Литейное устройство и способ литья
Изобретение относится к области литья. Литейное устройство (10) для непрерывного или полунепрерывного литья литого изделия содержит резервуар (15) с жидким металлом (20), литейную форму (25) для литья с прямым охлаждением с полостью (30) для удержания жидкого металла (20) и осуществления его затвердевания, насос (60) для создания силы, прикладываемой к жидкому металлу, противодействующей силе тяжести, вызывающей ее течение из резервуара (15) в полость (30), и отклонитель потока (90). Насос (60), являющийся электромагнитным насосом постоянного тока, установлен на проточном канале (55) между резервуаром (15) и полостью (30) для регулирования течения жидкого металла (20) из резервуара (15) в полость (30). Отклонитель потока (90), направляющий жидкий металл в заданном направлении в полость (30) литейной формы, установлен на проточном канале (55) после насоса (60) по ходу потока. Обеспечивается снижение турбулентности потока жидкого металла, что позволяет улучшить качество поверхности литого изделия. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к литейному устройству для непрерывного или полунепрерывного литья металлов, в котором для улучшения регулирования потока жидкого металла и уменьшения его турбулентности используется насос, противодействующий течению металла, вызываемому гравитационной силой.
Известный уровень техники
В процессе непрерывного или полунепрерывного литья жидкий металл подается в полость литейной формы. В полости литейной формы жидкий металл по меньшей мере частично затвердевает с формированием литейного изделия, которое перемещаясь относительно литейной формы выходит из полости через открытую сторону литейной формы. Полунепрерывное литье применяется, например, для изготовления прокатываемых слитков (слитков, которые подвергаются, например, горячей и холодной прокатке для производства проката, такого как листовой металл), кузнечных слитков (слитков, которые подвергаются ковке для получения кованых изделий) или экструзионных заготовок (заготовок, которые например, подвергаются экструзии в экструзионном прессе для производства прессованного продукта). Непрерывное литье применяется, например, для непрерывного производства прокатного изделия без необходимости изготовления прокатываемого слитка в качестве заготовки, которая подвергается горячей прокатке и холодной прокатке на отдельных этапах производственного процесса.
Литейное устройство, как правило, содержит резервуар для хранения и/или производства жидкого металла, например, плавильную печь, или емкость для хранения жидкого металла, который поступает в указанную емкость, например, из плавильной печи или электролизера.
Из резервуара жидкий металл поступает в полость литейной формы по проточному каналу, который выполнен, например, в виде распределительного желоба. В полости литейной формы жидкий металл охлаждается и по меньшей мере частично затвердевает. Литое изделие выходит из полости через открытую сторону литейной формы, как указано ранее, например, перемещаясь относительно литейной формы при продвижении стартового блока.
Показанное на фиг. 1 традиционное литейное устройство описано в патентной заявке США US20100032455A1. В традиционном литейном устройстве, как видно на фиг. 1, жидкий металл из резервуара поступает в полость 2 литейной формы 3 по проточному каналу 1 (выполненному в виде желоба и показанному в разрезе). Проточный канал 1 имеет выпускное отверстие, в данном случае литьевое отверстие 4, через которое жидкий металл выходит из проточного канала 1 и поступает в полость 2 литейной формы. Поток жидкого металла перемещается под действием силы тяжести. Для регулирования потока жидкого металла, то есть для регулирования объемной скорости потока жидкого металла, поступающего по проточному каналу 1 в полость литейной формы 2, предусмотрен стопорный стержень 5, который, перемещаясь вертикально, способен увеличивать или уменьшать эффективную площадь поперечного сечения литьевого отверстия 4, через которое вытекает жидкий металл. Литое изделие выходит из полости 2 литейной формы при продвижении стартового блока 6 вниз.
Существует потребность в литейном устройстве и способе литья, реализуемом при использовании литейного устройства с системой подачи, снижающей турбулентность потока жидкого металла, что позволяет изготавливать литые изделия с улучшенными свойствами, например, с улучшенным качеством поверхности.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретатель установил, что качество литого изделия (также называемого отливкой) существенно зависит от точности регулирования уровня жидкого металла в полости литейной формы, поэтому в полости литейной формы поддерживается заданный уровень жидкого металла при перемещении литого изделия относительно литейной формы в процессе непрерывного или полунепрерывного литья. Изобретатель также установил, что при низком металлостатическом давлении (обозначенном ссылочной позицией «p» на фиг. 2) в полости литейной формы и ламинарном течении жидкого металла, подаваемого в полость литейной формы, повышается качество литого изделия, в частности, качество поверхности литого изделия. Как описывалось выше, в традиционных литьевых устройствах перемещение стопорного стержня затрудняет точное регулирование уровня металла в полости литейной формы. Кроме того, в традиционном литейном устройстве возникает турбулентность потока жидкого металла, поскольку эффективное поперечное сечение уменьшается, а скорость потока увеличивается согласно эффекту Вентури. Турбулентность потока вызывает окисление жидкого металла, что негативно отражается на качестве литого изделия.
