KR20140010442A - 잉곳의 전자기 주조에 사용하기 위한 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니 - Google Patents

잉곳의 전자기 주조에 사용하기 위한 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니 Download PDF

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Abstract

도가니의 일부 외부 높이를 에워싸는 하나 이상의 유도 코일 아래에 뻗어 있는 슬롯형 벽을 구비한 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니가 잉곳의 생산을 위한 전자기 주조 공정에 사용된다. 바닥부 자기 차폐체가 바닥부 개구부, 벽 슬롯의 바닥부 개구부 및 바닥부 끝부, 및 바닥부 연결 부재 부근의 도가니의 슬롯형 벽의 외주부 둘레에 제공된다.

Description

잉곳의 전자기 주조에 사용하기 위한 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니{OPEN BOTTOM ELECTRIC INDUCTION COLD CRUCIBLE FOR USE IN ELECTROMAGNETIC CASTING OF INGOTS}
본 발명은 주조 공정에 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니가 사용되는 잉곳의 전자기 주조에 관한 것이다.
잉곳은 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니 내에 적재된 재료 장입물을 가열하여 용융시키는 것에 의해 주조될 수 있다. 용융 매스가 응고하여 성형된 잉곳으로서 도가니의 바닥부 개구부를 빠져나감에 따라, 도가니 내에 재료의 일정한 용융 매스(용융물)를 유지시키기 위해, 예컨대 원재료 또는 가공처리된 원재료 형태의 장입물이 도가니 내로 공급될 수 있다. 이러한 전자기 주조 공정을 위해서는 재료는 적어도 용융(액체) 상태에서 도전성이어야만 한다. 장입물의 용융 및 가열은 예컨대 용융물로부터의 불순물의 증발 또는 도가니 내의 용융물의 표면에 드로스(dross)로서 부유하게 되는 용융물을 통한 불순물의 상승 등에 의해 장입물의 정제를 가져올 수 있다.
전술한 바와 같이, 재료는 고체 상태에서는 반드시 도전성일 필요는 없다. 예컨대, 실리콘 전자기 주조 공정에 있어서, 도가니 내에 도전성 실리콘의 용융 매스가 생성된 이후에는, 도가니의 정상부 내로 실온의 고체상의 비도전성 실리콘 장입물이 공급될 수 있다. "도전성 및 반도전성 재료를 주조하기 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Casting Conductive and Semiconductive Materials)"라는 명치의 미국 특허 제4,572,812호는 한가지 기본적인 연속 실리콘 전자기 주조 공정을 개시하고 있으며, 그 전체 내용이 여기에 참조된다.
미국 특허 제4,572,812호("812 특허"라 한다)는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 외부 슬롯형 벽(복수의 수직방향 부재로 형성됨)을 에워싸는 단일의 유도 가열 코일을 사용하고, 이 유도 코일의 단자가 단일의 RF 전원에 연결되도록 되어 있는 전자기 주조 공정을 개시하고 있다.
바닥부 개방형 저온 도가니는 가열, 용융 및/또는 응고 공정이 진공 또는 공정 가스 환경에서 성취되도록 폐쇄 챔버 내에 설치될 수 있다. 또한, 적합한 냉각 장치가, 잉곳이 도가니를 빠져나감에 따라 잉곳이 외기 온도에 도달할 때까지 잉곳의 시간 경과에 따른 냉각률이 제어되도록, 잉곳과 열적으로 상호작용할 수 있다.
