TW201700198A - 超音波顆粒精製 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種熔融金屬加工裝置，其包含熔融金屬容納結構，以用於接收並沿著該熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬。該裝置進一步包含：該容納結構之冷卻單元，該冷卻單元包含用於使液體介質在其中通過之冷卻通道；及超音波探頭，其相對於該冷卻通道安置，使得超音波經由該冷卻通道中之該液體介質且經由該熔融金屬容納結構耦合至該熔融金屬中。

Description

超音波顆粒精製 關於由聯邦政府贊助之研究或開發的聲明。
本發明係根據國家科學基金會所授予的資助項目第IIP 1058494號在政府支持下做出的。政府具有本發明中之某些權利。
本發明係關於一種用於產生具有受控制粒度之金屬鑄件之方法、一種用於產生該等金屬鑄件之系統及藉由該等金屬鑄件獲得之產品。
在冶金領域中為開發用於將熔融金屬鑄造成連續金屬棒或鑄造產品之技術已花費相當大的努力。分批鑄造及連續鑄造兩者皆得到良好發展。存在連續鑄造優於分批鑄造之若干優點，但在工業中，此兩者皆被突出使用。
在金屬鑄件之連續產生中，熔融金屬自保溫爐通至一系列流槽中且通至其中熔融金屬經鑄造成金屬棒條之鑄輪之模具中。將已凝固金屬棒條自鑄輪移除且將其引導至其中其經輥軋成連續棒之輥軋機中。取決於金屬棒產品及合金之預期最終用途，該棒可在輥軋期間經受冷卻或該棒可在自輥軋機離開之後立即旋即被冷卻或經淬火以賦予該棒所要的機械及實體性質。諸如在頒予Cofer等人之美國專利第3,395,560號(其之全部內容以引用方式併入本文中)中所闡述之技術的技術已用於連續加工金屬棒或棒條產品。
頒予Jackson等人之美國專利第3,938,991號(其之全部內容以引用方式併入本文中)展示長期以來存在關於「純」金屬產品之鑄造之公認問題。就「純」金屬鑄件而言，此術語係指由初級金屬元素形成、針對特定導電率或抗拉強度或延展性而設計且不包含出於顆粒控制目的添加之單獨雜質之金屬或金屬合金。
顆粒精製係用以藉由化學或物理/機械方式減小新近形成之相位之晶體大小的程序。顆粒細化劑通常經添加至熔融金屬中以在凝固程序或液相至固相轉變程序期間顯著減小已凝固結構之粒度。
實際上，頒予Boily等人之WIPO專利申請案WO/2003/033750(其之全部內容以引用方式併入本文中)闡述「顆粒細化劑」之具體用途。該‘750申請案在其背景技術章節闡述在鋁工業中不同顆粒細化劑通常併入於鋁中以形成母合金。以供在鋁鑄造中使用之典型母合金包括自1%至10%鈦及自0.1%至5%硼或碳，剩餘部分基本上由鋁或鎂組成，其中TiB2或TiC粒子分散於整個鋁基體當中。根據該‘750申請案，可藉由將所需量之鈦及硼溶解於鋁熔體中而產生含有鈦及硼之母合金。此係藉由將熔融鋁與KBF4及K2TiF6在超過800℃之溫度下反應而達成。該等複合鹵鹽迅速與熔融鋁反應並將鈦及硼提供至熔體。
該‘750申請案亦闡述截至2002，此技術已用於產生由幾乎全部顆粒細化劑製造公司使用之商業母合金。通常被稱為成核劑之顆粒細化劑今天仍在使用。舉例而言，Tibor母合金之一個工業供應商闡述對鑄件結構之嚴密控制係在高品質鋁合金產品之產生中之主要要求。
在本發明之前，顆粒細化劑被公認為用以提供精細且均勻毛坯鑄件顆粒結構之最有效方式。以下參考文獻(其之全部內容以引用方式併入本文中)提供此背景技術成果之細節：Abramov, O.V., (1998)，「High-Intensity Ultrasonics,」 Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands，第523頁 至552頁.
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Han等人，「Grain Refining of Pure Aluminum,」 Light Metals 2012，第967頁至971頁.
在本發明之一項實施例中，提供一種熔融金屬加工裝置，該熔融金屬加工裝置包含熔融金屬容納結構，以用於接收並沿著該熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬。該裝置進一步包含：該容納結 構之冷卻單元，該冷卻單元包含用於使液體介質在其中通過之冷卻通道；及超音波探頭，其相對於該冷卻通道安置，使得超音波經由該冷卻通道中之該液體介質且經由該熔融金屬容納結構而耦合至該熔融金屬中。
在本發明之一項實施例中，提供一種用於形成金屬產品之方法。該方法沿著熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬。該方法藉由使介質通過熱耦合至該熔融金屬容納結構之冷卻通道而冷卻該熔融金屬容納結構，且經由該冷卻通道中之該介質且經由該熔融金屬容納結構而將超音波耦合至該熔融金屬中。
在本發明之一項實施例中，提供一種用於形成金屬產品之系統。該系統包含：1)上文所闡述之熔融金屬加工裝置及2)控制器，其包含資料輸入及控制輸出且該系統在控制演算下被程式化，其准許進行上述方法步驟之操作。
在本發明之一項實施例中，提供一種包含鑄造金屬組合物之金屬產品，該鑄造金屬組合物具有次毫米粒度且其中包含少於0.5%之顆粒細化劑。
應理解，本發明之前述一般說明及以下詳細說明兩者皆係例示性的而並非限制於本發明。
2‧‧‧通道結構
2a‧‧‧側壁
2b‧‧‧底板
2c‧‧‧液體介質通路/液體冷卻通道
2c-1‧‧‧液體介質通路進口
2c-2‧‧‧液體介質通路出口
2d‧‧‧超音波探頭/音極
3‧‧‧模具/熔融金屬容納結構
3a‧‧‧熔融金屬容納器件
3b‧‧‧穴區
3c‧‧‧蓋
10‧‧‧遞送裝置
11‧‧‧傾倒口嘴
13‧‧‧旋轉模具環/模具環
14‧‧‧環形撓性金屬帶/上覆金屬帶/金屬帶
15‧‧‧帶定位滾輪
17‧‧‧側集管
18‧‧‧側集管
19‧‧‧側集管
20‧‧‧內帶集管
21‧‧‧外帶集管
24‧‧‧導管網路
25‧‧‧固體鑄造棒條/鑄造棒條
27‧‧‧傳送帶
28‧‧‧輥軋機
30‧‧‧導線棒
50‧‧‧水冷卻銅鑄輪/鑄輪/輪
52‧‧‧撓性鋼帶/鋼帶
62‧‧‧漏斗
64‧‧‧傾倒口嘴
66‧‧‧計量裝置
70‧‧‧脫模機滑片
110‧‧‧連續鑄造與熱成型系統
112‧‧‧鑄造機
114‧‧‧鑄輪
115‧‧‧冷卻系統
116‧‧‧撓性帶/帶
117‧‧‧導輪
119‧‧‧傾倒口嘴
120‧‧‧鑄造棒條/棒條
121‧‧‧加熱構件
124‧‧‧習用輥軋機/輥軋機
125‧‧‧輥軋機架
126‧‧‧輥軋機架
127‧‧‧輥軋機架
128‧‧‧輥軋機架
213‧‧‧熔融金屬鑄件穴/金屬鑄件穴
215‧‧‧第一壁部分/壁
217‧‧‧第二或拐角壁部分/拐角部件/拐角壁部分
219‧‧‧流體保持包層/包層
221‧‧‧進口導管
223‧‧‧出口導管
500‧‧‧控制器
1201‧‧‧電腦系統
1202‧‧‧匯流排
1203‧‧‧處理器
1204‧‧‧主記憶體
1205‧‧‧唯讀記憶體
1206‧‧‧磁碟控制器
1207‧‧‧磁性硬碟/硬碟
1208‧‧‧可抽換式媒體磁碟機
1209‧‧‧顯示控制器
1213‧‧‧通信介面
1214‧‧‧網路鏈路
1215‧‧‧區域網路/網路
1216‧‧‧通信網路/網路
1217‧‧‧行動裝置
由於在結合附圖考量時藉由參考以下詳細說明將使本發明及其諸多伴隨優點變得更好理解，因此將易於獲得對本發明及其諸多伴隨優點之更完整瞭解，其中：圖1A係根據本發明之一項實施例之鑄造通道之示意圖；圖1B係根據本發明之一項實施例之鑄造通道之基底之相片繪示；圖1C係根據本發明之一項實施例之鑄造通道之基底之複合相片 繪示；圖1D係鑄造通道之一項實施例之說明性尺寸之示意性繪示；圖2係根據本發明之一項實施例之模具之相片繪示。
