KR20160088350A - 용융 금속의 가스 제거를 위한 가스 출구를 갖는 초음파 탐침 - Google Patents

용융 금속의 가스 제거를 위한 가스 출구를 갖는 초음파 탐침 Download PDF

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Abstract

복수의 가스 전달 채널을 포함하는 초음파 장치와, 탐침의 팁 주위에 오목 영역을 포함하는 초음파 장치에 관한 것이다. 이러한 탐침들을 포함하는 초음파 장치와, 이러한 초음파 장치들을 사용하여 용융 금속의 가스를 제거하기 위한 방법들에 관한 것이다.

Description

용융 금속의 가스 제거를 위한 가스 출구를 갖는 초음파 탐침{ULTRASONIC PROBES WITH GAS OULETS FOR DEGASSING OF MOLTEN METALS}
본 출원은 2014년 11월 17일에 PCT 국제특허출원으로 출원된 것으로, 2013년 11월 18일에 출원된 미국특허출원 61/905,408호를 우선권 기초로 하고 있으며, 그 내용은 이하에서 참고로 포함된다.
본 발명은 용융 금속의 가스 제거 공정을 위해 가스 출구를 갖는 초음파 탐침에 관한 것이다.
특정한 금속 제품의 처리 또는 주조는 용융 금속을 포함하는 배스(bath)가 요구되고, 이러한 용융 금속 배스는 특정 금속의 종류에 따라 700℃ 내지 1200℃ 범위 또는 그 이상의 온도로 유지된다. 많은 도구들 또는 장치들이 소정의 금속 제품의 제조 또는 주조를 위해 용융 금속 배스 내부에서 사용될 수 있다. 이러한 도구들 또는 장치들은 용융 금속 배스 내에서 접하게 되는 상승된 온도에서 더욱 견딜 필요가 있으며, 동시에 긴 수명을 갖고, 특정 용융 금속과 반응이 일어나서는 안 될 필요가 있다.
또한, 용융 금속은 그 내부에 용해 및/또는 그 내부에 불순물로 존재하는 하나 이상의 가스들을 가질 수 있고, 이러한 가스들 및/또는 불순물들은 소정의 금속 제품의 최종 제조 및 주조에 부정적인 영향을 끼치거나, 금속 제품 자체의 물리적 특성에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 용융 금속 배스 내에 존재하는 용해된 가스 또는 불순물의 양을 줄이려는 노력이 완전하게 성공하지는 못하였다.
따라서, 용융 금속으로부터 가스 및/또는 불순물을 제거하기 위한 향상된 장치 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 용융 금속 배스 내의 용해된 가스(및/또는 다양한 불순물)의 양을 감소시키기 위한 방법(예를 들어, 초음파 가스 제거)에 관한 것이다. 일 실시 형태에 있어서, 상기 방법은 용융 금속 배스 내에서 초음파 장치를 작동하는 단계 및 상기 초음파 장치에 인접하는 주위의 용융 금속에 퍼징 가스를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용해된 가스는 수소를 포함할 수 있고, 용융 금속 배스는 알루미늄 또는 구리(이들의 합금 포함)을 포함할 수 있으며, 퍼징 가스는 아르곤 및/또는 질소를 포함할 수 있다. 퍼징 가스는 팁을 통해 초음파 장치의 약 50cm (또는 25cm, 또는 15cm, 또는 5cm, 또는 2cm) 범위 내에서 상기 용융 금속 배스로 첨가될 수 있다. 퍼징 가스는 각 초음파 탐침마다 약 0.1 내지 약 150L/min 범위의 속도로 상기 용융 금속 배스에 첨가 또는 도입될 수 있으며, 또는, 용융 금속 배스로부터 배출양(kg/hr)당 약 10 내지 약 500mL/hr의 속도로 첨가 또는 도입될 수 있다.
또한, 본 발명은 초음파 장치를 개시하고 있으며, 이러한 초음파 장치는 초음파 가스 제거 및 입자 미세화를 포함하는 다양한 용도에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 장치는 초음파 변환기; 상기 초음파 변환기에 부착되는 탐침; 및 가스 전달 시스템을 포함하고, 상기 가스 전달 시스템은, 가스 입구, 상기 탐침을 관통하는 가스 유동 통로 및 상기 탐침의 팁 또는 그 주위에 형성된 가스 출구를 포함할 수 있다. 실시 형태에 있어서, 탐침은 제 1 단부와 제 2 단부를 포함하는 길게 연장하는 탐침으로서, 상기 제 1 단부는 상기 초음파 변환기에 부착되고, 상기 제 2 단부는 팁을 포함한다. 또한, 탐침은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 등 또는 이들 재료의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침은 이를 관통하는 통합된 가스 전달 시스템을 갖는 단일의 시알론 탐침이 될 수 있다. 또한, 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 장치는 하나의 변환기당 복수의 탐침 조립체 및/또는 탐침을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침은 탐침을 관통하여 연장하며, 탐침의 팁 또는 그 주변에 존재(예를 들어, 탐침의 팁으로부터 약 25cm 또는 약 20cm이내, 또는, 탐침의 팁으로부터 약 15cm이내, 약 10cm이내, 약 5cm이내, 약 2cm이내, 약 1cm이내에 존재)하는 2개 이상의 가스 전달 채널을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침은 탐침을 관통하고, 탐침의 팁 또는 그 주변에 존재하는 가스 전달 채널을 포함할 수 있고, 탐침의 팁 주변의 오목 영역을 포함할 수 있다.
전술한 요약 및 다음의 상세한 설명에서 제공하는 예시들은 모두 설명을 위한 것이다. 따라서, 전술한 요약 및 다음의 상세한 설명은 제한적으로 이해되어서는 안된다. 여기 제시된 것에 덧붙여, 추가적인 특징 및 변형이 제공될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시 형태는 상세한 설명 내에 설명된 다양한 특징의 조합 및 보조-조합에 관한 것일 수 있다.
본 명세서의 일부로서 포함되는 첨부되는 도면들을 통해, 본 발명의 다양한 실시 형태들을 설명할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다중 가스 채널을 갖는 초음파 탐침의 부분 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 초음파 탐침의 사시도이다.
도 1c는 도 1a의 초음파 탐침을 사용하는 초음파 장치의 부분 단면도이다.
도 1d는 도 1a 내지 도 1c의 초음파 탐침과, 초음파 탐침 및 장치의 부스터 사이의 결합 관계를 나타내는 확대도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 오목 영역을 갖는 초음파 탐침의 부분 단면도이다.
도 2b는 도2a의 초음파 탐침의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 초음파 탐침의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 초음파 탐침의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 초음파 탐침의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 초음파 탐침의 부분 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 단일 가스 채널을 갖는 초음파 탐침의 부분 단면도이다.
도 7b는 도 7a의 초음파 탐침의 사시도이다.
도 8은 실시예 1 내지 4의 시간 함수에 따른 수소 농도의 그래프이다.
다음의 상세한 설명은 첨부된 도면에 관한 것이다. 가능하다면, 동일 또는 유사한 참조 번호는 동일 또는 유사한 요소를 언급하기 위하여 도면 및 다음의 설명에서 사용된다. 본 발명의 실시 형태에서 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", "길게 연장하는 탐침", "퍼징 가스" 등은 따로 특정하지 않는 이상, 초음파 장치, 길게 연장하는 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 실시 형태에 있어서, 퍼징 가스는 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 실시 형태들은 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 성형하는 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 조건을 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 강 또는 아연 또는 마그네슘 등이다.
또한, 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, 0.2ppm초과, 또는 0.3ppm초과 또는 0.5ppm을 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 고가의 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 "종래(conventional)" 공정이라고 언급될 것이며, 상기 산업에서는 로터리(rotary) 가스 퍼징이라고 종종 언급된다. 상기 종래 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.
또한, 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 특정 실시 형태에 있어서, 예상하지 못한 초음파 탐침, 장치 및 이와 관련되는 방법들은, 예를 들어, 초기의 약 3ppm 이상, 약 4ppm 이상, 약 3ppm 내지 약 10ppm등으로부터 초음파 가스 제거후에 1ppm 미만으로 나트륨과 같은 알칼리 금속 불순물을 제거할 수 있다.
알칼리 금속과 같은 원하지 않는 불순물에 더하여, 용융 금속은 소정의 금속 제품의 최종 제품 및 캐스팅 및/또는 금속 제품 자체의 물리적 특성에 부정적인 영향을 끼칠 수 있는 함유물이 존재할 수 있다. 전체 함유물 또는 함유물의 농도는 일반적으로 금속의 단위 kg당 mm2의 양인 mm2/kg 단위로 측정된다. 본 발명의 특정 실시 형태에 있어서, 의도하지 않게, 초음파 탐침, 장치 및 이와 관련되는 방법들은 이하에서 서술되는 초음파 가스 제거 공정의 전후를 비교하였을 때, 함유물의 양을 약 50% 이상으로 줄일 수 있다. 특정 실시 형태에 있어서, 전체 함유물의 양은 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 98% 이상, 일부 경우에 있어서, 99% 내지 100%로 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태는 용융 금속 배스 내의 용해된 가스의 양을 감소시키는 방법, 즉, 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. 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, 강, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함하는)을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 상기 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있고, 다른 실시 형태에서는 상기 용융 금속 배스가 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 배스 내의 용융 금속은 알루미늄이거나 또는 구리일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태는 용융 금속 배스 내에 존재하는 불순물의 양을 감소시키는 방법, 즉, 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, 나트륨, 인, 납 및 이와 유사한 것 또는 이들의 조합이거나 이들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물은 리튬이거나 리튬을 포함할 수 있고, 그렇지 않으면 나트륨이거나 나트륨을 포함할 수 있다. 상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강, 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. 일부 실시 형태에서, 상기 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있고, 다른 실시 형태에서는 상기 용융 금속 배스가 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 배스 내의 용융 금속은 알루미늄이거나 또는 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. 또한, 가스의 혼합물 또는 조합이 채용될 수 있다. 여기에 개시된 몇몇 실시 형태에 따르면, 상기 퍼징 가스는 비활성 가스(inert gas)이거나 이를 포함할 수 있고, 또는, 상기 퍼징 가스는 불활성 가스(noble gas)이거나 이를 포함할 수 있고, 또는, 상기 퍼징 가스는 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이들의 조합이거나 이들을 포함할 수 있고, 또는, 상기 퍼징 가스는 헬륨이거나 헬륨을 포함할 수 있고, 또는, 상기 퍼징 가스는 네온이거나 네온을 포함할 수 있고, 또는, 상기 퍼징 가스는 아르곤이거나 아르곤을 포함할 수 있다. 추가적으로, 출원자들은 몇몇 실시 형태에서, 상기 종래 가스 제거 기술이 여기 개시된 초음파 가스 제거 공정과 함께 사용될 수 있다는 것을 고려하였다. 따라서, 상기 퍼징 가스는 일부 실시 형태에서, 단독으로 사용되거나, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 제논 중 하나 이상과 조합하여 퍼징 가스로 사용되는 것과 같은 염소 가스를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 단독으로 또는 질소, 아르곤과 같은 전술한 다른 퍼징 가스들과 조합하여 퍼징 가스로 6플루오르화항(SF6)이 사용될 수 있다.