다른 종류의 전자기 주조 공정에서는, 2개 이상의 유도 코일이 도가니의 일부 외부 높이 둘레로 적층된(인접한) 형태로 사용될 수 있다. 예컨대, 도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니(100)는 수직방향 슬롯(114)(도면에 실선으로 도시됨)에 의해 서로 분리된 복수의 수직방향 부재(112)로 형성된 슬롯형 벽을 포함하고 있고, 2개의 별개의 유도 코일(116a, 116b)이 도가니의 일부 외부 높이를 에워싸고 있다. 수직방향 슬롯형 부재는 이 실시예에서의 구리와 같은 적합한 재료로 형성되고, 도가니의 정상부 및 바닥부에 연결될 수 있다. 도가니의 정상부에서의 슬롯형 부재들 간의 연결부가 거의 언제나 사용되고, 흔히 각각의 부재와 수냉 회로 간의 연결을 제공한다. 정상부 연결부는 통상적으로 용융물로부터 상당한 거리를 두고 있고, 따라서 도가니 내의 재료 적재물에 대한 유도 결합에 물질적 영향을 미치지 않는다. 다른 한편, 바닥부 연결부는 소형 크기의 도가니에는 항상 사용되는 것은 아니지만, 연결부가 각각의 수직방향 슬롯형 부재의 바닥부에 지지력을 제공하게 되는 대형 도가니에는 보다 일반적으로 사용된다. 한가지 전자기 주조 공정에 있어서, 도가니 슬롯은 적어도 도가니 내부의 용융물의 유도 가열을 지원하고, 잉곳이 응고 경계면(120)(도 1c에 모식적으로 도시됨)에서 생성될 때 잉곳이 도가니의 바닥부를 빠져나갈 때까지 잉곳의 점진적 냉각을 용이하게 해줄 만큼 충분히 길다. 이 발명에서의 발견은 수직방향 부재들 사이의 슬롯들이 도가니의 바닥부까지 연장되지 않고, 따라서 바닥부 구리제(이 예에서) 연결 부재(117)(수평방향)가 형성되어 있는 경우에, 유도 코일(116b) 내의 교류 흐름에 의해 발생되는 전자기장은 적재물(잉곳)이 도가니를 빠져나갈 때 적재물(잉곳)에 매우 근접하는 순환 전류를 유도하는 경향이 있을 것이라는 점이다. 이러한 순환 전류의 근접성은 주조된 잉곳이 도가니에서 빼내어질 때 액체 실리콘이 주조된 잉곳의 정상적으로 응고된 가장자리의 외측 가장자리 쪽으로 길을 찾아가게 될 때 발생하는 비정상 유동 사태의 위험성을 증가시킬 수 있는 곳인 임계적 지점에서의 적재물 내에 열을 발생시킨다. 그러면, 액체 실리콘은 노 용기의 바닥부로 제어되지 않은 방식으로 유동하여, 보조 가열기, 절연체 및 기계 부품들에 손상을 초래한다. 각각의 코일은 상이한 주파수로 작동하는 별개의 교류(AC) 전원에 연결될 수 있다. 예컨대, 상부측 코일(116a)은 하부측 코일(116b)의 주파수보다 낮은 주파수로 작동할 수 있다. 각각의 코일에서의 교류의 흐름은 도가니의 슬롯들(전기 절연 재료로 충전되어 있는)을 침투하여 내부 도가니 공간 내에 위치된 도전성 재료를 전자기적으로 가열 및 용융시키는 자속장을 만든다. 모든 전기 유도식 저온 도가니들과 마찬가지로, 도가니의 벽을 구성하는 복수의 수직방향 부재(112)가 냉각되어(일반적으로 내부 순환수에 의해), 벽과 접촉한 용융 매스가 냉각된다. 이는 벽 재료에 의한 용융 매스의 오염을 방지한다. 용융 매스의 상부측 영역은 유도 코일에 의해 생성되는 자기장과 용융물 내의 유도 전류의 상호작용에 의해 발생되는 로렌츠 힘에 의해 적어도 부분적으로 지지되어, 벽과 액체 금속 매스 사이에 감소된 접촉압의 즉 매끈한 분리 영역을 형성한다.