Для устранения или смягчения вышеупомянутых проблем, согласно одному из аспектов настоящего изобретения, предлагается литейное устройство для непрерывного или полунепрерывного литья (например, вертикального литья с прямым охлаждением) литого изделия, содержащее резервуар для снабжения жидким металлом, литейную форму для литья с прямым охлаждением, имеющую полость, по меньшей мере, для временного удержания жидкого металла, который, по меньшей мере, частичного затвердевает для получения литого изделия, при этом между резервуаром и полостью литейной формы сформирован проточный канал для жидкого металла, причем литейное устройство выполнено таким образом, чтобы жидкий металл мог протекать по проточному каналу из резервуара в полость литейной формы под действием силы тяжести, при этом жидкий металл поступает в полость литейной формы вертикально через первую, верхнюю сторону литейной формы, а литое изделие выходит из литейной формы вертикально через вторую, нижнюю сторону литейной формы, а также содержащее насос, установленный на указанном проточном канале между резервуаром и полостью литейной формы, причем насос выполнен с возможностью создавать силу, прикладываемую к жидкому металлу и противодействующую силе тяжести, вызывающей течение жидкого метала по проточному каналу из резервуара в полость литейной формы, чтобы регулировать течение жидкого металла из резервуара в полость литейной формы. Литое изделие может выходить прямолинейно через вторую сторону литейной формы строго вертикально. Продольная ось литого изделия по меньшей мере от частичного отверждения до его полного затвердевания может быть непрерывно прямолинейной. Литой продукт может быть экструзионным слитком или прокатываемым слябом.
В литейном устройстве согласно изобретению сравнительно с традиционным литейным устройством можно увеличить площадь поперечного сечения для прохождения потока жидкого металла по проточному каналу, при этом улучшается регулируемость потока жидкого металла. В результате увеличения площади поперечного сечения поток жидкого металла становится менее турбулентным и более ламинарным. Согласно изобретению, например, минимальная площадь поперечного сечения на выходе проточного канала может составлять 2000 мм2 (квадратных миллиметров), что значительно больше, чем в традиционном литейном устройстве, в котором используется стопорный стержень для регулирования потока расплавленного металла. В литейном устройстве согласно изобретению поток жидкого металла под действием силы тяжести перемещается из резервуара в полость литейной формы, а насос используется для ограничения потока за счет создания силы, которая противодействует потоку без изменения его направления. Точнее говоря, согласно изобретению, насос может служить регулятором потока. Согласно изобретению, насос способен полностью остановить поток жидкого металла из резервуара в полость литейной формы.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, литейное устройство может дополнительно содержать датчик для измерения уровня жидкого металла в полости литейной формы с выводом значения, соответствующего уровню жидкого металла в полости литейной формы, а также может содержать контроллер, с которым функционально связаны датчик и насос, при этом контроллер может быть приспособлен приводить в действие насос на основе сравнения измеренного значения уровня и предварительно заданного значения, соответствующего требуемому уровню жидкого металла в полости литейной формы, чтобы минимизировать разницу между измеренным значением уровня и заданным значением.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, первая сторона литейной формы может быть уплотнена, при этом газовую атмосферу между жидким металлом в полости литейной формы и первой стороной можно регулировать, что позволяет контролировать окисление жидкого металла в полости литейной формы.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, датчик может представлять собой радиолокационный датчик, испускающий электромагнитное излучение, например, с частотой 80 ГГц или выше, которое может падать на поверхность жидкого металла, находящегося в полости литейной формы в зоне радиолокационного излучения. Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, датчик может быть лазерным датчиком расстояния, емкостным датчиком расстояния или ультразвуковым датчиком расстояния. Наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании радиолокационного датчика, имеющего радиолокационную частоту 80 ГГц или выше, поскольку электромагнитное излучение радиолокационного устройства с указанной радиолокационной частотой способно проникать через дым и грязь, которые могут присутствовать в полости литейной формы между датчиком и поверхностью жидкого металла.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, может быть предусмотрено по меньшей мере частично прозрачное для радиолокационного излучения тело, расположенное на пути радиолокационного луча между радиолокационным датчиком и жидким металлом в полости литейной формы, причем по меньшей мере частично прозрачное для радиолокационного излучения тело может иметь две наружные поверхности, вектор нормали каждой из которых не параллелен прямой линии между датчиком и жидким металлом, находящимся в полости литейной формы в зоне радиолокационного излучения, благодаря чему исключается или уменьшается улавливание радиолокационным датчиком радиолокационного излучения, отраженного по меньшей мере частично прозрачным для радиолокационного излучения телом.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения по меньшей мере частично прозрачное для радиолокационного излучения тело может быть выполнено как единое целое с уплотненной первой стороной литейной формы.
