CN103889598A - 具有集成的气体递送系统的超声装置 - Google Patents

具有集成的气体递送系统的超声装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于脱气和用于从熔融金属移除杂质的方法。这些方法可以包括在熔融金属浴中运行超声装置，以及将吹扫气体通过所述超声装置的尖部加入至所述熔融金属浴中。

Description

具有集成的气体递送系统的超声装置
对相关申请的引用
本申请作为PCT国际专利申请在2012年10月10日提交，并且要求在2011年10月11日提交的美国专利申请号13/270,401的优先权，所述申请的内容通过引用完整地结合于此。
版权
本文所包括的材料中的所有权利，包括版权，归属于申请人并且为申请人的财产。申请人保留并保有本文所包括的材料的所有权利，并且仅许可连同授权的专利副本一起复制该材料，并且不能用于其他用途。
背景技术
特定金属制品的加工和浇铸可以需要含有熔融金属的浴(bath)，并且依赖于具体的金属，该熔融金属的浴可以保持在700℃至1200℃的范围内或更高的温度。许多设备或装置可以在用于所需金属制品的制造或浇铸的熔融金属浴中使用。需要这些设备或装置更好地耐受在熔融金属浴中遇到的升高的温度，有益地具有更长的寿命并且被限制为与特定的熔融金属无反应性。
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/或杂质可以不利地影响所需金属制品的最终制造和浇铸，和/或从而得到的金属制品自身的物理性质。减少存在于熔融金属浴中的溶解的气体或杂质的量的尝试还未完全成功。因此，需要改进的方法以将气体和/或杂质从熔融金属移除。
概述
提供该概述从而以简化形式介绍选出的概念，其在下面在详述中进一步描述。该概述不意图识别所要求保护的主题的必需的或必要的特征。该概述也不预期用于限制所要求保护的主题的范围。
本发明针对用于减少在熔融金属浴中的溶解的气体(和/或各种杂质)的量的方法(例如，超声脱气)。在一个实施方案中，该方法可以包括在熔融金属浴中运行超声装置，并且将吹扫气体引入至紧邻超声装置的熔融金属浴中。例如，溶解的气体可以包括氢，熔融金属浴可以包括铝或铜(包括其合金)，并且吹扫气体可以包含氩和/或氮。可以将吹扫气体在约50cm(或25cm，或15cm，或5cm，或2cm)内，或通过超声装置的尖部加入至熔融金属浴中。可以将吹扫气体以每kg/小时的来自熔融金属浴的输出在约0.1至约150L/分钟的范围内，或另外地或备选地，在约10至约500mL/小时的范围内的吹扫气体的速率加入或引入至熔融金属浴中。
本发明还公开了超声装置，并且这些超声装置可以在许多不同的应用中使用，包括超声脱气和晶粒细化。作为实例，超声装置可以包括超声换能器；连接至超声换能器的探头，所述探头包括尖部；以及气体递送系统，所述气体递送系统包括气体入口、通过探头的气流通道，和位于探头尖部处的气体出口。在一个实施方案中，探头可以是伸长的探头，所述伸长的探头包括第一端和第二端，第一端连接至超声换能器并且第二端包括尖部。此外，探头可以包含不锈钢、钛、铌、陶瓷等，或任何这些材料的组合。在另一个实施方案中，超声探头可以是具有通过其的集成气体递送系统的单一赛隆(Sialon)探头。在另一个实施方案中，超声装置可以包括多个探头组件和/或每个超声换能器多个探头。
上述概述和以下详述都提供实例并且仅是示例性的。因此，上述概述和以下详述不应被认为是限制性的。此外，除了本文中所述那些以外还可以提供多个特征或变化。例如，特定实施方案可以针对详述中描述的多个特征组合和子组合。
附图简述
结合在本公开中并构成其一部分的附图示例本发明的多个实施方案。在附图中：
图1显示本发明的一个实施方案中的超声装置的部分截面图。
图2显示本发明的另一个实施方案中的超声装置的部分截面图。
图3显示本发明的另一个实施方案中的超声装置的部分截面图。
图4显示本发明的另一个实施方案中的超声装置的部分截面图。
图5是示例与铝的理论密度比较实施例1-4中的每一个的密度的百分比差异的柱状图。
图6是示例实施例1-4中的每一个的以ppm计的氢含量的柱状图。
图7是实施例5-8的氢浓度作为时间的函数的曲线图。
详述
以下详述参考附图。在可能的情况下，在附图和以下描述中使用相同或类似的标号来指代相同或类似的元件。虽然可以描述本发明的实施方案，但是改进、调整和其他执行是可能的。例如，可以对附图中示例的元件进行置换，加入，或修改，并且本文所述的方法可以通过置换，重排，或向已公开的方法增加阶段来改变。因此，以下详述不限制本发明的范围。
术语“一个(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”预期包括复数个备选，例如，至少一个。例如，除非另外说明，“一个超声装置”、“一个伸长的探头”、“一个吹扫气体”等意在包括以下各项中的一个或超过一个的组合：超声装置(例如，一个或两个或更多个超声装置)、伸长的探头(例如，一个或两个或更多个伸长的探头)、吹扫气体(例如，一种或两种或更多种吹扫气体)等。
本文提及的所有出版物和专利通过引用用于描述和公开的目的结合于此，例如，所述出版物中描述的可以与本发明一起使用的结构和方法。提供贯穿本文讨论的出版物仅是用于它们早于本申请的递交日的公开。本文中没有任何内容解释为承认发明人没有资格通过在先发明的方式而早于这些公开。
