位于直接冷硬铸锭坑的内部周边附近，处于从刚好低于该坑的顶部到坑顶部的各种位置以快速地从铸锭坑去除水蒸气或蒸汽。将惰性气体同时或随后引入该铸锭坑内部空间中以消除氢气合并为临界质量。根据本文所描述的一个实施方案，提供用于Al-Li合金的直接冷硬铸造的改造模具，其允许在铸造期间将惰性气体连续或分期引入冷却剂流同时在如果发生“渗漏”或“漏出”时允许停止冷却剂流动和将惰性气体引入锭凝固区域中。
[0030]描述用于铸造Al-Li合金的装置和方法。对现有技术的教导的关注在于水和Al-Li熔融金属“渗漏”或“漏出”材料聚在一起并且在放热反应期间释放氢。即使使用倾斜的铸锭坑底部、最小水位等，水和“渗漏”或“漏出”的熔融金属也仍然可以紧密接触，能够使反应发生。在没有水的情况下使用另一液体、例如在现有技术的专利中所述的那些进行铸造影响铸造产品的可铸造性、品质，实现和维护成本高，并且产生环境问题和火灾危险。
[0031]当前所述的装置和方法通过最小化或消除对于发生爆炸必须存在的成分来改进Al-Li合金的DC铸造的安全性。应当理解水(或水蒸气或蒸汽)存在于熔融Al-Li合金中将产生氢气。代表性化学反应方程式被认为是:
[0032]2LiAl+8H20 — 2Li0H+2Al (OH) 3+4H2 (g)。
[0033]氢气具有的密度明显小于空气的密度。在化学反应期间析出的氢气比空气轻，倾向于朝着铸锭坑的顶部向上移动，刚好低于在铸锭坑的顶部处的铸模和模具支撑结构。该典型封闭的区域允许氢气收集并且变得足够浓缩以产生爆炸气氛。热、火花或其它点火源可以触发浓缩状态的气体的氢‘羽流’的爆炸。
[0034]应当理解当与在DC方法(由铝锭铸造领域的技术人员实施)中使用的中间铸造产品冷却水组合时熔融“渗漏”或“漏出”材料将产生蒸汽和/或水蒸气。蒸汽和/或水蒸气是产生氢气的反应的加速剂。通过蒸汽去除系统去除该蒸汽和/或水蒸气将去除水与Al-Li组合产生L1-OH并且排出比的能力。通过在一个实施方案中在铸锭坑的内周边周围放置排气口并且在检测到发生“渗漏”时快速地启动排气孔，当前所述的装置和方法使蒸汽和/或水蒸气存在于铸锭坑中的可能性最小化。
[0035]根据一个实施方案，排气口位于铸锭坑内的若干区域中，例如低于铸模从约0.3米到约0.5米，在离铸模从约1.5米到约2.0米的中间区域中，以及在铸锭坑的底部处。作为参考，并且如下面更详细描述的附图中所示，铸模典型地放置在铸锭坑的顶部处，从地平高度到高于地平高度多达一米。除了为了稀释目的提供引入和排出空气以外，在模具台之下围绕铸模的水平和竖直区域一般用铸锭坑裙边和Lexan玻璃外套封闭，使得根据规定方式引入和排出包含在铸锭坑内的气体。
[0036]在另一实施方案中，将惰性气体引入铸锭坑内部空间中以最小化或消除氢气合并为临界质量。在该情况下，惰性气体是具有的密度小于空气的密度并且将倾向于占据刚好低于氢气会典型地所处的铸锭坑的顶部的相同空间的气体。氦气是具有的密度小于空气的密度的合适惰性气体的一个这样的例子。
[0037]在许多技术报告中已描述氩用作覆盖气体以便保护Al-Li合金免于环境大气以防止它们与空气反应。尽管氩是完全惰性的，但是它具有的密度大于空气的密度并且将不提供铸锭坑上部内部的惰化，除非保持强上升气流。与作为参照物的空气(1.3克/升)相比，氩具有约1.8克/升的密度并且会倾向于沉降到铸锭坑的底部，不提供铸锭坑的临界顶部区域内的期望的氢置换保护。在另一方面，氦不可燃并且具有0.2克每升的低密度并且将不支持燃烧。通过在铸锭坑的内部把空气换成更低密度的惰性气体，可以将铸锭坑中的危险气氛稀释到不能支持爆炸的水平。而且，当发生该交换时，还从该铸锭坑去除水蒸气和蒸汽。在一个实施方案中，在稳态铸造期间并且当未经历与‘渗漏’相关的非紧急状况时，在外部过程中从惰性气体去除水蒸气和蒸汽，而‘清洁的’惰性气体可以通过铸锭坑再循环回来。
