KR101530106B1 - 반액상 금속 처리 및 감지 장치, 이의 이용 방법 - Google Patents

반액상 금속 처리 및 감지 장치, 이의 이용 방법 Download PDF

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아작스 토코 마그네서믹 코포레이션
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Abstract

반액상 금속 처리 및 감지 장치는 하나 이상의 유도 코일에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 도가니를 포함한다. 하나 이상의 유도 코일은 수냉될 수 있다. 하나 이상의 유도 코일은, 도가니 내의 용융 금속 장입물의 액상선 온도에서부터 선택된 열 함량, 비저항 및/또는 점도로의 냉각을 제어하도록 조정될 수 있는 가변 전력 및/또는 가변 주파수 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 자기장은 도가니 내의 금속 장입물의 토로이드형 교반을 유발하도록 구성될 수 있다. 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호의 실시간 또는 비실시간 분석을 통해 유도 전력 공급원에 의해 반액상 상태가 감지되고 능동적으로 제어될 수 있다.

Description

반액상 금속 처리 및 감지 장치, 이의 이용 방법{SEMI-LIQUID METAL PROCESSING AND SENSING DEVICE AND METHOD OF USING SAME}
본 발명은 일반적으로는 용융 금속 및/또는 반용융 금속을 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 구체적으로는 용융 재료 및/또는 반용융 재료의 가열, 냉각 및/또는 교반을 모니터링하거나 및/또는 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이고, 더 구체적으로는 용융 재료 및/또는 반용융 재료의 가열, 냉각 및/또는 교반을 모니터링하거나 및/또는 제어하고 그 용융 재료 및/또는 반용융 재료의 상태를 감지하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 훨씬 더 구체적으로는 용융 재료 및/또는 반용융 재료의 가열, 냉각 및/또는 교반을 모니터링하거나 및/또는 제어하고 그 용융 재료 및/또는 반용융 재료의 상태를 감지하며 또한 그 용융 재료 및/또는 반용융 재료를 성형 장치로 운반하는 구성을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
금속의 처리 및 성형은 중요한 산업 프로세스이다. 종종, 완전히 액상으로 있지 않은 용융 상태의 금속으로 금속 제품을 성형 또는 주조하는 것이 바람직할 수 있다. 동시에, 점도와 같은 재료의 선택된 특성을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 재료 특성을 제어하는 하나의 공지의 프로세스는 교반 장치에 의해 용융 합금에 전단력을 인가(shearing)하는 동시에, 그 합금의 반고상 온도 범위(즉, 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 범위의 온도)를 통과해 금속을 냉각시키는 것으로 이루어지며, 그 동안에 그 재료는 고상의 비율(solid fraction : fs)의 변화하지만, 액상보다는 고상쪽의 컨시스턴시(consistency)를 가질 것이다. 액상선 온도는 혼합물(합금과 같은 혼합물)의 모든 성분들이 액체 상태로 있을 수 있는 최소 온도이다. 액상선 온도 아래에서 그 혼합물은 부분적으로 또는 완전히 고상으로 이루어질 것이다. 고상선 온도는 혼합물(합금과 같은 혼합물)의 모든 성분들이 고체 상태로 있을 수 있는 최대 온도이다. 고상선 온도 위에서는 혼합물의 일부 또는 전부가 액상으로 있을 것이다.
그러한 형태의 금속의 처리는 혼합물의 용융 온도가 액상선 온도 아래로 떨어진 경우에 혼합물 내에서 핵생성이 시작되게 하여, 통상 발생하는 수지상 결정(즉, 재료 내에서의 니들형 결정 조직)의 형성을 방지한다. 이러한 형태의 금속의 처리 중에 반고상 재료가 특정한 고상 비율로 이루어진 경우에, 다중 성분 합금 재료는 공정 액상(eutectic liquid)(즉, 낮은 용융점의 성분을 포함하는 액체)에 의해 둘러싸인 고상의 회전타원형 α-입자(즉, 높은 용융점의 주성분을 갖는 고체 입자)로 이루어진 조직을 갖는다. 따라서, 그 혼합물의 처리 중에, 이하에서 SSM(semi-solid material)으로 지칭하는 반고상 재료는 그 혼합물을 반강성 매스(semi-rigid mass)로서 취급할 수 있게 하는 점도를 갖는다. 이러한 반강성 매스의 혼합물은 통상 종래의 완전 용융 합금의 성형 및 주입 프로세스의 특징인 난류 유동과는 달리 층류 유동 조건에서 주형 내에 주입될 수 있다.
SSM을 층류 유동 상태로 주형 내에 주입하게 되면, 다이 캐스팅 주조법, 영구 주형 주조법, 및 기타 주조법을 제공하는 종래의 용융 금속 프로세스와 관련한 수많은 공통된 결함을 제거할 수 있다. 이들 결함에는 수축 공극, 산화물 형성, 및 가스 공극이 있다. 이들 결함 각각은, 강도를 떨어뜨리거나, 피로 수명을 감소시키거나 및/또는 주조품의 강도 및 연신율을 최적화하기 위해 통상 이용되는 열처리가 만족스럽게 이루어 수 있게 하는 주조품의 능력을 감소시키는 것과 같은 성형된 혼합물의 기계적 특성의 감소를 야기할 수 있다.
용융 상태의 합금에 대한 전단력의 인가를 포함하는 프로세스의 다른 유리한 특징은, SSM의 처리 후에 그 재료가 완전히 응고될 수 있으며, 후속한 재가열 시에 재료가 반고상 온도 범위에 걸쳐 회전타원형의 "α-입자상" SSM 조직을 유지한다는 점이다. 후자의 재가열 프로세스는 큰 부피의 바아 주조 작업을 통해 SSM 조직을 갖는 금속 원재료(metal stock)를 생성하는 능력으로 인해 통상적이고 바람직한 실무였다. 그러한 바아는 소정 제조 설비로 용이하게 운송하여 선택된 크기로 절단하고, 이어서 성형 또는 주조 작업을 대비하여 반고상 상태로 재가열할 수 있다. 그러나, 그 프로세스는 SSM을 재가열하여 처리된 바아 스톡(bar stock)을 주조하는 데에 이용되는 장비와 관련한 비용뿐만 아니라, SSM 조직을 유지하고 있는 동안에는 처리된 재료 및 스크랩을 현지에서 재활용하기가 불가능하다는 점에서 비용에 많이 든다.
표준 금속 원재료로부터 SSM 재료를 현지에서 용융시키고 냉각하며 그리고 처리하게 되면, 재가열 프로세스와 비교할 때에 장비 및 재료 재활용의 측면에서 모두 저렴할 수 있는 데, 주로 이는 고가의 재가열 장비를 필요하지 않으며, 가열 또는 성형 프로세스의 중단이 발생할 경우에 쓸모 없어질 수 있는 많은 양의 재료를 프로세스 중에 보유하지 않는다는 점에 기인한다. 그러한 표준적인 금속 제조 프로세스는 표준형 노 및 용융 금속 운반 장비에 의해 수행된다. 스크랩 재료는 필요에 따라 용이하게 현지에서 재활용하고 SSM 상태로 재처리할 수 있다. 현지 처리 유닛에 대한 약간의 비용이 발생하지만, 이 비용은 통상 재가열 프로세스에 필요한 모든 특수 장비의 총 비용보다는 현저히 적다.
재가열 프로세스 및 종래의 제조 프로세스 모두에 있어서, 완성된 금속에 선택된 미세 조직을 생성하는 것이 목표이다. SSM 프로세스 및 이에 후속한 완성 제품으로의 그 재료의 성형 프로세스의 현저한 이점은, 점성의 SSM 재료가 층류 형태로 주형 내로 유동하여 결함의 발생을 최소화할 수 있다는 점이다.
그러한 프로세스의 이점에는 산화물, 가스 공극, 및 수축 공극의 최소화에 따른 기계적 특성 및 피로 수명의 개선이 포함된다. 안전 우선 및 압력 민감 부품들은 그러한 SSM 성형 프로세스에 대한 주요한 후보들이다.
통상적으로, 원하는 SSM 상태는 열전쌍을 이용하여 용융 금속 장입물의 온도에 의해 결정된다. 열전쌍은 그 재료 내에 침지되거나, 그 재료가 담긴 용기 내에 매립된다. 대안적인 방법에서는 재료의 샘플을 채취하여, 점도에 대한 "감(feel)"을 얻도록 주걱을 갖고 그 금속을 절단하거나 짓이기게 된다. 그러나, 그러한 대안적인 방법은 부정확하고 파괴적이며, 또한 필수 용융 및 주조 프로세스와 "직렬"로 이루어지지 않는 별도의 프로세스 단계를 수반한다. 열전쌍은 사실상 희생적이고 사용 중에 열화, 부식, 또는 오염될 수 있다는 점에서 한계가 있다.
프로세스 제어의 다른 방법들은 열전쌍을 통해 감지한 초기 용융 금속 온도 및 그 합금의 기지의 열적 특성만을 고려한 알고리즘을 통해 프로그래밍되어 시간 기준에 따라 수행된다. 이러한 제어 방법은 용기 온도 및 주위 온도와 같은 모든 변수를 고려하지 않기 때문에 신뢰성이 없다. 기존의 방법은 또한 성형 프로세스의 장입(charging), 처리, 급탕 또는 운반 단계들에 걸쳐 SSM 재료의 상태를 지속적으로 모니터링할 수 없다.
이하에서 SLM(semi-liquid material)으로 지칭하는 반액상 재료는 역시 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 범위의 온도를 갖지만, 고상보다는 액상쪽의 컨시스턴시를 갖는다. SLM도 역시 성형 및 주조 작업에 이용된다. 기존의 SLM 방법도 한계를 겪고 있다. 이 방법은 하류측에서 기계의 중지, 작업자의 중지, 또는 짧은 시간의 유지 보수를 위한 중지에 의해 야기되는 불규칙한 성형 사이클 시간에 대해 책임을 지지 못한다. 표준 냉각 사이클이 지연되거나 중지된다면, SLM 장입물은 긁어내어져야 하며, 기계의 중지가 해결되었을 때에 다른 금속 장입물이 처리되어야 한다. 이는 재료 낭비 및 이에 부수하는 비용 증가를 초래할 수 있다. 또한, 기존의 SLM 방법은 SLM 장입물의 온도 및 점도 상태가 각각의 금속 장입물마다 일관되게 동일하도록 보장하는 방식으로 SLM 프로세스를 제어할 수는 없다.
이러한 당업계의 현 상태를 고려할 때에, SSM/SLM의 처리와 관련한 종래의 단점을 극복하는 장치 및 방법이 필요하다. 특히, SSM/SLM 장입물의 온도 및/또는 점도 상태를 각각의 금속 장입물마다 일관되게 동일하도록 보장하는 방식으로 SSM/SLM 프로세스를 제어하는 데에 이용될 수 있고, 성형 프로세스의 장입, 처리 및 급탕 또는 운반 단계들에 걸쳐 SSM/SLM 재료의 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있는 장치 및 방법이 필요하다.
본 발명은, 반고상 금속(SSM)/반액상 금속(SLM)의 처리와 관련한 종래의 단점을 극복하는 반액상 금속(SLM) 및/또는 반고상 금속(SSM)을 처리 및 감지하는 장치에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 SSM 및 SLM이란 용어는 서로 바꾸어 사용될 수 있는 것으로, 이들 두 용어는 모두 소정 금속 또는 합금의 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 범위의 온도로 있는 금속 또는 합금을 지칭한다.
