(57)【要約】  溶融金属の輸送の際に溶融金属に対して接触するレセプタプレートを有する溶融金属コンベアが提供される。レセプタプレートは、溶融金属がレセプタプレートに対して進入する入口から、溶融金属がレセプタプレートから出る出口まで、延長する。溶融金属コンベアは、溶融金属に対して接触するレセプタプレートに直接的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供給源を有する。金属製品を形成するための対応する方法は、溶融コンベア上に溶融金属を提供することと、コンベア内の冷却通路またはコンベアに取り付けられた冷却通路を通って流れる冷却媒体を制御することにより溶融金属を冷却することと、コンベア上の溶融金属に対して接触するレセプタプレートに直接的に振動エネルギーを結合することと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の輸送の際に前記溶融金属に対して接触するレセプタプレートであって、溶融金属が前記レセプタプレートに対して進入する入口から、溶融金属が前記レセプタプレートから出る出口まで、延長する、レセプタプレートと、
溶融金属に対して接触する前記レセプタプレートに直接的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供給源と、
を含む溶融金属コンベア。
【請求項２】
前記レセプタプレートは冷却媒体を通過させるための冷却チャネルを含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項３】
前記冷却媒体は、水、ガス、液体金属、液体窒素、およびエンジンオイルのうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のコンベア。
【請求項４】
前記冷却チャネルは前記レセプタプレート内にあるか、または前記冷却チャネルは前記レセプタプレートに取り付けられた導管を含む、請求項２に記載のコンベア。
【請求項５】
前記レセプタプレートを冷却するためのガス流を提供する送風機をさらに含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項６】
前記レセプタプレートを、鋳造装置の鋳型ホイールに対して、または、溶融金属を鋳型に供給するタンディッシュに対して、取り付ける組立体をさらに含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項７】
少なくとも１つの振動エネルギー供給源は、溶融金属に対して接触する前記レセプタプレートに直接的に振動エネルギーを提供する、超音波トランスデューサ、磁歪トランスデューサ、および機械的に駆動される振動器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項８】
前記レセプタプレートに提供される前記振動エネルギーは４００ＫＨｚまでの周波数の範囲内である、請求項１に記載のコンベア。
【請求項９】
前記レセプタプレートは、滑らかな仕上げ、磨かれた仕上げ、粗い仕上げ、隆起がある仕上げ、テクスチャを有する仕上げ、および凹みがある仕上げのうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載のコンベア。
【請求項１０】
前記レセプタプレートは、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、鉄鋼、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、または金属のうちの少なくとも１つまたは複数を含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項１１】
前記セラミックは窒化ケイ素セラミックを含む、請求項１０に記載のコンベア。
【請求項１２】
前記窒化ケイ素セラミックは窒化ケイ素アルミナを含む、請求項１１に記載のコンベア。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの振動エネルギー供給源は、前記レセプタプレート上に規則正しいパターン状で配置された複数のトランスデューサを含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項１４】
前記レセプタプレート上の前記規則正しいパターンは、より高い密度の前記トランスデューサを前記レセプタプレートの一方の側部に有する、請求項１３に記載のコンベア。
【請求項１５】
前記レセプタプレート上の一方の側部上のより高い密度の前記トランスデューサは溶融金属出口側部上にある、請求項１４に記載のコンベア。
【請求項１６】
前記レセプタプレート上の一方の側部上のより高い密度の前記トランスデューサは溶融金属入口側部上にある、請求項１４に記載のコンベア。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの振動エネルギー供給源は前記レセプタプレートに取り付けられた圧電トランスデューサ要素を含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項１８】
超音波ブースタが、前記レセプタプレートに取り付けられた前記圧電トランスデューサ要素に結合されている、請求項１７に記載のコンベア。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの振動エネルギー供給源は前記レセプタプレートに取り付けられた磁歪トランスデューサ要素を含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２０】
溶融金属フローチャネル内に挿入された超音波脱ガス装置をさらに含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２１】
前記レセプタプレートは１０ｃｍより小さい厚さを有する、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２２】
前記レセプタプレートは０．５ｃｍ〜５ｃｍの範囲の、または１ｃｍ〜３ｃｍの範囲の、厚さを有する、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２３】
前記レセプタプレートは１．５ｃｍ〜２ｃｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２４】
前記レセプタプレートは異なる区域において異なる厚さを有する、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２５】
前記レセプタプレートは、鋳型ホイールの上方に配置され、前記鋳型ホイールにおける溝槽に前記溶融金属を提供する、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２６】
前記レセプタプレートは、垂直鋳型に取り付けられ、前記垂直鋳型の内部に前記溶融金属を提供する、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２７】
前記レセプタプレートは、長手方向長さに等しいかもしくは長手方向長さよりも小さい横方向幅を、または、前記長手方向長さの半分に等しいかもしくは前記長手方向長さの半分よりも小さい前記横方向幅を、または前記長手方向長さの１／３に等しいかもしくは前記長手方向長さの１／３より小さい前記横方向幅を、含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２８】
前記レセプタプレートは２．５ｃｍ〜３００ｃｍの範囲の横方向幅を含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項２９】
前記レセプタプレートは前記出口に向って徐々に幅が小さくなる横方向幅を含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項３０】
前記レセプタプレートは、重力により前記溶融金属が前記出口へと付勢される状態で、略水平方向に配置される、請求項１に記載のコンベア。
【請求項３１】
前記レセプタプレートは、水平方向から４５度の範囲内または４５度に等しい角度で配置される、請求項１に記載のコンベア。
【請求項３２】
前記レセプタプレートは、垂直方向から４５度の範囲内または４５度に等しい角度で配置される、請求項１に記載のコンベア。
【請求項３３】
前記レセプタプレート上への前記溶融金属の注湯速度、および、前記レセプタプレート上での前記溶融金属の冷却速度のうちの少なくとも１つを制御する制御器をさらに含む、請求項１に記載のコンベア。
【請求項３４】
前記制御器は、前記溶融金属の前記レセプタプレート上方における高さが、１．２５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲となるように、前記注湯速度を調整するようプログラムされている、請求項３３に記載のコンベア。
【請求項３５】
金属製品を形成するための方法であって、
溶融金属を、前記溶融金属に対して接触する溶融コンベアのレセプタプレートに沿って前記溶融金属を輸送する前記コンベア上に、提供することと、
前記レセプタプレートの近傍を流れる、または、前記レセプタプレート内のもしくは前記レセプタプレートに取り付けられた冷却通路を通って流れる、冷却媒体を制御することにより、前記溶融金属を冷却することと、
前記レセプタプレートに直接的に振動エネルギーを結合することと、
を含む、方法。
【請求項３６】
エネルギーを結合することは、前記エネルギーを、超音波トランスデューサまたは磁歪トランスデューサまたは機械的に駆動される振動器のうちの少なくとも１つから前記プローブに供給することを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記エネルギーを供給することは、５〜４００ｋＨｚの周波数の範囲の前記エネルギーを提供することを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
冷却することは、前記レセプタプレートの冷媒として、水、ガス、液体金属、液体窒素、およびエンジンオイルのうちの少なくとも１つを適用することにより、前記溶融金属を冷却することを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
溶融金属を提供することは鋳型ホイールの注湯装置から前記レセプタプレート上に前記溶融金属を注湯することを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記レセプタプレートから前記鋳型ホイールの溝槽に前記溶融金属を注湯することをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
溶融金属を提供することは垂直鋳型のタンディッシュから前記レセプタプレート上に前記溶融金属を注湯することを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記レセプタプレートから前記垂直鋳型に前記溶融金属を注湯することをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記レセプタプレートから連続鋳造鋳型に前記溶融金属を注湯することをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記レセプタプレートから水平鋳造鋳型または垂直鋳造鋳型に前記溶融金属を注湯することをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
溶融金属を冷却するよう構成された鋳造鋳型と、
請求項１〜請求項３４のうちのいずれか１項に記載のコンベアと、
を含む、鋳造装置。
【請求項４６】
前記鋳型は連続鋳造鋳型を含む、請求項４５に記載の鋳造装置。
【請求項４７】
前記鋳型は水平または垂直の鋳造鋳型を含む、請求項４５に記載の鋳造装置。
【請求項４８】
金属製品を形成するためのシステムであって、
溶融コンベア上に溶融金属を提供するための手段と、
前記溶融金属に対して接触する前記コンベアのレセプタプレート内の冷却通路を、または前記レセプタプレートに取り付けられた冷却通路を、通って流れる冷却媒体を制御するための手段と、
前記レセプタプレートに直接的に振動エネルギーを結合するための手段と、
データ入力および制御出力を含み、かつ、請求項２４〜請求項３３に記載のステップ要素のうちのいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムを用いてプログラムされた、制御器と、
を含むシステム。
【請求項４９】
金属製品を形成するためのシステムであって、
請求項１〜請求項３４のうちのいずれか１項に記載のコンベアと、
データ入力および制御出力を含み、かつ、請求項３５〜請求項４４に記載のステップ要素のうちのいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムを用いてプログラムされた、制御器と、
を含むシステム。
【請求項５０】
金属製品を形成するためのシステムであって、
溶融金属を注湯するための注湯装置と、
前記金属製品の連続鋳造を形成するための鋳型ホイールと、
前記鋳型ホイールに請求項１〜請求項３４のうちのいずれか１項に記載のコンベアを結合する組立体と、
データ入力および制御出力を含み、かつ、請求項３５〜請求項４４に記載のステップ要素のうちのいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムを用いてプログラムされた、制御器と、
を含むシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、「Ｇｒａｉｎ  Ｒｅｆｉｎｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ」を発明の名称とする２０１７年３月８日に出願された米国特許出願整理番号第６２／４６８，７０９号（内容の全体が、参照されることにより本願に援用される）に対する優先権を主張する。
【０００２】
本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ  ＡＮＤ  ＤＥＧＡＳＳＩＮＧ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＭＥＴＡＬ  ＣＡＳＴＩＮＧ」を発明の名称とする２０１６年８月９日に出願された米国特許出願整理番号第６２／３７２，５９２号（内容全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ  ＡＮＤ  ＤＥＧＡＳＳＩＮＧ  ＦＯＲ  ＭＥＴＡＬ  ＣＡＳＴＩＮＧ」を発明の名称とする２０１６年２月１５日に出願された米国特許出願整理番号第６２／２９５，３３３号（内容全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ  ＡＮＤ  ＤＥＧＡＳＳＩＮＧ  ＯＦ  ＭＯＬＴＥＮ  ＭＥＴＡＬ」を発明の名称とする２０１５年１１月１５日に出願された米国特許出願整理番号第６２／２６７，５０７号（内容の全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ」を発明の名称とする２０１５年２月９日に出願された米国特許出願整理番号第６２／１１３，８８２号（内容の全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ  ＯＮ  Ａ  ＣＯＮＴＩＮＵＯＵＳ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＢＥＬＴを発明の名称とする２０１５年９月１０日に出願された米国特許出願整理番号第６２／２１６，８４２号（内容の全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ  ＡＮＤ  ＤＥＧＡＳＳＩＮＧ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＭＥＴＡＬ  ＣＡＳＴＩＮＧ」を発明の名称とする２０１６年９月９日に出願されたＰＣＴ／２０１６／０５０９７８（内容の全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ  ＡＮＤ  ＤＥＧＡＳＳＩＮＧ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＭＥＴＡＬ  ＣＡＳＴＩＮＧ」を発明の名称とする２０１６年１０月２８日に出願された米国特許出願整理番号第１５／３３７，６４５号（内容の全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。
【０００３】
本願は、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＧＲＡＩＮ  ＲＥＦＩＮＩＮＧ  ＡＮＤ  ＤＥＧＡＳＳＩＮＧ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＭＥＴＡＬ  ＣＡＳＴＩＮＧ  ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ  ＥＮＨＡＮＣＥＤ  ＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＬ  ＣＯＵＰＬＩＮＧ」を発明の名称とする２０１７年２月１７日に出願された米国特許出願整理番号第６２／４６０，２８７号（内容の全体が、参照されることにより本願に援用される）に関する。
【背景技術】
【０００４】
本発明は、制御された結晶粒サイズを有する金属鋳物を生成するための方法、金属鋳物を生成するためのシステム、および金属鋳物により得られる製品に関する。
【０００５】
溶融金属を連続的な金属棒または鋳造製品へと鋳造するための技術を開発するにあたり、相当な努力が冶金分野において展開されてきた。バッチ鋳造および連続鋳造の両方が良好に開発されている。連続鋳造がバッチ鋳造に対していくつかの点で優れているが、両方の鋳造が産業界において主要的に使用されている。
【０００６】
金属鋳造の連続的生産においては、溶融金属は、保持炉から、一連の配湯桶に通され、鋳型ホイールの鋳型に注がれる。この鋳型内で溶融金属は金属棒へと鋳造される。凝固された金属棒は鋳型ホイールから取り出され、圧延機へと誘導され、圧延機内で連続棒状体に圧延される。金属棒製品および合金の意図された最終用途に応じて、棒状体は、圧延の間に冷却されてもよく、または棒状体は、所望の機械的特性および物理的特性を棒状体に付与するために、圧延機から出た直後に冷却もしくは焼き入れされてもよい。Ｃｏｆｅｒらに付与された米国特許第３，３９５，５６０号（全内容が、参照することにより援用される）に記載のものなどの技術が金属棒または棒材製品を連続的に生産するため使用されてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｓｐｅｒｒｙらに付与された米国特許第３，９３８，９９１号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）では、「純粋」な金属製品の鋳造に関して長く認識された問題が存在することが示されている。「純粋」な金属鋳物という用語は、結晶粒制御の目的のために別個の不純物の包含なしに、特定的な伝導性または引っ張り強度または延性のために設計された、主要な金属元素から形成された金属または合金を指す。
【０００８】
結晶粒微細化は、新しく形成された相の結晶サイズが化学的または物理的／機械的手段により低減される過程である。凝固過程、または、液相から固相への遷移過程の間に、凝固された構造の結晶粒サイズを顕著に低減させるために、通常は結晶粒微細化剤が溶融金属に添加される。
【０００９】
実際、Ｂｏｉｌｙらに付与されたＷＩＰＯ特許出願ＷＯ／２００３／０３３７５０（内容全体が、参照することにより本願に援用される）では、「結晶粒微細化剤」の特定的な使用が説明されている。’７５０出願では、その背景技術の部分で、アルミ業界では、母合金を形成するために異なる結晶粒微細化剤がアルミニウムに対して一般に混合されることが説明されている。アルミニウム鋳造における使用のための一般的な母合金は、１〜１０％のチタンと、０．１〜５％のホウ素と、ＴｉＢ２またはＴｉＣがアルミニウムのマトリクス内に分散された状態で、実質的にアルミニウムまたはマグネシウムからなる残余分と、を含む。’７５０出願によれば、チタンおよびホウ素母合金は、溶融されたアルミニウム中に必要な量のチタンおよびホウ素を溶かすことにより生産されることが可能である。これは、溶融されたアルミと、ＫＢＦ４およびＫ２ＴｉＦ６と、を摂氏８００度を越える温度で反応させることにより達成される。これらのハロゲン塩錯体は、溶融されたアルミに対して素早く反応し、溶融物に対してチタンおよびホウ素を提供する。
【００１０】
