KR20230077749A - 내화 스파우트 - Google Patents

내화 스파우트 Download PDF

Info

Publication number
KR20230077749A
KR20230077749A KR1020237015145A KR20237015145A KR20230077749A KR 20230077749 A KR20230077749 A KR 20230077749A KR 1020237015145 A KR1020237015145 A KR 1020237015145A KR 20237015145 A KR20237015145 A KR 20237015145A KR 20230077749 A KR20230077749 A KR 20230077749A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
refractory
core
spout
heating
heated
Prior art date
Application number
KR1020237015145A
Other languages
English (en)
Inventor
니콜라스 라이언 테비
Original Assignee
왁스타프, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 왁스타프, 인크. filed Critical 왁스타프, 인크.
Publication of KR20230077749A publication Critical patent/KR20230077749A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/16—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents
    • B22C1/18—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
    • B22C1/183—Sols, colloids or hydroxide gels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/50—Pouring-nozzles
    • B22D41/60—Pouring-nozzles with heating or cooling means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/06—Ingot moulds or their manufacture
    • B22D7/066—Manufacturing, repairing or reinforcing ingot moulds
    • B22D7/068—Manufacturing, repairing or reinforcing ingot moulds characterised by the materials used therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/24—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing alkyl, ammonium or metal silicates; containing silica sols
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • C04B35/117—Composites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/14—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silica
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/66—Monolithic refractories or refractory mortars, including those whether or not containing clay
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/08—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding porous substances
    • C04B38/085—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding porous substances of micro- or nanosize
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00431—Refractory materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00939—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for the fabrication of moulds or cores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3418—Silicon oxide, silicic acids or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/522—Oxidic
    • C04B2235/5228—Silica and alumina, including aluminosilicates, e.g. mullite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Furnace Housings, Linings, Walls, And Ceilings (AREA)
  • Casting Support Devices, Ladles, And Melt Control Thereby (AREA)
  • Dowels (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

내화 제품을 생성하기 위한, 그리고 더 구체적으로는 가열 내화물, 수동 내화물, 전이 플레이트, 몰딩가능한 내화물, 및 부속품 이를테면 가열 스파우트, 가열 핀, 딤블, 및 댐을 생성하기 위한 시스템, 장치, 및 방법이 본원에서 제공된다. 본원에서 개시되는 바와 같은 가열 내화 채널은 채널 내에 용융 금속을 수용하기 위한 작업 표면; 작업 표면에 인접한 코어; 코어 내에 배치된 하나 이상의 가열 요소; 및 절연체를 포함할 수 있으며, 코어는 작업 표면과 절연체 사이에 배치된다. 하나 이상의 가열 요소는 코어로 몰딩될 수 있다. 가열 요소는 전기 저항 가열 요소일 수 있다.

Description

내화 스파우트
본 개시는 내화 제품(refractory product)을 생성하기 위한 시스템, 장치, 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 가열 내화물, 수동 내화물, T-플레이트, 몰딩가능한 내화물, 및 부속품 이를테면 가열 스파우트(heated spout), 가열 핀, 딤블, 및 댐을 생성하는 것에 관한 것이다.
금속 제품들은 다양한 방식들로 형성될 수 있지만, 많은 형성 방법들은 우선 이를테면 예를 들어, 압연, 압출, 또는 기계가공을 통해 최종 금속 제품이 제조될 수 있는 원료로서의 역할을 할 수 있는 잉곳, 빌릿, 또는 다른 주조 부품을 필요로 한다. 잉곳 또는 빌릿을 제조하는 하나의 방법은 직접 냉각 주조(direct chill casting)로 알려진 연속 주조 공정을 통한 것이며, 이에 의하면 주조 피트로 수직 아래로 병진하는 플랫폼 위에 수직 배향의 몰드 캐비티가 위치된다. 주조 공정을 시작하기 위해 적어도 초기에 플랫폼 상에 스타터 블록이 위치되고 몰드 캐비티의 바닥을 형성할 수 있다. 직접 냉각 주조는 다수의 몰드 캐비티들로 수행될 수 있으며, 이에 의하면 용융 금속이 다양한 몰드 캐비티들에 분배된다. 문제는, 몰드 캐비티들의 어레이의 일측에 도입되는 용융 금속이 용융 금속 공급원으로부터 더 멀리 몰드 캐비티들에 도달할 때까지 상이한 온도들로 냉각된다는 점이다. 용융 금속은 ― 내열성인 내화 물질로 형성되고, 내화 물질의 속성들로 인해 용융 금속이 내화 채널을 따라 이동할 때 용융 금속의 열 손실을 감소시키는 ― 내화 채널들을 사용하여 몰드 캐비티들에 공급된다. 그러나, 용융 금속의 열 손실은 특히 복수의 몰드 캐비티들을 갖는 몰드 프레임에 걸쳐, 여전히 상당할 수 있다. 또한, 금속 온도는 퍼니스 론더(furnace launder)에서 퍼니스로부터 테이블로 저하된다. 용융 금속을 퍼니스로부터 빌릿 테이블로 운반하는 이들 퍼니스 론 더는 일부 경우들에서 100 피트 정도일 수 있다.
퍼니스와 다양한 빌릿 몰드 캐비티들 사이에서의 온도 변화는 문제들을 야기한다. 온도 변화는 보통 주조의 지속기간에 걸쳐 일어나며, 내화물은 초기에는 냉각되지만 주조가 진행됨에 따라 가열되어서 금속이 초기에 상당한 양의 열을 내화물로 손실하게 된다. 주조 공정이 끝날 때 쯤이면, 내화물은 금속으로부터 제거된 열에 의해 가열되어서 금속으로부터 더 적은 열이 손실되게 되어, 주조 공정 동안 몰드에서 금속의 온도의 온도 변화를 초래한다. 온도는 또한 하나의 주조마다 변한다. 내화물은 제2 주조 작업의 시작 시에 잔류 열을 가질 수 있어서 그 온도가 제1 주조 작업과 상이하게 될 것이다. 용융 금속의 온도는 보상 열 없이 금속으로부터 열이 손실됨에 따라 저하되는 경향이 있다. 온도 변화는 퍼니스 론더로부터 50℃ 정도일 수 있으며, 이는 주조에 해가 된다. 온도 자체의 오차는 그 오차의 가변성과 같이 해로울 수 있다.
용융 금속은 하나 이상의 내화 채널을 통해 몰드 캐비티들에 공급되고, 전형적으로 냉각 유체를 사용하여 용융 금속이 냉각되는 몰드 캐비티로 분배된다. 스타터 블록이 위에 있는 플랫폼은 금속이 몰드 캐비티를 빠져나와 스타터 블록과 하강하여 응고될 수 있도록 미리 정의된 속도로 주조 피트로 하강할 수 있다. 플랫폼은 더 많은 용융 금속이 몰드 캐비티로 들어가고 고형 금속이 몰드 캐비티를 빠져나감에 따라 계속 하강된다. 이러한 연속 주조 공정은 금속 잉곳들 및 빌릿들이 몰드 캐비티의 프로파일에 따라 형성되고 주조 피트 깊이 및 그 내부에서 이동하는 유압 작동식 플랫폼에 의해서만 제한되는 길이를 가질 수 있게 한다.
본 개시는 내화 제품을 생성하기 위한 시스템, 장치, 및 방법이 본원에서 제공되고, 더 구체적으로는 가열 내화물, 수동 내화물, T-플레이트, 몰딩가능한 내화물, 및 부속품 이를테면 가열 스파우트, 가열 핀, 딤블, 및 댐을 생성하는 것에 관한 것이다. 본원에서 제공되는 실시예들은 가열 내화 채널로서, 채널 내에 용융 금속을 수용하기 위한 작업 표면; 작업 표면에 인접한 코어; 코어 내에 배치된 하나 이상의 가열 요소; 및 절연체를 포함할 수 있으며, 코어는 작업 표면과 절연체 사이에 배치되는 것인, 가열 내화 채널을 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 가열 요소는 코어로 몰딩된다. 코어는 하나 이상의 가열 요소를 수용하도록 구성된 내부에 몰딩된 하나 이상의 채널을 규정할 수 있다. 하나 이상의 가열 요소는 전기 저항 가열 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들의 작업 표면은 하나 이상의 가열 요소에 의해 300℃를 초과하여 가열되도록 구성된다. 하나 이상의 가열 요소는 1000℃ 미만으로 유지될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 전기 저항 가열 요소는 코일로 형성될 수 있으며, 코일은 개구를 둘러싸고 가열 내화 채널의 트로프 주위에서 스파우트 내에 형성된다. 코어는 마이크로버블의 중량%의 적어도 절반을 포함하는 내화 물질을 포함할 수 있다. 마이크로버블은 약 60 마이크로미터의 직경을 갖는 중공 글래스 버블을 포함한다.
본 개시의 실시예들은 금속 주조를 위한 내화 구성요소들을 형성하기 위한 내화 물질로서, 콜로이드성 실리카 또는 콜로이드성 알루미나 중 적어도 하나; 실리카 응집체; 파이버; 및 마이크로버블을 포함하며, 내화 물질의 밀도는 1,200 kg/m3 미만인 것인, 내화 물질을 제공할 수 있다. 마이크로버블은 본 물질의 1 중량%의 적어도 절반을 구성할 수 있다. 콜로이드성 실리카는 본 물질의 50 중량%일 수 있다. 내화 물질은 직접 냉각 주조를 위한 전이 플레이트로 형성될 수 있다. 내화 물질은 약 90 부피% 실리카 응집체일 수 있다. 본 물질은 1 중량% 초과의 마이크로버블을 포함할 수 있다. 파이버는 보강에 사용되는 세라믹 파이버일 수 있다.
본원에서 제공된 실시예들은 가열 내화 채널로서, 작업 표면; 작업 표면에 인접한 코어; 코어에 인접한 지지체(backer); 지지체와 코어 사이에 배치된 하나 이상의 가열 요소; 및 지지체에 인접한 절연체를 포함하며, 코어는 작업 표면과 지지체 사이에 배치되는 것인, 가열 내화 채널을 포함한다. 지지체는 코어에 접합될 수 있다. 가열 요소는 가열 요소를 용융 금속으로부터 차폐하기 위해 지지체와 코어 사이에서 밀봉될 수 있다.
