KR20110038724A - 유사 냉각 범위를 갖는 여러 금속의 순차적 주조 - Google Patents

Abstract

유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들로 제조되는 복합 잉곳을 순차적으로 직접 냉각 주조하는 방법 및 장치에 대해 개시한다. 이차 냉각이 최초로 적용된 종래의 위치에 비해서, 이차 냉각 위치를 용탕 풀의 상부면에 대해 조정(수류를 배출되는 잉곳에 대해 적용시켜서 조정)함으로써, 낮은 주조 신뢰성과 층들 간의 낮은 부착성이 해소된다. 이는 주형의 하나 이상의 벽들을 이동시키거나(이차 냉각이 상기 벽들의 바닥으로부터 방출되는 경우), 용탕 풀의 높이를 주형 내에서 조정하여 냉각 분할 벽을 상기 용탕 풀들 사이에서 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 이에 다라, 금속들이 서로 만나는 금속 계면의 위치에서의 금속들의 상대 온도 및 상태가 최적화 된다.

Description

유사 냉각 범위를 갖는 여러 금속의 순차적 주조{SEQUENTIAL CASTING OF METALS HAVING SIMILAR FREEZING RANGES}

본 발명은 직접 냉각(DC: direct chill) 주조 기술 금속 주조, 특히 알루미늄 및 알루미늄 합금 주조에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 순차적 고화를 포함하는 직접 냉각 주조에 의해 여러 금속층을 동시 주조(co-casting)하는 것에 관한 것이다.

금속 잉곳은 통상적으로 용탕을 직접 냉각 주조하여 제조한다. 여기에는 용탕을 냉각된 벽, 개방 상단부 및 (시작 이후의 용도의) 개방 하단부를 구비하는 주형 안으로 붓는 것이 포함된다. 금속은 주형의 하단부로부터 고화 금속 잉곳으로 배출되고, 이는 주조 작업이 진행됨에 따라 내려가며 연신된다. 다른 경우에 있어서는, 주조는 수평으로 행해지지만, 그 절차는 기본적으로 동일하다. 주형으로부터 배출되는 잉곳의 고화는 미성숙 잉곳이 주형으로부터 배출될 때에 그 미성숙 잉곳의 측부에 액체 냉매(일반적으로 물) 흐름을 보냄으로써 촉진되고 보장된다. 이를 잉곳의 "2차 냉각"이라고 한다(1차 냉각은 냉각된 주형 벽에 의해 실행된다). 이와 같은 주조 기술은 알루미늄 및 알루미늄 합금을 주조하는 데에 특히 적합하지만, 다른 금속의 주조에도 활용될 수 있다.

이와 같은 종류의 직접 냉각 주조 기술은 와그스타프(Wagstaff)의 미국 특허 제6,260,602호에서 광범위하게 논의되고 있는데, 이 미국 특허는 모놀리식 잉곳(monolithic ingot), 즉 전체가 동일 금속으로 이루어지고 단일 층으로 주조되는 잉곳을 주조하는 것에만 관련된 것이다. 순차적 고화 기술로 복층 또는 다층 구조("복합 잉곳"이라 칭하고 있음)를 주조하는 장치 및 방법이 앤더슨(Anderson) 등의 미국 특허 공개 공보 2005/0011630 A1호에 개시되어 있다. 순차적 고화 기술은 복층 또는 다층으로 주조하는 것과 관련이 있으며, 제1 층(예, 내부층 또는 "코어(core)"로 의도된 층)을 주조하고, 이어서 다른 금속으로 된 하나 이상의 층(예, 외부 층 또는 "클래딩(cladding)" 층)을 동일한 주조 작업이지만 순차적으로 주조하는 것을 포함한다.

1992년 9월 22일에 특허된 뮐러(Mueller) 등의 미국 특허 제5,148,856호는 냉매가 잉곳의 주변에서 일정 거리로 떨어져서 잉곳에 부딪칠 수 있도록, 형성되고 있는 잉곳의 수축 상태에 따라서 냉매 스트림을 방향을 바꾸면서 편향시키는 편향기 수단을 구비한 주조 주형에 대해 개시하고 있다. 상기 편향기 수단은 이동식 배플인 것이 바람직하다.

이 기술이 효과적이기는 하지만, 순차적 고화 기술을 채택하는 경우에 합금들의 특정 조합, 특히 용융 상태에서 냉각할 때의 냉각 범위와 유사하고 특히 그 범위와 중첩되는(즉, 각 합금의 고상 온도와 액상 온도 간의 범위가 중첩) 합금들의 특정 조합에서는 특히나 어려움을 겪게 된다. 특히, 상기 금속들이 순차적으로 주조되는 경우, 클래딩 층이 코어 층에 원하는 만큼 견고하게 부착되지 않거나, 클래딩 층과 코어 층 간의 계면이 주조 중에 여러 층들에서 생성되는 높은 수축력으로 인해 파열되거나 붕괴될 수 있다.

따라서, 이와 같은 종류의 금속을 동시 주조하는 경우에 있어서의 주조 설비 및 기술을 향상시키는 것이 요구되고 있다.

본 발명의 한 가지 예시적인 실시예는 복합 금속 잉곳을 주조하는 주조 장치를 제공한다. 본 발명의 주조 장치는, 입구 단부, 배출 단부 개구, 주형의 대향 측벽들과 대향 단부 벽들을 형성하도록 주형 공동을 둘러싸는 냉각 주형 벽들, 및 상기 배출 단부 내에 장착되도록 구성되며 주조 중에 주형의 축방향으로 움직이도록 구성된 이동식 바닥 블록을 구비하는 단부 개방형의 대체로 직사각형인 주형 공동을 포함한다. 적어도 하나의 냉각 분할 벽이 주형의 입구 단부에 위치되어 그 입구 단부를 적어도 2개의 공급실로 분할한다. 상기 적어도 2개의 공급실 중 하나의 공급실로 내부 층용의 금속을 공급하는 수단이 마련되며, 적어도 다른 하나의 공급실에 적어도 하나의 외부 층용의 다른 금속을 공급하는 수단도 적어도 하나 마련되는데, 이에 의하면 배출 단부 개구에서 대향 측면들 및 대향 단부면들을 구비하며 내부 층과 적어도 하나의 외부 층을 포함하는 대체로 직사각형의 잉곳이 형성된다. 잉곳용 이차 냉각 설비는 주조 방향에서 배출 단부 개구로부터 이격되어서, 배출 단부 개구로부터 나오는 잉곳의 각 표면을 이차 냉각시키도록 구성된다. 상기 이차 냉각 설비는 대향된 측면들과 대향된 단부면들 각각을 이차 냉각시키도록 위치된 부품을 구비하며, 그 부품들 중 적어도 하나는 그 부품들 중 적어도 다른 하나의 부품과는 독립적으로 주조 방향으로 이동할 수 있다. 상기 부품들 중 적어도 하나의 부품을 주조 방향으로 이동시키는 수단이 마련된다.

