CN103088219A - 为铸造铝合金除气的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及为铸造铝合金除气的装置和方法。具体地，钢包能够以特定方式熔化和凝固可铸造金属，使得高质量液态金属和金属合金可制造为具有最小的氧化物和氢气含量。在一定量的熔融金属引入到钢包中时，熔融金属的分段的加热和冷却促进了之前溶解的气体从可铸造金属的释放，导致了铸件多孔性的显著降低。
Description
技术领域
本发明涉及铸造铝部件的制造，更特别地，涉及用于减小液态铝中的气体（主要是氢气含量）的方法和技术，并且因此减小固化之后的铸造铝部件中的多孔性。
背景技术
多孔性长期被认为是影响铸造部件的机械性能（特别是疲劳性能）的主要铸造缺陷之一。由于在从液体到固体的固化期间体积收缩，特别是由于气体在固态中相比于液态金属溶解度显著下降导致的溶解气体的产生，产生了多孔性。氢气是在熔融铝中显著可溶的仅有气体（Q. Han, S. Viswanathan, Metallurgical and Materials Transactions A, 33 （2002） 2067-2072； 以及D.R. Poirier, K. Yeum, A.L. Maples, Metall Trans A, 18 （1987） 1979-1987）。因而，减少或消除熔融Al中的溶解氢气有助于产生高质量铸件。
有若干方法目前被使用来减少液态铝中的内含物和氢气含量。这些方法包括使用氮气，氩气，或惰性气体和氯气的混合物作为净化气体的旋转叶轮除气；片剂除气（例如六氯乙烷（C2Cl6）片剂）；真空除气；超声波除气；喷射除气。（见A.M. Samuel, F.H. Samuel, J Mater Sci, 27 （1992） 6533-6563； A.C. Kevin., J.H. Michael, Light Metals, （2001） 1017-1020； R. Wu, Z. Qu, B. Sun, D. Shu, Materials Science and Engineering: A, 456 （2007） 386-390； 以及H. Xu, Q. Han, T. Meek, Materials Science and Engineering: A, 473 （2008） 96-104）。虽然现有的除气方法在精炼Al熔体中展示了不同程度的效力，它们会引起环境问题（例如，由于Cl2气体释放）或涉及大量资金投入。
发明内容
本发明提供除气系统，其可以特定方式熔化和凝固铸造金属和金属合金，从而可以产生高质量液态金属和金属合金（具有最小氧化物和氢气含量）。还描述了制造高质量液态金属和金属合金的方法。
根据本发明的第一方面，公开了为金属或金属合金除气的方法。方法包括利用液态金属或金属合金填充容器，从容器底部到容器顶部冷却容器中的液态金属或金属合金直到金属或金属合金从液态转变至固态，在这之后从容器顶部到容器底部其被加热到高于金属或金属合金的液相线温度。这样，通过就是凝固和熔化金属或金属合金一次或多次，促进了除气以及氧化物和相关溶解物质的减少。
在一个可选形式中，容器是浇包，而在另一个可选形式中，其为炉子。在另一选项中，提议的方法可以用于受控的（即，封闭的）或标准空气（即，开放的）环境。方法可以进一步包括当金属或金属合金被冷却和加热的时候施加真空。另外，浇包包括盖和真空阀，其合作以在其中具有熔融金属的至少一部分时间期间在钢包内形成真空。浇包可以构造成包括其底部中的孔，其中孔能够有选择地关闭，例如通过可动塞子，可动塞子能够由适当的致动机构控制。在优选形式中，冷却和加热步骤可以按需要经常地重复以使多孔性在预定的阈值内。方法可以另外包括在填料之前添加晶粒细化剂（例如TiBor），共晶细化剂（例如Al-10% Sr）或相关添加剂到浇包；这样的浇包可具有带有阀的盖，使得阀打开以促进这种晶粒细化和共晶改性剂的添加（其例如可为分段条的形式），在这之后抵靠盖关闭阀。液态金属或金属合金优选地利用位于或接近浇包底部的冷却单元冷却；而冷却的金属或金属合金的重新加热可由位于冷却单元上方某个位置处的浇包上的区域受控加热器或加热单元实现。