CN107848024B - 超声晶粒细化 - Google Patents

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Abstract

一种熔融金属处理装置，包括用于沿其纵向长度接收和输送熔融金属的熔融金属容纳结构。装置还包括用于容纳结构的冷却单元，其包括用于在其中的液体介质通路的冷却通道，以及超声探头，其关于冷却通道设置，使得超声波经由冷却通道中的液体介质和经由熔融金属容纳结构耦合至熔融金属。

Description

超声晶粒细化
联邦政府资助研发的声明
本发明利用国家自然基金授予的拨款号IIP 1058494的政府资助制作。政府对本发明有一定权利。
技术领域
本发明涉及一种用于生产具有受控粒径的金属铸件的方法、用于生产金属铸件的系统、以及由金属铸件获得的产品。
背景技术
冶金领域中已经花费了很大的努力来开发将熔融金属铸造成连续金属棒或铸造产品的技术。成批铸造和连续铸造两者得到了较好发展。尽管行业中主要使用了这两者，但连续铸造存在优于成批铸造的许多优点。
在金属铸造的连续生产中，熔融金属从保温炉进入一系列流槽，且进入其铸造成金属条的圆盘浇铸机的模具中。凝固的金属条从圆盘浇铸机除去，且引导到辊轧机中，在该处其轧制成连续的棒。取决于金属棒产品和合金的预期最终使用，棒可在轧制期间经历冷却，或棒可在从辊轧机流出后立即冷却或骤冷，以给予其期望的机械和物理性质。诸如授予Cofer等人的美国专利号3,395,560(其全部内容通过引用并入本文中)中描述那些的技术已经用于连续处理金属棒或条产品。
授予Jackson等人的美国专利号3,938,991(其全部内容通过引用并入本文中)示出了在铸造产品时"纯"金属产品的铸造中存在的一直认识到的问题。"纯"金属铸件的此用语表示由针对特定传导性或抗拉强度或延性设计的主要金属元素形成的金属或金属合金，而不包括出于晶粒控制目的加入的单独的杂质。
晶粒细化是新形成的相的晶体尺寸通过化学或物理/机械手段减小的过程。晶粒细化剂通常加入熔融金属中，以在凝固过程或液相到固相转变过程期间显著减小凝固结构的粒径。
实际上，授予Boily等人的WIPO专利申请WO/2003/033750(其全部内容通过引用并入本文中)描述了"晶粒细化剂"的具体使用。'750申请在其背景段中描述了在制铝行业中，不同的晶粒细化剂大体上结合到铝中来形成母合金。用于铸铝中的典型母合金包括1%到10%的钛，以及0.1%到5%的硼或碳，其余基本上由铝或镁构成，其中TiB2或TiC的颗粒分散到铝基质的各处。根据'750申请，含有钛和硼的母合金可通过将所需量的钛和硼溶解在铝熔体中来产生。这通过在超过800℃的温度下使熔融铝与KBF4和K2TiF6反应来达成。这些复杂的卤盐与熔融的铝很快反应，且将钛和硼提供至熔体。
'750申请还描述了从2002年起，该技术由几乎所有晶粒细化剂制造公司用于生产商业母合金。现今仍在使用通常称为成核剂的晶粒细化剂。例如，Tibor母合金的一个商业供应商描述了铸造结构的紧密控制是生产高质量铝合金产品的主要要求。
在本发明之前，认为晶粒细化剂是提供细且均匀的铸态晶粒结构的最有效方式。以下参考文献(其所有内容通过引用并入本文中)提供了该背景工作的细节：
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发明内容
在本发明的一个实施例中，提供给了一种熔融金属处理装置，其包括熔融金属容纳结构来用于沿其纵向长度接收和输送熔融金属。装置还包括用于容纳结构的冷却单元，其包括用于其中液体介质的通路的冷却通道，以及超声探头，其关于冷却通道设置，使得超声波经由冷却通道中的液体介质和经由熔融金属容纳结构耦合至熔融金属。
在本发明的一个实施例中，提供一种用于形成金属产品的方法。该方法沿熔融金属容纳结构的纵向长度输送熔融金属。该方法由穿过热联接到熔融金属容纳结构上的冷却通道的介质通路冷却熔融金属容纳结构，且将超声波经由冷却通道中的介质且经由熔融金属容纳结构耦合到熔融金属。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于形成金属产品的系统。该系统包括1)上文所述的熔融金属处理装置，以及2)控制器，其包括数据输入和控制输出，且编程为具有允许上述方法步骤的操作的控制。
在本发明的一个实施例中，提供了一种金属产品，其包括具有亚毫米粒径的铸造金属成分，且在其中包括小于0.5%晶粒细化剂。
将理解的是，本发明的以上总体描述和以下详细描述是示例性的，但不限制本发明。
附图说明
本发明和其许多伴随的优点的更完整的认识将容易获得，因为其在连同附图考虑时，通过参照以下详细描述变得更好理解，在附图中：
图1A为根据本发明的一个实施例的铸造通道的示意图；
图1B为根据本发明的一个实施例的铸造通道的底座的照片描写；
图1C为根据本发明的一个实施例的铸造通道的底座的复合照片描写；
图1D为铸造通道的一个实施例的示范性大小的示意描写；
图2为根据本发明的一个实施例的模具的照片描写；
图3A为根据本发明的一个实施例的连续铸轧机的示意图；
图3B为根据本发明的一个实施例的另一个连续铸轧机的示意图；
图4A为示出存在于铝锭中的宏观结构的显微图；
图4B为示出存在于铝锭中的宏观结构的另一个显微图；
图4C为示出存在于铝锭中的宏观结构的另一个显微图；
图4D为示出存在于铝锭中的宏观结构的另一个显微图；
图5为绘出随铸造温度变化的粒径的示图；
图6A为绘出本文所述的条件下制备的铝锭中存在的宏观结构的显微图；
图6B为绘出本文所述的条件下制备的铝锭中存在的宏观结构的另一个显微图；
图6C为绘出本文所述的条件下制备的铝锭中存在的宏观结构的另一个显微图；
图7为绘出随铸造温度变化的粒径的另一个示图；
图8为绘出随铸造温度变化的粒径的另一个示图；
图9为绘出随铸造温度变化的粒径的另一个示图；
图10为绘出随铸造温度变化的粒径的另一个示图；
图11A为示出本文所述的条件下制备的铝锭中存在的宏观结构的显微图；
图11B为示出本文所述的条件下制备的铝锭中存在的宏观结构的另一个显微图；
图11C为铸造通道的一个实施例的示范性大小的示意描写；
图11D为铸造通道的一个实施例的示范性大小的示意描写；
图12为绘出随铸造温度变化的粒径的另一个示图；
图13A为用于铸造通道的一个实施例的示范性大小的另一个示意描写；
图13B为绘出随铸造温度变化的粒径的另一个示图；
图14为根据本发明的一个实施例的连铸机的示意图；
图15A为竖直铸轧机的一个构件的截面示意图；
图15B为竖直铸轧机的另一个构件的截面示意图；
图15C为竖直铸轧机的另一个构件的截面示意图；
图15D为竖直铸轧机的另一个构件的截面示意图；
图16为用于本文所述的控制和控制器的示范性计算机系统的示意图；
图17为绘出根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
具体实施方式
金属和合金的晶粒细化出于许多原因很重要，包括最大化铸锭速率、改善抗热撕裂、最小化元素分离、提高机械性能(具体是延性)、改善锻造产品的精整特征，以及提高模具填充特征，以及减小中间合金的孔隙度。通常，晶粒细化是用于生产金属和合金产品(尤其是铝合金和镁合金，这是航空、国防、汽车、建筑和包装行业中越来越多使用的两种轻量材料)的第一处理步骤中的一个。晶粒细化也是制作通过消除柱状晶粒且形成等轴晶粒来可铸造的金属和合金的重要处理步骤。然而，在本发明之前，杂质或化学"晶粒细化剂"的使用是解决金属铸件中的柱状晶粒形成的金属铸造行业中一直认识到的问题的唯一方式。