申请人在本发明中公开了数种类型的范围。当申请人公开或要求保护任何类型的范围时，申请人的意图是单独地公开或要求保护这样的范围可以合理涵盖的每个可能的数字，包括范围的端点以及其中涵盖的任何子范围和子范围的组合。例如，在本发明的实施方案中，可以将吹扫气体以约1至约50L/分钟的范围内的速率加入至熔融金属浴。通过公开流速在约1至约50L/分钟的范围内，申请人意在列举流速可以是约1、约2、约3、约4、约5、约6、约7、约8、约9、约10、约11、约12、约13、约14、约15、约16、约17、约18、约19、约20、约21、约22、约23、约24、约25、约26、约27、约28、约29、约30、约31、约32、约33、约34、约35、约36、约37、约38、约39、约40、约41、约42、约43、约44、约45、约46、约47、约48、约49或约50L/分钟。另外，流速可以在约1至约50L/分钟的任何范围内(例如，速率在约2至约20L/分钟的范围内)，并且这还包括约1至约50L/分钟之间之间的范围的任何组合。同样，本文公开的所有其他范围应当以类似方式解释。
本发明的实施方案可以提供用于熔融金属的超声脱气的系统、方法和/或装置。这种熔融金属可以包括，但不限于，铝、铜、钢、锌、镁等，或这些及其他金属的组合(例如，合金)。因此，本发明不限于任何具体的金属或金属合金。制品由熔融金属的加工或浇铸可以需要含有熔融金属的浴，并且该熔融金属的浴可以保持在升高的温度。例如，熔融铜可以保持在约1100℃的温度，而熔融铝可以保持在约750℃的温度。
如本文所使用的，术语“浴”、“熔融金属浴”等意在包括可以容纳熔融金属的任何容器，包括器皿、坩埚、料槽、流动槽、熔炉、铸桶等。术语浴和熔融金属浴用于涵盖浴，连续的、半连续的等的操作以及，例如，其中熔融金属通常是静态的(例如，通常结合坩埚)以及其中熔融金属通常是运动的(例如，通常结合流动槽)。
许多设备或装置可以用于监测，测试，或改变浴中的熔融金属的条件，以及用于所需金属制品的最终制造和浇铸。需要这些设备或装置以更好地耐受熔融金属浴中遇到的升高的温度，有利地具有更长的寿命并限制为与熔融金属是非反应性的，不论金属是(或金属包含)铝，或是铜，或是钢，或是锌，或是镁等。
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制品的最终制造和浇铸，和/或所获得的金属制品自身的物理性质。例如，溶解在熔融金属中的气体可以包含氢、氧、氮、二氧化硫等，或其组合。在一些情况中，有利的可以是移除气体，或减少熔融金属中气体的量。作为实例，溶解的氢在铝(或铜，或其他金属或合金)的浇铸中可能是有害的，并且因此，由铝(或铜，或其他金属或合金)制备的完成的制品的性质可以通过减小在铝(或铜，或其他金属或合金)的熔融浴中带入的氢的量而改善。基于质量，超过0.2ppm，超过0.3ppm，或超过0.5ppm的溶解的氢对于所得的铝(或铜，或其他金属或合金)棒和其他制品的浇铸速率和品质可能具有有害的影响。氢可以通过其在含有熔融铝(或铜，或其他金属或合金)的浴上方的气氛中的存在而进入熔融铝(或铜，或其他金属或合金)浴，或其可以在熔融铝(或铜，或其他金属或合金)浴中使用的铝(或铜，或其他金属或合金)给料原料中存在。
减小在熔融金属浴中的溶解的气体的量的尝试未完全成功。通常，这些方法包括附加的和昂贵的设备以及有潜在危险的材料。例如，在金属浇铸工业中使用以减小熔融金属的溶解的气体含量的方法可以由如石墨的材料制成的转子组成，并且可以将这些转子放置在熔融金属浴内。可以将氯气在邻近熔融金属浴内的转子的位置处另外地加入至熔融金属浴。贯穿本文，该方法将被称为″常规″方法，并且在工业中通常被称为旋转气体吹扫。虽然常规方法在某些情况下可以成功地减少，例如，熔融金属浴中的溶解的氢的量，但该常规方法具有显著的缺点，至少其成本高，复杂，以及潜在危险并潜在环境有害的氯气的使用。
另外地，熔融金属可以具有在其中存在的杂质，并且这些杂质可以不利地影响所需的金属制品的最终制造和浇铸，和/或所获得的金属制品自身的物理性质。例如，熔融金属中的杂质可以包括在熔融金属中不需要也不希望存在的碱金属或其他金属。本领域技术人员将认识到，小百分比的特定金属存在于多种金属合金中，并且这样的金属将不被认为是杂质。作为非限制性实例，杂质可以包括锂、钠、钾、铅等，或其组合。各种杂质可以通过它们在熔融金属浴中使用的引入金属给料原料中的存在进入熔融金属浴(铝、铜，或其他金属或合金)。
本发明的实施方案可以提供用于减小熔融金属浴中的溶解的气体的量的方法，或者换言之，用于将熔融金属脱气的方法。一个这样的方法可以包括在熔融金属浴中运行超声装置，并且将吹扫气体引入至紧邻超声装置处的熔融金属浴中。溶解的气体可以是或可以包括氧、氢、二氧化硫等，或其组合。例如，溶解的气体可以是或可以包括氢。熔融金属浴可以包含铝、铜、锌、钢、镁等，或其混合物和/或组合(例如，包括铝、铜、锌、钢、镁等的多种合金)。在一些实施方案中，熔融金属浴可以包含铝，而在其他实施方案中，熔融金属浴可以包含铜。因此，浴中的熔融金属可以是铝或，备选地，熔融金属可以是铜。
此外，本发明的实施方案可以提供用于减少熔融金属浴中存在的杂质的量的方法，或换言之，用于移除杂质的方法。一种这样的方法可以包括在熔融金属浴中运行超声装置，并且将吹扫气体引入至紧邻超声装置的熔融金属浴中。杂质可以是或可以包含锂、钠、钾、铅等，或其组合。例如，杂质可以是或可以包含锂或，备选地，钠。熔融金属浴可以包含铝、铜、锌、钢、镁等，或其混合物和/或组合(例如，包括铝、铜、锌、钢、镁等的多种合金)。在一些实施方案中，熔融金属浴可以包含铝，而在其他实施方案中，熔融金属浴可以包含铜。因此，浴中的熔融金属可以是铝或，备选地，熔融金属可以是铜。
