JP6511561B2 - アルミニウムリチウム合金を鋳造するための装置 - Google Patents

Description

アルミニウムリチウム合金の直接チル鋳造。

従来の（非リチウム含有）アルミニウム合金は、Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ（現Ａｌｃｏａ）による１９３８年における直接チル鋳造の発明以来、開放式底部鋳型において半持続的に鋳造されている。このプロセスに対する多くの修正および改変が、それ以来、何年にもわたって行われているが、基本のプロセスは、本質的に同じままである。アルミニウムインゴット鋳造の当業者は、新しい革新がその一般的機能を維持しながらプロセスを改善することを、理解する。このプロセスの使用当初から、水は、固体インゴットシェルを形成するときに一次冷却を提供する開放式底部鋳型をチル化するため、さらに、鋳型の底部の下方のインゴットシェルの二次冷却を提供するように使用されるために、好ましい冷却剤として使用されている。

残念ながら、鋳造プロセス中、「滲出（ｂｌｅｅｄ−ｏｕｔ）」または「湯漏れ（ｒｕｎ−ｏｕｔ）」からの固有のリスクが存在する。プロセスの固有の性質のため、インゴットの周縁は、部分的に固化された内側空洞を保持する固化された金属の薄いシェルと、鋳造中のアルミニウムインゴットが適切に固化されない場所で発生する場合にインゴットシェルを通して滲出する液体溶融金属とを含む。溶融アルミニウムは、次いで、鋳造ピットにおける種々の場所（例えば、インゴットの元口（ｂｕｔｔ）または底部と開始ブロックとの間、金属（通常、鋼鉄）底ブロックベース上、ピット壁、または、ピットの底部）、ならびに、水が鋳型の底部の下方のインゴットシェル内の断裂を通して進入し得るインゴット空洞における種々の場所において水冷却剤と接触し得る。「滲出」または「湯漏れ」中の水は、（１）水を＞２１２^ｏＦまで加熱するアルミニウムのサーマルマスによる水からスチームへの変換、または、（２）化学反応由来爆発を生じさせるほどのエネルギーの放出をもたらす溶融金属と水との化学反応から、爆発を生じ得る。

米国特許第４，６５１，８０４号は、より現代的なアルミニウム鋳造ピット設計について説明している。この参考文献によると、金属溶融炉を地表レベルの若干上方に搭載し、鋳造鋳型が地表レベルまたはその近傍にあり、鋳造動作が進むにつれて鋳造インゴットを水含有ピット中に降下させることが標準的実践となりつつある。直接チルからの冷却水は、ピット内に流動し、そこから持続的に除去される一方で、ピット内に恒久的な深い水溜りを残す。このプロセスは、現在使用されており、世界中で、年間およそ５００万トンを超えるアルミニウムおよびその合金が、この方法によって生産されている。しかしながら、この恒久的な深い水溜まりの使用は、水が溶融アルミニウムと依然として接触する上述のような鋳造ピットにおける他の場所でも、爆発が依然として生じ得るので、あらゆる爆発が鋳造ピットにおいて生じることを防止するものではない。これらの改良にもかかわらず、深い貯留水ピットを使用しても、毎年、鋳造プロセス中、有意な数の爆発が、依然として存在する。

アルミニウムリチウム合金が現れたことにより、溶融アルミニウムおよび水の爆発の潜在的可能性を最小限にするために典型的に使用される予防策のうちのいくつかが、もはや十分ではないので、爆発の危険性は、さらに増加している。再び、米国特許第４，６５１，８０４号を参照すると、過去数年において、リチウムを含む軽金属合金への関心が高まりつつある。リチウムは、溶融合金をより反応性にする。「Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ」（１９５７年５月、１０７〜１１２ページ（下記では、「Ｌｏｎｇ」と呼ばれる））という記事において、Ｌｏｎｇは、Ａｌ−Ｌｉを含むいくつかの合金に対するアルミニウム／水反応に関して報告を行ったＨ．Ｍ．Ｈｉｇｇｉｎｓによる以前の研究について言及し、「溶融金属が、何らかの形で水中に分散されると…Ａｌ−Ｌｉ合金は、…強い反応を受ける」と結論付けている。さらに、Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｉｎｃ．（Ａｍｅｒｉｃａ）によって、直接チルプロセスによってそのような合金を鋳造するとき、特定の危険が存在すると発表されている。Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａは、続いて、そのような合金が水と混合されると、非常に激しく爆発し得ることを実証する試験のビデオ記録を公開している。

