用于使铝锂合金的直接冷硬铸造中爆炸的可能性最小化的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于使铝锂合金的直接冷硬铸造中爆炸的可能性最小化的方法和装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以下申请的在先申请日权益:
[0003]2013年2月4日提交的共同待决美国临时专利申请号61/760，323 ;
[0004]2013年5月16日提交的国际申请号PCT/US2013/041457 ；
[0005]2013年5月16日提交的国际申请号PCT/US2013/041459 ；
[0006]2013年5月16日提交的国际申请号PCT/US2013/041464 ;以及
[0007]2013年11月23日提交的美国专利申请号61/908，065，上述所有申请通过引用合并于本文中。
技术领域
[0008]铝锂(Al-Li)合金的直接冷硬铸造。
【背景技术】
[0009]自1938年由美国的Aluminum Company (现在的Alcoa)发明直接冷硬(“DC”)铸造以来，在开底模具中半连续地铸造传统的(不含锂)铝合金。自那以后对该方法进行了许多修改和改变，但是基本的方法和装置仍然类似。铝锭铸造领域的技术人员将理解新的创新改进该方法，同时保持其通常的功能。
[0010]美国专利号4，651，804描述一种更现代的铝铸锭坑设计。略高于地平高度安装金属熔炉并且铸模处于或接近于地平高度已成为标准惯例，并且当铸造操作进行时将铸锭降低到含水铸锭坑中。来自直接冷硬的冷却水流动到该铸锭坑中并且从该铸锭坑中连续地被去除，同时在该铸锭坑内留下永久的深水池。该方法目前仍在使用，并且在全世界每年大概有超过5百万吨的铝及其合金通过该方法生产。
[0011]不幸的是，使用这样的系统存在缘于“渗漏”或“漏出”的固有风险。在正铸造的铝锭未在铸模中适当地凝固并且被允许以液态非期望地和过早地离开模具的情况下会发生“渗漏”或“漏出”。在“渗漏”或“漏出”期间，与水接触的熔融铝由于以下的原因而能够导致爆炸:⑴由将水加热到>212° F的热铝块产生的水到蒸汽的转化；或⑵熔融金属与水的化学反应，导致引起爆炸性化学反应的能量释放。
[0012]使用该方法在全世界当“渗漏”或“漏出”发生时有过多次爆炸，其中熔融金属从由模具露出的锭的侧部和/或从模具的边界脱离。因此，已执行相当多的实验工作以建立用于DC铸造的最安全可能条件。最早并且可能最好的已知工作由美国Aluminum Company的 G.Long( “Explos1ns of Molten Aluminum in Water Cause and Prevent1n，，，MetalProgress，1957年5月，第71卷，第107至112页)(在下文中称为“Long” )承担，接着是进一步的研究和设计成使爆炸风险最小化的行业“操作守则”的建立。这些守则一般由全世界的铸造厂遵守。守则广泛地基于Long的工作并且通常需要:(I)永久保持在铸锭坑中的水的深度应当为至少三英尺；(2)铸锭坑内的水位应当低于模具至少10英尺；以及(3)铸造机和铸锭坑表面应当清洁、无锈并且涂覆有可靠的有机材料。
[0013]在Long的实验中，Long发现在铸锭坑中的水池具有两英寸或以下的深度的情况下，不发生很猛烈的爆炸。然而，相反地发生较少的足以从该铸锭坑排出熔融金属并且将该熔融金属以危险方式分布到该铸锭坑外部的爆炸。因此如上所述的操作守则要求将具有至少三英尺深度的水池永久地保持在该铸锭坑中。Long得出结论，如果铝/水爆炸将要发生，则必须满足某些要求。尤其是当铸锭坑的底表面被熔融金属覆盖时必须在铸锭坑的底表面上发生某种类型的触发动作，并且他提出该触发是由于在输入的金属下方截留的很薄的水层突然转化为蒸汽而引起的轻微爆炸。当在铸锭坑的底部有脂、油或涂料时防止爆炸，因为用于触发爆炸所必需的薄水层不会以与未涂覆表面相同的方式被截留在熔融金属下方。