[0038]要注意的是，由于氮也是“惰性”气体的普通工业知识，除了铝一锂合金的熔化和铸造以外的铝合金的熔化和直接冷硬铸造领域的技术人员可被诱导去使用氮气替代氦。然而，出于保持工艺安全性的原因，在本文中提及，当氮与液体铝一锂合金相互作用时它实际上不是惰性气体。氮确实与合金反应并且产生氨，氨又与水反应并且带来危险结果的额外反应，并且因此应该完全避免它的使用。对于另一种假定的惰性气体二氧化碳也是如此。在其中存在熔融铝锂合金与二氧化碳接触的有限机会的任何应用中应该避免它的使用。
[0039]通过使用比空气轻的惰性气体获得的显著益处在于残余气体将不会沉降到铸锭坑中，导致坑自身中的不安全的环境。存在比位于受限空间中的空气气体重导致源于窒息的死亡的许多情形。预期的是，对于受限的空间进入，将监测铸锭坑内的空气，但是不产生与工艺气体相关的问题。
[0040]现在参考附图，图1显示DC铸造系统的实施方案的横截面。DC系统5包括典型地形成于地面中的铸锭坑16。例如可以用液压动力单元(未显示)升高和降低的铸缸15布置在铸锭坑16内。用铸缸15升高和降低的台板18附连到铸缸15的上部或顶部部分。在该视图中固定铸模12在台板18上方或上面。铸模12具有如所示的敞开顶部和底部以及本体，所述本体限定模具腔(通过其中的腔)并且包括在其中用于冷却剂的储存器。在一个实施方案中，将冷却剂通过冷却剂口 11引入模具12中的储存器。冷却剂口 11通过管道(例如不锈钢管道)连接到包含合适的冷却剂、例如水的冷却剂源17。栗可以与冷却剂流体连通并且帮助冷却剂移动到冷却剂口 17和模具12中的储存器。在一个实施方案中，阀21布置在冷却剂源和冷却剂口 11之间以控制冷却剂流动到储存器中。流量计也可以存在于管道中以监测进入到储存器的冷却剂的流量。可以由控制器(控制器35)控制阀21并且这样的控制器也可以监测通过管道的冷却剂的流量。
[0041]将熔融金属引入铸模12中并且由铸模的较冷温度和通过经由围绕铸模12的基部或底部与铸模12关联的冷却剂供给装置14引入冷却剂来将熔融金属冷却，在中间铸造产品从模具腔露出(在铸模之下显露)之后该冷却剂撞击中间铸造产品。在一个实施方案中，铸模中的储存器与冷却剂供给装置14流体连通。来自冷却剂供给装置14的冷却剂(例如水)流动到显露的铸造产品(例如锭)的表面或周边上并且提供金属的直接冷硬和凝固。铸台31围绕铸模12。如图1中所示，在一个实施方案中，例如由耐高温氧化硅材料制造的垫圈或密封件29位于模具12的结构和台31之间。垫圈29抑制蒸汽或任何其它气氛从模具台31之下到达模具台之上并且由此抑制铸造人员在其中操作和呼吸的空气的污染。
[0042]在图1所示的实施方案中，系统5包括位于刚好低于模具12以检测渗漏或漏出的熔融金属检测器10。熔融金属检测器10例如可以是在美国专利号6，279，645中所述类型的红外检测器，如美国专利号7，296，613中所述的“爆发检测器”，或可以检测“渗漏”的存在的任何其它合适的装置。
[0043]在图1所示的实施方案中，系统5也包括排气系统19。在一个实施方案中，排气系统19在该实施方案中包括定位在铸锭坑16中的排气口 20A、20A’、20B、20B’、20C和20C’。将排气口定位成最大化从铸锭坑的内腔去除包括点火源(例如H2(g))和反应物(例如水蒸气或蒸汽)的生成气体。在一个实施方案中，排气口 20A、20A’定位在模具12之下约0.3米到约0.5米；排气口 20B、20B’定位在模具12之下约1.5米到约2.0米；并且排气口 20C、20C’定位在俘获和包含渗漏金属的铸锭坑16的基部处。