RU2198067C2 - Method for modifying structure of cast metal - Google Patents
Method for modifying structure of cast metal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2198067C2 RU2198067C2 RU2000128545A RU2000128545A RU2198067C2 RU 2198067 C2 RU2198067 C2 RU 2198067C2 RU 2000128545 A RU2000128545 A RU 2000128545A RU 2000128545 A RU2000128545 A RU 2000128545A RU 2198067 C2 RU2198067 C2 RU 2198067C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- casting
- electric current
- current
- frequency
- metal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract description 6
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- -1 ferrous metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005058 metal casting Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Continuous Casting (AREA)
Abstract
Description
Способ относится к литейному производству любых металлов и сплавов и может быть использован во время кристаллизации для измельчения размеров зерна по всему объему отливки или в заданных ее частях, одновременно позволяя снизить концентрационную неоднородность и воздействовать на дендритную составляющую структуры. The method relates to foundry of any metals and alloys and can be used during crystallization to grind grain sizes over the entire volume of the casting or in predetermined parts thereof, while allowing to reduce concentration heterogeneity and affect the dendritic component of the structure.
Известен способ [1] воздействия постоянным электрическим током на структуру сплава, разработанный для установки "Кристалл ЕМ" и сплава ЮНДК35Т5. Способ позволяет изменять структуру отливки за счет изменения направления постоянного тока относительно границы кристаллизации. Металлический образец плавится переменным током высокой частоты в зоне, охватываемой индуктором, индуктор перемещается относительно образца. Вслед за ним перемещается граница кристаллизации. Если положительный потенциал подается на расплав, а отрицательный на закристаллизовавшуюся часть образца, то зерно получается мельче, чем в образцах, не подвергнутых электрическому воздействию. Смена полярности источника тока приводит к возникновению дендритной структуры в образцах. There is a known method [1] of applying direct electric current to the alloy structure, developed for the Crystal EM installation and the UNDK35T5 alloy. The method allows you to change the structure of the casting by changing the direction of the direct current relative to the crystallization boundary. The metal sample is melted by alternating current of high frequency in the zone covered by the inductor, the inductor moves relative to the sample. Following it, the crystallization boundary moves. If the positive potential is supplied to the melt, and the negative potential to the crystallized part of the sample, then the grain is finer than in samples not exposed to electric influence. A change in the polarity of the current source leads to the appearance of a dendritic structure in the samples.
Рассмотренный способ модифицирования структуры металла разработан для конкретного типа установки и для определенного сплава. Способ не влияет на химическую неоднородность сплава по сечению отливки. Размер зерна определяется не параметрами электрического воздействия, а условиями охлаждения и направлением постоянного тока. The considered method of modifying the metal structure is designed for a specific type of installation and for a specific alloy. The method does not affect the chemical heterogeneity of the alloy over the cross section of the casting. The grain size is determined not by the parameters of the electric effect, but by the cooling conditions and the direction of the direct current.
Кроме того, известен способ получения непрерывнолитого металла с пропусканием электрического тока (постоянного, переменного или импульсного) через кристаллизующийся расплав при его транспортировке и охлаждении, когда электрический ток подводят к металлическому кристаллизатору, а отводят через поддерживающие устройства в зоне вторичного охлаждения [2]. In addition, there is a known method for producing a continuously cast metal by passing an electric current (constant, alternating, or pulsed) through a crystallizing melt during its transportation and cooling, when an electric current is supplied to a metal crystallizer, and is removed through supporting devices in the secondary cooling zone [2].