[0014]在实践中，至少三英尺的推荐水深通常用于竖直DC铸造，并且在一些铸造厂中(特别是在欧洲大陆的国家)，与以上的推荐(2)相比，使水位很接近模具的下侧。因此通过DC方法进行铸造的铝工业已选择为了安全而永久保持铸锭坑中的深水池。必须强调的是该操作守则是基于经验结果；没有完全理解在各种类型的熔融金属/水爆炸中实际发生的情况。然而，对该操作守则的重视已经确保实际上肯定避免在铝合金的“漏出”事件中的意夕卜。
[0015]在过去的几年里，越来越关注包含锂的轻金属合金。锂使熔融合金更有反应性。在“Metal Progress”中的上述文章中，Long提到由H.M.Higgins进行的早先工作，H.M.Higgins针对包括Al-Li的多种合金报告铝/水反应情况并且推断“当熔融金属以任何方式分散在水中时，Al-Li合金经历强烈反应”。(美国的)Aluminum Associat1n Inc.也宣布当通过DC方法铸造这样的合金时有特别的危险。美国的Aluminum Company已公布试验的视频录像，其证实这样的合金在与水混合时会很猛烈地爆炸。
[0016]美国专利号4，651，804教导前述铸锭坑的使用，但是规定从铸锭坑的底部去除水以使得在铸锭坑中不发生水池的积累。该布置是他们用于铸造Al-Li合金的优选方法论。欧洲专利号0-150-922描述了倾斜的铸锭坑底部(铸锭坑底部优选百分之三到百分之八的倾斜梯度)，伴有偏移水收集储存器、水栗和关联的水位传感器以保证水不能收集在铸锭坑中，因此减小由具有紧密接触的水和Al-Li合金而产生爆炸的发生率。从该铸锭坑连续地去除锭冷却水以使得不能发生水积累的能力对于该专利的教导的成功是至关重要的。
[0017]其它工作也已证明与没有锂的铝合金相比，与将锂加入铝合金相关联的爆炸力能够使爆炸能量的性质增加若干倍。当包含锂的熔融铝合金与水接触时，发生氢的快速析出，因为水离解成L1-OH和氢离子(H+)。美国专利号5，212，343教导加入铝、锂(以及其它元素)和水以启动爆炸反应。这些元素(特别是铝和锂)在水中的放热反应产生大量氢气，典型地每一克铝一 3%锂的合金产生14立方厘米的氢气。该数据的实验验证可以在美国能源部资助的研究合同号#DE-AC09-89SR18035下执行的研究中找到。应当注意5，212，343专利的权利要求1要求保护执行该剧烈相互作用以便经由放热反应产生水爆炸的方法。该专利描述一种方法，其中元素例如锂的加入导致每个单位体积的材料的高反应能量。如美国专利号5，212，343和5，404，813中所述，锂(或某种其它的化学活性元素)的加入促进爆炸。这些专利教导了爆炸反应是期望结果的方法。与没有锂的铝合金相比，这些专利增强了加入锂以“渗漏”或“漏出”的爆炸性。
[0018]再次参考美国专利号4，651，804，导致常规(不含锂)铝合金的爆炸的两个发生事件是(I)水转化成蒸汽和(2)熔融铝和水的化学反应。将锂加入铝合金产生第三、甚至更加剧烈的爆炸力，水和“渗漏”或“漏出”的熔融铝-锂的放热反应产生氢气。在熔融Al-Li合金与水接触的任何时候，反应将发生。甚至当以铸锭坑中的最小水位进行铸造时，水也在“渗漏”或“漏出”期间与熔融金属接触。这不能避免，只能减小，因为放热反应的两种组分(水和熔融金属)将存在于铸锭坑中。减小水与铝接触的量将消除前两个爆炸条件，但是锂存在于铝合金中将导致氢析出。如果允许铸锭坑中的氢气浓度达到临界质量和/或体积，则爆炸可能发生。经研究对于触发爆炸所需的氢气的体积浓度为单位空间中的气体混合物的总体积的5%体积的阈值水平。美国专利号4，188，884描述制造水下鱼雷弹头，并且在第4页第2栏第33行参考附图叙述加入与水强反应的材料(例如锂)的填充物32。在该相同专利的第I栏第25行叙述通过与水的该反应而释放大量氢气，产生具有爆炸意外的气泡。
