具有直接振动耦合的晶粒细化的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月8日提交的名称为“具有直接振动耦合的晶粒细化”的美国序列号62/468,709(其全部内容在此通过引用并入本文)的优先权。
本申请涉及2016年8月9日提交的题为“用于金属铸造的超声晶粒细化和脱气程序和系统(ultrasonicgrainrefininganddegassingproceduresandsystemsformetalcasting)”的美国序列号62/372,592(其全部内容通过引用并入本文)。本申请涉及2016年2月15日提交的题为“用于金属铸造的超声晶粒细化和脱气(ultrasonicgrainrefininganddegassingformetalcasting)”的美国序列号62/295,333(其全部内容通过引用并入本文)。本申请涉及2015年12月15日提交的题为“熔融金属的超声晶粒细化和脱气(ultrasonicgrainrefininganddegassingofmoltenmetal)”的美国序列号62/267,507(其全部内容通过引用并入本文)。本申请涉及2015年2月9日提交的题为“超声晶粒细化(ultrasonicgrainrefining)”的美国序列号62/113,882(其全部内容通过引用并入本文)。本申请涉及2015年9月10日提交的题为“连续铸造带上的超声晶粒细化(ultrasonicgrainrefiningonacontinuouscastingbelt)”的美国序列号62/216,842(其全部内容通过引用并入本文)。本申请涉及2016年9月9日提交的题为“用于金属铸造的超声晶粒细化和脱气程序和系统(ultrasonicgrainrefininganddegassingproceduresandsystemsformetalcasting)”的pct/2016/050978(其全部内容通过引用并入本文)。本申请涉及2016年10月28日提交的题为“用于金属铸造的超声晶粒细化和脱气程序和系统(ultrasonicgrainrefininganddegassingproceduresandsystemsformetalcasting)”的美国序列号15/337,645(其全部内容通过引用并入本文)。
本申请涉及2017年2月17日提交的名称为“用于金属铸造的包括增强振动耦合的超声晶粒细化和除气的过程和系统”的美国序列号62/460,287(其全部内容在此通过引用并入本文)。
本发明涉及一种产生具有受控晶粒尺寸的金属铸件的方法、一种用于产生该金属铸件的系统、以及由该金属铸件获得的产品。
背景技术：
在冶金领域已经花费了相当大的努力来开发将熔融金属铸造成连续金属杆或铸造产品的技术。批量铸造和连续铸造两者都良好发展。尽管连续铸造和批量铸件都在工业中得到突出使用，但连续铸造比批量铸件有许多优点。
在金属铸造的连续产生中，熔融金属从保温炉进入一系列流槽并进入铸造轮的模具中，在该模具中将熔融金属铸造成金属棒。将凝固的金属棒从铸造轮中移除并引导到辊轧机，在辊轧机中将金属棒辊轧成连续的杆。取决于金属杆产品和合金的预期最终用途，杆可以在辊轧期间经受冷却，或者杆可以在从辊轧机退出后立即冷却或淬火，以赋予其期望机械和物理性能。诸如cofer等人的美国专利号3,395,560(其全部内容通过引用并入本文)中所述的那些技术已用于连续加工金属杆或棒产品。
sperry等人的美国专利号3,938,991(其全部内容通过引用并入本文)表明，铸造“纯”金属产品存在长期公认的问题。对于“纯”金属铸件，该术语是指金属或金属合金，该金属合金由设计用于特定的电导率或拉伸强度或延展性的主要金属元素形成，而不包括为了晶粒控制而添加的单独杂质。
晶粒细化是通过化学或物理/机械方式降低新形成的相的晶体尺寸的工艺。通常将晶粒细化剂添加到熔融金属中以在凝固工艺或液相到固相转变工艺期间显着减小凝固结构的晶粒尺寸。
实际上，boily等人的wipo专利申请wo/2003/033750(其全部内容通过引用并入本文)描述了“晶粒细化剂”的具体用途。‘750申请在其背景部分中描述，在铝工业中，通常将不同的晶粒细化剂掺入铝中以形成中间合金。用于铝铸件的典型中间合金包括1％至10％的钛和0.1％至5％的硼或碳，余量基本上由铝或镁组成，tib2或tic的颗粒分散在整个铝基质中。根据‘750申请，含有钛和硼的中间合金可以通过将所需量的钛和硼溶解在铝熔体中来产生。这是通过使熔融铝与kbf4和k2tif6在超过800℃的温度下反应来实现的。这些复杂的卤化盐与熔融铝快速反应，并为熔体提供钛和硼。
‘750申请还描述了，截至2002年，几乎所有的晶粒细化剂制造公司使用这种技术来产生商业中间合金。目前仍在使用经常被称为成核试剂的晶粒细化剂。例如，tibor中间合金的商业供应商描述了铸造结构的紧密控制是产生高质量铝合金产品的主要要求。
在本发明之前，晶粒细化剂被认为是提供精细和均匀的铸态晶粒结构的最有效方式。以下参考文献(其全部内容通过引用并入本文)提供了该背景工作的细节：
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在本发明之前，美国专利号8,574,336和8,652,397(每个专利的全部内容通过引用并入本文)描述了用于例如通过将吹扫气体引入到靠近超声装置的熔融金属浴中来减少熔融金属浴中的溶解气体(和/或各种杂质)的量的方法(例如，超声脱气)。这些专利在下文中称为‘336专利和‘397专利。
技术实现要素：
在本发明的一个实施方式中，提供一种熔融金属输送机，其具有在熔融金属的运输过程中与熔融金属接触的接收板。接收板从熔融金属进入到所述接收板上之处的入口延伸至熔融金属流出所述接收板之处的出口。所述熔融金属输送机具有至少一个振动能量源，其将振动能量直接供应至与熔融金属接触的所述接收板。
在本发明的一个实施方式中，提供一种用于形成金属产品的方法，包括：将熔融金属提供至熔融输送机上；通过控制冷却介质而冷却熔融金属，所述冷却介质流动经输送机中的或附接至输送机的冷却通路；将振动能量直接耦合至与输送机上的熔融金属接触的接收板中。
应理解，本发明的前述一般描述和以下详细描述都是示例性的，而不是对本发明的限制。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本发明的更完整的理解及其许多伴随的优点将更容易获得，也同样变得更容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的连续铸造机的示意图；
图2是熔融金属输送机(其具有沿振动板的纵向长度附接的多个磁致伸缩换能器)的示意图；
图3是熔融金属输送机(其具有附接至振动板54的压电超声换能器)的示意图；
图4是多个换能器(其按二维阵列附接至振动板的底部)的示意图；
图5是多个换能器(其附接至振动板的底部，在振动板的分配熔融金属的端部处具有较高密度)的示意图；
图6a是金属输送机的侧视图，表示内部通道供冷却介质在其中流动；
图6b是根据本发明的金属输送机/浇铸装置的视图；
图7是根据本发明一个实施例的铸造轮构造(其利用铸造轮中的熔融金属加工装置)的示意图；
图8是根据本发明一个实施例的铸造轮构造的示意图，其显示出振动探头装置直接耦合至铸造轮中的熔融金属铸体；
图9是本发明的利用振动能量源的静止模具的示意图；
图10a是竖直铸造机的所选择部件的截面示意图；
图10b是竖直铸造机的其它部件的截面示意图；
图10c是竖直铸造机的其它部件的截面示意图；
图10d是竖直铸造机的其它部件的截面示意图；
图11是本发明的实施例(利用超声除气和超声晶粒细化)的示意图；
图12是用于控制的例示性计算机系统和在此所示控制器的示意图；
图13是图示出根据本发明一个实施例的方法的流程图；
图14是acsr线工艺流程图；
图15是acss线工艺流程图；和
图16是铝条带工艺流程图。
具体实施方式
金属和合金的晶粒细化出于很多原因是很重要的，这些原因包括最大化铸锭率、改善抗热撕裂性、最小化元素偏析、增强机械性能，特别是延展性、改善锻造产品的精加工特性和增加模具填充特性、以及降低熔制合金的孔隙率。通常，晶粒细化是产生金属和合金产品的第一个加工步骤之一，该合金产品尤其是铝合金和镁合金，该铝合金和镁合金是航空航天、国防、汽车、建筑和封装行业中越来越多地使用的两种轻质材料。晶粒细化对于通过消除柱状晶粒和形成等轴晶粒来制作可铸造的金属和合金也是重要的加工步骤。
晶粒细化是凝固加工步骤，通过该步骤，通过化学、物理或机械方式减小固相的晶体尺寸，以便制作可铸造的合金并减少缺陷形成。目前，使用tibor对铝产生进行晶粒细化，导致在凝固的铝中形成等轴晶粒结构。在本发明之前，使用杂质或化学“晶粒细化剂”是解决金属铸件中的柱状晶粒形成的金属铸件工业中长期公认问题的唯一方法。另外，在本发明之前，1)超声脱气以从熔融金属中移除杂质(在铸造之前)连同2)上述超声晶粒细化(即，至少一个振动能量源)的组合还没有进行。
然而，由于将这些变质剂输入熔体中，存在与使用tibor相关联的大量成本以及机械限制。一些限制包括延展性、机械加工性和导电性。
不过，存在与使用tibor相关联的高成本和由于将这些孕育剂输入端熔体中所致的机械限制。一些限制包括：延展性、可加工性、和电导性。
尽管有这些成本，但美国产生的大约68％的铝在进一步加工成片材、板材、挤出物或箔片之前首先被铸造成铸锭。直接冷淬(dc)半连续铸造工艺和连续铸造(cc)工艺一直是铝工业的支柱，这主要归功于其稳健的性质和相对简单性。dc和cc工艺的一个问题是在铸锭凝固期间的热撕裂形成或裂缝形成。基本上，在不使用晶粒细化的情况下，几乎所有的铸锭都会破裂(或不可铸造)。
尽管如此，这些现代工艺的产生率受到避免裂缝形成的条件的限制。晶粒细化是降低合金的热撕裂倾向的有效方法，并且因此提高了产生率。因此，大量的努力集中在开发能够产生尽可能小的晶粒尺寸的强力晶粒细化剂上。如果晶粒尺寸可以降低到亚微米级别，则可以实现超塑性，这允许合金不仅以更快的速度铸造，而且以比目前加工的铸锭快得多的速度在更低的温度下辊轧/挤压，从而导致显着节省成本和节省能源。
目前，世界上几乎所有的铝铸件(无论是初级(约200亿千克)还是二次和内部废料(250亿千克)均采用直径约为几微米的不溶性tib2核的异质核进行晶粒细化，这使铝中的精细晶粒结构成核。与使用化学晶粒细化剂有关的一个问题是有限的晶粒细化能力。实际上，使用化学晶粒细化剂导致铝晶粒尺寸的有限减小，其从具有超过2,500μm的线性晶粒尺寸的柱状结构到小于200μm的等轴晶粒。铝合金中100μm的等轴晶粒似乎是使用商业可获得的化学晶粒细化剂可以获得的极限。
如果可以进一步减小晶粒尺寸，则可以显着增加产率。亚微米级的晶粒尺寸导致超塑性，这使得在室温下更容易形成铝合金。
