KR20020063897A - 전자기장을 이용하여 금속들을 수직 및 연속적으로주조하기 위한 방법 및 이를 위한 주조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주괴 주형에 존재하는 용융금속의 메니스커스가, 일반적인 돔 형상을 제공하려고 하는 축 방향의 교류 자기장의 작용과 메니스커스의 표면 교반을 감쇠하도록 설계된 횡방향의 직류 자기장의 작용을 동시에 받게 하는 방법에 관한 것이다. 이 도구 설치는 두꺼운 금속판들을 주조하기 위하여 냉각되어 조립된 판들(2, 3, 4, 5)을 갖는 주괴 주형(1)과, 주조축(11)과 동일선상에 있는 축 방향의 자기장을 생성하기 위하여 용융된 금속의 메니스커스(12)에서 주괴 주형을 둘러싸는 교류 코일(17)과, 주조축에 수직한 메니스커스(12)에서 주괴 주형의 큰 판들을 통과하는 직류 자기장 권선을 포함한다.

Description

전자기장을 이용하여 금속들을 수직 및 연속적으로 주조하기 위한 방법 및 이를 위한 주조 장치 {METHOD FOR THE VERTICAL CONTINUOUS CASTING OF METALS USING ELECTROMAGNETIC FIELDS AND CASTING INSTALLATION THEREFOR}

임의의 형상을 갖는 연속적인 주조 주형들에서 액체 강의 운동에 대한 영향을 갖는 전자기장이 현재 실제로 사용된다. 회전 전자기장(단면이 정사각형이나 직사각형인 주조 쇳덩이와 빌렛들의 경우)을 부가하거나 (단면이 직사각형이고, 그의 폭이 두께보다 훨씬 큰 주조 슬래브들의 경우) 전자기장을 트레블링하는 주된 목적은 제품의 전체 횡단면에 대하여 응고화된 구조들을 균일화하고, 함유물들의 관점, 특히 그 표면 가까이에서 그의 청결도와 함께 그 제품의 표면 마무리를 개선하기 위한 것이다. 슬래브들을 연속적으로 주조할 때, 메니스커스(즉, 주형의 상부에서 용융된 금속의 자유 표면)를 안정화하기 위하여 정적 전자기장을 주형에 부가하는 것은 잘 알려져 있다. 이 안정화는 제품 주조율을 증가시킬 수 있게 하고, 따라서 연속 주조기의 생산성을 향상시킨다. 이러한 효과를 생성하는 전자기 장치들은 "전자기 브레이크"로 알려져 있다.

연속 주조 주형들에서 전자기장의 사용으로 알려진 기술들은 지금 당장 주조 제품의 질적인 모든 문제들을 만족할 수 있는 정도로 문제들을 완전히 해결하기에는 충분치 않았다. 영속적인 이들 문제들 중에서, 다음의 문제들이 언급될 수 있다:

표면 균열들의 수 및 진동 주름들의 깊이에서의 감소에 해당하는 주조된 제품들의 표면 품질에서의 개선문제;

주조 제품의 서브-셀 세정도의 개선, 이는 주형의 진동 동안 형성하는 "응고 후크들"의 크기 감소에 해당한다. 이들 후크들은 주형에서 액체 금속 내에 존재하는 함유물들과 기포의 포획을 위한 잠재적인 위치들로서, 정면이 전자기적 교반에 의하여 "세정되는" 효과로부터 이익이 되는 정면 응고에 의하여 추출된 함유물의 제거에 해당하는 개선 문제(이들 문제들에 관련된 메카니즘들이 아래에서 상세히 설명될 것이다);

개선된 윤활성이 통상의 주조율보다 상당히 큰 주조율로 귀결되도록 액체상태에서 그 속으로 스며드는 차폐 슬래그에 의하여 주형/고체 금속 계면의 최적의 윤활성을 보장하기 위하여 충분한 메니스크스 안정성의 달성문제.

이들 문제들을 만족스럽게 푸는 것이 주조기와 모든 강 공정들의 생산성 증가로 귀결된다. 기 언급된 주조율의 증가 외에도, 그것은 (제품에서의 결함들을 제거하기 위하여 제품의 표면이 연마되는) 균열 제거 작용들의 횟수를 감소시키고, 그것에 의하여 핫 롤링 밀로 직접 보내지는 충분한 품질을 갖는 제품들을 비율을증가시킬 것이다. 그러나, 현재 알려진 기술들은 앞서 언급된 최적의 유형으로 동시에 충족될 모든 질적 목적들을 허용하지 못한다. 아울러, 이들 목적들중 하나이상을 달성하기 위한 기존의 기술들은 여타의 주조 조건들에 매우 민감하기 때문에 값이 비싸거나 다루기 어려운 도구를 요구한다. 이들 중에서, 자기장을 포함하는 위에서 언급된 방법들과는 별개로, 비사인함수 진동을, 조절된 뜨거운 면 거칠기를 가지며 최적화된 조성의 차폐 슬래그들을 갖는 엠보싱 형태의 주형에 적용하는 시스템들이 언급될 수 있다.