그러나, 본 발명의 다른 실시 형태에서는 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. 일부 실시 형태에서, 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 실시 형태에 따른 용융 금속 가스 제거 방법(및/또는 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 방법) 에서 도입되는 퍼징 가스의 양은 각 초음파 탐침에 대하여 약 0.1에서 약 150 표준 리터/분(L/min)의 범위 내로 떨어질 수 있다. 당업자라면 하나 이상의 초음파 탐침이 초음파 장치에 사용될 수 있고, 용융 금속 배스 내에 하나 이상의 초음파 장치(예를 들어, 1 내지 20, 2 내지 20, 4 내지 12개의 장치등)가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 이하에서의 퍼징 가스의 유속은 단일의 초음파 탐침을 통한 유속을 의미한다. 따라서, 도입되는 퍼징 가스의 양은 초음파 탐침마다 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 분당 표준 리터, 즉, 표준 온도(21.1℃) 및 압력(101kPa)에서이다. 용융 금속 배스 내에서 하나 이상의 초음파 탐침(또는 하나 이상의 초음파 장치)가 사용(예를 들어, 하나의 장치당 2개의 탐침, 3개의 탐침, 4개의 탐침, 1 내지 8개의 탐침, 2 내지 8개의 탐침, 1 내지 4개의 탐침 등)되는 경우에 있어서, 각 탐침당 개별적으로 퍼징 가스의 유속은 약 0.1 내지 약 50L/min, 약 0.5 내지 약 30L/min, 약 1 내지 약 30L/min, 약 2 내지 약 50L/min, 약 2 내지 약 25L/min, 약 3 내지 약 50L/min, 약 4 내지 약 25L/min가 될 수 있다.
연속식 또는 세미-연속식 용융 금속 공정에서, 용융 금속의 배스 내에 도입되는 퍼징 가스의 양은 용융 금속 생산량 또는 생산속도(production rate)에 의존하여 다양할 수 있다. 따라서, 이러한 실시 형태에 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. 일부 실시 형태에서, 상기 용융 금속의 생산량 속도에 대한 퍼징 가스의 체적 유량의 비는 약 10 내지 약 400mL/kg 범위 내; 또는, 약 15 내지 약 300mL/kg의 범위 내, 또는, 약 20 내지 약 250mL/kg의 범위 내, 또는, 약 30 내지 약 200mL/kg의 범위 내, 또는, 약 40 내지 약 150mL/kg의 범위 내, 또는, 약 50 내지 약 125mL/kg의 범위 내일 수 있다. 상기와 같이, 상기 퍼징 가스의 체적 유량은 표준 온도(21.1℃) 및 압력(101kPa)에서이다.
본 발명의 실시 형태와 일치하는 용융 금속 가스 제거 방법은 상기 용융 금속 배스 내에 존재하는 용해된 가스의 약 10중량%를 초과하여 제거에 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. 일부 실시 형태에서, 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 0.3ppm 또는 0.4ppm 또는 0.5ppm(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 0.4ppm, 약 0.5ppm, 약 0.6ppm, 약 0.7ppm, 약 0.8ppm, 약 0.9ppm, 약 1ppm, 약 1.5ppm, 약 2ppm 또는 약 2ppm 초과일 수 있다. 본 발명의 실시 형태에서 개시된 방법을 채용하는 것은 상기 용융 금속 배스 내에서 용해된 가스의 양을 약 0.4ppm 미만, 또는. 약 0.3ppm 미만, 또는. 약 0.2ppm 미만, 또는. 약 0.1 내지 약 0.4ppm 범위 내로, 또는. 약 0.1 내지 약 0.3ppm범위 내로, 또는. 약 0.2 내지 약 0.3ppm 범위 내로 감소시킬 수 있다는 것이 고려된다. 이러한 및 기타 실시 형태에서, 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 실시 형태는 상기 용융 금속 배스 내에 초음파 장치를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 초음파 장치는 초음파 변환기 및 길게 연장하는 탐침을 포함할 수 있고, 상기 탐침은 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함할 수 있다. 상기 제 1 단부는 상기 초음파 변환기에 부착될 수 있고, 상기 제 2 단부는 팁(tip)을 포함할 수 있으며, 상기 길게 연장하는 탐침의 팁(tip)은 니오븀(niobium)을 포함할 수 있다. 초음파 장치의 설명에 대한 특정 및 비제한적인 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. 일부 실시 형태에서, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁에서 약 15㎝ 이내, 또는, 약 10㎝ 이내, 또는, 약 8㎝ 이내, 또는, 약 5㎝ 이내, 또는, 약 3㎝ 이내, 또는, 약 2㎝ 이내, 또는, 약 1㎝ 이내로 상기 용융 금속 배스 내에 도입될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 상기 퍼징 가스는 상기 초음파 장치의 팁(tip)을 통하거나 인접하여 상기 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다.
이러한 이론에 의해 한정되는 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 공동 기포(cavitation bubble)를 만들 수 있다고 생각한다. 그러나, 출원인들은 상기 퍼징 가스가 존재하지 않는 경우, 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 가스원(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. 즉, 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 실시 형태에 따른 초음파 장치는, 예를 들어, 여기에 참조로 포함된 미국특허공보 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 실시 형태는 용융 금속에 직접 접촉하는 구성요소의 수명을 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공할수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구현예는 최종 제품에 상당한 품질 향상을 가져오는, 용융 금속과 접촉한 재료의 분해를 감소시키기 위한 니오븀을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 형태는 보호 장벽으로서 니오븀을 사용함으로써 용융 금속과 접촉한 구성요소 또는 물질을 보존하거나 수명을 증가시킬 수 있다. 니오븀은, 예를 들어, 본 발명의 앞서 언급한 구성들을 제공하는데 도움을 줄 수 있는 높은 용융점과 같은 특성을 가질 수 있다. 또한, 니오븀은 약 200℃이상의 온도에 노출되었을 때, 보호 산화물 장벽(protective oxide barrier)을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태는 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. 결과적으로, 본 발명의 실시 형태는 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.
일부 실시 형태에서, 니오븀 또는 그것의 합금은 초음파 변환기 및 길게 연장하는 탐침을 포함하는 초음파 장치에 사용될 수 있다. 상기 길게 연장하는 탐침은 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함할 수 있고, 여기서 제 1 단부는 상기 초음파 변환기에 부착될 수 있으며, 상기 제 2 단부는 팁(tip)을 포함할 수 있다. 이러한 실시 형태에 따르면, 상기 길게 연장하는 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 3에 있어서, 초음파 탐침(300)에 니오븀과 다른 재료를 사용한 것을 나타내며, 용융 금속에 포함된 용해 가스를 제거하는데 사용될 수 있다. 초음파 탐침(300)는 초음파 변환기(360), 증가된 출력부용 부스터(350) 및 상기 초음파 변환기(360)에 부착된 초음파 탐침 조립체(302)를 포함할 수 있다. 초음파 탐침 조립체(302)는 길게 연장하는 초음파 탐침(304) 및 초음파 매체(312)를 포함할 수 있다. 일반적으로 초음파 장치(300) 및 초음파 탐침(304)는 원통형이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 초음파 탐침(304)는 제1 단부와 제2 단부를 포함하고, 상기 제1 단부는 초음파 변환기(360)에 부착되는 초음파 탐침 샤프트(306)를 포함한다. 초음파 탐침(304)와 초음파 탐침 샤프트(306)은 다양한 재료로 구성될 수 있다. 예시적인 재료들로서, 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 예를 들어, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지로코니아와 같은 세라믹 등과 이들의 조합이 될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 초음파 탐침(304)의 제2 단부는 초음파 탐침 팁(310)을 포함할 수 있다. 초음파 탐침 팁(310)은 니오븀을 포함한다. 또는, 팁(310)은 니오븀을 필수로 포함하거나, 일부의 구성으로 포함할 수 있다. 니오븀은 하나 이상의 다른 재료와 합금화되거나, 다른 재료의 기본층에 도금 또는 코팅되는 층이 될 수 있다. 예를 들어, 팁(310)은 내부층과 외부층을 포함하며, 내부층은 세라믹 또는 금속 재료(예를 들어, 티타늄)를 포함할 수 있으며, 외부층은 니오븀을 포함할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서, 니오븀을 포함하는 외부층의 두께는 약 25미크론 미만, 또는 약 10미크론 미만이 될 수 있으며, 또는 약 2 내지 8미크론의 범위를 갖는다. 예를 들어, 니오븀을 포함하는 외부층의 두께는 약 3 내지 약 6미크론의 범위를 갖는다.