’７５０出願では、２００２年現在では、この技術が、ほぼすべての結晶粒微細化剤製造企業による市販の母合金の生産に使用されたことが説明されている。しばしば造核剤とよばれる結晶粒微細化剤は今日も依然として使用される。例えば、鋳造構造体を精密に制御することは高品質アルミニウム合金製品の製造において主要な要件であることを、ＴＩＢＯＲ母合金のある商業的納入業者は述べている。
【００１１】
本発明の以前は、結晶粒微細化剤は、微細で均一な鋳放し粒状組織を提供するための最も効果的な方法として認識されていた。以下の参考文献（これらの参考文献の全体は引用することにより本明細書に援用される）は、この技術背景に関する詳細を提供する。
Ａｂｒａｍｏｖ，  Ｏ．Ｖ．，  （１９９８），  “ＨｉｇｈーＩｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，”  Ｇｏｒｄｏｎ  ａｎｄ  Ｂｒｅａｃｈ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，  Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，  Ｔｈｅ  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，    ｐｐ．  ５２３ー５５２．
Ａｌｃｏａ，  （２０００），  “Ｎｅｗ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｇｒａｉｎ  Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ，”  ＤＯＥ  Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｆｉｎａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ，  Ｃｏｎｔｒａｃｔ  Ｎｏ．  ＤＥーＦＣ０７ー９８ＩＤ１３６６５，  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２２，  ２０００．
Ｃｕｉ，  Ｙ．，  Ｘｕ，  Ｃ．Ｌ．  ａｎｄ  Ｈａｎ，  Ｑ．，  （２００７），  “Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｗｅｌｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｕｓｉｎｇ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ，  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，”  ｖ．  ９，  Ｎｏ．  ３，  ｐｐ．１６１ー１６３．
Ｅｓｋｉｎ，  Ｇ．Ｉ．，  （１９９８），  “Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ  Ａｌｌｏｙ  Ｍｅｌｔｓ，”  Ｇｏｒｄｏｎ  ａｎｄ  Ｂｒｅａｃｈ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，  Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，  Ｔｈｅ  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ．
Ｅｓｋｉｎ，  Ｇ．Ｉ．  （２００２）  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｍｅｌｔ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ  ｄｕｒｉｎｇ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ａｌｌｏｙ  Ｉｎｇｏｔｓ，”  Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ  Ｆｕｒ  Ｍｅｔａｌｌｋｕｎｄｅ／Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，  ｖ．９３，  ｎ．６，  Ｊｕｎｅ，  ２００２，  ｐｐ．  ５０２ー５０７．
Ｇｒｅｅｒ，  Ａ．Ｌ．，  （２００４），  “Ｇｒａｉｎ  Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ａｌｌｏｙｓ，”  ｉｎ  Ｃｈｕ，  Ｍ．Ｇ．，  Ｇｒａｎｇｅｒ，  Ｄ．Ａ．，  ａｎｄ  Ｈａｎ，  Ｑ．，  （ｅｄｓ．），  “  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ａｌｌｏｙｓ，”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ａ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｐｏｎｓｏｒｅｄ  ｂｙ  ＴＭＳ  （Ｔｈｅ  Ｍｉｎｅｒａｌｓ，  Ｍｅｔａｌｓ  ＆  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ），  ＴＭＳ，  Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，  ＰＡ  １５０８６ー７５２８，  ｐｐ．  １３１ー１４５．
Ｈａｎ，  Ｑ．，  （２００７），  Ｔｈｅ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ｆｏｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，”  Ｈａｎ，  Ｑ．，  Ｌｕｄｔｋａ，  Ｇ．，  ａｎｄ  Ｚｈａｉ，  Ｑ．，  （ｅｄｓ），  （２００７），  “Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｄｅｒ  ｔｈｅ  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｆｉｅｌｄｓ，”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ａ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｐｏｎｓｏｒｅｄ  ｂｙ  ＴＭＳ  （Ｔｈｅ  Ｍｉｎｅｒａｌｓ，  Ｍｅｔａｌｓ  ＆  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ），  ＴＭＳ，  Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，  ＰＡ  １５０８６ー７５２８，  ｐｐ．  ９７ー１０６．
Ｊａｃｋｓｏｎ，  Ｋ．Ａ．，  Ｈｕｎｔ，  Ｊ．Ｄ．，  ａｎｄ  Ｕｈｌｍａｎｎ，  Ｄ．Ｒ．，  ａｎｄ  Ｓｅｗａｒｄ，  Ｔ．Ｐ．，  （１９６６），  “Ｏｎ  Ｏｒｉｇｉｎ  ｏｆ  Ｅｑｕｉａｘｅｄ  Ｚｏｎｅ  ｉｎ  Ｃａｓｔｉｎｇｓ，”  Ｔｒａｎｓ．  Ｍｅｔａｌｌ．  Ｓｏｃ．  ＡＩＭＥ，  ｖ．  ２３６，  ｐｐ．１４９ー１５８．      
Ｊｉａｎ，  Ｘ．，  Ｘｕ，  Ｈ．，  Ｍｅｅｋ，  Ｔ．Ｔ．，  ａｎｄ  Ｈａｎ，  Ｑ．，  （２００５），  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ａ３５６  Ａｌｌｏｙ，”  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖ．  ５９，  ｎｏ．  ２ー３，  ｐｐ．  １９０ー１９３．
Ｋｅｌｅｓ，  Ｏ．  ａｎｄ  Ｄｕｎｄａｒ，  Ｍ．，  （２００７）．  “Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｆｏｉｌ：  Ｉｔｓ  Ｔｙｐｉｃａｌ  Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｐｒｏｂｌｅｍｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ｃａｕｓｅｓ，”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ｖ．  １８６，  ｐｐ．１２５ー１３７．
Ｌｉｕ，  Ｃ．，  Ｐａｎ，  Ｙ．，  ａｎｄ  Ａｏｙａｍａ，  Ｓ．，  （１９９８），  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ５ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  ＳｅｍｉーＳｏｌｉｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ａｌｌｏｙｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，  Ｅｄｓ．：  Ｂｈａｓｉｎ，  Ａ．Ｋ．，  Ｍｏｏｒｅ，  Ｊ．Ｊ．，  Ｙｏｕｎｇ，  Ｋ．Ｐ．，  ａｎｄ  Ｍａｄｉｓｏｎ，  Ｓ．，  Ｃｏｌｏｒａｄｏ  Ｓｃｈｏｏｌ  ｏｆ  Ｍｉｎｅｓ，  Ｇｏｌｄｅｎ，  ＣＯ，  ｐｐ．  ４３９ー４４７．
Ｍｅｇｙ，  Ｊ．，  （１９９９），  “Ｍｏｌｔｅｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，”  ＵＳ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．  ５，９３５，２９５，  Ａｕｇｕｓｔ，  １９９９
Ｍｅｇｙ，  Ｊ．，  Ｇｒａｎｇｅｒ，  Ｄ．Ａ．，  Ｓｉｇｗｏｒｔｈ，  Ｇ．Ｋ．，  ａｎｄ  Ｄｕｒｓｔ，  Ｃ．Ｒ．，  （２０００），  “Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ  ｏｆ  ＩｎーＳｉｔｕ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇｒａｉｎ  Ｒｅｆｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ，”  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｅｔａｌｓ，  ｐｐ．１ー６．
Ｃｕｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｗｅｌｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｕｓｉｎｇ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ，”  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ２００７，  ｖｏｌ．  ９，  ｎｏ．  ３，  ｐｐ．  １６１ー１６３．
Ｈａｎ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｇｒａｉｎ  Ｒｅｆｉｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｐｕｒｅ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ，”  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｅｔａｌｓ  ２０１２，  ｐｐ．  ９６７ー９７１．
【００１２】
本発明の以前、米国特許第８，５７４，３３６号および米国特許第８，６５２，３９７号（各特許の内容全体は、参照することにより本願に援用される）において、例えば、超音波装置の近傍において溶融金属槽にパージ用ガスを導入することにより溶融金属槽に溶け込んだ気体（および／または様々な不純物）の量を低減させるための方法が説明された。これらの特許は、それぞれ’３３６特許および’３９７特許とよぶこととする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施形態では、溶融金属の輸送の際に溶融金属に対して接触するレセプタプレートを有する溶融金属コンベアが提供される。レセプタプレートは、溶融金属がレセプタプレートに対して進入する入口から、溶融金属がレセプタプレートから出る出口まで、延長する。溶融金属コンベアは、溶融金属に対して接触するレセプタプレートに直接的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供給源を有する。
【００１４】
本発明の一実施形態では、溶融コンベア上に溶融金属を提供することと、コンベア内の冷却通路またはコンベアに取り付けられた冷却通路を通って流れる冷却媒体を制御することにより溶融金属を冷却することと、コンベア上の溶融金属に対して接触するレセプタプレートに直接的に振動エネルギーを結合することと、を含む、金属製品を形成するための方法が提供される。
【００１５】
本発明に関する上記の全般的な説明、および、以下の詳細な説明の両方が、例示的であるが、本発明を制限するものではないことが、理解されるべきである。
【００１６】
本発明に関するより完全な理解と、付随する利点の多数と、が容易に得られるであろう。なぜなら、これらは、以下の添付の図面と併せて考察されたときに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である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る連続鋳造装置の概略図である。
【図２】振動プレートの長手方向長さに沿って取り付けられた複数の磁歪トランスデューサを有する溶融金属コンベアの概略図である。
【図３】振動プレート５４に取り付けられた圧電超音波トランスデューサを有する溶融金属コンベアの概略図である。
【図４】２次元アレイにおいて振動プレートの底部に取り付けられた複数のトランスデューサの概略図である。
【図５】溶融金属を吐出する振動プレートの端部においてより高い密度で振動プレートの底部に取り付けられた複数のトランスデューサの概略図である。
【図６Ａ】冷却媒体がその中を流れるための内部流路を示す、金属コンベアの側面図である。
【図６Ｂ】本発明に係る金属コンベア／注湯装置を示す図である。
【図７】鋳型ホイールにおいて溶融金属処理装置を利用する本発明の一実施形態に係る鋳型ホイール構成の概略図である。
【図８】鋳型ホイール内の溶融金属鋳物に対して直接的に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係る鋳型ホイール構成の概略図である。
【図９】本発明の振動エネルギー供給源を利用する固定鋳型の概略図である。
【図１０Ａ】垂直鋳造装置の選択された構成要素の概略断面図である。
【図１０Ｂ】垂直鋳造装置の他の構成要素の概略断面図である。
【図１０Ｃ】垂直鋳造装置の他の構成要素の概略断面図である。
【図１０Ｄ】垂直鋳造装置の他の構成要素の概略断面図である。
【図１１】超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の両方を利用する本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図１２】ここで示される制御のための例示的なコンピュータシステムおよび制御器の概略図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る方法を示すフローチャートである。
【図１４】ＡＣＳＲワイヤ処理フローチャートである。
【図１５】ＡＣＳＳワイヤ処理フローチャートである。
【図１６】アルミニウム帯状細片処理フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
金属および合金の結晶粒微細化は、インゴット鋳込み速度の最大化、熱間割れに対する耐性の改善、元素偏析の最少化、機械的特性（特に延性）の向上、錬鉄製品の仕上げ特性の改善ならびに鋳型充填特性の向上、および、鋳造合金の多孔率の低減化を含む多数の理由のために重要である。通常、結晶粒微細化は、金属または合金製品、特にアルミニウム合金およびマグネシウム合金を製造するための第１の処理ステップのうちの１つである。アルミニウム合金およびマグネシウム合金は、航空業界、防衛業界、自動車業界、建築業界、および包装業界における使用が増加しつつある軽量材料のうちの２つである。結晶粒微細化は、柱状結晶粒を取り除き等軸結晶粒を形成することにより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】
結晶粒微細化は、合金を鋳造可能にするために、および、欠陥生成を軽減するために、固相の結晶サイズが化学的、物理的、または機械的手段のいずれかにより縮小される凝固処理ステップである。現在は、アルミニウム製品はＴＩＢＯＲを使用して結晶粒微細化され、それにより、凝固されたアルミニウム中に等軸結晶粒構造が形成される。本発明の以前では、不純物または化学的「結晶粒微細化剤」の使用が、金属鋳造業界において長く認識された金属鋳造中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。加えて、本発明の以前は、１）鋳造以前に溶融金属から不純物を除去するための超音波脱ガスと、２）上述の超音波結晶粒微細化（すなわち、少なくとも１つの振動エネルギー供給源）と、の組み合わせは着手されたことがなかった。
【００２０】
しかし、ＴＩＢＯＲの使用と、融解物に対して結晶粒微細化剤が入力されることに起因する機械的制約と、がコストの増大化に関連付けられている。これらの制約のうちのいくつかは、延性、機械加工性、および電気伝導性を含む。
【００２１】
係るコストにも関わらず、合衆国内で生産されたアルミニウムのおよそ６８％が、シート、プレート、押し出し、またはホイールへとさらに処理される前に最初にインゴットに注がれる。直接チル（ＤＣ）半連続鋳造処理および連続鋳造（ＣＣ）処理が、主にその堅牢性および比較的簡素性のために、アルミニウム業界の主力となってきた。ＤＣおよびＣＣ処理の１つの問題は、インゴット凝固の際に、熱間割れまたは亀裂が形成されることである。基本的に、結晶粒微細化を使用しないかぎり、すべてのインゴットには亀裂が生じる（または鋳造不能）となるであろう。
【００２２】
依然として、これらの現代的処理の生産速度は亀裂形成を回避するための条件により制限される。結晶粒微細化は、合金の熱間割れ傾向を低減させ、したがって、生産速度の向上を図るための、効果的な方法である。結果的に、相当量の努力が、可能なかぎり小さい粒径の生産が可能である強力な結晶微細化剤の開発に注がれてきた。結晶粒サイズがミクロン以下のレベルまで縮小可能となった場合には超塑性が達成可能となり、それにより、今日においてインゴットが処理されるよりも、はるかに速い速度で合金の注湯が可能となるばかりではなく、より低い温度、かつ、はるかに速い速度での圧延／押し出し成型も可能となり、その結果として、コスト面およびエネルギー面での顕著な削減が達成される。
【００２３】
現在、世界において１次スクラップ（およそ２００億ｋｇ）または２次および内部スクラップ（２５０億ｋｇ）のいずれかから鋳造される、ほぼすべてのアルミニウム鋳造は、直径がおよそ数ミクロンの不溶性ＴｉＢ２核の不均質核を用いて結晶粒微細化され、それによりアルミニウム中において微細な粒状組織が核生成される。化学的結晶粒微細化剤の使用に関する１つの問題は結晶粒微細化能力が限定されることである。実際、化学的結晶粒微細化剤の使用により、およそ２，５００μｍを越える直線結晶粒寸法を有する柱状構造から２００μｍより小さい等軸結晶粒へのアルミニウム結晶粒サイズの縮小化が制限される。アルミニウム合金における１００μｍの等軸結晶粒が市販の化学的結晶粒微細化を使用して獲得可能である限界であるように見受けられる。
【００２４】
結晶粒サイズの縮小化がさらに可能であるならば生産性の顕著な向上が可能である。ミクロン以下レベルの結晶粒サイズは超塑性をもたらし、係る超塑性により、室温におけるアルミニウム合金の形成が、より容易となる。
【００２５】
化学的結晶粒微細化剤の使用に関する他の問題は結晶粒微細化剤の使用に関連付けられた欠陥生成である。先行技術では結晶粒微細化に対して必要とみなされてきたが、不溶性の異質な粒子は、アルミニウムにおいては、特に粒子凝集物（「クラスタ」）の形成において、むしろ望ましくない。現在の結晶粒微細化剤は、アルミニウム系母合金中における化合物の形態で存在し、複雑な一連の採鉱過程、選鉱過程、および製造過程により生産される。現在頻繁に使用される母合金は、フッ化カリウムアルミニウム（ＫＡＩＦ）塩およびアルミニウム酸化物不純物（ドロス）を含み、これらはアルミニウム結晶粒微細化剤の従来の製造過程から生じる。これらは、アルミニウムにおける局所的欠陥（例えば飲料缶における「飲み口」および薄箔における「微小穴」）、機械加工摩耗、および、アルミニウムにおける表面処理問題を発生させる。アルミニウムケーブル企業のうちの１企業からの１つのデータによれば、製造上の欠陥のうちの２５％はＴｉＢ２粒子凝集物に起因するものであり、欠陥のうちの残りの２５％は鋳造過程の際にアルミニウムに取り込まれるドロスに起因することが示されている。ＴｉＢ２粒子凝集物は、押出成形の際に、特にワイヤの直径が８ｍｍ未満である場合には、しばしばワイヤを破断させる。