这样，接收到钢包中的熔融金属或金属合金由下而上冷却并由上而下重新加热，以此来促进多孔减少的显著提高。特别地，由下而上的冷却方式允许任何之前溶解的氢气的连续除气，因为熔融金属的固化以向上的曲线行进。加热单元和冷却单元可构造成热管理单元或系统的一部分。可以为了能量节省而采用附加选项。例如，对冷却单元和加热单元的操作的更精确的控制避免了过冷或过热（其二者涉及比完成预期的凝固或熔化所需的花费更多能量）。在一个特殊形式中，冷却单元能够用于实现比固相线温度低约10°C的金属温度，而加热单元能够用于实现比固相线温度高约20°C的金属温度。
根据本发明的另一方面，用于金属铸造操作的钢包包括器皿，其中钢包内的熔融金属的加热和冷却由冷却单元和加热单元实现。在特殊形式中，冷却单元和加热单元合作以提供被引入钢包的熔融金属的交替的凝固（即，固化）和重新熔化。如上之前的方面中所述，加热和冷却单元的属性使得钢包的器皿内的熔融金属的冷却以由下而上的方式发生。这样的构造的优点在于氢气、氧化物或其他杂质的溶解度（其对于铸造多孔性有显著贡献）在液态或熔融状态中显著地高于固态。这样，初始冷却，凭借钢包内包含的熔融金属的底部上或附近处开始，倾向于通过冷却迫使更小密度的气态杂质（其在金属固化（硬化）的部分中变得更不可溶）采取通过至今未固化的熔融部分的垂直向上路径。因而，脱离溶液的杂质继续它们的向上路径直到基本上它们的全部已经被除气。在钢包内包含的基本上金属的全部已经固化的时候，在熔融金属内之前保持的氢气（或其他气态杂质）的大部分（或所有）已经被释放。因而，当以由下而上的方式冷却时，在底部部分从固化熔化物放出的气泡能够自由地通过顶部流出，因为顶部仍处于液态。同样，金属的加热（由冷却单元冷却一次）可以由上而下的方式发生，以促进更长的炉子或钢包寿命，以及进一步增强除气。这发生的原因是：如果顶部仍处于固态并且还粘到炉子或钢包壁，当其从固态变化到液态时金属体积膨胀，底部处的膨胀的体积会损坏炉子，钢包或相关器皿；通过采用由上而下熔化，气泡（如果仍存在）也能够流到顶部和从熔融金属脱离。
如前，可采用可选钢包构造，包括底部加载，可包括用于熔融金属引入的一个或多个孔，以及其他特征。例如，加热单元可以是区域控制器加热器，其允许对钢包中的金属器皿的热量的分段引入。在另一形式中，器皿限定在其中形成的孔。在优选形式中，孔在钢包的底部处或附近，而塞子、阀或相关封闭机构能够用于提供孔的封闭。在另一选项中，容器是可封闭的以允许在器皿内形成真空。各种阀可不仅用于建立孔封闭，而且还用于建立到器皿其他部分的选择性通路。一个这样的阀可以是旋转球阀，以允许一个或多个上述的晶粒细化和共晶改性剂选择性引入存在于器皿中的熔融金属中。其他通路特征，例如连接到填充管和吹扫气体阀的填充喷嘴，可用于允许吹扫气体的选择性流体连通到器皿中。
根据本发明的另一方面，熔融金属除气系统包括钢包和热管理单元。通过熔融金属（其中这样的熔融金属是铸造金属成品的前体）引入到钢包，热管理单元提供金属的冷却和加热从而提供固化（通过冷却）和后续熔化（通过加热），以此方式使得之前溶解在金属中的气态成分的排出或相关释放以向上引导的方式发生通过金属的有待固化的部分。凝固金属（其现在具有基本上减少的溶解的气体含量）然后可熔化以促进金属引入到铸模、铸造腔或相关结构。此冷却和加热序列可根据需要经常地重复直到实现适当低水平的多孔性。在优选形式中，热管理单元包括如前所述的冷却和加热单元。优选地，冷却单元在加热单元下方定位，使得当熔融金属首先被冷却时，这种冷却（和伴随的固化）以向上引导的方式发生，以此来更彻底地排出气态成分（例如氢气），其当金属处于液态的时候可溶解到金属中。通过利用冷却单元的基本上全部金属的固化，加热单元可重新熔化金属（其现在具有基本上减少的溶解的气体成分含量），使得重新熔化的金属可以被转移到铸模或（在需要进一步的溶解的气体去除的情况下）通过结合的冷却和加热单元再次操作。