초음파 탐침 샤프트(306)와 초음파 탐침 팁(310)은 커넥터(308)를 통해 결합될 수 있다. 커넥터(308)는 샤프트(306)와 팁(310)을 부착하기 위한 수단을 나타낸다. 예를 들어, 샤프트(306)과 팁(310)은 서로 볼트 결합되거나 땜납될 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 커넥터(308)는 샤프트(306)가 오목한 나사부를 포함하고, 팁(310)이 이러한 샤프트(306) 내부에 나사 결합될 수 있음을 나타낸다. 초음파 탐침 샤프트(306)와 초음파 탐침 팁(310)은 서로 다른 재료로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 초음파 탐침 샤프트(306)는 티타늄 및/또는 니오븀으로 되거나 이들을 포함할 수 있으며, 초음파 탐침 팁(310)은 니오븀으로 되거나 이를 포함할 수 있다. 또는, 초음파 탐침 샤프트(306)는 티타늄 및/또는 세라믹(예를 들어, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지로코니아 등)으로 되거나 이들을 포함할 수 있고, 초음파 탐침 팁(310)은 세라믹(예를 들어, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지로코니아 등)이 되거나 이를 포함할 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(304)는 단일체가 될 수 있으며, 예를 들어, 초음파 탐침 샤프트(306)와 초음파 탐침 팁(310)은 동일한 구조를 갖는 단일 부품일 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 초음파 탐침은, 예를 들어, 니오븀 또는 그 합금, 세라믹(예를 들어, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지로코니아 등) 또는 다른 적절한 재료를 포함할 수 있다.
도 3에 있어서, 초음파 장치(300)는 내부 튜브(328), 중앙 튜브(324), 외부 튜브(320) 및 보호 튜브(340)를 포함할 수 있다. 이러한 튜브들 또는 채널들은 초음파 탐침(304)의 전체 또는 일부를 둘러쌓을 수 있으며, 일반적으로, 적절한 재료 또는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 초음파 탐침 팁(310)이 용융 금속 배스 내부에 위치될 것으로 예상할 수 있지만, 보호 튜브(340)의 일부도 용융 금속에 침하될 수도 있음을 고려하여야 한다. 따라서, 보호 튜브(340)는 티타늄, 니오븀, 세라믹(예를 들어, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지로코니아 등) 또는 이러한 재료들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 튜브(328, 324, 320, 340)에 유체(322, 320, 342)가 포함될 수 있다. 이러한 유체는 액체 또는 가스(예를 들어, 아르곤)가 될 수 있으며, 이를 통해, 초음파 장치(300), 특히, 초음파 탐침 팁(310) 및 보호 튜브(340)를 냉각할 수 있다.
초음파 장치(300)는 단부캡(344)을 포함할 수 있다. 단부캡은 보호 튜브(340)와 탐침 팁(310) 사이의 간극을 연결하며, 초음파 장치(300)에 용융 금속이 들어가는 것을 방지할 수 있다. 보호 튜브(340)와 유사하게, 단부캡(344)은, 예를 들어, 티타늄, 니오븀, 세라믹(예를 들어, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지로코니아 등) 또는 이러한 재료들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다.
초음파 탐침 팁(310), 보호 튜브(340) 또는 단부캡(344) 또는 이들 모두는 니오븀을 포함한다. 니오븀만으로 사용될 수 있으며, 하나 이상의 다른 재료와 함께 합금화되거나, 다른 재료를 기본층으로 하여 도금되거나 코팅된 층으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침 팁(310), 보호 튜브(340), 또는 단부캡(344) 또는 이들 모두는 내부층과 외부층을 포함하며, 내부층은 세라믹 또는 금속 재료를 포함하고, 외부층은 니오븀을 포함할 수 있다. 초음파 장치의 부품들에 니오븀이 존재하기 때문에, 장치의 수명을 향상할 수 있고, 용융 금속과 접촉시 화학적 반응을 방지하거나 낮출 수 있으며, 용융 금속의 녹는점에서 강도를 향상할 수 있다, 또한, 초음파를 전달할 수 있다. 본 발명의 일부 실시 형태에 있어서, 초음파 장치의 팁(310)이 니오븀을 포함하지 않는 경우, 팁은 용융 금속 배스(예를 들어, 알루미늄 또는 구리)에서 약 15분 내지 30분만에 부식 또는 저하를 나타낸다. 반대로, 초음파 장치의 팁이 니오븀을 포함하는 경우, 팁은 1시간 이상 후에 부식 또는 저하가 나타나지 않거나 최소로 나타나며, 예를 들어, 2시간 이상, 3시간 이상, 4시간 이상, 5시간 이상, 6시간 이상, 12시간 이상, 24시간 이상, 48시간 이상, 72시간 이상에서 부식이나 저하가 나타나지 않는다.
다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침 팁(310), 보호 튜브(340) 또는 단부캡(344) 또는 이들 모두는 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아와 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 탐침 샤프트(306)는 세라믹 또는 티타늄을 포함할 수 있다.
도 4는 니오븀, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아 등의 세라믹 또는 다른 적절한 재료를 포함할 수 있는 다른 초음파 장치(400)를 도시한다. 초음파 장치(400)는 초음파 변환기(460), 출력 확장을 위한 부스터(450), 상기 변환기에 부착된 초음파 탐침 조립체(402)를 포함할 수 있다. 부스터(450)을 통해, 약 1:1 이상의 확장 레벨, 예를 들어, 약 1.2:1 내지 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1 이상의 확장 레벨에서 출력을 향상할 수 있다. 부스터 클램프 조립체(451)의 높이는 H로 적용되고, 높이(H)는 다른 길이를 갖는 초음파 탐침에 따라 변경될 수 있다. 초음파 탐침 조립체(402)는 도 3에 도시된 바와 같이 길게 연장되는 초음파 탐침과 초음파 탐침 팁(410)을 포함할 수 있다. 초음파 탐침과 팁은 전술한 바와 같이 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
초음파 장치(400)는 초음파 장치(400) 근처의 위치에서 퍼징 가스(예를 들어, 용융 금속 배스 내부로)를 도입하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 외부의 퍼징 가스 주입 시스템(도시되지 않음)은 용융 금속 배스 내에 위치될 수 있으며, 주입 위치는 도 3 및/또는 도 4의 초음파 장치의 주변이 될 수 있다. 또는, 초음파 장치는 퍼징 가스 출구를 포함하여, 퍼징 가스가 초음파 장치의 팁 또는 근처에서 방출될 수 있다. 예를 들어, 퍼징 가스는 초음파 장치의 단부캡 또는 초음파 장치의 탐침을 통해 방출될 수 있다. 도 4에 있어서, 초음파 장치는 퍼징 가스 전달 채널(413)에 연결된 퍼징 가스 입구 포트(424)와 주입 챔버(425)를 포함할 수 있다. 퍼징 가스는 초음파 장치(400)의 팁(410) 또는 그 주변에 위치되는 퍼징 가스 전달 공간(414)을 통해 전달되고 방출될 수 있다. 퍼징 가스 전달 공간(414) 또는 퍼징 가스 출구는 초음파 장치(400)의 팁(410)으로부터 약 10cm 이내에 위치될 수 있으며, 예를 들어, 초음파 장치의 팁으로부터 약 5cm, 약 3cm, 약 2cm, 약 1.5cm, 약 1cm, 약 0.5cm 내에 위치될 수 있다.
또한, 초음파 장치(400)는 초음파 냉각 시스템(429)을 포함할 수 있으며, 이를 통해, 초음파 장치의 팁(410)의 외부 표면에서 용융 금속의 온도가 높아짐에도 불구하고, 초음파 팁 및/또는 초음파 탐침 및/또는 초음파 탐침 조립체를 실온에 가까운 온도(예를 들어, 약 15℃ 내지 약 75℃ 또는 약 20℃ 내지 약 35℃)로 유지할 수 있다. 만일 초음파 탐침과 조립체가 니오븀, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아 등의 세라믹 또는 다른 적절한 재료를 포함하는 경우, 초음파 냉각 시스템은 필요하지 않다. 도 4의 초음파 냉각 시스템(429)는, 예를 들어, 초음파 장치의 냉각 및/또는 온도 제어를 위해 구성된 내부 튜브(328), 중앙 튜브(324), 외부 튜브(320), 보호 튜브(340), 유체(322, 326, 342)를 포함하는 도 3에 도시된 시스템과 유사할 수 있다. 유체는 액체 또는 가스가 될 수 있으며, 유체는 퍼징 가스와 동일한 재료가 될 수 있다.
도 5는 니오븀, 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및/또는 지르코니아 등의 세라믹 또는 다른 적절한 재료를 포함하는 다른 초음파 장치(500)을 도시한다. 초음파 장치(500)는 초음파 변환기(560), 출력 확장을 위한 부스터(550), 상기 변환기(560)에 부착된 초음파 탐침 조립체(510)를 포함할 수 있다. 부스터(550)을 통해, 약 1:1 이상의 확장 레벨, 예를 들어, 약 1.2:1 내지 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1 이상의 확장 레벨에서 출력을 향상할 수 있다. 초음파 탐침(510)는 단일체일 수 있으며, 초음파 탐침(510)는, 도 3에 도시된 바와 유사하게, 초음파 탐침 샤프트와 선택적이고 교체 가능한 초음파 탐침 팁(511)을 포함할 수 있다. 초음파 탐침 및 팁은 전술한 바와 같이 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있다.
초음파 장치(500)는 초음파 장치(500) 근처 및/또는 초음파 탐침 팁(511) 근처의 위치에서 퍼징 가스(예를 들어, 용융 금속 배스 내부로)를 도입하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 외부의 퍼징 가스 주입 시스템(도시되지 않음)이 용융 금속 배스 내에 위치될 수 있으며, 주입 위치는 도 5의 초음파 장치의 근처가 될 수 있다. 또는, 초음파 장치는 퍼징 가스 출구를 포함하여, 퍼징 가스가 초음파 장치의 팁 또는 그 근처에서 방출될 수 있다. 예를 들어, 퍼징 가스는 초음파 장치의 탐침/팁을 통해 방출될 수 있다. 도 5에 있어서, 초음파 장치는 부스터(550), 상부 하우징(520), 하부 지지 하우징(521), 하부 지지 하우징 커버(523)를 갖는 챔버에서 퍼징 가스 주입 포트(522)를 갖는다. 상부 하우징(520)을 통해 가스 기밀 및/또는 누출 방지가 가능하다. 퍼징 가스 입구 포트(522)는 퍼징 가스 전달 채널(524)에 연결되어, 초음파 탐침(510) 내부에 포함될 수 있다. 퍼징 가스는 초음파 장치(500)의 팁(511)에 위치되는 퍼징 가스 주입 지점(525)(또는 퍼징 가스 출구 포트)를 통해 전달되고 방출될 수 있다. 따라서, 이러한 실시 형태에 있어서, 초음파 장치(500)는 초음파 탐자기의 팁에서 퍼징 가스 주입 지점을 갖는 퍼징 가스 주입 시스템을 포함하는 초음파 탐침(510)을 포함할 수 있다.
