KR101801418B1

KR101801418B1 - 침지 노즐

Info

Publication number: KR101801418B1
Application number: KR1020127032993A
Authority: KR
Inventors: 요한 리차드
Original assignee: 비수비우스 크루서블 컴패니
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2017-11-24
Also published as: US20130098952A1; EP2588262A1; MX336921B; TWI558486B; PL2588262T3; AU2011271603A1; US9120148B2; SA111320553B1; ZA201208787B; EA021893B1; EP2588262B1; EA201201495A1; MX2012015191A; CA2800388A1; JP2013529551A; MY166993A; AR081861A1; CN102958629B; AU2011271603B2; JP5837589B2

Abstract

용융 금속 주조용 주입 튜브는 난류와 몰드 교란을 감소시켜, 보다 안정적이고 균일한 유출을 형성한다. 주입 튜브는 확대된 유출구 부분과 연통하는 모체를 가지고 있는 보어를 포함한다. 유출구 부분과 연통하는 출구 포트는 적어도 출구 포트의 한 벽이 보어의 몸체보다 큰 반경의 원과 접하는 오프셋 설계를 한다.

Description

침지 노즐 {SUBMERGED ENTRY NOZZLE}

본 발명은 일반적으로 내화성 물품에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연속적인 주조 작업 중에 용융 금속을 이송하는 데 사용하는 내화성 주입 튜브에 관한 것이다.

연속적인 금속의 주조, 특히 강(鋼)의 주조에 있어서, 용융 금속의 흐름은 통상 내화성 주입 튜브를 통해 제1 금속 용기로부터 제2 금속 용기 또는 몰드로 이송된다. 그러한 튜브는 통상적으로 노즐 또는 슈라우드(shroud)라고 불리우며, 이들 튜브는 용융 금속을 이송하는 데 알맞은 보어(bore)를 지닌다. 주입 튜브는 수용 용기 또는 몰드의 액면(液面) 아래에서 용융 금속을 배출하는 침지노즐(Submerged-Entry Nozzle; SEN) 또는 침지 슈라우드(Submerged-Entry Shroud; SES)를 포함한다.

액체 금속은 하나 이상의 출구 포트를 통해 보어의 하류 단부로부터 배출된다. 주입 튜브의 중요한 제1 기능은 방해 또는 중단없이 원활하고 일정한(steady) 방식으로 용융 금속을 배출하는 것이다. 원활하고 일정한 배출로 인하여 처리가 촉진되고 최종 제품의 품질이 개선될 수 있다. 주입 튜브의 중요한 제2 기능은 추가의 처리를 촉진하도록 수용 용기 또는 몰드 내의 액체 금속 내에서의 적절한 동적 환경을 구현하는 것이다. 적절한 동적 환경을 구현하는 데에는 주입 튜브가 복수 개의 출구 포트를 구비하는 것이 필요할 수 있으며, 이 출구 포트는 용융 금속의 흐름이 튜브로부터 배출될 때에 하나 이상의 방향으로 선회되는 것을 야기하도록 구성된다.

몇 가지 이유에서 용융 금속이 배출되는 몰드에서 회전 유동을 유발하는 것이 바람직할 수 있다. 유동의 회전은 몰드 액체 풀 안에서 체류 시간을 증가시켜 게재물의 부유를 향상시킨다. 유동의 회전은 또한 온도를 균일화하고, 강의 응고 면을 따라서 덴드라이트(dendrite)의 성장을 감소시킨다. 또한 유동의 회전은 강의 연속하는 강종(鋼種)들이 중단없이 주입튜브를 통과할 때에 강종들이 혼합되는 일을 감소시킨다.

유동의 회전을 제공하기 위한 시도로서 다양한 기술들이 사용되었다. 전자기 교반(stirring) 장치가 엔트리노즐 아래에 배치될 수 있다. 엔트리노즐은 사용시에 회전할 수 있도록 디자인되었다. 엔트리 노즐은 튜브의 보어에 접하는 곡선의 출구 포트로서도 디자인되었다.

종래 기술에는 다양한 단점들이 보인다. 전자기 교반 장치는, 엔트리 노즐의 회전이 산소가 액체 금속류와 접촉하도록 허용하는 적대적 환경에서 제한된 수명을 갖고, 곡선의 출구 포트는 전체 몰드 배치에서 회전 유동을 유도하는 데 성공적이지 못하다.

DE1802884는 봉강 주조를 위한 회전 공급 파이프를 개시한다. 그러나 이 장치는 수평축에 대한 직경이 보어보다 큰 포트 분배기가 없다.

FR2156373은 용융 금속의 회전 주조를 위한 과정과 장비를 개시한다. 그러나 그 장비는 수평축에 대한 직경이 보어보다 큰 포트 분배기가 없다.

FR2521886은 차례로 잉곳 몰드에 연속 주조 용융 금속을 회전하게 위치시키는 과정과 장치를 개시한다. 그러나 그 장치는 수평축에 대한 직경이 보어보다 큰 포트 분배기가 없다.

GB2198376은 연속주조를 위한 침지 튜브를 개시한다. 그러나 이 튜브는 수평축에 대한 직경이 보어보다 큰 포트 분배기가 없다.

JP6227026은 연속주조장치를 위한 침지노즐을 개시한다. 그러나 이 노즐은 수평축에 대한 직경이 보어보다 큰 포트 분배기가 없다.

