(57)【要約】  鋳造ホイールに取り付けられ、鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に、鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、振動エネルギー源を保持する支持装置とを含むアセンブリを含む、溶融金属処理装置。鋳造ミルの一部として含まれる閉じ込め構造に溶融金属を供給し、閉じ込め構造内の溶融金属を冷却し、閉じ込め構造内の溶融金属に振動エネルギーを結合させる金属製品を形成するための関連方法。
2018526229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造ミル上の鋳造ホイールのための溶融金属処理装置であって、
前記鋳造ホイールに取り付けられたアセンブリを備え、前記アセンブリは、
前記鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に前記鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、
前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置とを含む、溶融金属処理装置。
【請求項２】
前記支持装置が、冷却媒体を輸送するための冷却チャネルを備えたハウジングを含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項３】
前記冷却チャネルは、水、気体、液体金属、およびエンジンオイルの少なくとも１つを含む前記冷却媒体を含む、請求項２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、少なくとも１つの超音波トランスデューサ、少なくとも１つの機械的に駆動されるバイブレータ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５】
前記超音波トランスデューサが、４００ｋＨｚまでの周波数の範囲内で振動エネルギーを提供するように構成された、請求項４に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６】
前記機械的に駆動されるバイブレータが、複数の機械的に駆動されるバイブレータを備える、請求項４に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７】
機械的に駆動されるバイブレータが、１０ＫＨｚまでの周波数の範囲内で振動エネルギーを提供するように構成される、請求項４に記載の溶融金属処理装置。
【請求項８】
前記鋳造ホイールが前記鋳造ホイールのチャネル内に前記溶融金属を閉じ込めるバンドを含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項９】
前記アセンブリが前記鋳造ホイールの上方に配置され、前記鋳造ホイールのチャネル内の溶融金属を閉じ込めるバンドのためのハウジング内に通路を有する、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１０】
前記ハウジングが、冷却媒体を輸送するための冷却チャネルを有し、
前記バンドが前記ハウジングに沿ってガイドされて、前記冷却チャネルからの冷却媒体が前記溶融金属の反対側のバンドの側面に沿って流れることを可能にする、請求項９に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１１】
前記支持装置が、ニオブ、ニオブ合金、チタン、チタン合金、タンタル、タンタル合金、銅、銅合金、レニウム、レニウム合金、鋼、モリブデン、モリブデン合金、ステンレス鋼、セラミック、複合材料、ポリマーまたは金属の１つまたはそれ以上を備えた、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１２】
前記セラミックが窒化ケイ素セラミックを含む、請求項１１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１３】
前記窒化ケイ素セラミックがシリカアルミナ窒化物を含む、請求項１２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１４】
前記支持装置が、冷却媒体を輸送するための冷却チャネルを備えたハウジングを含み、
前記ハウジングが、耐火材料を含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１５】
前記耐火材料が、銅、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステンおよびレニウムの少なくとも１つ、およびそれらの合金を含む、請求項１４に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１６】
前記耐火材料が、シリコン、酸素または窒素の１つまたはそれ以上を含む、請求項１５に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、冷却媒体と接触する１つ以上の振動エネルギー源を含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の冷却チャネル内に挿入された少なくとも１つの振動プローブを含む、請求項１７に記載の溶融金属処理装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置と接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の基部のバンドと直接接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置内の異なる位置に分散された複数の振動エネルギー源を含む、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項２２】
前記鋳造ホイールの移動に関して前記アセンブリをガイドするガイド装置をさらに備える、請求項１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項２３】
前記ガイド装置が前記鋳造ホイールの縁のバンド上に配置されている、請求項２２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項２４】
金属製品を形成する方法であって、
鋳造ミルの閉じ込め構造内に溶融金属を供給することと、
前記閉じ込め構造内の前記溶融金属を冷却することと、
前記冷却中に前記閉じ込め構造内の前記溶融金属に振動エネルギーを結合することとを含む、方法。
【請求項２５】
溶融金属を提供することが、溶融金属を鋳造ホイール内のチャネルに注ぐことを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
振動エネルギーを結合することが、超音波トランスデューサまたは磁歪トランスデューサのうちの少なくとも１つから前記振動エネルギーを供給することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記振動エネルギーを供給することが、５ｋＨｚから４０ｋＨｚの周波数の範囲の振動エネルギーを提供することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
振動エネルギーを結合することが、機械的に駆動されるバイブレータから前記振動エネルギーを供給することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記振動エネルギーを供給することが、毎分８，０００〜１５，０００回の振動または１０ＫＨｚまでの範囲の振動エネルギーを提供することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
冷却が、水、気体、液体金属およびエンジンオイルの少なくとも１つを溶融金属を保持する閉じ込め構造に適用することによって溶融金属を冷却することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
溶融金属を提供することが、前記溶融金属を金型内に配送することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３２】
溶融金属を提供することが、前記溶融金属を連続鋳型内に配送することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３３】
溶融金属を提供することは、前記溶融金属を水平または垂直鋳型内に配送することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３４】
溶融金属を冷却するよう構成された鋳型と、
請求項１〜２３のいずれか一項に記載の溶融金属処理装置とを備えた鋳造ミル。
【請求項３５】
前記鋳型が連続鋳型を含む、請求項３４に記載のミル。
【請求項３６】
前記鋳型が、水平または垂直の鋳型を含む、請求項３４に記載のミル。
【請求項３７】
溶融金属を冷却するように構成された溶融金属閉じ込め構造と、
前記溶融金属閉じ込め構造に取り付けられ、４００ｋＨｚまでの周波数で振動エネルギーを溶融金属に結合するように構成された振動エネルギー源とを備えた鋳造ミル。
【請求項３８】
溶融金属を冷却するように構成された溶融金属閉じ込め構造と、
溶融金属閉じ込め構造に取り付けられ、１０ＫＨｚまでの周波数の振動エネルギーを溶融金属に結合するように構成された機械的に駆動される振動エネルギー源とを備えた鋳造ミル。
【請求項３９】
金属製品を形成するためのシステムであって、
溶融金属を溶融金属閉じ込め構造に注ぐ手段と、
前記溶融金属閉じ込め構造を冷却する手段と、
４００ｋＨｚまでの周波数範囲で振動エネルギーを前記溶融金属に結合させる手段と、
データ入力および制御出力を含み、請求項２４〜３３に記載されたステップ要素のいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムでプログラムされたコントローラとを備えたシステム。
【請求項４０】
金属製品を形成するためのシステムであって、
請求項１〜２３のいずれか一項に記載の溶融金属処理装置と、および
データ入力および制御出力を含み、請求項２４〜３３に記載されたステップ要素のいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムでプログラムされたコントローラとを備えたシステム。
【請求項４１】
金属製品を形成するためのシステムであって、
鋳造ホイールに結合されたアセンブリを備え、前記アセンブリは、
前記鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物が冷却媒体によって冷却されるように冷却媒体を保持するハウジングと、
前記鋳造ホイールの移動に関して前記アセンブリをガイドする装置とを含む、システム。
【請求項４２】
鋳造ミルのための溶融金属処理装置であって、
鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に前記鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、
前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置とを備える、溶融金属処理装置。
【請求項４３】
鋳造ミル上の鋳造ホイールのための溶融金属処理装置であって、
鋳造ホイールに結合されたアセンブリを備え、前記アセンブリは、
前記鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に前記鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、
前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置と、
前記鋳造ホイールの移動に関して前記アセンブリをガイドするガイド装置とを含む、溶融金属処理装置。
【請求項４４】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が前記鋳造ホイール内の前記溶融金属鋳造物に前記振動エネルギーを直接供給する、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が前記鋳造ホイール内の前記溶融金属鋳造物に前記振動エネルギーを間接的に供給する、請求項４３に記載の装置。
【請求項４６】
鋳造ミルのための溶融金属処理装置であって、
鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に、前記鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に挿入されたプローブにより振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、
前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置とを備え、
前記振動エネルギーが、金属が凝固する際に溶融金属の偏析を減少させる、溶融金属処理装置。
【請求項４７】
鋳造ミルのための溶融金属処理装置であって、
鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に前記鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に音響エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、
前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置とを備える、溶融金属処理装置。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源がオーディオ増幅器を含む、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記オーディオ増幅器が、ガス状媒体を介して振動エネルギーを前記溶融金属に結合する、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記オーディオ増幅器は、ガス状媒体を介して振動エネルギーを前記溶融金属を保持する支持構造に結合する、請求項４８に記載の装置。
【請求項５１】
溶融金属源と、
溶融金属中に挿入される超音波プローブを含む超音波脱気装置と、
前記溶融金属を受けるための鋳造物と、
前記鋳造物に取り付けられたアセンブリと、を備える溶融金属処理装置であって、前記アセンブリは、
前記鋳造物中の前記溶融金属が冷却されている間に、前記鋳造物中の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、
前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置とを含む、溶融金属処理装置。
【請求項５２】
前記鋳造物が、鋳造ミルの鋳造ホイールの構成要素を含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５３】
前記支持装置が、冷却媒体を輸送するための冷却チャネルを備えたハウジングを含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５４】
前記冷却チャネルは、水、気体、液体金属、およびエンジンオイルの少なくとも１つを含む前記冷却媒体を含む、請求項５３に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５５】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、少なくとも１つの超音波トランスデューサを含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５６】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、少なくとも１つの機械的に駆動されるバイブレータを備える、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５７】
前記機械的に駆動されるバイブレータが、１０ＫＨｚまでの周波数の範囲内で振動エネルギーを提供するように構成される、請求項５６に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５８】
前記鋳造ホイールが前記鋳造ホイールのチャネル内に前記溶融金属を閉じ込めるバンドを含む、請求項５２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項５９】
前記アセンブリが鋳造ホイールの上方に配置され、前記鋳造ホイールのチャネル内の前記溶融金属を閉じ込めるバンドのためのハウジング内に通路を有する、請求項５２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６０】
前記ハウジングが、冷却媒体を輸送するための冷却チャネルを有し、
前記バンドが前記ハウジングに沿ってガイドされて、前記冷却チャネルからの前記冷却媒体が前記溶融金属の反対側の前記バンドの側面に沿って流れることを可能にする、請求項５９に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６１】
前記支持装置が、ニオブ、ニオブ合金、チタン、チタン合金、タンタル、タンタル合金、銅、銅合金、レニウム、レニウム合金、鋼、モリブデン、モリブデン合金、ステンレス鋼、セラミック、複合材料、ポリマーまたは金属の１つまたはそれ以上を備えた、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６２】
前記セラミックが窒化ケイ素セラミックを含む、請求項６１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６３】
前記窒化ケイ素セラミックがシリカアルミナ窒化物を含む、請求項６２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６４】
前記ハウジングが耐火材料を含む、請求項５９に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６５】
前記耐火材料が、銅、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステンおよびレニウムの少なくとも１つ、およびそれらの合金を含む、請求項６４に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６６】
前記耐火材料が、シリコン、酸素または窒素の１つまたはそれ以上を含む、請求項６５に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６７】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、冷却媒体と接触する１つ以上の振動エネルギー源を含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６８】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の冷却チャネル内に挿入された少なくとも１つの振動プローブを含む、請求項６７に記載の溶融金属処理装置。
【請求項６９】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置と接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７０】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の基部のバンドと直接接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７１】
前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置内の異なる位置に分散された複数の振動エネルギー源を含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７２】
前記鋳造ホイールの移動に関して前記アセンブリをガイドするガイド装置をさらに備える、請求項５２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７３】
前記ガイド装置が前記鋳造ホイールの縁のバンド上に配置されている、請求項７２に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７４】
前記超音波脱気装置が、
第１の端部および第２の端部を含み、第１の端部が超音波トランスデューサに取り付けられ、第２の端部が先端を備える細長いプローブと、
パージガス入口およびパージガス出口を備え、細長いプローブの前記先端に配置され、パージガスを溶融金属中に導入するためのパージガス配送部とを含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７５】
前記細長いプローブがセラミックを含む、請求項５１に記載の溶融金属処理装置。
【請求項７６】
サブミリメートルの粒径を有し、０．５％未満の細粒化剤を含み、以下の特性の少なくとも１つを有する鋳造金属組成物を備えた金属製品、
