KR20180083307A - 금속 주조를 위한 초음파 결정립 미세화 및 탈가스 방법 및 시스템 - Google Patents

금속 주조를 위한 초음파 결정립 미세화 및 탈가스 방법 및 시스템 Download PDF

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빅터 프레데릭 룬드퀴스트
벤카타 키란 만치라주
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사우쓰와이어 컴퍼니, 엘엘씨
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Abstract

용융 금속 처리 장치는 주조 휠 상에 장착된 조립체를 포함하며, 이 조립체는, 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 주조 휠 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과, 이 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함한다. 금속 제품을 형성하기 위한 관련 방법은, 주조기의 일부로서 포함된 격납 구조체 내에 용융 금속을 제공하고, 격납 구조체 내의 용융 금속을 냉각시키고, 격납 구조체 내의 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시킨다.

Description

금속 주조를 위한 초음파 결정립 미세화 및 탈가스 방법 및 시스템
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2016년 8월 9일자로 출원되고 명칭이 "금속 주조를 위한 초음파 결정립 미세화 및 탈가스 방법 및 시스템(ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING PROCEDURES AND SYSTEMS FOR METAL CASTING)"인 미국 특허 출원 제 62/372,592 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)와 관련된다. 본 출원은 2016년 2월 15일자로 출원되고 명칭이 "금속 주조를 위한 초음파 결정립 미세화 및 탈가스(ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING FOR METAL CASTING)"인 미국 특허 출원 제 62/295,333 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)와 관련된다. 본 출원은 2015년 12월 15일자로 출원되고 명칭이 "용융 금속의 초음파 결정립 미세화 및 탈가스(ULTRASONIC GRAIN REFINING AND DEGASSING OF MOLTEN METAL)"인 미국 특허 출원 제 62/267,507 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)와 관련된다. 본 출원은 2015년 2월 9일자로 출원되고 명칭이 "초음파 결정립 미세화(ULTRASONIC GRAIN REFINING)"인 미국 특허 출원 제 62/113,882 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)와 관련된다. 본 출원은 2015년 9월 10일자로 출원되고 명칭이 "연속 주조 벨트 상에서의 초음파 결정립 미세화(ULTRASONIC GRAIN REFINING ON A CONTINUOUS CASTING BELT)"인 미국 특허 출원 제 62/216,842 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)와 관련된다.
분야
본 발명은 제어된 결정립 크기를 갖는 금속 주물을 제조하기 위한 방법, 이 금속 주물을 제조하기 위한 시스템, 및 이러한 금속 주물에 의해 얻어진 제품에 관한 것이다.
야금 분야에서, 용융 금속을 연속 금속 로드(metal rod) 또는 주조 제품으로 주조하기 위한 기술을 개발하는데 상당한 노력이 들고 있다. 배치 주조(batch casting) 및 연속 주조 모두가 또한 개발된다. 양쪽 모두가 산업계에서 주로 이용되고 있지만, 배치 주조에 비해 연속 주조가 많은 이점이 있다.
금속 주물의 연속 제조에서, 용융 금속은 유지로(holding furnace)로부터 일련의 런더(launder) 내로, 그리고 금속 바아로 주조되는 주조 휠의 주형 내로 통과한다. 응고된 금속 바아는 주조 휠로부터 제거되고, 연속 로드로 압연되는 압연기(rolling mill) 내로 지향된다. 금속 로드 제품 및 합금의 의도된 최종 용도에 따라, 로드는 압연 동안에 냉각을 받을 수 있거나, 로드는 원하는 압연기로부터 빠져나온 즉시 냉각 또는 급냉되어 기계적 및 물리적 특성을 로드에 부여할 수 있다. 코퍼(Cofer) 등의 미국 특허 제 3,395,560 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)에 개시된 것과 같은 기술이 금속 로드 또는 바아 제품을 연속 처리하는데 사용되고 있다.
스페리(Sperry) 등의 미국 특허 제 3,938,991 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 "순수" 금속 제품의 주조에 오래 인식된 문제가 있었다는 것을 보여준다. "순수" 금속 주물이라는 용어는 결정립 제어의 목적으로 첨가되는 별도의 불순물을 포함하지 않고 특정의 전도도 또는 인장 강도 또는 연성을 위해 설계된 일차 금속 원소로 형성된 금속 또는 금속 합금을 지칭한다.
결정립 미세화는 새롭게 형성된 상의 결정 크기를 화학적 또는 물리적/기계적 수단에 의해 감소시키는 프로세스이다. 결정립 미세화제(grain refiner)는 통상적으로 용융 금속 내에 첨가되어 응고 프로세스 또는 액체-고체 상 전이 프로세스 동안에 응고된 조직의 결정립 크기를 크게 감소시킨다.
실제로, 보일리 등의 WIPO 특허 출원 제 WO 2003/033750 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 "결정립 미세화제"의 특정 용도를 개시하고 있다. '750 출원은 알루미늄 산업에서 상이한 미세화제가 일반적으로 알루미늄에 포함되어 모합금(master alloy)을 형성하는 것을 배경기술 부분에 개시하고 있다. 알루미늄 주조에 사용하기 위한 전형적인 모합금은 1% 내지 10%의 티타늄 및 0.1% 내지 5%의 붕소 또는 탄소를 포함하고, 잔부가 본질적으로 알루미늄 또는 마그네슘으로 이루어지며, TiB2 또는 TiC의 결정립이 알루미늄의 기지(matrix) 전체에 걸쳐서 분산된다. '750 출원에 따르면, 알루미늄 용융물(aluminum melt)에 요구량의 티타늄 및 붕소를 용해함으로써 티타늄 및 붕소를 함유하는 모합금이 제조될 수 있다. 이것은 800℃ 초과의 온도에서 용융 알루미늄을 KBF4 및 K2TiF6과 반응시킴으로써 달성된다. 이러한 복합 할로겐화 염(halide salt)은 용융 알루미늄과 신속하게 반응하고, 용융물에 티타늄 및 붕소를 제공한다.
또한, '750 출원은, 2002년 현재, 이러한 기술이 거의 모든 결정립 미세화제 제조 업체에서 상업적 모합금을 제조하는데 사용되고 있다고 개시하고 있다. 흔히 핵생성제(nucleating agent)라고 지칭되는 결정립 미세화제가 오늘날에도 여전히 사용된다. 예를 들면, TIBOR 모합금의 한 상업적 공급업체는 주조 조직의 정밀 제어가 고품질 알루미늄 합금 제품의 제조에서 주요한 요건이라고 설명한다.
본 발명 이전에는, 결정립 미세화제는 미세하고 균일한 생주물(as-cast) 결정립 조직을 제공하는 가장 효과적인 방식으로 인식되었다. 하기의 참조문헌(그 모든 내용이 본원에 참조로 원용됨)은 이러한 배경기술 작업의 상세사항을 제공한다:
Abramov , O.V ., (1998), "High-Intensity Ultrasonics," Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands, pp . 523-552.
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Han , Q., (2007), The Use of Power Ultrasound for Material Processing," Han, Q., Ludtka , G., and Zhai , Q., (eds), (2007), "Materials Processing under the Influence of External Fields," Proceedings of a Symposium Sponsored by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), TMS, Warrendale , PA 15086-7528, pp. 97-106.
Jackson, K.A ., Hunt, J.D ., and Uhlmann , D.R ., and Seward, T.P ., (1966), "On Origin of Equiaxed Zone in Castings," Trans. Metall . Soc . AIME , v. 236, pp.149-158.
Jian , X., Xu , H., Meek, T.T ., and Han , Q., (2005), "Effect of Power Ultrasound on Solidification of Aluminum A356 Alloy," Materials Letters, v. 59, no. 2-3, pp. 190-193.
Keles , O. and Dundar , M., (2007). "Aluminum Foil: Its Typical Quality Problems and Their Causes," Journal of Materials Processing Technology, v. 186, pp.125-137.
Liu , C., Pan, Y., and Aoyama , S., (1998), Proceedings of the 5th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Eds.: Bhasin , A.K ., Moore, J.J ., Young, K.P ., and Madison, S., Colorado School of Mines, Golden, CO, pp. 439-447.
Megy , J., (1999), "Molten Metal Treatment," US Patent No. 5,935,295, August, 1999
Megy , J., Granger, D.A ., Sigworth , G.K ., and Durst , C.R ., (2000), "Effectiveness of In-Situ Aluminum Grain Refining Process," Light Metals, pp.1-6.
Cui et al., "Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations," Advanced Engineering Materials, 2007, vol. 9, no. 3, pp. 161-163.
Han et al., "Grain Refining of Pure Aluminum," Light Metals 2012, pp. 967-971.
본 발명 이전에, 미국 특허 제 8,574,336 호 및 제 8,652,397 호(각 특허의 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는, 예를 들어 퍼지 가스를 용융 금속 배스(motlen metal bath) 내로 초음파 장치에 매우 근접하게 도입함으로써, 용융 금속 배스 내의 용존 가스(및/또는 다양한 불순물)의 양을 감소시키기 위한 방법(예를 들면, 초음파 탈가스 방법)을 개시하고 있다. 이러한 특허는 이하에서 '336 특히 및 '397 특허로서 지칭된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 주조기 상의 주조 휠을 부착하기 위한 용융 금속 처리 장치가 제공된다. 상기 장치는, 주조 휠 상에 장착된 조립체를 포함하고, 이 조립체는, 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 주조 휠 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과, 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속 제품을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 주조기의 일부로서 포함된 격납 구조체 내에 용융 금속을 제공한다. 상기 방법은 격납 구조체 내의 용융 금속을 냉각시키고, 격납 구조체 내의 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시킨다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속 제품을 형성하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 1) 전술한 용융 금속 처리 장치와, 2) 데이터 입력부 및 제어 출력부를 포함하고, 전술한 방법 단계의 작동을 허용하는 제어 알고리즘으로 프로그래밍되는 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 용융 금속 처리 장치가 제공된다. 상기 장치는, 용융 금속의 소스와, 용융 금속 내에 삽입된 초음파 프로브를 포함하는 초음파 탈가스기와, 용융 금속을 수용하기 위한 주조부(casting)와, 이 주조부 상에 장착되는 조립체를 포함하며, 이 조립체는, 주조부 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 주조부 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과, 적어도 하나의 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함한다.
본 발명의 상기의 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 모두는 예시적인 것이고, 본 발명을 한정하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 보다 완전한 이해 및 그것의 많은 부수적인 이점은, 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조하여 보다 잘 이해될 것이므로, 쉽게 얻어질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 주조기의 개략도,
도 2는 적어도 하나의 초음파 진동 에너지원을 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도,
도 3은 구체적으로는 적어도 하나의 기계 구동식 진동 에너지원을 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도,
도 3a는 적어도 하나의 초음파 진동 에너지원 및 적어도 하나의 기계 구동식 진동 에너지원 모두를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 혼성 구성의 개략도,
도 4는 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속에 직접 커플링된 진동 프로브 장치를 도시하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도,
도 5는 본 발명의 진동 에너지원을 이용하는 고정형 주형의 개략도,
도 6a는 수직형 주조기의 선택된 구성요소의 단면 개략도,
도 6b는 수직형 주조기의 다른 구성요소의 단면 개략도,
도 6c는 수직형 주조기의 다른 구성요소의 단면 개략도,
도 6d는 수직형 주조기의 다른 구성요소의 단면 개략도,
도 7은 제어를 위한 예시적인 컴퓨터 시스템 및 그 내에 나타낸 컨트롤러의 개략도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 나타내는 흐름도,
도 9는 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화 모두를 이용하는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 개략도,
도 10은 ACSR 와이어 프로세스 흐름도,
도 11은 ACSS 와이어 프로세스 흐름도,
도 12는 알루미늄 스트립 프로세스 흐름도,
도 13은 적어도 하나의 초음파 진동 에너지원에 자왜 요소를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략적인 측면도,
도 14는 도 13의 자왜 요소의 단면 개략도,
도 15는 화학적 결정립 미세화제를 갖지 않은 주물, 결정립 미세화제를 갖는 주물, 초음파 결정립 미세화만을 갖는 주물의 결정립 조직을 나타내는 알루미늄 1350 EC 합금의 비교 현미경 사진,
도 16은 1350 EC 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 1350 EC 알루미늄 합금 로드(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표,
도 17은 0.130" 직경의 ACSR 알루미늄 와이어(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 0.130" 직경의 ACSR 알루미늄 와이어(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표,
도 18은 8176 EEE 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 8176 EEE 알루미늄 합금 로드(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표,
도 19는 5154 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 5154 알루미늄 합금 로드(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표,
도 20은 5154 알루미늄 합금 스트립(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 5154 알루미늄 합금 스트립(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표,
도 21은 5356 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)의 특성의 설명표.
금속 및 합금의 결정립 미세화는, 잉곳(ingot) 주조 속도를 최대화하는 것, 내고온 인열성을 향상시키는 것, 원소 편석을 최소화하는 것, 기계적 특성, 특히 연성을 향상시키는 것, 가공 제품(wrought product)의 마무리 특성을 향상시키고 주형 충전 특성을 증대시키는 것, 및 주물 합금(foundry alloy)의 기공률을 감소시키는 것을 포함하는 많은 이유 때문에 중요하다. 통상적으로, 결정립 미세화는 금속 및 합금 제품, 특히 항공우주 산업, 방위 산업, 자동차 산업, 건설 산업 및 포장 산업에서 점점 더 사용되는 경량 재료 중 2개인 알루미늄 합금 및 마그네슘 합금의 제조를 위한 제 1 처리 단계 중 하나이다. 결정립 미세화는 또한 주상 결정립(columnar grain)을 제거하고 등축상 결정립(equiaxed grain)을 형성함으로써 금속 및 합금을 주조가능하게 하기 위한 중요한 처리 단계이다.
결정립 미세화는 고상의 결정 크기가 화학적, 물리적 또는 기계적 수단에 의해 감소되어 합금을 주조가능하게 하고 결함 형성을 감소시키는 응고 처리 단계이다. 현재, 알루미늄 제조는 TIBOR를 사용하여 결정립 미세화하여, 응고된 알루미늄에 등축상 결정립 조직을 형성시킨다. 본 발명 이전에는, 불순물 또는 화학적 "결정립 미세화제"의 사용은 금속 주물에의 주상 결정립 형성의 금속 주조 산업에서 오래 인식된 문제를 해결하는 유일한 방법이었다. 추가적으로, 본 발명 이전에는, 1) (주조 전에) 용융 금속으로부터 불순물을 함께 제거하는 초음파 탈가스 및 2) 전술한 초음파 결정립 미세화(즉, 적어도 하나의 진동 에너지원)의 조합이 시도되지 않았다. 그러나, TIBOR의 이용과 관련하여 많은 비용이 들고, 용융물 내로의 접종제(inoculant)의 투입으로 인한 기계적인 제한이 있다. 이러한 제한의 일부는 연성, 기계가공성(machinability) 및 전기 전도성을 포함한다.
비용에도 불구하고, 미국에서 제조되는 알루미늄의 약 68%는 시트, 플레이트, 압출물 또는 포일로 추가로 처리되기 전에 먼저 잉곳으로 주조된다. 직접 냉각식(direct chill; DC) 반연속 주조 프로세스 및 연속 주조(CC) 프로세스는 주로 강인한 성질 및 상대적인 단순성으로 인해 알루미늄 산업의 주축을 이루고 있다. DC 및 CC 프로세스에서의 하나의 문제는 잉곳 응고 동안에 고온 인열 형성 또는 균열 형성이다. 기본적으로, 거의 모든 잉곳은 결정립 미세화를 이용하지 않으면 균열된다(주조할 수 없음).
그럼에도 불구하고, 이러한 현대의 프로세스의 생산 속도는 균열 형성을 회피하기 위한 조건에 의해 제한된다. 결정립 미세화는 합금의 고온 균열 경향을 감소시켜서 생산 속도를 증가시키는 효과적인 방법이다. 결과적으로, 상당한 양의 노력이 결정립 크기를 가능한 한 작게 제조할 수 있는 강력한 결정립 미세화제의 개발에 집중되어 왔다. 결정립 크기가 서브미크론 레벨까지 감소될 수 있다면 초소성이 달성될 수 있어, 합금이 오늘날 처리되는 잉곳보다 훨씬더 빠른 속도로 주조될 뿐만 아니라, 보다 낮은 온도에서 훨씬더 빠른 속도로 압연/압출되게 하여, 상당한 비용 절감 및 에너지 절약으로 이어진다.
현재는, 전 세계에서 일차 스크랩(약 200억 kg) 또는 이차 및 내적 스크랩(250억 kg)으로부터의 거의 모든 알루미늄은 알루미늄에서 미세 결정립 조직을 핵생성하는, 직경이 대략 수 미크론인 불용성 RiB2 핵의 이종 핵으로 결정립 미세화된다. 화학적 결정립 미세화제의 사용과 관련된 하나의 문제는 제한된 결정립 미세화 능력이다. 실제로, 화학적 결정립 미세화제의 사용은 2,500㎛보다 좀 큰 선형 결정립 치수를 갖는 주상 조직으로부터 200㎛ 미만의 등축상 결정립으로의 알루미늄 결정립 크기에 있어서의 제한된 감소를 야기한다. 알루미늄 합금에서의 100㎛의 등축상 결정립은 상업적으로 입수가능한 화학적 결정립 미세화제를 사용하여 얻어질 수 있는 한계인 것으로 보인다.
결정립 크기가 더 감소될 수 있다면 생산성은 현저하게 증대될 수 있다. 서브미크론 레벨의 결정립 크기는 실온에서 알루미늄 합금의 형성을 훨씬더 용이하게 하는 초소성에 이르게 한다.
화학적 결정립 미세화제의 사용과 관련된 다른 문제는 결정립 미세화제의 사용과 연관된 결함 형성이다. 특히 입자 응집체("클러스터(cluster)")의 형태인 불용성 이물질은, 종래 기술에서는 결정립 미세화에 필요한 것으로 고려되지만, 다른 점에서는 알루미늄에 바람직하지 않다. 알루미늄계 모합금 내에 화합물의 형태로 존재하는 현재의 결정립 미세화제는 복잡한 일련의 채광(mining), 선광(beneficiation) 및 제조 프로세스에 의해 제조된다. 현재 흔히 사용되는 모합금은 알루미늄 결정립 미세화제의 종래의 제조 프로세스에서 비롯한 불화알루미늄칼륨(potassium aluminum fluoride; KAIF) 염 및 산화알루미늄 불순물(드로스(dross))을 함유한다. 이들은 알루미늄에서의 국소 결함(예를 들면, 음료 캔에서의 "리커(leaker)" 및 얇은 포일에서의 "핀 홀(pin hole)"), 기계 공구 마모 및 알루미늄에서의 표면 마감 문제를 일으킨다. 알루미늄 케이블 업체 중 하나로부터의 데이터는 제조 결함의 25%가 TiB2 입자 응집체로 인한 것이고, 결함의 다른 25%가 주조 프로세스 동안에 알루미늄 내에 포착된 드로스로 인한 것이다. TiB2 입자 응집체는 종종, 특히 와이어의 직경이 8㎜보다 작은 경우에, 압출 동안에 와이어를 파손시킨다.
화학적 결정립 미세화제의 사용과 관련된 다른 문제는 결정립 미세화제의 비용이다. 이것은 Zr 결정립 미세화제를 사용하는 마그네슘 잉곳의 제조에서 아주 그렇다. Zr 결정립 미세화제를 사용하는 결정립 미세화는 제조된 Mg 주물의 킬로그램당 약 $1 초과의 비용이 든다. 알루미늄 합금에 대한 결정립 미세화제는 킬로그램당 약 $1.5의 비용이 든다.
화학적 결정립 미세화제의 사용과 관련된 다른 문제는 감소된 전기 전도성이다. 화학적 결정립 미세화제의 사용은 Ti의 양을 초과하여 알루미늄에 도입하여, 케이블 응용을 위한 순수 알루미늄의 전기 전도성의 상당한 저하를 야기한다.
화학적 방법 이외에, 다수의 다른 결정립 미세화 방법이 지난 세기에 탐구되었다. 이들 방법은 자기장 및 전자기장과 같은 물리장(physical field)을 사용하는 것, 및 기계적 진동을 사용하는 것을 포함한다. 고강도 저진폭 초음파 진동은 이물질을 사용하지 않는 금속 및 합금의 결정립 미세화에 대해 실증된 물리적/기계적 메커니즘 중 하나이다. 그러나, 예를 들어 전술한 추이(Cui) 등으로부터의 실험 결과(2007년)는 짧은 기간의 초음파 진동을 받은 금속의 수 파운드까지의 작은 잉곳에서 얻어졌다. 고강도 초음파 진동을 사용한 CC 또는 DC 주조 잉곳/빌릿(billet)의 결정립 미세화에 대해서는 거의 노력이 실행되지 않았다.