美国生产的大约68%的铝在进一步处理成片、板、挤制物或箔片之前首先铸造成锭。直冷(DC)半连续铸造工艺和连续铸造(CC)工艺极大地由于其稳健性质和相对简单而成为制铝行业中的支柱。DC和CC工艺的一个问题在于锭凝固期间的热撕裂形成或裂纹形成。基本上，所有锭将在未使用晶粒细化的情况下都会开裂(或不可铸造)。
另外，这些现代工艺的生产率由避免形成裂纹的条件限制。晶粒细化是减小合金热开裂趋势且因此提高生产率的有效方式。结果，大量努力集中于开发可产生尽可能小的粒径的较强的晶粒细化剂。如果粒径可减小到亚微米水平，则可达到超塑性，这允许合金不但在更快得多的速率下铸造，而且以比现今处理的锭更快得多的速率在较低温度下轧制/挤制，带来了显著的成本节省和能源节省。
目前，世界上由一次(大约200亿kg)或二次和内部废料(250亿kg)铸造的几乎所有铝都以大约几微米直径的不可溶TiB2核的异质核心来晶粒细化，这在铝中成核成细晶粒结构。关于化学晶粒细化剂的使用的一个问题是有限的晶粒细化能力。此外，使用化学晶粒细化剂引起铝粒径从具有有些超过2,500μm的线性晶粒大小的柱状结构到小于200μm的等轴晶粒的有限减小。铝合金中的100μm的等轴晶粒似乎到了使用市售的化学晶粒细化剂可获得的极限。
普遍认为，如果晶粒可进一步减小，则生产力可显著提高。亚微米水平的粒径导致了使铝合金在室温下更容易形成的超塑性。
关于使用化学晶粒细化剂的另一个问题在于与使用晶粒细化剂相关联的缺陷形成。尽管在现有技术中认作是晶粒细化所需的，但不可溶的外来颗粒在其它情况下是铝中非期望的，特别是颗粒聚集体("群集")的形式。以铝基母合金中的化合物形式存在的当前的晶粒细化剂由复杂的一系列采矿、选矿和制造工艺制造。目前使用的母合金通常包含氟化钾铝(KAIF)盐和氧化铝杂质(渣滓)，其从铝颗粒细化剂的常规制造过程中出现。这引起了铝中的局部缺陷(例如，饮料罐中的"漏点"和薄箔片中的"针孔")、机械工具磨损，以及铝中的表面精整问题。来自一家铝线缆公司的数据指出，25%的生产缺陷归因于TiB2颗粒聚合体，而另外25%的缺陷归因于在铸造过程期间捕集到铝中的渣滓。TiB2颗粒聚集体通常在挤制期间使线断裂，尤其是在线的直径小于8mm时。
关于化学晶粒细化剂的使用的另一个问题在于晶粒细化剂的成本。这对于使用Zr晶粒细化剂的镁锭的生产尤其如此。使用Zr晶粒细化剂的晶粒细化成本大约是每千克生产的铸造镁多了$1。用于铝合金的晶粒细化剂成本大约是$1.50每千克。
关于化学晶粒细化剂的使用的另一个问题在于降低的导电性。化学晶粒细化剂的使用在铝中引起过量的Ti，引起线缆应用中的纯铝的导电性的显著降低。为了保持一定的传导性，公司必须支付额外的金钱来使用更纯的铝来制作线和丝。
过去几世纪已经开发了除化学方法外的许多其它晶粒细化方法。这些方法包括使用物理场(诸如磁场和电磁场)，以及使用机械振动。高强度、低振幅的超声振动是证实用于金属和合金的晶粒细化而不使用外来颗粒的一种物理/机械机制。然而，诸如上文提到的2007的来自Cui等人的实验结果是在经历短时间段的超声振动的几磅的金属的小锭中获得的。使用高强度超声振动对CC或DC铸锭/坯锭的晶粒细化产生的效果很小。
用于晶粒细化的本发明中解决的技术挑战在于(1)将超声能耦合至熔融金属延长的时间，(2)在升高温度下保持系统的自然振动频率，以及(3)在超声波导的温度很热时提高超声晶粒细化的晶粒细化效率。超声波导和锭(如下文所述)两者的加强冷却是这里针对解决这些挑战提出的一种途径。
此外，本发明中解决的另一个技术挑战涉及的事实在于，铝越纯，则凝固过程期间获得的等轴晶粒越硬。即使在纯铝(如，1000,1100和1300系列的铝)中使用外部晶粒细化剂(如，TiB(硼化钛))，其仍很难获得等轴晶粒结构。然而，使用本文所述的新颖晶粒细化技术，已经获得了等轴晶粒结构。
本发明消除了柱状晶粒形成的问题，而不需要引入晶粒细化剂。发明人惊讶地发现，在熔融金属倒入铸模中时对熔融金属的超声振动受控施加的使用允许了实现与利用现有技术水平的晶粒细化剂(如TiB或母合金)获得的相当或更小的粒径。
在本发明的一个方面中，获得了铸造产品内的等轴晶粒，而不需要添加杂质颗粒(如，硼化钛)到金属或金属合金中来增加晶粒数量和改善均匀的异质凝固。替代使用成核剂，超声振动可用于产生成核部位。具体而言，如下文更详细所述，超声振动与液体介质耦合，以细化金属和金属合金中的晶粒，且产生等轴晶粒。
为了理解等轴晶粒的形态，考虑了常规金属晶粒增长，其中树枝晶以一维生长，且形成长形晶粒。这些长形晶粒称为柱状晶粒。如果晶粒沿所有方向自由生长，则形成等轴晶粒。各个等轴晶粒包含垂直地生长的6个主树枝晶。这些树枝晶可在等同的速率下生长。在此情况下，晶粒表现为更为球形(如果忽略晶粒内的详细树枝晶特征)。
在本发明的一个实施例中，如图1A中所示的通道结构2(即，容纳结构)将熔融金属输送到铸模(图1A中未示出)中，例如，如，下文详述的圆盘浇铸机。通道结构2包括容纳熔融金属和底板2b的侧壁2a。侧壁2a和底板2b可为如图所示的单独的实体，或可为整体结合的单元。在操作中填充液体介质的液体介质通路2c在底板2b下方。此外，这两个元件可整体结合为铸造物体。
经由液体介质且经由底板2b将超声振动(UV)提供到液体金属中的超声换能器的超声波探头2d(或超声波发生器或超声辐射器)设置成联接到液体介质通路2c上。在本发明的一个实施例中，超声波探头2d插入液体介质通路2c中。在本发明的一个实施例中，一个以上的超声波探头或超声波探头的阵列可插入液体介质通路2c中。在本发明的一个实施例中，超声波探头2d附接到液体介质通路2c的壁上。尽管不限于任何具体理论，但通道的底部处的相对少量的过冷(例如，小于10℃)导致较纯的铝的小核层开始形成。来自通道的底部的超声振动产生这些纯铝核，其然后在凝固期间用于成核剂，导致了均匀的晶粒结构。因此，在本发明的一个实施例中，冷却方法确保了通道的底部处的少量过冷导致铝的小核层。来自通道的底部的超声振动分散这些核，且分解在过冷层中形成的树枝晶。这些铝核和树枝晶的部分然后用于在凝固期间形成模具中的等轴晶粒，导致了均匀的晶粒结构。
换言之，传输穿过底板2b且进入液体金属中的超声振动在金属或金属合金中产生成核部位，以细化粒径。底板可为耐火金属或其它高温材料，如铜、铁和钢、铌、铌和钼、钽、钨和铼，以及包括可延伸这些材料的熔点的一种或更多种元素(如硅、氧或氮)的其合金。此外，底板可为一些钢合金(例如，如，低碳钢或H13钢)中的一者。
在本发明的一个实施例中，提供了熔融金属与冷却单元之间的壁，其中壁厚足够薄(如下文在实例中详述)，使得在稳态生产下，该壁附近的熔融金属将冷却到低于铸造的特定技术的临界温度。
在本发明的一个实施例中，超声振动系统用于加强穿过冷却通道与熔融金属之间的薄壁的热传递，且引起成核或分解形成在冷却通道的薄壁附近的熔融金属中的树枝晶。
在以下范例中，超声振动源提供了20kHz的声频下的1.5kW的功率。本发明不限于那些功率和频率。相反，可使用很宽范围的功率和频率，但以下范围是相关的。