상기 이차 냉각 설비의 부품들은, 배출되는 잉곳의 양 측면을, 주형의 배출 단부 개구로부터 유효 거리에서, 즉 단부면의 이차 냉각이 개시되는 유효 거리와는 다른 유효 거리에서, 이차 냉각시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 이차 냉각은 잉곳 둘레에서는, 적어도 한 측면 상에서는 수직으로 정렬되지 않는다. 상기 이차 냉각 설비의 부품들은 주형의 인접 측벽들 및 단부 벽들에 의해 지지될 수 있고, 상기 측벽들 중 적어도 하나의 측벽은 주형의 다른 벽들에 대해서 주조 방향으로 움직일 수 있다. 선택적으로, 상기 이차 냉각 설비의 부품들은 주형의 인접 측벽들 및 단부벽들에 의해 지지되게 하되, 대향 단부벽들은 주형의 적어도 하나의 측벽에 대해서 주조 방향으로 움직이게 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 입구 단부, 배출 단부 개구, 주형의 대향 측벽들 및 대향 단부 벽들을 형성하도록 주형 공동을 둘러싸는 냉각 주형 벽들을 구비하는 단부 개방형의 대체로 직사각형인 주형 공동과; 상기 배출 단부 내에 장착되도록 구성되며 주조 중에 주형을 축방향으로 움직이도록 구성된 이동식 바닥 블록을 포함하는, 복합 금속 잉곳을 주조하는 장치가 제공된다. 적어도 하나의 냉각 분할 벽이 주형의 입구 단부에 위치되어 그 입구 단부를 적어도 2개의 공급실로 분할한다. 상기 적어도 2개의 공급실 중 하나의 공급실에 내부 층용의 금속을 공급하는 도관이 마련되며, 적어도 다른 하나의 공급실에 적어도 하나의 외부 층용의 금속을 공급하는 또 다른 도관도 적어도 하나 마련되는데, 이에 의하면 배출 단부 개구에서, 대향 측면들 및 대향 단부면들을 구비하며 내부 층과 적어도 하나의 외부 층을 포함하는 대체로 직사각형의 잉곳이 형성된다. 각기 다른 공급실 내에서 금속의 상부 표면을 각기 다른 수직 높이로 유지하기 위하여 도관을 통과하는 금속 공급을 제어하는 설비가 마련되는데, 이 경우, 최저의 표면은 상기 적어도 하나의 냉각 분할 벽의 하단부 위의 최대 3mm까지의 위치에 유지되거나, 혹은 사용 시에 그 최저 표면이 인접하는 공급실로부터 나오는 반고상 금속과 접촉하게 되는 하단부 아래의 위치에 유지된다. 이차 냉각 설비가 배출 단부 개구에 인접하게 위치되고, 주형의 측벽들 및 단부벽들 각각에 인접하게 위치된 부품들을 구비한다. 분할 벽들 중 적어도 하나의 분할 벽은 주조 방향으로 움직일 수 있다. 금속의 공급을 제어하는 설비는 적어도 하나의 공급실 내의 금속의 상부면을 적어도 하나의 분할 벽에 대한 고정된 상대 위치로 유지할 수 있도록 조정 가능하다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들로 제조되는 복합 잉곳을 주조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 이 방법은, 냉각 주형 벽과 적어도 하나의 냉각 분할 벽을 구비하는 주형에 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들을 통과시키고, 이에 의해 여러 금속들이 일차 냉각되어 잉곳을 형성하도록 해서, 적어도 2개의 금속 층들을 가지며 대향 측면 및 대향 단부면을 구비하는 대체로 직사각형인 복합 잉곳을 순차적으로 주조하는 단계와, 잉곳의 측면 및 단부면에 이차 냉각을 가함으로써 주형의 배출 단부 개구를 통하여 잉곳이 배출되는 것에 후속하여 잉곳을 추가로 냉각시키는 단계를 포함한다. 이차 냉각은 잉곳의 양 측면들 중 적어도 한 측면에, 배출 단부 개구로부터 유효 거리에서, 즉 단부면에 대해 이차 냉각이 개시되는 유효 거리와는 다른 유효 거리에서, 개시되고, 이에 의해 나중에 주조되는 층의 용탕이 선-주조 층의 금속을, 초기 접촉 시에, 선-주조 금속의 냉각 범위 내의 온도까지 가열하게 됨으로써 금속층들 간의 부착을 향상시키게 된다.

이 방법에 있어서, 이차 냉각은 수류를 주형의 측벽 또는 단부벽으로부터 잉곳에 분사함으로써 실행하는 것이 바람직하고, 상기 벽들 중 적어도 하나의 벽은 적어도 다른 하나의 벽에 대해 움직여서 잉곳의 표면들에 대해서 첫 번째로 적용한 이차 냉각의 유효 거리의 차이를 발생시킨다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들로 제조되는 복합 잉곳을 주조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 이 방법은, 냉각 주형 벽과 적어도 하나의 냉각 분할 벽을 구비하는 주형에 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들을 통과시키고, 이에 의해 여러 금속들이 일차 냉각되어 잉곳을 형성하도록 해서, 적어도 2개의 금속 층들을 가지며 대향 측면 및 대향 단부면을 구비하는 대체로 직사각형인 복합 잉곳을 순차적으로 주조하는 단계와, 잉곳의 측면 및 단부면에 이차 냉각을 가함으로써 주형의 배출 단부 개구를 통하여 잉곳이 배출되는 것에 후속하여 잉곳을 추가로 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 냉각 분할 벽은, 상기 금속들의 층들 간의 부착을 최대화할 수 있게, 주형 내에서 주조 방향으로 움직여서 위치시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 여러 예시적인 실시예들은, 특히, 복합 잉곳의 인접하는 층들의 금속이 유사하거나 혹은 중첩하는 냉각 범위를 가질 때에 적용할 수 있다. 여기서 "중첩"이라는 용어는 하나의 금속의 냉각 범위가 다른 금속의 냉각 범위 위나 아래로 부분적으로 확장되는 것이나, 하나의 금속의 냉각 범위가 다른 금속의 냉각 범위 안에 완전히 놓이는 것을 의미한다. 물론, 이와 같은 중첩 범위는 2개 층의 금속들이 동일할 때에는 사실상 동일하다. 알고 있는 바와 같이, 냉각 범위가 중첩하는 합금들을 동시 주조하는 경우, 층 부착 및/또는 주조 신뢰성과 관련한 어려움들이 관찰될 수 있다. 임의의 크기의 냉각 범위 중첩은 위와 같은 어려움을 발생시키지만, 그러한 어려움들은 냉각 범위가 적어도 약 5℃만큼 중첩하는 경우, 특히 적어도 약 10℃만큼 중첩하는 경우에 특히 문제가 되기 시작한다.

본 명세서에서 주형 또는 잉곳을 묘사하기 위해 사용된 "직사각형"이라는 용어는 "정사각형"이라는 용어를 포함하는 의미로 이해되어야 한다. 또한, 직사각형 잉곳을 주조함에 있어서, 주조 공동은 종종 적어도 긴 측벽에 약간 구근형인 벽들을 갖게 되고, 이에 의해 냉각 시에 금속의 수축 차이가 유발되는데, 이와 같은 형상 역시 상기 "직사각형"이라는 용어에 포함된다.

복합 잉곳의 층들을 묘사하기 위한 "외부" 및 "내부"라는 용어는 본 명세서에서는 아주 대략적인 의미로 사용된다. 일례로, 2층 잉곳에 있어서는, 위와 같은 외부 층 또는 내부 층이 없을 수 있지만, 외부 층은 일반적으로는 최종 제품으로 제조할 때에 외기에, 기후에, 눈에 노출되는 층이다. 또한, "외부 층"은 종종 "내부" 층보다 얇은데, 일반적으로는 상당히 얇고, 그래서 아래에 놓인 "내부" 층 상이나, 혹은 잉곳에 자신의 전체 특성을 부여하는 코어 잉곳 상에, 얇은 코팅 또는 클래딩 층을 제공한다. 판 제품을 만들기 위해 잉곳을 열간 압력 및/또는 냉간 압연을 하는 경우, 잉곳의 양쪽 주 표면(압연 면)을 코팅하는 것이 종종 요구될 수 있는데, 이 경우에는 확실히 인지할 수 있는 "내부"층과 "외부"층이 있다. 이러한 경우에서, 내부 층은 종종 "코어" 또는 "코어 층"으로 칭하고 외부 층은 "클래딩" 또는 "클래딩 층"으로 칭하기도 한다.

