ES3056010T3 - Method and device for directional crystalisation of castings - Google Patents

Abstract

El objeto de la invención es un método y un dispositivo para la cristalización direccional de piezas fundidas con estructura orientada o monocristalina. El método se basa en el hecho de que durante la transferencia del molde (1) se observa la forma del frente de cristalización utilizando la cámara termográfica (9) y se registran las temperaturas externas Tzx del molde (1) y las temperaturas internas Twx del molde (1) y se analizan los gradientes transversales.Un dispositivo para la producción de piezas fundidas con una estructura orientada o monocristalina, equipado con la cámara termográfica (9) fijada de forma estable a un elemento fijo del horno, el centro óptico S y el eje óptico horizontal O, dirigidos dentro de la cámara, al eje vertical P del cristalizador (3), y el eje óptico horizontal (O) de la cámara (9) y el eje vertical P del cristalizador móvil (3) están situados en un plano, y el área de medición observada (14) de la cámara está a la altura del tabique térmico (8) y cubre la parte inferior de la zona de calentamiento (5) y la parte superior de la zona de enfriamiento (7). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Método y dispositivo para la cristalización direccional de piezas fundidas

[0003] El objeto de la invención es un dispositivo y un método para la cristalización direccional de piezas fundidas. La invención se refiere al ámbito de la tecnología de producción de fundición, en particular al tratamiento de la masa fundida en un molde de fundición mediante su enfriamiento, y a los dispositivos para dicho tratamiento, y puede aplicarse en la producción de piezas fundidas de aleaciones resistentes al calor y a la fluencia, especialmente en fundiciones de precisión a gran escala para aplicaciones en la industria aeronáutica o energética.

[0004] Existen métodos conocidos para producir piezas fundidas con estructura orientada o monocristalina utilizando un horno de vacío de dos cámaras, en el que una de las cámaras (cámara superior) es una zona de calentamiento y la otra (cámara de la torre) es una zona de enfriamiento. Estos métodos consisten en mover (extraer) un molde cerámico lleno de metal líquido desde la zona de calentamiento a la zona de enfriamiento, lo cual se realiza a una velocidad constante o variable según un perfil predeterminado, llamado velocidad de extracción del molde.

[0005] El método más utilizado para fundir álabes de turbina con estructura orientada o monocristalina es el método Bridgman, que consiste en introducir un molde cerámico colocado sobre una base de cobre enfriada en una zona de calentamiento, generalmente una camisa de grafito calentada por resistencia o inducción situada en una cámara de vacío, y luego, se vierte la masa fundida de la superaleación (resistente al calor y resistente a la fluencia) desde el crisol en un molde previamente calentado a una temperatura superior a la temperatura de liquidus de la aleación. El molde lleno de superaleación líquida se traslada desde la zona de calentamiento a la zona de enfriamiento a través de la abertura de la partición de aislamiento térmico, que preferiblemente es una partición térmica entre ambas zonas, durante este proceso, el calor se disipa de la superficie del molde por radiación, que tiene lugar en la zona de enfriamiento situada debajo de la partición de aislamiento térmico. Como resultado, se produce un lento proceso de cristalización direccional en la denominada región líquidosólido de la aleación. Una característica distintiva de este método es el uso del fenómeno de la radiación térmica para enfriar el molde de fundición vertido con la aleación. El dicho molde se traslada de la zona de calentamiento a la zona de enfriamiento a una velocidad predeterminada, generalmente constante, independientemente del gradiente de temperatura real obtenido en el proceso en la zona del frente de cristalización.

