KR100622733B1

KR100622733B1 - 주조 장치 및 주조 방법

Info

Publication number: KR100622733B1
Application number: KR1020027010966A
Authority: KR
Inventors: 카터윌리암토마스주니어; 벤즈마크길버트; 누드센브루스앨런; 자발라로버트존; 뮬러펠릭스구엔터; 휴고프란쯔왈데마르에르노트
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2006-09-13
Also published as: EP1259345A1; JP4959897B2; KR20020086907A; WO2001062417A1; JP2003523827A

Abstract

주조 장치는 이러한 주조 장치에 의해 형성된 주물(145)에 제공되는 정련 액체 금속의 편심 유도 소스(300)를 포함한다. 주물은 정련 액체 금속을 수용하는 액상 부분(148)과 응고 부분을 포함하며, 상기 주물은 또한 본질적으로 산화물 및 황화물이 없고, 편석 결함이 없는 미세 입상의 균질한 미소조직을 포함한다. 주조 장치는 금속에서 산화물 및 황화물이 정련된 정련 액체 금속의 소스와, 주물을 형성하기 위한 핵형성 주조 장치를 포함한다. 정련 액체 금속의 편심 유도 소스는 주물의 중심선(350)으로부터 편심되어 핵형성 주조 장치에 제공되어 정련 액체 금속내에 내포된 열을 액상 부분을 통해 분산시키고, 이에 의해 주물의 액상 부분의 깊이를 감소시킨다.

Description

주조 장치 및 주조 방법{CASTING SYSTEMS AND PROCESSES WITH AN OFF-CENTER INCOMING SOURCE OF LIQUID METAL}

본 발명은 주조 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 청정 금속 핵형성 주조 장치 및 방법을 위해 액체 금속의 편심 도입 소스(off-center incoming source)에 관한 것이다.

철-(Fe), 니켈-(Ni), 타타늄-(Ti) 및 코발트-(Co)계 합금과 같은 금속은 종종 터빈 구성요소에 사용되는데, 이러한 구성요소에는 미세 입상(粒狀) 미소조직, 균질성 및 실질적으로 무결함인 조성이 요구된다. 초합금 주물 및 잉곳(ingot)에서의 문제점은 초합금 형성과 관련된 비용이 고가이기 때문에 바람직하지 못하며, 이러한 문제점의 결과로, 특히 터빈 구성요소로 형성되는 잉곳에서의 문제가 바람직하지 못하다. 주물을 제조하기 위한 종래의 장치는 주물로 제조되는 구성요소에 바람직하지 못한 결과를 초래할 수 있는 불순물, 오염물 및 기타 구성물의 양을 감소시키려고 시도하고 있다. 그러나 초합금과 같은 비교적 대형의 금속 몸체의 처리 및 정련(refining)은 종종 균질성의 무결함 조직을 달성함에 있어서의 문제를 수반한다. 이들 문제는 적어도 부분적으로 금속 몸체의 큰 부피에 기인한다고 여겨진다.

공지된 주조 장치는 일렉트로슬래그 정련(electroslag refining: ESR) 및 냉간 유도 가이드(cold-induction guide: CIG) 조직을 포함한다. 산업계에 사용되는 공지된 일렉트로슬래그 정련 장치는 미국 특허 제 5,160,532 호, 제 5,310,165 호, 제 5,325,906 호, 제 5,332,197 호, 제 5,348,566 호, 제 5,366,206 호, 제 5,472,177 호, 제 5,480,097 호, 제 5,769,151 호 및 제 5,810,066 호에 개시되어 있으며, 이들 모든 특허는 본 출원인에게 양도되었다. 이들 일렉트로슬래그 정련 장치는 주물을 형성하는 데는 매우 효과적이지만, 이들 장치는 주물의 액상 부분의 깊이를 조절하는 것은 어느것도 포함하고 있지 않다.

초합금에서 종종 발생되는 이러한 하나의 문제점은 주물을 형성하는데 사용된 주조 장치와 무관하게 주물의 액상 부분(본 기술 분야에서 "용융 풀(melt pool)"이라고 공지됨)의 깊이를 조절하는 것을 포함한다. 예를 들면, 주물의 입자 크기 및 미소조직은 응고 동안에 주물의 액상 부분의 깊이에 따라 좌우될 것이다. 깊은 액상 부분은 미세 입상 미소조직이 아닌 미소조직과 같은 덜 바람직한 미소조직이나 기본 종(elemental species)의 편석을 초래하여 비균질 조직을 형성한다. 이러한 깊은 용융 풀 문제를 극복하기 위해 일렉트로슬래그 정련 공정과 조합하여 후속의 처리 작업이 제안되어 있다. 이 후속 처리는 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting: VAR)일 수 있다. 진공 아크 재용융은 비교적 얕은 용융 풀을 생성하도록 진공 아크 단계에 의해 잉곳이 처리될 때 개시되는데, 이에 의해 더욱 낮은 수소 함량을 가질 수 있는 개선된 미소조직이 생성된다. 진공 아크 정련 공정 다음에, 생성된 잉곳은 그 뒤 기계적으로 가공되어 바람직한 미세 입상 미소 조직을 갖는 금속 스톡(stock)을 형성한다. 이러한 기계적 가공은 단조 및 인발 단계의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 열-기계적 처리는 에너지 입력 양이 많아 비용이 많이 들뿐만 아니라 대형의 고가인 장비를 요구한다.

바람직한 주물 미소조직을 제공하기 위한 일 시도가 미국 특허 제 5,381,847 호에 제안되어 있다. 상기 미국 특허 제 5,381,847 호는 수지상 결정성장(dendritic growth)을 제어함으로써 입자 미소조직을 제어하도록 시도하는 수직 주조 공정이 개시되어 있다. 이 공정은 일부 응용에 유용한 미소조직을 제공할 수 있지만, 미국 특허 제 5,381,847 호의 수직 주조 공정은 액상 부분의 깊이를 제어하지 못한다.

따라서, 주물의 액상 부분의 깊이를 조절하는 금속 주조 공정을 제공할 필요성이 존재한다. 주물의 액상 부분의 깊이를 조절하는 것은 비교적 균질한 미세 입상 미소조직을 갖는 주물을 생성해야 한다. 또한, 비교적 균질한 미세 입상 미소조직을 구비하는 주물을 생성하기 위해 주물의 액상 부분의 깊이를 조절하는 금속 주조 장치를 제공할 필요성이 존재한다. 또한, 터빈 구성요소 응용을 위해 본질적으로 산화물이 없는 주물을 생성하기 위해 주물의 액상 부분의 깊이를 조절하는 금속 주조 공정 및 장치를 제공할 필요성이 존재한다.

