KR101750516B1 - 용융 금속 필터의 프라이밍 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

액체 금속으로부터 고체 개재물(solid inclusion)을 제거하기 위한 비전기 전도성 필터를 효과적으로 프라이밍(priming)하는 장치 및 방법을 기술하였다. 일 구체예에서, 세라믹 필터 미디어는 순수 금속 유동체의 방향으로 배열된 축을 갖는 저주파 유도코일(1-60 Hz)로 둘러싸인다. 코일은 필터 요소의 기공 상 또는 내에 금속의 가열을 강화하기 위해 배치된다. 일 구체예에서, 코일은 로렌츠 힘을 생성하기 위해 배치되며, 이것은 가열된 금속이 필터 요소의 상부 표면에 부딪히도록 작용하여 프라이밍 작용을 강화한다. 이러한 코일이 설치된 필터가 프라이밍되면 고온 또는 재가열이 유지되어, 이후 여러 뱃치 탭핑(tapping) 순서 동안 재사용될 수 있다.

Description

용융 금속 필터의 프라이밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRIMING A MOLTEN METAL FILTER}

본 출원은 2012년 4월 27일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/639,196호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원은 그 전체가 여기에 참조로 포함되었다.

기술분야

본 발명은 액체 금속에서 고형 개재물(solid inclusion)을 제거하기 위한 필터의 프라이밍(priming)에 관한 것이다. 본 원에서는 용융 금속 필터를 프라이밍하기 위한 장치 및 방법을 기술하였다.

세라믹 필터와 통상적으로 세라믹 폼(Foam) 필터(CFF)는 현재 미국 특허 제3,893,917호에 기술된 바와 같이 액체 금속을 정제하는데 사용할 수 있다. 대부분 이것은 액체 금속, 예컨대 스틸 및 알루미늄에서 고형 개재물을 제거하는 것과 연관되어 있다. 이러한 고형 개재물은 응결(solidification) 전에 제거되지 않으면 최종 금속 제품에서 물리적 결점을 유발할 수 있다.

필터 미디어(media)를 가장 효과적으로 사용하기 위해서 필터의 개방 기공(open porosity)은 액체 금속으로 완전히 충전되어야 한다. 필터가 액체 금속으로 완전히 충전되면 필터 미디어의 표면 습윤(wetting)을 개선하여 고형 개재물의 수집을 촉진한다. 해결되어야 할 과제는 불완전한 프라이밍이 고형 개재물의 낮은 수거 효율과 함께, 필터 활성부에서의 국소적으로 높은 액체 속도, 높은 작동압력 저하 또는 낮은 전체 액체 금속 처리량을 유발한다는 점이다.

일반적으로는 세라믹 폼 필터를 필터링 장치 또는 '보울(bowl)' 내에 가스켓 (gasket) 물질로 대체하여 금속 높이가 필터 위로 형성되어 필터 미디어 내로 통과하는 중력이 가해지도록 한다. 이후 개재물은 딥(deep) 또는 베드 여과 메카니즘에 의해 제거된다. 이러한 세라믹 필터의 불량한 습윤 특성과 기공 내에 함유된 공기 제거의 필요성은 대개, 특히 여과 작업의 출발점에서 어려움을 유발한다.

여과에서 프라이밍의 중요성은 수많은 특허 및 특허출원에 기술되어 있으며, 예를 들어 미국 특허 제4,872,908호에서 Enright, P.G. 등은 프라이밍의 정의와 역할을 상세히 기술하고 20 마이크론의 입자(-13.4 내지 54.8% 사이)를 30 PPI 필터에서 LiMCA를 사용하여 제거하는 경우의 특이적 효능 데이터를 제공하였다. 여과 효율의 많은 범위는 부분적으로 필터 성능에 대한 프라이밍의 영향 때문일 수 있다. Yarwood, J.C. 등의 미국 특허 제4,081,371호에서는 세라믹 폼 필터 내에서 기체 기포를 제거해야 하는 필요성과 프라이밍에 대한 메탈로스태틱 헤드(metallostatic head)와 필터 각도의 작용을 기술하고 있다. 일반적으로 (메탈로스태틱 헤드 또는 다른 장치로부터의)고도의 전체 압력은 프라이밍 효율을 개선한다. Quackenbush, M.S.의 미국 특허출원 제09/867,144호에서는 공기 기포 방출을 촉진하는 기계적 힘을 적용하지 않고, 필터 미디어의 보다 용이하고 더욱 완전한 프라이밍을 확보하기 위해 포집된 공기 기포를 방출하는 목적의 필터 미디어를 기술하였다.

미국 특허 제7,666,248호(Belley, L, et al)는 60 이상 PPI를 갖는 필터의 전형인 2.5 내지 7.6 cm의 두께와 150-500 마이크론의 낮은 평균기공 또는 "윈도우" 크기를 갖는 세라믹 폼 필터에 적절한 프라이밍을 보장하는 효과적인 프라이밍 압력을 증가하기 위하여 액체 알루미늄 헤드 등가물의 약 6 kPa 또는 약 25 cm의 추가 압력 그래디언트를 생성하는 진공 시스템을 사용하는 방법을 기술하였다. 다른 방법으로 이 필터들은 적절한 프라이밍을 보장하기 위해 실질적인 메탈로스태틱 헤드(바닥을 거쳐서 필터 상부까지의 수직 거리)를 필요로 한다. Belley 등은 세라믹 폼 필터용 프라이밍 헤드의 전형적 범위는 약 20-80 cm라고 기술하였다. 높은 값은 높은 기공 밀도 및 더 작은 윈도우 크기와 연관되어 있고, 대개 현존하는 캐스팅 작업에서 시행하는 것이 불가능하다.

