KR100811953B1 - 고효율 유도 용융 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

유도 용융 시스템(78)은 고저항률 또는 고도자성을 가진 물질로 제조된 도가니(50)와, 각각 절연된 다수개의 구리 전도체로 권취된 케이블을 포함하는 하나 또는 그 이상의 유도 코일을 이용하며, 전원과 함께 유도로를 형성하고, 소형이다. 상기 시스템 구성요소는 공냉되며 수냉이 필요없다. 상기 유도 용융 시스템은 단편(79)으로부터 금속을 분리하고, 유도로로부터 직접 주형을 성형하며, 용융 금속을 연속적으로 공급하는데 특히 유용하다. 또한, 상기 유도 시스템은 가공물을 가열하는 터널식 또는 폐쇄된 로 형태를 취할 수 있다.

유도로, 도가니, 유도 코일, 공냉, 주형.

Description

고효율 유도 용융 시스템 및 방법{HIGH EFFICIENCY INDUCTION MELTING SYSTEM AND METHOD}

본 출원은 1999년 11월 12일자로 출원된 미국 예비출원 제 60/165,304호 및 2000년 4월 14일자로 출원된 미국 정식출원 제 09/550,305호를 우선권 주장한다.

본 발명은 자기 유도를 이용하여 도가니를 가열하는 유도 용융 시스템에 관한 것으로, 상기 도가니의 내부에서 금속이 용융되며 당해 도가니로부터 전달되는 열에 의해 용융된 상태로 유지될 수 있다.

유도 용융 시스템은 환경적으로 가장 깨끗하며 효율적인 금속 용융방법으로 널리 알려져 있다. 도 1에 도시된 유도 용융로(1)에서, 도가니(3)를 둘러싼 코일(2)의 AC 전류에 의해 생성된 전자기장은 도가니 내부의 전도성 물질(4)과 작용하여 와전류(5)를 발생시키고, 이 와전류가 금속을 가열하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 코일(2)의 화살표는 코일에서 전류가 흐르는 방향을 나타내는 반면, 와전류(5)의 화살표는 전도성 물질에서 유도 전류가 흐르는 방향의 역방향을 나타낸다. 가변 고주파수(통상적으로, 100 내지 10,000㎐) AC전류가 전원 또는 변환기(6)에서 발생되어 코일(2)로 공급된다. 통상적으로, 캐패시터(9)를 제외하고, 상기 변환기는 유도코일과 함께 공진 루프를 형성한다. 모터-제너레이터, 펄스 폭 변조(PWM) 인버터 등을 포함하는 다른 형태의 전원이 사용될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 자기장은 부하 전류(10)가 전도성 물질의 원통형 외면상에서 흐를 수 있도록 하며, 코일 전류(11)가 도 2에 도시된 바와 같이 코일 전도체의 내면상에서 흐를 수 있도록 한다. 통상의 로에 구비된 도가니(3)는 세라믹 물질로 제조되며, 통상적으로 전기적으로 전도성이 없다. 로의 효율은 하기된 식에 의해 계산된다.

여기서, η는 로 효율이고, D₁은 코일의 내경이며, D₂는 부하의 외경이고, ρ₁은 코일 권취 물질(구리)의 저항률이며, ρ₂는 (용융된)부하의 저항률이고, Δ₁ 은 구리 권선에서의 전류 투과 깊이이며, Δ₂는 (용융된)부하에서의 전류 투과 깊이이다.

상기 전류 투과 깊이(Δ)는 하기된 식에 의해 결정되는 바와 같이 물질 특성의 함수이다.

여기서, ρ는 단위가 Ωㆍm인 저항률이고, f는 단위가 ㎐인 주파수이며, μ는 (무차원 상대값인)도자성이고, Δ는 단위가 m인 투과 깊이이다.

수학식 2에서 상수, 즉 503은 무차원이다.

전류는 저항률이 낮은 코일의 구리 물질을 깊이 투과하지 않기 때문에, 통상의 코일 효율은 용융 물질이 철인 경우 약 80%이다. (통상의 저항값이 2.6×10^-8Ωㆍm인)알루미늄, 마그네슘 또는 구리 합금과 같이 로용융 저항률이 낮은 물질은 약 65%의 낮은 효율을 가진다. 전기적 손실로 인해 고온의 열이 발생하기 때문에, 상기 유도 코일은 수냉된다. 즉, 상기 코일은 구리관(12)으로 제조되며, 물을 주요소로 한 냉각제가 이 관을 통과하게 된다. 알루미늄과 마그네슘 그리고 그들의 합금을 용융시키는 경우, 물의 존재는 추가적 위험을 의미한다. 도가니가 파열되는 경우, 용융된 알루미늄속으로 물이 유입될 수 있으며, 물(H₂O)속의 산소와 알루미늄이 결합하는 격렬한 화학반응이 이루어져 폭발의 원인이 되는 수소를 방출할 수 있다. 물과 마그네슘의 접촉도 이와 유사한 폭발과 화재를 유발할 수 있다. 알루미늄 또는 마그네슘이 종래의 수냉식 로에서 용융될 때는 세심한 주의가 필요하다.

흔히, 알루미늄 단편은 "적중로(stack furnaces)"로 불리우는 가스점화식 로에서 용융된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 적중로(19)는 2개의 챔버, 즉 건식 챔버(20)와 습식 챔버(21)를 포함한다. 도 3에 도시된 화살표 방향으로 건식 챔버(20)에 단편을 투하하는 운반 버킷(bucket)(22)에 의해 상기 단편(18)은 충전된다. 단편은 가스 버너(23)의 화염에 의해 용융된다. 용융된 금속은 건식 챔버(20)의 저부 분출구(24)로부터 습식 챔버(21)의 배스(25)로 흘러가게 되며, 상기 습식 챔버에서는 제 2 가스 버너(26)에 의한 가열이 추가적으로 이루어진다.

