ES2323767T3 - Colada continua de aluminio. - Google Patents
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Abstract
Un método para colar, de forma continua, una banda metálica (20) aleación de aluminio que comprende los pasos de: proporcionar un par de rodillos (R1, R2) que tienen una superficie texturizada que define una zona de pasa (N) entre ellos; descargar la aleación de aluminio fundida (6, 8) a los rodillos; hacer girar los rodillos para que avance la aleación de aluminio fundida (12) hacia la zona de pasada; cepillar las superficies de los rodillos; solidificar la aleación de aluminio fundida para producir una capa exterior sólida de aleación de aluminio, adyacente a cada rodillo, y una capa central semisólida de aleación de aluminio entre las capas sólidas; hacer avanzar las capas exteriores sólidas y la capa central semisólida hacia la zona de pasada; aplicar por parte de los rodillos una fuerza de separación de los rodillos a la aleación de aluminio, que pasa a través de la zona de pasada, de entre 4,4 y 53,1 kg/cm de anchura de la banda metálica; solidificar la capa central dentro de la zona de pasada para producir una banda metálica sólida de aleación de aluminio que comprende la capa central y las capas exteriores; y retirar una banda metálica de aleación de aluminio sólida de la zona de pasada, en la que la banda metálica sale de la zona de pasada a una velocidad de 7,6 a 112 m/minuto.
Description
Colada continua de aluminio.
La presente invención se refiere a la colada
continua de aleaciones de aluminio, más concretamente, a la colada
continua de aleaciones de aluminio entre dos rodillos refrigerados a
velocidades por encima de 7,6 metros por minuto.
La colada continua de metales tales como las
aleaciones de aluminio se lleva a cabo en sistemas de colada con
dos rodillos, sistemas de colada con bloques y sistemas de colada en
cintas. La colada con dos rodillos de las aleaciones de aluminio ha
disfrutado de buen éxito y aplicación comercial a pesar de las tasas
de producción relativamente bajas, factibles hasta la fecha. La
presente invención está dirigida a un método de colada continua de
aluminio que supera la productividad de la colada con dos rodillos y
que alcanza un nivel comparable a, o mejor que, la productividad de
la colada en cintas.
La colada con dos rodillos, tradicionalmente, es
una técnica de solidificación y deformación combinadas que implican
introducir metal fundido en la zona de mordedura entre un par de
rodillos refrigerados que giran al contrario, en la que se inicia
la solidificación cuando el metal fundido entra en contacto con los
rodillos. El metal solidificado forma como un "frente
solidificado" del metal fundido dentro de la zona de mordedura
de los rodillos, y el metal sólido avanza hacia la zona de pasada,
el punto de mínima separación entre los rodillos. El metal sólido
pasa a través de la zona de pasada como una lámina sólida. La lámina
sólida es deformada por los rodillos (laminado en caliente) y sale
de los rodillos.
Las aleaciones de aluminio han sido sometidas
con éxito a colada con rodillos dando láminas de 6,3 mm de espesor
a aproximadamente 1,2-1,8 metros por minuto, o a
aproximadamente 0,89-1,25 kg/h/mm de anchura de
colada. Los intentos para aumentar la velocidad de la colada con
rodillos fallan normalmente debido a la segregación en el eje
longitudinal. Aunque generalmente se acepta que, potencialmente, se
podrá producir una lámina de calibre reducido (por ejemplo menos de
aproximadamente 6,3 mm de espesor) más rápidamente que una lámina de
mayor calibre, en un sistema de colada con rodillos, ha sido
difícil de conseguir una capacidad para colar aluminio con rodillos
a velocidades significativamente por encima de aproximadamente 1,25
kg/h/mm.
La operación típica de un sistema de colada con
dos rodillos está descrita en la Patente de EE.UU. Nº 5.518.064, y
representada en las Figuras 1 y 2. Una cámara H que contiene el
metal fundido está conectada a un vertedero T de alimentación que
descarga el metal fundido M entre los dos rodillos, R_{1} y
R_{2}, que giran en la dirección de las flechas, A_{1} y
A_{2}, respectivamente. Los rodillos, R_{1} y R_{2}, tienen
respectivas superficies lisas, U_{1} y U_{2}, cualquier
rugosidad sobre ellas es una partícula de la técnica de
rectificación con rodillos empleada durante su fabricación. Los
ejes longitudinales de los rodillos R_{1} y R_{2} están en un
plano vertical L, o generalmente vertical (por ejemplo, hasta
aproximadamente 15º de la vertical), de forma que la banda metálica
colada S se forma en una trayectoria generalmente horizontal. Otras
versiones de este método producen bandas metálicas en una dirección
verticalmente hacia arriba. La anchura de la banda metálica colada
S viene determinada por la anchura del vertedero T. El plano L pasa
a través de una región de separación mínima entre los rodillos
R_{1} y R_{2}, referida como zona de pasada N de los rodillos.
Existe una región de solidificación entre la banda metálica colada S
sólida y el metal fundido M, e incluye una región X de fase
sólida-líquida mixta. Se define un frente
solidificado F entre la región X y la banda metálica colada S como
una línea de solidificación completa.
En la colada convencional con rodillos, el calor
del metal fundido M es transferido a los rodillos R_{1} y
R_{2}, de forma que la posición del frente solidificado F se
mantiene aguas arriba de la zona de pasada N. De esta manera, el
metal fundido M solidifica en un espesor superior a la dimensión de
la zona de pasada N. La banda metálica colada S se deforma mediante
los rodillos R_{1} y R_{2} hasta conseguir el espesor final de
la banda metálica. El laminado en caliente de la banda metálica
solidificada entre los rodillos R_{1} y R_{2}, según la colada
convencional con rodillos, produce propiedades únicas en la banda
metálica, características de la banda metálica de aleación de
aluminio colada con rodillos. En concreto, una zona central a través
del espesor de la banda metálica se llega a enriquecer en elementos
que forman eutécticos (formadores de eutécticos) en la aleación,
tales como Fe, Si, Ni, Zn y similares y a reducirse en elementos que
forman peritécticos (Ti, Cr, V, y Zr). Este enriquecimiento de
formadores de eutécticos (es decir, de elementos aleantes distintos
del Ti, Cr, V y Zr) en la zona central, tiene lugar debido a que esa
porción de la banda metálica S corresponde a una región del frente
solidificado F, donde la solidificación tiene lugar al final y es
conocida como "segregación en el eje longitudinal". La extensa
segregación en el eje longitudinal en la banda metálica recién
colada es un factor que restringe la velocidad de los sistemas
convencionales de colada con rodillos. La banda metálica recién
colada muestra también signos de la acción de los rodillos. Los
granos que se forman durante la solidificación del metal aguas
arriba de la zona de pasada se aplanan mediante los rodillos. Por lo
tanto, el aluminio colado con rodillos incluye granos con
estructura multiaxial (no equiaxial).
La separación entre rodillos en la zona de
pasada N se puede reducir con el fin de producir una banda metálica
S de calibre más delgado. Sin embargo, a medida que la separación
entre los rodillos se reduce, la fuerza de separación de los
rodillos, generada por el metal sólido entre los rodillos R_{1} y
R_{2}, aumenta. La cantidad de fuerza de separación de los
rodillos se ve afectada por la posición del frente solidificado F
en relación con la zona de pasada N de los rodillos. A medida que la
separación entre los rodillos se reduce, el porcentaje de reducción
de la lámina metálica aumenta, y la fuerza de separación de los
rodillos aumenta. En algún punto, las posiciones relativas de los
rodillos, R_{1} y R_{2}, para conseguir la distancia deseada
entre los rodillos no puede superar la fuerza de separación de los
rodillos, y se ha conseguido el espesor de calibre mínimo para esa
posición del frente solidificado F.
La fuerza de separación de los rodillos se puede
reducir aumentando la velocidad de los rodillos con el fin de mover
el frente solidificado F aguas abajo hacia la zona de pasada N.
Cuando el frente solidificado se mueve aguas abajo (hacia la zona
de pasada N), la separación entre los rodillos se puede reducir.
Este movimiento del frente solidificado F disminuye la relación
entre el espesor de la banda metálica en el punto inicial de
solidificación y la separación entre los rodillos en la zona de
pasada N, disminuyendo de esa forma la fuerza de separación de los
rodillos, ya que el metal proporcionalmente menos solidificado está
siendo comprimido y laminado en caliente. De esta manera, a medida
que la posición del frente de solidificación F se mueve hacia la
zona de pasada N, una cantidad proporcionalmente mayor de metal se
solidifica y es luego laminada en caliente a calibres más delgados.