상이한 주파수로 작동하는 다중 코일의 장점은 각각의 유도 코일을 가로지른 단자 전압의 크기를 감소시키면서도 도가니 내부의 재료에의 높은 수준의 유도 에너지 전달을 성취할 수 있는 성능에 있다. 이는 몇몇의 실리콘 전자기 주조 공정에서의 경우와 같이, 전자기 주조 공정이 도가니의 내부에 용융 재료의 산화를 방지하는 산화 방지 커버제(oxidation prevention cover agent)를 구비하여 실행될 때 특히 유리하다. 단자 전압이 낮을수록 도가니를 구성하는 수직방향 부재의 국지적인 용융 및 수직방향 부재로부터 도가니 내의 용융 재료 내로의 불순물의 이동을 초래할 수 있는, 전술한 분리 영역 내의 용융물과 벽 사이에서의 아크 발생 현상을 완화시킨다. 각각의 코일을 가로지른 단자 전압이 높을수록 아크의 위험성이 커진다. 이 위험성은 도가니 내의 용융물에 충분한 유도 에너지를 공급하기 위해 높은 코일 단자 전압을 필요로 할 정도로 도가니의 내부 단면적이 충분히 클 때 가장 커진다. 일반적으로, 도가니의 내부 단면적이 대략 180 in2(제곱 인치)를 초과하면, 상이한 주파수로 작동하는 다중 코일이 유리하며, 그 이유는 이러한 배열이 600 V(볼트) 미만의 단자 전압을 가능하게 해주면서, 600 V 이상의 단자 전압으로 작동하는 하나의 코일에 의해 전달될 수 있는 것과 동등한 크기의 유도 에너지가 용융물로 전달될 수 있어, 전술한 바와 같은 아크 발생에 의한 용융물 오염 문제를 피할 수 있기 때문이다.
바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 높이는 하부측 유도 코일(116b)의 하단부의 아래로 거리(h1) 만큼 연장된다. 일반적으로, 도가니의 벽을 구성하는 수직방향 부재(112)는 성형된 잉곳의 도가니 바깥으로의 이동을 용이하게 해주기 위해 개방된 바닥부를 향해 갈수록 바깥쪽으로 기울어져(경사져) 있다. 도 1a에 도시된 2 코일 구성에 있어서, 바깥쪽 경사는 상부측 유도 코일과 하부측 유도 코일의 인접한 양쪽 끝부 사이에서 시작되어 h2의 경사부 거리를 만들 수 있다.
몇몇의 전자 주조 장치에 있어서는, 2개의 코일의 각각에 흐르는 전류에 의해 만들어지는 자속 사이의 상호간의 자기 결합(및 간섭)을 방지하기 위해, 코일간 자기 차폐체(118)가 코일(116a, 116b)의 인접한 양쪽 끝부 사이에 위치될 수 있다. 일반적인 결과적 자속 패턴이 도 1a에 파선으로 표시되어 있다. 자속(116a')은 상부측 코일(116a)을 통한 교류 흐름에 의해 만들어지고, 자속(116b')은 하부측 코일(116b)을 통한 교류 흐름에 의해 만들어진다. 자속장(116b')은 도가니의 바닥부 개구 아래까지 확장된다. 이와 같은 구성은 도가니의 바닥부를 빠져나가는 성형된 잉곳의 외주부 둘레에 이상부(anomaly)를 발생시킨다. 전자기 유도장 중의 도가니의 바닥부 구리제 연결 부재(117)(수평방향)를 에워싸는 일부분은, 비교적 높은 온도에서 고체 실리콘은 여전히 부분적으로 도전성이라는 사실로 인해, 적재물의 표면의 국지적 가열을 야기하는 순환 전류를 유도하게 된다. 이는 적재물 내에 응력을 증가시키게 되는 응고 온도 구배의 국지적 변화를 야기할 수 있고, 비정상 유동(공정을 종료시키고 장비를 손상시킴)의 위험성을 증가시킬 수 있다.
