CN103056318B - 作为熔融金属中的防护屏蔽层的铌 - Google Patents

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Abstract

本发明是作为熔融金属中的防护屏蔽层的铌。公开一种例如可以与诸如铜之类的熔融金属接触的设备。所述设备可以包括，但不限于用于制造由熔融金属制成的制品的模具、用于确定熔融金属中的溶解气的量的传感器、或用于降低熔融金属中的气体含量(如，氢)的超声波设备。当这些设备暴露至熔融金属时，铌可以用作这些设备的防护屏蔽层。

Description

作为熔融金属中的防护屏蔽层的铌
本申请是申请号200980107837.3的申请的分案申请。
相关申请的引用
本申请作为PCT国际专利申请以作为所有指定国的申请人的美国公民VictorF.Rundquist和美国公民Kevin S.Gill的名义于2009年3月4递交，并要求于2008年3月5日递交的美国临时专利申请序列号No.61/033,807的优先权。
版权
包括于此的材料的所有权利，包括版权归属于申请人并且是的所有权。申请人坚持和保留包括于此的材料的所有权利，并且仅连同授权的专利的复制一起授权允许复制该材料，并且不用于其它目的。
背景技术
铜制品的处理或铸造可能需要包含熔融铜的电解槽，这种熔融铜的电解槽可能保持在1100℃左右的温度。多种仪器或设备用来监测或测试在电解槽中熔融铜的情况，以及用于期望的铜制品的最终制造或铸造。存在这样一种需求，希望这些仪器或设备更好地承受熔融铜电解槽中遇到的升高的温度，有益的是具有较长的寿命，且被限制以与熔融铜不反应。
发明内容
提供本发明内容是为了以简单的形式引入在下文中在详细的说明书中进一步描述的概念的选择。本发明内容不是要确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征。本发明内容也是不要用来限制所要求保护的主题的范围。
设备例如可能与诸如铜之类的熔融金属接触。该设备可以包括但不限于用于制造由熔融金属制成的物件的模具、用于确定熔融金属中的溶解气的量的传感器、或用于降低熔融金属中的气体含量(如，氢)的超声波设备。这些设备暴露至熔融金属时，铌可以用作这些设备的防护屏蔽层。
前述发明内容和接下来的具体实施方式都只是提供了例子并且是示例性的。因此，前述发明内容和接下来的具体实施方式不应当认为是限制性的。而且，除了在此提出的那些特征之外，还可以提供其它特征或变形。例如，各实施方式可以涉及在具体实施方式中描述的各种特征组合或二次组合。
附图说明
结合在本公开中并构成其中的一部分的附图图示了本发明的多种实施方式。在附图中：
图1示出了模具的局部剖视图；
图2示出了传感器的局部剖视图；以及
图3示出了超声波设备的局部剖视图。
具体实施方式
接下来的具体实施方式涉及附图。只要可能，相同的附图标记用在附图和接下来的描述中以指示相同或类似的元件。虽然可以描述本发明的多种实施方式，但修改、改写和其它实施方案也是可行的。例如，可以对在附图中图示的元件进行替换、添加或修改，并且可以通过替换、重新排序、或向所公开的方法添加多个阶段而对在此描述的方法进行修改。因此，接下来的具体实施方式不限制本发明。
本发明的各实施方式可以提供用来增加直接与熔融金属接触的部件的寿命的系统和方法。例如，本发明的各实施方式可以采用铌来降低与熔融金属接触的材料的退化，导致最终产品的质量出现明显改进。换句话说，本发明的各实施方式可以采用铌作为防护屏蔽层来增加与熔融金属接触的材料或部件的寿命，或者保护这些材料或部件。铌可以具有多种特征，例如，它的熔点好，可以帮助提供本发明的前述各实施方式。此外，当暴露至200℃和以上的温度时，铌还可以形成防护氧化物屏蔽层。
而且，本发明的各实施方式可以提供用于增加直接与熔融金属接触或接合的部件的寿命的系统和方法。由于铌与熔融金属的反应性低，采用铌可以防止衬底材料退化。与熔融金属接触的材料的质量可能降低最终产品的质量。因此，本发明的各实施方式可以采用铌以降低衬底材料的退化，导致最终产品的质量明显改进。因此，与熔融金属结合的铌可以结合铌的高熔点和与诸如铜金属的低反应性。