Согласно изобретению, насос представляет собой электромагнитный насос, в частности, электромагнитный насос постоянного тока. Электромагнитный насос является особенно эффективным и позволяет точно и бесперебойно регулировать поток жидкого металла, поскольку не содержит движущихся механических деталей.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, контроллер может быть выполнен с возможностью изменения предварительно заданного значения уровня жидкого металла в процессе литья.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, контроллер может быть выполнен с возможностью изменения предварительно заданного значения, соответствующего верхнему уровню жидкого металла в полости литейной формы на раннем этапе процесса литья для получения литого изделия, до значения, соответствующего нижнему уровню жидкого металла в полости литейной формы на последующем этапе процесса литья для получения литого изделия.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, литейная форма может содержать устройство для активного охлаждения литого изделия, например сопло, распыляющее охлаждающую воду на литое изделие, которое выходит из полости литейной формы с прямым охлаждением через вторую сторону.
Согласно изобретению, жидкий металл представляет собой жидкий алюминий или алюминиевый сплав, а литое изделие представляет собой изделие из алюминия или алюминиевого сплава.
Согласно изобретению, на проточном канале ниже по ходу насоса предусмотрен отклонитель потока, который предназначен задавать направление по меньшей мере части потока жидкого металла, поступающего в полость литейной формы. Отклонитель потока может быть приспособлен задавать части потока жидкого металла направление, отличное от вертикального. Например, отклонитель потока может представлять собой трубчатую конструкцию с поперечным сечением, определяющим проточный канал для жидкого металла (по которому жидкий металл может поступать в полость литейной формы), причем продольная центральная ось проточного канала отклоняется от вертикального направления. Вдоль проточного канала в направлении «сверху-вниз» по ходу потока указанное поперечное сечение проточного канала может изменяться, например, изменяться непрерывно от прямоугольного, например, квадратного, поперечного сечения до прямоугольного вблизи выпускного отверстия отклонителя потока. Это особенно целесообразно, если литое изделие представляет собой прокатываемый сляб. Вдоль проточного канала в направлении «сверху-вниз» по ходу потока указанное поперечное сечение проточного канала может изменяться, например, изменяться непрерывно от прямоугольного, например, квадратного поперечного сечения до круглого поперечного сечения вблизи выпускного отверстия отклонителя потока. Это особенно целесообразно, если литое изделие представляет собой экструзионную заготовку. Отклонитель потока может быть приспособлен задавать по меньшей мере часть потока жидкого металла направление, имеющее горизонтальную компоненту.
Согласно следующему аспекту изобретения, предлагается способ непрерывного или полунепрерывного литья литого изделия, реализуемый с использованием описанного выше устройства, причем способ включает: подачу исключительно под действием силы тяжести жидкого металла из резервуара в полость литейной формы для литья с прямым охлаждением по проточному каналу, сформированному между резервуаром и полостью литейной формы; создание посредством насоса силы, прикладываемой к жидкому металлу и противодействующей силе тяжести, вызывающей течение жидкого метала по проточному каналу, чтобы регулировать подачу жидкого металла из резервуара в полость литейной формы и, соответственно, регулировать уровень жидкого металла в полости литейной формы.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, способ может дополнительно включать: вычисление задаваемого значения, соответствующего требуемому уровню жидкого металла в полости литейной формы; измерение фактического значения, соответствующего фактическому уровню жидкого металла, находящегося в полости литейной формы; и регулируемое создание силы посредством насоса, чтобы минимизировать разницу между заданным значением и фактическим значением в процессе литья.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, насос генерирует электромагнитное поле, в результате действия которого на жидкий металл создается сила, направленная противоположно потоку жидкого металла, проходящего по проточному каналу.
Любые варианты осуществления изобретения и признаки изобретения могут быть объединены между собой. Признаки, относящиеся к устройству, также относятся к способу и наоборот.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – схематический вид традиционного литейного устройства.
Фиг. 2 – схематический вид литейного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 3 – схематический вид проточного канала согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 4 – схематический вид в разрезе по линии А-А (на фиг. 2) электромагнитного насоса постоянного тока согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 5 – схематический вид литейного устройства согласно еще одному варианту осуществления изобретения.
Фиг. 6 – схематический вид литейного устройства согласно еще одному варианту осуществления изобретения.
Фиг. 7 – схематический вид литейного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения, содержащего отклонитель потока.
