RU2789050C2

RU2789050C2 - Diffuser with dynamic positioning for distribution of metal during casting operation

Info

Publication number: RU2789050C2
Application number: RU2020113210A
Authority: RU
Inventors: Бинь Чжан; Крэйг Ли ШАБЕР; Майк АНДЕРСОН
Original assignee: Уэгстафф, Инк.
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2023-01-27

Abstract

FIELD: casting.

SUBSTANCE: invention relates to the field of continuous metal casting. A device for distribution of liquid metal into a cavity of a crystallizer of a continuous casting machine contains a crystallizer frame, liquid diffuser (410, 420, 430) with a tip, at least one temperature sensor placed at the tip of the liquid diffuser, and an actuator. The actuator moves at least one of the crystallizer frame and the liquid diffuser relatively to each other in response to a signal from at least one temperature sensor placed at the tip of the liquid diffuser for maintenance of the tip of the liquid diffuser in the area of a liquid metal bath based on the set temperature range.

EFFECT: reduction in macro-liquation in a cast part.

18 cl, 9 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[001] Данное изобретение относится к системе, устройству и способу непрерывного литья металла и, в частности, к уменьшению макроликвации посредством механизма для управления положением наконечника или диффузора носка во время технологического процесса литья, чтобы поддерживать наконечник или диффузор носка вблизи фронта затвердевания, места перехода между жидким металлом и твердым металлом в литой детали.[001] This invention relates to a system, apparatus and method for continuous metal casting and, in particular, to the reduction of macrosegregation by means of a mechanism for controlling the position of the tip or diffuser of the toe during the casting process, in order to maintain the tip or diffuser of the toe near the solidification front, the transition point between liquid metal and solid metal in a cast part.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

[002] Металлические изделия могут быть сформированы различными способами; однако многочисленные способы формирования сначала требуют наличие слитка, сортовой заготовки или другой литой детали, которая может служить заготовкой, из которой может быть изготовлено металлическое конечное изделие. Один из способов изготовления слитка или сортовой заготовки заключается в полунепрерывном технологическом процессе литья, известном как литье с прямым охлаждением, при котором вертикально ориентированная полость кристаллизатора расположена над платформой, которая перемещается в вертикальном направлении вниз в литейную яму. Затравочный блок может быть расположен на платформе и образовывать нижнюю часть полости кристаллизатора по меньшей мере на начальном этапе, чтобы начать технологический процесс литья. Расплавленный металл заливают в полость кристаллизатора, после чего расплавленный металл охлаждается, обычно с использованием охлаждающей жидкости. Платформа с затравочным блоком на ней может спускаться в литейную яму с заранее определенной скоростью, чтобы обеспечить возможность металлу выходить из полости кристаллизатора и опускаться вместе с затравочным блоком для затвердевания. При поступлении расплавленного металла в полость кристаллизатора платформа продолжает опускаться, а твердый металл выходит из полости кристаллизатора. Этот непрерывный технологический процесс литья обеспечивает возможность формировать металлические слитки и сортовые заготовки в соответствии с профилем полости кристаллизатора и определять их длину, ограниченную только глубиной литейной ямы и движущейся в ней платформой с гидравлическим приводом.[002] Metal products can be formed in various ways; however, numerous forming methods first require an ingot, billet, or other casting that can serve as a billet from which a metal end product can be made. One way to make an ingot or billet is in a semi-continuous casting process known as direct chill casting, in which a vertically oriented mold cavity is located above a platform that moves vertically down into the casting pit. The seed block may be located on the platform and form the lower part of the cavity of the mold, at least initially, to start the casting process. The molten metal is poured into the cavity of the mold, after which the molten metal is cooled, usually using a coolant. The platform with the seed block on it can descend into the casting pit at a predetermined speed to allow the metal to exit the mold cavity and descend with the seed block to solidify. When the molten metal enters the mold cavity, the platform continues to descend, and the solid metal leaves the mold cavity. This continuous casting process makes it possible to form metal ingots and billets according to the profile of the mold cavity and determine their length, limited only by the depth of the casting pit and the hydraulically driven platform moving in it.

[003] Распределение металла в полости кристаллизатора и в еще расплавленной части литой детали, выходящей из полости кристаллизатора, является сложным процессом с изменением температурных профилей и градиентов в течение всего технологического процесса литья. Физика затвердевания демонстрирует образование макроликвации, при которой литая деталь может иметь неоднородный химический состав по всему размеру литой детали. Макроликвация, возникающая в ходе технологического процесса литья, является необратимой во время обработки литой детали, поэтому крайне важно сводить к минимуму макроликвацию во время технологического процесса литья. [003] The distribution of metal in the mold cavity and in the still molten portion of the casting emerging from the mold cavity is a complex process with changing temperature profiles and gradients throughout the entire casting process. Solidification physics demonstrates the formation of macrosegregation, in which a cast part may have a non-uniform chemical composition throughout the size of the cast part. Macro segregation that occurs during the casting process is irreversible during the machining of a cast part, so it is critical to minimize macro segregation during the casting process.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[004] Варианты реализации данного изобретения относятся в общем к устройству и способу непрерывного литья металла и, в частности, к уменьшению макроликвации посредством механизма для управления положением наконечника или диффузора носка во время технологического процесса литья, чтобы поддерживать наконечник или диффузор носка вблизи фронта затвердевания, места перехода между жидким металлом и твердым металлом в литой детали. Варианты реализации изобретения могут обеспечивать устройство для распределения жидкости в полость кристаллизатора, содержащее: раму кристаллизатора, поддерживающую кристаллизатор, определяющий полость кристаллизатора; жидкостный диффузор; и исполнительный механизм, выполненный с возможностью перемещения по меньшей мере одного из рамы кристаллизатора и жидкостного диффузора относительно друг друга, при этом исполнительный механизм выполнен с возможностью перемещения по меньшей мере одного из рамы кристаллизатора и жидкостного диффузора относительно друг друга в ответ на сигнал от по меньшей мере одного датчика. Жидкостный диффузор может содержать наконечник и проходящий через него внутренний канал для жидкости, причем по меньшей мере один датчик может содержать термопару, расположенную в непосредственной близости от наконечника диффузора.[004] Embodiments of the present invention relate generally to a continuous metal casting apparatus and method, and in particular to reducing macrosegregation by means of a mechanism for controlling the position of the tip or diffuser of the toe during the casting process to maintain the tip or diffuser of the toe near the solidification front, transition points between liquid metal and solid metal in a cast part. Embodiments of the invention may provide a device for dispensing liquid into a mold cavity, comprising: a mold frame supporting a mold defining a mold cavity; liquid diffuser; and an actuator configured to move at least one of the mold frame and the liquid diffuser relative to each other, wherein the actuator is configured to move at least one of the mold frame and the liquid diffuser relative to each other in response to a signal from at least at least one sensor. The liquid diffuser may include a tip and an internal fluid channel extending therethrough, wherein at least one sensor may include a thermocouple located in close proximity to the diffuser tip.

[005] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения исполнительный механизм включает в себя линейный исполнительный механизм, в котором через полость кристаллизатора определяется ось, вдоль которой может вытягиваться литая деталь, и исполнительный механизм выполнен с возможностью перемещения по меньшей мере одного из рамы кристаллизатора и жидкостного диффузора относительно друг друга вдоль указанной оси. Жидкость может включать в себя металл, причем наконечник жидкостного диффузора может быть погружен в ванну с жидким металлом в полости кристаллизатора, причем относительное перемещение между рамой кристаллизатора и жидкостным диффузором может привести к перемещению жидкостного диффузора внутри ванны с жидким металлом. Линейный исполнительный механизм, реагирующий на сигнал от термопары, может быть выполнен с возможностью удерживания наконечника жидкостного диффузора в ванне с жидким металлом в положении, соответствующем заданному диапазону температур жидкого металла.[005] In accordance with some embodiments of the invention, the actuator includes a linear actuator in which an axis is defined through the cavity of the mold along which the casting can be drawn, and the actuator is configured to move at least one of the mold frame and the fluid diffuser relative to each other along the specified axis. The liquid may include metal, where the tip of the liquid diffuser may be immersed in the liquid metal bath in the mold cavity, and the relative movement between the mold frame and the liquid diffuser may cause the liquid diffuser to move within the liquid metal bath. A linear actuator responsive to a signal from a thermocouple may be configured to hold the liquid diffuser tip in the liquid metal bath in a position corresponding to a predetermined liquid metal temperature range.