圖3A係根據本發明之一項實施例之連續鑄軋機之示意圖；圖3B係根據本發明之一項實施例之另一連續鑄軋機之示意圖；圖4A係展示存在於鋁錠中之巨觀結構之顯微照片；圖4B係展示存在於鋁錠中之巨觀結構之另一顯微照片；圖4C係展示存在於鋁錠中之巨觀結構之另一顯微照片；圖4D係展示存在於鋁錠中之巨觀結構之另一顯微照片；圖5係繪示粒度隨鑄造溫度而變之圖表；圖6A係繪示存在於鋁錠中之巨觀結構之顯微照片；在本文中所闡述之條件下製備；圖6B係繪示存在於鋁錠中之巨觀結構之另一顯微照片；在本文中所闡述之條件下製備；圖6C係繪示存在於鋁錠中之巨觀結構之另一顯微照片；在本文中所闡述之條件下製備；圖7係繪示粒度隨鑄造溫度而變之另一圖表；圖8係繪示粒度隨鑄造溫度而變之另一圖表；圖9係繪示粒度隨鑄造溫度而變之另一圖表；圖10係繪示粒度隨鑄造溫度而變之另一圖表；圖11A係展示存在於鋁錠中之巨觀結構之顯微照片；在本文中所闡述之條件下製備；圖11B係展示存在於鋁錠中之巨觀結構之另一顯微照片；在本文中所闡述之條件下製備；圖11C係鑄造通道之一項實施例之說明性尺寸之示意性繪示；圖11D係鑄造通道之一項實施例之說明性尺寸之示意性繪示； 圖12係繪示粒度隨鑄造溫度而變之另一圖表；圖13A係鑄造通道之一項實施例之說明性尺寸之另一示意性繪示；圖13B係繪示粒度隨鑄造溫度而變之另一圖表；圖14係根據本發明之一項實施例之連續鑄造機之示意圖。
圖15A係垂直鑄軋機之一個組件之剖面示意圖；圖15B係垂直鑄軋機之另一組件之剖面示意圖(圖15A之II-II)；圖15C係垂直鑄軋機之另一組件之剖面示意圖(圖15A之III-III)；圖15D係垂直鑄軋機之另一組件之剖面示意圖(圖15A之IV-IV)；圖16係用於本文中所繪示之控制件及控制器之說明性電腦系統之示意圖；圖17係繪示根據本發明之一項實施例之方法之流程圖。
金屬及合金之顆粒精製出於諸多原因係重要的，該等原因包含使錠鑄造率最大化、改良對熱裂之抗性、使元件隔離最小化、增強機械性質(尤其係延展性)、改良經加工產品之完成特性及增加充模特性，及降低鑄造合金之孔隙度。通常顆粒精製係用於產生金屬及合金產品(尤其係鋁合金及鎂合金，其係愈來愈多地用於航空太空、國防、汽車、建築及包裝行業中之輕型材料中之兩者)之最早加工步驟中之一者。顆粒精製亦係用於製作可藉由消除柱狀顆粒並形成等軸顆粒鑄造之金屬及合金之重要加工步驟。然而，在本發明之前，雜質或化學「顆粒細化劑」之使用係解決金屬鑄造行業中長期公認之金屬鑄件中之柱狀顆粒形成之問題的唯一方式。
在美國生產之鋁之大約68%皆在進一步加工成片、板、擠製件或箔之前首先鑄造成錠。直接冷卻(DC)半連續鑄造程序及連續鑄造(CC)程序很大程度上由於其穩健本質及相對簡單性而已成為鋁工業之支 柱。關於DC及CC程序之一個問題係在錠凝固期間之熱裂形成或開裂形成。基本上在不使用顆粒精製之情況下所有錠皆將開裂(或不可鑄造)。
但此等現代程序之生產率受用以避免開裂形成之條件限制。顆粒精製係減小合金之熱裂趨勢且因此增加生產率之有效方式。因此，已在可產生儘可能小之粒度之強大顆粒細化劑的開發上集中顯著量之努力。若粒度可減小至次微米位準，則可達成超塑性，此不僅准許以快得多之速率鑄造合金且亦以比當前加工錠快得多之速率在更低溫度下輥軋/擠製合金，從而導致顯著成本節省及能量節省。
目前世界上由初級(大約200億kg)或次級及內部廢料(250億kg)鑄成之幾乎所有鋁皆經顆粒精製，其中不可溶解TiB2核之異質核之直徑大約係幾微米，此在鋁中成核出精細顆粒結構。與化學顆粒細化劑之使用有關之一個問題係有限顆粒精製能力。此外，化學顆粒細化劑之使用導致鋁粒度之有限降低，自具有略高於2,500μm之線性顆粒尺寸的柱狀結構降低至小於200μm之等軸顆粒。鋁合金中之100μm之等軸顆粒好像為可使用可商購之化學顆粒細化劑獲得之限值。
廣泛認為，若可進一步減小粒度，則可顯著增加生產力。次微米位準之粒度導致超塑性，此使在室溫下進行鋁合金之形成容易得多。
與化學顆粒細化劑之使用有關之另一問題係與顆粒細化劑之使用相關聯之缺陷形成。儘管在先前技術中被視為用於顆粒精製必需的，但不可溶解外來粒子在鋁中以其他方式(尤其呈粒子聚結(「叢集」)之形式)係不合意的。以鋁基母合金中之化合物之形式存在之當前顆粒細化劑係藉由一串複雜採礦、選礦及製造程序產生。現在使用之母合金通常含有由鋁顆粒細化劑之習用製造程序引起之氟化鉀鋁(KAIF)鹽及氧化鋁雜質(浮渣)。此等引起鋁之局部缺陷(例如飲料罐中 之「漏洩」及薄箔中之「針孔」)、機器工具磨損及鋁之表面光度問題。來自鋁纜線公司中之一者之資料指示產生缺陷之25%係由於TiB2粒子聚結，且另外25%缺陷係由於在鑄造程序期間陷入至鋁中之浮渣。TiB2粒子聚結通常在擠製期間使導線斷裂，尤其在導線之直徑小於8mm時亦如此。
與化學顆粒細化劑之使用有關之另一問題係顆粒細化劑之成本。此極其適用於使用Zr顆粒細化劑進行鎂錠之產生。使用Zr顆粒細化劑之顆粒精製所產生之每千克Mg鑄件花費約額外$1。用於鋁合金之顆粒細化劑花費每千克$1.50左右。
與化學顆粒細化劑之使用有關之另一問題係減小之導電率。化學顆粒細化劑之使用在鋁中引入過多量之Ti，導致用於纜線應用之純鋁之導電率之大幅降低。為維持特定導電率，公司已支付額外金錢來使用更純鋁用於製作纜線及導線。
除化學方法之外，在過去一個世紀中已探索若干其他顆粒精製方法。此等方法包含使用物理場(諸如磁場及電磁場)及使用機械振動。高強度、低振幅超音波振動係針對不使用外來粒子進行金屬及合金之顆粒精製所示範之實體/機械機構中之一者。然而，在經受短時間週期之超音波振動的最高達幾磅金屬之小錠中獲得實驗結果(諸如來自上文所述之Cui等人(2007))。使用高強度超音波振動進行CC或DC鑄造錠/坯段之顆粒精製實施了極少努力。
本發明中針對顆粒精製所解決之技術挑戰係(1)將超音波能量耦合至熔融金屬達延長時間，(2)維持系統在升高溫度下之自然振動頻率，及(3)當超音波波導之溫度係熱的時，增加超音波顆粒精製之顆粒精製效率。對超音波波導及錠兩者之增強之冷卻(如下文所闡述)係此處提出之用於解決此等挑戰之解決方案中之一者。
此外，本發明中所解決之另一技術挑戰係關於鋁愈純愈難以在 凝固程序期間獲得等軸顆粒之事實。甚至關於外部顆粒細化劑(諸如純鋁(諸如1000、1100及1300系列鋁)中之TiB(硼化鈦))之使用，其仍難以獲得等軸顆粒結構。然而，使用本文中所闡述之新穎顆粒精製技術，已獲得等軸顆粒結構。
本發明在不需要引入顆粒細化劑之情況下阻抑柱狀顆粒形成之問題。發明者驚訝地發現在熔融金屬被傾倒至鑄件中時超音波振動至熔融金屬之受控制應用之使用准許實現可與使用當前技術水平顆粒細化劑(諸如TiBor母合金)獲得之粒度比較或小於該等粒度的粒度。
在本發明之一項態樣中，在不需要將雜質粒子(諸如硼化鈦)添加至金屬或金屬合金中之情況下獲得鑄造產品內之等軸顆粒以增加顆粒之數目並改良均勻異質凝固。替代使用成核劑，可使用超音波振動來形成成核位點。具體而言，如下文更詳細地闡釋，超音波振動與液體介質耦合以精製金屬及金屬合金中之顆粒並形成等軸顆粒。
為理解等軸顆粒之形態，考量其中樹枝狀結晶一維地生長且形成伸長顆粒之習用金屬顆粒生長。該等伸長顆粒被稱為柱狀顆粒。若顆粒沿全部方向自由地生長，則形成等軸顆粒。每一等軸顆粒含有垂直生長之6個一次樹枝狀結晶。該等樹枝狀結晶可以相同速率生長。在此情形中，若忽略顆粒內之詳細樹枝狀結晶特徵，則顆粒顯得更像球形。
在本發明之一項實施例中，如圖1A中所展示之通道結構2(即容納結構)將熔融金屬輸送至鑄模(圖1A中未展示)(諸如舉例而言下文詳述之鑄輪)中。通道結構2包含圍阻熔融金屬之側壁2a及底板2b。側壁2a及底板2b可如所展示係單獨實體或可係整合單元。在底板2b下方係液體介質通路2c，其在操作中填充有液體介質。此外，此等兩個元件可如在鑄體中係一體的。
被安置成耦合至液體介質通路2c的係超音波換能器之超音波探頭 2d(或音極(sonotrode)，或超音波輻射器)，該超音波換能器提供穿過液體介質並穿過底板2b進入至液態金屬中之超音波振動(UV)。在本發明之一個實施例中，超音波探頭2d插入至液體介質通路2c中。在本發明之一個實施例中，一個以上超音波探頭或超音波探頭之陣列可插入至液體介質通路2c中。在本發明之一個實施例中，超音波探頭2d附接至液體介質通路2c之壁。雖然不受任何特定理論約束，但在通道之底部處之相對小量過冷(例如，小於10℃)導致形成小的較純鋁核層。來自通道之底部之超音波振動形成此等純鋁核，然後該等純鋁核在凝固期間用作成核劑從而產生均勻顆粒結構。因此，在本發明之一項實施例中，冷卻方法確保在通道之底部處的小量過冷產生小的鋁核層。來自通道之底部之超音波振動將此等核分散且使在過冷層中形成之樹枝狀結晶破裂。然後，此等鋁核及樹枝狀結晶之片段用於在凝固期間於模具中形成等軸顆粒，從而產生均勻顆粒結構。