在本文公开的脱气的方法和/或移除杂质的方法中采用的吹扫气体可以包含氮、氦、氖、氩、氪和/或氙中的一种或多种，但是不限于此。预期的是，任何合适的气体可以用作吹扫气体，前提是该气体不明显地与熔融金属浴中的一种或多种特定金属反应或溶解在其中。另外地，可以采用气体的混合物或组合。根据本文公开的一些实施方案，吹扫气体可以是或可以包含惰性气体；备选地，吹扫气体可以是或可以包含稀有气体；备选地，吹扫气体可以是或可以包含氦、氖、氩，或其组合；备选地，吹扫气体可以是或可以包括氦；备选地，吹扫气体可以是或可以包括氖；或备选地，吹扫气体可以是或可以包括氩。另外地，申请人预期，在一些实施方案中，常规脱气技术可以与本文公开的超声脱气方法一起使用。因此，在一些实施方案中，吹扫气体还可以包括氯气，如将氯气单独地或与氮、氦、氖、氩、氪和/或氙中的至少一种组合地作为吹扫气体使用。
然而，在本发明的其他实施方案中，用于脱气或用于减少熔融金属浴中的溶解的气体的量的方法可以在基本上不存在氯气，或不存在氯气的情况下进行。如本文所使用的，基本上不存在是指基于所用的吹扫气体的量可以使用不超过按重量计5％氯气。在一些实施方案中，本文公开的方法可以包括引入吹扫气体，并且该吹扫气体可以选自由以下各项组成的组：氮、氦、氖、氩、氪、氙，以及它们的组合。
引入至熔融金属浴中的吹扫气体的量可以依赖多种因素而改变。通常，根据本发明的实施方案，在将熔融金属脱气的方法中(和/或在用于从熔融金属移除杂质的方法中)引入的吹扫气体的量可以落在约0.1至约150标准升/分钟(L/分钟)的范围内。在一些实施方案中，引入的吹扫气体的量可以在约0.5至约100L/分钟，约1至约100L/分钟，约1至约50L/分钟，约1至约35L/分钟，约1至约25L/分钟，约1至约10L/分钟，约1.5至约20L/分钟，约2至约15L/分钟，或约2至约10L/分钟的范围内。这些体积流速以标准升/分钟为单位，即，在标准温度(21.1℃)和压力(101kPa)。
在连续或半连续熔融金属操作中，引入至熔融金属浴中的吹扫气体的量可以基于熔融金属输出或生产率而改变。因此，根据这样的实施方案，在将熔融金属脱气的方法中(和/或在从熔融金属移除杂质的方法中)引入的吹扫气体的量可以落在每kg/小时的熔融金属约10至约500mL/小时的吹扫气体(mL吹扫气体/kg熔融金属)的范围内。在一些实施方案中，吹扫气体的体积流速与熔融金属的输出速率的比例可以在约10至约400mL/kg的范围内；备选地，约15至约300mL/kg；备选地，约20至约250mL/kg；备选地，约30至约200mL/kg；备选地，约40至约150mL/kg；或备选地，约50至约125mL/kg。如上，吹扫气体的体积流速是在标准温度(21.1℃)和压力(101kPa)。
按照本发明的实施方案的用于将熔融金属脱气的方法可以有效地将存在于熔融金属浴中的大于约10重量百分数的溶解的气体移除，即，熔融金属浴中的溶解的气体的量可以从采用脱气方法之前存在的溶解的气体的量下降大于约10重量百分数。在一些实施方案中，所存在的溶解的气体的量可以从采用脱气方法之前存在的溶解的气体的量下降大于约15重量百分数，大于约20重量百分数，大于约25重量百分数，大于约35重量百分数，大于约50重量百分数，大于约75重量百分数，或大于约80重量百分数。例如，如果溶解的气体是氢，含有铝或铜的熔融浴中大于约0.3ppm或0.4ppm或0.5ppm(基于质量)的氢的水平可以是有害的，并且通常，熔融金属中的氢含量可以是约0.4ppm，约0.5ppm，约0.6ppm，约0.7ppm，约0.8ppm，约0.9ppm，约1ppm，约1.5ppm，约2ppm，或大于2ppm。预期的是，采用本发明的实施方案中公开的方法可以将熔融金属浴中的溶解的气体的量减小至小于约0.4ppm；备选地，减小至小于约0.3ppm；备选地，减小至小于约0.2ppm；备选地，减小至约0.1至约0.4ppm的范围内；备选地，减小至约0.1至约0.3ppm的范围内；或者备选地，减小至约0.2至约0.3ppm的范围内。在这些和其他实施方案中，溶解的气体可以是或可以包括氢，并且熔融金属浴可以是或可以包含铝和/或铜。
针对脱气的方法(例如，减少在包含熔融金属的浴中的溶解的气体的量)或移除杂质的方法的本发明的实施方案可以包括在熔融金属浴中运行超声装置。超声装置可以包括超声换能器和伸长的探头，并且探头可以包括第一端和第二端。第一端可以连接至超声换能器，并且第二端可以包括尖部，并且伸长的探头的尖部可以包含铌。下面将进一步讨论可以在本文公开的工艺和方法中采用的超声装置的示例性和非限制性实例的细节。当属于超声脱气方法或用于移除杂质的方法时，可以将吹扫气体引入至熔融金属浴中，例如，在邻近超声装置的位置处。通常，可以将吹扫气体在邻近超声装置的尖部的位置处引入至熔融金属浴中。预期的是，可以将吹扫气体在超声装置的尖部约1米内，如，例如，在超声装置的尖部的约100cm内，约50cm内，约40cm内，约30cm内，约25cm内，或约20cm内)引入至的熔融金属浴中。在一些实施方案中，可以将吹扫气体在超声装置的尖部的约15cm内引入至熔融金属浴中；备选地，在约10cm内；备选地，在约8cm内；备选地，在约5cm内；备选地，在约3cm内；备选地，在约2cm内；或备选地，在约1cm内。在特别的实施方案中，可以将吹扫气体在邻近超声装置的尖部处或通过超声装置的尖部引入至熔融金属浴中。
虽然不希望通过该理论限制，申请人相信在超声装置的使用与吹扫气体在紧邻处的结合之间可以存在协同效应，这导致在含有熔融金属的浴中的溶解的气体的量上的显著下降。申请人相信由超声装置产生的超声能可以在熔体中产生气穴气泡，溶解的气体可以扩散至其中。然而，申请人相信，在不存在吹扫气体的情况下，许多气穴气泡可以在到达熔融金属浴的表面前破裂。申请人相信吹扫气体可以减少在到达表面前破裂的气穴气泡的量，和/或可以增加含有溶解的气体的气泡的尺寸，和/或可以增加熔融金属浴中气泡的数目，和/或可以增加将含有溶解的气体的气泡运输至熔融金属浴的表面的速率。与实际机制无关，申请人相信，超声装置与紧邻的吹扫气体源的结合使用可以在将溶解的气体从熔融金属浴移除上提供协同的改进，并且提供熔融金属中的溶解的气体的量的协同的减少。同样，虽然不希望由理论限定，申请人相信超声装置可以在超声装置的尖部的附近内产生气穴气泡。例如，对于具有直径为约2至5cm的尖部的超声装置，在破裂前气穴气泡可以在超声装置的尖部的约15cm，约10cm，约5cm，约2cm，或约1cm内。如果将吹扫气体在过于远离超声装置的尖部的距离处加入，吹扫气体可能不能扩散至气穴气泡中。因此，虽然不希望由理论限制，申请人相信，有益的是，将吹扫气体在超声装置的尖部的约25cm或约20cm内引入至熔融金属浴中，并且更有益地，在超声装置的尖部的约15cm内，约10cm内，约5cm内，约2cm内，或约1cm内。