与使用化学晶粒细化剂有关的另一个问题是与使用晶粒细化剂相关的缺陷形成。尽管在现有技术中认为对于晶粒细化是必要的，但是不溶性的外来颗粒在铝中是不合需要的，特别是以颗粒附聚物(“簇”)的形式。以铝基中间合金中的化合物形式存在的目前的晶粒细化剂是通过一系列复杂的采矿、选矿和制造工艺产生的。现在使用的中间合金通常含有氟化铝钾(kaif)盐和氧化铝杂质(渣滓)，这些来自铝晶粒细化剂的常规制造工艺。这些导致铝的局部缺陷(例如饮料罐中的“泄漏”和薄箔中的“针孔”)、机床磨损和铝中的表面光洁度问题。来自其中一家铝电缆公司的数据表明，25％的产生缺陷是由于tib2颗粒附聚物造成的，另外25％的缺陷是由于在铸造工艺期间被捕集到铝中的渣滓造成的。tib2颗粒附聚物经常在挤出工艺期间使线破裂，特别是当线的直径小于8mm时。
与使用化学晶粒细化剂有关的另一个问题是晶粒细化剂的成本。这对于使用zr晶粒细化剂产生镁铸锭而言是非常正确的。使用zr晶粒细化剂进行晶粒细化每产生一千克的mg铸件需要额外花费约1美元。用于铝合金的晶粒细化剂的成本约为每千克1.50美元。
与使用化学晶粒细化剂有关的另一个问题是电导率降低。化学晶粒细化剂的使用在铝中引入过量的ti，导致用于电缆应用的纯铝的电导率显着降低。为了保持一定的电导率，公司必须支付额外的钱才能使用更纯的铝来制造电缆和电线。
除了化学方法之外，在过去的一个世纪中还探索了许多其他晶粒细化方法。这些方法包括使用物理场，诸如磁场和电磁场、以及使用机械振动。高强度低振幅超声振动是已被证明在不使用外来颗粒的情况下用于金属和合金的晶粒细化的物理/机械机构之一。然而，实验结果(诸如来自上文提到的cui等人，2007年)在经受短时间段超声振动的最高几磅金属的小铸锭中获得。使用高强度超声振动对cc或dc铸锭/坯料的晶粒细化进行了很少的努力。
如本文所用，将使用本领域技术人员通常采用的术语来描述本发明的实施例以呈现他们的工作。这些术语应符合材料科学、冶金学、金属铸造和金属加工领域的普通技术人员所理解的共同含义。在下面的实施例中描述了一些采取更专业含义的术语。尽管如此，术语“被配置为”在本文中被理解为描绘了允许其对象执行“被配置为”术语之后的功能的适当结构(本文示出或者从本领域已知或暗示的)。术语“耦接到”意味着耦接到第二对象的一个对象具有在相对于第二对象的位置(例如，邻接、附接、从其移位预定距离、邻近、接近、连结在一起、彼此可拆卸、彼此可分离、固定在一起、滑动接触、滚动接触)支撑第一对象的必要结构，其中第一对象和第二对象附接在一起或不附接在一起。
chia等人的美国专利号4,066,475(其全部内容通过引用并入本文)描述了连续铸造工艺。通常，图1描绘了具有铸造机2的连续铸造系统，该铸造机2具有输送装置10(诸如中间罐)，输送装置10向浇注槽11提供熔融金属，浇注槽11将熔融金属引导到包括在旋转模具环13上的周边凹槽。环形柔性金属带14环绕模具环13的一部分以及一组带定位辊15的一部分两者，使得连续铸造模具由模具环13中的凹槽和上覆金属带14限定。提供冷却系统，以用于冷却设备并在熔融金属在旋转模具环13上运输期间实现熔融金属的受控凝固。冷却系统包括设置在模具环13的一侧的多个侧集管17、18和19以及在金属带14围绕模具环的位置处分别设置在金属带14的内侧和外侧上的内带集管20和外带集管21。具有合适阀门的管道网络24经连接以将冷却剂供应并排出到各个集管，以便控制设备的冷却和熔融金属的凝固速率。
通过这种构造，熔融金属从浇注槽11馈送到铸造模具中，并在熔融金属的运输期间通过将冷却剂循环通过冷却系统而将熔融金属凝固和部分冷却。从铸造轮中取出固态铸造棒25并将固态铸造棒25馈送到递送器27，递送器27将铸造棒递送到辊轧机28。应该注意的是，铸造棒25仅被冷却足以使棒凝固的量，并且棒保持在升高的温度下，以允许在其上执行立即的辊轧操作。辊轧机28可以包括连续地将棒辊轧成连续长度的线材30的辊轧机架串联阵列，线材30具有基本均匀的圆形横截面。
图1示出控制器500，其控制其中所示的连续铸造系统的各个部分，如下面更详细地讨论的。控制器500可以包括具有编程指令(即算法)的一个或多个处理器，以控制连续铸造系统及其部件的操作。
han等人的美国专利no.9,481,031(其全部内容在此通过引用并入本文)描述一种熔融金属加工装置，其包括熔融金属包容结构，用于接收和沿其纵向长度运输熔融金属。所述装置进一步包括：用于包容结构的冷却单元，其包括冷却通道，用于液体介质在其中通行；和超声探头，其相对于冷却通道设置，使得超声波通过冷却通道中的液体介质并通过熔融金属包容结构而耦合至熔融金属中。
如专利'031中所述，超声波探头通过液体介质并通过熔融金属包容结构(液态金属被供应至其中)的底板提供超声振动(uv)。在专利'031中，超声波探头显示为插入液体介质通路中。如在专利'031中所述，在通道底部的相对较少量的过冷(例如低于10℃)使得形成更纯铝小核层。来自通道底部的超声振动形成纯铝核，纯铝核然后在固化过程中用作成核剂，从而形成均匀的晶粒结构。如在专利'031中所述，来自通道底部的超声振动驱散这些核，并且打碎过冷层中形成的枝状晶体。这些铝核和枝状晶体碎片然后用于在固化过程中在模具中形成等轴晶粒，从而形成均匀的晶粒结构。
在本发明的一个实施例中，超声晶粒细化包括施加超声能量(和/或其他振动能量)以细化晶粒尺寸。虽然本发明不受任何特定理论的束缚，但是一种理论是将振动能量(例如，超声功率)注射到熔融或凝固合金中可以引起非线性效应，诸如空化(cavitation)、声流和辐射压力。这些非线性效应可以用于使新晶粒成核，并且在合金凝固工艺期间破坏枝晶。
在该理论下，晶粒细化工艺可以分为两个阶段：1)成核和2)从液体中生长新形成的固体。在成核阶段形成球形核。这些核在生长阶段期间发展成枝晶。枝晶的单向生长导致柱状晶粒的形成，潜在地引起热撕裂/裂缝和第二相的不均匀分布。这进而可以导致可铸造性差。另一方面，枝晶在所有方向上均匀生长(诸如通过本发明可能的)导致形成等轴晶粒。含有小而等轴晶粒的铸件/铸锭具有优异的可成形性。
在该理论下，当合金中的温度低于液相线温度时；当固体晶胚的尺寸大于以下等式给出的临界尺寸时，可能发生成核：
其中r*是临界尺寸，σsl是与固液界面相关联的界面能，并且δgv是与单位体积液体到固体的转换相关联的吉布斯自由能。
在该理论下，当固体晶胚的尺寸大于r*时，吉布斯自由能δgv随着固体晶胚的尺寸增加而减小，表明固体晶胚的生长在热力学上是有利的。在这样的条件下，固体晶胚变成稳定的核。然而，具有大于r*的尺寸的固相的均相成核仅在需要熔体中大量过冷的极端条件下发生。
在该理论下，凝固期间形成的核可以生长成称为枝晶的固体晶粒。枝晶也可以通过施加振动能量而破裂成多个小碎片。由此形成的枝晶碎片可以生长成新的晶粒并且导致小晶粒的形成；从而创建等轴晶粒结构。
换句话说，传输到过冷液态金属中的超声振动在金属或金属合金中创建成核位点以细化晶粒尺寸。成核位点通过如上所述用于将在熔融金属中创建的枝晶破坏成多个核的振动能量而生成，这些核不依赖于外来杂质。
在此，在本发明的一个实施例中，超声装置未被构造为使超声波专门通过冷却通道中的液体介质且然后通过熔融金属包容结构的底板而耦合至熔融金属中。替代性地，在此实施例中，超声波直接耦合至与熔融金属接触的板或接收部。
一个或多个磁致伸缩超声装置在熔融金属运输过程中可直接附接至与熔融金属接触的板或接收部。接收板可以从入口(在此熔融金属进入到接收板上)沿纵向延伸至出口(在此熔融金属流出接收板)。实际上，图2图示出熔融金属输送机50(侧壁未示出)，其具有多个磁致伸缩换能器52沿振动(超声)板54的纵向长度附接且均匀分开。换能器52无需均匀分开。另外，各换能器可沿板54的宽度方向以侧向间隔分开。图2图示出高于板54的熔融金属53的表面。在板54上行进的熔融金属可被限制在任意形状(包括矩形、正方形或圆形)的流动通道中。
在本发明的一个实施例中，在板54上行进的熔融金属的厚度在一个实施例中小于10厘米厚。在此实施例中，熔融金属的厚度可小于1厘米。可替代地，熔融金属的厚度可小于半厘米。
相应地，接收板54所具有的横向宽度可小于或等于纵向长度，或者，横向宽度可小于或等于纵向长度的1/2；或者横向宽度可小于或等于纵向长度的1/3。例如，接收板54具有的横向宽度可为2.5cm～300cm。接收板54的长度可为2.5cm～300cm。另外，接收板54具有的横向宽度可朝向出口在宽度上渐缩。接收板54在一个实施例中的尺度可变化，高至(但不限于)220cm宽和70cm长，不过也可使用其它尺度。所述尺度也可相反，即，220cm长和70cm宽。
进一步地，接收板54可在宽范围的角度位置内设置，从接近水平取向(在20度角内)至接近竖直取向(在20度角内)，其中重力迫使熔融金属流向出口。更特别地，接收板54可相对于水平取向在10度角(或5度角)内设置，其中重力迫使熔融金属流向出口。可替代地，接收板54可相对于竖直取向在10度角(或5度角)内设置，其中重力迫使熔融金属流向出口。所述板供熔融金属在其上输送(或流动)的表面可为平滑的、抛光的、粗糙的、隆起的、锯齿状、和/或纹理状。可替代地，接收板54可按照任意角度位置设置，从水平(或接近水平)至竖直(或接近竖直)。这种宽角度范围允许熔融金属沿接收板54输送，而无论振动板是否在水平浇铸系统或下喷口场景中施加于铸造模具中。
在本发明的一个实施例中，包括控制器(例如控制器500)，用于控制熔融金属浇铸到接收板上的速率和/或熔融金属在接收板上的冷却速率的至少一种。控制器优选地被编程以调节浇铸速率而使得：熔融金属高于接收板的高度为1.25cm～10cm，或2.5cm～5cm，或3cm～4cm。通过具有沿接收板54的片状熔融金属流，从接收板引发和释放的核可即刻均匀散布到接收板54上的熔融金属体积中。如果接收板的表面区域被认为是可用于产生核的区域，则具有片状形式的熔融金属也将用于在接收板54上的金属的整个体积中即刻更彻底地冷却熔融金属。若未实现这种整个冷却，则释放的核可重新熔融到熔融金属中，从流入模具或铸造轮中的核总数中作为损失减去。相应地，通过使控制器500控制接收板54上的熔融金属的高度，当使用片状的熔融金属时存在协同效应，既实现更多的单位量产生的核，又实现更少的由于重新熔融所致的核损失。
熔融金属输送机50的部件可通过金属(例如钛、不锈钢合金、低碳钢或h13钢)、其它高温材料、陶瓷、复合材料或聚合物制成。熔融金属输送机50的部件也可通过以下中的一种或多种制成：铌，铌合金，钛，钛合金，钽，钽合金，铜，铜合金，铼，铼合金，钢，钼，钼合金，不锈钢和陶瓷。陶瓷可为氮化硅陶瓷，例如为氮化硅铝或赛隆(sialon)。
虽然图2中未示出，不过磁致伸缩换能器52具有卷绕磁性层堆叠体的内部线圈。线圈提供高频电流而产生高频磁场，高频磁场引发所述堆叠体的伸长和压缩，由此对板52发出振动。
磁致伸缩换能器通常由大量材料板组成，一旦施加电磁场，这些材料板就会膨胀和收缩。更具体地，适用于本发明的磁致伸缩换能器可以在一个实施例中包括平行布置的大量镍(或其他磁致伸缩材料)板或叠片，其中每个叠片的一个边缘附接到加工容器的底部或待振动的其它表面。围绕磁致伸缩材料放置线圈以提供磁场。例如，当通过线圈供应电流时，创建磁场。该磁场使磁致伸缩材料收缩或伸长，从而将声波引入与膨胀和收缩的磁致伸缩材料接触的流体中。适用于本发明的磁致伸缩换能器的典型超声频率的范围从20至200khz。可以使用更高或更低的频率，这取决于磁致伸缩元件的固有频率。
对于磁致伸缩换能器，镍是最常用的材料之一。当向换能器施加电压时，镍材料在超声频率下膨胀和收缩。在本发明的一个实施例中，镍板直接银钎焊到不锈钢板。参考图2，磁致伸缩换能器的不锈钢板是在超声频率下振动的表面，并且(如图2中所示)并附接至振动(超声)板54。