他の研究も、アルミニウム合金へのリチウムの添加と関連付けられた爆発力が、爆発エネルギーの性質を、リチウムを有さないアルミニウム合金の何倍にも増加させ得ることを実証している。リチウムを含む溶融アルミニウム合金が水と接触すると、水がＬｉ−ＯＨ＋Ｈ^＋に解離するときに、水素の急発生が生じる。米国特許第５，２１２，３４３号は、アルミニウム、リチウム（および、他の元素も同様）の水への添加が、爆発反応を引き起こすことを教示している。水中でのこれらの元素（特に、アルミニウムおよびリチウム）の発熱性反応は、大量の水素ガスを産生し、典型的に、水に曝露させられた溶融アルミニウムリチウム合金１グラム当たり１４立方センチメートルの水素ガスが、発生させられる（参照：契約番号ＤＥ−ＡＣ０９−８９ＳＲ１８０３５号の下での米国エネルギー省支援研究）。米国特許第５，２１２，３４３号の請求項１は、発熱性反応を介した水爆発を産生するようにこのような激しい相互作用を行うための方法について説明している。この特許は、リチウム等の元素の添加によって、材料の単位体積あたりの高い反応エネルギーが達成されることを説明している。米国特許第５，２１２，３４３号および同第５，４０４，８１３号に説明されるように、リチウム（または、いくつかの他の化学的に活性のある元素）の添加は、爆発を促進する。これらの特許は、爆発反応が望ましい結果であるプロセスを教示する。これらの特許は、リチウムを有さないアルミニウム合金と比較して、「滲出」または「湯漏れ」に対するリチウムの添加の爆発性を増強する。

米国特許第４，６５１，８０４号に説明されるような修正された鋳造ピット設計の目的は、「滲出」または「湯漏れ」がＡｌ−Ｌｉ合金の鋳造中に生じるとき、鋳造ピットの底部における爆発の潜在的可能性を最小限にすることである。この技法は、冷却剤水を引き続き使用し、滲出後でも、鋳型を冷却し、かつ、インゴットシェルを冷却する。冷却剤がオフにされる場合、鋳型の溶融またはインゴットシェルのさらなる溶融に関するより深刻な問題についての潜在的可能性が存在し、溶融アルミニウム−リチウムおよび水が接触する場合、爆発のさらなる潜在的可能性を生じさせる。「滲出」または「湯漏れ」が生じた後も水冷却剤を流したままにすることは、２つの固有の不利点、すなわち、１）鋳造ピットの上部近傍またはインゴットクレータにおける種々の場所での溶融金属水爆発の潜在的可能性、２）上記で論じられたようなＨ２の発生のための水素爆発の潜在的可能性を有する。

直接チル鋳造を行う別の方法では、水以外のインゴット冷却剤を使用して、「滲出」または「湯漏れ」からの水−リチウム反応がないインゴット冷却を提供するようにＡｌ−ＬＩ合金を鋳造することに関連する特許が発行されている。米国特許第４，５９３，７４５号は、ハロゲン化炭化水素またはハロゲン化アルコールの使用について説明している。米国特許第４，６１０，２９５号、同第４，７０９，７４０号、および、同第４，７２４，８８７号は、インゴット冷却剤として、エチレングリコールの使用について説明している。これが機能するために、ハロゲン化炭化水素（典型的に、エチレングリコール）は、水および水蒸気がない状態でなければならない。これは、爆発の危険に対する解決策であるが、さらに、高い火災の危険を導入し、実装および保守にコストがかかる。消化システムが、潜在的なグリコール火災を含むように、鋳造ピット内に必要とされる。グリコール取扱システムを含むグリコールベースのインゴット冷却剤システム、グリコールを脱水するための熱酸化剤、および、鋳造ピット火災保護システムを実装するための典型的コストは、約＄５００万ドル〜＄８００万ドル（今日の金額で）かかる。冷却剤として１００％グリコールを用いた鋳造もまた、別の問題をもたらす。グリコールまたは他のハロゲン化炭化水素の冷却能力は、水の冷却能力とは異なり、異なる鋳造実践ならびに鋳造ツール類がこの技術を利用するために必要とされる。純粋冷却剤（ｓｔｒａｉｇｈｔ ｃｏｏｌａｎｔ）としてのグリコールの使用に関する別の不利点は、グリコールが水よりも低い熱伝導性および表面熱伝達係数を有するので、冷却剤として１００％グリコールを用いた金属鋳造のマイクロ構造が、より粗い望ましくない冶金学的構成要素を有する傾向があり、鋳造生成物中により多くの量の中心線引け巣（ｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を呈することである。より微細なマイクロ構造の不在およびより高い引け巣の同時存在は、そのような初期ストックから製造される最終生成物の特性に悪影響を及ぼす。

