aluminum alloys seem to be the limit that can be obtained using commercially available chemical grain refiners.

Широко известно, что производительность может быть значительно повышена, если размер зерна может быть дополнительно уменьшен. Размер зерна субмикронного уровня приводит к суперпластичности, которая делает намного легче формование алюминиевых сплавов при комнатных температурах.It is widely known that productivity can be greatly improved if the grain size can be further reduced. The submicron grain size results in superplasticity, which makes it much easier to form aluminum alloys at room temperatures.

Другой проблемой, относящейся к использованию химических измельчающих зерно добавок, является образование дефектов, связанное с использованием измельчающих зерно добавок. Хотя они и рассматриваются в предшествующем уровне техники как необходимые для измельчения зерна, нерастворимые инородные частицы вообще являются нежелательными в алюминии, особенно в форме агломератов частиц («кластеров»). Текущие измельчающие зерно добавки, которые присутствуют в форме соединений в алюминиевых лигатурах, производятся с помощью сложной цепочки процессов добычи, обогащения и производства. Используемые в настоящее время лигатуры часто содержат соль фторид калия-алюминия (KAlF) и примеси глинозема (дросс), которые являются результатом обычного процесса производства измельчающих алюминиевое зерно добавок. Они дают начало локальным дефектам в алюминии (например, «течь» в банках с напитками и «булавочные отверстия» в тонкой фольге), приводят к изнашиванию инструментов и к проблемам чистовой обработки поверхности алюминия. Данные одной из компаний, производящей алюминиевые кабели, показывают, что 25% производственных дефектов образуются благодаря агломератам частиц TiB2, и еще 25% дефектов образуются благодаря дроссу, который захватывается алюминием во время процесса литья. Агломераты частиц TiB2 часто разрушают проволоку во время экструдирования, особенно когда диаметр проволоки составляет менее 8 мм.Another problem related to the use of chemical grain refiners is the generation of defects associated with the use of grain refiners. Although considered necessary in the prior art for grain refinement, insoluble foreign particles are generally undesirable in aluminium, especially in the form of particle agglomerates ("clusters"). Current grain refining additives, which are present in the form of compounds in aluminum alloys, are produced through a complex chain of mining, beneficiation and production processes. The master alloys currently in use often contain potassium aluminum fluoride salt (KAlF) and alumina impurities (dross) which are the result of a conventional aluminum grain refiner manufacturing process. They give rise to local defects in the aluminum (eg "leaks" in beverage cans and "pinholes" in thin foil), lead to tool wear, and lead to surface finishing problems in aluminum. Data from an aluminum cable company shows that 25% of manufacturing defects are due to TiB 2 particle agglomerates and another 25% are due to dross that is trapped in the aluminum during the casting process. Agglomerates of TiB 2 particles often break the wire during extrusion, especially when the wire diameter is less than 8 mm.

Другой проблемой, относящейся к использованию химических измельчающих зерно добавок, является стоимость измельчающих зерно добавок. Это особенно справедливо для производства магниевых слитков с использованием циркониевых измельчающих зерно добавок. Измельчение зерна с использованием циркониевых измельчающих зерно добавок увеличивает затраты на килограмм произведенного магниевого литья приблизительно на 1$. Измельчающие зерно добавки для алюминиевых сплавов стоят приблизительно 1,50$ за килограмм.Another problem related to the use of chemical grain refiners is the cost of the grain refiners. This is especially true for the production of magnesium ingots using zirconium grain refiners. Grain refining using zirconium grain refining additives increases the cost per kilogram of magnesium casting produced by about $1. Grain-refining additives for aluminum alloys cost about $1.50 per kilogram.

Другой проблемой, относящейся к использованию химических измельчающих зерно добавок, является уменьшение электропроводности. Использование химических измельчающих зерно добавок вводит в алюминий титан в избыточном количестве, вызывая существенное уменьшение электропроводности чистого алюминия для кабельных приложений. Для сохранения определенной удельной электропроводности компании должны тратить дополнительные деньги для того, чтобы использовать более чистый алюминий для изготовления кабеля и проволоки.Another problem related to the use of chemical grain refiners is the decrease in electrical conductivity. The use of chemical grain refiners introduces excessive amounts of titanium into the aluminum, causing a significant decrease in the electrical conductivity of pure aluminum for cable applications. To maintain a certain electrical conductivity, companies must spend extra money to use purer aluminum for cable and wire.

Ряд других способов измельчения зерна, в дополнение к химическим способам, были исследованы в прошлом столетии. Эти способы включают в себя использование физических полей, таких как магнитные и электромагнитные поля, а также использование механических колебаний. Высокоинтенсивная, низкоамплитудная ультразвуковая вибрация является одним из физических/механических механизмов, который был продемонстрирован для измельчения зерна металлов и сплавов без использования частиц примеси. Однако экспериментальные результаты, такие как в отмеченной выше публикации Cui et al, 2007, были получены в малых слитках металла весом до нескольких фунтов, подвергавшихся ультразвуковой вибрации в течение короткого периода времени. Мало внимания было уделено измельчению зерна в процессах отливки слитков /заготовок СС или DC с использованием высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний.A number of other methods for grinding grain, in addition to chemical methods, have been explored in the past century. These methods include the use of physical fields such as magnetic and electromagnetic fields, as well as the use of mechanical vibrations. High-intensity, low-amplitude ultrasonic vibration is one of the physical/mechanical mechanisms that has been demonstrated for grain refinement of metals and alloys without the use of impurity particles. However, experimental results such as those in Cui et al, 2007 noted above have been obtained in small ingots of metal weighing up to several pounds subjected to ultrasonic vibration for a short period of time. Little attention has been paid to grain refinement in CC or DC ingot/blank casting processes using high-intensity ultrasonic vibrations.

Техническими проблемами, решаемыми в настоящем изобретении для измельчения зерна, являются (1) передача ультразвуковой энергии к расплавленному металлу в течение увеличенных периодов времени, (2) поддержание частот собственных колебаний системы при повышенных температурах и (3) увеличение эффективности ультразвукового измельчения зерна при высокой температуре ультразвукового волновода. Улучшенное охлаждение ультразвукового волновода и слитка металла (как будет описано ниже) является одним из решений, представленных в настоящем документе для решения этих проблем.The technical problems addressed by the present invention for grain refining are (1) transferring ultrasonic energy to molten metal for extended periods of time, (2) maintaining system natural frequencies at elevated temperatures, and (3) increasing the efficiency of ultrasonic grain refining at high temperature. ultrasonic waveguide. Improved cooling of the ultrasonic waveguide and metal ingot (as will be described below) is one of the solutions presented in this paper to solve these problems.

Кроме того, другая техническая проблема, решаемая в настоящем изобретении, относится к тому факту, что чем более чистым является алюминий, тем тяжелее получить равноосные зерна во время процесса отверждения. Даже при использовании внешних измельчающих зерно добавок, таких как TiB (борид титана) в чистом алюминии, таком алюминий марок 1000, 1100 и 1300, трудно получить структуру равноосных зерен. Однако при использовании новой, описанной в настоящем документе технологии измельчения зерна, была получена структура равноосных зерен.In addition, another technical problem solved by the present invention relates to the fact that the purer the aluminum, the more difficult it is to obtain equiaxed grains during the curing process. Even when using external grain refiners such as TiB (titanium boride) in pure aluminum such as 1000, 1100 and 1300 grade aluminum, it is difficult to obtain an equiaxed grain structure. However, using the new grain refinement technology described herein, an equiaxed grain structure was obtained.

Настоящее изобретение снимает проблему образования столбчатых кристаллов без необходимости во введении измельчающих зерно добавок. Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что использование управляемого применения ультразвуковых колебаний к расплавленному металлу при его литье позволяет получить размеры зерна, сравнимые с получаемыми при использовании измельчающих зерно добавок текущего уровня техники, такими как лигатура TiB, или меньше.The present invention overcomes the problem of the formation of columnar crystals without the need for the introduction of grain refining additives. The present inventors have surprisingly found that using the controlled application of ultrasonic vibrations to the molten metal as it is cast produces grain sizes comparable to or less than those obtained using current grain refining additives such as TiB master alloy.

В одном аспекте настоящего изобретения равноосные зерна внутри литого продукта получаются без необходимости в добавлении примесных частиц, таких как борид титана, в металл или металлический сплав для увеличения количества зерен и улучшения равномерного гетерогенного отверждения. Вместо того, чтобы использовать зародышеобразователи, для создания зародышеобразующих точек могут использоваться ультразвуковые колебания. В частности, как более подробно будет объяснено ниже, ультразвуковые колебания передаются жидкой средой для того, чтобы измельчить зерна в металлах и металлических сплавах и создать равноосные зерна.In one aspect of the present invention, equiaxed grains within the cast product are obtained without the need to add impurity particles, such as titanium boride, to the metal or metal alloy to increase the number of grains and improve uniform heterogeneous solidification. Instead of using nucleators, ultrasonic vibrations can be used to create nucleation points. In particular, as will be explained in more detail below, ultrasonic vibrations are transmitted by a liquid medium in order to refine grains in metals and metal alloys and create equiaxed grains.

Для того, чтобы понять морфологию равноосного зерна, рассмотрим рост обычного металлического зерна, в котором дендриты растут одномерно, и формируются удлиненные зерна. Эти удлиненные зерна упоминаются как столбчатые зерна. Если зерно растет свободно во всех направлениях, формируется равноосное зерно. Каждое равноосное зерно содержит 6 первичных дендритов, растущих перпендикулярно. Эти дендриты могут расти с идентичной скоростью. В таком случае зерна кажутся более сферическими, если игнорировать детали дендритных особенностей внутри зерна.In order to understand the morphology of an equiaxed grain, consider the growth of an ordinary metal grain in which dendrites grow one-dimensionally and elongated grains are formed. These elongated grains are referred to as columnar grains. If the grain grows freely in all directions, an equiaxed grain is formed. Each equiaxed grain contains 6 primary dendrites growing perpendicularly. These dendrites can grow at the same rate. In this case, the grains appear more spherical if the details of the dendritic features within the grain are ignored.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения канальная структура 2 (то есть вмещающая конструкция), как показано на Фиг. 1A, транспортирует расплавленный металл к литейной форме (не показанной на Фиг. 1A), такой как, например, карусельная разливочная машина, подробно описанная ниже. Канальная структура 2 включает в себя боковые стенки 2a, удерживающие расплавленный металл, и плиту 2b основания. Боковые стенки 2a и плита 2b основания могут быть отдельными объектами, как показано на чертеже, или могут представлять собой интегрированный блок. Под плитой 2b основания находится проход 2c для жидкой среды, который при работе заполнен жидкой средой. Кроме того, эти два элемента могут представлять собой интегральный блок.In one embodiment of the present invention, the channel structure 2 (i.e., the enclosing structure), as shown in FIG. 1A transports the molten metal to a mold (not shown in FIG. 1A), such as, for example, the carousel casting machine detailed below. The channel structure 2 includes molten metal retaining side walls 2a and a base plate 2b. The side walls 2a and the base plate 2b may be separate entities, as shown in the drawing, or may be an integrated unit. Below the base plate 2b is a fluid passage 2c which is filled with fluid during operation. In addition, these two elements can be an integral block.

Ультразвуковой зонд 2d (или сонотрод, или ультразвуковой излучатель) ультразвукового преобразователя, который обеспечивает подачу ультразвуковых колебаний (UV) через жидкую среду и через плиту 2b основания в жидкий металл, присоединяется к проходу 2c для жидкой среды. В одном варианте осуществления настоящего изобретения ультразвуковой зонд 2d вставляется в проход 2c для жидкой среды. В одном варианте осуществления настоящего изобретения более одного ультразвукового зонда или массив ультразвуковых зондов могут вставляться в проход 2c для жидкой среды. В одном варианте осуществления настоящего изобретения ультразвуковой зонд 2d присоединяется к стенке прохода 2c для жидкой среды. Не привязываясь к какой-либо конкретной теории, относительно небольшое количество недостаточного охлаждения (например, менее чем на 10°C) у дна канала приводит к началу формирования слоя малых ядер более чистого алюминия. Ультразвуковые колебания от дна канала создают эти ядра чистого алюминия, которые затем используются в качестве зародышеобразователей во время отверждения, что приводит к однородной зернистой структуре. Соответственно, в одном варианте осуществления настоящего изобретения способ охлаждения гарантирует, что небольшое количество недостаточного охлаждения у дна канала приводит к образованию слоя малых ядер алюминия. Ультразвуковые колебания от дна канала диспергируют эти ядра и разбивают дендриты, которые формируются в недоохлажденном слое. Эти алюминиевые ядра и фрагменты дендритов затем используются для того, чтобы сформировать равноосные зерна в литейной форме во время отверждения, что приводит к однородной зернистой структуре.The ultrasonic probe 2d (or sonotrode or ultrasonic transducer) of the ultrasonic transducer, which delivers ultrasonic vibrations (UV) through the liquid medium and through the base plate 2b into the liquid metal, is connected to the liquid medium passage 2c. In one embodiment of the present invention, the ultrasonic probe 2d is inserted into the fluid passage 2c. In one embodiment of the present invention, more than one ultrasonic probe or an array of ultrasonic probes can be inserted into the fluid passage 2c. In one embodiment of the present invention, the ultrasonic probe 2d is attached to the wall of the fluid passage 2c. Without being bound by any particular theory, a relatively small amount of insufficient cooling (eg, less than 10°C) at the bottom of the channel leads to the beginning of the formation of a layer of small nuclei of purer aluminum. Ultrasonic vibrations from the bottom of the channel create these pure aluminum cores, which are then used as nucleating agents during curing, resulting in a uniform grain structure. Accordingly, in one embodiment of the present invention, the cooling method ensures that a small amount of insufficient cooling at the bottom of the channel leads to the formation of a layer of small aluminum nuclei. Ultrasonic vibrations from the bottom of the channel disperse these nuclei and break the dendrites that form in the undercooled layer. These aluminum cores and dendritic fragments are then used to form equiaxed grains in the mold during curing, resulting in a uniform grain structure.

Другими словами, ультразвуковые колебания, передаваемые через плиту 2b основания и в жидкий металл, создают точки зародышеобразования в металлах или металлических сплавах для того, чтобы измельчить размер зерна. Плита основания может представлять собой тугоплавкий металл или другой высокотемпературный материал, такой как медь, железо и сталь, ниобий, ниобий и молибден, тантал, вольфрам и рений, а также их сплавы, включая один или более таких элементов, как кремний, кислород или азот, которые могут увеличить температуру плавления этих материалов. Кроме того, плита основания может представлять собой одну из множества легированных сталей, таких как, например, сталь H13 или низкоуглеродистые стали.In other words, the ultrasonic vibrations transmitted through the base plate 2b and into the liquid metal create nucleation points in the metals or metal alloys in order to refine the grain size. The base plate may be a refractory metal or other high temperature material such as copper, iron and steel, niobium, niobium and molybdenum, tantalum, tungsten and rhenium, and their alloys, including one or more of the elements silicon, oxygen or nitrogen. , which can increase the melting point of these materials. In addition, the base plate may be one of a variety of alloy steels such as, for example, H13 steel or low carbon steels.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предусматривается стенка между расплавленным металлом и блоком охлаждения, причем толщина стенки является достаточно тонкой (как более подробно будет описано ниже в примерах), так, чтобы при установившемся производстве смежный с этой стенкой расплавленный металл охлаждался ниже критических температур для конкретного отливаемого металла.In one embodiment of the present invention, a wall is provided between the molten metal and the cooling unit, the wall thickness being sufficiently thin (as will be described in more detail below in the examples) such that, in steady state production, the molten metal adjacent to the wall is cooled below the critical temperatures for a particular cast metal.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения ультразвуковая система вибрации используется для того, чтобы улучшить теплопередачу через тонкую стенку между охлаждающим каналом и расплавленным металлом и вызвать зародышеобразование или разбить дендриты, которые формируются в расплавленном металле около тонкой стенки охлаждающего канала.In one embodiment of the present invention, an ultrasonic vibration system is used to improve heat transfer through a thin wall between a cooling channel and molten metal and to nucleate or break up dendrites that form in the molten metal near the thin wall of the cooling channel.