１００ｌｂｓ／ｉｎ２の延伸力下で１０〜３０％の範囲の伸び率、
５０〜３００ＭＰａの範囲の引張強度、または
ＩＡＣの４５〜７５％の範囲の導電率、ここでＩＡＣは標準的な焼きなまし銅導体に対する導電率のパーセント単位である。
【請求項７７】
前記鋳造金属組成物が０．２％未満の細粒化剤を含む、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項７８】
前記鋳造金属組成物が０．１％未満の細粒化剤を含む、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項７９】
前記鋳造金属組成物が細粒化剤を含まない、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項８０】
前記鋳造金属組成物が、アルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛、鉛、金、銀、錫、青銅、黄銅、およびそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項８１】
前記鋳造金属組成物が棒材、ロッド、ストック、シート材、ワイヤ、ビレット、およびペレットの少なくとも１つに形成されている、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項８２】
前記伸び率が１５〜２５％の範囲であり、または前記引張強度が１００〜２００ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの５０〜７０％の範囲である、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項８３】
前記伸び率が１７〜２０％の範囲であり、または前記引張強度が１５０〜１７５ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの５５〜６５％の範囲である、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項８４】
前記伸び率１８〜１９％の範囲であり、または前記引張強度が１６０〜１６５ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの６０〜６２％の範囲である、請求項７６に記載の金属製品。
【請求項８５】
前記鋳造金属組成物がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む、請求項７６、８２、８３、および８４のいずれか一項に記載の金属製品。
【請求項８６】
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋼補強ワイヤストランドを含む、請求項８５に記載の金属製品。
【請求項８７】
前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋼支持ワイヤストランドを含む、請求項８５に記載の金属製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願への相互参照］
この出願は、２０１６年８月９日に出願され、金属鋳造のための超音波細粒化と脱気の手順及びシステムと題する米国特許出願第６２／３７２，５９２号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に関連する。この出願は、２０１６年２月１５日に出願され、金属鋳造のための超音波細粒化及び脱気と題する米国特許出願第６２／２９５，３３３号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に関連する。この出願は、２０１５年１２月１５日に出願され、溶融金属のための超音波細粒化及び脱気と題する米国特許出願第６２／２６７，５０７号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に関連する。この出願は、２０１５年２月９日に出願され、超音波細粒化と題する米国特許出願第６２／１１３，８８２号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に関連する。この出願は、２０１５年９月１０日に出願され、連続鋳造ベルト上の超音波細粒化と題する米国特許出願第６２／２１６，８４２号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に関連する。
【０００２】
本発明は、制御された粒径を有する金属鋳造物の製造方法、金属鋳造物を製造するためのシステム、および金属鋳造物によって得られた製品に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
溶融金属を連続金属ロッドまたは鋳造製品に鋳造する技術を開発するために、冶金分野において多大な努力が払われてきた。バッチ鋳造および連続鋳造は、いずれもよく開発されている。いずれも業界で顕著に使用されているが、バッチ鋳造に比べて連続鋳造には多くの利点がある。
【０００４】
金属鋳物の連続的製造において、溶融金属は、均熱炉から一連の樋に流し込まれ、鋳造ホイールの金型に送られ、ここで金属バーに鋳込まれる。凝固した金属バーは、鋳造ホイールから取り出され、圧延機に送られ、そこで連続ロッドに圧延される。金属ロッド製品および合金の意図された最終用途に応じて、ロッドは、圧延中に冷却されてもよく、あるいは圧延機から出てすぐに冷却または急冷されて、所望の機械的および物理的特性を付与されてもよい。Ｃｏｆｅｒらの米国特許第３，３９５，５６０号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に記載されたような技術は、金属ロッドまたはバー製品を連続的に処理するために使用されてきた。
【０００５】
Ｓｐｅｒｒｙらの米国特許第３，９３８，９９１号は（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は、「純粋な」金属製品の鋳造に関して長い間認識されてきた問題があることを示している。「純粋な」金属鋳造物とは、粒子制御の目的で添加された別個の不純物を含まない特定の導電率または引張強度または延性のために設計された一次金属元素で形成された金属または金属合金をいう。
【０００６】
細粒化は、新たに形成された相の結晶サイズを化学的または物理的／機械的手段のいずれかによって減少させるプロセスである。細粒化剤は、通常、溶融金属に添加され、凝固プロセスまたは液体から固相への移行プロセス中に凝固構造の粒径を著しく減少させる。
【０００７】
実際、ＢｏｉｌｙらのＷＩＰＯ特許出願ＷＯ／２００３／０３３７５０（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は、「細粒化剤」の特定の使用を記載している。’７５０出願は、その背景技術の項で、アルミニウム産業において、一般に、異なる細粒化剤がアルミニウムに包含されてマスター合金を形成することを説明している。アルミニウム鋳造に使用するための典型的なマスター合金は、１〜１０％のチタンと０．１〜５％のホウ素または炭素とを含み、残部は基本的にアルミニウムまたはマグネシウムからなり、ＴｉＢ２またはＴｉＣの粒子はアルミニウムのマトリックス全体に分散している。’７５０出願によれば、チタンおよびホウ素を含有するマスター合金は、必要量のチタンおよびホウ素をアルミニウム溶融物に溶解することによって製造することができる。これは、溶融アルミニウムをＫＢＦ４およびＫ２ＴｉＦ６と、８００℃を超える温度で反応させることによって達成される。これらの複合ハロゲン化物塩は、溶融アルミニウムと迅速に反応し、チタンおよびホウ素を溶融物に供給する。
【０００８】
’７５０の出願はまた、２００２年の時点で、この技術が市販のマスター合金を製造するためにほとんどすべての細粒化剤製造会社により用いられていたことを記載している。核形成剤と呼ばれることが多い細粒化剤は、今日でも使用されている。たとえば、ＴＩＢＯＲマスター合金の１つの商業的供給業者は、鋳造構造の厳密な制御が高品質アルミニウム合金製品の製造における主要な要件であると述べている。
【０００９】
本発明に先立って、細粒化剤は、微細かつ均一な鋳造粒状構造を提供する最も有効な方法として認識されていた。以下の参考文献（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は、この背景技術の詳細を提供する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
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本発明以前には、米国特許第８，５７４，３３６号および第８，６５２，３９７号（各特許の全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は、たとえばパージガスを超音波装置に近接して溶融金属浴に導入することにより、溶融金属浴中の溶解気体（および／または種々の不純物）の量を減少させる方法（たとえば、超音波脱気）を記載した。これらの特許は、以後、’３３６特許および’３９７特許と称する。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の一実施形態では、鋳造ミル上の鋳造ホイールに取り付けるための溶融金属処理装置が提供される。この装置は、鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に、鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源を含む鋳造ホイールに取り付けられたアセンブリを含み、振動エネルギー源を保持する支持装置を含む。
【００１２】
本発明の一実施形態では、金属製品を形成するための方法が提供される。この方法は、鋳造ミルの一部として含まれる閉じ込め構造に溶融金属を供給する。この方法は、閉じ込め構造内の溶融金属を冷却し、閉じ込め構造内の溶融金属に振動エネルギーを結合させる。
【００１３】
本発明の一実施形態では、金属製品を形成するためのシステムが提供される。このシステムは、１）上述した溶融金属処理装置と、２）データ入力および制御出力を含み、上述の方法ステップの動作を可能にする制御アルゴリズムでプログラムされた制御装置とを含む。
【００１４】
本発明の一実施形態では、溶融金属処理装置が提供される。この装置は、溶融金属源と、溶融金属に挿入された超音波プローブを含む超音波脱気装置と、溶融金属を受けるための鋳造物と、鋳造物上に取り付けられ、鋳造物中の溶融金属が冷却されている間に鋳造物中の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源を含むアセンブリと、前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置とを含む。
【００１５】
本発明の前述の一般的説明および以下の詳細な説明は共に例示的なものであって、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【００１６】
本発明およびそれに伴う利点の多くについて、添付の図面に関連して考慮されるとき以下の詳細な説明を参照することにより、より良好に理解されるため、より完全な理解は容易に得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による連続鋳造ミルの概略図。
【図２】少なくとも１つの超音波振動エネルギー源を利用する本発明の一実施形態による鋳造ホイール構成の概略図。
【図３】少なくとも１つの機械的に駆動される振動エネルギー源を具体的に利用する、本発明の一実施形態による鋳造ホイール構成の概略図。
【図３Ａ】少なくとも１つの超音波振動エネルギー源と少なくとも１つの機械的に駆動される振動エネルギー源の両方を利用する本発明の一実施形態による鋳造ホイールハイブリッド構成の概略図。
【図４】鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に直接結合された振動プローブ装置を示す、本発明の一実施形態による鋳造ホイール構成の概略図。
【図５】本発明の振動エネルギー源を利用する固定金型の概略図。
【図６Ａ】垂直鋳造ミルの選択された構成要素の断面概略図。
【図６Ｂ】垂直鋳造ミルの他の構成要素の断面概略図。
【図６Ｃ】垂直鋳造ミルの他の構成要素の断面概略図。
【図６Ｄ】垂直鋳造ミルの他の構成要素の断面概略図。
【図７】本明細書に示される制御および制御装置のための例示的なコンピュータシステムの概略図。
【図８】本発明の一実施形態による方法を示すフローチャート。
【図９】超音波脱気および超音波細粒化の両方を利用する本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１０】ＡＣＳＲワイヤプロセスの流れ図。
【図１１】ＡＣＳＳワイヤプロセスの流れ図。
【図１２】アルミニウムストリッププロセスの流れ図である。
【図１３】少なくとも１つの超音波振動エネルギー源に磁歪素子を利用する本発明の一実施形態による鋳造ホイール構成の概略側面図。
【図１４】図１３の磁歪素子の断面概略図。
【図１５】化学細粒化剤を用いない鋳造物、細粒化剤を用いた鋳造物、及び超音波細粒化のみを用いた鋳造物の粒状構造を示すアルミニウム１３５０ＥＣ合金の顕微鏡写真の比較。
【図１６】従来の１３５０ＥＣアルミニウム合金ロッド（化学細粒化剤を用いたもの）と１３５０ＥＣアルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）の表形式による比較。
【図１７】従来のＡＣＳＲアルミニウムワイヤ０．１３０インチ径（化学細粒化剤を用いたもの）とＡＣＳＲアルミニウムワイヤ０．１３０インチ径（超音波細粒化を用いたもの）の表形式による比較。
【図１８】従来の８１７６ＥＥＥアルミニウム合金ロッド（化学細粒化剤を用いたもの）と８１７６ＥＥＥアルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）との表形式による比較。
【図１９】従来の５１５４アルミニウム合金ロッド（化学細粒化剤を用いたもの）と５１５４アルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）の表形式による比較。
【図２０】従来の５１５４アルミニウム合金ストリップ（化学細粒化剤を用いたもの）と５１５４アルミニウム合金ストリップ（超音波細粒化を用いたもの）の表形式による比較。
【図２１】５３５６アルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）の特性の表形式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
インゴット鋳造速度の最大化、熱間割れに対する耐性の向上、元素偏析の最小化、機械的性質、特に延性の向上、鍛造製品の仕上げ特性の改善、および金型充填特性の向上を含む多くの理由で、金属および合金の細粒化、及び鋳造合金の多孔率の減少が重要である。通常、細粒化は、金属及び合金製品、特にアルミニウム合金およびマグネシウム合金の製造のための最初の処理ステップの１つであり、これらの合金は、航空宇宙、防衛、自動車、建設、包装業界でますます使用される軽量材料の２つである。細粒化はまた、柱状結晶粒を除去し、等軸粒を形成することによって、金属および合金を鋳造可能にするための重要な処理ステップでもある。
【００１９】
細粒化は、合金を鋳造可能にし、欠陥形成を減少させるために、固相の結晶サイズを化学的、物理的または機械的手段のいずれかによって減少させる凝固処理ステップである。現在、アルミニウムの製造は、ＴＩＢＯＲを用いた細粒化であり、凝固したアルミニウム中に等軸粒組織を形成させることになる。本発明より前は、不純物や化学「細粒化剤」の使用は、金属鋳造業界で長い間認識されていた金属鋳造物における柱状結晶粒形成の問題を解決する唯一の方法であった。さらに、本発明より前は、１）（鋳造前の）溶融金属から不純物を除去するための超音波脱気と、２）上記の超音波細粒化（すなわち、少なくとも１つの振動エネルギー源）との組み合わせは行われていなかった。しかし、これらの接種剤が溶融物に投入されることに起因するＴＩＢＯＲおよび機械的制約の使用に伴うコストは大きい。制約のいくつかは、延性、機械加工性、および導電率を含む。
【００２０】
このコストにもかかわらず、米国で生産されたアルミニウムの約６８％は、シート、プレート、押出物またはホイルに加工する前に、最初にインゴットに鋳込まれる。ダイレクトチル（ＤＣ）半連続鋳造プロセスおよび連続鋳造（ＣＣ）プロセスは、主にその堅固な性質および相対的簡素さのためにアルミニウム産業の主力となっている。ＤＣプロセスおよびＣＣプロセスの１つの問題は、インゴット凝固中の熱間割れの形成またはひび割れの形成である。基本的には、ほとんど全てのインゴットは、細粒化を用いないとひび割れ（または鋳造不能）になる。
【００２１】
さらに、これらの現代のプロセスの生産速度は、ひび割れ形成を回避するための条件によって制限される。細粒化は、合金の熱間割れの傾向を低減し、したがって生産速度を高める有効な方法である。その結果、粒径をできるだけ小さくできる強力な細粒化剤の開発に多大の努力が集中している。粒径をサブミクロンレベルまで低減することができ、これにより、合金ははるかに速い速度で鋳造できるだけでなく、インゴットが今日処理されるよりもはるかに速い速度で低温で圧延／押出されるのであれば、超塑性が実現でき、大幅なコスト削減と省エネルギーへとつながる。
【００２２】
現在、一次スクラップ（約２００億ｋｇ）または二次および内部スクラップ（２５０億ｋｇ）のいずれかから世界で鋳造されるほぼすべてのアルミニウムは、アルミニウムの細粒構造の核となる直径約数ミクロンの不溶性ＴｉＢ２核の異種核で細粒化される。化学細粒化剤の使用に関連する１つの問題は、限られた細粒化能力である。実際、化学細粒化剤の使用は、２５００μｍを超える線状粒子寸法を有する柱状構造から、２００μｍ未満の等軸粒まで、アルミニウム粒子サイズの限定された減少を引き起こす。アルミニウム合金中の１００μｍの等軸粒は、市販されている化学細粒化剤を用いて得ることができる限界のようである。
【００２３】
粒径をさらに小さくすることができれば、生産性を大幅に向上させることができる。サブミクロンレベルの粒径は、超塑性をもたらし、室温でアルミニウム合金の形成をはるかに容易にする。
【００２４】
化学細粒化剤の使用に関連する別の問題は、細粒化剤の使用に関連する欠陥形成である。従来技術においては、細粒化に必要であると考えられていたが、不溶性の異物は、そうではなくて、アルミニウム、特に粒子塊（「クラスター」）の形態では望ましくない。アルミニウム系マスター合金中の化合物の形態で存在する現在の細粒化剤は、複雑な一連の採鉱、選鉱および製造プロセスによって製造される。現在使用されているマスター合金は、従来のアルミニウム細粒化剤の製造プロセスから生じるフッ化カリウムアルミニウム（ＫＡＩＦ）塩および酸化アルミニウム不純物（ドロス）を含むことが多い。これらは、アルミニウムの局部的な欠陥（たとえば、飲料缶の「漏れ」、薄い箔の「ピンホール」）、工作機械の摩耗、およびアルミニウムの表面仕上げの問題を引き起こす。アルミニウムケーブル会社のある１社のデータによると、製造欠陥のうち２５％がＴｉＢ２粒子塊に起因し、欠陥のうち他の２５％は鋳造プロセス中にアルミニウムに閉じ込められたドロスによるものであることが示されている。ＴｉＢ２粒子塊は、特にワイヤの直径が８ｍｍより小さい場合、押出中にワイヤを壊すことが多い。
【００２５】
化学細粒化剤の使用に関連する別の問題は、細粒化剤のコストである。これは、Ｚｒ細粒化剤を使用するマグネシウムインゴットの製造には極めてあてはまる。Ｚｒ細粒化剤を使用した細粒化は、製造されたＭｇ鋳造物１キログラムにつき約１ドルの追加費用を要する。アルミニウム合金の細粒化剤は１キログラムにつき約１．５０ドルである。
【００２６】
化学細粒化剤の使用に関連する別の問題は、導電率の低下である。化学細粒化剤の使用は、アルミニウム中に過剰量のＴｉを導入するため、ケーブル用途の純アルミニウムの導電率を実質的に低下させる。特定の導電率を維持するために、企業はケーブルやワイヤを作るための純粋なアルミニウムを使用することに余分な金銭を支払わなければならない。
【００２７】
化学的方法に加えて、多くの他の細粒化方法が過去の世紀に研究されてきた。これらの方法は、磁場および電磁場のような物理的フィールドを使用すること、および機械的振動を使用することを含む。高強度で低振幅の超音波振動は、異物を使用せずに金属や合金の細粒化のために実証された物理的／機械的メカニズムの１つである。しかしながら、短時間の超音波振動を受けた数ポンドまでの金属の小さなインゴットでは、上述のＣｕｉ等（２００７）のような実験結果が得られた。高強度の超音波振動を用いたＣＣまたはＤＣ鋳造インゴット／ビレットの細粒化にはまだほとんど努力が払われていない。
【００２８】
本発明において細粒化のために取り扱った技術的課題のいくつかには、（１）長時間にわたり溶融金属に超音波エネルギーを結合すること、（２）高温でシステムの固有振動周波数を維持すること、および（３）超音波導波管の温度が高温であるときに、超音波細粒化の細粒化効率を上げることがある。超音波導波管とインゴットの両方のための冷却の強化は（後述するように）、これらの課題に対処するためにここに提示された解決策の１つである。
【００２９】