필터는 일반적으로 금속의 필터 미디어 내로의 유동과, 그에 따라 필터에서 고정 금속 높이의 프라이밍 효율을 개선하기 위해 예열된다. 필터 미디어의 열 손상을 유발할 수 있는 국소적 과열 없이 균일한 가열을 얻는 데에는 대개 어려움이 따른다. 이 때문에 전체 필터 영역이 액체 금속을 통과하는데 사용되도록 하는 것이 어렵게 된다. 미국 특허 제4,834,876호(Walker, N.G.)에서는 비전도성 세라믹 필터가 니켈 같은 전도성 물질로 필터 미디어 입자들을 코팅하거나 필터 미디어를 구성하는 탄화규소 같은 전기전도성 물질을 사용하여 전기적으로 전도성이 되게 하는 방법을 기술하였다. 전류가 미디어를 통과하거나 와류를 유발하는 유도코일로 필터를 감싸서 미디어가 저항(I²R) 손실로 인해 자가 가열을 유발하여 확실히 예열되어 프라이밍을 완료할 수 있다.

저주파 유도코일과 세라믹 폼 필터 요소의 사용을 포함하는 방법이 미국 특허 제4,837,385호(Calogero, C. et al.)에서 제안되었다. 이 방법에서는 수많은 다양한 장치들이 제공되어 횡류(crossed current)와 자기장을 형성하여, 로렌츠 힘(Lorentz force)을 생성하였다. 이러한 방법들 중 일부는 전극과, 전극이 여과되고 있는 액체 금속에 대한 잠재적인 오염 공급원이기 때문에 바람직하지 않은 소위 '인젝션 전류'의 사용을 포함하고 있다. Calogero 등이 기술한 방법의 이론은 로렌츠 힘이 개재물이 아니라 금속에 우선적으로 작용하여 개재물의 이송과 필터 미디어 벽에 의한 개재물의 차단을 유발한다는 것이다. 필터 미디어 프라이밍에 대한 자기장의 영향은 기술하지 않았다. 또한, Calogero가 기술한 메카니즘은 자기와 로렌츠 힘 분야의 대폭적인 컬(curl) 또는 소용돌이(vorticity)가 존재하지 않는 것에 의존하고 있다. 그러나, 미국 특허 제4,909,836호에 기술된 바와 같이 소용돌이는 일정한 헬리컬 피치(helical pitch)를 갖는 정상적 유도코일이 횡류와 자기장의 공급원으로 사용되는 경우 이러한 영역에 항상 존재한다.

본 발명의 일 측면에서는 액체 금속의 직접 접촉과 오염을 피하기 위해 유도코일을 사용한다. 표준적인 일정 피치 유도코일이 사용된다. 본 발명자들은 이같은 유도코일로 만들어진 자기 및 로렌츠 힘에서 소용돌이에 대해 충분히 인식하고 소용돌이를 최대한 유리하게 사용하는 방법을 설계하므로써 필터 미디어 내로 금속을 가압하여 낮은 메탈로스태틱 헤드를 갖는 양호한 프라이밍을 얻었다.

정의

여기에서 사용된 "프라이밍(priming)"이란 용어는 필터(예를 들어, 세라믹 폼 필터)의 개방 기공 구조 내에 함유된 공기를 대체하고 액체 금속에 의한 필터 미디어의 습윤(wetting)을 향상하여 최대 부피와 내부 표면적이 유동체를 통과하고 입자들을 수집할 수 있도록 하는 것을 의미한다.

여기에서 사용된 "개재물(inclusion)"이란 용어는 금속보다 녹는점이 더 커서 가공 온도에서 고체인 액체 금속의 오염물을 지칭한다.

발명의 요약

본 발명의 다양한 측면은: (1) 외부적으로 적용된 진공 또는 기체 압력을 사용하지 않고, 저주파 유도코일(1-60 Hz)을 사용하여 비전기적 전도성 필터 요소의 완전한 프라이밍을 보장하는 프라이밍 방법; (2) 높은 효율로 작동하여 개재물이 거의 없는 금속 제품을 제조하기 위해 시판되는 50-80 PPI 세라믹 폼 필터의 대표적인 것들과 같은 작은 '윈도우' 크기를 갖는 세라믹 폼 필터의 프라이밍과 후속하는 작업을 개선하기 위한 프라이밍 방법; (3) 전통적인 세라믹 폼 필터 또는 프라임될 전통적인 필터의 스택을 더 두껍게 할 수 있는 프라이밍 방법; 및 (4) 이전에 사용된 필터 미디어를 포함하는 필터 미디어를 뜨겁게 유지하거나 재가열하여 하나 이상의 캐스팅 사이클에서 재사용될 수 있게 하는 장치에 관한 것이다.

일 구체예에서, 필터를 프라이밍하는 장치는 액체 금속 유동체를 받아들이는 필터 요소; 필터 요소를 둘러싸며, 자기장을 생성하는 유도코일(여기서, 유도코일의 축은 액체 금속 유동체의 주입 방향으로 배열된다); 필터 요소 주위를 둘러싸며 필터 요소에 고정된 가스켓; 및 유도코일을 수용하고, 액체 금속 유동체와 유도코일을 분리하는 분리기를 포함한다.
일 구체예에서, 액체 금속에서 고체 개재물을 제거하기 위한 비전기 전도성 세라믹 필터 프라이밍 장치는, 액체 금속 유동체를 받아들이는 필터 요소; 필터 요소를 둘러싸며, 자기장을 생성하는 유도코일(여기서, 유도코일의 축은 액체 금속 유동체의 주입 방향으로 배열된다); 필터 요소를 둘러싸며, 유도코일을 몸체 내부에 수용하고, 액체 금속 유동체와 유도코일을 분리하는 분리기; 및 분리기와 필터 요소 사이에 위치되고, 필터 요소 주위를 둘러싸며 필터 요소에 고정된 가스켓을 포함한다.