米国特許第４，２３７，９６１号に説明されるさらに別の場合には、水は、直接チル鋳造中、インゴットから除去される。欧州特許第０−１８３−５６３号では、アルミニウム合金の直接チル鋳造中、「漏出」または「湯漏れ」溶融金属を収集するためのデバイスが、説明されている。「漏出」または「湯漏れ」溶融金属の収集は、この溶融金属の質量を集中させる。この教示は、水の除去が、水が除去のために収集されるにつれて水の貯留をもたらす人工的な爆発条件を生じさせるので、Ａｌ−Ｌｉ鋳造には使用されることができない。溶融金属の「滲出」または「湯漏れ」中、「滲出」材料もまた、貯留された水エリアに集中させられる。米国特許第５，２１２，３４３号に教示されるように、これは、反応性水／Ａｌ−Ｌｉ爆発を生じさせるための好ましい方法となる。

ゆえに、Ａｌ−Ｌｉ合金の直接チル鋳造において、爆発の潜在的可能性をさらに最小限にし、同時に、より高い品質の鋳造生成物を生産するための改良された装置およびプロセスの有意な必要性が残る。

米国特許第４，６５１，８０４号明細書 米国特許第５，２１２，３４３号明細書 米国特許第５，４０４，８１３号明細書 米国特許第４，５９３，７４５号明細書 米国特許第４，６１０，２９５号明細書 米国特許第４，７０９，７４０号明細書 米国特許第４，７２４，８８７号明細書 米国特許第４，２３７，９６１号明細書 欧州特許第０−１８３−５６３号明細書