[006] В некоторых вариантах реализации изобретения исполнительный механизм, реагирующий на сигнал от термопары, может быть выполнен с возможностью удерживания наконечника жидкостного диффузора в области ванны с жидким металлом вблизи точки когерентности металла во время операции литья. Варианты реализации изобретения могут включать в себя контроллер, причем контроллер может быть выполнен с возможностью управления исполнительным механизмом и относительным положением между рамой кристаллизатора и жидкостным диффузором, причем положение между рамой кристаллизатора и жидкостным диффузором может быть установлено на основании по меньшей мере частично сигнала от термопары и по меньшей мере одного свойства жидкости, распределяемой диффузором. По меньшей мере одно свойство жидкости может включать в себя температуру жидкой фазы жидкости, распределяемой при заданном давлении.[006] In some embodiments, the thermocouple responsive actuator may be configured to hold the liquid diffuser tip in the liquid metal bath region near the metal coherence point during the casting operation. Embodiments of the invention may include a controller, wherein the controller may be configured to control the actuator and the relative position between the mold frame and the fluid diffuser, wherein the position between the mold frame and the fluid diffuser may be set based at least in part on a signal from a thermocouple and at least one property of the liquid distributed by the diffuser. At least one property of the fluid may include the temperature of the liquid phase of the fluid being dispensed at a given pressure.

[007] Варианты реализации данного изобретения могут обеспечивать способ, включающий в себя: получение показания о материале, который должен быть отлит в полости кристаллизатора; установление по показанию типа материала температурного профиля типа материала; распределение материала в жидком виде через диффузор в полость кристаллизатора; определение температуры наконечника диффузора в полости кристаллизатора; и перемещение по меньшей мере одного из диффузора или кристаллизатора относительно друг друга в зависимости от свойства наконечника диффузора, чтобы поддерживать наконечник диффузора в ванне с материалом в жидком виде, на основании заданного диапазона температур, связанного с температурным профилем. Варианты реализации изобретения могут включать в себя управление потоком материала, протекающим через диффузор, в зависимости от одного или более свойств ванны с материалом. [007] Embodiments of the present invention may provide a method including: obtaining an indication of a material to be cast in a mold cavity; setting according to the indication of the type of material of the temperature profile of the type of material; distribution of material in liquid form through a diffuser into the mold cavity; determination of the diffuser tip temperature in the mold cavity; and moving at least one of the diffuser or mold relative to each other depending on a property of the diffuser tip to maintain the diffuser tip in the material bath in liquid form based on a predetermined temperature range associated with the temperature profile. Embodiments of the invention may include controlling the flow of material through the diffuser in response to one or more properties of the material bath.

[008] Способы приведенных в качестве примера вариантов реализации изобретения могут необязательно включать в себя: определение на основании типа материала начального положения диффузора относительно полости кристаллизатора; и перемещение по меньшей мере одного из диффузора или кристаллизатора относительно друг друга в начальное положение перед распределением материала через диффузор. Способы могут включать в себя перемещение по меньшей мере одного из диффузора или кристаллизатора относительно друг друга из начального положения во вторичное положение на основании алгоритма, связанного с типом материала, после того, как из диффузора начал распределяться материал и в установившемся режиме происходит литье. Способы могут необязательно включать в себя перемещение по меньшей мере одного из диффузора или кристаллизатора с прямым охлаждением относительно друг друга из вторичного положения в третичное положение на основании алгоритма, связанного с типом материала, в ответ на показание о том, что литье заканчивается. Кристаллизатор может представлять собой кристаллизатор с прямым охлаждением, содержащий затравочный блок, причем способ может включать в себя перемещение затравочного блока относительно полости кристаллизатора и диффузора. [008] The methods of exemplary embodiments of the invention may optionally include: determining, based on the type of material, the initial position of the diffuser relative to the cavity of the mold; and moving at least one of the diffuser or mold relative to each other to an initial position before distributing the material through the diffuser. The methods may include moving at least one of the diffuser or mold relative to each other from an initial position to a secondary position based on an algorithm associated with the type of material, after the material has begun to be distributed from the diffuser and casting has occurred in steady state. The methods may optionally include moving at least one of the direct cooled diffuser or mold relative to each other from a secondary position to a tertiary position based on an algorithm associated with the material type in response to an indication that casting is finished. The crystallizer may be a direct-cooled crystallizer containing a seed block, and the method may include moving the seed block relative to the cavity of the crystallizer and the diffuser.

[009] Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, могут обеспечивать устройство, содержащее: раму; по меньшей мере одну полость кристаллизатора, прикрепленную к раме, причем полость кристаллизатора определяет ось, вдоль которой материал, отливаемый в кристаллизаторе, выходит из кристаллизатора в ходе технологического процесса непрерывного литья; и опору рамы, причем рама прикреплена к опоре рамы посредством исполнительного механизма, выполненного с возможностью перемещения рамы и полости кристаллизатора относительно опорного рычага вдоль оси, параллельной оси, определяемой полостью кристаллизатора. Исполнительный механизм может включать в себя по меньшей мере одно из червячного редуктора, линейного исполнительного механизма, гидравлического поршня или шариковинтовой передачи. Устройство может содержать диффузор для распределения литейной жидкости, причем диффузор для распределения литейной жидкости удерживается в неподвижном положении относительно опоры рамы и причем исполнительный механизм выполнен с возможностью перемещения полости кристаллизатора относительно диффузора для распределения литейной жидкости.[009] The embodiments of the invention described herein may provide a device comprising: a frame; at least one mold cavity attached to the frame, the mold cavity defining an axis along which the material cast in the mold exits the mold during the continuous casting process; and a frame support, the frame being attached to the frame support by means of an actuator configured to move the frame and the mold cavity relative to the support arm along an axis parallel to the axis defined by the mold cavity. The actuator may include at least one of a worm gear, a linear actuator, a hydraulic piston, or a ball screw. The device may include a casting liquid distribution diffuser, wherein the casting liquid distribution diffuser is held in a fixed position relative to the frame support, and wherein the actuator is configured to move the mold cavity relative to the casting liquid distribution diffuser.

[0010] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения устройство может содержать термопару, прикрепленную к диффузору для распределения литейной жидкости, причем исполнительный механизм перемещает раму относительно диффузора для распределения литейной жидкости в ответ на сигнал от термопары. Варианты реализации изобретения могут включать в себя контроллер, причем контроллер выполнен с возможностью предписания исполнительному механизму перемещения рамы относительно диффузора для распределения литейной жидкости в ответ на сигнал от термопары в соответствии с температурным профилем литейной жидкости, распределяемой диффузором для распределения литейной жидкости.[0010] In accordance with some embodiments of the invention, the device may include a thermocouple attached to the casting fluid diffuser, and the actuator moves the frame relative to the casting fluid diffuser in response to a signal from the thermocouple. Embodiments of the invention may include a controller, the controller being configured to cause the actuator to move the frame relative to the casting fluid distribution diffuser in response to a signal from a thermocouple in accordance with the temperature profile of the casting fluid being distributed by the casting fluid diffuser.

[0011] Варианты реализации устройства могут включать в себя запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранения множества профилей, причем каждый профиль включает в себя отливаемый материал и конфигурацию кристаллизатора, и контроллер, выполненный с возможностью перемещения рамы и полости кристаллизатора относительно опорного рычага на основании выбранного профиля между по меньшей мере двумя разными положениями во время операции литья. Варианты реализации изобретения могут включать в себя диффузор для распределения жидкости в полость кристаллизатора и термопару на диффузоре, причем контроллер выполнен с возможностью регулирования выбранного профиля и изменения положения рамы и полости кристаллизатора относительно опорного рычага в ответ на сигнал, полученный от термопары.[0011] Embodiments of the apparatus may include a memory configured to store a plurality of profiles, each profile including a cast material and a mold configuration, and a controller configured to move the frame and mold cavity relative to the support arm based on the selected profile. between at least two different positions during the casting operation. Embodiments of the invention may include a diffuser for distributing liquid into the mold cavity and a thermocouple on the diffuser, wherein the controller is configured to adjust the selected profile and change the position of the frame and mold cavity relative to the support arm in response to a signal received from the thermocouple.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHICS

[0012] После описания таким образом изобретения в общих терминах, далее будет дана ссылка на прилагаемые графические материалы, которые не обязательно выполнены в масштабе, при этом:[0012] Having thus described the invention in general terms, reference will now be made to the accompanying drawings, which are not necessarily drawn to scale, while:

[0013] на фиг. 1 проиллюстрирован вид в поперечном сечении процесса литья прямым охлаждением в соответствии с предшествующим уровнем техники; [0013] in FIG. 1 illustrates a cross-sectional view of a direct chill casting process in accordance with the prior art;