이하에서는 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 예시적인 실시예들을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 코어 층의 양 표면에 2개의 코팅 층을 주조하되 먼저 주조하는, 순차적 주조 주형의 수직 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 따른 장치의 부분 확대도로서, 도 2는 "벤치마크" 위치에서, 도 3은 상승된 위치에서, 주형의 한 측벽을 도시하고 있는 부분 확대도이다.
도 4는, 도 5에 도시된 도면의 절단면을 보이고 있는, 주조 주형의 개략적인 평면도이다.
도 5는 주형의 면들 및 단부들에서의 주형 벽들의 각기 다른 상태 높이들을 보이는, 순차적 주조 주형 분할된 수직 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 주형의 측벽들의 상대 이동을 보이는 것으로서, 주형을 단순화하여 도시한 횡단면도이다.
도 7 및 도8은 여러 알루미늄의 냉각 범위를 보이는 도표이다.

본 발명은, 일례로 2005년 1월 20일 공개된 앤더슨(Anderson) 등의 미국 공개 특허 공보 2005/0011630호(여기에 개시된 내용을 본 명세서에서 원용하여 참고로 포함한다)에 기재되어 있는 일반적인 형태의 주조 장치로서 본 명세서에서 설명한 바와 같이 수정된 주조 장치를 채용한다. 본 발명은 또한 와그스타프(Wagstaff) 등의 미국 특허 제6,260,602호(여기에 개시된 내용을 본 명세서에서 원용하여 참고로 포함한다)애 설명된 기술까지 확장된다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 금속 합금은 순수 금속과는 달리 (공융 성분(eutectic composition)을 가지도록 해서 합금되지 않는 한) 특정 용융점 또는 온도에서 즉시 용융되지 않는다. 대신에, 합금의 온도가 증가함에 따라서, 그 금속은 온도가 합금의 고상 온도에 이를 때까지는 완전하게 고상으로 유지되고, 그 후에 그 금속은 온도가 합금의 액상 온도, 즉 금속이 완전히 액체가 되는 온도에 이르러서야 반고상(고상과 액상의 혼합 상태) 상태로 들어간다. 고상과 액상 간의 온도 범위를 종종 합금의 "냉각 범위(freezing range)"라고 칭하기도 하는데, 이 냉각 범위에서 합금은"죽(mushy)" 상태로 있게 된다. 앤더슨 등의 특허에 따른 장치에 의하면, 여러 금속들을 순차적으로 고화시키면서 주조함으로써, 내부 층(예, 코어 층) 상에 적어도 하나의 외부 층(예, 클래딩 층)을 형성시킬 수 있다. 일반적으로 액상 온도가 높은 합금을 먼저 주조한다(즉, 그 합금의 상부면을 주형 내에서 더 높은 수직 위치에 위치시켜서 냉각을 먼저 받도록 한다). 앤더슨 등의 출원에 개시된 바와 같이, 층들 간의 양호한 접합성을 달성하기 위해서는, 나중에 주조되는 금속(즉, 금속 표면이 주형 내에서 낮은 위치에 있는 금속)의 표면을, 선-주조 금속을 구속하고 냉각하는 데 사용되는 냉각 분할 벽의 하단부 약간 위에(바람직하기로는 하단부 위의 3mm 이하의 위치에) 유지시키거나, 이의 대안으로서, 용탕이 선- 주조되는 금속의 표면과 접촉하도록 분할 벽의 하단부 약간 아래에 유지시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로 용탕에 맨 먼저 접촉하는 선-주조 금속(earlier-cast metal)의 외부면은 반고상에 있거나, 아니면 반고상이 되도록 용탕에 의해서 재가열될 수 있도록 한 것이 바람직하다. 양호한 계면 접합을 달성하기 위해서, 후-주조 합금(later-cast alloy)의 용탕을, 선-주조 합금이 반고상 상태에 있을 때에 선-주조 합금의 용탕 성분과 혼합시킬 수 있다는 것(아마도 아주 얇은 계면 구역에서 미미한 정도로만)은 이론화되어 있다. 적어도, 용융 합금이 다가오지 않는다 해도, 특정 합금 성분은 금속 결합을 용이하게 하는 계면을 가로질러서 충분하게 이동할 수 있다. 이는 합금들이 광범위하게 다른 냉각 범위를 가질 때에나, 혹은 적어도 액상 온도들이 상당히 다른 때에 잘 작용하는데, 합금의 냉각 범위가 유사하거나 중첩되는 경우, 특히 액상 온도들이 서로 아주 근접한 경우에는 여러 가지 어려움이 발생되고 있음을 알고 있다.

어떤 특정 이론에 구속시키고 싶은 생각은 없지만, 다음과 같은 여러 이유로 인해 여러 문제점들이 발생하고 있다. 선-주조 합금의 경우, 층은, 이 층이 냉각 분할 벽 아래로 이동하기 전에, 자체적 지지(self-supporting) 반고상 또는 완전 고상 쉘을 표면에서 발달시켜야 하는데, 이 지점에서의 잉곳의 중심은 일반적으로는 완전히 액상으로 유지된다. 다른 용융 합금 내의 고상 금속의 체적 분율은 온도가 액상 아래로 떨어짐에 따라 용융 합금이 고상(금속이 완전히 고상에 이르는 상태)에 이를 때까지 증가하게 된다. 자체적 지지(self-supporting) 표면의 결함 위험(예, 용탕이 중심부로부터 유출되게 하는 쉘의 파열)은 그 표면에서의 반고상 구역 내의 금속의 체적 분율이 증가함에 따라 감소한다. 2개 층으로 된 합금이 액상 온도들이 근접한 경우, 후-주조 합금의 용탕은 선-주조 합금의 체적 분율이 비교적 작은 지점에서 선-주조 합금과 접촉한다. 후-주조 합금으로부터 나오는 열은 자체적 지지 표면에 좌굴(buckle) 및 결함을 유발시키고, 이는 결국에 가서는 전체 주조 작업을 중지시키게 한다. 따라서, 양호한 금속간 결합을 달성하기 위하여 접촉 구역 내에서 선-주조 합금 내에 용탕이 충분히 있게 하는 것과, 자체적 지지 표면의 결함을 피할 수 있도록 하기 위해 고상 금속의 체적 분율을 충분하게 하는 것 사이의 균형을 유지함에는 신중함이 요구되는데, 이러한 균형 유지는 합금들이 유사한 냉각 범위 또는 중첩되는 냉각 범위를 갖는 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 더욱 더 어렵다.

주조 중에 직면하게 되는 여러 어려움들은 합금의 열전도성과도 일부 관련이 있을 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속시키고 싶은 생각은 없지만, 이와 같은 이유는 다음과 같이 설명될 수 있을 것으로 생각된다. 직접 냉각 주조 공정에 있어서, 냉각수는 잉곳이 주형으로부터 배출됨에 따라 잉곳의 외부 표면과 접촉한다. 이는 진전된 냉각 효과를 발생시킨다. 즉, 잉곳의 외부층은 냉각수가 가해지지 않는 경우에 비해서 더 빨리 냉각된다. 또한, 금속의 열전도도로 인해, 냉각수는 주형 내의 금속으로부터 열을 뽑아낸다. 즉, 냉각 효과는 냉각수와 초기 접촉하는 지점에 비해서 더욱 더 크게 작용한다. 진전된 냉각 효과의 크기는 잉곳의 외부 표면에 인접한 합금의 열전도도와, 냉각수에 의한 열 제거율의 함수이다. 진전된 냉각 효과는, 합금들이 중첩된 냉각 범위를 갖는 경우에, 특히 클래딩 합금들이 비교적 낮은 열전도도를 갖는 경우에, 클래딩 층과 코어 층 사이의 계면 안정성에 심한 영향을 미친다는 점을 밝혀내게 되었다. 이 이유는, 상기와 같은 합금 조합들의 계면이 각기 다른 층으로 이루어진 합금들(앞에서 설명한 바와 같음) 사이의 초기 접촉점에서의 유사한 온도들로 인해 본래부터 불안정하기 때문일 수 있고, 이는 만일 클래딩 층의 열전도도가 낮은 경우에는 상기 구역으로부터의 불량한 열 제거에 의해서 악화된다. 일반적으로, 2개의 금속들(고상 상태에 있는 금속들) 간의 열전도도의 차이가 약 -10 W/m°K (와트/미터-K)인 경우, 그 금속들을 주조하는 것은 어렵다고 밝혀졌다.

