KR102508917B1 - 혼합 이덕터 노즐 및 흐름 제어 디바이스 - Google Patents

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사무엘 알. 웨그스태프
로버트 비. 웨그스태프
겐조 다카하시
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노벨리스 인크.
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Abstract

주조 금속들에서 거대 편석을 감소시키기 위한 기술들이 개시된다. 기술들은 주조되는 잉곳의 유체 영역에서의 혼합을 증가시킬 수 있는 이덕터 노즐을 제공하는 것을 포함한다. 기술들은 또한 몰드 공동에 도입되는 용융된 금속에 압력을 인가하고/하거나 혼합하기 위해 비-접촉 흐름 제어 디바이스를 제공하는 것을 포함한다. 비-접촉 흐름 제어 디바이스는 영구 자석 또는 전자석을 기반으로 할 수 있다. 기술들은 용융된 금속을 몰드 공동에 도입하기 전에 용융된 금속을 능동적으로 냉각하고 혼합하는 것을 추가로 포함할 수 있다.

Description

혼합 이덕터 노즐 및 흐름 제어 디바이스{MIXING EDUCTOR NOZZLE AND FLOW CONTROL DEVICE}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 "MAGNETIC BASED STIRRING OF MOLTEN ALUMINUM"이라는 명칭으로 2014년 5월 21일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/001,124호 및 "MAGNET-BASED OXIDE CONTROL"이라는 명칭으로 2014년 10월 7일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/060,672호의 이익을 주장하며, 이들 모두는 이를 통해 그 전체가 참조로서 통합된다.
기술분야
본 개시는 전반적으로 금속 주조에 관한 것으로, 더 구체적으로 몰드 공동으로의 용융된 금속의 전달을 제어하는 것에 관한 것이다.
금속 주조 프로세스에서, 용융된 금속은 몰드 공동 내로 전달된다. 주조의 몇몇 유형들에 대해, 가바닥(false bottom), 또는 이동하는 바닥들을 갖는 몰드 공동들이 사용된다. 용융된 금속이 일반적으로 상부로부터 몰드 공동에 들어갈 때, 가바닥은 용융된 금속의 흐름율에 관련된 속도로 낮아진다. 측부들 근처에서 고체화된 용융된 금속은 액체 및 부분적인 액체 금속을 용융된 섬프(sump)에 유지하는데 사용될 수 있다. 금속은 99.9% 고체(예를 들어, 완전 고체), 100% 액체, 그리고 그 사이의 어떤 것일 수 있다. 용융된 섬프는 용융된 금속이 냉각됨에 따라 고체 영역들의 증가하는 두께로 인해 V-형, U-형, 또는 W-형을 취할 수 있다. 고체와 액체 금속 사이의 경계면은 종종 고체화 경계면으로 언급된다.
용융된 섬프에서의 용융된 금속이 대략 0% 고체와 대략 5% 고체 사이가 될 때, 핵 형성이 발생할 수 있고, 금속의 작은 결정들이 형성될 수 있다. 이들 작은(예를 들어, 나노미터 크기의) 결정들은 핵으로서 형성하기 시작하고, 이것은 용융된 금속이 냉각됨에 따라 덴드라이트(dendrite)들을 형성하기 위해 우선적인 방향들로 계속해서 성장한다. 용융된 금속이 덴드라이트 간섭성 지점(예를 들어, 음료 캔 단부들에 사용된 5182 알루미늄에서 632℃)으로 냉각될 때, 덴드라이트들은 함께 붙기 시작한다. 용융된 금속의 온도 및 백분율 고체에 따라, 결정들은 알루미늄의 특정 합금들 내에서 FeAl6, Mg2Si, FeAl3, Al8Mg5, 및 그로스(gross) H2의 입자들과 같은 상이한 입자들(예를 들어, 금속간 화합물(intermetallic)들 또는 수소 기포들)을 포함하거나 포획할 수 있다.
추가로, 용융된 섬프의 에지 근처의 결정들이 냉각 동안 수축할 때, 아직 고체화하지 않은(yet-to-solidify) 액체 조성물들 또는 입자들은 결정들로부터(예를 들어, 결정들의 덴드라이트들 사이로부터 벗어나) 거부되거나 압착될 수 있고, 용융된 섬프에 축적될 수 있어서, 잉곳(ingot) 내에서 입자들의 균일하지 않은 균형 또는 더 적은 용해가능 합금 요소들을 초래한다. 이들 입자들은 고체화 경계면과 독립적으로 이동할 수 있고, 다양한 밀도 및 부유 반응들을 가질 수 있어서, 고체화 잉곳 내에서 우선적인 침전을 초래한다. 추가로, 섬프 내에 정체(stagnation) 영역들이 존재할 수 있다.
그레인(grain)의 길이 스케일 상에서의 합금 요소들의 비 균질한 분배는 미소 편석(microsegregation)으로서 알려져 있다. 이와 대조적으로, 거대 편석(macrosegregation)은 미터의 길이 스케일과 같이 그레인(또는 다수의 그레인들)보다 더 큰 길이 스케일에 걸친 화학적 비균질성이다.
거대 편석은 불량한 물질 특성들을 초래할 수 있고, 이것은 항공 우주 프레임들과 같이 특정한 용도들에 특히 바람직하지 않을 수 있다. 미소 편석과 달리, 거대 편석은 균질화를 통해 고정될 수 없다. 몇몇 거대 편석 금속간 화합물들이 롤링(rolling) 동안 파손될 수 있지만(예를 들어, FeAl6, FeAlSi), 몇몇 금속간 화합물들은 롤링 동안 파손되는 것에 대해 저항성이 있는 형태들을 취한다(예를 들어, FeAl3).
새로운 고온 액체 금속을 금속 섬프에 첨가하는 것이 몇몇 혼합을 생성하지만, 추가 혼합이 바람직할 수 있다. 공공 영역에서의 몇몇 현재 혼합 접근법들은, 이들이 산화물 생성을 증가시킴에 따라 잘 작용하지 않는다.
추가로, 알루미늄의 성공적인 혼합은 다른 금속들에 존재하지 않는 도전들을 포함한다. 알루미늄의 접촉 혼합은 구조-약화 산화물 및 함유물의 형성을 초래할 수 있고, 이것은 바람직하지 않은 주조 생성물을 초래한다. 알루미늄의 비-접촉 혼합은 알루미늄의 열적, 자기적, 및 전기적 전도성 특징들로 인해 어려울 수 있다.
몇몇 주조 기술들에서, 용융된 금속은 몰드 공동의 상부 근처에 있는 분배 백(distribution bag)으로 흐르고, 이는 용융된 섬프의 상부 표면을 따라 용융된 금속을 보낸다. 분배 백의 이용은 용융된 섬프에서의 온도 층위성형(stratification)뿐만 아니라, 흐름 속도 및 전위 에너지가 최저가 되는 잉곳의 중심에서 그레인들의 증착을 초래할 것이다.
금속 주조 프로세스에서의 합금 편석을 용해하는 것에 대한 몇몇 접근법들은 매우 얇은 잉곳들을 초래할 수 있고, 이것은 잉곳 길이에서의 제한들로 인해 잉곳당 적은 금속 주조, 기계적 배리어들 및 댐들로 인한 오염된 잉곳들, 및 주조 속도에서의 바람직하지 않은 변동들을 제공한다. 혼합 효율을 증가시키는 시도들은 종종 주조 속도를 증가시킴으로써 이루어지며, 이는 질량 흐름율을 증가시킨다. 하지만, 이를 행하는 것은 고온 균열들, 고온 찢어짐(hot tears), 새어 나옴(bleed outs), 및 다른 문제들을 초래할 수 있다. 또한 합금 거대 편석을 완화시키는 것이 바람직할 수 있다.
본 명세서는 다음의 첨부된 도면들을 참조하고, 여기서 상이한 도면들에서의 유사한 도면 부호들의 이용은 유사하거나 비슷한 구성 요소들을 예시하도록 의도된다.
도 1은 본 개시의 특정 양상들에 따른 금속 주조 시스템의 부분 단면도이다.
도 2는 본 개시의 특정 양상들에 따른 이덕터(eductor) 노즐 조립체의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 특정 양상들에 따른 영구 자석 흐름 제어 디바이스의 투사 사시도이다.
도 4는 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 피구동(driven) 나사 흐름 제어 디바이스의 단면 사시도이다.
도 5는 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 피구동 나사 흐름 제어 디바이스의 측단면도이다.
도 6은 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 피구동 나사 흐름 제어 디바이스를 위에서 본 평면도이다.
도 7은 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 선형 유도 흐름 제어 디바이스의 사시도이다.
도 8은 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 나선형 유도 흐름 제어 디바이스의 정면도이다.
도 9는 본 개시의 특정 양상들에 따른 영구 자석 가변-피치 흐름 제어 디바이스를 위에서 본 평면도이다.
도 10은 본 개시의 특정 양상들에 따른 회전 전용(rotation-only) 배향의 도 9의 영구 자석 가변-피치 흐름 제어 디바이스의 측면도이다.
도 11은 본 개시의 특정 양상들에 따른 하향 압력 배향의 도 9의 영구 자석 가변-피치 흐름 제어 디바이스의 측면도이다.
도 12는 본 개시의 특정 양상들에 따른 구심 다운스파우트(downspout) 흐름 제어 디바이스의 측단면도이다.
도 13은 본 개시의 특정 양상들에 따른 직류 전도 흐름 제어 디바이스의 측단면도이다.
도 14는 본 개시의 특정 양상들에 따른 다중-챔버 공급 튜브의 측단면도이다.
도 15는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 14의 다중-챔버 공급 튜브를 밑에서 본 저면도이다.
도 16은 본 개시의 특정 양상들에 따른 헬름홀츠 공진기 흐름 제어 디바이스의 측단면도이다.
도 17은 본 개시의 특정 양상들에 따른 반-고체 주조 공급 튜브의 측단면도이다.
도 18은 본 개시의 특정 양상들에 따라 다중 배출 노즐들을 갖는 플레이트 공급 튜브의 단면 정면도이다.
도 19는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 18의 플레이트 공급 튜브를 밑에서 본 저면도이다.
도 20은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 18의 플레이트 공급 튜브를 위에서 본 평면도이다.
도 21은 본 개시의 특정 양상들에 따른 이덕터 부착을 도시한 도 18의 플레이트 공급 튜브의 측면 분해도이다.
도 22는 본 개시의 특정 양상들에 따른 이덕터 노즐을 도시한 도 18의 플레이트 공급 튜브의 측단면도이다.
도 23은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 22의 공급 튜브를 확대한 단면도이다.
도 24는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 18의 공급 튜브를 이용한 금속 주조 시스템의 부분 단면도이다.
도 25는 본 개시의 특정 양상들에 따른 주조 빌릿(billet)들을 위한 금속 주조 시스템의 단면도이다.
도 26은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 25의 심블(thimble)의 부분의 사시도이다.
도 27은 본 실시예의 특정 양상들에 따른 각진 통로를 갖는 심블의 부분의 사시 단면도이다.
도 28은 본 실시예의 특정 양상들에 따른 로프트되거나(lofted) 굴곡진 통로를 갖는 심블의 부분의 사시 단면도이다.
도 29는 본 실시예의 특정 양상들에 따른 나사산이 형성된(threaded) 통로를 갖는 심블의 부분의 사시 단면도이다.
도 30은 본 실시예의 특정 양상들에 따른 이덕터 노즐을 갖는 심블의 부분의 사시 단면도이다.
도 31 내지 도 35는 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하지 않는 샘플 잉곳 주조의 섹션의, 중심으로부터 표면까지의 순차적으로 더 좁아지는 부분들의 덴드라이트 아암(dendrite arm) 간격을 도시한 현미경 이미지이다.
도 36 내지 도 40은 본 개시의 특정 양상들에 따른 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하는 샘플 잉곳 주조의 섹션의, 중심으로부터 표면까지의 순차적으로 더 좁아지는 부분들의 덴드라이트 아암 간격을 도시하며, 도 31 내지 도 35의 장소들에 대응하는 장소들에서 취해진 현미경 이미지이다.
도 41 내지 도 45는 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하는 샘플 잉곳 주조의 섹션의, 중심으로부터 표면까지의 순차적으로 더 좁아지는 부분들의 그레인 크기들을 도시하며, 도 31 내지 도 35의 장소들에 대응하는 장소들에서 취해진 현미경 이미지이다.
도 46 내지 도 50은 본 개시의 특정 양상들에 따라 본 명세서에 기재된 기술을 이용하는 샘플 잉곳 주조의 섹션의, 중심으로부터 표면까지의 순차적으로 더 좁아지는 부분들의 그레인 크기들을 도시하며, 도 31 내지 도 35의 장소들에 대응하는 장소들에서 취해진 현미경 이미지이다.
도 51은 본 개시의 특정 양상들에 따른 정상 샘플'에 대한 그레인 크기를 도시한 차트이다.
도 52는 본 개시의 특정 양상들에 따른 개선된 샘플'에 대한 그레인 크기를 도시한 차트이다.
도 53은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 51의 정상 샘플'에 대한 거대 편석 편차를 도시한 차트이다.
도 54는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 52의 개선된 샘플'에 대한 거대 편석 편차를 도시한 차트이다.
본 개시의 특정 양상들 및 특징들은 주조 금속들에서의 거대 편석을 감소시키기 위한 기술들에 관한 것이다. 기술들은 주조되는 잉곳의 유체 영역에서의 혼합을 증가시킬 수 있는 이덕터 노즐을 제공하는 것을 포함한다. 기술들은 또한 몰드 공동으로 도입되는 용융된 금속에 압력을 혼합하고 및/또는 인가하기 위한 비-접촉 흐름 제어 디바이스를 제공하는 것을 포함한다. 비-접촉 흐름 제어 디바이스는 영구 자석 또는 전자석에 기반할 수 있다. 기술들은 추가로 몰드 공동에 용융된 금속을 도입하기 전에 용융된 금속을 능동적으로 냉각하는 것과 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
주조 프로세스 동안, 용융된 금속은 공급 튜브를 통해 몰드 공동에 들어갈 수 있다. 2차 노즐은 주조 시스템의 기존의 공급 튜브에 동작가능하게 결합될 수 있거나, 새로운 주조 시스템의 새로운 공급 튜브에 구축될 수 있다. 2차 노즐은 용융된 섬프 온도 및 조성물 변화도(gradient)들의 흐름 증가 및 균질화를 제공한다. 2차 노즐은 몰드 공동으로 질량 흐름율을 증가시키지 않고도 혼합 효율을 증가시킨다. 즉, 2차 노즐은, 새로운 금속이 용융된 섬프(예를 들어, 몰드 공동 또는 다른 용기에서의 액체 금속)에 도입되는 비율에서의 증가를 요구하지 않고도 혼합 효율을 증가시킨다.
2차 노즐은 이덕터 노즐로서 알려져 있다. 2차 노즐은 용융된 섬프 내에서 흐름을 유도하기 위해 공급 튜브로부터의 흐름을 이용한다. 벤츄리 효과는 금속을 용융된 섬프로부터 2차 노즐로, 그리고 2차 노즐의 출구를 통해 밖으로 인출하는 저압 지역을 생성할 수 있다. 이러한 증가된 흐름 부피는 용융된 섬프 온도 및 조성물 변화도의 균질화에 도움을 줄 수 있어서, 감소된 거대 편석을 초래한다. 이덕터 노즐은 부피 흐름율에 관해 주조 속도에 의해 제한되지 않는다.
2차 노즐은 통상적으로 2차 노즐 없이 가능한 것보다 더 높은 용융된 금속의 부피 제트(jet)를 생성한다. 개선된 제트는 1차 상(primary phase) 알루미늄에서 풍부한 그레인들의 침전(sedimentation)을 방지한다. 개선된 제트는 온도 변화도를 균질화하고, 이것은 잉곳의 단면을 관통하여 더 균일한 고체화를 초래한다.
2차 노즐은 또한 필터 또는 노(furnace) 응용들에서 사용될 수 있다. 2차 노즐은 용융된 금속을 혼합함으로써 열적 균질화를 제공하기 위해 1차 용융 노에서 사용될 수 있다. 2차 노즐은 용융된 금속(예를 들어, 알루미늄)에서 아르곤과 염소 가스의 혼합물을 증가시키기 위해 가스 배출기(degasser)들에서 사용될 수 있다. 2차 노즐은, 증가된 균질화가 바람직할 때 그리고 흐름 부피가 일반적으로 동작의 제한 인자인 경우 특히 유용할 수 있다. 2차 노즐은 그레인 구조 및 화학적 조성물에 관해 더 균질한 잉곳을 제공할 수 있고, 이것은 더 높은 품질의 생성물과 더 적은 하류측 처리 시간을 허용할 수 있다. 2차 노즐은 용융된 금속 내에서 온도 또는 용질(solute)의 균질화를 제공할 수 있다.
