CN105008064B - 用于使铝锂合金的直接冷硬铸造中爆炸的可能性最小化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

装置和方法，包括：铸锭坑；包括储存器和腔体的模具；冷却剂供给装置，其可操作以用于将冷却剂引入从模具腔体露出的金属的周边；在至少该铸锭坑的顶部周边周围的一组水蒸气排气口；将惰性流体引入冷却剂供给装置中的机构。用于直接冷硬铸造的方法，包括在检测出渗漏后：以一定的体积流量从该铸锭坑排出生成的气体，该体积流量相对于在探测到渗漏或漏出之前的体积流量得到提高；将惰性气体引入该铸锭坑中；和将惰性流体引入冷却剂供给装置中至铸模。

Description

用于使铝锂合金的直接冷硬铸造中爆炸的可能性最小化的方 法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求以下申请的在先申请日权益：

2013年2月4日提交的共同待决美国临时专利申请号61/760,323；

2013年5月16日提交的国际申请号PCT/US2013/041457；

2013年5月16日提交的国际申请号PCT/US2013/041459；

2013年5月16日提交的国际申请号PCT/US2013/041464；以及

2013年11月23日提交的美国专利申请号61/908,065，上述所有申请通过引用合并于本文中。

技术领域

铝锂(Al-Li)合金的直接冷硬铸造。

背景技术

自1938年由美国的Aluminum Company(现在的Alcoa)发明直接冷硬(“DC”)铸造以来，在开底模具中半连续地铸造传统的(不含锂)铝合金。自那以后对该方法进行了许多修改和改变，但是基本的方法和装置仍然类似。铝锭铸造领域的技术人员将理解新的创新改进该方法，同时保持其通常的功能。

美国专利号4,651,804描述一种更现代的铝铸锭坑设计。略高于地平高度安装金属熔炉并且铸模处于或接近于地平高度已成为标准惯例，并且当铸造操作进行时将铸锭降低到含水铸锭坑中。来自直接冷硬的冷却水流动到该铸锭坑中并且从该铸锭坑中连续地被去除，同时在该铸锭坑内留下永久的深水池。该方法目前仍在使用，并且在全世界每年大概有超过5百万吨的铝及其合金通过该方法生产。

不幸的是，使用这样的系统存在缘于“渗漏”或“漏出”的固有风险。在正铸造的铝锭未在铸模中适当地凝固并且被允许以液态非期望地和过早地离开模具的情况下会发生“渗漏”或“漏出”。在“渗漏”或“漏出”期间，与水接触的熔融铝由于以下的原因而能够导致爆炸：(1)由将水加热到>212°F的热铝块产生的水到蒸汽的转化；或(2)熔融金属与水的化学反应，导致引起爆炸性化学反应的能量释放。

使用该方法在全世界当“渗漏”或“漏出”发生时有过多次爆炸，其中熔融金属从由模具露出的锭的侧部和/或从模具的边界脱离。因此，已执行相当多的实验工作以建立用于DC铸造的最安全可能条件。最早并且可能最好的已知工作由美国Aluminum Company的G.Long(“Explosions of Molten Aluminum in Water Cause and Prevention”，MetalProgress，1957年5月，第71卷，第107至112页)(在下文中称为“Long”)承担，接着是进一步的研究和设计成使爆炸风险最小化的行业“操作守则”的建立。这些守则一般由全世界的铸造厂遵守。守则广泛地基于Long的工作并且通常需要：(1)永久保持在铸锭坑中的水的深度应当为至少三英尺；(2)铸锭坑内的水位应当低于模具至少10英尺；以及(3)铸造机和铸锭坑表面应当清洁、无锈并且涂覆有可靠的有机材料。

在Long的实验中，Long发现在铸锭坑中的水池具有两英寸或以下的深度的情况下，不发生很猛烈的爆炸。然而，相反地发生较少的足以从该铸锭坑排出熔融金属并且将该熔融金属以危险方式分布到该铸锭坑外部的爆炸。因此如上所述的操作守则要求将具有至少三英尺深度的水池永久地保持在该铸锭坑中。Long得出结论，如果铝/水爆炸将要发生，则必须满足某些要求。尤其是当铸锭坑的底表面被熔融金属覆盖时必须在铸锭坑的底表面上发生某种类型的触发动作，并且他提出该触发是由于在输入的金属下方截留的很薄的水层突然转化为蒸汽而引起的轻微爆炸。当在铸锭坑的底部有脂、油或涂料时防止爆炸，因为用于触发爆炸所必需的薄水层不会以与未涂覆表面相同的方式被截留在熔融金属下方。

在实践中，至少三英尺的推荐水深通常用于竖直DC铸造，并且在一些铸造厂中(特别是在欧洲大陆的国家)，与以上的推荐(2)相比，使水位很接近模具的下侧。因此通过DC方法进行铸造的铝工业已选择为了安全而永久保持铸锭坑中的深水池。必须强调的是该操作守则是基于经验结果；没有完全理解在各种类型的熔融金属/水爆炸中实际发生的情况。然而，对该操作守则的重视已经确保实际上肯定避免在铝合金的“漏出”事件中的意外。

在过去的几年里，越来越关注包含锂的轻金属合金。锂使熔融合金更有反应性。在“Metal Progress”中的上述文章中，Long提到由H.M.Higgins进行的早先工作，H.M.Higgins针对包括Al-Li的多种合金报告铝/水反应情况并且推断“当熔融金属以任何方式分散在水中时，Al-Li合金经历强烈反应”。(美国的)Aluminum Association Inc.也宣布当通过DC方法铸造这样的合金时有特别的危险。美国的Aluminum Company已公布试验的视频录像，其证实这样的合金在与水混合时会很猛烈地爆炸。

美国专利号4,651,804教导前述铸锭坑的使用，但是规定从铸锭坑的底部去除水以使得在铸锭坑中不发生水池的积累。该布置是他们用于铸造Al-Li合金的优选方法论。欧洲专利号0-150-922描述了倾斜的铸锭坑底部(铸锭坑底部优选百分之三到百分之八的倾斜梯度)，伴有偏移水收集储存器、水泵和关联的水位传感器以保证水不能收集在铸锭坑中，因此减小由具有紧密接触的水和Al-Li合金而产生爆炸的发生率。从该铸锭坑连续地去除锭冷却水以使得不能发生水积累的能力对于该专利的教导的成功是至关重要的。

其它工作也已证明与没有锂的铝合金相比，与将锂加入铝合金相关联的爆炸力能够使爆炸能量的性质增加若干倍。当包含锂的熔融铝合金与水接触时，发生氢的快速析出，因为水离解成Li-OH和氢离子(H⁺)。美国专利号5,212,343教导加入铝、锂(以及其它元素)和水以启动爆炸反应。这些元素(特别是铝和锂)在水中的放热反应产生大量氢气，典型地每一克铝－3％锂的合金产生14立方厘米的氢气。该数据的实验验证可以在美国能源部资助的研究合同号#DE-AC09-89SR18035下执行的研究中找到。应当注意5,212,343专利的权利要求1要求保护执行该剧烈相互作用以便经由放热反应产生水爆炸的方法。该专利描述一种方法，其中元素例如锂的加入导致每个单位体积的材料的高反应能量。如美国专利号5,212,343和5,404,813中所述，锂(或某种其它的化学活性元素)的加入促进爆炸。这些专利教导了爆炸反应是期望结果的方法。与没有锂的铝合金相比，这些专利增强了加入锂以“渗漏”或“漏出”的爆炸性。