본 발명은 금속의 연속적인 주조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속적인 주조 주형에 적합하고, 이들 주형들에 존재하는 액체 금속에 대하여 작용하는 전자기 장치들에 관한 것이다.

도 1은 선행기술에 따른 연속 강-슬래브 주조 주형을 개략적으로 보여주는 종단면도:

도 2는 본 발명에 따른 연속 강-슬래브 주조 주형을 개략적으로 보여주는 사시도.

도 3은 도 2의 주조 주형을 개략적으로 보여주는 종단면도.

도 4는 도 2의 주조 주형의 제1 변형예를 개략적으로 보여주는 사시도.

도 5는 고도하게 전자기장들로 침투할 수 있도록 하는 배열을 보여준다.

위의 도면들에서, 동일한 구성요소들에는 동일한 참조부호들이 할당된다.

본 발명의 목적은 금속, 특히 강을 연속적으로 주조하기 위한 주조기의 조작자들이 예상하는 생산성과 품질 문제를 충족하는 공정과 장치를 제공하기 위한 것이다.

이 목적들을 염두에 두고서, 본 발명의 주제는 서로 결합된 냉각판들을 갖는 주형에서 금속 제품의 수직 연속 주조를 위한 공정으로서, 주형에서 존재하는 액체 금속의 메니스커스의 영역은 주조의 방향과 동일선상의 축방향 교번 자기장의 작용을 받고, 이 축 방향 교번 자기장은 상기 메니스커스에 전체적으로 돔 형태를 부가하는 경향을 가지는 서로 결합된 냉각판들을 갖으며, 상기 메니스커스(12) 영역은 상기 메니스커스의 형상이 안정화되도록 주조방향에 대하여 횡방향의 연속적인 자기장도 받는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 주제는 금속들의 수직 연속 주조를 위한 장치로서, 서로 결합된 냉각판들을 갖는 주형을 포함하며, 이 판들중 둘은 길고, 주조 공간을 정의하기 위하여 서로 마주보며, 이 장치는 주조 축을 따라서 향하는 교번 자기장을 상기 공간 내에 생성하기 위하여 교류를 공급받는 전자기 코일을 갖으며, 그 안에 존재하는 액체 금속의 메니스커스의 영역에서 주형을 둘러싸는 형태로서, 상기 주조 축에 수직한 메니스커스의 영역에서 주형의 긴 판들을 통과하는 연속적인 자기장을 형성하는 전자기 인덕터도 포함하는 것을 특징으로 한다.

알고 있듯이, 본 발명은 연속적인 주조 주형 내에 존재하는 액체 금속에서 적어도 두 전자기장들을 생성하는데 있으며, 이들 전자기장들은 메니스커스의 영역에서 상기 금속에 동시에 작용한다. 이들 전자기장들 중 하나는 축 방향의 교류 전자기장이고, 다른 하나는 횡 방향의 연속적인 전자기장으로, 이들 둘은 메니스커스 영역에서 작용한다. 이들은 메니스커스 근처에서 그들의 효과를 생성하는 맞춤형 인덕터들이나 여타의 인덕터들에 의하여 생성된다.

도식적으로 설명하면, 주조축과 동일선상에 있는 교류 전자기장은 메니스커스를 "돔 형태로 만들기"위하여, 즉 주형의 벽들과 접촉할 때 당연히 추정되는 볼록한 돔 형태를 정의하기 위하여 사용된다. 반면에, 횡방향의 연속적인 전자기장은 국부적인 기하 불균일성을 이 메니스커스의 표면에서 감소시키기 위하여 전자기 브레이크로서 작용하여, 결과적으로는 이 교류 전자기장에 의하여 발생되는 아래쪽에서의 대류 전류로 귀결된다.

이론적으로, 단일 교류 자기장을 인가하는 것만으로 매끈한 돔 형태의 메니스커스를 얻기에 충분할 수도 있다. 이는 액체 금속에서 발생된 전자기력이 다음의 두 가지를 가지기 때문이다:

주형의 측면으로부터 떨어져 있는 메니스커스의 주변을 미는 경향을 가져서 경계면 주위에서 그것을 움푹하게 하고, 그렇게 하므로써 그의 표면을 매끈하게 하는 제한기능의 표면 성분; 및

액체 금속에서 대류성의 전류들의 배열로 인하여 메니스커스의 중앙부를 부풀게 하는 교반 기능(주형의 중앙부에서 부풀어 오르는 금속을 원형으로 휘젓는)의 부피 성분. 이 힘은 낮거나 중간정도의 주파수에서 특히 활발하다. 게다가, 이 이유 때문에 표면 불안정성이 야기된다. 교반력의 최대 효과는 최대 주파수, 즉 특정의 200 헤르츠(Hz) 근방이지만, 어떤 경우에는 500 Hz 미만에서 주형의 성질이나 두께 또는 금속학적 제품 주조의 어떠한 구조에서도 얻어진다.

메니스커스에 원하는 돔 형태를 부가하는 것은 이들 둘의 복합 작용-주변 반발력과, 부풀어 오르는 중앙부의 교반작용(이 작용들은 하나이면서 동일한 맥동 자기장으로부터 얻어질 수 있다)이다.