さらに、本発明において取り扱った別の技術的課題は、アルミニウムが純粋であるほど、凝固プロセス中に等軸粒を得ることが困難になるという事実に関する。純粋なアルミニウム、たとえば１０００，１１００、および１３００シリーズのアルミニウムの中にＴｉＢ（ホウ化チタン）のような外部細粒化剤を使用しても、等軸粒組織を得ることは依然として困難である。しかしながら、本明細書に記載の新規な細粒化技術を用いて、かなりの細粒化が得られている。
【００３０】
本発明の一実施形態では、本発明は、細粒化剤を導入する必要なしに、柱状結晶粒形成を部分的に抑制する。鋳造物に注ぎ込まれる際の溶融金属への振動エネルギーの印加は、ＴＩＢＯＲマスター合金のような最先端の細粒化剤で得られるものと同等かそれよりも小さい粒径の実現を可能にする。
【００３１】
本明細書中では、本発明の実施形態は、それらの研究を提示するために当業者によって一般に使用される用語を用いて記載される。これらの用語は、材料科学、冶金学、金属鋳造、および金属加工の分野の当業者によって理解される通常の意味に一致するものとする。より特殊な意味を有するいくつかの用語は、以下の実施形態で説明される。しかしながら、「構成された」という用語は、本明細書において、「構成された」という用語に続く機能をその対象となる物が実行することを可能にする適切な構造（本明細書に示されているか、または当該技術分野で知られているかまたは暗示されているもの）を表すと理解される。「に結合される」という用語は、第２の物体に結合された１つの物体が、第２の物体に対して第１の物体を支持するために必要な構造を有することを意味し（たとえば、当接する、付着された、所定の距離だけ離れた、隣接する、近接する、共に結合される、互いから離脱可能な、互いから取り外し可能な、共に固定される、摺動接触さされる、転がり接触される）、第１の物体と第２の物体とを直接取り付けても直接取り付けなくてもよい。
【００３２】
Ｃｈｉａ等の米国特許第４，０６６，４７５号は、（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は、連続鋳造プロセスを記載している。一般に、図１は、回転金型リング１３に収容された周縁溝に溶融金属を導く注ぎ口１１を含む鋳造ミル２を有する連続鋳造システムを示す。エンドレスの可撓性金属バンド１４が、連続鋳型が金型リング１３の溝およびその上にある金属バンド１４により規定されるように、金型リング１３の一部および一対のバンド位置決めローラ１５の一部を囲む。装置を冷却し、回転金型リング１３上での溶融金属の搬送中に溶融金属の制御された凝固を達成するための冷却システムが設けられている。この冷却システムは、金型リング１３の側面に配置された複数のサイドヘッダ１７、１８、及び１９と、金型リングを取り囲む位置で金属バンド１４の内側と外側にそれぞれ配置された内側バンドヘッダ２０と外側バンドヘッダ２１とを含む。適切なバルブを有する導管ネットワーク２４が、装置の冷却および溶融金属の凝固速度を制御するように、様々なヘッダーへ冷媒を供給および排出するために接続される。
【００３３】
このような構成により、溶融金属は注ぎ口１１から鋳型内に供給され、冷却システムを通る冷却剤の循環によってその輸送中に凝固し、部分的に冷却される。固体鋳造バー２５は、鋳造ホイールから引き出され、鋳造バーを圧延ミル２８に搬送するコンベヤ２７に供給される。鋳造バー２５は、バーを凝固させるのに十分な量だけ冷却されており、バーは、その上で即時に圧延操作が行われることができるように、高温のままであることに留意されたい。圧延ミル２８は、バーを連続的に圧延して、実質的に均一な円形断面を有する連続した長さの線材３０にする圧延スタンドのタンデム配列を含むことができる。
【００３４】
図１および図２は、以下でさらに詳細に説明するように、そこに示されている連続鋳造システムの様々な部分を制御するコントローラ５００を示す。コントローラ５００は、連続鋳造システムおよびその構成要素の動作を制御するためのプログラムされた命令（すなわち、アルゴリズム）を備えた１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。
【００３５】
本発明の一実施形態では、図２に示されるように、鋳造ミル２は、溶融金属が注がれる（たとえば鋳造される）閉じ込め構造３２（たとえば、鋳造ホイール３０のくぼみまたはチャネル）及び溶融金属処理装置３４を備えている。バンド３６（たとえば、スチール製可撓性金属バンド）は、溶融金属を閉じ込め構造３２（すなわち、チャネル）に閉じ込める。ローラ３８は、溶融金属が鋳造ホイールのチャネル内で凝固し、溶融金属処理装置３４から離れて搬送されるとき、溶融金属処理装置３４が、回転する鋳造ホイール上の静止位置にとどまることを可能にする。
【００３６】
本発明の一実施形態では溶融金属処理装置３４は、鋳造ホイール３０に取り付けられたアセンブリ４２を含む。アセンブリ４２は、少なくとも１つの振動エネルギー源（たとえば、バイブレータ４０）と、振動エネルギー源４２を保持するハウジング４４（すなわち、支持装置）とを含む。アセンブリ４２は、冷却媒体を輸送するための少なくとも１つの冷却チャネル４６を含む。可撓性バンド３６は、ハウジングの下面に取り付けられたシール部４４ａによってハウジング４４にシールされ、それによって、冷却媒体が冷却チャネルから鋳造ホイールのチャネル内の溶融金属に対向する可撓性バンドの側面に沿って流れることを可能にする。空気ワイプ５２は、冷却チャネルから漏れるあらゆる水が溶融金属の鋳造源から離れる方向に向けられるように、（安全予防策として）空気を導く。シール４４ａは、エチレンプロピレン、バイトン、ブナ−ｎ（ニトリル）、ネオプレン、シリコーンゴム、ウレタン、フルオロシリコーン、ポリテトラフルオロエチレンおよび他の公知のシーラント材を含む多くの材料から作ることができる。本発明の一実施形態では、ガイド装置（たとえば、ローラ３８）が、回転する鋳造ホイール３０に対して溶融金属処理装置３４を案内する。冷却媒体は、閉じ込め構造３２および／または少なくとも１つの振動エネルギー源４０内の溶融金属に冷却を提供する。本発明の一実施形態では、ハウジングを含む溶融金属処理装置３４の構成要素は、チタン、ステンレス鋼合金、低炭素鋼またはＨ１３鋼などの金属、他の高温材料、セラミック、複合材、またはポリマーから形成されることができる。溶融金属処理装置３４の各構成要素は、ニオブ、ニオブ合金、チタン、チタン合金、タンタル、タンタル合金、銅、銅合金、レニウム、レニウム合金、鋼、モリブデン、モリブデン合金、ステンレス鋼、及びセラミックの１つまたはそれ以上から形成されることができる。セラミックは、たとえば、シリカアルミナ窒化物又はサイアロンのような窒化ケイ素セラミックスとすることができる。
【００３７】
本発明の一実施形態では、溶融金属がバイブレータ４０の下の金属バンド３６の下を通過するため、金属が冷却凝固し始める際に、振動エネルギーが溶融金属に供給される。本発明の一実施形態では、振動エネルギーは、たとえば圧電装置超音波トランスデューサによって生成された超音波トランスデューサによって付与される。本発明の一実施形態では、振動エネルギーは、たとえば磁歪トランスデューサによって生成された超音波トランスデューサによって付与される。本発明の一実施形態では、振動エネルギーは、機械的に駆動されるバイブレータ（後述する）によって付与される。一実施形態における振動エネルギーは、複数の小さいシードの形成を可能にし、それにより、微細粒金属製品を生成する。
【００３８】
本発明の一実施形態では、超細粒化は、粒径の微細化のための超音波エネルギー（および／または他の振動エネルギー）の印加を伴う。本発明はいかなる特定の理論にも拘束されないが、ある理論は、振動エネルギー（たとえば超音波出力）の溶融または凝固する合金への注入は、キャビテーション、アコースティックストリーミングおよび放射圧のような非線形効果を生じさせることである。これらの非線形効果は、合金の凝固プロセス中に新しい結晶粒を核生成し、樹枝状結晶を破壊するために使用することができる。
【００３９】
この理論の下で、細粒化プロセスは２つの段階に分けることができる：１）核形成および２）液体から新しく形成された固体の成長。球形の核は、核形成段階の間に形成される。これらの核は成長段階で樹枝状結晶に成長する。樹枝状結晶の一方向成長は、柱状結晶粒の形成をもたらし、潜在的に熱間割れ／ひび割れおよび二次相の不均一分布を引き起こす。これはひいては不良な鋳造性をもたらす可能性がある。一方、全方向への樹枝状結晶の均一な成長（本発明で可能であるような）は、等軸粒の形成につながる。小さい等軸粒を含む鋳造物／インゴットは優れた成形性を有する。
【００４０】
この理論の下で、合金中の温度が液相線温度より低いとき、核形成は、固体胚のサイズが以下の式で与えられる臨界サイズよりも大きい場合に生じ得る：
【００４１】
【数１】
2018526229.tif 000003
【００４２】
ここで、γ*は臨界サイズであり、σsiは固液界面に関連する界面エネルギーであり、ΔGVは単位体積当たりの液体の固体への変換に関連したギブスの自由エネルギーである。
【００４３】
この理論の下で、ギブスの自由エネルギーΔGは、固体胚のサイズがγ*より大きい場合にはそのサイズが大きくなるにつれて減少し、固体胚の成長が熱力学的に好ましいことを示している。このような条件下で、固体胚は安定な核となる。しかしながら、サイズがγ*より大きい固相の均一核形成は、溶融物中に大きな過冷却を必要とする極限条件下でのみ生じる。
【００４４】
この理論のもとで、凝固の間に形成される核は、樹枝状結晶として知られる固体粒子に成長することができる。樹枝状結晶はまた、振動エネルギーの印加によって複数の小さな断片に分解することができる。このようにして形成された樹枝状断片は、新たな粒子に成長し、小さな粒子の形成をもたらすことができ、これにより等軸粒組織を形成する。
【００４５】
いかなるの特定の理論にも拘束されるものではないが、鋳造ホイール３０のチャネルの頂部で溶融金属への（たとえば、２、５、１０または１５℃未満の）比較的少しの過冷却（たとえば、バンド３６の下側に対する）は、純粋なアルミニウム（または他の金属または合金）の小さな核の層がスチールバンドに対して形成される結果となる。振動エネルギー（たとえば、超音波または機械的に駆動による振動）は、これらの核を放出し、これらは凝固中に核形成剤として使用され、均一な粒状構造をもたらす。したがって、本発明の１つの実施形態では、採用される冷却方法は、鋳造ホイール３０のチャネルの頂部でのスチールバンドに対する少量の過冷却により、溶融金属が冷え続ける際に、確実に材料の小さな核が処理されて、溶融金属になる。バンド３６に作用する振動は、これらの核を鋳造ホイール３０のチャネル内の溶融金属中に分散させる働きをし、および／または過冷却層に形成される樹枝状結晶を破壊する働きをすることができる。たとえば、冷却されると溶融金属に与えられる振動エネルギーは、キャビテーション（以下参照）によって樹枝状結晶を破壊して新しい核を形成することができる。これらの核および樹枝状結晶の断片を使用して、凝固中に金型内に等軸粒を形成（促進）し、均一な粒状構造を得ることができる。
【００４６】
換言すれば、過冷却された液体金属中に伝達される超音波振動は、金属または金属合金中に核形成部位を作り、粒径を微細化する。核形成部位は、上記のように作用する振動エネルギーを介して生成され、溶融金属中に異質不純物に依存しない多数の核を生成する樹枝状結晶を破壊することができる。一態様では、鋳造ホイール３０のチャネルは、銅、鉄及び鋼、ニオブ、ニオブ及びモリブデン、タンタル、タングステン及びレニウムのような高融点金属又は他の高温材料、及びこれらの材料の融点を上げることができるシリコン、酸素または窒素のような元素の１つ以上を含む合金とすることができる。
【００４７】
本発明の一実施形態では、振動エネルギー源４０の超音波振動源は、２０ｋＨｚの音響周波数で１．５ｋＷの電力を供給する。本発明は、これらの電力および周波数に限定されない。むしろ、広範囲の電力および超音波周波数を使用することができるが、以下の範囲が重要である。
【００４８】
電力：一般に、ソノトロードまたはプローブの寸法に応じて、各ソノトロードについて５０〜５０００Ｗの電力。これらの電力は、典型的には、ソノトロードの端部における電力密度が、溶融金属の冷却速度、溶融金属の種類、および他の要因に依存して溶融金属中にキャビテーションを生じさせる閾値と考えられる１００Ｗ／ｃｍ２よりも確実に高くなるように、ソノトロードに印加される。この領域のパワーは、５０〜５０００Ｗ、１００〜３０００Ｗ、５００〜２０００Ｗ、１０００〜１５００Ｗ、または任意のその中間範囲または重複範囲の範囲であり得る。より大きなプローブ／ソノトロードの場合はより高い電力、より小さなプローブの場合はより低い電力であってもよい。本発明の様々な実施形態において、印加される振動エネルギーの電力密度は１０Ｗ／ｃｍ２から５００Ｗ／ｃｍ２、または２０Ｗ／ｃｍ２から４００Ｗ／ｃｍ２、または３０Ｗ／ｃｍ２から３００Ｗ／ｃｍ２、または５０Ｗｃｍ２から２００Ｗ／ｃｍ２、または７０Ｗ／ｃｍ２から１５０Ｗ／ｃｍ２、または任意のその中間範囲または重複範囲であり得る。
【００４９】
周波数：一般に、５〜４００ｋＨｚ（または任意の中間範囲）を使用することができる。あるいは、１０および３０ｋＨｚまたは任意の中間範囲）を使用することができる。あるいは、１５および２５ｋＨｚ（または任意の中間範囲）を使用することができる。印加される周波数は、５〜４００ｋＨｚ、１０〜３０ＫＨｚ、１５〜２５ｋＨｚ、１０〜２００ｋＨｚ、または５０〜１００ｋＨｚ、またはその中間範囲または重複範囲の範囲であり得る。
【００５０】
本発明の一実施形態では、少なくとも１つのバイブレータ４０が、冷却チャネル４６に結合されて配置されており、超音波トランスデューサの超音波プローブ（またはソノトロード、圧電トランスデューサ、または超音波放射器、または磁歪素子）の場合、冷却媒体を通してならびにアセンブリ４２およびバンド３６を通して液体金属中に超音波振動エネルギーを供給する。本発明の一実施形態では、超音波エネルギーは、電流を機械的エネルギーに変換して、それにより２０ｋＨｚを超える（たとえば、４００ｋＨｚまで）の振動周波数を生成することができるトランスデューサから供給され、この超音波エネルギーは、圧電素子または磁歪素子のいずれか一方または両方から供給される。
【００５１】
本発明の一実施形態では、超音波プローブが液体冷却媒体と接触するように冷却チャネル４６に挿入される。本発明の一実施形態では、超音波プローブの先端からバンド３６までの分離距離が変更可能である。分離距離は、たとえば、１ｍｍ未満、２ｍｍ未満、５ｍｍ未満、１ｃｍ未満、２ｃｍ未満、５ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、２０ｃｍ未満、または５０ｃｍ未満であり得る。本発明の一実施形態では、液体冷却媒体と接触するように、複数の超音波プローブまたは超音波プローブのアレイを冷却チャネル４６に挿入することができる。本発明の一実施形態では、超音波プローブをアセンブリ４２の壁に取り付けることができる。
【００５２】
本発明の一態様では、振動エネルギーを供給する圧電トランスデューサは、電気的接触のための取り付け点を提供する電極の間に挟まれたセラミック材料から形成することができる。電極を介してセラミックに電圧が印加されると、セラミックは超音波周波数で膨張および収縮する。本発明の一実施形態では、振動エネルギー源４０として機能する圧電トランスデューサがブースタに取り付けられ、ブースタは振動をプローブに伝達する。米国特許第９，０６１，９２８号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は、超音波トランスデューサ、超音波ブースタ、超音波プローブおよびブースタ冷却ユニットを含む超音波トランスデューサアセンブリを記載している。’９２８号特許の超音波ブースタは、超音波トランスデューサに接続され、超音波トランスデューサによって生成された音響エネルギーを増幅し、増幅された音響エネルギーを超音波プローブに伝達する。’９２８特許のブースタ構成は、本発明では、直接的または間接的に上述の液体冷却媒体と接触する超音波プローブにエネルギーを供給するのに有用であり得る。
【００５３】
実際には、本発明の一実施形態では、圧電トランスデューサによって生成される振動エネルギーを増幅または強化するために、超音波ブースタは超音波の領域において使用される。ブースタは振動の周波数を増減せず、振動の振幅を増加させる。（ブースタを後方に設置すると、振動エネルギーを圧縮することもできる）。本発明の一実施形態では、ブースタは圧電トランスデューサとプローブとの間を接続する。超音波細粒化のためのブースタを使用する場合、以下に番号を付して例示する、圧電振動エネルギー源を有するブースタの使用を示す方法ステップがある。
【００５４】
１）圧電トランスデューサに電流が供給される。トランスデューサ内のセラミック片は、一旦電流が印加されると伸縮し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。
【００５５】
２）一実施形態におけるこれらの振動は、次に、この機械的振動を増幅または強化するブースタに伝達される。
【００５６】
３）一実施形態におけるブースタからの増幅された又は強化された振動は、プローブに伝搬される。次に、プローブは超音波周波数で振動し、それによりキャビテーションを生じる。
【００５７】
４）振動するプローブからのキャビテーションは、一実施形態では溶融金属と接触している鋳造バンドに衝突する。
【００５８】
５）一実施形態におけるキャビテーションは、樹枝状結晶を破壊し、等軸粒組織を生成する。
【００５９】
図２を参照すると、プローブは溶融金属処理装置３４を流れる冷却媒体に結合されている。超音波周波数で振動するプローブを介して冷却媒体中で生成されるキャビテーションは、閉じ込め構造３２内の溶融アルミニウムと接触しているバンド３６に衝突する。
【００６０】
本発明の一実施形態では、振動エネルギーは、振動エネルギー源４０として働く磁歪トランスデューサによって供給することができる。一実施形態では、振動エネルギー源４０として働く磁歪トランスデューサは、図２の圧電トランスデューサユニットで利用されるのと同じ配置を有し、唯一の違いは超音波周波数で振動する表面を駆動する超音波源が、少なくとも１つの圧電素子ではなくて少なくとも１つの磁歪トランスデューサであることである。図１３は、少なくとも１つの超音波振動エネルギー源のために磁歪素子４０ａを利用する本発明の一実施形態による鋳造ホイール構成を示す。本発明のこの実施形態では、磁歪トランスデューサ４０ａは、たとえば３０ｋＨｚの周波数で冷却媒体に結合されたプローブ（図１３の側面図には示されていない）を振動させるが、以下に記載するように他の周波数を使用することができる。本発明の別の実施形態では、磁歪トランスデューサ４０ａは、図１４の断面概略図に示される溶融金属処理装置３４内の底板４０ｂを振動させ、底板４０ｂは、冷却媒体（図１４に示されている）に結合されている。
【００６１】
磁歪トランスデューサは、典型的には、一旦電磁場が印加されると膨張および収縮する多数の材料プレートから構成される。より具体的には、本発明に適した磁歪トランスデューサは、一実施形態では、処理容器の底部または他の振動すべき表面に取り付けられた各ラミネートの一方の端部と平行に配置された多数のニッケル（または他の磁歪材料）のプレート又はラミネートを含むことができる。ワイヤのコイルは、磁歪材料の周りに配置され、磁場を提供する。たとえば、電流の流れがワイヤのコイルを介して供給されると、磁場が生成される。この磁場により、磁歪材料が収縮または伸長し、これにより伸縮する磁歪材料に接する流体に音波が導入される。本発明に適した磁歪トランスデューサからの典型的な超音波周波数は、２０〜２００ｋＨｚの範囲である。磁歪素子の固有振動数に応じて、より高い周波数またはより低い周波数を使用することができる。
【００６２】
磁歪トランスデューサの場合、ニッケルは最も一般的に使用される材料の１つである。トランスデューサに電圧が印加されると、ニッケル材料は超音波周波数で伸縮する。本発明の一実施形態では、ニッケル板はステンレス鋼板に直接銀ろう付けされる。図２を参照すると、磁歪トランスデューサのステンレス鋼板は、超音波周波数で振動する表面であり、溶融金属処理装置３４を流れる冷却媒体に直接結合された表面（またはプローブ）である。超音波周波数で振動するプレートを介して冷却媒体中で生成されたキャビテーションは、その後、閉じ込め構造３２内の溶融アルミニウムと接触しているバンド３６に衝突する。
【００６３】
米国特許第７，４６２，９６０号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は、超磁歪素子を有する超音波トランスデューサドライバを記載している。したがって、本発明の一実施形態では、磁歪素子は、たとえば鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のような早期遷移金属と比較して非常に大きな磁歪効果を有するテルフェノール−Ｄおよびその複合材料などの希土類合金系材料から製造することができる。あるいは、本発明の一実施形態における磁歪素子は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）から製造することができる。
【００６４】
あるいは、本発明の一実施形態における磁歪素子は、以下の合金の１つまたは複数から製造することができる。鉄およびテルビウム；鉄およびプラセオジム；鉄、テルビウムおよびプラセオジム；鉄およびジスプロシウム；鉄、テルビウムおよびジスプロシウム；鉄、プラセオジムおよびジスプロジウム；鉄、テルビウム、プラセオジムおよびジスプロシウム；鉄、およびエルビウム；鉄およびサマリウム；鉄、エルビウムおよびサマリウム；鉄、サマリウムおよびジスプロシウム；鉄およびホルミウム；鉄、サマリウムおよびホルミウム；またはそれらの混合物である。
