Устройство для литья металлических слитков

Устройство для литья металлических слитков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящая заявка выделена из заявки №2014140133 на выдачу патента РФ на изобретение, поданной 14.03.2013, с испрашиванием приоритета по дате подачи первой заявки US 61/614,790, поданной в Патентное ведомство США 23.03.2012.

Область техники

Изобретение относится к литью расплавленных металлов, в частности расплавленных металлических сплавов, посредством литья с прямым охлаждением или подобного литья. Более конкретно изобретение относится к устройству для литья металлических слитков.

Уровень техники

Металлические сплавы, особенно алюминиевые сплавы, часто формируют из расплавленного состояния, получая слитки или заготовки, которые впоследствии подвергают прокатке, горячей деформационной обработке и/или другим видам обработки для получения листов или пластин, используемых для изготовления многочисленного ассортимента изделий. Слитки часто получают литьем в кристаллизатор с прямым охлаждением, хотя возможно использование и эквивалентных способов литья, например электромагнитное литье (типовые варианты реализации такой технологии изложены, в частности, в патентах США №3,985,179 и №4,004,631 Гудриха и др. (Goodrich et al.)). Термин «литье с прямым охлаждением» означает, что в процессе литья охлаждающую среду наносят прямо на поверхность слитка или заготовки. Далее в описании обсуждается преимущественно литье в кристаллизатор с прямым охлаждением, хотя некоторые из изложенных принципов применимы для любых технологических процессов литья, при которых получают эквивалентные свойства микроструктуры литого металла.

Литье металлов (например, алюминия и алюминиевых сплавов - далее в целом именуемые «алюминием») с прямым охлаждением обычно выполняют в неглубоком, открытом, расположенном вертикально кристаллизаторе, имеющем стенку кристаллизатора (рабочую поверхность), окружающую полость кристаллизатора. В исходном положении кристаллизатор закрыт снизу с помощью подвижной плиты (часто называемой поддоном), которая остается на месте, пока в кристаллизаторе не накопится определенное количество расплавленного металла (так называемый материал затравки) и не начнется его охлаждение. Затем поддон двигают вниз с контролируемой скоростью так, что слиток постепенно выходит из нижней части кристаллизатора. Вокруг рабочей поверхности кристаллизатора обычно расположена рубашка охлаждения, через которую постоянно циркулирует охлаждающая среда, например вода, обеспечивая внешнее охлаждение рабочей поверхности кристаллизатора и расплавленного металла, находящегося в контакте с рабочей поверхностью кристаллизатора внутри полости литейной формы. Расплав алюминия (или другого металла) постоянно подают в верхнюю часть охлаждаемого кристаллизатора, восполняя металл, выходящий из нижней части кристаллизатора при движении поддона вниз. При фактически непрерывном движении поддона и соответственно непрерывной подаче расплава алюминия в кристаллизатор можно получать слитки заданной длины, которая ограничена только лишь имеющимся под кристаллизатором свободным пространством. Более подробно технология литья в кристаллизатор с прямым охлаждением описана в патенте США №2,301,027, выданном на имя Эннор (Ennor) (этот патент включен в настоящую заявку посредством ссылки), а также и в других патентах.

Хотя обычно процесс литья проводят вертикально так, как описано выше, процесс литья в кристаллизатор с прямым охлаждением можно проводить и горизонтально, т.е. при ориентации литейной формы отличной от вертикальной, а часто и в строго горизонтальном положении, что требует некоторых модификаций оборудования. В этих случаях процесс может быть, по существу, непрерывным, а заданную длину слитка можно получать, отрезая слиток по мере его выхода из кристаллизатора. В случае горизонтального непрерывного литья можно обойтись без внешнего охлаждения рабочей поверхности. Далее обсуждение признаков изобретения будет относиться к процессу вертикального литья в кристаллизатор, хотя общие соображения также применимы и для горизонтального литья.

Слиток, выходящий из нижней (выпускной) части кристаллизатора при литье с прямым охлаждением, очень твердый, но его сердцевина все еще находится в расплавленном состоянии. Иными словами, внутри кристаллизатора образуется полость расплавленного металла, растянутая книзу в центральной части слитка, который двигается вниз под кристаллизатор на некоторое расстояние, при этом формируется полость, заполненная расплавом внутри твердой наружной оболочки. Эта полость имеет постепенно сужающееся книзу поперечное сечение, формирующееся по мере остывания и кристаллизации металла от наружной поверхности внутрь тела слитка, пока сердцевина слитка окончательно не затвердеет. В данной заявке часть полученного литьем изделия, имеющую твердую оболочку и расплавленную сердцевину, будем называть «зародышевым слитком», который при полном отвердевании становится готовым литым слитком.

