KR101978824B1

KR101978824B1 - 통합된 기체 송달 시스템을 가진 초음파 장치

Info

Publication number: KR101978824B1
Application number: KR1020147011896A
Authority: KR
Inventors: 빅터 에프. 런퀴스트; 케빈 에스. 길
Original assignee: 사우쓰와이어 컴퍼니, 엘엘씨
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2019-05-15
Also published as: PT2747906T; JP6116105B2; MX352413B; US20140123812A1; RU2017142811A; US8652397B2; AU2012323256B2; BR112014008881A2; BR112014008881B1; CA2850023A1; CA2850023C; JP2015501205A; WO2013055778A2; RU2751985C2; RU2017142811A3; WO2013055778A3; RU2014118864A; MX364836B; EP2747906A2; MX2014004486A

Abstract

용융 금속으로부터 탈기하고 불순물을 제거하기 위한 방법이 개시된다. 이들 방법은 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 단계, 및 초음파 장치의 첨단부를 통해서 용융 금속 배스에 퍼지 기체를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

통합된 기체 송달 시스템을 가진 초음파 장치{ULTRASONIC DEVICE WITH INTEGRATED GAS DELIVERY SYSTEM}

관련 출원의 참조

본 출원은 PCT 국제특허출원으로서 2012년 10월 10일자로 제출되어 있으며, 2011년 10월 11일자로 제출된 미국 특허출원 제13/270,401호의 우선권을 주장하고, 이것의 명세서는 그 전체가 본원에 참고자료로 포함된다.

저작권

본원에 포함된 자료들에 있어서 저작권을 포함한 모든 권리는 출원인에게 귀속되며 출원인의 재산이다. 출원인은 본원에 포함된 자료에 있어서 모든 권리를 유지하며 보유하고, 다른 목적이 아닌 등록된 특허의 재현과 관련해서만 본 자료를 재현할 수 있는 허가를 받는다.

어떤 금속 물품의 가공이나 주조는 용융 금속을 함유하는 배스를 필요로 할 수 있고, 용융 금속의 이런 배스는 특정 금속에 따라서 700℃ 내지 1200℃ 범위, 또는 그 이상의 온도에서 유지될 수 있다. 많은 기구 또는 장치들이 원하는 금속 물품의 생산이나 주조를 위해서 용융 금속 배스에 사용될 수 있다. 용융 금속 배스에서 직면하는 상승된 온도를 보다 잘 견딜 수 있는 이런 기구 또는 장치들에 대한 필요성이 있으며, 더 긴 수명을 갖고, 특정 용융 금속과의 반응성이 없도록 제한되는 것이 유익하다.

더욱이, 용융 금속은 이들에 용해된 하나 이상의 기체 및/또는 이들에 존재하는 불순물을 가질 수 있고, 이런 기체 및/또는 불순물은 원하는 금속 물품의 최종 생산 및 주조, 및/또는 금속 물품 자체의 결과의 물성에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 용융 금속 배스에 존재하는 용존 기체 또는 불순물의 양을 감소시키려는 시도는 충분히 성공하지 못했다. 따라서, 용융 금속으로부터 기체 및/또는 불순물을 제거하기 위한 개선된 방법에 대한 필요성이 있다.

본 개요는 간단한 형태로 개념의 선택을 소개하기 위해서 제공되며, 이것은 이후의 상세한 설명에서 더 설명된다. 본 개요는 청구된 주제의 필수 또는 본질적인 특징을 확인하고자 하는 것은 아니다. 본 개요는 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해서 사용되지도 않는다.

본 발명은 용융 금속 배스에서 용존 기체(및/또는 다양한 불순물)의 양을 감소시키는 방법에 관한 것이다(예를 들어, 초음파 탈기). 한 구체예에서, 상기 방법은 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 단계, 및 초음파 장치에 근접해서 용융 금속 배스에 퍼지 기체를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용존 기체는 수소를 포함할 수 있고, 용융 금속 배스는 알루미늄 또는 구리(이들의 합금을 포함한다)를 포함할 수 있고, 퍼지 기체는 아르곤 및/또는 질소를 포함할 수 있다. 퍼지 기체는 초음파 장치의 약 50cm(또는 25cm, 또는 15cm, 또는 5cm, 또는 2cm) 이내에서, 또는 첨단부(tip)를 통해서 용융 금속 배스에 첨가될 수 있다. 퍼지 기체는 약 0.1 내지 약 150 L/min의 범위의 속도로, 또는 추가로 또는 다르게는 용융 금속 배스로부터 유출 kg/hr 당 퍼지 기체 약 10 내지 약 500 mL/hr의 범위의 속도로 첨가되거나 도입될 수 있다.

또한, 본 발명은 초음파 장치를 개시하며, 이들 장치는 초음파 탈기 및 미립화(grain refining)를 포함한 많은 상이한 용도에서 사용될 수 있다. 예로서, 초음파 장치는 초음파 변환기; 초음파 변환기에 부착된, 첨단부를 포함하는 프로브; 및 기체 입구, 프로브를 통한 기체 유로 및 프로브의 첨단부에 있는 기체 출구를 포함하는 기체 송달 시스템을 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 프로브는 제1 단부와 제2 단부를 포함하는 연장된 프로프일 수 있고, 제1 단부는 초음파 변환기에 부착되며, 제2 단부는 첨단부를 포함한다. 또한, 프로브는 스테인리스 스틸, 티타늄, 니오븀, 세라믹 등, 또는 이들 재료 중 어느 것의 조합을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 초음파 프로브는 그것을 통한 통합된 기체 송달 시스템을 가진 단일형 사이알론 프로브일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 초음파 장치는 초음파 변환기 당 다수의 프로브 조립체 및/또는 다수의 프로브를 포함할 수 있다.

전술한 개요 및 이후의 상세한 설명은 모두 예시들을 제공하고 설명하기 위한 것이다. 따라서, 전술한 개요 및 이후의 상세한 설명은 제한으로서 생각되지 않아야 한다. 또한, 특징들 또는 변형들이 본원에 제시된 것들에 더하여 제공될 수 있다. 예를 들어, 어떤 구체예는 상세한 설명에 설명된 다양한 특징 조합 및 하위-조합에 관한 것일 수 있다.

본 명세서에 포함되어 그것을 구성하는 첨부한 도면은 본 발명의 다양한 구체예들을 예시한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에서 초음파 장치의 부분 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에서 초음파 장치의 부분 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에서 초음파 장치의 부분 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에서 초음파 장치의 부분 단면도를 도시한다.
도 5는 알루미늄의 이론 밀도와 비교하여 실시예 1-4의 각각에 대한 밀도의 차이의 퍼센트를 예시하는 막대 그래프이다.
도 6은 실시예 1-4의 각각의 ppm 단위의 수소 함량을 예시하는 막대 그래프이다.
도 7은 실시예 5-8에 대하여 시간의 함수로서 수소 농도를 나타낸 플롯이다.

이후의 상세한 설명은 첨부한 도면을 참조한다. 가능하다면 동일하거나 유사한 참조번호들이 동일하거나 유사한 요소를 언급하기 위하여 도면 및 이후의 설명에서 사용된다. 본 발명의 구체예들이 설명될 수 있지만, 변형, 개조 및 다른 실시형태들도 가능하다. 예를 들어, 치환, 부가 또는 변형이 도면에 예시된 요소들에 대해 이루어질 수 있고, 본원에 설명된 방법은 개시된 방법에 단계들을 치환, 재순서화 또는 부가함으로써 변형될 수 있다. 따라서, 이후의 상세한 설명은 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

용어 "한" 및 "그"는 복수의 대용물, 예를 들어 적어도 하나를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "한 초음파 장치", "한 연장된 프로프", "한 퍼지 기체" 등의 개시는 달리 명시되지 않는다면 하나, 또는 하나보다 많은 조합의 초음파 장치(예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 초음파 장치), 연장된 프로브(예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 연장된 프로프), 퍼지 기체(예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 퍼지 기체) 등을 포함하는 것을 의미한다.

