KR102297314B1 - 합금 용융 및 보온로 - Google Patents

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Abstract

유도로는, 상측 노 용기와, 이 상측 노 용기 아래에 위치된 유도 코일과, 이 유도 코일 내측에 위치되고 상측 노 용기에 연통가능하게 연결되는 용융물-수납 용기를 포함하며, 유도 코일 내측에의 용융물-수납 용기의 위치설정은 용융물-수납 용기의 외측면과 유도 코일의 내측면 사이의 갭을 규정한다. 직접 냉각 주조를 위한 시스템은, 적어도 하나의 유도로와, 용융 금속 내의 불순물을 제거하도록 작동가능한 적어도 하나의 인라인 필터와, 갭과 결합된 공급 포트에 결합되는 적어도 하나의 가스 소스와, 주조에 의해 금속을 응고시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 포함한다. 유도로 냉각 방법은, 유도 코일과 이 유도 코일 내측에 위치된 용융물-수납 용기 사이의 갭 내로 가스를 도입하는 단계와, 가스를 갭을 통해 순환시키는 단계를 포함한다.

Description

합금 용융 및 보온로{ALLOY MELTING AND HOLDING FURNACE}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 동시계류 중인 2014년 11월 18일자로 출원된 미국 특허 출원 제 14/546,681 호 및 2013년 11월 23일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/908,065 호의 선출원 일자의 이익을 주장하며, 이들 모두는 본 명세서에 참조로 원용된다.
기술 분야
본 발명은 유도 용융 및 보온로(induction melting and holding furnace)에 관한 것이며, 보다 특별하게는 알루미늄 리튬("Al-Li") 합금과 같은 합금의 처리에 유용한 그러한 디바이스에 관한 것이다.
Al-Li 합금 및 특정의 다른 고합금 알루미늄 합금은 전통적으로, 유도 용융로 기술, 일반적으로 무철심형(coreless) 또는 채널형 유도 타입을 사용하여 용융되어 왔다. 알루미늄에서의 리튬의 화학적 활동도로 인해서, 표준 노, 즉 연소 가스 화로의 디자인이 사용되지 못한다. Al-Li 합금을 용융하기 위해서, 간접 유도 발생된 열이 유도로의 전자기장을 이용하여 적용되고, 여기서 유도로의 금속은 자기장과 결합하여 열을 발생시킨다. 무철심형 유도로는 전형적으로 노의 본체의 둘레부를 둘러싸는 연속 코일, 통상 구리를 갖는다. 채널형 유도로는 노의 본체 외부에 장착된 유도 코일을 가지며, 가열 구역을 통해 용융 금속을 이송하는 관통 방법(pass-through method)을 사용한다. 채널형 유도로는 일반적으로 무철심형 유도로보다 크며, 무철심형 유도로가 현실적인 크기 제한을 갖기 때문에 개발되었다. 상기의 유도로의 양 타입에 있어서, 자기장을 통해 그리고 용융 금속 자체로부터 발생된 열 에너지는 유도 코일이 물 또는 글리콜 또는 이들의 혼합물을 사용하여 액체 냉각될 필요가 있다. 물은 일반적으로 냉각제로서 사용되지만, 이것은 노 라이닝 파괴가 일어나면 안전 문제를 야기한다. 용융 금속은 노 라이닝에 침투하고 냉각 코일에 도달할 수 있으며, 용융 금속이 냉각 코일 자체에 침투하면, 알루미늄이 물과 접촉하여 알루미늄 폭발이 일어날 수 있다. 알루미늄 협회(미국)에 의해 발행된 용융 알루미늄을 취급하기 위한 지침(the Guidelines for Handling Molten Aluminum)을 포함하는 많은 간행물은 폭발 및 용융 알루미늄을 물로부터 멀리 유지하도록 하는 요건을 논의하고 있다. Al-Li의 용융 및 처리시에, 물에 의한 치명적인 폭발 가능성이 통상의(리튬을 함유하지 않는) 알루미늄 합금에 대해서보다 커진다. 이러한 이유 때문에, 몇몇 노 제조자는 코일 냉각을 위해 물이 아닌 냉각제, 특히 할로겐화 글리콜을 사용하는 노 냉각 시스템을 제공한다.
전형적인 알루미늄 합금은 유도로를 위한 작업 라이닝으로서 표준 산업용 내화물을 사용한다. 이들은 현장치기(cast-in-place) 라이닝, 내화 벽돌 및 모르타르 라이닝, 및 프리캐스트 맞춤제작 도가니(precast made-to-fit crucible)로서 설치되는 멀라이트(mullite), 알루미나 및 실리카계 재료를 포함한다. 이들 재료는 용융 알루미늄을 노 유도 코일과의 접촉으로부터 분리하기 위해 다른 중간 재료와 함께 노 본체 내로 삽입된다. 용융 금속에 노출된 라이닝 재료는 소모성인 것으로 고려되고, 필요에 따라 주기적으로 교체된다. 백업 재료(backup material)(통상적으로 용융 알루미늄 합금과 직접 접촉하지 않음)는 일반적으로 직접 접촉하는 것보다 긴 수명을 가지며, 백업 재료는 일반적으로 작업 라이닝 교체 동안에 일상적으로 교체되지는 않는다.
Al-Li 합금은 알루미늄에서의 리튬의 화학적 활동도로 인해 특별한 작업 라이닝 내화물을 필요로 한다. 산화마그네슘(MgO) 및 알루미나(Al2O3)계 내화물은 전형적으로 무철심형 유도로에 사용되는 한편, 탄화규소(SiC)계 내화물은 인덕터(inductor)로부터 멀리 떨어진 비자기 영역에 사용된다. 실험실 크기의 소형 유도로에 대해, SiC 도가니가 사용된다. MgO가 갖는 주요 결점은 비교적 낮은 내열 피로성이다. 이것은 노가 고온으로 유지되고 정기적으로 배수되지 않을 것을 필요하게 한다. 이것은 또한, 노가 일반적으로 금속을 용융하는데 사용된 후에 내화물의 균열 없이는 냉각될 수 없기 때문에, 합금 변경 동안에 문제를 야기한다. 경험칙으로서, MgO 노 라이닝은 1000℉ 미만으로 냉각되게 되면, 균열되고 사용할 수가 없게 된다. 알루미늄이 1260℉에서 용융되고 1400℉에서 합금되기 때문에, 라이닝은 영구적으로 1400℉로 유지되어야 한다. 따라서, 노 작동 사이클 사이뿐만 아니라, 심지어 사용중이 아닌 경우에도, 항상 노 내의 열을 유지하기 위해 외부 수단이 필요하다.
저항 가열식 진공로를 포함하는, 유도와 다른 기술을 포함하는 노가 Al-Li 합금을 용융시키는데 이용되고 있다. 또한, 알루미늄-리튬 합금 프로세스는 리튬이 전통적인 노 내화물과 접촉하거나 그것을 오염시키지 않도록 리튬의 후기-노-인라인(post-furnace-in-line) 합금의 기술을 사용하고 있다(미국 특허 제 4,248,630 호 참조). 자유 실리카 및/또는 인산염(phosphates)을 함유하는 내화 제품은 Al-Li 용융물과 함께 사용될 때 특히 나쁜데, 이는 리튬이 이들 재료를 우선적으로 공격하여 세라믹의 거의 즉각적인 파괴를 야기하기 때문이다.