換言之，傳輸穿過底板2b且進入液態金屬中之超音波振動在金屬或金屬合金中形成成核位點以將粒度精製。底板可係耐火金屬或其他高溫材料，諸如銅、鐵與鋼、鈮、鈮與鉬、鉭、鎢及錸及其合金(包含可擴大此等材料之熔點的一或多種元素，諸如矽、氧或氮)。此外，底板可係若干鋼合金中之一者，諸如舉例而言低碳鋼或H13鋼。
在本發明之一項實施例中，在熔融金屬與冷卻單元之間提供壁，其中壁之厚度足夠薄(如下文在實例中詳述)，使得在穩態產生下，毗鄰於此壁之熔融金屬將被冷卻低於所鑄造之特定金屬的臨界溫度。
在本發明之實施例中之一者中，超音波振動系統用於增強穿過冷卻通道與熔融金屬之間的薄壁之熱傳遞並誘發成核或使在毗鄰於冷卻通道之薄壁之熔融金屬中形成之樹枝狀結晶破裂。
在下文之示範中，超音波振動源在20kHz之聲頻下提供1.5kW之 功率。本發明並不限於彼等功率及頻率。而是，可使用寬廣範圍之功率及頻率，但以下範圍係受關注的。
功率：一般而言，取決於音極或探頭之尺寸，針對每一音極係介於50W與5000W之間的功率。通常將此等功率應用於音極以確保在音極結束處之功率密度高於100W/cm2，此係用於導致熔融金屬中之空蝕之臨限值。此區域處之功率可在自50W至5000W、自100W至3000W、自500W至2000W、自1000W至1500W之範圍內或者任何中間或重疊範圍內變化。用於更大探頭/音極之更高功率及用於更小探頭之更低功率係可能的。
頻率：一般而言，可使用5kHz至400kHz(或任何中間範圍)。另一選擇係，可使用10kHz及30kHz(或任何中間範圍)。另一選擇係，可使用15kHz及25kHz(或任何中間範圍)。所應用之頻率可在自5KHz至400KHz、自10kHz至30kHz、自15kHz至25kHz、自10KHz至200KHz或自50kHz至100kHz之範圍內或者任何中間或重疊範圍內變化。
此外，可類似於用於如在美國專利第8,574,336號(其之全部內容以引用方式併入本文中)中所闡述之熔融金屬脫氣的超音波探頭來構造超音波探頭/音極2d。
在圖1A中，通道結構2之尺寸係根據待鑄造之材料之體積流量來選擇。液體介質通路2c之尺寸係根據穿過通道之冷卻介質之流率來選擇以確保冷卻介質基本上仍處於液相。液體介質可係水。液體介質亦可係油、離子液體、液態金屬、液態聚合物或其他礦物(無機)液體。(舉例而言)在冷卻通路中之蒸汽之形成可使超音波至正被加工之熔融金屬中之耦合降級。底板2b之厚度及材料構造係根據熔融金屬之溫度，穿過底板之厚度之溫度梯度及液體介質通路2c之下伏壁之本質來選擇。下文提供關於熱考量之更多細節。
圖1B及圖1C係通道結構2(不具有側壁2a)之透視圖，其展示底板2b、液體介質通路進口2c-1、液體介質通路出口2c-2及超音波探頭2d。圖1D展示與圖1B及圖1C中所繪示之通道結構2相關聯之尺寸。
在操作期間，在基本上高於合金之液相線溫度的溫度下之熔融金屬由於重力沿著底板2b之頂部流動且在其經過通道結構2時其曝露於超音波振動。底板經冷卻以確保毗鄰於底板之熔融金屬接近於低液相線溫度(例如，高於合金之液相線溫度不到5℃至10℃或甚至低於液相線溫度，但在我們的實驗結果中傾倒溫度可遠高於10℃)。若需要，則可藉由使用通道中之液體或藉由使用輔助加熱器來控制底板之溫度。在操作期間，可藉助遮板(未展示)控制圍繞熔融金屬之氛圍，該遮板(舉例而言)填充有惰性氣體(諸如Ar、He或氮)或用惰性氣體吹掃。沿著通道結構2向下流動之熔融金屬通常處於其中熔融金屬自液體轉化成固體之熱制動狀態中。沿著通道結構2向下流動之熔融金屬離開通道結構2之一端並傾倒至模具(諸如圖2中所展示之模具3)中。模具3具有由相對高溫材料(諸如銅或鋼)製成，部分封圍穴區3b之熔融金屬容納器件3a。模具3可具有蓋3c。圖2中所展示之模具可固持約5kg之鋁熔體。本發明並不限於此載重能力。模具並不限於圖2中所展示之形狀。在替代實例中，已使用經定大小以產生大約7.5cm直徑及6.35cm高圓錐形狀之錠的銅模具。可使用用於模具之其他大小、形狀及材料。模具可係固定或移動的。
模具3可具有在美國專利第4,211,271號(其之全部內容以引用方式併入本文中)中闡述、用於輪帶型連續金屬鑄造機之模具之屬性。具體而言，如其中所闡述且可作為本發明之實施例應用，角填充裝置或材料結合模製部件(諸如輪及帶)一起使用以修改模具幾何形狀以便防止由於在具有銳邊及直邊之其他模具形狀中存在之凝固應力的角開裂。可將根據凝固圖案中之所要改變選擇之燒蝕、導電或絕緣材料引 入至與移動之模製部件(諸如環形帶或鑄輪)分離或附接至該等模製部件的模具中。
在一種操作模式中，水泵(未展示)將水泵送至通道結構2中，且離開通道結構2之水噴灑熔融金屬容納結構3之外側。在其他操作模式中，單獨冷卻供應器用於冷卻通道結構2及熔融金屬容納結構3。在其他操作模式中，除水之外的流體可用於冷卻介質。在模具中，金屬冷卻形成凝固主體，通常在體積上收縮並自模具之側壁釋放。
雖然圖2中未展示，但在連續鑄造程序中，模具3將係旋轉輪之一部分，且熔融金屬將藉由穿過曝露端進入而填充模具3。此連續鑄造程序闡述於頒予Chis等人之美國專利第4,066,475號(其之全部內容以引用方式併入本文中)中。舉例而言，在本發明之一項態樣中且參考圖3A，可在其中所展示之設備中進行連續鑄造之步驟。該設備包含遞送裝置10，該遞送裝置接納含有正常雜質之熔融銅金屬並將該金屬遞送至傾倒口嘴11。該傾倒口嘴將包含為單獨附接件(或將隨其整合圖1A至圖1B中所展示之通道結構2(或本說明書中其他地方所闡述之其他通道結構)之組件)以便提供對熔融金屬之超音波加工以誘發成核位點。
傾倒口嘴11將熔融金屬引導至旋轉模具環13(例如，圖2中所展示之不具有蓋3c之模具3)上所含有之周邊凹槽。環形撓性金屬帶14環繞模具環13之一部分以及一組帶定位(band-positioning)滾輪15之一部分兩者，使得藉由模具環13中之凹槽以及點A與點B之間的上覆金屬帶14界定連續鑄模。提供冷卻系統以用於冷卻設備並在熔融金屬於旋轉模具環13上輸送期間達成熔融金屬之受控制凝固。冷卻系統包含安置於模具環13之側上的複數個側集管17、18及19以及在金屬帶14環繞模具環之位置處分別安置於金屬帶14之內側及外側上的內帶集管20及外帶集管21。具有適合閥調之導管網路24經連接以將冷卻劑供應並排 出至各種集管以便控制設備之冷卻及熔融金屬之凝固速率。關於此類型設備之更詳細展示及闡釋，可參考頒予Ward等人之美國專利第3,596,702號(其之全部內容以引用方式併入本文中)。
圖3A亦展示控制圖3A中所展示之連續鋁鑄造系統之各種零件之控制器500。如下文詳細論述，控制器500包含以經程式化指令來控制圖3A中所繪示之連續鑄造系統之操作的一或多個處理器。
藉由此構造，熔融金屬自傾倒口嘴11饋送至點A處之鑄模中且在其於點A與點B之間輸送期間藉由穿過冷卻系統之冷卻劑之循環凝固並部分冷卻。因此，至鑄造棒條到達點B時，其呈固體鑄造棒條25之形式。將固體鑄造棒條25自鑄輪抽出且將其饋送至傳送帶27，該傳送帶將鑄造棒條傳送至輥軋機28。應注意，在點B處，鑄造棒條25僅冷卻足以使棒條凝固之量且該棒條保持處於升高溫度以允許對其執行立即輥軋操作。輥軋機28可包含輥軋機架之串列陣列，其將棒條連續輥軋成具有基本上均勻、圓形剖面之連續長度之導線棒30。
圖3B係根據本發明之一項實施例之另一連續鑄軋機之示意圖。圖3B提供連續棒(CR)系統之整體視圖且具有展示圍繞傾倒口嘴之擴展圖之插圖。圖3B中所展示之CR系統表徵為輪與帶鑄造系統，其具有水冷卻銅鑄輪50及撓性鋼帶52。在本發明之一個實施例中，鑄輪50在鑄輪之外周邊具有凹槽(自所提供之視圖不明顯)，且撓性鋼帶52圍繞鑄輪50行進大約半途以封圍鑄造凹槽。在本發明之一個實施例中，鑄造凹槽及封圍鑄造凹槽之撓性鋼帶形成模穴60。在本發明之一個實施例中，當輪50旋轉時，漏斗62、傾倒口嘴64及計量裝置66將熔融鋁遞送至鑄造凹槽中。在本發明之一個實施例中，就在傾倒點之前將分模劑/模塗料施加至輪及鋼帶。熔融金屬通常被鋼帶52固持於適當位置直至完成凝固程序為止。當輪轉動時，鋁(或被傾倒金屬)凝固。已凝固鋁在脫模機滑片(stripper shoe)70之幫助下離開輪50。然後擦拭 輪50，且在引入新的熔融鋁之前重新施加脫模劑。