본 발명의 목적은 고온 전도성 물질 또는 고도자성 고온 물질로 제조된 도가 니를 부하로 이용하여 부하의 저항을 상승시킴으로써 유도로의 효율을 향상시키는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 서로 절연된 다중 구리 전도체로 권취된 케이블을 코일로 이용하여 유도 코일의 저항을 저감시킴으로써 유도로의 효율을 향상시키는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 최적의 유도로 효율을 나타내는 작동 주파수를 적절하게 선택하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 물을 냉각제로 사용하지 않고 공기로 효율적으로 냉각될 수 있는 로 및 전원을 구비한 고효율 유도 용융 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 고효율 유도 용융 시스템을 이용하여 단편으로부터 금속을 용융시키고, 주물을 성형하며, 가공을 위해 연속적인 용융 금속 소스를 제공하되, 이는 유도 용융 시스템과 일체의 방식으로 이루어진다.

광범위하게, 본 발명은 금속 충전물을 용융시키기 위한 유도로에 관한 것이다. 상기 로는 높은 전기적 저항성 또는 높은 도자성을 가진 물질, 바람직하게는 실리콘 카바이드 또는 고도자성 스틸로 제조된 도가니를 갖는다. 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일이 감싼다. 상기 코일은 서로 절연된 다중 전도체로 권취된 케이블을 포함한다. 절연 슬리브가 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일로부터 전기 및 열적으로 절연시킨다. 바람직하게, 상기 절연 슬리브는 2개의 세라믹층 사이의 발포 세라믹과 같은 합성 세라믹 물질이다.

구리는 전기 전도성과 용융점이 높기 때문에, 상기 전도체로서 특히 바람직하다. 상기 케이블의 바람직한 형태는 리츠선(Litz wire 또는 litzendraht)이며, 이 선은 표피층 효과 및 고주파수 저항을 최소화하고 전도체에 전력을 균일하게 배분하기 위해, 각각의 전도체가 케이블의 단면에서 가능한 모든 위치를 연속적으로 취하도록 개별적으로 절연된 전도체가 함께 엮여 있다.

다른 특징으로서, 본 발명은 금속 원광을 용융시키기 위해 사용되는 유도 용융 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 적어도 하나의 전원을 갖는다. 상기 금속 원광을 수용하는 도가니는 높은 전기적 저항률 또는 높은 도자성을 가진 물질, 바람직하게는 실리콘 카바이드 또는 고도자성 스틸로 제조된다. 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일이 감싼다. 상기 코일은 서로 절연된 많은 구리 전도체로 권취된 케이블을 포함한다. 절연 슬리브가 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일로부터 전기 및 열적으로 절연시킨다. 바람직하게, 상기 절연 슬리브는 2개의 세라믹층 사이의 발포 세라믹과 같은 합성 세라믹 물질이다. 바람직하게, 상기 유도 용융 시스템은 단일의 공기 공급원에 의해 공냉되며, 상기 공급원은 전원 및 코일의 구성요소를 순차적으로 냉각시킨다. 상기 금속 원광은 도가니 내부에 위치된다. 상기 도가니를 유도가열하기 위해 적어도 하나의 전원으로부터 적어도 하나의 코일로 전류가 공급된다. 상기 도가니로부터 금속 원광으로 전도 및/또는 방사에 의해 열이 전달되어 원광을 용융시킨다.

또 다른 특징으로서, 본 발명은 중금속 함유물을 포함한 단편 금속으로부터 금속을 분리하기 위한 유도 용융 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 적어도 하나의 전원을 포함한다. 상기 단편 금속을 건식 챔버 유도로가 수용하여 가열하게 된다. 상기 건식 챔버 유도로는 단편 금속을 수용하는 도가니를 포함한다. 상기 도 가니는 높은 전기적 저항률 또는 높은 도자성을 가진 물질, 바람직하게는 실리콘 카바이드 또는 고도자성 스틸로 제조된다. 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일이 감싼다. 상기 코일은 서로 절연된 다중 전도체, 바람직하게는 다중 구리 전도체로 권취된 케이블을 포함한다. 절연 슬리브가 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일로부터 전기 및 열적으로 절연시킨다. 바람직하게, 상기 절연 슬리브는 2개의 세라믹층 사이의 발포 세라믹과 같은 합성 세라믹 물질이다. 상기 건식 챔버 유도로는 당해 로로부터, 바람직하게는 로의 저부를 통해 용융 금속을 유출시키기 위한 수단을 포함한다. 습식 챔버 유도로는 건식 챔버로로부터 유출되는 용융 금속을 소정 수단으로 수용한다. 상기 습식 챔버로는 건식 챔버로와 유사한 높은 전기적 저항률 또는 높은 도자성을 가진 물질로 제조된 도가니; 건식 챔버로와 유사한 코일로 제조된 적어도 하나의 유도코일; 및 상기 건식 챔버로의 슬리브와 유사하게 제조되고 배치된 절연 슬리브를 갖는다. 또한, 상기 유도 용융 시스템은, 바람직하게는 개방되어 함유물을 방출할 있는 힌지식 저부에 의해, 건식 로 유도 챔버로부터 중금속 함유물을 제거하기 위한 수단을 포함한다. 상기 건식 챔버로의 덮개는 건식 챔버로의 도가니에서 금속이 용융됨으로써 발생하는 연기를 배출하기 위한 덕트(duct)를 포함할 수 있다. 상기 단편 금속을 건식 로의 컨베이어에 위치시키기 위해 진동 컨베이어가 사용될 수 있다. 상기 건식 챔버로로부터 용융 금속을 습식 챔버중 임의의 챔버에 선택적으로 운반하기 위한 운반 수단, 바람직하게는 론더 시스템(launder system)이 추가적인 습식 챔버 유도로에 제공될 수 있다. 바람직하게, 건식 챔버로 또는 습식 챔버로, 또는 양 챔버로는 건식 챔버로 또는 습식 챔버 로, 또는 양 챔버로의 적어도 하나의 전원 및 적어도 하나의 유도코일의 구성요소를 순차적으로 냉각시키는 단일의 공기 공급원에 의해 공냉된다. 금속 박편은 건식 챔버 유도로의 건식 챔버 도가니 내부에 위치된다. 상기 도가니를 유도가열하기 위해 적어도 하나의 전원으로부터 건식 챔버 도가니를 감싸고 있는 적어도 하나의 코일로 전류가 공급된다. 상기 도가니로부터 금속 박편으로 열이 전달되며, 이 열은 건식 챔버 도가니로부터 습식 챔버 유도로의 습식 챔버 도가니중 하나로 선택적으로 유출되는 용융 금속을 생성한다. 상기 도가니를 유도가열하기 위해 적어도 하나의 전원으로부터 습식 챔버 도가니중 적절한 도가니를 감싸고 있는 적어도 하나의 코일로 전류가 공급된다. 상기 도가니로부터 도가니 내부의 용융 금속으로 열이 전달된다. 하나 또는 그 이상의 습식 챔버 도가니가 관련 습식 챔버 유도로로부터 제거될 수 있다.