미국 특허 제 5,028, 570 호("'570 특허")는, 항공우주 응용에 사용되는 알루미늄-리튬 합금이 전형적으로 2 내지 3% 리튬을 함유하여, 알루미늄의 강도를 크게 증대시키고 순수 알루미늄에 비해 합금의 중량을 감소시키는 것을 개시한다. 이들 합금의 적당한 수납을 제공할 수 있는 2개의 내화물만이 발견되었다. 이들은 산화물 결합 마그네시아 및 질화규소 결합 탄화규소이다. '570 특허는 용융 Al-Li에 대해 보다 내식성을 갖는 질화규소 결합 MgO를 개시한다. 추가적으로, 탄화규소 및 알루미나로 이루어진 건조 진동 혼합물(dry vibratory mixes)(미국 오하이오주 콜럼버스 소재의 Allied Mineral Corporation 및 미국 매사추세츠주 애머스트 소재의 Saint Gobain Corp of America에 의해 제조 및 시판됨)이 또한 알루미늄 리튬 합금을 용융시키는데 사용된 통상의 무철심형 유도로에 이용된다. 판상 알루미나(tabular alumina)(96%의 고순수 판상 알루미나, 약 2%의 실리카 및 2%의 산화티타늄을 함유함)로 제조된 프리캐스트 및 연소 노가니가 또한 알루미늄 리튬 응용의 용융물-수납 용기의 메인 라이닝 재료로서 사용되고 있다. 그러나, 전술한 내화물 모두는 알루미늄 리튬 합금과 반응하고, 헤어라인 균열의 망과 결부된 스폴링(spalling)을 야기하기 쉽고 발전시키는 합금을 생성한다. 장입 또는 스키밍(skimming) 또는 노벽 클리닝 동안에 내화물이 다른 기계적인 혹사(mechanical abuse)를 받는 경우에 문제가 생긴다. 기계적인 혹사는 열적 사이클링으로부터 내화물 내에 존재하는 헤어라인 균열을 성장시킨다. 이것은, 내화 라이닝과 리튬 함유 용융물 사이의 화학적 반응과, 또한 용융물로부터 낮은 용융 공융물질(eutectic)로 충전된 노와 결부되어, 합금의 갇힌 반고체, 고체, 반액체 또는 완전 액체 핀(fin)의 보다 두꺼운 섹션을 야기하여서, 용기(vessel)의 내화 라이닝 내에 망을 형성하며, 이러한 망은 라이닝의 외측벽으로 느리게 진행하여 간다. 유도 에너지는 라이닝 내측에 갇힌 특정 두께(1.5㎜ 초과)의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 핀의 망과 결합할 수 있기 때문에, 노가 특정 주파수로 그리고 전자기 파워의 요구 입력으로 작동되는 경우, 핀의 망은 과열되고 내화 라이닝의 외측 경계부로 빠르게 진행한다. 결과적인 내화 라이닝의 파괴는 노의 수명에 있어서의 강력한 제한 요인이 된다. 내화 라이닝의 파괴는, 그 자체를 순수 비용으로서만 나타낸다면, 단지 처리가능한 비용 항목으로서 남을 것이다. 그러나, 용융물-수납 용기의 손상된 내화 라이닝을 통해 유도 코일을 향한 액체 알루미늄 리튬 합금의 갑작스런 전진은 심지어 유도 코일의 1개 또는 2개의 턴(turn)에 도달하는 경우의 치명적인 폭발 가능성을 나타내는 것이다. 따라서, 용융된 알루미늄 리튬 합금에 화학적으로 불활성인 내화 재료가 존재하지 않기 때문에, 용융물-수납 용기의 내화 라이닝으로부터 유도 코일을 완전히 격리하는 독특한 요구가 여전히 있다.
전형적인 유도로는 매우 낮은 전기 주파수로 작동한다. 용융 프로세스 동안에 용융물의 교반을 달성하기 위해서는, 낮은 주파수가 빠른 용융 속도를 얻는데 중요하다. 그러나, 엄격하게 제어된 불활성 분위기가 용융물 위에 연속적으로 유지되지 않는다면, 빠른 용융 속도는 용융물 내에 리튬을 유지하는 작업을 보다 어렵게 한다. 미국 특허 제 5,032,171 호는 리튬의 제거가 증진되도록 용융물을 격렬하게 교반하기 위해 낮은 주파수의 유도 전력을 사용하는 것을 개시한다. 높은 주파수 유도로를 사용하는 경우, 용융 금속의 운동이 작동 주파수의 역함수이므로 교반이 덜 이루어진다. 높은 주파수는 교반이 덜 이루어지게 하지만, 또한 높은 주파수는 많은 유도 에너지를 용융물-수납 용기의 내측벽에 보다 근접하게 결합시키며, 핀이 존재한다면, 강한 결합 및 이에 의한 핀의 과열이 내화물의 열화를 추가적으로 가속화시킨다. 따라서, 전원에 있어서의 낮은 주파수의 사용은 내화 라이닝의 열화를 경감할 수 없다. (빠른 용융을 달성하기 위해) 낮은 주파수를 사용하는 것과 관련된 다른 문제는 용융물 내의 비금속 입자 및 바람직하지 않은 산화물의 혼입을 야기하는 결과적인 강력한 교반이다. 낮은 주파수가 보다 많은 용융물을 교반시키기 때문에, 작동 주파수 절충은 흔히, 단지 내화 라이닝에 많은 손상을 입히고 배스(bath) 온도에 대한 제어를 약화시키는 것을 희생하면서, 작동에 적합하게 이루어진다.
품질이 생산성보다 부차적인 스크랩 용융에 대해, 낮은 주파수가 전형적으로 사용된다. 고품질의 용융물을 생성하는 경우, 생산성을 희생하면서 바람직하지 않은 교반을 감소시키기 위해 높은 주파수가 사용된다.
Al-Li 용융물과 연관된 다른 기본 인자는 용융된 Al-Li 합금에서의 수소 용해도이다. 수소가 순수 용융 리튬에서 완전하게 용해가능하기 때문에, 1400℉에서의 용융된 Al-Li 합금은 합금 용융물 내에 상당량의 수소를 포획한다. 예를 들면, 전형적인 리튬 함유 우주항공 알루미늄 합금 AA 7050의 노 용융물은 용융된 합금의 0.5㏄/10gms의 반사 용융로(reverberatory melting furnace)에서 갓 준비된 용융물 내의 산소 함량을 갖는다. 이와 비교하여, 제어 분위기 유도로 내측에서 용융된 1.2% Li 합금의 갓 준비된 용융물 내의 용존 수소의 양은 용융 합금의 1.5㏄/100gms이다. 정규 알루미늄 합금뿐만 아니라 알루미늄 리튬 합금 내의 수소는 주조 제품 내에 기공을 야기하기 때문에 유해하다. 합금의 주조 상태에서의 그러한 기공은 열-기계적 처리 동안에 회복되기 어렵고, 많은 양의 수소를 가진 그러한 주조물로 제조된 최종 제품의 강도, 연성, 내식성 및 내피로성에 영향을 미친다. 수소가 리튬의 첨가를 통해 용융 Al-Li 합금에 들어가는 것 이외에, 용융물 내의 수소 픽업에 기여하는 다른 소스가 있다. 이러한 소스는 자연계에 있는 화학물질이다. Al-Li 용융물은 매우 강력한 환원제이며, 용융물-수납 용기에 사용된 내화물의 구성요소로부터 결합 수소를 떼어낸다. 용융물 용기 내화물의 준비에 사용된 결합제는 전형적으로 부식제, 인산, 물 또는 유기 활성제를 함유하며, 이들 모두는 일부 양의 결합 수소를 함유한다. 이러한 수소는 Al 및 Li 원자에 의해 떼어내어질 수 있고, Al-Li 산화물, 탄화물, 붕화물 등의 동시 형성에 의해서 용융물에 쉽게 흡수된다. 전형적인 화학 반응은 2Al + 3H2O = Al2O3 + 6H이며, 이에 의해 다량의 수소가 자유롭게 되어 용융물에 의해 보유된다.
