KR101010287B1 - 용융 알루미늄 고압 압출 장치 및 방법 - Google Patents

용융 알루미늄 고압 압출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일정한 압력과 유동 속도로 하류 공정으로 용융 금속을 공급하는 용융 금속 공급 시스템을 개시한다. 이러한 용융 금속공급 시스템은 용융 금속 공급 소스, 복수개의 인젝터, 그리고 복수개의 체크 밸브를 포함한다.
Figure R1020087011439
용융 금속, 체크 밸브, 인젝터

Description

용융 알루미늄 고압 압출 장치 및 방법{Apparatus and method for high pressure extrusion with molten aluminum}
본 발명은 용융 금속 공급 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연속 압력 용융 금속 공급 시스템 및 부정(indefinite) 길이의 제품을 압출하는 방법에 관한 것이다.
압출로 알려진 금속 가공 공정은 금속 원재(잉곳(ingot) 또는 빌렛(billet))를 소정의 형상을 갖는 다이 구멍으로 가압 통과시켜서 더 긴 길이 및 거의 일정한 단면을 갖도록 형성하는 것을 포함한다. 예를 들면, 알루미늄 합금의 압출시에는 알루미늄 원재가 적당한 압출 온도로 예열된다. 그 다음에는 가열된 실린더 내에 위치된다. 압출 공정에서 사용되는 실린더는 일단에 원하는 형상의 다이 구멍을 구비하며, 실린더의 보어(bore)와 거의 동일한 단면 치수를 갖는 왕복 피스톤 또는 램(ram)을 구비한다. 이 피스톤 또는 램은 알루미늄 원재를 향해 이동하여 압착한다. 압력하에서 다이 구멍은 알루미늄 원재에게 최소 저항로가 된다. 알루미늄 원재가 변형되면서 다이 구멍을 통해 유동하여 다이 구멍과 동일한 단면 형상을 갖는 압출 제품이 생산된다.
도 1을 참조하면, 전술한 압출 공정은 도면부호 2로 표시되며, 용융(4), 주 조(6), 스캘핑(scalping)(8), 균질화(확산소둔)(homogenizing)(10), 선택적으로 소잉(sawing)(12), 재가열(14), 마지막으로 압출(16)을 포함하는, 몇 가지 구별되고 불연속적인 작업으로 구성된다. 알루미늄 원재는 높은 온도(elevated temperature)에서 주조되고 통상적으로 상온 내지 주변 온도로 냉각된다. 주조 후에는, 알루미늄 표면과 대기 중의 산소와의 반응에 의해 알루미늄 원재 표면에 자연적으로 형성되기 마련인 산화층을 제거하기 위해서 스캘핑이 행해진다. 알루미늄 원재가 주조되기 때문에 알루미늄 원재의 구조 내에는 어떤 정도의 비균질성(inhomogeniety)이 있다. 그러므로, 균질화 하기 위해서 알루미늄 원재는 높은 온도에서 가열된다. 균질화 단계 후에, 알루미늄 원재는 상온으로 냉각된다. 냉각 후에는, 균질화된 알루미늄 원재가 노 내에서 예열 온도라고 불리는 높은 온도로 재가열된다. 당업자라면 압출된 일련의 빌렛의 각 빌렛에 대해 예열 온도는 일반적으로 동일하다는 것을 알고 있을 것이다. 예열 온도에 도달하면, 알루미늄 원재는 압출 프레스에 위치되어 압출 구멍을 통해 압출되어서 압출 제품이 얻어지게 된다.
전술한 모든 단계들은 주조 및 압출 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 것이다. 전술한 각 단계는 압출될 금속의 야금학적 조절에 관련된다. 금속 원재가 상온으로부터 재가열될 때마다 에너지 비용이 발생되므로 위의 단계들은 매우 비용에 민감하다. 상기 공정에는 또한, 금속 원재를 다듬을 필요가 있음에 따라서 공정 중 복구 비용(in-process recovery costs)이 있고, 공정 목록(process inventory)에 관련되는 노동 비용이 있으며, 압출 장비에 대한 자본 및 작업 비용이 있다.
그러므로, 압출 제품 제조 비용을 저감하기 위해 전통적인 압출 공정에서의 구별되고 불연속적인 작업들을 통합할 필요성이 있었다.
연속적인 압출 공정을 개발하기 위한 시도가, Sample 등에 의한 미국특허 6,536,508호, 6,712,126호, 6,739,485호에 기재되어 있다. 이들 특허는 참조를 위해 본원 명세서에 통합된다. 이들 특허는 또한 순서적으로 작동하는 복수의 용융 금속 인젝터를 사용해서 연속적인 방식으로 제품을 압출하는 시스템을 기재하고 있다. 각 인젝터는 용융 금속의 소스와 하류 공정 사이에 연결된다. 성공적인 작업을 위해서는 복수 인젝터들 사이에 정확한 동기화가 요구된다. 이러한 동기화는 용융 알루미늄의 유동을 조장하거나 막도록 개폐되는 밸브들에 의해서 달성된다. 이들 발명의 성공을 위해서는 이들 밸브 작동의 신뢰성 및 용이성이 매우 중요하다.
이들 특허가 연속적인 공정을 제공하고는 있으나, 전통적인 압출 공정의 복수개의 작업을 단일의 작업으로 통합하는 연속적인 압출 방법 및 장치를 제공하는 것이 요구되고 있다. 동일한 목표를 달성함에 있어 본 명세서에 기재된 발명의 작동은 종래의 발명에 비해 신뢰성이 훨씬 뛰어나다. 향상된 신뢰성은 어떤 구성요소들을 단순화한 결과이며, 또한 연속적으로 제품을 압출하는 일에 관련된 복잡성을 저감시키는 본 발명의 추가적인 구성요소들의 덕이다.
일반적으로 말해서, 본 발명은 일정한 압력 또는 속력으로 금속을 하류의 성형 작업으로 연속적으로 공급할 수 있는 용융 금속 공급 시스템을 제공한다. 상기 용융 금속 공급 시스템은 복수개의 용융 금속 인젝터를 포함하는데, 피드 실린더(feed cylinder)(FC) 인젝터라고 부르는, 금속 소스에 직접 연결되는 용융 금속 인젝터와, 축적 실린더(accumulator cylinder)(AC) 인젝터라고 부르는, 피드 실린더(FC) 인젝터 및 하류 공정에 연결되는 용융 금속 인젝터를 포함한다. 상기 시스템은 또한 저압 용융 금속 피드 시스템 및 공정 제어 실린더(process control cylinder)(PCC)를 포함한다.
상기 FC 및 AC 인젝터는 서로 및 저압 용융 금속 피드 시스템과 복수개의 체크 밸브에 의해 연결되어 용융 금속 배송 시스템 내의 서로 다른 구성요소들 간의 융용 금속의 유동을 조장하거나 막는다. 입구 체크 밸브(inlet check valve)(ICV)라고 불리는 체크 밸브는 저압 피스 시스템을 피드 실린더(FC) 용융 금속 인젝터로 연결한다. 출구 체크 밸브(outlet check valve)(OCV)는 FC 용융 금속 인젝터와 AC 용융 금속 인젝터를 연결한다. 용융 금속 인젝터들(FC,AC), 체크 밸브(ICV, OCV), 그리고 공정 제어 실린더(PCC)가 함께 작용하여서 저압 피드 시스템으로부터의 용융 금속을 하류의 성형 작업으로 연속적으로 공급하되, 공급된 용융 금속이 일정한 압력을 갖거나 또는 일정한 제품 속력이 유지되도록 공급한다.
각 용융 금속 인젝터는 용융 금속을 담고 있도록 구성된 인젝터 하우징과 상기 인젝터 하우징 내부에서 왕복 작동할 수 있는 피스톤을 구비한다. 피스톤의 전방 스트로크(forward stroke)는 인젝터 하우징으로부터 유체를 변위시켜서 인젝터가 용융 금속을 공급하도록 하며, 피스톤의 복귀 스트로크(return stroke)는 인젝터 하우징이 금속으로 채워지도록 한다. 각 인젝터는 Sample 등의 미국특허 6,739,485호에 기재된 금속 상의 가스 이동 피스톤(gas over metal-moving piston) 개념을 이용한다.