美国专利号7,462,960(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种具有超磁致伸缩元件的超声换能器驱动器。因此，在本发明的一个实施例中，磁致伸缩元件可以由稀土合金基材料制成，诸如terfenol-d及其复合材料，这些材料与早期过渡金属(诸如铁(fe)、钴(co)和镍(ni))相比具有异常大的磁致伸缩效应。可替代地，本发明的一个实施例中的磁致伸缩元件可以由铁(fe)、钴(co)和镍(ni)制成。
可替代地，本发明的一个实施例中的磁致伸缩元件可以由以下合金中的一种或多种制成：铁和铽；铁和镨；铁、铽和镨；铁和镝；铁、铽和镝；铁、镨和镝；铁、铽、镨和镝；铁和铒；铁和钐；铁、铒和钐；铁、钐和镝；铁和钬；铁、钐和钬；或其混合物。
美国专利号4,158,368(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种磁致伸缩换能器。如其中所述并且适用于本发明的，磁致伸缩换能器可以包括设置在壳体内的呈现负磁致伸缩的材料的柱塞。美国专利号5,588,466(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种磁致伸缩换能器。如其中所述并且适用于本发明的，磁致伸缩层应用于柔性元件，例如柔性梁。柔性元件被外部磁场偏转。如‘466专利中所述并且适用于本发明的，薄的磁致伸缩层可以用于由tb(1-x)dy(x)fe2组成的磁致伸缩元件。美国专利号4,599,591(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种磁致伸缩换能器。如其中所述并且适用于本发明的，磁致伸缩换能器可以利用磁致伸缩材料和连接到具有相位关系的多个电流源的多个绕组，以便在磁致伸缩材料内建立旋转磁感应矢量。美国专利号4,986808(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种磁致伸缩换能器。如其中所述并且适用于本发明的，磁致伸缩换能器可以包括多个磁致伸缩材料的细长条带，每个条带具有近端、远端和大致v形的横截面，其中v的每个臂由条带的纵向长度形成，并且每个条带在近端和远端两者处都附接到相邻条带，以形成整体的基本上刚性的柱，该柱具有中心轴线，其中翅片相对于该轴线径向延伸。
美国专利no.6,150,753(其全部内容在此通过引用并入本文)描述了超声换能器组件，其具有钴基合金壳体(具有至少一个平面壁区部)和安装到平面壁区部的至少一个超声换能器，超声换能器操作性地布置以将超声振动力施加于壳体的平面壁区部。专利'753中的背景材料和描述(描述将超声换能器安装到不锈钢板的方式)可用于本发明中，以在换能器52/56与振动(超声)板54之间形成机械稳定的耦合。例如，
美国专利no.5,247,954(其全部内容在此通过引用并入本文)描述了一种结合压电陶瓷换能器(不超过250℃)的方法。此方法可用于本发明中，以在换能器52/56与振动(超声)板54之间形成机械稳定的耦合。例如，低温焊接合金用于结合在镀银压电陶瓷换能器与板54的预金属化表面之间。这种焊接物可为预成形的96.5％的锡、3.5％的银，在约221℃熔化。这样的焊接物将粘接到银和银/钨表面(其在施加低温焊接物之前已被烧结到板54的表面上)。然后压电陶瓷换能器附接至板54，在炉中在230℃进行操作。
在本发明一个实施例中，一个或多个压电超声装置直接附接至与熔融金属接触的板或接收部。图3图示出熔融金属输送机50(未示出侧壁)，其在图示中具有一个压电超声换能器56附接至振动(超声)板54。在这种实施例中，优选地(但非必要地)，使用增强器58增大被传输到板的超声功率。
在本发明的一个方面，供应振动能量的压电换能器可通过陶瓷材料形成，陶瓷材料夹在电极(提供用于电接触的附接点)之间。一旦电压通过电极施加于陶瓷，则陶瓷以超声频率膨胀和收缩。在本发明的一个实施例中，用作振动能量源40的压电换能器附接至增强器，增强器将振动传递到探头。美国专利no.9,061,928(其全部内容在此通过引用并入本文)描述一种超声换能器组件，其包括：超声换能器、超声增强器、超声探头和增强器冷却单元。专利'928中的超声增强器连接到超声换能器以放大由超声换能器产生的声能并将放大的声能传递到超声探头。专利'928的增强器构造可以在此用于在本发明中将能量直接或间接地提供至前述与液体冷却介质接触的超声探头。
实际上，在本发明的一个实施例中，超声增强器在超声领域中用于放大或增强通过压电换能器形成的振动能量。增强器不增大或减小振动频率，其增大振动幅度。(当增强器反向安装时，其也可压缩振动能量)在本发明的一个实施例中，增强器连接在压电换能器与探头之间。在使用增强器用于超声晶粒细化的情况下，以下是多个示例性方法步骤，例示出具有压电振动能量源的增强器的使用：
1)电流供应至压电换能器。换能器内的陶瓷件在电流施加时膨胀和收缩，这将电能转换为机械能。
2)这些振动在一个实施例中然后传递到增强器，增强器放大或强化此机械振动。
3)来自增强器的放大或强化的振动在一个实施例中然后传播到探头。探头然后以超声频率振动，从而形成空穴。
4)源于振动探头的空穴影响铸造带(其在一个实施例中与熔融金属接触)。
5)空穴在一个实施例中碎开枝状晶体并形成等轴晶粒结构。
在图3的实施例中，虽然未示出，不过可存在多于一个超声换能器56(其具有这样的换能器附接而且沿振动(超声)板54的纵向长度均匀分开)。如前所述，换能器56无需均匀分开。另外，换能器56可沿板54的宽度方向以侧向间隔分开。
图4图示出多个换能器52/56按照二维阵列附接至振动板54的底部。附接阵列无需为规则的格图样(如图所示)。例如，附接图样可以不规则地分开。可替代地，附接图样可在振动板54的接纳熔融金属的端处具有更高密度的换能器52/56或者在配发熔融金属的端处具有更高密度。图5图示出多个换能器52/56附接至振动板54的底部中，在配发熔融金属的端处具有更高密度。图5还显示出换能器可沿接收板的长度以斜向构造安置。在本发明的一个实施例中，振动能量通过机械驱动振荡器施加。机械驱动致动器将替代上述的任一个或所有换能器52/56。
可用于本发明的机械振动器可以从每分钟8,000次至每分钟15,000次振动操作，但是可以使用更高和更低的频率。在本发明的一个实施例中，振动机构被配置为在每秒565至5,000次振动之间进行振动。在本发明的一个实施例中，振动机构被配置为以甚至更低的频率振动，最低每秒不到一次振动，最高每秒565次振动。适用于本发明的机械驱动振动的范围包括例如每分钟6,000至9,000次振动、每分钟8,000至10,000次振动、每分钟10,000至12,000次振动、每分钟12,000至15,000次振动，以及每分钟15,000至25,000次振动。来自文献报告的适用于本发明的机械驱动的振动范围包括例如范围从133至250hz、200hz至283hz(每分钟12,000至17,000次振动)和4至250hz。此外，通过周期性驱动的简单的音槌或柱塞装置可以在铸造轮30或壳体44中施加各种机械驱动的振动以冲击铸造轮30或壳体44。通常，机械振动可以是最高10khz的范围。因此，适用于本发明中使用的机械振动的范围包括：0至10khz、10hz至4000hz、20hz至2000hz、40hz至1000hz、100hz至500hz，以及其中间和组合范围，包括565至5,000hz的优选范围。
无论所用换能器的类型如何，换能器被安置为与板54机械和声波接触。银焊接(或其他类型的高温合金)可用于将换能器壳体或增强器壳体衔接到板54。冷却介质(压缩空气、水、离子流体，等等)可流动通过板54的内部通道。图6a是金属输送机50的侧视图，显示出内部通道60供冷却介质流动，其设置在板54的厚度中并设置在侧壁62下。冷却介质用于降低流过板的金属的温度。虽然可能存在一些振动能量通过冷却介质耦合，不过大部分振动能量从换能器通过板54的金属区部直接耦合至熔融铝中。
在本发明的一个实施例中，冷却介质(压缩空气、水、离子流体等)可流过板54的底侧。冷却介质用于降低流过板的金属的温度。这种冷却方法是在板外进行的，未设置到(或限制于)板54的厚度内。在此，在一个示例中，强制空气涡旋系统将气体吹过板54的底侧。
振动板54的厚度可在5cm至0.5cm之间变化。振动板54的厚度也可在3cm至1cm之间变化。振动板54的厚度也可以在2cm至1.5cm之间变化。振动板54的厚度不必沿其长度或宽度均匀设置。振动板54可具有较薄区部，其更多地可用作膜并放大振动。对于薄的振动板，可通过将冷却管附接至板54和/或侧壁62而提供冷却。虽然在此图示出换能器安装到板54的底部，不过，换能器也可(或者可替代地)安置到侧壁62上。
在本发明一个实施例中，振动板54可为浇铸装置的底部，例如图1中所示浇铸喷口11的底部。可替代地，熔融金属输送机50可从浇铸喷口11接收熔融金属，并然后将熔融金属传输到铸造轮中。图6b是根据本发明的金属输送机/浇铸装置55的视图。在图6b中所示装置55中，存在浇铸装置(例如图1中所示的浇铸喷口11或图10中所示的中间包245)，被构造和定位以将熔融金属传输到前述熔融金属输送机50上。熔融金属沿熔融金属输送机50输送(例如通过重力实现)，在此其经受前述的冷却和振动能量。流出熔融金属输送机50的熔融金属包含核(多个核)，而不依赖于异物杂质。
虽然水是方便的冷却介质，但也可以使用其他冷却剂。在本发明的一个实施例中，冷却介质是超冷淬液体(例如，在0℃下或低于0℃的液体至-196℃的液体，即在冰和液态氮的温度之间的液体)。在本发明的一个实施例中，诸如液态氮的超冷淬液体与超声或其他振动能量源耦合。净效应是凝固速率的增加，从而允许更快的加工。在本发明的一个实施例中，离开探头的冷却介质不仅会创建空化，而且还会使熔融金属雾化和过冷却。在优选实施例中，这导致铸造轮的区域中的热转移增加。
在本发明一个实施例中，如图7中所示，铸造机2包括铸造轮30a，铸造轮30a具有包容结构32(例如铸造轮30中的料槽或通道)供熔融金属浇铸于(例如铸造)其中。图7显示的实施例中，可选地包括熔融金属加工装置34。熔融金属加工装置34在前述的美国序列no.15/337,645(其全部内容在此通过引用并入本文)中描述。带36(例如钢的柔性金属带)将熔融金属限制到包容结构32(即，所述通道)。当熔融金属在铸造轮的通道中固化并被输送远离熔融金属加工装置34时，辊38允许熔融金属加工装置34在旋转的铸造轮上保持在静止位置。
简而言之，熔融金属加工装置34包括安装到铸造轮30上的组件42。组件42包括：至少一个振动能量源(例如振动器40)；保持振动能量源42的壳体44(即，支撑装置)。组件42包括至少一个冷却通道46供冷却介质穿过其中。柔性带36通过附接至壳体下侧的密封体44a而密封于壳体44，由此允许来自冷却通道的冷却介质沿柔性带的与铸造轮通道中的熔融金属相反的侧流动。
铸造带(即，振动能量的接收部)可由以下中的至少一种或多种制成：铌，铌合金，钛，钛合金，钽，钽合金，铜，铜合金，镍，镍合金，铼，铼合金，钢，钼，钼合金，铝，铝合金，不锈钢，陶瓷，复合材料，或金属或合金以及上述的组合。