결정립 미세화에 대해 본 발명에서 해결되는 기술적 과제의 일부는, (1) 연장된 시간 동안에 용융 금속에 초음파 에너지를 커플링하는 것과, (2) 상승된 온도에서 시스템의 고유 진동 주파수를 유지하는 것과, (3) 초음파 도파관의 온도가 고온인 경우에 초음파 결정립 미세화의 결정립 미세화 효율을 증대시키는 것이다. 초음파 도파관 및 잉곳(후술함) 모두에 대한 향상된 냉각은 이들 과제를 해결하기 위해 본원에 제시된 해결책 중 하나이다.
또한, 본 발명에서 해결되는 다른 기술적 과제는, 알루미늄이 순수할수록, 응고 프로세스 동안에 더 단단한 등축상 결정립이 얻어진다는 사실과 관련된다. 1000, 1100 및 1300 시리즈의 알루미늄과 같은 순수 알루미늄에 TiB(붕화티타늄)와 같은 외적 결정립 미세화제를 사용하는 경우에도, 등축상 결정립 조직을 얻는 것은 여전히 어렵다. 그러나, 본원에서 설명된 신규한 결정립 미세화 기술을 사용하여, 상당한 결정립 미세화가 얻어졌다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명은 결정립 미세화제를 도입할 필요없이 주상 결정립 형성을 부분적으로 억제한다. 주조부 내로 주입되고 있을 때에 용융 금속에 대한 진동 에너지의 인가는 TIBOR 모합금과 같은 최신의 결정립 미세화제로 얻어진 것에 필적하거나 그보다 적은 결정립 크기를 실현할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 본 기술분야에 숙련된 자에 의해 통상적으로 이용되는 전문 용어를 이용하여 설명된다. 이들 용어는 재료 과학, 야금학, 금속 주조 및 금속 처리의 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같은 통상의 의미에 부합되어야 한다. 보다 전문적인 의미를 가지는 일부 용어는 하기에 있어서 실시예에서 설명된다. 그럼에도 불구하고, 본원에서는, "~ 구성되다"라는 용어는 그것의 대상이 "~ 구성되다"라는 용어에 이어지는 기능을 수행하게 하는 적절한 구조(본원에 예시되거나, 본 기술분야로부터 알려지거나 내포됨)를 서술하는 것으로 이해된다. "~ 커플링되다"라는 용어는, 제 1 및 제 2 대상을 서로 직접 부착하거나, 부착하지 않고서, 제 2 대상에 커플링된 하나의 대상이 제 2 대상에 대한 위치에서 제 1 대상을 지지하는데 필요한 구조(예를 들면, 맞닿거나, 부착되거나, 사전결정된 거리만큼 변위되거나, 인접하거나, 근접하거나, 서로 결합되거나, 서로로부터 분리가능하거나, 서로로부터 탈착가능하거나, 서로 고정되거나, 미끄럼 접촉하거나, 구름 접촉함)를 갖는다는 것을 의미한다.
치아(Chia) 등의 미국 특허 제 4,006,475 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 연속 주조 프로세스를 개시하고 있다. 일반적으로, 도 1은 회전 주형 링(13) 상에 포함된 주변 홈으로 용융 금속을 지향시키는 주입 스파웃(pouring spout)(11)을 포함하는 주조기(casting mill)(2)를 구비하는 연속 주조 시스템을 도시하고 있다. 무단 가요성 금속 밴드(14)는 주형 링(13)의 일부분뿐만 아니라 밴드-위치설정 롤러(15) 세트의 일부분을 둘러싸서, 연속 주조 주형이 주형 링(13)의 홈 및 위에 놓인 금속 밴드(14)에 의해 한정된다. 장치를 냉각하고 회전 주형 링(13) 상에서의 용융 금속의 이송 동안에 이 용융 금속의 제어된 응고를 실행하기 위해 냉각 시스템이 제공된다. 냉각 시스템은 주형 링(13)의 측면 상에 배치된 복수의 측면 히터(17, 18, 19)와, 주형 링을 둘러싸는 위치에서 금속 밴드(14)의 내측면 및 외측면 상에 각각 배치된 내측 및 외측 밴드 히터(20, 21)를 포함한다. 적합한 밸브를 구비하는 도관 네트워크(24)는 장치의 냉각 및 용융 금속의 응고 속도를 제어하기 위해 다양한 히터에 냉각제를 공급 및 배출하도록 연결된다.
그러한 구성에 의해, 용융 금속은 주입 스파웃(11)으로부터 주조 주형 내로 공급되고, 냉각 시스템을 통한 냉각제의 순환에 의해 이송 동안에 응고되고 부분적으로 냉각된다. 고체 주물 바아(25)는 주조 휠로부터 인출되고, 주물 바아를 압연기(28)로 반송하는 컨베이어(27)에 공급된다. 주물 바아(25)가 바아를 응고시키기에 충분한 양만이 응고되고, 바아는 상승된 온도로 유지되어 즉시의 압연 작동이 그 상에 수행될 수 있게 한다. 압연기(28)는 실질적으로 균일한 원형 단면을 갖는 연속적인 길이의 와이어 로드(30)로 바아를 연속적으로 압연하는 압연 스탠드(rolling stand)의 탠덤 어레이(tandem array)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2는, 하기에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 본원에 나타낸 연속 주조 시스템의 다양한 부분을 제어하는 컨트롤러(500)를 도시하고 있다. 컨트롤러(500)는 연속 주조 시스템 및 그것의 구성요소의 작동을 제어하기 위한 프로그램 명령(즉, 알고리즘)을 갖는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 주조기(2)는 용융 금속이 주입(예를 들면, 주조)되는 격납 구조체(containment structure)(32)(예를 들면, 주조 휠(30)의 트로프(trough) 및 채널)를 갖는 주조 휠(30) 및 용융 금속 처리 장치(34)를 포함한다. 밴드(36)(예를 들면, 강철 가요성 금속 밴드)는 용융 금속을 격납 구조체(32)(즉, 채널)에 가둔다. 용융 금속이 주조 휠의 채널 내에서 응고하고 용융 금속 처리 장치(34)로부터 멀리 이송될 때, 롤러(38)는 용융 금속 처리 장치(34)가 회전하는 주조 휠 상에서 고정 위치에 유지될 수 있게 한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 용융 금속 처리 장치(34)는 주조 휠(30) 상에 장착된 조립체(42)를 포함한다. 조립체(42)는 적어도 하나의 진동 에너지원(예를 들면, 가진기(40)), 및 진동 에너지원(40)을 유지하는 하우징(44)(즉, 지지 장치)을 포함한다. 조립체(42)는 냉각 매체를 이송시키기 위한 적어도 하나의 냉각 채널(46)을 포함한다. 가요성 밴드(36)는 하우징의 하부측에 부착된 시일(44a)에 의해 하우징(44)에 밀봉되고, 이에 의해 냉각 채널로부터의 냉각 매체를 주조 휠의 채널 내의 용융 금속과는 반대측인 가요성 밴드의 측부를 따라 유동하게 한다. 에어 와이프(air wipe)(52)는 냉각 채널로부터 누출되는 임의의 물이 용융 금속의 주조 소스(casting source)로부터 멀리 떨어진 방향을 따라 지향되도록 (안전 예방책으로서) 공기를 지향시킨다. 시일(44a)은 에틸렌 프로필렌, 바이톤(viton), 부나-n(니트릴)(buna-n(nitrile)), 네오프렌(neoprene), 실리콘 고무, 우레탄, 플루오로실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌뿐만 아니라, 다른 알려진 실런트 재료를 포함하는 다수의 재료로 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 안내 장치(예를 들면, 롤러(38))는 회전하는 주조 휠(38)에 대하여 용융 금속 처리 장치(34)를 안내한다. 냉각 매체는 격납 구조체(32) 내의 용융 금속 및/또는 적어도 하나의 진동 에너지원(40)에 냉각을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 하우징을 포함하는 용융 금속 처리 장치(34)의 구성요소는 티타늄, 스테인리스강 합금, 저탄소강 또는 H13 강과 같은 금속, 다른 고온 재료, 세라믹, 복합재, 또는 중합체로 제조될 수 있다. 용융 금속 처리 장치(34)의 구성요소는 니오븀(niobium), 니오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈륨(tantalum), 탄탈륨 합금, 구리, 구리 합금, 레늄(rhenium), 레늄 합금, 강철, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 스테인리스강 및 세라믹 중 적어도 하나로 제조될 수 있다. 세라믹은 예를 들어 실리카 알루미나 질화물 또는 사이알론(SIALON)과 같은 질화규소 세라믹일 수 있다.
본 발명의 일 실시에 있어서, 용융 금속이 가진기(40) 아래의 금속 밴드(36) 아래로 통과할 때, 금속이 냉각되어 응고되기 시작함에 따라 진동 에너지가 용융 금속에 공급된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는 예를 들어 압전 장치 초음파 변환기에 의해 발생된 초음파 변환기로 부여된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는 예를 들어 자왜 변환기(magnetostrictive transducer)에 의해 발생된 초음파 변환기로 부여된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는 기계 구동식 가진기로 부여된다(후술됨). 진동 에너지는 일 실시예에서 다수의 작은 종자(seed)를 형성시켜서, 미세 결정립 금속 제품을 제조한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 결정립 미세화는 결정립 크기의 미세화를 위한 초음파 에너지(및/또는 다른 진동 에너지)의 인가를 포함한다. 본 발명은 어떠한 특정 이론에도 얽매이지 않지만, 하나의 이론은 용융되거나 응고되는 합금 내로의 진동 에너지(예를 들면, 초음파 파워)의 주입이 캐비테이션(cavitation), 음향류(acoustic streaming) 및 복사압(radiation pressure)과 같은 비선형 작용을 일으킬 수 있다는 것이다. 이러한 비선형 작용은 새로운 결정립을 핵생성하고 합금의 응고 프로세스 동안에 수지상정(dendrite)을 파괴하는데 사용될 수 있다.
이러한 이론하에서, 결정립 미세화 프로세스는 2개의 단계, 즉 1) 핵생성, 및 2) 액체로부터 새롭게 형성된 고체의 성장으로 나누어질 수 있다. 구상 핵이 핵생성 단계 동안에 형성된다. 이러한 핵은 성장 단계 동안에 수지상정으로 발전한다. 수지상정의 일방향 성장은 주상 결정립의 형성을 야기하여 잠재적으로 이차 상의 불균일한 분포 및 고온 인열/균열을 초래한다. 결국, 이것은 열등한 주조성을 야기할 수 있다. 한편, (본 발명에 의해 가능한 바와 같이) 모든 방향으로의 수지상정의 균일한 성장은 등축상 결정립의 형성을 야기한다. 작은 등축상 결정립을 포함하는 주물/잉곳은 우수한 성형성을 갖는다.
이러한 이론하에서, 합금의 온도가 액상선 온도 미만인 경우, 고체 배아(embryo)의 크기가 하기의 수학식에 주어진 임계 크기보다 클 때 핵생성이 일어날 수 있다:
Figure pct00001
여기서, r*는 임계 크기이고, σsl은 고체-액체 계면과 연관된 계면 에너지이며, ΔGV는 단위 체적의 액체가 고체로 변태되는 것과 관련된 깁스(Gibbs) 자유 에너지이다.
이러한 이론하에서, 깁스 자유 에너지 ΔG는, 고체 배아의 크기가 r*보다 큰 경우에 고체 배아의 크기가 증가함에 따라 감소하고, 이는 고체 배아의 성장이 열역학적으로 호적하다는 것을 나타낸다. 그러나, r*보다 큰 크기를 갖는 고체 상의 균질한 핵생성은 용융물에 큰 과냉각을 필요로 하는 극한 상태하에서만 일어난다.
이러한 이론하에서, 응고 동안에 형성된 핵은 수지상정으로 알려진 고체 결정립으로 성장할 수 있다. 수지상정은 또한 진동 에너지의 인가에 의해 다수의 작은 조각으로 파괴될 수 있다. 그에 따라 형성된 수지상정의 조각은 새로운 결정립으로 성장할 수 있고, 작은 결정립의 형성을 유발하며; 그에 따라 등축상 결정립 조직을 생성한다.
어떠한 특정 이론에도 얽매이지 않지만, (예를 들면, 밴드(36)의 하부측에 마주한) 주조 휠(30)의 채널의 상부에서의 용융 금속에 대한 비교적 작은 양의 과냉각(예를 들면, 2℃, 5℃, 10℃ 또는 15℃ 미만)은 순수 알루미늄의 작은 핵의 층이 강철 밴드에 마주하여 형성되게 한다. 진동 에너지(예를 들면, 초음파 또는 기계 구동식 진동)는 이들 핵을 해방시키고, 다음에 이러한 핵은 응고 동안에, 균일한 결정립 조직을 야기하는 핵생성제로서 사용된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이용된 냉각 방법은, 강철 밴드에 마주한 주조 휠(30)의 채널의 상부에서의 작은 양의 과냉각이, 용융 금속이 계속 냉각함에 따라 재료의 작은 핵이 용융 금속으로 처리되게 하는 것을 보장한다. 밴드(36)에 작용하는 진동은 주조 휠(30)의 채널 내의 용융 금속 내로 이들 핵을 분산시키는 역할을 하고, 및/또는 과냉각된 층에 형성되는 수지상정을 파괴하는 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 냉각될 때 용융 금속 내에 부여된 진동 에너지는 캐비테이션(하기 참조)에 의해 수지상정을 파괴하여 새로운 핵을 형성할 수 있다. 다음에, 수지상정의 이러한 핵 및 조각은 응고 동안에 주형 내에, 균일한 결정립 조직을 야기하는 등축상 결정립을 형성(촉진)하는데 사용될 수 있다.
다시 말해서, 과냉각된 액체 금속 내로 전달된 초음파 진동은 금속 또는 금속 합금에 있어서의 핵생성 사이트를 생성하여 결정립 크기를 미세화한다. 핵생성 사이트는 전술한 바와 같이 수지상정을 파괴하도록 작용하는 진동 에너지를 통해 발생되어, 이물 불순물에 의존하지 않는 다수의 핵을 용융 금속에 생성할 수 있다. 일 태양에 있어서, 주조 휠(30)의 채널은 내화 금속, 또는 다른 고온 재료, 예를 들어 구리, 철 및 강철, 니오븀, 니오븀 및 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐, 및 레늄, 및 이들 재료의 융점을 확장시킬 수 있는 규소, 산소 또는 질소와 같은 하나 이상의 원소를 포함하는 이들의 합금일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지원(40)을 위한 초음파 진동의 소스는 20kHz의 음향 주파수에서 1.5kW의 파워를 제공한다. 본 발명은 그러한 파워 및 주파수에 한정되지 않는다. 오히려, 넓은 범위의 파워 및 초음파 주파수가 사용될 수 있지만, 하기의 범위가 관심의 대상이다.
파워: 일반적으로, 소노트로드(sonotrode) 또는 프로브의 치수에 의존하는, 각 소노트로드에 대한 50W 내지 5000W의 파워. 이러한 파워는 전형적으로, 소노트로드의 단부에서의 파워 밀도가 용융 금속의 냉각 속도, 용융 금속 타입 및 다른 요인에 따라 달라지는 캐비테이션을 용융 금속에 유발하기 위한 문턱값으로 고려될 수 있는 100W/㎠보다 높은 것을 보장하도록 소노트로드에 인가된다. 본 분야에서의 파워는 50W 내지 5000W, 100W 내지 3000W, 500W 내지 2000W, 1000W 내지 1500W의 범위, 또는 임의의 중간 또는 중첩 범위일 수 있다. 보다 큰 프로브/소노트로드를 위한 보다 높은 파워 및 보다 작은 프로브를 위한 보다 낮은 파워가 가능하다. 본 발명의 다양한 실시예에 있어서, 인가된 진동 에너지 파워 밀도는 10W/㎠ 내지 500W/㎠, 또는 20W/㎠ 내지 400W/㎠, 또는30 W/㎠ 내지 300W/㎠, 또는 50W/㎠ 내지 200W/㎠, 또는 70W/㎠ 내지 150W/㎠의 범위, 또는 이들의 임의의 중간 또는 중첩 범위일 수 있다.
주파수: 일반적으로 5kHz 내지 400kHz(또는 임의의 중간 범위)가 사용될 수 있다. 대안적으로, 10kHz 내지 30kHz(또는 임의의 중간 범위)가 사용될 수 있다. 대안적으로, 15kHz 및 25 kHz(또는 임의의 중간 범위)가 사용될 수 있다. 인가되는 주파수는 5kHz 내지 400kHz, 10kHz 내지 30kHz, 15kHz 내지 25kHz, 10kHz 내지 200kHz, 또는 50kHz 내지 100kHz, 또는 이들의 임의의 중간 또는 중첩 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 변환기의 초음파 프로브(또는 소노트로드, 압전 변환기, 또는 초음파 방사기, 또는 자왜 요소)의 경우에 냉각 매체뿐만 아니라 조립체(42) 및 밴드(36)를 통해 초음파 진동 에너지를 액체 금속 내에 제공하는 적어도 하나의 가진기(40)가 냉각 채널(46)에 커플링되어 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 에너지는 전류를 기계적 에너지로 변환하여 20kHz(예를 들면, 400kHz 이하) 초과의 진동 주파수를 생성할 수 있는 변화기로부터 공급되며, 초음파 에너지는 압전 요소 또는 자왜 요소 중 어느 하나 또는 모두로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 프로브는 액체 냉각 매체와 접촉하도록 냉각 채널(46) 내로 삽입된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 프로브의 팁으로부터 밴드(36)까지의 이격 거리는 존재한다면 가변적이다. 이격 거리는 예를 들어 1㎜ 미만, 2㎜ 미만, 5㎜ 미만, 1㎝ 미만, 2㎝ 미만, 5㎝ 미만, 10㎝ 미만, 20㎝ 미만, 또는 50㎝ 미만일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 하나 초과의 초음파 프로브 또는 초음파 프로브의 어레이는 액체 냉각 매체와 접촉하도록 냉각 채널(46) 내로 삽입될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 프로브는 조립체(42)의 벽에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 태양에 있어서, 진동 에너지를 공급하는 압전 변환기는 전기적 접촉을 위한 부착 지점을 제공하는 전극들 사이에 개재된 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 전압이 전극을 통해 세라믹에 인가되면, 세라믹은 초음파 주파수에서 팽창 및 수축한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지원(40)으로서 역할을 하는 압전 변환기는 진동을 프로브에 전달하는 부스터(booster)에 부착된다. 미국 특허 제 9,061,928 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 초음파 변환기, 초음파 부스터, 초음파 프로브 및 부스터 냉각 유닛을 포함하는 초음파 변환기 조립체를 개시하고 있다. '928 특허에서의 초음파 부스터는 초음파 변환기에 의해 생성된 음향 에너지를 증폭하고 증폭된 음향 에너지를 초음파 프로브로 전달하기 위해 초음파 변환기에 연결된다. '928 특허의 부스터 구성은 본 발명에서는 전술한 액체 냉각 매체와 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하는 초음파 프로브의 에너지를 제공하는데 유용할 수 있다.
실제로, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 압전 변환기에 의해 생성된 진동 에너지를 증폭 또는 증대시키기 위해 초음파의 영역에서 초음파 부스터가 사용된다. 부스터는 진동의 주파수를 증가 또는 감소시키지 않고, 진동의 진폭을 증가시킨다. (부스터는 반대방향으로 설치되는 경우, 진동 에너지를 압축할 수도 있다.) 본 발명의 일 실시예에 있어서, 부스터는 압전 변환기와 프로브 사이를 연결한다. 초음파 결정립 미세화에 부스터를 사용하는 경우에, 압전 진동 에너지원과 함께 부스터의 사용을 예시하는 예시적인 다수의 방법 단계는 하기와 같다:
1) 전류가 압전 변환기에 공급된다. 일단 전류가 인가되면, 변환기 내의 세라믹 피스(piece)가 팽창 및 수축하고, 이것은 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환한다.
2) 다음에, 이러한 진동은 일 실시예에서 기계적 진동을 증폭 또는 증대시키는 부스터로 전달된다.
3) 다음에, 부스터로부터의 증폭 또는 증대된 진동은 일 실시예에서 프로브로 전파된다. 다음에, 프로브는 초음파 주파수에서 진동하여 캐비테이션을 생성한다.
4) 진동하는 프로브로부터의 캐비테이션은 일 실시예에서 용융 금속과 접촉하는 주조 밴드에 충돌한다.
5) 캐비테이션은 일 실시예에서 수지상정을 파괴하여 등축상 결정립 조직을 생성한다.
