KR20010095417A - 하부 유출 시스템, 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템및 그 방법 - Google Patents

하부 유출 시스템, 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템및 그 방법 Download PDF

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KR20010095417A
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
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Abstract

하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템(bottom pour electroslag refining system)은 원재료를 정련된 액체 금속으로 정련한다. 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템은 일렉트로슬래그 정련 도가니와, 슬래그와, 일렉트로슬래그 정련 도가니로부터의 정련된 액체 금속이 정련된 액체 금속 스트림으로서 흘러나오는 오리피스(orifice)를 포함하는 하부 유출 구조와, 전류 경로를 포함한다. 전류 경로는 원재료를 용해 및 정련하기 위해 원재료에 전류를 인가하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템내에 규정된다. 용해 및 정련된 원재료는 일렉트로슬래그 정련 도가니내에 정련된 액체 금속 풀(refined liquid metal pool)을 형성한다. 전류 경로로 제공되는 전류는, 정련된 액체 금속을 정련된 액체 금속 풀에 소정의 점도로, 즉, 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 오리피스를 통해 흐를 수 있을 정도의 점도(viscosity)로 제공하기에 충분하다.

Description

하부 유출 시스템, 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템 및 그 방법{BOTTOM POUR ELECTROSLAG REFINING SYSTEMS AND METHODS}
본 발명은 일렉트로슬래그 정련(electroslag refining)을 위한 일렉트로슬래그 정련 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템 및 방법(bottom pour electroslag refining systems and methods)에 관한 것이다.
일렉트로슬래그 정련(ESR)은 다양한 금속을 용해 및 정련하는데 이용된다. 본 발명을 제한하려는 것은 아니지만 일 예로서, 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti)계 금속과 합금은 일렉트로슬래그 정련 시스템 및 프로세스에 의해 정련될 수 있다. 통상, 일렉트로슬래그 정련 시스템은, 용해 및 정련될 합금으로 형성된 소모성 전극과, 액체 슬래그와, 냉각 도가니(cooled crucible)(일 예로서, 수냉형 구리 도가니(water-cooled copper crucible))를 포함한다. 액체 슬래그는 적절한 전류원으로부터 소모성 전극, 액체 슬래그, 도가니 순으로 전류를 통과시킴으로써 가열될 수 있다.
액체 슬래그는 소모성 전극을 용해시키기에 충분할 정도의 고온으로 유지된다. 정련 프로세스는 소모성 전극이 용해되어 액체 슬래그를 통과하면서 발생한다. 또한, 산소 함유(oxide inclusions)같은 함유 프로세스도 액체 슬래그에 유발되는데, 함유되는 산소는 용해되어, 금속을 더욱 정련시킨다. 정련 프로세스는 소모성 전극의 금속 용해와, 용해된 작은 금속 방울들(droplets)의 형성을 포함한다.이러한 금속 방울들은 예를 들면 중력에 의해 액체 슬래그속으로 떨어져, 액체 금속 풀(pool)에 모인다. 이 풀은 도가니가 둘러싸고 있는데, 일반적으로 도가니가 풀의 하부에 배치된다.
일렉트로슬래그 정련 시스템은 일반적으로 유도 가열되는 분할된 수냉형 구리 유도관(induction-heated, segmented, water-cooled copper guide tube) 또는 냉 유도관(cold induction guide;CIG)을 포함한다. 냉 유도관은 흔히 일렉트로슬래그 정련 시스템 도가니의 하부에 연결된다. 냉 유도관은 오리피스(orifice)를 포함하는데, 이 오리피스로부터 정련된 금속 액체 스트림(refined metal liquid stream)이 추출된다. 이 스트림은 예를 들자면 파우더 분무화(powder atomization), 스프레이 침전(spray deposition), 인베스트먼트 주조(investment casting), 용해-스피닝(melt-spining), 스트립 주조(strip casting), 슬래브 주조(slab casting), 핵형성 주조(nucleated casting)를 포함하는 많은 응고 프로세스(solidification processes)에서 액체 금속 공급원으로서 이용될 수 있다. 일렉트로슬래그 정련 시스템 및 냉 유도관 구조는 본 기술 분야에서 공지된 것으로, 예를 들면 본 발명의 양수인에게 양도되었으며 본 명세서에서 전적으로 참조하고 있는 밴츠 등(Benz et al.)의 미국 특허 번호 제 5,160,532호에도 잘 나타나 있다.
