(57)【要約】  直接チル鋳造動作中に溶融金属を供給する液体金属ジェットを、鋳造速度に等しい速度で、溶融サンプのスラリー領域を侵食するが、凝固金属は侵食しないように最適化することができる。溶融サンプのスラリー領域内の凝固粒体の浸食モデルは、鋳造過程中に最適化された液体金属ジェットを提供する鋳造パラメータ（例えば、最適にサイズ決定されたノズル開口部及び最適な溶融金属の流速）を発生させるために使用されるように、無次元化することができる。そのような最適化された液体金属ジェットを使用して鋳造されたインゴットは、インゴットの幅または高さ全体にわたって溶融金属供給部濃度から約１０％以下または５％以下のインゴット溶質濃度の変動を有する等の、改善されたマクロ偏析特性（例えば、低減されたマクロ偏析またはより均等に分布したマクロ偏析）を有する。【選択図】図１
2019513082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接チル鋳造システムであって、
金型キャビティと、
前記金型キャビティに溶融金属を提供するための前記溶融金属の供給部と、
前記溶融金属の供給部に結合され、また、定常状態動作中にスラリー領域の形状を変化させることなく溶融サンプの前記スラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに十分な力を有する液体金属ジェットを誘発する流速を生成するようにサイズ決定された開口部を有するノズルと、を備える、直接チル鋳造システム。
【請求項２】
ある鋳造速度で鋳造されている金属製品の前記溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有するように、前記ノズルの前記開口部がサイズ決定され、生成される前記液体金属ジェットが定常状態動作中に前記鋳造速度から１０％以下の変動を有する前記クレーターのクレーター降下速度を誘発するように、前記ノズルの前記開口部がサイズ決定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
定常状態動作中にある鋳造速度で前記ノズルから離れて延在するための底部ブロックをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記溶融金属の供給部と前記ノズルとの間に結合された、前記金型キャビティの中への前記溶融金属の流速を制御するための流れ制御デバイスをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記溶融サンプの深さを推定するためにセンサに結合され、また、前記溶融サンプの前記推定された深さに基づいて前記溶融金属の前記流速を調整するために前記流れ制御デバイスに結合された、コントローラをさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
鋳造動作中に金属鋳造を最適化するための方法であって、
液体金属供給源に結合されたノズルから液体金属を受容するのに適切な金型キャビティの金型寸法を決定することと、
鋳造速度を決定することと、
ある金属流速で前記ノズルの前記開口部を出る液体金属によって生成される液体金属ジェットが、前記定常状態動作中に前記スラリー領域の形状を変化させることなく、溶融サンプのスラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに適するように、前記金属流速及び前記ノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つを決定することを含む、前記金型寸法及び前記鋳造速度を使用して最適化された鋳造パラメータを決定することと、を含む、方法。
【請求項７】
前記最適化された鋳造パラメータを決定することが、前記溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有するように前記金属流速及び前記ノズルの前記開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含み、生成される前記液体金属ジェットが定常状態動作中に前記鋳造速度から１０％以下の変動を有する前記クレーターのクレーター降下速度を誘発するように、前記ノズルの前記開口部がサイズ決定される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
最適化された鋳造パラメータを決定することが、
前記金型寸法及び前記鋳造速度を使用して、金型レイノルズ数を決定することと、
前記金型レイノルズ数を使用して、ジェットレイノルズ数を決定することと、
前記金型レイノルズ数及び前記ジェットレイノルズ数を使用して、前記最適化された鋳造パラメータを算出することと、を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記ジェットレイノルズ数を決定することが、前記鋳造されている製品の金属組成を決定することと、前記金属組成及び前記金型レイノルズ数を使用して、前記ジェットレイノルズ数を決定することと、を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記最適化された鋳造パラメータが、前記ノズルの前記開口部サイズである、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記ノズルの開口部サイズに基づいて、前記ノズルを選択または製造することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属流速を使用して、流れ制御デバイスを制御することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
金属製品を鋳造する過程であって、
定常状態動作中にある流速でノズルの開口部を通して溶融金属供給部から金型キャビティに溶融金属を提供することであって、前記流速で前記ノズルの前記開口部を通して溶融金属を提供することが、溶融サンプ内に液体金属ジェットを生成することを含む、提供することと、
定常状態動作中に前記スラリー領域の形状を変化させることなく、前記液体金属ジェットを使用して、溶融サンプのスラリー領域内の粒体を再懸濁することと、を含む、過程。
【請求項１４】
前記スラリー領域内にクレーターを生成し、また、定常状態動作中にクレーター降下速度を鋳造速度から１０％以内の変動に維持するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有するように、前記開口部がサイズ決定される、請求項１３に記載の過程。
【請求項１５】
前記定常状態動作中に前記クレーター降下速度を前記鋳造速度から前記１０％以内の変動に維持するのに十分な力を有する前記液体金属ジェットを生成するのに適切な開口部サイズを有するように、前記ノズルを製造または選択することと、
前記ノズルを前記溶融金属供給部に結合することと、をさらに含む、請求項１４に記載の過程。
【請求項１６】
定常状態動作中に前記ノズルから離れて底部ブロックを後退させることをさらに含む、請求項１３に記載の過程。
【請求項１７】
前記流速で前記ノズルを通して前記溶融金属を提供することが、前記溶融金属供給部と前記ノズルとの間に結合された流れ制御デバイスを使用して前記流速を制御することをさらに含む、請求項１３に記載の過程。
【請求項１８】
前記液体金属ジェットを使用して前記粒体を再懸濁することが、前記開口部を通る前記流速を制御して、定常状態動作中に前記クレーター降下速度を鋳造速度から５％以内の変動に維持するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有することを確実にすることを含む、請求項１７に記載の過程。
【請求項１９】
前記液体金属ジェットを使用して前記粒体を再懸濁することが、垂直から３０°以内の方向に前記液体金属ジェットを配向することを含む、請求項１３に記載の過程。
【請求項２０】
請求項１３に記載の過程を使用して生成する鋳造金属製品であって、０．１０４未満のマクロ偏析インデックスを有する、鋳造金属製品。
【請求項２１】
０．１０以下のマクロ偏析インデックスを有する金属製品であって、溶融サンプの中へ液体金属ジェットを誘発する流速を生成するようにサイズ決定された開口部を通して金型キャビティの中へ溶融金属を方向付けるために、前記溶融金属の供給部に結合されたノズルを使用して、前記金型キャビティにおいて鋳造される、金属製品。
【請求項２２】
前記マクロ偏析インデックスが、次式に従って算出され、
【数１】
2019513082.tif 000037
式中、Ｙが、前記金属製品の半値厚または半値直径であり、Ａｄｏｍが、測定点の測定された断面積であり、ｙが、前記測定点の中央厚さからの距離であり、Ａが、前記金属製品の断面にわたる積分境界を示すデリミタであり、Ｃ０が、目標の合金組成の溶質濃度であり、Ｃが、前記測定点における溶質濃度である、請求項２１に記載の金属製品。
【請求項２３】
定常状態動作中に前記スラリー領域の形状を変化させることなく前記溶融サンプのスラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有する、請求項２１に記載の金属製品。
【請求項２４】
前記溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有するように、前記ノズルの前記開口部がサイズ決定され、生成される前記液体金属ジェットが定常状態動作中に鋳造速度から１０％以下の変動を有する前記クレーターのクレーター降下速度を誘発するように、前記ノズルの前記開口部がサイズ決定される、請求項２１に記載の金属製品。
【請求項２５】
前記溶融サンプの全体を通して溶質濃度を均質化するのに十分な前記溶融サンプ内の流体の流れを誘発するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有する、請求項２１に記載の金属製品。
【請求項２６】
前記マクロ偏析インデックスが、０．０９０以下である、請求項２１に記載の金属製品。
【請求項２７】
前記マクロ偏析インデックスが、０．０７０以下である、請求項２１に記載の金属製品。
【請求項２８】
前記金型キャビティの中への前記溶融金属の流速を制御するための前記流れ制御デバイスが、前記溶融金属の供給部と前記ノズルとの間に結合される、請求項２１に記載の金属製品。
【請求項２９】
前記コントローラが、前記溶融サンプの深さを推定するためにセンサに結合され、また、前記溶融サンプの前記推定された深さに基づいて前記溶融金属の前記流速を調整するために前記流れ制御デバイスに結合される、請求項２８に記載の金属製品。
【請求項３０】
鋳造動作中に金属鋳造を最適化するための方法であって、
液体金属供給源に結合されたノズルから液体金属を受容するのに適切な金型キャビティの金型寸法を決定することと、
鋳造速度を決定することと、
前記金型寸法及び前記鋳造速度を使用して、最適化された鋳造パラメータを決定することであって、ある金属流速で前記ノズルの前記開口部を出る液体金属によって生成される液体金属ジェットが鋳造金属製品のマクロ偏析を低減させるのに適し、よって、前記最適化された鋳造パラメータを使用して鋳造された金属製品が０．１００以下のマクロ偏析インデックスを有するように、前記金属流速及び前記ノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つを決定することを含む、最適化された鋳造パラメータを決定することと、を含む、方法。
【請求項３１】
前記マクロ偏析インデックスが、次式に従って算出され、
【数２】
2019513082.tif 000038