铸造带的宽度的范围可为25mm～400mm。在本发明的另一实施例中，铸造带的宽度的范围为50mm～200mm。在本发明的另一实施例中，铸造带的宽度的范围为75mm～100mm。
铸造带的厚度的分可为0.5mm～10mm。在本发明的另一实施例中，铸造带的厚度的范围为1mm～5mm。在本发明的另一实施例中，铸造带的厚度的范围为2mm～3mm。
随着熔融金属经过振动器40下的金属带36，当利用可选的熔融金属加工装置34时，振动能量当金属开始冷却和固化时另外供应至熔融金属。在本发明的一个实施例中，振动能量利用超声换能器施加，例如通过压电装置超声换能器产生。在本发明的一个实施例中，振动能量利用超声换能器施加，例如通过磁致伸缩换能器产生。在本发明的一个实施例中，振动能量利用机械驱动振动器(将在下文中论述)施加。振动能量在一个实施例中允许形成多个小种子，由此产生细晶金属产品。这些振动能量源是与前文中参照图2-5所述相同类型的源。
在一个方面，铸造轮30的通道可为难熔金属或其它高温材料，例如：铜，铁和钢，铌，铌和钼，钽，钨，铼，和它们的合金(其包括一种或多种元素，例如硅、氧、或氮，可提高这些材料的熔点)。
在本发明的一个实施例中，用于振动能量的超声振动源(对于板54或用于熔融金属加工装置34中)提供1.5kw功率，声波频率20khz。本发明不限于这些功率和频率。而是，可使用宽范围的功率和超声频率，不过以下范围是所关注的。
功率：通常，对于每个超声波发生器的功率为50～5000w，取决于超声波发生器或探头的尺度。这些功率典型地施加于超声波发生器以确保超声波发生器的端处的功率密度高于100w/cm2(其可被认为是在熔融金属中形成空穴的阈值，取决于熔融金属冷却速率、熔融金属类型、和其它因素)。在此区域中的功率的范围可为50～5000w、100～3000w、500～2000w、1000～1500w、或者任意中间或重叠范围。用于较大探头/超声波发生器的更高功率和用于较小探头的更低功率也是可行的。在本发明各个实施例中，所施加的振动能量密度的范围可为10w/cm2～500w/cm2、或20w/cm2～400w/cm2、或30w/cm2～300w/cm2、或50w/cm2～200w/cm2、或70w/cm2～150w/cm2、或者它们的任意中间或重叠范围。
频率：通常，可使用5～400khz(或任意中间范围)。可替代地，可使用10和30khz(或任意中间范围)。可替代地，可使用15和25khz(或任意中间范围)。所施加的频率的范围可为5～400khz、10～30khz、15～25khz、10～200khz、或50～100khz、或者它们的任意中间或重叠范围。
虽然以上关于超声和机械驱动的实施例(可用于板54和用于熔融金属加工装置34中)描述，不过本发明不限于这些范围中的一个或其它，而可用于宽谱的振动能量，高至400khz，包括单频和多频源。此外，可使用各源(超声和机械驱动源，或不同超声源，或不同机械驱动源或声能源，将在下文中描述)的组合。
本发明的各方面
在本发明的一个方面，振动能量(来自低频机械驱动的振动器，以每分钟8,000至15,000次振动的范围或最高10khz和/或5至400khz范围内的超声频率)可以应用于熔融金属传送器50或熔融金属加工装置34或两者。在本发明的一个方面，振动能量可以以多中不同的频率施加。在本发明的一个方面，振动能量可以应用于各种金属合金，包括但不限于下面列出的那些金属和合金：铝、铜、金、铁、镍、铂、银、锌、镁、钛、铌、钨、锰、铁及其合金和组合；包括下列项的金属合金：黄铜(铜/锌)、青铜(铜/锡)、钢(铁/碳)、铬合金(铬)、不锈钢(钢/铬)、工具钢(碳/钨/锰、钛(铁/铝)，和包括下列项的标准等级的铝合金：1100、1350、2024、2224、5052、5154、5356、5183、6101、6201、6061、6053、7050、7075、8xxx系列；包括下列项的铜合金：青铜(如上所述)和与锌、锡、铝、硅、镍、银的组合合金化的铜；与下列项合金化的镁：铝、锌、锰、硅、铜、镍、锆、铍、钙、铈、钕、锶、锡、钇、稀土；铁和与下列项合金化的铁：铬、碳、硅铬、镍、钾、钚、锌、锆、钛、铅、镁、锡、钪；以及其他合金及其组合。
在本发明的一个方面，振动能量(来自低频机械驱动的振动器，以每分钟8,000至15,000次振动的范围或最高10khz和/或5至400khz范围内的超声频率)通过板54或带36或两者分别耦合到在熔融金属传送器50中或在熔融金属加工装置34下的凝固的金属中。在本发明的一个方面，振动能量机械地耦合在565和5,000hz之间。在本发明的一个方面中，振动能量在甚至更低的频率下被机械驱动，最低每秒钟不到一次振动，最高每秒565次振动。在本发明的一个方面，振动能量在5khz范围至400khz的频率下被超声驱动。
在一个方面，冷却介质可以是液体介质，诸如水。在一个方面，冷却介质可以是气态介质，诸如压缩空气或氮气之一。如前所述，强制空气涡旋系统可用于供应气体以冷却板54。在一个方面，冷却介质可以是相变材料。优选的是冷却介质以足够的速率提供以使与带36相邻的金属过冷却(高于合金的液相温度的量小于5至10℃或甚至低于液相线温度)。
在本发明的一个方面中，获得铸造产品内的等轴晶粒，而无需向金属或金属合金中添加诸如硼化钛的杂质颗粒以增加晶粒的数量并改善均匀的异质凝固。在本发明的一个方面，代替使用成核试剂，振动能量可以用于创建成核位点。
在操作期间，在远高于合金的液相线温度的温度下的熔融金属通过重力而从熔融金属输送机50流入铸造轮30的通道中并任选地在熔融金属加工装置34下方通过，在熔融金属加工装置34处熔融金属暴露于振动能量(即，超声或机械驱动的振动)。流入铸件的通道的熔融金属的温度取决于所选合金的类型、和浇注速率、铸造轮通道的尺寸等。对于铝合金，铸造温度的范围可以从1220℉至1350℉，优选范围介于其之间，诸如1220至1300℉、1220至1280℉、1220至1270℉、1220至1340℉、1240至1320℉、1250至1300℉、1260至1310℉、1270至1320℉、1320至1330℉，其中重叠和中间范围以及+/-10华氏度的变化也是合适的。冷却铸造轮30的通道以确保通道中的熔融金属接近亚液相线温度(例如，高于合金的液相温度的量小于5至10℃或甚至低于液相线温度，虽然浇注温度可以远高于10℃)。在操作期间，可以通过护罩(未示出)控制熔融金属周围的大气，该护罩例如用惰性气体(诸如氩气、氦气或氮气)填充或吹扫。铸造轮30上的熔融金属通常处于热停滞状态，在该状态下熔融金属从液体转变为固体。
由于接近亚液相线温度的过冷却，凝固速率不足够慢以允许通过固-液界面的平衡，这进而导致整个铸棒的组合物的变化。化学组合物的不均匀性导致分离。此外，偏析量与熔融金属中各种元素的扩散系数以及热转移速率直接相关。另一种类型的分离是熔点较低的组分首先冻结的地方。
在本发明的超声或机械驱动的振动实施例中，振动能量在熔融金属冷却时摇动熔融金属，而无论熔融金属是在熔融金属输送机50中或是在熔融金属加工装置34下。在该实施例中，振动能量被赋予能量，该能量摇动并有效地搅拌熔融金属。在本发明的一个实施例中，机械驱动的振动能量用于在熔融金属冷却时连续搅拌熔融金属。在各种铸造合金工艺中，希望使高浓度的硅进入铝合金中。然而，在较高的硅浓度下，可以形成硅沉淀物。通过将这些沉淀物“再混合”回到熔融状态，元素硅可以至少部分地回到溶液中。可替代地，即使沉淀物残留，混合也不会导致硅沉淀物分离，从而在下游金属冲模和辊上引起更多的磨料磨损。
在各种金属合金体系中，在合金的一种组成部分(通常是较高熔点组成部分)以纯净形式沉淀，实际上用纯组成部分的颗粒“污染”合金的情况下，发生相同类型的效应。通常，当铸造合金时，发生偏析，由此在整个铸造中溶质的浓度不恒定。这可能是由各种工艺引起的。在与枝晶臂间距的尺寸相当的距离上发生的微观偏析被认为是由于以低于最终平衡浓度的浓度形成的第一固体导致的，这导致多余的溶质分裂到液体中，因此随后形成的固体具有更高的浓度。在与铸件尺寸相似的距离上发生宏观偏析。这可能是由于铸件凝固时涉及收缩效应的许多复杂工艺以及当溶质被分裂时液体密度的变化引起的。期望在铸造期间防止偏析，以提供始终具有均匀性质的固体坯料。
因此，将受益于本发明的振动能量处理的一些合金包括上述那些合金。
图8是根据本发明一个实施例的铸造轮构造的示意图，其中特别地具有：振动探头装置86，其具有探头(未示出)直接插入铸造轮80的熔融金属铸体。熔融金属可通过熔融金属输送机50(前述)供应至铸造轮80。振动探头装置86的探头的结构将与现有技术中公知的用于超声除气的结构类似。图8图示出辊82将带88压倒铸造轮80的边沿上。振动探头装置86将振动能量(超声或机械驱动能量)直接或间接地耦合至铸造轮80的通道(未示出)中的熔融金属铸体中。当铸造轮80逆时针旋转时，熔融金属在辊82下经过并与可选的熔融金属冷却装置84接触。
在此实施例中，振动能量可当熔融金属通过空气或气体冷却时耦合至铸造轮80中的熔融金属中。在另一个实施例中，声能振荡器(例如音频放大器)可用于产生声波并将其传递到熔融金属中。在此实施例中，前述超声或机械驱动振动器将通过声能振荡器进行替代或补充。适合于本发明的音频放大器将提供1～20,000hz的声能振荡。高于或低于此范围的声能振荡也可使用。例如，可使用0.5～20hz、10～500hz、200～2,000hz、1,000～5,000hz、2,000～10,000hz、5,000～14,000hz、10,000～16,000hz、14,000～20,000hz、18,000～25,000hz的声能振荡。电声换能器可用于产生和传递声能。
在本发明的一个实施例中，声能可以通过气态介质直接耦合到熔融金属中，其中声能使熔融金属振动。在本发明的一个实施例中，声能可以通过气态介质间接地耦合到熔融金属中，其中声能使带36或含有熔融金属的其他支撑结构振动，这进而使熔融金属振动。
本发明还在固定模具和竖直铸造机具有实用性。
对于固定机，熔融金属将被浇注到固定铸件62中，诸如图9中所示的铸件，固定铸件62本身具有熔融金属加工装置34(示意性地示出)。在一个实施例中，熔融金属加工装置34将通过熔融金属输送机50替代或补充。通过这种方式，振动能量(来自低频机械驱动的振动器，其以最高10khz和/或范围为5至400khz的超声频率操作)可以在固定铸件中熔融金属开始从熔融状态冷却并进入固态(即热停滞状态)的点处引起成核。
图10a-图10d描绘了竖直铸造机的所选部件。竖直铸造机的这些部件和其他方面的更多细节可以在美国专利号3,520,352(其全部内容通过引用并入本文)中找到。如图10a-图10d所示，竖直铸造机包括熔融金属铸造空腔213，该空腔213在所示实施例中为大致方形，但可以是圆形、椭圆形、多边形或任何其他合适的形状，并且通过位于模具顶部的垂直的、相互交叉的第一壁部分215和第二或角壁部分217限定。流体保持封套219围绕与其间隔开的铸造空腔的壁215和拐构件217。封套219适于经由入口导管221接收诸如水的冷却流体，并且经由出口导管223排出冷却流体。