Según la práctica convencional, la colada con rodillos de una banda
metálica de calibre delgado se realiza en primer lugar colando con
rodillos una banda metálica de calibre relativamente alto,
disminuyendo el calibre hasta que se alcanza una fuerza de
separación entre rodillos máxima, haciendo avanzar el frente
solidificado para reducir la fuerza de separación entre los rodillos
(aumentando la velocidad de los rodillos) y disminuyendo más el
calibre hasta que se alcanza de nuevo la máxima fuerza de separación
de los rodillos, y repitiendo el proceso de hacer avanzar el frente
solidificado y disminuyendo el calibre, de manera iterativa, hasta
que se consigue el calibre delgado deseado. Por ejemplo, una banda
metálica S de 10 milímetros puede ser laminada y el espesor se
puede reducir hasta que la fuerza de separación de los rodillos sea
excesiva (por ejemplo, a 6 milímetros) necesitando un aumento de la
velocidad de los rodillos.
El procedimiento de aumentar la velocidad del
rodillo se puede poner en práctica únicamente hasta que el frente
solidificado F alcance una posición predeterminada, aguas abajo. La
práctica convencional dicta que el frente solidificado F no
progrese hacia delante en la zona de pasada N de los rodillos para
asegurar que la banda metálica sólida sea laminada en la zona de
pasada N. Se ha aceptado, de forma general, que se necesita la
laminación de una banda metálica sólida en la zona de pasada N para
impedir el fallo de la banda metálica S colada que se está
laminando en caliente y proporcionar suficiente resistencia a la
tracción en la banda metálica S que sale para resistir la fuerza de
arrastre de una bobinadora, de los rodillos de arrastre o similares,
aguas arriba. En consecuencia, la fuerza de separación de los
rodillos de un sistema de colada con dos rodillos que funcionan
convencionalmente, en el que una banda metálica sólida de aleación
de aluminio es laminada en caliente en la zona de pasada N, es del
orden de hasta varias toneladas por centímetro de anchura. Aunque
es posible alguna reducción en el calibre, la operación a tan altas
fuerzas de separación de los rodillos para asegurar la deformación
de la banda metálica en la zona de pasada N, hace muy difícil una
reducción adicional del calibre de la banda metálica. La velocidad
de un sistema de colada con rodillo está restringida por la
necesidad de mantener el frente solidificado F aguas arriba de la
zona de pasada, e impedir la segregación en el eje longitudinal.
Por lo tanto, la velocidad de la colada con rodillos para las
aleaciones de aluminio ha sido relativamente baja.
En la Patente de EE.UU. Nº 6.193.818 se describe
alguna reducción en la fuerza de separación de los rodillos para
obtener una microestructura aceptable en aleaciones que tienen alto
contenido de elementos aleantes. Las aleaciones que tienen de 0,5 a
13%, en peso, de Si, son coladas con rodillos en forma de bandas
metálicas de aproximadamente 1,27 a 5,08 mm de espesor con fuerzas
de separación de los rodillos de aproximadamente 89 a 714 kg/mm, a
velocidades de aproximadamente 1,5 a 2,7 m/minuto. Aunque esto
representa un avance en la reducción de las fuerzas de separación
de los rodillos, estas fuerzas todavía plantean significativos
desafíos al proceso. Además, la productividad permanece
comprometida y la banda metálica producida según la patente
6.193.818 exhibe, evidentemente, alguna segregación en el eje
longitudinal y la elongación del grano, como se muestra en la
Figura 3.
Un impedimento muy importante para colar con
rodillos, a alta velocidad, es la dificultad de conseguir una
transferencia uniforme de calor desde el metal fundido a las
superficies lisas, U_{1} y U_{2}. En realidad, las superficies
U_{1} y U_{2} incluyen diversas imperfecciones que alteran las
propiedades de transferencia de calor de los rodillos. A altas
velocidades de laminación, esta uniformidad en la transferencia de
calor se hace problemática. Por ejemplo, áreas de las superficies
U_{1} y U_{2}, con transferencia de calor apropiada, enfriarán
el metal fundido M en la posición deseada aguas arriba de la zona de
pasada N, mientras que áreas con insuficientes propiedades de
transferencia de calor permitirán que una porción del metal fundido
avance más allá de la posición deseada y creen faltas de uniformidad
en la banda metálica colada.
Se han colado con rodillos, bandas de acero de
calibre delgado, con éxito, en sistemas de colada vertical a altas
velocidades (hasta aproximadamente 122 m/minuto) y bajas fuerzas de
separación de rodillos. Los rodillos de un sistema de colada
vertical con rodillos están colocados uno al lado del otro, de
manera que la banda metálica se forma en una dirección aguas abajo.
En esta orientación vertical, el acero fundido es cargado, en la
zona de mordedura entre los rodillos para formar una balsa de acero
fundido. La superficie superior de la balsa de acero fundido está,
con frecuencia, protegida de la atmósfera por medio de un gas
inerte. Aunque la colada vertical con dos rodillos desde una balsa
de metal fundido tiene éxito con el acero, las aleaciones de
aluminio no se pueden colar desde una balsa de aleación de aluminio
fundida. El aluminio fundido en una balsa semejante, en la zona de
mordedura de los rodillos verticales, se oxidaría fácilmente incluso
cuando estuviese protegido. Esto cambiaría las propiedades de la
aleación que se está colando. Las aleaciones de acero son mucho
menos susceptibles a los problemas de oxidación, y con la protección
apropiada contra la oxidación, se pueden colar con rodillos, con
éxito.
Una sugerencia para superar este problema del
aluminio oxidado en la colada vertical con rodillos, a escala de
laboratorio, está descrito por Haga y colaboradores en "High Speed
Roll Caster for Aluminum Alloy Strip" (Sistema de colada con
rodillos, al alta velocidad, para banda metálicas de aleaciones de
aluminio), Proceeding of 1CAA-6, Aluminum
Alloys, Vol. 1, páginas 327-332 (1988). Según ese
método, una corriente de aleación de aluminio fundido es lanzada
desde una boquilla, presurizada con gas, directamente sobre uno, o
ambos, de los dos rodillos en un sistema de colada vertical con
rodillos. Aunque se informa de la colada a alta velocidad de una
banda metálica de aleación de aluminio, un inconveniente muy
importante de esta técnica es que la velocidad de descarga de la
aleación de aluminio fundida se debe controlar con cuidado para
asegurar la uniformidad de la banda metálica colada. Cuando se
lanza una única corriente sobre un rodillo, esa corriente se
solidifica en forma de banda metálica. Si se lanza una corriente
sobre cada rodillo, cada corriente se convierte en la mitad del
espesor de la banda metálica colada. En ambos casos, cualquier
variación en la presión del gas o en la velocidad de descarga de la
aleación de aluminio fundida, da como resultado la no uniformidad de
la banda metálica colada. Los parámetros de control, para este tipo
de colada con rodillos, de una aleación de aluminio, no son
prácticos a escala comercial.
La colada continua de aleaciones de aluminio se
ha conseguido sobre sistemas de colada en cinta a velocidades de
aproximadamente 6,0 a 7,6 metros por minuto, con un calibre de
aproximadamente 19 mm, alcanzando un nivel de productividad de
aproximadamente 250 kg por hora y centímetro de anchura. En la
colada con cinta convencional, como se describe en la Patente de
EE.UU. Nº 4.002.197, se introduce el metal fundido en una región de
colada entre porciones opuestas de un par de cintas metálicas
flexibles giratorias. Cada una de las dos cintas flexibles de
colada gira en un recorrido definido por los rodillos aguas arriba,
situados en un extremo de la región de colada, y los rodillos agua
abajo situados en el otro extremo de la región de colada. De esta
manera, las cintas de colada convergen directamente, de forma
opuesta una de otra, alrededor de los rodillos aguas arriba para
formar una entrada a la región de colada en la zona de pasada entre
los rodillos aguas arriba. El metal fundido se introduce
directamente en la zona de pasada. El metal fundido se confina entre
las cintas que se mueven y se solidifica a medida que es
transportado. El calor liberado por el metal que se solidifica es
retirado a través de las porciones de las dos cintas que son
adyacentes al metal que se esta colando. Este calor es retirado
enfriando las superficies opuestas de las cintas por medio de
películas de agua, sustancialmente continuas, que se mueven
rápidamente fluyendo a la contra y que se comunican con estas
superficies opuestas.
