CN103038372A - 熔融金属的超声波除气 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于从熔融金属中除气和用于从熔融金属中去除杂质的方法和装置。这些方法可以包括以下步骤：在金属熔池中操作超声波装置；和在与所述超声波装置极接近的范围中将吹洗气体添加到金属熔池中。在优选的实施例中，吹洗气体出口位于连接到超声波换能器的细长探头的末端。

Description

熔融金属的超声波除气
本申请作为PCT国际专利申请由Victor F.Rundquist和Kevin S.Gill于2011年4月8日提出申请，上述申请人均为美国公民且为对于所有国家指定的申请人，并且本申请主张2010年4月9日提出申请的美国临时专利申请第61/322,324号的优先权，该申请的公开内容在此整体并入本文供参考。
版权
这里包括的材料中的所有权利，包括版权，属于所述申请人并是该申请人的所有权。申请人保持和保留在此包括的材料中的所有权利，并且授权复制仅与授权专利的复制有关的材料的许可而不用于其他目的。
技术领域
本发明涉及熔融金属的超声波除气。
背景技术
特定金属物品的加工或铸造会需要含有熔融金属的熔池，并且熔融金属的该熔池可以保持在介于700℃至1200℃的范围内的温度下，或者更多地依赖于具体的金属。许多器具或装置可以用于金属熔池中以用于所需的金属物品的制造或铸造。存在对使这些器具或装置更好地承受金属熔池中遇到的高温、有利地具有更长使用期限且限制为不与特定的熔融金属反应的需求。此外，熔融金属可以具有溶解在其中的一种或多种气体和/或存在于其中的杂质，并且这些气体和/或杂质会不利地影响所需的金属物品的最终制造和铸造和/或金属物品本身产生的物理特性。尝试减少存在于金属熔池中的溶解气体或杂质的量没有完全成功。因此，存在对从熔融金属中除去气体和/或杂质的改进方法的需求。
发明内容
提供本发明内容从而以简化的形成引入原理的选择，所述选择在以下详细说明中被进一步说明。该发明内容不旨在表示所主张的主题的所需特征或基本特征。该发明内容也不旨在用于限制主张的主题的保护范围。本发明涉及用于减少金属熔池中的溶解气体(和/或各种杂质)的量的方法(例如超声波除气)。在一个实施例中，所述方法可以包括以下步骤：在金属熔池中操作超声波装置；和在与所述超声波装置极接近的范围中将吹洗气体引入到金属熔池中。例如，溶解气体可以包括氢气，金属熔池可以包括铝或铜(包括其合金)，并且吹洗气体可以包括氩气和/或氮气。吹洗气体可以在超声波装置的大约50cm(或25cm、或15cm、或5cm、或2cm)之内的范围中被添加到金属熔池。本发明还公开了超声波装置，并且这些超声波装置可以用于许多不同的应用中，包括超声波除气。对于一个示例，超声波装置可以包括：超声波换能器；细长探头，所述细长探头包括第一端部和第二端部，第一端部连接到超声波换能器，第二端部包括末端；和吹洗气体输送系统，其中吹洗气体输送系统可以包括吹洗气体入口和吹洗气体出口。在一些实施例中，吹洗气体出口可以在细长探头的末端的大约10cm(或5cm、或1cm)之内的范围中，而在其它实施例中，吹洗气体出口可以位于细长探头的末端。另外，超声波装置可以对于每个超声波换能器包括多个探头组件和/或多个探头。上述发明内容和以下详细说明均提供了示例且仅是示例性的。因此，上述发明内容和以下详细说明将不会被认为是限制性的。此外，除了在此所述之外还可以提供特征或变更。例如，特定实施例可以涉及详细说明中所述的各种特征组合和子组合。
附图说明
并入本公开文本中并构成本公开本文的一部分的附图显示了本发明的各个实施例。在附图中：
图1是本发明的一个实施例中的超声波装置的部分横截面图；图2是本发明的另一个实施例中的超声波装置的部分横截面图；图3是本发明的又一个实施例中的超声波装置的部分横截面图；图4是显示对于每一个示例1-4与铝的理论密度相比的百分比密度差的柱状图；
图5是显示示例1-4中的每一个的以ppm为单位的氢含量的柱状图；以及图6是示例5-8的作为时间函数的氢浓度的标绘图。
具体实施方式
以下详细说明参考附图。只要可以，相同或相似的附图标记在附图和以下说明中用于表示相同或相似的元件。虽然可说明本发明的实施例，但变型、改进和其它实施方式也是可以的。例如，可以对附图中所示的元件进行替换、添加或修改，并且在此说明的方法可以通过对公开的方法更换、重新排序或添加步骤来修改。因此，以下详细说明不限制本发明的保护范围。术语“一”和“所述”是指包括多个可选形式，例如至少一个。例如，除非另作说明，否则公开的“超声波装置”、“细长探头”、“吹洗气体”等表示多于一个的超声波装置、细长探头、吹洗气体等中的一个或其组合。