再次参考美国专利号4,651,804，导致常规(不含锂)铝合金的爆炸的两个发生事件是(1)水转化成蒸汽和(2)熔融铝和水的化学反应。将锂加入铝合金产生第三、甚至更加剧烈的爆炸力，水和“渗漏”或“漏出”的熔融铝-锂的放热反应产生氢气。在熔融Al-Li合金与水接触的任何时候，反应将发生。甚至当以铸锭坑中的最小水位进行铸造时，水也在“渗漏”或“漏出”期间与熔融金属接触。这不能避免，只能减小，因为放热反应的两种组分(水和熔融金属)将存在于铸锭坑中。减小水与铝接触的量将消除前两个爆炸条件，但是锂存在于铝合金中将导致氢析出。如果允许铸锭坑中的氢气浓度达到临界质量和/或体积，则爆炸可能发生。经研究对于触发爆炸所需的氢气的体积浓度为单位空间中的气体混合物的总体积的5％体积的阈值水平。美国专利号4,188,884描述制造水下鱼雷弹头，并且在第4页第2栏第33行参考附图叙述加入与水强反应的材料(例如锂)的填充物32。在该相同专利的第1栏第25行叙述通过与水的该反应而释放大量氢气，产生具有爆炸意外的气泡。

美国专利5,212,343描述通过将水与许多元素和组合(包括Al和Li)混合来制造爆炸反应以产生大体积的含氢气体。在第7页第3栏，其叙述“反应混合物被选择成使得当与水反应和接触时，从相对小体积的反应混合物产生大体积的氢”。相同段的第39和40行确定铝和锂。在第8页第5栏第21-23行显示铝与锂组合。在该相同专利的第11页第11栏第28-30行提到氢气爆炸。

在进行DC铸造的另一方法中，已公布专利涉及使用锭冷却剂而不是水以提供锭冷却来铸造Al-Li合金而没有来自“渗漏”或“漏出”的水-锂反应。美国专利号4,593,745描述使用卤代烃或卤代醇作为锭冷却剂。美国专利号4,610,295；4,709,740和4,724,887描述使用乙二醇作为锭冷却剂。为此，卤代烃(典型地是乙二醇)必须不含水和水蒸气。这是爆炸危险的解决方案，但是引入强火风险并且实现和维护成本高。在铸锭坑内将需要灭火系统以控制潜在的二醇燃烧。为了实现包括二醇处理系统、使二醇脱水的热氧化剂和铸锭坑防火系统的基于二醇的锭冷却剂系统，成本一般为约$5百万到$8百万美元(用如今的美元衡量)。用100％二醇作为冷却剂进行铸造还导致另一问题。二醇或其它卤代烃的冷却能力不同于水，并且需要不同的铸造实践以及铸造工具以利用该类型的技术。与使用二醇作为直接冷却剂联系的另一缺点在于由于二醇具有比水低的热导率和表面热传递系数，因此用100％二醇作为冷却剂铸造的金属的显微组织具有较粗的非期望冶金成分并且在铸造产品中呈现较高量的中心线收缩孔隙度。缺少较精细的显微组织并且同时存在较高浓度的收缩孔隙度对从这样的初始原料制造的最终产品的性质产生不利影响。

在试图减小Al-Li合金的铸造中的爆炸危险的又一例子中，美国专利号4,237,961提出在DC铸造期间从锭去除水。在欧洲专利号0-183-563中，描述用于在铝合金的直接冷硬铸造期间收集“渗漏”或“漏出”熔融金属的装置。收集“渗漏”或“漏出”熔融金属将浓缩该熔融金属块。该教导不能用于Al-Li铸造，因为它会产生人为爆炸条件，其中当水正被收集以便去除时水的去除会导致水的池化。在熔融金属的“渗漏”或“漏出”期间，“渗漏”材料也将在池化水区域中浓缩。如美国专利号5,212,343中教导的，这会是产生反应性水/Al-Li爆炸的优选方式。

因此，在现有技术中已提出许多解决方案以减小或最小化Al-Li合金的铸造中的爆炸的可能性。尽管提出的这些解决方案的每一个在这样的操作中提供额外安全防护，但是没有一个证明是完全安全或在商业上成本有效的。

因此，仍然需要用于铸造Al-Li合金的更安全、更少维护倾向和成本更有效的同时将生产更高品质铸造产品的装置和方法。

附图说明

图1是直接冷硬铸造系统铸锭坑的一个实施方案的简化横截面视图。

图2是图1的铸造系统的俯视示意图，显示在正常操作条件下用于冷却剂供给系统的阀配置。

图3是图1的铸造系统的俯视示意图，显示在检测到渗漏时用于冷却剂供给系统的阀配置。

图4是一个方法实施方案的方法流程图。

图5是可操作以用于形成合金熔体并且由合金熔体形成一个或多个中间铸造产品的系统的示意性侧视图。

具体实施方式

根据一个实施方案，使排气口位于直接冷硬铸锭坑的内部周边附近，处于从刚好低于该坑的顶部到坑顶部的各种位置以快速地从铸锭坑去除水蒸气或蒸汽。将惰性气体同时或随后引入该铸锭坑内部空间中以消除氢气合并为临界质量。根据本文所描述的一个实施方案，提供用于Al-Li合金的直接冷硬铸造的改造模具，其允许在铸造期间将惰性气体连续或分期引入冷却剂流同时在如果发生“渗漏”或“漏出”时允许停止冷却剂流动和将惰性气体引入锭凝固区域中。

描述用于铸造Al-Li合金的装置和方法。对现有技术的教导的关注在于水和Al-Li熔融金属“渗漏”或“漏出”材料聚在一起并且在放热反应期间释放氢。即使使用倾斜的铸锭坑底部、最小水位等，水和“渗漏”或“漏出”的熔融金属也仍然可以紧密接触，能够使反应发生。在没有水的情况下使用另一液体、例如在现有技术的专利中所述的那些进行铸造影响铸造产品的可铸造性、品质，实现和维护成本高，并且产生环境问题和火灾危险。

当前所述的装置和方法通过最小化或消除对于发生爆炸必须存在的成分来改进Al-Li合金的DC铸造的安全性。应当理解水(或水蒸气或蒸汽)存在于熔融Al-Li合金中将产生氢气。代表性化学反应方程式被认为是：

2LiAl+8H₂O→2LiOH+2Al(OH)₃+4H₂(g)。

氢气具有的密度明显小于空气的密度。在化学反应期间析出的氢气比空气轻，倾向于朝着铸锭坑的顶部向上移动，刚好低于在铸锭坑的顶部处的铸模和模具支撑结构。该典型封闭的区域允许氢气收集并且变得足够浓缩以产生爆炸气氛。热、火花或其它点火源可以触发浓缩状态的气体的氢‘羽流’的爆炸。

应当理解当与在DC方法(由铝锭铸造领域的技术人员实施)中使用的中间铸造产品冷却水组合时熔融“渗漏”或“漏出”材料将产生蒸汽和/或水蒸气。蒸汽和/或水蒸气是产生氢气的反应的加速剂。通过蒸汽去除系统去除该蒸汽和/或水蒸气将去除水与Al-Li组合产生Li-OH并且排出H₂的能力。通过在一个实施方案中在铸锭坑的内周边周围放置排气口并且在检测到发生“渗漏”时快速地启动排气孔，当前所述的装置和方法使蒸汽和/或水蒸气存在于铸锭坑中的可能性最小化。