또 다른 특징으로서, 본 발명은 용융 금속으로부터 주물을 성형하기 위한 유도로에 관한 것이다. 상기 시스템은 적어도 하나의 전원을 갖는다. 밀폐된 도가니가 용융 금속을 수용하여 가열하게 된다. 상기 도가니는 높은 전기적 저항률 또는 높은 도자성을 가진 물질, 바람직하게는 실리콘 카바이드 또는 고도자성 스틸로 제조된다. 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일이 감싼다. 상기 코일은 서로 절연된 구리 전도체로 권취된 케이블을 포함한다. 절연 슬리브가 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일로부터 전기 및 열적으로 절연시킨다. 바람직하게, 상기 절연 슬리브는 2개의 세라믹층 사이의 발포 세라믹과 같은 합성 세라믹 물질이다. 적절한 세라믹 조성물은 알루미나 또는 실리카에 기초한 세라믹이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 관, 바람직하게는 단부에 플랜지가 형성된 관이 도가니를 통과하고, 이는 용융 금속 배스에 부분적으로 함입된다. 상기 관의 플랜지 단부의 상단에 주형이 정렬되며, 그 게이트는 관의 개공과 일치한다. 상기 밀폐된 도가니에는 당해 도가니의 내부로 제어된 압축 가스를 공급하기 위한 연결 포트가 제공된다. 바람직하게, 상기 유도로는 단일의 공기 공급원에 의해 공냉되며, 상기 공급원은 전원 및 코일의 구성요소를 순차적으로 냉각시킨다. 용융 금속이 도가니 내부에 위치되며, 도가니는 밀폐된다. 상기 도가니를 유도가열하기 위해 적어도 하나의 전원으로부터 적어도 하나의 코일로 전류가 공급된다. 상기 도가니로부터 용융 금속에 열이 전달되어 금속을 용융된 상태로 유지하게 된다. 상기 가스 포트를 통해 압축 가스가 밀폐된 챔버속으로 주입되어 도가니의 내부를 압축하고, 상기 관을 통해 용융 금속을 주형 공동으로 가압하게 된다. 상기 주형이 용융 금속으로 충전되면, 도가니의 내부는 감압되며, 주형은 관의 플랜지 단부로부터 제거된다.

또 다른 특징으로서, 본 발명은 용융 금속을 연속적으로 공급하는 유도 용융 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 적어도 하나의 전원을 갖는다. 밀폐된 도가니가 용융 금속을 수용하여 가열하게 된다. 상기 도가니는 높은 전기적 저항률 또는 높은 도자성을 가진 물질, 바람직하게는 실리콘 카바이드 또는 고도자성 스틸로 제조된다. 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일이 감싼다. 상기 코일은 서로 절연된 구리 전도체로 권취된 케이블을 포함한다. 절연 슬리브가 상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일로부터 전기 및 열적으로 절연시킨다. 바람직하게, 상기 절연 슬리브는 2개의 세라믹층 사이의 발포 세라믹과 같은 합성 세라믹 물질이다. 입구 도관은 밀폐된 도가니의 외측으로 수용단부를 가지며, 밀페된 도가니의 내측으로 대향 단부를 갖는다. 상기 대향 단부는 용융 금속 배스에 합입된다. 출구 도관은 밀폐된 도가니를 통과하며, 용융 금속 배스에 합입된 일단과 도가니 외측의 대향 출구를 갖는다. 상기 밀폐된 도가니에는 당해 도가니의 내부로 제어된 압축 가스를 공급하기 위한 연결 포트가 제공된다. 바람직하게, 상기 유도로는 단일의 공기 공급원에 의해 공냉되며, 상기 공급원은 전원 및 코일의 구성요소를 순차적으로 냉각시킨다. 상기 도가니의 입구 도관의 수용단부에는 로 급송 물질이 연속적으로 공급된다. 상기 급송 물질은 도가니로부터의 열전달에 의해 연속적으로 가열되며, 상기 도가니는 당해 도가니를 감싸고 있는 적어도 하나의 유도코일에 의해 유도가열된다. 상기 포트를 통해 압축 가스가 밀폐된 챔버속으로 주입되어 도가니의 내부를 압축하고, 상기 출구 도관을 통해 그 출구 단부로 용융 금속을 연속적으로 가압하게 된다. 상기 출구 도관은 사이펀(siphon)일 수 있으며, 이는 도가니의 내부를 양압으로 연속적으로 유지할 필요없이 상기 도가니로부터 연속적인 용융 금속 흐름을 유지할 수 있다. 상기 용융 금속의 연속적인 흐름을 차단하기 위해 출구 도관에 가스를 주입하기 위한 가스 포트가 사이펀 출구 도관에 제공될 수 있다.

