NO852912L - Kontinuerlig fremgangsmaate til fremstilling av aluminium-lithium-legeringer. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår fremstilling av aluminium-litium-legeringer. Mer spesielt angår denne oppfinnelse en forbedret fremgangsmåte til kontinuerlig tilsetning av smeltet litium til en smeltet aluminiumstrøm i prosessforløpet under dannelse av en aluminium-litium-legering.

Ved fremstilling av aluminiumbaserte legeringer er det vanlig å tilsette legeringsbestanddelene som faststoffer til smeltet aluminium i en åpen smelteovn. Legeringsbestanddelene, vanligvis i form av en for-metall-legering eller rene metaller, neddykkes vanligvis under overflaten av den smeltede aluminium for å sikre hurtigere smelting med minimal oksydasjon av legeringsbestanddelene. Den smeltede blanding blir deretter avgasset for senkning av hydrogeninnholdet i smeiten ved at det bobles en gass, såsom klor, argon og blandinger derav, gjennom smeiten.

Det er blitt stadig større interesse for fremstilling av aluminium-litium-legeringer på grunn av kombinasjonen av den lette vekt og høye styrke som en slik legering kan fremstilles med. Imidlertid er dannelsen av aluminium-litium-legeringer betydelig vanskeligere på grunn av reaksjonen mellom aluminium-litium-legeringer med ildfaste foringer i ovnen, den hurtige oksydasjonshastighet hos litium og den samtidige dannelse av rikelige mengder skum, hydrogen-oppfangning i den smeltede legering, uheldig røkutvikling og material-gradienter i støpe-blokken på grunn av litiums tilbøyelighet til oksydasjon under bearbeidelse av den smeltede legering etter tilsetning av litium. Ved konvensjonelle fremgangsmåter kan så mye som 20 vekt% tilsatt litium tapes på grunn av disse uønskede mekanismer.

Det er blitt gjort forsøk på å bøte på disse problemer ved at man for eksempel tilsetter litiumet til smeiten etter av-gassing av det smeltede aluminium. Imidlertid fordrer behovet for ensartethet i materialet vanligvis omrøring som kan fremme oksydasjon såvel som ytterligere hydrogenabsorpsjon.

Det ble derfor foreslått i Balmuth's US-patent 4 248 630 å anvende en spesiell blandedigel hvori det helles smeltet aluminium som tidligere er blitt avgasset, og en adskilt strøm av smeltet litium. De to smeltede strømmer blandes sammen i blande-digelen under vakuum eller en inert atmosfære. Etter at de riktige mengder eller forhold er blitt blandet, blir en ventil åpnet og aluminium-litium-blandingen strømmer inn i en blokk-støpeform.

Det blir imidlertid tilbake et behov for en fremgangsmåte til kontinuerlig tilsetning og blanding av smeltet litium, i prosessforløpet, til en smeltet aluminiumstrøm som strømmer inn i en blokkstøpeform, for sikring av maksimal ensartethet i materialet mens oksydasjonstap, skumdannelse og hydrogengass-absorpsjon i den smeltede blanding minimaliseres og fordringene om anvendelse av kostbare ildfaste materialer og reduksjon av erstatning og vedlikehold av ildfaste materialer minskes ved at mengden ildfast materiale som er i kontakt med den smeltede aluminium-litium-legering, reduseres. Den foreliggende oppfinnelse løser disse problemer og er i stand til å redusere litium-tapet til 3 % eller mindre, som betraktes for å være en markert fremgang på området.

Det er derfor et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av aluminium-litium-legeringer ved kontinuerlig tilsetning av smeltet litium til en flytende strøm av smeltet aluminium.

Det er et annet formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av aluminium-litium-legeringer ved kontinuerlig tilsetning av smeltet litium til en flytende strøm av smeltet aluminium ved styring av legerings-strømningshastig-heten idet den nærmer seg en blokkstøpeform, hvor legerings-strømningshastigheten bestemmes ut fra blokkstøpingshastigheten.

Det er enda et annet formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av aluminium-litium-legeringer ved kontinuerlig tilsetning av smeltet litium til en flytende strøm av smeltet aluminium ved styring av legerings-strømnings-hastigheten idet den nærmer seg en blokkstøpeform, hvor legerings-strømningshastigheten bestemmes ut fra blokkstøpings-hastigheten og strømmen av smeltet litium også styres og justeres i forhold til legerings-strømningshastigheten under tilveiebringelse av en ensartet konsentrasjon av litium i den fremstilte legering.

Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av aluminium-litium- legeringer ved kontinuerlig tilsetning av smeltet litium til en flytende strøm av smeltet aluminium ved styring av legerings-strømningshastigheten idet den nærmer seg en blokkstøpeform.

Disse og andre formål med oppfinnelsen vil fremgå av de med-følgende tegninger og beskrivelsen av fremgangsmåten.

I henhold til oppfinnelsen er det beskrevet en kontinuerlig fremgangsmåte til dannelse av aluminium-litium-legeringer, som omfatter at man kontinuerlig tilsetter en utmålt mengde smeltet litium til en smeltet aluminiumstrøm mens den strømmer mot et blokkstøpingssted. Fig. 1 er en skjematisk tegning av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et vertikalt tverrsnitt av blandekammeret som anvendes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 er en skjematisk tegning av kilden til det smeltede litium. Fig. 4 er en skjematisk tegning av kontrollenheten som anvendes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 5 er et flytskjema som viser fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Idet det nå refereres til fig. 1, er det illustrert en kontinuerlig fremgangsmåte til dannelse av aluminium-litium-legeringer, omfattende kontinuerlig, regulert blanding av smeltede strømmer av litium og aluminium. Mens betegnelsen "smeltet aluminium" er anvendt i det foreliggende med referanse til det smeltede metall som skal blandes med smeltet litium, vil det forståes at man med betegnelsen mener å innbefatte ikke bare rent aluminium, men også aluminium-legeringer hvor aluminium tidligere er blitt legert med andre metaller før den blanding med smeltet litium som omfatter den foreliggende oppfinnelse.

Som vist på fig. 1 strømmer smeltet aluminium fra en kilde 10 via en ledning eller gjennom 12 til en blandebeholder 30. Det smeltede aluminium kan eventuelt avgasses i kilden 10 før det strømmer gjennom blandebeholderen 30. På samme tid strømmer smeltet litium fra en kilde til smeltet litium 100, via rør 166 og 168 til blandebeholder 30. En strømningsmåler 192 og en strømningsreguleringsventil 190 er også tilveiebrakt for hen-holdsvis å styre og regulere strømmen av smeltet litium inn i blandebeholderen 30. Strømningsreguleringsventilen 190 reguleres i sin tur ved kontrollenhet 200, som vil bli beskrevet nedenfor.

Blandebeholder 30 inneholder en roterende dispenser 38 med skovl på ende av et hult rør 36 som er koplet til en motor 34 for tilveiebringelse av rotasjon for den roterende dispenser 38 med skovler. En blanding av argon og klor og/eller andre inerte og reaktive fluksgasser ledes via ledning 32 i det hule rør 36 til dispenser 38 for dispergering gjennom hele blandebeholderen 30 etter hvert som dispenseren 38 med skovler roteres. Roteringen av dispenseren 38 tjener således til grundig blanding av det inn-kommende smeltede aluminium og smeltede litium. Det vil bemerkes på fig. 2 at inngangsåpning 26, gjennom hvilken det smeltede litium strømmer inn i beholder 30, er anbrakt under overflaten av det smeltede metall inne i beholder 30 for forhindring av høyt litiuminnhold på overflaten, som ellers kunne resultere i oksydasjon, røkdannelse og hydrogenoppfangning.

Blandebeholder 30 tilveiebringer flere ytterligere funk-sjoner i tillegg til passende blanding av det smeltede litium, innbefattende hydrogenfjerning og flotasjon og fjerning av spor-forurensninger såsom natrium og kalsium. Det skal bemerkes at beholder 30 med dispenser 38 illustrerer systemer for metall-behandling i prosessforløpet som for tiden anvendes og er tilgjengelig kommersielt og som forårsaker høy blandegrad. Et apparat som innfører en reaktiv fluksgass gjennom en roterende dispenser, som illustrert, eller via en høytrykksdyse, kan således anvendes. Et hvilket som helst slikt apparat kan anvendes i forbindelse med utførelsen av oppfinnelsen under forutsetning av at det gir tilstrekkelig blanding slik at den blandede legering som kommer ut, er praktisk talt homogen. Som tidligere bemerket må imidlertid litium-inngangsåpningen modifi-seres hvis nødvendig for å sikre at det smeltede litium kommer inn i beholder 30 under overflaten av det smeltede metall.