根据一个实施方案，排气口位于铸锭坑内的若干区域中，例如低于铸模从约0.3米到约0.5米，在离铸模从约1.5米到约2.0米的中间区域中，以及在铸锭坑的底部处。作为参考，并且如下面更详细描述的附图中所示，铸模典型地放置在铸锭坑的顶部处，从地平高度到高于地平高度多达一米。除了为了稀释目的提供引入和排出空气以外，在模具台之下围绕铸模的水平和竖直区域一般用铸锭坑裙边和Lexan玻璃外套封闭，使得根据规定方式引入和排出包含在铸锭坑内的气体。

在另一实施方案中，将惰性气体引入铸锭坑内部空间中以最小化或消除氢气合并为临界质量。在该情况下，惰性气体是具有的密度小于空气的密度并且将倾向于占据刚好低于氢气会典型地所处的铸锭坑的顶部的相同空间的气体。氦气是具有的密度小于空气的密度的合适惰性气体的一个这样的例子。

在许多技术报告中已描述氩用作覆盖气体以便保护Al-Li合金免于环境大气以防止它们与空气反应。尽管氩是完全惰性的，但是它具有的密度大于空气的密度并且将不提供铸锭坑上部内部的惰化，除非保持强上升气流。与作为参照物的空气(1.3克/升)相比，氩具有约1.8克/升的密度并且会倾向于沉降到铸锭坑的底部，不提供铸锭坑的临界顶部区域内的期望的氢置换保护。在另一方面，氦不可燃并且具有0.2克每升的低密度并且将不支持燃烧。通过在铸锭坑的内部把空气换成更低密度的惰性气体，可以将铸锭坑中的危险气氛稀释到不能支持爆炸的水平。而且，当发生该交换时，还从该铸锭坑去除水蒸气和蒸汽。在一个实施方案中，在稳态铸造期间并且当未经历与‘渗漏’相关的非紧急状况时，在外部过程中从惰性气体去除水蒸气和蒸汽，而‘清洁的’惰性气体可以通过铸锭坑再循环回来。

要注意的是，由于氮也是“惰性”气体的普通工业知识，除了铝－锂合金的熔化和铸造以外的铝合金的熔化和直接冷硬铸造领域的技术人员可被诱导去使用氮气替代氦。然而，出于保持工艺安全性的原因，在本文中提及，当氮与液体铝－锂合金相互作用时它实际上不是惰性气体。氮确实与合金反应并且产生氨，氨又与水反应并且带来危险结果的额外反应，并且因此应该完全避免它的使用。对于另一种假定的惰性气体二氧化碳也是如此。在其中存在熔融铝锂合金与二氧化碳接触的有限机会的任何应用中应该避免它的使用。

通过使用比空气轻的惰性气体获得的显著益处在于残余气体将不会沉降到铸锭坑中，导致坑自身中的不安全的环境。存在比位于受限空间中的空气气体重导致源于窒息的死亡的许多情形。预期的是，对于受限的空间进入，将监测铸锭坑内的空气，但是不产生与工艺气体相关的问题。

现在参考附图，图1显示DC铸造系统的实施方案的横截面。DC系统5包括典型地形成于地面中的铸锭坑16。例如可以用液压动力单元(未显示)升高和降低的铸缸15布置在铸锭坑16内。用铸缸15升高和降低的台板18附连到铸缸15的上部或顶部部分。在该视图中固定铸模12在台板18上方或上面。铸模12具有如所示的敞开顶部和底部以及本体，所述本体限定模具腔(通过其中的腔)并且包括在其中用于冷却剂的储存器。在一个实施方案中，将冷却剂通过冷却剂口11引入模具12中的储存器。冷却剂口11通过管道(例如不锈钢管道)连接到包含合适的冷却剂、例如水的冷却剂源17。泵可以与冷却剂流体连通并且帮助冷却剂移动到冷却剂口17和模具12中的储存器。在一个实施方案中，阀21布置在冷却剂源和冷却剂口11之间以控制冷却剂流动到储存器中。流量计也可以存在于管道中以监测进入到储存器的冷却剂的流量。可以由控制器(控制器35)控制阀21并且这样的控制器也可以监测通过管道的冷却剂的流量。

将熔融金属引入铸模12中并且由铸模的较冷温度和通过经由围绕铸模12的基部或底部与铸模12关联的冷却剂供给装置14引入冷却剂来将熔融金属冷却，在中间铸造产品从模具腔露出(在铸模之下显露)之后该冷却剂撞击中间铸造产品。在一个实施方案中，铸模中的储存器与冷却剂供给装置14流体连通。来自冷却剂供给装置14的冷却剂(例如水)流动到显露的铸造产品(例如锭)的表面或周边上并且提供金属的直接冷硬和凝固。铸台31围绕铸模12。如图1中所示，在一个实施方案中，例如由耐高温氧化硅材料制造的垫圈或密封件29位于模具12的结构和台31之间。垫圈29抑制蒸汽或任何其它气氛从模具台31之下到达模具台之上并且由此抑制铸造人员在其中操作和呼吸的空气的污染。

在图1所示的实施方案中，系统5包括位于刚好低于模具12以检测渗漏或漏出的熔融金属检测器10。熔融金属检测器10例如可以是在美国专利号6,279,645中所述类型的红外检测器，如美国专利号7,296,613中所述的“爆发检测器”，或可以检测“渗漏”的存在的任何其它合适的装置。

在图1所示的实施方案中，系统5也包括排气系统19。在一个实施方案中，排气系统19在该实施方案中包括定位在铸锭坑16中的排气口20A、20A'、20B、20B'、20C和20C'。将排气口定位成最大化从铸锭坑的内腔去除包括点火源(例如H₂(g))和反应物(例如水蒸气或蒸汽)的生成气体。在一个实施方案中，排气口20A、20A'定位在模具12之下约0.3米到约0.5米；排气口20B、20B'定位在模具12之下约1.5米到约2.0米；并且排气口20C、20C'定位在俘获和包含渗漏金属的铸锭坑16的基部处。排气口在每个水平处成对地显示。可以领会在例如图1中的不同水平处有多组排气口的实施方案中，在每个水平处可以有多于两个排气口。例如，在另一实施方案中，在每个水平处可以有三个或四个排气口。在另一实施方案中，可以有小于两个(例如每个水平处有一个)。排气系统19也包括远离铸模12(例如离开模具12约20到30米)的远距离排气孔22以允许排出气体从系统离开。排气口20A、20A'、20B、20B'、20C、20C'通过管道(例如镀锌钢或不锈钢管道)连接到排气孔22。在一个实施方案中，排气系统19还包括一组排气风扇以将排出气体引导到排气孔22。

图1还显示气体引入系统24，其在该实施方案中包括围绕铸锭坑布置并且连接到一个或多个惰性气体源27的惰性气体引入口(例如惰性气体引入口26A、26A'、26B、26B'、26C和26C')。在一个实施方案中，与口26B和26B'以及26C和26C'的每一个的位置共存，定位有过量空气引入口以保证析出氢气的额外的移动中稀释。将气体引入口的定位选择成经由气体引入系统24提供惰性气体的涌流以立即替代铸锭坑内的气体和蒸汽，所述气体引入系统24在需要时(尤其当检测到渗漏时)通过惰性气体引入口26在检测到“渗漏”状态的预定时间(例如约最多30秒)内将惰性气体引入铸锭坑16内。图1显示靠近铸锭坑16的顶部部分定位的气体引入口26A和26A'；定位在铸锭坑16的中间部分处的气体引入口26B和26B'；以及定位在铸锭坑16的底部部分处的气体引入口26C和26C'。压力调节器或阀可以与每个气体引入口关联以控制惰性气体的引入。气体引入口在每个水平处成对地显示。应当领会在每个水平处有多组气体引入口的实施方案中，在每个水平处可以有多于两个气体引入口。例如，在另一实施方案中，在每个水平处可以有三个或四个气体引入口。在另一实施方案中，在每个水平处可以有小于两个(例如一个)。