용융 금속의 유동 및 제품의 출구 속도를 제어하는 것은, AC 용융 금속 인젝터와 가스 소통하는 공정 제어 실린더(PCC)에 의해서 달성된다. 공정 제어 실린더는 가스를 담고 있도록 구성된 별도의 하우징과 상기 하우징 내부에 왕복적으로 조절되는 피스톤을 구비한다. 상기 피스톤은 전방 스트로크 및 복귀 스트로크로 이동 가능하다. PCC의 복귀 스트로크는 가스가 팽창하도록 하며 그에 따라 AC 용융 금속 인젝터 하우징 내의 압력을 감소시키고 그 결과 제품 출구 속도가 감소되게 한다. PCC의 전방 스트로크는 가스를 압축되도록 하며 그에 따라 AC 용융 금속 인젝터 하우징 내의 압력을 증가시키고 그 결과 제품 출구 속도가 증가되게 한다. 따라서, PCC 피스톤 위치를 조절하여 목표 속도를 유지할 수 있다.
실질적으로 일정한 용융 금속 유동 속도 내지 압력으로 용융 금속을 하류 공정으로 공급하기 위한 용융 금속 공급 시스템 작동 방법이 또한 제공된다. 그 방법은, 인젝터 피스톤을 작동시키되, 인젝터 하우징이 용융 금속으로 채워지고 난 후에 용융 금속을 다른 인젝터 또는 하류 공정으로 공급하도록 인젝터 피스톤을 작동시키는 것을 포함한다. 인젝터가 금속을 공급할 때에는 공급 내지 방출 스테이지에 있다고 칭하고, 금속으로 채워지고 있는 때에는 충전 스테이지에 있다고 칭한다. 상기 용융 금속 공급 시스템은, 충전 스테이지와 공급 스테이지를 거치는 FC 용용 금속 인젝터에 의해서 정의되는 단일 사이클을 갖는, 주기적 양상으로 작동한다. FC 용융 금속 인젝터는, 그 충전 스테이지 동안에는, 용융 금속 공급 소스 내지 용기(vessel)와 유체 소통 상태에 있고(ICV를 열고 OVC를 닫음에 의해서), 공급 스테이지 동안에는, AC 용융 금속 인젝터 및 하류 공정과 유체 소통 상태에 있다(OCV를 열고 ICV를 닫음에 의해서). 공급 스테이지 이전에, 피드 실린더 내의 가스는 AC 내의 압력까지 미리 가압된다. 공급 스테이지 동안에는, FC 실린더 내의 가스 패드가 추가적으로 압축되어 FC 로부터 AC로의 용융 금속 이송을 조장하게 된다. 이 스테이지에서 FC는 용융 금속을 AC 실린더 및 하류 공정으로 공급한다. 이는 AC의 충전을 야기한다. FC 용융 금속 인젝터의 전방 스트로크는 더 높은 속도로 작동되며, 이는 용융 금속을 축적 실린더(AC) 및 하류 공정으로 동시에 공급되게 한다. 일정한 가스 패드를 유지하기 위해서, AC 내의 용융 금속 수위에 따라 AC의 피스톤이 종속되어 작동된다. 그 결과, FC 및 AC 용융 금속 인젝터 피스톤들은 하나가 공급하면 다른 하나는 충전되도록 반대방향으로 움직인다. FC의 복귀 스트로크 이전에, OCV 가 닫히고 FC 내의 가스는 배출된다.
하류 공정으로부터의 제품 배출 속도는 AC용융 금속 인젝터와 가스 소통 되고 있는 공정 제어 실린더(PCC)로 AC 용융 금속 인젝터 내의 압력을 조절함에 의해서 달성된다. PCC 피스톤은 제품 속력 센서로부터의 피드백에 기초해서 조절된다.
체크 밸브는 통로 내 용융 금속을 유동하지 못하게 또는 유동가능하게 작동하여서 용융 금속의 흐름을 막거나 조장한다. 이들 밸브는 실질적으로 다른 작업 압력에서 작동하는 때에 구성요소들을 고립시키는 신뢰성 있는 수단을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 압출 제품을 제조하는데 관련되는 총 비용을 저감시키는 것이다.
도 1은 압출 공정을 개략적으로 보인 것이고,
도 2는 본 발명에 따라 구성되어 설치된 용융 금속 공급 시스템의 단순화된 단면도를 보인 것이고,
도 3은 도 2의 시스템에 이용되는 용융 금속 공급 인젝터의 단면도를 보인 것이고,
도 4는 하나의 용융 금속 인젝터의 단면도를 보인 것이고,
도 5는 본 발명에 따른 용융 금속 인젝터, 씰, 씰 냉각 수단의 단면도를 보인 것이고,
도 6은 도 2의 시스템에 이용되는 체크 밸브의 단면도를 보인 것이고,
도 7은 압출 주형(mold)의 단면도를 보인 것이고,
도 8은 용융 금속 공급 시스템의 길이방향 단면을 보인 것이다.
첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 압출 공정 및/또는 용융 금속 공급 시스템에 일반적으로 친숙한 사람이라면 여기에서 도시되고 설명된 신규한 구조적 특징들을 약간 변형해서 적용하는 것이 가능할 것이다. 따라서, 도면 및 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 되어서는 안 될 것이며 일반적이고 광범위한 교시로 이해되어야 할 것이다. 어떤 값의 수치 범위를 언급하는 경우에는, 그러한 범위는 각각의 및 모든 숫자를 포함하며 및/또는 언급된 범위의 최소값과 최대값 사이 각각의 및 모든 부분 범위를 포함하는 것으로 이 해되어야 한다. 마지막으로, 이하의 설명에서 언급되는 "위쪽", "아래쪽", "오른쪽", "왼쪽", "수직", "수평", "상부(top)", "저부(bottom)" 및 그로부터 유도되는 단어는 본 발명에 관련된 것이고, 첨부도면에 대한 것이다.
본 발명은 적어도 두 개의 용융 금속 인젝터를 포함하고 있는 가압 용융 금속 공급 시스템(연속 금속 배급 시스템)에 관한 것이다. 그 용융 금속 공급 시스템은 하류 압출 장치 또는 공정으로 용융 금속을 배급하는데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 개시된 용융 금속 공급 시스템은 하류 압출 장치 또는 공정으로 실질적으로 일정한 유동 속도 및 압력으로 용융 금속을 공급한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 용융 금속 공급 시스템(16)은 "a", "b"로 식별되게 표시되는 복수 개의 용융 금속 인젝터(18)를 포함한다. FC 용융 금속 인젝터(18a)와 AC 용융 금속 인젝터(18b)는 동일하며, 이하에서는 명료성을 위해 그들 구성 부품들이 하나의 인젝터(18)의 견지에서 설명된다. 저압 피드 시스템(20)이 용융 금속(22)을 FC 용융 금속 인젝터(18a)로 공급한다. 저압 피드 시스템(20)은 저압 피드 시스템(20)과 유체 소통하는 용기(21)로부터 용융 금속을 연속적으로 공급받는다. 저압 피드 시스템(20)은 또한 실질적으로 수직으로 연장된 제 1 피딩 통로(24)와 유체 소통된다. 제 1 피딩 통로(24)는, 제 1 하우징 내에 둘러싸인 제 1 수용 챔버(26)와 유체 소통된다. 제 1 수용 챔버(26)는 거의 수평으로 연장된 제 2 피딩 통로(30)와 유체 소통된다. 상기 제 2 피딩 통로(30)를 통한 용융 금속(22)의 유동을 막거나 조장하기 위해서 체크 밸브(32a)가 사용될 수 있다.
제 2 피딩 통로(30)는 제 2 수용 챔버(36)를 둘러싸고 있는 제 2 하우징(34) 으로 연장된다. 제 2 수용 챔버(36)는 제 2 피딩 통로, 거의 수직으로 연장된 제 3 피딩 통로(38), 및 거의 수평으로 연장된 제 4 피딩 통로(40)와 유체 소통된다. 제 3 피딩 통로(38)는 FC 용융 금속 인젝터(18a)의 인젝터 하우징(44)의 내부(42)와 유체 소통된다. OCV 체크 밸브(32b)가 사용되어 제 4 피딩 통로(40)를 통한 용융 금속(22)의 유동을 조장하거나 막는다. 도 2에서는 체크 밸브(32a, 32b)가 제 2 및 제 4 피딩 통로(30, 40)의 중심에 위치한 것으로 도시되었으나, 제 1 및/또는 제 2 체크 밸브(32a, 32b)는 각각 제 2 및 제 3 피딩 통로(30, 40)의 거의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수도 있다.
제 4 피딩 통로(40)는 제 3 수용 챔버(48)를 둘러싸는 제 3 하우징(46) 내로 연장된다. 제 3 수용 챔버(48)는 제 4 피딩 통로(40), 거의 수직으로 연장된 제 5 피딩 통로, 및 외부로 연장된 제 6 피딩 통로(52)(도 8 참조)와 유체 소통된다. 제 5 피딩 통로(50)는 제 2 인젝터(18b)의 하우징(44) 내부(42)와 유체 소통된다. 제 6 피딩 통로(52)는 압출 주형(54)(도 8 참조)과 유체 소통되며, 압출 주형(54)은 압출 주형(54)에 부착된 압출 다이(56)를 통해 압출되기 전에 용융 금속(22)을 응고시키는데 사용된다. 도 2에는 피딩 통로들(24, 30, 38, 40, 50, 52)이 거의 같은 직경을 가지는 것으로 도시하였으나, 이와 같이 한정하려는 의도는 아니며 하나 이상의 통로가 다른 크기의 직경을 가질 수 있다.