在此提到的所有公开出版物和专利在此为了说明和公开例如公开出版物中记载的构造和方法的目的而并入本文供参考，其中所述构造和方法可以与本发明结合使用。贯穿本文说明的公开出版物仅仅提供其在本申请的申请日之前的公开文本。在此并不是解释为发明人未被授权根据在前的发明预料到这种公开内容的许可。申请人在本发明中公开了几种类型的范围。当申请人公开或主张任何类型的范围时，申请人的目的是独立地公开或主张每一个可能的数量，从而使这种范围可以合理地涵盖，从而包括所述范围的端点以及在此包含的任何子范围和子范围的组合。例如，在本发明的实施例中，吹洗气体可以以在从大约1升/分钟到大约50升/分钟的范围内的速率被添加到金属熔池。通过公开在从大约1升/分钟到50升/分钟的范围内的流动速率，申请人目的是列举流动速率可以为大约1升/分钟、大约2升/分钟、大约3升/分钟、大约4升/分钟、大约5升/分钟、大约6升/分钟、大约7升/分钟、大约8升/分钟、大约9升/分钟、大约10升/分钟、大约11升/分钟、大约12升/分钟、大约13升/分钟、大约14升/分钟、大约15升/分钟、大约16升/分钟、大约17升/分钟、大约18升/分钟、大约19升/分钟、大约20升/分钟、大约21升/分钟、大约22升/分钟、大约23升/分钟、大约24升/分钟、大约25升/分钟、大约26升/分钟、大约27升/分钟、大约28升/分钟、大约29升/分钟、大约30升/分钟、大约31升/分钟、大约32升/分钟、大约33升/分钟、大约34升/分钟、大约35升/分钟、大约36升/分钟、大约37升/分钟、大约38升/分钟、大约39升/分钟、大约40升/分钟、大约41升/分钟、大约42升/分钟、大约43升/分钟、大约44升/分钟、大约45升/分钟、大约46升/分钟、大约47升/分钟、大约48升/分钟、大约49升/分钟或大约50升/分钟。另外，流动速率可以在从大约1升/分钟到大约50升/分钟的任何范围内(例如，速率在从大约2升/分钟到大约20升/分钟的范围内)，并且这还包括在大约1升/分钟与大约50升/分钟之间的范围的任何组合。同样地，在此公开的所有其它范围应以类似的方式来解释。本发明的实施例可以提供用于熔融金属的超声波除气的系统、方法和/或装置。这种熔融金属可以包括但不限于铝、铜、钢、锌、镁和类似金属或者这些和其他金属(例如合金)的组合。因此，本发明不限于任何特定的金属或金属合金。由熔融金属进行的物品的加工或铸造会需要含有熔融金属的熔池，并且熔融金属的该熔池可以保持在高温下。例如，熔融铜可以保持在大约1100℃的温度下，同时熔融铝可以保持在大约750℃的温度下。如在此所使用，术语“熔池”、“金属熔池”和类似熔池表示可容纳熔融金属的任何容器，包括器皿、熔锅、料槽、洗涤槽等。熔池和金属熔池术语用于包括分批、连续、半连续等的操作，并且例如其中熔融金属基本上是静态的(例如通常与熔锅有关)以及其中熔融金属基本上在运动中(例如通常与洗涤槽有关)。许多器具或装置可以用于监控、测试或改变熔池中的熔融金属的状态以及用于所需的金属物品的最终制造或铸造。需要这些器具或装置更好地承受金属熔池中遇到的高温，有利地具有更长的使用期限且被限制为不与熔融金属反应，而无论金属是(或金属包括)铝或铜或钢或锌或镁等等。此外，熔融金属可以具有溶解在其中的一种或多种气体，并且这些气体可以不利地影响所需的金属物品的最终制造和铸造和/或金属物品本身产生的物理特性。例如，溶解在熔融金属中的气体可以包括氢气、氧气、氮气、二氧化硫和类似气体或其组合。在一些情况下，可以有利地除去气体或减少熔融金属中的气体的量。如一个示例，溶解的氢在铝(或铜或其它金属或合金)的铸造中可能是有害的，因此由铝(或铜或其它金属或合金)制造的制成品的特性可以通过减少铝(或铜或其它金属或合金)的熔池中带走的氢的量而被改进。基于质量的在3-5ppm内的溶解的氢可能对产生的铝(或铜或其它金属或合金)杆和其他制品的浇铸速率和质量产生不利影响。氢气由于其存在于包含熔融铝(或铜或其它金属或合金)的熔池上方的大气中而可以进入熔融铝(或铜或其它金属或合金)熔池，或者氢气可以存在于熔融铝(或铜或其它金属或合金)熔池中使用的铝(或铜或其它金属或合金)进料原材料中。尝试减少金属熔池中的溶解气体的量没有完全成功。通常，这些过程涉及额外且昂贵的设备以及潜在的有害物质。例如，金属铸造工业中用于减少熔融金属中的溶解气体含量的过程可以包括由例如石墨的材料制成的转子，并且这些转子可以放置在金属熔池内。另外，氯气可以在金属熔池内的与转子相邻的位置添加到金属熔池。该过程贯穿本公开文本将被称为“传统”过程，并且通常涉及如旋转气体吹洗的工业。虽然传统过程在一些情况下在减少例如金属熔池中的溶解氢的量方面是成功的，但是该传统过程具有显著的缺点：不是最少的成本；复杂；并且使用可能危险且氯气可能破坏环境。另外，熔融金属可以具有存在于其中的杂质，并且这些杂质会不利地影响所需金属物品的最终制造和铸造和/或金属物品本身产生的物理特性。例如，熔融金属中的杂质可能包括既不被需要也不需要存在于熔融金属中的碱金属或其它金属。本领域的技术人员将会认识到小百分比的特定金属存在于各种金属合金中，并且这种金属不会被认为是杂质。如非限制性的示例，杂质可能包括锂、钠、钾、铅和类似物质或其组合。各种杂质由于其存在于金属熔池中使用的引入的金属进料原材料中而可能进入金属熔池(铝、铜或其它金属或合金)。本发明的实施例可以提供用于减少金属熔池中的溶解气体的量的方法，或者以可选的语言来说提供用于对熔融金属除气的方法。