KR20150114565A

KR20150114565A - 알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조 시에 폭발의 가능성을 최소화하기 위한 공정 및 장치

Info

Publication number: KR20150114565A
Application number: KR1020157024041A
Authority: KR
Inventors: 라빈드라 브이 틸라크; 로드니 더블유 워츠; 로날드 엠. 스트리글
Original assignee: 알멕스 유에스에이 인코퍼레이티드
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-10-12
Also published as: CN105008064B; WO2014121297A1; EP2950945A1; US20180229296A1; IN2014DN10497A; RU2015137667A; US9764380B2; KR102226773B1; EP2950945B1; EP2950946B1; US20150139852A1; CN104520030B; WO2014121295A4; WO2014121297A4; US9950360B2; US9616493B2; JP2018158386A; US10864576B2; JP6668422B2; US20170209919A1

Abstract

본 장치 및 시스템은 주조 피트; 리저버 및 공동을 포함하는 주형; 주형 공동으로부터 배출되는 금속의 주변에 냉각제를 도입하도록 작동될 수 있는 냉각제 공급부; 주조 피트의 적어도 최상부 주변의 주위의 일련의 수증기 배기 포트; 냉각제 공급부 내에 불활성 유체를 도입시키기 위한 메커니즘을 포함한다. 다이렉트 칠 주조 방법은 블리드 아웃을 검출한 후에 블리드 아웃 또는 런 아웃을 검출하기 전의 유동 체적 속도에 비해 향상된 유동 체적 속도로 주조 피트로부터 발생된 기체를 배기시키는 단계; 주조 피트 내에 불활성 기체를 도입하는 단계; 및 주조 주형의 냉각제 공급부 내에 불활성 유체를 도입하는 단계를 포함한다.

Description

알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조 시에 폭발의 가능성을 최소화하기 위한 공정 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR MINIMIZING THE POTENTIAL FOR EXPLOSIONS IN THE DIRECT CHILL CASTING ALUMINUM LITHIUM ALLOYS}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 모두 참조에 의해 본원에 포함되는 동시 계류중인 다음의 출원의 선출원일의 이익을 주장한다.

2013년 2월 4일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/760,323 호;

2013년 5월 16일에 출원된 국제 출원 번호 제 PCT/US2013/041457 호;

2013년 5월 16일에 출원된 국제 출원 번호 제 PCT/US2013/041459 호;

2013년 5월 16일에 출원된 국제 출원 번호 제 PCT/US2013/041464 호; 및

2013년 11월 23일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 61/908,065 호.

분야

본 발명은 알루미늄 리튬(Al-Li) 합금의 다이렉트 칠 주조에 관한 것이다.

전통적인(리튬을 함유하지 않는) 알루미늄 합금은, Aluminum Company of America(현 Alcoa)가 1938년에 다이렉트 칠("DC") 주조법을 발명한 이래, 저부 개방형 주형 내에서 반연속적으로 주조되어 왔다. 그 후 공정에 대한 많은 개조 및 변경이 실시되었으나, 기본적 공정 및 장치는 유사하게 유지되었다. 알루미늄 잉곳 주조의 기술 분야의 당업자는 새로운 기술혁신은 공정을 개선하지만 그것의 대체적인 기능은 유지된다는 것을 이해할 것이다.

미국 특허 제 4,651,804 호는 더 현대적인 알루미늄 주조 피트 설계를 설명하고 있다. 금속 용융로는 지표면의 약간 상측에, 주조 주형은 지표면에 또는 지표면의 근처에 장착하고, 주조 잉곳은 주조 작업이 진행됨에 따라 물을 수용하고 있는 피트(pit) 내로 하강되는 것이 표준 기법이 되었다. 다이렉트 칠로부터의 냉각수는 피트 내로 유입되고, 피트 내로부터 지속적으로 제거됨으로써, 피트 내에는 지속적으로 깊은 물의 풀(pool)이 형성된다. 이러한 공정은 현재 사용 상태를 유지하고 있고, 아마도 전세계적으로 매년 500만 톤을 상회하는 알루미늄 및 그 합금이 이 방법에 의해 생산된다.

불행하게도, 이와 같은 시스템을 사용하면 "블리드-아웃(bleed-out)" 또는 "런-아웃(run-out)"으로부터 고유의 위험이 존재한다. "블리드 아웃" 또는 "런 아웃"은 주조되는 알루미늄 잉곳이 주조 주형 내에서 적절하게 응고되지 않고, 액체 상태인 동안에 예상치 않게 조기에 주형으로부터 벗어나는 것이 허용되는 경우에 발생한다. "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 중에 물과 접촉된 용융 알루미늄은 (1) >212℉까지 물을 가열하는 알루미늄의 열질량에 의한 물의 증기로의 전환 또는 (2) 폭발성 화학 반응을 유발하는 에너지 방출을 초래하는 물과 용융 금속의 화학 반응에 의해 폭발을 일으킬 수 있다.

이러한 공정을 사용하는 주형으로부터, 및/또는 주형의 폐쇄공간으로부터 배출되는 잉곳의 측면으로부터 용융 금속이 누설되는 "블리드 아웃" 또는 "런-아웃"이 발생하는 경우에 전세계적으로 많은 폭발이 발생하였다. 그 결과, DC 주조를 위한 가능한 가장 안전한 조건을 확립하게 위해 다수의 실험 연구가 실시되어 왔다. 가장 이른 아마도 가장 유명한 연구 중에 "Aluminum Company of America"의 지. 롱(G. Long)("Explosions of Molten Aluminum in Water Cause and Prevention," Metal Progress, May 1957, Vol. 71, pages 107 to 112)에 의해 수행된 것(이하, "롱"이라 함)이 있고, 그 후 추가의 조사가 수행되었고, 폭발의 위험을 최소화하도록 설계된 산업 "행동 규정"의 확립되었다. 이러한 규정은 전세계적으로 주조공장에서 규범이 되고 있다. 이 규정은 "롱"의 연구에 광범위하게 기초하고 있으며, 통상적으로 다음을 요구한다. (1) 피트 내에 지속적으로 유지되는 물의 깊이는 적어도 3 피트이어야 하고; (2) 피트 내의 물의 수위는 주형 보다 적어도 10 피트 하측에 존재해야 하고; (3) 주조 기계 및 피트 표면은 청결해야 하고, 녹이 없어야 하고, 입증된 유기 재료로 코팅되어야 한다.

"롱"은 자신의 실험에서 2 인치 이하의 깊이를 갖는 피트 내의 물의 풀의 경우 매우 강렬한 폭발이 발생하지 않음을 발견하였다. 그러나, 대신, 피트로부터 용융 금속을 방출하여, 피트의 외부에 위험한 방식으로 이 용융 금속을 분산시키기에 충분한 더 작은 폭발이 발생하였다. 따라서, 위에서 언급된 바와 같이 행동 기준은 적어도 3 피트의 깊이를 갖는 물의 풀이 피트 내에 지속적으로 유지되어야 함을 요구한다. "롱"은 알루미늄/물의 폭발이 발생하려면 특정의 요건이 만족되어야 한다는 결론을 도출하였다. 이들 중에 용융 금속에 의해 피복된 피트의 최하부 상에서 일종의 촉발 작용이 발생해야 한다는 것이 있고, 그는 촉발자(trigger)는 유입되는 금속의 하측에 포획된 극히 얇은 물의 층의 증기로의 급격한 전환에 기인되는 경미한 폭발이라고 제안하였다. 그리스, 오일 또는 페인트가 피트의 최하부 상에 존재하는 경우, 폭발을 촉발시키기 위해 필요한 얇은 물의 층이 코팅되지 않은 표면과 동일한 방식으로 용융 금속의 직하에 포획되지 않으므로 폭발은 방지된다.

실제로, 수직 DC 주조의 경우에 추천되는 물의 깊이인 적어도 3 피트가 일반적으로 채용되고, 일부의 (특허 유럽 대륙의 국가들의) 주조공장에서는 물의 수위가 위의 권고 (2)와 대조적으로 주형의 하측에 매우 근접된다. 따라서, DC 방법에 의해 주조하는 알루미늄 산업은 피트 내에 지속적으로 유지되는 깊은 물의 풀의 안전성을 선택하고 있다. 위의 행동 기준은 실험 결과에 기초한 것이므로 실제로 다양한 종류의 용융 금속/물의 폭발에서 발생하는 것을 완전히 이해할 수는 없다는 것이 강조되어야 한다. 그러나, 위 행동 기준에 주의를 기울인다면 알루미늄 합금에서의 "런-아웃"의 경우에 사고 방지의 실질적인 확실성이 보장되었다.

최근 수년간, 리튬을 함유하는 경량 금속 합금에 대한 관심이 증가되고 있다. 리튬은 용융된 합금의 반응성을 더 커지게 한다. 위에서 언급된 논문 "Metal Progress"에서, "롱"은 에이치. 엠. 히긴스(H. M. Higgins)의 이전의 연구를 언급하였는데, 히긴스는 Al-Li을 포함하는 다수의 합금에 대한 알루미늄/물 반응에 관하여 보고하였고, "용융 금속이 어떤 방식으로든 물 속에 분산되면, Al-Li 합금은 격렬한 반응을 겪는다"고 결론지었다. 또한 미국의 "Aluminum Association Inc"사는 DC 공정으로 이와 같은 합금을 주조하는 경우에 특유의 위험이 존재한다고 발표하였다. "Aluminum Company of America"는 이와 같은 합금이 물과 혼합되는 경우에 매우 격렬하게 폭발할 수 있음을 증명하는 시험의 비디오 기록물을 공표하였다.

미국 특허 제 4,651,804 호는 피트 내에 물의 풀이 형성되지 않도록 주조 피트의 저면으로부터 물을 제거한 상태로 앞에서 언급된 주조 피트를 사용하는 방법을 교시하고 있다. 이러한 구성은 그들이 Al-Li 합금을 주조하기 위한 바람직한 방법이다. 유럽 특허 제 0 150 922 호는 경사진 피트 저면(바람직하게는 3 퍼센트 내지 8 퍼센트의 경사 구배의 피트 저면)을 설명하고 있고, 이것은 수반되는 오프-셋형 물 수집 리저버, 물 펌프, 및 주조 피트 내에 물이 수집될 수 없음을 확인함으로써 물과 Al-Li 합금의 밀접한 접촉에 의한 폭발의 발생을 감소시키기 위한 관련된 수위 센서를 구비한다. 물의 축적이 발생할 수 없도록 피트로부터 잉곳 냉각수를 지속적으로 제거하는 능력은 본 특허의 교시의 성공에 결정적이다.

다른 연구도 또한 알루미늄 합금에 리튬을 첨가하는 것과 관련된 폭발력은 리튬을 함유하지 않는 알루미늄 합금보다 수배의 폭발 에너지의 특성을 증대시킬 수 있음을 입증하였다. 리튬을 함유하는 용융 알루미늄 합금이 물과 접촉하게 되면, 물이 Li-OH 및 수소 이온(H⁺)으로 해리됨에 따라 수소가 급격히 발생된다. 미국 특허 제 5,21 2,343 호는 폭발 반응을 개시하기 위해 알루미늄, 리튬(및 또한 기타 원소)에 물을 첨가하는 것을 교시하고 있다. 수중에서 이러한 원소(특히 알루미늄 및 리튬)의 발열 반응은 대량의 수소 기체, 통상적으로 1 그램의 알루미늄-3% 리튬 합금 당 14 세제곱 센티미터의 수소 기체를 생성한다. 이러한 데이터의 실험적 검증은 미국 에너지성이 자금을 원조하는 연구 계약 번호 # DE-AC09-89SR18035 하에서 실시된 연구에서 찾아볼 수 있다. 상기 미국 특허 제 5,212,343 호의 청구항 1은 발열 반응을 통해 물 폭발을 발생시키기 위해 이러한 강렬한 상호작용을 수행하는 방법을 청구하는 것에 주목하자. 이 특허는 리튬과 같은 원소를 첨가하면 재료의 단위 체적 당 높은 반응 에너지가 발생되는 공정을 설명하고 있다. 미국 특허 제 5,212,343 호 및 제 5,404,813 호에 설명되어 있는 바와 같이, 리튬(또는 일부의 다른 화학적으로 활성인 원소)의 첨가는 폭발을 촉진시킨다. 이들 특허는 폭발 반응이 원하는 결과인 경우의 공정을 교시한다. 이들 특허는 리튬을 함유하지 않는 알루미늄 합금에 비해 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"에 리튬을 첨가함으로써 폭발성을 강화시킨다.

