Способ и устройство для литья с прямым охлаждением
Изобретение относится к литью с прямым охлаждением алюминиево-литиевых сплавов. Система для получения литой заготовки содержит по меньшей мере одну печь с резервуаром для плавки и устройство для литья с прямым охлаждением литой заготовки, выполненное с возможностью принятия расплавленного металла из по меньшей мере одной печи. Устройство для литья с прямым охлаждением литой заготовки включает в себя литейную яму, литейную форму, имеющую корпус со сквозной полостью, ограничивающей резервуар, средство подачи охладителя, соединенное с литейной формой и сообщающееся по текучей среде с резервуаром, по меньшей мере одну подвижную плиту, расположенную в литейной яме, группу выпускных отверстий, расположенных вокруг по меньшей мере верхнего периметра литейной ямы, группу отверстий подачи газа, расположенных вокруг по меньшей мере верхнего периметра литейной ямы, систему клапанов, выполненную с возможностью избирательной подачи охладителя или инертной текучей среды в средство подачи охладителя, источник инертного газа, выполненный с возможностью подачи инертного газа в группу отверстий подачи газа, и средство для сбора выходящего из литейной ямы инертного газа, удаления по меньшей мере части паров воды из собранного инертного газа и рециркуляции инертного газа в литейную яму. Обеспечивается повышение безопасности и эффективности разливки сплавов. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Изобретение относится к литью с прямым охлаждением алюминиево-литиевых сплавов (Al-Li).
Уровень техники
С изобретением в 1938 г. компанией Aluminum Company of America (в настоящее время Alcoa) литья с прямым охлаждением, традиционные (не содержащие литий) алюминиевые сплавы отливали полунепрерывной разливкой в формы с открытым дном. С того времени было выполнено множество модификаций и изменений процесса, но основной процесс и устройство остаются аналогичными. Для специалистов в области отливки алюминиевых слитков должно быть понятно, что усовершенствования улучшают процесс при сохранении его общих припципов.
В патентном документе US 4651804 описана более современная конструкция литейной ямы для разливки алюминия. Общепринятой практикой стала установка печи для плавления металла несколько выше уровня грунта и литейной формы близко или на уровне грунта, при этом отливаемый слиток погружается в литейную яму, содержащую воду, по мере выполнения операции разливки. Охлаждающая вода для прямого охлаждения протекает в яму и ее непрерывно удаляют оттуда, оставляя постоянно заполненной глубокую ванну с водой внутри ямы. Такой процесс до сих пор используется и, вероятно, таким способом ежегодно во всем мире производят более 5 миллионов тонн алюминия и его сплавов.
К сожалению, при использовании таких систем существует присущий таким системам риск растекания или прорыва расплавленного металла. Растекание или прорыв происходят, когда отливаемый алюминиевый слиток недостаточно отвердевает в литейной форме, и его выводят из формы непредвиденно и преждевременно еще в жидком состоянии. Во время растекания или прорыва расплавленный алюминий при контакте с водой может вызвать взрыв в результате преобразования воды в пар из-за расплавленной массы алюминия, нагревающего воду до температуры более 100°C, или вследствие химической реакции расплавленного металла с водой, в результате чего высвобождается энергия, приводящая к взрывной химической реакции.
Во всем мире происходят взрывы при прорывах или растеканиях, во время которых расплавленный металл вытекал по бокам слитка, извлекаемого из формы и/или за границы формы при прохождении процесса. Была проведена значительная исследовательская работа для установления наиболее безопасных возможных условий для разливки с прямым охлаждением. Из самых ранних и, возможно, самых известных была предпринята работа автором G. Long из Aluminum Company of America («Metal Progress», май 1957, с 107-112 далее - «Лонг»), после которой были проведены дальнейшие исследования и установлены промышленные нормы, регулирующие практику, которые были разработаны для сведения к минимуму риска взрыва. Этим нормам, в общем, следуют во время литейного производства во всем мире. Такие нормы, в целом, основаны на работе Лонга и обычно требуют, чтобы:
1) глубина воды, постоянно поддерживаемая в яме, была по меньшей мере три фута;
2) вода в яме должна быть на уровне по меньшей мере 10 футов ниже формы; и
3) поверхность разливочного устройства и ямы должны быть чистыми, не должны содержать ржавчину и должны быть покрыты проверенным органическим материалом.
В своих экспериментах Лонг определил, что при наличии ванны воды в яме, имеющей глубину два дюйма или меньше, не возникают слишком сильные взрывы. Однако при этом происходят мелкие взрывы, достаточные для выбрасывания расплавленного металла наружу из ямы и опасного разбрасывания этого расплавленного металла за пределами ямы. В соответствии с нормами, регулирующими практику, как отмечено выше, требуется, чтобы ванна воды, имеющая глубину не менее трех футов, постоянно поддерживалась в яме. Лонг сделал вывод, что должны удовлетворяться определенные условия для возникновения взрыва алюминия/воды. Среди них упоминается, что инициирующее воздействие определенного вида должно произойти на нижней поверхности ямы, когда она покрыта расплавленным металлом, и предполагается, что такой инициатор представляет собой незначительный взрыв, из-за внезапного преобразования в пар очень тонкого слоя воды, захваченной ниже поступающего металла. Когда на дне ямы находятся смазка, масло или краска, взрыв предотвращается, поскольку тонкий слой воды, необходимой для инициирования взрыва, не будет захвачен под расплавленным металлом так, как в случае поверхности без покрытия.
Рекомендуемая на практике глубина по меньшей мере три фута воды обычно используется для вертикальной разливки с прямым охлаждением, а на некоторых литейных заводах (в частности в континентальных европейских странах) устанавливают уровень воды очень близкий к нижней стороне формы в отличие от представленной выше рекомендации (2). Таким образом, в алюминиевой отрасли при разливке, используя способ с прямым охлаждением, предпочли безопасность путем постоянного поддержания глубокой ванны воды в яме. Следует подчеркнуть, что нормы, регулирующие практику, основаны на эмпирических результатах; и то, что фактически происходит при различных видах взрывов расплавленного металла/воды, понимается не до конца. Однако внимание к нормам, регулирующим практику, обеспечило практическую уверенность в исключении несчастных случаев в случае растекания алюминиевых сплавов.
За последние несколько лет наблюдается растущий интерес к сплавам легких металлов, содержащим литий. Литий делает расплавленные сплавы более реактивными. В упомянутой выше статье в публикации «Metal Progress» Лонг ссылается на предыдущую работу автора Н.М. Higgins, который привел отчеты о реакциях алюминий/вода для множества сплавов, включающих в себя Al-Li, и пришел к заключению: «Когда расплавленные металлы распределяются в воде, в любом случае, Al-Li сплав подвергается интенсивной реакции». Также компания Aluminum Association Inc. (Америка) объявила о том, что на практике возникает опасность при разливке таких сплавов, используя процесс прямого охлаждения. Aluminum Company of America опубликовала видеозаписи тестов, которые демонстрируют, что такие сплавы при смешивании с водой могут взрываться со значительной интенсивностью.
В патентном документе US 4651804 описано использование упомянутой выше литейной ямы, из нижней части которой удаляется вода, что приводит к исключению ее скапливания внутри ямы. Такая компоновка представляет собой предпочтительный принцип разливки Al-Li сплавов. В патентном документе ЕР 0150922 описано наклонное днище ямы (с наклоном 3 - 5%) с выведенными в резервуар для сбора воды водяными насосами и соответствующими датчиками уровня воды для исключения накопления воды в литьевой яме, что должно уменьшать вероятность взрыва из-за непосредственного контакта воды с Al-Li сплавом. Для успешного применения такого решения критическим является непрерывное удаление охлаждающей слиток воды из литейной ямы и исключение ее накопления.