본원에서 제공되는 실시예들은 내화 구성요소들의 성형, 내화 구성요소들의 보수, 또는 내화 구성요소들의 접합에 사용하기 위한 내화 물질로서, 결합제 물질; 충전제 물질; 보강 물질; 및 마이크로버블의 중량%의 적어도 절반을 포함하는, 내화 물질을 포함할 수 있다. 본 물질은 1,200 kg/m3 미만의 밀도를 가질 수 있다. 보강 물질은 세라믹 파이버를 포함할 수 있다.
본원에서 제공되는 실시예들은 가열 내화 구성요소로서, 용융 금속을 보유하거나 안내하기 위한 작업 표면; 작업 표면에 인접한 코어; 코어 내에 배치된 하나 이상의 가열 요소; 및 절연체를 포함하며, 코어는 작업 표면과 절연체 사이에 배치되는 것인, 가열 내화 구성요소를 포함할 수 있다. 가열 내화 구성요소는 스파우트(spout), 딤블(thimble), 핀(pin), 댐(dam), 전이 플레이트, 또는 채널 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본원에서 제공되는 실시예들은 직접 냉각 주조용 전이 플레이트로서, 적어도 90 중량%의 실리카를 포함하는 물질로 형성되고, 1,200 kg/m3 미만의 밀도를 갖는, 전이 플레이트를 포함할 수 있다. 본 물질은 적어도 0.25 중량%의 마이크로버블을 포함할 수 있다. 본 물질은 전이 플레이트를 형성할 때 물질이 겔화되게 하는 염을 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명을 일반적인 용어들로 설명하였지만, 이제 첨부 도면들이 참조될 것이며, 이 도면들은 반드시 일정한 축척으로 그려진 것은 아니고, 이 도면들에서:
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 트로프를 통해 용융 금속이 유동할 때 용융 금속과 접촉하는 작업 표면을 포함하는 내화 채널을 도시한다;
도 2은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 지지체 필요 없이 트로프를 통해 용융 금속이 유동할 때 이와 접촉하는 작업 표면을 포함하는 내화 채널을 도시한다;
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 가열 요소들을 위해 내부에 채널들이 규정된 코어를 포함하는 내화 채널의 일부분을 도시한다;
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 주조 지지체가 적용되어 역전된 내화 채널을 도시한다;
도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 전기 리드들이 노출된 몰딩된 코어로 가열 요소들이 몰딩된 코어를 도시한다;
도 6은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 트로프로부터 연장되는 스파우트 및 스파우트로 연장되는 핀을 포함하는 직접 냉각 주조를 위한 트로프의 단면을 도시한다;
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 핀이 제거된 도 6의 트로프 및 스파우트의 단면을 도시한다;
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 용융 금속이 딤블 및 전이 플레이트를 통해 빌릿 몰드의 캐비티로 유동하게 하는 내화 채널을 갖는 빌릿 주조 단면도를 도시한다; 그리고
도 9는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 전이 플레이트를 도시한다.
이제 본 개시의 예시적인 실시예들이 본 개시의 일부 실시예들 ― 모든 실시예들은 아님 ― 이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 충분히 설명될 것이다. 실제로, 실시예들은 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고, 본원에서 제시되는 실시예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되고; 그보다, 이들 실시예들은 본 개시가 적용되는 법적 요건들을 충족하도록 제공된다. 같은 부호들은 전반에 걸쳐 같은 요소들을 지칭한다.
본 개시의 실시예들은 일반적으로 내화 제품을 생성하기 위한, 그리고 더 구체적으로는 가열 내화물, 수동 내화물, T-플레이트, 몰딩가능한 내화물, 및 부속품 이를테면 가열 스파우트, 가열 핀, 딤블, 및 댐을 생성하기 위한 시스템, 장치, 및 방법에 관한 것이다. 본 도면들 및 개시가 내화 채널 또는 트로프로서 구현되는 예시적인 실시예에 초점을 맞추고 있지만, 실시예들은 용융 금속의 취급을 위한 주조 작업의 다양한 다른 구성요소들에서 구현될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이들 구성요소들은 특히, 가열 스파우트, 전이 플레이트, 및 퍼니스 론더, 잉곳 론더, 빌릿 테이블 등과 같은 구성요소들을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본원에서 설명된 주요 실시예들은 도면들에 도시된 것들에 제한되지 않고 가열 내화 구성요소들의 구조를 나타낸다.
금속을 주조하기 위한 주조 작업들은 통상적으로 용융 금속을 퍼니스로부터 몰드들로 이송하는 것을 수반한다. 예를 들어, 직접 냉각 주조에서, 몰드 테이블은 다수의 빌릿 주조 몰드들이 몰드 테이블 내에 배열될 수 있는 빌릿 몰드들의 어레이를 포함할 수 있다. 주조 몰드들 각각으로의 용융 금속의 도입은 용융 금속을 퍼니스로부터 각 몰드 캐비티로 수송하는 것을 수반한다. 용융 금속은 일반적으로 몰드 테이블의 일측에서 먼저 도입되고, 내화 채널들을 따라 유동하여 각 몰드 캐비티에 도달한다. 그러나, 용융 금속을 절연시키는 채널들의 내화 물질에도 불구하고, 용융 금속이 내화 채널들을 따라 유동함에 따라 용융 금속이 비교적 급속하게 냉각됨에 따라, 용융 금속 온도는 몰드 테이블에 걸쳐 내화 채널들에 걸쳐 변화한다. 주조 작업의 분배 지점들에 걸친 이러한 온도 변화는 주조 공정에 해로울 수 있다.
금속 온도 제어는 내화 채널 또는 내화 시스템의 핵심 기능 요건이다. 이상적으로, 용융 금속 온도는 퍼니스로부터 종내적으로 냉각되고 응고되는 몰드까지 일정하게 유지될 것이다. 최소의 온도 강하가 바람직하다. 그러나, 실제 내화 채널은 용융 금속으로부터 약간의 열을 흡수하고, 금속을 냉각시킨다. 이러한 열 손실은 증가된 퍼니스 온도로 보상될 수 있지만, 이는 주조물의 품질을 저하시킬 수 있고 비용을 증가시킬 수 있는 한편, 복수의 몰드들에 걸쳐 용융 금속 온도가 여전히 변화되게 할 수 있다.
본원에서 제공되는 실시예들은 몰드 캐비티들로 수송될 때 용융 금속의 온도 손실을 최소화하거나 제거하는 내화 채널들, 시스템들, 및 제품들을 포함한다. 본원에서 설명되는 예는 내부 가열 내화 물질을 포함한다. 실시예들은 용융 알루미늄을 취급하는 내화 물질 내에 통합된 전기 가열 요소들을 포함할 수 있다. 내부 가열 요소들은 내화 물질이 내화 채널 내로와 같이 내화 물질에 처음 도입될 때 용융 금속의 급격한 온도 강하를 피하기 위해 내화 물질이 예열될 수 있는 내화 물질의 정밀한 온도 제어를 가능하게 한다. 또한, 내화 물질은 내화 채널 또는 부속품(예를 들어, 딤블, 스파우트 등)을 통한 정적 상태의 용융 금속 유동을 위해 가열될 수 있다. 열은 대류 및 복사로부터의 손실을 보상하기 위해 내화 물질에 연속적으로 적용될 수 있다. 본원에서 설명되는 실시예들은 수동 (가열되지 않은) 내화 채널들의 경우보다 물질 유동 및 일관성의 더 많은 제어를 제공한다.
도 1은 트로프(105)를 통해 용융 금속이 유동할 때 용융 금속과 접촉하는 작업 표면(110)을 포함하는 내화 채널(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 작업 표면은 복사 및 대류를 차단하기 위해 커버될 수 있다. 알루미늄 포일과 같은 물질이 작업 표면(110)에 대한 복사 및 대류 차단을 제공할 수 있다. 내화 채널은 작업 표면에 근접하여 조밀한 내화 물질로 이루어진 코어(120)를 더 포함한다. 코어(120)는 약 0.5 내지 1.0 인치 두께일 수 있다. 경량 절연체의 지지체(140)가 코어(120)를 지지하고, 코어에 접합될 수 있다. 코어(120)와 지지체(140) 사이에는 전기 가열 요소들(130)이 배치될 수 있다. 전기 가열 요소들(130)은 직경이 약 0.2 인치인 전도성 와이어와 같은 다양한 구성들로 이루어질 수 있다. 내화 채널(100)은 절연 스틸 프레임 내에 설치될 수 있다.
도 2은 트로프를 통해 용융 금속이 유동할 때 용융 금속과 접촉하는 작업 표면(110)을 포함하는 내화 채널(100)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 내화 채널은 작업 표면(110)에 근접한 코어(120)를 포함하지만, 도 2의 실시예는 도 1의 지지체(140)를 필요로 하지 않는다. 반대로, 전기 가열 요소들(130)이 아래에서 추가로 설명될 바와 같이 코어 물질 내에 매립됨에 따라, 지지체 물질을 필요로 하지 않는다.
본원에서 설명되는 실시예들은 개시된 가열 시스템으로 내화 채널(100)의 작업 표면(110)을 가열하도록 설계된다. 작업 표면(110)과 채널(100)을 통해 유동하는 용융 금속 사이에 열 전달이 없도록 트로프(105)를 통해 유동해야 하는 용융 금속의 미리 정의된 유사도 내의 작업 표면(110)의 온도를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 미리 정의된 유사도는 5%, 2%, 또는 심지어 1%의 유사도와 같은 온도 범위 또는 백분율일 수 있다. 임의사항으로서, 작업 표면(110) 온도는 대류 및 복사를 통해 용융 금속으로부터 손실된 열을 보상하기 위해 용융 금속의 온도보다 미리 결정된 양만큼 높게 유지될 수 있다. 예시적인 실시예들의 작업 표면(110)은 스틸 브러시 및 스크레이퍼와 같은 스틸 세정 툴로부터의 손상에 민감하지 않은 비교적 경질의 물질이다. 또한, 작업 표면(110)은 용융 금속이 표면 결함 또는 거칠기에 고착되는 것을 피하기 위해 비교적 매끄러울 수 있다. 매끄러운 작업 표면(110)은 주조 후 세정에 도움이 된다. 일부 실시예들에 따르면, 작업 표면은 작업 표면의 기공들을 폐쇄하고 경도를 증가시키기 위해, 실리카 응집체와 혼합된 콜로이드성 실리카와 같은, 경화 코팅으로 처리될 수 있다. 또한, 작업 표면(110) 상에는 표면이 알루미늄에 젖지 않게 하기 위해 붕소 질화물의 코팅이 페인팅될 수 있다.