一种这样的方法可以包括以下步骤：操作金属熔池中的超声波装置；和在与所述超声波装置极接近的范围中将吹洗气体引入到金属熔池中。溶解气体可能是或可以包括氧气、氢气、二氧化硫和类似气体或其组合。例如，溶解气体可能是或可以包括氢气。金属熔池可以包括铝、铜、锌、钢、镁和类似金属或其混合物和/或组合(例如包括铝、铜、锌、钢、镁等的各种合金)。在一些实施例中，金属熔池可以包括铝，而在其它实施例中，金属熔池可以包括铜。因此，熔池中的熔融金属可以是铝，或可选地熔融金属可以是铜。此外，本发明的实施例可以提供用于减少存在于金属熔池中的杂质的量的方法，或者以其它方式来说提供用于除去杂质的方法。一种这样的方法可以包括以下步骤：操作金属熔池中的超声波装置；和在与所述超声波装置极接近的范围中将吹洗气体引入到金属熔池中。杂质可能是或可以包括锂、钠、钾、铅和类似物质或其组合。例如，杂质可能是或可以包括锂，或者可选地包括钠。金属熔池可以包括铝、铜、锌、钢、镁和类似金属或其混合物和/或组合(例如包括铝、铜、锌、钢、镁等的各种合金)。在一些实施例中，金属熔池可以包括铝，而在其它实施例中，金属熔池可以包括铜。因此，熔池中的熔融金属可以为铝，或者可选地熔融金属可以为铜。在此公开的除气方法和/或除去杂质的方法中采用的吹洗气体可以包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和/或氙气中的一种或多种，但不限于此。能够想到的是任何适当的气体都可以用作吹洗气体，只要该气体不会与金属熔池中的(一种或多种)特定金属明显反应或者溶解于金属熔池中的(一种或多种)特定金属中。另外，可以采用气体的混合物或组合。根据在此公开的一些实施例，吹洗气体可以是或可以包括惰性气体；可选地，吹洗气体可以是或可以包括稀有气体；可选地，吹洗气体可以是或可以包括氦气、氖气、氩气或其组合；可选地，吹洗气体可以是或可以包括氦气；可选地，吹洗气体可以是或可以包括氖气；或者可选地，吹洗气体可以是或可以包括氩气。另外，申请人能够想到在一些实施例中，传统的除气技术可以结合在此公开的超声波除气方法使用。因此，在一些实施例中，吹洗气体可以还包括氯气。然而，在本发明的其它实施例中，用于除气或用于减少金属熔池中的溶解气体的量的方法可以在基本上缺少氯气或没有氯气的情况下执行。如在此所使用，基于使用的吹洗气体的量，基本上没有表示可以使用按重量计算不多于5％的氯气。在一些实施例中，在此公开的方法可以包括引入吹洗气体，并且该吹洗气体可以选自由氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和其组合组成的组。引入到熔融金属的熔池中的吹洗气体的量可以根据许多因素而改变。通常，在根据本发明的实施例的对熔融金属除气的方法中(和/或在从熔融金属中除去杂质的方法中)引入的吹洗气体的量可以落入从大约0.1升/分钟到大约150标准升/分钟(L/分钟)的范围内。在一些实施例中，引入的吹洗气体的量可以在从大约0.5升/分钟到大约100升/分钟、从大约1升/分钟到大约100升/分钟、从大约1升/分钟到大约50升/分钟、从大约1升/分钟到大约35升/分钟、从大约1升/分钟到大约25升/分钟、从大约1.5升/分钟到大约20升/分钟、从大约2升/分钟到大约15升/分钟或从大约2升/分钟到大约10升/分钟的范围内。这些体积流量为标准升/分种，即在标准温度(21.1℃)和标准压力(101kPa)下。在连续或半连续的熔融金属操作中，引入到熔融金属的熔池中的吹洗气体的量可以根据熔融金属产量或生产率而改变。因此，在根据这种实施例的对熔融金属除气的方法中(和/或在从熔融金属中除去杂质的方法中)引入的吹洗气体的量对于每千克/小时的熔融金属(mL吹洗气体/kg熔融金属)可以落入吹洗气体的从大约10毫升/小时到大约500毫升/小时的范围内。在一些实施例中，吹洗气体的体积流量与熔融金属的输出量的比率可以在从大约10毫升/千克到大约400毫升/千克的范围内；可选地，在从大约15毫升/千克到大约300毫升/千克的范围内；可选地，在从大约20毫升/千克到大约250毫升/千克的范围内；可选地，在从大约30毫升/千克到大约200毫升/千克的范围内；可选地，在从大约40毫升/千克到大约150毫升/千克的范围内；或者可选地，在从大约50毫升/千克到大约125毫升/千克的范围内。如上所述，吹洗气体的体积流量处于标准温度(21.1℃)和标准压力(101kPa)下。根据本发明实施例的用于对熔融金属除气的方法可以有效地移除存在于金属熔池中的大于重量百分比大约10％的溶解气体，即，在采用除气过程之前，金属熔池中的溶解气体的量可以从存在的溶解气体的量中减少大于重量百分比大约10％。在一些实施例中，在采用所述除气方法之前，存在的溶解气体的量可以从存在的溶解气体的量中减少大于重量百分比大约15％、大于重量百分比大约20％、大于重量百分比大约25％、大于重量百分比大约35％、大于重量百分比大约50％、大于重量百分比大约75％或大于重量百分比大约80％。