선택적으로, 초음파 장치(500)는 전술한 도 3 및/또는 도 4에 도시된 바와 같이 초음파 냉각 시스템을 포함할 수 있으며, 필수 사항은 아니다.
도 6에 다른 초음파 장치가 도시되어 있다. 초음파 장치(600)는 초음파 변환기(660), 출력 확장을 위한 부스터(650), 상기 변환기(660)와 부스터(650)에 부착된 초음파 탐침(610)를 포함할 수 있다. 변환기(660)에 연통될 수 있는 부스터(650)을 통해, 약 1:1 이상의 확장 레벨, 예를 들어, 약 1.2:1 내지 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1 이상의 확장 레벨에서 출력을 향상할 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 부스터는 티타늄과 같은 금속을 포함할 수 있다. 초음파 탐침(610)는 단일체일 수 있으며, 초음파 탐침(610)는, 도 3에 도시된 바와 유사하게, 초음파 탐침 샤프트와 선택적이고 교체 가능한 초음파 탐침 팁을 포함할 수 있다. 초음파 탐침(610)의 형상은 한정되는 것은 아니며, 일단부가 변환기(660) 및/또는 부스터(650)에 부착되고, 탐침의 팁을 포함하는 타단부를 갖는 길게 연장하는 탐침(예를 들어, 일반적으로 원통형)으로 구성될 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 탐침은 일반적으로 원통형일 수 있지만, 탐침의 중앙부가 클램프 또는 다른 부착 기구를 통해 변환기/부스터에 고정될 수 있으므로, 이 경우에는 탐침은 어느 것도 변환기/부스터에 직접적으로 부착되지 않는 두 개의 팁을 갖는다. 다른 실시 형태에 있어서, 탐침은 구형 또는 단부가 구형인 원통형과 같은 기하학적인 형상이 될 수 있다.
초음파 탐침(610)는 전술한 바와 같이 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(610)는 세라믹 재료이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침은 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 또는 이들의 조합이 되거나 이들을 포함할 수 있으며, 또는 시알론, 또는 탄화실리콘, 또는 탄화보론, 또는 질화보론, 또는 질화실리콘, 또는 질화알루미늄, 또는 산화알루미늄, 또는 지르코니아가 되거나 이들을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(610)는 하나의 부품으로 된 단일체일 수 있으며, 변환기/부스터에 부착된 단부로부터 탐침 팁까지 동일한 구성 또는 조성을 가질 수 있다.
일반적으로 전술한 실시 형태에서 사용될 수 있는 시알론은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 산소(O), 질소(N)를 구성으로 포함하는 세라믹 합금이다. 또한, 당업자라면 충분히 이해할 수 있는 사항으로서, α-시알론과 β-시알론으로 분류될 수 있다. 초음파 탐침(610)는 시알론을 포함할 수 있으며, 또한, 20wt% 이상의 α-시알론(β-시알론)을 포함할 수 있다. 이론에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명자는 β-시알론을 20wt% 이상, 또는 30wt% 이상, 또는 약 20wt% 내지 약 50wt%의 범위를 가짐으로써, 초음파 탐침의 강도와 내구성(예를 들어, 파손성을 낮추는)을 향상시킬 수 있다고 생각한다.
초음파 장치(600)는 초음파 장치(600)의 근처 및/또는 초음파 탐침 팁 근처의 위치에서 가스를 인도(예를 들어, 용융 금속 배스로 퍼징 가스를 인도)하는 수단을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 외부 퍼징 가스 주입 시스템(도시되지 않음)은 용융 금속 배스에 위치될 수 있으며, 주입 위치는 도 6의 초음파 장치의 근처가 될 수 있다. 또는, 초음파 장치는 가스 전달 시스템을 포함하여, 초음파 장치의 팁 또는 근처에서 가스가 방출될 수 있다. 예를 들어, 가스는 초음파 장치의 탐침/팀을 통해 방출될 수 있다. 도 6에 있어서, 초음파 장치(600)는 부스터(650) 내부의 챔버에서 가스 입구 포트(622)를 포함할 수 있다. 가스 주입 포트(622)는 가스 전달 채널(624)에 연결되어, 초음파 탐침(610)의 부스터(650)로부터 팁으로 연장할 수 있다. 가스 입구 포트(622)와 부스터(650)의 일부는 가스 기밀 및/또는 누출 방지 하우징 내부에 포함될 수 있다. 가스는 초음파 탐침(610)의 팁에 위치하는 가스 주입 지점(625)(또는 가스 출구)를 통해 전달되어 방출된다. 따라서, 이러한 실시 형태에 있어서, 초음파 장치(600)는 초음파 탐침의 팁에서 가스 주입 지점을 갖는 가스 전달 시스템을 포함하는 초음파 탐침(610)를 포함할 수 있다.
가스 전달 채널(624)이 도 6에 도시되어 있으며, 부스터(650)에서 상기 부스터에 가장 가까운 초음파 탐침(610)의 일부에 대형의 유동 경로와 가스 주입 지점(625)에서 소형의 유동 경로를 가지며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 가스 전달 채널(624)의 크기는 초음파 탐침(610)의 팁에서 가스 입구 포트(622)로부터 가스 주입 지점(625)까지 실질적으로 동일한 크기(예를 들어, ±10 내지 20%)를 갖는다.
이론에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명자는 초음파 탐침의 단면적과 비교하여 가스 주입 지점에서 유동 경로(예를 들어, 단면적)을 작게하면, 가스가 탐침을 벗어날 때, 가스의 속도가 크기 때문에, 향상된 가스 제거 효과를 가질 수 있다고 생각한다. 일부 실시 형태에 있어서, 가스 전달 채널(예를 들어, 가스 주입 지점 또는 가스 출구)의 단면적에 대한 초음파 탐침의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1, 약 60:1 내지 약 1000:1, 또는 약 60:1 내지 약 750:1의 범위가 될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 가스 전달 채널(예를 들어, 가스 주입 지점 또는 가스 출구)의 단면적에 대한 초음파 탐침의 단면적의 비율은 약 60:1 내지 약 700:1, 약 100:1 내지 약 700:1, 또는 약 200:1 내지 약 1000:1의 범위가 될 수 있다. 이러한 실시 형태와 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(예를 들어, 단일로 연장하는 탐침)의 직경에 대한 길이의 비율(L/D)는 약 5:1 내지 약 25:1, 약 5:1 내지 약 12:1, 약 7:1 내지 약 22:1, 약 10:1 내지 약 20:1, 약 11:1 내지 약 18:1의 범위가 될 수 있다.
일부 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침은 시알론과 같은 세라믹 재료를 포함하며, 초음파 탐침(610)를 부스터(650)와 변환기(660)에 고정하기 위한 수단으로서 부착 너트(603)를 사용할 수 있다. 이러한 부착 너트(603)를 통해, 끼워 맞춤 세라믹 부착에 비교하여, 향상된 내구성과 수명을 제공할 수 있다. 부착 너트(603)는, 예를 들어, 티타늄, 스테인리스강 등과 같은 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 파손되기 쉬운 나사형 세라믹 탐침을 가질 필요를 경감하면서, 확실한 고정을 위해 정교한 (내부) 피치의 나사를 포함할 수 있다. 또한, 부스터(650)는 내부 나사를 가질 수 있으며, 여기에 부착 너트(603)(결과적으로, 탐침(610))가 확실하게 고정될 수 있다. 일반적으로, 부착 너트의 크기 및/또는 무게를 기계적으로 가능한한 낮게 할 수 있으며, 이를 통해, 탐침의 초음파 진동 특성에 나쁜 영향을 끼치지 않는다.
특정 실시 형태에 있어서, 탐침(610)는 탐침의 부착측에서 큰 반경의 굴곡부(615)를 갖는다. 이론에 한정되는 것은 아니지만, 탐침의 부착측(예를 들어, 부착 너트에 인접하는 곳)에서 굴곡부의 반경을 작게 하면, 탐침의 파손되기 쉬우며, 특히, 가스 제거 공정에서 용해된 가스를 효과적으로 제거하고 향상된 진공을 위해 필요한 높은 초음파 전력 및/또는 진폭에서 이러한 현상이 나타난다. 특정 실시 형태에 있어서, 굴곡부(615)의 반경은 약 1/2인치 이상, 약 5/8인치 이상, 약 3/4인치 이상, 약 1인치 이상 등이 될 수 있다. 이러한 반경들은 탐침의 실제 크기(예를 들어, 다양한 탐침 직경)와 관계 없이 바람직하다.
선택적으로, 초음파 자치(600)는 전술한 도 3 및/또는 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 냉각 시스템을 포함할 수 있으며, 반드시 필요한 것은 아니다. 도 6에 있어서, 초음파 장치(600)는 선택적으로 열 보호 하우징(640)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 하우징은 적절한 금속 및/또는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 초음파 탐침(610)가 용융 금속 배스에 위치될 수 있으며, 따라서, 열 보호 하우징은 부스터(650)의 일부, 부착 너트(603) 및 초음파 탐침(610)의 일부를 과잉의 열로부터 차폐하는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 냉각 매체는 열 보호 하우징(640)의 내부 및/또는 주위를 순환할 수 있다. 냉각 매체는 액체(예를 들어, 물) 또는 가스(예를 들어, 아르곤, 질소, 공기 등)가 될 수 있다.