동일한 형태로서, 전자기적으로 제한된 금속, 즉 주형의 냉각된 측과의 임의의 물리적 접촉으로부터 이격된 금속을 응고시킬 목적이 아니라면, 주형 내에서 자기 환경을 생성하는 것이 이미 제안되었는데, 이 자기 환경은 두 축 방향의 전자기장들, 즉 두 전자기장들이 주조축을 따라서 향하여 있고, 하나의 전자기장은 주기적(제한된 전자기장)이고, 다른 하나는 제한된 액체 금속 내에서 방사상의 진동력들을 생성하도록 일정하다. 이들 전자기장들은 주형의 상부 둘레의 개별적인 코일들에 의하여 발생되고, 하나의 코일은 500과 5000 Hz 사이의 주파수에서 교류 전류를 공급받고, 나머지 하나의 코일은 직류 전류를 공급받는다. 교류 전자기장의 교반 효과를 제한하기 위하여, 이전의 두 전자기장들이 이미 작용하는 곳에서 파워 주파수에서 추가적으로 주기적인 축 방향의 자기장을 생성하도록 제3 주변코일을 추가하는 것이 제안되었다(EP-A-0 100 289 또는 Ch. Virves의 논문, "알루미늄 합금들의 응고동안 강제적 전자기 진동들의 효과": 파트 II. 그리고 일시적 자기장" 저널, 금속학적 및 재료들 상호작용 B, Vol. 27B, No. 3, 1996년 6월 1일, 페이지 457 - 464). 다시, 이 유형의 가르침이 발견되는데, 예를 들어, 문서 DE 35 17 733 (1986)에서 매우 간단하게 발견되는데, 이 독일 문서는 고주파수 가변 축 방향의 제한 자기장외에도 연속적인 전자기장의 사용을 제안하며, 이 연속적인 전자기장은 축방향 이거나 횡방향 일 수 있지만, 주형의 전체 높이에 대하여 작용하여야 하며, 그것에 의하여 기술적 입장으로부터 극도의 복잡성의 전자기적 배열로 귀결된다.

의도된 적용-제한적인 응고, 혹은 본 발명과 같이 메니스커스의 기하학적 제어-이 무엇이든지, 발생하는 문제는 충분한 전자기적 에너지를 구리 주형을 통하여 주조금속으로 전송할 수 있다는 것이다. (500 Hz)보다 높은) 적용된 주파수 레벨들에서, 주형의 금속 벽들이 존재하는 자기장 차폐효과 때문에, 그것이 전자기적인 찬 도가니처럼 작용할 수 있도록 그것을 수직으로 분단하는 것이 사실상 필요할 것이다.

그러한 배열은 전자기적 입장에서 이 둘을 실행하기가 복잡한데, 이는 주형 자체인 중간물 서셉터(Susceptor)와 주형이 무엇보다도 바닥이 없는 수직의 결정화기라는 사실에 의하여 작용을 받는 최종 회전자(주형 내에서의 액체 금속)의 액체 특성과 관련된 회피할 수 없는 전자동력학적인 불안정성때문이다. 수직 결정화기는(긴 벽들에서의 부풀림(Bulging) 현상을 피하기 위하여) 그의 포맷이 기하학적으로 안정해야 하며, 그의 냉각회로는 정밀하게 최적화된다. 주형의 그러한 분할은, 긴 벽들에서 특히 기술적 입장과 기능적 입장에서 주형의 이미 증명된 설계를 완전히 다시 고려해야 하는 것을 요구할 것이다.

사실, 모서리들(두개의 대향하는 긴 평판 벽들과 짧은 벽들)에서 서로 결합된 네 개의 구리 또는 구리 합금판들에 근거한 그의 구조 때문에, 슬래브 주형은 자연적으로 "찬 도가니(Cold crucible)"처럼 기능하지만, 통상의 주파수들에서는 그렇지 않다. 200 Hz에서, 인덕터에 의하여 전송된 대부분의 전자기력은 어떠한 어려움 없이 두께가 거의 40 또는 45 mm를 넘지 않는 벽들을 통하여 용융 금속으로 전달될 수 있다. 그러나, 이 주파수에서, 위에서 설명한 것처럼, 제한력과 금속의 대류의 조합으로부터 생기는 메니스커스 변형은 메니스커스의 "평균" 형상에서 시간에 대하여 큰 변동으로 귀결된다. 본 발명의 필수적인 특징에 따르면, 이는 연속적인 자기장이 인가되어, 주조축에 수직한 방향으로 향하게 되고, 메니스커스 영역에 적용된 임의의 전자기장은 메니스커스를 돔 형태로 만드는 200 Hz에서 구심력에 의하여 발생된 아래쪽의 액체-금속 대류 전류들에 대하여 전자기 브레이크로서 작용하여 결국 메니스커스 표면에 대하여 스무딩 효과를 가질 것이다.