Как указано выше, обычно литье с прямым охлаждением осуществляют в кристаллизатор, стенки которого интенсивно охлаждают, в результате чего при контакте металла со стенками начинается охлаждение расплава. Часто стенки охлаждают с использованием первичной охлаждающей среды (обычно воды), которую пропускают через рубашку охлаждения, окружающую наружные поверхности стенок. При этом такое охлаждение часто называют «первичным охлаждением» металла. В этих случаях подачу первичной охлаждающей среды (например, воды) прямо на выходящий из кристаллизатора зародышевый слиток называют «вторичным охлаждением». Такое прямое охлаждение поверхности слитка используют для того, чтобы поддерживать периферийную часть слитка в твердом состоянии, получая удерживающую расплав оболочку и одновременно способствуя охлаждению внутренней части слитка и его полной кристаллизации. В большинстве случаев отвод тепла для получения литых слитков происходит преимущественно путем вторичного охлаждения.

Обычно под кристаллизатором имеется одна зона охлаждения. В типичном случае охлаждающее действие в указанной зоне осуществляют путем направленной подачи, по существу, непрерывного потока воды равномерно вокруг периферийной части слитка непосредственно под выпускным отверстием кристаллизатора, например, посредством выпуска воды из нижней части рубашки первичного охлаждения. При выполнении этого процесса вода с большой силой сталкивается на поверхностью слитка под значительным углом к этой поверхности, а затем стекает вниз по поверхности слитка, продолжая ее охлаждать, но постепенно снижая охлаждающее воздействие, пока температура поверхности слитка приблизительно не сравняется с температурой воды.

Из патента США №7,516,775, выданного 14 апреля 2009 г. Вагштафф и др. (Wagstaff et al.), известен способ литья расплавленного металла по указанной выше технологии, характеризующийся дополнительным признаком, в соответствии с которым жидкую охлаждающую среду, используемую при вторичном (т.е. прямом) охлаждении, удаляют с наружной поверхности слитка на определенном расстоянии ниже выхода кристаллизатора с помощью очищающих средств. Очищающие средства могут представлять собой охватывающий слиток эластомерный элемент, через который пропускают слиток, либо возможен вариант выполнения очищающих средств в виде струй текучей среды (газа или жидкости), направленных в противоток потоку вторичной охлаждающей среды, чтобы сбить вторичную охлаждающую среду с поверхности слитка. Необходимость удаления вторичной охлаждающей среды с поверхности слитка вызвана тем, что нужно поднять температуру наружной твердой оболочки зародышевого слитка, чтобы она приблизилась к температуре все еще расплавленной внутренней ее части за время, достаточное для того, чтобы в твердом металле произошли структурные изменения. Установлено, что эти структурные изменения напоминают или повторяют структурные изменения, которые происходят во время стандартной гомогенизации твердых литых слитков после литья и полного их охлаждения. Подъем температуры оболочки после удаления охлаждающей среды обусловлен как перегревом расплавленного металла внутри слитка по сравнению с охлаждаемой наружной поверхностью, так и скрытой теплотой, которая продолжает выделяться во время кристаллизации расплава внутри слитка. В результате эффекта восстановительного нагрева получается так называемая гомогенизация на месте, или гомогенизация in-situ, благодаря чему нет необходимости дополнительно проводить стадию стандартной гомогенизации после литья. Более подробно указанный процесс гомогенизации описан в патенте США №7,516,775, который полностью включен в настоящую заявку посредством ссылки.