도 2를 참조하면, 프로브는 용융 금속 처리 장치(34)를 통해 유동하는 냉각 매체에 커플링된다. 초음파 주파수에서 진동하는 프로브를 통해 냉각 매체 내에 생성된 캐비테이션은 격납 구조체(32) 내의 용융 알루미늄과 접촉하는 밴드(36)에 충돌한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는 진동 에너지원(40)으로서 역할을 하는 자왜 변환기에 의해 공급될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 진동 에너지원(40)으로서 역할을 하는 자왜 변환기는 도 2의 압전 변환기 유닛과 함께 이용되는 동일한 배치를 가지며, 유일한 차이점은 초음파에서 진동하는 표면을 구동하는 초음파 소스가 적어도 하나의 압전 요소 대신에 적어도 하나의 자왜 변환기라는 것이다. 도 13은 적어도 하나의 초음파 진동 에너지원에 자왜 요소(40a)를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성을 도시하고 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 자왜 변환기(40a)는 냉각 매체에 커플링된 프로브(도 13의 측면도에는 도시되지 않음)를 예를 들어 30kHz의 주파수로 진동시키지만, 다른 주파수가 후술하는 바와 같이 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 자왜 변환기(40a)는 도 14의 단면 개략도에서 용융 금속 처리 장치(34) 내측에 도시된 하부 플레이트(40b)를 진동시키고, 하부 플레이트(40b)는 냉각 매체(도 14에 도시됨)에 커플링되어 있다.
자왜 변환기는 전형적으로 전자기장이 인가되면 팽창 및 수축하는 다수의 재료 플레이트로 구성된다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 적합한 자왜 변환기는 일 실시예에서 진동될 프로세스 용기의 하부 또는 다른 표면에 부착된 각각의 라미네이트(laminate)의 하나의 에지와 평행하게 배열된 다수의 니켈(또는 다른 자왜 재료) 플레이트 또는 라미네이션(lamination)을 포함할 수 있다. 자기장을 제공하기 위해 자왜 재료 주위에 와이어의 코일이 배치된다. 예를 들면, 전류의 흐름이 와이어 코일을 통해 공급될 때, 자기장이 생성된다. 이러한 자기장은 자왜 재료가 수축 또는 신장되게 하여, 팽창 및 수축하는 자왜 재료와 접촉하는 유체 내로 음파를 도입한다. 본 발명에 적합한 자왜 변환기로부터의 전형적인 초음파 주파수는 20kHz 내지 200kHz의 범위이다. 자왜 요소의 고유 주파수에 따라 보다 높거나 보다 낮은 주파수가 사용될 수 있다.
자왜 변환기의 경우, 니켈은 가장 일반적으로 사용되는 재료 중 하나이다. 전압이 변환기에 인가되는 경우, 니켈 재료는 초음파 주파수에서 팽창 및 수축한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 니켈 플레이트는 스테인리스강 플레이트에 직접 은 경납땜된다. 도 2를 참조하면, 자왜 변환기의 스테인리스강 플레이트는 초음파 주파수에서 진동하는 표면이고, 용융 금속 처리 장치(34)를 통해 유동하는 냉각 매체에 직접 커플링된 표면(또는 프로브)이다. 다음에, 초음파 주파수에서 진동하는 플레이트를 통해 냉각 매체에서 생성되는 캐비테이션은 격납 구조체(32) 내의 용융 알루미늄과 접촉하는 밴드(36)에 충돌한다.
미국 특허 제 7,462,960 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 거대 자왜 요소를 갖는 초음파 변환기 구동기를 개시하고 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 자왜 요소는 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)과 같은 앞전이 금속(early transition metal)과 비교하여 현저하게 큰 자왜 효과를 갖는 터페놀-D(Terfenol-D) 및 그 복합재와 같은 희토류 합금계 재료로 제조될 수 있다. 대안적으로, 자왜 요소는 본 발명의 일 실시예에서 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)로 제조될 수 있다.
대안적으로, 자왜 요소는 본 발명의 일 실시예에서 하기의 합금 중 하나 이상으로 제조될 수 있다: 철 및 테르븀(terbium); 철 및 프라세오디뮴(praseodymium); 철, 테르븀 및 프라세오디뮴; 철 및 디스프로슘(disprosium); 철, 테르븀 및 디스프로슘; 철, 프라세오디뮴 및 디스프로슘; 철, 테르븀, 프라세오디뮴 및 디스프로슘; 철 및 에르븀(erbium); 철 및 사마륨(samarium); 철, 에르븀 및 사마륨; 철, 사마륨 및 디스프로슘; 철 및 홀뮴(holmium); 철, 사마륨 및 홀뮴; 또는 이들의 혼합물이다.
미국 특허 제 4,158,368 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 자왜 변환기를 개시하고 있다. 여기에 개시되고 본 발명에 적합한 바와 같이, 자왜 변환기는 하우징 내에 배치되고 음의 자왜를 나타내는 재료의 플런저를 포함할 수 있다. 미국 특허 제 5,588,466 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 자왜 변환기를 개시하고 있다. 여기에 개시되고 본 발명에 적합한 바와 같이, 자왜 층은 가요성 요소, 예를 들어 가요성 비임에 적용된다. 가요성 요소는 외부 자기장에 의해 편향된다. '466 특허에 개시되고 본 발명에 적합한 바와 같이, 얇은 자왜 층은 Tb(1-x)Dy(x)Fe2로 이루어진 자왜 요소에 사용될 수 있다. 미국 특허 제 4,599,591 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 자왜 변환기를 개시하고 있다. 여기에 개시되고 본 발명에 적합한 바와 같이, 자왜 변환기는 자왜 재료와, 자왜 재료 내에 회전 자기 유도 벡터를 설정하는 위상 관계를 갖는 다수의 전류원에 연결된 복수의 권선을 이용할 수 있다. 미국 특허 제 4,986,808 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)는 자왜 변환기를 개시하고 있다. 여기에 개시되고 본 발명에 적합한 바와 같이, 자왜 변환기는 자왜 재료의 복수의 세장형 스트립을 포함할 수 있고, 각각의 스트립은 근위 단부, 원위 단부 및 실질적으로 V자형 단면을 가지며, V자형의 각각의 아암은 스트립의 종방향 길이에 의해 형성되고, 각각의 스트립은 근위 단부 및 원위 단부 모두에서 인접한 스트립에 부착되어 중심축을 갖는 실질적으로 강성인 일체형 칼럼(column)을 형성하고, 이러한 중심축에 대해 핀이 반경방향으로 연장된다.
도 3은 주조 휠(30)의 채널 내의 용융 금속에 저주파 금속 에너지를 공급하기 위한 기계적 진동 구성을 도시하는 본 발명의 다른 실시예의 개략도이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지는 변환기 또는 다른 기계적 교반기에 의해 발생된 기계적 진동으로부터 나온다. 본 기술분야에 알려진 바와 같이, 가진기는 진동을 발생시키는 기계 장치이다. 구동샤프트 상에 불균형한 매스(mass)를 갖는 전기 모터에 의해 진동이 발생된다. 일부의 기계적 가진기는 전자기 구동장치, 및 수직 왕복 운동에 의해 교반하는 교반기 샤프트로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 기계적 에너지를 사용할 수 있는 가진기(또는 다른 구성요소)로부터 진동 에너지가 공급되어, 20kHz까지, 바람직하게는 5kHz 내지 10kHz 범위의 진동 주파수를 생성하지만 이에 한정되지는 않는다.
진동 메커니즘에 관계없이, 진동자(압전 변환기, 자왜 변환기 또는 기계 구동식 가진기)를 하우징(44)에 부착하는 것은 진동 에너지가 조립체(42) 아래의 채널 내의 용융 금속으로 전달될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 유용한 기계적 가진기는 분당 8,000 내지 15,000회의 진동으로 작동할 수 있지만, 보다 높은 주파수 및 보다 낮은 주파수가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 메커니즘은 초당 565 내지 5,000회의 진동을 가진하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 메커니즘은 초당 몇분의 1회의 진동에서 초당 565회의 진동까지의 훨씬더 낮은 주파수로 가진하도록 구성된다. 본 발명에 적합한 기계 구동식 진동의 범위는, 예를 들어 분당 6,000 내지 9,000회의 진동, 분당 8,000 내지 10,000회의 진동, 분당 10,000 내지 12,000회의 진동, 분당 12,000 내지 15,000회의 진동 및 분당 15,000 내지 25,000회의 진동을 포함한다. 문헌 보고서로부터 본 발명에 적합한 기계 구동식 진동의 범위는, 예를 들어 133Hz 내지 250Hz, 200Hz 내지 283Hz(분당 12,000 내지 17,000회의 진동), 및 4Hz 내지 250Hz의 범위를 포함한다. 또한, 주조 휠(30) 또는 하우징(44)에 가격하도록 주기적으로 구동되는 간단한 해머(hammer) 또는 플런저(plunger) 장치에 의해 주조 휠(30) 또는 하우징(44)에 다양한 기계 구동식 진동이 가해질 수 있다. 일반적으로, 기계적 진동은 10kHz까지의 범위일 수 있다. 따라서, 본 발명에 사용되는 기계적 진동에 적합한 범위는, 565Hz 내지 5,000Hz의 바람직한 범위를 포함하여, 0kHz 내지 10kHz, 10Hz 내지 4000Hz, 20Hz 내지 2000Hz, 40Hz 내지 1000Hz, 100Hz 내지 500Hz 및 이들의 중간 및 조합 범위를 포함한다.
상기에서는 초음파 및 기계 구동식 실시예에 대하여 설명되었지만, 본 발명은 이들 범위 중 하나 또는 다른 것에 한정되지 않고, 단일 주파수 및 다중 주파수 소스를 포함하는 400kHz까지의 광범위한 진동 에너지에 사용될 수 있다. 추가적으로, 소스(초음파 및 기계 구동식 소스, 또는 상이한 초음파 소스, 또는 상이한 기계 구동식 소스 또는 후술되는 음향 에너지원)의 조합이 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 주조기(2)는 용융 금속이 주입되는 격납 구조체(32)(예를 들면, 트로프 또는 채널)를 내부에 갖는 주조 휠(30) 및 용융 금속 처리 장치(34)를 포함한다. 밴드(36)(예를 들면, 강철 밴드)는 용융 금속을 격납 구조체(32)(즉, 채널)에 가둔다. 상기와 같이, 압연 롤러(예를 들면, 롤러(38))는 회전하는 주조 휠(30)에 대해 용융 금속 처리 장치(34)를 안내한다. 냉각 매체는 용융 금속 및 적어도 하나의 진동 에너지원(40)(도 3에 기계적 가진기(40)로서 도시됨)에 냉각을 제공한다.
용융 금속이 기계적 가진기(40) 아래의 금속 밴드(36) 아래로 통과할 때, 금속이 냉각되어 응고되기 시작함에 따라 기계 구동식 진동 에너지가 용융 금속에 공급된다. 기계 구동식 진동 에너지는 일 실시예에서 다수의 작은 종자를 형성시켜서, 미세 결정립 금속 제품을 제조한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기계적 가진기의 경우에 냉각 매체뿐만 아니라 조립체(42) 및 밴드(36)를 통해 기계 구동식 진동 에너지를 액체 금속 내에 제공하는 적어도 하나의 가진기(40)가 냉각 채널(46)에 커플링되어 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 기계적 가진기의 헤드는 액체 냉각 매체와 접촉하도록 냉각 채널(46) 내에 삽입된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 하나 초과의 기계적 가진기 헤드 또는 기계적 가진기 헤드의 어레이가 액체 냉각 매체와 접촉하도록 냉각 채널(46) 내에 삽입될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 기계적 가진기 헤드는 조립체(42)의 벽에 부착될 수 있다.
어떠한 특정 이론에도 얽매이지 않지만, 주조 휠(30)의 채널의 하부에서의 비교적 작은 양의 과냉각(예를 들면, 10℃ 미만)은 순수 알루미늄(또는 다른 금속 또는 합금)의 작은 핵의 층이 형성되게 한다. 기계 구동식 진동은 이들 핵을 생성시키고, 다음에 이러한 핵은 응고 동안에, 균일한 결정립 조직을 야기하는 핵생성제로서 사용된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이용된 냉각 방법은, 채널의 하부에서의 작은 양의 과냉각이, 재료의 작은 핵이 용융 금속으로 처리되게 하는 것을 보장한다. 채널의 하부로부터의 기계 구동식 진동은 이들 핵을 분산시키고, 및/또는 과냉각된 층에 형성되는 수지상정을 파괴하는 역할을 할 수 있다. 다음에, 수지상정의 이러한 핵 및 조각은 응고 동안에 주형 내에, 균일한 결정립 조직을 야기하는 등축상 결정립을 형성하는데 사용될 수 있다.
다시 말해서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 액체 금속 내로 전달된 기계 구동식 진동은 금속 또는 금속 합금에 있어서의 핵생성 사이트를 생성하여 결정립 크기를 미세화한다. 상기와 같이, 주조 휠(30)의 채널은 내화 금속, 또는 다른 고온 재료, 예를 들어 구리, 철 및 강철, 니오븀, 니오븀 및 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐, 및 레늄, 및 이들 재료의 융점을 확장시킬 수 있는 규소, 산소 또는 질소와 같은 하나 이상의 원소를 포함하는 이들의 합금일 수 있다.
도 3a는 적어도 하나의 초음파 진동 에너지원 및 적어도 하나의 기계 구동식 진동 에너지원(예를 들면, 기계 구동식 진동자)을 모두 이용하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주조 휠 혼성 구성의 개략도이다. 도 3의 요소와 공통으로 도시된 요소는 전술한 바와 같은 유사한 기능을 수행하는 유사한 요소이다. 예를 들면, 도 3a에 언급된 격납 구조체(32)(예를 들면, 트로프 또는 채널)는 용융 금속이 주입되는 도시된 주조 휠 내에 있다. 상기와 같이, 밴드(도 3a에는 도시되지 않음)는 용융 금속을 격납 구조체(32)에 가둔다. 여기서, 본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 초음파 진동 에너지원(들) 및 기계 구동식 진동 에너지원(들) 모두는 선택적으로 활성화될 수 있고, 개별적으로 또는 서로 함께 구동되어 진동을 제공할 수 있으며, 이 진동은 액체 금속 내에 전달될 때, 금속 또는 금속 합금의 핵생성 사이트를 생성하여 결정립 크기를 미세화한다. 본 발명의 다양한 실시예에 있어서, 초음파 진동 에너지원(들) 및 기계 구동식 진동 에너지원(들)의 상이한 조합이 배열되고 이용될 수 있다.
본 발명의 태양
본 발명의 일 태양에 있어서, (5kHz 내지 400kHz 범위의 초음파 주파수 및/또는 분당 8,000 내지 15,000회의 진동 범위 또는 10kHz까지의 저주파수 기계 구동식 가진기로부터의) 진동 에너지는 냉각 동안에 용융 금속 수용물에 인가될 수 있다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 진동 에너지는 다수의 별개의 주파수로 인가될 수 있다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 진동 에너지는 하기에 열거된 그러한 금속 및 합금을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 금속 합금에 인가될 수 있다: 알루미늄, 구리, 금, 철, 니켈, 백금, 은, 아연, 마그네슘, 티타늄, 니오븀, 텅스텐, 망간, 철, 및 그 합금 및 조합물; 황동(구리/아연), 청동(구리/주석), 강철(철/탄소), 크롬얼로이(Chromalloy)(크롬), 스테인리스강(강철/크롬), 공구강(탄소/텅스텐/망간), 티타늄(철/알루미늄), 및 100, 1350, 2024, 2224, 5052, 5154, 5356, 5183, 6101, 6201, 6061, 6053, 7050, 7075, 8XXX 시리즈를 포함하는 표준화된 등급의 알루미늄 합금; 구리 합금, 청동(전술함) 및 아연, 주석, 알루미늄, 규소, 니켈, 은의 조합물과 합금된 구리를 포함하는 구리 합금; 알루미늄, 아연, 망간, 규소, 구리, 니켈, 지르코늄, 베릴륨, 칼슘, 세륨, 네오디뮴, 스트론튬, 주석, 이트륨, 희토류와 합금된 마그네슘 합금; 크롬, 탄소, 규소, 니켈, 칼륨, 플루토늄, 아연, 지르코늄, 티타늄, 납, 마그네슘, 주석, 스칸듐과 합금된 철 합금 및 철; 및 이들의 다른 합금 및 조합물을 포함하는 금속 합금.
본 발명의 일 태양에 있어서, (5kHz 내지 400kHz 범위의 초음파 주파수, 및/또는 분당 8,000 내지 15,000회의 진동 범위 또는 10kHz까지의 저주파수 기계 구동식 가진기로부터의) 진동 에너지는 밴드와 접촉하는 액체 매체를 통해 용융 금속 처리 장치(34) 아래의 응고되는 금속 내에 커플링될 수 있다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 진동 에너지는 565Hz 내지 5,000Hz에서 기계적으로 커플링된다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 진동 에너지는 초당 몇분의 1회의 진동에서 초당 565회의 진동까지 훨씬더 낮은 주파수로 기계적으로 구동된다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 진동 에너지는 5kHz 내지 400kHz 범위의 주파수로 초음파 구동된다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 진동 에너지는 진동 에너지원(40)을 수용하는 하우징(44)을 통해 커플링된다. 하우징(44)은 채널의 벽과 접촉하거나 용융 금속과 직접 접촉하는 밴드(36) 또는 롤러(38)와 같은 다른 구조 요소에 연결된다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 이러한 기계적 커플링은 금속이 냉각됨에 따라 진동 에너지원으로부터의 진동 에너지를 용융 금속 내로 전달한다.
일 태양에 있어서, 냉각 매체는 물과 같은 액체 매체일 수 있다. 일 태양에서, 냉각 매체는 압축 공기 또는 질소 중 하나와 같은 가스 매체일 수 있다. 일 태양에서, 냉각 매체는 상변화 재료일 수 있다. 냉각 매체가 밴드(36)에 인접한 금속을 과냉각시키기에 충분한 속도로 제공되는 것이 바람직하다(합금의 액상선 온도보다 5℃ 내지 10℃ 미만으로 높거나 또는 액상선 온도보다 훨씬더 낮음).
본 발명의 일 태양에 있어서, 주조 제품 내의 등축상 결정립은 결정립의 수를 증가시키고 균일한 불균질 응고를 개선하기 위해 금속 또는 금속 합금에 붕화티타늄과 같은 불순물 입자를 첨가할 필요없이 얻어진다. 핵생성제를 사용하는 대신에, 본 발명의 일 태양에서, 진동 에너지가 핵생성 사이트를 생성하는데 사용될 수 있다.
작동 중에, 합금의 액상선 온도보다 실질적으로 높은 온도의 용융 금속은 중력에 의해 주조 휠(30)의 채널 내로 유동하고, 용융 금속 처리 장치(34) 아래를 통과하고, 여기서 진동 에너지(즉, 초음파 또는 기계 구동식 진동)에 노출된다. 주조 휠의 채널로 유입되는 용융 금속의 온도는 선택된 합금의 타입, 주입 속도, 주조 휠 채널의 크기 등에 따라 달라진다. 알루미늄 합금의 경우, 주조 온도는 1220℉ 내지 1350℉의 범위일 수 있고, 사이의 바람직한 범위는 예를 들어 1220℉ 내지 1300℉, 1220℉ 내지 1280℉, 1220℉ 내지 1270℉, 1220℉ 내지 1340℉, 1240℉ 내지 1320℉, 1250℉ 내지 1300℉, 1260℉ 내지 1310℉, 1270℉ 내지 1320℉, 1320℉ 내지 1330℉일 수 있으며, 중첩 및 중간 범위, 및 ±10℉의 편차가 적합하다. 주조 휠(30)의 채널은 냉각되어 채널 내의 용융 금속이 합금의 액상선 미만 온도(sub-liquidus temperature)에 근접하는 것(합금의 액상선 온도보다 5℃ 내지 10℃ 미만으로 높거나 또는 액상선 온도보다 훨씬더 낮지만, 주입 온도가 10℃보다 훨씬더 높을 수 있음)을 보장한다.. 작동 중에, 용융 금속 주위의 분위기는 예를 들어 Ar, He 또는 질소와 같은 불활성 가스로 충전되거나 퍼지되는 슈라우드(shroud)(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 주조 휠(30) 상의 용융 금속은 전형적으로 용융 금속이 액체로부터 고체로 변환하고 있는 열 정지(thermal arrest) 상태에 있다.
액상선 미만 온도에 근접한 과냉각의 결과로서, 응고 속도는 고상-액상 계면을 통한 평형을 허용하기에 충분히 느리지 않으며, 이는 결국 주조 바아를 가로질러 조성의 변화를 초래한다. 화학적 조성의 불균일성은 편석을 초래한다. 또한, 편석량은 용융 금속 내의 다양한 원소의 확산 계수뿐만 아니라 열 전달률과 직접적으로 관련된다. 다른 타입의 편석은 낮은 융점을 갖는 성분이 먼저 동결되는 곳이다.
