KR20130091640A

KR20130091640A - 용융 금속의 초음파 가스 제거

Info

Publication number: KR20130091640A
Application number: KR1020127029295A
Authority: KR
Inventors: 빅터 에프. 런드퀴스트; 케빈 에스. 길
Original assignee: 사우쓰와이어 컴퍼니
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2013-08-19
Also published as: SI2556176T1; PT2556176T; EP2556176A1; CN103038372A; WO2011127402A1; LT2556176T; US20170166996A1; US8574336B2; DK2556176T3; US20140008848A1; ES2790374T3; US9617617B2; EP2556176B1; US20110247456A1; PL2556176T3; US10640846B2; HUE048627T2

Abstract

용융 금속으로부터 가스 및 불순물을 제거하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 상기 방법들은 용융 금속 배스(molten metal bath) 내의 초음파 장치를 작동시키는 것과 상기 초음파 장치에 인접하여 용융 금속 배스 내로 퍼징 가스(purging gas)를 첨가 시키는 것을 포함할 수 있다. 하나의 구현예로 상기 퍼징 가스 배출구는 초음파 변환기에 부착된 가늘고 긴 탐침(prove)의 팁(tip)에 있다.

Description

용융 금속의 초음파 가스 제거{Ultrasonic Degassing Of Molten Metals}

본 발명은 용융 금속 배스 내에 용해된 가스( 및/또는 다양한 불순물)의 양을 감소시키기 위한 방법(예를 들어, 초음파 가스 제거)에 관한 것이다.

특정한 금속 물품의 프로세싱(processing) 또는 캐스팅(casting)은 용융 금속을 포함하는 배스(bath)가 요구될 수 있고, 이러한 용융 금속의 배스는 특정 금속에 따라서, 700℃ 내지 1200℃ 범위의 온도 또는 그 이상으로 유지될 수 있다. 많은 기구 또는 장치가, 원하는 금속 물품의 생산 또는 캐스팅(casting)을 위하여 상기 용융 금속 배스 내에서 사용될 수 있다. 이러한 기구 또는 장치들은, 더 긴 수명을 가지도록 및 특정 용융 금속과의 반응성이 없도록, 상기 용융 금속 배스 내에서 맞닥뜨리게 되는 고온에 더 잘 견딜 필요성이 있다.

게다가, 용융 금속들은 이들 안에 용해된 하나 이상의 가스 및/또는 이들 안에 존재하는 불순물을 포함할 수 있으며, 이러한 가스 및/또는 불순물은, 원하는 금속 물품의 최종 생산과 캐스팅 및/또는 금속 물품 자체의 물리적인 특성 결과를 가져오는데 있어서 부정적인 영향을 줄 수 있다. 용융 금속 배스 내에 존재하는 불순물 또는 용해된 가스의 양을 감소시키려는 노력은 완전히 성공적이지는 않았다.

따라서 용융 금속으로부터 가스 및/또는 불순물을 제거하기 위한 개선된 방법이 요구된다.

하나의 구현예에서, 상기 방법은 상기 용융 금속 배스 내의 초음파 장치를 작동시키는 것, 상기 초음파 장치에 인접하여 용융 금속 배스 내로 퍼징 가스(purging gas)를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용해된 가스는 수소를 포함할 수 있으며, 상기 용융 금속 배스는 알루미늄 또는 구리(이들의 합금을 포함한다)를 포함할 수 있으며, 상기 퍼징 가스는 아르곤 및/또는 질소를 포함할 수 있다. 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 약 50㎝(또는 25㎝ 또는 15㎝ 또는 5㎝ 또는 2㎝) 이내에서 상기 용융 금속 배스에 첨가될 수 있다.

본 발명은 또한 초음파 장치를 개시하며, 상기 초음파 장치는 초음파 가스 제거를 포함하는 다양한 어플리케이션(application)들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 장치는 초음파 변환기; 제 1 단(first end) 및 제 2 단(second end)을 포함하되, 상기 제 1 단은 상기 초음파 변환기에 부착되고, 상기 제 2 단은 팁(tip)을 포함하는 가늘고 긴 탐침(elongated probe); 및 퍼징 가스 흡입구(inlet) 및 퍼징 가스 배출구(outlet)를 포함할 수 있는 퍼징 가스 전달 시스템;을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 퍼징 가스 배출구는 상기 가늘고 긴 탐침의 팁(tip)의 약 10㎝(또는 5㎝ 또는 1㎝) 이내일 수 있고, 반면 다른 구현예에서, 상기 퍼징 가스 배출구는 상기 가늘고 긴 탐침의 팁에 있을 수 있다. 추가적으로, 상기 초음파 장치는 초음파 변환기 당, 다수(multiple)의 탐침 어셈블리 및/또는 다수의 탐침을 포함할 수 있다.

여기에서 개시되어 포함된 도면은 본 발명의 다양한 구현예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 초음파 장치의 부분 단면도(partial cross-sectional view)를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 일구현예에 따른 초음파 장치의 부분 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일구현예에 따른 초음파 장치의 부분 단면도를 나타낸다.
도 4는 알루미늄의 이론적 밀도와 비교한 예시 1 내지 4 각각의 밀도 퍼센트 차이를 나타낸 막대그래프(bar graph)이다.
도 5는 예시 1 내지 4 각각의 수소 함량을 ppm으로 나타낸 막대그래프이다.
도 6은 예시 5 내지 8을 시간 함수로서 수소 농도를 플롯(plot) 한 것이다.

이러한 요약은 단순화된 형태로서 개념 선택을 도입하기 위해 제공되며, 이는 아래의 상세한 설명에 추가적으로 설명된다. 이러한 요약은 본 발명에서 청구되는 필요적 또는 필수적 특징을 식별하기 위한 의도나 본 발명에서 청구되는 범위를 제한되기 위해 사용되는 것이 아니다.

앞서 언급한 요약 및 다음의 상세한 설명에서 제공하는 예시들 모두는 설명을 위한 것이다. 따라서, 앞서 언급한 요약 및 다음의 상세한 설명은 제한적으로 이해되어서는 안된다. 여기 제시된 것에 덧붙여, 추가적인 특징 및 변형이 제공될 수 있다. 예를 들어, 특정한 구현예는 상세한 설명 내에 설명된 다양한 특징의 콤비네이션 및 서브-콤비네이션에 관한 것일 수 있다.

다음의 상세한 설명은 첨부된 도면에 관한 것이다. 가능한 때마다, 동일 또는 유사한 참조 번호는 동일 또는 유사한 요소를 언급하기 위하여 도면 및 다음의 설명에서 사용된다. 본 발명의 구현예에 설명될 수 있으나, 수정, 적용 및 기타 다른 구현이 가능하다. 예를 들어, 치환, 첨가 또는 변형은 상기 도면 내에서 설명된 요소에 이루어질 수 있고, 여기 설명된 상기 방법은 상기 개시된 방법에 대한 단계의 치환, 재배열 또는 첨가에 의해서 변형될 수 있다. 따라서 다음의 상세한 설명은 발명의 범위를 제한하지 않는다.

용어 "a", "an" 및 “the"는 복수의 선택 가능한 것(예를 들어, 하나 이상)을 포함하기 위해 의도된 것이다. 예를 들어, ”초음파 장치“, ”가늘고 긴 탐침“, ”퍼징 가스“ 등은 따로 특정하지 않는 이상, 초음파 장치, 가늘고 긴 탐침, 퍼징 가스 등의 하나 또는 하나 이상의 조합을 아우르는 것을 의미한다.