2차 노즐은 고-크롬 강철 합금일 수 있다. 2차 노즐은 용융된 섬프 내의 담금(immersion)에 적합한 세라믹 물질 또는 내화성 물질 또는 임의의 다른 물질로 만들어질 수 있다.
또한, 공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘들이 개시된다. 주조 기술들은 일반적으로, 용융된 금속을 공급 튜브를 통해 몰기 위하여 중력을 이용함으로써 동작한다. 정수압으로 공급 튜브의 길이는 공급 튜브의 바닥에서 1차 노즐 직경을 결정하고, 이것은 공급 튜브를 빠져나가는 용융된 금속의 제트 및 혼합 효율을 결정한다. 혼합 효율은 더 작은 직경을 갖는 1차 노즐을 통해 더 가압된 흐름을 제공함으로써 용융된 금속의 전체 질량 흐름율을 변화시키지 않고도 개선될 수 있다. 혼합 효율은 또한 공급 튜브에 있는 동안 용융된 금속에 압력을 도입함으로써 개선될 수 있다. 공급 튜브에서의 용융된 금속에 인가된 압력(예를 들어, 정 또는 부)의 제어는 공급 튜브에서의 금속의 흐름율을 제어하는데 사용될 수 있다. 이동가능 핀을 공급 튜브에 도입할 필요 없이 흐름율을 제어하는 것은 매우 유리할 수 있다.
본 명세서에 기재된 기술들이 임의의 금속과 함께 사용될 수 있지만, 기술들은 특히 알루미늄에 유용할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 펌핑 메커니즘과 이덕터 노즐의 조합은 주조 알루미늄에서 혼합 효율을 증가시키기 위해 특히 유용할 수 있다. 펌핑 메커니즘은 몇몇 경우들에서 용융된 알루미늄의 자연적인 정수압을 초과한 충분한 추가 압력을 제공하기 위해 필요할 수 있으며, 그 결과 용융된 섬프에 들어가는 용융된 알루미늄의 제트는 용융된 섬프 내에서 충분한 1차 및/또는 2차 흐름을 생성할 수 있다. 이러한 정수압은 강철과 같은 다른 금속들에 존재하지 않을 수 있다. 1차 흐름은 섬프에 들어가는 새로운 금속 자체에 의해 유도된 흐름이다. 2차 흐름(또는 공명 흐름)은 1차 흐름에 의해 유도된 흐름이다. 예를 들어, 용융된 섬프의 상부 부분(예를 들어, 상부 절반부) 내의 1차 흐름은 하부 부분(예를 들어, 하부 절반부) 또는 섬프의 상부 부분의 다른 부분에서 2차 흐름을 유도할 수 있다.
공급 튜브에서의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘의 다른 예는 공급 튜브의 측부들 상의 로터(rotor)들 상에 위치된 영구 자석들을 포함하는 영구 자석 흐름 제어 디바이스이다. 로터들이 회전함에 따라, 회전하는 영구 자석들은 공급 스파우트(spout)에서의 용융된 금속에서 압력파를 유도한다. 공급 튜브는 회전하는 자석들의 효율을 증가시키기 위한 형태를 가질 수 있다. 공급 튜브는 공급 튜브의 나머지와 동일한 전체 단면적을 가지면서 로터들이 함께 더 가까이 위치되도록 하기 위해 로터들 근처의 얇은 단면으로 로프트될 수 있다. 자석들은 흐름 속도를 가속하기 위해 한 방향으로 회전될 수 있거나, 흐름 속도를 감속하기 위해 반대 방향으로 회전될 수 있다.
공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘의 다른 예는 나선형 나사가 설치된 공급 튜브 주위에 위치된 전자석들을 포함하는 전자석 피구동 나사 흐름 제어 디바이스이다. 나선형 나사는 공급 튜브에 영구적으로 통합될 수 있거나, 공급 튜브에 제거 가능하게 위치될 수 있다. 나선형 나사는 회전하지 않도록 고정된다. 전자기 코일들은 공급 튜브 주위에 위치되고, 용융된 금속에서 자기장을 유도하도록 전력 공급되어, 용융된 금속이 공급 튜브 내에서 스핀(spin)하도록 한다. 스피닝 액션은 용융된 금속이 나선형 나사의 경사진 평면들에 충돌하게끔 한다. 제 1 방향으로 용융된 금속을 스핀하는 것은 용융된 금속을 공급 튜브의 바닥쪽으로 나아가게 할 수 있어서, 공급 튜브 내에서 용융된 금속의 전체 흐름율을 증가시킨다. 용융된 금속을 역방향 또는 반대 방향으로 스핀하는 것은 용융된 금속을 공급 튜브 위로 나아가게 하여, 공급 튜브 내에서 용융된 금속의 전체 흐름율을 감소시킨다. 전자기 코일들은 3상 고정자(stator)로부터의 코일들일 수 있다. 다른 전자기 소스들이 사용될 수 있다. 하나의 비-제한적인 예로서, 영구 자석들은 용융된 금속의 회전 운동을 유도하기 위해 전자석들 대신에 사용될 수 있다.
공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘의 다른 예는 튜브 주위에 위치된 선형 유도 모터를 포함하는 전자기 선형 유도 흐름 제어 디바이스이다. 선형 유도 모터는 3상 선형 유도 모터일 수 있다. 선형 유도 모터의 코일들의 활성화는 공급 튜브를 위 또는 아래로 이동시키기 위해 용융된 금속을 가압할 수 있다. 흐름 제어는 자기장 및 주파수를 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 유도하기 위한 메커니즘의 다른 예는 공급 튜브의 용융된 금속 내에서 전자기장을 생성하기 위한 공급 튜브 주위의 전자기 코일들을 포함하는 전자기 나선형 유도 흐름 제어 디바이스이다. 전자기장은 공급 튜브 내에서 위 또는 아래로 이동하도록 용융된 금속을 가압할 수 있다. 전자기 코일들은 3상 고정자로부터의 코일들일 수 있다. 각 코일은 상이한 각도에서 전자기장을 생성할 수 있어서, 용융된 금속이 공급 튜브의 상부로부터 바닥으로 이동할 때 용융된 금속이 변화하는 방향의 자기장을 마주치게 된다. 용융된 금속이 공급 튜브 아래로 이동함에 따라, 회전 운동은 용융된 금속에 유도되어, 공급 튜브에서 추가 혼합을 제공한다. 각 코일은 공급 튜브 주위에 동일한 각도(예를 들어, 피치)로 래핑(wrapped)될 수 있지만, 서로 이격된다. 상이한 진폭 및 주파수는 서로 120°위상 차로 각 코일에 인가될 수 있다. 가변 피치 코일들이 사용될 수 있다.
공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘의 다른 예는 공급 튜브의 길이 방향 축에 평행한 회전축 둘레를 회전하도록 위치된 영구 자석들을 포함하는 영구 자석 가변-피치 흐름 제어 디바이스이다. 자석들의 회전은 용융된 금속의 원주 회전 운동을 생성한다. 영구 자석들의 회전축의 피치는 공급 튜브 내에서 위 또는 아래로의 용융된 금속의 이동을 유도하도록 조정될 수 있다. 회전하는 자석들의 회전축의 피치를 변화시키는 것은 용융된 금속을 가압한다. 흐름 제어는 피치 및 회전 속도의 제어를 통해 달성된다.
공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘의 또 다른 예는 원주 운동을 생성하는 임의의 흐름 제어 디바이스(예를 들어, 영구 자석 기반의 또는 전자석 기반의 흐름 제어 디바이스)를 포함하는 구심 다운스파우트 흐름 제어 디바이스이다. 구심 다운스파우트는, 공급 튜브 내의 용융된 금속이 구심력으로 가속될 때 흐름 속도를 제약하거나 흐름 속도를 증가시키도록 형태를 갖는 공급 튜브일 수 있다. 대안적으로, 구심 다운스파우트 자체는 공급 튜브 내에서 용융된 금속에서의 구심 가속력을 유도하도록 회전한다.
공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘의 다른 예는 용융된 금속과 접촉하기 위해 공급 튜브의 내부로 연장하는 전극들을 갖는 공급 튜브를 포함하는 직류(DC) 전도 흐름 제어 디바이스이다. 전극들은 그래파이트 전극들 또는 임의의 다른 적합한 고온 전극들일 수 있다. 전압은 용융된 금속을 통해 전류를 드라이브하기 위해 전극들 양단에 인가될 수 있다. 자기장 생성기는 용융된 금속을 통해 이동하는 전류의 방향에 수직인 방향으로 용융된 금속 양단에 자기장을 생성할 수 있다. 이동하는 전류와 자기장 사이의 상호 작용은 오른손 법칙(자기장과 전기장의 벡터 곱(cross product))에 따라 공급 튜브 내에서 위 또는 아래로 용융된 금속을 가압하기 위한 힘을 생성한다. 다른 경우들에서, 교류 자기장과 같은 교류가 사용될 수 있다. 흐름 제어는 자기장, 전류, 또는 양쪽 모두의 세기, 방향, 또는 양쪽 모두를 조정함으로써 달성될 수 있다. 임의의 형태의 공급 튜브가 사용될 수 있다.
다중-챔버 공급 튜브는 단독으로, 또는 본 명세서에 기재된 흐름 제어 디바이스들 중 하나와 같은 흐름 제어 디바이스와 조합하여 사용될 수 있다. 다중-챔버 공급 튜브는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 그 이상의 챔버들을 가질 수 있다. 각 챔버는 더 많거나 더 적은 흐름을 용융된 풀(pool)의 특정 영역들로 보내기 위해 흐름 제어 디바이스에 의해 개별적으로 구동될 수 있다. 다중-챔버 공급 튜브는 전체적으로 단일 흐름 제어 디바이스에 의해 구동될 수 있다. 다중-챔버 공급 튜브는, 챔버들이 용융된 금속을 동시에 또는 개별적으로(예를 들어, 먼저 제 1 챔버로부터, 그런 후에 제 2 챔버로부터) 배출하도록 구동될 수 있다. 다중-챔버 공급 튜브는 펄싱된(pulsed) 흐름 제어를 각 챔버에 제공할 수 있으며, 이는 용융된 금속을 각 챔버로부터 증가되거나 감소된 압력으로 동시에 또는 개별적으로 흐르도록 한다.
공급 튜브 내의 용융된 금속에 압력을 도입하기 위한 메커니즘의 다른 예는 이동하는 자기장을 생성하기 위해 스핀하는 영구 자석들 또는 전자석들을 포함하는 헬름홀츠 공진기 흐름 제어 디바이스이다. 스핀하는 영구 자석들 또는 전자석들은 발진(oscillating)을 생성하기 위해 용융된 금속에서 교번하는 힘(예를 들어 금속을 하나의 자기 소스에 의해 위로 그리고 다른 자기 소스에 의해 아래로 나아가게 함으로써)을 생성하는 발진 자기장을 생성할 수 있다. 발진장은 정적장의 상부 상에 부과될 수 있다. 공급 튜브 내에서의 용융된 금속에서의 발진 압력파는 용융된 섬프로 전파할 수 있다. 용융된 금속에서의 발진 압력파는 그레인 미세화(refinement)를 증가시킬 수 있다. 발진 압력파는 형성되고 있는 결정들이 파손(예를 들어, 결정들의 단부들에서)되게끔 하며, 이것은 추가 핵 형성 사이트(site)들을 제공할 수 있다. 이들 추가 핵 형성 사이트들은, 더 적은 그레인 미세화기(refiner)가 용융된 금속에 사용되도록 할 수 있고, 이것은 주조 잉곳의 원하는 조성물에 유리하다. 더욱이, 추가 핵 형성 사이트들은 잉곳이 고온 균열의 많은 위험 없이 더 빠르고 더 신뢰성있게 주조되도록 할 수 있다. 센서들은 용융된 금속 내부의 압력장을 감지하기 위해 제어기에 결합될 수 있다. 헬름홀츠 공진기는, 가장 효율적인 주파수(예를 들어, 가장 구조적인 간섭을 갖는)가 발생할 때까지 주파수의 범위를 통해 스윕(swept)될 수 있다.
반-고체 주조 공급 튜브는 본 명세서에 기재된 하나 이상의 다양한 흐름 제어 디바이스들과 함께 사용될 수 있다. 반-고체 주조 공급 튜브는 공급 튜브를 통해 흐르는 금속의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 디바이스를 포함한다. 온도 조절 디바이스는 냉온 도가니와 같은 냉각 튜브(예를 들어, 물로 채워진 냉각 튜브)를 포함할 수 있다. 온도 조절 디바이스는 유도 히터 또는 다른 히터를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스는 금속 내에서 일정한 전단력을 생성하는데 사용될 수 있어서, 금속이 고체의 특정 부분(fraction)에서 주조되도록 한다. 핵 형성 배리어의 특정 양이 극복되면서, 주조는 몰드 변화 없이 더 높은 속도에서 가능하다. 공급 튜브 내의 금속의 점도는 전단될 때 감소할 수 있다. 흐름 제어 디바이스(예를 들어, 전자석 또는 영구 자석 흐름 제어 디바이스)에 의해 생성된 힘은 용융의 잠열을 극복할 수 있다. 공급 튜브 내의 용융된 금속으로부터의 열의 일부를 추출함으로써, 더 적은 열이 몰드 내의 용융된 금속으로부터 추출될 필요가 있고, 이것은 더 빠른 주조를 허용할 수 있다. 금속이 공급 튜브를 빠져나감에 따라, 금속은 대략 2% 내지 대략 15% 고체, 또는 더 특히 대략 5% 내지 대략 10% 고체일 수 있다. 폐루프 제어기는 교반(stirring), 가열, 냉각, 또는 이들의 임의의 조합을 제어하는데 사용될 수 있다. 고체의 분율은 서미스터, 열전쌍, 또는 공급 튜브의 출구에 또는 출구 근처에 있는 다른 디바이스에 의해 측정될 수 있다. 온도 측정 디바이스는 공급 튜브 외부 또는 내부로부터 측정될 수 있다. 금속의 온도는 상평형도에 기초하여 고체의 분율을 추정하는데 사용될 수 있다. 이 방식으로의 주조는 합금 요소들이 결정들의 작은 집합들 내에서 확산할 수 있는 능력을 증가시킬 수 있다. 추가로, 이 방식으로의 주조는, 형성되는 결정들이 용융된 섬프에 들어가기 전에 시간 기간 동안 성숙해지도록(ripen) 할 수 있다. 고체화 결정들의 성숙은 함께 더 밀접하게 패킹될 수 있도록 결정의 형태를 둥글게 하는 것을 포함할 수 있다.
몇몇 경우들에서, 전술한 노즐들 및 펌프들은 흐름 디렉터들(directors)과 조합하여 사용될 수 있다. 흐름 디렉터는 용융된 알루미늄 내에 침지가능한 디바이스일 수 있고, 특정한 방식으로 흐름을 보내도록 위치될 수 있다.
몇몇 경우들에서, 특정한 크기(예를 들어, 고온 롤링 동안 재결정화를 유도할 정도로 충분히 크지만, 장애를 야기할 정도로 충분히 크지는 않는)의 금속간 화합물의 형성을 유도하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 주조 알루미늄에서, 등가 직경에서 1μm 미만의 크기를 갖는 금속간 화합물은 실질적으로 유리하지 않고; 등가 직경에서 약 60μm보다 큰 크기를 갖는 금속간 화합물은 해로울 수 있으며, 냉각 롤링 이후에 롤링된 시트 생성물의 최종 게이지에서의 장애를 잠재적으로 야기할 정도로 충분히 클 수 있다. 따라서, 약 1 내지 60μm, 5 내지 60μm, 10 내지 60μm, 20 내지 60μm, 30 내지 60μm, 40 내지 60μm, 또는 50 내지 60μm의 크기(등가 직경에서)를 갖는 금속간 화합물이 바람직할 수 있다. 비-접촉 유도된 용융된 금속 흐름은 금속간 화합물을 충분히 주위에 분배하는데 도움을 줄 수 있어서, 이들 준-대형 금속간 화합물이 더 쉽게 형성될 수 있다.
몇몇 경우들에서, 고온 롤링 동안 더 용이하게 파손되는 금속간 화합물의 형성을 유도하는 것이 바람직할 수 있다. 롤링 동안 쉽게 파손될 수 있는 금속간 화합물은 특히 섬프의 코너 및 중심 및/또는 바닥과 같은 정체 영역으로의 증가된 혼합 또는 교반으로 더 자주 발생하는 경향이 있다.