발명의 요약

본 발명의 일 특징에 따르면 주조 장치가 제공된다. 주조 장치는 주조 장치에 의해 형성된 주물로 제공되는 정련 액체 금속의 편심 유도 소스를 포함한다. 주물은 정련 액체 금속 및 응고된 부분을 수용하는 액상 부분을 포함하며, 또한 주물은 미세 입상의 균질한 미소조직을 포함하며, 상기 미소조직은 본질적으로 산화물 및 황화물이 없고, 편석 결함이 없다. 주조 장치는 금속에서 산화물 및 황화물이 정련된 정련 액체 금속의 소스와; 주물을 형성하기 위한 핵형성 주조 장치를 포함한다. 정련 액체 금속의 편심 유도 소스는 액상 부분의 통해 정련 액체 금속내에 내포된 열을 분산시키기 위해서 주물의 중심선으로부터 편심된 핵형성 주조 장치에 제공되며, 이에 의해 주물의 액상 부분의 깊이를 감소시킨다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주조 공정은 주조 공정에 의해 형성된 주물에 제공되는 정련 액체 금속의 편심 유도 소스를 구비한다. 주물은 정련 액체 금속 및 응고된 부분을 수용하는 액상 부분을 포함하며, 또한 주물은 미세 입상의 균질한 미소조직을 포함하며, 상기 미소조직은 본질적으로 산화물 및 황화물이 없고, 편석 결함이 없다. 주조 공정은 산화물 및 황화물이 정련된 정련 액체 금속의 소스를 제공하는 단계와; 핵형성 주조에 의해 주물을 형성하는 단계를 포함한다. 정련 액체 금속의 소스를 제공하는 상기 단계는 액상 부분의 통해 정련 액체 금속내에 내포된 열을 분산시키기 위해서 주물의 중심선으로부터 정련 액체 금속의 편심 유도 소스를 제공하는 단계를 포함하며, 이에 의해 주물의 액상 부분의 깊이를 감소시킨다.

본 발명의 상기 및 기타 관점, 장점 및 현저한 특징은, 첨부된 도면(도면 전 반에 걸쳐 동일한 부분에는 동일한 참조부호가 부여됨)과 관련하여 본 발명의 실시예를 기술하는 다음의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 의해 구현되는 바와 같이 주물에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 구비하는 주조 장치의 개략적 도면.

도 2는 주물을 생성하기 위해 일렉트로슬래그 정련 장치 및 핵형성 주조 장치를 갖는 청정 금속 핵형성 주조 장치에 대한 개략적 도면.

도 3은 일렉트로슬래그 정련 장치의 상세한 내용을 도시하는, 도 1에 도시된 바와 같은 청정 금속 핵형성 주조 장치의 개략적 수직 부분 단면도.

도 4는 주물을 생성하는 청정 금속 핵형성 장치의 일렉트로슬래그 정련 장치를 상세히 도시하는 개략적 수직 부분 단면도.

도 5는 주물을 생성하는 청정 금속 핵형성 주조 장치의 일렉트로슬래그 정련 장치의 개략적 부분 단면도.

도 6은 주물에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 포함하는 주조 장치로서, 주물은 핵형성 주조 장치에 의해 형성되는, 주조 장치의 도면.

주물 제품을 생성하기 위한 주조 장치 및 공정은 주물에 액체 금속의 편심 유도 소스를 제공함으로써 주물의 액상 부분의 깊이를 조절한다. 주물에 액체 금속의 편심 유도 소스를 제공하여 주물의 액상 부분의 중심으로 열이 덜 제공된다. 액상 부분의 중심에서의 보다 작은 열은 소스 액체 금속이 대체로 주물의 나머지부보다 높은 온도에 있기 때문에 발생되며, 주물의 나머지부는 주물내의 액상 부분 및 주물의 응고된 부분 양자를 포함한다. 주물의 나머지부에서의 보다 낮은 온도는 응고를 위해 몰드내로 유도되는 경우에 소스 액체로부터의 열 손실의 결과로 이뤄진 것이다. 주물의 액상 부분 깊이를 조절하여 비교적 균질한 미세 입상의 미소조직을 포함하는 주물을 제공해야 한다. 또한, 주물의 액상 부분 깊이를 조절하여 터빈 구성요소 응용을 위해 본질적으로 산화물이 없는 비교적 균질한 미세 입상 미소조직을 가진 주물을 제공해야 한다. 용어 "본질적으로 없는"은 재료내의 임의의 구성요소가 재료 예를 들면 그 강도 및 관련된 특성에 악영향을 미치지 않는 것을 의미한다.

액체 금속의 편심 유도 소스를 구비한 주조 장치는 임의의 적절한 주조 장치를 포함할 수 있다. 주조 장치는 일렉트로슬래그 정련(electroslag refining: ESR) 장치와; 냉간 유도 가이드(cold-induction guide: CIG) 장치, 핵형성(수직방향) 주조 장치에 정련 액체 금속을 제공하는 ESR/CIG 장치를 구비한 일렉트로슬래그 정련 장치와; 핵형성 주조 장치 및 모든 다른 적절한 형태의 주조 장치에 공급되는 정련 금속의 모든 소스를 포함한다. 하기의 설명은 본 발명에 의해 구현되는 바와 같이 주물에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 구비한 예시적인 주조 장치를 설명하지만, 이들은 어떠한 방법에 의해서도 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

예를 들면, 액체 금속의 편심 유도 소스를 구비하는 비제한적인 주조 장치는 예를 들면 본 출원인에게 양도된 상술한 특허에 개시된 바와 같이 냉간 유도 가이드(CIG)와 협동하는 일렉트로슬래그 정련 장치를 포함할 수 있다. 본 발명에 의해 구현되는 바와 같이 주물에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스는 상술한 바와 같이 임의의 적절한 정련 금속 소스로부터 유추될 수 있다. 액체 금속의 편심 유도 소스용의 정련 금속 소스는 진공 아크 재용융(VAR) 장치, 진공 유도 용융(VIR) 장치, 냉간 유도 가이드(CIG) 장치를 구비하거나 구비하지 않은 일렉트로슬래그 정련(ESR) 장치(상술함) 및 가공하지 않거나 불순한 금속의 정제에 적합한 기타 장치를 포함할 수 있다.

주물에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 구비한 다른 비제한적인 핵형성 주조 장치는 또한 다수의 용융 금속 액적이 형성되어 냉각 구역을 통과하도록 하는데, 이 냉각 구역은 평균적으로 각각의 액적의 약 30체적%까지가 응고되도록 하기에 충분한 길이를 갖도록 형성된다. 액적은 그 뒤 몰드에 의해 수용되며 금속 액적의 응고는 몰드내에서 완료된다. 액적의 약 30체적% 미만이 고체상태일 때 액적은 액체 특성 상태로 남으며 몰드내에서 쉽게 유동한다. 상술한 소스는 단지 예이며, 어떠한 방법으로도 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

액체 금속의 편심 유도 소스를 구비한 주조 장치는 주물내에 균질한 미세 입상 미소조직을 형성하며, 주물은 터빈 구성요소 응용에 종종 사용되는 니켈-(Ni) 및 코발트-(Co)계 초합금, 철-(Fe), 티타늄-(Ti), 합금을 포함하는 많은 금속 및 합금으로 형성될 수 있다. 주물은 최종 제품, 빌릿으로 전환되거나 또는 그 균질한 미세 입상 미소조직에 기인하여 감소된 공정 및 열처리 단계에 의해 직접 단조될 수 있다. 따라서, 주물은, 이에 한정되는 것은 아니지만 디스크, 로터, 블레이드, 베인, 휠, 버킷, 링, 샤프트, 휠, 이와 같은 기타 요소 및 기타 터빈 구성요소 응용 등의 회전 설비 응용(이것으로만 제한되지 않음)과 같은 많은 응용에 사용될 수 있다. 하기의 설명은 주물로 형성된 터빈 구성요소를 참조로 설명되지만, 이것은 단지 본 발명의 범위내에 있는 응용의 예시이다.

도 1은 예를 들면 일렉트로슬래그 정련 장치(1) 및 핵형성 주조 장치(3)를 포함하는 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)와 같은 예시적인 주조 장치(3)의 비제한적인 반개략적 부분 단면도이다. 우선, 주조 장치(3)내의 주물에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 도 1을 참조하여 일반적인 용어로 설명되고, 이어서 본 발명을 이해를 용이하게 하기 위해서 예시적인 일렉트로슬래그 정련 장치(1)와 예시적인 핵형성 주조 장치(2)를 설명한다.