일 구체예에서, 저주파 유도코일은 세라믹 필터 미디어, 예컨대 세라믹 폼 필터 요소 또는 필터 요소의 스택 주위 또는 그에 최근접하여 배치된다. 자기장이 존재하므로써 약 50 mm의 일반적 산업기준보다 더 두꺼운 필터의 프라이밍이 가능하다. 허용가능한 총 두께는 장치된 유도코일 길이로 결정된다.

코일과 필터 요소의 배향은 수직이거나 수평일 수 있으나, 단 기체가 프라이밍하는 동안 배출될 수 있는 경로를 만든다.

유도코일의 전기 전도체는 여러 가지 상이한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 평평한 라운드, 관모양, 직사각형 또는 사각형이다. 전통적인 유도 전기로 (furnace) 코일과는 달리, 본 발명의 코일은 전기적으로 효율적인 용융을 우선적으로 목적하는 장치의 일부로서 사용되는 것이 아니므로 낮은 전기저항을 위해 구성될 필요가 없다. 따라서, 높은 전류밀도가 유리하게 사용되어(예를 들어, 50 A/mm² vs. 1-10 A/mm²의 대표값), 주어진 높이의 코일에서 더 많은 회전을 제공하여 자기장 강도의 상응하는 증가를 얻을 수 있는 비례적으로 더 작은 직경 전도체를 얻는다. 필터 미디어의 높이에 대해 훨씬 더 높은 자기장 강도를 얻기 위해 단일층, 이중층 또는 더 많은 층의 코일을 유리하게 사용할 수도 있다. 3개를 초과하는 층을 갖는 유도코일을 사용할 수도 있으나, 추가적인 자기장 강도의 이점을 감소시킬 수 있다.

일 구체예에서, 필터 미디어는 실질적으로 수평이고 유도코일로 둘러싸여 있다. 유도코일은 필터 요소의 상부 표면 위로 이어지도록 배치되어 길이방향의 높은 자기 선속밀도(flux density) 영역 내의 필터 상단에 위치한다. 자기장의 선속밀도는 코일의 전체 높이에 대해 매우 강하지만, 코일의 최종 회전 이후에 급격히 소멸한다.

본 발명의 또다른 측면은 코일의 상단과 적어도 같은 높이로 필터에 부어진 금속을 특징으로 한다. 바람직한 구체예에서, 금속은 유의한 금속 메니스커스의 형성을 방지하고 프라이밍에서 금속 산화의 잠재성을 줄이기 위해 코일의 상단보다 실질적으로 더 높다. 코일의 자기장은 필터 미디어 상에 있는 금속에서 와전류를 유도하고, 이것은 코일의 강력한 자기장과 상호작용하여 강력한 로렌츠 힘을 생성한다. 이러한 힘이 생성될 수 있는 깊이는 코일 여기(excitation) 전류에서 낮은 교대 주파수를 사용하여 증가된다. 폭이 넓은 필터 요소는 폭이 더 좁은 필터와 유사한 결과를 얻기 위해 저주파를 사용해야 한다.
본 발명의 다른 구체예로서, a) 교대여기전류(alternating excitation current)를 유도코일에 적용하고; b) 필터 요소의 상류 쪽을 커버하기 위한 액체 금속을 첨가하고; c) 코일 및 코일의 자기장에 의해 액체 금속에서 유도된 전류가 액체 금속에 가해져서 액체 금속을 교반하는 로렌츠(Lorentz) 힘을 생성하여 액체 금속을 세라믹 내로 가압하여 필터를 프라이밍(priming)하고; d) 미리 결정된 프라이밍도가 얻어지면 여기 전류를 중지하는 것을 포함하는, 필터가 필터 보울에 포함되고, 목적하는 순수(net) 금속 유동체의 방향으로 축이 배열된 유도코일로 둘러싸인, 액체 금속에서 고체 개재물(solid inclusion)을 제거하기 위한 비전기 전도성 세라믹 필터의 프라이밍 방법이 개시된다. 2 이상의 세라믹 폼 필터는 총 50-150 mm의 두께로 조합된다. 또한, 액체 금속은 알루미늄 합금이며, 금속이 코일 상단 위로 5 내지 15 cm 이어진다.

코일의 가열 효율은 주파수에 따라 증가한다. 본 발명의 일 측면에서, 코일 여기 전류의 주파수는 바람직하게 1 내지 60 Hz, 더욱 바람직하게 50 내지 60 Hz이다. 이 주파수 범위는 교반과 가열의 최적 조합을 제공한다. 이전에 사용된 필터 미디어에서 동결된 금속을 재용융하기 위해 가열이 더 필요한 경우, 임의로 더 높은 주파수를 사용할 수 있다. 바람직한 구체예에서, 라운드 필터의 반경 또는 직사각형 또는 사각형 필터의 폭은 50 또는 60 Hz의 표준 전기선 주파수를 사용하여 최적의 유리한 효과를 제공하도록 선택된다.

코일과 필터 장치는 본 발명의 목적에서 벗어나지 않고 단면으로 라운드, 사각형 또는 직사각형일 수 있다. 직사각형 모양이 전체 필터 면적을 최대화할 수 있는 반면, 자기장이 투과하도록 해야하는 폭을 최소화하는 이점을 갖는다. 직사각형 모양은 값비싼 고체 상태 동력 공급이 필요하게 되는 선 주파수(50 또는 60 Hz) 미만의 주파수를 사용해야 하는 요건을 배제할 수 있다.

