KR102611259B1 - 직접 진동 커플링을 이용한 결정립 미세화 - Google Patents
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Abstract
용융된 금속의 이송 동안 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 플레이트를 갖는 용융 금속 컨베이어. 리셉터 플레이트는 용융된 금속이 리셉터 플레이트 상으로 진입하는 입구로부터 용융된 금속이 리셉터 플레이트를 빠져 나오는 출구까지 연장한다. 용융 금속 컨베이어는, 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 플레이트에 직접적으로 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지 소스를 갖는다. 금속 제품을 형성하기 위한 방법은 용융 컨베이어 상으로 용융된 금속을 제공하는 단계; 컨베이어 내의 또는 컨베이어에 부착된 냉각 통로를 통해 흐르는 냉각 매체의 제어에 의해 용융된 금속을 냉각시키는 단계; 및 컨베이어 상의 용융된 금속과 접촉하는 리셉터클 플레이트 내로 진동 에너지를 직접적으로 커플링하는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 Grain Refining with Direct Vibrational Coupling이라는 명칭으로 2017년 03월 08일자로 출원된 미국 일련번호 제62/468,709호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING이라는 명칭으로 2016년 08월 09일자로 출원된 미국 일련번호 제62/372,592호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다. 본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING FOR METAL CASTING이라는 명칭으로 2016년 02월 15일자로 출원된 미국 일련번호 제62/295,333호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다. 본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING OF MOLTEN METAL이라는 명칭으로 2015년 12월 15일자로 출원된 미국 일련번호 제62/267,507호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다. 본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING이라는 명칭으로 2015년 02월 09일자로 출원된 미국 일련번호 제62/113,882호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다. 본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING ON A CONTINUOUS CASTING BELT라는 명칭으로 2015년 09월 10일자로 출원된 미국 일련번호 제62/216,842호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다. 본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING이라는 명칭으로 2016년 09월 09일자로 출원된 PCT/2016/050978호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다. 본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING이라는 명칭으로 2016년 10월 28일자로 출원된 미국 일련번호 제15/337,645호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다.
본 출원은 ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING INCLUDING ENHANCED VIBRATIONAL COUPLING이라는 명칭으로 2017년 02월 17일자로 출원된 미국 일련번호 제62/460,287호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)와 관련된다.
기술분야
본 발명은 제어된 결정립(grain) 크기를 갖는 주조물을 생산하기 위한 방법, 금속 주조물을 생산하기 위한 시스템, 및 금속 주조물에 의해 획득되는 제품들에 관한 것이다.
금속공학 분야에서 용융된 금속을 연속적인 금속 로드(rod) 또는 주조 제품들로 주조하기 위한 기술들을 개발하기 위하여 상당한 노력이 기울여졌다. 배치(batch) 주조 및 연속 주조들 둘 모두가 잘 개발되었다. 배치 주조들을 뛰어 넘는 연속 주조의 다수의 이점들이 존재하지만, 둘 모두가 업계에서 현저하게 사용되고 있다.
금속 주조물의 연속 생산 시에, 용융된 금속이 보온로(holding furnace)로부터 일련의 세척부(launder)들 내로 그리고 이것이 금속 바로 주조되는 주조 휠의 몰드 내로 전달된다. 응고된 금속 바는 주조 휠로부터 제거되며, 이것이 연속적인 로드로 롤링(roll)되는 롤링 밀(mill) 내로 보내진다. 금속 로드 제품 및 합금의 의도된 최종 사용에 따라, 희망되는 기계적인 그리고 물리적인 속성들을 막대에 부여하기 위하여, 로드는 롤링 동안 냉각을 겪을 수 있거나 또는 롤링 밀로부터 빠져 나오자마자 즉시 냉각되거나 또는 ??칭(quench)될 수 있다. Cofer 등의 미국 특허 제3,395,560호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)에서 설명된 것들과 같은 기술들이 금속 로드 또는 바 제품을 연속적으로 프로세싱하기 위하여 사용되어 왔다.
Sperry 등의 미국 특허 제3,938,991호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는, "순수" 금속 제품들의 주조와 관련하여 오랫동안 인식된 문제가 있다는 것을 보여준다. "순수" 금속 주조물들은 정의로서, 이러한 용어는 결정립 제어를 위해 추가된 별개의 불순물을 포함하지 않는 특정 전도율 또는 인장 강도 또는 연성을 위하여 설계된 1차 금속 원소들로 형성된 금속 또는 금속 합금을 지칭한다.
결정립 미세화(grain refining)는, 이에 의해 새로이 형성되는 상(phase)의 결정 크기가 화학적 또는 물리적/기계적 수단에 의해 감소되는 프로세스이다. 결정 성장 억제제(grain refiner)들은 일반적으로 응고 프로세스 동안 응고되는 구조체의 결정립 크기를 크게 감소시키기 위하여 용융된 금속 내에 첨가되거나 또는 고체 상 전이 프로세스 동안 액체에 첨가된다.
실제로, Boily 등의 WIP 특허 출원 제WO/2003/033750호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 "결정 성장 억제제들"의 특정한 사용을 설명한다. '750 출원은, 알루미늄 업계에서, 상이한 결정 성장 억제제들이 일반적으로 모합금을 형성하기 위하여 알루미늄 내에 통합된다는 것을 배경기술 항목에서 설명하고 있다. 알루미늄 주조에서 사용하기 위한 전형적인 모합금들은 1 내지 10%의 티타늄 및 0.1 내지 5%의 붕소 또는 탄소를 포함하고, 나머지는 본질적으로 알루미늄 또는 마그네슘으로 구성되며, 여기에서 TiB2 또는 TiC의 입자(particle)들은 알루미늄의 매트릭스 전체에 걸쳐 분산된다. '750 출원에 따르면, 티타늄 및 붕소를 함유하는 모합금들은, 알루미늄 용융물 내에 필요한 양의 티타늄 및 붕소를 용해시킴으로써 생산될 수 있다. 이는 800 ℃를 초과하는 온도에서 용융된 알루미늄을 KBF4 및 K2TiF6와 반응시킴으로써 달성된다. 이러한 할로겐화물 착염(complex halide salt)들은 용융된 알루미늄과 빠르게 반응하며 용융물에 티타늄 및 붕소를 제공한다.
'750 출원은 또한, 2002년 현재에, 이러한 기술이 거의 모든 결정 성장 억제제 제조 회사들에 의해 상용 모합금들을 생산하기 위하여 사용되었다는 것을 설명한다. 핵 형성제(nucleating agent)들로서 흔히 지칭되는 결정 성장 억제제들이 오늘날에도 여전히 사용된다. 예를 들어, TIBOR 모합금의 하나의 상용 공급회사는, 주조 구조체의 정밀한 제어가 고품질의 알루미늄 합금 제품들의 생산에서 주요한 요건이라고 설명한다.
본 발명 이전에, 결정 성장 억제제들이 미세하고 균일한 생주물(as-cast) 결정립 구조체를 제공하기 위한 가장 효율적인 방식으로 인식되었다. 다음의 참조문헌들(이러한 참조문헌들의 내용들 전부가 본원에 참조로서 포함됨)이 이러한 배경 작업의 세부사항들을 제공한다:
Abramov, O.V., (1998), "High-Intensity Ultrasonics," Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands, pp. 523-552.
Alcoa, (2000), "New Process for Grain Refinement of Aluminum," DOE Project Final Report, Contract No. DE-FC07-98ID13665, September 22, 2000.
Cui, Y., Xu, C.L. and Han, Q., (2007), "Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations, Advanced Engineering Materials," v. 9, No. 3, pp.161-163.
Eskin, G.I., (1998), "Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts," Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands.
Eskin, G.I. (2002) "Effect of Ultrasonic Cavitation Treatment of the Melt on the Microstructure Evolution during Solidification of Aluminum Alloy Ingots," Zeitschrift Fur Metallkunde/Materials Research and Advanced Techniques, v.93, n.6, June, 2002, pp. 502-507.
Greer, A.L., (2004), "Grain Refinement of Aluminum Alloys," in Chu, M.G., Granger, D.A., and Han, Q., (eds.), " Solidification of Aluminum Alloys," Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp. 131-145.
Han, Q., (2007), The Use of Power Ultrasound for Material Processing," Han, Q., Ludtka, G., and Zhai, Q., (eds), (2007), "Materials Processing under the Influence of External Fields," Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale, PA 15086-7528, pp. 97-106.
Jackson, K.A., Hunt, J.D., and Uhlmann, D.R., and Seward, T.P., (1966), "On Origin of Equiaxed Zone in Castings," Trans. Metall. Soc. AIME, v. 236, pp.149-158.
Jian, X., Xu, H., Meek, T.T., and Han, Q., (2005), "Effect of Power Ultrasound on Solidification of Aluminum A356 Alloy," Materials Letters, v. 59, no. 2-3, pp. 190-193.
Keles, O. and Dundar, M., (2007). "Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes," Journal of Materials Processing Technology, v. 186, pp.125-137.
Liu, C., Pan, Y., and Aoyama, S., (1998), Proceedings of the 5th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds.: Bhasin, A.K., Moore, J.J., Young, K.P., and Madison, S., Colorado School of Mines, Golden, CO, pp. 439-447.
Megy, J., (1999), "Molten Metal Treatment," US Patent No. 5,935,295, August, 1999
Megy, J., Granger, D.A., Sigworth, G.K., and Durst, C.R., (2000), "Effectiveness of In-Situ Aluminum Grain Refining Process," Light Metals, pp.1-6.
Cui et al., "Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic
Vibrations," Advanced Engineering Materials, 2007, vol. 9, no. 3, pp. 161-163.
Han et al., "Grain Refining of Pure Aluminum," Light Metals 2012, pp. 967-971.
본 발명 이전에, 미국 특허 번호 제8,574,336호 및 제8,652,397호(각각의 특허의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는, 예를 들어, 초음파 디바이스 근처에서 용융 금속 배스(bath) 내로 퍼징 가스(purging gas)를 도입함으로써, 용융된 금속 배스 내에 용해된 가스(및/또는 다양한 불순물들)의 양을 감소시키기 위한 방법(예를 들어, 초음파 탈기)들을 설명한다. 이러한 특허들은 본원에서 '336 특허 및 '397 특허로서 지칭될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 용융된 금속의 이송 동안 용융된 금속과 접촉하는 리셉터(receptor) 플레이트를 갖는 용융 금속 컨베이어(conveyor)가 제공된다. 리셉터 플레이트는 용융된 금속이 리셉터 플레이트 상으로 진입하는 입구로부터 용융된 금속이 리셉터 플레이트를 빠져 나오는 출구까지 연장한다. 용융 금속 컨베이어는, 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 플레이트에 직접적으로 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지 소스를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 용융 컨베이어 상으로 용융된 금속을 제공하는 단계; 컨베이어 내의 또는 컨베이어에 부착된 냉각 통로를 통해 흐르는 냉각 매체의 제어에 의해 용융된 금속을 냉각시키는 단계; 및 컨베이어 상의 용융된 금속과 접촉하는 리셉터클 플레이트 내로 진동 에너지를 직접적으로 커플링하는 단계를 포함하는 금속 제품을 형성하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 모두가 오로지 예시적이고 본 발명을 제한하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 더 완전한 이해 및 수반되는 본 발명의 이점들 중 다수는, 첨부된 도면들과 함께 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 양호하게 이해됨에 따라 더 용이하게 획득될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 주조 밀의 개략도이다.
도 2는 진동 플레이트의 길이 방향 길이를 따라 부착된 다수의 자기변형 트랜스듀서들을 갖는 용융 금속 컨베이어의 개략도이다.
도 3은 진동 플레이트(54)에 부착된 압전 초음파 트랜스듀서를 갖는 용융 금속 컨베이어의 개략도이다.
도 4는 진동 플레이트의 하단에 2 차원 어레이로 부착된 다수의 트랜스듀서들의 개략도이다.
도 5는 용융된 금속을 분배(dispense)하는 진동 플레이트의 단부에서 더 높은 밀도를 갖는 진동 플레이트의 하단에 부착된 다수의 트랜스듀서들의 개략도이다.
도 6a는 그 안에서 냉각 매체가 흐르는 내부 채널들을 보여주는 금속 컨베이어의 측면도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 금속 컨베이어/주입(pouring) 디바이스의 도면이다.
도 7은 주조 휠(casting wheel) 내에서 용융 금속 프로세싱 디바이스를 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도이다.
도 8은 주조 휠 내의 용융된 금속 주조물에 직접적으로 커플링된 진동 프로브 디바이스를 보여주는 본 발명이 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 진동 에너지 소스들을 사용하는 고정 몰드의 개략도이다.
도 10a는 수직 주조 밀(casting mill)의 선택된 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 10b는 수직 주조 밀의 다른 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 10c는 수직 주조 밀의 다른 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 10d는 수직 주조 밀의 다른 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 11은 초음파 탈기(ultrasonic degassing) 및 초음파 결정립 미세화 둘 모두를 사용하는 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도 12는 본원에서 묘사되는 제어기들 및 제어들을 위한 예시적인 컴퓨터 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시하는 순서도이다.
도 14는 ACSR 와이어 프로세스 흐름도이다.
도 15는 ACSS 프로세스 흐름도이다.
도 16은 알루미늄 스트립 프로세스 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 주조 밀의 개략도이다.
도 2는 진동 플레이트의 길이 방향 길이를 따라 부착된 다수의 자기변형 트랜스듀서들을 갖는 용융 금속 컨베이어의 개략도이다.
도 3은 진동 플레이트(54)에 부착된 압전 초음파 트랜스듀서를 갖는 용융 금속 컨베이어의 개략도이다.
도 4는 진동 플레이트의 하단에 2 차원 어레이로 부착된 다수의 트랜스듀서들의 개략도이다.
도 5는 용융된 금속을 분배(dispense)하는 진동 플레이트의 단부에서 더 높은 밀도를 갖는 진동 플레이트의 하단에 부착된 다수의 트랜스듀서들의 개략도이다.
도 6a는 그 안에서 냉각 매체가 흐르는 내부 채널들을 보여주는 금속 컨베이어의 측면도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 금속 컨베이어/주입(pouring) 디바이스의 도면이다.
도 7은 주조 휠(casting wheel) 내에서 용융 금속 프로세싱 디바이스를 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도이다.
도 8은 주조 휠 내의 용융된 금속 주조물에 직접적으로 커플링된 진동 프로브 디바이스를 보여주는 본 발명이 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 진동 에너지 소스들을 사용하는 고정 몰드의 개략도이다.
도 10a는 수직 주조 밀(casting mill)의 선택된 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 10b는 수직 주조 밀의 다른 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 10c는 수직 주조 밀의 다른 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 10d는 수직 주조 밀의 다른 컴포넌트들의 단면 개략도이다.
도 11은 초음파 탈기(ultrasonic degassing) 및 초음파 결정립 미세화 둘 모두를 사용하는 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도 12는 본원에서 묘사되는 제어기들 및 제어들을 위한 예시적인 컴퓨터 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시하는 순서도이다.
도 14는 ACSR 와이어 프로세스 흐름도이다.
도 15는 ACSS 프로세스 흐름도이다.
도 16은 알루미늄 스트립 프로세스 흐름도이다.
금속들 및 합금들의 결정립 미세화는, 잉곳(ingot) 주조 레이트(rate)를 최대화하는 것, 열간 균열에 대한 저항을 개선하는 것, 원소 편석을 최소화하는 것, 기계적 속성들, 특히 연성을 향상시키는 것, 만들어진 제품들의 마감(finishing) 특성을 개선하는 것 및 몰드 충전 특성들을 증가시키는 것, 그리고 주조 합금들의 공극률을 감소시키는 것을 포함하여 다수의 이유들 때문에 중요하다. 일반적으로 결정립 미세화는 금속 및 합금 제품들 특히, 항공, 방위, 자동차, 건설 및 패키징 산업에서 점점 더 많이 사용되는 경량 재료들 중 2개인 알루미늄 합금들 및 마그네슘 합금들의 생산을 위한 제 1 프로세싱 단계들 중 하나이다. 결정립 미세화는 또한, 주형 입자(columnar grain)들을 제거하고 등축 입자(equiaxed grain)들을 형성함으로써 금속들 및 합금들을 주조가능하게(castable) 만들기 위한 중요한 프로세스 단계이다.
결정립 미세화는, 이에 의해 고체 상의 결정 크기가 합금들을 주조가능하게 만들기 위하여 그리고 결함 형성을 감소시키기 위하여 화학적, 물리적, 또는 기계적 수단에 의해 감소되는 응고 프로세스 단계이다. 현재, 알루미늄 생산은 TIBOR을 사용하여 결정립 미세화되며, 이는 응고된 알루미늄 내에 등축 결정립 구조체의 형상을 야기한다. 본 발명 이전에, 불순물들 또는 화학적 "결정 성장 억제제들"의 사용이 금속 주조 산업에서 금속 주조물 내에서 주형 결정립 형성의 장기간 인식된 문제를 해결하기 위한 유일한 방식이었다. 추가적으로, 본 발명 이전에, 1) (주조하기 이전에) 용융된 금속으로부터 불순물들을 제거하기 위한 초음파 탈기와 함께 2) 이상에서 언급된 초음파 결정립 미세화(즉, 적어도 하나의 진동 에너지 소스)의 조합은 시도된 적이 없다.
그러나, TIBOR을 사용하는 것과 연관된 큰 비용 및 용융물 내로 이러한 접종제(inoculant)들의 투입에 기인하는 기계적인 제약들이 존재한다. 이러한 제약들 중 일부는 연성, 절삭성, 및 전기 전도율을 포함한다.
비용에도 불구하고, 미국에서 생산되는 알루미늄의 약 68%가 강철들, 플레이트들, 압출물들, 또는 호일로 추가로 프로세싱되기 이전에 먼저 잉곳으로 주조된다. 직접 칠링(direct chill; DC) 반-연속 주조 프로세스 및 연속 주조(CC) 프로세스는 주로 그것의 강건한 속성 및 상대적 단순성에 기인하여 알루미늄 산업의 주축이 되어왔다. DC 및 CC 프로세스들과 관련된 하나의 이슈는 잉곳 응고 동안의 열간 균열 형성 또는 크랙 형성이다. 기본적으로, 대부분의 모든 잉곳들은 결정립 미세화를 사용하지 않으면 균열될 것이다(또는 주조가능하지 않을 것이다).
또한, 이러한 최신 프로세스들의 생산 레이트는 크랙 형성을 회피하기 위한 조건들에 의해 제한된다. 결정립 미세화는 합금의 열간 균일 형상을 감소시키며 그에 따라 생산 레이트를 증가시키기 위한 효율적인 방식이다. 결과적으로, 가능한 한 작은 결정립 크기를 생산할 수 있는 강력한 결정 성장 억제제들의 개발에 대하여 상당한 노력이 집중되었다. 초소성은, 결정립 크기가 서브-마이크론 레벨까지 감소될 수 있는 경우 달성될 수 있으며, 이는 합금들이 훨씬 더 빠른 레이트로 주조될 뿐만 아니라 현재 잉곳들이 프로세싱되는 것보다 훨씬 더 빠른 레이트로 더 낮은 온도들에서 롤링되거나/압출되는 것을 가능하게 하며, 이는 상당한 비용 절감 및 에너지 절감을 야기한다.
현재, 1차(약 200억 kg) 또는 2차 및 내부 스크랩(scrap)(250억 kg)으로부터 전세계적으로 거의 모든 알루미늄 주조물은 직경이 대략 수 마이크론인 불용해성 TiB2 핵들의 이종 핵들을 가지고 결정립 미세화되며, 이는 알루미늄 내에서 미세 결정립 구조체를 핵화(nucleate)한다. 화학적 결정 성장 억제제들의 사용과 관련된 하나의 이슈는 제한된 결정립 미세화 능력이다. 실제로, 화학적 결정 성장 억제제들의 사용은, 2,500 μm 이상의 어떤 것의 선형적 입자 치수들을 갖는 주형 구조체로부터 200 μm 미만의 등축 입자들까지, 알루미늄 입자 크기의 제한된 감소를 초래한다. 알루미늄 합금 내의 100 μm의 등축 결정립들은, 상업적으로 입수할 수 있는 화학적 결정 성장 억제제를 사용하여 획득될 수 있는 한계인 것으로 보인다.