도 1d는 도가니의 바닥부 근처에서의 부분 단면 열 모식도(thermal diagragm)에 의해 이상부(anomaly)를 도시하고 있다. 파선은 주조되는 실리콘 잉곳 내의 대표적인 온도 영역들의 경계면(구분선)을 나타내고 있다. 예컨대 "20-19 kW/m3(세제곱 미터당 킬로와트)"와 같은 수로 표시된 영역은 주조되고 있는 실리콘 잉곳 내의 대표적인 단면 구분선 내의 20-19 kW/m3의 (체적) 저항손의 영역을 나타낸다. 한 영역 내에서의 저항손의 크기는 그 영역 내의 온도를 나타낸다. 국지적 가열의 부정적 작용은 바닥부 연결 부재(17)(수평방향) 부근의 주조 실리콘에서의 상대적으로 강도 높은 가열 작용(저항손)을 예시하고 있는 구분선 내부(단일의 해치로 강조된 영역)와 단일의 해치로 강조된 영역 둘레의 강도가 약한 가열 작용의 구분선(이중 크로스 해치로 강조된 영역)으로 설명된다.
본 발명의 하나의 목적은 도가니의 바닥부 구리제 연결 부재(수평방향)의 영역에서의 자속 확장에 의해 야기되는, 전자기 주조로에 사용되는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥 개구부 둘레에 발생하는 이상부(anomaly)를 제거하는 데 있다.
하나의 양태에 있어서, 본 발명은 전자기 주조 공정에 사용되는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니 내에서의 재료의 유도 가열 및 용융을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니는 벽의 슬롯의 하단부, 도가니의 바닥부 구리제 연결 부재(수평방향), 및 도가니의 바닥부 개구부 근처에 바닥부 자기 차폐체를 포함하고 있다.
또다른 양태에 있어서, 본 발명은 전자기 주조용 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니이다. 상기 도가니는 전기 유도 가열 및 용융을 위해 장입물이 공급될 수 있는 도가니 공간을 가지고 있다. 용융물은 도가니 공간 내부에서 적어도 부분적으로 응고되어 도가니의 바닥부 개구부를 빠져나가는 잉곳을 형성한다. 도가니 공간은 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽에 의해 형성된다. 슬롯-세그먼트형 벽은 저온 도가니의 바닥부 개구부에 위치한 비슬롯형 외주 벽 영역과 경계를 이루고, 하나 이상의 유도 코일이 도가니 공간의 외부의 높이의 일부를 에워싸고 있어, 도가니 공간 내의 장입물을 유도 가열 및 용융시킨다. 바닥부 도전성 자기 차폐체가 연속적이 도전성인 비슬롯형 외부 벽 영역에 인접한 도가니 바닥부 영역 내의 슬롯-세그먼트형 벽의 외주부 둘레에 배치된다.
또다른 양태에 있어서, 본 발명은 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니 내에서 잉곳을 전자기 주조하는 방법이다. 예비 잉곳 재료 장입물이 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역을 가지는 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽에 의해 형성된 도가니 공간으로 공급된다. 자속장이 슬롯-세그먼트형 벽 외부의 슬롯-세그먼트형 벽의 높이의 일부 둘레에 발생된다. 자속장은 도가니 공간 내로 침투하여 도가니 공간 내부의 예비 잉곳 재료 장입물을 유도 가열 및 용융시켜 도가니 공간 내부에 용융된 예비 잉곳 조성물을 형성한다. 용융된 예비 잉곳 조성물은 도가니 공간 내부에서 적어도 부분적으로 응고되어 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에 잉곳을 형성한다. 자속장은 비슬롯형 외주 벽 영역에 인접한 슬롯-세그먼트형 벽 내로 침투하는 것이 억제된다.
본 발명의 다른 양태가 본 명세서 및 첨부의 청구범위에 설명된다.
본 발명의 설명을 위해 현시점에서 바람직한 실시형태를 여기에 간략히 설명되는 도면에 도시한다. 하지만, 본 발명은 도시된 정확한 구성 및 수단에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.
도 1a는 전자기 주조 공정에 사용될 수 있는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 단순화된 측단면도이다.
도 1b는 성형된 잉곳이 도가니의 바닥부를 빠져나가고 있는 도 1a에 도시된 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 단순화된 측단면도이다.
도 1c는 예시적인 용융 매스와 응고 매스가 전자기 주조 공정 중의 도가니 내에 있는 상태를 보여주는 도 1b에 도시된 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 단순화된 측단면도이다.