【００２６】
化学的結晶粒微細化剤の使用に関する他の問題は結晶粒微細化剤のコストである。これは、Ｚｒ結晶粒微細化剤を使用するマグネシウムインゴットの生産に対しては特に成り立つ。Ｚｒ結晶粒微細化剤を使用する結晶粒微細化は、製造されるＭｇ鋳造品の１キログラムにつき約１ドルの過剰なコストがかかる。アルミニウム合金に対する結晶粒微細化剤は１キログラムあたりおよそ１．５０ドルである。
【００２７】
化学的結晶粒微細化剤の使用に関する他の問題は電気伝導率の低下である。化学物質結晶粒微細化剤の使用により、過剰な量のＴｉがアルミニウム中に導入され、ケーブル用途に対して純粋なアルミニウムの電気伝導率が実質的に低下してしまう。特定の伝導率を維持するために、様々な企業は、ケーブルおよびワイヤを作るためにより純粋なアルミニウムを使用するにあたり、過剰な金額を支払うことを余儀なくされる。
【００２８】
化学的方法に加えて、いくつかの他の結晶粒微細化方法が過去の世紀において探究されてきた。これらの方法は、物理的な場（例えば、磁場、電磁場）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。高強度および低振幅の超音波振動は、異種の粒子を使用することなく金属および合金の結晶粒微細化に対して示されてきた物理的／機械的機構のうちの１つである。しかし実験結果（例えば上述のＣｕｉら、２００７などの）は、短い時間的期間の超音波振動が印加された数ポンドまでの小型インゴットにおいて得られたものである。高強度超音波振動を使用するＣＣまたはＤＣ鋳造インゴット／ビレットに関する結晶粒微細化に対してはほとんど努力が成されていない。
【００２９】
本明細書で使用される本発明の様々な実施形態は、当業者の研究を提示するために当業者により一般的に用いられる用語を使用して説明されるであろう。これらの用語は、材料科学、冶金学、金属鋳造、および金属処理の分野の当業者により理解される一般的な意味に一致する。さらに専門的な意味を取るいくつかの用語については、以下の実施形態において説明する。それにも関わらず、「〜よう構成された」という用語は、（本明細書で例示されるか、または既知であるか、または当該技術から暗示的である）適切な構造体が、「〜」の箇所で示される機能を、係る構造体の物体が実行することを可能にすることを示すものとして、本明細書では理解される。「〜に連結された」という用語は、第２の物体に連結された１つの物体が、第１の物体および第２の物体が一緒に直接的に取り付けられているか否かに関わらず、第１の物体を第２の物体に対して定位置に支持（例えば、当接する、取り付けられる、互いに対して着脱可能である、互いから取り外し可能である、一緒に固定される、摺動接触状態にある、回転接触状態にある、など）するにあたり必要な構造を有することを意味する。
【００３０】
Ｃｈｉａらに付与された米国特許第４，０６６，４７５号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には、連続鋳造過程が記載されている。全般に、図１には、回転鋳型リング１３上に含まれた周辺溝部に溶融金属漕を誘導する注湯口１１に溶融金属を供給する送達装置１０（例えばタンディッシュなど）を有する鋳造装置２を有する連続鋳造システムが示されている。エンドレス可撓性金属バンド１４は、鋳型リング１３に設けられた溝部および覆い被さる金属バンド１４により連続鋳造鋳型が画成されるよう、鋳型リング１３の一部と一連のバンド位置決めローラ１５の一部との両方を周回する。装置を冷却し、かつ、回転鋳型リング１３上で溶融金属が輸送される際に溶融金属の凝固を制御するための、冷却システムが提供される。冷却システムは、鋳型リング１３の側面上に配置された複数の側面ヘッダ１７、１８、および１９と、金属バンド１４が鋳型リングを周回する位置においてそれぞれ金属バンド１４の内側側面上および外側側面上に配置された内側バンドヘッダ２０および外側バンドヘッダ２１と、を含む。装置の冷却および溶融金属の凝固速度が制御されるよう、様々なヘッダに対して冷媒を供給および排出するために、好適なバルブを有する導管ネットワーク２４が接続されている。
【００３１】
係る構成により、溶融金属は、注湯口１１から鋳造鋳型に供給され、冷媒が冷却システムを通して循環されることにより、溶融金属が輸送される際に凝固され部分的に冷却される。固体の鋳造棒２５は鋳型ホイールから引き出され、鋳造棒を圧延機２８に搬送するコンベア２７に供給される。鋳造棒２５は、鋳造棒２５を凝固させるにあたり十分な量のみしか冷却されず、鋳造棒２５は、鋳造棒２５に対して圧延操作がただちに実施可能である高温状態に維持されていることが留意されるべきである。圧延機２８は直列配列の圧延スタンドを含み得る。これらの圧延スタンドは鋳造棒を連続的な長さの線材３０へと連続的に圧延する。なお線材３０は実質的に均一な円形断面を有する。
【００３２】
図１には、より詳細に以下で説明されるように、本明細書で図示される連続鋳造システムの様々な部分を制御する制御器５００が示されている。制御器５００は、連続鋳造システムおよび係るシステムの構成要素の動作を制御するようプログラムされた命令（すなわちアルゴリズム）を有する１つまたは複数のプロセッサを含み得る。
【００３３】
Ｈａｎらに付与された米国特許第９，４８１，０３１号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には、その長手方向長さに沿って溶融金属を受容および輸送するための溶融金属格納構造体を含む溶融金属処理装置が記載されている。この装置は、液体媒体をその中に通すための冷却チャネルを含む格納構造体のための冷却ユニットと、超音波が、冷却チャネル中の液体媒体を、および、溶融金属格納構造体を、通して、溶融金属に結合されるよう、冷却チャネルに対して配置された超音波プローブと、をさらに含んだ。
【００３４】
’０３１特許に記載されているように、超音波プローブは、液体媒体を通して、および、液体金属が供給される溶融金属格納構造体の底部プレートを通して、超音波振動（ＵＶ）を提供した。’０３１特許では、超音波プローブは液体媒体通路に挿入された状態で示された。’０３１特許に記載のように、チャネルの底部における比較的少量の過冷却（例えば摂氏１０度より低い）により、より純粋なアルミニウムの小さい核の層が形成される。チャネルの底部からの超音波振動は純粋なアルミニウムの核を形成し、次に、その純粋なアルミニウム核が凝固の際に造核剤として使用され、その結果、均一な結晶粒構造がもたらされる。’０３１特許に記載のように、チャンネルの底部からの超音波振動は、これらの核を分散させ、過冷却層に形成されたデンドライトを分裂させる。次に、これらのアルミニウムの核およびデンドライトの断片は、凝固の際に鋳物中に等軸結晶粒を形成するために使用され、その結果、均一な結晶粒構造がもたらされる。
【００３５】
本発明の一実施形態では、超音波結晶粒微細化は、結晶粒サイズの微細化のために超音波エネルギー（および／または他の振動エネルギー）の印加を含む。本発明はいかなる特定の理論にも拘束されるものではないが、１つの理論は、溶融合金または凝固する合金に振動エネルギー（例えば超音波出力）が注入されることにより、非線形性効果（例えばキャビテーション、音響ストリーミング、および放射圧）が発生し得るという理論である。これらの非線形性効果は、新しい結晶粒を核生成し、合金の凝固過程においてデンドライトの破断のために使用可能である。
【００３６】
この理論に基づいて、結晶粒微細化過程は、２つの段階、すなわち、１）核生成、および、２）液体から新しく形成された固体の成長、に分割され得る。球形核はこの核生成段階において形成される。これらの核は成長段階においてデンドライトに成長する。デンドライトが単一方向に成長した場合には柱状結晶粒が形成され、熱間割れ／亀裂と、２次相の不均一な分布と、がもたらされる可能性が生じる。その結果、可鋳性が低下することとなり得る。一方、デンドライトが全方向に均一に成長した（本発明を用いた場合、可能である）場合には、等軸結晶粒が形成される。微細でかつ等軸性を有する結晶粒を含む鋳物／インゴットは優れた成形性を有する。
【００３７】
この理論のもとで、合金中の温度が液相線温度より低い場合には、固体の幼核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ときに核生成が生じ得る。
【数１】
2020510537.tif 000003
式中、ｒ＊は臨界サイズであり、σｓｌは固液界面に関連付けられた界面エネルギーであり、ΔＧＶは単位体積の液体が固体に変化することに関連付けられたギブス自由エネルギーである。
【００３８】
この理論のもとでは、固体幼核のサイズがｒ＊よりも大きい場合、ギブス自由エネルギーΔＧは固体幼核のサイズが大きくなるにつれて小さくなる。これは固体幼核の成長が熱力学的に望ましいことを示す。係る理論のもとでは、固体幼核は安定的な核となる。しかし、ｒ＊より大きいサイズを有する固相は、溶融金属における大規模な過冷却を要求する極端な条件下でのみ、均一な核生成を生じる。
【００３９】
この理論のもとでは、凝固の際に形成される核は、デンドライトとして知られる固体結晶粒に成長することが可能である。デンドライトは、振動エネルギーの印加により、複数の微細な断片に分裂されることも可能である。このようにして形成されたデンドライト片は新しい結晶粒に成長し、小さい結晶粒が形成される。このようにして等軸結晶粒構造が作られる。
【００４０】
換言すると、過冷却された液体金属に伝達される超音波振動により金属または金属合金中に核生成部位が作られ、それにより結晶粒サイズが微細化される。核生成部位は、デンドライトを分裂させるよう上記のように作用する振動エネルギーを介して、生成されることが可能である。それにより、異種の不純物に依存しない多数の核が溶融金属中に作られる。
【００４１】
ここで、本発明の一実施形態では、超音波装置は、排他的に、冷却チャネル内の液体媒体を通して、次に、溶融金属格納構造体の底部プレートを通して、溶融金属に結合された超音波を有するよう、構成されない。代替的に、この実施形態では、超音波は、溶融金属に対して接触するプレートまたはレセプタに対して直接的に結合される。
【００４２】
１つまたは複数の磁歪超音波装置が、溶融金属を輸送する際に溶融金属に接触するプレートまたはレセプタに対して直接的に取り付けられ得る。レセプタプレートは、溶融金属がレセプタプレートに対して進入する入口から、溶融金属がレセプタプレートから出る出口まで、長手方向に延長し得る。実際、図２には、振動（超音波）プレート５４の長手方向長さに沿って取り付けられ、かつ、振動（超音波）プレート５４の長手方向長さに沿って均等に離間された、複数の磁歪トランスデューサ５２を有する溶融金属コンベア５０（側面壁部が図示されず）が示されている。トランスデューサ５２は必ずしも均等に離間される必要はない。さらに、これらのトランスデューサは、プレート５４の幅の方向に横方向の分離が存在する状態で離間されてもよい。図２には、プレート５４の上方に溶融金属５３の表面が示されている。プレート５４の上方を移動する溶融金属は、長方形、正方形、または円形を含む任意の形状のフローチャネル内に閉じ込められ得る。
【００４３】
本発明の一実施形態では、プレート５４の上方を移動する溶融金属の厚さは、一実施形態では、１０センチメートルより小さい厚さである。この実施形態では、溶融金属の厚さは１センチメートルより小さい値であり得る。代替的に、溶融金属の厚さは０．５センチメートルより小さい値であり得る。
【００４４】
したがってレセプタプレート５４は、長手方向長さに等しいかもしくは長手方向長さよりも小さい横方向幅を有してもよく、または、横方向幅は長手方向長さの半分に等しいかもしくは長手方向長さの半分よりも小さくてもよく、または、長手方向長さの１／３に等しいかもしくは長手方向長さの１／３より小さくてもよい。例えば、レセプタプレート５４は、２．５ｃｍ〜３００ｃｍの範囲の横方向幅を有し得る。例えばレセプタプレート５４の長さは、２．５ｃｍ〜３００ｃｍの範囲であり得る。さらにレセプタプレート５４は、出口に向かって徐々に幅が小さくなる横方向幅を有し得る。一実施形態におけるレセプタプレート５４の寸法は、他の寸法も使用可能であるが、最大で２２０ｃｍの幅および７０ｃｍの長さ（ただしこの値に限定されない）まで変動し得る。これらの寸法は、２２０ｃｍの長さおよび７０ｃｍの幅に反転され得る。
【００４５】
さらに、レセプタプレート５４は、重力により溶融金属が出口へと付勢される状態で、略水平方向（２０度の範囲内）から略垂直方向（２０度の範囲内）までの広い範囲の角度位置にわたり配置され得る。さらに詳細には、レセプタプレート５４は、重力により溶融金属が出口へと付勢される状態で、水平方向から１０度（または５度）の範囲内に配置され得る。代替的に、レセプタプレート５４は、重力により溶融金属が出口へと付勢される状態で、垂直方向から１０度（または５度）の範囲内に配置され得る。溶融金属がその上で搬送（または流）されるプレートの表面は、滑らかな状態、磨かれた状態、粗い状態、隆起がある状態、凹みがある状態、および／または、テクスチャがある状態であり得る。代替的にレセプタプレート５４は、水平（または略水平）から垂直（または略垂直）の範囲の任意の角度位置に配置され得る。振動プレートが、水平注湯システムにおいて、または下方吐出の場合において、鋳造鋳型に添付されたとしても、この広い角度範囲は、溶融金属がレセプタプレート５４に沿って搬送されることを可能にする。
【００４６】
本発明の一実施形態では、レセプタプレート上への溶融金属の注湯速度、および／または、レセプタプレート上での溶融金属の冷却速度のうちの少なくとも１つを制御する制御器（例えば制御器５００）が含まれる。制御器は、溶融金属のレセプタプレート上方における高さが、１．２５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲、または２．５ｃｍ〜５ｃｍの範囲、または３ｃｍ〜４ｃｍの範囲となるように、注湯速度を調整するようプログラムされると好適である。溶融金属がレセプタプレート５４に沿ってシート状に流れるため、レセプタプレート５４から誘導および放出される核は、レセプタプレート５４の直上にある溶融金属の体積中に均等分散され得る。レセプタプレートの表面エリアが、核が生成するために利用可能であるエリアとしてみなされるならば、溶融金属がシート状の形状を有することは、レセプタプレート５４の直上にある金属の体積の全体にわたって溶融金属をより完全に冷却するようにも機能するであろう。この全域にわたる冷却が達成されないならば、放出された核は、溶融金属に再溶融し、全個数の核が鋳型または鋳型ホイールに流れ込むことになるため、損失となり得る。したがって、制御器５００が溶融金属のレセプタプレート５４上における高さを制御することにより、単位体積あたりより多量の核が生成され、かつ、再溶融に起因する核の損失がより少ないという点で、シート状の溶融金属を使用したときに相乗作用が存在する。
【００４７】
溶融金属コンベア５０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、他の高温材料、セラミック、複合材料、またはポリマーなどの金属から作られ得る。溶融金属処理装置５０の構成要素は、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、鉄鋼、モリブデン、モリブデン合金、ステンレス鋼、およびセラミックのうちの１つまたは複数から作られ得る。セラミックは、窒化ケイ素セラミック（例えば窒化ケイ素アルミナまたはサイアロン）であり得る。
【００４８】
図２には図示されないが、磁歪トランスデューサ５２は、１束の磁気層の周りに巻き付けられた内部コイルを有する。このコイルは、高周波数磁場を発生させる高周波数電流を提供する。この高周波数磁場は、磁気層の束の抽出および圧縮を誘導し、それによりプレート５２に対して振動が刻印される。
【００４９】
磁歪トランスデューサは通常、多数の材料プレートからなり、これらの材料プレートは電磁場が印加されると収縮する。さらに詳細には、本発明に対して好適である磁歪トランスデューサは、一実施形態では、多数のニッケル（または、その他の磁歪物質の）プレートまたは積層物を含む。なお、これらのプレートまたは積層組織は、振動されるべき処理容器の底部または他の表面に取り付けられた各積層物の１つの縁部に対して平行に配置される。磁場を提供するために、ワイヤのコイルが磁歪物質の周りに配置される。例えば、ワイヤのコイルに電流が供給されると磁場が作られる。この磁場により、磁歪物質は収縮させられ、それにより、収縮する磁歪物質に対して接触する流体中に音波が導入される。本発明に対して好適である磁歪トランスデューサから発する通常の超音波周波数は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も使用されることが可能である。
【００５０】
磁歪トランスデューサに対して、ニッケルが、最も使用される物質のうちの１つである。トランスデューサに電圧が印加されると、ニッケル物質は超音波周波数で収縮する。本発明の一実施形態では、ニッケルプレートはステンレス鋼プレートに対して直接的に銀ロウ付けされる。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プレートは、超音波周波数で振動する表面であり、かつ、（図２において示されているように）振動（超音波）プレート５４に取り付けられた表面である。
【００５１】
米国特許第７，４６２，９６０号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には、巨大な磁歪素子を有する超音波トランスデューサ駆動器が記載されている。したがって本発明の一実施形態では、磁歪素子は、例えば鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、およびニッケル（Ｎｉ）などの、前期遷移金属と比較して並外れて大きい磁歪効果を有する、ＴｅｒｆｅｎｏｌーＤなどの希土類合金性の物質、およびその複合物から作られ得る。代替的に、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）から作られてもよい。
【００５２】
代替的に、本発明の一実施形態における磁歪素子は、以下の合金、すなわち、鉄およびテルビウムの合金、鉄およびプラセオジミウムの合金、鉄、テルビウム、およびプラセオジミウムの合金、鉄およびジスプロシウムの合金、鉄、テルビウム、およびジスプロシウムの合金、鉄、プラセオジミウム、およびジスプロシウムの合金、鉄、テルビウム、プラセオジミウム、およびジスプロシウムの合金、鉄およびエルビウムの合金、鉄およびサマリウムの合金、鉄、エルビウム、およびサマリウムの合金、鉄、サマリウム、およびジスプロシウムの合金、鉄およびホルミウムの合金、鉄、サマリウム、およびホルミウムの合金、または、これらの混合物のうちの１つまたは複数から作られ得る。
【００５３】
米国特許第４，１５８，３６８号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には磁歪トランスデューサが記載されている。米国特許第４，１５８，３６８号において記載され、かつ、本発明に対して好適である、磁歪トランスデューサは、ハウジング内に配置された負の磁歪を示す物質のプランジャを含み得る。米国特許第５，５８８，４６６号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には磁歪トランスデューサが記載されている。米国特許第５，５８８，４６６号において記載され、かつ、本発明に対して好適である、磁歪層が、可撓性要素（例えば可撓性を有する梁）に貼り付けられる。可撓性要素は外部の磁場により湾曲される。’４６６特許に記載され、かつ、本発明に対して好適である、薄い磁歪層は、Ｔｂ（１ーｘ）Ｄｙ（ｘ）Ｆｅ２からなる磁歪素子に対して使用されることが可能である。米国特許第４，５９９，５９１号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には磁歪トランスデューサが記載されている。米国特許第４，５９９，５９１号に記載され、かつ、本発明に対して好適である、磁歪トランスデューサは、磁歪物質と、磁歪物質内に回転する磁気誘導ベクトルを確立する位相関係を有する複数の電流源に対して接続された複数の巻線と、を利用し得る。米国特許第４，９８６８０８号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には磁歪トランスデューサが記載されている。米国特許第４，９８６８０８号において記載され、かつ本発明に対して好適である、磁歪トランスデューサは複数の磁歪物質の長尺帯状物を含み得る。なお各帯状物は、近位端部と、遠位端部と、実質的にＶ字形状の断面と、を有し、Ｖ字の各アーム部は、一定の長手方向長さの細片により形成され、各細片は、近位端部および遠位端部の両方において、隣り合う細片に接合され、それにより、中心軸を有し、かつ、この中心軸に対して径方向に延長するフィンを有する、一体化された実質的に剛性の柱状体が形成されている。