功率：大体上，取决于超声发生器或探头的大小，对于各个超声发生器，功率在50到5000W之间。这些功率通常施加到超声发生器，以确保超声发生器的端部处的功率密度高于100W/cm2，这是引起熔融金属中的空穴的阈值。该区域处的功率可范围从50到5000W，100到3000W，500到2000W，1000到1500W，或任何中间或重叠范围。较大的探头/超声发生器的较高功率和较小探头的低功率是可能的。
频率：大体上，可使用5到400kHz(或任何中间范围)。作为备选，可使用10到30kHz(或任何中间范围)。作为备选，可使用15到25kHz(或任何中间范围)。施加的频率可范围从5到400kHz，10到30kHz、15到25kHz、10到200kHz或50到100kHz，或任何中间或重叠范围。
此外，超声探头/超声发生器2d可构造成类似美国专利号8,5743,36(其全部内容通过引用并入本文中)中所述的用于熔融金属脱气的超声探头。
在图1A中，根据待铸造的材料的体积流来选择通道结构2的大小。液体介质通路2c的大小按照穿过通道的冷却介质的流速选择，以确保冷却介质大致保持在液相。液体介质可为水。液体介质也可为油、离子液体、液体金属、液体聚合物或其它矿物(无机)液体。冷却通路中的例如蒸汽的形成使超声波耦合到处理的熔融金属中退化。底板2b的厚度和材料构造根据熔融金属的温度、穿过底板厚度的温度梯度和液体介质通路2c的下覆的壁的性质来选择。下文提供了关于热考虑的更多细节。
图1B和1C为通道结构2(没有侧壁2a)的透视图，其示出了底板2b、液体介质通路入口2c-1、液体介质通路出口2c-2，以及超声波探头2d。图1D示出了与图1B和1C中所示的通道结构2相关联的大小。
在操作期间，显著高于合金的液体温度的温度下的熔融金属通过重力沿底板2b的顶部流动，且其在其经过通道结构2时经历超声振动。底板冷却来确保底板附近的熔融金属接近亚液态温度(例如，低于合金的液态温度以上的5到10℃，或甚至低于液态温度，但倾倒温度可在我们的实验结果中远高于10℃)。如果需要，则底板的温度可通过使用通道中的液体或使用辅助加热器来控制。在操作期间，熔融金属周围的气氛可通过护罩(未示出)控制，护罩例如填充或倾倒有惰性气体(如Ar、He或氮)。流下通道结构2的熔融金属通常在热稳定状态，其中熔融金属从液体转变成固体。流下通道结构2的熔融金属流出通道结构2的端部，且倒入模具(如图2中所示的模具3)中。模具3具有由相对高温度的材料(如的铜或钢)制成的熔融金属容纳物3，其部分地包围腔区域3b。模具3可具有盖3c。图2中所示的模具可容纳大约5kg铝熔体。本发明不限于该重量能力。模具不限于图2中所示的形状。在备选实例中，使用了尺寸为产生大约7.5cm直径和6.35cm高的圆锥形锭的铜模具。其它尺寸、形状和材料可用于模具。该模具可为静止或移动的。
模具3可具有用于轮带类型的连续金属铸造机械的美国专利号4,211,271(其全部内容通过引用并入本文中)中描述的模具的性质。具体而言，如其中所述且适合作为本发明的实施例，转角填充装置或材料与模具部件(如轮和带)组合使用，以改变模具几何形状，以便防止存在于具有尖锐或正方形边缘的其它模具形状中的凝固应力造成的转角开裂。按照凝固图案的期望变化选择的烧蚀、传导或绝缘材料可引入与移动的模具部件(如，循环的带或圆盘浇铸机)分开或附接的模具中。
在一个操作模式中，水泵(未示出)将水泵入通道结构2中，且流出通道结构2的水在熔融金属容纳物3外喷洒。在其它操作模式中，单独的冷却供应源用于冷却通道结构2和熔融金属容纳物3。在其它操作模式中，除水之外的流体可用于冷却介质。在模具中，金属冷却，形成凝固体，通常体积收缩，且从模具的侧壁脱出。
尽管图2中未示出，在连续铸造过程中，模具3将为旋转轮的一部分，且熔融金属将通过经由露出端进入来填充模具3。此连续铸造过程在授予Chis等人的美国专利号4,066,475(其全部内容通过引用并入本文中)中描述。例如，在本发明的一个方面中且参照图3A，连续铸造的步骤可在其中所示的设备中执行。该设备包括输送装置10，其接收含有普通杂质的熔融铜金属，且将金属输送至倾倒口11。倾倒口将包括作为单独附件(或将具有与其整体结合的其构件)的图1A-1B中所示的通道结构2(或本说明书别处所述的其它通道)，以便向熔融金属提供超声处理来引起成核部位。
倾倒口11将熔融金属引导至旋转模具环13(例如，图2中所示的模具3，没有盖3c)上包含的外周凹槽。环状柔性金属带14环绕模具环13的一部分和一组带定位辊15的一部分两者，使得连续铸造模具由模具环13中的凹槽和点A和B之间的上覆的金属带14限定。提供了一种冷却系统，其用于冷却设备，以及在其在旋转模具环13上输送期间实现熔融金属的受控凝固。冷却系统包括设置在模具环13的侧部上的多个侧集管17,18和19，以及分别设置在其环绕模具环的位置处的金属环14的内侧和外侧上的内环集管21和外环集管22。具有适合的阀的导管网络24连接来供应和排出冷却剂至各种集管，以便控制设备的冷却和熔融金属的凝固速率。为了此类设备的更详细示出和阐释，将参照授予Ward等人的美国专利号3,596,702(其全部内容通过引用并入本文中)。
图3A还示出了控制器500，其控制本文所示的连续铸铝的各种部分。如下文详细所述，控制器500包括一个或更多个处理器，其具有编程指令来控制图3A中所示的连续铸造系统的操作。
通过这样构造，熔融金属从倾倒口11给送到点A处的铸造模具，且在其在点A和B之间输送期间由穿过冷却系统的冷却剂循环来凝固和部分冷却。因此，在铸造的条到达点B时，其为固体铸造条25的形式。固体铸造条25从圆盘浇铸机取得，且给送到传送器27，传送器27将铸造条传送至辊轧机28。应当注意的是，在点B处，铸造条25仅冷却足以凝固条的量，且条保持在升高温度下来允许在其上执行即刻的滚轧操作。辊轧机28可包括滚轧机架的串联阵列，其将条连续地滚轧成连续长度的线棒30，线棒30具有大致一致的圆形截面。
图3B为根据本发明的一个实施例的另一个连续铸轧机的示意图。图3B提供了一种连续棒(CR)系统的概视图，且具有示出围绕倾倒口的分解视图的插图。图3B中所示的CR系统特征为轮和带的铸造系统，其具有水冷铜圆盘浇铸机50和柔性钢带52。在本发明的一个实施例中，圆盘浇铸机50具有圆盘浇铸机的外周中的凹槽(从提供的视图中不明显)，且柔性钢带52到达圆盘浇铸机50的大致中途，以包围铸造凹槽。在本发明的一个实施例中，铸造凹槽和包围铸造凹槽的柔性钢带形成模腔60。在本发明的一个实施例中，当轮50旋转时，中间包62、倾倒口64和计量装置66将熔融的铝输送到铸造凹槽中。在本发明的一个实施例中，脱模剂/模具涂层施加到倾倒点之前不远的圆盘和钢带上。熔融的金属通常由钢带52保持就位，直到完成凝固过程。在圆盘转动时，铝(或倾倒的金属)凝固。凝固的铝借助于脱模座70离开圆盘50。然后擦拭圆盘50，且脱模剂在新鲜熔融铝引入之前再施加。
在图3B的CR系统中，倾倒口将包括作为单独附件(或将具有与其整体结合的其构件)的图1A-1B中所示的通道结构2(或本说明书别处所述的其它通道)，以便向熔融金属提供超声处理来引起成核部位。