式中、Ｙが、前記金属製品の半値厚または半値直径であり、Ａｄｏｍが、測定点の測定された断面積であり、ｙが、前記測定点の中央厚さからの距離であり、Ａが、前記金属製品の断面にわたる積分境界を示すデリミタであり、Ｃ０が、目標の合金組成の溶質濃度であり、Ｃが、前記測定点における溶質濃度である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記最適化された鋳造パラメータを決定することが、定常状態動作中に前記スラリー領域の形状を変化させることなく前記液体金属ジェットが溶融サンプのスラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに適切であるように、前記金属流速及び前記ノズルの前記開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記最適化された鋳造パラメータを決定することが、前記溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有するように前記金属流速及び前記ノズルの前記開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含み、生成される前記液体金属ジェットが定常状態動作中に前記鋳造速度から１０％以下の変動を有する前記クレーターのクレーター降下速度を誘発するように、前記ノズルの前記開口部がサイズ決定される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
最適化された鋳造パラメータを決定することが、
前記金型寸法及び前記鋳造速度を使用して、金型レイノルズ数を決定することと、
前記金型レイノルズ数を使用して、ジェットレイノルズ数を決定することと、
前記金型レイノルズ数及び前記ジェットレイノルズ数を使用して、前記最適化された鋳造パラメータを算出することと、を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記ジェットレイノルズ数を決定することが、前記鋳造されている製品の金属組成を決定することと、前記金属組成及び前記金型レイノルズ数を使用して、前記ジェットレイノルズ数を決定することと、を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記最適化された鋳造パラメータが、前記ノズルの前記開口部サイズである、請求項３０に記載の方法。
【請求項３７】
前記ノズルの開口部サイズに基づいて、前記ノズルを選択または製造することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
前記金属流速を使用して、流れ制御デバイスを制御することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
前記最適化された鋳造パラメータを決定することが、前記溶融サンプの全体を通して溶質濃度を均質化するのに十分な溶融サンプ内の流体の流れを誘発するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有するように、前記金属流速及び前記ノズルの前記開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項４０】
前記マクロ偏析インデックスが、０．０９０以下である、請求項３０に記載の方法。
【請求項４１】
前記マクロ偏析インデックスが、０．０７０以下である、請求項３０に記載の方法。
【請求項４２】
金属製品を鋳造する過程であって、
定常状態動作中にある流速でノズルの開口部を通して溶融金属供給部から金型キャビティに溶融金属を提供することであって、前記流速で前記ノズルの前記開口部を通して溶融金属を提供することが、前記金属製品が０．１００以下のマクロ偏析インデックスを有するように、前記金属製品内のマクロ偏析を低減させるのに十分な溶融サンプ内の液体金属ジェットを生成することを含む、過程。
【請求項４３】
前記マクロ偏析インデックスが、次式に従って算出され、
【数３】
2019513082.tif 000039
式中、Ｙが、前記金属製品の半値厚または半値直径であり、Ａｄｏｍが、測定点の測定された断面積であり、ｙが、前記測定点の中央厚さからの距離であり、Ａが、前記金属製品の断面にわたる積分境界を示すデリミタであり、Ｃ０が、目標の合金組成の溶質濃度であり、Ｃが、前記測定点における溶質濃度である、請求項４２に記載の過程。
【請求項４４】
定常状態動作中に前記スラリー領域の形状を変化させることなく、前記液体金属ジェットを使用して、溶融サンプのスラリー領域内の粒体を再懸濁することをさらに含む、請求項４２に記載の過程。
【請求項４５】
前記スラリー領域内にクレーターを生成し、また、定常状態動作中にクレーター降下速度を鋳造速度から１０％以内の変動に維持するのに十分な力を前記液体金属ジェットが有するように、前記開口部がサイズ決定される、請求項４４に記載の過程。
【請求項４６】
前記溶融サンプの全体を通して溶質濃度を均質化するのに十分な溶融サンプ内の流体の流れを誘発することをさらに含む、請求項４２に記載の過程。
【請求項４７】
前記流速で前記ノズルを通して溶融金属を提供することが、前記溶融金属供給部と前記ノズルとの間に結合された流れ制御デバイスを使用して前記流速を制御することをさらに含む、請求項４２に記載の過程。
【請求項４８】
前記マクロ偏析インデックスが、０．０９０以下である、請求項４２に記載の過程。
【請求項４９】
前記マクロ偏析インデックスが、０．０７０以下である、請求項４２に記載の過程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、金属鋳造に関し、より具体的には、直接チル鋳造中の溶融金属サンプにおける液体金属の導入を制御することに関する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年３月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／３１３，４９３号、名称「直接チル鋳造における液体金属ジェットの最適化」の利益を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
金属鋳造過程において、溶融金属は、金型キャビティの中へ通される。いくつかの種類の鋳造の場合、偽底部または移動底部を有する金型キャビティが使用される。溶融金属が、概して頂部から、金型キャビティに進入するにつれて、溶融金属の流速に対して偽底部がある速度で下がる。側部近くで凝固した溶融金属を使用して、液体金属及び部分的液体金属を溶融サンプに保持することができる。金属は、９９．９％固体（例えば、全固体）、１００％液体、及びそれらの間のどこかであり得る。溶融サンプは、溶融金属が冷却するときの固体領域の厚さの増加に起因して、Ｖ字形状またはＵ字形状をとり得る。固体金属と液体金属との間の界面は、凝固界面として知られ得る。
【０００４】
溶融サンプ内の溶融金属が、約０％固体〜約５％固体になると、核形成が起こり得、金属の小さい結晶を形成し得る（例えば、内因的に、均一な核形成もしくはデンドライトの断片化からの形成等、または外因的に、砥粒微細化剤の添加によるもの等）。これらの小さい（例えば、ナノメートル〜ミクロンサイズの）結晶は、溶融金属が冷えるにつれて、核形成し始め、デンドライトを形成する。溶融金属がデンドライトコヒーレンシー点（例えば、飲料缶の端部に使用される５１８２アルミニウムでは６３２℃）まで冷えるにつれて、デンドライトが結合し始め、相互接続したネットワークを形成する。溶融温度とコヒーレンシー温度との間で、これらの結晶は、移動性がある場合があり、また、流体力学的な抗力及び重力の影響を受け易い場合があり、これは、サンプの底部へのこれらの結晶の堆積につながり得る。商業的な凝固過程の制約のため、完全な拡散は起こらず、その結果、溶質中の個々の粒体が枯渇する。これらの個々の粒体が蓄積するときには、バルク効果が、鋳物製品内の局所的な組成を大幅に変化させる場合があり、これは、鋳物製品の特性の変化につながり得る。また、溶融金属の温度及び固体割合に応じて、結晶は、特定のアルミニウムストック中のＦｅＡｌ６、Ｍｇ２Ｓｉ、ＦｅＡｌ３、及びＡｌ８Ｍｇ５の粒子等の異なる粒子を、またはＨ２の気泡等の不純物を含み得るか、または捕捉し得る。
【０００５】
加えて、結晶の凝固中に、及びその後の冷却中に、余分な溶質材料（例えば、合金元素）が、結晶の間に（例えば、結晶のデンドライトの間に）引き込まれる場合があり、また、典型的に厚さの中間において、溶融サンプに堆積する場合があり、インゴット内の合金元素の不均一なバランスをもたらす。マクロスケールでの合金化元素の分離は、マクロ偏析として知られ得る。インゴットまたは半完成製品を分析したときに、マクロ偏析は、鋳造製品の寸法（例えば、幅、長さ、高さ、または直径）全体にわたる鋳造インゴットの組成の変動とみなすことができる。鋳造インゴットにおけるマクロ偏析は、無駄及びコストの増加をもたらす場合がある。マクロ偏析はさらに、インゴットまたは半完成製品の弱化をもたらす場合があり、これは、特に、航空宇宙産業のフレーム等の特定の用途には望ましくない場合がある。
【０００６】
インゴットは、組成等の種々の測定可能な量について、特定の所望の仕様に入ることが必要とされる場合がある。これらの量は、望ましくないマクロ偏析によって負の影響を受ける場合がある。望ましくないマクロ偏析を有するインゴットは、全体として、所望の仕様の範囲内に入る測定可能な量を有する場合があるが、該インゴットの個々の領域、特により高いレベルのマクロ偏析を有する領域は、所望の仕様から外れた測定可能な量を有する場合がある。例えば、インゴットは、インゴットの寸法全体にわたって約２５％以上変動する組成を有する場合がある。そのような一例において、インゴットは、全体として、インゴットの所望の仕様の範囲内に入る測定可能な量をもたらす場合があるが、インゴットの中心付近のマクロ偏析の量は、はるかに多くなる場合があり、よって、インゴットの中心領域は、所望の仕様からかなり外れた測定可能な量を有する。したがって、少なくとも部分的に望ましくないマクロ偏析に起因して、そのような標準的なインゴットを使用して作製された製品の種々の仕様は、インゴットの任意の所与の部分の性能が予想を下回る場合があるので、より高い安全係数（例えば、平均材料強度が、任意の所与の地点で材料に対して予想される荷重をはるかに超えること）を必要とする場合がある。
【０００７】
鋳造製品における不必要なマクロ偏析を低減させるための試みは、過剰な粒体微細化剤の使用に依存しており、これは、コスト及びインゴット汚染のリスクを含む種々の理由から望ましくない場合がある。いくつかの事例において、鋳造製品における不必要なマクロ偏析を低減させる試みは、液体サンプ内の流体流を減速またはその量を低減させるために、物理的ダムの使用に依存している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本明細書は、以下の添付図面を参照し、それらの図面において、異なる図における同じ参照番号の使用は、同じまたは類似する構成要素を例示することを意図する。
【図１】液体金属ジェットを供給するための例示的な金属鋳造システムの部分切断図である。
【図２】溶融金属サンプのスラリー領域に衝突する液体金属ジェットの概略図である。
【図３】種々の例示的なアルミニウム合金に関する、予測された無次元のジェット処理パラメータを表すプロットであり、該パラメータは、特定の本開示の態様による金属サンプのスラリー領域において粒体を再懸濁するための最適な液体金属ジェットを提供するように設計される。
【図４】本明細書で開示される液体金属ジェットの最適化技法を伴わずに、既存の技法を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図である。
【図５】約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約６４０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図である。
【図６】約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約６９０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図である。