排气口在每个水平处成对地显示。可以领会在例如图1中的不同水平处有多组排气口的实施方案中，在每个水平处可以有多于两个排气口。例如，在另一实施方案中，在每个水平处可以有三个或四个排气口。在另一实施方案中，可以有小于两个(例如每个水平处有一个)。排气系统19也包括远离铸模12 (例如离开模具12约20到30米)的远距离排气孔22以允许排出气体从系统离开。排气口 20A、20A’、20B、20B’、20C、20C’通过管道(例如镀锌钢或不锈钢管道)连接到排气孔22。在一个实施方案中，排气系统19还包括一组排气风扇以将排出气体引导到排气孔22。
[0044]图1还显示气体引入系统24，其在该实施方案中包括围绕铸锭坑布置并且连接到一个或多个惰性气体源27的惰性气体引入口(例如惰性气体引入口 26A、26A’、26B、26B’、26C和26C’)。在一个实施方案中，与口 26B和26B’以及26C和26C’的每一个的位置共存，定位有过量空气引入口以保证析出氢气的额外的移动中稀释。将气体引入口的定位选择成经由气体引入系统24提供惰性气体的涌流以立即替代铸锭坑内的气体和蒸汽，所述气体引入系统24在需要时(尤其当检测到渗漏时)通过惰性气体引入口 26在检测到“渗漏”状态的预定时间(例如约最多30秒)内将惰性气体引入铸锭坑16内。图1显示靠近铸锭坑16的顶部部分定位的气体引入口 26A和26A’ ；定位在铸锭坑16的中间部分处的气体引入口 26B和26B’ ；以及定位在铸锭坑16的底部部分处的气体引入口 26C和26C’。压力调节器或阀可以与每个气体引入口关联以控制惰性气体的引入。气体引入口在每个水平处成对地显示。应当领会在每个水平处有多组气体引入口的实施方案中，在每个水平处可以有多于两个气体引入口。例如，在另一实施方案中，在每个水平处可以有三个或四个气体引入口。在另一实施方案中，在每个水平处可以有小于两个(例如一个)。
[0045]如图1所示，在一个实施方案中，通过在铸锭坑16的顶部14处的气体引入口 26A和26A’引入的惰性气体撞击在模具12之下的凝固、半固体和液体铝锂合金，并且该区域中的惰性气体流量在一个实施方案中至少大致等于在检测到“渗漏”或“漏出”的存在之前的冷却剂的体积流量。在铸锭坑的不同水平处有气体引入口的实施方案中，通过这样的气体引入口的流量可以与通过铸锭坑16的顶部14处的气体引用口的流量相同或者可以不同(例如小于通过铸锭坑16的顶部14处的气体引入口的流量)。
[0046]在另一实施方案中，气体引入系统24包括进入到模具12中的辅助气体引入口23的管道使得惰性气体可以替代通过模具的冷却剂或与流动通过模具的冷却剂一起添加(例如通过经由冷却剂供给装置排放惰性气体和冷却剂)或者独立地流动通过模具(例如在所示的实施方案中，模具12的本体具有与冷却剂源17、冷却剂口 11和冷却剂供给装置14流体连通的用于冷却剂的储存器，以及与惰性气体源27、辅助气体引入口 23和进入铸锭坑中的一个或多个惰性气体供给装置25流体连通的用于惰性气体的独立歧管)。代表性地，阀13布置在管道中以控制或调节惰性气体通过辅助气体引入口 23流动到模具12中。在一个实施方案中，阀13在非渗漏或非漏出状态下闭合或部分地闭合并且在响应渗漏或漏出时打开。在铸锭坑的不同水平处有气体引入口的实施方案中，通过这样的气体引入口的流量可以与通过铸锭坑16的顶部14处的气体引入口的流量相同或者可以不同(例如小于通过铸锭坑16的顶部14处的气体引入口的流量)。阀13可以由控制器(控制器35)控制并且进入到辅助气体引入口 23的管道中的压力可以由控制器例如通过管道中的压力计监测。
[0047]如上所述，通过气体引入口引入的一种合适的惰性气体是氦。氦具有的密度小于空气的密度