RU2236326은 중간 레이들에서 몰드까지 강의 연속 주조를 위한 방법과, 그 방법을 수행하기 위한 침지가능한 노즐을 개시한다. 그러나 이 노즐은 수평축에 대한 직경이 보어보다 큰 포트 분배기가 없다.

SU1565573은 연속주조에서 용융 금속을 교반하기 위한 장치를 개시한다. 그러나 이 장치는 수평축에 대한 직경이 보어보다 큰 포트 분배기가 없다.

추가적인 전기기계 장치의 사용 없이 다양한 몰드 구성에서 회전유동을 발생시키는 내화성 주입 튜브에 대한 필요는 계속 되었다. 원칙적으로, 이러한 튜브는 또한 주조 몰드로 들어가는 용융 금속의 흐름을 개선 시키고, 그리고 주조 금속의 특성을 개선 시킨다.

본 발명은 용융 금속의 주조에 사용되는 주입튜브에 관한 것이다. 주입튜브는 적어도 두개의 출구 포트를 포함하고, 종래기술에 비하여 주입튜브에서 흘러나온 용융재료가 흘러들어가는 몰드 안으로, 더욱 효과적인 회전 유동을 제공한다. 유동의 회전은 게재물이 더 잘 부유하도록 액체 몰드 풀 안에서의 체류시간을 증가시키고, 강 응고 면을 따라 형성되는 덴드라이트(dendrites)의 성장을 감소시키며, 연속하는 강종들이 중단없이 주입튜브를 지나갈 때 강종의 혼합이 현저히 감소하게 해준다. 회전 유동의 특별한 구성이 높은 난류 레벨을 유도하는 대립 표면 유동을 감소시킬 수도 있다. 본 발명에 의한 회전유동의 발생은, 열 균일성과 최적 몰드 파우더 용융을 제공하는 데 있어 몰드의 내용물의 전자기적 교반의 사용을 대체한다. 이러한 이점들로 인해 개선된 완제품을 얻을 수 있다.

광범위한 양태에 있어서, 물품은 출구 포트와 직접 유체 연통하는 확장된 포트 분배기를 가지는 주입튜브를 포함한다. 출구 포트는 특정한 각도와 배치 및 특정의 상대 치수로 포트 분배기 주위에 배치된다.

일양태에 있어서, 본 발명은 포트 분배기 및 주입 튜브의 바깥 표면과 연통하는 내벽과, 포트 분배기 및 주입튜브의 바깥 표면과 연통하는 외벽을 포함하는 출구 포트를 포함한다. 외벽과 내벽은 완전히 수직일 수도 있고, 수직 부분을 포함할 수도 있고, 또는 출구 포트의 다른 표면보다 수직에서 약간 기울어지게 배치될 수도 있다. 외벽은 내벽보다 수평면에서의 길이가 길다. 출구 포트의 외벽 또는 출구 포트의 외벽의 수평 투사는 보어와 교차하지 않거나 보어의 수직 투사와 교차하지 않는다. 특정 실시예에서, 출구 포트의 외벽은 보어보다 반경이 크고 보어와 동심인 원에 접하거나 포트 분배기와 접한다. 특정 실시예에서, 출구 포트는 외부에서 차단되지 않는다; 본 발명의 물품에는 출구 포트의 외면에 배치된 부분, 그리고 출구 포트의 단면의 바깥쪽으로 향하는 투사에 의해 교차되는 부분이 없다. 본 발명의 특정 실시예들은 포트 분배기와 주입튜브 바닥면을 연결하는 바닥 구멍의 부재(不在)에 특징이 있다. 본 발명의 특정 실시예들은 직선이 포트 분배기로부터 튜브의 외벽으로 통과할 수 있는 포트들에 특징이 있다. 본 발명의 특정 실시예들은 회전 요소의 부재(不在)에 특징이 있다.

본 발명의 한 실시예에서, 출구 포트는 포트 분배기의 원주 둘레에서 회전각 Θ로 규칙적으로 배치되고, 출구 포트는 적어도 2r_pdsin(Θ/2)²의 포트 너비를 갖는데, 여기서 r_pd 은 포트 분배기 반경, Θ는 라디안 단위로서 포트 분배기의 원주 둘레에 포트가 차지하고 있는 회전각이다.

발명의 또 다른 실시예에서, 출구 포트는 4πr_b > nr_pdΘ > 1.3πr_b로 구성되는데, 여기서 r_b 은 보어의 반경, n 은 출구 포트의 개수, r_pd 은 포트 분배기의 반경, 그리고 Θ는 라디안 단위로서 포트 분배기의 원주 둘레에 포트가 차지하고 있는 회전각이다.

발명의 또 다른 실시예에서, 출구 포트는 수평면에서 Θ/2 이하의 0이 아닌 플래어 각을 갖는다.

발명의 또 다른 실시예에서, 출구 포트는 3πr_b ² > hna > 0.5πr_b ²로 구성되는데, 여기서 r_b 은 보어의 반경, h 는 출구 포트의 높이, n 은 출구 포트의 개수, 그리고 a 는 포트 입구의 너비이다. 절대값에 있어, 본 발명의 실시예는 발명의 주입 튜브의 생산을 용이하게 하고, 액체 금속 주조성을 촉진하도록 8mm 이상의 출구 포트 높이를 갖는 출구 포트를 사용한다.