도 2에서 이해할 수 있는 바와 같이, 공정 제어 실린더(58), AC 용융 금속 인젝터(18b), 및 FC 용융 금속 인젝터(18a)는 가스 도관(60)으로 연결되어 있으며 가스 도관(60)은 공정 제어 실린더(58)와 FC 용융 금속 및 AC 용융 금속 인젝 터(18a, 18b) 사이에 가스가 흐르도록 한다. FC 용융 금속 인젝터(18a) 내의 가스 패드(116)는, FC 용융 금속과 AC 용융 금속 인젝터(18a, 18b) 사이에 위치한 가스 도관(60)을 통해 AC 용융 금속 인젝터(18b)로부터 FC 용융 금속 인젝터(18a)로 이동하는 가스에 의해서 채워진다. AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 가스 패드(116)는, 공정 제어 실린더(58)와 AC 용융 금속 인젝터(18b) 사이에 위치한 가스 도관(60)을 통해 공정 제어 실린더(58)로부터 AC 용융 금속 인젝터(18b)로 이동하는 가스에 의해서 채워진다. 가스 도관(60)의 작용은 아래에서 보다 상세하게 설명된다.
도 2에서, 공정 제어 실린더(58)는 거의 측방향으로 연장된 제 1 가스 도관(62)을 통해서 AC 용융 금속 인젝터(18b)와 가스 소통된다. 거의 측방향으로 연장된 제 2 가스 도관(64)이 AC 용융 금속 인젝터(18b)를 FC 용융 금속 인젝터(18a)로 연결한다. 제 2 가스 도관(64)에는 제 1 가스 밸브(66)가 부착되어서 FC 용융 금속와 AC 용융 금속 인젝터(18a, 18b) 간의 가스 흐름을 조절하는데 사용된다. 제 3 가스 도관(68)이 FC 용융 금속 인젝터(18a)에 부착된다. 제 3 가스 도관(68)은 FC 용융 금속 인젝터(18a)로부터의 가스를 배출(즉 방출하거나 해방함)하는데 사용된다. 상기의 배출 작동은 제 3 가스 통로(68)에 부착된 제 2 가스 밸브(70)에 의해서 조종된다.
FC 용융 금속 인젝터(18a)와 AC 용융 금속 인젝터(18b)는 동일하며, 이하에서는 명료성을 위해 그들 구성 부품들이 하나의 인젝터"(18)"의 견지에서 설명된다. 도 2 내지 도 5를 참조하면, 인젝터(18)는 용융 금속(22)을 하류의 장치 또는 공정으로 이동시키기 전에 용융 금속(22)을 담고 있는데 사용되는 인젝터 하우징(44)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는, 인젝터 하우징(44)은 그라파이트(105)로 라이닝 되어 있다(도 4 참조). 그러나 여기에 한정되는 것은 아니며, 라이닝은 사용되는 용융 금속(22)에 불리하게 작용하지 않는 임의의 재료로부터 제조될 수 있다. 피스톤(84)이 인젝터 하우징(44) 내까지 아래로 연장되며 인젝터 하우징(44) 내부에서 왕복 작동될 수 있다. 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 피스톤(84)의 제 1 단(106)은 피스톤(84)을 왕복 운동하도록 구동하는 유압 액츄에이터 내지 램(108)과 연결되어 있다. 피스톤(84)의 제 1 단(106)은 자가정렬 커플링(self-aligning coupling)(110)에 의해서 유압 액츄에이터(108)에 연결되어 있다. 피스톤(84)의 제 2 단(114)과 용융 금속(22) 사이에 위치한 가스 패드(116)의 높이가 컴퓨터 내지 제어 유닛(117)(도 2 참조)으로 전달되며, 컴퓨터는 공정 제어 실린더(PCC)(58), FC 용융 금속 인젝터(18a), 및 AC 용융 금속 인젝터(18b)를 조종한다. 컴퓨터(117)가 공정 제어 실린더(PCC)(58), FC 용융 금속 인젝터(18a), 및 AC 용융 금속 인젝터(18b)의 작동을 조종하는 방법은 아래에서 보다 상세히 설명된다
도 5를 참조하면, 인젝터 하우징(44)을 통해 연장된 하나 이상의 가스 입구 통로(118)에 의해, 가스가 FC 및 AC 인젝터(18a, 18b)로 각각 도입된다. 가스 입구 통로(118)는 적어도 하나의 인접한 인젝터(미도시) 내지 공정 제어 실린더(미도시)와 가스 소통 상태에 있다. 도 5에서 명백히 볼 수 있는 바와 같이, 피스톤(84)의 외면(120)은 인젝터 하우징(18)의 내벽(122)와 완전히 접촉하지 않으며, 그에 따라 인접한 인젝터 내지 공정 제어 실린더로부터의 가스가 인젝터 하우징(44) 내로 들어갈 수 있다. 가스 밸브가 개방되면, 인젝터 하우징(44)을 통해 연장된 하나 이상의 가스 출구 통로(124)를 통해 가스가 인젝터(18)를 나온다.
인젝터 하우징(44)의 제 1 단(82) 근방에 위치한 적어도 하나의 씰(126)에 의해서, 피스톤(84)과 인젝터 하우징(44) 사이로부터 인젝터 하우징(44) 내의 가스가 탈출하는 것이 방지된다. 도 5에서 명백한 바와 같이, 씰(126)은, 피스톤(84) 외면(120)에 인접한 인젝터 하우징(44)의 내벽(122) 내에 위치한 홈(128) 내에 수용된다. 인젝터 하우징(44)의 제 1 단(82)에 인접하여 환형 숄더(80)가 위치하는데, 이는 지지 하우징(76) 내지 탑 플레이트(78) 아래에 놓인다.
씰(126)은 용융 금속(22)에 의해 발생되는 열, 인젝터 하우징(44) 내의 가열된 가스, 및 피스톤(84)의 작동에 의해 야기되는 마찰로 인한 열화를 방지하기 위해 냉각된다. 도 5는 구현될 수 있는 냉각 수단의 일례를 보이고 있다. 이 실시예에서는, 복수 개의 냉각 채널(132)이 인젝터 하우징(44)의 외면(130) 씰(126) 근방 에 위치된다. 냉각 채널(132)로부터 냉매가 유출되는 것을 방지하기 위한 쉘(134)이 냉각 채널(132)과 인젝터 하우징(44)을 감싼다. 또 다른 실시예에서는, 냉각 채널(132)이 쉘(134)의 내부(136) 안에 위치한다.
도 2 내지 도 6에서 이해할 수 있는 바와 같이, 압출 방법은 두 개의 분할되고 구별되는 사이클로 나누어질 수 있다. 먼저, 용융 금속 공급 시스템(2)을 압출 공정을 위해 준비시키는 충전 사이클이 있다. 용융 금속 공급 시스템(2)이 용융 금속(22)으로 충전되고나면, 제품을 압출하는 압출 사이클이 개시된다.
충전 사이클 동안에는, 저압 피드 시스템(20)이 용융 금속을 담고 있는 용기(21)로부터의 용융 금속(22)으로 충전된다. 저압 피드 시스템(20)이 용융 금속(22)으로 충전되고나면, 용융 금속(22)이 저압 피드 시스템(20)으로부터 제 1 수용 챔버(26)와 유체 소통하고 있는 제 1 피딩 통로(24) 내로 이동한다. 저압 피드 시스템(20)으로부터 제 1 피딩 통로(24)로의 용융 금속(22)의 이동은, 저압 피드 시스템(20) 내의 가스 압력이 FC 용융 금속 인젝터(18a) 내의 가스 압력보다 높은 결과이다. 그에 따라, 용융 금속(22)이 저압 피드 시스템(20)으로부터 FC 용융 금속 인젝터(18a)로 이동한다. 용융 금속(22)이 저압 피드 시스템(20)으로부터 나가면, 용기(21)를 통해 저압 피드 시스템(20) 내로 추가적인 용융 금속(22)이 도입되어서 저압 피드 시스템(20) 내의 용융 금속(22)의 높이는 거의 일정하게 유지된다. 용융 금속(22)은 제 1 수용 챔버(26)로부터 제 2 피딩 통로(30)로 이동한다.