본 발명은 도면에 첨부한 판들을 참조하여 본 발명을 예시할 목적으로 뒤따르게 한 설명을 읽으므로써 보다 명확하게 이해될 수 있고, 또한 본 발명의 다른 측면들과 장점들이 분명해질 것이다:

도 1에 도시된 것처럼, 선행기술에 따른 종래의 연속적 슬래브 주조 주형(1)은 물의 내부 순환에 의하여 확실하게 냉각되는, 구리 또는 구리 합금으로 만들어지는 네 개의 편평한 벽들, 즉 두 개의 서로 마주보는 긴 벽들(2, 3)과 양단에 위치한 두 개의 짧은 벽들(4, 5)을 포함한다. 도 1에서, 두 개의 긴 별들(2, 3)중 하나(2)만이 도시되어 있다. 간략화를 위하여, 주형(1)의 벽들(2, 3, 4, 5)을 내부적으로 냉각하기 위한 수단(일반적으로 물이 순환하도록 구성된 수직 채널을 정의하는 재킷들)은 도시되지 않았다.

주형(1)은 수직하게 배치되어, 주조 축(11)을 정의한다. 주조동안, 화살표 6으로 표시된 것처럼 주형은 작은 진폭을 갖고서 수직으로 진동한다. 주형은 액체강의 보존용기를 구성하는 턴디쉬(Tundish: 미도시)의 바닥에 설치된 고융점의 노즐(8)을 통하여 액체 강(7)을 공급받는다. 주형(1)으로 공급된 액체 강(7)은 응고된 셀(9)을 형성하기 위하여, 냉각된 긴 금속 벽들(2, 3)(그리고 짧은 벽(4, 5)에도 또한)의 표면들 위에 응고된다. 셀(9)의 두께는 응고한 슬래브(10)가 통상의 추출수단(미도시)에 의하여 화살표 31의 방향으로 주형(1)의 열려진 바닥을 통하여 추출됨에 따라 점진적으로 증가한다.

(일반적으로 "메니스커스"라고 불리어지는) 액체 강(7)의 자유 표면(12)은 반드시 금속산화물 계열의 커버 슬래그로 덮여진다. 슬래그는 많은 기능을 갖는데, 이들 모든 기능들은 주조공정에서 유용하다. 첫째로, 슬래그는 액체 강(7)의 표면(12)에 의하여 방출된 열적 방사를 멈추게 하고, 그것에 의하여 액체 강의 냉각을 감소시킨다. 무엇보다도, 응고된 셀(9)과 주형(1)의 벽들(2, 3, 4, 5) 사이의 계면이 다음의 메카니즘에 의하여 윤할제로서 확실하게 작용되도록 한다. 분말 형태로 된 커버 슬래브는 액체 강(7)의 표면 상에 증착된다. 거기에서, 이 커버 슬래브는 고체 상태로 남게 되는 상부층(13)과 용융 강(7)과 접촉하도록 날라져서 액체 상태로 있으며, 응고된 셀(9)과 주형의 벽들 사이로 스며들게 하는 하부 층(14)을 형성한다. 커버 슬래브가 윤활제로서 작용하는 것은 이 시점이다. 그러나, 슬래브 비드(15), 즉 냉각된 금속 벽들(2, 3, 4, 5)과 접촉하여 응고된 커버 슬래브의 띠의 존재를 주목해야 한다. 이 슬래그 비드(15)는 주형의 모든 둘레로 이동하여 약 10 - 20 mm의 상당히 높은 최고 두께를 가질 수도 있다.

주형(6)의 수직 진동 운동(6)과 결합된 슬래그 비드(15)의 존재는 그것이 응고됨에 따라 슬래그(10) 상에서 표면 결함들이 나타나도록 한다. 응고된 셀(9)은 주형(1)의 상승 위상동안 슬래그 비드(15)를 두드린다. 그렇게 하므로써, 응고된 wnh 제품의 표면 상에 더 깊거나 더 얕은 깊이의 진동 리플(oscillation ripple)들 뿐만 아니라 응고된 셀(9)의 상단부가 주형(1)의 내측으로 굽어지는 "응고 후크(solidification hook)"(16)를 형성한다. 이 응고 후크(16)와, 관련 진동 리플은 최종 제품의 품질을 저하하는 표면 결함들 및 편석들의 형성, 및 액체 강(7)의 하부 영역의 응고전면을 따라서 상승하는 비금속 함유물들과 기포들의 포획을 위한 바람직한 자리들이다.