Другие работы также показывали, что энергия взрыва при добавлении лития к алюминиевым сплавам может увеличиваться в несколько раз по сравнению с алюминиевыми сплавами без лития. Когда расплавленные алюминиевые сплавы с литием входят в контакт с водой, происходит быстрое выделение водорода, поскольку вода разлагается на Li-OH и ион водорода (H+). В патентном документе US 5212343 отмечено, что добавление алюминия, лития (и также других элементов) в воду инициирует взрывные реакции. Экзотермическая реакция этих элементов (в частности, алюминия и лития) в воде формирует большое количество газообразного водорода, обычно 14 кубических сантиметров газообразного водорода на один грамм алюминиевого сплава с 3% лития. Экспериментальные подтверждения указанных данных нашлись в исследованиях, выполненных по исследовательскому контракту, субсидированному Департаментом США по энергетике № DE-AC09-89SR18035. Следует отметить, что в пункте 1 формулы изобретения по патенту US 5212343 описан способ выполнения такого интенсивного взаимодействия для получения взрыва воды с экзотермической реакцией. В данном патентном документе описан процесс, в котором добавление элементов, таких как литий, приводит к высокой энергии реакции на единицу объема материалов. Как описано в патентных документах US 5212343 и US 5404813, добавление лития (или другого химически активного элемента) способствует возникновению взрыва. В этих документах описан процесс, в котором взрывная реакция является желательным результатом, и взрывная способность усиливается в результате добавления лития для прорыва или растекания, по сравнению с алюминиевыми сплавами без лития.
Как отмечено в патентном документе US 4651804, два явления, которые приводят к взрывам для обычных (не содержащих литий) алюминиевых сплавов представляют собой:
1) преобразование воды в пар и
2) химическая реакция расплавленного алюминия и воды.
Добавление лития к алюминиевому сплаву приводит к возникновению третьей, еще более сильной взрывной реакции, экзотермической реакции воды и расплавленного алюминий-литиевого растекания или прорыва, в результате которого формируется газообразный водород. Каждый раз, когда расплавленный сплав Al-Li входит в контакт с водой, возникает такая реакция. Даже когда выполняют разлив с минимальными уровнями воды в литейной яме, вода входит в контакт с расплавленным металлом во время растекания или прорыва. Этого нельзя избежать, а только уменьшить, поскольку оба компонента экзотермической реакции (вода и расплавленный металл) будут присутствовать в литейной яме. Уменьшение степени контакта воды с алюминием приводит к устранению первых двух условий взрыва, но присутствие лития в алюминиевом сплаве приводит к формированию водорода. Если концентрация газообразного водорода будет доведена до критической массы и/или объема в литейной яме, вероятно, возникнет взрыв. В результате исследований была определена объемная концентрация газообразного водорода, требуемая для инициирования взрыва. Эта концентрация составляет 5% от общего объема смеси газов. В патентном документе US 4188884 описано изготовление боеголовки подводной торпеды, при этом указано, что в качестве добавки используется наполнитель 32 из материала, который является чрезвычайно реакционным с водой, в частности, литий (с. 4, колонка 2, строка 33). В колонке 1 на строке 25 того же документа указано, что в результате реакции с водой высвобождается большое количество газообразного водорода, образуя пузырь газа, который обладает свойством внезапного взрыва.
В патентном документе US 5212343 описана подготовка взрывной реакции путем смешивания воды с множеством элементов и комбинаций, включающих в себя Al и Li, для получения больших объемов газа, содержащего водород. На странице 7, колонка 3 указано, что «реакционную смесь выбирают таким образом, что после реакции и контакта с водой из относительно небольшого объема реакционной смеси образуется большой объем водорода». В том же абзаце, строки 39 и 40 указаны алюминий и литий. На странице 8, колонка 5, строки 21-23 представлен алюминий в комбинации с литием, а на странице 11 столбец 11, строки 28-30 относятся к взрыву газообразного водорода.
Были разработаны другие способы разливки Al-LI сплавов с прямым охлаждением, в которых использовался отличный от воды охладитель слитков, что исключало возможность возникновения реакции вода-литий в результате прорыва или растекания. В патентном документе US 4593745 описано использование галогенизированного углеводорода или галогенизированного спирта в качестве охладителя слитков. В патентных документах US 4610295, US 4709740 и US 4724887 описано использование в качестве охладителя слитков этиленгликоля. Для того чтобы это работало, галогенизированный углеводород (обычно этиленгликоль) не должен содержать воду и пары воды. Это устраняет опасность взрывов, но добавляет высокую опасность возникновения пожара, а также является дорогостоящим в реализации и эксплуатации. Для подавления потенциального воспламенения гликоля требуется система пожаротушения в литейной яме. Для реализации системы охладителя слитков на основе гликоля, включающей в себя систему обработки гликоля, тепловой окислитель для деградации гликоля и систему защиты от пожара литейной ямы, в общем, может потребоваться от 5 до 8 миллионов долларов США (в современных долларах). Литье с использованием 100% гликоля в качестве охладителя приводит к возникновению другой проблемы. Охлаждающая способность гликоля или других галогенизированных углеводородов отличается от воды, вследствие чего требуются другие режимы отливки и инструменты при литье с использованием такого охладителя. Другой недостаток использования гликоля в качестве непосредственного охладителя состоит в том, что гликоль имеет более низкую удельную теплопроводность и коэффициент поверхностной передачи тепла чем вода, поэтому микроструктура металлической отливки имеет более грубые нежелательные металлургические составляющие и имеется большая величина пористости из-за усадки по центральной линии в отливаемом металле. Отсутствие более тонкой микроструктуры с одновременным наличием более высокой концентрации пористости усадки отрицательно влияет на свойства конечных изделий, изготовленных из такого исходного материала.
В еще одном патентном документе US 4237961 предложено удалять воду от слитка при литье Al-Li сплавов с прямым охлаждением для уменьшения опасности взрыва. В патентном документе ЕР 0183563 описано устройство для сбора расплавленного металла, образующегося в результате его прорыва или растекания во время литья с прямым охлаждением алюминиевых сплавов. Сбор прорвавшегося или растекшегося расплавленного металла приводит к его скоплению. Такое решение не может быть использовано для сплава Al-Li, поскольку оно может создать искусственное условие для взрыва, когда для удаления воды она должна быть накоплена. Во время прорыва или растекания расплавленный металл также мог бы скапливаться в области собранной воды. Как описано в патентном документе US 5212343 это могло бы стать предпочтительным способом получения взрыва в результате реакции воды с Al-Li.
Таким образом, для уменьшения или минимизации вероятности взрыва при разливке Al-Li сплавов было предложено множество решений. В то же время, хотя каждое из этих решений предусматривает дополнительную защиту, ни одно из них на практике не оказалось полностью безопасным или коммерчески эффективным.
Таким образом, остается потребность в более безопасных, требующих меньшего обслуживания и более эффективных по затратам устройстве и способе разливки Al-Li сплавов, позволяющих получать литой метал высокого качества.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана литейная яма с прямым охлаждением, вид сбоку в поперечном сечении;
на фиг. 2 - литейная система по фиг. 1, в которой комплект клапанов системы подачи охладителя работает при нормальных условиях, вид сверху;
на фиг. 3 - литейная система по фиг. 1, в которой комплект клапанов системы подачи охладителя работает при обнаружении прорыва, вид сверху;
на фиг. 4 - блок-схема последовательности операций процесса, обеспечивающего решение проблемы прорыва или растекания металла при разливке;
на фиг. 5 - блок-схема последовательности операций другого варианта процесса, обеспечивающего решение проблемы прорыва или растекания металла при разливке;
на фиг. 6 - система для образования расплавленного металлического сплава и одного или нескольких промежуточных литейных продуктов литья из расплавленного металлического сплава, вид сбоку.
Осуществление изобретения
Далее будет описано устройство и способ для литья Al-Li сплавов. Существующая проблема заключается в том, что вода и прорвавпшйся или растекшийся расплавленный Al-Li металл соединяются с высвобождением водорода при прохождении экзотермической реакции. Даже при наклонных днищах ямы, минимальных уровнях воды и т.д., вода и прорвавшийся или растекшийся расплавленный металл все еще могут войти в непосредственный контакт, приводя к возникновению реакции. Разливка без воды, с использованием другой жидкости, такой как описана в известных патентах, влияет на литейные характеристики, качество отлитого металла, является дорогостоящей при внедрении и эксплуатации, а также приводит к проблемам защиты окружающей среды и опасности возникновения пожара.
Описываемые устройство и способ улучшают безопасность отливки Al-Li сплавов с прямым охлаждением путем минимизации или устранения компонентов, которые могут приводить к возникновению взрыва. Следует понимать, что вода (или водяной пар или пар) в присутствии расплавленного Al-Li сплава приводит к формированию газообразного водорода. Соответствующее уравнение химической реакции имеет следующий вид:
2LiAl+8H2O→2LiOH+2А1(ОН)3+4H2(g).