【図７】約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約８１０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図である。
【図８】約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約９７０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図である。
【図９】約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約１２１０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図である。
【図１０】図５〜図９のインゴットの各々に関するジェットレイノルズ数の関数として、マクロ偏析インデックス（ＭＩ）を表すプロットである。
【図１１】特定の本開示の態様に従って、既知の金型に基づいて、最適化された鋳造パラメータを決定するための過程を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の特定の態様及び特徴は、直接チル（ＤＣ）鋳造動作中に溶融金属を供給するために使用される液体金属ジェットの最適化に関する。溶融サンプのスラリー領域内の凝固粒体の浸食は、モデル化して、最適化された液体金属ジェットを決定することができ、該液体金属ジェットを使用して、鋳造速度に等しい速度で、凝固金属ではなく、溶融サンプのスラリー領域を浸食することができる。無次元バージョンのモデルを使用して、鋳造過程中に、最適化された液体金属ジェットを提供する鋳造パラメータ（例えば、最適にサイズ決定されたノズル開口部及び最適な溶融金属流量）を発生させることができ、改善されたマクロ偏析特性（例えば、低減もしくは殆ど除去されたマクロ偏析、より均等に分布した溶質、またはより一様なマクロ偏析プロファイル）を有する金属インゴットをもたらす。本明細書で説明される最適化された液体金属ジェットを使用して鋳造されたインゴットは、低いマクロ偏析を有することができ、溶質濃度は、インゴットの幅、長さ、または、高さ全体にわたって、溶融金属供給部の濃度からの変動が約１０％以下または５％以下である。
【００１０】
マクロ偏析は、凝固中の液相及び固相の相対移動に起因して起こり得る。液相と固相との間の溶質の微小規模の分配（例えば、ミクロ偏析）は、化学組成（例えば、マクロ偏析）のより大規模な違いに変換することができる。この相対移動は、種々の要因によってもたらされ得、その大きさは、鋳造の実践だけでなく、合金の組成及び遷移領域の形状にも依存し得る。溶融サンプ内の温度対流及び収縮流等の種々の要因は、制御することが困難な場合がある。いくつかの事例において、マクロ偏析は、粒体を形成するときの収縮流及び液体サンプの底部における粒体の沈殿の組み合わせのうちの１つまたは２つ以上に起因して起こり得る。比較的大きいインゴット及びビレット（例えば、約３００ｍｍ以上の直径または厚さを有する）では、粒体の沈殿が、マクロ偏析における優位な要因になり、一方で、比較的小さいインゴット及びビレット（例えば、約３００ｍｍ以下の直径または厚さを有する）では、収縮流が、マクロ偏析における優位な要因になる。収縮流は、液体サンプ内の溶質分布の不均一性を引き起こす場合がある。本開示の特定の態様及び特徴は、収縮流及び／または粒体沈殿の特定のマクロ偏析誘発の影響を打ち消すことによって、マクロ偏析を改善するための技法に関する。
【００１１】
商業的に、鋳造アルミニウム合金は、しばしば外因的な核生成サイト（例えば、粒体微細化剤）の添加に起因して、等軸粒体として凝固する傾向があり得る。液相線とコヒーレンシー等温線との間のスラリー領域において、凝固粒体は、移動することができ、また、溶融サンプの状態（例えば、アルミニウムに接触することによる温度対流、収縮流、及び体積変化）に応じて、短距離または長距離を進行することができる。自由移動粒体が運搬され、サンプの底部に沈降するときには、目標とする平衡状態での分率よりも大きい固相の分率が得られ得る。サンプの底部に沈降するこれらの粒体は、粒体沈殿として知られ得る。大多数ではないが数多くのＤＣ鋳造製品を含む、亜共晶アルミニウム合金において、固相は、液体よりも溶質が豊富でない場合があり、負の偏析（例えば、溶融金属供給部の平均溶質濃度よりも低い溶質濃度）を有する、より多くの固相をもたらす。一例において、ＤＣ鋳造インゴットの中央線における溶質の濃度は、インゴットを鋳造するために使用される溶融金属の炉の組成の濃度よりも約１５％〜２０％低い場合がある。
【００１２】
負の偏析は、鋳造インゴットまたは半完成製品（例えば、１ｘｘｘ、２ｘｘｘ、３ｘｘｘ、４ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、７ｘｘｘ及び８ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金のインゴットまたは半完成製品の鋳造物）の最終的な機械的特性を急激に変化させる場合がある。自由移動粒体の選択的な沈殿を防止することで、マクロ偏析を変化させることができ、最終的には、インゴットの寸法全体にわたるＤＣ鋳造インゴットにおける組成の変化を低減させる。溶融金属ジェットは、粒体の沈殿を防止するために、サンプの基部に直接導入することができる。ビレット（例えば、ラウンド押し出しまたは鍛造インゴット）鋳造等のいくつかの事例では、特定のジェットをサンプの基部に導入することで、サンプ自体の浸食（例えば、完全凝固金属の浸食）を引き起こすことができるが、これは、問題を引き起こす場合があり、また、インゴットの凝固に負の影響を及ぼす場合がある。例えば、ビレット鋳造において、理想的な直径のジェットは、非常に狭い範囲を有する場合があり、直径が小さ過ぎるジェットは、不所望に急なサンププロファイルを有する、不所望に深い穴をサンプに作成し、また、直径が大き過ぎるジェットは、不所望に幅の広いサンププロファイルを有する、不所望に幅の広い穴をサンプに作成する。特定の本開示の態様は、サンプの浸食を引き起こすことなく粒体の沈殿を中断させるのに十分なパワーの溶融金属ジェットを最適化することに関する。いくつかの事例において、本開示の態様は、長方形インゴットのＤＣ鋳造によって使用される。いくつかの事例において、本開示の態様は、垂直鋳造によって使用される。いくつかの事例において、本開示の態様は、垂直から３０°、２５°、２０°、１５°、または１０°以内で起こる鋳造によって使用される。いくつかの事例において、現在の態様は、水平鋳造によって使用することができる。
【００１３】
最適化された鋳造パラメータ（例えば、金属の流速及び／またはノズル開口部直径）は、サンプのスラリー領域から余分な粒体を除去するのに十分な液体金属ジェットを生成することができ、一方で、一部の粒体が沈降し、完全に凝固することを可能にする。そのようなジェットは、粒体沈殿の影響を打ち消すこと、ならびに潜在的に、収縮流のいくらかの影響を打ち消すことができる。液体金属ジェットの最適エネルギーは、ジェットの無次元レイノルズ数によって画定される狭い範囲に入り得る。最適化された鋳造パラメータは、本明細書で開示される技法に基づいて、結果として生じるジェットの無次元レイノルズ数及び結果として生じる金型の無次元レイノルズ数が、予測された値の範囲内に入るように決定することができる。
【００１４】
粒体沈殿に加えて、またはその代替として、収縮流が、マクロ偏析の問題を誘発する場合がある。例えば、凝固粒体は、凝固粒体に直接隣接する液体金属の溶質濃度の局所的な増加を引き起こす場合があり、一方で、凝固粒体から遠く離れている液体サンプの一部分は、相対的に低い溶質濃度のままである。粒体が凝固するにつれて、溶質が粒体内また粒体の間に閉じ込められる場合がある。凝固粒体に隣接する液体は、溶質濃度が比較的高い傾向があるので、この溶質の閉じ込めは、望ましくない金属間化合物をもたらす場合がある。これらの高い溶質濃度の閉じ込められた領域は、収縮流の結果であり得る。
【００１５】
いくつかの事例において、鋳造パラメータを最適化することで、液体金属サンプ内の溶質分布の均一性を最適化すること、または増加させるのに十分な液体金属ジェットを生成することができる。そのようなジェットは、収縮流の影響を打ち消すこと、ならびに潜在的に、粒体沈殿のいくらかの影響を打ち消すことができる。比較的高い溶質濃度の局所的な領域と比較的低い溶質濃度の局所的な領域とを混合して、全体的により均質化された液体金属サンプをもたらすために、十分な液体金属ジェットを液体サンプの中へ方向付けることができ、また、サンプ内に十分な液体運動を誘発することができる。したがって、十分な液体金属ジェットを使用したときに、任意の閉じ込められた溶質は、液体金属ジェットを使用しなかったとき（例えば、組み合わせバッグまたはフィルタバッグが使用されたとき）よりも、相対的に低い濃度になり得る。
【００１６】
加えて、十分な液体金属ジェットは、液体金属中の水素ガスの存在に起因する多孔性を低減させることができる。水素ガスは、標準鋳造条件の下で、デンドライトアームの間に閉じ込められ得る。しかしながら、十分な液体金属ジェットが提供されるときに、液体金属サンプ内の結果として生じる液体運動は、水素気泡の合体を促進することができ、水素気泡を、より容易にサンプの頂部に浮かせ、液体金属から放出させることを可能にする。いくつかの事例において、凝固粒体に隣接する排除されている水素ガスの少なくとも一部は、デンドライトアームの間に閉じ込められる代わりに、液体金属内に混合することができる。
【００１７】
したがって、本開示の特定の態様及び特徴は、収縮流及び／または粒体沈殿の特定のマクロ偏析誘発の影響を打ち消すことによって、マクロ偏析を改善することができる。結果として生じる金属インゴットまたはビレットは、本開示の特定の態様及び特徴を使用することなく形成された金属インゴットまたはビレットを超えるマクロ偏析特性の改善を有することができる。改善されたマクロ偏析特性は、本明細書で説明されるように、マクロ偏析インデックスによって表すことができ、より大きい数は、インゴットまたはビレット内の増加した望ましくないマクロ偏析を表す。改善されたマクロ偏析特性は、本開示の特定の態様及び特徴を使用することなく鋳造されたインゴットよりも小さいマクロ偏析インデックスを有することができる。
【００１８】
ＤＣ鋳造過程をモデル化する目的で、不均一な核形成が、凝固界面における粒体の唯一の供給源として作用すると仮定することができる。したがって、質量保存の法則は、式１で示されるように、スラリー領域内の支配輸送方程式を提供することができる。方程式１は、オイラー輸送方程式の簡略化バージョンに基づくことができ、式中、Ｎは、（例えば、ｍ−３ｓ−１での）核形成のソース項であり、ｎは、（例えば、ｍ−３での）粒体の数密度であり、ｕｔは、（例えば、メートル／秒での）移動液体金属の速度である。
【００１９】
【数１】
2019513082.tif 000003
【００２０】
平均過冷却（ΔＴＮ±ΔＴσ）及び最大粒体密度（ｎ最大）の関数としての粒体密度の統計モデルは、方程式２で示されるように、ガウス分布を使用して決定することができ、式中、ΔＴＮは、平均過冷却であり、ΔＴσは、過冷却の標準偏差であり、ΔＴは、過冷却の量である。
【００２１】
【数２】
2019513082.tif 000004
【００２２】
方程式２の特定のパラメータ（例えば、過冷却項）は、所与の合金組成、使用する粒体微細化剤の種類、及び粒体微細化剤の添加期間について、実験的に決定することができる。各一意的な過冷却は、例えばギブズ−トムソンの関係によって、与えられる特定の核形成半径に対応することができる。
【００２３】
方程式１における核形成及び溶融は、方程式３で示されるように、方程式２の積分を介して、特定の所与の過冷却ΔＴでの、総粒体密度ｎ（ΔＴ）に対する単一のソース項Ｎに含むことができる。
【００２４】
【数３】