[0014] на фиг. 2 проиллюстрирован вид в поперечном сечении литья с помощью диффузора с системой динамического позиционирования в начале процесса литья в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения;[0014] in FIG. 2 illustrates a cross-sectional view of a dynamic position diffuser casting at the start of a casting process in accordance with an exemplary embodiment of the present invention;

[0015] на фиг. 3 проиллюстрирован вид в поперечном сечении литья с помощью диффузора с системой динамического позиционирования во время начальной фазы технологического процесса литья в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения;[0015] in FIG. 3 illustrates a cross-sectional view of a dynamic position diffuser casting during the initial phase of a casting process in accordance with an exemplary embodiment of the present invention;

[0016] на фиг. 4 проиллюстрирован вид в поперечном сечении литья с помощью диффузора с системой динамического позиционирования во время технологического процесса литья в установившемся режиме в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения;[0016] in FIG. 4 illustrates a cross-sectional view of a dynamic position diffuser casting during a steady state casting process in accordance with an exemplary embodiment of the present invention;

[0017] на фиг. 5 проиллюстрирован вид в поперечном сечении литья с помощью диффузора с системой динамического позиционирования в конце технологического процесса литья в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения;[0017] in FIG. 5 illustrates a cross-sectional view of a dynamic position diffuser casting at the end of a casting process in accordance with an exemplary embodiment of the present invention;

[0018] на фиг. 6 проиллюстрирован график положения носка или диффузора и отстойника во время технологического процесса литья в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения;[0018] in FIG. 6 illustrates a graph of the position of a nose or diffuser and a sump during a casting process in accordance with an exemplary embodiment of the present invention;

[0019] на фиг. 7 проиллюстрирован график скорости регулирования цилиндра и рамы кристаллизатора относительно общей длины литья слитка в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения;[0019] in FIG. 7 illustrates a graph of the rate of adjustment of the cylinder and frame of the mold against the total length of the cast ingot in accordance with an exemplary embodiment of the present invention;

[0020] на фиг. 8 проиллюстрированы три диффузора, каждый из которых имеет другую форму, в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения; и[0020] in FIG. 8 illustrates three diffusers, each with a different shape, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention; and

[0021] на фиг. 9 проиллюстрированы три диффузора, каждый из которых имеет другой размер, в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации данного изобретения.[0021] in FIG. 9 illustrates three diffusers, each of a different size, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0022] Представленные в качестве примера варианты реализации данного изобретения будут описаны более полно ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых показаны некоторые, но не все варианты реализации данного изобретения. Действительно, изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограничивающееся вариантами реализации изобретения, изложенными в данном документе; наоборот, эти варианты реализации предоставлены для того, чтобы изобретение соответствовало применимым законодательным требованиям. Во всем описании подобные числовые позиции обозначают подобные элементы.[0022] Exemplary embodiments of the present invention will be described more fully below with reference to the accompanying drawings, which show some, but not all, embodiments of the present invention. Indeed, the invention may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments of the invention set forth herein; rather, these embodiments are provided to make the invention conform to applicable legal requirements. Throughout the specification, like reference numerals denote like elements.

[0023] Варианты реализации данного изобретения преимущественно относятся к способу, устройству и системе для распределения металла в полости кристаллизатора машины непрерывного литья. Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, могут быть особенно предпочтительными при вертикальном литье с прямым охлаждением; однако варианты реализации изобретения могут использоваться во множестве различных вариантов применения литья. Вертикальное литье с прямым охлаждением представляет собой технологический процесс, используемый для производства слитков или сортовых заготовок, которые могут иметь небольшие или большие поперечные сечения для использования в различных производственных областях. Технологический процесс вертикального литья с прямым охлаждением начинается с горизонтального стола, содержащего одну или более расположенных в нем вертикально ориентированных полостей кристаллизатора. Каждая из полостей кристаллизатора первоначально закрыта в нижней части затравочным блоком для герметизации полости кристаллизатора. Расплавленный металл вводится в каждую полость кристаллизатора через систему распределения металла для заполнения полостей кристаллизатора. Когда расплавленный металл, находящийся в непосредственной близости от нижней части кристаллизатора, прилегающей к затравочному блоку, затвердевает, затравочный блок перемещается вертикально вниз по линейной траектории. Перемещение затравочного блока может быть вызвано гидравлически опускаемой платформой, к которой прикреплен затравочный блок. Перемещение затравочного блока вертикально вниз вытягивает затвердевший металл из полости кристаллизатора, в то время как дополнительный расплавленный металл вводится в полости кристаллизатора. После запуска этот технологический процесс проходит с относительно устойчивой скоростью для осуществления технологического процесса полунепрерывного литья, который формирует металлический слиток, профиль которого определяется полостью кристаллизатора, и высота которого определяется глубиной, на которую перемещаются платформа и затравочный блок.[0023] Embodiments of the present invention primarily relate to a method, apparatus, and system for distributing metal in a mold cavity of a continuous casting machine. The embodiments of the invention described herein may be particularly advantageous in vertical direct-cooling casting; however, embodiments of the invention can be used in many different casting applications. Direct-cooled vertical casting is a manufacturing process used to produce ingots or billets that can have small or large cross sections for use in a variety of industries. The direct cooling vertical casting process begins with a horizontal table containing one or more vertically oriented mold cavities. Each of the mold cavities is initially closed at the bottom with a seed block to seal the mold cavity. Molten metal is introduced into each mold cavity through a metal distribution system to fill the mold cavities. When the molten metal in the immediate vicinity of the bottom of the mold adjacent to the seed block solidifies, the seed block moves vertically downward along a linear path. Movement of the seed block can be caused by a hydraulically lowered platform to which the seed block is attached. Moving the seed block vertically downward draws solidified metal out of the mold cavity while additional molten metal is introduced into the mold cavity. Once started, this process proceeds at a relatively steady rate to produce a semi-continuous casting process that forms a metal ingot whose profile is determined by the mold cavity and whose height is determined by the depth that the platform and seed block move.

[0024] Во время технологического процесса литья охлаждающая жидкость может распыляться в непосредственной близости от выхода из полости кристаллизатора, чтобы способствовать затвердеванию металлической корки при выходе металла из полости кристаллизатора и перемещении вниз затравочного блока. Охлаждающая жидкость подается на поверхность металла из находящейся в непосредственной близости полости кристаллизатора при его отливке для отвода тепла от отливаемого слитка металла и для затвердевания расплавленного металла в затвердевающей в настоящий момент корке слитка. Когда затравочный блок перемещается вниз, охлаждающая жидкость может распыляться непосредственно на слиток для охлаждения. [0024] During the casting process, coolant may be sprayed in the vicinity of the exit from the mold cavity to help solidify the metal crust as the metal exits the mold cavity and moves down the seed block. Coolant is supplied to the metal surface from the mold cavity located in the immediate vicinity during casting to remove heat from the metal ingot being cast and to solidify the molten metal in the currently solidifying ingot skin. When the seed block moves down, the coolant can be sprayed directly onto the ingot for cooling.

[0025] Технологический процесс литья с прямым охлаждением позволяет осуществлять литье слитков самых разных размеров и длин, а также различных геометрических форм профиля. В то время как круглая сортовая заготовка и прямоугольный слиток являются наиболее распространенными, возможны другие геометрические формы профиля. [0025] The direct chill casting process allows the casting of ingots of a wide variety of sizes and lengths, as well as various profile geometries. While round bar and rectangular ingot are the most common, other profile geometries are possible.

[0026] Существуют различные сложности при литье металлических деталей, в частности при вертикальном непрерывном литье с прямым охлаждением, включая способ, которым металл распределяется внутри полости кристаллизатора. Металлические сплавы преимущественно содержат элементы в дополнение к компоненту чистого металла. Эти элементы идеально равномерно объединяются в растворе для обеспечения однородного состава металлического сплава по всему металлическому объекту, такому как слиток или сортовая заготовка. Находясь в твердом состоянии, элементы имеют фиксированные концентрации, которые не перемещаются. [0026] There are various challenges in the casting of metal parts, particularly in direct chill vertical continuous casting, including the manner in which the metal is distributed within the mold cavity. Metal alloys predominantly contain elements in addition to the pure metal component. These elements combine perfectly evenly in solution to provide a uniform metal alloy composition throughout the metal object, such as an ingot or billet. When in a solid state, elements have fixed concentrations that do not move.