В приведенных ниже демонстрациях источник ультразвуковых колебаний обеспечивал мощность 1,5 кВт на акустической частоте 20 кГц. Настоящее изобретение не ограничивается этими мощностями и частотами. Может использоваться широкий диапазон мощностей и частот, хотя следующие диапазоны представляют особый интерес.In the demonstrations below, the ultrasonic vibration source provided 1.5 kW of power at an acoustic frequency of 20 kHz. The present invention is not limited to these powers and frequencies. A wide range of powers and frequencies can be used, although the following ranges are of particular interest.

Мощность: В большинстве случаев мощность составляет от 50 до 5000 Вт для каждого сонотрода, в зависимости от габаритов сонотрода или зонда. Эти мощности обычно прикладываются к сонотроду для того, чтобы гарантировать, что удельная мощность на конце сонотрода составляет более чем 100 Вт/см2, что является порогом для того, чтобы вызвать кавитацию в расплавленных металлах. Мощности в этой области могут варьироваться от 50 до 5000 Вт, от 100 до 3000 Вт, от 500 до 2000 Вт, от 1000 до 1500 Вт или могут находиться в любом промежуточном или перекрывающемся диапазоне. Более высокие мощности возможны для более крупного зонда/сонотрода и более низкие мощности возможны для более мелкого зонда. Power : In most cases, the power is between 50 and 5000 watts for each sonotrode, depending on the dimensions of the sonotrode or probe. These powers are typically applied to the sonotrode in order to ensure that the specific power at the end of the sonotrode is greater than 100 W/cm 2 , which is the threshold for causing cavitation in the molten metals. Powers in this region may vary from 50 to 5000 watts, 100 to 3000 watts, 500 to 2000 watts, 1000 to 1500 watts, or may be in any intermediate or overlapping range. Higher powers are possible with a larger probe/sonotrode and lower powers are possible with a smaller probe.

Частота: Обычно может использоваться частота 5-400 кГц (или любой промежуточный диапазон). Альтернативно может использоваться диапазон 10-25 кГц (или любой промежуточный диапазон). Альтернативно может использоваться диапазон 15-25 кГц (или любой промежуточный диапазон). Применяемая частота может варьироваться от 5 до 400 кГц, от 10 до 30 кГц, от 15 до 25 кГц, от 10 до 200 кГц или от 50 до 100 кГц, или может находиться в любом промежуточном или перекрывающемся диапазоне. Frequency: Typically, a frequency of 5-400 kHz (or any range in between) can be used. Alternatively, the 10-25 kHz range (or any range in between) may be used. Alternatively, the 15-25 kHz range (or any range in between) may be used. The applied frequency may vary from 5 to 400 kHz, 10 to 30 kHz, 15 to 25 kHz, 10 to 200 kHz, or 50 to 100 kHz, or may be in any intermediate or overlapping range.

Кроме того, ультразвуковой зонд/сонотрод 2d может быть сконструирован аналогично ультразвуковым зондам, используемым для дегазации расплавленного металла, как описано в американском патенте № 8574336, полное содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки.In addition, the ultrasonic probe/sonotrode 2d can be constructed similarly to ultrasonic probes used for degassing molten metal, as described in US Pat. No. 8,574,336, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

На Фиг. 1A, размеры канальной структуры 2 выбираются в соответствии с объемным потоком отливаемого материала. Размеры прохода 2c для жидкой среды выбираются в соответствии со скоростью потока охлаждающей среды через канал для гарантии того, чтобы охлаждающая среда оставалась по существу в жидкой фазе. Жидкая среда может быть водой. Жидкая среда также может быть маслом, ионными жидкостями, жидкими металлами, жидкими полимерами или другими минеральными (неорганическими) жидкостями. Образование пара, например, в охлаждающем проходе, может ухудшить прохождение ультразвуковых волн в обрабатываемый расплавленный металл. Толщина и материальная конструкция плиты 2b основания выбираются в соответствии с температурой расплавленного металла, температурным градиентом в толщине плиты основания и природой нижележащей стенки прохода 2c для жидкой среды. Далее будет приведено больше подробностей относительно термических факторов, которые необходимо учитывать.On FIG. 1A, the dimensions of the channel structure 2 are chosen according to the volume flow of the material to be cast. The fluid passage 2c is dimensioned according to the flow rate of the coolant through the channel to ensure that the coolant remains substantially in the liquid phase. The liquid medium may be water. The liquid medium may also be oil, ionic liquids, liquid metals, liquid polymers, or other mineral (inorganic) liquids. The formation of steam, for example in a cooling passage, can impair the transmission of ultrasonic waves into the molten metal to be processed. The thickness and material construction of the base plate 2b are selected according to the temperature of the molten metal, the temperature gradient in the thickness of the base plate, and the nature of the underlying wall of the fluid passage 2c. In the following, more details will be given regarding the thermal factors to be taken into account.

Фиг. 1B и 1C представляют собой виды в перспективе канальной структуры 2 (без боковых стенок 2a), показывающие плиту 2b основания, входное отверстие 2c-1 прохода для жидкой среды, выходное отверстие 2c-2 прохода для жидкой среды, а также ультразвуковой зонд 2d. Фиг. 1D показывает размеры, связанные с канальной структурой 2, изображенной на Фиг. 1B и 1C.Fig. 1B and 1C are perspective views of the channel structure 2 (without side walls 2a) showing the base plate 2b, the fluid inlet 2c-1, the fluid outlet 2c-2, and the ultrasonic probe 2d. Fig. 1D shows the dimensions associated with the channel structure 2 shown in FIG. 1B and 1C.

Во время работы расплавленный металл при температуре существенно более высокой, чем температура ликвидуса сплава, передвигается самотеком вдоль верха плиты 2b основания и подвергается воздействию ультразвуковых колебаний по мере того, как он проходит через канальную структуру 2. Плита основания охлаждается для того, чтобы гарантировать, что расплавленный металл возле плиты основания будет иметь температуру, близкую к температуре субликвидуса (например, от менее 5 до 10°C выше температуры ликвидуса сплава, или даже ниже температуры ликвидуса, хотя температура разливки может быть намного более высокой чем 10°C в наших экспериментальных результатах). Температурой плиты основания можно управлять, если это необходимо, путем использования жидкости в канале или путем использования вспомогательных нагревателей. Во время работы атмосферой вокруг расплавленного металла можно управлять посредством кожуха (не показан), который заполняется или продувается, например, инертным газом, таким как Ar, Не или азот. Расплавленный металл, текущий вниз по канальной структуре 2, обычно находится в состоянии температурной остановки, в котором расплавленный металл преобразуется из жидкости в твердое тело. Расплавленный металл, текущий вниз по канальной структуре 2, выходит из конца канальной структуры 2 и выливается в литейную форму, такую как литейная форма 3, показанная на Фиг. 2. Литейная форма 3 имеет емкость 3а для расплавленного металла, сделанную из относительно высокотемпературного материала, такого как медь или сталь, частично включающую в себя область 3b полости. Литейная форма 3 может иметь крышку 3c. Литейная форма, показанная на Фиг. 2, может удерживать приблизительно 5 кг алюминиевого расплава. Настоящее изобретение не ограничивается этой вместимостью. Литейная форма не ограничивается формой, показанной на Фиг. 2. В одном альтернативном примере использовалась медная литейная форма таких размеров, чтобы произвести конические фасонные слитки диаметром приблизительно 7,5 см и высотой 6,35 см. Другие размеры, формы и материалы также могут использоваться для литейной формы. Литейная форма может быть стационарной или движущейся.During operation, molten metal at a temperature substantially higher than the liquidus temperature of the alloy moves by gravity along the top of the base plate 2b and is subjected to ultrasonic vibrations as it passes through the channel structure 2. The base plate is cooled to ensure that the molten metal near the baseplate will have a temperature close to the sub-liquidus temperature (e.g. less than 5 to 10°C above the liquidus temperature of the alloy, or even below the liquidus temperature, although the casting temperature can be much higher than 10°C in our experimental results ). The temperature of the baseplate can be controlled, if necessary, by using fluid in the duct or by using booster heaters. During operation, the atmosphere around the molten metal can be controlled by means of a shroud (not shown) which is filled or purged with, for example, an inert gas such as Ar, He or nitrogen. The molten metal flowing down the channel structure 2 is typically in a temperature-stop state in which the molten metal is converted from a liquid to a solid. The molten metal flowing down the channel structure 2 exits the end of the channel structure 2 and is poured into a mold, such as the mold 3 shown in FIG. 2. The mold 3 has a molten metal container 3a made of a relatively high temperature material such as copper or steel partially including a cavity region 3b. The mold 3 may have a cover 3c. The mold shown in Fig. 2, can hold approximately 5kg of molten aluminum. The present invention is not limited to this capacity. The mold is not limited to the mold shown in FIG. 2. In one alternative example, a copper mold was used sized to produce conical shaped ingots approximately 7.5 cm in diameter and 6.35 cm high. Other sizes, shapes and materials may also be used for the mold. The mold can be stationary or moving.

Литейная форма 3 может иметь признаки литейных форм, описанных в американском патенте № 4211271 (все содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки), используемых для машин непрерывного разлива металла бандажного типа. В частности, как описано в упомянутом патенте и применимо в качестве одного варианта осуществления этого изобретения, угловое наполнительное устройство или материал используется в комбинации с элементами литейной формы, такими как колесо и бандаж для того, чтобы модифицировать геометрию литейной формы так, чтобы предотвратить угловое растрескивание благодаря напряжениям отверждения, присутствующим в других литейных формах, имеющих острые или квадратные края. Абляционные, проводящие или изолирующие материалы, выбираемые в соответствии с желаемым изменением рисунка отверждения, могут вводиться в литейную форму отдельно от движущихся элементов литейной формы, таких как бесконечный бандаж или разливочное колесо, либо будучи присоединенными к ним.The mold 3 may have features of the molds described in US Pat. In particular, as described in the referenced patent and applicable as one embodiment of this invention, a corner filling device or material is used in combination with mold elements such as a wheel and a bandage in order to modify the geometry of the mold so as to prevent corner cracking. due to the curing stresses present in other molds having sharp or square edges. Ablative, conductive, or insulating materials, selected according to the desired change in cure pattern, may be injected into the mold separately from, or attached to, moving mold members such as an endless band or pouring wheel.

В одном режиме работы водный насос (не показан) накачивает воду в канальную структуру 2, и вода, выходящая из канальной структуры 2, распыляется снаружи емкости 3 для расплавленного металла. В других режимах работы раздельная подача охладителя используется для того, чтобы охлаждать канальную структуру 2 и емкость 3 для расплавленного металла. В других режимах работы в качестве охлаждающего агента могут использоваться текучие среды, отличающиеся от воды. В литейной форме металл охлаждается, формируя отвержденное тело, дающее обычно усадку в объеме и отходящее от боковых стенок литейной формы.In one mode of operation, a water pump (not shown) pumps water into the channel structure 2, and the water exiting the channel structure 2 is sprayed outside the molten metal container 3. In other modes of operation, a separate coolant supply is used to cool the channel structure 2 and the molten metal container 3. In other modes of operation, fluids other than water may be used as the coolant. In the mold, the metal cools, forming a solidified body, which usually shrinks in volume and extends from the side walls of the mold.

Хотя это и не показано на Фиг. 2, в процессе непрерывной разливки литейная форма 3 была бы частью вращающегося колеса, и расплавленный металл наполнял бы литейную форму 3 через ее открытый конец. Такой процесс непрерывной разливки описывается в американском патенте № 4066475 (Chis et al.), полное содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Например, в одном аспекте настоящего изобретения стадии непрерывного литья могут быть выполнены в устройстве, показанном на Фиг. 3A. Это устройство включает в себя устройство 10 подачи, которое получает расплавленную металлическую медь, содержащую обычные примеси, и подает этот металл к разливочному желобу 11. Разливочный желоб включает в себя как отдельное дополнение (или в качестве интегральных компонентов) канальную структуру 2, показанную на Фиг. 1A-1B (или другие канальные структуры, описанные в настоящем документе), для того, чтобы обеспечить ультразвуковую обработку расплавленного металла для создания точек зародышеобразования.Although not shown in FIG. 2, in a continuous casting process, the mold 3 would be part of a rotating wheel and the molten metal would fill the mold 3 through its open end. Such a continuous casting process is described in US Pat. No. 4,066,475 (Chis et al.), the entire contents of which are incorporated herein by reference. For example, in one aspect of the present invention, the continuous casting steps may be performed in the apparatus shown in FIG. 3A. This device includes a feeder 10 which receives molten metallic copper containing common impurities and feeds this metal to the pouring spout 11. The pouring spout includes as a separate addition (or as integral components) the channel structure 2 shown in FIG. . 1A-1B (or other channel structures described herein) in order to provide ultrasonic treatment of molten metal to create nucleation points.

Разливочный желоб 11 направляет расплавленный металл к периферийному углублению на вращающемся кольце 13 литейной формы (например, литейной формы 3, показанной на Фиг. 2, без крышки 3c). Бесконечный гибкий металлический бандаж 14 окружает часть кольца 13 литейной формы, а также часть набора позиционирующих бандаж роликов 15 таким образом, что форма для непрерывной разливки определяется углублением в кольце 13 литейной формы и накрывающим его металлическим бандажом 14 между точками A и B. Система охлаждения предусматривается для охлаждения устройства и осуществления управляемого отверждения расплавленного металла во время его транспортировки на вращающемся кольце 13 литейной формы. Система охлаждения включает в себя множество боковых водоводов 17, 18, и 19, расположенных сбоку от кольца 13 литейной формы, а также внутренние и внешние водоводы 21 и 22 бандажа, соответственно, расположенные на внутренней и внешней сторонах металлического бандажа 14 в том месте, где он окружает кольцо литейной формы. Трубопроводная сеть 24, имеющая подходящие клапаны, соединяется для подачи и забора охладителя с различными водоводами для управления охлаждением устройства и скоростью затвердевания расплавленного металла. Для более подробного показа и объяснения этого типа устройства можно обратиться к американскому патенту № 3596702 (Ward et al.), полное содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки.The pouring spout 11 directs the molten metal to a peripheral recess on the rotating ring 13 of the mold (for example, the mold 3 shown in Fig. 2 without the cover 3c). An endless flexible metal band 14 surrounds a part of the mold ring 13, as well as a part of a set of band positioning rollers 15 in such a way that the continuous casting mold is defined by a recess in the mold ring 13 and a metal band 14 covering it between points A and B. A cooling system is provided for cooling the device and effecting a controlled solidification of the molten metal during its transport on the rotating ring 13 of the mold. The cooling system includes a plurality of lateral conduits 17, 18, and 19 located on the side of the mold ring 13, as well as internal and external conduits 21 and 22 of the shroud, respectively, located on the inner and outer sides of the metal shroud 14 in the place where it surrounds the mold ring. The pipeline network 24, having suitable valves, is connected for the supply and withdrawal of coolant to various conduits to control the cooling of the device and the solidification rate of the molten metal. For a more detailed demonstration and explanation of this type of device, see US Pat. No. 3,596,702 (Ward et al.), the entire contents of which are incorporated herein by reference.

Фиг. 3A также показывает контроллер 500, который управляет различными частями изображенной на этом чертеже системы непрерывной разливки алюминия. Как будет подробно обсуждено ниже, контроллер 500 включает в себя один или более процессоров с запрограммированными инструкциями для управления работой системы непрерывной разливки, изображенной на Фиг. 3A.Fig. 3A also shows a controller 500 which controls the various parts of the aluminum continuous casting system shown in this figure. As will be discussed in detail below, the controller 500 includes one or more processors with programmed instructions for controlling the operation of the continuous casting system shown in FIG. 3A.