[0006] El método cubierto por la patente US10082032 es el más extenso y tiene el mayor potencial para influir en la formación de la macro y microestructura de la pieza fundida, ya que tiene en cuenta diversos métodos de control del proceso, tales como: control de la velocidad del molde, control del caudal de gas de enfriamiento, control de la temperatura de la masa fundida, que se llevan a cabo en base a la medición de la temperatura mediante termopares. Sin embargo, la patente se refiere únicamente a la producción de piezas fundidas equiaxiales, y el método de medición utilizado, es decir, la colocación de termopares en las zonas de calentamiento y la zona de enfriamiento, constituye una medición indirecta en la zona de enfriamiento. Esta medición no está directamente relacionada con la temperatura del molde enfriado ni con el gradiente de temperatura en el frente de cristalización, sino que depende de muchos otros factores, tales como el peso del molde con la superaleación en proceso de cristalización, las dimensiones y la geometría del molde, la distancia del termopar de la superficie de la pieza fundida, la presión en el horno, etc. Por lo tanto, el resultado de dicha medición es difícil de relacionar directamente con la temperatura en la superficie del molde o en su interior. Se conoce desde la especificación de la patente polaca No. P.432486 (WO 2021/137708 A1). El método conocido comprende transferir a la zona de calentamiento un molde de fundición de cerámica colocado sobre un cristalizador conectado mediante un mecanismo de accionamiento vertical ascendente y descendente, llenar el molde con aleación fundida procedente de un crisol, trasladar el molde lleno de la zona de calentamiento a la zona de enfriamiento, hasta la cristalización completa de la pieza fundida, que se separa del molde una vez finalizado el proceso. Mientras el molde que contiene la aleación se desplaza de la zona de calentamiento a la zona de enfriamiento, la temperatura de la superficie del molde se mide en tiempo real por encima y por debajo del frente de cristalización en al menos dos puntos. La medición se realiza utilizando termómetros sin contacto. Al menos uno de los puntos de medición, el más bajo, se encuentra en la zona de enfriamiento. El valor del gradiente de temperatura de estos puntos es analizado por el PLC en el bucle de retroalimentación entre el sistema de medición del gradiente de temperatura y el mecanismo de caída del molde y/o los reguladores de flujo másico o volumétrico que regulan los caudales de gas inerte cuando el soplado de gas apoya el proceso de enfriamiento del molde. El valor de la diferencia de temperatura instantánea en tiempo real se utiliza para ajustar dinámicamente la velocidad de transferencia del molde desde la zona de calentamiento a la zona de enfriamiento y/o para regular el caudal o la composición de la mezcla de gases.

[0007] El dispositivo conocido para implementar el método descrito comprende una cámara de vacío que incluye un crisol para fundir la aleación y verter la masa fundida en un molde de fundición montado sobre un cristalizador enfriado y que se mueve verticalmente en la dirección de arriba hacia abajo mediante un mecanismo de accionamiento, y la cámara de vacío tiene una zona de calentamiento y una zona de enfriamiento separadas por una partición aislante térmica horizontal en forma de disco con una abertura central, en la cámara de vacío se instalan al menos dos medidores de temperatura sin contacto, con al menos uno, el más bajo, ubicado en la zona de enfriamiento (7). Preferiblemente, en la carcasa de la zona de refrigeración se monta un colector de gas anular con eyectores de gas que suministran corrientes de gas inerte a un caudal determinado por reguladores de flujo. Preferiblemente, se debería instalar al menos un termómetro sin contacto en la zona de calefacción. Preferiblemente, los termómetros sin contacto en un dispositivo con un colector de gas instalado están dispuestos de tal manera que el inferior se encuentre por debajo del plano de las boquillas de suministro de gas refrigerante, y el otro por encima del plano, de modo que el área donde la corriente de gas inerte que fluye desde las boquillas anulares impacta en el colector de gas se encuentre entre los termómetros.

[0009] La ubicación de los medidores de temperatura sin contacto descritos anteriormente permite la medición del gradiente longitudinal/vertical [K/cm], que es un parámetro de proceso tradicional utilizado en la industria y que afecta la calidad de las piezas fundidas.

[0011] Steinbach S. et al. en un artículo “The Influence of Fluid Flow on the Microstructure of Directionally Solidified AlSi-Base Alloys” (METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A. SPRINGER US. Nueva York: vol.