도 1은 본 발명에 의해 구현되는 바와 같이 주물에 제공된 액체 금속의 일반적인 편심 유도 소스를 구비한 주소 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서, 액체 금속의 편심 유도 소스(300)는 주물(145)의 액상 부분(148)에 제공될 것이다. 편심 유도 소스(300)는 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 분무(138)의 형태(이것으로 제한되지 않음)로 제공된다. 액체 금속의 소스는 주물(145)의 중심선(350)으로부터 편심되어 있다. 액체 금속의 소스의 편심 위치설정은 주물의 액상 부분의 중간, 즉 깊이가 통상적으로 가장 깊은 중간으로부터 멀리 소스 금속을 배치할 것이다. 따라서, 유도 소스 액체 금속내에 수용된 열은 액상 부분(148)의 중심에 직접 배치되지 않으며, 그에 따라 가장 깊은 깊이의 영역에서 액상 부분(148)에 존재할 것이다. 액체 금속의 유도 소스로부터의 열은 그 중심에서보다는 액상 부분(148)을 통해 발산될 것이다.

주물(145)은 회전 몰드(146), 예를 들면 양머리 화살표(600)로 표시된 양 방향으로 회전되는 몰드에 형성될 것이다. 회전 몰드(146)는 액체 금속의 편심 소스에 전체 액상 부분(148)의 주요 부분이 존재하게 할 것이다. 따라서, 유도 액체 금속내에 존재하는 열은 주물(145)의 액상 부분(148)을 통해 더 분포될 것이다. 또한, 이러한 분포는 주물의 액상 부분(148)의 고체로의 응고를 더욱 향상시킬 것이다. 본 발명에 의해 구현되는 바와 같이 편심 유도 소스 액체 금속을 구비한 주조 장치의 특징부의 추가 설명은 본 발명의 예시적인 실시예와 관련하여 이후에 설명될 것이다.

도 2는 본 발명에 의해 구현되는 바와 같이 예시적인 주조 장치(3)를 도시한 것이다. 도 2에서, 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)와 그 관련 청정 금속 핵형성 주조 공정을 위한 청정 정련 금속은 일렉트로슬래그 정련 장치(1)에 의해 제공될 수 있다. 정련 액체 금속은 핵형성 주조 장치(2)에 의해 공급될 수 있다. 일렉트로슬래그 정련 장치(1) 및 핵형성 주조 장치(2)는 협동하여 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)를 형성하며, 이것은 그 뒤 주물을 형성한다. 도 2 내지 도 4는 도 1의 특징부의 상세도이다. 본 발명의 하기의 설명은 청정 금속 핵형성 주조 장치에 대해서 설명하고 있지만, 이러한 설명은 단지 예이며 모든 방법으로 본 발명을 제한하지 않는다. 부분적 용융/부분적 응고 금속 액적[이하, "반고형 액적(semisolid droplet)"이라 함]은 몰드(146)내에 수집된다. 몰드는 도 2에 점선으로 도시된 바와 같이 측벽 및 바닥 벽을 구비하는 일체 그리고 단일편 몰드를 포함한다. 선택적으로, 몰드는 몰드(146)의 측벽으로부터 철수될 수 있는 신축가능한 베이스(246)를 포함하는 철수형 몰드(withdrawal mold)로 구성될 수 있다. 본 발명의 하기의 설명은 예를 들면 비제한적인 몰드로서 철수형 몰드에 대해서 설명하며, 모든 방법으로 본 발명을 제한하지 않는다. 신축가능한 베이스(246)는 화살표(242) 방향으로 베이스를 측벽으로부터 멀리 이동시키도록 샤프트(241)에 연결될 수 있다. 또한, 샤프트(241)는 후술되는 냉각 장치에 몰드의 대부분을 제공하도록 화살표(243) 방향으로 신축가능한 베이스(246)를 회전시킬 수 있다. 고형 체적비 부분이 점성 변곡점 아래에 있다면 반고형 액적은 액체와 같이 행동하며, 반고형 액적은 몰드의 형상에 일치하도록 충분한 유동성을 나타낸다. 일반적으로, 점성 변곡점을 규정하는 고형 체적비 부분 상한값은 약 40체적% 이하이다. 예시적인 고형 체적비 부분은 약 5% 내지 약 40% 범위이며, 약 15체적% 내지 약 30체적% 범위내의 고형 체적비 부분은 점성 변곡점에 악영향을 미치지 않는다.

일렉트로슬래그 정련 장치(1)는 정련될 소모성 금속 전극(24)을 직접 일렉트로슬래그 정련 장치(1)내로 도입하고 소모성 전극(24)을 정련하여 청정 정련 금속 멜트(46)(이하, "청정 금속")를 생성한다. 소모성 전극(24)으로서의 일렉트로슬래그 정련 장치(1)에 대한 금속 소스는 단순히 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는 이에 한정되는 것은 아니지만 잉곳, 금속 멜트, 파우더 멜트 및 이들의 조합을 포함하는 소스 금속을 포함한다. 이하, 소모성 전극을 참조로 본 발명을 설명하지만, 이것은 단순히 예시적인 것으로 본 발명을 어떤 형식으로 한정하려는 의도는 아니다. 청정 금속(46)은 일렉트로슬래그 정련 장치(1) 아래에 장착된 냉간 노상 구조체(cold hearth structure)(40)내로 수용되어 그 내에 유지된다. 청정 금속(46)은 냉간 노상 구조체(40)로부터 냉간 노상 구조체(40) 아래에 장착 배치되는 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 통해 분배된다.

금속의 일렉트로슬래그 정련 속도 및 냉간 노상 구조체(40)로의 정련된 금속의 운반 속도가 냉간 노상 구조체(40)로부터 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 오리피스(81)를 통해 배출되는 속도에 근접하는 경우, 주물에 제공되는 액체 금속의 편심 유도 소스를 구비하는 일렉트로슬래그 정련 장치(1)는 청정 금속(46)의 공급에 있어 본질적으로 안정된 상태의 작동을 제공할 수 있다. 따라서, 청정 금속 핵형성 주조 공정은 연장된 시간동안 연속적으로 작동할 수 있고, 따라서 많은 양의 금속을 처리할 수 있다. 대안적으로, 청정 금속 핵형성 주조 공정은 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)의 하나 이상의 특징부의 간헐적 작동에 의해 간헐적으로 작동될 수 있다.

일단 청정 금속(46)이 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 통해 일렉트로슬래그 정련 장치(1)를 빠져나가면, 이것은 핵형성 주조 장치(2)내로 들어간다. 그 뒤, 청정 금속(46)은 더욱 처리되어 비교적 큰 정련된 금속의 잉곳을 생성할 수 있다. 대안적으로, 청정 금속(46)은 보다 작은 주물, 잉곳, 주조품을 생성하도록 또는 연속적으로 주조된 주물로 형성되도록 처리될 수 있다. 청정 금속 핵형성 주조 공정은, 지금까지 소망되는 재료의 특성 및 성질 세트를 갖는 금속 주물을 생성하기 위해 필요한, 전술된 바와 같은 많은 처리 작업을 효과적으로 생략할 수 있다.