Ｌｏｎｇ「Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ」（１９５７年５月、１０７〜１１２ページ）

ここで添付の図面を参照すると、図１は、直接チル（ＤＣ）鋳造システムの構成要素を示す。システム１０は、鋳造ピット１２を含み、その鋳造ピットの中に、鋳造インゴット１４は、鋳造動作中、鋳造シリンダ（図示せず）によって降下させられる。鋳型１６は、鋳造テーブル１８上に着座させられる。溶融金属（例えば、Ａｌ−Ｌｉ合金）が、鋳型１６内に送給される。鋳型１６内に送給される溶融金属は、鋳造シリンダ９上のプラテン８によって支持される。鋳型１６は、所定の時間で変動する率で溶融金属が上方から送給されるにつれて、鋳型１６内のリザーバ２０に含まれる冷却剤によって冷却され、インゴット１４を形成する。鋳造シリンダ９は、この図では、下向き方向に所定の率で変位させられることにより、鋳造鋳型１６の周縁によって画定されるような、所望の長さ寸法および所望の幾何形状を有するインゴットを生産する。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
装置であって、前記装置は、鋳型を支持する鋳型テーブルを有する鋳造ピットと、鋳造中の金属の固化ゾーンに冷却剤が作用することを可能にする前記鋳型と関連付けられた冷却剤送給部とを備え、前記装置は、第１の弁および第２の弁を少なくとも備える弁システムを備え、前記第１の弁は、冷却剤送給部内への冷却剤の流入を可能にし、前記第２の弁は、前記冷却剤送給部内への不活性ガスの流入を可能にする、装置。
（項目２）
前記弁システムは、前記冷却剤送給部に位置し、それによって、冷却剤、冷却剤および不活性ガスの混合物、または、不活性ガスのみが、鋳造中のインゴットの前記固化ゾーンに対して選択的に送給され得る、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記鋳型は、リザーバを備え、前記弁システムは、前記リザーバの上流に位置する、項目１に記載の装置。
（項目４）
前記第２の弁に結合された不活性ガス源をさらに備え、前記不活性ガス源は、ヘリウムを含む、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記第２の弁に結合された不活性ガス源をさらに備え、前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物である、項目１に記載の装置。
（項目６）
前記第２の弁に結合された不活性ガス源をさらに備え、前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物であり、前記混合物は、ヘリウムを少なくとも約２０％含む、項目１に記載の装置。
（項目７）
前記第２の弁に結合された不活性ガス源をさらに備え、前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物であり、前記混合物は、ヘリウムを少なくとも約６０％含む、項目１に記載の装置。
（項目８）
前記装置は、コントローラをさらに備え、前記第１の弁および前記第２の弁は、前記コントローラに電気的に結合され、前記コントローラは、非一時的な機械可読命令を備え、前記非一時的な機械可読命令は、前記コントローラによって実行されると、前記第１の弁および前記第２の弁の一方を開放し、前記第１の弁および前記第２の弁の他方を閉鎖し、または、前記第１の弁および前記第２の弁の他方が前記第２の弁であるとき、部分的に閉鎖するように作動させる、項目１に記載の装置。
（項目９）
前記装置は、滲出検出デバイスおよびコントローラをさらに備え、前記第１の弁、前記第２の弁、および、前記滲出デバイスは、前記コントローラに電気的に結合され、前記コントローラは、非一時的な機械可読命令を備え、前記非一時的な機械可読命令は、前記コントローラによって実行されると、機構が、滲出の検出に応じて冷却剤の流動を停止し、不活性ガスの流動を前記冷却剤送給リザーバに導入する、項目１に記載の装置。
（項目１０）
前記不活性ガスは、ヘリウムである、項目９に記載の装置。
（項目１１）
前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物である、項目１に記載の装置。
（項目１２）
前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物であり、前記混合物は、ヘリウムを少なくとも約２０％含む、項目１に記載の装置。
（項目１３）
前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物であり、前記混合物は、ヘリウムを少なくとも約６０％含む、項目１に記載の装置。
（項目１４）
装置を使用する直接チル鋳造における方法であって、前記装置は、鋳型を支持する鋳型テーブルを有する鋳造ピットと、前記鋳型における冷却剤リザーバと、鋳造中の金属の固化ゾーンに冷却剤が作用することを可能にする前記冷却剤リザーバによって送給される冷却剤送給部とを備え、前記装置は、第１の弁および第２の弁を少なくとも備える弁システムをさらに含み、前記第１の弁は、前記冷却剤リザーバまたは前記冷却剤送給部からの冷却剤の選択的流入を可能にし、前記第２の弁は、前記冷却剤送給部内への不活性ガスの選択的流入を可能にし、前記方法は、
非滲出検出条件下、冷却剤を前記冷却剤送給部内に流入させることと、
滲出が検出されると、前記不活性ガスを前記冷却剤送給部内に流入させることと
を含む、方法。
（項目１５）
滲出が検出されると、前記冷却剤送給部内へは冷却剤を入らせないようにすることをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記不活性ガスは、ヘリウムである、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物である、項目１５に記載の方法。
（項目１８）
前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物であり、前記混合物は、ヘリウムを少なくとも約２０％含む、項目１５に記載の方法。
（項目１９）
前記不活性ガスは、ヘリウムおよびアルゴンの混合物であり、前記混合物は、ヘリウムを少なくとも約６０％含む、項目１５に記載の方法。
（項目２０）
非滲出検出条件下、前記不活性ガスを前記冷却剤送給部内に流入させることを含む、項目１４に記載の方法。
（項目２１）
項目１４〜２０のいずれかに記載の方法によって作製される金属。
（項目２２）
項目１４〜２０のいずれかに記載の方法によって作製されるアルミニウム−リチウム合金。

図１は、直接チル鋳造システムの一区画の破断図である。 図２は、通常鋳造動作中、冷却剤と同時にまたは冷却剤と連続的に、不活性流体を直接チル鋳造鋳型または冷却剤送給部に注入し、インゴットを冷却するための構成を図示する、図１のシステムの一部の上面図の略図である。 図３は、「滲出」または「湯漏れ」中またはそれらに続いて、液体冷却剤（水）の流動の停止に続けて、不活性流体のみを冷却剤として注入する、図１のシステムの一部の上面図の略図である。

鋳型１６に添加される溶融金属は、鋳造鋳型のより低い温度によって、かつ、冷却剤の導入を通して、鋳型１６において冷却され、この冷却剤は、その基部における鋳型１６の周りの複数の導管送給部１３（２つが示される）を通して鋳型空洞から現れた後、インゴット１４に作用する。溶融金属の所望の固化率を達成するための量および位置で、鋳型１６の基部の周りに位置付けられる送給部を含む、冷却剤（例えば、水）をリザーバ２０から鋳造ピット１２内に送達するように構成されるいくつかの導管送給部が存在してもよいことが、理解される。冷却剤は、冷却剤が導管送給部１３から出るところの直下の点に対応するインゴット１４の周縁の周囲に送給される。後者の場所は、固化ゾーンと一般に呼ばれる。冷却剤が水である場合、水および空気の混合物２４が、インゴット１４の周縁の周囲に鋳造ピット１０において産生され、その中に、新しく産生された水蒸気が、鋳造動作が持続するにつれて、持続的に導入される。