주조의 어려움을 유발하는 액상 온도들의 차이 또는 냉각 범위의 중첩 정도에 대한 정확한 수치 값을 제시하는 것이 가능하지 않는데, 그 수치 값은 관여된 합금 조합에 대한 특정의 범위, 잉곳의 물리적 크기, 주조 장치의 본질, 주조 속도 등에 다라 달라질 수 있기 때문이다. 그러나, 합금 조합들이 언제 위와 같은 어려움을 겪는지는 쉽게 인지할 수 있는데, 그러한 어려움은 결과물인 잉곳 또는 압연 제품의 계면 접합의 강도 감소 또는 주조 작업의 고장 횟수 증가로 나타날 것이기 때문이다. 일례로, 합금 AA1200을 코어 층으로 사용된 합금 AA2124 상에 클래딩 층으로 먼저 주조하는 경우, 주조 상의 어려움이 야기되는 것으로 알려져 있다. 합금 AA1200은 고상 온도가 618℃이고 액상 온도가 658℃인 반면에, 합금 AA2124는 액상 온도가 640℃이다. 결국, 냉각 온도 범위가 중첩되며 액상 온도는 단지 18℃만큼만 차이가 있다. 마찬가지로, 합금 AA3003을 합금 AA6111 상에 클래딩 층으로 먼저 주조하는 경우, 주조 상의 어려움이 있다. 합금 AA3003은 고상 온도가 636℃이고 액상 온도가 650℃인 반면에, 합금 AA6111은 액상 온도가 650℃이다. 따라서 액상 온도의 차는 단지 17℃이다. 코어 층을 먼저 주조하는 경우, 합금 AA2124(고상 온도 620℃, 액상 온도 658℃)가 코어로 사용되고 합금AA4043(액상 온도 629℃)이 코어로 사용될 때에 주조 상의 어려움이 발생한다. 여기서, 액상 온도의 차가 28℃이지만, 주조 상의 어려움은 여전히 발생한다. 다른 곤란한 조합으로는 합금 AA6063/6061, 6066/6061 및 3104/5083이 있다. 그런데, 알루미늄 및 알루미늄 합금을 명명하고 확인하는 데 있어서 가장 보편적으로 사용되는 숫자 표시 체계(AA 숫자)를 이해하기 위해서는, 알루미늄 협회에서 출판한 2001년 1월 개정판, "정련 알루미늄 및 정련 알루미늄 합금에 대한 국제 합금 표시 및 화학 조성 한계(International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminium and Wrought Aluminium Alloys)"를 참조하면 된다(여기에 개시된 내용을 본 명세서에 원용하여 참고로 포함한다).

놀랍게도, 코어/클래딩 계면에 인접한 잉곳의 면에 대해 냉각수(이차 냉각)를 처음으로 가하게 되는 지점을, 순차적 동시 주조 장치에서 일반적으로 채용하는 처음으로 가하는 지점과 다르게 변동시키게 되면, 위와 같이 어려운 합금 조합을 위해 필요한 주조 특성들 간의 균형을 달성하거나 되찾을 수 있다는 점을 본 발명자들이 밝혀내었다. 이와 같은 장치에서, 냉각수는 일반적으로 주조 잉곳 둘레의 모든 지점들에서 동일한 높이에서(주형 내의 금속 풀의 상부 표면이나 주조 출구로부터의 일정 거리에서) 가해진다. 예시적인 양호한 일 실시예에서, 이차 냉각수를 최초로 가하는 지점을, 인접하는 아래에 놓인 금속 계면이 있는 면 상에서, 잉곳의 대향 면 또는 잉곳의 단부들에서 냉각하는 것(금속 풀의 상부 표면 아래에 금속 계면이 없는 경우)에 비해 전진시킨다(주형 내의 금속 풀의 상부 표면들에 근접하게 가해진다). 다시 말해, 잉곳의 단부 면과 비클래딩 면(만약 있는 경우라면)보다는 클래딩 면에 냉각수를 더 먼저 가한다. 이어서 클래딩은, 클래딩과 코어 금속들이 종래의 냉각 장치의 경우와는 달리 주형 내에서 만나기 전에(진전된 냉각 효과 때문), 더 큰 범위까지 냉각되고, 이에 의해 계면의 안정성이 더욱 커진다. 그러나, 이차 냉각의 진전 범위는, 클래딩의 냉각이 계면에서의 용탕과 반고상 금속 간의 접촉을 달성할 수 있는 가능성을 제거할 정도로 크지 않아야 하는데, 이는 앞에서 설명한 이유들로 인해 강한 계면 접합에 필수적이다.

도 1은 순차적 동시 주조에 적합한 장치(10)의 일례를 도시하고 있다. 이 도면에서, 상기 장치는 앞에서 설명한 앤더슨 등의 특허 공보에 개시된 것과 유사한데, 다른 점은 다른 도면들로부터 명확하게 파악할 수 있다. 도 1은 2개의 외부(클래딩) 층을 내부 코어 층 이전에 주조하는 장치를 도시하고 있는 것으로, 상기 장치는 본 발명의 예시적인 실시예용으로 바람직하지만, 이에 대한 대안적인 장치로서 코어 층을 먼저 주조하게 하는 대안적인 장치를 구성하는 것도 가능하다.

따라서, 예시된 장치에 있어서, 외부 층(11)이 직사각형 내부 층 또는 코어 층(12)의 주 측면(압연 면) 상에 먼저 주조된다. 코팅 층(11)은 주조 과정 중에 먼저 (적어도 일부가) 고화되고, 이어서 코어 층이 주조되어 외부 층의 반고상 표면과 접촉한다. 일반적으로(필수적인 것은 아님), 2개의 코팅 층(11)용으로 사용된 금속들은 서로 동일하고, 이 금속은 코어 층(12)에 사용된 금속과는 다른데, 선택된 금속들은 종래에는 불량한 계면 접착성을 보이는 것, 즉 열전도도가 낮은 것이 바람직한 외부 층의 금속과 냉각 범위가 유사, 동일, 또는 중첩하는 금속들이다.

도 1에 따른 장치는 일차 냉각용 물 재킷(15)의 일부를 형성하는 주형 벽(14)을 구비하는 직사각형 주조 주형 조립체를 포함하고, 상기 물 재킷에서는 구멍 또는 슬롯을 통해서 둘러싸는 형태의 냉각수 수류(16)가 배출되는 잉곳(17)의 외부 표면으로 분배된다. 도 1에서, 주형 벽은 도면 부호 14로 나타내고 있고, 다른 도면에서, 주형 벽은 주형의 측벽(일반적으로 넓음)을 나타내는 도면 부호 14A와, 주형의 단부벽(일반적으로 좁음)을 나타내는 도면 부호 14B로 나타내고 있다. 이와 같은 장치에서의 잉곳 주조는 일반적으로는 최대 70인치 X 35인치 크기를 가지며 대체로 직사각형인 단면을 갖는데, 크기는 상기 크기보다 더 크게 하거나 작게 할 수 있다. 최종 잉곳은 일반적으로 종래의 열간 및 냉간 압연 공정에서 압연기로 크래드 판(clad sheet)으로 압연하는 데 사용된다. 이미 언급한 바와 같이, 주조 또는 압력 중이나 제품 사용 중에 층 분리가 발생하지 않도록 하기 위해, 잉곳의 내부 층과 외부 층 사이의 접합 정도를 양호한 수준으로 하는 것이 중요하다.