图3B还示出了控制器500，其(如上文)控制本文所示的连续铸铝的各种部分。控制器500包括一个或更多个处理器，其具有编程指令来控制图3B中所示的连续铸造系统的操作。
如上文所述，模具可为静止的，如，在沙铸造、塑料模铸、壳型模制、熔模铸造、永久模铸、拉模铸造等。尽管下文相对于铝描述，但本发明并未如此受限，且其它金属如铜、银、金、镁、青铜、黄铜、锡、钢、铁和其合金可使用本发明的原理。此外，金属基质复合物可使用本发明的原理来控制铸造物体中的所得粒径。
范例：
以下范例示出了本发明的使用，且不旨在将本发明限于下文提出的任何特定大小、冷却状态、生产率和温度，除非此规定在权利要求中使用。
使用图1A-1D中所示的通道结构和图2中的模具，记录了本发明的结果。除下文提到之外，通道结构具有大约5cm宽和54cm长的底板2b，导致了大约52cm(即，大约液体冷却通道2c的长度)的振动路径。底板的厚度如下文提到那样变化，但对于钢底板，厚度是6.35mm。这里使用的钢合金是1010钢。液体冷却通道2c的高度和宽度分别是大约2cm和4.5cm。冷却流体是在接近室温下供应且以大约22到25升/分钟流动的水。
1)没有晶粒细化剂且没有超声振动
图4A和4B是没有晶粒细化剂且没有本发明的超声振动的倾倒的纯铝锭的宏观结构的图示。铸造的样本分别形成在1238℉或670℃(图4A)和1292℉或700℃(图4B)的倾倒温度下。模具通过在凝固过程期间将水洒在其上来冷却。具有6.35mm厚度的钢通道用于图4A-4D中的通道结构。图4C和4D是没有晶粒细化剂且没有本发明的超声振动的倾倒的纯铝锭的宏观结构的图示。铸造的样本分别形成在1346℉或730℃(图4C)和1400℉或760℃(图4D)的倾倒温度下。模具再次通过在凝固过程期间将水洒在其上来冷却。在图4A-4D中,倾倒速率是大约40kg/min。
图5为随倾倒(或铸造温度)变化的测得的粒径的图示。晶粒示出了是柱状的且具有范围从mm到几十mm的粒径的晶体，其中中间粒径取决于铸造温度从超过12mm到超过18mm。
2)没有晶粒细化剂，且具有超声振动
图6A-6C是没有晶粒细化剂且具有本发明的超声振动的倾倒的纯铝锭的宏观结构的图示。铸造的样本分别形成在1256℉或680℃(图6A)、1292℉或700℃(图6B)和1328℉或720℃(图6C)的倾倒温度下。模具通过在凝固过程期间将水洒在其上来冷却。具有6.35mm的厚度的钢通道用于通道结构，通道结构用于形成图6A-6C中所示的样本。在这些实例中，熔融铝在钢通道(5cm宽的底板)上流动上表面上大约35cm的流动距离。超声振动探头安装在钢通道结构的上侧下方，且位于离熔融铝从其倾倒的通道结构的端部大约7.5cm。在图6A-6C中，倾倒速率是大约40kg/min。超声探头/超声发生器由Ti合金(Ti-6Al-4V)制成。频率是20kHz，且超声振动的强度是最大振幅的50%，大约40μm。
图7为随倾倒(或铸造温度)变化的测得的粒径的图示。晶粒示出了是柱状的且具有小于0.5微米粒径的晶体。这些结果示出了本发明的超声处理在生产纯金属的等轴晶粒中与Tibor(含钛和硼的化合物)晶粒细化剂一样有效。具有Tibor晶粒细化剂的样本的数据，例如，见图13。
此外，本发明的效果在甚至更高的倾倒速率下实现。使用穿过钢通道(7.5cm宽的底板)在上表面上流动距离大约52cm的75kg/min的倾倒速率也与生产倾倒金属的等轴晶粒的Tibor晶粒细化剂同样有效。图8为75kg/min倾倒速率下随倾倒(或铸造温度)变化的测得的粒径的图表。
使用具有6.35mm的厚度和与上文提到的相同的侧向大小的铜底板产生类似的范例。图9为在75kg/min的倾倒速率下且使用上文所述的铜通道的随倾倒(或铸造温度)变化的测得的晶粒的图表。结果示出了晶粒细化效果在1238℉或670℃的铸造温度下对于铜更好。
使用具有1.4 mm的厚度和与上文提到的相同的侧向大小的铌底板产生类似的范例。图10为在75kg/min的倾倒速率下且使用上文所述的铌通道的随倾倒(或铸造温度)变化的测得的晶粒的图表。结果示出了晶粒细化效果在1238℉或670℃的铸造温度下对于铌更好。
在本发明的另一个范例中，发现改变超声探头从通道3的倾倒端的位移提供给了改变粒径而不加入晶粒细化剂的方式。在1346℉或730℃(图11A)和1400℉或760℃(图11B)的相应倾倒温度下的上述铌板的图11A和11B示出了超声探头离倾倒端部的距离从7.5cm延伸到22cm的总位移时，晶粒结构更粗。图11C和11D是超声探头的实验定位和位移的示意图，关于超声探头位移的效果的数据从其收集到。低于23cm或甚至更长的位移有效减小粒径。然而，倾倒温度的窗口(即，范围)随探头/超声发生器位置到金属模具之间的距离增大而减小。本发明不限于该范围。
图12为在75kg/min的倾倒速率下且使用上文所述的铌通道的随倾倒(或铸造温度)变化的测得的粒径的图表，但超声探头到倾倒端部的距离延伸了22cm的总位移。该图表示出了粒径由倾倒温度显著影响。粒径在倾倒温度高于大约1300℉或704℃时大得多且具有部分柱状晶体，而粒径在倾倒温度小于1292℉或700℃下几乎等同于其它条件。
此外，在较高温度下，晶粒细化剂的使用通常导致小于较低温度下的粒径。760℃下的晶粒细化的锭的平均粒径是397.76μm，而超声振动处理的锭的平均粒径是475.82μm，其中粒径的标准偏差分别是大约169μm和95μm，示出了超声振动产生比Al-Ti-B晶粒细化剂更均匀的晶粒。
在本发明的一个特别有吸引力的方面中，在较低温度下，超声振动处理比添加晶粒细化剂更有效。
在本发明的另一个方面中，倾倒温度可用于控制改变经历超声振动的锭中的粒径。发明人观察到，粒径随倾倒温度降低而减小。发明人还观察到，在使用超声振动时和在熔体在高于倾倒合金的液态温度10℃内的温度下倒入模具中时，出现了等轴晶粒。
图13A是延伸的运行端部构造的示意图。在图13A中的延伸的运行端部构造中，铌通道运行端部从1.25cm延伸到大约12.5cm，且超声探头的位置位于离管端7.5cm。延伸的运行端部通过将铌板加入原来的运行端部来实现。图13B是绘出使用铌通道时铸造温度对所得的粒径的效果的示图。当倾倒温度小于1292℉或700℃时，实现的粒径有效等同于较短的运行端部。
本发明不限于将超声振动仅应用于上文所述的通道结构。大体上，超声振动可引起铸造过程中的点处的成核，在该点，熔融金属开始从熔融状态冷却，且进入固态(即，热稳定状态)。换言之，在各种实施例中，本发明使超声振动与热管理组合，使得冷却表面附近的熔融金属接近合金的液态温度。在这些实施例中，冷却板的表面温度低到足以引起成核和晶体生长(树枝晶形成)，同时超声振动产生核，且分解可形成在冷却板的表面上的树枝晶。
备选构造
因此，在本发明中，超声振动(除上文所述的通道结构中引入的那些外)可依靠液体冷却剂而用于通过优选联接到模具入口上的超声振动器来将熔融金属的进入点处的核引入模具中。该选项可在静止模具中更有吸引力。在一些铸造构造(例如，具有竖直铸造)中，该选项可能是唯一实际实施方式。
作为备选或结合地，超声振动可引起流槽处成核，流槽将熔融金属提供至通道结构或将熔融金属直接地提供至模具。如以前那样，超声振动器优选依靠液体冷却剂联接到流槽上，且因此联接至熔融金属。