Рассмотренный способ получения слитка относится только к установкам непрерывного литья металла, при практической реализации метода возникают трудности с подводом электрического тока через подвижный контакт, приводящие к повышенным значениям электрического напряжения. При плотности тока 104 А/м2 и сопротивлении подвижного контакта 10-1 Ом падение напряжения на этом переходе составит 103 В, что не допустимо по правилам техники безопасности, мал коэффициент полезного действия способа.The considered method for producing an ingot relates only to continuous metal casting plants; in the practical implementation of the method, difficulties arise in supplying electric current through a movable contact, leading to increased values of electric voltage. When the current density is 10 4 A / m 2 and the resistance of the movable contact is 10 -1 Ohm, the voltage drop at this junction will be 10 3 V, which is not permissible according to safety rules, the efficiency of the method is small.
Задачей предлагаемого способа модифицирования структуры литого металла является измельчение зерен, снижение химической неоднородности по сечению отливки и повышение механических свойств литого металла при любом способе получения отливок, снижение требуемых для модифицирования металла значений электрического напряжения до безопасных величин, повышение кпд. The objective of the proposed method for modifying the structure of cast metal is to grind grains, reduce chemical heterogeneity over the cross section of the casting and increase the mechanical properties of cast metal with any method of producing castings, reduce the voltage required to modify the metal to safe values, increase efficiency.
Поставленная задача решается тем, что через затвердевающую отливку пропускают электрический ток синусоидальной или импульсной формы с частотой выше 5,0 кГц и плотностью от 1•103 до 1•105 А/м2. Для формирования заданного распределения зерна по сечению отливки пропускают ток через границу раздела твердое-жидкое в направлении, близком к нормали, с заданным изменением его частоты.The problem is solved by the fact that an electric current of sinusoidal or pulse shape with a frequency above 5.0 kHz and a density of 1 • 10 3 to 1 • 10 5 A / m 2 is passed through the hardened casting. To form a predetermined grain distribution over the casting cross section, a current is passed through the solid-liquid interface in a direction close to the normal with a given change in its frequency.
Подвод электричества к расплавленному металлу осуществляют через неподвижные электроды, контактирующие с жидким или твердым металлом. Во втором случае один из электродов всегда контактирует с жидким металлом, а второй электрод контактирует с жидким металлом только в начальный момент заполнения формы, с началом кристаллизации через затвердевший металл. The supply of electricity to the molten metal is carried out through fixed electrodes in contact with liquid or solid metal. In the second case, one of the electrodes is always in contact with the liquid metal, and the second electrode is in contact with the liquid metal only at the initial moment of filling the mold, with the onset of crystallization through the solidified metal.
Метод базируется на использовании тока с частотой от 5 кГЦ и выше. Позволяет регулировать значение средней энергии свободных электронов и управлять процессом термогенерации - рекомбинации свободных электронов, что приводит к заполнению валентных уровней ионов расплавленного металла, снижая при этом вероятность установления межкластерных связей. Дополнительно электрический ток при пересечении границы раздела жидкость - твердое тело смещает существующий там потенциальный барьер и избыточный заряд, связанные с градиентом электронной концентрации. Смещение избыточного заряда внешним электрическим полем в сторону жидкой фазы приводит к образованию устойчивых межкластерных связей. Смещение этого же заряда в сторону твердой фазы блокирует образование связей, но ускоряет диффузионные процессы, что приводит к увеличению размеров зерен. Регулируя частоту внешнего поля добиваются требуемого в данной области отливки размера зерен. Подводимая к кристаллизующемуся металлу дополнительная мощность практически не влияет на температуру расплава. Плотность тока, используемого для модифицирования структуры отливки, изменяется в пределах от 1•103 до 1•105 А/м2. Использование импульсного тока со скважностью более 2 позволяет вести модифицирование в режиме экономии энергоресурсов. Совокупность регулируемых параметров позволяет влиять на размер зерна в любом металле, выравнивать химическую неоднородность и распределение легирующих элементов и примесей. Источник тока, в котором одновременно используется регулирование всех параметров, необходим только в случае выбора параметров регулирования на стадии отработки технологии или при использовании для литья нескольких различных по составу сплавов или металлов, во всех остальных случаях частотное регулирование можно исключить. Амплитудное значение тока определяется площадью сечения отливки, значением плотности тока и составом кристаллизующегося металла, причем для цветных металлов оно выше, чем для черных.The method is based on the use of current with a frequency of 5 kHz and higher. It allows you to adjust the average energy of free electrons and control the process of thermogeneration - recombination of free electrons, which leads to filling the valence levels of the ions of the molten metal, while reducing the likelihood of establishing intercluster bonds. Additionally, the electric current when crossing the liquid – solid interface displaces the potential barrier existing there and the excess charge associated with the electron concentration gradient. The shift of the excess charge by an external electric