例如，如果溶解气体是氢气，则包含大于大约3ppm或4ppm或5ppm(基于质量)的铝或铜的熔池中的氢气水平是不利的，并且通常，熔融金属中的氢含量可以为大约4ppm、大约5ppm、大约6ppm、大约7ppm、大约8ppm、大约9ppm、大约10ppm、大约15ppm、大约20ppm或大于20ppm。能够想到的是采用本发明实施例中公开的方法可以将金属熔池中的溶解气体的量减少到小于大约4ppm；可选地，小于大约3ppm；可选地，小于大约2ppm；可选地，在从大约1ppm到大约4ppm的范围内；可选地，在从大约1ppm到大约3ppm的范围内；或者可选地，在从大约2ppm到大约3ppm的范围内。在这些和其他实施例中，溶解气体可以是或可以包括氢气，金属熔池可以是或可以包括铝和/或铜。涉及除气方法(例如，减少包括熔融金属的熔池中的溶解气体)或者去除杂质的方法的本发明实施例可以包括操作金属熔池中的超声波装置。超声波装置可以包括超声波换能器和细长探头，并且探头可以包括第一端部和第二端部。第一端部可以连接到超声波换能器，第二端部可以包括末端，并且细长探头的末端可以包括铌。下面将进一步说明在此公开的过程和方法中可以采用的超声波装置的说明性且非限制性示例的细节。在其属于超声波除气过程或用于去除杂质的过程时，吹洗气体可以例如在与超声波装置极接近的范围中被引入到金属熔池中。通常，吹洗气体可以在靠近超声波装置的末端的范围中被引入到金属熔池中。能够想到的是吹洗气体可以在超声波装置的末端的大约1米之内的范围中被引入到金属熔池中，例如超声波装置的末端的大约100cm内的范围中、大约50cm内、大约40cm内、大约30cm内、大约25cm内、或大约20cm内。在一些实施例中，吹洗气体可以在超声波装置的末端的大约15cm之内的范围中被引入到金属熔池中；可选地，在大约10cm内；可选地，在大约8cm内；可选地，在大约5cm内；可选地，在大约3cm内；可选地，在大约2cm内；或者可选地，在大约1cm内。在特定的实施例中，吹洗气体可以相邻于超声波装置的末端或通过超声波装置的末端被引入到金属熔池中。虽然并不表示受到该理论限制，但申请人认为在超声波装置的使用与附近的吹洗气体的合并之间可以存在协同效应，从而引起包含熔融金属的熔池中的溶解气体的量显著减少。申请人认为通过超声波装置产生的超声波能量可以使熔化物中生成空化泡，溶解气体可以扩散到所述空化泡中。然而，申请人认为在缺少吹洗气体时，许多空化泡在到达熔融金属的熔池的表面之前可能毁坏。申请人认为吹洗气体可以减少在到达所述表面之前毁坏的空化泡的量，和/或可以增大包含溶解气体的气泡的尺寸，和/或可以增加金属熔池中的气泡的数量，和/或可以增加将包含溶解气体的气泡输送到金属熔池的表面的速率。与实际机构无关，申请人认为超声波装置与附近的吹洗气体源结合使用可以提供从金属熔池中除去溶解气体的协同改进以及熔融金属中的溶解气体量的协同减少。再次，虽然不希望受到理论限制，申请人认为超声波装置可以在靠近超声波装置的末端范围内产生空化泡。例如，对于具有直径为大约2-5cm的末端的超声波装置，空化泡在毁坏之前可以在超声波装置的末端的大约15cm、大约10cm、大约5cm、大约2cm或大约1cm内。如果在距离超声波装置的末端过远的距离处添加吹洗气体，则吹洗气体不能扩散到空化泡中。因此，虽然未受到理论的限制，申请人认为有利的是吹洗气体将在超声波装置的末端的大约25cm或大约20cm之内的范围中被引入到金属熔池中，并且更有利的是在超声波装置的末端的大约15cm之内的范围中、在大约10cm之内、在大约5cm之内、在大约2cm之内、或在大约1cm之内。根据本发明实施例的超声波装置可以与例如铝或铜的熔融金属接触，例如如美国专利公开出版物第2009/0224443号中所公开，该申请在此整体并入本文供参考。在用于减少熔融金属中的溶解气体含量(例如氢气)的超声波装置中，铌或其合金可以用作在该装置暴露于熔融金属时用于该装置的防护屏障，或者用作直接暴露到熔融金属的装置的部件。本发明实施例可以提供用于增加与熔融金属直接接触的部件的使用期限的系统和方法。例如，本发明实施例可以应用铌来减少与熔融金属接触的物质的降解，从而对最终产物产生显著的质量改进。换句话说，本发明实施例可以通过使用铌作为防护屏障来增加与熔融金属接触的物质或部件的使用期限或者保留与熔融金属接触的物质或部件。铌可以具有例如其高熔点的特性，从而可以有助于提供本发明的上述实施例。另外，铌还可以在暴露于大约200℃和更高的温度时形成保护氧化物屏障。此外，本发明实施例可以提供用于增加与熔融金属直接接触或连接的部件的使用期限的系统和方法。因为铌具有与特定熔融金属的低反应性，因此使用铌可以防止衬底材料降解。因此，本发明实施例可以应用铌来减少衬底材料的降解，从而对最终产物产生显著的质量改进。因此，与熔融金属相关联的铌可以结合铌的高熔点和其与诸如铝和/或铜的熔融金属的低反应性。在一些实施例中，铌或其合金可以用于包括超声波换能器和细长探头的超声波装置。细长探头可以包括第一端部和第二端部，其中第一端部可以连接到超声波换能器，第二端部可以包括末端。