용융된 금속의 고체화 동안 형성된 결정들의 우선적인 침전으로 인해, 결정들의 정체 영역은 용융된 섬프의 중간 부분에서 발생할 수 있다. 정체 영역에서의 이들 결정들의 축적은 잉곳 형성에서 문제들을 야기할 수 있다. 정체 영역은 최대 대략 15% 내지 대략 20%의 고체 부분을 달성할 수 있지만, 그 범위 외부의 다른 값들이 가능하다. 본 명세서에 개시된 기술들을 이용하는 증가된 혼합 없이, 용융된 금속은 정체 영역으로 잘 흐르지 않아서, 정체 영역에서 형성될 수 있는 결정들은 축적되고, 용융된 섬프 전체에 걸쳐 혼합되지 않는다.
추가로, 합금 요소들이 고체화 경계면에서 형성되는 결정들로부터 거부됨에 따라, 이들 합금 요소들은 낮게-놓인 정체 영역에 축적될 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술들을 이용하는 증가된 혼합 없이, 용융된 금속은 낮게-놓인 정체 영역으로 잘 흐르지 않아서, 낮게-놓인 정체 영역 내의 결정들 및 더 무거운 입자들은 정상적으로 용융된 섬프 전체 걸쳐 정상적으로 혼합되지 않을 것이다.
추가로, 상부 정체 영역 및 낮게-놓인 정체 영역으로부터의 결정들은 앞으로 떨어질 수 있고, 섬프의 바닥 근처에서 수집될 수 있어서, 전이하는 금속 영역의 바닥에서 고체 금속의 중심 험프(hump)를 형성한다. 이러한 중심 험프는 주조 금속에서의 바람직하지 않은 특성들(예를 들어, 합금 요소들, 금속간 화합물의 바람직하지 않은 농도 및/또는 바람직하지 않게 큰 그레인 구조)을 초래할 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술들을 이용하는 증가하는 혼합 없이, 용융된 금속은 섬프의 바닥 근처에 축적된 이들 결정들 및 입자들 주위로 이동하고 혼합될 정도로 충분히 낮게 흐르지 않을 수 있다.
결정들과 무거운 입자들을 혼합하는 것에 의하는 것과 같은 증가된 혼합은 용융된 섬프 및 결과적인 잉곳 내에서 균질성을 증가시키는데 사용될 수 있다. 증가된 혼합은 또한 용융된 섬프 주위의 결정들 및 다른 입자들을 이동할 수 있어서, 고체화율을 감속시키고, 합금 요소들이 형성되는 금속 결정들 전체에 걸쳐 확산하게끔 한다. 추가로, 증가된 혼합은, 형성되는 결정들이 더 빠르게 성숙해지고, 더 오래(예를 들어, 감속된 고체화율로 인해) 성숙되도록 할 수 있다.
본 명세서에 기재된 기술들은 용융된 금속 섬프 전체에 걸쳐 동조(sympathetic) 흐름을 유도하는데 사용될 수 있다. 용융된 금속 섬프의 형태 및 용융된 금속의 특성들로 인해, 1차 흐름은 몇몇 환경들에서 용융된 섬프의 전체 깊이에 도달하지 않을 수 있다. 하지만, 동조 흐름(예를 들어, 1차 흐름에 의해 유도된 흐름)은 1차 흐름의 적절한 방향 및 세기를 통해 유도될 수 있으며, 이는 용융된 섬프의 정체 영역들(예를 들어, 용융된 섬프의 바닥-중간)에 도달할 수 있다.
본 명세서에 기재된 기술들을 가지고 주조된 잉곳들은 균일한 그레인 크기, 고유 그레인 크기, 잉곳의 외부 표면을 따른 금속간 화합물 분포, 잉곳의 중심에서의 비-일반적 거대 편석 효과, 증가된 균질성, 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 본 명세서에 기재된 기술들 및 시스템들을 이용하여 주조된 잉곳들은 추가적인 유리한 특성들을 가질 수 있다. 더 균일한 그레인 크기 및 증가된 균질성은 그레인 미세화기들이 용융된 금속에 추가될 필요를 감소시키거나 제거할 수 있다. 본 명세서에 기재된 기술들은 공동화 없이 그리고 증가된 산화물 생성 없이 증가된 혼합을 생성할 수 있다. 증가된 혼합은 고체화 잉곳 내에서 더 얇은 액체-고체 경계면을 초래할 수 있다. 일 예에서, 알루미늄 잉곳의 주조 동안, 액체-고체 경계면이 폭으로 대략 4 mm인 경우, 비-접촉 용융된 흐름 유도기들이 용융된 금속을 교반하는데 사용될 때 이는 최대 75% 이상만큼(폭으로 대략 1 mm 이하까지) 감소될 수 있다.
몇몇 경우들에서, 본 명세서에 기재된 기술들의 이용은 결과적인 주조 생성물에서 평균 그레인 크기들을 감소시킬 수 있고, 주조 생성물 전체에 걸쳐 비교적 균일한 그레인 크기를 유도할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 기술들을 이용하여 주조된 알루미늄 잉곳은 단지 대략 280μm, 300μm, 320μm, 340μm, 360μm, 380μm, 400μm, 420μm, 440μm, 460μm, 480μm, 또는 500μm, 550μm, 600μm, 650μm, 또는 700μm 또는 그 아래의 그레인 크기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 기술들을 이용하여 주조된 알루미늄 잉곳은 대략 280μm, 300μm, 320μm, 340μm, 360μm, 380μm, 400μm, 420μm, 440μm, 460μm, 480μm, 500μm, 550μm, 600μm, 650μm, 또는 700μm 그 아래의 평균 그레인 크기를 가질 수 있다. 비교적 균일한 그레인 크기는 200, 175, 150, 125, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 또는 그 이하의 또는 그 아래에서 그레인 크기에서 최대 표준 편차를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 기술들을 이용하여 주조된 생성물은 45 또는 그 아래의 그레인 크기에서 최대 표준 편차를 가질 수 있다.
몇몇 경우들에서, 본 명세서에 개시된 기술들의 이용은 결과적인 주조 생성물에서 덴드라이트 아암 간격(예를 들어, 결정화된 금속에서 덴드라이트들의 인접한 덴드라이트 분기들 사이의 거리)을 감소시킬 수 있고, 주조 생성물 전체에 걸쳐 비교적 균일한 덴드라이트 아암 간격을 유도할 수 있다. 예를 들어, 비-접촉 용융된 흐름 유도기들을 이용하여 주조된 알루미늄 잉곳은 약 10μm, 15μm, 20μm, 25μm, 30μm, 35μm, 40μm, 45μm, 또는 50μm의 전체 잉곳에 걸친 평균 덴드라이트 아암 간격을 가질 수 있다. 비교적 균일한 덴드라이트 아암 간격은 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8.5, 8, 7.5, 7, 6.5, 6, 5.5, 5 또는 그 이하의 또는 그 아래의 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차를 포함할 수 있다. 예를 들어, 28μm, 39μm, 29μm, 20μm, 및 19μm의 평균 덴드라이트 아암 간격(예를 들어, 공통 단면에서 주조 잉곳의 두께에 걸친 장소들에서 측정된)을 갖는 주조 생성물은 대략 7.2의 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 기술들을 이용하여 주조된 생성물은 7.5 또는 그 아래의 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차를 가질 수 있다.
몇몇 경우들에서, 본 명세서에 기재된 기술들은 거대 편석(예를 들어, 금속간 화합물 및/또는 금속간 화합물이 수집되는)의 더 정밀한 제어를 허용할 수 있다. 금속간 화합물의 증가된 제어는, 최적의 그레인 구조들의 형성을 통상적으로 방해하는 합금 요소들의 함량 또는 더 높은 재사용된 함량을 갖는 용융된 물질에서 시작함에도 불구하고 최적의 그레인 구조들이 주조 생성물 내에 생성되도록 할 수 있다. 예를 들어, 재활용된 알루미늄은 일반적으로 새로운 또는 고등급 알루미늄보다 더 높은 철 함량을 가질 수 있다. 추가적인 시간-소비 및 비용-집약적 처리가 철 함량을 희석시키도록 이루어지지 않으면, 주조에 재활용된 알루미늄이 더 많이 사용될수록, 일반적으로 철 함량은 더 높아진다. 더 높은 철 함량을 가지면, 종종 바람직한 생성물(예를 들어, 바람직하지 않은 금속간 화합물 구조들이 없는 그리고 전체에 걸쳐 작은 결정 크기들을 갖는)을 생성하기가 어려울 수 있다. 하지만, 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하는 것과 같이 금속간 화합물의 증가된 제어는 심지어 최대 100% 재활용된 알루미늄과 같이 높은 철 함량을 갖는 용융된 금속을 가지고 바람직한 생성물의 주조를 가능하게 할 수 있다. 100% 재활용된 금속들의 이용은 환경 및 다른 사업적 필요를 위해 크게 바람직할 수 있다.
몇몇 경우들에서, 플레이트-형 노즐이 사용될 수 있다. 플레이트-형 노즐은, 둥근 노즐들을 형성하기 위하여 필요한 주조가능 세라믹에 의존하는 것이 아니라, 기계가공가능 세라믹으로 구성될 수 있다. 기계가공가능 세라믹(또는 다른 물질들)으로부터 만들어진 노즐들은 알루미늄 및 다양한 알루미늄 합금들과 덜 반응하는 바람직한 물질들로 만들어질 수 있다. 따라서, 기계가공가능 세라믹 노즐들은 주조가능 세라믹 노즐들보다 덜 빈번한 교체를 요구할 수 있다. 플레이트-형 노즐 설계는 이러한 기계가공가능 세라믹의 이용을 가능하게 할 수 있다.
플레이트-형 노즐 설계는, 하나 이상의 통로들이 용융된 금속의 통과를 위해 그 안에 기계가공된 세라믹 물질 또는 내화 물질의 하나 이상의 플레이트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 플레이트-형 노즐 설계는 함께 삽입된 2개의 플레이트들로 구성된 평행한 플레이트 노즐일 수 있다. 함께 삽입된 2개의 플레이트들 중 하나 또는 양쪽 모두는 그 안에 기계가공된 통로를 가질 수 있고, 용융된 금속은 이 통로를 통해 흐를 수 있다. 몇몇 경우들에서, 용융된 금속 펌프들은 플레이트-형 노즐 설계에 포함될 수 있다. 예를 들어, 플레이트-형 노즐은 통로 내의 용융된 금속을 통해 전하를 전달하기 위한 전극들 및 통로를 통해 정적인 또는 이동하는 자기장을 유도하기 위한 영구 자석들을 포함할 수 있다. 플레밍 법칙으로 인해, 힘(예를 들어, 펌핑 힘)은 용융된 금속이 영구 자석들 및 전극들을 통과할 때 용융된 금속에 유도될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 플레이트-형 노즐 설계에 포함된 펌핑 메커니즘은 둥글지 않은 통로의 증가된 와류로 인해 압력 손실을 극복할 수 있다. 둥글지 않은 통로 내의 증가된 와류는 용융된 섬프에 들어가기 전에 용융된 금속의 추가된 혼합 이익을 제공할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 플레이트-형 노즐 설계는 이덕터를 포함한다. 이덕터는 플레이트-형 노즐에 대한 부착 포인트들에 의해 제자리에 유지될 수 있다.
몇몇 경우들에서, 원하는 주조 속도 및 특정 합금이 주어지면 이덕터 노즐의 치수들이 선택될 수 있다. 주조 속도 및 특정 합금을 알고 있으면, 용융된 금속의 평균 밀도 및 용융된 섬프의 깊이가 결정되거나 추정될 수 있다. 이들 값들은 섬프의 바닥에서의 혼합의 이상적인 양을 생성하는데 필요한 이덕터 노즐의 크기를 결정하는데 사용될 수 있다. 섬프의 바닥에서의 혼합은 이덕터 노즐로부터의 1차 흐름으로부터 유도된 동조 용융된 금속 흐름으로 인해 발생할 수 있다.
이덕터 노즐 및/또는 펌프들을 이용하면, 용융된 섬프 내에서 1차 흐름 또는 동조 흐름을 방해하는 임의의 종류의 스키머(skimmer) 또는 분배 백을 이용하지 않는 것이 바람직할 수 있다.
본 명세서에 기재된 하나 이상의 기술은, 용융된 금속이 용융된 섬프에 들어간 후에 용융된 섬프 상의 흐름을 유도하도록 설계된 비-접촉 흐름 유도기들의 이용과 조합될 수 있다. 예를 들어, 비-접촉 흐름 유도기는 용융된 섬프의 표면 위에 위치된 회전하는 영구 자석들을 포함할 수 있다. 다른 적합한 흐름 유도기들이 사용될 수 있다. 본 명세서에 기재된 기술들과 이러한 흐름 유도기들의 조합은 그레인 크기 및/또는 금속간 화합물 형성 및 분배에 대하여 훨씬 더 양호한 혼합 및 더 나은 제어를 제공할 수 있다.
이들 예시적인 예들은 본 명세서에 논의된 전반적인 내용을 독자에게 소개하도록 주어지며, 개시된 개념들의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 다음의 섹션들은, 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 나타내는 도면들을 참조하여 다양한 추가적인 특징들 및 예들을 기재하고, 지향성 설명들은 예시적인 실시예들을 기재하는데 사용되지만, 예시적인 실시예들과 같이, 본 개시를 제한하도록 사용되지 않아야 한다. 본 명세서의 예시들에 포함된 요소들은 축적대로 도시될 필요는 없다.
도 1은 본 개시의 특정 양상들에 따른 금속 주조 시스템(100)의 부분 단면도이다. 턴디시(tundish)와 같은 금속 소스(102)는 공급 튜브(136) 아래로 용융된 금속(126)을 공급할 수 있다. 스키머(106)는 용융된 금속(126)을 분배하고 용융된 금속(126)의 상부 표면(114)에서의 금속 산화물의 생성을 감소시키는데 도움을 주기 위해 공급 튜브(136) 주위에 사용될 수 있다. 바닥 블록(122)은 몰드 공동(116)의 벽들과 만나기 위해 유압 실린더(124)에 의해 리프트될 수 있다. 용융된 금속이 몰드 내에서 고체화하기 시작함에 따라, 바닥 블록(122)은 천천히 낮아질 수 있다. 주조 금속(112)은 고체화된 측부들(120)을 포함할 수 있는 한편, 주조에 추가된 용융된 금속(126)은 주조 금속(112)을 계속해서 연장하는데 사용될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 몰드 공동(116)의 벽들은 중공 공간을 획정(define)하며, 이는 물과 같은 냉각제(118)를 포함할 수 있다. 냉각제(118)는 중공 공간으로부터 제트로서 빠져나갈 수 있고, 주조 금속(112)의 측부들(120) 아래로 흘러서, 주조 금속(112)을 고체화하는데 도움을 준다. 주조되는 잉곳은 고체화된 금속(130), 전이하고 있는 금속(128), 및 용융된 금속(126)을 포함할 수 있다.
용융된 금속(126)은 용융된 금속(126) 내에 침지된 1차 노즐(108)에서 공급 튜브(136)를 빠져나갈 수 있다. 2차 노즐(110)은 1차 노즐(108)의 출구 근처에 위치될 수 있다. 2차 노즐(110)은 1차 노즐(108)에 인접하게 고정될 수 있거나, 공급 튜브(136) 또는 1차 노즐(108)에 부착될 수 있다. 2차 노즐(110)은 2차 노즐(110)로의 용융된 금속(126)의 유입(132)을 생성하는 벤추리 효과를 생성하기 위해 금속 소스(102)로부터의 새로운 금속의 흐름을 이용할 수 있다. 2차 노즐(110)로의 용융된 금속(126)의 유입(132)은 아래에 더 구체적으로 기재되는 바와 같이, 2차 노즐(110)로부터 증가된 유출(134)을 생성한다.
공급 튜브(136)는 흐름 제어 디바이스(104)를 추가로 포함할 수 있고, 그 비-제한적인 예들은 아래에 더 구체적으로 기재된다. 흐름 제어 디바이스는 금속 소스(102)와 1차 노즐(108) 사이에 위치될 수 있다. 흐름 제어 디바이스(104)는 비-접촉 흐름 제어 디바이스일 수 있다. 흐름 제어 디바이스(104)는 영구 자석 기반 또는 전자석 기반의 흐름 제어 디바이스일 수 있다. 흐름 제어 디바이스(104)는 공급 튜브(136) 내의 용융된 금속(126)에서 압력파를 유도할 수 있다. 흐름 제어 디바이스(104)는 공급 튜브(136) 내의 혼합을 증가시킬 수 있거나, 공급 튜브(136)를 빠져나가는 용융된 금속(126)의 흐름 속도를 증가시킬 수 있거나, 공급 튜브(136)를 빠져나가는 용융된 금속(126)의 흐름 속도를 감소시킬 수 있거나, 또는 이들의 임의의 조합이 이루어질 수 있다.