로렌츠 힘은 처음에 비전기전도성 필터 미디어가 아니라 금속에서만 생성된다. 따라서, 커다란 초기 소용돌이가 로렌츠 힘 영역에 존재하여 금속의 회전과 필터 요소 표면에 대해 충돌을 야기한다. 이것이 금속을 필터 내로 보내는 충돌 금속의 모멘텀이다.

본 발명자들은 필터 미디어 내에서 전류 흐름이 세라믹 매트릭스의 존재에 의해 놀라운 정도로 억제되는 것을 발견하였다. 그 결과, 필터 위 또는 아래 금속에서 보다 필터 내에서 더 적은 전류가 흐르고, 따라서 로렌츠 힘의 규모가 감소한다. 필터 내의 감소된 유효 전기전도성은 로렌츠 힘의 실질적 소용돌이가 전체 필터 프라이밍 시점까지 그리고 그 시점을 지나서 계속 존재하는 것을 보장한다. 그 결과, 금속이 필터 미디어 내로 들어가서 통과된다. 고도의 기공밀도 필터, 예를 들어 50 및 80 PPI는 저항력이 증가하여 로렌츠 힘의 소용돌이가 증가되고 증가된 구동력을 제공하여 '기밀한(tighter)' 필터 요소를 프라이밍한다.

필터 미디어가 예열되지 않으면, 액체 금속은 처음에 필터 미디어 표면에 동결된다. 고체 금속이 동일한 온도에서 액체 금속보다 실질적으로 더 높은 전기전도도를 갖는 것(알루미늄의 경우 약 두 배)을 고려하면, 고체는 우선적으로 전류를 전도하면서, 동시에 빨리 흐르는 액체 금속에 의해 영향을 받는다. 정지상으로 남아 있도록 하면서 인덕터(inductor)의 높이 내에서 액화할 때까지 연속 가열을 수행한다. 바람직한 구체예에서, 필터 요소는 일반적인 방법으로 예열하여 크래킹을 방지하기 위해 열 스트레스를 감소시킨다. 그러나, 예열이 매우 치밀한 80 PPI 필터 요소에 대해서도 프라이밍을 위한 요건은 아니다.

필터 미디어가 실질적으로 금속으로 채워지면 코일의 여기(excitation)를 중지할 수 있다. 이후, 통상적인 캐스팅 공정을 사용할 수 있다. 회분식 캐스팅 공정이 완료되면 연속 금속 유동체의 부재 하에서 재사용이 어렵기 때문에 필터 미디어를 폐기하는 것이 일반적이다.

본 발명의 또다른 구체예에서, 사용된 필터 요소는 개재물을 제거하는 그의 작용이 완전히 소모될 때까지 재사용할 수 있다. 사용된 필터 요소는 액체 금속으로 프라이밍하기 전에 유도성 가열 기간을 적용하거나 연속 유도 가열을 사용하여 캐스트 사이에서 액체 금속으로 충전된 필터를 유지하여 재사용할 수 있다. 일 측면에서, 60 Hz 초과의 여기 전류가 유리하게 사용된다. 이 구체예는 용융 작업을 위해 특별히 설계된 제2 코일과 임의로 조합될 수 있는 듀얼 주파수 전력 공급기를 사용할 수 있다.

참조문헌

미국 특허 제3,893,917호 7/1975 Pror et al. 210/69

미국 특허 제4,081,371호 3/1978 Yarwood et al. 210/69

미국 특허 제4,834,876호 5/1989 Walker 210/185

미국 특허 제4,837,385호 6/1989 Conti et al. 210/695

미국 특허 제4,872,908호 10/1989 Enright et al. 75/68

미국 특허 제7,666,248호 2/2010 Belley et al. 75/407

미국 특허출원 제09/867,144호 12/2002 Quackenbush. 210/510.1

미국 특허 제4,909,836호 03/1990 El-Kaddah 75/10.67

본 원은 적어도 하나의 컬러로 작성된 도면을 포함한다. 컬러 도면을 포함하는 본 특허 또는 특허출원 공개의 사본은 요청에 따라 필요한 비용을 지불한 후 당해 기관으로부터 제공받을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 구체예의 모식도이다.
도 2는 새로운 30 PPI 세라믹 폼 필터의 상대적 개방 구조를 나타내는 전자주사현미경 사진이다.
도 3은 새로운 80 PPI 세라믹 폼 필터의 금속 유동체의 정상 방향에 수직하는 상대적 폐쇄 구조를 나타내는 전자주사현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 구체예에 따라 30 PPI 세라믹 필터를 프라이밍하는 비제한적 실시예의 사진이다.
도 5는 본 발명의 구체예에 따라 30 PPI 세라믹 필터를 프라이밍하는 비제한적 실시예의 사진이다.
도 6은 유도코일이 없는 30 PPI 세라믹 필터의 불완전한 프라이밍 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1의 데이터를 로그화한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 2의 데이터를 로그화한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 3의 데이터를 로그화한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 구체예에 따라 50 PPI CFF를 프라이밍하는 비제한적 실시예의 사진이다.
도 11은 유도코일이 없는 50 PPI CFF의 무시할 정도의 프라이밍을 나타내는 사진이다.
도 12는 본 발명의 구체예에 따라 80 PPI CFF를 프라이밍하는 비제한적 실시예의 사진을 나타낸 것이다.
도 13은 유도코일이 없는 80 PPI CFF의 무시할 정도의 프라이밍을 나타내는 사진이다.