용융 금속(22)은 제 2 피딩 통로(30)를 통과하여, 제 3 및 제 4 피딩 통로(38,40)와 유체 소통 상태하는 제 2 수용 챔버(36) 내로 이동한다. 이때 용융 금속(22)은 제 2 피딩 통로(30)를 통해서 자유롭게 이동할 수 있는데, ICV 체크 밸브(32a)가 포함하는 가열 코일(180)이 작동하여 용융 금속(22)을 가열해서 용융 금속(22)이 실질적으로 액체 상태로 남아 있도록 보장하기 때문이다.
제 2 수용 챔버(36)가 용융 금속(22)으로 충전될 때에, 용융 금속(22)이 제 4 피딩 통로(40)를 통해서 이동하는 것이 방지되는데, 이는 용융 금속(22)의 온도를 응고 온도 아래로 낮추기 위해서 냉각되고 있는 OCV 체크 밸브(32b)에 의해서이다. ICV 체크 밸브(32a)와 달리, OCV 체크 밸브(32b) 상의 가열 코일(180)은 이때 에 작동하지 않는다. 용융 금속(22)이 제 4 피딩 통로(40)를 통해서 이동하지 못하게 방지함에 의해서, 제 2 수용 챔버(36)는 용융 금속(22)으로 충전된다. 제 2 수용 챔버(36)가 충전되고 나면, 용융 금속(22)은, FC 용융 금속 인젝터(18a)의 인젝터 하우징(42)의 내부(42)와 유체 소통하고 있는 제 3 피딩 통로(38) 내로 이동한다. FC 용융 금속 인젝터(18a) 내의 용융 금속(22)의 높이가 상승하면, 용융 금속 프로브(116)가 피스톤(84)과 용융 금속(22) 간의 거리를 컴퓨터 내지 제어 유닛(117)으로 전송한다. 컴퓨터(117)는 FC 용융 금속 인젝터(18a)의 피스톤(84)이 상방으로 이동 내지 작동(즉, 복귀 스트로크)하도록 명령하여 피스톤(84)과 용융 금속(22) 간에 미리 결정된 높이를 유지하도록 한다.
FC 용융 금속 인젝터(18a) 내 용융 금속(22)이 임계 높이에 도달하면, 유도 가열 전원을 제거하고 밸브체를 실질적으로 알루미늄의 응고점 이하로 냉각함에 의해서 ICV 가 닫힌다. 그 다음에 FC 실린더 내의 가스 패드가, AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 가스 패드 압력과 거의 근접하도록 가압된다. 그 다음에 OCV 체크 밸브의 가열 코일(180)이 작동되어서 OCV 체크 밸브(32b) 내의 응고된 용융 금속(22)을 응고 온도 이상으로 가열한다. 동시에, 제 1 가스 밸브(66)를 개방하여 FC 용융 금속 인젝터(18a)로부터 AC 용융 금속 인젝터(18b)로 가스 도관(60)을 통해 가스를 통하도록 함에 의해서 FC 용융 금속 및 AC 용융 금속 인젝터(18a,18b) 간의 가스 압력이 같게 된다. 가스 압력이 같아지면 FC 용융 금속 인젝터(18a) 내의 압력이 저압 피드 시스템(20) 내의 가스 압력보다 높이 올라가게 되고, 그에 따라 저압 피드 시스템(20)으로부터 FC 용융 금속 인젝터(18a)로 용융 금속(22)이 유동하는 것 이 방지된다. 응고 온도보다 위에서는, OCV 체크 밸브(32b) 내의 용융 금속(22)이 제 4 피딩 통로(40)를 통과하여, 제 5 및 제 6 피딩 통로(50,52)와 유체 소통되고 있는 제 3 수용 챔버(36) 내로 이동한다. 용융 금속(22)이 OCV 체크 밸브(32b)를 통과하여 이동하기 시작하는 동안에, FC 용융 금속 인젝터(18a)의 피스톤(84)은 미리 결정된 속도로 하방 스트로크(down stroke)(즉, 변위 스트로크(displacement stroke))를 시작한다. 컴퓨터(117)는 용융 프로브(112)에 의해 취해지는 측정을 모니터링하여 피스톤(84)의 속도가 미리 결정된 속도에 합치하도록 조정한다. FC 용융 금속 인젝터(18a) 피스톤(84)의 하방 스트로크는 인젝터 하우징(44) 내의 용융 금속(22)을 밀어서 제 3 피딩 통로(38), 제 2 수용 챔버(36)를 통과하여 제 4 피딩 통로(40) 내로 이동하게 한다. 피스톤(84)의 하방 스트로크 시에는, ICV 체크 밸브(32a)를 냉각하여 그 내부에 위치한 용융 금속(22)을 응고시킴에 의해서 용융 금속(22)이 제 2 피딩 통로(30)를 통해 역류하는 것이 방지된다.
제 3 수용 챔버(48) 내의 용융 금속(22)은 제 5 및 제 6 피딩 통로(50,52)를 동시에 통과하여 이동한다. 제 5 피딩 통로(50)는 AC 용융 금속 인젝터(18b)의 인젝터 하우징(44)의 내부(42)와 유체 소통되며, 제 6 피딩 통로(52)는 압출 주형(54)과 유체 소통된다. AC 용융 금속 인젝터(18b)의 인젝터 하우징(44)이 충전될 때, 컴퓨터(117)는 AC 용융 금속 인젝터(18b)의 피스톤(84)을 상방 스트로크(즉 복귀 스트로크)시켜 피스톤(84)과 용융 금속(22) 간에 미리 결정된 높이(즉, 가스 패드(116))가 유지되도록 한다.
변위 스트로크 후 복귀 스트로크하는 FC 용융 금속 인젝터(18a)에 의해서 압 출 사이클이 정의된다. 압출 사이클 동안에 AC 용융 금속 인젝터 피스톤(84)이 컴퓨터(117)에 의해 모니터링되며, 컴퓨터(117)는 피스톤(84)과 용융 금속(22) 간에 미리 결정된 거리가 유지되도록 프로그래밍되어 있다. 다시 말해 일정한 가스 패드(116) 높이가 항상 유지된다. 그 거리는 용융 프로브(112)에 의해 측정되고 측정결과가 컴퓨터(117)로 연속적으로 전송된다. AC 용융 금속 인젝터(18b) 피스톤(84)의 하방 스트로크는 AC 용융 금속 인젝터(18b) 내 용융 금속(22)을 제 5 피딩 통로(50), 제 3 수용 챔버(48), 및 제 6 피딩 통로(52)를 경유하여 압출 주형(54)으로 변위시킨다. OCV 체크 밸브(32b) 내에 위치한 용융 금속(22)을 응고시켜 OCV 체크 밸브(32b)를 닫음으로써 용융 금속(22)이 제 4 피딩 통로(40)를 통해 역류하는 것이 방지된다.
도 6을 참조하면, 압출 주형(54) 내에서 용융 금속(22)이 응고되고, 압출 주형(54)의 제 2 단(188)에 위치하고 있는 압출 다이(226)를 통과하여 압출된다. 응고 압출물(230)이 압출 다이(226)를 나오는 속도(228)를 측정하는 수단이 압출 다이(226)로부터 하류측에 위치한다. 상기의 속도 검출 수단은 공정 제어 실린더(58)를 제어하는 미도시된 컴퓨터에 의해 모니터링된다.
앞의 단락들에 설명한 바와 같이, 공정 제어 실린더(58)는 AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 가스 압력을 제어한다. 도 2를 참조하면, 공정 제어 실린더(58)는 별도의 하우징(232)과 하우징(232) 내에서 왕복 작동될 수 있는 별도의 피스톤(234)을 포함한다. 공정 제어 실린더(58)와 AC 용융 금속 인젝터(18b)는 가스 소통 상태에 있으므로, 제 2 피스톤(234)의 작동에 따라 AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 가스 압력이 영향을 받는다. 필요한 경우에는 가스 공급원(236)이 공정 제어 실린더(58)로 추가적인 가스를 공급한다. 가스 공급원(236)과 공정 제어 실린더(58)는 제 4 가스 도관(238)으로 연결되어 있다. 다시 말해, 가스 공급원(236)과 공정 제어 실린더(58)는 제 4 가스 도관(238)을 통해서 서로 가스 소통 상태에 있다. 제 4 가스 도관(238)에는 제 3 가스 밸브(240)가 부착되어 있고, 이것이 가스 공급원(236)과 공정 제어 실린더(58) 간의 가스 유동을 제어하는데 사용된다. 공정 제어 실린더(58)에는 제 5 가스 도관(242)이 부착되어 있다. 제 5 가스 도관(242)은 공정 제어 실린더(58)로부터 가스를 배출(즉, 방출 내지 해방)하는데 사용된다. 공정 제어 실린더(58) 내에 위치한 가스의 양을 감소시키기 위해서 제 5 가스 도관(242)을 통해서 가스가 배출된다. 제 5 가스 도관(242)을 통해 배출되는 가스량은 제 5 가스 도관(242)에 부착된 제 4 가스 밸브(244)에 의해 제어된다. 공정 제어 실린더(58)와 AC 용융 금속 인젝터(18b) 간의 가스 유동을 제어하기 위해서 제 1 가스 도관(62)에는 제 5 가스 밸브(246)가 부착된다.