Los parámetros de funcionamiento para la colada
con cintas son significativamente diferentes a los de la colada con
rodillos. En concreto, no hay laminado en caliente deliberado de la
banda metálica. La solidificación del metal se completa en una
distancia de aproximadamente 30-38 centímetros aguas
arriba de la zona de pasada, para un espesor de 19 milímetros. Las
cintas están expuestas a altas temperaturas cuando están en contacto
con el metal fundido sobre una superficie y son enfriadas con agua
por la superficie interior. Esto puede conducir a la distorsión de
las cintas. Se debe ajustar la tensión en la cinta para explicar la
expansión o contracción de la cinta debido a las fluctuaciones de
la temperatura, con el fin de conseguir una calidad parecida en la
superficie de la banda metálica. La colada de aleaciones de aluminio
en sistemas de colada con cinta se ha usado para determinar
principalmente la antigüedad de productos que tienen requisitos
mínimos de calida superficial o de productos que posteriormente se
van a pintar.
El problema de la inestabilidad térmica de las
cintas se evita en los sistemas de colada con bloques. Los sistemas
de colada con bloques incluyen una pluralidad de bloques
refrigerantes montados, adyacentes unos a otros, en un par de
carriles opuestos. Cada conjunto de bloques refrigerantes gira en la
dirección opuesta para formar una región de colada entre ellos en
el que se descarga el metal fundido. Los bloques refrigerantes
actúan como sumideros de calor a medida que el calor del metal
fundido es transferido a ellos. La solidificación del metal se
completa aproximadamente 305-381 milímetros aguas
abajo de la entrada a la región de colada con un espesor de 19
milímetros. El calor transferido a los bloques refrigerantes se
retira durante el circuito de retorno. A diferencia de las cintas,
los bloques refrigerantes no se distorsionan funcionalmente por la
transferencia de calor. Sin embargo, los sistemas de colada con
bloques precisan el control dimensional para impedir las
separaciones los bloques que originan una falta de uniformidad y
defectos en la banda metálica colada.
Este concepto de transferir el calor del metal
fundido a una superficie de colada se ha empleado en ciertos
sistemas de colada con cintas modificados, como se describe en las
Patentes de EE.UU. números 5.515.908 y 5.564.491. En un sistema de
colada con cinta, con sumidero de calor, el metal fundido se
descarga en las cintas (la superficie de colada) aguas arriba de la
zona de pasada, iniciándose la solidificación antes de la zona de
pasada y continúa la transferencia de calor desde el metal hasta las
cintas aguas debajo de la zona de pasada. En este sistema, se
suministra el metal fundido a las cintas a lo largo de la curva de
los rodillos aguas arriba, de forma que el metal se solidifica
sustancialmente durante el tiempo que tarda en alcanzar la zona de
pasada entre los rodillos aguas arriba. El calor del metal fundido y
de la banda metálica colada se transfiere a las cintas dentro de la
región de colada (que incluye aguas abajo de la zona de pasada).
Luego, se retira el calor de las cintas mientras que las cintas
dejan de estar en contacto con el metal fundido y con la banda
metálica colada. De esta manera, las porciones de las cintas dentro
de la región de colada (en contacto con el metal fundido y con la
banda metálica colada) no están sometidas a grandes variaciones de
temperatura, como ocurre en los sistemas convencionales de colada
con cintas. El espesor de la banda metálica puede estar limitado
por la capacidad calorífica de las cintas entre las que tiene lugar
la colada. Se han conseguido velocidades de producción de 43
kg/h/mm para una banda metálica de 2-2,5 mm. El
documento JP 01202334 describe un aparato de colada con dos
rodillos que cuela y lamina delgadas planchas de aleación de
aluminio directamente a partir de metal fundido, con capacidad de
enfriamiento mejorada de los rodillos de colada.
\newpage
Sin embargo, persisten los problemas asociados a
las cintas usadas en la colada convencional con cintas. En
particular, la uniformidad de la banda metálica colada depende de la
estabilidad de (es decir, la tensión en) las cintas. Para algunos
sistemas de colada con cintas, el tipo de convención o de sumidero
de calor, el contacto del metal fundido caliente con las cintas y
la transferencia de calor desde el metal que se solidifica a las
cintas crea inestabilidad en las cintas. Además, las cintas
necesitan ser cambiadas en intervalos regulares de tiempo, lo que
interrumpe la producción.
Por consiguiente, persiste la necesidad de un
método de colada continua, a alta velocidad, de aleaciones de
aluminio, sin usar un par de cintas, y que consiga la uniformidad en
la superficie de la banda metálica colada.
\vskip1.000000\baselineskip
Por consiguiente, la presente invención
proporciona un método para colar, de forma continua, una banda
metálica de aleación de aluminio que comprende los pasos de
proporcionar un par de rodillos que tienen una superficie
texturizada que definen una zona de pasada entre ellos; descargar en
los rodillos la aleación de aluminio fundida; hacer girar los
rodillos para que avance la aleación de aluminio fundido hacia la
zona de pasada; cepillar las superficies de los rodillos;
solidificar la aleación de aluminio fundida para producir una capa
exterior sólida de aleación de aluminio adyacente a cada rodillo y
una capa central semisólida de aleación de aluminio entre las capas
sólidas; hacer avanzar las capas exteriores sólidas y la capa
central semisólida hacia la zona de pasada; aplicar por parte de
los rodillos una fuerza de separación a la aleación de aluminio que
pasa a través de la zona de pasada de entre 4,4 y 53,1 kg/cm de
anchura de la banda; solidificar la capa central dentro de la zona
de pasada para producir una banda metálica sólida de aleación de
aluminio que comprende la capa central y las capas exteriores; y
retirar de la zona de pasada una banda metálica de aleación de
aluminio sólida, en la que la banda de metal sale de la zona de
pasada a una velocidad de 7,6 a 112 m/minuto.
Además, la presente invención proporciona
también un método para colar de forma continua una banda metálica
de aleación de aluminio que comprende los pasos de proporcionar un
par de rodillos que definen una zona de pasada entre ellos,
descargar aleación de aluminio fundida a los rodillos, hacer girar
los rodillos para que avance la aleación de aluminio fundida hacia
la zona de pasada, cepillar las superficies de los rodillos;
solidificar la aleación fundida para producir una capa exterior
sólida de aleación de aluminio que tiene una estructura de grano
inicial adyacente a cada uno de los rodillos, y una capa central
semisólida de aleación de aluminio entre las capas sólidas, en la
que la capa central semisólida incluye un componente sólido y un
componente fundido; hacer avanzar las capas exteriores sólidas y la
capa central semisólida hacia la zona de pasada; aplicar mediante
los rodillos suficiente fuerza de separación de los rodillos sobre
las capas exteriores sólidas en la zona de pasada para comprimir el
componente fundido de la capa central semisólida, sin deformar
sustancialmente la banda metálica o cambiar sustancialmente la
estructura de grano inicial de las capas sólidas; solidificar la
capa central dentro de la zona de pasada para producir una banda
metálica sólida de aleación de aluminio que comprende la capa
sólida central y las capas sólidas exteriores; y retirar de la zona
de pasada la banda metálica de aleación de aluminio sólida.
La invención proporciona también una banda
metálica de aleación de aluminio que comprende: un par de capas
exteriores de una aleación de aluminio y una capa central de dicha
aleación de aluminio situada entre dichas capas exteriores,
habiéndose producido dichas capas exteriores y dicha capa central,
en una banda metálica, mediante colada continua de una composición
de aleación de aluminio, entre un par de rodillos, en la que las
capas exteriores de la banda metálica se solidifican para producir
una estructura de grano inicial y la región central solidifica
posteriormente en la zona de pasada de los rodillos, habiéndose
efectuado dicha solidificación mientras que se aplica por parte de
los rodillos una suficiente fuerza de separación de los rodillos
sobre las capas exteriores sólidas en la zona de pasada para
comprimir el componente fundido de la capa central semisólida sin
deformar sustancialmente la banda metálica o cambiar sustancialmente
la estructura de grano inicial de las capas exteriores;
comprendiendo la aleación de aluminio fundida elementos aleantes
formadores de eutécticos en una concentración inicial, en la que la
concentración de dichos elementos aleantes formadores de eutécticos
en dicha capa central es inferior a la concentración de dichos
elementos aleantes formadores de eutécticos en cada una de las
capas exteriores.