본 발명의 초음파 또는 기계적 구동 진동 실시예에 있어서, 진동 에너지는 냉각될 때 용융 금속을 교반한다. 이러한 실시예에 있어서, 진동 에너지는 용융 금속을 교반하고 효과적으로 뒤섞는 에너지로 부여된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 기계 구동식 진동 에너지는 냉각될 때 용융 금속을 연속적으로 교반하는 역할을 한다. 다양한 주조 합금 프로세스에서, 알루미늄 합금 내에 고농도의 규소를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 보다 높은 규소 농도에서, 규소 석출물이 형성될 수 있다. 이러한 석출물을 다시 용융 상태로 "재혼합(remixing)"함으로써, 원소 규소는 적어도 부분적으로 용액 내로 되돌아갈 수 있다. 대안적으로, 석출물이 잔존하더라도, 혼합은 규소 석출물이 편석되지 않아서, 하류의 금속 다이 및 롤러에 보다 많은 마찰 마모가 일어나지 않게 한다.
다양한 금속 합금 시스템에서, 합금의 하나의 성분(전형적으로 융점이 보다 높은 성분)이 순수한 성분의 입자로 합금을 "오염시키는(contaminating)" 효과로 순수한 형태로 석출되는 경우에 동일한 종류의 효과가 발생한다. 일반적으로, 합금을 주조할 때, 편석이 일어나서, 용질의 농도가 주조 전체에 걸쳐서 일정하지 않다. 이것은 다양한 프로세스로 인해 유발될 수 있다. 수지상정 가지의 간격의 크기에 필적하는 거리에 걸쳐 발생하는 미세편석은 최종 평형 농도보다 낮은 농도로 형성되는 제 1 고체의 결과인 것으로 여겨지고, 이는 액체에 과도한 용질을 분배시켜서, 이후에 형성된 고체가 보다 높은 농도를 갖게 한다. 조대 편석은 주물의 크기와 유사한 거리에 걸쳐서 일어난다. 이것은 주물이 응고될 때 수축 작용을 수반하는 다수의 복잡한 프로세스, 및 용질이 분배될 때 액체 밀도의 변화에 의해 유발될 수 있다. 주조 동안에 편석을 방지하여 전체에 걸쳐서 균일한 특성을 갖는 고체 빌릿을 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 진동 에너지 처리로부터 이익을 얻는 일부 합금은 전술한 그러한 합금을 포함한다.
다른 구성
본 발명은 전술한 채널 구조체에만 진동 에너지를 사용하는 적용에 한정되지 않는다. 일반적으로, (5kHz 내지 400kHz 범위의 초음파 주파수 및/또는 10kHz까지 범위의 저주파수 기계 구동식 가진기로부터의) 진동 에너지는 주조 프로세스에서 용융 금속이 용융 상태로부터 냉각되어 고체 상태(즉, 열 정지 상태)로 들어가기 시작하는 지점에서 핵생성을 유도할 수 있다. 다른 관점에서 보면, 본 발명은, 다양한 실시예에서, 다양한 소스로부터의 진동 에너지를 열적 관리와 조합하여 냉각 표면에 인접한 용융 금속이 합금의 액상선 온도에 근접하게 한다. 이러한 실시예에 있어서, 채널 내의 또는 주조 휠(30)의 밴드(36)에 마주한 용융 금속의 온도는 핵생성 및 결정 성장(수지상정 형성)을 유도하기에 충분히 낮은 한편, 진동 에너지는 핵을 생성하고 및/또는 주조 휠(30)의 채널의 표면 상에 형성될 수 있는 수지상정을 파괴한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 주도 프로세스와 연관된 유익한 태양은 진동 에너지원이 통전되지 않거나 연속적으로 통전되지 않아도 될 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 진동 에너지원은, 진동 에너지원에 대한 파워의 제어를 통해 백분율로 0% 내지 100%, 10% 내지 50%, 50% 내지 90%, 40% 내지 60%, 45% 내지 55% 범위, 및 사이의 모든 중간 범위인 듀티 사이클(duty cycle)에 관한 범위를 갖는 프로그래밍된 온/오프 사이클 동안에 통전될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 진동 에너지(초음파 또는 기계 구동식)는 밴드(36)가 용융 금속과 접촉하기 전에 주조 휠 내의 용융 알루미늄 주물 내로 직접 주입된다. 진동 에너지의 직접적인 인가는 용융물에 교호하는 압력을 야기한다. 용융 금속에 대한 진동 에너지로서의 초음파 에너지의 직접적인 인가는 용융물에 캐비테이션을 야기할 수 있다.
어떠한 특정 이론에도 얽매이지 않지만, 캐비테이션은 액체 내의 아주 작은 불연속부 또는 공동의 형성이며, 이들의 성장, 맥동(pulsation) 및 붕괴(collapse)로 이어진다. 공동은 희박상(rarefaction phase)에서 음향파에 의해 생성된 인장 응력의 결과로서 나타난다. 공동이 형성된 후에 인장 응력(또는 부압)이 지속되면, 공동이 초기 크기의 몇 배로 팽창한다. 초음파장에서의 캐비테이션 동안에, 많은 공동이 초음파 파장보다 짧은 거리에서 동시에 나타난다. 이러한 경우에, 공동 기포는 구상 형태를 유지한다. 캐비테이션 기포의 후속 거동은 매우 가변적이다: 즉, 기포의 작은 부분이 합체되어 큰 버블을 형성하지만, 거의 모두는 압축상(compression phase)에서 음향파에 의해 붕괴된다. 압축 동안에, 이러한 공동 중 일부는 압축 응력으로 인해 붕괴될 수 있다. 따라서, 이러한 캐비테이션이 붕괴될 때, 높은 충격파가 용융물에서 발생한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지 유도 충격파는 수지상정 및 다른 성장 핵을 파괴하는 역할을 하여, 새로운 핵을 생성하며, 이는 결국 등축상 결정립 조직을 야기한다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 연속적인 초음파 진동은 형성된 핵을 효과적으로 균질화하여 등축상 조직에 더욱 도움을 준다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 불연속적인 초음파 또는 기계 구동식 진동은 형성된 핵을 효과적으로 균질화하여 등축상 조직에 더욱 도움을 준다.
도 4는 주조 휠(60) 내에서 주조되는 용융 금속에 직접 삽입된 프로브(도시되지 않음)를 갖는 진동 프로브 장치(66)를 갖는, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 휠 구성의 개략도이다. 프로브는 초음파 탈가스를 위해 본 기술분야에 알려진 것과 유사한 구조를 갖는다. 도 4는 주조 휠(60)의 림(rim) 상에 롤러(62) 가압 밴드(68)를 도시하고 있다. 진동 프로브 장치(66)는 진동 에너지(초음파 또는 기계 구동식 에너지)를 주조 휠(60)의 채널(도시되지 않음) 내에서 주조되는 용융 금속 내에 직접 또는 간접적으로 커플링된다. 주조 휠(60)이 반시계방향으로 회전함에 따라, 용융 금속은 롤러(62) 아래로 이동하여, 선택적인 용융 금속 냉각 장치(64)와 접촉한다. 이러한 장치(64)는 도 2 및 도 3의 조립체(42)와 유사할 수 있지만, 가진기(40)는 없다. 이러한 장치(64)는 도 3의 용융 금속 처리 장치(34)와 유사할 수 있지만, 기계적 가진기(40)는 없다.
도 4에 도시된 이러한 실시예에 있어서, 주조기용의 용융 금속 처리 장치는 주조 휠 내의 용융 금속이 냉각되는 동안에 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속 내로 삽입된 프로브((바람직하게는 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속 내로 반드시 삽입될 필요는 없음)에 의해 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원(즉, 진동 프로브 장치(66))을 이용한다. 지지 장치는 진동 에너지원(진동 프로브 장치(66))을 제위치에 유지한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 진동 에너지는 음향 발진기(acoustic oscillator)의 사용에 의해 매체로서 공기 또는 가스를 통해 냉각되는 동안에 용융 금속 내에 커플링될 수 있다. 음향 발진기(예를 들어, 오디오 증폭기)는 음향파를 생성하여 용융 금속 내로 전달하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 전술한 초음파 또는 기계 구동식 가진기는 음향 발진기로 대체되거나 음향 발진기에 의해 보충된다. 본 발명에 적합한 오디오 증폭기는 1Hz 내지 20,000Hz의 음향 진동을 제공한다. 이러한 범위보다 높거나 낮은 음향 진동이 사용될 수 있다. 예를 들면, 0.5Hz 내지 20Hz; 10Hz 내지 500Hz, 200Hz 내지 2000Hz, 1,000Hz 내지 5,000Hz, 2,000Hz 내지 10,000Hz, 5,000Hz 내지 14,000Hz, 10,000Hz 내지 16,000Hz, 14,000Hz 내지 20,000Hz 및 18,000Hz 내지 25,000Hz의 음향 진동이 사용될 수 있다. 전기음향 변환기가 음향 에너지를 생성하여 전달하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 에너지는 가스 매체를 통해 용융 금속 내에 직접 커플링되고, 여기서 음향 에너지가 용융 금속을 진동시킨다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 음향 에너지는 가스 매체를 통해 간접적으로 용융 금속 내에 커플링될 수 있고, 여기서 음향 에너지는 용융 금속을 포함하는 밴드(36) 또는 다른 지지 구조체를 진동시키고, 이것이 용융 금속을 진동시킨다.
전술한 연속적인 휠형 주조 시스템에서 본 발명의 진동 에너지 처리를 사용하는 것 이외에, 본 발명은 또한 고정형 및 수직형 주조기에 유용성을 갖는다.
고정형 주조기의 경우, 용융 금속은 도 5에 도시된 바와 같은 고정형 주형(62)에 주입되며, 그 자체는 용융 금속 처리 장치(34)(개략적으로 도시됨)를 갖는다. 이러한 방식으로, (5kHz 내지 400kHz의 초음파 주파수 및/또는 10kHz까지 작동하는 저주파 기계 구동식 가진기로부터의) 진동 에너지는 용융 금속이 용융 상태로부터 냉각되어 고체 상태(즉, 열 정지 상태)로 들어가기 시작하는 고정형 주형의 지점에서 핵생성을 유도할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 수직형 주조기의 선택된 구성요소를 도시하고 있다. 이들 구성요소의 더 상세사항 및 수직형 주조기의 다른 태양이 미국 특허 제 3,520,352 호(그 전체 내용이 본원에 참조로 원용됨)에 나타나 있다. 도 6a 내지 도 6d에 도시된 바와 같이, 수직형 주조기는 용융 금속 주조 캐비티(213)를 포함하고, 이 용융 금속 주조 캐비티(213)는 도시된 실시예에서 대체로 정사각형이지만 원형, 타원형, 다각형 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있으며, 주형의 상부 부분에 위치된 수직의 서로 교차하는 제 1 벽 부분 및 제 2 또는 코너 벽 부분(217)에 의해 한정된다. 유체 보유 엔벨로프(fluid retentive envelope)(219)는 주조 캐비티의 벽(215) 및 코너 부재(217)를 이들에 대해 이격된 관계로 둘러싸고 있다. 엔벨로프(219)는 입구 도관(221)을 통해 물과 같은 냉각 유체를 수용하고 출구 도관(223)을 통해 냉각 유체를 배출하도록 구성된다.
제 1 벽 부분(215)은 바람직하게는 구리와 같은 높은 열전도성 재료로 제조되지만, 제 2 또는 코너 벽 부분(217)은 예를 들어 세라믹 재료와 같은 보다 낮은 열전도성 재료로 구성된다. 도 6a 내지 도 6d에 도시된 바와 같이, 코너 벽 부분(217)은 대체로 L자형 또는 각진 단면을 가지며, 각 코너의 수직 에지는 서로를 향해 하향으로 그리고 수렴하게 경사져 있다. 따라서, 코너 부재(217)는 횡방향 섹션들 사이에 있는 주형의 배출 단부 위에서 주형 내의 일부 적절한 레벨에서 종단된다.
작동시에, 용융 금속은 턴디시(tundish)(245)로부터 수직으로 왕복운동하는 주조 주형 내로 유동하고, 금속 주물 스트랜드가 주형으로부터 연속적으로 인출된다. 용융 금속은 우선 제 1 냉각 영역으로 간주될 수 있는 냉각기 주형 벽과 접촉할 때 주형 내에서 냉각된다. 이러한 구역에서 용융 금속으로부터 열이 신속하게 제거되고, 재료의 막(skin)이 용융 금속의 중앙 풀 주위에 완전히 형성되는 것으로 여겨진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 에너지원(간략화를 위해 도 6d에만 개략적으로 도시된 가진기(40))은 유체 보유 엔벨로프(219)에 대하여, 그리고 바람직하게는 유체 보유 엔벨로프(219) 내에서 순환하는 냉각 매체 내에 배치된다. (5kHz 내지 400kHz 범위의 초음파 주파수 및/또는 분당 8,000 내지 15,000회의 진동의 저주파 기계 구동식 가진기 및/또는 전술한 음향 발진기로부터의) 진동 에너지는, 주조 프로세스에서 용융 금속이 용융 상태로부터 냉각되어 고체 상태(즉, 열 정지 상태)로 들어가기 시작하는 지점에서, 용융 금속이 액체로부터 고체로 변환되고 금속의 주물 스트랜드가 금속 주조 캐비티(213)로부터 연속적으로 인출될 때 핵생성을 유도한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전술한 초음파 결정립 미세화는 금속이 주조되기 전에 용융 배스로부터 불순물을 제거하기 위한 전술한 초음파 탈가스와 조합된다. 도 9는 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화 모두를 이용하는 본 발명의 실시예를 도시하는 개략도이다. 여기에 도시된 바와 같이, 노(furnace)는 용융 금속의 소스이다. 용융 금속은 노로부터 런더로 이송된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 탈가스기는 용융 금속이 초음파 결정립 미세화기(도시되지 않음)를 포함하는 주조기(예를 들면, 주조 휠) 내에 제공되기 전의 런더의 경로 내에 배치된다. 일 실시예에 있어서, 주조기 내에서의 결정립 미세화는 초음파 주파수로 일어날 필요는 없지만, 오히려 다른 곳에서 논의된 다른 기계 구동식 주파수 중 하나 이상의 주파수로 일어날 수 있다.
하기의 특정 초음파 탈가스기에 한정되지 않지만, '336 특허는 본 발명의 상이한 실시예에 적합한 탈가스기를 개시하고 있다. 하나의 적합한 탈가스기는, 초음파 변환기와; 초음파 변환기에 부착된 제 1 단부, 및 팁을 구비하는 제 2 단부를 포함하는 세장형 프로브와; 퍼지 가스 입구 및 퍼지 가스 출구를 포함할 수 있는 퍼지 가스 전달 시스템을 갖는 초음파 장치이다. 일부 실시예에 있어서, 퍼지 가스 출구는 세장형 프로브의 팁의 약 10㎝(또는 5㎝ 또는 1㎝) 이내에 있을 수 있는 반면, 다른 실시예에서는, 퍼지 가스 출구가 세장형 프로브의 팁에 있을 수 있다. 또한, 초음파 장치는 초음파 변환기당 다중 프로브 및/또는 다중 프로브 조립체를 포함할 수 있다.
하기의 특정 초음파 탈가스기에 한정되지 않지만, '397 특허는 본 발명의 상이한 실시예에 또한 적합한 탈가스기를 개시하고 있다. 하나의 적합한 탈가스기는, 초음파 변환기와; 초음파 변환기에 부착되고 팁을 포함하는 프로브와; 가스 입구, 프로브를 통과하는 가스 유동 경로, 및 프로브의 팁에 있는 가스 출구를 포함하는 가스 전달 시스템을 구비하는 초음파 장치이다. 일 실시예에 있어서, 프로브는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하는 세장형 프로브일 수 있으며, 제 1 단부는 초음파 변환기에 부착되고 제 2 단부는 팁을 포함한다. 또한, 프로브는 스테인리스강, 티타늄, 니오븀, 세라믹 등, 또는 임의의 이들 재료의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 초음파 프로브는 가스 전달 시스템이 통합된 일체형 SIALON 프로브일 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 초음파 장치는 초음파 변환기당 다중 프로브 및/또는 다중 프로브 조립체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 예를 들어 전술한 초음파 프로브를 이용한 초음파 탈가스는 초음파 결정립 미세화를 보완한다. 초음파 탈가스의 다양한 예에서, 퍼지 가스는 예를 들어 약 1 내지 약 50 L/분의 범위의 유량으로 전술한 프로브에 의해 용융 금속에 첨가된다. 유량이 약 1 내지 약 50 L/분의 범위에 있다는 개시에 따르면, 유량은 약 1, 약 2, 약 3, 약 4, 약 5, 약 6, 약 7, 약 8, 약 9, 약 10, 약 11, 약 12, 약 13, 약 14, 약 15, 약 16, 약 17, 약 18, 약 19, 약 20, 약 21, 약 22, 약 23, 약 24, 약 25, 약 26, 약 27, 약 28, 약 29, 약 30, 약 31, 약 32, 약 33, 약 34, 약 35, 약 36, 약 37, 약 38, 약 39, 약 40, 약 41, 약 42, 약 43, 약 44, 약 45, 약 46, 약 47, 약 48, 약 49 또는 약 50 L/분이며(예를 들면, 유량이 약 2 내지 약 20 L/분의 범위임), 또한 이것은 약 1 내지 약 50 L/분의 범위의 임의의 조합을 포함한다. 중간 범위가 가능하다. 마찬가지로, 본원에 개시된 모든 다른 범위는 유사한 방식으로 해석되어야 한다.
초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예는 알루미늄, 구리, 강철, 아연, 마그네슘 등, 또는 이들 및 다른 금속(예를 들면, 합금)의 조합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 용융 금속의 초음파 탈가스를 위한 시스템, 방법 및/또는 장치를 제공할 수 있다. 용융 금속으로부터의 물품의 처리 또는 주조는 용융 금속을 함유하는 배스를 필요로 할 수 있고, 용융 금속의 이러한 배스는 상승된 온도로 유지될 수 있다. 예를 들면, 용융 구리는 약 1100℃의 온도로 유지될 수 있는 한편, 용융 알루미늄은 약 750℃의 온도로 유지될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "배스(bath)", "용융 금속 배스" 등은 베슬(vessel), 도가니, 트로프, 런더, 노, 레이들(ladle) 등을 포함하는, 용융 금속을 수용할 수 있는 임의의 용기를 의미한다. 배스 및 용융 금속 배스라는 용어는 배치 작동, 연속 작동, 반연속 작동 등, 및 예를 들어 용융 금속이 일반적으로 정적인 경우(예를 들면, 흔히 도가니와 연관됨) 및 용융 금속이 일반적으로 운동하는 경우(예를 들면, 흔히 런더와 연관됨)를 포함하는데 사용된다.
많은 계기 또는 장치는 배스 내의 용융 금속의 상태를 모니터링, 시험 또는 변경하는데 사용될 뿐만 아니라, 원하는 금속 물품의 최종 제조 또는 주조에 사용될 수 있다. 이러한 계기 또는 장치는 용융 금속 배스에서 맞닥뜨리는 상승된 온도를 보다 잘 견뎌서, 유익하게는 보다 긴 수명을 갖고, 용융 금속이 알루미늄 또는 구리 또는 강철 또는 아연 또는 마그네슘 등이든지 간에(또는 용융 금속이 이들을 포함하든지 간에), 용융 금속과 반응하지 않도록 제한될 필요가 있다.
또한, 용융 금속은 그 중에 용존된 하나 이상의 가스를 가질 수 있으며, 이들 가스는 원하는 금속 물품의 최종 제조 및 주조 및/또는 금속 물품 자체의 결과적인 물리적 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 용융 금속에 용존된 가스는 수소, 산소, 질소, 이산화황 등, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 상황에서, 가스를 제거하거나 용융 금속 내의 가스의 양을 감소시키는 것이 유리할 수 있다. 예로서, 용존 수소는 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)의 주조에 해로울 수 있으며, 따라서 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)으로부터 생성된 최종 물품의 특성은 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)의 용융 배스 내에 혼입된 수소의 양을 감소시킴으로써 개선될 수 있다. 질량 기준으로 0.2ppm 초과, 0.3ppm 초과 또는 0.5ppm 초과의 용존 수소는 주조 속도, 및 결과적인 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 로드 및 다른 물품의 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 수소는 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금)을 함유하는 배스 위의 분위기 중의 수소의 존재에 의해 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 배스에 들어갈 수 있거나, 용융 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 배스에 사용된 알루미늄(또는 구리, 또는 다른 금속 또는 합금) 원료 출발 재료(feedstock starting material)에 존재할 수 있다.
용융 금속 배스 내의 용존 가스의 양을 감소시키려는 시도는 완전히 성공적이지는 못했다. 흔히, 이들 프로세스는 과거에 추가 및 고가 장비뿐만 아니라, 잠재적으로 위험한 재료를 수반한다. 예를 들면, 금속 주조 산업에서 용융 금속의 용존 가스 함량을 감소시키는데 사용되는 프로세스는 흑연과 같은 재료로 제조된 로터로 이루어질 수 있고, 이러한 로터는 용융 금속 배스 내에 배치될 수 있다. 추가적으로, 염소 가스는 용융 금속 배스 내의 로터에 인접한 위치에서 용융 금속 배스에 첨가될 수 있다. 염소 가스 첨가는 예를 들어 일부 상황에서 용융 금속 배스 내의 용존 수소의 양을 감소시키는데 성공적일 수 있지만, 이러한 종래의 프로세스는 현저한 결점을 갖는데, 특히 비용, 복잡성, 및 잠재적으로 위험하고 잠재적으로 환경에 유해한 염소 가스의 사용이다.