도 2는 본 개시의 특정 양상들에 따른 이덕터 노즐 조립체(200)의 단면도이다. 이덕터 노즐 조립체(200)는 2차 노즐(110)에 인접하게 위치된 공급 튜브로부터의 1차 노즐(108)을 포함한다. 1차 노즐(108)과 2차 노즐(110) 모두는 용융된 섬프(예를 들어, 몰드 공동 또는 다른 용기에 이미 존재한 용융된 금속) 내에 침지될 수 있다. 1차 노즐(108)은 새로운 금속 흐름(202)이 통과하는 출구 개구부(206)를 포함한다. 새로운 금속 흐름(202)은 용융된 섬프의 기존 부분이 아닌 용융된 금속의 흐름이다. 새로운 금속 흐름(202)이 1차 노즐(108)의 출구 개구부(206)를 빠져나갈 때, 새로운 금속 흐름(202)은 2차 노즐(110)에서의 제약부(204)를 통과하고, 그런 후에 2차 노즐(110)의 출구 개구부(210) 밖으로 이동한다. 제약부(204)를 통과하는 새로운 금속 흐름(202)은 벤추리 효과를 생성하는 저압 영역을 생성하고, 이것은 기존의 금속(예를 들어, 용융된 섬프에 이미 존재하는 금속)이 유입 개구부(208)를 통해 2차 노즐(110)을 통과하도록 한다. 기존의 금속 유입(132)은 유입 개구부(208)로의 기존의 금속의 흐름이다. 2차 노즐(110)로부터의 조합된 유출(134)은 새로운 금속 흐름(202)으로부터의 새로운 금속과 기존의 금속 유입(132)으로부터의 기존의 금속을 포함한다. 그럼으로써 2차 노즐(110)을 이용하는 것은 증가된 흐름율로 새로운 금속이 추가되는 것을 요구하지 않고도 용융된 섬프의 혼합을 증가시키기 위해 새로운 금속 흐름(202)의 에너지를 이용한다. 2차 노즐(110)의 이용은 또한 여전히 용융된 섬프에서 동일한 양, 또는 더 많은 양의 혼합을 얻으면서, 1차 노즐(108)의 출구 개구부(206)가 더 작은 크기를 갖도록 할 수 있다.
도 3은 본 개시의 특정 양상들에 따른 영구 자석 흐름 제어 디바이스(300)의 사시도이다. 영구 자석들(306)은 로터(304) 주위에 위치될 수 있다. 영구 자석들(306)의 임의의 적합한 수가 사용될 수 있어서, 로터(304)가 회전될 때, 변하는 자기장은 로터(304)에 인접하게 생성된다. 2개 이상의 로터들(304)은 공급 튜브(302)의 대향 측부들 상에 위치될 수 있다. 공급 튜브(302)는 임의의 적합한 형태일 수 있다. 비-제한적인 예에서, 공급 튜브(302)는 영구 자석들(306)에 의해 생성된 자기장의 형태에 대응하는 로프트된 형태를 갖는다. 로프트된 형태는 제 1 원형 단면(310)으로부터 얇은 직사각형 단면(312)을 갖는 영역으로, 제 2 원형 단면(314)을 갖는 영역으로 이동할 수 있다. 제 1 원형 단면(310), 직사각형 단면(312), 및 제 2 원형 단면(314)의 전체 단면적은 동일할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 각 제 1 방향(316)에서의 로터들(304)의 회전(각 로터가 다른 로터와 반대 방향(316)으로 회전할 수 있는 경우)은 공급 튜브(302)를 통해 변하는 자기장을 생성할 수 있고, 이것은 용융된 금속에서 압력파를 생성함으로써 흐름 방향(308)에서의 증가된 금속 흐름을 유도할 수 있다. 제 1 방향(316)과 반대 방향으로 로터들(304)의 회전은 공급 튜브(302)를 통해 변하는 자기장을 생성할 수 있고, 이것은 용융된 금속에서 압력파를 생성함으로써 흐름 방향(308)에서의 감소된 금속 흐름을 유도할 수 있다. 로터들(304)의 속도는 흐름 방향(308)에서의 금속 흐름을 제어하도록 제어될 수 있다. 공급 튜브(302)로부터의 로터들(304)의 거리는 흐름 방향(308)에서의 금속 흐름을 제어하도록 추가로 제어될 수 있다.
도 4는 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 피구동 나사 흐름 제어 디바이스(400)의 사시 단면도이다. 공급 튜브(402)는 나선형 나사(410)를 포함할 수 있다. 나선형 나사(410)는 공급 튜브(402)에 영구적으로 또는 제거가능하게 통합될 수 있다. 공급 튜브(402)는 상부 단부(404) 및 하부 단부(406)를 가질 수 있다. 금속은 금속 소스로부터 상부 단부(404)로, 그리고 하부 단부(406)로부터 밖으로 흐를 수 있다. 일반적으로, 공급 튜브(402)는, 중력이 용융된 금속으로 하여금 흐름 방향(408)으로 상부 단부(404)로부터 하부 단부(406)로 점차 흐르게 하도록 배향될 수 있다.
도 5는 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 피구동 나사 흐름 제어 디바이스(500)의 측단면도이다. 상부 단부(404)와 하부 단부(406) 사이에 위치된 나선형 나사(410)를 포함하는 도 4의 공급 튜브(402)는 자기장 소스(502)에 인접하게 위치될 수 있다. 자기장 소스(502)는 공급 튜브(402) 주위에 그리고 이에 인접하게 위치된 전자기 코일들(504)로 구성될 수 있다. 전자기 코일들(504)은 3상 고정자로부터의 코일들일 수 있고, 이것은 공급 튜브(402) 내의 변하는 전자기장을 생성하는데 사용된다. 변하는 전자기장은 공급 튜브(402) 내의 용융된 금속의 회전 운동을 유도할 수 있다. 시계 방향(506)(예를 들어, 공급 튜브(402)의 상부로부터 볼 때 시계 방향)으로의 회전 운동을 유도하는 전자기장을 생성하는 것은, 용융된 금속이 흐름 방향(408)으로 나선형 나사(410)의 경사진 평면을 통해 압축되도록 하여, 흐름 방향(408)으로의 증가된 압력 및 흐름을 생성한다. 시계 방향(506)의 반대 방향(예를 들어, 공급 튜브(402)의 상부로부터 볼 때 반시계 방향)으로 회전 운동을 유도하는 전자기장을 생성하는 것은, 용융된 금속이 흐름 방향(408)에 반대 방향으로 나선형 나사(410)의 경사진 평면을 통해 압축되도록 하여, 흐름 방향(408)으로의 감소된 압력 및 흐름을 생성한다. 충분한 변하는 자기장은 공급 튜브(402) 내의 용융된 금속의 흐름을 중단시킬 수 있거나, 심지어 용융된 금속이 흐름 방향(408)에 반대 방향으로 흐르도록 한다. 비-제한적인 예로서, 나선형 나사(410)는 압출 나사와 같이 이에 부착된 나사 부분을 갖는 핀일 수 있다. 나선형 나사(410)가 제거가능한 경우, 이는 나선형 나사(410)의 상부 근처에서와 같이 회전가능하게 고정될 수 있다. 나선형 나사(410)는 클램프, 코터 핀(cotter pin), 또는 다른 적합한 메커니즘으로 회전가능하게 고정될 수 있다.
도 6은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 5의 전자석 피구동 나사 흐름 제어 디바이스(500)를 위에서 본 평면도이다. 공급 튜브(402)는 나선형 나사(410)를 포함할 수 있다. 자기장 소스(502)는 공급 튜브(402) 주위에 위치될 수 있다. 자기장 소스(502)는 3상 고정자로부터 전자기 코일들을 포함할 수 있다. 전자기 코일들(602)의 제 1 세트는 제 1 상으로 자기장을 생성할 수 있고, 전자기 코일들(604)의 제 2 세트는 제 2 상으로 제 2 자기장을 생성할 수 있으며, 전자기 코일들(606)의 제 3 세트는 제 3 상으로 제 3 자기장을 생성할 수 있다. 전자기 코일들(602, 604, 606)의 각 세트는 하나, 2개, 또는 그 이상의 실제 전자기 코일들을 포함할 수 있고, 따라서, 공급 튜브(402) 주위의 전자기 코일들의 수는 3의 배수이다. 제 1 상, 제 2 상, 및 제 3 상은 예컨대 120°만큼 서로 오프셋될 수 있다.
자기장 소스(502)가 시계 방향(506)으로 공급 튜브(402)에서의 용융된 금속의 이동을 유도하는 자기장을 생성할 때, 용융된 금속은 공급 튜브(402) 아래로 나아갈 수 있고, 공급 튜브(402)의 하부 단부로부터 밖으로 나아갈 수 있다.
도 7은 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자석 선형 유도 흐름 제어 디바이스(700)의 사시도이다. 전자기 선형 유도기들(702, 704, 706)은 공동(710) 주위에 위치된다. 공급 튜브는 공동 내부에 위치될 수 있다. 공급 튜브는 도 3을 참조하여 위에 기재된 로프트된 형태와 같은 임의의 적합한 형태를 가질 수 있다. 선형 유도기들(702, 704, 706)은 120°만큼 오프셋된 3상으로와 같은 오프셋 위상들로 동작할 수 있다. 선형 유도기들(702, 704, 706)에 의한 전자기장의 유도는 흐름 방향(708)으로의 또는 흐름 방향(708)의 반대 방향으로의 공급 튜브 내의 용융된 금속에서의 압력 또는 이동을 유도할 수 있다. 흐름 제어는 선형 유도기들(702, 704, 706)에 인가되는 주파수 및 자기장을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
도 8은 본 개시의 특정 양상들에 따른 전자기 나선형 유도 흐름 제어 디바이스(800)의 정면도이다. 전자기 코일들(804, 806, 808)은 공급 튜브(802) 주위에 래핑된다. 전자기 코일들(804, 806, 808)은 120°만큼 오프셋된 3상으로와 같이 오프셋 위상들로 동작할 수 있다. 제 1 코일(804)은 제 1 상으로 동작할 수 있고, 제 2 코일(806)은 제 2 상으로 동작할 수 있으며, 제 3 코일(808)은 제 3 상으로 동작할 수 있다. 코일들(804, 806, 808)은 공급 튜브(802)의 길이 방향 축(816)에 대해 유사하거나 상이한 피치 각도들로 위치될 수 있다. 대안적으로, 코일들(804, 806, 808)은 길이 방향 축(816)에 대한 가변 피치 각도들로 각각 위치된다.
흐름 제어는 각 코일(804, 806, 808)에 전력을 공급하는 구동 전류의 주파수, 진폭, 또는 양쪽 모두를 변화시킴으로써 달성된다. 각 코일(804, 806, 808)은 동일한 주파수 및 진폭을 갖지만, 120° 위상 차로 구동될 수 있다. 코일들(804, 806, 808)은 전력이 공급될 때 공급 튜브(802) 내에 나선형 회전 자기장을 생성한다. 회전 자기장은 공급 튜브(802)에서의 용융된 금속의 회전 운동(예를 들어, 상부에서 볼 때 시계 방향 또는 반시계 방향으로의)을 유도할 뿐 아니라, 흐름 방향(818) 또는 흐름 방향(818)의 반대 방향으로 공급 튜브(802)에서의 길이 방향 압력 또는 이동을 유도한다.
도 9는 본 개시의 특정 양상들에 따른 영구 자석 가변-피치 흐름 제어 디바이스(900)를 위에서 본 평면도이다. 회전하는 영구 자석들(906)의 세트는 공급 튜브(902) 주위에 위치된다. 회전하는 영구 자석들(906)은 도 3을 참조하여 위에서 기재된 로터와 영구 자석 조합, 또는 다른 회전하는 영구 자석들일 수 있다. 회전하는 영구 자석들(906)이 제 1 방향(908)으로 회전할 때, 이들은 방향(910)으로 공급 튜브(902)에서의 용융된 금속의 회전 운동을 유도하는 변하는 자기장을 생성한다. 제 1 방향(908)에 반대 방향으로 회전하는 영구 자석들(906)의 회전은 방향(910)에 반대 방향으로 용융된 금속의 이동을 유도할 수 있다. 회전하는 영구 자석들(906)은 회전축의 피치를 변화시키기 위해 프레임(904)에 위치된다.
도 10은 본 개시의 특정 양상들에 따른 회전 전용 배향의 도 9의 영구 자석 가변-피치 흐름 제어 디바이스(900)의 측면도이다. 회전하는 영구 자석(906)의 회전축(1002)은 공급 튜브(902)의 길이 방향 축(1004)에 평행하다. 회전하는 영구 자석(906)은 프레임(904)에 위치되고, 제 1 방향(908)으로 회전한다. 회전하는 영구 자석(906)이 회전할 때, 이것은 방향(910)으로 공급 튜브(902) 내부의 금속의 회전 흐름을 유도한다. 회전 전용 배향에서, 회전축(1002) 및 길이 방향 축(1004)은 평행하여, 길이 방향으로(예를 들어, 도 10에서 볼 때 위쪽으로 또는 아래쪽으로) 용융된 금속에 추가 압력이 인가되지 않게 된다.
도 11은 본 개시의 특정 양상들에 따른 하향 압력 배향의 도 9의 영구 자석 가변-피치 흐름 제어 디바이스(900)의 측면도이다. 회전하는 영구 자석(906)의 회전축(1002)은 공급 튜브(902)의 길이 방향 축(1004)에 평행하지 않는다. 회전축(1002)의 피치는, 예컨대 프레임(904)(프레임의 상부 부분, 프레임의 바닥 부분, 또는 양쪽 모두 내에서) 내에서 회전하는 영구 자석들(906)의 스핀들(spindle)(1008)의 위치를 조정함으로써 조정될 수 있다. 회전축(1002)의 피치가 공급 튜브(902)의 길이 방향 축(1004)에 평행하지 않을 때, 회전하는 영구 자석(906)의 회전은 길이 방향으로(예를 들어, 도 11에서 볼 때, 위쪽으로 또는 아래쪽으로) 공급 튜브(902) 내의 용융된 금속에 압력을 유도한다. 순 금속 흐름은, 회전하는 영구 자석(906)이 제 1 방향(908)으로 회전할 때, 회전하는 영구 자석들(906)의 회전축(1002)에 수직인 방향인 방향(1006)으로 발생한다.
길이 방향 흐름 및 회전 흐름의 제어는 회전하는 영구 자석(906)의 회전, 및 회전하는 영구 자석(906)의 회전축(1002)의 피치를 통해 제어될 수 있다.
도 12는 본 개시의 특정 양상들에 따른 구심 다운스파우트 흐름 제어 디바이스(1200)의 측단면도이다. 구심 다운스파우트(1202)는 공급 튜브 내의 용융된 금속의 회전 운동(예를 들어, 구심 운동 또는 원주 운동)을 유도하는 임의의 흐름 제어 디바이스(1204)와 함께 사용될 수 있다. 흐름 제어 디바이스(1204)는 도 11을 참조하여 위에 기재된 것과 같이 한 쌍의 회전하는 영구 자석들(1214)일 수 있다.
용융된 금속은 상부 개구부(1206)를 통해 구심 다운스파우트(1202)에 들어갈 수 있다. 용융된 금속은 일반적으로 중력으로 인해 구심 다운스파우트(1202)를 통과하여 하부 개구부(1210) 밖으로 이동할 수 있다. 흐름 제어 디바이스(1204)가 구심 다운스파우트(1202) 내의 용융된 금속에서 원주 운동(1216)을 유도할 때, 용융된 금속은 구심 다운스파우트(1202)의 내부 벽(1208)으로 인출될 것이다. 내부 벽(1208)은 일정 각도로 경사질 수 있어서, 내부 벽(1208)에 충돌하는 용융된 금속은 위 또는 아래(예를 들어, 도 12에서 볼 때)로 나아갈 것이다. 도 12에서 알 수 있듯이, 내부 벽(1208)은, 구심 다운스파우트(1202) 내부의 용융된 금속이 원주 운동(1216)으로 유도될 때 상향 압력을 제공하도록 각이 진다. 따라서, 용융된 금속이 중력으로 인해 흐름 방향(1212)으로 통상적으로 흐르는 동안, 원주 운동(1216)의 증가된 유도는, 용융된 금속이 더 작은 강도로 흐름 방향(1212)으로 흐르게 하거나 또는 심지어 흐름 방향(1212)의 반대 방향으로 흐르도록 할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 내부 벽(1208)은 구심 다운스파우트(1202) 내의 용융된 금속에서의 원주 운동(1216)의 유도에 반응하여 흐름 방향(1212)으로 증가된 압력 및 흐름 세기를 제공하도록 각이 질 수 있다.