Фиг. 8 – схематический вид литейного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения, содержащего контроллер.
Следует понимать, что прилагаемые чертежи не обязательно выполнены в масштабе, при этом различные признаки, характеризующие изобретение, представлены несколько упрощенно.
Осуществление изобретения
Различные варианты осуществления настоящего изобретения далее будут подробно описываться со ссылкой на прилагаемые чертежи. Описываемые варианты осуществления изобретения следует рассматривать как иллюстративные, при этом следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается указанными вариантами осуществления.
Как показано на фиг. 2 литейное устройство 10 согласно изобретению содержит резервуар 15. Резервуар 15 может подавать жидкий металл 20. Например, резервуар может представлять собой плавильную печь или распределительный желоб, либо любые другие средства для хранения и/или получения жидкого металла 20.
Жидкий металл 20 может быть жидким алюминием, жидким алюминиевым сплавом, жидкой сталью или любым другим жидким металлом.
Литейное устройство 10, кроме того, содержит литейную форму 25 для литья с прямым охлаждением. Литейная форма 25 содержит полость 30 для приема жидкого металла 20, по меньшей мере для временного удержания жидкого металла 20 и по меньшей мере для частичного отверждения жидкого металла 20 с получением литого изделия 35. Формодержатель 40 литейной формы 25 может охватывать полость 30 литейной формы с боковых сторон. Литое изделие 35 может представлять собой, например, прокатываемый слиток, экструзионную заготовку, Т-образную заготовку или любую другую отливку 35.
Литейная форма 25 в вертикальном направлении может иметь первую верхнюю сторону 26 и вторую нижнюю сторону 27. Жидкий металл 20 может поступать в полость 30 литейной формы через/сквозь первую сторону 26. Жидкий металл 20 может по меньшей мере частично затвердевать в полости 30 литейной формы с получением литого изделия 35. На фиг. 2 схематично показаны в полости литейной формы: зона жидкого металла 20, зона, в которой происходит затвердевание, содержащая частично затвердевший металл 21, и зона затвердевшего металла 22. Литое изделие 35 может выходить из полости 30 литейной формы через вторую сторону 27 при перемещении литого изделия 35 относительного литейной формы 25. Процесс литья с получением литого изделия 35 может происходить в установившемся режиме, в котором (возможно вслед за неустановившимся режимом после запуска процесса) остается постоянным пространственное расположение зон, соответствующих жидкому металлу 20, частично затвердевшему металлу 21 и затвердевшему металлу 22, причем по мере непрерывного перемещения полученного литого изделия 35 по направлению вниз, одновременно из резервуара 15 в полость 30 литейной формы поступает жидкий металл 20.
Литейная форма 25 может содержать устройство для активного охлаждения жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы и/или для активного охлаждения частично затвердевшего металла 21 и/или для активного охлаждения литого изделия 35. Как показано на фиг. 2, устройство для активного охлаждения имеет полый водяной канал 45, расположенный в формодержателе 40. Устройство для активного охлаждения, представленное на фиг. 2, кроме того, имеет отверстие 50, предусмотренное в формодержателе 40, таким образом, чтобы через указанное отверстие 50 вода могла выходить из полого канала 45 и вступать в контакт с литым изделием 35, например, для охлаждения литого продукта 35. Подаваемая в полый водяной канал 45 охлаждающая вода может охлаждать жидкий металл 20 в полости 30 литейной формы посредством теплопередачи через формодержатель 40, а также, выходя из полого канала 45 через отверстие 50, может охлаждать непосредственно литое изделие 35. Вода, охлаждающая, непосредственно литое изделие 35, на фиг. 2 обозначена волнистой областью с боковых сторон литого изделия 35.
Как показано на фиг. 3, литейное устройство 10 может содержать проточный канал 55, который сформирован между резервуаром 15 и полостью 30 литейной формы. Проточный канал 55 предназначен обеспечивать жидкостную связь между резервуаром 15 и полостью 30 литейной формы, чтобы жидкий металл 20 мог поступать из резервуара 15 в полость 30 литейной формы. Благодаря конструкции литейного устройства 10 жидкий металл 20 может вытекать из резервуара 15 в полость 30 литейной формы. Жидкий металл течет под действием силы тяжести, вектор которой обозначен стрелкой «g» на фиг. 2. Проточный канал 55 может быть реализован в виде подающего трубопровода или подающих труб, либо подающего канала.