본 발명의 원리에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 도면에 예시된 구체예를 참조하였다. 그러나, 본 발명의 특정 구체예의 예시와 설명이 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다. 예시되거나/되고 기술된 구체예의 변경 및/또는 변형도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주한다. 또한, 본 발명과 관련된 분야의 숙련된 기술자들에게 일반적으로 일어날 수 있는, 여기에 예시 및/또는 기술된 바와 같은 본 발명의 원리의 다른 적용도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주한다.

도 1은 전형적으로 세라믹 폼 필터로 사용된 일반적 필터 '보울' (1)을 나타낸 것이다. 도 1은 유도코일 (2)를 포함하는 본 발명에 따라 적합하게 변형된다. 두 층의 유도코일 (2)를 도 1에 나타내었다. 단일, 이중 또는 더 많은 층의 코일이 또한 본 발명의 목적을 변경하지 않고 사용될 수 있다.

유도코일 (2) 내에 장치된 표준 세라믹 폼 필터 요소 (3)을 나타내었다. 선택적으로, 2 이상의 필터 요소는 본 발명의 목적에서 벗어나지 않고 축적(stack)될 수 있으나, 단 코일 (2)는 도 1에서 점선 (13)으로 표시된 바와 같이 한 번의 코일 회전 또는 적어도 5%, 바람직하게 10%의 코일 반경으로 필터 (3) 상단의 상부 표면 위로 이어진다.

유도코일 (2)는 바람직하게 자기장의 가장 유리한 결과를 얻기 위해 필터 (3)의 가장자리에 가능한 가깝게 위치한다. 가스켓 물질 (4)이 필터 (3) 주위에서 액체 금속의 누출을 방지하고 열 절연 및 내화물 (5)을 위해 적합한 공간이 허용되어야 한다. 보울 (6)의 상부 또는 보울의 배출부 (7)에서 고온의 금속과 코일 (2) 또는 코일 리드(lead) (8)이 접촉하는 것을 방지하기 위해 충분한 열 절연과 내화물이 존재하여야 한다. 당업자들이라면 적합한 냉각 매질(유기물 또는 물)이 전기 컨덕터에 대한 전기적 또는 열적 과열 및 손상을 방지하기 위해 코일 리드 (8) 및 코일 (2)과 함께 사용되어야 하는 것을 이해할 수 있다. 컨덕터들 (8) 사이와 코일 (2)의 층들 사이의 접촉을 차단하여 여기 전류의 전기적 단락(short circuiting)을 방지하여야 한다.

여과 장치로서 작용하기 위해 보울은 적합한 액체 금속 공급물 (9)와 배출 수단 (10)을 구비하여야 한다. 보울의 측부 (11)과 바닥 (12)는 여과될 금속의 열 균형을 유지하기 위한 적합한 내화물로 설계된다. 필터 (3)은 사용하기 전의 과도한 열 쇼크를 방지하기 위해 통상적 수단에 의해 예열할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구체예에서, 전류는 충분한 크기의 유도코일에 부과되어 프라이밍되지 않은 필터의 폭을 가로질러서 0.05-0.25 T의 평균 자기 선속밀도를 생성한다. 코일 여기 전류의 주파수는 바람직하게 1 내지 60 Hz이다. 충분하게 높은 자기 투과를 얻고 과도한 가열을 피하기 위해서 코일 여기 전류의 주파수는 보울 (6) 상부의 액체 금속 내 전자기 투과 깊이(δ)와 필터 (3)의 평균 반경 또는 폭 사이의 비율이 바람직하게 0.5 내지 3.0, 더욱 바람직하게 0.7 내지 1.4인 범위 내인 것이 바람직하다.

바람직한 일 구체예에서, 액체 금속은 코일 (2)에 적용된 전류와 함께 유입구 (9)를 통해 보울 (6)의 상부에 첨가된다. 선택적으로, 액체 금속이 먼저 첨가된 다음, 전류가 코일 (2)에 적용된다. 바람직한 구체예에서, 액체 금속이 보울 (6)의 상부를 코일 (2)의 최종 회전을 넘는 충분한 높이까지 채워져서 전자기 메니스커스의 형성을 방지한다. 이 구체예는 또한 프라이밍 동안 금속의 과도한 산화를 방지한다.

전자기 프라이밍은 필터의 상부 표면에서 최소한의 액체 금속으로 수행될 수 있다. 바람직하게, 약 5-10 cm의 액체 금속 높이가 코일 2의 상부 회전 위로 위치한다. 선택적으로, 약 1.1 내지 3.6 kPa의 메탈로스태틱 압력이 과도한 메니스커스 형성을 방지하고 코일과 필터 사이 공간에서 0.1-0.2 T 범위의 평균 자기 선속밀도를 사용하면서 30 내지 80 PPI CFF 필터의 적절한 프라이밍을 얻는데 바람직하다.

본 발명의 일 측면에서, 전류는 약 30초 내지 약 10분, 더욱 바람직하게 약 3-6분의 기간 동안 계속된다. 일단 적절한 프라이밍이 얻어지면 코일 (2)에 대한 여기 전류를 중지할 수 있다.

필터 요소 (3)이 사용되고 나면, 먼저 유도코일 (2)를 사용하여 이것을 임의로 다시 사용하여 필터 (3)의 기공 내에 동결된 금속을 재용융할 수 있다. 당업자들이라면 용융에 있어서 고주파가 유리하다는 것을 알고 있다. >60 Hz의 주파수가 적용될 수 있다. 따라서, 듀얼 주파수 전력 공급기가 본 방법에서 유리하게 사용될 수 있다. 숙련된 실무자는 필터 요소에 대한 심각한 과열 및 가능한 손상 없이, 높은 전기적 효능을 얻으면서 정확한 시간 내에 원하는 용융을 얻기 위한 주파수, 전류 및 시간을 특정할 수 있다. 제2 코일을 임의로 설계하고 코일 (2)에 대해 동축으로 설치하여 보다 더 에너지 효율적인 용융을 얻을 수 있다.