根据本发明的实施方案的超声装置可以与熔融金属如铝或铜接触，例如，如在美国专利公布号2009/0224443中所公开的，所述申请通过引用完整地结合于此。在用于减少熔融金属中的溶解的气体含量(例如，氢)的超声装置中，当装置暴露于熔融金属时，铌或其合金可以用作用于该装置的保护屏障，或作为直接暴露于熔融金属的装置的组件。
本发明的实施方案可以提供用于增加与熔融金属直接接触的组件的寿命的系统和方法。例如，本发明的实施方案可以使用铌以减少与熔融金属接触的材料的分解，导致成品中显著的品质提升。换言之，本发明的实施方案可以通过使用铌作为保护屏障增加与熔融金属接触的材料或组件的寿命或对其进行防护。铌可以具有可以有助于提供本发明的前述实施方案的性质，例如其高熔点。此外，当暴露于约200℃以上的温度时，铌还可以形成保护性氧化物屏障。
此外，本发明的实施方案可以提供用于增加与熔融金属直接接触或与其接合的组件的寿命的系统和方法。因为铌与特定熔融金属具有低的反应性，使用铌可以防止基质材料分解。因此，本发明的实施方案可以使用铌减少基质材料的分解，这导致成品中显著的品质提升。因此，铌与熔融金属结合可以将铌的高熔点与其与熔融金属如铝和/或铜的低的反应性结合。
在一些实施方案中，铌或其合金可以在包括超声换能器和伸长的探头的超声装置中使用。伸长的探头可以包括第一端和第二端，其中第一端可以连接到超声换能器而第二端可以包含尖部。根据该实施方案，伸长的探头的尖部可以包含铌(例如，铌或其合金)。该超声装置可以在如上所述的超声脱气方法中使用。超声换能器可以产生超声波，并且连接到换能器的探头可以将超声波发射至包含熔融金属，如铝、铜、锌、钢、镁等，或其混合物和/或组合(例如，包括铝、铜、锌、钢、镁等的多种合金)的浴中。
图1示例铌和其他材料在超声装置300中的使用，其可以用于减少熔融金属中的溶解的气体含量。超声装置300可以包括超声换能器360，用于增加的输出的增压器350，和连接至换能器360的超声探头组件302。超声探头组件302可以包括伸长的超声探头304和超声介质312。超声装置300和超声探头304通常可以是圆柱形的，但这不是必须的。超声探头304可以含有第一端和第二端，其中第一端包括连接到超声换能器360的超声探头轴306。超声探头304和超声探头轴306可以由多种材料构成。示例性材料可以包括，但不限于，不锈钢、钛、铌、陶瓷(例如，赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化锆等)等，或其组合。超声探头304的第二端可以包括超声探头尖部310。超声探头尖部310可以包含铌。备选地，尖部310可以基本上由铌构成或由铌构成。铌可以与一种或多种其他金属成为合金，或铌可以是镀在或覆盖在另一种材料的基层上的层。例如，尖部310可以包括内层和外层，其中内层可以包含陶瓷或金属材料(例如，钛)而外层可以包含铌。在该实施方案中，包含铌的外层的厚度铌可以小于约25微米，或小于约10微米，或备选地，在约2至约8微米的范围内。例如，包含铌的外层的厚度可以在约3至约6微米的范围内。
超声探头轴306和超声探头尖部310可以通过连接器308连接。连接器308可以代表用于联结轴306和尖部310的装置。例如，可以将轴306和尖部310栓合或焊接在一起。在一个实施方案中，连接器308可以表示轴306包含凹进的螺纹并且尖部310可以拧入轴306中。预期的是，超声探头轴306和超声探头尖部310可以包含不同的材料。例如，超声探头轴306可以是或可以包含钛和/或铌，而超声探头尖部310可以是或可以包含铌。备选地，超声探头轴306可以是或可以包含钛和/或陶瓷(例如，赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化锆等)，而超声探头尖部310可以是或可以包含陶瓷(例如，赛隆，碳化硅，碳化硼，氮化硼，氮化硅，氮化铝，氧化铝，氧化锆等)。
在其他实施方案中，超声探头304可以是单一部件，例如，超声探头轴306和超声探头尖部310是具有相同结构的单一部件。在这样的情况下，超声探头可以包含，例如，铌或其合金，陶瓷(例如，赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化锆等)，或其他合适的材料。
再次参考图1，超声装置300可以包括内管328、中心管324、外管320和保护管340。这些管或通道可以环绕超声探头304的至少一部分并且通常可以由任何合适的金属或陶瓷材料构成。可以预期的是，超声探头尖部310将被置于熔融金属浴中；然而，预期的是，保护管340的一部分也可以被浸入熔融金属中。因此，保护管340可以是或可以包含钛、铌、陶瓷(例如，赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化锆等)，或这些材料中的超过一种的组合。在管328、324、320和340内含有的可以是流体322、326和342，如图1所示。流体可以是液体或气体(例如，氩)，其用途可以是为超声装置300提供冷却并且，特别地，为超声探头尖部310和保护管340提供冷却。