공지의 일렉트로슬래그 정련 시스템이 금속의 정련에 휴효한 동안, 냉 유도관 구조는 정련된 액체 금속의 일렉트로슬래그 정련 시스템밖으로의 흐름을 돕는데 이용될 수 있다. 냉 유도관 구조를 이용함으로써, 일렉트로슬래그 정련 시스템에는 부가적인 전류와 가열이 추가된다. 당연히, 이러한 추가의 전류와 가열은 정련프로세스의 비용을 증가시킨다. 또한, 추가 가열과 전류는 열 및 전기 절연 문제를 포함한 절연 문제를 일으킬 수도 있다.
그러므로, 정련된 액체가 쉽게 흐를 수 있도록 하기 위해 일렉트로슬래그 정련 시스템에 부가적인 가열 및 전류를 추가하지 않아도 되는 일렉트로슬래그 정련 시스템이 필요하다.
본 발명의 한 양상에 따르면, 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템이 제공된다. 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템은 원재료 공급원의 원재료를 정련된 액체 금속으로 정련한다. 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템은 일렉트로슬래그 정련 도가니와, 슬래그와, 일렉트로슬래그 정련 도가니로부터의 정련된 액체 금속이 정련된 액체 금속 스트림으로서 흘러나오는 오리피스를 포함하는 하부 유출 구조와, 전류 경로를 포함한다. 전류 경로는 원재료를 용해 및 정련하기 위해 원재료에 전류를 인가하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템내에 규정된다. 용해 및 정련된 원재료는 일렉트로슬래그 정련 도가니에 정련된 액체 금속 풀을 형성한다. 전류 경로로 제공되는 전류는, 정련된 액체 금속을 정련된 액체 금속 풀에 소정의 점도(즉, 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도(its own viscosity)로 오리피스를 통해 흐를 수 있을 정도의 점도)로 제공하기에 충분하다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 원재료 공급원의 원재료를 자신의 고유 점도로 흐를 수 있는 정련된 액체 금속으로 정련하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련방법이 제공된다. 이 방법은 정련될 원재료를 제공하는 단계와, 일렉트로슬래그 정련 도가니를 제공하는 단계와, 일렉트로슬래그 정련 도가니에 슬래그를 제공하는 단계와, 일렉트로슬래그 정련 도가니로부터의 정련된 액체 금속이 정련된 액체 금속 스트림으로서 흘러나오는 오리피스를 포함하는 하부 유출 구조를 일렉트로슬래그 정련 도가니에 제공하는 단계와, 전류 경로를 설정하는 단계와, 원재료를 용해 및 정련하기 위해 원재료 공급원으로부터의 원재료에 전류를 인가하는 단계와, 정련된 액체 금속 풀을 일렉트로슬래그 정련 도가니에 형성하는 단계를 포함한다. 전류 인가 단계는, 정련된 액체 금속을 정련된 액체 금속 풀에 소정의 점도(즉, 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 오리피스 밖으로 흐를 수 있는 점도)로 제공하기에 충분한 분량의 전류를 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 원재료 공급의 원재료를, 자신의 고유 점도로 흐를 수 있는 정련된 액체 금속으로 정련하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법이 제공된다. 이 방법은 정련될 원재료를 제공하는 단계와, 일렉트로슬래그 정련 도가니를 제공하는 단계와, 일렉트로슬래그 정련 도가니에 슬래그를 제공하는 단계와, 일렉트로슬래그 정련 도가니로부터의 정련된 액체 금속이 정련된 액체 금속 스트림으로서 흘러나오는 오리피스를 포함하는 하부 유출 구조를 일렉트로슬래그 정련 도가니에 제공하는 단계와, 전류 경로를 설정하는 단계와, 원재료를 용해 및 정련하기 위해 원재료 공급원의 원재료에 전류를 인가하는 단계와, 정련된 액체 금속 풀을 일렉트로슬래그 정련 도가니에 형성하는 단계를 포함한다. 전류 인가 단계는, 정련된 액체 금속을 정련된 액체 금속 풀에 소정의 점도(즉, 정련된 액체금속이 자신의 고유 점도로 오리피스 밖으로 흐를 수 있는 점도)로 제공하기에 충분한 분량의 전류를 인가하는 단계를 포함한다. 전류 인가 단계는, 정련된 액체 금속을 소정의 점도(즉, 정련된 액체 금속 풀이 자신의 고유 점도로 오리피스를 통해 흐를 수 있는 점도)로 유지시키기에 충분한 깊이를 갖는 정련된 액체 금속 풀을 설정하는 단계와, 정련된 액체 금속 풀이 소정의 점도(즉, 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 오리피스를 통해 흐를 수 있는 점도)를 유지하는 온도로 이 정련된 액체 금속 풀을 가열하기에 충분한 레벨로 전류를 인가하는 단계중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 또다른 양상에 따르면, 원재료 금속을 일렉트로슬래그 정련하는 하부 유출 시스템이 제공된다. 하부 유출 시스템은 일렉트로슬래그 정련 수단과, 일렉트로슬래그 정련 수단에 전류를 인가하는 수단과, 정련된 액체 금속 풀을 만드는 수단을 포함한다. 전류 인가 수단에 의해 인가되는 전류는 정련된 액체 금속을 소정의 점도(즉, 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 흐를 수 있는 점도)로 정련된 액체 금속 풀에 제공하기에 충분하다.