이들 문제들을 치료하는 알려진 방법은 메니스커스 영역에서 주형(1)의 전 둘레에 다수회 감겨진 코일에 의하여 100 내지 100,000 Hz, 바람직하게는, 200 내지 20,000 Hz의 주파수에서 교류 전자기장을 부가하여, 주조 축을 따라서 교류 자기장을 발생시키는 것이다. (참고: 1994년 나고야에서 개최된 재료들의 전자기 처리에 대한 국제 심포지움의 학회지에서, "전자기 주형에 의한 가의 표면 품질의 향상(Improvement of surface quality of steel by electromagnetic mould)"의 제목을 갖는 에이치. 나카타(H. Nakata), 엠. 코키타(M. Kokita), 엠. 모리시타(M. Morisita) 및 케이. 아야타(K.Ayata)에 의한 논문)

도 2와 도 3에 도시된 본 발명에 따른 장치는 앞서 언급한 범위 내의 주파수에서 동작하는 교류(AC) 전류 발생기(미도시)에 연결된 그러한 코일(17)을 포함한다. 코일(17)의 전자기장은 액체강(7), 특히 메니스커스(12)의 영역에서 유도 전류들을 발생시킨다. 이미 지적된 것처럼, 전자기장과 전류 사이의 상호작용은 전자기력을 발생시키는데, 주형의 벽에서 이 전자기력은 메니스커스의 주변을 비게하는 구심력 효과와, 액체 금속(7) 내에서 메니스커스(12)가 부풀도록 하는 교반효과를 발생시킨다. 다른 모든 것들이 동일할 때, 전자기장의 주파수가 높을수록, 액체 강(7)으로의 전자기장의침투는 작아져서, 제한된 주변의 체적에서 전자기력(전자기력의 세기는 전류의 주파수에 의존하지 않는다)의 농도는 더욱 커진다. 따라서, 앞서 언급한 주파수 범위에서 액체 강(7)을 반발하는 충분한 세기의 제한력(18)으로 귀결되어, 이 시점에서 속이 비게 되어 슬래그 비드(15)와의 접촉을 끝낸다.

이처럼, 주형(1)에서 액체 강(7)은 돌출된 돔 형태의 표면(12)을 가진다. 그러므로, 도 3에 도시된 것처럼, 이 응고 후크(16)를 감소, 심지어는 제거하고, 인접한 환경의 온도가 더 높기 때문에 슬래그 비드(15)의 두께를 감소하는 것이 가능하게 된다. 또 다른 결과는 융융된 커버 슬래그(14)가 응고된 셀(9)과 주형 벽들(2, 3, 4, 5) 사이로의 훨씬 높은 침투 가능성을 가지며, 이는 윤활성을 개선하여 종래의 기술보다 더 높은 주조율을 허용한다. 액체 강(7)이 주형에서 응고되기 시작하는 레벨도 보다 쉽고 안정적으로 제어될 수 있고, 그것에 의하여 슬래브(10)의 표면 마무리를 개선하는 것을 돕는다. 결구, 응고된 셀(7)의 상부 위의 주형(1)의 진동에 의한 액체 커버 슬래그(14)에서 야기된 압력 변화의 효과가 감소한다. 이 방법에서, 응고 후크들의 형성은 크게 감소하여, 슬래브(10)의 표면 상에서 진동 리플들이 크게 감소, 심지어는 제거되도록 한다.

코일(17)의 특징들(기하, 권선수, 메니스커스에 대한 총 높이와 위치)과 코일을 통하여 흐르는 전류의 세기는 메니스커스 영역에서 주형의 벽들 근처에서 500내지 3000 가우스(gauss)의 세기를 가지는 전자기장을 발생하기 위하여 선택된다.

그러나, 방금 설명된 그것처럼, 교류 전자기장의 응용도 제한 및 단점들을 갖는다. 메니스커스 영역에서 금속에 대한 반발 및 교반 효과들 때문에 이 교류 전자기장은 메니스커스의 표면에서 주파수 스펙트럼이 (0.05 Hz 내지 수 Hz까지) 넓게 될 수 있는 섭동(perturbations)을 야기한다. 교류 전자기자으이 회전 성분에 의한 액체 강의 국부적 휘저음은 이 섭도에 기여할 수도 있다. 이 경우, 액체 강(7)으로 커버 슬래그의 비말 동반(entrainment)이 발생할 수 있는데, 이는 슬래브(10)의 청정도를 저하시킨다. 윤활이 불규칙하게 일어나기 때문에 슬래브(10)가 주조될 수 있는 조건들도 불리해진다. 주형에서 응고가 처음으로 발생하는 라인에서 변동이 있을 수 있는데, 이 변동은 주형의 내부 주변부 둘레에서 응고된 두께에서의 불규칙성으로 귀결된다.

이러한 문제들을 치유하기 위하여, 본 발명에 따르면, 주조축과 동일선상에 있는 교류 전자기장이 슬래브(10)의 주조 방향에 대하여 횡으로 위치한 연속 자기장에 부가되어, 주형의 하나의 긴 벽(2)이 다른 긴 벽(3)으로 이동하도록 하고, 또한, 메니스커스 영역에도 인가된다. 이 연속적인 자기장은 진동을 감소시켜서 주형(1)에 존재하는 액체 강(7)의 표면, 이 경우에서는 메니스커스(12)를 안정화하는 효과를 가진다. 또한, 응고 전면의 세정을 확실하게 하는 충분한 휘저음 세기를 계속해서 발생시키는 동안, 이 자기장은 주형의 내부 주변을 둘러싸서 제1 응고선의 위치를 안정화시키고, 그 결과 그 전자기 휘저음에 기인하여 슬래그가 찢어지는 위험을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 게다가, 액체 금속의 순환이 노즐로부터분사된 액체 금속의 분출물들로부터 교류 필드나 스템(stem)들에 의하여 발생된 전자기력에 기인하든 아니든, 이 자기장은 메니스커스의 하부 영역에서 액체 금속의 순환을 느리게 한다.