【００５４】
米国特許第６，１５０，７５３号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には、少なくとも１つの平坦壁部区域を有するコバルト基合金ハウジングと、平坦壁部区域に装着された少なくとも１つの超音波トランスデューサであって、超音波振動力をハウジングの平坦壁部区域に印加するよう動作可能に構成された超音波トランスデューサと、を有する、超音波トランスデューサ組立体が記載されている。超音波トランスデューサをステンレス鋼プレートに取り付ける方法を説明する背景資料および’７５３特許の両方が、トランスデューサ５２／５６と、振動（超音波）プレート５４と、の間に機械的に安定な結合を形成するために、本発明において使用され得る。例えば、インディアナ州コーコモーのＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から入手可能であるＵＬＴＩＭＥＴ（登録商標）ブランドの合金がその一例として挙げられる。ＵＬＴＩＭＥＴ（登録商標）は、本発明に対して好適であるコバルトクロム合金である。この合金は、以下の、すなわち、コバルト（５４％）、クロム（２６％）、ニッケル（９％）、モリブデン（５％）、タングステン（２％）、および鉄（３％）の、公称化学組成（重量パーセント）を有する。この合金は、微量（１重量パーセント未満）のマンガン、シリコン、窒素、および炭素も含む。
【００５５】
米国特許第５，２４７，９５４号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）には、摂氏２５０度を越えない圧電セラミックトランスデューサを結合する方法が記載されている。この方法は、トランスデューサ５２／５６と振動（超音波）プレート５４との間に機械的に安定な結合を形成するために、本発明において使用され得る。例えば低温ブレージング合金が、銀メッキされた圧電セラミックトランスデューサとプレート５４の事前金属化された表面との間を結合するために使用される。このはんだは、予成形された９６．５％のスズおよび３．５％の銀であり、摂氏２２１度で溶融し得る。係るはんだは、低温はんだを適用する以前にプレート５４の表面上に接着された銀および銀／タングステンの表面に固着するであろう。次に圧電セラミックトランスデューサは、摂氏２３０度で稼働中の炉内でプレート５４に取り付けられるであろう。
【００５６】
本発明の一実施形態では、１つまたは複数の圧電超音波装置が、溶融金属に接触するプレートまたはレセプタに対して直接的に取り付けられる。図３には、振動（超音波）プレート５４に取り付けられた１つの圧電超音波トランスデューサ５６を、この図示では、有する溶融金属コンベア５０（側面壁部は図示されない）が図示されている。この実施形態では、プレートに供給される超音波出力を増強するためにブースタ５８を使用すると好適である（しかし、必ずしも必要ではない）。
【００５７】
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、電気接続のための取付ポイントを提供する電極間に挟まれたセラミック物質から形成され得る。電圧が電極を通してセラミックに印加されると、セラミックは超音波周波数で収縮する。本発明の一実施形態では、振動エネルギー供給源４０として機能する圧電トランスデューサはブースタに取り付けられ、このブースタにより振動がプローブに伝達される。米国特許第９，０６１，９２８号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）では、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組立体が記載されている。’９２８特許に記載の超音波ブースタは、超音波トランスデューサにより生成された音響エネルギーを増幅し、かつ、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ために、超音波トランスデューサに接続される。’９２８特許のブースタ構成は、上記の液体冷却媒体に対して直接的または間接的に接触する超音波プローブに対してエネルギーを提供するにあたり、本発明において有用であり得る。
【００５８】
実際、本発明の一実施形態では、超音波ブースタは超音波の分野では圧電トランスデューサにより作られた振動エネルギーを増幅または増強するために使用される。ブースタにより、振動の周波数は増減せず、振動の振幅が増大される。（ブースタが逆方向に設置された場合、ブースタは振動エネルギーを減少させ得る。）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に接続される。超音波結晶粒微細化のためにブースタを使用する場合、以下は、圧電振動エネルギー供給源とともにブースタを使用することを例示する代表的ないくつかの方法ステップである。
１）電流が圧電トランスデューサに供給される。電流が供給されるとトランスデューサ内のセラミック片は収縮する。これにより電気的エネルギーが機械的エネルギーに変換される。
２）次にこれらの振動は、一実施形態では、ブースタに伝達され、ブースタにより機械的振動か増幅または増強される。
３）次に、ブースタからの増幅または増強された振動は、一実施形態では、プローブに伝搬される。次にプローブが超音波周波数で振動し、このようにしてキャビテーションが作られる。
４）振動プローブからのキャビテーションは鋳造バンドに衝撃を与える。鋳造バンドは、一実施形態では、溶融金属に対して接触する。
５）キャビテーションは、一実施形態では、デンドライトを分裂させ、等軸結晶粒構造が作られる。
【００５９】
図３の実施形態では、図示しないが、係るトランスデューサが、振動（超音波）プレート５４の長手方向長さに沿って取り付けられ、かつ、振動（超音波）プレート５４の長手方向長さに沿って均等に離間された状態で、２つ以上の超音波トランスデューサ５６が存在し得る。上述のように、トランスデューサ５６は必ずしも均等に離間される必要はない。さらに、これらのトランスデューサ５６は、プレート５４の幅の方向に横方向の分離が存在する状態で離間されてもよい。
【００６０】
図４には、２次元アレイにおいて振動プレート５４の底部に取り付けられた複数のトランスデューサ５２／５６が図示されている。取り付けパターンは必ずしも（図示のような）規則的な格子パターンになる必要はない。例えば、取り付けパターンは不規則的な状態で離間され得る。代替的に、取り付けパターンは、より高い密度のトランスデューサ５２／５６が溶融金属を受容する振動プレート５４の端部に存在する状態であってもよく、または、より高い密度が溶融金属を吐出する端部に存在する状態であってもよい。図５には、より高い密度が溶融金属を吐出する端部に存在する状態で２次元アレイにおいて振動プレート５４の底部に取り付けられた複数のトランスデューサ５２／５６が図示されている。図５には、トランスデューサがレセプタプレートの長さに沿って対角線構成で配置され得ることも示されている。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振動器を用いて印加される。機械的に駆動される振動器は、上記のトランスデューサ５２／５６の任意の１つまたは全部と交換されるであろう。
【００６１】
本発明に対して有用である機械的振動器は、より高い周波数またはより低い周波数も使用可能であるが、毎分８，０００〜１５，０００回の振動で動作することが可能である。本発明の一実施形態では、振動機構は毎秒５６５〜５，０００回の振動で振動するよう構成される。本発明の一実施形態では、振動機構は、毎秒数分の一回の振動というさらに低い値から、毎秒５６５回の振動という高い値までの周波数で振動するよう構成される。本発明に対して好適である機械的に駆動される振動の範囲は、例えば、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、および、毎分１５，０００〜２５，０００回の振動を含む。文献報告からの本発明に対して好適である機械的に駆動される振動の範囲は、例えば、１３３〜２５０Ｈｚの範囲、２００Ｈｚ〜２８３Ｈｚ（毎分１２，０００〜１７，０００回の振動）の範囲、および４〜２５０Ｈｚの範囲を含む。さらに、鋳型ホイール３０またはハウジング４４を打撃するよう周期的に駆動される簡単なハンマーまたはプランジャ装置により、多様な機械的に駆動される発振が鋳型ホイール３０またはハウジング４４に印加されることが可能である。一般に機械的振動は１０ｋＨｚまでの範囲であり得る。したがって本発明において使用される機械的振動に対して好適である範囲は、０〜１０ＫＨｚ、１０Ｈｚ〜４０００Ｈｚ、２０Ｈｚ〜２０００Ｈｚ、４０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ、１００Ｈｚ〜５００Ｈｚ、および、５６５〜５，０００Ｈｚの好適な範囲を含むこれらの中間ならびに組み合わされた範囲を含む。
【００６２】
使用されるトランスデューサの種類に関わらず、トランスデューサは、プレート５４に対して、機械接触または音響接触の状態で配置され得る。銀ブレージング（または他種類の高温合金）が、トランスデューサハウジングまたはブースタハウジングをプレート５４に接合するために使用され得る。冷却媒体（圧縮空気、水、イオン流体、その他）はプレート５４の内部流路を通って流れ得る。図６Ａは金属コンベア５０の側面図であり、この図面には、プレート５４の厚さの中に配置され、かつ側面壁部６２の下方に配置された、冷却媒体が流れるための内部流路６０が示されている。冷却媒体は、プレートを横切って流れる金属の温度を低下させるために使用される。冷却媒体を通る振動エネルギーの何らかの結合が存在し得るが、振動エネルギーの大部分は、トランスデューサからプレート５４の金属区域を通って溶融アルミニウムへと、直接的に結合される。
【００６３】
本発明の一実施形態では、冷却媒体（圧縮空気、水、イオン流体、その他）はプレート５４の底側面を横切って流れることが可能である。冷却媒体は、プレートを横切って流れる金属の温度を低下させるために使用される。この冷却方法は、プレートの外部にあり、プレート５４の厚さの中に配置され（またはその中に閉じ込められ）ない。ここで１つの事例では、強制空気渦流システムがプレート５４の底側面にわたって気体を吹き込む。
【００６４】
振動プレート５４の厚さは５ｃｍ〜０．５ｃｍの範囲で変動し得る。振動プレート５４の厚さは３ｃｍ〜１ｃｍの範囲で変動し得る。振動プレート５４の厚さは２ｃｍ〜１．５ｃｍの範囲で変動し得る。振動プレート５４の厚さは、その長さまたは幅に沿って必ずしも均一である必要はない。振動プレート５４は、より薄い区域を有し得、この区域は、ダイヤフラムとしての機能がより大きく、振動を増幅させ得る。薄い振動プレートに対しては、冷却は、冷却管をプレート５４および／または側面壁部６２に取り付けることにより、提供され得る。ここではトランスデューサがプレート５４の底部に取り付けられた状態で図示されているが、トランスデューサは側面壁部６２上にも取り付けられてもよく、または代替的に側面壁部６２上に取り付けられてもよい。
【００６５】
本発明の一実施形態では、振動プレート５４は、注湯装置の底部（例えば図１において示される注湯口１１の底部など）であり得る。代替的に、溶融金属コンベア５０は注湯口１１から溶融金属を受け取り、次いで溶融金属を鋳型ホイールに送達し得る。図６Ｂは、本発明に係る金属コンベア／注湯装置５５を示す図である。図６Ｂにおいて示される装置５５には、注湯装置（例えば、図１において示される注湯口１１または図１０において示されるタンディッシュ２４５）は、上述の溶融金属コンベア５０上に溶融金属を送達するよう、構成および配置される。溶融金属は、溶融金属コンベア５０に沿って（例えば重力により）搬送され、溶融金属コンベア５０において溶融金属は冷却および上述の振動エネルギーを受ける。溶融金属コンベア５０から出る溶融金属は多数の核を含み、これらの核は異種不純物に依存しない。
【００６６】
水が好都合な冷却媒体である一方で、他の冷媒も使用可能である。本発明の一実施形態では、冷却媒体は超冷却液体（例えば、摂氏０度〜摂氏ー１９６度であるかまたはそれよりも低い温度の流体であって、氷と液体窒素との間の温度で液体である液体）である。本発明の一実施形態では、超冷却液体（例えば液体窒素など）は超音波または他の振動エネルギー供給源に結合される。その最終的効果は、凝固速度が高くなり、より速い処理が可能となることである。本発明の一実施形態では、ローブ（単数または複数）から流出する冷却媒体は、キャビテーションを作るのみではなく、溶融金属を霧状化および超冷却するであろう。好適な実施形態では、その結果、鋳型ホイールのゾーンにおける熱伝達が大きくなる。
【００６７】
図７において示される本発明の一実施形態では、鋳造装置２は、溶融金属がその中に注湯される（例えば注がれる）格納構造体３２（例えば鋳型ホイール３０に設けられた溝槽またはチャネル）を有する鋳造ホイー３０ａを含む。図７には、溶融金属処理装置３４が所望により含まれる実施形態が示されている。溶融金属処理装置３４は、上記の米国特許出願整理番号第１５／３３７，６４５号（内容全体が、参照されることにより本願に援用される）において説明されている。バンド３６（例えば鉄鋼可撓性金属バンド）は溶融金属を格納構造体３２（すなわち、チャネル）内に閉じ込める。溶融金属が鋳型ホイールのチャネル内で凝固し、溶融金属処理装置３４から離間される方向に搬送される際に、ローラ３８は、溶融金属処理装置３４が、回転する鋳型ホイール上の静止位置に維持されることを、可能にする。
【００６８】
簡略には、溶融金属処理装置３４は鋳型ホイール３０上に装着された組立体４２を含む。組立体４２は、少なくとも１つの振動エネルギー供給源（例えば振動器４０）、振動エネルギー供給源４２を保持するハウジング４４（すなわち支持装置）を含む。組立体４２は、冷媒をその中を通して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４４の下面に取り付けられたシール４４ａによりハウジング４４に対して密閉される。それにより冷却チャネルからの冷却媒体は、鋳型ホイールのチャネル内の溶融金属に対して反対側にある可撓性バンドの側面に沿って流れることが可能となる。
【００６９】
鋳造バンド（すなわち、振動エネルギーの受容体）は、クロム、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、ニッケル、ニッケル合金、レニウム、レニウム合金、鉄鋼、モリブデン、モリブデン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、セラミック、複合材料、または金属もしくは合金、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つまたは複数から作られ得る。
【００７０】
鋳造バンドの幅は２５ｍｍ〜４００ｍｍの範囲であり得る。本発明の他の実施形態では、鋳造バンドの幅は５０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲である。本発明の他の実施形態では、鋳造バンドの幅は７５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲である。
【００７１】
鋳造バンドの厚さは０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり得る。本発明の他の実施形態では、鋳造バンドの厚さは１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。本発明の他の実施形態では、鋳造バンドの厚さは２ｍｍ〜３ｍｍの範囲である。
【００７２】
溶融金属が振動器４０の下方にある金属バンド３６の下方を通過するため、省略可能な溶融金属処理装置３４が利用される場合、金属の冷却および凝固が開始する際に振動エネルギーが追加的に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、例えば圧電素子超音波トランスデューサにより生成される超音波トランスデューサを用いて印加される。本発明の一実施形態では、振動エネルギーは、例えば磁歪トランスデューサにより生成される超音波トランスデューサを用いて付与される。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振動器（後の箇所で説明する）を用いて印加される。一実施形態では、振動エネルギーにより複数の小さい種結晶が形成されることが可能となり、それにより微細な結晶粒金属製品が生成される。振動エネルギーのこれらの供給源は、図２〜図５を参照して上記で説明したものと同一種類の供給源である。
【００７３】
一態様では、鋳型ホイール３０のチャネルは、例えば銅、鉄および鉄鋼、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、および、これらの物質の融点を上昇させることが可能であるシリコン、酸素、または窒素などの１つまたは複数の元素を含むこれらの合金などの耐熱性金属または他の高温物質であり得る。
【００７４】
本発明の一実施形態では、振動エネルギーのための超音波振動の供給源（プレート５４に対する、または溶融金属処理装置３４において使用するための）は２０ｋＨｚにおいて１．５ｋＷの出力を提供する。本発明は、これらの出力および周波数に限定されない。以下の範囲が対象とされるが、むしろ広範囲の出力および超音波周波数が使用されることが可能である。
出力：一般にソノトロードまたはプローブの寸法に応じて、各ソノトロードに対して５０〜５０００Ｗの範囲の出力。これらの出力は通常、ソノトロードの端部における出力密度が１００Ｗ／ｃｍ２よりも高くなることが保証されるよう、ソノトロードに供給される。この値は、溶融金属の冷却速度、溶融金属の種類、および他の要因に応じて、溶融金属中にキャビテーションを発生させるための閾値とみなされ得る。このエリアにおける出力は、５０〜５０００Ｗ、１００〜３０００Ｗ、５００〜２０００Ｗ、１０００〜１５００Ｗの範囲であるか、または任意の中間または重なり合う範囲であり得る。より大きいプローブ／ソノトロードに対してはより高い出力、および、より小さいプローブに対してより低い出力が可能である。本発明の様々な実施形態では、印加される振動エネルギーの出力密度は、１０Ｗ／ｃｍ２〜５００Ｗ／ｃｍ２、もしくは２０Ｗ／ｃｍ２〜４００Ｗ／ｃｍ２、もしくは３０Ｗ／ｃｍ２〜３００Ｗ／ｃｍ２、もしくは５０Ｗ／ｃｍ２〜２００Ｗ／ｃｍ２、もしくは７０Ｗ／ｃｍ２〜１５０Ｗ／ｃｍ２の範囲であるか、またはこれらの範囲の任意の中間もしくは重なり合う範囲であり得る。
周波数：一般に、５〜４００ｋＨｚ（または任意の中間の範囲）が使用され得る。代替的に、１０および３０ｋＨｚ（または任意の中間の範囲）が使用され得る。代替的に、１５および２５ｋＨｚ（または任意の中間の範囲）が使用され得る。印加される周波数は、５〜４００ＫＨｚ、１０〜３０ｋＨｚ、１５〜２５ｋＨｚ、１０〜２００ＫＨｚ、もしくは５０〜１００ｋＨｚの範囲であるか、または、これらの範囲の任意の中間または重なり合う範囲であり得る。
【００７５】
これまでは超音波および機械的に駆動される実施形態について説明してきた（プレート５４に適用可能であるか、または溶融金属処理装置３４における使用のために）が、本発明は、これらの範囲のうちの１つの範囲または他の範囲に限定されるものではなく、単一の周波数供給源および複数の周波数供給源を含む、４００ｋＨｚまでの広いスペクトルの振動エネルギーに対して使用され得る。加えて、供給源（以下に記載される、超音波および機械的に駆動される供給源、または異なる超音波供給源、または、異なる機械的に駆動される供給源、または音響エネルギー供給源）の組み合わせも使用されることが可能である。
【００７６】
本発明の様々な態様