추가적으로, 용융 금속은 그 중에 존재하는 불순물을 가질 수 있으며, 이러한 불순물은 원하는 금속 물품의 최종 제조 및 주조, 및/또는 금속 물품 자체의 결과적인 물리적 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 용융 금속 내의 불순물은 용융 금속 내에 존재하는 것을 요구하지 않거나 원하지 않는 알칼리 금속 또는 다른 금속을 포함할 수 있다. 작은 비율의 특정 금속이 다양한 금속 합금에 존재하고, 그러한 금속은 불순물인 것으로 간주되지 않는다. 비제한적인 예로서, 불순물은 리튬, 나트륨, 칼륨, 납 등, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 다양한 불순물은 용융 금속 배스에 사용되는 유입되는 금속 원료 출발 재료에의 불순물의 존재에 의해 용융 금속 배스(알루미늄, 구리 또는 다른 금속 또는 합금)에 들어갈 수 있다.
초음파 탈가스 및 미세 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예는 용융 금속 배스 내의 용존 가스의 양을 감소시키기 위한 방법, 또는 다른 표현으로는, 용융 금속을 탈가스하기 위한 방법을 제공할 수 있다. 그러한 하나의 방법은 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 것 및 초음파 장치에 매우 근접한 용융 금속 배스 내로 퍼지 가스를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 용존 가스는 산소, 수소, 이산화황 등, 또는 이들의 조합물일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 용존 가스는 수소일 수 있거나 수소를 포함할 수 있다. 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등, 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합물(예를 들면, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함함)을 포함할 수 있다. 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 일부 실시예에 있어서, 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있는 한편, 다른 실시예에서는 용융 금속 배스는 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 배스 내의 용융 금속은 알루미늄일 수 있거나, 대안적으로 용융 금속은 구리일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 용융 금속 배스 내에 존재하는 불순물의 양을 감소시키기 위한 방법, 또는 대안적인 표현으로, 불순물을 제거하기 위한 방법을 제공할 수 있다. 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 하나의 그러한 방법은 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 것, 및 초음파 장치에 매우 근접한 용융 금속 배스 내로 퍼지 가스를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 불순물은 리튬, 나트륨, 칼륨, 납 등, 또는 이들의 조합물일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 불순물은 리튬, 또는 대안적으로 나트륨일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 용융 금속 배스는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등, 또는 이들의 혼합물 및/또는 이들의 조합물(예를 들면, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함함)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 용융 금속 배스는 알루미늄을 포함할 수 있는 한편, 다른 실시예에서는, 용융 금속 배스는 구리를 포함할 수 있다. 따라서, 배스 내의 용융 금속은 알루미늄일 수 있거나, 대안적으로 용융 금속은 구리일 수 있다.
본원에 개시된 탈가스 방법 및/또는 불순물 제거 방법에 이용되는 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 퍼지 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 크세논 중 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 가스가 용융 금속 배스 내의 특정 금속(들)과 눈에 띄게 반응하거나 그 내에 용해되지 않는다면 임의의 적합한 가스가 퍼지 가스로서 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 가스의 혼합물 및 조합물이 이용될 수 있다. 본원에 개시된 일부 실시예에 따르면, 퍼지 가스는 불활성 가스일 수 있거나 불활성 가스를 포함할 수 있거나; 대안적으로, 퍼지 가스는 희가스(noble gas)일 수 있거나 희가스를 포함할 수 있거나, 대안적으로, 퍼지 가스는 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이들의 조합물일 수 있거나 이를 포함할 수 있거나; 대안적으로, 퍼지 가스는 헬륨일 수 있거나 헬륨을 포함할 수 있거나; 대안적으로, 퍼지 가스는 네온일 수 있거나 네온을 포함할 수 있거나; 또는 대안적으로, 퍼지 가스는 아르곤일 수 있거나 아르곤을 포함할 수 있다. 추가적으로, 본 출원인은, 일부 실시예에서, 종래의 탈가스 기술이 본원에 개시된 초음파 탈가스 프로세스와 함께 사용될 수 있는 것으로 고려하고 있다. 따라서, 퍼지 가스는, 일부 실시예에서, 염소 가스를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 퍼지 가스로서 염소 가스가 단독으로 사용되거나, 질소, 헬륨, 네온, 크립톤 및/또는 크세논 중 적어도 하나와 조합하여 사용된다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 용융 금속 배스 내의 용존 가스를 탈가스하거나, 용존 가스의 양을 감소시키기 위한 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 방법은 염소 가스의 실질적인 부재 상태에서 또는 염소 가스가 존재하지 않는 상태에서 수행될 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, 실질적인 부재는, 사용된 퍼지 가스의 양을 기준으로 5 중량% 이하의 염소 가스가 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 일부 실시예에 있어서, 본원에 개시된 방법은 퍼지 가스를 도입하는 것을 포함할 수 있으며, 이러한 퍼지 가스는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
용융 금속의 배스 내로 도입되는 퍼지 가스의 양은 다수의 요인에 따라 달라질 수 있다. 흔히, 본 발명의 실시예에 따른 용융 금속을 탈가스시키는 방법(및/또는 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 방법)에서 도입되는 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 퍼지 가스의 양은 약 0.1 내지 약 150 표준 리터/분(L/분)의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 도입된 퍼지 가스의 양은 약 0.5 내지 약 100 L/분, 약 1 내지 약 100 L/분, 약 1 내지 약 50 L/분, 약 1 내지 약 35L/분, 약 1 내지 약 25L/분, 약 1 내지 약 10L/분, 약 1.5 내지 약 20L/분, 약 2 내지 약 15L/분, 또는 약 2 내지 약 10L/분의 범위일 수 있다. 이러한 체적 유량은 표준 분당 리터, 즉 표준 온도(21.1℃) 및 압력(101kPa)에서 체적 유량이다.
연속 또는 반연속 용융 금속 작동시에, 용융 금속의 배스 내로 도입되는 퍼지 가스의 양은 용융 금속 생산량 또는 생산 속도에 기초하여 변할 수 있다. 따라서, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 그러한 실시예에 따른 용융 금속을 탈가스시키는 방법(및/또는 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 방법)에서 도입되는 퍼지 가스의 양은 용융 금속의 kg/시간당 퍼지 가스의 약 10 내지 약 500 mL/시간(퍼지 가스 mL/용융 금속 kg)의 범위 이내에 있을 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 용융 금속의 출력 속도에 대한 퍼지 가스의 체적 유량의 비는 약 10 내지 약 400 mL/kg; 대안적으로 약 15 내지 약 300 mL/kg; 대안적으로, 약 20 내지 약 250 mL/kg; 대안적으로 약 30 내지 약 200 mL/kg; 대안적으로, 약 40 내지 약 150 mL/kg; 또는 약 50 내지 약 125 mL/kg의 범위일 수 있다. 상기와 같이, 퍼지 가스의 체적 유량은 표준 온도(21.1℃) 및 압력(101kPa)에서 체적 유량이다.
본 발명의 일 실시예와 일치하고, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 용융 금속 탈가스 방법은 용융 금속 배스 내에 존재하는 용존 가스의 약 10 중량% 초과를 제거하는데 효과적일 수 있고, 즉 용융 금속 배스 내의 용존 가스의 양은 탈가스 프로세스가 이용되기 전에 존재하는 용존 가스의 양으로부터 10 중량% 초과만큼 감소될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 존재하는 용존 가스의 양은, 탈가스 프로세스가 이용되기 전에 존재하는 용존 가스의 양으로부터, 약 15 중량% 초과, 약 20 중량% 초과, 약 25 중량% 초과, 약 35 중량% 초과, 약 50 중량% 초과, 약 75 중량% 초과, 또는 약 80 중량% 초과만큼 감소될 수 있다. 예를 들면, 용존 가스가 수소인 경우, 알루미늄 또는 구리를 함유하는 용융 배스 내의 약 0.3ppm 또는 0.4ppm 또는 0.5ppm(질량 기준) 초과의 수소 레벨은 해로울 수 있으며, 흔히 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 2 ppm 초과일 수 있다. 본 발명의 실시예에 개시된 방법을 사용함으로써, 용융 금속 배스 내의 용존 가스의 양을, 약 0.4ppm 미만; 대안적으로, 약 0.3ppm 미만; 대안적으로, 약 0.2ppm 미만; 대안적으로 약 0.1ppm 내지 약 0.4ppm의 범위 이내; 대안적으로, 약 0.1ppm 내지 약 0.3ppm의 범위 이내; 또는 대안적으로, 약 0.2ppm 내지 약 0.3ppm의 범위 이내까지 감소시킬 수 있는 것으로 고려된다. 이들 및 다른 실시예에 있어서, 용존 가스는 수소일 수 있거나 수소를 포함할 수 있으며, 용융 금속 배스는 알루미늄 및/또는 구리일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련되고, 탈가스 방법(예를 들면, 용융 금속을 포함하는 배스 내의 용존 가스의 양을 감소시키는 방법) 또는 불순물 제거 방법에 관한 본 발명의 실시예는 용융 금속 배스에서 초음파 장치를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 초음파 장치는 초음파 변환기 및 세장형 프로브를 포함할 수 있으며, 이 프로브는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함할 수 있다. 제 1 단부는 초음파 변환기에 부착될 수 있고, 제 2 단부는 팁을 포함할 수 있으며, 세장형 프로브의 팁은 니오븀을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 프로세스 및 방법에서 이용될 수 있는 초음파 장치의 예시적이고 비제한적인 예에 대한 세부사항이 하기에서 설명된다.
초음파 탈가스 프로세스 또는 불순물 제거 프로세스에 관한 것이기 때문에, 퍼지 가스는 예를 들어 초음파 장치 근처의 위치에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 퍼지 가스는 초음파 장치의 팁 근처의 위치에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 퍼지 가스는 초음파 장치의 팁의 약 1m 이내에서, 예를 들어 초음파 장치의 팁의 약 100㎝ 이내, 약 50㎝ 이내, 약 40㎝ 이내, 약 30㎝ 이내, 약 25㎝ 이내, 또는 약 20㎝ 이내에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 퍼지 가스는 초음파 장치의 팁의 약 15㎝ 이내; 대안적으로, 약 10㎝ 이내; 대안적으로, 약 8㎝ 이내; 대안적으로, 약 5㎝ 이내; 대안적으로, 약 3㎝ 이내; 대안적으로, 약 2㎝ 이내; 또는 대안적으로, 약 1㎝ 이내에서 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 퍼지 가스는 초음파 장치의 팁에 인접하게 또는 이를 통해 용융 금속 배스 내로 도입될 수 있다.
이러한 이론에 의해 얽매이도록 의도하지 않지만, 초음파 장치의 사용 및 매우 근접부에의 퍼지 가스의 도입은 용융 금속을 함유하는 배스 내의 용존 가스의 양을 현저하게 감소시킨다. 초음파 장치에 의해 생성된 초음파 에너지는 용존 가스가 확산할 수 있는 캐비테이션 기포를 용융물 내에 생성할 수 있다. 그러나, 퍼지 가스의 부재시에, 많은 캐비테이션 기포는 용융 금속 배스의 표면에 도달하기 전에 붕괴될 수 있다. 퍼지 가스는 표면에 도달하기 전에 붕괴되는 캐비테이션 기포의 양을 감소시킬 수 있고, 및/또는 용존 가스를 함유하는 기포의 크기를 증가시킬 수 있고, 및/또는 용융 금속 배스 내의 기포의 수를 증가시킬 수 있고, 및/또는 용존 가스를 함유하는 기포를 용융 금속 배스의 표면으로 이송하는 속도를 증가시킬 수 있다. 초음파 장치는 초음파 장치의 팁에 매우 근접하게 캐비테이션 기포를 생성할 수 있다. 예를 들면, 약 2㎝ 내지 5㎝의 직경을 갖는 팁을 구비하는 초음파 장치의 경우, 캐비테이션 기포는 붕괴되기 전에 초음파 장치의 팁의 약 15㎝, 약 10㎝, 약 5㎝, 약 2㎝ 또는 약 1㎝ 이내에 있을 수 있다. 퍼지 가스가 초음파 장치의 팁으로부터 너무 먼 거리에서 첨가되는 경우, 퍼지 가스는 캐비테이션 기포 내로 확산될 수 없다. 따라서, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 실시예에 있어서, 퍼지 가스는 초음파 장치의 팁의 약 25㎝ 또는 약 20㎝ 이내에서, 보다 유익하게는 초음파 장치의 팁의 약 15㎝ 이내, 약 10㎝ 이내, 약 5㎝ 이내, 약 2㎝ 이내, 또는 약 1㎝ 이내에서 용융 금속 배스 내로 도입된다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 장치는, 예를 들어 미국 특허 공개 공보 제 2000/0224443 호에 개시된 바와 같이, 알루미늄 또는 구리와 같은 용융 금속과 접촉할 수 있으며, 이 특허문헌은 그 전체가 본원에 참조로 원용된다. 용융 금속 내의 용존 가스 함량(예를 들면, 수소)을 감소시키기 위한 초음파 장치에서, 니오븀 또는 그 합금은 장치가 용융 금속에 노출되는 경우의 장치에 대한 보호 배리어로서, 또는 용융 금속에 직접 노출되는 장치의 구성요소로서 사용될 수 있다.
초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예는 용융 금속과 직접 접촉하는 구성요소의 수명을 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 예를 들면, 본 발명의 실시예는 니오븀을 사용하여 용융 금속과 접촉하는 재료의 열화를 감소시켜서, 최종 제품에 있어서의 현저한 품질 향상을 가져올 수 있다. 다시 말해서, 본 발명의 실시예는 보호 배리어로서 니오븀을 사용함으로써 용융 금속과 접촉하는 재료 또는 구성요소를 보호하거나, 그 수명을 증대시킬 수 있다. 니오븀은 본 발명의 전술한 실시예를 제공하는 것을 도울 수 있는 특성, 예를 들어 높은 융점을 가질 수 있다. 또한, 니오븀은 약 200℃ 이상의 온도에 노출된 경우 보호 산화물 배리어를 형성할 수도 있다.
또한, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화와 관련된 본 발명의 실시예는 용융 금속과 직접 접촉하거나 접속하는 구성요소의 수명을 증가시키기 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 니오븀은 특정 용융 금속과의 반응성이 낮기 때문에, 니오븀을 사용함으로써 기재 재료가 열화하는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화로와 관련된 본 발명의 실시예는 니오븀을 사용하여 기재 재료의 열화를 감소시켜서, 최종 제품에 있어서의 현저한 품질 향상을 가져올 수 있다. 따라서, 니오븀은, 용융 금속과 관련하여, 니오븀의 높은 융점과, 알루미늄 및/또는 구리와 같은 용융 금속과의 낮은 반응성을 조합시킬 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 니오븀 또는 그 합금은 초음파 변환기 및 세장형 프로브를 포함하는 초음파 장치에 사용될 수 있다. 세장형 프로브는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함할 수 있으며, 제 1 단부는 초음파 변환기에 부착될 수 있고, 제 2 단부는 팁을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 세장형 프로브의 팁은 니오븀(예를 들면, 니오븀 또는 그 합금)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 초음파 장치는 초음파 탈가스 프로세스에서 사용될 수 있다. 초음파 변환기는 초음파를 발생시킬 수 있으며, 변환기에 부착된 프로브는 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등, 또는 이들의 혼합물 및/또는 조합물(예를 들면, 알루미늄, 구리, 아연, 강철, 마그네슘 등의 다양한 합금을 포함함)과 같은 용융 금속을 포함하는 배스 내에 초음파를 전달할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 있어서, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화의 조합이 사용된다. 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화의 조합의 사용은, 후술하는 바와 같이, 별도로 또한 조합하여 이점을 제공한다. 하기의 논의에 한정되지 않지만, 하기의 논의는 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화의 조합에 수반되는 독특한 효과에 대한 이해를 제공하여, 어느 하나가 단독으로 사용되는 경우에는 예상되지 않은 주조 제품의 전반적인 품질의 향상을 가져온다. 이러한 효과는 본 발명자에 의한 이러한 조합된 초음파 처리의 개발로 실현되었다.
초음파 탈가스에서, 염소 화학물질(초음파 탈가스가 사용되지 않는 경우에 이용됨)이 금속 주조 프로세스에서 제거된다. 화학물질로서의 염소가 용융 금속 배스에 존재하는 경우에, 염소는 배스 내에 존재할 수 있는 알칼리와 같은 다른 이물 원소와 반응하여 강한 화학 결합을 형성할 수 있다. 알칼리가 존재하는 경우, 안정한 염이 용융 금속 배스 내에 형성되어, 전기 전도성 및 기계적 특성을 저하시키는 개재물을 주조 금속 제품에 야기할 수 있다. 초음파 결정립 미세화가 없다면, 붕화티타늄과 같은 화학적 결정립 미세화제가 사용되지만, 이들 재료는 전형적으로 알칼리를 함유한다.
따라서, 초음파 탈가스가 프로세스 원소로서 염소를 제거하고, 초음파 결정립 미세화가 결정립 미세화제(알칼리의 소스)를 제거하는 경우, 안정한 염 형성 및 그에 따른 주조 금속 제품 내의 개재물의 형성 가능성이 실질적으로 감소될 수 있다. 또한, 불순물로서의 이들 이물 원소의 제거는 주조 금속 제품의 전기 전도성을 향상시킨다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화의 조합은, 하나의 이물 불순물을 다른 불순물로 대체하지 않으면서 불순물의 주요 소스 중 2개가 제거되므로, 결과적인 주물 제품이 우수한 기계적 및 전기 전도성 특성을 갖는다는 것을 의미한다. 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화의 조합에 의해 제공되는 다른 이점은 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화 모두가 용융 배스를 효과적으로 "교반하여" 용융 재료를 균질화한다는 사실과 관련된다. 금속의 합금이 용융된 후 응고를 위해 냉각되는 경우, 합금의 중간 상은 상이한 합금 비율의 융점에서의 각각의 차이 때문에 존재할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파 탈가스 및 초음파 결정립 미세화 모두는 중간 상을 교반하여 용융 상 내로 다시 혼합시킨다.
이러한 모든 이점은, 초음파 탈가스 또는 초음파 결정립 미세화 중 어느 하나가 사용된 경우, 또는 이들 중 어는 하나 또는 모두가 종래의 염소 처리로 대체되거나 화학적 결정립 미세화제가 사용되는 경우에 예상되는 것보다, 작은 불순물, 작은 개재물, 양호한 전기 전도성, 양호한 연성 및 높은 인장 강도를 갖는, 결정립이 작은 제품을 얻을 수 있게 한다는 것이다.
초음파 결정립 미세화의 실증
10㎝의 깊이 및 8㎝의 폭을 갖고 주조 휠(30) 내의 직사각형 트로프 또는 채널을 형성하는 도 2, 도 3 및 도 3a에 도시된 격납 구조체가 사용되었다. 가요성 금속 밴드의 두께는 6.35㎜이었다. 가요성 금속 밴드의 폭은 8㎝이었다. 밴드에 사용된 강철 합금은 1010 강이었다. 냉각 매체 내의 물과 접촉하는 진동 프로브를 갖는 1개 또는 2개의 변환기에 공급되는 (프로브당) 120W의 파워로 20kHz의 초음파 주파수가 사용되었다. 주형으로서, 구리 합금 주조 휠의 섹션이 사용되었다. 냉각 매체로서, 물은 거의 실온으로 공급되어 채널(46)을 통해 약 151 리터/분으로 유동하였다.
용융 알루미늄이 40 kg/분의 속도로 주입되어, 등축상 결정립 조직과 일치하는 특성을 나타내는 연속 알루미늄 주물을 제조했지만, 결정립 미세화제가 첨가되지 않았다. 실제로, 이러한 기술을 사용하여 약 9백만 파운드의 알루미늄 로드가 주조되고, 와이어 및 케이블 적용을 위한 최종 치수로 인발되었다.
금속 제품
본 발명의 일 태양에 있어서, 주조 금속 조성물을 포함하는 제품은, 결정립 미세화제가 필요없이 여전히 서브밀리미터의 결정립 크기를 갖고서 주조 휠의 채널 또는 전술한 주조 구조체 내에서 형성될 수 있다. 따라서, 주조 금속 조성물은 결정립 미세화제를 포함하는 5% 미만의 조성물로 이루어지고, 여전히 서브밀리미터의 결정립 크기를 얻을 수 있다. 주조 금속 조성물은 결정립 미세화제를 포함하는 2% 미만의 조성물로 이루어지고, 여전히 서브밀리미터의 결정립 크기를 얻을 수 있다. 주조 금속 조성물은 결정립 미세화제를 포함하는 1% 미만의 조성물로 제조되고, 여전히 서브밀리미터의 결정립 크기를 얻을 수 있다. 바람직한 조성물에서, 결정립 미세화제는 5% 미만 또는 0.2% 미만 또는 0.1% 미만이다. 주조 금속 조성물은 결정립 미세화제를 포함하지 않는 조성물로 이루어지고, 여전히 서브밀리미터의 결정립 크기를 얻을 수 있다.