결정립 크기가 더 감소될 수 있는 경우 생산성이 크기 증가될 수 있다. 서브-마이크론 레벨의 결정립 크기는 초소성을 야기하며, 이는 실온에서 알루미늄 합금을 형성하는 것을 훨씬 더 용이하게 만든다.
화학적 결정 성장 억제제들의 사용과 관련된 다른 이슈는 결정 성장 억제제들의 사용과 연관된 결함 형성이다. 종래 기술에서 결정 성장 억제제에 대한 필요한 것으로 간주되었지만, 특히 입자 응집체들("클러스터들")의 형태의 불용해성의 외래 입자들은 알루미늄 내에서 바람직하지 않다. 알루미늄 기반 모합금들에서 화합물의 형태로 존재하는 현재의 결정 성장 억제제들은, 광업, 선광, 및 제조 프로세스들의 복잡한 스트링에 의해 생산된다. 지금 사용되는 모합금들은 흔히 칼륨 알루미늄 플루오라이드(KAIF) 염 및 알루미늄 산화물 불순물들(드로스(dross))을 함유하며, 이들은 알루미늄 결정 성장 억제제들의 통상적인 제조 프로세스로부터 발생한다. 이로 인해 알루미늄 내의 국부적인 결함들(예를 들어, 음료수 캔들에서의 "누설들" 및 얇은 호일 내의 "핀 홀들"), 공작 기계 마모, 및 알루미늄의 표면 마감 문제들이 발생한다. 알루미늄 케이블 회사들 중 하나로부터의 데이터는, 생산 결함들 중 25%가 TiB2 입자 응집체들에 기인하며, 결함들 중 다른 25%는 주조 프로세스 동안 알루미늄 내로 트래핑되는 드로스들에 기인한다는 것을 나타낸다. TiB2 입자 응집체들은 흔히 압출 동안, 특히 와이어들의 직경이 8 mm보다 더 작을 때 와이어들을 파손한다.
화학적 결정 성장 억제제들의 사용과 관련된 또 다른 이슈는 결정 성장 억제제들의 비용이다. 이는 Zr 결정 성장 억제제들을 사용하는 마그네슘 잉곳들의 생산에 대하여 특히 그러하다. Zr 결정 성장 억제제들을 사용하는 결정립 미세화는 생산되는 Mg 주조물의 킬로그램 당 약 $ 1의 추가 비용이 들어간다. 알루미늄 합금들에 대한 결정 성장 억제제들은 킬로그램 당 약 $ 1.5의 비용이 들어간다.
화학적 결정 성장 억제제들의 사용과 관련된 또 다른 이슈는 제한된 감소된 전기 전도율이다. 화학적 결정 성장 억제제들의 사용은 알루미늄 내에 과도한 양의 Ti를 도입하며, 이는 케이블 애플리케이션들에 대하여 순수 알루미늄의 전기 전도율의 상당한 감소를 초래한다. 특정 전도율을 유지하기 위하여, 회사들은 케이블들 및 와이어들을 만들기 위하여 더 순도가 높은 알루미늄을 사용하기 위해 추가 비용을 지불해야만 한다.
화학적 방법들에 더하여, 다수의 다른 결정립 미세화 방법들이 지난 세기 동안 탐구되었다. 이러한 방법들은 자기장 및 전자기장과 같은 물리적 장들을 사용하는 것, 및 기계적 진동들을 사용하는 것을 포함한다. 고-강도, 저-진폭 초음파 진동이, 외래 입자들을 사용하지 않고 금속들 및 합금들의 결정립 미세화를 위하여 증명된 물리적/기계적 메커니즘들 중 하나이다. 그러나, 이상에서 언급된 Cui 등(2007)으로부터와 같은 실험 결과들은 초음파 진동의 짧은 시간 기간을 겪은 최대 수 파운드의 금속의 소형 잉곳들에서 획득되었다. 고-강도 초음파 진동들을 사용하는 CC 또는 DC 주조 잉곳들/빌릿(billet)들의 결정립 미세화에 대해서는 거의 노력이 이루어지지 않았다.
본원에서 사용될 때, 본 발명의 실시예들은 그들의 작업물을 제시하기 위하여 당업자들에 의해 일반적으로 이용되는 용어들을 사용하여 설명될 것이다. 이러한 용어들은 재료 과학, 야금학, 금속 주조, 및 금속 프로세싱의 당업자들에 의해 이해되는 바와 같은 일반적인 의미와 일치될 것이다. 더 특화된 의미를 갖는 일부 용어들은 이하의 실시예들에서 설명된다. 그럼에도 불구하고, 용어 "~하도록 구성된"은 본원에서 "~하도록 구성된"이라는 용어 앞에 오는 기능을 수행하기 위한 그것의 목적을 가능하게 하는 (본원에서 예시되거나 또는 기술분야에서 알려져 있거나 는 암시되어 있는) 적절한 구조체들을 묘사하는 것으로서 이해된다. 용어 "~에 결합된"은, 제 2 물체에 결합된 하나의 물체가, 제 1 및 제 2 물체들이 함께 직접적으로 부착되거나 또는 부착되지 않는 상태로, 제 1 물체를 제 2 물체에 대하여 소정의 위치에 지지하기(예를 들어, 접하거나, 부착되거나, 그로부터 미리 결정된 거리만큼 변위되거나, 인접하거나, 연속이거나, 함께 결합되거나, 서로 분리될 수 있거나, 서로 장착 해제될 수 있거나, 함께 고정되거나, 슬라이딩 접촉하거나, 롤링 접촉하기) 위한 필요 구조들을 갖는다는 것을 의미한다.
Chia 등의 미국 특허 제4,066,475호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 연속 주조 프로세스를 설명한다. 전반적으로, 도 1은, 회전 몰드 링(13) 상에 포함된 주변 홈으로 용융된 금속을 보내는 주입 주둥이(pouring spout)(11)에 용융된 금속을 제공하는 (턴디시(tundish)와 같은) 전달 디바이스(10)를 갖는 주조 밀(2)을 갖는 연속 주조 시스템을 도시한다. 무한 가요성 금속 밴드(14)는, 연속 주조 몰드가 몰드 링(13) 내의 홈 및 위에 놓인 밴드(14)에 의해 획정(define)되도록 밴드-배치(band-positioning) 롤러들(15)의 세트의 일 부분뿐만 아니라 몰드 링(13)의 일 부분 둘 모두를 둘러싼다. 회전 몰드 링(13) 상에서의 그것의 이송 동안 용융된 금속의 제어되는 응고를 성취하고 장치를 냉각시키기 위하여 냉각 시스템이 제공된다. 냉각 시스템은, 몰드 링(13)이 측면 상에 배치되는 복수의 측면 헤더들(17, 18, 및 19) 및 각기 금속 밴드가 몰드 링(13)을 둘러싸는 위치에서 금속 밴드(14)의 내부 및 외부 측면들 상에 배치되는 외부 밴드 헤더(20 및 21)를 포함한다. 적절한 밸빙(valving)을 갖는 도관 네트워크(24)는 용융된 금속의 응고의 레이트 및 장치의 냉각을 제어하기 위하여 냉각제를 다양한 헤더들로 공급하고 이를 배출하도록 연결된다.
이러한 구성에 의해, 용융된 금속은 주입 주둥이(11)로부터 주조 몰드 내로 공급되며, 냉각 시스템을 통한 냉각제의 순환에 의해 그것의 이송 동안 응고되고 부분적으로 냉각된다. 고체 주조물 바(25)가 주조 휠로부터 인출(withdraw)되며, 주조물 바를 롤링 밀(28)로 운반하는 컨베이어(27)로 공급된다. 주조물 바(25)는 오로지 바를 응고시키기에 충분한 양만큼 냉각되었으며, 바는 여전히 즉각적인 롤링 동작이 이에 대하여 수행되는 것을 가능하게 하는 상승된 온도로 남아 있다는 것을 주목해야 한다. 롤링 밀(28)은, 실질적으로 균일한 원형 단면을 갖는 연속적인 길이의 와이어 로드(30)로 바를 연속적으로 롤링하는 롤링 스탠드들의 탠덤(tandem) 어레이를 포함할 수 있다.
도 1은 이하에서 더 상세하게 논의되는 바와 같은 도면에 도시된 연속 주조 시스템의 다양한 부분들을 제어하는 제어기(500)를 도시한다. 제어기(500)는 연속 주조 시스템 및 그것의 컴포넌트들의 동작을 제어하기 위하여 프로그래밍된 명령어들(즉, 알고리즘들)을 갖는 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다.
Han 등의 미국 특허 제9,481,031호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 그것의 길이 방향 길이를 따라 용융된 금속의 수용 및 이송을 위한 용융 금속 격납 구조체를 포함하는 용융 금속 프로세싱 디바이스를 설명한다. 디바이스는, 그 안에서의 액체 매체의 통과를 위한 냉각 채널을 포함하는 격납 구조체에 대한 냉각 유닛, 초음파들이 냉각 채널의 내의 액체 매체를 통해서 그리고 용융 금속 격납 구조체를 통해서 용융된 금속 내로 커플링되도록 냉각 채널에 대하여 배치되는 초음파 프로브를 더 포함한다.
'031 특허에서 설명되는 바와 같이, 초음파 프로브는 액체 매체를 통해 그리고 그 내부에 액체 금속이 공급되어 있는 용융 금속 격납 구조체의 하단 플레이트를 통해 초음파 진동(ultrasonic vibration; UV)들을 제공했다. '031 특허에서, 초음파 프로브는 액체 매체 통로 내로 삽입되는 것으로 도시되었다. '031 특허에서 설명된 바와 같이, 채널의 하단에서의 상대적으로 작은 양의 과냉각(예를 들어, 10 ℃ 미만)은 형성되는 수한 알루미늄의 작은 핵들의 층을 야기한다. 채널의 하단으로부터의 초음파 진동들은 순수 알루미늄 핵들을 생성하며, 이는 그런 다음 응고 동안 핵 형성제들로서 사용되어 균일한 결정립 구조체를 야기한다. '031 특허에서 설명된 바와 같이, 채널의 하단으로부터의 초음파 진동들은 이러한 핵들을 분산시키고 과냉각된 층 내에 형성되는 덴드라이트들을 분해한다. 이러한 알루미늄 핵들 및 덴드라이트들의 단편들은 응고 동안 몰드 내에 등축 결정립들을 형성하기 위하여 사용되며, 이는 균일한 결정립 구조체를 야기한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 결정립 미세화는 결정립 크기의 미세화를 위한 초음파 에너지(및/또는 다른 진동 에너지)의 인가를 수반한다. 본 발명이 임의의 이론에 구속되는 것은 아니지만, 하나의 이론은, 용융된 또는 응고되고 있는 합금 내로의 진동 에너지(예를 들어, 초음파 파워)의 주입이 비선형적인 효과들 예컨대 캐비테이션, 음향 스트리밍, 및 방사 압력을 야기할 수 있다는 것이다. 이러한 비선형적인 효과들은 합금의 응고 프로세스 동안 새로운 결정립들을 핵화하고 덴드라이트(dendrite)를 분해하기 위하여 사용될 수 있다.
이러한 이론 하에서, 결정립 미세화 프로세스는 2개의 스테이지들: 1) 핵형성 및 2) 액체로부터 새로이 형성되는 고체의 성장으로 분할될 수 있다. 구형 핵들이 핵형성 스테이지 동안 형성된다. 이러한 핵들은 성장 스테이지 동안 덴드라이트들로 성장한다. 덴드라이트들의 단방향 성장은 잠재적으로 2차 상들의 비-균일 분포 및 열간 균일/크래킹을 초래하는 주형 결정립들의 성장으로 이어진다. 이는 결과적으로 열악한 주조성으로 이어질 수 있다. 반면, (본 발명을 이용하여 가능한 바와 같은) 모든 방향들에서의 덴드라이트들의 균일한 성장은 등축 결정립들의 형성으로 이어진다. 작고 등축의 결정립들을 포함하는 주조물들/잉곳들은 탁월한 형성성(formability)을 갖는다.
이러한 이론 하에서, 합금의 온도가 액상선 온도 아래일 때; 고체 시발체(embryo)들의 크기는 다음의 방정식에서 주어지는 임계 크기보다 더 크다:
여기에서 r*는 임계 크기이며, 는 고체-액체 계면과 연관된 계면 에너지이고, 은 단위 체적의 액체를 고체로 변환하는 것과 연관된 깁스 자유 에너지이다.
이러한 이론 하에서, 깁스 자유 에너지 는, 그들의 크기들이 r*보다 더 클 때 고체 시발체들의 크기의 증가에 따라 감소하며, 이는 고체 시발체들의 성장이 열역학적으로 유리하다는 것을 나타낸다. 이러한 조건들 하에서, 고체 시발체들은 안정적인 핵들이 된다. 그러나, r*보다 더 큰 크기를 갖는 고체 상의 균질 핵형성은 오로지 용융물에서 큰 과냉각(undercooling)을 요구하는 극단적인 조건들 하에서만 발생한다.
이러한 이론 하에서, 응고 동안 생성되는 핵들은 덴드라이트들로서 알려진 고체 결정립들로 성장할 수 있다. 덴드라이트들은 또한 진동 에너지의 인가에 의해 다수의 작은 단편들로 분해될 수 있다. 따라서 형성되는 덴드라이트 단편들은 새로운 결정립들로 성장하고 작은 결정립들의 형성을 야기할 수 있으며; 따라서 등축 결정립 구조체를 생성한다.
다시 말해서, 과냉각된 액체 금속으로 전달되는 초음파 진동들은 결정립 크기를 미세화하기 위하여 금속들 또는 금속 합금들 내에 핵형성 사이트들을 생성한다. 핵형성 사이트들은, 외래 불순물들에 의존하지 않는, 용융된 금속 내에 다수의 핵들을 생성하는 덴드라이트들을 분해하기 위하여 이상에서 설명된 바와 같이 작용하는 진동 에너지를 통해 생성될 수 있다.
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 디바이스는 냉각 채널 내의 액체 매치를 통해 그리고 용융 금속 격납 구조체의 하단 플레이트를 통해 용융된 금속 내로 배타적으로 커플링된 초음파들을 갖도록 구성되지 않는다. 그 대신에, 이러한 실시예에 있어서, 초음파들은 용융된 금속과 접촉하는 플레이트 또는 리셉터에 직접적으로 커플링된다.
하나 이상의 자기변형 초음파 디바이스들이 용융된 금속의 이송 동안 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 또는 플레이트에 직접적으로 부착될 수 있다. 리셉터 플레이트는 용융된 금속이 리셉터 플레이트 상으로 진입하는 입구로부터 용융된 금속이 리셉터 플레이트를 빠져 나오는 출구까지 연장할 수 있다. 실제로, 도 2는, 진동 (초음파) 플레이트(54)의 길이 방향 길이를 따라 균일하게 이격되고 부착된 다수의 자기변형 트랜스듀서들(52)을 갖는 용융 금속 컨베이어(50)(측벽들은 미도시)를 도시한다. 트랜스듀서들(52)은 균일하게 이격되어야 할 필요성은 없다. 추가로, 트랜스듀서들은 플레이트(54)의 폭을 방향에서 측방 간격을 가지고 이격될 수 있다. 도 2는 플레이트(54) 위의 용융된 금속(53)의 표면을 도시한다. 플레이트(54) 위에서 이동하는 용융된 금속은 직사각형, 정사각형, 또는 라운드를 포함하는 임의의 형상의 흐름 채널 내에 국한될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 플레이트(54) 위를 이동하는 용융된 금속의 두께는 일 실시예에 있어서 10 센티미터 미만의 두께이다. 이러한 실시예에 있어서, 용융된 금속의 두께는 1 센티미터 미만일 수 있다. 대안적으로, 용융된 금속의 두께는 0.5 센티미터 미만일 수 있다.
따라서, 리셉터 플레이트(54)는 길이 방향 길이와 동일하거나 또는 더 작은 측방 폭을 가질 수 있거나, 또는 측방 폭은 길이 방향 길이의 절반과 동일하거나 또는 더 작을 수 있거나, 또는 측방 폭이 길이 방향 길이의 1/3과 동일하거나 또는 더 작을 수 있다. 예를 들어, 리셉터 플레이트(54)는 2.5 cm 내지 300 cm 사이의 측방 폭을 가질 수 있다. 리셉터 플레이트(54)의 길이는 2.5 cm 내지 300 cm 사이일 수 있다. 리셉터 플레이트(54)는 상기 출구를 향해 폭이 작아지는 테이퍼진(taper) 측방 폭을 가질 수 있다. 리셉터 플레이트(54)의 치수들은 일 실시예에 있어서 최대 (그렇지만 비제한적으로) 220 cm의 너비 및 70 cm의 길이까지 변화할 수 있지만, 다른 치수들도 사용될 수 있다. 치수들은 220 cm의 길이 및 70 cm의 폭으로 역전될 수 있다.
추가로, 리셉터 플레이트(54)는, 용융된 금속이 빠져 나가게끔 강제하는 중력을 가지고 거의 수평 배향(20도 이내)으로부터 거의 수직 배향(20도 이내)까지 넓은 범위의 각도 배치에 걸쳐 배치될 수 있다. 보다 더 구체적으로, 리셉터 플레이트(54)는 용융된 금속이 빠져 나가게끔 강제하는 중력을 가지고 수평 배향으로부터 10도(또는 5도) 내에 배치될 수 있다. 대안적으로, 리셉터 플레이트(54)는 용융된 금속이 빠져 나가게끔 강제하는 중력을 가지고 수직 배향으로부터 10도(또는 5도) 내에 배치될 수 있다. 그 위에서 용융된 금속이 운반되는(또는 흐르는) 플레이트의 표면은 매끈하거나, 연마되거나, 거칠거나, 융기되거나, 움푹 들어가거나, 및/또는 텍스처링될 수 있다. 대안적으로, 리셉터 플레이트(54)는 수평(또는 거의 수평)으로부터 수직(또는 거의 수직)까지 임의의 각도 위치에 배치될 수 있다. 이러한 넓은 각도 범위는, 진동 플레이트가 수평 주입 시스템 또는 하관(down spout) 시나리오에서 주조 몰드 내로 적용되는 지와 무관하게, 용융된 금속이 리셉터 플레이트(54)를 따라 운반되는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 리셉터 플레이트 상으로 용융된 금속을 붓는 레이트 및/또는 리셉터 플레이트 상의 용융된 금속의 냉각 레이트 중 적어도 하나를 제어하는 제어기(예를 들어, 제어기(500))가 포함된다. 제어기는 바람직하게는, 리셉터 플레이트 위의 용융된 금속의 높이가 1.25 cm 내지 10 cm 사이, 또는 2.5 cm 내지 5 cm 사이, 또는 3 cm 내지 4 cm 사이가 되도록 붓는 레이트를 조정하도록 프로그래밍된다. 리셉터 플레이트(54)를 따른 용융된 금속의 시트-형 흐름을 가짐으로써, 리셉터 플레이트(54)로부터 유도되고 릴리즈되는 핵들이 리셉터 플레이트(54) 상에서 동시에 용융된 금속의 체적 내로 균일하게 분산될 수 있다. 리셉터 플레이트의 표면 영역은 핵들의 생성을 위해 이용가능한 것으로서 고려되는 경우, 용융된 금속의 시트-형 형태를 갖는 것은 또한 리셉터 플레이트(54) 상에서 동시에 금속의 체적 전체에 걸쳐 더 철저하게 용융된 금속을 냉각시키도록 역할할 것이다. 이러한 전체에 걸친 냉각을 달성하지 않으면, 릴리즈되는 핵들은 용융된 금속으로 재-용융될 수 있으며, 몰드 또는 주조 휠 내로 흐르는 핵들의 총 카운트로부터 손실될 수 있다. 따라서, 제어기(500)가 리셉터 플레이트(54) 상의 용융된 금속의 높이를 제어하게끔 함으로써 시트-형의 용융된 금속을 사용할 때 시너지 효과가 존재하며, 이는 이들 둘 모두가 단위 체적 당 더 많은 핵들이 생성되고 재-용융에 기인하는 핵 손실이 더 적기 때문이다.
용융 금속 컨베이어(50)의 컴포넌트들은 금속 예컨대 티타늄, 스테인리스 강철 합금들, 저 탄소 강철들 또는 H13 강철, 다른 고온 재료들, 세라믹, 복합재, 또는 폴리머로 만들어질 수 있다. 용융 금속 컨베이어(50)의 컴포넌트들은, 나이오븀, 나이오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈럼, 탄탈럼 합금, 구리, 구리 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브데넘, 몰리브데넘 합금, 스테인리스 강철 및 세라믹 중 하나 이상으로 만들어질 수 있다. 세라믹은 예를 들어, 실리카 알루미나 질화물 또는 사이알론(SIALON)과 같은 실리콘 질화물 세라믹일 수 있다.