도 1d는 도가니의 원주 둘레에 바닥부 수평방향 연결 부재를 가지고 있는 도가니의 바닥부 개구부 아래로의 자속의 확장으로 인해 도 1a에 도시된 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에 발생하는 이상부(anomaly)의 부분 단면 상세도이다.
도 2는 전자기 주조 공정에 사용하기 위한 본 발명의 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 하나의 실시예의 등각도이다.
도 3은 성형된 잉곳이 도가니의 바닥부를 빠져나가고 있는 도 2에 도시된 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 단순화된 측단면도이다.
도 4는 유도 코일에 AC 전원이 공급될 때의 대표적인 자속장 패턴을 가지고 있는 도 2에 도시된 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 단순화된 측단면도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 하나의 실시예에 사용될 수 있는 바닥부 자기 차폐체의 하나의 실시예의 평면도 및 측면도이다.
도 6은 도 1d에 도시된 이상부(anomaly)를 제거하는 바닥부 자기 차폐체를 구비한 본 발명의 바닥부 개방 전기 유도식 저온 도가니의 부분 단면 상세도이다.
여기에 사용되는 용어인 "도전성 재료"는 변동하는 순도를 가진 실리콘 기재 조성물과 같이, 고체 상태에서는 반드시 도전성일 필요는 없지만 용융 상태에서는 도전성인 재료를 포함한다.
도 2 내지 도 4에, 전자기 주조 공정에 사용하기 위한 본 발명의 하나의 실시예의 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니(10)가 도시되어 있다. 도면에 도시된 특정 실시예에서는, 2 코일 구성이 사용되고 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니는 37-1/8 in(인치)의 전체 높이(h3)를 가지고 있고, 13-3/4 in의 정상부 측변 길이(L1); 14 in의 경사 바닥부 측변 길이(L2); 및 코일간 자기 차폐체(18)에서 시작하여 도가니의 바닥부 쪽으로 연장된 13-1/2 in의 경사부 높이(h2);를 가지는 정사각형 내부 공간을 형성하도록 구성된 60개의 수냉식 수직방향 부재(12)(슬롯형 벽 세그먼트)를 포함하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 절연 슬롯(14)의 전체 높이(h4)는 26-3/4 in이고, 슬롯(14)의 바닥부는 도가니의 바닥부로부터 1 in의 거리(h5) 만큼 떨어져 끝난다. 슬롯의 바닥부는 바닥부 연결 부재(17)의 위치에서 끝난다. 슬롯-세그먼트형 벽과 바닥부 연결 부재는 적합한 도전성 재료로 형성된다.
본 발명의 이 실시예에서의 바닥부 자기 차폐체(20)는, 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 16-3/4 in의 측변 길이(L3); 6 in의 환형체 폭(L4); 및 1/4 in의 두께(L5);를 가진 구리제 직사각형 평면형 환형체로 이루어져 있다. 바닥부 자기 차폐체(20)는 바닥부 연결 부재(17)의 높이가 더해진 바닥부 슬롯 끝부보다 대략 1-1/2 in 만큼 높게 위치되도록 도가니의 바닥부로부터 2-1/2 in 높이(h6)에 설치되어 있다. 다시 말해, 바닥부 자기 차폐체(20)는 연속적이고 도전성인 비슬롯형 벽 영역으로서 설명될 수 있는 바닥부 연결 부재(17)에 인접한 도가니 바닥부 영역의 슬롯-세그먼트형 벽의 외주부 둘레에 배치된다.