본 발명의 이런 저런 양상들과 이점들과 특징들은 본 발명의 실시예를 개시하는 첨부 도면과 함께 이후의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이며, 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 표시한다.
도 1은 일렉트로슬래그 정련 시스템과 관련하여 본 발명에 따라 구현된 일 실시예의 하부 유출 구조의 부분적인 측단면도,
도 2는 본 발명에 따라 구현된 다른 실시예의 하부 유출 구조의 부분적인 측단면도,
도 3은 또다른 실시예의 하부 유출 구조의 부분적인 측단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 하부 유출 구조
10, 50, 100 : 일렉트로슬래그 정련 시스템
11, 110, 111 : 전극 14 : 슬래그
15 : 정련된 액체 금속 풀(pool) 18, 180 : 도가니
25 : 오리피스(orifice) 27 : 전류 경로
본 발명에 따라 구현된 하부 유출 구조는 정련 시스템에 구비되어, 정련된액체 금속 스트림을 제공하는 출구(outlet)를 갖는 정련 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명에 따라 구현된 하부 유출 시스템을 구비함으로써, 정련 시스템의 정련된 액체 금속이 예컨대 냉 유도관 구조의 유도 가열에 의한 추가적인 가열 없이도 스트림을 형성할 정도로 충분히 가열된다면, 냉 유도관은 필요 없게 된다. 정련 시스템은, 반드시 그런 것은 아니지만 예를 들자면 일렉트로슬래그 정련 시스템, 진공 유도 용해(vacuum induction melt;VIM) 시스템, 진공 아크 재용해(vacuum arc remelting;VAR) 시스템 및, 그 밖의 금속 정련(purification)와 관련한 시스템처럼 임의의 적절한 금속 용해 및 정련 시스템을 포함할 수 있다. 일렉트로슬래그 정련 시스템에 대한 이후의 설명은 단지 예시적인 것이며, 이러한 설명이 본 발명을 어떠한 식으로든 제한하는 것은 아니다.
본 발명에 따라 구현된 일렉트로슬래그 정련 시스템용 하부 유출 구조(bottom pour structure)는 정련된 액체 금속이 흘러나오도록 하기 위해 오로지 일렉트로슬래그 정련 시스템에 의해 가해지는 열에만 의지한다. 이 일렉트로슬래그 정련 시스템용 하부 유출 구조는 정련된 액체 금속 스트림을 제공하기 위해 냉 유도관 구조에 의해 가해지는 열에는 의지하지 않는다. 본 발명에 따라 구현된 일렉트로슬래그 정련 시스템용 하부 유출 구조는 정련된 액체 금속 스트림이 하부에서 유출하도록 하는데, 이 때 정련된 액체 금속 스트림은 일렉트로슬래그 정련 시스템에 인가되는 열의 양에 의해 제어될 수 있다. 또한, 일렉트로슬래그 정련 시스템용 하부 유출 구조는 전력 공급원의 형태와 무관하게 어떠한 다른 외부 전력 공급원에 의해 가해지는 열에도 의지하지 않는다.
일렉트로슬래그 정련 시스템은 특정 동작 조건하에서 냉 유도 전력 없이 일렉트로슬래그 정련 시스템 오리피스(electroslag refining system orifice)(이후부터는 "오리피스"라 함)를 통해 흐르는 액체 금속 스트림을 만들 수 있다. 이러한 조건들중 하나는 일렉트로슬래그 정련 시스템의 도가니속의 정련된 금속 액체 레벨이 충분히 낮을 때 발생할 수 있다. 정련된 금속 액체 레벨은 금속을 용해 및 정련시키기 위해 인가되는 에너지가 정련된 액체 금속을 충분한 점도로 유지시킬 수 있을 때 충분히 낮을 것이며, 이것은 정련된 액체 금속이 추가의 가열 없이도 오리피스를 통해 흐를 수 있을 정도로, 정련된 액체 금속의 점도가 충분하다는 것을 의미한다. 이러한 조건하에서 정련된 액체 금속은 예를 들면 냉 유도관 구조로에서 발생되는 가열(heating)처럼 추가의 가열이 없어도 흐를 수 있는 충분한 점도를 유지할 것이다.
