KR20200115634A - 링-형상 요소를 이용하는 부양 용해 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조 몰드에 상기 용해 배치의 주조를 도입하기 위한 전도성 재료의 링-형상 요소를 포함하는 주조용 부양 용해 공정 및 장치에 관한 것이다. 상기 공정에서, 상기 링-형상 요소는 상기 용해 배치를 주조하기 위해 상기 유도 코일들 사이의 상기 교번 전자기장 영역으로 도입되어, 상기 유도 자기장에 영향을 주어 상기 주조 몰드 내로의 상기 용해물의 타깃 런-오프(targeted run-off)를 개시한다.

Description

링-형상 요소를 이용하는 부양 용해 방법

본 발명은 용해 배치(molten batch)의 몰드(mould)의 주조를 시작하기 위한 전도성 재료(conductive material)의 링-형상 요소(ring-shaped element)를 이용하여 주조체들(cast bodies)을 제조하는 부양 용해 방법(levitation melting method) 및 장치(apparatus)에 관한 것이다.

이러한 방법에서, 상기 링-형상 요소는 상기 용해 배치를 주조하기 위해 상기 유도 코일들 사이의 상기 교번 전자기장(electromagnetic alternating field)의 영역으로 도입되어, 상기 유도된 자기장에 영향을 주어 상기 주조 몰드 내로 상기 용해물의 타킷 플로우(targeted flow)를 시작한다.

부양 용해 공정들(levitation melting processes)은 종래 기술로부터 알려져 있다. 따라서 DE 422 004 A는 상기 용해될 전도성 재료(conductive material)가 유도 전류들(inductive currents)에 의해 가열되고, 동시에 전기 역학적 작용(electrodynamic action)에 의해 부양되는 용해 방법(melting method)을 이미 개시하였다. 또한, 상기 용해 재료가 자석에 의해 운반되는, 몰드 내로 가압되는 주조(전기 역학적 압착 주조(electrodynamic pressed casting)) 방법이 기술되어 있다. 상기 방법은 진공(vacuum) 상태에서 수행될 수 있다.

US 2,686,864 A는 또한, 용해될 전도성 재료가 도가니(crucible)를 사용하지 않고 하나 이상의 코일들의 영향 하에 부양 상태 가령, 진공 상태로 들어가는 공정을 기술한다. 일 실시 예에서, 부양 중에 상기 재료를 안정화시키는데 두 개의 동축 코일들(two coaxial coils)이 사용된다. 용해 후, 상기 재료는 금형 내로 떨어지거나 보내진다. 상기 문헌에서 설명된 상기 공정은 60g 알루미늄 부분을 부양하는 것을 가능하게 했다. 상기 전계 강도(field strength)를 감소시키면 상기 용해 금속이 제거되어, 상기 용해물이 상기 원뿔형 협폭 코일(conically tapered coil)을 통해 하향으로 빠져나간다. 상기 전계 강도가 매우 빠르게 감소하면, 상기 금속이 용해 상태로 상기 장치 밖으로 떨어진다. 이러한 코일 정렬들의 "약한 점(weak spot)"이 상기 코일들의 중앙(centre)에 있으며, 이러한 방식으로 용해될 수 있는 재료의 양이 제한된다는 것은 이미 공지되어 있다.

또한 US 4,578,552 A은 부양 용해 장치 및 방법을 개시하고 있다. 동일한 코일은 상기 용해물 가열 용도 및 보유 용도로 사용되며, 상기 인가된 교류의 주파수는 상기 전류를 일정하게 유지하는 동안 상기 가열 전력(heating power)을 조절하기 위해 변화된다.

상기 부양 용해의 특별한 장점은 다른 방법 중에 상기 용해물과 접촉하는 도가니 물질 또는 다른 물질로 상기 용해물이 오염되는 것을 피하는데 있다. 예를 들어 티타늄 합금들(titanium alloys)과 같은 반응성 용해물(reactive melt)과 도가니 재료의 반응도 방지되며, 그렇지 않으면 세라믹 도가니들(ceramic crucibles)에서 상기 저온 도가니 방식(cold crucible method)으로 작동하는 구리 도가니들(copper crucibles)로 전환해야 한다. 상기 부양 용해물은 예를 들어, 진공(vacuum) 또는 불활성 가스(inert gas) 일 수 있는 상기 주변 대기와만 접촉한다. 도가니 재료와의 화학 반응을 두려워할 필요가 없기 때문에, 상기 용해물을 매우 높은 온도들로도 가열할 수 있다. 저온 도가니 용해와 달리, 상기 용해물에 유입되는 거의 모든 에너지가 상기 냉각된 도가니 벽으로 전환되어 높은 전력 입력으로 온도가 매우 느리게 상승하기 때문에 그 효과가 매우 저조하다는 문제점도 존재하지 않는다. 부양 용해에서, 유일한 손실은 상기 저온 도가니의 열 전도에 비해 상당히 낮은 복사 및 증발로 인한 것이다. 따라서, 더 낮은 전력 입력으로, 상기 용해물의 더 큰 과열은 훨씬 더 짧은 시간 내에 달성된다.

또한, 부양 용해 중에 상기 오염 물질의 스크랩이 감소되는데, 특히 상기 저온 도가니의 상기 용해물에 비해 더욱 그러하다. 그럼에도 불구하고, 부양 용해는 실제로 확립되지 않았다. 그 이유는 상기 부양 용해법에서는 비교적 적은 양의 용해 재료만 부양 상태로 유지할 수 있기 때문이다(DE 696 17103 T2, 2 페이지, 단락 1 참조).