2019513082.tif 000005
【００２５】
追加的な条件は、定常状態の粒体密度（例えば、方程式１において、
【００２６】
【数４】
2019513082.tif 000006
の場合）に存在する。したがって、解析する包括的な輸送方程式は、局所的過冷却を考慮して、移流の寄与と界面における核形成とを等式化することによって定義することができる。凝固界面での境界条件としての、この形態の方程式の適用は、有限要素コードに実装して、適切なジェットパラメータを決定することができる。そのような手法は、正確な解を提供することができるが、（例えば、計算時間、エネルギーコスト、及び金銭的コストにおいて）計算的に高価になり得る。したがって、相当な計算的出費を伴うことなく、従事者によって素早く使用することができる、無次元バージョンにおける問題を提示することが望ましい場合がある。
【００２７】
粒状表面上の粒体の流れ、特に粒体浸食をモデル化することは、シールズパラメータＳｈによって、粒状床の上の統計的に定常な乱流における粒子の懸濁及び輸送を特徴付けることから始めることができる。シールズパラメータは、方程式４で示されるように、床の内側の個々の粒体の面積あたりの重量に対する、流体の流れに起因する剪断応力の比率を表すことができ、式中、Ｕは、特徴的流速であり、ｄｇは、粒体の直径であり、ｇは、（例えば、垂直ＤＣ鋳造過程における）重力に起因する加速度であり、ρｆ及びρｇは、それぞれ、流体及び粒体の密度である。
【００２８】
【数５】
2019513082.tif 000007
【００２９】
粒体の輸送は、シールズパラメータが臨界値を超えた場合に起こり、これは、粒体のサイズ、形状、凝集度、及び浮力に依存し得る。この臨界シールズパラメータは、部分的には、再懸濁に関する物理的機構が乱流変動に起因して過渡的に起こるので、実験的に決定することが困難な場合がある。
【００３０】
粒状の再懸濁及び沈殿の代替の分類は、Ｒｏｕｓｅ数Ｒｓによって表すこができ、これは、粒体の沈降速度と、床の乱流剪断速度との比率に比例する。この関係は、下に方程式５で表され、式中、ｕ＊は、剪断速度であり、Κは、フォンカルマン定数（例えば、約０．４０または０．４１）であり、Ｕｓは、粒体の終末沈降速度である。
【００３１】
【数６】
2019513082.tif 000008
【００３２】
Ｒｓの臨界値未満で、乱流速度の変動が各粒体の終末速度よりもより大きいので、流れは、粒体を懸濁状態に維持することが可能である。一方向性の定常流において、全床輸送は、Ｒｓ≦２．５に対して予期され、Ｒｓ≦１である場合は、相当な再懸濁が起こる。シールズ数とは異なり、Ｒｏｕｓｅ数は、そのそれぞれの沈降速度Ｕｓの値を通して、各粒子に対する粘性の影響を説明することができる。非常に小さい粒体（例えば、約７０のμｍの直径、またはアルミニウム系未満）の場合、Ｕｓ、は、方程式６で示されるように、ストークスの沈降速度Ｕｓによって与えることができ、式中、ｖは、動粘度（例えば、溶融アルミニウムの場合、約５．５×１０−７ｍ２／ｓ）である。
【００３３】
【数７】
2019513082.tif 000009
【００３４】
次いで、粒状のレイノルズ数（Ｒｅｇ）は、方程式７で示されるように、特徴的速度としてＵｓを使用して最も有用に定義することができ、式中、ｄｇは、粒体の直径である。
【００３５】
【数８】
2019513082.tif 000010
【００３６】
本明細書で説明されるように、上述したパラメータは、水平粒状床の上の水平流について実験的に決定されている。しかしながら、定義パラメータの対応部分は、図２を参照して下でさらに詳細に説明されるように、粒状床の上へ垂直に衝突するジェットについて再定義することができる。その結果、無次元化されたモデルを発生させることができ、これを使用して、鋳造パラメータを最適化し、鋳造インゴットにおけるマクロ偏析の強度を最小にすることができる最適化された液体金属ジェットが存在することを確実にすることができる。
【００３７】
鋳造インゴットにおけるマクロ偏析の強度を最小にすることで、直接的な利点（例えば、より商業的に望ましいインゴット、またはより一貫したインゴットの形成）、ならびに、粒体のサイズの低減、デンドライトの形成の改善、及び粒体微細化剤に対する必要性の低減等の追加的な利点を有することができる。いくつかの事例では、殆どまたは全く粒体微細化剤の添加を伴わずに、望ましい鋳造インゴットを生成することができる。加えて、最適化された液体金属ジェットは、粒体を破砕することができ、このことは、鋳造製品の全体を通してより小さいサイズの粒体の拡散を促進することができ、このことが望ましくなる場合がある。例えば、最適化された液体金属ジェットは、別様には標準ＤＣ鋳造を使用して球状粒体を生成することができる。
【００３８】
いくつかの事例において、最適化された液体金属ジェットは、溶融金属からの脱ガスを支援することができる。例えば、液体アルミニウム中に溶解される水素は、溶融サンプのスラリー領域において、最適化された液体金属ジェットによって提供される撹拌によって押し流すことができる。水素が固体アルミニウムの可溶性を制限しているので、気泡の核を形成するのに十分ではない量を含む少量の水素を、液体金属ジェットによって攪拌し、表面に向かって押し流すことができる。表面に向かって押し流された水素は、不純物として除去することが可能である。加えて、いくつかの事例において、本明細書で開示されるようなノズルのサイズまたは流速の調整を使用して、二次相粒子の形態または分布を変化させることができる。加えて、いくつかの事例において、本明細書で開示されるようなノズルのサイズまたは流速の調整を使用して、追加的な溶融金属を（例えば、凝固前方に隣接する）溶質の富化した領域に提供して、それらの領域を希釈すること等によって、改善された混合を提供することができる。
【００３９】
これらの例示的な例は、本明細書で論じられる一般的な主題を読者に紹介するために提供され、また、開示される概念の範囲を限定することを意図しない。以下の節は、図面を参照して、種々の追加的な特徴及び実施例を説明するが、図面中、同じ数字は、同じ要素を示し、方向的な説明は、例示的な実施形態を説明するために使用されるが、例示的な実施形態のように、本開示を限定するために使用されるべきではない。本明細書の例示に含まれる要素は、一定の比率で描かれていない場合がある。
【００４０】
図１は、液体金属ジェット１３４を供給するための金属鋳造システム１００の部分切断図である。タンディッシュ等の金属供給源１０２は、溶融金属を供給管１３６の下方へ、そして、ノズル１１０から外へ供給することができる。底部ブロック１２２は、金型キャビティ１１６の壁に合わさるように、油圧シリンダ１２４によって持ち上げることができる。溶融金属が金型内で凝固し始めるにつれて、底部ブロック１２２を徐々に下降させることができる。鋳造金属１０６は、凝固した側部１２０を含むことができ、一方で、鋳造物に加えられた溶融金属を使用して、連続的に鋳造金属１０６を長くすることができる。いくつかの事例において、金型キャビティ１１６の壁は、中空空間を画定し、また、水等の冷却液１１８を含むことができる。冷却液１１８は、ジェットとして中空空間を出て、鋳造金属１０６の側部１２０を下方へ流れて、鋳造金属１０６の凝固を補助することができる。鋳造されているインゴットは、凝固金属領域１３０と、遷移金属領域１２８と、溶融金属領域１２６と、を含むことができる。
【００４１】
溶融金属が溶融サンプ１１２に供給されるノズル１１０は、少なくとも定常状態動作中に（例えば、鋳造過程を開始した後であるが、鋳造過程を完了する前に）、溶融サンプ１１２の表面１１４の下に位置付けることができる。ノズル１１０は、溶融サンプ１１２の中への最適化された液体金属ジェット１３４を生成するようにサイズ決定された開口部１０８（例えば、出口）を有するように成形することができる。いくつかの事例において、ノズル１１０は、１つまたは２つ以上の液体金属ジェットを生成するように設計された多数の開口部を含むことができる。ノズル１１０を出る液体金属ジェット１３４は、乱流または層流とすることができる。最適化された液体金属ジェット１３４は、鋳造されているインゴットの中心付近の遷移領域１２８の一部分等の、金属サンプ１１２のスラリー領域の中へ衝突するように最適化することができ、その中の任意の沈殿した粒体を十分に再懸濁するための十分な力を伴うが、溶融サンプ１１２（例えば、凝固領域１３０）の底部を侵食する量の力を伴わない。
【００４２】
いくつかの事例では、随意の流れ制御デバイス１０４をノズル１１０に動作可能に結合して、ノズル１１０を出る溶融金属の流れの制御を提供することができる。いくつかの事例において、流れ制御デバイス１０４は、供給管１３６からの溶融金属の流れを低減させることが可能な、流れ低減デバイスである。適切な流れ低減デバイスの一例は、供給管１３６内に位置付けられた制御ピンである。いくつかの事例において、流れ制御デバイス１０４は、供給管１３６からの溶融金属の流れを増加させることが可能な、流れ増加デバイスとすることができる。適切な流れ増加デバイスの例は、２０１５年５月２１日に出願された米国特許出願第１４／７１９，０５０号で説明されているような非接触溶融金属ポンプ等の、金属ポンプとすることができ、該文献は、参照によりその全体が組み込まれる。いくつかの事例において、流れ増加デバイスはまた、流れ低減デバイスとしても作用することができる。
【００４３】
流れ制御デバイス１０４は、コントローラ１３２によって制御して、ノズル１１０を出る溶融金属の流速を調整することができる。いくつかの事例において、コントローラ１３２は、金属鋳造システム１００のパラメータを感知するための１つまたは２つ以上のセンサに結合することができ、該パラメータは、コントローラ１３２によって使用して、金属サンプ１１２の深さを推定または算出することができる。適切なセンサの例としては、距離センサ（例えば、レーザー、超音波、または他のもの）、温度センサ、または他のものが挙げられる。
【００４４】
流れ制御デバイス１０４が使用されるときに、ノズル１１０のサイズの知識及び／または金型キャビティ１１６の特性と共に、流れ制御デバイス１０４によるノズル１１０を通る溶融金属の流れの制御を使用して、最適化された液体金属ジェット１３４を溶融サンプ１１２に提供することができる。コントローラ１３２は、ポンプ及び／または制御ピン等の１つまたは２つ以上の流れ制御デバイス１０４を調整して、ノズル１１０を通る金属の流れを調整することができる。いくつかの事例において、コントローラ１３２は、鋳造過程を監視し、鋳造速度または金属サンプ１１２の推定深さを決定し、流れ制御デバイス１０４を介して、ノズル１１０を通る溶融金属の流れを調整して、ノズル１１０を出る液体金属ジェット１３４を最適化することができる。
【００４５】
いくつかの事例では、流れ制御デバイス１０４を使用して、溶融金属の流速を鋳造速度と共にゼロから最高速度まで緩やかに逓増させることができるように、最初の１００〜３００ｍｍの鋳造等の少なくとも鋳造の初期段階中に、ノズル１１０を通る溶融金属の流速を減速する。
【００４６】
いくつかの事例において、コントローラ１３２は、１つ又または２つ以上の流れ制御デバイス１０４を制御して、ある振動パターンで、ノズル１１０を通る金属の流れを調整することができる。振動パターンは、ノズル１１０を通る金属の流れを経時的に増加及び減少させることを含むことができ、このことは、粒体沈殿及び／または溶質の不均一性等のマクロ偏析を引き起こす要因を打ち消すことをさらに容易にすることができる。
【００４７】