여기 언급된 모든 문헌 및 특허는 설명 또는 개시 목적으로 여기에 참조로 포함되는 것으로, 예를 들어, 상기 문헌에 본 발명과 관계되어 사용될 수 있는 구조 및 방법론 등이 설명된다. 본문에 걸쳐 논의되는 상기 문헌은 단지 본 발명의 출원 일자에 앞선 문헌일 뿐이다. 여기 아무것도, 상기 발명자가 선행 발명의 이익에 의해 이러한 선행 문헌에 앞설 자격이 있다는 것을 용인하는 것으로서는 이해되지 않는다.

출원인은 본 발명 내에서 몇 가지 종류의 범위를 개시하고 있다. 출원인이 모든 종류의 범위를 개시 또는 청구한 때, 출원인의 의도는 개별적으로 가능한 숫자 각각, 즉 상기 범위는 합리적으로 상기 범위의 종점을 포함할 뿐만 아니라, 서브-범위 및 이들 서브-범위를 포괄하는 조합을 포함하는 것이다. 예를 들어, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 퍼징 가스는 상기 용융 금속 배스에 약 1 내지 약 50L/min 범위의 속도로 첨가될 수 있다. 유속(flow rate)이 약 1 내지 약 50L/min 범위라고 개시함으로써, 출원인이 상기 유속은 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 50L/min일 수 있다는 것을 열거하기 위하여 의도한 것이다. 추가적으로, 상기 유속은 약 1 내지 약 50L/min(예를 들어, 약 2 내지 약 20L/min 범위의 속도) 범위 내일 수 있으며, 이는 약 1 및 약 50L/min 사이의 모든 범위의 조합 또한 포함할 수 있다. 마찬가지로, 여기 개시된 기타 모든 범위는 유사한 방식으로 해석되어야 한다.

본 발명의 구현예들은 용융 금속의 초음파 가스 제거를 위한 시스템, 방법 및/또는 장치를 제공할 수 있다. 이러한 용융 금속은 알루미늄, 구리, 강철, 아연, 마그네슘 및 그밖에 유사한 것 또는 이들과 기타 금속의 조합(예를 들어, 합금)을 포함할 수 있으나, 이들로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 특정 금속 또는 금속 합금으로 제한되지 않는다. 용융 금속으로부터 물품을 프로세싱 또는 캐스팅하는 것은 용융 금속을 포함하는 배스가 요구될 수 있고, 이러한 용융 금속의 배스는 고온에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 용융 구리는 1100℃ 근방의 온도로 유지될 수 있고, 용융 알루미늄은 750℃ 근방의 온도로 유지될 수 있다.

여기서 사용된 용어 “배스(bath)”, "용융 금속 배스(molten metal bath)" 및 그밖에 유사한 것들은 베슬(vessel), 도가니(crucible), 트로프(trough), 론더(launder) 등을 포괄하는 용융 금속을 포함할 수 있는 모든 용기(container)를 아우르는 의미이다. 상기 배스 및 용융 금속 배스라는 용어는 배치(batch), 연속식(continuous), 세미-연속식(semi-continuous) 작동, 예를 들어, 용융 금속이 일반적으로 정적인 경우(예를 들어, 종종 도가니와 관련), 용융 금속이 일반적으로 동적인 경우(예를 들어, 종종 론더와 관련)를 아우르도록 사용된다.

많은 기구 또는 장치가 원하는 금속 물품의 최종 생산 또는 캐스팅뿐만 아니라, 상기 배스 내의 용융 금속의 컨디션을 모니터하거나, 테스트하거나, 변형하도록 사용될 수 있다. 이러한 기구 또는 장치들은, 더 긴 수명을 가지도록 및 특정 용융 금속과의 반응성이 없도록, 상기 용융 금속 배스 내에서 맞닥뜨리게 되는 고온에 더 잘 견딜 필요성이 있으며, 상기 금속(또는 금속이 포함하는)은 알루미늄 또는 구리 또는 강철 또는 아연 또는 마그네슘 등이다.

게다가, 용융 금속은 그 안에 용해된 하나 이상의 가스를 포함할 수 있으며, 이러한 가스들은 원하는 금속 물품의 최종 생산 및 캐스팅 및/또는 금속 물품 자체의 물리적인 특성 결과를 가져오는데 있어서 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 용융 금속 내에 용해된 가스는 수소, 산소, 질소, 이산화황 및 그밖에 유사한 것 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 환경에서, 상기 용융 금속 내의 가스를 제거하거나 양을 감소시키는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 용해된 수소는 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금)의 캐스팅에 해로울 수 있고, 따라서, 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금)으로부터 제조된 최종 물품의 특성은 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금)의 용융 배스 내에서 동반된(entrained) 수소의 양을 감소시킴으로써 향상될 수 있다. 질량에 기반하여, 3 내지 5ppm을 초과하는 용해된 수소는 캐스팅 속도 및 제조되는 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금) 로드(rod) 및 기타 물품의 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 수소는, 상기 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금)을 포함하는 배스 상부의 대기에 포함되어 있음으로써, 또는 상기 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금) 배스에 사용되는 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금) 공급원료 시작 물질에 존재할 수 있음으로써, 상기 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 기타 금속 또는 합금)배스에 들어갈 수 있다.

용융 금속 배스 내에 용해된 가스의 양을 감소시키기 위한 노력은 성공적이지 못하였다. 때때로, 이러한 공정은 잠재적으로 위험한 물질을 포함할 뿐만 아니라 추가적인 값비싼 장비도 포함한다. 예를 들어, 상기 금속 캐스팅 산업에서 용융 금속 내의 용해된 가스 함량을 감소시키기 위해 사용되는 공정은 그라파이트(graphite)와 같은 재료로 만들어진 로터(rotor)로 구성될 수 있고, 이러한 로터는 상기 용융 금속 배스 내에 위치할 수 있다. 염소 가스가 상기 용융 금속 배스 내의 상기 로터에 인접한 위치에서 상기 용융 금속 배스에 추가적으로 첨가될 수 있다. 이러한 공정은 본 명세서 전반에서 “컨벤셔널(conventional)" 공정이라고 언급될 것이며, 상기 산업에서는 로터리(rotary) 가스 퍼징이라고 종종 언급된다. 상기 컨벤셔널 공정은 몇몇 상황에 있어서, 예를 들면 용융 금속 배스 내의 용해된 수소의 양을 감소시키는 것에는 성공적일 수 있는 반면에, 비싸고, 복잡하며, 잠재적으로 위험할 뿐만 아니라 환경에도 유해한 염소 가스를 사용한다는 적지 않은 뚜렷한 문제점들을 안고 있다. 게다가, 용융 금속은 그 안에 존재하는 불순물을 포함할 수 있고, 이러한 불순물들은 원하는 금속 물품의 최종 생산 및 캐스팅 및/또는 금속 물품 자체의 물리적인 특성 결과를 가져오는데 있어서 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 용융 금속 내의 불순물은 상기 용융 금속 내에 바람직하거나 요구되는 것이 아닌 알칼리 금속 또는 기타 금속을 포함할 수 있다. 당해 기술 분야의 기술 중 하나가 인식하는 것처럼, 특정한 금속의 적은 퍼센트는 다양한 금속 합금 내에 존재하고, 이러한 금속은 불순물로 인식되지 않는다. 제한되지 않는 예시로서, 불순물은 리튬, 소듐, 포타슘, 리드(lead) 및 이와 유사한 것 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 불순물들은 상기 용융 금속 배스에 사용되는 금속 공급재료 시작 물질의 존재에 의해 용융 금속 배스(알루미늄, 구리 또는 기타 금속 또는 합금)에 들어올 수 있다.