도 3 내지 도 6에 도시된 사항들을 포함하는 초음파 장치는 특정 범위의 전력과 주파수로 작동될 수 있다. 약 1인치 이하의 직경의 탐침을 갖는 초음파 장치에 있어서, 작동 전력은 약 60와트 내지 약 120와트의 범위를 갖는다. 예를 들어, 3/4 인치의 탐침 직경에는 작동 전력이 약 60 내지 약 120와트가 적용될 수 있고, 1인치의 탐침 직경에는 약 120와트 내지 약 250와트의 작동 전력이 적용될 수 있다. 특정 주파수에 한정되는 것은 아니지만, 초음파 가스 제거법에 사용되는 초음파 장치는 약 10 내지 약 50kHz, 약 15 내지 약 40kHz, 약 20kHz의 주파수에서 작동될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는, 도 3 내지 도 6의 초음파 장치 중 어느 하나에 사용되는 초음파 탐침(710)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 초음파 탐침(710)는 단일체(단일 부품)로 도시되어 있지만, 특정 실시 형태에서 도 3에서 전술한 바와 같은 초음파 탐침 샤프트 및 선택적인(교체 가능한) 초음파 탐침 팁을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 탐침(710)는 길게 연장하는 탐침(예를 들어, 일반적으로 원통형)으로 도시되며, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
초음파 탐침(710)은 전술한 바와 같은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(710)은 세라믹 재료가 되거나 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침(710)은 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 또는 이들의 조합이 되거나 이들을 포함할 수 있으며, 또는 시알론(예를 들어, 본 설명에 기재된 어떠한 시알론), 또는 탄화실리콘, 또는 탄화보론, 또는 질화보론, 또는 질화실리콘, 또는 질화알루미늄, 또는 산화알루미늄, 또는 지르코니아가 되거나 이들을 포함할 수 있다.
초음파 탐침(710)은 탐침의 팁에서 가스 출구(725)를 갖고, 탐침의 중앙에서 탐침의 전체 길이방향으로 연장하는 가스 채널(724)를 포함할 수 있다. 퍼징 가스는 가스 채널(724)을 통해 전달되어, 초음파 탐침(710)의 팁에 있는 가스 출구(725)에서 방출될 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 가스 채널(724)(예를 들어, 탐침의 길이 방향으로 특정 지점 또는 가스 출구(725))의 단면적에 대한 초음파 탐침(710)의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1, 약 60:1 내지 약 1000:1, 또는 약 60:1 내지 약 750:1의 범위가 될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 가스 채널(724)의 단면적에 대한 초음파 탐침(710)의 단면적의 비율은 약 60:1 내지 약 700:1, 약 100:1 내지 약 700:1, 약 50:1 내지 약 500:1, 또는 약 200:1 내지 약 1000:1의 범위가 될 수 있다. 이러한 실시 형태와 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(710)의 직경에 대한 길이의 비율(L/D)는 약 5:1 내지 약 25:1, 약 5:1 내지 약 15:1, 약 5:1 내지 약 12:1, 약 7:1 내지 약 22:1, 약 7:1 내지 약 14:1, 약 10:1 내지 약 20:1, 약 11:1 내지 약 18:1의 범위가 될 수 있다.
초음파 탐침(710)은, 당업자라면 알 수 있는 적절한 방법을 사용하여, 예를 들어, 전술한 부착 너트를 사용하여, 초음파 장치에 고정될 수 있다. 특정 실시 형태에 있어서, 탐침(710)은 탐침의 부착측에서 큰 반경의 굴곡부(715)를 갖고, 이를 통해, 탐침의 파손을 방지하고, 탐침의 수명을 증가시킨다. 특정 실시 형태에 있어서, 굴곡부(715)의 반경은 약 1/8인치 이상, 약 1/4인치 이상, 약 1/2인치 이상, 약 5/8인치 이상, 약 3/4인치 이상, 약 1인치 이상 등(예를 들어, 굴곡부(715)는 약 1/4인치와 동일할 수 있다)이 될 수 있다. 이러한 반경들은 탐침의 실제 크기(예를 들어, 다양한 탐침 직경)와 관계 없이 바람직하다.
도 1a 및 도 1b는 도 3 내지 도 6의 초음파 장치에서 사용될 수 있는 초음파 탐침(110)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 초음파 탐침(110)은 단일체(하나의 부품)로 나타나 있지만, 특정 실시 형태에서, 전술한 도 3의 설명에서 기재된 바와 같이, 초음파 탐침 샤프트와 선택적(교체 가능한)인 초음파 탐침 팁을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 탐침(110)이 길게 연장하는(예를 들어, 일반적으로 원통형) 탐침이 도시되어 있지만, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
초음파 탐침(110)은 전술한 바와 같은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(110)은 세라믹 재료가 되거나 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침(110)은 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 또는 이들의 조합이 되거나 이들을 포함할 수 있으며, 또는 시알론(예를 들어, 본 설명에 기재된 시알론), 또는 탄화실리콘, 또는 탄화보론, 또는 질화보론, 또는 질화실리콘, 또는 질화알루미늄, 또는 산화알루미늄, 또는 지르코니아가 되거나 이들을 포함할 수 있다.
초음파 탐침(110)은 탐침의 팁에서 가스 출구(125)를 갖고, 탐침의 전체 길이 방향으로 연장하는 복수의 가스 채널(124)을 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 있어서, 세 개의 가스 채널(124)을 갖는 탐침(110)이 도시되어 있지만, 다른 실시 형태에서 두 개의 가스 채널 또는 네 개 이상의 가스 채널을 포함할 수 있다. 또한, 가스 채널은 탐침 내부의 어느 장소에나 위치될 수 있다. 도 1a 및 1b는 탐침의 중심으로부터 외주면의 대략 중간에 위치하는 세 개의 가스 채널(124)를 도시하며, 120°간격으로 이격되어 있다. 퍼징 가스는 가스 채널(124)을 통해 전달되어, 초음파 탐침(110)의 팁에 있는 가스 출구(125)에서 방출될 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 가스 채널(124)(예를 들어, 탐침의 길이 방향으로 특정 지점 또는 가스 출구(125))의 단면적에 대한 초음파 탐침(110)의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1, 약 60:1 내지 약 1000:1, 또는 약 60:1 내지 약 750:1의 범위가 될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 가스 채널(124)의 단면적에 대한 초음파 탐침(110)의 단면적의 비율은 약 20:1 내지 약 250:1, 약 20:1 내지 약 175:1, 약 30:1 내지 약 200:1, 약 30:1 내지 약 175:1, 약 60:1 내지 약 700:1, 약 100:1 내지 약 700:1, 약 50:1 내지 약 500:1, 또는 약 200:1 내지 약 1000:1의 범위가 될 수 있다. 이러한 실시 형태와 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(110)의 직경에 대한 길이의 비율(L/D)는 약 5:1 내지 약 25:1, 약 5:1 내지 약 15:1, 약 5:1 내지 약 12:1, 약 7:1 내지 약 22:1, 약 7:1 내지 약 14:1, 약 10:1 내지 약 20:1, 약 11:1 내지 약 18:1의 범위가 될 수 있다.
일부 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침은 시알론과 같은 세라믹 재료를 포함하며, 초음파 탐침(610)를 부스터(650)와 변환기(660)에 고정하기 위한 수단으로서 부착 너트(603)를 사용할 수 있다. 이러한 부착 너트(603)를 통해, 끼워 맞춤 세라믹 부착에 비교하여, 향상된 내구성과 수명을 제공할 수 있다. 부착 너트(603)는, 예를 들어, 티타늄, 스테인리스강 등과 같은 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 파손되기 쉬운 나사형 세라믹 탐침을 가질 필요를 경감하면서, 확실한 고정을 위해 정교한 (내부) 피치의 나사를 포함할 수 있다. 또한, 부스터(650)는 내부 나사를 가질 수 있으며, 여기에 부착 너트(603)(결과적으로, 탐침(610))가 확실하게 고정될 수 있다. 일반적으로, 부착 너트의 크기 및/또는 무게를 기계적으로 가능한한 낮게 할 수 있으며, 이를 통해, 탐침의 초음파 진동 특성에 나쁜 영향을 끼치지 않는다.
특정 실시 형태에 있어서, 탐침(610)는 탐침의 부착측에서 큰 반경의 굴곡부(615)를 갖는다. 이론에 한정되는 것은 아니지만, 탐침의 부착측(예를 들어, 부착 너트에 인접하는 곳)에서 굴곡부의 반경을 작게 하면, 탐침의 파손되기 쉬우며, 특히, 가스 제거 공정에서 용해된 가스를 효과적으로 제거하고 향상된 진공을 위해 필요한 높은 초음파 전력 및/또는 진폭에서 이러한 현상이 나타난다. 특정 실시 형태에 있어서, 굴곡부(615)의 반경은 약 1/2인치 이상, 약 5/8인치 이상, 약 3/4인치 이상, 약 1인치 이상 등이 될 수 있다. 이러한 반경들은 탐침의 실제 크기(예를 들어, 다양한 탐침 직경)와 관계 없이 바람직하다.
선택적으로, 초음파 자치(600)는 전술한 도 3 및/또는 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 냉각 시스템을 포함할 수 있으며, 반드시 필요한 것은 아니다. 도 6에 있어서, 초음파 장치(600)는 선택적으로 열 보호 하우징(640)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 하우징은 적절한 금속 및/또는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 초음파 탐침(610)가 용융 금속 배스에 위치될 수 있으며, 따라서, 열 보호 하우징은 부스터(650)의 일부, 부착 너트(603) 및 초음파 탐침(610)의 일부를 과잉의 열로부터 차폐하는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 냉각 매체는 열 보호 하우징(640)의 내부 및/또는 주위를 순환할 수 있다. 냉각 매체는 액체(예를 들어, 물) 또는 가스(예를 들어, 아르곤, 질소, 공기 등)가 될 수 있다.
도 3 내지 도 6에 도시된 사항들을 포함하는 초음파 장치는 특정 범위의 전력과 주파수로 작동될 수 있다. 약 1인치 이하의 직경의 탐침을 갖는 초음파 장치에 있어서, 작동 전력은 약 60와트 내지 약 120와트의 범위를 갖는다. 예를 들어, 3/4 인치의 탐침 직경에는 작동 전력이 약 60 내지 약 120와트가 적용될 수 있고, 1인치의 탐침 직경에는 약 120와트 내지 약 250와트의 작동 전력이 적용될 수 있다. 특정 주파수에 한정되는 것은 아니지만, 초음파 가스 제거법에 사용되는 초음파 장치는 약 10 내지 약 50kHz, 약 15 내지 약 40kHz, 약 20kHz의 주파수에서 작동될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는, 도 3 내지 도 6의 초음파 장치 중 어느 하나에 사용되는 초음파 탐침(710)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 초음파 탐침(710)는 단일체(단일 부품)로 도시되어 있지만, 특정 실시 형태에서 도 3에서 전술한 바와 같은 초음파 탐침 샤프트 및 선택적인(교체 가능한) 초음파 탐침 팁을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 탐침(710)는 길게 연장하는 탐침(예를 들어, 일반적으로 원통형)으로 도시되며, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
초음파 탐침(710)은 전술한 바와 같은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(710)은 세라믹 재료가 되거나 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침(710)은 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 또는 이들의 조합이 되거나 이들을 포함할 수 있으며, 또는 시알론(예를 들어, 본 설명에 기재된 어떠한 시알론), 또는 탄화실리콘, 또는 탄화보론, 또는 질화보론, 또는 질화실리콘, 또는 질화알루미늄, 또는 산화알루미늄, 또는 지르코니아가 되거나 이들을 포함할 수 있다.