여기 언급된 모든 간행물 및 특허는, 예를 들어 현재 설명되는 발명과 관련하여 사용될 수 있는 해당 간행물에 설명된 구성 및 방법을 설명하고 개시할 목적으로 본원에 참고자료로 포함된다. 이 문서 전체에서 논의된 간행물들은 본 출원의 출원일 전의 개시내용만 제공된다. 여기에 있는 어느 것도 본 발명자들이 선행 발명 때문에 이러한 개시내용을 선행할 자격이 없다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

출원인은 본 발명에서 몇 가지 종류의 범위를 개시한다. 출원인이 어떤 종류의 범위를 개시하거나 청구할 때 출원인의 의도는 이러한 범위가 합리적으로 포함하는 해당 범위의 끝 지점뿐만 아니라 거기에 포함된 어떠한 하위범위와 하위범위의 조합을 포함한 각 가능한 수를 개별적으로 개시하거나 청구하는 것이다. 예를 들어, 본 발명의 구체예에서, 퍼지 기체는 약 1 내지 약 50 L/min의 범위의 속도로 용융 금속 배스에 첨가될 수 있다. 유속이 약 1 내지 약 50 L/min의 범위 내라는 개시내용에 의해서, 출원인은 상기 유속이 약 1, 약 2, 약 3, 약 4, 약 5, 약 6, 약 7, 약 8, 약 9, 약 10, 약 11, 약 12, 약 13, 약 14, 약 15, 약 16, 약 17, 약 18, 약 19, 약 20, 약 21, 약 22, 약 23, 약 24, 약 25, 약 26, 약 27, 약 28, 약 29, 약 30, 약 31, 약 32, 약 33, 약 34, 약 35, 약 36, 약 37, 약 38, 약 39, 약 40, 약 41, 약 42, 약 43, 약 44, 약 45, 약 46, 약 47, 약 48, 약 49, 또는 약 50 L/min일 수 있음을 말하려는 의도를 가진다. 추가로, 상기 유속은 약 1에서 약 50 L/min까지 어떤 범위 내에 있을 수 있고(예를 들어, 유속은 약 2 내지 약 20 L/min의 범위 내이다), 이것은 또한 약 1 내지 약 50 L/min 사이의 범위의 어떤 조합을 포함한다. 마찬가지로 여기 개시된 모든 다른 범위들도 유사한 방식으로 해석되어야 한다.

본 발명의 구체예는 용융 금속의 초음파 탈기를 위한 시스템, 방법, 및/또는 장치를 제공할 수 있다. 이러한 용융 금속은, 제한은 아니지만, 알루미늄, 구리, 스틸, 아연, 마그네슘 등, 또는 이들 금속과 다른 금속의 조합(예를 들어, 합금)을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 어떤 특정 금속이나 금속 합금에 제한되지 않는다. 용융 금속으로부터 물품의 가공 또는 주조는 용융 금속을 함유하는 배스를 필요로 할 수 있고, 용융 금속의 이런 배스는 상승된 온도에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 용융 구리는 1100℃ 근처의 온도에서 유지될 수 있고, 용융 알루미늄은 750℃ 근처의 온도에서 유지될 수 있다.

본원에서 사용된 용어 "배스", "용융 금속 배스" 등은 베슬, 크루지블, 트로프, 라운더, 퍼니스, 래들 등을 포함해서 용융 금속을 함유할 수 있는 모든 용기를 포함하는 의미이다. 용어 배스 및 용융 금속 배스는 배치, 연속, 반연속 등의 작업과, 예를 들어 용융 금속이 일반적으로 정지해 있는 경우(예를 들어, 주로 크루지블과 관련된다)와 용융 금속이 일반적으로 움직이고 있는 경우(예를 들어, 주로 라운더와 관련된다)를 포함하도록 사용된다.

많은 기구 또는 장치들이 배스에서 용융 금속의 상태를 모니터하거나, 시험하거나, 또는 변형하기 위해서 사용될 수 있으며, 원하는 금속 물품의 최종 생산 또는 주조를 위해서도 사용될 수 있다. 이런 기구 또는 장치는 용융 금속 배스에서 직면하는 상승된 온도를 보다 잘 견딜 수 있어야 하며, 더 긴 수명을 갖고, 금속이 알루미늄, 또는 구리, 또는 스틸, 또는 아연, 또는 마그네슘 등이라면(또는 금속이 이것들을 포함한다면) 특정 용융 금속과의 반응성이 없도록 제한되는 것이 유익하다.

또한, 용융 금속은 이들에 용해된 하나 이상의 기체를 가질 수 있으며, 이런 기체는 원하는 금속 물품의 최종 생산 및 주조, 및/또는 금속 물품 자체의 결과의 물성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 용융 금속에 용해된 기체는 수소, 산소, 질소, 이산화황 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 환경에서는 용융 금속 중의 기체를 제거하거나, 또는 기체의 양을 감소시키는 것이 유익할 수 있다. 예로서, 용존 수소는 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)의 주조에서 해로울 수 있고, 따라서 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)으로부터 생산된 완성된 물품의 특성은 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)의 용융 배스에서 혼입된 수소의 양을 감소시킴으로써 개선될 수 있다. 질량 기준으로 0.2ppm 이상, 0.3ppm 이상, 또는 0.5ppm 이상의 용존 수소는 주조 속도와 결과의 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 로드 및 다른 물품의 품질에 해로운 효과를 가질 수 있다. 수소는 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)을 함유하는 배스 위의 대기에 존재하는 수소에 의해서 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 배스에 들어갈 수 있거나, 또는 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 배스에 사용된 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 원료 출발 재료에 존재할 수 있다.

용융 금속 배스 중의 용존 기체의 양을 감소시키기 위한 시도는 완전히 성공하지 못했다. 주로 이런 과정들은 추가적인 고가의 장비는 물론 잠정적으로 위험한 물질들을 수반한다. 예를 들어, 용융 금속의 용존 기체 함량을 감소시키기 위하여 금속 주조 산업에서 사용된 과정은 그래파이트와 같은 재료로 이루어진 로터로 구성될 수 있고, 이런 로터는 용융 금속 배스 내부에 위치될 수 있다. 염소 기체가 추가로 용융 금속 배스 내의 로터에 인접한 위치에서 용융 금속 배스에 첨가될 수 있다. 이 과정은 본 명세서 전체에서 "종래의" 과정으로 언급될 것이며, 이 산업 분야에서는 주로 회전 기체 퍼지라고 한다. 종래의 과정은, 예를 들어 일부 상황에서 용융 금속 배스 중의 용존 수소의 양을 감소시키는 데는 성공적일 수 있지만, 이 종래의 과정은 두드러진 단점, 특히 비용, 복잡성, 및 잠정적으로 위험하며 잠정적으로 환경상 유해한 염소 기체의 사용이라는 단점을 가진다.

추가로, 용융 금속은 이들에 존재하는 불순물을 가질 수 있으며, 이런 불순물은 원하는 금속 물품의 최종 생산 및 주조, 및/또는 금속 물품 자체의 결과의 물성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 용융 금속의 불순물은 알칼리 금속 또는 용융 금속에 존재할 필요도 없고 바람직하지도 않은 다른 금속을 포함할 수 있다. 당업자는 적은 퍼센트의 어떤 금속들이 다양한 금속 합금에 존재하며, 이러한 금속은 불순물로는 생각되지 않는다는 것을 인정할 것이다. 비제한적인 예로서, 불순물은 리튬, 나트륨, 칼륨, 납 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 불순물들은 용융 금속 배스에 사용된 투입 금속 원료 출발 재료에 존재하는 것들에 의해서 용융 금속 배스(알루미늄, 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)에 들어갈 수 있다.

본 발명의 구체예는 용융 금속 배스 중의 용융 기체의 양을 감소시키는 방법, 또는 달리 말해서 용융 금속을 탈기하는 방법을 제공할 수 있다. 한 가지 이러한 방법은 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 단계, 및 초음파 장치와 근접해서 용융 금속 배스에 퍼지 기체를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 용존 기체는 산소, 수소, 이산화황 등, 또는 이들의 조합일 수 있거나, 또는 이것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용존 기체는 수소일 수 있거나 수소를 포함할 수 있다. 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 스틸, 마그네슘 등, 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합(예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 스틸, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함하는)을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있고, 다른 구체예에서 용융 금속 배스는 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 배스에 있는 용융 금속은 알루미늄일 수 있거나, 또는 달리 용융 금속은 구리일 수 있다.

또한, 본 발명의 구체예는 용융 금속 배스에 존재하는 불순물의 양을 감소시키는 방법, 또는 달리 말해서 불순물을 제거하는 방법을 제공할 수 있다. 한 가지 이러한 방법은 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 단계, 및 초음파 장치와 근접해서 용융 금속 배스에 퍼지 기체를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 불순물은 리튬, 나트륨, 칼륨, 납 등, 또는 이들의 조합일 수 있거나, 또는 이것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 불순물은 리튬일 수 있거나 리튬을 포함할 수 있고, 또는 달리 나트륨일 수 있거나 나트륨을 포함할 수 있다. 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 스틸, 마그네슘 등, 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합(예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 스틸, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함하는)을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있고, 다른 구체예에서 용융 금속 배스는 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 배스에 있는 용융 금속은 알루미늄일 수 있거나, 또는 달리 용융 금속은 구리일 수 있다.

본원에 개시된 불순물을 탈기하는 방법 및/또는 제거하는 방법에서 사용된 퍼지 기체는, 제한은 아니지만, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 제논 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 용융 금속 배스에 있는 특정 금속(들)과 눈에 띄게 반응하지 않거나 용해되지 않는 한 모든 적합한 기체가 퍼지 기체로 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 추가로, 기체들의 혼합물 또는 조합이 사용될 수 있다. 본원에 개시된 일부 구체예에 따라서, 퍼지 기체는 불활성 기체일 수 있거나, 또는 불활성 기체를 포함할 수 있다; 또는 달리, 퍼지 기체는 비활성 기체일 수 있거나, 또는 비활성 기체를 포함할 수 있다; 또는 달리, 퍼지 기체는 헬륨, 네온, 아르곤, 또는 이들의 조합일 수 있거나, 또는 이것을 포함할 수 있다; 또는 달리, 퍼지 기체는 헬륨일 수 있거나, 또는 헬륨을 포함할 수 있다; 또는 달리, 퍼지 기체는 네온일 수 있거나, 또는 네온을 포함할 수 있다; 또는 달리, 퍼지 기체는 아르곤일 수 있거나, 또는 아르곤을 포함할 수 있다. 추가로, 출원인은 일부 구체예에서 종래의 탈기 기술이 본원에 개시된 초음파 탈기 과정과 함께 사용될 수 있다는 것을 고찰한다. 따라서, 일부 구체예에서 퍼지 기체는 염소 기체를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 퍼지 기체로서 염소 기체는 단독으로 또는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 제논 중 적어도 하나와 조합하여 사용될 수 있다.