[0012] 38A. no. 7, 1 de julio de 2007 (2007-07:-01), p. 1388-1394, XP001508233, ISSN: 1073-5623, DOI:10.1007/SI1661-007-9162-1) presenta el proceso de solidificación direccional en la instalación de hornos basados en aerogel ARTEMIS. La solidificación direccional desde el calentador inferior al superior se lleva a cabo desplazando un perfil de temperatura apropiado a lo largo de la muestra. Es esencial para la instalación el control óptico de los parámetros del proceso: debido a la transparencia del material del crisol. Aerogel de sílice, el movimiento del frente de solidificación durante los experimentos se puede detectar con una cámara lineal de dispositivo de carga acoplada (CCD) (256 píxeles, sensibilidad de 0.9 a 2.2 µm). A partir de estas mediciones ópticas, se puede determinar la velocidad de solidificación y el gradiente de temperatura debido a la conductividad térmica extremadamente baja de los aerogeles (-0.05 mW/Km), las isotermas en la muestra son planas: debido a las propiedades del aerogel, se podría acercar mucho un dispositivo de campo magnético a la muestra. El dispositivo de campo magnético consiste de tres pares de bobinas alrededor de la muestra alimentadas por una corriente trifásica que crea un RMF homogéneo: esto hace posible la generación de un flujo de fluido controlado en la masa fundida cerca de la interfaz sólido-líquido en crecimiento. El método utilizado no permite la medición de la temperatura, análisis posteriores ni control del proceso.

[0014] Una desventaja común de las soluciones mencionadas es la falta de control continuo y totalmente automático del gradiente de temperatura transversal real en la zona del frente de cristalización, y no se observa la forma ni la ubicación del frente de cristalización, es decir, la zona líquido-sólido.

[0016] Los inconvenientes señalados provocaron que se llevaran a cabo ensayos y estudios adicionales con el fin de desarrollar un método y un dispositivo mejorados.

[0018] El objetivo de la invención era desarrollar un método y un dispositivo que implementara dicho método, permitiendo optimizar la producción de piezas fundidas, minimizando el tiempo de cristalización en hornos de fundición al vacío mediante la observación y regulación continua del campo de temperatura en la zona líquidosólido, incluyendo la observación del gradiente de temperatura transversal (horizontal) y la observación de la posición de la zona líquido-sólido. Al desarrollar la invención, se asumió que el gradiente transversal debía ser lo más pequeño posible, y que la zona líquido-sólido / frente de cristalización debía ubicarse preferiblemente lo más cerca posible de la partición térmica.

[0020] Como resultado de las pruebas y ensayos realizados sobre el proceso de fundición y cristalización de álabes de turbinas de motores de aeronaves o álabes de turbinas de potencia, se encontró que una curvatura demasiado grande del frente de cristalización, equivalente a un gradiente transversal demasiado grande, causaba defectos de fundición. La curvatura del frente de cristalización, es decir, el aumento del gradiente transversal en la sección transversal del álabe, aumenta con el incremento de la velocidad de extracción del molde. Por otro lado, se encontró que la compensación del aumento de la curvatura causado por el aumento de la velocidad de extracción del molde era el aplanamiento del frente de cristalización como resultado del soplado de gas sobre los álabes. Las conclusiones anteriores, derivadas de los ensayos y pruebas realizados, condujeron al desarrollo de un nuevo método y dispositivo para la cristalización direccional de piezas fundidas.

[0021] Resultó que el uso de una cámara termográfica con los parámetros adecuados y correctamente montada, es decir, en el espacio cercano al impacto del flujo de gas inerte que sale de los eyectores de gas, aseguraría la observación de la distribución del espectro de temperatura en la sección transversal de la parte activa del álabe y/o su unión, que actualmente se están cristalizando. El espectro de temperatura se analiza continuamente, lo que permite un control dinámico del soplado de gas inerte, con el objetivo de obtener el mejor frente de cristalización horizontal homogéneo posible (el menor gradiente transversal) dentro de la porción del álabe del perfil aerodinámico y la unión del álabe. Al mismo tiempo, por otro lado, permite el control de la velocidad de extracción del molde durante el soplado con gas lo que produce el mismo efecto que el mejor frente de cristalización transversal homogéneo posible.

[0022] El alcance de la presente invención está definido por las reivindicaciones independientes 1 y 2, y otras realizaciones de la invención se especifican en las reivindicaciones dependientes 3 y 4.

[0024] Una ventaja indiscutible de la invención es la opción de utilizarla en condiciones industriales para la producción a gran escala y de alto rendimiento de álabes de turbina, logrando así el máximo rendimiento posible del horno y la eficiencia energética del proceso, manteniendo al mismo tiempo la macro y microestructura requeridas de la pieza fundida.

