KR20150131121A - 마그네틱 펌프 설비 - Google Patents

Abstract

펌프 외주의 상당 부분을 둘러싸는 길고 상대적으로 얇은 측벽을 가지는 금속 용해로 내 펌프 웰 내에서 마그네틱 펌프는, 더욱 양호한 마그네틱 커플링으로 용해 재료 중 와전류 기반의 유동장 생성을 촉진시킴으로써, 펌프 효율성을 개선시킨다. 웰 벽 파열로 인하여 금속은 로 외부로 유출되지 않을 것이고, 웰은 임의의 이러한 파열 또는 기타 변화에 대하여 감시되어 이러한 파열이 발생하는 경우 펌프는 용탕과의 접촉을 피하기 위하여 웰 외부로 상승되거나, 또는 기타 적합한 동작이 취해질 수 있다.

Description

마그네틱 펌프 설비{MAGNETIC PUMP INSTALLATION}

본원은 2013.03.11자 출원되고, 본원에 참고문헌으로 전체가 통합되는 미국임시특허출원번호61/776,316의 우선권 이익을 주장한다. 본 발명은 비-철 금속 용해로에서 재료 순환에 사용되는 펌프, 더욱 상세하게는, 전자기 또는 영구자석-기반의 용탕 펌프의 배치 및 운전에 관한 것이다.

여러 이유들로 비-철 금속 용해로에서 재료를 유동시키는 것이 바람직하다. 이러한 유동 또는 교반을 일으키도록 금속에 와전류를 유도하기 위하여 때로 마그네틱 펌프가 사용된다. 일부 공지 펌프에서는 전자기 장치들이 사용되고, 다른 이러한 펌프에서는 영구자석들이 사용된다. 이러한 펌프는 전형적으로 로의 측벽 외부에 부착되고, 용탕은 펌프 구조체 내로, 그리고, 그 주위로 관입된다(미국공개특허 공개번호 2011/0248432 및 2010/0244338에서 공개된 바와 같고, 두 문헌 모두 참고문헌으로 본원에 통합된다). 이는 로 외부로 용탕이 이동되고, 이러한 펌프 및 연관 구조체로부터의 구속되지 않은 누출의 가능성을 높인다는 의미이다. 더욱이, 일부 기존 장치들은 로 외벽들을 통하여 자속을 통과시키고, 이러한 로 외벽들은 안전성 이유로 더욱 두꺼워질 필요가 있다.

이러한 방법들 각각은 용탕 교반에 있어서 비효율적이고 로 측벽을 통하여 또는 금속이 통과하는 로 외부의 구조체들 내부에서 상당한 용탕 누설 위험성이 생긴다. 이러한 누출 또는 파열로 인하여 펌프 구조체에 대한 손상 위험성은 물론이고 펌프 구조체 외부에서 상당한 누설 위험성이 존재한다.

본 특허에서 사용되는 용어 "발명", "상기 발명", "이 발명" 및 “본 발명”은 본 특허의 모든 주제 및 하기 특허청구범위를 포괄적으로 언급할 의도이다. 이러한 용어들을 포함한 진술들은 본원에 기재된 주제를 한정하거나 하기 특허청구범위 의미 또는 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다. 본 특허에서 포괄되는 발명의 실시태양들은 본 요약이 아닌 하기 청구범위에 의해 정의된다. 본 요약은 본 발명의 다양한 양태들의 고차원적 개관이고 하기 상세한 설명에서 추가로 설명되는 일부 개념들을 소개하는 것이다. 본 요약은 청구 주제의 핵심 또는 실질적 특징들을 확인하거나 청구 주제의 범위를 판단하기 위하여 독자적으로 사용될 의도는 아니다. 주제는 본 특허의 명세서 전반의 적합한 부분들, 임의 또는 모든 도면들 및 각각의 청구항을 참조하여 이해되어야 한다.