주형의 입구 단부(18)는 분할 벽(19)("냉각부(chill)"또는 "냉각 벽(chill wall)" 이라고도 함)에 의해서 3개의 공급실로 분할되는데, 공급실 각각은 3개 층의 잉곳 조직의 각 층을 위한 것이다. 열전도도가 양호한 동으로 제조되는 것이 보편적인 분할 벽(19)은, 일례로, 용탕 표면의 수위 위에서 분할 벽과 접촉하는 냉각수 냉각 설비에 의해 냉각된다. 결과적으로, 분할 벽은 이와 접촉하는 용탕을 냉각시켜서 고화시킨다. 마찬가지로, 수랭식 주형 벽(14)도 이와 접촉하는 용탕을 냉각시켜서 고화시킨다. 주형 벽과 분할 벽에 의해 제공된 조합형 냉각은 금속의 일차 냉각이라고 칭하는데, 주형으로부터 배출되는 미숙한 고화 잉곳을 만드는데 가장 크게 기여하기 때문이며, 그리고 금속이 주형을 통과함에 따라 먼저 겪게 되는 냉각이기 때문이다. 화살표(A)로 나타낸 바와 같이, 2개의 측부 공급실에는 금속 저장조들(23)(또는 하나의 저장조)로부터 나오는 동일 금속을 공급되고, 화살표(B)로 나타낸 바와 같이, 중앙 공급실에는 용탕 저장조(24)로부터 나오는 다른 금속이 공급된다. 상기 3개의 공급실 각각에는, 용탕의 상부 표면을 주조 작업 전 과정에 걸쳐서 밀 결정된 높이로 유지하도록 조정 가능한 스로틀(20A)이 각각 설치되어 있는 개별적인 용탕 공급 노즐(20)을 거쳐서 소망하는 수위(수직 높이)까지 용탕이 공급된다. 수직 방향으로 이동 가능한 바닥 블록 유닛(21)은 초기에는 주형의 개방 하단부(22)를 폐쇄시키고, 개시 시기 이후에 주조하는 중에 낮추어지고(화살표(C) 방향), 이와 동시에 미숙한 복합 잉곳이 주형으로부터 빠져나가는 중에 그 미숙한 복합 잉곳(17)을 지지한다.

이와 같은 종류의 장치에서의 종래의 주조를 위한 장치에서 살펴보면, 냉각수 수류(16)는 전부가 잉곳의 모든 면과 단부에서 동일한 수직 높이에서 잉곳과 최초로 접촉한다. 상기 최초 접촉 위치는 종종 모놀리식 잉곳(monolithic ingot)(단층 잉곳)을 주조하는 데 사용되는 것과 동일하고, 잉곳이 주형으로부터 배출될 때의 그 잉곳의 고형 외부 쉘을 안정화시키려고 하는 것이지만, 주형의 바닥과 냉각수의 최초 접촉 지점 사이에는 일반적으로 공간 또는 간극이 있다. 종래의 최초 접촉 위치는 주형의 이차 냉각의 "벤치마크 높이(benchmark height)"라고 생각할 수 있다. 주형 벽(14)들은 일반적으로는 주형 둘레에서 동일한 높이로 되어 있고, 알 수 있는 바와 같이, 냉각수 수류(16)용 개구들은 각 주형 벽의 바닥 아래에 서로 짧은 간격을 유지하며 위치되고, 서로 동일한 수직 높이로 정렬된다.

도 2는 도 1에 따른 장치의 우측을 상세하게 도시한 단면도이다. 이 도면은 주형의 측벽(14A)(잉곳의 주 압연 면들 중 하나의 면에 인접한 벽)이 단부벽(14B)들과 수직으로 정렬된 것을 도시한 것으로, 이에 의하면 이차 냉각은 잉곳의 모든 면 및 단부들과 동일한 높이에서 실행된다. 용탕이 분할 벽(19)과 측벽(14A) 사이에 형성된 측부 격실 안으로 공급되면, 용탕 금속 풀 또는 통(28)을 갖는 층이 형성되고, 상기 용탕 금속 풀은, 반고상(죽 상태) 구역(30)을 형성하고 결국에는 고상 구역(32)을 형성하기 위해 하부의 외부 측부 둘레를 냉각시킨다. 죽 상태 구역은 금속의 온도가 액상 온도에 있는 표면(29)과 온도가 고상 온도에 있는 표면(31)에 의해서 접합된다. 금속의 상부 수위(41)는 주형의 중앙 격실 내에 있는 코어 금속의 상부 수위(39)에 비해 높고, 상기 수위(39)는 사실상 도면에 도시된 바와 같이 분할 벽(19)의 하단부보다 낮다. 코어 자체의 금속은 용탕 통(35), 반고상 구역(36) 및 고상 구역(37)을 형성한다. 코어(12)의 용탕 금속(35) 및 반고상 구역(36)은 양방향 화살표로 나타낸 영역(D) 위에서 외부 층(11)의 표면(33)과 접촉한다. 층들 간의 적절한 접합을 위해, 표면(33)은 금속 층들 간의 계면(27)의 붕괴를 피하기 위해서는 충분히 자체적으로 지지되어야 하는데, 상기 붕괴는 격실들로부터 나오는 용탕들이 제한 없이 상호간에 섞이게 하여 주조 작업에 고장을 초래하는 것이다. 그러나, 각 금속들의 온도는, 코어의 용탕이, 가능하기로는 외부 층의 금속을 고상 온도와 액상 온도 사이의 온도까지 가열하는 코어의 용탕에 의해서, 외부 층의 반고상 금속과 접촉할 수 있도록 해야 한다. 도 2의 장치에서, 용탕 통(28, 35)과 반고상 구역(30, 36)은 서로 아주 근접해 있는데(추정컨대, 4 ~ 8mm 이격), 금속들의 냉각 범위가 중첩하는 경우에는 계면이 파괴되는 위험이 있고, 열전도도가 낮기 때문에 열이 외부 층(11)을 통해 신속하게 배출될 수 없다. 외부 층으로부터 나오는 열은 일부가 주형 벽(14A) 자체 뒤에 있는 일차 냉각수 및 분할 벽(19)에 의해 부여되는 냉각에 의해서 외부 층으로부터 방출되고, 일부가 냉각수의 수류(16)로부터 나오는 이차 냉각에 의해 방출된다. 냉각수 수류가 영역(D) 아래에서 잉곳과 접촉하고, 그럼에도 불구하고, 이 영역에서의 온도와 용탕 통(28)의 형상 및 깊이는 냉각수에 의해 영향을 받는데, 그 이유는 열이 외부 층(11)을 통해서 하향으로 빠져나가기 때문이다.