그러나, 본 발명의 다른 구체예에서, 용융 금속 배스 중의 용존 기체를 탈기하거나 또는 그 양을 감소시키는 방법은 염소 기체의 실질적인 부재하에, 또는 염소 기체가 존재하지 않는 상태에서 수행될 수 있다. 본원에서 사용되었을 때, 실질적인 부재는 사용된 퍼지 기체의 양을 기준으로 하여, 중량 기준으로 5% 이하의 염소 기체가 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 일부 구체예에서, 본원에 개시된 방법은 퍼지 기체를 도입하는 단계를 포함할 수 있으며, 이 퍼지 기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.

용융 금속의 배스로 도입된 퍼지 기체의 양은 다수의 요인들에 따라서 변할 수 있다. 주로 본 발명의 구체예에 따라서 용융 금속을 탈기하는 방법에서(및/또는 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 방법에서) 도입된 퍼지 기체의 양은 약 0.1 내지 약 150 표준 리터/min(L/min)의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 구체예에서, 도입된 퍼지 기체의 양은 약 0.5 내지 약 100 L/min, 약 1 내지 약 100 L/min, 약 1 내지 약 50 L/min, 약 1 내지 약 35 L/min, 약 1 내지 약 25 L/min, 약 1 내지 약 10 L/min, 약 1.5 내지 약 20 L/min, 약 2 내지 약 15 L/min, 또는 약 2 내지 약 10 L/min의 범위일 수 있다. 이들 체적량 유속은 분 당 표준 리터의 단위이며, 즉 표준 온도(21.2℃) 및 압력(101kPa)에서 정해진다.

연속 또는 반연속 용융 금속 작업에서, 용융 금속의 배스에 도입된 퍼지 기체의 양은 용융 금속 유출 또는 생산 속도에 기초하여 변할 수 있다. 따라서, 이러한 구체예에 따라서 용융 금속을 탈기하는 방법에서(및/또는 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 방법에서) 도입된 퍼지 기체의 양은 용융 금속 kg/hr(mL 퍼지 기체/kg 용융 금속) 당 퍼지 기체 약 10 내지 약 500 mL/hr의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 구체예에서, 용융 금속의 유출 속도에 대한 퍼지 기체의 체적량 유량의 비율은 약 10 내지 약 400 mL/kg; 또는 달리 약 15 내지 약 300 mL/kg; 또는 달리 약 20 내지 약 250 mL/kg; 또는 달리 약 30 내지 약 200 mL/kg; 또는 달리 약 40 내지 약 150 mL/kg; 또는 달리 약 50 내지 약 125 mL/kg의 범위일 수 있다. 상기와 같이, 퍼지 기체의 체적량 유속은 표준 온도(21.2℃) 및 압력(101kPa)에서 정해진다.

본 발명의 구체예와 일치하는 용융 금속을 탈기하는 방법은 용융 금속 배스에 존재하는 용존 기체의 약 10 중량 퍼센트를 초과하는 양을 제거하는데 효과적일 수 있으며, 즉 용융 금속 배스 중의 용존 기체의 양은 탈기 과정이 사용되기 전에 존재하는 용존 기체의 양으로부터 약 10 중량 퍼센트를 초과해서까지 감소될 수 있다. 일부 구체예에서, 존재하는 용존 기체의 양은 탈기 방법이 사용되기 전에 존재하는 용존 기체의 양으로부터 약 15 중량 퍼센트 초과, 약 20 중량 퍼센트 초과, 약 25 중량 퍼센트 초과, 약 35 중량 퍼센트 초과, 약 50 중량 퍼센트 초과, 약 75 중량 퍼센트 초과, 또는 약 80 중량 퍼센트 초과해서까지 감소될 수 있다. 예를 들어, 용존 기체가 수소라면 약 0.3ppm 또는 0.4ppm 또는 0.5ppm(질량 기준)을 초과하는 알루미늄 또는 구리를 함유하는 용융 배스 중 수소의 수준이 해로울 수 있고, 주로 용융 금속 중 수소 함량은 약 0.4ppm, 약 0.5ppm, 약 0.6ppm, 약 0.7ppm, 약 0.8ppm, 약 0.9ppm, 약 1ppm, 약 1.5ppm, 약 2ppm, 또는 2ppm 초과일 수 있다. 본 발명의 구체예에 개시된 방법을 사용하는 것은 용융 금속 배스 중의 용존 기체의 양을 약 0.4ppm 미만까지, 또는 달리 약 0.3ppm 미만까지, 또는 달리 약 0.2ppm 미만까지, 또는 달리 약 0.1 내지 약 0.4ppm의 범위 내까지, 또는 달리 약 0.1 내지 약 0.3ppm의 범위 내까지, 또는 달리 약 0.2 내지 약 0.3ppm의 범위 내까지 감소시킬 수 있다는 것이 고려된다. 이들 및 다른 구체예에서, 용존 기체는 수소일 수 있거나 수소를 포함할 수 있고, 용융 금속 배스는 알루미늄 및/또는 구리일 수 있거나, 또는 이것을 포함할 수 있다.

탈기 방법(예를 들어, 용융 금속을 포함하는 배스에서 용존 기체의 양을 감소시키는) 또는 불순물 제거 방법에 관한 본 발명의 구체예는 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 초음파 장치는 초음파 변환기 및 연장된 프로브를 포함할 수 있고, 프로브는 제1 단부 및 제2 단부를 포함할 수 있다. 제1 단부는 초음파 변환기에 부착될 수 있고, 제2 단부는 첨단부를 포함할 수 있으며, 연장된 프로브의 첨단부는 니오븀을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 과정 및 방법에서 사용될 수 있는 초음파 장치의 예시적인 비제한적 예들에 대한 자세한 내용은 하기에서 더 논의될 것이다. 이것은 초음파 탈기 과정 또는 불순물을 제거하기 위한 과정에 속하기 때문에 퍼지 기체가, 예를 들어 초음파 장치 근처의 장소에서 용융 금속 배스로 도입될 수 있다. 주로 퍼지 기체는 초음파 장치의 첨단부 근처의 장소에서 용융 금속 배스로 도입될 수 있다. 퍼지 기체는 초음파 장치의 첨단부의 약 1 미터 이내에서, 예를 들어 초음파 장치의 첨단부의 약 100cm 이내, 약 50cm 이내, 약 40cm 이내, 약 30cm 이내, 약 25cm 이내, 또는 약 20cm 이내에서 용융 금속 배스로 도입될 수 있다는 것이 고려된다. 일부 구체예에서, 퍼지 기체는 초음파 장치의 첨단부의 약 15cm 이내에서, 또는 달리 약 10cm 이내에서, 또는 달리 약 8cm 이내에서, 또는 달리 약 5cm 이내에서, 또는 달리 약 3cm 이내에서, 또는 달리 약 2cm 이내에서, 또는 달리 약 1cm 이내에서 용융 금속 배스로 도입될 수 있다. 특정 구체예에서, 퍼지 기체는 초음파 장지의 첨단부에 인접해서 또는 통해서 용융 금속 배스로 도입될 수 있다.

이런 이론에 결부되기를 의도치는 않지만, 출원인은 상승작용적 효과가 초음파 장치의 사용과 근접해서 퍼지 기체의 혼입 사이에 존재할 수 있으며, 그 결과 용융 금속을 함유하는 배스에서 용존 기체의 양의 극적인 감소가 얻어진다고 생각한다. 출원인은 초음파 장치에 의해서 생성된 초음파 에너지가 용융물에서 공동화 기포들을 생성하고, 거기에 용존 기체가 확산될 수 있다고 생각된다. 그러나, 출원인은 퍼지 기체의 부재시 공동화 기포의 대부분은 용융 금속의 배스 표면에 도달하기 전에 붕괴될 수 있다고 생각한다. 출원인은 퍼지 기체가 표면에 도달하기 전에 붕괴하는 공동화 기포의 양을 줄일 수 있고, 및/또는 용존 기체를 함유하는 기포의 크기를 증가시킬 수 있고, 및/또는 용융 금속 배스 중의 기포의 수를 증가시킬 수 있고, 및/또는 용융 금속 배스의 표면까지 용존 기체를 함유하는 기포의 수송 속도를 증가시킬 수 있다고 생각한다. 실제 메커니즘과 무관하게 출원인은 근접해서 퍼지 기체의 공급원과 조합된 초음파 장치의 사용이 용융 금속 배스로부터 용존 기체의 제거에 있어서 상승작용적 개선과 용융 금속 중 용존 기체의 양의 상승작용적 감소를 제공할 수 있다고 생각한다. 다시 이론과 결부되기를 원치는 않지만, 출원인은 초음파 장치가 초음파 장치의 첨단부에 근접한 이내에서 공동화 기포를 생성할 수 있다고 생각한다. 예를 들어, 약 2 내지 5cm의 직경을 가진 첨단부를 갖는 초음파 장치의 경우, 공동화 기포는 붕괴 전에 초음파 장치의 첨단부의 약 15cm, 약 10cm, 약 5cm, 약 2cm, 또는 약 1cm 이내에 있을 수 있다. 퍼지 기체가 초음파 장치의 첨단부로부터 너무 먼 거리에서 추가되면 퍼지 기체는 공동화 기포로 확산할 수 없을 수 있다. 그래서 이론과 결부되지는 않지만 출원인은 퍼지 기체가 초음파 장치의 첨단부의 약 25cm 또는 약 20cm 이내에서, 더 유리하게는 초음파 장치의 첨단부의 약 15cm 이내, 약 10cm 이내, 약 5cm 이내, 약 2cm 이내, 또는 약 1cm 이내에서 용융 금속 배스로 도입되는 것이 유리할 수 있다고 생각한다.