본 발명은 특정 실시예를 참조로 하여 보다 잘 이해될 수 있다. 실시예들은 예시를 위한 것으로 본 발명의 적용가능성을 제한하지는 않는다. 이러한 실시예들은 표 1에 나타낸 여러 개의 상이한 코일들을 사용하여 수행되었다. 이 코일들은 50 Hz에서 다양한 실시예에서 지시된 바와 같은 적용 전류를 사용하여 작동되었다.

코일:	코일 1	코일 2	코일 3
층의 수	2	1	2
내경, mm	126	126	127
평균 직경, mm	140	132	142
높이, mm	107	111	116
코일 구리관 직경, mm	6	6	6
코일 구리관 두께, mm	1	1	1
회전수	31.0	16.5	31.0
빈 코일의 측정된 인덕턴스, μH	103.3	27.6	101.5

실시예에서는 100-105 mm 직경 및 50 mm 두께의 정격(nominal) 필터 크기를 사용하였다. 30, 50 및 80 PPI 시판 세라믹 폼 필터(CFF) 요소를 사용하였다. 30 및 80 PPI 시판 CFF의 SEM 사진을 도 2와 3에 나타내었다. 이 도면들로부터 30 PPI가 완전 개방 구조를 가지는 반면, 80 PPI의 기공 및 윈도우 크기는 훨씬 감소된 것을 분명하게 알 수 있다. 30 PPI의 개방 구조는 낮은 금속 헤드로 훨씬 용이한 프라이밍과 더 적은 예열이 가능하지만, 또한 액체 금속 중의 미세 개재물에 대해 특히 여과 효율을 감소한다. 80 PPI CFF의 폐쇄된 기밀 구조에서 공기를 투과하여 제거하는 금속을 얻기는 매우 어려우며, 따라서 당업자들에게 공지된 바와 같이 프라이밍 금속 높이를 증가시켜야 한다.

표준 알루미늄 캐스팅 합금, A356을 모든 실시예에서 사용하였고, 여기에 다양한 농도의 오염물을 첨가하였다. 1.5 wt% (실시예 4-6) - 3 wt% (실시예 1-3) SiC를 A356 합금 매트릭스 내에 내재된 13-23 마이크론 SiC 입자를 사용하여 첨가하였다. 실시예 1-3에서, 산화물 입자들은 또한 20중량%의 양극처리 및 래커된 (lacquered) 알루미늄 플레이트를 첨가하여 첨가된다.

실시예 1

실험실 스케일의 필터 보울을 정격 105 mm 직경, 30 PPI CFF를 2 섹션의 150 mm 길이 x 4" 직경 섬유 절연 도가니에 시멘팅(cementing)하여, 코일 1의 정중선이 CFF 바닥과 일치하고 대략 코일의 1 회전이 CFF의 상부 표면 위에 있도록 제조하였다. 보울의 바닥은 조밀한 세라믹 플레이트, ~25 mm 두께로 만들어졌으며, 여기에 3.2 mm 직경의 배출공을 뚫었다.

필터를 휴대용 프로판 버너를 사용하여 적열(glowing red) 온도까지 예열하였다. 731 A의 RMS 전류를 50 Hz에서 코일 1에 적용하였다. SiC와 산화물 입자를 함유하고 750 ℃의 정격 초기 주입온도(주입 전 함침 열전대 세컨즈에 의해 측정)의 A356 알루미늄 합금을 보울의 상부에 CFF의 상단 위 100 mm 레벨까지 첨가하였다. 이 레벨을 공급 도가니가 110초 후에 비워질 때까지 유지하였다. 알루미늄이 더 이상 배출공으로 방출되지 않으면 260초 후에 동력을 중단하였다. 필터 위와 아래에서 측정된 온도와 알루미늄의 방출율은 도 7에 표시된 바와 같이 로그화된 데이터이다. 유도 코일의 가열 효과는 도 13에 분명히 나타나 있고, 필터 위 금속의 온도가 감소하여도 낮은 온도가 시간에 따라 발생하였다. 액체 금속으로 유발된 증가된 전기저항으로 인하여, 여과 시 평균 코일 전류는 715 A이었다. 이 효과는 모든 실시예에 존재하였으며, 당업자들에게 알려져 있다.

이어서, 필터를 고농도의 극도로 단단한 연마성 SiC 입자로 인한 연마재 습식 커팅을 사용하여 절단하였다. 하나의 단면을 도 4에 나타내었다. 고도의 기공을 함유하고 저조한 금속-세라믹 습윤을 나타내는 영역을 커팅 가공 동안 제거하였다. 필터를 '강력한' 자기장으로 프라이밍하는 본 실시예에서, 아주 적은 물질만이 제거되었고, 양호한 습윤이 전자주사현미경을 사용한 후속 메탈로그래픽 분석에서 미시적뿐만 아니라 거시적으로 관찰되었다.

실시예 2

장치를 코일 2를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제작하였다. 마찬가지로 필터를 예열하였다. 956 A의 RMS 전류를 코일 2에 적용하였다. 750 ℃의 정격 주입온도에서 동일 레시피의 합금, SiC 및 산화물을 첨가하였다. 필터 위와 아래의 온도 및 알루미늄의 방출율을 도 8에 나타낸 바와 같이 다시 측정하였다. 공급 도가니를 110초 후에 비우고 215초 후에 동력을 중단하였다. 이 필터 요소를 '약한' 자기장으로 프라이밍하고 다시 습식 연마재 커팅을 사용하여 절단하였고, 이 경우 세라믹의 거대 기공성과 더 적은 습윤이 관찰되어 도 5에서 분명하게 나타난 커팅 동안 세라믹 물질의 손실로 표시되었다.