Los métodos incluyen descargar una aleación de
aluminio fundida yuxtapuesta, y en comunicación con, un par de
rodillos refrigerados con agua dispuestos en un plano generalmente
horizontal. Se hace avanzar una reserva de aleación de aluminio
fundida hacia la zona de pasada entre los rodillos. Sobre cada uno
de los rodillos se forman las capas exteriores de la aleación de
aluminio sólida, y la capa de de aluminio semisólida se produce en
el centro, entre las capas sólidas. La capa semisólida incluye un
componente fundido y un componente sólido de brazos dendríticos
rotos, separados del frente de solidificación. Las capas exteriores
sólidas y el componente sólido de la aleación de aluminio
semisólida pasa a través de la zona de pasada, de forma que de la
zona de pasada sale una banda metálica de aleación de aluminio
sólida, mientras que el componente fundido de la aleación de
aluminio es empujado aguas arriba desde la zona de pasada. La banda
metálica que sale de la zona de pasada incluye una capa central
sólida segregada, emparedada entre las capas exteriores sólidas de
aleación de aluminio conformadas. Bajo condiciones normales, el
espesor de la capa central es de aproximadamente 20 a
aproximadamente 30% del espesor máximo de la banda metálica. De
esta manera, no se produce una banda metálica sólida de aleación de
aluminio hasta que la aleación alcanza el punto de formación de la
zona de pasada. Además, a diferencia de los sistemas de colada
convencionales con dos rodillos, los rodillos no deforman
sustancialmente la banda metálica de aluminio colado, uno de cuyos
resultados es que el proceso funciona con una fuerza de separación
de rodillos muy baja.
La aleación de aluminio fundida tiene una
concentración inicial de elementos aleantes formadores de
eutécticos. Un resultado de producir la porción segregada de los
brazos dendrítricos rotos de la aleación es que esta porción
segregada está empobrecida en elementos aleantes formadores de
eutécticos. La concentración de elementos aleantes formadores de
eutécticos en la capa intermedia es menor que la concentración de
elementos aleantes formadores de eutécticos, en cada una de las
capas exteriores, desde aproximadamente un 5 a aproximadamente un
20%.
La banda metálica puede salir de la zona de
pasada a una velocidad de aproximadamente 30 a aproximadamente 92
metros por minuto. La velocidad lineal a la que se produce la banda
metálica sólida es superior a la velocidad lineal a la que la
aleación de aluminio fundido se descarga en los rodillos, como
aproximadamente cuatro veces superior a la velocidad lineal de la
aleación de aluminio fundida. Los rodillos están dispuestos para
colar la banda metálica en una configuración generalmente
horizontal y tienen una textura con irregularidades superficiales
(por ejemplo, hendiduras, concavidades o estrías) de aproximadamente
5 a aproximadamente 50 micrómetros de altura, y espaciados de forma
que haya de aproximadamente 8 a 47 por centímetro, para aumentar la
transferencia de calor. La fuerza de separación de los rodillos
puede ser de aproximadamente 0,45 a aproximadamente 3,6 kg/mm de
anchura, o de aproximadamente 1,8 kg/mm de anchura. La banda
metálica sólida se puede producir en espesores de aproximadamente
1,8 a 6,4 mm o de aproximadamente 2,0 a aproximadamente 2,4 mm. Los
rodillos están refrigerados internamente y las superficies de
contacto se pueden oxidar antes de usarlos para proporcionar una
capa uniforme de óxido sobre ellos. Los rodillos se cepillan
periódicamente, o de forma continua, para retirar restos que se
puedan depositar durante la colada. Se pueden usar barreras de borde
fijas y barreras electromagnéticas para impedir fugas del metal
fundido por los lados.
Se obtendrá una completa comprensión de la
invención a partir de la siguiente descripción cuando se use junto
con las figuras de los dibujos que la acompañan, en los que los
caracteres de referencia iguales identifican totalmente partes
iguales.
La Figura 1 es una representación esquemática de
una porción de un sistema de colada con un vertedero de descarga
del metal fundido y un par de rodillos;
La Figura 2 es una representación esquemática
aumentada de un corte transversal del vertedero de descarga del
metal fundido y los rodillos, mostrados en la Figura 1, que se hace
funcionar según la técnica anterior.
La Figura 3 es una representación esquemática
aumentada de un corte transversal del vertedero de descarga del
metal fundido y los rodillos, mostrados en la Figura 1, que se hace
funcionar según la presente invención.
La Figura 4 es un representación gráfica de la
fuerza por unidad de anchura, frente a la velocidad de colada, para
el método de la presente invención, para una aleación de aluminio
con Si-Fe-Ni-Zn;
la Figura 5 es un representación gráfica de la
fuerza por unidad de anchura, frente a la velocidad de colada, para
el método de la presente invención, para una aleación de aluminio
con
Mg-Mn-Cu-Fe-Si;
la Figura 6 es un representación gráfica de la
concentración de elementos aleantes formadores de eutécticos,
frente a la profundidad de la banda metálica, en una banda metálica
de aleación de aluminio con
Si-Fe-Ni-Zn
producida según la presente invención;
la Figura 7 es un representación gráfica de la
concentración de elementos aleantes formadores de peritécticos,
frente a la profundidad de la banda metálica, en una banda metálica
de aleación de aluminio con
Si-Fe-Ni-Zn
producida según la presente invención;
la Figura 8a es una fotomicrografía, a 25
aumentos, de un corte transversal de una banda metálica de aleación
de aluminio con
Si-Fe-Ni-Zn,
producida según la presente invención;
la Figura 8b es una fotomicrografía, a 100
aumentos, de la banda metálica mostrada en la Figura 8a;
la Figura 9a una fotomicrografía, a 25 aumentos,
de un corte transversal de una banda metálica de aleación de
aluminio con
Mg-Mn-Cu-Fe-Si,
producida según la presente invención;
la Figura 9b es una fotomicrografía, a 100
aumentos, de la porción del centro de la banda metálica mostrada en
la Figura 9a;
la Figura 10 es un representación gráfica de la
concentración de elementos aleantes formadores de eutécticos,
frente a la profundidad de la banda metálica, en una banda metálica
de aleación de aluminio con
Mg-Mn-Cu-Fe-Si,
producida según la presente invención;
la Figura 11 es un representación gráfica de la
concentración de elementos aleantes formadores de peritécticos,
frente a la profundidad de la banda metálica, en una banda metálica
de aleación de aluminio con
Mg-Mn-Cu-Fe-Si,
producida según la presente invención;
la Figura 12 es una fotomicrografía, a 50
aumentos, de un corte transversal de la banda metálica anodinada de
aleación de aluminio con
Mg-Mn-Cu-Fe-Si,
producida según la presente invención;
la Figura 13a es una representación esquemática
de un sistema de colada hecho según la presente invención, con un
mecanismo de soporte de la banda metálica y medios opcionales de
enfriamiento; y
la Figura 13b es una representación esquemática
de un sistema de colada hecho según la presente invención, con otro
mecanismo de soporte de la banda metálica y medios opcionales de
enfriamiento.
A efectos de la descripción, de aquí en
adelante, se entenderá que la invención puede suponer diversas
variaciones alternativas y secuencias de pasos, excepto donde
expresamente se especifique lo contrario. También se comprenderá
que los dispositivos y procedimientos ilustrados en los dibujos que
se adjuntan, y que se describen en la siguiente memoria
descriptiva, son simplemente realizaciones de la invención puestas
como ejemplos. Por lo tanto, las dimensiones específicas y otras
características físicas relacionadas con las realizaciones aquí
descritas no se van a considerar como limitadoras.
La presente invención incluye un método para
colar continuamente una aleación de aluminio, yuxtapuesta y en
comunicación con un par de rodillos refrigerados internamente. Los
sistemas de colada convencional con dos rodillos, para aleaciones
de aluminio, son hechos funcionar a velocidades de aproximadamente
1-2 metros por minuto o a aproximadamente
0,89-1,25 kg/h/mm de anchura de colada. La presente
invención se describe, en parte, en referencia a los sistemas de
colada convencionales con rodillos. Se contempla que una porción del
equipo y de los parámetros de control del procedimiento para la
colada convencional de aleaciones de aluminio con dos rodillos, se
pueden usar cuando se pone en práctica la presente invención. Sin
embargo, la presente invención requiere la salida de varios
aspectos de la colada convencional con rodillos, como se detalla más
adelante.