Газообразный водород имеет плотность, существенно меньшую, чем плотность воздуха. Газообразный водород, который выделяется во время химической реакции, является более легким, чем воздух, стремиться подняться вверх в направлении верхней части литейной ямы, непосредственно под литейной формой и конструкцией держателя формы в верхней части литейной ямы. Эта, обычно закрытая область, обеспечивает возможность сбора газообразного водорода, где он становится достаточно концентрированным, для формирования взрывоопасной атмосферы. Тепло, искра или другой источник воспламенения могут инициировать взрыв водородного «столба» сконцентрированного газа.
Следует понимать, что расплавленный растекшийся или прорвавпшйся материал при его комбинации с охлаждающей слиток водой, которая используется в процессе прямого охлаждения (как используется на практике специалистами в области техники разливки алюминиевых слитков) приводит к формированию пара и паров воды. Пар и пары воды являются ускорителями для реакции, в результате которой образуется газообразный водород. Удаление этого пара и паров воды с помощью системы удаления пара устраняет возможность объединения воды с Al-Li с формированием Li-OH и выделением Н2. Устройство и способ, соответствующие настоящему изобретению, минимизируют присутствие воды и паров воды в литейной яме путем размещения выпускных отверстий для пара вокруг внутреннего контура литейной ямы и быстрого включения вентиляции при обнаружении прорыва.
Выпускные отверстия в литейной яме расположены в нескольких областях, например, на уровне от приблизительно 0,3 м до приблизительно 0,5 м ниже литейной формы, в промежуточной области от приблизительно 1,5 м до приблизительно 2,0 м от литейной формы, и на дне литейной ямы. Литейная форма обычно расположена в верхней части литейной ямы на по меньшей мере один метр выше уровня пола. Горизонтальная и вертикальная области вокруг литейной формы ниже стола для размещения формы обычно закрыты кожухом ямы и стеклянной облицовкой Lexan за исключением пространства, необходимого для подачи воздуха внутрь и вывода его наружу с целью разбавления, чтобы газы внутри ямы вводились и выводились в соответствии с предписанным способом.
Инертный газ вводят во внутреннее пространство литейной ямы для минимизации или устранения скопления газообразного водорода в критическую массу во внутреннее пространство литейной ямы вводят инертный газ. Плотность инертного газа меньше плотности воздуха, и он способен занимать то же пространство непосредственно под верхней частью литейной ямы, что и газообразный водород. Например, может использоваться газообразный гелий.
Во множестве технических отчетов в качестве покрывающего газа для защиты Al-Li сплава от окружающей атмосферы для предотвращения его реакции с воздухом было описано использование аргона. Хотя аргон является полностью инертным газом, его плотность больше, чем у воздуха, так что если он не направляется принудительно в верхнюю внутреннюю часть литейной ямы, то необходимая инертность в указанной области не достигается. По сравнению с воздухом, имеющим плотность 1,3 г/л, аргон имеет плотность порядка 1,8 г/л и оседает в нижней части литейной ямы, не обеспечивая желаемую защиту путем вытеснения водорода из критической верхней области литейной ямы. С другой стороны, гелий является негорючим газом, имеет низкую плотность 0,2 г/л и не поддерживает горение. В результате замены воздуха инертным газом более низкой плотности внутри литейной ямы опасная атмосфера в литейной яме может быть разбавлена до уровня, при котором взрыв не может состояться. Кроме того, во время такого обмена пары воды и пар также удаляются из литейной ямы. Во время непрерывной разливки без аварийного состояния, именуемого прорывом, пары воды и пар удаляются из инертного газа, который может рециркулировать через литейную яму.
На фиг. 1 показана система разливки 5 с прямым охлаждением, содержащая литейную яму 16, которая обычно формируется в земле. Внутри литейной ямы 16 установлен литейный цилиндр 15, который может быть поднят и опущен посредством гидравлического силового блока (не показан). Над верхней частью литейного цилиндра 15 расположена плита 18, которую поднимают и опускают с помощью литейного цилиндра 15. Выше или над плитой 18 установлена стационарная литейная форма 12. Литейная форма 12 имеет открытую верхнюю и нижнюю части, корпус, определяющий полость литейной формы (сквозную полость), а также резервуар для охладителя. Охладитель подают в резервуар литейной формы 12 через отверстие 11 для охладителя. Отверстие 11 для охладителя соединено через трубопровод (например, из нержавеющей стали) с источником 17 охладителя, который содержит соответствующий охладитель, такой как вода. Может быть установлен насос, сообщающийся по текучей среде с охладителем и обеспечивающий подачу охладителя в отверстие 11 и в резервуар литейной формы 12. Между источником охладителя и отверстием 11 для охладителя расположен клапан 21 для управления подачей потока охладителя в резервуар. В трубопроводе может быть установлен расходомер для отслеживания расхода подаваемого в резервуар охладителя. Клапан 21 может управляться, а расход охладителя через трубопровод может отслеживаться контроллером 35.
Расплавленный металл направляют в литейную форму 16 и охлаждают посредством воздействия более низкой температуры литейной формы и охладителя через соединенное с литейной формой 12 средство 14 подачи охладителя вокруг основания или в нижнюю часть литейной формы 12, где он попадает на промежуточный продукт литья после его выхода из полости литейной формы (появляется снизу литейной формы). Резервуар литейной формы сообщается по текучей среде со средством 14 подачи охладителя. Расплавленный металл (например, Al-Li сплав) подают в литейную форму 12. Литейная форма 12 может содержать средство 14 подачи охладителя, которые обеспечивают протекание охладителя (например, воды) на поверхность формирующегося слитка, обеспечивая прямое охлаждение и отверждение металла. Литейную форму 12 окружает литейный стол 31. Как показано на фиг. 1, может использоваться уплотнитель или прокладка 29, расположенная между литейной формой 12 и литейным столом 31 и выполненная из устойчивого к высокой температуре силикатного материала. Прокладка 29 предотвращает попадание паров или любой другой атмосферы из под литейного стола 31 в область над литейной формой и столом, предотвращая тем самым загрязнение воздуха, в котором работает и дышит занимающийся отливкой персонал.
Система 5 также содержит датчик 10 обнаружения расплавленного металла, расположенный непосредственно под формой 12 для обнаружения прорыва или растекания. Датчик 10 может быть выполнен в виде датчика, описанного в патентных документах US 6279645, US 7296613 или любим другим соответствующим устройством, которое может обнаруживать наличие прорыва.
Система 5 также содержит вытяжную систему 19, содержащую расположенные в литейной яме 16 выпускные отверстия 20A, 20A', 20B, 20B', 20C и 20C. Выпускные отверстия расположены так, чтобы обеспечить максимальное удаление генерируемых газов, включающих источники воспламенения (например, H2), и вступающих в реакцию газов (например, пары воды или пар) из внутренней полости литейной ямы. Выпускные отверстия 20A, 20A' расположены на высоте приблизительно от 0,3 м до приблизительно 0,5 м ниже формы 12; выпускные отверстия 20B, 20B' расположены на высоте от приблизительно 1,5 м до приблизительно 2,0 м ниже формы 12; а выпускные отверстия 20C, 20C' расположены в основании литейной ямы 16, где скапливается прорвавшийся металл. Выпускные отверстия показаны парами на каждом уровне, но на каждом уровне может использоваться больше двух выходных отверстий. Например, на каждом уровне может использоваться одно, три или четыре выпускных отверстия. Выпускная система 19 также содержит удаленный вытяжной вентилятор 22, который расположен на удалении от литейной формы 12 (например, на расстоянии приблизительно от 20 до 30 м от формы 12) и обеспечивает вывод отработанных газов из системы. Выпускные отверстия 20A, 20A', 20B, 20B', 20C, 20C' соединены с вытяжным вентилятором 22 системой воздухопроводов (например, канал из оцинкованной или нержавеющей стали). Выпускная система 19 дополнительно содержит группу отсасывающих вентиляторов для направления отработавших газов к вытяжному вентилятору 22.
Система 24 подачи инертного газа содержит отверстия 26A, 26A', 26B, 26B', 26C и 26C', расположенные вокруг литейной ямы и соединенные с источником или источниками 27 инертного газа. Совместно с каждым из отверстий 26B и 26B', 26C и 26C', расположены отверстия подачи избыточного воздуха для обеспечения дополнительного попутного разбавления захваченного газообразного водорода. Расположение отверстий подачи газа выбирают так, чтобы обеспечить заполнение инертным газом, который немедленно заменяет газы и пар в литейной яме, через систему 24 подачи газа, которая подает инертный газ, когда это требуется (особенно при обнаружении прорыва), через отверстия 26 подачи инертного газа в литейную яму 16 в течение заданного времени (например, приблизительно максимум за 30 секунд) после обнаружения прорыва. На фиг. 1 показаны отверстия 26A и 26A' подачи газа, расположенные рядом с верхней частью литейной ямы 16; отверстия 26B и 26B' подачи газа расположены на промежуточном участке литейной ямы 16; а отверстия 26C и 26C' подачи газа расположены в нижней части литейной ямы 16. Для управления подачей инертного газа с каждым отверстием подачи газа могут быть соединены регуляторы давления. На каждом уровне показана пара отверстий подачи газа, однако на каждом уровне может использоваться отличное от двух число отверстий подачи газа, например, одно, три или четыре.