도 2에는 도시되지 않았지만, 자기변형 트랜스듀서(52)는 자기 층들의 스택 둘레에 감긴 내부 코일을 갖는다. 코일은 더 높은 주파수의 자기장을 생성하는 더 높은 주파수의 전류를 제공하며, 이는 스택의 추출 및 압축을 유도하여 플레이트(52) 상에 진동들을 인가한다.
자기변형 트랜스듀서들은 전형적으로, 일단 전자기장이 인가되면 팽창 및 수축할 많은 수의 재료 플레이트들로 구성된다. 보다 더 구체적으로, 본 발명에 적절한 자기변형 트랜스듀서들은, 일 실시예에 있어서, 진동될 프로세스 컨테이너 또는 다른 표면에 부착된 각각의 라미네이트(laminate)의 하나의 에지와 평행하게 배열되는 많은 수의 니켈(또는 다른 자기변형 재료) 플레이트들 또는 라미네이션들을 포함할 수 있다. 자기장을 제공하기 위하여 와이어의 코일이 자기변형 재료 둘레에 위치된다. 예를 들어, 전류의 흐름이 와이어의 코일을 통해 공급될 때, 자기장이 생성된다. 이러한 자기장은 자기변형 재료가 수축하거나 또는 신장되게끔 하며, 그럼으로써 팽창 및 수축하는 자기변형 재료와 접촉하는 유체 내로 음파를 도입한다. 본 발명에 적절한 자기변형 트랜스듀서들로부터의 전형적인 초음파 주파수들은 20 내지 200 kHz의 범위이다. 자기변형 엘리먼트의 고유 주파수에 따라 더 높거나 또는 더 낮은 주파수들이 사용될 수도 있다.
자기변형 트랜스듀서들에 대하여, 니켈은 가장 흔히 사용되는 재료들 중 하나이다. 전압이 트랜스듀서에 인가될 때, 니켈 재료는 초음파 주파수들에서 팽창하고 수축한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 니켈 플레이트들은 스테인리스 강철 플레이트에 직접적으로 은으로 땜질된다. 도 2를 참조하면, 자기변형 트랜스듀서의 스테인리스 강철 플레이트는 초음파 주파수들에서 진동하는 표면이며, (도 2에 도시된 바와 같이) 진동 (초음파) 플레이트(54)에 부착된다.
미국 특허 제7,462,960호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 거대 자기변형 엘리먼트를 갖는 초음파 트랜스듀서 드라이버를 설명한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 자기변형 엘리먼트는 희토류-합금-기반 재료들 예컨대 테르페놀-D(Terfenol-D) 및 그것의 복합재로 만들어질 수 있으며, 이들은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)와 같은 앞 전이 금속(early transition metal)들에 비하여 유달리 큰 자기변형 효과를 갖는다. 대안적으로, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 자기변형 엘리먼트는 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)로 만들어질 수 있다.
대안적으로, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 자기변형 엘리먼트는 다음의 합금들 중 하나 이상으로 만들어질 수 있다: 철 및 터븀; 철 및 프라세오디뮴; 철, 터븀 및 프라세오디뮴; 철 및 디스프로슘; 철, 터븀 및 디스프로슘; 철, 프라세오디뮴 및 디스프로디움(dysprodium); 철, 터븀, 프라세오디뮴 및 디스프로슘; 철 및 에르븀; 철 및 사마륨; 철, 에르븀 및 사마륨; 철, 사마륨 및 디스프로슘; 철 및 홀륨; 철, 사마륨 및 홀륨; 또는 이들의 혼합물.
미국 특허 제4,158,368호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 자기변형 트랜스듀서를 설명한다. 거기에서 설명되는 바와 같이 그리고 본 발명에 적절한 바와 같이, 자기변형 트랜스듀서는 하우징 내에 배치되는 네거티브 자기변형을 나타내는 재료의 플런저(plunger)를 포함할 수 있다. 미국 특허 제5,588,466호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 자기변형 트랜스듀서를 설명한다. 거기에서 설명되는 바와 같이 그리고 본 발명에 적절한 바와 같이, 자기변형 층은, 예를 들어, 가요성 빔인 가요성 엘리먼트에 적용된다. 가요성 엘리먼트는 외부 자기장에 의해 편향된다. '466 특허에서 설명되고 본 발명에 적절한 바와 같이, 얇은 자기변형 층은 Tb(1-x)Dy(x)Fe2로 구성된 자기변형 엘리먼트에 대하여 사용될 수 있다. 미국 특허 제4,599,591호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 자기변형 트랜스듀서를 설명한다. 거기에서 설명되는 바와 같이 그리고 본 발명에 적절한 바와 같이, 자기변형 트랜스듀서는, 자기변형 재료 내에 회전 자기 유도 벡터를 수립하기 위하여 위상 관계를 갖는 다수의 전류 소스들에 연결된 복수의 권선들 및 자기변형 재료를 사용할 수 있다. 미국 특허 제4,986808호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 자기변형 트랜스듀서를 설명한다. 거기에서 설명되는 바와 같이 그리고 본 발명에 적절한 바와 같이, 자기변형 트랜스듀서는 자기변형 재료의 복수의 세장형(elongated) 스트립들을 포함할 수 있으며, 각각의 스트립은 근위 단부, 원위 단부 및 실질적으로 V-형상의 단면을 가지고, 여기에서 V의 각각의 암(arm)은 스트립의 길이 방향 길이에 의해 형상되며, 각각의 스트립은 중심 축에 대하여 방사상으로 연장하는 핀(fin)들을 갖는 중심 축을 갖는 실질적으로 일체적인 강성 컬럼(column)을 형성하기 위하여 근위 단부 및 원위 단부 둘 모두에서 인접한 스트립에 부착된다.
미국 특허 제6,150,753호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 적어도 하나의 평면 벽 섹션을 갖는 코발트-기반 합금 하우징을 갖는 초음파 트랜스듀서 어셈블리로서, 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서는 평면 벽 섹션에 장착되고, 초음파 트랜스듀서는 하우징의 평면 벽 섹션에 초음파 진동력을 주도록 동작가능하게 배열되는, 초음파 트랜스듀서 어셈블리를 설명한다. 스테인리스 강철 플레이트에 초음파 트랜스듀서들을 장착하는 방식들을 설명하는 '753 특허의 배경 문헌 및 설명들 둘 모두는 트랜스듀서들(52/56)과 진동 (초음파) 플레이트(54) 사이의 기계적으로 안정적인 커플링을 형성하기 위하여 본 발명에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 인디애나주 코코모의 Haynes International, Inc.로부터 입수할 수 있는 ULTIMET® 상표 합금으로서, ULTIMET®는 본 발명에 대하여 적절한 코발트-크롬 합금이다. 이러한 합금은 다음과 같은 공칭 화학 조성(중량 퍼센트)을 갖는다: 코발트(54%), 크롬(26%), 니켈(9%), 몰리브데넘(5%), 텅스텐(2%), 및 철(3%). 이러한 합금은 또한 미량(1% 중량 퍼센트 미만)의 망간, 실리콘, 질소 및 탄소를 함유한다.
미국 특허 제5,247,954호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 250℃를 초과하지 않는 압전 세라믹 트랜스듀서들의 결합 방법을 설명한다. 이러한 방법이 트랜스듀서들(52/56)과 진동 (초음파) 플레이트(54) 사이의 기계적으로 안정적인 커플링을 형성하기 위하여 본 발명에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 저온 브레이징(brazing) 합금이 은도금된 압전 세라믹 트랜스듀서들과 플레이트(54)의 미리 금속화된 표면 사이를 결합하기 위하여 사용된다. 이러한 솔더(solder)는 약 221℃에서 미리 형성된 96.5% 주석, 3.5% 은, 및 용융물들일 수 있다. 이러한 솔더는, 저온 솔더의 도포 이전에 플레이트(54)의 표면 상으로 소성된 은 및 은/텅스텐 표면들에 부착될 것이다. 그러면, 플레이트(54)에 대한 압전 세라믹 트랜스듀서들의 부착은 230℃에서 동작하는 노 내에서 일어날 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 하나 이상의 자기변형 초음파 디바이스들은 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 또는 플레이트에 직접적으로 부착된다. 도 3은, 이러한 도면에서 진동 (초음파) 플레이트(54)에 부착된 하나의 압전 초음파 트랜스듀서(56)를 갖는 용융 금속 컨베이어(50)(측벽들은 미도시)를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, (필수적인 것은 아니지만) 플레이트로 전달되는 초음파 파워를 증가시키기 위하여 부스터(58)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 진동 에너지를 공급하는 압전 트랜스듀서들은, 전기 접촉을 위한 부착 지점들을 제공하는 전극들 사이에 샌드위치된 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 일단 전극들을 통해 세라믹에 전압이 인가되면, 세라믹은 초음파 주파수들로 팽창 및 수축한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지 소스(40)로서 역할하는 압전 트랜스듀서는 진동을 프로브에 전달하는 부스터에 부착된다. 미국 특허 제9,061,928호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)는 초음파 트랜스듀서, 초음파 부스터, 초음파 프로브, 및 부스터 냉각 유닛을 포함하는 초음파 트랜스듀서 어셈블리를 설명한다. '928 특허의 초음파 부스터는 초음파 트랜스듀서에 의해 생성되는 음향 에너지를 증폭하고 증폭된 음향 에너지를 초음파 프로브로 전달하기 위하여 초음파 트랜스듀서에 연결된다. '928 특허의 부스터 구성은, 이상에서 논의된 액체 냉각 매체와 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하는 초음파 프로브들에 에너지를 제공하기 위하여 본 발명에서 유용할 수 있다.
실제로, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 부스터는 압전 트랜스듀서에 의해 생성되는 진동 에너지를 증폭하거나 또는 강화시키기 위하여 초음파의 범위에서 사용된다. 부스터는 진동들의 주파수를 증가시키거나 또는 감소시키지 않으며, 이는 진동의 진폭을 증가시킨다. (부스터가 뒤쪽에 설치될 때, 이는 또한 진동 에너지를 압축할 수 있다.) 본 발명의 일 실시예에 있어서, 부스터는 압전 트랜스듀서와 프로브 사이에 연결된다. 초음파 결정립 미세화를 위하여 부스터를 사용하는 경우에 있어서, 이하에서 예시적인 다수의 방법 단계들이 압전 진동 에너지 소스와 함께 부스터의 사용을 예시한다.
1) 전류가 압전 트랜스듀서에 공급된다. 일단 전류가 인가되면 트랜스듀서 내의 세라믹 피스들이 팽창 및 수축하며, 이는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다.
2) 일 실시예에 있어서, 그런 다음 이러한 진동들이 부스터로 전달되고, 부스터는 이러한 기계적 진동을 증폭하거나 또는 강화한다.
3) 일 실시예에 있어서, 그런 다음 부스터로부터의 증폭된 또는 강화된 진동들이 프로브로 전파된다. 그러면, 프로브는 초음파 주파수들에서 진동하여 캐비테이션(cavitation)들을 생성한다.
4) 일 실시예에 있어서, 진동하는 프로브로부터의 캐비테이션들은 용융된 금속과 접촉하는 주조 밴드와 충돌한다.
5) 일 실시예에 있어서, 캐비테이션들은 덴드라이트들을 분해하고 등축 결정립 구조체를 생성한다.
도 3의 실시예에 있어서, 도시되지는 않았지만, 진동 (초음파) 플레이트(54)의 길이 방향 길이를 따라서 부착되고 균일하게 이격된 상태로 2개 이상의 초음파 트랜스듀서(56)가 존재할 수 있다. 이상에서와 같이, 트랜스듀서들(56)은 균일하게 이격되어야 할 필요성은 없다. 추가로, 트랜스듀서들(56)은 플레이트(54)의 폭을 방향에서 측방 간격을 가지고 이격될 수 있다.
도 4는 진동 플레이트(54)의 하단에 2 차원 어레이로 부착된 다수의 트랜스듀서들(52/56)의 묘사이다. 부착 패턴은 (도시된 바와 같이) 규칙적인 그리드 패턴일 필요는 없다. 예를 들어, 부착 패턴은 불규칙적으로 이격될 수 있다. 대안적으로, 부착 패턴은 용융된 금속의 분배의 말미에서 더 높은 밀도를 갖거나 또는 용융된 금속을 수용하는 진동 플레이트(54)의 단부에서 더 높은 밀도의 트랜스듀서들(52/56)을 가질 수 있다. 도 5는 용융된 금속을 분배하는 것의 말미에서 더 높은 밀도를 가지고 진동 플레이트(54)의 하단에 부착되는 다수의 트랜스듀서들(52/56)의 묘사이다. 도 5는 또한, 트랜스듀서들이 리셉터 플레이트의 길이를 따라 대각 구성으로 위치될 수 있다는 것을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는 기계 구동형 진동기들을 가지고 부여된다. 기계 구동형 진동기들은 이상에서 언급된 트랜스듀서들(52/56) 중 임의의 하나 또는 전부를 대체할 것이다.
본 발명에 유용한 기계적 진동기들은 분당 8,000회 내지 15,000회의 진동으로 동작할 수 있지만, 더 높거나 주파수들 및 더 낮은 주파수들이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 메커니즘은 초 당 565회 내지 5,000회의 진동들로 진동하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 메커니즘은 초당 565회의 진동들에 이르기까지 매 초마다 진동의 일 부분에 이르기까지 더 훨씬 더 낮은 주파수들에서 진동하도록 구성된다. 본 발명에 적절한 기계 구동형 진동들의 범위는, 예를 들어, 분 당 6,000회 내지 9,000회의 진동들, 분 당 8,000회 내지 10,000회의 진동들, 분 당 10,000회 내지 12,000회의 진동들, 분 당 12,000회 내지 15,000회의 진동들, 및 분 당 15,000회 내지 25,000회의 진동들을 포함한다. 문헌 리포트들로부터의 본 발명에 적절한 기계 구동형 진동들의 범위는, 예를 들어, 133 내지 250 Hz, 200 Hz 내지 283 Hz(분 당 12,000회 내지 17,000회의 진동들), 및 4 내지 250 Hz의 범위들을 포함한다. 추가로, 매우 다양한 기계 구동형 발진(oscillation)들이, 주조 휠(30) 또는 하우징(44)에 충돌하도록 주기적으로 구동되는 간단한 해머 또는 플런저 디바이스에 의해 주조 휠(30) 또는 하우징(44) 내에 인가될 수 있다. 일반적으로, 기계적 진동들은 최대 10 kHz에 이르는 범위일 수 있다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 기계적 진동들에 대해 적절한 범위들은: 565 내지 5,000 Hz의 선호되는 범위를 포함하여, 0 내지 10 KHz, 10 Hz 내지 4000 Hz, 20 Hz 내지 2000 Hz, 40 Hz 내지 1000 Hz, 100 Hz 내지 500 Hz, 및 이들의 중간 및 조합된 범위들을 포함한다.
사용되는 트랜스듀서의 유형과 무관하게, 트랜스듀서들은 플레이트(54)와 기계적으로 그리고 음향적으로 접촉하도록 위치된다. 은 브레이징(또는 다른 유형의 고온 합금)이 플레이트(54)에 트랜스듀서 하우징 또는 부스터 하우징을 결합하기 위하여 사용될 수 있다. 냉각 매체(압축 공기, 물, 이온성 유체들 등)이 플레이트(54)의 내부 채널들을 통해 흐를 수 있다. 도 6a는 냉각 매체가 흐르게 하기 위하여 내부 채널들(60)이 플레이트(54)의 두께 내에 배치되고 측벽들(62) 아래에 배치되는 것을 보여주는 금속 컨베이어(50)의 측면도이다. 냉각 매체는 플레이트에 걸쳐 흐르는 금속의 온도를 감소시키기 위하여 사용된다. 냉각 매체를 통한 진동 에너지의 어떤 커플링이 존재할 수 있지만, 진동 에너지의 대부분은 트랜스듀서로부터 플레이트(54)의 금속 섹션을 통해 용융된 알루미늄 내로 직접적으로 커플링된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 냉각 매체(압축 공기, 물, 이온성 유체들 등)는 플레이트(54)의 하단 측면에 걸쳐 흐를 수 있다. 냉각 매체는 플레이트에 걸쳐 흐르는 금속의 온도를 감소시키기 위하여 사용된다. 이러한 냉각 방법은 플레이트로부터 외부에 있으며, 플레이트(54)의 두께 내에 배치되지 않는다(또는 그 내부에 국한되지 않는다). 여기에서, 일 예에 있어서, 강제 공기 소용돌이 시스템이 플레이트(54)의 하단 측면에 걸쳐 가스를 송풍(blow)한다.
진동 플레이트(54)의 두께는 5 cm 내지 0.5 cm 사이에서 변화할 수 있다. 진동 플레이트(54)의 두께는 또한 3 cm 내지 1 cm 사이에서 변화할 수 있다. 진동 플레이트(54)의 두께는 또한 2 cm 내지 1.5 cm 사이에서 변화할 수 있다. 진동 플레이트(54)의 두께가 반드시 그것의 길이 또는 폭을 따라 균일해야 할 필요는 없다. 진동 플레이트(54)는, 격막으로서 더 많이 작용하고 진동들을 증폭시킬 수 있는 더 얇은 섹션들을 가질 수 있다. 얇은 진동 플레이트들에 대하여, 냉각은 플레이트(54) 및/또는 측벽들(62)에 대한 냉각 튜브들의 부착에 의해 제공될 수 있다. 여기에서는 플레이트(54)의 하단에 장착된 트랜스듀서들을 가지고 도시되었지만, 트랜스듀서들은 추가로 또는 대안적으로 측벽들(62) 상에 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 플레이트(54)는 도 1에 도시된 주입 주둥이(11)의 하단과 같은 주입 디바이스의 하단에 존재할 수 있다. 대안적으로, 용융 금속 컨베이어(50)는 주입 주둥이(11)로부터 용융된 금속을 받고 그런 다음 용융된 금속을 주조 휠 내로 전달할 수 있다. 도 6b는 본 발명에 따른 금속 컨베이어/주입 디바이스(55)의 도면이다. 도 6b에 도시된 디바이스(55)에 있어서, 이상에서 논의된 용융 금속 컨베이어(50) 상으로 용융된 금속을 전달하도록 구성되고 위치된 주입 디바이스(예를 들어, 도 1에 도시된 주입 주둥이(11) 또는 도 10의 턴디시(245))가 존재한다. 용융된 금속은 (예를 들어, 중력에 의해) 용융 금속 컨베이어(50)를 따라 전달되며, 여기에서 이는 이상에서 언급된 냉각 및 진동 에너지를 겪는다. 용융 금속 컨베이어(50)를 빠져 나오는 용융된 금속은, 외래 불순물들에 의존하지 않는 다수의 핵들을 포함한다.
물이 편리한 냉각 매체이지만, 다른 냉각제들이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 냉각 매체는 엄청 차가운(super chilled) 액체이다(예를 들어, 0 ℃ 내지 -196 ℃ 이하의 액체들, 즉, 얼음과 액체 질소의 온도들 사이의 액체). 본 발명의 일 실시예에 있어서, 액체 질소와 같은 엄청 차가운 액체가 초음파 또는 다른 진동 에너지 소스와 커플링된다. 순 효과는 더 빠른 프로세싱을 가능하게 하는 응고 레이트의 증가이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 프로브(들)를 빠져 나오는 냉각 매체는 캐비테이션들을 생성할 뿐만 아니라 용융된 금속을 원자화하고 과냉각할 것이다. 선호되는 실시예에 있어서, 이는 주조 휠의 구역 내에서 열 전달의 증가를 야기한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 주조 밀(2)은, 그 안에 용융된 금속이 부어지는(예를 들어, 주조되는) 격납 구조체(32)(예를 들어, 주조 휠(30) 내의 수조(trough) 또는 채널)를 갖는 주조 휠(30a)을 포함한다. 도 7은, 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)가 선택적으로 포함되는 일 실시예를 도시한다. 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)는 이상에서 언급된 미국 일련번호 제15/337,645호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 통합됨)에서 설명된다. 밴드(36)(예를 들어, 강철 가요성 금속 밴드)는 용융된 금속을 격납 구조체(32)(예를 들어, 채널)에 국한시킨다. 롤러들(38)은, 용융된 금속이 주조 휠의 채널 내에서 응고되고 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)로부터 멀어지도록 운반될 때 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)가 회전하는 주조 휠 상에서 고정 위치에 남아 있는 것을 가능하게 한다.