可选地，除气系统包括联接到钢包的盖以在它们之间形成封闭的结构。抽空单元可流体联接到钢包以抽真空；这样的真空帮助从熔融金属上的钢包中的区域去除排出的气态成分。除气系统可另外包括与钢包合作的晶粒细化剂和共晶改性剂引入机构，以及吹扫机构以允许吹扫流体选择性地引入封闭的结构。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种为金属或金属合金除气的方法，包括：
利用液态金属或金属合金填充容器；
从容器底部到容器顶部，将容器中的液态金属或金属合金冷却到低于金属或金属合金的固相线温度的温度；以及
从容器顶部到容器底部，将已经冷却的金属或金属合金加热到高于金属或金属合金的液相线温度的温度。
2. 根据方案1所述的方法，其特征在于，所述容器是浇包。
3. 根据方案2所述的方法，其特征在于，其还包括当金属或金属合金在钢包内被冷却和加热的时候施加真空。
4. 根据方案3所述的方法，其特征在于，钢包包括带有真空阀的盖，从而使用真空阀施加真空。
5. 根据方案2所述的方法，其特征在于，钢包在其中限定孔，使得通过孔发生填充。
6. 根据方案5所述的方法，其特征在于，其还包括选择性地关闭孔。
7. 根据方案2所述的方法，其特征在于，其还包括在填充钢包之前添加晶粒细化剂和共晶改性剂的至少一种到钢包。
8. 根据方案7所述的方法，其特征在于，钢包包括带有阀的盖，使得阀打开以促进添加，在这之后抵靠盖关闭阀。
9. 根据方案2所述的方法，其特征在于，液态金属或金属合金利用冷却单元冷却，所述冷却单元放置成与钢包的底部热连通。
10. 根据方案9所述的方法，其特征在于，已经冷却的金属或金属合金利用区域受控加热单元加热，所述区域受控加热单元放置成与钢包的侧部热连通。
11. 根据方案1所述的方法，其特征在于，其还包括重复冷却和加热步骤。
12. 根据方案1所述的方法，其特征在于，冷却是到比金属或金属合金的固相线温度低约10°C的温度，加热是到比金属或金属合金的液相线温度高约20°C的温度。
13. 一种用于金属铸造操作的钢包，所述钢包包括：
冷却单元，所述冷却单元放置成与所述钢包中限定的器皿热连通，所述冷却单元构造成以如下方式固化引入到所述器皿中的熔融金属：其配置成促进在这种固化之前的以前溶解的气态成分的向上移动；以及
加热单元，所述加热单元放置成与所述器皿热连通，所述加热单元构造成重新熔化已经固化的金属。
14. 根据方案13所述的钢包，其特征在于，所述器皿限定可封闭单元以提供引入的金属对于周围环境的充分隔离。
15. 根据方案12所述的钢包，其特征在于，其还包括允许选择性引入晶粒细化剂和共晶改性剂的至少一种到已经引入到所述器皿中的熔融金属的装置。
16. 根据方案12所述的钢包，其特征在于，其还包括连接到填充管的填充喷嘴和吹扫气体阀，其允许吹扫气体到器皿和铸造腔的至少一个的选择性流体连通。
17. 一种熔融金属除气系统，包括：
钢包，其构造成在其中接收一定量的熔融金属；以及
热管理单元，其放置成与所述钢包热连通，使得在熔融金属引入到所述钢包中时，所述热管理单元提供金属的连续的冷却和加热，以此来通过引入的金属的未固化部分从金属排出之前溶解的气态成分。
18. 根据方案17所述的除气系统，其特征在于，其还包括：
盖，其联接到所述钢包以在其之间形成封闭的结构；以及
抽空单元，其流体联接到所述钢包以促进排出的气态成分从由所述盖覆盖的所述钢包的部分的移除。
19. 根据方案18所述的除气系统，其特征在于，其还包括与所述钢包合作的晶粒细化剂和共晶改性剂引入机构。
20. 根据方案18所述的除气系统，其特征在于，其还包括吹扫机构，其流体联接到所述钢包，所述吹扫机构构造成允许选择性引入吹扫流体到封闭的结构和铸造腔的至少一个中。
附图说明
下面的具体实施例的详细描述在与所附附图结合地阅读时可以被最好地理解，其中相同的结构用相同的附图标记指代，并且其中：
图1是能够在本发明中使用的装置的实施例的视图；
图2是能够在本发明中使用的装置的另一实施例的视图；
图3A至3C是照片，其示出了纯铝合金中的多孔水平，其中图3A特别示出了没有任何重新熔化的这种水平，图3B示出了在重新熔化一次之后的相同合金，图3C示出了在重新熔化二次之后的相同合金；