根据该实施例，细长探头的末端可以包括铌(例如铌或其合金)。超声波装置可以用于超声波除气过程中，如上所述。超声波换能器可以产生超声波，连接到换能器的探头可以将超声波发送到包括诸如铝、铜、锌、钢、镁和类似金属或其混合物和/或组合(例如，包括铝、铜、锌、钢、镁等的各种合金)的熔融金属的熔池中。图1显示超声波装置300中使用铌和其他物质，所述超声波装置可以用于减少熔融金属中的溶解气体含量。超声波装置300可以包括超声波换能器360、用于增加输出的升压器350以及连接到换能器360的超声波探头组件302。超声波探头组件302可以包括细长的超声波探头304和超声波介质312。超声波装置300和超声波探头304可以为大致圆柱形的形状，但是这不是一种要求。超声波探头304可以包括第一端部和第二端部，其中第一端部包括连接到超声波换能器360的超声波探头轴306。超声波探头304和超声波探头轴306可以由各种材料构成。示例性材料可以包括但不限于不锈钢、钛、铌、陶瓷(例如，赛隆陶瓷(Sialon))和类似材料或其组合。超声波探头304的第二端部可以包括超声波探头末端310。超声波探头末端310可以包括铌。可选地，末端310可以主要与铌相一致或由铌构成。铌可以与一种或多种其它金属熔合，或者铌可以为电镀或涂敷到另一种材料的基层上的层。例如，末端310可以包括内层和外层，其中内层可以包括陶瓷或金属材料(例如钛)，外层可以包括铌。在该实施例中，包括铌的外层的厚度可以小于大约25微米或小于大约10微米，或者可选地在从大约2微米到大约8微米的范围内。例如，包括铌的外层的厚度可以在从大约3微米到大约6微米的范围内。超声波探头轴306和超声波探头末端310可以通过连接器308连结。连接器308可以表现为用于连接轴306和末端310的装置。例如，轴306和末端310可以被栓接或焊接在一起。在一个实施例中，连接器308可以表现出轴306包括凹入螺纹，末端310可以被拧入轴306中。能够想到的是超声波探头轴306和超声波探头末端310可以包括不同的材料。例如，超声波探头轴306可以是或者可以包括钛和/或铌，而超声波探头末端310可以是或包括铌。可选地，超声波探头轴306可以是或可以包括钛和/或陶瓷(例如赛隆陶瓷)而超声波探头末端310可以是或可以包括陶瓷(例如赛隆陶瓷)。在其它实施例中，超声波探头304可以为单个元件，例如，超声波探头轴306和超声波探头末端310是具有相同结构的单个部件。在这种情况下，超声波探头可以包括例如铌或其合金、陶瓷(例如赛隆陶瓷)或其它适当的材料。再次参照图1，超声波装置300可以包括内管328、中心管324、外管320和保护管340这些管子或通道可以包围超声波探头304的至少一部分，并且通常可以由任何适当的金属或陶瓷材料构造成。可以预期的是超声波探头末端310将被放置到熔融金属的熔池中；然而，能够想到的是保护管340的一部分还可以被浸于熔融金属中。因此，保护管340可以是或者可以包括钛、铌、碳化硅、陶瓷或这些材料中的多于一种的组合。管子328、324、320和340内可以容纳流体322、326和342，如图1所示。流体可以是液体或气体(例如氩气)，该流体的目的是可以用于提供超声波装置300的冷却，具体地，提供超声波探头末端310和保护管340的冷却。超声波装置300可以包括端盖344。端盖可以跨越保护管340与探头末端310之间的间隙，并且可以减少熔融金属或防止熔融金属进入超声波装置300。与保护管340相似，端盖344可以是或者可以包括例如钛、铌、碳化硅、陶瓷或者这些材料中多于一种的组合。超声波探头末端310、保护管340或端盖344或者这三个部件中的所有可以包括铌。仅可以使用铌，铌可以与一种或多种其它金属熔合，或者铌可以为电镀或涂敷到另一种材料的基层上的层。例如，超声波探头末端310、保护管340或端盖344或者这三个部件中的所有可以包括内层和外层，其中内层可以包括陶瓷或金属材料，外层可以包括铌。可以预期的是超声波装置的部件上存在铌可以提高装置的使用期限，在与熔融金属接触时可以提供低化学反应或者不提供化学反应，在熔融金属的熔化温度下可以提供强度，并且可以具有传播超声波的能力。根据本发明的一些实施例，当超声波装置的末端310不包括铌时，末端在仅在(例如铝或铜的)金属熔池中大约15-30分钟之后可以显示出腐蚀或降解。相反，当超声波装置的末端包括铌时，末端在至少1小时或更长之后可以不显示腐蚀或降解或者显示最小的腐蚀降解，例如在至少2小时之后、在至少3小时之后、在至少4小时之后、在至少5小时之后、在至少6小时之后、在至少12小时之后、在至少24小时之后、在至少48小时之后或在至少72小时之后没有显示腐蚀或降解。在另一个实施例中，超声波探头末端310、保护管340或端盖344或者这三个部件中的所有可以包括陶瓷，例如赛隆陶瓷。此外，超声波探头轴306可以包括陶瓷，或者可选地包括钛。图2显示另一个超声波装置400，该超声波装置可以包括铌、诸如赛隆陶瓷的陶瓷或者其它适当的材料。超声波装置400可以包括超声波换能器460、用于增加输出的升压器450以及连接到换能器460的超声波探头组件402。