与本发明一致的实施方式可以包括包含石墨和铌的模具。这种模具可以用来从包含熔融铜的电解槽垂直铸造铜制品。例如，模具可以包括内层和外层，其中外层可以构造为使热量从诸如熔融铜之类的熔融金属传递到周围环境中。内层可以被构造以为外层提供屏蔽层，如氧屏蔽层。内层可以包括铌，外层可以包括石墨。铌内层可以为直接与熔融金属接触，例如，与熔融铜接触的层。包括铌的内层的厚度可能对模具的导热性和最终功能以及铌提供在石墨之上的屏蔽层以及所产生的模具最终寿命很重要。例如，没有铌的石墨模具寿命可能约为3天，而包括石墨和直接与熔融铜接触的铌层的模具的寿命可以约为15至约20天。在一些实施方式中，包括铌的内层的厚度可以小于约10微米，如在从约1至约10微米的范围内。在本发明的其它实施方式中，包括铌的内层的厚度可以在从约2至约8微米，或从约3至约6微米的范围内。
根据本发明的各实施方式，铌可以用作用在垂直铜铸造中的模具上的涂层。模具开口的形状大体上可以为圆筒形，但这不是要求。垂直铜铸造中的接下来的阶段可以包括下述过程。首先，装入冷却套管中的垂直石墨模具可以浸入熔融铜电解槽中。模具可以暴露至约1100℃的温度。因为石墨可以具有出色的导热性，模具中的石墨可以使热量从熔融铜传递到周围环境中。通过这个冷却过程，熔融铜可以转化为固体铜杆。然而，前述石墨模具可能与氧(可能存在于熔融铜中)具有高的反应性，导致模具退化。因此，石墨模具可能需要周期性更换，以满足铜杆质量要求。这又可能导致制造和质量成本较高。
图1图示了采用铌作为例如石墨模具中的屏障涂层。如图1所示，本发明的各实施方式可以提供模具100，其可以利用铌的较高的熔点和它与熔融铜的低反应性来增加模具100的寿命(与常规石墨模具相比)。例如，本发明的各实施方式可以在模具100的石墨部分上使用铌涂层。铌可以与熔融铜直接接触。铌涂层可以降低或防止氧渗透到石墨中，因此增加模具100的寿命。这又可以导致产品成本的降低和质量的增加。与本发明的各实施方式一致，铌涂层可以很薄，并且仍用作氧的屏蔽层，不与熔融铜反应，并且模具100的热特性改变很少或没有改变(与常规石墨模具相比)。换句话说，可以选择足够厚度的铌涂层以设置前述氧屏蔽层，并且还足够薄，以允许模具100使热量从熔融铜传递到周围环境中。
与该实施方式一致的是用于从熔融铜制造包含铜的固体制品的方法。该方法可以包括提供包含熔融铜的电解槽、将熔融铜从电解槽引入到模具100的入口、以及通过模具100加工熔融铜，同时冷却，以在模具100的出口处制造包含铜的固体制品。可以通过这种方法制造制品，并且这种制品也是本发明的一部分。例如，该制品可以为包含铜的杆。
在其它实施方式中，铌可以用在用于确定包含熔融铜的电解槽中的溶解气的量的传感器中。例如，传感器可以包括围绕固体电解质管的一部分的传感器本体、以及包含在固体电解质管内的参考电极。固体电解质管可以包括第一端部和第二端部。固体电解质管的第一端部可以定位在传感器本体内，第二端部可以包括从传感器本体向外延伸的尖端。根据该实施方式，固体电解质管的尖端可以包括铌。包括熔融铜的电解槽可以包含溶解气，溶解气例如可以为氧、氢或二氧化硫或这些材料的组合。该传感器可以用来在连续的基础上测量熔融铜的电解槽中的溶解气的量，可替换地，可以用于以某一预定时间间隔隔离地或周期性地测试各溶解气的量。
图2图示采用铌作为传感器200的材料，传感器200用于连续地测量包含熔融金属的电解槽中的氧的量，所述熔融金属包括但不限于铜。知道熔融铜中的氧含量在铜铸造工艺是有用的。当铜凝固时，太多或太少的氧可能对制品或铸造具有有害的影响。例如，熔融铜中的在从约150ppm至约400ppm，或者从175ppm至约375ppm的范围内的氧含量在铜铸造工艺中可能是有利的。虽然该传感器可以测量150-400ppm范围中的溶解氧的量，但可以预期该传感器具有从低至约50ppm到高至约1000ppm或更多的可测量氧含量的检测范围。
图2的氧传感器200可以包括容纳或包含在固体电解质管230内的参考电极250。参考电极250可以为金属/金属氧化物的混合物，如Cr/Cr2O3，其可以建立氧分压的参考值。固体电解质管230的一部分可以由绝缘材料220包围。绝缘材料220可以包含氧化铝(Al2O3)或类似的绝缘材料的粒子。固体电解质管230和绝缘材料220可以由传感器本体210包围。传感器本体210可以由多种适合的材料构造，包括但不限于金属、陶瓷或塑料。这些材料的组合也可以用在传感器本体210中。传感器本体210的形状可以为大体圆筒形的，但这不是要求。