주조 금속 조성물은 "순수한" 또는 합금된 금속의 성분, 주입 속도, 주입 온도, 냉각 속도를 포함하는 다수의 요인에 따라 달라지는 다양한 서브밀리미터 결정립 크기를 가질 수 있다. 본 발명에 이용가능한 결정립 크기의 리스트는 하기를 포함한다. 알루미늄 및 알루미늄 합금의 경우, 결정립 크기는 200 미크론 내지 900 미크론, 또는 300 미크론 내지 800 미크론, 또는 400 미크론 내지 700 미크론, 또는 500 미크론 내지 600 미크론의 범위이다. 구리 및 구리 합금의 경우, 결정립 크기는 200 미크론 내지 900 미크론, 또는 300 미크론 내지 800 미크론, 또는 400 미크론 내지 700 미크론, 또는 500 미크론 내지 600 미크론의 범위이다. 금, 은 또는 주석 또는 그 합금의 경우, 결정립 크기는 200 미크론 내지 900 미크론, 또는 300 미크론 내지 800 미크론, 또는 400 미크론 내지 700 미크론, 또는 500 미크론 내지 600 미크론의 범위이다. 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 경우, 결정립 크기는 200 미크론 내지 900 미크론, 또는 300 미크론 내지 800 미크론, 또는 400 미크론 내지 700 미크론, 또는 500 미크론 내지 600 미크론 범위이다. 범위로 주어지지만, 본 발명은 또한 중간값일 수 있다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 결정립 미세화제의 작은 농도(5% 미만)는 결정립 크기를 100 미크론 내지 500 미크론 사이의 값까지 더욱 감소시키도록 첨가될 수 있다. 주조 금속 조성물은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 아연, 납, 금, 은, 주석, 청동, 황동 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.
주조 금속 조성물은 바아 소재(bar stock), 로드 소재, 시트 소재, 와이어, 빌릿 및 펠릿(pellet)으로 제조되거나 그렇지 않으면 성형될 수 있다.
컴퓨터 제어
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4에 있어서의 컨트롤러(500)는 도 7에 도시된 컴퓨터 시스템(1201)에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1201)은 컨트롤러(500)로서 사용되어 본 발명의 초음파 처리를 이용하는 전술한 주조 시스템 또는 임의의 다른 주조 시스템 또는 장치를 제어할 수 있다. 하나의 컨트롤러로서 도 1, 도 2, 도 3 및 도 4에 단독으로 도시되어 있지만, 컨트롤러(500)는 서로 통신하고 및/또는 특정 제어 기능에 전용인 개별 및 별도 프로세서를 포함할 수 있다.
특히, 컨트롤러(500)에는, 도 8의 흐름도에 의해 도시된 기능을 수행하는 제어 알고리즘이 구체적으로 프로그래밍될 수 있다.
도 8은 컴퓨터 판독가능 매체 또는 후술하는 데이터 저장 장치들 중 하나에 요소가 프로그래밍되거나 저장될 수 있는 흐름도를 도시하고 있다. 도 8의 흐름도는 금속 제품 내의 핵생성 사이트를 유도하기 위한 본 발명의 방법을 나타낸다. 단계 요소(1802)에서, 프로그래밍된 요소는 용융 금속을 용융 금속 격납 구조체 내로 주입하는 작동을 지시한다. 단계 요소(180)에서, 프로그래밍된 요소는 예를 들어 용융 금속 격납 구조체에 근접한 냉각 채널을 통한 액체 매체의 통과에 의해 용융 금속 격납 구조체를 냉각시키는 작동을 지시한다. 단계 요소(1806)에서, 프로그래밍된 요소는 진동 에너지를 용융 금속에 커플링시키는 작동을 지시한다. 이러한 요소에서, 진동 에너지는, 전술한 바와 같이, 용융 금속 내의 핵생성 사이트를 유도하는 주파수 및 파워를 갖는다.
용융 금속 온도, 주입 속도, 냉각 채널 통로를 통한 냉각 유동, 주형 냉각과 같은 요소, 및 진동 에너지원의 파워 및 주파수의 제어를 포함하는, 주조기를 통과하는 주조 제품의 제어 및 인발과 관련된 요소는 금속 제품 내의 핵생성 사이트를 유도하기 위한 본 발명의 방법을 적용하는 명령을 포함하는 특수 목적 프로세서를 생성하기 위해 표준 소프트웨어 언어(후술함)로 프로그래밍된다.
보다 구체적으로는, 도 7에 도시된 컴퓨터 시스템(201)은 정보를 통신하기 위한 버스(202) 또는 다른 통신 메커니즘, 및 버스(1202)와 커플링된, 정보를 처리하기 위한 프로세서(1203)를 포함한다. 또한, 컴퓨터 시스템(1201)은 버스(1202)에 커플링된, 프로세서(1203)에 의해 실행될 명령 및 정보를 저장하기 위한 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 다른 동적 저장 장치(예를 들면, 동적 RAM(DRAM), 정적 RAM(SRAM) 및 동기식 DRAM(SDRAM))와 같은 메인 메모리(1204)를 포함한다. 또한, 메인 메모리(1204)는 프로세서(203)에 의한 명령의 실행 동안에 임시 변수 또는 다른 중간 정보를 저장하는데 사용될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1201)은 버스(1202)에 커플링된, 프로세서(1203)를 위한 정적 정보 및 명령을 저장하기 위한 판독 전용 메모리(ROM)(1205) 또는 다른 정적 저장 장치(예를 들면, 프로그램가능한 판독 전용 메모리(PROM), 소거가능한 PROM(EPROM) 및 전기적 소거가능한 PROM(EEPROM))를 더 포함한다.
또한, 컴퓨터 시스템(1201)은 자기 하드 디스크(1207) 및 이동식 미디어 드라이브(1208)(예를 들면, 플로피 디스크 드라이브, 판독 전용 콤팩트 디스크 드라이브, 판독/기록 콤팩트 디스크 드라이브, 콤팩트 디스크 주크박스(jukebox), 테이프 드라이브 및 이동식 광자기 드라이브)와 같은, 정보 및 명령을 저장하기 위한 하나 이상의 저장 장치를 제어하도록 버스(1202)에 커플링된 디스크 컨트롤러(1206)를 포함한다. 저장 장치는 적절한 디바이스 인터페이스(예를 들면, 소형 컴퓨터 시스템 인터페이스(SCSI), 통합 구동 전자기기(IDE), 확장-IDE(E-IDE), 직접 메모리 액세스(DMA) 또는 울트라-DMA)를 사용하여 컴퓨터 시스템(1201)에 추가될 수 있다.
또한, 컴퓨터 시스템(1201)은 특수 목적 로직 디바이스(예를 들면, 응용 주문형 집적 회로(ASIC)), 또는 설정가능한 로직 디바이스(예를 들면, 단순 프로그래머블 로직 디바이스(SPLD), 완전 프로그래머블 로직 디바이스(CPLD) 및 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA))를 포함할 수도 있다.
또한, 컴퓨터 시스템(1201)은 정보를 컴퓨터 사용자에게 표시하기 위한 음극선관(CRT) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이를 제어하도록 버스(1202)에 커플링된 디스플레이 컨트롤러(1209)를 포함할 수도 있다. 컴퓨터 시스템은 컴퓨터 사용자(예를 들면, 컨트롤러(500)와 접속하는 사용자)와 상호작용하고 정보를 프로세서(1203)에 제공하기 위한, 키보드 및 포인팅 장치와 같은 입력 장치를 포함한다.
컴퓨터 시스템(1201)은 메인 메모리(1204)와 같은 메모리에 포함된 하나 이상의 명령의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(1203)에 반응하여 본 발명의 처리 단계(예를 들면, 열 정지 상태의 액체 금속에 진동 에너지를 제공하는 것에 대하여 설명된 것 등)의 일부 또는 모두를 수행한다. 그러한 명령은 하드 디스크(1207) 또는 이동식 미디어 드라이브(1208)와 같은 다른 컴퓨터 판독가능 매체로부터 메인 메모리(204) 내로 판독될 수 있다. 다중 처리 장치 내의 하나 이상의 프로세서는 또한 메인 메모리(1204)에 포함된 명령의 시퀀스를 실행하는데 이용될 수도 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 하드-와이어 회로(hard-wired circuitry)는 소프트웨어 명령 대신에 또는 그와 조합하여 사용될 수 있다. 따라서, 실시예는 하드웨어 회로 및 소프트웨어의 임의의 특정 조합에 한정되지 않는다.
컴퓨터 시스템(1201)은 본 발명의 교시에 따라 프로그래밍된 명령을 유지하고 본원에서 설명된 데이터 구조, 테이블, 레코드 또는 다른 데이터를 포함하기 위한 적어도 하나의 컴퓨터 판독가능 매체 또는 메모리를 포함한다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예로서는, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, 플로피 디스크, 테이프, 광자기 디스크, PROM(EPROM, EEPROM, 플래시 EPROM), DRAM, SRAM, SDRAM, 또는 임의의 다른 자기 매체, 콤팩트 디스크(예를 들면, CD-ROM), 또는 임의의 다른 광학 매체, 또는 다른 물리적 매체, 반송파(후술함), 또는 컴퓨터가 판독할 수 있는 임의의 다른 매체가 있다.
본 발명은 컴퓨터 시스템(1201)을 제어하고, 본 발명을 구현하기 위한 장치 또는 장치들을 구동하고, 컴퓨터 시스템(1201)이 인간 사용자와 상호작용할 수 있게 하기 위해 컴퓨터 판독가능 매체의 어느 하나 또는 조합에 저장되는 소프트웨어를 포함한다. 그러한 소프트웨어는 디바이스 드라이브, 운영 체제, 개발 도구 및 응용 소프트웨어를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 그러한 컴퓨터 판독가능 매체는 본 발명을 구현할 때 수행되는 처리의 일부(처리가 분할된 경우) 또는 모두를 수행하기 위한 본 발명의 컴퓨터 프로그램 제품을 더 포함한다.
본 발명의 컴퓨터 코드 장치는 스크립트, 해석가능 프로그램, 동적 링크 라이브러리(DLL), 자바 클래스 및 완전 실행가능 프로그램을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 임의의 해석가능하거나 실행가능한 코드 메커니즘일 수 있다. 또한, 본 발명의 처리의 일부는 보다 양호한 성능, 신뢰성 및/또는 비용을 위해 분할될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 실행을 위해 프로세서(1203)에 명령을 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭한다. 컴퓨터 판독가능 매체는 비휘발성 매체, 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 매체는 예를 들어 하드 디스크(1207) 또는 이동식 미디어 드라이브(1208)와 같은 광 디스크, 자기 디스크 및 광자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 메인 메모리(1204)와 같은 동적 메모리를 포함한다. 전송 매체는 버스(1202)를 구성하는 전선을 비롯하여, 동축 케이블, 구리선 및 광섬유를 포함한다. 또한, 전송 매체는 적외선 데이터 통신 및 전파(radio wave) 동안에 발생되는 것과 같은 음향파 또는 광파의 형태를 취할 수도 있다.
또한, 컴퓨터 시스템(1201)은 버스(1202)에 커플링된 통신 인터페이스(1213)를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(213)는 예를 들어 근거리 통신 네트워크(LAN)(1215) 또는 인터넷과 같은 다른 통신 네트워크(216)에 연결된 네트워크 링크(1214)에 커플링되는 양방향 데이터 통신을 제공한다. 예를 들면, 통신 인터페이스(13)는 임의의 패킷 교환 LAN에 부착하기 위한 네트워크 인터페이스 카드일 수 있다. 다른 예로서, 통신 인터페이스(1213)는 비대칭 디지털 가입자 회선(ADSL) 카드, 통합 서비스 디지털 네트워크(ISDN) 카드, 또는 데이터 통신 연결을 대응하는 타입의 통신 회선에 제공하기 위한 모뎀일 수 있다. 또한, 무선 링크가 구현될 수도 있다. 임의의 그러한 구현예에 있어서, 통신 인터페이스(1213)는 다양한 타입의 정보를 나타내는 디지털 데이터 스트림을 운반하는 전기, 전자기 또는 광 신호를 송신하고 수신한다.
네트워크 링크(1214)는 전형적으로 데이터 통신을 하나 이상의 네트워크를 통해 다른 데이터 장치에 제공한다. 예를 들면, 네트워크 링크(1214)는 로컬 네트워크(1215)(예를 들면, LAN)를 통해, 또는 통신 서비스를 통신 네트워크(1216)를 제공하는 서비스 제공자에 의해 운영되는 장비를 통해 다른 컴퓨터에의 연결을 제공할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이러한 능력은 본 발명이 광범위한 공장 자동화 또는 품질 관리와 같은 목적으로 함께 네트워킹된 다수의 전술한 컨트롤러(500)를 가질 수 있게 한다. 로컬 네트워크(1215) 및 통신 네트워크(1216)는 예를 들어 디지털 데이터 스트림을 운반하는 전기, 전자기 또는 광 신호, 및 관련 물리층(physical layer)(예를 들면, CAT 5 케이블, 동축 케이블, 광섬유 등)을 사용한다. 컴퓨터 시스템(1201)에 대해 디지털 데이터를 운반하는 통신 인터페이스(13)를 통한 네트워크 링크(1214) 상의 신호, 및 다양한 네트워크를 통한 신호는 기저대역 신호 또는 반송파 기반 신호로 구현될 수 있다. 기저대역 신호는 디지털 데이터 비트의 스트림을 기술하는 비변조 전기 펄스로서 디지털 데이터를 이송하고, 여기서 "비트"는 각각이 적어도 하나 이상의 정보 비트를 전달하는 단위(symbol)를 의미하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 또한, 디지털 데이터는 전도성 매체를 통해 전파되거나 전파 매체를 통해 전자기파로서 전송되는 진폭, 위상 및/또는 주파수 편이(frequency shift) 방식 신호와 같은 반송파를 변조하는데 사용될 수도 있다. 따라서, 디지털 데이터는 "유선" 통신 채널을 통해 비변조 기저대역 데이터로서 전송되고 및/또는 반송파를 변조함으로써 기저대역과 상이한 사전결정된 주파수 대역 내에서 전송될 수 있다. 컴퓨터 시스템(1201)은 네트워크(들)(1215, 1216), 네트워크 링크(1214) 및 통신 인터페이스(1213)를 통해 프로그램 코드를 포함하는 데이터를 전송 및 수신할 수 있다. 또한, 네트워크 링크(1214)는 LAN(1215)을 통해 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 랩톱 컴퓨터 또는 휴대 전화와 같은 모바일 장치(1217)에 연결을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 순수 전기 도체 등급 알루미늄 합금 로드 및 합금 도체 등급 알루미늄 로드 코일을 용융 금속으로부터 직접 연속적으로 제조할 수 있는 연속 주조 압연 시스템(CCRS)이 제공된다. CCRS는 컴퓨터 시스템(1201)(전술함) 중 하나 이상을 사용하여 제어, 모니터링 및 데이터 저장을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 고품질의 알루미늄 로드의 수율(yield)을 향상시키기 위해, 진보된 컴퓨터 모니터링 및 데이터 수집(SCADA) 시스템은 압연기(즉, CCRS)를 모니터링 및/또는 제어한다. 이러한 시스템의 추가 변수 및 파라미터는 품질 관리를 위해 표시, 기록(chart), 저장 및 분석될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 하기의 제조후 시험 프로세스 중 하나 이상은 데이터 수집 시스템에서 캡처된다.
와전류 결함 검출기는 라인에 사용되어 알루미늄 로드의 표면 품질을 연속적으로 모니터링할 수 있다. 개재물은, 로드의 표면 근처에 위치된 경우, 검출될 수 있는데, 이는 기지 개재물이 불연속적인 결함으로 작용하기 때문이다. 알루미늄 로드의 주조 및 압연 동안에, 최종 제품에서의 결함은 프로세스의 어느 곳에서도 나올 수 있다. 부정확한 용융물의 화학적 성질 및/또는 금속 내의 과잉 수소는 압연 공정 동안에 결함을 야기할 수 있다. 와전류 시스템은 비파괴 검사이며, CCRS을 위한 제어 시스템은 전술한 결함 중 어느 하나에 대해 작업자(들)에게 경고할 수 있다. 와전류 시스템은 표면 결함을 검출하고, 결함을 소, 중 또는 대로 분류할 수 있다. 와전류 결과는 SCADA 시스템에 기록되고, 알루미늄(또는 처리되는 다른 금속)의 로트 및 제조된 시점에 대해 추적될 수 있다.
일단 로드가 프로세스의 종료시에 감겨지면, 주조 알루미늄의 벌크 기계적 및 전기적 특성이 측정되고 SCADA 시스템에 기록될 수 있다. 제품 품질 시험은 인장, 신율 및 전도도를 포함한다. 인장 강도는 재료 강도의 척도이며, 재료가 파단 전 인장하에서 견딜 수 있는 최대 힘이다. 신율 값은 재료의 연성의 척도이다. 전도도 측정값은 일반적으로 "국제 어닐링 구리 표준(international annealed copper standard; IACS)"의 백분율로서 기록된다. 이러한 제품 품질 매트릭스는 SCADA 시스템에 기록되고, 알루미늄의 로트 및 제조된 시점에 대해 추적될 수 있다.
와전류 데이터에 부가하여, 표면 분석이 비틀림 시험을 이용하여 수행될 수 있다. 주조 알루미늄 로드는 제어된 비틀림 시험을 받는다. 부적절한 응고와 연관된 결함, 개재물 및 압연 프로세서 동안에 생긴 길이방향 결함이 비틀린 로드 상에 확대되어 나타난다. 일반적으로, 이러한 결함은 압연 방향과 평행한 시임(seam)의 형태로 나타난다. 로드가 시계방향 및 반시계방향으로 비틀린 후의 일련의 평행한 라인은 샘플이 균질하다는 것을 나타내는 반면, 주조 프로세스에서의 비균질성은 변동하는 라인을 초래한다. 비틀림 시험의 결과는 SCADA 시스템에 기록되고, 알루미늄의 로트 및 제조된 시점에 대해 추적될 수 있다.
샘플 분석
후술하는 샘플은 전술한 CCR 시스템으로 제조되었다. 샘플을 제조하는 주조 및 압연 프로세스는, 내화 라이닝된 런더 시스템을 통해 전술한 인라인 화학적 결정립 미세화 시스템 또는 초음파 결정립 미세화 시스템으로 전달되는, 용융 및 유지로의 시스템으로부터의 용융 알루미늄의 연속적인 스트림으로서 시작하였다. 또한, CCR 시스템은 용존 수소 또는 다른 가스를 용융 알루미늄으로부터 제거하기 위해 초음파 음향파 및 퍼지 가스를 사용하는 전술한 초음파 탈가스 시스템을 포함했다. 탈가스 장치로부터, 금속은 용융 금속 내의 개재물을 더욱 감소시키는 다공성 세라믹 요소를 갖는 용융 금속 필터로 유동하였다. 다음에, 런더 시스템은 용융 알루미늄을 턴디쉬로 이송한다. 턴디쉬로부터, 용융 알루미늄은, 전술한 바와 같이, 강철 밴드 및 구리 주조 링의 주변 홈에 의해 형성된 주형 내로 주입되었다. 용융 알루미늄은 임계 구역을 위한 자기 유량계를 갖는 다중 구역 물 매니폴드로부터 분무 노즐을 통해 분배된 물에 의해 고체 주조 바아로 냉각되었다. 연속적인 알루미늄 주조 바아는 주조 링을 압출기의 바아 추출 컨베이어 상으로 그리고 압연기까지 빠져나갔다.
압연기는 바아의 직경을 감소시키는 개별 구동식 압연 스탠드를 포함했다. 다음에, 로드는 인발기로 보내지고, 여기서 로드는 사전결정된 직경으로 인발되고, 그 후에 감겨졌다. 일단 로드가 프로세스의 종료시에 감겨지면, 주조 알루미늄의 기계적 및 전기적 특성이 측정되었다. 품질 시험은 인장, 신율 및 전도도를 포함한다. 인장 강도는 재료 강도의 척도이며, 재료가 파단 전 인장하에서 견딜 수 있는 최대 힘이다. 신율 값은 재료의 연성의 척도이다. 전도도 측정값은 일반적으로 "국제 어닐링 구리 표준(IACS)"의 백분율로서 기록된다.
1) 인장 강도는 재료 강도의 척도이며, 재료가 파괴 전 인장하에서 견딜 수 있는 최대 힘이다. 인장 및 신율 측정은 동일한 샘플에서 수행되었다. 인장 및 신율 측정을 위해 10" 게이지 길이의 샘플이 선택되었다. 로드 샘플이 인장 시험기에 삽입되었다. 그립(grip)은 10" 게이지 마크에 배치되었다. 인장 강도 = 파단력(파운드)/단면적(πr2)이고, 여기서 r(인치)은 로드의 반경이다.