При такой конструкции расплавленный металл подается из разливочного желоба 11 в литейную форму в точке A и отверждается и частично охлаждается во время его транспортировки между точками A и B за счет циркуляции охладителя через систему охлаждения. Таким образом, к тому времени, когда литой пруток достигает точки B, он приобретает форму цельнолитого прутка 25. Этот цельнолитой пруток 25 извлекается из разливочного колеса и подается к конвейеру 27, который передает литой пруток к прокатному стану 28. Следует отметить, что в точке B литой пруток 25 является охлажденным только до такой температуры, которой достаточно для того, чтобы отвердить пруток, и пруток все еще имеет повышенную температуру, позволяющую сразу же выполнить его прокатку. Прокатный стан 28 может включать в себя тандемный массив клетей, которые последовательно прокатывают пруток в непрерывную катанку 30, которая имеет по существу однородное круглое поперечное сечение.With this design, the molten metal is fed from the pouring trough 11 into the mold at point A and is solidified and partially cooled during its transport between points A and B by circulating coolant through the cooling system. Thus, by the time the cast bar reaches point B, it takes the form of a solid bar 25. This solid bar 25 is removed from the casting wheel and fed to a conveyor 27 which conveys the cast bar to the rolling mill 28. It should be noted that at point B, the cast bar 25 is only cooled to a temperature sufficient to solidify the bar, and the bar is still at an elevated temperature to be immediately rolled. Rolling mill 28 may include a tandem array of stands that sequentially roll bar into continuous rod 30 that has a substantially uniform circular cross section.

Фиг. 3B представляет собой схематическое изображение другого стана непрерывной разливки в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 3B изображает общий вид системы производства непрерывного стержня (CR) и содержит врезку, показывающую увеличенный вид разливочного желоба. Система CR, показанная на Фиг. 3B, характеризуется как колесно-бандажная система разливки, которая имеет охлаждаемое водой медное разливочное колесо 50 и гибкий стальной бандаж 52. В одном варианте осуществления настоящего изобретения разливочное колесо 50 имеет углубление (не видное на этом чертеже) во внешней периферии разливочного колеса, и гибкий стальной бандаж 52 проходит приблизительно половину пути вокруг разливочного колеса 50 для того, чтобы закрыть углубление для литья. В одном варианте осуществления настоящего изобретения углубление для литья и гибкий стальной бандаж, который закрывает углубление для литья, формируют полость 60 формы. В одном варианте осуществления настоящего изобретения промежуточное разливочное устройство 62, разливочный желоб 64 и измерительное устройство 66 подают расплавленный алюминий в углубление для литья во время вращения колеса 50. В одном варианте осуществления настоящего изобретения литейная смазка/покрытие литейной формы наносится на колесо и стальной бандаж непосредственно перед точкой разлива. Расплавленный металл обычно удерживается на месте стальным бандажом 52 до завершения процесса отверждения. По мере того, как колесо вращается, алюминий (или отлитый металл) затвердевает. Отвержденный алюминий с помощью башмака 70 снимателя выходит из колеса 50. Колесо 50 затем протирается, и литейная смазка повторно наносится перед введением свежего расплавленного алюминия.Fig. 3B is a schematic representation of another continuous casting mill in accordance with one embodiment of the present invention. Fig. 3B is a perspective view of a continuous rod (CR) manufacturing system and includes a sidebar showing an enlarged view of the pour trough. The CR system shown in FIG. 3B is characterized as a pour wheel and shroud system that has a water-cooled copper pour wheel 50 and a flexible steel shroud 52. the steel band 52 extends approximately half way around the casting wheel 50 in order to close the casting cavity. In one embodiment of the present invention, the casting cavity and a flexible steel band that covers the casting cavity form a mold cavity 60 . In one embodiment of the present invention, tundish 62, tundish 64, and metering device 66 feed molten aluminum into the casting cavity while wheel 50 is rotated. in front of the spill point. The molten metal is typically held in place by a steel band 52 until the solidification process is complete. As the wheel spins, the aluminum (or cast metal) solidifies. The cured aluminum is exited by the stripper shoe 70 from the wheel 50. The wheel 50 is then wiped down and the cast lubricant reapplied before fresh molten aluminum is introduced.

В системе CR, изображенной на Фиг. 3B, разливочный желоб включает в себя как отдельное дополнение (или в качестве интегральных компонентов) канальную структуру 2, показанную на Фиг. 1A-1B (или другие канальные структуры, описанные в настоящем документе), для того, чтобы обеспечить ультразвуковую обработку расплавленного металла для создания точек зародышеобразования.In the CR system shown in FIG. 3B, the pouring chute includes as a separate addition (or as integral components) the channel structure 2 shown in FIG. 1A-1B (or other channel structures described herein) in order to provide ultrasonic treatment of molten metal to create nucleation points.

Фиг. 3B также показывает контроллер 500 (уже упомянутый выше), который управляет различными частями изображенной на этом чертеже системы непрерывной разливки алюминия. Контроллер 500 включает в себя один или более процессоров с запрограммированными инструкциями для управления работой системы непрерывной разливки, изображенной на Фиг. 3A.Fig. 3B also shows a controller 500 (already mentioned above) which controls the various parts of the aluminum continuous casting system shown in this figure. The controller 500 includes one or more processors with programmed instructions for controlling the operation of the continuous casting system shown in FIG. 3A.

Как было отмечено выше, литейная форма может быть стационарной, наподобие используемых при литье в песчаные формы, литье в гипсовые формы, литье в оболочечные формы, прецизионном литье, литье в многоразовые формы, литье под давлением и т.д. В то время как далее оно описывается в отношении алюминия, настоящее изобретение не ограничивается этим, и другие металлы, такие как медь, серебро, золото, магний, бронза, латунь, олово, сталь, железо и их сплавы могут использовать принципы настоящего изобретения. Дополнительно к этому, композиты металл-матрица могут использовать принципы настоящего изобретения для того, чтобы управлять конечными размерами зерна в литых объектах.As noted above, the mold may be stationary, such as those used in sand casting, plaster casting, shell casting, investment casting, reusable mold casting, injection molding, etc. While the following is described with respect to aluminum, the present invention is not limited thereto, and other metals such as copper, silver, gold, magnesium, bronze, brass, tin, steel, iron, and their alloys may use the principles of the present invention. Additionally, metal-matrix composites can use the principles of the present invention to control the final grain sizes in cast objects.

Демонстрации:Demos:

Следующие демонстрации показывают полезность настоящего изобретения и не предназначены для ограничения настоящего изобретения какими-либо конкретными размерами, условиями охлаждения, производительностью и температурами, описываемыми ниже, если только они не используются в формуле изобретения.The following demonstrations demonstrate the usefulness of the present invention and are not intended to limit the present invention to any of the specific dimensions, cooling conditions, capacities and temperatures described below, unless used in the claims.

С использованием канальной структуры, показанной на Фиг. 1A-1D, и литейной формы, показанной на Фиг. 2, были задокументированы результаты настоящего изобретения. За исключением отмеченного ниже, канальные структуры имели плиты 2b основания приблизительно 5 см шириной и 54 см длиной, создающие вибрационный путь длиной приблизительно 52 см (то есть, приблизительно равный длине канала 2c жидкостного охлаждения). Толщина плиты основания варьировалась, как отмечено ниже, но для стальной плиты основания толщина составляла 6,35 мм. В качестве стального сплава использовалась сталь 1010. Высота и ширина канала 2c жидкостного охлаждения составляли приблизительно 2 см и 4,5 см, соответственно. Охлаждающей текучей средой была вода, подаваемая с приблизительно комнатной температурой и расходом приблизительно 22-25 л/мин.Using the channel structure shown in FIG. 1A-1D and the mold shown in FIG. 2, the results of the present invention have been documented. Except as noted below, the channel structures had base plates 2b approximately 5 cm wide and 54 cm long, creating a vibratory path approximately 52 cm long (ie, approximately equal to the length of the liquid cooling channel 2c). The thickness of the base plate varied as noted below, but for the steel base plate, the thickness was 6.35 mm. As the steel alloy, 1010 steel was used. The height and width of the liquid cooling channel 2c were approximately 2 cm and 4.5 cm, respectively. The cooling fluid was water supplied at approximately room temperature and at a flow rate of approximately 22-25 L/min.

1) Без измельчающих зерно добавок и без ультразвуковой вибрации1) No grain-refining additives and no ultrasonic vibration

Фиг. 4A и 4B представляют собой изображения макроструктур слитка чистого алюминия, отлитого без измельчающих зерно добавок и без ультразвуковой вибрации по настоящему изобретению. Литые образцы были сформированы при температурах разливки 1238˚F или 670˚C (см. Фиг. 4A) и 1292˚F или 700˚C (см. Фиг. 4B), соответственно. Литейная форма охлаждалась путем распыления на нее воды во время процесса отверждения. Стальной канал, имеющий толщину 6,35 мм, использовался для канальной структуры, показанной на Фиг. 4A-4D. Фиг. 4C и 4D представляют собой изображения макроструктур слитка чистого алюминия, отлитого без измельчающих зерно добавок и без ультразвуковой вибрации по настоящему изобретению. Литые образцы были сформированы при температурах разливки 1346°F или 730°C (см. Фиг. 4C) и 1400°F или 760°C (см. Фиг. 4D), соответственно. Литейная форма опять же охлаждалась путем распыления на нее воды во время процесса отверждения. На Фиг. 4A-4D скорость литья составляла приблизительно 40 кг/мин.Fig. 4A and 4B are macroscopic views of a pure aluminum ingot cast without grain refining additives and without ultrasonic vibration of the present invention. Cast samples were formed at pour temperatures of 1238˚F or 670˚C (see Fig. 4A) and 1292˚F or 700˚C (see Fig. 4B), respectively. The mold was cooled by spraying water on it during the curing process. A steel channel having a thickness of 6.35 mm was used for the channel structure shown in FIG. 4A-4D. Fig. 4C and 4D are macroscopic views of a pure aluminum ingot cast without grain refining additives and without ultrasonic vibration of the present invention. Cast samples were formed at pour temperatures of 1346°F or 730°C (see Fig. 4C) and 1400°F or 760°C (see Fig. 4D), respectively. The mold was again cooled by spraying water on it during the curing process. On FIG. 4A-4D, the casting speed was approximately 40 kg/min.

Фиг. 5 представляет собой график, показывающий измеренный размер зерна как функцию температуры литья. Зерна показывают кристаллы, которые являются столбчатыми и имеют размеры зерна в пределах от мм до десятков мм с медианным размером зерна от более чем 12 мм до более чем 18 мм в зависимости от температуры литьяFig. 5 is a graph showing measured grain size as a function of casting temperature. Grains show crystals that are columnar and have grain sizes ranging from mm to tens of mm with a median grain size of greater than 12 mm to greater than 18 mm depending on casting temperature

2) Без измельчающих зерно добавок и с ультразвуковой вибрацией2) Without grain-refining additives and with ultrasonic vibration

Фиг. 6A-6C представляют собой изображения макроструктур слитка чистого алюминия, отлитого без измельчающих зерно добавок и с ультразвуковой вибрацией по настоящему изобретению. Литые образцы были сформированы при температурах разливки 1256°F или 680°C (см. Фиг. 6A), 1292°F или 700°C (см. Фиг. 6B), и 1328°F или 720°C (см. Фиг. 6C), соответственно. Литейная форма охлаждалась путем распыления на нее воды во время процесса отверждения. Стальной канал, имеющий толщину 6,35 мм, использовался для канальной структуры, используемой для формирования образцов, показанных на Фиг. 6A-6C. В этих примерах расплавленный алюминий тек по стальному каналу (плите основания шириной 5 см) на расстоянии приблизительно 35 см по верхней поверхности. Зонд ультразвуковой вибрации был установлен под верхней стороной стальной канальной структуры и располагался на расстоянии приблизительно 7,5 см от того конца канальной структуры, из которого выливался расплавленный алюминий. На Фиг. 6A-6C скорость литья составляла приблизительно 40 кг/мин. Ультразвуковой зонд/сонотрод был сделан из сплава Ti (Ti-6Al-4V). Частота составляла 20 кГц, и интенсивность ультразвуковой вибрации составляла 50% от максимальной амплитуды, приблизительно 40 мкм.Fig. 6A-6C are macroscopic views of a pure aluminum ingot cast without grain refining additives and with ultrasonic vibration of the present invention. Cast samples were formed at pour temperatures of 1256°F or 680°C (see Fig. 6A), 1292°F or 700°C (see Fig. 6B), and 1328°F or 720°C (see Fig. 6C), respectively. The mold was cooled by spraying water on it during the curing process. A steel channel having a thickness of 6.35 mm was used for the channel structure used to form the samples shown in FIG. 6A-6C. In these examples, molten aluminum flowed through a steel channel (5 cm wide base plate) at a distance of approximately 35 cm over the top surface. The ultrasonic vibration probe was mounted under the top side of the steel channel structure and positioned at a distance of approximately 7.5 cm from the end of the channel structure from which the molten aluminum was poured. On FIG. 6A-6C, the casting speed was approximately 40 kg/min. The ultrasonic probe/sonotrode was made of a Ti alloy (Ti-6Al-4V). The frequency was 20 kHz and the ultrasonic vibration intensity was 50% of the maximum amplitude, approximately 40 µm.

Фиг. 7 представляет собой график, показывающий измеренный размер зерна как функцию температуры литья. Эти зерна показывают кристаллы, которые являются столбчатыми и имеют размеры зерна менее 0,5 мкм. Эти результаты показывают, что ультразвуковая обработка по настоящему изобретению является столь же эффективной для образования равноосных зерен чистого металла, как и измельчающие зерно добавки Tibor (соединение, содержащее титан и бор). См., например, Фиг. 13, где показаны данные для образцов, содержащих измельчающие зерно добавки Tibor.Fig. 7 is a graph showing measured grain size as a function of casting temperature. These grains show crystals that are columnar and have grain sizes less than 0.5 µm. These results show that the ultrasonic treatment of the present invention is as effective in producing equiaxed grains of pure metal as grain refining additives Tibor (compound containing titanium and boron). See, for example, FIG. 13 showing data for samples containing Tibor grain refiners.

Кроме того, эффект настоящего изобретения был получен даже для более высоких скоростей разливки. При использовании скорости разливки 75 кг/мин через стальной канал (с плитой основания шириной 7,5 см) с расстоянием течения приблизительно 52 см на верхней поверхности ультразвуковая обработка по настоящему изобретению была столь же эффективной для образования равноосных зерен чистого металла, как и измельчающие зерно добавки Tibor. Фиг. 8 представляет собой график, показывающий измеренный размер зерна как функцию температуры литья при скорости разливки 75 кг/мин.In addition, the effect of the present invention was obtained even for higher casting speeds. Using a casting speed of 75 kg/min through a steel channel (with a base plate 7.5 cm wide) with a flow distance of approximately 52 cm on the top surface, the ultrasonic treatment of the present invention was as effective in forming equiaxed grains of pure metal as grinding grains. Tibor additives. Fig. 8 is a graph showing measured grain size as a function of casting temperature at a casting speed of 75 kg/min.

Аналогичные демонстрации были сделаны с использованием медной плиты основания, имеющей толщину 6,35 мм и те же самые горизонтальные размеры, что и описанные выше. Фиг. 9 представляет собой график, показывающий измеренный размер зерна как функцию температуры литья при скорости разливки 75 кг/мин с использованием медного канала, обсужденного выше. Результаты показывают, что эффект измельчения зерна для меди получается лучше, когда температура литья составляет 1238°F или 670°C.Similar demonstrations were made using a copper base plate having a thickness of 6.35 mm and the same horizontal dimensions as described above. Fig. 9 is a graph showing measured grain size as a function of casting temperature at a casting speed of 75 kg/min using the copper channel discussed above. The results show that the grain refinement effect for copper is better when the casting temperature is 1238°F or 670°C.

Аналогичные демонстрации были сделаны с использованием ниобиевой плиты основания, имеющей толщину 1,4 мм и те же самые горизонтальные размеры, что и описанные выше. Фиг. 10 представляет собой график, показывающий измеренный размер зерна как функцию температуры литья при скорости разливки 75 кг/мин с использованием ниобиевого канала, обсужденного выше. Эти результаты показывают, что эффект измельчения зерна для ниобия получается лучше, когда температура литья составляет 1238°F или 670°C.Similar demonstrations were made using a niobium base plate having a thickness of 1.4 mm and the same horizontal dimensions as described above. Fig. 10 is a graph showing measured grain size as a function of casting temperature at a casting speed of 75 kg/min using the niobium channel discussed above. These results show that the grain refinement effect for niobium is better when the casting temperature is 1238°F or 670°C.