본 발명의 추가적인 실시예에서, 출구 포트는, 포트 분배기의 원주 둘레에서 출구 포트가 차지하고 있는 최대각 Θ가 arccos(r_pd/r_ex)이고, a < r_pd(r_ex-r_pd)/r_ex)가 되도록 구성되는데, 여기서 a 는 포트 입구의 너비, r_pd 는 포트 분배기의 반경 그리고 r_ex 은 포트 분배기의 수평면에서의 주입튜브 반경이다. 절대값에 있어, 본 발명의 실시예는 발명의 주입 튜브의 생산을 용이하게 하고, 액체 금속 주조성을 촉진하도록 8mm 이상의 출구 포트 너비를 갖는 출구 포트를 사용한다.

출구 포트의 개수, 포트 분배기 크기와 배치, 포트 벽 높이, 포트 벽 너비, 포트 벽 플래어 각 및 포트 분배기의 수직축으로부터 포트를 지나 주입 튜브의 외부로 나가는 직선의 부재를 포함하는 본 발명의 디자인 요소들은, 유체가 출구 포트를 통해 바깥 방향으로 흐르는 데 따라 출구 포트 주위에서 유체의 소용돌이를 만든다. 몰드 벽과 접촉하는 제트의 강도와 마찬가지로, 본 발명의 주입 튜브의 출구 포트를 통해 지나가는 유체의 제트 모멘텀이 저하된다. 종래 기술 주입 튜브는 주입구와 출구 포트 사이의 유체 속도의 증가를 보여준다; 본 발명에서는, 이러한 증가가 최소화되거나, 경우에 따라서는 감소된다. 본 발명의 주입 튜브는 출구 포트의 안과 바깥 양쪽에 곡선의 유체 통로를 만든다. 본 발명의 4 포트와 6 포트의 주입 튜브는 일정하고 고르게 분포된 소용돌이 속도를 낸다. 소용돌이는 포트 축을 축으로 하는 나선형류(helical flow)의 나선 형태를 가질 수 있다. 제트 모멘텀의 감소는 본 발명의 주입 튜브가 포트의 수평면에서 포트의 외부에 배치되는 스커트 또는 실드(shield) 없이 구성되고 사용될 수 있게 해준다.

본 발명의 다른 상세한 구성, 목적 및 장점은 본 발명을 구현하는 바람직한 방법을 이하에서 설명함으로써 명백해진다.

도 1은 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 수직면에 따른 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 수평면에 따른 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 수직면에 따른 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 수평면에 따른 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 사시도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 포트분배기를 수평으로 지나는 면을 따른 사시도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 측면 사시도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 주입튜브의 분배기 포트와 출구 포트의 기하학적 형상을 묘사하는 데 사용된 용어의 도해를 도시한다.
도 9는 본 발명의 주입튜브의 한 실시예의 분배기 포트의 내벽의 바닥으로부터 본 사시도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 주입튜브의 분배기 포트와 출구 포트의 기하학적 형상을 묘사하는 데 사용된 용어의 도해를 도시한다.
도 11은 본 발명의 주입튜부의 한 실시예의 분배기 포트의 안쪽표면의 측면 사시도를 도시한다.

본 발명은 용융 금속을 연속적으로 주조하는 데 사용되는 주입 튜브를 포함한다. 주입 튜브는 적어도 두 개의 출구 포트에 유동적으로 연결된 보어를 포함한다. 주입 튜브란, 용융 금속의 흐름을 지향시키는, 예컨대 침지 슈라우드와 침지 노즐과 같은 슈라우드, 노즐 및 다른 내화성 부재를 의미한다. 본 발명은, 특히 몰드와 같은 수용 용기 내의 금속 표면 아래에서 용융 금속을 이송하는 데 맞추어진 출구 포트를 구비하는 주입튜브에 적합하다.

도 1은 주입튜브(10)의 수직 단면을 도시한다. 주입튜브(10)는 유입부(12) 및 보어(16)와 포트 분배기(18)에 의해 유동적으로 연결된 출구 포트(14)를 포함한다. 주입튜브(10)는 용융 금속의 흐름이 유입부(12)에 있는 상류 단부로부터 보어를 통과하여, 수직축(20)과 반경방향 크기(radial extent)(24)를 가진 포트 분배기(18)에 있는 하류 단부로, 그리고 그로부터 출구 포트(14)로 흐르게 한다. 출구 포트(14)는 포트 분배기(18)의 포트 분배기 반경방향 크기(radial extent)(24)로부터 주입 튜브(10)를 관통하여 주입튜브의 외면으로 연장되는 구멍의 둘레에 의해 정해진다. 출구 포트의 둘레는 타원형, 다각형 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 편리하고 일반적인 형상일 수 있으며, 이러한 형상으로만 제한되는 것은 아니다. 출구 포트의 일반적인 형상은 실질적으로 직사각형인 것이 편리하고, 직사각형은 곡률반경을 가진 모서리가 있는 사각형일 수 있다. 실질적으로 직사각형 형상인 출구 포트인 경우에, 출구 포트는 출구 포트 벽, 주입 튜브의 상류 단부에 가까운 출구 포트 윗면 및 주입 튜브의 하류 단부에 가까운 출구 포트 아랫면을 가질 것이다. 출구 포트 벽은 출구 포트 윗면을 출구 포트 아랫면에 연결한다. 본 발명의 각각의 실시예들은 길이방향 또는 수직 축(20)과 평행하지 않은 직선에 의하여 형성되는 출구 포트 벽을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 보어(16)는 포트 분배기 반경방향 크기(radial extent)(24)보다 작은 보어 반경방향 크기(radial extent)(30)를 갖고, 보다 구체적으로 보어의 전체 길이에 걸쳐 포트 분배기 반경방향 크기(24)보다 작은 보어 반경방향 크기(30)를 갖는다. 본 발명의 특정 실시예에서, 포트 컬렉터 베이신(port collector basin)은 포트 분배기(18)로부터 아래방향으로 연장되고, 포트 분배기(18)와 유체연통된다. 본 발명의 대안의 실시예에서 바닥 구멍(bottom hole)은 포트 분배기(18)를 주입 튜브 아랫면(38)에 연결한다.