본 발명의 구체예에 따른 초음파 장치는, 예를 들어 본원에 그 전체가 참고자료로 포함되는 미국 특허공개 No. 2009/0224443에 개시된, 알루미늄 또는 구리와 같은 용융 금속과 접촉할 수 있다. 용융 금속에서 용존 기체 함량(예를 들어, 수소)을 감소시키기 위한 초음파 장치에서, 니오븀 또는 그것의 합금은 장치가 용융 금속에 노출된 경우 장치에 대한 보호 장벽으로서, 또는 용융 금속에 직접 노출되는 장치의 구성요소로서 사용될 수 있다.

본 발명의 구체예는 용융 금속과 직접 접촉하는 구성요소의 수명을 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구체예는 용융 금속과 접촉하는 재료의 분해를 감소시키기 위해서 니오븀을 사용할 수 있으며, 그 결과 최종 제품에서 상당한 품질 개선이 얻어진다. 다시 말해서, 본 발명의 구체예는 보호 장벽으로서 니오븀을 사용함으로써 용융 금속과 접촉하는 재료 또는 구성요소의 수명을 증가시키거나, 또는 그것을 보존할 수 있다. 니오븀은 본 발명의 상기 언급된 구체예를 제공하는데 도움을 줄 수 있는 특성, 예를 들어 그것의 높은 용융점을 가질 수 있다. 게다가, 니오븀은 또한 약 200℃ 이상의 온도에 노출되었을 때 보호성 산화물 장벽을 형성할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 구체예는 용융 금속과 직접 접촉하거나 접속하는 구성요소의 수명을 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 니오븀은 어떤 용융 금속과는 낮은 반응성을 가지기 때문에 니오븀을 사용함으로써 기판 재료가 분해되는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 구체예는 기판 재료의 분해를 감소시키기 위하여 니오븀을 사용할 수 있으며, 그 결과 최종 제품에서 상당한 품질 개선이 얻어진다. 따라서, 용융 금속과 관련하여 니오븀은 니오븀의 높은 용융점과 알루미늄 및/또는 구리와 같은 용융 금속과의 낮은 반응성을 조합할 수 있다.

일부 구체예에서, 니오븀 또는 그것의 합금은 초음파 변환기 및 연장된 프로브를 포함하는 초음파 장치에서 사용될 수 있다. 연장된 프로브는 제1 단부 및 제2 단부를 포함할 수 있으며, 제1 단부는 초음파 변환기에 부착될 수 있고, 제2 단부는 첨단부를 포함할 수 있다. 이 구체예에 따라서, 연장된 프로브의 첨단부는 니오븀(예를 들어, 니오븀 또는 그것의 합금)을 포함할 수 있다. 초음파 장치는 상기 논의된 대로 초음파 탈기 과정에서 사용될 수 있다. 초음파 변환기는 초음파 파를 생성할 수 있고, 변환기에 부착된 프로브는 초음파 파를 알루미늄, 구리, 아연, 스틸, 마그네슘 등, 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합(예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 스틸, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함하는)과 같은 용융 금속을 포함하는 배스로 이송할 수 있다.

도 1은 초음파 장치(300)에서 니오븀 및 다른 재료를 사용하는 것을 예시하며, 초음파 장치는 용융 금속에서 용존 기체 함량을 감소시키기 위해서 사용될 수 있다. 초음파 장치(300)는 초음파 변환기(360), 증가된 유출을 위한 부스터(350), 및 변환기(360)에 부착된 초음파 프로브 조립체(302)를 포함할 수 있다. 초음파 프로브 조립체(302)는 연장된 초음파 프로브(304)와 초음파 매질(312)을 포함할 수 있다. 초음파 장치(300)와 초음파 프로브(304)는 일반적으로 원통 형상일 수 있지만, 이것은 필수요건은 아니다. 초음파 프로브(304)는 제1 단부 및 제2 단부를 포함할 수 있고, 여기서 제1 단부는 초음파 변환기(360)에 부착된 초음파 프로브 샤프트(306)를 포함한다. 초음파 프로브(304) 및 초음파 프로브 샤프트(306)는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 예시적인 재료는, 제한은 아니지만, 스테인리스 스틸, 티타늄, 니오븀, 세라믹(예를 들어, 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 등) 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 초음파 프로브(304)의 제2 단부는 초음파 프로브 첨단부(310)를 포함할 수 있다. 초음파 프로브 첨단부(310)는 니오븀을 포함할 수 있다. 또는 달리, 첨단부(310)는 본질적으로 니오븀으로 이루어지거나, 또는 니오븀으로 구성된다. 니오븀은 하나 이상의 다른 금속과 합금을 이룰 수 있거나, 또는 니오븀은 다른 재료의 베이스 층 위에 도금되거나 또는 코팅된 층일 수 있다. 예를 들어, 첨단부(310)는 내부층과 외부층을 포함할 수 있으며, 여기서 내부층은 세라믹 또는 금속 재료(예를 들어, 티타늄)을 포함할 수 있고, 외부층은 니오븀을 포함할 수 있다. 이 구체예에서, 니오븀을 포함하는 외부층의 두께는 약 25 마이크론 미만, 또는 약 10 마이크론 미만일 수 있거나, 또는 달리 약 2 내지 약 8 마이크론의 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 니오븀을 포함하는 외부층의 두께는 약 3 내지 약 6 마이크론의 범위일 수 있다.

초음파 프로브 샤프트(306)와 초음파 프로브 첨단부(310)는 커넥터(308)로서 이어질 수 있다. 커넥터(308)는 샤프트(306)와 첨단부(310)를 부착하기 위한 수단을 표시할 수 있다. 예를 들어, 샤프트(306)와 첨단부(310)는 볼트로 접합되거나, 또는 함께 납땜될 수 있다. 한 구체예에서, 커넥터(308)는 샤프트(306)가 홈이 있는 스레딩을 함유하고, 첨단부(310)가 샤프트(306)에 나사로 고정될 수 있다는 것을 표시할 수 있다. 초음파 프로브 샤프트(306)와 초음파 프로브 첨단부(310)는 상이한 재료를 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 예를 들어, 초음파 프로브 샤프트(306)는 티타늄 및/또는 니오븀일 수 있거나, 또는 이들을 포함할 수 있고, 초음파 프로브 첨단부(310)는 니오븀일 수 있거나, 또는 니오븀을 포함할 수 있다. 또는 달리, 초음파 프로브 샤프트(306)는 티타늄 및/또는 세라믹(예를 들어, 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 등)일 수 있거나, 또는 이들을 포함할 수 있고, 초음파 프로브 첨단부(310)는 세라믹(예를 들어, 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 등)일 수 있거나, 또는 이들을 포함할 수 있다.

다른 구체예에서, 초음파 프로브(304)는 단일 피스일 수 있는데, 예를 들어 초음파 프로브 샤프트(306)와 초음파 프로브 첨단부(310)가 동일한 구성을 가진 일체형 부분이다. 이러한 예에서, 초음파 프로브는, 예를 들어 니오븀 또는 그것의 합금, 세라믹(예를 들어, 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 등), 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 초음파 장치(300)는 내부관(328), 중심관(324), 외부관(320), 및 보호관(340)을 포함할 수 있다. 이런 관들 또는 채널들은 초음파 프로브(304)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있고, 일반적으로 어떤 적합한 금속 또는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 초음파 프로브 첨단부(310)는 용융 금속의 배스에 배치될 것으로 예상될 수 있다. 그러나, 보호관(340)의 일부는 또한 용융 금속에 침지될 수 있다는 것이 고려된다. 따라서, 보호관(340)은 티타늄, 니오븀, 세라믹(예를 들어, 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 등), 또는 이들 재료 중 하나 이상의 조합일 수 있거나, 또는 이들을 포함할 수 있다. 도 1에 예시된 대로, 관(328, 324, 320 및 340)에 유체(322, 326 및 342)가 함유될 수 있다. 유체는 액체 또는 기체(예를 들어, 아르곤)일 수 있으며, 이것의 목적은 초음파 장치(300)에, 특히 초음파 프로브 첨단부(310)와 보호관(340)에 냉각을 제공하는 것일 수 있다.