다시 미국 특허 제 4,651,804 호를 참조하면, 전통적인(리튬을 함유하지 않는) 알루미늄 합금의 경우에 폭발이 발생하는 2 가지 경우는 (1) 물의 증기로의 전환 및 (2) 용융 알루미늄과 물의 화학 반응이다. 알루미늄 합금에 리튬을 첨가하면 수소 기체를 생성하는 용융 알루미늄-리튬의 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"과 물의 발열 반응의 1/3 만큼 더 강렬한 폭발력이 발생된다. 용융 Al-Li 합금이 물과 접촉할 때는 언제든지 반응이 일어난다. 주조 피트 내의 초소의 수위에서 주조하는 경우에도, 물은 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 중에 용융 금속과 접촉한다. 주조 피트 내에 발열 반응의 양 성분(물과 용융 금속)이 존재하므로, 이것은 피할 수 없고, 단지 감소시킬 수 있을 뿐이다. 물-알루미늄 접촉의 양을 감소시키면 처음의 2 가지 폭발 조건을 제거할 수 있으나, 알루미늄 합금 내의 리튬의 존재는 수소 발생을 초래한다. 만일 수소 기체 농도가 주조 피트 내에서 임계 질량 및/또는 체적에 도달하도록 허용되면, 폭발이 발생할 가능성이 있다. 폭발을 촉발시키기 위해 요구되는 수소 기체의 체적 농도는 단위 공간 내의 기체 혼합물의 총 체적의 5%의 체적인 임계 농도임이 조사되었다. 미국 특허 제 4,188,884 호는 수중 어뢰 탄두를 제조하는 방법을 설명하고, 4 쪽, 2 컬럼, 33 줄에서 도면을 참조하여 리튬과 같은 물과 고도의 반응성을 갖는 재료의 충전재(32)가 첨가되는 것을 기술하고 있다. 동 특허의 1 컬럼, 25 줄에는 이러한 물과의 반응에 의해 대량의 수소 기체가 방출되어 돌발적으로 기포를 발생시킨다는 것이 언급되어 있다.

미국 특허 제 5,212,343 호는 큰 체적의 수소 함유 기체를 생성하기 위해 Al 및 Li을 포함하는 다수의 원소 및 조합물과 물을 혼합시킴으로써 폭발 반응을 일으키는 방법을 설명하고 있다. 이 특허는 7 쪽, 3 컬럼에서 "물과의 반응 및 접촉 시, 비교적 작은 체적의 반응성 혼합물로부터 큰 체적의 수소가 발생되는 반응성 혼합물이 선택된다"는 것을 언급하고 있다. 동일 문단의 39 줄 및 40 줄에는 알루미늄 및 리튬이 특정되어 있다. 8 쪽, 5 컬럼, 21-23 줄은 리튬과 조합된 알루미늄을 설명하고 있다. 동 특허의 11 쪽, 11 컬럼, 28-30 줄에는 수소 기체 폭발이 언급되어 있다.

DC 주조를 실시하는 다른 방법에서, "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"으로부터 물-리튬 반응 없이 잉곳 냉각을 제공하기 위해 물 이외의 잉곳 냉각제를 사용하여 Al-Li 합금을 주조하는 것에 관한 특허가 허여되었다. 미국 특허 제 4,593,745 호는 잉곳 냉각제로서 할로겐화 탄화수소 또는 할로겐화 알코올을 사용하는 것을 설명하고 있다. 미국 특허 제 4,610,295 호, 제 4,709,740 호 및 제 4,724,887 호는 잉곳 냉각제로서 에틸렌 글리콜의 사용을 설명하고 있다. 이를 위해서, 할로겐화 탄화수소(통상적으로 에틸렌 글리콜)는 물 및 수증기가 없어야 한다. 이것은 폭발 위험에 대한 해결책이지만, 심각한 화재 위험을 초래하고, 구현 및 유지에 비용이 든다. 글리콜 화재의 가능성을 내포하고 있는 주조 피트 내에 화재 진압 시스템이 요구된다. 글리콜 취급 시스템을 포함하는 글리콜계 잉곳 냉각제 시스템을 구현하기 위해, 글리콜을 탈수시키기 위한 열산화기 및 주조 피트 화재 방지 시스템은 일반적으로 약 5백만 달러 내지 8백만 달러(현재의 달러)의 비용이 든다. 냉각제로 100% 글리콜을 사용하는 주조도 또한 다른 문제를 초래한다. 글리콜 또는 다른 할로겐화 탄화수소의 냉각 능력은 물의 냉각 능력과 다르고, 이러한 유형의 기술을 활용하기 위해 상이한 주조 기법 뿐만 아니라 주조 공구가 요구된다. 신뢰할 수 있는 냉각제로서 글리콜을 사용하는 것과 관련된 다른 단점은 글리콜이 물보다 낮은 열전도도 및 표면 열전달 계수를 가지므로 냉각제로서 100% 글리콜을 이용하여 주조된 금속의 미세구조는 조대하고 바람직하지 않은 금속학적 성분을 갖고, 주조 제품 내에 중심선 수축공을 나타낸다. 더 미세한 미세구조가 존재하지 않고, 동시에 더 높은 농도의 수축공이 존재하는 것은 이와 같은 원료로 제조되는 최종 제품의 특성에 유해한 영향을 준다.

Al-Li 합금의 주조에서 폭발 위험을 감소시키기 위한 시도의 또 다른 예에서, 미국 특허 제 4,237,961 호는 DC 주조 중에 잉곳으로부터 물을 제거하는 것을 제안하고 있다. 유럽 특허 제 0 183 563 호에는 알루미늄 합금의 다이렉트 칠 주조 중에 "브레이크아웃" 또는 "런-아웃" 용융 금속을 수집하기 위한 디바이스가 설명되어 있다. "브레이크-아웃" 또는 "런-아웃" 용융 금속을 수집하면 용융 금속의 이러한 질량이 농축된다. 제거를 위해 물이 수집될 때 물의 제거가 물의 풀의 형성을 초래하는 경우에 인위적인 폭발 조건을 생성하므로 이러한 교시는 Al-Li 주조를 위해 사용될 수 없다. 용융 금속의 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 중에 "블리드-아웃" 재료는 또한 풀을 형성하는 물의 영역 내에서 농축된다. 미국 특허 제 5,212,343 호에서 교시되는 바와 같이, 이것은 반응성 물/Al-Li 폭발을 생성하는 바람직한 방식이 될 수 있다.

따라서, 종래 기술에서 Al-Li 합금의 주조에서 폭발의 가능성을 감소시키거나 최소화하기 위한 많은 해결책이 제안되어 왔다. 제안된 이들 해결책의 각각은 이와 같은 작업에 추가의 안정장치를 제공하였으나, 완전히 안전하거나 상업적으로 비용 효율적인 것으로 입증된 것은 전혀 없다.

따라서, Al-Li 합금을 주조하기 위한 더 안전하고, 더 적은 유지 보수의 경향을 갖고, 더 비용 효율적이고, 동시에 더욱 고품질의 주조 제품을 생산하는 장치 및 공정이 여전히 요구되고 있다.

도 1은 다이렉트 칠 주조 시스템의 하나의 실시형태의 간소화된 단면도이다.
도 2는 정상 작동 조건 하에서 냉각제 공급 시스템을 위한 밸브 구성을 보여주는 도 1의 주조 시스템의 개략 평면도이다.
도 3은 블리드-아웃의 검출 시에 냉각제 공급 시스템을 위한 밸브 구성을 보여주는 도 1의 주조 시스템의 개략 평면도이다.
도 4는 공정의 실시형태의 공정 흐름도이다.
도 5는 합금 융체 및 합금 융체로부터 하나 이상의 중간 주조 제품을 형성하기 위해 작동될 수 있는 시스템의 개략 측면도이다.

하나의 실시형태에 따르면, 주조 피트로부터 수증기 또는 증기를 신속하게 제거하기 위해 피트의 최상부의 직하부로부터 피트의 최하부 사이의 다양한 위치에서, 배기 포트가 다이렉트 칠 주조 피트의 내주변의 주위에 위치된다. 임계 질량으로 수소 기체가 응집하는 것을 제거하기 위해 주조 피트의 내부 공간 내에 불활성 기체가 동시에 또는 후속하여 도입된다. 본 명세서에 설명된 하나의 실시형태에 따르면, 주조 중에 "블리드 아웃" 또는 "런 아웃"의 경우에 잉곳 응고 구역 내로의 냉각제 유동의 정지 및 불활성 기체의 도입을 허용하면서 냉각제 흐름 내로 불활성 기체의 지속적인 또는 연속적인 도입을 허용하는 Al-Li 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 개조된 주형이 제공된다.

Al-Li 합금을 주조하기 위한 장치 및 방법이 설명된다. 종래 기술의 교시에 관련된 문제는 물과 Al-Li 용융 금속의 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 재료가 충돌하여 발열 반응 중에 수소를 방출하는 것이다. 경사진 피트 저면, 최소의 수위, 등의 경우에도, 물과 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 용융 금속은 여전히 밀접하게 접촉할 수 있고, 반응을 발생시킬 수 있다. 종래 기술의 특허에 설명된 것과 같은 다른 액체를 사용하는 물을 사용하지 않는 주조법은 주조성, 주조 제품의 품질에 영향을 주고, 구현 및 유지 보수에 비용이 들고, 뿐만 아니라 환경적 문제 및 화재 위험을 일으킨다.

본 발명의 장치 및 방법은 폭발이 발생하기 위해 제공되어야 할 성분을 최소화하거나 제거함으로써 Al-Li 합금의 DC 주조의 안전성을 향상시킨다. 용융 Al-Li 합금 내의 물(또는 수증기 또는 증기)은 수소 기체를 발생시킨다는 것은 알려져 있다. 대표적인 화학 반응식은 다음과 같을 것으로 생각된다.

2LiAl +8H₂O → 2LiOH +2Al(OH)₃ +4H₂(g).

수소 기체는 공기의 밀도보다 상당히 낮은 밀도를 갖는다. 화학 반응 중에 발생하는 공기보다 가벼운 수소 기체는 주조 주형 및 주조 피트의 최상부의 주형 지지 구조물의 직하부인 주조 피트의 최상부를 향해 상방으로 상승하는 경향이 있다. 이러한 통상적으로 폐쇄된 영역에 의해 수소 기체는 폭발성 분위기를 생성하기에 충분하도록 수집 및 농축될 수 있다. 열, 스파크, 또는 다른 발화원은 농축된 기체 상태의 수소 '플럼(plume)'의 폭발을 촉발시킬 수 있다.

용융 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 재료가 (알루미늄 잉곳 주조 기술 분야의 당업자에 의해 실시되는 바와 같은) DC 공정에서 사용되는 중간 주조 제품의 냉각수와 결합되는 경우 증기 및/또는 수증기를 생성하는 것은 알려져 있다. 증기 및/또는 수증기는 수소 기체를 발생시키는 반응을 위한 촉진제이다. 증기 제거 시스템에 의한 이러한 증기 및/또는 수증기의 제거하면, Al-Li와 결합하여 Li-OH를 생성하고 H₂를 배출하는 물의 능력이 제거된다. 현재 설명되고 있는 장치 및 방법은, 하나의 실시형태에서, 주조 피트의 내부 주변의 주위에 배출 포트를 설치하고, "블리드 아웃"의 발생의 검출 시, 신속하게 통기구를 작동시킴으로써 주조 피트 내의 증기 및/또는 수증기의 존재의 가능성을 최소화한다.