Haciendo referencia a la Figura 1 (que describe
de forma general la colada continua horizontal según la técnica
anterior y según la presente invención), la presente invención se
pone en práctica usando un par de rodillos, R_{1} y R_{2},
refrigerados, que giran en sentido contrario, que giran en la
dirección de las flechas, A_{1} y A_{2}, respectivamente. Por
el término horizontal se entiende que la banda metálica se produce
en una orientación horizontal o en un ángulo de más o menos
aproximadamente 30º de la horizontal. Como se muestra con más
detalle en la Figura 3, un vertedero T de alimentación, que puede
estar hecho de material cerámico, distribuye metal fundido M en la
dirección de la flecha B directamente sobre los rodillos, R_{1} y
R_{2}, que giran en la dirección de las flechas, A_{1} y
A_{2}, respectivamente. Los espacios G_{1} y G_{2} entre el
vertedero T de alimentación y los respectivos rodillos, R_{1} y
R_{2}, se mantienen tan pequeños como sea posible para evitar la
fuga del metal fundido y minimizar la exposición del metal fundido
a la atmósfera a lo largo de los rodillos, R_{1} y R_{2}, y
evitar, con todo, el contacto entre el vertedero T y los rodillos
R_{1} y R_{2}. Un tamaño adecuado de los espacios G_{1} y
G_{2} es de aproximadamente 0,25 mm. Un plano L a través del eje
longitudinal de los rodillos
R_{1} y R_{2} atraviesa una región de espacio libre entre los rodillos R_{1} y R_{2}, referido como la zona de pasada N del rodillo.
R_{1} y R_{2} atraviesa una región de espacio libre entre los rodillos R_{1} y R_{2}, referido como la zona de pasada N del rodillo.
El metal fundido M está directamente en contacto
con los rodillos refrigerados, R_{1} y R_{2}, en las regiones 2
y 4, respectivamente. Con el contacto con los rodillos R_{1} y
R_{2}, el metal M empieza a enfriarse y a solidificar. El metal
que se enfría produce una costra superior 6 de metal solidificado
adyacente al rodillo R_{1} y una costra inferior 8 de metal
solidificado, adyacente al rodillo R_{2}. El espesor de las
costras 6 y 8 aumenta a medida que el metal M avanza hacia la zona
de pasada N. Se producen grandes dendritas 10 de metal solidificado
(no mostradas a escala) en las interfases entre cada uno de las
costras 6 y 8, superior e inferior, y el metal fundido M. Las
grandes dendritas 10 se rompen y son arrastradas hacia la porción
central 12 de la corriente de metal fundido M, que se mueve más
lentamente, y son transportadas en la dirección de las flechas
C_{1} y C_{2}. La acción de arrastre de la corriente puede
originar que las grandes dendritas 10 que se vanyan a romper en
dendritas 14 más pequeñas (no mostradas a escala). En la porción
central 12 aguas arriba de la zona de pasada N, referida como una
región 16, el metal M es semisólido e incluye un componente sólido
(las pequeñas dendritas solidificadas 14) y un componente de metal
fundido. El metal M en la región 16 tiene una consistencia blanda
debida en parte a la dispersión de las pequeñas dendritas 14 en él.
En la posición de la zona de pasada N, algo del metal fundido es
comprimido hacia atrás, en una dirección opuesta a las flechas
C_{1} y C_{2}. La rotación hacia adelante de los rodillos
R_{1} y R_{2} en la zona de pasada N, hace avanzar
sustancialmente sólo la porción sólida del metal (las costras 6 y 8,
superior e inferior, y las pequeñas dendritas 14 en la porción
central 12) mientras que fuerza al metal fundido de la porción
central 12 aguas arriba de la zona de pasada N de forma que el metal
es completamente sólido a medida que abandona el punto de la zona
de pasada N. Aguas abajo de la zona de pasada N, la porción central
12 es una capa sólida central 18 que contiene las pequeñas dendritas
14 emparedadas entre la costra superior 6 y la costra inferior 8.
En la capa central 18, las pequeñas dendritas 14 pueden tener un
tamaño de aproximadamente 20 a aproximadamente 50 micrómetros, y
tienen una forma generalmente globular.
Las tres capas de las costras 6 y 8, superior e
inferior, y la capa central 18 solidificada, constituyen una banda
metálica sólida 20 colada. La capa central 18 sólida constituye
aproximadamente del 20 a aproximadamente el 30 por ciento del
espesor total de la banda metálica 20. La concentración de pequeñas
dendritas 14 es superior en la capa central 18 sólida de la banda
metálica 20 que en la región semisólida 16 de la corriente. La
aleación de aluminio fundida tiene una concentración inicial de
elementos aleantes, que incluyen elementos aleantes formadores de
peritécticos y elementos aleantes formadores de eutécticos. Los
elementos aleantes que son formadores de peritécticos con el
aluminio son el Ti, V, Zr, y Cr. Todos los otros elementos aleantes
son formadores de eutécticos con el aluminio, como por ejemplo el
Si, Fe, Ni, Zn, Mg, Cu y Mn. Durante la solidificación de una masa
fundida de aleación de aluminio, las dendritas tienen, normalmente,
una concentración inferior de formadores de eutecticos que la masa
fundida madre que lo rodea y una concentración superior de
formadores de peritécticos. En la región 16, en la región central
aguas arriba de la zona de pasada, las pequeñas dendritas 14 están,
por eso, parcialmente empobrecidas en formadores de eutécticos
mientras que el metal fundido que rodea a las pequeñas dendritas
está algo enriquecido en formadores de eutécticos. En consecuencia,
la capa central 18 sólida de la banda metálica 20, que contiene una
gran población de dendritas, está empobrecida en formadores de
eutécticos (normalmente hasta aproximadamente el 20 por ciento en
peso, por ejemplo de aproximadamente 5 a aproximadamente 20% en
peso) y está enriquecido en formadores de peritécticos (normalmente
hasta aproximadamente el 45 por ciento, por ejemplo de
aproximadamente 5 a aproximadamente 45% en peso) en comparación con
la concentración de los formadores de eutécticos y de los
formadores de peritécticos en cada una de costras de metal M, la
superior 6 y la inferior 8.
Cuando se hace referencia a algún intervalo
numérico de valores, se entiende que estos intervalos incluyen cada
uno y todos los números y/o fracciones entre el mínimo y el máximo
del intervalo establecido. Un intervalo de aproximadamente 5 a 20%
en peso de formadores de eutéctico, por ejemplo, incluirá
expresamente todos los valores intermedios de aproximadamente 5,1;
5,2; 5,3 y 5,5%, todo el tramo y hasta incluir 19,5; 19,7 y 19,9%
en peso de formadores de eutécticos. Lo mismo se aplica a cada uno
de las otras propiedades numéricas, tales como el espesor, el
espesor relativo, la concentración y/o los parámetros del
procedimiento aquí establecidos.
Los rodillos R_{1} y R_{2} sirven como
sumideros de calor para el calor del metal fundido M. En la presente
invención, el calor se transfiere desde el metal fundido M a los
rodillos R_{1} y R_{2} de una manera uniforme con el fin de
asegurar la uniformidad de la superficie de la banda metálica colada
20. Las superficies, D_{1} y D_{2}, de los respectivos
rodillos, R_{1} y R_{2}, pueden estar hechas de acero o de cobre
y tiene una textura, e incluyen irregularidades en la superficie
(no mostradas) que están en contacto con el metal fundido M. Las
irregularidades superficiales pueden servir para aumentar la
transferencia de calor desde las superficies D_{1} y D_{2}, e
imponiendo un grado controlado de falta de uniformidad en las
superficies D_{1} y D_{2}, dar como resultado una transferencia
de calor uniforme a través de las superficies D_{1} y D_{2}.
Las irregularidades superficiales pueden estar en forma de
hendiduras, concavidades, estrías u otras estructuras y pueden
estar espaciadas según un patrón regular de aproximadamente 8 a 47
irregularidades superficiales por centímetro, o aproximadamente 24
irregularidades por centímetro. Las irregularidades superficiales
pueden tener una altura de aproximadamente 5 a aproximadamente 50
micrómetros, o aproximadamente 30 micrómetros. Los rodillos R_{1}
y R_{2} pueden estar revestidos con un material para aumentar la
separación de la banda metálica colada respecto a los rodillos
R_{1} y R_{2}, como por ejemplo cromo o níquel.