【００６５】
米国特許第４，１５８，３６８号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は磁歪トランスデューサを記載している。これに記載され、本発明に適しているように、磁歪トランスデューサは、ハウジング内に配置された負磁歪を示す材料のプランジャを含むことができる。
米国特許第５，５８８，４６６号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は磁歪トランスデューサを記載している。これに記載され、本発明に適しているように、磁歪層は、可撓性要素、たとえば可撓性ビームに適用される。可撓性要素は、外部磁場によって偏向される。’４６６特許に記載され、本発明に適しているように、Ｔｂ（１−ｘ）Ｄｙ（ｘ）Ｆｅ２からなる磁歪素子として、薄い磁歪層を用いることができる。米国特許第４，５９９，５９１号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は磁歪トランスデューサを記載している。これに記載され、本発明に適しているように、この磁歪トランスデューサは、磁歪材料と、この磁歪材料内に回転磁気誘導ベクトルを確立するような位相関係を有する複数の電流源に接続された複数の巻線とを利用することができる。米国特許第４，９８６８０８号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）は磁歪トランスデューサを記載している。これに記載され、本発明に適しているように、磁歪トランスデューサは、磁歪材料の複数の細長いストリップを含むことができ、各ストリップは、基端、末端及び、実質的にＶ字形の断面を有し、Ｖの各アームはストリップの長手方向の長さにより形成され、各ストリップは末端及び基端の両方で隣接するストリップに取り付けられて中心軸を有する一体的な実質的に剛性の柱を形成し、この軸に対して半径方向にフィンが延びている。
【００６６】
図３は、鋳造ホイール３０のチャネル内の溶融金属に低周波数の振動エネルギーを供給するための機械的振動構成を示す、本発明の別の実施形態の概略図である。本発明の一実施形態では、振動エネルギーは、トランスデューサまたは他の機械的撹拌器によって生成される機械的振動から生じる。当該技術分野で知られているように、バイブレータは振動を発生させる機械的装置である。振動は、多くの場合、その駆動軸上に不均衡な質量を有する電気モータによって生成される。いくつかの機械的バイブレータは、電磁駆動装置と、垂直往復運動によって撹拌する攪拌軸とからなる。本発明の一実施形態では、振動エネルギーは、機械エネルギーを使用して２０ｋＨｚまで、好ましくは５〜１０ｋＨｚの範囲内の振動周波数を生成することができるバイブレータ（または他の構成要素）から供給される。
【００６７】
振動機構にかかわらず、バイブレータ（圧電トランスデューサ、磁歪トランスデューサ、または機械駆動バイブレータ）をハウジング４４に取り付けることは、振動エネルギーをアセンブリ４２の下のチャネル内の溶融金属に伝達できることを意味する。
【００６８】
本発明に有用な機械的バイブレータは、毎分８，０００から１５，０００回の振動で動作することができるが、より高い周波数及びより低い周波数を使用することができる。本発明の一実施形態では、振動機構は、毎秒５６５回と５，０００回の間の振動で振動するように構成される。本発明の一実施形態では、振動機構は、最小で毎秒１回未満の振動まで最大で毎秒５６５回の振動までのより低い周波数で振動するように構成されている。本発明に適した機械的に駆動される振動の範囲は、たとえば、毎分６，０００〜９，０００回の振動、毎分８，０００〜１０，０００回の振動、毎分１０，０００〜１２，０００回の振動、毎分１２，０００〜１５，０００回の振動、毎分１５，０００〜２５，０００回の振動を含む。文献報告から本発明に適した機械的に駆動される振動の範囲は、たとえば、１３３〜２５０Ｈｚ、２００Ｈｚ〜２８３Ｈｚ（毎分１２，０００〜１７，０００回振動）、および４〜２５０Ｈｚの範囲を含む。さらに、鋳造ホイール３０またはハウジング４４をたたくために周期的に駆動される簡易なハンマーまたはプランジャ装置によって、様々な機械的に駆動される振動を鋳造ホイール３０またはハウジング４４内に加えることができる。一般に、機械的振動は最大１０ｋＨｚまでの範囲であり得る。したがって、本発明で使用される機械的振動に適した範囲は、０〜１０ＫＨｚ、１０Ｈｚ〜４０００Ｈｚ、２０Ｈｚ〜２０００Ｈｚ、４０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ、１００Ｈｚ〜５００Ｈｚ、およびこれらの中間的なおよび組み合わせた範囲を含み、５６５〜５０００Ｈｚの好ましい範囲を含む。
【００６９】
超音波及び機械的に駆動される実施形態に関して上述したが、本発明は、これらの範囲の１つ又は他のものに限定されず、単一周波数及び複数の周波数源を含む４００ＫＨｚまでの広範囲の振動エネルギーに使用することができる。さらに、発生源（超音波と機械的に駆動される発生源、または異なる超音波源、または後述する異なる機械的に駆動される発生源または音響エネルギー源）の組み合わせを使用することができる。
【００７０】
図３に示すように、鋳造ミル２は、溶融金属が注がれる鋳造ホイール３０の閉じ込め構造３２（たとえばくぼみまたはチャネル）を有する鋳造ホイール３０と、溶融金属処理装置３４とを含む。バンド３６（たとえば、スチールバンド）は、溶融金属を閉じ込め構造３２（すなわち、チャネル）に閉じ込める。上記のように、ローラ３８は、溶融金属が１）鋳造ホイールのチャネル内で凝固し、２）溶融金属処理装置３４から離れて搬送されるとき、溶融金属処理装置３４が静止したままであることを可能にする。
【００７１】
冷却チャネル４６は、冷却媒体を通過させて輸送する。前述のように、空気ワイプ５２は、冷却チャネルから漏れるあらゆる水が溶融金属の鋳造源から離れる方向に向けられるように、（安全予防策として）空気を導く。前述のように、圧延装置（たとえば、ローラ３８）が、回転する鋳造ホイール３０に対して溶融金属処理装置３４を案内する。冷却媒体は、溶融金属および少なくとも１つの振動エネルギー源４０（図３に機械的バイブレータ４０として示されている）に冷却を提供する。
【００７２】
溶融金属が機械的バイブレータ４０の下の金属バンド３６の下を通過するため、金属が冷却凝固し始める際に、機械的駆動による振動エネルギーが溶融金属に供給される。一実施形態における機械的駆動による振動エネルギーは、複数の小さいシードの形成を可能にし、それにより、微細粒金属製品を生成する。
【００７３】
本発明の一実施形態では、少なくとも１つのバイブレータ４０が、冷却チャネル４６に結合されて配置されており、機械的バイブレータの場合、冷却媒体を通してならびにアセンブリ４２およびバンド３６を通して液体金属中に機械的駆動による振動エネルギーを供給する。本発明の一実施形態では、機械的バイブレータのヘッドが液体冷却媒体と導通するように冷却チャネル４６に挿入される。本発明の一実施形態では、液体冷却媒体と接触するように、複数の機械的バイブレータヘッドまたは機械的バイブレータヘッドのアレイを冷却チャネル４６に挿入することができる。本発明の一実施形態では、機械的バイブレータヘッドをアセンブリ４２の壁に取り付けることができる。
【００７４】
いかなる特定の理論にも拘束されるものではないが、鋳造ホイール３０のチャネルの底部での（たとえば、１０℃未満の）比較的少しの過冷却は、より純粋なアルミニウム（または他の金属または合金）の小さな核の層が形成される結果となる。機械的駆動による振動は、これらの核を生成し、これらは凝固中に核形成剤として使用され、均一な粒状構造をもたらす。したがって、本発明の一実施形態では、採用される冷却方法は、チャネルの底部での少しの過冷却が、処理される材料の小さな核の層をもたらすことを確実にする。チャネルの底部からの機械的駆動による振動は、これらの核を分散させ、及び／又は過冷却層に形成される樹枝状結晶を破壊する働きをし得る。これらの核および樹枝状結晶の断片を使用して、凝固中に金型内に等軸粒を形成し、均一な粒状構造を得る。
【００７５】
換言すれば、本発明の一実施形態では、液体金属中に伝達される機械的駆動による振動は、金属または金属合金中に核形成部位を作り、粒径を微細化する。上記のように、鋳造ホイール３０のチャネルは、銅、鉄及び鋼、ニオブ、ニオブ及びモリブデン、タンタル、タングステン及びレニウムのような高融点金属又は他の高温材料、及びこれらの材料の融点を上げることができるシリコン、酸素または窒素のような元素の１つ以上を含む合金とすることができる。
【００７６】
図３Ａは、少なくとも１つの超音波振動エネルギー源と少なくとも１つの機械的に駆動される振動エネルギー源（たとえば、機械的に駆動されるバイブレータ）の両方を利用する本発明の一実施形態による鋳造ホイールハイブリッド構成の概略図である。図３の要素と共通する要素は、上述と同様の機能を実行する同様の要素である。たとえば、図３Ａに示されている閉じ込め構造３２（たとえば、くぼみまたはチャネル）は、溶融金属が注がれる図示の鋳造ホイール内にある。
上記のように、バンド（図３Ａには図示せず）が溶融金属を閉じ込め構造３２に閉じ込める。
ここで、本発明のこの実施形態では、超音波振動エネルギー源と機械的に駆動される振動エネルギー源の両方が選択的に起動可能であり、別々に、または互いに連動して起動されて振動を提供することができ、振動が液体金属に伝達されると、金属または金属合金中に核形成部位を作り、粒径を微細化する。本発明の様々な実施形態では、超音波振動エネルギー源と機械的に駆動される振動エネルギー源との様々な組み合わせを配置して利用することができる。
本発明の態様
本発明の１つの態様では、（毎分８，０００〜１５，０００回の範囲の振動、または１０ＫＨｚまでの低周波機械駆動バイブレータからおよび／または５〜４００ＫＨｚの範囲の超音波周波数からの）振動エネルギーが、冷却中の溶融金属閉じ込めに適用できる。本発明の一態様では、振動エネルギーは、複数の異なる周波数で印加され得る。本発明の一態様では、振動エネルギーは、以下に列挙する金属および合金を含むがこれらに限定されない様々な金属合金に印加することができる。アルミニウム、銅、金、鉄、ニッケル、白金、銀、亜鉛、マグネシウム、チタン、ニオブ、タングステン、マンガン、鉄、及びこれらの合金とその組み合わせ；黄銅（銅／亜鉛）、青銅（銅／錫）、鋼（鉄／炭素）、クロム合金（クロム）、ステンレス鋼（鋼／クロム）、工具鋼（炭素／タングステン／マンガン、チタン（鉄／アルミニウム）を含む金属合金及び、１１００、１３５０、２０２４、２２２４、５０５２、５１５４、５３５６、５１８３、６１０１、６２０１、６０６１、６０５３、７０５０、７０７５、８ＸＸＸシリーズを含む標準グレードのアルミニウム合金；青銅（上述）、及び銅と亜鉛、錫、アルミニウム、シリコン、ニッケル、銀のと合金を含む銅合金；マグネシウムとアルミニウム、亜鉛、マンガン、シリコン、銅、ニッケル、ジルコニウム、ベリリウム、カルシウム、セリウム、ネオジム、ストロンチウム、錫、イットリウム、希土類との合金；鉄、及び鉄とクロム、炭素、シリコンクロム、ニッケル、カリウム、プルトニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、鉛、マグネシウム、錫、スカンジウムとの合金；および他の合金及びこれらの組み合わせ。
【００７７】
本発明の一態様では、（毎分８，０００〜１５，０００回の範囲の振動、または１０ＫＨｚまでの低周波機械駆動バイブレータからおよび／または５〜４００ＫＨｚの範囲の超音波周波数からの）振動エネルギーが、バンドと接触する液体媒体を介して溶融金属処理装置３４の下で凝固中の金属に結合される。本発明の一態様では、振動エネルギーは、５６５Ｈｚと５，０００Ｈｚの間で機械的に結合される。本発明の一態様では、振動エネルギーは最小で毎秒１回未満の振動まで最大で毎秒５６５回の振動までのより低い周波数で機械的に駆動される。本発明の一態様では、振動エネルギーは、５ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲の周波数で超音波駆動される。本発明の一態様では、振動エネルギーは、振動エネルギー源４０を含むハウジング４４を介して結合される。ハウジング４４は、チャネルの壁と接触しているか、または溶融金属と直接接触しているバンド３６またはローラ３８のような他の構造要素に接続する。本発明の一態様では、この機械的結合は、振動エネルギー源からの振動エネルギーを、金属が冷却する際に溶融金属に伝達する。
【００７８】
一態様では、冷却媒体は水などの液体媒体であってもよい。一態様では、冷却媒体は、圧縮空気または窒素などのガス状媒体であってもよい。一態様では、冷却媒体は相変化物質であってもよい。冷却媒体は、バンド３６に隣接する金属を（合金の液相線温度より５〜１０℃未満高く、または液相線温度よりもさらに低く）過冷却するに十分な速度で供給されることが好ましい。
【００７９】
本発明の１つの態様では、鋳造品内の等軸粒は、粒子の数を増加させて均一な不均一凝固を改善するために硼化チタンのような不純物粒子を金属または金属合金中に添加する必要なく得られる。核形成剤を使用する代わりに、本発明の一態様においては、振動エネルギーを用いて核形成部位を作ることができる。
【００８０】
動作中、合金の液相線温度よりも実質的に高い温度の溶融金属は、重力により鋳造ホイール３０のチャネルに流入し、溶融金属処理装置３４の下を通過し、そこで振動エネルギー（すなわち、超音波又は機械的駆動による振動）にさらされる。鋳造物のチャネルに流入する溶融金属の温度は、特に、合金選択の種類、流し込み速度、鋳造ホイールチャネルの大きさなどにより決まる。アルミニウム合金の場合、鋳造温度は、１２２０Ｆ〜１３５０Ｆ、好ましい範囲は、たとえば、１２２０〜１３００Ｆ、１２２０〜１２８０Ｆ、１２２０〜１２７０Ｆ、１２２０〜１３４０Ｆ、１２４０〜１３２０Ｆ、１２５０〜１３００Ｆ、１２６０〜１３１０Ｆ、１２７０〜１３２０Ｆ，１３２０〜１３３０Ｆであり、重複範囲および中間範囲および±１０度Ｆの変動も適切である。鋳造ホイール３０のチャネルは、チャネル内の溶融金属が確実に液相線温度以下（たとえば、合金の液相線温度より５〜１０℃未満高く、または液相線温度よりもさらに低く、注入温度は１０℃よりはるかに高くなり得るが）近くなるように冷却される。動作中、溶融金属の周囲の雰囲気は、たとえばＡｒ、Ｈｅ、または窒素などの不活性ガスで充填またはパージされる覆い（図示せず）によって制御することができる。鋳造ホイール３０上の溶融金属は、典型的には、溶融金属が液体から固体に変質する熱停止の状態にある。
【００８１】
液相線温度以下に近い過冷却の結果として、凝固速度は、固相−液相界面を通る平衡を可能にするのに十分遅くなく、ひいては鋳造バー全体にわたる組成の変化をもたらす。化学組成の不均一性は偏析をもたらす。さらに、偏析の量は、溶融金属中の種々の元素の拡散係数ならびに熱伝達率に直接関連する。別のタイプの偏析は、より低い融点を有する成分が最初に凍結する場所である。
【００８２】
本発明の超音波または機械的駆動による振動の実施形態では、振動エネルギーは、溶融金属が冷却する際に溶融金属を攪拌する。この実施形態では、振動エネルギーは、溶融金属を攪拌し、効果的に攪拌するエネルギーを付与される。本発明の一実施形態では、機械的駆動による振動エネルギーは、冷却するときに溶融金属を連続的に攪拌するのに役立つ。様々な鋳造合金プロセスにおいて、アルミニウム合金中に高濃度のケイ素を有することが望ましい。しかしながら、より高いシリコン濃度では、シリコン析出物が形成され得る。これらの析出物を溶融状態に「再混合」することにより、元素シリコンは少なくとも部分的に溶液に戻ることができる。あるいは、たとえ析出物が残っていても、混合によってシリコン析出物が偏析されることはなく、下流の金属ダイおよびローラにさらに磨耗を引き起こす。
【００８３】
様々な金属合金システムでは、合金の１つの成分（典型的にはより高い融点の成分）が実質的に純粋な形態で沈殿し、純粋な成分の粒子で合金を「汚染する」という同じ種類の影響が生じる。一般に、合金を鋳造する際には、偏析が起こり、溶質の濃度が鋳造全体にわたって一定ではない。これは、さまざまなプロセスによって引き起こされる可能性がある。樹枝状結晶間隔の大きさに相当する距離にわたって生じる微小偏析は、形成された第１の固体が最終平衡濃度よりも低い濃度であることの結果であると考えられ、過剰の溶質が液体に分配され、従って後に形成された固体はより高い濃度を有する。マクロ偏析は、鋳造物のサイズと同様の距離にわたって発生する。これは、鋳造物が凝固する際の収縮効果を含む多数の複雑なプロセスによって引き起こされる可能性があり、溶質としての液体の密度の変動は分割される。鋳造時の偏析を防止し、全体にわたって均一な特性を有する固体ビレットを得ることが望ましい。
【００８４】
したがって、本発明の振動エネルギーが有効ないくつかの合金には、上記合金が含まれる。
その他の構成
本発明は、上記のチャネル構造のみに振動エネルギーを使用することに限定されない。一般に、（１０ｋＨｚまでの範囲の低周波数の機械的に駆動されるバイブレータおよび／または５〜４００ｋＨｚの超音波周波数からの）振動エネルギーは、溶融金属が溶融状態から冷却し始めて、固体状態（すなわち熱的停止状態）になる鋳造プロセスのポイントで核形成を誘発することができる。見方を変えれば、本発明は、様々な実施形態において、冷却表面に隣接する溶融金属が合金の液相線温度に近いように、多種多様な供給源からの振動エネルギーを温度管理と組み合わせる。これらの実施形態では、チャネル内の、または鋳造ホイール３０のバンド３６に接する溶融金属の温度は、核形成および結晶成長（樹枝状結晶形成）を誘発するのに十分低く、振動エネルギーは核を生成し、および／または鋳造ホイール３０のチャネルの表面上に形成し得る樹枝状結晶を破壊する。
【００８５】
本発明の一実施形態では、鋳造プロセスに関連する有益な態様は、振動エネルギー源を付勢することなく、または連続的に付勢することなく行うことができる。本発明の一実施形態では、振動エネルギー源は、０〜１００％、１０〜５０％、５０〜９０％、４０〜６０％、４５〜５５％の範囲およびすべての中間の範囲にある百分率でデューティサイクルに関する自由度を有するプログラムされたオン／オフサイクル中に、振動エネルギー源への電力制御を介して励起されうる。
【００８６】
本発明の別の実施形態では、バンド３６が溶融金属と接触する前に、鋳造ホイール内の溶融アルミニウム鋳造物に振動エネルギー（超音波または機械駆動による）を直接注入する。振動エネルギーの直接的な印加は、溶融物に交互の圧力を生じさせる。振動エネルギーとしての超音波エネルギーを溶融金属に直接的印加することは、溶融した溶融物中にキャビテーションを引き起こすことができる。
【００８７】
いずれの特定の理論にも拘束されるものではないが、キャビテーションは、液体中に小さな不連続性または空洞を形成することからなり、それに成長、脈動および崩壊が続く。空洞は、希薄相における音響波によって生成された引っ張り応力の結果として現れる。キャビティが形成された後に引張応力（または負の圧力）が持続すると、キャビティは初期サイズの数倍に膨張する。超音波音場におけるキャビテーションの間に、超音波波長よりも短い距離で多くのキャビティが同時に現れる。この場合、キャビティ気泡は球形を保持する。キャビテーション気泡のその後の挙動は大きく変動する可能性がある：気泡の小さな部分が合体して大きな気泡を形成するが、圧縮段階の音響波によってほとんどすべてが崩壊する。圧縮中、これらのキャビティのいくつかは、圧縮応力のために崩壊することがある。したがって、これらのキャビテーションが崩壊すると、高い衝撃波が溶融物中に生じる。したがって、本発明の一実施形態では、振動エネルギー誘発衝撃波は、樹枝状結晶および他の成長核を破壊し、それによって新しい核を生成し、これは等軸粒組織をもたらす。さらに、本発明の別の実施形態では、連続超音波振動は、形成された核を効果的に均質化して、等軸構造をさらに助長することができる。本発明の別の実施形態では、不連続な超音波または機械的駆動による振動が、形成された核を効果的に均質化して、等軸構造をさらに助長することができる。
【００８８】
図４は、鋳造ホイール６０内の溶融金属鋳造物に直接挿入されたプローブ（図示せず）を有する振動プローブ装置６６を備えた、本発明の一実施形態による鋳造ホイール構成の概略図である。プローブは、超音波脱気のための当該技術分野で知られているものと同様の構造のものである。図４は、バンド６８を鋳造ホイール６０の縁に押し付けるローラ６２を示す。振動プローブ装置６６は、鋳造ホイール６０のチャネル（図示せず）内への溶融金属鋳造物に振動エネルギー（超音波または機械的駆動によるエネルギー）を直接的または間接的に結合する。鋳造ホイール６０が反時計回りに回転すると、溶融金属はローラ６２の下を通過し、オプションの溶融金属冷却装置６４と接触する。この装置６４は、図２および３のアセンブリ４２と同様であってよいが、バイブレータ４０はない。この装置６４は、図３の溶融金属処理装置３４と同様であってよいが、機械的バイブレータ４０はない。
【００８９】
この実施形態では、図４に示すように、鋳造ミルの溶融金属処理装置は、鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に、鋳造ホイールの溶融金属鋳造物に挿入されたプローブによって振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源（すなわち、振動プローブ装置６６）を利用する（鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物の中に直接挿入することが好ましいが必須ではない）。支持装置は、振動エネルギー源（振動プローブ装置６６）を定位置に保持する。