Den smeltede metallblanding strømmer ut av blandebeholder 30 via ledning 42 gjennom et filter 50, hvis ønskelig, og deretter gjennom trau 44 til blokkstøpingsstedet 300. Det smeltede metall strømmer til en form og avkjøles under dannelse av aluminium-litium-blokken 320. Eventuelt kan legeringen filtreres mellom beholder 30 og blokkstøpingsstedet eller -formen 300. Flere typer filtre kunne anvendes innbefattende sjikt-filtre ("bed filters"), ildfaste engangs-skumfiltre eller patronfiltre. Slike trau, filtre og støpeformer er alle kjent for fagfolk på de respektive områder, og passende tilpasninger til disse komponenter for å gjøre dem forenlig med den sterkt korroderende beskaffenhet av smeltede aluminium-litium-legeringer vil være ønskelig og noen ganger nødvendig.

Under referanse til fig. 3 er det detaljert illustrert en foretrukket utførelsesform for tilveiebringelse av den smeltede litiumkilde 100. En beholder med litium 122 oppvarmes ved hjelp av gripemantel-oppvarmer 126 for smelting av litiumet. Litiumets temperatur føles av temperaturføler 130a, som omfatter et temperaturføler-element 132 og en temperaturindikator-regulator 134 som overfører den følte temperatur til kontrollenhet 200. Temperaturen holdes på litt over smeltepunktet for litium, dvs. over 186°C. Det smeltede litium holdes under en atmosfære av inert gass såsom argongass fra en argon-tilførselsenhet 140a, som omfatter en trykkindikator 142a som anvendes til å styre trykket, og en reguleringsventil 144a gjennom hvilken gassen strømmer inn i beholderen 122 via rørledning 124. Den inerte gass holdes ved et trykk på under ca. 0,7 kg/cm 2. En trykkutløsningsventil 146a er tilveiebrakt for utslipping av eventuelle overtrykk.

Man får det smeltede litium til å strømme fra beholder 122 gjennom oppvarmet tilførselsledning 162 ved argontrykk eller andre pumpeinnretninger såsom mekaniske eller elektromagnetiske pumper. Et andre temperaturelement 130b er anbrakt i tilførsels-ledning 162 for måling av temperaturen i tilførselsledningen for å sikre at den er blitt oppvarmet til en temperatur på mer enn 186°C. Et filter 180 kan også tilveiebringes såvel som et hjelpefilter 182. Hjelpefilter 182 anvendes når man fjerner filter 180 for rensning eller utskiftning. Ventiler 184 mulig-gjør alternativ dirigering av litiumstrømmen mellom filtre 180 og 182 .

Tilførselsledning 164 transporterer det smeltede litium fra filter 180 til en veietank 150 hvor mengden litium veies elek-tronisk via vektindikator 154, og mengden overføres til reguleringsenhet 200 via vektoverføringsinnretning 152. Temperaturen i det smeltede litium inne i veietank 150 styres ved temperaturføler 130c. Det smeltede litium strømmer ut av veietank 150 via tilførselsledning 166, som bærer det smeltede litium gjennom en strømningsindikator 192 og en strømnings-reguleringsventil 190. Strømningsindikator 192 kan omfatte en kommersielt tilgjengelig elektromagnetisk massestrømningsmåler. Denne type strømningsmåler er spesielt egnet til måling av strømninger av smeltet metall i rør fordi måleren ikke kommer i kontakt med det strømmende metall, og systemet kan derfor holdes lukket. Fra strømnings-reguleringsventil 190 strømmer det smeltede litium via ledning 168 til blandebeholder 30. Det vil forståes at det foregående beskriver en foretrukket fremgangsmåte til tilførsel av smeltet litium til blandebeholder 30. Andre fremgangsmåter kan anvendes, men under forutsetning av at det taes tilstrekke-lige forholdsregler for minimalisering av litiumtap.