升压器450可以允许大于大约1∶1的升压水平下的增加的输出，例如从大约1.2∶1增加到大约10∶1或者从大约1.4∶1增加到大约5∶1。可以采用具有高度H的升压器夹持组件451，其中高度H可以根据需要变化以适应不同长度的超声波探头。超声波探头组件402可以包括如图1所示的细长超声波探头以及超声波探头末端410。超声波探头和末端可以由各种材料构造成，所述材料如前所述包括但不限于不锈钢、钛、铌、陶瓷和类似材料或其组合，包括其混合物、其合金以及其涂层。超声波装置400可以包括用于在靠近超声波装置400的位置处将吹洗气体引入(例如引入到金属熔池中)。能够想到的是外部吹洗气体喷射系统(未示出)可以定位在金属熔池中，并且注射部位可以靠近图1和/或图2的超声波装置。可选地，超声波装置可以包括吹洗气体出口，使得吹洗气体可以靠近超声波装置或在超声波装置的末端排出。例如，吹洗气体可以通过超声波装置的端盖和/或通过超声波装置的探头排出。再次参照图2，超声波装置可以包括连接到吹洗气体输送通道413的吹洗气体进气口424和喷射室425。吹洗气体可以被输送到位于超声波装置400的末端410或附近的吹洗气体输送空间414以及通过所述吹洗气体输送空间排出。能够想到的是吹洗气体输送空间414或吹洗气体出口可以在超声波装置400的末端410的大约10cm内，例如在大约5cm内、在大约3cm内、在大约2cm内、在大约1.5cm内、在大约1cm内或在大约0.5cm内。另外，与由超声波装置的末端410的外表面经受熔融金属的高温相对比，超声波装置400可以包括超声波冷却器系统429，所述超声波冷却器系统可以被设计成将超声波末端和/或超声波探头和/或超声波探头组件保持在靠近室温的温度(例如，所述温度可以在从大约15℃到大约75℃的范围或者从大约20℃到大约35℃的范围内)下。能够想到的是在超声波探头和组件包括铌、诸如赛隆陶瓷的陶瓷或其它适当材料的情况下不需要超声波冷却器系统。图2的超声波冷却器系统429可以与图1中所示的系统相似，包括例如内管328、中心管324、外管320、保护管340和流体322、326、和342，被设计成向超声波装置提供冷却和/或温度控制。流体可以为液体或气体，并且能够想到的是流体可以为与吹洗气体相同的材料。图3显示另一个超声波装置500，所述超声波装置可以包括铌、诸如赛隆陶瓷的陶瓷或其它适当的材料。超声波装置500可以包括超声波换能器560、用于增加输出的升压器550以及连接到换能器560的超声波探头组件510。升压器550可以允许在大于大约1∶1的升压水平下增加输出，例如从大约1.2∶1到大约10∶1或从大约1.4∶1至大约5∶1。与图1中所示相似，超声波探头510可以为单个元件，或者超声波探头510可以包括超声波探头轴和可选的(并且可更换的)超声波探头末端511。超声波探头和末端可以由各种材料构造成，所述材料如前所述包括但不限于不锈钢、钛、铌、陶瓷和类似材料或其组合，包括其混合物、其合金和其涂层。超声波装置500可以包括用于在靠近超声波装置500和/或靠近超声波探头末端511的位置处将吹洗气体引入(例如引入到金属熔池中)。如上所述，能够想到的是外部吹洗气体喷射系统(未示出)可以定位在金属熔池中，并且注射部位可以靠近图3的超声波装置。可选地，超声波装置可以包括吹洗气体出口，使得吹洗气体可以靠近超声波装置的末端或在该末端处排出。例如，吹洗气体可以通过超声波装置的探头/末端排出。再次参照图3，超声波装置可以包括在具有升压器550、上壳体520、下支撑壳体521和下支撑外壳盖523的腔室中的吹洗气体进气口522。上壳体520可以是气密和/或防漏的。吹洗气体进气口522可以连接到吹洗气体输送通道524，所述吹洗气体输送通道可以容纳在超声波探头510内。吹洗气体可以被输送到位于超声波装置500的末端511的吹洗气体喷射点525并通过该吹洗气体喷射点排出。因此，在该实施例中，超声波装置500可以包括超声波探头510，所述超声波探头包括具有在超声波探头的末端处的吹洗气体喷射点的吹洗气体喷射系统。可选地，超声波装置500可以包括超声波冷却器系统，例如如上关于图1和/或图2所述，但是这不是一个要求。虽然已经说明了本发明的特定实施例，但还可以存在其它实施例。此外，在不背离本发明的情况下，任何公开的方法的步骤可以以任何方式来修改，包括对步骤重新排序和/或插入或删除步骤。虽然说明书包括多个示例，但本发明的保护范围由以下权利要求来表示。此外，虽然已经以关于结构特征和/或方法动作的用语细节来进行说明，但权利要求不限于上述的特征或动作。而是上述的特定特征和动作作为本发明的示例性实施例来公开。
示例
示例1-4