본 발명의 전술한 특징 및 기타 다른 특징은 하기된 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백하게 알 수 있을 것이다.

발명을 설명하기 위하여, 바람직한 형태가 도면에 도시되어 있으나, 본 발명은 도시된 정확한 구성 또는 수단에 한정되지 않는다.

도 1은 로와 전원 변환기를 포함한 유도 용융 시스템의 개략도이고,

도 2는 내부에 전도성 물질을 가진 도가니 주변의 구리관 유도코일의 단면도이며,

도 3은 건식 및 습식 챔버 그리고 상기 건식 챔버에 단편을 투하하는데 이용되는 원광 운반 버킷을 도시한 적중로의 단면도이고,

도 4는 본 발명의 유도로에 사용된 전도성 고저항률 도가니의 전류 분포를 도시한 단면도이며,

도 5a는 본 발명의 유도로에 사용된 트위스트 다중 구리 전도체로 이루어진 권취 케이블의 사시도이고,

도 5b는 도 5a에 도시된 권취 케이블의 단면도이며,

도 5c는 상기 권취 케이블을 구성하는 절연 구리 전도체중 하나의 단면도이고,

도 6a는 도 5a에 도시된 권취 케이블의 유도코일 및 고저항률 도가니와 함께 본 발명의 유도로를 도시한 단면도이며,

도 6b는 도 6a에 도시된 절연 슬리브의 일실시예의 상세 단면도이고,

도 6c는 본 발명의 유도 용융 시스템용 전원 및 유도코일에서의 공기흐름을 도시한 도면이며,

도 7은 본 발명의 유도 용융 시스템의 일실시예를 위한 전력 회로의 전기적 개략도이고,

도 8a는 단편 금속으로부터 금속을 분리하기 위한 본 발명의 유도 용융 시스 템의 단면도이며,

도 8b는 본 발명의 유도 용융 시스템과 함께 사용되는 건식 챔버로의 저부의 일실시예의 사시도이고,

도 8c는 도 8b의 A-A선을 따라 취한 건식 챔버로의 저부의 단면 사시도이며,

도 9는 단편 금속으로부터 금속을 분리하기 위한 본 발명의 유도 용융 시스템의 사시도로서, 용융 금속을 저장하기 위한 2개의 습식 로 챔버가 제공되며, 습식 로 챔버의 도가니는 이동가능함을 도시한 도면이고,

도 10은 주형을 성형하기 위한 본 발명의 유도 용융 시스템의 단면도이며,

도 11은 용융 금속을 연속적으로 공급하기 위한 본 발명의 유도 용융 시스템의 단면도이고,

도 12는 도가니로부터 용융된 금속이 흡인되고, 용융 금속을 연속적으로 공급하기 위한 본 발명의 유도 용융로의 단면도이며,

도 13은 연속 가공물을 가열하기 위한 본 발명의 유도터널식 가열 시스템의 사시도이고,

도 14는 불연속 가공물을 가열하기 위한 본 발명의 유도 가열 시스템의 사시도이다.

수학식 1과 수학식 2로 표현되는 유도로의 효율은 부하의 저항률이 상승될 수 있다면 향상될 수 있다. 알루미늄, 마그네슘 또는 구리 합금과 같은 고전도성 금속을 용융하는 로의 부하 저항률은 전자기장을 그 금속 자체 대신 도가니에 결합시킴으로써 상승될 수 있다. 세라믹 도가니는 고저항률을 가진 고온 전도성 물질로 대체될 수 있다. 실리콘 카바이드(SiC)는 이러한 특성을 가진 물질중의 하나이다. 즉, 저항률의 범위가 10 내지 10⁴ Ωㆍm이다. 저항률이 약 3,000 내지 4,000 Ωㆍm인 실리콘 카바이드 조성물이 본 발명에 특히 적합하다. 선택적으로, 상기 도가니는 스틸로 제조될 수 있다. 예를 들어, 도자율의 범위가 5,000인 고도자성 강자성 스틸이 존재한다. 이 경우, 고저항률에 의존하기보다는, 고도자성이 낮은 깊이의 전류 투과를 유발할 것이다. 도 4는 높은 총저항률의 효과를 유발하는 도가니(27)내의 전류(28) 분포를 나타낸다. 적어도 하나의 유도코일에서 전류에 의해 발생된 자기장의 도가니 물질에 대한 투과 깊이의 범위는 도가니 두께의 절반 내지 그 두께만큼이며, 다수개의 전도체중 각각의 전도체 물질에 대한 자기장의 투과 깊이는 다수개의 전도체중 각각의 전도체의 두께보다 더 크다. 최상의 효과는 도가니의 벽체 두께가 도가니속으로 투과하는 전류의 깊이보다 약 1.3 내지 1.5배일 때 구현된다. 이 경우, 전도성이 강한 용융 금속(29)의 분로 효과는 최소화된다.