在圖3B之CR系統中，傾倒口嘴將包含為單獨附接件(或將隨其整合圖1A至圖1B中所展示之通道結構2(或本說明書中其他地方所闡述之其他通道結構)之組件)以便提供對熔融金屬之超音波加工以誘發成核位點。
圖3B亦展示(如上文)控制圖3B中所展示之連續鋁鑄造系統之各種零件之控制器500。控制器500包含以經程式化指令來控制圖3B中所繪示之連續鑄造系統之操作的一或多個處理器。
如上文所述，模具可係固定的，如將用於砂模鑄造、石膏模鑄造、殼模法、包模鑄造、永久模鑄造、壓模鑄法等中。雖然下文關於鋁進行闡述，但本發明並不如此受限制且其他金屬(諸如銅、銀、金、鎂、青銅、黃銅、錫、鋼、鐵及其合金)亦可利用本發明之原理。另外，金屬-基體複合物可利用本發明之原理以控制鑄體中之所得粒度。
示範：
以下示範展示本發明之效用且並不意欲將本發明限制於下文所陳述之特定尺寸、冷卻條件、生產率及溫度中之任一者，除非在申請專利範圍中使用此說明書。
使用圖1A至圖1D中所展示之通道結構及圖2中之模具，用文件記錄本發明之結果。除如下文所述之外，通道結構亦具有大約5cm寬及54cm長之底板2b，標記約52cm(即，大約液體冷卻通道2c之長度)之振動路徑。底板之厚度如下文所述而變化，但對於鋼底板，該厚度係6.35mm。此處所使用之鋼合金係1010鋼。液體冷卻通道2c之高度及寬度分別係大約2cm及4.5cm。冷卻流體係在接近室溫下供應且以大約22公升/分至25公升/分流動之水。
1)不具有顆粒細化劑且不具有超音波振動
圖4A及圖4B係在不具有本發明之顆粒細化劑且不具有超音波振動之情況下傾倒之純鋁錠之巨觀結構之繪示。所鑄造之樣品分別係在1238℉或670℃(圖4A)以及1292℉或700℃(圖4B)之傾倒溫度下形成。藉由在凝固程序期間在模具上噴灑水而使模具冷卻。具有6.35mm之厚度之鋼通道用於圖4A至圖4D中之通道結構。圖4C及圖4D係在不具有本發明之顆粒細化劑且不具有超音波振動之情況下傾倒之純鋁錠之巨觀結構之繪示。所鑄造之樣品分別係在1346℉或730℃(圖4C)以及1400℉或760℃(圖4D)之傾倒溫度下形成。藉由在凝固程序期間在模具上噴灑水而再次使模具冷卻。在圖4A至圖4D中，傾倒速率係大約40kg/min。
圖5係所量測粒度隨傾倒(或鑄造溫度)而變之圖。顆粒展示係柱狀且具有取決於鑄造溫度介於自mm至幾十mm之範圍內之粒度的晶體，其中中值粒度係自高於12mm至高於18mm。
2)不具有顆粒細化劑且不具有超音波振動
圖6A至圖6C係在不具有本發明之顆粒細化劑且不具有超音波振動之情況下傾倒之純鋁錠之巨觀結構之繪示。所鑄造之樣品分別係在1256℉或680℃(圖6A)、1292℉或700℃(圖6B)以及1328℉或720℃(圖6C)之傾倒溫度下形成。藉由在凝固程序期間在模具上噴灑水而使模具冷卻。具有6.35mm之厚度之鋼通道用於用以形成圖6A至圖6C中所展示之樣品的通道結構。在此等實例中，熔融鋁在鋼通道(5cm寬底板)上方流動，在上部表面上達約35cm之流動距離。超音波振動探頭安裝於鋼通道結構之上部側下方，且定位於距自傾倒熔融鋁的通道結構之端約7.5cm。在圖6A至圖6C中，傾倒速率係大約40kg/min。超音波探頭/音極由Ti合金(Ti-6Al-4V)製成。頻率係20kHz，且超音波振動之強度係最大振幅之50%，約40μm。
圖7係所量測粒度隨傾倒(或鑄造溫度)而變之圖。顆粒展示係柱 狀且具有小於0.5微米之粒度的晶體。此等結果展示本發明之超音波加工在產生純金屬之等軸顆粒時與Tibor(含鈦與硼化合物)顆粒細化劑一樣有效。例如，參見圖13獲得關於具有Tibor顆粒細化劑之樣品的資料。
此外，對於甚至更高傾倒速率亦實現本發明之效果。使用跨越鋼通道(7.5cm寬底板)之75kg/min之傾倒速率(在上部表面上達約52cm之流動距離)，本發明之超音波加工在產生純金屬之等軸顆粒時亦與Tibor顆粒細化劑一樣有效。圖8係在75kg/min傾倒速率下所量測粒度隨傾倒(或鑄造溫度)而變之圖。
已使用具有6.35mm之厚度及如上文所述之相同橫向尺寸的銅底板做出類似示範。圖9係在75kg/min傾倒速率下且使用上文所論述之銅通道的所量測粒度隨傾倒(或鑄造溫度)而變之圖。結果展示對於銅而言，當鑄造溫度處於1238℉或670℃時顆粒精製效果較佳。
已使用具有1.4mm之厚度及如上文所述之相同橫向尺寸的鈮底板做出類似示範。圖10係在75kg/min傾倒速率下且使用上文所論述之鈮通道的所量測粒度隨傾倒(或鑄造溫度)而變之圖。結果展示對於鈮而言，當鑄造溫度處於1238℉或670℃時顆粒精製效果較佳。
在本發明之另一示範中，已發現，超音波探頭距通道3之傾倒端之位移之變化提供在不添加顆粒細化劑之情況下而使粒度變化之方式。針對上文所闡述在1346℉或730℃(圖11A)以及1400℉或760℃(圖11B)之各別傾倒溫度下之鈮板的圖11A及圖11B展示在超音波探頭距傾倒端之距離自7.5cm延長至22cm之總位移時的粗得多之顆粒結構。圖11C及圖11D係超音波探頭之實驗定位及位移之示意圖，自其收集關於超音波探頭位移之效果之資料。低於23cm或甚至更長之位移在減小粒度時係有效的。然而，傾倒溫度之窗(即，範圍)隨探頭/音極之位置至金屬模具之間的距離增加而降低。本發明並不限於此範 圍。
圖12係在75kg/min傾倒速率下且使用上文所論述之鈮通道的所量測粒度隨傾倒(或鑄造溫度)而變之圖，但其中超音波探頭距傾倒端之距離延長達22cm之總位移。此圖展示粒度顯著受傾倒溫度影響。當傾倒溫度高於約1300℉或704℃時，粒度大得多且具有部分柱狀晶體，而在傾倒溫度小於1292℉或700℃時，粒度幾乎等於其他條件時之粒度。
此外，在較高溫度下，顆粒細化劑之使用通常導致小於較低溫度下之粒度。在760℃下，經顆粒精製錠之平均粒度係397.76μm，而經超音波振動加工錠之平均粒度係475.82μm，其中粒度之標准偏差分別係在169μm及95μm左右，從而展示超音波振動比Al-Ti-B顆粒細化劑產生更均勻顆粒。
在本發明之一項尤具吸引力態樣中，在較低溫度下，超音波振動加工比顆粒細化劑之添加更有效。
在本發明之另一態樣中，傾倒溫度可用於控制改變經受超音波振動之錠中之粒度。發明者已發現粒度隨降低之傾倒溫度而降低。發明者亦發現在使用超音波振動時且在於高於合金被傾倒之液相線溫度10℃內之溫度下將熔體傾倒至模具中時發生等軸顆粒。
圖13A係延長之倒注端(running end)構形之示意圖。在圖13A之延長之倒注端構形中，鈮通道之倒注端自1.25cm延長至約12.5cm，且超音波探頭位置定位於距管端7.5cm處。延長之倒注端係藉由將鈮板添加至原始倒注端而實現。圖13B係繪示在使用鈮通道時鑄造溫度對所得粒度之影響之圖表。當傾倒溫度小於1292℉或700℃時，所實現之粒度實際上等於較短倒注端。
本發明並不限於將超音波振動之使用僅應用於上文所闡述之通道結構。一般而言，超音波振動可在鑄造程序中在其中熔融金屬開始 自熔融狀態冷卻且進入固態(即，熱制動狀態)之點處誘發成核。以不同方式觀察，本發明在各種實施例中將超音波振動與熱管理組合，使得毗鄰於冷卻表面之熔融金屬接近於合金之液相線溫度。在此等實施例中，雖然超音波振動形成核並使可在冷卻板之表面上形成之樹枝狀結晶破裂，但冷卻板之表面溫度足夠低以誘發成核及晶體生長(樹枝狀結晶形成)。
替代構形
因此，在本發明中，超音波振動(除在上文所述之通道結構中所引入之超音波振動外)可用於藉助超音波振動器在熔融金屬至模具中之入口點處誘發成核，該超音波振動器藉助液體冷卻劑較佳耦合至模具入口。此選項在固定模具中可係更具吸引力的。在某些鑄造構形(舉例而言具有垂直鑄件)中，此選項可係唯一實踐實施方案。
另一選擇係或結合地，超音波振動可在將熔融金屬提供至通道結構或將熔融金屬直接提供至模具的流槽處誘發成核。如同之前一樣，超音波振動器較佳耦合至流槽且因此藉助液體冷卻劑耦合至熔融金屬。
此外，除在鑄造成固定模具及鑄造成上文所闡述之連續棒型模具時使用本發明之超音波振動加工外，本發明亦具有美國專利第4,733,717號(其之全部內容以引用方式併入本文中)中所闡述之鑄軋機之效用。如圖14中所展示(自彼專利再現)，連續鑄造與熱成型系統110包含鑄造機112，該鑄造機進一步包含其中具有周邊凹槽之鑄輪114，由複數個導輪117攜載之撓性帶116，該複數個導輪將撓性帶116抵靠鑄輪114偏置以使鑄輪114之圓周之一部分覆蓋周邊凹槽且在帶116與鑄輪114之間形成模具。當熔融金屬穿過傾倒口嘴119被傾倒至模具中時，鑄輪114旋轉且帶116隨鑄輪114一起移動以形成移動模具。傾倒口嘴119將包含為單獨附接件(或將隨其整合圖1A至圖1B中 所展示之通道結構2(或本說明書中其他地方所闡述之其他通道結構)之組件)以便提供對熔融金屬之超音波加工以誘發成核位點。