도 2는 도 1에 도시한 본 발명의 주입 튜브 실시예의, 도 1의 단면선 A-A를 따른 단면도를 도시한다. 4개의 출구 포트(14)는 포트 분배기(18)와 주입 튜브(10)의 외면(28)을 유동적으로 연결한다. 이 실시예의 각 출구 포트(14)는 출구 포트를 부분적으로 정하는 내측 출구 포트 벽(40)과 외측 출구 포트 벽(42)를 가진다. 외측 출구 포트 벽(42)은 수직 축(20)에 직교하는 수평면에서의 길이가 내측 출구 포트 벽(40)보다 크다. 포트 분배기의 반경방향 크기(24)는 보어의 반경방향 크기(30)보다 크다. 적어도 하나의 외측 출구 포트 벽(42)은, 내측 보어 벽의 반경방향 크기보다 큰 반경방향 크기의 원과 접한다. 실시예가 보여주듯이, 각 출구 포트 벽(42)은 내측 보어 벽의 반경보다 큰 반경의 원과 접하고, 이 실시예에서 각 출구 포트 벽(42)은 포트 분배기(18)의 반경방향 크기(24)에 의해 정해지는 원에 접한다. 포트 분배기의 크기(24)에서 각 포트의 단면적은 주입튜브의 외면(28)에서의 포트의 단면적 보다 작아서, 이 실시예에서 각 출구 포트(14)는 플레어(flare)를 가지고 있다.

도 3은 주입 튜브(10)의 수직 단면을 도시한다. 주입 튜브(10)은 유입부(12)및 보어(16)와 포트 분배기(18)에 의해 유동적으로 연결된 출구 포트(14)를 포함한다. 주입 튜브(10)은 용융 금속의 흐름이 유입부(12)에 있는 상류 단부로부터 보어를 통과하여, 수직축(20)과 반경방향 크기(radial extent)(24)를 가진 포트 분배기(18)에 있는 하류 단부로, 그리고 그로부터 출구 포트(14)로 흐르게 한다. 출구 포트(14)는 포트 분배기(18)의 포트 분배기 반경방향 크기(radial extent)(24)로부터 주입 튜브(10)를 관통하여 주입튜브의 외면으로 연장되는 구멍의 둘레에 의해 정해진다. 출구 포트의 둘레는 타원형, 다각형 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 편리하고 일반적인 형상일 수 있으며, 이러한 형상으로만 제한되는 것은 아니다. 출구 포트의 일반적인 형상은 실질적으로 직사각형인 것이 편리하고, 직사각형은 곡률반경을 가진 모서리가 있는 사각형일 수 있다. 실질적으로 직사각형 형상인 출구 포트의 경우에, 출구 포트는 출구 포트 벽, 주입 튜브의 상류 단부에 가까운 출구 포트 윗면 및 주입 튜브의 하류 단부에 가까운 출구 포트 아랫면을 가질 수 있다. 출구 포트 벽은 출구 포트 윗면을 출구 포트 아랫면에 연결한다. 유입부(12)에서 보어 내부에 위치한 시트 인서트(62)는 보어 튜브가 주입 튜브 위에 있는 베슬(vessel)에 끼워 맞춰지게 해준다. 예컨데, 시트 인서트(62)는 지르코니아와 같은 내화 재료로부터 형성될 수 있다. 시트 인서트(62) 아래에서 보어 내부에 위치한 하부 시트 인서트(64) 역시 안착(seating) 기능을 수행한다. 예컨데, 시트 인서트(64)는 지르코니아와 같은 내화 재료로부터 형성될 수 있다. 주입 튜브(10)의 외부 주위를 둘러싸고 있는 슬래그 라인 슬리브(slag line sleeve)(66) 는 주입 튜브가 슬래그 라인에서 생성되는 기계적 및 화학적 응력을 견딜 수 있도록 해준다. 예컨데 슬래그 라인 슬리브(66)는 지르코니아와 같은 내화 재료로 형성될 수 있다. 주입 튜브의 아래부분의 외부에 위치한 절연 섬유(insulating fiber)(68)은 주입 튜브의 외부를 보호한다. 절연 섬유(68)은 내화재료의 섬유로 형성될 수 있다.