如图1所示，在一个实施方案中，通过在铸锭坑16的顶部7处的气体引入口26A和26A'引入的惰性气体撞击在模具12之下的凝固、半固体和液体铝锂合金，并且该区域中的惰性气体流量在一个实施方案中至少大致等于在检测到“渗漏”或“漏出”的存在之前的冷却剂的体积流量。在铸锭坑的不同水平处有气体引入口的实施方案中，通过这样的气体引入口的流量可以与通过铸锭坑16的顶部7处的气体引用口的流量相同或者可以不同(例如小于通过铸锭坑16的顶部7处的气体引入口的流量)。

在另一实施方案中，气体引入系统24包括进入到模具12中的辅助气体引入口23的管道使得惰性气体可以替代通过模具的冷却剂或与流动通过模具的冷却剂一起添加(例如通过经由冷却剂供给装置排放惰性气体和冷却剂)或者独立地流动通过模具(例如在所示的实施方案中，模具12的本体具有与冷却剂源17、冷却剂口11和冷却剂供给装置7流体连通的用于冷却剂的储存器，以及与惰性气体源27、辅助气体引入口23和进入铸锭坑中的一个或多个惰性气体供给装置25流体连通的用于惰性气体的独立歧管)。代表性地，阀13布置在管道中以控制或调节惰性气体通过辅助气体引入口23流动到模具12中。在一个实施方案中，阀13在非渗漏或非漏出状态下闭合或部分地闭合并且在响应渗漏或漏出时打开。在铸锭坑的不同水平处有气体引入口的实施方案中，通过这样的气体引入口的流量可以与通过铸锭坑16的顶部7处的气体引入口的流量相同或者可以不同(例如小于通过铸锭坑16的顶部7处的气体引入口的流量)。阀13可以由控制器(控制器35)控制并且进入到辅助气体引入口23的管道中的压力可以由控制器例如通过管道中的压力计监测。

如上所述，通过气体引入口引入的一种合适的惰性气体是氦。氦具有的密度小于空气的密度，将不与铝或锂反应以产生反应产物并且具有相对高的热导率(0.15W·m^-1·K^-1)。在例如在渗漏或漏出的情况下将惰性气体引入以替代通过模具12的冷却剂的流动时，在一个实施方案中，将具有相对高的热导率的惰性气体例如氦引入以抑制由熔融金属所致的模具变形。在另一实施方案中，可以引入惰性气体的混合物。代表性地，惰性气体的混合物包括氦气。在一个实施方案中，惰性气体的混合物包括氦气和氩气，其包括至少约百分之20的氦气。在另一实施方案中，氦/氩混合物包括至少约百分之60的氦气。在又一实施方案中，氦/氩混合物包括至少约百分之80的氦气并且相应地包括至多约百分之20的氩气。

通过气体引入口引入的替代性惰性气体由在连续基础上以较低体积保持启动的上部排气系统28从铸锭坑16去除，但是在检测到“渗漏”时立即提高体积流量并且将从铸锭坑去除的惰性气体引导到排气孔22。在一个实施方案中，在检测到渗漏之前，坑的上部分中的气氛可以通过由湿气吸收柱(stripping column)和蒸汽干燥剂组成的气氛净化系统连续地循环，因此保持铸锭坑的上部区域中的气氛具有适当的惰性。循环时去除的气体穿过干燥剂并且将任何水蒸气去除以净化包含惰性气体的上部铸锭坑气氛。经净化的惰性气体然后可以经由合适的泵32再循环到惰性气体注入系统24。当使用该实施方案时，惰性气体帘保持在口20A和26A之间并且类似地保持在口20A'和26A'之间以最小化宝贵的惰性气体通过铸锭坑通气和排气系统逸出铸锭坑的上部区域。

排气口20A、20A'、20B、20B'、20C、20C'和惰性气体引入口26A、26A'、26B、26B'、26C、26C'的数量和准确位置将取决于正在操作的特定铸锭坑的尺寸和配置并且这些由实施DC铸造的熟练技术人员联合空气和气体的再循环方面的专家进行计算。最期望提供三组(例如三对)排气口和惰性气体引入口，如图1中所示。取决于正在铸造的产品的属性和重量，可以在铸锭坑16的顶部的周边周围使用单组的排气口和惰性气体引入口来获得不太复杂并且比较便宜、但是同样有效的装置。

在一个实施方案中，通过控制器35控制台板18/铸缸15、熔融金属供应进口进入模具12和水进口进入模具的移动中的每个。熔融金属检测器10还连接至控制器35。控制器35包含作为非临时可触介质形式的机器可读的项目指令。在响应Al-Li熔融金属“渗漏”或“漏出”的从熔融金属检测器10到控制器35的信号时，机器可读的指令导致台板18和熔融金属进口供应(未显示)的移动停止，导致进入模具12中的冷却剂流动停止和/或转移，并且与此同时或在约15秒内(并且在另一个实施方案中在约10秒内)导致较高体积排气系统19启动，从而经由排气口20A、20A’、20B、20B’、20C、20C’使包含水蒸气的排出气体和/或离开铸锭坑的水蒸气转移到排出口22。与此同时或此后不久(例如约10秒内至约30秒内)，机器可读的指令进一步启动气体引入系统并且将具有的密度小于空气的密度的惰性气体例如氦通过气体引入口26A、26A’、26B、26B’、26C、26C’引入。

本文描述的方法和装置提供了独特的方法，该方法恰当地包含Al－Li“渗漏”或“漏出”使得可成功地操作商业方法而不利用额外来的工艺方法，例如使用使得该方法对于铸造金属品质不是优化的液体例如乙二醇的铸造，对于铸造不太稳定的方法，并且与此同时不经济的和可燃的方法。如铸锭铸造领域的任何技术人员将理解的，必须说明在任何DC方法中，将发生“渗漏”或“漏出”。发生率将通常非常低，但是在机械设备的正常操作中，有些情况将在正常操作范围之外发生并且该方法将不按照预期执行。所述的装置和方法的实施和该装置的使用将最小化在铸造Al-Li合金时导致意外事故和财产损失的源于“渗漏”或“渗出”的水与熔融金属的氢爆炸。

如上所述，当中间铸造产品从铸模腔露出时，来自围绕铸模的冷却剂供给装置的冷却剂围绕对应于刚好低于冷却剂离开冷却剂供给装置14处的点的中间铸造产品的周边撞击。后一位置通常被称为凝固区域。在这些标准状态下，水和空气的混合物在铸锭坑中围绕中间铸造产品的周边产生，并且当铸造操作继续时将新产生的水蒸气连续地引入其中。