图3D是曲线图，其示出了图3A至3C的相应方式的多孔的面积分数和数密度的量化数据；
图4A至4C是照片，其示出了近共晶（Al-13% Si）铝硅合金中的多孔水平，其中图4A特别示出了没有任何重新熔化的这种水平，图4B示出了在重新熔化一次之后的相同合金，图4C示出了在重新熔化二次之后的相同合金；
图4D是曲线图，其示出了图4A至4C的相应方式的多孔的面积分数和数密度的量化数据；
图5A至5C是照片，其示出了亚共晶（Al-7% Si）铝硅合金中的多孔水平，其中图5A特别示出了没有任何重新熔化的这种水平，图5B示出了在重新熔化一次之后的相同合金，图5C示出了在重新熔化二次之后的相同合金；以及
图5D是曲线图，其示出了图5A至5C的相应方式的多孔的面积分数和数密度的量化数据。
具体实施方式
本发明减少了液态金属和合金中的氢气含量而无需使用单独的除气设备。其改进了铸造质量和熔化处理效率。其还减少了基本资金投入和修理成本。
铸造和相关铸造操作依靠钢包或相关容器或器皿来传送并浇注熔融金属。可以用于本发明的装置的一个实施例在图1展示，其中除气/浇包（也称作中间包，浇桶，或更简单地称作钢包）10包括浇包侧面上的区域受控加热器（或加热单元）15和底部上或附近的冷却单元20（例如，底部的约10mm内）。如所示的，加热单元15可由独立分段或受控加热元件构成。通过使用合适的控制器，加热元件可以作为整体或作为单个元件操作以促进预期的加热曲线。区域受控的加热器15和冷却单元20控制浇包中的金属或金属合金温度，一起组成分段热管理单元。本领域的技术人员应该意识到，区域受控加热和冷却的精确属性可以变化，使其能够提供与如上所述的金属合金的除气需要相称的加热或冷却曲线。如上所述，采用加热单元15和冷却单元20的加热和冷却操作的控制可由控制器（未示出）实现，其可装备有中央处理器（CPU），和内容可寻址存储器（例如，以存储程序的只读存储器（ROM）的形式，该程序控制整个装置的操作，和具有数据存储区的随机存取存储器（RAM））。CPU连接到输入/输出接口（其可执行分立和模拟的输入和输出的一个或两个），额外的信号处理装置，例如模数（A/D）转换器和一个或多个滤波电路。这样的控制器可用作数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何合适的可编程逻辑装置、分立的栅极或晶体管逻辑，分立的硬件部件，或其任何结合。在一种优选的形式中，控制器被构造成命令热管理单元如何为其冷却和加热序列分段，以及按需要经常地重复固化和重新熔化序列，从而实现预期水平的多孔减少。
孔25位于钢包10的底部以允许在其中选择性地引入熔融金属；这样的构造经常被称为底浇包。塞子30（其由塞子杆35连接到塞子致动器40）能够被操纵以响应于适当的控制信号（未示出）关闭孔25。在一种形式中，塞子30能够制造成通过塞子杆35的旋转接合孔25，其在一种形式中在打开和关闭之间旋转约四分之一圈。
操作过程中，当钢包10浸入液态金属中的时候（其可存在于保温炉或相关器皿中），其中孔25打开，钢包10填充液态金属，在这之后孔25以塞子30关闭以防止在钢包10远离保温炉移动时捕获的液态金属从孔25泄漏。阀45位于罩盖12中；当阀45打开的时候，一个或多个晶粒细化剂，例如TiBor（Al-Ti-B）条，以及共晶改性剂，例如Al-10% Sr条，可引入钢包10内包含的熔融金属以提供减小的收缩多孔的晶粒细化和共晶改性。在本文背景下，晶粒细化剂和共晶改性剂可在铝铸造中一起使用，以为了更好的机械性能而细化微结构。因为在添加晶粒细化剂和共晶改性剂的时候浇包中的惰性气体能够被密封，旋转球阀是期望的；然而，提供可比较的密封的任何阀类型可以被使用。在这种形式中，阀45（以及任何辅助结构）可用作晶粒细化剂和共晶改性剂的引入机构。盖12帮助促进它和钢包10的本体之间的封闭结构，使得真空可被拉出并且维持在熔融金属顶部和盖12之间的空间中。真空源和相关的管道、阀、密封件和相关设备的使用称为抽空单元；因为与这样的单元的操作有关的原理是易于理解的，它们将不进一步详细地讨论。