超声装置300可以包括端盖344。端盖可以桥接保护管340与探头尖部310之间的空隙并且可以减少或防止熔融金属进入超声装置300。类似于保护管340，端盖344可以是或可以包含，例如，钛、铌、陶瓷(例如，赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化锆等)，或这些材料中超过一种的组合。
超声探头尖部310、保护管340或端盖344，或全部三个，可以包含铌。铌可以单独使用，铌可以与一种或多种其他金属形成合金，或铌可以是镀在或覆盖在另一种材料的基层上的一层。例如，超声探头尖部310，保护管340或端盖344，或全部三个，可以包括内层和外层，其中内层可以包含陶瓷或金属材料并且外层可以包含铌。可以预期的是，铌在超声装置的部件上的存在可以提高装置的寿命，当与熔融金属接触时可以提供低的化学反应性或没有化学反应，可以在熔融金属的熔化温度提供强度，并且可以具有传播超声波的能力。根据本发明的一些实施方案，当超声装置的尖部310不包含铌时，尖部在熔融金属浴(例如，铝或铜的)中可以在仅约15-30分钟后显示腐蚀或分解。相反，当超声装置的尖部包含铌时，尖部可以在至少1小时以上以后不显示或显示最小的腐蚀或分解，例如，在至少2小时后，在至少3小时后，在至少4小时后，在至少5小时后，在至少6小时后，在至少12小时后，在至少24小时后，在至少48小时后，或在至少72小时后不显示腐蚀或分解。
在另一个实施方案中，超声探头尖部310、保护管340或端盖344，或全部三个，可以包含陶瓷，如赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝和/或氧化锆等。此外，超声探头轴306可以包含陶瓷，或备选地，钛。
图2示例另一个超声装置400，其可以包含铌、陶瓷如赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝，和/或氧化锆，或其他合适的材料。超声装置400可以包括超声换能器460，用于增加的输出的增压器450，和连接至换能器460的超声探头组件402。增压器450可以允许以大于约1∶1，例如，约1.2∶1至约10∶1，或约1.4∶1至约5∶1的增强的水平增大输出。可以采用具有高度H的增压器夹具组件451，其中高度H可以按需要改变以容纳不同的长度的超声探头。超声探头组件402可以包含如图1所示的伸长的超声探头以及超声探头尖部410。超声探头和尖部可以由多种材料制造，如上所述，包括，但不限于，不锈钢、钛、铌、陶瓷等，或其组合，包括其混合物，其合金，及其涂料。
超声装置400可以包括用于将吹扫气体在邻近超声装置400的位置处引入(例如，至熔融金属浴中)的设备。预期的是，外部吹扫气体喷射系统(未显示)可以置于熔融金属浴中，并且喷射位点可以在图1和/或图2的超声装置附近。备选地，超声装置可以包括吹扫气体出口，以使得可以将吹扫气体在超声装置的尖部附近或尖部处排出。例如，可以将吹扫气体通过超声装置的端盖和/或通过超声装置的探头排出。再次参见图2，超声装置可以包括吹扫气体入口端口424和喷射室425，其连接至吹扫气体递送通道413。可以将吹扫气体递送至位于超声装置400的尖部410处或附近的吹扫气体递送空间414，并通过其排出。预期的是，吹扫气体递送空间414或吹扫气体出口可以在超声装置400的尖部410的约10cm内，如，例如，在超声装置的尖部的约5cm内，约3cm内，约2cm内，约1.5cm内，约1cm内，或约0.5cm内。
另外地，超声装置400可以包括超声冷却器系统429，其可以设计为将超声尖部和/或超声探头和/或超声探头组件保持在更接近室温的温度(例如，温度可以在约15℃至约75℃，或约20℃至约35℃的范围内)，与超声装置的尖部410的外表面所经受的熔融金属的升高的温度相反。预期的是，如果超声探头和组件包含铌、陶瓷如赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝和/或氧化锆，或其他合适的材料，则可以不需要超声冷却器系统。图2的超声冷却器系统429可以类似于图1中所示的系统，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，其设计为对超声装置提供冷却和/或温度控制。流体可以是液体或气体，并且预期的是，流体可以是与吹扫气体相同的物质。
图3示例再另一个超声装置500，其可以包含铌、陶瓷如赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝，和/或氧化锆，或其他合适的材料。超声装置500可以包括超声换能器560，用于增加的输出的增压器550，和连接至换能器560的超声探头组件510。增压器550可以允许以大于约1∶1，例如，约1.2∶1至约10∶1，或约1.4∶1至约5∶1的增强的水平增大输出。超声探头510可以是单一部件，或者超声探头510可以包括超声探头轴和任选的(和可替换的)超声探头尖511，这类似于图1中所示的。超声探头和尖可以由多种材料制造，如前所述，其包括，但不限于，不锈钢、钛、铌、陶瓷等，或其组合，包括其混合物，其合金，及其涂料。
超声装置500可以包括用于将吹扫气体在超声装置500附近和/或超声探头尖部511附近的位置处引入(例如，至熔融金属浴中)的设备。如上，预期的是，可以将外部吹扫气体喷射系统(未显示)置于熔融金属浴中，并且喷射位点可以在图3的超声装置附近。备选地，超声装置可以包括吹扫气体出口，以使得可以将吹扫气体在超声装置的尖部处或附近排出。例如，可以将吹扫气体通过超声装置的探头/尖部排出。再次参考图3，超声装置可以包括吹扫气体入口端口522，其在具有增压器550，上部壳体520，下部支持壳体521，和下部支持壳体罩523的室中。上部壳体520可以是气密的和/或防漏的。吹扫气体入口端口522可以连接至吹扫气体递送通道524，其可以被容纳在超声探头510内。可以将吹扫气体递送至位于超声装置500的尖部511处的吹扫气体喷射点525(或吹扫气体出口端口)，并且通过其排出。因此，在该实施方案中，超声装置500可以包括超声探头510，其包括在超声探头的尖部处具有吹扫气体喷射点的吹扫气体喷射系统。