[0026] Gracias al uso del control continuo y automático del gradiente de temperatura transversal y de la posición de la zona líquido-sólido, es posible llevar a cabo el proceso en el menor tiempo posible y con la macro y microestructura requerida de la pieza fundida, independientemente de la geometría y el tamaño de la sección transversal de los ítems de piezas fundidas. Si se utiliza la medición del campo de temperatura sin contacto, es posible utilizar el método de acuerdo con la invención a escala industrial, en cualquier proceso. Entonces, el método de acuerdo con la invención no requiere el uso de moldes especialmente preparados ni procedimientos que consumen mucho tiempo para instalar sensores de medición en el molde.

[0028] El objeto de la invención, en sus realizaciones, se ilustra en el dibujo, donde la Fig. 1 muestra el horno en sección longitudinal en una realización en la que la cámara está montada dentro de la cámara de vacío, con el molde en forma de álabe en la posición superior, completamente en la zona de calentamiento con el detalle A marcado esquemáticamente. La Fig.2 muestra el detalle A de la Fig.1 con los puntos de medición marcados Tw y Tz, ubicados en los bordes del molde, entre los cuales se mide el gradiente de temperatura transversal, los puntos de medición se encuentran en el área de medición de la cámara termográfica con centro óptico S y eje óptico horizontal O y un ángulo de visión constante que cubre la parte líquido-sólido de la pieza fundida. La Fig.3 muestra el horno en sección longitudinal en una realización en la que la cámara está montada dentro de la cámara de vacío, con el molde en forma de álabe en una posición intermedia durante el proceso de extracción, parcialmente en la zona de calentamiento y parcialmente en la zona de enfriamiento, con el detalle marcado esquemáticamente . B, la Fig. 4 muestra el detalle B de la Fig.3, la Fig. 5 muestra el horno con el molde en la posición inferior en una realización en la que la cámara termográfica se encuentra fuera de la cámara de vacío. La Fig. 6 muestra el horno en sección longitudinal en una realización en la que la cámara está montada dentro de la cámara de vacío, con el molde en forma de álabe en la posición inferior durante el proceso de extracción, completamente en la zona de enfriamiento, con el detalle C marcado esquemáticamente, la Fig.7 muestra el detalle C de la Fig.6, mostrando la posición de la cámara termográfica en una variante en la que la cámara termográfica se encuentra dentro de la cámara de vacío y el molde en la posición inferior, la Fig. 8 muestra una cámara de enfriamiento separada con un colector de gas anular con eyectores de gas en perspectiva, la Fig.9 muestra una variante de la fundición en forma de álabe de turbina de geometría variable. la Fig.10 muestra, en escala de grises, la distribución de temperatura para la siguiente variante de la fundición del álabe en el proceso de cristalización con enfriamiento por gas y la velocidad de extracción de 3 mm/min en tres posiciones: a) posición inicial como en la Fig.1, el molde completamente en la zona de calentamiento, metal en la fase líquida en todo el volumen del álabe; b) una posición intermedia como en la Fig.3, el molde parcialmente en la zona de calentamiento y parcialmente en la zona de enfriamiento, la zona líquido-sólido visible, gradiente transversal significativo en forma de isotermas diagonales visible; c) posición final como en la Fig. 6, todo el molde en la zona de enfriamiento, el metal cristalizado en todo el volumen del álabe. En la posición intermedia, se observan isotermas que reflejan la forma del frente de cristalización y la zona líquido-sólido, Fig. 11 a, banda c muestran las distribuciones de temperatura para el misma álabe en la Fig. 10 para el proceso con una velocidad de extracción de 12 mm/min. Las isotermas visibles en la Fig.11b, debido a la mayor velocidad de extracción combinada con el soplado de gas, son más horizontales en comparación con las isotermas de la Fig. 10b, la Fig. 12 muestra el álabe en una posición intermedia, es decir, parcialmente en la zona de calentamiento y parcialmente en la zona de enfriamiento, y muestra la geometría del ángulo de visión de la cámara igual al área de medición 2H y las distancias d1, d2, d3 desde el centro óptico de la lente de la cámara hasta los puntos de medición en el molde a las alturas donde se ubican los pares de puntos de medición Tz1-Tw1, Tz2-Tw2 y Tz3-Tw3, y la Fig. 13 es un diagrama que muestra el principio de variación de la distancia d medida desde el centro óptico S de la cámara hasta los puntos de medición en el borde del molde y la mitad de la altura del área de medición H, dependiendo de la posición del molde con geometría variable, manteniendo constante la relación d/H, la Fig. 14 muestra esquemáticamente la distancia D de la cámara con un punto de vista fijo desde el punto exterior PK. el cristalizador en el momento de la instalación, cuando la distancia D es tal que la altura del área de medición 2H medida a lo largo de la línea recta OK paralela al eje del cristalizador P y perpendicular al eje óptico O y que pasa por el punto exterior del cristalizador PK es menor o igual a 200 mm.

