用于最小化直接冷激鑄造鋁鋰合金時的爆炸可能性的方法和裝置制造方法
【專利摘要】蒸汽排氣口在直接冷卻鑄坑的周邊周圍定位在從鑄坑頂部的下方到鑄坑底部的不同位置上，以通過添加大量的干燥空氣從鑄坑中快速地去除蒸汽。氣體引入口也定位在鑄坑的周邊周圍并且構(gòu)造成用以將惰性氣體引入鑄坑內(nèi)部。
【專利說明】用于最小化直接冷激鑄造鋁鋰合金時的爆炸可能性的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]鋁鋰合金的直接冷激鑄造。

【背景技術(shù)】
[0002]自1938年由美國的Aluminum Company (現(xiàn)在的Alcoa)發(fā)明直接冷激(“DC”)鑄造以來，傳統(tǒng)的(不含鋰)鋁合金在開底模具中半連續(xù)地鑄造。自那以后對方法進行了許多修改和改變，但是基本的方法和裝置仍然類似。鋁鑄錠鑄造領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解新的創(chuàng)新以改善方法，同時仍然保持其主要功能。
[0003]美國專利N0.4，651，804描述一種更現(xiàn)代的鋁鑄坑設(shè)計。略高于地面安裝金屬熔爐并且鑄模處于或接近于地面已成為標準慣例，并且當鑄造操作進行時將鑄錠降低到含水鑄坑中。來自直接冷激的冷卻水流動到鑄坑中并且從鑄坑中連續(xù)地被去除，同時在鑄坑內(nèi)留下永久深水池。該方法目前仍在使用，并且在全世界每年大概有超過5百萬噸的鋁及其合金是通過該方法生產(chǎn)。
[0004]不幸的是，使用這樣的系統(tǒng)存在緣于“滲漏”或“漏出”的固有風險。在正鑄造的鋁鑄錠未在鑄模中適當?shù)毓袒⑶以试S以液態(tài)非期望地和過早地離開模具的情況下會發(fā)生“滲漏”或“漏出”。在“滲漏”或“漏出”期間，與水接觸的熔融鋁能夠由于以下的原因而導致爆炸:(I)由將水加熱到>212° F的鋁的熱質(zhì)量產(chǎn)生的水到蒸汽的轉(zhuǎn)化；或(2)熔融金屬與水的化學反應(yīng)，導致引起爆炸性化學反應(yīng)的能量釋放。
[0005]使用該方法在全世界當“滲漏”或“漏出”發(fā)生時有多次爆炸，其中熔融金屬從出自模具的鑄錠的側(cè)部和/或從模具的邊界脫離。因此，已執(zhí)行相當多的實驗工作以建立用于DC鑄造的最安全可能條件。最早并且可能最好的已知工作由美國Aluminum Company的
G.Long( “水中恪融銷的爆炸的原因和預防(Explos1ns of Molten Aluminium in WaterCause and Prevent1n)，，，Metal Progress，1957 年 5 月，第 71 卷，第 107 至 112 頁)(在下文中稱為“Long”)承擔，接著是進一步的研宄和設(shè)計成最小化爆炸風險的行業(yè)“行為守則”的建立。這些守則一般由全世界的鑄造廠遵守。守則廣泛地基于Long的工作并且通常需要:(1)永久保持在鑄坑中的水的深度應(yīng)當至少為三英尺；(2)鑄坑內(nèi)的水位應(yīng)當?shù)陀谀＞咧辽?0英尺；以及(3)鑄造機和鑄坑表面應(yīng)當清潔、無銹并且涂覆有可靠的有機材料。
[0006]在該實驗中，Long發(fā)現(xiàn)在鑄坑中的水池具有兩英寸或以下的深度的情況下，不發(fā)生很猛烈的爆炸。而是改為較少地發(fā)生足以從鑄坑排出熔融金屬并且將該熔融金屬以危險方式分配到鑄坑外部的爆炸。因此如上所述的行為守則要求將具有至少三英尺深度的水池永久地保持在鑄坑中。Long得出結(jié)論，如果鋁/水爆炸將要發(fā)生，則必須滿足某些要求。尤其是當鑄坑的底表面被熔融金屬覆蓋時必須在鑄坑的底表面上發(fā)生某種類型的觸發(fā)動作，并且他提出該觸發(fā)是由于在輸入的金屬下方截留的很薄的水層突然轉(zhuǎn)化為蒸汽而引起的輕微爆炸。當在鑄坑的底部有脂、油或涂料時能夠防止爆炸，原因是用于觸發(fā)爆炸所必需的薄水層不會以與無涂層表面相同的方式被截留在熔融金屬下方。