초음파 탐침(710)은 탐침의 팁에서 가스 출구(725)를 갖고, 탐침의 중앙에서 탐침의 전체 길이방향으로 연장하는 가스 채널(724)를 포함할 수 있다. 퍼징 가스는 가스 채널(724)을 통해 전달되어, 초음파 탐침(710)의 팁에 있는 가스 출구(725)에서 방출될 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 가스 채널(724)(예를 들어, 탐침의 길이 방향으로 특정 지점 또는 가스 출구(725))의 단면적에 대한 초음파 탐침(710)의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1, 약 60:1 내지 약 1000:1, 또는 약 60:1 내지 약 750:1의 범위가 될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 가스 채널(724)의 단면적에 대한 초음파 탐침(710)의 단면적의 비율은 약 60:1 내지 약 700:1, 약 100:1 내지 약 700:1, 약 50:1 내지 약 500:1, 또는 약 200:1 내지 약 1000:1의 범위가 될 수 있다. 이러한 실시 형태와 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(710)의 직경에 대한 길이의 비율(L/D)는 약 5:1 내지 약 25:1, 약 5:1 내지 약 15:1, 약 5:1 내지 약 12:1, 약 7:1 내지 약 22:1, 약 7:1 내지 약 14:1, 약 10:1 내지 약 20:1, 약 11:1 내지 약 18:1의 범위가 될 수 있다.
초음파 탐침(710)은, 당업자라면 알 수 있는 적절한 방법을 사용하여, 예를 들어, 전술한 부착 너트를 사용하여, 초음파 장치에 고정될 수 있다. 특정 실시 형태에 있어서, 탐침(710)은 탐침의 부착측에서 큰 반경의 굴곡부(715)를 갖고, 이를 통해, 탐침의 파손을 방지하고, 탐침의 수명을 증가시킨다. 특정 실시 형태에 있어서, 굴곡부(715)의 반경은 약 1/8인치 이상, 약 1/4인치 이상, 약 1/2인치 이상, 약 5/8인치 이상, 약 3/4인치 이상, 약 1인치 이상 등(예를 들어, 굴곡부(715)는 약 1/4인치와 동일할 수 있다)이 될 수 있다. 이러한 반경들은 탐침의 실제 크기(예를 들어, 다양한 탐침 직경)와 관계 없이 바람직하다.
도 1a 및 도 1b는 도 3 내지 도 6의 초음파 장치에서 사용될 수 있는 초음파 탐침(110)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 초음파 탐침(110)은 단일체(하나의 부품)로 나타나 있지만, 특정 실시 형태에서, 전술한 도 3의 설명에서 기재된 바와 같이, 초음파 탐침 샤프트와 선택적(교체 가능한)인 초음파 탐침 팁을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 탐침(110)이 길게 연장하는(예를 들어, 일반적으로 원통형) 탐침이 도시되어 있지만, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
초음파 탐침(110)은 전술한 바와 같은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(110)은 세라믹 재료가 되거나 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침(110)은 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 또는 이들의 조합이 되거나 이들을 포함할 수 있으며, 또는 시알론(예를 들어, 본 설명에 기재된 시알론), 또는 탄화실리콘, 또는 탄화보론, 또는 질화보론, 또는 질화실리콘, 또는 질화알루미늄, 또는 산화알루미늄, 또는 지르코니아가 되거나 이들을 포함할 수 있다.
초음파 탐침(110)은 탐침의 팁에서 가스 출구(125)를 갖고, 탐침의 전체 길이 방향으로 연장하는 복수의 가스 채널(124)을 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 있어서, 세 개의 가스 채널(124)을 갖는 탐침(110)이 도시되어 있지만, 다른 실시 형태에서 두 개의 가스 채널 또는 네 개 이상의 가스 채널을 포함할 수 있다. 또한, 가스 채널은 탐침 내부의 어느 장소에나 위치될 수 있다. 도 1a 및 1b는 탐침의 중심으로부터 외주면의 대략 중간에 위치하는 세 개의 가스 채널(124)를 도시하며, 120°간격으로 이격되어 있다. 퍼징 가스는 가스 채널(124)을 통해 전달되어, 초음파 탐침(110)의 팁에 있는 가스 출구(125)에서 방출될 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 가스 채널(124)(예를 들어, 탐침의 길이 방향으로 특정 지점 또는 가스 출구(125))의 단면적에 대한 초음파 탐침(110)의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1, 약 60:1 내지 약 1000:1, 또는 약 60:1 내지 약 750:1의 범위가 될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 가스 채널(124)의 단면적에 대한 초음파 탐침(110)의 단면적의 비율은 약 20:1 내지 약 250:1, 약 20:1 내지 약 175:1, 약 30:1 내지 약 200:1, 약 30:1 내지 약 175:1, 약 60:1 내지 약 700:1, 약 100:1 내지 약 700:1, 약 50:1 내지 약 500:1, 또는 약 200:1 내지 약 1000:1의 범위가 될 수 있다. 이러한 실시 형태와 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(110)의 직경에 대한 길이의 비율(L/D)는 약 5:1 내지 약 25:1, 약 5:1 내지 약 15:1, 약 5:1 내지 약 12:1, 약 7:1 내지 약 22:1, 약 7:1 내지 약 14:1, 약 10:1 내지 약 20:1, 약 11:1 내지 약 18:1의 범위가 될 수 있다.
도 1c는 초음파 장치(100)이고, 이러한 초음파 장치(100)는 초음파 변환기(160), 출력 확장을 위한 부스터(150), 상기 변환기(160)와 부스터(150)에 부착된 초음파 탐침(110)를 포함할 수 있다. 변환기(160)에 연통될 수 있는 부스터(150)을 통해, 약 1:1 이상의 확장 레벨, 예를 들어, 약 1.2:1 내지 10:1, 또는 약 1.4:1 내지 약 5:1 이상의 확장 레벨에서 출력을 향상할 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 부스터는 티타늄과 같은 금속을 포함할 수 있다. 초음파 장치(100)는 가스 입구(도 1에서는 두 개의 가스 입구(122))를 포함할 수 있으며, 부스터의 단부에서 종료하는 가스 유동 라인을 공급한다. 탐침(110)은 부착 너트(103)와 함께 부스터(150)에 고정될 수 있다. 단일의 가스 전달 채널(124)이 도 1c에 도시되어 있으며, 탐침 팁에 가스 출구(125)가 형성되어 있다. 탐침 내에 두 개의 다른 가스 전달 채널이 존재하며, 도 1c의 단면도에서는 도시되지 않았다.
도 1d는 도 1a 내지 1c의 초음파 장치와 탐침의 확대도이며, 부착 너트(103)로 고정되는 부스터(150)와 탐침(110) 사이의 간극을 나타낸다. 단일의 가스 입구(또는 가스 유동 라인)가 탐침(110) 내부의 각 가스 전달 채널(124)에 사용될 수 있으며, 또는, 단일의 가스 입구가 사용되어, 탐침내 대응 가스 전달 채널에 연결되는 세 개의 유동 통로를 형성하도록 부스터 내부에서 분리될 수 있다. 다른 선택이 도 1d에 도시되어 있으며, 가스 입구(122)(또는 가스 유동 라인)는 부스터(150) 단부에서 오목한 가스 챔버(118)에서 종료되고, 퍼징 가스는 부스터(150)와 탐침(110) 사이에 경계되어 배치되며, 오목한 가스 챔버(118)는 가스 기밀 또는 누출 방지가 될 수 있다. 오목한 가스 챔버(118)는 탐침(110) 내에서 부스터(150)로부터 세 개의 가스 전달 채널(124)로 퍼징 가스 유동을 인도하도록 구성될 수 있다. 오목한 가스 챔버(118)는 적절한 형상이 될 수 있으며, 도 1d에서는 포물선 형상(예를 들어, 콘택트 렌즈 형상)으로 도시되었다.
도 2a 및 도 2b는, 도 3 내지 도 6의 초음파 장치 중 어느 하나에 사용되는 초음파 탐침(210)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 초음파 탐침(210)는 단일체(단일 부품)로 도시되어 있지만, 특정 실시 형태에서 도 3에서 전술한 바와 같은 초음파 탐침 샤프트 및 선택적인(교체 가능한) 초음파 탐침 팁을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 탐침(210)는 길게 연장하는 탐침(예를 들어, 일반적으로 원통형)으로 도시되며, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
초음파 탐침(210)은 전술한 바와 같은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합과 이들의 혼합물, 합금 및 코팅을 포함하는 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(210)은 세라믹 재료가 되거나 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 탐침(210)은 시알론, 탄화실리콘, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 또는 이들의 조합이 되거나 이들을 포함할 수 있으며, 또는 시알론(예를 들어, 본 설명에 기재된 어떠한 시알론), 또는 탄화실리콘, 또는 탄화보론, 또는 질화보론, 또는 질화실리콘, 또는 질화알루미늄, 또는 산화알루미늄, 또는 지르코니아가 되거나 이들을 포함할 수 있다.
초음파 탐침(210)은 탐침의 팁에서 가스 출구(225)를 갖고, 탐침의 중앙에서 탐침의 전체 길이방향으로 연장하는 가스 채널(224)를 포함할 수 있다. 또한, 탐침(210)은 탐침팁 주위에서 복수의 오목한 영역(235)을 포함할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 있어서, 세 개의 오목 영역(235)이 형성된 탐침(210)이 도시되어 있지만, 탐침은 다른 실시 형태에서 하나만 또는 두 개의 오목 영역, 또는 네 개 이상의 오목 영역을 가질 수 있다. 또한, 오목 영역은 정해진 깊이 및/또는 폭에 한정되지는 않는다. 도 2a 및 2b는 초음파 탐침(210)의 직경의 약 75% 내지 85%의 직경과 세 개의 오목 영역(235)의 전체 길이에 대한 탐침(210)의 길이의 비율이 약 10:1 내지 약 100:1, 또는 약 15:1 내지 약 80:1 범위의 값인 전체 길이를 갖는 오목 영역(235)을 나타낸다.