도 3은 주형 벽(14A)이 단부 벽(14B)에 대해서 거리(E)만큼 상승된 변형례를 도시하고 있다. 이는 이차 냉각 수류(16)를 상승시키는 효과를 발생시키고, 이에 따라 이차 냉각 수류는 도 2의 장치의 경우에 비해서 잉곳에 더 먼저(상부 금속 표면(41)에 더 근접하게) 가해지게 된다. 따라서, 이 냉각 수류의 공급원은 용탕 통(28)에 더 근접하게 되어, 잉곳을 더 많이 냉각시키게 된다. 이 결과, 용탕 통(28)은 도면에 도시된 바와 같이 도 2의 경우에 비해서 더 얕아지게 된다. 이것의 의미는, 코어의 용탕(35)과 외부 층의 용탕(28) 간의 거리가 도 3의 장치에서는 더 크고 그에 따라 계면(27)의 붕괴 위험이 크게 줄어든다는 것이다. 그러나, 영역(D)에서의 표면(33)에서 외부 층의 고상 금속(32)의 온도는 여전히 충분히 높고, 이때, 코어의 용탕(35)은 표면(33)을 재가열해서 구역(43)으로 나타낸 바와 같이 작은 반고상 금속 구역(예, 깊이가 단지 50 내지 200 미크론일 수 있음)을 형성한다. 따라서, 소망하는 양호한 계면 접합을 얻을 수 있다. 벽(14A)이 더 높여지면, 냉각수 수류(16)의 효과에 의해 표면(33)에서 금속(32)을, 반고상 금속 영역(43)이 형성되지 못할 정도로 많이 냉각시킬 것이고, 그래서 소망하는 강한 계면 접합을 다시 얻을 수 없게 된다. 이와 같은 방식으로 벽들을 이동시키면 일차 냉각 효과와는 상당히 다른 효과를 발생시키지 못하고, 그렇게 되면 그러한 영향이 냉각수 수류(16)에 의해 발생되는 이차 냉각 효과에 대해 주로 작용하게 된다. 특정 예에서, 벽(14A)이 들어올려져야 하는 거리(E)는, 여러 인자들, 특히 코어 및 외부 층의 금속의 특성에 따라 달라진다. 최적의 거리는 임의의 조합의 합금에 대해서 시행착오 및 실험에 의해 결정될 수 있다. 주로, 많은 합금 조합에 있어서, 상기 거리(E)는 0.25 내지 1.0 인치의 범위에 있고, 보편적으로는 0.25 내지 0.50인치의 범위 내에 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 양 측부 상에 외부 클래딩 층(11)을 갖는 잉곳에 있어서, 잉곳의 양 측면에서의 소망하는 접합을 달성하기 위해 잉곳의 양쪽 면에 있는 주형 벽들을 들어올린다. 단부벽들은 그들의 원래 위치에 유지된다. 2개의 외부 층들의 금속들이 다른 경우, 측부들이 들어올려지는 거리는 최적의 효과를 달성하기 위해 약간 다를 수 있다. 한 측부에만 클래딩 층을 갖는 잉곳에 있어서는 그 측부의 주형 벽만 들어올려지고, 그의 대향 측부의 주형 벽은 움직이지 않는 채로 유지되는데, 이에 의하면 잉곳의 단부들에 냉각수가 가해지는 높이와 동일한 높이에서 냉각수 수류(16)가 분배된다.

측벽(14A)들을 들어올리는 것에 대한 대안책으로서, 단부벽(14B)들을 낮춤으로써(측벽(14A)들에 인접한 이차 냉각을 단부벽(14B)들의 이차 냉각에 비해서 높임으로써) 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 분할 벽(19)들은 동일한 위치에 유지되고 주형의 단부 벽들에 고정되지 않는다. 또 다른 대안적 실시예로서, 모든 측벽들과 단부 벽들을 "벤치마크" 높이에 유지하면서 분할 벽(19)을 주형 내에서 (코어 금속의 표면(39) 및 클래딩 금속의 표면(41)과 함께) 낮출 수 있다. 코어 금속의 표면과 클래딩 금속의 표면은 종래의 성형 작업에 있어서의 상대 높이와 동일하게 유지할 수 있지만, 상기 종래의 성형 작업은 주형 내의 저부에서 행해지고, 그래서 이차 냉각은 다른 경우에 비해서 더 높은 곳에서(용탕의 표면에 더 근접해서) 발생한다. 이는 이차 냉각 수류가 영역(D)에 대해서 최초로 가해지는 위치를 들어올릴 때의 효과와 동일한 효과를 발휘한다. 이 경우, 이차 냉각은 주형 둘레의 동일한 높이에서 가해진다. 잉곳의 한 측부에만 클래딩이 있는 경우, 그 측부에서는 분할 벽(19)을 낮추고 다른 측부에서는 측벽(14A)을 낮추어서, 그 측부에서의 코어 금속의 더 낮아진 수위를 보상하도록 할 수 있다.

도 2 및 도 3에 나타낸 상황은 층들 간의 접합이 잉곳 둘레에서 이차 냉각을 최초로 가하는 위치를 조정하는 것에 의해 어떻게 영향을 받는지를 보이는 한 가지 예에 불과하다. 이와 다른 상황들이 여러 인자들에 따라 발생할 수 있다. 일례로, 잉곳의 코팅 면에 이차 냉각을 최초로 가하게 되는 지점을, 단부 면에 대해 가하는 지점과 비교할 때, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 위로 하지 않고 아래로 이동시켜야 하는 경우가 있을 수 있다. 일례로, 종래의 최초 적용 위치에서 코팅 층의 통이 너무 얕은 경우, 통을 낮추기 위해 이차 냉각을 아래로 이동시켜서, 표면(33) 온도를 구역(43)이 형성될 수 있게 하기에 적절한 온도로 확보하는 것이 바람직할 수 있다.

또 다른 대안적 실시예에 있어서, 주형(10)은 이 주형 둘레에 일정하지만 각기 다른 높이의 이차 냉각을 구비하도록 설계할 수 있다. 이는 특정의 합금 조합을 주조하기 위한 것으로서 다른 합금 조합용으로는 사용되지 않도록 설계된 주형에 적합할 수 있다. 주형 둘레에서의 냉각 높이에 변화를 주는 것은, 그와 같은 조합을 주조하는 종래의 경험에 비추어서 행해진 설계에 통합시킬 수 있다. 일례로, 냉각수 분류(16)를 주형 단부벽들용으로 사용된 각도와는 다른 각도로 2개의 대향 측부들에 배치할 수 있다.

도 4 및 도 5는 이차 냉각의 위치가 어떻게 변동되는지를 보이고 있다. 도 5는 순차적 주조 주형을 분할해서 도시한 도면으로서, 단부벽(14B), 측벽(14A) 및 분할 벽(19)을 도시하는 도 1과 유사한 직사각형의 주형의 평면도인 도 4를 참조하면 잘 이해할 수 있다. 도 4의 구역을 나타내는 화살표 2개는 각각 도 5의 좌측 도면을 도시한 투시 부분과, 도 5의 우측 도면을 도시한 투시 부분을 나타내고 있다. 결국, 분할된 도면의 좌측 도면은 주형의 측면들(14A)(양 측면들은 동일함)에 있는 일차 및 이차 냉각을 도시하고 있고, 우측 도면은 주형의 단부면들(14B)(양 단부면들은 동일함)에 있는 일차 및 이차 냉각을 도시하고 있다. 도 5는 코팅 층(11)이 최초로 주조된 주형을 도시하고 있다.

도 5의 경우에서, 잉곳의 측부에 있는 주형 벽(14A)들은 잉곳의 단부들에 있는 주형 벽(14B) 위로 올려져 있다. 잉곳의 단부에 있는 주형 벽(14B)들은 이차 냉각이 "벤치마크 높이"에 있도록 하는 위치에 있다. 이차 냉각 장치(냉각수 분류(16))는 잉곳의 측부들을 따라서 잉곳의 단부들에 대한 각기 다른 높이에 위치되고, 이에 의하면, 잉곳의 각 층들 내에서의 고화 구역들의 위치들(반고상에 대한 액상, 고상에 대한 반고상)을 바라는 대로 조정할 수 있게 되고, 이에 의해 국부화된 반고상 융합 및 층들 간의 양호한 접합이 제공된다.

도 2, 도 3, 도 4, 도 5에 예시된 실시예에 있어서, 주형은 제위치에 고정될 수 있는 주형의 단부벽들에 대해 이동할 수 있는 측벽들을 구비한다. 앞의 설명으로부터 이미 알고 있는 바와 같이, 측벽들을 들어올리는 대신에, 단부벽들을 낮추고 측벽들을 고정 상태로 유지해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이를 도 6a 및 도 6b에 나타내었다. 도 6a의 경우에서는 단부 벽(14B)이 측벽(14A)과 동일한 높이로 되어 있고, 도 6b의 경우에서는 단부 벽(14B)이 측벽(14A)에 비해 낮추어져 있다. 이 실시예에서, 주형의 양 단부에서 단부 벽(14B)들은 동일한 거리로 이동하고, 이는, 주형이 잉곳의 양 측부 상에 외부 클래딩 층을 마련하도록 구성될 때에 가장 바람직하게 행해진다. 주형의 단부 벽(14B)들은, 일례로 주조 잉곳의 크기에 변화를 줄 수 있도록 하기 위해, (단부 벽들을 측벽들 사이에서 그 안이나 혹은 밖으로 활주 이동시킴으로써) 측벽(14A)들 사이에서 현수되게 할 수 있다. 측벽들과 단부벽들의 상대 높이는 단부 벽(14B)들을 (일례로, 윈치(50) 및 케이블(51)에 의해) 높임으로써 조정할 수 있다.