[0027] Из-за сочетания эффектов перераспределения и усадки растворенного вещества во время затвердевания металлического сплава в результате воздействия жидкости, термически-концентрационной конвекции, фрагментации дендритов и перемещения зерна вдоль фронта затвердевания, где жидкость превращается в твердое вещество, может привести к изменению химического состава от внешней поверхности слитка или сортовой заготовки к центру слитка или сортовой заготовки. Это изменение химического состава известно как макроликвация. Данная макроликвация нежелательна, так как изменение химического состава между участками металла может привести к неудовлетворительным свойствам, влияющим на качество материалов, получаемых из слитка или сортовой заготовки.[0027] Due to a combination of solute redistribution and shrinkage effects during solidification of the metal alloy due to liquid exposure, thermal-concentrational convection, dendritic fragmentation, and grain movement along the solidification front, where the liquid turns to solid, can lead to a change in chemical composition from the outer surface of the ingot or billet to the center of the billet or billet. This change in chemical composition is known as macrosegregation. This macro segregation is undesirable, since the change in the chemical composition between metal sections can lead to unsatisfactory properties that affect the quality of materials obtained from an ingot or billet.

[0028] Варианты реализации данного изобретения обеспечивают способ, устройство и систему для сведения к минимуму макроликвации, а также повышения качества и улучшения однородности литого металлического объекта, такого как слиток или сортовая заготовка. Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, обеспечивают уникальную систему распределения металла, разработанную для обеспечения возможности подачи жидкого металла вблизи точки когерентности металла в область солидуса (также известную как «квазиравновесная двухфазная зона») металлического объекта, такого как слиток или сортовая заготовка, при отливке объекта и в течение всего технологического процесса литья. Граничную область между 100%-й жидкостью и температурой точки когерентности (точка, в которой кристаллизация начинает происходить через кристаллическую структуру, зерна начинают объединяться для развития прочности) обычно называют «зоной взвеси». Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, уменьшают накопление фрагментированных зерен в центре слитка посредством распределения металла в отстойнике для уменьшения макроликвации. Автоматизированная система может перемещать раму кристаллизатора (включая полость или полости кристаллизатора) относительно носка для распределения металла, чтобы поддерживать носок на правильной глубине металла (постоянной на фронте затвердевания) от начальной фазы литья до конечной фазы литья. Термопара, расположенная рядом с наконечником желоба, который может быть выполнен как одно целое с желобом, может обеспечивать обратную связь с контроллером для определения соответствующего положения полости кристаллизатора и ванны расплавленного металла в ней относительно наконечника желоба. Это подходящее положение может отличаться в зависимости от отливаемого материала, поскольку температурные профили могут существенно различаться в случае различных сплавов или металлов.[0028] Embodiments of the present invention provide a method, apparatus, and system for minimizing macrosegregation, as well as improving the quality and uniformity of a cast metal object, such as an ingot or billet. The embodiments of the invention described herein provide a unique metal distribution system designed to allow liquid metal to be delivered near the metal coherence point into the solidus region (also known as the "quasi-equilibrium two-phase zone") of a metal object, such as an ingot or billet, while casting facility and throughout the entire casting process. The boundary region between 100% liquid and the temperature of the coherence point (the point at which crystallization begins to occur through the crystal structure, the grains begin to coalesce to develop strength) is commonly referred to as the "suspension zone". Embodiments of the invention described herein reduce the accumulation of fragmented grains in the center of the ingot by distributing the metal in a settler to reduce macrosegregation. The automated system may move the mold frame (including the mold cavity or cavities) relative to the metal distribution nose to maintain the nose at the correct metal depth (constant at the solidification front) from the initial casting phase to the final casting phase. A thermocouple located near the spout tip, which may be integral with the spout, may provide feedback to the controller to determine the appropriate position of the mold cavity and molten metal pool therein relative to the spout tip. This suitable position may differ depending on the material being cast, as the temperature profiles may differ significantly for different alloys or metals.

[0029] Системы в соответствии с приведенными в качестве примера вариантами реализации изобретения могут содержать ряд уникальных металлических диффузоров/распределителей, описанных более подробно ниже, для обеспечения оптимального потока металла во время распределения в отстойнике и алгоритмов управления для создания оптимальных условий потока для регулирования типичного поля потока металла и уменьшения макроликвации. [0029] Systems in accordance with exemplary embodiments of the invention may comprise a number of unique metal diffusers/distributors, described in more detail below, to provide optimal metal flow during settler distribution and control algorithms to create optimal flow conditions to control a typical field metal flow and reduced macrosegregation.

[0030] Типичные системы распределения металла для литейного кристаллизатора содержат камеру для распределения металла из керамической ткани с носком, из которой металл подается непосредственно под поверхность жидкого металла в кристаллизаторах с прямым охлаждением из-за типичных фиксированных ограничений положения носка и кристаллизатора, необходимых на начальной фазе литья. В случае любого слитка, изготавливаемого методом литья с прямым охлаждением, независимо от его формы, подача расплавленного металла из места вблизи поверхности (например, в пределах около 15 см (6 дюймов) от поверхности), как и в случае традиционной системы камеры для распределения из керамической ткани с желобом, может привести к некоторой степени макроликвации. Поступающий металл с максимальной скоростью перемещается вдоль фронта затвердевания (например, при температуре когерентности) по направлению к центру слитка, дробя первые образующиеся зерна, которые являются растворенными и ненасыщенными, и сбрасывая их в нижней части отстойника. Это приводит к образованию отрицательной ликвации в центре слитка при литье с прямым охлаждением. Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, обеспечивают систему распределения металла с автоматизированным управлением для подачи металла из распределителя в нижнюю часть отстойника для снижения скорости в камерах с естественной конвекцией и уменьшения накопления растворенных ненасыщенных зерен в месте расположения отстойника, тем самым уменьшая макроликвацию.[0030] Typical metal distribution systems for a foundry mold comprise a nosed ceramic fabric metal distribution chamber from which the metal is fed directly below the surface of the liquid metal in direct cooled molds due to the typical fixed nose and mold position constraints required in the initial phase. casting. In the case of any direct chill ingot, regardless of its shape, the supply of molten metal from a location near the surface (e.g., within about 15 cm (6 inches) from the surface), as with a conventional chamber system for distribution from guttered ceramic cloth, may result in some degree of macrosegregation. The incoming metal moves at maximum speed along the solidification front (eg, at coherence temperature) towards the center of the ingot, crushing the first grains formed, which are dissolved and unsaturated, and dumping them in the lower part of the sump. This results in a negative segregation at the center of the ingot in direct chill casting. The embodiments of the invention described herein provide an automated metal distribution system for supplying metal from the distributor to the bottom of the settler to reduce velocity in natural convection chambers and reduce the buildup of dissolved unsaturated grains at the settler location, thereby reducing macrosegregation.

[0031] На фиг. 1 проиллюстрирован общий вид в поперечном сечении кристаллизатора 100 машины литья с прямым охлаждением в ходе технологического процесса литья. Проиллюстрированный кристаллизатор мог бы, например, быть предназначен для сортовых заготовок или слитков. Как показано, стенки 105 кристаллизатора образуют полость кристаллизатора, из которой формируется литая деталь 110. Технологический процесс литья начинается с затравочного блока 115, герметизирующего нижнюю часть полости кристаллизатора от стенок 105 кристаллизатора. Когда платформа 120 перемещается вниз по стрелке 145 в литейную яму и литая деталь начинает затвердевать по своим краям внутри стенок 105 кристаллизатора, литая деталь 110 выходит из полости кристаллизатора. Металл вытекает из разливочного желоба 125, который может представлять собой нагретый резервуар или резервуар, подаваемый из печи, например, через носок 130, в полость кристаллизатора. Как показано, носок 130 частично погружен в ванну 125 расплавленного металла, чтобы избежать окисления металла, которое могло бы произойти, если бы он подавался сверху из ванны 135 расплавленного металла. Затвердевший металл 140 представляет собой сформированную литую деталь, такую как слиток. Поток, проходящий через носок 130, регулируется внутри разливочного желоба 125, например, с помощью конической оправки, вставленной в отверстие, соединяющее полость разливочного желоба 125 с проточным каналом через носок 130. Обычно разливочный желоб 125, носок 130 и полость кристаллизатора/стенки 105 кристаллизатора удерживаются в фиксированным положениях относительно друг друга от начала операции литья до конца операции литья. Металл, проходящий через носок 130, продолжает течь, в то время как платформа 120 продолжает опускаться по стрелке 145 в литейную яму. Когда операция литья заканчивается, либо из-за того, что платформа находится в нижней части своего перемещения, либо заканчивается запас подаваемого металла, либо литая деталь достигает своего конечного размера, металл, проходящий через желоб 130, прекращает течь, и желоб, собранный на разливочном желобе, извлекается из ванны 135 расплавленного металла, чтобы ванна расплавленного металла могла затвердеть и завершить отливку литой детали.[0031] In FIG. 1 illustrates a general cross-sectional view of a mold 100 of a direct chill casting machine during a casting process. The illustrated mold could, for example, be for billets or ingots. As shown, mold walls 105 form a mold cavity from which molding 110 is formed. The casting process begins with a seed block 115 sealing the bottom of the mold cavity from mold walls 105. As the platform 120 moves down arrow 145 into the casting pit and the casting begins to solidify at its edges within the mold walls 105, the casting 110 exits the mold cavity. The metal flows from the pouring spout 125, which may be a heated reservoir or a reservoir fed from a furnace, for example through spout 130, into the cavity of the mold. As shown, the toe 130 is partially submerged in the bath 125 of molten metal to avoid oxidation of the metal, which would occur if it was fed from the top of the bath 135 of molten metal. The solidified metal 140 is a formed casting, such as an ingot. The flow through the spout 130 is controlled within the spout 125, for example by a conical mandrel inserted into the hole connecting the cavity of the spout 125 to the flow channel through the spout 130. Typically, the pour spout 125, spout 130 and mold cavity/mould wall 105 are held in fixed positions relative to each other from the beginning of the casting operation to the end of the casting operation. The metal passing through the toe 130 continues to flow while the platform 120 continues to descend along arrow 145 into the casting pit. When the casting operation ends, either because the platform is at the bottom of its travel, or the supply of metal is running out, or the cast part reaches its final size, the metal passing through the chute 130 stops flowing, and the chute collected at the casting chute is removed from the molten metal bath 135 so that the molten metal bath can solidify and complete the casting of the casting.