[0030] Realización 1

[0032] Un dispositivo que comprende una cámara de vacío 2, en el que un crisol 6 está posicionado para fundir la aleación y verter la masa fundida en un molde de fundición 1 montado sobre un cristalizador refrigerado 3 y se desplazaba verticalmente hacia arriba y hacia abajo mediante un mecanismo de transferencia 4 equipado con un servoaccionamiento 15. La cámara de vacío tiene una zona de calentamiento 5 y una zona de enfriamiento 7 separados por una partición aislante térmica horizontal 8 en forma de disco con una abertura central, la zona de calentamiento 5 formado por una mufla de grafito 19 con un inductor 17 separadas por una capa aislante térmica 18. La zona de enfriamiento 7 posee una carcasa refrigerada en forma de camisa de agua tubular 13, inmediatamente debajo del tabique de aislamiento térmico 8, en la circunferencia de la carcasa 13 de la zona de enfriamiento 7 hay un colector de gas anular 11 con eyectores de gas dispuestos radialmente 12. Las boquillas de los eyectores de gas 12 se dirigen hacia el centro de la zona de enfriamiento 7. Cada eyector está conectado a un regulador de flujo de masa 16 que regula el caudal del gas inerte. Todo está conectado al PLC. En la cámara de vacío 2, la cámara termográfica 9 con un rango de medición de 700 °C a 2000 °C, resistente al vacío y a las condiciones térmicas dentro de la cámara.2, está instalado en el soporte 20. El centro óptico de la cámara S se encuentra a la altura del tabique de aislamiento térmico 8. La distancia D del centro óptico de la lente S de la cámara montada de forma estable desde el punto externo PK del cristalizador 3 moviéndose junto con el molde, situado en su borde en el eje óptico O de la cámara 9, más cercano al centro de simetría S de la cámara, es la altura de un triángulo isósceles cuya base 2H es la altura del área de medición 14. El cristalizador 3 tiene una sección transversal circular con un diámetro K. La dimensión máxima del molde 1 no excede el diámetro del cristalizador. En el dispositivo mencionado anteriormente, álabes de turbina de motor de aeronave o álabes de turbina de potencia 10 están hechos, y consisten, entre otras cosas, de la unión del álabe y la porción del álabe del perfil aerodinámico. La Figura. 9 muestra un álabe fabricado con una altura total de 88 mm, un ancho de porción de álabe aerodinámica de 30 mm y un ancho de unión de álabe de 40 mm. Para la producción, moldes cerámicos de caparazón 1 utilizaron, preparados mediante el método de la cera perdida, con un espesor de pared de 7 mm ± 1 mm. El molde de fundición precalentado 1 se coloca en la cámara de vacío 2 del horno, en el cristalizador 3 refrigerado por agua, utilizando la unidad 4 esta se transfiere a lo largo del eje vertical del cristalizador P a la zona de calefacción 5 bajo el crisol 6. La zona de calefacción 5, la zona de enfriamiento 7 y el crisol 6 se encuentran en la cámara de vacío 2. El molde cerámico 1 en la zona de calefacción 5 se calienta a una temperatura de 1,510 °C, que es superior a la temperatura de liquidus de la aleación. En el crisol 6, se funde la superaleación de níquel CMSX-4 y, tras calentarla a una temperatura superior a la del liquidus, es decir, 1510 °C, este se vierte en el molde cerámico 1 y luego el molde 1 se extrae, es decir, este se transfiere desde la zona de calentamiento 5 a través de una abertura en el tabique aislante térmico horizontal 8 a la zona de enfriamiento 7. En la zona de enfriamiento 7 existe un dispositivo para suministrar corrientes de gas refrigerante en forma de colector de gas anular 11 equipados con eyectores de gas 12, en la cantidad de dos eyectores 12 para una sola muestra 10 o sus otras variantes. Desde estos eyectores, dispuestos radialmente en la circunferencia de la zona de enfriamiento 7 un chorro de argón, inclinado a un ángulo de 10° con respecto al plano horizontal, se dirige a velocidad supersónica hacia el molde.