図１に示される鋳造システムの実施形態はまた、赤外線温度計等の「滲出」検出デバイス１７を含む。「滲出」検出デバイス１７は、システムと関連付けられたコントローラ１５に、直接的および／または論理的に接続されてもよい。１つの実施形態において、プラテン８／鋳造シリンダ９の移動、鋳型１６への溶融金属供給入口、および、鋳型１６と関連付けられたリザーバ２０への水入口は、各々、コントローラ１５によって制御される。コントローラ１５は、非一時的有形媒体の形態として、機械可読プログラム命令を含む。１つの実施形態において、Ａｌ−Ｌｉ溶融金属の「滲出」または「湯漏れ」が、「滲出」検出デバイス１７によって検出されると、信号が、「滲出」検出デバイス１７からコントローラ１５に送信される。コントローラ１５に記憶された機械可読命令は、プラテン８の移動および溶融金属入口供給（図示せず）を停止させ、鋳型１６と関連付けられたリザーバ２０内への冷却剤流動（図示せず）を停止および／または進路変更させる。

図２に示されるのは、システム１０の概略上部平面図である。この実施形態において、システム１０は、リザーバ２０と導管送給部２２またはリザーバ２０の上流のいずれかとの間の冷却剤送給部に設置された冷却剤送給システム２１を含む。図２に示されるように、冷却剤送給システム２１は、リザーバ２０の上流にある。鋳型１６（この実施形態において、丸い鋳型として図示される）は、金属１４を囲繞する。さらに、図２に見られるように、冷却剤送給システム２１は、リザーバ２０に送給する導管送給部２２に接続された弁システム２８を含む。導管送給部２２と本明細書で論じられる他の導管および弁とのための好適な材料は、限定ではないが、ステンレス鋼（例えば、ステンレス鋼管状導管）を含む。弁システム２８は、第１の導管３３と関連付けられた第１の弁３０を含む。第１の弁３０は、冷却剤源３２からの、弁３０および導管３３を通した冷却剤（概して、水）の導入を可能にする。弁システム２８はまた、第２の導管３７と関連付けられた第２の弁３６を含む。１つの実施形態において、第２の弁３６は、不活性流体源３５からの、弁および導管３７を通した不活性流体の導入を可能にする。導管システム３３、３７は、それぞれ、冷却剤源３２および不活性流体源３５を導管送給部２２に接続する。不活性流体は、リチウムまたはアルミニウムと反応することにより反応性（例えば、爆発）生成物を産生することがなく、同時に、燃焼性ではないかまたは燃焼を支援しない液体またはガスである。１つの実施形態において、不活性流体は、不活性ガスである。好適な不活性ガスは、空気の密度未満の密度を有し、かつ、リチウムまたはアルミニウムと反応することにより反応性生成物を産生することがないガスである。対象としている実施形態において使用されるべき好適な不活性ガスの別の必要とされる特性は、ガスが、不活性ガス中または空気および不活性ガスの混合物中で通常利用可能であるよりも高い熱伝導性を有するべきであるということである。前述の要件の全てを同時に満たす好適なガスの例は、ヘリウム（Ｈｅ）である。代替の好ましい実施形態において、ヘリウムおよびアルゴンの混合物が、使用されてもよい。１つの実施形態によると、そのような混合物は、ヘリウムを少なくとも約２０％含む。別の実施形態によると、そのような混合物は、ヘリウムを少なくとも約６０％含む。

窒素もまた「不活性」ガスであって空気よりも軽いという一般的業界知識のため、アルミニウム−リチウム合金の溶融および鋳造を除いたアルミニウム合金の溶融および直接チル鋳造の当業者は、ヘリウムの代わりに窒素ガスを使用したくなり得ることが、注記される。しかしながら、プロセスの安全性を維持する理由から、窒素は、それが液体アルミニウム−リチウム合金と相互作用することになる場合、実際のところ、不活性ガスではないと考えられると、本明細書では言える。窒素は、溶融アルミニウム−リチウム合金と反応し、アンモニアを産生し、そのアンモニアは、次に、水と反応し、危険な結果のさらなる反応をもたらし、ゆえに、窒素の使用は、完全に回避されるべきである。さらに、別のあり得る不活性ガスである二酸化炭素にも同じことが該当すると考えられる。その使用は、溶融アルミニウムリチウム合金が二酸化炭素と接触する限られた機会が存在するいかなる適用においても回避されるべきである。