Man vil legge merke til at veietank 150 også er forbundet med en argongass-tilførselskilde 140b. Argontilførselskilde 140b anvendes til dannelse av overtrykk i litium-veietank 150 slik at litium ved hjelp av argontrykket kan skyves opp overførings-ledning 166. Argontrykket er den virksomme pumpe for overføring av det smeltede litium. Imidlertid kan det, som angitt tidligere, anvendes andre pumpeinnretninger, for eksempel mekaniske og elektromagnetiske pumper eller til og med strømning ved tyngdevirkning. Man vil videre legge merke til at enda en annen argontilførselskilde 140c er tilveiebrakt for å spyle eller rense ledningene med smeltet litium hvis det er ønskelig med stans i målesystemet.

Reguleringsenhet 200 kan ved en foretrukket utførelsesform omfatte et reguleringssystem som anvender en mikroprosessor til styring av støpingshastigheten og regulering av litium-til-setningen. Som vist på fig. 4, kan reguleringsenhet 200 omfatte en mikroprosessor 210 innbefattende en kraft-tilførselsinnretning 220, høynivå-analog/digital-inntak 230, lav-analog/digital-inn-tak 234, høy-analog/digital-uttak 240 og solenoid-ventilstyrer 250.

Den målte vekt av litium, målt med vektindikator 154, til-føres som innmatning inn i reguleringsenhet 200 via vektover-føringsinnretning 154. Strømningshastigheten for det smeltede litium, målt med strømningsindikator 192, tilføres til reguleringsenheten 200 såvel som temperaturen i det smeltede litium, målt med temperaturfølerenhetene 130a, 130b og 130c. Ytterligere informasjon såsom densiteten hos den smeltede aluminium-litium-legering og tverrsnittsarealet for formen på blokkstøpingsstedet 300, kan tilføres via terminal 260. Blokk-støpingshastigheten, målt med en lineær støpingstransduktor 310, tilføres også til reguleringsenheten 200.

Via CRT-terminal 260 tilføres også den litiumkonsentrasjon man ønsker skal tilsettes til aluminiumet. Reguleringsenheten 200 tilveiebringer uttaksindikatorer enten på CRT-terminalen 260 eller via en skriver 264 som viser strømningshastigheten, vekten og lignende. Reguleringsenhet 200 regulerer også strømnings-reguleringsventilen 190 via solenoid-ventilstyrer 250 under opprettholdelse av den riktige mengde smeltet litium som strømmer gjennom ventil 190 inn i blandekammer 30 basert på de innmatede parametre for blokkstøpingshastighet, densitet av aluminium, tverrsnittsareal hos støpeformen og ønsket forhold mellom aluminium og litium. Hvis disse beregninger tidligere er blitt utført, kan litium-strømningshastigheten alternativt innføres som en funksjon av blokkstøpingshastigheten.

Som vist i flytskjemaet på fig. 5, innføres densiteten hos den smeltede aluminium-litium-legering og tverrsnittsarealet hos blokkstøpingsformen i reguleringsenhet 200 via terminal 260 sammen med den konsentrasjon av litium man ønsker skal tilsettes. Støpingshastigheten for aluminium-litium-legeringsblokken sammenlignes med litium-strømningshastigheten innført fra litium-strømningsmåler 192. Et signal kommer så ut til strømnings-reguleringsventil 190 om at strømmen av smeltet litium inn i blandebeholder 30 enten skal økes eller minskes. Hvis man trenger å stanse systemet, lukkes strømningsreguleringsventil 190 og ventil 146c åpnes for rensning av overføringsledning 168 med argongass.