В варианте, показанном на фиг. 1, подаваемый в верхней части 14 литейной ямы 16 через отверстия 26A и 26A' инертный газ может набегать на отвердевший, полуотвердевший и жидкий алюминиево-литиевый сплав, распложенный ниже формы 12, при этом расход инертного газа в этой области является по меньшей мере равными расходу охладителя до обнаружения прорыва или растекания металла. В другом варианте система 24 подачи газа может содержать трубопровод, подключенный к дополнительному отверстию 23 подачи газа в литейную форму 12 так, чтобы инертный газа мог заменять охладитель или мог быть добавлен к охладителю, который протекает через литейную форму (например, путем подачи инертного газа с охладителем через средство подачи охладителя), или в виде отдельного потока через литейную форму (например, корпус литейной формы 12 содержит резервуар для охладителя, сообщающийся по текучей среде с источником 17 охладителя, отверстие 11 для охладителя и средство 14 подачи охладителя, а также отдельный коллектор для инертного газа, который сообщается по текучей среде с источником 27 инертного газа, дополнительное отверстие 23 подачи газа и одно или несколько средств 25 подачи инертного газа в литейную яму). Расположенный в трубопроводе клапан 13 регулирует или изменяет поток инертного газа, поступающий в литейную форму 12 через дополнительное отверстие 23 подачи газа. Клапан 13 закрыт или частично закрыт в условиях отсутствия прорыва или растекания, и открывается в ответ на возникновение прорыва или растекания. Если отверстия подачи газа расположены на разных уровнях литейной ямы, скорости потока через такие отверстия подачи газа могут быть такими же, как и скорость потока через отверстия подачи газа в верхней части 7 литейной ямы 16 или могут отличаться (например, меньше чем скорость потока через отверстия подачи газа в верхней части 7 литейной ямы 16). Клапаном 13 может управлять контроллер 35, а давление в трубопроводе для подачи дополнительного газа в отверстие 23 можно отслеживать с помощью этого контроллера, используя, например, установленный в трубопроводе датчик давления.
Как отмечено выше, одним из подходящих инертных газов для подачи его через отверстия подачи газа может быть гелий. Плотность гелия меньше плотности воздуха, он не взаимодействует с алюминием или литием, не формирует реактивный продукт и имеет относительно высокую удельную теплопроводность (0,15 Вт⋅м-1⋅К-1). Когда инертный газ подают через литейную форму 12 для замены потока охладителя в случае прорыва или растекания, инертный газ, такой как гелий, имеющий относительно высокую удельную теплопроводность, подают для предотвращения деформации литейной формы расплавленным металлом. Может быть подана смесь инертного газа. Смесь инертных газов включает в себя газообразный гелий. Смесь инертных газов включает в себя газообразный гелий и газообразный аргон, при этом газообразного гелия содержится 20%. В соответствии с другим вариантом осуществления такая смесь включает в себя не менее приблизительно 60% гелия. В дополнительном варианте смесь гелия с аргоном включает в себя по меньшей мере приблизительно 80% гелия и соответственно приблизительно 20% аргона.
Подаваемый через отверстия подачи инертный газ замещения удаляется из литейной ямы 16 с помощью верхней выпускной системы 28, постоянно работающей с низкой производительностью и переключающейся на высокую производительность при обнаружении прорыва. Эта система направляет удаляемый из литейной ямы инертный газ в вытяжной вентилятор 22. Перед обнаружением прорыва атмосфера в верхней части ямы может непрерывно циркулировать через систему очистки атмосферы, состоящую из колонн поглотителя влаги и осушителей пара, что поддерживает атмосферу в верхней области ямы умеренно инертной. Удаленный газ во время его циркуляции пропускается через осушитель влаги, и любые пары воды удаляются, очищая верхнюю атмосферу ямы, содержащей инертный газ. Очищенный инертный газ можно затем опять подавать в систему 24 подачи инертного газа через соответствующий насос 32. В этом случае между отверстиями 20A и 26A' и, аналогично, между отверстиями 20A' и 26A' поддерживают завесу из инертного газа для минимизации утечки чистого инертного газа из верхней области литейной ямы через систему вентиляции и выпускную систему ямы.
Количество и точное место расположения выпускных отверстий 20A, 20A', 20B, 20B', 20C, 20C' и отверстий 26A, 26A', 26B, 26B', 26C, 26C' подачи инертного газа зависит от размера и конфигурации конкретной литейной ямы, и их рассчитывает специалист в данной области техники, который работает в области литья с прямым охлаждением вместе с экспертом по рециркуляции воздуха и газов. Наиболее желательно иметь три группы (например, три пары) выпускных отверстий и отверстий подачи инертного газа, как показано на фиг. 1. В зависимости от свойств и веса отливаемого изделия в некоторой степени менее сложное и менее дорогостоящее, но в равной степени эффективное устройство может быть получено посредством одной группы выпускных отверстий и отверстий подачи инертного газа, расположенных по периферии верхней части литейной ямы 16.
Как отмечено выше, когда промежуточный продукт разливки появляется из полости литейной формы, охладитель, поступающий из средства его подачи вокруг литейной формы, ударяет во внешнюю поверхность промежуточного литейного продукта в точке, расположенной ниже места выхода охладителя из средства 14 его подачи. Такая точка обычно называется зоной отверждения. При таких стандартных условиях в литейной яме вокруг внешней поверхности промежуточного литейного продукта образуется смесь воды и воздуха, при этом в процессе литья происходит постоянное образование водяных паров.
На фиг. 2 показана система 5, имеющая литейную форму 12 и литейный стол 31. Система 5 включает в себя систему подачи охладителя, которая размещена в средстве подачи охладителя, либо между резервуаром в литейной форме 12 (резервуар 50 на фиг. 2) и средством подачи охладителя (показано на фиг. 1), или перед резервуаром 50. Как показано на фиг. 2, система 56 подачи охладителя расположена перед резервуаром 50. В таком варианте система 56 подачи охладителя заменяет отверстие 11 охладителя, клапан 21 и соответствующий трубопровод между отверстием 11 охладителя и источником 17 охладителя. Литейная форма 12 (в данном варианте имеет круглую форму) окружает подаваемый в нее расплавленный металл 44. Система 56 подачи охладителя включает в себя систему 58 клапанов, соединенную с трубопроводом 63 или трубопроводом 67, по которому охладитель поступает в резервуар 50. Подходящим материалом для трубопроводов 63, 67, а также для других трубопроводов и клапанов является, например нержавеющая сталь. Система 58 клапанов включает в себя первый клапан 60, соединенный с трубопроводом 63. Первый клапан 60 позволяет подавать охладитель (обычно воду) из источника 17 охладителя через клапан 60 и трубопровод 63. Система 58 клапанов также включает в себя второй клапан 66, соединенный с трубопроводом 67. Второй клапан 66 позволяет подавать инертную текучую среду из источника 64 инертной текучей среды через второй клапан 66 и трубопровод 67. Трубопровод 63 и трубопровод 67 соединяют источник 17 охладителя и источник 64 инертной текучей среды, соответственно, с резервуаром литейной формы 12.
Инертная текучая среда из источника 64 является жидкостью или газом, который не реагирует с литием или алюминием, и не формирует реактивный (например, взрывоопасный) продукт и одновременно не является горючей или поддерживающей горение. Инертная текучая среда является инертным газом. Плотность подходящего инертного газа должна быть меньше плотности воздуха. Другим необходимым свойством подходящего инертного газа, используемым в данном варианте осуществления изобретения, является более высокая удельная теплопроводность газа по сравнению с обычными инертными газами, воздухом или смесями инертных газов. Примером такого газа, одновременно удовлетворяющего всем упомянутым выше требованиям, является гелий (Не). В случае прорыва или растекания, инертный газ, такой как гелий, имеющий относительно высокую теплопроводность, подают для замены потока охладителя через литейную форму 12 для предотвращения деформации литейной формы расплавленным металлом. Также может быть подана смесь инертных газов. Предпочтительно смесь инертных газов включает в себя гелий, или смесь гелия с аргоном, в которой содержится не менее приблизительно 20%. Смесь гелия с аргоном может содержать не менее 60% гелия. Смесь гелия с аргоном может также содержать приблизительно 80% гелия и 20% аргона.
