KR20100139059A - 응고의 진전 단계에서 금속의 조절된 전자기 교반 - Google Patents

응고의 진전 단계에서 금속의 조절된 전자기 교반 Download PDF

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KR20100139059A
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레오니드 에스. 베이텔맨
제이. 더글라스 라버스
크리스토퍼 피. 쿠란
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에이비비 인코포레이티드
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Abstract

강철 빌렛들 및 강편들의 연속 주조에 사용될 수 있는 것으로서, 응고의 진전 단계에서 용융 금속들을 전자기 교반하기 위한 방법 및 장치가 설명되어 있다. 용융 금속의 응고 축에 대하여 주파수가 다른 제1 및 제2 회전 자기장들을 발생하기 위해 적어도 제1 및 제2 교반기들이 제공된다. 교반기들은 그들 각자의 자기장들이 중첩되어 조절된 자기장을 생성하도록 용융 금속 주위에 서로 충분히 밀접하게 배열된다. 각각의 교반기들의 자기장들은 공통 또는 반대의 회전 방향들을 가질 수 있다. 자기장들에 의해 생성된 조절 교반은 일차 및 이차 유동들을 진동시키고 따라서 용해물의 중심축에서의 온도가 액상선 레벨보다 낮고 실질적으로 응고된 재료의 적어도 10%가 형성되는 영역에서 용해물 벌크내에 난류를 일으킨다. 이러한 교반 방법에 의해 발생된 난류는 용해물 벌크에서 결정 구조들의 형성을 방해하고 그리고 벌크 용적을 갖는 중앙 영역의 용질이 풍부한 용해물을 혼합하며, 이것이 결과적으로 주조 제품들의 응고 구조 및 전체적인 내부 품질을 향상시킨다.

Description

응고의 진전 단계에서 금속의 조절된 전자기 교반{Modulated electromagnetic stirring of metals at advanced stage of solidification}
본 발명은 전자기 교반에 관한 것으로서, 특히 액체 금속들이 응고할 때 액체 금속들의 전자기 교반에 관한 것이다. 본 발명은 강철, 합금들, 또는 기타 금속성 용해물(melt)의 연속 주조와, 이러한 재료들의 다른 응고 프로세스들에 사용될 수 있다.
전자기 교반(EMS)은 연속적 주조 강철 빌렛들(billets), 강편들(blooms) 등과 같은 종류; 다른 합금들의 주조; 및 다른 액체 금속 주조 및 가공의 생산에 보통 사용되고 있다. 통상적으로, A.C. 전류가 용해물을 둘러싸는 유도코일들에 인가된다. A.C. 전류는 연속적 주조 강철 빌렛들, 강편들을 생산하는 것과 같이, 금속을 교반하는 연속 회전 A.C. 자기장을 여기한다. 예를 들어, A.C. 자기장은 응고의 초기 단계에서 연속 주조 몰드내에서 용해물을 교반할 수 있다.
몰드내에서의 용해물의 회전 교반은 고체-액체 경계면에서 난류 및 전단력을 만든다. 그 결과 응고 전선에 있는 수지상결정들(dendrites)을 파쇄하고, 몰드내에서 교반하는 가장 중요한 목적인 등방성(equiaxed) 응고 구조를 형성한다.
EMS는 또한 후기 또는 진전된 응고 단계에서 주조 몰드 아래에서 연속적 주조 스트랜드(strand)의 비응고 부분을 교반하는데 사용될 수 있다.
그러나, 종래 회전 교반은, 이 회전 교반에 의해 생성된 난류가 필수적으로 고체-액체 경계면에서 제한되기 때문에, 용해물의 응고의 진전 단계에서 비효율적이다.
회전 교반의 유효성을 향상시키려는 노력에서, 일본특허공보들 제52-4495호 및 제53-6932호, 및 고지마(Kojima) 등의 "블룸 캐스터에 대한 진전된 중간 교반의 응용(Application of Advanced Mild Stirring to a Bloom Caster)(The Latest Kosmostir-magnetogyr Process Techique)"은 간헐식 및 교번식 회전 교반을 공개하고 있다. 간헐식(intermittent) 교반은 교번 코일들에 에너지를 공급하기 위해 전류를 간헐적으로 인가함으로써 달성된다. 교번식(alternating) 교반은 회전 방향이 교번하는 자기장을 발생시킴으로써 만들어진다. 그러나 간헐식 및 교번식 교반은, 그들이 고체-액체 경계면을 지나서 용해물에 중요한 난류를 생성하지 못하기 때문에 그 유효성이 제한되는 것으로 입증되었다. 덧붙여, 연속적 주조 빌렛들 및 강편들을 교반하기에 유용한 전체 교반 시간은 주조 제품의 단면 치수 및 관련된 주조 속도에 따라서 10 내지 40초 기간으로 제한되어 있다. 이러한 비교적 짧은 기간은 간헐적 또는 교번적 교반 사이클들의 주기 및 수를 제한할 것이다. 또한 교번식 교반은 휴면기(dormant period) 없이 수행될 수도 있다.