도 2와 도 3에 도시된 것처럼, 이 횡방향의 연속적인 자기장은 발전기(미도시)에 의하여 직류(DC) 전류를 공급받은 전자석에 의하여 생성될 수 있다. 이 전자석은 공통의 수평축을 갖는 두 개의 코일(19, 20)로 구성되는데, 이 코일들은 주형의 긴 벽들(2, 3) 중 어느 일 측 상에서 서로 마주보며, 각 코일은 연한 강자성물질로 구성되거나 강-규소 합금의 라미네이션들로 구성된 극편(pole piece)들(21, 22)의 둘레에 감겨진다. 주형의 긴 벽과 마주보는 극편들(21, 22)의 활성면은 자유롭게 남겨지고, 가능한 후자에 가깝게 위치한다. 이들 활성면들은 함께 결합된 철-규소 합금 라미네이션들의 적층으로 구성되며, 통상의 방법으로 유도 기계용 자극들을 생성하며, 그런 다음 극편들의 몸체에 단단하게 부착된다. 후자의 뒤쪽 부분은 요크(23)을 형성하는 자기 회로의 집적부를 형성하는데, 이 요크는 주형을 감싸고, 심지어 적절하다면 주조기의 프레임으로 구성된다. 코일들은 극편들(21, 22)이 반대의 극성을 갖는 활성 자기면을 가지도록 동일한 방향으로 감겨진다. 도 2에서, 관측자에게 가장 가까운, 주형의 짧은 벽(4)을 둘러싸는 요크(23)의 그 부분은 코일(17)을 보이도록 절단되었다는 사실을 주목하여야 한다. 이러한 설계는 자기력선들을 채널링하여 주로 수평 방향의 연속적인 전자기장이 주형(1)과 액체 금속(7)을 통과하는 극편들(21, 22) 내에 이들 자기력선들을 집중시키므로써, 자기장 손실을 감소하도록 한다. 주형의 중심에서 자기장의 세기는 약 100 내지 200 mm의 높이를갖는 메니스커스 영역에 대하여 바람직하게는 0.2와 1 테스라(tesla)사이일 것이다.

이 자기 요크(23)는 조립체의 단단함과 기계적 강도가 극편들(21, 22)을 지탱하기에 충분한지를 확실하게 하기 위하여 고체 재료로 구성될 수도 있다. 또한, 상호 교체 가능하거나, 또는 극편들(21과 22)의 활성면들을 연장하도록 의도된 라미네이트된 구조의 모듈라 부품들을 제공하는 것이 유리할 것이다. 그러한 배열은 표준 규격의 전자석의 기준으로 할 때, 주조될 제품의 형태가 무엇이든지, 구조적으로 자기 요크를 주형의 벽들(2와 3)로부터 분리하는 갭을 최소화할 수 있도록 한다.

이처럼 생성된 연속적인 자기장은 액체 강(7)에서 속도 장(field)과 상호작용한다. 유도 전류들은 액체 금속(7) 내에서 생성되는데, 이들은 속도와 자기유도의 벡터 곱에 의하여 판단된다. 이들 유도 전류들은 액체 강(7)의 흐름을 멈추게 하는 힘인 전자기력(라플라스 힘)을 생성하도록 그들을 발생시킨 자기장과 순차적으로 상호작용한다. 이 방법에 있어서, 액체 강(7)의 표면에 돔 형태를 부여하기 위하여 사용된 교번 전자기장에 의하여 발생된, 메니스커스에 근접한 액체 강(7)에서 전류들은 크게 감쇠되어, 메니스커스 레벨에서 변동을 안정화하는 것을 돕는다. 이는 전자기적 휘저음에 기인하고, 메니스커스(12)의 볼록 부분에서 주형의 벽들에 근접하게 위치한액체 금속의 재순환들이 연속적인 자기장에 수직한 속도 성분들을 가져서, 그들이 효과적으로 멈추어지도록 하기 때문이다. 아울러, 도 3에 도시된 것처럼, 연속적인 강 슬래브 주조에서 일반적으로 사용되는 노즐들(8)은 용융된 강이 주형(1)으로 침투하는 측면 출구들(24, 24')을 가지는데, 이 출구들은 주형의 짧은 벽들(4, 5)족을 향하도록 위치한다. 액체 강(7)이 주형을 침투할 때, 횡방향의 연속적 자기장에 수직한 속도의 주 성분을 가진다. 이것은 노즐(8)로부터 방사된 강 공급 분출물들이 액체 우물로 깊이 들어가지 않는다는 유리한 결과로서의 사실을 갖고서 이 성분에 대한 브레이킹 효과도 생성한다. 비금속 함유물들이 연속적인 전자기장이 없을 때보다 더 낮은 깊이로 반출되어 표면상에 정착하여 커버 슬래그(13)에 의하여 그 위에서 포획될 더 나은 기능을 갖기 때문에, 이는 슬래브(10)의 응고 구조가 보다 나은 균일성과 보다 나은 청결도를 갖는 결과로 귀결된다. 응고 선단이 액체 금속의 상승하는 재순환에 의하여 세정되는 효과도 강화된다. 응고 후크들의 부재는 우수한 서브-셀 청결도에 바람직하다. 메니스커스 안정성을 해치는 정상파 또는 진행파와 같이, 액체 강 7-커버 슬래그(12, 13)의 변형들과 관련된 운동들에 관해서는, 이들 또한 상당히 감소된다.