도 4는 도 3에 도시한 본 발명의 주입 튜브 실시예의, 도 3의 단면선 A-A를 따른 단면도를 도시한다. 6개의 출구 포트(14)가 포트 분배기(18)를 주입 튜브(10)의 외면(28)에 유동적으로 연결한다. 이 실시예의 각 출구 포트(14)는 출구 포트를 부분적으로 정하는 내측 출구 포트 벽(40)과 외측 출구 포트 벽(42)를 가진다. 외측 출구 포트 벽(42)은 수평면에서의 길이가 내측 출구 포트 벽(40)보다 크다. 포트 분배기(18)의 반경방향 크기(24)는 보어의 반경방향 크기(30)보다 크다. 적어도 하나의 외측 출구 포트 벽(42)은, 내측 보어 벽의 반경보다 큰 반경의 원과 접한다. 실시예가 보여주듯이, 각 출구 포트 벽(42)은 내측 보어 벽(30)의 반경보다 큰 반경의 원과 접하고, 이 실시예에서 각 출구 포트 벽(42)은 포트 분배기(18)의 반경방향 크기(24)에 의해 형성되는 원에 접한다. 포트 분배기의 크기(24)에서 각 포트의 단면적이 주입튜브의 외면(28)에서의 단면적 보다 작아서, 이 실시예의 각 출구 포트(14)는 플레어(flare)를 가지고 있다.

도 5는 본 발명의 주입 튜브의 한 실시예의 일부(90)의 사시도를 도시한다. 도면은 포트 분배기와 주입튜브의 수평으로 인접한 부분을 묘사한다. 보어의 하단부는 포트 분배기의 상단부와 만난다; 포트 분배기의 반경방향 크기(24)와 보어 벽의 반경방향 크기(30)사이에 나타난 표면은 포트 분배기의 상부 표면을 나타낸다. 포트 분배기의 반경방향 크기(24)와 외면(16) 사이의 주입 튜브의 부분은 출구 포트를 감싼다. 내측 포트 벽(40)과 외측 포트 벽(42)이 있는 하나의 출구 포트가 도시되어 있다. 내측 포트 벽(40)에 하나의 투사선(92)이 도시되어 있다; 이 투사선은 보어의 반경방향 크기(30)보다 작은 반경방향 크기를 가진 포트 분배기와 동축(同軸)인 원에 접한다. 외측 포트 벽(42)에 대한 수평 투사선들(94)이 도시되어 있다. 외측 포트 벽(42)의 평면은 내측 보어 벽(30)의 반경보다 큰 반경의, 포트 분배기와 동축인 원에 접한다. 실시예가 보여주듯이, 외측 포트 벽(42)의 평면은 포트 분배기의 반경방향 크기(24)와 같은 반경의 원에 접한다. 포트 플레어 각(108)은 내측 포트 벽(40)과 외측 포트 벽(42) 사이의 각이다. 내측 포트 벽들(40)의 투사선은 포트 분배기의 축(20)과 교차하지 않는다.

도 6은 포트 분배기를 수평하게 지나는 평면을 따라 절단한 본 발명의 주입 튜브(10)의 한 실시예의 사시도를 도시한다. 보어(16)는 포트 분배기(18)와 유체연통한다. 5개의 출구 포트들(14)의 각각은 부분적으로 출구 포트를 정하는 내측 출구 포트 벽(40)과 외측 출구 포트 벽(42)을 갖추고 있다. 외측 출구 포트 벽들(42)은 포트들 위에 보어 직경보다 큰 원에 접한다; 이러한 구조는 오프셋 구조라 불린다.

도 7은 본 발명의 주입 튜브(10)의 한 실시예의 측면 사시도를 도시한다. 이 실시예에서, 출구 포트(14)는 출구 포트 상류 표면과 출구 포트 하류 표면이 수평면이 아니도록 구성되어 있다. 각 포트의 축은 수평 방향(110)으로부터 이동되어 있다. 포트 축(112)는 수평면 아래로 각(114) 만큼 또는 수평면 위로 각(116) 만큼 이동될 수 있다. 특정 실시예에서 주입 튜브는, 주입 튜브의 원주 둘레의 적어도 하나의 포트는 수평면의 위로 향하는 축을 가지고 있고, 주입 튜브의 원주 둘레의 적어도 하나의 포트는 수평면의 아래로 향하는 축을 가진 복수 개의 출구 포트들을 가지고 있다. 특정 실시예에서, 주입 튜브는 짝수 개의 포트들을 가지고 있는데, 주입 튜브의 원주 둘레에서 연이은 포트들은 교대로 위 방향과 아래 방향으로 이동된 축을 가진다. 다른 실시예에서, 주입 튜브는 짝수 개의 포트들을 가지고 있고, 주입 튜브의 원주 둘레에서 연이은 포트들은 교대로 수평축과 아래 방향으로 이동된 축을 가진다. 본 발명의 특정 실시예는 주입 튜브의 원주 둘레에 90도 간격으로 배향된 4개의 측면 포트들을 가질 수 있다. 이 실시예의 각 포트는 포트로부터의 제트 확산(jet diffusion)을 향상시키기 위해 2도의 플래어를 가진다. 2개의 포트는 15도의 하향각을 가지고, 다른 두개의 포트는 5도의 상향각을 갖는다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 포트들은 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 또는 15도의 플래어를 가질 수 있고, 플래어는 1도 내지 15도, 1도 내지 12도, 2도 내지 10도, 2도 내지 8도, 또는 최대한 Θ(theta)/2의 양수까지의 범위에 있는데, 여기서 Θ가 포트 분배기의 원주 둘레에서 포트가 차지하는 회전 각을 라디안(radian)으로 표현한 것이다.