【００９０】
本発明の別の実施形態では、振動エネルギーは、音響発振器を使用して媒体としての空気または気体を介して冷却されている間に溶融金属に結合することができる。音響発振器（たとえば、オーディオ増幅器）を使用して、音響波を生成して溶融金属に伝達することができる。この実施形態では、上述した超音波または機械的に駆動されるバイブレータは、音響発振器と置き換えられるか、または補足される。本発明に適したオーディオ増幅器は、１〜２０，０００Ｈｚの音響振動を提供する。この範囲より高いまたは低い音響振動を使用することができる。たとえば、０．５〜２０Ｈｚ、１０〜５００Ｈｚ、２００〜２、０００Ｈｚ、１，０００〜５，０００Ｈｚ、２，０００〜１０，０００Ｈｚ、５，０００〜１４，０００Ｈｚ、及び１０，０００〜１６，０００Ｈｚ、１４，０００〜２０，０００Ｈｚ、及び１８，０００〜２５，０００Ｈｚの音響振動を用いることができる。電気音響トランスデューサを使用して、音響エネルギーを生成して伝達することができる。
【００９１】
本発明の一実施形態では、音響エネルギーは、ガス状媒体を介して直接溶融金属に結合され、音響エネルギーが溶融金属を振動させることができる。本発明の一実施形態では、音響エネルギーは、ガス状媒体を介して間接的に溶融金属に結合され、音響エネルギーがバンド３６または溶融金属を含む他の支持構造を振動させ、溶融金属を振動させることができる。
【００９２】
上記の連続ホイール型鋳造システムにおける本発明の振動エネルギー処理の使用に加えて、本発明は、固定金型および垂直鋳造ミルにおいても有用である。
【００９３】
固定ミルの場合、溶融金属は図５に示すような固定鋳造物６２に注ぎ込まれ、それ自体が溶融金属処理装置３４（概略的に示されている）を有する。このようにして、（１０ｋＨｚまでの低周波数の機械的に駆動されるバイブレータおよび／または５〜４００ｋＨｚの超音波周波数からの）振動エネルギーは、溶融金属が溶融状態から冷却し始めて、固体状態（すなわち熱的停止状態）になる固定鋳造物のポイントで核形成を誘発することができる。
【００９４】
図６Ａ〜図６Ｄは、垂直鋳造ミルの選択された構成要素を示す。これらの構成要素および垂直型鋳造ミルの他の態様のさらなる詳細は、米国特許第３，５２０，３５２号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に記載されている。図６Ａ〜図６Ｄに示すように、垂直鋳造ミルは、溶融金属鋳造キャビティ２１３を含み、これは図示の実施形態ではほぼ正方形であるが、円形、楕円形、多角形または任意の他の適切な形状であってもよく、垂直で相互に交差する第１の壁部２１５と、金型の上部に位置する第２のまたはコーナー壁部２１７とを含む。流体保持エンベロープ２１９は、鋳造キャビティの壁部２１５およびコーナー部材２１７を離間した関係で包囲する。エンベロープ２１９は、入口導管２２１を介して水などの冷却流体を受け取り、出口導管２２３を介して冷却流体を排出するようになっている。
【００９５】
第１の壁部２１５は、好ましくは銅のような高熱伝導材料で作られているが、第２のまたはコーナー壁部２１７は、たとえばセラミック材料のような、より熱伝導性の低い材料で構成されている。図６Ａ〜図６Ｄに示すように、コーナー壁部２１７は、略Ｌ字形または角断面を有し、各コーナーの垂直エッジは、下向きかつ互いに向かって収束するように傾斜している。従って、コーナー部材２１７は、横断面の間にある金型の排出端の上の金型内のある好都合なレベルで終了する。
【００９６】
動作中、溶融金属は、タンディッシュ２４５から垂直に往復する鋳型に流れ、金属の鋳造ストランドが鋳型から連続的に引き出される。溶融金属は、第１の冷却ゾーンとみなされ得るものでより低温の金型壁に接触すると、最初に金型内で冷却される。このゾーンで溶融金属から熱が急速に除去され、材料の膜が溶融金属の中央プールのまわりに完全に形成されると考えられる。
【００９７】
本発明の一実施形態では、振動エネルギー源（簡略化のために図６Ｄにのみ概略的に図示されたバイブレータ４０）は、流体保持エンベロープ２１９に対して配置され、好ましくは流体保持エンベロープ２１９内を循環する冷却媒体内に配置される。振動エネルギー（毎分８，０００〜１５，０００回の範囲の振動の低周波機械駆動バイブレータおよび／または５〜４００ｋＨｚの範囲の超音波周波数および／または上述の音響発振器からの）は、溶融金属が液体から固体に変質して金属の鋳造ストランドが連続的に金属鋳造キャビティ２１３から引き出される際に、溶融金属が溶融状態から冷却し始め固体状態（すなわち、熱停止状態）になる鋳造プロセスの点で核形成を誘発する。
【００９８】
本発明の一実施形態では、上述の超音波細粒化を上述の超音波脱気と組み合わせて、金属を鋳造する前に溶融槽から不純物を除去する。図９は、超音波脱気および超音波細粒化の両方を利用する本発明の実施形態を示す概略図である。そこに示されているように、炉は溶融金属源である。溶融金属は炉から樋で輸送される。本発明の一実施形態では、溶融金属が超音波細粒化装置（図示せず）を含む鋳造機（たとえば、鋳造ホイール）に供給される前に、超音波脱気装置が樋経路に配置される。一実施形態では、鋳造機における細粒化は超音波周波数で行われる必要はなく、むしろ他の箇所で論じられている他の機械的に駆動される周波数の１つ以上で行われてもよい。
【００９９】
以下の特定の超音波脱気装置に限定されるものではないが、’３３６特許には、本発明の異なる実施形態に適した脱気装置が記載されている。１つの適切な脱気装置は、超音波トランスデューサと；第１の端部および第２の端部を含み、前記第１の端部が前記超音波変換器に取り付けられ、前記第２の端部が先端を備える細長いプローブと；パージガス配送システムを有する超音波装置であり、パージガス配送システムは、パージガス入口とパージガス出口とを含むことができる。いくつかの実施形態では、パージガス出口は、細長いプローブの先端の約１０ｃｍ（または５ｃｍ、または１ｃｍ）内にあってもよく、他の実施形態では、パージガス出口は細長いプローブの先端にあってもよい。さらに、超音波装置は、超音波トランスデューサ毎に複数のプローブアセンブリおよび／または複数のプローブを備えることができる。
【０１００】
以下の特定の超音波脱気装置に限定されるものではないが、’３９７特許は、本発明の異なる実施形態にも適した脱気装置を記載している。１つの適切な脱気装置は、超音波トランスデューサと；前記超音波トランスデューサに取り付けられ、先端部を有するプローブと；ガス配送システムとを有する超音波装置であり、ガス配送システムは、ガス入口と、プローブを通るガス流路と、プローブの先端のガス出口とを備える。一実施形態では、プローブは、第１の端部および第２の端部を含む細長いプローブであってもよく、第１の端部は超音波トランスデューサに取り付けられ、第２の端部は先端部を備える。さらに、プローブは、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、セラミックなど、またはこれらの材料の任意の組み合わせを含むことができる。別の実施形態では、超音波プローブは、統合されたガス配送システムを含む単一のサイアロンプローブであってもよい。さらに別の実施形態では、超音波装置は、超音波トランスデューサ毎に複数のプローブアセンブリおよび／または複数のプローブを備えることができる。
【０１０１】
本発明の一実施形態では、たとえば上述の超音波プローブを用いた超音波脱気は、超音波細粒化を補完するものである。超音波脱気の様々な例において、パージガスが、たとえば、約１〜約５０Ｌ／分の範囲の速度で上述のプローブによって溶融金属に加えられる。流速が約１〜約５０Ｌ／分の範囲内であることの開示により、流速は毎分約１Ｌ、約２Ｌ、約３Ｌ、約４Ｌ、約５Ｌ、約６Ｌ、約７Ｌ、約８Ｌ、約９Ｌ、約１０Ｌ、約１１Ｌ、約１２Ｌ、約１３Ｌ、約１４Ｌ、約１５Ｌ、約１６Ｌ、約１７Ｌ、約１８Ｌ、約１９Ｌ、約２０Ｌ、約２１Ｌ、約２２Ｌ、約２３Ｌ、約２４Ｌ、約２５Ｌ、約２６Ｌ、約２７Ｌ、約２８Ｌ、約２９Ｌ、約３０Ｌ、約３１Ｌ、約３２Ｌ、約３３Ｌ、約３４Ｌ、約３５Ｌ、約３６Ｌ、約３７Ｌ、約３８Ｌ、約３９Ｌ、約４０Ｌ、約４１Ｌ、約４２Ｌ、約４３Ｌ、約４４Ｌ、約４５Ｌ、約４６Ｌ、約４７Ｌ、約４８Ｌ、約４９Ｌ、または約５０Ｌであってもよい。さらに、流速は、約１〜約５０Ｌ／分の任意の範囲内（たとえば、速度は約２〜約２０Ｌ／分の範囲内）であってもよく、これは約１〜約５０Ｌ／分の間のいかなる組み合わせをも含む。中間範囲も可能である。同様に、本明細書に開示される他のすべての範囲は、同様に解釈されるべきである。
【０１０２】
超音波脱気および超音波細粒化に関する本発明の実施形態は、アルミニウム、銅、鋼、亜鉛、マグネシウムなど、またはこれらと他の金属（たとえば、合金）との組み合わせを含むがこれらに限定されない溶融金属の超音波脱気のためのシステム、方法、および／または装置を提供することができる。溶融金属からの物品の処理または鋳造は、溶融金属を収容している槽を必要としてもよいし、溶融金属のこの槽は高温で維持されてもよい。たとえば、溶融銅は約１１００℃の温度に維持され、溶融アルミニウムは約７５０℃の温度に維持されてもよい。
【０１０３】
本明細書で使用される場合、用語「槽」、「溶融金属槽」などは、溶融金属を収容することができる容器、るつぼ、くぼみ、樋、炉、取鍋などを含む容器を包含することを意味する。槽および溶融金属槽の用語は、バッチ式、連続式、半連続式などの操作、およびたとえば溶融金属が一般的に静止している（たとえば、しばしばるつぼに関連する）場合、及び溶融金属が一般的に動いている（たとえば、しばしば樋に関連する）場合を包含して用いられる。
【０１０４】
槽中の溶融金属の状態を監視し、試験し、または改良するため、ならびに所望の金属物品の最終的な製造または鋳造のために、多くの器具または装置を使用することができる。
これらの器具または装置は、溶融金属槽で生じる高温に対してより良好に耐えることが要求され、長い寿命を有することが好都合であり、金属がアルミニウムまたはスチール、または亜鉛、またはマグネシウムなどであってもなくても（または金属がこれらを含んでも含まなくても）、溶融金属と反応しないものに限定される。
【０１０５】
さらに、溶融金属は、それらに溶解した１つ以上の気体を有することがあり、これらのガスは、所望の金属物品の最終的な製造および鋳造および／または結果としての金属物品自体の物理的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。たとえば、溶融金属中に溶解した気体は、水素、酸素、窒素、二酸化硫黄など、またはそれらの組み合わせを含むことがある。状況によっては、その気体を除去すること、または溶融金属中の気体の量を減少させることが有利であり得る。一例として、溶存水素は、アルミニウム（または銅、または他の金属または合金）の鋳造において有害であり得、したがって、アルミニウム（または銅または他の金属または合金）から製造される完成品の特性は、アルミニウム（または銅、または他の金属または合金）の溶融槽中の同伴水素の量を減少させることにより向上し得る。質量基準で０．２ｐｐｍを超える、０．３ｐｐｍを超える、または０．５ｐｐｍを超える溶存水素は、鋳造速度および得られるアルミニウム（または銅、または他の金属または合金）ロッドおよび他の物品の品質に悪影響を及ぼし得る。水素は、溶融アルミニウム（または銅、または他の金属または合金）を収容している槽の上の雰囲気中に存在することにより、溶融アルミニウム（または銅、または他の金属または合金）槽に入ることがあり、または溶融アルミニウム（または銅、または他の金属または合金）槽に使用するアルミニウム（または銅、または他の金属または合金）の出発原料中に存在することがある。
【０１０６】
溶融金属浴中の溶解した気体の量を減少させる試みは、完全には成功していない。しばしば、過去のこれらのプロセスには、追加の高価な機器及び有害な可能性のある材料が含まれていた。たとえば、溶融金属の溶解気体含有量を減少させるために金属鋳造産業で使用されるプロセスは、グラファイトのような材料で作られたロータからなることがあり、これらのロータは溶融金属槽内に配置されてもよい。塩素ガスは、溶融金属槽内のロータに隣接する位置で、溶融金属槽に追加的に添加されてもよい。塩素ガスの添加は、いくつかの状況で溶融金属槽中の溶存水素量を低減するのに成功し得るが、この従来の方法には、顕著な欠点があり、その中でもコスト、複雑さ、有害な可能性があり潜在的に環境に有害な塩素ガスの使用ということがある。
【０１０７】
さらに、溶融した金属は、それらに不純物が存在することがあり、これらの不純物は、所望の金属物品の最終的な製造および鋳造および／または結果としての金属物品自体の物理的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。たとえば、溶融金属中の不純物は、溶融金属中に存在することが要求されることも所望されることもないアルカリ金属または他の金属を含むことがある。ある金属はわずかな割合で様々な金属合金中に存在し、このような金属は不純物であるとは考えられない。非限定的な例として、不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、鉛など、またはそれらの組み合わせを含み得る。種々の不純物は、溶融金属槽中で使用される流入金属出発原料中に存在することによって、溶融金属槽（アルミニウム、銅、または他の金属または合金）に入ることがある。
【０１０８】
超音波脱気および超音波細粒化に関する本発明の実施形態は、溶融金属槽中の溶解気体の量を減少させる方法、または言い換えると、溶融金属を脱気する方法を提供することができる。そのような方法の１つは、溶融金属槽内で超音波装置を作動させ、超音波装置に近接した溶融金属槽にパージガスを導入することを含んでもよい。溶解気体は、酸素、水素、二酸化硫黄などでもよいし、またはこれらを含んでいてもよいし、またはそれらの組み合わせであってもよい。たとえば、溶解気体は、水素であってもよいし、水素を含んでいてもよい。溶融金属槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなど、またはこれらの混合物および／またはそれらの組み合わせ（たとえばアルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなどの様々な合金を含む）を含むことができる。超音波脱気および超音波細粒化に関連するいくつかの実施形態では、溶融金属槽はアルミニウムを収容することができ、他の実施形態では、溶融金属槽は銅を収容することができる。したがって、槽中の溶融金属はアルミニウムであってもよく、または溶融金属は銅であってもよい。
【０１０９】
さらに、本発明の実施形態は、溶融金属槽中に存在する不純物の量を減少させる方法、または言い換えると、不純物を除去する方法を提供することができる。超音波脱気および超音波細粒化に関するこのような方法の１つは、溶融金属槽内で超音波装置を作動させ、超音波装置に近接した溶融金属槽にパージガスを導入することを含んでもよい。不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、鉛など、またはこれらの組み合わせであってもよいし、またはそれを含んでいてもよい。たとえば、不純物はリチウム、またはナトリウムであってもよいし、それを含んでいてもよい。溶融金属槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなど、またはこれらの混合物および／またはそれらの組み合わせ（たとえばアルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなどの様々な合金を含む）を含むことができる。いくつかの実施形態では、溶融金属槽はアルミニウムを収容することができ、他の実施形態では、溶融金属槽は銅を収容することができる。したがって、槽中の溶融金属はアルミニウムであってもよく、または溶融金属は銅であってもよい。
【０１１０】
本明細書に開示された脱気方法および／または不純物除去方法に使用される超音波脱気および超音波細粒化に関連するパージガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよび／またはキセノンの１つ以上を含むことができるが、これに限定されない。気体が溶融金属槽中の特定の金属（単数または複数）と感知できるほどに反応しないかまたは溶解しなければ、任意の適切な気体をパージガスとして使用することができると考えられる。さらに、気体の混合物または組み合わせを採用してもよい。本明細書に開示されるいくつかの実施形態によれば、パージガスは不活性ガスであってもよいし、不活性ガスを含んでいてもよい。あるいは、パージガスは希ガスであってもよいし、希ガスを含んでいてもよい。あるいは、パージガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴンであってもよいし、それらを含んでいてもよいし、またはそれらの組み合わせであってもよい。あるいは、パージガスは、ヘリウムであってもよいし、ヘリウムを含んでいてもよい。あるいは、パージガスはネオンであってもよいし、ネオンを含んでいてもよい。あるいは、パージガスはアルゴンであってもよいし、アルゴンを含んでいてもよい。さらに、出願人は、いくつかの実施形態では、従来の脱気技術を、本明細書に開示された超音波脱気プロセスと併用できると考えている。したがって、パージガスは、いくつかの実施形態において塩素ガスをさらに含むことができ、たとえば、塩素ガスをパージガス単独として、または窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、および／またはキセノンの少なくとも１つと組み合わせてもよい。
【０１１１】
しかし、本発明の他の実施形態では、脱気のためのまたは溶融金属槽中の溶解気体の量を減少させるための超音波脱気および超音波細粒化に関する方法が、実質的に塩素ガスが存在しないか、または塩素ガスがない状態で行われてもよい。本明細書で使用されるように、実質的に存在しないとは、使用されるパージガスの量に基づいて、５重量％以下の塩素ガスを使用することができることを意味する。いくつかの実施形態では、本明細書に開示する方法は、パージガスを導入することを含むことができ、このパージガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンおよびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【０１１２】
溶融金属の槽中に導入されるパージガスの量は、多くの要因に応じて変化し得る。多くの場合、本発明の実施形態による溶融金属を脱気する方法（および／または溶融金属から不純物を除去する方法）に導入される超音波脱気および超音波細粒化に関連するパージガスの量は、約０．１〜約１５０標準リットル／分（Ｌ／分）である。いくつかの実施形態では、導入されるパージガスの量は、約０．５〜約１００Ｌ／分、約１〜約１００Ｌ／分、約１〜約５０Ｌ／分、約１〜約３５Ｌ／分、約１から約２５Ｌ／分、約１から約１０Ｌ／分、約１．５Ｌから約２０Ｌ／分、約２Ｌから約１５／分、または約２Ｌ／分〜約１０Ｌ／分である。これらの体積流量は、標準的なリットル／分、すなわち標準温度（２１．１℃）および圧力（１０１ｋＰａ）におけるものである。
【０１１３】
連続的または半連続的な溶融金属操作では、溶融金属の槽中に導入されるパージガスの量は、溶融金属の出力または生産速度に基づいて変化し得る。したがって、超音波脱気および超音波細粒化に関するこのような実施形態によれば、溶融金属を脱気する方法（および／または溶融金属から不純物を除去する方法）において導入されるパージガスの量は、溶融金属のｋｇ／時あたり約１０〜約５００ｍＬ／時の範囲である（パージガスｍＬ／溶融金属ｋｇ）。いくつかの実施形態では、パージガスの体積流量と溶融金属の出力レートとの比は、約１０〜約４００ｍＬ／ｋｇの範囲であってよく、あるいは、約１５〜約３００ｍＬ／ｋｇ；あるいは、約２０〜約２５０ｍＬ／ｋｇ；あるいは、約３０〜約２００ｍＬ／ｋｇ；あるいは、約４０〜約１５０ｍＬ／ｋｇ；あるいは、約５０〜約１２５ｍＬ／ｋｇであってもよい。上記のように、パージガスの体積流量は、標準温度（２１．１℃）および圧力（１０１ｋＰａ）におけるものである。
【０１１４】
本発明の実施形態に一致し、超音波脱気および超音波細粒化に関連する溶融金属を脱気する方法は、溶融金属槽中に存在する溶解気体の約１０重量パーセントより多くを除去するのに有効であり得る、すなわち、溶融金属槽中の溶解気体の量は、脱気プロセスが使用される前に存在していた溶解気体の量から約１０重量パーセントよりも多く減少させることができる。いくつかの実施形態では、存在する溶解気体の量は、脱気方法を用いる前に存在する溶解気体の量から約１５重量パーセントを超える、約２０重量パーセントを超える、約２５重量パーセントを超える、約３５重量パーセントを超える、約５０重量パーセントを超える、約７５重量パーセントを超える、または約８０重量パーセントを超えるだけの量を減少させることができる。たとえば、溶解気体が水素である場合、約０．３ｐｐｍまたは０．４ｐｐｍまたは０．５ｐｐｍ（質量基準）より多いアルミニウムまたは銅を含む溶融槽中の水素レベルは有害であり得る。多くの場合、溶融金属の水素含有量は、約０．４ｐｐｍ、約０．５ｐｐｍ、約０．６ｐｐｍ、約０．７ｐｐｍ、約０．８ｐｐｍ、約０．９ｐｐｍ、約１ｐｐｍ、約１．５ｐｐｍ、約２ｐｐｍまたは２ｐｐｍ超であり得る。本発明の実施形態に開示された方法を用いることにより、溶融金属槽中の溶解気体の量を約０．４ｐｐｍ未満に減少させることができると考えられる。あるいは、約０．３ｐｐｍ未満まで、あるいは、約０．２ｐｐｍ未満まで、あるいは、約０．１〜約０．４ｐｐｍの範囲内、あるいは、約０．１〜約０．３ｐｐｍの範囲内、あるいは、約０．２〜約０．３ｐｐｍの範囲内まで減少させることができると考えられる。これらの実施形態および他の実施形態では、溶解気体は水素であってもよいし、水素を含んでいてもよく、溶融金属槽はアルミニウムおよび／または銅であってもよくまたはそれを含んでいてもよい。