예시적인 실시예들의 내화 채널의 코어(120)는 반대되는 목적들의 균형을 맞추기 위해 채용된다. 본원에서 설명된 실시예들의 코어(120)는 지렛대 및 충격력을 포함하는 스틸 세정 툴들에 저항하기에 충분히 강하고 가열 요소들을 과열시키지 않고 요소들(130)로부터 열을 효과적으로 수용하기 위해 열전도성인 물질로 이루어진다. 이러한 속성들은 고밀도 물질을 제안하지만, 예시적인 실시예들의 물질은 또한 더 빨리 예열되도록 낮은 열용량을 갖는다. 또한, 코어(120) 물질은 코어(120)의 온도가 낮을 때 트로프(105)을 통해 흐르는 용융 금속으로부터 열을 거의 흡수하지 않도록 낮은 열전도성 및 낮은 열용량을 가질 수 있다. 이러한 속성들은 저밀도 물질을 제안한다. 본원에서 설명되는 실시예들은 마이크로버블의 첨가(또는 발포체 또는 충전제 이를테면 미세 셀룰로스의 사용)를 포함하는 코어 물질을 제공하는 한편, 내화 파이버의 첨가에 의해 인성이 달성된다.
도 3은 전기 리드들(135)을 통해 공급되는 전력에 의해 전력을 공급받는 가열 요소들(130)을 위해 내부에 채널들이 규정된 코어(120)를 포함하는 내화 채널(100)의 예시적인 실시예의 일부분을 도시한다. 작업 표면(110)을 갖는 도시된 코어(120)는 가열 요소들(130) 및 절연체(150)를 지지체 외부에 둘러싸도록 지지체(140)를 수용할 것이다. 본원에서 설명되는 예시적인 실시예들의 코어(120)의 밀도는 약 1000 kg/m3 내지 약 1,500 kg/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 더 낮은 밀도는 충분히 강하고 내구성이 없을 수 있는 한편, 더 높은 밀도는 강도에 대한 이점을 거의 제공하지 않는다.
본원에서 설명되는 예시적인 실시예들의 지지체(140)는 도 2와 관련하여 상술한 모든 실시예들에서 필수적인 것은 아니지만, 여러 기능들을 갖는다. 지지체(140)는 코어를 열적으로 격리시키기 위해 코어(120)의 후면을 절연시킨다. 지지체는 코어를 물리적으로 지지하고, 내화 채널로부터의 용융 금속 누설로부터 보호할 수 있다. 지지 물질은 건식 절연 물질 이를테면 과립상 미세다공성 절연체 및/또는 경량의 주조가능한 물질을 포함할 수 있다. 미세다공성 과립상 절연체는 낮은 열 전도성을 갖고, 매우 양호한 열 성능을 제공하지만, 용융 금속 누설에 대한 효과적인 밀봉을 제공하지는 않는다. 경량의 주조가능한 물질 이를테면 콜로이드성 실리카 혼합물은 미세다공성 절연체보다 더 열전도성이지만, 우수한 보강 및 용융 금속 누설로부터의 차폐를 위해 코어에 견고하게 접합하는 이점을 갖는다. 경량 주조 물질은 코어(120)를 지지하기에 충분한 물리적 능력을 유지하면서 절연 값을 최대화하기 위해 500 kg/cm3 내지 1,000 kg/cm3와 같은 비교적 경량 밀도일 수 있다. 예시적인 실시예들의 지지체(140)는 코어가 최종 위치에 물리적으로 설치될 때, 이를테면 반 인치 두께 이상의 미세다공성 보드로 절연될 수 있는 스틸 프레임 또는 스틸 트로프 프레임에 내화 채널을 설치할 때 적용될 수 있다. 도 4는 주조 지지체(140)가 적용되어 역전된 내화 채널(100)을 도시한다.
예시적인 실시예들의 전기 가열 요소는 작업 표면에 열을 가한다. 이러한 방식으로, 내화 채널(100)을 통해 유동하는 용융 금속의 용융 금속 온도는 채널 내에서 일정하게 유지된다. 요소(130)는 저항 가열 와이어이며, 이는 예를 들어, 니크롬(80) 또는 칸탈(Kanthal) A1일 수 있다. 전기 가열 요소(130)의 와이어 직경은 예를 들어, 약 0.03 내지 0.05 인치일 수 있고, 약 0.2 인치의 코일 외경을 가질 수 있는 코일로 형성될 수 있다. 코일은 소자를 성형하는 것을 돕고, 와이어에 더 많은 물리적 길이를 부가하여 총 저항을 증가시킨다.
일부 실시예들에 따르면, 가열 내화 채널(100)은 코일을 갖지 않는 저항 가열 와이어로 제조될 수 있다. 이러한 요소는 열 성능을 향상시킬 수 있는 더 적은 전체 두께를 요구한다. 그러나, 직선 와이어는 제조하기가 더 어렵다. 요소(130)에 대한 코일 형태는 일반적으로 더 큰 정도로 표준화되게 하는 설계 및 설치 공정에서 다른 자유도를 허용하는 연신 능력으로 인해 바람직하다. 동일한 코일형 요소가 돌출부 상의 대부분의 가열 내화 구성요소들(예를 들어, 채널들)에서 채용될 수 있고, 각 고유한 부분에 대해 상이한 피치로 연신될 수 있으며, 코일들이 홈들로 가압될 수 있거나 또는 직선 와이어보다 훨씬 더 용이하게 포스트들 주위로 연신될 수 있으므로 설치를 더 용이하게 한다. 예시적인 실시예들의 가열 요소들(130)은 예를 들어, 작업 표면의 5 와트/평방 인치로 설계될 수 있다. 이러한 실시예에서, 20 인치 길이의 내화 채널은 500 내지 2,500 와트로 가열될 500 평방 인치의 작업 표면(110) 면적을 가질 수 있다. 시험으로부터, 이러한 열 플럭스는 코어(130) 물질 및 지지체(140) 물질에 따라 30분만큼 낮은 예열 시간으로 작업 표면에서 매우 높은 온도(예를 들어, 900℃)를 달성한다. 실시예들은 적용예에 따라 5 와트/평방 인치 또는 1 와트/평방 인치만큼 적은 가열을 채용할 수 있으며, 이는 비용 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
가열 요소(130)는 루프 제어기 및 스위치로 제어될 수 있다. 피드백은 가열 요소 및 작업 표면(110)에 근접하여 설치되는 타입 K 열전쌍일 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 열전쌍은 유전체로서 박형 알루미나 튜브를 사용하여 가열 요소(130)의 코일 내부에 설치될 수 있다. 선택사항으로서, 양호한 열적 결합을 위해 내화 모르타르를 사용하여 코어에 부착되는 코일 내부의 스테인리스 스틸 써모웰이 채용될 수 있다. 열전쌍은 요소 온도를 나타내는 코어의 고온 면을 판독하기 위해 사용된다. 요소 온도를 제어하는 것은 과열로부터 보호하고 시스템을 안정화하여 원하는 온도를 오버/언더-슈팅하는 것을 방지하는 데 유용할 수 있다. 간접적으로, 이는 작업 표면의 온도를 제어한다. 작업 표면이 용융 금속과 접촉함에 따라 피드백 루프에 대한 작업 표면 온도를 측정하는 것은 실용적이지 않을 수 있다. 실시예들은 온도 제어 없이 1 와트/평방 인치와 같은 저전력에서 실행되도록 설계될 수 있다. 본 설계 및 구성은 피드백 루프가 불필요하게 될 수 있도록 과열을 방지할 수 있다.
가열 내화 채널(100)은 고온에 도달하고 유지하기 위해 절연체(150)를 채용한다. 내화 채널(100)을 지지하는 프레임은 반 인치 두께의 미세다공성 보드 또는 등가물과 같은 절연체에 의해 채널로부터 절연될 수 있다. 예시적인 실시예들의 작업 표면(110)은 알루미늄 포일이 충분할 수도 있는 경우에 대류 및 복사 열 전달을 저해하는 물질로 커버된다. 적절한 절연체(150)가 없을 시, 본 시스템은 최적의 결과에 필요한 고온을 달성할 수 없다. 내화 채널(100)을 지지하기 위한 스틸 프레임이 사용될 수 있는 한편, 커버는 내화 채널로부터 생략될 수 있다. 예를 들어, 복수의 빌릿 몰드 캐비티들을 갖는 직접 냉각 주조 테이블 상에서, 빌릿 몰드 캐비티들에 대한 명확한 가시성은 내화 채널의 예열 또는 열 유지를 최대화하는 것보다 더 중요할 수 있다. 커버가 없을 시, 작업 표면(110)은 용융 알루미늄이 대략 700℃일 때 400℃ 이상의 온도를 달성할 수 있다. 온도 차이에도 불구하고, 400℃의 예열은 가치가 있고, 작업 표면 바로 밑에서 코어(120)는 700℃에 더 가까운 훨씬 더 높은 평균 온도로 열 침지될 수 있어서, 내화 채널(100)의 대부분이 금속 온도에 가깝게 되어 주조 일관성을 개선한다. 실시예들은 온도 제어기를 생략하고 저전력 구성으로 전출력을 작동하기 위해 내화 채널들 위에 엔지니어링된 커버를 사용할 수 있다. 예를 들어, 저전력 트로프는 내부 온도가 절대 과열되지 않도록 커버 없이 1 와트/평방 인치로 연속적으로 작동하도록 설계될 수 있다.
본원에서 설명되는 바와 같은 일체 가열 내화 채널은 상술한 설계 및 구성에 기초하여 비교적 신속하게 그리고 비교적 낮은 전력 소비로 예열된다. 실시예들은 금속 온도에서 또는 그 가까이에서 작업 표면(110)을 유지한다. 예시적인 실시예들의 가열 내화 채널(100)은 700℃의 금속 온도로 가열된 작업 표면을 포함할 수 있다. 예열은 비교적 신속하고, 채널의 구성을 통해 작업 표면으로 향하는 열로 인해 비교적 저전력을 필요로 할 수 있으며, 열이 용융 금속으로부터 가열 내화 채널로 또는 그 반대로 전달되지 않으므로 주조 일관성이 개선될 것이다.