field towards the liquid phase leads to the formation of stable intercluster bonds. The shift of the same charge towards the solid phase blocks the formation of bonds, but accelerates diffusion processes, which leads to an increase in grain size. By adjusting the frequency of the external field, the grain size required in the casting area is achieved. The additional power supplied to the crystallizing metal has practically no effect on the temperature of the melt. The current density used to modify the structure of the casting varies from 1 • 10 3 to 1 • 10 5 A / m 2 . The use of pulse current with a duty cycle of more than 2 allows for modification in the energy saving mode. The set of adjustable parameters allows you to influence the grain size in any metal, to even out the chemical heterogeneity and distribution of alloying elements and impurities. A current source in which the regulation of all parameters is simultaneously used is necessary only if the regulation parameters are selected at the stage of technology development or when several alloys or metals of different composition are used for casting; in all other cases, frequency regulation can be excluded. The amplitude value of the current is determined by the cross-sectional area of the casting, the current density and the composition of the crystallizing metal, and for non-ferrous metals it is higher than for ferrous.
Заявителю не известны технические решения, в которых описаны способы влияния на химическую неоднородность отливки любого металла или сплава, а также способы управления размерами зерен без изменения химического состава отливки или отвода тепла от кристаллизующегося расплава. Не известны методы управления кристаллизацией, пригодные для любых металлических материалов и для любого способа литья. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "существенные отличия". Предлагаемый способ модифицирования структуры отливок реализуется в установках непрерывной разливки следующим образом. Один из зажимов генератора переменного тока присоединяется к корпусу кристаллизатора, второй зажим присоединяется к электроду, вводимому в расплавленный металл в стальковше или промковше. Электрод можно использовать расходуемый или охлаждаемый. Переменное напряжение заданной частоты включается одновременно с началом подачи жидкого металла в кристаллизатор. Параметры электрического тока, формируемые генератором, определяются в процессе отработки технологического процесса и поддерживаются в соответствии с утвержденной технологией. По окончании работы установки источник тока отключается. В качестве источника переменного тока можно использовать электромеханические генераторы с синусоидальной формой сигнала, работающие на частотах выше 5 кГц, или импульсные генераторы с тем же нижним значением генерируемой частоты. В целях экономии энергоресурсов можно использовать импульсы малой длительности (наносекундного диапазона), поскольку длительность импульса и среднее значение тока не влияют на результат модифицирования структуры. Основное влияние оказывает амплитудное значение плотности тока. Положительный эффект от пропускания электрического тока проявляется для сплавов на основе железа при плотностях тока 103 А/м2 и более, причем для каждого материала нижний предел плотности тока устанавливается в процессе отработки технологии. Реализация способа в других литейных установках предполагает введение электродов в расплавленный металл в двух точках формы таким образом, чтобы отливка имела минимальное сечение в перпендикулярной направлению электрического тока плоскости.The applicant is not aware of technical solutions that describe methods for influencing the chemical heterogeneity of a casting of any metal or alloy, as well as methods for controlling grain sizes without changing the chemical composition of the casting or heat removal from the crystallizing melt. Not known crystallization control methods suitable for any metallic materials and for any casting method. Thus, the proposed method meets the criterion of "significant differences". The proposed method for modifying the structure of castings is implemented in continuous casting plants as follows. One of the clamps of the alternator is connected to the mold body, the second clamp is connected to the electrode introduced into the molten metal in the steel ladle or tram ladder. The electrode can be used consumable or refrigerated. An alternating voltage of a given frequency is turned on simultaneously with the beginning of the supply of liquid metal to the mold. The parameters of the electric current generated by the generator are determined during the development of the technological process and are maintained in accordance with the approved technology. At the end of the installation, the current source is turned off. Electromechanical generators with a sinusoidal waveform operating at frequencies above 5 kHz, or pulse generators with the same lower value of the generated frequency, can be used as an alternating current source. In order to save energy, pulses of short duration (nanosecond range) can be used, since the pulse duration and the average current value do not affect the result of modifying the structure. The main influence is exerted by the amplitude value of the current density. The positive effect of the transmission of electric current is manifested for iron-based alloys at current densities of 10 3 A / m 2 or more, and for each material the lower limit of the current density is established during the development of the technology. The implementation of the method in other foundries involves the introduction of electrodes into the molten metal at two points in the mold so that the casting has a minimum cross section in the plane perpendicular to the direction of electric current.