이상의 모든 실시예에 있어서, 벽들이 서로 접촉하는 지점들에서 용탕이 주형으로부터 누출되지 않게 하면서 이동식 벽들의 높이를 조정할 수 있어야 한다. 이를 위해 주형의 벽들 사이에 적절한 밀봉(도시되지 않음)을 마련할 수 있다. 일반적으로, 하나 또는 한 쌍의 벽들(예, 단부 벽들)을 제위치에 고정시키고, 다른 쌍의 벽들(예, 측벽들)을 상하로 움직이게 할 수 있다. 선택적으로, 주형의 4개의 벽 모두를 서로 독립해서 수직 방향으로 조정할 수 있게 구성할 수 있다. 벽들을 지지하고수직 방향으로 이동시키기 위해 임의의 적절한 수단, 일례로 유압 또는 공압 실린더와 피스톤 장치, 또는 주형 벽의 외면에 형성되는 나사 가공된 구멍을 통과하는 스크류 나사가 구비된 회전하는 수직 봉들을 일체로 포함하고 있는 지지체를 마련할 수 있다. 도 5 및 도 6a는 위에서 언급한 수단의 다른 예, 즉 회전하는 윈치(50) 및 케이블(51)을 도시하고 있다.

또 다른 대안적인 실시예에 있어서, 냉각수를 최초 적용하는 위치는 주형의 측벽들과 단부벽들을 상승 또는 하강시키지 않고도 조정할 수 있다. 일례로, 일부 주형에 있어서, 주형의 각 측부에 냉각수 제트를 형성하는 2중 열의 구멍들을 마련할 수 있다(일례로, 와그스타프의 미국 특허 제5,685,359호에 개시된 것과 같은 것, 여기에 개시된 내용을 본 명세서에 원용하여 참고로 포함한다). 한 세트의 구멍은 다른 세트의 구멍들과는 다른 각도의 제트를 형성하고, 이에 따라 그 제트들은 각기 다른 높이에서 잉곳에 접촉한다. 함께 가해진 두 세트의 제트들은 평균 냉각 높이를 형성하지만, 이는 낮은 위치에 있는 물 제트의 세트를 형성하는 구멍들을 막음으로써 변경시킬(상향으로 이동시킬) 수 있다.

물론, 잉곳의 각기 다른 측부에서 이차 냉각 수단을 상대 이동시키는 것은 본 발명의 일부 예시적인 실시예에서는 실제로 중요하다. 따라서, 어떤 실시예에서는, 주형 벽들을 서로에 대해 움직이지 않게 유지할 수 있고, 이차 냉각 수단을 주형 벽과 독립되게 할 수 있다(예, 냉각수 분무를 냉각 벽들 아래에 위치된 파이프에 의해 공급되게 하고, 이차 냉각 수단의 부품들을 주형의 하나 이상의 측부에 인접하게 독립적으로 상승 및/또는 하강시키기 위한 수단을 마련할 수 있다). 그러나, 이와 같은 종류의 주조 설비에 있어서는 일차 냉각용으로 사용되는 물 재킷에 형성된 구멍 또는 슬롯들로부터 이차 냉각 수류를 공급하게 하는 것이 일반적이므로, 주형 벽들을 이동시키는 것이 일반적으로 바람직하다.

또 다른 대안적인 실시예에 있어서, 주형 둘레에 이차 냉각을 최초로 가하는 수직 위치에 변화를 주기 위해 주형 벽들 또는 냉각 수단을 이동시키는 대신에, 냉각액의 분출 각도를 주형 둘레에서 변경시킬 수 있다. 냉각 수류가 잉곳 표면에 접촉하기 전에, 주조 방향으로 배출되는 잉곳에 근접하게 냉각 수류가 분사되는 경우, 그 최초 접촉 지점은 주형의 배출 단부 출구에 더 근접하게 된다. 이와 마찬가지로, 냉각 수류가 주형의 바닥 단부에서 추가로 분사되는 경우, 그 최초로 냉각이 가해지는 지점은 효과적으로 낮추어질 수 있다. 잉곳의 특정 측부 또는 단부 상에 최초로 접촉하는 높이를 의도한 바대로 변화시킬 수 있고 임의의 특정 금속 조합용으로 최적의 위치가 채택되도록 하기 위해서는, 분출 각도를 주형 둘레에서 변화시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다.

도 7 및 도 8은 여러 알루미늄의 냉각 범위를 나타내는 도표이다, 앞에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에서 사용하기에 적합한 합금 조합의 예에는, 알루미늄 합금 3104/5083, 6063/6061 및 6066/6061(클래딩이 맨 먼저 부여된 것)이 있다. 도 7은 여러 가지 합금들을 도시하고 있지만 제1 조합의 합금 3104 및 5083(화살표로 나타냄)을 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 이들 합금들은 15℃만큼 중첩되는 냉각 범위를 갖는다. 도 8은 합금 6066, 6061 및 6063의 냉각 범위를 보이고 있다. 합금 6063/6061의 조합은 냉각 범위가 23℃만큼 중첩되고, 합금 6066/6061의 조합은 냉각 범위가 46℃만큼 중첩된다.

Claims (20)