【０１１５】
超音波脱気および超音波細粒化に関連し、脱気方法（たとえば、溶融金属を含む槽中の溶解気体の量を減少させる方法）または不純物を除去する方法に向けられる実施形態は、超音波装置を溶融金属槽中で操作すること含んでもよい。超音波装置は、超音波トランスデューサ及び細長いプローブを備えてもよく、プローブは、第１の端部及び第２の端部を備えてもよい。第１の端部は超音波トランスデューサに取り付けられてもよく、第２の端部は先端部を含み、細長いプローブの先端部はニオブを含んでもよい。本明細書に開示されるプロセスおよび方法で使用され得る超音波装置の例示的および非限定的な例の詳細を以下に記載する。
【０１１６】
超音波脱気プロセスまたは不純物を除去するプロセスに関係するので、パージガスは、たとえば超音波装置に近い位置で溶融金属槽に導入されてもよい。一実施形態では、パージガスは、超音波装置の先端に近い位置で溶融金属槽に導入されてもよい。一実施形態では、パージガスは、超音波装置の先端の約１メートル以内、たとえば約１００ｃｍ以内、約５０ｃｍ以内、約４０ｃｍ以内、約３０ｃｍ以内、約２５ｃｍ以内、または約２０ｃｍ以内で、溶融金属槽に導入することができる。いくつかの実施形態では、パージガスは、超音波装置の先端の約１５ｃｍ以内で溶融金属槽に導入されてもよく、あるいは、約１０ｃｍ以内、あるいは、約８ｃｍ以内。あるいは、約５ｃｍ以内、あるいは、約３ｃｍ以内、あるいは、約２ｃｍ以内、あるいは、約１ｃｍ以内で溶融金属槽に導入されてもよい。特定の実施形態では、パージガスは、超音波装置の先端部に隣接するか、または先端部を通って溶融金属槽に導入されてもよい。
【０１１７】
この理論に拘束されるわけではないが、超音波装置を使用し、パージガスを近接して取り入れることにより、溶融金属を収容している槽中の溶解気体の量が劇的に減少する。超音波装置によって生成された超音波エネルギーは、溶解気体が拡散し得る溶融物中にキャビテーション気泡を生成することがある。しかしながら、パージガスが存在しない場合、キャビテーション気泡の多くは溶融金属の槽の表面に達する前に崩壊する可能性がある。パージガスは、表面に到達する前に崩壊するキャビテーション気泡の量を減少させることができ、および／または溶解気体を含む気泡のサイズを増加させることができ、および／または溶融金属槽中の気泡の数を増加させることができ、および／または溶融金属槽の表面への溶解気体を含む気泡の輸送速度を増加させることができる。超音波装置は、超音波装置の先端に近接してキャビテーション気泡を発生させることがある。たとえば、直径が約２〜５ｃｍの先端を有する超音波装置の場合、キャビテーション気泡は、崩壊する前に、超音波装置先端の約１５ｃｍ、約１０ｃｍ、約５ｃｍ、約２ｃｍ、または約１ｃｍ内にあってもよい。パージガスが超音波装置の先端から離れすぎた距離で加えられると、パージガスがキャビテーション気泡に拡散することができなくなる可能性がある。したがって、超音波脱気および超音波細粒化に関連する実施形態では、パージガスは、超音波装置の先端の約２５ｃｍまたは約２０ｃｍ以内で溶融金属槽に導入され、より有益には、約１５ｃｍ以内、約１０ｃｍ以内、約５ｃｍ以内、約２ｃｍ以内、または約１ｃｍ以内で、溶融金属槽に導入することができる。
【０１１８】
本発明の実施形態による超音波装置は、たとえば、米国特許公開第２００９／０２２４４４３号（その全内容が参照により本明細書に組み込まれる）に開示されているように、アルミニウムまたは銅のような溶融金属と接触していてもよい。溶融金属中の溶解気体含有量（たとえば水素）を低減するための超音波装置において、ニオブまたはその合金は、溶融金属に曝されたとき装置の保護バリアとして、または溶融金属に直接曝される装置の構成要素として使用されてもよい。
【０１１９】
超音波脱気および超音波細粒化に関する本発明の実施形態は、溶融金属と直接接触する構成要素の寿命を延ばすためのシステムおよび方法を提供することができる。たとえば、本発明の実施形態は、溶融金属との接触における材料の劣化を低減するためにニオブを使用して、最終製品に著しい品質改善をもたらすことができる。言い換えれば、本発明の実施形態は、保護バリアとしてニオブを使用することによって、溶融金属と接触する材料または構成要素の寿命を延ばし、または保全することができる。ニオブは、本発明の前述の実施形態を提供するのに役立つ特性、たとえばその高い融点を有することができる。さらに、ニオブはまた、約２００℃以上の温度に曝されると、保護酸化物バリアを形成し得る。
【０１２０】
さらに、超音波脱気および超音波細粒化に関する本発明の実施形態は、溶融金属と直接接触または界面を有する構成要素の寿命を延ばすためのシステムおよび方法を提供することができる。
ニオブは特定の溶融金属との反応性が低いので、ニオブを使用すると、基板材料が劣化するのを防ぐことができる。結果として、超音波脱気および超音波細粒化に関連する本発明の実施形態は、基板材料の劣化を低減するためにニオブを使用して、最終製品に著しい品質改善をもたらすことができる。したがって、ニオブは、溶融金属に関連して、アルミニウムおよび／または銅などの溶融金属との反応性が低いこととニオブの高融点とを組み合わせることができる。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、ニオブまたはその合金は、超音波トランスデューサおよび細長いプローブを含む超音波装置に使用され得る。細長いプローブは、第１の端部および第２の端部を備えてもよく、第１の端部は超音波トランスデューサに取り付けられ、第２の端部は先端部を備えてもよい。この実施形態によれば、細長いプローブの先端は、ニオブ（たとえば、ニオブまたはその合金）を含むことができる。超音波装置は、上述したように超音波脱気プロセスで使用することができる。超音波トランスデューサは超音波を発生してもよく、トランスデューサに取り付けられたプローブは、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなどの溶融金属、またはこれらの混合物および／または組み合わせ（たとえば、アルミニウム、銅、亜鉛、鋼、マグネシウムなどの様々な合金を含む）を有する槽に超音波を伝達し得る。
【０１２２】
本発明の様々な実施形態では、超音波脱気および超音波細粒化の組み合わせが使用される。
超音波脱気および超音波細粒化の組み合わせの使用は、以下に記載するように、別々でも組み合わせても利点がある。以下の議論に限定されるものではないが、以下の議論は、超音波脱気および超音波細粒化の組み合わせに伴う特有の効果の理解をもたらし、鋳造製品の全体的な品質の改善につながり、これらはいずれかを単独で使用した場合には予期できないものである。これらの効果は、この組み合わせた超音波処理の開発において、本発明者らにより実現されている。
【０１２３】
超音波脱気では、塩素化学薬品（超音波脱気が使用されないときに利用される）が金属鋳造プロセスから除去される。化学薬品としての塩素が溶融金属槽中に存在する場合、それは反応して、存在し得るアルカリのような槽中の他の異元素と強力な化学結合を形成することができる。アルカリが存在すると、溶融金属槽中に安定な塩が形成され、鋳造金属製品中に含有物をもたらし、その導電率および機械的性質を低下させる可能性がある。超音波細粒化を用いない場合、ホウ化チタンのような化学細粒化剤が使用されるが、これらの材料は典型的にはアルカリを含む。
【０１２４】
従って、プロセス要素として塩素を除外する超音波脱気および、細粒化剤（アルカリ源）を除外する超音波細粒化によって、鋳造金属製品中での安定した塩生成およびその結果の含有物形成の可能性が実質的に低減される。さらに、不純物としてのこれらの異元素を除外することにより、鋳造金属製品の導電率が向上する。したがって、本発明の一実施形態では、超音波脱気と超音波細粒化との組み合わせは、主要な不純物源のうちの２つが異質の不純物の１つを他の物と代替することなく除外されるので、得られる鋳造製品が優れた機械的および電気的伝導特性を有することを意味する。
【０１２５】
超音波脱気と超音波細粒化との組み合わせによってもたらされる別の利点は、超音波脱気と超音波細粒化の両方が溶融槽を効果的に「撹拌」し、溶融材料を均質化するという事実に関する。金属の合金が溶融され、次いで凝固するまで冷却されると、異なる合金比率の融点の相違のために、合金の中間相が存在する可能性がある。本発明の一実施形態では、超音波脱気および超音波細粒化の両方が、中間相を攪拌混合して溶融相に戻す。
【０１２６】
これらの利点の全ては、超音波脱気または超音波細粒化のいずれか一方が使用される場合、または何れか一方または両方を従来の塩素処理に置き換えるかまたは化学細粒化剤を使用した場合に予想されるよりも小さい粒度、より少ない不純物、より良好な導電率、より良好な延性およびより高い引張強度を有する製品を得ることを可能にする。
実証超音波細粒化
図２および図３および図３Ａに示された閉じ込め構造は、鋳造ホイール３０内に長方形のくぼみまたはチャネルを形成する１０ｃｍの深さおよび８ｃｍの幅を有している。可撓性金属バンドの厚さは６．３５ｍｍであった。可撓性金属バンドの幅は８ｃｍであった。バンドに使用される鋼合金は１０１０鋼であった。冷却媒体中の水と接触する振動プローブを有する１つまたは２つのトランスデューサに１２０Ｗの出力（プローブ当たり）で２０ＫＨｚの超音波周波数を使用した。金型として銅合金鋳造ホイールの一部を使用した。冷却媒体として、水はほぼ室温で供給され、チャネル４６を通って約１５リットル／分で流れた。
【０１２７】
溶融アルミニウムを４０ｋｇ／分の速度で注入して、等軸粒組織と一致する特性を示す連続鋳造物を生成したが、細粒化剤は添加しなかった。実際、この技術を使用して、約９百万ポンドのアルミニウムロッドが鋳造され、ワイヤおよびケーブル用途のための最終寸法になるよう引き延ばされている。
金属製品
本発明の１つの態様では、鋳造金属組成物を含む製品は、鋳造ホイールのチャネル内に、または上述した鋳造構造内に、細粒化剤を必要とせずに、それでもサブミリメートルの粒径を有するように形成することができる。したがって、鋳造金属組成物は、細粒化剤を含む組成物の５％未満で作製することができ、それでもサブミリメートルの粒径を得ることができる。鋳造金属組成物は、細粒化剤を含む組成物の２％未満で作製することができ、それでもサブミリメートルの粒径を得ることができる。鋳造金属組成物は、細粒化剤を含む組成物の１％未満で作製することができ、それでもサブミリメートルの粒径を得ることができる。好ましい組成物において、細粒化剤は、０．５％未満または０．２％未満または０．１％未満である。鋳造金属組成物は、細粒化剤を含まない組成物を用いて作製することができ、それでもサブミリメートルの粒径を得ることができる。
【０１２８】
鋳造金属組成物は、「純粋な」または合金化された金属の成分、注入速度、注入温度、冷却速度を含む多くの要因に依存して、様々なサブミリメートルの粒径を有することができる。本発明に利用可能な粒径のリストは以下のものを含む。アルミニウムおよびアルミニウム合金の場合、粒径は２００〜９００ミクロン、または３００〜８００ミクロン、または４００〜７００ミクロン、または５００〜６００ミクロンの範囲である。銅および銅合金の場合、粒径は２００〜９００ミクロン、または３００〜８００ミクロン、または４００〜７００ミクロン、または５００〜６００ミクロンの範囲である。金、銀または錫またはそれらの合金の場合、粒径は２００〜９００ミクロン、または３００〜８００ミクロン、または４００〜７００ミクロン、または５００〜６００ミクロンの範囲である。マグネシウムまたはマグネシウム合金の場合、粒度は２００〜９００ミクロン、または３００〜８００ミクロン、または４００〜７００ミクロン、または５００〜６００ミクロンの範囲である。範囲として示されているが、本発明は中間値も可能である。本発明の１つの態様では、結晶粒径を１００〜５００ミクロンの間の値にさらに減少させるために、少濃度（５％未満）の細粒化剤を添加することができる。鋳造金属組成物は、アルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛、鉛、金、銀、錫、青銅、黄銅、及びそれらの合金を含むことができる。
【０１２９】
鋳造金属組成物は、棒材、ロッド、ストック、シート材、ワイヤ、ビレット、およびペレットに延伸または他の方法で成形することができる。
コンピュータ制御
図１、図２、図３および図４のコントローラ５００は、図７に示すコンピュータシステム１２０によって実現することができる。コンピュータシステム１２０１は、上述した鋳造システムまたは本発明の超音波処理を採用する他の鋳造システムまたは装置を制御するためにコントローラ５００として使用することができる。コントローラ５００は、１つのコントローラとして図１、図２、図３および図４に単独のコントローラとして描かれているが、互いに通信し、および／または特定の制御機能に専用の、離散した別体の複数のプロセッサを含むことができる。
【０１３０】
特に、コントローラ５００は、図８のフローチャートによって示される機能を実行する制御アルゴリズムを用いて具体的にプログラムすることができる。
【０１３１】
図８は、その要素が、以下に説明するコンピュータ可読媒体またはデータ記憶装置の１つにプログラムされまたは格納されることができるフローチャートを示す。図８のフローチャートは、金属製品に核形成部位を誘導するための本発明の方法を示す。ステップ要素１８０２において、プログラムされた要素は、溶融金属を注ぐ動作を溶融金属閉じ込め構造に指示する。ステップ要素１８０４において、プログラムされた要素は、たとえば溶融金属閉じ込め構造に近接した冷却チャネルを通る液体媒体の通過によって、溶融金属閉じ込め構造を冷却する動作を指示する。ステップ要素１８０６において、プログラムされた要素は、振動エネルギーを溶融金属に結合させる動作を指示する。この要素では、振動エネルギーは、上述したように、溶融金属中に核形成部位を誘導する周波数およびパワーを有する。
【０１３２】
溶融金属温度、注入速度、冷却チャネル通路を通る冷却流、および金型冷却等の要素、およびミルを通した鋳造製品の制御および引き出しに関連する要素などは、振動エネルギー源のパワーおよび周波数の制御を含めて、金属製品中に核形成部位を誘導するための本発明の方法を適用するための命令を含む専用プロセッサを製造するための標準的なソフトウェア言語（以下に説明する）でプログラムされる。
【０１３３】
より具体的には、図７に示すコンピュータシステム１２０１は、情報を通信するためのバス１２０２または他の通信機構、および情報を処理するためにバス１２０２に結合されたプロセッサ１２０３を含む。コンピュータシステム１２０１はまた、プロセッサ１２０３によって実行される情報および命令を記憶するためのバス１２０２に結合されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他のダイナミック記憶装置（たとえば、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）、およびシンクロナスＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ））などのメインメモリ１２０４を含む。
さらに、メインメモリ１２０４は、プロセッサ１２０３による命令の実行中に一時的な変数または他の中間情報を記憶するために使用されてもよい。コンピュータシステム１２０１は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）１２０５または他の静的記憶装置（たとえば、プログラム可能読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、およびバス１２０２に結合され、プロセッサ１２０３に対する静的情報および命令を格納する電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ（登録商標））を含む。
【０１３４】
コンピュータシステム１２０１はまた、バス１２０２に結合されたディスクコントローラ１２０６を含み、磁気ハードディスク１２０７やリムーバブルメディアドライブ１２０８（たとえば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、読み出し専用コンパクトディスクドライブ、読み出し／書き込みディスクドライブ、コンパクトディスクジュークボックス、テープドライブ、およびリムーバブル光磁気ドライブ）を含むが、これらに限定されない、情報及び命令を格納するための１つ以上の記憶装置を制御する。記憶装置は、適切なデバイスインターフェース（たとえば、小型コンピュータシステムインターフェース（ＳＣＳＩ）、統合デバイスエレクトロニクス（ＩＤＥ）、拡張ＩＤＥ（Ｅ−ＩＤＥ）、ダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）、または超ＤＭＡ）などを使用してコンピュータシステム１２０１に追加することができる。
【０１３５】
コンピュータシステム１２０１はまた、専用論理デバイス（たとえば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））または構成可能な論理デバイス（たとえば、単純プログラマブル論理デバイス（ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ）、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））を含んでもよい。
【０１３６】
コンピュータシステム１２０１はまた、コンピュータユーザに情報を表示するために、陰極線管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のようなディスプレイを制御するためにバス１２０２に結合されたディスプレイコントローラ１２０９を含むことができる。コンピュータシステムは、コンピュータユーザ（たとえば、コントローラ５００とインターフェースするユーザ）と対話するためおよびプロセッサ１２０３に情報を提供するためのキーボードおよびポインティングデバイスなどの入力デバイスを含む。
【０１３７】
コンピュータシステム１２０１は、メインメモリ１２０４などのメモリに含まれる１つまたは複数の命令の１つ以上のシーケンスを行うプロセッサ１２０３に応答して、本発明の処理ステップの一部または全部（たとえば、熱停止の状態で液体金属に振動エネルギーを提供することに関連して説明したものなど）を行う。そのような命令は、ハードディスク１２０７またはリムーバブルメディアドライブ１２０８のような別のコンピュータ可読媒体からメインメモリ１２０４に読み込まれてもよい。メインメモリ１２０４に含まれる命令のシーケンスを実行するために、マルチプロセッシング構成の１つまたは複数のプロセッサを採用してもよい。別の実施形態では、ハードウェア回路をソフトウェア命令の代わりに、またはソフトウェア命令と組み合わせて使用することができる。したがって、実施形態は、ハードウェア回路およびソフトウェアの特定の組み合わせに限定されない。
【０１３８】
コンピュータシステム１２０１は、本発明の教示に従ってプログラムされた命令を保持するため、および本明細書に記載されたデータ構造、テーブル、記録、または他のデータを格納するための少なくとも１つのコンピュータ可読媒体またはメモリを含む。コンピュータ読み取り可能媒体の例は、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピーディスク、テープ、光磁気ディスク、ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、または任意の他の磁気媒体、コンパクトディスク（たとえば、ＣＤ−ＲＯＭ）、または他の任意の光学媒体、または他の物理媒体、搬送波（以下に説明する）、またはコンピュータが読み取ることができる任意の他の媒体を含む。
【０１３９】
本発明は、コンピュータ可読媒体のいずれか１つまたは組み合わせに格納されて、コンピュータシステム１２０１を制御し、本発明を実施するための１つまたは複数のデバイスを駆動し、コンピュータシステム１２０１が人間のユーザと対話することを可能にするソフトウェアを含む。そのようなソフトウェアには、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、開発ツール、およびアプリケーションソフトウェアが含まれるが、これらに限定されない。そのようなコンピュータ可読媒体は、本発明の実施において実行される処理の全部または一部（処理が分散されている場合）を実行するための本発明のコンピュータプログラム製品をさらに含む。
【０１４０】
本発明のコンピュータコードデバイスは、スクリプト、解釈可能プログラム、ダイナミックリンクライブラリ（ＤＬＬ）、Ｊａｖａ（登録商標）クラス、および完全な実行可能プログラムを含むが、これらに限定されない任意の解釈可能または実行可能コード機構であってもよい。さらに、本発明の処理の一部は、より高度な性能、信頼性、および／またはコストのために分散されてもよい。
【０１４１】