在示例1-4中，进行一系列测试以证明可以通过公开方法来实现的铝熔池中的溶解氢的量的减少。在使用任何除气技术之前提取和测试铝的对照样本(示例1)。铝金属熔池在大约1350°F(732℃)的温度下操作。接着采用传统除气技术，旋转式气体吹洗，以确定氢气去除的传统方法的效率(示例2)。示例3使用在此公开的超声波除气过程，即，与吹洗气体的引入结合的超声波装置。在示例3中，超声波装置包括铌末端，并且超声波装置的末端被放置到铝熔池中。超声波装置在铝熔池中在20,000Hz(频率)下操作。吹洗气体氩气与超声波装置的操作同时以大约4.7标准升/分种(L/min)速率被引入到金属熔池中。氩气沿着超声波装置的末端喷射(喷射点与末端之间的距离小于大约2cm)。示例4使用与传统除气技术结合的超声波除气过程。
示例1的铝样本(没有除气)、示例2(在传统除气之后)、示例3(在超声波除气之后)和示例4(在超声波除气和传统除气之后)被用于在真空下冷却和凝结。接着，从每一个示例测量一立方厘米(1cc＝1mL)以确定质量，因此确定每一个示例的铝的密度。铝具有2.7g/cc的理论密度，并且铝中氢气的存在将减小该密度。图4显示对于示例1-4中的每一个的密度与铝的理论密度相比的百分比差值。在图4中，越接近每一个样本的铝的理论密度(即低于铝密度的较低百分比)，则除气过程越有效。如图4所示，超声波过程(示例3)与传统技术一样有效(示例2)，并且组合使用(示例4)可以提供微小的额外改进。还对于ppm氢含量(基于质量)来评估示例1-4的铝样本。对在真空下冷却并凝结的铸造样本分析氢含量。氢含量分析在图5中概述。在图5中，为ppm的氢含量越低，则除气过程越有效。如图5中所示，超声波过程(示例3)与传统技术(示例2)相比更有效地去除氢气，并且组合使用(示例4)看起来没有提供任何额外益处。不再依赖图5的数据。申请人认为在所列的ppm氢含量的确定中存在分析误差。
示例5-8
在示例5-8中，进行一系列测试以确定根据公开方法的铝的熔池中的溶解氢可以被除去的相对速度。首先，少量铝熔化在金属熔池中，然后保持在大约1350°F(732℃)的温度下。Alspek单元用于确定单位为mL/100g的氢含量的基线读取。Alspek单元使用电解半电池中的分压力的原理以确定熔融铝中的溶解氢的量。超声波装置的末端被放置到铝熔池中，并且吹洗气体氩气被以大约1标准升/分钟(L/min)的速率添加到金属熔池。对于示例5-7，虽然可以使用达到且包括40,000Hz或更大，但超声波装置利用3∶1升压器并且在20,000Hz下操作。对于示例5，使用基准超声波振动幅度，以及用于超声波电源的基准功率大小(瓦)；对于示例6，超声波振动幅度为基准的2倍，并且超声波电源的功率大小是基准的1.9倍；以及对于示例7，超声波振动幅度为基准的3倍，并且超声波电源的功率大小为基准的3.6倍。对于示例8，不使用超声波装置，仅添加氩吹洗气体。使用Alspek单元随着时间监测氢气的水平并进行记录。在每一个试验之间，氢气被添加到铝熔池中，并且确定氩气的添加之前的基准。与图3中所示相似的超声波装置用于示例5-8中。超声波装置不具有冷却组件，并且吹洗气体通过超声波探头的末端喷射。超声波探头的直径为1″(2.5cm)，并且探头和末端(作为单个部件)均由含有铪和钛的铌合金构造成。图6显示在添加氩吹洗气体(如果使用还有超声波装置的启动)之后每100g的铝合金的氢气浓度mL作为时间函数的标绘图。图6证明了示例5-7中的每一个与仅使用吹洗气体但没有超声波装置的示例8相比明显更快地从铝中去除氢(使用吹洗气体和超声波装置)。示例6-7比使用较低超声波振动幅度和用于超声波电源的较低基准功率大小的示例5执行地略好。
示例9-10
示例9-10为大规模的试验以在使用铝合金5154(含有镁)的连续浇铸试验中确定使用吹洗气体和超声波装置除去氢气和锂/钠杂质。金属熔池的温度保持在大约1350°F(732℃)的温度下。
钠和锂的为重量百分比的浓度使用光谱仪来确定，并且使用用于熔融铝的Alscan氢分析器来确定氢浓度。示例9是对照实验，并且示例9的熔融铝合金中的主要钠和锂浓度分别为0.00083％(8.3ppm)和0.00036％(3.6ppm)。示例9中的氢浓度为0.41mL/100g。
示例5-8的超声波装置用于示例10中并在20,000Hz下操作。在示例10中，协同超声波装置的操作一起，氩气被以熔融金属输出的每kg/hr为大约80-85mL/hr的体积流量添加到金属熔池(即80-85mL吹洗气体/kg熔融金属)。在使用超声波装置和氩吹洗气体之后，熔融铝合金中的钠浓度低于0.0001％(1ppm)的最小检测极限，熔融铝合金中的锂浓度为0.0003％(3ppm)。示例10中的氢浓度为0.35mL/100g，减少大约15％。

Claims (28)

1.一种用于减少金属熔池中的溶解气体的量的方法，所述方法包括以下步骤：在所述金属熔池中操作超声波装置；和