[0033] 1, y al mismo tiempo el sistema de bomba de vacío funciona de tal manera que la presión en el horno se mantiene en O, 16 bar abs. La cantidad de argón que fluye hacia el colector de gas anular 11 está controlada por una válvula másica a un nivel constante de 400 Ndm<3>/min. La transferencia se lleva a cabo mediante el sistema de control dinámico de la velocidad de transferencia 4 del molde 1 de la zona de calefacción 5 a la zona de enfriamiento 7, equipado con el servoaccionamiento 15. Este opera de forma continua durante el proceso en un bucle de retroalimentación cerrado entre el sistema de medición del gradiente de temperatura transversal/horizontal ΔTP en el área de la zona líquido-sólido 14 basado en la medición continua de la temperatura del molde 1 utilizando la cámara termográfica 9 a diferentes alturas del molde, en el área líquidosólido, y el mecanismo de descenso del molde, es decir, el accionamiento 4 del cristalizador 3 con un diámetro K, sobre el cual el molde 1 se coloca relleno de superaleación. El PLC que analiza los valores instantáneos de la diferencia de temperatura (ΔTP=Tz-Tw) en la zona líquido-sólido, los compara con el valor establecido de 15 K y controla dinámicamente la velocidad de transferencia del molde 1 para mantener el gradiente transversal/horizontal ΔTP por debajo de 15 K en la superficie del molde en la zona líquido-sólido. Esto garantiza que el proceso se lleve a cabo en el menor tiempo posible y que se mantengan la macro y microestructura requeridas de la pieza fundida, independientemente de la geometría y el tamaño de la sección transversal de los ítems de piezas fundidas. Las temperaturas superficiales del molde 1 en la zona de calefacción 5 y la zona de enfriamiento 7 se miden en forma de espectro de temperatura utilizando la cámara termográfica 9 en el área de medición que incluye 100 mm por encima y 100 mm por debajo del tabique de aislamiento térmico 8. El área de medición 14 depende de la forma cambiante del molde de fundición. En la Fig.13 se define la mitad de la altura del área de medición como la altura H1 y H2 medido desde el eje óptico horizontal O de la cámara. Las alturas H1 y H2 dependen de la distancia real del centro óptico S de la cámara 9 desde la superficie del molde 1 definido como d1 y d2. La relación H/d es constante. La distribución del campo de temperatura en la superficie del molde 1 en el contorno del álabe 10 es analizado por el software de la cámara termográfica 9 en toda el área de medición 14 (±100 mm) y, a partir de esta imagen, se determina la ubicación y la forma del área líquido-sólido, que para el metal fundido CMSX-4 se encuentra en el rango de temperatura de 1320 °C - 1380 °C. Para cálculos posteriores, el área de estudio del gradiente de temperatura se reduce al área líquido-sólido. El controlador lógico del horno cambia continuamente la velocidad de transferencia del molde 1 para mantener la velocidad de transferencia del molde 1 más alta posible en el rango de 50 mm/min, evitando al mismo tiempo el aumento del gradiente transversal/horizontal ΔTP en el área líquidosólido por encima del valor establecido de 15 K. En el método utilizado, se obtuvieron ocho álabes fundidos 10, que incluyen seis piezas fundidas con una estructura monocristalina y dos piezas fundidas con granos secundarios. Además, un álabe con estructura monocristalina presentaba un defecto de tipo astilla, y 5 álabes estaban libres de defectos. A lo largo del proceso, la velocidad de extracción del molde 1 se mantuvo dentro del límite establecido de 2-50 mm/min y el proceso se llevó a cabo bajo vacío de gas inerte.