鑄造機112之冷卻系統115致使熔融金屬在模具中均勻地凝固且作為鑄造棒條120離開鑄輪114。
來自鑄造機112之鑄造棒條120通過加熱構件121。加熱構件121充當預加熱器以用於將棒條120溫度自無疵鑄件溫度提高至熱成型溫度，即自約1700℉或927℃提高至約1750℉或954℃。在預加熱之後，棒條120立即通過習用輥軋機124，該習用輥軋機包含輥軋機架125、126、127及128。輥軋機124之輥軋機架藉由依序壓縮經預加熱棒條直至該棒條減小至所要剖面大小及形狀而提供鑄造棒條之初級熱成型。
圖14亦展示控制圖14中所展示之連續鑄造系統之各種零件之控制器500。如下文詳細論述，控制器500包含以經程式化指令來控制圖14中所繪示之連續銅鑄造系統之操作的一或多個處理器。
此外，除在鑄造成固定模具及鑄造成上文所闡述之連續輪型鑄造系統時使用本發明之超音波振動加工外，本發明亦具有垂直鑄軋機之效用。
圖15繪示垂直鑄軋機之選定組件。垂直鑄軋機之此等組件及其他態樣之更多細節存在於美國專利第3,520,352號(其之全部內容以引用方式併入本文中)中。如圖15中所展示，垂直鑄軋機包含熔融金屬鑄件穴213，該熔融金屬鑄件穴在所圖解說明之實施例中通常係方形的，但其可係圓形、橢圓形、多邊形或任何其他適合形狀，且該熔融金屬鑄件穴由垂直、互相相交之第一壁部分215與第二或拐角壁部分217(定位於模具之頂部部分中)限界。流體保持包層219以與鑄件穴之壁215及拐角部件217間隔開之關係環繞壁215及拐角部件217。包層219經調適以經由進口導管221接納冷卻流體(諸如水)，且經由出口導管223排放冷卻流體。
雖然第一壁部分215較佳由高度導熱材料(諸如銅)製成，但第二或拐角壁部分217係由較不導熱材料(諸如舉例而言，陶瓷材料)構造而成。如圖15中所展示，拐角壁部分217具有大致L形或角剖面，且每一拐角之垂直邊緣向下並朝向彼此會聚地傾斜。因此，拐角部件217在模具中處於模具排放端上方且介於各橫向區段之間某一方便高度處終止。
在操作中，熔融金屬自漏斗流動至垂直往復之鑄模中且自模具連續抽出金屬之鑄件條。熔融金屬首先在接觸可被視為第一冷卻區之較冷模具壁後旋即在模具中冷卻。在此區中熱係自熔融金屬被迅速移除，且據信會完全地圍繞熔融金屬之中心池區形成材料表層(skin)。
在本發明中，通道結構2(或類似於圖1中所展示之結構的結構)可提供為用以將熔融金屬輸送至熔融金屬鑄件穴213中之傾倒裝置之一部分。在此構形中，通道結構2與其超音波探頭將提供對熔融金屬之超音波加工以誘發成核位點。
在替代構形中，超音波探頭將相對於流體保持包層219安置且較佳地安置至在流體保持包層219中循環之冷卻介質中。如同之前一樣，在自金屬鑄件穴213連續抽出金屬之鑄件條時，超音波振動可在熔融金屬中誘發成核(例如在其中熔融金屬自液體轉化成固體之其熱制動狀態中)。
熱管理
如上文所述，在本發明之一項態樣中，來自超音波探頭之超音波振動與液體介質耦合以較佳地精製金屬及金屬合金中之顆粒並形成較均勻凝固。超音波振動較佳地經由介入之液體冷卻介質傳遞至液態金屬。
雖然並不限於任何特定操作理論，但以下論述圖解說明影響超音波耦合之某些因素。
較佳地，以足以使毗鄰於冷卻板之金屬過冷(高於合金之液相線溫度不到~5℃至10℃或稍微低於液相線溫度)之速率提供冷卻液體流。因此，本發明之一個屬性使用此等冷卻板條件及超音波振動來減小大量金屬之粒度。將超音波振動用於顆粒精製之先前技術僅在短鑄造時間內針對少量金屬起作用。冷卻系統之使用確保本發明可用於大量金屬達長時間或其他連續鑄造。
在一個實施例中，冷卻介質之流率較佳地但未必足以防止經過底板且進入冷卻通道之壁中之耗熱率產生可破壞超音波耦合之水蒸氣袋。
在自熔融金屬至冷卻通道中之溫度通量之一個考量中，底板(透過其厚度及構造材料之設計)可經設計以支持自熔融金屬溫度至冷卻水溫度之大部分溫度降。若(舉例而言)跨越底板厚度之溫度降僅係幾百℃，則將跨越水/水蒸氣界面存在剩餘溫度降，可能會使超音波耦合降級。
此外，如上文所述，通道結構之底板2b可附接至液體介質通路2c之壁，從而准許不同材料用於此等兩個元件。在此設計考量中，不同導熱率之材料可用於以適合方式分散溫度降。此外，液體介質通路2c之剖面形狀及/或液體介質通路2c之內部壁之表面光度可經調適以在不形成汽相界面之情況下促進進入冷卻介質中之熱交換。舉例而言，可在液體介質通路2c之內部壁上提供有意表面突出部以促進藉由在經加熱表面上之氣泡之生長表徵之成核沸騰，該等表面突出部由表面上之離散點引起，其溫度僅稍微高於液體溫度。
金屬產品
在本發明之一項態樣中，可在不需要顆粒細化劑之情況下製作包含鑄造金屬組合物之產品且該等產品仍具有次毫米粒度。因此，鑄造金屬組合物可以少於包含顆粒細化劑之組合物之5%製作且仍獲得 次毫米粒度。鑄造金屬組合物可以少於包含顆粒細化劑之組合物之2%製作且仍獲得次毫米粒度。鑄造金屬組合物可以少於包含顆粒細化劑之組合物之1%製作且仍獲得次毫米粒度。在較佳組合物中，顆粒細化劑少於0.5%或少於0.2%或少於0.1%。鑄造金屬組合物可以不包含顆粒細化劑之組合物製作且仍獲得次毫米粒度。
鑄造金屬組合物可取決於包含「純」金屬或合金金屬之成分、傾倒速率、傾倒溫度、冷卻速率等若干因素而具有多種次毫米粒度。可用於本發明之粒度之清單包含以下各項。對於鋁及鋁合金，粒度介於自200微米至900微米，或自300微米至800微米，或自400微米至700微米，或自500微米至600微米之範圍內。對於銅及銅合金，粒度介於自200微米至900微米，或自300微米至800微米，或自400微米至700微米，或自500微米至600微米之範圍內。對於金、銀或錫或者其合金，粒度介於自200微米至900微米，或自300微米至800微米，或自400微米至700微米，或自500微米至600微米之範圍內。對於鎂或鎂合金，粒度介於自200微米至900微米，或自300微米至800微米，或自400微米至700微米，或自500微米至600微米之範圍內。雖然以範圍給出，但本發明亦能夠使用中間值。在本發明之一項態樣中，可添加小濃度(少於5%)之顆粒細化劑以將粒度進一步減小至介於100微米與500微米之間的值。鑄造金屬組合物可包含鋁、銅、鎂、鋅、鉛、金、銀、錫、青銅、黃銅及其合金。
鑄造金屬組合物可經抽取或以其他方式形成為條料、棒、坯料、片料、線材、坯段及丸粒。
電腦化控制
可藉助圖16中所展示之電腦系統1201來實施圖3A、圖3B及圖14中之控制器500。電腦系統1201可用作控制器500以控制上文所述之鑄造系統或採用本發明之超音波加工之任何其他鑄造系統或設備。雖然 在圖3A、圖3B及圖14中單獨繪示為一個控制器，但控制器500可包含彼此通信及/或專用於特定控制功能之離散及單獨處理器。
具體而言，控制器500可被具體程式化有控制演算法，該等控制演算法實施藉由圖17中之流程圖所繪示之功能。
圖17繪示流程圖，其要素可經程式化或儲存於電腦可讀媒體中或儲存於下文所論述之資料儲存裝置中之一者中。圖17之流程圖繪示用於在金屬產品中誘發成核位點之本發明之方法。在步驟要素1702處，經程式化要素將在其中金屬自液體轉化成固體之熱制動狀態中沿著熔融金屬容納結構之縱向長度引導輸送熔融金屬之操作。在步驟要素1704處，經程式化要素將藉由使液體介質通過冷卻通道而引導冷卻熔融金屬容納結構之操作。在步驟要素1706處，經程式化要素將引導經由冷卻通道中之液體介質且經由熔融金屬容納結構而將超音波耦合至熔融金屬中之操作。在此要素中，超音波將具有在熔融金屬中誘發成核位點之頻率及功率，如上文所論述。
諸如熔融金屬溫度、傾倒速率、穿過冷卻通道通路之冷卻流及模具冷卻等要素以及與通過軋機之鑄造產品之控制及抽取有關之要素將以標準軟體語言(下文所論述)來程式化以產生含有用以應用本發明方法在金屬產品中誘發成核位點之指令的特殊用途處理器。