操作过程中，钢包10被定位在提供晶粒细化剂和共晶改性剂杆的装置下，其在优选形式中如上所述在预切长度提供。杆的引入可以通过任何合适的进给机构（未示出）。在阀45打开以后，晶粒细化剂和共晶改性剂杆落入钢包10。一旦适当数量的晶粒细化剂和共晶改性剂杆放置在钢包10中，阀45被关闭，钢包10移向（保温）炉。当钢包10被放置在炉子处的时候，钢包10向下浸直到撇渣器50在液态金属中浸入约10毫米至约50毫米。钢包10在一个方向上移动以利用撇渣器50撇出渣滓。在渣滓被撇出以后，系统使塞子致动器40循环以使塞子30绕四分之一圈并且塞子杆35到打开位置。在优选形式中，机器人控制（未示出）可用于相对于各种炉子和其他金属处理设备以常规方式移动钢包10和相关设备。特别地，机器人逐步地将钢包10投入液态金属或金属合金中直到外部接触探针55接触金属或金属合金，接地电路，其指示机器人停止它的运动，在这时孔25用塞子30关闭，钢包10被提升出炉子内的浸渍井。
冷却单元20开始从底部到顶部逐步地凝固钢包10中的液态金属。同时，真空阀60打开以在金属表面处拉出真空。当金属温度被冷却到合适的温度时（例如低于合金固相线约10°C至约20°C之间），冷却单元20停止。因为在金属冷却到较低温度时需要更大量的能量来重新融化金属，优选的是尽可能低最小化冷却，例如到低于合金固相线不超过约10°C。冷却所需的时间将取决于被处理的材料量和冷却到什么温度。
一旦冷却已经基本上停止，区域受控的加热器15开始工作，使得金属在向下方向上从顶部逐步地熔化。重新熔化的时间将取决于被处理的材料量和其重新熔化的温度。当液态金属达到合适的温度的时候（例如高于液相线的约10°C至约50°C之间），区域受控的加热器15停止。如上所述，希望使用最低温度来避免用于重新熔化的过量能量的使用；例如，在前面讨论的范围之内，高于合金的液相线约10°C将会是优选的加热量。上述冷却和加热步骤完成一个重新熔化循环。为了得到更好的除气结果，上述程序可以被重复一次或多次。
在将液态金属浇注进入铸模（未示出）之前，液态金属温度可升高到任何具体的浇注温度。当液态金属温度达到浇注温度时，系统移动钢包10到铸模中的浇注池（未示出）的顶部。在钢包10被定位之后，系统循环塞子致动器40，使其绕塞子30的约四分之一圈并且塞子杆35到打开位置以浇注液态金属到浇注池。在铸件被浇注之后，孔25用塞子30关闭，钢包10为下一循环被提升。法兰90可由机器人或其他自动设备使用以在其传送经过铸造工艺期间保持钢包10。
图2示出了钢包10的另一实施例，其中盖12被修改以容纳吹扫气体设备。区域受控的加热器15和冷却单元20以与上述类似的方式控制的金属温度，如塞子30、孔25和塞子致动器40的合作动作。在本实施例中，附加设备（统称为吹扫机构）促进吹扫气体的使用以帮助为熔融金属除气。吹扫气体阀70允许（当打开时）将惰性气体引入到表面下金属填充喷嘴75以及在这种管80是空的时候（例如当既没有填充也没有铸造时）引入到填充管80。填充管80和填充喷嘴75用于铸造腔或相关模具（未示出）的低压填充以使铸造部件在模具填充期间最小化氧化物生成。如图1所示的实施例，钢包10被定位在从给料机构提供晶粒细化剂（例如TiBor）和共晶改性剂（例如Al-10% Sr）杆的预切长度的装置或单元下，在这之后阀45打开以使晶粒细化剂和共晶改性剂杆落入钢包10中。在阀45关闭之后，钢包10移动到保温炉。
当钢包10被放置在炉子处的时候，钢包10向下浸直到撇渣器50在液态金属中浸入约10毫米至约50毫米。钢包10在一个方向上移动以利用撇渣器50撇出渣滓。在渣滓被撇出以后，孔25打开。从这开始，逐步地将钢包10投入金属中直到外部接触探针55接触金属，接地电路以停止钢包10的额外运动。在一定量的熔化物填充到钢包中之后，孔25关闭，钢包10被提升出浸渍井。冷却单元20开始以与上述类似的方式从底部到顶部逐步地凝固钢包10中的液态金属，而真空阀60打开以在金属表面处拉出真空。当金属被冷却到低于合金固相线至少约10°C的温度时，冷却单元20停止，区域受控的加热器15开始工作，使得金属从顶部到底部逐步地熔化。当液态金属到达高于合金的液相线至少约10°C的温度时，区域受控的加热器15停止。