[0032] С помощью способа, проиллюстрированного на фиг. 1, не регулируется процесс образования макроликвации, и литая деталь, сформированная с использованием варианта реализации изобретения, показанного на фиг. 1, может не иметь удовлетворительную однородность состава по поперечному сечению по всей литой детали. Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, сводят к минимуму макроликвацию и помогают обеспечить однородность состава металла по всей литой детали.[0032] Using the method illustrated in FIG. 1, the macrosegregation process is not controlled, and the casting formed using the embodiment of the invention shown in FIG. 1 may not have satisfactory cross-sectional composition uniformity throughout the cast part. Embodiments of the invention described herein minimize macro segregation and help ensure metal composition uniformity throughout the cast part.

[0033] На фиг. 2 проиллюстрирован приведенный в качестве примера вариант реализации данного изобретения, включающий в себя кристаллизатор 105, расположенный с помощью исполнительных механизмов 150, которые могут быть линейными исполнительными механизмами, червячными передачами, соленоидами, трапециевидными резьбами, шариковинтовыми передачами, тросами, гидравлическими поршнями или любым другим типом механизма, который можно использовать для перемещения и удержания кристаллизатора 105 относительно желоба 125 и носка 130. Кристаллизатор 105 может поддерживаться рамой кристаллизатора (не показана), причем исполнительные механизмы могут быть прикреплены к кристаллизатору или раме кристаллизатора для управления относительным положением кристаллизатора. Автоматизированная система управления, такая как программируемый логический контроллер (ПЛК), может быть соединена с исполнительным механизмом для позиционирования рамы кристаллизатора и расположения 105 относительно желоба 125 и носка 130 на основании заранее запрограммированных методов и/или результатов активных измерений литой детали при ее формировании. Результатами измерений могут быть температура литья, такая как температура металла из носка 130 или литой детали при ее выходе из кристаллизатора 105, температура металла вокруг наконечника носка внутри отстойника, скорость, с которой снижается платформа 120, скорость потока металла через носок 130 или любые другие параметры, которые влияют на процесс литья. Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на фиг. 2, включает в себя начальное положение, в котором наконечник носка 130 расположен в непосредственной близости от затравочного блока 115, который поддерживается платформой 120. Исполнительные механизмы 150 обеспечивают местоположение во время начальной фазы, причем начальное положение может быть предварительно запрограммированным положением носка 130 относительно затравочного блока 115 и кристаллизатора 105, которое может зависеть от материала, который должен быть отлит, профиля затравочного блока 115, профиля кристаллизатора 105 или т. п.[0033] FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment of the present invention including a mold 105 positioned by actuators 150, which may be linear actuators, worm gears, solenoids, trapezoidal threads, ball screws, cables, hydraulic pistons, or any other type. a mechanism that can be used to move and hold the mold 105 relative to the chute 125 and toe 130. The mold 105 can be supported by a mold frame (not shown) and actuators can be attached to the mold or mold frame to control the relative position of the mold. An automated control system, such as a programmable logic controller (PLC), may be coupled to an actuator to position the mold frame and position 105 relative to the chute 125 and toe 130 based on pre-programmed methods and/or active measurements of the casting as it is being formed. The results of the measurements may be the temperature of the casting, such as the temperature of the metal from the nose 130 or the casting as it exits the mold 105, the temperature of the metal around the tip of the nose inside the sump, the rate at which the platform 120 is lowered, the rate of metal flow through the nose 130, or any other parameter. that affect the casting process. The embodiment of the invention illustrated in FIG. 2 includes a home position where the tip of the toe 130 is located in close proximity to the seed block 115 which is supported by the platform 120. The actuators 150 provide the location during the initial phase, where the home position may be a preprogrammed position of the toe 130 relative to the seed block. 115 and mold 105, which may depend on the material to be cast, the profile of the seed block 115, the profile of the mold 105, or the like.

[0034] В соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации изобретения носок 130 может содержать одну или более термопар для определения температуры носка 130 в одном или более местах вдоль его длины и, в частности, на наконечнике носка 130, где металл выходит через носок 130 из желоба 125. Термопара может определять температуру жидкого металла в местоположении наконечника носка 130 в отстойнике. Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, могут включать в себя распределители или диффузоры металла на наконечнике носка 130, которые могут быть выполнены с возможностью включения одной или более термопар для обеспечения температуры металла, протекающего через диффузор/распределитель, и/или температуры металла вокруг диффузора/распределителя в отстойнике. Температурная обратная связь от находящегося в непосредственной близости наконечника носка 130 или прикрепленного диффузора может позволить активно регулировать положение носка или диффузора внутри ванны расплавленного металла, чтобы приспособиться к изменениям температуры металла, образованию оксида или другим условиям литья, которые могут сделать необходимым незапланированное перемещение кристаллизатора 105 относительно носка 130 для надлежащего расположения наконечника носка или диффузора внутри отстойника (например, зоны перехода между расплавленным металлом и твердым металлом). Носок 130 в соответствии с приведенными в качестве примера вариантами реализации изобретения имеет длину, которая может приспосабливаться к таким изменениям положения в ванне расплавленного металла, чтобы по мере необходимости обеспечить возможность позиционирования наконечника в непосредственной близости от отстойника.[0034] According to an exemplary embodiment of the invention, sock 130 may include one or more thermocouples to detect the temperature of sock 130 at one or more locations along its length, and in particular at the tip of sock 130 where metal exits through sock 130 from chute 125. The thermocouple may determine the temperature of the liquid metal at the location of the tip of the sock 130 in the sump. Embodiments of the invention described herein may include metal distributors or diffusers at the tip of nose 130, which may be configured to include one or more thermocouples to provide the temperature of the metal flowing through the diffuser/distributor and/or the temperature of the metal around diffuser/distributor in the sump. Temperature feedback from a nearby nose tip 130 or an attached diffuser may allow the position of the nose or diffuser within the molten metal bath to be actively adjusted to accommodate changes in metal temperature, oxide formation, or other casting conditions that may necessitate unplanned movement of the mold 105 relative to sock 130 for proper positioning of the sock tip or diffuser within the sump (eg, transition zone between molten metal and solid metal). Toe 130, in accordance with exemplary embodiments of the invention, has a length that can accommodate such changes in position in the molten metal bath to allow the tip to be positioned in close proximity to the sump as needed.