수소의 상기 2개의 기여인자 이외에, 용융물 내로의 수소 이송의 또 다른 소스가 있다. 이러한 이송은 임의의 표준 유도 용융로의 용융물-수납 용기의 내화물을 통해 일어난다. 이 이송은, a) 용기 내화 라이닝의 내측벽(용융물과 접촉하고 있음) 상에서보다 내화물의 외측벽[코일 그라우트(coil grout) 내에 있음] 외측에서 수소의 부분 압력이 더 높고, b) 수소가 가장 작은 원자이고, 수소 전달의 계수 및 운동에너지가 수소 부분 압력 차이에 의해 구동되는 수소의 연속 확산을 유지하기에 매우 유리하기 때문에, 쉽게 일어난다. 코일 그라우트는 항상 플랜트 대기와 직접 접촉하여 있으며, (물이 방열 매체로서 사용되므로 알루미늄 주조 하우징에서 항상 높은) 습도에 따라서, 적정량의 습기(상대 습도 20% 이상) 및 그에 따라 수소가 코일 그라우트의 외측면 상에 존재한다. 내화물을 통해 이송된 용융물 내의 그러한 수소 픽업을 감소시키기 위해서, 산업계는 주조 전에 Al-Li 용융물을 포함하는 특수 합금 용융물을 탈가스하기 위해 다른 전기 보온로를 이용할 필요가 있다는 것을 알아냈다. 그러한 보온로는 3개의 디자인을 갖는데, (i) 진공이 또한 Al-Li 배스 표면의 상부에 가해지는 것, 또는 (ii) 용융물-수납 용기의 외부가 진공으로 유지되는 것, 또는 (iii) 진공이 내부뿐만 아니라 외부에 있어서의 양 위치에 가해지는 것이다.
본 발명의 과제는 알루미늄 리튬 합금과 같은 합금의 처리에 유용한 유도로를 제공하는 것이다.
일 태양에 따른 유도로는, 상측 노 용기와, 이 상측 노 용기 아래에 위치된 유도 코일과, 이 유도 코일 내측에 위치되고 상측 노 용기에 연통가능하게 연결되는 용융물-수납 용기를 포함하며, 유도 코일 내측에의 용융물-수납 용기의 위치설정은 용융물-수납 용기의 외측면과 유도 코일의 내측면 사이의 갭을 규정한다. 다른 태양에 따른 직접 냉각 주조를 위한 시스템은, 적어도 하나의 유도로와, 용융 금속 내의 불순물을 제거하도록 작동가능한 적어도 하나의 인라인 필터와, 갭과 결합된 공급 포트에 결합되는 적어도 하나의 가스 소스와, 주조에 의해 금속을 응고시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 포함한다. 또 다른 태양에 따른 유도로 냉각 방법은, 유도 코일과 이 유도 코일 내측에 위치된 용융물-수납 용기 사이의 갭 내로 가스를 도입하는 단계와, 가스를 갭을 통해 순환시키는 단계를 포함한다.
도 1은 유도로의 일 실시예의 단면도,
도 2는 합금 용융물로부터 하나 이상의 빌릿, 슬래브 또는 잉곳을 형성하도록 작동가능한 시스템의 개략적인 측면도.
도 1은 유도로의 일 실시예의 측단면도를 도시한다. 본 실시예에 있어서, 유도로(100)는 하부에 위치된 인덕터를 갖는 두 부분으로 이루어진 노이다. 유도로(100)는 200헤르츠 내지 80헤르츠의 범위인 높은 및/또는 낮은 주파수 모드로 작동할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 유도로(100)는 상측 노 용기(110), (바라볼 때) 이 상측 노 용기(110) 아래에 위치된 유도 코일(120), 및 유도 코일(120) 내측에 배치되고 상측 노 용기(110)에 연통가능하게 연결된 하측 용융물-수납 용기(130)를 포함한다. 인덕터 노를 하부에 위치된 유도 타입으로서 구별하는 것은 용융물-수납 용기(130) 및 상측 노 용기(110) 모두가 아니라, 하측 또는 용융물-수납 용기(130)만을 유도 코일(120) 내측에 위치하거나 배치하는 것을 지칭한다.
하나의 실시예에 있어서, 용융물-수납 용기(130)는 예를 들어 노 용융 속도 요건에 따라 달라지는 10인치 내지 50인치의 내경을 갖는 대표물을 구비하는 대체로 원통 형상을 갖는다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 유도 코일(120)은 루멘(lumen) 또는 개구부(135)가 관통하여 있는 코일 또는 코일들에 의해 규정된 코일형 유도 코일이며, 이러한 루멘 또는 개구부(135)를 통해 물 또는 글리콜의 액체 냉각제 혹은 냉매(refrigerant) 등의 가스 냉각제와 같은 냉각제가 도입(예를 들면, 펌핑)된다. 다른 실시예에 있어서, 유도 코일(120)은 중실형 코일 또는 외부 공랭식 코일일 수도 있다. 하나의 실시예에 있어서, 유도 코일(120)은 용융물-수납 용기(130)를 수용하는 내경을 갖는 대체로 원통 형상을 갖는다.
유도로(100)의 실시예에서는, 용융물-수납 용기(130)의 외측면(150)과 유도 코일(120)의 내측면(160) 사이에 갭(140)이 도시되어 있다. 갭(140)은 가스가 순환하여, 공급 포트(145)로부터 진입하고 배출 포트(146)로부터 빠져나갈 수 있게 하도록 작동가능하며, 공급 포트(145) 및 배출 포트(146)는 갭(140)과 각각 결합된다. 하나의 실시예에 있어서, 갭(140)은 적어도 1/2인치(0.5"), 바람직하게는 1.25인치 내지 1.5인치의 폭을 갖는다. 하나의 실시예에서, 순환된다는 것은 가스가 공급 포트(145)로 도입되고, 용융물-수납 용기(130) 주위의 갭(140) 내에서 이동하고 배출 포트(146)에서 빠져나가서 폐기되는 것을 의미한다. 다른 실시예에 있어서, 순환된다는 것은 가스가 공급 포트(145)로 도입되고, 용융물-수납 용기(130) 주위의 갭(140)을 통해 이동하고 배출 포트(146)에서 빠져나간 후에, (순환 루프를 거쳐서) 공급 포트(145) 내로 재도입되는 것을 의미한다. 어느 실시예에 있어서, 용융물-수납 용기(130)의 일부분, 하나의 실시예에서는 전체 부분, 또는 실질적으로 전체 부분 주위로 순환 또는 이동되는 것이 요망된다. 이러한 방식으로, 가스는 용융물-수납 용기(130)의 외부를 냉각시키도록 작동가능하다. 용융물-수납 용기(130) 주위에서의 가스의 순환을 돕기 위해서, 예를 들어 유도 코일(120)의 내측면(160)에서 연장되고 가스를 용융물-수납 용기(130)의 외측면(150) 주위로 지향시키는 배플(baffle)이 추가될 수도 있다. 도 1에 도시된 실시예는 하나의 공급 포트 및 하나의 출구 포트를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 2개 이상의 공급 포트 및/또는 배출 포트가 있을 수도 있다.