[0035] Realización 2:

[0036] El dispositivo es como en la realización 1, pero la cámara de vacío 2 está equipada con el puerto adicional 22 con el visor 21, en la que la cámara termográfica 9 se instala en el lado exterior, en el soporte 20. En esta realización, a diferencia de la realización 1, la cámara instalada 9 no tiene por qué cumplir los requisitos de vacío y térmicos dentro de la cámara de vacío 2. El rango de medición de la cámara es el mismo que en la realización 1 y es de 700 - 2000 °C. El área de medición también permanece sin cambios y está en el rango de aproximadamente 100 mm por encima y 100 mm por debajo del tabique de aislamiento térmico 8. Todo está conectado al PLC.

[0038] Realización 3

[0040] El sistema de control dinámico de los caudales de los componentes de gas inerte opera continuamente durante el proceso en un bucle de retroalimentación cerrado entre el sistema de medición del gradiente de temperatura transversal/horizontal ΔTP en la zona líquido-sólido 14 basado en la medición continua de la temperatura del molde 1 utilizando la cámara termográfica 9 a diferentes alturas del molde 1, en el área líquido-sólido, y los reguladores de flujo másico 16 que regulan los caudales de los componentes de gas inerte. El PLC analiza los valores instantáneos de la diferencia de temperatura (ΔT=Tz-Tw) en la zona líquido-sólido, los compara con el valor establecido de 15K y controla dinámicamente los caudales de los componentes de gas inerte, manteniendo al mismo tiempo una velocidad de transferencia del molde constante desde la zona de calentamiento 5 a la zona de enfriamiento 7 con el fin de mantener el gradiente transversal/horizontal ΔTP por debajo de 15K, garantizando el menor tiempo posible del proceso y manteniendo la macro y microestructura requeridas de la pieza fundida, independientemente de la geometría y el tamaño de la sección transversal de los ítems de piezas fundidas 10. Al modificar el caudal de los componentes de gas inerte, es posible afectar el valor de la densidad de flujo de calor que recibe la superficie del molde en el área del frente de cristalización 14.

Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo para la cristalización dirigida de piezas fundidas, con estructura orientada o monocristalina, que comprende una cámara de vacío con un crisol para fundir la aleación y verter la masa fundida en un molde de fundición montado sobre un cristalizador refrigerado y desplazado verticalmente mediante un mecanismo de accionamiento, la cámara de vacío tiene una zona de calentamiento y una zona de enfriamiento separadas por una partición aislante térmica horizontal en forma de disco con una abertura central, en la zona de enfriamiento hay un colector de gas anular con eyectores de gas que suministran a la cámara corrientes de gas inerte a un caudal regulado por reguladores de flujo, se caracteriza por que éste está equipado con una cámara termográfica (9), fijada de forma estable a un elemento fijo del horno, con un campo de visión fijo, el centro óptico S y el eje óptico horizontal O, dirigidos hacia el interior de la cámara, al eje vertical P del cristalizador (3), y el eje óptico horizontal O de la cámara (9) y el eje vertical P del cristalizador móvil (3) se encuentran en un plano, el área de medición observada (14) de la cámara está a la altura de la partición térmica (8) y cubre la parte inferior de la zona de calentamiento (5) y la parte superior de la zona de enfriamiento (7), y la distancia D del centro óptico S de la lente de la cámara establemente montada del punto externo (PK) del cristalizador (3) situado en su borde, en el eje óptico O de la cámara (9), más cercano al centro de simetría S de la cámara, es la altura de un triángulo isósceles cuya base 2H es igual a la altura del área de medición (14), y la longitud de la base 2H del triángulo isósceles es menor o igual a 200 mm, y la cámara (9) está conectada a un PLC que analiza los datos de la cámara y está conectada al servoaccionamiento (15) del cristalizador (3) y a los reguladores de flujo másico (16) de la corriente de gas en los eyectores de gas (12), en donde el dispositivo está configurado para registrar las temperaturas externas Tz del molde (1) y las temperaturas internas Tw del molde (1), y configurado para determinar sobre la base de los valores obtenidos de Tw y Tz, el gradiente de temperatura transversal ΔTP.