当液态金属准备好装满铸模包的时候，钢包10被移向浇注站。在抵靠模具入口（未示出）推动填充喷嘴75之前，吹扫气体罩85移动以允许填充喷嘴75和模具入口之间的牢固连接。这时，真空阀60能够打开以用作填充增压阀；这迫使液态金属被推过填充管80和填充喷嘴75以填充模具腔（未示出）。在变体中（未示出），真空阀60的填充增压功能可由单独阀执行为对所示单一阀60的替代，例如其中能够使用三位阀，其中一个位置用于连接到真空泵（未示出），一个用于连接到增压（惰性）气体泵（未示出），第三位置用于阀封闭。在模具被填充之后，阀60关闭，在这之后实现钢包10远离铸模的机器人移动。同时，吹扫气体罩85可关闭以密封填充喷嘴75，而吹扫气体阀70被打开以进入的惰性气体吹扫钢包10，使钢包10准备好下一循环。
例子
图3A至3C示出了纯铝样品的垂直截面上的产生的多孔水平，其中图3B和3C是重新熔化的，图3A是没有重新熔化的。图3D是曲线图，其示出了图3A至3C中所示结果的测量的多孔的数密度和面积分数。在图3A中，没有重新熔化，样品在全部金属基底上散布有高水平的多孔（约0.25个孔/平方毫米）。在图3B中，在根据本发明重新熔化一次之后，多孔水平显著降低，其中在样品的顶部上仅留下11个孔（其中多孔数密度约0.01个孔/平方毫米）。在图3C中，在重新熔化二次之后，出现的孔甚至更少，很可能是因为它们粘在了表面氧化物膜上了。这显示了重新熔化能够导致非常有效的除气。
类似结果已经在图4A至4C中示出，其示出了近共晶Al-Si合金。在重新熔化一次之后，多孔的数密度和面积分数从0.29个孔/平方毫米显著下降到0.007个孔/平方毫米（其中相关的多孔的体积分数从0.77%下降到0.02%）。在重新熔化二次之后，基本上全部的孔消失了。
图5A至5C中的亚共晶A356（Al-7% Si）合金还示出了本发明的重新熔化工艺对于除气的积极影响。在第一次重新熔化之后，孔的形态从近似圆形（图5A）变到虫状（图5B）；这种变化呈现了典型的收缩特征。在第二次重新熔化之后（图5C），几乎所有的收缩孔消失了，这意味着在重新熔化之后在氢气水平和氧化物内含物显著减小时，收缩孔难以形成。
注意类似“优选”、“通常”和“典型地”的术语在本文中不用于限制要求保护的发明的范围或暗示某些特征对于要求保护的发明的结构或功能是至关重要的、必不可少的或甚至重要的。而是这些术语仅意于强调在本发明的特别实施方案中可以使用或可以不使用的可替代的或另外的特征。
为了描述和限定本发明的目的，注意本文中使用术语“装置”表示部件的组合或单一部件，无论该部件是否与其他部件结合。例如，依照本发明的“装置”可以包括电化学转化部件或燃料电池、包括依照本发明的电化学转化部件的车辆等等。
为了描述和限定本发明的目的，注意本文中使用术语“基本上”表示可能归因于任意定量比较、数值、测量值或其他表示的固有不确定性程度。该术语“基本上”在本文中还用于表示定量表示可以偏离所述参考值而不会导致所述主题的基本功能发生改变的程度。
参考其特别实施方案详细描述了本发明，但在不脱离后附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行改进和变化，这将是显而易见的。更特别地，尽管本发明的一些方面在本文中认定为优选的或特别有利的，但认为本发明并不必须限制于本发明的这些优选方面。
Claims (10)
1.一种为金属或金属合金除气的方法，包括：
利用液态金属或金属合金填充容器；
从容器底部到容器顶部，将容器中的液态金属或金属合金冷却到低于金属或金属合金的固相线温度的温度；以及