하나의 실시예에 있어서, 갭(140)을 통해 순환되는 가스는 불활성 가스이다. 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 제논 및 라돈으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불활성 가스는 유도 코일과 용융물-수납 용기 사이의 갭을 통해 순환된다. 순환하는 가스는 바람직하게는 열전달 능력을 향상시키기 위해 그 내에 적어도 5%의 헬륨을 갖는다. 헬륨 농도는 적어도 8체적%일 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 순환하는 가스는 약 80%의 아르곤 및 약 20%의 헬륨의 혼합물을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 순환하는 가스는 공기이다. 또 다른 실시예에 있어서, 가스는 공기 또는 질소 및 헬륨과 같은 불활성 가스이다. 전형적인 순환 메커니즘은 노가 300℉ 이상의 온도인 한에는 연속적으로 작동된다. 하나의 실시예에서, 용융물-수납 용기(130)와 연관된 배출 포트(146)로부터 빠져나가는 순환된 가스는 노의 외측에서 냉각되고 갭 내로 다시 재순환된다[즉, 공급 포트(145) 및 갭(140) 내로 도입됨]. 하나의 실시예에 있어서, 불활성 가스의 전형적인 유량은 약 12,000 분당 입방피트(cfm)이고, 용융물-수납 용기의 외측면의 온도는 150℉ 미만으로 유지된다. 이것은 용융물-수납 용기(130)의 내화 라이닝 내에 용융 합금의 동결 평면을 잘 유지하는 것을 보장한다. 하나의 실시예에 있어서, 재순환되기 전에 인라인 제습기를 사용하여 순환된 가스로부터 습기가 제거될 수도 있다. 리튬과 같은 반응성 원소를 함유하지 않는 특정의 알루미늄 합금에 대해, 갭(140)을 통해 순환된 가스는 주변 온도로 입력되고 대기로 배기되는 대기 공기일 수 있다. 반응성 원소는 물, 수소 또는 공기의 성분과 고온에서 격렬하게 반응하는 원소이다. 그러한 공기의 전형적인 유량은 약 12,000cfm이거나, 또는 용융물-수납 용기(130)의 외부 온도를 약 150℉ 이하로 유지하기에 적절한 정도이다.
곧 설명되는 노 용기 및 가스 순환 방법은 폭발을 일으키기 위해 있어야만 하는 성분을 최소화하거나 제거함으로써 Al-Li 합금의 용융 및 DC 주조의 안전성을 개선시킨다. 용융된 Al-Li 합금의 존재하에서 물이 수소 가스를 생성하는 것이 이해될 것이다. 전형적인 화학 반응식은 하기와 같은 것으로 여겨진다:
2LiAl + 8H2O → 2LiOH + 2Al(OH)3 + 4H2(g)
용융물-수납 용기(130) 내에, 그리고 바람직하게는 용기 벽의 외측 부분으로부터 멀리 떨어진 용기 벽 내에 유지함으로써, 용융 Li-Al이 용기로부터 누출될 가능성이 억제된다. 그렇지 않으면, 그러한 누출 및 유도 코일(120)과의 접촉은 치명적일 수 있다.
하나의 실시예에 있어서, 용융물-수납 용기(130)는 밀착 권취된 이중 트위드(double tweed) 고온 유리섬유 천으로 후프-래핑된 외부면을 가지며, 이러한 유리섬유 천은 탄화규소계 고온 내화 접착제로 용융물-수납 용기의 외부에 접합된다. 용융물-수납 용기(130)에는, 하나의 실시예에 있어서, 약 1,000 내지 약 10,000 마이크로 옴 센티미터의 전기 저항률을 갖는 용융 알루미늄 저항성 작업 라이닝이 제공된다. 다른 실시예에 있어서, 저항률은 1,000,000 마이크로 옴 센티미터를 초과한다. 하나의 실시예에 있어서, 용융물-수납 용기(130)의 작업 라이닝은 내화 세라믹이다.
용융 금속의 누출 또는 흡출(bleed out)을 검출하기 위해서, 운모 도체망(mica conductor net)의 적어도 하나의 그리드(grid)가 용융물-수납 용기(130)의 외측면(150)에 또는 그 주위에 배치되고, 전기 전도성 그리드는 용융물의 누출을 검출하는 회로에 연결된 망에 의해 규정된다. 그러한 회로는 예를 들어 제어기를 통해 경보장치에 연결될 수도 있다. 전형적으로, 운모 그리드는 경보 시스템에 연결되며, 누출된 금속이 운모 그리드에 접촉하는 경우에 금속과 중성 접지 사이의 전기 회로를 완성함으로써 누출 검출 디바이스로서 작동한다. 하나의 실시예에 있어서, 작동의 추가적인 안전성을 보증하기 위해서, 다수의 운모 그리드는, (i) 용융물-수납 용기(130)의 원통형 외측면, (ii) 용융물-수납 용기(130)의 바닥부(142), 및 (iii) 유도 코일(120)의 내측면(160)을 포함하는 적어도 3개의 위치에 배치된다.
용융물의 탈가스를 위해, 유도로(100) 내의 합금 용융물의 탈가스를 위한 진공-발생 디바이스가 사용될 수 있다. 진공-발생 디바이스는 유도로(100) 내의 합금 용융물의 상부면에 진공을 가한다. 노의 탈가스에 사용된 다른 방법은 흑연 또는 탄화규소의 가스 디퓨저 블록을 사용하여 아르곤 가스를 살포하는 것이다.
상측 노 용기(110) 및 용융물-수납 용기(130)는 예컨대 탄화규소의 계면 링(interface ring)(170) 및 링형상의 열 개스킷(180)에 의해 연통가능하게 연결된다. 결합 계면은 하나 이상의 로프 개스킷(rope gasket)(190)(예를 들면, 티타늄 로프 개스킷)으로 추가로 밀봉될 수도 있다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 유도로(100)는 축(192)을 따라 틸팅하는 틸팅 타입(tilting type)이다.
하나의 실시예에 있어서, 청소 포트(clean out port)가 상측 노 용기(110)의 상단부 및 강철 쉘에 또는 그 근방에 위치된다. 하나의 실시예에서, 이 청소 포트는 틸팅 축에 대향하여 위치된다. 쉘은 용융 알루미늄의 수납을 위한 내화 라이닝된 내부를 갖고, 노 분위기를 밀봉하기 위해 그 내부 위에 커버(195)를 포함한다. 전형적으로, 노 분위기는 1인치의 수주(water column)(±0.75인치의 수주)의 아르곤 압력으로 유지된다. 전형적으로, 노 내측의 산소 농도는 0.1체적%(0.05 내지 0.2체적%)이다.
하나의 실시예에 있어서, 노 용기(110)는 용융 알루미늄 합금 저항성 작업 라이닝; 작업 라이닝의 팽창 및 수축을 허용할 수 있는 고온 압축성 내화 재료; 약 70%의 알루미나, 약 10%의 실리카, 약 3%의 산화칼슘 및 결합재(binder material)를 구비하는 최외측 층을 포함하며, 이들 모두는 전형적으로 1인치 두께를 갖는 강철 쉘 내측에 장착되며, 내화 라이닝의 내경은 노의 전체 보온 능력의 약 80%의 능력을 제공하고, 나머지 약 20%의 능력은 인덕터, 및 노의 메인 용기와 인덕터를 결합하는 영역에 의해 차지된다. 이러한 능력의 비율은 또한 약 90% 및 10%일 수도 있다.