Oppfinnelsen tilveiebringer således en forbedret fremgangsmåte til kontinuerlig fremstilling av en aluminium-litium-legering med for-bestemt litiuminnhold, hvor smeltede strømmer av aluminium og litium blandes sammen. Oksydasjon av litiumet og materialgradienter på grunn av oksydasjon eller avbrenning av litiumet forminskes. Videre bør material-reguleringen fra blokkens nederste til øverste del være homogen ved tilsetning av litiumet til det smeltede aluminium på kontinuerlig basis etter hvert som blokken støpes, siden eventuelle litiumtap i systemet bør være ensartet, i motsetning til charge-blandingsoperasjoner. Videre behøver ikke størrelsen av blandebeholderen ved den foreliggende oppfinnelse være så stor som ved charge-prosesser ifølge teknikkens stand siden ikke én beholder behøver inneholde alt det metall som skal støpes. Man vil forstå at man uten vanskelighet kan ha aluminium i beholdere av billig ildfast materiale, og litium kan man uten vanskelighet ha i metallbeholdere. Imidlertid fordrer aluminium-litium-legeringen beholdere av meget kostbare ildfaste materialer. Man vil således se at det er viktig å minimalisere størrelsen av blandebeholderen for minskning av om-kostninger med ildfast materiale. Man vil også bemerke at jo mindre blandebeholderen er, dess lettere er det å forsegle beholderen for opprettholdelse av en beskyttende atmosfære over aluminium-litium-smelten. Dessuten bestemmer ikke størrelsen av blandenbeholderen størrelsen av blokkstøpningen. Det vil si at blokken ved den foreliggende fremgangsmåte kan støpes så stor som ønskelig uten at man må ta hensyn til størrelsen av blandebeholderen slik som ved en charge-fremgangsmåte. For eksempel har patentsøkerne anvendt en blandebeholder som kan romme 635 kg aluminium-litium-smelte og har ut fra denne støpt en aluminium-litium-blokk på 4082 kg, som bare var begrenset av størrelsen av det anvendte støpeutstyr. Man vil forstå at dette resulterer i lavere bearbeidningsomkostninger i betraktning av mengden ildfast foring som trengs for å romme den smeltede legering. Resultatet er en mer økonomisk fremgangsmåte til fremstilling av en homogen aluminium-litium-legering med betydelig reduserte prosesstap i forhold til prosesser ifølge teknikkens stand for fremstilling av aluminium-litium-legeringer.

Claims (10)

1. Kontinuerlig fremgangsmåte til dannelse av aluminium-litium-legeringer, som omfatter at man tilsetter smeltet litium til smeltet aluminium, karakterisert ved at man kontinuerlig tilsetter en utmålt mengde smeltet litium til en smeltet aluminiumstrøm som strømmer til en blokkstøpingsform.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter det trinn å styre strømmen av smeltet litium og justere strømmen under tilveiebringelse av et for-bestemt forhold mellom smeltet litium og smeltet aluminium.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter at man leder nevnte smeltede aluminium-legeringsstrøm og nevnte smeltede litium gjennom et blandekammer med blandeinnretninger under tilveiebringelse av høy skjærkraft.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at nevnte strømmer av smeltet aluminium og smeltet litium blandes i en atmosfære av inert gass.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at aluminium-litium-legeringens densitet, blokkstøpings-hastigheten og tverrsnittsarealet hos blokkstøpingsformen alle anvendes ved bestemmelse av den mengde litium som skal tilsettes til nevnte strøm av smeltet aluminium.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at strømmen av smeltet litium reguleres ved hjelp av en strømningsreguleringsventil i strømmen av det smeltede litium, som justeres svarende til nevnte densitet, blokkstøpingshastighet og form-dimensjoner.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved (a) hastigheten for støping av smeltet aluminium-litium-legering til blokk styres kontinuerlig; (b) strømningshastigheten for smeltet litium inn i en strøm av smeltet aluminium styres kontinuerlig; (c) smeltet litium innføres under overflaten av en agitert kilde til smeltet aluminium mens en inert gass bobles gjennom den smeltede metallblanding; og (d) strømningshastigheten for nevnte smeltede litium justeres basert på den styrte blokkstøpingshastighet og strømningshastighet for smeltet litium under opprettholdelse av en for-bestemt konsentrasjon av litium i den aluminium-litium-legeringsblokk som støpes.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at man styrer temperaturen i det smeltede litium som inn-føres i strømmen av det smeltede aluminium.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at den innbefatter det ytterligere trinn å styre vekten av det smeltede litium som innføres i strømmen av det smeltede aluminium, og hvis ønskelig boble en fluksgass gjennom den smeltede aluminium-litium-legering under fjerning av forurensninger, idet det fortrinnsvis bobles en blanding av argon- og klorgass gjennom den smeltede aluminium-litium-legering under fjerning av forurensninger, innbefattende hydrogen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at den innbefatter det trinn at man kontinuerlig innfører smeltet litium i smeltet aluminium mens blandingen underkastes høy skjærkraft under grundig blanding av de to metaller for å sikre ensartet konsentrasjon av litiumet i aluminium-litium-legeringen, hvor det fortrinnsvis anvendes argongass under trykk for å tvinge strømmen av smeltet litium inn i det smeltede aluminium.