도 2에 있어서, 수직 운동 제어 장치(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 수직 운동 제어 장치(10)는 이에 한정되는 것은 아니지만 모터 또는 다른 메커니즘과 같은 동력 장치(도시되지 않음)를 포함하는 수직 지지체(14)에 장착된 박스(12)를 포함한다. 동력 장치는 스크루 부재(16)에 회전 운동을 부여하기에 적합하다. 잉곳 지지 구조체(20)는, 이에 한정되는 것은 아니지만 일단부가 스크루 부재(16)에 나사결합된 부재(22)에 회전 운동을 부여하기에 적합하다. 부재(22)는, 이에 한정되는 것은 아니지만 볼트(26)와 같은 적절한 연결구에 의해 그 타단부가 소모성 전극(24)을 지지한다.

일렉트로슬래그 정련 구조체(30)는 이에 한정되는 것은 아니지만 물과 같은 적절한 냉각제에 의해 냉각될 수 있는 저장소(32)를 포함한다. 저장소(32)는 용융된 슬래그(34)를 포함하는데, 슬래그(34)의 초과분이 고형의 슬래그 과립(granule)으로 도시되어 있다. 청정 금속 핵형성 주조 공정에서 사용되는 슬래그 조성은 처리되는 금속에 따라 변한다. 후술되는 바와 같이, 내측벽(82)의 외측에 대해 흐르는 냉각제의 냉각 영향에 기인하여, 슬래그 스컬(skull)(75)이 저장소(32)의 내측벽(82)을 따라 형성될 수 있다.

냉간 노상 구조체(40)(도 2 내지 도 4)는 일렉트로슬래그 정련 구조체(30)의 아래에 장착된다. 냉간 노상 구조체(40)는 물과 같은 적절한 냉각제에 의해 냉각되는 노상(42)을 포함한다. 노상(42)은 응고된 정련 금속의 스컬(44)과 정련된 액체 금속의 본체(46)를 내포한다. 저장소(32)는 노상(42)과 일체로 형성될 수 있다. 대안적으로, 저장소(32) 및 노상(42)은 일렉트로슬래그 정련 장치(1)를 형성하도록 결합되는 별개의 유닛으로 형성될 수 있다. 일렉트로슬래그 정련 장치(1)의 하부 오리피스(81)가 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)내에 제공되는데, 이것은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된다. 본질적으로 산화물, 황화물 및 기타 불순물이 없도록 일렉트로슬래그 정련 장치(1)에 의해 정련된 청정 금속(46)은 일렉트로슬래그 정련 장치(1)를 가로질러 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 오리피스(81) 외측으로 유동할 수 있다.

전력 공급 구조체(70)가 일렉트로슬래그 정련 장치(1)에 정련 전류를 공급할 수 있다. 전력 공급 구조체(70)는 전력 공급부와 제어 메커니즘(74)을 포함할 수 있다. 전류를 부재(22)로 운반하고 그 뒤 전류를 소모성 전극(24)에 운반할 수 있는 전도체(76)는 전력 공급 구조체(70)와 부재(22)를 접속시킨다. 전도체(78)가 저장소(32)에 접속되어 일렉트로슬래그 정련 장치(1)의 전력 공급 구조체(70)에 대한 회로를 완성한다.

도 2는 일렉트로슬래그 정련 구조체(30)와 냉간 노상 구조체(40)의 부분 단면도로서, 일렉트로슬래그 정련 구조체(30)는 저장소(32)의 상부를 규정하며 냉간 노상 구조체(40)는 저장소(32)의 하부(42)를 규정하고 있다. 저장소(32)는 일반적으로 내측벽(82) 및 외측벽(84)을 포함하는 이중벽 저장소를 구성한다. 이에 한정되는 것은 아니지만 물과 같은 냉각제(86)가 내측벽(82)과 외측벽(84) 사이에 제공된다. 냉각제(86)는 공급원(98)(도 4)으로부터 내측벽(82)과 외측벽(84) 사이에 규정된 유동 채널을 통해 또한 통상적인 유입구 및 유출구(도면에 도시되지 않음)를 통해 유동할 수 있다. 냉간 노상 구조체(40)의 벽(82)을 냉각하는 냉각수(86)는 일렉트로슬래그 정련 구조체(30) 및 냉간 노상 구조체(40)에 냉각을 제공하여 냉간 노상 구조체(40)의 내측 표면상에 스컬(44)이 형성되도록 한다. 냉각제(86)는 일렉트로슬래그 정련 장치(1), 청정 금속 핵형성 주조 장치(3) 또는 일렉트로슬래그 정련 구조체(30)의 작동에 필수적인 것은 아니다. 냉각은 액체 금속이 내측벽(82)과 접촉하여 내측벽을 공격하지 않도록 보장하는데, 이것은 벽(82)이 일부 용해되어 액체 금속(46)을 오염시킬 수 있기 때문이다.

도 3에 있어서, 냉간 노상 구조체(40)는 또한 플랜지가 형성된 관형 섹션(90, 92)을 구비할 수 있는 외측벽(88)을 포함한다. 두 개의 플랜지가 형성된 관형 섹션(90, 92)은 도 3의 하부에 도시되어 있다. 외측벽(88)은 핵형성 주조 장치(2)와 협동하여 후술되는 제어된 분위기 환경(140)을 형성한다. 냉간 노상 구조체(40)는 도 4 및 도 5에 상세히 도시된 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 포함한다. 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)는 냉간 노상 구조체(40) 및 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 통해 냉간 노상 구조체(40)를 빠져나가는 액체 멜트(46)의 스트림(56)과 관련하여 도 4에 도시되어 있다. 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)는 고체 금속 스컬(44) 및 액체 멜트(46)와 구조적 협동관계로 도시되어 있다(도 3 및 도 4). 도 5는 액체 금속 및 고체 금속 스컬이 없이 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 도시하며, 이에 의해 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 상세부가 도시되어 있다. 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)는 오리피스(81)를 포함하는데, 이 오리피스(81)로부터 처리된 용융 금속(46)이 스트림(56)의 형태로 유동할 수 있다. 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)는 냉간 노상 구조체(40) 및 냉간 노상 구조체(30)에 연결된다. 따라서, 냉간 노상 구조체(40)는 처리되어 대체로 불순물이 없는 합금이 냉간 노상 구조체(40)의 벽과 접촉함으로써 스컬(44)을 형성하도록 한다. 스컬(44, 83)은 이에 따라 용융 금속(46)의 용기로서 작용한다. 또한, 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)에 형성된 스컬(83)(도 4)은 그 두께의 견지에서 제어가능하며, 통상적으로 스컬(44)보다 작은 두께를 갖도록 형성된다. 보다 두꺼운 스컬(44)은 냉간 노상 구조체(40)와 접촉하고 보다 얇은 스컬(83)은 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)와 접촉하며, 스컬(44, 83)은 서로 접촉하여 본질적으로 연속적인 스컬을 형성한다.

제어된 양의 열이 스컬(83)에 제공되어 액체 금속 본체(46)에 열적으로 전달될 수 있다. 열은 냉간 노상 구조체 주위에 배치된 유도 가열 코일(85)로부터 제공된다. 유도 가열 코일(85)은, 공급원(87)으로부터 그내로 흐르는 물과 같은 적절한 냉각제의 유동에 의해 냉각되는 유도 가열 코일을 포함한다. 유도 가열 전력은 도 4에 개략적으로 도시된 전력 공급원(89)으로부터 공급된다. 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 구조는 유도 에너지에 의한 열이 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)내로 침투하여 액체 금속(46) 및 스컬(83)을 가열하도록 하며, 오리피스(81)를 개방된 상태로 유지하여 스트림(56)이 오리피스(81) 밖으로 유동할 수 있도록 한다. 가열 전력이 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)에 인가되지 않은 경우, 오리피스는 액체 금속(46)의 스트림(56)의 응고에 의해 폐쇄될 수 있다. 가열은, 인접하는 핑거로부터 절연되는 예를 들면 공기 또는 가스 갭에 의해 또는 적합 한 절연재에 의해 절연되는 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 각각의 핑거에 좌우된다.