更特定而言，圖16中所展示之電腦系統1201包含匯流排1202或用於傳遞資訊之其他通信機構，及與匯流排1202耦合以用於處理資訊之處理器1203。電腦系統1201亦包含主記憶體1204，諸如隨機存取記憶體(RAM)或其他動態儲存裝置(例如，動態RAM(DRAM)、靜態RAM(SRAM)及同步DRAM(SDRAM))，該主記憶體耦合至匯流排1202以用於儲存待藉由處理器1203執行之資訊及指令。另外，主記憶體1204可用於在藉由處理器1203執行指令期間儲存暫時變數或其他中間資訊。電腦系統1201進一步包含唯讀記憶體(ROM)1205或其他靜 態儲存裝置(例如，可程式化唯讀記憶體(PROM)、可抹除PROM(EPROM)及電可抹除PROM(EEPROM))，該唯讀記憶體或其他靜態儲存裝置耦合至匯流排1202以用於儲存用於處理器1203之靜態資訊及指令。
電腦系統1201亦包含耦合至匯流排1202以控制用於儲存資訊及指令之一或多個儲存裝置的磁碟控制器1206，諸如磁性硬碟1207及可抽換式媒體磁碟機1208(例如，軟碟機、唯讀光碟機、讀取/寫入光碟機、光碟點唱機、磁帶機及可抽換式磁光碟機)。可使用適當裝置介面(例如，小電腦系統介面(SCSI)、整合裝置電子器件(IDE)、增強IDE(E-IDE)、直接記憶體存取(DMA)或超DMA)將儲存裝置添加至電腦系統1201。
電腦系統1201亦可包含特殊用途邏輯裝置(例如，特殊應用積體電路(ASIC))或可組態邏輯裝置(例如，簡單可程式化邏輯裝置(SPLD)、複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)及場可程式閘陣列(FPGA))。
電腦系統1201亦可包含顯示控制器1209(諸如陰極射線管(CRT))，該顯示控制器耦合至匯流排1202以控制將資訊顯示給電腦使用者之顯示器。該電腦系統包含用於與電腦使用者(例如與控制器500介接之使用者)互動且將資訊提供至處理器1203之輸入裝置，諸如鍵盤及指向裝置。
電腦系統1201回應於處理器1203執行記憶體(諸如主記憶體1204)中所含有之一或多個指令之一或多個序列而執行本發明之處理步驟中之一部分或所有處理步驟(諸如舉例而言關於在熱制動狀態中將振動能量提供至液態金屬所闡述之處理步驟)。可將此等指令自另一電腦可讀媒體(諸如硬碟1207或可抽換式媒體磁碟機1208)讀取至主記憶體1204中。多處理配置中之一或多個處理器亦可用於執行主記憶體1204中所含有之指令之序列。在替代實施例中，可代替軟體指令或結合軟 體指令一起使用硬接線電路。因此，實施例並不限於硬體電路與軟體之任何特定組合。
如上文所陳述，電腦系統1201包含用於保持根據本發明之教示程式化之指令且用於容納資料結構、表、記錄或本文中所闡述之其他資料的至少一個電腦可讀媒體或記憶體。電腦可讀媒體之實例係光碟、硬碟、軟碟、磁帶、磁光碟、PROM(EPROM、EEPROM、快閃EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM或任何其他磁性媒體，光碟(例如，CD-ROM)或任何其他光學媒體，或其他實體媒體，載波(下文所闡述)，或電腦可自其讀取之任何其他媒體。
儲存於電腦可讀媒體中之任一者上或其一組合上，本發明包含用於控制電腦系統1201、用於驅動用於實施本發明之一或若干裝置，及用於使電腦系統1201能夠與人類使用者互動之軟體。此軟體可包含但不限於裝置驅動程式、作業系統、開發工具及應用程式軟體。此電腦可讀媒體進一步包含用於執行在實施本發明時執行之處理中之所有或一部分(若處理係分散的)處理之本發明之電腦程式產品。
本發明之電腦碼裝置可係任何可解譯或可執行碼機構，包含但不限於腳本、可解譯程式、動態鏈接庫(DLL)、Java類及完整可執行程式。此外，可為較佳效能、可靠性及/或成本而分散本發明之處理之部分。
如本文中所使用之術語「電腦可讀媒體」係指參與將指令提供至處理器1203以供執行之任何媒體。電腦可讀媒體可呈諸多形式，包含但不限於非揮發性媒體、揮發性媒體及傳輸媒體。非揮發性媒體包含(舉例而言)光碟、磁碟及磁光碟，諸如硬碟1207或可抽換式媒體磁碟機1208。揮發性媒體包含動態記憶體，諸如主記憶體1204。傳輸媒體包含同軸纜線、銅導線及光纖，包含構成匯流排1202之導線。傳輸媒體亦可呈聲波或光波之形式，諸如在無線電波及紅外資料通信期間 產生之聲波或光波。
電腦系統1201亦可包含耦合至匯流排1202之通信介面1213。通信介面1213提供耦合至網路鏈路1214之雙向資料通信，該網路鏈路連接至(舉例而言)區域網路(LAN)1215或連接至另一通信網路1216(諸如網際網路)。舉例而言，通信介面1213可係用以附接至任何封包交換LAN之網路介面卡。作為另一實例，通信介面1213可係用以提供至對應類型之通信線之資料通信連接之不對稱數位用戶線(ADSL)卡、整合服務數位網路(ISDN)卡或數據機。亦可實施無線鏈路。在任何此實施方案中，通信介面1213皆發送並接收攜載表示各種類型之資訊之數位資料串流的電信號、電磁信號或光學信號。
網路鏈路1214通常提供透過一或多個網路至其他資料裝置之資料通信。舉例而言，網路鏈路1214可透過區域網路1215(例如，LAN)或透過藉由服務提供者操作之設備提供至另一電腦之連接，該服務提供者透過通信網路1216提供通信服務。在一個實施例中，此能力准許本發明具有出於諸如工廠廣泛自動化或品質控制之目的網路連線在一起之多個上文所闡述控制器500。區域網路1215及通信網路1216使用(舉例而言)攜載數位資料串流之電信號、電磁信號或光學信號，及相關聯實體層(例如，CAT 5纜線、同軸纜線、光纖等)。攜載至電腦系統1201且來自電腦系統1201之數位資料的穿過各種網路之信號及在網路鏈路1214上且穿過通信介面1213之信號可以基頻信號或基於載波之信號實施。基頻信號傳送作為闡述數位資料位元之串流之未調變電脈衝之數位資料，其中術語「位元」應被廣泛地理解為意指符號，其中每一符號傳送至少一或多個資訊位元。數位資料亦可用於諸如用幅移鍵控信號、相移鍵控信號及/或頻移鍵控信號調變載波，該等信號經由傳導介質傳播或穿過傳播介質作為電磁波傳輸。因此，可將數位資料作為未調變基頻資料穿過「有線」通訊通道發送及/或在不同於基 頻之預定頻帶內藉由調變載波發送。電腦系統1201可透過網路1215及1216、網路鏈路1214及通信介面1213傳輸並接收包含程式碼之資料。此外，網路鏈路1214可提供穿過LAN 1215至行動裝置1217(諸如個人數位助理(PDA)膝上型電腦或蜂巢式電話)之連接。
本發明之一般化聲明
本發明之以下聲明提供本發明之一或多個表徵且並不限制本發明之範疇。
聲明1. 一種熔融金屬加工裝置，其包括：熔融金屬容納結構，以用於接收並沿著該熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬；該容納結構之冷卻單元，其包含用於使液體介質在其中通過之冷卻通道；及超音波探頭，其相對於該冷卻通道安置，使得超音波經由該冷卻通道中之該液體介質且經由該熔融金屬容納結構而耦合至該熔融金屬中。
聲明2. 聲明1之裝置，其中該冷卻通道將毗鄰於該冷卻通道之該熔融金屬冷卻至低液相線溫度(高於合金之液相線溫度低於或不到5℃至10℃，或甚至低於液相線溫度)。與該熔融金屬接觸之該冷卻通道之壁厚度必須足夠薄以確保該冷卻通道可實際上將毗鄰於該通道之該熔融金屬冷卻至彼溫度範圍。聲明3. 聲明1之裝置，其中該冷卻通道包括水、氣體、液態金屬及機油中之至少一者。
聲明4. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括圍阻該熔融金屬之側壁及支撐該熔融金屬之底板。聲明5. 聲明4之裝置，其中該底板包括銅、鐵或鋼、鈮或鈮之合金中之至少一者。聲明6. 聲明4之裝置，其中該底板包括陶瓷。聲明7. 聲明6之裝置，其中該陶瓷包括氮化矽陶瓷。聲明8. 聲明7之裝置，其中該氮化矽陶瓷包括矽鋁氮氧化物。聲明9. 聲明4之裝置，其中該等側壁及該底板形成整合單元。聲明10. 聲明4之裝置，其中該等側壁及該底板包括不同材料之不同板。聲明 11. 聲明4之裝置，其中該等側壁及該底板包括相同材料之不同板。
聲明12. 聲明1之裝置，其中該超音波探頭在該冷卻通道中被安置成距接觸結構之下游端比距該接觸結構之上游端更近。