본 발명의 일구현예는 용융 금속 배스 내의 용해된 가스의 양을 감소시키는 방법, 즉 달리 말하면 용융 금속의 가스 제거 방법을 제공할 수 있다. 이러한 방법 중 하나는 상기 용융 금속 배스 내에 초음파 장치를 작동시키는 것 및 상기 초음파 장치에 인접하여 상기 용융 금속 배스 내로 퍼징 가스(purging gas)를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 상기 용해된 가스는 산소, 수소, 이산화황 및 이와 유사한 것 또는 이들의 조합이거나 이들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용해된 가스는 수소이거나 수소를 포함할 수 있다. 상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 및 이와 유사한 것 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합(예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함하는)을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있고, 다른 구현예에서는 상기 용융 금속 배스가 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 배스 내의 용융 금속은 알루미늄이거나 또는, 그렇지 않으면 구리일 수 있다.

게다가, 본 발명의 구현예는 용융 금속 배스 내에 존재하는 불순물의 양을 감소시키는 방법, 즉 달리 말하면 불순물 제거 방법을 제공할 수 있다. 이러한 방법 중 하나는 상기 용융 금속 배스 내의 초음파 장치를 작동시키는 것 및 상기 초음파 장치에 인접하여 상기 용융 금속 배스 내로 퍼징 가스를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 상기 불순물은 리튬, 소듐, 포타슘, 리드(lead) 및 이와 유사한 것 또는 이들의 조합이거나 이들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물은 리튬이거나 리튬을 포함할 수 있고, 그렇지 않으면 소듐이거나 소듐을 포함할 수 있다. 상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 및 이와 유사한 것 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합(예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함하는)을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있고, 다른 구현예에서는 상기 용융 금속 배스가 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 배스 내의 용융 금속은 알루미늄이거나 또는, 그렇지 않으면 구리일 수 있다.

여기에 개시된 가스 제거 방법 및/또는 불순물 제거 방법에서 채용된 퍼징 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 제논(xenon)을 하나 이상 포함할 수 있으나, 이들로 제한되지는 않는다. 퍼징 가스로 사용될 수 있는 적합한 가스는 상기 가스가 상기 용융 금속 배스 내의 특정 금속과 눈에 띠게 반응하거나 용해되지 않아야한다는 것이 고려된다. 추가적으로, 가스의 혼합물 또는 조합이 채용될 수 있다. 여기에 개시된 몇몇 구현예에 따르면, 상기 퍼징 가스는 비활성기체(inert gas)이거나 이를 포함할 수 있고, 그렇지 않으면 상기 퍼징 가스는 불활성기체(noble gas)이거나 이를 포함할 수 있고, 그렇지 않으면 상기 퍼징 가스는 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이들의 조합이거나 이들을 포함할 수 있고, 그렇지 않으면, 상기 퍼징 가스는 헬륨이거나 헬륨을 포함할 수 있고, 그렇지 않으면, 상기 퍼징 가스는 네온이거나 네온을 포함할 수 있고, 그렇지 않으면 상기 퍼징 가스는 아르곤이거나 아르곤을 포함할 수 있다. 추가적으로, 출원자들은 몇몇 구현예에서, 상기 컨벤셔널 가스 제거 테크닉이 여기 개시된 초음파 가스 제거 공정과 함께 사용될 수 있다는 것을 고려하였다. 따라서, 상기 퍼징 가스는 몇몇 구현예에서, 염소 가스를 추가적으로 포함할 수 있다.

그러나, 본 발명의 다른 구현예에서는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스의 양을 감소시키거나 또는 가스를 제거하는 방법이 염소 가스의 실질적인 부재 하 또는 염소가스의 부재 하에서 수행될 수 있다. 여기 사용된 실질적인 부재라는 것은, 사용된 퍼징 가스의 양에 기반하여, 사용될 수 있는 염소 가스의 중량이 5% 미만이라는 것을 의미한다. 몇몇 구현예에서, 여기 개시된 방법은 퍼징 가스를 도입하는 것을 포함할 수 있고, 이러한 퍼징 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

상기 용융 금속의 배스 내로 도입되는 퍼징 가스의 양은 수많은 요인에 의존하여 다양할 수 있다. 종종, 본 발명의 구현예에 따른 용융 금속 가스 제거 방법(및/또는 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 방법) 에서 도입되는 퍼징 가스의 양은 약 0.1에서 약 150 표준 리터/분(L/min)의 범위 내로 떨어질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 도입되는 퍼징 가스의 양은 약 0.5 내지 약 100L/min 범위 내, 약 1 내지 약 100L/min 범위 내, 약 1 내지 약 50L/min 범위 내, 약 1 내지 약 35L/min 범위 내, 약 1 내지 약 25L/min 범위 내, 약 1.5 내지 약 20L/min 범위 내, 약 2 내지 약 15L/min 범위 내, 또는 약 2 내지 약 10L/min 범위 내일 수 있다. 이러한 체적 유량(volumetric flow rate)은 분 당 표준 리터이고, 즉 표준 온도(21.1℃) 및 압력(101kPa)에서이다.

연속식 또는 세미-연속식 용융 금속 작동에서, 용융 금속의 배스 내에 도입되는 퍼징 가스의 양은 용융 금속 생산량 또는 생산속도(production rate)에 의존하여 다양할 수 있다. 따라서, 이러한 구현예에 따른 용융 금속 가스 제거 방법(및/또는 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 방법)에서 도입되는 퍼징 가스의 양은 용융 금속의 kg/hr 당 약 10 내지 약 500mL/hr의 퍼징 가스 범위(mL 퍼징가스/kg 용융 금속) 이내로 떨어질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 용융 금속의 생산량 속도에 대한 퍼징 가스의 체적 유량의 비는 약 10 내지 약 400mL/kg 범위 내; 그렇지 않으면, 약 15 내지 약 300mL/kg의 범위 내, 그렇지 않으면 약 20 내지 약 250mL/kg의 범위 내, 그렇지 않으면 약 30 내지 약 200mL/kg의 범위 내, 그렇지 않으면, 약 40 내지 약 150mL/kg의 범위 내, 그렇지 않으면 약 50 내지 약 125mL/kg의 범위 내일 수 있다. 상기와 같이, 상기 퍼징 가스의 체적 유량은 표준 온도(21.1℃) 및 압력(101kPa)에서 이다.

본 발명의 구현예와 일치하는 용융 금속 가스 제거 방법은 상기 용융 금속 배스 내에 존재하는 용해된 가스의 약 10중량%를 초과하여 제거함에 있어서 효과적일 수 있다. 즉, 상기 용융 금속 배스 내에 용해된 가스의 양은, 상기 가스 제거 공정이 채용되기 전에 존재하는 용해된 가스의 양으로부터 약 10중량%을 초과하여 감소될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 존재하는 용해된 가스의 양은, 상기 가스 제거 방법이 채용되기 전에 존재하던 용해된 가스의 양으로부터, 약 15중량%를 초과하여 , 약 20중량%를 초과하여, 약 25중량%를 초과하여, 약 35중량%를 초과하여, 약 50중량%를 초과하여, 약 75중량%를 초과하여 또는 약 80중량%를 초과하여 감소될 수 있다. 예를 들어, 용해된 가스가 수소라면, 약 3ppm 또는 4ppm 또는 5ppm(질량 기준으로)을 초과하는 알루미늄 또는 구리를 포함하는 용융 배스 내의 수소 레벨(level)은 유해할 수 있고, 종종, 상기 용융 금속 내의 수소 함량은 약 4ppm, 약 5ppm, 약 6ppm, 약 7ppm, 약 8ppm, 약 9ppm, 약 10ppm, 약 15ppm, 약 20ppm 또는 약 20ppm 초과일 수 있다. 본 발명의 구현예에서 개시된 방법을 채용하는 것은 상기 용융 금속 배스 내에서 용해된 가스의 양을 약 4ppm 미만, 그렇지 않으면 약 3ppm 미만, 그렇지 않으면 약 2ppm 미만, 그렇지 않으면 약 1 내지 약 4ppm 범위 내로, 그렇지 않으면 약 1 내지 약 3ppm범위 내로, 그렇지 않으면 약 2 내지 약 3ppm 범위 내로 감소시킬 수 있다는 것이 고려된다. 이러한 및 기타 구현예에서, 상기 용해된 가스는 수소이거나 이를 포함할 수 있고, 상기 용융 금속 배스는 알루미늄 및/또는 구리이거나 이를 포함할 수 있다.

