[发明专利]非接触式熔融金属流动控制

说明书

本发明公开用于在铸造(例如，铸锭、钢坯或片坯的铸造)期间使用磁场(例如，变化的磁场)来控制金属流动状态的系统和方法。所述磁场可使用旋转的永磁体或电磁体来引入。所述磁场可用于在所述熔融池的表面周围诱导所述熔融金属在期望的方向上、诸如以旋转模式移动。所述磁场可用于在所述熔融池中诱导出金属流动状态以提高所述熔融池和所产生铸锭中的均一性。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年5月21号提交的、标题为“MAGNETIC BASED STIRRING OFMOLTEN ALUMINUM”的美国临时申请号62/001,124以及于2014年10月7号提交的、标题为“MAGNET-BASED OXIDE CONTROL”的美国临时申请好62/060,672的权益，两者均以引用的方式整体并入本文。

技术领域

本公开大体涉及金属铸造，并且更具体地说涉及改进铝铸造期间的晶粒形成。

背景

在金属铸造过程中，熔融金属进入到模具腔体中。对于一些类型的铸造，使用具有假底或活底的模具腔体。当熔融金属大体从顶部进入模具腔体时，假底以与熔融金属的流动速率相关的速率降低。侧面附近已经凝固的熔融金属可用于保持熔融池中的液态或部分液态金属。金属可以是99.9％固态的(例如，完全固态的)、100％液态的以及其间的任何状态。由于固态区的厚度随着熔融金属的冷却而增加，熔融池可呈现V形、U形或W形。固态与液态金属之间的界面有时称为凝固界面。

当熔融池中的熔融金属变成处于近似0％固态至近似5％固态之间时，可发生成核现象并且可形成小金属晶体。这些小(例如，纳米尺寸)晶体开始形成为晶核，随着熔融金属的冷却，所述晶体继续在优选方向上增长以形成枝晶。当熔融金属冷却到枝晶搭接点(例如，对于用于饮料罐端部的5182铝，为632℃)时，枝晶开始粘在一起。根据熔融金属的温度和固态百分比，晶体可包括或捕集不同的颗粒(例如，金属间化合物或氢气泡)，诸如铝的某些合金中的FeAl₆、Mg₂Si、FeAl₃、Al₈Mg₅以及总H₂(gross H₂)的颗粒。

此外，当熔融池边缘附近的晶体在冷却期间收缩时，尚未凝固的液态成分或颗粒可从晶体(例如，从晶体的枝晶之间)被排斥出来或挤出并且可在熔融池中累积，从而导致颗粒的不均匀平衡或铸锭内可溶合金元素较少。这些颗粒可独立于凝固界面移动并且具有多种密度和活跃的反应，从而导致在正在凝固铸锭内优先沉淀。此外，池内可具有停滞区。

合金元素在晶粒的长度尺度上的不均一分布称为微观偏析。相反，宏观偏析是在大于一个晶粒(或数个晶粒)的长度尺度(诸如高达数米的长度尺度)内的化学不均一性。

宏观偏析可导致不良的材料特性，它们可能是某些用途(诸如航空航天框架)所特别不期望的。不同于微观偏析，宏观偏析无法通过典型的均化实践(例如，在热轧之前)来解决。虽然一些宏观偏析金属间化合物(例如，FeAl₆、FeAlSi)可在轧制期间分解，但是一些金属间化合物(例如，FeAl₃)呈现抵抗在轧制期间分解的形状。

虽然将新的热的液态添加到金属池中形成一些混合，但可能期望进行另外的混合。公有领域中的一些当前的混合方法不能很好地发挥作用，因为它们增加了氧化物生成。

此外，铝的成功混合包括其他金属中不存在的挑战。铝的接触式混合可导致使结构弱化的氧化物和夹杂物的形成，这些氧化物和夹杂物产生所不期望的铸造制品。由于铝的导热性、导磁性和导电性特性，铝的非接触式混合可能是困难的。

除了通过一些混合方法形成了氧化物之外，当熔融金属倾泻到模具腔体中时，金属氧化物也可形成并聚集。金属氧化物、氢和/或其他夹杂物可在模具腔体内的熔融金属的顶部上聚集成泡沫或氧化渣。例如，在铝铸造期间，金属氧化物的一些实例包括氧化铝、氧化铝锰以及氧化铝镁。