본 발명의 하나의 비한정적인 실시예에서, 적어도 하나의 유도 코일에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸인 도가니 또는 용기 시스템을 포함하는 처리 및 감지 장치가 제공된다. 도가니 또는 용기 시스템 내에서의 금속 또는 합금의 반액상 상태가 적어도 하나의 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호의 실시간 또는 비(非)실시간 분석을 통해 유도 전력 공급원(induction power supply)에 의해 감지되거나 및/또는 능동적으로 제어되도록 설계될 수 있다. 이 실시예의 하나의 비한정적 양태에서, 하나 이상의 유도 가열 코일은 수냉식 솔레노이드 유도 코일일 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 본 실시예의 다른 및/또는 대안적인 비한정적 양태에 있어서, 하나 이상의 유도 코일은, 도가니 또는 용기 시스템 내의 용융 금속 장입물을 액상의 용융 금속 온도로부터 그 재료의 액상선 온도 아래의 선택된 열 함량, 비저항 및/또는 점도까지 냉각시키는 것을 제어하도록 조정될 수 있는 가변 출력 및/또는 가변 주파수의 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 본 실시예의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 양태에 있어서, 하나 이상의 유도 코일은 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 장입물에 토로이드형 교반(toroidal agitation)을 야기하는 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 본 실시예의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 양태에서 있어서, 하나 이상의 유도 코일은 도가니 또는 용기 시스템 내에 단일의 가열 및/또는 교반 구역을 생성하도록 설계되거나, 도가니 또는 용기 시스템 내에 복수의 가열 및/또는 교반 구역을 생성하도록 복수의 유도 코일이 이용될 수 있다. 금속 또는 합금의 액상선 온도와 고상선 온도 사이에서 그 금속 또는 합금을 처리하기 위해 본 발명에 이용될 수 있는 장치 및 방법에 대한 다수의 종래의 구성이 미국 특허 제7,216,690호, 제7,169,350호, 제7,132,077호, 제6,991,970호, 제6,932,938호, 제6,796,362호, 제6,637,927호, 제6,443,216호, 제6,432,160호, 제6,402,367호, 제6,399,017호, 제5,219,018호, 및 제4,434,837호, 미국 특허 출원 공개 공보 제2007/0187060호에 개시되어 있으며, 이들 특허 문헌은 모두 참조로서 본 명세서에 완전히 인용된다. 예를 들면, 미국 특허 제7,169,350호, 제6,991,970호, 및 제6,432,160호는 주조 프로세스에 이용되는 "주문형(on-demand)" 반고상 재료를 제조하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 그 장치는 프로세스의 일부로서 이용될 필수 구성 요소 및 구조적 구성을 갖는 다양한 스테이션을 포함할 수 있다. 그 장치 및 방법은 전자기적 교반, 다양한 온도 제어 및 냉각 제어 기법의 이용은 물론, 비교적 짧은 사이클 시간 내에 반고상 재료를 제조하는 데에 도움을 주도록 사용되는 장치의 이용을 포함한다. 그 장치 및 방법은 또한 반고상 재료를 바로 주조 기계의 사출 슬리브(shot sleeve) 내로 배출하는 데에 이용되는 구조적 구성 및 기법을 포함한다. 미국 특허 제7,169,350호, 제6,991,970호, 및 제6,432,160호에 개시된 장치 및 방법은 본 발명에 완전히 또는 부분적으로 이용될 수 있다. 미국 특허 제7,132,077호, 제6,932,938호, 제6,796,362호, 제6,443,216호, 및 제6,399,017호에서는 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 금속 또는 합금을 수용하는 도가니 또는 용기 시스템을 개시하고 있다. 이 도가니 또는 용기 시스템은 처리 금속 또는 합금을 도가니 또는 용기 시스템에서 배출하도록 기계적 또는 전자기적 토출 시스템을 포함할 수 있다. 그 도가니 또는 용기 시스템은 냉각 구성 및/또는 단열 구성을 포함할 수 있다. 미국 특허 제7,132,077호, 제6,932,938호, 제6,796,362호, 제6,443,216호, 및 제6,399,017호에 개시된 도가니 또는 용기 시스템은 본 발명에 완전히 또는 부분적으로 이용될 수 있다. 미국 특허 제7,169,350호, 제6,991,970호, 제6,637,927호, 제6,432,160호, 제6,402,367호, 제5,219,018호, 및 제4,434,837호에서는 도가니 또는 용기 시스템에 수용된 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 금속 또는 합금을 기계적 또는 전자기적으로 교반하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 제7,169,350호, 제6,991,970호, 제6,637,927호, 제6,432,160호, 제6,402,367호, 제5,219,018호, 및 제4,434,837호에 개시된 교반 구성은 본 발명에 완전히 또는 부분적으로 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 및/또는 대안적인 비한정적 실시예에서, 적어도 하나의 유도 코일에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸인 도가니 또는 용기 시스템을 이용하며, 그 도가니 내의 금속 또는 합금의 온도를 적어도 하나의 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호의 실시간 또는 비실시간 분석을 통해 결정할 수 있는 처리 및 감지 장치가 제공된다. 이러한 구성에 있어서, 종래 기술의 열전쌍의 이용을 배제시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 종래 기술의 열전쌍은 도가니 또는 용기 시스템 내에 또는 그 주변에 배치되는 접촉식 열전쌍이었다. 이러한 종래 기술의 열전쌍은 시간이 경과함에 따라 부식되는 경향이 있어 부정확한 판독치를 제공하여, 도가니 또는 용기 시스템 내에 부적절한 온도가 초래될 수 있었다. 추가적으로, 종래 기술의 열전쌍의 유지 보수는 어렵고 시간 소모적이며, 비용이 많이 들 수 있었다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 실시예에서, 적어도 하나의 유도 코일에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸인 도가니 또는 용기 시스템을 이용하며, 적어도 하나의 유도 코일이 이 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호의 실시간 또는 비실시간 분석을 통해 유도 전력 공급원에 의해 감지되거나 및/또는 능동적으로 제어되도록 구성될 수 있는 처리 및 감지 장치가 제공된다. 따라서, 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금을 가열하거나, 냉각하거나 및/또는 그 도가니 또는 용기 시스템으로부터 금속 또는 합금을 분배하는 프로세스를, 그 금속 또는 합금이 도가니 또는 용기 시스템 내에 처음에 넣어질 때에 금속 또 합금의 초기 온도만을 고려하는 미리 정해진 시간 기준 및/또는 미리 프로그래밍된 알고리즘에 기초하여 제어하는 종래 기술의 방법은 본 발명의 프로세스에 의해 제거된다. 그러한 종래 기술의 제어 프로세스는 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금과 관련한 모든 변수(예를 들면, 용기 온도, 주위 온도 등)를 고려할 수 없다는 점에서 신뢰할 수 없다. 본 발명에 따른 제어 시스템은, 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 온도를 지속적으로 또는 주기적으로 모니터링하여, 그 금속 또는 합금의 장입, 처리 및 급탕/운반 단계들에 걸쳐 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 온도를 실시간 또는 거의 실시간으로 제어할 수 있다. 종래 기술의 제어 시스템은, 하류측에서 기계의 중지, 작업자의 중지, 또는 짧은 시간의 유지 보수를 위한 중지에 의해 야기되는 불규칙한 성형 사이클 시간에 대해 책임질 방법이 없다. 따라서, 표준 냉각 사이클이 지연되거나 중지되는 경우에, 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금은 어쩌면 긁어내어져야 하고, 기계가 주조를 다시 시작할 준비가 되었을 때에 다른 장입물이 처리되어야 한다. 본 발명에 따른 제어 시스템은, 그러한 중지 중에 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 온도를 모니터링하고 유지하여, 그 금속 또는 합금을 긁어내지 않아도 되는 한편, 그 금속 또는 합금을 원하는 온도로 주조 및/또는 사출 슬리브로 급탕하도록 할 수 있다. 종래 기술의 제어 시스템은, 도가니 또는 용기 시스템으로부터 분배되는 금속 또는 합금의 상태/컨시스턴시/점도가 동일한 물리적 특성(예를 들면, 온도, 점도 등)을 갖도록 보장하기 위해 도가니 또는 용기 시스템의 금속 또는 합금의 온도를 제어할 만족스런 방법을 갖고 있지 않다. 본 발명에 따른 제어 시스템은, 금속 또는 합금이 도가니 또는 분배 시스템으로부터 분배될 때마다 그 금속 또는 합금의 물리적 특성을 모니터링하고 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 제어 시스템은 종래 기술의 제어 시스템의 수많은 단점을 극복하여, 주조 산업에서 현재 시행되고 있는 것보다 경제적이고 반복 가능하며, 그리고 보다 강건한 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 하나의 비한정적인 특정 구성에서, 제너레이터(즉, 처리 장치)를 포함하는 제어 시스템이 제공되며, 이 제어 시스템은, 1) 금속 또는 합금이 제너레이터에 도입되는 시점에서부터 그 금속 또는 합금이 제너레이터로부터 성형 기계의 리셉터클[예를 들면, 사출 슬리브, 탕구(sprue), 또는 깔때기 등]로 부어지거나 기타 방식으로 배출되는 시점까지 금속 또는 합금의 상태를 주기적으로 또는 지속적으로 감지하며, 2) 제너레이터에서의 금속 또는 합금의 냉각, 가열 및/또는 교반(열적 균질성을 위해)을 제어하여 성형 기계로 급탕되는 금속 또는 합금이 주입 간에 반복 가능하고 일관된 열적, 미세조직적 및 점성 상태를 갖도록 보장하며, 및/또는 3) (예를 들면, 용융 금속 또는 합금이 제너레이터로 도입된 후에) 재료를 제너레이터로부터 성형 기계로 연속적으로 운반하는 수단을 제공하도록 구성될 수 있다. 제너레이터는 용용 금속 공급원 및/또는 성형 기계의 리셉터클과 분리되어 있을 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없으며, 제너레이터가 용융 금속 공급원 및/또는 성형 기계의 리셉터클과 물리적으로 결합될 수 있음을 이해할 것이다. 하나의 비한정적인 구조에 있어서, 제너레이터는 제너레이터 내로 처음에 부어지거나 기타 방식으로 도입된 용융 금속(예를 들면, 용융 알루미늄, 용융 알루미늄 합금 등)을 유지하는 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니(예를 들면, 흑연, 세라믹/내화재, 금속과 흑연 및/또는 세라믹의 조합 등)를 포함한다. 이러한 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니는 대체로 원통형 도가니의 외면에서 약 0.01 내지 1인치 범위 내의 외측에서 솔레노이드 유도 코일에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸일 수 있다. 이 코일은 내화재 스페이서에 의해 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니의 외면으로부터 대체로 균일한 간격을 두고 대체로 고정되어, 유도 코일 내에서의 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니의 센터링을 보장하도록 되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 코일의 권취 높이는 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니 전체를 둘러싸기에 대체로 충분하도록 되며, 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니의 상부 및/또는 저부에서 그 도가니의 길이를 지나, 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니의 높이의 1/3이하의 거리만큼 연장할 수 있다(예를 들면, 6인치 높이의 도가니의 경우에, 유도 코일의 총 길이는 약 10인치 이하일 수 있음). 이러한 유도 코일의 초과 연장은, 사용되는 경우에, 1) 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니의 상부 및 저부에서 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니의 균일한 가열에 도움을 주며, 및/또는 2) 유도 코일에 의해 생성되는 유도 자기장의 전자기력에 의해 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니 내부의 금속 또는 합금의 적절한 교반에 도움을 준다. 유도 코일과 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니 사이의 환형 공간은 다짐(ramming)/압밀(compaction)된 건조 내화재나 운모지(mica paper)가 부분적으로 또는 전체적으로 채워지거나, 유도 코일 내의 적소에 내화재 타입의 시멘트를 타설할 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 다짐/압밀된 건조 내화재나 운모지의 충전 또는 내화재 타입의 시멘트의 타설의 용도는, 사용되는 경우에 유도 코일과 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니 사이에 긴밀한 접촉을 제공하기 위해서이다. 이러한 긴밀한 접촉은 생성되는 경우에 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니 내의 금속 또는 합금을 유도 코일에 의해 가열할 수 있게 하는 동시에, 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니로부터 수냉되는 유도 코일로 열이 추출될 수 있게 한다. 그러한 유도 코일의 냉각 용량과 가열 용량의 전체적인 효과는 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니 내의 금속 또는 합금의 온도, 점도 및/또는 고상 비율(fs)의 크기를 제어하는 데에 있어서 신속하게 응답하는 방법을 제공한다는 점이다. 대체로 원통형의 챔버 또는 도가니 내의 금속 또는 합금의 냉각 속도 및 온도를 제어하는 능력은 사이클의 지연이나 제조의 중지가 발생하는 경우더라도 반복 가능한 방식으로 성형 장치에 금속 또는 합금 장입물을 급탕할 수 있게 한다. 전체 도가니 및 코일 조립체는 장비의 안전 및 보호를 위해 전기 비전도성의 보호 하우징 내부에 수용될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 유도 코일에는 일반적으로 가변 주파수 전력 공급원(예를 들면, 10 내지 10,000㎐ 등)에 의해 전력이 공급된다. 이 전력 공급원은 단일 주파수 범위로 작동하거나, 균질성을 위한 토로이드형 교반을 향상시키고 및/또는 가열/냉각 프로세스를 보다 양호하게 제어하도록 동시 다중 주파수 모드로 작동하도록 구성될 수 있다. 제너레이터를 위한 제어 시스템은, 1) 제너레이터 내의 융용/반고상/액상의 금속 또는 합금 장입물의 상태를 감지하고, 및/또는 2) 유도 코일로부터의 제어 신호에 기초하여 제너레이터 내의 금속 또는 합금 장입물의 가열 및/또는 냉각 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 하나의 비한정적인 구성에서, 피드백 또는 제어 신호는 가열 및 냉각을 행하는 유도 코일로부터 얻어진다. 이러한 신호는 추가적으로 또는 대안적으로는 제너레이터 내의 금속 또는 합금 장입물에 근접한 제2의 전력 미인가 솔레노이드 코일로부터 얻어질 수 있다. 따라서, 피드백 또는 제어 신호는 유도 코일과의 직접적인 접촉에 의해 얻어지거나, 유도 코일로부터 간접적으로(즉, 비접촉 소스) 얻어질 수 있다. 예를 들면, 유도 전력 유닛은 제어 패널에는 유도 코일에서의 부하(load)를 모니터링(예를 들면, 연속적으로 또는 주기적으로 모니터링)하는 신호 조절 장치(signal conditioning)가 설치될 수 있다. 그 부하는 유도 코일 및 이 유도 코일 안쪽의 전도성 재료이다. 이 전도성 재료로는 제너레이터 내의 금속 또는 합금 장입물과, 제너레이터 재료가 전도성 재료(예를 들면, 흑연, 금속 등)인 경우에 제너레이터 자체가 고려될 수 있다. 금속 또는 합금이 냉각 및 가열될 때에 부하 내에서의 전기적으로 감지된 변화는 제너레이터 내의 금속 또는 합금에서의 열적 변화 및 금속학적 변화에 의해 기인한다. 감지될 수 있는 전기 파라미터의 변화 중 하나는 제너레이터 내의 금속 또는 합금 장입물의 비저항의 변화로, 유도 코일의 전압의 변화를 초래한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 기타 또는 추가적인 전기 파라미터가 제너레이터의 작동을 모니터링 및/또는 제어하기 위해 감지될 수 있다. 이러한 하나 이상의 감지된 전기 파라미터는, 유도 코일에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸인 영역 내부의 부하 저항, 금속 장입물의 비저항, 금속 장입물의 온도, 금속 장입물의 고상 비율, 및/또는 금속 장입물의 액상 비율을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 금속 장입물의 특성을 결정하거나, 모니터링하거나, 및/또는 제어하는 데에 이용될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 금속 장입물의 다른 특성들이 하나 이상의 전기 파라미터의 감지에 의해 모니터링되거나, 결정되거나, 및/또는 제어될 수 있다. 그러한 전압 변화는 제너레이터 내의 금속 또는 합금에 대한 가열 및 냉각 프로세스를 제어하기 위한 피드백 신호로서 이용될 수 있다. 유도 제어 시스템에 다양한 신호 조절 구성을 이용함으로써, 제너레이터 내의 금속 또는 합금의 상태를 반영하는 그러한 전압 신호 및/또는 기타 이용 가능한 신호가 제너레이터 내의 금속 또는 합금 장입물의 냉각, 가열, 및/또는 온도 유지를 위한 물리적 프로세스를 조정 및 제어하는 데에 이용될 수 있다. 그러한 유도 제어 시스템은, 전력 출력을 조정하는 경우에도 신호를 제공하고 신호를 트래킹하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제너레이터 내의 금속 또는 합금의 가열 및 냉각 프로세스의 제어는, 1) 연속적이며, 2) 비접촉식이고(즉, 용융 금속 또는 합금이나 도가니 벽 내에 어떠한 열전쌍도 필요로 하지 않음), 3) 원하는 작업 시점으로 조절될 수 있으며, 및/또는 4) 제너레이터 내의 금속 또는 합금을 성형 스테이션으로 급탕할 수 있다. 제너레이터 내의 금속 또는 합금 장입물에 대한 가열 및 냉각 제어 시스템은 다른 SSM/SLM 제조 방법 중 하나와 함께 이용될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 다른 제어 시스템을 이용하여 금속 또는 합금의 핵생성을 개시시키고, 그 후에 프로세스 제어를 이용하여 제너레이터 내의 금속 또는 합금의 가열 및 냉각을 제어하여, 금속 또는 합금의 균일한 온도를 보장할 수 있다. 제어 시스템은 또한 금속 또는 합금이 성형 스테이션으로 급탕되는 지점에 대한 제너레이터 내의 금속 또는 합금의 원하는 온도를 달성하고 그 후에 그 온도를 유지하도록 이용될 수 있다. 성형 기계 및 이의 장입물 리셉터클의 구조에 따라, 제너레이터는 장입물을 수직 또는 수평으로 배향된 사출 슬리브로 붓도록 기울지게 구성될 수 있다. 제너레이터 및 연결용 유도 전력 리드는 다축(예를 들면, 3개 또는 그 이상의 축) 로봇/기계식 아암에 고정될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 로봇 아암은 사용되는 경우에 용융된 금속 장입물을 [예를 들면, 레들(ladle), 금속 펌프, 장입노(dosing furnace) 등으로부터] 받아들이도록 소정 위치로 제너레이터를 이동시키기에 충분한 운동을 할 수 있다. 로봇 아암은 성형 스테이션에서의 급탕 지점으로 수송 중에 별도의 핵생성 장치에서 SLM 조직을 생성하거나 제너레이터에 의해 내부적으로 SLM 조직을 생성하도록 제너레이터 및 연결용 유도 전력 리드를 중간 위치로 이동시키도록 구성될 수 있다. 로봇 아암은 이어서 제너레이터 및 연결용 유도 전력 리드를 성형 스테이션으로 이동시키고, 여기서 금속 또는 합금 장입물을 붓거나 그 장입물이 흘러내리도록 제너레이터를 기울이거나, 적극적으로는 성형 기계의 성형 또는 사출 챔버 내로 금속 또는 합금 장입물을 주입하게 제너레이터를 플런저/피스톤에 맞물리도록 구성될 수 있다. 유도 전력 공급원은 장입 유닛의 일체형 부분을 이루거나, 로봇 아암 또는 처리 영역으로부터 멀리 떨어져 별도로 배치될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 제너레이터는 완전히 결합된 유닛의 일부분일 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 제너레이터는 장입노 또는 용융 금속 펌프로부터 바로 가열된 운반 튜브를 통해 계량된 장입물을 받아들인다. 용융 금속은 이 장입물을 냉각 및 교반하는 제너레이터를 통과한다. 유도 코일은 단일 주파수 발전기에 의해 전력이 인가되는 단일 솔레노이드 코일이거나, 제너레이터를 통한 금속의 이동을 향상시키도록 3상 주파수 유도 발전기에 의해 전력이 공급되는 3중 권취 독립 코일(triple-wound independent coil)일 수 있다. 장입물은 제너레이터의 섹션 내에 제어된 상태로 유지될 수 있다. 사이클에서 금속의 주입이 요청된 경우에, 금속 공급 장치(펌프 또는 장입 유닛)가 작동되고, 제너레이터는 새로운 분량의 용융 금속이 제너레이터 내로 도입됨에 따라 성형/사출 챔버 내로 가열된 도관을 따라 그 장입물을 이동시키기 시작한다. 제어 시스템의 몇몇 비한정적인 특징은 다음과 같다.