가스 제거 방법(예를 들어, 용융 금속을 포함하는 배스 내에 용해된 가스의 양을 감소시키는 것) 또는 불순물을 제거하는 방법에 관한 본 발명의 구현예는 상기 용융 금속 배스 내에 초음파 장치를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 초음파 장치는 초음파 변환기 및 가늘고 긴 탐침을 포함할 수 있고, 상기 탐침은 제 1 단 및 제 2 단을 포함할 수 있다. 상기 제 1 단은 상기 초음파 변환기에 부착될 수 있고, 상기 제 2 단은 팁(tip)을 포함할 수 있으며, 상기 가늘고 긴 탐침의 팁(tip)은 니오븀(niobium)을 포함할 수 있다. 초음파 장치의 설명에 대한 특정 및 비-제한적인 예시가 상기 공정에 채용될 수 있고, 여기 개시된 방법은 아래에서 추가적으로 논의될 것이다. 초음파 가스 제거 공정 또는 불순물 제거 공정과 관련하여 상기 퍼징 가스는 예를 들어, 상기 초음파 장치 가까운 위치에서, 상기 용융 금속 배스 내에 도입될 수 있다. 종종 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁(tip) 에 가까운 위치에서 상기 용융 금속 배스 내에 도입될 수 있다. 상기 퍼징 가스는 예를 들어, 상기 초음파 장치의 팁(tip)에서 약 100㎝ 이내, 약 50㎝ 이내, 약 40㎝ 이내, 약 30㎝ 이내, 약 25㎝ 이내, 약 20㎝ 이내와 같이 상기 초음파 장치의 팁에서 약 1미터 이내로 상기 용융 금속 배스 내에 도입될 수 있다는 것이 고려된다. 몇몇 구현예에서, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁에서 약 15㎝ 이내, 그렇지 않으면 약 10㎝ 이내, 그렇지 않으면 약 8㎝ 이내, 그렇지 않으면 약 5㎝ 이내, 그렇지 않으면 약 3㎝ 이내, 그렇지 않으면 약 2㎝ 이내 또는 그렇지 않으면 약 1㎝ 이내로 상기 용융 금속 배스 내에 도입될 수 있다. 특정한 구현예에서, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁(tip)을 통하거나 인접하여 상기 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다.

이러한 이론에 의해 구속받을 것을 의도하지는 않지만, 출원인들은 용융 금속을 포함하는 배스 내에 용해된 가스의 양을 극적으로 감소시키는 결과를 가져오는 것에 있어서, 상기 초음파 장치의 사용과 인접한 거리에서 퍼징 가스를 혼입(incorporation)하는 것 사이에 시너지 효과가 존재할 수 있다고 생각한다. 출원인들은 상기 초음파 장치에 의해 생산되는 초음파 에너지가, 상기 용해된 가스가 분산될 수 있는 용융물(melt) 내에서 기포(cavitation bubble)를 만들 수 있다고 생각한다. 그러나, 출원인들은 상기 퍼징 가스의 부존재 시, 수많은 기포가 용융 금속의 배스 표면에 도달하기 전에 붕괴될 수 있다고 생각한다. 출원인들은 상기 퍼징 가스가 상기 표면에 도달하기 전에 붕괴되는 기포의 양을 감소시킬 수 있다고 생각하며 및/또는 상기 용해된 가스를 포함하는 거품의 사이즈를 증가시킬 수 있다고 생각하며 및/또는 상기 용융 금속 배스 내의 거품 수를 증가시킬 수 있다고 생각하며 및/또는 상기 용융 금속 배스의 표면에 대한 용해된 가스를 포함하는 거품의 수송 속도(the rate of transport)를 증가시킬 수 있다고 생각한다. 실제 메커니즘에 무관하게, 출원인들은 초음파 장치의 사용을 인접한 거리에서 퍼징 가스 원(source)을 조합한 것은 상기 용융 금속 배스로부터 상기 용해된 가스를 제거하는 것에 있어 시너지적인 향상을 제공할 수 있고, 상기 용융 금속 내에 용해된 가스의 양을 시너지적으로 감소하게 할 수 있다고 생각한다. 다시 말해서, 이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 출원인들은 상기 초음파 장치는 상기 초음파 장치의 팁(tip)에 인접한 이내에서 기포를 만들 수 있다고 생각한다. 예를 들어, 초음파 장치가 약 2 내지 5㎝의 직경을 가진 팁(tip)을 포함할 때, 상기 기포는 붕괴 전에 상기 초음파 장치 팁의 약 15㎝, 약 10㎝, 약 5㎝, 약 2㎝ 또는 약 1㎝ 이내일 수 있다. 만약 상기 퍼징 가스가 상기 초음파 장치의 팁(tip)으로부터 아주 먼 거리에서 첨가되는 경우, 상기 퍼징 가스는 기포 내로 분산될 수 없다. 따라서, 이론에 의해 구속되는 것은 아니지만, 출원인들은 상기 퍼징 가스가 상기 초음파 장치 팁(tip)의 약 25㎝ 이내 또는 약 20㎝ 이내로 상기 용융 금속 배스 내에 도입되는 것이 유리할 수 있고, 더욱 유리하게는 상기 초음파 장치 팁의 약 15㎝ 이내, 약 10㎝ 이내, 약 5㎝ 이내, 약 2㎝ 이내 또는 약 1㎝ 이내로 도입되는 것이 유리할 수 있다고 생각한다.

본 발명의 구현예에 따른 초음파 장치는, 예를 들어, 여기에 참조로 포함된 미국 특허 공보 제2009/0224443호에 개시된 것처럼, 알루미늄 또는 구리와 같은 용융 금속과 접촉할 수 있다. 용융 금속 내에 용해된 가스(예를 들어, 수소)를 감소시키기 위한 초음파 장치 내에서, 니오븀 또는 이들의 합금은 이것이 용융 금속에 노출되었을 때 상기 장치를 위한 보호 장벽으로서 또는 상기 용융 금속에 대해 직접 노출된 상기 장치의 구성요소로서 사용될 수 있다.

본 발명의 구현예는 용융 금속에 직접 접촉하는 구성요소의 수명을 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구현예는 최종 제품에 상당한 품질 향상을 가져오는, 용융 금속과 접촉한 재료의 분해를 감소시키기 위한 니오븀을 사용할 수 있다. 달리 말하면, 본 발명의 구현예는 보호 장벽으로서 니오븀을 사용함으로써 용융 금속과 접촉한 구성요소 또는 물질을 보존하거나 수명을 증가시킬 수 있다. 니오븀은 예를 들어, 본 발명의 앞서 언급한 것들을 제공하는데 도움을 줄 수 있는 높은 용융점과 같은 특성을 가질 수 있다. 게다가 니오븀은 약 200℃ 이상의 온도에 노출되었을 때, 보호 산화물 장벽(protective oxide barrier) 또한 형성할 수 있다.

게다가, 본 발명의 구현예는 용융 금속과 직접 접촉 또는 접하는(interfacing) 구성요소의 수명을 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 이는 니오븀이 특정 용융 금속과의 사이에서 낮은 반응성을 가지며, 니오븀을 사용하는 것이 기판 재료(substrate material)가 분해되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 그 결과, 본 발명의 구현예는 최종 제품에 상당한 품질 향상을 가져오는 기판 재료의 분해를 감소시키기 위하여 니오븀을 사용할 수 있다. 따라서 용융 금속과 관련하여 니오븀은, 니오븀의 높은 용융점 및 알루미늄 및/또는 구리와 같은 용융 금속과의 낮은 반응성을 결합시킬 수 있다.