2. Método de cristalización dirigida de piezas fundidas con estructura monocristalina, que comprende transferir a la zona de calentamiento un molde cerámico montado sobre un cristalizador refrigerado conectado mediante un mecanismo de accionamiento vertical, dentro de una cámara de vacío que comprende un crisol, llenar el molde con aleación fundida desde un crisol, y desplazar el molde lleno desde la zona de calentamiento a la zona de enfriamiento a través de una partición aislante térmica horizontal en forma de disco con una abertura central provista de un colector de gas anular con eyectores que suministran a la cámara un flujo de gas con caudal regulado hasta la cristalización completa de la pieza fundida, la cual se separa del molde una vez finalizado el proceso, en donde mientras el molde (1) que contiene la aleación se desplaza desde la zona de calentamiento (5) a la zona de enfriamiento (7), se observa en tiempo real la forma del frente de cristalización (la zona líquido-sólido) mediante una cámara termográfica (9), fijada de forma estable a un elemento fijo del horno, con un campo de visión fijo, el centro óptico S y el eje óptico horizontal O, orientados hacia el interior de la cámara, alineados con el eje vertical P del cristalizador (3), y el eje óptico horizontal O de la cámara (9) y el eje vertical P del cristalizador móvil (3) se encuentran en un plano, y las temperaturas externa de Tz del molde 1 y las temperaturas internas Tw del molde (1), se registran, el área de medición observada (14) se ubica a la altura de la partición térmica (8) y abarca la parte inferior de la zona de calentamiento (5) y la parte superior de la zona de enfriamiento (7) del molde (1), donde la distancia D del centro óptico S de la lente de la cámara, montada de forma estable, al punto externo (PK) del cristalizador (3), situado en su borde sobre el eje óptico O de la cámara (9) más cercano al centro de simetría S de la cámara, es la altura de un triángulo isósceles cuya base 2H coincide con la altura del área de medición (14), y la longitud de la base 2H del triángulo isósceles es menor o igual a 200 mm, y, sobre la base de los valores obtenidos de Tw y Tz, se determina el gradiente de temperatura transversal ΔTP, que es la diferencia entre la temperatura externa Tz y la temperatura interna Tw a al menos dos alturas del molde (1), y a la mitad de la altura del área de medición (14), definida como H para la medición de Tz y Tw, medida desde el eje óptico horizontal O de la cámara (9), es dependiente de la distancia real d del centro óptico S desde el punto de medición en la superficie del molde (1), luego, los valores determinados del gradiente de temperatura ΔTP y los valores de las temperaturas medidas Tw y Tz se analizan mediante un PLC conectado a la cámara, ubicado entre el sistema de medición del gradiente de temperatura transversal y el mecanismo de descenso del molde, y el controlador está conectado al servoaccionamiento (15) y a los reguladores de flujo másico (16) que regulan los caudales de gas inerte en los eyectores (12), y los valores instantáneos del gradiente de temperatura transversal ΔTP, determinados en tiempo real, y los valores de las temperaturas medidas Tz y Tw, se analizan mediante PLC que entonces envía las señales de control y/o regulación apropiadas al servoaccionamiento (15) y los reguladores de flujo (16), que permiten el ajuste dinámico de la velocidad de movimiento del molde (1) desde la zona de calentamiento (5) a la zona de enfriamiento (7) y/o el control dinámico del caudal de gas de tal manera que el gradiente transversal sea lo más pequeño posible y la zona líquido-sólido esté lo más cerca posible de la partición térmica (8).

3. Un método de cristalización direccional de la reivindicación 2, en donde la cámara de imágenes térmicas (9) está montada dentro de la cámara de vacío (2) en la carcasa (13) de la zona de enfriamiento (7) mediante el soporte (20).

4. Un método de cristalización direccional de la reivindicación 2, en donde la cámara de imágenes térmicas (9) está montada fuera de la cámara de vacío (2) en la carcasa exterior del horno mediante el soporte (20), utilizando el puerto adicional (22) y el visor (21).