또한 부양 용해 방법을 수행하기 위해, 상기 코일 필드의 로렌츠 힘(Lorentz force)이 상기 배치를 부양 상태로 유지하기 위해 상기 배치의 하중을 보상해야 한다. 상기 코일 필드에서 상기 배치를 상향으로 푸시한다. 상기 생성된 자기장의 효율을 높이기 위해, 대향 페라이트 극들 사이의 거리의 감소를 목표로 한다. 상기 거리 감소는 미리 결정된 용해물 중량을 유지하는데 필요한 저전압에서 동일한 자기장을 생성할 수 있다. 이에 따라, 더 큰 배치가 부양되도록 플랜트의 유지 효율성(holding efficiency)을 개선할 수 있다. 또한 상기 유도 코일들의 손실이 감소함에 따라 상기 가열 효율성(heating efficiency) 역시 증가한다.

상기 페라이트 극들 사이의 상기 거리가 작을수록 상기 유도 자기장이 커진다. 그러나 상기 주조의 상기 전계 강도를 줄여야 하므로, 거리가 멀어짐에 따라 상기 용해물로 상기 페라이트 극들과 상기 유도 코일들의 오염 위험이 증가한다. 이것은 수직 방향 뿐만 아니라 수평 방향으로의 유지력을 감소시킨다. 이로 인해 코일 필드보다 약간 위로 상기 부양 용해물의 수평 확장이 초래되고, 상기 페라이트 극들 사이의 좁은 틈새를 통해 아래에 위치한 상기 주조 몰드에 닿지 않고 떨어뜨리는 것이 극히 어렵다. 따라서 페라이트 극들의 거리를 감소시킴으로써, 상기 코일 필드의 운반 용량을 늘리는 것은 상기 접촉 확률에 의해 결정되는 실질적인 한계이다.

종래 기술로부터 알려진 방법의 문제점은 다음과 같이 요약될 수 있다. 전체(full) 부양 용해 방법은 소량의 재료에만 수행될 수 있으므로, 아직 산업 적용이 이루어지지 않았다. 또한 주조 몰드들에서 주조하기가 어렵다. 상기 페라이트 극들 사이의 거리를 줄임으로써, 와전류들(eddy currents) 발생 시, 상기 코일 필드의 효율성을 높일 경우 더욱 그렇다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 부양 용해의 경제적 사용(economic use)을 가능하게 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 특히, 상기 방법은 상기 코일 필드의 효율성을 개선하여 더 큰 배치들을 사용할 수 있도록 하고, 상기 용해물이 상기 코일들 또는 그 극들과 접촉하지 않고 상기 주조 공정이 안전하게 진행되도록 보장하는 동시에, 사이클 타임들을 단축시켜 높은 처리량을 가능하게 해야 한다.

본 목적은 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치에 의해 해결된다. 본 발명에 따르면, 전기 전도성 재료(electrically conductive material)로부터 부양 용해 방법(levitation melting method)에 의해 주조체들(cast bodies)을 제조하는 방법으로, 교번 전자기장들(alternating electromagnetic fields)이 배치(batch)의 상기 부양 상태를 유발하기 위해 사용되며, 상기 교번 전자기장들은 강자성 재료(ferromagnetic material)의 코어(core)를 가지는 적어도 한 쌍의 대향 유도 코일들로 생성되며,

- 상기 적어도 하나의 교번 전자기장의 영향권으로 출발 재료(starting material)의 배치(batch)를 도입하여(introducing), 상기 배치(1)가 부양 상태(levitating state)로 유지되는 단계,

- 상기 배치를 용해하는(melting) 단계,

- 상기 부양 배치 아래의 충전 영역(filling area)에 주조 몰드(casting mould)(2)를 위치시키는(positioning) 단계,

- 상기 유도 코일들 사이의 상기 교번 전자기장(electromagnetic alternating field)의 상기 영역에 전기 전도성 재료(electrically conductive material)의 링-형상 요소(ring-shaped element)를 도입하여(introducing), 상기 전체 배치를 상기 주조 몰드로 주조하는(casting) 단계,

- 상기 주조 몰드로부터 상기 응고된 주조체(solidified cast body)의 제거(removal) 단계를 포함한다.

상기 용해 배치의 상기 부피는 바람직하게는 주조체를 제조하기에 충분한 수준("충전 부피")으로 상기 주조 몰드를 충전하기에 충분하다. 상기 주조 몰드를 충전한 후, 냉각수로 냉각하거나 냉각되도록 하여, 상기 재료가 상기 몰드에서 응고되도록 한다. 그런 다음 상기 주조체를 상기 몰드에서 제거할 수 있다.

배치의 "전도성 재료(conductive material)"는 상기 재료를 유도 가열하고 부양 상태로 유지하기 위해, 적절한 전도성을 가지는 재료로 이해된다.

상기 링-형상 요소와 관련하여, "전기 전도성 재료(electrically conductive material)"는 상기 링-형상 요소에서 유도된 와전류들에 의해 상기 주변 자기장이 영향을 받을 수 있을 정도로 전기 전도성이 적어도 큰 재료로 이해된다.