몇몇 구현예에서, 니오븀 또는 그것의 합금은 초음파 변환기 및 가늘고 긴 탐침을 포함하는 초음파 장치에 사용될 수 있다. 상기 가늘고 긴 탐침은 제 1 단 및 제 2 단을 포함할 수 있고, 여기서 제 1 단은 상기 초음파 변환기에 부착될 수 있으며, 상기 제 2 단은 팁(tip)을 포함할 수 있다. 이러한 구현예에 따르면, 상기 가늘고 긴 탐침의 팁(tip)은 니오븀(예를 들어, 니오븀 또는 그것의 합금)을 포함할 수 있다. 상기 초음파 장치는 상기에서 논의된 것처럼 초음파 가스 제거 공정에 사용될 수 있다. 상기 초음파 변환기는 초음파를 생성할 수 있고, 상기 변환기에 부착된 탐침은 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 및 이와 유사한 것 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합(예를 들어, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함하는)과 같은 용융 금속을 포함하는 배스 내에 상기 초음파를 전송할 수 있다.

도 1은 초음파 장치(300) 내에서 용융 금속 내의 용해된 가스 함량을 감소시키기 위해 사용될 수 있는 니오븀 및 기타 재료의 사용을 나타낸 것이다. 상기 초음파 장치(300)는 초음파 변환기(360), 출력 증가를 위한 부스터(350)를 포함할 수 있고, 초음파 탐침 어셈블리(302)는 상기 변환기(360)에 부착될 수 있다. 상기 초음파 탐침 어셈블리(302)는 가늘고 긴 초음파 탐침(304) 및 초음파 미디엄(312)을 포함할 수 있다. 상기 초음파 장치(300) 및 초음파 탐침(304)은 실린더 형상일 수 있으나, 필수적인 것은 아니다. 상기 초음파 탐침(304)은 제 1 단 및 제 2 단을 포함할 수 있고, 여기서 제 1 단은 상기 초음파 변환기(360)에 부착된 초음파 탐침 샤프트(shaft)(306)를 포함할 수 있다. 상기 초음파 탐침(304) 및 상기 초음파 탐침 샤프트(306)는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 예시적인 재료들로는 스테인레스 강(stainless steel), 티타늄, 니오븀, 세라믹(예를 들어, 사이알론(sialon)) 및 이와 유사한 것 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이들로 제한되지 않는다. 상기 초음파 탐침(304)의 제 2 단은 초음파 탐침 팁(tip)(310)을 포함할 수 있다. 상기 초음파 탐침 팁(310)은 니오븀을 포함할 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 팁(310)은 니오븀으로 구성되거나 니오븀을 필수적으로 포함하여 구성될 수 있다. 니오븀은 하나 이상의 다른 금속과 함께 합금될 수 있거나 또는 다른 재료로 된 베이스층(base layer) 상에 도금되거나(plated) 또는 코팅되는 층일 수 있다. 예를 들어, 상기 팁(tip)(310)은 내부층(inner layer) 및 외부층(outer layer)을 포함할 수 있고, 여기서 상기 내부층은 세라믹 또는 금속 재료(예를 들어, 티타늄)을 포함할 수 있으며, 상기 외부층은 니오븀을 포함할 수 있다. 이러한 구현예에서, 니오븀을 포함하는 상기 외부층의 두께는 약 25 미크론(micron) 미만 또는 약 10 미크론 미만 또는, 그렇지 않으면 약 2 내지 약 8 미크론 범위 이내일 수 있다. 예를 들어, 니오븀을 포함하는 상기 외부층의 두께는 약 3 내지 약 6 미크론의 범위 내 일 수 있다.

상기 초음파 탐침 샤프트(306) 및 상기 초음파 탐침 팁(310)은 커넥터(308)에 의해 연결될 수 있다. 상기 커넥터(308)는 상기 샤프트(306) 및 상기 팁(310)을 부착하는 수단을 대표한다. 예를 들어, 상기 샤프트(306) 및 상기 팁(310)은 함께 볼트로 죄어지거나(bolted) 납땜(soldered)될 수 있다. 하나의 구현예에서, 상기 커넥터(308)는, 움푹 들어간 나사깎기(recessed threading)를 포함하는 샤프트(306) 및 상기 샤프트(306) 내에 고정될 수 있는 팁(310)을 대표할 수 있다. 상기 초음파 탐침 샤프트(306) 및 상기 초음파 탐침 팁(310)은 다른 재료를 포함할 수도 있는 것으로 생각된다. 예를 들어, 상기 초음파 탐침 샤프트(306)는 티타늄 및/또는 니오븀이거나 또는 이를 포함할 수 있고, 상기 초음파 탐침 팁(310)은 니오븀이거나 또는 이를 포함할 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 초음파 탐침 샤프트(306)는 티타늄 및/또는 세라믹(예를 들어, 사이알론(sialon))이거나 또는 이를 포함할 수 있고, 상기 초음파 탐침 팁(310)은 세라믹(예를 들어, 사이알론(sialon))이거나 또는 이를 포함할 수 있다.

다른 구현예에서, 상기 초음파 탐침(304)은 일체(single piece)일 수 있으며, 예를 들어, 상기 초음파 탐침 샤프트(306) 및 상기 초음파 탐침 팁(310)은 동일한 구조를 가진 일원화된 부분(unitary part) 일 수 있다. 이러한 경우, 상기 초음파 탐침은 예를 들어, 니오븀 또는 그것의 합금, 세라믹(예를 들어, 사이알론(sialon)) 또는 기타 적합한 재료를 포함할 수 있다.

다시 도 1과 관련하여, 상기 초음파 장치(300)는 내부 튜브(328), 중간 튜브(324), 외부 튜브(320) 및 보호 튜브(340)를 포함할 수 있다. 이러한 튜브들 또는 채널들은 상기 초음파 탐침(304)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있고, 일반적으로 적합한 금속 또는 세라믹 재료로 구축될 수 있다. 상기 초음파 탐침 팁(310)이 용융 금속의 배스 내에 위치되는 것이 예상될 수 있으나, 상기 보호 튜브(340)의 일부 또한 용융 금속에 담길 수 있다고 생각된다. 따라서 상기 보호 튜브(340)는 티타늄, 니오븀, 실리콘 카바이드, 세라믹 또는 이러한 재료를 하나 이상 조합한 것이거나 또는 이를 포함한 것일 수 있다. 상기 튜브(328), (324), (320) 및 (340) 내에 포함된 것은 도 1에 도시된 것과 같은 유체(322), (326) 및 (342)일 수 있다. 상기 유체는 액체 또는 가스(예를 들어, 아르곤)일 수 있고, 그 목적은 상기 초음파 장치(300) 및 특히, 상기 초음파 탐침 팁(310) 및 보호 튜브(340)를 냉각시키기 위한 것일 수 있다.

상기 초음파 장치(300)는 엔드캡(end cap)을 포함할 수 있다. 상기 엔드캡은 상기 보호 튜브(340) 및 상기 탐침 팁(310) 사이의 틈(gap)을 연결할 수 있고, 용융 금속이 상기 초음파 장치(300)로 들어가는 것을 감소시키거나 방지할 수 있다. 상기 보호 튜브(340)와 유사하게 상기 엔드캡(344)은 예를 들어, 티타늄, 니오븀, 실리콘 카바이드, 세라믹 또는 이러한 재료를 하나 이상 조합한 것이거나, 이를 포함할 수 있다.