또한, 초음파 장치(210)는 탐침팁에 가장 인접하는 오목 영역(235)에서 4개의 가스 출구(225)를 포함한다. 이러한 가스 출구 중 하나가 도 2a에 도시되어 있으며, 나머지 세 개는 탐침 주위로 90°로 위치된다. 퍼징 가스는 가스 채널(224)을 통해 전달되어, 초음파 탐침(210)의 팁에 있는 가스 출구(225)에서 방출될 수 있다. 일부 실시 형태에 있어서, 가스 출구(225)(즉, 5개의 가스 출구)에서 가스 채널(224)의 전체 단면적에 대한 가스 탐침(210)의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1, 약 60:1 내지 약 1000:1, 또는 약 60:1 내지 약 750:1의 범위가 될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 가스 출구에서 가스 채널(224)의 단면적에 대한 초음파 탐침(210)의 단면적의 비율은 약 20:1 내지 약 250:1, 약 20:1 내지 약 175:1, 약 30:1 내지 약 200:1, 약 30:1 내지 약 175:1, 약 60:1 내지 약 700:1, 약 100:1 내지 약 700:1, 약 50:1 내지 약 500:1, 또는 약 200:1 내지 약 1000:1의 범위가 될 수 있다. 이러한 실시 형태와 다른 실시 형태에 있어서, 초음파 탐침(210)의 직경에 대한 길이의 비율(L/D)는 약 5:1 내지 약 25:1, 약 5:1 내지 약 15:1, 약 5:1 내지 약 12:1, 약 7:1 내지 약 22:1, 약 7:1 내지 약 14:1, 약 10:1 내지 약 20:1, 약 11:1 내지 약 18:1의 범위가 될 수 있다.
초음파 탐침(210)은, 당업자라면 알 수 있는 적절한 방법을 사용하여, 예를 들어, 전술한 부착 너트를 사용하여, 초음파 장치에 고정될 수 있다. 특정 실시 형태에 있어서, 탐침(210)은 탐침의 부착측에서 큰 반경의 굴곡부(215)를 갖고, 이를 통해, 탐침의 파손을 방지하고, 탐침의 수명을 증가시킨다. 특정 실시 형태에 있어서, 굴곡부(215)의 반경은 약 1/8인치 이상, 약 1/4인치 이상, 약 1/2인치 이상, 약 5/8인치 이상, 약 3/4인치 이상, 약 1인치 이상 등(예를 들어, 굴곡부(215)는 약 1/4인치와 동일할 수 있다)이 될 수 있다. 이러한 반경들은 탐침의 실제 크기(예를 들어, 다양한 탐침 직경)와 관계 없이 바람직하다.
본 발명의 특정 실시 형태가 설명되었지만, 다른 실시 형태들도 존재할 수 있다. 또한, 여기에서 설명되는 모든 방법 및 단계는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 선에서 변형되거나 재배열되거나 추가되거나 생략될 수 있다. 또한, 본 명세서 실시예들을 제시하고 있으나, 본 발명의 범위는 하기의 특허청구범위에 의해 정해진다. 명세서에서는 특정한 구조적 특징 및/또는 방법적 행위로 설명하고 있으나, 특허청구범위가 상기 설명된 특징들 또는 행위들로 제한되는 것은 아니다. 이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하기로 한다.
실시예 1 내지 4
실시예 1 내지 4에 있어서, 전술한 방법들에 따라 알루미늄 용융 배스 내의 용해된 수소가 제거될 수 있는 환경에서 비교 속도를 측정하기 위해 일련의 테스트가 실시되었다. 우선, 소량의 알루미늄이 금속 배스에서 용융되어, 약 1350℉(732℃)의 온도로 유지되었다. 수소 함유량의 기준량을 판독하기 위해 알스?(Alspek) 단위가 사용되었으며, ml/100g 단위이다. 알스? 단위는 용융 알루미늄내 용해된 수소량을 측정하기 위해 전해질의 반쪽 전지(half cell)에서의 부분 압력 원칙을 사용한다. 초음파 장치의 팁은 알루미늄 배스 내부에 위치되며, 퍼징 가스인 아르곤이 약 1L/min의 속도로 용융 금속 배스에 첨가된다. 실시예 1 내지 4 에 있어서, 초음파 장치는 3:1의 부스터와 20,000Hz로 작동되며, 40,000Hz 이하 또는 그 이상이 사용될 수도 있다. 실시예 1에 있어서, 기준 초음파 진동 진폭과 기준 초음파 전력 공급(와트)용 기준 전력 레벨이 사용되었으며, 실시예 2에 있어서, 상기 기준 2배의 초음파 진동 진폭과, 상기 기준 1.9배의 초음파 전력 공급 레벨이 사용되었고, 실시예 3에 있어서, 상기 기준 3배의 초음파 진동 진폭과, 상기 기준 3.6배의 초음파 전력 공급 레벨이 사용되었다. 실시예 4에 있어서, 초음파 장치는 사용되지 않았고, 아르곤 퍼징 가스만이 사용되었다. 수소의 레벨은 알스? 유닛을 사용하여 시간마다 모니터되어 기록하였다. 이러한 각 실시예에 있어서, 수소가 알루미늄 욕에 첨가되었고, 아르곤 가스가 첨가되기 전의 기준이 측정되었다.
도 5에 도시된 것과 유사한 초음파 장치가 실시예 1 내지 3에 사용되었다. 초음파 장치는 냉각 조립체를 포함하지 않고, 퍼징 가스는 초음파 탐침의 팁을 통해 주입되었다. 초음파 탐침은 1인치(2.5cm)의 직경을 갖고, 탑침과 팁(단일 부품)은 하프늄과 티타늄을 포함하는 니오븀 합금으로 구성되었다.
도 8은 아르곤 퍼징 가스가 첨가된 후(만일 초음파 장치가 사용된다면 작동 이후) 시간 함수에 대한 알루미늄 합금 100g당 수소의 농도(mL)를 그래프로 나타낸 것이다. 도 8은 퍼징 가스와 초음파 장치를 사용하는 실시예 1 내지 3이 알루미늄으로부터 제거되는 수소의 양이 초음파 장치를 사용하지 않고 퍼징 가스만을 사용하는 실시예 4보다 현저히 빠른 것을 알 수 있다. 실시예 2 내지 3이 낮은 초음파 진동 진폭과 초음파 전력 공급용으로 낮은 기준 전력이 사용된 실시예 1보다 근소하게 향상되는 것을 알 수 있다.
실시예 5 및 6
실시예 5 및 6은 5154 알루미늄 합금(마그네슘 포함)을 사용하는 연속적인 캐스팅 실험에서 수소를 제거하기 위해 퍼징 가스, 초음파 장치 및 리튬/나트륨 불순물을 사용하는 것에 대한 효과를 측정하기 위해 대량으로 실험을 하였다. 금속 욕의 온도는 약 1350℉(732℃)에서 유지되었다.
나트륨과 리튬의 중량% 농도는 분광계를 사용하여 측정되었고, 수소의 농도는 용융 알루미늄용의 알스캔(Alscan) 수소 분석기를 사용하여 측정되었다. 실시예 5는 대조 실험으로서, 실시예 5의 용융 알루미늄 합금 내에 분포하는 나트륨과 리튬의 농도는 각각 0.00083%(8.3ppm) 및 0.00036%(3.6ppm)이다. 실시예 5의 수소의 농도는 0.41mL/100g 이다.
실시예 1 내지 4의 초음파 장치가 실시예 6에서 사용되었고, 20,000Hz에서 작동하였다. 초음파 장치가 작동되어, 아르곤 가스가 실시예 6에서는 용융 금속 배스에 kg/hr의 용융 금속 생산량당 약 80 내지 85mL/hr의 체적 유량(즉, 80 내지 85mL 퍼징 가스/kg 용융 금속)으로 첨가되었다. 초음파 장치와 아르곤 퍼징 가스를 사용한 이후, 상기 용융 알루미늄 합금 내의 나트륨의 농도는 0.0001%(1ppm)의 최소 탐지 제한 아래로 나타났고, 상기 용융 알루미늄 합금 내의 리튬의 농도는 0.0003%(3ppm) 이었다. 실시예 6의 수소 농도는 0.35mL/100g이었고, 약 15% 감소되었다.
실시예 7
실시예 7에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같은 단일의 시알론 탐침을 갖는 초음파 장치의 사용 수명 또는 내구성을 측정하기 위해 테스트가 실시되었고, 약 1300℉(700℃)의 용융 알루미늄을 포함하는 론더에서 작동하였다.
초음파 장치와 탐침은, 초음파 장치와 관계없는 3시간의 정비 정지를 제외하고는 연속적으로 작동되었다. 길게 연장하는 탐침은 3/4인의 직경을 갖고, 시알론으로 제조되었으며, 약 20kHz(19.97kHz)에서 작동되었다. 전력 레벨은 60 내지 90와트였다. 디지털 검지기를 사용하여, 탐침의 길이가 사용 전후에 측정되었다. 초음파 장치가 약 20kHz에서 작동되는 동안, 탐침팁이 용융 알루미늄을 포함하는 론더에서 약 50시간동안 침강되었다. 이 실험에서 퍼징 가스는 사용되지 않고, 그 이유는 이 실험의 목적에는 필요가 없을 것으로 판단되었다. 50시간 가동 후에, 탐침의 부식은 0.0182인치로 측정되었다. 이는 3.64*10-4인치/hr 의 부식 속도로 나타낼 수 있다. 일반적으로, 초음파 탐침은 사용에 부적합하기 전까지 약 1/4인치가 부식될 때까지 사용할 수 있다. 이는 실시예 7의 세라믹 탐침을 연속적으로 사용하는 경우 이론적으로 686시간 또는 28일 이상의 수명을 갖는 것을 알 수 있다.