本明細書で使用する「コンピュータ可読媒体」という用語は、実行のためにプロセッサ１２０３に命令を提供することに関与する任意の媒体を指す。コンピュータ可読媒体は、多くの形態をとることができ、非揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含むがこれに限定されない。不揮発性媒体は、たとえば、光学ディスク、磁気ディスク、およびハードディスク１２０７またはリムーバブルメディアドライブ１２０８などの光磁気ディスクを含む。揮発性媒体は、メインメモリ１２０４などのダイナミックメモリを含む。伝送媒体は、バス１２０２を構成するワイヤを含む同軸ケーブル、銅線及び光ファイバを含む。伝送媒体は、電波および赤外線データ通信中に生成されるような音響波または光波の形態を取ることもできる。
【０１４２】
コンピュータシステム１２０１はまた、バス１２０２に結合された通信インタフェース１２１３を含むことができる。通信インタフェース１２１３は、たとえばローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）１２１５またはインターネットなどの別の通信ネットワーク１２１６に接続されたネットワークリンク１２１４に結合する双方向データ通信を提供する。たとえば、通信インターフェース１２１３は、任意のパケット交換ＬＡＮに取り付けるためのネットワークインターフェースカードであってもよい。別の例として、通信インターフェース１２１３は、非対称デジタル加入者回線（ＡＤＳＬ）カード、統合サービスデジタルネットワーク（ＩＳＤＮ）カード、または対応するタイプの通信回線にデータ通信接続を提供するモデムであってもよい。無線リンクを構築することもできる。このような構築では、通信インタフェース１２１３は、様々なタイプの情報を表すデジタルデータストリームを搬送する電気信号、電磁信号、または光信号を送受信する。
【０１４３】
ネットワークリンク１２１４は、通常、１つまたは複数のネットワークを介して他のデータデバイスにデータ通信を提供する。たとえば、ネットワークリンク１２１４は、ローカルネットワーク１２１５（たとえば、ＬＡＮ）を介して、または通信ネットワーク１２１６を介して通信サービスを提供するサービスプロバイダによって操作される機器を通じて、別のコンピュータへの接続を提供することができる。一実施形態では、この機能により、本発明は、工場全体の自動化または品質管理などの目的で、上述した複数のコントローラ５００をネットワーク接続することを可能にする。ローカルネットワーク１２１５および通信ネットワーク１２１６は、たとえば、デジタルデータストリームを搬送する電気信号、電磁信号または光信号、および関連する物理層（たとえば、ＣＡＴ５ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバなど）を使用する。様々なネットワークを通る信号、およびネットワークリンク１２１４上でコンピュータシステム１２０１との間でデジタルデータを搬送し通信インターフェース１２１３を通る信号は、ベースバンド信号または搬送波ベースの信号で実現されてもよい。ベースバンド信号は、デジタルデータビットのストリームを記述する変調されていない電気パルスとしてデジタルデータを搬送する。用語「ビット」はシンボルを意味するように広義に解釈され、各シンボルは少なくとも１つ以上の情報ビットを搬送する。デジタルデータはまた、導電性媒体上を伝搬する振幅、位相および／または周波数シフトキー信号などの搬送波を変調するために使用されてもよいし、または伝搬媒体を介して電磁波として送信されてもよい。したがって、デジタルデータは、「有線」通信チャネルを介して変調されていないベースバンドデータとして送信されてもよいし、および／または搬送波を変調することによって、ベースバンドとは異なる所定の周波数帯域内で送信されてもよい。コンピュータシステム１２０１は、ネットワーク１２１５および１２１６、ネットワークリンク１２１４、および通信インターフェース１２１３を介して、プログラムコードを含むデータを送信および受信することができる。また、ネットワークリンク１２１４は、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ラップトップコンピュータ、または携帯電話などのモバイルデバイス１２１７にＬＡＮ１２１５を介した接続を提供してもよい。
【０１４４】
より具体的には、本発明の一実施形態では、純粋な電気導体級アルミニウムロッドおよび合金導体級アルミニウムロッドコイルを溶融金属から直接連続的に製造することができる連続鋳造および圧延システム（ＣＣＲＳ）が提供される。ＣＣＲＳは、１つまたは複数のコンピュータシステム１２０１（上述）を使用して、制御、監視、およびデータ記憶を実現することができる。
【０１４５】
本発明の一実施形態では、高品質アルミニウムロッドの歩留まりを向上させるために、高度なコンピュータ監視およびデータ収集（ＳＣＡＤＡ）システムが、圧延ミル（すなわち、ＣＣＲＳ）を監視および／または制御する。このシステムの追加の変数とパラメータは、品質管理のために表示、チャート化、保存、および分析することができる。
【０１４６】
本発明の一実施形態では、以下の製造後テストプロセスの１つ以上がデータ取得システムに取り込まれる。
【０１４７】
アルミニウムロッドの表面品質を連続的に監視するために、渦流欠陥検出器を並べて使用することができる。含有物がロッドの表面近くに含まれている場合、マトリックス含有物が不連続な欠陥として作用するため、含有物を検出することができる。アルミニウムロッドの鋳造および圧延の間、最終製品の欠陥はプロセスのどこからでも生じる可能性がある。不適切な溶融化学および／または金属中の過剰な水素は、圧延プロセス中に欠陥を生じさせる可能性がある。渦電流システムは非破壊試験であり、ＣＣＲＳの制御システムは、上記の欠陥のいずれか１つでもオペレータに警告することができる。渦電流システムは表面の欠陥を検出し、欠陥を小、中、または大に分類することができる。渦電流の結果は、ＳＣＡＤＡシステムに記録することができ、アルミニウム（または処理されている他の金属）のロットおよびいつ製造されたかを追跡することができる。
【０１４８】
プロセスの終わりにロッドを巻くと、鋳造アルミニウムのバルクの機械的および電気的特性を測定し、ＳＣＡＤＡシステムに記録することができる。製品品質試験には、引張り、伸び、および導電率が含まれる。引張強度は、材料の強度の尺度であり、破断する前に材料が引張り状態で耐えることができる最大の力である。伸び値は、材料の延性の尺度である。導電率の測定値は、一般に「国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）」のパーセンテージとして報告される。これらの製品品質測定基準は、ＳＣＡＤＡシステムに記録され、アルミニウムのロットおよびいつ製造されたかを追跡することができる。
【０１４９】
渦電流データに加えて、ねじり試験を使用して表面解析を行うことができる。鋳造されたアルミニウムロッドは制御されたねじり試験を受ける。不適切な凝固、含有物、および圧延プロセス中に生じた長手方向の欠陥に関連する欠陥は、ねじれたロッド上で拡大され、明らかにされる。一般に、これらの欠陥は、圧延方向に平行なすじ傷の形で現れる。ロッドが時計回りおよび反時計回りにねじられた後の一連の平行な線は、サンプルが均質であることを示し、一方、鋳造プロセスにおける非均質性は、線の揺らぎをもたらす。ねじり試験の結果は、ＳＣＡＤＡシステムに記録され、アルミニウムのロットおよびいつ製造されたかを追跡することができる。
サンプル分析
下記のサンプルは、上記のＣＣＲシステムで作成したものである。サンプルを製造した鋳造および圧延プロセスは、溶融および均熱炉のシステムからの溶融アルミニウムの連続流として開始し、耐火性の裏打ちを施した樋を介して、インライン化学細粒化システムまたは上記の超音波細粒化システムのいずれかに供給される。さらに、ＣＣＲシステムは、溶融アルミニウムから溶存水素または他の気体を除去するために超音波音響波およびパージガスを使用する上述の超音波脱気システムを含んでいた。脱気装置から、金属は多孔質セラミック要素を有する溶融金属フィルタに流れ、これにより溶融金属中の含有物がさらに減少する。その後、樋システムは溶融アルミニウムをタンディッシュに輸送する。タンディッシュから、上述したように、溶融アルミニウムは、銅鋳造リングおよびスチールバンドの外周溝によって形成された金型に注入された。溶融アルミニウムは、臨界域用の磁気流量計を備えたマルチゾーン水マニホールドからスプレーノズルを通って分配された水によって冷却されて固体鋳造バーになった。連続的なアルミニウム鋳造バーは鋳造リングを抜けて、圧延ミルへ向かうバー抽出コンベア上に出た。
【０１５０】
圧延ミルは、バーの直径を減少させる、個々に駆動される圧延スタンドを含んだ。
次いで、ロッドが絞りミルに送られ、ロッドが所定の直径に延ばされ、次いで巻かれた。プロセスの終わりにロッドが巻かれると、鋳造アルミニウムのバルクの機械的および電気的特性が測定された。品質試験には、引張り、伸び、および導電率が含まれる。引張強度は、材料の強度の尺度であり、破断する前に材料が引張り状態で耐えることができる最大の力である。伸び値は、材料の延性の尺度である。導電率の測定値は、一般に「国際軟銅規格」（ＩＡＣＳ）のパーセンテージとして報告される。
【０１５１】
１）引張強度は、材料の強度の尺度であり、破断する前に材料が引張り状態で耐えることができる最大の力である。引張りおよび伸びの測定は、同じサンプルに対して行った。引張りおよび伸びの測定のために、１０インチゲージの長さのサンプルを選択した。ロッドサンプルを引張試験機に挿入した。グリップを１０インチのゲージマークの上に置いた。引張強度＝破断荷重（ポンド）／断面積（πｒ２）ここで、ｒ（インチ）はロッドの半径である。
【０１５２】
２）伸び率＝（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１×１００。Ｌ１は材料の初期ゲージ長さであり、Ｌ２は、張力試験からの２つの破損したサンプルを一緒に配置し、発生した不具合を測定することによって得られる最終的な長さである。一般に、材料の延性が高いほど、引張状態のサンプルではより多くのネックダウンが観察される。
【０１５３】
３）導電率：導電率の測定値は、一般に「国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）」のパーセンテージとして報告される。導電率測定はケルビンブリッジを使用して実行され、詳細はＡＳＴＭＢ１９３−０２に記載されている。ＩＡＣＳは、標準的ななまし銅導体に対する金属および合金の導電率の単位である。１００％のＩＡＣＳ値は、２０℃でメートル当たり５．８０×１０７ジーメンス（５８．０ＭＳ／ｍ）の導電率を指す。
【０１５４】
上記のような連続ロッドプロセスを用いて、電気グレードのアルミニウム導体を製造するために使用されただけでなく、超音波細粒化および超音波脱気を利用する機械的アルミニウム合金にも使用することができる。超音波細粒化プロセスを試験するために、鋳造バーサンプルを収集し、エッチングした。
【０１５５】
比較分析は、超音波細粒化プロセスを用いて鋳造されたロッドと、従来のＴＩＢＯＲ細粒化剤を用いて鋳造されたロッドとの間のロッド特性について行われた。表１は、超音波細粒化を用いて処理されたロッドの結果と、ＴＩＢＯＲ細粒化剤を用いて処理されたロッドの結果とを示す。
表１：品質試験：超音波細粒化対化学的細粒化
【０１５６】
【表１】
2018526229.tif 000004
【０１５７】
不適切な凝固、含有物、および圧延プロセス中に生じた長手方向の欠陥に関連する欠陥は、ねじれたロッド上で拡大され、明らかにされた。一般に、これらの欠陥は、圧延方向に平行なすじ傷の形で現れる。ロッドが時計回りおよび反時計回りにねじられた後の一連の平行な線は、試料が均質であることを示し、一方、鋳造プロセスにおける非均質性は変動する線を生じることを示す。
【０１５８】
以下の表２のデータは、超音波を用いると欠陥がほとんど生成されなかったことを示す。少なくともこの一連のデータ点から、決定的な結論は得られていないが、渦電流テスターによって観察される表面欠陥の数は超音波を用いて処理された材料の方がより少なかったようである。
表２：欠陥解析：超音波細粒化対化学的細粒化
【０１５９】
【表２】
2018526229.tif 000005
【０１６０】
ねじれ試験の結果は、超音波細粒化したロッドの表面品質が、化学的細粒化剤を使用して製造されたロッドの表面品質と同程度に良好であったことを示す。超音波細粒化装置を連続ロッド（ＣＲ）プロセスに設置した後、化学的細粒化剤をゼロに減少させて、高品質の鋳造バーを製造した。次いで、熱間圧延されたロッドを引き出し、０．１０５２インチから０．１８７８インチの範囲の様々なワイヤサイズにした。その後、ワイヤをオーバーヘッド伝送ケーブルに加工した。
【０１６１】
アルミニウム導体スチールサポート（ＡＣＳＳ）またはアルミニウム導体スチール強化（ＡＣＳＲ）の２種類の異なる導体がある。導体を製造する２つのプロセスの１つの違いは、ＡＣＳＳアルミニウムワイヤが撚り合わせ後にアニールされることである。
【０１６２】
図１０は、ＡＣＳＲワイヤプロセスの流れ図である。これは、純粋な溶融アルミニウムをＡＣＳＲワイヤに使用されるアルミニウムワイヤに変換することを示している。変換プロセスの第１ステップは、溶融アルミニウムをアルミニウムロッドに変換することである。次のステップでは、ロッドはいくつかの型を通って引き出され、端部の直径に応じて、これは１回または複数回の引き出しによって達成され得る。ロッドが最終的な直径に引かれると、ワイヤは２００〜５００ポンドの範囲の重量のリールに巻き取られる。これらの個々のリールは、スチール撚り線ケーブルを中心に撚られて、いくつかの個々のアルミニウムストランドを含むＡＣＳＲケーブルになる。ストランドの数および各ストランドの直径は、顧客の要求により決まる。
【０１６３】
図１１は、ＡＣＳＳワイヤプロセスの流れ図である。これは、純粋な溶融アルミニウムをＡＣＳＳワイヤに使用されるアルミニウムワイヤに変換することを示している。変換プロセスの第１ステップは、溶融アルミニウムをアルミニウムロッドに加工することである。次のステップでは、ロッドはいくつかの型を通って引き出され、端部の直径に応じて、これは１回または複数回の引き出しによって達成され得る。ロッドが最終的な直径に引かれると、ワイヤは２００〜５００ポンドの範囲の重量のリールに巻き取られる。これらの個々のリールは、スチール撚り線ケーブルを中心に撚られて、いくつかの個々のアルミニウムストランドを含むＡＣＳＳケーブルになる。ストランドの数および各ストランドの直径は、顧客の要求により決まる。ＡＣＳＲケーブルとＡＣＳＳケーブルの違いの１つは、アルミニウムがスチールケーブルを中心に撚られると、ケーブル全体が加熱炉で熱処理されてアルミニウムを極軟状態にすることである。ＡＣＳＲケーブルでは、ケーブルの強度はアルミニウムとスチールケーブルによる強度の組み合わせから得られ、ＡＣＳＳケーブルではほとんどの強度がＡＣＳＳケーブル内部のスチールから得られることに注意することが重要である。
【０１６４】
図１２は、ストリップが最終的に金属被覆ケーブルに加工されるアルミニウムストリッププロセスの流れ図である。この図は、最初のステップが、溶融アルミニウムをアルミニウムロッドに変換することであることを示す。これに続いて、ロッドは、いくつかの圧延型を通って圧延されて、一般に幅約０．３７５インチおよび厚さ約０．０１５〜０．０１８インチのストリップに変換される。圧延されたストリップは、約６００ポンドの重さのドーナツ形状のパッドに処理される。圧延プロセスを使用して他の幅および厚さを製造することもできるが、０．３７５インチの幅および０．０１５から０．０１８インチの厚さが最も一般的であることに留意することが重要である。次いで、これらのパッドを炉内で熱処理してパッドを中間焼なまし状態にする。この状態では、アルミニウムは完全に硬くもなく、極軟状態でもない。次いで、ストリップは、１つまたは複数の絶縁回路導体を囲むインターロック金属テープ（ストリップ）の外装として組み立てられた保護ジャケットとして使用される。
【０１６５】
これらのプロセスに基づいて以下に示す比較分析は、超音波細粒化プロセスで処理されたアルミニウム引出ワイヤおよび従来のＴＩＢＯＲ細粒化剤を使用して処理されたアルミニウムワイヤについて行われた。抽出されたサンプルは、１３５０導線用のＡＳＴＭ規格に概略示されているすべての仕様に合致していた。
ＴＩＢＯＲ細粒化剤を含む従来のロッドの性質
【０１６６】
【表３】
2018526229.tif 000006
【０１６７】
超音波処理ロッドの性質
【０１６８】
【表４】
2018526229.tif 000007
【０１６９】
超音波処理されたロッドの処理条件
【０１７０】
【表５】
2018526229.tif 000008
【０１７１】
図１５は、化学細粒化剤を用いない鋳造物、細粒化剤を用いた鋳造物、及び超音波細粒化のみを用いた鋳造物の粒状構造を示すアルミニウム１３５０ＥＣ合金の顕微鏡写真の比較である。
【０１７２】
図１６は、従来の１３５０ＥＣアルミニウム合金ロッド（化学細粒化剤を用いたもの）と１３５０ＥＣアルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）の表形式による比較である。
【０１７３】
図１７は、従来のＡＣＳＲアルミニウムワイヤ０．１３０インチ径（化学細粒化剤を用いたもの）とＡＣＳＲアルミニウムワイヤ０．１３０インチ径（超音波細粒化を用いたもの）との表形式の比較である。
【０１７４】
図１８は、従来の８１７６ＥＥＥアルミニウム合金ロッド（化学細粒化剤を用いたもの）と８１７６ＥＥＥアルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）との表形式による比較である。
【０１７５】
図１９は、従来の５１５４アルミニウム合金ロッド（化学細粒化剤を用いたもの）と５１５４アルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）の表形式による比較である。
【０１７６】
図２０は、従来の５１５４アルミニウム合金ストリップ（化学細粒化剤を用いたもの）と５１５４アルミニウム合金ストリップ（超音波細粒化を用いたもの）の表形式による比較である。
【０１７７】
図２１は、５３５６アルミニウム合金ロッド（超音波細粒化を用いたもの）の特性の表形式図である。
発明の一般化された記述
以下の本発明の記述は、本発明の１つ以上の特徴付けを提供するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【０１７８】
記述１．鋳造ミル上の鋳造ホイールのための溶融金属処理装置であって、鋳造ホイールに取り付けられ（または結合され）、鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に、鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物に振動エネルギー（たとえば、超音波、機械的駆動による、および／または直接的または間接的に供給される音響エネルギー）を供給する（たとえば、供給する構成を有する）少なくとも１つの振動エネルギー源と、前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置と、任意選択的に、鋳造ホイールの移動に関してアセンブリをガイドするガイド装置とを含むアセンブリを備えた溶融金属処理装置。
【０１７９】
記述２．前記支持装置が、冷却媒体を輸送するための冷却チャネルを備えたハウジングを含む、記述１の装置。
【０１８０】
記述３．前記冷却チャネルが、水、気体、液体金属、およびエンジンオイルのうちの少なくとも１つを含む前記冷却媒体を含む、記述２の装置。
【０１８１】
記述４．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、少なくとも１つの超音波トランスデューサ、少なくとも１つの機械的に駆動されるバイブレータ、またはそれらの組み合わせを含む、記述１、２、３または４の装置。
【０１８２】
記述５．前記超音波トランスデューサ（たとえば、圧電素子）は、４００ｋＨｚまでの周波数の範囲の振動エネルギーを提供するように構成され、または、前記超音波トランスデューサ（たとえば、磁歪素子）は、周波数２０〜２００ｋＨｚの範囲の振動エネルギーを提供するように構成された、記述４の装置。
【０１８３】
記述６．前記機械的に駆動されるバイブレータが、複数の機械的に駆動されるバイブレータを備える、記述１、２、または３の装置。
【０１８４】
記述７．前記機械的に駆動されるバイブレータは、１０ｋＨｚまでの周波数の範囲内の振動エネルギーを提供するように構成され、または前記機械的に駆動されるバイブレータが毎分８，０００から１５，０００回の振動の周波数の範囲の振動エネルギーを提供するように構成された、記述４の装置。
【０１８５】
記述８ａ．前記鋳造ホイールが前記鋳造ホイールのチャネル内に溶融金属を閉じ込めるバンドを含む、記述１の装置。
【０１８６】
記述８ｂ．前記アセンブリは、前記鋳造ホイールの上方に位置し、そこを通過する前記鋳造ホイールの前記チャネル内の溶融金属を閉じ込めるバンドのハウジング内に通路を有している、記述１〜７のいずれか１つの装置。
【０１８７】
記述９．前記バンドが前記ハウジングに沿ってガイドされて、前記冷却チャネルからの冷却媒体が溶融金属の反対側のバンドの側面に沿って流れることを可能にする、記述８の装置。
【０１８８】
記述１０．前記支持装置が、ニオブ、ニオブ合金、チタン、チタン合金、タンタル、タンタル合金、銅、銅合金、レニウム、レニウム合金、鋼、モリブデン、モリブデン合金、ステンレス鋼、セラミック、複合材料、ポリマーまたは金属の１つまたはそれ以上を備えた、記述１〜９のいずれか１つの装置。