通常の鋳造条件を表す図２では、第１の弁３０は開放され、第２の弁３６は閉鎖される。この弁構成では、冷却剤源３２からの冷却剤のみが、導管送給部２２内に流入され、不活性流体源３５からの不活性流体は、そこに入らないようにされる。弁３０の位置（例えば、完全開放、部分的開放）は、弁３０と関連付けられるかまたは弁３０に隣接して別個に位置付けられた流量率モニタ（第１の流量率モニタ３８として、弁３０の下流に図示される）によって測定される所望の流量率を達成するように選択されてもよい。１つの実施形態によると、所望に応じて、第２の弁３６は、部分的に開放されることができ、それによって、不活性流体源３５からの不活性流体（例えば、不活性ガス）が、通常の鋳造条件中に、冷却剤源３２からの冷却剤と混合され得る。弁３６の位置は、弁３６と関連付けられるかまたは弁３６に隣接して別個に位置付けられた流量率モニタ（第２の流量率モニタ３９として、弁３６の下流に図示される）（例えば、不活性流体源のための圧力モニタ）によって測定される所望の流量率を達成するために選択されてもよい。

１つの実施形態において、第１の弁３０、第２の弁３６、第１の流量率モニタ３８、および、第２の流量率モニタ３９の各々は、電気的および／または論理的に、コントローラ１５に接続される。コントローラ１５は、非一時的な機械可読命令を含み、その非一時的な機械可読命令は、実行されると、第１の弁３０および第２の弁３６の一方または両方を作動させる。例えば、図２に示されるような通常の鋳造動作の下では、そのような機械可読命令は、第１の弁３０を部分的または完全に開放させ、第２の弁３６を閉鎖させるかまたは部分的に開放させる。

ここで、図３を参照すると、この図は、「滲出」または「湯漏れ」の発生に応じた構成における弁システム２８を示す。これらの状況下では、滲出検出デバイス１７（図１参照）による「滲出」または「湯漏れ」の検出に応じて、第１の弁３０は、閉鎖され、冷却剤源３２からの冷却剤（例えば、水）の流動を停止する。別の実施形態において、第１の弁３０は、冷却剤の流動を減少させるように閉鎖され、流量率は、ゼロよりも大きいが、現れるインゴット上に流動することにより金属の直接チル化および固化を提供するように選択された所定の流量率よりは小さい率になる。１つの実施形態において、冷却剤の流量率は、「滲出」または「湯漏れ」に対処するために実装されたさらなる手段（単数または複数）を所与として、容認可能に安全である率（例えば、数リットル／分以下）まで減少させられる。同時に、または、その直後３〜２０秒以内に、第２の弁３６が開放されることにより、不活性流体源３５からの不活性流体の流入を可能にし、それによって、不活性流体のみが、導管送給部２２内に流入させられる。不活性流体がヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスである場合、この条件下、ヘリウムの空気、水、または、水蒸気よりも低い密度を所与として、鋳造ピット１０の上部および鋳型１６の周囲のエリア（図１参照）は、不活性ガスですぐにいっぱいになり、それによって、水および空気の混合物２４を変位させ、このエリアにおける水素ガスの形成または溶融Ａｌ／Ｌｉ合金と冷却剤（例えば、水）との接触を阻止し、それによって、この領域におけるこれらの材料の存在に起因する爆発の可能性を有意に低下させる。１．０フィート／秒〜約６．５フィート／秒、好ましくは約１．５フィート／秒〜約３フィート／秒、最も好ましくは約２．５フィート／秒の速度が、使用される。

さらに、図２および図３に示されるのは、第１の弁３０および第２の弁３６とそれぞれ関連付けられた逆止弁４０および逆止弁４２である。各逆止弁は、滲出の検出および鋳型内への材料流動の変化の検出に応じて、個別の弁３０、３６内への冷却剤および／またはガスの逆流を阻止する。