Как показано на фиг. 2 и фиг. 3, литейное устройство 10 согласно изобретению содержит насос 60, установленный на проточном канале 55 между резервуаром 15 и полостью 30 литейной формы. Насос 60 приводится в действие для создания силы, прикладываемой к жидкому металлу 20, которая, по меньшей мере, частично (и максимально полностью) противодействует тенденции жидкого металла 20 вытекать из резервуара 15 в полость 30 литейной формы. Следовательно, скорость потока жидкого металла 20, поступающего из резервуара 15 в полость 30 литейной формы, можно регулировать насосом 60 (например, ограничивая течение, вызванное силой тяжести). Насос 60 может приводиться в действие или может быть конфигурирован таким образом, чтобы максимальная сила, создаваемая насосом 60, по существу, останавливала течение жидкого металла 20 из резервуара 15 в полость 30 формы, но не приводила к изменению направления потока. Сила, создаваемая насосом 60, схематически показана на фиг. 2 и на фиг. 5-8 стрелкой, направленной вверх. Посредством насоса 60 можно регулировать уровень «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы. Изобретатель установил, что от точности регулирования уровня металла «h» во время процесса литья существенно зависит качество литого изделия 35. Как показано фиг. 3, стрелка между насосом 60 и полостью 30 литейной формы короче стрелки между резервуаром 15 и насосом 60, что схематически свидетельствует о регулировании уровня за счет уменьшения скорости потока жидкого металла, текущего из резервуара 15 в полость 30 литейной формы под действием силы тяжести.
Насос 60 может представлять собой, например электромагнитный насос, в частности электромагнитный насос постоянного тока (DC) индукционного типа без движущихся деталей, как схематически показано, например, на фиг. 2 и фиг. 4. Указанный насос в дальнейшем описании также упоминается как электромагнитный насос постоянного тока. Электромагнитный насос 60 постоянного тока особенно предпочтителен для применения в литейном устройстве 10 согласно изобретению, поскольку позволяет весьма точно регулировать поток жидкого металла 20, являясь высокочувствительным (в связи с короткой временной задержкой между входным сигналом, принимаемым насосом 60, и генерируемой насосом 60 результирующей силой, действующей на жидкий металл 20) и хорошо регулируемым (поскольку регулирование электрического тока, подводимого к насосу 60, обеспечивает точное регулирование величины силы, создаваемой насосом 60). На фиг. 4 показан схематический вид в разрезе по линии А-А (на фиг. 2) электромагнитного насоса 60 постоянного тока. Как показано на фиг. 4, электромагнитный насос 60 постоянного тока может содержать корпус 61, охватывающий определенный участок проточного канала 55. Электромагнитный насос 60 постоянного тока, к тому же, может содержать постоянный магнит 65, северный магнитный полюс N и южный магнитный полюс S которого расположены с противоположных боковых сторон проточного канала 55. Кроме того, электромагнитный насос 60 может содержать два электрода 70, которые расположены на боковых сторонах проточного канала 55 перпендикулярно линии между северным полюсом N и южным полюсом S постоянного магнита 65. При приложении электрического напряжения к электродам 70 инициируется электрический ток через жидкий металл 20 внутри корпуса 61 по проточному каналу 55 из резервуара 15 в полость 30 литейной формы, при этом генерируется сила Лоренца, противодействующая силе тяжести, вызывающей течение жидкого металла 20 из резервуара 15 в полость 30 литейной формы. Таким образом, за счет увеличения или уменьшения силы, создаваемой насосом 60, можно обеспечить регулируемое уменьшение или увеличение скорости потока жидкого металла, поступающего из резервуара 10 в полость 30 литейной формы, что позволяет в процессе литья динамически регулировать уровень «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы.
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения (см. фиг. 5), первая, верхняя сторона 26 в вертикальном направлении литейной формы 25 может быть по меньшей мере частично или, например, полностью газонепроницаемой, чтобы атмосфера в полости 30 литейной формы была отделена от атмосферы, окружающей литейное устройство 10. Например, может быть предусмотрен кожух или съемная крышка (на фиг. 5 для примера обозначена ссылочной позицией 80), частично или, например, полностью закрывающая первую сторону 26 литейной формы 25 для отделения атмосферы внутри полости 30 литейной формы от атмосферы, окружающей литейное устройство 10. Атмосферой, окружающей литейное устройство 10, может быть, например, воздух в литейном цехе. Литейное устройство 10, кроме того, может содержать устройство для регулирования атмосферы внутри полости 30 литейной формы, например, с целью контроля окисления жидкого металла 20 в полости литейной формы. Устройство для регулирования атмосферы внутри полости 30 литейной формы может представлять собой, например, систему впрыска газа для создания атмосферы инертного или восстановительного газа в полости 30 литейной формы.