본 발명은, 전자기 또는 영구자석 기반의 펌프일 수 있는 마그네틱 펌프를, 로의 사이드 웰(side well) 입구 및 펌프 외주의 상당 부분 주위를 둘러싸는 길고, 상대적으로 얇은 측벽을 가지는 펌프 웰에 배치함으로써 상기 문제점들을 해결하고 기타 이점들을 제공한다. 펌프 웰의 길고 얇은 측벽 및 펌프 웰 주위의 상당한 포위 각(wrap angle)으로 인하여 양호한 마그네틱 커플링으로 용해 재료에서 강한 와전류 기반의 유동장(flow field) 발생이 용이하고, 따라서 펌프 효율성이 개선된다. 웰 벽 파열 및 용탕의 웰 내부로의 유동은 로 외부로 금속 유출을 일으키지 않으므로 상대적으로 얇은 펌프 웰 벽의 파열 위험성은 허용된다. 더욱이, 웰은 임의의 이러한 파열에 대하여 감시되고 이러한 파열이 생기는 경우 용탕과의 접촉으로부터 펌프를 보호하기 위하여 펌프를 웰 밖으로 상승시킬 수 있다.

도 1은 금속로 내부의 웰에 있는 본 발명 펌프의 사시도이다.
도 2는 도 1 장착된 펌프의 단면도이다.
도 3은 로 및 본 발명의 펌프의 개략 평면도이다.
도 4는 금속로 내부의 웰에 있는 본 발명 펌프의 또 다른 실시태양의 개략적은 부분 측단면도이다.
도 5는 로 및 또 다른 실시태양에 의한 펌프의 개략 평면도이다.
도 6-7은 실시태양에 의한 리프트 시스템의 등각도이다.
도 8은 로 및 또 다른 실시태양에 의한 펌프의 개략 평면도이다.

본 발명 실시태양들의 주제는 법정 요건들을 충족하도록 특정하여 기술되지만 본 설명은 반드시 청구항들의 범위를 한정할 의도는 아니다. 청구된 주제는 다른 방식으로 구현될 수 있고, 상이한 요소들 또는 단계들을 포함할 수 있고, 다른 기존 또는 미래 기술들과 함께 사용될 수 있다. 개별 단계들 또는 요소들의 배열 순서가 명시적으로 기재되지 않는 한 본 설명은 다양한 단계들 또는 요소들 중 또는 이들 사이에 임의의 특정 순서 또는 배열을 의미하는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명은, 전자기 또는 영구자석 기반의 펌프일 수 있는 마그네틱 펌프(10)를, 금속 용해로(16) 외벽(14) 내부에 전적으로 배치되는 웰(12) 내부 및 로(16)의 사이드 웰(18) 입구(22) 근처에 배치함으로써 상기 문제점들을 해결한다. 소정 종류의 스크랩이 사이드 웰(18)에 투입되고, 펌프(10)에 의해 발생되는 용탕에서의 추가 난류는 스크랩을 신속하게 침강시키고 용해시킨다. 또한 사이드 웰(18)에서의 교반은 로(16)의 메인 노상 영역(hearth area, 20)에 있는 금속을 교반한다.

다른 펌프 구성들이 사용될 수 있지만, 도 1-2에 도시된 펌프(10)는 기어박스(26)와 결합된 전동기(24)에 의해 구동되는 영구자석 펌프이다. 전동기(24)는 교류 또는 직류에 의해 전기적으로 동력이 제공되거나, 유압적으로 동력이 제공되거나 또는 기타 방식으로 작동되어 회전력을 제공한다. 전동기(24)와 수직 샤프트(도 1-3에서 미도시) 사이에 개재되는 기어박스(26)는, 전동기(24)의 상대적으로 높은 회전 속도를 감소시킨다. 이는 공기, 질소 또는 기타 적합한 냉매가 입구(34)를 통하여 순환되는 냉각 재킷(30) 내벽(28) 내부에서만 회전되는 하나 이상의 영구자석들의 배열체(역시 도 1-2에서 미도시)를 회전시키기 위한 더욱 낮은 회전 속도를 제공한다.

냉각 재킷(30)은 로(16) 웰(12)의 상대적으로 얇은 내화물 벽체(32)에 인접한다. 이러한 냉각은 열적 냉각 평면을 유지한다. 이는 알루미늄 또는 기타 용탕이 웰(12)의 벽체(32)에 용해에 의해 구멍을 형성할 가능성을 감소시킨다. 그럼에도 불구하고 이러한 구멍들이 형성되는 경우, 금속은 여전히 로 내부에 잔류하므로, 결과는 전형적으로 로 외벽 파열과 잠재적으로 연관된 결과보다 덜 심각할 것이다.