Хотя процесс гомогенизации in-situ оказался более эффективным для достижения заданной цели, при этом было обнаружено, что при определенных обстоятельствах (например, когда отливают слитки особо крупного размера) процесс сопровождается нежелательными эффектами. Например, когда твердая наружная оболочка слитка нагревается после удаления охлаждающей среды, граница раздела между твердым и расплавленным металлом начинает двигаться внутри слитка, в результате чего металлическая фаза эвтектического состава (последний расплавленный метал для кристаллизации) скапливается в больших карманах между ранее кристаллизовавшимися зернами дендритной структуры, имеющей другой химический состав металла на границе раздела. Кристаллизация скопившегося металла эвтектического состава в результате приводит к образованию структуры, состоящей из крупных частиц металла. В определенных случаях использования литых слитков такая крупнозернистая структура может быть нежелательна. Удаление вторичной охлаждающей среды с помощью очищающих средств также ведет к изменению характеристик полости расплава (скопления расплавленного металла в центральной части зародышевой слитка). По сравнению со структурой слитка, полученного стандартными способами литья, это может привести к более серьезным изменениям химического состава по толщине слитка, которые называют макроликвацией. Если частично отвердевшая область между полностью жидкой и твердой областями, называемая зоной частичной кристаллизации или зоной пористости, становится толще, то деформация коробления, вызванная усадкой при кристаллизации, может усиливаться. Коробление, вызванное усадкой при кристаллизации, происходит, когда кристаллы алюминия (или кристаллы другого растворенного металла) остывают и начинают сжиматься. Сжимающиеся кристаллы создают разрежение, которое втягивает обогащенную растворенным металлом жидкую фазу из верхней части зоны частичной кристаллизации вниз в небольшие трещины на дне зоны. В результате этого явления центральная часть слитка обедняется растворенными элементами, в то время как поверхность слитка или заготовки обогащается растворенными элементами. Еще одно явление, приводящее к макроликвации, носит название термоконцентрационной конвекции; это явление также усиливается с увеличением толщины зоны частичной кристаллизации. При термоконцентрационной конвекции жидкий металл, входящий в холодную зону сверху полости расплавленного металла возле стенки кристаллизатора и охлаждающих кристаллизатор форсунок, остывает и становится более плотным. Вследствие своей большей плотности он погружается в расплав и может перемещаться через верхнюю часть зоны частичной кристаллизации вдоль профиля полости расплава вниз по направлению к центру слитка. В результате такого явления обогащенный расплав направляется к центру слитка, что приводит к повышению концентрации растворенных веществ в центре слитка и понижению концентрации растворенных веществ на поверхности слитка. Третье явление, определяющее макроликвацию, - это блуждающие зерна кристаллов. Первый кристалл, образующийся в алюминиевом сплаве, обеднен легирующими элементами в системах эвтектического состава. В верхней области зоны частичной кристаллизации эти кристаллы свободны и могут легко двигаться. Если такие кристаллы опускаются вниз на дно полости, что происходит в результате действия гравитации и термоконцентрационной конвекции, то концентрация элементов в центре слитка будет снижаться по мере того, как такие кристаллы скапливаются на дне полости расплава. Это явление также может быть нежелательно в некоторых случаях.

В патенте США №3,763,921, выданном на имя Бер и др. (Behr et al.) 9 октября 1973 г., раскрыта технология литья металлов с прямым охлаждением, по которой охлаждающую среду удаляют с поверхности слитка сразу под кристаллизатором, а несколько ниже на поверхность слитка вновь наносят охлаждающую среду. Это делают для того, чтобы избежать трещинообразования слитков и добиться высоких скоростей литейного процесса.

В патенте США №5,431,214, выданном на имя Отаки и др. (Ohatake et al.) 11 июля 1995 г., раскрыта охлаждаемая литейная форма, имеющая внутри первую и вторую рубашки охлаждения. Вниз по ходу слитка в форме предусмотрены очищающие средства для удаления охлаждающей воды. Ниже очищающих средств расположена форсунка. Данное техническое решение более пригодно для слитков в виде заготовок малого диаметра.

Требуется разработать такую модификацию указанного выше процесса гомогенизации in-situ, которая позволяет минимизировать или избежать всех или некоторых из указанных негативных эффектов, если они нежелательны при использовании получаемых литых слитков по назначению.