EMS의 다른 방법들은 프로그램가능 전원을 사용하여 가변 주파수 및/또는 진폭을 갖는 전류를 인가하여 발생되는 자기장 조절(modulation)에 의존한다. 그러한 EMS 방법은 예를 들어 미국특허 제4,852,632호에 기재되어 있다. 공개된 바와 같이, 이 방법은 연속적 주조 강편들에서 교번 풀(pool) 경계에 부정적 편석(segregation)의 형성을 회피 또는 감소시키기 위해 교반 유동 방향을 점진적으로 변화시킴에 의한 "느린(gentle)" 교반을 발생할 수 있다. 자기장 조절의 유사한 방법들은 Ref. H. Branover 등의 미국특허출원 US2007/0157996A1호, J. Pal 등의 독일 특허 DE 102004017443호에 기재되어 있다. 이러한 조절 방법들은 약 10초의 조절 주기에서 유효한 것으로 입증되었고, 이는 또한 빌렛들 및 강편들을 연속 주조하는 경우에 그들의 유용성을 제한하고 있다.
이에 따라 더욱 큰 난류를 발생하는 새로운 EMS 방법들 및 장치를 필요로 한다.
본 발명에 따라, 응고하고 있는 용해물 체적에서 더욱 큰 난류를 발생하는 EMS 방법 및 장치가 제공된다. 특히, 인가된 자기장은 난류성 EMS를 생성하기 위해 주파수가 다른 적어도 2개의 독립된 자기장들을 병치하고 조절함으로써 형성될 수 있다. 이 방법 및 장치는 특히 응고의 진전 단계들에서 교반하는데 적절하다.
본 발명의 양상에 따라서, 용융 금속 재료를 전자기 교반하는 방법이 제공된다. 이 방법은 용융 재료를 통과하여 연장되는 축을 중심으로 독립된 회전 자기장들을 발생하기 위한 적어도 2개의 교반기들을 제공하는 것을 포함한다. 상기 적어도 2개의 교반기들 중 적어도 제1 교반기 및 제2 교반기는 각주파수들(angular frequencies)이 서로 다른 독립된 제1 및 제2 회전 자기장들을 생성한다. 상기 교반기들은 상기 독립된 회전 자기장들이 중첩되어 조절된 자기장을 생성하도록 상기 용융 금속 재료에 대하여 서로 충분히 밀접하게 배치되어 있으며, 상기 조절된 자기장이 상기 용융 금속 재료의 중심축을 따르는 액상선(liquidus)보다 낮은 온도를 갖는 상기 용융 금속 재료의 전이영역에서 상기 용융 금속 재료의 난류를 발생시키고, 상기 용융 금속 재료는 실질적으로 응고된 용융 금속 재료의 적어도 약 10%와 혼합된다.
본 발명의 다른 양상에 따라서, 주조 장치가 제공된다. 이 주조 장치는 용융 금속을 주조하기 위한 몰드; 상기 몰드의 하류에 배치되어서 상기 용융 금속을 통과하여 연장되는 축을 중심으로 제1 회전 자기장을 발생하는 제1 교반기; 상기 제1 교반기의 하류에 배치되어서 제2 회전 자기장을 발생하는 제2 교반기; 서로 다른 회전 주파수에서 상기 제1 및 제2 자기장을 발생하기 위한 적어도 하나의 전원을 포함하고; 여기서 상기 제1 및 제2 교반기들은 상기 제1 및 제2 회전 자기장들이 조절된 자기장을 만들도록 서로 인접하게 배열되고, 상기 조절된 자기장이 상기 제1 교반기와 상기 제2 교반기 사이의 영역에서 용융 금속 재료내에 난류를 발생시킨다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 금속 용해물을 전자기 교반하는 방법이 제공된다. 이 방법은: 각주파수 ω1 에서, 상기 용해물을 통과하여 연장되는 축을 중심으로 회전하는 제1 회전 자기장을 발생하기 위한 제1 교반기를 제공하고; 각주파수 ω2 에서 회전하는 제2 회전 자기장을 발생하기 위한 제2 교반기를 제공하는 것을 포함한다. 상기 제1 교반기 및 제2 교반기는, 상기 제1 및 제2 회전 자기장들이 상기 제1 교반기와 상기 제2 교반기 사이의 영역에서 상기 금속 용해물내에 주파수(ω1 -ω2)의 주파수 성분을 갖는 자기력을 생성하도록 서로 충분히 밀접하게 배치되고, 여기서 (ω1 -ω2)는 상기 자기력이 상기 용해물의 관성을 극복할 수 있도록 충분히 작다.
여전히 본 발명의 다른 양상에 따라서, 용융 금속 재료를 전자기 교반하는 방법이 제공된다. 이 방법은: 상기 용융 재료를 통과하여 연장되는 축을 중심으로 제1 회전 자기장을 발생하기 위한 제1 교반기를 제공하고; 상기 제1 회전 자기장과 다른 회전 주파수를 갖는 제2 회전 자기장을 발생하기 위한 제2 교반기를 제공하는 것을 포함하고; 여기서 상기 제1 및 제2 교반기들은, 상기 제1 및 제2 회전 자기장들이 상기 제1 교반기와 상기 제2 교반기 사이에 중첩되어서 상기 용융 금속 재료의 중심을 따르는 액상선보다 낮은 온도를 갖는 상기 용융 금속 재료의 전이영역에서 상기 용융 금속 재료의 난류를 발생하는 조절 자기장을 생성하도록 서로 충분히 밀접하게 상기 용융 금속 재료 주위에 배치되고, 상기 용융 금속 재료는 실질적으로 응고된 용융 금속 재료의 적어도 약 10%와 혼합된다.