図２および図３に図式的に示されるように、１つの実施形態において、冷却剤供給ライン３２は、好ましくは、さらに、バイパス弁４３を具備することにより、第１の弁３０内への冷却剤の流入の前に、外部「ダンプ（ｄｕｍｐ）」への冷却剤の流動の即時進路変更を可能にし、それによって、第１の弁３０が閉鎖されたときの、送給システムへの水槌作用または損傷あるいは弁３０を通した漏出が、最小限にされる。１つの実施形態において、コントローラ１５における機械可読命令は、例えば赤外線温度計からコントローラ１５への信号によって、「滲出」が検出されると、命令が、バイパス弁４３を作動させて、冷却剤流動を進路変更するように開放させ、第１の弁３０を続けて作動させて、閉鎖させ、第２の弁３６を作動させて、不活性ガスの流入を可能にするように開放させるような、命令を含む。

上記で注記されたように、１つの好適な不活性ガスは、ヘリウムである。ヘリウムは、冷却剤流動が中断されたときに鋳造鋳型および固化ゾーンからの熱の持続的除去を可能にする比較的に高い熱伝導性を有する。この持続的熱除去は、鋳造中のインゴット／ビレットを冷却する働きをし、それによって、インゴット／ビレットの頭部（ｈｅａｄ）における残留熱に起因するいかなるさらなる「滲出」または「湯漏れ」が生じる可能性も低下させる。同時に、鋳型は、過剰加熱から保護され、それによって、鋳型への損傷の潜在的可能性を低下させる。比較として、ヘリウム、水、および、グリコールの熱伝導性は、Ｈｅ；０．１５１３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１、Ｈ２Ｏ；０．６０９Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１、そして、エチレングリコール；０．２５８Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１である。

ヘリウムの熱伝導性および上記で説明されたガス混合物の熱伝導性は、これらのガスが、固化ゾーンまたはその近傍においてインゴットまたはビレットに作用するとき、水またはグリコールの熱伝導性よりも低いが、「スチームカーテン」が、産生されず、その「スチームカーテン」は、産生される場合、表面熱伝達係数を減少させ、それによって、冷却剤の効果的熱伝導性を減少させ得る。したがって、単一の不活性ガスまたはガス混合物は、その直接的な相対熱伝導性のみを考慮して最初に予測され得るものよりも、水またはグリコールにはるかに近い効果的熱伝導性を呈する。

当業者に明白であるように、図２および図３は、鋳造金属のビレットまたは丸い断面が形成されるように描写するが、本発明の装置および方法は、長方形インゴットの鋳造にも等しく適用可能である。

したがって、Ａｌ／Ｌｉ合金の直接チル鋳造における爆発の可能性を最小限にするためのシステムおよび装置が説明され、そのシステムおよび装置は、液体冷却剤の選択的停止と、不活性流体（高い熱伝導性および低比重を有する不活性ガス等）の固化ゾーン内への同時導入とを提供する。代替の好ましい実施形態によると、不活性流体および冷却剤の混合物が、固化ゾーンに送給されることもでき、または、不活性ガスの混合物が、固化ゾーンに送給されることもできる。

上記の説明では、説明の目的のために、多数の具体的要件およびいくつかの具体的詳細が、実施形態の完全理解を提供するために記載された。しかしながら、１つまたはそれよりも多くの他の実施形態が、これらの具体的詳細のうちのいくつかなしで実践されてもよいことは、当業者に明白である。説明される特定の実施形態は、本発明を限定するためではなく、それを例示するために提供される。本発明の範囲は、上記で提供される具体的例によってではなく、下記の特許請求の範囲によってのみ決定される。他の事例では、周知の構造、デバイス、および、動作は、説明の理解を曖昧にすることを回避するために、ブロック図形態において、または、詳細なしで示されている。適切であると考えられる場合、参照番号または参照番号の末端数字は、図間で繰り返されることにより、（随意に類似の特性を有し得る）対応または類似要素を示す。

さらに、本明細書全体を通して、「１つの実施形態」、「ある実施形態」、「１つまたはそれよりも多くの実施形態」、または、「異なる実施形態」への参照は、例えば、特定の特徴が本発明の実践において含まれてもよいことを意味することが、理解されるべきである。同様に、説明中、種々の特徴は、時として、本開示を効率化し、本発明の種々の局面の理解を補助する目的のために、単一の実施形態、図、または、それらの説明において、ともにグループ化されることが、理解されるべきである。しかしながら、本開示の方法は、本発明が、各請求項において明示的に挙げられるよりも多い特徴を必要とする意図の反映として解釈されるべきではない。むしろ、下記の特許請求の範囲が反映するように、本発明の局面は、単一の開示される実施形態の全特徴に満たないものであってもよい。したがって、発明を実施するための形態に続く特許請求の範囲は、本明細書で、本発明を実施するための形態に明示的に援用され、各請求項は、本発明の別個の実施形態として、それ自体に依拠している。