압출물(230)의 출구 속도가 원하는 속도 아래인 경우에는, 컴퓨터(117)가 공정 제어 실린더 피스톤(PCC 피스톤)(234)에게 하방 스트로크(변위 스트로크) 하도록 명령하여 공정 제어 실린더(58) 내의 가스에 작용하는 압력을 증가시킨다. 다시 말해 PCC 피스톤(234)이 변위 스트로크에 들어가면 용융 금속 공급 시스템(16) 내의 전체 압력이 증가한다. 공정 제어 실린더(58) 내의 가스 압력이 증가하면 AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 가스 압력이 따라서 증가하는데, 왜냐하면 공정 제어 실린더(58) 내의 가스가 AC 용융 금속 인젝터(18b) 내로 변위하기 때문이다. AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 피스톤(84)은, 용융 금속 프로브(112)에 의해 측정되는 피스톤(84)과 용융 금속(22) 간의 높이가 특정한 높이로 유지되도록 구성되어 있으므로, 피스톤(84)의 하방 스트로크 속도는 팽창된 가스 패드의 높이를 보상하도록 증가된다.
압출물(230)의 출구 속도가 원하는 속도 위인 경우에는, 컴퓨터(117)가 공정 제어 실린더 피스톤(PCC 피스톤)(234)에게 상방 스트로크(복귀 스트로크) 하도록 명령하여 공정 제어 실린더(58) 내의 가스에 작용하는 압력을, 그리고 결과적으로 AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 가스에 작용하는 압력을 감소시킨다. 다시 말해 PCC 피스톤(234)이 복귀 스트로크에 들어가면 용융 금속 공급 시스템(16) 내의 전체 압력이 감소한다. AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 피스톤(84)은, 용융 금속 프로브(112)에 의해 측정되는 가스 패드(116) 높이(즉, 피스톤(84)과 용융 금속(22) 간의 거리)가 일정하게 유지되도록 구성되어 있으므로, 피스톤(84)의 하방 스트로크 속도는 인젝터 하우징(42) 내 용융 금속(22)의 더 높은 수위를 보상하도록 감소된다.
압출물(230)의 출구 속도가 원하는 속도인 경우에는, 컴퓨터(117)는 제 2 피스톤(234)이 정지 상태에 있도록 명령한다. 제 2 피스톤(234)이 정지상태에 있도록 유지함으로써, 공정 제어 실린더(58) 내의 가스에 작용하는, 그리고 결과적으로 AC 용융 금속 인젝터(18b) 내의 가스에 작용하는 압력이 일정하게 유지된다. 다시 말해, 용융 금속 공급 시스템(16) 내의 전체 압력은 증가하지도 감소하지도 않는다. 따라서, 압출물(230)은 원하는 속도로 압출 다이(226)를 나간다.
AC 용융 금속 인젝터(18b)의 하방 스트로크가 종료되기 전에, FC 용융 금속 인젝터(18a)와 AC 용융 금속 인젝터(18b) 간의 가스 압력을 같게 하기 위해서, AC 용융 금속 인젝터(18b)로부터의 가스가 FC 용융 금속 인젝터(18a) 내로 들어가는 것을 방지하는 제 1 가스 밸브(66)가 개방된다. FC 용융 금속 인젝터(18a)와 AC 용융 금속 인젝터(18b) 간의 가스 압력이 같아지면, 제 1 가스 밸브(66)가 닫히고 FC 용융 금속 인젝터(18a)는 하방 스트로크를 시작하여 AC 용융 금속 인젝터(18b)와 압출 주형(54)을 용융 금속(22)으로 충전한다. FC 용융 금속 인젝터(18a)의 변위 스트로크가 완료되면, 제 2 가스 밸브(70)가 열려서 FC 용융 금속 인젝터(18a) 내에 축적된 가스 압력을 해소하며, 그에 의해 AC 용융 금속 인젝터(18b)의 압력을 저압 피드 시스템(20)의 압력 아래로 내린다. 이에 따라 저압 피드 시스템(20)이 FC 용융 금속 인젝터(18a)를 용융 금속(22)으로 채우며, 압출 사이클이 반복되어서 용융 금속(22)이 연속적으로 일정한 속도로 압출된다.
체크 밸브
제 1 및 제 2 체크 밸브(32a,32b)는 동일하므로 그들 구성 부품들은 이하에서 단일의 체크 밸브(32)의 견지에서 설명될 것이다. 임의의 신뢰성 있는 용융 금속 체크 밸브를 채택하더라도 용융 금속 공급 시스템의 성공적인 작동이 이루어질 수 있다. 그러한 체크 밸브의 한 예는 Sample 등의 미국특허 제6,939,485호에 개시된 이중 작동 밸브(dual action valve)이다. 본 발명에 따른, 용융 금속의 냉각 및 용융에 기초한 체크 밸브의 바람직한 실시예를 이하에서 설명한다.
도 6을 참조하면, 체크 밸브(32)는 제 1 단(140)과 제 2 단(142)을 가지며 전체 길이에 걸쳐 연장된 중앙 보어(144)를 갖는 열전도성의 제 1 코어(138)를 포함한다. 한 실시예에서, 제 1 코어(138)는 실질적으로 원통형이다. 다른 실시예에서, 열전도성 제 1 코어(138)는 그라파이트로 만들어진다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 제 1 코어(138)는 용융 금속(22)과 불리하게 반응하지 않는 임의의 열전도성 재료로 만들어질 수 있다. 중앙 보어(144)를 통한 용융 금속(22)의 흐름이 화살표 Y로 나타내어진다. 도 6에서 알 수 있듯이, 용융 금속(22)은 제 1 단(140)을 통해 제 1 코어(138)로 들어가서 제 2 단(142)으로부터 제 1 코어(138)를 나온다. 도 6에서, 중앙 보어(144)는 더 작은 직경의 제 1 보어(146)와 더 큰 직경의 제 2 보어(148)를 포함한다. 더 작은 직경의 제 1 보어(146)는 용융 금속(22)이 화살표 X 방향으로 흐르는 것이 더 어렵도록 한다. 도 6에서는 코어(138)의 제 1 및 제 2 보어(146,148)가 실질적으로 동일한 길이를 갖도록 도시되어 있으나, 당업자라면 제 1 및 제 2 보어(146,148)가 서로 다른 길이를 가질 수 있다는 것을 인지할 것이다. 일 실시예에서, 중앙 보어(144)는 실질적으로 균일한 직경을 갖는다.
제 1 코어(138)를 둘러싸는 제 1 슬리브(150)가 있다. 일 실시예에서, 제 1 슬리브(150)는 실질적으로 원통형이며 구리와 같은 열전도성 금속 재료로 만들어진다. 하나 또는 그 이상의 냉각 채널(152)이 제 1 슬리브(150) 내부에 위치하여 실질적으로 제 1 슬리브(150)의 길이에 걸쳐 연장된다. 냉각 채널(152)은 제 1 슬리브(150)의 외부면(156)에 인접하여 또는 멀리 떨어져서 위치할 수 있다. 냉각 채널(152)은 제 1 단(158)과 제 2 단(160)을 가지며, 슬리브(150)의 전체 길이에 걸친 드릴가공에 의해 형성된다. 일단 만들어진 다음에는, 채널(152)의 각 개방단은 냉매의 유출을 방지하기 위해서 플러그(162)로 씰링된다. 냉각 채널(152)을 드릴가공하는 방법 및 제 1 슬리브(150)에 플러그(162)를 부착하는 방법은 당업게에 공지되어 있다. 일 실시예에서, 플러그는 구리로 만들어진다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 임의의 금속 또는 금속합금이 플러그 제조에 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 제 1 슬리브는 두 개의 반쪽 금속으로 제조된 후 함께 용접된다. 냉각 채널(152)이 기계가공된 각 반쪽 금속으로 되므로, 이 실시예에서는 두 냉각 채널(152)이 슬리브(150) 전체 길이에 걸쳐 연장되지 않아도 무방하므로 두 냉각 채널(152)의 단부를 씰링하기 위해서 플러그를 사용해야만 할 필요가 없다. 이 실시예에서 체크 밸브(32)에 둘 이상의 냉각 채널(152)이 사용되는 경우에는, 냉각 채널(152)이 종래 기술의 알려진 방법에 따라 드릴가공되고 플러그로 막힌다.