하나의 실시형태에 따르면, 배기 포트는 주조 피트 내의 다수의 영역에, 예를 들면, 주조 주형의 하측으로 약 0.3 미터 내지 약 0.5 미터, 중간 영역에서 주조 주형으로부터 1.5 미터 내지 약 2.0 미터, 그리고 0.3 미터의 최하부에 위치된다. 참조를 위해, 그리고 이하에서 더 상세히 설명되는 첨부하는 도면에 도시된 바와 같이, 주조 주형은 통상적으로 상면고(floor level) 내지 이 상면고로부터 1 미터의 상측까지 주조 피트의 최상부에 설치된다. 주조 테이블의 하측의 주조 주형의 주위의 수평 영역 및 수직 영역은, 희석의 목적을 위해 외부의 공기를 도입 및 통기시키기 위한 설비를 제외하고, 피트 스커트 및 렉산 글래스 인케이스먼트(Lexan glass encasement)를 이용하여 폐쇄된다.

다른 실시형태에서, 임계 질량으로 수소 기체가 응집하는 것을 최소화하거나 제거하기 위해 주조 피트의 내부 공간 내에 불활성 기체가 도입된다. 이 경우, 불활성 기체는 공기의 밀도보다 낮은 밀도를 갖는, 그리고 수소 기체가 통상적으로 존재하는 주조 피트의 최상부의 직하의 동일 공간을 점유하는 경향을 갖는 기체이다. 헬륨 기체는 공기의 밀도보다 낮은 밀도를 갖는 적절한 불활성 기체의 이와 같은 일례이다.

Al-Li 합금이 공기와 반응하는 것을 방지하기 위해 주위의 대기로부터 Al-Li 합금을 보호하기 위한 차폐 기체로서 아르곤을 사용하는 것은 많은 기술 보고서에서 설명되었다. 아르곤은 완전한 불활성임에도 불구하고, 이것은 공기의 밀도보다 큰 밀도를 갖고, 강력한 상방의 흡인이 유지되지 않으면 주조 피트의 상측 내부에 불활성을 제공하지 못한다. 공기의 밀도(1.3 그램/리터)에 비교하여, 아르곤은 약 1.8 그램/리터의 밀도를 갖고, 주조 피트의 최하부에 침전되는 경향을 가지므로, 주조 피트의 결정적으로 중요한 의미를 갖는 최상부 영역 내에서 바람직한 수소 배기 보호를 제공하지 못한다. 다른 한편, 헬륨은 불연성이고, 0.2 그램/리터의 낮은 밀도를 갖고, 연소를 지원하지 않는다. 주조 피트의 내부의 공기를 불활성 기체로 교환함으로써, 주조 피트 내의 위험한 분위기는 폭발이 지지될 수 없는 수준까지 희석될 수 있다. 또한, 이러한 교환이 발생하는 동안에 주조 피트로부터 수증기 및 증기도 또한 제거된다. 하나의 실시형태에서, 정상 상태 주조 중에, 그리고 '블리드-아웃'에 관련되는 비긴급 조건이 경험되고 있지 않는 경우에, 수증기 및 증기는 외부의 공정에서 불활성 기체로부터 제거되고, 한편 '청정한' 불활성 기체는 주조 피트를 통해 역방향으로 재순환될 수 있다.

알루미늄-리튬 합금의 용융 및 주조 이외의 알루미늄 합금의 용융 및 다이렉트 칠 주조 기술분야의 당업자는 질소도 또한 '불활성' 기체라는 일반적인 산업적 지식으로 인해 헬륨 대신에 질소 기체를 사용하도록 유혹을 받을 수 있다는 것에 주의해야 한다. 그러나, 공정 안전성을 유지하기 위해, 질소가 액체 알루미늄-리튬 합금과 상호작용하는 경우에 질소는 실제로 불활성 기체가 아니라는 것이 본 명세서에서 언급된다. 질소는 이 합금과 반응하여 암모니아를 발생하고, 다음에 암모니아는 물과 반응하여 추가의 위험한 결과의 반응을 초래하므로, 그것의 사용은 완전히 회피되어야 한다. 다른 불활성 기체로 추정되는 이산화탄소의 경우도 동일하다. 용융 알루미늄 리튬 합금이 이산화탄소와 접촉할 유한의 기회가 존재하는 경우에 어떤 용도에서도 이산화탄소의 사용은 기피되어야 한다.

공기보다 가벼운 불활성 기체의 사용을 통해 얻어지는 상당한 이익은 잔류 기체가 주조 피트 내로 침전되지 않으므로 피트 자체 내에 불안전한 환경을 초래하지 않는다는 것이다. 질식사를 초래하는 밀폐된 공간 내에 체류하는 공기보다 무거운 많은 기체의 예가 있다. 밀폐된 공간 진입에 대해 주조 피트 내의 공기가 모니터링되지만 공정 기체 관련된 문제는 발생되지 않을 것으로 예상된다.

이제 첨부한 도면을 참조하면, 도 1은 DC 주조 시스템의 하나의 실시형태의 단면도를 도시한다. DC 시스템(5)은 통상적으로 지면 내에 형성되는 주조 피트(16)를 포함한다. 주조 피트(16) 내에는, 예를 들면, 유압 동력 유닛(도시되지 않음)을 이용하여 상승 및 하강될 수 있는 주조 실린더(15)가 배치되어 있다. 주조 실린더(15)의 상위 부분 또는 최상부 부분에는 주조 실린더(15)에 의해 상승 및 하강되는 플래튼(platen; 18)이 부착되어 있다. 본 도면에서 플래튼(18)의 상측 또는 상위에는 정지된 주조 주형(12)이 있다. 주조 주형(12)은 도시된 바와 같이 개방된 최상부 및 최하부 및 본체를 갖고, 본체는 주형 공동(관통된 공통)을 형성하고, 내부에 냉각제용 리저버를 포함한다. 하나의 실시형태에서, 냉각제는 냉각제 포트(11)를 통해 주형(12) 내의 리저버에 도입된다. 냉각제 포트(11)는 도관(예를 들면, 스테인레스강 도관)을 통해 물과 같은 적절한 냉각제를 수용하는 냉각제 공급원(17)에 접속된다. 펌프는 냉각제와 유체 연통될 수 있고, 냉각제 포트(17) 및 주형(12) 내의 리저버로의 냉각제의 이동을 보조할 수 있다. 하나의 실시형태에서, 리저버 내로의 냉각제의 유동을 제어하기 위해 냉각제 공급원과 냉각제 포트(11) 사이에 밸브(21)가 배치된다. 또한 리저버로의 냉각제의 유동 속도를 모니터링하기 위해 도관 내에 유량계가 제공될 수 있다. 밸브(21)는 제어기(제어기(35))에 의해 제어될 수 있고, 이와 같은 제어기는 도관을 통한 냉각제의 유동 속도를 모니터링할 수 있다.

용융 금속은 주조 주형(12) 내에 도입되고, 주조 주형의 냉각기 온도에 의해, 그리고 중간 주조 제품이 주형 공동으로부터 배출(주조 주형의 하측으로 배출)된 후 중간 주조 제품 상에 충돌하는 주조 주형(12)의 베이스 또는 최하부 주위의 주조 주형(12)에 결합되는 냉각제 공급부(14)를 통한 냉각제의 도입을 통해 냉각된다. 하나의 실시형태에서, 주조 주형 내의 리저버는 냉각제 공급부(14)와 유체 연통된다. 냉각제 공급부(14)로부터의 냉각제(예를 들면, 물)는 배출되는 중간 주조 제품(예를 들면, 잉곳)의 표면 또는 주변 상으로 유동하여 금속의 다이렉트 칠 및 응고를 제공한다. 주조 주형(12)의 주위에는 주조 테이블(31)이 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 실시형태에서, 주형(12)의 구조물과 테이블(31) 사이에 고온 내열성 실리카 재료로 제조되는 개스킷 또는 시일(29)이 위치된다. 개스킷(29)은 주조 테이블(31)의 하측으로부터 증기 또는 임의의 다른 분위기가 주조 테이블의 상측에 도달하는 것을 방지하고, 이것에 의해 주조 작업자가 작업하고 호흡하는 공기의 오염을 방지한다.

도 1에 도시된 실시형태에서, 시스템(5)은 블리드 아웃 또는 런-아웃을 검출하기 위해 주형(12)의 직하에 위치되는 용융 금속 검출기(10)를 포함한다. 용융 금속 검출기(10)는, 예를 들면, 미국 특허 제 6,279,645 호에 설명되어 있는 유형의 적외선 검출기, 미국 특허 제 7,296,613 호에 설명되어 있는 바와 같은 "브레이크 아웃 검출기" 또는 "블리드 아웃"의 존재를 검출할 수 있는 임의의 다른 적절한 디바이스일 수 있다.

도 1에 도시된 실시형태에서, 시스템(5)은 또한 배기 시스템(19)을 포함한다. 하나의 실시형태에서, 배기 시스템(19)은, 본 실시형태에서, 주조 피트(16) 내에 위치되는 배기 포트(20A, 20A', 20B, 20B', 20C, 20C')를 포함한다. 배기 포트는 주조 피트의 내부 공동으로부터 발화원(예를 들면, H₂(g) 및 반응물(예를 들면, 수증기 또는 증기))을 포함하는 생성되는 기체의 제거를 최대화하기 위해 배치된다. 하나의 실시형태에서, 배기 포트(20A, 20A')는 주형(12)의 하측으로 약 0.3 미터 내지 약 0.5 미터에 위치되고, 배기 포트(20B, 20B')는 주형(12)의 하측으로 약 1.5 미터 내지 약 2.0 미터에 위치되고, 배기 포트(20C, 20C')는 블리드 아웃 금속이 포획되어 수용되는 주조 피트(16)의 베이스에 위치된다. 배기 포트는 각각의 수준에서 쌍으로 도시되어 있다. 도 1에서와 같이 상이한 수준에 일련의 배기 포트가 있는 실시형태에서, 각각의 수준에 2 개를 초과하는 배기 포트가 존재할 수 있다는 것이 인정된다. 예를 들면, 다른 실시형태에서, 각각의 수준에 3 개 또는 4 개의 배기 포트가 있을 수 있다. 다른 실시형태에서, 2 개 미만(예를 들면, 각각의 수준에 1 개)이 있을 수 있다. 배기 시스템(19)은 또한 주조 주형(12)으로부터 이격(예를 들면, 주형(12)으로부터 약 20 내지 30 미터 이격)되고, 시스템으로부터 배기되는 기체의 방출을 허용하기 위한 원격 배기구(22)를 포함한다. 배기 포트(20A, 20A', 20B, 20B', 20C, 20C')는 덕트(예를 들면, 아연도금강 또는 스테인레스강 덕트)를 통해 배기구(22)에 접속된다. 하나의 실시형태에서, 배기 시스템(19)은 배기 기체를 배기구(22)로 안내하기 위한 일련의 배기 팬을 더 포함한다.