在图2中显示系统5的示意性俯视平面图，显示铸模12和铸台31。在该实施方案中，系统5包括放置在冷却剂供给装置中处于铸模12中的储存器(图2中的储存器50)和冷却剂供给装置(冷却剂供给装置14，图1)之间或在储存器50的上游的冷却剂供给系统。冷却剂供给系统56在该实施方案中替代冷却剂口11、阀21以及冷却剂口11和冷却剂源17之间的关联管道。如图2中所示，在所示的实施方案中，冷却剂供给系统56在储存器50的上游。模具12(在该实施方案中示出为圆模具)围绕金属44(例如引入模具12中的熔融金属)。在图2中也可以看到，冷却剂供给系统56包括连接到每个供给储存器50的管道63或管道67的阀系统58。用于管道63和管道67以及本文中所述的其它管道和阀的合适材料包括但不限于不锈钢(例如不锈钢管状管道)。阀系统58包括与管道63关联的第一阀60。第一阀60允许来自冷却剂源17的冷却剂(一般是水)通过阀60和管道63引入。阀系统58也包括与管道67关联的第二阀66。在一个实施方案中，第二阀66允许来自惰性流体源64的惰性流体通过第二阀66和管道67引入。管道63和管道67分别将冷却剂源17和惰性流体源64连接到储存器12。

用于惰性流体源64的惰性流体是将不与锂或铝反应以产生反应(例如爆炸)产物并且同时将不可燃烧或不支持燃烧的液体或气体。在一个实施方案中，惰性流体是惰性气体。合适的惰性气体是具有的密度小于空气的密度并且将不与锂或铝反应以产生反应产物的气体。将在主题实施方案中使用的合适惰性气体的另一性质在于该气体应具有比惰性气体中或空气和惰性气体混合物中通常可获得的更高的热导率。同时满足前述要求的这样的合适气体的例子是氦(He)。在例如在渗漏或漏出的情况下将惰性气体引入以替代通过模具12的冷却剂流动时，在一个实施方案中，将具有相对高的热导率的惰性气体例如氦引入以抑制由熔融金属所致的模具变形。在另一实施方案中，可以引入惰性气体的混合物。代表性地，惰性气体的混合物包括氦气。在一个实施方案中，惰性气体的混合物包括氦气并且可使用氩气。根据一个实施方案，氦/氩混合物包括至少约百分之20的氦气。在另一实施方案中，氦/氩混合物包括至少约百分之60的氦气。在又一实施方案中，氦/氩混合物包括至少约百分之80的氦气并且相应地包括至多约百分之20的氩气。

在表示正常铸造状态的图2中，第一阀60打开并且第二阀66闭合。在该阀配置中，仅仅容许来自冷却剂源17的冷却剂进入管道63并且因此进入储存器12，而来自惰性流体源64的惰性流体从其排除。可以选择阀60的状况(例如，完全打开、部分打开)以获得期望流量，所述流量由与阀60关联或邻近阀60独立定位的流量监测器(在阀60的下游示出为第一流量监测器68)测量。根据一个实施方案，需要时，第二阀66可以部分地打开使得在正常铸造状态期间来自惰性流体源64的惰性流体(例如惰性气体)可以在储存器12中与来自冷却剂源17的冷却剂混合。可以选择阀66的状况以获得期望流量，所述流量由与阀66关联或邻近阀66独立定位的流量监测器(在阀66的下游示出为第二流量监测器69)(例如用于惰性流体源的压力监测器)测量。

在一个实施方案中，第一阀60、第二阀66、第一流量监测器68和第二流量监测器69的每一个电气地和/或逻辑地连接到控制器35。控制器35包括非临时机器可读指令，当执行时，所述指令导致第一阀60和第二阀66之一或两者被驱动。例如，在例如图2中所示的正常铸造操作下，这样的机器可读指令导致第一阀60部分或完全打开并且导致第二阀66闭合或部分打开。

现在参见图3，该图显示在发生“渗漏”或“漏出”时配置的阀系统58。在这些情况下，当由渗漏检测装置10(参见图1)检测到“渗漏”或“漏出”时，第一阀60闭合以停止来自冷却剂源17的冷却剂(例如水)的流动。同时或之后不久(在3到20秒内)，第二阀66打开以允许来自惰性流体源64的惰性流体的进入，使得仅仅容许惰性流体进入管道67。在惰性流体是惰性气体、例如氦(He)时，在该条件下，考虑到氦的密度低于空气、水或水蒸汽，铸锭坑16的顶部和围绕模具12(参见图1)的区域立即被惰性气体淹没，由此置换水和空气的任何混合物并且抑制氢气的形成或熔融Al/Li合金与冷却剂(例如水)在该区域中接触，由此明显减小由于这些材料存在于该区域中而引起的爆炸的可能性。使用在1.0ft/sec和约6.5ft/sec之间、优选在约1.5ft/sec和约3ft/sec之间并且最优选约2.5ft/sec的速度。在惰性流体是惰性气体的一个实施方案中，惰性气体源64可以对应于参考图1描述的供应气体引入系统24的一个或多个惰性气体源27。

在图2和3中也显示分别与第一阀60和第二阀66关联的止回阀70和止回阀72。当检测到渗漏和流入模具中的材料的变化时每个止回阀抑制冷却剂和/或惰性流体(例如气体)往回流动到相应的阀60和66中。

如图2和3中示意性地所示，在一个实施方案中，冷却剂供应管线63也配备有旁通阀73以允许冷却剂的流动在其进入第一阀60之前直接转移到外部“泵”，使得当第一阀60闭合时，最小化对供给系统的水冲击或破坏，或者通过阀60的泄漏。在一个实施方案中，控制器35中的机器可读指令包括指令使得一旦例如由从红外温度计到控制器35的信号检测到“渗漏”，指令就导致驱动旁通阀73打开以转移冷却剂流动；顺序地驱动第一阀60至闭合；并且驱动第二阀66至打开以允许惰性气体的进入。

如上所述，一种合适的惰性气体是氦。氦具有相对高的热导率，一旦中止冷却剂流动这就允许从铸模和从凝固区域连续抽取热。该连续热抽取用于冷却正在铸造的锭/坯，由此减小由于锭/坯的头部中的残余热而发生的任何附加“渗漏”或“漏出”的可能性。同时保护模具免于过度加热，由此减小损坏模具的可能性。作为比较，氦、水和二醇的热导率如下：He；0.1513W·m^-1·K^-1；H₂O；0.609W·m^-1·K^-1；以及乙二醇；0.258W·m^-1·K^-1。

尽管氦和上述的气体混合物的热导率低于水或二醇的热导率，但是当这些气体在凝固区域处或附近撞击中间铸造产品、例如锭或坯时，不产生可能以其它方式减小表面热传递系数并且由此减小冷却剂的有效热导率的“蒸汽帘”。因此，与最初仅仅考虑它们的直接相对热导率时的预期相比，单一惰性气体或气体混合物展现的有效热导率更接近于水或二醇的有效热导率。