2) %신율 = ((L1-L2)/L1)×100. L1은 재료의 초기 게이지 길이이며, L2는 인장 시험에서 파단된 2개의 샘플을 함께 배치하고 발생하는 파단을 측정함으로써 얻어지는 최종 길이이다. 일반적으로, 재료가 연성이 클수록, 인장시의 샘플에서 단면 수축(neck down)이 커지는 것이 관찰된다.
3) 전도도: 전도도 측정값은 일반적으로 "국제 어닐링 구리 표준(IACS)"의 백분율로서 기록된다. 전도도 측정은 켈빈 브리지(Kelvin Bridge)를 사용하여 수행되고, 상세사항은 ASTM B 193-02에 제공되어 있다. IACS는 표준 어닐링 구리 도체에 대한 금속 및 합금의 전기 전도도의 단위이며, 100%의 IACS 값은 20℃에서 5.80×107 지멘스/미터(58.0 MS/m)의 전도도를 나타낸다.
전술한 바와 같은 연속 로드 프로세스는 전기 등급 알루미늄 도체를 제조하는데 사용될 뿐만 아니라, 초음파 결정립 미세화 및 초음파 탈가스를 이용한 기계 알루미늄 합금에도 사용될 수 있다. 초음파 결정립 미세화 프로세서를 시험하기 위해, 주조 바아 샘플이 채취되고 에칭되었다.
초음파 결정립 미세화 프로세스를 사용하여 주조된 로드와 종래의 TIBOR 결정립 미세화제를 사용하여 주조된 로드 사이의 로드 특성에 대한 비교 분석이 완성되었다. 표 1은 초음파 결정립 미세화를 사용하여 처리된 로드의 결과 대 TIBOR 결정립 미세화제를 사용하여 처리된 로드의 결과를 나타내고 있다.
[표 1] 품질 테스트: 초음파 결정립 미세화 대 화학적 결정립 미세화1
Figure pct00002
1: a: 1000 파운드/평방인치; b: 백분율의 신율; c: %IACS로서 기록됨; d: 13개 로드 코일의 평균
부적절한 응고와 연관된 결함, 개재물 및 압연 프로세서 동안에 생긴 길이방향 결함이 비틀린 로드 상에 확대되어 나타난다. 일반적으로, 이러한 결함은 압연 방향과 평행한 시임의 형태로 나타난다. 로드가 시계방향 및 반시계방향으로 비틀린 후의 일련의 평행한 라인은 샘플이 균질하다는 것을 나타내는 반면, 주조 프로세스에서의 비균질성은 변동하는 라인을 초래한다.
하기의 표 2의 데이터는 초음파를 사용하여 매우 적은 결함이 생성되는 것을 나타내고 있다. 최종적인 결론에 도달하지는 않았지만, 적어도 이러한 세트의 데이터 점들로부터, 와전류 시험기에 의해 관찰된 표면 결함의 수는 초음파를 사용하여 처리된 재료에서 더 적었다.
[표 2] 결함 분석: 초음파 결정립 미세화 대 화학적 결정립 미세화
Figure pct00003
비틀림 시험 결과는 초음파 결정립 미세화된 로드의 표면 품질이 화학적 결정립 미세화제를 사용하여 제조된 로드의 표면 품질만큼 양호하다는 것을 나타내고 있다. 초음파 결정립 미세화기가 연속 로드(CR) 프로세스에 대해 설치된 후에, 결정립 미세화제를 0(제로)으로 감소시키면서 고품질의 주물 바아를 제조하였다. 다음에, 열간 압연된 로드는 0.1052" 내지 0.1878" 범위의 다양한 와이어 크기로 인발되었다. 그 후에, 와이어는 오버헤드 전송 케이블로 가공되었다.
제품이 강철 지지 알루미늄 도체(aluminum conductor steel supported; ACSS) 또는 강철 보강 알루미늄 도체(aluminum conductor steel reinforced; ACSR)에 사용될 수 있는 2개의 별도의 도체가 있다. 도체를 제조하는 2개의 프로세스들 사이의 하나의 차이점은 ACSS 알루미늄 와이어가 스트랜딩 후에 어닐링된다는 것이다.
도 10은 ACSR 와이어 프로세스의 흐름도이다. 도 10은 순수한 용융 알루미늄을 ACSR 와이어에 사용되는 알루미늄 와이어로 변환하는 것을 나타낸다. 변환 프로세스에서의 제 1 단계는 용융 알루미늄을 알루미늄 로드로 변환하는 것이다. 다음 단계에서, 로드는 몇 개의 다이를 통해 인발되고, 이것은 최종 직경에 따라 1회 또는 다수회의 인발을 통해 수행될 수 있다. 일단 로드가 최종 직경으로 인발되면, 와이어는 200lbs 내지 500lbs 범위의 중량의 릴(reel) 상에 감겨진다. 이러한 개별 릴은 강철 스트랜딩된 케이블 주위에, 몇 개의 개별 알루미늄 스트랜드를 포함하는 ACSR 케이블로 스트랜딩된다. 스트랜드 수와 각 스트랜드의 직경은 고객 요구사항에 따라 달라진다.
도 11은 ACSS 와이어 프로세스의 흐름도이다. 도 11은 순수한 용융 알루미늄을 ACSS 와이어에 사용되는 알루미늄 와이어로 변환하는 것을 나타낸다. 변환 프로세스에서의 제 1 단계는 용융 알루미늄을 알루미늄 로드로 처리하는 것이다. 다음 단계에서, 로드는 몇 개의 다이를 통해 인발되고, 이것은 최종 직경에 따라 1회 또는 다수회의 인발을 통해 수행될 수 있다. 일단 로드가 최종 직경으로 인발되면, 와이어는 200lbs 내지 500lbs 범위의 중량의 릴 상에 감겨진다. 이러한 개별 릴은 강철 스트랜딩된 케이블 주위에, 몇 개의 개별 알루미늄 스트랜드를 포함하는 ACSS 케이블로 스트랜딩된다. 스트랜드 수와 각 스트랜드의 직경은 고객 요구사항에 따라 달라진다. ACSR 및 ACSS 케이블의 하나의 차이점은, 알루미늄이 강철 케이블 주위에 스트랜딩되면, 전체 케이블이 노에서 열처리되어 알루미늄을 연질 상태(dead soft condition)로 되게 한다는 것이다. ACSR 케이블의 강도는 알루미늄 및 강철 케이블로 인한 강도의 조합에서 나오는 반면, ACSS 케이블의 강도의 대부분은 ACSS 케이블 내측의 강철에서 나온다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
도 12는 알루미늄 스트립 프로세스의 흐름도이고, 여기서 스트립은 금속 피복 케이블(metal clad cable)로 최종적으로 처리된다. 도 12는 제 1 단계가 용융 알루미늄을 알루미늄 로드로 변환하는 것이라는 것을 나타낸다. 이것에 이어서, 로드는 몇 개의 압연 다이를 통해 압연되어, 일반적으로 약 O.375"의 폭 및 약 O.015" 내지 0.018"의 두께를 갖는 스트립으로 변환된다. 압연된 스트립은 약 600lbs의 중량을 갖는 도넛 형상의 패드로 가공된다. 다른 폭 및 두께가 또한 압연 프로세스를 사용하여 제조될 수 있지만, 0.375"의 폭 및 0.015" 내지 0.018"의 두께가 가장 일반적이라는 것에 주목하는 것이 중요하다. 다음에, 이러한 패드는 노에서 열처리되어, 이 패드가 중간 어닐링 상태로 되게 한다. 이러한 상태에서, 알루미늄은 완전히 경질도 아니고 연질 상태도 아니다. 그 후에, 이 스트립은 하나 이상의 절연된 회로 도체를 둘러싸는 인터로킹(interlocking) 금속 테이프(스트립)의 피복(armor)으로서 조립된 보호 재킷으로서 사용된다.
이러한 프로세스에 기초하여 하기에 나타낸 비교 분석은 초음파 결정립 미세화 프로세스로 처리된 알루미늄 인발 와이어 및 종래의 TIBOR 결정립 미세화제를 사용하여 처리된 알루미늄 와이어에 대해 완성되었다. 1350 전기 도체 와이어에 대한 ASTM 표준에 명시된 바와 같은 모든 규격이 인발된 샘플에 대해 충족되었다.
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
* 합금 기호는 알루미늄 협회 규격에 따름
** 강철 지지 알루미늄 도체
*** 강철 보강 알루미늄 도체
A: 1000 파운드/평방인치
B: 메가파스칼 단위의 인장 강도
C: 백분율의 신율
D: 국제 어닐링 구리 표준
* 모든 길이 치수는 인치임
도 15는 화학적 결정립 미세화제를 갖지 않은 주물, 결정립 미세화제를 갖는 주물, 초음파 결정립 미세화만을 갖는 주물의 결정립 조직을 나타내는 알루미늄 1350 EC 합금의 비교 현미경 사진이다.
도 16은 1350 EC 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 1350 EC 알루미늄 합금 로드(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표이다.
도 17은 0.130" 직경의 ACSR 알루미늄 와이어(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 0.130" 직경의 ACSR 알루미늄 와이어(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표이다.
도 18은 8176 EEE 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 8176 EEE 알루미늄 합금 로드(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표이다.
도 19는 5154 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 5154 알루미늄 합금 로드(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표이다.
도 20은 5154 알루미늄 합금 스트립(초음파 결정립 미세화를 가짐)에 대한 종래의 5154 알루미늄 합금 스트립(화학적 결정립 미세화제를 가짐)의 비교표이다.
도 21은 5356 알루미늄 합금 로드(초음파 결정립 미세화를 가짐)의 특성의 설명표이다.
본 발명의 일반화된 구현예
본 발명의 하기의 구현예는 본 발명의 하나 이상의 특징을 제공하고, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
구현예 1. 주조기 상의 주조 휠을 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서, 상기 주조 휠 상에 장착(또는 커플링)되는 조립체를 포함하며, 상기 조립체는, 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속에 진동 에너지(예를 들면, 직접적으로 또는 간접적으로 공급되는 초음파, 기계 구동식, 및/또는 음향 에너지)를 공급하는(예를 들면, 공급하는 구성을 갖는) 적어도 하나의 진동 에너지원과, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치와, 선택적으로 상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 안내 장치를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 2. 구현예 1에 있어서, 상기 지지 장치는 냉각 매체를 이송시키기 위한 냉각 채널을 구비하는 하우징을 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 3. 구현예 2에 있어서, 상기 냉각 채널은 물, 가스, 액체 금속 및 엔진 오일 중 적어도 하나를 포함하는 상기 냉각 매체를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 4. 구현예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 적어도 하나의 초음파 변환기, 적어도 하나의 기계 구동식 가진기, 또는 이들의 조합을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 5.
구현예 4에 있어서, 상기 초음파 변환기(예를 들면, 압전 요소)는 400kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되거나, 상기 초음파 변환기(예를 들면, 자왜 요소)는 20kHz 내지 200kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 6. 구현예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 기계 구동식 가진기는 복수의 기계 구동식 가진기를 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 7. 구현예 4에 있어서, 상기 기계 구동식 가진기는 10kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되거나, 분당 8,000 내지 15,000의 진동의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 8a. 구현예 1에 있어서, 상기 주조 휠은 상기 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드를 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 8b. 구현예 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 조립체는 상기 주조 휠 위에 위치되고, 상기 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드가 통과하기 위한 통로를 하우징에 구비하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 9. 구현예 8에 있어서, 상기 밴드는 상기 하우징을 따라 안내되어, 상기 냉각 채널로부터의 냉각 매체가 상기 용융 금속과는 반대측인 상기 밴드의 측부를 따라 유동하게 하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 10. 구현예 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 지지 장치는 니오븀, 니오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈륨, 탄탈륨 합금, 구리, 구리 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 스테인리스강, 세라믹, 복합재, 중합체 또는 금속 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 11. 구현예 10에 있어서, 상기 세라믹은 질화규소 세라믹을 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 12. 구현예 11에 있어서, 상기 질화규소 세라믹은 SIALON을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 13. 구현예 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 하우징은 내화 재료를 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 14. 구현예 13에 있어서, 상기 내화 재료는 구리, 니오븀, 니오븀 및 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐, 및 레늄, 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 15. 구현예 14에 있어서, 상기 내화 재료는 규소, 산소 또는 질소 중 하나 이상을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 16. 구현예 1 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 냉각 매체, 예를 들어 상기 지지 장치 또는 상기 안내 장치를 통해 유동하는 냉각 매체와 접촉하는 하나 초과의 진동 에너지원을 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 17. 구현예 16에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 냉각 채널 내에 삽입되는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 18. 구현예 1 내지 3 및 6 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치와 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 19. 구현예 1 내지 3 내지 6 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치의 베이스에서 밴드와 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는, 용융 금속 처리 장치. 구현예 20. 구현예 1 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 상이한 위치에 분포된 복수의 진동 에너지원을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 21. 구현예 1 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 상기 안내 장치는 상기 주조 휠의 림 상의 밴드 상에 배치되는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 22. 금속 제품을 형성하기 위한 방법에 있어서,
주조기의 격납 구조체 내에 용융 금속을 제공하는 단계와,
상기 격납 구조체 내의 용융 금속을 냉각시키는 단계와,
상기 냉각 동안에 상기 격납 구조체 내의 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법.
구현예 23. 구현예 22에 있어서, 상기 용융 금속을 제공하는 단계는 주조 휠 내의 채널 내로 용융 금속을 주입하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법.
구현예 24. 구현예 22 또는 23에 있어서, 상기 진동 에너지를 커플링시키는 단계는 초음파 변환기 또는 자왜 변환기 중 적어도 하나로부터 상기 진동 에너지를 공급하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법. 구현예 25. 구현예 24에 있어서, 상기 진동 에너지를 공급하는 단계는 5kHz 내지 40kHz의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법. 구현예 26. 구현예 22 또는 23에 있어서, 상기 진동 에너지를 커플링시키는 단계는 기계 구동식 가진기로부터 상기 진동 에너지를 공급하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법. 구현예 27. 구현예 26에 있어서, 상기 진동 에너지를 공급하는 단계는 분당 8,000 내지 15,000회의 진동 또는 10kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법.
구현예 28. 구현예 22 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 금속을 냉각시키는 단계는 상기 용융 금속을 유지하는 격납 구조체에 물, 가스, 액체 금속 및 엔진 오일 중 적어도 하나를 적용함으로써 상기 용융 금속을 냉각시키는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법.
구현예 29. 구현예 22 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 금속을 제공하는 단계는 주형 내에 상기 용융 금속을 전달하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법. 구현예 30. 구현예 22 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 금속을 제공하는 단계는 연속 주조 주형 내에 상기 용융 금속을 전달하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법. 구현예 31. 구현예 22 내지 30 중 어느 하나에 있어서, 상기 용융 금속을 제공하는 단계는 수평형 또는 수직형 주조 주형 내에 상기 용융 금속을 전달하는 단계를 포함하는, 금속 제품 형성 방법.
구현예 32. 주조기에 있어서, 용융 금속을 냉각시키도록 구성되는 주조 주형과, 구현예 1 내지 21 중 어느 하나에 기재된 용융 금속 처리 장치를 포함하는, 주조기. 구현예 33. 구현예 32에 있어서, 상기 주형은 연속 주조 주형을 포함하는, 주조기. 구현예 34. 구현예 32 또는 33에 있어서, 상기 주형은 수평형 또는 수직형 주조 주형을 포함하는, 주조기.
구현예 35. 주조기에 있어서, 용융 금속을 냉각시키도록 구성되는 용융 금속 격납 구조체와, 상기 용융 금속 격납 구조체에 부착되고, 400kHz까지 범위의 주파수로 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키도록 구성되는 진동 에너지원을 포함하는, 주조기.
구현예 36. 주조기에 있어서, 용융 금속을 냉각시키도록 구성되는 용융 금속 격납 구조체와, 상기 용융 금속 격납 구조체에 부착되고, 10kHz까지 범위(분당 0 내지 15,000회의 진동 및 분당 8,000 내지 15,000회의 진동의 범위를 포함함)의 주파수로 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키도록 구성되는 기계 구동식 진동 에너지원을 포함하는, 주조기.
구현예 37. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템에 있어서, 용융 금속을 용융 금속 격납 구조체 내로 주입하기 위한 수단과, 상기 용융 금속 격납 구조체를 냉각시키기 위한 수단과, 400kHz까지 범위(분당 0 내지 15,000회의 진동, 분당 8,000 내지 15,000회의 진동, 10kHz까지, 15kHz 내지 40kHz, 또는 20kHz 내지 200kHz의 범위를 포함함)의 주파수로 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키기 위한 수단과, 데이터 입력부 및 제어 출력부를 포함하고, 구현예 22 내지 31 중 어느 하나에 기재된 단계 요소 중 어느 하나의 작동을 허용하는 제어 알고리즘으로 프로그래밍되는 컨트롤러를 포함하는, 금속 제품 형성 시스템.
구현예 38. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템에 있어서, 구현예 1 내지 21 중 어느 하나에 기재된 용융 금속 처리 장치와, 데이터 입력부 및 제어 출력부를 포함하고, 구현예 22 내지 31 중 어느 하나에 기재된 단계 요소 중 어느 하나의 작동을 허용하는 제어 알고리즘으로 프로그래밍되는 컨트롤러를 포함하는, 금속 제품 형성 시스템.
구현예 39. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템에 있어서, 주조 휠에 커플링되는 조립체를 포함하며, 상기 조립체는, 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각 매체에 의해 냉각되도록 상기 냉각 매체를 유지하는 하우징과, 상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 장치를 포함하는, 금속 제품 형성 시스템.
구현예 40. 구현예 38에 있어서, 구현예 2, 3, 8 내지 15 및 21 중 어느 하나에 기재된 요소 중 어느 하나를 포함하는, 금속 제품 형성 시스템.
구현예 41. 주조기를 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서, 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속 내에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과, 상기 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 42. 구현예 41에 있어서, 구현예 4 내지 15 중 어느 하나에 기재된 요소 중 어느 하나를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 43. 주조기 상의 주조 휠을 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서, 상기 주조 휠에 커플링되는 조립체를 포함하며, 상기 조립체는, 1) 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과, 2) 상기 적어도 하나의 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치와, 3) 상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 선택적인 안내 장치를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 44. 구현예 43에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속 내에 직접적으로 상기 진동 에너지를 공급하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 45. 구현예 43에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속 내에 간접적으로 상기 진동 에너지를 공급하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 46. 주조기를 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서, 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속 내에 삽입된 프로브에 의해 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과, 상기 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하며, 상기 진동 에너지는 금속이 응고될 때 용융 금속 편석을 감소시키는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 47. 구현예 46에 있어서, 구현예 2 내지 21 중 어느 하나에 기재된 요소 중 어느 하나를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 48. 주조기를 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서, 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속 내에 음향 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과, 상기 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 49. 구현예 48에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 오디오 증폭기를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 50. 구현예 49에 있어서, 상기 오디오 증폭기는 가스 매체를 통해 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 51. 구현예 49에 있어서, 상기 오디오 증폭기는 가스 매체를 통해 상기 용융 금속을 유지하는 지지 구조체 내에 진동 에너지를 커플링시키는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 52, 결정립 크기를 미세화하기 위한 방법에 있어서, 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 단계와, 상기 용융 금속 내에 형성된 수지상정을 파괴하여 상기 용융 금속 내에 핵의 소스를 생성하는 단계를 포함하는, 결정립 크기 미세화 방법.
구현예 53. 구현예 52에 있어서, 상기 진동 에너지는 초음파 진동, 기계 구동식 진동 및 음향 진동 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 결정립 크기 미세화 방법.
구현예 54. 구현예 52에 있어서, 상기 용융 금속 내의 핵의 소스는 이물 불순물을 포함하지 않는, 결정립 크기 미세화 방법.
구현예 55. 구현예 52에 있어서, 상기 용융 금속의 일부는 상기 수지상정을 생성하도록 과냉각되는, 결정립 크기 미세화 방법.