하나의 실시예에 있어서, 노 용기(110)의 작업 라이닝은, 순수 등급의 탄화규소(SiC); 질화물 결합 탄화규소; 화학 반응성을 제어하기 위한 특수 첨가제를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아; 혹은 85% SiC+15% 알루미나 또는 판상 소결 알루미나 또는 질화물 결합 탄화규소와 결합된 고순도 마그네시아의 최내측 라이닝(112)을 포함한다. 특수 첨가제는 화학적 전도도를 제어하기 위한 황산바륨 첨가제일 수 있다. 이러한 작업 라이닝에는, 자유 실리콘, 이산화규소, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 인산염 결합제, 알루민산칼슘(calcium aluminate), 규산칼슘(calcium silicate), 시멘트, 석회(탄산칼슘), 비결정 약한 산화물(weak oxide), 비정질 약한 산화물, 혹은 용융 알루미늄 합금, 및 구체적으로는 약 5%까지의 리튬을 함유하는 Al-Li 합금과 화학적으로 반응하는 임의의 다른 내화물, 비내화물, 금속성 첨가제 또는 결합제가 본질적으로 없다. 최외측 라이닝(112)은 탄화규소 페인트(115), 혹은 지르코니아, 산화마그네슘 또는 니오븀(niobium) 금속으로 코팅된 플라즈마로 코팅되는 내측면을 갖는다.
노 용기(110)를 참조하면, 용기(110)는 최외측 라이닝(112) 상에 백업 층(116)을 포함한다. 하나의 실시예에 있어서, 백업 층(116)은 단일 유닛으로서 일체로 주조 및 소결된다. 다른 실시예에서, 백업 층(116)은 최내측 라이닝(112)의 블록(118)과 같은 텅-앤-그루브(tongue-and-groove) 형태로 조립되고 탄화규소계 고온 모르타르(119)에 의해 함께 유지되는 다수의 등압 프레싱 및 소결된 건축용 블록으로 만들어지거나, 혹은 열간 등압 프레싱된 전체 크기 도가니로서 제조된 후에 고온 베이크아웃(bake out) 및 소결된다.
하나의 실시예에 있어서, 노 용기(110)의 백업 층(116) 상의 다른 백업 층(117)은 최외측 라이닝(112) 및 백업 층(116)의 팽창 및 수축을 허용할 수 있는 고온 압축성 내화 재료로 제조된다. 백업 층(117)을 위한 전형적인 재료는, 건식 지르코니아 분말과, 지르코니아 및 알루미나 분말 혼합물과, 용융 알루미늄 합금에 대한 습윤성을 갖지 않는 압축성 단열 내화 섬유를 포함하고, 백업 층(117)은 전형적으로 2인치 내지 4인치의 두께를 갖고서 세라믹 페이퍼(121)에 인접하게 강철 쉘의 내부 상에서 연장된다.
하나의 실시예에 있어서, 유도로(100)는, 전형적으로 0.1% 내지 6.0% 범위의 리튬, 0.1% 내지 4.5% 범위의 구리, 및 0.1% 내지 6% 범위의 마그네슘과, 미량 첨가제로서 은, 티타늄, 지르코늄과, 극미량의 알칼리 금속 및 알칼리 토류 금속과 함께 잔부 알루미늄을 함유하는 Li-Al 합금의 용융물을 준비하는데 사용된다. 그러한 합금은 액체 상태에서 매우 쉽게 산화할 수 있고, 액체 상태에서 물과 접촉할 때에 격렬하게 반응하지만, 알루미늄 합금보다 훨씬 낮은 밀도(10% 정도)를 갖고 보다 높은 강도 및 강성을 나타낸다. 다른 실시예에 있어서, 유도로는 다른 알루미늄 합금을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 합금의 용융물을 준비하는데 사용될 수도 있다. 하나의 실시예에서, 용융로(100)를 사용하여 준비된 Li-Al 합금은 100,000제곱인치당 파운드(psi)의 인장 강도 및 80,000psi의 항복 강도의 요건을 만족하는 특성을 갖는다.
도 2는 직접 냉각 주조 프로세스에서 하나 이상의 빌릿, 슬래브 또는 다른 형태를 형성하기 위한 시스템의 개략적인 측면도를 도시한다. 도 2에 따르면, 시스템(200)은 도 1을 참조하여 상세하게 설명된 것과 같은 유도로(100)를 포함한다. 유도로(100)는 노 용기(110)와, 인덕터 코일[인덕터 코일(120), 도 1]이 주위에 위치된 용융물-수납 용기(130)를 포함한다. Al-Li 합금을 제조하기 위한 하나의 실시예에 있어서, 알루미늄 및 리튬, 및 원하는 합금을 위한 임의의 다른 금속의 고체 장입물이 노 용기(110)의 하측 부분 내로, 그리고 용융물-수납 용기(130) 내에 도입된다. 금속은 유도 가열에 의해 용융되고, 용융된 금속은 제 1 필터(210)로, 탈가스기(220)를 통해 제 2 필터(230)로, 그리고 빌릿 성형 스테이션(240)으로 이송된다.
시스템(200)에 있어서의 유도로(100)는 용융물-수납 용기(130)를 둘러싸는 유도 코일[유도 코일(120), 도 1]을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 용융물-수납 용기(130)의 외측면과 유도 코일의 내측면[내측면(160), 도 1] 사이에 갭이 존재한다. 하나의 실시예에 있어서, 불활성 가스는 이 갭 내에서 순환된다. 도 2에서의 유도로(100)의 표현은 전형적으로 원통형인 용융물-수납 용기의 주위(예를 들면, 용기의 전체 외측면의 주위)에서 순환하는 가스를 나타낸다. 도 2는 시스템(200)과 연관된 가스 순환 서브시스템을 나타낸다. 하나의 실시예에 있어서, 불활성 가스와 같은 가스는, 예를 들어, 스테인리스강 튜브를 통해 가스 소스(255)로부터 공급된다. 다양한 밸브는 가스의 공급을 제어한다. 가스가 가스 소스(255)로부터 공급될 때, 가스 소스(255)에 인접한 밸브(256)는 개방되고, 공급 포트(145) 내로의 가스의 도입을 허용하도록 밸브(251)가 개방되고, 그리고 가스가 배출 포트(146)로부터 순환 서브시스템 내로 배출될 수 있게 하도록 밸브(252)가 개방된다. 가스는 유도로(100)와 연관된 공급 포트(145) 내로 도입된다. 도입된 가스는 용융물-수납 용기(130)와 유도 코일[유도 코일(120), 도 1] 사이의 갭[갭(140)] 내에서 순환한다. 다음에, 순환된 가스는 배출 포트(146)를 통해 유도로(100)를 빠져나간다. 배출 포트(146)로부터의 가스는 인라인 수소 분석기(258)를 통과한다. 수소 분석기(258)는 가스류 내의 수소의 양(예를 들면, 농도)을 측정한다. 그 양이 예를 들어 0.1체적%를 초과하면, 가스는 배기 밸브(259)를 통해 대기로 배기된다. 수소 분석기는, 순환된 가스 내의 수소의 양을 측정하고 수소의 사전결정된 레벨에 반응하여 가스를 배기 밸브를 통해 배기하도록 작동가능하다. 배출 포트(146)로부터 순환된 가스는 또한 정제기(260)를 통과한다. 정제기(260)는 불활성 가스로부터 수소 및/또는 습기를 제거하도록 작동가능하거나 또는 구성된다. 습기를 제거하기 위한 정제기의 일례는 제습기(dehumidifier)이다. 제습기는 가스 내의 습기를 10ppm 미만까지 제거하도록 작동가능하다. 정제기(260)로부터의 가스는 열교환기(270)에 노출된다. 열교환기(270)는 가스 온도를, 예를 들어 120℉ 미만으로 조절하기 위해 가스로부터 열을 제거하도록 구성된다. 전형적으로, 유도 코일과 용융물-수납 용기 사이의 갭을 통해 순환할 때, 가스는 열을 흡수/보유할 수 있고, 가스의 온도가 상승한다. 열교환기(270)는 가스의 온도를 저감시키고, 하나의 실시예에서는 이러한 온도를 120℉ 미만이고 하나의 실시예에서 대략 실온인 목표 온도로 복귀시키도록 구성된다. 하나의 실시예에 있어서, 가스를 열교환기(270)에 노출시키는 것에 부가하여, 가스는 냉각 소스(275)에 노출됨으로써 냉각될 수 있다. 이러한 방식으로, 가스의 온도는 유도로(100)에 유입/재유입되기 전에 상당히 저감될 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 순환 서브시스템(250)은 공급 포트(145) 이전에 온도 모니터(280)(예를 들면, 열전쌍)를 포함한다. 온도 모니터(280)는 공급 포트(145) 내로 공급되는 가스의 온도를 측정하도록 작동가능하다. 가스 순환 서브시스템(250)[예를 들면, 수소 분석기(258), 정제기(260), 열교환기(270) 및 냉각 소스(275)]의 설명된 스테이지를 통한 가스의 순환은 각각의 설명된 스테이지를 연결하는 튜브, 예를 들어 스테인리스강 튜브를 통해 이루어질 수 있다. 또한, 설명된 스테이지의 순서는 변화될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