도 13은 본 개시의 특정 양상들에 따른 직류 전도 흐름 제어 디바이스(1300)의 측단면도이다. 공급 튜브(1302)는 공급 튜브(1302) 내의 용융된 금속과 접촉하도록 위치된 제 1 전극(1304) 및 제 2 전극(1306)을 포함할 수 있다. 전극들(1304, 1306)은 공급 튜브(1302)의 구멍들 내에 위치될 수 있다. 전극들(1304, 1306)은 그래파이트 전극들일 수 있다. 제 1 전극(1304)은 캐소드일 수 있고, 제 2 전극(1306)은 애노드일 수 있다. 전극들(1304, 1306)은 전원(1308)에 결합될 수 있다. 전원(1308)은 직류(DC) 전원 또는 교류(AC) 전원일 수 있다. 전원(1308)은 전극들(1304, 1306) 사이에서 공급 튜브(1302) 내의 용융된 금속을 관통하는 전류를 생성할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 전원(1308)은 전극들(1304, 1306)을 통해 제어가능 전력(예를 들어, AC 또는 DC)을 제공하는 제어기일 수 있다. 이러한 제어가능 전력은 경과되는 시간, 주조 길이, 또는 다른 측정가능 변수들과 같은 측정치들에 기초하여 제어될 수 있다.
자기장 소스(1310)는 공급 튜브(1302) 외부에(예를 들어, 도 13에서 볼 때 공급 튜브(1302) 뒤에) 위치될 수 있다. 자기장 소스(1310)는, 전류가 전원(1308)에 의해 생성되는 경우, 대략 전극들(1304, 1306) 사이에서 공급 튜브(1302)를 통해 자기장을 유도하기 위해 공급 튜브(1302)에 인접하게 위치된 영구 자석 또는 전자석일 수 있다.
자기장에 수직인 방향으로 용융된 금속 내에서 흐르는 전류의 상호 작용은 흐름 방향(1312)과 같이 길이 방향으로 용융된 금속을 가압하는 힘을 초래할 수 있다. 흐름은 전극들(1304, 1306)을 통한 전류 및 자기장 소스(1310)에 의해 생성된 자기장을 제어함으로써 제어될 수 있다.
도 14는 본 개시의 특정 양상들에 따른 다중-챔버 공급 튜브(1400)의 측단면도이다. 다중-챔버 공급 튜브(1400)는 공급 튜브(1402)를 통하는 다중 통로들(예를 들어, 챔버들)을 갖는 공급 튜브(1402)를 포함한다. 공급 튜브(1402)는 제 1 통로(1412) 및 제 2 통로(1414)를 포함할 수 있다. 제 1 통로(1412)는 제 1 입구 지점(1404)으로부터 제 1 출구 노즐(1408)로 연장한다. 제 2 통로(1414)는 제 2 입구 지점(1406)으로부터 제 2 출구 노즐(1410)로 연장한다. 대안적으로, 제 1 입구 지점(1404) 및 제 2 입구 지점(1406)은 결합될 수 있다. 제 1 출구 노즐(1408) 및 제 2 출구 노즐(1410)은 용융된 금속을 상이한 방향들로 보낼 수 있다. 제 1 출구 노즐(1408)은 용융된 금속을 제 1 방향(1416)으로 보낼 수 있고, 제 2 출구 노즐(1410)은 용융된 금속을 제 2 방향(1418)으로 보낼 수 있다.
몇몇 경우들에서, 각 통로들(1412, 1414)은 예컨대 본 명세서에 기재된 흐름 제어기를 가지고 개별적으로 또는 공동으로 제어될 수 있다. 제 1 통로(1412) 및 제 2 통로(1414)는 용융된 금속을 동시에 또는 개별적으로 배출하도록 제어될 수 있다. 제 1 통로(1412) 및 제 2 통로(1414)는 동위상 또는 이위상(out of phase)으로 서로 상이한 시간에 상이한 세기로 용융된 금속을 배출하도록 제어될 수 있다.
도 15는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 14의 다중-챔버 공급 튜브(1400)를 밑에서 본 저면도이다. 공급 튜브(1402)는 제 1 출구 노즐(1408) 및 제 2 출구 노즐(1410)을 포함한다.
도 16은 본 개시의 특정 양상들에 따른 헬름홀츠 공진기 흐름 제어 디바이스(1600)의 측단면도이다. 공급 튜브(1602)는 2개의 로터들(1604, 1606) 사이에 위치될 수 있다. 각 로터(1604, 1606)는 이에 부착된 영구 자석들(1608, 1610)을 포함할 수 있다. 도 16에 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 영구 자석들이 사용될 수 있다. 제 1 로터(1604) 및 그 영구 자석들(1608)은 제 1 속도로 제 1 방향(1614)으로 스핀할 수 있다. 제 2 로터(1606) 및 그 영구 자석들(1610)은 제 2 속도로 제 2 방향(1616)으로 스핀할 수 있다. 제 1 방향(1614)은 제 2 방향(1616)과 동일할 수 있다. 제 1 속도 및 제 2 속도는 동일할 수 있다. 제 1 로터(1604) 및 제 2 로터(1606)는 서로 위상 차를 갖고 회전되어, 제 2 로터(1606)의 영구 자석들(1610)의 적어도 하나는, 제 1 로터(1604)의 영구 자석들(1608) 양쪽 모두가 공급 튜브(1602)로부터 오프셋될 때(예를 들어, 영구 자석들(1608) 양쪽 모두가 도 16에서 알 수 있듯이, 로터(1604)의 상부 및 바닥에 있을 때) 공급 튜브(1602)에 가장 가까이에 존재한다.
서로 위상 차가 있도록 이들 영구 자석들(1608, 1610)을 회전시킴으로써, 발진 압력파가 공급 튜브(1602) 내의 용융된 금속에서 유도될 수 있다. 이러한 발진 압력파는 용융된 금속을 통해 용융된 섬프로 전도될 수 있다.
도 17은 본 개시의 특정 양상들에 따른 반-고체 주조 공급 튜브(1700)의 측단면도이다. 용융된 금속(1710)은 온도 제어 디바이스(1714)에 의해 둘러싸인 공급 튜브(1702)를 통과한다. 온도 제어 디바이스(1714)는 공급 튜브(1702)를 통과할 때 용융된 금속(1710)의 온도를 제어하는데 도움을 줄 수 있다. 온도 제어 디바이스(1714)는 물-충진 튜브와 같은 유체-충진 튜브들(1704)의 시스템일 수 있다. 튜브들(1704)을 통해 냉각제 유체(예를 들어, 물)를 재순환시키는 것은 용융된 금속(1710)으로부터 열을 제거할 수 있다. 열이 용융된 금속(1710)으로부터 제거될 때, 용융된 금속(1710)은 고체화하기 시작할 수 있고, 고체 금속(1712)(예를 들어, 핵 형성 사이트들 또는 결정들)이 형성되기 시작할 수 있다.
용융된 금속(1710)이 공급 튜브(1702) 내에서 완전히 고체화하는 것을 방지하기 위하여, 흐름 제어 디바이스(1706)는 용융된 금속(1710)에서 일정한 전단력을 생성하기 위해 공급 튜브(1702) 주위에 위치될 수 있다. 본 명세서에 기재된 것과 같은 임의의 적합한 흐름 제어 디바이스(1706)는 공급 튜브(1702) 내에서 변하는 자기장의 생성을 통해서와 같이 용융된 금속(1710)에서 일정한 전단력을 생성하는데 사용될 수 있다.
제어기(1716)는 용융된 금속(1710) 내의 고체 금속(1712)의 백분율을 모니터링할 수 있다. 제어기(1716)는, 고체 금속(1712)의 백분율이 설정 지점을 초과할 때 온도 제어 디바이스(1714)를 통해 더 적은 냉각을 제공하고, 고체 금속(1712)의 백분율이 설정 지점 아래에 있을 때 더 많은 냉각을 제공하기 위해 피드백 루프를 이용할 수 있다. 고체 금속(1712)의 백분율은 직접 측정 또는 온도 측정에 기초한 추정에 의해 결정될 수 있다. 비-제한적인 예에서, 온도 프로브(1708)는 공급 튜브(1702)를 빠져나가는 용융된 금속(1710)의 온도를 측정하기 위해 공급 튜브(1702)의 출구에 인접한 용융된 금속(1710) 내에 위치된다. 공급 튜브(1702)를 빠져나가는 용융된 금속(1710)의 온도는 용융된 금속(1710)에서의 고체 금속(1712)의 백분율을 추정하는데 이용될 수 있다. 온도 프로브(1708)는 피드백 루프에 대한 신호를 제공하기 위해 제어기(1716)에 결합된다. 대안적인 예에서, 온도 프로브(1708)는 어디에나 위치될 수 있다. 원하는 경우, 비-접촉 온도 프로브가 피드백 루프에 대한 신호를 제공하는데 이용될 수 있다.
온도 제어 디바이스(1714)는 흐름 제어 디바이스(1706)와 공급 튜브(1702) 사이에 위치될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 온도 제어 디바이스(1714) 및 흐름 제어 디바이스(1706)는 함께 통합될 수 있다(예를 들어, 와이어의 코일들은 연속적인 튜브들(1704) 사이에 위치될 수 있다). 흐름 제어 디바이스(1706)는 온도 제어 디바이스(1714)와 공급 튜브(1702) 사이에 위치될 수 있다.
온도 제어 디바이스(1714) 및 흐름 제어 디바이스(1706)는 반-고체 주조를 형성하기 위해 본 명세서에 기재된 것과 같은 임의의 적합한 공급 튜브와 함께 사용될 수 있다.
도 18은 본 개시의 특정 양상들에 따른 다중 출구 노즐들(1808, 1810)을 갖는 플레이트 공급 튜브(1800)의 단면 정면도이다. 플레이트 공급 튜브(1800)는 공급 튜브(1802)를 통해 적어도 하나의 통로들(1812)(예를 들어, 챔버)을 갖는 공급 튜브(1802)를 포함한다. 통로(1812)는 입구(1804)로부터 제 1 출구 노즐(1808) 및 제 2 출구 노즐(1810)로 연장한다. 원하는 경우, 플레이트 공급 튜브(1800)는 다중 통로들을 포함할 수 있다. 제 1 출구 노즐(1808) 및 제 2 출구 노즐(1810)은 용융된 금속을 상이한 방향들로 보낼 수 있다. 제 1 출구 노즐(1808)은 용융된 금속을 제 1 방향(1816)으로 보낼 수 있고, 제 2 출구 노즐(1810)은 용융된 금속을 제 2 방향(1818)으로 보낼 수 있다.
제 1 전극(1820) 및 제 2 전극(1822)은 공급 튜브(1802)의 대향 측부들 상에 위치될 수 있고, 통로(1812)와 전기적으로 접촉할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 전극들(1820, 1822)은 그래파이트로 만들어지지만, 이들은 용융된 금속의 고온을 견딜 수 있는 임의의 적합한 전도 물질로 만들어질 수 있다. 제어기(도 24에 도시된 제어기(2410)와 같은)는 전극들(1820, 1822)에 전류를 공급할 수 있어서, 통로(1812) 내의 용융된 금속을 통한 전류 흐름을 유도한다. 통로(1812)에서의 용융된 금속을 통해 자기장을 생성하기 위해 공급 튜브(1802) 전방 및 후방에 위치된 자석들(도 21 내지 도 22에 도시된 자석들(2012 및 2104)과 같은)과 조합될 때, 공급 튜브(1802)를 통해 용융된 금속의 흐름을 감소시키거나 증가시키기 위해 상향 또는 하향 방향들로 통로(1812) 내의 용융된 금속에 힘이 각기 인가될 수 있다.
자석들 및 전극들(1820, 1822)은, 통로 내의 전극들(1820, 1822)(통로 내의 용융된 금속을 통해)을 통과하는 전류의 방향 및 자기장의 방향 둘 모두가 공급 튜브의 길이에 수직으로(예를 들어, 도 18에서 알 수 있듯이 위 및 아래로) 배향되도록 위치될 수 있다.
도 19는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 18의 플레이트 공급 튜브(1800)를 밑에서 본 저면도이다. 공급 튜브(1802)는 제 1 출구 노즐(1808) 및 제 2 출구 노즐(1810)을 포함하고, 이들 각각은 직사각형 형태를 가질 수 있다. 전극들(1820, 1822)이 보여질 수 있다.
도 20은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 18의 플레이트 공급 튜브(1800)를 위에서 본 평면도이다. 공급 튜브(1802)는 직사각형 형태를 갖는 입구(1804)를 포함한다. 전극들(1820, 1822)이 보여질 수 있다.
이덕터 부착물 및 이덕터 노즐은 도 18 내지 도 20에 도시되지 않는다.
도 21은 본 개시의 특정 양상들에 따른 이덕터 부착물(2108)을 도시한 도 18의 플레이트 공급 튜브(1800)의 측면 분해도이다. 공급 튜브(1802)는 전극(1820) 및 영구 자석들(2102, 2104)을 포함할 수 있다. 영구 자석들(2102, 2014)은 공급 튜브(1802)를 통해 자기장을 생성하기 위해 공급 튜브(1802)의 후방(예를 들어, 좌측) 및 전방(예를 들어, 우측) 상에 위치될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 전자석들은 영구 자석들 대신에 사용될 수 있다. 영구 자석들(2102, 2014) 및 전극들(1820)은 공급 튜브(1802)의 벽들을 따라 대략 동일한 높이에 위치될 수 있다.
이덕터 부착물(2108)은 공급 튜브(1802)에 부착된 것으로 도시된다. 몇몇 대안적인 경우들에서, 이덕터 부착물(2108)은 몰드 공동과 같이 공급 튜브(1802) 이외의 어떤 것에 부착될 수 있다. 다중 이덕터 노즐들(2110)을 갖는 단일 이덕터 부착물(2108)은 공급 튜브(1802)에 인접하게 위치될 수 있고, 각 이덕터 노즐(2110)은 공급 튜브(1802)의 출구 노즐(1808, 1810)에 인접하게 위치된다. 몇몇 경우들에서, 각각 단일 이덕터 노즐(2110)을 갖는 다중 이덕터 부착물들(2108)은 공급 튜브(1802)에 인접하게 위치될 수 있고, 각 이덕터 노즐(2110)은 공급 튜브(1802)의 출구 노즐(1808, 1810)에 인접하게 위치된다.
도 21에 도시된 바와 같이, 이덕터 부착물(2108)은 공급 튜브(1802)의 측부에 결합될 수 있지만, 이덕터 부착물(2108)은 공급 튜브(1802)의 임의의 적합한 장소에 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 이덕터 부착물(2108)은 제거가능한 패스너(fastener)들(2106)(예를 들어, 나사, 볼트, 핀, 또는 다른 패스너)의 이용을 통해 공급 튜브(1802)에 제거가능하게 결합될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 원하는 주조 속도 및 주조되는 특정 합금이 주어지면, 이상적인 이덕터 노즐(2110) 크기는 이용가능한 이덕터 노즐 크기들의 범위로부터 선택될 수 있다. 바람직하지 않은(즉, 원하는 주조 속도 및 합금에 대해) 이덕터 부착물(2108)은 공급 튜브(1802)로부터 제거될 수 있고, 원하는 이덕터 노즐(2110)을 갖는 원하는 이덕터 부착물(2108)이 선택되어 공급 튜브(1802)에 부착될 수 있다. 그러므로, 상이한 치수들 또는 크기들의 복수의 이덕터 노즐들(2110)은 단일 공급 튜브(1802)와 함께 사용하기 위해 제공될 수 있고, 이들 중 임의의 하나가 원하는 주조 속도 및 합금에 기초하여 선택될 수 있다. 몇몇 대안적인 경우들에서, 단일 이덕터 노즐(2110)의 크기만이 각 공급 튜브(1802)에 대해 제공되지만, 유사한 결정들은 특정한 주조 속도 및 합금에 대해 적절한 공급 튜브(1802) 및 이덕터 노즐(2110)을 선택하도록 이루어질 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 이덕터 노즐 및 이덕터 부착물은 내화 물질들 또는 세라믹 물질들과 같은 임의의 적합한 물질들로 이루어질 수 있다.
도 22는 본 개시의 특정 양상들에 따른 이덕터 노즐(2110)을 도시한 도 18의 플레이트 공급 튜브(1800)의 측단면도이다. 공급 튜브(1802)는 영구 자석들(2102, 2104)을 포함할 수 있다. 영구 자석들(2102, 2104)은 통로(1812)로 연장할 필요가 없다. 공급 튜브(1802)는 출구 노즐(1808)을 포함한다. 이덕터 노즐(2110)은 출구 노즐(1808)에 인접하게 위치된다. 이덕터 노즐(2110)은 전술한 바와 같이, 이덕터 부착물(2108)에 의해 제 위치에 유지될 수 있다.