구현예 56. 용융 금속 처리 장치에 있어서,
용융 금속의 소스와,
상기 용융 금속 내에 삽입된 초음파 프로브를 포함하는 초음파 탈가스기와,
상기 용융 금속을 수용하기 위한 주조부와,
상기 주조부 상에 장착되는 조립체를 포함하며,
상기 조립체는, 상기 주조부 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조부 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과,
상기 적어도 하나의 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 57. 구현예 56에 있어서, 상기 주조부는 주조기의 주조 휠의 구성요소를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 58. 구현예 56에 있어서, 상기 지지 장치는 냉각 매체를 이송시키기 위한 냉각 채널을 구비하는 하우징을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 59. 구현예 58에 있어서, 상기 냉각 채널은 물, 가스, 액체 금속 및 엔진 오일 중 적어도 하나를 포함하는 상기 냉각 매체를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 60. 구현예 56에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 적어도 하나의 초음파 변환기를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 61. 구현예 56에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 적어도 하나의 기계 구동식 가진기를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 62. 구현예 61에 있어서, 상기 기계 구동식 가진기는 10kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 63. 구현예 56에 있어서, 상기 주조부는 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 64. 구현예 53에 있어서, 상기 조립체는 상기 주조 휠 위에 위치되고, 상기 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드가 통과하기 위한 통로를 하우징에 구비하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 65. 구현예 64에 있어서, 상기 밴드는 상기 하우징을 따라 안내되어, 상기 냉각 채널로부터의 냉각 매체가 상기 용융 금속과는 반대측인 상기 밴드의 측부를 따라 유동하게 하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 66. 구현예 56에 있어서, 상기 지지 장치는 니오븀, 니오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈륨, 탄탈륨 합금, 구리, 구리 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 스테인리스강, 세라믹, 복합재, 중합체 또는 금속 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 67. 구현예 66에 있어서, 상기 세라믹은 질화규소 세라믹을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 68. 구현예 67에 있어서, 상기 질화규소 세라믹은 SIALON을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 69. 구현예 64에 있어서, 상기 하우징은 내화 재료를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 70. 구현예 69에 있어서, 상기 내화 재료는 구리, 니오븀, 니오븀 및 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐, 및 레늄, 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 71. 구현예 69에 있어서, 상기 내화 재료는 규소, 산소 또는 질소 중 하나 이상을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 72. 구현예 56에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 냉각 매체와 접촉하는 하나 초과의 진동 에너지원을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 73. 구현예 72에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 냉각 채널 내에 삽입되는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 74. 구현예 56에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치와 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 75. 구현예 56에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치의 베이스에서 밴드와 직접 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 76. 구현예 56에 있어서, 상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 상이한 위치에 분포된 복수의 진동 에너지원을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 77. 구현예 57에 있어서, 상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 안내 장치를 더 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 78. 구현예 72에 있어서, 상기 안내 장치는 상기 주조 휠의 림 상의 밴드 상에 배치되는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 79. 구현예 56에 있어서, 상기 초음파 탈가스기는,
상기 초음파 변환기에 부착된 제 1 단부 및 팁을 포함하는 제 2 단부를 포함하는 세장형 프로브와,
퍼지 가스 입구 및 퍼지 가스 출구를 포함하는 퍼지 가스 전달부를 포함하며,
상기 퍼지 가스 출구는 상기 세장형 프로브의 팁에 배치되어 상기 용융 금속 내로 퍼지 가스를 도입하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 80. 구현예 56에 있어서, 상기 세장형 프로브는 세라믹을 포함하는, 용융 금속 처리 장치.
구현예 81. 금속 제품에 있어서,
서브밀리미터 결정립 크기를 갖고, 0.5% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는 주조 금속 조성물을 포함하며,
상기 금속 제품은,
100 lbs/in2의 신장력하에서 10% 내지 30%의 범위인 신율,
50MPa 내지 300MPa의 범위인 인장 강도, 또는
45% 내지 75%의 IAC의 범위인 전기 전도도로 이루어진 특성 중 적어도 하나를 가지며, 여기서 IAC는 표준 어닐링 구리 도체에 대한 전기 전도도의 백분율 단위인, 금속 제품.
구현예 82. 구현예 81에 있어서, 상기 조성물은 0.2% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는, 금속 제품.
구현예 83. 구현예 81에 있어서, 상기 조성물은 0.1% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는, 금속 제품.
구현예 84. 구현예 81에 있어서, 상기 조성물은 결정립 미세화제를 내부에 포함하지 않는, 금속 제품.
구현예 85. 구현예 81에 있어서, 상기 조성물은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 아연, 납, 금, 은, 주석, 청동, 황동 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 금속 제품.
구현예 86. 구현예 81에 있어서, 상기 조성물은 바아 소재, 로드 소재, 시트 소재, 와이어, 빌릿 및 펠릿 중 적어도 하나로 형성되는, 금속 제품.
구현예 87. 구현예 81에 있어서, 상기 신율은 15% 내지 25%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 100MPa 내지 200MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 50% 내지 70%의 IAC의 범위인, 금속 제품.
구현예 88. 구현예 81에 있어서, 상기 신율은 17% 내지 20%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 150MPa 내지 175MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 55% 내지 65%의 IAC의 범위인, 금속 제품.
구현예 89. 구현예 81에 있어서, 상기 신율은 18% 내지 19%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 160MPa 내지 165MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 60% 내지 62%의 IAC의 범위인, 금속 제품.
구현예 90. 구현예 81 및 87 내지 89 중 어느 하나에 있어서, 상기 조성물은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는, 금속 제품.
구현예 91. 구현예 90에 있어서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 강철 보강 와이어 스트랜드를 포함하는, 금속 제품.
구현예 92. 구현예 90에 있어서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 강철 지지 와이어 스트랜드를 포함하는, 금속 제품.
구현예 92. 구현예 52 내지 55에 기재된 프로세스 단계 중 어느 하나 이상에 의해 제조되는 금속 제품에 있어서, 주조 금속 조성물을 포함하는, 금속 제품.
구현예 93. 구현예 92에 있어서, 상기 주조 금속 조성물은 서브밀리미터 결정립 크기를 갖고, 0.5% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는, 금속 제품.
구현예 94. 구현예 92에 있어서, 상기 금속 제품은,
100 lbs/in2의 신장력하에서 10% 내지 30%의 범위인 신율,
50MPa 내지 300MPa의 범위인 인장 강도, 또는
45% 내지 75%의 IAC의 범위인 전기 전도도로 이루어진 특성 중 적어도 하나를 가지며, 여기서 IAC는 표준 어닐링 구리 도체에 대한 전기 전도도의 백분율 단위인, 금속 제품.
구현예 95. 구현예 92에 있어서, 상기 조성물은 0.2% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는, 금속 제품.
구현예 96. 구현예 92에 있어서, 상기 조성물은 0.1% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는, 금속 제품.
구현예 97. 구현예 92에 있어서, 상기 조성물은 결정립 미세화제를 내부에 포함하지 않는, 금속 제품.
구현예 98. 구현예 92에 있어서, 상기 조성물은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 아연, 납, 금, 은, 주석, 청동, 황동 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 금속 제품.
구현예 99. 구현예 92에 있어서, 상기 조성물은 바아 소재, 로드 소재, 시트 소재, 와이어, 빌릿 및 펠릿 중 적어도 하나로 형성되는, 금속 제품.
구현예 100. 구현예 92에 있어서, 상기 신율은 15% 내지 25%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 100MPa 내지 200MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 50% 내지 70%의 IAC의 범위인, 금속 제품.
구현예 101. 구현예 92에 있어서, 상기 신율은 17% 내지 20%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 150MPa 내지 175MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 55% 내지 65%의 IAC의 범위인, 금속 제품.
구현예 102. 구현예 92에 있어서, 상기 신율은 18% 내지 19%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 160MPa 내지 165MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 60% 내지 62%의 IAC의 범위인, 금속 제품.
구현예 103. 구현예 92에 있어서, 상기 조성물은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는, 금속 제품.
구현예 104. 구현예 103에 있어서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 강철 보강 와이어 스트랜드를 포함하는, 금속 제품.
구현예 105. 구현예 103에 있어서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 강철 지지 와이어 스트랜드를 포함하는, 금속 제품.
상기 교시에 비추어 본 발명의 많은 변형예 및 수정예가 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 본 발명이 본원에 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (87)

  1. 주조기 상의 주조 휠을 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서,
    상기 주조 휠 상에 장착되는 조립체를 포함하며,
    상기 조립체는, 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 장치는 냉각 매체를 이송시키기 위한 냉각 채널을 구비하는 하우징을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 채널은 물, 가스, 액체 금속 및 엔진 오일 중 적어도 하나를 포함하는 상기 냉각 매체를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 적어도 하나의 초음파 변환기, 적어도 하나의 기계 구동식 가진기, 또는 이들의 조합을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기는 400kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되는
    용융 금속 처리 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기계 구동식 가진기는 복수의 기계 구동식 가진기를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 기계 구동식 가진기는 10kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되는
    용융 금속 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주조 휠은 상기 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 조립체는 상기 주조 휠 위에 위치되고, 상기 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드가 통과하기 위한 통로를 하우징에 구비하는
    용융 금속 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하우징은 냉각 매체를 이송시키기 위한 냉각 채널을 구비하고,
    상기 밴드는 상기 하우징을 따라 안내되어, 상기 냉각 채널로부터의 냉각 매체가 상기 용융 금속과는 반대측인 상기 밴드의 측부를 따라 유동하게 하는
    용융 금속 처리 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 장치는 니오븀, 니오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈륨, 탄탈륨 합금, 구리, 구리 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 스테인리스강, 세라믹, 복합재, 중합체 또는 금속 중 적어도 하나 이상을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 세라믹은 질화규소 세라믹을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 질화규소 세라믹은 실리카 알루미나 질화물을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 장치는 냉각 매체를 이송시키기 위한 냉각 채널을 구비하는 하우징을 포함하며,
    상기 하우징은 내화 재료를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 내화 재료는 구리, 니오븀, 니오븀 및 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐, 및 레늄, 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 내화 재료는 규소, 산소 또는 질소 중 하나 이상을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 냉각 매체와 접촉하는 하나 초과의 진동 에너지원을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 냉각 채널 내에 삽입되는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치와 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치의 베이스에서 밴드와 직접 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 상이한 위치에 분포된 복수의 진동 에너지원을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 안내 장치를 더 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 안내 장치는 상기 주조 휠의 림 상의 밴드 상에 배치되는
    용융 금속 처리 장치.
  24. 금속 제품을 형성하기 위한 방법에 있어서,
    주조기의 격납 구조체 내에 용융 금속을 제공하는 단계와,
    상기 격납 구조체 내의 용융 금속을 냉각시키는 단계와,
    상기 냉각 동안에 상기 격납 구조체 내의 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 용융 금속을 제공하는 단계는 주조 휠 내의 채널 내로 용융 금속을 주입하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 진동 에너지를 커플링시키는 단계는 초음파 변환기 또는 자왜 변환기 중 적어도 하나로부터 상기 진동 에너지를 공급하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 진동 에너지를 공급하는 단계는 5kHz 내지 40kHz의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 진동 에너지를 커플링시키는 단계는 기계 구동식 가진기로부터 상기 진동 에너지를 공급하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 진동 에너지를 공급하는 단계는 분당 8,000 내지 15,000회의 진동 또는 10kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 용융 금속을 냉각시키는 단계는 상기 용융 금속을 유지하는 격납 구조체에 물, 가스, 액체 금속 및 엔진 오일 중 적어도 하나를 적용함으로써 상기 용융 금속을 냉각시키는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  31. 제 24 항에 있어서,
    상기 용융 금속을 제공하는 단계는 주형 내에 상기 용융 금속을 전달하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  32. 제 24 항에 있어서,
    상기 용융 금속을 제공하는 단계는 연속 주조 주형 내에 상기 용융 금속을 전달하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  33. 제 24 항에 있어서,
    상기 용융 금속을 제공하는 단계는 수평형 또는 수직형 주조 주형 내에 상기 용융 금속을 전달하는 단계를 포함하는
    금속 제품 형성 방법.
  34. 주조기에 있어서,
    용융 금속을 냉각시키도록 구성되는 주조 주형과,
    제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 기재된 용융 금속 처리 장치를 포함하는
    주조기.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 주형은 연속 주조 주형을 포함하는
    주조기.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 주형은 수평형 또는 수직형 주조 주형을 포함하는
    주조기.
  37. 주조기에 있어서,
    용융 금속을 냉각시키도록 구성되는 용융 금속 격납 구조체와,
    상기 용융 금속 격납 구조체에 부착되고, 400kHz까지 범위의 주파수로 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키도록 구성되는 진동 에너지원을 포함하는
    주조기.
  38. 주조기에 있어서,
    용융 금속을 냉각시키도록 구성되는 용융 금속 격납 구조체와,
    상기 용융 금속 격납 구조체에 부착되고, 10kHz까지 범위의 주파수로 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키도록 구성되는 기계 구동식 진동 에너지원을 포함하는
    주조기.
  39. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템에 있어서,
    용융 금속을 용융 금속 격납 구조체 내로 주입하기 위한 수단과,
    상기 용융 금속 격납 구조체를 냉각시키기 위한 수단과,
    400kHz까지 범위의 주파수로 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키기 위한 수단과,
    데이터 입력부 및 제어 출력부를 포함하고, 제 24 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 기재된 단계 요소 중 어느 하나의 작동을 허용하는 제어 알고리즘으로 프로그래밍되는 컨트롤러를 포함하는
    금속 제품 형성 시스템.
  40. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템에 있어서,
    제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 기재된 용융 금속 처리 장치와,
    데이터 입력부 및 제어 출력부를 포함하고, 제 24 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 기재된 단계 요소 중 어느 하나의 작동을 허용하는 제어 알고리즘으로 프로그래밍되는 컨트롤러를 포함하는
    금속 제품 형성 시스템.
  41. 금속 제품을 형성하기 위한 시스템에 있어서,
    주조 휠에 커플링되는 조립체를 포함하며,
    상기 조립체는, 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각 매체에 의해 냉각되도록 상기 냉각 매체를 유지하는 하우징과,
    상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 장치를 포함하는
    금속 제품 형성 시스템.
  42. 주조기를 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서,
    주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속 내에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과,
    상기 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  43. 주조기 상의 주조 휠을 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서,
    상기 주조 휠에 커플링되는 조립체를 포함하며,
    상기 조립체는, 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치와,
    상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 안내 장치를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속 내에 직접적으로 상기 진동 에너지를 공급하는
    용융 금속 처리 장치.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속 내에 간접적으로 상기 진동 에너지를 공급하는
    용융 금속 처리 장치.
  46. 주조기를 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서,
    주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속 내에 삽입된 프로브에 의해 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과,
    상기 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하며,
    상기 진동 에너지는 금속이 응고될 때 용융 금속 편석을 감소시키는
    용융 금속 처리 장치.
  47. 주조기를 위한 용융 금속 처리 장치에 있어서,
    주조 휠 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조 휠 내의 용융 금속 내에 음향 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과,
    상기 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 오디오 증폭기를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 오디오 증폭기는 가스 매체를 통해 상기 용융 금속 내에 진동 에너지를 커플링시키는
    용융 금속 처리 장치.
  50. 제 48 항에 있어서,
    상기 오디오 증폭기는 가스 매체를 통해 상기 용융 금속을 유지하는 지지 구조체 내에 진동 에너지를 커플링시키는
    용융 금속 처리 장치.
  51. 용융 금속 처리 장치에 있어서,
    용융 금속의 소스와,
    상기 용융 금속 내에 삽입된 초음파 프로브를 포함하는 초음파 탈가스기와,
    상기 용융 금속을 수용하기 위한 주조부와,
    상기 주조부 상에 장착되는 조립체를 포함하며,
    상기 조립체는, 상기 주조부 내에서 주조되는 용융 금속이 냉각되는 동안에, 상기 주조부 내의 용융 금속에 진동 에너지를 공급하는 적어도 하나의 진동 에너지원과,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원을 유지하는 지지 장치를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 주조부는 주조기의 주조 휠의 구성요소를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  53. 제 51 항에 있어서,
    상기 지지 장치는 냉각 매체를 이송시키기 위한 냉각 채널을 구비하는 하우징을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 냉각 채널은 물, 가스, 액체 금속 및 엔진 오일 중 적어도 하나를 포함하는 상기 냉각 매체를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  55. 제 51 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 적어도 하나의 초음파 변환기를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  56. 제 51 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 적어도 하나의 기계 구동식 가진기를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 기계 구동식 가진기는 10kHz까지의 주파수 범위의 진동 에너지를 제공하도록 구성되는
    용융 금속 처리 장치.
  58. 제 52 항에 있어서,
    상기 주조 휠은 상기 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  59. 제 52 항에 있어서,
    상기 조립체는 상기 주조 휠 위에 위치되고, 상기 주조 휠의 채널 내에 상기 용융 금속을 가두는 밴드가 통과하기 위한 통로를 하우징에 구비하는
    용융 금속 처리 장치.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 하우징은 냉각 매체를 이송시키기 위한 냉각 채널을 구비하고,
    상기 밴드는 상기 하우징을 따라 안내되어, 상기 냉각 채널로부터의 냉각 매체가 상기 용융 금속과는 반대측인 상기 밴드의 측부를 따라 유동하게 하는
    용융 금속 처리 장치.
  61. 제 51 항에 있어서,
    상기 지지 장치는 니오븀, 니오븀 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 탄탈륨, 탄탈륨 합금, 구리, 구리 합금, 레늄, 레늄 합금, 강철, 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 스테인리스강, 세라믹, 복합재, 중합체 또는 금속 중 적어도 하나 이상을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 세라믹은 질화규소 세라믹을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 질화규소 세라믹은 실리카 알루미나 질화물을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  64. 제 59 항에 있어서,
    상기 하우징은 내화 재료를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 내화 재료는 구리, 니오븀, 니오븀 및 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐, 및 레늄, 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  66. 제 65 항에 있어서,
    상기 내화 재료는 규소, 산소 또는 질소 중 하나 이상을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  67. 제 51 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 냉각 매체와 접촉하는 하나 초과의 진동 에너지원을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  68. 제 67 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 냉각 채널 내에 삽입되는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  69. 제 51 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치와 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  70. 제 51 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치의 베이스에서 밴드와 직접 접촉하는 적어도 하나의 진동 프로브를 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  71. 제 51 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 진동 에너지원은 상기 지지 장치 내의 상이한 위치에 분포된 복수의 진동 에너지원을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  72. 제 52 항에 있어서,
    상기 주조 휠의 이동에 대하여 상기 조립체를 안내하는 안내 장치를 더 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  73. 제 72 항에 있어서,
    상기 안내 장치는 상기 주조 휠의 림 상의 밴드 상에 배치되는
    용융 금속 처리 장치.
  74. 제 51 항에 있어서,
    상기 초음파 탈가스기는,
    상기 초음파 변환기에 부착된 제 1 단부 및 팁을 포함하는 제 2 단부를 포함하는 세장형 프로브와,
    퍼지 가스 입구 및 퍼지 가스 출구를 포함하는 퍼지 가스 전달부를 포함하며,
    상기 퍼지 가스 출구는 상기 세장형 프로브의 팁에 배치되어 상기 용융 금속 내로 퍼지 가스를 도입하는
    용융 금속 처리 장치.
  75. 제 51 항에 있어서,
    상기 세장형 프로브는 세라믹을 포함하는
    용융 금속 처리 장치.
  76. 금속 제품에 있어서,
    서브밀리미터 결정립 크기를 갖고, 0.5% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는 주조 금속 조성물을 포함하며,
    상기 금속 제품은,
    100 lbs/in2의 신장력하에서 10% 내지 30%의 범위인 신율,
    50MPa 내지 300MPa의 범위인 인장 강도, 또는
    45% 내지 75%의 IAC의 범위인 전기 전도도로 이루어진 특성 중 적어도 하나를 가지며, 여기서 IAC는 표준 어닐링 구리 도체에 대한 전기 전도도의 백분율 단위인
    금속 제품.
  77. 제 76 항에 있어서,
    상기 조성물은 0.2% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는
    금속 제품.
  78. 제 76 항에 있어서,
    상기 조성물은 0.1% 미만의 결정립 미세화제를 내부에 포함하는
    금속 제품.
  79. 제 76 항에 있어서,
    상기 조성물은 결정립 미세화제를 내부에 포함하지 않는
    금속 제품.
  80. 제 76 항에 있어서,
    상기 조성물은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 아연, 납, 금, 은, 주석, 청동, 황동 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는
    금속 제품.
  81. 제 76 항에 있어서,
    상기 조성물은 바아 소재, 로드 소재, 시트 소재, 와이어, 빌릿 및 펠릿 중 적어도 하나로 형성되는
    금속 제품.
  82. 제 76 항에 있어서,
    상기 신율은 15% 내지 25%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 100MPa 내지 200MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 50% 내지 70%의 IAC의 범위인
    금속 제품.
  83. 제 76 항에 있어서,
    상기 신율은 17% 내지 20%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 150MPa 내지 175MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 55% 내지 65%의 IAC의 범위인
    금속 제품.
  84. 제 76 항에 있어서,
    상기 신율은 18% 내지 19%의 범위이거나, 상기 인장 강도는 160MPa 내지 165MPa의 범위이거나, 또는 상기 전기 전도도는 60% 내지 62%의 IAC의 범위인
    금속 제품.
  85. 제 76 항 및 제 82 항 내지 제 84 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는
    금속 제품.
  86. 제 85 항에 있어서,
    상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 강철 보강 와이어 스트랜드를 포함하는
    금속 제품.
  87. 제 85 항에 있어서,
    상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 강철 지지 와이어 스트랜드를 포함하는
    금속 제품.
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