전술한 바닥부 자기 차폐체(20)는 적합한 자기 차폐체의 하나의 실시예이다. 본 발명에 있어서, 바닥부 자기 차폐체는, 바닥부 구리제 연결 부재(수평방향)가 유도장의 지배를 받지 않게 되어 적재물에 근접하여 전류를 전도하지 않고 따라서 그것이 설치되지 않았을 경우에 발생할 부정적 가열 작용을 완화시키도록, 유도 전류를 도가니의 외부 위치로 전도시키게 되는 임의의 형태로 형성될 수 있다. 바닥부 자기 차폐체는 자속장이 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역(바닥부 연결 부재(17))에 인접한 슬롯형 벽으로 침투하는 것을 억제한다. 바닥부 자기 차폐체는 냉각 매체 순환 장치에 연결하기 위한 적합한 공급용 끝부 및 복귀용 끝부(22a, 22b)를 구비한 도관(22)과 같이 바닥부 자기 차폐체 내부에 설치되거나 바닥부 자기 차폐체에 부착되는 통로를 통해 냉각 매체를 순환시키는 것에 의해 냉각될 수 있다.
본 발명의 도가니(10)의 한가지 적용처는 도가니가 불활성 분위기에서 작동하는 선택적으로 밀봉가능한 전자기 주조로 용기 내에 설치되는 실리콘 전자기 주조 공정이다. 유도 코일(16a, 16b)은 도가니 공간 외부 둘레에 설치되고, 코일간 자기 차폐체(18)가 밀봉된 노 용기 내부의 코일들 사이에 위치되고, 2개의 코일(16a, 16b)은 도가니의 높이의 일부 둘레에 적층된(인접한) 형태로 배열된다. 적합한 장입물 공급 장치가 고체 실리콘 장입물을 밀봉된 용기 내부의 도가니의 개방형 정상부 내로 공급하는 데 사용될 수 있다. 초기에는 당업계에 알려진 보조 가열 장치에 의해 충분한 도전성 용융 실리콘이 도가니 내에 형성될 때까지 비도전성 고체 장입물이 가열 및 용융되고, 추가적으로 유도 코일을 통한 교류 흐름이 용융물 및 도가니를 빠져나가는 잉곳(90)의 길이가 성장함에 따라 용융물에 공급되는 추가의 고체 장입물을 유도 가열할 수 있다. 잉곳이 추가로 응고되어 감에 따라 잉곳의 온도를 제어하기 위해, 도가니의 바닥부 출구 위치에(밀봉된 노 용기의 내부나 외부에) 온도 제어 장치가 사용될 수 있다. 잉곳(90)은 도가니 및 밀봉된 노 용기로 빼내어질 때 잉곳 지지 부재(30) 상에 지지된다. 잉곳 지지 부재(30)는 그래파이트로 형성되어, 노 내의 초기 고체 실리콘 장입물의 가열 및 용융에 있어서의 가열 요소로서 사용될 수 있다. 수직방향 후퇴 장치(32)가 잉곳 지지 부재(30)의 바닥부에 부착되어, 도가니의 바닥부로부터의 잉곳의 수직방향 하강 속도를 제어한다.
일단 초기 고체 실리콘 장입물이 보조 가열 장치에 의해 도가니 내에서 용융되면, 상부측 유도 코일(16a)의 양 단자를 가로질러 전압을 인가하여 상부측 유도 코일(16a)로부터 대략 15 kHZ의 750 kW까지 유도 전력 출력을 증가시키는 것에 의해 용융물로의 유도 에너지가 제공된다. 이어서 또는 상부측 유도 코일(16a)에 의한 유도 에너지와 조합하여, 하부측 유도 코일(16b)의 양 단자를 가로질러 전압을 인가하여 하부측 유도 코일(16b)로부터 대략 35 kHZ의 300 kW까지 유도 전력 출력을 증가시키는 것에 의해 용융물로의 추가의 유도 에너지가 제공된다. 전술한 유도 에너지 출력을 성취하기 위해 상부측 유도 코일(16a)로 인가된 단자 전압은 대략 최대 600 V이었고, 하부측 유도 코일(16b)에 인가된 단자 전압은 대략 최대 600 V이었으며, 따라서, 각각 대략 600 V 미만으로 단자 전압을 제한하여, 전술한 용융물 오염 문제를 피하였다.