- 처리 장비 및 방법은 처리 중의 재료 용적 내에 존재하는 반고상/반액상 재료의 정도를 금속 장입물과 물리적으로 접촉하지 않고 연속적으로 또는 단속적으로 감지하도록 구성될 수 있다.
- 수납 장치 또는 도가니는 흑연으로 이루어질 수 있다.
- 수납 장치 또는 도가니는 스테인레스강 합금으로 이루어지고, 흑연, 질화규소 및/도는 기타 내화 세라믹 재료로 라이닝될 수 있다.
- 수납 장치 또는 도가니는 세라믹 내화재로 이루어질 수 있다.
- 수납 장치 또는 도가니는 건조 내화재가 충진된 가열/냉각용 솔레노이드 코일 내에 부착될 수 있다.
- 수납 장치 또는 도가니는 타설된 내화 시멘트에 의해 가열/냉각용 솔레노이드 코일 내에 부착될 수 있다.
- 도가니를 둘러싸는 솔레노이드 유도 코일은 냉각 장치로서 기능할 수 있다.
- 도가니를 둘러싸는 솔레노이드 유도 코일은 가열 장치로서 기능할 수 있다.
- 도가니를 둘러싸는 솔레노이드 유도 코일은 감지 장치로서 기능할 수 있다.
- 본 발명은 비철계 합금을 처리하는 데에 이용될 수 있다.
- 알루미늄 합금이 제너레이터에 대한 바람직한 장입 재료이다.
- 본 발명은 철계 합금을 처리하는 데에 이용될 수 있다.
- 프로세스 제어 신호의 감지는 유도 전력 공급원에 대한 가열/냉각용 유도 코일의 피드백을 통해 달성할 수 있다.
- 프로세스 제어 신호의 감지는 장입물에 근접한 별도의 솔레노이드 코일을 통해 이루어질 수 있다.
- 처리 장비 및 방법은, 그러한 재료를 생산 및 유지하는 데에 이용되는 프로세스를 그 재료의 반고상 장입물이 원하는 고상 비율로 사이클 간에 반복적으로 성형 장치로 급송될 수 있게 하는 방식으로 제어할 수 있다.
- 제너레이터는 장입물에 오염물이 도입될 수 있는 처리 중 재료의 어떠한 운반도 피하도록 다축 로봇 아암에 부착될 수 있다.
- 처리 장비는 용융 금속 공급원 및/또는 금속 성형 장치에 직접 결합될 수 있다.
- 처리 장비는 용융 금속 공급원 및 금속 성형 장치에 대해 미결합 방식으로 이용될 수 있다.
- 제너레이터 내의 금속 또는 합금은 금속 장입물의 고상 비율 및/또는 액상 비율을 지속적으로 모니터링하는 데에 이용될 수 있다.
- 제너레이터를 위한 제어 시스템은 금속 장입물의 금속학적 상태를 반복 가능한 방식으로 선택된 상태로 지속적으로 제어하도록 구성될 수 있다.
- 제너레이터 내의 금속 장입물의 혼합은 토로이드형 혼합일 수 있다.
- 미결합 상태의 제너레이터는 산화물의 생성을 억제 또는 방지하기 위해 금속 장입물 위에 불활성 가스를 도입할 수 있도록 그 상부 개구에서 폐쇄될 수 있다.
본 발명의 하나의 비한정적 목적은, 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 하나 이상의 물리적 특성을 하나 이상의 감지되는 전기 파라미터(예를 들면, 부분적으로 또는 전체적으로 도가니 또는 용기 시스템의 둘레에 배치되는 적어도 하나의 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호 등)의 분석을 통해 결정하거나, 모니터링하거나, 및/또는 제어할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 부분적으로 또는 전체적으로 도가니 또는 용기 시스템의 둘레에 배치되는 적어도 하나의 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호의 분석을 통해 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 온도, 고상 비율, 및/또는 액상 비율을 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 부분적으로 또는 전체적으로 도가니 또는 용기 시스템의 둘레에 배치되는 적어도 하나의 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호의 분석을 통해 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 온도를 결정하거나 및/또는 제어할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 금속 또는 합금이 도가니 또는 용기 시스템 내에 배치되는 시간에서부터 그 금속 또는 합금이 도가니 또는 용기 시스템으로부터 부어지거나 토출되는 시간까지 금속 또는 합금의 처리를 제어할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 그러한 처리 제어를 위한 정보의 적어도 일부는 부분적으로 또는 전체적으로 도가니 또는 용기 시스템의 둘레에 배치되는 적어도 하나의 유도 코일로부터 얻어지는 전기 피드백 신호의 분석으로부터 획득된다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 온도를 열전쌍을 사용하지 않고 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 도가니 또는 용기 시스템 내의 금속 또는 합금의 온도를 열전쌍을 사용하지 않고 결정하고 제어할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 감지 장치를 사용하여 적어도 하나의 전기 파라미터를 직접적으로 감지하거나 및/또는 간접적으로 감지함으로써 적어도 하나의 유도 코일에 의해 형성된 자기장이 가해지는 제너레이터 내의 금속 장입물의 적어도 하나의 특성을 결정하거나, 모니터링하거나, 및/또는 제어하되, 그 적어도 하나의 전기 파라미터를 이용하여, 적어도 하나의 유도 코일에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸인 영역 내측의 부하 저항, 금속 장입물의 비저항, 금속 장입물의 온도, 금속 장입물의 고상 비율, 및/또는 금속 장입물의 액상 비율을 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 적어도 하나의 감지된 전기 파라미터에 기초하여 적어도 하나의 유도 코일에 대한 전력 레벨을 제어하도록 제어기의 사용을 포함하는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 금속 장입물이 제너레이터로부터 부어지거나 기타 방식으로 토출되기 바로 전에 금속 장입물이 특정 고상 비율 및 액상 비율을 갖도록 금속 장입물의 액상선 온도에서부터 금속 장입물의 고상선 온도보다 높은 온도로 금속 장입물의 온도 감소를 제어하는 데에 제어기의 사용을 포함하는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 적어도 하나의 유도 코일로부터의 피드백에서 적어도 하나의 전기 파라미터를 감지하는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 적어도 하나의 유도 코일에 근접한 솔레노이드 코일로부터 적어도 하나의 전기 파라미터를 감지하는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 목적은, 금속 장입물의 물리적 특성에서의 하나 이상의 추이(推移)(예를 들면, 시간의 경과에 따른 금속 장입물의 온도, 시간의 경과에 따른 금속 장입물의 비저항, 시간의 경과에 따라 유도 코일이 직면하는 부하의 저항, 유도 코일의 전력에 대한 금속 장입물의 비저항, 금속 장입물의 온도에 대한 금속 장입물의 비저항 등)를 결정하는 데에 이용하도록 적어도 하나의 감지된 전기 파라미터를 수학적으로 조작(예를 들면, 파라미터의 도함수를 구하거나, 데이터를 상관시키거나, 커브 피팅을 행하는 등)하는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
전술한 목적 및 이점뿐만 아니라 기타 목적 및 이점은 첨부 도면과 함께 상세한 설명을 읽고 이해한다면 당업자에게는 명백해질 것이다.
이하, 물리적 형태와 다양한 부품 및 이 부품의 배치 상태에 있어서 본 발명이 취할 수 있는 다양한 실시예를 도시하는 도면을 참조한다.
도 1은 본 발명에 따른 반액상 금속 처리 및 감지 장치를 포함하는 비한정적인 금속 주조 조립체의 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시한 비한정적인 반액상 금속 처리 및 감지 장치를 단면도로 나타내는 개략도이며,
도 3은 도 1의 비한정적인 반액상 금속 처리 및 감지 장치에서 처리되는 금속 또는 합금에 대한 비한정적인 열 함량 대 시간의 예시적 곡선 및 온도 대 시간의 예시적 곡선을 나타내는 도면이고,
도 4는 도 1의 반액상 금속 처리 및 감지 장치에서 처리되는 금속 또는 합금의 예시적인 비저항 대 열 함량 곡선을 나타내는 종래 기술의 도면이며,
도 5는 반액상 금속 처리 및 감지 장치에서의 용융 금속 또는 합금의 토로이드형 흐름을 나타내는 반액상 금속 처리 및 감지 장치의 도 2와 유사한 개략도이고,
도 6은 약 7%의 규소를 함유한 A356급 알루미늄 합금을 포함하는 합금 장입물에 대한 예시적인 점도 대 온도 곡선을 나타내는 종래 기술의 도면이며,
도 7은 A356급 알루미늄 합금을 포함하는 합금 장입물에 대한 예시적인 온도 대 고상 비율의 곡선을 나타내는 종래 기술의 도면이고,
도 8은 상이한 고상 비율을 갖는 A356급 알루미늄 합금에 대한 예시적인 일련의 점도 대 전단률 곡선을 나타내는 종래 기술의 도면이며,
도 9는 온도 대 비저항 데이터와, 온도 대 유도 코일에서의 총 저항 간의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 10은 특정 시간 기간 동안에 온도와 유도 코일에서의 실제 부하 간의 관계를 나타내는 그래프이며,
도 11은 본 발명에 따른 하나의 비한정적인 프로세스 구성을 나타내는 프로세스 흐름도이고,
도 12는 본 발명에 따라 금속 장입물을 처리하기 위한 비한정적인 간단한 공정도이다.
이하, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니라 본 발명의 다양한 실시예를 단지 예시하고자 하는 도면을 보다 상세하게 참조하면, 본 발명은 금속 성형 또는 주조 작업에 이용하기 위한 SLM/SSM을 제조하는 이하에서 "제너레이터"로도 지칭하는 SLM/SSM 처리 및 감지 장치에 관한 것이다. 일반적으로, 본 발명의 프로세스는 금속 장입물을 제너레이터 내에 넣은 후에 그 금속 장입물의 액상의 용융 금속 온도로 금속 장입물을 냉각하고, 이어서 금속 장입물에서 수지상 결정 조직의 형성을 최소화하거나 및/또는 회전타원형 입자 조직의 형성 또는 핵생성을 촉진시키도록 전자기적 교반 및/또는 기타 형태의 교반을 행하면서 제어된 방식으로 금속 장입물을 더 냉각시키는 것을 포함한다. 액상선 온도 아래에서의 용융 금속 장입물의 냉각 속도 및 그 상태는 용융 금속 장입물의 열 함량을 측정함으로써 결정될 수 있다. 본 발명의 하나의 비한정적인 양태에 따르면, 제너레이터 내의 용융 금속 및/또는 SLM/SSM의 열 함량은, 제너레이터 내에서 용융 금속 장입물 및/또는 SLM/SSM의 상태 및 온도가 변화할 때에 가열/냉각 코일의 피드백에 반영되는 변화하는 전압, 전류, 저항 및/또는 전력을 측정함으로써 제너레이터 내의 용융 금속 장입물 및/또는 SLM/SSM의 전기 비저항을 결정하여 간접적으로 결정할 수 있다. 본 발명의 또 다른 비한정적인 양태에 따르면, 제너레이터 내의 용융 금속 장입물 및/또는 SLM/SSM은 이 용융 금속 장입물 및/또는 SLM/SSM을 교류 자기장에 노출시킴으로써 교반될 수 있다. 본 발명의 또 다른 비한정적인 양태에 따르면, 제너레이터 내의 SLM/SSM은 성형 또는 주조 장치로의 SLM/SSM의 급탕 시점까지 원하는 온도 범위 내로 유지되거나, 및/또는 원하는 물리적 특성을 갖도록 유지될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 제너레이터(10)가 도시되어 있다. 이 제너레이터(10)는 용융 금속을 공급하도록 공지의 노(14)(예를 들면, 장입노 등)를 갖는 금속 주조 조립체(10)의 일부분을 포함한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 용융 금속은 로봇 아암 조립체(16)를 사용하여 제너레이터(10)에 공급된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 용융 금속은 자동 레들 운반 장치, SLM/SSM 장입물을 따러내도록 제너레이터(10)를 기울이는 장치, 및/또는 SLM/SSM 장입물을 받아들이는 공지의 성형 또는 주조 장치를 비롯하여 이들에 한정되지 않는 기타 또는 대안적인 수단에 의해 제너레이터에 공급될 수 있다. 금속 장입물을 용융시키는 노의 이용법 및 그 형태는 당업계에 공지되어 있어 본 명세서에서 상세하게 설명하진 않을 것이다. 마찬가지로, 성형 또는 성형 장치에서의 금속 장입물의 성형도 당업계에 공지되어 있어, 역시 본 명세서에서 상세하게 설명하진 않을 것이다. 본 발명에 이용될 수 있는 노와 성형 또는 주조 장치의 사용을 포함하는 비한정적인 형태의 처리 장치가 미국 특허 제7,169,350호, 제6,991,970호, 및 제6,432,160호에 개시되어 있으며, 이들 특허 문헌은 참조로서 본 명세서에 인용된다.
도 2를 참조하면, 제너레이터(10)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 용융 금속 및/또는 SLM/SSM의 금속 장입물(22)을 유지하도록 된 상부 개방 도가니(20)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이 도가니는 대체로 원형 단면 형상을 갖는 공동을 구비하고 있지만, 다른 단면 형상이 이용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 도가니의 외형도 대체로 원형 단면 형상을 갖지만, 역시 다른 단면 형상이 이용될 수도 있음을 이해할 것이다. 도가니 공동 및/또는 외형의 단면적은 일정하거나 변할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같은 도가니 공동 및 외형의 단면적은 도가니의 길이에 걸쳐 변하게 테이퍼진다. 이러한 도가니의 테이퍼진 공동은 공동의 청소를 보다 용이하게 하고 공동 내의 금속 장입물의 제거도 보다 용이하게 할 수 있다는 이점을 갖는다. 도가니의 테이퍼진 외형은 제너레이터에서 도가니를 보다 용이하게 교체할 수 있게 한다는 이점을 갖는다. 이해할 수 있는 바와 같이, 도가니는 다른 외형을 가질 수 있다. 본 명세서에서 예시적인 알루미늄 합금 장입물에 대해 본 발명을 설명할 것이지만, 본 발명은 철계 합금, 비철계 합금, 귀금속 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 기타 용융 재료를 처리하는 데에도 적합하다.