Раскрытие изобретения

В соответствии с примером осуществления изобретения предлагается устройство для литья металлических слитков, содержащее: (a) открытый на концах кристаллизатор с прямым охлаждением, имеющий область, в которой расплавленный металл, поступающий в кристаллизатор через впускное отверстие, ограничен на периферии стенками кристаллизатора, благодаря чему обеспечивается создание периферийной части расплавленного металла, поступающего в кристаллизатор, а также выпускное отверстие кристаллизатора, вмещающее подвижную нижнюю плиту; (b) камеру, окружающую стенки кристаллизатора для размещения первичной охлаждающей среды, охлаждающей стенки кристаллизатора, тем самым реализуя охлаждение периферийной части расплавленного металла с образованием зародышевого слитка, имеющего наружную твердую оболочку и внутреннюю расплавленную сердцевину; (c) подвижную опору для нижней плиты, которая обеспечивает движение плиты от выпускного отверстия кристаллизатора в направлении роста слитка по мере подачи расплавленного металла в кристаллизатор через впускное отверстие, что позволяет формировать зародышевый слиток, имеющий расплавленную сердцевину и твердую наружную оболочку; (d) струйные средства для направленной подачи первой охлаждающей жидкости на наружную поверхность зародышевого слитка; (e) очищающие средства для удаления первой охлаждающей жидкости с наружной поверхности зародышевого слитка вдоль наружной поверхности слитка в первом положении, в котором поперечное сечение слитка, перпендикулярное направлению его роста, пересекается с частью расплавленной сердцевины и (f) выпускные отверстия для подачи второй охлаждающей жидкости на наружную поверхность зародышевого слитка во втором положении, в котором поперечное сечение слитка, перпендикулярное направлению его роста, пересекается с частью расплавленной сердцевины, при этом через указанные выпускные отверстия вторую охлаждающую жидкость подают в количестве меньшем, чем количество первой охлаждающей жидкости, подаваемой струйными средствами.

Использование указанного выше варианта осуществления изобретения может привести к результатам, заключающимся в уменьшении размера частиц, получившихся в результате перекристаллизации после горячей прокатки слитка, и/или в снижении макроликвации по сравнению со слитком, обработанным стандартным способом гомогенизации in-situ в процессе литья.

Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения приведены далее со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

фиг. 1 - иллюстрирует вертикальное поперечное сечение кристаллизатора с прямым охлаждением, используемого в оборудовании для известного из уровня техники процесса литья с гомогенизацией in-situ;

фиг. 2 - иллюстрирует поперечное сечение, подобное тому, что приведено на фиг. 1, но соответствующее одному из примеров реализации настоящего изобретения;

фиг. 3A - иллюстрирует схему горизонтального сечения слитка с фиг. 2 ниже очищающих средств, на которой показаны форсунки и струи третичного охлаждения слитка (закалка в воде);

фиг. 3B - схематично иллюстрирует вид сбоку с частичным разрезом слитка с фиг. 3A, на котором приведены места локализации контакта струй третичного охлаждения с поверхностью слитка;

фиг. 4-9, 10A, 11A, 12A, 13A, 14A, 14B, 15A и 15B - представляют собой графики, построенные по результатам проведенных экспериментов, обсуждение которых приведено ниже в описании в разделе «Примеры»;

фиг. 10B, 11B, 12B и 13B - представляют собой схемы, иллюстрирующие локализацию на слитке образцов, которые использовались для построения графиков, приведенных на фиг. 10A, 11A, 12A и 13A соответственно;

фиг. 16A, 16B, 16C, 17A, 17B, 17C, 18A, 18B, 18C, 19A, 19B и 19C - представляют собой фотографии металлических слитков в соответствии с указанными примерами; и

фиг. 16D, 17D, 18D и 19D представляют собой схемы, иллюстрирующие локализацию на слитке образцов, которые использовались для получения фотографий.

Осуществление изобретения

Далее приведено описание процесса литья с прямым охлаждением алюминиевых сплавов, которые использованы в описании только в качестве примера, поскольку обсуждаемые выше проблемы могут встречаться и в других сплавах эвтектического и перитектического состава, если сплавы подвергают процессу литья с прямым охлаждением in-situ.

Таким образом, далее приведены примеры осуществления изобретения. В действительности изобретение в общем применимо к различным способам литья металлических слитков, а также к литью большинства сплавов, особенно легких металлических сплавов и, в частности, к тем сплавам, которые характеризуются температурой превращений выше 425°C (797°F), в частности выше 450°C (842°F), и свойства которых можно улучшить путем гомогенизации после литья перед горячей обработкой, например, перед прокаткой для получения листов или пластин. Кроме сплавов на основе алюминия другие примеры полученных по указанной технологии литых слитков включают сплавы на основе магния, меди, цинка, свинцово-оловянные сплавы и сплавы на основе железа.