在一些实施方式中，传感器本体210可以仅围绕固体电解质管230的一部分。例如，固体电解质管230可以包括第一端部和第二端部。固体电解质管230的第一端部可以定位在传感器本体内，第二端部可以包括从传感器本体210上向外延伸的尖端240。根据本发明的一些实施方式，固体电解质管230的尖端240可以放置在包含熔融铜的电解槽中，以确定溶解的氧含量。
固体电解质管230、尖端240或二者都可以包括铌。铌可以与一种或多种其它金属形成合金，或者铌可以是镀或涂在其它材料的基层之上的层。例如，固体电解质管230、尖端240或者二者都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，铌在固体电解质管230、尖端240或者二者中的存在可以提供良好的导电性、铜的熔化温度处的强度、以及耐熔融铜的化学侵蚀。铌可以提供本发明的具有前述特点的各实施方式，加工和制造简单。未在图2中示出，但包含于此的是传感器输出或读出装置，其基于从传感器200产生的电信号显示测量的氧含量。该输出或读出装置可以物理连接或无线连接至传感器200。
与该实施方式一致的是用于测量包含熔融铜的电解槽中的溶解气的量的方法。这种方法可以包括将传感器200的尖端240插入包含熔融铜的电解槽中，并根据所产生的电信号确定包含熔融铜的电解槽中的溶解气的量。通常，被测量的溶解气为氧。溶解在包含熔融铜的电解槽中的氧的量可以在约50ppm至约1000ppm的范围内，例如，从约150ppm至约400ppm的范围。
在其它实施方式中，铌可以用在包括超声波换能器和细长探针的超声波设备中。细长探针可以包括第一端部和第二端部，其中第一端部可以连接至超声波换能器，第二端部可以包括尖端。根据该实施方式，细长探针的尖端可以包括铌。该超声波设备可以用在超声波除气工艺中。可以用在铜杆的制造中的熔融铜的电解槽可以包含溶解气，如氢。超过3ppm的溶解氢可能对铸造速率和铜杆的质量存在有害的影响。例如，熔融铜中的约4ppm、约5ppm、约6ppm、约7ppm或约8ppm及更高的氢水平可能是有害的。氢由于其存在于包含熔融铜的电解槽的上方的大气中而可能进入熔融铜电解槽，或者它可以存在于用在熔融铜电解槽中的铜进料开始起始材料中。从熔融铜中移除氢的一个方法是使用超声波振动。用在超声波振动工艺中的仪器可以包括产生超声波的换能器。连接至换能器的是可以为将超声波传递到包含溶解铜的电解槽中的探针。通过在包含溶解铜的电解槽中运行超声波设备，氢含量可以降低至小于约3ppm，例如，降低至从约2ppm至约3ppm的范围，或降低至小于约2ppm。
图3图示了采用铌作为超声波设备300中的材料，该超声波设备300可以用来降低熔融铜中的氢含量。超声波设备300可以包括超声波换能器360、用于增加输出的增压器350和连接至换能器360的超声波探针组件302。超声波探针组件302可以包括细长超声波探针304和超声波介质312。超声波设备300和超声波探针304的形状大体上可以为圆筒形，但这不是要求。超声波探针304可以包括第一端部和第二端部，其中第一端部包括连接至超声波换能器360的超声波探针轴306。超声波探针304和超声波探针轴306可以由多种材料构造。示例性的材料可以，但不限于不锈钢、钛等或其组合。超声波探针304的第二端部可以包括超声波探针尖端310。超声波探针尖端310可以包括铌。可替换地，尖端310本质上可以本质地与铌一致或由铌构成。铌可以与一种或多种其它金属形成合金，或者铌可以为镀或涂在其它材料的基层之上的层。例如，尖端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(如，钛)，外层可以包括铌。在该实施方式中，包含铌的外层的厚度可以小于约10微米，可替换地，在从约2至约8微米的范围内。例如，包含铌的外层的厚度可以从约3至约6微米的范围内。
超声波探针轴306和超声波探针尖端310可以由连接器308连接。连接器308可以代表用于连接轴306和尖端310的装置。例如，轴306和尖端310可以栓接或焊接在一起。在一种实施方式中，连接器308可以表示轴306包含凹陷螺纹，尖端310可以拧在轴306上。预期的是超声波探针轴306和超声波探针尖端310可以包括不同的材料。例如，超声波探针轴306可以包括钛，超声波探针尖端310可以包括铌。