간단히 말해서, 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)는 주조 휠(30) 상에 장착된 어셈블리(42)를 포함한다. 어셈블리(42)는 적어도 하나의 진동 에너지 소스(예를 들어, 진동기(40)), 진동 에너지 소스(42)를 홀딩하는 하우징(44)(즉, 지지 디바이스)을 포함한다. 어셈블리(42)는 이를 통한 냉각 매체의 이송을 위한 적어도 하나의 냉각 채널(46)을 포함한다. 가요성 밴드(36)는 하우징의 밑면에 부착된 밀봉부(44a)에 의해 하우징(44)에 밀봉되며, 그럼으로써 냉각 채널로부터의 냉각 매체가 주조 휠의 채널 내의 용융된 금속에 대향되는 가요성 밴드의 측면을 따라 흐르는 것을 허용한다.
주조 밴드(즉, 진동 에너지의 리셉터)는 크롬, 나이오븀, 나이오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈럼, 탄탈럼 합금, 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브데넘, 몰리브데넘 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 강철, 세라믹, 복합재, 또는 금속 또는 이상의 것들의 합금들 및 조합들 중 적어도 하나로 만들어질 수 있다.
주조 밴드의 폭은 25 mm 내지 400 mm 사이의 범위일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주조 밴드의 폭은 50 mm 내지 200 mm 사이의 범위이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 주조 밴드의 폭은 75 mm 내지 100 mm 사이의 범위이다.
주조 밴드의 두께는 0.5 mm 내지 10 mm 사이의 범위일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주조 밴드의 두께는 1 mm 내지 5 mm 사이의 범위이다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주조 밴드의 두께는 2 mm 내지 3 mm 사이의 범위이다.
선택적인 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)가 사용될 때, 진동기(40) 아래에서 금속 밴드(36) 아래를 용융된 금속이 통과할 때, 금속이 냉각되고 응고되기 시작할 때 진동 에너지가 용융된 금속에 추가적으로 공급된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는, 예를 들어, 압전 디바이스 초음파 트랜스듀서에 의해 생성되는 초음파 트랜스듀서들을 가지고 부여된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는, 예를 들어, 자기변형 트랜스듀서에 의해 생성되는 초음파 트랜스듀서들을 가지고 부여된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는, (이하에서 논의될) 기계 구동형 진동기들을 가지고 부여된다. 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는 다수의 작은 시드(seed)들의 형성을 가능하게 하며, 그럼으로써 미세 결정립 금속 제품을 생산한다. 이러한 진동 에너지의 소스들은 도 2 내지 도 5를 참조하여 이상에서 설명된 것과 동일한 유형의 소스들이다.
일 측면에 있어서, 주조 휠(30)의 채널은, 이러한 재료들의 용융점들을 연장시킬 수 있는 실리콘, 산소, 또는 질소와 같은 하나 이상의 원소들을 포함하는 구리, 철들 및 강철들, 나이오븀, 나이오븀 및 몰리브데넘, 탄탈럼, 텅스텐, 및 레늄, 및 이들의 합금들과 같은 내화성 금속 또는 다른 고온 금속 재료일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, (플레이트(54)로의 또는 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)에서 사용하기 위한) 진동 에너지에 대한 초음파 진동들의 소스는 20 kHz의 음향 주파수에서 1.5 kW의 파워를 제공한다. 본 발명이 이러한 파워들 및 주파수들로 제한되는 것은 아니다. 오히려, 광범위한 파워들 및 초음파 주파수들이 사용될 수 있지만, 다음의 범위들이 관심의 대상이다.
파워: 일반적으로, 소노트로드(sonotrode) 또는 프로브의 치수들에 따라서, 각각의 소노트로드에 대해 50 내지 5000 W 사이의 파워들. 소노트로드의 단부에서의 파워 밀도가, 용융된 금속의 냉각 레이트, 용융된 금속 유형, 및 다른 인자들에 의존하여 용융된 금속들 내에서 캐비테이션을 초래하기 위한 임계로서 간주될 수 있는 100 W/cm2보다 더 높다는 것을 보장하기 위하여 전형적으로 이러한 파워들이 소노트로드에 인가된다. 이러한 영역에서의 파워는 50 내지 5000 W, 100 내지 3000 W, 500 내지 2000 W, 1000 내지 1500 W의 범위일 수 있거나 또는 임의의 중간 범위 또는 중첩 범위일 수 있다. 더 작은 프로브에 대하여 더 낮은 파워들 및 더 큰 프로브/소노트로드에 대하여 더 높은 파워들이 가능하다. 본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 인가되는 진동 에너지 파워 밀도는 10 W/cm2 내지 500 W/cm2, 또는 20 W/cm2 내지 400 W/cm2, 또는 30 W/cm2 내지 300 W/cm2, 또는 50 W/cm2 내지 200 W/cm2, 또는 70 W/cm2 내지 150 W/cm2의 범위일 수 있거나 또는 이들의 임의의 중간 또는 중첩 범위들일 수 있다.
주파수: 일반적으로, 5 내지 400 kHz(또는 임의의 중간 범위)가 사용될 수 있다. 대안적으로, 10 내지 30 kHz(또는 임의의 중간 범위)가 사용될 수 있다. 대안적으로, 15 내지 25 kHz(또는 임의의 중간 범위)가 사용될 수 있다. 인가되는 주파수는 5 내지 400 KHz, 10 내지 30 kHz, 15 내지 25 kHz, 10 내지 200 KHz, 또는 50 내지 100 kHz의 범위일 수 있거나 또는 이들의 임의의 중간 또는 중첩 범위들일 수 있다.
(플레이트(54)에 인가될 수 있는 또는 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)에서 사용하기 위한) 초음파 및 기계 구동형 실시예들에 대하여 이상에서 설명되었지만, 본 발명은 이러한 범위들 중 하나 또는 다른 것에 제한되는 것이 아니라, 단일 주파수 및 복수의 주파수 소스들을 포함하여 최대 400 KHz에 이르는 진동 에너지의 광범위한 스펙트럼에 대하여 사용될 수 있다. 추가적으로, 소스들의 조합(초음파 및 기계 구동형 소스들, 또는 상이한 초음파 소스들, 또는 상이한 기계 구동형 소스들 또는 이하에서 설명될 음향 에너지 소스들)이 사용될 수 있다.
본 발명의 측면들
본 발명의 일 측면에 있어서, (분당 8,000회 내지 15,000회의 진동들의 범위 내의 또는 최대 10 KHz에 이르는 낮은 주파수의 기계-구동형 진동기들로부터의 및/또는 5 내지 400 kHz의 범위 내의 초음파 주파수들로부터의) 진동 에너지가 용융 금속 컨베이어(50) 또는 용융 금속 프로세싱 디바이스(34) 또는 이들 둘 모두에 인가될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 진동 에너지는 다수의 별개의 주파수들에서 인가될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 진동 에너지는 비제한적으로 아래에 열거되는 이러한 금속들 및 합금들을 포함하는 다양한 금속 합금들에 인가될 수 있다: 알루미늄, 구리, 금, 철, 니켈, 백금, 은, 아연, 마그네슘, 티타늄, 니오븀, 텅스텐, 망간, 철 및 이들의 합금들 및 조합들; 황동(구리/아연), 청동(구리/주석), 강철(철/탄소), 크롬 합금(크롬), 스테인리스 강철(강철/크롬), 공구강(탄소/텅스텐/망간), 티타늄(철/알루미늄) 및 1100, 1350, 2024, 2224, 5052, 5154, 5356. 5183, 6101, 6201, 6061, 6053, 7050, 7075, 8XXX 시리즈를 포함하는 표준 등급의 알루미늄 합금; 아연, 주석, 알루미늄, 실리콘, 니켈, 은의 조합과 합금된 구리 및 청동(이상에서 언급됨)을 포함하는 구리 합금들; 알루미늄, 아연, 망간, 실리콘, 구리, 니켈, 지르코늄, 베릴륨, 칼슘, 세륨, 네오디뮴, 스트론튬, 주석, 이트륨, 희토류와 합금된 마그네슘; 크롬, 탄소, 실리콘 크롬, 니켈, 칼륨, 플루토늄, 아연, 지르코늄, 티타늄, 납, 마그네슘, 주석, 스칸듐과 합금된 철 및 철; 및 다른 합금들 및 이들의 조합들.
본 발명의 일 측면에 있어서, (분당 8,000회 내지 15,000회의 진동들의 범위 내의 또는 최대 10 KHz에 이르는 낮은 주파수의 기계-구동형 진동기들로부터의 및/또는 5 내지 400 kHz의 범위 내의 초음파 주파수들로부터의) 진동 에너지는 플레이트(54) 또는 밴드(36) 또는 이들 둘 모두를 통해 용융 금속 컨베이어(50) 내에서 또는 용융 금속 프로세싱 디바이스(34) 아래에서 각기 응고되고 있는 금속 내로 커플링된다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 진동 에너지는 565 내지 5,000 Hz 사이에서 기계적으로 커플링된다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 진동 에너지는 초당 565회의 진동들에 이르기까지 매 초마다 진동의 일 부분에 이르기까지 더 훨씬 더 낮은 주파수들에서 기계적으로 드라이브된다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 진동 에너지는 5 kHz 범위 내지 400 kHz의 주파수들에서 초음파적으로 드라이브된다.
일 측면에 있어서, 냉각 매체는 물과 같은 액체 매체이다. 일 측면에 있어서, 냉각 매체는 압축 공기 또는 질소 중 하나와 같은 가스상 매체일 수 있다. 이상에서 언급된 바와 같이, 냉각 플레이트(54)에 대하여 가스를 공급하기 위해 강제 공기 소용돌이 시스템(forced air vortex system)이 사용될 수 있다. 일 측면에 있어서, 냉각 매체는 상 변화 재료일 수 있다. 냉각 매체가 밴드(36)에 인접한 금속을 과냉각시키기에 충분한 레이트로 제공되는 것이 선호된다(합금의 액상선 온도보다 5 내지 10 ℃ 이상만큼 더 낮은 또는 액상선 온도보다 훨씬 더 낮음).
본 발명의 일 측면에 있어서, 주조물 제품 내의 등축 결정립들은, 결정립들의 수를 증가시키고 균일한 이종 응고를 개선하기 위하여 금속 또는 금속 합금 내로 티타늄 붕소화물과 같은 불순물 입자들을 첨가할 필요 없이 획득된다. 핵 형성제를 사용하는 대신에, 본 발명의 일 측면에 있어서, 진동 에너지는 핵형성 사이트들을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
동작 동안, 합금의 액상선 온도보다 상당히 더 높은 온도에서 용융된 금속은 중력에 의해 용융 금속 컨베이어(50)로부터 주조 휠(30)의 채널 내로 흐르며, 이것이 진동 에너지(즉, 초음파 또는 기계-구동형 진동들)에 노출되는 용융 금속 프로세싱 디바이스(34) 아래를 통과한다. 주조 휠의 채널 내로 흐르는 용융된 금속의 온도는, 다른 것들 중에서도 특히, 주조 휠 채널의 크기, 붓는 속도, 선택된 합금 유형에 의존한다. 알루미늄 합금들에 대하여, 주조 온도는 1220 F 내지 1350 F의 범위일 수 있으며, 여기에서, 예를 들어, 1220 내지 1300 F, 1220 내지 1280 F, 1220 내지 1270 F, 1220 내지 1340 F, 1240 내지 1320 F, 1250 내지 1300 F, 1260 내지 1310 F, 1270 내지 1320 F, 1320 내지 1330 F와 같은 그 사이의 선호되는 범위들이 존재할 수 있고, 여기에서 중첩 및 중간 범위들 그리고 +/- 10 도의 편차가 또한 적절하다. 주조 휠(30)의 채널은, 채널 내의 용융된 금속이 서브-액상선(sub-liquidus) 온도(예를 들어, 합금의 액상선 온도보다 5 내지 10 ℃ 이상만큼 더 낮은 또는 액상선 온도보다 훨씬 더 낮은 온도지만, 붓는 온도는 10 ℃보다 훨씬 높을 수 있음)에 가깝다는 것을 보장하도록 냉각된다. 동작 동안, 용융된 금속 주변의 분위기(atmosphere)는, 예를 들어, Ar, He 또는 질소와 같은 비활성 가스를 가지고 충전되거나 또는 퍼징되는 슈라우드(shroud)(미도시)를 이용하여 제어될 수 있다. 주조 휠(30) 상의 용융된 금속은 전형적으로, 용융된 금속이 액체로부터 고체로 변환하는 열 정지(thermal arrest)의 상태이다.
서브-액상선 온도에 가까운 과냉각의 결과로서, 응고 레이트는 고체-액체 계면을 통해 평형을 허용하기에 충분히 느리지 않으며, 이는 결과적으로 주조물 바에 걸쳐 조성들에서의 변동들을 야기한다. 화학적 조성의 비-균일성이 편석을 초래한다. 이에 더하여, 편석의 양은 용융된 금속 내의 다양한 원소들의 확산 계수들뿐만 아니라 열 전달 레이트들과 직접적으로 관련된다. 다른 유형의 편석은, 더 낮은 용융점들을 갖는 성분들이 먼저 얼어 붙을 위치이다.
본 발명의 초음파 또는 기계-구동형 진동 실시예들에 있어서, 용융된 금속이 용융 금속 컨베이어(50) 내에 있는지 또는 용융 금속 프로세싱 디바이스(34) 아래에 있는 지와 무관하게, 진동 에너지는 용융된 금속이 냉각될 때 용융된 금속을 교반한다. 이러한 실시예에 있어서, 진동 에너지는, 용융된 금속을 교반하고 효과적으로 휘젓는 에너지를 가지고 부여된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 기계-구동형 진동 에너지는, 용융된 금속이 냉각될 때 용융된 금속을 연속적으로 휘젓도록 역할한다. 다양한 주조 합금 프로세스에 있어서, 알루미늄 합금 내로 높은 농도의 실리콘을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 더 높은 실리콘 농도들에서, 실리콘 침전물들이 형성될 수 있다. 이러한 침전물들을 다시 용융된 상태로 "리믹싱(remix)"함으로써, 원소 실리콘이 적어도 부분적으로 다시 용액으로 되돌아 갈 수 있다. 대안적으로, 심지어 침전물들이 남아 있는 경우에도, 믹싱은 편석되어 하류측 금속 다이(die) 및 롤러들 상에 더 많은 연마 마모를 초래하는 실리콘 침전물들을 야기하지 않을 것이다.
다양한 금속 합금 시스템들에 있어서, 합금의 하나의 성분(전형적으로 더 높은 용융점의 성분)이 순수한 형태로 침전되어 사실상 순수한 성분의 입자들을 가지고 합금을 "오염시키는" 경우, 동일한 종류의 효과가 발생한다. 일반적으로, 합금을 주조할 때, 편석이 발생하며, 이에 의하여 용질의 농도는 주조물 전체에 걸쳐 일정하지 않다. 이는 다양한 프로세스들에 의해 초래될 수 있다. 덴드라이트 암 간격의 크기에 비할 만한 거리들에 걸쳐 발생하는 미소 편석은 최종 평형 농도보다 더 낮은 농도로 형성되는 제 1 고체의 결과인 것으로 믿어지며, 이는 액체 내로의 초과 용질의 분할을 야기하고, 그 결과 나중에 형성되는 고체는 더 높은 농도를 갖는다. 조대 편석은 주조물의 크기와 유사한 거리들에 걸쳐 발생한다. 이는, 주조물들이 응고할 때 수축 효과들을 수반하는 다수의 복합 프로세스들, 및 용질이 분할될 때 액체의 밀도의 변동에 의해 초래될 수 있다. 전체에 걸쳐 균일한 속성들을 갖는 고체 빌릿을 제공하기 위하여, 주조 동안 편석을 방지하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 진동 에너지 처리로부터 이익을 취할 일부 합금들은 이상에서 언급된 이러한 합금들을 포함한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도이며, 특히, 여기에서 진동 프로브 디바이스(86)는 주조 휠(80) 내의 용융된 금속 주조물에 직접적으로 삽입된 프로브(미도시)를 갖는다. 용융된 금속은 (이상에서 설명된) 용융 금속 컨베이어(50)에 의해 주조 휠(80)로 공급될 수 있다. 진동 프로브 디바이스(86)의 프로브는 초음파 탈기를 위하여 당업계에서 공지된 것과 유사한 구성일 것이다. 도 8은 주조 휠(80)의 테두리(rim) 상으로 밴드(88)를 누르는 롤러(82)를 도시한다. 진동 프로브 디바이스(86)는 진동 에너지(초음파 또는 기계 구동형 에너지)를 직접적으로 또는 간접적으로 주조 휠(80)의 채널(미도시) 내로 용융된 금속 주조물 내로 커플링한다. 주조 휠(80)이 반시계 방향으로 회전함에 따라, 용융된 금속은 롤러(82) 아래를 통과하며 선택적인 용융 금속 냉각 디바이스(84)와 접촉하게 된다.
이러한 실시예에 있어서, 진동 에너지는, 용융된 금속이 공기 또는 가스를 통해 냉각되는 동안, 주조 휠(80) 내의 용융된 금속 내로 커플링될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 음향 발진기들(예를 들어, 오디오 증폭기들)이 음파를 생성하고 이를 용융된 금속 내로 전달하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 이상에서 논의된 초음파 또는 기계 구동형 진동기들은 음향 발진기들에 의해 대체되거나 또는 보충될 것이다. 본 발명에 대해 적절한 오디오 증폭기들은 1 내지 20,000 Hz의 음향 진동들을 제공할 것이다. 이러한 범위보다 더 높거나 또는 더 낮은 음향 진동들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 0.5 내지 20 Hz; 10 내지 500 Hz, 200 내지 2,000 Hz, 1,000 내지 5,000 Hz, 2,000 내지 10,000 Hz, 5,000 내지 14,000 Hz, 및 10,000 내지 16,000 Hz, 14,000 내지 20,000 Hz, 및 18,000 내지 25,000 Hz의 음향 진동들이 사용될 수 있다. 전기음향 트랜스듀서들이 음향 에너지를 생성하고 전달하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 에너지는 가스상 매체를 통해 용융된 금속 내로 직접적으로 커플링될 수 있으며, 여기에서 음향 에너지가 용융된 금속을 진동시킨다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 에너지는 가스상 매체를 통해 유용된 금속 내로 간접적으로 커플링될 수 있으며, 여기에서 음향 에너지는 용융된 금속을 포함하는 밴드(36) 또는 다른 지지 구조체를 진동시켜서 결과적으로 용융된 금속을 진동시킨다.
본 발명은 또한 고정식 몰드들에서 그리고 수직 주조 밀들에서 유용성을 갖는다.
고정식 밀들에 대하여, 용융된 금속은, 그 자체가 (개략적으로 도시된) 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)를 갖는 예컨대 도 9에 도시된 것과 같은 고정식 주조부(stationary cast)(62) 내로 부어질 것이다. 일 실시예에 있어서, 용융 금속 프로세싱 디바이스(34)는 용융 금속 컨베이어(50)로 대체되거나 또는 보완될 것이다. 이러한 방식으로, (최대 10 KHz에서 동작하는 낮은 주파수의 기계-구동형 진동기들로부터의 및/또는 5 내지 400 kHz의 범위 내의 초음파 주파수들로부터의) 진동 에너지는, 용융된 금속이 용융된 상태로부터 냉각되기 시작하여 고체 상태에 진입하는 고정식 주조부의 지점들에서 핵형성을 유도할 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 수직 주조 밀의 선택된 컴포넌트들을 도시한다. 수직 주조 밀의 이러한 컴포넌트들 및 다른 측면들의 더 많은 세부사항들은 미국 특허 제3,520,352호(이러한 출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함됨)에서 발견된다. 도 10a 내지 도 10d에 도시된 바와 같이, 수직 주조 밀은 용융 금속 주조 캐비티(cavity)(213)를 포함하고, 이는 예시된 실시예에서는 전반적으로 정사각형이지만 원형, 타원형, 다각형 또는 임의의 다른 적절한 형상일 수도 있으며, 이는, 몰드의 상단 부분에 위치된, 수직적인 상호 교차하는 제 1 벽 부분들(215) 및 제 2 또는 코너 벽 부분들(217)에 의해 구획된다. 유체 보유 엔빌로프(envelope)(219)가 이격된 관계로 주조 캐비티의 벽들(215) 및 코너 부재들(217)을 둘러싼다. 엔빌로프(219)는, 주입 도관(221)을 통해 물과 같은 냉각 유체를 수신하고 출구 도관(223)을 통해 냉각 유체를 배출하도록 적응된다.