[0007]在實踐中，至少三英尺的推薦水深通常用于豎直DC鑄造，并且在一些鑄造廠中(特別是在歐洲大陸的國家)，與以上的推薦⑵相比，水位很接近模具的下側(cè)。因此用DC方法進行鑄造的鋁工業(yè)已選擇為了安全而永久保持鑄坑中的深水池。必須強調(diào)的是行為守則是基于經(jīng)驗結(jié)果；在各種類型的熔融金屬/水爆炸中實際發(fā)生的情況還無法完全理解。然而，對行為守則的重視已經(jīng)能夠確保實際上肯定避免在鋁合金的“漏出”事件中發(fā)生意外。
[0008]在過去的幾年里，越來越關(guān)注包含鋰的輕金屬合金。鋰使熔融合金更易于反應(yīng)。在“Metal Progress”中的上述文章中，Long提到由H.Μ.Higgins進行的早先工作，
H.M.Higgins針對包括Al-Li的多種合金報告鋁/水反應(yīng)情況并且推斷“當熔融金屬以任何方式分散在水中時，Al-Li合金經(jīng)歷強烈反應(yīng)”。(美國的)Aluminum Associat1n Inc.也宣布當通過DC方法鑄造這樣的合金時有特別的危險。美國的Aluminum Company已公布試驗的視頻錄像，其演示這樣的合金在與水混合時會很猛烈地爆炸。
[0009]美國專利N0.4，651，804教導前述鑄坑的使用，但是規(guī)定從鑄坑的底部去除水以使得不會在鑄坑中發(fā)生水池的積累。該布置是他們用于鑄造Al-Li合金的優(yōu)選方法。歐洲專利N0.0-150-922描述了傾斜的鑄坑底部(鑄坑底部優(yōu)選是百分之三到百分之八的傾斜梯度)，伴有偏移水收集容器、水泵和關(guān)聯(lián)的水位傳感器以保證水不會收集在鑄坑中，因此減小由水和Al-Li合金具有緊密接觸而產(chǎn)生爆炸的發(fā)生率。從鑄坑連續(xù)地去除鑄錠冷卻水以使得不會發(fā)生水積累的能力對于該專利的教導的成功是至關(guān)重要的。
[0010]其它工作也已證明與沒有鋰的鋁合金相比，與將鋰加入鋁合金相關(guān)聯(lián)的爆炸力能夠使爆炸能量的性質(zhì)增加若干倍。當包含鋰的熔融鋁合金與水接觸時，發(fā)生氫的快速析出，原因是水離解成L1-OH和氫離子(H+)。美國專利N0.5，212，343教導加入鋁、鋰(以及其它元素)和水以啟動爆炸反應(yīng)。這些元素(特別是鋁和鋰)在水中的放熱反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣，典型地每一克含3 %鋰的鋁合金能產(chǎn)生14立方厘米的氫氣。該數(shù)據(jù)的實驗驗證可以在美國能源部資助的研宄合同號#DE-AC09-89SR18035下執(zhí)行的研宄中找到。應(yīng)當注意5，212，343專利的權(quán)利要求1要求保護執(zhí)行該劇烈相互作用以便經(jīng)由放熱反應(yīng)產(chǎn)生水爆炸的方法。該專利描述一種方法，其中諸如鋰的元素的加入導致每個單位體積的材料的高能量反應(yīng)。如美國專利Nos.5，212，343和5，404，813中所述，鋰(或某種其它的化學反應(yīng)元素)的加入促進爆炸。這些專利教導了爆炸反應(yīng)是期望結(jié)果的方法。與沒有鋰的鋁合金相比，這些專利增強了將鋰加入“滲漏”或“漏出”的爆炸性。
[0011]再次參考美國專利N0.4，651，804，導致常規(guī)(不含鋰)鋁合金的爆炸的兩個發(fā)生事件是(I)水轉(zhuǎn)化成蒸汽和(2)熔融鋁和水的化學反應(yīng)。將鋰加入鋁合金產(chǎn)生第三、更加強烈的爆炸力，水和熔融鋁-鋰“滲漏”或“漏出”的放熱反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。在熔融Al-Li合金與水接觸的任何時候，反應(yīng)將發(fā)生。即使以鑄坑中的最小水位進行鑄造，水也在“滲漏”或“漏出”期間與熔融金屬接觸。這不能避免，只能減小，原因是放熱反應(yīng)的兩種組分(水和熔融金屬)將存在于鑄坑中。減小水與鋁接觸的量將消除前兩個爆炸條件，但是鋰存在于鋁合金中將導致氫析出。如果允許鑄坑中到氫氣濃度達到臨界質(zhì)量和/或體積，則爆炸很可能發(fā)生。經(jīng)研宄觸發(fā)爆炸所需的氫氣的體積濃度為單位空間中的氣體的混合物的總體積的5%的閾值水平。美國專利N0.4，188，884描述制造水下魚雷彈頭，并且在第4頁第2欄第33行參考附圖敘述加入與水強反應(yīng)的材料、例如鋰的填充物32。在該相同專利的第I欄第25行敘述大量氫氣通過與水的該反應(yīng)釋放，產(chǎn)生具有爆炸意外的氣泡。