특정 조건하에서 냉 유도 전력 없이도 오리피스를 통해 흐르는 액체 금속 스트림을 발생시키는 또다른 동작 조건은 고온의 일렉트로슬래그 정련 조건하에서 발생한다. 본 발명에 따라 구현되는 고온은, 일렉트로슬래그 정련을 위해 일렉트로슬래그 정련 시스템에 전류를 통과시킴으로써 발생되는 온도를 포함한다. 정확한 온도는 정련될 금속과, 정련 조건, 원하는 유동도(degree of fluidity) 및, 그 밖의 요인에 따라 변할 수 있다. 전류는 적절한 전류 공급원으로부터 제공되어, 전극을 가열한다. 열은 정련된 액체 금속 공급원과 무관하게 정련된 액체 금속에 전달된다. 예를 들어, 정련된 액체 금속은 소모성 전극으로부터 용해되어 정련된 금속일 수도 있다. 그렇지 않고, 용해 및 정련된 금속이 전극이 아닌 다른 공급원으로부터 비롯된 것일 수도 있다. 가열된 정련된 액체 금속은, 추가의 가열 없이도 정련된 액체 금속이 오리피스의 밖으로 흐를 수 있는 점도를 가질 정도로 충분한 고온으로 가열된다. 그러므로, 본 발명에 따른 하부 유출 구조를 갖는 일렉트로슬래그 정련 시스템에는 예를 들면 냉 유도관 구조에서처럼 유도 히터에 의한 가열이 가해질 필요가 없다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 범주내에서 하부 유출 구조를 갖는 일렉트로슬래그 시스템의 구성을 예시한다. 이후의 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 것을 나타내는데 이용된다. 도 1은 본 발명의 범주내의 일렉트로슬래그 정련 시스템(10)용 하부 유출 구조(1)를 예시한다. 일렉트로슬래그 정련 시스템(10)은 소모성 전극(11)을 포함하는데, 소모성 전극의 예를 들면 본원 명세서에서 그 내용을 참조하고 있는 밴츠 등의 미국 특허 제 5,160,532호에 설명되어 있다. 일렉트로슬래그 정련 시스템(10)과 관련한 소모성 전극 급전 메카니즘(consumable electrode feed mechanism)과 일렉트로슬래그 정련 시스템용 도가니에 대한 상세한 설명은 밴츠 등의 특허에 기술되어 있으므로, 본원에서는 설명하지 않겠다.
본 발명에 따라 구현된 하부 유출 구조(1)(도 1 참조)는 하부 유출 구조부(12)(이후부터는 "하부 유출 구조부"라 함)를 포함한다. 하부 유출 구조부(12)는 오리피스 혹은 홀(hole)(13)을 포함하는데, 이 오리피스 혹은 홀을 통해서 액체 금속 스트림이 흐른다. 도 1에서, 일렉트로슬래그 정련 시스템(10)은 하부 유출 구조부(12)위에 놓여있는 슬래그(14) 혹은 금속 재료의 "스타터 플레이트(starter plate)"를 포함한다. 하부 유출 구조부(12)는 일렉트로슬래그 정련 시스템 도가니(18)의 저수조(reservoir)보다 낮은 표면을 갖는다. 오리피스(13)는 일렉트로슬래그 정련의 초기 단계동안 처음에는 닫혀있다. "초기 단계(initiation phases)"란, 일렉트로슬래그 정련이 오리피스(13)를 통해 정련된 액체 금속 스트림을 생성하는 단계를 의미한다. 이 단계 동안에는, 액체 상태로 가열되지 않은 슬래그(14)에 의해 오리피스(13)를 통한 흐름이 차단될 것이다.
일렉트로슬래그 정련은 일렉트로슬래그 정련 시스템에 전류를 인가함으로써 계속된다. 전류는 슬래그(14)와 접촉하고 있는 소모성 전극(11)의 부분들을 포함한 소모성 전극(11)의 일부분들을 용해시킨다. 따라서, 충분한 양의 소모성 전극(11)이 용해됨에 따라 슬래그(14)는 액체 상태로 되고, 공지된 바와 같이 소모성 전극(11)의 금속의 일렉트로슬래그 정련이 발생할 수 있다. 이후, 일렉트로슬래그 정련은 "흐름 단계(flow phases)"의 일렉트로슬래그 정련 동작으로 진입하여, 스타터 플레이트(14)의 용해가 완료된다. 스타터 플레이트(14)의 용해에 의해, 도가니(18)내에는 오리피스(13)의 상부에 정련된 액체 금속 풀(15)이 형성될 것이다. 일단, 정련된 액체 금속 풀(15)이 형성되면, 정련된 액체 금속의 스트림(25)이 오리피스(13)에 존재한다.