虽然第一壁部分215优选地由诸如铜的高导热材料制成，但是第二或壁角部分217由较低导热材料(诸如例如陶瓷材料)构成。如图10a-图10d所示，角壁部分217具有大致l形或有角度的横截面，并且每个角的竖直边缘向下并且朝向彼此会聚地倾斜。因此，角部件217终止于位于横向部分之间的模具的排出端上方的模具中的某个方便的水平。
在操作中，熔融金属从中间罐245流入竖直往复运动的铸造模具中，并且从模具中连续地取出金属的铸造线股。熔融金属首先在可以被认为是第一冷却区域中接触冷却器模具壁后在模具中冷却。中间包245可包括(作为其构造的一部分)熔融输送机50，或者，熔融输送机50可设置在中间包245与熔融金属铸造腔213之间。热量从此区中的熔融金属快速去除，材料表皮据信完全围绕熔融金属的中心聚池形成。
在本发明的一个实施例中，熔融输送机50的振动能量源在熔融金属中产生核，先于金属流动到静止模具中。在本发明的一个实施例中，将上述超声晶粒细化与上述超声脱气相结合，以在铸造金属之前从熔融浴中除去杂质。
图11的示意图图示出本发明的同时利用超声除气和超声晶粒细化的实施例。如在此所示，炉是熔融金属源。熔融金属从炉中运输到流槽中。在本发明的一个实施例中，超声除气器设置在流槽的路径中，在被提供至包含超声晶粒细化剂(未示出)的铸造机器(例如铸造轮)中的熔融金属之前。在本发明的一个实施例中，超声除气器设置在熔融金属输送机50中，在被提供至铸造机器中的熔融金属(例如浇铸到铸造轮上)之前。
虽然不限于以下特定的超声脱气器，但‘336专利描述了适用于本发明的不同实施例的脱气器。一种合适的脱气器将是超声装置，该超声装置具有：超声换能器；细长探头，其包括第一端和第二端，第一端附接到超声换能器，并且第二端包括尖端；以及吹扫气体输送系统，其中吹扫气体输送系统可以包括吹扫气体入口和吹扫气体出口。在一些实施例中，吹扫气体出口可以在细长探头的尖端的约10cm(或5cm，或1cm)内，而在其他实施例中，吹扫气体出口可以在细长探头的尖端处。另外，超声装置可以针对每个超声换能器包括多个探头组装件和/或多个探头。
虽然不限于以下特定的超声脱气器，但‘397专利描述了也适用于本发明的不同实施例的脱气器。一种合适的脱气器将是超声装置，该超声装置具有：超声换能器；探头，其附接到超声换能器，探头包括尖端；以及气体输送系统，气体输送系统包括气体入口、通过探头的气体流动路径，以及探头的尖端处的气体出口。在一个实施例中，探头可以是包括第一端和第二端的细长探头，第一端附接到超声换能器，并且第二端包括尖端。此外，探头可以包括不锈钢、钛、铌、陶瓷等、或这些材料中任何一种的组合。在另一个实施例中，超声探头可以是整体sialon探头，其中集成的气体输送系统穿过该整体sialon探头。在又一个实施例中，超声装置可以针对每个超声换能器包括多个探头组装件和/或多个探头。
在本发明的一个实施例中，使用例如上面讨论的超声探头的超声脱气补充了超声晶粒细化。在超声脱气的各种示例中，例如通过上述探头以从约1l/min至约50l/min的范围的速率向熔融金属添加吹扫气体。通过公开流速在从约1l/min至约50l/min的范围内，流速可以是约1l/min、约2l/min、约3l/min、约4l/min、约5l/min、约6l/min、约7l/min、约8l/min、约9l/min、约10l/min、约11l/min、约12l/min、约13l/min、约14l/min、约15l/min、约16l/min、约17l/min、约18l/min、约19l/min、约20l/min、约21l/min、约22l/min、约23l/min、约24l/min、约25l/min、约26l/min、约27l/min、约28l/min、约29l/min、约30l/min、约31l/min、约32l/min、约33l/min、约34l/min、约35l/min、约36l/min、约37l/min、约38l/min、约39l/min、约40l/min、约41l/min、约42l/min、约43l/min、约44l/min、约45l/min、约46l/min、约47l/min、约48l/min、约49l/min或约50l/min。另外，流速可以在从约1l/min至约50l/min的任何范围内(例如，速率在约2l/min至约20l/min的范围内)，并且这还包括约1l/min和约50l/min之间的范围的任何组合。中间范围是可能的。同样地，本文公开的所有其他范围应以类似方式解释。
与超声脱气和超声晶粒细化有关的本发明的实施例可以提供用于熔融金属的超声脱气的系统、方法和/或装置，熔融金属包括但不限于铝、铜、钢、锌、镁等、或这些和其他金属(例如合金)的组合。从熔融金属加工或铸造制品可能需要含有熔融金属的浴，并且熔融金属的这种浴可以保持在升高的温度下。例如，熔融铜可以保持在约1100℃的温度下，而熔融铝可以保持在约750℃的温度下。
如本文所用，术语“浴”、“熔融金属浴”等意味着包括可能含有熔融金属的任何容器：包括容器、坩埚、沟槽、流槽、炉、浇包等。浴和熔融金属浴术语用于包括批量、连续、半连续等操作，并且例如，其中熔融金属通常是静态的(例如，通常与坩埚相关联)并且其中熔融金属是通常在运动中(例如，通常与流槽相关)。
许多仪器或装置可以用于监视、测试或改变浴中的熔融金属的条件、并且用于期望金属制品的最终产生或铸造。需要这些仪器或装置更好地承受熔融金属浴中遇到的升高的温度，有利地具有更长的寿命并且限于与熔融金属没有反应性，无论金属是铝、还是铜、还是钢、还是锌、还是镁等(或金属包括铝、或铜、或钢、或锌、或镁等)。
此外，熔融金属可以具有溶解在其中的一种或多种气体，并且这些气体可能对期望金属制品的最终产生和铸造和/或金属制品本身的所得物理性质产生负面影响。例如，溶解在熔融金属中的气体可以包括氢气、氧气、氮气、二氧化硫等、或其组合。在某些情况下，去除气体或减少熔融金属中的气体量可能是有利的。作为示例，溶解的氢气在铸造铝(或铜、或其他金属或合金)时可能是有害的，因此，由铝(或铜、或其他金属或合金)产生的成品制品的性能可以通过以下方式改善：减少铝(或铜、或其他金属或合金)的熔融浴中夹带的氢气量。超过0.2ppm、超过0.3ppm或超过0.5ppm(基于质量)的溶解的氢气可能对铸造速率和所得铝(或铜、或其他金属或合金)杆和其他制品的质量具有不利影响。氢气可以通过其存在于含有熔融铝(或铜、或其他金属或合金)的浴上方的大气中而进入熔融铝(或铜、或其他金属或合金)浴，或者氢气可以存在于在熔融铝(或铜、或其他金属或合金)浴中使用的铝(铜、或其他金属或合金)原料起始材料。
尝试减少熔融金属浴中溶解气体的量尚未完全成功。通常，过去的这些工艺涉及额外且昂贵的设备以及潜在的危险材料。例如，在金属铸造工业中用于降低熔融金属的溶解气体含量的工艺可以由转子组成，该转子由诸如石墨的材料制成，并且这些转子可以放置在熔融金属浴内。另外，可以在与熔融金属浴内的转子相邻的位置处将氯气加入到熔融金属浴。虽然在某些情况下氯气加入可以成功地减少例如熔融金属浴中溶解的氢气的量，但是这种常规工艺具有明显的缺点，其中最重要的是成本、复杂性以及潜在危险且潜在地对环境有害的氯气的使用。
另外，熔融金属可能在其中具有杂质，并且这些杂质可能负面影响期望金属制品的最终产生和铸造，并/或金属制品本身的所得物理性质。例如，熔融金属中的杂质可以包括在熔融金属中既不需要也不期望存在的碱金属或其他金属。小百分比的某些金属存在于各种金属合金中，并且这些金属不会被认为是杂质。作为非限制性示例，杂质可以包括锂、钠、钾、铅等、或其组合。各种杂质可以通过它们存在于熔融金属浴中使用的进入金属原料起始材料而进入熔融金属浴(铝、铜或其他金属或合金)。
与超声脱气和超声晶粒细化有关的本发明的实施例可以提供用于减少熔融金属浴中的溶解气体的量的方法，或者换句话说，用于使熔融金属脱气的方法。一种这样的方法可以包括：在熔融金属浴中操作超声装置；以及紧邻超声装置将吹扫气体引入熔融金属浴中。溶解气体可以是或可以包括氧气、氢气、二氧化硫等、或其组合。例如，溶解气体可以是或可以包括氢气。熔融金属浴可以包括铝、铜、锌、钢、镁等、或其混合物和/或组合(例如，包括铝、铜、锌、钢、镁等的各种合金)。在与超声脱气和超声晶粒细化有关的一些实施例中，熔融金属浴可以包括铝，而在其他实施例中，熔融金属浴可以包括铜。因此，浴中的熔融金属可以是铝，或者可替代地，熔融金属可以是铜。
此外，本发明的实施例可以提供用于减少熔融金属浴中存在的杂质的量的方法，或者换句话说，用于去除杂质的方法。与超声脱气和超声晶粒细化有关的一种这样的方法可以包括：在熔融金属浴中操作超声装置；以及紧邻超声装置将将吹扫气体引入熔融金属浴中。杂质可以是或可以包括锂、钠、钾、铅等、或其组合。例如，杂质可以是或可以包括锂，或者可替代地可以是或可以包括钠。熔融金属浴可以包括铝、铜、锌、钢、镁等、或其混合物和/或组合(例如，包括铝、铜、锌、钢、镁等的各种合金)。在一些实施例中，熔融金属浴可以包括铝，而在其他实施例中，熔融金属浴可以包括铜。因此，浴中的熔融金属可以是铝，或者可替代地，熔融金属可以是铜。
与本文公开的脱气的方法和/或除去杂质的方法中使用的超声脱气和超声晶粒细化有关的吹扫气体可以包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和/或氙气中的一种或多种，但不是限于此。预期任何合适的气体可用作吹扫气体，条件是气体不会明显地与熔融金属浴中的特定金属反应或溶解在熔融金属浴中的特定金属中。另外，可以使用气体的混合物或组合。根据本文公开的一些实施例，吹扫气体可以是或可以包括惰性气体；可替代地，吹扫气体可以是或可以包括稀有气体；可替代地，吹扫气体可以是或可以包括氦气、氖气、氩气或其组合；可替代地，吹扫气体可以是或可以包括氦气；可替代地，吹扫气体可以是或可以包括氖气；可替代地，吹扫气体可以是或可以包括氩气。另外，在一些实施例中，常规脱气技术可以与本文公开的超声脱气方法结合使用。因此，在一些实施例中，吹扫气体可进一步包括氯气，诸如单独使用氯气作为吹扫气体或者氯气与氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和/或氙气中的至少一种组合使用。
然而，在本发明的其他实施例中，与用于脱气或用于减少熔融金属浴中的溶解气体的量的超声脱气和超声晶粒细化有关的方法可以在基本不存在氯气或没有氯气存在的情况下进行。如本文所用，基本上不存在意味着基于所用的吹扫气体的量，可以使用不超过5％的重量的氯气。在一些实施例中，本文公开的方法可以包括引入吹扫气体，并且该吹扫气体可选自由氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气及其组合组成的组。
引入熔融金属浴中的吹扫气体的量可以根据许多因素而变化。通常，与根据本发明的实施例引入熔融金属的脱气方法(和/或从熔融金属中除去杂质的方法)的超声脱气和超声晶粒细化有关的吹扫气体的量可以落入从约0.1至约150标准升/分钟(l/min)的范围。在一些实施例中，引入的吹扫气体的量的范围可以从约0.5至约100l/min、从约1至约100l/min、从约1至约50l/min、从约1至约35l/min、从约1至约25l/min、从约1至约10l/min、从约1.5至约20l/min、从约2至约15l/min、或从约2至约10l/min。这些体积流速以标准升/分钟为单位，即在标准温度(21.1℃)和压力(101kpa)下。