本発明の一態様では、振動エネルギー（毎分８，０００〜１５，０００回の範囲の振動または１０ＫＨｚまでの、および／または、５〜４００ｋＨｚの範囲の超音波周波数における、低周波数の機械的に駆動される振動器からの）が、溶融金属コンベア５０もしくは溶融金属処理装置３４に、またはその両方に、印加され得る。本発明の一態様では、複数の特異的な周波数の振動エネルギーが印加され得る。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（すなわち、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、およびこれらの合金ならびに組み合わせと、真鍮（銅／亜鉛）、青銅（銅／スズ）、鉄鋼（鉄／炭素）、クロマロイ（クロム）、ステンレス鋼（鉄鋼／クロム）、工具鉄鋼（カーボン／タングステン／マンガン、チタン（鉄／アルミニウム）、ならびに、１１００、１３５０、２０２４、２２２４、５０５２、５１５４、５３５６、５１８３、６１０１、６２０１、６０６１、６０５３、７０５０、７０７５、８ＸＸＸシリーズを含む標準化された等級のアルミニウム合金、青銅（上述）を含む銅合金、亜鉛、スズ、アルミニウム、シリコン、ニッケル、銀の組み合わせが混合された銅合金、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、スズ、イットリウム、希土類が混合されたマグネシウム合金、鉄、ならびに、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、スズ、スカンジウムが混合された鉄合金、および、他の合金、および、これらの組み合わせ、を含む金属合金と、を含むがこれらに限定されない、多様な金属合金）に印加され得る。
【００７７】
本発明の一態様では、振動エネルギー（毎分８，０００〜１５，０００回の範囲の振動または１０ＫＨｚまでの、および／または、５〜４００ｋＨｚの範囲の超音波周波数における、低周波数の機械的に駆動される振動器からの）が、プレート５４もしくはバンド３６を通して、またはその両方を通して、それぞれ、溶融金属コンベア５０内の凝固する金属に、または溶融金属処理装置３４の下方の金属に、結合される。本発明の一態様では、５６５〜５，０００Ｈｚの範囲の振動エネルギーが機械的に結合される。本発明の一側面では、振動エネルギーは、毎秒数分の一回の振動というさらに低い値から、毎秒５６５回の振動という高い値までの周波数で振動するよう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〜４００ｋＨｚの範囲の周波数で超音波的に駆動される。
【００７８】
一態様では、冷却媒体は水などの液体媒体であり得る。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り得る。上述のように、強制空気渦流システムが、プレート５４を冷却するためのガスを供給するために使用され得る。一態様では、冷却媒体は相変化物質であり得る。冷却媒体は、バンド３６の近傍における金属が過冷却されるよう充分な速度で提供されると好適である（冷却媒体の温度は、合金の液相線温度を、摂氏５度〜摂氏１０度より小さい値だけ、越える値であってもよく、または液相線温度より低い値であってさえもよい）。
【００７９】
本発明の一態様では、鋳造製品内の等軸結晶粒は、結晶粒の個数を増加させ、かつ、均一な異種混交的凝固を改善するために、ホウ化チタンなどの不純物粒子を金属または金属合金に添加することを必要とすることなく取得される。造核剤の使用に代わって、本発明の一態様では、振動エネルギーが、核生成部位を作るために使用され得る。
【００８０】
動作時、合金の液相線温度よりも実質的に高い温度の溶融金属が、重力により、溶融金属コンベア５０から鋳型ホイール３０のチャネルに流れ込み、所望により溶融金属処理装置３４の下方を通過し、溶融金属処理装置３４の下方で、振動エネルギー（すなわち超音波振動または機械的に駆動される振動）に曝露される。鋳型ホイールのチャネルに流れ込む溶融金属の温度は、とりわけ選択された合金の種類、注湯速度、および鋳型ホイールのサイズに依存する。アルミニウム合金に対して、鋳造温度は、華氏１２２０度〜華氏１３５０度の範囲であり、好適な範囲は、例えば華氏１２２０度〜華氏１３００Ｆ度、華氏１２２０度〜華氏１２８０度、華氏１２２０度〜華氏１２７０度、華氏１２２０度〜華氏１３４０度、華氏１２４０度〜華氏１３２０度、華氏１２５０度〜華氏１３００度、華氏１２６０度〜華氏１３１０度、華氏１２７０度〜華氏１３２０度、華氏１３２０度〜華氏１３３０度であり得る。ただし、重なり合う範囲ならびに中間の範囲、および±華氏１０度の分散も好適である。鋳型ホイール３０のチャネルは、チャネル内の溶融金属が液相線よりも低い温度（例えば、合金の液相線温度を、摂氏５度〜摂氏１０度より小さい値だけ、越える温度であってもよく、または、液相線温度より低い温度でさえもよい。ただし注湯温度は摂氏１０度をはるかに越える温度であり得る）に近くなることが保証されるよう、冷却される。動作時、溶融金属の周囲の雰囲気は、例えば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たシュラウド（図示せず）により制御され得る。鋳型ホイール３０上の溶融金属は通常、溶融金属が液体から固体に変化するサーマルアレストの状態にある。
【００８１】
液相線温度より低い温度に近い過冷却の結果として、凝固速度は、固相・液相境界面を通して平衡が可能となるような充分に低い値ではない。そのため、鋳造棒において組成の変化が生じ得る。化学組成の不均一性により、偏析がもたらされる。加えて、偏析の量は、溶融金属中の様々な元素の拡散係数に、および、熱伝達率に、直接的に関連する。他の種類の偏析は、より低い融点を有する成分が最初に冷凍する場合である。
【００８２】
本発明の超音波的または機械的に駆動される振動の実施形態では、溶融金属が、溶融金属コンベア５０内にあるか、または溶融金属処理装置３４の下方にあるかに関わらず、振動エネルギーにより、溶融金属が冷却する際に、溶融金属が波立てられる。この実施形態では、溶融金属を波立てて効果的に攪拌するエネルギーを有する振動エネルギーが印加される。本発明の一実施形態では、機械的に駆動される振動エネルギーは、溶融金属が冷却される際に、溶融金属を連続的に攪拌するよう作用する。様々な鋳造合金処理では、アルミニウム合金中に高濃度のシリコンを有することが望ましい。しかし、より高いシリコン濃度において、シリコン沈殿が形成し得る。溶融状態に戻るようこれらの沈殿を「再混合」することにより、元素のシリコンは少なくとも部分的に溶液に戻り得る。代替的に、たとえ沈殿が残っていた場合でさえも、混合により、シリコン沈殿が偏析し、それにより、下流側の金属ダイおよびローラにさらなる磨損を生じさせることは、ないであろう。
【００８３】
様々な金属合金システムでは、合金の１つの成分（通常は融点がより高い成分）が純粋な形態で沈殿し、実質上、合金が純粋な成分の粒子で「汚染」された場合と同じ種類の効果が発生する。一般に、合金を鋳造した場合、偏析が発生し、それにより、溶質の濃度は、鋳物の全体で必ずしも一定ではない。これは、様々なプロセスにより生じ得る。デンドライトアーム間隔のサイズに匹敵する距離にわたり生じるミクロ偏析は、最初に形成される固体が最終的な平衡濃度よりも濃度が低く、その結果として、過度の溶質が液体中に分配され、それにより、後に形成された固体がより高い濃度を有することの結果であると考えられる。マクロ偏析は鋳物のサイズと同様の距離にわたり生じる。マクロ偏析は、鋳物が凝固する際の収縮効果、および、溶質が分配される際の液体の濃度における変化に関連する、いくつかの複雑な過程により生じ得る。全体を通して均一な特性を有する固体ビレットが与えられるよう、鋳造の際に偏析を防止することが望まれる。
【００８４】
したがって、本発明の振動エネルギー処理から利益を得るであろういくつかの合金は上述の合金を含む。
【００８５】
図８は、振動プローブ装置８６を特に有する本発明の一実施形態に係る鋳型ホイール構成の概略図である。振動プローブ装置８６は、鋳型ホイール８０中の溶融金属鋳物に対して直接的に挿入されたプローブ（図示せず）を有する。溶融金属は、溶融金属コンベア５０（上述）により鋳型ホイール８０に供給され得る。振動プローブ装置８６のプローブは、超音波脱ガスの分野において周知のものと同様の構成であろう。図８には、ローラ８２がバンド８８を鋳型ホイール８０のリムに対して押圧する様子が示されている。振動プローブ装置８６は、振動エネルギー（超音波または機械的に駆動されるエネルギー）を、鋳型ホイール８０のチャネル（図示せず）中の溶融金属異物に、直接的または間接的に結合する。鋳型ホイール８０が反時計方向に回転するにつれて、溶融金属はローラ８２の下方を通過し、省略可能である溶融金属冷却装置８４と接触する。
【００８６】
この実施形態では、振動エネルギーは、溶融金属が空気またはガスを通して冷却される間、鋳型ホイール８０中の溶融金属に結合され得る。他の実施形態では、音響発振器（例えば音響増幅器）が、音響波を生成し、溶融金属中に伝達するために使用され得る。この実施形態では、上述の超音波または機械的に駆動される振動器は、音響発振器で置き換えられてもよく、または音響発振器により補助されてもよい。本発明に対して好適である音響増幅器は１〜２０，０００Ｈｚの音響振動を提供するであろう。この範囲よりも高いかまたは低い音響振動も使用されることが可能である。例えば、０．５〜２０Ｈｚ、１０〜５００Ｈｚ、２００〜２，０００Ｈｚ、１，０００〜５，０００Ｈｚ、２，０００〜１０，０００Ｈｚ、５，０００〜１４，０００Ｈｚ、および１０，０００〜１６，０００Ｈｚ、１４，０００〜２０，０００Ｈｚ、および１８，０００〜２５，０００Ｈｚの音響振動の使用が可能である。電気音響的トランスデューサが音響エネルギーを生成および伝達するために使用され得る。
【００８７】
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通して溶融金属に直接的に結合され得る。この場合、音響エネルギーは溶融金属を振動させる。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通して溶融金属に間接的に結合され得る。この場合、音響エネルギーは、溶融金属を含むバンド３６または他の支持構造体を振動させ、次にバンド３６または他の支持構造体が溶融金属を振動させる。
【００８８】
本発明は、固定鋳型および垂直型鋳造装置においても利用される。
【００８９】
静止型装置に対しては、溶融金属は、図９において示される静止鋳型６２に注湯されるであろう。なお静止鋳型６２は、この鋳型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。一実施形態では、溶融金属処理装置３４は、溶融金属コンベア５０で置き換えられるか、または溶融金属コンベア５０で補足されるであろう。このように、振動エネルギー（毎分８，０００〜１５，０００回の範囲の振動または１０ＫＨｚまでの、および／または、５〜４００ｋＨｚの範囲の超音波周波数における、低周波数の機械的に駆動される振動器からの）は、溶融金属が溶融状態から冷却を開始し固体状態に入る、静止鋳造における時点（すなわちサーマルアレスト状態）において核生成を誘導し得る。
【００９０】
図１０Ａ〜図１０Ｄには、垂直型鋳造装置の選択された構成要素が図示されている。垂直型鋳造装置のこれらの構成要素および他の側面に関するさらなる詳細は、米国特許第３，５２０，３５２号（内容全体が、参照することにより本願に援用される）に見られる。図面１０Ａ〜図１０Ｄにおいて示されているように、垂直型鋳造装置は溶融金属鋳込み空間２１３を含む。溶融金属鋳込み空間２１３は、図示の実施形態では略正方形であるが、円形、楕円形、多角形、または任意の他の好適な形状であってもよく、鋳型の上部部分に配置された、垂直で、かつ、互いに交差し合う、第１壁部部分２１５と、第２壁部部分またはコーナー壁部部分２１７と、により取り囲まれる。流体保持外囲体２１９は、鋳込み空間の壁部２１５およびコーナー部材２１７を、鋳込み空間の壁部２１５およびコーナー部材２１７から離間された状態で取り囲む。外囲体２１９は、流入導管２２１を介して水などの冷却流体を受容し、流出導管２２３を介して冷却流体を放出するよう、適応される。
【００９１】
第１壁部部分２１５は銅などの高い熱伝導性を有する物質製であると好適であるが、第２壁部部分またはコーナー壁部部分２１７は例えばセラミック物質などのさほど熱伝導性が高くない物質で構築される。図面１０Ａ〜図１０Ｄにおいて示されているように、コーナー壁部部分２１７は略Ｌ字形状または角のある断面を有し、各コーナーの垂直縁部は、下方に、かつ、互いに向かって集まるように、傾斜する。したがってコーナー部材２１７は、横断面間にある鋳型の放出端部の上方における鋳型における何らかの好都合なレベルにおいて終端する。
【００９２】
動作時、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込み、金属の鋳造撚り線が鋳型から連続的に引き出される。溶融金属は、まず、より低温の鋳型壁部に対して接触する時点で冷却される。この鋳型壁部は第１冷却ゾーンとみなされ得る。タンディッシュ２４５は、その構成要素の１部分として、溶融コンベア５０を含んでもよく、または溶融コンベア５０はタンディッシュ２４５と溶融金属鋳込み空間２１３との間に配置されてもよい。熱は、このゾーンにおいて溶融金属から素早く除去され、物質の表面が、溶融金属の中央プールを完全に取り囲んで形成されると考えられる。
【００９３】
本発明の一実施形態では、溶融コンベア５０の振動エネルギー供給源は、金属が固定鋳型に流れ込む以前に、溶融金属中に核を生成させる。本発明の一実施形態では、上述の超音波結晶粒微細化が上記の超音波脱ガスと組み合わされると、金属が鋳造される以前に溶融槽から不純物が除去される。
【００９４】
図１１は、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の両方を利用する本発明の一実施形態を示す概略図である。図１１において示されているように、炉が溶融金属の供給源である。溶融金属はロンダー内で炉から輸送される。本発明の一実施形態では、超音波脱ガス装置は、超音波結晶粒微細化装置（図示せず）を含む鋳造機械（例えば鋳型ホイール）に溶融金属が提供される以前の、ロンダーの経路内に配置される。本発明の一実施形態では、超音波脱ガス装置は、溶融金属が鋳造機械に提供される（例えば鋳型ホイール上に注湯される）以前に、溶融金属コンベア５０に配置される。
【００９５】
以下の特定的な超音波脱ガス装置に限定されるものではないが、’３３６特許では、本発明の異なる実施形態に対して好適である脱ガス装置が説明されている。１つの好適な脱ガス装置は、超音波トランスデューサを有する超音波装置と、第１端部および第２端部を含む長尺プローブであって、第１端部は超音波トランスデューサに取り付けられ、第２端部は先端部を含む、長尺プローブと、パージ用ガス送達システムであって、パージ用ガス流入口およびパージ用ガス流出口を含み得る、パージ用ガス送達システムと、であろう。他の実施形態ではパージ用ガス流出口は長尺プローブの先端部にあってもよいが、いくつかの実施形態ではパージ用ガス流出口は長尺プローブの先端部の約１０ｃｍ（または５ｃｍ、もしくは１ｃｍ）以内であってもよい。加えて超音波装置は１台の超音波トランスデューサあたり複数のプローブ組立体および／または複数のプローブを含み得る。
【００９６】
以下の特定的な超音波脱ガス装置に限定されるものではないが、’３８７特許では、本発明の異なる実施形態に対してまた好適である脱ガス装置が説明されている。１つの好適な脱ガス装置は、超音波トランスデューサを有する超音波装置と、超音波トランスデューサに取り付けられたプローブであって、先端部を含む、プローブと、ガス流入口、プローブを通るガス経路、およびプローブの先端部に設けられたガス流出口を含むガス送達システムと、であろう。一実施形態では、プローブは、第１端部および第２端部を含む長尺プローブであって、第１端部は超音波トランスデューサに取り付けられ、第２端部は先端部を含む、長尺プローブであり得る。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、またはこれらの物質のうちの任意の物質の組み合わせを含み得る。他の実施形態では、超音波プローブは、一体化されたガス送達システムがその中を通る状態の単体サイアロンプローブであり得る。さらに他の実施形態では、超音波装置は、１台の超音波トランスデューサあたり複数のプローブ組立体および／または複数のプローブを含み得る。
【００９７】
本発明の一実施形態では、例えば上述の超音波プローブを使用する超音波脱ガスは超音波結晶粒微細化を補完する。超音波脱ガスの様々な事例では、パージ用ガスは上述のプローブにより約１〜約５０Ｌ／分の範囲の速度で溶融金属に加えられる。流速が約１〜約５０Ｌ／分の範囲である開示により、流速は、約１、約２、約３、約４、約５、約６、約７、約８、約９、約１０、約１１、約１２、約１３、約１４、約１５、約１６、約１７、約１８、約１９、約２０、約２１、約２２、約２３、約２４、約２５、約２６、約２７、約２８、約２９、約３０、約３１、約３２、約３３、約３４、約３５、約３６、約３７、約３８、約３９、約４０、約４１、約４２、約４３、約４４、約４５、約４６、約４７、約４８、約４９、または約５０Ｌ／分であり得る。加えて流速は約１〜約５０Ｌ／分の任意の範囲内であり得（例えば流速は、約２〜約２０Ｌ／分の範囲内）、これは約１〜約５０Ｌ／分の範囲の任意の組み合わせも含む。中間の範囲も可能である。同様に、本明細書で開示の他のすべての範囲も同様に解釈されるべきである。
【００９８】
超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する本発明の様々な実施形態は、アルミニウム、銅、鉄鋼、亜鉛、マグネシウムなど、またはこれらの金属および他の金属の組み合わせ（例えば合金）を含むがこれらに限定されない金属を含む、溶融金属の超音波脱ガスのためのシステム、方法、および／または装置を提供し得る。溶融金属から製品を処理または鋳造することは溶融金属を含む処理槽を要求し得、溶融金属のこの処理槽は、高温に保たれ得る。例えば、溶融されたアルミニウムは、およそ摂氏７５０度の温度に維持され得る一方で、溶融された銅は、およそ摂氏１１００度の温度に維持され得る。
【００９９】
本明細書で使用される「処理槽」、「溶融金属槽」、などの用語は、容器、坩堝、溝槽、ロンダー、炉、取鍋、その他を含む、溶融金属を含み得る任意の容器を含むことを意味するものである。処理槽および溶融金属槽という用語は、バッチ、連続、半連続、その他を含むものとして使用され、例えば、ここでは、溶融金属は全般に静止状態にあり（例えば、多くの場合、坩堝に関連付けられる）、溶融金属は全般に移動状態にある（例えば多くの場合、ロンダーに関連付けられる）。
【０１００】
多数の器具または装置は、処理槽内の溶融金属の状態を監視、試験、または変更するために、および、所望の金属製品の最終生成または鋳造のために、使用され得る。溶融金属槽内に遭遇される高温をより良好に耐えるために、好適にはより長い寿命を有し、金属が、アルミニウムまたは銅、または鉄鋼、または亜鉛、またはマグネシウム、その他であった（アルミニウムまたは銅、または鉄鋼、または亜鉛、またはマグネシウム、その他を含んだとしても）としても、溶融金属に対する無反応性に限定されない、これらの器具または装置が必要とされる。
【０１０１】
さらに、溶融金属は、溶融金属中に溶解された１つまたは複数のガスを有し得る。これらのガスは、所望の金属製品の最終生成物および鋳物に対して、および／または、結果的に生成される金属製品自体の物理的特性に対して、悪影響を及ぼし得る。例えば、溶融金属中に溶解されたガスは、水素、酸素、窒素、二酸化硫黄など、またはこれらの組み合わせを含み得る。いくつかの状況では、ガスを除去すること、または溶融金属中のガスの量を低減させることは、有利であり得る。例えば、溶解された水素は、アルミニウム（または銅もしくは他の金属、または合金）の鋳造において有害であり、したがってアルミニウム（または銅もしくは他の金属または合金）から生産された仕上げ済み製品の特性は、アルミニウム（または銅もしくは他の金属または合金）の溶融槽に同伴された水素の量を低減させることにより、改善され得る。質量基準で０．２ｐｐｍを越える、０．３ｐｐｍを越える、または０．５ｐｐｍを越える溶解された水素は、鋳込み速度と、結果的に生成されるアルミニウム（または銅もしくは他の金属または合金）棒および他の製品の品質と、に対して有害な効果を有し得る。水素は、溶融アルミニウム（または銅もしくは他の金属または合金）を含む処理槽の上方の空気中に水素自体が存在することにより、溶融アルミニウム（または銅もしくは他の金属または合金）に入り込む場合もあり、または、溶融アルミニウム（または銅もしくは他の金属または合金）槽中で使用されるアルミニウム（または銅もしくは他の金属または合金）原料出発物質中に存在する場合もある。
【０１０２】
溶融金属槽中の溶解されたガスの量の軽減化が試みられてきたが、その努力は必ずしも完全に成功したとはいえない。多くの場合、過去におけるこれらの処理には、追加的で高価な機材の他にも、有害となり得る物質が用いられた。例えば、溶解されたガス含有量を低減させるために金属鋳造産業で使用される処理はグラファイトなどの物質製のロータから構成され得、これらのロータは溶融金属槽内に配置され得る。追加的に塩素ガスが溶融金属槽内のロータの近傍位置において溶融金属槽に添加され得る。塩素ガス添加は、いくつかの状況において例えば溶融金属槽内の溶解された水素の量を低減化に資する場合もあるが、この従来の処理は注目すべき欠点があり、係る欠点の一部としては、コスト、複雑性、および、危険となる可能性を有し、かつ環境的に有害となる可能性を有する、塩素ガスの使用が挙げられる。