다른 실시예에 있어서, 용융물-수납 용기(130)와 유도 코일[유도 코일(120), 도 1] 사이의 갭[갭(140), 도 1]을 통해 순환되는 가스는 대기 공기이다. 이러한 실시예는 상기에서 설명된 바와 같은 반응성 원소를 포함하지 않는 합금에서 사용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 대기 공기가 갭 내로 도입되어야 하는 경우, 가스 순환 서브시스템(250)은 오염을 회피하기 위해 격리될 수도 있다. 따라서, 하나의 실시예에 있어서, 밸브(251, 252, 256)가 폐쇄된다. 공급 포트(145) 내로의 공기의 도입을 허용하기 위해서, 공기 공급 밸브(253)가 개방된다. 배출 포트(146)로부터의 배출을 허용하기 위해서, 공기 배출 밸브(257)가 개방된다. 공기 공급 밸브(253) 및 공기 배출 밸브(257)는 가스 순환 서브시스템(250)이 사용될 때 폐쇄되고, 가스는 가스 소스(255)로부터 공급된다. 공기 공급 밸브(253) 및 공기 배출 밸브(257)가 개방된 경우, 대기 공기는 송풍기(258)(예를 들면, 공급 팬)에 의해 갭[갭(140), 도 1]에 공급된다. 송풍기(258)는 전형적으로 약 12,000cfm의 체적으로 (예를 들면, 튜브를 통해) 공급 밸브(145)에 공기를 공급하는 공기류를 생성한다. 공기는 갭[갭(140), 도 1]을 통해 순환하고, 배출 포트(146)를 통해 대기로 배출된다.
전술한 바와 같이, 유도로(100)로부터의 용융된 합금은 필터(210) 및 필터(230)를 통해 유동한다. 각 필터는 용융물로부터 불순물을 여과하도록 설계된다. 또한, 용융물은 인라인 탈가스기(220)를 통과한다. 하나의 실시예에 있어서, 탈가스기(220)는 용융물로부터 원치않는 가스 종(예를 들면, 수소 가스)을 제거하도록 구성된다. 용융물의 여과 및 탈가스에 이어서, 용융물은 빌릿 또는 슬래브 성형 시스템(240)에 도입될 수 있으며, 여기서 하나 이상의 빌릿 또는 슬래브가 예를 들어 직접 냉각 주조 프로세스에서 형성될 수 있다.
상기에서 설명된 시스템은 제어기에 의해 제어될 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 제어기(290)는 시스템(200)의 작동을 제어하도록 구성된다. 따라서, 유도로(100); 제 1 필터(210); 탈가스기(220); 제 2 필터(230); 및 빌릿 성형 시스템(240)과 같은 다양한 유닛은 유선을 통해 또는 무선으로 제어기(290)에 전기적으로 연결된다. 하나의 실시예에 있어서, 제어기(290)는 비-일시적 매체의 형태로서 기계-판독가능 프로그램 명령을 포함한다. 하나의 실시예에서, 프로그램 명령은 유도로(100) 내에서 장입물을 용융시키고, 빌릿 또는 슬래브 성형 스테이션(240)에 이 용융물을 이송하는 방법을 수행한다. 장입물의 용융과 관련하여, 프로그램 명령은, 예를 들어 유도 코일을 작동시키고, 유도 코일과 용융물-수납 용기(130) 사이의 갭을 통해 가스를 순환시키기 위한 명령을 포함한다. 용융물을 빌릿 또는 슬래브 성형 시스템(240)에 이송하는 것과 관련하여, 그러한 명령은 필터 및 탈가스기를 통해 유도로(100)로부터 용융물의 유동을 달성하기 위한 명령을 포함한다. 빌릿 또는 슬래브 성형 시스템(240)에서, 이 명령은 하나 이상의 빌릿의 형성을 지시한다. 하나 이상의 빌릿을 형성하는 것과 관련하여, 이 프로그램 명령은, 예를 들어 하나 이상의 주조 실린더(295)를 하강시키고, 금속 합금 주물을 응고시키도록 냉각제(297)를 분무하는 명령을 포함한다.
하나의 실시예에 있어서, 제어기(290)는 또한 시스템을 조절 및 모니터링한다. 이러한 조절 및 모니터링은 제어기(290)에 신호를 송신하거나 제어기(290)에 의해 문의되는, 시스템의 전체에 걸친 다수의 센서에 의해 달성될 수도 있다. 예를 들면, 유도로(100)와 관련하여, 이러한 모니터는 용융물-수납 용기(130) 및/또는 상측 노 용기(110)와 연관된 하나 이상의 온도계/열전쌍을 포함할 수도 있다. 다른 모니터는 용융물-수납 용기(130)와 유도 코일의 내측면 사이의 갭[예를 들면, 갭(140), 도 1] 내로 도입되는 가스(예를 들면, 불활성 가스)의 온도를 제공하는 가스 순환 서브시스템(250)과 연관된 온도 모니터(280)를 포함한다. 순환 가스의 온도를 모니터링함으로써, 용융물-수납 용기(130)와 연관된 동결 평면은 원하는 위치에 유지될 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 용융물-수납 용기의 외부면의 온도는 또한 용융물-수납 용기(130)의 외부면에 인접하게 열전쌍[열전쌍(244)]을 설치함으로써 제어기(290)에 의해 측정 및 모니터링될 수도 있다. 가스 순환 서브시스템(250)과 연관된 다른 모니터는 수소 분석기(258)와 관련된다. 수소 분석기(258)가 가스 내의 과도한 양의 수소를 검출하는 경우, 신호가 제어기(290)로 전송되거나 제어기(290)에 의해 검출되고, 제어기(290)는 배기 밸브(259)를 개방한다. 하나의 실시예에서, 제어기(290)는, 예를 들어 제어기(290)가 밸브를 개방하는 정도에 의해 제어되는 가스의 유량으로 가스 소스(255)(각각의 밸브가 개방됨)로부터 가스가 공급될 때, 가스 순환 서브시스템(250)과 연관된 밸브(251, 252, 256)의 개폐를 또한 제어하고, 그리고 주변 공기가 송풍기(258)로부터 공급될 때, 각각의 밸브가 폐쇄되고, 공기 공급 밸브(253) 및 공기 배출 밸브(257)가 개방된다. 하나의 실시예에 있어서, 공기가 갭[갭(140), 도 1]을 통해 순환되는 경우, 제어기는 송풍기(258)의 속도를 조절할 수 있고, 및/또는 공기 공급 밸브(253)는, 예를 들어 용융물-수납 용기(130)의 외부에 인접하는 열전쌍(244)으로부터의 온도 측정에 기초하여 용융물-수납 용기(130)의 외부면의 온도를 조절하도록 개방된다. 추가의 모니터는, 예를 들어 유도로(100)와 연관된 흡출 검출 서브시스템과 연관된 프로브(예를 들면, 전술한 운모 프로브 참조)를 포함한다. 전체적인 시스템(200)에 관하여, 추가적인 모니터가 예를 들어 용융 금속 흡출 또는 런 아웃(run out)을 위한 시스템을 모니터링하도록 제공될 수 있다.