[0012]美國專利N0.5，212，343描述通過將水與許多元素和組合(包括Al和Li)混合制造爆炸反應(yīng)以產(chǎn)生大體積的含氫氣體。在第7頁第3欄，敘述“反應(yīng)混合物被選擇成使得當與水反應(yīng)和接觸時，從較小體積的反應(yīng)混合物產(chǎn)生大體積的氫”。相同段的第39和40行確定鋁和鋰。在第8頁第5欄第21-23行顯示鋁與鋰組合。在該相同專利的第11頁第11欄第28-30行提到氫氣爆炸。
[0013]在進行DC鑄造的另一方法中，已公布專利涉及使用鑄錠冷卻劑而不是水提供鑄錠冷卻來鑄造Al-Li合金而沒有來自“滲漏”或“漏出”的水-鋰反應(yīng)。美國專利N0.4，593，745描述使用鹵代烴或鹵代醇作為鑄錠冷卻劑。美國專利Nos.4，610，295 ；4，709，740和4，724，887描述使用乙二醇作為鑄錠冷卻劑。為此，鹵代烴(典型地是乙二醇)必須沒有水和水蒸汽。這是爆炸危險的解決方案，但是引入強火風險并且實現(xiàn)和維護成本高。在鑄坑內(nèi)將需要滅火系統(tǒng)以控制潛在的醇火。為了實現(xiàn)包括醇處理系統(tǒng)、使醇脫水的熱氧化劑和鑄坑防火系統(tǒng)的基于醇的鑄錠冷卻劑系統(tǒng)，成本一般為大約$5百萬到$8百萬美元(用如今的美元衡量)。用100%醇作為冷卻劑進行鑄造導致另一問題。醇或其它鹵代烴的冷卻能力不同于水，并且使用該類型的方法需要不同的鑄造實踐以及鑄造工具。與使用醇作為直接冷卻劑聯(lián)系的另一缺點在于由于醇具有比水低的熱導率和表面熱傳遞系數(shù)，因此用于100%醇作為冷卻劑鑄造的金屬的微結(jié)構(gòu)具有更粗的非期望冶金成分并且在鑄造產(chǎn)品中呈現(xiàn)更高量的中線收縮孔隙度。缺少更精細的微結(jié)構(gòu)并且同時存在更高濃度的收縮孔隙度對從這樣的初始原料制造的最終產(chǎn)品的性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。
[0014]在試圖減小Al-Li合金的鑄造中的爆炸危險的又一例子中，美國專利N0.4，237，961提出在DC鑄造期間從鑄錠去除水。在歐洲專利N0.0-183-563中，描述用于在鋁合金的直接冷激鑄造期間收集“滲漏”或“漏出”熔融金屬的裝置。收集“滲漏”或“漏出”恪融金屬將濃縮熔融金屬的該質(zhì)量。該教導不能用于Al-Li鑄造，原因是它將產(chǎn)生人為爆炸條件，其中當水正被收集以便去除時水的去除將導致水的池化。在熔融金屬的“滲漏”或“漏出”期間，“滲漏”材料也將在池化水區(qū)域中濃縮。如美國專利N0.5，212，343中教導的，這將是產(chǎn)生反應(yīng)水/Al-Li爆炸的優(yōu)選方式。
[0015]因此，在現(xiàn)有技術(shù)中已提出許多解決方案以便減小或最小化Al-Li合金的鑄造中的爆炸的可能性。盡管提出的這些解決方案的每一個在這樣的操作中提供額外安全防護，但是沒有一個證明完全安全或在商業(yè)上成本效益高。
[0016]因此，仍然需要用于鑄造Al-Li合金的更安全、維護更少、成本效益更高、并且同時能夠生產(chǎn)更高質(zhì)量鑄造產(chǎn)品的裝置和方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是根據(jù)本發(fā)明的直接冷激鑄造鑄坑的簡化橫截面?zhèn)纫晥D。