В другой демонстрации настоящего изобретения было найдено, что изменение смещения ультразвукового зонда от выходного конца канала 3 обеспечивает способ изменения размера зерна без добавления измельчающих зерно добавок. Фиг. 11A и 11B для описанной выше пластины из ниобия при соответствующих температурах разливки 1346°F или 730°C (Фиг. 11A) и 1400°F или 760°C (Фиг. 11B) показывают намного более грубую зернистую структуру, когда расстояние ультразвукового зонда от выходного конца было увеличено с 7,5 см до 22 см. Фиг. 11C и 11D представляют собой схемы экспериментального позиционирования и смещения ультразвукового зонда, с использованием которых были собраны данные об эффекте смещения ультразвукового зонда. Смещения ниже 23 см или еще дальше являются эффективными для уменьшения размера зерна. Однако окно (то есть диапазон) для температуры разливки уменьшается с увеличением расстояния между положением зонда/сонотрода и формы для металла. Настоящее изобретение не ограничивается этим диапазоном.In another demonstration of the present invention, it has been found that changing the offset of the ultrasonic probe from the exit end of channel 3 provides a way to change the grain size without the addition of grain refining additives. Fig. 11A and 11B for the niobium wafer described above at respective pour temperatures of 1346°F or 730°C (FIG. 11A) and 1400°F or 760°C (FIG. 11B) show a much coarser grain structure when the distance of the ultrasonic probe from exit end was increased from 7.5 cm to 22 cm. FIG. 11C and 11D are schematics of the experimental positioning and displacement of the ultrasonic probe with which data on the effect of displacement of the ultrasonic probe was collected. Offsets below 23 cm or further are effective in reducing grain size. However, the window (ie range) for casting temperature decreases as the distance between the probe/sonotrode position and the metal mold increases. The present invention is not limited to this range.

Фиг. 12 представляет собой график зависимости измеренных размеров зерна как функции температуры литья со скоростью отливки 75 кг/мин и с использованием обсужденного выше канала из ниобия, но с расстоянием ультразвукового зонда от выходного конца, увеличенным до 22 см. Этот график показывает, что размер зерна сильно зависит от температуры литья. Размеры зерна становятся намного больше, и частично появляются столбчатые кристаллы, когда температура разливки является более высокой, чем приблизительно 1300°F или 704°C, в то время как размеры зерна почти эквивалентны другим условиям при температуре разливки меньше чем 1292°F или 700°C.Fig. 12 is a graph of measured grain sizes as a function of casting temperature at a casting speed of 75 kg/min and using the niobium channel discussed above, but with the distance of the ultrasonic probe from the exit end increased to 22 cm. This graph shows that the grain size is strongly depends on casting temperature. Grain sizes become much larger and columnar crystals partially appear when the pour temperature is higher than approximately 1300°F or 704°C, while grain sizes are nearly equivalent to other conditions at a pour temperature of less than 1292°F or 700° C.

Кроме того, при более высоких температурах использование измельчающих зерно добавок обычно приводит к меньшему размеру зерна, чем при более низких температурах. Средний размер зерна в слитке, подвергшемся измельчению зерна при температуре 760°C, составил 397,76 мкм, в то время как средний размер зерна в обработанном ультразвуком слитке составил 475,82 мкм, со среднеквадратичным отклонением размеров зерна, составляющим приблизительно 169 мкм и 95 мкм, соответственно, что показывает, что ультразвуковые колебания произвели больше однородных зерен, чем измельчающие зерно добавки Al-Ti-B.In addition, at higher temperatures, the use of grain refiners generally results in smaller grain sizes than at lower temperatures. The average grain size in the ingot subjected to grain refinement at 760° C. was 397.76 µm, while the average grain size in the sonicated ingot was 475.82 µm, with a grain size standard deviation of approximately 169 µm and 95 µm, respectively, showing that the ultrasonic vibrations produced more uniform grains than Al-Ti-B grain refiners.

В одном особенно привлекательном аспекте настоящего изобретения при более низких температурах ультразвуковая обработка является более эффективной, чем добавление измельчающих зерно добавок.In one particularly attractive aspect of the present invention, at lower temperatures, sonication is more effective than the addition of grain refiners.

В другом аспекте настоящего изобретения температура разливки может использоваться для управления изменением размера зерна в слитках, подвергаемых ультразвуковой обработке. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что размер зерна уменьшается с уменьшением температуры разливки. Авторы настоящего изобретения также обнаружили, что равноосные зерна образуются при использовании ультразвуковой вибрации, когда расплав отливают в литейную форму при температурах в пределах 10°C выше температуры ликвидуса отливаемого сплава.In another aspect of the present invention, casting temperature may be used to control grain size changes in ingots subjected to ultrasonic treatment. The inventors of the present invention have found that the grain size decreases with decreasing pouring temperature. The present inventors have also found that equiaxed grains are formed using ultrasonic vibration when the melt is cast into a mold at temperatures within 10° C. above the liquidus temperature of the cast alloy.

Фиг. 13A схематично показывает конфигурацию увеличенного свободного конца. В конфигурации увеличенного свободного конца, показанной на Фиг. 13A, длина свободного конца канала из ниобия увеличена с 1,25 см до приблизительно 12,5 см, а ультразвуковой зонд располагается в 7,5 см от конца трубы. Увеличенный свободный конец реализуется путем добавления пластины из ниобия к первоначальному свободному концу. Фиг. 13B представляет собой график, показывающий влияние температуры литья на размер получаемого зерна при использовании канала из ниобия. Полученные размеры зерна были эффективно эквивалентны более короткому свободному концу, когда температура разливки составляла менее чем 1292°F или 700°C.Fig. 13A schematically shows the configuration of the enlarged free end. In the enlarged riser configuration shown in FIG. 13A, the length of the free end of the niobium channel is increased from 1.25 cm to approximately 12.5 cm, and the ultrasonic probe is positioned 7.5 cm from the end of the tube. The enlarged free end is realized by adding a niobium plate to the original free end. Fig. 13B is a graph showing the effect of casting temperature on grain size produced when using a niobium channel. The obtained grain sizes were effectively equivalent to the shorter free end when the casting temperature was less than 1292°F or 700°C.

Настоящее изобретение не ограничивается применением использования ультразвуковых колебаний просто к описанной выше канальной структуре. В большинстве случаев ультразвуковые колебания могут вызывать зародышеобразование в тех точках в процессе литья, в которых расплавленный металл начинает охлаждаться из расплавленного состояния и входить в твердое состояние (то есть там, где он находится в состоянии температурной остановки). Иными словами, настоящее изобретение в различных вариантах осуществления комбинирует ультразвуковую вибрацию с управлением температурой таким образом, чтобы расплавленный металл, находящийся около охлаждаемой поверхности, имел температуру, близкую к температуре ликвидуса сплава. В этих вариантах осуществления температура поверхности охлаждаемой плиты является достаточно низкой для того, чтобы вызвать зародышеобразование и рост кристаллов (формирование дендритов), в то время как ультразвуковая вибрация создает зародыши и разбивает дендриты, которые могут образовываться на поверхности охлаждаемой плиты.The present invention is not limited to applying the use of ultrasonic vibrations simply to the channel structure described above. In most cases, ultrasonic vibrations can induce nucleation at those points during the casting process at which the molten metal begins to cool from the molten state and enter the solid state (i.e., where it is in the temperature stop state). In other words, the present invention, in various embodiments, combines ultrasonic vibration with temperature control so that the molten metal near the surface to be cooled has a temperature close to the liquidus temperature of the alloy. In these embodiments, the surface temperature of the chilled plate is low enough to induce nucleation and crystal growth (formation of dendrites) while ultrasonic vibration nucleates and breaks up dendrites that may form on the surface of the chilled plate.

Альтернативные конфигурацииAlternative Configurations

Соответственно в настоящем изобретении ультразвуковые колебания (кроме вводимых в отмеченную выше канальную структуру) могут использоваться для того, чтобы вызывать зародышеобразование в точке входа расплавленного металла в литейную форму посредством ультразвукового вибратора, предпочтительно связанного со входом в литейную форму посредством жидкого охладителя. Этот выбор может быть более привлекательным в стационарной форме. В некоторых конфигурациях литья (например, при литье в форму с вертикально расположенной полостью) этот выбор может быть единственным практическим решением.Accordingly, in the present invention, ultrasonic vibrations (other than those introduced into the channel structure noted above) can be used to induce nucleation at the entry point of the molten metal into the mold by an ultrasonic vibrator, preferably connected to the entry into the mold by a liquid coolant. This choice may be more attractive in stationary form. In some casting configurations (eg vertical cavity casting) this choice may be the only practical solution.

Альтернативно или в дополнение к этому, ультразвуковые колебания могут вызывать зародышеобразование в желобе, который подает расплавленный металл к канальной структуре или который подает расплавленный металл непосредственно в литейную форму. Как и до этого, ультразвуковой вибратор предпочтительно соединяется с желобом и таким образом с расплавленным металлом посредством жидкого охладителя.Alternatively, or in addition, the ultrasonic vibrations can induce nucleation in a trough that delivers molten metal to the channel structure or that delivers molten metal directly into the mould. As before, the ultrasonic vibrator is preferably connected to the trough and thus to the molten metal by means of a liquid coolant.

Кроме того, помимо использования обработки ультразвуковой вибрацией по настоящему изобретению при литье в стационарные формы и в непрерывные формы стержневого типа, описанные выше, настоящее изобретение также является полезным в разливочных станах, описанных в американском патенте № 4733717, полное содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Как показано на Фиг. 14 (воспроизведенной из этого патента), непрерывная разливка и система 110 горячего формования включает в себя разливочную машину 112, которая дополнительно включает в себя разливочное колесо 114, имеющее периферийное углубление, гибкий бандаж 116, движимый множеством направляющих колес 117, которые перемещают гибкий бандаж 116 против разливочного колеса 114 на части его окружности так, чтобы покрыть периферийное углубление и сформировать литейную форму между бандажом 116 и разливочным колесом 114. По мере того, как расплавленный металл льется в литейную форму через разливочный желоб 119, разливочное колесо 114 вращается, и бандаж 116 перемещается вместе с разливочным колесом 114 для того, чтобы сформировать движущуюся литейную форму. Разливочный желоб 119 включает в себя как отдельное дополнение (или в качестве интегральных компонентов) канальную структуру 2, показанную на Фиг. 1A-1B (или другие канальные структуры, описанные в настоящем документе), для того, чтобы обеспечить ультразвуковую обработку расплавленного металла для создания точек зародышеобразования.Moreover, in addition to using the ultrasonic vibration treatment of the present invention in casting into the stationary molds and continuous rod-type molds described above, the present invention is also useful in the casting mills described in US Pat. No. 4,733,717, the entire contents of which are incorporated herein by links. As shown in FIG. 14 (reproduced from this patent), the continuous casting and hot forming system 110 includes a casting machine 112 that further includes a casting wheel 114 having a peripheral recess, a flexible band 116 driven by a plurality of guide wheels 117 that move the flexible band 116 against the casting wheel 114 on part of its circumference so as to cover the peripheral recess and form a mold between the shroud 116 and the pouring wheel 114. As molten metal is poured into the mold through the pouring spout 119, the pouring wheel 114 rotates and the shroud 116 moves with the casting wheel 114 to form a moving mold. The pouring spout 119 includes as a separate addition (or as integral components) the channel structure 2 shown in FIG. 1A-1B (or other channel structures described herein) in order to provide ultrasonic treatment of molten metal to create nucleation points.

Система 115 охлаждения разливочной машины 112 заставляет расплавленный металл равномерно отверждаться в литейной форме и выходить из разливочного колеса 114 в виде литого прутка 120.The cooling system 115 of the casting machine 112 causes the molten metal to uniformly solidify in the mold and exit the pouring wheel 114 as a cast rod 120.

Из разливочной машины 112 литой пруток 120 проходит через средство 121 нагревания. Средство 121 нагревания функционирует как подогреватель для повышения температуры прутка 120 от температуры плотной отливки до температуры горячей штамповки, то есть от приблизительно 1700°F или 927°C до приблизительно 1750°F или 954°C. Сразу после предварительного нагрева пруток 120 проходит через обычный прокатный стан 124, который включает в себя клети 125, 126, 127 и 128. Клети прокатного стана 124 обеспечивают первичное горячее формование литого прутка путем последовательного сжатия подогретого прутка до тех пор, пока он не уменьшится до желаемого поперечного размера и формы.From the pouring machine 112, the cast rod 120 passes through the heating means 121. The heating means 121 functions as a heater to increase the temperature of the rod 120 from the solid casting temperature to the hot forging temperature, that is, from about 1700°F or 927°C to about 1750°F or 954°C. Immediately after preheating, bar 120 passes through conventional rolling mill 124, which includes stands 125, 126, 127, and 128. Mill stands 124 provide primary hot forming of the cast bar by sequentially compressing the preheated bar until it is reduced to desired transverse size and shape.

Фиг. 14 также показывает контроллер 500, который управляет различными частями изображенной на этом чертеже системы непрерывной разливки. Как будет подробно обсуждено ниже, контроллер 500 включает в себя один или более процессоров с запрограммированными инструкциями для управления работой системы непрерывной разливки меди, изображенной на Фиг. 14.Fig. 14 also shows a controller 500 which controls the various parts of the continuous casting system shown in this drawing. As will be discussed in detail below, controller 500 includes one or more programmed instruction processors for controlling operation of the copper continuous casting system shown in FIG. fourteen.

Кроме того, помимо использования обработки ультразвуковой вибрацией по настоящему изобретению при литье в стационарные формы и в непрерывные системы разливки колесного типа, описанные выше, настоящее изобретение также является полезным в установках литья в форму с вертикально расположенной полостью.Furthermore, in addition to using the ultrasonic vibration treatment of the present invention in stationary mold casting and wheel-type continuous casting systems described above, the present invention is also useful in vertical cavity mold casting machines.

Фиг. 15 изображает выбранные компоненты установки литья в форму с вертикально расположенной полостью. Более подробно эти компоненты и другие аспекты установки литья в форму с вертикально расположенной полостью описываются в американском патенте № 3520352, полное содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Как показано на Фиг. 15, установка литья в форму с вертикально расположенной полостью включает в себя полость 213 для литья расплавленного металла, которая в целом является квадратной в проиллюстрированном варианте осуществления, но которая может быть круглой, эллиптической, многоугольной или может иметь любую другую подходящую форму, и которая ограничивается вертикальными, взаимно пересекающимися первыми частями 215 стенки и вторыми или угловыми частями 217 стенки, расположенными в верхней части литейной формы. Удерживающая текучую среду оболочка 219 окружает стенки 215 и угловые элементы 217 полости для литья на некотором расстоянии от нее. Оболочка 219 выполнена с возможностью принимать охлаждающую текучую среду, такую как вода, через входной трубопровод 221 и выпускать охлаждающую текучую среду через выходной трубопровод 223.Fig. 15 shows selected components of a vertical cavity molding machine. These components and other aspects of the vertical cavity molding machine are described in more detail in US Pat. No. 3,520,352, the entire contents of which are incorporated herein by reference. As shown in FIG. 15, the vertical cavity casting machine includes a molten metal casting cavity 213 which is generally square in the illustrated embodiment, but which may be round, elliptical, polygonal, or any other suitable shape, and which is limited vertical, mutually intersecting first wall portions 215 and second or corner wall portions 217 located at the top of the mold. The fluid retaining sheath 219 surrounds the walls 215 and corners 217 of the casting cavity at some distance from it. The shell 219 is configured to receive a cooling fluid, such as water, through the inlet conduit 221 and to discharge the cooling fluid through the outlet conduit 223.

В то время как первые части 215 стенки предпочтительно делаются из материала с высокой теплопроводностью, такого как медь, вторые или угловые части 217 стенки делаются из материала с меньшей теплопроводностью, такого как, например, керамический материал. Как показано на Фиг. 15, угловые части 217 стенки имеют в целом Г-образное или угловое поперечное сечение, и вертикальные края каждого угла скошены вниз в направлении друг к другу. Таким образом, угловой элемент 217 завершается на некотором подходящем уровне в литейной форме выше стороны выгрузки литейной формы, которая находится между поперечными сечениями.While the first wall portions 215 are preferably made of a high thermal conductivity material such as copper, the second or corner wall portions 217 are made of a lower thermal conductivity material such as, for example, a ceramic material. As shown in FIG. 15, the corner portions 217 of the wall have a generally L-shaped or corner cross-section, and the vertical edges of each corner are beveled downward towards each other. Thus, the corner member 217 terminates at some suitable level in the mold above the mold discharge side which is between the cross sections.