【０１８９】
記述１１．前記セラミックが窒化ケイ素セラミックを含む、記述１０の装置。
【０１９０】
記述１２．前記窒化ケイ素セラミックがサイアロンを含む、記述１１の装置。
【０１９１】
記述１３．前記ハウジングが耐火材料を含む、１から１２のいずれか１つの装置。
【０１９２】
記述１４．前記耐火材料が、銅、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステンおよびレニウムの少なくとも１つ、およびそれらの合金を含む、記述１３の装置。
【０１９３】
記述１５．前記耐火材料がシリコン、酸素または窒素の１つまたはそれ以上を含む、記述１４の装置。
【０１９４】
記述１６．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、冷却媒体と接触する、たとえば、前記支持装置または前記ガイド装置を通って流れる冷却媒体と接触する１つ以上の振動エネルギー源を含む、記述１から１５のいずれか１つの装置。
【０１９５】
記述１７．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の冷却チャネル内に挿入された少なくとも１つの振動プローブを含む、記述１６の装置。
【０１９６】
記述１８．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置と接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、記述１から３および６から１５のいずれか１つの装置。
【０１９７】
記述１９．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の基部のバンドと接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、記述１から３および６から１５のいずれか１つの装置。
【０１９８】
記述２０．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置内の異なる位置に分散された複数の振動エネルギー源を含む、記述１から１９のいずれか１つの装置。
【０１９９】
記述２１．前記ガイド装置が前記鋳造ホイールの縁のバンド上に配置されている、記述１から２０のいずれか１つの装置。
【０２００】
記述２２．金属製品を形成する方法であって、
鋳造ミルの閉じ込め構造内に溶融金属を供給することと、
前記閉じ込め構造内の溶融金属を冷却することと、
前記冷却中に前記閉じ込め構造内の溶融金属に振動エネルギーを結合することとを含む方法。
【０２０１】
記述２３．溶融金属を提供することが、溶融金属を鋳造ホイールのチャネルに注ぐことを含む、記述２２の方法。
【０２０２】
記述２４．振動エネルギーを結合することが、超音波トランスデューサまたは磁歪トランスデューサのうちの少なくとも１つから前記振動エネルギーを供給することを含む、記述２２または２３の方法。
【０２０３】
記述２５．前記振動エネルギーを供給することが、５ｋＨｚから４０ｋＨｚの周波数の範囲の振動エネルギーを提供することを含む、記述２４の方法。
【０２０４】
記述２６．振動エネルギーを結合することが、機械的に駆動されるバイブレータから前記振動エネルギーを供給することを含む、記述２２または２３の方法。
【０２０５】
記述２７．前記振動エネルギーを供給することが、毎分８，０００〜１５，０００回の振動の周波数の範囲または１０ＫＨｚまでの振動エネルギーを提供することを含む、記述２６の方法。
【０２０６】
記述２８．冷却が、水、気体、液体金属およびエンジンオイルの少なくとも１つを溶融金属を保持する閉じ込め構造に適用することによって溶融金属を冷却することを含む、記述２２から２７のいずれか１つの方法。
【０２０７】
記述２９．溶融金属を提供することが、前記溶融金属を金型内に配送することを含む、記述２２から２８のいずれか１つの方法。
【０２０８】
記述３０．溶融金属を提供することが、前記溶融金属を連続鋳型内に配送することを含む、記述２２から２９のいずれか１つの方法。
【０２０９】
記述３１．溶融金属を提供することが、前記溶融金属を水平または垂直鋳型に配送することを含む、記述２２から３０のいずれか１つの方法。
【０２１０】
記述３２．溶融金属を冷却するように構成された鋳型、および記述１から２１のいずれか１つの前記溶融金属処理装置を備えた鋳造ミル。
【０２１１】
記述３３．前記金型が連続鋳型を含む、記述３２のミル。
【０２１２】
記述３４．前記金型が水平または垂直の鋳型を含む、記述３２または３３のミル。
【０２１３】
記述３５．鋳造ミルであって、溶融金属を冷却するように構成された溶融金属閉じ込め構造と、前記溶融金属閉じ込め構造に取り付けられ、４００ｋＨｚまでの周波数で振動エネルギーを溶融金属に結合するように構成された振動エネルギー源とを備えた鋳造ミル。
【０２１４】
記述３６．鋳造ミルであって、溶融金属を冷却するように構成された溶融金属閉じ込め構造と、前記溶融金属閉じ込め構造に取り付けられ、１０ＫＨｚまでの周波数（毎分０〜１５，０００回の振動の範囲および毎分８，０００〜１５，０００回の振動の範囲を含む）の振動エネルギーを溶融金属に結合するよう構成された機械的に駆動される振動エネルギー源とを備えた鋳造ミル。
【０２１５】
記述３７．金属製品を形成するためのシステムであって、溶融金属を溶融金属閉じ込め構造に注ぐための手段と、前記溶融金属閉じ込め構造を冷却する手段と、４００ＫＨｚまでの範囲の周波数（毎分０〜１５，０００回の振動の範囲、毎分８，０００〜１５，０００回の振動の範囲、１０ＫＨｚまで、１５〜４０ＫＨｚ、または２０〜２００ＫＨｚの範囲を含む）で振動エネルギーを溶融金属に結合させるための手段と、およびデータ入力および制御出力を含み、記述２２〜３１に記載されたステップ要素のいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムでプログラムされたコントローラとを備えたシステム。
【０２１６】
記述３８．金属製品を形成するためのシステムであって、記述１〜２１のいずれか１つの溶融金属処理装置と、およびデータ入力および制御出力を含み、記述２２〜３１に記載されたステップ要素のいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムでプログラムされたコントローラとを備えたシステム。
【０２１７】
記述３９．金属製品を形成するためのシステムであって、鋳造ホイールに取り付けられ、前記鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物が冷却媒体により冷却されるように冷却媒体を保持するハウシングを含むアセンブリと、前記鋳造ホイールの移動に関して前記アセンブリをガイドするガイド装置を備えたシステム。
【０２１８】
記述４０．記述２から３、記述８から１５、および記述２１に定義された要素のいずれかを含む記述３８のシステム。
【０２１９】
記述４１．鋳造ミルのための溶融金属処理装置であって、鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、前記振動エネルギー源を保持する支持装置とを備える溶融金属処理装置。
【０２２０】
記述４２．記述４−１５に定義された要素のいずれかを含む記述４１の装置。
【０２２１】
記述４３．鋳造ミル上の鋳造ホイールのための溶融金属処理装置であって、鋳造ホイールに結合されたアセンブリであって、１）鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、２）前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置と、３）前記鋳造ホイールの移動に関して前記アセンブリをガイドするオプションのガイド装置とを含むアセンブリを備えた溶融金属処理装置。
【０２２２】
記述４４．少なくとも１つの振動エネルギー源が鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物に振動エネルギーを直接供給する、記述４３の装置。
【０２２３】
記述４５．少なくとも１つの振動エネルギー源が鋳造ホイール内の溶融金属鋳造物に振動エネルギーを間接的に供給する、記述４３の装置。
【０２２４】
記述４６．鋳造ミルのための溶融金属処理装置であって、鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に、鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に挿入されたプローブにより振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、前記振動エネルギー源を保持する支持装置とを備え、振動エネルギーが、金属が凝固する際に溶融金属の偏析を減少させる溶融金属処理装置。
【０２２５】
記述４７．記述２−２１に定義された要素のいずれかを含む記述４６の装置。
【０２２６】
記述４８．鋳造ミルのための溶融金属処理装置であって、鋳造ホイール内の溶融金属が冷却されている間に鋳造ホイール内の溶融金属鋳物に音響エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、前記振動エネルギー源を保持する支持装置とを備える溶融金属処理装置。
【０２２７】
記述４９．前記少なくとも１つの振動エネルギー源がオーディオ増幅器を含む、記述４８の装置。
【０２２８】
記述５０．前記オーディオ増幅器が、ガス状媒体を介して振動エネルギーを溶融金属に結合する、記述４９の装置。
【０２２９】
記述５１．前記オーディオ増幅器は、ガス状媒体を介して振動エネルギーを前記溶融金属を保持する支持構造に結合する、記述４９の装置。
【０２３０】
記述５２．粒径微細化方法であって、溶融金属が冷却されている間、溶融金属に振動エネルギーを供給することと、溶融金属中に形成された樹枝状結晶を分解して、溶融金属中に核源を生成することとを含む方法。
【０２３１】
記述５３．前記振動エネルギーは、超音波振動、機械的に駆動される振動、および音響振動の少なくとも１つまたはそれ以上を含む、記述５２の方法。
【０２３２】
記述５４．溶融金属中の核源が異質不純物を含まない、記述５２の方法。
【０２３３】
記述５５．溶融金属の一部が過冷却されて前記樹枝状結晶を生成する、記述５２の方法。
【０２３４】
記述５６．溶融金属処理装置であって、
溶融金属源と；
溶融金属中に挿入された超音波プローブを含む超音波脱気装置と；
溶融金属を受けるための鋳造物と；
鋳造物に取り付けられたアセンブリであって、
鋳造物中の溶融金属が冷却されている間に、鋳造物中の溶融金属鋳物に振動エネルギーを供給する少なくとも１つの振動エネルギー源と、
前記少なくとも１つの振動エネルギー源を保持する支持装置とを含むアセンブリを備えた溶融金属処理装置。
【０２３５】
記述５７．前記鋳造物が鋳造ミルの鋳造ホイールの構成要素を含む、記述５６の装置。
【０２３６】
記述５８．前記支持装置が、冷却媒体を輸送するための冷却チャネルを備えたハウジングを含む、記述５６の装置。
【０２３７】
記述５９．前記冷却チャネルが、水、気体、液体金属、およびエンジンオイルのうちの少なくとも１つを含む冷却媒体を含む、記述５８の装置。
【０２３８】
記述６０．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が超音波トランスデューサを含む、記述５の装置。
【０２３９】
記述６１．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、機械的に駆動されるバイブレータを備える、記述５６の装置。
【０２４０】
記述６２．機械的に駆動されるバイブレータが、１０ＫＨｚまでの周波数の範囲内で振動エネルギーを提供するように構成される、記述６１の装置。
【０２４１】
記述６３．前記鋳造物が鋳造ホイールのチャネル内に溶融金属を閉じ込めるバンドを含む、記述５６の装置。
【０２４２】
記述６４．アセンブリが鋳造ホイールの上方に配置され、鋳造ホイールのチャネル内の溶融金属を閉じ込めるバンドのためのハウジング内に通路を有する、記述６３の装置。
【０２４３】
記述６５．前記バンドが前記ハウジングに沿ってガイドされて、前記冷却チャネルからの冷却媒体が溶融金属の反対側のバンドの側面に沿って流れることを可能にする、記述６４の装置。
【０２４４】
記述６６．前記支持装置が、ニオブ、ニオブ合金、チタン、チタン合金、タンタル、タンタル合金、銅、銅合金、レニウム、レニウム合金、鋼、モリブデン、モリブデン合金、ステンレス鋼、セラミック、複合材料、ポリマーまたは金属の１つまたはそれ以上を備えた、記述５６の装置。
【０２４５】
記述６７．前記セラミックが窒化ケイ素セラミックを含む、記述６６の装置。
【０２４６】
記述６８．前記窒化ケイ素セラミックがサイアロンを含む、記述６７の装置。
【０２４７】
記述６９．前記ハウジングが耐火材料を含む、記述６４の装置。
【０２４８】
記述７０．前記耐火材料が、銅、ニオブ、ニオブおよびモリブデン、タンタル、タングステンおよびレニウムの少なくとも１つ、およびそれらの合金を含む、記述６９の装置。
【０２４９】
記述７１．前記耐火材料がシリコン、酸素または窒素の１つまたはそれ以上を含む、記述６９の装置。
【０２５０】
記述７２．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、冷却媒体と接触する１つ以上の振動エネルギー源を含む、記述５６の装置。
【０２５１】
記述７３．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の冷却チャネル内に挿入された少なくとも１つの振動プローブを含む、記述７２の装置。
【０２５２】
記述７４．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置と接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、記述５６の装置。
【０２５３】
記述７５．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置の基部のバンドと直接接触する少なくとも１つの振動プローブを含む、記述５６の装置。
【０２５４】
記述７６．前記少なくとも１つの振動エネルギー源が、前記支持装置内の異なる位置に分散された複数の振動エネルギー源を含む、記述５６の装置。
【０２５５】
記述７７．鋳造ホイールの移動に関して前記アセンブリをガイドするガイド装置をさらに備える、記述５７の装置。
【０２５６】
記述７８．前記ガイド装置が前記鋳造ホイールの縁のバンド上に配置されている、記述７２の装置。
【０２５７】
記述７９．記述５６の装置であって、前記超音波脱気装置が、
第１の端部および第２の端部を含み、第１の端部が超音波トランスデューサに取り付けられ、第２の端部が先端を備える細長いプローブと、
パージガス入口およびパージガス出口を備え、細長いプローブの前記先端に配置され、パージガスを溶融金属中に導入するためのパージガス配送部とを含む装置。
【０２５８】
記述８０．前記細長いプローブがセラミックを含む、記述５６の装置。
【０２５９】
記述８１．金属製品であって、
サブミリメートルの粒径を有し、０．５％未満の細粒化剤を含み、以下の特性の少なくとも１つを有する鋳造金属組成物：
１００ｌｂｓ／ｉｎ２の延伸力下で１０〜３０％の範囲の伸び率、
５０〜３００ＭＰａの範囲の引張強度；または
ＩＡＣの４５〜７５％の範囲の導電率、ここでＩＡＣは標準的な焼きなまし銅導体に対する導電率のパーセント単位である鋳造金属組成物を含む金属製品。
【０２６０】
記述８２．前記組成物が０．２％未満の細粒化剤を含む、記述８１の製品。
【０２６１】
記述８３．前記組成物が０．１％未満の細粒化剤を含む、記述８１の製品。
【０２６２】
記述８４．前記組成物が細粒化剤を含まない、記述８１の製品。
【０２６３】
記述８５．前記組成物が、アルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛、鉛、金、銀、錫、青銅、黄銅、およびそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む、記述８１の製品。
【０２６４】
記述８６．前記組成物が棒材、ロッド、ストック、シート材、ワイヤ、ビレット、およびペレットの少なくとも１つに形成されている、記述８１の製品。
【０２６５】
記述８７．前記伸び率が１５〜２５％の範囲であり、または前記引張強度が１００〜２００ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの５０〜７０％の範囲である、記述８１の製品。
【０２６６】
記述８８．前記伸び率が１７〜２０％の範囲であり、または前記引張強度が１５０〜１７５ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの５５〜６５％の範囲である、記述８１の製品。
【０２６７】
記述８９．前記伸び率が１８〜１９％の範囲であり、または前記引張強度が１６０〜１６５ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの６０〜６２％の範囲である、記述８１の製品。
【０２６８】
記述９０．前記組成物がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む、記述８１、８７、８８および８９のいずれかの製品。
【０２６９】
記述９１．前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋼補強ワイヤストランドを含む、記述９０の製品。
【０２７０】
記述９２．前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋼支持ワイヤストランドを含む、記述９０の製品。
【０２７１】
記述９２．記述５２〜５５に記載された、任意の１つ以上のプロセス工程によって製造され、鋳造金属組成物を含む金属製品。
【０２７２】
記述９３．前記鋳造金属組成物が、サブミリメートルの粒度を有し、０．５％未満の細粒化剤を含む、記述９２の製品。
【０２７３】
記述９４．記述９２の製品であって、金属製品が以下の特性の少なくとも１つを有する：
１００ｌｂｓ／ｉｎ２の延伸力下で１０〜３０％の範囲の伸び率、
５０〜３００ＭＰａの範囲の引張強度；または
導電率がＩＡＣの４５〜７５％の範囲であり、ここでＩＡＣは標準的な焼きなまし銅導体に対する導電率のパーセント単位である。
【０２７４】
記述９５．前記組成物が０．２％未満の細粒化剤を含む、記述９２の製品。
【０２７５】
記述９６．前記組成物が０．１％未満の細粒化剤を含む、記述９２の製品。
【０２７６】
記述９７．前記組成物が細粒化剤を含まない、記述９２の製品。
【０２７７】
記述９８．前記組成物が、アルミニウム、銅、マグネシウム、亜鉛、鉛、金、銀、錫、青銅、黄銅、およびそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む、記述９２の製品。
【０２７８】
記述９９．前記組成物が棒材、ロッド、ストック、シート材、ワイヤ、ビレット、およびペレットの少なくとも１つに形成されている、記述９２の製品。
【０２７９】
記述１００．前記伸び率が１５〜２５％の範囲であり、または前記引張強度が１００〜２００ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの５０〜７０％の範囲である、記述９２の製品。
【０２８０】
記述１０１．前記伸び率が１７〜２０％の範囲であり、または前記引張強度が１５０〜１７５ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの５５〜６５％の範囲である、記述９２の製品。
【０２８１】
記述１０２．前記伸び率が１８〜１９％の範囲であり、または前記引張強度が１６０〜１６５ＭＰａの範囲であり、または前記導電率がＩＡＣの６０〜６２％の範囲である、記述９２の製品。
【０２８２】
記述１０３．組成物がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む、記述９２の製品。
【０２８３】
記述１０４．前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋼補強ワイヤストランドを含む、記述１０３の製品。
【０２８４】
記述１０５．前記アルミニウムまたはアルミニウム合金が鋼支持ワイヤストランドを含む、記述１０３の製品。
【０２８５】
上記の教示に照らして、本発明の多数の修正および変形が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内において、本発明は、本明細書に具体的に記載されたものとは別の方法で実施され得ることが理解されるべきである。
【図１】
2018526229.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ−６Ｄ】
2018526229.tif 000015
【図７】
2018526229.tif 000016
【図８】
2018526229.tif 000017
【図９】
2018526229.tif 000018
【図１０】
2018526229.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
2018526229.tif 000031
2018526229.tif 000032
2018526229.tif 000033
2018526229.tif 000034