図２は、溶融金属サンプ２１２のスラリー領域２２８に衝突する液体金属ジェット２３４の概略図２００である。例えば、液体金属ジェット２３４は、図１の金属サンプ１１２の遷移領域１２８に衝突する液体金属ジェット１３４とすることができる。液体金属ジェット２３４は、直径φの開口部２０８を有するノズル２１０を通して粒状床２３６の上へ注入される溶融金属の体積フラックスＱ０を有することができ、ここで、φ＝２ｂｏである。ノズル２１０を出るジェット２３４の速度は、Ｕ０によって表すことができる。ジェット２３４は、コヒーレンシー等温線２３８の上側の高さＨ０に位置させることができる。ＤＣ鋳造の事例において、スラリーゾーンをプローブすることが困難であり得るので、Ｈ０は、サンプ深さ２４４に基づいて概算することができる。種々の関係を使用して、鋳造パラメータの関数として、サンプの深さを推定することができる。溶融金属サンプ２１２のスラリー領域２２８を形成する材料の粒状床２３６は、コヒーレンシー等温線２３８の上側に位置付けることができる。スラリー領域２２８は、コヒーレンシー等温線２３８の上側に高さｈ０を有することができる。スラリー領域２２８内の個々の粒体２４２は、直径ｄを有するものと定義することができる。
【００４８】
上で説明したように、水平ドメイン内の粒子の床に衝突する乱流ジェットのＲｏｕｓｅ数を表す方程式５は、図２に見られるように、粒状床２３６の上へ垂直に衝突するジェット２３４について再定義することができる。この垂直なドメインについて再定義される方程式は、方程式８によって表すことができ、式中、Ｕｊは、（例えば、ノズル開口部２０８からの距離Ｈ０−ｈ０での）粒状床２３６の表面におけるジェット２３４の速度であり、Κは、フォンカルマン定数（例えば、約０．４０または０．４１）であり、Ｕｓは、粒体２４２の終末沈降速度である。
【００４９】
【数９】
2019513082.tif 000011
【００５０】
粒状床２３６の表面におけるジェット２３４の速度は、方程式９で示されるように、乱流ジェットの理論を適用することによって決定することができ、式中、ｂ０は、ノズル開口部２０８の半径であり、Ｈ０及びｈ０は、それぞれ、流体（例えば、溶融金属）及び粒状床２３６の概算の全高さを表し、Ｕ０は、方程式１０によって決定される（例えば、体積流速Ｑ０の関数として表される）溶融サンプへのノズル開口部２０８における流体の平均速度である。
【００５１】
【数１０】
2019513082.tif 000012
【００５２】
【数１１】
2019513082.tif 000013
【００５３】
乱流ジェットの場合、エントレインメント定数αは、約０．０８であるとみなすことができる。
【００５４】
したがって、ストークスの法則に従う球状粒子の場合（例えば、Ｒｅｇ＜０．１）、Ｓｈ、Ｒｓ、及びＲｅｇは、方程式１１によって関連付けることができる。
【００５５】
【数１２】
2019513082.tif 000014
【００５６】
臨界シールズ数Ｓｈｃは、Ｓｈｃ〜Ｒｅｇ−１／２による粒状のレイノルズ数に関係することが分かる。したがって、臨界Ｒｏｕｓｅ数は、方程式１２による粒状のレイノルズ数によってスケーリングするように決定することができる。
【００５７】
【数１３】
2019513082.tif 000015
【００５８】
群集速度Ｕｔｈの範囲に共に入る複数の粒体の存在は、方程式１３によって提供され、式中、Ｃｖは、個体粒子の体積分率であり、ｍは、粒状のレイノルズ数について方程式１４によって導出される定数である。
【００５９】
【数１４】
2019513082.tif 000016
【００６０】
【数１５】
2019513082.tif 000017
【００６１】
Ｍ．Ｈｙｌａｎｄ（編集），Ｌｉｇｈｔ  Ｍｅｔａｌｓ，ＴＭＳ，ＰＡ，２０１５における、Ｗａｇｓｔａｆｆ，Ｓ．Ｒ．、Ａｌｌａｎｏｒｅ，Ａ．の「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｍａｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｒｏｌｌｉｎｇ  Ｓｌａｂ  Ｉｎｇｏｔｓ」での中央線溶質減少の観察された程度と併せて、沈殿した流体の体積分率について、Ｃ．Ｍ．Ｂｉｃｋｅｒｔ（編集），Ｌｉｇｈｔ  Ｍｅｔａｌｓ，ＴＭＳ，ＰＡ，（１９９０）における、Ｍ．Ｇ．Ｃｈｕ、Ｊ．Ｅ．Ｊａｃｏｂｙ．の「Ｍａｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  ｓｉｚｅ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ａｌｌｏｙ  ｉｎｇｏｔ  ｃａｓｔ  ｂｙ  ｔｈｅ  ｄｉｒｅｃｔ  ｃｈｉｌｌ  ｍｅｔｈｏｄ」（これらの参考文献は、本明細書に組み込まれる）から、方程式５を使用すると、個体粒子（Ｃｖ）の体積分率は、０．２程度に決定することができる。この効果を方程式１１に印加することで、方程式１５が導かれる。
【００６２】
【数１６】
2019513082.tif 000018
【００６３】
上で説明したように、液体金属ジェット２３４は、臨界シールズパラメータＳｈｃを超える場合、またはＲｏｕｓｅ数がＲｓｃ（例えば、臨界Ｒｏｕｓｅ数）未満である場合に、粒状床２３６から粒体２４２を懸濁することが可能である。水平チャネル流れについて、掃流輸送は、流れＱの単位幅あたりの粒体の体積フラックスによって定義することができる。次いで、流体のサイズ及び沈降速度によって掃流輸送を正規化することによって、単位幅あたりの無次元フラックスを得ることができる。
【００６４】
粒状床の上の一様な水平流れの掃流輸送の場合は、方程式１６に従って、経験的関係が、
【００６５】
【数１７】
2019513082.tif 000019
を差Ｓｈ−Ｓｈｃに関連付けるように決定されており、式中、Ｐ及びＣｓの値は、粒体のサイズ、密度、及び床上の流れによって与えられる応力に依存する定数である。定数Ｐ及びＣｓは、実験的に決定することができる。
【００６６】
【数１８】
2019513082.tif 000020
【００６７】
衝突ジェット２３４によって発生されるクレーター２４０の半径は、ジェットパワーの増加によって大幅に変動し得ない。したがって、クレーター２４０は、クレーター２４０の基部におけるジェット速度の増加と共に深くなり得、一方で、ほぼ一定の半径（ｒ０）を維持する。この仮定及び外挿は、少なくとも浸透性の床を形成する非凝集性粒体に対して有効であり得る。しかしながら、粘着性の粒状床（例えば、溶着粒体）は、印加される剪断応力に加えて、再懸濁のための高温クリープ効果に依存する場合がある。したがって、粘着性の粒状床は、衝突ジェットの少なくとも一部分を「反射する」場合があり、このため、ジェットの効果を不均一にさせ、かつ予測し難くさせる場合がある。加えて、衝突の作用は、床内の表面圧力分布及び浸透流につながり得る。この浸透流は、剪断応力が、無浸透性床の場合のように急速に放散する代わりに、床内の深部まで作用することを可能にし得る。
【００６８】
したがって、液体金属ジェット２３４に起因してクレーター２４０から懸濁された粒体の体積フラックスは、方程式１７に従って表すことができ、クレーター降下速度（Ｕｃ）（例えば、クレーター２４０が深くなる速度）は、一定であるとみなされる（例えば、体積フラックスもまた一定であるとみなされる）。換言すれば、方程式１７は、液体金属ジェット２３４の衝突に起因して、スラリー領域２２８から移動されている粒体の体積フラックスを表すことができる。項ｒ０は、クレーターの半径を表すことができる。
【００６９】
【数１９】
2019513082.tif 000021
【００７０】
粒体の面密度あたりの粒状フラックスは、
【００７１】
【数２０】
2019513082.tif 000022
によって表すことができ、これは、干渉沈降速度を使用して、クレーター内の粒体相互作用を説明する。
【００７２】
方程式１８で示されるように、粒体の面密度あたりの粒状フラックスを使用して、方程式１７を無次元化することができ、式中、
【００７３】
【数２１】
2019513082.tif 000023
は、無次元の体積フラックスである。
【００７４】
【数２２】
2019513082.tif 000024
【００７５】
方程式１８で示される関係は、相対的なクレーター降下速度を定義し、クレーター２４０が粒体自体の特性とは無関係に降下することを示唆する。
【００７６】
方程式８におけるＲｓの定義は、粒体２４２の沈降速度を明示的に引き起こし、このため、乱流変動の影響を説明することができるので、方程式１６は、方程式１９で示されるような粒体の無次元フラックスと置き換えることができ、式中、Ｃｒは、粒体のサイズ、密度、及び床の上の流れによって与えられる応力に依存する比例定数である。定数Ｃｒは、実験的に決定することができる。
【００７７】
【数２３】
2019513082.tif 000025
【００７８】
したがって、方程式８及び方程式１８、ならびに方程式１５からの臨界Ｒｏｕｓｅ数の関係を使用することで、方程式１９は、方程式２０で示されるように、床３２６に対するジェット２３４の速度の関数として、クレーター降下速度Ｕｃの明示的な表現を提供し、式中、Ｃ１及びＣ２は、粒体のサイズ、密度、及び床の上の流れによって与えられる応力に依存する比例定数である。定数Ｃ１及びＣ２は、実験的に決定することができる。
【００７９】
【数２４】
2019513082.tif 000026
【００８０】
最適な凝固環境を提供するために、少なくともマクロ偏析を改善する目的で、沈殿粒体２４２を再懸濁するには十分であるが、サンプ２１２の底部を侵食するには不十分である、正確な範囲のパワーを有する液体金属ジェット２３４を設計することが望ましい場合がある。したがって、液体金属ジェット２３４は、鋳造速度（例えば、固体インゴットの垂直変位速度）にほぼ等しいクレーター降下速度（Ｕｃ）を引き起こすように設計されるべきである。この基準は、インゴットの中心部に粒体２４２が全くまたは殆ど蓄積しないこと、及びジェットのパワーが（例えば、完全に凝固した金属の浸食ではなく）粒状の再懸濁において放散されることを確実にすることができる。いくつかの事例において、望ましいインゴットは、少なくとも定常鋳造中に、クレーター降下速度を、鋳造速度にほぼ等しく、または１％、２％、３％、４％、または５％以内の遅れに維持するのに十分な液体金属ジェットを提供するノズルを使用して鋳造することができる。いくつかの事例において、望ましいインゴットは、少なくとも定常鋳造中に、クレーター降下速度を、鋳造速度から、約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％以下の変動の範囲内に維持するのに十分な液体金属ジェットを提供するノズルを使用して鋳造することができる。
【００８１】
粒状床の表面におけるジェット速度（Ｕｊ）は、体積流速の関数として、したがって、さらに鋳造速度の関数としても定義することができるので、反復計算ソルバーを収束まで実施することができる。上で説明した方程式は、本明細書で説明されるように、ノズル開口部及び流速を含む最適な鋳造パラメータを決定するために適用することができる。
【００８２】
図３は、特定の本開示の態様に従って、金属サンプのスラリー領域内の粒体を再懸濁するための最適な液体金属ジェットを提供するように設計される、種々の例示的なアルミニウム合金のための予測された無次元のジェット処理パラメータを表すプロット３００である。金型レイノルズ数（Ｒｅｍ）３０４は、等価液圧半径及び鋳造速度に基づくことができる。ジェットレイノルズ数（Ｒｅｊ）３０２は、ジェットの速度及び直径に基づくことができる。陰影の付いた領域３１２は、金属サンプのスラリー領域内の粒体を再懸濁するための最適な液体金属ジェットを提供するのに適切である、合金特性に依存する値の範囲を表すことができる。例えば、線３０６は、アルミニウム合金５１８２に関する、予測された無次元のジェット処理パラメータを表すことができ、線３０８は、アルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕに関する、予測された無次元のジェット処理パラメータを表すことができ、線３１０は、アルミニウム合金１０５０に関する、予測された無次元のジェット処理パラメータを表すことができる。
【００８３】
プロット３００のデータは、最適化相関データとみなすことができ、これは、本明細書でさらに詳細に開示されるように、既知の金型レイノルズ数とジェットレイノルズ数とを相関させるように作用し、これを使用して、最適な鋳造パラメータを決定することができる。プロット３００のデータは、実験を通して、モデル化を通して、または既存データの適用を通して決定することができる。