El control, mantenimiento y selección de la
velocidad apropiada de los rodillos R_{1} y R_{2} puede tener
impacto en la operabilidad de la presente invención. La velocidad de
los rodillos determina la velocidad con la que el metal fundido M
avanza hacia la zona de pasada N. Si la velocidad es demasiado
lenta, las grandes dendritas 10 no experimentarán suficientes
fuerzas como para estar retenidas en la porción central 12 y
romperse en pequeñas dendritas 14. Por consiguiente, la presente
invención es adecuada para la operación a altas velocidades, como
por ejemplo 7,6 a 122 metros por minuto, o aproximadamente 30,5 a
122 metros por minuto, o aproximadamente 45,7 a aproximadamente
91,4 metros por minuto. La velocidad lineal por unidad de área a la
que se descarga el aluminio fundido en los rodillos, R_{1} y
R_{2}, puede ser inferior a la velocidad de los rodillos, R_{1}
y R_{2}, o aproximadamente la cuarta parte de la velocidad de los
rodillos. La colada continua a alta velocidad, según la presente
invención, se puede conseguir en parte porque las superficies
texturizadas, D_{1} y D_{2}, aseguran una suficiente
transferencia de calor desde el metal fundido M.
La fuerza de separación de los rodillos puede
ser un parámetro en la práctica de la presente invención. Un
beneficio significativo de la presente invención es que la banda
metálica sólida no se produce hasta que el metal alcanza la zona de
pasada N. El espesor está determinado por la dimensión de la zona de
pasada N entre los rodillos R_{1} y R_{2}. La fuerza de
separación de los rodillos puede ser suficientemente grande para
comprimir el metal fundido aguas arriba y lejos de la zona de pasada
N. Un metal fundido excesivo que pase a través de la zona de pasada
N puede originar que las capas de las costras 6 y 8, superior e
inferior, y la porción central 18 sólida se alejen unas de otras y
llegar a desalinearse. Un metal fundido insuficiente, que alcance
la zona de pasada N, origina que la banda metálica se forme
prematuramente como ocurre en los procedimientos convencionales de
colada con rodillos. Una banda metálica 20 formada prematuramente
puede ser deformada por los rodillos R_{1} y R_{2}, y
experimentar la segregación en el eje longitudinal. Unas fuerzas de
separación de rodillos adecuadas son de aproximadamente 0,45 a 5,4
kg/mm de anchura de colada o aproximadamente 1,78 kg/mm de anchura
de colada. En general, se pueden necesitar velocidades de colada más
lentas al colar aleación de aluminio de calibre más grueso, con el
fin de retirar el calor de la aleación gruesa. A diferencia de la
colada convencional con rodillos, estas velocidades de colada más
lentas no dan como resultado unas excesivas fuerzas de separación
de los rodillos en la presente invención porque la banda metálica de
aluminio completamente sólida no se produce aguas arriba de la zona
de pasada.
La banda metálica de aluminio producto, de
calibre delgado, se puede colar según el método de la presente
invención. La fuerza de separación de los rodillos ha sido un factor
limitador al producir la banda metálica de aluminio producto, de
bajo calibre, pero la presente invención no está limitada así porque
las fuerzas de separación de los rodillos son de órdenes de
magnitud inferior a las de los procedimientos convencionales. La
banda metálica de aleación de aluminio se puede producir con
espesores de aproximadamente 2,5 mm o menos, a velocidades de
colada de 7,6 a aproximadamente 122 metros por minuto. La banda
metálica de aleación de aluminio, de calibre más grueso, se puede
producir también usando el método de la presente invención, por
ejemplo con espesores de aproximadamente
6,33 mm.
6,33 mm.
Las superficies de los rodillos, D_{1} y
D_{2}, se calientan durante la colada y son propensos a la
oxidación a elevadas temperaturas. La oxidación no uniforme de las
superficies de los rodillos durante la colada, puede cambiar las
propiedades de transferencia de calor de los rodillos R_{1} y
R_{2}. Por lo tanto, las superficies de los rodillos, D_{1} y
D_{2}, se pueden oxidar antes de usarlos para minimizar sus
cambios durante la colada. Puede ser beneficioso cepillar las
superficies de los rodillos, D_{1} y D_{2}, de vez en cuando o
de forma continua para retirar los restos que se forman durante la
colada del aluminio y de las aleaciones de aluminio. Se pueden
romper pequeños trozos de la banda metálica S y adherirse a las
superficies, D_{1} y D_{2}, de los rodillos. Estos pequeños
trozos de la banda metálica de aleación de aluminio son propensos a
la oxidación, lo que da como resultado una falta de uniformidad en
las propiedades de transferencia de calor de las superficies,
D_{1} y D_{2}, de los rodillos. El cepillado de las superficies,
D_{1} y D_{2}, de los rodillos evita los problemas de falta de
uniformidad procedente de los restos que se pueden recoger sobre
las superficies, D_{1} y D_{2}, de los rodillos.
La presente invención incluye además la colada
en forma continua de una banda metálica de aleación de aluminio
según la presente invención. La banda metálica 20 de aleación de
aluminio incluye una primera capa de una aleación de aluminio y una
segunda capa de la aleación de aluminio (correspondientes a las
costras 6 y 8) con una capa intermedia (la capa central 18
solidificada) entre ellas. La concentración de elementos aleantes
formadores de eutécticos en la capa intermedia es inferior a la de
la primera y segunda capas, normalmente hasta aproximadamente un
20% en peso, como por ejemplo de aproximadamente 5 a aproximadamente
20%. La concentración de elementos aleantes formadores de
peritécticos en la capa intermedia es superior a la de la primera y
segunda capas, normalmente hasta aproximadamente 45% en peso, por
ejemplo de aproximadamente 5 a aproximadamente 45%. Los granos en
la banda metálica de aleación de aluminio están sustancialmente no
deformados porque la fuerza aplicada por los rodillos es baja (5,4
kg/mm de anchura o menos). La banda metálica 20 no es sólida hasta
que alcanza la zona de pasada N; por lo tanto no se lamina en
caliente a la manera de la colada convencional con dos rodillos y
no recibe el típico tratamiento termomecánico. En ausencia del
laminado convencional en caliente en el sistema de colada, los
granos de la banda metálica 20 están sustancialmente no deformados y
retienen su estructura inicial conseguida en la solidificación, es
decir una estructura equiaxial, como por ejemplo globular.
Se contempla que los sistemas de colada
convencionales con rodillos de una aleación de aluminio se pueden
actualizar para su operación según la presente invención. La caja de
engranajes, y componentes asociados, de un sistema de colada
convencional con rodillos de una aleación de aluminio, normalmente
no se puede acomodar a la alta velocidad de rotación de los
rodillos, contemplada según la presente invención. Por los tanto,
estos componentes motrices de los rodillos pueden necesitar
mejorarse con el fin de poner en práctica la presente invención. Se
puede incluir una combinación de barreras fijas y barreras de bordes
electromagnéticos sobre un sistema de colada continua operada según
el método de la invención. Los rodillos también deberán estar
texturizados y cepillados, como se describió anteriormente. Además,
la banda metálica se puede enfriar y apoyar a la salida para evitar
la fragilidad en caliente y se puede, posteriormente, laminar en
caliente antes de bobinarla.
La colada continua de aleaciones de aluminio,
según la presente invención, se consigue seleccionando inicialmente
las dimensiones deseadas de la zona de pasada N correspondiente al
calibre deseado de la banda metálica S. Se aumenta la velocidad de
los rodillos, R_{1} y R_{2}, hasta una tasa de producción
deseada a una velocidad que es inferior a la velocidad que origina
que la fuerza de separación de los rodillos aumente hasta un nivel
que indique que el laminado está teniendo lugar entre los rodillos
R_{1} y R_{2}. La colada a las velocidades contempladas en la
presente invención (es decir, aproximadamente 7,6 a 122 metros por
minuto), solidifica la banda metálica de aleación de aluminio
aproximadamente 1000 veces más rápidamente que la colada de la
aleación de aluminio como un colada en lingote, y mejora las
propiedades de la banda metálica sobre la colada de aleación de
aluminio como un lingote. Aunque la invención se ha descrito
anteriormente, de forma general, los siguientes ejemplos dan una
ilustración adicional del producto y de las etapas del procedimiento
normal de la presente invención.
Se colaron, de forma continua, en un sistema de
colada con cinta y sumidero de calor, aleaciones de aluminio
fundido que tenían elementos aleantes presentes en los porcentajes
en peso indicados en la Tabla 1, donde la cinta superior no estaba
en contacto con el metal que se solidificaba aguas debajo de la zona
de pasada.
Los ensayos aquí registrados no se realizaron en
un sistema de colada con rodillos. Sin embargo, El procedimiento se
diseñó para simular la colada sobre un par de rodillos sin trabajar
el metal solidificado.
La fuerza por unidad de anchura aplicada a las
Aleaciones 1 y 2, frente a la velocidad del rodillo, para diversos
posicionamientos de separación, se muestra gráficamente en las
Figuras 4 y 5, respectivamente. En todos los casos, la fuerza
aplicada por los rodillos fue inferior a 3,57 kg/mm de anchura.