상기 초음파 탐침 팁(310), 보호 튜브(340) 또는 엔드캡(344) 또는 이들 셋 모두 니오븀을 포함할 수 있다. 니오븀은 단독으로 사용될 수 있고, 하나 이상의 기타 금속과 합금되어 사용될 수 있거나, 아니면 다른 재료로 된 베이스층 상에 도금되거나 코팅되는 층일 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 탐침 팁(310), 보호 튜브(340) 또는 엔드캡(344) 또는 이들 셋 모두 내부층 및 외부층을 포함할 수 있고, 상기 내부층은 세라믹 또는 금속 재료를 포함할 수 있으며, 상기 외부층은 니오븀을 포함할 수 있다. 상기 초음파 장치의 부분들에 니오븀이 존재할 경우 상기 장치의 수명을 증가시킬 수 있고, 용융 금속과 접촉할 때 화학적 반응성이 아예 없거나 적도록 할 수 있으며, 상기 용융 금속의 용융 온도에서 강도를 제공할 수 있고, 초음파를 전파할 수 있는 능력을 가질 수 있다. 본 발명의 몇몇 구현예에 따르면, 상기 초음파 장치의 팁(310)이 니오븀을 포함하지 않을 때, 상기 용융 금속 배스(예를 들어, 알루미늄 또는 구리의) 내에서 약 15분 내지 30분 만에 부식 또는 분해를 나타낼 수 있다. 대조적으로, 상기 초음파 장치의 팁이 니오븀을 포함할 때는, 상기 팁은 적어도 1시간 이상 후에도 부식 또는 분해가 없거나 최소로 나타날 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, 적어도 72시간 후에도 부식 또는 분해가 없는 것으로 나타날 수 있다.

또 다른 구현예에서, 상기 초음파 탐침 팁(310), 보호 튜브(340) 또는 엔드캡(344) 또는 이들 셋 모두 사이알론(Sialon)과 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 게다가, 상기 초음파 탐침 샤프트(306)는 세라믹을 포함할 수 있고, 그렇지 않으면 티타늄을 포함할 수 있다.

도 2는 니오븀, 사이알론과 같은 세라믹 또는 기타 적합한 재료를 포함할 수 있는 초음파 장치(400)를 나타낸다. 상기 초음파 장치(400)는 초음파 변환기(460), 출력 증가를 위한 부스터(450), 상기 변환기(460)에 부착된 초음파 탐침 어셈블리(402)를 포함할 수 있다. 상기 부스터(450)는 약 1:1을 초과하는 부스트(boost) 레벨에서 증가된 출력을 허용할 수 있고, 예를 들어, 약 1.2:1 내지 약 10:1 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1의 부스트 레벨에서 증가된 출력을 허용할 수 있다. 높이(height) H를 가지는 부스터 클램프 어셈블리(booster clamp assembly)(451)가 적용될 수 있고, 여기서 상기 높이 H는 상이한 길이의 초음파 탐침을 수용하기 위한 요구대로 다양할 수 있다. 상기 초음파 탐침 어셈블리(402)는 도 1에 묘사된 것과 같이 가늘고 긴 초음파 탐침 및 초음파 탐침 팁(410)을 포함할 수 있다. 상기 초음파 탐침 및 팁(tip)은 앞서 논의되었던 것과 같이, 스테인레스 강, 티타늄, 니오븀, 세라믹, 및 이와 유사한 것 또는 이들의 조합, 이들 일체의 혼합물, 이들의 합금 및 이들의 코팅을 포함하나 이들로 제한되지 않는 다양한 재료들로 만들어질 수 있다.

상기 초음파 장치(400)는 상기 초음파 장치(400)에 인접한 위치에 퍼징 가스를 도입(예를 들어, 용융 금속 배스 내)하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 외부 퍼징 가스 주입 시스템(도시하지 않음)은 용융 금속 배스 내에 위치될 수 있고, 상기 주입 위치는 도 1 및/또는 도 2의 초음파 장치에 인접할 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 초음파 장치는 퍼징 가스 배출구(outlet)를 포함할 수 있고, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁(tip) 또는 근처에서 배출될 수 있다. 예를 들어, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 엔드캡 및/또는 탐침을 통하여 배출될 수 있다. 다시 도 2를 참조하면, 상기 초음파 장치는 퍼징 가스 전달 채널(413)에 연결된 퍼징 가스 흡입구 포트(inlet port)(424) 및 주입 챔버(425)를 포함할 수 있다. 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁(410) 또는 근처에 위치한 퍼징 가스 전달 공간(414)으로 전달될 수 있고, 이를 통해 배출될 수 있다. 상기 퍼징 가스 전달 공간(414) 또는 퍼징 가스 배출구는 상기 초음파 장치(400)의 팁(410)의 약 10㎝ 이내, 예를 들어, 약 5㎝ 이내, 약 3㎝ 이내, 약 2㎝ 이내, 약 1.5㎝ 이내, 약 1㎝ 이내, 약 0.5㎝ 이내일 수 있다.

추가적으로, 상기 초음파 장치(400)는 초음파 냉각 시스템(429)을 포함할 수 있고, 이는 상기 초음파 장치의 팁(410)의 외부 표면에 의해 경험되는 용융 금속의 고온과 상반되도록, 상기 초음파 팁 및/또는 상기 초음파 탐침 및/또는 상기 초음파 탐침 어셈블리를 실온에 가깝게(예를 들어, 상기 온도는 약 15℃ 내지 약 75℃의 범위 또는 약 20℃ 내지 약 35℃의 범위일 수 있다) 유지시키도록 디자인 될 수 있다. 만약, 상기 초음파 탐침 및 어셈블리가 니오븀, 사이알론과 같은 세라믹 또는 기타 적합한 재료를 포함한다면, 초음파 냉각 시스템이 필요하지 않을 수 있다. 도 2의 초음파 냉각 시스템(429)은, 예를 들어 도 1에서 묘사된, 상기 초음파 장치에 냉각 및/또는 온도 조절을 제공하기 위해 디자인 된 내부 튜브(328), 중간 튜브(324), 외부 튜브(320), 보호 튜브(340), 및 유체(322), (326), (342)를 포함하는 시스템과 유사할 수 있다. 상기 유체는 액체 또는 가스일 수 있고, 상기 유체는 퍼징 가스와 동일한 재료일 수 있다.

도 3은 니오븀, 사이알론과 같은 세라믹 또는 기타 적합한 재료를 포함할 수 있는 또 다른 초음파 장치(500)를 나타낸다. 상기 초음파 장치(500)는 초음파 변환기(560), 출력 증가를 위한 부스터(550), 상기 변환기(560)에 부착된 초음파 탐침 어셈블리(510)를 포함할 수 있다. 상기 부스터(550)는 약 1:1을 초과하는 부스트 레벨에서 증가된 출력을 허용할 수 있고, 예를 들어, 약 1.2:1 내지 약 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1의 부스트 레벨에서 증가된 출력을 허용할 수 있다. 상기 초음파 탐침(510)은 일체(single piece)일 수 있거나 또는 도 1에서 묘사된 것과 유사하게 초음파 탐침 샤프트 및 선택적인(대체 가능한) 초음파 탐침 팁(511)을 포함할 수 있다. 상기 초음파 탐침 및 팁은 앞서 논의한 바와 같이, 스테인레스 강, 티타늄, 니오븀, 세라믹, 및 이와 유사한 것 또는 이들의 조합, 이들 일체의 혼합물, 이들의 합금 및 이들의 코팅을 포함하나 이들로 제한되지 않는 다양한 재료들로 만들어질 수 있다.