【００８４】
結果として生じる無次元のジェット処理パラメータ（例えば、ジェットレイノルズ数、及び金型レイノルズ数）がプロット３００の適切な予測線上にあるように鋳造パラメータ（例えば、ノズル開口部の直径及びノズルを出る溶融金属の流速）を操作することによって、最適な液体金属ジェットを得ることができる。例えば、アルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕの場合、結果として生じるジェットレイノルズ数が約８８０００であり、結果として生じる金型レイノルズ数が約１６００であり、これらが点３１８において線３０８に合わさるように、最適な一組の鋳造パラメータ（例えば、ノズルのサイズ及び金属の流速）を選択することができる。アルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕに関する、または他のアルミニウム合金に関する他の最適な鋳造パラメータも同様に得ることができる。
【００８５】
合金組成は、固相の相対密度及びサンプの定常状態深さの両方に影響を及ぼすので、モデルの重要なパラメータであり得る。実際に、大部分の熱が底部の固体ブロックを通して除去されるＤＣ鋳造の場合、マグネシウムまたは亜鉛等の特定の元素は、純粋なアルミニウムに対する該元素のより低い熱伝導率に起因して、サンプの深さに大きな影響を及ぼす場合がある。そのようなサンプの深さの違いは、ジェット拡大の程度に影響を及ぼす場合がある。ジェットの中央線速度は、深さの増加と共に減少するので、異なる合金組成に対して異なるジェット直径が望ましい場合がある。実験的な、またはモデル化されたデータを使用して、プロット３００に表されるように、ＤＣ鋳造において典型的に使用されるアルミニウム合金の範囲に関する最小中央線偏析の有効な処理パラメータを表す境界曲線を発生させることができる。プロット３００は、金型レイノルズ数の関数として、予測されたジェットレイノルズ数の範囲を表し、ジェット及び金型レイノルズ数（すなわち、それぞれ、Ｒｅｊ及びＲｅｍ）は、それぞれ、方程式２１及び方程式２２に従って定義され、式中、Ｍ１及びＭｗは、それぞれ、金型の長さ及び幅を表す。
【００８６】
【数２５】
2019513082.tif 000027
【００８７】
【数２６】
2019513082.tif 000028
【００８８】
陰影の付いた領域３１２の境界線３０６及び３１０は、限定的な事例として識別される２つの合金（例えば、アルミニウム合金５１８２及び１０５０）について作成されている。ＤＣ鋳造において使用される大部分のアルミニウム合金は、これらの境界の間に含まれる。
【００８９】
いくつかの事例において、プロット３００は、最適化されたレイノルズ数の計算的に高速な、または計算的に簡単な決定のために、線形近似を使用して近似することができる。金型パラメータとの関係は、金型の種々の形状との使い易さのために、無次元化数を提供する目的で、レイノルズ数の関係として存在するが、金型パラメータとの他の関係（例えば、次元化された関係）を使用することができる。
【００９０】
サンプル点３１４、３１６、３１８、３２０、３２２は、下で説明するように、図５〜図９の実施例において使用される実際の鋳造パラメータを表す。
【００９１】
図４〜図９は、異なる技法を使用して鋳造されるアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕの種々のインゴットにおける垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図である。これらのプロットの各々の水平軸は、インゴットの中心からの水平距離をミリメートル（ｍｍ）で表し、プロットの左端部がインゴットの外側であり、プロットの右端部がインゴットの中心である。これらのプロットの各々の垂直軸は、インゴットの中心からの垂直距離をミリメートル（ｍｍ）で表し、プロットの頂端部がインゴットの外側であり、プロットの低端部がインゴットの中心である。等高線図は、インゴットの長さに対して垂直な平面に沿って切断したインゴットの水平断面に基づく。これらのプロットにおけるマクロ偏析の強度は、溶融金属供給部からの溶質濃度のパーセンテージ分化において与えられる。例えば、−１５というマクロ偏析の強度は、予期される溶質濃度（例えば、炉から供給される溶融金属の濃度）よりも１５％低い溶質濃度を表すことができ、一方で、１０というマクロ偏析の強度は、予期される溶質濃度よりも１０％高い溶質濃度を表すことができる。したがって、非常に正の、及び非常に負の数は、強い、しばしば望ましくない、マクロ偏析であり、一方で、大幅に低い（例えば、ゼロに近い）数は、低い、しばしば望ましい、マクロ偏析を表す。
【００９２】
図４は、本明細書で開示される液体金属ジェットの最適化技法を伴わずに、既存の技法を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図４００である。プロット４００で分かるように、相当な負のマクロ偏析（例えば、約−１０％または−１５％であるか、それよりも悪い）が、水平軸に沿ったインゴットの中心の０〜６００ｍｍの範囲、及び垂直軸に沿ったインゴットの中心の０〜５０ｍｍの範囲に視認される。加えて、相当な正のマクロ偏析が、インゴットの中心からインゴットの外側の間の特定の領域（例えば、垂直軸に沿った中心から約１００ｍｍ、及び水平軸に沿った中心から約２００〜５００ｍｍ）に視認される。本明細書で開示される液体金属ジェット最適化技法を使用せずに鋳造したインゴットにおいて視認される強いマクロ偏析の領域は、比較的大きく、かつ連続的である。
【００９３】
図５〜図９は、全体にわたってジェットレイノルズ数を変動させるが、それでも約１６００の一定の金型レイノルズ数を維持する、本明細書で開示される液体金属ジェット最適化技法の種々の程度を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの等高線図である。鋳造中に使用されるノズル開口部の修正を通して、鋳造するインゴットのジェットレイノルズ数を変動させ、一方で、他の全ての鋳造パラメータは、一定のままとした。図５〜図９に表されるジェットレイノルズ数は、図３の点３１４、３１６、３１８、３２０、３２２に対応する。
【００９４】
図５は、約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約６４０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図５００である。プロット５００で分かるように、インゴットの中心付近には負の偏析が全くまたは殆ど存在しないが、インゴットの中心付近及びインゴットの短縁部にはいくらかの正の偏析が存在する。
【００９５】
図６は、約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約６９０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図６００である。プロット６００で分かるように、インゴットの中心付近には負の偏析が全くまたは殆ど存在しないが、インゴットの中心付近及びインゴットの縁部にはいくらかの正の偏析が存在する。
【００９６】
図７は、約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約８１０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図７００である。プロット７００で分かるように、インゴットの中心付近には負の偏析が全くまたは殆ど存在しないが、インゴットの中心付近及びインゴットの長縁部にはいくらかの正の偏析が存在する。しかしながら、全体として、プロット７００で表される断面全体にわたるマクロ偏析の強度は、大部分がゼロに近い（例えば、溶融金属供給部からの溶質濃度の変動が±５％または±１０％以内である）。
【００９７】
図８は、約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約９７０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図８００である。プロット８００で分かるように、インゴットの縁部に沿ったいくらかの正の偏析を除いて、偏析は、断面の大部分を通して殆ど存在しない。
【００９８】
図９は、約１６００の金型レイノルズ数を達成するように設定したパラメータ、及び約１２１０００のジェットレイノルズ数を達成するように選択したノズル開口部を使用して鋳造したアルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕインゴットの垂直及び水平位置によるマクロ偏析の強度を表す等高線図９００である。プロット９００で分かるように、インゴットの縁部に沿ったいくらかの正の偏析を除いて、偏析は、断面の大部分を通して殆ど存在しない。
【００９９】
図５〜図９で分かるように、約９７０００未満のジェットレイノルズ数で鋳造したインゴットは、（例えば、図４において観察される負の偏析と対照的に）正の（例えば、富化された）中央線偏析を呈する。加えて、９７０００以上のジェットレイノルズ数で鋳造したインゴットは、非常に低い中央線偏析を呈し、また、存在したとしても、負の（例えば、枯渇した）偏析を呈する。加えて、（例えば、図５〜図９に示されるように）ある程度最適化された液体金属ジェットを使用したときに、中央線領域の程度は、（例えば、図４に示されるように）そのようなジェットのないときと対照的に、短軸に関してかなり幅が狭い（例えば、１桁小さい）。
【０１００】
図４〜９は、圧延スラブインゴット等のＤＣ鋳造製品の中央線偏析を修正するための、最適化された液体金属ジェットの可能性を例示する。インゴットの熱機械処理が残留する偏析を低減させ得るので、中央線偏析ゾーン自体が低減されるという事実が望ましい場合がある。マクロ偏析インデックス（ＭＩ）メトリックを使用して、過程性能のより多くの定量分析を行うことができ、これは、中央線偏析の程度を定量化する。方程式２３は、目標の合金組成からのその偏差及び中心からのその距離に基づいて、各位置で測定される濃度に定量値を割り当てる、修正された二次面積モーメントの方程式であり、式中、Ｙは、インゴットの半値厚であり、Ａｄｏｍは、測定されたスラブ断面の面積であり、ｙは、測定点の中央厚さからの距離であり、Ａは、インゴット断面にわたる積分境界を示すデリミタであり、Ｃ０は、目標の合金組成の溶質濃度であり、Ｃは、測定される位置（例えば、インゴット厚さを通した距離）における溶質濃度である。
【０１０１】
【数２７】
2019513082.tif 000029
【０１０２】
ビレット（半径または直径に沿って）。インゴット（厚さを通して）
【０１０３】
鋳造後の物理的手段によって扱うことができる富化されたチルゾーンは、インゴットの全断面の分析を歪曲する場合があるので、メトリックの距離を組み込むことが重要であり得る。インデックスは、二乗項を含むので、正または負の偏析を等しく好ましくないものとみなす。ＭＩは、より少ないマクロ偏析を有する断面で（例えば、溶融金属供給部からの溶質濃度の変動がゼロに最も近い場合に）最小である。
【０１０４】
図１０は、図５〜図９のインゴットの各々に関するジェットレイノルズ数の関数として、マクロ偏析インデックス（ＭＩ）を表すプロット１０００である。破線１００２は、図４の標準インゴットからのＭＩを示し、約０．１０４のＭＩを表す。いくつかの事例において、特定の本開示の態様による適切な金属ジェットは、約０．１１５、０．１１０、０．１０５、０．１０４、０．１００、０．０９５、０．０９０、０．０８５、０．０８０、０．０７５、０．０７０、０．０６５、０．０６０、０．０５５、０．０５０、０．０４５、または０．０４０以下であるＭＩを有する、インゴットまたはビレットをもたらすことができる。
【０１０５】