본 발명에 따른 "부양 상태(levitating state)"는 상기 처리된 배치가 도가니(crucible) 또는 플랫폼(platform) 등과 어떠한 접촉도 없도록 완전한 부양(complete levitation) 상태로 정의된다.

'페라이트 극(ferrite pole)'이라는 용어는 본 출원에서 '강자성 물질의 코어(core of fer-romagnetic material)'라는 용어와 동의어로 사용된다. 마찬가지로, "코일(coil)" 및 "유도 코일(induction coil)"이라는 용어들도 동의어로 나란히 사용된다.

상기 유도 코일 쌍들을 서로 더 근접하게 이동시키면, 상기 생성된 교번 전자기장의 효율을 높일 수 있다. 이것은 더 무거운 배치들도 부양할 수 있게 한다. 그러나 배치를 주조할 때, 상기 코일들 사이의 자유 단면을 감소시킴에 따라 상기 용해 배치가 상기 코일들 또는 페라이트 극들과 접촉할 위험이 증가한다. 그러나 이러한 불순물들은 제거하기 어렵고, 시간이 많이 소요되므로, 상기 플랜트의 가동 중단 시간이 길어지기 때문에, 엄격하게 피해야 한다. 주조 시, 불순물들의 위험을 감수할 필요없이, 가능한 한 한 쌍의 유도 코일 쌍들의 더 좁은 거리의 장점을 활용할 수 있도록, 상기 배치의 상기 주조는 전기 전도성 재료의 링-형상 요소를 상기 부양 배치 아래의 상기 자기장으로 천천히 도입함으로써 시작된다. 상기 필드 생성 코일들의 상기 전류 강도는 상기 주조 공정이 완료될 때까지 변경되지 않는다.

상기 링-형상 요소에서, 와전류들은 상기 외부 자기장(external magnetic field)에 영향을 미치는 상기 주변 교번 전자기장(surrounding electromagnetic alternating field)에 의해 유도된다. 본 발명에 따른 "링-형상(ring-shaped)"이라는 용어는 원형 요소들(circular elements)뿐만 아니라 전체 표면 요소들(full-surface elements)은 물론이고, 다음 두 가지 조건들을 충족하는 다면체 물체(any polyhedral object)를 의미한다.

1. 상기 물체의 상기 표면은 폐쇄된 윤곽(closed contour)을 형성하여, 상기 자속이 이러한 물체를 통해 흐를(flow through) 수 없지만 그 주위를 흐르게(flow around) 한다. 이러한 방식으로, 상기 용해물 아래에서 최소 자기장(magnetic field minimum)을 생성할 수 있다.

2. 상기 물체의 중앙(centre)에는 상기 용해물이 통과할 수 있는 개구(opening)가 있다.

본 발명에 따른 이러한 전체-표면 링-형상 요소들의 예들은, 원통형 튜브(cylindrical tube) 외에 5개 이상의 모서리를 가진 다각형과 같이 본질적으로 둥근 구조를 형성하는 다각형 요소들을 기반으로 하는 관형 구조들(tubular structures)도 있다. 상기 전체-표면을 커버하지 않는 링-형상 요소들의 예들은, 큐브들(cubes) 또는 평행육면체들(parallelepipeds)로서, 격자 모델(lattice model)에서와 같이 전도성 재료들로부터 가장자리들에 의해서만 형성된다.

특히, 링-형상 요소의 상기 단부들에서 큰 자기장 유도가 발생하여, 상기 용해물이 상기 코일 평면을 통과할 때 상기 링-형상 요소의 상기 상부 에지(upper edge)에 닿는 것을 안정적으로 방지한다. 상기 주변 자기장의 감소가 상기 링-형상 요소의 상기 중심에서 동시에 발생하기 때문에, 상기 용해물에 대해 깔때기 효과(funnel effect)가 생성되는데, 이러한 깔때기 효과는 타깃 방식(targeted manner)으로 이러한 자기 깔때기(magnetic funnel)를 통과할 수 있고, 상기 링-형상 요소 아래에 위치한 상기 주조 몰드로 튀지 않고도(without splashing) 통과할 수 있다. 상기 나머지 용해물은 상기 링-형상 요소 위로 계속 부양하는 반면, 그 중심에서 천천히 흘러간다(slowly runs off ). 상기 링-형상 요소의 상기 직경은 상기 주조 몰드의 상기 깔때기-형상 충전 섹션의 상기 직경에 대응하거나 약간 더 작은 것이 유리하다.

상기 공지된 부양 용해 공정들과는 대조적으로, 상기 배치의 상기 주조는 상기 코일들의 상기 전류 강도를 줄이거나 상기 코일들을 완전히 차단하여 상기 하중(weight force)을 보상하는 상기 자기장의 상기 로렌츠 힘(Lorentz force)을 제거함으로써 달성되지 않지만, 상기 링-형상 요소로 상기 자기장 코스(magnetic field course)를 의도적으로 조작함으로써 달성된다.

일 실시 예에서, 상기 링-형상 요소의 상기 전기 전도성 재료는, 은, 구리, 금, 알루미늄, 로듐, 텅스텐, 아연, 철, 백금 및 주석으로 이루어진 상기 그룹으로부터 하나 이상의 요소들을 포함한다. 특히 본 명에서에는 황동(brass) 및 청동(bronze)과 같은 합금들이 포함된다. 상기 그룹은 특히 바람직하게는 은, 구리, 금 및 알루미늄으로 구성된다. 상기 링-형상 요소의 상기 가장 바람직한 전기 전도성 재료는 구리(copper)이며, 이로써 최대 5중량%의 이물들(foreign components)이 존재할 수 있다.