유도로 효율의 추가적 향상은 코일의 저항을 저감시킴으로써 구현될 수 있다. 고전도성 구리는 코일 권취물질로서 널리 사용된다. 그러나, 구리의 고전도성(저저항률) 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 부하를 향하고 있는 코일 표면상의 얇은 코일 전류(11)층에 전류가 집중된다. 전류의 투과 깊이는 수학식 2에 의해 주어진다. 상기 층이 너무 얇기 때문에, 특히 고주파수에서, 유효 코일 저항은 구리 코일의 총 단면적과 구리의 저항률로부터 예상되는 것보다 상당히 높을 수 있다. 이는 로의 효율에 상당한 영향을 주게 될 것이다. 고체 관상 전도체를 사용하는 대신, 본 발명의 일실시예는 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이 서로 절연된 다수개의 구리 전도체로 권취된 케이블(17)을 사용한다. 절연된 구리 전도체(14)중 하나가 절연재(16)와 함께 도 5c에 도시되어 있으며, 상기 절연재는 주변의 전도체로부터 구리 전도체(15)를 절연시킨다. 상기 케이블(17)은 전자업계에 리츠선으로 알려진 종류이다. 이는 각각의 개별 구리선 가닥의 직경이 수학식 2로 주어진 바와 같이 전류 투과 깊이(Δ₁)보다 상당히 작을 때 구리 단면을 통한 동일한 전류 분포를 보장한다. 본 발명에서, 적당한 가닥의 수는 약 1,000 내지 2,000 사이지만, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명을 벗어나지 않는 변형된 다른 형태의 리츠선이면 족하다.

작동 주파수의 적절한 선택이 최적의 유도로 효율을 창출한다. 주파수 선택에 대한 기준은 고저항률 도가니 및 구리 코일에서의 전류 투과 깊이에 기초한다. 2개의 기준은 Δ₁≫ d₁; 및 Δ₁≡1.2d₂, 여기서, d₁은 리츠선 가닥의 직경이고, d₂는 도가니의 벽체 두께이다.

예를 들어, 구리 가닥의 직경(d₁)이 0.01인치이고 실리콘 카바이드 벽체(d₂)가 2.0인치일 때, 최적의 주파수는 3,000㎐이다. 이와 같이 선택함으로써, 코일에서의 상대적 전기손실은 약 2.2%로 감소될 수 있으며, 이는 표준 유도로보다 15배 이상 우수하다.

본 발명에 따른 로에 대한 허용가능한 변수는 0.2 내지 2.0m의 d₁, 0.15 내지 1.8m의 d₁ 및 1,000 내지 5,000㎐의 주파수이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 효율의 증가 또는 코일 손실의 감소 및 그로 인한 코일의 열 감소는 물을 기본으로 한 냉각 시스템을 필요없게 만든다. 그 대신, 유도코일을 통한 적당한 공기유동이 코일에 의해 발생된 열을 충분히 제거시킨다. 상기 로 도가니는 열전도로 인한 구리 권선의 열 및 열손실을 최소화하도록 코일로부터 잘 절연되어야만 한다.

이하, 도면을 참조하면, 유사한 부번은 유사한 구성요소를 나타내며, 도 6a에는 본 발명에 따른 고효율 유도 용융 시스템(33)의 실시예가 도시되어 있다. 상기 유도 용융 시스템(33)은 금속 원광(31)이 수용된 고저항률 또는 고도자성 도가니(30)를 포함한다. 상기 고저항률 또는 고도자성은 각각 실리콘 카바이드와 같은 고저항률 물질(ρ＞2,500 μΩㆍ㎝) 또는 고도자성 스틸(μ＞20)로 제조된 도가니를 사용함으로써 구현된다. 도가니 물질의 선택은 용융될 금속의 특성에 따라 좌우된다. 알루미늄 또는 구리 합금의 경우, 실리콘 카바이드는 도가니 물질로서 우수한 선택인 반면, 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 경우, 스틸이 도가니 물질로서 우수한 선택이 될 수 있다. 상기 도가니(30)는 리츠선으로 제조된 코일(32)의 전류에 의해 발생된 자기장에 의해 가열된다. 고온의 도가니는 절연 슬리브(34)에 의해 전기 및 열적으로 코일로부터 절연된다. 상기 절연 슬리브는 하나 또는 그 이상의 내층(35)과 양호한 열적 절연성을 가진 발포 세라믹(37)으로 충전된 외층(36)을 포함하는 고강도 합성 세라믹 물질로 제조된다. 상기 절연 슬리브의 하니콤 구조는 필요한 강도 및 열적 절연성을 제공한다. 상기 절연 슬리브의 전기적 절연성은 저도자성과 함께 절연 슬리브 자체내에서 감지할 수 있는 유도열이 발생하지 않도록 보장한다. 이는 도가니(30), 즉 절연 슬리브(34)의 열 절연재 내측에 열을 집중시키 고, 이는 유도 용융 시스템(33)의 효율을 모두 향상시키고, 코일(32)의 열을 저감시킨다.