도 1은, 본 실시형태에서, 주조 피트의 주위에 배치되고, 불활성 기체 공급원 또는 공급원들(27)에 접속되는 불활성 기체 도입 포트(예를 들면, 불활성 기체 도입 포트(26A, 26A', 26B, 26B', 26C, 26C')을 포함하는 기체 도입 시스템(24)을 더 보여주고 있다. 하나의 실시형태에서, 각각의 포트(26B, 26B', 26C, 26C')의 위치에 일치하여, 발생되는 수소 기체의 추가의 수송 중 희석을 획득하기 위해 과잉의 공기 도입 포트가 배치된다. 기체 도입 포트의 위치는 필요 시(특히 블리드-아웃의 검출 시)에 사전결정된 "블리드 아웃" 조건의 검출 시간 내(예를 들면, 최대 약 30초 내)에 주조 피트(16) 내로 불활성 기체 도입 포트(26)를 통해 불활성 기체를 도입하는 기체 도입 시스템(24)을 통해 피트 내의 기체 및 수증기를 즉각적으로 교체하도록 불활성 기체의 대량흐름(flood)을 제공하도록 선택된다. 도 1은 주조 피트(16)의 최상부 부분에 인접하여 위치되는 기체 도입 포트(26A, 26A'), 주조 피트(16)의 중간 부분에 위치되는 기체 도입 포트(26B, 26B'), 및 주조 피트(16)의 최하부 부분에 위치되는 기체 도입 포트(26C, 26C')를 보여준다. 불활성 기체의 도입을 제어하기 위해 각각의 기체 도입 포트에 압력 조절기 또는 밸브가 연결될 수 있다. 기체 도입 포트는 각각의 수준에서 쌍으로 도시되어 있다. 각각의 수준에 일련의 기체 도입 포트가 있는 하나의 실시형태에서, 각각의 수준에 2 개를 초과하는 기체 도입 포트가 존재할 수 있다는 것이 인정된다. 예를 들면, 다른 실시형태에서, 각각의 수준에 3 개 또는 4 개의 기체 도입 포트가 있을 수 있다. 다른 실시형태에서, 각각의 수준에 2 개 미만(예를 들면, 1 개)이 있을 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 실시형태에서, 주조 피트(16)의 최상부(14)의 기체 도입 포트(26A, 26A')를 통해 도입되는 불활성 기체는 주형(12)의 하측에서 응고되는 반고체의 액체 알루미늄 합금 상에 충돌되고, 하나의 실시형태에서 이 영역에서의 불활성 기체 유동 속도는 "블리드 아웃" 또는 "런 아웃"의 존재의 검출 전의 냉각제의 체적 유동 속도와 적어도 실질적으로 동등하다. 주조 피트의 상이한 수준에 기체 도입 포트가 있는 실시형태에서, 이러한 기체 도입 포트를 통한 유동 속도는 주조 피트(16)의 최상부(14)의 기체 도입 포트를 통한 유동 속도와 동일하거나 상이할 수 있다(예를 들면, 주조 피트(16)의 최상부(14)의 기체 도입 포트를 통한 유동 속도보다 느림).

다른 실시형태에서, 불활성 기체가 (예를 들면, 냉각제 공급부를 통해 냉각제로 불활성 기체를 방출시킴으로써) 주형을 통해 유동하는 냉각제에 의해 대체되거나 불활성 기체에 냉각제가 첨가되도록, 또는 주형을 통해 별도로 유동하도록 기체 도입 시스템(24)은 주형(12) 내에 보조 기체 도입 포트(23)로의 도관을 포함한다(예를 들면, 도시된 실시형태에서, 주형(12)의 본체는 냉각제 공급원(17), 냉각제 포트(11) 및 냉각제 공급부(14)와 유체 연통하는 냉각제용 리저버, 및 불활성 기체 공급원(27), 보조 기체 도입 포트(23) 및 주조 피트 내로의 하나 이상의 불활성 기체 공급부(25)와 유체 연통하는 불활성 기체용 별도의 매니폴드를 갖는다). 대표적인, 보조 기체 도입 포트(23)를 통해 주형(12) 내로 불활성 기체의 유동을 제어 또는 조절하도록 도관 내에 밸브(13)가 배치된다. 하나의 실시형태에서, 밸브(13)는 비(non)-블리드-아웃 또는 비-런-아웃 조건 하에서 폐쇄되거나 부분적으로 폐쇄되고, 블리드-아웃 또는 런-아웃에 응답하여 개방된다. 주조 피트의 상이한 수준에 기체 도입 포트가 있는 실시형태에서, 이러한 기체 도입 포트를 통한 유동 속도는 주조 피트(16)의 최상부(14)의 기체 도입 포트를 통한 유동 속도와 동일하거나 상이할 수 있다(예를 들면, 주조 피트(16)의 최상부(14)의 기체 도입 포트를 통한 유동 속도보다 느림). 밸브(13)는 제어기(제어기(35))에 의해 제어될 수 있고, 보조 기체 도입 포트(23)로의 도관 내의 압력은, 예를 들면, 도관 내의 압력계를 통해 제어기에 의해 모니터링될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 기체 도입 포트를 통해 도입되는 하나의 적절한 불활성 기체는 헬륨이다. 헬륨은 공기의 밀도 미만의 밀도를 갖고, 반응성 생성물을 생성하는 알루미늄 또는 리튬과 반응하지 않고, 비교적 높은 열전도도(0.15 W·m^-1·K^-1)를 갖는다. 블리드-아웃 또는 런-아웃의 경우에서와 같이 주형(12)을 통한 냉각제의 유동을 대체하기 위해 불활성 기체가 도입되는 경우, 하나의 실시형태에서, 비교적 높은 열전도도를 갖는 헬륨과 같은 불활성 기체는 용융 금속에 의한 주형의 변형을 억제하기 위해 도입된다. 다른 실시형태에서, 불활성 기체의 혼합물이 도입될 수 있다. 대표적으로, 불활성 기체의 혼합물은 헬륨 기체를 포함한다. 하나의 실시형태에서, 불활성 기체의 혼합물은 헬륨 기체 및 적어도 20 퍼센트의 헬륨 기체를 포함하는 아르곤 기체를 포함한다. 다른 실시형태에서, 헬륨/아르곤 혼합물은 적어도 약 60 퍼센트의 헬륨 기체를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 헬륨/아르곤 혼합물은 적어도 약 80 퍼센트의 헬륨 기체 및 대응하여 최대 약 20 퍼센트의 아르곤 기체를 포함한다.

기체 도입 포트를 통해 도입된 대체 불활성 기체는 상부 배기 시스템(28)에 의해 주조 피트(16)로부터 제거되고, 이것은 하나의 실시형태에서 지속적으로 더 낮은 체적으로 지속적으로 작동되지만 체적 유동 속도는 "블리드 아웃"의 검출 시 즉각 증강되어, 주조 피트로부터 제거되는 불활성 기체를 배기구(22)로 안내한다. 하나의 실시형태에서, 블리드 아웃의 검출 전에, 피트의 상부 부분 내의 분위기는 수분 제거 컬럼 및 증기 흡습제로 구성되는 분위기 정화 시스템을 통해 지속적으로 순환될 수 있고, 따라서 피트의 상부 영역 내의 분위기는 적절하게 불활성으로 유지된다. 제거된 기체는 순환 중에 흡습제를 통과하고, 불활성 기체를 함유하는 상부 피트 분위기를 정화시키도록 모든 수증기는 제거된다. 다음에 정제된 불활성 기체는 적절한 펌프(32)를 통해 불활성 기체 사출 시스템(24)으로 재순환될 수 있다. 본 실시형태가 채용되는 경우, 피트 환기 및 배기 시스템을 통한 주조 피트의 상부 영역의 고가의 불활성 기체의 누설을 최소화하기 위해, 포트(20A, 26A) 사이 및 유사하게 포트(20A', 26A') 사이에 불활성 기체 커튼이 유지된다.

배기 포트(20A, 20A', 20B, 20B', 20C, 20C') 및 불활성 기체 도입 포트(26A, 26A', 26B, 26B', 26C, 26C')의 수 및 정확한 위치는 작동될 특정의 주조 피트의 크기 및 구성의 함수이고, 이것은 공기 및 기체의 재순환의 전문가와 관련되어 DC 주조를 실행하는 당업자가 계산한다. 도 1에 도시된 바와 같이 3 세트(예를 들면, 3 쌍)의 배기 포트 및 불활성 기체 도입 포트를 제공하는 것이 가장 바람직하다. 주조될 제품의 특질 및 중량에 따라, 주조 피트(16)의 최상부의 주변의 주위에 단일 배열의 배기 포트 및 불활성 기체 도입 포트를 이용하여 다소 덜 복잡하고, 덜 비싸지만 동등한 효과를 갖는 장치가 얻어질 수 있다.

하나의 실시형태에서, 플래튼(18)/주조 실린더(15)의 각각의 이동, 주형(12)에의 용융 금속 공급 유입구 및 주형에의 물 유입구는 제어기(35)에 의해 제어된다. 용융 금속 검출기(10)는 또한 제어기(35)에 접속된다. 제어기(35)는 비일시적 유형적 매체의 형태로 기계-독출가능한 프로그램 명령을 수용한다. 용융 금속 검출기(10)로부터 Al-Li 용융 금속의 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"의 제어기(35)로의 신호에 응답하여, 기계-독출가능한 명령은 플래튼(18) 및 용융 금속 유입 공급부(도시되지 않음)의 이동을 정지시키고, 주형(12) 내로의 냉각제 유동(도시되지 않음)을 정지 및/또는 전환되도록 하고, 배기 기체를 함유하는 수증기 및/또는 수증기를 주조 피트로부터 배기 포트(20A, 20A', 20B, 20B', 20C, 20C')를 통해 배기구(22)로 전환시키도록 더 큰 체적의 배기 시스템(19)이 동시에 또는 약 15 초 내에, 다른 실시형태에서는 약 10 초 내에 작동되도록 한다. 동시에 또는 직후에(예를 들면, 약 10 초 내지 약 30 초 내에), 기계-독출가능한 명령은 기체 도입 시스템을 더욱 작동시키고, 헬륨과 같은 공기의 밀도보다 낮은 밀도를 갖는 불활성 기체가 기체 도입 포트(26A, 26A', 26B, 26B', 26C, 26C')를 통해 도입된다.

본 명세서에서 설명되는 공정 및 장치는 주조 금속 품질을 위해 최적화되지 않고, 주조를 위한 안정도가 낮고, 동시에 비경제적이고 인화성 공정인 에틸렌 글리콜과 같은 액체를 사용하는 주조와 같은 이질적인 공정 방법을 사용하지 않고도 성공적으로 상업적 공정을 가동할 수 있도록 적절히 Al-Li "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"을 수용하는 특유의 방법을 제공한다. 잉곳 주조 기술 분야의 당업자라면 이해하는 바와 같이, 어떤 DC 공정에서도 "블리드-아웃" 및 "런-아웃"은 발생한다는 것이 언급되어야 한다. 발생빈도는 일반적으로 매우 낮지만, 기계적 설비의 정상 작동 중에, 적절한 작동 범위의 외에서 무언가 발생하면 공정은 예상대로 수행되지 않는다. 설명된 장치와 공정 및 이러한 장치의 사용방법을 구현하면, Al-Li 합금의 주조 중에 대참사 및 특성 손상을 유발하는 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"으로부터의 물-용융 금속의 수소 폭발이 최소화된다.

위에서 언급된 바와 같이, 중간 주조 제품이 주조 주형 공동으로부터 배출됨에 따라, 주조 주형의 주위의 냉각제 공급부로부터 냉각제가 냉각제 공급부(14)로부터 냉각제가 방출되는 지점의 직하의 지점에 대응하는 중간 주조 제품의 주변의 주위에 충돌한다. 후자의 위치는 일반적으로 응고 구역이라고 불린다. 이러한 표준 조건 하에서, 물과 공기의 혼합물이 중간 주조 제품의 주변의 주위의 주조 피트 내에서 생성되고, 주조 작업이 계속됨에 따라 새로 생성되는 수증기가 주조 피트 내에 지속적으로 도입된다.