[0018]圖2是本發(fā)明的優(yōu)選方法實施例的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0019]描述用于鑄造Al-Li合金的裝置和方法。對現(xiàn)有技術(shù)的教導的關(guān)注在于水和Al-Li熔融金屬“滲漏”或“漏出”材料聚在一起并且在放熱反應(yīng)期間釋放氫。即使使用傾斜鑄坑底部、最小水位等，水和“滲漏”或“漏出”熔融金屬也仍然可以緊密接觸，能夠使反應(yīng)發(fā)生。在沒有水的情況下使用另一液體、例如在現(xiàn)有技術(shù)的專利中所述的那些進行鑄造影響可鑄造性、鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量，實現(xiàn)和維護成本高，并且產(chǎn)生環(huán)境問題和火災(zāi)危險。
[0020]當前所述的裝置和方法通過最小化或消除發(fā)生爆炸必須存在的成分而改善Al-Li合金的DC鑄造的安全性。應(yīng)當理解水(或水蒸汽或蒸汽)存在于熔融Al-Li合金中將產(chǎn)生氫氣。代表性化學反應(yīng)方程式被認為是:
[0021 ] 2LiAl+8H20 — 2L1H+2Al (OH) 3+4H2 (g)。
[0022]氫氣具有的密度明顯小于空氣的密度。在化學反應(yīng)期間析出的氫氣比空氣輕，傾向于朝著鑄坑的頂部向上移動，在鑄坑的頂部處的鑄模和模具支撐結(jié)構(gòu)的正下方。該典型封閉區(qū)域允許氫氣收集并且變得足夠濃縮以產(chǎn)生爆炸氣氛。熱、火花或其它點火源可以觸發(fā)作為濃縮氣體的氫‘羽流’的爆炸。
[0023]應(yīng)當理解當與在DC方法(由鋁鑄錠鑄造領(lǐng)域的技術(shù)人員實施)中使用的鑄錠冷卻水組合時熔融“滲漏”或“漏出”材料將產(chǎn)生蒸汽和水蒸汽。蒸汽和水蒸汽是產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)的加速劑。通過蒸汽去除系統(tǒng)去除該蒸汽和水蒸汽將去除水與Al-Li組合產(chǎn)生L1-OH并且排出4的能力。通過在一個實施例中圍繞鑄坑的內(nèi)周邊放置蒸汽排氣口并且當檢測到發(fā)生“滲漏”時快速地啟動排氣，當前所述的裝置和方法最小化水和蒸汽存在于鑄坑中的可能性。
[0024]根據(jù)一個實施例，排氣口位于鑄坑內(nèi)的若干區(qū)域中，例如從鑄模之下大約0.3米到大約0.5米，在離鑄模大約1.5米到大約2.0米的中間區(qū)域中，以及在鑄坑的底部處。作為參考，并且如下面更詳細描述的附圖中所示，鑄模典型地放置在鑄坑的頂部處，從地面水平到地面水平上方差不多一米。除了為了稀釋目的提供引入和排出空氣以外，在模具臺之下圍繞鑄模的水平和豎直區(qū)域一般用鑄坑裙邊和Lexan玻璃外套封閉，使得根據(jù)規(guī)定方式引入和排出包含在鑄坑內(nèi)的氣體。
[0025]在另一實施例中，惰性氣體引入鑄坑內(nèi)部空間中以最小化或消除氫氣合并為臨界質(zhì)量。在該情況下，惰性氣體是具有的密度小于空氣的密度并且將傾向于占據(jù)氫氣典型地所處的鑄坑的頂部正下方的相同空間的氣體。氦氣是具有的密度小于空氣的密度的合適惰性氣體的一個這樣的例子。
[0026]在許多技術(shù)報告中已描述氬用作覆蓋氣體以便保護Al-Li合金免于環(huán)境大氣以防止它們與空氣反應(yīng)。盡管氬是完全惰性的，但是它具有的密度大于空氣的密度并且將不提供鑄坑上層內(nèi)部的惰化，除非保持強上升氣流。與作為基準的空氣(1.3克/升)相比，氬具有大約1.8克/升的密度并且將傾向于沉淀到鑄坑的底部，不提供鑄坑的臨界頂部區(qū)域內(nèi)的期望氫排代保護。在另一方面，氦不可燃并且具有0.2克每升的低密度并且將不支持燃燒。通過在鑄坑的內(nèi)部把空氣換成更低密度的惰性氣體，鑄坑中的危險氣氛可以被稀釋到不能支持爆炸的水平。而且，當發(fā)生該交換時，水蒸汽和蒸汽也從鑄坑被去除。在一個實施例中，在穩(wěn)態(tài)鑄造期間并且當未經(jīng)歷與‘滲漏’相關(guān)的非緊急狀況時，水蒸汽和蒸汽在外部過程中被去除，而‘清潔’惰性氣體可以通過鑄坑再循環(huán)回來。