При работе расплавленный металл вытекает из промежуточного разливочного устройства в литейную форму, которая совершает вертикальные возвратно-поступательные движения, и литая лента металла непрерывно извлекается из литейной формы. Расплавленный металл сначала охлаждается в литейной форме при контакте с более прохладными стенками литейной формы, что можно рассматривать как первую зону охлаждения. Тепло быстро удаляется из расплавленного металла в этой зоне, и, как полагают, оболочка из затвердевшего материала формируется полностью вокруг центральной ванны расплавленного металла.In operation, the molten metal flows out of the tundish into the casting mold, which performs vertical reciprocating movements, and the cast metal strip is continuously withdrawn from the casting mold. The molten metal is first cooled in the mold by contact with the cooler walls of the mold, which can be thought of as the first cooling zone. Heat is rapidly removed from the molten metal in this zone and a sheath of solidified material is believed to form completely around the central pool of molten metal.

В настоящем изобретении канальная структура 2 (или структура, аналогичная показанной на Фиг. 1) мог быть предусмотрена в качестве части литейного устройства для транспортировки расплавленного металла к полости 213 для литья. В этой конфигурации канальная структура 3 с ее ультразвуковым зондом обеспечивает ультразвуковую обработку расплавленного металла для того, чтобы создать точки зародышеобразования.In the present invention, a channel structure 2 (or a structure similar to that shown in FIG. 1) could be provided as part of a casting apparatus for transporting molten metal to the casting cavity 213. In this configuration, the channel structure 3, with its ultrasonic probe, sonicates the molten metal in order to create nucleation points.

В одной альтернативной конфигурации ультразвуковой располагается относительно удерживающей текучую среду оболочки 219 так, чтобы он предпочтительно входил в охлаждающую среду, циркулирующую в оболочке 219. Как и раньше, ультразвуковые вибрации могут вызывать зародышеобразование в расплавленном металле, например, в его состоянии температурной остановки, в котором расплавленный металл преобразуется из жидкого состояния в твердое, по мере того, как литая полоса металла непрерывно извлекается из полости 213 для литья.In one alternative configuration, the ultrasonic is positioned relative to the fluid containment sheath 219 so that it preferably enters the cooling medium circulating in the sheath 219. As before, the ultrasonic vibrations can induce nucleation in the molten metal, for example, in its temperature-stop state, in which the molten metal is converted from a liquid to a solid state as the cast strip of metal is continuously withdrawn from the casting cavity 213 .

Управление температуройTemperature control

Как было отмечено выше, в одном аспекте настоящего изобретения ультразвуковые колебания от ультразвукового зонда передаются в жидкую среду для того, чтобы лучше измельчить зерна в металлах и металлических сплавах и способствовать более однородному отверждению. Ультразвуковая вибрация предпочтительно передается к жидкому металлу через промежуточную жидкую охлаждающую среду.As noted above, in one aspect of the present invention, ultrasonic vibrations from an ultrasonic probe are transmitted to a liquid medium in order to better refine grains in metals and metal alloys and promote more uniform solidification. The ultrasonic vibration is preferably transmitted to the liquid metal via an intermediate liquid cooling medium.

Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, следующее обсуждение иллюстрирует некоторые из факторов, влияющих на ультразвуковой контакт.Without wishing to be bound by any particular theory, the following discussion illustrates some of the factors that affect ultrasonic contact.

Предпочтительно, чтобы поток охлаждающей жидкости обеспечивался с достаточной скоростью для того, чтобы нужным образом охладить металл, находящийся вблизи от охлаждающей плиты (менее чем на 5-10°C выше температуры ликвидуса сплава или немного ниже температуры ликвидуса). Таким образом, один признак настоящего изобретения использует эти условия охлаждающей плиты и ультразвуковую вибрацию для того, чтобы уменьшить размер зерна в большом количестве металла. Предшествующие методики, использующие ультразвуковую вибрацию для измельчения зерна, работали только для небольшого количества металла при коротких временах литья. Использование системы охлаждения гарантирует, что настоящее изобретение может использоваться для большого количества металла в течение длительного времени или для непрерывной разливки.Preferably, the flow of coolant is provided at a sufficient rate to properly cool the metal in the vicinity of the cooling plate (less than 5-10° C. above the liquidus temperature of the alloy, or slightly below the liquidus temperature). Thus, one feature of the present invention utilizes these cold plate conditions and ultrasonic vibration in order to reduce the grain size in a large amount of metal. Previous techniques using ultrasonic vibration for grain refinement only worked for small amounts of metal at short casting times. The use of a cooling system ensures that the present invention can be used for a large amount of metal for a long time or for continuous casting.

В одном варианте осуществления скорость потока охлаждающей среды предпочтительно, но не обязательно, является достаточной для того, чтобы предотвратить образование кармана водяного пара за счет теплопередачи через плиту основания и стенки охлаждающего канала, что может разрушить ультразвуковой контакт.In one embodiment, the flow rate of the cooling medium is preferably, but not necessarily, sufficient to prevent the formation of a pocket of water vapor due to heat transfer through the base plate and walls of the cooling channel, which can destroy ultrasonic contact.

Если рассмотреть тепловой поток от расплавленного металла в охлаждающий канал, плита основания (посредством конструктивного решения ее толщины и материала) может быть выполнена с возможностью поддержания большей части падения температуры от температуры расплавленного металла до температуры охлаждающей воды. Если, например, падение температуры через толщину плиты основания будет составлять только около 100°C, то остальная часть падения температуры будет локализоваться на границе вода/водяной пар, потенциально ухудшая ультразвуковой контакт.Considering the heat flow from the molten metal into the cooling channel, the baseplate (by designing its thickness and material) can be configured to support most of the temperature drop from the molten metal temperature to the cooling water temperature. If, for example, the temperature drop across the thickness of the baseplate is only about 100°C, then the rest of the temperature drop will be localized at the water/steam interface, potentially impairing ultrasonic contact.

Кроме того, как было отмечено выше, плита 2b основания канальной структуры может быть присоединена к стенке прохода 2c для жидкой среды, позволяя использовать различные материалы для этих двух элементов. В этом аспекте конструктивного решения материалы с различной удельной теплопроводностью могут использоваться для того, чтобы распределить падение температуры подходящим образом. Кроме того, форма поперечного сечения прохода 2c для жидкой среды и/или чистота обработки поверхности внутренней стенки прохода 2c для жидкой среды могут быть отрегулированы для увеличения теплообмена с охлаждающей средой без образования промежуточной паровой фазы. Например, поверхностные выступы могут быть преднамеренно предусмотрены на внутренней стенке прохода 2c для жидкой среды для того, чтобы способствовать пузырьковому режиму кипения, характеризуемому ростом пузырьков на горячей поверхности, которые образуются в дискретных точках на поверхности, температура которой является лишь немного выше температуры жидкости.In addition, as noted above, the base plate 2b of the channel structure can be attached to the wall of the fluid passage 2c, allowing different materials to be used for the two members. In this aspect of the design, materials with different thermal conductivity can be used to distribute the temperature drop appropriately. In addition, the cross-sectional shape of the liquid passage 2c and/or the surface finish of the inner wall of the liquid passage 2c can be adjusted to increase heat exchange with the cooling medium without forming an intermediate vapor phase. For example, surface protrusions may be intentionally provided on the inner wall of the liquid medium passage 2c in order to promote bubble boiling characterized by the growth of bubbles on a hot surface that form at discrete points on a surface whose temperature is only slightly above the temperature of the liquid.

Металлические продуктыmetal products

В одном аспекте настоящего изобретения продукты, включающие в себя литую металлическую композицию, могут быть произведены без необходимости в измельчающих зерно добавках, и при этом могут иметь субмиллиметровые размеры зерна. Соответственно, могут быть получены литые металлические композиции, содержащие менее чем 5% измельчающих зерно добавок, и при этом имеющие субмиллиметровые размеры зерна. Могут быть получены литые металлические композиции, содержащие менее чем 2% измельчающих зерно добавок, и при этом имеющие субмиллиметровые размеры зерна. Могут быть получены литые металлические композиции, содержащие менее чем 1% измельчающих зерно добавок, и при этом имеющие субмиллиметровые размеры зерна. В одной предпочтительной композиции измельчающие зерно добавки составляют меньше чем 0,5%, или меньше чем 0,2%, или меньше чем 0,1%. Могут быть получены литые металлические композиции, вообще не содержащие измельчающих зерно добавок, и при этом имеющие субмиллиметровые размеры зерна.In one aspect of the present invention, products incorporating cast metal composition can be produced without the need for grain refining additives and still have sub-millimeter grain sizes. Accordingly, cast metal compositions containing less than 5% grain refining additives can be produced while still having submillimeter grain sizes. Cast metal compositions containing less than 2% grain refining additives can be produced while still having submillimeter grain sizes. Cast metal compositions containing less than 1% grain refining additives can be produced while still having submillimeter grain sizes. In one preferred composition, the grain refiners are less than 0.5%, or less than 0.2%, or less than 0.1%. Cast metal compositions can be obtained that do not contain grain refining additives at all, and yet have submillimeter grain sizes.

Литые металлические композиции могут иметь множество субмиллиметровых размеров зерна в зависимости от ряда факторов, включая состав «чистого» или легированного металла, скорости литья, температуры литья и скорость охлаждения. Список размеров зерна, доступных для настоящего изобретения, включает в себя следующее. Для алюминия и алюминиевых сплавов размеры зерна колеблются от 200 до 900 мкм, или от 300 до 800 мкм, или от 400 до 700 мкм, или от 500 до 600 мкм. Для меди и медных сплавов размеры зерна колеблются от 200 до 900 мкм, или от 300 до 800 мкм, или от 400 до 700 мкм, или от 500 до 600 мкм. Для золота, серебра или олова или их сплавов размеры зерна колеблются от 200 до 900 мкм, или от 300 до 800 мкм, или от 400 до 700 мкм, или от 500 до 600 мкм. Для магния и магниевых сплавов размеры зерна колеблются от 200 до 900 мкм, или от 300 до 800 мкм, или от 400 до 700 мкм, или от 500 до 600 мкм. Кроме указанных диапазонов, настоящее изобретение способно также обеспечить и промежуточные значения. В одном аспекте настоящего изобретения малые концентрации (менее 5%) измельчающих зерно добавок могут быть добавлены для того, чтобы дополнительно уменьшить размер зерна до значений от 100 до 500 мкм. Литые металлические композиции могут включать в себя алюминий, медь, магний, цинк, свинец, золото, серебро, олово, бронзу, латунь, а также их сплавы.Cast metal compositions can have a variety of submillimeter grain sizes depending on a number of factors, including "bare" or alloyed metal composition, casting speeds, casting temperatures, and cooling rates. The list of grain sizes available for the present invention includes the following. For aluminum and aluminum alloys, grain sizes range from 200 to 900 microns, or from 300 to 800 microns, or from 400 to 700 microns, or from 500 to 600 microns. For copper and copper alloys, grain sizes range from 200 to 900 µm, or from 300 to 800 µm, or from 400 to 700 µm, or from 500 to 600 µm. For gold, silver or tin, or their alloys, grain sizes range from 200 to 900 microns, or from 300 to 800 microns, or from 400 to 700 microns, or from 500 to 600 microns. For magnesium and magnesium alloys, grain sizes range from 200 to 900 µm, or from 300 to 800 µm, or from 400 to 700 µm, or from 500 to 600 µm. In addition to these ranges, the present invention is also able to provide intermediate values. In one aspect of the present invention, low concentrations (less than 5%) of grain refining additives may be added to further reduce the grain size to between 100 and 500 microns. Cast metal compositions may include aluminum, copper, magnesium, zinc, lead, gold, silver, tin, bronze, brass, and their alloys.

Литые металлические композиции могут быть вытянуты или иным образом сформованы в прутковый прокат, стержень, листовой материал, проволоку, заготовки и окатыши.The cast metal compositions may be drawn or otherwise formed into bars, rods, sheets, wires, billets, and pellets.

Автоматизированное управлениеAutomated control

Контроллер 500, показанный на Фиг. 3A, 3B и 14, может быть осуществлен посредством компьютерной системы 1201, показанной на Фиг. 16. Компьютерная система 1201 может использоваться в качестве контроллера 500 для управления упомянутыми выше системами разливки или любой другой системой разливки или устройством, использующим ультразвуковую обработку по настоящему изобретению. В то время как он изображен на Фиг. 3A, 3B и 14 как один контроллер, контроллер 500 может включать в себя дискретные и отдельные процессоры, сообщающиеся друг с другом и/или выделенные для одной конкретной управляющей функции.The controller 500 shown in FIG. 3A, 3B and 14 may be implemented by the computer system 1201 shown in FIG. 16. Computer system 1201 can be used as controller 500 to control the above mentioned pouring systems or any other pouring system or device using ultrasonic processing of the present invention. While it is shown in Fig. 3A, 3B, and 14 as one controller, controller 500 may include discrete and separate processors communicating with each other and/or dedicated to one particular control function.

В частности, контроллер 500 может быть конкретно запрограммирован алгоритмами управления, выполняющими функции, изображенные на блок-схеме, показанной на Фиг. 17.In particular, the controller 500 may be specifically programmed with control algorithms that perform the functions depicted in the block diagram shown in FIG. 17.

Фиг. 17 изображает блок-схему, элементы которой могут быть запрограммированы или сохранены на машиночитаемом носителе или в одном из устройств хранения данных, обсуждаемых ниже. Блок-схема, приведенная на Фиг. 17, изображает способ по настоящему изобретению для создания точек зародышеобразования в металлическом продукте. На стадии 1702 элемент программы управляет операцией транспортировки расплавленного металла в состоянии температурной остановки, в котором металл преобразуется из жидкости в твердое тело, вдоль продольной длины вмещающей расплавленный металл конструкции. На стадии 1704 элемент программы управляет операцией охлаждения вмещающей расплавленный металл конструкции за счет прохождения жидкой среды через охлаждающий канал. На стадии 1706 элемент программы управляет операцией передачи ультразвуковых волн через жидкую среду в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл. В этом элементе ультразвуковые волны имеют такие частоту и мощность, которые вызывают появление точек зародышеобразования в расплавленном металле, как было обсуждено выше.Fig. 17 is a block diagram, the elements of which may be programmed or stored in a computer-readable medium or one of the data storage devices discussed below. The block diagram shown in FIG. 17 depicts the method of the present invention for creating nucleation points in a metal product. In step 1702, the program element controls the operation of transporting molten metal in a temperature stop state in which the metal is converted from a liquid to a solid along the longitudinal length of the molten metal-containing structure. In step 1704, the program element controls the operation of cooling the molten metal containing structure by passing a liquid medium through the cooling channel. In step 1706, the program element controls the operation of transmitting ultrasonic waves through the liquid medium in the cooling channel and through the molten metal containing structure into the molten metal. In this element, the ultrasonic waves have a frequency and power that cause nucleation points to appear in the molten metal, as discussed above.

Такие элементы, как температура расплавленного металла, скорость литья, поток охлаждающей жидкости через охлаждающий канала и охлаждение литейной формы, а также элементы, относящиеся к управлению и протягиванию литого металла через стан, программируются с помощью стандартных языков программирования (обсуждаемых ниже) для создания специализированных процессоров, содержащих инструкции для применения способа по настоящему изобретению для создания точек зародышеобразования в металлическом продукте.Elements such as molten metal temperature, casting speed, coolant flow through the cooling channel and mold cooling, as well as elements related to the control and drawing of cast metal through the mill, are programmed using standard programming languages (discussed below) to create custom processors. , containing instructions for applying the method of the present invention to create nucleation points in a metal product.