냉간 핑거 오리피스 구조체(80)는 도 5에 도시되어 있는데, 여기서 스컬(44, 83)과 용융 금속(46)은 명료성을 위해 생략되었다. 개개의 냉간 핑거(97)는 갭(94)에 의해 핑거(92)와 같은 각각의 인접하는 핑거로부터 분리되어 있다. 갭(94)은 이에 한정되는 것은 아니지만 세라믹 재료 또는 절연 가스와 같은 절연재가 제공되어 그에 의해 충전될 수 있다. 따라서, 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)내에 배치된 용융 금속(46)(도시되지 않음)은 갭을 통해 누출되지 않는데, 이는 스컬(83)이 냉간 핑거에 걸친 브릿지를 형성하여 액체 금속(46)이 그것을 통과하는 것을 방지하기 때문이다. 각각의 갭은 도 5에 도시된 바와 같이 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 바닥으로 연장하는데, 도 5는 관찰자의 시선과 정렬된 갭(99)을 도시한다. 갭은 각각의 인접한 핑거의 절연 분리를 제공하기에 충분한 약 20밀(mil) 내지 약 50밀 범위의 폭을 가질 수 있다.

개개의 핑거는 적절한 냉각제 공급원(도시되지 않음)으로부터 도관(96)내로 냉각제를 통과시킴으로써, 물과 같은 냉각제를 구비할 수 있다. 냉각제는 그 뒤 매니폴드(98) 주위로 그것을 지나 냉각 튜브(100)와 같은 개개의 냉각 튜브로 이동된다. 냉각 튜브(100)를 빠져나온 냉각제는 냉각 튜브의 외측 표면과 핑거의 내측 표면 사이로 유동한다. 냉각제는 그 뒤 매니폴드(102)내로 수집되어 물 출구 튜브(104)를 통해 냉간 핑거 오리피스 구조체(80) 밖으로 나온다. 이 개개의 냉간 핑거 물 공급 튜브 장치는 전체로서 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 냉각을 허용한다.

냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 통해 스컬(44, 83) 및 액체 금속(46)에 제공되는 가열 또는 냉각의 양은, 스트림(56)으로서 오리피스(81)를 통과하는 액체 금속(46)을 제어하도록 제어된다. 제어된 가열 또는 냉각은 유동 코일(85)내에서 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)로 흐르는 전류 및 냉각제의 양을 제어함으로써 행해진다. 제어된 가열 또는 냉각은 스컬(44, 83)의 두께를 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 또한 오리피스(81)를 개방 또는 폐쇄할 수 있거나 또는 오리피스(81)를 통과하는 스트림(56)을 감소 또는 증가시킬 수 있다. 스컬(44, 83)의 두께를 증가 또는 감소시킴으로써 다소의 액체 금속(46)이 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 지나 오리피스(81)내로 유동하여 스트림(56)을 형성할 수 있다. 스트림(56)의 유동은, 오리피스(81)를 설정된 통로 사이즈로 유지하도록 유도 가열 코일(85)로의 가열 전류 및 전력과 냉각수를 제어함으로써 또한 스컬(44, 83)의 두께를 제어함으로써 소망의 밸런스로 유지될 수 있다.

이하, 도면을 참조로 본 발명에 의해 구현되는 편심 유도 소스 액체 금속을 구비한 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)의 일렉트로슬래그 정련 장치(1)의 작동에 대해 설명한다. 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)의 일렉트로슬래그 정련 장치(1)는 결함 및 불순물을 포함할 수 있거나 상대적으로 정련될 수 있는 잉곳을 정련할 수 있다. 소모성 전극(24)이 일렉트로슬래그 정련 장치(1)에 의해 용융된다. 소모성 전극(24)은 일렉트로슬래그 정련 장치내의 용융 슬래그와 접촉하도록 일렉트로슬래그 정련 장치(1)내에 장착된다. 일렉트로슬래그 정련 장치 및 잉곳에 전력이 공급된다. 전력은 잉곳이 용융 슬래그와 접촉하고 있는 표면에서 잉곳의 용융을 야기하여 금속의 용융 액적이 형성된다. 액적은 용융 슬래그를 통과한 후 일렉트로슬래그 정련 구조체(30) 아래의 냉간 노상 구조체(40)내에 정련된 액체 금속의 본체로서 수집된다. 소모성 전극(24)으로부터 발생되는 산화물, 황화물, 오염물 및 기타 불순물은 액적이 잉곳의 표면상에 형성되어 용융 슬래그를 통과할 때 제거된다. 용융된 액적은 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 오리피스(81)에서 스트림(56)으로서 일렉트로슬래그 정련 장치(1)로부터 배출된다. 제품을 형성하는 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)의 일렉트로슬래그 정련 장치(1)를 빠져나가는 스트림(56)은 본질적으로 산화물, 황화물, 오염물 및 기타 불순물이 없는 정련된 멜트를 포함한다.

금속 스트림(56)이 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)를 빠져나가는 속도는 오리피스(81)위의 액체 금속(46)의 유체 정역학적 헤드를 제어함으로써 더욱 제어될 수 있다. 냉간 핑거 오리피스 구조체(80)의 오리피스(81)위로 연장하는 액체 금속(46) 및 슬래그(44, 83)는 유체 정역학적 헤드를 규정한다. 일렉트로슬래그 정련 장치(1)를 갖는 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)가 소정의 일정한 유체 정역학적 헤드 및 일정한 크기의 오리피스(81)에서 작동되는 경우, 본질적으로 일정한 액체 금속의 유량이 설정될 수 있다.

통상적으로, 멜트 속도가 대체로 스트림(56)으로서의 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)로부터의 제거 속도와 동일하도록 안정된 상태의 전력이 요구된다. 그러나, 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)에 인가된 전류는 오리피스(81)위로 보다 많거나 적은 액체 금속(46) 및 슬래그(44, 83)를 제공하도록 조절될 수 있다. 오리피스(81)위로의 액체 금속(46) 및 슬래그(44, 83)의 양은 잉곳을 용융시키는 전력, 및 스컬을 생성하는 일렉트로슬래그 정련 장치(1)의 냉각에 의해 결정된다. 인가되는 전류를 조절함으로써, 오리피스(81)를 통과하는 유동이 제어될 수 있다.

또한, 안정된 상태의 작업을 설정하기 위해, 용융 슬래그(34)의 상측 표면과 소모성 전극(24)의 접촉이 유지될 수 있다. 멜트(46)내로의 소모성 전극(24)의 하강 속도는 안정된 상태의 작업을 위해 용융 슬래그(34)의 상측 표면과 소모성 전극(24)의 접촉이 유지되는 것을 보장하도록 조절될 수 있다. 따라서, 스트림(56)으로부터의 안정된 상태의 방출이 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)내에 유지될 수 있다. 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)의 일렉트로슬래그 정련 장치(1)내에 형성된 금속의 스트림(56)은 일렉트로슬래그 정련 장치(1)를 빠져나가 핵형성 주조 장치(2)로 이송된다. 핵형성 주조 장치(2)는 도 2에서 일렉트로슬래그 정련 장치(1)와 협동하는 상태로 도시되어 있다.