도 2에는 주조 주형(12) 및 주조 테이블(31)을 보여주는 시스템(5)의 개략 평면도가 도시되어 있다. 이 실시형태에서, 시스템(5)은 주조 주형(12) 내의 리저버(도 2의 리저버(50))와 냉각제 공급부(도 1의 냉각제 공급부(14)) 사이에 또는 리저버(50)의 상류에 설치되는 냉각제 공급 시스템을 포함한다. 냉각제 공급 시스템(56)은, 이 실시형태에서, 냉각제 포트(11), 밸브(21), 및 냉각제 포트(11)와 냉각제 공급원(17) 사이의 관련된 도관을 대체한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 예시된 실시형태에서, 냉각제 공급 시스템(56)은 리저버(50)의 상류에 있다. 주형(12)(본 실시형태에서 원형의 주형으로 도시됨)은 금속(44)(예를 들면, 주형(12)에 도입되는 용융 금속)을 둘러싼다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각제 공급 시스템(56)은 각각 리저버(50)에 접속되는 도관(63) 또는 도관(67)에 접속되는 밸브 시스템(58)을 포함한다. 본 명세서에서 논의되는 도관(63), 도관(67), 다른 도관 및 밸브를 위한 적절한 재료는 스테인레스강(예를 들면, 스테인레스강 튜브형 도관)을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 밸브 시스템(58)은 도관(63)에 연결되는 제 1 밸브(60)를 포함한다. 제 1 밸브(60)는 밸브(60) 및 도관(63)을 통해 냉각제 공급원(17)으로부터 냉각제(일반적으로 물)의 도입을 가능하게 한다. 밸브 시스템(58)은 또한 도관(67)에 연결되는 제 2 밸브(66)를 포함한다. 하나의 실시형태에서, 제 2 밸브(66)는 제 2 밸브(66) 및 도관(67)을 통해 불활성 유체 공급원(64)으로부터 불활성 유체의 도입을 가능하게 한다. 도관(63) 및 도관(67)은 냉각제 공급원(17) 및 불활성 유체 공급원(64)을 각각 리저버(12)에 접속한다.

불활성 유체 공급원(64)을 위한 불활성 유체는 반응성(예를 들면, 폭발성) 생성물을 생성하는 리튬 또는 알루미늄과의 반응하지 않고, 동시에 비가연성의 또는 연소를 지지하지 않는 액체 또는 기체이다. 하나의 실시형태에서, 불활성 유체는 불활성 기체이다. 적절한 불활성 기체는 공기의 밀도보다 낮은 밀도를 갖고, 반응성 생성물을 생성하는 리튬 또는 알루미늄과 반응하지 않는 기체이다. 본 실시형태에서 사용되는 적절한 불활성 기체의 다른 특성은 불활성 기체 또는 공기와 불활성 기체의 혼합물에서 통상적으로 얻어질 수 있는 것보다 높은 열전도도를 가져야 한다는 것이다. 전술한 요구사항들을 동시에 부합시키는 이와 같은 적절한 기체의 예는 헬륨(He)이다. 블리드-아웃 또는 런-아웃의 경우에서와 같이 주형(12)을 통해 냉각제의 유동을 대신하기 위해 불활성 기체가 도입되는 경우, 하나의 실시형태에서, 용융 금속에 의한 주형의 변형을 억제하기 위해 비교적 높은 열전도도를 갖는 헬륨과 같은 불활성 기체가 도입된다. 다른 실시형태에서, 불활성 기체의 혼합물이 도입될 수 있다. 대표적으로, 불활성 기체의 혼합물은 헬륨 기체를 포함한다. 하나의 실시형태에서, 불활성 기체의 혼합물은 헬륨 기체를 포함하고, 아르곤 기체가 사용될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 헬륨/아르곤 혼합물은 적어도 약 20 퍼센트의 헬륨 기체를 포함한다. 다른 실시형태에 따르면, 헬륨/아르곤 혼합물은 적어도 약 60 퍼센트의 헬륨 기체를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 헬륨/아르곤 혼합물은 적어도 약 80 퍼센트의 헬륨 기체 및 대응하여 최대 약 20 퍼센트의 아르곤 기체를 포함한다.

정상 주조 조건을 나타내는 도 2에서, 제 1 밸브(60)는 개방되고, 제 2 밸브(66)는 폐쇄된다. 이러한 밸브 구성에서, 냉각제 공급원(17)으로부터의 냉각제만이 도관(63) 및 이에 따라 리저버(12) 내에 유입될 수 있고, 동시에 불활성 유체 공급원(64)으로부터의 불활성 유체는 그곳으로부터 배제된다. 밸브(60)의 위치(예를 들면, 완전 개방된 위치, 부분적으로 개방된 위치)는 밸브(60)에 연결되거나 밸브(60)에 인접하여 별도로 위치되는 유동 속도 모니터(제 1 유동 속도 모니터(68)로서 밸브(60)의 하류에 도시됨)에 의해 측정되는 원하는 유동 속도를 달성하기 위해 선택될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 필요한 경우, 불활성 유체 공급원(64)으로부터의 불활성 유체(예를 들면, 불활성 기체)가 정상 주조 조건 중에 리저버(12) 내에서 냉각제 공급원(17)으로부터의 냉각제와 혼합될 수 있도록 제 2 밸브(66)는 부분적으로 개방될 수 있다. 밸브(66)의 위치는 밸브(66)에 연결되거나 밸브(66)에 인접하여 별도로 위치되는 유동 속도 모니터(제 2 유동 속도 모니터(69)로서 밸브(66)의 하류에 도시됨)(예를 들면, 불활성 유체 공급원을 위한 압력 모니터)에 의해 측정되는 원하는 유동 속도를 달성하기 위해 선택될 수 있다.

하나의 실시형태에서, 제 1 밸브(60), 제 2 밸브(66), 제 1 유동 속도 모니터(68) 및 제 2 유동 속도 모니터(69)의 각각은 제어기(35)에 전기적으로 및/또는 논리적으로 접속된다. 제어기(35)는 비-일시적 기계-독출가능한 명령을 포함하고, 이것은 실행되는 경우에 제 1 밸브(60) 및 제 2 밸브(66) 중 하나 또는 양자 모두의 작동을 유발한다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같은 정상 주조 작업 하에서, 이와 같은 기계-독출가능한 명령은 제 1 밸브(60)의 부분적인 또는 완전한 개방을 유발하고, 제 2 밸브(66)의 폐쇄 또는 부분적인 개방을 유발한다.

이제 도 3으로 돌아가면, 이것은 "블리드 아웃" 또는 "런 아웃"의 발생 시의 구성의 밸브 시스템(58)을 보여준다. 이러한 상황 하에서, 블리드 아웃 검출 기기(10)(도 1 참조)에 의한 "블리드 아웃" 또는 "런 아웃"의 검출 시, 제 1 밸브(60)는 냉각제 공급원(17)으로부터의 냉각제(예를 들면, 물)의 유동을 정지시키도록 폐쇄된다. 동시에 또는 3 내지 20 초 내의 직후에, 제 2 밸브(66)는 불활성 유체 공급원(64)으로부터의 불활성 유체의 진입을 허용하기 위해 개방되고, 따라서 불활성 유체만이 도관(67) 내에 유입될 수 있다. 불활성 유체가 헬륨(He)과 같은 불활성 기체인 경우, 이러한 조건 하에서, 공기, 물 또는 수증기보다 헬륨의 밀도가 더 낮다고 가정하면, 주조 피트(16)의 최상부 및 주형(12)(도 1 참조)의 주위의 영역에는 즉각적으로 불활성 기체가 대량유입되고, 이것에 의해 모든 물과 공기의 혼합물을 배출시킴으로써, 이 영역 내에서 수소 기체의 형성 또는 용융 Al/Li 합금과 냉각제(예를 들면, 물)의 접촉을 방지하고, 이것에 의해 이 영역에서 이러한 물질의 존재에 기인되는 폭발의 가능성을 현저히 감소시킨다. 1.0 피트/초 내지 약 6.5 피트/초, 바람직하게는 약 1.5 피트/초 내지 약 3 피트/초, 가장 바람직하게는 약 2.5 피트/초의 속도가 사용된다. 불활성 유체가 불활성 기체인 하나의 실시형태에서, 불활성 기체 공급원(64)은 도 1을 참조하여 설명되는 기체 도입 시스템(24)에 공급하는 불활성 기체 공급원 또는 공급원들(27)에 대응할 수 있다.

도 2 및 도 3에는 또한 제 1 밸브(60) 및 제 2 밸브(66)에 각각 연결되는 체크 밸브(70) 및 체크 밸브(72)가 도시되어 있다. 각각의 체크 밸브는 블리드 아웃 및 주형 내로의 물질 유동의 변화의 검출 시에 각각의 밸브(60, 66) 내로 역방향으로 냉각제 및/또는 불활성 유체(예를 들면, 기체)가 유동하는 것을 방지한다.

도 2 및 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 하나의 실시형태에서, 냉각제 공급 라인(63)에는 또한 냉각제의 유동이 제 1 밸브(60) 내로 진입하기 전에 외부의 "덤프(dump)"로 냉각제의 유동을 즉각 전환시킬 수 있는 바이-패스 밸브(73)가 장착되어 있고, 따라서 제 1 밸브(60)의 폐쇄 시에 물의 해머링(hammering) 또는 공급 시스템의 손상 또는 밸브(60)를 통한 누설이 최소화된다. 하나의 실시형태에서, 제어기(35) 내의 기계-독출가능한 명령은, 예를 들면, 적외선 온도계로부터 제어기(35)로의 신호에 의해 일단 "블리드 아웃"이 검출되면, 바이-패스 밸브(73)가 냉각제 유동을 전환시키도록 개방되도록 작동되도록 하고; 제 1 밸브(60)가 폐쇄되도록 작동되도록 하고; 제 2 밸브(66)가 불활성 기체의 진입을 허용하도록 개방되도록 작동되도록 하는 명령을 포함한다.

위에서 언급된 바와 같이, 하나의 적절한 불활성 기체는 헬륨이다. 헬륨은 냉각제 유동이 일단 정지되면 주조 주형 및 응고 구역으로부터 지속적인 열의 추출을 가능하게 하는 비교적 높은 열전도도를 갖는다. 이러한 지속적인 열의 추출은 주조되는 잉곳/빌릿을 냉각시키는 작용을 하고, 그 결과 잉곳/빌릿의 헤드 내의 잔열에 기인되어 발생하는 추가의 "블리드 아웃" 또는 "런 아웃"의 가능성을 감소시킨다. 동시에 주형은 과도한 가열로부터 보호되고, 그 결과 주형의 손상의 가능성을 감소시킨다. 비교로서, 헬륨, 물 및 글리콜의 열전도도는 다음과 같다. He: 0.1513 W·m^-1·K^-1; H₂O: 0.609 W·m^-1·K^-1; 및 에틸렌 글리콜: 0.258 W·m^-1·K^-1.

헬륨 및 위에서 설명되는 기체 혼합물의 열전도도가 물 또는 글리콜의 것보다 낮지만, 이들 기체가 응고 구역 또는 응고 구역의 근처에서 잉곳 또는 빌릿과 같은 중간 주조 제품 상에 충돌하는 경우, 표면 열전달 계수 및 이에 따라 냉각제의 효과적인 열전도도를 감소시킬 수 있는 "증기 커튼"이 생성되지 않는다. 따라서, 단일의 불활성 기체 또는 기체 혼합물은 최초에 이것의 직접적인 상대적 열전도도만을 고려하여 예상되는 것보다 물 또는 글리콜의 것에 훨씬 가까운 효과적인 열전도도를 보여준다.

숙련자에게 분명한 바와 같이, 도 2 및 도 3은 빌릿의 중간 주조 제품 또는 원형 단면의 주조 금속이 형성되는 것을 도시하고 있으나, 설명되는 장치 및 방법은 직사각형 잉곳 또는 다른 형상 또는 형태의 주조에도 동등하게 적용될 수 있다.