[0027]現(xiàn)在參考附圖，圖1顯示DC鑄造系統(tǒng)的實施例的橫截面。DC系統(tǒng)5包括典型地形成于地面中的鑄坑16。例如可以用液壓動力單元(未顯示)升高和降低的鑄缸15布置在鑄坑16內(nèi)。用鑄缸15升高和降低的臺板18附連到鑄缸15的上部或頂部部分。在該視圖中固定鑄模12在臺板18上方或上面。熔融金屬(例如Al-Li合金)引入模具12中。鑄模12在一個實施例中包括冷卻劑入口以允許冷卻劑(例如，水)流動到顯露鑄錠的表面上，提供金屬的直接冷激和固化。鑄臺31圍繞鑄模12。如圖1中所示，在一個實施例中，例如由耐高溫娃石材料制造的墊圈或密封件29位于模具12的結(jié)構(gòu)和臺31之間。墊圈29抑制蒸汽或任何其它氣氛從模具臺31之下進入到模具臺之上并且由此抑制鑄造人員在其中操作和呼吸的空氣的污染。
[0028]在圖1所示的實施例中，系統(tǒng)5包括位于模具12的正下方以檢測滲漏或漏出的熔融金屬檢測器10。熔融金屬檢測器10例如可以是在美國專利N0.6，279，645中所述類型的紅外檢測器，如美國專利N0.7，296，613中所述的“爆破檢測器”，或可以檢測“滲漏”的存在的任何其它合適的裝置。
[0029]在圖1所示的實施例中，系統(tǒng)5也包括排氣系統(tǒng)19。在一個實施例中，排氣系統(tǒng)19在該實施例中包括定位在鑄坑16中的排氣口 20A、20A’、20B、20B’、20C和20C’。排氣口定位成最大化從鑄坑的內(nèi)腔去除包括點火源(例如，H2(g))和反應(yīng)物(例如，水蒸汽或蒸汽)的生成氣體。在一個實施例中，排氣口 20A、20A’定位在模具12之下大約0.3米到大約0.5米；排氣口 20B、20B’定位在模具12之下大約1.5米到大約2.0米；并且排氣口 20C、20C’定位在俘獲和包含滲漏金屬的鑄坑16的基部處。排氣口在每個水平處成對地顯示?？梢灶I(lǐng)會在例如圖1中的不同水平處有一組排氣口的實施例中，在每個水平處可以有兩個以上排氣口。例如，在另一實施例中，在每個水平處可以有三個或四個排氣口。在另一實施例中，可以有小于兩個(例如，每個水平處有一個)。排氣系統(tǒng)19也包括遠離鑄模12 (例如，離開模具12大約20到30米)的遠距離排氣孔22以允許排出氣體從系統(tǒng)離開。排氣口 20A、20A’、20B、20B’、20C、20C’通過管道(例如，鍍鋅鋼或不銹鋼管道)連接到排氣孔22。在一個實施例中，排氣系統(tǒng)19還包括一組排氣風扇以將排出氣體引導到排氣孔22。
[0030]圖1還顯示氣體引入系統(tǒng)24，其在該實施例中包括圍繞鑄坑布置并且連接到一個或多個惰性氣體源27的惰性氣體引入口(例如，惰性氣體引入口 26A、26A’、26B、26B’、26C和26C’)。在一個實施例中，與口 26B和26B’以及26C和26C’的每一個的位置共同地，定位有過量空氣引入口以保證析出氫氣的附加移動中稀釋。氣體引入口的定位選擇成經(jīng)由氣體引入系統(tǒng)24提供惰性氣體的涌流以立即替換鑄坑內(nèi)的氣體和蒸汽，所述氣體引入系統(tǒng)在需要時(尤其當檢測到滲漏時)通過惰性氣體引入口 26在檢測到“滲漏”狀態(tài)的預定時間(例如，大約最多30秒)內(nèi)將惰性氣體引入鑄坑16內(nèi)。圖1顯示靠近鑄坑16的頂部部分定位的氣體引入口 26A和26A’ ；定位在鑄坑16的中間部分處的氣體引入口 26B和26B’ ；以及定位在鑄坑16的底部部分處的氣體引入口 26C和26C’。壓力調(diào)節(jié)器或閥可以與每個氣體引入口關(guān)聯(lián)以控制惰性氣體的引入。氣體引入口在每個水平處成對地顯示。應(yīng)當領(lǐng)會在每個水平處有一組氣體引入口的實施例中，在每個水平處可以有兩個以上氣體引入口。例如，在另一實施例中，在每個水平處可以有三個或四個氣體引入口。在另一實施例中，在每個水平處可以有小于兩個(例如，一個)。