【０１０３】
追加的に、溶融金属は、溶融金属中に不純物を有し得、これらの不純物は、所望の金属製品の最終生成物および鋳物に対して、および／または、結果的に生成される金属製品自体の物理的特性に対して、悪影響を及ぼし得る。例えば溶融金属中の不純物は、溶融金属中における存在が要求されることも望まれることもないアルカリ金属または他の金属を含み得る。数パーセントの特定物質か様々な金属合金中に存在し、係る金属は不純物とはみなされないであろう。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、またはこれらの組み合わせを含み得る。多様な不純物が、溶融金属槽中で使用される、入ってくる金属原料出発物質中に存在することにより、溶融金属槽（アルミニウム、銅、または他の金属もしくは合金）に入り込み得る。
【０１０４】
超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する本発明の様々な実施形態は、溶融金属槽中の溶解ガスの量を低減するための方法を、あるいは換言すると、溶融金属を脱ガスするための方法を、提供し得る。１つの係る方法は、溶融金属槽中で超音波装置を動作させること、および、超音波装置の近傍において溶融金属槽にパージ用ガスを導入することを含み得る。溶解ガスは、酸素、水素、二酸化硫黄など、またはこれらの組み合わせであってもよく、またはこれらを含んでもよい。例えば溶解ガスは、水素であってもよく、または水素を含んでもよい。溶融金属槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鉄鋼、マグネシウムなど、または、これらの混合物および／または組み合わせ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鉄鋼、マグネシウム、その他の多様な合金を含む）を含み得る。超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細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含む場合もあり、その一方で他の実施形態では、溶融金属槽は銅を含む場合もある。したがって、溶融金属槽中の溶融金属はアルミニウムであってもよく、または代替的に、溶融金属は銅であってもよい。
【０１０５】
さらに、本発明の様々な実施形態は、溶融金属槽中に存在する不純物の量を低減するための方法を、あるいは換言すると、不純物を除去するための方法を、提供し得る。超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する１つの係る方法は、溶融金属槽中で超音波装置を動作させること、および、超音波装置の近傍において溶融金属槽にパージ用ガスを導入することを含み得る。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く、またはこれらを含んでもよい。例えば不純物は、リチウムであってもよく、もしくはリチウムを含んでもよく、または代替的にナトリウムであってもよく、もしくはナトリウムを含んでもよい。溶融金属槽は、アルミニウム、銅、亜鉛、鉄鋼、マグネシウムなど、または、これらの混合物および／または組み合わせ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鉄鋼、マグネシウム、その他の多様な合金を含む）を含み得る。いくつかの実施形態では、溶融金属槽はアルミニウムを含む場合もあり、その一方で他の実施形態では、溶融金属槽は銅を含む場合もある。したがって、溶融金属槽中の溶融金属はアルミニウムであってもよく、または代替的に、溶融金属は銅であってもよい。
【０１０６】
本明細書で開示の、脱ガスの方法および／または不純物を除去する方法において利用される、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関するパージ用ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、および／またはキセノンのうちの１つまたは複数を含み得るが、これらに限定されない。任意の好適なガスが、係るガスが溶融金属槽中の特定の金属（単数または複数）に対して感知可能に反応または溶解するものでないかぎり、パージ用ガスとして使用され得るものと考えられる。加えて、ガスの混合物または組み合わせも用いられ得る。本明細書で開示のいくつかの実施形態によれば、パージ用ガスは不活性ガスであってもよく、または不活性ガスを含んでもよい。代替的にパージ用ガスは希ガスであってもよく、または希ガスを含んでもよい。代替的にパージ用ガスはヘリウム、ネオン、アルゴン、もしくはこれらの組み合わせであってもよく、またはこれらを含んでもよい。代替的にパージ用ガスはヘリウムであってもよく、または気体ヘリウムを含んでもよい。代替的にパージ用ガスはネオンであってもよく、またはネオンを含んでもよい。または代替的にパージ用ガスはアルゴンであってもよく、またはアルゴンを含んでもよい。加えて、いくつかの実施形態では従来の脱ガス技術が本明細書で開示の超音波脱ガス処理と併せて使用可能である。したがって、パージ用ガスは、いくつかの実施形態では、塩素ガスをさらに含み得る（例えば、パージ用ガスとして、塩素ガスを単独で使用すること、または、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、および／またはキセノンのうちの少なくとも１つと組み合わせて、使用するなど）。
【０１０７】
しかし本発明の他の実施形態では、脱ガスのための超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する方法、または、溶融金属槽中の溶解ガスの量を低減するための方法は、塩素ガスが実質的に不在の状態、または塩素ガスがまったく存在しない状態で、実施され得る。本明細書で使用される、実質的に不在とは、使用されるパージ用ガスの量に基づいて塩素ガスがわずか５重量％しか使用されないことを意味する。いくつかの実施形態では、本明細書で開示の方法はパージ用ガスを導入することを含み得、このパージ用ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびこれらの組み合わせからなる群より選択され得る。
【０１０８】
溶融金属槽に導入されるパージ用ガスの量は、いくつかの要因に応じて変動し得る。多くの場合、本発明の様々な実施形態にしたがって、溶融金属を脱ガスする方法において（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）導入される超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関するパージ用ガスの量は約０．１〜約１５０標準リットル／分（Ｌ／分）の範囲内であり得る。いくつかの実施形態では、導入されるパージ用ガスの量は、約０．５〜約１００Ｌ／分、約１〜約１００Ｌ／分、約１〜約５０Ｌ／分、約１〜約３５Ｌ／分、約１〜約２５Ｌ／分、約１〜約１０Ｌ／分、約１．５〜約２０Ｌ／分、約２〜約１５Ｌ／分、または約２〜約１０Ｌ／分の範囲内であり得る。これらの体積流量の単位は標準リットル／分（すなわち標準温度（摂氏２１．１度）および標準圧力（１０１ｋＰａ）における）である。
【０１０９】
連続または半連続溶融金属処理では、溶融金属槽に導入されるパージ用ガスの量は、溶融金属の出力速度または生産速度に応じて変動し得る。したがって超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する係る実施形態に係る溶融金属を脱ガスする方法において（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）導入されるパージ用ガスの量は、溶融金属のｋｇ／時あたり約１０〜約５００ｍＬ／時のパージ用ガス（パージ用ガスｍＬ／溶融金属ｋｇ）の範囲内に含まれ得る。いくつかの実施形態では、パージ用ガスの体積流量と溶融金属の出力速度との比は、約１０〜約４００ｍＬ／ｋｇ、代替的に約１５〜約３００ｍＬ／ｋｇ、代替的に約２０〜約２５０ｍＬ／ｋｇ、代替的に約３０〜約２００ｍＬ／ｋｇ、代替的に約４０〜約１５０ｍＬ／ｋｇ、または代替的に約５０〜約１２５ｍＬ／ｋｇの範囲内であり得る。上記のように、パージ用ガスの体積流量は、標準温度（摂氏２１．１度）および標準圧力（１０１ｋＰａ）における値である。
【０１１０】
超音波脱ガスならびに超音波結晶粒微細化に関する、本発明の様々な実施形態に係る溶融金属を脱ガスするための方法は、溶融金属槽中に存在する溶解ガスを約１０重量パーセントを越える量で除去することにおいて効果的であり得る。すなわち、溶融金属槽中の脱溶解ガスの量は、ガス処理が用いられる以前に存在した溶解ガスの量から、約１０重量パーセントを越える量が低減され得る。いくつかの実施形態では、溶解ガスの量は、脱ガス方法が用いられる以前に存在した溶解ガスの量から、約１５重量パーセントを越える量、約２０重量パーセントを越える量、約２５重量パーセントを越える量、約３５重量パーセントを越える量、約５０重量パーセントを越える量、約７５重量パーセント、または約８０重量パーセントを越える量が、低減され得る。多くの場合、溶融金属中の水素含有量は、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を越える値であり得る。多くの場合、溶融金属中の水素含有量は、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を越える値であり得る。本発明の様々な実施形態で開示の方法を用いることにより、溶融金属槽中の溶解ガスの量が、約０．４ｐｐｍ未満に、代替的に約０．３ｐｐｍ未満に、代替的に約０．２ｐｐｍ未満に、代替的に約０．１〜約０．４ｐｐｍの範囲内に、代替的に約０．１〜約０．３ｐｐｍの範囲内に、または代替的に約０．２〜約０．３ｐｐｍの範囲内に、低減され得るものと考えられる。これらの実施形態、および他の実施形態では、溶解ガスは、水素であってもよく、または水素を含んでもよく、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、またはアルミニウムおよび／または銅を含んでもよい。
【０１１１】
超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関し、かつ、脱ガス（例えば、溶融金属を含む処理槽中の溶解ガスの量を低減すること）の方法に、または、不純物を除去する方法に、向けられた本発明の様々な実施形態は、溶融金属槽中で超音波装置を動作させることを含み得る。超音波装置は超音波トランスデューサおよび長尺プローブを含み得、プローブは第１端部および第２端部を含み得る。第１端部は超音波トランスデューサに取り付けられ得、第２端部は先端部を含み得、長尺プローブの先端部はニオブを含み得る。本明細書で開示の処理および方法において用いられ得る、超音波装置の例示的かつ非限定的な事例に関する詳細については以下で説明する。
【０１１２】
超音波脱ガス処理に、または、不純物除去処理に関するものであるため、パージ用ガスは、例えば超音波装置の近傍位置において、溶融金属槽中に導入され得る。いくつかの実施形態では、パージ用ガスは、超音波装置の先端部の近傍位置において、溶融金属槽中に導入され得る。一実施形態では、パージ用ガスは、超音波装置の先端部の約１メートル内（例えば、約１００ｃｍ内、約５０ｃｍ内、約４０ｃｍ内、約３０ｃｍ内、約２５ｃｍ内、または約２０ｃｍ内）で、溶融金属槽中に導入され得る。いくつかの実施形態では、パージ用ガスは、超音波装置の先端部の約１５ｃｍ内、代替的に約１０ｃｍ内、代替的に約８ｃｍ内、代替的に約５ｃｍ内、代替的に約３ｃｍ内、代替的に約２ｃｍ内、または代替的に約１ｃｍ内で、溶融金属槽中に導入され得る。特定の実施形態では、パージ用ガスは、超音波装置の先端部の近傍に、または超音波装置の先端部を通して、溶融金属槽中に導入され得る。
【０１１３】
この理論に拘束されることを意図するものではないが、超音波装置を使用し、きわめて近接した状態でパージ用ガスを組み込むことは、溶融金属を含む処理槽中の溶解ガスの量に低減化をもたらす。超音波装置により生成された超音波エネルギーは、溶融金属中にキャビテーション気泡を作り得、そのキャビテーション気泡中に溶解ガスが拡散し得る。しかしパージ用ガスが存在する状況では、これらのキャビテーション気泡のうちの多くが、溶融金属槽の表面に到達する以前に、崩壊し得る。パージ用ガスは、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得、および／または、溶解ガスを含むキャビテーション気泡のサイズを増加させ得、および／または、溶融金属槽中のキャビテーション気泡の個数を増加させ得、および／または、溶解ガスを含むキャビテーション気泡が溶融金属槽の表面に輸送される速度を増加させ得る。超音波装置は、超音波装置の先端部にきわめて近接した範囲内でキャビテーション気泡を作り得る。例えば、約２〜５ｃｍの直径を有する先端部を有する超音波装置に対して、キャビテーション気泡は、崩壊する以前に、超音波装置の先端部の約１５ｃｍ、約１０ｃｍ、約５ｃｍ、約２ｃｍ、または約１ｃｍ内となり得る。パージ用ガスが超音波装置の先端部から過剰に離間した距離において加えられた場合、パージ用ガスはキャビテーション気泡中に拡散することが不可能となり得る。したがって、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する様々な実施形態では、パージ用ガスは、超音波装置の先端部の約２５ｃｍまたは約２０ｃｍ内で、より有利には、超音波装置の先端部の約１５ｃｍ内、約１０ｃｍ内、約５ｃｍ内、約２ｃｍ内、または約１ｃｍ内で、溶融金属槽に導入される。
【０１１４】
本発明の様々な実施形態に係る超音波装置は、例えば米国特許公報第２００９／０２２４４４３号（本明細書において参照することによりその全体が援用される）で開示されているように、アルミニウムまたは銅などの溶融金属に対して接触し得る。溶融金属中の溶解ガス含有量（例えば水素）を低減するための超音波装置では、ニオブまたはその合金が、装置が溶融金属に曝露された際の装置に対する保護防壁として、または、溶融金属に対して直接的に曝露する装置の構成要素として、使用され得る。
【０１１５】
超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する本発明の様々な実施形態は、溶融金属に対して直接的に接触する構成要素の寿命を向上させるためのシステムおよび方法を提供し得る。例えば、本発明の様々な実施形態では、溶融金属に対して接触する物質の劣化を低減させ、それにより最終製品において顕著な品質改善がもたらされるよう、ニオブが使用され得る。換言すると、本発明の様々な実施形態は、保護防壁としてニオブを使用することにより、溶融金属に対して接触する物質または成分の寿命を向上させるか、または係る物質または成分を保持し得る。ニオブは、本発明の前述の実施形態を提供することを支援し得る特性（例えば、その高い融点）を有し得る。加えて、ニオブは摂氏約２００度を超える温度に曝露されたときに保護的な酸化物防壁を形成し得る。
【０１１６】
さらに、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する本発明の様々な実施形態は、溶融金属に対して直接的に接触または結合する構成要素の寿命を向上させるためのシステムおよび方法を提供し得る。ニオブが特定の溶融金属に対して低い反応性を有するため、ニオブの使用は基板物質が劣化することを防止し得る。したがって、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化に関する本発明の様々な実施形態では、基板物質の劣化を低減させ、それにより最終製品において顕著な品質改善がもたらされるよう、ニオブが使用され得る。したがって溶融金属と組み合わされたニオブにおいては、ニオブの高い融点と、溶融金属（例えばアルミニウムおよび／または銅など）に対するその低い反応性と、が組み合わされ得る。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、ニオブまたはニオブの合金は、超音波トランスデューサおよび長尺プローブを含む超音波装置において使用され得る。長尺プローブは第１端部および第２端部を含み得、第１端部は超音波トランスデューサに取り付けられ得、第２端部は先端部を含み得る。この実施形態によれば、長尺プローブの先端部はニオブ（例えば、ニオブまたはニオブの合金）を含み得る。超音波装置は、上述のように、超音波脱ガス処理において使用され得る。超音波トランスデューサは超音波を生成し得、トランスデューサに取り付けられたプローブは、例えばアルミニウム、銅、亜鉛、鉄鋼、マグネシウムなど、または、これらの混合物および／または組み合わせ（例えば、アルミニウム、銅、亜鉛、鉄鋼マグネシウム、その他の様々な合金を含む）などの溶融金属を含む処理槽に超音波を伝達し得る。
【０１１８】
本発明の様々な実施形態では、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の組み合わせが使用され得る。超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の組み合わせの使用は、以下の記載のように、組み合わされた場合、および別個で用いられた場合の両方において利点を提供する。以下の説明に限定されるものではないが、以下の説明は、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の組み合わせに付随し、かつ、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化のうちのいずれか一方のみが使用された場合には期待されないであろう鋳造製品の全体的な品質における改善（単数または複数）をもたらす、比類のない効果に関する理解を提供する。これらの効果は、この組み合わされた超音波処理の開発において、発明者らにより実現化されている。
【０１１９】
超音波脱ガスにおいて、塩素系の化学物質（超音波脱ガスが使用されない場合に利用される）は金属鋳造処理から除去される。化学物質としての塩素が溶融金属槽中に存在する場合、塩素は、反応して、存在し得るアルカリなどの処理槽中の他の元素に対する強力な化学結合を形成することが可能である。アルカリが存在する場合、安定な塩が溶融金属槽中に形成される。安定な塩は鋳造金属製品中における包含をもたらすこととなり、その電気伝導性および機械的特性に劣化が生じる。超音波結晶粒微細化を用いない場合、ホウ化チタンなどの化学物質結晶粒微細化剤が使用されるが、これらの物質は通常、アルカリを含む。
【０１２０】
したがって、超音波脱ガスにより処理元素としての塩素が除去され、超音波結晶粒微細化により結晶粒微細化剤（アルカリの供給源）が除去されることにより、安定的な塩が形成される可能性と、結果的に鋳造金属製品中における包含形成と、が実質的に低減される。さらに、これらの異種の元素が不純物として除去されることにより、鋳造金属製品の電気伝導性が改善される。したがって本発明の一実施形態では、不純物の主要な供給源の２つが、１つの異種の不純物を他の不純物で代替することなく、除去されるため、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の組み合わせは、結果的に生成される鋳造製品が優れた機械的特性および電気伝導特性を有することを意味する。
【０１２１】
超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の組み合わせにより提供される他の利点は、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の両方が溶融槽を効果的に「攪拌」し、それにより溶融物質が均質化されるという事実に関する。金属の合金が溶融され、次に凝固するよう冷却されると、異なる合金部分の融点がそれぞれ異なるため、合金の中間相が存在し得る。本発明の一実施形態では、超音波脱ガスおよび超音波結晶粒微細化の両方は、中間相を攪拌および混合して、中間相を溶融相に戻す。
【０１２２】
これらの利点の全部は、結晶粒が小さく、超音波脱ガスまたは超音波結晶粒微細化のいずれか一方が使用された場合に、または、一方もしくは両方が従来の塩素処理で置き換えられるか、もしくは化学的結晶粒微細化剤が使用された場合に、期待されるよりも、より少ない不純物、より少ない包含、良好な電気伝導性、良好な延性、および、より高い引っ張り強度を有する製品を取得することを可能にする。
【０１２３】
金属製品