본원에서 설명되는 예시적인 실시예들에 따르면, 작업 표면(110)은 적절한 상대적인 위치에 구성된 가열 요소(130)에 의해 격리되고 가열된다. 가열 요소와 작업 표면 사이의 거리는 대물렌즈에 대한 열 저항 및 대물렌즈의 열 질량에 대응할 수 있다. 가열 요소(130) 위치가 작동 표면(110)에 더 가까울수록, 열 저항 및 열 부하가 감소된다. 예시적인 실시예들의 가열 요소(130)는 작업 표면에 가능한 가깝게 위치될 수 있다. 실제로, 용융 금속이 전기 전도성이고 가열 요소들(130)과 물리적으로 접촉하지 않아야 하므로 약간의 분리가 요구된다. 작업 표면(110)과 가열 요소(130) 사이의 분리 거리는 적용예에 의해 달라진다. 대형 내화 채널(100)은 작업 표면(110)과 가열 요소(130) 사이에 반 인치의 물질 두께를 필요로 할 수 있는 반면, 내화 물질로 제조된 스파우트는 용융 금속과 접촉하는 스파우트의 표면과 가열 요소(130) 사이에 1/4 인치의 물질만을 필요로 할 수 있다. 용융 금속과 접촉하는 작업 표면에 대한 가열 요소(130)의 위치는 균형 잡기이다. 더 가까운 근접성은 가열 요소 노출 및 코어(120) 내구성을 희생하여 성능을 개선한다.
가열 요소(130)로부터의 열은 요소로부터 모든 방향들로 전달된다. 열의 비율은 각 벡터의 다른 벡터들에 대한 열 저항 및 온도 구배에 따라 나누어진다. 온도 구배 대 열 저항의 비가 가장 높은 경우, 이들 벡터들은 가장 큰 열을 받는다. 이상적으로는, 모든 열이 코어(120) 및 작업 표면(110)으로 전달되는 한편, 지지체(140)로는 전달되지 않는다. 이러한 시나리오를 달성하기 위해 또는 이러한 시나리오에 접근하기 위해, 예시적인 실시예들의 지지체(140)는 작업 표면에서 내화 채널에 비해 크게 감소된 열 전달 계수를 갖는다. 예시적인 실시예들의 지지체(140)는 코어가 가열 요소(130)로부터 대부분의 전력 및 열을 수용하도록 코어(120)보다 작은 크기의 전도도 레벨을 가질 수 있다. 작업 표면(110)에 대한 가열 요소(130)의 근접은 열 수요를 감소시키는 한편, 지지체(140)로부터 가열 요소(130)의 격리는 작업 표면에 이용가능한 가열 요소로부터의 열 공급 또는 열의 비율을 증가시킨다.
도 2와 관련하여 상술한 바와 같이, 실시예들은 지지체(140)를 필요로 하지 않을 수 있고, 가열 요소(130)는 코어(120) 내에 완전히 둘러싸일 수 있다. 이러한 실시예에서, 가열 요소(130)를 코어(120) 내에 둘러싸는 것은 가열 요소를 손상으로부터 보호할 수 있다. 절연체(150)는 작업 표면(110)을 향한 열 이동을 촉진하기 위해 코어(120)를 절연시킴으로써 지지체의 기능과 유사한 일부 기능을 제공할 수 있다. 지지체(140)에 의해 제공되는 구조적 지지는 코어(120) 물질에 의해 그리고 가열 요소(130)를 둘러싸기 위해 사용되는 코어 물질의 추가되는 두께에 의해 제공될 수 있다.
환경으로부터 가열 요소의 근접 및 격리를 개선하기 위한 공정은 일반적으로 내화물의 내구성 및 용융 금속 누설에 대한 저항성과 반대이다. 근접은 얇은 코어(120)를 촉진하고, 격리는 경량 지지체(140) 물질을 촉진하여 더 적은 지지를 제공한다. 본원에서 설명되는 바와 같은 가열 내화물은 (가열 요소의) 두 가지 주요 잠재적 장애 모드들, 즉 구조적 장애 및 전기적 장애를 갖는다. 가열 내화 채널(100) 및 다른 가열 내화 구성요소들은 다른 물리적 힘과 함께 접철되는 스틸 툴, 지렛대, 충격 및 세정 및 공압 댐의 형태로 물리적 외상/남용을 견딘다. 가열 요소들은 가열 요소를 공격하고 파괴할 용융 금속으로부터 차폐될 필요가 있다. 용융 금속은 코어(120)에서의 균열을 통해 가열 요소 채널에 침입할 수 있거나, 채널 구성요소들 사이의 접합부에서의 장애를 통해 가열 요소 채널 내로 누설할 수 있다. 더 두꺼운 코어(120) 및 더 내구성 있는 지지체(140)는 내구성을 개선하지만, 가열 요소의 근접 위치 및 격리를 희생시켜 성능이 저하될 수 있다.
본원에서 설명되는 실시예들은 구조적, 전기적, 및 열적 요구들을 충족시키기 위해 제자리 주조(cast-in-place) 지지체를 제공한다. 제자리 주조는 지지체(140)가 코어를 일관되게 지지하기 위해 코어(120) 뒤의 공극을 이상적으로 채울 수 있게 한다. 코어(120)는 얇지만 비교적 단단한 한편, 지지체(140)는 코어에 접합 및 밀봉하는 모르타르와 비교될 수 있다. 절연체 및 프레임은 가열 내화 채널에 대한 구조적 지지를 제공하고, 절연체는 궁극적으로 조립체를 격리시킨다.
전기 가열 요소들은 보통 용융 금속 주조 시 비교적 짧은 수명을 갖는다. 산소에 의한 부식은 결과적으로 전기 가열 와이어들을 파괴한다. 와이어로부터의 크롬은 추가의 부식으로부터 와이어를 차폐하는 보호 장벽, 크롬 산화물을 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 얇은 산화물 층은 부서지기 쉬우며, 진동, 충격 또는 다른 편향에 의해 유도될 수 있는 기계적 응력으로부터 균열될 수 있다. 크롬 산화물의 열 팽창이 베이스 금속의 열 팽창보다 훨씬 적기 때문에 와이어의 급속 켄칭으로부터 기계적 응력이 초래될 수 있으며, 여기서 켄칭은 외부가 내부보다 더 차가운 온도 구배를 야기하고, 열 팽창에 의해, 산화물 층이 균열된다.
가열 내화 구성요소들을 갖는 본원에서 설명되는 실시예들은 무동요 및 온도 안정 내화물 내에 가열 요소를 캡슐화함으로써 이러한 효과들로부터 가열 요소(130)를 보호한다. 대부분의 적용예들에서, 가열 내화물은 완전히 정적일 수 있다. 그러나, 직접 냉각 주조에서 틸팅 테이블과 같은 이동이 필요한 적용예들에서도, 가열 요소는 강성 내화 물질에 의해 물리적으로 구속되어 편향이 저해되게 된다. 또한, 내화물은 가열 요소의 온도 충격을 덜 초래하는 공기 켄칭을 위한 완충을 제공할 수 있다. 가열 요소는 내화물이 다소 무겁고 절연되어 요소가 직접 켄칭을 겪지 않으므로 보호된다.
가열 요소(130)의 수명 또한 열 에너지가 부식을 일으키므로 온도에 의존한다. 예시적인 실시예들의 요소 온도는 작업 표면(110)에 대한 가열 요소(130)의 근접 및 환경으로부터의 가열 요소의 격리의 원리들에 의해 최소화된다. 예시적인 실시예들의 요소 온도는 일반적으로 900℃ 미만으로 유지된다. 니크롬 및 칸탈 A1은 1,000℃ 초과에서 분해되기 시작한다. 또한, 지지체(140)와 코어(120) 사이 또는 전적으로 코어(120) 내 중 어느 하나에서의 가열 요소의 격리는 가열의 효율을 개선하여 저화가 시작될 수 있는 지점보다 높은 상승된 온도가 필요하지 않게 한다. 본원에서 설명되는 예시적인 실시예들에 따르면, 내화 채널(100)의 작업 표면(110)은 채널을 통해 유동하는 용융 금속의 응고 온도보다 높게 유지된다. 알루미늄의 경우, 이 온도는 약 660℃일 수 있어서, 작업 표면은 이 온도보다 높게, 바람직하게는 사전 응고를 피하기 위해 685℃보다 높게, 이를테면 약 700℃로 유지되어 손실을 보상하고 필요한 온도의 금속을 공급할 수 있다. 작업 표면을 약 700℃로 유지하기 위해, 가열 요소(130)는 작업 표면(110)에서 필요한 온도보다 높은 온도로 가열된다.
가열 요소(130)가 작업 표면(110)의 목표 온도보다 높게 가열될 필요가 있는 증분은 가열 내화 채널(100)의 효율에 의존한다. 본원에서 설명되는 실시예들은 가열 요소의 작업 표면에 대한 근접성 및 가열 요소의 격리로 인해 가열 요소로부터 작업 표면으로의 매우 높은 열 전달 효율을 갖는다. 이에 따라, 가열 요소(130)가 작업 표면(110)의 목표 온도보다 높게 가열될 필요가 있는 증분은 50℃ 내지 100℃와 같이 비교적 작다. 이는 가열 요소를 900℃ 미만 및 가열 요소가 저하되기 시작하는 온도, 일반적으로 약 1,000℃ 미만으로 유지한다.
본원에서 설명되는 코어(120)의 제조는 다수의 방식들로 수행될 수 있다. 예를 들어, 코어는 전기 가열 요소가 코어의 리세싱된 홈들 내로 끼워질 수 있는 후면 상에 홈들을 갖도록 주조될 수 있다. 가열 요소(130) 코일은 스터드들을 사용하여 코어(120)를 주조하기 전에 몰드 자체 내에서 성형될 수 있으며, 여기서 코일은 몰드 내의 스터드들 주위에서 연신된다. 이러한 실시예에서, 스터드들은 몰드 내에 통합될 수 있고, 주조 후에 몰드로부터 후퇴하여 탈형을 허용할 수 있다. 스터드들은 나사, 다웰, 핀 등으로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 주조 전에 가열 요소가 실리콘 코어 몰드의 암형 리세싱된 홈들 내에 매립될 수 있다. 대안적으로, 미리 성형된 코일은 주조 동안 주조가능한 코어 내로 가압될 수 있다. 주조가능한 자체는 본원에서 설명되는 예시적인 실시예들에 따라 코일을 제자리에 보유할 수 있다. 도 5는 내부에 가열 요소(130)를 수용하기 위해 홈들(125)로 주조된 코어(120)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 5는 또한 전기 리드들(135)이 노출되어 몰딩된 코어로 몰딩된 가열 요소들로 몰딩된 코어(120)를 도시한다.