초음파 장치(300)는 단부 캡(344)을 포함할 수 있다. 보호관(340)과 프로브 첨단부(310) 사이의 틈새를 단부 캡이 연결할 수 있으며, 용융 금속이 초음파 장치(300)로 들어가는 것을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 보호관(340)과 유사하게, 단부 캡(344)은, 예를 들어 티타늄, 니오븀, 세라믹(예를 들어, 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 등), 또는 이들 재료 중 하나 이상의 조합일 수 있거나, 또는 이들을 포함할 수 있다.

초음파 프로브 첨단부(310), 보호관(340), 또는 단부 캡(344), 또는 세 가지 모두는 니오븀을 포함할 수 있다. 니오븀이 단독으로 사용될 수 있거나, 니오븀이 하나 이상의 다른 금속과 합금을 이룰 수 있거나, 또는 니오븀이 다른 재료의 베이스 층 위에 도금되거나 또는 코팅된 층일 수 있다. 예를 들어, 초음파 프로브 첨단부(310), 보호관(340), 또는 단부 캡(344), 또는 세 가지 모두는 내부층과 외부층을 포함할 수 있으며, 여기서 내부층은 세라믹 또는 금속 재료를 포함할 수 있고, 외부층은 니오븀을 포함할 수 있다. 초음파 장치의 일부에서 니오븀의 존재는 장치의 수명을 개선할 수 있고, 용융 금속과 접촉했을 때 화학적 반응성을 전혀 또는 거의 제공하지 않을 수 있고, 용융 금속의 용융 온도에서 강도를 제공할 수 있고, 초음파 파들을 전파할 수 있는 능력을 가질 수 있다고 예상될 수 있다. 본 발명의 일부 구체예에 따라서, 초음파 장치의 첨단부(310)가 니오븀을 포함하지 않을 때, 그 첨단부는 용융 금속 배스(예를 들어, 알루미늄 또는 구리의)에서 단지 약 15-30분 후에는 부식 또는 분해를 나타낼 수 있다. 반면에, 초음파 장치의 첨단부가 니오븀을 포함할 때, 그 첨단부는 적어도 1시간 이상 후에 부식 또는 분해를 전혀 또는 최소한 나타낼 수 있으며, 예를 들어 적어도 2시간 후, 적어도 3시간 후, 적어도 4시간 후, 적어도 5시간 후, 적어도 6시간 후, 적어도 12시간 후, 적어도 24시간 후, 적어도 48시간 후, 또는 적어도 72시간 후에 부식 또는 분해를 나타내지 않을 수 있다.

또 다른 구체예에서, 초음파 프로브 첨단부(310), 보호관(340) 또는 단부 캡(344), 또는 세 가지 모두는 세라믹, 예를 들어 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아 등을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 프로브 샤프트(306)는 세라믹, 또는 달리 티타늄을 포함할 수 있다.

도 2는 니오븀, 세라믹, 예를 들어 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아, 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있는 다른 초음파 장치(400)를 예시한다. 초음파 장치(400)는 초음파 변환기(460), 증가된 유출을 위한 부스터(450), 및 변환기(460)에 부착된 초음파 프로브 조립체(402)를 포함할 수 있다. 부스터(450)는 약 1:1 초과, 예를 들어 약 1.2:1 내지 약 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1의 부스트 수준에서 증가된 유출을 허용할 수 있다. 높이가 H인 부스터 클램프 조립체(451)가 사용될 수 있으며, 여기서 높이 H는 상이한 길이의 초음파 프로브를 수용하기 위하여 필요에 따라 변화될 수 있다. 초음파 프로브 조립체(402)는 도 1에 묘사된 연장된 초음파 프로브와 초음파 프로브 첨단부(410)를 포함할 수 있다. 초음파 프로브와 첨단부는, 제한은 아니지만, 스테인리스 스틸, 티타늄, 니오븀, 세라믹 등, 또는 이들의 혼합물, 이들의 합금 및 이들의 코팅을 포함해서 이들의 조합을 포함하는 앞서 논의된 다양한 재료들로 구성될 수 있다.

초음파 장치(400)는 초음파 장치(400) 근처의 장소에서 (예를 들어, 용융 금속 배스로) 퍼지 기체를 도입하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 외부 퍼지 기체 분사 시스템(미도시)이 용융 금속 배스에 배치될 수 있고, 분사 부위는 도 1 및/또는 도 2의 초음파 장치 근처일 수 있다는 것이 고려된다. 또는 달리, 초음파 장치는 퍼기 기체 출구를 포함할 수 있으며, 이로써 퍼지 기체는 초음파 장치의 첨단부에서 또는 근처에서 배출될 수 있다. 예를 들어, 퍼지 기체는 초음파 장치의 단부 캡을 통해서 및/또는 초음파 장치의 프로브를 통해서 배출될 수 있다. 다시 도 2를 참조하면, 초음파 장치는 퍼지 기체 송달 채널(413)에 연결된, 퍼기 기체 입구 포트(424) 및 분사 챔버(425)를 포함할 수 있다. 퍼지 기체는 초음파 장치(400)의 첨단부(410)에 또는 근처에 위치된 퍼지 기체 송달 공간(414)으로 송달되어 그것을 통해서 배출될 수 있다. 퍼지 기체 송달 공간(414), 또는 퍼지 기체 출구는 초음파 장치(400)의 첨단부(410)의 약 10cm 이내에, 예를 들어 초음파 장치의 첨단부의 약 5cm 이내, 약 3cm 이내, 약 2cm 이내, 약 1.5cm 이내, 약 1cm 이내, 또는 약 0.5cm 이내에 있을 수 있다는 것이 고려된다.

추가로, 초음파 장치(400)는 초음파 냉각장치 시스템(429)을 포함할 수 있으며, 이것은 초음파 첨단부 및/또는 초음파 프로브 및/또는 초음파 프로브 조립체를 초음파 장치의 첨단부(410)의 외부면이 경험하는 용융 금속의 상승된 온도와는 반대로 실온(예를 들어, 온도는 약 15℃ 내지 약 75℃, 또는 약 20℃ 내지 약 35℃의 범위일 수 있다)보다 냉각된 온도로 유지하도록 설계될 수 있다. 초음파 냉각장치 시스템은 초음파 프로브 및 조립체가 니오븀, 세라믹, 예를 들어 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아, 또는 다른 적합한 재료를 포함하면 필요하지 않을 수 있다는 것이 고려된다. 도 2의 초음파 냉각장치 시스템(429)은, 예를 들어 내부관(328), 중심관(324), 외부관(320), 보호관(340), 및 초음파 장치에 냉각 및/또는 온도 제어를 제공하도록 설계된 유체(322, 326 및 342)를 포함하는 도 1에 묘사된 시스템과 유사할 수 있다. 유체는 액체 또는 기체일 수 있으며, 유체는 퍼지 기체와 동일한 물질일 수 있다는 것이 고려된다.

도 3은 니오븀, 세라믹, 예를 들어 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아, 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있는 또 다른 초음파 장치(500)를 예시한다. 초음파 장치(500)는 초음파 변환기(560), 증가된 유출을 위한 부스터(550), 및 변환기(560)에 부착된 초음파 프로브 조립체(510)를 포함할 수 있다. 부스터(550)는 약 1:1 초과, 예를 들어 약 1.2:1 내지 약 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1의 부스트 수준에서 증가된 유출을 허용할 수 있다. 초음파 프로브(510)는 단일 피스일 수 있거나, 또는 초음파 프로브(510)는 도 1에 묘사된 것과 유사하게 초음파 프로브 샤프트와 선택적인 (그리고 대체가능한) 초음파 프로브 첨단부(511)를 포함할 수 있다. 초음파 프로브와 첨단부는, 제한은 아니지만, 스테인리스 스틸, 티타늄, 니오븀, 세라믹 등, 또는 이들의 혼합물, 이들의 합금 및 이들의 코팅을 포함해서 이들의 조합을 포함하는 앞서 논의된 다양한 재료들로 구성될 수 있다.