도 8은 본 발명의 주입 튜브의 한 실시예의 다양한 기하 요소들의 수평면에서의 다이어그램이다. 원은 포트 분배기의 반경방향 크기(24)를 나타낸다. 또 다른 원은 보어의 반경방향 크기(30)를 나타낸다. 보어 반경(120)은 보어의 중심에서 보어의 반경방향 크기(30)까지의 거리를 나타낸다. 포트 분배기 반경(122)는 포트 분배기의 중심에서 포트 분배기의 반경방향 크기(24)까지의 거리를 나타낸다. 부호 Θ로도 지칭한 회전 각(124)은 포트 분배기의 원주 둘레에서 한 개의 포트가 차지하는 각을 나타낸다. 포트와 포트 분배기의 접점에서 출구 포트(14)의 축에 수직인 포트 너비(128)는 문자 a로 지칭하고 있다. 수평면에서 개방 포트의 플래어 각(108)은 내측 포트 벽(40)과 외측 포트 벽(42) 사이의 각을 나타내고, 부호 Γ로도 지칭하고 있다. 포트 입구 선(132)은 주어진 포트의 내측 포트 벽 - 포트 분배기 교차점과 외측 포트 벽 - 포트 분배기 교차점 사이의 거리를 나타낸다. 포트 출구 각(134)은 포트 입구 선(132)과 외측 포트 벽(42) 사이의 각을 나타낸다.

도 9는 본 발명의 유동 튜브의 한 실시예에 포함된 포트 분배기(18)와 5개의 출구 포트들(14)의 유동 어셈블리(150)의 내측 벽들의 저면도이다. 포트 분배기는 보어 반경방향 크기(30)보다 큰 포트 분배기 반경방향 크기(24)를 가진다. 수평면에서 개방 포트의 플래어 각(108)은 부호 Γ로 지칭한다. 부호 Θ로 지칭하는 회전각(124)은 하나의 포트가 포트 분배기의 원주 둘레를 차지하고 있는 각을 나타낸다. 포트와 포트 분배기의 접점에서 포트의 축에 수직인 포트 너비(128)는 문자 a로 지칭된다. 수평면에서 개방 포트의 플래어 각(108)은 부호 Γ로 지칭한다. 포트 입구 선(132)은 주어진 포트가 내측 포트 벽(40)과 외측 포트 벽(42)을 가질 때 내측 포트 벽 - 포트 분배기 교점과 외측 포트 벽 - 포트 분배기 교점 사이의 거리를 나타낸다. 포트 출구 각(134)은 포트 입구 선(132)과 외측 포트 벽(42) 사이의 각을 나타낸다.

도 10은 본 발명의 주입 튜브의 한 실시예의 다양한 기하 요소들의 수평면에서의 다이어그램이다. 원은 포트 분배기의 반경방향 크기(24)를 나타낸다. 또 다른 원은 보어의 반경방향 크기(30)를 나타낸다. 보어의 반경방향 크기와 포트 분배기의 반경방향 크기를 둘러싼 원은 주입 튜브의 외면(28)을 나타낸다. 포트 분배기의 수직 축(20)은 이 도면의 수평면과 교차한다. 출구 포트(14)는 내측 출구 포트 벽(40)과 외측 출구 포트 벽(42)에 의해 부분적으로 묘사되어 있다. 부호 Θ로 지칭하는 회전각(124)은 하나의 포트가 포트 분배기의 원주 둘레를 차지하고 있는 각을 나타낸다. 포트 분배기를 둘러싼 주입 튜브의 벽 두께(142)는 포트 분배기(24)의 반경방향 크기와 주입 튜브의 외면(28) 사이의 거리로 나타나 있다. 포트 분배기 외부 반경(144)은 포트 분배기의 포트 분배기의 수평면에서 수직 축(20)과 주입 튜브의 외면(28) 사이의 거리를 나타낸다. 출구 선(146)은 수평면에서 포트 분배기의 수직 축으로부터 반경방향 선을 나타낸다. 본 발명의 특정 실시예들에서 수평면에서 포트 분배기의 수직 축으로부터 나온 모든 출구 선들은 주입튜브의 외면(28)에 도달하기 전까지 출구 포트 벽과 교차한다.

도 11은 본 발명의 유동 튜브의 한 실시예에 포함된 포트 분배기와 5개 출구 포트의 유동 어셈블리(180)의 내측 벽들에 대한 측면 입면 사시도이다. 포트 높이(182)가 출구 포트(14)에 도시되어 있다.

본 발명의 주입 튜브들은 하나 이상의 설계 요소들을 이용한다.

1) 적어도 2개의 출구 포트가 있다. 본 발명에 따른 주입 튜브는 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 그 이상의 출구 포트를 가질 수 있다.

2) 포트 분배기의 반경방향 크기는 보어의 반경방향 크기보다 크다.

r_pd > r_b

여기서 r_pd 은 포트 분배기의 반경방향 크기이고, r_b 은 보어의 반경방향 크기이다.

3) 액체 금속의 제조 또는 주조를 위한 포트 입구의 너비는 8mm 보다 크거나 같다. 포트 분배기의 원주 둘레에서 포트가 차지하고 있는 회전각을 라디안으로 표현하면 다음의 수학적 관계가 있다.