본 발명의 다른 양상들 및 특징들은 첨부한 도면들과 연결시켜 본 발명의 특별한 실시예들을 해설하는 하기 설명을 읽으면 기술에 숙련된 자들에게는 명백히 알게 될 것이다.
도면들은 본 발명의 실시예들을 단지 예를 들어 도시하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시예로서 연속 주조기계에 관한 EMS 장치의 개략적 단면도.
도 2는 도 1의 EMS 장치의 교반기들의 예를 도시하는 개략적 단면도.
도 3은 도 1의 교반기의 개략적 사시도.
도 4는 액체-고체 전이영역{혼합영역(mushy zone)}에서 도 1의 주조기계에 의해 형성된 주조 스트랜드의 일부 중에서, 고체부분의 등치선들을 도시하는 개략적 응고 프로파일.
도 5는 도 1의 EMS 장치의 인접한 2개의 교반기들에 의해 생성된 자속 밀도의 축방향 프로파일들의 예를 든 그래프.
도 6은 동일한 회전방향을 갖는 예를 든 2개의 자기장들이 중첩한 결과로서 초래되는 조절된 자기력의 그래프.
도 7은 용해물 관성에 의해 도 6의 자기력을 필터링한 결과로서 초래되는 자기력의 저주파 성분의 그래프.
도 8은 실례(예로서 수은)의 용해물에서 동일한 회전방향을 갖는 2개의 자기장들이 중첩한 결과로서 초래되는 조절된 교반에 의해 생성된 각속도의 그래프.
도 9는 실례의 용해물에서 다른 교반 방식들에 의하여 생성된 교반 각속도들의 축방향 프로파일들의 그래프.
도 10은 실례의 용해물에서 역-회전하는(counter-rotating) 조절된 교반에 의해 생성된 실례의 각속도들의 그래프.
도 11은 예를 든 강철 용해물의 중심축을 따라가는 장소들에서 교반 속도 프로파일들의 그래프.
도 12는 도 11의 축방향 교반 속도 및 난류 점도가 3차원 수치 해석(numerical simulation)에 의해 결정된 용해물 장소들(locales)의 개략도.
도 13은 역-회전하는 조절된 교반에 의해 생성된 교반 풀 중심축의 다른 장소들에서 난류 점도의 실례의 그래프.
도 14는 종래의 단일방향 교반에 의해 생성된 교반 풀 중심축의 다른 장소들에서 난류 점도의 실례의 그래프.
도 1은 본 발명의 실시예로서 EMS 시스템(12)을 포함하는 연속 주조기계(10)의 개략적 단면도이다. 주조기계(10)는 턴디시(tundish)(14)를 포함하고, 이 턴디시로부터 액체 강철과 같은 종류의 용융 금속이 침수된 입구노즐(20)을 통해 주조 몰드(18)로 전달된다. 몰드(18)내에서, 용해물(41)을 둘러싸는 외피를 갖는 주조 스트랜드(22)가 형성된다. 주조 스트랜드(22)는 몰드(18)의 바닥에서 배출된다.
실례의 EMS 시스템(12)은 통상적으로 몰드(18) 주위에 배치된 적어도 하나의 전자기 교반기(24)를 포함한다. 교반기(24)는 몰드 하우징내에 배치될 수 있고, 또는 몰드를 둘러싸는 하우징(도시 안 됨)내에 수용될 수 있다. 명백히 알 수 있듯이, 교반기(24)는 응고의 초기 단계에서 몰드(18) 내부의 용해물에 교반 운동을 유발하도록 배치된다. 도시된 실시예에서 단 하나의 교반기(24)가 몰드(18) 주위에 배치되어 몰드(18)내에서 용해물의 회전 교반을 유발한다. 교반기(24)는 몰드(18) 주위에 배치된 다수의(예로서 2개) 전자기 교반기들로 교체될 수 있다.
추가로 적어도 2개의 전자기 교반기들(26, 28)이 아래에 설명된 선택된 위치들에서 주조 스트랜드(22)에 대해 몰드(18)의 하류에 배치된다. 다시, 교반기들(26, 28)은 통상 하우징(도시 안 됨)내에 수용되고 이 하우징내에서 같은 장소에 배치된다.
몰드(18)에서 멀리 하류에 떨어진 거리들에서, 주조 스트랜드(22)는 그 응고를 진행하고, 그 결과 외피의 두께가 증가하는 한편, 주조 스트랜드(22)의 중심 코어는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 실질적으로 응고되지 않은 채로 유지된다. 주조 스트랜드(22)내의 용해물(41)의 온도는 시간에 따라 그리고 몰드(18)에서 멀어짐에 따라 점진적으로 하강하고, 일정한 지점에서 주조 스트랜드(22)의 중심선의 온도가 주조되고 있는 특정한 용융 재료를 위한 액상선 아래를 지나게 된다. 주조 스트랜드(22)의 중심선상의 이러한 지점은 도 1에서 부호 48로 도시되어 있다.
용해물(41)내의 온도가 액상선 온도보다 아래로 하강할 때, 떠있는 결정들과 결정 응집성 네트워크(crystalline cohesive network) 양쪽의 형태를 갖는 고체상이 용해물(41)의 체적 전체에 걸쳐 형성되기 시작한다. 액체상 및 고체상은 보통 용해물(41)의 "혼합영역"이라고 부르고, 영역(30)으로서 구별되고 있다. 주조 스트랜드(22)의 구역은 응고된 외피와 용해물(41)의 혼합영역을 포함하며, 주조 스트랜드(22)의 전이영역으로서 언급된다. 영역(30)내의 결정 네트워크의 형성은 통상 주조 제품에서 수축 다공성, 갈라진 틈, 기본 거시편석(elemental macrosegregation) 등과 같은 것을 초래하고, 따라서 주조 제품의 품질에 악영향을 줄 수 있다.