在连续或半连续熔融金属操作中，引入熔融金属浴的吹扫气体的量可以基于熔融金属输出或产生速率而变化。因此，根据与超声脱气和超声晶粒细化有关的这些实施例引入熔融金属的脱气方法(和/或从熔融金属中除去杂质的方法)的吹扫气体的量可以落在对于每kg/hr的熔融金属从约10至约500ml/hr的吹扫气体(ml吹扫气体/kg熔融金属)的范围内。在一些实施例中，吹扫气体的体积流速与熔融金属的输出速率的比率的范围可以从约10至约400ml/kg；可替代地，从约15至约300ml/kg；可替代地，从约20至约250ml/kg；可替代地，从约30至约200ml/kg；可替代地，从约40至约150ml/kg；可替代地，从约50至约125ml/kg。如上所述，吹扫气体的体积流量处于标准温度(21.1℃)和压力(101kpa)。
符合本发明的实施例并且与超声脱气和超声晶粒细化有关的用于对熔融金属脱气的方法可以有效地除去熔融金属浴中存在的大于约10％的重量的溶解气体，即熔融金属浴中的溶解气体的量可以从使用脱气工艺之前存在的溶解气体的量减少大于约10％的重量。在一些实施例中，存在的溶解气体的量可以从使用脱气工艺之前存在的溶解气体的量减少大于约15％的重量、大于约20％的重量、大于约25％的重量、大于约35％的重量、大于约50％的重量、大于约75％的重量，或大于约80％的重量。例如，如果溶解气体是氢气，则含有铝或铜的熔融浴中的氢气的水平大于约0.3ppm或0.4ppm或0.5ppm(基于质量)可能是有害的，并且通常熔融金属中的氢气含量可以是约0.4ppm、约0.5ppm、约0.6ppm、约0.7ppm、约0.8ppm、约0.9ppm、约1ppm、约1.5ppm、约2ppm，或大于2ppm。预期采用本发明的实施例中公开的方法可以将熔融金属浴中溶解气体的量减少至小于约0.4ppm；可替代地，减少至小于约0.3ppm；可替代地，减少至小于约0.2ppm；可替代地，减少至在从约0.1至约0.4ppm的范围内；可替代地，减少至在从约0.1至约0.3ppm的范围内；可替代地，减少至在从约0.2至约0.3ppm的范围内。在这些和其他实施例中，溶解气体可以是或可以包括氢气，并且熔融金属浴可以是或可以包括铝和/或铜。
与超声脱气和超声晶粒细化有关并且涉及脱气(例如，减少包括熔融金属的浴中的溶解气体的量)的方法或者去除杂质的方法的本发明的实施例可以包括在熔融金属浴中操作超声装置。超声装置可以包括超声换能器和细长探头，并且探头可以包括第一端和第二端。第一端可以附接到超声换能器，并且第二端可以包括尖端，并且细长探头的尖端可以包括铌。下面描述可以在本文公开的工艺和方法中采用的超声装置的说明性和非限制性示例的细节。
由于涉及超声脱气工艺或除去杂质的工艺，可以例如在超声装置附近的位置处将吹扫气体引入熔融金属浴中。在一个实施例中，可以在超声装置的尖端附近的位置处将吹扫气体引入熔融金属浴中。在一个实施例中，可以在超声装置的尖端的约1米内(例如，在超声装置的尖端的约100cm内、约50cm内、约40cm内、约30cm、约25cm内、或约20cm内)将吹扫气体引入熔融金属浴中。在一些实施例中，可以在超声装置的尖端的约15cm内；可替代地，在大约10cm内；可替代地，在约8cm内；可替代地，在约5cm内；可替代地，在约3cm内；可替代地，在约2cm内；可替代地，在约1cm内，将吹扫气体引入熔融金属浴中。在一个特定实施例中，可以与超声装置的尖端相邻或穿过超声装置的尖端，将吹扫气体引入熔融金属浴中。
虽然不旨在受该理论的束缚，但使用超声装置和紧密接近地掺入吹扫气体导致含有熔融金属的浴中的溶解气体的量的显着减少。由超声装置产生的超声能量可在熔体中创建空化气泡，溶解气体可以扩散到该空化气泡中。然而，在不存在吹扫气体时，许多空化气泡可能在到达熔融金属浴的表面之前塌陷。吹扫气体可以减少在到达表面之前塌陷的空化气泡的量，并/或可以增加含有溶解气体的气泡的尺寸，并/或可以增加熔融金属浴中的气泡数量，并/或可以增加含有溶解气体的气泡到熔融金属浴表面的运输速度。超声装置可以在紧密接近超声装置的尖端内创建空化气泡。例如，对于具有直径为约2至5cm的尖端的超声装置，空化气泡可在塌陷前处于超声装置尖端的约15cm、约10cm、约5cm、约2cm或约1cm内。如果在距离超声装置的尖端太远的距离处添加吹扫气体，则吹扫气体可能不能扩散到空气泡中。因此，在与超声脱气和超声晶粒细化有关的实施例中，在超声装置的尖端的约25cm或约20cm内，并且更有利地，在超声装置的尖端的约15cm内、约10cm内、约5cm内、约2cm内、或约1cm内，将吹扫气体引入熔融金属浴中。
根据本发明实施例的超声装置可以与诸如铝或铜的熔融金属接触，例如，如美国专利公开号2009/0224443中所公开的，该专利公开通过引用整体并入本文。在用于减少熔融金属中的溶解气体含量(例如，氢)的超声装置中，铌或其合金可以在其暴露于熔融金属时用作装置的保护屏障，或者作为直接暴露于熔融金属的装置的部件。
与超声脱气和超声晶粒细化有关的本发明的实施例可以提供用于增加直接与熔融金属接触的部件的寿命的系统和方法。例如，本发明的实施例可以使用铌来减少与熔融金属接触的材料的降解，从而导致最终产品的显着质量改善。换言之，通过使用铌作为保护屏障，本发明的实施例可以增加与熔融金属接触的材料或部件的寿命或保护该材料或部件。铌可以具有例如其高熔点的性质，这可以有助于提供本发明的前述实施例。此外，当暴露于约200℃或更高的温度时，铌也可形成保护氧化物屏障。
此外，与超声脱气和超声晶粒细化有关的本发明的实施例可以提供用于增加直接与熔融金属接触或接合的部件的寿命的系统和方法。由于铌与某些熔融金属的反应性低，因此使用铌可以防止基板材料降解。因此，与超声脱气和超声晶粒细化有关的本发明的实施例可以使用铌来减少基板材料的降解，从而导致最终产品的显着质量改善。因此，与熔融金属相关联的铌可以将铌的高熔点和与熔融金属(诸如铝和/或铜)的低反应性结合。
在一些实施例中，铌或其合金可用于包括超声换能器和细长探头的超声装置中。细长探头可以包括第一端和第二端，其中第一端可以附接到超声换能器，并且第二端可以包括尖端。根据该实施例，细长探头的尖端可以包括铌(例如，铌或其合金)。如上所述，超声装置可用于超声脱气工艺。超声换能器可以生成超声，并且附接到换能器的探头可以将超声波传输到包括熔融金属的浴中，所述熔融金属为诸如铝、铜、锌、钢、镁等、或者其混合物和/或组合(例如，包括各种铝、铜、锌、钢、镁等的合金)。
在本发明的各种实施例中，使用超声脱气和超声晶粒细化的组合。超声脱气和超声晶粒细化的组合的使用提供了单独和组合两者的优点，如下所述。虽然不限于以下讨论，但是以下讨论提供了超声脱气和超声晶粒细化的组合伴随的独特效果的理解，导致铸造产品的整体质量的改善，这些改善在任何一个单独使用时将不是期望的。这些效果已经由发明人在他们开发这种组合的超声加工中实现。
在超声脱气中，从金属铸造工艺中消除了氯化学品(在不使用超声脱气时使用)。当作为化学品的氯存在于熔融金属浴中时，氯可以与浴中的其他外来元素(诸如可能存在的碱)反应并形成强的化学键。当存在碱时，在熔融金属浴中形成稳定的盐，这可能导致铸造金属产品中的夹杂物，这会降低其导电性和机械性能。在没有超声晶粒细化的情况下，使用化学晶粒细化剂，诸如硼化钛，但这些材料通常含有碱。
因此，通过超声脱气除去作为工艺元素的氯并且通过超声晶粒细化消除晶粒细化剂(碱源)，在铸造金属产品中的稳定盐形成和所得夹杂物形成的可能性显着降低。此外，消除这些作为杂质的外来元素改善了铸造金属产品的导电性。因此，在本发明的一个实施例中，超声脱气和超声晶粒细化的组合意味着所得的铸造产品具有优异的机械和导电性能，因为消除了两种主要杂质源而没有用一种外来杂质替代另一种杂质。
通过超声脱气和超声晶粒细化的组合提供的另一个优点涉及超声脱气和超声晶粒细化两者均有效地“搅拌”熔融浴，使熔融材料均匀化的事实。当金属的合金熔化并且然后冷却至凝固时，由于不同合金比例的熔点各自不同，可能存在合金的中间相。在本发明的一个实施例中，超声脱气和超声晶粒细化两者均搅拌并将中间相混合回熔融相。
所有这些优点允许获得小晶粒的产品，与当使用超声脱气或超声晶粒细化时或使用常规氯加工或化学晶粒细化剂代替其中之一或两者时将预期的相比，该产品具有：具有较少的杂质、较少的夹杂物、较好的导电性、较好的延展性和较高的拉伸强度。
金属制品
在本发明的一个方面，包括铸造金属组合物的产品可以在铸造轮的通道中或在上面讨论的铸造结构中形成，而不需要晶粒细化剂并且仍然具有亚毫米的晶粒尺寸。因此，铸造金属组合物可以用少于5％的包括晶粒细化剂的组合物制成，并且仍然获得亚毫米的晶粒尺寸。铸造金属组合物可以用少于2％的包括晶粒细化剂的组合物制成，并且仍然获得亚毫米的晶粒尺寸。铸造金属组合物可以用少于1％的包括晶粒细化剂的组合物制成，并且仍然获得亚毫米的晶粒尺寸。在优选的组合物中，晶粒细化剂小于0.5％或小于0.2％或小于0.1％。铸造金属组合物可以用不含晶粒细化剂的组合物制成，并且仍然获得亚毫米级的晶粒尺寸。
铸造金属组合物可以具有各种亚毫米晶粒尺寸，这取决于许多因素，包括“纯”或合金金属的组分、浇注速率、浇注温度、冷却速率。可用于本发明的晶粒尺寸列表包括以下。对于铝和铝合金，晶粒尺寸的范围从200至900微米、或300至800微米、或400至700微米、或500至600微米。对于铜和铜合金，晶粒尺寸的范围从200至900微米、或300至800微米、或400至700微米、或500至600微米。对于金、银或锡或其合金，晶粒尺寸的范围从200至900微米、或300至800微米、或400至700微米、或500至600微米。对于镁或镁合金，晶粒尺寸的范围从200至900微米、或300至800微米、或400至700微米、或500至600微米。虽然以范围形式给出，但本发明也能够是中间值。在本发明的一个方面，可以加入小浓度(小于5％)的晶粒细化剂，以进一步将晶粒尺寸减小到100和500微米之间的值。铸造金属组合物可以包括铝、铜、镁、锌、铅、金、银、锡、青铜、黄铜及其合金。
铸造金属组合物可以拉制或以其他方式形成棒股、杆、线股、片股、线、坯料和粒料。
计算机化控制
图1中的控制器500(例如)可以通过图12中所示的计算机系统1201实现。计算机系统1201可以用作控制器500以控制上述铸造系统或采用本发明的超声处理的任何其他铸件系统或设备。虽然在图1中单独描述为一个控制器，但是控制器500可以包括彼此通信和/或专用于特定控制功能的离散和独立处理器。
特别地，控制器500可以专门地用控制算法编程，该控制算法执行图13中的流程图所描绘的功能。
图13描绘了流程图，其元素可以编程或存储在计算机可读介质中或下面讨论的数据存储装置之一中。图13的流程图描绘了本发明的用于在金属产品中引入成核位点的方法。在步骤元素1802处，编程元件将指导将熔融金属浇注到熔融金属输送机中的操作。在步骤元素1804处，编程元件将指导例如通过控制液体介质在输送机中或附接至输送机的冷却通路的流动或穿过来冷却熔融金属的操作。在步骤元素1806处，编程元件将指导将振动能量直接耦合到与输送机上的熔融金属接触的接收板中的操作。在该元素中，振动能量将具有在熔融金属中引入成核位点的频率和功率，如上所述。在步骤1804处，熔融金属的冷却能够通过冷却介质在接收板的流动的控制，例如通过控制流经接收板的涡流冷却而发生。