任选地，超声装置500可以包括超声冷却器系统，如以上关于图1和/或图2所述的，但这不是必须的。
另一个超声装置在图4中示出。超声装置600可以包括超声换能器660，用于增加的输出的增压器650，和连接至换能器660和增压器650的超声探头610。增压器650可以与换能器660通讯，并且可以允许以大于约1∶1，例如，约1.2∶1至约10∶1，或约1.4∶1至约5∶1的增强的水平的增大输出。在一些实施方案中，增压器可以是或可以包含金属，如钛。超声探头610可以是单一部件，或超声探头610可以包括超声探头轴和任选的(和可替换的)超声探头尖部，类似于图1中所示的。超声探头610在形状和设计上不限制为一端连接至换能器660和/或增压器650，并且另一端包括探头的尖部的伸长的探头(例如，通常是圆柱形的)。在一个实施方案中，探头通常可以是圆柱形的，然而，可以将探头的中部用夹具或其他固定机构固定至换能器/增压器，以致探头具有两个尖部，这两个尖部都不与换能器/增压器直接相连。而在另一个实施方案中，探头可以是另一种几何形状，如球形，或在末端具有球形部分的圆柱形等。
超声探头610可以由如前所述的多种材料构成，包括但不限于，不锈钢、钛、铌、陶瓷等，或其组合，包括其混合物，其合金，及其涂料。在特定实施方案中，超声探头610可以是或可以包含陶瓷材料。例如，超声探头可以是或可以包含赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化锆，或其组合；备选地，赛隆；备选地，碳化硅；备选地，碳化硼；备选地，氮化硼；备选地，氮化硅；备选地，氮化铝；备选地，氧化铝；或备选地，氧化锆。在一些实施方案中，超声探头610可以是单一部件，例如，探头是单一部件，其从与换能器/增压器相连的端部至探头尖部具有相同的结构或组成。
可以在本文公开的实施方案中使用的典型的赛隆是含有元素硅(Si)、铝(Al)、氧(O)和氮(N)的陶瓷合金。此外，如本领域技术人员将认识到的，存在α-赛隆和β-赛隆分级。超声探头610可以包含赛隆，并且此外，其中至少20％(按重量计)可以是α-赛隆(或β-赛隆)。虽然不希望受制于理论，申请人相信使用至少20％(按重量计)，或30％(按重量计)，或在约20％至约50％的范围内的重量百分数的β-赛隆可以提供更强和更耐久的超声探头(例如，较不易破损)。
超声装置600可以包括用于将吹扫气体在超声装置600附近和/或超声探头尖部附近的位置处引入(例如，吹扫气体到熔融金属浴中)的设备。如上，预期的是，外部吹扫气体喷射系统(未显示)可以位于熔融金属浴中，并且喷射位点可以在图4的超声装置附近。备选地，超声装置可以包含气体递送系统，以致气体可以在超声装置的尖部处或附近排出。例如，可以将气体通过超声装置的探头/尖部排出。再次参见图4，超声装置600可以包括增压器650中的室中的气体入口端口622。气体入口端口622可以连接至气体递送通道624，其可以从增压器650延伸至超声探头610的尖部。气体入口端口622和增压器650的一部分可以被容纳在气密的和/或防漏的壳体内。可以将气体递送至位于超声探头610的尖部处的气体喷射点625(或气体出口)，并通过其排出。因此，在该实施方案中，超声装置600可以包括超声探头610，其包括在超声探头的尖部处具有气体喷射点的气体递送系统。
气体递送通道624在图4中显示为在增压器650和超声探头610最接近增压器的部分具有较大的流径，而在气体喷射点625处具有较小的流径，虽然这不是必须的。例如，气体递送通道624的尺寸可以是与从气体入口端口622至位于超声探头610的尖部处的气体喷射点625基本上相同的尺寸(例如，在+/-10-20％内)。
虽然不希望通过理论限定，申请人相信在气体喷射点处相对于超声探头的横截面面积的较小的流径(例如，横截面面积)可以导致极好的脱气，因为当气体离开探头时其速度更高。在一些实施方案中，超声探头的横截面面积与气体递送通道的横截面面积(即，在气体喷射点或气体出口处)之比可以在约30∶1至约1000∶1，约60∶1至约1000∶1，或约60∶1至约750∶1的范围内。在其他实施方案中，超声探头的横截面面积与气体递送通道的横截面面积(即，在气体喷射点或气体出口处)之比可以在约60∶1至约700∶1，约100∶1至约700∶1，或约200∶1至约1000∶1的范围内。在这些和其他实施方案中，超声探头(例如，单一的伸长的探头)的长度直径比(L/D)可以在约5∶1至约25∶1，约5∶1至约12∶1，约7∶1至约22∶1，约10∶1至约20∶1，或约11∶1至约18∶1的范围内。
在针对含有陶瓷材料如赛隆的超声探头的实施方案中，有益的是，采用固定螺帽603作为用于将超声探头610固定至增压器650和换能器660的装置。与冷缩配合陶瓷配件相比，固定螺帽603可以提供极好的耐久性和寿命。固定螺帽603可以由多种材料制造，如，例如，钛、不锈钢等，并且可以含有小螺距(内)螺纹用于牢固的固定，从而减轻了对更易于破损的带螺纹的陶瓷探头的需要。此外，增压器650可以具有外螺纹，在其上可以将固定螺帽603(并且因此探头610)牢固地固定。通常，同样有益的是，将固定螺帽的尺寸和/或重量在机械方面可行的情况下保持为尽可能的低，以致探头的超声振动性能不受不利影响。