此外，除将铸造中的本发明的超声振动处理用于静止模具和用于上文所述的连续棒类型的模具外，本发明还具有在美国专利号4,733,717(其全部内容通过引用并入本文中)中所述的铸轧机中的用途。如图14(从该专利复制)中所示，连续铸造和热成型系统110包括铸造机器112，其还包括具有其中的外周凹槽的圆盘浇铸机114、由多个导轮117承载的柔性带116，导轮117在圆盘浇铸机114的圆周的一部分中相对于圆盘浇铸机114偏压柔性带116，以覆盖外周凹槽，且在带116与圆盘浇铸机114之间形成模具。当熔融金属经由倾倒口119倒入模具中时，圆盘浇铸机114旋转，且带116随圆盘浇铸机114移动来形成移动的模具。倾倒口119将包括作为单独附件(或将具有与其整体结合的其构件)的图1A-1B中所示的通道结构2(或本说明书别处所述的其它通道)，以便向熔融金属提供超声处理来引起成核部位。
铸造机器112的冷却系统115引起熔融金属在模具中均匀地凝固，且流出圆盘浇铸机114作为铸造条120。
铸造条120从铸造机器112穿过加热器件121。加热器件121用作预热器来将条120的温度从1700℉或927℃的致密铸造温度升高到1750℉或954℃的热成型温度。在预热之后不久，条120穿过常规辊轧机124，其包括轧机机架125,126,127和128。辊轧机124的轧机机架通过按顺序压缩预热的条来提供铸造条的一次热成型，直到条减小到期望的截面尺寸和形状。
图14还示出了控制器500，其控制本文所示的连续铸造系统的各种部分。如下文详细所述，控制器500包括一个或更多个处理器，其具有编程指令来控制图14中绘出的连续铜铸造系统的操作。
此外，除铸造中的本发明的超声振动处理用于静止模具和用于上文所述的连续圆盘型铸造系统外，本发明还具有竖直铸轧机中的用途。
图15绘出了竖直铸轧机的选择的构件。在美国专利号3,520,352(其全部内容通过引用并入本文中)中找到了竖直铸轧机的这些构件和其它方面的更多细节。如图15中所示，竖直铸轧机包括熔融金属铸造腔213，其在所示实施例中大体上是正方形，但其可为圆形、椭圆形、多边形或任何其它适合的形状，且其可由竖直的相互交叉的第一壁部分215与第二或转角壁部分217界定，位于模具的顶部中。流体保持封壳219包绕壁215和与其成间隔开的关系的铸造腔的转角部件217。封壳219适于经由入口导管221接收冷却流体(如，水)，且经由出口导管223排出冷却流体。
尽管第一壁部分215优选由极为导热的材料(如铜)制成，但第二或转角壁部分217由不太导热的材料(例如，如，陶瓷材料)构成。如图15中所示，转角壁部分217具有大体上L形或成角的截面，且各个转角的竖直边缘向下且朝彼此收敛地倾斜。因此，转角部件217终止于在横向区段之间的模具的排放端上方的模具中的一些方便的水平处。
在操作中，熔融金属从中间包流入铸造模具中，模具竖直地往复，且金属的铸坯从模具连续地取得。熔融金属首先在接触可认作是第一冷却区的较冷的模具壁时在模具中冷却。热从该区中的熔融金属快速除去，且认为材料的表皮围绕熔融金属的中心池完全形成。
在本发明中，通道结构2(或图1中所示的类似结构)可提供为倾倒装置的一部分，以将熔融金属输送至熔融金属铸造腔213。在此构造中，具有其超声探头的通道结构3将向熔融金属提供超声处理来引起成核部位。
在备选构造中，超声探头将关于流体保持封壳219设置，且优选进入在流体保持封壳219中循环的冷却介质中。如之前那样，超声振动可在熔融金属中引起成核，例如，在其热稳定状态中，其中当金属铸坯从金属铸造腔213连续地取得时，熔融金属从液体转变成固体。
热管理
如上文所述，在本发明的一个方面中，来自超声探头的超声振动与液体介质耦合，以较好地细化金属和金属合金中的晶粒，且产生更均匀的凝固。超声振动优选经由介入的液体冷却介质传播至液体金属。
尽管不限于任何特定操作理论，但以下论述示出了影响超声耦合的一些因素。
优选的是，冷却流体流以足够的速率提供来使冷却板附近的金属过冷(小于合金液态温度以上大约5到10℃，或略低于液态温度)。因此，本发明的一个性质使用了这些冷却板状态和超声振动来减小大量金属的粒径。使用超声振动用于晶粒细化的现有技术仅对于少量金属在较短铸造时间内起作用。使用冷却系统确保了本发明可在长时间内用于大量金属或其它连续铸造。
在一个实施例中，冷却介质的流速优选但不一定足以防止经过底板且进入冷却通道的壁的热速率产生可中断超声耦合的水蒸气空穴。
在从熔融金属到冷却通道的温度通量的一个考虑中，底板(通过其厚度设计和构造材料)可设计成支持从熔融金属温度到冷却水温度的大部分温度下降。例如，如果穿过底板的厚度的温度下降仅是几百℃，则其余温度下降将穿过水/水蒸气界面存在，可能使超声耦合变差。
此外，如上文所述，通道结构的底板2b可附接到液体介质通路2c的壁上，以允许不同材料用于这两种元素。在该设计考虑中，不同导热性的材料可用于以适合的方式分配温度下降。此外，液体介质通路2c的截面形状和/或液体介质通路2c的内壁的表面精整可针对热进入冷却介质的进一步交换来调整，而不形成蒸气相界面。例如，预期表面凸起可设在液体介质通路2c的内壁上，以促进特征为加热表面上的气泡生长的成核沸腾，这从表面上的离散点出现，其温度仅略高于液体温度。
金属产品
在本发明的一个方面中，包括铸造金属成分的产品可在不需要晶粒细化剂的情况下制作出，且仍具有亚毫米粒径。因此，铸造金属成分可利用少于5%的包括晶粒细化剂的成分制作，且仍获得亚毫米粒径。铸造金属成分可利用少于2%的包括晶粒细化剂的成分制作，且仍获得亚毫米粒径。铸造金属成分可利用少于1%的包括晶粒细化剂的成分制作，且仍获得亚毫米粒径。在优选成分中，晶粒细化剂小于0.5%，或小于0.2%，或小于0.1%。铸造金属成分可利用不包括晶粒细化剂的成分制作，且仍获得亚毫米粒径。
铸造金属成分可取决于许多因素而具有多种亚毫米粒径，包括"纯"或合金金属的组分、倾倒速率、倾倒温度和冷却率。本发明可用的粒径的清单包括以下。对于铝和铝合金，粒径范围从200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米。对于铜或铜合金，粒径范围从200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米。对于金、银或锡或其合金，粒径范围从200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米。对于镁或镁合金，粒径范围从200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米。尽管以范围给出，但本发明也能够有中间值。在本发明的一个方面中，小浓度(小于5%)的晶粒细化剂可加入来将粒径进一步减小到100到500微米之间的值。铸造金属成分可包括铝、铜、镁、锌、铅、金、银、锡、青铜、黄铜或它们的组合。
铸造金属成分可拉制或以其它方式形成为条料、棒料、板料、线、坯料和芯块。
计算机化控制
图3A,3B和14中的控制器500可通过图16中所示的计算机系统1201来实施。计算系统1201可用作控制器500，以控制上文所述的铸造系统，或使用本发明的超声处理的任何其它铸造系统或设备。尽管图3A,3B和14中单独示为一个控制器，但控制器500可包括与彼此通信且/或专用于特定控制功能的离散且单独的处理器。