전술한 시스템은 자동차, 스포츠, 항공 및 우주항공 산업을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는 다양한 산업에서 사용될 수 있는 빌릿, 슬래브 또는 다른 형태를 형성하는데 사용될 수 있다. 도시된 시스템은 직접 냉각 주조 프로세스에 의해 빌릿 또는 슬래브를 형성하기 위한 시스템을 나타낸다. 슬래브 또는 원형 또는 사각형 이외의 다른 것이 대안적으로 유사한 시스템에서 형성될 수도 있다. 형성된 빌릿은, 예를 들어 압출된 금속 부품을 이용하는 항공기, 자동차 또는 임의의 산업을 위한 원하는 구성요소를 압출 또는 단조하는데 사용될 수도 있다. 유사하게, 슬래브 또는 다른 형태의 주물이, 예를 들어 압연 또는 단조에 의해 자동차, 항공 또는 우주항공 산업을 위한 구성요소와 같은 구성요소를 형성하는데 사용될 수도 있다.
전술한 시스템은 하나의 유도로를 도시한다. 다른 실시예에서, 시스템은 다수의 유도로 및 전형적으로 다수의 소스 가스, 다수의 필터 및 탈가스기를 포함하는 다수의 가스 순환 서브시스템을 포함할 수도 있다.
상기 기재에 있어서는, 설명을 위해, 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 요건 및 몇몇 특정 세부사항이 개시되었다. 그러나, 본 기술분야에 숙련된 자에게는, 하나 이상의 다른 실시예가 일부의 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수도 있다는 것이 자명할 것이다. 기재된 특정 실시예는 본 발명을 한정하기 위해 제공되는 것이 아니라 본 발명을 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 범위는 상기에 제공된 특정 예시에 의해 결정되는 것이 아니라 하기의 청구범위에 의해서만 결정되는 것이다. 다른 예에 있어서, 기재의 이해를 어렵게 하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 구조, 디바이스, 및 작동이 블록도 형태로 또는 세부사항 없이 도시되어 있다. 적절하다고 고려되는 경우, 참조 부호 또는 참조 부호의 용어 부분은 선택적으로 유사한 특성을 가질 수 있는 상응하거나 유사한 요소를 지시하도록 도면들 중에서 반복되고 있다.
이러한 명세서 전체에 걸쳐서, "하나의 실시예", "일 실시예", "하나 이상의 실시예", 또는 "상이한 실시예"에 대한 언급은 예컨대 특정한 특징이 본 발명의 실시에 포함될 수 있다는 것을 의미한다는 점이 또한 이해되어야 한다. 유사하게, 상세한 설명에서는, 개시의 간소화를 위해, 또한 다양한 발명 태양의 이해를 돕기 위해, 다양한 특징이 때때로 그것의 단일의 실시예, 도면, 또는 상세한 설명에서 함께 그룹화된다는 점이 이해되어야 한다. 그러나, 본 개시의 방법은, 본 발명이 각 청구항에서 명확하게 기재된 것보다 많은 특징을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 오히려, 하기의 청구범위가 반영하고 있는 것과 같이, 발명 태양은 단일의 개시된 실시예의 모든 특징보다 적게 있을 수도 있다. 따라서, 발명의 상세한 설명에 이어지는 청구범위는 이로써 이러한 발명의 상세한 설명에 명확하게 포함되는 것이고, 각각의 청구항은 본 발명의 별개의 실시예로서 그 자체로 성립하는 것이다.

Claims (47)

  1. 유도로에 있어서,
    상측 노 용기와,
    상기 상측 노 용기 아래에 위치된 유도 코일과,
    상기 유도 코일 내측에 위치되고 상기 상측 노 용기에 연통가능하게 연결되는 용융물-수납 용기로서, 상기 유도 코일 내측에의 상기 용융물-수납 용기의 위치설정은 상기 용융물-수납 용기의 외측면과 상기 유도 코일의 내측면 사이의 갭을 규정하는, 상기 용융물-수납 용기와,
    상기 갭과 각각 연통하는 적어도 하나의 공급 포트 및 적어도 하나의 배출 포트와,
    상기 적어도 하나의 공급 포트에 결합되는 가스 소스로서, 상기 가스 소스는 적어도 하나의 가스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 가스는 상기 공급 포트와 상기 배출 포트 사이에서 순환되고 습기를 제거하도록 작동가능한, 상기 가스 소스와,
    상기 적어도 하나의 공급 포트 내로 공급되는 상기 적어도 하나의 가스의 온도를 측정하도록 작동가능한 제 1 온도 모니터와,
    상기 용융물-수납 용기의 외부면의 온도를 측정하도록 작동가능한 열전쌍과,
    상기 제 1 온도 모니터 및 상기 열전쌍을 모니터링하고, 상기 용융물-수납 용기의 라이닝 내에 있는 상기 용융물-수납 용기 내의 합금의 동결 평면을 유지하기 위해 상기 용융물-수납 용기의 외부면의 온도에 기초하여 상기 적어도 하나의 공급 포트로의 상기 적어도 하나의 가스의 공급을 제어하도록 작동가능한 제어기를 포함하는
    유도로.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 소스는 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 제논 및 라돈으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불활성 가스를 포함하며, 상기 불활성 가스는 상기 유도 코일과 상기 용융물-수납 용기 사이의 갭을 통해 순환되는
    유도로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 소스는 헬륨을 함유하는 가스 혼합물을 포함하며, 헬륨 농도는 적어도 8체적%인
    유도로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 소스는 80%의 아르곤 및 20%의 헬륨의 혼합물을 포함하는
    유도로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 소스는 공기를 포함하는
    유도로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 소스로부터의 가스는 상기 공급 포트와 상기 배출 포트 사이에서 순환되도록 작동가능한
    유도로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    순환된 가스는 상기 유도로의 외측에서 냉각되고 상기 갭 내로 다시 재순환되는
    유도로.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 갭 내의 순환된 가스의 온도는 150℉ 미만으로 유지되는
    유도로.
  10. 제 8 항에 있어서,
    정제기를 더 포함하며, 가스는 재순환되기 전에 상기 정제기를 통과하도록 구성되는
    유도로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 정제기는 제습기를 포함하고, 상기 제습기는 가스 내의 습기를 10ppm 미만까지 제거하도록 작동가능한
    유도로.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 순환된 가스 내의 수소의 양을 측정하고 수소의 사전결정된 레벨에 반응하여 가스를 배기 밸브를 통해 배기하도록 작동가능한 수소 분석기를 더 포함하는
    유도로.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 갭은 적어도 1/2인치인
    유도로.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도로는 틸팅하도록 구성되는
    유도로.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 코일은 냉각식 유도 코일인
    유도로.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융물-수납 용기의 외측면에 또는 그 주위에 배치된 적어도 하나의 전도성 운모 그리드를 더 포함하고, 상기 그리드는 용융물의 누출을 검출하는 회로에 연결되는
    유도로.