在特定实施方案中，探头610可以在探头的连接侧具有大的曲率半径615。虽然不希望通过理论限定，但申请人相信在探头的连接侧处(例如，最接近固定螺帽处)的较小的曲率半径可以导致探头增加的破损，特别是以在脱气过程中增加气穴和极好地去除溶解的气体所需的较高的超声功率和/或振幅。在本文中预期的特别的实施方案中，曲率半径615可以为至少约1/2”，至少约5/8”，至少约3/4”，至少约1”等。这样的曲率半径可以是理想的，而无论探头的实际尺寸(例如，多个探头直径)如何。
任选地，超声装置600可以包含超声冷却器系统，如以上关于图1和/或图2所述的，但这不是必须的。再次参见图4，超声装置600，备选地，可以任选地包括热保护壳体640。该壳体通常可以由任何合适的金属和/或陶瓷材料制造。可以预期的是，超声探头610将置于熔融金属浴中；因此，热保护壳体可以用于遮盖增压器650的一部分、固定螺帽603以及超声探头610的一部分，使其免于过热。如果需要，可以将冷却介质在热保护壳体640内和/或环绕其循环。冷却介质可以是液体(例如，水)或气体(例如，氩，氮，空气等)。
本文公开的超声装置，包括图1-4中示例的那些，可以在一定范围的功率和频率运行。对于探头直径为约1”以下的超声装置，运行功率通常可以在约60至约275瓦的范围内。作为实例，对于3/4”探头直径，可以使用在约60至约120瓦的范围内的运行功率，并且对于1”探头直径，可以使用在约120至约250瓦的范围内的运行功率。虽然不限定至任何特别的频率，超声装置可以运行于，并且超声脱气方法可以进行于，典型地可以在约10至约50kHz，约15至约40kHz，或约20kHz的范围内的频率。
虽然已经描述了本发明的特定实施方案，但是可以存在其他实施方案。此外，在不背离本发明的情况下，任何公开的方法的阶段可以以任何方式改进，包括通过重排多个阶段和/或插入或取消阶段。虽然说明书包括实施例，但本发明的范围由以下权利要求给出。此外，虽然已经以专用于结构特征和/或方法动作的语言描述了说明书，但是权利要求不限于上述特征或动作。相反，上述的具体特征和动作作为本发明的示例实施方案公开。
实施例
实施例1-4
在实施例1-4中，进行一系列测试以证明可以通过所公开的方法实现在铝的熔融浴中的溶解的氢的量的减少。在使用任何脱气技术之前，取得铝的对照样品并测试(实施例1)。铝的熔融金属浴在约1350°F(732℃)的温度操作。之后采用传统脱气技术，旋转气体吹扫，以确定传统除氢方法的效果(实施例2)。实施例3采用本文公开的超声脱气方法，即，超声装置结合吹扫气体引入。在实施例3中，超声装置包含铌尖部，并且将超声装置的尖部置于铝浴中。超声装置以20,000Hz(频率)在熔融铝浴中运行。与超声装置的运行同时地，将吹扫气体氩以约4.7标准升/分钟(L/分钟)的速率引入至熔融金属浴中。将氩沿超声装置的尖部(喷射点与尖部之间的距离小于约2cm)注入。实施例4采用超声脱气方法结合传统脱气技术。
允许实施例1(不进行脱气)、实施例2(在传统脱气之后)、实施例3(在超声脱气之后)和实施例4(在超声和传统脱气之后)的铝样品在真空下冷却并固化。之后，测量来自每个实施例的一立方厘米(1cc＝1mL)立方体以确定每个实施例的铝的质量并且因此确定每个实施例的铝的密度。铝具有2.7g/cc的理论密度，氢气在铝中的存在将减小该密度。图5显示与铝的理论密度比较，实施例1-4中的每一个的密度的百分比差异。在图5中，每个样品越接近铝的理论密度(即，低于在铝的密度的百分数越低)，脱气程序越有效。如图5中所示，超声方法(实施例3)与传统技术(实施例2)一样有效，并且组合使用两者(实施例4)可以提供微小的另外提高。
还评估了实施例1-4的铝样品的ppm氢含量(基于质量)。分析在真空下冷却并固化的浇铸样品的氢含量。氢含量分析总结在图6中。在图6中，以ppm计的氢含量越低，脱气程序越有效。如图6所示，超声程序(实施例3)在除氢方面比传统技术(实施例2)更有效，并且组合使用两者(实施例4)未表现出提供任何另外的益处。不再依赖于图6的数据。申请人相信在所列出的ppm氢含量的确定中存在分析误差。
实施例5-8
在实施例5-8中，进行系列测试以确定根据所公开的方法可以将铝的熔融浴中的溶解的氢脱气的相对速度。首先，将小量的铝熔融在金属浴中，之后保持在约1350°F(732℃)的温度。使用Alspek单元测定以mL/100g为单位的氢含量的基线读数。Alspek单元利用半电解池中的分压的原理确定熔融铝中的溶解的氢的量。将超声装置的尖部放置在铝浴中，并且将吹扫气体氩以约1标准升/分钟(L/分钟)的速率加入至熔融金属浴中。对于实施例5-7，超声装置以3∶1增压并在20,000Hz运行，虽然可以使用高达并且包括40,000Hz，或更高。对于实施例5，使用基线超声振幅，以及基线功率水平用于超声功率供应(瓦)；对于实施例6，超声振幅为基线的2倍，并且超声功率供应的功率水平为基线的1.9倍；并且对于实施例7，超声振幅为基线的3倍，并且超声功率供应的功率水平为基线的3.6倍。对于实施例8，不使用超声装置，仅加入氩吹扫气体。使用Alspek单元随时间监测氢的水平，并记录。在每个实验之间，将氢加入至铝浴中，并且测定氩气的加入之前的基线。
在实施例5-8中使用与图3中所示的类似的超声装置。该超声装置不具有冷却组件，并且将吹扫气体通过超声探头的尖部注入。超声探头的直径为1″(2.5cm)，并且探头和尖部(作为单一部件)都由含有铪和钛的铌合金制造。
图7示例以mL氢/100g铝合金计的氢浓度作为在氩吹扫气体的加入(和超声装置的激活，如果使用的话)之后的时间的函数的曲线图。图7显示，与仅使用吹扫气体而不使用超声装置的实施例8比较，实施例5-7的每一个明显更快地将氢从铝中脱除(使用吹扫气体和超声装置)。实施例6-7表现地稍好于对于超声功率供应使用较低超声振幅和较低基线功率水平的实施例5。
实施例9-10