Более конкретно, компьютерная система 1201, показанная на Фиг. 16, включает в себя шину 1202 или другой коммуникационный механизм для обмена информацией, а также процессор 1203, соединенный с шиной 1202 для обработки этой информации. Компьютерная система 1201 также включает в себя основную память 1204, такую как память произвольного доступа (RAM) или другое устройство динамической памяти (например, динамическую RAM (DRAM), статическую RAM (SRAM) и синхронную DRAM (SDRAM)), соединенное с шиной 1202 для хранения информации и инструкций, выполняемых процессором 1203. В дополнение к этому, основная память 1204 может использоваться для хранения временных переменных или другой промежуточной информации во время выполнения инструкций процессором 1203. Компьютерная система 1201 дополнительно включает в себя память только для чтения (ROM) 1205 или другое статическое запоминающее устройство (например, программируемое статическое запоминающее устройство (PROM), стираемое программируемое статическое запоминающее устройство (EPROM), а также электрически стираемое программируемое статическое запоминающее устройство (EEPROM)), соединенное с шиной 1202 для хранения статической информации и инструкций для процессора 1203.More specifically, the computer system 1201 shown in FIG. 16 includes a bus 1202 or other communication mechanism for exchanging information, as well as a processor 1203 coupled to bus 1202 to process that information. Computer system 1201 also includes main memory 1204, such as random access memory (RAM) or other dynamic memory device (eg, dynamic RAM (DRAM), static RAM (SRAM), and synchronous DRAM (SDRAM)), coupled to bus 1202. to store information and instructions executed by the processor 1203. In addition, the main memory 1204 may be used to store temporary variables or other intermediate information during the execution of instructions by the processor 1203. The computer system 1201 further includes a read-only memory (ROM) 1205 or other static memory (eg, programmable static memory (PROM), erasable programmable static memory (EPROM), and electrically erasable programmable static memory (EEPROM)) connected to bus 1202 to store static information and instructions for the processor 1203.

Компьютерная система 1201 также включает в себя контроллер 1206 диска, соединенный с шиной 1202, для управления одним или более запоминающими устройствами для хранения информации и инструкций, такими как жесткий магнитный диск 1207 и привод 1208 для съемных носителей (например, привод для гибкого диска, привод компакт-диска (CD) только для чтения, привод компакт-диска с возможностью чтения-записи, привод компакт-диска с автоматической сменой дисков, накопитель на магнитной ленте и привод съемного магнитооптического диска). Запоминающие устройства могут быть добавлены к компьютерной системе 1201 с использованием подходящего интерфейса (например, интерфейса малых компьютерных систем (SCSI), интегрированной электроники устройства (IDE), усовершенствованной IDE (E-IDE), прямого доступа к памяти (DMA) или ультра-DMA).Computer system 1201 also includes a disk controller 1206 coupled to bus 1202 for controlling one or more storage devices for storing information and instructions, such as a hard disk drive 1207 and a removable media drive 1208 (e.g., floppy disk drive, drive compact disc (CD) read-only, CD-ROM drive with read-write capability, CD-ROM drive with automatic disc changer, tape drive and removable magneto-optical drive). Storage devices can be added to the 1201 computer system using a suitable interface (e.g., Small Computer System Interface (SCSI), Integrated Device Electronics (IDE), Evolved IDE (E-IDE), Direct Memory Access (DMA), or Ultra-DMA). ).

Компьютерная система 1201 может также включать в себя специализированные логические устройства (например, специализированные интегральные схемы (ASIC)) или конфигурируемые логические устройства (например, простые программируемые логические устройства (SPLD), сложные программируемые логические устройства (CPLD) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA)).Computer system 1201 may also include application specific logic devices (eg, application specific integrated circuits (ASICs)) or configurable logic devices (eg, simple programmable logic devices (SPLDs), complex programmable logic devices (CPLDs), and field programmable gate arrays (FPGAs). )).

Компьютерная система 1201 может также включать в себя контроллер 1209 дисплея, соединенный с шиной 1202 для управления дисплеем, таким как электронно-лучевая трубка (CRT), для отображения информации пользователю компьютера. Компьютерная система включает в себя устройства ввода, такие как клавиатура и указывающее устройство, для взаимодействия с пользователем компьютера (например, взаимодействия пользователя с контроллером 500) и обеспечения информации для процессора 1203.Computer system 1201 may also include a display controller 1209 coupled to bus 1202 to control a display, such as a cathode ray tube (CRT), to display information to a computer user. The computer system includes input devices such as a keyboard and a pointing device for interacting with a computer user (e.g., user interaction with controller 500) and providing information to processor 1203.

Компьютерная система 1201 выполняет часть или все стадии обработки по настоящему изобретению (такие как, например, описанные в связи с обеспечением вибрационной энергии для жидкого металла в состоянии температурной остановки) в ответ на выполнение процессором 1203 одной или более последовательностей из одной или более инструкций, содержащихся в памяти, такой как основная память 1204. Такие инструкции могут быть считаны в основную память 1204 с другого машиночитаемого носителя, такого как жесткий диск 1207 или привод 1208 для съемных носителей. Один или более процессоров в мультипроцессорной компоновке могут также использоваться для выполнения последовательностей инструкций, содержащихся в основной памяти 1204. В альтернативных вариантах осуществления аппаратные средства могут использоваться вместо или в комбинации с программными средствами. Таким образом, варианты осуществления не ограничиваются какой-либо конкретной комбинацией аппаратных средств и программных средств.Computer system 1201 performs some or all of the processing steps of the present invention (such as, for example, those described in connection with providing vibrational energy to liquid metal in a temperature-stop state) in response to processor 1203 executing one or more sequences of one or more instructions contained in memory, such as main memory 1204. Such instructions may be read into main memory 1204 from another machine-readable medium, such as hard disk 1207 or removable media drive 1208. One or more processors in a multiprocessor arrangement may also be used to execute sequences of instructions contained in main memory 1204. In alternative embodiments, hardware may be used instead of or in combination with software. Thus, the embodiments are not limited to any particular combination of hardware and software.

Как было указано выше, компьютерная система 1201 включает в себя по меньшей мере один машиночитаемый носитель или память для хранения инструкций, запрограммированных в соответствии с идеями настоящего изобретения, а также для хранения структур данных, таблиц, записей или других описанных в настоящем документе данных. Примерами машиночитаемых носителей являются компакт-диски, жесткие диски, дискеты, магнитная лента, магнитооптические диски, программируемая постоянная память (EPROM, EEPROM, флэш-EPROM), DRAM, SRAM, SDRAM, или любой другой магнитный носитель, компакт-диски (например, CD-ROM) или любая другая оптическая среда, или другой физический носитель, несущая волна (описываемая ниже), или любой другой носитель, который может быть прочитан компьютером.As noted above, computer system 1201 includes at least one computer-readable medium or memory for storing instructions programmed in accordance with the teachings of the present invention, as well as for storing data structures, tables, records, or other data described herein. Examples of computer-readable media are CDs, hard drives, floppy disks, magnetic tape, magneto-optical disks, programmable read-only memory (EPROM, EEPROM, flash EPROM), DRAM, SRAM, SDRAM, or any other magnetic media, CDs (for example, CD-ROM) or any other optical media, or other physical media, carrier wave (described below), or any other media that can be read by a computer.

Сохраненное на любом машиночитаемом носителе или на их комбинации, настоящее изобретение включает в себя программное обеспечение для управления компьютерной системой 1201, для приведения в действие устройства или устройств для осуществления настоящего изобретения, а также для взаимодействия компьютерной системы 1201 с пользователем. Такое программное обеспечение может включить в себя, не ограничиваясь этим, драйверы устройств, операционные системы, средства разработки и прикладное программное обеспечение. Такие машиночитаемые носители дополнительно включают в себя компьютерный программный продукт по настоящему изобретению для выполнения всей или части (в случае распределенной обработки) процессов, выполняемых при осуществлении настоящего изобретения.Stored on any computer-readable medium or combinations thereof, the present invention includes software for operating the computer system 1201, for operating the device or devices for implementing the present invention, and for computer system 1201 to interact with a user. Such software may include, but is not limited to, device drivers, operating systems, development tools, and application software. Such computer-readable media further include a computer program product of the present invention for performing all or part (in the case of distributed processing) of the processes performed in practicing the present invention.

Устройства машинного кода по настоящему изобретению могут быть любым интерпретируемым или исполняемым кодовым механизмом, включая, но не ограничиваясь этим, скрипты, интерпретируемые программы, динамически подгружаемые библиотеки (DLL), классы Java и полностью выполнимые программы. Кроме того, части обработки по настоящему изобретению могут быть распределены для улучшения эффективности, надежности и/или затрат.The machine code devices of the present invention can be any interpreted or executable code engine, including, but not limited to, scripts, interpreted programs, dynamic link libraries (DLLs), Java classes, and fully executable programs. In addition, parts of the processing of the present invention can be distributed to improve efficiency, reliability and/or cost.

Используемый в настоящем документе термин «машиночитаемый носитель» относится к любому носителю, который участвует в обеспечении инструкций процессору 1203 для их выполнения. Машиночитаемый носитель может принимать множество форм, включая, но не ограничиваясь этим, энергонезависимые носители, энергозависимые носители и передающие среды. Энергонезависимые носители включают в себя, например, оптические, магнитные и магнитооптические диски, такие как жесткий диск 1207 или привод 1208 для съемных носителей. Энергозависимые носители включают в себя динамическую память, такую как основная память 1204. Передающие среды включают в себя коаксиальные кабели, медные провода и волоконную оптику, включая провода, составляющие шину 1202. Передающие среды также могут также принимать форму акустических или световых волн, таких как волны, используемые для радио- и инфракрасной передачи данных.As used herein, the term "computer-readable medium" refers to any medium that participates in providing instructions to the processor 1203 for their execution. Computer-readable media can take many forms, including, but not limited to, non-volatile media, volatile media, and transmission media. Non-volatile media includes, for example, optical, magnetic, and magneto-optical disks such as hard disk 1207 or removable media drive 1208. The volatile media includes dynamic memory such as the main memory 1204. The transmission media includes coaxial cables, copper wires, and fiber optics, including the wires that make up the bus 1202. The transmission media may also take the form of acoustic or light waves, such as used for radio and infrared data transmission.

Компьютерная система 1201 может также включать в себя коммуникационный интерфейс 1213, соединенный с шиной 1202. Коммуникационный интерфейс 1213 обеспечивает двустороннее соединение для передачи данных с сетевой связью 1214, которая соединяется, например, с локальной сетью (LAN) 1215 или с другой коммуникационной сетью 1216, такой как Интернет. Например, коммуникационный интерфейс 1213 может быть картой сетевого интерфейса для подключения к любой LAN с пакетной передачей данных. В качестве другого примера, коммуникационный интерфейс 1213 может быть картой асимметричной цифровой абонентской линии (ADSL), картой интегральной цифровой сети связи (ISDN) или модемом для обеспечения соединения для передачи данных с соответствующим типом коммуникационной линии. Также могут использоваться беспроводные соединения. В любой такой реализации коммуникационный интерфейс 1213 посылает и получает электрические, электромагнитные или оптические сигналы, которые несут цифровые потоки данных, представляющие различные типы информации.The computer system 1201 may also include a communications interface 1213 coupled to a bus 1202. The communications interface 1213 provides a two-way data connection to a network link 1214 that connects to, for example, a local area network (LAN) 1215 or another communications network 1216, such as the Internet. For example, communication interface 1213 may be a network interface card for connecting to any packet data LAN. As another example, communication interface 1213 may be an asymmetric digital subscriber line (ADSL) card, an integrated digital communications network (ISDN) card, or a modem to provide a data connection to an appropriate type of communication line. Wireless connections may also be used. In any such implementation, communication interface 1213 sends and receives electrical, electromagnetic, or optical signals that carry digital data streams representing various types of information.

Сетевое соединение 1214 обычно обеспечивает передачу данных через одну или более сетей к другим устройствам данных. Например, сетевое соединение 1214 может обеспечить соединение с другим компьютером через локальную сеть 1215 (например, LAN) или через оборудование провайдера, который обеспечивает коммуникационные сервисы через коммуникационную сеть 1216. В одном варианте осуществления эта способность позволяет настоящему изобретению иметь множество вышеописанных контроллеров 500, соединенных в сеть для таких целей, как общезаводская система автоматизации или контроля качества. Локальная сеть 1214 и коммуникационная система 1216 используют, например, электрические, электромагнитные или оптические сигналы, которые несут цифровые потоки данных, а также связанный с этим физический слой (например, кабель категории 5, коаксиальный кабель, оптическое волокно и т.д.). Сигналы через различные сети и сигналы на сетевом соединении 1214 и через коммуникационный интерфейс 1213, которые переносят цифровые данные к и от компьютерной системы 1201, могут быть осуществлены в модулирующих сигналах или сигналах на основе несущей волны. Модулирующие сигналы передают цифровые данные как немодулированные электрические импульсы, которые содержат поток битов цифровых данных, где термин «биты» должен рассматриваться в широком смысле как означающий символ, где каждый символ передает по меньшей мере один или более битов информации. Цифровые данные могут также использоваться для модуляции несущей волны, например, по амплитуде, фазе и/или сдвигу частоты, которые кодируют сигналы, распространяющиеся по проводящим носителям или передаваемые как электромагнитные волны через среду распространения. Таким образом, цифровые данные могут быть посланы как немодулированные данные прямой передачи через «проводной» канал связи и/или могут быть посланы внутри предопределенной частотной полосы, отличающейся от основной полосы, путем модуляции несущей волны. Компьютерная система 1201 может передавать и принимать данные, включая программный код, через сеть (сети) 1215 и 1216, сетевое соединение 1214 и коммуникационный интерфейс 1213. Кроме того, сетевое соединение 1214 может обеспечивать соединение через LAN 1215 с мобильным устройством 1217, таким как персональный цифровой помощник (PDA), ноутбук или мобильный телефон.Network connection 1214 typically provides data transfer over one or more networks to other data devices. For example, network connection 1214 may provide a connection to another computer via a local area network 1215 (eg, LAN) or through provider equipment that provides communication services via communication network 1216. In one embodiment, this capability allows the present invention to have a plurality of controllers 500 described above connected network for purposes such as plant-wide automation or quality control. Local area network 1214 and communication system 1216 use, for example, electrical, electromagnetic, or optical signals that carry digital data streams, as well as the associated physical layer (eg, category 5 cable, coaxial cable, optical fiber, etc.). The signals across the various networks and the signals on the network connection 1214 and through the communication interface 1213 that carry digital data to and from the computer system 1201 may be implemented in baseband or carrier wave based signals. Modulating signals carry digital data as unmodulated electrical pulses that comprise a stream of digital data bits, where the term "bits" is to be considered broadly as meaning a symbol, where each symbol conveys at least one or more bits of information. The digital data may also be used to modulate a carrier wave, for example in amplitude, phase and/or frequency offset, which encode signals propagating along conductive media or transmitted as electromagnetic waves through a propagation medium. Thus, the digital data may be sent as direct unmodulated data over a "wired" communication channel and/or may be sent within a predetermined frequency band different from the base band by modulating the carrier wave. Computer system 1201 may transmit and receive data, including program code, via network(s) 1215 and 1216, network connection 1214, and communication interface 1213. In addition, network connection 1214 may provide a connection via LAN 1215 to a mobile device 1217, such as a personal digital assistant (PDA), laptop or mobile phone.

Обобщенные формулировки настоящего изобретенияGeneral Statements of the Present Invention

Следующие формулировки настоящего изобретения обеспечивают одну или более характеристик настоящего изобретения и не ограничивают область охвата настоящего изобретения.The following statements of the present invention provide one or more characteristics of the present invention and do not limit the scope of the present invention.

Формулировка 1. Устройство для обработки расплавленного металла, содержащее вмещающую расплавленный металл конструкцию для приема и транспортировки расплавленного металла вдоль его продольной длины; блок охлаждения для вмещающей конструкции, включающий в себя охлаждающий канал для прохода в нем жидкой среды, а также ультразвуковой зонд, расположенный относительно охлаждающего канала таким образом, что ультразвуковые волны проходят через жидкую среду в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл.Formulation 1. An apparatus for handling molten metal, comprising a molten metal enclosing structure for receiving and transporting molten metal along its longitudinal length; a cooling unit for the host structure, which includes a cooling channel for the passage of a liquid medium in it, as well as an ultrasonic probe located relative to the cooling channel in such a way that ultrasonic waves pass through the liquid medium in the cooling channel and through the structure containing the molten metal into the molten metal.