본 발명의 일 실시예는 220,280 또는 600V와 같은 3상 표준선전압을 주파수 범위가 1,000 내지 3,000㎐인 단상 전압으로 변환시키는 전력 변환기(39)를 포함한다. 상기 전력 변환기는 전력 반도체 다이오드(41), 실리콘 제어 정류기(SCR)(40), 캐패시터(42), 인덕터(43)(46) 및 전자 제어기기를 포함한다. 전력 변환기의 일예가 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 전력 변환기의 모든 반도체 소자는 열교환기(44)를 통해 공냉된다. 다른 인버터 회로 및 전자기계 시스템도 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력 변환기(39)는 유도코일(32)에 이웃하게 장착된다. 도 6a 및 도 6c에 도시된 바와 같이, (외부 송풍기(45)로부터 화살표로 표시된)공기흐름(47)은 전력 변환기로 급송되며, 여기서 찬 공기가 반도체의 열 교환기(44)를 먼저 냉각시킨 다음, 캐패시터, 인덕터 및 다른 능동소자를 냉각시키게 된다. 주조장의 먼지가 전자기기 격실로 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 변환기의 용기는 양압으로 가압된다. 상기 공기흐름은 전력 공급기(39)의 후방 벽체의 슬롯을 통해 유출되어 코일 챔버(38)로 유입되어 흐름으로써 코일로부터 열을 제거하게 된다. 유도 용융 시스템에서의 공기흐름(47)을 명확하게 나타내기 위해 도 6c에서는 유도 용융 시스템(33)을 가상선으로 도시하였다.

오염된 단편(79)을 용융시키기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 도 8a에 도시된 바와 같이, 2개의 유도 가열 도기니 로가 결합된 유도 단편 로(78)를 포함하 며, 하나는 건식 챔버(50)를 형성하고, 하나는 습식 챔버(60)를 형성한다. 건식 챔버로로 선택된 조성물은 도 6a에 도시된 용융 유도 시스템의 것과 유사하다. 예를 들어, 건식 챔버는 외부의 저저항 리츠선 코일(52)의 전류에 의해 유도 가열되는 저저항률 전기 전도성 벽체(51)를 포함한다. 상기 챔버의 벽체는 세라믹 슬리브(53)에 의해 코일로부터 열 및 전기적으로 절연된다. 도 6a에 도시된 용융 유도 시스템과는 다르게, 상기 건식 챔버의 저부(54)는 개공(55)을 포함하며(도 8b 및 도 8c 참조), 이를 통해 용융 금속이 건식 챔버로부터 습식 챔버(60)로 유출될 수 있다.

(통상적으로, 스틸 슬리브 삽입재가 구비된 알루미늄 엔진 블록을 재용융 시킬 때) 철 또는 스틸과 같은 중금속 함유물을 가질 수 있는 알루미늄 단편이 진동 컨베이어(49)의 도움을 받아 건식 챔버의 개방 노상(open hearth)에 투입된다. 로의 경사진 덮개(56)에는 배기 닥트(57)가 구비된다. 유도 적중로(78)는 연로를 연소시키지 않기 때문에, 유일한 오염물은 단편에 존재하는 것들이다. 따라서, 연기는 로 덮개(56)의 배기 닥트(57)에 연결된 배기 시스템(미도시)에 의해 용이하게 제거될 수 있다.

상기 알루미늄 단편(79)은 건식 챔버 벽체(51)로부터 방상에 의해 가열된다. 상기 금속 단편(79)은 그전에 충전된 단편이 과열되어 용융됨에 따라 저부측으로 이동하게 된다. 용융된 금속은 저부의 개공(55)을 통해 습식 챔버(60)로 흐르게 된다. 용융되지 않은 나머지 스틸 함유물과 비용융성 불순물은 건식 챔버 저부(54)에 남게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 건식 챔버의 저부(54)는 힌지(58)에 힌지결합된다. 건식 챔버를 지지하는 실린더(59)는 불순물과 무거운 스틸 잔유물을 슬래그 통(77)에 비우기 위해 저부를 기울일 수 있다. 저부(54)가 개방되었을 때 슬래그 통(77)과 실린더(59)의 위치가 도 8a에 가상선으로 도시되어 있다. 상기 습식 챔버(60)는 전술한 유도 가열된 도가니로와 유사하다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 유도 적중로의 하나의 건식 챔버로(70)가 2개의 습식 챔버로(71)(72)에 연결될 수 있다. 기울일 수 있는 론더(launder)(73)가 건식 챔버로부터 유출되는 금속을 습식 챔버중 하나로 흐르도록 한다. 상기 챔버는 도가니를 떨어뜨리거나 코일을 들어올리지 않고도 용융 금속이 수용된 도가니(74)를 습식 챔버 유도로로부터 제거할 수 있는 구조로 형성된다. 용융 금속이 수용된 도가니는 장치 둘레의 주형 스테이션으로 전달되거나, 트랙을 따라 다른 장치로 이동할 수 있다. 따라서, 용융 금속이 건식 챔버로(70)를 통해 연속적으로 공급될 수 있으며, 이 때 금속은 도가니에 분배된다.

도 10은 본 발명의 유도 용융 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 본 실시예에서, 로는 긴밀한 덮개(80)로 덮히며, 이 덮개를 통해 고온관(81)이 용융 배스 속으로 돌출된다. 상기 관(81)의 타단은 주형(82)에 대해 플랜지가 형성되어 있고, 상기 주형은 영구 주형 또는 사형일 수 있으며, 주형 내측의 급송 게이트(83)는 상기 관에 연결된다. 압축된 가스가 덮개(80)와 배스 표면(87) 사이의 로 속으로 포트(85)를 통해 주입된다. 초과압력이 용융 금속(31)을 성형관(81) 위로 상승시켜 주형의 공동(84) 속으로 주입하게 된다. 상기 주형과 성형관 사이의 좁은 게이트(86)는 당해 주형이 플랜지로부터 제거될 수 있기 전에 응결된다. 상기 로는 감압되고 관 내부의 과잉 금속은 용융 배스로 복귀된다. 용융 금속으로 로를 재충전하기 위해 상기 덮개(80)를 들려질 수 있다.