实施例9-10是大规模试验，其测定在使用铝合金5154(含镁)的连续浇铸实验中使用吹扫气体和超声装置移除氢和锂/钠杂质的效果。金属浴的温度保持在约1350°F(732℃)的温度。
使用分光计测定以重量百分数计的钠和锂浓度，并且使用用于熔融铝的Alscan氢分析仪测定氢浓度。实施例9为对照实验，并且在实施例9的熔融铝合金中的占优势的钠和锂浓度分别为0.00083％(8.3ppm)和0.00036％(3.6ppm)。实施例9中的氢浓度为0.41mL/100g。
在实施例10中使用实施例5-8的超声装置并且在20,000Hz运行。在实施例10中，结合超声装置的运行，将氩气以每kg/小时的熔融金属输出约80-85mL/小时(即，80-85mL吹扫气体/kg熔融金属)的体积流速加入至熔融金属浴中。在使用超声装置和氩吹扫气体之后，熔融铝合金中的钠浓度低于0.0001％(1ppm)的最小检测极限，并且熔融铝合金中的锂浓度为0.0003％(3ppm)。实施例10中的氢浓度为0.35mL/100g，减少约15％。
实施例11
在实施例11中，进行测试以测定在含有熔融铝的流动槽中、在大约1300°F(700℃)运行的类似于图4中所示的具有单一的赛隆探头的超声装置的使用寿命或耐久性。
除了与超声装置不相关的3小时维护停机外，超声装置和探头连续运行。伸长的探头的直径为3/4″，由赛隆制造，并且以约20kHz(19.97kHz)运行。功率水平为60至90瓦。使用数字量规在使用前后测量探头的长度。将探头尖部浸入含有熔融铝的流动槽中达约50小时，同时超声装置以约20KHz运行。在该实验过程中不使用吹扫气体，因为认为其对该测试的目的是不必要的。在50小时运行时间后，测量到探头的腐蚀为0.0182”。这换算为3.64x10-4英寸/小时的腐蚀速率。通常，超声探头可以耐受高达约1/4”的腐蚀，之后其被认为是不适于使用。这导致实施例11的陶瓷探头具有超过686小时，或超过28天的连续运行的理论寿命。
该探头寿命远优于未被如本文所述的那样设计、配置或构建的其他金属和陶瓷超声探头的寿命。

Claims (18)

1.一种超声装置，所述超声装置包括：
超声换能器；
连接至所述超声换能器的探头，所述探头包括尖部；和
气体递送系统，所述气体递送系统包括：
气体入口，
气流通道，所述气流通道通过所述探头，以及
气体出口，所述气体出口位于所述探头的所述尖部。
2.根据权利要求1所述的超声装置，其中所述探头包含不锈钢、钛、铌、陶瓷，或它们的组合。
3.根据权利要求2所述的超声装置，其中所述探头是单一部件。
4.根据权利要求3所述的超声装置，其中所述探头包含赛隆、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化锆，或它们的组合。
5.根据权利要求4所述的超声装置，其中所述探头包含赛隆。
6.根据权利要求1所述的超声装置，其中所述探头是伸长的探头，并且所述伸长的探头用固定螺帽固定至所述超声换能器。
7.根据权利要求1所述的超声装置，其中所述探头是伸长的探头，并且所述伸长的探头的长度直径比在约5∶1至约25∶1的范围内。
8.根据权利要求1所述的超声装置，其中所述探头是伸长的探头，并且所述伸长的探头的所述尖部的横截面面积与所述气体出口的横截面面积的比在约30∶1至约1000∶1的范围内。
9.根据权利要求1所述的超声装置，其中所述超声装置还包括热保护系统，所述热保护系统环绕所述探头的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的超声装置，其中流体在所述热保护系统内循环。
11.根据权利要求1所述的超声装置，其中所述超声装置还包括所述超声换能器与所述探头之间的增压器。
12.根据权利要求11所述的超声装置，其中所述气体入口在所述增压器中。
13.一种用于减少熔融金属浴中的溶解的气体和/或杂质的量的方法，所述方法包括：
(a)在所述熔融金属浴中运行超声装置，所述超声装置包括：
超声换能器；
连接到所述超声换能器的探头，所述探头包括尖部；和
吹扫气体递送系统，所述气体递送系统包括：
吹扫气体入口，
通过所述探头的吹扫气体流通道，和
所述探头的尖部处的吹扫气体出口；和
(b)将吹扫气体通过所述吹扫气体递送系统以在约0.1至约150L/分钟的范围内的速率引入至所述熔融金属浴中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述溶解的气体包括氧、氢、二氧化硫，或它们的组合；
所述杂质包括碱金属；
所述熔融金属浴包括铝、铜、锌、钢、镁，或它们的组合；
所述吹扫气体包括氮、氦、氖、氩、氪、氙、氯，或它们的组合；或
它们的任意组合。
15.根据权利要求13所述的方法，其中将所述吹扫气体以在每kg/小时的来自所述熔融金属浴的输出约10至约500mL/小时的吹扫气体的范围内的速率引入至所述熔融金属浴中。
16.根据权利要求13所述的方法，其中：
将所述吹扫气体以在约1至约50L/分钟的范围内的速率引入至所述熔融金属浴中；
所述溶解的气体包括氢；
所述熔融金属浴包括铝、铜，或它们的组合；所述吹扫气体包括氩、氮，或它们的组合；或者
它们的任意组合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将所述吹扫气体以在约1至约10L/分钟的范围内的速率引入至所述熔融金属浴中。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将所述吹扫气体以在每kg/小时的来自所述熔融金属浴的输出约30至约200mL/小时的吹扫气体的范围内的速率引入至所述熔融金属浴中。
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