제 1 벽 부분들(215)은 바람직하게는 구리와 같은 고 열 전도성 재료로 만들어지며, 반면 제 2 또는 코너 벽 부분들(217)은, 예를 들어, 세라믹 재료와 같은 더 낮은 열 전도성 재료로 구성된다. 도 10a 내지 도 10d에 도시된 바와 같이, 코너 벽 부분들(217)은 전반적으로 L-형상 또는 모서리가 있는 단면을 가지며, 각각의 코너의 수직 에지들은 아래쪽으로 그리고 서로를 향해 수렴하도록 경사진다. 따라서, 코너 부재(217)는, 횡방향 섹션들 사이에 존재하는 몰드의 배출 단부 위에서 몰드의 어떤 편리한 레벨에서 종결된다.
동작 시에, 용융된 금속은 턴디시(245)로부터 수직으로 왕복 운동하는 주조 몰드 내로 흐르며, 금속의 주조물 가닥이 몰드로부터 연속적으로 인출된다. 용융된 금속은 제 1 냉각 구역으로서 간주될 수 있는 더 차가운 몰드와 접촉 시에 먼저 몰드 내에서 식혀진다. 턴디시(245)는 그것의 구성의 부분으로서 용융물 컨베이어(50)를 포함할 수 있거나, 또는 용융물 컨베이어(50) 는 턴디시(245)와 용융 금속 주조 캐비티(213) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 구역에서 열이 용융된 금속으로부터 빠르게 제거되며, 재료의 표피(skin)가 용융된 금속의 중심 풀(pool) 둘레에 완전하게 형성되는 것으로 여겨진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 용융물 컨베이어(50)의 진동 에너지 소스들은, 금속이 고정식 몰드 내로 흐르기 이전에 용융된 금속 내에 핵들을 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이상에서 설명된 초음파 결정립 미세화는 금속이 주조되기 이전에 용융 배스(molten bath)로부터 불순물들을 제거하기 위하여 이상에서 언급된 초음파 탈기와 결합된다.
도 11은 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화 둘 모두를 사용하는 본 발명의 일 실시예를 도시하는 개략도이다. 여기에 도시된 바와 같이, 노(furnace)는 용융된 금속의 소스이다. 용융된 금속은 노로부터 세척부로 이송된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 탈기기(degasser)는, 용융된 금속이 초음파 결정립 미세화기(미도시)를 포함하는 주조 기계(예를 들어, 주조 휠) 내로 제공되기 이전에 세척부의 경로 내에 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 탈기기는, 용융된 금속이 주조 기계 내로 제공되기 이전에(예를 들어, 주조 휠 내로 부어지기 이전에) 용융 금속 컨베이어(50) 내에 배치된다.
다음의 특정 초음파 탈기기들에 제한되지는 않지만, '336 특허는 본 발명의 상이한 실시예들에 적절한 탈기기들을 설명한다. 하나의 적절한 탈기기는, 초음파 트랜스듀서; 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하는 세장형 프로브로서, 제 1 단부는 초음파 트랜스듀서에 부착되며 제 2 단부는 팁을 포함하는, 상기 세장형 프로브; 및 퍼징 가스(purging gas) 전달 시스템을 갖는 초음파 디바이스일 것이며, 여기에서 퍼징 가스 전달 시스템은 퍼징 가스 주입구 및 퍼징 가스 배출구를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 퍼징 가스 배출구는 세장형 프로브의 팁의 약 10 cm(또는 5 cm, 또는 1 cm) 내에 존재할 수 있으며, 반면 다른 실시예들에 있어서, 퍼징 가스 배출구는 세장형 프로브의 팁에 존재할 수 있다. 이에 더하여, 초음파 디바이스는 초음파 트랜스듀서 당 다수의 프로브들 및/또는 다수의 프로브 어셈블리들을 포함할 수 있다.
다음의 특정 초음파 탈기기들에 한정되는 것은 아니지만, '397 특허가 또한 본 발명의 상이한 실시예들에 적절한 탈기기들을 설명한다. 하나의 적절한 탈기기는, 초음파 트랜스듀서; 팁을 포함하는 초음파 트랜스듀서에 부착된 프로브; 및 가스 전달 시스템을 갖는 초음파 디바이스일 것이며, 가스 전달 시스템은 가스 주입구, 프로브를 통한 가스 흐름 경로, 및 프로브의 팁에서의 가스 배출구를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 프로브는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하는 세장형 프로브일 수 있으며, 제 1 단부는 초음파 트랜스듀서에 부착되고 제 2 단부를 팁을 포함한다. 또한, 프로브는 스테인리스 강철, 티타늄, 나이오븀, 세라믹, 및 유사한 것, 또는 이러한 재료들 중 임의의 것의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 초음파 프로브는 이를 통한 통합된 가스 전달 시스템을 갖는 단일 사이알론 프로브일 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 초음파 디바이스는 초음파 트랜스듀서 당 다수의 프로브들 및/또는 다수의 프로브 어셈블리들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 예를 들어, 이상에서 논의된 초음파 프로브들을 사용하는 초음파 탈기는 초음파 결정립 미세화를 보완한다. 초음파 탈기의 다양한 예들에 있어서, 퍼징 가스는, 예를 들어, 약 1 내지 약 50 L/min의 레이트로 이상에서 논의된 프로브들을 이용하여 용융된 금속에 첨가된다. 흐름 레이트는 약 1 내지 약 50 L/min의 범위 내라는 개시에 의해, 흐름 레이트는 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 있다. 추가적으로, 흐름 레이트는 약 1 내지 약 50 L/min의 임의의 범위 내일 수 있으며(예를 들어, 레이트는 약 2 내지 약 20 L/min의 범위 내이며), 이는 또한 약 1 내지 약 50 L/min 사이의 범위들의 임의의 조합을 포함한다. 중간 범위들이 가능하다. 마찬가지로, 본원에서 개시되는 모든 다른 범위들이 유사한 방식으로 해석되어야만 한다.
초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예들은, 비제한적으로, 알루미늄, 구리, 강철, 아연, 마그네슘, 및 유사한 것, 또는 이들의 그리고 다른 금속들의 조합들(예를 들어, 합금들)을 포함한 용융된 금속들의 초음파 탈기를 위한 시스템들, 방법들, 및/또는 디바이스들을 제공할 수 있다. 용융된 금속으로부터 물품들을 프로세싱하는 것 또는 주조하는 것은 용융된 금속을 포함하는 배스를 요구할 수 있으며, 용융된 금속의 이러한 배스는 상승된 온도로 유지될 수 있다. 예를 들어, 용융된 구리는 대략 1100℃의 온도로 유지될 수 있으며, 반면 용융된 알루미늄은 대략 750℃의 온도로 유지될 수 있다.
본원에서 사용될 때, 용어들 "배스", "용융 금속 배스", 및 유사한 것은 용기, 도가니, 수조, 세척부, 노, 국자(ladle), 등을 포함하여, 용융된 금속을 포함할 수 있는 임의의 컨테이너를 포괄하는 것을 의미한다. 배스 및 용융 금속 배스라는 용어들은 배치, 연속, 반-연속, 등의 동작들을 포괄하기 위하여, 사용되며, 예를 들어, 여기에서 (예를 들어, 보통 도가니와 관련된) 용융된 금속은 일반적으로 정적이고, 여기에서 (예를 들어, 보통 세척부와 연관된) 용융된 금속은 일반적으로 운동 중이다.
배스 내의 용융된 금속의 상태들을 모니터링하기 위하여, 테스트하기 위하여, 또는 개질하기 위하여 뿐만 아니라 희망되는 금속 물품의 최종 생산 또는 주조를 위하여 다수의 기구들 또는 디바이스들이 사용될 수 있다. 이러한 기구들 또는 디바이스들은 용융 금속 배스들 내에서 마주하게 되는 상승된 온도를 더 잘 견뎌낼 필요가 있으며, 유익하게는 금속이 알루미늄, 또는 구리, 또는 강철, 또는 아연, 또는 마그네슘 등인지 여부와 무관하게(또는 금속이 이들을 포함하는지 여부와 무관하게), 연장된 수명을 가지며 용융된 금속과 반응성을 갖지 않도록 제한되어야 할 필요가 있다.
추가로, 용융된 금속들은 그들 내에 용해된 하나 이상의 가스들을 가질 수 있으며, 이러한 가스들은 희망되는 금속 물품의 최종 생산 및 주조, 및/또는 금속 물품 자체의 결과적인 물리적 속성들에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 용융된 금속 내에 용해된 가스는 수소, 산소, 질소, 이산화황, 및 유사한 것, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 일부 상황들에 있어서, 용융된 금속 내에서 가스를 제거하거나, 또는 가스의 양을 감소시키는 것이 유익할 수 있다. 일 예로서, 용해된 수소는 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)의 주조 시에 유해할 수 있으며, 따라서, 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)으로부터 생산된 최종 물품들의 속성들은 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)의 용융 배스 내에서 비말동반된 수소의 양을 감소시킴으로써 개선될 수 있다. 단위 질량에 대하여 0.2 ppm 이상의, 0.3 ppm 이상의, 또는 0.5 ppm 이상의 용해된 수소는 주조 레이트 및 결과적인 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 로드들 및 다른 물품들의 품질에 유해한 영향들을 가질 수 있다. 수소는 용융된 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)을 포함하는 배스 위의 분위기 내의 그 존재에 의해 용융된 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)에 진입할 수 있거나, 또는 이는 용융된 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 내에서 사용되는 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 공급원료 시작 재료 내에 존재할 수 있다.
용융 금속 배스들 내의 용해된 가스들의 양을 감소시키기 위한 시도들이 완전하게 성공하지는 못했다. 보통, 과거의 이러한 프로세스들은 추가적이고 비싼 장비를 수반할 뿐만 아니라 잠재적으로 위험한 재료들을 수반했다. 예를 들어, 용융된 금속의 용해된 가스 함량을 감소시키기 위하여 금속 주조 산업에서 사용되는 프로세스는 흑연과 같은 재료로 만들어진 회전자로 구성될 수 있으며, 이러한 회전자들은 용융 금속 배스 내에 위치될 수 있다. 염소 가스가 추가적으로 용융된 금속 배스 내의 회전자들 근처의 위치들에서 용융 금속 배스에 첨가될 수 있다. 염소 가스 첨가가 일부 상황들에서, 예를 들어, 용융 금속 배스 내의 용해된 수소의 양을 감소시키는데 성공적일 수 있지만, 이러한 통상적인 프로세스는 현저한 단점들을 가지며, 이러한 단점들 중 적어도 일부는 비용, 복잡성 및 잠재적으로 위험하고 잠재적으로 환경에 해로운 염소 가스의 사용이다.
추가적으로, 용융된 금속들은 그들 내에 용해된 불순물들을 가질 수 있으며, 이러한 불순물들은 희망되는 금속 물품의 최종 생산 및 주조, 및/또는 금속 물품 자체의 결과적인 물리적 속성들에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 용융된 금속 내의 불순물은 알칼리 금속 또는 다른 금속을 포함할 수 있으며, 이는 용융된 금속 내에 존재하도록 요구되지도 희망되지도 않는다. 작은 퍼센트의 특정 금속들이 다양한 금속 합금들 내에 존재하며, 이러한 금속들은 불순물들로서 간주되지 않을 것이다. 비제한적인 예들로서, 불순물들은 리튬, 나트륨, 칼륨, 납, 및 유사한 것, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 다양한 불순물들은 용융 금속 배스 내에서 사용되는 인입 금속 공급 원료 시작 재료 내의 그들의 존재에 의해 용융 금속 배스(알루미늄, 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)에 진입할 수 있다.
초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예들은 용융 금속 배스 내의 용해된 가스의 양을 감소시키기 위한 방법들, 대안적인 용어로, 용융 금속들을 탈기하기 위한 방법들을 제공할 수 있다. 하나의 이러한 방법은, 용융 금속 배스 내에서 초음파 디바이스를 동작시키는 단계, 및 초음파 디바이스 근처에서 용융 금속 배스 내로 퍼징 가스를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 용해된 가스는 수소, 산소, 질소, 이산화황, 및 유사한 것, 또는 이들의 조합들일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용해된 가스는 수소일 수 있거나 또는 수소를 포함할 수 있다. 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘, 및 유사한 것, 또는 (예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘, 등의 다양한 합금들을 포함하는) 이들의 혼합물들 및/또는 조합들을 포함할 수 있다. 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 일부 실시예들에 있어서, 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있으며, 반면 다른 실시예들에 있어서, 용융 금속 배스는 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 배스 내의 용융된 금속은 알루미늄일 수 있거나, 또는, 대안적으로 용융된 금속은 구리일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 용융 금속 배스 내에 존재하는 불순물의 양을 감소시키기 위한 방법들, 대안적인 용어로, 불순물들을 제거하기 위한 방법들을 제공할 수 있다. 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 하나의 이러한 방법은, 용융 금속 배스 내에서 초음파 디바이스를 동작시키는 단계, 및 초음파 디바이스 근처에서 용융 금속 배스 내로 퍼징 가스를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 불순물은 리튬, 나트륨, 칼륨, 납, 및 유사한 것, 또는 이들의 조합들일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 불순물은 리튬 또는 대안적으로 나트륨일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘, 및 유사한 것, 또는 (예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘, 등의 다양한 합금들을 포함하는) 이들의 혼합물들 및/또는 조합들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있으며, 반면 다른 실시예들에 있어서, 용융 금속 배스는 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 배스 내의 용융된 금속은 알루미늄일 수 있거나, 또는, 대안적으로 용융된 금속은 구리일 수 있다.
본원에서 개시되는 불순물들을 제거하기 위한 방법들 및/또는 탈기하는 방법들에서 이용되는 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 퍼징 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 및/또는 크세논을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 가스가 용융 금속 배스 내의 특정 금속(들)과 현저하게 반응하거나 또는 그 안에 현저하게 용해되지 않는다면, 임의의 적절한 가스가 퍼징 가스로서 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 추가적으로, 가스들의 혼합물들 또는 조합들이 이용될 수 있다. 본원에서 개시되는 일부 실시예들에 따르면, 퍼징 가스는 불활성 가스이거나 또는 이를 포함할 수 있다; 대안적으로 퍼징 가스는 비활성 가스이거나 또는 이를 포함할 수 있다; 대안적으로 퍼징 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 또는 이들의 조합들이거나 또는 이를 포함할 수 있다; 대안적으로 퍼징 가스는 헬륨이거나 또는 이를 포함할 수 있다; 대안적으로 퍼징 가스는 네온이거나 또는 이를 포함할 수 있다; 또는 대안적으로 퍼징 가스는 아르곤이거나 또는 이를 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에 있어서, 통상적인 탈기 기술이 본원에서 개시되는 탈기 프로세스들과 함께 사용될 수 있다. 따라서, 퍼징 가스는 일부 실시예들에 있어서, 예컨대, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 및/또는 크세논 중 적어도 하나와 함께 또는 단독으로 퍼징 가스로서 염소 가스를 사용하는 것과 같이, 염소 가스를 더 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 용융 금속 배스 내의 용해된 가스의 양을 감소시키기 위한 또는 탈기하기 위한 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 방법들은 염소 가스가 실질적으로 부존재하는 상황에서 또는 염소 가스가 존재하지 않는 상황에서 실시될 수 있다. 본원에서 사용될 때, 실질적인 부존재는, 사용되는 퍼징 가스의 양에 기초하여, 중량으로 5% 이하의 염소 가스가 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 일부 실시예들에 있어서, 본원에서 개시되는 방법들은 퍼징 가스를 도입하는 단계를 포함할 수 있으며, 이러한 퍼징 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
용융된 금속의 배스 내로 도입되는 퍼징 가스의 양은 다수의 인자들에 따라 변화할 수 있다. 보통, 본 발명의 실시예들에 따른 용융된 금속들을 탈기하는 방법(및/또는 용융된 금속들로부터 불순물들을 제거하기 위한 방법)에서 도입되는 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 퍼징 가스의 양은 약 0.1 내지 약 150 표준 리터/분(L/min)의 범위 내에 속할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 도입되는 퍼징 가스의 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 범위 내일 수 있다. 이러한 체적측정 흐름 레이트들은 표준 분 당 리터 단위이며, 즉, 표준 온도(21.1℃) 및 압력(101 kPa)에서이다.
연속 또는 반-연속 용융된 금속 동작들에 있어서, 용융된 금속의 배스 내로 도입되는 퍼징 가스의 양은 용융된 금속 출력 또는 생산 레이트에 기초하여 변화할 수 잇다. 따라서, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 이러한 실시예들에 따른 용융된 금속들을 탈기하는 방법(및/또는 용융된 금속들로부터 불순물들을 제거하기 위한 방법)에서 도입되는 퍼징 가스의 양은 용융된 금속의 kg/hr 당 퍼징 가스의 약 10 내지 약 500 mL/hr(mL 퍼징 가스/kg 용융된 금속)의 범위 내에 속할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 퍼징 가스의 체적측정 흐름 레이트 대 용융된 금속의 출력 레이트의 비율은, 약 10 내지 약 400 mL/kg; 대안적으로 약 15 내지 약 300 mL/kg; 대안적으로 약 20 내지 약 250 mL/kg; 대안적으로 약 30 내지 약 200 mL/kg; 대안적으로 약 40 내지 약 150 mL/kg; 또는 대안적으로 약 50 내지 약 125 mL/kg의 범위 내일 수 있다. 이상에서와 같이, 퍼징 가스의 체적측정 흐름 레이트는 표준 온도(21.1℃.) 및 압력(101 kPa)에서이다.
본 발명의 실시예들에 부합되며 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련되는 용융된 금속들을 탈기하기 위한 방법들은, 용융 금속 배스 내에 존재하는 용해된 가스의 약 10 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트를 제거하는데 효과적일 수 있으며, 즉, 용융 금속 배스 내의 용해된 가스의 양이, 탈기 프로세스가 이용되기 이전에 존재하는 용해된 가스의 양으로부터 약 10 중량 퍼센트보다 더 크게 감소될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 존재하는 용해된 가스의 양은, 탈기 방법이 이용되기 지전에 존재하는 용해된 가스의 양으로부터, 약 15 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트만큼, 약 20 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트만큼, 약 25 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트만큼, 약 35 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트만큼, 약 50 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트만큼, 약 75 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트만큼, 또는 약 80 중량 퍼센트보다 더 큰 중량 퍼센트만큼, 감소될 수 있다. 예를 들어, 용해된 가스가 수소인 경우, (질량 단위로) 약 0.3 ppm 또는 0.4 ppm 또는 0.5 ppm보다 더 큰 알루미늄 또는 구리를 포함하는 용융 배스 내의 수소의 레벨이 유해할 수 있으며, 흔히, 용융된 금속 내의 수소 함량은 약 0.4 ppm, 약 0.5 ppm, 약 0.6 ppm, 약 0.7 ppm, 약 0.8 ppm, 약 0.9 ppm, 약 1 ppm, 약 1.5 ppm, 약 2 ppm이거나, 또는 2 ppm보다 더 클 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 개시되는 방법들을 이용하는 것은, 용융된 금속 내에 용해된 가스의 양을 약 0.4 ppm 미만까지; 대안적으로, 약 0.3 ppm 미만까지; 대안적으로, 약 0.2 ppm 미만까지; 대안적으로, 약 0.1 내지 약 0.4 ppm의 범위 내까지; 대안적으로, 약 0.1 내지 약 0.3 ppm의 범위 내까지; 또는 대안적으로, 약 0.2 내지 약 0.3 ppm의 범위 내까지 감소시킬 수 있다. 이러한 그리고 다른 실시예들에 있어서, 용해된 가스는 수소이거나 또는 이를 포함할 수 있으며, 용융 금속 배스는 알루미늄 및/또는 구리이거나 또는 이를 포함할 수 있다.