具体而言，控制器500可特殊地编程为具有执行由图17中的流程图所示的功能的控制算法。
图17绘出了流程图，其元件可编程或储存在计算机可读介质或下文所述的一个数据储存装置中。图17的流程图绘出了用于将成核部位引入金属产品的本发明的方法。在步骤元素1702处，编程的元件将在热稳定状态中指示运输熔融金属的操作，其中金属沿熔融金属容纳结构的纵向长度从液体转变成固体。在步骤元素1704处，编程的元件将指示熔融金属容纳结构由液体介质穿过冷却通道的通路的冷却操作。在步骤元素1706处，编程的元件将指示超声波经由冷却通道中的液体介质且经由熔融金属容纳结构耦合到熔融金属的操作。在该元件中，如上文所述，超声波将具有引起熔融金属中的成核部位的频率和功率。
诸如熔融金属温度、倾倒速率、穿过冷却通道通路的冷却流，以及模具冷却的元件，以及涉及经由轧机控制和拉制铸造产品的元件将以标准软件语言(下文所述)编程，以产生包含指令的专用处理器来将本发明的方法用于在金属产品中引入成核部位。
更具体而言，图16中所示的计算机系统1201包括总线1202或用于通信信息的其它通信机构，以及与总线1202联接来用于处理信息的处理器1203。计算机系统1201还包括联接到总线1202上来储存将由处理器1203执行的信息和指令的主存储器1204，如，随机存取存储器(RAM)或其它动态储存装置(例如，动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)和同步DRAM(SDRAM))。此外，主存储器1204可用于在指令由处理器1203执行期间储存临时变量或其它中间信息。计算机系统1201还包括联接到总线1202上来储存用于处理器1203的静态信息和指令的只读存储器(ROM)1205或其它静态储存装置(例如，可编程只读存储器(RAM)、可擦PROM(EPROM)和电可擦PROM(EEPROM))。
计算机系统1201还包括联接到总线1202上的盘控制器1206，以控制用于储存信息和指令的一个或更多个储存装置，如，磁硬盘1207和可除去的介质驱动器1208(例如，软盘驱动器、只读光盘驱动器、读/写光盘驱动器、光盘库、带驱动器和可除去的磁光驱动器)。储存装置可使用适合的装置接口(例如，小型计算机系统接口(SCSI)、集成装置电子器件(IDE)、增强IDE(E-IDE)、直接存储器访问(DMA)或高速DMA)加入计算机系统1201。
计算机系统1201还可包括专用逻辑装置(例如，专用集成电路(ASIC))或可配置的逻辑装置(例如，简单可编程逻辑装置(SPLD)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)和场可编程门阵列(FPGA))。
计算机系统1201还可包括联接到总线1202上的显示控制器1209，以控制用于向计算机用户显示信息的显示器，如，阴极射线管(CRT)。计算机系统包括输入装置，如键盘和指示装置，以用于与计算机用户(例如，与控制器500交互的用户)交互，且将信息提供至处理器1203。
计算机系统1201响应于执行存储器(如主存储器1204)中包含的一个或更多个指令的一个或更多个序列的处理器1203，执行本发明的处理步骤中的一部分或全部(例如，如，关于将振动能提供至热稳定状态下的液态金属所述的那些)。此指令可从另一个计算机可读介质(如硬盘1207或可除去的媒体驱动器1208)来读入到主存储器1204中。多处理布置中的一个或更多个处理器还可用于执行主存储器1204中包含的指令序列。在备选实施例中，硬接线电路可替代或组合软件指令来使用。因此，实施例不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
如上文所述，计算机系统1201包括至少一个计算机可读介质或存储器来用于保持根据本发明的教导内容编程的指令，且用于容纳本文所述的数据结构、表格、记录或其它数据。计算机可读介质的实例是光盘、硬盘、软盘、带、磁光盘、PROM(EPROM、EEPROM、闪速EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM，或任何其它磁介质、光盘(例如，CD-ROM)，或任何其它光介质，或其它物理介质，载波(下文所述)，或计算机可从其读取的任何其它介质。
本发明包括储存在计算机可读介质中的任一个或组合上的软件，其用于控制计算机系统1201，用于驱动用于实施本发明的装置或多个装置，以及用于允许计算机系统1201与使用者交互。此类软件可包括但不限于装置驱动器、操作系统、开发工具和应用软件。此类计算机可读介质还包括本发明的计算机程序产品，以用于执行实施本发明中执行的所有或部分(如果处理是分布式的)处理。
本发明的计算机代码装置可为任何可转译或可执行的代码机制，包括但不限于脚本、可转译程序、动态链接库(DDL)、Java类，以及完整可执行程序。此外，本发明的处理的一部分可为了更好的性能、可靠性和/或成本而分配。
如本文使用的用语"计算机可读介质"是指参与将指令提供至处理器1203来运行的任何介质。计算机可读介质可采用许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。例如，易失性介质可包括光盘、磁盘和磁光盘，如，硬盘1207和可除去的介质驱动器1208。易失性介质包括动态存储器，如，主存储器1204。传输介质包括同轴线缆、铜线或光纤，包括构成总线1202的线。传输介质还可采用声波或光波的形式，如，无电线波或红外数据传输期间生成的那些。
计算机系统1201还可包括联接到总线1202上的通信接口1213。通信接口1213提供了联接到网络链路1214上的双向数据通信，网络链路1214例如连接到局域网(LAN)1215或另一通信网络1216(如因特网)上。例如，通信接口1213可为附接到任何分组交换LAN上的网络接口卡。作为另一个实例，通信接口1213可为非对称数字用户线(ADSL)卡、综合业务数字网络(ISDN)卡或调制解调器，以提供了对应类型的通信线的数据通信连接。无线链路也可实施。在任何此类实施方式中，通信接口123发送和接收电、电磁或光信号，其承载代表各种类型的信息的数字数据流。
网络链路1214通常经由一个或更多个网络将数据通信提供至其它数据装置。例如，网络链路1214可提供经由局域网1215(例如，LAN)或经由服务提供商运营的设备来与另一个计算机的连接，服务提供商经由通信网络1216提供通信服务。在一个实施例中，该能力允许了本发明具有网络连接在一起的多个上述控制器500来用于诸如厂内自动化或质量控制的目的。局域网1214和通信网络1216例如使用电、电磁或光信号，其承载数字数据流，以及相关联的物理层(例如，CAT5线缆、同轴线缆、光纤等)。穿过各种网络的信号，以及网络链路1214上和穿过承载数字数据往返于计算机系统1201的通信接口1213的信号可在基带信号或基于载波的信号中实施。基带信号传送作为未调制的电脉冲的数字信号，其描述了数字数据比特流，其中用语"比特"宽泛地理解为意指符号，其中各个符号传送至少一个或更多个信息比特。数字数据还可用于调制载波，如，以振幅、相位和/或频率转换键控信号，其在传导介质上传播，或作为电磁波传输穿过传播介质。因此，数字数据可作为未调制的基带数据发送穿过"有线"通信通道，且/或通过调制载波来在不同于基带的预定频带内发送。计算机系统1201可经由(多个)网络1215和1216、网络链路1214和通信接口1213传输和接收数据，包括程序代码。此外，网络链路1214可提供经由LAN 1215与移动装置1217(如，个人数字助理(PDA)、笔记本计算机或蜂窝电话)的连接。