언급된 바와 같이, 다른 펌프 배열체, 예컨대 전자기식 펌프가 영구 회전식 펌프대신 사용될 수 있다. 예를들면, 유도 전동기 예컨대 본원에 참고문헌으로 통합되는 1974.7.16자 발행된 미국특허번호 3,824,414에 기재된 것은, 로의 사이드 웰 내부로 통합될 수 있다. 도 8은 금속 용해로(216) 내부에 전적으로 배치되는 웰(212) 내부 및 로(216)의 사이드 웰(218) 근처에 위치하는 선형 유도 전동기(200)를 도시한 것이다. 일부 실시태양들에서, 선형 유도 전동기에서 통상 평탄한 표면은 도 8에 도시된 바와 같이 볼록하다. 사이드 웰(212)에서의 교반은 또한 로의 다른 영역에 있는 금속을 교반시키고 메인 노상 영역(220) 및 로(216)의 사이드 웰(218) 사이에서 화살표(215) 방향으로 금속을 순환시킨다. 일부 실시태양들에서, 침강 포트들(222)로 인하여 금속은 사이드 웰(218) 및 노상 영역(220) 사이에서 유동된다. 침강 펌프(224)는 사이드 웰(218)에 투입되는 임의의 스크랩(예컨대, 제한되지 않지만, 경량 게이지, 클립들, 칩들, 또는 소비자 사용 후 베일(bale) 스크랩)을 침강 및 용해시키는데 사용된다.

본 발명의 펌프 배열체는 마그네틱 펌프에 의해 발생되는 와전류 기반의 유동장에 의해 용탕을 이동시키고, 따라서 금속을 교반하고 금속 내부에서 균일 온도를 유지시키는 개방 채널 유동 시스템을 제공한다. 로 내부에 있는 웰의 상대적으로 얇은 벽 내부의 펌프 배열체는 이동 금속과 마그네트 사이의 거리를 최소화시키고, 따라서 용해 재료의 강한 와전류를 발생시키기 용이하여, 펌프 효율성을 개선시킨다.

일부 경우들에서, 로 내부에 마그네틱 펌프가 위치하여 상당한 선형 와류들이 금속 내부에 발생된다. 예로써, 마그네트는 웰의 얇은 벽 두께 대략 절반 이내(펌프에 가장 인접)에 있는 용탕에 대해 와전류 기반의 유동장을 발생시키고 마그네트에 가장 인접한 금속의 이 부분을 따른 선형 유동을 강제하도록 위치되고 구성된다. 얇은 벽 내측에 있는 대략 다른 절반의 용탕은 동조적으로 사행 경로로 유동하고 이는 다시 웰의 깊이를 통해 강한 선형 와류를 발생시킨다.

도 4는 본 발명의 웰에 있는 마그네틱 펌프의 또 다른 실시태양을 도시한 것이다. 펌프(40)는 영구자석 기반의 펌프이고 메인 노상 영역(52) 및 사이드 웰(54)을 가지는 금속 용해로(50) 내부에 배치되는 웰(48) 내부에서 영구자석들(46)을 회전시키는 샤프트(44)를 구동하는 전동기/기어박스(42)를 포함한다. 화살표(56)로 표기되는 냉매는 송풍기(58)에 의해 웰(48) 내부로 송풍되고 포트(60)를 통해 배출된다. 제어기(70)는 전동기/기어박스(42) 및 송풍기(58)를 제어한다. 웰(48)이 파열되는 경우 검출기(62)의 신호는 리프트 시스템을 활성화시켜 펌프를 웰 외부로 상승시킨다. 도 4에 도시된 바와 같이, 리프트 시스템은 전동기/기어박스(42)에 부착되는 체인(64) 또는 케이블에 장착되고 펌프(40)를 손상으로부터 보호하기 위하여 웰(48) 외부로 펌프를 상승시킬 수 있는 호이스트(미도시)를 포함한다.

도 6-7은 파열되는 경우 펌프(예컨대 펌프(400))를 웰 밖으로 상승시키도록 구성되는 또 다른 비-제한적 실시태양의 리프트 시스템(300)을 도시한 것이다. 도 6-7에 도시된 리프트 시스템(300)은 다수의 휠들(303)을 가지는 카트(301)를 포함한다. 카트(301)는 일조의 레일들(302)을 따라 횡단하도록 구성되어 펌프(400)를 로에서부터 이동시킬 수 있다.

검출기(62)는 검출기 위치의 웰 내부 온도를 탐지할 수 있는 열전대 또는 기타 온도 검출기일 수 있다. 일부 경우들에서, 검출기(62)는 개방-단 보호관 및 세라믹 비드 절열체들을 가지는 복식 K 열전대이지만, 임의의 적합한 열전대 또는 기타 온도 검출기가 사용될 수 있다.