如对于熟练技术人员将清楚的是，尽管图2和图3描绘正在形成的铸造金属的坯或圆段的中间铸造产品，但是所述的装置和方法同等地适用于矩形锭或其它形状或形式的铸造。

图4呈现了系统5特别是在渗出的事件中的操作方法。该方法将就自动化过程而言得到描述，其中控制器(例如图1－3中的控制器35)通过控制器中存储的或可通过控制器获得的机器可读指令(例如计算机程序)来控制系统5。在一个实施方案中，控制器35包含在执行时控制系统的操作(包括检测到渗出时的操作)的机器可读指令。如上所述，在一个实施方案中，控制器35控制台板18/铸缸15、模具12的熔融金属供应入口和模具的冷却剂/惰性流体入口的每一个的移动。熔融金属检测器10也连接到控制器35。控制器35包含作为非临时可触介质的形式的机器可读程序指令。参考图4和方法100，首先由熔融金属检测器10检测Al-Li熔融金属“渗漏”或“漏出”(模块110)。响应从熔融金属检测器10到控制器35的Al-Li熔融金属“渗漏”或“漏出”的信号，控制器35引导台板18移动和使熔融金属入口供应装置(未显示)停止(模块120、130)，使进入冷却剂供给装置14中的冷却剂流动停止(例如通过驱动阀60至关闭来停止到管道供给装置52的冷却剂流动(图3))(模块140)。与所述操作同时或在约15秒内(且在另一实施方案中在约10秒内)通过控制器35执行机器可读指令来启动较高体积排气系统19(图1)以经由排气口20A、20A'、20B、20B'、20C和20C'将包含水蒸气的排出气体和/或远离铸锭坑的水蒸气转移到排气孔22(模块150)。同时或之后不久(例如在约10秒内到约30秒内)，由控制器35执行的机器可读指令启动气体引入系统24(图1)。气体引入系统的启动包括将具有的密度小于空气的密度的惰性气体例如氦通过气体引入口26A、26A'、26B、26B'、26C和26C'引入铸锭坑中(模块160)。同时或之后不久，在一个实施方案中，机器可读指令的执行驱动阀66至打开(图3)以将惰性流体(例如氦气或惰性气体的混合物)引入冷却剂供给装置14中(例如驱动阀66以通过管道供给装置52将惰性流体引入模具12)(模块170)。引入的惰性气体(例如通过气体引入系统24引入的惰性气体(图1)和/或从惰性流体源64引入冷却剂供给装置14中的惰性气体(图3))随后经由排气系统被收集并且然后可以被净化(模块180)。当渗漏调节继续时，由控制器35进行的机器可读指令的执行例如通过控制泵32(图1)进一步控制惰性气体的收集和净化。

通过使用比空气轻的惰性流体获得的显著益处在于残余气体将不会沉降到铸锭坑中从而导致铸锭坑自身中的不安全环境。存在比空气重的气体停留在受限空间中导致窒息死亡的许多情形。即使通常认为铸锭坑为受限空间，但是将不需要额外的外部空气来补充铸锭坑内的空气。可以预期针对受限空间的入口将监测铸锭坑内的空气，但是不会产生与工艺气体相关的问题。

这种方法描述了独特的方法以充分地包含Al-Li“渗漏”或“漏出”使得可以成功地操作商业方法而不使用额外的处理方法，例如使用诸如乙二醇的液体进行铸造，其使该方法为不经济且潜在易燃的。锭铸造领域的任何技术人员将理解，在任何直接冷硬方法中必须承认，“渗漏”和“漏出”将发生。发生率将通常很低，但是在机械设备的正常操作期间，有些情况将在正常操作范围之外发生并且该方法将不按照预期执行。该方法的实现以及本文所述的装置的使用将最小化铸造Al-Li合金时的导致意外事故和财产损失的来自“渗漏”或“漏出”水与熔融金属氢爆炸。

在一个实施方案中，如上所述使用直接冷硬铸锭坑制造的Al-Li合金包含约百分之0.1到约百分之六的锂，并且在另一实施方案中，包含约百分之0.1到约百分之三的锂。在一个实施方案中，如上所述使用加料装置制造的Al-Li合金包含在百分之0.1到百分之6.0的范围内的锂，在百分之0.1到百分之4.5的范围内的铜，和在百分之0.1到百分之6的范围内的镁，作为次要添加剂的银、钛、锆以及痕量的碱和碱土金属，并且余量为铝。代表性Al-Li合金包括但不限于合金2090(铜2.7％，锂2.2％，银0.4％和锆0.12％)；合金2091(铜2.1％，锂2.09％和锆0.1％)；合金8090(锂2.45％，锆0.12％，铜1.3％和镁0.95％)；合金2099(铜2.4-3.0％，锂1.6-2.0％，锌0.4-1.0％，镁0.1-0.5％，锰0.1-0.5％，锆0.05-0.12％，铁最大0.07％和硅最大0.05％)；合金2195(1％锂，4％铜，0.4％银和0.4％镁)；以及合金2199(锌0.2-0.9％，镁0.05-0.40％，锰0.1-0.5％，锆0.05-0.12％，铁最大0.07％和硅最大0.07％)。代表性Al-Li合金是具有满足100,000磅每平方英寸(“psi”)拉伸强度和80,000psi屈服强度的要求的性质的Al-Li合金。

图5呈现用于在直接冷硬铸造方法中形成一个或多个中间铸造产品例如坯、板坯、锭、坯件或其它形式的系统的示意性侧视图。根据图5，系统200包括感应炉205，所述感应炉包括炉容器210和含熔体的容器230，感应线圈位于所述含熔体的容器周围。在制造Al-Li合金的一个实施方案中，将铝和锂以及用于期望合金的任何其它金属的固体装料引入炉容器210的下部分中和含熔体的容器230中。代表性地，可以在引入锂金属之前初始引入并且熔化铝金属。一旦铝金属熔化，就引入锂金属。可以在铝的初始引入之前或与铝的初始引入一起或者在锂金属之前、之后或与锂金属一起引入其它金属。可以用加料装置引入这样的金属。通过感应加热(经由感应线圈)熔化金属并且熔化的金属通过管道得到转移：例如通过重力供给到第一过滤器215、通过脱气器220、到第二过滤器225并且到中间铸造产品形成工作站240。

系统200中的感应炉205包括围绕含熔体的容器230的感应线圈。在一个实施方案中，在含熔体的容器230的外表面和感应线圈的内表面之间有间隙。在一个实施方案中，惰性气体在该间隙中循环。图5中的感应炉205的表示显示围绕代表性柱形含熔体的容器(例如围绕容器的整个外表面)循环的气体。图5显示与系统200关联的气体循环子系统。在一个实施方案中，从气体源255例如通过不锈钢管供应气体、例如惰性气体(例如氦)。各种阀控制气体的供应。当从气体源255供应气体时，邻近气体源255的阀256打开，阀251打开以允许气体引入供给口245中，并且阀252打开以允许气体从排放口246排放到循环子系统中。在一个实施方案中，将气体引入与感应炉205关联的供给口245中。引入的气体在含熔体的容器230和感应线圈之间的间隙中循环。循环气体然后通过排放口246离开感应炉205。从排放口246，气体穿过在线氢分析器258。氢分析器258测量气流中的氢的量(例如浓度)。如果该量超过例如百分之0.1(体积)，则气体通过排气阀259排出到大气。来自排放口246的循环气体也穿过净化器260。净化器260可操作并且配置成从惰性气体去除氢和/或湿气。去除湿气的净化器的例子是除湿器。从净化器260，将气体暴露于热交换器270。将热交换器270配置成从气体去除热以将气体温度调节到例如低于120°F。代表性地，在通过感应线圈和含熔体的容器之间的间隙循环中，气体可以拾取/保留热并且气体的温度将上升。将热交换器270配置成减小气体的温度，并且在一个实施方案中，将这样的温度返回到目标温度，所述目标温度低于120°F并且在一个实施方案中约为室温。在一个实施方案中，除了将气体暴露于热交换器270以外，可以通过将气体暴露于制冷源275来冷却气体。以该方式，在进入/再进入感应炉205之前气体的温度可以显著地减小。如图5中所示，气体循环子系统250包括在供给口245之前的温度监测器280(例如热电偶)。温度监测器280可操作以用于测量正供给到供给口245中的气体的温度。通过气体循环子系统250的所述工作台(例如氢分析器258、净化器260、热交换器270和制冷源275)的气体的循环可以通过管、例如不锈钢管，每个所述工作台连接到所述管。另外，可以领会所述工作台的顺序可以变化。