도가니(20)는 대체로 도가니(20)가 노출되는 온도 및 금속 장입물 매스에 대해 적절한 강도, 내구성, 및 열적 특성을 갖는 재료로 제조된다. 적절한 재료에는, 흑연, 공지의 세라믹 또는 내화재, 금속과 흑연 또는 세라믹 재료의 조합이 포함될 수 있으며 이들에 한정되진 않는다. 도가니(20)의 개방단은 환형 내화재 캡(34)을 거쳐 도가니(20)로 이행하는 환형 상부 플랜지(32)가 둘러질 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 환형 상부 플랜지에는 SLM/SSM 재료에서 산화물의 형성을 억제 또는 감소시키도록 불활성 가스(즉, 질소 및/또는 아르곤 등)를 도입하기 위해 도가니 개구를 폐쇄하는 수단이 마련될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
도가니(20)의 둘레에는 전반적으로 공지된 솔레노이드 유도 코일(24)이 둘레 방향으로 연장하고 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 2개 이상의 코일이 도가니의 둘레에서 부분적으로 또는 전체적으로 연장할 수도 있다. 하나의 비한정적 실시예에서, 유도 코일(24)은 물을 비롯하여 이에 한정되지 않는 냉각제에 의해 내부적으로 냉각된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 유도 코일(24)은 내부에서 흐르는 냉각제에 의해 냉각되지 않도록 구성할 수도 있다. 역시 이해할 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 냉각 코일이 도가니 둘레에 배치되어 하나 이상의 구역에서 도가니를 냉각시키거나, 및/또는 하나 이상의 가열 코일이 도가니 둘레에 배치되어 하나 이상의 구역에서 도가니를 가열할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 유도 코일(24)은 한쌍의 냉각 유체 리드(44, 46)를 포함할 수 있다. 하나의 비한정적 실시예에서, 냉각 유체 리드(44, 46)는 용접 장비에서 사용되는 것과 같이 구리 케이블을 둘러싸는 고부하(heavy-duty) 호스 또는 튜브를 포함할 수 있지만, 냉각 유체 리드(44, 46)가 다른 방식으로 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 냉각 유체 리드(44, 46)에 튜브가 사용되는 경우, 그 튜브는 구리 튜브를 포함할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 냉각 유체는 물(W)이거나 몇몇 다른 형태의 냉각 유체일 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각 유체 리드(44, 46)를 통해 흐르는 원하는 양의 냉각 유체를 유지하도록 냉각 유체 저장조(48)가 사용될 수 있다. 튜브(49)를 사용하여, 냉각 유체를 냉각 유체 저장조(48)에서 냉각 유체 리드(44, 46)나 도가니 둘레의 유도 코일에 공급함으로써, 유도 코일 및 냉각 유체 리드(44, 46)를 통한 원하는 양의 냉각 유체 순환을 유지할 수 있다. 냉각 유체 리드(44, 46)는 이용되는 경우에 전력 공급원(42)에 결합 또는 연결되어, 코일(24)에 전류가 공급될 수 있게 할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 리드(44, 46) 및 유도 코일(24)을 통한 전력 공급원의 전류는 하나 이상의 원하는 주파수로 교번하여, 자기장을 생성한다. 통상, 그러한 교류 전류의 원하는 주파수는 고주파수(예를 들면, 적어도 약 10㎐)이지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 교류 전류에 의해 생성된 자기장은 도가니(20) 내의 금속 장입물(22)을 가열하는 효과를 갖는다. 이러한 교류 자기장이 금속 장입물(22)을 가열하는 동안에 코일(24)을 선택된 온도로 유지하기 위해 유도 코일(24)을 통해 냉각제를 순환시킬 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
다른 비한정적 실시예에서, 유도 코일(24)은 도가니(20)로부터 간격을 두고 배치된다. 가열용 유도 코일이 도가니(20)로부터 간격을 두고 배치되는 경우에, 그 간격은 대체로 균일하지만 반드시 그럴 필요는 없다. 또한, 가열용 유도 코일이 도가니(20)로부터 간격을 두고 배치되는 경우, 그 간격은 대체로 적어도 약 0.01인치, 전형적으로는 적어도 약 0.02인치, 보다 전형적으로는 약 10인치 미만, 더욱 전형적으로는 약 0.05 내지 5인치, 훨씬 전형적으로는 약 0.1 내지 1인치이다. 유도 코일(24)은 코일(24) 내측에서의 도가니(20)의 센터링을 용이하게 하는 내화재 스페이서를 사용하여 도가니 둘레로부터 균일한 거리를 두고 배치될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
또 다른 비한정적 실시예에서, 유도 코일(24)의 높이는 도가니(20) 전체를 둘러싸거나, 도가니를 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸거나, 및/또는 도가니(20)의 상부 및/또는 저부를 지나 연장하도록 선택할 수 있다. 통상, 유도 코일(24)의 높이는 도가니 내의 금속 장입물의 균일한 가열이 달성될 수 있도록 도가니(20) 전체를 둘러싸도록 선택된다. 유도 코일(24)의 높이는 도가니(20) 전체를 둘러쌀 뿐만 아니라, 도가니의 상부 위로 및/또는 저부 아래로 연장하도록 선택할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 유도 코일(24)의 높이가 도가니의 상부 위로 및/또는 저부 아래로 연장하는 경우, 상부 및 저부 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에서의 연장 길이는 도가니의 상부 위로 및/또는 저부 아래로 도가니 높이의 1/3 이하일 수 있다. 예를 들어, 6인치 높이의 도가니의 경우에, 유도 코일(24)은 도가니 상부 위로 2인치 이하 및/또는 도가니 저부 아래로 2인치 이하로 연장할 수 있지만, 유도 코일(24)이 도가니의 위로 및/또는 아래로 도가니 높이의 1/3보다 크게 될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 도가니의 상부 위로 및/또는 저부 아래로 유도 코일이 연장하게 되면, 도가니(20)의 상부 및 저부 모두에서 금속 장입물(22)의 균일한 가열 및/또는 교반을 달성하는 데에 도움이 된다.
유도 코일(24)은 커플링 재료(26) 내에 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸이고, 이 재료(26)가 도가니(20)의 둘레에 접촉할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 커플링 재료(26)는 또한 도가니(20)의 저부와 접촉할 수도 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 커플링 재료는 사용되는 경우에, 다짐 또는 압밀된 건조 내화재, 운모지, 현장 타설 내화 시멘트, 또는 유도 코일(24)과 도가니(20)의 열적 커플링을 제공하기에 적합한 몇몇 기타 내화재를 포함할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 커플링 재료(26)를 위해 기타 또는 추가적인 재료가 이용될 수도 있다. 커플링 재료(26)에 의해 생성되는 열적 커플링은 도가니(20)에서부터 수냉식 유도 코일(24) 및/또는 사용되는 경우에 다른 냉각 코일로의 열 흐름과, 유도 코일(24)에 의해 생성되는 유도 자기장에 의한 도가니(20) 및 용융 금속 장입물(22)의 가열을 동시에 가능하게 한다. 따라서, 유도 코일(24) 및/또는 기타 냉각 코일을 통한 냉각제의 흐름을 이용하여, 코일(24) 및/또는 기타 냉각 코일과 커플링 재료(26)와 도가니(20)의 열적 커플링을 통해 도가니(20) 및 금속 장입물(22)의 냉각을 제공할 수 있다. 하나의 구성에서, 솔레노이드 유도 코일(24)은 가열 및 냉각 모두에 사용될 수 있어, 도가니(20) 내의 금속 장입물(22)의 온도, 점도, 및 고상 비율(fs)을 신속하게 제어하는 수단을 제공하는 데에 이용될 수 있다.
도가니(20) 및 유도 코일(24)은 전기 비전도성의 보호용 외부 쉘(28)을 구비한 하우징 내에 부분적으로 또는 전체적으로 수용될 수 있다. 하우징은 사용되는 경우에, 페놀계 스페이서 및 구조용 보드로 이루어진 중간 조립체(30)를 포함할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 도가니(20)의 폐쇄 단부, 즉 저부를 따라, 커플링 재료(26)에는 단열층(36)이 마련될 수 있고, 단부 캡(38)이 외부 쉘(28)과 접촉한 상태로 폐쇄 단부 위로 연장하도록 구성될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 유도 코일(24)은 150㎾, 480V, 3상 AC 입력 전력 공급원을 비롯하여 이에 한정되지 않는 가변 주파수 전력 공급원(42)에 전기적으로 커플링 또는 연결될 수 있다. 하나의 비한정적 실시예에서, 이용될 수 있는 AC 입력 전력 공급원의 출력 주파수의 범위는 10 내지 10,000㎐이다. 그 전력 공급원은 선택된 주파수로 작동하거나, 균질성을 위해 교반 및/또는 자극을 향상시키고 및/또는 가열 및 냉각 프로세스를 보다 양호하게 제어하도록 동시 다중 주파수 모드로 작동할 수 있다. 예를 들면, 재료의 냉각 속도를 일차 파라미터로 하고 선택된 균질성을 달성하기 위한 재료의 교반을 이차 파라미터로 하여 특정 주파수를 선택할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 파라미터 또는 추가적인 파라미터가 AC 입력 전력 공급원에 의해 생성되는 하나 이상의 주파수를 선택하는 데에 이용될 수 있다.
유도 코일(24) 내의 교류 전류는 전자기장을 생성하고, 이 전자기장은 금속 장입물(22) 내에 순환 전류를 생성한다. 코일 내에서의 교류 전류 흐름은 전도성의 금속 장입물에 반대 방향의 전류 흐름을 생성 또는 야기하여, 금속 장입물의 비저항에 따라 그 금속 장입물을 빠른 가열 속도 또는 느린 가열 속도로 가열한다. 일례로서, 20파운드의 알루미늄을 포함하는 금속 장입물의 경우에, 약 25㎾의 전력이면 알루미늄을 용융 상태로 유지하는 데에 충분할 것이다. 하나의 비한정적 구성에서, 3상 AC 입력 전력을 DC 전압으로 전환시키고 이어서 선택된 주파수의 단상 AC 전력으로 전환할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 가변 주파수 유도 전력 공급원을 선택함으로써, 부하에 부합하게 하는 데에 도움이 되도록 주파수를 조정할 수 있다. 낮은 주파수는 도가니 내의 금속 장입물에 높은 척력적 기전력을 가한다.
유도 전력 공급원(42)은 전압, 전력, 위상, 및/또는 전류 피드백에 기초한 공지의 폐루프 피드백 시스템을 포함하는 제어기(40)에 의해 제어될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이러한 폐루프 피드백 시스템은 사용되는 경우에, 처리 동안에 금속 장입물(22)을 미리 정해진 열 함량, 고상 비율(fs), 및/또는 점도로, 혹은 미리 정해진 냉각 속도로 유지하는 데에 이용될 수 있다. 하나의 비한정적 실시예에서, 시스템의 제어는 유도 코일로부터의 전압 및 전류의 위상각 변화에 기초할 수 있다. 위상각은 전류 및 전류의 크기와는 독립적이기 때문에, 가열 및/또는 냉각 프로파일 또는 기울기(ramp)를 충족하도록 전력을 아래위로 조정하는 경우에도 신뢰성 있는 신호를 제공할 수 있다.
유도 코일(24)에는 하나 이상의 센서(도시 생략)가 설치될 수 있다. 이들 하나 이상의 센서는 통상 유도 전력 공급원에 연결되지 않는다. 하나 이상의 센서는 전류, 전압, 전력 소모 및/또는 주파수를 비롯하여 이들에 한정되지 않는 하나 이상의 전기 파라미터를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 센서의 출력으로부터 특히 전압, 전류, 유도 코일에서의 실제 전력 부하 저항, 및/또는 금속 장입물의 비저항이 수학적 관계식을 통해 결정될 수 있다. 이들의 계산은 전체 가열 및 냉각 프로세스를 제어하는 데에도 이용되는 PLC 또는 기타 형태의 디바이스에 프로그래밍된 수학식에 의해 수행될 수 있다. 유도 코일로부터 감지된 피드백으로부터 용융 금속 장입물의 상태를 감지할 수 있음으로써, 대부분의 종래 기술의 금속 가공 및 주조 프로세스를 제어하는 데에 이용되는 통상의 희생적 열전쌍의 필요성이 제거된다.
이하의 표 1에는 선택된 시판 중의 알루미늄 합금에 대한 종류 및 관련 성분이 기재되어 있다. 표 1에 기재된 바와 같이, 알루미늄의 비율을 비롯한 성분들의 비율은 종류들 간에 및 선택된 종류 내에서 달라질 수 있다. 이러한 변화는 액상선 온도, 고상선 온도, 선택된 온도에서의 점도, 선택된 온도에서의 전기 비저항, 선택된 온도에서의 고상 비율, 및 선택된 온도에서의 열 함량을 비롯한 SLM/SSM의 특성에 영향을 미친다.
[표 1]
선택된 알루미늄 합금 종류의 조성
Figure 112010029911120-pct00001

제너레이터(10)는 적어도 액상선 온도까지 가열된 금속 장입물(22)의 냉각을 그 용융 금속 장입물이 선택된 SLM/SSM 상태에 도달하여 선택된 제품을 제조하는 성형 장치로 급탕될 수 있을 때까지 제어하도록 구성될 수 있다. 금속 장입물의 냉각은 금속 장입물의 비저항 거동을 모니터링함으로써 선택적으로 제어될 수 있다. 이러한 형태의 제어는, a) 금속 장입물의 비저항이 금속 장입물의 열 함량 및/또는 온도에 따라 변화하고, b) 금속 장입물의 열 함량 및/또는 온도가 금속 장입물의 고상 비율을 제어하며, 그리고 c) 금속 장입물의 고상 비율이 금속 장입물의 점도와 상관 관계가 있다는 원리에 기초한다. 궁극적으로, 선택된 성형 작업을 위해 선택된 점도를 갖는 SLM/SSM 장입물을 마련하는 것이 바람직하다. 선택된 점도는 선택된 금속 장입물의 비저항, 열 함량, 고상 비율 및/또는 점도의 상관 관계의 결과로서 금속 장입물의 비저항 거동에 의해 확인할 수 있다.
도 3에서는 일정한 입력 전력 및 주파수로 가열된 금속 장입물에 대한 예시적인 열 함량 대 시간 곡선(50) 및 이와 관련한 예시적인 온도 대 시간 곡선(52)을 도시하고 있다. 온도 곡선(52)은 대체로 장입물의 고상선 온도인 제1 온도값(60)까지 가파르게 선형적으로 상승하고, 이 제1 온도값(60)과 장입물의 공정 온도인 제2 온도값(64) 사이에선 정체 부분을 가진 후에 장입물의 액상선 온도인 제3 온도값(68)까지 완만하게 상승하며, 이어서 용융 형태의 합금을 나타내는 대체로 가파르게 선형적 상승을 보인다. 도면 부호 54, 56, 58로 각각 나타낸 시간 기간 t1, t2, 및 t3은 금속 또는 합금이 특정 크기의 에너지에 노출될 때에 그 금속 또는 합금이 고상선 온도, 공정 온도 및 액상선 온도에 각각 도달하는 시간 기간과 관련이 있다. 온도 곡선의 정체 부분은 대체로 SLM/SSM 상태의 금속 장입물을 나타낸다. 예를 들어, 약 7%의 규소를 함유한 A356급 알루미늄 합금은 액상선에 약 612℃의 온도와 약 260cal/gm의 열 함량[즉, t3에서의 온도값(68) 및 열 함량(70)]을 가지며, 고상선에서 약 557℃의 온도와 약 130cal/gm의 열 함량[즉, t1에서의 온도값(60) 및 열 함량(62)]을 가지며, 그리고 공정점에서 약 572℃의 온도와 약 225cal/gm의 열 함량[즉, t2에서의 온도값(64) 및 열 함량(66)]을 갖는다. 열 함량 및 온도는 선택된 구성을 갖는 제너레이터(10) 내의 선택된 재료의 선택된 금속 장입물 매스에 상관시킬 수 있다.