본 발명의 유도 용융 시스템은 유도로로부터 용융 금속을 연속적으로 공급하기 위해 사용될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 로 급송 물질은 고온 입구 도관(91)의 수용기(96)에 위치된다. 상기 입구 도관(91)의 출구 단부(97)(수용기(96)의 대향 단부)는 용융 금속 배스(87)의 표면 아래에 위치되며, 바람직하게, 도가니 벽체로부터 도관으로의 높은 열전달율을 구현할 수 있도록 상기 출구 단부는 도가니(30)의 벽체에 이웃하게 배치된다. 특수한 로 형태 및 작동 조건에 따라, 급송 물질은 저온에서 불순한 고상 금속 내지 금속 슬러리 또는 용융 금속일 수 있다. 로 급송 물질은 입구 도관(91)을 통해 그 출구 단부(97)까지 이동하여 도가니(30) 속으로 유입되며, 상기 도가니에서 더 용융되고 기존의 용융 금속(31)과 혼합된다.

고온 출구 도관(92)은 도가니(30)로부터 용융 금속을 흡인하는 연속적인 수단을 제공한다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 출구 도관의 일부는 도가니의 내벽을 구성한다. 상기 내벽으로부터 완전히 분리된 도관도 사용될 수 있다. 제어된 압축 가스가 적당한 공급원(미도시)으로부터 포트(85)를 통해 도가니, 덮개 및 용융 금속 배스의 표면에 의해 형성되는 밀폐 공간에 주입된다. 상기 가스는 출구 도관(92)을 통해 용융 금속이 도가니로부터 방출되도록 배스에서 양압으로 유지된다.

도 12에 도시된 선택적 실시예에서, 포트(85)를 통한 연속적인 가스 압축을 필요로 하지 않고 유도 용융 시스템이 도가니(30)로부터 출구 도관의 출구(94)를 통해 연속적인 용융 금속 흐름을 제공할 수 있도록 하는 사이펀을 출구 도관(93)이 형성한다. 상기 출구 도관(93)의 출구(94)는 주형 지시선, 운반 도가니 또는 용융 금속이 출구 도관을 빠져 나올 때 이를 수용하기 위한 기타 다른 용기와 정렬될 수 있다. 연속적인 용융 금속의 흐름을 중단시키는 가스를 생성하기 위해 소정 압력의 충분한 가스를 출구 도관(93)에 주입하기 위한 포트(95)가 제공될 수 있다. 상기 출구 도관으로 흐르는 가스를 제어하기 위해 밸브(98)가 사용될 수 있다. 불연속적으로 끝난 2개의 용융 금속 흐름중 하나는 도가니로 역류되는 반면, 다른 하나는 출구 포트(94)를 통해 방출된다. 상기 출구 도관으로터 용융 금속이 연속적으로 흐를 때, 작은 양압이 포트(95)의 입구에서 출구 도관(93)까지 유지될 수 있다. 본 실시예에서 흐름을 중단시키는 사이펀 및 가스 브레이크의 특별한 장점은 펌핑 또는 흐름을 차단시킬 때 용융 금속의 응결로 인해 빨리 고장이 발생하는 인라인(in-line) 기계식 펌프 및 밸브를 사용하지 않는다는 점이다.

도 13에 도시된 선택적 실시예에서, 본 발명에 따른 고효율 유도 가열 시스템(33a)은 금속 스트립, 와이어 또는 기타 다른 연속적인 물품과 같은 연속 가공물(90)이 기계식 컨베이어 시스템(미도시)에 의해 화살표 방향으로 로를 통과하여 이동할 수 있는 터널로 형태이다. 본 실시예에서, 로 터널 도가니(30a)는 절연 슬리브(34a)로 둘러싸인다. 상기 절연 슬리브(34a)의 외부에는 코일(32a)이 감기며, 이는 적당한 전력 변환기(도 13에는 미도시)에 연결된다. 일반적으로, 전술한 도가니(30), 코일(32), 전력 변환기(39) 및 절연 슬리브(34)가 도가니(30a), 코 일(32a), 도 13에는 도시되지 않은 전력 변환기 및 절연 슬리브(34a)로 각각 적용가능하다. 다른 실시예에서, 도가니(30a)와 절연 슬리브(34a)의 종부 및 코일(32a)의 세그먼트로 이루어진 터널 로의 종부는 터널로의 나머지로부터 선택적으로 제거가능하다. 따라서, 터널로를 통과하는 가공물(90)의 이동방향과 대체로 수직인 방향으로 터널로를 이동시킴으로써, 상기 터널로는 가공물(90) 주위로부터 제거될 수 있다. 제거가능한 코일 세그먼트에서 선택적인 전기적 연속성은 당업계에 공지된 전기적 접촉 엘리먼트를 힌지 및/또는 (핑거 결합과 같은) 상호결합으로 배치함으로써 구현된다.