在另一实施方案中，通过含熔体的容器230和感应线圈之间的间隙循环的气体是大气空气。这样的实施方案可以用于不包含如上所述的反应性元素的合金。参考图5，在大气空气将被引入间隙中时，可以将气体循环子系统250隔离以避免污染。因此，在一个实施方案中，阀251、252和256闭合。为了允许将空气引入供给口245中，空气供给阀253打开。为了允许从排放口246排出，空气排放阀257打开。当使用气体循环子系统250并且从气体源255供应气体时空气供给阀253和空气排放阀257闭合。在空气供给阀253和空气排放阀257打开的情况下，通过吹风机(例如供应风扇)将大气空气供应到该间隙。吹风机258产生空气流，所述空气流以代表性地约12,000cfm的体积将空气(例如通过管道)供应到供给阀245。空气通过该间隙循环并且通过排放口246排放到大气。

如上所述，从感应炉205，熔融合金流动通过过滤器215和过滤器225。将每个过滤器设计成过滤来自熔体的杂质。熔体也穿过在线脱气器220。在一个实施方案中，将脱气器220配置成从熔体去除不期望的气体物类(例如氢气)。在熔体的过滤和脱气之后，可以将熔体引入中间铸造产品形成工作站240中，其中例如可以在直接冷硬铸造方法中形成一个或多个中间铸造产品(例如坯、板坯)。中间铸造产品形成工作站240在一个实施方案中包括类似于图1和附随文字中的系统5的直接冷硬铸造系统。这样的系统代表性地包括但不限于具有顶部部分、中间部分和底部部分的铸锭坑；位于该铸锭坑的顶部部分处的模具，该模具包括其中的储存器；可操作以用于检测渗漏或漏出的熔融金属检测器；可操作以用于从铸锭坑去除包括点火源和铸锭坑反应物的生成气体的排气系统；包括可操作以用于将惰性气体提供给铸锭坑的惰性气体源的气体引入系统；可操作以用于将空气引入铸锭坑中的空气引入口；可操作以用于收集离开铸锭坑(例如通过排气系统)的惰性气体并且从惰性气体去除成分(例如蒸汽)的收集系统；以及使收集的惰性气体再循环的再循环系统。在一个实施方案中，该直接冷硬铸造系统包括冷却剂供给系统，其包括连接到如图2和图3所示的管道供给装置的阀系统。该阀系统包括可操作以用于调整来自冷却剂源的冷却剂(例如水)的流动的第一阀和用于调整来自(一个或多个)惰性流体源的惰性流体的流动。

上述的系统可以由控制器控制。在一个实施方案中将控制器290配置成控制系统200的操作。因此，各单元例如感应炉205、第一过滤器215、脱气器220、第二过滤器225和中间铸造产品形成工作站240有线地或无线地电连接到控制器290。在一个实施方案中，控制器290包含作为非临时介质的形式的机器可读程序指令。在一个实施方案中，程序指令执行熔化感应炉205中的装料并且将熔体输送到中间铸造产品形成工作站240的方法。关于熔化装料，程序指令例如包括用于搅拌熔体、操作感应线圈以及通过感应线圈和含熔体的容器230之间的间隙循环气体的指令。在实施方案中，在加料装置包括搅拌装置或混合装置的情况下，这样的程序指令包括用于搅拌或搅动熔体的指令。关于将熔体输送到中间铸造产品形成工作站240，这样的指令包括用于建立熔体从感应炉205流动通过过滤器和脱气器的指令。在中间铸造产品形成工作站240处，指令指导一个或多个坯或板坯的形成。关于形成一个或多个坯，程序指令例如包括降低一个或多个铸缸295并且喷射冷却剂297以凝固金属合金铸件的指令。

在一个实施方案中，控制器290也调节并且监测系统。这样的调节和监测可以由遍布系统的多个传感器实现，所述传感器将信号发送到控制器290或由控制器290访问。例如，参考感应炉205，这样的监测器可以包括与含熔体的容器230和/或上部炉容器210关联的一个或多个温度计/热电偶。其它监测器包括与气体循环子系统250关联的温度监测器280，所述温度监测器提供引入含熔体的容器230和感应线圈的内表面之间的间隙中的气体(例如惰性气体)的温度。通过监测循环气体的温度，与含熔体的容器230关联的冷冻平面可以保持在期望位置。在一个实施方案中，通过邻近含熔体的容器230的外表面放置热电偶(热电偶344)，含熔体的容器的外表面的温度也可以被测量并且由控制器290监测。与气体循环子系统250关联的另一监测器与氢分析器258关联。当氢分析器258检测到气体中的过量氢时，将信号发送到控制器290或由控制器检测该信号并且控制器290打开排气阀259。在一个实施方案中，控制器290也控制与气体循环子系统250关联的阀251、252和256的打开和闭合，当从气体源255供应气体时(打开每个阀)，例如气体的流量由控制器290打开阀的程度控制，并且当从吹风机258供应环境空气时，每个阀闭合并且空气供给阀253和空气排放阀257打开。在一个实施方案中，在空气通过间隙循环的情况下，控制器290可以调节吹风机258的速度和/或供给阀253打开的量以基于例如来自邻近含熔体的容器230的外部的热电偶344的温度测量来调节含熔体的容器230的外表面的温度。另一监测器例如包括与关于感应炉205的渗漏检测子系统关联的探头。关于总系统200，可以提供额外的监测器以例如针对熔融金属渗漏或漏出而监测系统。关于监测和控制中间铸造产品形成工作站240处的渗漏或漏出，在一个实施方案中，控制器290至少监测和/或控制冷却剂流动到铸模的储存器、惰性气体流动到铸模的储存器、台板在铸锭坑中的移动、排气系统、气体(例如惰性气体)引入系统和再循环系统。

上述系统可用于形成坯或板坯或可以在各种工业中使用的其它中间铸造产品形式，包括但不限于汽车、体育、航空和航天工业。所示的系统显示用于通过直接冷硬铸造方法形成坯或板坯的系统。板坯或除了圆形或矩形之外的其它形式可以替代地在类似系统中形成。形成的坯例如可以用于挤出或锻造用于飞行器、用于汽车或用于使用挤出金属零件的任何工业的期望部件。类似地，板坯或其它形式的铸件可以用于例如通过轧制或锻造形成部件，例如用于汽车、航空或航天工业的部件。

上述系统示出供给中间铸造产品形成工作站240的一个感应炉。在另一实施方案，系统可以包括多个感应炉，并且代表性地，包括多个气体循环子系统，其包括多个气体源、多个过滤器和脱气器。

因此描述了一种用于使Al-Li合金的直接冷硬铸造中的爆炸的可能性最小化的商业上有用的方法和装置。可以领会尽管针对Al-Li合金进行描述，但是所述方法和装置可以在其它金属和合金的铸造中使用。

应该领会若干以上公开的和其它的特征和功能或其替代和变型可以理想地组合到多种其它不同的系统或应用中。而且本领域技术人员随后可以在其中实现也应由所附权利要求涵盖的各种替代、改变、变型或改进。

在上面的描述中，出于解释的目的，提出了多种特定要求和若干个特定细节，以便提供对实施方案的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言将清楚的是，可以在没有这些特定细节中的一些的情况下实施一个或多个其它的实施方案。所述特别的实施方案不是提供来限制本发明而是来说明本发明。发明的范围不应该由上面提供的特定实施例来确定，而仅由下面的权利要求来确定。在其它情况下，以框图形式显示公知的结构、装置和操作或者没有详细显示，以便避免模糊对说明的理解。在认为合适的情况下，在附图中重复附图标记或附图标记的末尾部分以指示相应或类似的元件，其可任选地具有类似的特性。