전술한 바와 같이, 일렉트로슬래그 정련 시스템(10)을 위한 하부 유출 구조(1)는 냉 유도관 구조에 의한 정련된 액체 금속의 추가적인 가열 없이 흐름을 제공한다. 본 발명에 의해 구현되는 한가지 하부 유출 조건은 정련된 금속 풀(15)의 액체 레벨(또는 "깊이(depth)"로 칭함)이 낮을 때 발생한다(이후에 설명함). 또다른 하부 유출 조건은 슬래그(14)를 용해시키는 전류를 통과시킴으로써 가해지는 열이 고온의 일렉트로슬래그 정련 조건을 만들 정도로 충분히 높을 때 발생한다(이후에 설명함). 이러한 두 가지 조건은 본 발명에 따라 구현되는 일렉트로슬래그 정련용 하부 유출 구조로부터 하부 유출이 달성되도록 하기 위해 각기 적용되거나, 또는 서로 결합하여 제공될 수 있다.
도 1의 일렉트로슬래그 정련 구성은 이들 하부 유출 조건 모두를 달성할 수 있다. 예를 들어, 정련된 액체 금속 풀(15)은 전체 깊이 d로 형성될 수 있다. 깊이 d는 용해된 소모성 전극(11)으로부터 중요한 열 손실을 막기에 충분한 레벨이다. 깊이 d는 용해 및 정련을 위해 인가된 전류로부터 유도되는 열이 오리피스(13)의 영역에서 정련된 액체 금속이 충분한 점성을 유지할 만큼 충분한 액체 레벨을 제공하도록 정해지는데, 이 때 정련된 액체 금속은 추가의 가열 없이 오리피스(13)를 통해 흐를 수 있다.
또한, 고온 하부 유출 조건은 일렉트로슬래그 정련을 위한 전류 인가 동안에 고온을 생성함으로써 도 1의 일렉트로슬래그 정련 구성으로 달성될 수 있다. 일렉트로슬래그 정련을 위한 전류는 도 1에 예시된 소모성 전극(11), 슬래그(14) 및 도가니(18)로 이루어진 전류 경로(27)를 통과한다. 전류 경로(27)는 전류 공급원 장치(28)를 포함한다. 소모성 전극(11)과 슬래그(14)를 용해시키기 위해 인가되는 전류는 소모성 전극(11)과 슬래그(14)를 용해시키기에 충분한 레벨로 제공되고, 또한 정련된 액체 금속이 오리피스(13)의 영역에서 추가의 가열 없이 오리피스(13)를 통해 흐를 수 있는 점성을 유지하기에 충분할 만큼 높은 레벨이다.
도 2는 일렉트로슬래그 정련 시스템(50)의 하부 유출 구조(1)의 또다른 구현을 예시한다. 일렉트로슬래그 정련 시스템(50)의 전극(110)은 비소모성 전극을 포함하고, 이 시스템에서 비소모성 전극(110)은 원재료(20)를 가열 및 용해시키기 위해 인가되는 전류의 단자를 제공한다. 정련용 원재료(20)는 전류 경로와 분리되어 있는 임의의 적당한 공급원으로부터 일렉트로슬래그 정련 시스템(50)에 제공되고, 고체 원재료, 액체 원재료, 미립자 원재료, 분말 원재료 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 비소모성 전극(110)은 소모되지 않으며, 냉각 전극(110)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비소모성 전극(110)은 예를 들면 수냉형 구리 전극처럼 냉각제 냉각형 구리 전극을 포함할 수 있다. 비소모성 전극(110)에는 예컨대 열 및 전기적 차폐(shielding)중 적어도 하나로서 적절한 차폐가 제공될 수 있는데, 예를 들자면 몰리브덴 차폐(molybdenum shielding)가 제공될 수 있다.
도 2의 일렉트로슬래그 정련 시스템(50)에서, 원재료(20)는 공급원으로부터 임의의 적절한 공급 장치 혹은 수단(예시 안됨)에 의해 도가니(18)로 공급된다. 전류는 일렉트로슬래그 정련 시스템(50)의 비소모성 전극(110), 액체 슬래그(14) 및 도가니(18)를 포함하는 전류 경로(25)를 따라 인가된다. 본 발명에 따라 구현된 일렉트로슬래그 정련 시스템(50)의 하부 유출 구조(1)는 추가의 가열 없이 전술한 것과 같은 방식으로 하부 유출 조건을 달성한다.