本発明の本発明の一態様では、鋳造金属組成を含む製品は、結晶粒微細化剤を必要とすることなく、上述の鋳型ホイールのチャネル内または鋳造構造体内で形成されることが可能であり、依然としてミリメートル未満の結晶粒サイズを有する。したがって、鋳造金属組成物は、５％未満の結晶粒微細化剤を含む組成物を用いて作られることが可能であり、依然として１ミリメートル未満の結晶粒サイズが取得される。鋳造金属組成物は、２％未満の結晶粒微細化剤を含む組成を用いて作られることが可能であり、依然として１ミリメートル未満の結晶粒サイズが取得される。鋳造金属組成物は、１％未満の結晶粒微細化剤を含む組成を用いて作られることが可能であり、依然として１ミリメートル未満の結晶粒サイズが取得される。好適な組成では、結晶粒微細化剤は、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、結晶粒微細化剤をまったく含まない組成を用いて作られることが可能であり、依然として１ミリメートル未満の結晶粒サイズが取得される。
【０１２４】
鋳造金属組成物は、「純粋」金属または合金の成分、注湯速度、注湯温度、冷却速度を含むいくつかの要因に応じて、多様なミリメートル未満の結晶粒サイズを有し得る。本発明に対して利用可能な結晶粒サイズのリストは以下を含む。アルミニウムおよびアルミニウム合金に対して、結晶粒サイズは、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。銅および銅合金に対して、結晶粒サイズは、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、もしくはスズまたはこれらの合金に対して、結晶粒サイズは、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に対して、結晶粒サイズは、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。範囲で与えられてはいるが、本発明では中間の値も可能である。本発明の本発明の一態様では、低濃度（５％）未満の結晶粒微細化剤が、結晶粒サイズを１００〜５００ミクロンの範囲の値にさらに減少させるために、添加されてもよい。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、スズ、青銅、真鍮、およびこれらの合金を含み得る。
【０１２５】
鋳造金属組成物は、バーストック、棒状体、ストック、シートストック、ワイヤ、ビレット、およびペレットに引き出されるかまたは別様に形成されることが可能である。
【０１２６】
コンピュータ化制御
図１における制御器５００（例えば）は、図１２において示されるコンピュータシステム１２０１により実装されることが可能である。コンピュータシステム１２０１は、本発明の超音波処理を用いる、上述の、または、任意の他の、鋳造システムもしくは装置を制御するための制御器５００として使用され得る。図１では、１つの制御器として単独で図示されているが、制御器５００は、相互に通信し合う個別および分離した、および／または、特定の制御機能専用のプロセッサを、含み得る。
【０１２７】
特に、制御器５００は、特に図１３におけるフローチャートにより示される機能を実行する制御アルゴリズムを用いてプログラムされ得る。
【０１２８】
図１３には、フローチャートが図示されており、このフローチャートの要素は、コンピュータ可読媒体において、または以下で説明するデータ記憶装置のうちの１つにおいて、プログラムまたは格納され得る。図１３のフローチャートには、金属製品中に核生成部位を誘導するための本発明の方法が図示されている。ステップ要素１８０２において、プログラムされた要素は、溶融金属コンベアに溶融金属を注湯する動作を指示するであろう。ステップ要素１８０４において、プログラムされた要素は、例えば、コンベア内の冷却チャネルまたはコンベアに取り付けられた冷却チャネルを通る液体媒体の流れまたは通過を制御することにより、溶融金属格納構造体を冷却する動作を指示するであろう。ステップ要素１８０６において、プログラムされた要素は、コンベア上の溶融金属に接触するコンベアに対して振動エネルギーを直接的に結合する動作を指示するであろう。この要素では、振動エネルギーは、上述のように溶融金属中で核生成部位を誘導する周波数および出力を有するであろう。ステップ１８０４において、溶融金属の冷却は、レセプタプレートの近傍を流れる冷却媒体を制御することにより（例えば、レセプタプレートの全域を冷却し、レセプタプレートの全域にわたり送風される渦流を制御することにより）発生し得る。
【０１２９】
様々な要素（例えば、溶融金属温度、注湯速度、冷却チャネル流路を通る冷却流、および鋳型冷却、および、振動エネルギー供給源（例えば溶融金属コンベア５０の振動エネルギー供給源）の出力ならびに周波数の制御を含む、制御、ならびに、圧延機を通して鋳造製品を引き出すことに関する要素など）が、溶融金属中に核生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特殊用途プロセッサを生成するために、標準的なソフトウェア言語（以下で説明する）を用いてプログラムされるであろう。
【０１３０】
さらに詳細には、図１２において示される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またはその他の通信機構と、情報を処理するためにバス１２０２に対して連結されたプロセッサ１２０３と、を含む。コンピュータシステム１２０１は、情報を、またはプロセッサ１２０３により実行される命令を、格納するためにバス１２０２に対して結合された、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）またはその他のダイナミック記憶装置（例えば、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）、シンクロナスＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ））などのメインメモリ１２０４も含む。加えてメインメモリ１２０４はプロセッサ１２０３により命令が実行される間に一時変数または他の中間的情報を格納するために使用され得る。コンピュータシステム１２０１は、静的情報を、またはプロセッサ１２０３に対する静的命令を格納するためにバス１２０２に対して連結された、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）１２０５または他のスタティック記憶装置（例えば、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、および電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ））をさらに含む。
【０１３１】
コンピュータシステム１２０１は、情報および命令を格納するための１つまたは複数の記憶装置を制御するためにバス１２０２に対して連結されたディスク・コントローラ１２０６（例えば、磁気ハードディスク１２０７および着脱可能媒体駆動装置１２０８（例えば、フロッピディスク駆動装置、読み出し専用コンパクトディスク駆動装置、読み取り／書き込み可能コンパクトディスク駆動装置、コンパクトディスクジュークボックス、テープ駆動装置、着脱可能光磁気駆動装置）など）も含む。これらの記憶装置は、適切なデバイスインターフェース（例えば、スモール・コンピュータ・システム・インターフェース（ＳＣＳＩ）、インテグレーテッド・デバイス・エレクトロニクス（ＩＤＥ）、エンハンストＩＤＥ（ＥーＩＤＥ）、ダイレクト・メモリ・アクセス（ＤＭＡ）、またはウルトラＤＭＡ）を用いて、コンピュータシステム１２０１に追加され得る。
【０１３２】
コンピュータシステム１２０１は、コンピュータユーザに情報を表示するためにカソードレイチューブ（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのディスプレイを制御するためにバス１２０２に連結されたディスプレイコントローラ１２０９も含み得る。コンピュータシステムは、コンピュータユーザ（例えば制御器５００に対してインターフェースを介して接続されたユーザ）に対して相互作用するために、および、プロセッサ１２０３に対して情報を提供するために、入力装置（例えばキーボードおよびポインティングデバイスなど）を含む。
【０１３３】
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た１つまたは複数の命令の１つまたは複数のシーケンスを実行するプロセッサ１２０３に応答して、本発明の処理ステップ（例えば、サーマルアレスト状態にある液体金属に対して振動エネルギーを提供することに関して説明した処理ステップなど）の一部または全部を実行する。係る命令は、他のコンピュータ可読媒体（例えばハードディスク１２０７または着脱可能媒体駆動装置１２０８）からメインメモリ１２０４に読み込まれ得る。マルチプロセッサ構成にある１つまたは複数のプロセッサも、メインメモリ１２０４に含まれた命令のシーケンスを実行するために用いられ得る。代替的な実施形態では、ハードワイヤ化された回路が、ソフトウェア命令に代わって、またはソフトウェア命令と組み合わせて、使用され得る。したがって、本発明の様々な実施形態はハードウェア回路およびソフトウェアのいかなる特定的な組み合わせにも限定されない。
【０１３４】
コンピュータシステム１２０１は、本発明の教示にしたがってプログラムされた命令を保持するための、および、本明細書で記載のデータ構造、テーブル、レコード、または他のデータを含むための、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。コンピュータ可読媒体の例としては、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピディスク、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（例えばＣＤーＲＯＭ）、または任意の他の光媒体、または他の物理的媒体、搬送波（以下で説明する）、またはコンピュータがそこから読み出すことが可能である任意の他の媒体が挙げられる。
【０１３５】
本発明は、コンピュータシステム１２０１を制御するための、本発明を実装するための装置（単数または複数）を駆動するための、およびコンピュータシステム１２０１が、人であるユーザと相互作用することを可能にするための、コンピュータ可読媒体のうちの任意の１つの上、または、コンピュータ可読媒体の組み合わせの上に格納された、ソフトウェアを含む。係るソフトウェアは、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を含み得るが、これらに限定されない。係るコンピュータ可読媒体は、本発明を実装する際に実行される処理の全部または一部（処理が分散化されている場合）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。
【０１３６】
本発明のコンピュータコード装置は、スクリプト、インタープリット可能プログラム、ダイナミック・リンク・ライブラリ（ＤＬＬ）、Ｊａｖａクラス、完全実行可能プログラムを含むがこれらに限定されない、任意のインタープリット可能または実行可能なコード機構であり得る。さらに、本発明の処理の様々な部分は、より良好な性能、信頼性、および／またはコストのために、分散化され得る。
【０１３７】
本明細書では使用される「コンピュータ可読媒体」という用語は、命令をプロセッサ１２０３に実行されるよう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、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含むがこれらに限定されない、多数の形態を取り得る。不揮発性媒体は例えば、光ディスク、磁気ディスク、および光磁気ディスク（例えばハードディスク１２０７または着脱可能媒体駆動装置１２０８など）を含む。揮発性媒体はダイナミックメモリ（例えばメインメモリ１２０４）を含む。伝送媒体は、バス１２０２を形成するワイヤを含む、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバを含む。伝送媒体は、音響波または光波（例えば、電波および赤外線データ通信の際に生成されるものなど）の形態も取り得る。
【０１３８】
コンピュータシステム１２０１は、バス１２０２に連結された通信インターフェース１２１３も含み得る。通信インターフェース１２１３は、例えばローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）１２１５に、または他の通信ネットワーク１２１６（例えばインターネット）に、接続されたネットワークリンク１２１４に対して双方向データ通信接続を提供する。例えば、通信インターフェース１２１３は、任意のパケット交換式ＬＡＮに取り付けられるネットワーク・インターフェース・カードであり得る。他の例として、通信インターフェース１２１３は、データ通信接続を対応する種類の通信回線に提供するための、非対称型デジタル加入者回線（ＡＤＳＬ）カード、デジタル総合サービス通信網（ＩＳＤＮ）カード、またはモデムであり得る。ワイヤレスリンクも実装され得る。任意の係る実現形態において通信インターフェース１２１３は、多様な種類の情報を表現する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。
【０１３９】
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通して他のデータ装置にデータ通信を提供する。例えばネットワークリンク１２１４は、ローカルネットワーク１２１５（例えばＬＡＮ）を通して、または、通信ネットワーク１２１６を通して通信サービスを提供するサービスプロバイダにより操作される機材を通して、他のコンピュータに対して通信を提供し得る。一実施形態では、この能力は、本発明が、工場規模のオートメーションまたは品質制御などの目的のために、一緒にネットワーク化された上記の制御器５００のうちの複数を有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、例えば、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、または光信号と、関連する物理層（例えばＣＡＴ５ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバ、その他）を使用する。コンピュータシステム１２０１からのデジタルデータまたはコンピュータシステム１２０１へのデジタルデータを搬送する、様々なネットワークを通る信号、ネットワークリンク１２１４上の、または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において実装され得る。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無変調電気パルスとしてデジタルデータを搬送する。なおここでは「ビット」という用語はシンボルを意味するものとして広範に解釈されるべきであり、各シンボルは少なくとも１つまたは複数の情報ビットを担持する。デジタルデータも、例えば、伝導性媒体上で伝搬されるか、または伝搬媒体を通して電磁波として伝送される、振幅、位相、および／または周波数偏位符号化信号を用いて搬送波を変調するために使用され得る。したがって、デジタルデータは、「有線」通信チャネルを通して無変調ベースバンドデータとして、および／または、搬送波を変調することにより、ベースバンドとは異なる事前決定された周波数帯域内で送信され得る。コンピュータシステム１２０１はネットワーク（単数または複数）１２１５ならびに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を通してプログラムコードを含むデータを送受信することが可能である。さらに、ネットワークリンク１２１４はＬＡＮ１２１５を通してモバイル装置１２１７（例えば携帯情報端末（ＰＤＡ）ラップトップ・コンピュータ、またはセルラ電話）に通信を提供し得る。
【０１４０】
さらに詳細には、本発明の一実施形態では、純粋な電気導体級のアルミニウム棒および合金導体級のアルミニウム棒コイルを、連続的に溶融金属から直接的に生成することが可能である、連続鋳造および圧延システム（ＣＣＲＳ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃａｓｔｉｎｇ  ａｎｄ  ｒｏｌｌｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）が提供される。ＣＣＲＳは、制御、監視、およびデータ格納を実装するために、コンピュータシステム１２０１（上述）のうちの１つまたは複数を使用することが可能である。
【０１４１】
本発明の一実施形態では、高品質アルミニウム棒の歩留まりを高めるために、先進的コンピュータ監視・データ取得（ＳＣＡＤＡ）システムが、圧延機の監視および／または制御（ＣＣＲＳ）を実施する。このシステムの追加的な変数およびパラメータは、品質制御のために、表示、図化、格納、および分析されることが可能である。
【０１４２】
本発明の一実施形態では、以下の生産後の試験過程のうちの１つまたは複数が、データ取得システムにおいてキャプチャされる。
【０１４３】
渦電流探傷装置が、アルミニウム棒の表面品質を直列型で連続的に監視するために使用され得る。包含が、アルミニウム棒の表面付近に見出された場合には、マトリクス包含が非連続的な欠陥として作用するため、検出されることが可能である。アルミニウム棒の鋳造および圧延の際、完成品における欠陥は、処理におけるいかなる箇所においても発生が可能である。溶融金属における不正確な溶融化学反応および／または過度の水素により、圧延過程の際に欠陥が生じ得る。渦電流システムは非破壊検査であり、ＣＣＲＳに対する制御システムは上述の欠陥のうちの任意の１つに対して操作員（単数または複数）にアラートを発することが可能である。渦電流システムは、表面欠陥を検出し、欠陥を小、中、または大に分類することが可能である。渦電流結果は、ＳＣＡＤＡシステム内に記録され、アルミニウム（または処理された他の金属）のロットに、および欠陥が発生した時点に、追跡されることが可能である。
【０１４４】
棒が過程の終点においてコイル化された後、鋳造アルミニウムのバルク的な機械特性および電気特性は、測定され、ＳＣＡＤＡシステムにおいて記録されることが可能である。製品品質試験は引っ張り、伸長、および伝導性を含む。引っ張り強度は、物質の強度の測定値であり、分裂が生じるまで張力下で耐えることが可能である物質の最大強度である。伸長値は、物質の延性の測定値である。伝導性測定値は全般に、「国際軟銅規格」（ＩＡＣＳ：ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ａｎｎｅａｌｅｄ  ｃｏｐｐｅｒ  ｓｔａｎｄａｒｄ）のパーセンテージとして報告される。これらの製品品質評価指標は、ＳＣＡＤＡシステム内に記録され、アルミニウム（または処理された他の金属）のロットに、および欠陥が発生した時点に、追跡されることが可能である。
【０１４５】
渦電流データに加えて、表面分析がねじり試験を使用して実施され得る。鋳造アルミニウム棒に対して制御されたねじり試験が実施される。圧延過程の際に形成された不適切な凝固に関連付けられた欠陥、包含、およびに長手方向欠陥は、拡大され、ねじれた棒の上で明らかになる。全般に、これらの欠陥は、圧延方向に対して平行なシームの形で現れる。棒が時計方向および反時計方向にねじられた後に現れる一連の平行な線は、試片が均質であることを示し、その一方で、鋳造処理における非均質性は、ゆらいだ線をもたらすであろう。ねじり試験の結果は、ＳＣＡＤＡシステム内に記録され、アルミニウム（または処理された他の金属）のロットに、および欠陥が発生した時点に、追跡されることが可能である。
【０１４６】
試片および製品準備
試片および製品は、上記で詳述した強化振動エネルギー結合および／または強化冷却技術を利用する上述のＣＣＲシステムを用いて作られることが可能である。鋳造および圧延過程は、溶融アルミニウムの連続ストリームが溶融保持炉システムから、耐熱性ライニングが施されたロンダーシステムを通って、直列型化学的結晶粒微細化システムに、または、超音波結晶粒微細化システムに、供給されると、開始する。加えて、ＣＣＲシステムは、上述の超音波脱ガスシステムも含むことが可能である。この超音波脱ガスシステムは、溶融アルミニウムから溶解された水素または他のガスを除去するために、音響波およびパージガスを使用する。脱ガス装置から、金属は、多孔性セラミック要素を有する溶融金属フィルタに流れるであろう。この溶融金属フィルタは溶融金属中の包含をさらに低減させる。次にロンダー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であろう。タンディッシュから、溶融アルミニウムは、上述のように、銅鋳造リングの周辺溝部および鉄鋼バンドにより形成された鋳型に注湯されるであろう。溶融アルミニウムは、臨界ゾーンに対する磁気流量計を有するマルチゾーン水マニホールドからスプレーノズルを通して分散される水により冷却されて固体鋳造棒になる。連続アルミニウム鋳造棒は、棒抽出コンベア上に鋳造リングを出て、圧延機に到達する。