На сопроводительных чертежах фиг. 1 представляет собой копию фиг. 1 из патента США №7,516,775, которая приведена здесь для того, чтобы проиллюстрировать устройство и оборудование, используемые при гомогенизации in-situ. На чертеже приведено упрощенное изображение вертикального поперечного сечения литейной машины 10 с прямым охлаждением. Специалисту в соответствующей области техники, конечно, будет понятно, что такая литейная машина может быть частью большой группы литейных машин, одновременно работающих в аналогичных режимах, т.е. которые вместе составляют комплекс стола для литья в несколько форм.

Расплавленный металл 12 подают через впускное отверстие 15 в расположенный вертикально, открытый водоохлаждаемый кристаллизатор 14 и далее металл 12 выходит в виде литого слитка 16 из выпускного отверстия 17 кристаллизатора. Верхняя часть слитка 16, представляющая собой зародышевый слиток, имеет сердцевину 24 расплавленного металла, образующего сужающуюся внутрь полость 19 расплава внутри твердой оболочки 26, толщина которой растет по мере увеличения расстояния от выпускного отверстия 17 кристаллизатора при охлаждении зародышевой части слитка, пока окончательно не сформируется затвердевший литой слиток на определенном расстоянии ниже выпускного отверстия 17 кристаллизатора. Понятно, что кристаллизатор 14, имеющий водоохлаждаемые стенки (рабочие поверхности), которые охлаждаются благодаря охлаждающей жидкости, протекающей через рубашку охлаждения, обеспечивает первичное охлаждение расплавленного металла, ограничивает на периферии и охлаждает расплавленный металл, чтобы началось формирование твердой оболочки 26; при этом остывающий металл движется наружу из кристаллизатора через выпускное отверстие 17 в направлении движения, указанном стрелкой A. Струи 18 охлаждающей жидкости направлены от рубашки охлаждения на внешнюю поверхность слитка 16 по мере его выхода из формы, осуществляя прямое охлаждение, в результате воздействия которого оболочка 26 становится более толстой и процесс охлаждения усиливается. В качестве охлаждающей жидкости обычно используют воду, но возможно использование и других жидких сред, например этиленгликоля, который применяют для специальных сплавов, таких как алюминиево-литиевые сплавы.

Стационарные кольцевые очищающие средства 20, имеющие ту же (обычно прямоугольную) форму, что и слиток, приводят в контакт с наружной поверхностью слитка в месте, находящемся на расстоянии X ниже выпускного отверстия 17 кристаллизатора, что приводит к удалению охлаждающей жидкости (представленной на чертеже в виде потоков 22) с поверхности слитка так, что ниже очищающих средств поверхность части слитка свободна от охлаждающей жидкости при дальнейшем росте слитка. Видно, что потоки 22 охлаждающей жидкости стекают с очищающих средств 20, при этом они удаляются от поверхности слитка 16 на такое расстояние, чтобы не оказывать существенного дополнительного охлаждающего эффекта.

Расстояние X (между выпускным отверстием кристаллизатора и очищающими средствами) предусмотрено для того, чтобы обеспечить удаление охлаждающей жидкости со слитка там, где слиток все еще является зародышевым (т.е. в той части, где слиток все еще содержит расплавленную сердцевину 24 в полости 19 внутри твердой оболочки 26). Иными словами, очищающие средства 20 располагают там, где поперечное сечение слитка, перпендикулярное направлению движения A, пересекается с частью сердцевины 24 расплавленного металла зародышевого слитка. В положениях ниже верхней поверхности очищающих средств 20 (где происходит удаление охлаждающей жидкости), продолжающееся остывание и кристаллизация расплавленного металла внутри сердцевины слитка высвобождает скрытую теплоту кристаллизации и количество физического тепла, которое направляется к твердой оболочке 26 и которое до удаления охлаждающей жидкости отводилось с помощью струйных средств 18. В результате выделения скрытой теплоты и переноса физического тепла от сердцевины к оболочке в отсутствии принудительного (с помощью охлаждающей жидкости) прямого охлаждения температура твердой оболочки 26 (в областях ниже той части, где охлаждающую жидкость удаляют с помощью очищающих средств 20) растет относительно температуры оболочки непосредственно выше очищающих средств, приближаясь к температуре расплавленного металла сердцевины на уровне, установленном выше температуры протекания процесса гомогенизации in-situ. По крайней мере для алюминиевых сплавов указанное сближение температур обычно устанавливают на уровне примерно 425°C (797°F) или выше, предпочтительно на уровне 450°C (842°F) или выше. Из практических соображений, обусловленных необходимостью проведения температурных измерений, температура сближения (температур нагрева расплавленной сердцевины и твердой оболочки) принимается равной «температуре восстановительного нагрева», которая представляет собой максимальную температуру, до которой может нагреться внешняя поверхность твердой оболочки в рассматриваемом процессе после удаления вторичной охлаждающей жидкости, и которую намного легче контролировать.