再次参照图3，超声波设备300可以包括内管328、中心管324、外管320和保护管340。这些管可以围绕超声波探针304的至少一部分，并且通常可以由任何适合的金属材料构造。可以预期的是，超声波探针尖端310将放置在溶解铜的电解槽中；然而，预期的是，保护管340的一部分也可以浸入熔融铜中。因此，保护管340可以包括钛、铌、碳化硅或这些材料中多于一种的组合。包含在管328、324、320和340内的可以为流体322、326和342，如图3所示。所述流体可以为液体或气体(如，氩)，其目的是可以提供对超声波设备300的冷却，并且特别地，提供对超声波探针尖端310和保护管340的冷却。
超声波设备300可以包括端盖344。端盖可以桥接保护管340和探针尖端310之间的间隙，并且可以降低或防止熔融铜浸入超声波设备300。类似于保护管340，端盖344例如可以由钛、铌、碳化硅或这些材料中多于一种的组合构造。
超声波探针尖端310、保护管340或端盖344或这三者都可以包括铌。铌可以与一种或多种其它金属形成合金，或者铌可以为镀或涂在其它材料的基层之上的层。例如，超声波探针尖端310、保护管340或端盖344或这三者都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，在超声波设备的部件上存在铌可以改善该设备的寿命，当与熔融铜接触时，提供低的或没有化学反应，提供在铜的熔化温度处的强度，并具有传播超声波的能力。
本发明的各实施方式可以包括用于降低包含溶解铜的电解槽中的氢含量的方法。这种方法可以包括将超声波设备300的尖端310插入包含溶解铜的电解槽中，并以预定频率操作超声波设备300，其中操作超声波设备300降低了包含溶解铜的电解槽中的氢含量。通常，在操作超声波设备300之前，在熔融铜中溶解的氢大于3ppm、大于4ppm、大于5ppm或大于6ppm。例如，包含溶解铜的电解槽中的氢含量可以在氢为约4至约6ppm的范围。这种超声波除气方式的结果可以是将包含溶解铜的电解槽中的氢含量降低至小于约3ppm(或可替换地小于约2ppm)的水平。
根据本发明的各实施方式，采用铌可以解决以上列出的需求。铌可以具有如在下表1中示出的特性。
表1
锻造抗张强度 585兆帕
锻造硬度 160HV
弹性模量 103千兆帕
剪切模量 37.5千兆帕
熔点 2750K(2477℃，4491°F)
符号，原子数 Nb，41
原子重量 92.91g/mol
密度 8.57g/cc
导热性 (300K)53.7W/m-k
热膨胀 (25℃)7.3μm/m-k
虽然已经描述了本发明的各实施方式，但可以存在其它实施方式。而且，在不偏离本发明的条件下，可以以任何方式修改任何所公开的方法的阶段，包括对各阶段重新排序和/或插入或删除一个阶段。虽然本说明书包括一些例子，但本发明的保护范围由接下来的权利要求表示。而且，虽然已经以结构特征和/或方法动作特有的语言描述了本说明书，但权利要求不限于上述特征或动作。更确切地说，上述具体的特征和动作是作为用于本发明的各实施方式的例子公开的。

Claims (8)

1.一种模具，具有外层和内层，并且具有在一侧的入口和在另一侧的出口，所述模具其特征在于：
外层被构造以使热量从熔融金属传递到周围环境中，并且外层包括石墨；和
内层被构造以为外层提供氧屏障层，内层包括元素铌并且内层的厚度在从约1至约10微米的范围内。
2.根据权利要求1所述的模具，其中，内层构造为当模具暴露至约1100℃的温度时为外层提供氧屏障层。
3.根据权利要求1所述的模具，其中，包括元素铌的内层的厚度在从约2至约8微米的范围内。
4.根据权利要求1所述的模具，其中，包括元素铌的内层的厚度在从约3至约6微米的范围内。
5.一种用于从熔融铜制造包含铜的固体制品的方法，所述方法包括：
提供包含熔融铜的电解槽；
将熔融铜从电解槽引入到权利要求1所述的模具的入口；和
通过所述模具加工熔融铜，同时冷却，以在所述模具的出口处制造包含铜的固体制品。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述固体制品为包含铜的杆。
7.一种用于从熔融铜制造包含铜的固体制品的方法，所述方法包括：
提供包含熔融铜的电解槽；
将熔融铜从电解槽引入到权利要求1所述的模具的入口；和
通过所述模具加工熔融铜，同时冷却，以在所述模具的出口处制造包含铜的固体制品。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述固体制品为包含铜的杆。
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