도 4는 특히 블리드 아웃의 경우에 시스템(5)의 작동 방법의 흐름도를 제시하고 있다. 이 방법은 도 1 내지 도 3의 제어기(35)와 같은 제어기가 제어기 내에 저장되거나 제어기에 의해 액세스가능한 기계-독출가능한 명령(예를 들면, 컴퓨터 프로그램)을 통해 시스템(5)을 제어하는 자동화 공정에 관련하여 설명될 것이다. 하나의 실시형태에서, 제어기(35)는 실행되는 경우에 블리드 아웃의 검출에 관한 작동을 포함하는 시스템의 작동을 제어하는 기계-독출가능한 명령을 포함한다. 위에서 언급된 바와 같이, 하나의 실시형태에서, 제어기(35)는 플래튼(18)/주조 실린더(15)의 각각의 이동, 주형(12)의 용융 금속 공급 유입구 및 주형의 냉각제/불활성 유체 유입구를 제어한다. 용융 금속 검출기(10)는 또한 제어기(35)에 접속된다. 제어기(35)는 비일시적 유형적 매체의 형태로 기계-독출가능한 프로그램 명령을 수용한다. 도 4 및 방법(100)을 참조하면, 먼저 용융 금속 검출기(10)에 의해 Al-Li 용융 금속의 "블리드 아웃" 또는 "런 아웃"이 검출된다(블록 110). 용융 금속 검출기(10)로부터 제어기(35)로의 Al-Li 용융 금속의 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"의 신호에 응답하여, 제어기(35)는 플래튼(18) 및 용융 금속 유입 공급부(도시되지 않음)의 이동을 정지시키고(블록 120, 130), 냉각제 공급부(14)로의 냉각제 유동을 정지시킨다(예를 들면, 밸브(60)의 폐쇄 작동에 의해 냉각제 공급부(14)로의 냉각제 유동을 정지시킴)(블록 140). 언급된 작동과 동시에 또는 약 15 초 내에, 다른 실시형태에서는 약 10 초 내에, 주조 피트로부터 배기 포트(20A, 20A', 20B, 20B', 20C, 20C')를 통해 배기구(22)로 배기 기체를 함유하는 수증기 및/또는 수증기를 우회시키기 위해 제어기(35)에 의한 기계-독출가능한 명령의 실행에 의해 더 큰 체적의 배기 시스템(19)이 작동된다(블록 150). 동시에 또는 직후에(예를 들면, 약 10 초 내지 약 30 초 내에), 제어기(35)에 의한 기계-독출가능한 명령의 실행에 의해 기체 도입 시스템(24)(도 1)이 작동된다. 기체 도입 시스템의 작동에 의해 기체 도입 포트(26A, 26A', 26B, 26B', 26C, 26C')를 통해 주조 피트 내로 헬륨과 같은 공기의 밀도보다 낮은 밀도를 갖는 불활성 기체가 도입된다(블록 160). 동시에 또는 직후에, 하나의 실시형태에서, 기계-독출가능한 명령의 실행에 의해, 냉각제 공급부(14) 내로 불활성 유체(예를 들면, 헬륨 기체 또는 불활성 기체의 혼합물)의 도입을 위해 개방(도 3)되도록 밸브(66)가 작동된다(예를 들면, 도관 공급부(52)를 통해 주형(12)에 불활성 유체를 도입하기 위한 밸브(66)의 작동)(블록 170). 도입된 불활성 기체(예를 들면, 기체 도입 시스템(24)(도 1)를 통해 도입되는 불활성 기체 및/또는 불활성 유체 공급원(64)으로부터 냉각제 공급부(14) 내로 도입되는 불활성 기체(도 3))는 이후에 배기 기체 시스템을 통해 수집되고, 다음에 정제될 수 있다(블록 180). 블리드 아웃의 조정이 계속됨에 따라, 제어기(35)에 의한 기계-독출가능한 명령의 실행은, 예를 들면, 펌프(32)(도 1)를 제어함으로써 불활성 기체의 수집 및 정화를 더 제어한다.

공기보다 가벼운 불활성 유체의 사용을 통해 얻어지는 상당한 이익은 잔류 기체가 주조 피트 내로 침전되지 않으므로 피트 자체 내에 불안전한 환경을 초래하지 않는다는 것이다. 질식사를 초래하는 밀폐된 공간 내에 체류하는 공기보다 무거운 많은 기체의 예가 있다. 주조 피트는 밀폐된 공간으로 간주되지만, 주조 피트 내에 공기를 보충하기 위해 추가의 외부의 공기가 요구되지 않는다. 밀폐된 공간 진입에 대해 주조 피트 내의 공기가 모니터링되지만 공정 기체 관련된 문제는 발생되지 않을 것으로 예상된다.

이러한 공정은 공정을 비경제화 및 가연화되도록 하는 에틸렌 글리콜과 같은 액체를 사용하는 주조와 같은 외래의 공정 방법을 사용하지 않고 성공적으로 상업적 공정이 가동될 수 있도록 Al-Li "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"을 적당히 포함하는 독특한 방법을 설명한다. 잉곳 주조 기술 분야의 당업자라면 이해하는 바와 같이, 어떤 다이렉트 칠 공정에서도 "블리드-아웃" 및 "런-아웃"은 발생한다는 것이 언급되어야 한다. 발생빈도는 일반적으로 매우 낮지만, 기계적 설비의 정상 작동 중에, 적절한 작동 범위의 외에서 무언가 발생하면 공정은 예상대로 수행되지 않는다. 이러한 공정을 구현하고, 본 명세서에서 설명된 장치의 활용하면, Al-Li 합금의 주조 중에 대참사 및 특성 손상을 유발하는 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"으로부터의 물-용융 금속의 수소 폭발이 최소화된다.

하나의 실시형태에서, 설명된 바와 같은 다이렉트 칠 주조 피트를 사용하여 제조된 Al-Li 합금은 약 0.1 퍼센트 내지 약 6 퍼센트의 리튬, 다른 실시형태에서, 약 0.1 퍼센트 내지 약 3 퍼센트의 리튬을 함유한다. 하나의 실시형태에서, 설명된 바와 같은 장입 장치를 이용하여 제조되는 Al-Li 합금은 0.1 퍼센트 내지 6.0 퍼센트의 리튬, 0.1 퍼센트 내지 4.5 퍼센트의 구리, 0.1 퍼센트 내지 6 퍼센트의 마그네슘, 및 미량 첨가제로서 은, 타이타늄, 지르코늄, 및 미량의 알칼리 및 알칼리 토류 금속, 및 잔부의 알루미늄을 함유한다. 대표적인 Al-Li 합금은 합금 2090(구리 2.7%, 리튬 2.2%, 은 0.4% 및 지르코늄 0.12%); 합금 2091(구리 2.1%, 리튬 2.09% 및 지르코늄 0.1%); 합금 8090(리튬 2.45%, 지르코늄 0.12%, 구리 1.3% 및 마그네슘 0.95%); 합금 2099(구리 2.4-3.0%, 리튬 1.6-2.0%, 아연 0.4-1.0%, 마그네슘 0.1-0.5%, 망가니즈 0.1-0.5%, 지르코늄 0.05-0.12%, 철 최대 0.07% 및 규소 최대 0.05%); 합금 2195(1% 리튬, 4% 구리, 0.4% 은 및 0.4% 마그네슘); 및 합금 2199(아연 0.2-0.9%, 마그네슘 0.05-0.40%, 망가니즈 0.1-0.5%, 지르코늄 0.05-0.12%, 철 최대 0.07% 및 규소 최대 0.07%)를 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 대표적인 Al-Li 합금은 100,000 파운드/제곱 인치("psi")의 인장 강도 및 80,000 psi의 항복 강도의 요구사항에 부합하는 특성을 갖는 Al-Li 합금이다.

도 5는 다이렉트 칠 주조 공정에서의 빌렛, 슬랩, 잉곳, 블룸 또는 다른 형태와 같은 하나 이상의 중간 주조 제품을 형성하기 위한 시스템의 개략 측면도를 나타낸다. 도 5에 따르면, 시스템(200)은 노 용기(210) 및 융체-수용 용기(230)를 포함하는 유도로(205)를 포함하고, 융체-수용 용기(230)의 주위에는 인덕터 코일이 위치되어 있다. Al-Li 합금을 제조하는 하나의 실시형태에서, 알루미늄 및 리튬 및 원하는 합금을 위한 임의의 다른 금속의 고체 장입물이 노 용기(210)의 하부 부분 및 융체-수용 용기(230) 내로 도입된다. 대표적으로, 리튬 금속의 도입 전에 최초에 알루미늄 금속이 도입되어 용융될 수 있다. 일단 알루미늄 금속이 용융되면, 리튬 금속이 도입된다. 다른 금속은 알루미늄의 최초의 도입 전 또는 도입과 동시에 또는 리튬 금속의 도입 전, 후 또는 도입과 동시에 도입될 수 있다. 이와 같은 금속은 장입 장치를 이용하여 도입될 수 있다. 금속은 (유도 코일을 통한) 유도 가열에 의해 용융되고, 용융된 금속은 도관을 통해, 예를 들면, 중력 공급에 의해 제 1 필터(215)로, 가스제거기(220)를 통해 제 2 필터(225) 및 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)으로 전달된다.

시스템(200)의 유도로(205)는 융체-수용 용기(230)를 둘러싸는 유도 코일을 포함한다. 하나의 실시형태에서, 융체-수용 용기(230)의 외측 표면과 유도 코일의 내측 표면 사이에는 간극이 있다. 하나의 실시형태에서, 이 간극 내에서 불활성 기체가 순환된다. 유도로(205)를 도시하는 도 5는 대표적으로 원통상의 융체-수용 용기의 주위(예를 들면, 용기의 전체 외측 표면의 주위)에서 순환하는 기체를 보여준다. 도 5는 시스템(200)과 연결되는 기체 순환 서브시스템을 보여준다. 하나의 실시형태에서, 불활성 기체(예를 들면, 헬륨)와 같은 기체는 기체 공급원(255)으로부터, 예를 들면, 스테인레스강 튜브를 통해 공급된다. 다양한 밸브는 기체의 공급을 제어한다. 기체가 기체 공급원(255)으로부터 공급될 때, 기체 공급원(255)에 인접하는 밸브(256)는 개방되고, 밸브(251)에 의해 기체는 공급 포트(245) 내로 도입될 수 있고, 밸브(252)에 의해 기체는 배출 포트(246)로부터 순환 서브시스템으로 방출될 수 있다. 하나의 실시형태에서, 기체는 유도로(205)에 연결되는 공급 포트(245) 내로 도입된다. 도입된 기체는 융체-수용 용기(230)와 유도 코일 사이의 간극 내에서 순환된다. 순환된 기체는 다음에 배출 포트(246)를 통해 유도로(205)로부터 배출된다. 배출 포트(246)로부터의 기체는 직렬의 수소 분석기(258)를 통과한다. 수소 분석기(258)는 기체 흐름 내의 수소의 양(예를 들면, 농도)을 측정한다. 만일 그 양이, 예를 들면, 0.1 체적% 만큼 초과하면, 기체는 통기 밸브(259)를 통해 대기로 통기된다. 배기 포트(246)로부터의 순환된 기체는 또한 정화기(260)를 통과한다. 정화기(260)는 불활성 기체로부터 수소 및/또는 수분을 제거하도록 작동되거나 구성될 수 있다. 수분을 제거하기 위한 정화기의 일 실시예는 제습기이다. 정화기(260)로부터의 기체는 열교환기(270)에 노출된다. 열교환기(270)는, 예를 들면, 120 ℉ 미만까지 기체 온도를 조절하기 위해 기체로부터 열을 제거하도록 구성된다. 대표적으로, 유도 코일과 융체-수용 용기 사이의 간극을 통한 순환 시에 기체는 열을 흡수/유지할 수 있고, 기체의 온도는 상승한다. 열교환기(270)는, 하나의 실시형태에서, 120 ℉ 미만인 목표 온도까지, 하나의 실시형태에서 약 실온인 목표 온도까지 이와 같은 온도를 복귀시키기 위해 기체의 온도를 감소시키도록 구성된다. 하나의 실시형태에서, 기체를 열교환기(270)에 노출시키는 것에 더하여, 기체는 냉각원(275)에 이 기체를 노출시킴으로써 냉각될 수 있다. 이러한 방식으로, 기체의 온도는 유도로(205) 내에 진입/재진입되기 전에 상당히 감소될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기체 순환 서브시스템(250)은 공급 포트(245)에 앞서 온도 모니터(280)(예를 들면, 열전쌍)를 포함한다. 온도 모니터(280)는 공급 포트(345) 내로 공급되는 기체의 온도를 측정하도록 작동될 수 있다. 기체 순환 서브시스템(250)(예를 들면, 수소 분석기(258), 정화기(260), 열교환기(270) 및 냉각원(275))의 설명된 스테이지를 통한 기체의 순환은 각각의 설명된 스테이지가 접속되는 튜브, 예를 들면, 스테인레스강 튜브를 통해 이루어진다. 또한, 설명된 스테이지의 순서는 변화될 수 있다는 것이 이해된다.