[0031]如圖1所示，在一個實施例中，通過在鑄坑16的頂部14處的氣體引入口 26A和26A’引入的惰性氣體將撞擊在模具12之下的固化、半固體和液體鋁鋰合金，并且該區(qū)域中的惰性氣體流速在一個實施例中至少大致等于在檢測到“滲漏”或“漏出”的存在之前的冷卻劑的體積流速。在鑄坑的不同水平處有氣體引入口的實施例中，通過這樣的氣體引入口的流速可以與通過鑄坑16的頂部14處的氣體引入口的流速相同或者可以不同(例如，小于通過鑄坑16的頂部14處的氣體引入口的流速)。
[0032]通過氣體引入口引入的替換惰性氣體由在連續(xù)基礎(chǔ)上以低體積保持啟動的上部排氣系統(tǒng)28從鑄坑16去除，但是當檢測到“滲漏”時立即增強體積流速并且將從鑄坑去除的惰性氣體引導到排氣孔22。在一個實施例中，在檢測到滲漏之前，鑄坑的上部分中的氣氛可以通過例如濕氣吸收柱和蒸汽干燥劑的氣氛凈化系統(tǒng)30連續(xù)地循環(huán)，因此保持鑄坑的上部區(qū)域中的氣氛具有適當?shù)亩栊浴Ｑh(huán)時的去除氣體穿過干燥劑并且任何水蒸汽被去除以凈化包含惰性氣體的上部鑄坑氣氛。經(jīng)凈化的惰性氣體然后可以經(jīng)由合適的泵32再循環(huán)到惰性氣體注入系統(tǒng)24。當使用該實施例時，惰性氣體簾保持在口 20A和26A之間并且類似地保持在口 20A’和26A’之間以最小化寶貴的惰性氣體通過鑄坑通氣和排氣系統(tǒng)逸出鑄坑的上部區(qū)域。
[0033]排氣P 20A、20A’、20B、20B’、20C、20C’ 和惰性氣體引入口 26A、26A’、26B、26B’、26C、26C’的數(shù)量和準確位置將取決于正在操作的特定鑄坑的尺寸和配置并且這些由實施DC鑄造的熟練技術(shù)人員聯(lián)合空氣和氣體的再循環(huán)的專家進行計算。最期望提供三組(例如，三對)排氣口和惰性氣體引入口，如圖1中所示。取決于正在鑄造的產(chǎn)品的性質(zhì)和重量，可以在鑄坑16的頂部的周邊周圍使用單組的排氣口和惰性氣體引入口以獲得不太復雜并且比較便宜、但是同樣有效的裝置。
[0034]在一個實施例中，控制器35可控制臺板18/鑄造筒體15的運動、供入到鑄模12中的熔融金屬輸送、以及供入到鑄模中的水輸送。熔融金屬檢測器10也連接到控制器35上?？刂破?5包括為永久可觸媒體形式的機器可讀程度指令。在一個實施例中，圖2的方法流程圖中示出了程序介紹。參照圖2和方法100，首先通過熔融金屬檢測器10檢測出鋁鋰熔融金屬的“滲漏”或“漏出”(模塊110)。響應(yīng)于從熔融金屬檢測器10發(fā)送給控制器35的關(guān)于鋁鋰熔融金屬出現(xiàn)“滲漏”或“漏出”的信號，機器可讀指令使臺板18的運動和熔融金屬的輸送(未示出)(模塊120，130)停止、使流入鑄模12中的冷卻劑流(未示出)停止和/或轉(zhuǎn)向(模塊140)，同時或大致在15秒內(nèi)(在另一實施例中，在大致10秒內(nèi))致動容量更大的排出系統(tǒng)19，以使含有排出氣體的水蒸氣和/或水蒸氣轉(zhuǎn)向，通過排氣口20A, 20A，，20B, 20B，，20C和20C，遠離鑄坑流入排氣孔22中(模塊150)。同時或此后不久(如，在大致10秒至30秒內(nèi))，機器可讀指令進一步致動氣體引入系統(tǒng)，將密度小于空氣的惰性氣體(如，氦氣)引入氣體引入口 26A, 26A’，26B, 26B，，26C和26C’中(模塊160)。請注意，鋁合金熔解和直接冷激鑄造(除鋁鋰合金熔解和鑄造以外)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可能會想到使用氮氣取代氦氣，原因在于，一般的工業(yè)常識是，氮氣也是一種比空氣輕的惰性氣體。但是，為了保持方法安全，在此要注意，就氮氣與液態(tài)鋁鋰合金發(fā)生反應(yīng)這一方面而言，應(yīng)該認為氮氣實際上并不是惰性氣體。氮氣與熔融鋁鋰合金發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氨氣，氨氣進而與水反應(yīng)，會產(chǎn)生帶來危險后果的其他反應(yīng)，因此，應(yīng)該完全避免使用氮氣。還應(yīng)該認為，上述原因同樣適用于另一種可能的惰性氣體-二氧化碳。在存在熔融鋁鋰合金與二氧化碳接觸的有限機會的任何應(yīng)用情況下，應(yīng)避免使用二氧化碳。