本发明的概述
本发明的以下陈述提供了本发明的一个或更多个特征，且未限制本发明的范围。
陈述1。一种熔融金属处理装置包括用于沿其纵向长度接收和输送熔融金属的熔融金属容纳结构；用于容纳结构的冷却单元，其包括用于液体介质穿过其中的冷却通道；以及关于冷却通道设置的超声探头，使得超声波经由冷却通道中的液体介质和经由熔融金属容纳结构耦合至熔融金属。
陈述2。陈述1中的装置，其中冷却通道将冷却通道附近的熔融金属冷却至亚液态温度(低于或小于合金的液态温度以上5到10℃，或甚至低于液态温度)。与熔融金属接触的冷却通道的壁厚必须足够薄，以确保冷却通道可将通道附近的熔融金属实际冷却到该温度范围。陈述3。陈述1中的装置，其中冷却通道包括水、气体、液体金属和发动机油中的至少一者。
陈述4。陈述1中的装置，其中容纳结构包括容纳熔融金属的侧壁，以及支承熔融金属的底板。陈述5。陈述4中的装置，其中底板包括铜、钢或铁、铌或铌合金中的至少一者。陈述6。陈述4中的装置，其中底板包括陶瓷。陈述7。陈述6中的装置，其中陶瓷包括氮化硅陶瓷。陈述8。陈述7中的装置，其中氮化硅陶瓷包括赛隆(sialon)。陈述9。陈述4中的装置，其中侧壁和底板形成整体结合的单元。陈述10。陈述4中的装置，其中侧壁和底板包括不同材料的不同板。陈述11。陈述4中的装置，其中侧壁和底板包括相同材料的不同板。
陈述12。陈述1中的装置，其中超声探头设置在冷却通道中，相比接触结构的上游端，更接近接触结构的下游端。
陈述13。陈述1中的装置，其中容纳结构包括铌结构。陈述14。陈述1中的装置，其中容纳结构包括铜结构。陈述15。陈述1中的装置，其中容纳结构包括钢结构。陈述16。陈述1中的装置，其中容纳结构包括陶瓷。
陈述17。陈述16中的装置，其中陶瓷包括氮化硅陶瓷。陈述18。陈述17中的装置，其中氮化硅陶瓷包括赛隆。陈述19。陈述1中的装置，其中容纳结构包括具有高于熔融金属的熔点的材料。陈述20。陈述1中的装置，其中容纳结构包括不同于支承件的材料的材料。陈述21。陈述1中的装置，其中容纳结构包括下游端，其具有将具有所述成核部位的所述熔融金属输送至模具中的构造。
陈述22。陈述21中的装置，其中模具包括圆盘浇铸机模具。陈述23。陈述21中的装置，其中模具包括竖直铸造模具。陈述24。陈述21中的装置，其中模具包括静止模具。
陈述25。陈述1中的装置，其中容纳结构包括金属材料或耐火材料。陈述26。陈述25中的装置，其中金属材料包括铜、铌、铌和钼、钽、钨和铼，以及它们的合金中的至少一者。陈述27。陈述26中的装置，其中耐火材料包括硅、氧或氮中的一种或更多种。陈述28。陈述25中的装置，其中金属材料包括钢合金。
陈述29。陈述1中的装置，其中超声探头具有5到40kHz之间的操作频率。
陈述30。一种用于形成金属产品的方法，包括沿熔融金属容纳结构的纵向长度输送熔融金属；由穿过热联接到熔融金属容纳结构上的冷却通道的介质的通路冷却熔融金属容纳结构；以及将超声波经由冷却通道中的介质且经由熔融金属容纳结构耦合至熔融金属。
陈述31。陈述30中的方法，其中输送熔融金属包括输送所述容纳结构中的熔融金属，所述容纳结构具有容纳熔融金属的侧壁，以及支承熔融金属的底板。
陈述32。陈述31中的方法，其中侧壁和底板形成整体结合单元。陈述33。陈述31中的方法，其中侧壁和底板包括不同材料的不同板。陈述34。陈述31中的方法，其中侧壁和底板包括相同材料的不同板。
陈述35。陈述30中的方法，其中耦合超声波包括耦合来自超声探头的所述超声波，超声探头设置在冷却通道中，相比接触结构的上游，更接近接触结构的下游端。
陈述36。陈述30中的方法，其中输送熔融金属包括输送铌容纳结构中的熔融金属。陈述37。陈述30中的方法，其中输送熔融金属包括输送铜接触结构中的熔融金属。陈述38。陈述30中的方法，其中输送熔融金属包括输送铜容纳结构中的熔融金属。陈述39。陈述30中的方法，其中输送熔融金属包括输送包括具有高于熔融金属的熔点的材料的结构中的熔融金属。
陈述40。陈述30中的方法，其中输送熔融金属包括将所述熔融金属输送到模具中。陈述41。陈述40中的方法，其中输送熔融金属包括将具有所述成核部位的所述熔融金属输送到模具中。陈述42。陈述41中的方法，其中输送熔融金属包括将具有所述成核部位的所述熔融金属输送到圆盘浇铸机模具中。陈述43。陈述41中的方法，其中输送熔融金属包括将具有所述成核部位的所述熔融金属输送到静止模具中。陈述44。陈述41中的方法，其中输送熔融金属包括将具有所述成核部位的所述熔融金属输送到竖直铸造模具中。
陈述45。陈述30中的方法，其中耦合超声波包括耦合具有5到40kHz之间的所述频率的所述超声波。陈述46。陈述30中的方法，其中耦合超声波包括耦合具有10到30 kHz之间的所述频率的所述超声波。陈述47。陈述30中的方法，其中耦合超声波包括耦合具有15到25kHz之间的所述频率的所述超声波。陈述48。陈述30中的方法，还包括利用少于5%的包括晶粒细化剂的成分凝固熔融金属来产生具有亚毫米粒径的铸造金属成分。陈述49。陈述48中的方法，其中凝固包括以小于1%的包括所述晶粒细化剂的成分来生产所述铸造金属成分。
陈述50。一种用于形成金属产品的系统，包括陈述1至29中任一项的熔融金属处理装置；以及控制器，其包括数据输入和控制输出，且编程为具有控制算法，其允许陈述30至49中所示的步骤元素中的任一个。
陈述51。一种金属产品包括(或由其形成)铸造金属成分，其具有亚毫米粒径，且其中包括少于0.5%的晶粒细化剂。陈述52。陈述51中的产品，其中成分在其中包括少于0.2%的晶粒细化剂。陈述53。陈述51中的产品，其中成分在其中包括少于0.1%的晶粒细化剂。陈述54。陈述51中的产品，其中成分在其中不包括晶粒细化剂。陈述55。陈述51中的产品，其中成分包括铝、铜、镁、锌、铅、金、银、锡、青铜、黄铜和它们的合金中的至少一者。陈述56。陈述51中的产品，其中成分形成为条料、棒料、片料、线、坯料和芯块中的至少一者，使得产品是本文限定为由铸造材料形成且包括小于5%的晶粒细化剂的产品的铸造后产品。在优选实施例中，铸造后产品将具有等轴晶粒。在优选实施例中，铸造后产品将具有100到500微米，200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米之间的粒径，例如，如在铝或铝合金铸造中。对于铜或铜合金，粒径范围从100到500微米，200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米。对于金、银或锡或其合金，粒径范围从100到500微米，200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米。对于镁或镁合金，粒径范围从100到500微米，200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米。