Claims (17)

1. 少なくとも１つのリザーバを備える鋳造ピットにおける金属の直接チル鋳造のための装置であって、前記装置は、
   冷却剤源と、
   不活性ガス源と、
   前記冷却剤源と導管送給部の入口端とに結合された第１の導管と、
   前記不活性ガス源と前記導管送給部の前記入口端とに結合された第２の導管と、
   前記第１の導管と関連付けられた第１の弁と、前記第２の導管と関連付けられた第２の弁とを備える弁システムであって、前記第１の弁は、前記冷却剤源から前記第１の導管を通した前記導管送給部内への冷却剤の流入を可能にするためのものであり、前記第２の弁は、前記不活性ガス源から前記第２の導管を通した前記導管送給部内への不活性ガスの流入を可能にするためのものであり、前記導管送給部は、前記冷却剤および前記不活性ガスのうちの少なくとも１つを前記少なくとも１つのリザーバ内へと送給するように構成されている、弁システムと、
   前記鋳造ピットにおける滲出の検出に応じて前記導管送給部が不活性ガスを前記少なくとも１つのリザーバ内へと送給するために前記不活性ガス源から前記第２の導管を通した前記導管送給部内への前記不活性ガスの導入を可能にするために、前記第１の弁を閉鎖し、かつ前記第２の弁を開放する、コンピュータ可読命令を実行するように構成されている、コントローラと
   を備える、装置。
2. 前記導管送給部は、前記少なくとも１つのリザーバの上流に位置付けられている、請求項１に記載の装置。
3. 前記導管送給部は、前記少なくとも１つのリザーバに結合されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記不活性ガス源は、ヘリウムガスを備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記不活性ガス源は、ヘリウムガスおよびアルゴンガスの混合物を備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記不活性ガス源は、ヘリウムガスおよびアルゴンガスの混合物を備え、前記ヘリウムガスは、少なくとも２０％の量で存在する、請求項１に記載の装置。
7. 前記不活性ガス源は、ヘリウムガスおよびアルゴンガスの混合物を備え、前記ヘリウムガスは、少なくとも６０％の量で存在する、請求項１に記載の装置。
8. 前記コンピュータ可読命令は、前記第１の弁が閉鎖されかつ前記第２の弁が開放されている第１の状態を備え、前記コンピュータ可読命令は、前記第１の弁が開放されかつ前記第２の弁が部分的に開放されている第２の状態をさらに備える、請求項１に記載の装置。
9. 鋳造ピットと、
   内部にリザーバを備える鋳型であって、前記鋳型は、溶融金属を受け取るために前記鋳造ピット内に配置されている、鋳型と、
   請求項１に記載の装置と
   を備える、直接チル鋳造システム。
10. 前記コントローラに結合された滲出検出デバイスをさらに備える、請求項９に記載の直接チル鋳造システム。
11. 前記コンピュータ可読命令は、前記第１の弁が閉鎖されかつ前記第２の弁が開放されている第１の状態を備え、前記コンピュータ可読命令は、滲出が検出されていない第２の状態をさらに備え、前記第２の状態において、前記第１の弁は、前記冷却剤源から前記第１の導管を通した前記導管供給部内への冷却剤の導入を可能にするために開放され、前記第２の弁は、部分的に開放または閉鎖されている、請求項１０に記載の直接チル鋳造システム。
12. 前記第２の状態において、前記第２の弁は、閉鎖されている、請求項１１に記載の直接チル鋳造システム。
13. 前記第２の状態において、前記第２の弁は、部分的に開放されている、請求項１１に記載の直接チル鋳造システム。
14. 前記コントローラによって実行される前記コンピュータ可読命令は、前記鋳造ピットにおける滲出の検出に応じて前記鋳型内への溶融金属の供給を停止する命令をさらに含む、請求項９に記載の直接チル鋳造システム。
15. 前記鋳型は、溶融アルミニウム−リチウム合金を受け取るように動作可能である、請求項９に記載の直接チル鋳造システム。
16. アルミニウムリチウム合金を備える鋳造生成物を生産するための、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置の使用。
17. アルミニウムリチウム合金を備える鋳造生成物を生産するための、請求項９〜１５のいずれか一項に記載の直接チル鋳造システムの使用。