诸如熔融金属温度、浇注速率、通过冷却通道通路的冷却流以及模具冷却等元素以及与通过轧机控制和拉制铸造产品(包括控制振动能源(例如熔融金属输送机50的振动能量源)的功率和频率)有关的元素将用标准软件语言(下面讨论)编程，以产生包括指令的专用处理器，该指令用以应用本发明的方法来在金属产品中引入成核位点。
更具体地，图12中所示的计算机系统1201包括总线1202或用于传送信息的其他通信机构、以及与总线1202耦接以处理信息的处理器1203。计算机系统1201还包括主存储器1204，诸如随机存取存储器(ram)或其他动态存储装置(例如，动态ram(dram)、静态ram(sram)和同步dram(sdram))，主存储器1204耦接到总线1202以用于存储由处理器1203执行的信息和指令。另外，主存储器1204可以用于在处理器1203执行指令期间存储临时变量或其他中间信息。计算机系统1201还包括耦接到总线1202的只读存储器(rom)1205或其他静态存储装置(例如，可编程只读存储器(prom)、可擦除prom(eprom)和电可擦除prom(eeprom))，以用于存储处理器1203的静态信息和指令。
计算机系统1201还包括耦接到总线1202的磁盘控制器1206，以控制用于存储信息和指令的一个或多个存储装置，诸如磁性硬盘1207、以及可移除介质驱动器1208(例如，软盘驱动器、只读光盘驱动器、读/写光盘驱动器、光盘自动点唱机、磁带驱动器和可移除磁光驱动器)。可以使用适当的装置接口(例如，小型计算机系统接口(scsi)、集成装置电子器件(ide)、增强型ide(e-ide)、直接存储器访问(dma)或超dma)将存储装置添加到计算机系统1201。
计算机系统1201还可以包括专用逻辑装置(例如，专用集成电路(asic))或可配置逻辑装置(例如，简单可编程逻辑装置(spld)、复杂可编程逻辑装置(cpld)和现场可编程门阵列(fpga))。
计算机系统1201还可以包括耦接到总线1202的显示控制器1209，以控制用于向计算机用户显示信息的显示器，诸如阴极射线管(crt)或液晶显示器(lcd)。计算机系统包括输入装置，诸如键盘和指示装置，以用于与计算机用户(例如，与控制器500接口连接的用户)交互并向处理器1203提供信息。
计算机系统1201响应于处理器1203执行包括在存储器(诸如主存储器1204)中的一个或多个指令的一个或多个序列，执行本发明的部分或全部加工步骤(诸如，例如关于在热停滞状态下向液态金属提供振动能量所描述的那些)。此类指令可以从另一计算机可读介质(诸如硬盘1207或可移除介质驱动器1208)读入主存储器1204。还可以采用多处理布置中的一个或多个处理器来执行包括在主存储器1204中的指令序列。在替代实施例中，可以使用硬连线电路代替软件指令或与软件指令组合。因此，实施例不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
计算机系统1201包括至少一个计算机可读介质或存储器，以用于保存根据本发明的教导编程的指令并用于包括本文所述的数据结构、表格、记录或其他数据。计算机可读介质的示例是光盘、硬盘、软盘、磁带、磁光盘、prom(eprom、eeprom、闪速eprom)、dram、sram、sdram或任何其他磁介质、光盘(例如、cd-rom)、或任何其他光学介质、或其他物理介质、载波(下面描述)、或计算机可以读取的任何其他介质。
存储在计算机可读介质中的任何一个或组合上，本发明包括用于控制计算机系统1201、用于驱动一个或多个装置以实现本发明、以及用于使计算机系统1201能够与人类用户交互的软件。这种软件可以包括但不限于装置驱动器、操作系统、开发工具和应用程序软件。这种计算机可读介质还包括用于执行在实现本发明时执行的加工的全部或部分(如果加工是分布的)的本发明的计算机程序产品。
本发明的计算机代码装置可以是任何可解释的或可执行的代码机构，包括但不限于脚本、可解释的程序、动态链接库(dll)、java类和完整的可执行程序。此外，可以分布本发明的加工的部分以获得更好的性能、可靠性和/或成本。
本文使用的术语“计算机可读介质”是指参与向处理器1203提供指令以用于执行的任何介质。计算机可读介质可以采用许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘、磁盘和磁光盘，诸如硬盘1207或可移除介质驱动器1208。易失性介质包括动态存储器，诸如主存储器1204。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成总线1202的电线。传输介质也可以采用声波或光波的形式，诸如在无线电波和红外数据通信期间生成的声波或光波。
计算机系统1201还可以包括耦接到总线1202的通信接口1213。通信接口1213提供耦接到网络链路1214的双向数据通信，网络链路1214连接到例如局域网(lan)1215，或者连接到诸如因特网的另一通信网络1216。例如，通信接口1213可以是附接到任何分组交换lan的网络接口卡。作为另一示例，通信接口1213可以是非对称数字订户线路(adsl)卡、综合业务数字网(isdn)卡或调制解调器，以提供与相应类型的通信线路的数据通信连接。还可以实现无线链路。在任何这种实施方式中，通信接口1213发送和接收携带表示各种类型的信息的数字数据流的电信号、电磁信号或光信号。
网络链路1214通常通过一个或多个网络向其他数据装置提供数据通信。例如，网络链路1214可以通过本地网络1215(例如，lan)或通过由服务提供商操作的设备提供到另一计算机的连接，该服务提供商通过通信网络1216提供通信服务。在一个实施例中，该能力允许本发明将多个上述控制器500联网在一起，以用于诸如工厂广泛自动化或质量控制之类的目的。本地网络1215和通信网络1216使用例如携带数字数据流的电信号、电磁信号或光信号、以及相关的物理层(例如，cat5电缆、同轴电缆、光纤等)。通过各种网络的信号和网络链路1214上的信号以及通过通信接口1213的信号(这些信号将数字数据传送到计算机系统1201并从计算机系统1201传送数字数据)可以在基带信号或基于载波的信号中实现。基带信号将数字数据作为描述数字数据比特流的未调制电脉冲进行递送，其中术语“比特”应广义地解释为表示符号，其中每个符号递送至少一个或多个信息比特。数字数据还可以用于调制载波，诸如利用在导电介质上传播的振幅、相位和/或频率移位键控信号，或者数字数据作为电磁波通过传播介质传输。因此，数字数据可以作为未调制的基带数据通过“有线”通信信道作发送和/或通过调制载波在不同于基带的预定频带内发送。计算机系统1201可以通过网络1215和1216、网络链路1214和通信接口1213传输和接收包括程序代码的数据。此外，网络链路1214可以通过lan1215提供到移动设备1217的连接，该移动设备1217为诸如个人数字助理(pda)膝上型计算机或蜂窝电话。
更具体地，在本发明的一个实施例中，提供了一种连续铸造和辊轧系统(ccrs)，其可以在连续的基础上直接从熔融金属产生纯电导体级铝杆和合金导体级铝杆线圈。ccrs可以使用计算机系统1201中的一个或多个(如上所述)来实现控制、监视和数据存储。
在本发明的一个实施例中，旨在提高高质量铝杆的产量，先进的计算机监视和数据采集(scada)系统监视和/或控制辊轧机(即ccrs)。可以显示、绘制、存储和分析该系统的附加变量和参数以进行质量控制。
在本发明的一个实施例中，在数据采集系统中捕获以下后期制作测试工艺中的一个或多个。
涡流裂痕检测器可以在线使用，以连续监视铝杆的表面质量。因为基质夹杂物充当不连续的缺陷，所以如果夹杂物位于杆的表面附近，则可以检测到夹杂物。在铝杆的铸造和辊轧期间，成品中的缺陷可以来自工艺中的任何地方。不正确的熔融化学和/或金属中的过量氢气会在辊轧工艺期间产生裂痕。涡流系统是非破坏性测试，并且ccrs的控制系统可以警告操作者上述缺陷中的任何一个。涡流系统可以检测表面缺陷，并将缺陷分类为小型、中型或大型。涡流结果可记录在scada系统中，并且跟踪到大量铝(或正在加工的其他金属)以及其何时产生。
一旦杆在工艺结束时盘绕，铸铝的整体机械性能和电气性能就可以被测量并被记录在scada系统中。产品质量测试包括：拉伸、伸长率和电导率。拉伸强度是材料的强度的量度，并且是材料在断裂前在张力下可以承受的最大力。伸长率值是材料的延展性的量度。电导率测量通常报告为“国际退火铜标准”(iacs)的百分比。这些产品质量指标可以记录在scada系统中，并跟踪到大量的铝以及其何时产生。
除了涡流数据，还可以使用扭曲测试进行表面分析。铸铝杆经受受控的扭转试验。与在辊轧工艺期间创建的不适当的凝固、夹杂物和纵向缺陷相关联的缺陷在扭曲的杆上被放大并显露出来。通常，这些缺陷表现为与滚动方向平行的接缝形式。在杆顺时针和逆时针扭转之后的一系列平行线指示样品是均匀的，而在铸造工艺中的非均匀性将导致线波动。扭曲测试的结果可以记录在scada系统中，并跟踪到大量的铝以及其何时产生。
样品和产品制备
样品和产品可以利用上面详述的增强的振动能量耦合和/或增强的冷却技术用上述ccr系统制成。铸造和辊轧工艺开始于来自熔融和保温炉的系统的连续熔融铝流，通过耐火衬里流槽系统输送到上面讨论的在线化学晶粒细化系统或超声晶粒细化系统。另外，ccr系统可以包括上面讨论的超声脱气系统，该超声脱气系统使用超声波和吹扫气体以便从熔融铝中除去溶解的氢气或其他气体。从脱气器中，金属将流到具有多孔陶瓷元件的熔融金属过滤器，这进一步减少了熔融金属中的夹杂物。然后，流槽系统将熔融铝运输到中间罐。从中间罐中，熔融铝将被浇注到模具中，该模具如上所述由铜铸造环和钢带的周边凹槽形成。通过来自多区域水歧管的喷嘴分配的水将熔融铝冷却成固态铸造棒，其中磁流量计用于关键区域。连续铝铸造棒从铸造环离开到棒提取递送机上，到达辊轧机。
辊轧机可以包括单独驱动的辊轧机架，其减小了棒的直径。将杆发送到拉丝机，在拉丝机中将杆拉到预定的直径，然后盘绕。一旦棒在该工艺结束时盘绕，就将测量铸铝的整体机械性能和电气性能。质量测试包括：拉伸、伸长率和电导率。拉伸强度是材料的强度的量度，并且是材料在断裂前在张力下可以承受的最大力。伸长率值是材料的延展性的量度。电导率测量通常被报告为“国际退火铜标准”(iacs)的百分比。
1)拉伸强度是材料的强度的量度，是材料在断裂前在张力下可以承受的最大力。拉伸和伸长率测量在相同样品上进行。选择10英寸标距长度样品用于拉伸和伸长率测量。将杆样品插入拉伸机中。把夹具放在10英寸标距处。拉伸强度＝破裂力(磅)/横截面积(πr2)，其中r(英寸)是杆的半径。
2)％伸长率＝((l1-l2)/l1)×100。l1是材料的初始标距长度，并且l2是通过将来自张力测试的两个破裂样品放在一起并测量发生的失效而获得的最终长度。通常，材料的延展性越大，样品在拉伸中观察到的缩颈越多。