[0035] Носок 130 в соответствии с приведенными в качестве примера вариантами реализации изобретения может быть снабжен специально определенными диффузорами на наконечнике носка, чтобы уменьшить разбрызгивание металла в начале литья и оптимизировать распределение металла во время технологического процесса литья. Эти диффузоры могут быть отдельными деталями, собранными на носке 130. Геометрическая конфигурация таких диффузоров может быть треугольной, прямоугольной или иметь другие неправильные формы для приспособления к различным размерам литых деталей и направлениям и скоростям подачи расплавленной жидкости. Эти диффузоры могут быть изготовлены из любых известных огнеупорных материалов, таких как стеклоткань, армированная волокнами керамика или один из различных типов термокерамики или суперсплавы, изготовленные при повышенной температуре. Приведенные в качестве примера варианты реализации таких диффузоров проиллюстрированы и описаны ниже.[0035] Sock 130, in accordance with exemplary embodiments of the invention, may be provided with specially defined diffusers at the tip of the sock to reduce metal spatter at the start of a casting and optimize metal distribution during the casting process. These diffusers may be individual pieces assembled on nose 130. The geometric configuration of such diffusers may be triangular, rectangular, or other irregular shapes to accommodate various molding sizes and molten fluid delivery directions and velocities. These diffusers can be made from any known refractory material such as fiberglass, fiber reinforced ceramic, or one of various types of thermoceramics or superalloys fabricated at elevated temperature. Exemplary embodiments of such diffusers are illustrated and described below.

[0036] В соответствии с приведенными в качестве примера вариантами реализации изобретения, описанными в данном документе, спецификация литья может быть введена в программируемый логический контроллер для управления положением рамы кристаллизатора (иначе называемой «столом кристаллизатора»), к которой могут быть прикреплены один или более кристаллизаторов. Программируемый логический контроллер используется в соответствии с приведенными в качестве примера вариантами реализации изобретения для управления положением рамы кристаллизатора (и кристаллизаторов, удерживаемых в ней) относительно носка. Хотя приведенный в качестве примера вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на фиг. 2, включает линейные исполнительные механизмы, которые перемещают кристаллизатор 105 и раму кристаллизатора относительно носка 130, приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения могут дополнительно перемещать разливочный желоб 125 и носок 130 относительно кристаллизатора 105. Кроме того, кристаллизатор может быть подвижным в пределах рамы кристаллизатора, чтобы обеспечить перемещение между кристаллизатором 105 и носком 130 за счет изменения положения кристаллизатора 105 в пределах рамы кристаллизатора. Независимо от того, как обеспечивается перемещение, варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, обеспечивают способ перемещения носка 130 относительно кристаллизатора 105 для достижения преимуществ изобретения, описанного в данном документе.[0036] In accordance with the exemplary embodiments of the invention described herein, a casting specification may be entered into a programmable logic controller to control the position of a mold frame (otherwise referred to as a "mould table") to which one or more crystallizers. A programmable logic controller is used in accordance with exemplary embodiments of the invention to control the position of the mold frame (and the molds held therein) relative to the nose. Although the exemplary embodiment of the invention illustrated in FIG. 2 includes linear actuators that move the mold 105 and mold frame relative to nose 130, exemplary embodiments of the invention may further move pour spout 125 and nose 130 relative to mold 105. In addition, the mold may be movable within the mold frame, to allow movement between the mold 105 and the toe 130 by changing the position of the mold 105 within the frame of the mold. Regardless of how movement is provided, the embodiments of the invention described herein provide a method for moving the toe 130 relative to the mold 105 to achieve the benefits of the invention described herein.

[0037] В начале процесса литья кристаллизатор 105 и рама кристаллизатора могут быть расположены достаточно низко относительно носка 130, чтобы очистить носок 130 распределителя металла. На фиг. 2 проиллюстрирован такой приведенный в качестве примера вариант реализации начала процесса литья. В начале процесса литья рама кристаллизатора поднимается, а литая деталь выходит из нижней части кристаллизатора. На фиг. 3 проиллюстрирован такой вариант реализации изобретения, в котором затравочный блок 115 перемещается из полости кристаллизатора 105. Рама кристаллизатора будет следовать по определенной запрограммированной траектории перемещения, чтобы поддерживать носок 130 в требуемом положении относительно ванны затвердевающего расплава. Приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения могут включать в себя термопару, выполненную как одно целое с литейным носком, для обеспечения активной обратной связи, так что может выполняться автоматизированное регулирование носка 130 относительно ванны расплава, например когда регулирование температуры металла выше по потоку (перед желобом 125) является переменным, что может привести к застыванию наконечника или распределителя носка 130 в отстойнике или к другим нештатным ситуациям. Процесс, проиллюстрированный на фиг. 3, может происходить во время начальной фазы литья при переходе от начала технологического процесса литья, но до установившегося режима литья, в котором температурные профили расплавленного металла и скорость литья становятся устойчивыми.[0037] At the start of the casting process, the mold 105 and mold frame may be positioned low enough relative to the toe 130 to clear the toe 130 of the metal distributor. In FIG. 2 illustrates such an exemplary implementation of the start of the casting process. At the start of the casting process, the mold frame is lifted and the cast part exits the bottom of the mold. In FIG. 3 illustrates such an embodiment of the invention in which the seed block 115 moves out of the mold cavity 105. The mold frame will follow a certain programmed movement path to maintain the toe 130 in position relative to the solidifying melt pool. Exemplary embodiments of the invention may include a thermocouple integral with the casting toe to provide active feedback so that automated adjustment of the toe 130 relative to the molten bath can be performed, such as when controlling the temperature of the metal upstream (before the spout 125) is variable, which can cause the tip or sock dispenser 130 to freeze in the sump or other abnormal situations. The process illustrated in FIG. 3 may occur during the initial casting phase of the transition from the start of the casting process, but prior to steady state casting, in which the molten metal temperature profiles and casting speed become stable.

[0038] На фиг. 4 проиллюстрирована фаза выполнения технологического процесса литья, причем кристаллизатор 105 расположен близко к носку 130, чтобы войти в зацепление с наконечником носка в отстойнике ванны 135 расплавленного металла, причем пунктирная линия 137 определяет переход между жидким металлом 135 и затвердевшим металлом 140. В конце процесса литья, как показано на фиг. 5, исполнительные механизмы 150 перемещают кристаллизатор 105 относительно носка 130, чтобы предотвратить застывание наконечника носка/диффузора в отливаемом металле. Программируемый логический контроллер управляет системой в соответствии с запрограммированной спецификацией, определяющей местонахождение кристаллизатора 105 и положений литой детали относительно носка 130 для достижения относительной скорости литья, необходимой для начальной фазы и фазы выполнения процесса литья с одновременным поддержанием требуемого положения носка относительно нижней части ванны с жидкостью. Этот уникальный баланс положительно влияет на распределение металла и уменьшает макроликвацию.[0038] FIG. 4 illustrates the execution phase of a casting process with mold 105 positioned close to nose 130 to engage the tip of the nose in the sump of molten metal pool 135, with dashed line 137 defining the transition between liquid metal 135 and solidified metal 140. At the end of the casting process , as shown in FIG. 5, actuators 150 move mold 105 relative to nose 130 to prevent the nose/diffuser tip from solidifying in the cast metal. The programmable logic controller controls the system in accordance with the programmed specification, locating the mold 105 and the positions of the casting relative to the nose 130 to achieve the relative casting speed required for the initial phase and the execution phase of the casting process while maintaining the desired position of the nose relative to the bottom of the liquid bath. This unique balance positively affects metal distribution and reduces macrosegregation.

[0039] На фиг. 6 проиллюстрирован график требуемого положения носка/диффузора относительно положения отстойника, причем отливаемый материал с когерентностью превращается из жидкости в твердое вещество. Положение отстойника показано линией 210, а положение наконечника носка проиллюстрировано линией 220. Как показано, в начале процесса литья, когда длина литой детали близка к нулю, положение отстойника находится на глубине около 50 миллиметров относительно верхней части ванны расплавленного металла. Наконечник носка/диффузора на этом этапе находится примерно на том же уровне, что и верхняя часть ванны расплавленного металла. Когда начинается процесс литья и увеличивается длина литой детали увеличивается (показано на оси х), положение отстойника находиться глубже в литой детали, начиная от около 50 миллиметров в начале до около 620 миллиметров после того, как длина литой детали достигает около 1000 миллиметров или 1 метра. В соответствии с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированным на фиг. 6, это тот момент, когда начинается фаза выполнения литья и когда глубина отстойника остается постоянной или почти постоянной на уровне около 620 миллиметров. На этой глубине требуемое положение наконечника носка составляет приблизительно 580 мм или зависает на уровне 40 мм выше положения отстойника, где жидкий металл затвердевает с превращением в когерентное твердое вещество. Обычные способы литья не дают возможности распределять жидкий металл на этой глубине, тем более перемещать ход кристаллизатора, чтобы позиционировать наконечник носка в соответствии с расположением отстойника.[0039] FIG. 6 illustrates a graph of the desired nose/diffuser position versus sump position, where the cast material coherently changes from liquid to solid. The position of the sump is shown by line 210 and the position of the tip of the toe is illustrated by line 220. As shown, at the beginning of the casting process, when the length of the casting is close to zero, the position of the sump is about 50 millimeters below the top of the molten metal pool. The tip of the sock/diffuser at this stage is approximately at the same level as the top of the molten metal bath. When the casting process starts and the length of the casting increases (shown on the x-axis), the position of the sump is deeper in the casting, ranging from about 50 millimeters at the beginning to about 620 millimeters after the length of the casting reaches about 1000 millimeters or 1 meter . In accordance with the embodiment of the invention illustrated in FIG. 6, this is the moment when the casting phase begins and when the depth of the sump remains constant or almost constant at about 620 millimeters. At this depth, the required toe tip position is approximately 580 mm, or hovering 40 mm above the sump position where the liquid metal solidifies into a coherent solid. Conventional casting methods do not make it possible to distribute the liquid metal at this depth, much less move the mold stroke to position the nose tip in accordance with the location of the sump.