상기 초음파 장치(500)는 상기 초음파 장치(500)에 인접한 위치 및/또는 상기 초음파 탐침 팁(511)에 인접한 위치에서 퍼징 가스를 도입(예를 들어, 용융 금속 배스 내)하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 상기와 같이, 외부 퍼징 가스 주입 시스템(도시하지 않음)은 용융 금속 내에 위치될 수 있고, 상기 주입 위치는 도 3의 초음파 장치에 인접할 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 초음파 장치는 퍼징 가스 배출구를 포함할 수 있고, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁 또는 근처로 배출될 수 있다. 예를 들어, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 탐침/팁을 통하여 배출될 수 있다. 다시 도 3을 참조하면, 상기 초음파 장치는 부스터(550)를 포함하는 챔버 내의 퍼징 가스 흡입구(inlet) 포트(522), 상부 하우징(upper housing)(520), 하부 보조 하우징(lower support housing)(521), 및 하부 보조 하우징 커버(lower support housing cover)(523)를 포함할 수 있다. 상기 상부 하우징(520)은 기밀(gas tight) 및/또는 누수방지(leak proof)일 수 있다. 상기 퍼징 가스 흡입구 포트(522)는 퍼징 가스 전달 채널(524)에 연결될 수 있고, 이는 초음파 탐침(510) 내에 포함될 수 있다. 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치(500)의 팁(511)에 위치한 퍼징 가스 주입 지점(injection point)(525)으로 전달되고, 이를 통해 배출될 수 있다. 따라서, 이러한 구현예에서, 상기 초음파 장치(500)는, 초음파 탐침의 팁에서 퍼징 가스 주입 지점을 가지는 퍼징 가스 주입 시스템을 포함하는 초음파 탐침(510)을 포함할 수 있다.

선택적으로, 상기 초음파 장치(500)는, 도 1 및/또는 도 2에서 설명된 것과 같은 초음파 냉각 시스템을 포함할 수 있으나, 필수 조건은 아니다.

여기서 본 발명의 특정한 구현예들이 설명되었으나, 다른 구현예들 또한 존재할 수 있다. 또한, 여기 개시된 모든 방법 및 단계는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 선에서 변형되거나 재배열되거나 추가되거나 생략될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 구현예들을 제시하고 있으나, 본 발명의 범위는 하기에 설명되는 청구항에 의해 정해진다. 명세서에서는 특정한 구조적 특징 및/또는 방법적 행위로서 설명하고 있으나, 청구항이 상기 설명된 특징들 또는 행위들로 제한되는 것은 아니다. 이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 자세히 설명한다.

구현예

구현예 1 - 4

구현예 1 내지 4에서, 여기 개시된 방법에 의해 이루어질 수 있는 알루미늄 용융 배스 내에 용해된 수소양의 감소를 증명하기 위해 일련의 실험이 수행되었다. 상기 알루미늄의 제어 샘플은 가스 제거 테크닉(구현예 1)의 사용에 앞서 가져와 실험되었다. 알루미늄의 용융 금속 배스는 약 1350℉(732℃)의 온도에서 작동하였다. 종래의 가스 제거 테크닉인 로터리 가스 퍼징(rotary gas purging)은 종래의 수소 제거 방법(구현예 2)의 효과를 측정하기 위하여 채용되었다. 구현예 3은 여기 개시된 것처럼, 즉 퍼징 가스의 도입과 초음파 장치를 조합하는 초음파 가스 제거 공정을 활용하였다. 구현예 3에서 상기 초음파 장치는 니오븀 팁을 포함하고 상기 초음파 장치의 팁은 알루미늄 배스 내에 놓여졌다. 상기 초음파 장치는 알루미늄 용융 배스 내에서 20,000Hz(진동수)에서 작동되었다. 상기 초음파 장치의 작동과 동시에, 상기 퍼징 가스인 아르곤은 상기 용융 금속 배스 내로 약 4.7표준 리터/분(L/min)의 속도로 도입되었다. 상기 아르곤은 상기 초음파 장치의 팁을 따라 주입되었다(상기 주입 지점 및 팁 사이의 거리는 약 2㎝미만). 구현예 4는 상기 종래의 가스 제거 테크닉과 상기 초음파 가스 제거 공정을 조합하여 모두 활용하였다.

구현예 1(가스 제거 없음), 구현예 2(종래의 가스 제거 과정 후), 구현예 3(초음파 가스 제거 과정 후), 구현예 4(초음파 및 종래의 가스 제거 과정 후)의 알루미늄 샘플들은 진공 하에서 냉각되어 굳어졌다. 그 다음, 각각의 구현예로부터 얻어진 1 입방 센티미터(1cc = 1mL)의 정육면체 질량이 측정되고, 따라서 각 구현예의 알루미늄 밀도가 측정되었다. 알루미늄은 2.7g/cc의 이론적 밀도를 가지며, 알루미늄 내에 수소 가스의 존재는 이러한 밀도를 감소시키게 된다. 도 4는 알루미늄의 이론적 밀도와 비교하여, 구현예 1 내지 4 각각의 밀도 퍼센트 차이를 나타낸다. 도 4에서, 각각의 샘플에서 알루미늄의 이론적 밀도에 가장 가까운 것은(즉, 알루미늄 밀도 아래의 낮은 비율) 가스 제거 과정이 더 효과적인 것이다. 도 4에서 나타나듯이, 상기 초음파 과정(구현예 3)은 종래의 테크닉(구현예 2)만큼이나 효과적이며, 이들을 조합하여 사용하는 것(구현예 4)은 약간의 추가적인 향상을 제공할 수 있다.

구현예 1 내지 4의 알루미늄 샘플들은 ppm 수소 함량(질량에 기반한) 또한 평가 되었다. 진공 하에서 냉각되고 굳어진 캐스팅 샘플은 수소 함량을 알아보기 위하여 분석되었다. 상기 수소 함량 분석 결과는 도 5에 요약되었다. 도 5 내에서 ppm 이 더 낮은 수소 함량일수록, 가스 제거 절차가 더 효율적이었다. 도 5에서 나타나듯이, 상기 초음파 과정(구현예 3)은 수소를 제거함에 있어서 종래의 테크닉(구현예 2)보다 더 효과적이었고, 이들을 조합하여 사용하는 것(구현예 4)은 추가적인 이점을 제공하는 것을 나타내지 않았다. 도 5의 자료는 더 이상 의존하지 않는다. 출원인들은 표에 실린 ppm 수소 함량의 계산에 분석 오차가 존재한다고 믿는다.

구현예 5 - 8

구현예 5 내지 8에서, 여기 개시된 방법에 따라 가스가 제거될 수 있는 알루미늄 용융 배스 내에 용해된 수소의 상대적 속도를 측정하기 위한 일련의 실험이 수행되었다. 우선, 적은 양의 알루미늄이 금속 배스 내에 용융된 다음, 약 1350℉(732℃)의 온도로 유지되었다. Alspek 단위는 수소 함량을 나타내는 베이스라인(baseline)을 측정하기 위해 mL/100g의 단위로 사용되었다. 상기 Alspek 단위는 용융 알루미늄 내의 용해된 수소량을 측정하기 위해 전해 반쪽 전지의 부분 압력 원리를 사용한다. 상기 초음파 장치의 팁은 상기 알루미늄 배스 내에 놓여지고, 상기 퍼징 가스인 아르곤은 상기 용융 금속 배스에 약 1 표준 리터/분(L/min)의 속도로 첨가되었다. 구현예 5 내지 7에서, 상기 초음파 장치는 최대 40,000Hz 또는 그 이상까지 사용될 수 있지만, 20,000Hz에서 3:1 부스터와 함께 작동되었다. 구현예 5에서, 베이스라인 초음파 진동 진폭이 사용되었고, 초음파 전력 공급(watts)을 위한 베이스라인 전력 레벨(level); 구현예 6에서, 상기 초음파 진동 진폭은 베이스라인의 2 배이고, 상기 초음파 전력 공급의 전력 레벨(level)은 상기 베이스라인의 1.9배이며; 및 구현예 7에서, 상기 초음파 진동 진폭은 상기 베이스라인의 3 배이고, 상기 초음파 전력 공급의 전력 레벨은 상기 베이스라인의 3.6 배였다. 구현예 8에서 상기 초음파 장치는 사용되지 않았고, 아르곤 퍼징 가스의 첨가만 있었다. 상기 수소의 레벨은 Alspek 단위를 사용하여 초과 시간동안 모니터 되었고, 기록되었다. 각각의 실험 사이에, 수소는 상기 알루미늄 배스 내에 첨가되었고, 상기 아르곤 가스의 첨가 전에 상기 베이스라인이 측정되었다.