실시예 3

장치를 유도코일 없이 실시예 1 및 2와 동일한 방법으로 제작하였다. 필터를 붉게 탈 때까지 예열하였고, 다시 동일한 공급 레시피와 목표 주입온도를 사용하였다. 프라이밍 금속의 레벨은 공급 도가니가 비워질 때까지 145초 동안 필터 요소 위 100 mm로 유지되었다. 필터 위와 아래의 온도 및 알루미늄의 방출율을 도 9에 나타낸 바와 같이 다시 측정하였다. 필터 요소의 일 단면을 도 6에 사진으로 나타내었으며, 여기서는 실시예 1과 2의 도 4 및 5와 비교하여 필터 요소의 매우 높은 기공성과 저조한 습윤성이 나타났다. 필터의 불량한 프라이밍은 필터 위 동일한 메탈로스태틱 헤드와 방출 오리피스(orifice)의 동일 크기에 대해 감소된 금속 방출율로 표시되었다. 프라이밍 결과는 '강력한' 자기장으로 가장 양호했고, '약한' 자기장으로 덜 양호했으며 자기장이 없는 경우 가장 불량하였다.

실시예 4

장치를 바닥 플레이트의 배출공 없이 실시예 1 내지 3과 같이 제작하였다. 코일 번호 3을 사용하였다. 직경 100 mm의 50 PPI 시판 세라믹 폼 필터 (CFF)를 필터의 바닥이 코일의 정중선과 같은 고도에 있고 코일이 50 mm 두께 필터의 상부 표면 위에 대략 일 회전(one turn)을 연장하도록 배치하였다. A356 알루미늄 합금과 1.5 wt% SiC로 구성되는 공급물을 사용하였다. 필터를 예열하지 않았다. 필터 보울의 상위 부분을 액체 알루미늄 공급 물질로 750 ℃의 정격 주입온도에서 필터 요소의 상부 표면 위 100 mm 레벨까지 충전하였다. 이후, 738 A의 여기 전류를 코일에 적용하였다. 약 20초 경과 후, 금속이 필터 내로 유입되었고 금속을 첨가하여 필터 위 100 mm의 거의 일정한 높이를 유지하였다(104 mm, 동결 후 측정). 전류를 정확하게 180초 동안 유지하였다. 이후, 동력을 중단하고 샘플을 고형화하였다. 필터 요소를 스틸 블레이드를 사용하여 절단하였다. 폴리싱된 섹션을 도 10에 나타내었으며, 필터 요소의 매우 낮은 기공성과 완전한 금속 투과를 나타내었다.

실시예 5

유도코일이 없는, 실시예 4와 실질적으로 동일한 장치를 제작하였다. 동일한 공급 레시피와 충전 방법을 사용하였다. 다시 필터 요소에 대한 예열은 적용되지 않았다. CFF의 상단 위 100 mm까지 충전한 후에 금속 높이의 감소는 관찰되지 않았다. 장치의 분해 시 필터 요소가 100 mm의 금속에서 분리되었고, 이것은 필터 위에 동결되었으며 도 11에서 보이는 바와 같이 극소량(<20 mm)의 금속 투과만이 발생된 것으로 관찰되었다. 필터 미디어의 밸런스는 금속이 하나도 없어서 프라이밍이 실패하였다. 실시예 4와 5의 결과들 간 차이는 극명하며, 실시에서 실질적 차이는 단지 실시예 4의 경우에 '강력한' 자기장이고 실시예 5에서는 자기장이 없다는 것이다.

실시예 6

50 PPI CFF 대신에 80 PPI를 사용하여 실시예 4 및 5와 실질적으로 동일한 장치를 제작하였다. 실시예 4와 동일한 방법과 공급 레시피를 사용하였다. 액체 합금을 필터 상단 위 100 mm까지 충전한 후, 747 A의 여기 전류를 코일 3에 적용하였다. 대략 30-40 초 동안 금속을 필터 요소 내로 유입하고 금속을 필터 위에 첨가하여 100 mm의 레벨(99 mm, 동결 후 측정)을 유지하였다. 다시 전류를 정확하게 180초 동안 유지하였다. 동력을 중지하고 샘플을 고형화하였다. 이 필터 요소를 습식 연마재 커팅을 사용하여 절단하였다. 도 12에 나타낸 완전한 금속 투과, 낮은 기공성 및 양호한 습윤으로 표시되는 바와 같이 프라이밍은 매우 성공적이었다.

실시예 7

유도코일이 없는 것을 제외하고, 실시예 6과 실질적으로 동일한 장치를 제작하였다. 동일한 충전 과정과 공급물 레시피를 다시 사용하였다. SiC 입자를 함유하는 액체 알루미늄 합금을 80 PPI 필터 요소 위로 약 100 mm의 높이까지 첨가하였다. 금속 높이의 감소는 검출되지 않았다. 이후, 샘플을 고형화하였다. 해체 시, 필터 요소의 상단 위로 103 mm 이어진 금속은 필터의 밸런스로부터 분리되었고, 금속은 전혀 없었다. 도 13에서 보이는 바와 같이, 약 0-5 mm의 필터 물질이 동결된 금속에 부착되어 있었다. 이로써 프라이밍이 완전히 실패한 것으로 결론지어졌다. 또한 실시예 6과 7의 유일한 실질적 차이는 '강력한' 자기장이 실시예 6에서 사용되었고 실시예 7에서는 자기장이 적용되지 않았다는 것이다.