도 4에서는 선택된 구성을 갖는 제너레이터(10) 내의 선택된 재료의 선택된 금속 장입물 매스에 대한 예시적인 비저항 대 열 함량 곡선(80)을 도시하고 있다.
도 6에서는 약 7%의 규소를 함유한 A356급 알루미늄 합금을 포함하는 금속 장입물에 대한 예시적인 점도 대 온도 곡선(82)을 도시하고 있다. 본 발명에 따른 SLM/SSM 처리를 위한 예시적인 점도 범위(84)는 612℃의 액상선 온도 이상의 시작 온도(∼630℃)에 상응하는 것으로, 약 590℃의 SLM/SSM 온도에서 끝난다. 이는 약 4 센티포아즈의 최종 점도에 해당한다.
도 7에서는 A356급 알루미늄 합금을 포함하는 장입물에 대한 예시적인 온도 대 고상 비율 곡선(86)을 도시하고 있다.
도 8은 약 70%의 고상 비율(곡선 88), 약 60%의 고상 비율(90) 및 약 50%의 고상 비율(곡선 92)을 갖는 A356급 알루미늄 합금에 대한 일련의 점도 대 전단률 곡선을 도시하고 있다. 도 8은 모든 고상 비율에 대해 전단률의 증가에 따른 점도의 감소를 보여주고 있다.
도 5를 참조하면, 교류 전류는 장입물(22)을 가열할 뿐만 아니라, 도가니(20) 내에서 금속 장입물(22)의 교반 또는 혼합을 야기할 수 있다. 이러한 혼합은 도가니(20) 내에서 수직 축선을 중심으로 둘레 방향으로 또는 원형으로 이루어지진 않는다. 오히려, 혼합 작용은 유동 벡터(100)로 도시한 바와 같이 토로이드형으로 이루어진다. 이러한 토로이드형 운동은, 금속 장입물의 중간 평면으로부터 상하 양쪽 모두로 금속 장입물(22)을 도가니 벽의 내면을 따라 수직 방향으로 순환시켜 금속 장입물(22)의 축방향 중심을 통해 되돌아오게 한다. 토로이드형 혼합은, 도가니의 수직 축선에서의 용융물의 중심에 대한 도가니의 내면 영역에서의 용융물의 균질성을 생성하는 데에 있어서, 가장자리에서 중심으로 재료를 순환시키지 못하고 단지 도가니의 중심 축선을 중심으로 층상으로 재료를 순환시키는 둘레 방향 혼합보다는 더 효과적이다.
도 1을 다시 참조하면, 제너레이터(10) 및 연결용 유도 전력 리드(44, 46)는 다축(통상 3개 또는 그 이상의 축)의 로봇 또는 기계적 아암 조립체(16)에 부착된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 제너레이터(10)는 어떠한 형태의 로봇 또는 기계적 아암 조립체에도 연결하지 않아도 된다. 예를 들면, 제너레이터는 다이캐스팅/사출 기계의 수납부(사출 슬리브, 홈통의 유무에 관계없음)에 근접하여 고정 스탠드에 장착될 수 있다. SLM/SSM 장입물이 사출 슬리브로 붓도록 준비가 된 경우 제너레이터(10)를 기울려 사출 슬리브 내로 장입물을 부음으로써 로봇 장치의 필요성을 제거할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 도 1에 도시한 아암 조립체(16)는 사용되는 경우에 장입노, 금속 펌프, 또는 레들을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 공급원(14)으로부터 용융 금속 장입물을 받아들이는 위치로 제너레이터(10)를 조작하도록 될 수 있다. 제너레이터(10)의 그러한 위치는 도 1에서 위치 "A"로서 확인할 수 있다. 금속 장입물(22)은 금속 장입물이 제너레이터 내로 부어질 때에 금속 장입물의 액상선 온도 또는 그 이상의 온도로 예열될 것이라는 점을 이해할 것이다. 제너레이터가 금속 장입물을 받아들인 후에, 아암 조립체(16)는 SLM/SSM이 생성되고 있는 중에 제너레이터(10)를 성형 스테이션에의 급탕 지점으로 이동시키도록 구성될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 성형 스테이션에서, 아암 조립체(16)는 금속 장입물(22)을 성형 스테이션(18)에 급탕하도록 제너레이터(10)를 기울이도록 구성될 수 있으며, 또는 제너레이터(10)가 플런저 또는 피스톤에 의해 금속 장입물(22)을 성형 장치(18) 내에 주입하도록 될 수도 있다. 제너레이터(10)의 이러한 위치는 도 1에서 위치 "B"로서 확인할 수 있다. 유도 전력 공급원(42)은 아암 조립체(16)의 일체형 부분을 이루거나 그로부터 멀리 떨어져 위치할 수도 있다. 어느 구성에서든, 금속 장입물(22)은 그 금속 장입물의 온도, 점도, 고상 비율, 및/또는 층류 유동 상태가 선택된 값으로 유지되게 보장하도록 연속적으로 처리될 수 있다. 제너레이터 내의 금속 장입물은, a) 부하 시스템의 저항, 및/또는 금속 장입물 및/또는 제너레이터(10)의 비저항을 모니터링함으로써, b) 유도 코일의 전력 및/또는 주파수를 조절함으로써, 및/또는 c) 유도 코일(24) 및/또는 냉각 코일을 통한 냉각제 흐름을, 저항 및/또는 비저항에 의해 나타내어지는 바와 같은 금속 장입물(20)의 선택된 온도 및 점도에 도달할 때까지 고도로 제어된 방식으로 금속 장입물(20)을 냉각시키도록 제어함으로써, 연속적으로 처리될 수 있다. 본 발명의 SLM/SSM 처리 및 감지 장치는 제너레이터 내의 금속 장입물의 냉각 및/또는 가열 속도의 정밀한 제어를 가능하게 함과 아울러, 금속 장입물의 선택된 온도 및/또는 점도에 도달한 시점을 정확하고 반복적으로 결정할 수 있게 한다. 표 1에 나타낸 바와 같이 금속 장입물의 조성이 다양하고 제너레이터(10)의 작동 및 구조적 구성이 다양하기 때문에, 비저항, 금속 장입물의 온도, 및 점도 간의 관계는 대체로 경험적으로 결정된다. 이 관계는 부분적으로는 예를 들면 도 3 및 도 7에 도시한 바와 같은 열 함량과 고상 비율 간의 경험적 관계에 기초한다. 예를 들면, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같은 금속 장입물의 고상 비율과 점도의 관계는 선택된 금속 장입물 조성의 금속학적 샘플 및 실험 데이터의 분석으로부터 얻을 수 있다.
앞서 간략하게 논의한 바와 같이, 제너레이터(10) 내의 금속 장입물(20)의 온도 및 점도는 비저항 및/또는 저항 측정치에 대한 비교에 의해 경험적으로 결정할 수 있다. 이제부터 그러한 경험적 관계에 대해 보다 상세하게 설명할 것이다. 제너레이터 내의 금속 장입물(22)의 온도에 대한 유도 코일의 부하의 저항(RL)의 관계는 경험적 방법을 이용하여 산출된 정보에 기초할 수 있다. 이러한 방법은 제너레이터를 둘러싸는 전력이 인가된 유도 코일의 피드백 응답에 반영되는 금속 장입물(예를 들면, 제너레이터 내의 알루미늄 합금)의 저항 변화에 기초한다. 제너레이터 둘레에 배치된 전력 인가 유도 코일은 몇몇 기지의 교류 주파수(예를 들면, 10 내지 10,000 ㎐, 500 내지 5000 ㎐ 등)로 작동한다. 유도 코일의 권선 내에서의 교류 전류의 흐름으로 인해, 그 코일의 부근에서 교류 자기장이 생성되며, 이 교류 자기장은 부하 재료[예를 들면, 금속 장입물(22), 그리고 제너레이터가 전도성 재료로 이루어진 경우에 제너레이터]에 반대 반향의 전류 흐름을 유도한다. 이와 같이 부하 재료 내에 유도되는 급속하게 변경되는 전류 흐름은 열은 물론 그 부하에 작용하는 물리적 힘을 생성하고, 이 물리적 힘은 본 예의 경우에 제너레이터 내의 용융 금속 장입물에 토로이드형 교반 효과를 야기한다. 예를 들면, 제너레이터 내의 금속 장입물에는 식 F = (Jx,y X B)로부터 얻어지는 로렌츠 힘이 작용한다. 이 힘은 용융 금속 장입물 내에서 자속 밀도(B)를 생성하는 인가 전류와 유도 전류(J) 간에 반발을 나타낸다.
본 발명에 사용되는 유도 코일은 제너레이터 내의 금속 장입물을 가열함은 물론, 제너레이터 내의 금속 장입물의 냉각을 조절하도록 구성된다는 점에서 다중 기능을 갖는다. 금속 장입물의 냉각은 제너레이터는 물론, 이 제너레이터의 도가니 및 또는 금속 장입물로부터 유도 코일을 전기적으로 격리시키는 데에 이용되는 임의의 중간 재료를 통한 내부 코일 냉각수로의 전도에 의해 달성된다. 전술한 바와 같이, 유도 코일은 또한 유도 기술의 통상적인 용례인 바와 같이 교류 자기장의 생성으로 금속 장입물에 직접 맴돌이 전류를 생성함으로 인해 금속 장입물에 대한 가열원으로서 역할을 한다. 이러한 동시 가열 및 냉각 효과는 제너레이터 내의 금속 장입물의 냉각 및/또는 가열 속도의 정밀하고 즉각적인 제어를 가능하게 한다.
유도 시스템은, 전력 공급원, 부하 매칭/튜닝 수단, 및 전도성 부하에 작용하는 코일로 이루어진다. 통상의 저-중 주파수 유도 전력 공급원(PS)이 우선 유입되는 3상 라인 전력을 정류함으로써 DC 전력을 생성하고, 이어서 인버터를 이용하여 1상의 교류 전력 출력을 생성한다. 이러한 교류 전력 공급원은 전력을 높은 효율성으로 활용하기 위해, 공진 효과를 생성하도록 부하에 매칭 또는 튜닝되어야 한다. 튜닝된 회로에서 공진 시에, 주파수 f, 커패시턴스 C 및 인덕턴스 L 간에는 공진 주파수 f = 1/{(2p)·(L·C)1/2}라는 관계가 존재한다. 적절히 튜닝된 경우에, PS는 일정한 주파수의 출력을 가질 것이다. 이는 감지 및 제어에 대한 주파수 변화의 영향을 감소시킨다. 유도 시스템에서의 주파수는 또한 유도 전류의 유효 침투 깊이를 설정한다. 그 관계는, 침투 깊이/기준 깊이 δ = 3160(ρ/μf)1/2라는 식에 기초하며, 여기서, ρ는 금속 장입물의 비저항이고, μ는 금속 장입물의 상대 투자율이고, f는 교류 전력 공급원의 주파수이다. 세라믹이나 비철계 금속과 같은 비자성 재료의 경우, μ=1이다. 실제 자기장이 금속 장입물의 중심까지 침투하지만, 유도 전류 밀도는 금속 장입물의 표면이나 전도성 재료로 형성된 경우의 제너레이터의 표면에서 가장 크며 지수적으로 감소하여, 기준 깊이가 금속 장입물 내에 생성된 열의 대부분을 차지한다.
PS에서 유도 코일로의 출력 전압의 크기는 코일 권선 내의 전류 흐름을 결정한다. 이 교류 전류는 교류 자기장을 생성한다. 코일에서의 실제 전력(㎾)은 부하 회로의 전압, 전류, 및 전력 인자에 의해 결정된다. 그 전력은 식 Pc = Ic ·Vc·cosθ로 나타내어지며, 여기서 θ는 AC 전류와 전압 간의 위상각이다. 전력 인자, 즉 위상각은 튜닝 요소, PS 주파수, 유도 코일과 부하 재료의 커플링(예를 들면, 유도 코일의 기하학적 관계 및 재료 특성)의 동적 상호 작용에 좌우된다. 실제 병렬 LCR 회로에서의 거의 공진 상태에서, 부하 임피던스는 주로 전송 라인, 유도 코일, 금속 장입물, 및 전도성 재료로 형성된 경우의 제너레이터의 저항에 의해 지배되며, 이에 따라 그 회로의 용량성 부분은 어떠한 순수 저항 성분도 갖지 않는다. 따라서, XL 및 관련 저항 RL은 주요한 임피던스 관계를 갖는다. 이 경우, 주요한 회로 부분은 그 회로의 유도성 분기 라인이며, 여기에서 부하의 응답이 측정될 수 있다. 그 관계는 식 IC = V/RL 및 PC = I2·RL, 이에 따른 RL = PC/I2에 지배된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 주파수가 일정한 값을 갖는다면, 변화하는 유일한 변수는, 온도와 기하학적 형상에 영향을 받는 구성 요소들, 즉 부하 시스템(예를 들면, 금속 장입물, 도가니 및 유도 코일)의 저항이다.
전압, 전류 및 전력은 모두 부하 시스템(금속 장입물, 도가니, 및 유도 코일)의 재료 특성의 변화에 응답하여 변화한다. 이러한 변화는 통상 부하 시스템이 가열되거나 냉각될 때의 온도와 관련된다. 온도에 영향을 받는 부하 시스템의 특정 재료 특성은 동시에 부하 시스템의 전기적 특성, 즉 비저항(ρ)에 영향을 미치며, 이는 또한 부하 시스템의 저항(RL)에 반영된다. 이러한 관계는 식 RL = ρ·(ℓ/A)의 의해 나타내어지며, 여기서 ℓ은 부하 재료의 길이이고, A는 길이 ℓ에 따른 재료의 단면적이다. 따라서, A는 A = δ·hL로 나타내어지는 전도성 경로의 단면적이며, 여기서 δ는 기준 깊이이다. 전압, 전류 및 전력은 또한 부하 시스템에 대한 유도 코일의 기하학적 커플링에 관련이 있다는 점에서 제너레이터 내의 금속 장입물의 양 및 형상에도 민감하다. 따라서, 회로의 전압, 전류 및 전력 응답은 RL 및/또는 ρ를 구함으로써 부하 시스템에 온도 변화가 얼마나 발생하였는지를 결정하는 데에 이용될 수 있다.