초음파 장치(500)는 초음파 장치(500) 근처의 장소에서 및/또는 초음파 프로브 첨단부(511) 근처의 장소에서 (예를 들어, 용융 금속 배스로) 퍼지 기체를 도입하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 상기와 같이, 외부 퍼지 기체 분사 시스템(미도시)이 용융 금속 배스에 위치될 수 있고, 분사 부위는 도 3의 초음파 장치 근처일 수 있다는 것이 고려된다. 또는 달리, 초음파 장치는 퍼지 기체 출구를 포함할 수 있으며, 이로써 퍼지 기체는 초음파 장치의 첨단부에서 또는 근처에서 배출될 수 있다. 예를 들어, 퍼지 기체는 초음파 장치의 프로브/첨단부를 통해서 배출될 수 있다. 다시 도 3을 참조하면, 초음파 장치는 부스터(550)를 구비한 챔버에 있는 퍼지 기체 입구 포트(522), 상부 하우징(520), 하부 지지 하우징(521), 및 하부 지지 하우징 커버(523)를 포함할 수 있다. 상부 하우징(520)은 기밀성 및/또는 누출방지성일 수 있다. 퍼지 기체 입구 포트(522)는 퍼지 기체 송달 채널(524)에 연결될 수 있고, 이것은 초음파 프로브(510) 내에 함유될 수 있다. 퍼지 기체는 초음파 장치(500)의 첨단부(511)에 위치된 퍼지 기체 분사 지점(525)(또는 퍼지 기체 출구 포트)으로 송달되어 그것을 통해서 배출될 수 있다. 따라서, 이 구체예에서, 초음파 장치(500)는 초음파 프로브의 첨단부에 퍼지 기체 분사 지점이 있는 퍼지 기체 분사 시스템을 포함하는 초음파 프로브(510)를 포함할 수 있다.

선택적으로, 초음파 장치(500)는 도 1 및/또는 도 2에 대해 상기 설명된 것과 같은 초음파 냉각장치 시스템을 포함할 수 있지만, 이것이 필수요건은 아니다.

또 다른 초음파 장치가 도 4에 예시된다. 초음파 장치(600)는 초음파 변환기(660), 증가된 유출을 위한 부스터(650), 및 변환기(660)와 부스터(650)에 부착된 초음파 프로브(610)를 포함할 수 있다. 부스터(650)는 변환기(660)와 통신하는 상태에 있을 수 있고, 약 1:1을 초과하는, 예를 들어 약 1.2:1 내지 약 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1의 부스트 수준에서 증가된 유출을 허용할 수 있다. 일부 구체예에서, 부스터는 티타늄과 같은 금속일 수 있거나, 또는 그것을 포함할 수 있다. 초음파 프로브(610)는 단일 피스일 수 있거나, 또는 초음파 프로브(610)는 도 1에 묘사된 것과 유사하게 초음파 프로브 샤프트 및 선택적인(및 대체가능한) 초음파 프로브 첨단부를 포함할 수 있다. 초음파 프로브(610)는 변환기(660) 및/또는 부스터(650)에 한쪽 단부가 부착되고, 나머지 단부가 프로브의 첨단부를 포함하는 연장된 프로브(예를 들어, 일반적으로 원통형)에만 형상 및 디자인이 제한되지 않는다. 한 구체예에서, 프로브는 일반적으로 원통형일 수 있지만, 프로브의 중간 부분이 클램프나 다른 부착 메커니즘에 의해서 변환기/부스터에 고정될 수 있으며, 이로써 프로브는 어느 것도 변환기/부스터에 직접 부착되지 않는 두 첨단부를 갖게 된다. 또 다른 구체예에서, 프로브는 구체, 첨단부에 구체 부분을 가진 원통형 등과 같은 다른 기하학적 형상일 수도 있다.

초음파 프로브(610)는, 제한은 아니지만, 스테인리스 스틸, 티타늄, 니오븀, 세라믹 등, 또는 이들의 혼합물, 이들의 합금, 및 이들의 코팅을 포함해서 이들의 조합을 포함하는 앞서 논의된 다양한 재료로 구성될 수 있다. 어떤 구체예에서, 초음파 프로브(610)는 세라믹 재료일 수 있거나, 또는 그것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 프로브는 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아, 또는 이들의 조합; 또는 달리 사이알론; 또는 달리 탄화규소; 또는 달리 탄화붕소; 또는 달리 질화붕소; 또는 달리 질화규소; 또는 달리 질화알루미늄; 또는 달리 산화알루미늄; 또는 달리 지르코니아일 수 있거나, 또는 그것을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 초음파 프로브(610)는 단일 피스일 수 있으며, 예를 들어 프로브는 변환기/부스터에 부착된 단부에서 프로브 첨단부까지 동일한 구성 또는 조성을 가진 일체형 부분이다.

본원에 개시된 구체예에서 사용될 수 있는 전형적인 사이알론은 규소(Si), 알루미늄(Al), 산소(O) 및 질소(N) 원소를 함유하는 세라믹 합금이다. 더욱이, 당업자에 의해서 인정되는 대로, α-사이알론 및 β-사이알론 등급이 있다. 초음파 프로브(610)는 사이알론을 포함할 수 있으며, 더 나아가 이것의 적어도 20%(중량 기준)는 α-사이알론(또는 β-사이알론)일 수 있다. 이론에 결부되기를 원치는 않지만, 출원인은 적어도 20%(중량 기준), 또는 30%(중량 기준), 또는 약 20% 내지 약 50%의 범위의 중량 퍼센트의 β-사이알론의 사용이 더 강하며 더 내구성 있는 초음파 프로브(예를 들어, 파손 경향이 적은)를 제공할 수 있다고 생각한다.

초음파 장치(600)는 초음파 장치(600) 근처의 장소에서 및/또는 초음파 프로프 첨단부 근처의 장소에서 기체를 (예를 들어, 용융 금속 배스로 퍼지 기체를) 도입하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 상기와 같이, 외부 퍼지 기체 분사 시스템(미도시)이 용융 금속 배스에 배치될 수 있고, 분사 부위는 도 4의 초음파 장치 근처일 수 있다는 것이 고려된다. 또는 달리, 초음파 장치는 기체 송달 시스템을 포함할 수 있으며, 이로써 기체는 초음파 장치의 첨단부에서 또는 근처에서 배출될 수 있다. 예를 들어, 기체는 초음파 장치의 프로브/첨단부를 통해서 배출될 수 있다. 다시 도 4를 참조하면, 초음파 장치(600)는 부스터(650)에 있는 챔버에 기체 입구 포트(622)를 포함할 수 있다. 기체 입구 포트(622)는 기체 송달 채널(624)에 연결될 수 있고, 이것은 부스터(650)에서 초음파 프로브(610)의 첨단부까지 연장될 수 있다. 기체 입구 포트(622) 및 부스터(650)의 일부는 기밀성 및/또는 누출방지성 하우징 안에 함유될 수 있다. 기체는 초음파 프로브(610)의 첨단부에 위치된 기체 분사 지점(625)(또는 기체 출구)으로 송달되어 그것을 통해서 배출될 수 있다. 따라서, 이 구체예에서, 초음파 장치(600)는 초음파 프로브의 첨단부에 기체 분사 지점이 있는 기체 송달 시스템을 포함하는 초음파 프로브(610)를 포함할 수 있다.

기체 송달 채널(624)은 도 4에서 부스터(650)와 부스터에 가장 근접한 초음파 프로브(610)의 부분에 있는 큰 유로, 및 기체 분사 지점(625)에 있는 작은 유로를 갖는 것으로 도시되지만, 이것은 필수요건은 아니다. 예를 들어, 기체 송달 채널(624)의 크기는 기체 입구 포트(622)에서 초음파 프로브(610)에 있는 기체 분사 지점(625)까지 실질적으로 동일한 크기(예를 들어, ±10-20% 이내)일 수 있다.

이론과 결부되기를 원치는 않지만, 출원인은 초음파 프로브의 단면적에 대해 기체 분사 지점에서 유로(예를 들어, 단면적)가 작을수록 기체가 프로브를 빠져나갈 때 기체의 더 높은 속도로 인해서 월등한 탈기를 가져올 수 있다고 생각한다. 일부 구체예에서, 초음파 프로브의 단면적 대 기체 송달 채널의 단면적의 비(즉, 기체 분사 지점 또는 기체 출구에서)는 약 30:1 내지 약 1000:1, 약 60:1 내지 약 1000:1, 또는 약 60:1 내지 약 750:1의 범위일 수 있다. 다른 구체예에서, 초음파 프로브의 단면적 대 기체 송달 채널의 단면적의 비(즉, 기체 분사 지점 또는 기체 출구에서)는 약 60:1 내지 약 700:1, 약 100:1 내지 약 700:1, 또는 약 200:1 내지 약 1000:1의 범위일 수 있다. 이들 및 다른 구체예에서, 초음파 프로브(예를 들어, 일체형 연장된 프로브)의 길이 대 직경 비(L/D)는 약 5:1 내지 약 25:1, 약 5:1 내지 약 12:1, 약 7:1 내지 약 22:1, 약 10:1 내지 약 20:1, 또는 약 11:1 내지 약 18:1의 범위일 수 있다.

사이알론과 같은 세라믹 재료를 함유하는 초음파 프로브에 관한 구체예에서, 초음파 프로브(610)를 부스터(650)와 변환기(660)에 고정하기 위한 수단으로서 부착 너트(603)를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 부착 너트(603)는 수축-끼워맞춤 세라믹 부착과 비교하여 월등한 내구성 및 긴수명을 제공할 수 있다. 부착 너트(603)는, 예를 들어 티타늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 다양한 재료로 구성될 수 있고, 견고한 고정을 위해서 최적 피치(내부) 트레드를 함유할 수 있는데, 이는 세라믹 프로브에 파손 경향을 심하게 하는 나삿니를 형성할 필요성을 완화한다. 또한, 부스터(650)는 외부 나삿니를 가질 수 있고, 그 위에 부착 너트(603)(및 따라서 프로브(610))가 견고하게 고정될 수 있다. 일반적으로, 부착 너트의 크기 및/또는 중량을 기계적으로 실현가능한 만큼 낮게 유지하는 것이 유리할 수 있으며, 이로써 프로브의 초음파 진동 특성이 악영향을 미치지 않게 된다.