초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련되며, 탈기하는 방법들(예를 들어, 용융된 금속을 포함하는 배스 내의 용해된 가스의 양을 감소시키는 것) 또는 불순물들을 제거하는 방법들에 관한 본 발명의 실시예들은 용융 금속 배스 내에서 초음파 디바이스를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 초음파 디바이스는 초음파 트랜스듀서 및 세장형 프로브를 포함할 수 있으며, 프로브는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함할 수 있다. 제 1 단부는 초음파 트랜스듀서에 부착될 수 있고 제 2 단부는 팁을 포함할 수 있으며, 세장형 프로브의 팁은 나이오븀을 포함할 수 있다. 본원에서 개시되는 프로세스들 및 방법들에서 이용될 수 있는 초음파 디바이스들의 비제한적이고 예시적인 예들에 대한 명세들이 이하에서 설명된다.
퍼징 가스가 초음파 탈기 프로세스 또는 불순물들을 제거하기 위한 프로세스와 관련됨에 따라, 퍼징 가스는, 예를 들어, 초음파 디바이스 근처의 위치에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 퍼징 가스는 초음파 디바이스의 팁 근처의 위치에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 퍼징 가스는, 예를 들어, 초음파 디바이스의 팁의 약 100 cm 내에서, 약 50 cm 내에서, 약 40 cm 내에서, 약 30 cm 내에서, 약 25 cm 내에서, 또는 약 20 cm 내에서와 같이 초음파 디바이스의 팁의 약 1 미터 내에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 퍼징 가스는 초음파 디바이스의 팁의 약 15 cm 이내에서; 대안적으로 약 10 cm 이내에서; 대안적으로 약 8 cm 이내에서; 대안적으로 약 5 cm 이내에서; 대안적으로 약 3 cm 이내에서; 대안적으로 약 2 cm 이내에서; 또는 대안적으로 약 1 cm 이내에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 퍼징 가스는 초음파 디바이스의 팁을 통해 또는 팁에 인접하여 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다.
이러한 이론에 얽매이도록 의도되는 것은 아니지만, 초음파 디바이스의 사용 및 그 근처에서의 퍼징 가스의 통합은 용융된 금속을 포함하는 배스 내의 용해된 가스의 양의 감소를 야기한다. 초음파 디바이스에 의해 생성되는 초음파 에너지는, 용해된 가스가 그 안으로 확산할 수 있는 캐비테이션 거품들을 용융물 내에 생성할 수 있다. 그러나, 퍼징 가스의 부재 시에, 캐비테이션 거품들 중 다수는 용융된 금속의 배스의 표면에 도달하기 이전에 붕괴될 수 있다. 퍼징 가스는 표면에 도달하기 이전에 붕괴되는 캐비테이션 거품들의 양을 줄일 수 있거나, 및/또는 용해된 가스를 포함하는 거품들의 크기를 증가시킬 수 있거나, 및/또는 용융 금속 배스 내의 거품들의 수를 증가시킬 수 있거나, 및/또는 용융 금속 배스의 표면으로의 용해된 가스를 포함하는 거품들의 이송의 레이트를 증가시킬 수 있다. 초음파 디바이스는 초음파 디바이스의 팁의 근처 내에 캐비테이션 거품들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 약 2 내지 5 cm의 직경을 갖는 팁을 갖는 초음파 디바이스에 대하여, 캐비테이션 거품들은 붕괴되기 이전에 초음파 디바이스의 약 15 cm 이내에, 약 10 cm 이내에, 약 5 cm 이내에, 약 2 cm 이내에, 또는 약 1 cm 이내에 존재할 수 있다. 퍼징 가스가 초음파 디바이스의 팁으로부터 너무 먼 거리에서 첨가되는 경우, 퍼징 가스는 캐비테이션 거품들 내로 확산할 수 없을 수 있다. 따라서, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 실시예들에 있어서, 퍼징 가스는 초음파 디바이스의 팁의 약 25 cm 또는 약 20 cm 이내에서, 더 유익하게는, 초음파 디바이스의 팁의 약 15 cm 이내에서, 약 10 cm 이내에서, 약 5 cm 이내에서, 약 2 cm 이내에서, 약 1 cm 이내에서, 용융 금속 배스 내로 도입된다.
본 발명의 실시예들에 따른 초음파 디바이스들은, 예를 들어, 그 전체가 참조로서 본원에 통합되는 미국 특허 공보 제2009/0224443호에서 개시된 바와 같이, 알루미늄 또는 구리와 같은 용융된 금속들과 접촉할 수 있다. 용융된 금속 내의 용해된 가스 함량(예를 들어, 수소)을 감소시키기 위한 초음파 디바이스에 있어서, 나이오븀 또는 이의 합금은, 디바이스가 용융된 금속에 노출될 때 디바이스에 대한 보호 장벽으로서 또는 용융된 금속에 직접 노출되는 디바이스의 컴포넌트로서 사용될 수 있다.
초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예들은 용융된 금속들과 직접적으로 접촉하는 컴포넌트들의 수명을 증가시키기 위한 시스템들 및 방법들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 용융된 금속들과 접촉하는 재료들의 열화를 감소시키기 위하여 나이오븀을 사용할 수 있으며, 이는 최종 제품들에서 상당한 품질 개선들을 야기한다. 다시 말해서, 본 발명의 실시예들은, 보호 장벽으로서 나이오븀을 사용함으로써 용융된 금속들과 접촉하는 컴포넌트들 또는 재료들의 수명을 증가시키거나 또는 이들을 보존할 수 있다. 나이오븀은, 예를 들어, 그것의 높은 용융점과 같은 속성들을 가질 수 있으며, 이는 본 발명의 전술된 실시예들을 제공하는 것을 도울 수 있다. 이에 더하여, 나이오븀은 또한 약 200℃ 및 그 이상의 온도에 노출될 때 보호 산화물 장벽을 형성할 수 있다.
또한, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예들은 용융된 금속들과 직접적으로 접촉하거나 또는 인터페이싱하는 컴포넌트들의 수명을 증가시키기 위한 시스템들 및 방법들을 제공할 수 있다. 나이오븀이 특정한 용융된 금속들과의 낮은 반응성을 가지기 때문에, 나이오븀을 사용하는 것이 기질(substrate) 재료가 열화되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예들은 기질 재료들의 열화를 감소시켜서 최종 제품들에서 상당한 품질 개선들을 야기하기 위하여 나이오븀을 사용할 수 있다. 따라서, 용융된 금속들과 관련하여 나이오븀은 알루미늄 및/또는 구리와 같은 용융된 금속들과의 나이오븀의 낮은 반응성 및 나이오븀의 높은 용융점을 결합할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 나이오븀 또는 이의 합금은 초음파 트랜스듀서 및 세장형 프로브를 포함하는 초음파 디바이스 내에서 사용될 수 있다. 세장형 프로브는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함할 수 있으며, 여기에서 제 1 단부는 초음파 트랜스듀서에 부착될 수 있고 제 2 단부를 팁을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 세장형 프로브의 팁은 나이오븀(예를 들어, 나이오븀 또는 이의 합금)을 포함할 수 있다. 초음파 디바이스는 이상에서 논의된 바와 같은 초음파 탈기 프로세스에서 사용될 수 있다. 초음파 트랜스듀서는 초음파들을 생성할 수 있으며, 트랜스듀서에 부착된 프로브는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘, 및 유사한 것, 또는 (예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘, 등의 다양한 합금들을 포함하는) 이들의 혼합물들 및/또는 조합들과 같은 용융된 금속을 포함하는 배스 내로 초음파들을 전달할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 있어서, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화의 조합이 사용된다. 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화의 조합의 사용은, 이하에서 설명되는 바와 같이, 별개로 또는 조합으로 둘 모두에서 이점들을 제공한다. 다음의 논의에 한정되는 것은 아니지만, 다음의 논의는, 단독으로 사용될 때 예상될 수 없을 것인 주조물 제품의 전체 품질에서의 개선(들)으로 이어지는, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화의 조합에 수반되는 고유한 효과들의 이해를 제공한다. 이러한 효과들은 이러한 조합된 초음파 프로세싱의 그 개발에서 본 발명자들에 의해 실현되었다.
초음파 탈기에 있어서, (초음파 탈기가 사용되지 않을 때 이용되는) 염소 화학물질들이 금속 주조 프로세스로부터 제거된다. 화학물질로서 염소가 용융 금속 배스 내에 존재할 때, 이는 존재할 수 있는 알칼리들과 같은 배스 내의 다른 외래 원소들과 반응하고 강한 화학 결합들을 형성할 수 있다. 알칼리들이 존재할 때, 용융 금속 배스 내에 안정적인 염들이 형성되며, 이는 그것의 전기 전도율 및 기계적 속성들을 악화시키는 주조물 금속 제품 내의 함유물들을 초래할 수 있다. 초음파 결정립 미세화가 없으며, 티타늄 붕소화물과 같은 화학적 결정 성장 억제제들이 사용되지만, 이러한 재료들은 전형적으로 알칼리들을 포함한다.
따라서, 프로세스 원소로서 염소를 제거하는 초음파 탈기를 사용하고 결정 성장 억제제들(알칼리들의 소스)을 제거하는 초음파 결정립 미세화를 이용하면, 안정적인 염 형성의 가능성 및 주조물 금속 제품 내의 결과적인 함유물 형성이 상당히 감소된다. 또한, 불순물들로서 이러한 외래 원소들의 제거는 주조물 금속 제품의 전기 전도율을 개선한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화의 조합은, 하나의 외래 불순물을 다른 것으로 대체하지 않고 불순물들의 주요한 소스들 중 2개가 제거됨에 따라, 결과적인 주조물 제품이 탁월한 기계적 및 전기 전도율 속성들을 갖는다는 것을 의미한다.
초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화의 조합에 의해 제공되는 다른 이점은, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화 둘 모두가 용융 배스를 효율적으로 휘저어서 용융된 재료를 균질화한다는 사실과 관련된다. 금속의 합금이 용융되고 그런 다음 응고되도록 냉각될 때, 상이한 합금 비율들의 용융점들의 개별적인 차이 때문에 합금들의 중간 상들이 존재할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 탈기 및 초음파 결정립 미세화 둘 모두가 중간 상들을 다시 용융된 상으로 휘젓고 혼합한다.
이러한 이점들의 전부가, 초음파 탈기 또는 초음파 결정립 미세화 중 하나가 사용되었을 때 예상되는 것보다 또는 이들 중 하나 또는 둘 모두가 통상적인 염소 프로세싱으로 대체되거나 또는 화학적 결정 성장 억제제들이 사용되었을 때 예상되는 것보다 더 적은 불순물들, 더 적은 함유물들, 더 양호한 전기 전도율, 더 양호한 연성 및 더 높은 인장 강도를 가지며 작은 결정립의 제품을 획득하는 것을 가능하게 한다.
금속 제품들
본 발명의 일 측면에 있어서, 주조 금속 조성물을 포함하는 제품들은, 결정 성장 억제제들의 필요성이 없이 그렇지만 여전히 서브-밀리미터 결정립 크기들을 가지고 이상에서 논의된 바와 같은 주조 휠의 채널 내에서 또는 주조 구조체들 내에서 형성될 수 있다. 따라서, 주조 금속 조성물들은 5% 미만의 결정 성장 억제제들을 포함하는 조성물들을 가지고 만들어질 수 있으며, 여전히 서브-밀리미터 결정립 크기들을 획득할 수 있다. 주조 금속 조성물들은 2% 미만의 결정 성장 억제제들을 포함하는 조성물들을 가지고 만들어질 수 있으며, 여전히 서브-밀리미터 결정립 크기들을 획득할 수 있다. 주조 금속 조성물들은 1% 미만의 결정 성장 억제제들을 포함하는 조성물들을 가지고 만들어질 수 있으며, 여전히 서브-밀리미터 결정립 크기들을 획득할 수 있다. 선호되는 조성물에 있어서, 결정 성장 억제제는 0.5 % 미만 또는 0.2 % 미만 또는 0.1 % 미만이다. 주조 금속 조성물들은 결정 성장 억제제들을 포함하지 않는 조성물들을 가지고 만들어질 수 있으며, 여전히 서브-밀리미터 결정립 크기들을 획득할 수 있다.
주조 금속 조성물들은, "순수" 또는 합금된 금속의 성분들, 붓는 레이트들, 붓는 온도들, 냉각의 레이트를 포함하여 다수의 인자들에 의존하여 다양한 서브-밀리미터 결정립 크기들을 가질 수 있다. 본 발명에 대하여 이용이 가능한 결정립 크기들의 리스트는 다음을 포함한다. 알루미늄 및 알루미늄 합금들에 대하여, 결정립 크기들은 200 내지 900 마이크론, 또는 300 내지 800 마이크론, 또는 400 내지 700 마이크론, 또는 500 내지 600 마이크론의 범위이다. 구리 및 구리 합금들에 대하여, 결정립 크기들은 200 내지 900 마이크론, 또는 300 내지 800 마이크론, 또는 400 내지 700 마이크론, 또는 500 내지 600 마이크론의 범위이다. 금, 은, 또는 주석 또는 이들의 합금들에 대하여, 결정립 크기들은 200 내지 900 마이크론, 또는 300 내지 800 마이크론, 또는 400 내지 700 마이크론, 또는 500 내지 600 마이크론의 범위이다. 마그네슘 또는 마그네슘 합금들에 대하여, 결정립 크기들은 200 내지 900 마이크론, 또는 300 내지 800 마이크론, 또는 400 내지 700 마이크론, 또는 500 내지 600 마이크론의 범위 이다. 범위들로 주어지지만, 본 발명은 중간 값들도 역시 가능하다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 적은 농도(5% 미만)의 결정 성장 억제제들이 100 내지 500 마이크론 사이의 값들까지 결정립 크기들을 추가로 감소시키기 위하여 첨가될 수 있다. 주조 금속 조성물들은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 아연, 납, 금, 은, 주석, 청동, 황동, 및 이들의 합금들을 포함할 수 있다.
주조 금속 조성물들은 바 스톡(stock), 로드 스톡, 시트 스톡, 와이어들, 빌릿들 및 펠릿(pellet)들로 인발되거나 또는 달리 형성될 수 있다.
컴퓨터화된 제어
(예를 들어) 도 1에서 제어기(500)는 도 12에 도시된 컴퓨터 시스템(1201)을 이용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1201)은 본 발명의 초음파 처리를 이용하는 이상에서 언급된 주조 시스템들 또는 임의의 다른 주조 시스템을 제어하기 위한 제어기(500)로서 사용될 수 있다. 도 1에서 하나의 제어기로서 단수로 도시되었지만, 제어기(500)는 특정 제어 기능에 전용되는 및/또는 서로 통신하는 별개의 그리고 개별적인 프로세스들을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제어기(500)는 특히 도 13의 순서도에 의해 도시되는 기능들을 수행하는 제어 알고리즘들을 가지고 프로그래밍될 수 있다.
도 13은, 그들의 엘리먼트들이 이하에서 논의되는 컴퓨터 판독가능 매체에 또는 데이터 저장 디바이스들 중 하나 내에 저장되거나 또는 프로그래밍될 수 있는 순서도를 도시한다. 도 13의 순서도는 금속 제품 내에 핵형성 사이트들을 유도하기 위한 본 발명의 방법을 도시한다. 단계 엘리먼트(1802)에서, 프로그래밍된 엘리먼트는 용융 금속 컨베이어 내로 용융된 금속을 붓는 동작을 지시할 것이다. 단계 엘리먼트(1804)에서, 프로그래밍된 엘리먼트는, 예를 들어, 컨베이어 내의 또는 컨베이어에 부착된 냉각 채널을 통한 액체 매체의 통과 또는 흐름의 제어에 의해 용융된 금속을 냉각시키는 동작을 지시할 것이다. 단계 엘리먼트(1806)에서, 프로그래밍된 엘리먼트는 컨베이어 상의 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 플레이트 내로 직접적으로 진동 에너지를 커플링하는 동작을 지시할 것이다. 이러한 엘리먼트에서, 진동 에너지는, 이상에서 논의된 바와 같이, 용융된 금속 내에 핵형성 사이트들을 유도하는 주파수 및 파워를 가질 것이다. 단계(1804)에서, 용융된 금속의 냉각은, 예를 들어, 리셉터 플레이트에 걸친 소용돌이 냉각 블로잉(vortex cooling blowing)의 제어에 의해서 리셉터 플레이트에 의한 냉각 매체 흐름의 제어에 의해 발생할 수 있다.
용융된 금속 온도, 붓는 레이트, 냉각 채널 통로들을 통한 냉각 흐름, 및 몰드 냉각, 및 진동 에너지 소스들(예를 들어, 용융 금속 컨베이어(50)의 진동 에너지 소스들)의 파워 및 주파수의 제어를 포함하여, 밀을 통한 주조물 제품의 인발(draw) 및 제어와 관련된 엘리먼트들과 같은 엘리먼트들은, 금속 제품 내에 핵형성 사이트들을 유도하기 위하여 본 발명의 방법을 적용하기 위한 명령어들을 포함하는 특수 목적 프로세서들을 생산하기 위하여 표준 소프트웨어 언어들(이하에서 논의됨)을 가지고 프로그래밍될 것이다.
보다 더 구체적으로, 도 12에 도시된 컴퓨터 시스템(1201)은, 버스(1202) 또는 정보를 통신하기 위한 다른 통신 메커니즘, 및 정보를 프로세싱하기 이하여 버스(1202)에 결합되는 프로세서(1203)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(1201)은 또한, 프로세서(1203)에 의해 실행될 명령어들 및 정보를 저장하기 위하여 버스(1202)에 결합되는 메인 메모리(1204), 예컨대 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 다른 동적 저장 디바이스(예를 들어, 동적 RAM(DRAM), 정적 RAM(SRAM), 및 동기식 DRAM(SDRAM))를 포함한다. 이에 더하여, 메인 메모리(1204)는 프로세서(1203)에 의한 명령어들의 실행 동안 일시적인 변수들 또는 다른 중간 정보를 저장하기 위하여 사용될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1201)은, 프로세서(1203)에 대한 정적 정보 및 명령어들을 저장하기 위하여 버스(1202)에 결합되는 판독 전용 메모리(ROM)(1205) 또는 다른 정적 저장 디바이스(예를 들어, 프로그램가능 판독 전용 메모리(PROM), 소거가능 PROM(EPROM), 및 전기적 소거가능 PROM(EEPROM))를 더 포함한다.
컴퓨터 시스템(1201)은 또한, 자기 하드 디스크(1207), 및 착탈가능 매체 드라이브(1208)(예를 들어, 플로피 디스크 드라이브, 판독-전용 콤팩트 디스크 드라이브, 판독/기입 콤팩트 디스크 드라이브, 콤팩트 디스크 주크박스, 테이프 드라이브, 및 착탈가능 자기-광학 드라이브)와 같은 정보 및 명령어들을 저장하기 위한 하나 이상의 저장 디바이스들을 제어하기 위하여 버스(1202)에 결합되는 디스크 제어기(1206)를 포함한다. 저장 디바이스들은, 적절한 디바이스 인터페이스(예를 들어, 소형 컴퓨터 시스템 인터페이스(SCSI), IDE(integrated device electronics), 향상된-IDE(E-IDE), 직접 메모리 액세스(DMA), 또는 울트라-DMA)를 사용하여 컴퓨터 시스템(1201)에 부가될 수 있다.
컴퓨터 시스템(1201)은 또한 특수 목적 로직 디바이스들(예를 들어, 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)들) 또는 구성가능 로직 디바이스들(예를 들어, 심플 프로그램가능 로직 디바이스(SPLD)들, 컴플렉스 프로그램가능 로직 디바이스(CPLD)들, 및 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)들))을 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템(1201)은 또한, 컴퓨터 사용자에게 정보를 디스플레이하기 위한 음극선 관(CRT) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이를 제어하기 위하여 버스(1202)에 결합되는 디스플레이 제어기(1209)를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템은, 컴퓨터 사용자(예를 들어, 제어기(500)와 인터페이싱하는 사용자)와 인터페이싱하고 정보를 프로세서(1203)에 제공하기 위한, 키보드 및 포인팅 디바이스와 같은 입력 디바이스들을 포함한다.