点１０２２は、図３の点３２２と関連する、６４０００のジェットレイノルズ数を有する図５のインゴットについて、約０．０６のＭＩを表す。点１０２０は、図３の点３２０と関連する、６９０００のジェットレイノルズ数を有する図６のインゴットについて、約０．０７のＭＩを表す。点１０１８は、図３の点３１８と関連する、８１０００のジェットレイノルズ数を有する図７のインゴットについて、約０．０６のＭＩを表す。点１０１６は、図３の点３１６と関連する、９７０００のジェットレイノルズ数を有する図８のインゴットについて、約０．０４のＭＩを表す。点１０１４は、図３の点３１４と関連する、１２１０００のジェットレイノルズ数を有する図９のインゴットについて、約０．０７のＭＩを表す。
【０１０６】
図５〜図９で表されるジェットレイノルズ数の範囲について、マクロ偏析インデックスは、標準的な鋳造方法から、少なくとも約３０％の低減を示す。９７０００のジェットレイノルズ数によって最良に機能するジェットは、中央線偏析の約６０％の低減を示す。いくつかの事例において、特定の本開示の態様による適切な金属ジェットは、標準的な鋳造方法から、約５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、または６５％以上の、中央線偏析の低減を提供することができる。
【０１０７】
本明細書で説明されるように、無次元モデルを使用して、種々のアルミニウム合金の鋳造パラメータ及び種々の金型寸法を決定することができる。
【０１０８】
図１１は、特定の本開示の態様に従って、既知の金型に基づいて、最適化された鋳造パラメータを決定するための過程１１００を表すフローチャートである。ブロック１１０２で、金型寸法を決定することができる。金型寸法は、本明細書で説明されるように、レイノルズ数を決定するための任意の適切な寸法を含むことができる。例えば、長方形の金型について、長さ及び幅の寸法を決定することができるが、異なって成形された金型について、他の寸法を決定することができる。金型寸法は、所望のインゴットサイズまたは先在する適切な金型等の他の基準に基づいて予め決定することができる。金型の寸法を決定する方法の例は、既存の金型を測定すること、プロットもしくは計画から（例えば、コンピュータ支援設計を通して）測定値を決定すること、または生成されるべき金型に関する測定値を予め設定すること、であり得る。ブロック１１０４で、鋳造速度を決定することができる。鋳造速度は、他の鋳造考慮事項に基づいて予め決定することができる。いくつかの事例において、ブロック１１０４で鋳造速度を決定することは、多数の潜在的な所望の鋳造速度を決定することを含むことができ、これをさらに使用して、下のブロック１１０６において多数の潜在的な金型レイノルズ数を決定することができ、これを使用して、多数の最適化された鋳造パラメータを算出することができ、これを使用して、今度は、多数の鋳造速度のうちの使用されるべき１つを選択することができる。
【０１０９】
ブロック１１０６で、金型レイノルズ数が決定される。金型レイノルズ数は、方程式２２、ブロック１１０２で決定された金型寸法、及びブロック１１０４で決定された鋳造速度を使用して決定することができる。例えば、１．５ｍ×０．７ｍの寸法を有する金型は、鋳造速度及びクレーター降下速度が約０．００１ｍ／ｓに等しく保持される場合）、
【０１１０】
【数２８】
2019513082.tif 000030
の金型レイノルズ数を提供することができる。
【０１１１】
随意のブロック１１１０で、金属組成を決定することができる。例えば、所望の金属組成（例えば、アルミニウム合金の種類）は、サンプルを試験すること、データベースを確認すること、または手動入力によって決定することができる。いくつかの事例において、実際の金属組成が決定されないときには、一般的な金属組成を想定することができる。
【０１１２】
ブロック１１０８で、ジェットレイノルズ数が決定される。ジェットレイノルズ数は、ブロック１１０６で決定された金型レイノルズ数と、金型レイノルズ数とジェットレイノルズ数との最適化された関係を定義する最適化相関データとをマッチさせることによって決定することができる。最適化相関データは、図３からのプロット３００等のプロットの形態、または図３のプロット３００から線または近似を定義する方程式等の形態（例えば、
【０１１３】
【数２９】
2019513082.tif 000031
に従う線形近似）、または個々のデータ点の形態とすることができる。最適化相関データは、他の形態をとることができる。いくつかの事例において、ブロック１１１０で決定される金属組成は、最適化相関データと共に使用して、ジェットレイノルズ数を決定することができる。約１７３５の金型レイノルズ数を有する金型の上の実施例において、アルミニウム合金Ａｌ４．５Ｃｕの対応するジェットレイノルズ数は、図３で示されるように、約７８０００とすることができる。
【０１１４】
いくつかの事例において、最適化相関データは、実験によって得ることができる。いくつかの事例において、最適化相関データは、図３を参照して上で説明したように得ることができる。
【０１１５】
ブロック１１１２で、ブロック１１０８によって決定されたジェットレイノルズ数、及びブロック１１０６によって決定された金型レイノルズ数に基づいて、所望の鋳造パラメータを決定することができる。いくつかの事例において、所望の鋳造パラメータを決定することは、ブロック１１１４で所望の金属流速を決定することを含むことができる。いくつかの事例において、所望の鋳造パラメータを決定することは、ブロック１１１６でノズル開口部のサイズを決定することを含むことができる。いくつかの事例において、ノズル開口部（ｂ０）の半径は、
【０１１６】
【数３０】
2019513082.tif 000032
であるように、ブロック１１０６からの金型レイノルズ数及びブロック１１０８からのジェットレイノルズ数を、方程式２１及び方程式２２に適用することによって決定することができる。ジェットレイノルズ数が約７８０００に決定される上の実施例において、ノズル開口部の半径は、
【０１１７】
【数３１】
2019513082.tif 000033
と計算することができる。
【０１１８】
随意のブロック１１１８で、ブロック１１１２で決定される最適化された鋳造パラメータ（複数化）を使用して、鋳造環境を準備することができる。鋳造環境は、ブロック１１１６で決定されるような適切なノズル開口部サイズを有するノズルを製造または選択することによって準備することができる。ジェットレイノルズ数が約７８０００に決定される上の実施例において、適切なノズルは、半径約１５．６ｍｍまたは直径３１．２ｍｍである開口部を有するように選択することができる。いくつかの事例において、鋳造環境を準備することは、ブロック１１０６で金型レイノルズ数を決定するために使用される特定の金型と関連付けられた鋳造装置に適切なノズルを取り付けることを含むことができる。いくつかの事例において、鋳造環境は、ブロック１１１４で決定される金属流速に基づいて、溶融金属流れ制御デバイスを制御することによって準備することができる。
【０１１９】
例示される実施形態を含む、実施形態の上述の説明は、例示及び説明の目的のためにだけ提示され、また、包括的であること、または開示される正確な形態に限定することを意図しない。それらの非常に多くの修正形態、適合、及び用途が当業者に明らかになるであろう。
【０１２０】
下で使用されるときに、一連の実施例への任意の参照は、それらの実施例の各々に対する参照として理解されるべきである（例えば、「実施例１〜４」は、「実施例１、２、３、または４」として理解されるべきである）。
【０１２１】
実施例１は、直接チル鋳造システムであって、該システムは、金型キャビティと、金型キャビティに溶融金属を提供するための溶融金属の供給部と、溶融金属の供給部に結合され、また、定常状態動作中にスラリー領域の形状を変化させることなく溶融サンプのスラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに十分な力を有する液体金属ジェットを誘発する流速を生成するようにサイズ決定された開口部を有するノズルと、を備える。
【０１２２】
実施例２は、ある鋳造速度で鋳造されている金属製品の溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を液体金属ジェットが有するように、ノズルの開口部がサイズ決定され、生成される液体金属ジェットが定常状態動作中に鋳造速度から１０％以下の変動を有するクレーターのクレーター降下速度を誘発するように、ノズルの開口部がサイズ決定される、実施例１に記載のシステムである。
【０１２３】
実施例３は、定常状態動作中にある鋳造速度でノズルから離れて延在するための底部ブロックをさらに備える、実施例１または２に記載のシステムである。
【０１２４】
実施例４は、溶融金属の供給部とノズルとの間に結合された、金型キャビティの中への溶融金属の流速を制御するための流れ制御デバイスをさらに備える、実施例１〜３に記載のシステムである。
【０１２５】
実施例５は、溶融サンプの深さを推定するためにセンサに結合され、また、溶融サンプの推定された深さに基づいて溶融金属の流速を調整するために流れ制御デバイスに結合された、コントローラをさらに備える、実施例４に記載のシステムである。
【０１２６】
実施例６は、鋳造動作中に金属鋳造を最適化するための方法であり、該方法は、液体金属供給源に結合されたノズルから液体金属を受容するのに適切な金型キャビティの金型寸法を決定することと、鋳造速度を決定することと、前記金型寸法及び前記鋳造速度を使用して、最適化された鋳造パラメータを決定することであって、ある金属流速で前記ノズルの前記開口部を出る液体金属によって生成される液体金属ジェットが、前記定常状態動作中に前記スラリー領域の形状を変化させることなく、溶融サンプのスラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに適するように、前記金属流速及び前記ノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つを決定することを含む、最適化された鋳造パラメータを決定することと、を含む、方法。
【０１２７】
実施例７は、最適化された鋳造パラメータを決定することが、溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を液体金属ジェットが有するように金属流速及びノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含み、生成される液体金属ジェットが定常状態動作中に鋳造速度から１０％以下の変動を有するクレーターのクレーター降下速度を誘発するように、ノズルの開口部がサイズ決定される、実施例６に記載の方法である。
【０１２８】
実施例８は、最適化された鋳造パラメータを決定することが、金型寸法及び鋳造速度を使用して、金型レイノルズ数を決定することと、金型レイノルズ数を使用して、ジェットレイノルズ数を決定することと、金型レイノルズ数及びジェットレイノルズ数を使用して、最適化された鋳造パラメータを算出することと、を含む、実施例６または７に記載の方法である。
【０１２９】
実施例９は、ジェットレイノルズ数を決定することが、鋳造されている製品の金属組成を決定することと、金属組成及び金型レイノルズ数を使用して、ジェットレイノルズ数を決定することと、を含む、実施例８に記載の方法である。
【０１３０】
実施例１０は、最適化された鋳造パラメータが、ノズルの開口部サイズである、実施例６〜９に記載の方法である。
【０１３１】
実施例１１は、ノズルの開口部サイズに基づいて、ノズルを選択または製造することをさらに含む、実施例６〜１０に記載の方法である。
【０１３２】
実施例１２は、金属流速を使用して、流れ制御デバイスを制御することをさらに含む、実施例６〜１１に記載の方法である。
【０１３３】