从容器顶部到容器底部，将已经冷却的金属或金属合金加热到高于金属或金属合金的液相线温度的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器是浇包。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其还包括当金属或金属合金在钢包内被冷却和加热的时候施加真空。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，钢包包括带有真空阀的盖，从而使用真空阀施加真空。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，钢包在其中限定孔，使得通过孔发生填充。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其还包括选择性地关闭孔。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其还包括在填充钢包之前添加晶粒细化剂和共晶改性剂的至少一种到钢包。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，钢包包括带有阀的盖，使得阀打开以促进添加，在这之后抵靠盖关闭阀。
9.一种用于金属铸造操作的钢包，所述钢包包括：
冷却单元，所述冷却单元放置成与所述钢包中限定的器皿热连通，所述冷却单元构造成以如下方式固化引入到所述器皿中的熔融金属：其配置成促进在这种固化之前的以前溶解的气态成分的向上移动；以及
加热单元，所述加热单元放置成与所述器皿热连通，所述加热单元构造成重新熔化已经固化的金属。
10.一种熔融金属除气系统，包括：
钢包，其构造成在其中接收一定量的熔融金属；以及
热管理单元，其放置成与所述钢包热连通，使得在熔融金属引入到所述钢包中时，所述热管理单元提供金属的连续的冷却和加热，以此来通过引入的金属的未固化部分从金属排出之前溶解的气态成分。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110769952A (zh) * | 2017-06-16 | 2020-02-07 | 麦格纳国际公司 | 具有用于提高熔融金属质量的超声波单元的压铸炉系统 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9555471B2 (en) * | 2014-01-28 | 2017-01-31 | General Electric Company | Casting method and cast article |
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| WO2019245922A1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-12-26 | Arconic Inc. | Feedstocks for additively manufacturing aluminum alloy products and additively manufactured products made from the same |
| CN116237540A (zh) * | 2022-12-31 | 2023-06-09 | 哈尔滨理工大学 | 一种选择性激光熔融的防变形开裂方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1958822A (zh) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | 西北工业大学 | 大体积分数准晶增强高强度铸造铝合金方法 |
| CN101235430A (zh) * | 2008-02-29 | 2008-08-06 | 上海大学 | 钢包炉中外加电场无污染脱氧精炼方法及装置 |
| CN101323892A (zh) * | 2008-07-31 | 2008-12-17 | 东北大学 | 一种底阳极侧导电直流钢包炉 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3240588A (en) * | 1961-01-09 | 1966-03-15 | Finkl & Sons Co | Method and apparatus for treating molten metal |