코어(120)의 몰딩은 실리콘 몰드가 내구성이 있고, 우수한 세부를 형성하며, 홈들과 같은 복잡한 형상들로부터 탈형될 수 있으므로 실리콘 몰드들로 수행될 수 있다. 실리콘 몰드를 생성하기 위해, 부품 기하구조의 3차원 프린트가 이루어진다. 박스는 프린트 그리고 결과적으로 실리콘 몰드를 지지하도록 구축될 수 있다. 박스를 사용하여, 3D 프린트 주위에 실리콘이 주조되어 부품 기하구조의 네거티브를 형성한다. 실리콘이 경화되면, 3D 프린트 부품은 탈형되고, 실리콘 몰드는 내화 물질을 주조할 준비가 되도록 재구축된다. 그 후, 내화 물질은 실리콘 몰드 내로 주조된다. 가열 요소들은 가열 요소가 인접하거나 매립되어야 하는지 여부에 따라, 주조 후에 내화 홈 내로 또는 내화물을 주조하기 전에 실리콘 홈 내로 끼워진다. 내화 물질이 경화된 후에, 내화 물질은 탈형되고, 실리콘 몰드는 후속 내화 주조를 위해 재구축될 수 있다. 실리콘을 음으로 만들기 위해 사용되는 3D 프린트는 가열 요소(130)를 포획하기 위한 좁은 홈들과 같은 매우 상세한 기하구조들을 생성할 수 있다. 선택사항으로서, 몰드들은 3차원적으로 프린트되거나, 알루미늄으로부터 기계가공되거나, 또는 다른 몰드 형성 기술을 통해 형성될 수 있다.
가열 요소(130)를 코어(120)의 주조에 매립하는 것은 매우 효율적인 공정일 수 있다. 작업 표면(110)의 내부 형상은 3차원적으로 인쇄되거나 이전의 작업으로부터 회수/제거될 수 있다. 가열 요소(130)는 요소를 통해 인가된 전류로 요소를 성형 및 어닐링하기 위해 연신함으로써 예비성형될 수 있다. 코어 물질은 슬럼핑 없이 형상을 유지하기에 충분한 일관성을 갖는 주조를 위해 혼합될 수 있다. 코어 물질은 작업 표면에 반 깊이로 적용될 수 있고, 물질은 비교적 일관된 두께를 위해 스크레이퍼로 성형될 수 있다. 그 후, 미리 형성된 가열 요소는 코어 물질로, 바람직하게는 시각적 가이드 또는 템플릿으로 가압되어 요소를 레이아웃하는 효율 및 정확도를 개선할 수 있다. 코어 물질의 나머지는 그 후 가열 요소를 덮도록 작업 표면에 적용될 수 있다. 전류가 가열 요소에 인가되어 경화 시간을 감소시킬 수 있다. 이러한 공정은 몰드를 형성하고 코어의 몰드를 제조하기 위해 대안적인 방법들보다 더 적은 비용 및 더 적은 구성요소를 필요로 한다.
다양한 물질들이 내화물의 예시적인 실시예들에서 사용될 수 있으며, 여기서 물질은 낮은 열팽창, 알루미늄과 같은 용융 금속과의 혼화성, 1 와트/미터 켈빈(1 W/m-K) 범위의 열 전도도, 적절한 온도 용량 및 강도를 갖고, 널리 이용가능하고 저렴한 실리카계 내화물을 포함할 수 있다. 낮은 열팽창은 물질이 열적으로 안정되고 온도 균열에 저항성이 있게 한다. 원하는 자연 열 전도성은 가열 요소 설계들과 양립가능해야 한다.
내화물에 사용되는 물질들은 칼슘 알루미네이트 시멘트 및/또는 콜로이드성 실리카의 결합제를 포함할 수 있다. 결합제는 그린 상태(예를 들어, 소성 전의 경화된 조건)에서 강도를 제공한다. 부품은 파손되지 않고 퍼니스에 탈형 및 취급될 수 있어야 한다. 부품이 퍼니스에서 소성될 때, 상승된 온도에서의 국부적인 소결에 의해 전강도가 달성되며, 그 후 결합제는 덜 관련된다.
칼슘 알루미네이트 시멘트와 콜로이드성 실리카는 매우 상이하다. 시멘트는 포틀랜드(Portland) 시멘트와 유사하게 물과의 화학 반응에 의해 작용한다. 시멘트 제품은 우수한 그린 강도를 제공하지만; 시멘트의 고온 내구성이 불량하여 최종 부품이 약화될 수 있다. 콜로이드성 실리카는 물 함량이 증발하고 용액 중에 15 나노미터 입자를 침전시킴에 따라 경화된다. 물이 공기를 이동시키므로, 입자들은 진공에 의해 접합된다. 물의 건조는 부품을 경화시킨다. 이는 자연 증발을 통해 수행될 수 있으며, 이는 기하구조에 따라 하루 이상이 걸릴 수 있다. 자연 증발에 의해, 물은 건조됨에 따라 이동하여 실리카 입자들이 물과 함께 이동함으로써 표면이 매우 단단해진다. 대안적으로, 부품들은 대류, 복사, 또는 심지어 마이크로파 전력과 같이 열을 가함으로써 급속하게 건조될 수 있다. 이는 물이 이동하지 않고 부품이 보다 균일하게 경화되도록 수 초 또는 수 분 내에 부품들을 경화시킬 수 있다. 급속 건조는 부품을 손상시킬 수 있는 증기 분출을 야기하는 경향이 있을 수 있어서, 건조는 공정 및 부품들의 기하구조에 대한 지식 및 이해를 빠르게 필요로 한다. 본원에서 설명되는 실시예들은 통상적으로 한 시간 내에 균일하게 건조하기 위해 물질을 가열 및 건조시키기 위해 코어(120) 내에 가열 요소들을 채용할 수 있다.
내화 물질의 급속 경화는 몰드가 보다 빈번하게 사용될 수 있게 함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다. 통상적인 경화 시간은 12 내지 24시간일 수 있다; 그러나, 급속 경화는 경화 시간을 1시간 미만, 일부 경우에, 단지 수분으로 감소시킬 수 있다. 본원에서 기재된 실시예들은 열 및 염 첨가의 사용을 통해 경화 시간을 감소시킬 수 있다. 일체형 가열 코일에 의해 공급되는 열은 몰딩될 구성요소들 자체가 가열될 수 있으므로 용이하게 적용될 수 있다. 선택사항으로서, 몰드는 경화를 위해 퍼니스 내에 배치될 수 있다. 콜로이드성 실리카 주조의 경우, 열은 물을 방출하여 경화시키고 경화 입자의 이동을 최소화한다. 시멘트 주조의 경우, 열은 화학 반응의 속도를 증가시킨다. 이러한 효과는 콜로이드 실리카 주조에 있어서 확연한데, 이는 높은 열을 사용하면 수분 이내에 주조물이 경화될 수 있기 때문이다. 정제 염과 같은 염의 첨가를 통해, 콜로이드성 실리카 주조는 겔화될 것이다. 본 공정은 염 함량 및 온도에 민감하다. 1 질량% 미만과 같은 낮은 염 농도를 사용하면, 주조는 실온에서 매우 느리게 겔화될 것이며, 이는 작업자들이 제품을 몰드들로 작업할 수 있게 한다. 주조물이 약 50℃로 가열될 때, 주조물은 수분 내에 급속히 겔화될 것이다. 겔화에 대한 두 가지 주요 이점이 있다: (1) 겔이 매우 경질인 경우 즉시 탈형될 수 있고, (2) 겔화는 경화 입자의 이동을 방지한다. 통상적으로, 콜로이드성 실리카가 증발함에 따라, 수분은 증발이 일어나는 자유 표면으로 이동하고, 이동은 이와 함께 경화 입자를 취한다. 그 후, 자유 표면은 매우 단단하고 강해지는 한편, 부품의 나머지는 약해진다. 겔화는 이러한 이동을 방지하여 부품이 균일하게 경화되게 하여 대부분의 몰드들에 유리한데, 이는 몰드들이 일반적으로 통풍할 수 없고 몰드들이 통풍할 수 없는 곳에서 부품이 경화되어야 할 수 있기 때문이다.
내화 물질은 내화 세라믹 파이버(RCF)와 같은 파이버의 혼입이 물질에 사용될 수 있도록 취성일 수 있다. 파이버는 물을 흡수하도록 윤활되지 않은 취입 알루미나 실리케이트 파이버일 수 있다. 파이버는 먼저 물과 함께 슬러리로 혼합된 다음, 내화 물질 혼합물과 혼합될 수 있다. 파이버는 특히 후술되는 마이크로버블과 조합될 때 유용할 수 있는 습윤 주조가능한 물질을 실질적으로 강화시킨다. 파이버는 몰드 없이 자유롭게 성형될 수 있는 구조를 습식 혼합물에 제공한다.
실리카 입자는 응집체로서 내화 물질에 첨가될 수 있다. 이들은 입자 크기의 크기가 상이한 실리카 응집체 또는 실리카 입자일 수 있다. 더 미세한 입자들은 코일 홈들에 중요할 수 있는 더 상세한 부분들을 생성할 수 있지만, 더 큰 입자들은 상당한 강도를 부가할 수 있다. 이러한 응집체는 자갈 또는 모래와의 포틀랜드 믹스와 유사하게 시멘트 믹스에 대해 주조가능한 벌크를 형성할 수 있지만, 콜로이드성 실리카에 대해 이들은 대부분 첨가되어 양호한 표면 마무리 및 세부를 생성하는 더 작은 구성요소이다. 실리카 이외에, 알루미나 응집체 및 콜로이드성 알루미나와 같은 다른 입자가 사용될 수 있다. 알루미나는 내화 물질의 온도 용량 및 강도를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 알루미나는 내화 물질의 온도 용량 및 강도를 개선하기 위해 사용될 수 있다.
본원에서 제공된 예시적인 실시예에 따르면, 마이크로버블이 내화 물질에 첨가되어 내화 물질의 밀도를 감소시키고 성형성을 개선할 수 있다. 마이크로버블은 직경이 약 60 마이크로미터이고, 두께가 약 1/2 마이크로미터인 중공 글래스 버블이다. 이들 마이크로버블은 최대 200 파운드/평방 인치의 유체 압력을 견딜 수 있어서, 이들을 통상적인 내화물 혼합 및 주조에 적합하게 한다. 마이크로버블은 라이트 펌핑을 또한 견딜 수 있다. 마이크로버블은 매끄러운 마무리, 보이지 않는 다공성, 및 적당한 강도를 유지하면서, 1,800 kg/m3 초과의 통상적인 밀도를 갖는 물질로부터 500 kg/cm3 미만의 밀도가 달성될 수 있도록 내화 주조가능한 물질의 밀도를 감소시킨다. 이 강도는 표면을 콜로이드성 실리카 및 응집체로 경화시킴으로써 크게 개선된다. 부품들은 현저한 강도를 가지면서 매우 경량으로 만들어질 수 있다.