주조 스트랜드(22)의 길이를 따라서 액체와 고체가 분포된 실례가 도 4에 도시되어 있다. 그래프는 외피의 두께와 비교한 용해물(41)의 고체부분(solid fraction)을 도시한다. 혼합영역(30)은 액체와 고체 사이의 영역을 차지한다. 도시된 바와 같이, 고체부분은 주조 스트랜드(22)의 중심축에서 반경방향으로 멀어지며 증가하고, 그리고 주조 스트랜드(22)의 길이를 따라 용해물(41)의 메니스커스(meniscus)에서 멀어지며 증가한다.
편리하게도, 전이영역내의 난류는 결정 네트워크의 형성을 방해하고, 수지상결정을 더 작은 조각들로 분열시키고, 그리고 적어도 부분적으로 혼합영역(30)에서 용해물(41)을 균질화시키고, 그 결과 더 정제되고, 구멍이 작아지고, 더 균질한 응고 조직을 만들고, 따라서 주조 제품들의 품질을 향상시킨다. 그러나, 종래 회전 교반이 본질적으로 고체-액체 경계면에서 난류를 발생하지만, 이 난류는 용해물(41) 전체를 혼합하는 영향력(impact)이 약하다.
그와 같이, 도시된 실시예에서, 추가의 제1 및 제2 교반기들(26, 28)은 혼합영역(30)에 대응하는 위치에 주조 스트랜드(22)를 따라 배치된다. 특히, 교반기들(26, 28)은 혼합영역(30)에서 결정들 및 결정 구조를 방해하도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 교반기들(26, 28)은 주조 스트랜드(22)의 길이를 따르는 장소에 배치될 수 있고, 여기서 용해물(41)의 중심축을 따르는 온도는 액상선 온도보다 낮고, 용해물(41)의 10 내지 20 체적%가 실질적으로 응고되고, 반면에 나머지 80 내지 90 체적%는 실질적으로 액체 상태로 유지되며, 즉 실질적으로 응고된 재료가 혼합되어 있다. 스트랜드(22)를 따라가며 특별한 응고 용해물(41)내에서 혼합영역(30)의 체적 퍼센트와 그 공간 분포는 응고모델들을 사용하여 컴퓨터 수치 해석에 의해 결정될 수 있다. 그러한 해석은 일부 상황에서는, 주요한 주조 변수들의 실시간 측정치들, 즉 모델링 정확도를 위해 데이터를 제공할 수 있는, 주조 속도, 일차 및 이차 냉각 강도 등과 같은 것을 포함하는 측정치들과 조합될 수 있다.
도시된 실시예에서, 단지 2개의 교반기들(26, 28)이 몰드(18)의 하류에 도시되어 있다. 그러나 기술에 숙련된 자는 혼합영역(30)에서 결정들 및 결정 구조를 방해하기 위해 2개 이상의 교반기들이 몰드(18)의 하류에 배치될 수 있음을 이해할 것이다.
도 2는 제1 및 제2 교반기들(26, 28)에 인접한 도 1의 주조 스트랜드(22)의 확대된 개략도이다. 도시된 바와 같이, 교반기들(26, 28)은 영역(30)에 대해 주조 스트랜드(22)의 길이방향 범위를 따라서 소정 거리 L에서 서로 근접하게 배열될 수 있다. L은 예로서 데시미터(decimetre) 내지 미터 범위에 속할 수 있다. 예를 들어 L은 약 0.2 m가 될 수 있다.
교반기들(24, 26, 28) 각각은 예를 들어, 강자성 또는 이와 유사한 재료로 제조된 고정자(32)를 포함하는 인덕터로서 형성될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 극들(34)을 중심으로 감긴 다수의 권선코일들(36)에 의해 여기된다. 하나 이상의 제어식 A.C. 전원(도시 안 됨)이 권선들(36)에 연결되어 각각의 권선(36)에 전류를 인가할 수 있다. 권선들(36)에 인가된 전류는 다상이며, 서로 위상이 동일한 대향한 극들(34)에 전류가 인가된다. 인가된 전류는 고정자(32)에 의해 에워싸인 체적내에서 회전 자기장을 발생한다. 편리하게도, 교반기들(24, 26, 28)의 정확한 구조들은 동일하거나 다를 수 있으며, 교반기들(24, 26, 28) 각각은 그들 자신의 극쌍들의 수, 권선들, 치수 및 전원을 가진다. 예를 들어 교반기들(26, 28)은 각각 3개의 극쌍들을 가질 수 있으며; 대안으로 하나는 2개의 극쌍들을 가지고 다른 것은 3개의 극쌍들을 가질 수 있다. 기술에 숙련된 자들에게는 다른 조합들을 알게 될 것이다. 유사하게, 각 교반기(26, 28)의 주조 스트랜드(22)를 따르는 길이방향 범위는 다른 것의 길이방향 범위와는 다를 수 있다.