본 발명의 특히 유리한 실시 예에서, 상기 링-형상 요소는 상기 교번 전자기장으로 처음 도입되는 측면 상에서(on the side) 원추형으로 테이퍼진다(tapers conically). 이로 인해, 상기 용해물이 흘러내릴 수 있는 직경이 줄어들지만, 내부의 링-형상 요소가 상기 용해물에 닿아 오염될 위험을 줄인다. 상기 경사 방향의 쉘(obliquely oriented shell)에 보다 안쪽으로 향하고 더 작은 직경으로 강화된 상기 자기장 유도는, 상기 더 작은 통로 면적에도 불구하고 상기 용해물이 접촉없이 상기 링-형상 요소에 들어갈 수 있도록 안정적으로 보장한다. 따라서 상기 링-형상 요소의 상기 중앙에 집중된 상기 용해 제트(melt jet)는, 확장 직경에서 상기 링 벽까지 최적의 거리를 가진다.

바람직한 설계 변형에서, 상기 링-형상 요소는 중공-벽(hollow-walled)이며, 이는 상기 캐비티가 상변화 재료(phase change material: PCM)로 충전된다. 이를 통해, 상기 용해물이 상기 유도 코일들의 상기 교번 장에서 주조될 때 가열되는 상기 링-형상 요소를 효과적으로 냉각할 수 있다.

바람직하게는, 상기 링-형상 요소는 상기 용해 공정 동안 냉각된 베어링 표면(cooled bearing surface) 상에 놓이는 방식으로 냉각된다. 이것은 상기 다음 용해 공정 동안, 상기 상변화 재료를 재생하고, 상기 다음 주조 공정을 위해 상기 교번 장으로 다시 들어올려지기 전에 상기 링-형상 요소를 다시 냉각하기 위해, 집중적으로 냉각될 수 있다.

이에 대해 특히 바람직한 설계 변형은 상기 주조 몰드로부터 상기 교번 전자기장의 영역으로 도입되는 상기 유도 코일들 사이에서 상기 링-형상 요소를 들어올리는 것이다. 상기 링-형상 요소는 상기 주조 몰드가 상기 주조 위치로 들어올려질 때, 상기 주조 몰드의 상기 상부 단면보다 작은 직경으로 상기 상부 단부에서 칼라형 단면 축소(collar-like cross-sectional reduction), 또는 상기 주조 몰드 상의 적절하게 설계된 리셉터클들에 맞물릴 수 있는 핀들(pins)과 같이, 함께 운반되도록하는 적절한 수단을 가지고 있다. 원뿔형으로 테이퍼진 영역이 있는 링-형상 요소의 경우, 이것은 유인(entrainment) 수단으로 사용될 수 있다. 주조 후 상기 주조 몰드가 하강하면, 상기 링-형상 요소가 상기 냉각된 베어링 표면에 다시 위치하고, 상기 주조 몰드가 아래로 제거될 수 있다. 이것은 용해 플랜트 당 하나의 링-형상 요소만 존재해야 하며, 이것은 다른 주조 몰드에서 공동으로 사용된다는 장점이 있다. 상기 주조 몰드가 상기 리프팅을 담당하기 때문에 상기 용해 플랜트(melting plant)에서 상기 링-형상 요소를 리프팅하기 위한 추가 메커니즘은 생략될 수 있고, 그 구성 비용을 단순화하고 감소시킨다.

또 다른 매우 유리한 실시 예는 링-형상 요소가 상기 주조 몰드의 일부(part)인 것을 고려한다. 상기 링-형상 요소는 상기 주조 몰드의 일반적으로 깔때기-형상 충전 섹션의 상기 상부 에지 주위에 칼라-형(collar-like)으로 정렬될 수 있다. 또는, 상기 충전 섹션의 상기 상부 직경의 상기 연장을 형성할 수도 있다. 상기 링-형상 요소의 상기 깔때기 효과로 인해, 상기 주조 몰드의 깔때기-형상 충전 섹션의 직경은 평소보다 작을 수 있어, 상기 주조 몰드의 상기 상단이 상기 코일들 사이의 영역으로 삽입될 수 있을 정도까지 상기 직경을 줄일 수 있다.

이것은 상기 주조 몰드는 공급 위치(feed position)에서 상기 코일 정렬 아래의 상기 주조 위치(casting position)로 리프트 되어야 하기 때문에, 상기 용해 공정을 더욱 단순화하고 가속화한다. 본 발명에 따라 주조하기 위해서는, 이러한 리프팅이 약간 더 높게 이루어져야 한다. 따라서 상기 링-형상 요소를 개별적으로 리프트 하는 추가 메커니즘이 필요하지 않다. 또한 상기 몰드를 상기 주조 위치로 상기 리프트 하는 것은 상기 주조 자체와 결합될 수 있다. 특히 분실된 세라믹 몰드들(lost ceramic moulds)의 경우, 상기 링-형상 요소는 또한 제거 가능하도록 설계되어, 상기 몰드가 파손되기 전에 제거될 수 있고 새로운 몰드에서 즉시 재사용 할 수 있다. 예를 들어, 이것은 상기 주조 몰드의 상기 상부 부분을 플랫폼 형 확장(platform-like extension)에 의해 수행할 수 있고, 상기 깔때기-형상 충전 섹션의 상기 에지 위로 푸시될 때 상기 링-형상 요소를 배치할 수 있다.