На фиг. 2 показано литье при нормальных условиях. Первый клапан 60 открыт, а второй клапан 66 закрыт. В такой конфигурации клапанов только охладитель от его источника 17 поступает в трубопровод 63 и в резервуар литейной формы 12, а инертная текучая среда из ее источника 64 не поступает в него. Может быть выбрано положение клапана 60 (например, полностью открытый или частично открытый) для достижения требуемого расхода, измеряемого расходомером, соединенным с клапаном 60 или установленным отдельно, рядом с клапаном 60 (показан после клапана 60, как первый расходомер 68). При необходимости в нормальных условиях разливки может быть частично открыт второй клапан 66, при этом инертная текучая среда (например, инертный газ) из источника 64 может быть смешана в резервуаре литейной формы 12 с охладителем из источника 17. Положение клапана 66 может быть выбрано для достижения требуемого расхода, измеряемого прибором измерения расхода, например, прибором измерения давления в источнике инертной текучей среды, соединенным с клапаном 66 или расположенного отдельно, рядом с клапаном 66 (показан после клапана 66, как второй прибор 69 измерения расхода).
Первый и второй клапаны 60 и 66, а также первый и второй приборы 68 и 69 измерения расхода электрически и/или логически соединены с контроллером 35. Контроллер 35 содержит энергонезависимые машиночитаемые инструкции, которые при их исполнении обеспечивают активацию одного или двух клапанов 60 и 66. Например, в нормальных условиях разливки, как показано на фиг. 2, машиночитаемые инструкции обеспечивают частичное или полностью открытое состояние первого клапана 60 и закрытое или частично открытое состояние второго клапана 66.
На фиг. 3 показана система 58 клапанов в конфигурации при возникновении прорыва или растекания. В таком случае при обнаружении прорыва или растекания датчиком 10 (фиг. 1), первый клапан 60 закрывают для остановки потока охладителя (например, воды) из источника 17 охладителя. Одновременно или сразу после этого в течение 3-20 с открывают второй клапан 66 для подачи инертной текучей среды из источника 64, чтобы в трубопровод 67 подавалась только инертная текучая среда. В случае, когда инертная текучая среда представляет собой инертный газ, такой как гелий (Не), имеющий плотность меньшую, чем у воздуха, воды или паров воды, область в верхней части литейной ямы 16 и вокруг литейной формы 12 (фиг. 1) будет мгновенно заполнена инертным газом, который вытеснит любую смесь воды и воздуха, предотвращая формирование газообразного водорода или исключая контакт расплавленного сплава Al-Li с охладителем (например, водой) в этой области, существенно снижая, вероятность взрыва из-за присутствия этих материалов в указанной области. Используются скорости приблизительно от 1,0 фут/с до 6,5 фут/с, предпочтительно - от 1,5 фут/с до 3 фут/с, а наиболее предпочтительно - около 2,5 фут/с. В случае, когда инертная текучая среда является инертным газом, источник 64 инертного газа может соответствовать источнику или источникам 27 инертного газа, который подает газ в систему 24 подачи газа, описанную со ссылкой на фиг. 1.
На фиг. 2 и 3 показаны обратные клапаны 70 и 72, соединенные с первым и вторым клапанами 60 и 66, соответственно. Каждый обратный клапан предотвращает поток охладителя и/или инертной текучей среды (например, газа) обратно к соответствующим клапанам 60 и 66 после обнаружения прорыва и изменений в потоке материала в литейную форму.
Как показано на фиг. 2 и 3, линия 63 подачи охладителя также оборудована обратным клапаном 73, который обеспечивает немедленное отклонение потока охладителя во внешний резервуар прежде, чем он попадет в первый клапан 60. Таким образом, при открывании первого клапана 60 сводится к минимуму гидроудар или повреждение системы подачи или утечка через клапан 60. При обнаружении прорыва инфракрасный термометр направляет сигнал в контроллер 35, который посредством машиночитаемых инструкций активирует перепускной клапан 73, открывая его для отклонения потока охладителя, после чего закрывается первый клапан 60 и активируется второй клапан 66, который открывается для подачи инертного газа.
Как отмечено выше, одним из подходящих инертных газов является гелий. Гелий имеет относительно высокую теплопроводность, которая позволяет непрерывно отводить тепло от литейной формы и из зоны отверждения после прекращения потока охладителя. Такой продолжающийся отвод тепла используется для охлаждения разливаемого слитка/бруска, что уменьшает возможность любых дополнительных прорывов или растеканий, возникающих из-за остаточного тепла в головке слитка/бруска. Одновременно литейная форма защищена от избыточного нагрева, что уменьшает возможность ее повреждения. Для сравнения, значения теплопроводности для гелия, воды и гликоля являются следующими: Не - 0,1513 Вт⋅м-1⋅К-1; H2O - 0,609 Вт⋅м-1⋅К-1; и Этиленгликоль - 0,258 Вт⋅м-1⋅К-1.
Хотя удельная теплопроводность гелия и смесей газа, описанных выше, ниже чем у воды или гликоля, когда эти газы попадают на слиток или болванку в зоне отверждения или рядом с ней, не образуется паровая завеса, которая в противном случае могла бы уменьшить коэффициент поверхностной теплопередачи и тем самым уменьшить эффективную удельную теплопроводность охладителя. Таким образом, одиночный инертный газ или смесь газов проявляет эффективную удельную теплопроводность намного ближе к воде, чем к гликолю, что можно было бы ожидать, учитывая только их непосредственно относительные теплопроводности.
Как будет понятно специалисту в данной области техники, хотя на фиг. 2 и 3 показан круглый слиток или болванка формируемого отлитого металла, устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением в равной степени применимы и для прямоугольного слитка.
Каждым движением плиты 18 или литейного цилиндра 15, а также входного отверстия для подачи расплавленного металла в форму 12 и входного отверстия для подачи воды в форму управляет блок управления 35. С блоком управления 35 соединен также датчик 10 расплавленного металла. Блок управления 35 содержит машиночитаемые программные инструкции, выполненные в форме энергонезависимого материального носителя информации. Программные инструкции проиллюстрированы на фиг. 2. На фиг. 2 показан способ 100, в котором вначале обнаруживают прорыв или растекание расплавленного металла Al-Li с помощью датчика 10 расплавленного металла (блок 110). В ответ на сигнал от датчика 10 о прорыве или растекании расплавленного металла Al-Li в блок управления 35 машиночитаемые инструкции обеспечивают остановку передвижения плиты 18 и источника (не показан) подачи расплавленного металла во входное отверстие (блоки 120, 130), остановку и/или отклонение потока охладителя (не показан) в форму 12 (блок 140), и включение более высокой производительности выпускной системы 19 непрерывно или в течение приблизительно 15 или 10 секунд, для отвода отработавших газов, содержащих пары воды и/или пар, из литейной ямы через выпускные отверстия 20A, 20A', 20B, 20B', 20C и 20C' в вытяжной вентилятор 22 (блок 150). Одновременно или вскоре после этого (например, в течение приблизительно от 10 до 30 с), машиночитаемые инструкции дополнительно включают систему подачи газа, и инертный газ, плотность которого меньше плотности воздуха, такой как гелий, подают через отверстия 26A, 26A', 26B, 26B', 26C и 26C' (блок 160). В варианте осуществления изобретения, согласно которому в литейной форме 12 имеется дополнительное отверстие подачи газа, которое соединено через трубопровод с источником инертного газа, инструкции также включают в себя команду на открытие любого клапана доступа (например, клапана 13, показанного на фиг. 1) для подачи инертного газа в литейную форму. Одновременно с этим или сразу после этого исполнение машиночитаемых инструкций активирует клапан 66, открывая его (фиг. 3), для подачи инертной текучей среды (например, газообразного гелия или смеси инертных газов) в средство 14 подачи охладителя (например, активацией клапана 66 для подачи инертной текучей среды в литейную форму 12 посредством подающего трубопровода 52 (блок 170). Подаваемый инертный газ впоследствии собирается системой выпуска, и затем он может быть очищен. Подаваемый инертный газ (например, инертный газ, подаваемый через систему 24 подачи газа (фиг. 1) и/или инертный газ, подаваемый в средство 14 подачи охладителя из источника 64 подачи инертной текучей среды (фиг. 3)) впоследствии собирают через систему выпуска газа, и затем он может быть очищен (блок 180). По мере того, как продолжается состояние прорыва, исполнение машиночитаемых инструкций контроллером 35 дополнительно управляет сбором и очисткой инертного газа с использованием, например, контрольного насоса 32 (фиг. 1).