Формулировка 2. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором охлаждающий канал охлаждает расплавленный металл, находящийся рядом с охлаждающим каналом, до температур субликвидуса (либо ниже, либо менее чем на 5-10°C выше температуры ликвидуса сплава, или даже ниже температуры ликвидуса). Толщина стенки охлаждающего канала, контактирующей с расплавленным металлом, должна быть достаточно тонкой для того, чтобы гарантировать, что охлаждающий канал может фактически охладить расплавленный металл, находящийся рядом с охлаждающим каналом, до этого диапазона температур.Formulation 2. An apparatus according to Formulation 1, in which the cooling channel cools the molten metal adjacent to the cooling channel to sub-liquidus temperatures (either below or less than 5-10°C above the liquidus temperature of the alloy, or even below the liquidus temperature ). The wall thickness of the cooling channel in contact with the molten metal must be thin enough to ensure that the cooling channel can actually cool the molten metal adjacent to the cooling channel to this temperature range.

Формулировка 3. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором охлаждающий канал содержит по меньшей мере одно из воды, газа, жидкого металла и машинных масел.Formulation 3. An apparatus according to Formulation 1, wherein the cooling channel contains at least one of water, gas, liquid metal, and machine oils.

Формулировка 4. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит боковые стенки, удерживающие расплавленный металл, и плиту основания, поддерживающую расплавленный металл.Formulation 4. An apparatus according to Formulation 1 wherein the enclosing structure comprises side walls holding molten metal and a base plate holding molten metal.

Формулировка 5. Устройство в соответствии с формулировкой 4, в котором плита основания содержит по меньшей мере одно из меди, железа или стали, ниобия или сплава ниобия.Formulation 5. An apparatus according to Formulation 4, wherein the base plate contains at least one of copper, iron or steel, niobium, or a niobium alloy.

Формулировка 6. Устройство в соответствии с формулировкой 4, в котором плита основания содержит керамику.Formulation 6. The device according to the formulation 4, in which the base plate contains ceramics.

Формулировка 7. Устройство в соответствии с формулировкой 6, в котором керамика содержит керамику из нитрида кремния.Formulation 7 A device according to Formulation 6 wherein the ceramic comprises silicon nitride ceramic.

Формулировка 8. Устройство в соответствии с формулировкой 7, в котором керамика из нитрида кремния содержит сиалон.Formulation 8. A device according to Formulation 7 wherein the silicon nitride ceramic contains sialon.

Формулировка 9. Устройство в соответствии с формулировкой 4, в котором боковые стенки и плита основания образуют интегрированный блок.Formulation 9. The device according to the formulation 4, in which the side walls and the base plate form an integrated unit.

Формулировка 10. Устройство в соответствии с формулировкой 4, в котором боковые стенки и плита основания содержат различные пластины из различных материалов.Formulation 10. The device according to the formulation 4, in which the side walls and the base plate contain different plates of different materials.

Формулировка 11. Устройство в соответствии с формулировкой 4, в котором боковые стенки и плита основания содержат различные пластины из одного и того же материала.Formulation 11. The device according to the formulation 4, in which the side walls and the base plate contain different plates of the same material.

Формулировка 12. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором ультразвуковой зонд располагается в охлаждающем канале ближе к выходному концу контактной структуры, чем к входному концу контактной структуры.Formulation 12. The device according to the formulation 1, in which the ultrasonic probe is located in the cooling channel closer to the output end of the contact structure than to the input end of the contact structure.

Формулировка 13. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит ниобиевую структуру.Formulation 13. The device according to the formulation 1, in which the enclosing structure contains a niobium structure.

Формулировка 14. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит медную структуру.Formulation 14. The device according to the formulation 1, in which the enclosing structure contains a copper structure.

Формулировка 15. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит стальную структуру.Formulation 15. The device according to the formulation 1, in which the enclosing structure contains a steel structure.

Формулировка 16. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит керамику.Formulation 16. The device according to the formulation 1, in which the enclosing structure contains ceramics.

Формулировка 17. Устройство в соответствии с формулировкой 16, в котором керамика содержит керамику из нитрида кремния.Formulation 17 A device according to Formulation 16 wherein the ceramic comprises silicon nitride ceramic.

Формулировка 18. Устройство в соответствии с формулировкой 17, в котором керамика из нитрида кремния содержит сиалон.Formulation 18. A device according to Formulation 17 wherein the silicon nitride ceramic contains sialon.

Формулировка 19. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит материал, имеющий точку плавления выше, чем у расплавленного металла.Formulation 19 An apparatus according to Formulation 1 wherein the enclosing structure contains a material having a melting point higher than that of the molten metal.

Формулировка 20. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит материал, отличающийся от материала основания.Formulation 20. The device according to the formulation 1, in which the enclosing structure contains a material different from the material of the base.

Формулировка 21. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция включает в себя выходной конец, имеющий такую конфигурацию, чтобы доставлять упомянутый расплавленный металл с упомянутыми точками зародышеобразования в литейную форму.Formulation 21. An apparatus according to Formulation 1 wherein the containing structure includes an outlet end configured to deliver said molten metal with said nucleation points into a mold.

Формулировка 22. Устройство в соответствии с формулировкой 21, в котором литейная форма представляет собой литейную форму в виде разливочного колеса.Formulation 22. An apparatus according to Formulation 21, wherein the mold is a mold in the form of a pouring wheel.

Формулировка 23. Устройство в соответствии с формулировкой 21, в котором литейная форма представляет собой литейную форму с вертикально расположенной полостью.Statement 23 An apparatus according to Statement 21 wherein the mold is a vertical cavity mold.

Формулировка 24. Устройство в соответствии с формулировкой 21, в котором литейная форма представляет собой стационарную литейную форму.Statement 24 An apparatus according to Statement 21 wherein the mold is a stationary mold.

Формулировка 25. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором вмещающая конструкция содержит металлический материал или огнеупорный материал.Formulation 25. An apparatus according to Formulation 1 wherein the enclosing structure comprises a metallic material or a refractory material.

Формулировка 26. Устройство в соответствии с формулировкой 25, в котором металлический материал содержит по меньшей мере одно из меди, ниобия, ниобия и молибдена, тантала, вольфрама и рения, а также их сплавов.Formulation 26 An apparatus according to Formulation 25 wherein the metallic material comprises at least one of copper, niobium, niobium and molybdenum, tantalum, tungsten and rhenium, and their alloys.

Формулировка 27. Устройство в соответствии с формулировкой 26, в котором огнеупорный материал содержит одно или более из кремния, кислорода или азота.Formulation 27 An apparatus according to Formulation 26 wherein the refractory material contains one or more of silicon, oxygen or nitrogen.

Формулировка 28. Устройство в соответствии с формулировкой 25, в котором металлический материал содержит легированную сталь.Statement 28 An apparatus according to Statement 25 wherein the metallic material comprises alloy steel.

Формулировка 29. Устройство в соответствии с формулировкой 1, в котором ультразвуковой зонд имеет рабочую частоту от 5 до 40 кГц.Formulation 29. The device according to the formulation 1, in which the ultrasonic probe has an operating frequency of 5 to 40 kHz.

Формулировка 30. Способ для формирования металлического продукта, содержащий транспортировку расплавленного металла вдоль продольной длины вмещающей расплавленный металл конструкции; охлаждение вмещающей расплавленный металл конструкции за счет прохождения среды через охлаждающий канал, термически соединенный со вмещающей расплавленный металл конструкцией; а также пропускание ультразвуковых волн через носитель в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл.Formulation 30. A method for forming a metal product, comprising: transporting molten metal along a longitudinal length of a structure containing molten metal; cooling the molten metal-containing structure by passing the medium through a cooling channel thermally connected to the molten metal-containing structure; and transmitting ultrasonic waves through the carrier in the cooling channel and through the molten metal enclosing structure into the molten metal.

Формулировка 31. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором транспортировка расплавленного металла содержит транспортировку расплавленного металла в упомянутой структуре удержания, имеющей боковые стенки, удерживающие расплавленный металл, и плиту основания, поддерживающую расплавленный металл.Formulation 31. The method according to Formulation 30, wherein conveying molten metal comprises conveying molten metal in said containment structure having sidewalls retaining molten metal and a base plate supporting molten metal.

Формулировка 32. Способ в соответствии с формулировкой 31, в котором боковые стенки и плита основания образуют интегрированный блок.Formulation 32. The method according to Formulation 31, wherein the side walls and the base plate form an integrated unit.

Формулировка 33. Способ в соответствии с формулировкой 31, в котором боковые стенки и плита основания содержат различные пластины из различных материалов.Formulation 33. The method according to Formulation 31, wherein the side walls and the base plate comprise different plates of different materials.

Формулировка 34. Способ в соответствии с формулировкой 31, в котором боковые стенки и плита основания содержат различные пластины из одного и того же материала.Formulation 34. The method according to Formulation 31, wherein the side walls and the base plate comprise different plates of the same material.

Формулировка 35. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором пропускание ультразвуковых волн содержит пропускание упомянутых ультразвуковых волн от ультразвукового зонда, который располагается в охлаждающем канале ближе к выходному концу контактной структуры, чем ко входному концу контактной структуры.Formulation 35. The method according to formulation 30, wherein transmission of ultrasonic waves comprises transmission of said ultrasonic waves from an ultrasonic probe which is located in the cooling channel closer to the outlet end of the contact structure than to the input end of the contact structure.

Формулировка 36. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором транспортировка расплавленного металла содержит транспортировку расплавленного металла в структуре удержания из ниобия.Formulation 36. The method according to Formulation 30 wherein transporting the molten metal comprises transporting the molten metal in a niobium containment structure.

Формулировка 37. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором транспортировка расплавленного металла содержит транспортировку расплавленного металла в медной контактной структуре.Formulation 37. The method according to Formulation 30, wherein transporting molten metal comprises transporting molten metal in a copper contact structure.

Формулировка 38. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором транспортировка расплавленного металла содержит транспортировку расплавленного металла в структуре удержания из меди.Formulation 38. The method according to Formulation 30, wherein transporting molten metal comprises transporting molten metal in a copper containment structure.

Формулировка 39. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором транспортировка расплавленного металла содержит транспортировку расплавленного металла в структуре, содержащей материал, имеющий точку плавления выше, чем у расплавленного металла.Formulation 39. The method according to Formulation 30, wherein transporting molten metal comprises transporting molten metal in a structure containing a material having a melting point higher than that of the molten metal.

Формулировка 40. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором транспортировка расплавленного металла содержит доставку упомянутого расплавленного металла в литейную форму.Formulation 40. The method according to Formulation 30, wherein transporting molten metal comprises delivering said molten metal to a mold.

Формулировка 41. Способ в соответствии с формулировкой 40, в котором транспортировка расплавленного металла содержит доставку упомянутого расплавленного металла с упомянутыми точками зародышеобразования в литейную форму.Formulation 41. The method according to Formulation 40, wherein conveying molten metal comprises delivering said molten metal with said nucleation points into a mold.

Формулировка 42. Способ в соответствии с формулировкой 41, в котором транспортировка расплавленного металла содержит доставку упомянутого расплавленного металла с упомянутыми точками зародышеобразования в литейную форму в виде разливочного колеса.Formulation 42. The method according to Formulation 41, wherein transporting the molten metal comprises delivering said molten metal with said nucleation points into a mold in the form of a pouring wheel.

Формулировка 43. Способ в соответствии с формулировкой 41, в котором транспортировка расплавленного металла содержит доставку упомянутого расплавленного металла с упомянутыми точками зародышеобразования в стационарную литейную форму.Formulation 43. The method according to Formulation 41, wherein transporting the molten metal comprises delivering said molten metal with said nucleation points to a stationary mold.

Формулировка 44. Способ в соответствии с формулировкой 41, в котором транспортировка расплавленного металла содержит доставку упомянутого расплавленного металла с упомянутыми точками зародышеобразования в литейную форму с вертикально расположенной полостью.Formulation 44. The method according to Formulation 41, wherein transporting molten metal comprises delivering said molten metal with said nucleation points into a vertical cavity mold.

Формулировка 45. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором пропускание ультразвуковых волн содержит пропускание упомянутых ультразвуковых волн с упомянутой частотой от 5 до 40 кГц.Formulation 45. The method according to formulation 30, wherein the transmission of ultrasonic waves comprises the transmission of said ultrasonic waves with said frequency from 5 to 40 kHz.

Формулировка 46. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором пропускание ультразвуковых волн содержит пропускание упомянутых ультразвуковых волн с упомянутой частотой от 10 до 30 кГц.Formulation 46. The method according to formulation 30, wherein the transmission of ultrasonic waves comprises the transmission of said ultrasonic waves with said frequency from 10 to 30 kHz.

Формулировка 47. Способ в соответствии с формулировкой 30, в котором пропускание ультразвуковых волн содержит пропускание упомянутых ультразвуковых волн с упомянутой частотой от 15 до 25 кГц.Formulation 47. The method according to Formulation 30, wherein the transmission of ultrasonic waves comprises the transmission of said ultrasonic waves with said frequency from 15 to 25 kHz.

Формулировка 48. Способ в соответствии с формулировкой 30, дополнительно содержащий отверждение расплавленного металла для производства литой металлической композиции, имеющей субмиллиметровые размеры зерна и включающей в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 5% композиции.Formulation 48. The method of Formulation 30, further comprising solidifying molten metal to produce a cast metal composition having submillimeter grain sizes and comprising grain refinement additives in an amount of less than 5% of the composition.

Формулировка 49. Способ в соответствии с формулировкой 48, в котором отверждение содержит производство упомянутой литой металлической композиции, включающей в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 1% композиции.Formulation 49. The method according to Formulation 48 wherein the curing comprises producing said cast metal composition comprising grain refining additives in an amount of less than 1% of the composition.

Формулировка 50. Система для формирования металлического продукта, содержащая устройство обработки расплавленного металла в соответствии с любой из формулировок 1-29; а также контроллер, включающий в себя вводы для данных и выводы для управления и запрограммированный алгоритмами управления, которые обеспечивают выполнение любой из стадий, описанных в формулировках 30-49.Formulation 50. A system for forming a metal product, comprising a device for processing molten metal in accordance with any of the formulations 1-29; and a controller including data inputs and control outputs and programmed with control algorithms that perform any of the steps described in statements 30-49.

Формулировка 51. Металлический продукт, являющийся литой металлической композицией (или сформированный из нее), имеющей субмиллиметровые размеры зерна и включающий в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 0,5%.Formulation 51 A metal product which is (or formed from) a cast metal composition having submillimeter grain sizes and incorporating grain refining additives in an amount of less than 0.5%.

Формулировка 52. Продукт в соответствии с формулировкой 51, в котором композиция включает в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 0,2%.Formulation 52 A product according to Formulation 51 wherein the composition includes grain refiners in an amount of less than 0.2%.

Формулировка 53. Продукт в соответствии с формулировкой 51, в котором композиция включает в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 0,1%.Formulation 53 A product according to Formulation 51 wherein the composition includes grain refiners in an amount of less than 0.1%.

Формулировка 54. Продукт в соответствии с формулировкой 51, в котором композиция не включает в себя измельчающих зерно добавок.Formulation 54 A product according to Formulation 51 wherein the composition does not include grain refiners.

Формулировка 55. Продукт в соответствии с формулировкой 51, в котором композиция включает в себя по меньшей мере одно из алюминия, меди, магния, цинка, свинца, золота, серебра, олова, бронзы, латуни, а также их сплавов.Formulation 55 A product according to Formulation 51 wherein the composition comprises at least one of aluminium, copper, magnesium, zinc, lead, gold, silver, tin, bronze, brass, and their alloys.