При формировании отливок с заданным распределением размеров зерна в различных сечениях или в отливках сложной конфигурации используется программируемый источник тока, а размещение электродов, их количество и способ коммутации определяются на основании предварительных исследований. В этом случае система электродов должна обеспечивать протекание тока в направлении, близком к нормали поверхности раздела твердой и жидкой фаз отливки. When forming castings with a given distribution of grain sizes in different sections or in castings of complex configuration, a programmable current source is used, and the placement of the electrodes, their number and switching method are determined on the basis of preliminary studies. In this case, the electrode system should ensure the flow of current in a direction close to the normal of the interface between the solid and liquid phases of the casting.
Предлагаемый способ позволяет модифицировать структуру любого металла при любом способе литья. При использовании частотного способа регулирования размеров зерен и диапазона частот на пределе вытеснения тока на поверхность проводника предоставляется возможность измельчения зерна в десятки раз по сравнению с получаемым в обычных для данного способа литья условиях. The proposed method allows you to modify the structure of any metal with any casting method. When using the frequency method for regulating grain sizes and the frequency range at the limit of current displacement onto the surface of the conductor, it is possible to grind grain tens of times in comparison with that obtained under the usual conditions for this casting method.
Источники информации
1. Влияние полярности и плотности постоянного электрического тока на структуру сплава ЮНДК35Т5. / Леонтьев И.В., Гаврилин Н.В., Силерев А.Е., Власов В. Г. , Захаров В.П.// Металловедение и термообработка металлов. М.: Металлургия, 1978, 5, c. 49...52.Sources of information
1. The effect of the polarity and density of direct electric current on the structure of the alloy UNDK35T5. / Leontiev I.V., Gavrilin N.V., Silerev A.E., Vlasov V.G., Zakharov V.P. // Metallurgy and heat treatment of metals. M .: Metallurgy, 1978, 5, p. 49 ... 52.