聲明13. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括鈮結構。聲明14. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括銅結構。聲明15. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括鋼結構。聲明16. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括陶瓷。
聲明17. 聲明16之裝置，其中該陶瓷包括氮化矽陶瓷。聲明18. 聲明17之裝置，其中該氮化矽陶瓷包括矽鋁氮氧化物。聲明19. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括熔點大於該熔融金屬之熔點之材料。聲明20. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括不同於支撐件之材料之材料。聲明21. 聲明1之裝置，其中該容納結構包含下游端，該下游端具有用以將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至模具中之構形。
聲明22. 聲明21之裝置，其中該模具包括鑄輪模具。聲明23. 聲明21之裝置，其中該模具包括垂直鑄模。聲明24. 聲明21之裝置，其中該模具包括固定模具。
聲明25. 聲明1之裝置，其中該容納結構包括金屬材料或耐火材料。聲明26. 聲明25之裝置，其中該金屬材料包括銅、鈮、鈮與鉬、鉭、鎢及錸，及其合金中之至少一者。聲明27. 聲明26之裝置，其中該耐火材料包括矽、氧或氮中之一或多者。聲明28. 聲明25之裝置，其中該金屬材料包括鋼合金。
聲明29. 聲明1之裝置，其中該超音波探頭具有介於5kHz與40kHz之間的操作頻率。
聲明30. 一種用於形成金屬產品之方法，其包括沿著熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬；藉由使介質通過熱耦合至該熔融金屬容納結構之冷卻通道而冷卻該熔融金屬容納結構；及經由該冷卻通 道中之該介質且經由該熔融金屬容納結構而將超音波耦合至該熔融金屬中。
聲明31. 聲明30之方法，其中輸送熔融金屬包括在具有側壁及底板之該容納結構中輸送該熔融金屬，該等側壁圍阻該熔融金屬，該底板支撐該熔融金屬。
聲明32. 聲明31之方法，其中該等側壁及該底板形成整合單元。聲明33. 聲明31之方法，其中該等側壁及該底板包括不同材料之不同板。聲明34. 聲明31之方法，其中該等側壁及該底板包括相同材料之不同板。
聲明35. 聲明30之方法，其中耦合超音波包括自超音波探頭耦合該等超音波，該超音波探頭在該冷卻通道中被安置成距接觸結構之下游端比距該接觸結構之上游端更近。
聲明36. 聲明30之方法，其中輸送熔融金屬包括在鈮容納結構中輸送該熔融金屬。聲明37. 聲明30之方法，其中輸送熔融金屬包括在銅接觸結構中輸送該熔融金屬。聲明38. 聲明30之方法，其中輸送熔融金屬包括在銅容納結構中輸送該熔融金屬。聲明39. 聲明30之方法，其中輸送熔融金屬包括在包括熔點大於該熔融金屬之熔點之材料之結構中輸送該熔融金屬。
聲明40. 聲明30之方法，其中輸送熔融金屬包括將該熔融金屬遞送至模具中。聲明41. 聲明40之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至該模具中。聲明42. 聲明41之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至鑄輪模具中。聲明43. 聲明41之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至固定模具中。聲明44. 聲明41之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至垂直鑄模中。
聲明45. 聲明30之方法，其中耦合超音波包括以介於5kHz與40kHz之間的該頻率耦合該等超音波。聲明46. 聲明30之方法，其中耦合超音波包括以介於10kHz與30kHz之間的該頻率耦合該等超音波。聲明47. 聲明30之方法，其中耦合超音波包括以介於15kHz與25kHz之間的該頻率耦合該等超音波。聲明48. 聲明30之方法，其進一步包括使該熔融金屬凝固以產生具有次毫米粒度之鑄造金屬組合物，其中少於5%之該組合物包含顆粒細化劑。聲明49. 聲明48之方法，其中該凝固包括產生該鑄造金屬組合物，其中少於1%之該組合物包含該等顆粒細化劑。
聲明50. 一種用於形成金屬產品之系統，其包括：聲明1至29中任一者之熔融金屬加工裝置；及控制器，其包含資料輸入及控制輸出且被程式化有控制演算法，該等控制演算法准許進行在聲明30至49中所述之步驟要素中之任一者之操作。
聲明51. 一種包括鑄造金屬組合物(或由鑄造金屬組合物形成)之金屬產品，該鑄造金屬組合物具有次毫米粒度且其中包含少於0.5%之顆粒細化劑。聲明52. 聲明51之產品，其中該組合物在其中包含少於0.2%之顆粒細化劑。聲明53. 聲明51之產品，其中該組合物在其中包含少於0.1%之顆粒細化劑。聲明54. 聲明51之產品，其中該組合物在其中不包含顆粒細化劑。聲明55. 聲明51之產品，其中該組合物包含鋁、銅、鎂、鋅、鉛、金、銀、錫、青銅、黃銅及其合金中之至少一者。聲明56. 聲明51之產品，其中該組合物形成為條料、棒、坯料、片料、線材、坯段及丸粒中之至少一者，使得該產品係後鑄造產品，後鑄造產品在本文中被定義為由鑄造材料形成且包含少於5%之顆粒細化劑的產品。在較佳實施例中，該後鑄造產品將具有等軸顆粒。在較佳實施例中，該後鑄造產品將具有介於100微米至500微米、200微米至900微米，或300微米至800微米，或400微米至700微米，或 500微米至600微米之間的粒度，諸如舉例而言在鋁或鋁合金鑄件中。對於銅及銅合金，粒度介於自100微米至500微米，自200微米至900微米，或自300微米至800微米，或自400微米至700微米，或自500微米至600微米之範圍內。對於金、銀或錫或者其合金，粒度介於自100微米至500微米，自200微米至900微米，或自300微米至800微米，或自400微米至700微米，或自500微米至600微米之範圍內。對於鎂或鎂合金，粒度介於自100微米至500微米，自200微米至900微米，或自300微米至800微米，或自400微米至700微米，或自500微米至600微米之範圍內。
聲明57. 一種包括鋁鑄造金屬組合物(或由鋁鑄造金屬組合物形成)之鋁產品，該鋁鑄造金屬組合物具有次毫米粒度且其中包含少於5%之顆粒細化劑。聲明58. 聲明57之產品，其中該組合物在其中包含少於2%之顆粒細化劑。聲明59. 聲明57之產品，其中該組合物在其中包含少於1%之顆粒細化劑。聲明60. 聲明57之產品，其中該組合物在其中不包含顆粒細化劑。聲明57之產品亦可形成為條料、棒、坯料、片料、線材、坯段及丸粒中之至少一者，使得該產品係後鑄造產品，後鑄造產品在本文中被定義為由鑄造材料形成且包含少於5%之顆粒細化劑的產品。在較佳實施例中，後鑄造鋁產品將具有等軸顆粒。在較佳實施例中，該後鑄造產品將具有介於100微米至500微米、200微米至900微米，或300微米至800微米，或400微米至700微米，或500微米至600微米之間的粒度。
聲明61. 一種用於形成金屬產品之系統，其包括：1)用於沿著熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬之構件，2)用於藉由使介質通過熱耦合至該熔融金屬容納結構之冷卻通道而冷卻該熔融金屬容納結構之構件，3)用於經由該冷卻通道中之該介質且經由該熔融金屬容納結構而將超音波耦合至該熔融金屬中之構件，及4)控制器，其包含 資料輸入及控制輸出且被程式化有控制演算法，該等控制演算法准許進行在請求項30至49中所述之步驟要素中之任一者之操作。
根據上文教示，本發明之眾多修改及變化係可能的。因此，應理解，在隨附申請專利範圍之範疇內，可以除本文中所具體闡述之方式外之其他方式來實踐本發明。
2‧‧‧通道結構
2a‧‧‧側壁
2b‧‧‧底板
2c‧‧‧液體介質通路/液體冷卻通道
2d‧‧‧超音波探頭/音極

Claims (62)