도 3에서 나타난 것과 유사한 초음파 장치가 구현예 5 내지 8에서 사용되었다. 상기 초음파 장치는 냉각 어셈블리를 포함하지 않았으며, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 탐침의 팁을 통해 주입되었다. 상기 초음파 탐침은 직경이 1〃(2.5㎝)였고, 상기 탐침 및 팁(단일 부분으로서) 모두는 하프늄(hafnium) 및 티타늄을 포함하는 니오븀 합금으로 구성되었다.

도 6은 아르곤 퍼징 가스의 첨가(및 초음파 장치를 사용한다면, 상기 초음파 장치의 활성화) 후에 시간 함수로서 알루미늄 합금 100g당 수소mL 인 수소 농도 플롯(plot)을 나타낸다. 도 6은 구현예 5 내지 7 각각 (퍼징 가스 및 초음파 장치를 사용), 초음파 장치 없이 퍼징 가스만을 사용하는 구현예 8에 비하여, 훨씬 빠르게 알루미늄으로부터 수소를 제거하는 것을 증명한다. 구현예 6 내지 7은, 낮은 초음파 진동 진폭 및 상기 초음파 전력 공급을 위한 낮은 베이스라인 전력 레벨을 사용하는 구현예 5 에 비하여 더 나은 수행 능력을 보인다.

구현예 9 - 10

구현예 9 내지 10은 퍼징 가스의 사용 및 알루미늄 합금 5154(마그네슘을 포함하는)를 사용하는 연속 캐스팅 실험에서 수소 및 리튬/소듐 불순물을 제거하기 위한 초음파 장치의 효율을 측정하기 위한 대규모 실험이었다. 상기 금속 배스의 온도는 약 1350℉(732℃)의 온도로 유지되었다.

소듐 및 리튬 농도의 중량퍼센트는 스펙트로미터를 사용하여 측정되었고, 수소 농도는 용융 알루미늄을 위한 Alscan 수소 분석기를 사용하여 측정되었다. 구현예 9는 제어 실험이었고, 구현예 9의 용융 알루미늄 합금 내의 우세한 소듐 및 리튬 농도는 각각 0.00083%(8.3ppm) 및 0.00036%(3.6ppm)이었다. 구현예 9 내의 수소 농도는 0.41mL/100g 이었다.

구현예 5 내지 8의 초음파 장치는 구현예 10에서 사용되었고, 20,000Hz에서 작동되었다. 구현예 10에서 상기 초음파 장치의 작동과 함께, 아르곤 가스가 용융 금속 배스에 kg/hr의 용융 금속 생산량 당 약 80-85 mL/hr의 체적 유량(volumetric flow rate)으로 첨가되었다(즉, 80-85mL 퍼징 가스/kg 용융 금속). 상기 초음파 장치 및 아르곤 퍼징 가스의 사용 후, 상기 용융 알루미늄 합금 내의 소듐 농도는 0.0001%(1ppm)의 최소 탐지 제한 아래였고, 상기 용융 알루미늄 합금 내의 리튬 농도는 0.0003%(3ppm)이었다. 구현예 10 내의 수소 농도는 0.35mL/100g 이었고, 약 15% 감소 되었다.

Claims

용융 금속 배스 내의 초음파 장치를 작동시키는 단계; 및
상기 초음파 장치에 인접하여 상기 용융 금속 배스 내에 퍼징 가스를 도입하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 용해된 가스는 산소, 수소, 이산화황 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 퍼징 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논(xenon) 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 퍼징 가스는 약 0.1 내지 약 150L/min 범위의 속도로 상기 용융 금속 배스 내에 도입되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 퍼징 가스는 상기 용융 금속 배스로부터 kg/hr 의 생산량 당 약 10 내지 약 500mL/hr의 퍼징 가스인 범위의 속도로 상기 용융 금속 배스 내에 도입되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 적어도 약 10중량% 감소시키는 결과를 가져오는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 용융 금속 배스 내의 알칼리 금속 불순물을 감소시키는 결과를 가져오는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용해된 가스는 수소를 포함하고, 상기 방법은 상기 용융 금속 배스 내의 수소량을 약 4ppm 미만으로 감소시키는 결과를 가져오는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 염소 가스의 실질적인 부재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 장치는 초음파 변환기; 및
제 1 단 및 제 2 단을 포함하되, 상기 제 1 단은 상기 초음파 변환기에 부착되고, 상기 제 2 단은 팁(tip)을 포함하는 가늘고 긴 탐침; 을 포함하고,
상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁의 약 25㎝ 이내에서 상기 용융 금속 배스 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁의 약 5㎝ 이내에서 상기 용융 금속 배스 내에 도입되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁을 통하여 상기 용융 금속 배스 내에 도입되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
용융 금속 배스 내의 초음파 장치를 작동시키는 단계에서,
상기 초음파 장치는 초음파 변환기; 및
제 1 단 및 제 2 단을 포함하되, 상기 제 1 단은 상기 초음파 변환기에 부착되고, 상기 제 2 단은 팁을 포함하는 가늘고 긴 탐침; 을 포함하고,
퍼징 가스를 상기 초음파 장치의 팁의 약 15㎝ 이내에서 약 1 내지 약 50L/min 범위의 속도로 상기 용융 금속 배스 내에 도입하는 단계;
여기서 용해된 가스는 수소를 포함하고;
상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리 또는 이들의 조합을 포함하며; 및
상기 퍼징 가스는 아르곤, 질소 또는 이들의 조합을 포함하는 것;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 퍼징 가스는 상기 용융 금속 배스로부터 kg/hr 의 생산량 당 약 30 내지 약 200mL/hr의 퍼징 가스인 범위의 속도로 상기 용융 금속 배스 내에 도입되는 것을 특징으로 하는 용융 금속 배스 내에 용해된 가스량을 감소시키는 방법.
초음파 변환기;
제 1 단 및 제 2 단을 포함하되, 상기 제 1 단은 상기 초음파 변환기에 부착되고, 상기 제 2 단은 팁을 포함하는 가늘고 긴 탐침; 및
퍼징 가스 흡입구 및 퍼징 가스 배출구를 포함하는 퍼징 가스 전달 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 퍼징 가스 배출구는 상기 가늘고 긴 탐침의 팁의 약 5㎝ 이내인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 퍼징 가스 배출구는 상기 가늘고 긴 탐침의 팁에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가늘고 긴 탐침은 스테인리스 강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가늘고 긴 탐침의 팁은 스테인리스 강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 장치의 팁은 내부층 및 외부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 내부층은 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
상기 외부층은 니오븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부층의 두께는 약 25 미크론(micron) 미만인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부층의 두께는 약 2 내지 약 8 미크론의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 16 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 장치는 상기 가늘고 긴 탐침의 적어도 한 부분을 둘러싼 냉각 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 26 항에 있어서,
상기 냉각 시스템은 상기 가늘고 긴 탐침의 적어도 한 부분을 둘러싼 적어도 하나의 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
제 27 항에 있어서,
상기 채널은 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.