마이크로버블은 내화 물질을 더 성형가능하고, 더 매끄러우며, 더 내균열성을 갖게 한다. 적절한 물 함량으로, 혼합물은 손으로 성형될 수 있고 건조될 때까지 형상을 유지할 것이다. 이는 자체 무게로 유동하지 않고 스스로 지탱할 수 있을 만큼 물질을 가볍게 만들어 유용한 강성을 제공한다. 또한, 혼합물은 자극될 때 용이하게 유동한다. 마이크로버블은 일반적으로 구형이어서 저항이 거의 없이 구를 수 있고, 혼합물은 가온 버터처럼 퍼질 수 있다. 이러한 성형가능성은 내화 부품을 수리하거나, 접합부를 채우거나, 홀을 채우거나, 또는 부품들을 제자리에서 자유롭게 성형하는 데 유용할 수 있는 '몰딩가능한' 물질로서 유용하다. 물질은 또한 원래의 주조 공정에도 유용하다.
마이크로버블은 매우 높은 온도, 이를테면 600℃ 초과에서 연화되고 유동하는 경향이 있어서, 내화 물질에 사용되지 않는다. 그러나, 마이크로버블이 연화되어 유동할 때에도, 이들은 매우 미세한 공극을 남긴다. 마이크로버블은 파괴될 수 있지만, 주변의 콜로이드성 실리카 및 실리카 응집체에 의해 성형된 공극은 지속될 것이다. 다공성은 눈에 보이지 않고, 부품들은 80% 공기일 때에도 고체로 보인다. 낮은 열 전도성 및 용량의 상응하는 열 속성들은 내화 목적에 바람직하고, 밀도에 따라 이들 부품들은 특히 콜로이드성 실리카 및 실리카 응집체로 표면 경화시킴으로써 매우 강하게 만들어질 수 있다. 이러한 보이지 않는 기공은 뚜렷한 저하 없이 약 1,000℃의 온도에 견딜 수 있다. 그러나, 온도가 1,200℃에 도달할 때, 기공들의 소결 및 융합이 발생할 수 있다.
예시적인 실시예들의 본원에서 설명되는 마이크로버블 혼합물은 약 700℃의 목표 온도를 필요로 하는 용융 알루미늄의 취급에 우수한 물질이다. 효율적인 일체형 가열기들을 사용하면, 가열기 온도는 900℃ 미만으로 유지되어 물질을 안정하게 한다. 약 65% 콜로이드성 실리카, 22% 실리카 응집체, 8% 파이버, 및 5% 마이크로버블의 질량 기반 혼합물은 바람직한 내화 물질을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 이 물질은 내화편들 사이를 접합시키고 균열에 대한 양호한 내성을 갖는다. 이 혼합물은 광범위한 속성들을 초래하도록 변화될 수 있다. 물을 첨가함으로써, 혼합물은 자유 유동이 될 수 있다. 파이버 및 마이크로버블을 첨가함으로써, 혼합물은 건조하고 강성이 되어 몰드로 성형될 수 있다. 건조 혼합물은 질량으로, 55 % 콜로이드성 실리카; 25% 실리카 응집체, 11% 파이버, 및 9% 버블의 조성을 가질 수 있다.
본원에서 설명되는 물질들을 사용하는 부품들은 일부 형태의 후처리로부터 이익을 얻을 수 있다. 주조물은 일반적으로 설계에 의해 어느 정도의 다공성을 갖기 때문에, 표면에서 기공들을 폐쇄하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 부품의 경도 및 전체 강도를 개선할 수 있다. 콜로이드성 실리카와 실리카 응집체의 혼합물은 내화물을 밀봉하기에 적합하다. 이 물질은 매우 건조하고 코팅을 수용할 준비가 되도록 부품을 소성시킨 후에 적용될 수 있다. 코팅은 자유 유동하고 비교적 묽도록 혼합될 수 있다.
본원에서 개시된 주요 실시예는 가열 내화 채널(100) 또는 트로프를 포함하지만, 본원에서 설명되는 내화 물질 및 성형 공정의 실시예들은 딤블, 스파우트, 핀, 댐, 전이 플레이트 등에 사용될 수 있다. 본질적으로, 내화 물질을 사용하고 용융 금속의 유동 및 분배를 촉진시키는 주조 공정의 임의의 구성요소는 본원에서 설명된 바와 같이 가열 내화 구성요소 물질 및 형성으로부터 이익을 얻을 수 있다. 또한, 본원에서 설명된 내화 물질은 충분히 형성가능하고, 균열 및 파편화된 내화 구성요소들을 보수하기 위한 내화 보수 물질로서, 그리고 채널 섹션 결합과 같은 내화 성분 결합을 위한 물질로서 사용하기에 도움이 되는 속성들을 가질 수 있다. 본원에서 설명되는 내화 물질은 전술한 구성요소들 중 임의의 구성요소로서 사용하기 위해 그리고 용융 금속에 대해 탄성적이면서 구성요소들을 결합/복구하기 위해 다목적이다. 또한, 내화 물질에서의 마이크로버블의 사용은 일반적으로 600℃ 초과의 온도에 노출되는 물질에서의 사용을 방해하지만, 600℃를 훨씬 초과하는 온도에 대한 노출에도 불구하고, 밀도를 감소시키면서 개선된 내화 물질 속성들을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이에 따라, 실시예들은 본원에서 설명된 바와 같은 내화 구성요소들에 유익한 예상치 못한 결과들을 달성하기 위해 의도된 용도와 상이한 방식으로 비통상적인 구성요소들 및 성분들을 사용하는 내화 물질을 제공한다.
잉곳 몰드와 같은 연속 주조 몰드에서 용융 금속을 분배하기 위한 스파우트는 그 기하구조로 인해 상당한 열을 잃을 수 있고, 보통 고밀도 및 비교적 높은 전도성을 갖는 용융 실리카로부터 만들어진다. 상술한 공정 및 구성에 따라 스파우트를 형성하는 것은 유해한 열 손실 없이 용융 금속 유동을 촉진시키는 스파우트를 제공한다.
상술된 예시적인 실시예들은 일반적으로 도 1 및 도 2의 코어(120)와 같은 코어를 포함하며, 가열 요소(130)가 코어 내에 배치된다. 도 1 및 도 2의 트로프가 절연체(150)를 이용하여 절연되어 있지만, 상술한 트로프는 지지체(140)를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다. 일부 내화 구성요소들은 상술한 가열 내화 채널(100)에 대해 도시되고 설명되는 바와 같이 절연을 필요로 하지 않을 수 있다. 예를 들어, 스파우트는 자신을 둘러싸는 지지체 또는 절연 물질을 필요로 하지 않을 수 있는데, 그 이유는 그러한 절연체 없이 마찬가지로 또는 실질적으로 마찬가지로 기능할 수 있기 때문이다.
스파우트(210)는 트로프로부터 직접 냉각 몰드로 용융 금속을 주입하는 중공 내화 실린더이며, 트로프 채널(200)의 바닥에서 배수구로서 기능한다. 도 6은 트로프 채널(200) 내의 통상적인 스파우트(210) 및 핀(205)을 도시한다. 스파우트(210)는 용융 금속을 채널(200)로부터 스파우트의 보어를 통해 직접 냉각 주조 몰드로 지향시키도록 구성된다. 스파우트(210)는 특정 구성에 기초하여 길이 및 직경을 포함하는 다양한 크기들로 이루어질 수 있다. 트로프 채널(200)은 상술한 바와 같이 가열 내화 채널일 수 있다. 트로프 채널(200)은 프레임(220)에 의해 지지된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스파우트는 스파우트(210)의 보어로 연장되는 핀(205)을 포함한다. 핀은 스파우트의 출구를 차단하고 용융 금속이 채널(200)로부터 스파우트(210)의 보어를 통해 유동하는 것을 방지하기 위한 플러그로서 사용될 수 있다. 핀(205)을 상승시키는 것은 금속이 제한되면서 스파우트(210)를 통해 유동하는 것을 허용한다. 간극을 감소시키면 유동이 감소되어 핀 위치가 금속 유량을 제어한다. 단면적은 핀과 스파우트 사이의 출구에서 작을 수 있다. 스파우트(210)의 출구에서, 금속 유동 속도는 높고 얇은 스트림을 생성한다. 결과적으로, 열 전달은 핀과 스파우트 사이에서 매우 높다. 핀과 스파우트가 차갑다면, 금속은 스파우트로 고화될 수 있고, 핀 및 스파우트를 파괴할 수 있다.
예시적인 실시예들의 핀(205)은 가열됨으로써 스파우트를 가열할 수 있어서, 가열된 핀으로 스파우트를 통한 용융 금속의 유동을 조절하면 금속이 스파우트 내에서 동결될 가능성을 감소시킨다. 그러나, 가열된 핀들은 효과가 제한된다. 본 개시의 실시예들은 용융 금속이 스파우트 내에서 동결되지 않는 것을 더 보장하기 위해 가열된 스파우트를 제공한다. 스파우트 내의 금속 동결은 주조 작업이 손상될 수 있고 스파우트 및 핀이 희생될 수 있기 때문에 비용이 많이 들 수 있다. 본원에서 제공된 실시예들은 금속이 스파우트 내에서 동결되지 않도록 보장하기에 충분한 온도로 스파우트를 유지하는 가열된 스파우트를 포함할 수 있다. 도 7은 핀(205)이 제거된 도 6의 트로프(210) 및 채널(200)을 도시한다.
예시적인 실시예들의 가열 스파우트는 내화 물질로부터 주조되고 내부 가열 요소를 갖는 스파우트를 포함한다. 일부 스파우트들의 작은 크기로 인해, 도 1 및 도 2의 내화 구성요소들에 도시된 절연체는 생략될 수 있다. 스파우트가 일반적으로 작기 때문에, 가열 스파우트를 절연시키지 않는 것으로부터의 전력 소비 증가는 무시가능할 수 있다. 가열 내화 스파우트의 본원에서 설명된 실시예들은 예를 들어, 약 11 와트/평방 인치와 같은 고전력 밀도 가열체를 채용한다. 이러한 가열 스파우트는 절연 없이 540℃ 이상의 온도를 달성할 수 있다. 예시적인 가열 스파우트는 금속이 스파우트 내에서 동결되지 않도록 보장하기에 충분한 열을 전달하면서 1,000 와트 미만을 소비할 수 있다.