본 발명에 따라 사용되는 상기 전기 전도성 재료는 배치로서, 바람직한 실시 예에서, 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 하프늄, 니오븀, 레늄, 몰리브덴 그룹으로부터 적어도 하나의 고-융점 금속(high-melting metal)을 가진다. 내지는, 니켈, 철 또는 알루미늄과 같은 저-융점 금속(less high-melting metal)도 사용될 수 있다. 하나 이상의 상기한 금속과의 혼합물 또는 합금도 전도성 재료로 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 금속은 상기 전도성 재료의 적어도 50 중량%, 특히 적어도 60 중량% 또는 적어도 70 중량%의 비율을 가진다. 이들 금속들은 특히, 본 발명의 장점들로부터 이익을 얻는다는 것이 밝혀졌다. 특히, 바람직한 실시 예에서, 상기 전도성 재료는 티타늄 또는 티타늄 합금, 특히 TiAl 또는 TiAlV이다.

이들 금속들 또는 합금들은 온도에 대한 점도의 현저한 의존성을 가지고, 특히 주조 몰드의 상기 재료들과 관련하여 특히 반응성이 있기 때문에, 특히 유리한 방식으로 가공될 수 있다. 본 발명에 따른 상기 방법은 부양 중 비접촉 용해(contactless melting)와 상기 주조 몰드의 매우 빠른 충전(extremely fast filling)을 결합하기 때문에, 이러한 금속들에 대해 특별한 장점이 실현될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 상기 용해물과 상기 주조 몰드의 상기 재료의 반응으로부터 특히 산화막(oxide layer)이 얇거나 심지어는 전혀 없는 주조체들을 제조하는데 사용될 수 있다. 특히 상기 고-융점 금속들의 경우, 상기 유도 와전류의 활용이 개선되고, 열 접촉으로 인한 열 손실들의 급격한 감소가 사이클 타임들과 관련하여 두드러진다. 또한, 상기 생성된 자기장의 상기 운반 능력을 증가시켜, 더 무거운 배치들도 부양 상태로 유지할 수 있다.

본 발명의 유리한 실시 예에서, 상기 전도성 재료는 용해하는 중에, 상기 재료의 상기 용융점보다 적어도 10℃, 적어도 20℃, 또는 적어도 30℃ 높은 온도로 과열된다. 이러한 과열로 인해, 온도가 상기 용해 온도 이하인 상기 주조 몰드와의 접촉 즉시 상기 재료가 응고되는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 상기 재료의 상기 점도가 너무 높아지기 전에 상기 배치가 상기 주조 몰드에 확산될 수 있다. 부양 용해의 장점은 상기 용해물과 접촉하는 도가니를 사용할 필요가 없다는 것이다. 이는 상기 도가니 벽에서 상기 저온 도가니 공정의 높은 재료 손실과 도가니 성분에 의한 상기 용해물의 오염을 방지한다. 또 다른 장점은 진공 또는 보호 가스 하에서 작동이 가능하고, 반응성 재료들과의 접촉이 없기 때문에, 상기 용해물을 비교적 높은 온도로 가열할 수 있다는 것이다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 재료들은 상기 주조 몰드와의 격렬한 반응의 위험을 감수하기 때문에, 임의로 과열될 수 없다. 따라서, 과열은 상기 도전성 재료의 상기 융용점보다 300℃ 이하, 특히 200℃ 이하, 특히 바람직하게는 100℃ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 방법에서, 상기 자기장을 집중시키고 상기 배치를 안정화시키기 위해, 적어도 하나의 상기 강자성 요소가 상기 배치가 용해되는 영역을 중심으로 수평으로 정렬된다. 상기 강자성 요소는 상기 용해 영역 주위에 링-형상으로 정렬될 수 있으며, 여기서 "링-형상(ring-shaped)"은 원형 요소들 뿐만 아니라 각진(angular), 특히 정사각형 또는 다각형 링 요소들(polygonal ring elements)을 의미한다. 상기 강자성 요소는 또한 상기 용해 영역의 상기 방향으로 특히 수평으로 돌출하는 여러 개의 바 섹션들(bar sections)을 가질 수 있다. 상기 강자성 요소는 바람직하게는 진폭 투과율(amplitude permeability) μa > 10, 더욱 바람직하게는 μa > 50, 특히 바람직하게는 μa > 100 인 강자성 재료로 구성된다. 진폭 투과율은 특히 25℃ ~ 150℃의 온도 범위에서, 0 ~ 500mT의 자속 밀도에서 투과율을 나타낸다. 상기 진폭 투과율은 특히 연 자성 페라이트(가령, 3C92)의 진폭 투과율의 적어도 1/100, 특히 적어도 1/10 또는 1/25에 해당한다. 적합한 재료들은 당업자에게 공지되어 있다.

일 실시 예에서, 상기 전자기장들은 적어도 두 쌍들의 유도 코일들에 의해 생성되고, 상기 종 축들이 수평으로 정렬되어, 상기 코일들의 상기 도체들은 바람직하게는 각각 수평으로 정렬된 코일 본체에 장착된다. 상기 코일들은 상기 용해 범위 방향으로 돌출하는 상기 강자성 요소의 바 섹션(bar section) 주위에 각각 정렬될 수 있다. 상기 코일들에는 냉각수 냉각 도체들(coolant-cooled conductors)이 있을 수 있다.