이덕터 노즐(2110)은, 이를 통해 주조 프로세스 동안 노즐(1808)로부터 흐르는 용융된 금속이 흐르는 제약부를 제공하도록 형태를 갖는 2개의 윙들(wings)(2204)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 노즐(1808)로부터 흐르는 용융된 금속은 제약부를 통과하여 이덕터 출구(2206) 밖으로 이동한다. 제약부를 통해 노즐(1808)로부터 용융된 금속이 흐르지만, 반면 금속 섬프에 존재하는 용융된 금속은 이덕터 개구부(2202)를 통해 운반된다.
도 23은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 22의 공급 튜브(1802)의 단면을 확대한 도면이다. 1차 흐름(2302)은 출구 노즐(1808)로부터 공급 튜브(1802)를 빠져나간다. 1차 흐름(2302)이 이덕터 노즐(2110)을 통과할 때, 보충 인입(2304)은 이덕터 노즐(2110)로 유입된다. 조합된 1차 흐름(2302) 및 보충 인입(2304)은 조합된 흐름(2306)으로서 이덕터 노즐(2110)을 빠져나간다.
도 24는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 18의 공급 튜브(1802)를 이용하는 금속 주조 시스템(2400)의 부분 단면도이다. 금속 소스(2402)로부터의 용융된 금속은 공급 튜브(1802)를 통해 용융된 섬프(2412) 내로 이동한다. 제어기(2410)는 공급 튜브(1802)를 통하는 흐름을 제어하기 위해 공급 튜브(1802) 전방 및 후방에 위치된 자석들과 함께 추진력을 제공하기 위해 공급 튜브(1802)의 전극들(1820, 1822)에 결합될 수 있다.
도 24에서 보이지 않지만, 공급 튜브(1802)는 공급 튜브(1802)를 빠져나가는 용융된 금속의 속도를 증가시키기 위해 이덕터 노즐(도 21 내지 도 23에 대해 도시되고 기재된 이덕터 노즐(2110)과 같은)을 포함할 수 있다. 공급 튜브(1802)를 빠져나가는 용융된 금속은 용융된 섬프(2412)의 상부 부분에서 용융된 금속의 1차 흐름(2404)을 유도할 수 있다. 1차 흐름(2404)은 용융된 섬프(2412)에서 2차 흐름(2406, 2408)을 유도할 수 있다. 2차 흐름(2406)은 용융된 섬프(2412)의 중심에 가까운 정체 영역에서의 혼합을 증가시킬 수 있다. 2차 흐름(2408)은 용융된 섬프(2412)의 바닥 근처의 정체 영역에서의 혼합을 증가시킬 수 있다.
도 25는 본 개시의 특정 양상들에 따른 주조 빌렛들을 위한 금속 주조 시스템(2500)의 단면도이다. 금속 주조 시스템(2500)은 본 명세서에 기재된 특정 기술들을 이용하여 원형 빌렛들을 연속적으로 주조하기 위한 심블(2502)을 포함할 수 있다. 심블(2502)은 내화 세라믹과 같은 세라믹 물질로 만들어질 수 있지만, 다른 적합한 물질들이 사용될 수 있다. 심블(2502)은 유지 링(2506)에 의해 몰드 몸체(2504)에 고정될 수 있다. 몰드 몸체(2504) 및 유지 링(2506)은 알루미늄으로 만들어질 수 있지만, 다른 적합한 물질들이 사용될 수 있다. 금속 주조 시스템(2500)은 몰드 삽입부(insert)(2508) 주위를 및/또는 이를 통과할 뿐 아니라 포트들(2510)을 통해 몰드 삽입부(2508)로부터 배출되는 순환되는 냉각 유체(예를 들어, 물)를 이용하여 심블(2502)을 통과하여 밖으로 이동하는 용융된 금속을 냉각하도록 설계된 몰드 삽입부(2508)를 포함할 수 있다. 몰드 삽입부(2508)는 알루미늄 또는 다른 적합한 물질일 수 있다. 몰드 라이너(liner)(2512)는 용융된 금속이 심블(2502)을 빠져나가는 지점에서 몰드 삽입부(2508)와 용융된 금속 사이에 위치될 수 있다. 용융된 금속은 몰드 라이너(2512)와 접촉할 때 외부 층을 고체화할 수 있고, 그 후에 빌렛이 몰드 라이너(2512)로부터 물리적으로 추출될 때 나머지 열은 이러한 외피(shell) 상으로의 냉각제의 충돌에 의해 추출된다. 몰드 라이너(2512)는 그래파이트 또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 다양한 패스너들(2514)은 다양한 부분들을 몰드 몸체(2504) 상에 유지하는데 사용될 수 있다. O-링들(2516)은 누출을 대비하여 조인트들을 밀봉하도록 위치될 수 있다.
금속 소스로부터의 용융된 금속은 심블(2502) 내의 통로(2520)를 통과하여 몰드 삽입부(2508) 내로 이동한다. 심블(2502)은 몰드 삽입부(2508)의 직경, 특히 몰드 라이너(2512)의 내부 직경보다 더 작은 출구 개구부(2518)를 가질 수 있다.
심블(2502)은 위에 기재된 바와 같이, 임의의 적합한 흐름 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, 심블(2502)은 통로(2520)를 통해 자기장을 생성하기 위한 적어도 하나의 자기 소스(미도시)를 포함하는 흐름 제어 디바이스를 포함한다. 자기 소스는 심블(2502)의 부분에 인접한 및/또는 그 안에 위치된 한 쌍의 정적(예를 들어, 비-회전) 영구 자석들일 수 있다. 자기 소스는 장소(2522)에서 도 25에 도시된 바와 같이 전반적으로 페이지 안으로 또는 밖으로 통로(2520)를 통해 자기장을 생성할 수 있다. 흐름 제어 디바이스는 장소(2522)에 인접한 심블(2502)에 위치된 한 쌍의 전극들(2524, 2526)을 더 포함할 수 있다. 각 전극(2524, 2526)은 통로(2520)와 접촉하도록 위치될 수 있어서, 전류가 하나의 전극(2524)으로부터 통로(2520) 내의 용융된 금속을 통해 다른 전극(2526)으로 이동하도록 한다. 전극들(2524, 2526)은 그래파이트, 티타늄, 텅스텐 및 니오븀과 같이 전기를 전도할 수 있는 임의의 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 장소(2522)를 통해 전류를 통과시키면서 동시에 장소(2522)를 통해 자기장을 생성함으로써, 흐름 제어 디바이스는 플레밍 법칙에 기초하여 길이 방향 축(2528)을 따라 순방향 또는 역방향으로 힘(예를 들어, 압력)을 유도할 수 있다. 예를 들어, 전극(2524)으로부터 전극(2526)으로 이동하는 전류와 조합된, 도 25에 도시된 바와 같이 페이지 내로 향하는 자기장은 금속 소스로부터 심블(2502)을 통해 몰드 삽입부(2508) 및 몰드 라이너(2512)로의 용융된 금속의 흐름 및 압력을 증가시키기 위한 힘을 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, DC 또는 AC 전류가 원하는 바와 같이 사용될 수 있다.
몇몇 상황들에서, 냉각 기기는 자석들을 원하는 동작 온도로 냉각시키기 위해 자석들에 인접하게 위치될 수 있다.
도 26은 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 25의 심블(2502)의 부분의 사시도이다. 심블(2502)은 측면으로 절단된 것으로 보여진다. 영구 자석들(2602, 2604)은 통로(2520)의 대향 측부들 상에 위치된 것으로 보여진다. 전극들(2524, 2526)은 영구 자석들(2602, 2604)로부터 90°오프셋된 통로(2520)의 대향 측부들 상에 위치된 것으로 보여진다. 전극들(2524, 2526) 및 영구 자석들(2602, 2604)이 길이 방향 축(2528)에 수직인 단일 측면 평면 상에 도시되지만, 이들은 상이한 평면들 상에 위치될 수 있고, 평면들은 길이 방향 축(2528)과 수직일 필요는 없을 수 있다(예를 들어, 길이 방향(2528)을 따라 순방향 또는 역방향 이외의 방향으로 흐름을 유도하는 것이 바람직할 때).
전극들(2524, 2526)은 통로(2520)의 내부 벽을 뚫고 들어가는 것으로 도시되는데, 이는 전극들(2524, 2526)이 통로(2520) 내에서 용융된 금속과 전기적으로 접촉해야 하기 때문이다. 영구 자석들(2602, 2604)은 통로(2520)의 내부 벽을 뚫고 들어갈 필요는 없다. 전극들(2524, 2526)의 배향(예를 들어, 전극들(2524, 2526) 사이로 연장하는 라인)은 영구 자석들(2602, 2604)의 배향(예를 들어, 영구 자석들(2602, 2604) 사이로 연장하는 라인)에 수직으로 위치될 수 있다.
도 27 내지 도 30은 용융된 금속의 상이한 유출들을 제공하기 위해 상이한 형태들을 갖는 출구 개구부들을 갖는 심블들의 상이한 유형들을 도시한다. 이들 도면들 사이의 상이한 유출들은 유출의 형태, 방향, 유출율 및 다른 인자들을 변화시킬 수 있다. 상이한 출구 개구부들은 단독으로, 또는 본 명세서에 개시된 흐름 제어 디바이스들과 연계하여 사용될 수 있다. 자석 소스들 및 전극들을 이용하는 흐름 제어 디바이스들로 도시되지만, 본 명세서에 개시된 다른 흐름 제어 디바이스들이 이러한 상이한 유형들의 심블들과 함께 사용될 수 있다.
도 27은 본 실시예의 특정 양상들에 따른 각진 통로(2720)를 갖는 심블(2702)의 부분의 단면도이다. 심블(2702)은, 통로의 직경이 출구 근처의 통로의 부분에 대해 선형으로 감소하도록 통로(2720)가 각질 수 있다는 점을 제외하고는 도 25의 심블(2502)과 유사할 수 있다. 특히, 각이 진 통로의 부분은 영구 자석들(2704, 2706)과 전극들(2708) 사이에 위치될 수 있다. 통로(2720)는, 통로의 가장 작은 직경이 출구 개구부(2718)에 있도록 각질 수 있다.
도 28은 본 실시예의 특정 양상들에 따른 로프트되거나 굴곡지는 통로(2820)를 갖는 심블(2802)의 부분의 단면도이다. 심블(2802)은, 통로의 직경이 제약부(2822)까지 감소하고 그런 다음 다시 증가하도록 통로(2820)가 로프트되거나 굴곡질 수 있다는 점을 제외하고, 도 25의 심블(2502)과 유사할 수 있다. 직경에서의 이들 변화들은 출구 근처의 통로의 부분에 대해 발생할 수 있다. 특히, 로프트되거나 굴곡지는 통로(2820)의 부분은 영구 자석들(2804, 2806)과 전극들(2808) 사이에 위치될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 제약부(2822) 자체 및/또는 제약부(2822) 바로 전의 부분은 영구 자석들(2804, 2806)과 전극들(2808) 사이에 위치될 수 있다. 제약부(2822)는 출구 개구부(2818)에 근접하게 위치될 수 있어서, 통로(2820)를 통과하는 용융된 금속은 제약부(2822)를 통과하고, 그리고 출구 개구부(2818)를 빠져나가기 전에 제약부(2822)에 대해 직경이 증가하는 통로(2820)의 작은 부분을 통과할 것이다.
도 29는 본 실시예의 특정 양상들에 따른 나사산이 형성된 통로(2920)를 갖는 심블(2902)의 부분의 단면도이다. 심블(2902)은, 통로(2920)가 출구 근처의 통로의 적어도 일부분에 대해 내부 직경을 따라 나사산들(2922)을 포함할 수 있다는 점을 제외하고, 도 25의 심블(2502)과 유사할 수 있다. 특히, 나사산이 형성되는 통로(2920)의 부분은 영구 자석들(2904, 2906)과 전극들(2908) 사이에 위치될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 전체 통로(2920)가 나사산이 형성될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 출구 개구부(2918)에 또는 그 근처로부터 영구 자석들(2904, 2906) 및 전극들(2908)을 지나 연장하는 통로(2920)의 부분만이 나사산이 형성된다.
도 30은 본 실시예의 특정 양상들에 따른 이덕터 노즐(3024)을 갖는 심블(3002)의 부분의 단면도이다. 심블(3002)은 도 25 내지 도 29의 임의의 심블들(2502, 2702, 2802, 2902)과 유사할 수 있다. 도시된 바와 같이, 심블(3002)은 제약부(3026)에서 종료하는 로프트된 통로(3020)를 갖지만, 심블(3002)은 다른 형태들을 취할 수 있다.
이덕터 노즐(3024)은 심블(3002)의 출구 개구부(3018)에 인접하게 위치된다. 이덕터 노즐(3024)은 스파(spars)(미도시) 또는 다른 연결부들에 의해 제 위치에 유지될 수 있다. 이들 스파들 또는 다른 연결부들은 이덕터 노즐(3024)을 심블(3002) 또는 다른 구조(예를 들어, 몰드 몸체, 몰드 라이너, 몰드 삽입부, 또는 다른 부분)에 결합할 수 있다. 이덕터 노즐(3024)은 보충 개구부(3022)를 제공하기 위해 출구 개구부(3018)와 이격된 관계로 유지된다. 이덕터 노즐(3024)의 입구 직경(3028)은 출구 개구부(3018)의 직경과 동일하거나 및/또는 이보다 더 클 수 있다. 용융된 금속이 출구 개구부(3018)로부터 이덕터 노즐(3024)을 통해 흐를 때, 보충 금속 흐름은 보충 개구부(3022)를 통해 통과할 수 있고, 이는 1차 금속 흐름(예를 들어, 통로(3020)를 통해 출구 개구부(3018)로부터 밖으로 흐르는 금속)으로 이덕터 노즐(3024)을 통해 수행될 수 있다.
이덕터 노즐(3024)은 입구로부터 출구로(예를 들어, 도 30에서 알 수 있듯이, 일반적으로 상부로부터 바닥으로) 내부 직경이 감소하는 형태를 가질 수 있다. 입구와 출구 사이의 제약부를 갖는 형태(예를 들어, 도 30에서 알 수 있듯이, 일반적으로 상부로부터 바닥으로 직경을 감소시키고 그런 후에 증가시키는 형태)와 같은 다른 형태들이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 이덕터 노즐(3024)은 심블(3002)의 오목부(recess)(3030)에 위치된다. 오목부(3030)는 전술한 바와 같이, 형성되는 빌렛의 금속 섬프 내의 용융된 금속이 보충 개구부들(3022)로 흐르도록 하기 위한 형태를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 흐름 제어 디바이스(예를 들어, 자석들(3004, 3006) 및 전극들(3008))는 심블(3002)을 따라(예를 들어, 도 30에서 알 수 있듯이 전반적으로 아래로) 충분히 말단에 위치되어, 이들은 오목부(3030) 내의 용융된 금속의 흐름에 영향을 미칠 수 있다.
몇몇 경우들에서, 추가 전극들(미도시)은, 전극들(3008)에 의해 통로(3020) 내의 용융된 금속에 제공되는 힘과 비교하여, 오목부(3030) 내의 용융된 금속에 동일하거나 상이한 힘을 제공하기 위해 오목부(3030)에 설치된다. 이러한 경우들에서, 전극들(3008)은 출구 개구부(3018)를 통해 통로(3020) 내의 용융된 금속을 아래로 밀어 넣기 위한 힘을 제공하도록 한 방향으로 전류를 제공할 수 있는 한편, 추가 전극들(미도시)은 오목부(3030) 내의 용융된 금속을 보충 개구부들(3022)을 통해 위로 밀어 넣기 위한 힘을 제공하도록 반대 방향으로 전류를 제공할 수 있다. 추가 전극들이 사용될 때, 자석들(3004, 3006) 또는 다른 적합한 자기 소스(들)는 통로(3020) 및 오목부(3030) 둘 모두를 통해 자기장을 생성하도록 위치될 수 있다.
도 25 내지 도 30을 참조하여 기재된 다양한 심블 설계들은 용융된 금속의 온도 및 조성물의 균질화를 개선할 수 있고, 거대 편석을 최소화할 수 있으며, 그레인 크기를 최적화(예를 들어, 그레인들의 증가된 성숙을 통해)할 수 있고, 형성되는 빌렛에서 섬프 형태를 개선할 수 있다.