Предпочтительно, чтобы температура восстановительного нагрева поднялась как можно выше 425°C (797°F), и в общем случае, чем больше указанная температура, тем лучше достигнутый результат гомогенизации in-situ; однако при этом температура восстановительного нагрева, конечно, не может вырасти до температуры начала плавления металла, поскольку остывшая и отвердевшая наружная оболочка 26 поглощает тепло, выделяемое сердцевиной, и устанавливается предел росту температуры восстановительного нагрева. При этом стоит упомянуть, что температура восстановительного нагрева, величина которой обычно составляет по меньшей мере 425°C (797°F), обычно превышает температуру отжига металла (отжиг алюминиевых сплавов обычно проводят при температурах от 343 до 415°C (650-779°F)).

Температура 425°C (797°F) представляет собой критическую температуру для большинства алюминиевых сплавов, поскольку при более низких температурах внутри отвердевшей структуры скорость диффузии металлических элементов становится слишком малой для нормализации или выравнивания химического состава сплава по зерну. При указанной температуре и выше, в частности выше 450°C (842°F), скорости диффузии достаточно высоки, чтобы обеспечить необходимое выравнивание химического состава, определяющее гомогенизацию in-situ.

Фактически часто требуется, чтобы температура сближения достигла определенной минимальной величины выше 425°C (797°F). Обычно для конкретного сплава существует некоторая температура перехода, величина которой находится между 425°C (797°F) и температурой плавления конкретного сплава, например температура растворения или температура превращения. При такой температуре и выше в сплаве происходят определенные микроструктурные изменения, например переход от β-фазы к α-фазе, или образование интерметаллических структур. Если температуру сближения задают на уровне, превышающем температуру соответствующего превращения, то в дальнейшем в структуре сплава можно производить заданные трансформации.

Как уже упоминалось, более подробную информацию по способу и устройству для осуществления гомогенизации in-situ можно получить из патента США. 7,516,775.