이미 언급된 것처럼, 변압기들의 코어들을 만들기 위한 방법에 비교될 수 있는 방법으로 극편들(21, 22)은 수직으로 향하여지고, 절연재료로 된 시트들에 의하여 분리되는 금속 라미네이션들의 조립체에 의하여 형성되는 것이 바람직하다. 만약, 이들 극편들이 고체라면, 코일(17)에 의하여 발생되는 축 방향의 교류 자기장은 그 안에 유도 전류를 생성할 수 있는데, 이 유도전류들은 주울 효과(Joule effect)에 의하여 극편들을 가열하며, 이 주울 효과는 극편들이 냉각되는 것을 필요로 할 수도 있다. 이에 비하여, 라미네이트 된 구조는 강화된 냉각회로를 제공할 필요없이 이들 극편들이 낮은 온도에서 자연적으로 확실하게 남을 수 있도록 한다.아울러, 이들 유도 전류들은 코일들(19, 20)을 공급하는 직류 전류 발생기의 동작을 교란할 수도 있다. 그러나, 이 라미네이트 된 구조는 극편들(21, 22)로 제한하고, 앞서 언급한 것처럼, 조립체가 필요한 강도와 단단함을 확실하게 가지도록 하는 고체 물질로 만들어진 요크(23)를 보유하는 것이 충분할 수도 있다.

자기장의 공간적인 분포는 극편들(21, 22)의 기하학적 배열과 코일들(19, 20)을 전기적으로 연결하는 방법에 의존한다. 도 4는 본 발명의 변형예로서, 이 예에서는 연속적인 자기장 세기 기울기들이 메니스커스 영역에 생성된다. 그러한 배열은 때때로 액체 강(7)의 자유 표면(12)에서 임의의 이동파들을 제거하는데 유리할 수도 있다. 그러한 기울기들을 얻기 위하여, 코일들(19, 20)이 둘레에 감겨진 극편들(21, 22)은, 도시된 것처럼, 톱니모양의 돌기형태를 가질 수도 있다. 이처럼, 극편(21)은 두 개의 돌출된 북극단들(25, 26)을 가지고, 극편(22)는 두 개의 돌출된 남극단들(25, 26)을 가진다. 화살표(29, 30)들이 가리키듯이, 연속적인 자기장이 가장 높은 세기를 가지는 것은 이들 돌출된 극단들(25와 27, 27과 28)사이이다. 이들 돌출된 극단들(25, 26, 27, 28)의 위치와 기하 구조는 제거될 유체역학적 섭동들의 성질에 의하여 판단되는데, 이들은 주조 제품(10)의 기하구조와 액체 금속(7)이 주형(1)으로 공급되는 조건에 그들 스스로 의존한다.

연속적인 슬래브 주조에서, 주형의 긴 벽들(2, 3) 사이의 거리는 보통 약 200 - 300 mm이거나, 얇은 슬래브 주조 장치들에서는 이 값보다 더 작다. 그러므로, 어떤 특별한 어려움 없이 자기장을 생성하는 것이 가능한데, 이 자기장의 효과들은 하나의 긴 벽(2, 3)으로부터 나머지 벽으로 느껴지고, 도시된 것처럼,극편들(21, 22)이 주형의 전체 폭 위로 연장되면, 이 자기장은 짧은 벽들(4, 5) 근처에서도 작용한다. 한편, 하나의 짧은 벽(4, 5)으로부터 나머지 짧은 벽으로 주형(1)을 통과하는 자기장을 생성하는 것은 더욱 어렵고 일반적으로 비효율적인데, 이는 이들 짧은 벽들 사이의 거리가 1 내지 2 미터 이상이고, 그러므로, 그들은 매우 멀리 떨어진다. 그러나, 정사각형이나 약간 직사각형의 횡단면(괴철 또는 빌렛)을 갖는 주조 제품들의 경우에, 두 개의 수평이고 연속적인 자기장을 생성하는 것이 바람직할 수도 있는데, 각 수평 연속적인 자기장은, 예를 들어, 방금 설명된 그것들에 유사한 전자석들에 의하여 주형의 두 반대쪽들에 수직한다. 이들 두 자기장은 각각이 액체 강(7)의 다른 방향으로 배열된 속도 성분에 대해서는 서로 작용하지 않는다.