제품을 형성하는 작용을 하는 핵형성 주조 장치(2)는 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)의 일렉트로슬래그 정련 장치(1)로부터의 스트림(56)을 수용하도록 위치된 분열 사이트(134)를 포함한다. 분열 사이트(134)는 스트림(56)을 다수의 용융 금속 액적(138)으로 전환시킨다. 스트림(56)은 바람직하지 못한 액적(138)의 산화를 방지하기에 충분한 제어된 분위기 환경(140)내에서 분열 사이트(134)로 이송될 수 있다. 제어된 분위기 환경(140)은 스트림(56)의 금속과 반응하지 않는 임의의 가스 또는 가스의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 스트림(56)이 알루미늄 또는 마그네슘을 포함하는 경우, 제어된 분위기 환경(140)은 액적(138)이 점화 위험 상태로 되는 것을 방지하는 환경을 제공한다. 통상적으로, 임의의 희가스(noble gas) 또는 질소가 제어된 분위기 환경(140)내에 사용되기 적합한데, 이는 이들 가스가 대체로 본 발명의 범위내에 있는 대부분의 금속 및 합금과 비반응성이기 때문이다. 예를 들면, 저가의 가스인 질소는 과도하게 질화하기 쉬운 금속 및 합금을 제외하고는 제어된 분위기 환경(140)내에 사용될 수 있다. 또한, 금속이 구리인 경우, 제어된 분위기 환경(140)은 질소, 아르곤 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 금속이 니켈 또는 스틸인 경우, 제어된 분위기 환경(140)은 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

분열 사이트(134)는 스트림(56)을, 액체 금속의 편심 유도 소스로서 주물(145)의 액상 부분(148)으로 공급되는 액적(138)으로 전환시키기 위한 임의의 적합한 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들면, 분열 사이트(134)는 하나 이상의 제트(142)로 스트림(56)을 제한하는 가스 분무기를 포함할 수 있다. 스트림상에 충돌하는 제트(142)로부터의 가스의 유동이 제어될 수 있어, 액적(138)의 사이즈 및 속도가 제어될 수 있다. 본 발명의 범위내에 있는 다른 분무 디바이스는 제어된 분위기 환경(140)을 형성하도록 사용되는 가스의 스트림의 형태인 고압 분무 가스를 포함한다. 제어된 분위기 환경(140) 가스의 스트림은 금속 스트림(56)과 충돌하여 금속 스트림(56)을 액적(138)으로 전환시킬 수 있다. 스트림 분열의 다른 예시적 유형은, 전기장과 수직한 자석을 갖는 DC 전력 공급원에 접속된 두 개의 전극 사이의 좁은 갭을 통해 스트림(56)이 흐르는 자기 유체역학적 분무화(magneto- hydrodynamic atomization) 및 기계적 유형의 스트림 분열 디바이스를 포함한다.

액적(138)은 대체로 발산하는 원추형상을 형성하도록 분열 사이트(134)로부터 하방으로 흩뿌려진다(도 2). 액적(138)은 분열 사이트(134)와 몰드(146)내의 금속 주물(145)의 상측 표면(150) 사이의 거리에 의해 규정되는 냉각 구역(144)을 횡단한다. 냉각 구역(144)의 길이는 액적이 냉각 구역(144)을 횡단하여 중심선(350)으로부터 편심된 금속 주물(145)의 상측 표면(150)에 충돌하는 시간에 의해 액적의 일부 체적 부분을 응고시키기에 충분하다. 응고되는 액적(138)의 부분[이하, "고형 체적비 부분(solid volume fraction portion)"이라 함]은 몰드내의 액체 유동 특성이 본질적으로 손실되는 점성 변곡점까지의 몰드내의 조대한 수지상 결정성장을 방지하기에 충분하다.

부분적 용융/부분적 응고 금속 액적[이하, "반고형 액적(semisolid droplet)"이라 함]은 몰드(146)내의 주물(145)의 액상 부분(148)내에 편심 배치된다. 고형 체적비 부분이 점성 변곡점 아래에 있다면 반고형 액적은 액체와 같이 행동하며, 반고형 액적은 몰드의 형상에 일치하도록 충분한 유동성을 나타낸다. 일반적으로, 점성 변곡점을 규정하는 고형 체적비 부분 상한값은 약 40체적% 이하이다. 예시적인 고형 체적비 부분은 약 5% 내지 약 40% 범위이며, 약 15체적% 내지 약 30체적% 범위내의 고형 체적비 부분은 점성 변곡점에 악영향을 미치지 않는다.

주물(145)의 액상 부분(148)에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스는 주물(145)의 액상 부분(148)의 중심으로 열을 덜 제공하는데, 그 이유는 소스 액체 금속이 대체로 주물(145)의 나머지부보다 높은 온도에 있기 때문이다. 주물(145)의 나머지부에서의 보다 낮은 온도는 응고를 위해 몰드(146)내로 유도되는 경우에 소스 액체로부터의 열 손실의 결과로 이뤄진 것이다. 주물의 액상 부분(148) 깊이를 조절하여 비교적 균질한 미세 입상 미소조직을 포함하는 주물(145)을 제공해야 한다. 또한, 주물의 액상 부분 깊이를 조절하여 터빈 구성요소 응용을 위해 본질적으로 산화물이 없는 비교적 균질한 미세 입상 미소조직을 가진 주물(145)을 제공해야 한다.

액적(138)의 분무는 몰드(146)내의 주물(145)의 표면에 난류 구역(148)을 형성한다. 난류 구역(148)은 약 0.005인치 내지 약 1.0인치 범위의 몰드(146)내의 대략 깊이를 가질 수 있다. 난류 구역(148)의 깊이는 이것으로만 제한되지 않지만 분무화 가스 속도, 액적 속도, 냉각 구역(144)의 길이, 스트림 온도, 액적 크기와 같은 다양한 청정 금속 핵형성 주조 장치(3)의 인자에 좌우된다. 본 발명의 범위내에 있는 예시적 난류 구역(148)은 몰드내에서 약 0.25인치 내지 약 0.50인치 범위의 깊이를 포함한다. 일반적으로, 몰드(146)내의 난류 구역(148)은 금속이 현저하게 액체 특성을 나타내는 주물의 영역보다 크지 않아야 한다. 통상적으로, 난류 구역에서의 보다 낮은 점성도는 주물내의 가스 포획 및 그에 따른 구멍 생성을 최소화한다. 난류 구역(148)내의 고형인 평균 액적의 고형 체적비가 약 50체적% 보다 낮다면, 주물내의 가스 포획이 최소화된다. 예를 들면, 난류 구역(148)내의 고형인 평균 액적의 고형 체적비가 약 5체적% 내지 약 40체적%의 범위내에 있다면, 주물내의 가스 포획이 최소화된다.

몰드(146)는 몰드(146) 벽을 통한 열전도에 의해 그리고 주물의 상측 표면(150)의 대류에 의해서 주물로부터 열을 추출한다. 난류 구역(148)은 난류 구역(148)내의 고유 난류 성질에 의해서 주물의 열 구배를 감소시킨다. 이러한 열 구배의 감소는 주물의 고온 파열 및 수지상 조대화(dendritic coarsening)를 감소시키는데, 이러한 고온 파열 및 수지상 조대화는 모두 주물에서는 바람직하지 못하다. 물론, 상술한 바와 같이 주물(145)에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스는 주물(145)의 액상 부분(148)의 중심선(350) 근방에 존재하는 전체 열을 감소시키며, 그에 따라 액상 부분(148)의 냉각 및 응고를 향상시킨다.