작동시에, 교반기(24)는 몰드(18)(도 1)내에서 용융 재료를 교반하는 에너지를 받는다. 교반기들(26, 28)은 또한 자기장 회전의 공통 축을 갖는 회전 자기장을 각각 발생시키는 에너지를 받는다. 이러한 자기장의 회전축은 주조 스트랜드(22)의 중심축과 평행하지만, 반드시 일치할 필요는 없다. 특히, 교반기들(26, 28)의 권선들(36)(도 3) 각각은 하나 이상의 독립된 전원(도시 안 됨)으로부터 공급되며 또한 제어기에 의해 제어되는 A.C. 다상 단일 주파수 전류에 의해 에너지를 받는다. 이러한 전기적 배열은 각자의 교반기(26, 28)에 의해 생성된 자기장들(따라서 독립된 회전 자기장들)을 독립적으로 제어한다. 그 결과 제1 및 제2 교반기들(26, 28)에 의해 생성된 자속 밀도는 동일하거나 다를 수가 있다. 자속 밀도들의 차이는 일정하거나 시간에 따라 변할 수 있다.
교반기들(26, 28)의 자기장들의 회전방향들은 도 2에 화살표 B 및 C로 지칭된 바와 같이 동일하거나, 화살표 A 및 C로 지칭된 바와 같이 서로 반대가 될 수 있다. 회전 방향 및 각속도는 조작자에 의해 선택될 수 있다.
교반기들(26, 28)의 권선들(36)에 공급된 교류 전류는 교반 응용에 따라서, 약 1 내지 약 60 Hz 범위의 주파수를 갖는 회전 전자기장을 발생한다. 많은 공통의 적용을 위해, 즉 강철 빌렛들 및 강편들의 연속 주조를 위해, 5 내지 30 Hz 범위의 주파수가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 하나의 교반기(26)의 자기장의 범위는 조절된 자기장을 만들기 위해서 다른 교반기(28)의 주파수와 어떤 소정 값만큼 다르다. 주파수 차이는 시간에 따라 변하거나 또는 시간과는 무관하게 일정하게 유지될 수 있다. 주파수 편차의 범위는 약 0.1 내지 3.0 Hz(즉 3.0 Hz 보다 작다) 사이에 있을 수 있다. 각자의 인접한 교반기들에 의해 생성된 원래의 자기장들의 중첩으로부터 초래되는 조절된 자기장들이 도 2에서 L로 지칭된 인접한 교반기들(26, 28) 사이의 영역에서 주로 지배하고 있지만 이를 제한하지 않는다. 이러한 중첩된 자기장들에 의해 생성된 자기력은 각각의 교반기(26, 28)의 자기장들과 용해물(41)내의 이러한 자기장들에 의해 생성된 전류가 상호작용하여 생겨난 결과이다. 자기력은 다중 항(multiple terms)을 가질 것이며 혼합영역(30)에서 용해물(41)내에 난류를 발생할 것이다.
특히, 인접한 인덕터들 사이로 대부분 한정되어 있는, 자속 밀도 및 용해물(41)내에서 유도된 전류는 도 5에 도시된 바와 같이, 그들 각자의 자기장들의 결과로서, 각 인덕터의 각자의 기여도(contributions)의 벡터 합이 될 것이다. 용해물(41)내에서 생성된 자기력은 전체 자속 밀도와 전체 전류 밀도의 벡터 곱이 될 것이다:
Figure pct00001
자속 밀도 및 전류 밀도들은 인접한 2개의 교반기들(26, 28)로부터 2개의 기여도들로 구성되기 때문에, 자기력은 다중 항을 가질 것이다.
기본적으로 이러한 자기력은 2개의 일정한 항들, 또는 DC 항들 및 2개의 이중 주파수 항들을 가질 것이다. 덧붙여, 원래의 자기장 각주파수들의 합(ω1 + ω2)을 포함하는 2개의 시변항들(time varying terms)과 각주파수 차이 즉 (ω1 -ω2)를 포함하는 2개의 시변항들이 제시된다. 이중 주파수 및 자기력 또는 토크의 성분들을 합한 주파수는 통상 용해물(41)의 관성 효과 때문에 용해물(41)내의 흐름에 영향력을 거의 주지 않는다. 주파수 (ω1 -ω2)를 갖는 성분의 자기력 또는 토크는 용해물(41)의 관성을 극복하도록 충분히 느리게 시간에 따라 변한다. 용해물(41)내의 유도 전류는 원래 자기장들의 비교적 큰 각주파수에 비례하기 때문에, 자기력 및 토크의 크기도 역시 커질 것이다. 동시에, 2개의 자기장들 사이의 주파수 차이로부터 초래되는 저주파수 시간 편차는 조절된 힘의 큰 진폭 진동을 발생할 것이며, 이는 다시 각주파수 편차를 발생할 것이다. 교반 속도에 미치는 조절의 영향력은 조절 주파수 감소에 따라 증가한다.
2개 이상의 교반기들이 혼합영역(30) 주위에 배치되어 있는 경우에 알게 되듯이, 다중 교반기들의 다중 독립 회전 자기장들의 중첩은 필요한 난류를 발생할 수 있다.