도 6은 도가니의 바닥부 근처에서의 부분 단면 열 모식도로 본 발명의 대표적인 장점을 예시하고 있다. 본 발명에서와 같이 도가니의 외부에 바닥부 자기 차폐체(20)를 위치시키고 있는 도 6을 바닥부 자기 차폐체가 사용되지 않은 도 1d와 비교하면, 본 발명의 바닥부 자기 차폐체의 사용에 의해, 도 1d의 예와 동일한 코일 내의 전류에 대해, 바닥부 연결 부재(17)(수평방향)는 유도장의 작용으로부터 차폐되고, 파선의 구분선이 부정적 가열 작용이 완화되고 있다는 것을 보여준다.
전술한 본 발명의 실리콘 전자기 주조 공정은 잉곳으로 형성될 용융 예비 잉곳 조성물을 발생시키는 예비 잉곳 장입물 재료의 적합한 선정에 의해 실리콘과 다른 조성물과도 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 전술의 실시형태에서 2 코일 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니를 예시하였지만, 본 발명은 바닥부 자기 차폐체를 최하측 코일, 슬롯(14a)의 하단부 및 바닥부 개구부에 대해 2 코일 구성과 관련하여 전술한 바와 같이 위치시킴으로써 단일의 코일 또는 2개가 아닌 다수의 코일이 도가니의 외부를 에워싸고 있는 도가니에도 적용될 수 있다.
본 발명의 전술의 실시형태가 내부 도가니 공간이 정사각형 단면을 가지는 도가니를 설명하였지만, 본 발명은 내부 도가니 공간이 원형 단면을 가지는 다른 형태에도 적용될 수 있다.
여기서 "연속 전자기 주조 공정"이란 용어가 예컨대 간헐적 전자기 주조 공정을 포함하는 것으로 사용될 때는, 주조 공정은 소정 높이로 제조된 잉곳이 도가니의 바닥부를 빠져나간 후 또다른 잉곳의 생산을 계속하기 전에 제조된 잉곳이 이전될 수 있도록 정지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태를 예시적으로 설명하였지만, 이러한 실시형태는 본 발명의 예시일 뿐이며, 본 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다. 또한, 일부 구성의 생략, 대체 또는 다른 수정이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명에 의해서 한정되는 것으로 간주되어서는 안된다.

Claims (18)

  1. 전자기 주조용 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니에 있어서, 상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니는:
    유도 가열 및 용융을 위해 장입물이 공급될 수 있는 도가니 공간으로서, 상기 도가니 공간 내에서의 후속하는 응고에 의해 상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에서 잉곳이 형성되고, 상기 도가니 공간은 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽에 의해 형성되고, 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽은 상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에서 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역을 가지도록 되어 있는, 도가니 공간; 및
    상기 도가니 공간의 높이의 일부를 에워싸는 적어도 하나의 유도 코일로서, 교류가 상기 적어도 하나의 유도 코일을 통해 흐를 때, 상기 도가니 공간 내의 장입물을 유도 가열 및 용융시키도록 되어 있는 적어도 하나의 유도 코일;을 포함하고 있고,
    상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역에 인접한 도가니 바닥부 영역 내의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 외주부 둘레에 배치되는 바닥부 도전성 자기 차폐체를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 바닥부 도전성 자기 차폐체는 구리제 직사각형 평면형 환형체를 포함하는 것을 특징으로 하는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 바닥부 도전성 자기 차폐체는 수냉식으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 코일은 상기 도가니 공간의 높이의 일부에 서로 인접하여 배열되어 코일간 자기 차폐체에 의해 서로 분리된 상부측 유도 코일 및 하부측 유도 코일로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니.