검출기(62)는, 대안으로, 다른 수단에 의해 웰 내에서 용탕 존재를 탐지할 수 있는 검출기일 수 있다. 검출기는 또한 직접 또는 간접적으로 조건, 예컨대 상승 온도, 기류 중단, 용탕 존재를 표시하는 전도도, 공기 중 습도 변화 또는 임의의 기타 파라미터 또는 감시 조건을 탐지할 수 있는 임의의 기타 검출기일 수 있다.

일부 실시태양들에서, 하나보다 많은 검출기(62)가 사용되고 일부 경우들에서, 하나보다 많은 타입의 검출기가 사용된다. 하나의 비-제한적 실시태양에서, 열전대 또는 다른 온도 검출기가 사용되고, 검출기는 또 다른 수단들, 예컨대 전도성 프로브로 전도도를 측정함으로써 용탕 존재를 검출할 수 있다. 하나의 비-제한적 실시태양에서, 하나의 검출기는 액체 레벨 감지 성능을 가지는 Warrick® 전도도 시스템 회로 예컨대, 제한되지 않지만, Warrick® 시리즈 16M 컨트롤의 일부일 수 있다.

사용되는 경우, 열전대 요소는 임의의 적합한 지점, 예를들면 제한되지 않지만, 웰(48) 바닥에서 대략 ½”에서 온도를 검출한다. 사용되는 경우, 전도도 시스템, 예컨대 제한되지는 않지만 Warrick 릴레이 기준 프로브는, 웰 벽에 직접 연결되어 임의의 금속 침투와 연관된 전도도를 감지함으로써 파열을 검출할 수 있다.

프로그램 가능 논리 제어기 또는 적합한 처리기는 검출기(62)로부터 신호를 수신하고 해석하여 임의의 적합한 동작을 개시한다. 예를들면, PLC는 경고음 또는 경고를 표시하여 로 운전자는 펌프(40)를 웰(48) 밖으로 올릴 것인지, 또는 임의의 다른 적합한 동작을 취할 것인지를 결정할 수 있다. 대안으로, PLC는 리프트 장치를 활성화하여 펌프(40)를 웰(48) 외부로 상승시킨다. 또한 검출기(62) 및/또는 PLC의 신호들은 자동으로 또는 운전자 동작을 통해, 예로써, 마그네트(46) 회전을 중지하거나 또는 전동기/기어박스(42) 작동을 조정함으로써 회전 속도를 조정하거나, 송풍기(58) 작동을 조정함으로써 냉각 기류(56)를 조정하거나, 또는 메인 노상(52) 또는 로(50)의 기타 일부에 대한 열 투입을 변경시킴으로써 달리 로를 제어하도록 사용된다.

도 5는 웰 내의 영구자석 펌프에 대한 실시태양의 또 다른 평면도이다. 도시된 바와 같이, 마그네틱 펌프(100)는 금속 용해로(116) 내부에 전적으로 배치되고 로(116)의 사이드 웰(118) 인근에 있는 웰(112)에 배치된다. 소정 타입의 스크랩(예컨대, 제한되지 않지만, 경량 게이지, 클립들, 칩들, 또는 소비자 사용 후 베일 스크랩)이 사이드 웰(118) 및/또는 사이드 웰(122)에 투입되고 펌프(100)에 의해 발생되는 용탕에서의 추가 난류는 스크랩을 신속하게 침강 및 용해시킨다. 사이드 웰(112)에서의 교반은 또한 로의 다른 영역에 있는 금속을 교반시키고 로(116)의 메인 노상 영역(120), 사이드 웰(118), 및 사이드 웰(112) 사이로 금속을 순환시킨다. 일부 실시태양들에서, 침강 포트들로 인하여 금속은 사이드 웰(112) 및 노상 영역(120) 사이 및 사이드 웰(112) 및 사이드 웰(118) 사이에서 유동이 가능하다.

상기 언급된 모든 특허들, 공개문헌들 및 요약들은 전체로서 본원에 참고문헌들로 통합된다.