몰드(146)는 이에 한정되는 것은 아니지만 흑연, 주철 및 구리와 같이 주조 응용에 적합한 임의의 재료로 형성될 수 있다. 흑연은 비교적 기계가공이 용이하고 열제거 목적을 위한 만족할만한 열전도성을 나타내기 때문에 적합한 몰드(146) 재료이다. 냉각제를 순환시키기 위해서 몰드내에 매립될 수 있는 냉각 코일은 몰드(146)를 통한 열의 제거를 개선할 수 있다. 본 발명의 범위는 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 몰드를 냉각시키기 위한 다른 수단을 포함한다. 몰드(146)는 반고형 액적이 이미 부분적으로 응고되어 있기 때문에 종래의 몰드에서와 같이 많은 열 보호가 필요하지 않을 수 있다. 따라서, 반고형 액적을 부분적으로 응고시키기 위해서 반고형 액적으로부터 이미 일부 열이 제거되었고, 반고형 액적이 액체 금속으로 전체가 형성된 종래의 주물과 비교할 때 반고형 액적이 몰드에 있는 경우 보다 적은 열을 제거할 필요가 있다. 감소된 열 제거는 몰드(146)의 열적 유도 변형을 감소시킬 수 있고, 이것은 주물로부터 균일한 열제거 속도를 유도할 수 있어서 주물 균일성 및 균질성을 개선한다.

몰드(146)가 반고형 액적(138)으로 충전됨에 따라, 그 상측 표면(150)은 분열 사이트(134)에 보다 가깝게 이동되고 냉각 구역(144)은 감소된다. 분열 사이트(134) 또는 몰드(146)중 적어도 하나가 이동가능한 지지체상에 장착되어 일정한 냉각 구역(144) 치수를 유지하도록 고정된 속도로 분리될 수 있는 동시에 주물(145)에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 유지한다. 따라서, 액적(138)에 있어 일반적으로 일정한 고형 체적비 부분이 형성된다. 일렉트로슬래그 정련 장치(1)로부터 몰드(146)로 제어된 분위기 환경(140)을 연장하도록 핵형성 주조 장치(2)내에 배플(152)이 제공될 수 있다. 배플(152)은 부분적으로 용융된 금속 액적(138)의 산화를 방지하고 제어된 분위기 환경 가스(140)를 보존할 수 있다. 주물로부터 추출된 열은 응고 공정을 완료하여 주물(145)을 형성한다. 청정 금속 핵형성 주조 공정에 의해 생성된 주물(145)내에 충분한 핵이 형성되어, 응고시에 미세한 등방상 미소조직(149)이 주물 및 그 최종 제품에 형성될 수 있다. 일렉트로슬래그 정련 장치(1)에 의해 생성된 청정 금속과, 핵형성 주조 장치(2)에 의해 형성된 조절된 미소조직 주물을 포함하는 청정 금속 핵형성 주조 공정에 의해서 다공성 및 열간 가공 파열이 감소되거나 실질적으로 제거된다.

도 6은 다른 예시적인 주조 장치(600)를 도시한 것이다. 주조 장치(600)는 본 발명에 의해 구현된 바와 같이 주물(145)에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 포함한다. 도 6의 주조 장치(600)는 상술한 바와 같이 소스를 위한 정련 금속의 임의의 적당한 소스를 구비하는 핵형성 주조 장치(2)를 포함하며, 상기 소스는 주물(145)의 액상 부분(148)에 액체 금속의 편심 유도 소스로서 제공된다. 예를 들면 그리고 본 발명을 제한하지 않는 방법으로, 액체 금속의 소스는 상술한 바와 같이 분열 장치(134)에 의해 분무(138)내에 형성될 수 있다. 분무(138)는 상술한 이유 때문에 중심선(350)에서 편심되어 주물(145)의 액상 부분(148)으로 유입된다. 주조 장치(600)의 다른 특징은 본 발명의 상기에 설명된 바와 같다.

주물에 제공된 액체 금속의 편심 유도 소스를 구비하는 주조 장치는 바람직하지 못한 수지상 결정성장을 방지하고, 형성된 주물 및 제품의 응고 수축 다공성을 감소시키고, 주조 동안과 그 이후의 주조 및 주물에 대한 열간 가공 동안의 고온 파열을 감소시킨다. 또한, 주조 장치는 주물내에 균일한 등방상 조직을 생성하는데, 이것은 주조 동안의 몰드의 최소 뒤틀림, 몰드내에서의 주물의 응고 동안의 제어된 열전달 및 제어된 핵형성의 결과이다. 본 발명에 의해 구현되는 바와 같이 편심 유도 소스 액체 금속을 구비하는 주조 장치는 종래의 주물에 비해 제품의 내구성 및 파괴 인성을 향상시킨다.

본 명세서에 다양한 실시예가 기술되어 있지만, 본 명세서로부터 다양한 요소의 조합, 변형 또는 개선이 당업자에 의해 행해질 수 있으며 본 발명의 범위내에 있음을 인식할 것이다.

Claims

금속에서 산화물 및 황화물이 정련된 정련 액체 금속의 소스와,

주물을 형성하기 위한 핵형성 주조 장치로서, 상기 주물은 본질적으로 산화물 및 황화물이 없고 편석 결함이 없는 미세 입상의 균질한 미소조직과, 주형 중심선과, 상기 정련 금속을 수용하도록 구성된 액상 부분과, 응고 부분을 포함하는, 상기 핵형성 주조 장치를 포함하며,

상기 정련 액체 금속의 소스는 정련 액체 금속의 유도 소스를 포함하며, 상기 유도 소스는 상기 주형 중심선으로부터 편심된 부분에서 상기 주물을 형성하기 위해 핵형성 주조 장치에 제공되어, 상기 정련 액체 금속내에 내포된 열을 상기 액상 부분을 통해 분산시키고, 이에 의해 주물의 액상 부분의 깊이를 감소시키는

주조 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 정련 액체 금속의 소스가 일렉트로슬래그 정련 장치를 포함하는

주조 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 일렉트로슬래그 정련 장치는,

정련 액체 금속의 소스의 일렉트로슬래그 정련에 적합하고 용융 슬래그를 제공하는 일렉트로슬래그 정련 구조체와,

상기 용융 슬래그 아래에 정련 용융 금속을 보유하고 그 내부에 정련 용융 금속을 제공하는 냉간 노상 구조체와,

상기 일렉트로슬래그 정련 구조체내로 삽입하기 위한 것으로 상기 일렉트로슬래그 정련 구조체내의 용융 슬래그와 접촉되는 원료 금속의 소스와,

상기 원료 금속의 소스를 회로를 통해 일렉트로슬래그 정련하기 위해 전력을 공급하기에 적합한 전력 공급원으로서, 상기 회로는 전력 공급원, 원료 금속의 소스, 용융 슬래그 및 원료 금속의 소스를 저항 용융시키기에 충분한 일렉트로슬래그 정련 구조체를 포함하며, 상기 원료 금속의 소스는 용융 슬래그와 접촉하여 정련 액체 금속의 용융 액적을 형성하는, 상기 전력 공급원과,

상기 용융 액적이 용융 슬래그를 통해 낙하되게 하는 출구와,

상기 용융 액적이 용융 슬래그를 통해 통과한 후에 용융 액적을, 일렉트로슬래그 정련 구조체 바로 아래의 냉간 노상 구조체내에 정련 액체 금속의 본체로서 수집하기 위한 수집기와,

상기 냉간 노상 구조체의 하부 부분에 오리피스를 구비하는 냉간 핑거 오리피스 구조체로서, 냉간 노상 오리피스 구조체에 수집되는 일렉트로슬래그 정련 금속을 냉간 핑거 오리피스 구조체의 오리피스를 통해 배출시키는, 상기 냉간 핑거 오리피스 구조체를 포함하는