Следует отметить, что специалистам в области плавления и литья с прямым охлаждением алюминиевых сплавов, за исключением плавления и литья алюминиево-литиевых сплавов, могло бы показаться более предпочтительным использование газообразного азота вместо гелия, поскольку известно, что азот также является инертным газом. Однако как упоминалось, взаимодействие азота с жидкими алюминиево-литиевыми сплавами не является безопасным. Азот вступает в реакцию со сплавом и формирует аммиак, который, в свою очередь, реагирует с водой и участвует в дополнительных реакциях с опасными последствиями, и, следовательно, его использование должно быть полностью исключено. То же относится к другому, как считается, инертному газу, такому как двуокись углерода. Его использование должно быть исключено в любых вариантах применения, где существует шанс соприкосновения расплавленного алюминиево-литиевого сплава с двуокисью углерода.
Существенное преимущество, получаемое в результате использования инертного газа легче воздуха состоит в том, что остаточные газы не будут накапливаться внутри литейной ямы, в результате чего могла бы возникнуть небезопасная среда в этой литейной яме. Ранее возникало множество случаев накопления более тяжелых, чем воздух газов в ограниченном пространстве, в результате чего происходили смертельные случаи в результате удушья. Следует ожидать, что в литейной яме будет отслеживаться подача воздуха в ограниченное пространство, чтобы не возникало проблем, связанных с технологическим газом.
На фиг. 5 показан другой вариант реализации способа 200, в котором используется система разливки с прямым охлаждением по фиг. 1. Согласно этому варианту вначале обнаруживают прорыв или растекание расплавленного металла с помощью датчика 10 (блок 210). В ответ на сигнал от датчика 10 на контроллер 35 о прорыве или растекании, поток охладителя в литейную форму 12 уменьшается (блок 240); подача металла в литейную форму останавливается (блок 230); при этом движение плиты 18 замедляется (блок 220). Что касается уменьшения потока охладителя и уменьшения движения плиты, то такое уменьшение может включать в себя полную остановку и частичное уменьшение. Например, скорость потока охладителя может быть уменьшена до скорости, которая больше нуля, но меньше заданной скорость потока, выбранной для подачи на появляющийся слиток для обеспечения прямого охлаждения и отверждения металла. Скорость потока может быть уменьшена до скорости, которая является безопасной (например, несколько литров в минуту или меньше), учитывая принятые дополнительные меры для решения проблем прорыва или растекания. Аналогично, плита 18 может продолжать движение через литейную яму 16 со скоростью, которая является приемлемо безопасной, но которая уменьшена по сравнению с заданной скоростью при разливке металла. В конечном итоге, снижение потока охладителя и движения плиты не обязательно должно быть связано в том смысле, что они обе одновременно уменьшаются до полной остановки или до скорости большей, чем скорость полной остановки. Другими словами, скорость потока охладителя может быть остановлена или прекращена (то есть, уменьшена до скорости потока, равной нулю) после обнаружения прорыва, а скорость движения плиты может быть уменьшена до скорости, которая стремится к остановке или прекращению движения, но не остановлена или не прекратила движение, то есть скорость больше нуля. Движение плиты 18 может быть остановлено или прекращено (то есть, уменьшено до нуля), в то время как скорость потока охладителя уменьшают до скорости, проявляющей тенденцию к остановке или прекращению движения, но не остановленной или не прекращенной, то есть, скорости потока, большей нуля. Поток охладителя и движение плиты 18 останавливают или прекращают совместно.
После обнаружения прорыва или растекания машиночитаемые инструкции, реализующие способ по фиг. 3, обеспечивают удаление выделяющихся газов и/или паров воды из литейной ямы 16 (блок 250), подачу инертного газа в литейную яму (блок 260), подачу инертной текучей среды в средство подачи охладителя (блок 270), и при необходимости сбор и/или очистку инертного газа, удаляемого из литейной ямы (блок 280), аналогично способу, описанному выше со ссылкой на фиг. 4.
Литейная система 5, описанная со ссылкой на фиг. 1, включает в себя датчик 10, выполненный с возможностью обнаружения прорыва или растекания. Со ссылкой на фиг. 4 и 5, датчик 10 обнаружения расплавленного металла соединен с контроллером (например, контроллером 35 в системе 5 по фиг. 1) с возможностью передачи данных таким образом, что датчик 10 обнаруживает прорыв или растекание и передает информацию об этом в контроллер 35. Прорыв или растекание могут быть обнаружены без использования датчика 10 обнаружения расплавленного металла или без его соединения с контроллером 35. Системой 5 может управлять оператор, который визуально наблюдает прорыв или растекание. В таком случае оператор может связаться с контроллером 35, реализуя действия с его помощью для минимизации последствий прорыва или растекания (например, выпуская генерируемый газ из литейной ямы, подавая инертный газ в литейную яму, прекращая поток металла, уменьшая или прекращая поток охладителя, уменьшая или прекращая движения плиты и т.д.). Такая передача данных может, например, осуществляться нажатием на кнопку или кнопки на клавиатуре, связанной с контроллером 35.
Способ и устройство обеспечивают уникальное решение для надежного подавления прорывов или растеканий Al-Li сплавов таким образом, что коммерческий процесс может работать успешно без использования посторонних способов, таких как литье с использованием галогенизированной жидкости, такой как этиленгликоль, которая делает процесс неоптимальным в отношении качества отливаемого металла, а процесс менее стабильным при отливке, и одновременно делает процесс неэкономичным и пожароопасным. Как будет понятно любому специалисту в области отливки слитков, в любом процессе с прямым охлаждением возникают прорывы и растекания. Обычно их возникновение очень маловероятно, но во время нормальной работы механического оборудования что-то может выходить за рамки привычных режимов, и процесс будет протекать не так, как ожидалось. Применение описанных выше устройства и способа сводит к минимуму взрывы водорода, возникающие при контакте воды с расплавленным металлом в результате прорывов или растеканий при отливке Al-Li сплавов и способные привести к несчастным случаям и повреждению оборудования.
Al-Li сплав, полученный с использованием описанной выше литейной ямы с прямым охлаждением, может содержать приблизительно от 0,1% до 6% лития или приблизительно от 0,1% до 3% лития. Al-Li сплав, полученный с использованием описанного выше устройства, содержит Li 0,1-6,0%, меди 0,1-4,5% и магния 0,1-6%, а также серебро, титан, цирконий в качестве незначительных добавок, и со следами щелочных и щелочноземельных металлов, при этом алюминий составляет остальное. В качестве Al-Li сплава могут быть выбраны следующие сплавы: сплав 2090 (медь 2,7%, литий 2,2%, серебро 0,4% и цирконий 0,12%), сплав 2091 (медь 2,1%, литий 2,09% и цирконий 0,1%), сплав 8090 (литий 2,45%, цирконий 0,12%, медь 1,3% и магний 0,95%), сплав 2099 (медь 2,4-3,0%, литий 1,6-2,0%, цинк 0,4-1,0%, магний 0,1-0,5%, марганец 0,1-0,5%, цирконий 0,05-0,12%, железо 0,07% максимум; и кремний 0,05% максимум), сплав 2195 (1% литий, 4% медь, 0,4% серебро и 0,4% магний) и сплав 2199 (цинк 0,2-0,9%, магний 0,05-0,40%, марганец 0,1-0,5%, цирконий 0,05-0,12%, железо 0,07% максимум и кремний 0,07% максимум). В качестве примера Al-Li сплава может быть выбран такой, который имеет следующие свойства: предел прочности на разрыв 100000 фунтов на квадратный дюйм («psi») и предела текучести 80000 psi.