[0035]通過使用比空氣輕的惰性氣體獲得的顯著益處在于殘余氣體不會沉淀到鑄坑中從而導致鑄坑自身中的不安全環(huán)境。存在比空氣重的氣體停留在受限空間中導致窒息死亡的許多情形。可以預期針對受限空間的入口監(jiān)測鑄坑內(nèi)的空氣，但是不會造成處理氣體的相關(guān)問題。
[0036]本文中所述的方法和裝置提供獨特方法以充分地抑制Al-Li “滲漏”或“漏出”使得可以成功地操作商業(yè)方法而不使用額外的處理方法，例如使用諸如乙二醇的鹵化液體進行鑄造，其使該方法對于鑄造金屬質(zhì)量不是最優(yōu)，對于鑄造不太穩(wěn)定的方法，以及同時不經(jīng)濟且易燃的方法。鑄錠鑄造領(lǐng)域的任何技術(shù)人員將理解，在任何DC方法中必須承認，“滲漏”和“漏出”將發(fā)生。發(fā)生率通常很低，但是在機械設(shè)備的正常操作期間，有些情況將在正常操作范圍之外發(fā)生并且方法將不按照預期執(zhí)行。所述的裝置和方法的實現(xiàn)以及該裝置的使用將最小化鑄造Al-Li合金時來自“滲漏”或“漏出”的導致傷亡和財產(chǎn)損失的水-熔融金屬氫爆炸。
[0037]因此描述了一種用于最小化Al-Li合金的直接冷激鑄造中的爆炸的可能性的商業(yè)上有用的方法和裝置。
[0038]如本發(fā)明所描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能明顯看出，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)和范圍的情況下，可在許多方面對本發(fā)明作出改變。所有和全部的這樣的變型均落入到所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種直接冷激鑄造的方法，其中，將熔融金屬引入鑄模中，并且通過讓液體冷卻劑沖擊鑄坑中的固化金屬來冷卻熔融金屬，所述鑄坑具有頂部部分、中間部分和底部部分并且包括可運動的臺板，所述方法包括以下步驟: 檢測滲漏或漏出的發(fā)生； 在檢測到滲漏或漏出的發(fā)生之后: 將產(chǎn)生的氣體從所述鑄坑排出；并且 將惰性氣體引入所述鑄坑中，惰性氣體的密度小于空氣的密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，惰性氣體是氦氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將產(chǎn)生的氣體從所述鑄坑排出的步驟包括:通過至少在所述鑄坑的頂部部分的周邊周圍的一組排氣口排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，將產(chǎn)生的氣體排出的步驟還包括:通過在所述鑄坑的中間部分和底部部分周圍的多組排氣口排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將惰性氣體引入的步驟包括:通過至少在所述鑄坑的頂部部分的周邊周圍的一組氣體引入口將惰性氣體引入。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將惰性氣體引入的步驟包括:通過在所述鑄坑的頂部部分、中間部分和底部部分的周邊周圍的多組氣體引入口將惰性氣體引入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將產(chǎn)生的氣體排出的步驟包括:以一定的體積流速排出，該體積流速相對于在檢測到滲漏或漏出的發(fā)生之前的體積流速有所提高。