Se analizó una banda metálica de Aleación 1 de
2,28 mm de espesor para ver la segregación de los elementos
aleantes. La concentración de elementos aleantes a través del
espesor de la banda metálica está representado gráficamente en la
Figura 6 para elementos formadores de eutécticos (Si, Fe, Ni y Zn),
y en la Figura 7 para elementos formadores de peritécticos (Ti, V y
Zr). Los elementos aleantes formadores de eutécticos están
parcialmente empobrecidos en la porción central de la banda
metálica mientras que los elementos aleantes formadores de
peritécticos están enriquecidos en la porción central de la banda
metálica.
La Figura 8a es una fotomicrografía, a 25
aumentos, de un corte transversal a través de un apilamiento de
tres bandas metálicas de la Aleación 1 producida a una velocidad de
colada de 57,3 metros por minuto, un espesor medio de banda
metálica de 2,39 mm y una anchura de la banda metálica de 393,7 mm,
y una fuerza aplicada de 1,84 kg/mm de anchura. El espesor completo
de una banda metálica se ve en la Figura 8a entre un par de bandas
delgadas y oscuras. La banda central más oscura en la banda metálica
completa, corresponde a la capa central 18 anteriormente descrita
que está parcialmente empobrecida en elementos aleantes formadores
de eutécticos, mientras que las porciones exteriores, más claras,
de la banda metálica completa corresponde a las costras 6 y 8,
superior e inferior, anteriormente descritas. La Figura 8b es una
fotomicrografía de la banda metálica central de la Figura 8a, a 100
aumentos. La naturaleza globular de los granos en la banda central
más oscura, indica que no se ha producido trabajo de la banda
metálica en el sistema de colada.
La Figura 9a es una fotomicrografía, a 25
aumentos, de un corte transversal de un apilamiento de dos bandas
metálicas de la Aleación 2 producidas a una velocidad de colada de
70,4 metros por minuto, una separación de rodillos de de 2,35 mm, y
una anchura de la banda metálica de 393,7 mm, y una fuerza aplicada
de 1,7 kg/mm de anchura. El espesor completo de una banda metálica
y una porción de la otra banda metálica se ven en la Figura 9a. La
banda metálica de la Figura 9a exhibe también una banda central más
oscura, empobrecida en elementos aleantes formadores de eutécticos.
La Figura 9b es una fotomicrografía de la porción central de la
banda metálica de la Figura 9a, a 100 aumentos. La naturaleza
globular de los granos en la banda central más oscura, indica
también que no se ha producido trabajo de la banda metálica en el
sistema de colada.
Se analizó una banda metálica de la Aleación 2
(2,54 mm de espesor) para ver la segregación de elementos aleantes.
La concentración de elementos aleantes a través del espesor de la
banda metálica está representada gráficamente en la Figura 10 para
elementos formadores de eutécticos (Mg, Mn, Cu, Fe, y Si) y en la
Figura 11 para elementos formadores de peritécticos (Ti y V). Los
elementos aleantes formadores de eutécticos están parcialmente
empobrecidos en la porción central de la banda metálica, mientras
que los elementos aleantes formadores de peritécticos están
enriquecidos en la porción central de la banda metálica.
La Figura 12 es una fotomicrografía, a 50
aumentos, de un corte transversal de una banda metálica anodizada
de la Aleación 3 producida a una velocidad de colada de 59,7 metros
por minuto, un espesor medio de la banda metálica de
aproximadamente 2,49 mm, y una anchura de la banda metálica de 396,2
mm, y una fuerza aplicada de 1,25 kg/mm de anchura. La
fotomicrografía muestra la porción central de la banda metálica
emparedada entre las porciones superior e inferior, sin mostrar las
superficies de arriba y de debajo de la banda metálica. La banda
central, más ligera, de la banda metálica, corresponde a la capa
central 18 anteriormente descrita que está parcialmente empobrecida
en elementos aleantes formadores de eutécticos, mientras que las
porciones exteriores, más oscuras, de la banda metálica completa
corresponde a las costras 6 y 8, superior e inferior, anteriormente
descritas. Los granos mostrados en la banda metálica son globulares,
lo que indica ausencia de trabajo en ellos.
Al poner en práctica la presente invención,
puede ser beneficioso soportar la banda metálica S caliente que
sale de los rodillos R_{1} y R_{2} hasta que la banda metálica S
se enfríe lo suficiente como para sostenerse por sí misma. Un
mecanismo de soporte mostrado en la Figura 13a incluye una cinta
transportadora B situada debajo de la banda metálica S que sale de
los rodillos R_{1} y R_{2}. La cinta B se mueve alrededor de
las poleas P y soporta la banda metálica S durante una distancia que
puede ser de aproximadamente 3,0 m. La longitud de la cinta B entre
las poleas P puede estar determinada por el procedimiento de colada,
la temperatura de la banda metálica S, y la aleación de la banda
metálica S. Los materiales adecuados para la cinta B incluyen fibra
de vidrio y metal (por ejemplos acero) en forma sólida o como una
malla. Como alternativa, según se muestra en la Figura 13b, el
mecanismo de soporte puede incluir una superficie H de un soporte
estacionario como por ejemplo una suela metálica sobre la que la
banda metálica S viaja mientras se enfría. La suela H puede estar
hecha de un material al que la banda metálica S no se adhiere
fácilmente. En ciertos casos, donde la banda metálica está sometida
a rotura al salir de los rodillos R_{1} y R_{2}, la banda
metálica S se puede enfriar en las posiciones E con un fluido tal
como aire o agua. Normalmente, la banda metálica S sale de los
rodillos R_{1} y R_{2} a aproximadamente 593ºC. Puede ser
deseable disminuir la temperatura de la banda metálica hasta
aproximadamente 538ºC dentro de aproximadamente 20 a 25 cm de la
zona de pasada N. Un mecanismo adecuado para enfriar la banda
metálica en las posiciones E para conseguir esa cantidad de
enfriamiento está descrito en la Patente de EE.UU. Nº
4.823.860.
Claims (37)
1. Un método para colar, de forma continua, una
banda metálica (20) aleación de aluminio que comprende los pasos
de: proporcionar un par de rodillos (R_{1}, R_{2}) que tienen
una superficie texturizada que define una zona de pasa (N) entre
ellos; descargar la aleación de aluminio fundida (6, 8) a los
rodillos; hacer girar los rodillos para que avance la aleación de
aluminio fundida (12) hacia la zona de pasada; cepillar las
superficies de los rodillos; solidificar la aleación de aluminio
fundida para producir una capa exterior sólida de aleación de
aluminio, adyacente a cada rodillo, y una capa central semisólida de
aleación de aluminio entre las capas sólidas; hacer avanzar las
capas exteriores sólidas y la capa central semisólida hacia la zona
de pasada; aplicar por parte de los rodillos una fuerza de
separación de los rodillos a la aleación de aluminio, que pasa a
través de la zona de pasada, de entre 4,4 y 53,1 kg/cm de anchura de
la banda metálica; solidificar la capa central dentro de la zona de
pasada para producir una banda metálica sólida de aleación de
aluminio que comprende la capa central y las capas exteriores; y
retirar una banda metálica de aleación de aluminio sólida de la
zona de pasada, en la que la banda metálica sale de la zona de
pasada a una velocidad de 7,6 a 112 m/minuto.
2. Un método según la reivindicación 1, en el
que la capa central semisólida (12) incluye un componente sólido y
un componente fundido.
3. Un método según la reivindicación 1 ó 2, en
el que la aleación (M) de aluminio fundida tiene una concentración
inicial de elementos aleantes formadores de eutécticos, y la
concentración de elementos aleantes formadores de eutécticos en la
capa central (12) es inferior a la concentración inicial de
elementos aleantes formadores de eutécticos.
4. Un método según la reivindicación 3, en el
que la concentración de elementos aleantes formadores de eutécticos
en la capa central (12) es inferior a la concentración de elementos
aleantes formadores de eutécticos en cada una de las capas
exteriores (6, 8).
5. Un método según la reivindicación 4, en el
que la concentración de elementos aleantes formadores de eutécticos
en la capa central (12) es de 5 a 20% inferior a la concentración de
elementos aleantes formadores de eutécticos en cada una de las
capas exteriores (6, 8).
6. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la aleación (M) de aluminio
fundida tiene una concentración inicial de elementos aleantes
formadores de peritécticos, y la concentración de elementos
aleantes formadores de peritécticos en la capa central (12) es
superior a la concentración inicial de elementos aleantes
formadores de peritécticos.