Θ ≥ 2asin(√(8/(2r_pd)))

여기서 r_pd 은 밀리미터 단위의 포트 분배기 반경이고, Θ는 포트 분배기의 원주 둘레에서 포트가 차지하고 있는 회전각을 라디안 단위로 나타낸 것이다.

4) 주어진 포트에서 내측 포트 벽 - 포트 분배기 교차점과 외측 포트 벽 - 포트 분배기 교차점으로부터의 호의 길이는 r_pd 에 Θ를 곱한 것과 같고, 그 관계는 다음과 같다.

4πr_b > nr_pdΘ > 1.3πr_b

여기서 r_b 은 보어의 반경, n 은 출구 포트의 개수, r_pd 은 포트 분배기의 반경 그리고 Θ는 포트 분배기의 원주 둘레에서 포트가 차지하고 있는 회전각을 라디안 단위로 나타낸 것이다.

5) 포트의 내측 포트 벽과 외측 포트 벽 사이의 플래어 각 Γ는 다음과 같은 관계가 있다.

π/2 > Γ > 0

여기서 Γ의 단위는 라디안이다.

6) 포트 높이는 다음 관계식으로 표현된다.

3πr_b ² > hna > 0.5πr_b ²

여기서 r_b 은 보어의 반경, h 는 출구 포트의 높이, n 은 출구 포트의 개수, 그리고 a 는 포트 입구의 너비이다. 절대값에 있어, 본 발명의 실시예는 본 발명의 주입 튜브의 생산을 용이하게 하고, 그리고 액체 금속 주조성을 촉진하도록 8mm 이상의 출구 포트 높이를 갖는 출구 포트를 사용한다.

7) 만약 수평면에서 포트 분배기의 수직축으로부터 출구 포트를 지나 주입튜브의 외부로 나가는 직선이 없다면, 포트 분배기의 원주 둘레에서 한 출구 포트가 차지하고 있는 각 Θ는 다음의 관계식으로 표현된다.

Θ < arccos(r_pd/r_ex)

또는 주입튜브는 다음과 같이 구성된다.

a < r_pd(r_ex-r_pd)/r_ex)

여기서 a 는 포트 입구의 너비, r_pd 는 포트 분배기의 반경 그리고 r_ex 은 포트 분배기의 수평면에서의 주입튜브 반경이다. 절대값에 있어, 본 발명의 실시예는 발명의 주입 튜브의 생산을 용이하게 하고 액체 금속의 주조성을 촉진하도록 8mm 이상의 출구 포트 너비를 갖는 출구 포트를 사용한다.

8) 출구 포트들은 본 발명의 제품의 다른 요소들에 의하여 외부로부터 방해받지 않는다; 본 발명의 제품에는, 출구 포트의 바깥에 배치된 부분으로서 출구 포트의 단면이 바깥쪽으로 투사된 것과 교차하는 부분이 없다.

기하 요소들 사이의 관계를 보여주는 본 발명의 실시예의 한 예에서, 주입 튜브는 4개의 포트를 가지고 있다(n=4). 보어 반경 r_b 은 20mm, 그리고 포트 분배기 반경 r_pd 은 25mm이다. Θ의 최소 각은 다음 공식에 의하여 얻어진다.

Θ = 2 asin(√(8/(2r_pd))) = 2 asin(√(8/(2×25))) = 47.1도

4개의 포트에 있어서, 주어진 포트의 내측 포트 벽 - 포트 분배기 교점과 외측 포트 벽 - 포트 분배기 교점으로부터의 적당한 호의 길이의 범위는 다음 식에 의하여 얻는다.

4π(20) > 4(25)Θ > 1.3π(20)

144 도 > Θ > 46.8 도

본 발명의 실시예의 다른 예에서, 주입 튜브는 4개의 포트를 가지고 있다(n=4). 보어 반경 r_b 은 20mm, 그리고 포트 분배기 반경 r_pd 은 40mm이다. Θ의 최소 각은 다음 공식에 의하여 얻어진다.

Θ = 2 asin(√(8/(2r_pd))) = 2 asin(√(8/(2×40))) = 36.87도

4개의 포트에 있어서, 주어진 포트의 내측 포트 벽 - 포트 분배기 교점과 외측 포트 벽 - 포트 분배기 교점으로부터의 적당한 호의 길이의 범위는 다음 식에 의하여 얻어진다.

4π(20) > 4(40)Θ > 1.3π(20)

90 도 > Θ > 26.7 도

본 발명의 특정 실시예에서, 포트 분배기의 반경방향 크기와 보어의 반경방향 크기는 2.5mm, 2,5mm 보다 큰 값, 5mm, 또는 5mm 보다 큰 값만큼 다르다. 본 발명의 특정 실시예에서 포트 분배기의 반경방향 크기는 보어의 반경방향 크기 보다 25% 크거나, 또는 적어도 25% 크다.