| US3303019A (en) * | 1964-04-23 | 1967-02-07 | Aluminum Co Of America | Purification of aluminum |
| US3754592A (en) * | 1972-02-15 | 1973-08-28 | Gen Motors Corp | Method for producing directionally solidified cast alloy articles |
| CH564393A5 (zh) * | 1973-11-05 | 1975-07-31 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
| US5913353A (en) | 1994-09-26 | 1999-06-22 | Ford Global Technologies, Inc. | Process for casting light metals |
| US5972065A (en) | 1997-07-10 | 1999-10-26 | The Regents Of The University Of California | Purification of tantalum by plasma arc melting |
| TW541350B (en) * | 2000-12-29 | 2003-07-11 | Solar Applied Material Technol | Method for producing metal target for sputtering |
| US20090065354A1 (en) * | 2007-09-12 | 2009-03-12 | Kardokus Janine K | Sputtering targets comprising a novel manufacturing design, methods of production and uses thereof |
-
2011
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-
2012
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- 2012-11-02 CN CN201210432241.4A patent/CN103088219B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1958822A (zh) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | 西北工业大学 | 大体积分数准晶增强高强度铸造铝合金方法 |
| CN101235430A (zh) * | 2008-02-29 | 2008-08-06 | 上海大学 | 钢包炉中外加电场无污染脱氧精炼方法及装置 |
| CN101323892A (zh) * | 2008-07-31 | 2008-12-17 | 东北大学 | 一种底阳极侧导电直流钢包炉 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110769952A (zh) * | 2017-06-16 | 2020-02-07 | 麦格纳国际公司 | 具有用于提高熔融金属质量的超声波单元的压铸炉系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| DE102012219831A1 (de) | 2013-08-22 |
| CN103088219B (zh) | 2014-11-12 |
| DE102012219831B4 (de) | 2020-01-16 |
| US20130112042A1 (en) | 2013-05-09 |
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