[0019]美国专利5，212，343描述通过将水与许多元素和组合(包括Al和Li)混合来制造爆炸反应以产生大体积的含氢气体。在第7页第3栏，其叙述“反应混合物被选择成使得当与水反应和接触时，从相对小体积的反应混合物产生大体积的氢”。相同段的第39和40行确定铝和锂。在第8页第5栏第21-23行显示铝与锂组合。在该相同专利的第11页第11栏第28-30行提到氢气爆炸。
[0020]在进行DC铸造的另一方法中，已公布专利涉及使用锭冷却剂而不是水以提供锭冷却来铸造Al-Li合金而没有来自“渗漏”或“漏出”的水-锂反应。美国专利号4，593，745描述使用卤代烃或卤代醇作为锭冷却剂。美国专利号4，610，295 ;4，709，740和4，724，887描述使用乙二醇作为锭冷却剂。为此，卤代烃(典型地是乙二醇)必须不含水和水蒸气。这是爆炸危险的解决方案，但是引入强火风险并且实现和维护成本高。在铸锭坑内将需要灭火系统以控制潜在的二醇燃烧。为了实现包括二醇处理系统、使二醇脱水的热氧化剂和铸锭坑防火系统的基于二醇的锭冷却剂系统，成本一般为约$5百万到$8百万美元(用如今的美元衡量)。用100%二醇作为冷却剂进行铸造还导致另一问题。二醇或其它卤代烃的冷却能力不同于水，并且需要不同的铸造实践以及铸造工具以利用该类型的技术。与使用二醇作为直接冷却剂联系的另一缺点在于由于二醇具有比水低的热导率和表面热传递系数，因此用100% 二醇作为冷却剂铸造的金属的显微组织具有较粗的非期望冶金成分并且在铸造产品中呈现较高量的中心线收缩孔隙度。缺少较精细的显微组织并且同时存在较高浓度的收缩孔隙度对从这样的初始原料制造的最终产品的性质产生不利影响。
[0021]在试图减小Al-Li合金的铸造中的爆炸危险的又一例子中，美国专利号4，237，961提出在DC铸造期间从锭去除水。在欧洲专利号0-183-563中，描述用于在铝合金的直接冷硬铸造期间收集“渗漏”或“漏出”熔融金属的装置。收集“渗漏”或“漏出”熔融金属将浓缩该熔融金属块。该教导不能用于Al-Li铸造，因为它会产生人为爆炸条件，其中当水正被收集以便去除时水的去除会导致水的池化。在熔融金属的“渗漏”或“漏出”期间，“渗漏”材料也将在池化水区域中浓缩。如美国专利号5，212，343中教导的，这会是产生反应性水/Al-Li爆炸的优选方式。
[0022]因此，在现有技术中已提出许多解决方案以减小或最小化Al-Li合金的铸造中的爆炸的可能性。尽管提出的这些解决方案的每一个在这样的操作中提供额外安全防护，但是没有一个证明是完全安全或在商业上成本有效的。
[0023]因此，仍然需要用于铸造Al-Li合金的更安全、更少维护倾向和成本更有效的同时将生产更高品质铸造产品的装置和方法。
【附图说明】
[0024]图1是直接冷硬铸造系统铸锭坑的一个实施方案的简化横截面视图。
[0025]图2是图1的铸造系统的俯视示意图，显示在正常操作条件下用于冷却剂供给系统的阀配置。
[0026]图3是图1的铸造系统的俯视示意图，显示在检测到渗漏时用于冷却剂供给系统的阀配置。
[0027]图4是一个方法实施方案的方法流程图。
[0028]图5是可操作以用于形成合金熔体并且由合金熔体形成一个或多个中间铸造产品的系统的示意性侧视图。
【具体实施方式】
[0029]根据一个实施方案，使排气口