1. 복합 금속 잉곳을 주조하는 주조 장치로서
   입구 단부, 배출 단부 개구, 주형의 대향 측벽들과 대향 단부 벽들을 형성하도록 주형 공동을 둘러싸는 냉각 주형 벽들, 및 상기 배출 단부 내에 장착되도록 구성되며 주조 방향에서 주형의 축방향으로 움직이도록 구성된 이동식 바닥 블록을 구비하는 단부 개방형의 대체로 직사각형인 주형 공동;
   주형의 입구 단부에 위치되어 그 입구 단부를 적어도 2개의 공급실로 분할하는 적어도 하나의 냉각 분할 벽;
   배출 단부 개구에서, 대향 측면들 및 대향 단부면들을 구비하며 내부 층과 적어도 하나의 외부 층을 포함하는 대체로 직사각형의 잉곳이 형성될 수 있도록, 상기 적어도 2개의 공급실 중 하나의 공급실로 내부 층용의 금속을 공급하는 도관과, 적어도 다른 하나의 공급실에 적어도 하나의 외부 층용의 다른 금속을 공급하는 적어도 하나의 도급 도관;
   금속의 상부 면들을 각기 다른 공급실 내에서 각기 다른 수직 높이로 유지시킬 수 있도록 상기 도관들을 통과하는 금속의 공급을 제어하는 제어 설비; 및
   주형의 측벽들 및 단부 벽들 각각에 인접하게 위치된 부품들을 구비하며, 상기 배출 단부 개구에 인접한 이차 냉각 설비를 포함하고,
   상기 단부 벽들에 인접한 상기 이차 냉각 설비의 부품들은, 상기 측벽들 중 적어도 하나의 측벽에 인접한 상기 이차 냉각 설비의 부품들과 대비할 때에, 주조 방향에서 상기 잉곳을 따르는 다른 위치에서, 이차 냉각을 시행하도록 배치된 것을 특징으로 하는 주조 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속 공급을 제어하는 제어 설비는, 최저 표면을 상기 적어도 하나의 냉각 분할 벽의 하단부 위의 최대 3mm까지 위치시키거나, 혹은 사용 시에 최저 표면이 인접하는 공급실로부터 나오는 반고상 금속과 접촉하게 되도록 하단부 아래의 위치시키도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 주조 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 단부 벽에 인접한 상기 이차 냉각 설비의 부품들은, 상기 양 측벽들에 인접한 상기 이차 냉각 설비의 부품들과 대비할 때에, 상기 잉곳을 따르는 다른 위치에서, 이차 냉각을 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 주조 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이차 냉각 설비의 부품들은 상기 주형의 측벽들 및 단부 벽들 각각에 의해 지지되고, 상기 측벽들 중 적어도 하나의 측벽은 주조 방향에서 주형의 다른 벽들에 대해서 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이차 냉각 설비의 부품들은 상기 주형의 측벽들 및 단부 벽들 각각에 의해 지지되고, 대향된 단부 벽들은 주조 방향에서 주형의 적어도 하나의 측벽에 대해서 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각 주형 벽들은 냉각액을 수용하는 재킷에 의해 둘러싸이고,
   상기 이차 냉각 설비는 잉곳의 표면들에 상기 냉각액 수류를 분사하기 위해 주형의 배출 단부 개구에 인접하게 상기 재킷에 형성된 구멍들을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   이차 냉각 설비의 부품들 중 적어도 하나의 부품은 주조 방향에서 0.25 내지 1.0 인치의 범위의 길이로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속 공급을 제어하는 제어 설비는 냉각 범위가 중첩하는 용탕들을 수용하는 저장조들에 연결된 것을 특징으로 하는 주조 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속 공급을 제어하는 제어 설비는, 고화되었을 때의 열전도도가 -10 W/m°K보다 큰 크기로 다른 용탕들을 수용하는 저장조들에 연결된 것을 특징으로 하는 주조 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    이차 냉각 설비는, 잉곳의 단부면들의 이차 냉각이 주형의 벤치마크 위치에서 실행되고 적어도 측면의 이차 냉각이 상기 벤치마크 위치가 아닌 위치에서 실행될 수 있도록, 구성되는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
11. 복합 금속 잉곳을 주조하는 주조 장치로서
    입구 단부, 배출 단부 개구, 주형의 대향 측벽들과 대향 단부 벽들을 형성하도록 주형 공동을 둘러싸는 냉각 주형 벽들, 및 상기 배출 단부 내에 장착되도록 구성되며 주조 방향에서 주형의 축방향으로 움직이도록 구성된 이동식 바닥 블록을 구비하는 단부 개방형의 대체로 직사각형인 주형 공동;
    주형의 입구 단부에 위치되어 그 입구 단부를 적어도 2개의 공급실로 분할하는 적어도 하나의 냉각 분할 벽;
    배출 단부 개구에서, 대향 측면들 및 대향 단부면들을 구비하며 내부 층과 적어도 하나의 외부 층을 포함하는 대체로 직사각형의 잉곳이 형성될 수 있도록, 상기 적어도 2개의 공급실 중 하나의 공급실로 내부 층용의 금속을 공급하는 도관과, 적어도 다른 하나의 공급실에 적어도 하나의 외부 층용의 다른 금속을 공급하는 적어도 하나의 도급 도관;
    금속의 상부 면들을 각기 다른 공급실 내에서 각기 다른 수직 높이로 유지시킬 수 있도록 상기 도관들을 통과하는 금속의 공급을 제어하는 제어 설비로서, 최저 표면을 상기 적어도 하나의 냉각 분할 벽의 하단부 위의 최대 3mm까지 위치시키거나, 혹은 사용 시에 최저 표면이 인접하는 공급실로부터 나오는 반고상 금속과 접촉하게 되도록 하단부 아래의 위치시키도록 제어하는, 금속 공급 제어 설비; 및
    주형의 측벽들 및 단부 벽들 각각에 인접하게 위치된 부품들을 구비하며, 상기 배출 단부 개구에 인접한 이차 냉각 설비를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 분할 벽은 주조 방향으로 움직일 수 있으며, 상기 금속 공급 제어 설비는 적어도 하나의 공급실 내의 금속의 상부 면을 상기 적어도 하나의 분할 벽에 대한 고정된 상대 위치로 유지할 수 있도록 조정 가능한 것을 특징으로 하는 주조 장치.
12. 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들로 제조되는 복합 잉곳을 주조하는 주조 방법으로서,
    냉각 주형 벽과 적어도 하나의 냉각 분할 벽을 구비하는 주형에 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들을 통과시키고, 이에 의해 여러 금속들이 일차 냉각되어 잉곳을 형성하도록 해서, 적어도 2개의 금속 층들을 가지며 대향 측면 및 대향 단부면을 구비하는 대체로 직사각형인 복합 잉곳을 순차적으로 주조하는 단계와,
    잉곳의 측면 및 단부면에 이차 냉각을 가함으로써 주형의 배출 단부 개구를 통하여 잉곳이 배출되는 것에 후속하여 잉곳을 추가로 냉각시키는 단계를 포함하고,
    상기 이차 냉각은, 잉곳의 양 측면들 또는 단부면들 중 적어도 한 면에, 상기 면들 중 적어도 하나의 다른 면에 대해서 냉각수를 인가하는 위치와는 다른 위치에서 잉곳을 따라서 가하는 것을 특징으로 하는 주조 방법.
13. 제12항에 있어서,
    내부 층과 2개의 외부 층을 갖는 잉곳을 형성하기 위해 여러 금속을 공급하고, 상기 2개의 외부 층의 표면들에 대한 이차 냉각은, 주조 방향에 있어서, 잉곳의 단부들에 대한 이차 냉각이 실행되는 위치와는 다른 위치에서 실행되는 것을 특징으로 하는 주조 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상시 측면들에 대한 이차 냉각은 층들 간의 부착을 최대화 할 수 있도록 주조 방향에서 변동되는 것을 특징으로 하는 주조 방법.
15. 제12항, 제13항, 또는 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 측면에 대해 실행되는 이차 냉각의 유효 거리는, 단부면에 대해 이차 냉각이 실행되는 유효 거리와는 0.25 내지 1.0 인치의 범위의 크기만큼 다른 것을 특징으로 하는 주조 방법.
16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단부면에 대한 이차 냉각은 주형의 벤치마크 위치에서 실행되고, 상기 측면들 중 적어도 한 측면에 대한 이차 냉각은 상기 벤치마크 위치와는 다른 위치에서 실행되는 것을 특징으로 하는 주조 방법.
17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 냉각은 수류를 주형의 벽들로부터 잉곳에 분사함으로써 실행하고,
    잉곳의 표면들에 대해서 첫 번째로 적용한 이차 냉각의 유효 거리의 차이를 발생시키기 위해, 상기 주형의 상기 벽들 중 적어도 하나의 벽을 적어도 다른 하나의 벽에 대해 움직이는 것을 특징으로 하는 주조 방법.
18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속들은, 고화되었을 때의 열전도도의 차이가 -10 W/m°K보다 크도록 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 방법.
19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속들은, 중첩하는 냉각 범위를 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 방법.
20. 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들로 제조되는 복합 잉곳을 주조하는 주조 방법으로서,
    냉각 주형 벽과 적어도 하나의 냉각 분할 벽을 구비하는 주형에 유사한 냉각 범위를 갖는 여러 금속들을 통과시키고, 이에 의해 여러 금속들이 일차 냉각되어 잉곳을 형성하도록 해서, 적어도 2개의 금속 층들을 가지며 대향 측면 및 대향 단부면을 구비하는 대체로 직사각형인 복합 잉곳을 순차적으로 주조하는 단계와,
    잉곳의 측면 및 단부면에 이차 냉각을 가함으로써 주형의 배출 단부 개구를 통하여 잉곳이 배출되는 것에 후속하여 잉곳을 추가로 냉각시키는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 냉각 분할 벽은 주형 내에서 주조 방향으로 움직일 수 있고, 상기 금속들의 상기 층들 간의 부착 및 주조 신뢰성을 최대화 할 수 있게 위치되는 것을 특징으로 하는 주조 방법.

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