본 발명에 따르면, 또한, 전기 전도성 재료를 용해하는 부양 장치는, 교번 전자기장들에 의해 상기 배치의 부양 상태를 유발하기 위한 강자성 재료의 코어가 있는 적어도 한 쌍의 대향 유도 코일들, 및 상기 유도 코일들 사이의 상기 교번 전자기장의 영역으로 도입될 수 있는 전기 전도성 재료로 만들어진 링-형상 요소를 포함한다.

또한 본 발명에 따르면, 전기 전도성 재료로 구성되고, 상기 유도 코일들 사이의 영역에 배치를 도입하여, 상기 주조 몰드에 배치를 주조하기 위한 부양 용해 공정에서 주조 몰드의 일부인 링-형상 부재를 사용함에 있어서, 상기 배치의 상기 부양 상태를 유발하는 교번 전자기장을 생성한다.

도 1은 강자성 요소들, 코일들, 링-형상 요소 및 전도성 재료의 배치가 있는 용해 영역 아래의 주조 몰드의 측 단면도이다.
도 2는 상기 링-형상 요소가 상기 주조 몰드의 일부인 도 1의 변형의 측 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 상기 주조 공정 과정에서 원뿔형 테이퍼링을 가지는 링-형상 요소가 있는 변형의 측 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 상기 주조 공정 과정에서 상변화 재료를 가지는 링-형상 요소가 있는 변형의 측 단면도이다.

도면은 바람직한 실시 예들을 도시한다. 그것들은 설명의 목적으로만 사용된다.

도 1은 상기 코일들(3)에 의해 생성된 교번 전자기장들의 상기 영향 영역(용해 영역)에 있는 전도성 재료의 배치(1)를 도시한다. 상기 배치(1) 아래에는 홀더(holder)(5)에 의해 상기 충전 영역에 유지되는 빈 주조 몰드(empty casting mould)(2)가 있다. 상기 주조 몰드(2)에는 깔때기-형상(funnel-shaped)의 충전 섹션(filling section)(6)이 있다. 상기 홀더(5)는 상기 주조 몰드(2)를 화살표로 표시되는 공급 위치(feeding position)에서 주조 위치(casting position)까지 들어올리는 데 적합하다. 강자성 재료(ferromagnetic material)(4)가 상기 코일들(3)의 상기 코어 내에 정렬된다. 상기 한 쌍의 코일들(3)의 축들은 수평으로 정렬되며, 각각의 두 대향 코일들(3)은 한 쌍을 형성한다. 상기 배치(1)와 상기 주조 몰드(2)의 깔때기-형상 충전 섹션(6) 사이에 상기 링-형상 요소(7)가 상기 한 쌍의 코일들(3) 아래에 정렬된다. 상기 화살표로 표시된 것처럼, 수직으로 이동할 수 있다.

상기 배치(1)는 본 발명에 따른 상기 공정에서 부양하면서 용해되고, 상기 용해가 발생한 후 상기 주조 몰드(2) 내로 보내진다. 주조를 위해, 상기 링-형상의 요소(7)는 상기 코일들(3) 사이의 상기 자기장 영역으로 천천히 들어올려진다. 그 결과, 상기 용해물은 상기 코일들(3) 또는 상기 코어들 및 상기 링-형상 요소(7)의 내부를 오염시키거나 상기 주조 몰드(2)의 상기 깔때기-형상 충전 섹션(6) 내부에서 스프레이(spraying)하지 않고, 상기 링-형상 요소(7)를 통해 상기 주조 몰드(2) 내로 천천히 제어된 방식으로 통과한다.

도 2는 상기 링-형상 요소(7)가 상기 주조 몰드(2)의 일부인 도 1과 유사한 설계 변형을 보여준다. 도시된 상기 변형에서, 상기 링-형상 요소(7)는 상기 주조 몰드(2)의 상기 깔때기-형상 충전 섹션(6) 주위의 칼라(collar)로 설계되었다. 도 1의 상기 변형에서 상기 홀더(5)는 주조 중에 도시된 상기 위치에 남아 있고, 상기 링-형상 요소(7) 만 도시되지 않은 메커니즘에 의해 이동되는 동안, 본 명세서에서 상기 홀더(5)가 있는 상기 전체 주조 몰드(2)는 주조를 위해 도시된 상기 위치에서 더 위쪽으로 이동한다. 이는 상기 용해물과 상기 깔때기-형상 충전 섹션(6) 사이의 상기 거리가 동시에 감소되어, 상기 용해물의 상기 자유-낙하 거리(free-fall distance)를 최소화하는 추가적인 이점이 있다. 이를 통해 스프레이(spraying)가 안전하게 배제될(ruled out) 수 있다.

도 3은 상기 상단에 원추형 테이퍼(conical taper)가 있는 링-형상 요소(7)가 있는 설계 변형을 사용하는 단계별 주조 공정을 보여준다. 상기 도면에는 상기 링-형상 요소(7) 아래에 정렬된 상기 주조 몰드(2)가 도시되지 않는다.

도 3a는 상기 용해 공정의 종료 단계를 도시한다. 상기 링-형상의 요소(7)는 상기 코일들(3)의 상기 자기장 아래에 위치한다. 상기 용해물은 상기 코일들(3) 위 영역에서 부양한다. 상기 도시된 자기장 선들은 상기 코일들(3)의 강자성 재료(4)의 상기 극들 사이를 자유롭게 이동한다.