도 3은 정련된 액체 금속에 부가적인 가열을 추가하지 않으면서 전술한 방식으로 하부 유출 조건을 달성하는, 본 발명에 따라 구현된 또다른 하부 유출 구조를갖는 일렉트로슬래그 정련 시스템(100)을 예시한다. 도 3의 일렉트로슬래그 정련 시스템 도가니(18)는 분할 도가니 구조(split-crucible structure)(180)를 포함한다. 분할 도가니 구조(180)는 적어도 두 개의 도가니 부분 즉, 상부 분할 도가니 부분(19)과 하부 분할 도가니 부분(21)을 포함한다. 분할 도가니 부분의 각각은 일렉트로슬래그 정련 동작을 위한 전류 공급 경로(271)의 일부를 형성한다. 상부 분할 도가니 부분(19)과 하부 분할 도가니 부분(21)은 적절한 전기적 절연체(201)에 의해 전기적으로 상호 절연되어 있고, 따라서 전류 경로는 상부 분할 도가니 부분(19)으로부터 슬래그(14)로, 그리고 하부 분할 도가니 부분(21)으로 흐른다.
하부 유출 구조를 갖는 일렉트로슬래그 정련 시스템(100)은 원재료 공급원(111)을 포함한다. 원재료 공급원(111)은 전류 경로의 일부를 형성하지 않고, 이것으로부터 용해 및 정련될 금속이 생긴다. 그러므로, 하부 유출 구조를 갖는 일렉트로슬래그 정련 시스템(100)은 원재료 공급원으로서 이용되는 스톡형 소모성 전극(stock consumable electrodes)을 활용하지만, 일렉트로슬래그 정련 시스템(100)의 분할 도가니 구조(180)를 통해 전류 경로가 완성되므로, 원재료 공급원(111)에 대한 전류 경로(271)의 연결은 필요치 않다.
본 발명에 따라 구현되는, 하부 유출 구조(1)와 분할 도가니 구조(18)를 갖는 일렉트로슬래그 정련 시스템(100)에 의한 일렉트로슬래그 정련은 적절한 전류 공급원(28)으로부터 상부 분할 도가니 부분(19)으로 전류를 통과시킴으로써 발생한다. 다음, 전류는 슬래그(14)를 통해 하부 분할 도가니 부분(21)으로 흘러서 다시 전류 경로(271)로 되돌아온다. 본 발명에 따라 구현된 하부 유출 구조(1)를 갖는 일렉트로슬래그 정련 시스템(100)은 부가적인 가열을 추가함이 없이 전술한 방식으로 하부 유출 조건을 달성한다.
본 발명의 범주내의 일렉트로슬래그 정련 시스템에서 하부 유출 구조(1)를 통해 흐르는 스트림(25)의 속도는 필요에 따라 제어 및 조정 가능하다. 스트림 흐름의 제어 및 조정은 소모성 전극(11), 원재료(20) 및 원재료 공급원(111) 각각의 용해 속도에 관련되어 있으며, 이들의 용해 속도는 원하는 스트림 유속과 일치하도록 조정 가능하다. 예를 들어, 전류 경로(27)를 통과하는 전류량은 초기 단계에서 흐름 단계로 천이할 때 흐름을 시작하도록 제어될 수 있다. 인가 전류 즉, 가해지는 열이 비교적 일정한 전류 레벨로 유지되면, 흐름 단계는 정상 상태 흐름 단계로 된다. 여기서 "일정한(constant)"이라는 용어는 이 용어의 통상적인 의미로 당업자에 의해 이용되고 있다. 더 나아가, 스트림의 유속은 원할 경우에는 인가되는 전류 레벨을 변경시킴으로써 제어 및 변화될 수 있는데, 인가되는 전류 흐름을 줄이면 유속도 느려진다. 선택적으로, 전류 레벨을 증가시킴으로써, 일렉트로슬래그 정련 시스템에 가해지는 열을 증가시킬 수 있고, 그에 대응하여 스트림(25)의 유속도 증가시킬 수 있다.
각각의 일렉트로슬래그 정련 시스템에서 정련된 액체 금속 풀(15)의 레벨은 또한 오리피스(13)을 통한 스트림(25)의 흐름을 제어할 수 있다. 스트림 흐름의 제어는 풀(pool)의 정련된 액체 금속의 높이 증가에 따라 일반적으로 증가한다. 따라서, 정련된 액체 금속의 풀이 더 깊을수록 스트림의 유속은 증가하는데, 그 이유는 풀에 의해 제공되는 스트림에 대한 압력이 유속을 증가시키기 때문이다. 마찬가지로, 풀의 깊이를 줄이면, 풀속의 정련된 액체 금속도 줄어들고, 따라서 스트림 흐름은 더 깊은 정련된 액체 금속의 풀에 비해 약해질 것이다.
다양한 실시예들이 본원에 설명되었을지라도, 명세서로부터 구성 요소들의 다양한 조합, 변경 또는 개량들이 본 발명의 범주내에서 당업자에 의해 행해질 수 있음을 인지할 것이다.