자기력이 고주파 및 저주파 성분들을 가질 것이지만, 저주파 성분들만이 통상 용해물(41)의 관성{또한 용해물(41)에 의한 관성 필터링으로서 언급됨} 때문에 용해물(41)에 영향을 줄 것이다. 도 6 및 도 7은 동일한 회전 방향의 2개의 자기장들로부터 초래되는 자기력을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 단위당 조절된 자기력의 크기는 0 내지 4 사이에서 진동하며, 여기서 1은 원래 자기장들 중 어느 하나와 관련된 조절되지 않은 정상상태 힘의 크기이다. 조절된 힘의 고주파 성분들이 용해물(41)의 관성에 의해 필터링된 후에, 저주파 힘 편차가 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 평균힘 크기의 ±20%의 범위에서 진동한다. 이러한 힘에 의해 생성된 교반은 또한 일차 및 이차 흐름들의 큰 진동을 특징으로 한다. 교반의 각속도 진동의 실례가 도 8에 도시되어 있다.
도 9는 다른 교반 방식들에 의해 생성된 교반 각속도를 도시하는 그래프이다. A로 지칭된 속도 프로파일은 동일한 회전 방향의 2개의 동일한 자기장들을 갖는 교반에 의해 생성되었다. B로 지칭된 속도 프로파일은, 각자의 자기장들의 주파수가 0.5 Hz 만큼 다른 것, 즉 f1 =18.0 Hz와 f2 =17.5 Hz 인 것을 제외하면, A와 동일한 교반 조건들에 의해 생성되었다. C로 지칭된 속도 프로파일은 반대의 회전 방향을 갖는 2개의 자기장들에 의해 생성되었다. 각자의 역방향 자기장들의 주파수들은 : f1 =18.0 Hz와 f2 =17.5 Hz. 속도 프로파일 C 아래의 화살표들은 교반 풀에서 역-회전 교반 운동을 가리킨다.
도 9에 도시된 바와 같이, 역-회전 자기장들이 인가되는 경우에, C로 지칭된 역-회전 교반의 각속도는 동일한 주파수의 자기장들(A로 표시됨)이나 또는 B로 표시된 경우와 같이 다른 주파수들을 갖는 자기장들에 의해 생성된 단일방향 교반 흐름의 속도와 비교할 때 실질적으로 감소될 수 있다. 편리하게도, 감소된 교반 속도는 유동의 동적 에너지가 난류로 변형되기 때문에 교반에 부정적 영향력을 주지 않는다. 역-회전 교반 유동은 교반기들(26, 28) 사이의 영역에서 충돌하며 그 결과 도 9에 도시된 바와 같이 일방향에서의 속도 강하에 의해 유발된 각속도의 급격한 경사가 일어난 다음에 역방향 속도의 유사한 급격한 회복을 동반한다. 각속도 및 축방향-반경방향 속도 성분들의 이러한 진동 성질은 난류 강도를 가리킨다. 도 10은 유도된 역-회전 교반을 갖는 수은주에서 측정된 각속도 진동의 실례를 도시한다. 진동의 큰 변화들은 인접한 교반기들(26, 28)의 역-회전 자기장들에 의해 생성되는 역방향들의 조절된 자기장들 및 교반 유동들이 조합한 작용으로부터 초래된다.
도 11은 실례를 든 강철의 용해물에서 3차원 수치 해석에 의해 얻어진 중심 축방향에서의 진동 속도를 도시한다. 도시된 속도 프로파일들은 도 12에서 구별되는 용해물(41)에서의 장소들(locales)과 대응한다. 큰 속도 진동들은 용해물(41)에서 EMS 에 의해 유도된 큰 난류를 가리키는 것으로 알려져 있다. 난류 강도는 정량적으로(qualitatively) 난류 점도의 특징으로 나타낼 수 있다. 도 13 및 도 14는 교반 풀의 다른 위치들에서 실례의 난류 점도들을 추가로 도시한다. 도 13은 도 12의 장소들에서 교반 풀 중심의 난류 점도를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 가장 높은 난류 강도는 인접한 인덕터들(도 12에서 장소 Ⅲ) 사이의 중간 거리에서 발생한다. 비교하면, 종래의 단일방향 회전 교반에 의해 생성된 교반 풀의 동일한 장소에서의 난류 강도가 도 14에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 실례의 용해물에서 역-회전 교반에 의해 발생한 난류는 최대 5배가 더 크고, 2 Ns/m2 를 초과, 종종 2.5 Ns/m2 를 초과하는 난류 점도를 특징으로 하는 피크들을 갖는다.
동일한 회전방향의 전자기장을 적용하는 대안으로서, 역-회전 자기장들이 교반기들(26, 28)에서 발생될 수 있다. 인접한 교반기들(26, 28)에 의해 생성된 역-회전 자기장들은 인접한 교반기들(26, 28) 사이의 공간에서 충돌하는 영역(30)에서 용해물(41)내에서의 역-회전 유동들을 촉진할 것이다. 이러한 유동 충돌의 결과로서, 하나의 회전방향에서 형성되는 각속도의 급격한 경사는 역-회전 방향에서 증가하는 속도 때문에 유사한 경사를 동반한다. 또한, 각속도는 큰 진동들을 만든다. 이러한 일차 유동 특성들, 즉 속도 경사들 및 진동들은 모두 축방향-반경방향 평면에서 강한 진동 재순환 유동들을 발생시키는데 기여한다. 수치 해석들은 특히 도 12의 위치들에서 용해물(41)내에 유동들의 존재를 확인한다. 특히 주조 스트랜드(22)의 축방향 및 반경방향을 따라서 높은 강도의 난류 및 전단 응력이 특히 인접한 교반기들(26, 28) 사이의 영역에서 용해물(41)의 체적 내에서 발생할 것이다.