유도 코일은 통상 구리로 이루어지며 수냉된다. 따라서, 유도 코일에서의 온도 변화는 매우 작아, 그 비저항이 매우 안정적이어서 일정한 것으로서 취급할 수 있고, 이에 따라 전기 파라미터에 거의 영향을 미치지 않는다. 제너레이터의 유도 코일과 도가니 사이에 이용될 수 있는 그라우트(grout) 또는 단열 재료는 안정적인 세라믹 재료가 통상적이고, 이 재료의 비저항 값은 그 재료를 비전도체로 간주할 수 있을 정도로 높은 값이어서 중요하지 않다. 제너레이터의 도가니가 세라믹 재료로 이루어지는 경우에 동일한 원리가 제너레이터의 도가니에도 적용될 수 있다. 그러나, 도가니가 전도성을 갖는 흑연 재료로 이루어지는 경우에, 도가니는 초래되는 온도 효과에 의해 변화하는 비저항 값을 가질 것이다. 제너레이터 내의 금속 장입물은 유도 코일 및 제너레이터로부터 전도된 열에 영향을 받을 뿐만 아니라, 그 자신의 내부 유도열을 생성한다. 금속 장입물에 의해 생성되는 열은 금속 장입물의 작업 온도 범위 및 교류 자기장의 주파수에 좌우된다. 흑연 도가니에서 생성되는 열 증가는 1200㎐의 일정 주파수에서 550 내지 650℃의 온도 범위에 걸쳐 약 0.7%이다. 대응하여, 알루미늄 합금 A356은 동일한 온도 범위에서 걸쳐 동일한 전기, 가열 및 물리적 조건에 의해 생성열을 39.0% 증가시킨다. 따라서, 앞서 언급한 주요한 온도 범위에 걸쳐 흑연 도가니의 저항 분포는 일정한 것으로 간주할 수 있다. 온도로 인한 제너레이터 내의 금속 장입물의 특성(비저항) 변화는 부하 코일에서 측정되는 전기적 피드백 신호에 반영된다. 금속 및 합금의 경우에, 금속 및 합금을 고상에서 액상으로 가열하는 동안뿐만 아니라 그 반대의 냉각 모드에서 발생하는 상변태가 존재한다. 고상 용융점(고상선 온도) 및 액상 용융점(액상선 온도)은 금속 또는 합금의 용융 범위의 하한 온도 및 상한 온도를 각각 규정한다. 다상 비철계 합금에 대한 그러한 온도 범위에서, 그 온도들은 종종 정확하게 측정하여 금속 또는 합금의 용융 정도 또는 고상 비율(fs)을 감지하는 데에 이용하기는 어렵다. 게다가, 그 측정 방법의 대부분이 용융 금속과 직접 접촉하여 시간이 경과함에 따라 손상 및 열화하기 쉬운 열전쌍과 같은 센서에 의존한다. 그러나, 다수의 기타 재료 특성은 그 온도 범위 내에서 보다 통상의 형태 또는 거의 선형적인 형태로 변화하여, 금속 또는 합금에 대한 온도값으로 변환/상관시킬 수 있다. 그러한 재료 특성 중 몇몇은 금속 또는 합금의 fs, 상대 열 함량(엔탈피) 및 비저항이다. 열 함량 대 온도, fs 대 온도, 및 비저항 대 온도 간의 관계들이 제너레이터 내의 금속 장입물의 다수의 특성을 모니터링 및/또는 결정하는 데에 이용될 수 있다. 유도 코일의 전기적 피드백으로부터 저항(RTOT) 및/또는 비저항을 감지함으로써, 제너레이터 내의 금속 장입물의 다양한 파라미터를 추론할 수 있다. 예를 들면, 간접적인 방식으로 (슬러리) 프로세스를 감지하고 그에 따라 제어하는 데에 다양한 유도 원리가 이용될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 권선으로 이루어진 유도 코일이 가열/냉각용 코일과는 별도로 부하의 전기적 반응 응답을 감지하는 데에 이용될 수 있다. 통상 미세 절연 와이어로 이루어지고 냉각되거나 그렇지 않을 수 있는 별도의 권취 코일이 가열/냉각용 메인 코일에 의해 부하에 유도되는 자기장에 영향을 받을 수 있도록 부하 용기에 근접하게 배치될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이러한 구성은 "맴돌이 전류" 감지로 불린다. 감지 코일은 별도로 전력이 인가되거나 전력이 인가되지 않을 수 있으며, 생성되는 피드백 신호는 부하 재료의 상태를 확립할 수 있도록 전술한 바와 같은 커플링 상태의 경우의 구성과 동일한 방식으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명에 다른 특정한 비한정적 프로세스 제어 시스템에 대해 설명한다. 이 프로세스 제어 시스템은 Ajax TOCCO Magnethermic사의 "Coil Monitor" 유닛, 전류 변환기, 및 전압 측정용 변압기(PT)들의 이용을 포함할 수 있다. 전류 변환기(CT)는 유도 코일에 단상 고주파 전력을 공급하는 리드 중 하나에 연결될 수 있다. PT들로부터의 리드들은 유도 코일에 직접 연결되되, 그 중 한 세트는 유도 코일의 전체 권선의 양단에, 다른 세트는 유도 코일의 하측 절반부측의 절반의 유도 코일 권선의 양단에 연결될 수 있다. CT 및 제1 PT로부터의 신호는 코일 모니터 유닛에 입력으로서 연결될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이 다른 구성이 본 발명에 따라 이용될 수 있다.
제너레이터의 도가니 내로 도입될 금속 장입물은 용융/유지로에 유지된다. 이 용융/유지로는 온도 설정점으로부터의 반복 가능하고 정확한 온도(±3℃)로 유지하도록 구성된다. 금속 장입물이 도가니 내로 도입될 때, 제너레이터 주위의 유도 코일의 전력 레벨(Pinitial)은 도가니의 내의 금속 장입물이 바로 냉각하기 시작하지 않도록 되며, 그 유도 코일의 전력 레벨은 용융 금속 장입물 내에 힘을 야기하여 도가니 내의 금속 장입물의 토로이드형 교반 작용을 유발하도록 된다. 이 교반 작용은 도가니의 가장자리에서부터 용융 금속 매스의 중심에 이르기까지 균질한 용융물을 생성하는 데에 중요한 것으로 여겨진다.
PS로부터의 전력에 대한 설정은, 부하 시스템의 냉각 용량이 유도 시스템의 가열 용량을 초과하여 도가니 내의 금속 장입물이 냉각하기 시작하도록 유도 코일에 대해 감소된다(Pcooling). 이러한 냉각 중에 유도 코일에 의해 금속 장입물에 파워가 여전히 가해지고 있기 때문에 금속 장입물은 계속 교반된다. 냉각 프로세스 중에, 금속 장입물은 용융상에서부터 반액/반고상으로 급속하게 냉각되기 시작하여, 금속 장입물의 액상선 온도를 지나간다. 액상선 온도가 완전 액체/용융 금속 장입물과 그 금속 장입물의 응고의 개시 간의 상 전이 온도이기 때문에, 용융점이 높은 성분의 고상 입자들이 핵을 생성하는 한편, 교반을 통해 균질한 매스로 분산되기 시작한다. 이러한 다량의 입자 핵생성은 금속 장입물의 교반을 가하는 상태에서의 빠른 냉각 속도로 인해 발생한다. 통상, 용융 합금 시스템에서, 용융 금속 배스 내에 교반이 존재하지 않는 냉각된 정지 표면에 그 합금이 접촉하는 경우에 수지상 결정 성장이 발생한다. 따라서, 수지상 조직의 형성은 재료가 그러한 온도 및 fs 수준에서 유동하는 능력을 감소시켜 재료를 주조 부품을 형성하도록 주형 내로 이동시키는 데에 필요한 힘을 증가시킨다. 반면, 본 발명의 프로세스에 의한 슬러리 시스템 형태에서, 개별적이면서 자유로이 이동하고 개별적으로 부분적으로 둥글게 된 입자들의 생성은 매스가 수지상 재료보다 낮은 점도를 나타내어 주형 내로 재료를 이동시키는 데에 힘을 덜 필요로 하게 할 수 있다는 점에서 반고상 슬러리 재료 유동에 유리하다.
제너레이터의 모니터링은 유도 코일로부터의 단상의 고주파수 AC 전류 및 전압 피드백을 모니터링하고, 이 피드백을 CT 및 PT 유닛에 의해 0-5 VAC 신호로 전환함으로써 달성할 수 있다. 이들 신호는 이어서 Ajax TOCCO Magnethermic사의 "Coil Monitor" 유닛에 입력되고, 여기서 신호를 배가시켜 유효 전력 신호(true power signals)를 제공하여 겉보기 전력(apparent power)과 비교함으로써 위상 관계를 결정하며, 이어서 코일 전류(IC), 전압(VC) 및 유효 전력(PT)을 위한 스케일(scaled)된 0-10 Vdc로서 출력될 수 있다. 이 관계는 식 PT = (IC·VC)·cosθ 및 식 Papp = (IC·VC)로 나타내어지며, 여기서 θ는 고주파수 AC 전압과 전류 간의 위상각이며, IC 및 VC는 유도 코일의 전류 및 전압에 대한 스칼라 값이다. Ajax TOCCO Magnethermic사의 "Coil Monitor" 유닛으로부터의 출력 신호는 시스템 프로그램 가능 논리 제어기(PLC)에 아날로그 입력으로서 연결될 수 있다. 제어 프로그램에서, 유도 코일에서 확인된 측정 유효 전력(PT)은 유도 코일의 측정된 전류값의 제곱(IC 2)으로 나눈다. 그 값으로 R의 값이 얻어진다(RTOT = PT/IC 2). 부하의 등가 저항은, 식 Reql = RTOT - Rc - Rcr - Rb에 의해 계산되며, 여기서 Rc는 코일의 저항이고, Rcr은 도가니의 저항이며, Rb는 코일 버스의 저항이다. 시스템의 실제 부하 저항은 식 RLoad = Reql/N2에 의해 결정되며, 여기서 N은 유도 코일의 코일 감김수이다. 시스템의 부하의 비저항은 식 ρl = [(Reql·hl·3160)/(2·π·rl·N2)]2·1/f에 의해 계산되며, 여기서 hl은 부하의 길이이고, π는 Pi의 수학적 값이고, f는 유도 코일에 대한 전류 주파수이다. RTOT 값은 비저항 값 ρ(load)과 상관 관계가 잘 이루어지는 것으로 확인되었다. 이러한 상관 관계는 도 9에 도시되어 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 하측 라인으로 나타낸 RTOT 데이터는 상측 라인으로 나타낸 ρl 데이터와 매우 유사하여, 그와 매우 유사한 곡선을 생성한다. 실로, 측정된 결과가 계산된 값들과 양호하게 상관 관계가 이루어진다. 측정값 R(RTOT)의 계산 결과는 사이클 간에 반복될 수 있고 제너레이터 내의 금속 장입물의 가열 및 냉각을 위한 제어 파라미터로서 이용될 수 있는 저항 피드백 신호이다.
도 10에서는 금속 장입물의 액상선과의 관계를 도시하고 있다. 구체적으로, 도 10은 RTOT 및 대응 온도를 도시한다. 금속 장입물이 제너레이터 내에서 액상에서 반고상 영역으로 냉각할 때에 측정된 RTOT 값의 거동은 액상 합금 온도에 상응하는 높은 액상 값에서부터 음의 방향으로 작은 일정한 변화율을 갖는 것으로 여겨진다. 금속 장입물 재료가 냉각함에 따라, 액상선 온도에 도달하고, 여기서 고상 입자의 핵생성이 발생하기 시작한다. 또한, 액상선 온도에서, RTOT 값은 작은 기울기에서부터 보다 현저한 음의 기울기 값으로 변화한다. 그 이유는 금속 장입물 부하가 온도 변화당 비저항 변화가 작은 영역에서부터, 온도 변화당 비저항이 보다 현저하게 변화하는 영역으로 냉각되고 있기 때문이다. 금속 장입물 부하가 시스템 내에서 강렬하게 변화하는 유일한 요소이기 때문에, 프로세스 시스템의 다른 요소들은 일정하게 유지되거나 대체로 선형적인 형상으로 약간 변화한다. 따라서, 측정되는 변화는 주로 금속 장입물의 온도 및 이에 따른 저항 변화에 기인한다.
제어를 위해 PLC에서 RLoad 및 RTOT 신호를 이용한다. 계산된 RLoad 및 RTOT 신호는 시간에 대한 1차 도함수로서 트래킹될 수 있다. 액상 금속 장입물이 제너레이터의 도가니 내에 처음으로 부어질 때에, 유도 코일에 대한 전력 값은 도가니 내의 금속 장입물이 냉각되기 시작할 수 있도록 미리 정해진 값으로 감소한다. 신호를 안정시켜 d(R)/dt 값을 확립하고 이 값을 모니터링하는 데에 통상 수초가 허용된다. 금속 장입물이 액상선 온도로 냉각하는 경우, 그 재료가 반고상으로 됨에 따라 온도 변화 속도가 감소한다. 이에 상응하게, 저항 신호 역시 변화한다. 그러나, 저항 변화는 d(R)/dt가 감소하도록 이루어진다. 액상선 온도에서 그러한 저항 변화는 제어 계획에서 반고상 상태의 정도, 즉 fs와 제어 요건을 결정하기 위한 초기 기준점으로 이용될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
PLC는 저항 변화가 발생할 때에 신호의 반복 시간 및 크기 게이트(magnitude gate) 체크를 수행하도록 프로그래밍된다. 이러한 체크는 확인된 변화가 실재이고 랜덤 신호 노이즈(편차)에 대한 응답이 아니라는 점을 검증하는 기능을 할 수 있다. 검증된 RLoad 또는 RTOT 신호를 측정하여, 그 값이 프리셋 ΔR = (Rliq - R)이 달성될 때까지 계속 감소하게 한다. 프리셋 R 값은 후속 성형 작업을 위한 금속 장입물의 원하는 고상 비율의 대표값으로서 선택될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 온도/fs가 반영된 저항 피드백의 값은 금속 장입물의 냉각 중에 어느 정도 편차를 갖기 쉽다.
제너레이터 내의 금속 장입물의 냉각 프로세스의 사이클 시간에 초래된 편차는 하류측의 성형 프로세스에 편차를 야기하게 되고, 이에 따라 성형 기계에서 성형되는 부품의 품질 및 결함에 관한 잠재적인 문제점을 유발하게 될 것이다. PLC에서는, 피드백 신호의 dR/dt를 측정하고 실제 예측 사이클 시간을 산출하여 이 값을 목표 사이클 시간과 비교하는 보정 프로세스를 수행할 수 있다. 예측 사이클 시간에 기초하여, 새로운 냉각 전력 레벨을 결정하여 고주파수 전력 공급원에 입력할 수 있다. 이러한 보정의 결과로, R 값이 프리셋 Rtarget에 도달할 때 목표 냉각 시간에 이르는 냉각 속도가 얻어져, 제너레이터로부터 성형 기계로 금속 장입물을 급탕하는 데에 방해받지 않을 수 있다.
반복 가능한 사이클 시간을 달성하는 데에 도움이 되도록 PLC 프로그램의 "홀드(Hold)" 세그먼트와 같은 추가적인 능동적 제어가 이용될 수 있다. Rtarget 값이 사이클 시간 윈도우가 완료되기 전에 달성된다면, 그 프로그램은 목표값(Rtarget)을 설정값으로 하여 내부 PID 제어를 수행하도록 구성할 수 있다. 이러한 제어는 목표 R 값을 사이클 시간이 완료될 때까지 유지하게 될 것이다. Rtarget 및 사이클 시간 조건을 충족한 경우에, 급탕 신호가 프로세스 시스템에 제공되어, 기울임 기구가 제너레이터의 내용물을 성형 장치의 리시버 또는 사출 슬리브 내로 바로 붓게 된다. 그 성형 장치는 다이캐스팅 기계(수평 또는 수직 유닛), 중력식 반영구 주형 기계, 모래 주형 또는 기타 구성일 수 있다. 일반적으로, 생산성 증가를 가져올 수 있는 짧은 사이클 시간과 슬러리 장입물 제어에서 이점을 얻을 수 있는 다이캐스팅 기계가 이용된다. 생산성 증가가 이루어지는 동시에, 슬러리 재료의 높은 fs 조직에 의해 제품의 품질도 개선할 수 있다.