다른 실시형태에서, 융체-수용 용기(230)와 유도 코일 사이의 간극을 통해 순환되는 기체는 대기이다. 이와 같은 실시형태는 위에서 설명된 바와 같은 반응성 원소를 포함하지 않는 합금과 함께 사용될 수 있다. 도 5를 참조하면, 대기가 간극 내로 도입되어야 하는 경우, 기체 순환 서브시스템(250)은 혼입을 방지하기 위해 분리될 수 있다. 따라서, 하나의 실시형태에서, 밸브(251, 252, 256)는 폐쇄된다. 공급 포트(345) 내로의 공기의 도입을 허용하기 위해, 공기 공급 밸브(253)는 개방된다. 배출 포트(246)로부터의 배출을 허용하기 위해, 공기 배출 밸브(257)는 개방된다. 기체 순환 서브시스템(250)이 사용되고, 기체가 기체 공급원(255)으로부터 공급되는 경우, 공기 공급 밸브(253) 및 공기 배출 밸브(257)는 폐쇄된다. 공기 공급 밸브(253) 및 공기 배출 밸브(257)가 개방된 경우, 대기는 블로어(258)(예를 들면, 공급 팬)에 의해 간극으로 공급된다. 블로어(258)는 (예를 들면, 튜브를 통해) 대표적으로 약 12,000 cfm(세제곱피트/분) 정도의 체적으로 공급 밸브(245)에 공기를 공급하는 공기 유동을 발생시킨다. 공기는 간극을 통해 순환되고, 배기 포트(246)를 통해 대기로 배출된다.

위에서 언급된 바와 같이, 유도로(205)로부터 용융된 합금은 필터(215) 및 필터(225)를 통해 유동한다. 각각의 필터는 융체로부터 불순물을 여과하도록 설계된다. 융체는 또한 직렬의 가스제거기(220)를 통과한다. 하나의 실시형태에서, 가스제거기(220)는 융체로부터 불필요한 기체 종(예를 들면, 수소 기체)을 제거하도록 구성된다. 융체의 여과 및 가스제거 후에, 융체는 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)으로 도입될 수 있고, 이곳에서 하나 이상의 중간 주조 제품(예를 들면, 빌렛, 슬랩)이, 예를 들면, 다이렉트 칠 주조 공정으로 형성될 수 있다. 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)은, 하나의 실시형태에서, 도 1 및 부수되는 설명의 시스템(5)과 유사한 다이렉트 칠 주조 시스템을 포함한다. 이와 같은 시스템은 전형적으로 최상부 부분, 중간 부분 및 최하부 부분을 갖는 주조 피트; 주조 피트의 최상부 부분에 위치되고, 내부에 리저버를 포함하는 주형; 블리드-아웃 또는 런-아웃을 검출하도록 작동될 수 있는 용융 금속 검출기; 주조 피트로부터 발화원 및 반응물을 포함하는 생성되는 기체를 제거하도록 작동될 수 있는 배기 시스템; 주조 피트에 불활성 기체를 제공하도록 작동될 수 있는 불활성 기체 공급원을 포함하는 기체 도입 시스템; 주조 피트 내에 공기를 도입하도록 작동될 수 있는 공기-도입 포트; 주조 피트로부터 (예를 들면, 배기 시스템을 통해) 배출되는 불활성 기체를 수집하고, 이 불활성 기체로부터 성분(예를 들면, 증기)을 제거하도록 작동될 수 있는 수집 시스템; 및 수집된 불활성 기체를 재순환시키기 위한 재순환 시스템을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 하나의 실시형태에서, 다이렉트 칠 주조 시스템은 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같은 도관 공급부에 접속되는 밸브 시스템을 포함하는 냉각제 공급 시스템을 포함한다. 밸브 시스템은 냉각제 공급원으로부터 냉각제(예를 들면, 물)의 유동을 조절하도록 작동될 수 있는 제 1 밸브, 및 불활성 유체 공급원(들)으로부터 불활성 유체의 유동을 조절하기 위한 제 2 밸브를 포함한다.

위에서 설명된 시스템은 제어기에 의해 제어될 수 있다. 하나의 실시형태에서, 제어기(290)는 시스템(200)의 작동을 제어하도록 구성된다. 따라서, 유도로(205), 제 1 필터(215), 가스제거기(220), 제 2 필터(225), 및 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)과 같은 다양한 유닛이 유선 또는 무선으로 제어기(290)에 전기적으로 접속된다. 하나의 실시형태에서, 제어기(290)는 비일시적 매체의 형태로서 기계-독출가능한 프로그램 명령을 수용한다. 하나의 실시형태에서, 프로그램 명령은 유도로(205) 내의 장입물을 용융시키고, 이 융체를 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)에 전달하는 방법을 수행한다. 장입물을 용융시키는 것에 관련하여, 프로그램 명령은, 예를 들면, 융체를 교반시키고, 유도 코일을 작동시키고, 유도 코일과 융체-수용 용기(230) 사이의 간극을 통해 기체를 순환시키기 위한 명령을 포함한다. 하나의 실시형태에서, 장입 장치가 교반 수단 또는 혼합 수단을 포함하는 경우, 이와 같은 프로그램 명령은 융체를 교반하거나 교란시키기 위한 명령을 포함한다. 융체를 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)에 전달하는 것에 관련하여, 이와 같은 명령은 필터 및 가스제거기를 통해 유도로(205)로부터 융체의 유동을 형성하기 위한 명령을 포함한다. 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)에서, 이 명령은 하나 이상의 빌렛 또는 슬랩의 형성을 지시한다. 하나 이상의 빌렛을 형성하는 것에 관련하여, 프로그램 명령은, 예를 들면, 하나 이상의 주조 실린더(295)를 하강시키고, 금속 합금 주물을 응고시키도록 냉각제(297)를 분사시키는 명령을 포함한다.

하나의 실시형태에서, 제어기(290)는 또한 시스템을 조절 및 모니터링한다. 이와 같은 조절 및 모니터링은 제어기(290)에 신호를 송신하거나 제어기(290)로부터 질문을 받는 시스템의 전체에 걸친 다수의 센서에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 유도로(205)를 참조하면, 이와 같은 모니터는 융체-수용 용기(230) 및/또는 상부 노 용기(210)에 연결되는 하나 이상의 온도계/열전쌍을 포함할 수 있다. 다른 모니터는 기체 순환 서브시스템(250)에 연결되는 온도 모니터(280)를 포함하고, 이것은 융체-수용 용기(230)와 유도 코일의 내측 표면 사이의 간극 내에 도입되는 기체(예를 들면, 불활성 기체)의 온도를 제공한다. 순환 기체의 온도를 모니터링함으로써, 융체-수용 용기(230)와 관련되는 응고 평면은 원하는 위치에 유지될 수 있다. 하나의 실시형태에서, 융체-수용 용기의 외부 표면의 온도는 또한 융체-수용 용기(230)의 외부 표면에 인접하여 열전쌍(열전쌍(344))을 설치함으로써 제어기(290)에 의해 측정 및 모니터링될 수 있다. 기체 순환 서브시스템(250)에 관련되는 다른 모니터는 수소 분석기(258)에 연결된다. 수소 분석기(258)가 기체 내에서 과잉량의 수소를 검출한 경우, 신호가 제어기(290)에 송신되거나 제어기(290)에 의해 검출되고, 제어기(290)는 통기 밸브(259)를 개방시킨다. 하나의 실시형태에서, 예를 들면, 제어기(290)가 밸브를 개방시키는 정도로 제어되는 기체의 유동 속도로 기체 공급원(255)(각각의 밸브를 개방됨)으로부터 기체가 공급되는 경우, 및 주위의 공기가 블로어(258)로부터 공급되고, 각각의 밸브는 폐쇄되고, 공기 공급 밸브(253) 및 공기 배출 밸브(257)는 개방되는 경우에, 제어기(290)는 또한 기체 순환 서브시스템(250)에 연결되는 밸브(251, 252, 256)의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 하나의 실시형태에서, 공기가 간극을 통해 순환되는 경우, 제어기(290)는 블로어(258)의 속도를 조절할 수 있고, 및/또는 공기 공급 밸브(353)는, 예를 들면, 융체-수용 용기(230)의 외부에 인접하는 열전쌍(344)으로부터의 온도 측정치에 기초하여 융체-수용 용기(230)의 외부 표면의 온도를 조절하도록 개방된다. 추가의 모니터는, 예를 들면, 유도로(205)에 연결되는 블리드 아웃 검출 서브시스템과 연결되는 프로브(probe)를 포함한다. 전체 시스템(200)에 관련하여, 예를 들면, 용융 금속 블리드 아웃 또는 런 아웃을 위해 시스템을 모니터링하는 추가의 모니터가 제공될 수 있다. 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)에서 블리드-아웃 또는 런-아웃을 모니터링 및 제어하는 것에 관련하여, 하나의 실시형태에서, 제어기(290)는 적어도 주조 주형의 리저버로의 냉각제의 유동, 주조 주형의 리저버로의 불활성 기체의 유동, 주조 피트 내에서 플래튼의 이동, 배기 시스템, 기체(예를 들면, 불활성 기체) 도입 시스템 및 재순환 시스템을 모니터링 및/또는 제어한다.

위에서 설명된 시스템은 자동차, 스포츠, 항공 우주 산업을 포함하지만 이것에 한정되지 않는 다양한 산업에서 사용될 수 있는 빌렛 또는 슬랩 또는 다른 중간 주조 제품 형태를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 시스템은 다이렉트 칠 주조 공정에 의해 빌렛 또는 슬랩을 형성하기 위한 시스템을 보여준다. 대안적으로 슬랩 또는 원형 또는 직사각형 이외의 것도 유사한 시스템으로 형성될 수 있다. 형성된 빌렛은, 예를 들면, 항공기, 자동차 또는 압출된 금속 부품을 사용하는 임의의 산업을 위한 원하는 부품을 압출 또는 단조하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 슬랩 또는 다른 형태의 주물은 압연 또는 단조와 같은 것에 의해 자동차, 항공 또는 우주 산업을 위한 부품과 같은 부품을 형성하기 위해 사용될 수 있다.

위에서 설명된 시스템은 중간 주조 제품 성형 스테이션(240)에 공급하는 하나의 유도로를 예시한다. 다른 실시형태에서, 시스템은 다중의 유도로, 대표적으로 다중의 공급원 기체, 다중의 필터 및 가스제거기를 포함하는 다중의 기체 순환 서브시스템을 포함할 수 있다.