컴퓨터 시스템(1201)은, 메인 메모리(1204)와 같은 메모리 내에 포함된 하나 이상의 명령어들의 하나 이상의 시퀀스들을 실행하는 프로세서(1203)에 응답하여, (예를 들어, 진동 에너지를 열 정지 상태의 액체 금속에 제공하는 것과 관련하여 설명된 것들과 같은) 본 발명의 프로세싱 단계들 중 일 부분 또는 전부를 수행한다. 이러한 명령어들은, 하드 디스크(1207) 또는 착탈가능 매체 드라이브(1208)와 같은 다른 컴퓨터 판독가능 매체로부터 메인 메모리(1204) 내로 판독될 수 있다. 다중-프로세싱 장치 내의 하나 이상의 프로세서들이 또한 메인 메모리(1204) 내에 포함된 명령어들의 시퀀스를 실행하기 위하여 이용될 수 있다. 대안적인 실시예들에 있어서, 하드와이어(hardwired) 회로부가 소프트웨어 명령어들 대신에 또는 이와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 실시예들은 하드웨어 회로부 및 소프트웨어의 임의의 특정 조합에 한정되지 않는다.
컴퓨터 시스템(1201)은, 본원에서 설명된 데이터 구조들, 테이블들, 레코드들, 또는 다른 데이터를 포함하기 위한 그리고 본 발명의 교시들에 따라 프로그래밍된 명령어들을 홀딩하기 위한 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 매체 또는 메모리를 포함한다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예들은, 콤팩트 디스크들, 하드 디스크들, 플로피 디스크들, 테이프, 자기-광학 디스크들, PROM들(EPROM, EEPROM, flash EPROM), DRAM, SRAM, SDRAM, 도는 임의의 다른 자기 매체, 콤팩트 디스크들(예를 들어, CD-ROM), 또는 임의의 다른 광학 매체, 또는 다른 물리적 매체, 반송파(이하에서 설명됨), 또는 컴퓨터가 판독할 수 있는 임의의 다른 매체이다.
컴퓨터 판독가능 매체 중 임의의 하나 또는 조합 상에 저장되면, 본 발명은, 컴퓨터 시스템(1201)이 인간 사용자와 상호작용하는 것을 가능하게 하기 위한, 그리고 본 발명을 구현하기 위해 디바이스 또는 디바이스들을 드라이브하기 위한, 컴퓨터 시스템(1201)을 제어하기 위한 소프트웨어를 포함하게 된다. 이러한 소프트웨어는, 비제한적으로, 디바이스 드라이버들, 운영 시스템들, 개발 툴들, 및 애플리케이션 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 판독가능 매체는, 본 발명을 구현하는데 수행되는 프로세싱의 일 부분(프로세싱이 분산되는 경우) 또는 전부를 수행하기 위한 본 발명의 컴퓨터 프로그램 제품을 더 포함한다.
본 발명의 컴퓨터 코드 디바이스는, 비제한적으로, 스크립트들, 해석가능 프로그램들, 동적 링크 라이브러리(DLL)들, 자바 클래스들, 및 완전 실행가능 프로그램들을 포함하는 임의의 해석가능 또는 실행가능 코드 메커니즘일 수 있다. 또한, 본 발명의 프로세싱의 파트들은 더 양호한 성능, 신뢰성, 및/또는 비용을 위하여 분산될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "컴퓨터-판독가능 매체"는 실행을 위하여 프로세서(1203)에 명령어들을 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭한다. 컴퓨터 판독가능 매체는, 비제한적으로, 비-휘발성 매체, 휘발성 매체, 및 송신 매체를 포함하는 다수의 형태들을 취할 수 있다. 비-휘발성 매체는, 예를 들어, 광학, 자기 디스크들, 및 자기-광학 디스크들, 예컨대 하드 디스크(1207) 또는 착탈가능 매체 드라이브(1208)를 포함한다. 휘발성 매체는, 메인 메모리(1204)와 같은 동적 메모리를 포함한다. 송신 매체는, 버스(1202)를 구성하는 와이어들을 포함하여 동축 케이블들, 구리 와이어 및 광 섬유들을 포함한다. 송신 매체는 또한, 라디오 파 및 적외선 데이터 통신들 동안 생성되는 것들과 같은 음향 또는 광 파들의 형태를 취할 수 있다.
컴퓨터 시스템(1201)은 버스(1202)에 결합된 통신 인터페이스(1213)를 또한 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(1213)는, 예를 들어, 근거리 네트워크(LAN)(1215) 또는 인터넷과 같은 다른 통신 네트워크(1216)에 연결되는 네트워크 링크(1214)에 양방향 데이터 통신 결합을 제공한다. 예를 들어, 통신 인터페이스(1213)는 임의의 패킷 교환형 LAN에 부착하기 위한 네트워크 인터페이스 카드일 수 있다. 다른 예로서, 통신 인터페이스(1213)는, 대응하는 유형의 통신 라인들에 대한 데이터 통신 연결을 제공하기 위한 비대칭 디지털 가입자 라인(ADSL) 카드, 통합 서비스 디지털 네트워크(ISDN) 카드 또는 모뎀일 수 있다. 무선 링크들이 또한 구현될 수 있다. 임의의 이러한 구현예에 있어서, 통신 인터페이스(1213)는 다양한 유형들의 정보를 나타내는 디지털 데이터 스트림들을 운반하는 전기적, 전자기적 또는 광학적 신호들을 전송하고 수신한다.
네트워크 링크(1214)는 전형적으로 하나 이상의 네트워크들을 통한 다른 데이터 디바이스들로의 데이터 통신을 제공한다. 예를 들어, 네트워크 링크(1214)는, 통신 네트워크(1216)을 통해 통신 서비스들을 제공하는 서비스 제공자에 의해 운영되는 장비를 통해 또는 로컬 네트워크(1215)(예를 들어, LAN)를 통해 다른 컴퓨터에 대한 연결을 제공할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이러한 능력은 본 발명이 공장 광범위 자동화 또는 품질 제어와 같은 목적들을 위하여 함께 네트워크화된 다수의 이상에서 설명된 제어기들(500)을 갖는 것을 가능하게 한다. 로컬 네트워크(1215) 및 통신 네트워크(1216)는, 예를 들어, 디지털 데이터 스트림들을 운반하는 전기적, 전자기적, 또는 광학적 신호들 및 연관된 물리 계층(예를 들어, CAT 5 케이블, 동축 케이블, 광 섬유, 등)을 사용한다. 디지털 데이터를 컴퓨터 시스템(1201)으로 및 이로부터 운반하는, 통신 인터페이스(1213)를 통한 그리고 네트워크 링크(1214) 상의 신호들 및 다양한 네트워크들을 통한 신호들은 기저대역 신호들 또는 반송파 기반 신호들로 구현될 수 있다. 기저대역 신호들은 디지털 데이터 비트들의 스트림을 설명하는 변조되지 않은 전기 펄스들로서 디지털 데이터를 전달하며, 여기에서 용어 "비트들"은 심볼을 의미하는 것으로서 광범위하게 해석되어야 하며, 여기에서 각각의 심볼은 적어도 하나 이상의 정보 비트들을 전달한다. 디지털 데이터는 또한, 예컨대 전파 매체를 통한 전자기파들로서 송신되거나 또는 전도성 매체를 통해 전파되는, 진폭, 위상 및/또는 주파수 편이 키잉 신호들을 이용하여 반송파를 변조하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 디지털 데이터는 "유선" 통신 채널을 통해 변조되지 않은 기저대역 데이터로서 전송되거나 및/또는 반송파를 변조함으로써 기저대역과는 상이한 미리 결정된 주파수 대역 내에서 전송될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1201)은, 네트워크(들)(1215 및 1216), 네트워크 링크(1214), 및 통신 인터페이스(1213)을 통해 프로그램 코드를 포함하여 데이터를 송신하고 수신할 수 있다. 또한, 네트워크 링크(1214)는 LAN(1215)을 통해 개인용 디지털 보조기기(PDA) 랩탑 컴퓨터, 또는 무선 전화기와 같은 모바일 디바이스(1217)에 대한 연결을 제공할 수 있다.
보다 더 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 연속 주조 및 롤링 시스템(continuous casting and rolling system; CCRS)이 제공되며, 이는 연속적으로 용융된 금속으로부터 직접적으로 순수 전기 전도체 등급 알루미늄 로드 및 합금 전도체 등급 알루미늄 로드 코일들을 생산할 수 있다. CCRS는 제어, 모니터링, 및 데이터 저장을 구현하기 위하여 (이상에서 설명된) 컴퓨터 시스템들(1201) 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 고품질 알루미늄 로드의 산출을 촉진시키기 위하여, 진보된 컴퓨터 모니터링 및 데이터 획득(advanced computer monitoring and data acquisition; SCADA) 시스템이 롤링 밀(즉, CCRS)을 모니터링하거나 및/또는 제어한다. 이러한 시스템의 추가적인 변수들 및 파라미터들은 품질 제어를 위하여 디스플레이되고, 차트화되며, 저장되고 분석될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 다음의 생산 후 테스팅 프로세스들 중 하나 이상이 데이터 획득 시스템에서 캡처된다.
와 전류 결점 검출기들이 알루미늄 로드의 표면 품질을 연속으로 모니터링하기 위하여 라인 내에서 사용될 수 있다. 로드의 표면 근처에 위치되는 경우, 함유물들이 검출될 수 있으며, 이는 매트릭스 함유물이 불연속적인 결함들로서 작용하기 때문이다. 알루미늄 로드의 주조 및 롤링 동안, 완성된 제품 내의 결함들은 프로세스 내의 임의의 위치에서 기인할 수 있다. 용융물 내의 과도한 수소 및/또는 부정확한 용융된 화학물질이 롤링 프로세스 동안 결점들을 초래할 수 있다. 와 전류 시스템은 비-파괴 테스트이며, CCRS에 대한 제어 시스템은 이상에서 설명된 결함들 중 임의의 하나에 대하여 운영자(들)에게 경고할 수 있다. 와 전류 시스템은 표면 결함들을 검출하고, 결함들을 소형, 중간 또는 대형으로서 분류할 수 있다. 와 전류 결과들은 SCADA 시스템 내에 기록될 수 있으며, 알루미늄(또는 프로세싱되는 다른 금속)의 전부 및 이것이 생산된 시기에 대해 추적될 수 있다.
일단 로드가 프로세스의 말미에서 코일링(coil)되면, 주조 알루미늄의 벌크(bulk) 기계적 및 전기적 속성들이 측정되고 SCADA 시스템 내에 기록된다. 제품 품질 테스트들은: 인장, 연신율, 및 전도율을 포함한다. 인장 강도는 재료들의 강도의 측정치이며, 재료가 파손되기 이전에 인장 하에서 견딜 수 있는 최대 힘이다. 연신율 값들은 재료의 연성의 측정치이다. 전도율 측정치들은 일반적으로 "국제 연동 표준(international annealed copper standard; IACS)"의 퍼센트로서 보고된다. 이러한 제품 품질 메트릭들은 SCADA 시스템 내에 기록될 수 있으며, 알루미늄의 전부 및 이것이 생산된 시기에 대해 추적될 수 있다.
와 전류 데이터에 더하여, 표면 분석이 트위스트 테스트들을 사용하여 수행될 수 있다. 주조 알루미늄 로드는 제어되는 비틀림 테스트를 겪는다. 부적절한 응고와 연관된 결함들, 함유물들 및 롤링 프로세스 동안 생성된 길이 방향 결함들이 뒤틀린 로드 상에서 강화되고 드러난다. 일반적으로, 이러한 결함들은 롤링 방향에 평행한 이음매의 형태로 나타난다. 로드가 시계 방향 및 반시계 방향으로 꼬인 이후에 일련의 평행한 라인들은 샘플이 균질하다는 것을 나타내지만, 반면 주조 프로세스에서의 비-균질성들은 변동하는 라인들을 야기할 것이다. 트위스트 테스트들의 결과들이 SCADA 시스템 내에 기록될 수 있으며, 알루미늄의 전부 및 이것이 생산된 시기에 대해 추적될 수 있다.
샘플 및 제품 준비
샘플들 및 제품들은, 이상에서 상세화된 향상된 진동 에너지 커플링 및/또는 향상된 냉각 기술들을 사용하여 이상에서 언급된 CCR 시스템을 가지고 만들어질 수 있다. 주조 및 롤링 프로세스는, 이상에서 논의된 초음파 결정립 미세화 시스템 또는 인-라인(in-line) 화학적 결정립 미세화 시스템으로 내화성 라이닝(lined) 세척 시스템을 통해 전달되는, 용융 및 보온로들의 시스템으로부터의 용융된 알루미늄의 연속적인 스트림으로서 시작한다. 추가적으로, CCR 시스템은, 용융된 알루미늄으로부터 용해된 수소 또는 다른 가스들을 제거하기 위하여 퍼지 가스 및 초음파 음파들을 사용하는 이상에서 논의된 초음파 탈기 시스템을 포함할 수 있다. 탈기기로부터, 금속은, 용융된 금속 내의 함유물들을 추가로 감소시키는 다공성 세라믹 엘리먼트들을 갖는 용융 금속 필터로 흐를 것이다. 세척 시스템은 그런 다음 용융된 알루미늄을 턴디시로 이송할 것이다. 턴디시로부터, 용융된 알루미늄은, 이상에서 설명된 바와 같은, 강철 밴드 및 구리 주조 링의 주변 홈에 의해 형성된 몰드 내로 부어질 것이다. 용융된 알루미늄은, 임계 구역들에 대하여 자기 유량계들을 가지고 다중-구역 물 매니폴드(manifold)들로부터 스프레이 노즐들을 통해 분배되는 물에 의해 고체 주조물 바로 냉각될 것이다. 연속적인 알루미늄 주조물 바는 롤링 밀을 향해 바 추출 컨베이어 상으로 주조 링을 빠져 나온다.
롤링 밀은, 바의 직경을 감소시키는 개별적으로 구동되는 롤링 스탠드(stand)들을 포함할 수 있다. 로드는, 로드가 미리 결정된 직경들까지 인발되고 그런 다음 코일링되는 인발 밀로 전송될 것이다. 일단 로드가 프로세스의 말미에서 코일링되었으면, 주조 알루미늄의 벌크 기계적 및 전기적 속성들이 측정될 것이다. 품질 테스트들은: 인장, 연신율, 및 전도율을 포함한다. 인장 강도는 재료들의 강도의 측정치이며, 재료가 파손되기 이전에 인장 하에서 견딜 수 있는 최대 힘이다. 연신율 값들은 재료의 연성의 측정치이다. 전도율 측정치들은 일반적으로 "국제 연동 표준(international annealed copper standard; IACS)"의 퍼센트로서 보고된다. )
1) 인장 강도는 재료들의 강도의 측정치이며, 재료가 파손되기 이전에 장력 하에서 견딜 수 있는 최대 힘이다. 인장 및 연신율 측정들은 동일한 샘플에 대하여 수행되었다. 10″ 게이지 길이 샘플이 인장 및 연신율 측정들을 위해 선택되었다. 로드 샘플이 인장 기계 내로 삽입되었다. 그립들이 10″ 게이지 마크들에 위치되었다. 인장 강도 = 파손력(파운드)/단면적(πr2)이며, 여기에서 r(인치)은 로드의 반경이다.
2) % 연신율 = ((L1 - L2)/ L1)X100. L1은 재료의 초기 게이지 길이이고, L2는 인장 테스트로부터의 2개의 파손된 샘플들을 함께 위치시키고 발생하는 고장을 측정함으로써 획득되는 최종 길이이다. 일반적으로, 재료의 연성이 더 높을 수록 더 많이 넥 다운(neck down)된다는 것이 인장 시에 샘플에서 관찰될 것이다.
3) 전도율: 전도율 측정치들은 일반적으로 "국제 연동 표준(IACS)"의 퍼센트로서 보고된다. 전도율 측정들은 켈빈 브리지(Kelvin Bridge)를 사용하여 수행되며, 세부사항들은 ASTM B193-02에서 제공된다. IACS는 표준 연동 전도체에 대한 금속들 및 합금들에 대한 전기 전도율의 단위이며; 100%의 IACS 값은 20 ℃에서의 미터 당 5.80 x 107 지멘스(58.0 MS/m)의 전도율을 나타낸다.
이상에서 설명된 바와 같은 연속 로드 프로세스는, 전기적 등급의 알루미늄 전도체들을 생산하기 위하여 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 결정립 미세화 및 초음파 탈기를 사용하는 기계적 알루미늄 합금들에 대해서도 사용될 수 있다. 테스팅 및 품질 제어, 초음파 결정립 미세화 프로세스를 위하여, 주조물 바 샘플들이 수집되고 에칭될 것이다.
도 14는 ACSR 와이어 프로세스 흐름도이다. 이는 순수 용융된 알루미늄으로부터 ACSR 와이어에서 사용될 알루미늄 와이어로의 변환을 보여준다. 변환 프로세스에서 제 1 단계는 용융된 알루미늄을 알루미늄 로드로 변환하는 것이다. 다음 단계에서, 로드는 몇몇 다이들을 통해 인발되며, 단부 직경에 의존하여 이는 하나 또는 다수의 인발들을 통해 달성될 수 있다. 일단 로드가 최종 직경들로 인발되면, 와이어는 200 내지 500 lbs 사이의 범위의 중량들의 릴들 상에 스풀링된다. 이러한 개별적인 릴들은, 몇몇 개별적인 알루미늄 가닥들을 포함하는 ACSR 케이블들로 강철 연선 둘레로 꼬일 것이다. 가닥들의 수 및 각각의 가닥의 직경은, 예를 들어, 고객 요구사항들에 의존할 것이다.
도 15는 ACSS 프로세스 흐름도이다. 이는 순수 용융된 알루미늄으로부터 ACSS 와이어에서 사용될 알루미늄 와이어로의 변환을 보여준다. 변환 프로세스에서 제 1 단계는 용융된 알루미늄을 알루미늄 로드로 프로세싱하는 것이다. 다음 단계에서, 로드는 몇몇 다이들을 통해 인발되며, 단부 직경에 의존하여 이는 하나 또는 다수의 인발들을 통해 달성될 수 있다. 일단 로드가 최종 직경들로 인발되면, 와이어는 200 내지 500 lbs 사이의 범위의 중량들의 릴들 상에 스풀링된다. 이러한 개별적인 릴들은, 몇몇 개별적인 알루미늄 가닥들을 포함하는 ACSS 케이블들로 강철 연선 둘레로 꼬일 것이다. 가닥들의 수 및 각각의 가닥의 직경은 고객 요구사항들에 의존할 것이다. ACSR 및 ACSS 케이블 사이의 하나의 차이점은, 일단 알루미늄이 강철 케이블 둘레에 꼬이면, 알루미늄을 데드 소프트(dead soft) 상태로 만들기 위하여 전체 케이블이 노들 내에서 열 처리된다는 점이다. ACSR에서 케이블의 강도는 알루미늄 및 강철 케이블에 기인하는 강도들의 결합으로부터 얻어지며, 반면 ACSS 케이블에서 강도의 대부분은 ACSS 케이블 내부의 강철로부터 기인한다는 것을 주목하는 것이 중요하다.
도 16은 알루미늄 스트립 프로세스 흐름도이며, 여기에서 스트립은 최종적으로 금속 피복 케이블로 프로세싱된다. 이는, 제 1 단계가 용융된 알루미늄을 알루미늄 로드로 변환하는 것임을 보여준다. 그 다음에, 로드는, 일반적으로 약 0.375''의 폭 및 약 0.015 내지 0.018''의 두께의 스트립으로 이를 변환하기 위하여 몇몇 롤링 다이들을 통해 롤링된다. 롤링된 스트립은, 대략 600 lbs 중량의 도넛 형상의 패드들로 프로세싱된다. 다른 치수들 및 두께들이 또한 롤링 프로세스를 사용하여 생산될 수 있지만, 약 0.375"의 폭 및 약 0.015 내지 0.018"의 두께가 가장 일반적이라는 것을 주목하는 것이 중요하다. 그런 다음, 이러한 패드들은, 패드들을 중간 어닐링 상태로 가져가기 위하여 노들 내에서 열 처리된다. 이러한 상태에서, 알루미늄은 완전히 단단한 것도 아니며 데드 소프트 상태도 아니다. 그런 다음, 스트립은, 하나 이상의 절연된 회로 전도체들을 봉입하는 인터로킹 금속 테이프(스트립)의 외장으로서 어셈블리되는 보호 재킷으로서 사용될 것이다.
이상에서 설명된 직접 진동 에너지 커플링을 사용하는 본 발명의 초음파 결정립 미세화된 재료들은, 이상에서 설명된 프로세스들을 사용하여 이상에서 언급된 와이어 및 케이블 제품들로 제조될 수 있다.
본 발명의 일반화된 진술
본 발명의 다음의 절(statement)들은 본 발명의 하나 이상의 특징화를 제공하지만, 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.