이하, 도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 비한정적 프로세스 구성을 예시하는 프로세스 흐름도를 설명한다. 제어 프로세스의 제1 단계는 제어 프로세스의 시작으로 이루어진다. 그 다음 단계에서는 유도 코일을 위한 냉각 전력 레벨을 설정한다. 다음 단계에서, 용융 금속 장입물로 제너레이터의 도가니를 채운다. 도가니가 노로부터의 용융 금속 장입물로 채우질 때에, 유도 코일에 대한 전력 레벨은 금속 장입물의 온도가 그 금속 장입물의 액상선 온도 아래로 떨어지는 것을 방지하기에 충분하도록 되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 일반적으로, 유도 코일을 위한 전력 레벨은 처음에는 용융 금속 장입물이 노에서 제너레이터 내의 도가니로 전달될 때에 그 용융 금속 장입물에 매우 작은 온도 강하가 있도록 설정된다. 도가니가 용융 금속 장입물로 원하는 레벨까지 채워지고 나면, 도 11에 도시한 후속 프로세스 단계에서 도가니 내의 금속 장입물을 금속 장입물의 액상선 온도까지 냉각시킨다. 금속 장입물을 구성하는 각종 금속 또는 합금에 대해, 그 장입물을 위한 특정 액상선 온도가 존재한다. 액상선 온도에서의 금속 장입물의 비저항은 흐름도에서 Rliq로 나타낸다. 액상선 온도로의 금속 장입물의 냉각 프로세스 중에, 유도 코일 내측의 부하(예를 들면, 금속 장입물은 물론 도가니가 전도성 재료로 이루어진 경에 도가니도 포함)의 저항(R)을 감지하여 기록할 수 있다. 감지된 저항(R)의 시간에 대한 1차 도함수를 모니터링한다. 합금의 완전 용융 상태에서는 1차 도함수의 기울기는 작은 양의 값을 갖는다. 합금이 액상선 온도에 도달한 경우에, 초래되는 R의 1차 도함수는 음의 방향으로 향한다. 이러한 도함수에서의 변화는 임의의 신호 노이즈 외에 액상선 온도에 도달하였음을 결정하는 PLC에서의 다수의 게이트 조건의 프로그래밍에 의해 검증된다. 도가니 내의 금속 장입물이 액상선 온도에 도달하였음이 검증되고 나면, 금속 장입물을 액상선 온도보다는 낮고 고상선 온도보다는 높게 냉각하는 프로세스의 제2 스테이지가 시작된다. 제어 시스템에서 새로운 부하 저항 설정값 Rtarget을 계산한다. Rliq와 함께 R의 프리셋 값을 이용하여 Rtarget을 결정한다. Rtarget은 Rliq의 감지된 값에 비례한다. 이러한 새로운 부하 저항 설정값 Rtarget은 금속 장입물이 주조 또는 성형 기계로 급탕하기에 바람직한 특정 고상 비율 및 액상 비율을 갖는 금속 장입물의 특정 온도를 나타낸다. 유도 코일에 대한 전력 레벨이 금속 장입물의 냉각의 제2 스테이지 중에 PLC로부터 조절되거나 판독되어, 그 금속 장입물이 원하는 온도로 되어 금속 장입물을 주조 또는 성형 기계로 급탕할 때의 고상 비율과 액상 비율을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 유도 코일에 대한 전력 레벨은, 1) 도가니 내의 금속 장입물의 냉각 속도를 증가시키도록 더 감소시키나, 및/또는 2) 도가니 내의 금속 장입물의 냉각 속도를 느리게 하도록 증가시켜야 할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 유도 코일에 대한 전력 레벨은 금속 장입물의 냉각의 제2 스테이지 중에 1회 이상 조절되어, 그 금속 장입물이 주조 또는 성형 기계에 급탕되어야 할 목표 시간에 맞출 수 있다. 이러한 제2 냉각 스테이지 중에, 유도 코일의 저항(R)을 감지하여 기록할 수 있다. 이어서, 감지된 저항을 제2의 저항 설정값 Rtarget과 비교한다. 감지된 저항 R이 Rtarget과 동일한 경우, 그 금속 장입물은 원하는 온도로 되어 원하는 액상 및 고상 비율을 갖는 것으로 결정되고, 이에 따라 주조 또는 성형 기계 내로 부어지거나 다른 방식으로 그 내로 제공될 수 있다. 주조 또는 성형 기계가 그 금속 장입물을 받아들일 준비가 되지 않은 경우에, 본 발명의 프로세스 시스템은 주조 또는 성형 기계가 금속 장입물을 받아들일 수 있을 때까지 도가니 내의 금속 장입물을 Rtarget으로 유지하도록 구성될 수 있다. 유도 코일 부하의 감지된 저항이 저항 설정점 Rtarget과 동일하지 않는 경우, 감지되는 저항 R이 Rtarget에 근접하도록 유도 코일의 전력 레벨이 감소, 증가 또는 유지된다. 다양한 수학적 기법을 사용하여, 감지되는 저항 R이 Rtarget에 근접하는 속도를 결정하고, 시간의 경과에 따른 Rtarget에 대한 감지되는 저항 R의 추이가 올바르거나 유도 코일에 대한 전력 레벨을 변경함으로써 조절을 필요로 하는 지의 여부를 결정할 수 있다. 프로세스 흐름도에 도시한 바와 같이, 감지되는 저항 R과 Rtarget은 이들 두 값이 동일해질 때까지 서로 비교된다. 이러한 프로세스의 제어를 프로그래밍하는 방법은 이상적으로는 성형 기계의 원하는 사이클 시간과 동시에 재료의 Rtarget 조건에 도달할 수 있게 하는 데에 있다. 금속 장입물이 주조 또는 성형 기계 내로 부어지거나 기타 방식으로 그 내에 제공되고 나면, 이 제어 프로세스는 종료되고, 새로운 프로세스가 시작될 수 있다.
이하, 도 12를 참조하여, 본 발명에 따라 금속 장입물을 처리하는 비한정적인 간략한 예를 설명한다. 첫 번째 그림에서는 용융 금속 장입물을 제너레이터의 도가니 내에 붓는 것을 나타내고 있다. 이 시점에서 그 금속 장입물의 온도는 액상선 온도보다 높다. 금속 장입물을 노에서 도가니로 전달하는 방식에는 제한이 없다. 금속 장입물을 용융시키는 데에 이용되는 노의 형태에도 역시 제한이 없다. 금속 장입물이 도가니 내에 제공되고 나면, 그 금속 장입물이 액상선 온도에 도달할 때까지 금속 장입물을 교반하면서 냉각한다. 이러한 처리 단계는 도 11에 도시한 프로세스 흐름도와 관련하여 전술한 제1 냉각 스테이지와 동일 또는 유사하다. 금속 장입물이 도가니 내에 제공되는 시점부터 그 금속 장입물이 도가니로부터 제거되는 시점까지, 프로세스 제어 시스템을 이용하여, 도가니 내의 금속 장입물의 냉각 속도, 도가니 내의 금속 장입물의 온도, 및 도가니 내의 금속 장입물의 고상 및 액상 비율을 제어한다. 이용될 수 있는 프로세스 제어 시스템의 하나의 비한정적인 예가 도 11에 도시되어 있다. 이 프로세스 제어 시스템을 도 12에서는 능동 프로세스 제어로서 나타내고 있다. 하나의 비한정적인 구성에서, 능동 프로세스 제어는 유도 코일에 대한 고주파수 전력의 3개의 프리셋 값, 즉 1) 금속 장입물을 도가니 내에 부을 시점에서의 프리셋 값, 2) 도가니 내의 금속 장입물의 냉각 사이클에 대한 프리셋 값, 및 3) 금속 장입물을 도가니에서 제거할 시점에서의 금속 장입물에 대한 프리셋 값의 사용을 포함한다. 이러한 능동 프로세스 제어는 다수의 작동 모드를 포함할 수 있다. 하나의 작동 모드는, 금속 장입물이 그 액상선 온도로 냉각된 후에 냉각 속도(dR/dt)를 확인하는 데에 이용되는 사이클 시간 목표 모드(Cycle Time Target Mode)이다. 이러한 사이클 시간 목표 모드는 사이클 시간 목표와 동시에 Rtarget을 달성할 수 있도록 유도 코일에 대한 냉각 전력을 변경하도록 구성된다. 다른 작동 모드는 홀드 모드이다. 이 홀드 모드는 사이클 시간 목표에 도달할 때까지 PLC에 기초한 PID 제어 루프를 통해 유도 코일에 대한 냉각 전력을 변화시킴으로써 Rtarget 값을 일정하게 유지할 수 있도록 구성된다. 또 다른 모드는 장입물 레벨 감지 모드 1이다. 이 장입물 레벨 감지 모드 1은 도가니 내에 부어진 후에 도가니 내의 금속 장입물의 양을 결정할 수 있도록 구성된다. 금속 장입물의 액상 냉각 중에 RLoad 또는 RTOT 값은 안정적으로서 비교적 일정하게 유지되기 때문에, 도가니 내의 금속 장입물의 양은 금속 장입물의 기하학적 형상을 변화시켜, RLoad 또는 RTOT의 신호 레벨이 도가니 내의 장입물의 양을 반영할 수 있다. PLC는 RLoad 또는 RTOT의 레벨에 기초하여, 처리 한도 내인 경우에 금속 장입물을 받아들이거나, 금속 장입물이 반복 가능한 품질의 성형 작업을 달성하기에는 너무 많거나 너무 적은 경우에 사이클을 중지할 수 있다. 또 다른 모드는 장입물 레벨 감지 모드 2이다. 이 장입물 레벨 감지 모드 2는 장입물 레벨 감지 모드 1과 동일한 금속 장입물 레벨 감지 논리를 이용하도록 구성된다. 장입물 레벨 감지 모드 2는, 주어진 전력 레벨 및 용융물 온도에서의 dR/dt 대 부피의 경험적 데이터에 기초하여, Rliq가 발생할 이상적 목표 시간 또는 발생할 전체 사이클 시간 목표를 예측하도록 유도 코일의 냉각 전력 레벨을 상승 또는 하강으로 설정할 지의 여부를 결정하도록 구성된다. 또 다른 모드는 용융물 온도 보상 모드이다. 이 용융물 온도 보상 모드는 액상 금속 장입물의 유입 온도에 기초하여 초기 냉각 전력 레벨을 결정하도록 구성된다. 액상 금속 장입물이 설정값보다 낮은 온도인 경우에, Rliq가 허용 시간 윈도우 내에서 발생하거나 총 사이클 시간이 이상적 시간 윈도우 내에서 발생할 수 있도록 비례 전력 조절이 상승으로 설정될 것이다. 이 모드는 모든 다른 제어 모드들이 그들의 보상 조치 중에 전력을 급격하게 변경시키지 못하게 한다. 이러한 모드들 중 하나 이상이 본 발명의 능동 프로세스 제어에 이용될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 기타 또는 추가적인 제어 모드가 본 발명에 이용될 수 있다. 도가니 내의 금속 장입물이 Rtarget 및 fstarget으로 되고 나면, 그 금속 장입물은 도 12에 도시한 바와 같이 도가니에서부터 다이캐스트 또는 성형 기계의 사출 슬리브 또는 기타 리셉터클 내로 부어지거나 기타 방식으로 토출될 수 있다. 그 후에, 금속 장입물은 다이캐스팅 부품으로 성형된다. 도가니는 노로부터 새로운 용융 금속으로 채워질 수 있고, 이 새로운 금속 장입물에 대해 능동 프로세스 제어가 반복될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제너레이터(10)는 다음의 기능들 중 하나 이상을 수행하도록 구성될 수 있다.
- 용융 금속 장입물(22)의 제너레이터(10) 내로 도입함으로써 시작하여, 처리된 SLM/SSM를 성형 기계, 즉 사출 슬리브, 탕구, 깔때기 등 내로 급탕함으로써 종료하는 SLM/SSM의 상태의 연속적 감지 또는 주기적 감지.
- 성형 기계로 급탕되는 재료가 반복 가능하고 일관된 열적, 미세조직적 및/또는 점성적 상태를 갖게 보장하도록 SLM/SSM의 냉각, 가열 및/또는 교반의 제어.
- 용기 또는 수송 단계의 개입 없이 제너레이터(10)에서부터 바로 성형 장치로 금속 장입물(22)의 전달. 제너레이터(10)는 용융 금속 공급원 및/또는 성형 기계로부터 기계적으로 미결합 상태로 있을 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
제너레이터(10)의 비한정적 특징은 SLM/SSM 장입물의 상태의 원격 감지 능력 및/또는 비접촉식 감지 장치, 즉 유도 코일(24)로부터의 피드백에 기초한 가열 및/또는 냉각 프로세스 제어 능력이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 피드백 신호는 용융 금속 장입물(22)에 근접하는 제2의 전력 미인가 코일(도시 생략)로부터 얻을 수 있다. 유도 전력 유닛은 유도 코일 및/또는 전력 미인가 코일로부터 부하를 연속적 또는 주기적으로 모니터링하도록 구성된 신호 조절 전자 장치가 적용된 도 1에 도시한 바와 같은 제어기(40)를 포함할 수 있다. 대부분의 경우에, 부하는 유도 코일(24), 및 이 유도 코일(24)에 의해 모니터링되는 전도성 재료를 포함할 것이다. 이 전도성 재료는 도가니(20) 내의 SLM/SSM 장입물(22)을 포함할 수 있고, 추가로 도가니 재료가 예를 들면 흑연 또는 금속과 같이 전도성을 갖는 경우에 도가니(20) 자체도 포함할 수 있다. 다른 및/또는 대안적인 비한정적 실시예에서, 제너레이터(10)는 유도 코일이 그 길이를 따라 선택된 지점에서 "분기(tapping)"되게 구성될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이러한 구성은 코일의 선택된 부분에 선택적으로 전력을 인가하여 제너레이터(10)에 추가적인 제어 정도를 제공하도록 할 수 있다. 구체적으로, 전력이 인가되는 코일의 부분은 금속 장입물의 양에 기초하여 선택할 수 있는 것으로, 도가니 내의 금속 장입물의 양이 적을 수록 전력이 인가되는 코일의 길이를 짧게 할 수 있다. 또 다른 및/또는 대안적인 비한정적 실시예에서, 상이한 코일 길이를 갖는 상이한 제너레이터(10)가 상이한 질량의 금속 장입물에 이용될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다.
부하에서 전기적으로 감지된 변화는 용융 금속 장입물이 냉각 또는 가열될 때에 그 금속 장입물에서의 열적 변화 및 금속학적 변화에 기인한다. 그 변화 중 하나는 금속 장입물의 비저항의 변화이며, 이 비저항의 변화는 유도 코일의 전압의 변화를 초래한다. 이 전압은 도가니 내의 금속 장입물의 가열/냉각 프로세스를 제어하기 위한 피드백 신호로서 이용될 수 있다. 유도 제어 시스템에 신호 조절 구성을 이용함으로써, 그러한 전압 및/또는 기타 금속 장입물의 상태를 반영하는 이용 가능한 신호가 제너레이터 내의 금속 장입물의 냉각, 가열 및/또는 그 상태를 유지하는 물리적 프로세스를 조정 및 제어하는 데에 이용될 수 있다. 많은 유도 제어 시스템들이 전력 출력을 조정하는 경우에도 신호를 생성하고 트래킹하는 추가적인 능력을 갖고 있다. 따라서, SLM/SSM 프로세스의 제어는 연속적 비접촉식 제어 시스템(즉, 금속 장입물 및/또는 도가니 벽에 어떠한 열전쌍도 필요하지 않음)을 구성하거나, 및/또는 금속 장입물을 성형 장치에 급탕하면서 원하는 작업 시점으로 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 장치 및 그 용례의 또 다른 비한정적인 실시예는 다른 SLM/SSM 제조 방법과 함께 제너레이터(10)를 사용하는 것이다. 예를 들면, 제너레이터(10)는 핵생성 과정을 개시시킬 수 있는 장치와 작동적으로 조합될 수 있다. 제너레이터(10)는 균질한 용융물 온도를 유지하도록 이용될 수 있다. 핵생성 후에, 핵생성된 SLM/SSM 혼합물은 제너레이터(10)에 의해 더 냉각되고 제어된 급탕 조건으로 유지될 수 있다.