도 3b는 상기 링-형상 요소(7)가 상기 코일들(3)의 상기 자기장으로 진입하기 시작했을 때의 상황을 도시한다. 도시된 바와 같이, 상기 자기장 선들은 특히 상기 원뿔 영역에서 점점 더 편향되고, 상기 원뿔 및 원통형 부분의 상기 내부 영역을 관통하지 않도록, 상기 링-형상 요소(7) 주위로 안내된다. 상기 도면에서, 상기 링-형상 요소(7) 뒤에 있는 상기 자기장 선들은 점선으로 도시된다. 상기 로렌츠 힘의 밀도는 상기 링-형상 요소(7) 내의 상기 와전류들에 의해 생성된 상기 자기장으로 인해 상기 링-형상 요소(7)의 상기 팁들로의 상기 경사를 따라 크게 증가한다.

도 3c는 마지막으로 상기 주조 시작의 상황을 도시한다. 상기 링-형상 요소(7)의 중심에서, 상기 편향된 자기력들에 의해 생성된 상기 깔때기 효과(funnel effect)가 용해 제트(melt jet)의 시작을 형성했다. 상기 배치(1)의 상기 용해물의 첫 번째 큰 드롭(first large drop)이 이미 상기 원뿔의 개구로 돌출되고, 이에 의해 상기 원뿔 팁에서의 상기 자기장은 그 밑면에서 상기 부양 배치(1)의 상기 수축을 보장하고 접촉을 방지한다. 이에 따라, 상기 코일 영역에서 상기 용해물의 부피는 이미 약간 감소했다. 도면에서, 상기 링-형상 요소(7) 뒤에 이동하는 상기 자기장 선들과 상기 용해물 드롭이 다시 점선으로 도시된다. 상기 링-형상 요소(7)는 상기 배치(1)의 상기 전체 용해물이 상기 주조 몰드(2)로 흘러갈 때까지 계속해서 천천히 위쪽으로 푸시된다.

도 4a 내지 도 4d는 상기 캐비티 벽(cavity wall) 및 냉각된 베어링 표면(cooled bearing surface)에서 상변화 재료(phase change material)를 가지는 링-형상 요소(7)를 단계별로 가지는 설계 변형을 이용한 주조 공정을 도시한다.

도 4a는 상기 용해 공정의 종료 상황을 도시한다. 상기 완성된 용해물(1)은 강자성 재료 코어들(4)과 함께 상기 유도 코일들(3) 위로 부양한다. 상기 깔때기-형상의 충전 섹션(6)이 있는 상기 주조 몰드(2)가 아래에 제공된다. 주조를 위해, 상기 주조 몰드(2)가 상기 화살표로 표시된대로 위로 이동한다. 본 예에서 상기 주조는 원통형 튜브 형태의 링-형상 요소(7)에 의해 시작되며, 상기 중공 벽(hollow wall)에 상변화 재료(8)로 채워져 있다. 상기 용해 단계에서는 그것은 상기 강하게 냉각된 베어링 표면(strongly cooled bearing surface)(10) 상에 놓인다. 상기 주조 몰드(2)를 들어올리면, 상기 충전 섹션은 상기 냉각된 베어링 표면을 통해 상기 링-형상 요소(7)로 통과하고, 상기 칼라(collar)(9)를 통해 상기 링-형상 요소(7)를 들어올린다. 상기 링-형상 부재(7) 및 그것이 안착되는 상기 냉각된 베어링 표면(10)은, 상기 충전 섹션(6)의 상기 상부 외경을 거의 간극 없이 둘러싸도록, 그 내경이 치수화 된다. 상기 플랜지형 칼라(flange-like collar)(9)는 상기 깔때기 표면을 커버하지 않고 상기 충전 섹션(6)의 가장자리에 앉을 수 있을 정도로 안쪽으로 돌출된다.

도 4b는 상기 주조 공정의 시작 상황을 도시한다. 상기 링-형상 요소(7)가 턴 오버된(turned over) 주조 몰드(2)는 상기 부양 용해물(1) 아래로 상기 코일 필드(coil field)로 리프트 되었다. 상기 주조를 수행하기 위해, 이제 상기 용해물(1)이 상기 주조 몰드(2)로 흘러갈 때까지 조금 더 위로 푸시된다. 상기 링-형상 요소(7)는 상기 용해물(1)의 상기 복사열과 상기 교번 자기장으로 인해 가열된다. 상기 온도 상승은 상기 링-형상 요소(7) 내부의 상기 상변화 재료(8)의 상기 상변화에 의해 감소 또는 지연될 수 있다.

도 4c는 상기 아래로 내려가는 화살표 방향으로 다시 주조한 후 상기 용해물(1)로 채워진 상기 주조 금형(2)을 도시한다. 상기 냉각된 베어링 표면(10) 상에 다시 상기 핫 링-형상 요소(7)를 증착하고, 여기서 상기 상변화 재료(8)의 새로운 상변화로 상기 다음 용해 배치를 위해 냉각된다.