在与所述超声波装置极接近的范围中将吹洗气体引入到所述金属熔池中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶解气体包括氧气、氢气、二氧化硫或其组合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述金属熔池包括铝、铜、锌、钢、镁或其组合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述吹洗气体包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或其组合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述吹洗气体被以在从大约0.1L/min到大约150L/min的范围内的速率引入到所述金属熔池中。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述吹洗气体以从所述金属熔池输出的每kg/hr吹洗气体的在从大约10mL/hr到大约500mL/hr的范围内的速率被引入到所述金属熔池中。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述方法使得所述金属熔池中的溶解气体的量减少至少大约10重量百分比。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述方法使得所述金属熔池中的碱金属杂质减少。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述溶解气体包括氢气，并且其中所述方法使得所述金属熔池中的氢气的量减少到小于大约4ppm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述方法在基本上缺少氯气的情况下实施。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述超声波装置包括：
超声波换能器；和
细长探头，所述细长探头包括第一端部和第二端部，所述第一端部连接到所述超声波换能器，所述第二端部包括末端；以及
其中，所述吹洗气体在所述超声波装置的末端的大约25cm之内的范围中被引入到所述金属熔池中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述吹洗气体在所述超声波装置的末端的大约5cm之内的范围中被引入到所述金属熔池中。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述吹洗气体通过所述超声波装置的末端被引入到所述金属熔池中。
14.一种用于减少金属熔池中的溶解气体的量的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述金属熔池中操作超声波装置，所述超声波装置包括：
超声波换能器；和
细长探头，所述细长探头包括第一端部和第二端部，所述第一端部连接到所述超声波换能器，所述第二端部包括末端；和以在从大约1L/min到大约50L/min的范围内的速率和在所述超声波装置的末端的大约15cm之内的范围中将吹洗气体引入到所述金属熔池中；其中：
所述溶解气体包括氢气；
所述金属熔池包括铝、铜或其组合；以及所述吹洗气体包括氩气、氮气或其组合。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述吹洗气体以从所述金属熔池输出的每kg/hr吹洗气体的在从大约30mL/hr到大约200mL/hr范围内的速率被引入到所述金属熔池中。
16.一种超声波装置，包括：
超声波换能器；
细长探头，所述细长探头包括第一端部和第二端部，所述第一端部连接到所述超声波换能器，所述第二端部包括末端；和
吹洗气体输送系统，其中所述吹洗气体输送系统包括吹洗气体入口和吹洗气体出口。
17.根据权利要求16所述的超声波装置，其中，所述吹洗气体出口在所述细长探头的末端的大约5cm之内。
18.根据权利要求16所述的超声波装置，其中，所述吹洗气体出口位于所述细长探头的末端。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的超声波装置，其中，所述细长探头包括不锈钢、钛、铌、陶瓷或其组合。
20.根据权利要求16-18中任一项所述的超声波装置，其中，所述细长探头的末端包括不锈钢、钛、铌、陶瓷或其组合。
21.根据权利要求16-20中任一项所述的超声波装置，其中，所述超声波装置的末端包括内层和外层。
22.根据权利要求21所述的超声波装置，其中，所述内层包括钛。
23.根据权利要求21或22所述的超声波装置，其中，所述外层包括铌。
24.根据权利要求21-23中任一项所述的超声波装置，其中，所述外层的厚度小于大约25微米。
25.根据权利要求21-24中任一项所述的超声波装置，其中，所述外层的厚度在从大约2微米到大约8微米的范围内。
26.根据权利要求16-25中任一项所述的超声波装置，其中，所述超声波装置还包括围绕所述细长探头的至少一部分的冷却系统。
27.根据权利要求26所述的超声波装置，其中，所述冷却系统包括围绕所述细长探头的至少一部分的至少一个通道。
28.根据权利要求27所述的超声波装置，其中，所述通道包括流体。
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