가열 내화 스파우트들은 내화 물질 내에 둘러싸이는 가열체를 채용하여 내화 물질은 스파우트로 구조를 제공하면서 가열 요소를 부식 및 손상으로부터 보호한다. 본원에서 설명된 바와 같은 가열 내화 스파우트들은 더 높은 온도를 달성하기 위해 그리고/또는 에너지를 덜 소비하기 위해 스파우트의 외부 주위에 절연체를 선택사항으로서 포함할 수 있다. 그러나, 가열 내화 스파우트의 비교적 낮은 전력 소비가 주어지면, 그러한 절연된 가열 내화 스파우트는 필요하지 않을 수 있다. 전력 소비가 일부 환경들에서 중요한 요인이고 효율이 우선적인 경우에, 절연된 스파우트가 바람직할 수 있지만, 본원에서 설명된 예시적인 실시예들에 따르면 필요하지 않다.
직접 냉각 빌릿 주조 몰드에서의 주조 몰드 캐비티와 주조 딤블 사이의 전이 플레이트 또는 플레이트들은 일반적으로 전이 플레이트의 균열 및 저하로 인해 규칙적으로 교체되는 소모성 부품이다. 전이 플레이트들은 빌릿을 주조하는 데 필수적이어서 대량으로 소비될 수 있다. 상술한 내화 물질로부터 주조된 경량 실리카 전이 플레이트는 균열 문제를 해소할 수 있고, 전이 플레이트 수명을 크게 향상시켜 유사한 제조 비용점을 제공하면서 열 응력의 핵심 문제를 해결한다.
도 8은 용융 금속(145)이 플레이트(160)를 관통하는 전이 딤블(150)을 통해 몰드(170)의 캐비티로 유동하며, 여기서 용융 금속(175)이 주조물(180)로 응고되는 내화 채널(100)을 갖는 빌릿 주조 섹션의 예시적인 실시예를 도시한다. 전이 플레이트(160)는 빌릿 몰드(170) 위에 위치되는 디스크이다. 용융 금속은 전이 플레이트를 관통하는 애퍼처(165)를 통해 몰드에 진입하고 빌릿의 전체 직경으로 방사상으로 퍼진다. 8 인치 빌릿 주조를 위한 애퍼처는 예를 들어, 약 3 인치일 수 있다. 전이 플레이트는 금속을 방사상으로 분포시킨다. 이는 일반적으로 중앙에 애퍼처를 갖는 편평한 링이며, 애퍼처는 용융 금속을 몰드로 공급하는 배관을 형성하도록 딤블과 결합한다. 전이 플레이트는 몰드 내에서 응고되기 직전에 용융 금속과 직접 상호작용한다. 이는 금속이 저항 없이 유동하는 것이 중요하고 전이 플레이트 상의 사전 응고가 불리하므로 주조 공정에서 중요한 기능이다. 전이 플레이트는 금속과 열을 전달하지 않도록 낮은 열 전도성 및 열 질량을 가져야 한다. 도 9는 애퍼처(165)를 규정하는 전이 플레이트(160)의 예시적인 실시예를 도시한다.
전이 플레이트의 저면은 전이 플레이트가 몰드로 유동함에 따라 금속과 계면을 이루는 한편, 전이 플레이트의 상부는 수냉식 몰드 조립체의 일부로서 비교적 저온이다. 이러한 온도 구배는 전이 플레이트의 기능적 요건이고, 금속이 주조물의 최종 직경에 도달하기 전에 수냉식 몰드에 열을 전달하지 않도록 보장하는 것이 필요하다. 온도 구배는 열팽창 계수 및 물질의 강성에 따른 응력을 초래한다. 전이 플레이트는 "N17"로 알려진 흑연 보강 칼슘 실리케이트 보드로부터 만들어질 수 있다. 열팽창 계수는 제조자에 의해 7x10^-6/℃로서 열거된다. 또한, N17의 강성은 흑연 파이버의 첨가로 인해 높을 수 있다.
융합 실리카 전이 플레이트는 N17 전이 플레이트보다 앞서 있다. 융합 실리카 전이 플레이트는 아마도 0.5x10^-6/℃ 정도의 실리카의 매우 낮은 열팽창 계수로 인해 그 N17 대응물보다 길게 지속되었다. 그러나, 융합 실리카 전이 플레이트는 금속으로부터 열을 흡수하고 사전 응고되는 경향이 있었다. 융합 실리카 전이 플레이트들은 주조를 손상시킬 수 있는 주조 문제들을 일으키기 쉬웠으며, 이에 의해 단일 손상 주조가 동시 스트랜드 주조 동안 몇몇 또는 모든 주조에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 다수의 동시 스트랜드에 대한 이들의 사용을 제한하였다. 마이크로버블 레시피를 채용하는 본원에서 설명된 실시예들은 N17 전이 플레이트들과 유사한 밀도로 제조될 수 있고, 그 밀도에서의 열 전도도는 N17의 열 전도도보다 29% 더 낮다. 흑연은 고전도성이어서 N17 물질은 더 높은 열 전도성을 갖는 한편, 본원에서 설명된 실시예들의 마이크로버블은 열 전도성에 저항하는 절연성을 제공한다. 예시적인 실시예들에 따른 마이크로버블 실리카 전이 플레이트들은 개선된(감소된) 열 전도성과 함께 더 낮은 열 팽창 속도를 제공한다. 열 응력을 감소시키는 것은 마이크로버블을 통합하는 본원에서 설명된 내화 물질로 형성된 전이 플레이트들의 내구성을 개선한다. 경량 실리카 전이 플레이트들은 낮은 열 팽창으로 인한 균열 문제들을 해결하지만, 물질의 낮은 밀도로 인해 여전히 잘 주조된다.
본원에서 설명된 내화 물질들로부터 전이 플레이트들을 형성하는 기능적 개선 외에도, 제조는 더 적은 폐기물 및 더 적은 단계들로 더 효율적일 수 있다. N17 전이 플레이트들은 보드로부터 기계가공되는 한편, 본원에서 설명된 전이 플레이트들은 기계가공을 최소화하거나 제거하기 위해 최종 형상으로 또는 최종 형상에 가깝게 주조될 수 있다. 이러한 주조를 위해, 알루미늄 몰드는 두 개의 절반부로 분할될 수 있고, 함께 전이 플레이트 형상의 음을 형성한다. 그 후, 마이크로버블 내화 물질은 적당한 압력에서 전이 플레이트 몰드로 펌핑되어 공극들을 채우고 양호한 표면 마무리를 제공할 수 있다. 그 후, 금속 몰드 내의 부품들을 건조시키기 위해 물질이 몰드에 있는 동안 열이 인가될 수 있다. 또한, 본원에서 설명된 마이크로버블 내화물의 몰딩성은 금속을 딤블 직경으로부터 링 직경까지 더 점진적으로 전이시키기 위해 한 부분에서 딤블과 전이 플레이트의 기능을 겸비한 벨 형상의 전이 플레이트와 같은 형상들로 몰딩될 수 있다. 이러한 만곡된 형상들은 그 형상에 의해 증가된 강도를 가질 수 있다. 이러한 부품들은 N17 물질로는 실용적이지 않다. 이러한 방식으로 전이 플레이트들을 형성하는 것은 그 후에 비교적 적은 기계가공으로 전이 플레이트들로 기계가공될 수 있는 넷(net)에 가까운 형상의 주조를 가능하게 한다. 선택사항으로서, 본 물질은 전이 플레이트들로 기계가공될 수 있는 보드로 주조될 수 있으며, 이는 필요한 크기의 전이 플레이트 몰드들이 이용가능하지 않을 때 수행될 수 있다.
본원에서 제공된 전이 플레이트들의 실시예들은 경량이고 내구성이 있으면서 전이 플레이트에 걸쳐 큰 온도 구배를 가능하게 하는 물질을 제공한다. 실시예들은 큰 기공들(예를 들어, 다공성이 보이지 않음)이 없고, 낮은 밀도, 낮은 열 팽창 계수, 및 내균열성의 경량 실리카 전이 플레이트를 포함한다. 전이 플레이트에 사용되는 물질은 90 중량% 이상의 실리카일 수 있고, 1,200 kg/m3 이하의 밀도를 갖는다. 이러한 밀도를 달성하기 위해, 본 물질은 0.25 중량% 이상의 양으로 마이크로버블을 포함할 수 있다. 물질을 겔화시켜 더 큰 몰딩성 및 성형성을 허용하는 것을 포함하는 향상된 물질 속성들을 제공하기 위해, 콜로이드 실리카에 염을 첨가하여 물질을 겔화시킬 수 있다. 본원에서 설명된 예시적인 실시예들에 따라 형성된 전이 플레이트들은 내구성 및 저비용을 유지하면서 우수한 온도 안정성을 제공한다.
본원에서 제시된 본 발명의 많은 수정 및 다른 실시예들은 전술한 설명 및 관련 도면들에서 제시된 교시의 이점을 갖는 당업자들에게 떠오를 것이다. 이에 따라, 본 발명은 개시되는 특정 실시예들에 제한되지 않고 수정 및 다른 실시예들이 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도됨을 이해해야 한다. 본원에서 특정 용어가 사용되더라도, 이들은 일반적이고 설명적인 의미로 사용되며 제한의 목적으로 사용되지 않는다.

Claims (27)

  1. 가열 내화 스파우트(heated refractory spout)로서,
    내화 물질로 형성되고 관통 개구를 갖는 절두원추형 형상을 형성하는 스파우트; 및
    상기 스파우트의 내화 물질 내에 매립되고 상기 내화 물질에 의해 둘러싸인 하나 이상의 가열 요소를 포함하며, 상기 하나 이상의 가열 요소는 상기 스파우트의 적어도 일부분을 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 구성된 것인, 가열 내화 스파우트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 가열 요소는 상기 스파우트로 몰딩되는 것인, 가열 내화 스파우트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 가열 요소는 전기 저항 가열 요소를 포함하는 것인, 가열 내화 스파우트.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스파우트를 관통하는 상기 개구는 작업 표면을 형성하며, 상기 작업 표면은 상기 하나 이상의 가열 요소에 의해 300℃를 초과하여 가열되도록 구성된 것인, 가열 내화 스파우트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 가열 요소는 1,000℃ 미만으로 유지되는 것인, 가열 내화 스파우트.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전기 저항 가열 요소는 코일로 형성되며, 상기 코일은 상기 개구를 둘러싸고 상기 절두원추형 형상 주위에서 상기 스파우트 내에 형성되는 것인, 가열 내화 스파우트.