따라서 본 발명에 따르면, 정련된 액체가 쉽게 흐를 수 있도록 하기 위해 일렉트로슬래그 정련 시스템에 추가적인 가열 및 전류를 부가하지 않아도 되는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템 및 방법이 제공된다.

Claims (19)

  1. 원재료 공급원의 원재료를 정련된 액체 금속으로 정련하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템(bottom pour electroslag refining system)에 있어서,
    일렉트로슬래그 정련 도가니(electroslag refining crucible)와,
    슬래그(slag)와,
    상기 일렉트로슬래그 정련 도가니로부터 정련된 액체 금속이 정련된 액체 금속의 스트림으로서 흘러나오는 오리피스(orifice)를 구비하는 하부 유출 구조부(bottom pour structure)와,
    상기 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템내에 규정되는 전류 경로―상기 전류 경로는 상기 원재료를 용해 및 정련하기 위해 상기 원재료에 전류를 인가하며, 이렇게 용해 및 정련된 원재료는 상기 일렉트로슬래그 정련 도가니내에 정련된 액체 금속 풀(refined liquid metal pool)을 형성함―를 포함하되,
    상기 전류 경로에 의해 인가되는 전류는 상기 정련된 액체 금속 풀의 상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속은 자신의 고유 점도로 상기 오리피스를 통해 흐를 수 있음―를 갖도록 하기에 충분한
    하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 경로는 원재료 공급원을 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원재료 공급원은 소모성 전극을 포함하고, 상기 전류 경로는 상기 소모성 전극을 통해 규정되는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 원재료는 상기 일렉트로슬래그 정련 도가니에 공급되는 원재료 공급원을 포함하고, 상기 원재료 공급원은 상기 전류 경로와 무관한 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 경로는 일렉트로슬래그 정련 분할 도가니(electroslag refining split-crucible)를 포함하고, 상기 전류 경로는 상기 일렉트로슬래그 정련 분할 도가니를 통해 규정되는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 일렉트로슬래그 정련 도가니가 일렉트로슬래그 정련 분할 도가니(electroslag refining split-crucible)를 더 포함하되,
    상기 일렉트로슬래그 정련 분할 도가니는
    상부 분할 도가니 부분(upper split-crucible portion)과,
    하부 분할 도가니 부분(lower split-crucible portion)과,
    상기 상부 분할 도가니 부분과 상기 하부 분할 도가니 부분 사이의 전기 절연체를 포함하고,
    상기 전류 경로는 상기 상부 분할 도가니 부분, 상기 슬래그, 상기 하부 분할 도가니 부분으로 이루어진 경로를 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 정련된 액체 금속 풀은 상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속 풀은 자신의 고유 점도로 상기 오리피스를 통해 흐를 수 있음―를 갖기에 충분한 깊이를 갖는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 경로는 상기 정련된 액체 금속 풀이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속은 자신의 고유 점도로 상기 오리피스를 통해 흐를 수 있음―를 갖게 되는 온도로 상기 정련된 액체 금속 풀을 가열하기에 충분한 레벨로 전류를 공급하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 시스템.
  9. 원재료 공급원의 원재료를, 자신의 고유 점도로 흐를 수 있는 정련된 액체 금속으로 정련하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법에 있어서,
    정련될 원재료를 제공하는 단계와,
    일렉트로슬래그 정련 도가니를 제공하는 단계와,
    상기 일렉트로슬래그 정련 도가니에 슬래그를 제공하는 단계와,
    오리피스(orifice)―상기 오리피스를 통해 정련된 액체 금속이 정련된 액체 금속의 스트림으로서 상기 일렉트로슬래그 정련 도가니로부터 흘러나옴―를 구비하는 일렉트로슬래그 정련 도가니용 하부 유출 구조부를 제공하는 단계와,
    전류 경로를 설정하는 단계와,
    상기 원재료를 용해 및 정련하기 위해, 상기 원재료 공급원의 상기 원재료에 전류를 인가하는 단계와,
    상기 일렉트로슬래그 정련 도가니에 정련된 액체 금속 풀을 형성하는 단계를포함하되,
    상기 전류 인가 단계는, 상기 정련된 액체 금속 풀의 상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도를 가져서, 상기 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 상기 오리피스 밖으로 흐를 수 있도록 하기에 충분한 분량으로 전류를 인가하는 단계를 포함하는