도 6에 도시된 바와 같이, 입구 도관(164)에 의해서 냉각 채널(152) 내로 냉매가 주입되며, 입구 도관(164)은 냉각 채널(152)의 제 2 단(160)과 항상 유체 또는 가스 소통된다. 입구 도관(164)은 냉각 채널(152)로부터 실질적으로 방사상으로 연장되며, 실질적으로 제 1 슬리브(150)의 원주를 따라 연장된 브래킷(168)에 의해 위치가 유지되는 제 1 입구 냉각 튜브(166)로부터 차가운 냉매를 받는다. 브래킷(168)은 제 1 입구 냉각 튜브(166)와 연속적으로 유체 내지 가스 소통되는 내부 채널(170)을 구비한다. 브래킷(168)의 내부 채널(170)은 또한 실질적으로 브래킷(168) 원주를 따라 연장되며, 그에 의해 제 1 슬리브(150) 내에 위치한 다른 냉각 채널(152)들로 차가운 냉매를 전달한다.
냉매가 냉각 채널(152)의 제 1 단(158) 쪽으로 유동하면서, 냉매는 용융 금속(22)으로부터 제거되는 열을 흡수하고, 그에 의해 열전도성 제 1 코어(138) 내에 위치한 용융 금속(22)의 온도를 응고 온도 아래로 낮추어서 응고시킨다. 도 6을 참고하면, 가열된 냉매는 제 1 슬리브(150)의 제 1 단(174) 근방에 위치한 제 1 출구 냉매 튜브(172)를 통해서 제 1 슬리브(150)로부터 배출된다. 도 6에서는 제 1 입구 냉각 튜브(166)가 제 1 슬리브(150)의 제 2 단(176) 근방에 위치하고 제 1 출구 냉각 튜브(172)가 제 1 슬리브(150)의 제 1 단(174) 근방에 위치하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 제 1 입구 냉각 튜브(166) 및 제 1 출구 냉각 튜브(172)의 위치가 역으로 될 수 있다. 제 1 입구 냉각 튜브(166)와 유사하게, 제 1 출구 냉각 튜브(172)는 실질적으로 제 1 슬리브(150) 원주에 걸쳐 연장된 브래킷(168)에 의해 위치 고정된다. 브래킷(168)은 제 1 출구 냉각 튜브(172) 및 출구 도관(178)과 항상 유체 내지 가스 소통되며, 출구 도관(178)은 냉각 채널의 제 1 단(158)과 유체 내지 가스 소통된다. 내부 채널(170)은 실질적으로 브래킷(168) 원주를 따라 연장되며, 그에 의해 냉각 튜브들로부터 배출된 가열된 냉매를 제 1 출구 냉각 튜브(172) 쪽으로 전달한다.
제 1 슬리브(150)를 통한 냉매의 유동을 다음과 같이 요약할 수 있다. 그러나, 간명함을 위해 도 6에서 제 1 슬리브(150) 상부 근처에 위치한 냉각 채널(152)에 관련한 냉매의 유동을 설명한다. 먼저, 냉매가 제 1 입구 냉각 튜브(166) 내로 수용된다. 그 다음에 냉매는 제 1 입구 냉각 뉴브(166)로부터 브래킷(168)의 내부 채널(170) 내로 유동한다. 내부 채널(170)로부터 냉매는, 냉각 채널(152)의 제 2 단(160)과 연결된 입구 도관(164) 내로 유동한다. 냉매가 냉각 채널(152) 제 2단(160)으로부터 제 1 단(158)으로 이동함에 따라 냉매는 용융 금속(22)에 의해 발생되는 열을 흡수한다. 그 다음에, 가열된 냉매는 냉각 채널(152) 제 1 단(158)으로부터 출구 도관(178), 브래킷(168)의 내부 채널(170)을 거쳐 제 1 출구 냉각 튜브 내로 유동한다.
제 1 슬리브(150)는 가열 코일(180)로 둘러싸이며, 가열 코일(180)은 열전도성 제 1 코어(138) 및 제 1 슬리브(150)에 열을 가하여 용융 금속(22)이 열전도성 제 1 코어(138)의 제 1 단 및 제 2 단(146,148)을 통해 이동할 때에 체크 밸브(32) 내 용융 금속(22)을 응고 온도보다 높게 유지함으로써, 용융 금속(22)이 체크 밸브(32)를 통해 자유롭게 유동하도록 보장한다. 가열 코일(180)은 또한 용융 금속(22)이 응고된 후에 용융 금속(22)을 용융 상태로 복귀시키는데도 사용된다. 도 6에서는 가열 코일(180)이 두 브래킷(168) 사이에 위치하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 가열 코일(180)이 브래킷(168) 양쪽에 위치할 수도 있다.
종래의 유동 제어 밸브의 설계는 오리피스를 열거나 닫아, 주어진 압력 강하에 대해 어떤 유동 속도를 얻는 것에 달려 있다. 알루미늄 산업에서는, 용융 금속이 어떤 시스템 내로 유동하는 것을 막거나 허용하기 위해서 체크 밸브가 사용되고 있다. 그러나,이들 전통적인 체크 밸브는 고압(즉, 5,000 psi 이상) 하에서 용융 알루미늄의 유동을 제어하기 위해 사용되는 때에 문제점이 많다. 이들 문제점의 일부는 알루미늄이 전통적인 체크 밸브를 제조하는데 사용되는 대부분의 재료와 잘 반응하는데서 비롯된다. 또 다른 문제점은 전통적인 체크 밸브의 경우 체크 밸브 제조에 사용된 재료가 고온(즉, 670 도씨 이상)에서는 물러지기 시작해서 고온(즉, 670 도씨 이상)에서는 체크 밸브의 형태를 유지하지 못하는데서 비롯된다. 다시 말해, 종래의 체크 밸브를 제조하는데 사용되는 재료는 670 도씨 이상의 온도에서 치수 안정성을 결여한다. 나아가, 용융 알루미늄 자체 내에서 발견되는 불순물에 의해서 종래의 체크 밸브에서는 신뢰성 있는 동작이 어렵다. 이들 불순물은 종종 단단한 고체 입자인데 이는 종래 체크 밸브가 완전한 기계적인 씰링을 형성하지 못하도록 하며, 이는 결국, 용융 알루미늄이 고압하에 있을 때 상당한 양의 누설이 일어나도록 한다.
본 발명에서 개시된 체크 밸브를 사용하면 고압(즉, 5,000 psi 이상) 및 고온(즉 670 도씨 이상)에서 동작할 수 있다는 이점이 있다. 종래의 체크 밸브와 달리, 이 체크 밸브는 동작부가 없다. 따라서, 이 체크 밸브의 수명은 놀랍도록 증가되는 바, 체크 밸브를 구성하는 구성품의 대부분이 기계적인 마모를 겪지 않기 때문이다. 이 체크 밸브의 또 다른 이점은 용융 알루미늄 내에서 때때로 발견되는 불순물에 민감하지 않다는 것인 바, 이 체크 밸브는 체크 밸브를 통해 용융 알루미늄이 흐르는 것을 방지하기 위해서 기계적인 씰링에 의존하지 않기 때문이다. 그 대신에, 본 발명에 개시된 체크 밸브는 체크 밸브를 통한 용융 알루미늄의 유동을 막기 위해서, 중앙 보어 내에 위치한 용융 알루미늄을 응고시키는 것에 의존한다. 본 발명에서 개시된 체크 밸브의 또 다른 이점은, 체크 밸브 제조에 엄격한 공차가 요구되지 않아 용이하게 제조될 수 있다는 것이다.
본 발명에 개시된 용융 금속 공급 시스템을 사용하여 얻는 하나의 이점은 압출 공정에서 회수되는 금속의 양이 증가된다는 것이다. 전형적인 압출 공정에서는, 압출 제품의 머리부와 꼬리부가 제거되어야만 하는 바, 압출 제품의 머리부는 제품의 다른 부분과는 다른 물리적 특성을 가지며, 압출 제품의 꼬리부는 최종 제품으로는 부적당한 불순물을 포함하고 있기 때문이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 개시된 용융 금속 공급 시스템의 또 다른 이점은 제한없이 임의 길이의 제품이 생산될 수 있으므로, 큰 단면적을 갖는 빌렛이나 잉곳을 사용할 필요가 없으며, 그러한 빌렛에 통상적으로 수반되는 미세조직 상의 불균일성이 없다는 것이다. 큰 단면적을 갖는 빌렛이나 잉곳을 사용하더라도, 본 용융 금속 공급 시스템에 의한 압출 제품은, 큰 단면적을 갖는 빌렛을 사용한 경우에 보통 발생하게 되는 미세조직상의 불균일성이 나타나지 않는다.