교반기들(26, 28) 사이의 영역에서의 추가의 난류는 주파수가 다른 역-회전 자기장들의 중첩으로부터 유래한 전자기력들에 의해 초래될 수 있다. 주지한 바와 같이, 자기장 조절로부터 오는 저주파 진동 자기력들은 용해물(41)내에서 동요(perturbations)를 발생할 것이며, 이는 이러한 주파수들이 예를 들어 용해물의 매개변수(parametric) 공진의 효과 때문에 용해물 고유 진동수의 범위에 들어 있다면 특별히 중대하게 될 수 있다. 덧붙여, 다른 조절 매개변수들, 즉 전류 진폭 및 위상각 편차들은 조절되지 않은 시간 평균화된 자기력들과 비교할 때 조절된 힘들을 더욱 강화시킬 수 있으며, 결과적으로 난류 강도와 응고 구조의 개선의 효과를 증가시킨다. 인접한 교반기들(26, 28)은 종래 디자인 장비, 즉 인덕터들 및 전원에 의해 생성된 공통 또는 역-회전 방향들 양쪽의 중첩된 자기장들로부터 초래되는 강한 조절된 자기력들을 제공한다.
편리하게도, 용해물(41)내의 난류의 증가는 결정 네트워크의 효과적인 방해와, 용해물의 용질이 풍부한 중심영역과 함께하는 결정들과 벌크(bulk)의 나머지와의 혼합을 초래할 것이다. 그 결과 주조 제품들의 응고 구조 및 전체 품질이 향상될 것이다.
이제 용이하게 이해되듯이, EMS 시스템(12)이 조절된 자기장을 발생하도록 배열된 2개의 EMS 교반기들(26, 28)을 포함하는 것으로서 설명되었지만, 그러한 자기장은 중첩하는 회전 자기장들을 발생하는 3개 이상의 교반기들에 의해 발생될 수 있을 것이다.
이제 명백히 나타나듯이, 본 발명의 실시예에서 실례를 든 조절된 전자기 교반은 대부분의 주조(casting) 및 주물(foundry) 프로세스에서 사용될 수 있으며, 주조 제품들의 크기 및 기하학적 모양은 응고하는 용해물내에서 회전 유동을 생성하도록 허용한다. 고정된 주조의 경우, 예를 들어 조절된 전자기 교반 시스템은 초기에 단일방향 자기장들을 생성하며 따라서 초기 응고 단계에서 단일방향으로 회전하는 선회유동(swirl flow)를 생성할 수 있다. 어떤 소정 시간에, 교반 시스템은 응고의 진전 단계에서 난류를 발생시키기 위해 역-회전 교반 작동 모드로 전환될 수 있다. 반응고 성형가공법(rheocasting process)들은 그러한 조절된 교반으로부터 유사한 유익을 얻을 수 있다.
당연히, 상술한 실시예들은 단지 예시하는 것이며 제한하는 것이 아니다. 본 발명을 실시하는 상술한 실시예들은 형태, 부품들의 배열, 세부 및 작동 순서를 많이 변경할 수 있다. 본 발명은 다만 청구범위에 의해 규정한 바와 같이 그 범위내에서 그러한 모든 변경을 포함하도록 계획되어 있다.

Claims (29)

  1. 용융 금속 재료를 전자기 교반하는 방법으로서,
    상기 용융 재료를 통과하여 연장되는 축을 중심으로 독립된 회전 자기장들을 발생하기 위한 적어도 2개의 교반기들을 제공하고;
    상기 적어도 2개의 교반기들 중 적어도 제1 교반기 및 제2 교반기는 각주파수들이 서로 다른 독립된 제1 및 제2 회전 자기장들을 생성하고;
    상기 교반기들은 상기 독립된 회전 자기장들이 중첩되어 조절된 자기장을 생성하도록 상기 용융 금속 재료에 대하여 서로 충분히 밀접하게 배치되어 있으며, 상기 조절된 자기장이 상기 용융 금속 재료의 중심축을 따르는 액상선 밑의 온도를 갖는 상기 용융 금속 재료의 전이영역에서 상기 용융 금속 재료의 난류를 발생시키고, 상기 용융 금속 재료는 실질적으로 응고된 용융 금속 재료의 적어도 약 10%와 혼합되는, 전자기 교반 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들은 역-회전하는, 전자기 교반 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들은 동일한 방향으로 회전하는, 전자기 교반 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융 금속 재료에 대한 상기 적어도 2개의 교반기들 중 상기 제1 교반기의 길이방향 범위는 상기 용융 금속 재료에 대한 상기 적어도 2개의 교반기들 중 상기 제2 교반기의 길이방향 범위와 다른, 전자기 교반 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들의 주파수는 약 3 Hz 보다 작은 범위만큼 다른, 전자기 교반 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들의 주파수의 차이는 시간에 따라 변하는, 전자기 교반 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 교반기들 각각은 적어도 2개의 극쌍들을 포함하고, 각각의 극쌍은 적어도 하나의 다중-상 전류원으로부터 나오는 전류에 의해 여기되는, 전자기 교반 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 용융 금속 재료는 주조몰드의 하류에서 주편(cast strand)내에 있는, 전자기 교반 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 교반기들 중 상기 제1 및 제2 교반기들 각각은 상기 용융 금속 재료에서 다른 자속 밀도를 생성하는, 전자기 교반 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 교반기들 중 상기 제1 및 제2 교반기들의 적어도 하나에 의해 생성된 상기 용융 금속 재료내에서 생성된 자속 밀도는 시간에 따라 변하는, 전자기 교반 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류는 2 Ns/m2 를 초과하는 피크들을 갖는 난류 점도를 갖는, 전자기 교반 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 영역은 실질적으로 액체 용융 금속 재료와, 고체 쉘로 둘러싸인 결정 재료를 포함하는, 전자기 교반 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류는 상기 영역에서 결정 네크워크의 형성을 방해하는, 전자기 교반 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    용융 금속 재료를 상기 영역의 상류 몰드를 통해 전달하는 단계와, 상기 몰드내에서 회전 자기장을 발생하기 위해 상기 몰드에 대해 추가의 교반기를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 전자기 교반 방법.