На фиг. 2 приведена одна из форм устройства в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. Указанное устройство частично подобно устройству с фиг. 1, поэтому нумерация позиций на чертеже совпадает с нумерацией на фиг. 1. Как и на фиг. 1, показано вертикальное поперечное сечение прямоугольной литейной машины 10 с прямым охлаждением, в которой осуществляют процесс литья прямоугольного слитка 16, имеющего широкие противоположные поверхности 25A (см. фиг. 3A), которые обычно называют плоскостями прокатки, и узкие торцевые поверхности 25B. Поперечное сечение на фиг. 2, сделанное по центральной вертикальной плоскости параллельно узким торцевым поверхностям 25B слитка, показывает зародышевый слиток, имеющий сужающуюся полость 19 расплавленного металла 24. Вертикальное сечение под прямыми углами к указанному сечению (сделанное по центральной плоскости параллельно плоскостям прокатки 25A) выглядело бы точно так же, за исключением того, что из-за большей ширины слитка в этом направлении дно полости расплава получилось бы, по существу, плоским приблизительно между точками, расположенными на четверти толщины слитка (т.е. между точками, распложенными на расстоянии ¼ и ¾ от узких торцов по толщине слитка). Как и в случае фиг. 1, устройство имеет вертикально расположенный водоохлаждаемый открытый на концах кристаллизатор 14, впускное отверстие 15 и выпускное отверстие 17. Расплавленный метал подают в кристаллизатор через трубку 26, по которой металл проходит через съемный металлический сетчатый мешочный фильтр 27, выполненный с возможностью распределять металл, поступающий в верхнюю часть слитка. Металл подвергают первичному охлаждению в кристаллизаторе 14, при этом в контакте со стенками кристаллизатора он начинает образовывать твердую оболочку 26. Зародышевый слиток выходит из выпускного отверстия 17, где он подвергается воздействию охлаждающей жидкости от струйных средств 18, которые обеспечивают прямое охлаждение наружной поверхности слитка 16. Указанное устройство также содержит очищающие средства 20, которые, так же как и в варианте на фиг. 1, выполнены с возможностью полного охвата зародышевого слитка 16, выходящего из выпускного отверстия, и служат для удаления охлаждающей жидкости, подаваемой струйными средствами 18 так, что охлаждающая жидкость контактирует с внешней поверхностью слитка только на протяжении некоторого расстояния X ниже выпускного отверстия кристаллизатора. Аналогично средствам, изображенным на фиг. 1, очищающие средства 20 расположены в том месте слитка, где он еще является зародышевым, т.е. там, где слиток имеет твердую оболочку 26 вокруг полости 19, содержащей расплавленный металл 24, благодаря чему устройство может быть использовано для проведения in-situ процесса гомогенизации на твердой оболочке по мере роста слитка вниз. Однако в отличие от устройства на фиг. 1, устройство на фиг. 2 содержит ряд форсунок 28, по меньшей мере в центральных областях широких плоскостей 25A прокатки, и через форсунки брызги 30 охлаждающей жидкости направляют вниз на поверхность слитка, с которой ранее удалили охлаждающую жидкость. Под воздействием брызгающих средств слиток подвергается так называемой закалке, т.е. дальнейшему прямому охлаждению. Охлаждающая жидкость брызгающих средств 30 может представлять собой ту же жидкую охлаждающую среду, которую подают струйными средствами 18, и обычно это вода. Действительно, если необходимо, можно получить брызгающие средства 30, используя охлаждающую воду, ранее удаленную со слитка с помощью очищающих средств 20, если перенаправить ее через форсунки 28. Форсунки 28 наклонены внутрь и книзу так, что брызгающие средства 30 контактируют с наружной поверхностью слитка в локальных точках 32, находящихся на расстоянии Υ ниже того места, где очищающие средства 20 удаляют охлаждающую жидкость с наружной поверхности слитка (т.е. на расстоянии Υ от верхней поверхности очищающих средств 20). Места 32 локализации считают местами, в которых основные потоки брызгающих средств 30 первыми входят в контакт с наружной поверхностью слитка. При стандартных скоростях литья (например, от 30 до 75 мм/мин (1.18-2.95 дюймов/мин), обычно при 40-65 мм/мин (1.57-2.56 дюймов/мин), а часто примерно при 65 мм/мин (2.56 дюймов/мин) расстояние Υ предпочтительно составляет от 150 до 450 мм (5.9-17.7 дюймов), более предпочтительно от 250 до 350 мм (9.8-13.8 дюймов), а в общем случае около 300 мм (11.8 дюймов) ±10%. При скоростях литья больше 75 мм/мин (2.95 дюймов/мин), что в настоящее время н етипично для используемых промышленных технологий, раскрываемые в заявке технологические процессы также будут применимы при условии проведения минимально необходимых корректировок. По мере возрастания скорости литья расстояние Υ обычно также увеличивают, поскольку при этом требуются большие расстояния от очищающих средств, чтобы обеспечить восстановительный нагрев оболочки металла после прекращения воздействия вторичного охлаждения. В общем случае при росте слитка на расстояние Υ предпочтительно дать наружной оболочке металла разогреться по меньшей мере на 100°C (212°F) и иногда примерно до 400°C (752°F), хотя наиболее типичным является интервал температур нагрева от 200 до 400°C (392-752°F). Таким образом, сначала температура наружной оболочки снижается при выходе из кристаллизатора и под воздействием охлаждающей жидкости от струйных средств 18, а затем снова возрастает после того, как охлаждающую жидкость удаляют с помощью очищающих средств, достигая температуры первого восстановительного нагрева; затем температура поверхности оболочки снова снижается под воздействием закалки от брызгающих средств 30, а после температура снова растет, достигая температуры второго восстановительного нагрева по мере ослабления эффекта охлаждения от закалки и по мере того, как тепло от все еще расплавленной сердцевины начинает преобладать. Таким образом, наружная оболочка, в конце концов, нагревается до температуры второго восстановительного нагрева (что является индикатором того, что достигнуто сближение температур оболочки и расплавленной сердцевины, что и требуется при гомогенизации in-situ) перед тем, как постепенно остыть до температуры окружающей среды (что может составить несколько часов или дней при проведении охлаждения на воздухе).