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在檢測到滲漏之后最多約15秒以內(nèi)就開始將惰性氣體引入所述鑄坑中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將產(chǎn)生的氣體排出的步驟包括:排出到與所述鑄模相距至少20米的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將惰性氣體引入的步驟包括:使惰性氣體以一定的流速沖擊到被鑄造的金屬上，該流速基本上等于在檢測到滲漏或漏出之前選擇用于液體冷卻劑的體積流速。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過氣體凈化系統(tǒng)凈化惰性氣體的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在檢測到滲漏或漏出之后，所述方法還包括以下步驟: 停止將金屬引入所述鑄模中； 停止任何液體冷卻劑流。
13.一種裝置，所述裝置包括: 鑄坑，所述鑄坑具有頂部部分、中間部分和底部部分； 模具，所述模具位于所述鑄坑的頂部部分處； 用于引入冷卻劑以便在冷卻劑流過所述模具時冷卻熔融金屬的機構(gòu)； 向下運動的臺板，當金屬在所述模具中固化時，所述臺板支撐金屬； 用于檢測滲漏的發(fā)生的機構(gòu)； 至少在所述鑄坑的頂部周邊周圍的一組排氣口 ；以及 至少在所述鑄坑的頂部周邊周圍的一組惰性氣體引入口。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，這一組排氣口還包括在所述鑄坑的中間部分的周邊周圍的一組排氣口和在所述鑄坑的底部部分的周邊周圍的一組排氣口中的至少一者。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，這一組惰性氣體引入口還包括在所述鑄坑的中間部分周圍的一組惰性氣體引入口和在所述鑄坑的底部部分周圍的一組惰性氣體引入口中的至少一者。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，還包括: 用于一旦檢測到滲漏就使冷卻劑流停止和/或轉(zhuǎn)向的機構(gòu)；以及 用于一旦檢測到滲漏就使臺板的向下運動停止的機構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，在所述鑄坑的頂部部分處還包括一機構(gòu)，該機構(gòu)用于收集從所述鑄坑排出的惰性氣體、通過去除蒸汽而凈化惰性氣體以及使惰性氣體再循環(huán)到所述鑄坑中。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，這一組排氣口包括: 位于所述模具下方約0.3至約0.5米的位置處的第一組排氣口 ； 位于與所述模具相距約1.5至約2.0米的位置處的第二組排氣口 ；以及 位于所述鑄坑的底部的第三組排氣口。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，還包括: 用于通過所述排氣口將產(chǎn)生的氣體從所述鑄坑中連續(xù)地移除的機構(gòu)；以及一機構(gòu)，該機構(gòu)用于:在未檢測到滲漏時，從所述鑄坑的頂部部分中抽吸水蒸氣和任何其他的氣體，從這樣的混合物中連續(xù)地去除水分，并使任何其他的氣體再循環(huán)到所述鑄坑的頂部部分中；在檢測到滲漏時，則將水蒸氣和其他的氣體完全從上部區(qū)域排出。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，利用大量的干燥稀釋空氣將水蒸氣從排氣口連續(xù)地排出。
【文檔編號】B22D11/00GK104470654SQ201380037685
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月17日
【發(fā)明者】R·V·提拉克, R·W·維爾茨, R·M·斯特雷格勒 申請人:美國阿爾美有限公司