따라서 Al-Li 합금의 다이렉트 칠 주조에서 폭발의 가능성을 최소화하기 위한 상업적으로 유용한 방법 및 장치가 설명되었다. 비록 Al-Li 합금을 위해 설명되었으나, 본 방법 및 장치는 다른 금속 및 합금의 주조에서 사용될 수 있다는 것이 인정된다.

위에서 설명된 것 및 다른 특징 및 기능, 또는 그 대안 또는 변형 중의 수 개는 많은 다른 상이한 시스템 또는 용도로 바람직하게 조합될 수 있다는 것이 인정된다. 또한 본 기술 분야의 당업자는 그것의 다양한 대안, 개조, 변형 또는 개량을 실시할 수 있고, 이것은 또한 다음의 청구항에 포함되는 것이 의도된다.

위의 설명에서, 설명의 목적을 위해, 실시형태의 철저한 이해를 제공하기 위해 많은 특정의 요구사항 및 다수의 특정의 세부사항이 설명되었다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자는 이들 특정의 세부사항의 일부가 없이도 하나 이상의 다른 실시형태가 실시될 수 있다는 것을 분명히 알 것이다. 설명된 특정의 실시형태는 본 발명을 제한하기 위해 제공된 것이 아니고, 이것을 예시하기 위해 제공된 것이다. 본 발명의 범위는 위에서 제공된 특정의 실시예에 의해 결정되지 않고 이하의 청구항에 의해서만 결정된다. 다른 예에서, 주지된 구조, 장치, 및 작동은 설명의 이해를 불분명하게 하는 것을 방지하기 위해 블록도의 형태로 또는 상세한 언급없이 도시되었다. 적절한 것으로 간주되는 경우, 참조 번호 또는 참조 번호의 끝부분은 선택적으로 유사한 특징을 가질 수 있는 대응하거나 유사한 요소를 나타내기 위해 도면들에 걸쳐 반복되었다.

예를 들면, "하나의 실시형태", "실시형태", "하나 이상의 실시형태", 또는 "상이한 실시형태"라는 용어는 특정의 특징이 본 발명의 실시에 포함될 수 있음을 의미하는 것이라는 것이 또한 인정되어야 한다. 유사하게, 개시를 효율화하고, 다양한 발명의 양태의 이해를 돕기 위한 목적을 위해, 설명 내에서 다양한 특징들이 경우에 따라 단일의 실시형태, 도면 또는 도면의 설명에서 함께 그룹을 형성하는 것이 인정되어야 한다. 그러나, 이러한 개시 방법이 각각의 청구항에 명시적으로 열거된 것보다 많은 특징을 본 발명이 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 다음의 청구항이 반영하는 바와 같이, 본 발명의 양태는 단일의 개시된 실시형태의 모든 특징보다 적은 수의 특징에 존재할 수 있다. 다른 상황에서, 발명의 양태는 본 명세서에서 설명되는 실시형태들의 조합 또는 실시형태들의 조합으로 설명되는 모든 양태보다 적은 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 상세한 설명에 후속되는 청구항은 이러한 상세한 설명에 명확하게 편입되고, 각각의 청구항은 본 발명의 별개의 실시형태로서 다른 것으로부터 독립적이다.

Claims

주조 장치에 있어서,
최상부 부분, 중간 부분 및 최하부 부분을 갖는 주조 피트;
상기 주조 피트의 최상부 부분에 위치되고, 리저버를 포함하는 공동을 포함하는 주형;
상기 주형 공동으로부터 배출되는 금속의 주변에 냉각제를 도입하도록 작동될 수 있는 냉각제 공급부;
금속이 상기 주형 내에서 응고될 때 금속을 지지하도록 작동될 수 있는 이동가능한 플래튼(platen);
블리드 아웃(bleed out)의 발생을 검출하기 위한 메커니즘;
상기 주조 피트의 적어도 상기 최상부 주변의 일련의 수증기 배기 포트; 및
상기 블리드 아웃 검출 메커니즘에 의한 블리드 아웃의 검출에 응답하여 상기 냉각제 공급부 내로 불활성 유체를 도입하기 위한 메커니즘을 포함하는
주조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 주조 장치는 상기 주조 피트의 중간 부분 및 최하부 부분의 주변의 주위에 일련의 수증기 배기 포트를 더 포함하는
주조 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 일련의 수증기 배기 포트는 상기 주형 배출구로부터 약 0.3 내지 약 0.5 미터에, 약 1.5 내지 약 2.0 미터에, 그리고 상기 주조 피트의 최하부에 위치되어 있는
주조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 주조 장치는,
블리드 아웃 또는 런 아웃(run out)이 검출되건 검출되지 않건 상기 수증기 배기 포트를 통해 상기 주조 피트로부터 수증기를 지속적으로 제거하기 위한 메커니즘; 및
상기 주조 피트의 최상부 부분으로부터 수증기 및 다른 기체를 흡입하고, 이와 같은 혼합물로부터 물을 지속적으로 제거하고, 블리드 아웃이 검출되지 않은 경우에 상기 주조 피트의 동일한 상부 영역으로 상기 다른 기체를 재순환시키고, 상기 블리드 아웃 검출 메커니즘에 의한 블리드 아웃의 검출에 응답하여 상기 상부 영역으로부터 수증기 및 다른 기체를 완전히 배기시키는 메커니즘을 더 포함하는
주조 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 일련의 수증기 배기 포트는 지속적인 배기를 가능하게 하는
주조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각제 공급부 내로 불활성 유체를 도입하기 위한 메커니즘은 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 포함하는 밸브 시스템을 포함하고, 상기 제 1 밸브는 상기 리저버 또는 상기 냉각제 공급부 내로 냉각제의 진입을 허용하도록 작동될 수 있고, 상기 제 2 밸브는 상기 리저버 또는 상기 냉각제 공급부 내로 불활성 유체의 진입을 허용하도록 작동될 수 있는
주조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 밸브 시스템은 주조되는 상기 잉곳의 응고 구역으로 냉각제와 불활성 유체의 혼합물 또는 불활성 유체를 선택적으로 공급할 수 있도록 작동될 수 있는
주조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 밸브 시스템은 상기 리저버의 상류에 위치되는
주조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 헬륨 기체인
주조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 헬륨 기체와 아르곤 기체의 혼합물인
주조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 적어도 약 20%의 상기 헬륨 기체를 포함하는 헬륨 기체와 아르곤 기체의 혼합물인
주조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 적어도 약 60%의 상기 헬륨 기체를 포함하는 헬륨 기체와 아르곤 기체의 혼합물인
주조 장치.
용융 금속이 주조 주형 내에 도입되고, 최상부 부분, 중간 부분 및 최하부 부분을 갖는, 그리고 이동가능한 플래튼을 포함하는 주조 피트 내에서 응고 중인 금속 상에 냉각제를 충돌시킴으로써 냉각되는, 알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠(direct chill) 주조를 위한 방법에 있어서,
블리드 아웃 또는 런 아웃을 검출하는 단계; 및
블리드 아웃 또는 런 아웃을 검출한 후에,
블리드 아웃 또는 런 아웃을 검출하기 전의 유동 체적 속도에 비해 향상된 유동 체적 속도로 상기 주조 피트로부터 발생된 기체를 배출시키는 단계;
공기의 밀도보다 작은 밀도를 갖는 불활성 기체를 상기 주조 피트 내로 도입하는 단계;
상기 주조 주형과 연결되는 냉각제 공급부 내로 불활성 유체를 도입하는 단계; 및
상기 냉각제 공급부로의 냉각제의 유동을 중단시키는 단계를 포함하는
알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 헬륨 기체 또는 헬륨 기체와 아르곤 기체의 혼합물을 포함하는
알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 주조 피트로부터 발생된 기체를 배기시키는 단계는 상기 주조 피트의 최상부 부분의 적어도 주변의 주위의 일련의 배기 포트에 의해 배기시키는 단계를 포함하는
알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 발생된 기체를 배기시키는 단계는 상기 주조 피트의 중간 부분 및 최하부 부분의 주위의 일련의 배기 포트에 의해 배기시키는 단계를 더 포함하는
알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 불활성 기체를 도입하는 단계는 상기 주조 피트의 적어도 최상부 부분의 주변의 주위의 일련의 기체 도입 포트를 통해 불활성 기체를 도입하는 단계를 포함하는
알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 불활성 기체를 도입하는 단계는 상기 주조 피트의 최상부 부분, 중간 부분 및 최하부 부분의 주변의 주위의 일련의 기체 도입 포트를 통해 불활성 기체를 도입하는 단계를 포함하는
알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 방법.
제 13 항에 있어서,
블리드 아웃 또는 런 아웃을 검출한 후에, 상기 주조 주형 내로의 용융 금속의 유동을 정지시키는 단계를 더 포함하는
알루미늄 리튬 합금의 다이렉트 칠 주조를 위한 방법.
주조 시스템에 있어서,
융체-수용 용기를 포함하는 적어도 하나의 노; 및
상기 적어도 하나의 노에 결합되고, 상기 적어도 하나의 노로부터 용융 금속을 수용하도록 작동될 수 있는 중간 주조 제품 스테이션을 포함하고,
상기 중간 주조 제품 스테이션은,
주조 피트,
상기 주조 피트의 최상부 부분에 위치되고, 리저버 및 공동을 포함하는 적어도 하나의 주형,
상기 주형으로부터 배출되는 금속의 주변에 냉각제를 도입하도록 작동될 수 있는 냉각제 공급부,
상기 냉각제 공급부 내에 불활성 유체를 도입하기 위한 메커니즘,
상기 주조 피트 내에 배치되고, 상기 주형 내에서 금속이 응고될 때 금속을 지지하도록 작동될 수 있는 적어도 하나의 이동가능한 플래튼, 및
상기 주조 피트의 적어도 최상부 주변의 주위에 일련의 배기 포트를 포함하는
주조 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 중간 주조 제품 스테이션은 상기 주조 피트의 적어도 최상부 부분의 주위에 일련의 기체 도입 포트를 더 포함하고, 상기 시스템은 상기 일련의 기체 도입 포트에 불활성 기체를 공급하도록 작동될 수 있는 불활성 기체 공급원을 더 포함하는
주조 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 헬륨 기체인
주조 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 헬륨 기체와 아르곤 기체의 혼합물인
주조 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 적어도 약 20%의 상기 헬륨 기체를 포함하는 헬륨 기체와 아르곤 기체의 혼합물인
주조 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 냉각제 공급부 내로 불활성 유체를 도입하기 위한 메커니즘은 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 포함하는 밸브 시스템을 포함하고, 상기 제 1 밸브는 상기 리저버 또는 상기 냉각제 공급부 내로 냉각제의 진입을 허용하도록 작동될 수 있고, 상기 제 2 밸브는 상기 리저버 또는 상기 냉각제 공급부 내로 불활성 유체의 진입을 허용하도록 작동될 수 있는
주조 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 불활성 유체는 적어도 약 60%의 상기 헬륨 기체를 포함하는 헬륨 기체와 아르곤 기체의 혼합물인
주조 시스템.
제 20 항의 시스템을 사용하여 제조되는 리튬-알루미늄 합금을 포함하는
중간 주조 제품.
제 27 항에 있어서,
상기 합금은 약 0.1 퍼센트 내지 6 퍼센트의 리튬을 포함하는
중간 주조 제품.
제 27 항에 있어서,
상기 합금은 100,000 파운드/제곱 인치("psi")(6895 바(bar))의 인장 강도 및 80,000 psi(5516 바) 항복 강도의 요구사항에 부합하는 특성을 포함하는
중간 주조 제품.
제 20 항의 시스템을 사용하여 제조되는 리튬-알루미늄 합금을 포함하는
압출 제품.
제 20 항의 시스템을 사용하여 제조되는 리튬-알루미늄 합금을 포함하는 제품으로서, 상기 제품은 항공기 또는 자동차용 부품인
압출 제품.