Как показано на фиг. 6, литейное устройство 10 дополнительно может содержать датчик 75 для измерения уровня «h» жидкого металла в полости 30 литейной формы с выводом значения, соответствующего уровню «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы. Датчик 75 может представлять собой, например, лазерный датчик расстояния, емкостной датчик расстояния или радиолокационный датчик расстояния. Например, датчик 75 может быть радиолокационным датчиком, испускающим электромагнитное излучение в радиолокационном диапазоне с частотой 80 ГГц или выше. Электромагнитное излучение 76, которое испускает датчик 75, может падать на поверхность жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы, и может отражаться от поверхности жидкого металла 20, при этом детектор датчика 75 может обнаружить отраженное излучение. На фиг. 6 показано только излучение, испускаемое датчиком 75, которое для лучшей наглядности обозначено ссылочной позицией 76. Уровень «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы может затем рассчитываться по разности времени или фаз между испускаемым и принимаемым электромагнитным излучением 76 в радиолокационном диапазоне. Установлено, что датчик 75, использующий радиолокационное излучение с частотой 80 ГГц или более, является особенно эффективным, поскольку радиолокационное излучение 76 с такой частотой может проникать через дым и твердые отложения, в результате чего обеспечивается более точное измерение уровня металла «h» в полости 30 литейной формы.
Датчик 75 (не показан на фиг. 5) может быть установлен вертикально в полости 30 литейной формы и расположен по меньшей мере частично под крышкой или кожухом 80. Датчик 75 также может быть расположен вертикально над крышкой или кожухом 80 и может измерять уровень «h» жидкого металла 20, испуская и принимая сигнал через отверстие в крышке или корпусе 80 (например, через отверстие, прозрачное для сигнала датчика, но непроницаемое для газа).
Согласно некоторым из вариантов осуществления изобретения, в которых датчик 75, в частности, представляет собой радиолокационный датчик (например, датчик с радиолокационной частотой 80 ГГц или выше), кожух или съемная крышка 80 может содержать по меньшей мере частично прозрачное для радиолокационного излучения тело 85, причем частично прозрачное для радиолокационного излучения тело располагается на пути радиолокационного луча между радиолокационным датчиком 75 и жидким металлом 20 в полости 30 литейной формы, как показано на фиг. 6. По меньшей мере частично прозрачное для радиолокационного излучения тело 85 может иметь две (наружные) поверхности 85a, 85b, нормальный вектор каждой из которых не параллелен прямой линии между датчиком и жидким металлом 20, находящимся в полости 30 литейной формы в зоне 85c радиолокационного излучения, благодаря чему исключается улавливание радиолокационным датчиком 75 радиолокационного излучения, отраженного по меньшей мере частично прозрачным для радиолокационного излучения телом 85. Зона 85c радиолокационного излучения представляет собой область на поверхности жидкого металла 20 в полости 30 формы, которая подвергается воздействию радиолокационного излучения, испускаемого радиолокационным датчиком 75. При использовании конструкции, описанной выше и показанной на фиг. 6, можно повысить точность работы радиолокационного датчика 75, поскольку датчик не улавливает радиолокационное излучение, отражаемое, по меньшей мере, частично прозрачным для радиолокационного излучения телом 85, которое при этом отделяет атмосферу внутри полости 30 литейной формы от атмосферы, окружающей литейное устройство 10, как описано со ссылкой на фиг. 5. По меньшей мере частично прозрачное для радиолокационного излучения тело 85 может быть изготовлено, например, из стекла и/или может составлять единое целое с кожухом или съемной крышкой 80.
На фиг. 7 представлен еще один вариант осуществления изобретения. В литейном устройстве 10 согласно изобретению на проточном канале 55 ниже по ходу насоса 60 предусмотрен отклонитель 90 потока, который предназначен задавать направление по меньшей мере части жидкого металла 20, поступающего в полость 30 литейной формы. Две стрелки на фиг. 7 схематически показывают направление, которое задает отклонитель 90 потока по меньшей мере части жидкого металла 20, поступающего в полость 30 литейной формы. Отклонитель 90 потока может, например, оптимизировать поступление жидкого металла 20 в полость 30 литейной формы, а также оптимизировать распределение температуры в полости 30 литейной формы, в частности, когда литейная форма 25 имеет несимметричную конфигурацию, если смотреть в вертикальном направлении (то есть в направлении от первой стороны 26 ко второй стороне 27 литейной формы 25). Отклонитель 90 потока может применяться, например, когда литейная форма 25 имеет прямоугольную конфигурацию, Т-образный профиль или любую другую несимметричную конфигурацию, если смотреть в вертикальном направлении.