应当领会的是，遍及该说明书提到例如“一个实施方案”、“实施方案”、“一个或多个实施方案”或“不同的实施方案”意味着特别的特征可包括在本发明的实施中。类似地，应当领会的是，出于简化公开内容并且帮助理解各个发明方面的目的，在说明中有时将各种不同的特征一起集合在单一的实施方案、图或其说明中。然而，不应当将该公开方法解释为反映发明需要比在每个权利要求中明确记载的更多的特征的意图。更确切地说，如接下来的权利要求反映的，发明方面可存在于单一公开的实施方案的并非全部特征中。在另一种情形中，发明发面可包括本文中描述的实施方案的组合或在实施方案的组合中描述的并非全部方面的组合。因此，在此将具体实施方式之后的权利要求明确并入该具体实施方式中，每个权利要求基于自身作为发明的独立的实施方案。

Claims (31)

1.一种铸造装置，包含：

铸锭坑，该铸锭坑具有顶部部分、中间部分和底部部分；

位于该铸锭坑的顶部部分的模具，该模具包含腔体，该腔体包括储存器；

冷却剂供给装置，其可操作以用于将冷却剂引入从模具腔体露出的金属的周边；

可移动的台板，其可操作以用于当金属在模具中凝固时支撑金属；

用于检测渗漏发生的机构；

在该铸锭坑的至少顶部周边周围的一组水蒸气排气口；和

将惰性流体引入冷却剂供给装置中以响应通过渗漏检测机构检测到的渗漏的机构。

2.根据权利要求1所述的装置，还包含在该铸锭坑的中间部分和底部部分的周边周围的一组水蒸气排气口。

3.根据权利要求2所述的装置，其中一组水蒸气排气口位于离模具出口从0.3米至0.5米和从1.5米至2.0米并且位于铸锭坑的底部。

4.根据权利要求1所述的装置，还包含：

用于不论是否检测到渗漏或漏出都通过水蒸气排气口从该铸锭坑连续地去除水蒸气的机构；和

用于当没有检测到渗漏时抽吸水蒸气和来自该铸锭坑的顶部部分的其它气体并且从这样的混合物连续地去除水且使其它气体再循环到该铸锭坑的相同上部区域的机构，但是该机构从上部区域完全排出水蒸气和其它气体以响应通过渗漏检测机构检测到的渗漏。

5.根据权利要求2所述的装置，其中一组水蒸气排气口允许连续排气。

6.根据权利要求1所述的装置，其中将惰性流体引入冷却剂供给装置中的机构包含阀系统，该阀系统包含至少第一阀和第二阀，第一阀可操作以用于允许冷却剂进入储存器或冷却剂供给装置中，并且第二阀可操作以用于允许惰性流体进入储存器或冷却剂供给装置中。

7.根据权利要求6所述的装置，其中该阀系统可操作以用于将冷却剂和惰性流体的混合物或惰性流体选择性地供给到正在铸造的锭的凝固区域。

8.根据权利要求6所述的装置，其中该阀系统位于储存器的上游。

9.根据权利要求6所述的装置，其中惰性流体为氦气。

10.根据权利要求6所述的装置，其中惰性流体为氦气和氩气的混合物。

11.根据权利要求6所述的装置，其中惰性流体为氦气和氩气的混合物，其包含至少20％的氦气。

12.根据权利要求6所述的装置，其中惰性流体为氦气和氩气的混合物，其包含至少60％的氦气。

13.一种用于铝-锂合金的直接冷硬铸造的方法，其中将熔融金属引入铸模中并且通过冷却剂冲击铸锭坑中的凝固金属来进行冷却，该 铸锭坑具有顶部部分、中间部分和底部部分并且包括可移动的台板，该方法包括：

检测渗漏或漏出；和

在检测到渗漏或漏出后：

以一定的体积流量从该铸锭坑排出生成的气体，该体积流量相对于在检测到渗漏或漏出之前的体积流量得到提高；

将惰性气体引入该铸锭坑内，该惰性气体具有的密度小于空气的密度；

将惰性流体引入与铸模关联的冷却剂供给装置中；

和

停止冷却剂向冷却剂供给装置的流动。

14.根据权利要求13所述的方法，其中惰性流体包含氦气或者氦气和氩气的混合物。

15.根据权利要求13所述的方法，其中从该铸锭坑排出生成的气体包括通过在该铸锭坑的至少顶部部分的周边周围的一组排气口排气。

16.根据权利要求15所述的方法，其中排出生成的气体还包括通过在该铸锭坑的中间部分和底部部分周围的多组排气口排气。

17.根据权利要求13所述的方法，其中引入惰性气体包括通过在该铸锭坑的至少顶部部分的周边周围的一组气体引入口引入惰性气体。

18.根据权利要求13所述的方法，其中引入惰性气体包括通过在该铸锭坑的顶部部分、中间部分和底部部分的周边周围的多组气体引入口引入惰性气体。

19.根据权利要求13所述的方法，还包括在检测到渗漏或漏出后停止熔融金属到铸模中的流动。

20.一种铸造系统，包含：

至少一个炉，其包含含熔体的容器；和

中间铸造产品工作站，其连接至该至少一个炉并且可操作以用于接收来自该至少一个炉的熔融金属，该中间铸造产品工作站包含：

铸锭坑，

位于该铸锭坑的顶部部分的至少一个模具，该模具包含储存器和腔体，

冷却剂供给装置，其可操作以用于将冷却剂引入从模具露出的金属的周边；

将惰性流体引入冷却剂供给装置中的机构，

至少一个可移动的台板，其设置在该铸锭坑中并且可操作以用于当金属在模具中凝固时支撑金属；

在该铸锭坑的至少顶部周边周围的一组排气口；

渗漏检测装置；和

控制器，其可操作以用于引导在通过该渗漏检测装置检测到渗漏时冷却剂流停止进入该冷却剂供给装置和允许惰性流体进入该冷却剂供给装置。

21.根据权利要求20所述的系统，其中该中间铸造产品工作站还包含在该铸锭坑的至少顶部周边周围的一组气体引入口，并且该系统还包含惰性气体源，该惰性气体源可操作以用于向该组气体引入口供应惰性气体。

22.根据权利要求20所述的系统，其中惰性流体是氦气。

23.根据权利要求20所述的系统，其中惰性流体是氦气和氩气的混合物。

24.根据权利要求20所述的系统，其中惰性流体是氦气和氩气的混合物，其包含至少20％的氦气。

25.根据权利要求20所述的系统，其中将惰性流体引入冷却剂供给装置中的机构包含阀系统，该阀系统包含至少第一阀和第二阀，第一阀可操作以用于允许冷却剂进入储存器或冷却剂供给装置中，并且第二阀可操作以用于允许惰性流体进入储存器或冷却剂供给装置中。

26.根据权利要求20所述的系统，其中惰性流体是氦气和氩气的混合物，其包含至少60％的氦气。

27.中间铸造产品，包含使用根据权利要求20所述的系统制得的锂－铝合金。

28.根据权利要求27所述的中间铸造产品，其中该合金包含百分之0.1至百分之六的锂。

29.根据权利要求27所述的中间铸造产品，其中该合金包含满足100,000磅每平方英寸(“psi”)(6895巴)的拉伸强度要求和80,000psi(5516巴)的屈服强度要求的性质。

30.挤压产品，包含使用根据权利要求20所述的系统制得的锂－铝合金。

31.铸造产品，其包含使用根据权利要求20所述的系统制得的锂－铝合金，其中该产品是用于飞行器或汽车的部件。