또 다른 이점은 압출품이 더 고속으로(즉, 더 높은 금속 쓰루풋(throughput))으로 생산될 수 있다는 것인 바, 본 발명을 사용하면 더 빠른 응고 속도가 얻어지기 때문이다.
본 발명의 용융 금속 공급 시스템을 사용하는 또 다른 이점은 압출 제품 내의 수축 다공성(shrinkage porosity)을 피할 수 있다는 것인 바, 알루미늄 제품이 압력하에서 응고되기 때문이다. 수축 다공성의 출현을 제거하거나 감소시키면 압출 제품은 압출 후에 단면적 감소가 없거나 작게 된다. 이는 종래 공정 기술(즉, 종래 압출 방법)과 대비되는 바, 종래 기술에서는 잉곳 주조 단계에서 전형적으로 형성되는 수축 다공성을 보상하기 위해서 압출 제품에 큰 단면적 감소가 요구되었다.
직접 압출 내지 간접 압출 같은 종래 압출 방법을 사용하여 제품이 압출되면, 제품의 온도는 제품의 길이를 따라 변한다. 예를 들어, 직접 압출 시에 제품의 온도는 빌렛 내지 잉곳의 마찰 가열로 인해 상승한다. 간접 압출 시에 제품의 온도는 빌렛이 용기 내에서 냉각되는 때에 떨어질 수 있다. 종래 압출 방법을 사용하는 때에 보통으로 일어나는 이러한 제품의 온도 변화는 열처리 가능한 제품의 프레스 담금질을 신뢰성 없도록 하는 바, 담금질 공정 후에 제품이 왜곡되는 경향이 있기 때문이다. 이러한 왜곡에 더하여, 담금질 공정 후에 제품의 물리적 성질도 제품의 길이를 따라 변한다. 프레스 담금질은 물, 공기, 및 질소 또는 아르곤과 같은 가스를 사용한 담금질을 포함한다. 제품의 이러한 왜곡은, 담금질 공정에서의 가혹한 열 작용과 제품의 길이를 따라 발견되는 온도 변화 간의 상호 작용에 의해서 야기된다. 반면에, 본 발명의 용융 금속 공급 시스템은 균일한 온도를 갖는 제품의 압출이 가능하게 하며, 그에 따라 프레스 담금질될 열처리 가능한 제품을 보다 신뢰성 있게 한다. 달리 말해, 본 발명의 용융 금속 공급 시스템을 사용하여 압출된 제품은 제품의 전체 길이가 균일한 온도를 가지기 때문에 제품이 담금질 된 후의 왜곡이 작거나 없다.
본 발명의 용융 금속 공급 시스템의 또 다른 장점은 빌렛 등으로 주조될 수 없어서 종래 기술에 의해서는 압출되지 못했던 고강도 알루미늄 합금을 압출하는 것이 가능하다는 것이다. 예를 들면, 고강도 합금이 빌렛으로 주조되면 빌렛은 통상적으로 균열이 발생한다. 이러한 고강도의 열처리 가능한 알루미늄 합금은 빌렛 등으로 주조될 수 없기 때문에, 종래 기술을 사용해서는 압출할 수 없었다. 그러 나, 이들 고강도 알루미늄 합금은 본 발명의 용융 금속 공급 시스템을 사용하면 압출될 수 있는 바, 본 발명의 용융 금속 공급 시스템은 압출 제품이 용융 알루미늄으로부터 압출되기 때문에 빌렛을 가질 필요가 없기 때문이다.
본 발명의 또 다른 이점은 알루미늄 합금 내에 합금 원소의 용해성과 관련된다. 용융 알루미늄 내 합금 원소의 용해성은 인가된 압력에 따라 변한다. 따라서, 이들 합금 원소의 용해성은 용융 금속 공급 시스템의 압력을 조작하여서 변화될 수 있고, 그에 따라 종래의 고강도 열처리 가능 알루미늄 합금제품보다 강도가 우수한 고강도 열처리 가능 알루미늄 합금제품의 압출이 가능한 바, 본 발명에서는 알루미늄 합금 내에 합금 원소의 더 큰 과포화가 가능하기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명하였으나 첨부된 청구범위의 범위 내에서 본 발명은 또 다르게 구현될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (24)

  1. 용융 금속 공급 소스; 및,
    적어도 하나의 제 1 용융 금속 인젝터와, 적어도 하나의 제 2 용융 금속 인젝터를 포함하는 복수개의 용융 금속 인젝터를 포함하여 구성되고,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터는 상기 용융 메탈 공급 소스와 유체 소통하는 경우와 상기 제 2 용융 금속 인젝터 및 하류 공정과 동시에 유체 소통하는 경우를 교번하며,
    상기 제 2 용융 금속 인젝터는 상기 제 1 용융 금속 인젝터 및 하류 공정과 유체 소통하는 경우와, 하류 공정과만 유체 소통하는 경우를 교번하며,
    각 인젝터는 용융 금속을 담고 있도록 구성된 인젝터 하우징과 상기 인젝터 하우징 내부에서 왕복 작동할 수 있는 피스톤을 구비하며, 상기 피스톤은 복귀 스트로크 및 전방 스트로크를 통해 이동 가능하고, 상기 복귀 스트로크는 용융 금속이 상기 인젝터 하우징 내로 수용되도록 하고 상기 전방 스트로크는 인젝터 하우징으로부터 용융 금속을 변위시키며, 상기 제 1 용융 금속 인젝터의 전방 스트로크는 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 인젝터 하우징 및 하류 공정으로 동시에 용융 금속을 공급하고, 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 전방 스트로크는 하류 공정으로 용융 금속을 공급하는,
    용융 금속 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 용융 금속 인젝터 각각의 전방 스트로크는 하류 공정으로 용융 금속을 공급하되 연속적인 작업을 유지하는데 요구되는 속도로 공급하는,
    용융 금속 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    하류 공정으로부터의 제품의 출구 속도를 제어하는 수단을 추가로 포함하며, 상기 수단은:
    상기 제 2 용융 금속 인젝터와 가스 소통하는 공정 제어 실린더를 포함하고, 상기 공정 제어 실린더는 가스를 담도록 구성된 제 2 하우징과 상기 제 2 하우징 내에서 왕복 작동할 수 있는 제 2 피스톤을 구비하며,
    상기 제 2 피스톤은 복귀 스트로크 및 전방 스트로크를 통해 이동 가능하고, 상기 복귀 스트로크는 상기 제 2 하우징 내의 가스에 인가되는 압력을 감소시켜서 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 전방 스트로크 속도가 감소되도록 하여 압출 제품의 출구 속도를 감소시키고, 상기 전방 스트로크는 상기 제 2 하우징 내의 가스에 인가되는 압력을 증가시키는,
    용융 금속 공급 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 인젝터는 적어도 하나의 인접한 인젝터와 가스 소통되는,
    용융 금속 공급 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터 내의 용융 금속과 피스톤 사이에 가스 패드를 추가적으로 포함하는,
    용융 금속 공급 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 패드는 아르곤 가스인,
    용융 금속 공급 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터와 상기 제 2 용융 금속 인젝터 사이에 위치하는 제 1 가스 밸브와, 상기 제 1 용융 금속 인젝터 근방에 위치하는 제 2 가스 밸브를 적어도 포함하는 복수개의 가스 밸브를 추가적으로 포함하며, 상기 각 가스 밸브는 적어도 하나의 인젝터와 가스 소통되고,
    상기 제 2 용융 금속 인젝터가 전방 스트로크를 완료하기 전에는 상기 제 1 가스 밸브가 열리고, 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에는 상기 제 1 가스 밸브가 닫히며,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터의 변위 스트로크 동안에는 상기 제 1 및 제 2 가스 밸브가 닫히고,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터가 하방 스트로크를 완료하면 상기 제 2 가스 밸브가 열리고, 상기 제 1 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에는 상기 제 1 및 제 2 가스 밸브가 닫히는,
    용융 금속 공급 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터와 용융 금속 공급 소스 사이에 위치하는 제 1 체크 밸브와, 상기 제 1 용융 금속 인젝터와 상기 제 2 용융 금속 인젝터 사이에 위치하는 제 2 체크 밸브를 적어도 포함하는 복수개의 체크 밸브를 추가적으로 포함하고,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에는 상기 제 1 체크 밸브가 열리고 제 2 체크 밸브는 닫히며, 상기 제 1 용융 금속 인젝터의 변위 스트로크 동안 및 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에는 상기 제 1 체크 밸브는 닫히고 제 2 체크 밸브는 열리며, 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 전방 스트로크 동안에는 상기 제 2 체크 밸브가 닫히고, 상기 제 1 및 제 2 용융 금속 인젝터는 반대 방향으로 움직이도록 동기화되어 있는,