Как показано на фиг. 8, литейное устройство 10 может содержать контроллер 95. Контроллер 95 может представлять собой, например, электронный блок управления. Контроллер 95 может быть функционально связан с насосом 60 для регулирования работы насоса 60. При наличии в литейном устройстве 10 датчика 75, если в этом есть необходимость, контроллер 95 может быть дополнительно функционально связан с датчиком 75. Контроллер 95 может быть приспособлен приводить в действие насос 60 на основе сравнения значения «h» уровня, измеренного датчиком 75 (значения фактического уровня), и предварительно заданного значения, соответствующего требуемому уровню «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы, чтобы минимизировать разницу между фактическим значением и заданным значением. То есть контроллер 95 может быть выполнен с возможностью регулирования уровня «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы в соответствии с заданным значением (заданным значением уровня) посредством приведения в действие насоса 60 по сигналу, поступающего от датчика 75. Контроллер 95 может приводиться в действие, например, в соответствии с алгоритмом пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (PID) или любым другим алгоритмом, который использует пропорциональное (P) и/или интегральное (I) и/или дифференциальное (D) (замкнутое) управление с обратной связью.
Контроллер 95 может быть выполнен с возможностью изменения предварительно заданного значения, соответствующего верхнему уровню «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы на раннем этапе процесса литья для получения литого изделия 35, до значения, соответствующего нижнему уровню «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы на последующем этапе процесса литья для получения литого изделия 35. То есть, заданное значение может быть изменено, например, на этапе инициализации процесса литья литого изделия 35 перед достижением установившегося режима литья. Было установлено, что указанное изменение предварительно заданного значения может привести к повышению качества литого изделия, так как на этапе инициализации процесса литья задается скорость заполнения полости литейной формы и постепенно снижается уровень металла по мере увеличения на раннем этапе процесса литья скорости разливки до стационарного состояния, при котором параметры литья и уровень металла поддерживаются постоянными до окончания процесса литья.
Как уже описывалось, способ непрерывного или полунепрерывного литья литого изделия 35 согласно изобретению может включать: подачу под действием силы тяжести жидкого металла 20 из резервуара 15 в полость 30 литейной формы 25 для литья с прямым охлаждением по проточному каналу 55, сформированному между резервуаром 15 и полостью 30 литейной формы; создание посредством насоса 60 силы, прикладываемой к жидкому металлу 20 и противодействующей силе тяжести, вызывающей течение жидкого металла 20 по проточному каналу 55, чтобы регулировать подачу жидкого металла 20 из резервуара 15 в полость 30 литейной формы и, соответственно, регулировать уровень «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы в процессе литья литого изделия 35.
Способ, кроме того, может включать: вычисление задаваемого значения, соответствующего требуемому уровню «h» жидкого металла 20 в полости 30 литейной формы; измерение с использованием датчика 75 фактического значения, соответствующего фактическому уровню «h» жидкого металла 20, находящегося в полости 30 формы; и регулируемое создание силы посредством насоса 60, например электромагнитного насоса 60 постоянного тока, чтобы минимизировать разницу между заданным значением и фактическим значением. Насос 60 может генерировать электромагнитное поле, в результате действия которого на жидкий металл 20 создается сила, направленная противоположно течению жидкого металла 20 по проточному каналу 55. Описанный в настоящем документе способ может быть реализован с использованием литейного устройства 10 согласно вариантам осуществления изобретения.
Любые варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, могут быть объединены между собой, если не указано иначе. Признаки, относящиеся к литейному устройству 10, также относятся к способу и наоборот.
1. Литейное устройство (10) для непрерывного или полунепрерывного литья литого изделия (35), содержащее
резервуар (15) для снабжения жидким металлом (20), причем жидкий металл (20) представляет собой жидкий алюминий или алюминиевый сплав, а литое изделие (35) представляет собой изделие из алюминия или алюминиевого сплава;
литейную форму (25) для литья с прямым охлаждением, имеющую полость (30) для, по меньшей мере, временного удержания жидкого металла (20) и для, по меньшей мере, частичного затвердевания жидкого металла (20) в литое изделие (35), при этом между резервуаром (15) и полостью (30) литейной формы образован проточный канал (55) для жидкого металла (20), причем литейное устройство (10) выполнено таким образом, чтобы жидкий металл (20) мог протекать по проточному каналу (55) из резервуара (15) в полость (30) литейной формы под действием силы тяжести (g), при этом жидкий металл (20) поступает в полость (30) литейной формы вертикально через первую верхнюю сторону (26) литейной формы (25), а литое изделие (35) выходит из литейной формы (25) вертикально через вторую нижнюю сторону (27) литейной формы (25); и
насос (60), установленный на проточном канале (55) между резервуаром (15) и полостью (30) литейной формы, причем насос (60) выполнен с возможностью создания силы, прикладываемой к жидкому металлу (20) и противодействующей силе тяжести (g), вызывающей течение жидкого металла (20) по проточному каналу (55) из резервуара (15) в полость (30) литейной формы, чтобы регулировать течение жидкого металла (20) из резервуара (15) в полость (30) литейной формы, при этом насос (60) представляет собой электромагнитный насос постоянного тока,
при этом на проточном канале (55) после насоса (60) по ходу потока предусмотрен отклонитель потока (90), выполненный с возможностью направления по меньшей мере части жидкого металла (20) в заданном направлении в полость (30) литейной формы.