【０１４７】
圧延機は個別的に駆動される圧延スタンドを含み得、この圧延スタンドにより棒の直径が小さくなる。棒は引抜圧延に送られ、引抜圧延において、棒は事前決定された直径に引き出され、次に巻き取られる。棒が過程の終点において巻き取られると、鋳造アルミニウムのバルク的な機械特性および電気特性が測定されるであろう。品質試験は引っ張り、伸長、および伝導性を含む。引っ張り強度は、物質の強度の測定値であり、分裂が生じるまで張力下で耐えることが可能である物質の最大強度である。伸長値は、物質の延性の測定値である。伝導性測定値は全般に、「国際軟銅規格」（ＩＡＣＳ：ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ａｎｎｅａｌｅｄ  ｃｏｐｐｅｒ  ｓｔａｎｄａｒｄ）のパーセンテージとして報告される。
【０１４８】
１）引っ張り強度は、物質の強度の測定値であり、分裂が生じるまで張力下で耐えることが可能である物質の最大強度である。引っ張りおよび伸長の測定は、同一の試片に対して実施された。１０”ゲージ長の試片が引っ張りおよび伸長の測定のために選択された。棒試片が引っ張り機械に挿入された。把手が１０”ゲージマークに配置された。引っ張り強度＝分裂力（ポンド）／断面積（πｒ２）である。ただし式中、ｒ（インチ）は棒の半径である。
【０１４９】
２）％伸長＝（（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１）Ｘ１００である。Ｌ１は物質の初期ゲージ長であり、Ｌ２は、引張試験から得られた２つの分裂された試片を一緒に配置し、発生した欠陥を測定することにより得られた最終長さである。全般に、物質の延性が大きいほど、引っ張り状態にある試片において、より大きいくびれ部が観察されるであろう。
【０１５０】
３）伝導性：伝導性測定値は全般に、「国際軟銅規格」（ＩＡＣＳ）のパーセンテージとして報告される。伝導性測定はケルビンブリッジを使用して実施され、詳細はＡＳＴＭ  Ｂ１９３ー０２に記載されている。ＩＡＣＳは、標準軟銅導体に対する、金属および合金のための電気伝導率の単位である。１００％のＩＡＣＳ値は、摂氏２０度における単位長さあたり５．８０×１０７の伝導率（５８．０ＭＳ／ｍ）を指す。
【０１５１】
上述の連続棒処理は、超音波結晶粒微細化および超音波脱ガスを利用して、電気グレードのアルミニウム導体を生成するためのみではなく、機械的アルミニウム合金に対しても使用可能である。試験および品質制御、超音波結晶粒微細化処理のために、鋳造棒試片は収集され、エッチングされるであろう。
【０１５２】
図１４はＡＣＳＲワイヤ処理フローチャートである。図１４では、純粋な溶融アルミニウムをＡＣＳＲワイヤにおいて使用されるであろうアルミニウムワイヤに変換する様子が示されている。変換処理における第１のステップは、溶融アルミニウムをアルミニウム棒に変換することである。次のステップでは、棒はいくつかのダイを通して引き出され、最終直径に応じて、この過程は、１回または複数回の引き出しを通して達成され得る。棒が最終直径に引き出されると、ワイヤは２００〜５００ポンドの範囲の重量のリールに巻かれる。これらの個々のリールが、鋼撚りケーブルの周りに撚られると、いくつかの個々のアルミニウム撚り線を含むＡＣＳＲケーブルとなるであろう。撚り線の個数および各撚り線の直径は、例えば、顧客の要件に依存するであろう。
【０１５３】
図１５はＡＣＳＳワイヤ処理フローチャートである。図１５では、純粋な溶融アルミニウムをＡＣＳＳワイヤにおいて使用されるであろうアルミニウムワイヤに変換する様子が示されている。変換処理における第１のステップは、溶融アルミニウムをアルミニウム棒に処理することである。次のステップでは、棒はいくつかのダイを通して引き出され、最終直径に応じて、この過程は、１回または複数回の引き出しを通して達成され得る。棒が最終直径に引き出されると、ワイヤは２００〜５００ポンドの範囲の重量のリールに巻かれる。これらの個々のリールが、鋼撚りケーブルの周りに撚られると、いくつかの個々のアルミニウム撚り線を含むＡＣＳＳケーブルとなるであろう。撚り線の個数および各撚り線の直径は、顧客の要件に依存するであろう。ＡＣＳＲケーブルとＡＣＳＳケーブルとの間の１つの相違点は、アルミニウムが鋼材ケーブルの周りに撚られた後、ケーブル全体が炉内で熱処理されて、アルミニウムがデッドソフト状態に達することである。ＡＣＳＲでは、ケーブルの強度がアルミニウムケーブルおよび鋼材ケーブルに起因する強度の組み合わせに由来し、その一方で、ＡＣＳＳケーブルでは強度の大夫分がＡＣＳＳケーブル内部の鉄鋼に由来することに注意することが重要である。
【０１５４】
図１６は、アルミニウム帯状細片化処理フローチャートであり、図１６では、帯状細片が金属外装ケーブルに最終的に処理される。図１６では、第１のステップが溶融アルミニウムをアルミニウム棒に変換することであることが示されている。第１ステップに引き続き、棒はいくつかの圧延ダイを通して圧延されて、帯状細片に変換される。この帯状細片は幅が約０．３７５”であり、厚さが約０．０１５〜０．０１８”である。圧延された帯状細片は、およそ６００ポンド重量のドーナツ形状パッドに処理される。他の幅および厚さも、圧延過程を使用して生産が可能であるが、０．３７５”の幅および０．０１５〜０．０１８”の厚さが最も一般的であることに注意することが重要である。次にこれらのパッドは炉内で処理されて、パッドは中間的な焼鈍状態に達する。この状態では、アルミニウムは、フルハード状態でもデットソフト状態でもない。次に帯状細片は、１つまたは複数の絶縁回路導体を包囲する噛み合う金属テープ（帯状細片）の防護具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であろう。
【０１５５】
上述の直接的振動エネルギー結合を利用する本発明の超音波結晶粒微細化物質は、上述の過程を使用して、上述のワイヤおよびケーブル製品へと製作されることが可能である。
【０１５６】
本発明に関する一般的ステートメント
本発明に関する以下のステートメントは、本発明の１つまたは複数の特徴を提供し、本発明の範囲を限定するものではない。
【０１５７】
ステートメント１
溶融金属に対して接触するレセプタプレートと、所望により溶融金属が冷却される際に、振動エネルギー（例えば、超音波、機械駆動、および／または音響のエネルギー）を、溶融金属に対して接触するレセプタプレートに直接的に供給する（例えば、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供給源と、を含む、溶融金属搬送装置（すなわちコンベア）。レセプタプレートは、溶融金属がレセプタプレートに対して進入する入口から、溶融金属がレセプタプレートから出る出口まで、延長する。
【０１５８】
ステートメント２
前記レセプタプレートは冷却媒体を通過させるための少なくとも１つのチャネルを有する、ステートメント１に記載の装置。
【０１５９】
ステートメント３
前記冷却媒体は、水、ガス、液体金属、液体窒素、およびエンジンオイルのうちの少なくとも１つを含む、ステートメント２に記載のコンベア。
【０１６０】
ステートメント４
前記冷却チャネルはレセプタプレート内にあるか、または前記冷却チャネルはレセプタプレートに取り付けられた導管を含む、ステートメント２に記載のコンベア。
【０１６１】
ステートメント５
レセプタプレートを冷却するためのガス流を提供する送風機をさらに含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１６２】
ステートメント６
前記レセプタプレートを、鋳造装置の鋳型ホイールに対して、または、溶融金属を鋳型に供給するタンディッシュに対して、取り付ける組立体をさらに含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１６３】
ステートメント７
少なくとも１つの振動エネルギー供給源は、溶融金属に対して接触するレセプタプレートに直接的に振動エネルギーを提供する、超音波トランスデューサ、磁歪トランスデューサ、および機械的に駆動される振動器のうちの少なくとも１つを含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１６４】
ステートメント８
前記レセプタプレートに提供される振動エネルギーは４００ＫＨｚまでの周波数の範囲内である、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１６５】
ステートメント９
レセプタプレートは、滑らかな仕上げ、磨かれた仕上げ、粗い仕上げ、隆起がある仕上げ、テクスチャを有する仕上げ、および凹みがある仕上げのうちの少なくとも１つを有する、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１６６】
ステートメント１０
レセプタプレートは、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、鉄鋼、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、または金属のうちの少なくとも１つまたは複数を含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１６７】
ステートメント１１
セラミックは窒化ケイ素セラミックを含む、ステートメント１０に記載のコンベア。
【０１６８】
ステートメント１２
窒化ケイ素セラミックは窒化ケイ素アルミナを含む、ステートメント１１に記載のコンベア。
【０１６９】
ステートメント１３
少なくとも１つの振動エネルギー供給源は、レセプタプレート上に規則正しいパターン状で配置された複数のトランスデューサを含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１７０】
ステートメント１４
レセプタプレート上の規則正しいパターンは、より高い密度の前記トランスデューサをレセプタプレートの一方の側部に有する、ステートメント１３に記載のコンベア。
【０１７１】
ステートメント１５
レセプタプレート上の一方の側部上のより高い密度の前記トランスデューサは溶融金属出口側部上にある、ステートメント１４に記載のコンベア。
【０１７２】
ステートメント１６
レセプタプレート上の一方の側部上のより高い密度の前記トランスデューサは溶融金属入口側部上にある、ステートメント１４に記載のコンベア。
【０１７３】
ステートメント１７
少なくとも１つの振動エネルギー供給源はレセプタプレートに取り付けられた圧電トランスデューサ要素を含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１７４】
ステートメント１８
超音波ブースタが、レセプタプレートに取り付けられた圧電トランスデューサ要素に結合されている、ステートメント１７に記載のコンベア。
【０１７５】
ステートメント１９
少なくとも１つの振動エネルギー供給源はレセプタプレートに取り付けられた磁歪トランスデューサ要素を含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１７６】
ステートメント２０
溶融金属フローチャネル内に挿入された超音波脱ガス装置をさらに含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１７７】
ステートメント２１
レセプタプレートは１０ｃｍより小さい厚さを有する、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１７８】
ステートメント２２
レセプタプレートは０．５ｃｍ〜５ｃｍの範囲の、または１ｃｍ〜３ｃｍの範囲の、厚さを有する、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１７９】
ステートメント２３
レセプタプレートは１．５ｃｍ〜２ｃｍの範囲の厚さを有する、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８０】
ステートメント２４
レセプタプレートは異なる区域において異なる厚さを有する、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８１】
ステートメント２５
レセプタプレートは、鋳型ホイールの上方に配置され、鋳型ホイールにおける溝槽に溶融金属を提供する、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８２】
ステートメント２６
レセプタプレートは、垂直鋳型に取り付けられ、垂直鋳型の内部に溶融金属を提供する、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８３】
ステートメン２７
レセプタプレートは、長手方向長さに等しいかもしくは長手方向長さよりも小さい横方向幅を、または、長手方向長さの半分に等しいかもしくは長手方向長さの半分よりも小さい横方向幅を、または長手方向長さの１／３に等しいかもしくは長手方向長さの１／３より小さくい横方向幅を、含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８４】
ステートメント２８
レセプタプレートは２．５ｃｍ〜３００ｃｍの範囲の横方向幅を含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８５】
ステートメント２９
レセプタプレートは出口に向って徐々に幅が小さくなる横方向幅を含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８６】
ステートメント３０
レセプタプレートは、重力により溶融金属が出口へと付勢される状態で、略水平方向に配置される、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８７】
ステートメント３１
レセプタプレートは、重力により溶融金属が出口へと付勢される状態で、水平方向から４５度の範囲内または４５度に等しい角度で配置される、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８８】
ステートメント３２
レセプタプレートは、垂直方向から４５度の範囲内または４５度に等しい角度で配置される、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１８９】
ステートメント３３
レセプタプレート上への溶融金属の注湯速度、および、レセプタプレート上での溶融金属の冷却速度のうちの少なくとも１つを制御する制御器をさらに含む、ステートメント１に記載のコンベア。
【０１９０】
ステートメント３４
制御器は、溶融金属のレセプタプレート上方における高さが、１．２５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲となるように、注湯速度を調整するようプログラムされている、ステートメント３３に記載のコンベア。
【０１９１】
ステートメント３５
金属製品を形成するための方法であって、溶融金属を、溶融金属に対して接触するコンベアのレセプタプレートに沿って溶融金属を輸送する溶融コンベア上に、提供することと、レセプタプレートの近傍を流れる、または、レセプタプレート内のもしくはレセプタプレートに取り付けられた冷却通路を通って流れる、冷却媒体を制御することにより、溶融金属を冷却することと、レセプタプレートに直接的に振動エネルギーを結合することと、を含む、方法。
【０１９２】
ステートメント３６
エネルギーを結合することは、前記エネルギーを、超音波トランスデューサまたは磁歪トランスデューサまたは機械的に駆動される振動器のうちの少なくとも１つから前記プローブに供給することを含む、ステートメント３５に記載の方法。
【０１９３】
ステートメント３７
前記エネルギーを供給することは、５〜４００ｋＨｚの周波数の範囲のエネルギーを提供することを含む、ステートメント３６に記載の方法。
【０１９４】
ステートメント３８
冷却することは、レセプタプレートの冷媒として、水、ガス、液体金属、液体窒素、およびエンジンオイルのうちの少なくとも１つを適用することにより、溶融金属を冷却することを含む、ステートメント３５に記載の方法。
【０１９５】
ステートメント３９
溶融金属を提供することは鋳型ホイールの注湯装置からレセプタプレート上に溶融金属を注湯することを含む、ステートメント３５に記載の方法。
【０１９６】
ステートメント４０
レセプタプレートから鋳型ホイールの溝槽に溶融金属を注湯することをさらに含む、ステートメント３９に記載の方法。
【０１９７】
ステートメント４１
溶融金属を提供することは垂直鋳型のタンディッシュからレセプタプレート上に溶融金属を注湯することを含む、ステートメント３５に記載の方法。
【０１９８】
ステートメント４２
レセプタプレートから垂直鋳型に溶融金属を注湯することをさらに含む、ステートメント４１に記載の方法。
【０１９９】
ステートメント４３
レセプタプレートから連続鋳造鋳型に溶融金属を注湯することをさらに含む、ステートメント３５に記載の方法。
【０２００】
ステートメント４４
レセプタプレートから水平鋳造鋳型または垂直鋳造鋳型に溶融金属を注湯することをさらに含む、ステートメント３５に記載の方法。
【０２０１】
ステートメント４５
溶融金属を冷却するよう構成された鋳造鋳型と、ステートメント１〜ステートメント３４のうちのいずれか１項に記載のコンベアと、を含む鋳造装置。
【０２０２】
ステートメント４６
前記鋳型は連続鋳造鋳型を含む、ステートメント４５に記載の鋳造装置。
【０２０３】
ステートメント４７
前記鋳型は水平または垂直の鋳造鋳型を含む、ステートメント４５に記載の鋳造装置。
【０２０４】
ステートメント４８
金属製品を形成するためのシステムであって、溶融コンベア上に溶融金属を提供するための手段と、溶融金属に対して接触するコンベアのレセプタプレート内の冷却通路を、または溶融金属に対して接触するコンベアのレセプタプレートに取り付けられた冷却通路を、通って流れる冷却媒体を制御するための手段と、レセプタプレートに直接的に振動エネルギーを結合するための手段と、データ入力および制御出力を含み、かつ、ステートメント３５〜ステートメント４４に記載のステップ要素のうちのいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムを用いてプログラムされた、制御器と、を含む、システム。
【０２０５】
ステートメント４９
金属製品を形成するためのシステムであって、ステートメント１〜ステートメント３４のうちのいずれか１項に記載のコンベアと、データ入力および制御出力を含み、かつ、ステートメント３５〜ステートメント４４に記載のステップ要素のうちのいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムを用いてプログラムされた、制御器と、を含むシステム。
【０２０６】
ステートメント５０
金属製品を形成するためのシステムであって、溶融金属を注湯するための注湯装置と、金属製品の連続鋳造を形成するための鋳型ホイールと、鋳型ホイールにステートメント１〜ステートメント３４のうちのいずれか１項に記載のコンベアを結合する組立体と、データ入力および制御出力を含み、かつ、ステートメント３５〜ステートメント４４に記載のステップ要素のうちのいずれか１つの動作を可能にする制御アルゴリズムを用いてプログラムされた、制御器と、を含むシステム。
【０２０７】
本発明の多数の変更および変化が、上記の教示に照らして可能である。したがって、添付の請求項の範囲内で本発明は本明細書で特に説明された以外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】
2020510537.tif 000004
【図２】
2020510537.tif 000005
【図３】
2020510537.tif 000006
【図４】
2020510537.tif 000007
【図５】
2020510537.tif 000008
【図６Ａ】
2020510537.tif 000009
【図６Ｂ】
2020510537.tif 000010
【図７】
2020510537.tif 000011
【図８】
2020510537.tif 000012
【図９】
2020510537.tif 000013
【図１０】
2020510537.tif 000014
【図１１】
2020510537.tif 000015
【図１２】
2020510537.tif 000016
【図１３】
2020510537.tif 000017
【図１４】
2020510537.tif 000018
【図１５】
2020510537.tif 000019
【図１６】
2020510537.tif 000020
【国際調査報告】
2020510537.tif 000021
2020510537.tif 000022
2020510537.tif 000023