실시예 4와 6에서 강력한 자기장의 존재는 필터 예열이 없는 경우에도 양호한 프라이밍을 담당한다. 자기장의 부재는, 실시예 5와 7에서 예열 없이 필터에 대해 낮은 메탈로스태틱 높이와 조합하여, 프라이밍의 실패를 유발하였다.

본 원에 기술된 실시예와 구체예는 단지 예시를 위한 것이고, 그의 측면에서 다양한 변형 또는 변경이 당업자들에게 제안될 수 있으며, 본 원의 사상과 견해 및 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (22)

1. a) 교대여기전류(alternating excitation current)를 유도코일에 적용하고;
   b) 필터 요소의 상류 쪽을 커버하기 위한 액체 금속을 첨가하고;
   c) 코일 및 코일의 자기장에 의해 액체 금속에서 유도된 전류가 액체 금속에 가해져서 액체 금속을 교반하는 로렌츠(Lorentz) 힘을 생성하여 액체 금속을 세라믹 내로 가압하여 필터를 프라이밍(priming)하고;
   d) 미리 결정된 프라이밍도가 얻어지면 여기 전류를 중지하는 것을 포함하는,
   필터가 필터 보울에 포함되고, 목적하는 순수(net) 금속 유동체의 방향으로 축이 배열된 유도코일로 둘러싸인, 액체 금속에서 고체 개재물(solid inclusion)을 제거하기 위한 비전기 전도성 세라믹 필터의 프라이밍 방법.
2. 제1항에 있어서, 코일의 디자인과 적용된 전류의 크기가 코일과 세라믹 필터 사이의 공간에서 적어도 0.05 T의 평균 자기장 강도를 생성하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 평균 자기장 강도가 코일과 세라믹 필터 사이의 공간에서 0.05 내지 0.25 T인 방법.
4. 제1항에 있어서, 평균 자기장 강도가 코일과 세라믹 필터 사이의 공간에서 0.1 내지 0.2 T인 방법.
5. 제1항에 있어서, 액체 금속이 알루미늄 합금인 방법.
6. 제1항에 있어서, 액체 금속이 먼저 필터 보울에 첨가된 다음, 전류가 유도코일에 적용된 방법.
7. 제1항에 있어서, 비전기 전도성 세라믹 필터가 30 내지 80 PPI 및 25-75 mm 두께의 세라믹 폼 필터인 방법.
8. 제1항에 있어서, 2 이상의 세라믹 폼 필터가 총 50-150 mm의 두께로 조합된 방법.
9. 제1항에 있어서, 코일이 적어도 일 회전(one turn), 코일 반지름의 5 내지 10%, 코일 총 길이의 절반 미만으로 필터 상단의 상부 표면 위에 이어지는 방법.
10. 제1항 또는 제5항에 있어서, 금속이 코일 상단 위로 5 내지 15 cm 이어지는 방법.
11. 제1항에 있어서, 유도코일에 적용된 주파수가 1-60 Hz인 방법.
12. 제11항에 있어서, 유도코일의 주파수가 0.5 내지 3.0의 전자기 투과 깊이 비율을 제공하도록 선택된 방법.
13. 제11항에 있어서, 유도코일의 주파수가 0.7 내지 1.4의 전자기 투과 깊이 비율을 제공하도록 선택된 방법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 국소 전기 선 주파수가 필터 요소의 너비 또는 직경을 조절해서 사용되어 소정의 비율을 얻을 수 있는 방법.
15. 50 Hz 초과의 주파수로 제1항의 유도코일에 교류를 적용하는 것을 포함하고, 여기서 필터 기공에 함유된 고체 알루미늄을 유도 용융하기 위한 전류가 존재하는, 이전에 사용된 세라믹 필터 요소를 재사용하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 용융을 위해 특별히 설계된 제2 코일이 혼합 코일과 동축으로 장치된 방법.
17. 액체 금속 유동체를 받아들이는 필터 요소;
    필터 요소를 둘러싸며, 자기장을 생성하는 유도코일(여기서, 유도코일의 축은 액체 금속 유동체의 주입 방향으로 배열된다);
    필터 요소 주위를 둘러싸며 필터 요소에 고정된 가스켓; 및
    유도코일을 내부에 포함하고, 액체 금속 유동체와 접촉되는 분리기를 포함하는 필터 프라이밍 장치.
18. 제17항에 있어서, 유도코일이 필터 요소의 축을 따라 상부 표면 위로 이어지고, 필터 요소의 액체 금속 유동체와 마주하는 장치.
19. 제17항에 있어서, 유도코일이 단일층 코일 또는 복수층 코일인 장치.
20. 제17항에 있어서, 액체 금속 피드(feed)를 필터 요소로 유도하기 위해 설정된 액체 금속 피드와; 배출 장치를 추가로 포함하는 장치.
21. 제17항에 있어서, 액체 금속 유동체를 주입하기 전에 필터 요소를 예열하기 위해 설정된 예열 장치를 추가로 포함하는 장치.
22. 액체 금속에서 고체 개재물을 제거하기 위한 비전기 전도성 세라믹 필터 프라이밍 장치에 있어서,
    액체 금속 유동체를 받아들이는 필터 요소;
    필터 요소를 둘러싸며, 자기장을 생성하는 유도코일(여기서, 유도코일의 축은 액체 금속 유동체의 주입 방향으로 배열된다);
    필터 요소를 둘러싸며, 유도코일을 몸체 내부에 수용하고, 액체 금속 유동체와 유도코일을 분리하며, 액체 금속 유동체와 접촉되는 분리기; 및
    분리기와 필터 요소 사이에 위치되고, 필터 요소 주위를 둘러싸며 필터 요소에 고정된 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

Images