출구 포트의 개수, 포트 분배기의 증가한 반경방향 크기, 출구 포트의 외측 벽의 오프셋 구성, 포트 입구의 너비, 주어진 포트의 내측 포트 벽 - 포트 분배기 교점과 외측 포트 벽 - 포트 분배기 교점으로부터의 호의 길이, 포트 벽의 플래어 각, 포트 높이 및 수평면에서 포트 분배기의 수직축으로부터 출구 포트를 지나 주입튜브의 외부로 나가는 직선의 부재는, 단독으로 또는 조합하여, 유체가 출구 포트를 통하여 바깥쪽으로 흐름에 따라 출구 포트 축 둘레에서의 유체의 소용돌이를 만든다. 종래 기술의 디자인에 대한 포트 기하는 출구 포트를 통해 지나는 유체의 제트 모멘텀의 저하를 일으킨다. 결과적으로, 본 발명의 주입 튜브가 몰드 안에 위치하면 몰드 벽과 접촉하는 제트의 강도는 감소된다. 제트 강도의 이러한 저하는 직사각형의 몰드뿐만 아니라 둥근 형태의 몰드에서도 관찰된다. 게다가 본 발명의 주입 튜브는 종래 기술의 주입 튜브 보다 주입구 속도에 대한 출구 포트 속도의 낮은 비율을 제공한다. 둥근 몰드 및 직사각형 몰드에서, 본 발명의 4-포트 주입 튜브는 1.04, 1.03, 1.00 또는 그보다 작은, 주입구 속도에 대한 평균 포트 속도의 비율을 낼 수 있다. 둥근 몰드 및 직사각형의 몰드에서, 본 발명의 6-포트 주입 튜브는 0.73 또는 그보다 작은, 주입구 속도에 대한 평균 포트 속도의 비율을 낼 수 있다. 본 발명의 주입 튜브는 출구 포트의 안과 바깥 양쪽에서 곡선의 유체 통로를 만든다. 본 발명의 4 포트와 6 포트의 주입 튜브는 일정하고 고르게 분포된 소용돌이 속도를 낸다.

본 발명은 여러 가지 형태로 수정과 변형이 가능하다. 따라서 이하의 청구범위 내에서 본 발명을 전술한 것과 다른 형태로 구현할 수 있다.

Claims

상류 위치로부터 하류 위치로의 용융 금속의 흐름을 주조하는 데 사용되는 주입튜브로서, 길이 방향의 축을 가지고, 보어를 정하는 내면 및 이와 유체연통하는 포트 분배기, 그리고 적어도 두 출구 포트를 가진 외면을 포함하는 주입 튜브로서, 출구 포트는 포트 분배기와 연통하고, 포트 분배기는 보어의 하류에 위치하며, 포트 분배기는 길이방향 축에 대하여 보어보다 큰 반경을 가지고,
출구 포트는 각각 포트 분배기 및 외면과 연통하는 내측 벽과 외측 벽을 포함하고, 외벽은 내벽보다 길이가 긴 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 포트 분배기의 반경은 보어의 반경의 2배보다 작은 것인 주입 튜브.
삭제
청구항 1에 있어서, 출구 포트의 외측 벽의 수평 투사가 보어와 교차하지 않는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 출구 포트의 외측 벽의 수평 투사가 보어의 수직 투사와 교차하지 않는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 출구 포트의 외벽이, 보어보다 반경이 크고 보어와 동심인 원에 접하는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 출구 포트의 외측 벽이 포트 분배기와 접하는 것인 주입튜브.
청구항 1에 있어서, 출구 포트는 포트 분배기의 원주 둘레에 회전각 Θ로 규칙적으로 배치되고, 출구 포트는 적어도
2r_pdsin(Θ/2)²
의 포트 너비를 가지며,
여기서 r_pd 은 포트 분배기 반경이고, Θ는 라디안 단위로서 포트 분배기의 원주 둘레에 포트가 차지하고 있는 회전각인 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 출구 포트는
4πr_b> nr_pdΘ > 1.3πr_b
로 구성되고,
여기서 r_b 은 보어의 반경, n 은 출구 포트의 개수, r_pd 은 포트 분배기의 반경, 그리고 Θ는 라디안 단위로서 포트 분배기의 원주 둘레에서 포트가 차지하고 있는 회전각인 것인 주입튜브.
청구항 1에 있어서, 출구 포트는 수평면에서 Θ/2 이하인 0이 아닌 플래어 각을 갖고, Θ는 라디안 단위로서 포트 분배기의 원주 둘레에서 포트가 차지하고 있는 회전각인 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 출구 포트는
3πr_b ² > hna > 0.5πr_b ²
로 구성되고,
여기서 r_b 은 보어의 반경, h 는 출구 포트의 높이, n 은 출구 포트의 개수, 그리고 a 는 포트 입구의 너비인 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 외면은 4개의 포트를 가지는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 외면은 6개의 포트를 가지는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 외면은 5개의 포트를 가지는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 주입 튜브의 원주 둘레의 적어도 하나의 포트가 수평면 위로 향하는 축을 가지는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 주입 튜브의 원주 둘레의 적어도 하나의 포트가 수평면 아래로 향하는 축을 가지는 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 주입 튜브의 원주 둘레의 적어도 하나의 포트가 수평면 아래로 향하는 축을 가진 것이고, 주입 튜브의 원주 둘레의 적어도 하나의 포트가 수평면 위로 향하는 축을 가진 것인 주입 튜브.
청구항 1에 있어서, 상기 포트 분배기는, 상기 길이 방향의 축에 대하여, 상기 보어의 전체 길이에 걸쳐 상기 보어보다도 큰 반경을 갖는 것은 주입 튜브.