절 1. 용융 금속 전달 디바이스(즉, 컨베이어)로서, 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 플레이트, 선택적으로 용융된 금속이 냉각되는 동안, 용융된 금속과 접촉하는 리셉터 플레이트로 직접적으로 진동 에너지(예를 들어, 초음파, 기계-구동형, 및/또는 음향 에너지)를 공급하는(예를 들어, 이를 공급하는 구성을 갖는) 적어도 하나의 진동 에너지 소스를 포함하는, 컨베이어. 리셉터 플레이트는 용융된 금속이 리셉터 플레이트 상으로 진입하는 입구로부터 용융된 금속이 리셉터 플레이트를 빠져 나오는 출구까지 연장한다.
절 2. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 냉각 매체의 통과를 위한 적어도 하나의 냉각 채널을 갖는, 디바이스. 절 3. 절 2에 있어서, 상기 냉각 매체는 물, 가스, 액체 금속, 액체 질소 및 엔진 오일 중 적어도 하나를 포함하는, 컨베이어. 절 4. 절 2에 있어서, 상기 냉각 채널은 상기 리셉터 플레이트 내에 존재하거나 또는 상기 냉각 채널은 상기 리셉터 플레이트에 부착된 도관을 포함하는, 컨베이어. 절 5. 절 1에 있어서, 상기 컨베이어는 상기 리셉터 플레이트를 냉각시키기 위하여 가스 흐름을 제공하는 송풍기(blower)를 더 포함하는, 컨베이어.
절 6. 절 1에 있어서, 상기 컨베이어는, 몰드에 용융된 금속을 공급하는 턴디시와 관련하여 또는 주조 밀의 주조 휠과 관련하여 상기 리셉터 플레이트를 장착시키는 어셈블리를 더 포함하는, 컨베이어.
절 7. 절 1에 있어서, 적어도 하나의 진동 에너지 소스는, 용융된 금속과 접촉하는 상기 리셉터 플레이트 내로 직접적으로 진동 에너지를 제공하는 초음파 트랜스듀서, 자기변형 트랜스듀서, 및 기계 구동형 진동기 중 적어도 하나를 포함하는, 컨베이어. 절 8. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트에 제공되는 상기 진동 에너지는 최대 400 kHz에 이르는 주파수들의 범위 내인, 컨베이어.
절 9. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 매끈한 마감, 연마된 마감, 거친 마감, 융기된 마감, 텍스처링된(textured) 마감, 및 움푹 들어간 마감 중 적어도 하나를 갖는, 컨베이어. 절 10. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 나이오븀, 나이오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈럼, 탄탈럼 합금, 구리, 구리 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브데넘, 몰리브데넘 합금, 스테인리스 강철, 세라믹, 복합재, 또는 금속 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 컨베이어. 절 11. 절 10에 있어서, 상기 세라믹은 실리콘 질화물 세라믹을 포함하는, 컨베이어. 절 12. 절 11에 있어서, 상기 실리콘 질화물 세라믹은 실리카 알루미나 질화물을 포함하는, 컨베이어.
절 13. 절 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지 소스는 상기 리셉터 플레이트 상에 정렬된 패턴으로 배열되는 복수의 트랜스듀서들을 포함하는, 컨베이어. 절 14. 절 13에 있어서, 상기 리셉터 플레이트 상의 상기 정렬된 패턴은 상기 리셉터 플레이트의 일 측면 상에서 상기 트랜스듀서들의 더 높은 밀도를 갖는, 컨베이어. 절 15. 절 14에 있어서, 상기 리셉터 플레이트의 일 측면 상에서의 상기 트랜스듀서들의 더 높은 밀도는 용융 금속 출구 측면 상에 존재하는, 컨베이어. 절 16. 절 14에 있어서, 상기 리셉터 플레이트의 일 측면 상에서의 상기 트랜스듀서들의 더 높은 밀도는 용융 금속 입구 측면 상에 존재하는, 컨베이어.
절 17. 절 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지 소스는 상기 리셉터 플레이트에 부착된 압전 트랜스듀서 엘리먼트를 포함하는, 컨베이어. 절 18. 절 17에 있어서, 초음파 부스터가 상기 리셉터 플레이트에 부착된 상기 압전 트랜스듀서 엘리먼트에 커플링되는, 컨베이어. 절 19. 절 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지 소스는 상기 리셉터 플레이트에 부착된 자기변형 트랜스듀서 엘리먼트를 포함하는, 컨베이어. 절 20. 절 1에 있어서, 상기 컨베이어는 용융 금속 흐름 채널 내로 삽입되는 초음파 탈기기를 더 포함하는, 컨베이어.
절 21. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 10 cm 미만의 두께를 갖는, 컨베이어. 절 22. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 0.5 cm 내지 5 cm 사이의, 또는 1 cm 내지 3 cm 사이의 두께를 갖는, 컨베이어. 절 23. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 1.5 cm 내지 2 cm 사이의 두께를 갖는, 컨베이어. 절 24. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 상이한 섹션들에서 상이한 두께들을 갖는, 컨베이어.
절 25. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 주조 휠 위에 배치되며, 상기 주조 휠 내의 수조에 상기 용융된 금속을 제공하는, 컨베이어. 절 26. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 수직 몰드에 부착되며, 상기 수직 몰드의 내부로 상기 용융된 금속을 제공하는, 컨베이어.
절 27. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 길이 방향 길이와 동일하거나 또는 더 작은 측방 폭을 포함하거나, 또는 상기 길이 방향 길이의 절반과 동일하거나 또는 더 작은 측방 폭을 포함하거나, 또는 상기 길이 방향 길이의 1/3과 동일하거나 또는 더 작은 측방 폭을 포함하는, 컨베이어. 절 28. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 2.5 cm 내지 300 cm 사이의 측방 폭을 포함하는, 컨베이어. 절 29. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 상기 출구를 향해 폭이 작아지는 테이퍼진(taper) 측방 폭을 포함하는, 컨베이어.
절 30. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는, 상기 용융된 금속을 상기 출구로 강제하는 중력을 가지고 거의 수평 배향으로 배치되는, 컨베이어. 절 31. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는, 상기 용융된 금속을 상기 출구로 강제하는 중력을 가지고 수평 배향으로부터 45도로 또는 45도 이내로 배치되는, 컨베이어. 절 32. 절 1에 있어서, 상기 리셉터 플레이트는 수직 배향으로부터 45도로 또는 45도 이내로 배치되는, 컨베이어.
절 33. 절 1에 있어서, 상기 컨베이어는, 상기 리셉터 플레이트 상으로 상기 용융된 금속을 붓는 레이트 및 상기 리셉터 플레이트 상의 상기 용융된 금속의 냉각 레이트 중 적어도 하나를 제어하는 제어기를 더 포함하는, 컨베이어. 절 34. 절 33에 있어서, 상기 제어기는, 상기 리셉터 플레이트 위의 상기 용융된 금속의 높이가 1.25 cm 내지 10 cm 사이가 되도록 상기 붓는 레이트를 조정하도록 프로그래밍되는, 컨베이어.
절 35. 금속 제품을 형성하기 위한 방법으로서, 용융된 금속과 접촉하는 컨베이어의 리셉터 플레이트를 따라 상기 용융된 금속을 이송하는 용융물 컨베이어 상으로 상기 용융된 금속을 제공하는 단계; 상기 리셉터 플레이트 내의 또는 이에 부착된 냉각 통로를 통해 또는 상기 리셉터 플레이트에 의해 흐르는 냉각 매체의 제어에 의해 상기 용융된 금속을 냉각시키는 단계; 및 상기 리셉터 플레이트 내로 직접적으로 진동 에너지를 커플링하는 단계를 포함하는, 방법.
절 36. 절 35에 있어서, 에너지를 커플링하는 단계는 초음파 트랜스듀서 또는 자기변형 트랜스듀서 또는 기계-구동형 진동기 중 적어도 하나로부터 상기 프로브로 상기 에너지를 공급하는 단계를 포함하는, 방법. 절 37. 절 36에 있어서, 상기 에너지를 공급하는 단계는 5 내지 400 kHz의 주파수들의 범위 내의 상기 에너지를 제공하는 단계를 포함하는, 방법. 절 38. 절 35에 있어서, 냉각시키는 단계는, 상기 리셉터 플레이트의 냉각제로서 물, 가스, 액체 금속, 액체 질소 및 엔진 오일 중 적어도 하나의 인가에 의해 상기 용융된 금속을 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.
절 39. 절 35에 있어서, 용융된 금속을 제공하는 단계는 주조 휠의 주입 디바이스로부터 상기 리셉터 플레이트 상으로 상기 용융된 금속을 붓는 단계를 포함하는, 방법. 절 40. 절 39에 있어서, 상기 방법은 상기 리셉터 플레이트로부터 상기 주조 휠의 수조 내로 상기 용융된 금속을 붓는 단계를 더 포함하는, 방법. 절 41. 절 35에 있어서, 용융된 금속을 제공하는 단계는 수직 몰드의 턴디시로부터 상기 리셉터 플레이트 상으로 상기 용융된 금속을 붓는 단계를 포함하는, 방법. 절 42. 절 41에 있어서, 상기 방법은 상기 리셉터 플레이트로부터 상기 수직 몰드 내로 상기 용융된 금속을 붓는 단계를 더 포함하는, 방법. 절 43. 절 35에 있어서, 상기 방법은 상기 리셉터 플레이트로부터 연속 주조 몰드 내로 상기 용융된 금속을 붓는 단계를 더 포함하는, 방법. 절 44. 절 35에 있어서, 상기 방법은 상기 리셉터 플레이트로부터 수평 또는 수직 주조 몰드 내로 상기 용융된 금속을 붓는 단계를 더 포함하는, 방법.
절 45. 용융된 금속을 냉각시키도록 구성된 주조 몰드, 및 절 1 내지 절 34 중 어느 하나의 절의 컨베이어를 포함하는, 주조 밀. 절 46. 절 45에 있어서, 상기 몰드는 연속 주조 몰드를 포함하는, 주조 밀. 절 47. 절 45에 있어서, 상기 몰드는 수평 또는 수직 주조 몰드를 포함하는, 주조 밀.
절 48. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템으로서, 용융물 컨베이어 상으로 용융된 금속을 제공하기 위한 수단; 상기 용융된 금속과 접촉하는 상기 컨베이어의 리셉터 플레이트 내의 또는 리셉터 플레이트에 부착된 냉각 통로를 통해 흐르는 냉각 매체를 제어하기 위한 수단; 상기 리셉터 플레이트 내로 진동 에너지를 직접적으로 커플링하기 위한 수단; 및 데이터 입력들 및 제어 출력들을 포함하며, 절 35 내지 절 44에서 기술된 단계 엘리먼트들 중 어느 하나의 동작을 가능하게 하는 제어 알고리즘들을 가지고 프로그래밍되는 제어기를 포함하는, 시스템.
절 49. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템으로서, 절 1 내지 절 34 중 어느 하나의 절의 컨베이어; 및 데이터 입력들 및 제어 출력들을 포함하며, 절 35 내지 절 44에서 기술된 단계 엘리먼트들 중 어느 하나의 동작을 가능하게 하는 제어 알고리즘들을 가지고 프로그래밍되는 제어기를 포함하는, 시스템.
절 50. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템으로서, 용융된 금속을 붓기 위한 주입 디바이스; 상기 금속 제품의 연속 주조물을 형성하기 위한 주조 휠; 상기 주조 휠에 절 1 내지 절 34 중 어느 하나의 절의 상기 컨베이어를 커플링하는 어셈블리; 및 데이터 입력들 및 제어 데이터 출력들을 포함하며, 절 35 내지 절 44에서 기술된 단계 엘리먼트들 중 임의의 하나의 동작을 가능하게 하는 제어 알고리즘들을 가지고 프로그래밍되는 제어기를 포함하는, 시스템.
이상의 교시를 고려하여 본 발명의 다수의 수정들 및 변형들이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항들의 범위 내에서, 본 발명은 본원에서 구체적으로 설명된 것과는 달리 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
Claims (50)
- 용융 금속 컨베이어(conveyor)(50)로서,
용융된 금속의 이송 동안 상기 용융된 금속(53)과 접촉하는 리셉터(receptor) 플레이트(54)로서,
상기 리셉터 플레이트(54)는 용융된 금속이 상기 리셉터 플레이트(54) 상으로 진입하는 입구로부터 용융된 금속이 상기 리셉터 플레이트를 빠져나오는 출구까지 연장하는, 상기 리셉터 플레이트; 및
용융된 금속과 접촉하는 상기 리셉터 플레이트(54)에 직접적으로 진동 에너지를 공급하도록 적응된 적어도 하나의 진동 에너지 소스(40, 52, 56)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 진동 에너지 소스(40, 52, 56)는 상기 리셉터 플레이트(54) 상에 정렬된 패턴으로 배열되는 복수의 트랜스듀서들을 포함하며,
상기 적어도 하나의 진동 에너지 소스(40, 52, 56)는 상기 리셉터 플레이트(54)에 부착된 압전 트랜스듀서 엘리먼트(56) 또는 자기변형 트랜스듀서 엘리먼트를 포함하고,
상기 리셉터 플레이트(54) 상의 상기 정렬된 패턴은 상기 리셉터 플레이트의 일 측면 상에서 상기 트랜스듀서들의 더 높은 밀도를 갖는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 리셉터 플레이트(54)는 냉각 매체의 통과를 위한 냉각 채널(46)을 포함하는, 컨베이어.
- 청구항 2에 있어서,
상기 냉각 채널(46)은 상기 리셉터 플레이트(54) 내에 존재하는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 컨베이어는 상기 리셉터 플레이트(54)를 냉각시키기 위하여 가스 흐름을 제공하는 송풍기를 더 포함하는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 컨베이어는, 몰드에 용융된 금속을 공급하는 턴디시(tundish)와 관련하여 또는 주조 밀의 주조 휠(30)과 관련하여 상기 리셉터 플레이트(54)를 장착시키는 어셈블리(42)를 더 포함하는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
적어도 하나의 진동 에너지 소스(40, 52, 56)는, 용융된 금속(53)과 접촉하는 상기 리셉터 플레이트(54) 내로 직접적으로 진동 에너지를 제공하는 초음파 트랜스듀서, 자기변형 트랜스듀서, 및 기계 구동형 진동기 중 적어도 하나를 포함하는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 리셉터 플레이트(54)에 제공되는 상기 진동 에너지는 최대 400 kHz에 이르는 주파수들의 범위 내인, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 리셉터 플레이트(54)는 나이오븀, 나이오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈럼, 탄탈럼 합금, 구리, 구리 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브데넘, 몰리브데넘 합금, 스테인리스 강철, 세라믹, 또는 복합재 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 컨베이어.
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- 청구항 1에 있어서,
초음파 부스터(58)가 상기 리셉터 플레이트(54)에 부착된 상기 압전 트랜스듀서 엘리먼트(56)에 결합되는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 컨베이어는 용융 금속 흐름 채널 내로 삽입되는 초음파 탈기기를 더 포함하는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 리셉터 플레이트(54)는 0.5 cm 내지 5 cm 사이의 두께를 갖는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 리셉터 플레이트(54)는 주조 휠(30) 위에 배치되며, 상기 주조 휠(30) 내의 수조(trough)(32)에 상기 용융된 금속(53)을 제공하는, 컨베이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 리셉터 플레이트(54)는 2.5 cm 내지 300 cm 사이의 측방 폭을 포함하는, 컨베이어.
- 주조 밀로서,
용융된 금속을 냉각시키도록 구성된 주조 몰드, 및
청구항 1 내지 청구항 8 및 청구항 11 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 컨베이어를 포함하는, 주조 밀.
- 금속 제품을 형성하기 위한 방법으로서,
용융된 금속과 접촉하는 컨베이어의 리셉터 플레이트(54)를 따라 용융된 금속을 이송하는 용융 금속 컨베이어(50) 상으로 용융된 금속(53)을 제공하는 단계;
상기 리셉터 플레이트 내의 냉각 통로를 통해 또는 상기 리셉터 플레이트에 의해 흐르는 냉각 매체의 제어에 의해 상기 컨베이어의 입구에서 상기 용융된 금속을 상기 용융된 금속의 액상선 온도(liquidus temperature)보다 10 ℃ 이상 낮은 온도로 냉각시키는 단계; 및
상기 리셉터 플레이트 내로 진동 에너지를 직접적으로 커플링하는 단계로서, 상기 진동 에너지는 적어도 하나의 진동 에너지 소스(40, 52, 56)에 의해 인가되는, 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 진동 에너지 소스(40, 52, 56)는 상기 리셉터 플레이트(54) 상에 정렬된 패턴으로 배열되는 복수의 트랜스듀서들을 포함하며,
상기 적어도 하나의 진동 에너지 소스(40, 52, 56)는 상기 리셉터 플레이트(54)에 부착된 압전 트랜스듀서 엘리먼트(56) 또는 자기변형 트랜스듀서 엘리먼트를 포함하는, 방법.
- 금속 제품을 형성하기 위한 시스템으로서,
용융된 금속을 붓기 위한 주입 디바이스;
상기 금속 제품의 연속 주조물을 형성하기 위한 주조 휠;
상기 주조 휠에 청구항 1 내지 청구항 8 및 청구항 11 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 상기 컨베이어를 커플링하는 어셈블리; 및
데이터 입력들 및 제어 데이터 출력들을 포함하며, 청구항 17에서 기술된 단계 엘리먼트들 중 임의의 하나의 동작을 가능하게 하는 제어 알고리즘들을 가지고 프로그래밍되는 제어기를 포함하는, 시스템. - 삭제
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002321044A (ja) * | 2001-04-24 | 2002-11-05 | Nkk Corp | 金属の連続鋳造用鋳型設備及び連続鋳造方法 |
| US20070235159A1 (en) * | 2005-08-16 | 2007-10-11 | Qingyou Han | Degassing of molten alloys with the assistance of ultrasonic vibration |
| JP2014076454A (ja) * | 2012-10-09 | 2014-05-01 | Toyota Motor Corp | Ａｌ−Ｓｉ系鋳造合金の製造方法 |
| US20160228943A1 (en) * | 2015-02-09 | 2016-08-11 | Hans Tech, Llc | Ultrasonic grain refining |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5833287B2 (ja) * | 1979-12-20 | 1983-07-19 | 新日本製鐵株式会社 | 溶融金属用樋 |
| FR2648063B1 (fr) * | 1989-06-12 | 1994-03-18 | Irsid | Procede et dispositif de mise en vibration d'une lingotiere de coulee continue des metaux |
| RU2038913C1 (ru) * | 1992-09-22 | 1995-07-09 | Сергей Павлович Буркин | Способ совмещенной непрерывной разливки и деформации металлов и устройство для его осуществления |
| MY111637A (en) * | 1992-11-30 | 2000-10-31 | Bhp Steel Jla Pty Ltd | Metal strip casting |
| US6044895A (en) * | 1993-12-21 | 2000-04-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Continuous casting and rolling system including control system |
| US5967223A (en) * | 1996-07-10 | 1999-10-19 | Hazelett Strip-Casting Corporation | Permanent-magnetic hydrodynamic methods and apparatus for stabilizing a casting belt in a continuous metal-casting machine |
| AU2002951075A0 (en) * | 2002-08-29 | 2002-09-12 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Twin roll casting of magnesium and magnesium alloys |
| IT1395199B1 (it) * | 2009-08-07 | 2012-09-05 | Sovema Spa | Macchina a colata continua per la formatura di un nastro in lega di piombo di grande spessore |
| US8652397B2 (en) | 2010-04-09 | 2014-02-18 | Southwire Company | Ultrasonic device with integrated gas delivery system |
| US9981310B2 (en) * | 2015-09-01 | 2018-05-29 | GM Global Technology Operations LLC | Degassing and microstructure refinement of shape casting aluminum alloys |
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|---|---|---|---|---|
| JP2002321044A (ja) * | 2001-04-24 | 2002-11-05 | Nkk Corp | 金属の連続鋳造用鋳型設備及び連続鋳造方法 |
| US20070235159A1 (en) * | 2005-08-16 | 2007-10-11 | Qingyou Han | Degassing of molten alloys with the assistance of ultrasonic vibration |
| JP2014076454A (ja) * | 2012-10-09 | 2014-05-01 | Toyota Motor Corp | Ａｌ−Ｓｉ系鋳造合金の製造方法 |
| US20160228943A1 (en) * | 2015-02-09 | 2016-08-11 | Hans Tech, Llc | Ultrasonic grain refining |
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