[0040] По мере того, как технологический процесс литья приближается к концу цикла литья, отстойник становится менее глубоким, и кристаллизатор сдвигается вниз с относительным эффектом подъема носка относительно кристаллизатора. Положение наконечника носка в ванне расплава находится гораздо выше в конце технологического процесса литья относительно отстойника при опускании кристаллизатора и цилиндра. Заливка металла прекращается, и носок извлекают, чтобы позволить расплавленному металлу затвердеть. На фиг. 6 проиллюстрирован один приведенный в качестве примера вариант реализации положения носка относительно положения отстойника над отливкой и является уникальным для отливаемого сплава, скорости литья, а также размера и формы кристаллизатора, среди других переменных, которые влияют на технологический процесс литья.[0040] As the casting process approaches the end of the casting cycle, the sump becomes shallower and the mold moves down with the relative effect of lifting the toe relative to the mold. The position of the nose tip in the melt bath is much higher at the end of the casting process relative to the sump when the mold and cylinder are lowered. The pouring of the metal is stopped and the toe is removed to allow the molten metal to solidify. In FIG. 6 illustrates one exemplary implementation of the position of the toe relative to the position of the sump above the casting and is unique to the alloy being cast, casting speed, and mold size and shape, among other variables that affect the casting process.

[0041] Определен специальный алгоритм управления, который является уникальным для каждой комбинации сплава и размера отлитой детали. Алгоритм может связывать типичный тепловой баланс с требованиями к позиционированию носка для обеспечения того, чтобы носок/распределитель был близок к температуре точки когерентности в нижней части отстойника литого изделия в течение всего процесса литья. Приведенное в качестве примера изображение алгоритма управления проиллюстрировано на фиг. 7, показывающее скорость перемещения рамы кристаллизатора в виде линии 230 и «скорость перемещения цилиндра» или скорость опускания платформы, которые могут быть достигнуты при перемещении гидравлического цилиндра в литейной яме. Как проиллюстрировано, скорость перемещения цилиндра начинается с заданной скорости и замедляется, прежде чем увеличиться, а затем достигает скорости в установившемся режиме, составляющей около 40 миллиметров в минуту, в установившемся режиме в данном примере. Скорость перемещения рамы кристаллизатора или скорость, с которой носок перемещается относительно кристаллизатора, независимо от механизма, обеспечивающего относительное перемещение, первоначально аналогична скорости перемещения цилиндра, но как только достигается установившийся режим литья, скорость становится равной нулю, так как носок поддерживается в постоянном положении относительно кристаллизатора в установившемся режиме литья литой детали, показанном на фиг. 4. Ближе к концу операции литья разлив расплавленного металла через носок прекращается, и кристаллизатор опускается, позволяя носку выйти из ванны расплава, в то время как скорость перемещения цилиндра увеличивается, прежде чем оба прекращают перемещаться в конце процесса литья. В определенных применениях данного технологического процесса скорость перемещения цилиндра также может уменьшиться в конце процесса литья, чтобы уменьшить усадочную полость перед достижением конца процесса литья. [0041] A special control algorithm is defined that is unique for each combination of alloy and size of the cast part. The algorithm can relate the typical heat balance to the sock positioning requirements to ensure that the sock/distributor is close to the coherence point temperature at the bottom of the molded product sump throughout the casting process. An exemplary image of the control algorithm is illustrated in FIG. 7 showing the mold frame travel speed as line 230 and the "cylinder travel speed" or platform lowering speed that can be achieved by moving the hydraulic cylinder in the casting pit. As illustrated, the travel speed of the cylinder starts at a predetermined speed and slows down before increasing and then reaching a steady state speed of about 40 millimeters per minute in this example. The speed of movement of the mold frame, or the speed at which the nose moves relative to the mold, regardless of the mechanism providing the relative movement, is initially similar to the speed of the cylinder, but as soon as steady state casting is reached, the speed becomes zero, since the nose is maintained in a constant position relative to the mold in the steady state casting of the casting shown in FIG. 4. Toward the end of the casting operation, the pouring of molten metal through the spout stops and the mold descends, allowing the spout to exit the molten pool while the cylinder speed increases before both stop moving at the end of the casting process. In certain applications of this process, the cylinder speed may also be reduced at the end of the casting process to reduce the shrinkage cavity before reaching the end of the casting process.

[0042] Хотя алгоритмы управления могут быть разработаны для каждого сплава и размера литой детали, термопара наконечника носка/диффузора может обеспечивать обратную связь по температурам, не ожидаемым во время стандартной или идеальной операции литья, или для подтверждения того, что операция проходить в соответствии с ожидаемыми условиями. В таком варианте реализации изобретения в алгоритме управления может использоваться обратная связь по температуре от наконечника носка, чтобы при необходимости регулировать положение носка относительно отстойника и располагать наконечник носка соответствующим образом с учетом наблюдаемых отклонений от заданных температур. Это может обеспечить надежную консистенцию материала по всему поперечному сечению материала, даже если условия литья не идеальны или если во время литья возникает проблема, которая может быть устранена путем изменения положения кристаллизатора и отстойника относительно местоположения носка.[0042] Although control algorithms can be designed for each alloy and size of the casting, the toe/diffuser tip thermocouple can provide feedback on temperatures not expected during a standard or ideal casting operation, or to confirm that the operation is proceeding according to expected conditions. In such an embodiment of the invention, the temperature feedback from the sock tip can be used in the control algorithm to adjust the position of the sock relative to the sump if necessary and position the sock tip appropriately, taking into account the observed deviations from the set temperatures. This can provide reliable material consistency across the entire cross section of the material even if casting conditions are not ideal or if a problem occurs during casting that can be corrected by repositioning the mold and sump relative to the location of the toe.

[0043] Носок 130 и наконечник носка, описанные в данном документе и проиллюстрированные выше, обеспечивают носок без конкретных геометрических характеристик, причем описанные в данном документе варианты реализации изобретения могут включать в себя диффузоры на наконечнике носка, чтобы способствовать требуемому потоку металла внутри отстойника. Разные металлические сплавы и разные размеры отливок могут иметь разные свойства, которые повышаются за счет разных траекторий движения потока металла в отстойнике. На фиг. 8 проиллюстрирован квадратный или прямоугольный диффузор 310, овальный или частично сферический или образованный в форме отстойника диффузор 320 и треугольный диффузор 330. Стрелки представляют направления подачи потенциального металла, связанные с каждым из проиллюстрированных диффузоров. Каждая из этих конфигураций в дополнение к другим различным диффузорам может использоваться в комбинации с примерами, описанными в данном документе, для уменьшения макроликвации путем обеспечения противотока.[0043] The sock 130 and sock tip described herein and illustrated above provide a sock without particular geometries, and the embodiments described herein may include diffusers at the sock tip to promote desired metal flow within the sump. Different metal alloys and different sizes of castings can have different properties, which are enhanced by different metal flow paths in the sump. In FIG. 8 illustrates a square or rectangular diffuser 310, an oval or partially spherical or sump-shaped diffuser 320, and a triangular diffuser 330. Arrows represent potential metal feed directions associated with each of the illustrated diffusers. Each of these configurations, in addition to various other diffusers, can be used in combination with the examples described herein to reduce macrosegregation by providing countercurrent.