상기 주조 공정의 종료 상태가 도 4d에 도시된다. 상기 주조 몰드(2)는 상기 냉각된 베어링 표면(10)을 통해 완전히 하강하여, 이제 새로운 빈 몰드로 교체될 수 있다. 상기 링-형상 요소(7)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 냉각된 베어링 표면(10) 상에 다시 놓여 있다. 상기 새로운 주조 몰드(2)가 위치되면, 상기 다음 배치(1)를 상기 자기장으로 도입하여 다음 용해 공정을 시작할 수 있다.

1 배치
2 주조 몰드
3 유도 코일
4 강자성 재료
5 홀더
6 충전 섹션
7 링-형상 요소
8 상변화 재료
9 칼라
10 냉각 베어링 표면

Claims (15)

1. 부양 용해 방법(levitation melting method)에 의해, 전기 전도성 재료(electrically conductive material)로부터 주조체들(cast bodies)을 제조하는 방법으로,
   교번 전자기장들(alternating electromagnetic fields)이 배치(batch)(1)의 상기 부양 상태를 유발하기 위해 사용되며, 상기 교번 전자기장들은 강자성 재료(ferromagnetic material)(4)의 코어(core)를 가지는 적어도 한 쌍의 대향 유도 코일들(3)로 생성되며,
   - 적어도 하나의 교번 전자기장의 영향권으로 출발 재료(starting material)의 배치(batch)(1)를 도입하여(introducing), 상기 배치(1)가 부양 상태(levitating state)로 유지되는 단계,
   - 상기 배치(1)를 용해하는(melting) 단계,
   - 상기 부양 배치(1) 아래의 충전 영역(filling area)에 주조 몰드(casting mould)(2)를 위치시키는(positioning) 단계,
   - 상기 유도 코일들(3) 사이의 상기 교번 전자기장의 상기 영역에 전기 전도성 재료(electrically conductive material)의 링-형상 요소(ring-shaped element)(7)를 도입하여(introducing), 상기 전체 배치(1)를 상기 주조 몰드(2)로 주조하는(casting) 단계,
   - 상기 주조 몰드(2)로부터 상기 응고된 주조체(solidified cast body)를 제거하는(removing) 단계,
   를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 링-형상 요소(7)의 상기 전기 전도성 재료는, 은, 구리, 금, 알루미늄, 로듐, 텅스텐, 아연, 철, 백금 및 주석으로 구성되는 상기 그룹에서 선택된 하나 이상의 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 링-형상 요소(7)는 상기 교번 전자기장 영역으로 처음 도입된 측면 상에서(on the side) 원추형으로 테이퍼지는(tapers conically) 것을 특징으로 하는,
   방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 링-형상 요소(7)는 상기 주조 몰드(2)의 일부인 것을 특징으로 하는,
   방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자기장들은 적어도 두 쌍의 유도 코일들(3)로 생성되는 것을 특징으로 하는,
   방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 링-형상 요소(7)는 중공 벽(hollow-walled)이며, 이것의 캐비티는 상변화 재료(phase change material)로 충전되는 것을 특징으로 하는,
   방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 링-형상 요소(7)는 상기 용해 공정 동안 냉각된 베어링 표면(cooled bearing surface)에 휴지되는(rest on) 것을 특징으로 하는,
   방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 링-형상 요소(7)는 상기 유도 코일들(3) 사이의 상기 교번 전자기장의 상기 영역으로 도입하기 위해 상기 주조 몰드(2)에 의해 상승되는(raised) 것을 특징으로 하는,
   방법.
9. 전기 전도성 재료(electrically conductive material)를 부양 용해(levitation melting)하는 장치로서,
   교번 전자기장들(alternating electromagnetic fields)에 의해 배치(1)의 상기 부양 상태를 유발하기 위해 강자성 재료(ferromagnetic material)(4)의 코어(core)를 가지는 적어도 한 쌍의 대향 유도 코일들(opposing induction coils)(3), 및
   상기 유도 코일들(3) 사이의 상기 교번 전자기장의 상기 영역에 삽입 가능한 전기 전도성 재료((electrically conductive material))의 링-형상 부재(ring-shaped member)(7),
   를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 링-형상 요소(7)의 상기 전기 전도성 재료는, 은, 구리, 금, 알루미늄, 로듐, 텅스텐, 아연, 철, 백금 및 주석으로 구성되는 상기 그룹에서 선택된 하나 이상의 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    장치.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 링-형상 요소(7)는 상기 교번 전자기장 영역으로 처음 도입된 측면 상에서(on the side) 원추형으로 테이퍼지는(tapers conically) 것을 특징으로 하는,
    장치.
12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기장들은 적어도 두 쌍의 유도 코일들(3)로 생성되는 것을 특징으로 하는,
    장치.
13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링-형상 요소(7)는 중공 벽(hollow-walled)이며, 이것의 캐비티는 상변화 재료(phase change material)로 충전되는 것을 특징으로 하는,
    장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 링-형상 요소(7)는 상기 용해 공정 동안 냉각된 베어링 표면(cooled bearing surface)에 휴지되는(rest on) 것을 특징으로 하는,
    장치.
15. 전기 전도성 재료(electrically conductive material)로 구성되고,
    배치(1)의 부양 상태(levitation state)를 유발하기 위해 교번 전자기장(alternating electromagnetic field)을 생성하는 유도 코일들(3) 사이의 영역으로 도입함으로써, 상기 배치(1)를 주조 몰드(casting mould)(2)로 주조하기 위한 부양 용해 공정(levitation melting process)에서 상기 주조 몰드(2)의 부분(part)을 형성하는 링-형상(7)의 용도.

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