На фиг. 6 показана система для формирования одного или нескольких промежуточных литых продуктов, таких как заготовки с круглым или квадратным сечением, слябы, слитки, блюмы или другие формы, получаемые в процессе литья с прямым охлаждением. Как показано на фиг. 6, система 300 включает в, себя индукционную печь 305, содержащую камеру 310 и резервуар 330 для плавки, вокруг которого расположены катушки индуктора. Для приготовления Al-Li сплава твердый алюминий, литий и любые другие металлы для требуемого состава сплава загружают в нижнюю часть камеры 310 печи и в резервуар 330 для плавки. Алюминий может быть введен и расплавлен до введения лития. После расплавления алюминия подают литий. Другие металлы могут быть введены перед или совместно с исходным введением алюминия или перед, после или вместе с литием. Такие металлы могут быть введены с помощью загрузочного устройства. Металлы плавят путем индукционного нагрева (посредством индукционной катушки), а расплав передают по трубопроводу, например, под действием силы тяжести в первый фильтр 315, далее через дегазатор 320 во второй фильтр 325 и в устройство 340 для литья заготовок.
Входящая в систему 305 индукционная печь содержит индукционную катушку, окружающую резервуар 330 для плавки. Между внешней поверхностью резервуара 330 и внутренней поверхностью индукционной катушки имеется зазор, в котором может циркулировать инертный газ. На фиг. 6 показан газ, циркулирующий вокруг содержащего расплав цилиндрического резервуара (например, вокруг всей внешней поверхности резервуара). Также показана подсистема циркуляции газа, соединенная с системой 300. Инертный газ (например, гелий), поступает из источника 355 газа, например, через трубку из нержавеющей стали. Подачей газа управляют различные клапаны. Когда газ подают из источника 355 газа, клапан 356, расположенный рядом с источником 355 газа, открывают так же, как и клапан 351 для обеспечения возможности подачи газа в отверстие 345 подачи, а клапан 352 для обеспечения выпуска газа через выпускное отверстие 346 в подсистему циркуляции. Газ подают в отверстие 345 подачи, связанное с индукционной печью 305. Подаваемый газ циркулирует в зазоре между резервуаром 330 для плавки и индукционной катушкой. Циркулирующий газ затем выходит из индукционной печи 305 через выпускное отверстие 346. Из выпускного отверстия 346 газ пропускают через установленный в линии анализатор 358 водорода. Анализатор 358 водорода измеряет количество (например, концентрацию) водорода в потоке газа. Если это количество превышает, например, 0,1% об., газ выводят в атмосферу через вентиляционный клапан 359. Циркулирующий газ из выпускного отверстия 346 также проходит через очиститель 360. Очиститель 360 выполнен с возможностью удаления из инертного газа водорода и/или влаги. В качестве очистителя для удаления влаги может использоваться осушитель. Из очистителя 360 газ подают в теплообменник 370. Теплообменник 370 выполнен с возможностью отбора тепла от газа для регулирования температуры газа, например, до уровня ниже 120°F. В частности, во время циркуляции в зазоре между индукционной катушкой и резервуаром, содержащим расплав, газ может отбирать/сохранять тепло, и его температура будет повышаться. Теплообменник 370 выполнен с возможностью уменьшения температуры газа и может возвращать температуру до необходимого значения ниже 120°F, например, до комнатной температуры. В дополнение к обработке газа в теплообменнике 370 газ может быть охлажден путем воздействия на него источником 375 холода. Таким образом, перед подачей или повторной подачей в индукционную печь 305 температура газа может быть существенно уменьшена. Как показано на фиг. 6, подсистема 350 циркуляции газа включает в себя устройство 380 измерения температуры (например, термопару), расположенное перед отверстием 345 подачи. Устройство 380 измерения температуры во время работы измеряет температуру газа, подаваемого в отверстие 345 подачи. Циркуляция газа через описанные звенья подсистемы 350 циркуляции газа (например, анализатор 358 водорода, очиститель 360, теплообменник 370 и источник 375 охладителя) может выполняться через трубку, например, из нержавеющей стали, с которой соединен каждый из описанных элементов. Кроме того, следует понимать, что порядок описанных элементов может меняться.
Циркулирующий в зазоре между резервуаром 330 для плавки и индукционной катушкой газ является атмосферным воздухом. Такой вариант может использоваться со сплавами, которые не содержат реактивные элементы, такие как описано выше. Как показано на фиг. 6, когда атмосферный воздух подают в зазор, подсистема 350 циркуляции газа может быть изолирована для предотвращения загрязнения. В соответствии с этим клапаны 351, 352 и 356 могут быть закрыты. Для обеспечения возможности подачи воздуха в отверстие 345 подачи клапан 353 подачи открыт. Для обеспечения возможности выпуска через отверстие 346 выпуска открывают клапан 357 выпуска воздуха. Клапан 353 подачи воздуха и клапан 357 выпуска воздуха закрывают, когда используется подсистема 350 циркуляции газа, и газ подают из источника 355 газа. Когда клапан 353 подачи воздуха и клапан 357 выпуска воздуха открыты, атмосферный воздух подают в зазор с помощью с вентилятора 358 (например, приточного вентилятора). Вентилятор 358 формирует поток воздуха, который (например, через трубу) поступает в клапан 345 подачи с интенсивностью порядка 12000 кубических футов в минуту. Воздух циркулирует в зазоре, и его выпускают через отверстие 346 в атмосферу.
Из индукционной печи 305 расплавленный сплав проходит фильтры 315 и 325. Каждый фильтр очищает расплав от загрязнений. Расплав также пропускают через установленный в линии дегазатор 320, выполненный с возможностью удаления нежелательных видов газа (например, газообразного водорода) из расплава. После фильтрации и дегазации расплав подают в устройство 340 для литья заготовок 340, где могут быть сформированы одна или несколько заготовок (например, заготовки квадратного сечения или слябы), например, в процессе литья с прямым охлаждением. Устройство 340 для литья заготовок может содержать систему литья с прямым охлаждением, аналогичную системе 5, описанной выше со ссылкой на фиг. 1. Такая система может содержать датчик обнаружения расплавленного металла, который во время работы обнаруживает прорыв или растекание; систему выпуска, которая во время работы удаляет генерируемые газы, включающие в себя источники воспламенения и реактанты, из литейной ямы; систему подачи газа, включающую в себя источник инертного газа, которая во время работы обеспечивает подачу инертного газа в литейную яму; отверстия подачи воздуха, выполненные с возможностью во время работы подавать воздух в литейную яму; систему сбора, которая во время работы собирает инертный газ, выходящий из литейной ямы (например, через систему выпуска) для удаления составляющих (например, пара) из инертного газа; и систему рециркуляции, предназначенную для рециркуляции собранного инертного газа.
Описанная выше система может управляться посредством контроллера. Контроллер 390 выполнен с возможностью управления работой системы 300. В соответствии с этим различные модули, такие как индукционная печь 305, первый фильтр 315, дегазатор 320, второй фильтр 325 и устройство 340 для литья заготовок, электрически соединены с контроллером 390 проводами или беспроводным способом. Контроллер 390 может содержать машиночитаемые программные инструкции, выполненные в виде энергонезависимого запоминающего устройства. Программные инструкции выполняют этапы плавки шихты в индукционной печи 305 и подачи расплава в устройство 340 для литья заготовок. Относительно плавки шихты программные инструкции включают в себя, например, инструкции для перемешивания расплава, включения индукционной катушки и циркуляции газа через зазор между индукционной катушкой и резервуаром 330 для плавки. Если устройство загрузки включает в себя средство перемешивания или смешивающее средство, такие программные инструкции включают в себя инструкции на перемешивание или размешивание расплава. Относительно подачи металла в устройство 340 для литья заготовок инструкции включают в себя инструкции по направлению потока расплава из индукционной печи 305 через фильтры и дегазаторы. В устройстве 340 для литья заготовок инструкции обеспечивают формирование одной или нескольких заготовок или слябов. Что касается формирования одного или нескольких слябов, программные инструкции включают в себя, например, инструкции для опускания одного или большего количества литейных цилиндров 395 и распыления охладителя 397 для отверждения отливки из металлического сплава.