Температура наружной поверхности слитка 16 в местах 32 обычно достаточно высока, чтобы началось пузырьковое кипение или даже пленочное кипение закалочной жидкости и последующие испарение и отвод жидкости с поверхности металла (вызванное отеканием или расплескиванием). Это, в общем, означает, что закалка может быть эффективна на достаточно ограниченном расстоянии от мест 32 вдоль поверхности слитка, в частности не более нескольких дюймов.

Целью закалки, осуществляемой с помощью брызгающих средств 30, является отвод достаточного количества тепла со слитка, чтобы полость расплава, изображенная пунктиром в позиции 19ʹ (соответствующей положению, в котором в отсутствии закалки от брызгающих средств 30 образовались бы стенки полости расплава), была более мелкой и стала полостью 19, позиция которой на чертеже обозначена сплошной линией. То есть при охлаждении с действующими брызгающими средствами 30 зародышевый слиток полностью кристаллизуется в более высокой точке слитка, чем при отсутствии указанного охлаждения. Стрелкой В показано, как тепло отводят от наружной части слитка с помощью охлаждающей среды брызгающих средств 30, и что в результате уровень полости расплава поднимается так, как показано стрелкой C. С помощью указанных средств, в зависимости от размера слитка и других переменных параметров, можно поднять полость расплава на 100-300 мм, обычно на 150-200 мм. Как видно из фиг. 2, результатом третичного охлаждения является более мелкая полость расплава 19, имеющая стенку под меньшим углом к горизонтали, по сравнению с углом, образующимся между стенкой и горизонталью в отсутствие третичного охлаждения полости 19ʹ. На фиг. 2 не показан еще один результат дополнительного охлаждения брызгающими средствами 30, который заключается в образовании более узкой зоны частичной кристаллизации. В готовом полностью затвердевшем литом слитке указанные результаты могут совместно снизить макроликвацию, обусловленную усадкой при кристаллизации, термоконцентрационной конвекцией и блуждающими зернами.

Как отмечалось выше, закалочную жидкую среду (брызгающие средства 30) сначала подают в место на заготовке, в котором, если бы не воздействие третичного охлаждения, слиток все еще была бы зародышевым, т.е. его сердцевина все еще находилась бы в расплавленном состоянии. Охлаждение при закалке приводит к уменьшению глубины полости расплава, но не настолько, чтобы слиток полностью затвердел в данном месте. Это означает, что после закалки слиток все еще имеет расплавленную сердцевину, что ведет к восстановительному нагреву наружной оболочки после прекращения воздействия охлаждения. Фактически брызгающие средства 30 третичного охлаждения предпочтительно использовать в месте, соответствующем половине, или немного менее, предзакалочной глубины полости расплава (глубины расплава в центре полости), более предпочтительно не более чем на уровне трех четвертей предзакалочной глубины полости расплава. Хотя при закалке достигается охлаждение, достаточное для уменьшения глубины полости расплава, оно не должно быть слишком сильным, чтобы не мешать процессу необходимой гомогенизации in-situ, который проводят после закалки. Иными словами, все еще должен произойти восстановительный нагрев твердого металла слитка (при температуре второго восстановительного нагрева) выше температуры фазовых превращений в металле (например, выше 425°C (797°F)) в течение соответствующего времени (обычно по меньшей мере 10 минут, предпочтительно 30 минут и дольше), чтобы реализовать заданные изменения структуры металла. Хотя закалка временно снижает температуру внешней твердой оболочки металла ниже температуры первого восстановительного нагрева, вследствие ее краткой длительности и ограниченного воздействия температура слитка снова поднимается до величины температуры второго восстановительного нагрева после израсходования закалочной жидкой среды. Краткость и ограниченность эффекта закалки обусловлены, частично, имеющим место пузырьковым или пленочным кипением (которое приводит к испарению и/или к удалению с поверхности охлаждающей среды), а также пониженным уровнем расхода охлаждающей жидкости (за единицу времени и на единицу длины по перифе