도면들에서 도시되거나 상기 설명된 요소들의 상이한 배열들 및 도시되거나 설명되지 않은 요소들 및 단계들이 가능하다. 유사하게, 일부 특징들 및 부조합들이 유용하고 다른 특징들 및 부조합들을 참조하지 않고 적용될 수 있다. 본 발명의 실시태양들은 예시적이고 비-제한적 의도로 설명되었고 대안적 실시태양들은 본 발명의 독자들에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 본 발명은 상기되거나 도면에서 도시된 실시태양들로 한정되지 않고 다양한 실시태양들 미 변형들이 하기 청구범위에서 일탈되지 않고 가능한 것이다.

Claims (21)

1. 용탕이 담긴 용기에서 용탕을 순환시키는 장치에 있어서, 상기 장치는:
   용기 내부에 전적으로 배치되는 웰(well); 및
   웰 내부에 위치하는 마그네트를 포함하는, 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 마그네트는 회전식 또는 전자기식인, 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 웰의 파열을 검출할 수 있는 검출기를 더 포함하는, 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 검출기 신호에 대한 응답으로 마그네트를 웰 밖으로 상승시키도록 가동되는 리프트를 더욱 포함하는, 장치.
5. 금속 용해로에 있어서: 메인 노상(hearth), 사이드 웰, 적어도 메인 노상 및 사이드 웰을 둘러싸는 로 벽, 및 로 내부의 용탕을 교반하기 위한 장치를 포함하되, 상기 장치는: i. 로 내부에 전적으로 배치되고, 사이드 웰에 인접하고 로 벽과 접촉되지 않는, 대체로 원통형 내화물 벽을 포함하는 펌프 웰, 및 ii. 마그네트 조립체를 포함하고 적어도 부분적으로 펌프 웰 내부에 있는, 와전류(eddy current) 펌프를 포함하는, 금속 용해로.
6. 청구항 5에 있어서, 마그네트 조립체는 회전식 영구자석 조립체이고 펌프는 회전식 영구자석 조립체를 회전시키는 전동기를 더욱 포함하는, 금속 용해로.
7. 청구항 5에 있어서, 마그네트 조립체는 정지식 전자기조립체인, 금속 용해로.
8. 청구항 5에 있어서, 펌프 웰은 사이드 웰에 인접한, 금속 용해로.
9. 청구항 5에 있어서, 펌프 냉각 수단을 더욱 포함하는, 금속 용해로.
10. 청구항 9에 있어서, 냉각 수단은 냉매를 웰에 주입하는 송풍기인, 금속 용해로.
11. 청구항 10에 있어서, 적어도 하나의 마그네트 주위로 냉매를 통과시키는 재킷을 더욱 포함하는, 금속 용해로.
12. 청구항 5에 있어서, 웰의 파열을 검출하는 검출기를 더욱 포함하는, 금속 용해로.
13. 청구항 12에 있어서, 검출기 신호에 대한 응답으로 펌프를 웰 외부로 상승시키도록 가동되는 리프트를 더욱 포함하는, 금속 용해로.
14. 청구항 13에 있어서, 로 운전자 제어에 대한 응답으로 펌프를 웰 외부로 상승시키도록 가동되는 리프트를 더욱 포함하는, 금속 용해로.
15. 비-철 금속 용해로에서 사용되는 용탕 교반 장치에 있어서, 상기 장치는: a. 로 용기 내부에 위치할 수 있는 펌프 용기, b. 펌프 용기 내부에 위치하는 마그네트 배열체, 및 c. 펌프 용기에 위치하여, 펌프 용기 내의 적어도 하나의 파라미터를 결정할 수 있는 검출기를 포함하는, 용탕 교반 장치.
16. 청구항 15에 있어서, 마그네트 배열체는 전자기조립체를 포함하는, 용탕 교반 장치.
17. 청구항 12에 있어서, 마그네트 배열체는 적어도 하나의 영구자석 및 영구자석 회전용 전동기를 포함하는, 용탕 교반 장치.
18. 청구항 15에 있어서, 마그네트 배열체를 적어도 부분적으로 펌프 용기 외부로 옮기는 호이스트를 더욱 포함하는, 용탕 교반 장치.
19. 청구항 18에 있어서, 검출기가 적어도 하나의 파라미터를 결정할 때 호이스트는 마그네트 배열체를 펌프 용기 외부로 이동시키도록 구성되는, 용탕 교반 장치.
20. 청구항 15에 있어서, 검출기는 열전대인, 용탕 교반 장치.
21. 청구항 15에 있어서, 검출기는 전도도 검출기인, 용탕 교반 장치.

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