도 31 내지 도 50은 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하고 이루어진 그리고 이를 이용하지 않고 이루어진 생성물들의 덴드라이트 아암 간격을 도시한 그래프들이다. 도 31 내지 도 35와 도 41 내지 도 45는 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하지 않고 주조된 잉곳("정상 샘플")을 표시하는 반면, 도 36 내지 도 40과 도 46 내지 도 50은 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하여 주조된 잉곳("개선된 샘플")을 나타낸다. 2개의 잉곳들은 직접 칠링(direct chill; DC) 프로세스를 이용하여 600 mm x 1750 mm의 저 헤드 조성물(Low Head Composite; LHC) 주조 몰드로 주조되었다. 전형적인 0.10% Si, 0.50% Fe 순도(P1050)는, 최대 0.50% Fe 순도로 합금된 P1020에 일반적으로 발견되는 것 이외의 임의의 추가적인 그레인 미세화기들 또는 변형기들이 없는 상태에서 고체화되었다. 배치(batch)가 이전 잉곳 주조로부터의 임의의 물질을 포함하지 않아서, 잉곳 섬프에서 고체화 조건들을 변형하는데 이용가능한 미크론-크기의 입자 그레인 자극이 전혀 존재하지 않는다는 것을 보장한다. 용융된 금속은 상업적으로 이용가능한 알루미늄 컴팩트 가스 배출기(aluminum compact degasser; ACD)로 가스 배출되었다. 용융된 금속은 후속하여 인치 당 50 기공(Pores Per Inch; ppi)의 공칭 개구부를 갖는 망상형 세라믹 폼(foam)으로 필터링되었다. 필터링 이후에, 용융된 금속은 LHC 주조 몰드에 도입되었다. 정상 상태 조건들은 이 비교에서의 모든 예들에 대해, 몰드 바로 위의 트러프(trough)에서 타입 K 열전쌍에 의해 측정된 바와 같이 695 내지 700℃의 온도를 갖는 60 mm/분의 하강 속도였다. 물로부터 뜨거운 잉곳 표면 접촉 지점까지의 수직 방향으로 측정된 몰드 내의 금속 레벨은 57 mm이었다. 다운스파우트의 팁은 금속 섬프 내로 50 mm 침지되었다.
정상 샘플 잉곳은 열적으로 형성된 콤보 백(예를 들어, 분배 백)에 금속을 분배함으로써 주조되었고, 이것은 금속을 잉곳의 짧은 면쪽으로 분배한다. 용융된 섬프 또는 잉곳 공동으로의 금속 흐름은 종래의 핀에 의해 조절되었고, 이것은 개방될 때, 금속 정압력 하의 금속이 분배 백을 채우고, 잉곳 몰드의 짧은 면 상으로 흐르도록 한다.
개선된 샘플 잉곳은 콤보 백 없이, 하지만 그 대신에 이상에서 더 구체적으로 기재된 것과 같이 이덕터 노즐(예를 들어, 도 1을 참조)을 이용하여 주조되었다. 용융된 섬프 또는 잉곳 공동으로의 금속 흐름은 종래의 핀 및 다운스파우트 조합에 의해 다시 조절되었지만, 금속 정압력에 더하여, 스파우트 내의 금속은 위에 기재된 것과 같은 영구-자석 기반의 펌프(예를 들어, 흐름 제어 디바이스)로 가압되었다. 이덕터 노즐 및/또는 영구-자석 기반의 펌프에 의해 생성된 모멘텀 및 증가된 흐름 속도는 잉곳의 헤드에서 주조 동안 육안으로 명확히 보여졌다.
양쪽의 잉곳들은, 트리-산 에칭(Tri-Acid Etch)(예를 들어, 물의 백 mL당 HF의 거의 3ml를 갖는, HCl, HN03, 및 물의 동일한 부분들)으로 에칭하기 전에, 600 mm x 1750 mm 섹션으로 분할되었고, 기계가공되었으며, 연마되었다. 샘플들은 그런 후에 포토그래프되었고, 미소 구조 샘플들은 슬라이스의 중심으로부터 연장하는 순차적 거리들에서 인접한 슬라이스들로부터 마련되었다.
도 31 내지 도 35는 본 개시의 특정 양상들에 따른 정상 샘플 잉곳의 섹션의 상이한 부분들의 현미경 이미지들이다. 각 현미경 이미지는 측면 중심(예를 들어, 롤링 면 또는 잉곳의 폭의 중심)에서 취해지지만, 상이한 깊이들에서 취해진다. 도 31은 잉곳의 기하학적 중심 근처의 깊이에서 잉곳의 측면 중심을 도시한다. 도 32 내지 도 35는 잉곳의 연속적으로 더 얕아지는 부분들을 도시하고, 도 35는 잉곳의 표면에 근접한 잉곳의 부분을 도시한다. 도 31은 정상 샘플의 평균 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 중심 근처에서 대략 72.63 미크론이라는 것을 도시한다. 도 32는 정상 샘플의 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 80.37 미크론이라는 것을 도시한다. 도 33은 정상 샘플의 덴드라이트 아암 간격이 더 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 49.85 미크론이라는 것을 도시한다. 도 34는 정상 샘플의 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 37.86 미크론이라는 것을 도시한다. 도 35는 정상 샘플의 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 표면 근처에 대략 30.52 미크론이라는 것을 도시한다. 중심으로부터 표면까지의 덴드라이트 아암 간격에서의 변동은 커서, 약 73 미크론 내지 약 30 미크론의 범위를 갖는다. 평균 덴드라이트 아암 간격은 약 19.3의 표준 편차를 갖는 약 54.2 미크론이다.
도 36 내지 도 40은 본 개시의 특정 양상들에 따른 개선된 샘플 잉곳의 섹션의 상이한 부분들의 현미경 이미지들이다. 도 36 내지 도 40의 각 이미지는 정상 샘플에 대해 도 31 내지 도 35의 장소들에 대응하는 개선된 샘플의 장소들에서 취해진다. 도 36은 개선된 샘플의 평균 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 중심 근처에서 대략 27.76 미크론이라는 것을 도시한다. 도 37은 개선된 샘플의 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 39.46 미크론이라는 것을 도시한다. 도 38은 개선된 샘플의 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 29.09 미크론이라는 것을 도시한다. 도 39는 개선된 샘플의 덴드라이트 아암 간격이 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 20.22 미크론이라는 것을 도시한다. 도 40은 개선된 샘플의 덴드라이트 아암 감격이 잉곳의 표면 근처에서 대략 18.88 미크론이라는 것을 도시한다. 표면으로부터 중심까지의 덴드라이트 아암 간격에서의 변동은 비교적 작아서, 단지 약 19 미크론으로부터 약 28 미크론의 범위(약 39 미크론의 중간 최대치를 갖는)를 갖는다. 평균 덴드라이트 아암 간격은 약 7.4의 표준 편차를 갖는 약 27.1 미크론이다. 이러한 유형들의 더 작은 평균 덴드라이트 아암 간격 및/또는 덴드라이트 아암 간격에서의 적은 변동은, 주조 생성물이 본 명세서에 기재된 기술들을 이용하여 마련되었다는 것을 나타낼 수 있다.
도 41 내지 도 45는 본 개시의 특정 양상들에 따른 도 31 내지 도 35에 도시된 정상 샘플 잉곳의 섹션의 상이한 부분들의 현미경 이미지들이다. 도 41 내지 도 45의 각 이미지는 도 31 내지 도 35의 장소들에 대응하는 장소들에서 취해진다. 도 41은 정상 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 중심 근처에서 대략 1118.01 미크론이라는 것을 도시한다. 도 42는 정상 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 1353.38 미크론이라는 것을 도시한다. 도 43은 정상 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 714.29 미크론이라는 것을 도시한다. 도 44는 정상 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 642.85 미크론이라는 것을 도시한다. 도 45는 정상 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면 근처에서 대략 514.29 미크론이라는 것을 도시한다. 표면으로부터 중심까지의 그레인 크기에서의 변동은 커서, 약 514 미크론 내지 약 1118 미크론의 범위를 갖는다. 평균 그레인 크기는 약 315.4의 표준 편차를 갖는 약 868.6 미크론이다.
도 46 내지 도 50은 본 개시의 특정 양상들에 따른 개선된 샘플 잉곳의 섹션의 상이한 부분들의 현미경 이미지들이다. 도 46 내지 도 50의 각 이미지는 정상 샘플에 대한 도 41 내지 도 45의 장소들에 대응하는 개선된 샘플의 장소들에서 취해진다. 도 46은 개선된 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 중심 근처에서 대략 362.17 미크론이라는 것을 도시한다. 도 47은 개선된 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 428.57 미크론이라는 것을 도시한다. 도 48은 개선된 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 342.85 미크론이라는 것을 도시한다. 도 49는 개선된 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면쪽으로 더 향하여 대략 321.42 미크론이라는 것을 도시한다. 도 50은 개선된 샘플의 평균 그레인 크기가 잉곳의 표면 근처에서 대략 306.12 미크론이라는 것을 도시한다. 표면으로부터 중심까지의 그레인 크기에서의 변동은 비교적 작아서, 약 306 미크론으로부터 약 362 미크론의 범위(약 429 미크론의 중간 최대치를 갖는)를 갖는다. 평균 그레인 크기는 약 42.6의 표준 편차를 갖는 약 352.2 미크론이다. 그레인 크기(예를 들어, 잉곳 및 전체에 걸친 그레인 크기에서의 적은 변동 및/또는 더 작은 평균 그레인 크기)에 대한 본 명세서에 기재된 기술들의 명백한 이점은 개선된 샘플을 정상 샘플과 비교할 때 명백히 보여질 수 있다.
도 51 내지 도 54는 정상 샘플(정상 샘플') 및 개선된 샘플(개선된 샘플')의 다른 세트에 대한 거대 편석 및 그레인 크기 편차에 대한 다양한 측정들을 도시한 차트들이다. 이에 대한 데이터가 도 51 내지 도 54에 도시된 샘플들은, 정상 샘플'이 콤보 백 및 종래의 핀과 스파우트를 이용하여 주조되었으며, 반면 개선된 샘플'은 콤보 백의 이용 없이 하지만 그 대신에 이덕터 노즐(도 1에 도시된 것과 같은)을 이용하여 주조되었다는 점에 있어서, 도 31 내지 도 50의 정상 및 개선된 샘플들과 유사한 방식으로 마련되었다. 하지만, 도 51 내지 도 54에 도시된 데이터에 대해, 합금 및/또는 주조 파라미터들이 상이하였다.
도 51은 본 개시의 특정 양상들에 따른 정상 샘플'에 대한 그레인 크기를 도시한 차트(5100)이다. 차트(5100)의 상부 좌측 코너는 잉곳의 섹션의 상부 좌측 코너를 나타내는 반면, 차트(5100)의 하부 우측 코너는 잉곳의 섹션의 중심(예를 들어, 잉곳 자체의 중심)을 나타낸다. 그레인 크기는 매우 큰(예를 들어, 대략 220 미크론) 것으로부터 적당히 작은(예를 들어, 대략 120 미크론) 것으로 연장한다.
도 52는 본 개시의 특정 양상들에 따른 개선된 샘플'에 대한 그레인 크기를 도시한 차트(5200)이다. 차트(5200)에서의 장소들은 도 51의 정상 샘플'에 대한 차트(5100)에서의 동일한 장소들에 대응한다. 그레인 크기들 모두는 섹션 전체에 걸쳐 실질적인 변동 없이 약 90 내지 120 미크론을 나타낸다. 그레인 크기(예를 들어, 더 작은 평균 그레인 크기 및/또는 그레인 크기에서의 적은 변동)에 대하여 본 명세서에 기재된 기술들의 명백한 이점은 개선된 샘플'을 정상 샘플'과 비교할 때 쉽게 알 수 있다.
도 53은 본 개시의 특정 양상들에 따른 정상 샘플'에 대한 거대 편석 편차를 도시한 차트(5300)이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 거대 편석 편차는 의도된 합금 조성물로부터 주조 잉곳 전체에 걸친 백분율 편차이다. 차트(5300)에서의 장소들은 도 51의 차트(5100)에서의 동일한 장소들에 대응한다. 차트(5300)의 상부 좌측 코너는 잉곳의 섹션의 상부 좌측 코너를 나타내는 반면, 차트(5300)의 하부 우측 코너는 잉곳의 섹션의 중심(예를 들어, 잉곳 자체의 중심)을 나타낸다. 거대 편석 편차들은 매우 큰(예를 들어, 대략 5%) 것으로부터 높은 음(예를 들어, 대략 -10%)인 것으로 연장한다.
도 54는 본 개시의 특정 양상들에 따른 개선된 샘플'에 대한 거대 편석 편차를 도시한 차트(5400)이다. 차트(5400)에서의 장소들은 도 53의 정상 샘플'에 대한 차트(5300)에서의 동일한 장소들에 대응한다. 차트(5400)의 상부 좌측 코너는 잉곳의 섹션의 상부 좌측 코너를 나타내는 반면, 차트(5400)의 하부 우측 코너는 잉곳의 섹션의 중심(예를 들어, 잉곳 자체의 중심)을 나타낸다. 거대 편석 편차들은 훨씬 더 작고(예를 들어, 약 4% 내지 약 -2%), 전체적으로 훨씬 더 많이 일관적이다. 거대 편석 편차(예를 들어, 더 작은 평균 거대 편석 편차 및/또는 거대 편석 편차에서의 적은 변동)에 대한 본 명세서에 기재된 기술들의 명백한 이점은 개선된 샘플'과 정상 샘플'을 비교할 때 명백히 보여질 수 있다.
예시된 실시예들을 포함하는 실시예들의 이전 설명은 예시 및 설명을 위해서만 제공되었고, 개시된 엄밀한 형태들에 철저하거나 또는 이에 제한하도록 의도되지 않는다. 다수의 변형들, 적응들, 및 그 이용들은 당업자에게 명백할 것이다.
아래에 사용된 바와 같이, 일련의 예들에 대한 임의의 참조는 선택적으로 이들 예들 각각에 대한 참조로서 이해될 것이다(예를 들어, "예 1 내지 4"는 "예 1, 2, 3, 또는 4"로서 이해될 것이다).
예 1은 용융된 금속의 소스에 결합가능한 공급 튜브; 공급 튜브의 말단 단부에 위치된 1차 노즐로서, 1차 노즐은 용융된 금속으로부터 용융된 섬프로 전달하기 위한 용융된 섬프에서 침지가능한, 1차 노즐; 및 용융된 섬프에서 침지가능하고 1차 노즐에 인접하게 위치가능한 2차 노즐로서, 2차 노즐은 제약부를 통과하는 소스로부터의 용융된 금속에 반응하여 용융된 섬프를 순환하기 위해 저압 영역을 생성하도록 형태를 갖는 제약부를 포함하는, 2차 노즐을 포함하는 시스템이다.
예 2는 용융된 섬프가 주조되는 잉곳의 액체 금속인 예 1의 시스템이다.
예 3은 용융된 섬프가 노 내의 액체 금속인 예 1의 시스템이다.
예 4는 2차 노즐이 1차 노즐에 결합되는 예 1 내지 3의 시스템이다.
예 5는 1차 노즐을 통한 용융된 금속의 흐름을 제어하기 위해 공급 튜브에 인접한 흐름 제어 디바이스를 추가로 포함하는 예 1 내지 4의 시스템이다.
예 6은 흐름 제어 디바이스가 공급 튜브 내의 변화하는 자기장을 생성하기 위한 하나 이상의 자기 소스들을 포함하는 예 5의 시스템이다.
예 7은 하나 이상의 자기 소스들이 공급 튜브 내의 용융된 금속의 회전 운동을 유도하도록 위치되는 예 6의 시스템이다.
예 8은 공급 튜브 내의 용융된 금속으로부터 열을 제거하기 위해 공급 튜브에 인접하게 위치된 온도 제어 디바이스를 더 포함하는 예 5 내지 7의 시스템이다.
예 9는 용융된 금속의 온도를 측정하기 위해 공급 튜브에 인접한 온도 프로브; 및 온도 프로브에 의해 측정된 온도에 반응하여 온도 제어 디바이스를 조정하기 위해 온도 프로브와 온도 제어 디바이스에 결합된 제어기를 더 포함하는 예 8의 시스템이다.
예 10은 1차 노즐이 직사각형 형태를 갖는 예 1 내지 9의 시스템이다.
예 11은 예 1 내지 10의 시스템으로서, 여기서 공급 튜브는 공급 튜브의 말단 단부에 위치된 제 2의 1차 노즐을 더 포함하고, 제 2의 1차 노즐은 용융된 금속을 용융된 섬프에 전달하기 위해 용융된 섬프에 침지가능하고, 시스템은 용융된 섬프에서 침지가능하고 제 2의 1차 노즐에 인접하게 위치가능한 제 2의 2차 노즐을 더 포함하고, 제 2의 2차 노즐은 제 2 제약부를 통과하는 소스로부터의 용융된 금속에 반응하여 용융된 섬프를 순환시키기 위해 제 2 저압 영역을 생성하도록 하는 형태를 갖는 제 2 제약부를 포함한다.
예 12는 1차 노즐 및 제 2의 1차 노즐을 통한 용융된 금속의 흐름을 제어하기 위해 공급 튜브에 인접한 흐름 제어 디바이스를 추가로 포함하는 예 11의 시스템이다.