주조 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 금속 소스는 니켈계, 코발트계, 티타늄계 또는 철계 금속중 적어도 하나로부터 선택된 합금을 포함하며, 청정 금속 핵형성 주조 공정에 의해 형성된 주물은 니켈계, 코발트계, 타타늄계 또는 철계 금속중 적어도 하나를 포함하는

주조 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 금속 소스를 정련 구조체내로 전진시키는 속도는 잉곳의 하부 단부가 저항 용융에 의해 용융되는 속도와 일치하는

주조 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 오리피스는 용융 금속의 스트림을 형성하는

주조 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 일렉트로슬래그 정련 구조체와 냉간 노상 구조체는 동일한 구조체의 상측 및 하측 부분을 포함하는

주조 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 전력 공급원은 정련된 액체 금속내에 회로를 형성하는

주조 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 오리피스는 저항 용융의 속도와 동일한 배출 속도를 설정하는

주조 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 핵형성 주조 장치는,

상기 정련된 액체 금속의 소스를 용융된 금속 액적으로 분열시키는 분열 사이트로서, 상기 용융된 금속 액적은 평균적으로 각 액적의 5체적% 내지 40체적%가 고형이고 각 액적의 나머지는 용융된 상태로 있도록 용융된 금속 액적을 부분적으로 응고시키는, 상기 분열 사이트와,

주물을 형성하기 위해 부분적으로 응고된 액적을 수집 및 응고시키기 위한 몰드를 포함하며,

몰드의 상측 표면에 수집된 액적에 의해 난류 구역이 발생되며, 평균적으로 상기 액적은 50체적% 이하가 응고되는

주조 장치.
제 10 항에 있어서,

평균적으로 액적의 5체적% 내지 40체적%가 응고되는

주조 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 분열 사이트가 정련된 액체 금속에 충돌하는 적어도 하나의 분무 가스 제트를 포함하는

주조 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 주물이 잉곳 및 예비성형품중 적어도 하나를 포함하는

주조 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 주물이 니켈계, 코발트계, 티타늄계 또는 철계 금속중 적어도 하나를 포함하는

주조 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 주물이 터빈 구성요소 응용에 사용하기에 적합한

주조 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 원료 금속의 소스가 소모성 전극, 금속의 동력 소스 및 금속의 용융 소스중 적어도 하나로부터 선택되는

주조 장치.
금속에서 산화물 및 황화물이 정련된 정련 액체 금속의 소스를 제공하는 단계와,

핵형성 주물에 의해 주물을 형성하는 단계를 포함하며,

상기 주물은 정련된 액체 금속을 수용하는 액상 부분과 응고 부분을 포함하며, 상기 주물이 또한 본질적으로 산화물 및 황화물이 없고, 편석 결함이 없는 미세 입상의 균질한 미소조직으로 구성되며,

상기 정련 액체 금속의 소스를 제공하는 상기 단계가 정련 액체 금속의 유도 소스를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 유도 소스는 주형 중심선으로부터 편심된 부분에서 상기 주물을 형성하기 위한 핵형성 주조 장치에 제공되어, 상기 정련 액체 금속내에 내포된 열을 액상 부분을 통해 분산시키고, 이에 의해 주물의 액상 부분의 깊이를 감소시키는

주조 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 정련 액체 금속의 소스를 제공하는 상기 단계가 일렉트로슬래그 정련 단계를 포함하며,

상기 일렉트로슬래그 정련 단계는,

정련될 원료 금속의 소스를 제공하는 단계와,

금속의 소스의 일렉트로슬래그 정련에 적합한 일렉트로슬래그 정련 구조체를 제공하고 또한 용기내에 용융된 슬래그를 제공하는 단계와,

용융된 슬래그 아래에 정련된 용융 금속을 유지하기 위한 냉간 노상 구조체를 제공하고 또한 상기 냉간 노상 구조체내에 정련된 용융 금속을 제공하는 단계와,

상기 일렉트로슬래그 정련 구조체내로의 삽입을 위해 일렉트로슬래그 정련 구조체내의 용융된 슬래그와 접촉하도록 금속 소스를 장착하는 단계와,

전력을 공급하기에 적합한 전력 공급원을 제공하는 단계와,

금속 소스를 일렉트로슬래그 정련하도록 회로를 통해 전력을 공급하는 단계로서, 상기 회로를 전력 공급원, 금속 소스, 용융된 슬래그 및 일렉트로슬래그 정련 구조체를 포함하는, 전력 공급 단계와,

금속 소스가 용융된 슬래그와 접촉하는 부분에서 금속 소스를 저항 용융하여 용융된 금속 액적을 형성하는 단계와,

용융된 액적이 용융된 슬래그를 통해 낙하되도록 하는 단계와,

용융된 액적이 용융된 슬래그를 통과한 후 일렉트로슬래그 정련 구조체의 바로 아래의 냉간 노상 구조체내의 정련된 액체 금속의 본체로서 용융된 액적을 수집하는 단계와,

상기 냉간 노상 구조체의 하부에 오리피스를 갖는 냉간 핑거 오리피스 구조체를 제공하는 단계와,

상기 냉간 핑거 오리피스 구조체의 오리피스를 통해 상기 냉간 노상 오리피스 구조체내에 수집되는 일렉트로슬래그 정련된 금속을 배출하는 단계를 포함하는

주조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 금속 소스는 니켈계, 코발트계, 티타늄계 또는 철계 금속중 적어도 하나로부터 선택된 합금을 포함하며, 핵형성 주조 공정에 의해 형성된 주물은 니켈계, 코발트계, 타타늄계 또는 철계 금속중 적어도 하나를 포함하는

주조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 원료 금속 소스를 정련 구조체내로 전진시키는 속도는 저항 용융의 속도와 일치하는

주조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 배출 단계는 용융 금속의 스트림을 형성하는 단계를 포함하는

주조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 일렉트로슬래그 정련 구조체와 냉간 노상 구조체는 동일한 구조체의 상측 및 하측 부분을 포함하는

주조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 전력 공급 단계는 정련된 액체 금속내에 회로를 형성하는 단계를 포함하는

주조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 배출 단계는 저항 용융의 속도와 동일한 배출 속도를 설정하는 단계를 포함하는

주조 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 주물 형성 단계는,

정련 액체 금속의 소스로부터 정련 액체 금속의 스트림을 용융된 금속 액적으로 분열시키는 단계와,

평균적으로 각 액적의 5체적% 내지 40체적%가 고형이고 각 액적의 나머지는 용융된 상태로 있도록 용융된 금속 액적을 부분적으로 응고시키는 단계와,

부분적으로 응고된 액적을 주물을 형성하는 몰드내에 수집하여 응고시키는 단계로서, 상측 표면에서 액적에 의해 난류 구역이 발생되며, 상기 부분적으로 응고된 액적을 수집 및 응고시키는 단계는 상기 난류 구역내에 액적을 수집하여 평균적으로 액적의 50체적% 이하를 응고시키는 단계를 포함하는

주조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 용융된 금속 액적을 부분적으로 응고시키는 단계는 평균적으로 액적의 15체적% 내지 30체적%를 응고시키는

주조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 부분적으로 응고된 액적을 수집 및 응고시키는 단계는 액적의 5체적% 내지 40체적%를 수집하여 응고시키는 단계를 포함하는

주조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 분열시키는 단계는 적어도 하나의 분무 가스 제트를 스트림상에 충돌시키는 단계를 포함하는

주조 방법.