이러한 탐침의 수명은 본 명세서에서 설명되거나 구성되거나 형성되지 않은 다른 금속 및 세라믹 초음파 탐침에 비하여 현저히 향상되었다.
실시예 8 내지 11
실시예 5 및 6의 방식과 유사하게 실시예 8 내지 11가 실시되었다. 표 1은 도 7a 및 도 7b의 구성(실시예 8), 도 2a 및 도 2b의 구성(실시예 9), 도 1a 내지 도 1d의 구성(실시예 10 및 실시예 11)을 갖는 시알론 탐침을 사용하여 가스 제거 실험의 결과를 요약한 것이다. 또한, 표 1은 N2의 유동 속도, 초음파 장치의 전력, 용융 금속 배스 내의 금속내 H2 함유량의 감소를 나타낸다. 표 1의 결과를 통해, 각 탐침의 구성이 용융 금속 배스 내의 H2 가스의 양이 현저히 감소되었음을 알 수 있고, 특히, 실시예 9 내지 11와 이에 대응되는 구성이 H2 함량이 크게 감소되었음을 알 수 있다. 이론에 한정되는 것은 아니지만, 도 2a 및 도 2b의 구성(실시예 9)는 오목 영역으로 인하여 향상된 공동 효율을 나타내었다. 이론에 한정되는 것은 아니지만, 도 1a 내지 도 1d의 구성(실시예 10 및 실시예 11)은, 복수의 가스 채널 구성을 통해, 전체 가스 유동이 크게 향상되었다(3개의 채널인 경우 15 내지 20L/min, 1개의 채널인 경우 5L/min). 탐침으로부터 금속을 효과적으로 "분출(blowing)"하는 특정 용융 금속 용도에서는 단일의 채널을 사용하는 탐침으로 15 내지 20L/min과 균등한 속도를 사용하는 것은 매우 높은값이 될 수 있다.
Figure pct00001
실시예 12 내지 24
실시예 12 내지 24는 실시예 5 및 6과 유사한 방식으로 수행되었다. 표 2는 도 7a 및 7b의 구성(실시예 12 내지 19), 도 1a 내지 1d의 구성(실시예 20 내지 24)을 갖는 시알론 탐침을 사용하는 가스 제거 실험의 결과를 나타낸다. 또한, 표 2는 N2 유속, 초음파 장치의 전력, 용융 금속 배스내의 금속의 가스 제거 전후의 나트륨의 함량을 나타낸다. 표 2의 결과는 각 탐침의 구성들이 나트륨의 불순물 레벨의 현저한 감소에 효과적임을 나타낸다. 그러나, 예상외로, 실시예 20 내지 24와 대응되는 도 1a 내지 1d의 탐침 구성에서는, 나트륨이 검지가 불가능한 레벨로 제거되었다(도 2의 0, 중량으로 1ppm 미만). 이론에 한정되는 것은 아니지만, 도 1a 내지 1d의 구성(실시예 20 내지 24)은 나트륨 불순물을 포집하고 제거하기 위한 공동 기포가 향상되었지만, 초음파 진동 효율과 공동 효율은 감소되지 않았다.
Figure pct00002
실시예 25 내지 27은 실시예 20 내지 24와 유사한 방식으로 수행되었고, 도 1a 내지 1d의 구성을 갖고, 100와트에서, 아르곤 가스 유속이 20L/min인 0.875인치의 시알론 탐침을 사용하였다. 용융 금속 제품에서 함유물의 농도를 현저히 감소시킬 수 있는 도 1a 내지 1d의 탐침 구성을 갖는 초음파 장치는 3개의 다른 금속 합금(5052, 6201, 4047)을 사용하여 평가되었다.
초음파 가스 제거 공정을 사용 전후의 함유물의 양(mm2/kg)은 진공하에서 각각의 용융 금속 샘플들을 작은 필터를 통해 인출하여 측정되었다. 필터에 의해 인출된 금속의 양의 무게가 측정되어 제외되었다. 필터의 금속은 고화될 수 있다. 남아있는 샘플로부터 필터가 절단되어, 함유물의 양을 측정하기 위해, 다공성 디스크 여과(PoDFA) 금속 분석을 위해 ABB사의 실험실로 보내졌다.
표 3은 초음파 가스 제거 공정의 결과에서 전체 함유물(또는 함유물 농도)의 감소%를 나타낸다. 예상외로, 실시예 25 내지 27의 초음파 가스 제거 실험은 함유물을 55%이상 제거할 수 있었고, 실시예 25에서는 98% 초과로 함유물이 제거되었다.
Figure pct00003

Claims (24)

  1. 초음파 변환기;
    상기 초음파 변환기에 부착되는 초음파 탐침; 및
    가스 전달 시스템을 포함하는 초음파 장치로서,
    상기 탐침은, 상기 탐침을 관통하여 연장하는 두 개 이상의 가스 전달 채널과 팁을 포함하고,
    상기 가스 전달 시스템은, 가스 입구, 상기 가스 전달 시스템을 관통하는 가스 유동 통로 및 상기 탐침의 팁 또는 그 주위에 형성된 가스 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침은 시알론, 탄화시알론, 탄화보론, 질화보론, 질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 지르코니아 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침은 시알론을 포함하고, 3개 내지 5개의 가스 전달 채널을 포함하며,
    상기 가스 출구는 상기 탐침의 팁에 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침은 일반적으로 원통형으로 길게 연장하는 탐침이고,
    상기 길게 연장하는 탐침의 직경에 대한 길이의 비율은 약 5:1 내지 약 25:1 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침은 일반적으로 원통형으로 길게 연장하는 탐침이고,
    상기 가스 전달 채널의 단면적에 대한 상기 길게 연장하는 탐침의 팁의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장치는 상기 변환기와 상기 탐침 사이에서 부스터를 더 포함하고, 상기 가스 입구는 상기 부스터 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 부스터의 단부에 위치하는 오목 가스 챔버가 상기 가스 입구에 연결되고, 상기 오목 가스 챔버는 상기 가스 전달 채널에 가스 유동을 인도하도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장치는 2개 내지 8개의 초음파 탐침을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  10. 용융 금속 배스 내의 용해된 가스 및/또는 불순물의 양을 감소시키기 위한 방법으로서,
    상기 용융 금속 배스 내에서 제1항에 기재된 초음파 장치를 작동하는 단계; 및
    상기 가스 전달 채널을 통해 상기 가스 전달 시스템과 용융 금속 배스에 각 초음파 탐침마다 약 0.1 내지 약 150L/min 범위의 속도로 퍼징 가스를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 용해된 가스는 산소, 수소, 이산화황 또는 이들의 조합을 포함하거나;
    상기 불순물은 알칼리 금속을 포함하거나;
    상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강, 마그네슘 또는 이들의 조합을 포함하거나;
    상기 퍼징 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 6플루오르화황, 염소 또는 이들의 조합을 포함하거나;
    이들 전체의 조합 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 퍼징 가스는 상기 용융 금속 배스로 각 초음파 탐침마다 약 1 내지 약 50L/min 범위의 속도로 도입되거나;
    상기 용해된 가스는 수소를 포함하거나;
    상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리 또는 이들의 조합을 포함하거나;
    상기 퍼징 가스는 아르곤, 질소 또는 이들의 조합을 포함하거나; 또는,
    이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물은 나트륨을 포함하고, 상기 용융 금속 배스 내의 상기 나트륨의 양은 1ppm 미만으로 감소되며, 및/또는
    상기 용융 금속 배스 내의 전체 함유물들의 양은 약 50% 이상의 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 용융 금속 배스 내에 2개 내지 16개의 초음파 장치를 작동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 초음파 변환기;
    상기 초음파 변환기에 부착되는 초음파 탐침; 및
    가스 전달 시스템을 포함하는 초음파 장치로서,
    상기 탐침은, 상기 탐침을 관통하여 연장하는 두 개 이상의 가스 전달 채널, 팁 및 상기 탐침의 팁 주위의 오목 영역을 포함하고,
    상기 가스 전달 시스템은, 가스 입구, 상기 가스 전달 시스템을 관통하는 가스 유동 통로 및 상기 탐침의 팁 또는 그 주위에 형성된 가스 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 탐침은 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 오목 영역의 직경은 상기 탐침의 직경의 약 75% 내지 약 85% 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 오목 영역에 위치하는 가스 출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 탐침은 시알론을 포함하고, 2개 내지 5개의 오목 영역을 포함하며,
    상기 가수 출구 중 하나 이상은 상기 탐침의 팁에 위치하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 탐침은 일반적으로 원통형으로 길게 연장하는 탐침이고,
    상기 길게 연장하는 탐침의 길이에 대한 상기 오목 영역의 전체 길이의 비율은 약 10:1 내지 약 100:1 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 탐침은 일반적으로 원통형으로 길게 연장하는 탐침이고, 상기 길게 연장하는 탐침의 직경에 대한 길이의 비율은 약 5:1 내지 약 25:1 범위이며,
    상기 가스 전달 채널의 단면적에 대한 상기 길게 연장하는 탐침의 팁의 단면적의 비율은 약 30:1 내지 약 1000:1 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 초음파 장치는 상기 변환기와 상기 탐침 사이에서 부스터를 더 포함하고,
    상기 가스 입구는 상기 부스터에 위치되는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  23. 용융 금속 배스 내의 용해된 가스 및/또는 불순물의 양을 감소시키기 위한 방법으로서,
    상기 용융 금속 배스 내에서 제15항에 기재된 초음파 장치를 작동하는 단계; 및
    상기 가스 전달 채널을 통해 상기 가스 전달 시스템과 상기 용융 금속 배스에 각 초음파 탐침마다 약 0.1 내지 약 150L/min 범위의 속도로 퍼징 가스를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 퍼징 가스는 각 초음파 탐침마다 약 1 내지 약 50L/min 범위의 속도로 상기 용융 금속 배스에 도입되거나,
    상기 용해된 가스는 산소, 수소, 이산화황 또는 이들의 조합을 포함하거나;
    상기 불순물은 알칼리 금속을 포함하거나;
    상기 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강, 마그네슘 또는 이들의 조합을 포함하거나;
    상기 퍼징 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 6플루오르화황, 염소 또는 이들의 조합을 포함하거나; 또는,
    이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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