2. Способ модифицирования структуры литого металла./ Патент RU 2027544С1, кл. B 22 D 27/02, 27.01.1995. 2. A method of modifying the structure of cast metal. / Patent RU 2027544C1, class. B 22 D 27/02, 01/27/1995.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000128545A RU2198067C2 (en) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Method for modifying structure of cast metal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000128545A RU2198067C2 (en) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Method for modifying structure of cast metal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000128545A RU2000128545A (en) | 2002-11-10 |
| RU2198067C2 true RU2198067C2 (en) | 2003-02-10 |
Family
ID=20242165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000128545A RU2198067C2 (en) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Method for modifying structure of cast metal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2198067C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801661C1 (en) * | 2022-12-19 | 2023-08-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий имени героя | Method of electrophysical influence on the metal melt in the process of crystallization |
| CN117210748A (en) * | 2023-08-22 | 2023-12-12 | 广东海洋大学 | Method for preparing gradient tissue hypereutectic high-chromium cast iron based on pulse current |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1480481A (en) * | 1974-08-14 | 1977-07-20 | Secr Defence | Casting of alloy articles |
| SU884851A1 (en) * | 1979-05-31 | 1981-11-30 | Предприятие П/Я М-5481 | Apparatus for exciting vibration of melt |
| RU2027544C1 (en) * | 1992-01-08 | 1995-01-27 | Дюдкин Дмитрий Александрович | Method of obtaining continuously cast metal |
-
2000
- 2000-11-14 RU RU2000128545A patent/RU2198067C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1480481A (en) * | 1974-08-14 | 1977-07-20 | Secr Defence | Casting of alloy articles |
| SU884851A1 (en) * | 1979-05-31 | 1981-11-30 | Предприятие П/Я М-5481 | Apparatus for exciting vibration of melt |
| RU2027544C1 (en) * | 1992-01-08 | 1995-01-27 | Дюдкин Дмитрий Александрович | Method of obtaining continuously cast metal |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801661C1 (en) * | 2022-12-19 | 2023-08-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий имени героя | Method of electrophysical influence on the metal melt in the process of crystallization |
| CN117210748A (en) * | 2023-08-22 | 2023-12-12 | 广东海洋大学 | Method for preparing gradient tissue hypereutectic high-chromium cast iron based on pulse current |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105132705B (en) | The method and device of vacuum magnetic control electric arc remelting refining metal | |
| CN100534669C (en) | Vertical semi-continuous light alloy ingot casting process and apparatus with cooperation of power ultrasound wave and low frequency electromagnetic wave | |
| CN101020228A (en) | Horizontal continuous light alloy casting process and apparatus with cooperation of power ultrasound wave and low frequency electromagnetic wave | |
| CN103056344B (en) | Method for controlling electroslag melting casting by added transient magnetic field and electroslag smelting casting device | |
| US4645534A (en) | Process for control of continuous casting conditions | |
| CN101624657A (en) | Method for magnetic control electroslag remelting and high-efficiency refining high temperature alloy and device therefor | |
| RU2089633C1 (en) | Device for melting and casting of metals and alloys | |
| CN101358280B (en) | A method for improving the solidification structure of carbon steel by using high-voltage electric pulse | |
| GB2265805A (en) | A combined electro-slag remelting/cold induction crucible system | |
| CN108273972A (en) | A kind of device and method of electromagnetic energy crystal grain refinement | |
| JP3426247B2 (en) | Electrode for plasma generator, generator with electrode, and method for solidifying molten metal | |
| RU2198067C2 (en) | Method for modifying structure of cast metal | |
| WO2002038820A3 (en) | Method for producing metal blocks or bars by melting off electrodes and device for carrying out this method | |
| CN113667831B (en) | Electroslag remelting device and method for refining solidified structure of electroslag ingot by dual power source coupling | |
| GB1103350A (en) | Method and apparatus for electroslag remelting | |
| DE2031844B2 (en) | Process for the production of a directionally solidified casting | |
| CN208680474U (en) | A device for electromagnetic energy grain refinement | |
| EP0081080A2 (en) | A process and apparatus for synchronized electromagnetic casting of multiple strands | |
| KR20210143495A (en) | Method for manufacturing cast alloy using electric application and cast alloy manufactured by the same | |
| JP2002086251A (en) | Alloy continuous casting method | |
| RU2027544C1 (en) | Method of obtaining continuously cast metal | |
| RU65799U1 (en) | DEVICE FOR CONTROL CRYSTALLIZATION OF CONTINUOUS INGOT | |
| GB2024063A (en) | Electromagnetic casting method and apparatus | |
| RU2242526C2 (en) | Method for producing of multilayer ingots by electroslag remelting process | |
| SU399306A1 (en) | METHOD FOR PROCESSING CRYSTALLIZED METAL |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111115 |