예 13은 예 12의 시스템으로서, 여기서 흐름 제어 디바이스는 공급 튜브를 통해 자기장을 생성하기 위해 공급 튜브 주위에 위치된 복수의 영구 자석들과, 공급 튜브 내의 용융된 금속을 통해 전류를 도통하기 위해 공급 튜브 내의 경로에 전기적으로 결합된 복수의 전극들을 포함한다.
예 14는 용융된 금속의 소스에 결합가능한 공급 튜브; 공급 튜브의 말단 단부에 위치된 노즐로서, 노즐은 용융된 금속을 용융된 섬프에 전달하기 위해 용융된 섬프에 침지가능한, 노즐; 및 공급 튜브에 인접하게 위치된 흐름 제어 디바이스로서, 흐름 제어 디바이스는 공급 튜브 내의 용융된 금속의 이동을 유도하기 위한 적어도 하나의 자기 소스를 포함하는, 흐름 제어 디바이스를 포함하는 시스템이다.
예 15는 예 14의 시스템으로서, 여기서 흐름 제어 디바이스는 적어도 하나의 로터 주위에 위치된 복수의 영구 자석들을 포함하고, 변화하는 자기장은 적어도 하나의 로터의 회전에 반응하여 생성된다.
예 16은 예 15의 시스템으로서, 여기서 공급 튜브는 흐름 제어 디바이스에 인접한 로프트된 형태를 갖고, 로프트된 형태는 변화하는 자기장의 형태에 대응한다.
예 17은 예 15 또는 16의 시스템으로서, 여기서 적어도 하나의 로터의 회전축은 공급 튜브의 길이 방향 축에 대해 가변적이다.
예 18은 예 14 내지 17의 시스템으로서, 여기서 흐름 제어 디바이스는 고정자를 포함하고, 고정자는 제 1 상으로 구동되는 적어도 하나의 제 1 전자기 코일, 제 2 상으로 구동되는 적어도 하나의 제 2 전자기 코일, 및 제 3 상으로 구동되는 적어도 하나의 제 3 전자기 코일을 포함하며, 제 1 상은 제 2 상 및 제 3 상으로부터 120°만큼 오프셋되고 제 2 상은 제 3 상으로부터 120°만큼 오프셋되며, 변화하는 자기장은 고정자를 구동하는 것에 반응하여 생성된다.
예 19는 예 18의 시스템으로서, 여기서 공급 튜브는 나선형 나사를 포함하고, 변화하는 자기장은 공급 튜브 내의 용융된 금속에서의 회전 운동을 유도한다.
예 20은 예 14 내지 19의 시스템으로서, 여기서 용융된 금속의 이동은 공급 튜브 내의 회전 운동이고, 공급 튜브는 공급 튜브에서의 용융된 금속의 회전 운동에 반응하여 공급 튜브에서의 용융된 금속의 길이 방향 운동을 생성하기 위해 각도로 형성된 내부 벽을 포함한다.
예 21은 전원을 더 포함하는 예 14 내지 20의 시스템으로서, 여기서 공급 튜브는 공급 튜브에서의 용융된 금속을 통해 전류를 제공하기 위해 전원에 결합된 복수의 전극들을 포함한다.
예 22는 공급 튜브 내의 용융된 금속으로부터 열을 제거하기 위해 공급 튜브에 인접하게 위치된 온도 제어 디바이스를 더 포함하는 예 14 내지 21의 시스템이다.
예 23은 용융된 금속의 온도를 측정하기 위해 공급 튜브에 인접한 온도 프로브; 및 온도 프로브에 의해 측정된 온도에 반응하여 온도 제어 디바이스를 조정하기 위해 온도 프로브와 온도 제어 디바이스에 결합된 제어기를 더 포함하는 예 22의 시스템이다.
예 24는 용융된 섬프에서 침지가능하고 노즐에 인접하게 위치가능한 2차 노즐을 더 포함하는 예 14 내지 23의 시스템이고, 여기서 2차 노즐은 제약부를 통과하는 소스로부터의 용융된 금속에 반응하여 용융된 섬프를 순환하기 위해 저압 영역을 생성하도록 하는 형태를 갖는 제약부를 포함한다.
예 25는 공급 튜브를 통해 용융된 금속을 금속 소스로부터 금속 섬프에 전달하는 것과, 공급 튜브에 인접한 변화하는 자기장을 생성하는 것, 및 변화하는 자기장을 생성하는 것에 반응하여 공급 튜브에서의 용융된 금속의 이동을 유도하는 것을 포함하는 방법이다.
예 26은 공급 튜브에서의 용융된 금속으로부터 온도 제어 디바이스에 의해 열을 제거하는 것과, 용융된 금속에서의 고체 금속의 백분율을 결정하는 것, 및 용융된 금속에서의 고체 금속의 백분율을 결정하는 것에 반응하여 온도 제어 디바이스를 제어하는 것을 더 포함하는 예 25의 방법이다.
예 27은 예 25 또는 26의 방법으로서, 용융된 금속을 금속 소스로부터 전달하는 것은 용융된 섬프 내에 침지가능한 1차 노즐을 통해 1차 금속 흐름을 생성하는 것과, 제약부를 갖는 2차 노즐을 통해 1차 금속 흐름을 통과하는 것, 및 2차 노즐을 통해 1차 금속 흐름을 통과시키는 것에 반응하여 2차 노즐을 통해 보충 유입을 생성하는 것으로서, 보충 유입은 용융된 섬프로부터 소싱되는(sourced), 보충 유입을 생성하는 것을 포함한다.
예 28은 공급 튜브의 1차 노즐을 통해 용융된 금속을 전달하는 것, 1차 노즐에 인접하게 위치되고 용융된 섬프 내에 침지가능한 2차 노즐을 통해 용융된 금속을 통과시키는 것, 2차 노즐을 통해 용융된 금속을 통과시키는 것에 반응하여 2차 노즐을 통해 보충 유입을 유도하는 것으로서, 보충 유입은 용융된 섬프로부터 소싱되는, 유도하는 것을 포함하는 방법이다.
예 29는 16 또는 그 아래의 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차를 갖는 결정 구조를 갖는 알루미늄 생성물로서, 알루미늄 생성물은 공급 튜브의 1차 노즐을 통해 용융된 금속을 전달하는 것; 1차 노즐에 인접하게 위치되고 용융된 섬프 내에 침지가능한 2차 노즐을 통해 용융된 금속을 통과시키는 것; 및 2차 노즐을 통해 용융된 금속을 통과시키는 것에 반응하여 2차 노즐을 통해 보충 유입을 유도하는 것으로서, 보충 유입은 용융된 섬프로부터 소싱되는, 2차 노즐을 통해 보충 유입을 유도하는 것에 의해 얻어진다.
예 30은 예 29의 알루미늄 생성물로서, 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차는 10 또는 그 아래이다.
예 31은 예 29의 알루미늄 생성물로서, 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차는 7.5 또는 그 아래이다.
예 32는 예 29 내지 31의 알루미늄 생성물로서, 평균 덴드라이트 아암 간격은 38μm 또는 그 아래이다.
예 33은 예 29 내지 31의 알루미늄 생성물로서, 평균 덴드라이트 아암 간격은 30μm 또는 그 아래이다.
예 34는 예 29 내지 33의 알루미늄 생성물로서, 1차 노즐을 통해 용융된 금속을 전달하는 것은 공급 튜브에 결합된 흐름 제어 디바이스를 이용하여 흐름을 유도하는 것을 포함한다.
예 35는 200에 또는 그 아래에 그레인 크기의 최대 표준 편차를 갖는 결정 구조를 갖는 알루미늄 생성물로서, 알루미늄 생성물은 공급 튜브의 1차 노즐을 통해 용융된 금속을 전달하고, 1차 노즐에 인접하게 위치되고 용융된 섬프 내에 침지가능한 2차 노즐을 통해 용융된 금속을 통과시키고, 2차 노즐을 통해 용융된 금속을 통과시키는 것에 반응하여 2차 노즐을 통해 보충 유입을 유도하는 것으로서, 보충 유입은 용융된 섬프로부터 소싱되는, 유도하는 것에 의해 얻어진다.
예 36은 예 35의 알루미늄 생성물로서, 그레인 크기의 최대 표준 편차는 80 또는 그 아래이다.
예 37은 예 35의 알루미늄 생성물로서, 그레인 크기의 최대 표준 편차는 33 또는 그 아래이다.
예 38은 예 35 내지 37의 알루미늄 생성물로서, 평균 그레인 크기는 700μm 또는 그 아래이다.
예 39는 예 35 내지 37의 알루미늄 생성물로서, 평균 그레인 크기는 400μm 또는 그 아래이다.
예 40은 예 35 내지 39의 알루미늄 생성물로서, 1차 노즐을 통해 용융된 금속을 전달하는 것은 공급 튜브에 결합된 흐름 제어 디바이스를 이용하여 흐름을 유도하는 것을 포함한다.
예 41은 예 35 내지 40의 알루미늄 생성물로서, 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차는 10 또는 그 아래이다.
예 42는 예 35 내지 40의 알루미늄 생성물로서, 덴드라이트 아암 간격의 최대 표준 편차는 7.5 또는 그 아래이다.
예 43은 예 35 내지 40의 알루미늄 생성물로서, 평균 덴드라이트 아암 간격은 38μm 또는 그 아래이다.
예 44는 예 35 내지 40의 알루미늄 생성물로서, 평균 덴드라이트 아암 간격은 30μm 또는 그 아래이다.
예 45는 평행하게 함께 결합된 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트를 갖는 플레이트 노즐을 포함하는 공급 튜브를 포함하는 장치로서, 공급 튜브는 용융된 금속을 플레이트 노즐을 통해 적어도 하나의 출구 노즐쪽으로 보내기 위한 통로를 포함한다.
예 46은 예 45의 장치로서, 용융된 섬프 내에 침지가능하고 플레이트 노즐의 적어도 하나의 출구 노즐에 인접하게 위치가능한 2차 노즐을 더 포함하며, 2차 노즐은 제약부를 통과하는 플레이트 노즐로부터의 용융된 금속에 반응하여 용융된 섬프를 순환하기 위해 저압 영역을 생성하도록 하는 형태를 갖는 제약부를 포함한다.
예 47은 예 46의 장치로서, 2차 노즐은 플레이트 노즐에 제거가능하게 결합가능하다.
예 48은 예 45의 장치로서, 적어도 하나의 출구 노즐은 비-평행 방향으로 용융된 금속을 보내기 위한 2개의 출구 노즐들을 포함한다.
예 49는 용융된 섬프 내에 침지가능한 2개의 2차 노즐들을 더 포함하는 예 48의 장치로서, 각 2차 노즐은 플레이트 노즐의 2개의 출구 노즐들 중 각 하나에 인접하게 위치가능하며, 2개의 2차 노즐들 각각은 제약부를 통과하는 2개의 출구 노즐들의 각 하나로부터의 용융된 금속에 반응하여 용융된 섬프를 순환하기 위해 저압 영역을 생성하도록 하는 형태를 갖는 제약부를 포함한다.
예 50은 예 45 내지 49의 장치로서, 플레이트 노즐을 통한 용융된 금속의 흐름을 제어하기 위해 공급 튜브에 결합된 흐름 제어 디바이스를 더 포함한다.
예 51은 예 50의 장치로서, 흐름 제어 디바이스는 통로를 통해 자기장을 생성하기 위해 공급 튜브에 인접하게 위치된 적어도 하나의 정적 영구 자석과, 통로와 접촉하는 공급 튜브에 위치된 한 쌍의 전극들을 포함한다.
예 52는 예 51의 장치로서, 전극들의 쌍 및 적어도 하나의 정적 영구 자석은, 통로 내에서 전극들의 쌍을 통과하는 전류의 방향 및 자기장의 방향 둘 모두가 공급 튜브의 길이에 수직으로 배향되도록 위치된다.

Claims (12)

  1. 장치로서,
    평행하게 함께 결합된 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트를 갖는 플레이트 노즐을 포함하는 공급 튜브로서, 상기 공급 튜브는 용융된 금속을 상기 플레이트 노즐을 통해 적어도 하나의 출구 노즐쪽으로 보내기 위한 통로를 획정(define)하는 상기 공급 튜브, 및
    상기 플레이트 노즐을 통한 상기 용융된 금속의 흐름을 제어하기 위해 상기 공급 튜브에 결합된 흐름 제어 디바이스를 포함하는, 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 용융된 섬프 내에 침지가능하고 상기 플레이트 노즐의 상기 적어도 하나의 출구 노즐에 인접하게 위치가능한 2차 노즐을 더 포함하며, 상기 2차 노즐은 제약부를 통과하는 상기 플레이트 노즐로부터의 상기 용융된 금속에 반응하여 상기 용융된 섬프를 순환시키기 위해 저압 영역을 생성하도록 하는, 노즐 입구로부터 노즐 출구로 내부 직경이 감소된 후에 증가하는 형태를 갖는 상기 제약부를 포함하는, 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 2차 노즐은 상기 플레이트 노즐에 탈착가능하게 결합가능한, 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 출구 노즐은 비-평행 방향으로 상기 용융된 금속을 보내기 위한 2개의 출구 노즐들을 포함하는, 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 용융된 섬프 내에 침지가능한 2개의 2차 노즐들을 더 포함하며, 각 2차 노즐은 상기 플레이트 노즐의 상기 2개의 출구 노즐들 중 각 하나에 인접하게 위치가능하고, 상기 2개의 2차 노즐들 각각은 제약부를 통과하는 상기 2개의 출구 노즐들 중의 각각의 노즐로부터의 상기 용융된 금속에 반응하여 상기 용융된 섬프를 순환시키기 위해 저압 영역을 생성하도록 하는, 노즐 입구로부터 노즐 출구로 내부 직경이 감소된 후에 증가하는 형태를 갖는 상기 제약부를 포함하는, 장치.
  6. 삭제
  7. 시스템으로서,
    용융된 금속의 소스에 결합가능한 공급 튜브;
    상기 공급 튜브의 말단 단부에 위치된 노즐로서, 상기 용융된 금속을 용융된 섬프에 전달하기 위해 상기 용융된 섬프에 침지가능한, 상기 노즐; 및
    상기 공급 튜브에 인접하게 위치된 흐름 제어 디바이스로서, 상기 공급 튜브 내의 상기 용융된 금속의 이동을 유도하기 위한 적어도 하나의 자기 소스를 포함하 는, 상기 흐름 제어 디바이스를 포함하고,
    상기 흐름 제어 디바이스는 고정자(stator)를 포함하고, 상기 고정자는 제 1 상으로 구동되는 적어도 하나의 제 1 전자기 코일, 제 2 상으로 구동되는 적어도 하나의 제 2 전자기 코일, 및 제 3 상으로 구동되는 적어도 하나의 제 3 전자기 코일을 포함하며, 상기 제 1 상은 상기 제 2 상 및 상기 제 3 상으로부터 120°만큼 오프셋되고 상기 제 2 상은 상기 제 3 상으로부터 120°만큼 오프셋되며, 변화하는 자기장은 상기 고정자를 구동하는 것에 반응하여 생성되는, 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 공급 튜브는 나선형 나사를 포함하고, 상기 변화하는 자기장은 상기 공급 튜브 내의 상기 용융된 금속에서의 회전 운동을 유도하는, 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 용융된 금속의 이동은 상기 공급 튜브 내의 회전 운동이고, 상기 공급 튜브는 상기 공급 튜브에서의 상기 용융된 금속의 상기 회전 운동에 반응하여 상기 공급 튜브에서의 상기 용융된 금속의 길이 방향 운동을 생성하기 위해 일정 각도로 형성된 내부 벽을 포함하는, 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 공급 튜브 내의 상기 용융된 금속으로부터 열을 제거하기 위해 상기 공급 튜브에 인접하게 위치된 온도 제어 디바이스를 더 포함하는, 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 용융된 금속의 온도를 측정하기 위해 상기 공급 튜브에 인접한 온도 프로브; 및
    상기 온도 프로브에 의해 측정된 온도에 반응하여 상기 온도 제어 디바이스를 조정하기 위해 상기 온도 프로브와 상기 온도 제어 디바이스에 결합된 제어기를 더 포함하는, 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서, 상기 용융된 섬프에서 침지가능하고 상기 노즐에 인접하게 위치가능한 2차 노즐을 더 포함하고, 상기 2차 노즐은 제약부를 통과하는 상기 소스로부터의 상기 용융된 금속에 반응하여 상기 용융된 섬프를 순환시키기 위해 저압 영역을 생성하도록 하는, 노즐 입구로부터 노즐 출구로 내부 직경이 감소된 후에 증가하는 형태를 갖는 상기 제약부를 포함하는, 시스템.
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