  1. 一種熔融金屬加工裝置，其包括：熔融金屬容納結構，其用於接收並沿著其縱向長度輸送熔融金屬；該容納結構之冷卻單元，其包含用於使液體介質在其中通過之冷卻通道；超音波探頭，其相對於該冷卻通道安置，使得超音波經由該冷卻通道中之該液體介質且經由該熔融金屬容納結構耦合至該熔融金屬中。
  2. 如請求項1之裝置，其中該冷卻通道向該熔融金屬提供冷卻，使得毗鄰於該冷卻通道之該熔融金屬達到低液相線(sub-liquidus)溫度。
  3. 如請求項1之裝置，其中該冷卻通道包括水、氣體、液態金屬及機油中之至少一者。
  4. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括圍阻該熔融金屬之側壁及接觸該熔融金屬之底板。
  5. 如請求項4之裝置，其中該底板具有一尺寸之厚度，使得毗鄰於該冷卻通道之熔融金屬達到低液相線溫度。
  6. 如請求項4之裝置，其中該底板包括鈮或鈮合金中之至少一者。
  7. 如請求項4之裝置，其中該底板包括陶瓷。
  8. 如請求項7之裝置，其中該陶瓷包括氮化矽陶瓷。
  9. 如請求項8之裝置，其中該氮化矽陶瓷包括矽鋁氮氧化物。
  10. 如請求項4之裝置，其中該等側壁及該底板形成整合單元。
  11. 如請求項4之裝置，其中該等側壁及該底板包括不同材料之不同板。
  12. 如請求項4之裝置，其中該等側壁及該底板包括相同材料之不同板。
  13. 如請求項1之裝置，其中該超音波探頭在該冷卻通道中被安置成距接觸結構之下游端比距該接觸結構之上游端更近。
  14. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括鈮結構。
  15. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括銅結構。
  16. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括鋼結構。
  17. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括陶瓷。
  18. 如請求項17之裝置，其中該陶瓷包括氮化矽陶瓷。
  19. 如請求項18之裝置，其中該氮化矽陶瓷包括矽鋁氮氧化物。
  20. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括熔點大於該熔融金屬之熔點之材料。
  21. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括與支撐件之材料不同之材料。
  22. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包含下游端，該下游端具有用以將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至模具中之構形。
  23. 如請求項22之裝置，其中該模具包括鑄輪模具。
  24. 如請求項22之裝置，其中該模具包括垂直鑄模。
  25. 如請求項22之裝置，其中該模具包括固定模具。
  26. 如請求項1之裝置，其中該容納結構包括耐火材料。
  27. 如請求項26之裝置，其中該耐火材料包括銅、鈮、鈮與鉬、鉭、鎢、及錸、及其合金中之至少一者。
  28. 如請求項27之裝置，其中該耐火材料包括矽、氧或氮中之一或多者。
  29. 如請求項26之裝置，其中該耐火材料包括鋼合金。
  30. 如請求項1之裝置，其中該超音波探頭具有介於5kHz與40kHz之 間的操作頻率。
  31. 一種用於形成金屬產品之方法，其包括：沿著熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬；藉由使介質通過熱耦合至該熔融金屬容納結構之冷卻通道而冷卻該熔融金屬容納結構；及經由該冷卻通道中之該介質且經由該熔融金屬容納結構將超音波耦合至該熔融金屬中。
  32. 如請求項31之方法，其中輸送熔融金屬包括在具有側壁及底板之該容納結構中輸送該熔融金屬，該等側壁圍阻該熔融金屬，且該底板支撐該熔融金屬。
  33. 如請求項32之方法，其中該等側壁及該底板形成整合單元。
  34. 如請求項32之方法，其中該等側壁及該底板包括不同材料之不同板。
  35. 如請求項32之方法，其中該等側壁及該底板包括相同材料之不同板。
  36. 如請求項31之方法，其中耦合超音波包括自超音波探頭耦合該等超音波，該超音波探頭在該冷卻通道中被安置成距接觸結構之下游端比距該接觸結構之上游端更近。
  37. 如請求項31之方法，其中輸送熔融金屬包括在鈮容納結構中輸送該熔融金屬。
  38. 如請求項31之方法，其中輸送熔融金屬包括在銅接觸結構中輸送該熔融金屬。
  39. 如請求項31之方法，其中輸送熔融金屬包括在銅容納結構中輸送該熔融金屬。
  40. 如請求項31之方法，其中輸送熔融金屬包括在包含熔點大於該熔融金屬之熔點之材料之結構中輸送該熔融金屬。
  41. 如請求項31之方法，其中輸送熔融金屬包括將該熔融金屬遞送至模具中。
  42. 如請求項41之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至該模具中。
  43. 如請求項42之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至鑄輪模具中。
  44. 如請求項42之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至固定模具中。
  45. 如請求項42之方法，其中輸送熔融金屬包括將具有該等成核位點之該熔融金屬遞送至垂直鑄模中。
  46. 如請求項31之方法，其中耦合超音波包括以介於5kHz與40kHz之間的該頻率耦合該等超音波。
  47. 如請求項31之方法，其中耦合超音波包括以介於10kHz與30kHz之間的該頻率耦合該等超音波。
  48. 如請求項31之方法，其中耦合超音波包括以介於15kHz與25kHz之間的該頻率耦合該等超音波。
  49. 如請求項31之方法，其進一步包括使該熔融金屬凝固以產生具有次毫米粒度之鑄造金屬組合物，其中少於5%之該組合物包含顆粒細化劑。
  50. 如請求項49之方法，其中該凝固包括產生該鑄造金屬組合物，其中少於1%之該組合物包含該等顆粒細化劑。
  51. 一種用於形成金屬產品之系統，其包括：如請求項1至30中任一項之熔融金屬加工裝置；及控制器，其包含資料輸入及控制輸出且經程式化有控制演算法，該等控制演算法准許進行如請求項31至50中任一項中所述之步驟要素之操作。
  52. 一種金屬產品，其包括：鑄造金屬組合物，其具有次毫米粒度且其中包含少於0.5%之顆粒細化劑。
  53. 如請求項52之產品，其中該組合物中包含少於0.2%之顆粒細化劑。
  54. 如請求項52之產品，其中該組合物中包含少於0.1%之顆粒細化劑。
  55. 如請求項52之產品，其中該組合物中不包含顆粒細化劑。
  56. 如請求項52之產品，其中該組合物包含鋁、銅、鎂、鋅、鉛、金、銀、錫、青銅、黃銅及其合金中之至少一者。
  57. 如請求項52之產品，其中該組合物被形成為條料、棒、坯料、片料、線材、坯段及丸粒中之至少一者。
  58. 一種鋁產品，其包括：鋁鑄造金屬組合物，其具有次毫米粒度且其中包含少於0.5%之顆粒細化劑。
  59. 如請求項58之產品，其中該組合物中包含少於0.2%之顆粒細化劑。
  60. 如請求項58之產品，其中該組合物中包含少於0.1%之顆粒細化劑。
  61. 如請求項58之產品，其中該組合物中不包含顆粒細化劑。
  62. 一種用於形成金屬產品之系統，其包括：用於沿著熔融金屬容納結構之縱向長度輸送熔融金屬之構件；用於藉由使介質通過熱耦合至該熔融金屬容納結構之冷卻通道而冷卻該熔融金屬容納結構之構件；用於經由該冷卻通道中之該介質且經由該熔融金屬容納結構 將超音波耦合至該熔融金屬中之構件；及控制器，其包含資料輸入及控制輸出且經程式化有控制演算法，該等控制演算法准許進行如請求項31至50中任一項中所述之步驟要素之操作。
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