    용융 금속 공급 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하류 공정은 압출 주형인,
    용융 금속 공급 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 일정한 용융 금속 유동 속도와 압력으로 하류 공정으로 용융 금속을 공급하는 용융 금속 공급 시스템을 작동하는 방법으로서,
    상기 용융 금속 공급 시스템은:
    용융 금속 공급 소스와;
    적어도 하나의 제 1 용융 금속 인젝터와 하나의 제 2 용융 금속 인젝터를 포 함하는 복수개의 용융 금속 인젝터를 포함하되,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터는 상기 용융 메탈 공급 소스와 유체 소통하는 경우와 상기 제 2 용융 금속 인젝터 및 하류 공정과 동시에 유체 소통하는 경우를 교번하며,
    상기 제 2 용융 금속 인젝터는 상기 제 1 용융 금속 인젝터 및 하류 공정과 유체 소통하는 경우와, 하류 공정과만 유체 소통하는 경우를 교번하며,
    각 인젝터는 용융 금속을 담고 있도록 구성된 인젝터 하우징과 상기 인젝터 하우징 내부에서 왕복 작동할 수 있는 피스톤을 구비하며, 상기 피스톤은 복귀 스트로크 및 전방 스트로크를 통해 이동 가능하고, 상기 복귀 스트로크는 용융 금속이 상기 인젝터 하우징 내로 수용되도록 하고 상기 전방 스트로크는 인젝터 하우징으로부터 용융 금속을 변위시키며; 및
    상기 제 1 용융 금속 인젝터와 용융 금속 공급 소스 사이에 위치하는 제 1 체크 밸브와, 상기 제 1 용융 금속 인젝터와 상기 제 2 용융 금속 인젝터 사이에 위치하는 제 2 체크 밸브를 적어도 포함하는 복수개의 체크 밸브를 포함하며,
    상기 방법은 하기의 단계:
    인젝터를 가동하여 인젝터가 서로 다른 시간에 복귀 스트로크와 전방 스트로크를 통해 이동하도록 하되, 상기 제 1 용융 금속 인젝터와 제 2 용융 금속 인젝터는 반대 방향으로 이동하도록 동기화되어 이동시키는 단계;
    상기 제 1 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에 상기 제 1 체크 밸브를 열고 그리고 상기 제 2 체크 밸브를 닫는 단계;
    상기 제 1 용융 금속 인젝터의 변위 스트로크 동안 및 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 복쉬 스트로크 동안에 상기 제 2 체크 밸브를 열고 그리고 상기 제 1 체크 밸브를 닫는 단계;
    상기 제 2 용융 금속 인젝터의 변위 스트로크 동안에 상기 제 2 체크 밸브를 닫는 단계; 및,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터의 변위 스트로크 동안에 상기 제 2 용융 금속 인젝터와 상기 하류 공정에 동시에 용융 금속을 공급하는 단계를 포함하여 이루어지는,
    용융 금속 공급 시스템 작동 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    공정 제어 실린더로 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 변위 스트로크 속도를 조절하여 하류 공정으로부터의 제품 출구 속도를 제어하는 단계를 추가적으로 포함하되,
    상기 공정 제어 실린더는 상기 제 2 용융 금속 인젝터와 가스 소통되며, 가스를 담도록 구성된 제 2 하우징과 상기 제 2 하우징 내에서 왕복 작동할 수 있는 제 2 피스톤을 구비하며,
    상기 제 2 피스톤은 복귀 스트로크 및 전방 스트로크를 통해 이동 가능하고, 상기 복귀 스트로크는 상기 제 2 하우징 내의 가스에 인가되는 압력을 감소시켜서 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 전방 스트로크 속도가 감소되도록 하여 압출 제품의 출구 속도를 감소시키고, 상기 전방 스트로크는 상기 제 2 하우징 내의 가스에 인가되는 압력을 증가시켜서 상기 제 2 하우징 내의 가스에 인가되는 압력을 증가시켜서 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 변위 스트로크 속도가 증가되도록 하여 압출 제품의 출구 속도를 증가시키고, 각 인젝터는 적어도 하나의 인접한 인젝터와 가스 소통되는,
    용융 금속 공급 시스템 작동 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 용융 금속 공급 시스템은 제 1 가스 밸브와 제 2 가스 밸브를 적어도 포함하는 복수개의 가스 밸브를 추가적으로 포함하며, 상기 각 가스 밸브는 적어도 하나의 인젝터와 가스 소통되고,
    상기 방법은:
    상기 제 2 용융 금속 인젝터가 전방 스트로크를 완료하기 전에는 상기 제 1 가스 밸브를 열고, 상기 제 2 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에는 상기 제 1 가스 밸브를 닫으며,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터의 전방 스트로크 동안에는 상기 제 1 및 제 2 가스 밸브를 닫고,
    상기 제 1 용융 금속 인젝터가 전방 스트로크를 완료하면 상기 제 2 가스 밸 브를 열고, 상기 제 1 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에는 상기 제 1 및 제 2 가스 밸브를 닫는 것을 추가적으로 포함하는,
    용융 금속 공급 시스템 작동 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    하류 공정을 통해서 제품을 압출하는 단계를 추가적으로 포함하는,
    용융 금속 공급 시스템 작동 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    압출된 제품은 부정(不定)의 길이를 갖는,
    용융 금속 공급 시스템 작동 방법.
  22. 어떤 시스템을 사용하여 일정한 용융 금속 유동 속도와 압력으로 하류 공정으로 용융 금속을 공급하는 방법으로서,
    상기 시스템은:
    용융 금속 공급 소스와;
    서로 간에 그리고 상기 용융 공급 소스와 그리고 하류 공정과 유체 소통하는 적어도 하나의 제 1 용융 금속 인젝터와 적어도 하나의 제 2 용융 금속 인젝터를 포함하되,
    상기 인젝터는 용융 금속을 담고 있도록 구성된 인젝터 하우징과 상기 인젝터 하우징 내부에서 왕복 작동할 수 있는 피스톤을 구비하며, 상기 피스톤은 복귀 스트로크 및 전방 스트로크를 통해 이동 가능하고, 상기 복귀 스트로크는 용융 금속이 상기 인젝터 하우징 내로 수용되도록 하고 상기 전방 스트로크는 인젝터 하우징으로부터 용융 금속을 변위시키며;
    상기 제 1 용융 금속 인젝터와 용융 금속 공급 소스 사이에 위치하는 제 1 체크 밸브와;
    상기 제 1 용융 금속 인젝터와 상기 제 2 용융 금속 인젝터 사이에 위치하는 제 2 체크 밸브와; 및,
    하류 공정으로 안내하는 출구를 포함하며,
    상기 방법은 하기의 단계:
    용융 금속을 상기 용융 금속 공급 소스에 제공하는 단계;
    상기 제 1 용융 금속 인젝터의 복귀 스트로크 동안에 상기 제 2 체크 밸브를 닫고 제 1 체크 밸브를 열어서 상기 제 1 용융 금속 인젝터를 상기 용융 금속 공급 소스로부터의 용융 금속으로 충전하는 단계;
    상기 제 2 체크 밸브를 열고 상기 제 1 용융 금속 인젝터 내의 피스톤을 변위시키고 상기 제 2 용융 금속 인젝터 내의 피스톤을 후퇴시키고 상기 제 1 체크 밸브를 닫아서 상기 제 2 용융 금속 인젝터를 용융 금속으로 충전하는 단계;
    상기 제 1 용융 금속 인젝터 내의 피스톤을 변위시켜서 상기 제 2 용융 금속 인젝터에 용융 금속을 공급하는 것과 동시에 상기 제 2 용융 금속 인젝터 내의 피스톤을 변위시켜서 하류 공정에 용융 금속을 공급하는 단계; 및,
    상기 제 2 체크 밸브를 닫고 상기 제 1 용융 금속 인젝터 내의 피스톤을 후퇴시켜서 그 내부의 용융 금속을 보충하는 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 제 1 및 제 2 용융 금속 인젝터는 서로 반대 방향으로 동기화되어 이동하여서 상기 출구로의 용융 금속의 연속적인 유동을 제공하는,
    용융 금속 공급 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 시스템은 인젝터 내부 피스톤 위의 가스 압력을 제어하는 가스 압력 실린더를 포함하며, 인젝터 내부의 가스 압력을 제어하여 상기 출구로의 용융 금속 공급을 제어하는 단계를 추가적으로 포함하는,
    용융 금속 공급 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    압출 다이를 통해 상기 출구로 용융 금속을 공급하는 단계를 추가적으로 포함하는,
    용융 금속 공급 방법.
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