実施例１３は、金属製品を鋳造する過程であって、該過程は、定常状態動作中にある流速でノズルの開口部を通して溶融金属供給部から金型キャビティに溶融金属を提供することであって、該流速でノズルの開口部を通して溶融金属を提供することが、溶融サンプ内に液体金属ジェットを生成することを含む、提供することと、定常状態動作中にスラリー領域の形状を変化させることなく、液体金属ジェットを使用して、溶融サンプのスラリー領域内の粒体を再懸濁することと、を含む。
【０１３４】
実施例１４は、スラリー領域内にクレーターを生成し、また、定常状態動作中にクレーター降下速度を鋳造速度から１０％以内の変動に維持するのに十分な力を液体金属ジェットが有するように、開口部がサイズ決定される、実施例１３に記載の過程である。
【０１３５】
実施例１５は、定常状態動作中にクレーター降下速度を鋳造速度から１０％以内の変動に維持するのに十分な力を有する液体金属ジェットを生成するのに適切な開口部サイズを有するように、ノズルを製造または選択することと、ノズルを溶融金属供給部に結合することと、をさらに含む、実施例１４に記載の過程である。
【０１３６】
実施例１６は、定常状態動作中に、ノズルから離れて底部ブロックを後退させることをさらに含む、実施例１３〜１５に記載の過程である。
【０１３７】
実施例１７は、ある流速でノズルを通して溶融金属を提供することが、溶融金属供給部とノズルとの間に結合された流れ制御デバイスを使用して流速を制御することをさらに含む、実施例１３〜１６に記載の過程である。
【０１３８】
実施例１８は、液体金属ジェットを使用して粒体を再懸濁することが、開口部を通る流速を制御して、定常状態動作中にクレーター降下速度を鋳造速度から５％以内の変動に維持するのに十分な力を液体金属ジェットが有することを確実にすることを含む、実施例１７に記載の過程である。
【０１３９】
実施例１９は、液体金属ジェットを使用して粒体を再懸濁することが、垂直から３０°以内の方向に液体金属ジェットを配向することを含む、実施例１３〜１８に記載の過程である。
【０１４０】
実施例２０は、実施例１３〜１９に記載の過程を使用して生成する鋳造金属製品であって、０．１０４未満のマクロ偏析インデックスを有する、鋳造金属製品である。
【０１４１】
実施例２１は、０．１０以下のマクロ偏析インデックスを有する金属製品であって、溶融サンプの中へ液体金属ジェットを誘発する流速を生成するようにサイズ決定された開口部を通して金型キャビティの中へ溶融金属を方向付けるために、溶融金属の供給部に結合されたノズルを使用して、金型キャビティにおいて鋳造される、金属製品である。
【０１４２】
実施例２２は、マクロ偏析インデックスが、次式に従って算出され、
【０１４３】
【数３２】
2019513082.tif 000034
式中、Ｙは、金属製品の半値厚または半値直径であり、Ａｄｏｍ、測定点の測定された断面積であり、ｙは、測定点の中央厚さからの距離であり、Ａは、金属製品の断面にわたる積分境界を示すデリミタであり、Ｃ０は、目標の合金組成の溶質濃度であり、Ｃは、測定点における溶質濃度である、実施例２１に記載の金属製品である。
【０１４４】
実施例２３は、定常状態動作中にスラリー領域の形状を変化させることなく溶融サンプのスラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに十分な力を液体金属ジェットが有する、実施例２１または２２に記載の金属製品である。
【０１４５】
実施例２４は、溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を液体金属ジェットが有するように、ノズルの開口部がサイズ決定され、生成される液体金属ジェットが定常状態動作中に鋳造速度から１０％以下の変動を有するクレーターのクレーター降下速度を誘発するように、ノズルの開口部がサイズ決定される、実施例２１〜２３に記載の金属製品である。
【０１４６】
実施例２５は、溶融サンプの全体を通して溶質濃度を均質化するのに十分な溶融サンプ内の流体の流れを誘発するのに十分な力を液体金属ジェットが有する、実施例２１〜２４に記載の金属製品である。
【０１４７】
実施例２６は、マクロ偏析インデックスが、０．０９０以下である、実施例２１〜２５に記載の金属製品である。
【０１４８】
実施例２７は、マクロ偏析インデックスが、０．０７０以下である、実施例２１〜２６に記載の金属製品である。
【０１４９】
実施例２８は、金型キャビティの中への溶融金属の流速を制御するための流れ制御デバイスが、溶融金属の供給部とノズルとの間に結合される、実施例２１〜２７に記載の金属製品である。
【０１５０】
実施例２９は、コントローラが、溶融サンプの深さを推定するためにセンサに結合され、また、溶融サンプの推定された深さに基づいて溶融金属の流速を調整するために流れ制御デバイスに結合される、実施例２８に記載の金属製品である。
【０１５１】
実施例３０は、鋳造動作中に金属鋳造を最適化するための方法であり、該方法は、液体金属供給源に結合されたノズルから液体金属を受容するのに適切な金型キャビティの金型寸法を決定することと、鋳造速度を決定することと、金型寸法及び鋳造速度を使用して、最適化された鋳造パラメータを決定することと、を含み、最適化された鋳造パラメータを決定することが、ある金属流速でノズルの開口部を出る液体金属によって生成される液体金属ジェットが鋳造金属製品のマクロ偏析を低減させるのに適し、よって、最適化された鋳造パラメータを使用して鋳造された金属製品が０．１００以下のマクロ偏析インデックスを有するように、金属流速及びノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つを決定することを含む。
【０１５２】
実施例３１は、マクロ偏析インデックスが、次式に従って算出され、
【０１５３】
【数３３】
2019513082.tif 000035
式中、Ｙは、金属製品の半値厚または半値直径であり、Ａｄｏｍは、測定点の測定された断面積であり、ｙは、測定点の中央厚さからの距離であり、Ａは、金属製品の断面にわたる積分境界を示すデリミタであり、Ｃ０は、目標の合金組成の溶質濃度であり、Ｃは、測定点における溶質濃度である、実施例３０に記載の方法である。
【０１５４】
実施例３２は、最適化された鋳造パラメータを決定することが、定常状態動作中にスラリー領域の形状を変化させることなく液体金属ジェットが溶融サンプのスラリー領域内の粒体の再懸濁を誘発するのに適切であるように、金属流速及びノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含む、実施例３０または３１に記載の方法である。
【０１５５】
実施例３３は、最適化された鋳造パラメータを決定することが、溶融サンプにクレーターを誘発するのに十分な力を液体金属ジェットが有するように金属流速及びノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含み、生成される液体金属ジェットが定常状態動作中に鋳造速度から１０％以下の変動を有するクレーターのクレーター降下速度を誘発するように、ノズルの開口部がサイズ決定される、実施例３０〜３２に記載の方法である。
【０１５６】
実施例３４は、最適化された鋳造パラメータを決定することが、金型寸法及び鋳造速度を使用して、金型レイノルズ数を決定することと、金型レイノルズ数を使用して、ジェットレイノルズ数を決定することと、金型レイノルズ数及びジェットレイノルズ数を使用して、最適化された鋳造パラメータを算出することと、を含む、実施例３０〜３３に記載の方法である。
【０１５７】
実施例３５は、ジェットレイノルズ数を決定することが、鋳造されている製品の金属組成を決定することと、金属組成及び金型レイノルズ数を使用して、ジェットレイノルズ数を決定することと、を含む、実施例３４に記載の方法である。
【０１５８】
実施例３６は、最適化された鋳造パラメータが、ノズルの開口部サイズである、実施例３０〜３５に記載の方法である。
【０１５９】
実施例３７は、ノズルの開口部サイズに基づいて、ノズルを選択または製造することをさらに含む、実施例３０〜３６に記載の方法である。
【０１６０】
実施例３８は、金属流速を使用して、流れ制御デバイスを制御することをさらに含む、実施例３０〜３７に記載の方法である。
【０１６１】
実施例３９は、最適化された鋳造パラメータを決定することが、溶融サンプの全体を通して溶質濃度を均質化するのに十分な溶融サンプ内の流体の流れを誘発するのに十分な力を液体金属ジェットが有するように、金属流速及びノズルの開口部サイズのうちの少なくとも１つが算出されることを確実にすることを含む、実施例３０〜３８に記載の方法である。
【０１６２】
実施例４０は、マクロ偏析インデックスが、０．０９０以下である、実施例３０〜３９に記載の方法である。
【０１６３】
実施例４１は、マクロ偏析インデックスが、０．０７０以下である、実施例３０〜４０に記載の方法である。
【０１６４】
実施例４２は、金属製品を鋳造する過程であって、該過程は、定常状態動作中にある流速でノズルの開口部を通して溶融金属供給部から金型キャビティに溶融金属を提供することであって、該流速でノズルの開口部を通して溶融金属を提供することが、金属製品が０．１００以下のマクロ偏析インデックスを有するように、金属製品内のマクロ偏析を低減させるのに十分な溶融サンプ内の液体金属ジェットを生成することを含む。
【０１６５】
実施例４３は、マクロ偏析インデックスが、次式に従って算出され、
【０１６６】
【数３４】
2019513082.tif 000036
式中、Ｙは、金属製品の半値厚または半値直径であり、Ａｄｏｍは、測定点の測定された断面積であり、ｙは、測定点の中央厚さからの距離であり、は、金属製品の断面にわたる積分境界を示すデリミタであり、Ｃ０は、目標の合金組成の溶質濃度であり、Ｃは、測定点における溶質濃度である、実施例４２に記載の過程である。
【０１６７】
実施例４４は、定常状態動作中にスラリー領域の形状を変化させることなく、液体金属ジェットを使用して、溶融サンプのスラリー領域内の粒体を再懸濁することをさらに含む、実施例４２または４３に記載の過程である。
【０１６８】
実施例４５は、スラリー領域内にクレーターを生成し、また、定常状態動作中にクレーター降下速度を鋳造速度から１０％以内の変動に維持するのに十分な力を液体金属ジェットが有するように、開口部がサイズ決定される、実施例４４に記載の過程である。
【０１６９】
実施例４６は、溶融サンプの全体を通して溶質濃度を均質化するのに十分な溶融サンプ内の流体の流れを誘発することをさらに含む、実施例４２〜４５に記載の過程である。
【０１７０】
実施例４７は、ある流速でノズルを通して溶融金属を提供することが、溶融金属供給部とノズルとの間に結合された流れ制御デバイスを使用して流速を制御することをさらに含む、実施例４２〜４６に記載の過程である。
【０１７１】
実施例４８は、マクロ偏析インデックスが、０．０９０以下である、実施例４２〜４７に記載の過程である。
【０１７２】
実施例４９は、マクロ偏析インデックスが、０．０７０以下である、実施例４２〜４８に記載の過程である。
【図１】
2019513082.tif 000040
【図２】
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【図３】
2019513082.tif 000042
【図４】
2019513082.tif 000043
【図５】
2019513082.tif 000044
【図６】
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【図７】
2019513082.tif 000046
【図８】
2019513082.tif 000047
【図９】
2019513082.tif 000048
【図１０】
2019513082.tif 000049
【図１１】
2019513082.tif 000050
【国際調査報告】
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2019513082.tif 000052
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