  15. 용융 금속을 주조하기 위한 몰드;
    상기 몰드의 하류에 배치되어서 상기 용융 금속을 통과하여 연장되는 축을 중심으로 제1 회전 자기장을 발생하는 제1 교반기;
    상기 제1 교반기의 하류에 배치되어서 제2 회전 자기장을 발생하는 제2 교반기;
    서로 다른 회전 주파수들에서 상기 제1 및 제2 자기장을 발생하기 위한 적어도 하나의 전원을 포함하는 주조장치에 있어서,
    상기 제1 및 제2 교반기들은 상기 제1 및 제2 회전 자기장들이 조절된 자기장을 생성하도록 서로 인접하게 배열되고, 상기 조절된 자기장이 상기 제1 교반기와 상기 제2 교반기 사이의 영역에서 용융 금속 재료내에 난류를 발생시키는, 주조장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들은 상기 적어도 하나의 전원에 의해 역-회전하도록 발생하는, 주조장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들은 상기 적어도 하나의 전원에 의해 동일한 방향으로 회전하도록 발생되는, 주조장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 용융 금속 재료에 대한 상기 제1 교반기의 길이방향 범위는 상기 용융 금속 재료에 대한 상기 제2 교반기의 길이방향 범위와 다른, 주조장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들의 주파수들은 약 3 Hz 보다 작은 범위만큼 다른, 주조장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전 자기장들의 주파수의 차이는 시간에 따라 변하는, 주조장치.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 교반기들 각각은 적어도 2개의 극쌍들을 포함하고, 각각의 극쌍은 상기 적어도 하나의 소스로부터 나오는 전류에 의해 여기되는, 주조장치.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 교반기들 각각은 상기 용융 금속 재료에서 다른 자속 밀도를 생성하는, 주조장치.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 교반기들의 적어도 하나에 의해 생성된 상기 용융 금속 재료내에서 생성된 자속 밀도는 시간에 따라 변하는, 주조장치.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 난류는 2 Ns/m2 를 초과하는 피크들을 갖는 난류 점도를 갖는, 주조장치.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 영역은 실질적으로 액체 용융 금속 재료와, 고체 쉘로 둘러싸인 결정 재료를 포함하는, 주조장치.
  26. 제 15 항에 있어서,
    상기 난류는 상기 영역에서 결정 네크워크의 형성을 방해하는, 주조장치.
  27. 제 15 항에 있어서,
    상기 몰드내에 회전 자기장을 발생하기 위해 상기 몰드에 대해 다른 교반기를 추가로 포함하는, 주조장치.
  28. 금속 용해물을 전자기 교반하는 방법으로서,
    각주파수 ω1 에서, 상기 용해물을 통과하여 연장되는 축을 중심으로 회전하는 제1 회전 자기장을 발생하기 위한 제1 교반기를 제공하고;
    각주파수 ω2 에서 회전하는 제2 회전 자기장을 발생하기 위한 제2 교반기를 제공하고;
    상기 제1 및 제2 교반기들은, 상기 제1 및 제2 회전 자기장들이 상기 제1 교반기와 상기 제2 교반기 사이의 영역에서 상기 금속 용해물내에 주파수(ω1 -ω2)의 성분을 갖는 자기력을 생성하도록 서로 충분히 밀접하게 배치되고,
    여기서 (ω1 -ω2)는 상기 자기력이 상기 용해물의 관성을 극복할 수 있도록 충분히 작은, 전자기 교반 방법.
  29. 용융 금속 재료를 전자기 교반하는 방법으로서,
    상기 용융 재료를 통과하여 연장되는 축을 중심으로 제1 회전 자기장을 발생하기 위한 제1 교반기를 제공하고;
    상기 제1 회전 자기장과 다른 회전 주파수를 갖는 제2 회전 자기장을 발생하기 위한 제2 교반기를 제공하고,
    상기 제1 및 제2 교반기들은, 상기 제1 및 제2 회전 자기장들이 상기 제1 교반기와 상기 제2 교반기 사이에 중첩되어서 상기 용융 금속 재료의 중심을 따르는 액상선 밑의 온도를 갖는 상기 용융 금속 재료의 전이영역에서 상기 용융 금속 재료의 난류를 발생하는 조절 자기장을 생성하도록 서로 충분히 밀접하게 상기 용융 금속 재료 주위에 배치되고, 상기 용융 금속 재료는 실질적으로 응고된 용융 금속 재료의 적어도 약 10%와 혼합되는, 전자기 교반 방법.
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