    하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 정련될 원재료 제공 단계는 소모성 전극을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 원재료에 전류를 인가하는 단계는 상기 소모성 전극에 전류를 흘리는 단계를 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 일렉트로슬래그 정련 도가니 제공 단계는 일렉트로슬래그 정련 분할 도가니를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 전류 경로 설정 단계는 상기 일렉트로슬래그 정련 분할 도가니를 통해 전류 경로를 설정하는 단계를 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 일렉트로슬래그 정련 분할 도가니는 상부 분할 도가니 부분과, 하부 분할 도가니 부분과, 상기 상부 분할 도가니 부분과 상기 하부 분할 도가니 부분 사이의 전기 절연체를 포함하고, 상기 전류 경로 설정 단계는 상기 상부 분할 도가니 부분, 상기 슬래그, 상기 하부 분할 슬래그 부분을 포함하는 전류 경로를 설정하는 단계를 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 정련된 액체 금속 풀의 상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도를 가져서, 상기 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 상기 오리피스 밖으로 흐를 수 있도록 하기에 충분한 분량으로 전류를 인가하는 상기 단계는,
    상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속 풀은 자신의 고유 점도로 상기 오리피스를 통해 흐를 수 있음―를 유지하기에 충분한 깊이를 갖는 정련된 액체 금속 풀을 설정하는 단계를 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 정련된 액체 금속 풀의 상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도를 가져서, 상기 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 상기 오리피스 밖으로 흐를 수 있도록 하기에 충분한 양으로 전류를 인가하는 상기 단계는,
    상기 정련된 액체 금속 풀이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속은 자신의 고유 점도로 상기 오리피스를 통해 흐를 수 있음―를 유지하는 온도로 상기 정련된 액체 금속 풀을 가열하기에 충분한 레벨로 전류를 인가하는 단계를 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 오리피스로부터의 정련된 액체 금속의 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  16. 원재료 공급원의 원재료를, 자신의 고유 점도로 흐를 수 있는 정련된 액체 금속으로 정련하는 하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법에 있어서,
    정련될 원재료를 제공하는 단계와,
    일렉트로슬래그 정련 도가니를 제공하는 단계와,
    상기 일렉트로슬래그 정련 도가니에 슬래그를 제공하는 단계와,
    오리피스(orifice)―상기 오리피스를 통해 정련된 액체 금속이 정련된 액체금속의 스트림으로서 상기 일렉트로슬래그 정련 도가니로부터 흘러나옴―를 구비하는 일렉트로슬래그 정련 도가니용 하부 유출 구조부를 제공하는 단계와,
    전류 경로를 설정하는 단계와,
    상기 원재료를 용해 및 정련하기 위해, 상기 원재료 공급원의 상기 원재료에 전류를 인가하는 단계와,
    상기 일렉트로슬래그 정련 도가니에 정련된 액체 금속 풀을 형성하는 단계와,
    상기 오리피스로부터 상기 정련된 액체 금속의 흐름을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 전류 인가 단계는,
    상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속 풀은 자신의 고유 점도로 상기 오리피스를 통해 흐를 수 있음―를 유지하기에 충분한 깊이를 갖는 정련된 액체 금속 풀을 설정하는 단계와,
    상기 정련된 액체 금속 풀이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속은 자신의 고유 점도로 상기 오리피스를 통해 흐를 수 있음―를 유지하는 온도로 상기 정련된 액체 금속 풀을 가열하기에 충분한 레벨로 전류를 인가하는 단계
    중 적어도 하나에 의해, 상기 정련된 액체 금속 풀의 상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도를 가져서, 상기 정련된 액체 금속이 자신의 고유 점도로 상기 오리피스 밖으로 흐를 수 있는 충분한 분량으로 전류를 인가하는 단계를 포함하는
    하부 유출 일렉트로슬래그 정련 방법.
  17. 금속 원료의 일렉트로슬래그 정련용 하부 유출 시스템에 있어서,
    일렉트로슬래그 정련 수단과,
    상기 일렉트로슬래그 정련 수단에 전류를 인가하는 수단과,
    정련된 액체 금속 풀 발생 수단을 포함하되,
    상기 전류 인가 수단에 의해 인가되는 전류는 상기 정련된 액체 금속 풀의 정련된 액체 금속이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속은 자신의 고유 점도로 흐를 수 있음―를 갖도록 하기에 충분한
    하부 유출 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    슬래그와,
    오리피스―상기 오리피스로부터 정련된 액체 금속이 스트림으로서 흐를 수 있음―를 제공하는 하부 유출 구조부 수단(bottom pour structure means)을 포함하되,
    상기 금속 원료에 전류를 인가하는 상기 수단에 의해 인가되는 전류는 상기 정련된 액체 금속 풀의 상기 정련된 액체 금속이 소정의 점도―상기 점도하에서 상기 정련된 액체 금속은 자신의 고유 점도로 흐를 수 있음―를 갖도록 하기에 충분한
    하부 유출 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 원료는 소모성 전극을 포함하고, 상기 금속 원료에 전류를 인가하는 상기 수단은 상기 소모성 전극에 전류를 인가하는 하부 유출 시스템.
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