7. Un método según la reivindicación 6, en el
que la concentración de elementos aleantes formadores de
peritécticos en la capa central (12) es superior a la concentración
de elementos aleantes formadores de peritécticos en cada una de las
capas exteriores.
8. Un método según la reivindicación 7, en el
que la concentración de elementos aleantes formadores de
peritécticos en la capa central (12) es de 5 a 45% superior a la
concentración de elementos aleantes formadores de peritécticos en
cada una de las capas exteriores (6, 8).
9. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la banda metálica (20) sale
de la zona de pasada (N) a una velocidad de 30,5 a 91,4
m/minuto.
10. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que una fuerza de separación de
rodillos aplicada por los rodillos (R_{1}, R_{2}) a la aleación
de aluminio (M), que pasa a través de la zona de pasa (N), es de
4,4 a 35,4 kg/cm de anchura de la banda metálica (20).
11. Un método según la reivindicación 10, en el
que la fuerza aplicada por los rodillos (R_{1}, R_{2}) a la
aleación de aluminio (M) que pasa a través de la zona de pasada (N)
es de 17,7 kg por centímetro de anchura de la banda metálica
(20).
12. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la banda metálica (20)
sólida tiene un espesor de 1,78 a 6,35 mm.
13. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que una velocidad lineal a la
que la banda metálica (20) sólida se retira de la zona de pasada (N)
es superior a la velocidad lineal a la que la aleación de aluminio
(M) fundida se descarga en los rodillos (R_{1}, R_{2}).
14. Un método según la reivindicación 13, en el
que la velocidad lineal a la que la banda metálica (20) sólida se
retira de la zona de pasada (N) es cuatro veces superior a la
velocidad lineal a la que la aleación de aluminio (M) fundida se
descarga en los rodillos (R_{1}, R_{2}).
15. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la banda metálica (20) sale
horizontalmente de la zona de pasada (N).
16. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la superficie texturizada
incluye una pluralidad de irregularidades superficiales que tienen
una altura de 5 a 50 micrómetros.
17. Un método según la reivindicación 13, en el
que las irregularidades superficiales están espaciadas según un
patrón regular de 8 a 47 irregularidades por centímetro.
18. Un método según la reivindicación 16 ó 17,
en el que las irregularidades superficiales comprende hendiduras,
concavidades o estrías definidas en la superficie del rodillo.
19. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que los rodillos (R_{1},
R_{2}) comprenden un revestimiento de un material para aumentar
la separación de la banda metálica (20) de los rodillos.
20. Un método según la reivindicación 19, en el
que el revestimiento de los rodillos comprende cromo o níquel.
21. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además proporcionar una
barrera de borde fijo o una barrera electromagnética de ambos,
adyacente al metal fundido (M).
22. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que dicho paso de descargar
metal fundido (M) comprende colocar un vertedero (T) de descarga que
contiene el metal fundido (M) a una distancia de 0,51 mm de los
rodillos (R_{1}, R_{2}).
23. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además
solidificar la aleación fundida para producir
una capa exterior sólida de aleación de aluminio (6, 8) que tiene
una estructura de grano inicial, adyacente a cada rodillo, y una
capa central (12) semisólida de aleación de aluminio entre las
capas sólidas, en el que la capa central semisólida incluye un
componente sólido y un componente fundido;
hacer avanzar las capas exteriores sólidas y la
capa central semisólida hacia la zona de pasada;
aplicar por parte de los rodillos suficiente
fuerza de separación de los rodillos sobre las capas exteriores
sólidas, en la zona de pasada, para comprimir el componente fundido
de la capa central semisólida sin deformar sustancialmente la banda
metálica o cambiar sustancialmente la estructura de grano inicial de
las capas exteriores sólidas;
solidificar la capa central dentro de la zona de
pasada para producir una banda metálica sólida de aleación de
aluminio que comprende la capa central sólida y las capas exteriores
sólidas; y
retirar la banda metálica de aleación de
aluminio de la zona de pasada.
24. Una banda metálica (20) de aleación de
aluminio hecha mediante el método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende: un par de capas
exteriores (6, 8) de una aleación de aluminio y una capa central
(12) de dicha aleación de aluminio situada entre dichas capas
exteriores, habiéndose producido dichas capas exteriores y dicha
capa central en una banda metálica mediante colada continua de una
composición de una aleación de aluminio fundido (M) entre un par de
rodillos (R_{1}, R_{2}), en la que las capas exteriores de la
banda metálica se solidifican para producir una estructura de grano
inicial y la región central se solidifica posteriormente en la zona
de pasada (N) de los rodillos, habiéndose efectuado dicha
solidificación de la región central mientras que se aplica, por
parte de los rodillos, una fuerza de separación de los rodillos
sobre las capas exteriores sólidas en la zona de pasada para
comprimir en componente fundido de la capa central semisólida sin
deformar sustancialmente la banda metálica, o cambiar
sustancialmente las estructura de grano inicial de las capas
exteriores sólidas; comprendiendo la aleación de aluminio fundida
elementos aleantes formadores de eutécticos en una concentración
inicial, en la que la concentración de elementos aleantes formadores
de eutécticos en dicha capa central es inferior a la concentración
de dichos elementos aleantes formadores de eutécticos en cada una
de dichas capas exteriores.
25. Una banda metálica (20) según la
reivindicación 24, en la que la concentración de dichos elementos
aleantes formadores de eutécticos en dicha capa central (12) es de
5 a 20% inferior a la concentración de dichos elementos aleantes
formadores de eutécticos en cada una de dichas capas exteriores (6,
8).
26. Una banda metálica (20) según la
reivindicación 24 ó 25, en la que la concentración de dichos
elementos aleantes formadores de eutécticos en dicha capa central
(12) es inferior a la concentración inicial de dichos elementos
aleantes formadores de eutécticos (6, 8).
27. Una banda metálica (20) según una cualquiera
de las reivindicaciones 24 a 26, en la que dichos elementos
aleantes formadores de eutécticos se seleccionan del grupo
consistente en Si, Fe, Ni, Zn, Mg, Cu, y Mn.
28. Una banda metálica (20) según una cualquiera
de las reivindicaciones 24 a 27, en la que la aleación de aluminio
fundida (M) comprende elementos aleantes formadores de peritécticos
en una concentración inicial y la concentración de dichos elementos
aleantes formadores de peritécticos en dicha capa central (12) es
superior a la concentración de dichos elementos aleantes formadores
de peritécticos en cada una de dichas capas exteriores (6, 8).
29. Una banda metálica (20) según la
reivindicación 28, en la que la concentración de dichos elementos
aleantes formadores de peritécticos en dicha capa central (12) es
de 5 a 45% superior a la concentración de dichos elementos aleantes
formadores de peritécticos en cada una de dichas capas exteriores
(6, 8).
30. Una banda metálica (20) según la
reivindicación 28 ó 29, en la que la concentración de dichos
elementos aleantes formadores de peritécticos en dicha capa central
(12) es superior a la concentración inicial de dichos elementos
aleantes formadores de peritécticos.
31. Una banda metálica (20) según una cualquiera
de las reivindicaciones 24 a 30, en la que dichos elementos
aleantes formadores de peritécticos se seleccionan del grupo
consistente en Ti, Cr, V y Zr.
32. Una banda metálica (20) según una cualquiera
de las reivindicaciones 24 a 31, en la que el espesor de dicha
banda metálica es de 1,78 a 6,35 mm.
33. Una banda metálica (20) según la
reivindicación 32, en la que el espesor de dicha capa central (12)
comprende del 20 al 30% del espesor de dicha banda metálica.
34. Una banda metálica (20) según una cualquiera
de las reivindicaciones 24 a 33, en la que dicha capa central (12)
comprende dendritas globulares.
35. Una banda metálica (20) según la
reivindicación 34, en la que dichas dendritas globulares no están
trabajadas.
36. Una banda metálica (20) según una cualquiera
de las reivindicaciones 34 a 35, en la que la concentración de
elementos aleantes formadores de eutécticos en dichas dendritas (10)
es inferior a la concentración de elementos formadores de
eutécticos en dichas capas exteriores (6, 8).
37. Una banda metálica (20) según una cualquiera
de las reivindicaciones 34 a 36, en la que la concentración de
elementos aleantes formadores de peritécticos en dichas dendritas
(10) es superior a la concentración de elementos formadores de
peritécticos en dichas capas exteriores (6, 8).
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