[0044] В дополнение к различным формам профиль, отверстия диффузора (отверстия) и размер диффузоров могут быть при необходимости изменены для достижения оптимального потока металла внутри отстойника. На фиг. 9 проиллюстрированы три прямоугольных диффузора различной длины, а именно короткий диффузор 410, диффузор 420 средней длины и длинный диффузор 430. Кроме того, каждый из диффузоров, проиллюстрированных на фиг. 9, может иметь форму концевого профиля, как проиллюстрировано на фиг. 8, для продвижения потока при необходимости. Диффузоры могут иметь ряд различных отверстий, через которые протекает металл во время литья. Размер диффузора, количество и размеры открытых отверстий могут варьироваться в зависимости от размера литой детали и типа сплава. Сборка прямоугольного металлического диффузора может содержать две части: верхнюю часть, которая может представлять собой две части из жесткого керамического материала, прикрепленного к носку; и нижнюю часть, имеющую локализованные открытые отверстия для оптимизации потока металла. Для нижней части могут использоваться различные материалы, такие как стеклоткань, армированная волокном керамика, термокерамика или суперсплавы, изготовленные при повышенной температуре. В случае стеклоткани ткань может быть прикреплена к верхней части в канавке, например, с помощью огнеупорных зажимов и/или высокотемпературных металлических частей или проводов. [0044] In addition to the various shapes, the profile, diffuser openings(s) and size of the diffusers can be changed as needed to achieve optimum metal flow within the sump. In FIG. 9 illustrates three rectangular diffusers of different lengths, namely a short diffuser 410, a medium length diffuser 420, and a long diffuser 430. In addition, each of the diffusers illustrated in FIG. 9 may take the form of an end profile as illustrated in FIG. 8, to advance the flow if necessary. Diffusers may have a number of different openings through which metal flows during casting. Cone size, number and size of open holes may vary depending on casting size and alloy type. The rectangular metal cone assembly may comprise two parts: a top part, which can be two parts of hard ceramic material attached to the nose; and a bottom having localized open holes to optimize metal flow. Various materials can be used for the lower part, such as fiberglass, fiber-reinforced ceramics, thermoceramics, or superalloys made at elevated temperatures. In the case of fiberglass fabric, the fabric can be attached to the top in a groove, for example with fireproof clips and/or high temperature metal parts or wires.

[0045] Множество модификаций и других вариантов реализации изобретения, изложенных в данном документе, может прийти на ум специалисту в данной области техники, к которой относятся эти изобретения, с использованием преимуществ идей, представленных в предшествующем описании и связанных графических материалах. Следовательно, необходимо понимать, что изобретения не должны быть ограничены конкретными раскрытыми вариантами реализации и что модификации и другие варианты реализации изобретения предназначены для включения в объем прилагаемой формулы изобретения. Хотя в данном документе используются конкретные термины, они употребляются только в общем и описательном смысле, а не в целях ограничения.[0045] Many modifications and other embodiments of the invention set forth herein may occur to a person skilled in the art to which these inventions pertain, taking advantage of the ideas presented in the foregoing description and associated drawings. Therefore, it is to be understood that the inventions are not to be limited to the specific embodiments disclosed and that modifications and other embodiments of the invention are intended to be included within the scope of the appended claims. Although specific terms are used in this document, they are used in a general and descriptive sense only and not for the purpose of limitation.

Claims

1. A device for distributing liquid metal into the mold cavity of a continuous casting machine, comprising:

a continuous casting machine mold frame providing support for a mold defining a mold cavity of the continuous casting machine;

a liquid diffuser containing a tip;

at least one temperature sensor placed on the tip of the liquid diffuser; and

an actuator configured to move at least one of the mold frame of the continuous casting machine and the liquid diffuser relative to each other, with the tip of the liquid diffuser immersed in the liquid metal bath in the mold cavity of the continuous casting machine,

wherein the actuator is configured to move at least one of: the mold frame of the continuous casting machine and the liquid diffuser relative to each other in response to a signal from at least one temperature sensor located on the tip of the liquid diffuser to ensure that the tip of the liquid diffuser is maintained in the area baths of liquid metal based on a given temperature range.

2. The device according to claim 1, characterized in that the liquid diffuser contains a channel for liquid metal, while at least one temperature sensor located on the tip of the liquid diffuser contains a thermocouple located on the tip of the liquid diffuser.

3. The device according to claim 2, characterized in that the actuator comprises a linear actuator configured to move at least one of the mold frame of the continuous casting machine and the liquid diffuser relative to each other along the stretching axis of the cast part passing through the cavity of the mold.

4. The device according to claim 3, characterized in that it contains a controller configured to control the relative movement between the mold frame of the continuous casting machine and the liquid diffuser, which ensures the movement of the liquid diffuser inside the liquid metal bath.

5. The device according to claim 3, characterized in that the linear actuator, configured to respond to a signal from said thermocouple, is configured to maintain the liquid diffuser tip in the liquid metal bath in a position corresponding to a predetermined liquid metal temperature range based on information about liquid metal temperature.

6. The device according to claim 1, characterized in that it contains a controller configured to control the actuator and the relative position between the mold frame and the liquid diffuser, while said position is set, at least in part, based on a signal from a temperature sensor, placed on the tip of the liquid diffuser, and at least one property of the liquid metal distributed by the liquid diffuser.

7. The device according to claim 6, characterized in that at least one property of the liquid metal distributed by the liquid diffuser includes the liquidus temperature of the liquid metal distributed at a given pressure.

8. A method for distributing liquid metal into the mold cavity of a continuous casting machine, including:

obtaining an indication of the metal to be cast in the mold cavity of the continuous casting machine;

establishing a temperature profile of the metal type based on the indication of the metal type;

distribution of liquid metal through a liquid diffuser into the mold cavity;

determining the temperature of the tip of the liquid diffuser inside the mold cavity of the continuous casting machine; and

moving at least one of the liquid diffuser or mold of the continuous casting machine relative to each other depending on the temperature of the liquid diffuser tip to maintain the liquid diffuser tip in the liquid metal bath based on a predetermined temperature range associated with the temperature profile of the cast metal.

9. The method according to claim 8, characterized in that the flow of liquid metal through the liquid diffuser is controlled depending on one or more properties of the liquid metal bath.

10. The method according to claim 8, characterized in that the determination of the initial position of the liquid diffuser relative to the cavity of the mold of the continuous casting machine is carried out based on the indications of the metal cast in the cavity of the mold of the continuous casting machine; and

moving at least one of the liquid diffuser or mold of the continuous casting machine relative to each other to an initial position before distributing the liquid metal through the liquid diffuser.

11. The method according to claim 10, characterized in that at least one of the liquid diffuser or mold of the continuous casting machine is moved relative to each other from the initial position to the secondary position based on an algorithm associated with indications of the metal cast in the cavity of the machine mold continuous casting, after the start of the distribution of liquid metal from the liquid diffuser and its casting in steady state.

12. The method according to claim 11, characterized in that at least one of the liquid diffuser or mold of the continuous casting machine is moved relative to each other from a secondary position to a tertiary position based on an algorithm associated with indications of metal, in response to an indication of the end of the casting.

13. The method according to claim 9, characterized in that the mold of the continuous casting machine with direct cooling is used as the mold of the continuous casting machine, containing the seed block, and the seed block is moved relative to the cavity of the mold of the casting machine and the liquid diffuser.

14. A device for distributing liquid metal into the mold cavity of a continuous casting machine, comprising:

frame;

a continuous casting machine mold attached to the frame, comprising a cavity along the axis of which the metal cast in the continuous casting machine mold exits said mold during the continuous casting process;

a frame support, the frame being attached to the frame support by an actuator configured to move the frame and the continuous casting machine mold along an axis parallel to the axis of the continuous casting machine mold cavity;

a liquid metal diffuser for distributing liquid metal, comprising a liquid metal distribution tip configured to be immersed in a bath of liquid metal in a mold cavity of the continuous casting machine, held in a fixed position relative to the frame support; and

a thermocouple attached to a liquid diffuser,

wherein the actuator is configured to move the mold of the continuous casting machine relative to the liquid diffuser to maintain the tip of the liquid diffuser in the area of the liquid metal bath based on a predetermined temperature range.

15. The device according to claim 14, characterized in that the actuator comprises at least one of: a worm gear, a linear actuator, a hydraulic piston, or a ball screw.

16. The device according to claim 14, characterized in that it comprises a controller configured to instruct the actuator to move the frame relative to the liquid diffuser in response to a signal from a thermocouple in accordance with the temperature profile of the liquid metal dispensed from the liquid diffuser.

17. The device according to claim 14, characterized in that it contains:

a storage device configured to store a plurality of temperature profiles, each of which takes into account the liquid metal and the configuration of the mold; and

a controller configured to move the frame and mold of the continuous casting machine based on the selected profile between at least two different positions during the continuous casting process.

18. Apparatus according to claim 17, characterized in that the controller is adapted to adjust the selected temperature profile and change the position of the frame and mold of the continuous casting machine in response to a signal received from the thermocouple.