어떤 구체예에서, 프로브(610)는 프로브의 부착 측면에서 큰 곡률(615) 반경을 가질 수 있다. 이론에 결부되기를 원치는 않지만, 출원인은 프로브의 부착 측면에서(예를 들어, 부착 너트에 근접한) 작은 곡률 반경은, 특히 탈기 과정에서 증가된 공동화 및 월등한 용존 기체 제거를 위해서 요구될 수 있는 높은 초음파 출력 및/또는 진폭에서, 프로브의 증가된 파손을 가져올 수 있다고 생각한다. 여기서 고려된 특정 구체예에서, 곡률(615)의 반경은 적어도 약 1/2", 적어도 약 5/8", 적어도 약 3/4", 적어도 약 1" 등일 수 있다. 이러한 곡률 반경은 프로브의 실제 크기(예를 들어, 다양한 프로브 직경)와 무관하게 바람직할 수 있다.

선택적으로, 초음파 장치(600)는 도 1 및/또는 도 2에 대해 상기 설명된 것과 같은 초음파 냉각장치 시스템을 포함할 수 있지만, 이것이 필수요건은 아니다. 다시 도 4를 참조하면, 초음파 장치(600)는 또는 달리 선택적으로 열 보호 하우징(640)을 포함한다. 이 하우징은 일반적으로 어떤 적합한 금속 및/또는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 초음파 프로브(610)는 용융 금속의 배스에 배치될 것이며, 따라서 열 보호 하우징은 부스터(650), 부착 너트(603) 및 초음파 프로브(610)의 일부분을 과도한 열로부터 차폐하기 위해서 사용될 수 있다. 원한다면 냉매가 열 보호 하우징(640) 내부에 및/또는 주위에 순환될 수 있다. 냉매는 액체(예를 들어, 물) 또는 기체(예를 들어, 아르곤, 질소, 공기 등)일 수 있다

도 1-4에 예시된 것들을 포함해서 본원에 개시된 초음파 장치는 어떤 범위의 출력 및 주파수에서 작동될 수 있다. 약 1" 이하의 프로브 직경을 가진 초음파 장치의 경우, 작동 출력은 주로 약 60 내지 약 275 와트의 범위일 수 있다. 예로서, 3/4" 프로브 직경에 대해 약 60 내지 약 120 와트의 작동 출력 범위, 및 1" 프로브 직경에 대해 약 120 내지 약 250 와트의 작동 출력 범위가 사용될 수 있다. 어떤 특정 주파수에 한정되기를 원치는 않지만, 초음파 장치는 전형적으로 약 10 내지 약 50kHz, 약 15 내지 약 40kHz의 범위일 수 있는 주파수에서, 또는 약 20kHz에서 작동될 수 있고, 초음파 탈기 방법은 전형적으로 약 10 내지 약 50kHz, 약 15 내지 약 40kHz의 범위일 수 있는 주파수에서, 또는 약 20kHz에서 수행될 수 있다.

본 발명의 어떤 구체예들이 설명되었지만, 다른 구체예들도 존재할 수 있다. 더욱이, 어떤 개시된 방법의 단계들은 본 발명을 벗어나지 않고, 단계들을 재순서화하고 및/또는 단계들을 삽입 또는 제거하는 것을 포함하여, 어떤 방식으로도 변형될 수 있다. 본 명세서는 실시예들을 포함하지만, 본 발명의 범위는 이후의 청구항들에 의해서 제시된다. 또한, 본 명세서는 구조적인 특징 및/또는 방법적인 행위에 특정된 언어로 설명되었지만, 청구항들은 상기 설명된 특징들 또는 행위들에 제한되지 않는다. 오히려, 상기 설명된 특정한 특징들 및 행위들은 본 발명의 예시적인 구체예들로서 개시된다.

실시예

실시예 1-4

실시예 1-4에서, 개시된 방법에 의해서 달성될 수 있는 알루미늄의 용융 배스에서 용존 수소의 양의 감소를 증명하기 위하여 일련의 시험이 수행되었다. 알루미늄의 대조군 샘플을 어떤 탈기 기술의 사용 전에 취하여 시험했다(실시예 1). 알루미늄의 용융 금속 배스는 약 1350℉(732℃)의 온도에서 작동되었다. 다음에, 종래의 탈기 기술인 회전 기체 퍼지를 사용해서 수소 제거의 종래 방법의 유효성을 결정했다(실시예 2). 실시예 3은 본원에 개시된 초음파 탈기 과정, 즉 퍼지 기체의 도입과 조합하여 초음파 장치를 사용했다. 실시예 3에서, 초음파 장치는 니오븀 첨단부를 함유했고, 초음파 장치의 이 첨단부는 알루미늄 배스에 배치되었다. 초음파 장치는 알루미늄의 용융 배스에서 20,000Hz(주파수)에서 작동되었다. 초음파 장치의 작동과 동시에 퍼지 기체인 아르곤을 분 당 약 4.7 표준 리터(L/min)의 속도로 용융 금속 배스에 도입했다. 아르곤은 초음파 장치의 첨단부를 따라 분사되었다(분사 지점과 첨단부 사이의 거리는 약 2cm 이하였다). 실시예 4는 종래의 탈기 기술과 조합하여 초음파 탈기 과정을 둘 다 이용했다.

실시예 1(탈기 없음), 실시예 2(종래의 탈기 후), 실시예 3(초음파 탈기 후) 및 실시예 4(초음파 및 종래의 탈기 후)의 알루미늄 샘플을 냉각시키고 진공하에 고화시켰다. 다음에, 각 실시예로부터 1 입방 센티미터(1cc = 1mL) 큐브를 측정해서 질량과 그에 따른 각 샘플의 알루미늄의 밀도를 결정했다. 알루미늄은 2.7g/cc의 이론 밀도를 갖는데, 알루미늄에서 수소 기체의 존재는 이 밀도를 감소시킬 것이다. 도 5는 알루미늄의 이론 밀도와 비교하여 실시예 1-4의 각각에서 밀도의 퍼센트 차이를 나타낸다. 도 5에서, 각 샘플이 알루미늄의 이론 밀도에 가까울수록(즉, 알루미늄의 밀도 이하의 퍼센트가 더 낮을수록) 탈기 과정은 더 효과적이다. 도 5에서 증명된 대로, 초음파 과정(실시예 3)은 종래의 기술(실시예 2)만큼 효과적이었고, 조합하여 두 가지 모두의 사용은(실시예 4) 약간 추가의 개선을 제공할 수 있다.

실시예 1-4의 알루미늄 샘플은 또한 ppm 수소 함량(질량 기준)에 대해서 평가되었다. 진공하에 냉각되고 고화된 주조 샘플을 수소 함량에 대해서 분석했다. 수소 함량 분석은 도 6에 요약된다. 도 6에서, ppm 단위의 수소 함량이 낮을수록 탈기 과정은 더 효과적이다. 도 6에서 증명된 대로, 초음파 과정(실시예 3)은 종래의 기술(실시예 2)보다 수소를 제거하는데 있어서 더 효과적이었고, 조합하여 두 가지 모두의 사용(실시예 4)은 어떤 추가의 이점을 제공하는 것으로 나타나지 않았다. 도 6의 데이터는 더 이상 신뢰되지 않는다. 출원인은 기재된 ppm 수소 함량의 결정에 분석 오차가 있었다고 생각한다.

실시예 5-8

실시예 5-8에서, 알루미늄의 용융 배스에서 용존 수소가 개시된 방법에 따라서 탈기될 수 있는 상대적 속도를 결정하기 위해서 일련의 시험이 수행되었다. 먼저, 소량의 알루미늄을 금속 배스에 용융했고, 이어서 약 1350℉(732℃)의 온도에서 유지했다. Alspek 유닛을 사용하여 mL/100g의 단위로 수소 함량의 베이스라인 판독값을 결정했다. Alspek 유닛은 용융 알루미늄 중의 용존 수소의 양을 결정하기 위해서 전해 반전지에서 부분 압력의 원리를 사용한다. 초음파 장치의 첨단부를 알루미늄 배스에 배치했고, 퍼지 기체인 아르곤을 분 당 약 1 표준 리터(L/min)의 속도로 용융 금속 배스에 첨가했다. 실시예 5-7의 경우, 초음파 장치를 3:1 부스터를 사용하고 20,000Hz에서 작동시켰으며, 최대 40,000Hz까지 또는 그 이상이 사용될 수도 있다. 실시예 5의 경우, 베이스라인 초음파 진동 진폭이 사용되었고, 초음파 전원 공급(와트)은 베이스라인 출력 수준이었다; 실시예 6의 경우, 초음파 진동 진폭은 베이스라인의 2배였고, 초음파 전원 공급의 출력 수준은 베이스라인의 1.9배였다; 실시예 7의 경우, 초음파 진동 진폭은 베이스라인의 3배였고, 초음파 전원 공급의 출력 수준은 베이스라인의 3.6배였다. 실시예 8의 경우, 초음파 장치가 사용되지 않았고, 단지 아르곤 퍼지 기체만 첨가되었다. 수소의 수준을 Alspek 유닛을 사용해서 시간에 따라 모니터하고 기록했다. 각 실험 사이에 수소를 알루미늄 배스에 첨가했고, 아르곤 기체의 첨가 전에 베이스라인을 결정했다.