  17. 제 16 항에 있어서,
    (i) 상기 용융물-수납 용기의 원통형 외측면, (ii) 상기 용융물-수납 용기의 바닥부, 및 (iii) 상기 유도 코일의 내주부 상을 포함하는 적어도 3개의 위치에 배치되는 다수의 운모 그리드를 더 포함하는
    유도로.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 상측 노 용기에 결합되고 상기 용융물-수납 용기 내의 합금 용융물을 탈가스시키도록 작동가능한 진공-발생 디바이스를 더 포함하며, 상기 진공-발생 디바이스는 상기 유도로 내의 합금 용융물의 표면에 진공을 가하는
    유도로.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 상측 노 용기는,
    탄화규소계 재료의 용융 알루미늄 저항성 작업 라이닝과,
    고온 내화물의 중간 층과,
    70%의 알루미나, 10%의 실리카, 3%의 산화칼슘 및 결합재를 포함하는 최외측 층을 포함하여, 상기 작업 라이닝의 팽창 및 수축을 허용하는
    유도로.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 작업 라이닝은 1,000 내지 50,000,000 마이크로 옴 센티미터의 전기 저항률을 갖는
    유도로.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기작업 라이닝은,
    순수 등급의 탄화규소(SiC);
    질화물 결합 탄화규소;
    화학적 전도도를 제어하기 위한 황산바륨 첨가제를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아;
    85% SiC+15% 알루미나 또는 판상 소결 알루미나; 및
    질화물 결합 탄화규소와 결합된 고순도 마그네시아
    중 적어도 하나를 포함하는
    유도로.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 중간 층은 건식 지르코니아 분말과, 지르코니아 및 알루미나 분말 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는
    유도로.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 상측 노 용기의 최외측 내화물 층은 70%의 알루미나, 10%의 실리카, 3%의 산화칼슘 및 잔부 결합재와, 용융 알루미늄 합금에 대한 습윤성을 갖지 않는 압축성 단열 내화 섬유를 포함하는
    유도로.
  24. 직접 냉각 주조를 위한 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 유도로로서,
    상측 노 용기와,
    상기 상측 노 용기 아래에 배치된 유도 코일과,
    상기 유도 코일 내측에 배치되고 상기 상측 노 용기에 연통가능하게 결합되는 용융물-수납 용기로서, 상기 유도 코일 내측에의 상기 용융물-수납 용기의 위치설정은 상기 용융물-수납 용기의 외측면과 상기 유도 코일의 내측면 사이의 갭을 규정하는, 상기 용융물-수납 용기와,
    상기 갭과 각각 연통하는 적어도 하나의 공급 포트 및 적어도 하나의 배출 포트와,
    상기 적어도 하나의 공급 포트에 결합되는 가스 소스로서, 상기 가스 소스는 적어도 하나의 가스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 가스는 상기 공급 포트와 상기 배출 포트 사이에서 순환되고 습기를 제거하도록 작동가능한, 상기 가스 소스와,
    상기 적어도 하나의 공급 포트 내로 공급되는 상기 적어도 하나의 가스의 온도를 측정하도록 작동가능한 제 1 온도 모니터와,
    상기 용융물-수납 용기의 외부면의 온도를 측정하도록 작동가능한 열전쌍과,
    상기 제 1 온도 모니터 및 상기 열전쌍을 모니터링하고, 상기 용융물-수납 용기의 라이닝 내에 있는 상기 용융물-수납 용기 내의 합금의 동결 평면을 유지하기 위해 상기 용융물-수납 용기의 외부면의 온도에 기초하여 상기 적어도 하나의 공급 포트로의 상기 적어도 하나의 가스의 공급을 제어하도록 작동가능한 제어기를 포함하는,
    상기 적어도 하나의 유도로와,
    용융 금속 내의 불순물을 제거하도록 작동가능한 적어도 하나의 인라인 필터와,
    상기 갭과 결합된 공급 포트에 결합되는 적어도 하나의 가스 소스와,
    주조에 의해 금속을 응고시키기 위한 적어도 하나의 디바이스를 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 유도로로부터의 합금 용융물의 누출을 검출하는 누출-검출 디바이스를 더 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    합금 용융물의 탈가스를 위한 진공-발생 디바이스를 더 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 가스 소스는 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 제논 및 라돈으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  28. 제 24 항에 있어서,
    적어도 하나의 불활성 가스는 80%의 아르곤 및 20%의 헬륨의 혼합물을 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 소스는 공기를 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 가스 소스로부터의 가스는 상기 갭과 결합된 배출 포트와 공급 포트 사이의 순환 루프에서 순환되도록 작동가능한
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 순환 루프에 결합된 냉각 디바이스를 더 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 순환 루프에 제습기를 더 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 순환 루프에 수소 검출기를 더 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  34. 제 24 항에 있어서,
    상기 상측 노 용기에 결합되고 상기 용융물-수납 용기 내의 합금 용융물의 표면 상에 진공을 가하도록 작동가능한 진공-발생 디바이스를 더 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  35. 제 24 항에 있어서,
    상기 갭은 적어도 1/2인치인
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  36. 제 24 항에 있어서,
    상기 유도 코일은 냉각식 유도 코일을 포함하는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 냉각식 유도 코일을 냉각하는데 글리콜이 사용되는
    직접 냉각 주조를 위한 시스템.
  38. 삭제
  39. 삭제
  40. 삭제
  41. 유도로를 냉각시키는 방법에 있어서,
    유도 코일과 상기 유도 코일 내측에 위치된 용융물-수납 용기 사이의 갭 내로 가스를 도입하는 단계와,
    상기 가스를 상기 갭을 통해 순환시키는 단계로서, 상기 가스를 순환시킴으로써 상기 용융물-수납 용기의 라이닝 내에 있는 상기 용융물-수납 용기 내의 용융물의 동결 평면을 유지시키는, 상기 순환시키는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 상기 용융물-수납 용기 내의 용융물의 동결 평면을 유지하기 위해, 상기 용융물-수납 용기의 외부면의 온도에 기초하여 상기 갭 내로의 상기 가스의 공급을 제어하는 단계를 더 포함하는
    유도로 냉각 방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 용융물-수납 용기 내에 용융물이 수납되는 경우에, 상기 가스는 상기 용융물-수납 용기의 표면을 냉각시키도록 작동가능한
    유도로 냉각 방법.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 순환시키는 단계는, 상기 갭과 결합된 배출 포트로부터 배출된 가스를 상기 갭과 결합된 공급 포트 내로 도입하는 단계를 포함하는
    유도로 냉각 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 가스를 상기 공급 포트 내로 도입하기 전에, 상기 냉각 방법은 가스의 온도를 낮추는 단계를 포함하는
    유도로 냉각 방법.
  45. 제 42 항에 있어서,
    상기 가스는 공기인
    유도로 냉각 방법.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 용융물은 알루미늄과, 반응성 원소가 아닌 적어도 하나의 다른 원소를 포함하고,
    상기 반응성 원소는 고온에서 물, 수소 또는 공기의 성분과 반응하는 원소인
    유도로 냉각 방법.
  47. 제 41 항에 있어서,
    상기 용융물은 알루미늄과, 반응성 원소인 적어도 하나의 다른 원소를 포함하고,
    상기 반응성 원소는 고온에서 물, 수소 또는 공기의 성분과 반응하는 원소인
    유도로 냉각 방법.
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