  5. 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니 내에서 잉곳을 전자기 주조하는 방법에 있어서,
    상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에서 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역을 가지는 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽에 의해 형성된 도가니 공간으로 예비 잉곳 재료 장입물을 공급하는 단계;
    상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 외부의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 높이의 일부 둘레에, 상기 도가니 공간 내로 침투하여 상기 도가니 공간 내부의 상기 예비 잉곳 재료 장입물을 유도 가열 및 용융시켜 상기 도가니 공간 내부에 용융된 예비 잉곳 조성물을 형성하는 적어도 하나의 자속장을 발생시키는 단계; 및
    상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에서 잉곳을 형성하기 위해 상기 도가니 공간 내부의 상기 용융된 예비 잉곳 조성물을 적어도 부분적으로 응고시키는 단계;를 포함하고 있고,
    상기 적어도 하나의 자속장이 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외부 벽 영역에 인접한 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 내로 침투하는 것을 억제하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자속장이 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외부 벽 영역에 인접한 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 내로 침투하는 것을 억제하는 단계는 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역에 인접한 도가니 바닥부 영역 내의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 외주부 둘레에 구리제 직사각형 평면형 환형체를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 구리제 직사각형 평면형 환형체를 냉각시키는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 외부의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 높이의 일부 둘레에, 상기 도가니 공간 내로 침투하여 상기 도가니 공간 내부의 상기 예비 잉곳 재료 장입물을 유도 가열 및 용융시켜 상기 도가니 공간 내부에 용융된 예비 잉곳 조성물을 형성하는 적어도 하나의 자속장을 발생시키는 단계는 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 외부를 에워싸고 있고 서로 인접하여 배열되어 코일간 자기 차폐체에 의해 서로 분리된 상부측 유도 코일 및 하부측 유도 코일을 통해 흐르는 각각의 교류에 의해 제1 자속장 및 제2 자속장을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니를 밀봉가능한 노 용기 내에 봉입하는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자속장이 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외부 벽 영역에 인접한 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 내로 침투하는 것을 억제하는 단계는 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역에 인접한 도가니 바닥부 영역 내의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 외주부 둘레에 구리제 직사각형 평면형 환형체를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 구리제 직사각형 평면형 환형체를 냉각시키는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니 내에서 실리콘 잉곳을 전자기 주조하는 방법에 있어서,
    상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에서 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역을 가지는 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽에 의해 형성된 도가니 공간으로 실리콘 재료 장입물을 공급하는 단계;
    상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 외부의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 높이의 일부 둘레에, 상기 도가니 공간 내로 침투하여 상기 도가니 공간 내부의 상기 실리콘 재료 장입물을 유도 가열 및 용융시켜 상기 도가니 공간 내부에 용융된 실리콘 조성물을 형성하는 적어도 하나의 자속장을 발생시키는 단계; 및
    상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니의 바닥부 개구부에서 실리콘 잉곳을 형성하기 위해 상기 도가니 공간 내부의 상기 용융된 실리콘 조성물을 적어도 부분적으로 응고시키는 단계;를 포함하고 있고,
    상기 적어도 하나의 자속장이 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외부 벽 영역에 인접한 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 내로 침투하는 것을 억제하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자속장이 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외부 벽 영역에 인접한 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 내로 침투하는 것을 억제하는 단계는 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역에 인접한 도가니 바닥부 영역 내의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 외주부 둘레에 구리제 직사각형 평면형 환형체를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 구리제 직사각형 평면형 환형체를 냉각시키는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 외부의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 높이의 일부 둘레에, 상기 도가니 공간 내로 침투하여 상기 도가니 공간 내부의 상기 실리콘 재료 장입물을 유도 가열 및 용융시켜 상기 도가니 공간 내부에 용융된 실리콘 조성물을 형성하는 적어도 하나의 자속장을 발생시키는 단계는 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 외부를 에워싸고 있고 서로 인접하여 배열되어 코일간 자기 차폐체에 의해 서로 분리된 상부측 유도 코일 및 하부측 유도 코일을 통해 흐르는 각각의 교류에 의해 제1 자속장 및 제2 자속장을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니를 밀봉가능한 노 용기 내에 봉입하는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자속장이 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외부 벽 영역에 인접한 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽 내로 침투하는 것을 억제하는 단계는 상기 연속적이고 도전성인 비슬롯형 외주 벽 영역에 인접한 도가니 바닥부 영역 내의 상기 도전성이고 수냉식인 슬롯-세그먼트형 벽의 외주부 둘레에 구리제 직사각형 평면형 환형체를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 구리제 직사각형 평면형 환형체를 냉각시키는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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