  7. 제1항에 있어서, 코어가 마이크로버블의 중량%의 적어도 절반을 포함하는 내화 물질을 포함하는 것인, 가열 내화 스파우트.
  8. 제7항에 있어서, 상기 마이크로버블은 중공 글라스 버블을 포함하는 것인, 가열 내화 스파우트.
  9. 제8항에 있어서, 상기 마이크로버블은 약 60 마이크로미터의 직경을 갖는 것인, 가열 내화 채널.
  10. 금속 주조를 위한 내화 구성요소들을 형성하기 위한 내화 물질로서,
    콜로이드성 알루미나 또는 콜로이드성 실리카 중 적어도 하나;
    실리카 응집체;
    파이버; 및
    마이크로버블을 포함하며,
    상기 내화 물질의 밀도는 1,200 kg/m3 미만인 것인, 내화 물질.
  11. 제10항에 있어서, 상기 마이크로버블은 상기 물질의 1 중량%의 적어도 절반을 포함하는 것인, 내화 물질.
  12. 제10항에 있어서, 상기 콜로이드성 실리카는 상기 물질의 적어도 50 중량%를 포함하는 것인, 내화 물질.
  13. 제10항에 있어서, 직접 냉각 주조를 위한 전이 플레이트로 형성되는 것인, 내화 물질.
  14. 제11항에 있어서, 상기 물질은 약 90 부피%의 실리카 응집체인 것인, 내화 물질.
  15. 제10항에 있어서, 상기 물질은 1 중량% 초과의 마이크로버블을 포함하는 것인, 내화 물질.
  16. 제11항에 있어서, 상기 물질의 파이버는 보강을 위한 세라믹 파이버를 포함하는 것인, 내화 물질.
  17. 가열 내화 채널로서,
    작업 표면;
    상기 작업 표면에 인접한 코어;
    상기 코어에 인접한 지지체(backer);
    상기 지지체와 상기 코어 사이에 배치된 하나 이상의 가열 요소; 및
    상기 지지체에 인접한 절연체를 포함하며, 상기 코어는 상기 작업 표면과 상기 지지체 사이에 배치되는 것인, 가열 내화 채널.
  18. 제17항에 있어서, 상기 지지체는 상기 코어에 접합되는 것인, 가열 내화 채널.
  19. 제17항에 있어서, 상기 가열 요소는 상기 가열 요소를 용융 금속으로부터 차폐하기 위해 상기 지지체와 상기 코어 사이에서 밀봉되는 것인, 가열 내화 채널.
  20. 내화 구성요소들의 성형, 내화 구성요소들의 보수, 또는 내화 구성요소들의 접합에 사용하기 위한 내화 물질로서,
    결합제 물질;
    충전제 물질;
    보강 물질; 및
    적어도 0.5 중량%의 마이크로버블을 포함하는, 내화 물질.
  21. 제20항에 있어서, 상기 물질은 1,200 kg/m3 미만의 밀도를 갖는 것인, 내화 물질.
  22. 제21항에 있어서, 상기 보강 물질은 세라믹 파이버를 포함하는 것인, 내화 물질.
  23. 가열 내화 구성요소로서,
    용융 금속을 보유하거나 안내하기 위한 작업 표면;
    상기 작업 표면에 인접한 코어;
    상기 코어 내에 배치된 하나 이상의 가열 요소; 및
    절연체를 포함하며, 상기 코어는 상기 작업 표면과 상기 절연체 사이에 배치되는 것인, 가열 내화 구성요소.
  24. 제23항에 있어서, 상기 구성요소는 스파우트(spout), 딤블(thimble), 핀(pin), 댐(dam), 전이 플레이트, 또는 채널 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 가열 내화 구성요소.
  25. 직접 냉각 주조용 전이 플레이트로서, 적어도 90 중량%의 실리카를 포함하는 물질로 형성되고, 1,200 kg/m3 미만의 밀도를 갖는, 전이 플레이트.
  26. 제25항에 있어서, 상기 물질은 적어도 0.25 중량%의 마이크로버블을 포함하는 것인, 전이 플레이트.
  27. 제25항에 있어서, 상기 물질은 상기 전이 플레이트를 형성할 때 상기 물질이 겔화되게 하는 염을 포함하는 것인, 전이 플레이트.
KR1020237015145A 2020-10-08 2021-10-06 내화 스파우트 KR20230077749A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063089130P 2020-10-08 2020-10-08
US63/089,130 2020-10-08
US202063121436P 2020-12-04 2020-12-04
US63/121,436 2020-12-04
PCT/US2021/053716 WO2022076522A2 (en) 2020-10-08 2021-10-06 Material, apparatus, and method for refractory castings

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230077749A true KR20230077749A (ko) 2023-06-01

Family

ID=78650045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237015145A KR20230077749A (ko) 2020-10-08 2021-10-06 내화 스파우트

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20220111434A1 (ko)
EP (1) EP4221915A2 (ko)
JP (1) JP2023545427A (ko)
KR (1) KR20230077749A (ko)
CN (1) CN116390898A (ko)
AU (1) AU2021358769A1 (ko)
CA (1) CA3194660A1 (ko)
MX (1) MX2023004105A (ko)
TW (1) TW202231381A (ko)
WO (1) WO2022076522A2 (ko)

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1014290A (en) * 1972-06-23 1977-07-19 Thomas A. Myles Refractory moldable insulation
GB2192119A (en) * 1986-06-20 1987-12-31 Kanthal Ltd Heating devices
JPH0764558B2 (ja) * 1987-11-16 1995-07-12 昭和電工株式会社 アルミナ質多孔性粒状物及びこの粒状物を骨材とする耐火物
US5316071A (en) * 1993-05-13 1994-05-31 Wagstaff Inc. Molten metal distribution launder
US5947716A (en) * 1997-04-07 1999-09-07 Eastman Chemical Company Breech lock heat shield face for burner nozzle
GB9707369D0 (en) * 1997-04-11 1997-05-28 Glaverbel Lance for heating or ceramic welding
US6470041B2 (en) * 1999-01-12 2002-10-22 C. Edward Eckert Heater assembly and heated trough for molten aluminum
US6496529B1 (en) * 2000-11-15 2002-12-17 Ati Properties, Inc. Refining and casting apparatus and method
US6973955B2 (en) * 2003-12-11 2005-12-13 Novelis Inc. Heated trough for molten metal
DE102004057381A1 (de) * 2004-11-26 2006-06-01 Heraeus Electro-Nite International N.V. Verfahren zur Regelung des Durchflusses sowie Bodenausguss für ein metallurgisches Gefäß
JP4721095B2 (ja) * 2005-03-24 2011-07-13 住友電気工業株式会社 鋳造用ノズル
KR100914030B1 (ko) * 2009-02-23 2009-08-28 송형천 전열부재를 구비한 매니폴드 및 전열부재의 장착방법
CN102812319A (zh) * 2009-12-10 2012-12-05 诺维尔里斯公司 具有流通通风的熔融金属容纳结构
DE102012102549A1 (de) * 2011-11-15 2013-05-16 Ferrofacta Gmbh Druckgussdüse und Verfahren zum Betrieb der Druckgussdüse
CN102519258A (zh) * 2011-12-14 2012-06-27 攀钢集团工程技术有限公司 焙烧炉烧嘴及其砌筑方法
EP2861340B1 (en) * 2012-06-14 2017-12-06 Pyrotek, Inc. Receptacle for handling molten metal
CN104421937A (zh) * 2013-08-30 2015-03-18 王世松 一种工业炉耐火内衬火焰喷补喷嘴及其应用
CN104006656A (zh) * 2014-02-24 2014-08-27 王世松 工业炉耐火内衬火焰喷补喷嘴
JP2017514692A (ja) * 2014-05-05 2017-06-08 リフラクトリー・インテレクチュアル・プロパティー・ゲー・エム・ベー・ハー・ウント・コ・カーゲー 耐火性セラミック鋳造ノズル
US10408540B2 (en) * 2016-12-21 2019-09-10 Fives North American Combustion, Inc. Launder assembly

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022076522A2 (en) 2022-04-14
CA3194660A1 (en) 2022-04-14
JP2023545427A (ja) 2023-10-30
CN116390898A (zh) 2023-07-04
TW202231381A (zh) 2022-08-16
EP4221915A2 (en) 2023-08-09
AU2021358769A1 (en) 2023-06-08
MX2023004105A (es) 2023-04-27
US20220111434A1 (en) 2022-04-14
WO2022076522A3 (en) 2022-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107530770B (zh) 加热的控制销
CN106927664B (zh) 耐火材料、耐火材料的制造方法以及熔窑
Deng et al. Insulation effect of air cavity in sand mold using 3D printing technology
US3718172A (en) Method of forming a thermally insulated composite article
JP2008190728A (ja) 工業窯炉またはその付帯設備の内張り構造およびこれに使用するプレキャスト耐火物ブロック
KR20230077749A (ko) 내화 스파우트
KR100874397B1 (ko) 용융된 금속 내에 가스를 주입하는 내화 플러그
US6450237B1 (en) Compound cast product and method for producing a compound cast product
KR101865287B1 (ko) 고온성형을 위한 세라믹 금형 시스템
JP2009195989A (ja) 中間ストークおよびその製造方法並びに低圧鋳造装置
US3329201A (en) Pouring tube for pressure pouring apparatus
Naplocha et al. Enhancement of heat transfer in PCM by cellular Zn-Al structure
CN87100980A (zh) 接近最终形状的熔铸耐火材料及其通过快速熔化和控制快速冷却的制造方法
CN113305998B (zh) 氧化铝砖生产用保温箱
JP2004337956A (ja) 耐火物内張り層の形成方法
EP0857704B1 (en) Methods of making refractory bodies
JP4303530B2 (ja) ノズル耐火物の内張り層の形成方法
JPH1177285A (ja) 取 鍋
US2257737A (en) Method of producing cast refractory and similar articles
CN105910441A (zh) 铝用阳极碳素焙烧炉火道墙用复合隔热型炉面预制块及其制备方法
JP3119975B2 (ja) 双ドラム式連続鋳造装置のサイド堰用不定形耐火物およびサイド堰
JP2978049B2 (ja) キャスタブル耐火物施工用型枠及び該型枠を用いたキャスタブル耐火物の施工方法
KR101729397B1 (ko) 테르밋부재가 구비된 맹압탕 효율 개선방법
JPS62124071A (ja) 溶融金属注入用ノズル
JP2024104796A (ja) フラットヒーターおよびこれを用いた保持炉