Контроллер 390 также регулирует и отслеживает систему. Такое регулирование и отслеживание могут быть выполнены с использованием множества датчиков по всей системе, которые или передают сигналы в контроллер 390, или контроллер 390 сам опрашивает систему. Например, такие отслеживающие средства для индукционной печи 305 могут включать в себя один или несколько датчиков температуры или термопар, соединенных с резервуаром 330 для плавки и/или с камерой 310 печи. Другие средства измерения включают в себя датчик 380 температуры, соединенный с подсистемой 350 циркуляции газа, которая отслеживает температуру газа (например, инертного), подаваемого в зазор между резервуаром 330 и внутренней поверхностью индукционной катушки. В результате отслеживания температуры циркулирующего газа можно поддерживать уровень затвердевания в резервуаре 330 для плавки в требуемом положении. Температура внешней поверхности резервуара для плавки также может быть измерена и может отслеживаться с помощью контроллера 390, путем размещения термопары рядом с внешней поверхностью резервуара 330 для плавки (термопара 344). Другое средство измерения связанно с подсистемой 350 циркуляции газа и анализатором 358 водорода. Когда анализатор 358 водорода обнаруживает избыточное количество водорода в газе, контроллер 390 обнаруживает это или в него подают сигнал, и контроллер 390 открывает вентиляционный клапан 359. Контроллер 390 также управляет открыванием и закрыванием клапанов 351, 352 и 356, связанных с подсистемой 350 циркуляции газа, когда газ поступает из источника 355 газа (каждый из клапанов открыт), например, скоростью потока газа управляют в соответствии с той степенью, в которой контроллер 390 открывает клапаны и, когда окружающий воздух поступает от вентилятора 358, каждый из клапанов закрывают, и клапан 353 подачи воздуха и клапан 357 выпуска воздуха открывают. Когда воздух циркулирует через зазор, контроллер 390 может регулировать скорость вентилятора 358, и/или величину открытия клапана 353 подачи, для регулирования температуры внешней поверхности резервуара 330 для плавки, на основе, например, результатов измерений температуры, поступающих из термопары 344, расположенной рядом с внешней поверхностью резервуара 330 для плавки. Дополнительное средство измерения включает в себя, например, датчики, связанные с подсистемой обнаружения прорыва с индукционной печью 305. Что касается всей системы 300, дополнительные средства измерения могут быть предоставлены, например, для отслеживания прорыва или растекания расплавленного металла. Что касается отслеживания и управления прорывом или растеканием в устройстве 340 для литья заготовок, то контроллер может 390 отслеживать и/или управлять по меньшей мере потоком охладителя в литейную форму, движением плиты в литейной яме, системой подачи газа (например, инертного газа) и системой рециркуляции.
Описанная выше система может использоваться для формирования заготовок квадратного сечения или слябов или других промежуточных форм литого продукта, которые могут использоваться в различных отраслях промышленности, включая автомобильную, спортивную, аэронавигационную и авиакосмическую отрасли промышленности. Описанная система представляет собой систему для формирования заготовок квадратного сечения или слябов с помощью процесса литья с прямым охлаждением. В аналогичной системе могут быть сформированы слябы или другие формы отливки, такие как круглые или прямоугольные. Сформированные заготовки могут использоваться, например, для экструдирования или ковки требуемых компонентов для самолетов, автомобилей или в любой отрасли промышленности, в которой используются экструдированные металлические части. Аналогично, для формирования таких компонентов, как компоненты для автомобильной, аэронавигационной или авиакосмической промышленности могут использоваться пластины или другие формы отливок, например, используя прокатку или ковку.
В описанной выше системе показана одна индукционная печь, которая подает продукт в устройство 340 для литья заготовок. Однако система может включать в себя несколько индукционных печей и, соответственно, несколько подсистем циркуляции газа, включающих в себя множество исходных газов, множество фильтров и дегазаторов.
Таким образом, описан коммерчески реализуемые способ и устройство, которые сводят к минимуму вероятность взрыва при литье с прямым охлаждением Al-Li сплавов. Следует понимать, что хотя было представлено описание для Al-Li сплавов, способ и устройство можно использовать для литья других металлов и сплавов.
Следует понимать, что ряд описанных выше и других свойств и функций, или альтернатив, или их вариаций, предпочтительно, могут быть скомбинированы во множестве других систем или вариантов применения. Также различные альтернативы, модификации, вариации или улучшения в них могут быть выполнены впоследствии специалистом в данной области техники без выхода за объем изобретения, установленный его формулой.
1. Система для получения литой заготовки, содержащая
по меньшей мере одну печь с резервуаром для плавки,
устройство для литья с прямым охлаждением литой заготовки, выполненное с возможностью принятия расплавленного металла из по меньшей мере одной печи,
при этом устройство для литья с прямым охлаждением литой заготовки включает в себя
литейную яму,
литейную форму, имеющую корпус со сквозной полостью, ограничивающей резервуар,
средство подачи охладителя, соединенное с литейной формой и сообщающееся по текучей среде с резервуаром,
по меньшей мере одну подвижную плиту, расположенную в литейной яме,
группу выпускных отверстий, расположенных вокруг по меньшей мере верхнего периметра литейной ямы,
группу отверстий подачи газа, расположенных вокруг по меньшей мере верхнего периметра литейной ямы,
систему клапанов, выполненную с возможностью избирательной подачи охладителя или инертной текучей среды в средство подачи охладителя,
источник инертного газа, выполненный с возможностью подачи инертного газа в группу отверстий подачи газа,
и средство для сбора выходящего из литейной ямы инертного газа, удаления по меньшей мере части паров воды из собранного инертного газа и рециркуляции инертного газа в литейную яму.
2. Система по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере один фильтр, расположенный между по меньшей мере одной печью и резервуаром для плавки.
3. Система по п. 1, в которой группа выпускных отверстий дополнительно содержит группу выпускных отверстий, расположенных вокруг периметра по меньшей мере одного из промежуточного или нижнего участка литейной ямы.
4. Система по п. 1, в которой группа отверстий подачи газа дополнительно содержит группу отверстий подачи газа, расположенных вокруг периметра по меньшей мере одного из промежуточного или нижнего участка литейной ямы.
5. Система по п. 4, в которой группа отверстий подачи газа расположена вокруг промежуточного и нижнего участков литейной ямы.
6. Система по п. 1, в которой группа отверстий подачи газа включает в себя отверстие, выполненное в литейной форме.
7. Система по п. 1, дополнительно содержащая средство обнаружения прорыва, средство модификации потока охладителя после обнаружения прорыва и средство модификации движения плиты вниз после обнаружения прорыва.
8. Система по п. 1, в которой группа выпускных отверстий содержит первую группу, расположенную на 0,3 – 0,5 м ниже литейной формы, вторую группу, расположенную на 1,5 – 2,0 м от литейной формы, и третью группу, расположенную в нижней части литейной ямы.
9. Система по п. 1, дополнительно содержащая средство для непрерывного удаления генерируемого газа из литейной ямы через выпускные отверстия и средство для всасывания паров воды и любых других газов из верхней части литейной ямы, выполненное с возможностью непрерывного удаления воды из такой смеси и рециркуляции любых других газов в верхнюю часть литейной ямы при условиях, когда прорывы не обнаруживаются, и полного извлечения паров воды и других газов из верхней области при обнаружении прорыва.
10. Система по п. 1, в которой инертная текучая среда является газообразным гелием.
11. Система по п. 1, в которой инертная текучая среда является смесью газообразных гелия и аргона.
12. Система по п. 1, в которой инертная текучая среда является смесью газообразных гелия и аргона, содержащей по меньшей мере 20% гелия.
13. Система по п. 1, в которой инертная текучая среда является смесью газообразных гелия и аргона, содержащей по меньшей мере 60% гелия.
14. Система по п. 1, которая содержит датчик обнаружения расплавленного металла, выполненный с возможностью обнаружения прорыва или растекания при литье с прямым охлаждением, причем указанная система выполнена с возможностью уменьшения потока жидкого охладителя в литейную форму и подачи инертного газа в литейную яму.
15. Система по п. 14, в которой расход жидкого охладителя, подаваемого в литейную форму, может быть уменьшен до нуля.
16. Система по п. 14, которая выполнена с возможностью уменьшения любого движения связанной с литейной формой плиты в литейной яме при обнаружении прорыва или растекания.
17. Система по п. 14, которая выполнена с возможностью подачи инертного газа в литейную форму при обнаружении прорыва или растекания.
18. Система по п. 14, в которой инертный газ является смесью инертных газов.
19. Система по любому из пп. 1-18, в которой литая заготовка выполнена из алюминиево-литиевого сплава.
20. Литая заготовка, выполненная из алюминиево-литиевого сплава, отличающаяся тем, что она получена с использованием системы по п. 1.
21. Литая заготовка по п. 20, в которой сплав содержит 0,1 – 6% лития.
22. Литая заготовка по п. 20, в которой сплав имеет предел прочности на разрыв, равный 6895 бар, и предел текучести, равный 5516 бар.
23. Прессованное изделие, полученное из литой заготовки по п. 20.
24. Литое изделие, представляющее собой компонент самолета или автомобиля, полученное из литой заготовки по п. 20.