도 5에 도시된 것처럼, 둘러싼 코일(17)에 의하여 발생된 축 방향의 교류 자기장에 대하여 주형 자체의 자기-유도 효과를 상대적으로 작용시켜서 장비의 전기적 효율을 개선하도록, 도입부에서 이미 언급된 알려진 방법으로 주형(1)의 벽들이 상기 필드를 받고 있는 적어도 그 높이 부분에 대하여 다수의 섹터들(43)로 수직하게 분할되는 것이 가능한데, 이들 다수의 섹터들은 절연 그라우팅 재료(44)에 의하여 분리된다.

설명한 것처럼, 축 방향의 교류 자기장을 생성하기 위하여, 코일(17)이 공급받는 교류 전류의 주파수는 통상적으로 100 Hz와 100,000 Hz의 사이이다. 낮은 주파수 범위( 100 내지 2,000 Hz)에서, "펄스화 된" 교류 전류들, 즉 그의 최대 세기가 최대값을 갖는 하나의 위상과 0일 수도 있는 최소값을 갖는 다른 위상 사이에서주기적으로 변화하는 전류들을 사용하는 것이 가능하다. 전류들의 최대 세기가 최소값을 갖는 동안의 위상들은 액체 강(7)의 표면(12)의 안정성과 주형으로의 금속주조의 제1 응고선을 해치는 매우 낮은 주파수 섭동들을 감쇠하기 위하여 사용된다. 일반적으로, 펄스화된 전류 사이클들은 ("펄스 주파수"로 불리우는) 1 내지 15 Hz의 주파수, 바람직하게는, 5 내지 10 Hz의 주파수에서 서로 잇달아 뒤따른다.

축방향의 연속적 자기장에 의한 메니스커스 레벨에서의 섭동들의 감쇠효과는 두 작용들의 조합에 있는 것으로 여겨진다. 이들 두 작용들 중 하나는 교번 필드에 기인하는 전자기력들의 회전 성분에 의하여 발생된 휘저음 흐름들에 대한 브레이킹 작용이고, 다른 하나는 메니스커스에 대한 표면의 각 속도에 대한 직접적인 브레이킹 작용이다.

지금까지 언급한 수치들은 본 발명이 강의 연속적인 주조에 적용될 때 타당하다. 그러나, 본 발명은 이 주조가 설명된 장비들과 유사한 장비들에 대하여 행하여 질 때, 강 이외의 금속들의 연속적인 주조에도 물론 적용될 수 있다.

Claims (9)

1. 주형에서 존재하는 액체 금속의 메니스커스의 영역이 주조의 방향과 동일선상의 축방향 교류 자기장의 작용을 받고, 상기 축 방향 교류 자기장은 상기 메니스커스에 전체적으로 돔 형태를 부가하는 경향을 가지는 서로 결합된 냉각판들을 갖는 주형에서 금속 제품의 수직 연속 주조 공정에 있어서,

   상기 메니스커스(12) 영역은 상기 메니스커스의 형상이 안정화되도록 주조방향에 대하여 횡방향의 연속적인 자기장도 받는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 축 방향의 교번 전자기장은 1 Hz와 15 Hz 사이, 바람직하게는 5 Hz와 10 Hz 사아의 펄스 주파수를 갖는 펄스화된 교류 전류에 의하여 발생되는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 방법.
3. 서로 결합된 냉각판들(2, 3, 4, 5)을 갖는 주형(1)을 포함하며, 상기 냉각판들 중 둘(2, 3)은 길고, 주조 공간을 정의하기 위하여 서로 마주보며, 상기 장치는 주조 축(11)을 따라서 향하는 교류 자기장을 상기 공간 내에 생성하도록 교류 전류를 공급받는 전자기 코일(17)을 갖으며, 그 안에 존재하는 액체 금속의 메니스커스(12)의 영역에서 주형을 둘러싸는 형태를 갖는 금속들의 수직 연속 주조 장치에 있어서,

   상기 주조 축에 수직한 상기 메니스커스(12)의 영역에서 상기 주형의 긴 판들(2, 3)을 통과하는 연속적인 자기장을 형성하는 전자기 인덕터(19 내지 23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 전자기 인덕터는 직류 전류를 공급받는 적어도 하나의 전자석에 의하여 형성되고, 상기 전자석은 공통의 수평축을 갖는 두 개의 코일(19, 20)로 구성되며, 상기 코일들은 상기 주형(1)의 어느 일 측 상에 놓여지고, 상기 각 코일은 상기 메니스커스(12)의 영역에 놓여지는 극편(21, 22) 둘레에 감겨져서 요크 형성 자기 회로(23)의 집적부를 형성하는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 극편들(21, 22)은 자기장 세기 기울기들을 생성하는 톱니모양의 돌기 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 자기 요크(23)는 주형(1)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 장치.
7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주조 장치는 적어도 그의 상부 부분에서 여러 수직 섹터들(43)로 수직하게 분할되고, 상기 여러 섹터들은 절연 재료(44)에 의하여 분리되는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 장치.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 극편들(21, 22)은 라미네이션들로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 장치.
9. 제 4 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 극편들(21, 22)은 교체가능하고 부착된 모듈라 성분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 연속 주조 장치.