도 3에 예시된 것과 유사한 초음파 장치가 실시예 5-8에서 사용되었다. 이 초음파 장치는 냉각 조립체를 갖지 않았고, 퍼지 기체는 초음파 프로브의 첨단부를 통해서 분사되었다. 초음파 프로브는 1"(2.5cm) 직경이었고, 프로브와 첨단부 둘 다 (단일 부분으로서) 하프늄과 티타늄을 함유하는 니오븀 합금으로 구성되었다.

도 7은 아르곤 퍼지 기체의 첨가(및 사용된다면 초음파 장치의 활성화) 후 시간의 함수로서 알루미늄 합금 100g 당 수소 mL 단위로 도시된 수소 농도의 플롯을 예시한다. 도 7은 실시예 5-7의 각각이 퍼지 기체만 사용했고 초음파 장치는 사용하지 않았던 실시예 8보다 (퍼지 기체와 초음파 장치를 사용하여) 상당히 더 빨리 알루미늄으로부터 수소를 탈기했다는 것을 증명한다. 실시예 6-7은 낮은 초음파 진동 진폭과 초음파 전원을 위해 낮은 베이스라인 출력 수준을 사용했던 실시예 5보다 약간 더 좋은 성능을 나타냈다.

실시예 9-10

실시예 9-10은 알루미늄 합금 5154(마그네슘을 함유하는)를 사용한 연속 주조 실험에서 수소 및 리튬/나트륨 불순물을 제거하기 위해서 퍼지 기체와 초음파 장치를 사용하는 것의 유효성을 결정하기 위한 대규모 시험이었다. 금속 배스의 온도는 약 1350℉(732℃)의 온도에서 유지되었다.

나트륨과 리튬 농도를 중량 퍼센트 단위로 분광계를 사용하여 결정했고, 수소 농도는 용융 알루미늄에 대한 Alscan 수소 분석장치를 사용하여 결정했다. 실시예 9는 대조군 실험이었으며, 실시예 9의 용융 알루미늄 합금에서 전반적인 나트륨 및 리튬 농도는 각각 0.00083%(8.3ppm) 및 0.00036%(3.6ppm)이었다. 실시예 9에서 수소 농도는 0.41 mL/lOOg였다.

실시예 5-8의 초음파 장치가 실시예 10에서 사용되었고, 20,000Hz에서 작동되었다. 초음파 장치의 작동과 함께 실시예 10에서는 아르곤 기체가 용융 금속 유출 kg/hr 당 약 80-85 mL/hr의 체적량 유속으로 용융 금속 배스에 첨가되었다(즉, 80-85mL 퍼지 기체/용융 금속 kg). 초음파 장치 및 아르곤 퍼지 기체의 사용 후, 용융 알루미늄 합금에서 나트륨 농도는 0.0001%(1ppm)의 최소 검출 한계 이하였고, 용융 알루미늄 합금에서 리튬 농도는 0.0003%(3ppm)였다. 실시예 10에서 수소 농도는 0.35 mL/lOOg로서 약 15% 감소했다.

실시예 11

실시예 11에서, 대략 1300℉(700℃)에서 용융 알루미늄을 함유하는 라운더에서 작동된, 도 4에 예시된 것과 유사한 일체형 사이알론 프로브를 가진 초음파 장치의 유용한 수명 또는 긴수명을 결정하기 위하여 시험을 수행했다.

초음파 장치 및 프로브는 초음파 장치와 무관한 3-시간 유지 셧다운을 제외하면 연속적으로 작동되었다. 연장된 프로브는 3/4" 직경이었고, 사이알론으로 제조되었고, 약 20kHz(19.97kHz)에서 작동되었다. 출력 수준은 60 내지 90 와트 사이였다. 디지털 게이지를 사용하여 프로브의 길이를 사용 전과 후에 측정했다. 초음파 장치를 약 20KHz에서 작동시키면서 프로브 첨단부를 용융 알루미늄을 함유한 라운더에 약 50시간 동안 담가 두었다. 이 실험 동안 퍼지 기체는 사용하지 않았는데, 이 시험의 목적을 위해서 그것은 불필요하다고 생각되었기 때문이다. 50-시간 가동 시간 후, 프로브의 부식은 0.0182"인 것으로 측정되었다. 이것은 3.64 x 10^-4in/hr의 부식 속도로 전환된다. 일반적으로, 초음파 프로브는 그것이 사용에 부적합하다고 생각되기 전에 최대 약 1/4"의 부식을 견딜 수 있다. 이것은 실시예 11의 세라믹 프로브의 경우 연속 작동에서 686시간을 넘는, 또는 28일을 넘는 이론적인 수명을 가져온다

이런 프로브 수명은 본원에 설명된 대로 설계되거나, 구축되거나, 또는 구성되지 않은 다른 금속 및 세라믹 초음파 프로브의 수명보다 훨씬 월등하다.

Claims

초음파 변환기;
첨단부(tip)를 포함하는, 초음파 변환기에 부착된 프로브; 및
기체 입구, 프로브를 통한 기체 유로, 및 프로브의 첨단부에 있는 기체 출구를 포함하는 기체 송달 시스템을 포함하고,
상기 프로브는 세라믹을 포함하며,
상기 프로브의 첨단부의 단면적 대 기체 출구의 단면적의 비는 30:1 내지 1000:1의 범위인, 초음파 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 프로브는 일체형 부분인 초음파 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 프로브는 사이알론, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아, 또는 이들의 조합을 포함하는 초음파 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 프로브는 사이알론을 포함하는 초음파 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 프로브는 연장된 프로브이고, 상기 연장된 프로브는 부착 너트에 의해서 초음파 변환기에 고정된 초음파 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 프로브는 연장된 프로브이고, 상기 연장된 프로브의 길이 대 직경 비는 5:1 내지 25:1의 범위인 초음파 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 프로브의 첨단부의 단면적 대 기체 출구의 단면적의 비는 60:1 내지 750:1의 범위인 초음파 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 초음파 장치는 프로브의 적어도 일부분을 둘러싼 열 보호 시스템을 더 포함하는 초음파 장치.
제 8 항에 있어서, 유체가 상기 열 보호 시스템 내에 순환되는 초음파 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 초음파 장치는 상기 초음파 변환기와 상기 프로브 사이에 부스터를 더 포함하는 초음파 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 부스터에 기체 입구가 있는 초음파 장치.
(a) 초음파 변환기;
첨단부(tip)를 포함하는, 초음파 변환기에 부착된 프로브; 및
퍼지 기체 입구, 프로브를 통한 퍼지 기체 유로, 및 프로브의 첨단부에 있는 퍼지 기체 출구를 포함하는 퍼지 기체 송달 시스템
을 포함하는 초음파 장치를 용융 금속 배스에서 작동시키는 단계; 및
(b) 0.1 내지 150 L/min의 범위의 속도로 퍼지 기체 송달 시스템을 통해서 용융 금속 배스로 퍼지 기체를 도입하는 단계
를 포함하고,
상기 프로브는 세라믹을 포함하며,
상기 프로브의 첨단부의 단면적 대 퍼지 기체 출구의 단면적의 비는 30:1 내지 1000:1의 범위인, 용융 금속 배스에서 용존 기체 및/또는 불순물의 양을 감소시키는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 용존 기체는 산소, 수소, 이산화황, 또는 이들의 조합을 포함하거나;
상기 불순물은 알칼리 금속을 포함하거나;
상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 스틸, 마그네슘, 또는 이들의 조합을 포함하거나;
상기 퍼지 기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 염소, 또는 이들의 조합을 포함하거나; 또는
어떤 이들의 조합인 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 퍼지 기체는 용융 금속 배스로부터 유출 kg/hr 당 퍼지 기체 10 내지 500 mL/hr의 범위의 속도로 용융 금속 배스로 도입되는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 퍼지 기체는 1 내지 50 L/min의 범위의 속도로 용융 금속 배스로 도입되거나;
상기 용존 기체는 수소를 포함하거나;
상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 또는 이들의 조합을 포함하거나;
상기 퍼지 기체는 아르곤, 질소, 또는 이들의 조합을 포함하거나; 또는
이들의 어떤 조합인 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 퍼지 기체는 1 내지 10 L/min의 범위의 속도로 용융 금속 배스로 도입되는 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 퍼지 기체는 용융 금속 배스로부터 유출 kg/hr 당 퍼지 기체 30 내지 200 mL/hr의 범위의 속도로 용융 금속 배스로 도입되는 방법.
제 12 항의 방법에 따라 생산된 금속 물품.
제 18 항에 있어서, 상기 금속 물품은 로드(rod)인, 금속 물품.