2. Литейное устройство (10) по п. 1, дополнительно содержащее
датчик (75) для измерения уровня (h) жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы с выводом значения, соответствующего уровню (h) жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы, а также
контроллер (95), с которым функционально связаны датчик (75) и насос (60), при этом контроллер (95) выполнен с возможностью приведения в действие насоса (60) на основе сравнения измеренного значения указанного уровня и предварительно заданного значения, соответствующего требуемому уровню жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы, чтобы минимизировать разницу между измеренным значением указанного уровня и заданным значением.
3. Литейное устройство (10) по п. 2, в котором первая сторона (26) литейной формы (25), по меньшей мере, частично уплотнена, в результате чего атмосфера в полости (30) литейной формы отделена от атмосферы, окружающей литейное устройство (10), при этом литейное устройство (10) выполнено с возможностью контроля атмосферы внутри полости (30) литейной формы между жидким металлом (20) в полости (30) литейной формы и первой стороной (26) таким образом, чтобы контролировать окисление жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы.
4. Литейное устройство (10) по п. 2 или 3, в котором датчик (75) представляет собой радиолокационный датчик, испускающий электромагнитное излучение (76) с частотой 80 ГГц или выше, которое падает на поверхность жидкого металла (20), находящегося в полости (30) литейной формы в зоне (85с) радиолокационного излучения.
5. Литейное устройство (10) по п. 4, в котором предусмотрено, по меньшей мере, частично прозрачное для радиолокационного излучения тело (85), расположенное на пути радиолокационного луча между радиолокационным датчиком (75) и жидким металлом (20) в полости (30) литейной формы, причем, по меньшей мере, частично прозрачное для радиолокационного излучения тело (85) имеет две наружные поверхности (85a, 85b), вектор нормали каждой из которых не параллелен прямой линии между радиолокационным датчиком (75) и жидким металлом (20), находящимся в полости (30) литейной формы в зоне (85с) радиолокационного излучения, для исключения улавливания радиолокационным датчиком (75) радиолокационного излучения (76), отраженного, по меньшей мере, частично прозрачным для радиолокационного излучения телом (85).
6. Литейное устройство (10) по любому из пп. 3-5, в котором, по меньшей мере, частично прозрачное для радиолокационного излучения тело (85) выполнено как единое целое с уплотненной первой стороной (26) литейной формы.
7. Литейное устройство (10) по любому из пп. 2-6, в котором контроллер (95) выполнен с возможностью изменения предварительно заданного значения уровня в процессе литья для получения литого изделия (35).
8. Литейное устройство (10) по п. 7, в котором контроллер (95) выполнен с возможностью изменения предварительно заданного значения, соответствующего верхнему уровню жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы на раннем этапе процесса литья для получения литого изделия (35), до значения, соответствующего нижнему уровню жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы на последующем этапе литья для получения литого изделия (35).
9. Литейное устройство (10) по любому из пп. 1-8, в котором литейная форма (25) содержит устройство (45, 50) для активного охлаждения литого изделия (35).
10. Способ непрерывного или полунепрерывного литья литого изделия (35) с использованием литейного устройства по любому из пп. 1-9, включающий:
подачу под действием силы тяжести жидкого металла из резервуара (15) в полость (30) литейной формы (25) для литья с прямым охлаждением по проточному каналу (55), образованному между резервуаром (15) и полостью (30) литейной формы, и
создание посредством насоса (60) силы, прикладываемой к жидкому металлу (20) и противодействующей силе тяжести, вызывающей течение жидкого метала (20) по проточному каналу (55), для регулирования подачи жидкого металла (20) в полость (30) литейной формы и регулирования уровня (h) жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы в процессе литья для получения литого изделия (35).
11. Способ по п. 10, дополнительно включающий
вычисление задаваемого значения, соответствующего требуемому уровню (h) жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы,
измерение фактического значения, соответствующего фактическому уровню (h) жидкого металла (20) в полости (30) литейной формы, и
регулируемое создание силы посредством насоса (60) для минимизации разницы между указанным заданным значением и указанным фактическим значением.
12. Способ по п. 10 или 11, в котором насос (60) выполнен с возможностью генерирования электромагнитного поля, в результате действия которого на жидкий металл (20) создается сила, направленная противоположно потоку жидкого металла (20), проходящего по проточному каналу (55).