도 13에 도시된 터널로 시스템의 변형예에서, 본 발명에 따른 밀폐식 고효율 유도 가열 시스템(33b)은 도 14에 도시된 터널로의 제 1 단부(92)를 밀폐하고, 도 14에 개략적으로 도시된 가공물 컨베이어 시스템(96)상에 가열될 불연속 가공물(94)을 삽입하며, 상기 로의 제 2 단부(98)를 밀폐함으로써 형성될 수 있다. 상기 로의 폐쇄 단부(92)(98)는 절연 슬리브(34a)와 유사한 조성을 가진 절연 물질로 제조된다. 선택적으로, 폐쇄 단부(92)(98)가 사용되지 않고 상기 가공물 컨베이어 시스템(96)이 당해 컨베이어상에 위치된 다수개의 다양한 불연속 가공물(94)을 이동시키는 연속 컨베이어 시스템이라면, 불연속 가공물을 연속적으로 공급하는 고효율 유도 가열 시스템이 구현된다.

전술한 실시예는 개시된 본 발명의 범주를 한정하지 않는다. 개시된 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 포함된다.

Claims (59)

1. 금속 원광을 용융시키기 위한 유도로로서,

   상기 금속 원광을 수용하고, 실리콘 카바이드, 2500 μΩ/㎝(micro-ohms per cntimeter) 보다 큰 저항률을 갖는 스틸 및 20 보다 큰 도자성을 갖는 스틸로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된 도가니;

   상기 도가니를 감싸며, 서로 절연된 다수개의 전도체로 권취된 케이블을 포함하는 적어도 하나의 유도 코일; 및

   상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일로부터 전기 및 열적으로 절연시키는 슬리브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도로.
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5. 금속 원광을 용융시키기 위한 유도 용융 또는 가열 시스템으로서,

   선택된 주파수의 AC 전력을 제공하도록 배치된 인버터를 포함하는 적어도 하나의 전원;

   상기 금속 원광을 수용하고, 실리콘 카바이드, 2500 μΩ/㎝(micro-ohms per cntimeter) 보다 큰 저항률을 갖는 스틸 및 20 보다 큰 도자성을 갖는 스틸로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된 도가니;

   상기 도가니를 감싸며, 서로 절연된 다수개의 전도체로 권취된 케이블을 포함하는 적어도 하나의 유도 코일; 및

   상기 도가니를 적어도 하나의 유도코일로부터 전기 및 열적으로 절연시키는 절연 슬리브;를 포함하되,

   상기 적어도 하나의 유도코일에서 선택된 주파수의 전류에 의해 발생된 자기장의 상기 도가니 물질 내부로의 투과 깊이의 범위는 도가니 두께의 절반 내지 도가니 두께만큼이며,

   상기 적어도 하나의 유도코일에서 상기 전류에 의해 발생된 자기장은 상기 도가니로부터 전달된 열로 금속 원광을 용융시키도록 상기 도가니를 가열하기 위해 상기 도가니에 유도 결합하는 것을 특징으로 하는 유도 용융 또는 가열 시스템.
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9. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원과 상기 적어도 하나의 유도코일은 공냉되는 것을 특징으로 하는 유도 용융 또는 가열 시스템.
10. 제 5 항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원은 상기 적어도 하나의 유도코일에 인접하여 장착된 것을 특징으로 하는 유도 용융 또는 가열 시스템.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원과 상기 적어도 하나의 유도코일의 구성요소를 공기흐름이 냉각시키는 것을 특징으로 하는 유도 용융 또는 가열 시스템.
12. 제 5 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원은 상기 자기장의 상기 도가니 내부로의 투과 깊이가 상기 도가니 두께의 1.2배와 같도록 하는 선택된 주파수로 작동하는 것을 특징으로 하는 유도 용융 시스템.
13. 금속 원광을 용융 또는 가열 시키는 방법으로서,

    상기 금속 원광을 실리콘 카바이드, 2500 μΩ/㎝(micro-ohms per cntimeter) 보다 큰 저항률을 갖는 스틸 및 20 보다 큰 도자성을 갖는 스틸로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된 도가니에 위치시키는 단계;

    서로 절연된 다수개의 전도체로 권취된 케이블을 포함하는 적어도 하나의 유도 코일에 선택된 주파수의 전류를 공급하여 상기 도가니를 유도 가열하는 단계; 및

    상기 도가니로부터 금속 원광으로의 열 전도로 금속 원광을 용융 또는 가열시키는 단계;를 포함하되,

    상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 도가니를 감싸며 상기 도가니로부터 절연 슬리브에 의해 전기 및 열적으로 절연되고,

    상기 적어도 하나의 유도코일에서 전류에 의해 발생된 자기장의 도가니 물질에 대한 투과 깊이의 범위는 도가니 두께의 절반 내지 도가니 두께인 것을 특징으로 하는 용융 또는 가열 시키는 방법.
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55. 실리콘 카바이드, 2500 μΩ/㎝(micro-ohms per cntimeter) 보다 큰 저항률을 가는 스틸 및 20 보다 큰 도자성을 갖는 스틸로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 제조된 용기에 금속을 위치시키는 단계;

    서로 절연된 다수개의 전도체로 권취된 케이블을 포함하는 적어도 하나의 유도 코일에 전류를 공급하여 상기 용기를 유도 가열하는 단계;

    상기 전류에 의해 발생된 자기장의 투과 깊이의 범위가 용기 두께의 절반 내지 그 두께만큼이며 상기 다중 전도체중 각각의 전도체 물질에 대한 자기장의 투과 깊이가 각각의 전도체의 두께보다 더 크도록, 상기 전류의 주파수를 조절하는 단계; 및

    상기 용기로부터 금속으로의 열 전도로 상기 금속을 가열하는 단계;를 포함하되,

    상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 용기를 감싸며 상기 용기로부터 절연 슬리브에 의해 전기 및 열적으로 절연된 것을 특징으로 하는 금속 가열 방법.
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