제너레이터(10)는 또한 성형 스테이션(18)에 대해 신중하게 제어된 상태로 금속 장입물(22)의 급탕을 제어하도록 구성될 수 있다. 성형 기계의 구조 및 그 장치의 장입물 리셉터클에 따라, 제너레이터(10)는 금속 장입물을 다이캐스트 기계 또는 저압 영구 주형 성형 장치에서 통상 이용되는 바와 같은 수직 또는 수평으로 배향된 사출 슬리브 내로 금속 장입물을 붓도록 기울려질 수 있다. SSM 빌렛과 유사하게 높은 점성의 금속 장입물을 필요로 하는 성형 프로세스에서, 그 금속 장입물은 제너레이터(10)에서 처리되고, 이 제너레이터가 금속 장입물을, 보다 높은 점성의 SLM/SSM 성형 빌렛(예를 들면, 원통형 성형 빌렛 등)을 받아들이도록 된 특수 슬리브 내로 급탕할 수 있다. 제너레이터(10)는 저부 밀봉 내화재가 마련되거나, 금속 장입물(22)을 도가니(20)로부터 토출하는 물리적 플런저로서 기능하는 금속 피스톤이 일체형 사출 로드 및 플런저 팁으로서 기능하는 유압 실린더에 결합되게 마련될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
제너레이터(10)에는 유도 전력이 인가되기 때문에, 도가니(20) 내에서 발생할 수 있는 임의의 의도하지 않은 냉각 또는 응고를 용융에 의해 제거할 수 있다. 제너레이터(10)의 가열 능력은 사전 응고 개재물과 같은 제품 결함을 야기할 수 있는 도가니(20)의 내에 응고된 산화물 막 또는 덩어리의 축적을 방지하는 데에 이용될 수도 있다. 별도의 물리적 접촉 장치를 사용하지 않고도 "자체적으로 클리닝"하는 제너레이터(10)의 그러한 능력은 매우 유리하다.
제너레이터(10)의 대안적인 비한정적 실시예는 완전히 결합된 유닛의 일부분일 수 있다는 점이다. 결합된 제너레이터는 장입노 또는 용융 금속 펌프로부터 바로 가열된 수송 튜브를 통해 계량된 금속 장입물을 받아들이도록 될 수 있다. 용융 금속 장입물은 전술한 제너레이터에서와 같이 금속 장입물을 냉각 및 교반하는 제너레이터를 통과하도록 구성될 수 있다. 유도 코일은 단일 주파수 발전기에 의해 전력이 인가되는 단일 솔레노이드 코일이거나, 제너레이터 부분을 통한 금속의 이동을 개선시키도록 3상 주파수 유도 발전기에 의해 전력이 공급되는 3중 권취 독립 코일일 수 있다. 금속 장입물은 제어된 상태로 제너레이터 부분 내에 유지될 수 있다. 프로세스 사이클에서 SLM/SSM의 주입이 요청된 경우에, 금속 공급 장치(예를 들면, 펌프 또는 장입 유닛)가 작동하고, 제너레이터 부분은 새로운 분량의 용융 금속이 제너레이터 부분 내로 도입됨에 따라 금속 장입물을 가열된 도관을 지나 성형 또는 사출 챔버 내로 진행할 수 있게 하거나, 진행시키게 된다. 이러한 방법은 전적으로 SLM/SSM 부품만을 제조하는 전용 성형 스테이션에 적합하다.
본 발명의 반액상 금속 처리 및 감지 장치는 제너레이터 내의 금속 장입물에 대한 냉각 및/또는 유지 프로세스를 냉각 속도 및 최종 상태에 의해 정확하게 제어함으로써, 사이클 지연이나 제조 중지가 발생하는 경우에도 성형 장치에 반복 가능한 방식으로 SLM/SSM 장입물을 급탕할 수 있게 하는 능력을 제공한다. 이러한 구성은, 현재 종래 기술의 SLM/SSM 장치로부터 이용할 수는 없는 제너레이터(10)의 독특한 특징이다.
제너레이터(10)는 작동시키기 비교적 용이하도록 구성될 수 있어, 막대한 훈련을 필요로 하지 않으며, 및/또는 성형 스테이션으로의 반복 가능하고 일관된 금속 장입물의 급탕을 가능하게 한다. 비접촉식 감지 및 제어뿐만 아니라, 제너레이터 내의 금속 장입물의 열적 거동을 완전히 제어할 수 있는 능력은 매우 효율적이고 유효한 제조 프로세스를 가능하게 한다. 제너레이터(10)는 생산라인에 용이하게 포함시킬 수 있으며, 로봇 아암 상의 제너레이터 유닛을 간단히 교환함으로써 용이하게 유지 보수되도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기한 목적들은 전술한 상세한 설명으로부터 명백해진 것들 중에서 효율적으로 달성할 수 있으며, 또한 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 상기한 구성에 있어서 특정 변형이 이루어질 수 있다는 점에서, 전술한 상세한 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시한 모든 사항은 한정하고자 하는 것이 아니라 예시로서 해석되어야 함을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 바람직한 실시예 및 그 대안적인 실시예를 참조로 설명하였다. 당업자라면 본 명세서에서 제공하는 본 발명의 상세한 설명을 읽고 이해할 때에 그 수정 및 변형이 명백해질 것이다. 본 발명은 본 발명의 범위 내에 포함되는 한 그러한 수정 및 변형 모두를 포함하고자 하는 것이다. 또한, 첨부된 청구의 범위는 본 명세서에서 설명하는 본 발명의 포괄적이거나 특정한 모든 특징들뿐만 아니라, 언어적 관점에서 포함된다고 말할 수 있는 본 발명의 범위의 모든 주장을 포함하고자 하는 것임을 이해해야 할 것이다. 본 발명은 바람직한 실시예를 참조로 설명하였다. 본 발명의 바람직한 실시예 및 이의 기타 수정예뿐만 아니라, 본 발명의 기타 실시예들은 본 명세서로부터 명백해질 것이며, 이에 의해 앞서 설명한 사항들은 한정하고자 하는 것이 아니라 단지 본 발명의 예시로서 해석되어야 할 것이다. 첨부된 청구의 범위의 보호 범위 내에 포함되는 한 그러한 수정예 및 변형예 모두가 포함될 것이다.

Claims (49)

  1. 용융 또는 반용융 재료의 적어도 하나의 특성을 감지하고, 상기 용융 또는 반용융 재료를 처리하기 위한 장치로서,
    상기 용융 또는 반용융 재료는 재료 용기에 추가되고 그 후 적어도 하나의 유도 코일에 의해 형성된 자기장이 가해지며, 상기 장치는:
    상기 재료를 수용하도록 된 공동을 갖는 재료 용기; 및
    전류, 전압, 소비전력 및 주파수로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전기 파라미터를 직접적 방식으로, 간접적 방식으로 및 이들의 조합 방식으로 감지하는 감지 장치
    를 포함하며, 상기 적어도 하나의 유도 코일은 적어도 부분적으로 상기 재료 용기의 공동 둘레에 배치되고,
    상기 적어도 하나의 전기 파라미터의 감지는, ⅰ) 상기 재료로부터 이격된 상기 적어도 하나의 유도 코일의 전기적 특성의 변화와 관련된 피드백으로부터, ⅱ) 상기 적어도 하나의 유도 코일과 접촉하지 않고, 상기 재료로부터 이격된 솔레노이드 코일의 전기적 특성의 변화와 관련된 정보로부터, 또는 이들의 조합으로부터 이루어지며,
    상기 적어도 하나의 전기 파라미터는 상기 유도 코일에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 영역 내측의 부하 저항, 상기 재료의 비저항, 상기 재료의 온도, 상기 재료의 고상 비율, 상기 재료의 액상 비율 및 이들의 조합을 결정하는 데에 이용되는 것인 장치.
  2. 제1항에 있어서, 감지된 적어도 하나의 전기 파라미터에 기초하여 상기 적어도 하나의 유도 코일에 인가되는 전력 레벨을 제어하는 제어기를 포함하는 것인 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 재료가 재료 용기에 추가된 후 상기 재료의 액상선 온도에서부터 상기 재료의 고상선 온도보다 높은 온도로의 상기 재료의 온도 저하를 제어하여, 용융 재료가 상기 재료 용기로부터 부어지거나 다른 방식으로 재료 용기로부터 토출되기 바로 전에 상기 재료에서 요구되는 고상 비율 및 액상 비율을 갖는 것인 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 시간의 함수로서 상기 감지된 적어도 하나의 전기 파라미터의 도함수는 상기 재료 용기 내의 재료의 냉각 속도를 제어하도록 재료의 시간의 경과에 따른 온도 추이를 결정하는데 이용되는 것인 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 재료의 가열 장치, 냉각 장치 및 이들의 조합으로 기능하는 것인 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며, 이 알루미늄 합금은 (i) 적어도 77.55중량%의 알루미늄과, (ii) 구리, 철, 마그네슘, 망간, 니켈, 규소, 주석, 티타늄 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2종의 금속을 포함하는 것인 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 파라미터를 감지하는 것은 연속적인 것인 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은,
    a) 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 일정하게 유지하거나,
    b) 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 증가시키거나,
    c) 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 감소시키거나, 또는
    a), b) 및 c) 중 임의의 조합을 행하는 것인 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은, 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 일정하게 유지하고, 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 증가시키며, 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 감소시키고, 그리고 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료를 교반시키는 것인 장치.
  10. 용융 또는 반용융 재료의 적어도 하나의 특성을 감지하고, 상기 용융 또는 반용융 재료를 처리하기 위한 방법으로서,
    상기 용융 또는 반용융 재료는 재료 용기에 추가되고 그 후 적어도 하나의 유도 코일에 의해 형성된 자기장이 가해지며, 상기 방법은:
    적어도 하나의 유도 코일에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 재료 용기의 공동 내에 상기 용융 또는 반용융 재료를 삽입하는 단계;
    상기 재료의 가열 장치, 냉각 장치 및 이들의 조합으로 기능하는 상기 적어도 하나의 유도 코일에 전력을 인가하는 단계;
    상기 적어도 하나의 유도 코일에 전력을 인가할 때에 적어도 하나의 전기 파라미터를 직접적 방식으로, 간접적 방식으로, 및 이들의 조합 방식으로 감지하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 전기 파라미터는 전류, 저압, 소비전력 및 주파수로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 적어도 하나의 전기 파라미터의 감지는 ⅰ) 상기 재료로부터 이격된 상기 적어도 하나의 유도 코일의 전기적 특성의 변화와 관련된 피드백으로부터, ⅱ) 상기 적어도 하나의 유도 코일과 접촉하지 않고, 상기 재료로부터 이격된 솔레노이드 코일의 전기적 특성의 변화와 관련된 정보로부터, 또는 이들의 조합으로부터 획득되는 것인, 감지하는 단계; 및
    감지되는 적어도 하나의 전기 파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 유도 코일에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 영역 내측의 부하 저항, 상기 재료의 비저항, 상기 재료의 온도, 상기 재료의 고상 비율, 상기 재료의 액상 비율 및 이들의 조합을 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 감지된 적어도 하나의 전기 파라미터를 이용하여, 상기 재료 용기 내의 상기 재료의 온도, 상기 재료의 고상 비율, 상기 재료의 액상 비율 또는 이들의 조합을 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 재료는 상기 재료의 고상 온도보다 높은 온도에서 상기 재료 용기 내로 삽입되는 것인 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 재료는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며, 이 알루미늄 합금은 (i) 적어도 77.55중량%의 알루미늄과, (ii) 구리, 철, 마그네슘, 망간, 니켈, 규소, 주석, 티타늄 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2종의 금속을 포함하는 것인 방법.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 재료는 상기 적어도 하나의 유도 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 상기 재료 용기 내에서 적어도 부분적으로 교반되는 것인 방법.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서, 감지되는 적어도 하나의 전기 파라미터를 이용하여 상기 적어도 하나의 유도 코일에 인가되는 전력 레벨을 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전력 레벨을 제어하는 단계를 이용하여, 상기 재료가 상기 재료 용기로부터 부어지거나 다른 방식으로 재료 용기로부터 토출되기 바로 전에 상기 재료에서 요구되는 고상 비율 및 액상 비율을 갖도록 상기 재료의 고상선 온도보다 높은 온도로의 상기 재료의 상기 온도의 저하를 제어하는 것인 방법.
  17. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 재료 용기 내에 재료가 있는 동안에 상기 감지되는 적어도 하나의 전기 파라미터를 연속적으로 또는 주기적으로 모니터링하여 상기 재료 용기 내의 재료의 온도 추이를 트래킹하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  18. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 감지되는 적어도 하나의 전기 파라미터의 시간에 대한 도함수를 구하고 이 도함수를 이용하여 상기 재료 용기 내의 재료의 시간의 경과에 따른 온도 추이를 결정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  19. 제10항 또는 제11항에 있어서, 목표 전기 파라미터를 설정하고, 상기 재료 용기 내의 재료의 온도가 상기 감지되는 적어도 하나의 전기 파라미터와 상기 목표 전기 파라미터를 동일하게 하는 특정 온도로 되도록 상기 적어도 하나의 유도 코일에 인가되는 전력 레벨을 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  20. 제10항 또는 제11항에 있어서, 목표 사이클 시간을 설정하고, 이 목표 사이클 시간과 동일한 시간 기간 내에 상기 재료 용기 내의 재료의 온도가 특정 온도로 되도록 상기 적어도 하나의 유도 코일에 인가되는 전력 레벨을 제어하는 단계를 포함하며, 상기 목표 사이클 시간은 설정값 또는 조절 가능 값일 수 있는 것인 방법.
  21. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 재료 용기 내의 재료가 원하는 온도, 고상 비율(fs) 및 이들의 조합에 도달한 후에 성형 또는 주조 장치에 상기 재료를 배치하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  22. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 재료의 온도는 열전쌍에 의해 측정되지 않는 것인 방법.
  23. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 재료가 리셉터클 내에 배치되는 시점부터 이 재료가 리셉터클에서 제거되는 시점까지 상기 재료의 온도, 점도 또는 이들의 조합이 연속적으로 모니터링되고, 상기 재료의 온도, 점도 또는 이들의 조합은 상기 재료가 상기 리셉터클 내에 배치되는 시점부터 이 재료가 리셉터클에서 제거되는 시점까지 연속적으로 제어되는 것인 방법.
  24. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은,
    a) 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 일정하게 유지하거나,
    b) 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 증가시키거나,
    c) 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 감소시키거나, 또는
    a), b) 및 c) 중 임의의 조합을 행하는 것인 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은, 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 일정하게 유지하고, 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 증가시키며, 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료의 온도를 감소시키고, 그리고 적어도 부분적으로 상기 재료 용기 내의 용융 또는 반용융 재료를 교반시키는 것인 방법.
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