3)电导率：电导率测量通常被报告为“国际退火铜标准”(iacs)的百分比。使用开尔文电桥进行电导率测量，并且细节在astmb193-02中提供。iacs是金属和合金相对于标准退火铜导体的电导率的单位；iacs值为100％是指在20℃下电导率为5.80×107西门子/米(58.0ms/m)。
如上所述的连续杆工艺不仅可以用于产生电气级铝导体，而且还可以用于利用超声晶粒细化和超声脱气的机械铝合金。为了测试和质量控制超声晶粒细化工艺，铸棒样品将被收集和蚀刻。
图14是acsr线工艺流程图。其示出纯熔融铝转化为将用于acsr线的铝线。转化工艺的第一步骤是将熔融铝转化为铝杆。在下一步骤中，杆被拉过若干冲模，并且根据端部直径，这可以通过一次或多次拉动来完成。一旦将杆拉到最终直径，就将线缠绕到重量范围在200和500磅之间的卷轴上。这些单独的卷轴将围绕钢股线电缆被成股为acsr电缆，acsr电缆含有若干单独的铝股线。股线的数量和每个股线的直径将取决于例如客户要求。
图15是acss线工艺流程图。其示出纯熔融铝转化为将用于acss线的铝线。转化工艺的第一步骤是将熔融铝加工成铝杆。在下一步骤中，杆被拉过若干冲模，并且根据端部直径，这可以通过一次或多次拉动来完成。一旦将杆拉到最终直径，就将线缠绕到重量范围在200和500磅之间的卷轴上。这些单独的卷轴将围绕钢股线电缆被成股为acss电缆，acss电缆含有若干单独的铝股线。股线的数量和每个股线的直径将取决于客户要求。acsr电缆和acss电缆之间的一个区别是，一旦铝在围绕钢缆成股，整个电缆在炉中进行热处理，使铝处于极软状态。重要的是注意，在acsr中，电缆的强度源自于由于铝和钢电缆的强度组合，而在acss电缆中，大部分强度来自acss电缆内的钢。
图16是铝条带工艺流程图，其中条带最终被加工成金属包层电缆。其示出，第一步骤是将熔融铝转化为铝杆。在此之后，将杆通过若干辊轧冲模进行辊轧以将其转化成条带，通常宽约0.375英寸，厚为约0.015-0.018英寸。将辊轧的条带加工成重约600磅的环形垫。重要的是要注意也可以使用辊轧工艺产生其他宽度和厚度，但0.375英寸宽度和0.015至0.018英寸厚度是最常见的。然后在炉中对这些垫进行热处理，以使垫达到中间退火状态。在这种情况下，铝既不是完全硬的也不处于极软状态。然后将条带用作保护套，该保护套组装成互锁金属带(条带)的盔甲，该盔甲包封一个或多个绝缘电路导体。
可以使用上述工艺将利用上述增强的振动能量耦合的本发明的超声晶粒细化材料制造成上述电线和电缆产品。
本发明的一般陈述
本发明的以下陈述提供了本发明的一个或多个特性，并且不限制本发明的范围。
陈述1.一种熔融金属输送设备(即，输送机)，包括：接收板，其与熔融金属接触；至少一个振动能量源，其将振动能量(例如，超声、机械驱动、和/或声能)直接供应(例如，其具有供应的构造)至与熔融金属接触的所述接收板，任选地，同时将所述熔融金属冷却。所述接收板从熔融金属进入到所述接收板上之处的入口延伸至熔融金属离开所述接收板之处的出口。
陈述2.根据陈述1所述的设备，其中，所述接收板具有至少一个用于冷却介质通行的通道。陈述3.根据陈述2所述的输送机，其中，所述冷却介质包括以下中的至少一种：水、气体、液态金属、液氮和引擎油。陈述4.根据陈述2所述的输送机，其中，所述冷却通道在所述接收板内，或者所述冷却通道包括附接至所述接收板的导管。陈述5.根据陈述1所述的输送机，进一步包括：鼓风机，其提供气流以冷却所述接收板。
陈述6.根据陈述1所述的输送机，进一步包括：组件，其相对于铸造机的铸造轮或相对于将熔融金属供应至模具的中间包安装所述接收板。
陈述7.根据陈述1所述的输送机，其中，至少一个振动能量源包括：将振动能量直接提供至与熔融金属接触的所述接收板的超声换能器、磁致伸缩换能器和机械驱动振动器中的至少一个。陈述8.根据陈述1所述的输送机，其中，提供至所述接收板的所述振动能量在高至400khz的频率范围内。
陈述9.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板具有以下中的至少一种：平滑完成面、抛光完成面、粗糙完成面、隆起完成面、纹理完成面和锯齿完成面。陈述10.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板包括以下中的至少一种或多种：铌、铌合金、钛、钛合金、钽、钽合金、铜、铜合金、铼、铼合金、钢、钼、钼合金、不锈钢、陶瓷、复合材料或金属。陈述11.根据陈述10所述的输送机，其中，所述陶瓷包括氮化硅陶瓷。陈述12.根据陈述11所述的输送机，其中，所述氮化硅陶瓷包括氮化硅铝。
陈述13.根据陈述1所述的输送机，其中，所述至少一个振动能量源包括：多个换能器，其按照有序样式布置在所述接收板上。陈述14.根据陈述13所述的输送机，其中，所述接收板上的所述有序样式在所述接收板的一侧具有较高密度的所述换能器。陈述15.根据陈述14所述的输送机，其中，在所述接收板的一侧的所述较高密度的所述换能器处于熔融金属出口侧。陈述16.根据陈述14所述的输送机，其中，在所述接收板的一侧的所述较高密度的所述换能器处于熔融金属入口侧。
陈述17.根据陈述1所述的输送机，其中，所述至少一个振动能量源包括：压电换能器元件，其附接至所述接收板。陈述18.根据陈述17所述的输送机，超声增强器，其联接于附接至所述接收板的所述压电换能器元件。陈述19.根据陈述1所述的输送机，其中，所述至少一个振动能量源包括：磁致伸缩换能器元件，其附接至所述接收板。陈述20.根据陈述1所述的输送机，进一步包括：超声除气器，其插入熔融金属流动通道中。
陈述21.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板具有的厚度小于10cm。陈述22.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板具有的厚度为0.5cm～5cm或1cm～3cm。陈述23.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板具有的厚度为1.5cm～2cm。陈述24.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板在不同区部具有不同厚度。
陈述25.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板设置在铸造轮上方并且将所述熔融金属提供至所述铸造轮中的料槽。陈述26.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板附接至竖直模具并且将所述熔融金属提供至所述竖直模具的内部。
陈述27.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板包括的横向宽度小于或等于纵向长度，或者所述横向宽度小于或等于所述纵向长度的1/2；或者所述横向宽度小于或等于所述纵向长度的1/3。陈述28.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板包括的横向宽度为2.5cm～300cm。陈述29.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板包括的横向宽度朝向所述出口在宽度上渐缩。
陈述30.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板以接近水平的方向设置，通过重力迫使所述熔融金属流向所述出口。陈述31.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板相对于水平方向以小于或等于45度角设置。陈述32.根据陈述1所述的输送机，其中，所述接收板相对于竖直方向以小于或等于45度角设置。
陈述33.根据陈述1所述的输送机，进一步包括：控制器，其控制以下中的至少一个：熔融金属到所述接收板上的浇铸速率和熔融金属在所述接收板上的冷却速率。陈述34.根据陈述33所述的输送机，其中，所述控制器被编程以调节所述浇铸速率以致熔融金属高于所述接收板的高度为1.25cm～10cm。
陈述35.一种用于形成金属产品的方法，包括：将熔融金属提供至熔融输送机上，所述熔融输送机沿与熔融金属接触的所述输送机的接收板而运输熔融金属；通过控制冷却介质而冷却熔融金属，所述冷却介质在所述接收板流动或者流动经过所述接收板中的或附接至所述接收板的冷却通路；将振动能量直接耦合至所述接收板中。
陈述36.根据陈述35所述的方法，其中，耦合能量包括：将来自超声换能器或磁致伸缩换能器或机械驱动振动器中的至少一个的所述能量供应至所述探头。陈述37.根据陈述36所述的方法，其中，供应所述能量包括：提供5khz～400khz频率范围内的所述能量。陈述38.根据陈述35所述的方法，其中，冷却包括：通过施加水、气体、液态金属、液氮和引擎油中的至少一种作为所述接收板的冷却剂而冷却熔融金属。
陈述39.根据陈述35所述的方法，其中，提供熔融金属包括：将熔融金属从铸造轮的浇铸装置浇铸至所述接收板上。陈述40.根据陈述39所述的方法，进一步包括：将熔融金属从所述接收板浇铸至所述铸造轮的料槽中。陈述41.根据陈述35所述的方法，其中，提供熔融金属包括：将熔融金属从竖直模具的中间包浇铸至所述接收板上。陈述42.根据陈述41所述的方法，进一步包括：将熔融金属从所述接收板浇铸至所述竖直模具中。陈述43.根据陈述35所述的方法，进一步包括：将熔融金属从所述接收板浇铸至连续铸造模具中。陈述44.根据陈述35所述的方法，进一步包括：将熔融金属从所述接收板浇铸至水平或竖直铸造模具中。
陈述45.一种铸造机，包括：铸造模具，其被构造以冷却熔融金属；根据陈述1～34中任一项所述的输送机。陈述46.根据陈述45所述的铸造机，其中，所述模具包括连续铸造模具。陈述47.根据陈述45所述的铸造机，其中，所述模具包括水平或竖直铸造模具。
陈述48.一种用于形成金属产品的系统，包括：用于将熔融金属提供至熔融输送机上的设备；用于控制冷却介质的设备，所述冷却介质流动经过所述输送机的接收板中的或附接至所述接收板的冷却通路，所述接收板与熔融金属接触；用于将振动能量直接耦合至所述接收板中的设备；和控制器，其包括数据输入端和控制输出端，并且被编程有控制算法，所述控制算法允许根据陈述35～44中所述任一步骤要素的操作。
陈述49.一种用于形成金属产品的系统，包括：根据陈述1～34中任一项所述的输送机；控制器，其包括数据输入端和控制输出端，并且被编程有控制算法，所述控制算法允许根据陈述35～44中所述任一步骤要素的操作。
陈述50.一种用于形成金属产品的系统，包括：浇铸装置，用于浇铸熔融金属；铸造轮，用于形成金属产品的连续铸造；和组件，其将根据陈述1～34中任一项所述的输送机耦合至所述铸造轮；和控制器，其包括数据输入端和控制输出端，被编程有控制算法，所述控制算法允许根据陈述35～44中所述任一步骤要素的操作。
于上述教导，本发明的许多修改和变化都是可能的。因此，应理解，在所附陈述的范围内，本发明可以以不同于本文具体描述的方式实践。
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