Формулировка 56. Продукт в соответствии с формулировкой 51, в котором композиция формируется в виде по меньшей мере одного из пруткового проката, стержня, листового материала, проволоки, заготовок и окатышей таким образом, чтобы этот продукт представлял собой продукт после литья, определенный в настоящем документе, сформированный из литого материала и включающий в себя менее чем 5% измельчающих зерно добавок. В одном предпочтительном варианте осуществления продукт после литья имеет равноосные зерна. В одном предпочтительном варианте осуществления продукт после литья имеет размеры зерна 100-500 мкм, 200-900 мкм, или 300-800 мкм, или 400-700 мкм, или 500-600 мкм, например, в литье из алюминиевого сплава или алюминия. Для меди и медных сплавов размеры зерна колеблются от 100 до 500 мкм, от 200 до 900 мкм, или от 300 до 800 мкм, или от 400 до 700 мкм, или от 500 до 600 мкм. Для золота, серебра или олова или их сплавов размеры зерна колеблются от 100 до 500 мкм, от 200 до 900 мкм, или от 300 до 800 мкм, или от 400 до 700 мкм, или от 500 до 600 мкм. Для магния и магниевых сплавов размеры зерна колеблются от 100 до 500 мкм, от 200 до 900 мкм, или от 300 до 800 мкм, или от 400 до 700 мкм, или от 500 до 600 мкм.Formulation 56 A product according to Formulation 51 wherein the composition is formed into at least one of bar stock, rod, sheet material, wire, billets, and pellets such that the product is a cast product as defined herein. , formed from cast material and containing less than 5% grain refiner additives. In one preferred embodiment, the cast product has equiaxed grains. In one preferred embodiment, the cast product has grain sizes of 100-500 µm, 200-900 µm, or 300-800 µm, or 400-700 µm, or 500-600 µm, such as in an aluminum alloy or aluminum casting. For copper and copper alloys, grain sizes range from 100 to 500 µm, from 200 to 900 µm, or from 300 to 800 µm, or from 400 to 700 µm, or from 500 to 600 µm. For gold, silver or tin, or their alloys, the grain sizes range from 100 to 500 microns, from 200 to 900 microns, or from 300 to 800 microns, or from 400 to 700 microns, or from 500 to 600 microns. For magnesium and magnesium alloys, grain sizes range from 100 to 500 microns, from 200 to 900 microns, or from 300 to 800 microns, or from 400 to 700 microns, or from 500 to 600 microns.

Формулировка 57. Алюминиевый продукт, содержащий литую алюминиевую металлическую композицию (или сформированный из нее), имеющий субмиллиметровые размеры зерна и включающий в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 5%.Formulation 57 An aluminum product comprising (or formed from) a cast aluminum metal composition having submillimeter grain sizes and including less than 5% grain refining additives.

Формулировка 58. Продукт в соответствии с формулировкой 57, в котором композиция включает в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 2%.Formulation 58 A product according to Formulation 57 wherein the composition includes grain refiners in an amount of less than 2%.

Формулировка 59. Продукт в соответствии с формулировкой 57, в котором композиция включает в себя измельчающие зерно добавки в количестве менее чем 1%.Formulation 59 A product according to Formulation 57 wherein the composition comprises less than 1% grain refining additives.

Формулировка 60. Продукт в соответствии с формулировкой 57, в котором композиция не включает в себя измельчающих зерно добавок. Продукт в соответствии с формулировкой 57 также может быть сформирован в виде по меньшей мере одного из пруткового проката, стержня, листового материала, проволоки, заготовок и окатышей таким образом, чтобы этот продукт представлял собой продукт после литья, определенный в настоящем документе, сформированный из литого материала и включающий в себя менее чем 5% измельчающих зерно добавок. В одном предпочтительном варианте осуществления алюминиевый продукт после литья имеет равноосные зерна. В одном предпочтительном варианте осуществления этот продукт после литья имеет размеры зерна 100-500 мкм, 200-900 мкм, или 300-800 мкм, или 400-700 мкм, или 500-600 мкм.Formulation 60 A product according to Formulation 57 wherein the composition does not include grain refiners. The product of Formula 57 may also be formed into at least one of bar, rod, sheet, wire, billets, and pellets such that the product is a cast product as defined herein, formed from a cast material and includes less than 5% grain refiner additives. In one preferred embodiment, the cast aluminum product has equiaxed grains. In one preferred embodiment, this product, after casting, has grain sizes of 100-500 µm, 200-900 µm, or 300-800 µm, or 400-700 µm, or 500-600 µm.

Формулировка 61. Система для формирования металлического продукта, содержащая 1) средство для транспортировки расплавленного металла вдоль продольной длины вмещающей расплавленный металл конструкции, 2) средство для охлаждения вмещающей расплавленный металл конструкции за счет прохождения среды через охлаждающий канал, термически соединенный со вмещающей расплавленный металл конструкцией, 3) средство для пропускания ультразвуковых волн через носитель в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл, и 4) контроллер, включающий в себя вводы для данных и выводы для управления и запрограммированный алгоритмами управления, которые обеспечивают выполнение любой из стадий, описанных в пунктах 30-49.Statement 61: A system for forming a metal product, comprising 1) means for transporting molten metal along the longitudinal length of the molten metal-containing structure, 2) means for cooling the molten-metal-containing structure by passing a medium through a cooling channel thermally connected to the molten metal-containing structure, 3) means for transmitting ultrasonic waves through the carrier in the cooling channel and through the molten metal enclosing structure into the molten metal, and 4) a controller including data inputs and control outputs and programmed with control algorithms that perform any of the steps described in paragraphs 30-49.

Многочисленные модификации и вариации настоящего изобретения возможны в свете вышеописанной идеи. Следовательно, следует понимать, что в рамках приложенной формулы изобретения настоящее изобретение может быть реализовано иным образом, чем это конкретно описано в настоящем документе.Numerous modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings. Therefore, it should be understood that within the scope of the appended claims, the present invention may be practiced otherwise than as specifically described herein.

Claims (40)

1. Устройство для обработки расплавленного металла, содержащее:1. Device for processing molten metal, containing: вмещающую расплавленный металл конструкцию для приема и транспортировки расплавленного металла вдоль его продольной длины;a molten metal containing structure for receiving and transporting molten metal along its longitudinal length; блок охлаждения для вмещающей конструкции, включающий в себя охлаждающий канал для прохождения в нем жидкой среды;a cooling unit for the host structure, including a cooling channel for passing a liquid medium therein; ультразвуковой зонд, расположенный в охлаждающем канале для контакта с жидкой средой таким образом, чтобы ультразвуковые волны проходили через жидкую среду в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл.an ultrasonic probe located in the cooling channel for contact with the liquid medium so that the ultrasonic waves pass through the liquid medium in the cooling channel and through the structure containing the molten metal into the molten metal. 2. Устройство по п. 1, в котором охлаждающий канал обеспечивает охлаждение расплавленного металла таким образом, чтобы расплавленный металл, находящийся смежно охлаждающему каналу, достигал температуры субликвидуса.2. The apparatus of claim. 1, in which the cooling channel provides cooling of the molten metal so that the molten metal adjacent to the cooling channel reaches a sub-liquidus temperature. 3. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция содержит боковые стенки, удерживающие расплавленный металл, и плиту основания, контактирующую с расплавленным металлом.3. The apparatus of claim. 1, in which the enclosing structure includes side walls that hold the molten metal, and a base plate in contact with the molten metal. 4. Устройство по п. 3, в котором плита основания содержит по меньшей мере одно из ниобия или ниобиевого сплава.4. The apparatus of claim 3, wherein the base plate contains at least one of niobium or a niobium alloy. 5. Устройство по п. 3, в котором плита основания содержит керамику.5. The apparatus of claim 3, wherein the base plate comprises ceramic. 6. Устройство по п. 5, в котором керамика содержит керамику из нитрида кремния.6. The device of claim 5 wherein the ceramic comprises silicon nitride ceramic. 7. Устройство по п. 6, в котором керамика из нитрида кремния содержит сиалон.7. The device of claim 6 wherein the silicon nitride ceramic contains sialon. 8. Устройство по п. 3, в котором боковые стенки и плита основания выполнены в виде отдельных элементов, соединенных друг с другом, при этом боковые стенки содержат материал, отличающийся от материала плиты основания.8. The device according to claim. 3, in which the side walls and the base plate are made in the form of separate elements connected to each other, while the side walls contain a material different from the material of the base plate. 9. Устройство по п. 1, в котором ультразвуковой зонд расположен в охлаждающем канале ближе к выходному концу вмещающей конструкции, чем к входному концу вмещающей конструкции.9. The apparatus of claim. 1, in which the ultrasonic probe is located in the cooling channel closer to the outlet end of the containing structure than to the input end of the containing structure. 10. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция содержит ниобий.10. The device of claim. 1, in which the enclosing structure contains niobium. 11. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция содержит медь.11. The apparatus of claim. 1, wherein the containing structure contains copper. 12. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция содержит сталь.12. The device according to claim. 1, in which the enclosing structure contains steel. 13. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция содержит керамику.13. The apparatus of claim. 1, in which the enclosing structure contains ceramics. 14. Устройство по п. 13, в котором керамика содержит керамику из нитрида кремния.14. The device of claim 13 wherein the ceramic comprises silicon nitride ceramic. 15. Устройство по п. 14, в котором керамика из нитрида кремния содержит сиалон.15. The device of claim 14 wherein the silicon nitride ceramic contains sialon. 16. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция содержит материал, имеющий точку плавления выше, чем у расплавленного металла.16. The device of claim. 1, in which the containing structure contains a material having a melting point higher than that of the molten metal. 17. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция включает в себя выходной конец, имеющий такую конфигурацию, чтобы доставлять упомянутый расплавленный металл с точками зародышеобразования в литейную форму.17. The apparatus of claim. 1, wherein the containing structure includes an outlet end configured to deliver said nucleated molten metal into a mold. 18. Устройство по п. 17, в котором литейная форма представляет собой литейную форму в виде разливочного колеса.18. The apparatus of claim. 17, wherein the mold is a casting mold in the form of a pouring wheel. 19. Устройство по п. 17, в котором литейная форма представляет собой литейную форму с вертикально расположенной полостью.19. The apparatus of claim 17 wherein the mold is a vertical cavity mold. 20. Устройство по п. 17, в котором литейная форма представляет собой стационарную литейную форму.20. The apparatus of claim 17 wherein the mold is a stationary mold. 21. Устройство по п. 1, в котором вмещающая конструкция содержит огнеупорный материал.21. The device according to claim. 1, in which the enclosing structure contains a refractory material. 22. Устройство по п. 21, в котором огнеупорный материал содержит по меньшей мере одно из меди, ниобия, ниобия и молибдена, тантала, вольфрама и рения, а также их сплавов.22. The apparatus of claim 21, wherein the refractory material comprises at least one of copper, niobium, niobium and molybdenum, tantalum, tungsten and rhenium, and their alloys. 23. Устройство по п. 22, в котором огнеупорный материал содержит одно или более из кремния, кислорода или азота.23. The apparatus of claim 22 wherein the refractory material contains one or more of silicon, oxygen or nitrogen. 24. Устройство по п. 23, в котором огнеупорный материал содержит легированную сталь.24. Apparatus according to claim 23, wherein the refractory material comprises alloy steel. 25. Устройство по п. 1, в котором ультразвуковой зонд имеет рабочую частоту от 5 до 40 кГц.25. The device according to claim 1, in which the ultrasonic probe has an operating frequency of 5 to 40 kHz. 26. Способ обработки расплавленного металла, содержащий:26. Method for processing molten metal, comprising: транспортировку расплавленного металла вдоль продольной длины вмещающей расплавленный металл конструкции;transporting the molten metal along a longitudinal length of the molten metal-containing structure; охлаждение вмещающей расплавленный металл конструкции за счет прохождения среды через охлаждающий канал, термически соединенный с вмещающей расплавленный металл конструкцией; иcooling the molten metal-containing structure by passing the medium through a cooling channel thermally connected to the molten metal-containing structure; and передачу ультразвуковых волн через среду в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл посредством расположения ультразвукового зонда в охлаждающем канале в контакте с жидкой средой.transmitting ultrasonic waves through the medium in the cooling channel and through the molten metal containing structure into the molten metal by positioning the ultrasonic probe in the cooling channel in contact with the liquid medium. 27. Система обработки расплавленного металла, содержащая:27. Molten metal processing system, comprising: устройство обработки расплавленного металла по п. 1 иmolten metal processing device according to claim 1 and контроллер, включающий в себя вводы для данных и выводы для управления и запрограммированный одним или более управляющими алгоритмами, которые управляют по меньшей мере одним из транспортировки расплавленного металла, охлаждения расплавленного металла и передачи ультразвуковых волн в расплавленный металл.a controller including data inputs and control outputs and programmed with one or more control algorithms that control at least one of transporting the molten metal, cooling the molten metal, and transmitting ultrasonic waves to the molten metal. 28. Система обработки расплавленного металла, содержащая:28. Molten metal processing system, comprising: средства для транспортировки расплавленного металла вдоль продольной длины вмещающей расплавленный металл конструкции;means for transporting molten metal along the longitudinal length of the molten metal-containing structure; средства для охлаждения вмещающей расплавленный металл конструкции за счет прохождения среды через охлаждающий канал, термически соединенный с вмещающей расплавленный металл конструкцией;means for cooling the molten metal-containing structure by passing the medium through a cooling channel thermally connected to the molten metal-containing structure; средства для передачи ультразвуковых волн через среду в охлаждающем канале и через вмещающую расплавленный металл конструкцию в расплавленный металл, содержащие ультразвуковой зонд в контакте с охлаждающей средой; иmeans for transmitting ultrasonic waves through the medium in the cooling channel and through the molten metal containing structure into the molten metal, comprising an ultrasonic probe in contact with the cooling medium; and контроллер, включающий в себя вводы для данных и выводы для управления и запрограммированный одним или более управляющими алгоритмами, которые управляют по меньшей мере одним из транспортировки расплавленного металла, охлаждения расплавленного металла и передачи ультразвуковых волн в расплавленный металл.a controller including data inputs and control outputs and programmed with one or more control algorithms that control at least one of transporting the molten metal, cooling the molten metal, and transmitting ultrasonic waves to the molten metal.
RU2017131521A 2015-02-09 2016-02-09 Ultrasound grain grinding RU2782769C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562113882P 2015-02-09 2015-02-09
US62/113,882 2015-02-09
PCT/US2016/017092 WO2016130510A1 (en) 2015-02-09 2016-02-09 Ultrasonic grain refining

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2017131521A RU2017131521A (en) 2019-03-12
RU2017131521A3 RU2017131521A3 (en) 2020-01-20
RU2782769C2 true RU2782769C2 (en) 2022-11-02

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE933779C (en) * 1952-02-08 1955-10-06 Hugo Dr Seemann Device for continuous casting
SU806235A1 (en) * 1979-05-28 1981-02-23 Московский Ордена Трудового Красно-Го Знамени Институт Стали И Сплавов Method of continuous casting of tin-lead solder
SU899239A1 (en) * 1978-09-22 1982-01-23 Предприятие П/Я А-1977 Method of continuous casting of aluminium
RU2374032C2 (en) * 2007-07-24 2009-11-27 Открытое акционерное общество "Нижнетагильский металлургический комбинат" (ОАО "НТМК") Ingot-forming equipment
CN101633035A (en) * 2009-08-27 2010-01-27 绍兴文理学院 Metal crystallizer adopting ultrasonic wave cavitation reinforcement and cooling method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE933779C (en) * 1952-02-08 1955-10-06 Hugo Dr Seemann Device for continuous casting
SU899239A1 (en) * 1978-09-22 1982-01-23 Предприятие П/Я А-1977 Method of continuous casting of aluminium
SU806235A1 (en) * 1979-05-28 1981-02-23 Московский Ордена Трудового Красно-Го Знамени Институт Стали И Сплавов Method of continuous casting of tin-lead solder
RU2374032C2 (en) * 2007-07-24 2009-11-27 Открытое акционерное общество "Нижнетагильский металлургический комбинат" (ОАО "НТМК") Ingot-forming equipment
CN101633035A (en) * 2009-08-27 2010-01-27 绍兴文理学院 Metal crystallizer adopting ultrasonic wave cavitation reinforcement and cooling method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10441999B2 (en) Ultrasonic grain refining
JP7191692B2 (en) Ultrasonic grain refining and degassing procedures and systems for metal casting
EP1292411B1 (en) Production of on-demand semi-solid material for castings
JP7178353B2 (en) System for Metal Casting Including Ultrasonic Grain Refining and Degassing Procedures and Enhanced Vibration Coupling
RU2782769C2 (en) Ultrasound grain grinding
CN110461501B (en) Grain refinement with direct vibration coupling
RU2771417C9 (en) Procedures and systems for ultrasonic grain grinding and degassing during metal casting using advanced vibration coupling
US20220017993A1 (en) Method and apparatus for processing a liquid alloy