陈述57。一种铝产品包括(或由其形成)铝铸造金属成分，其具有亚毫米粒径，且其中包括少于5%的晶粒细化剂。陈述58。陈述57中的产品，其中成分在其中包括少于2%的晶粒细化剂。陈述59。陈述57中的产品，其中成分在其中包括少于1%的晶粒细化剂。陈述60。陈述57中的产品，其中成分在其中不包括晶粒细化剂。陈述57中的产品，还可形成为条料、棒料、片料、线、坯料和芯块中的至少一者，使得产品是本文限定为由铸造材料形成且包括小于5%的晶粒细化剂的产品的铸造后产品。在优选实施例中，铸造后的铝产品将具有等轴晶粒。在优选实施例中，铸造后产品将具有100到500微米，200到900微米，或300到800微米，或400到700微米，或500到600微米之间的粒径。
陈述61。一种用于形成金属产品的系统，包括1)用于沿熔融金属容纳结构输送熔融金属的器件，2)用于由穿过热联接到熔融金属容纳结构上的冷却通道的介质通路冷却熔融金属容纳结构的器件，3)用于经由冷却通道中的介质且经由熔融金属容纳结构将超声波耦合至熔融金属的器件，以及4)控制器，其包括数据输入和控制输出，且编程为具有控制算法，其允许陈述30-49中所示的步骤元素中的任一个的操作。
鉴于以上教导内容，本发明的许多改型和变型是可能的。因此，将理解的是，在所附权利要求的范围内，本发明可除本文具体所述外那样实施。

Claims (29)

1.一种熔融金属处理装置，包括：
用于沿其纵向长度大体水平地接收和输送熔融金属的熔融金属容纳结构；
用于所述容纳结构的冷却单元，其包括用于在其中的液体介质通路的冷却通道；
超声探头，其设置在所述冷却通道中，使得超声波经由所述冷却通道中的所述液体介质且经由所述熔融金属容纳结构耦合到所述熔融金属中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却通道向所述熔融金属提供冷却，使得所述冷却通道附近的所述熔融金属的温度不超过合金的液态温度10℃。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括容纳所述熔融金属的侧壁和接触所述熔融金属的底板。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述底板包括铌或铌合金中的至少一者。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述底板包括陶瓷。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述陶瓷包括氮化硅陶瓷。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述氮化硅陶瓷包括赛隆。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述侧壁和所述底板包括不同材料的不同的板。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声探头设置在所述冷却通道中，相比所述容纳结构的上游端，更接近所述容纳结构的下游端。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括铌结构。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括铜结构。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括钢结构。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括陶瓷。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述陶瓷包括氮化硅陶瓷。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述氮化硅陶瓷包括赛隆。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括具有高于所述熔融金属的熔点的熔点的材料。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构的侧壁包括不同于所述容纳结构的底板的材料的材料。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括下游端，其具有将所述熔融金属输送至模具中的构造。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述模具包括圆盘浇铸机模具。
20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述模具包括竖直铸造模具。
21.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述模具包括静止模具。
22.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容纳结构包括耐火材料。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述耐火材料包括铜、铌、钼、钽、钨和铼，以及它们的合金中的至少一者。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述耐火材料包括硅、氧或氮中的一种或更多种元素。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述耐火材料包括钢合金。
26.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声探头具有5到40kHz之间的操作频率。
27.一种用于形成金属产品的方法，包括：
沿熔融金属容纳结构的纵向长度大体水平地输送熔融金属；
由穿过热联接至所述熔融金属容纳结构的冷却通道的介质通路冷却所述熔融金属容纳结构；
将超声探头设置在所述冷却通道中；以及
将超声波经由所述冷却通道中的所述介质且经由所述熔融金属容纳结构耦合至所述熔融金属。
28.一种用于形成金属产品的系统，包括：
权利要求1所述的熔融金属处理装置；以及
控制器，其包括数据输入和控制输出，且编程为具有一个或更多个控制算法，其控制输送所述熔融金属、冷却所述熔融金属和将所述超声波耦合至所述熔融金属中的至少一者。
29.一种用于形成金属产品的系统，包括：
用于沿熔融金属容纳结构的纵向长度大体水平地输送熔融金属的器件；
用于由穿过热联接至所述熔融金属容纳结构的冷却通道的介质通路冷却所述熔融金属容纳结构的器件；
设置在所述冷却通道中的超声探头；
用于将超声波经由所述冷却通道中的所述介质且经由所述熔融金属容纳结构耦合至所述熔融金属的器件；以及
控制器，其包括数据输入和控制输出，且编程为具有一个或更多个控制算法，其控制输送所述熔融金属、冷却所述熔融金属和将所述超声波耦合至所述熔融金属中的至少一者。
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