KR20230118880A - 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치 - Google Patents
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Abstract
용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치 및 방법, 상기 로터리 장치용 관형 슬리브, 및 용융 금속의 처리에서의 상기 로터리 장치의 용도가 제공된다. 상기 로터리 장치는 일단에 로터 헤드를 포함하고, 상기 로터 헤드는 가스를 용융 금속 내로 분산시키기 위한 가스 출구를 포함하는 관형 슬리브; 및 상기 중공 샤프트의 적어도 일부가 상기 관형 슬리브에 의해 둘러싸이도록 상기 관형 슬리브 내부에서 연장되는 중공 샤프트를 포함한다. 상기 중공 샤프트는 상기 로터 헤드의 가스 출구에 유체 연결되고, 상기 관형 슬리브는 부식 및 열 충격에 강한 내화성 재료로 형성되고, 상기 중공 샤프트는 흑연을 포함하는 재료로 형성된다. 제1 방법은, 용융 금속의 노출된 표면 상에 합성 슬래그 재료의 층을 도포하는 단계; 및 용융 금속이 합성 슬래그 재료의 층을 지나 유동하도록 로터 헤드를 포함하는 로터리 장치를 사용하여 용융 금속을 교반하는 단계를 포함한다. 제2 방법은 용융 금속에 금속 처리제를 도포하는 단계; 로터 헤드를 포함하는 로터리 장치를 사용하여 용융 금속을 교반하는 단계; 및 로터 헤드를 통해 용융 금속 내로 가스를 배출하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 황, 용존 가스 및 고체 개재물과 같은 용융 금속으로부터 원치 않는 불순물을 제거하고, 금속 처리 첨가제를 용융 금속 내로 혼입하기 위한 로터리 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 로터리 장치용 관형 슬리브 및 용융 금속의 처리에서의 로터리 장치의 용도에 관한 것이다.
용융 금속 내의 원치 않는 불순물은 금속 주조 공정에서 상당한 문제를 야기하여, 완성된 캐스팅의 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 고체 개재물(전형적으로 알루미나 및 실리카와 같은 고체 산화물)은 금속 내에 결함 및 불연속부를 생성할 수 있는 한편, 용존 가스(예를 들어, 수소 가스)는 바람직하지 않은 공극률 및/또는 취성을 야기할 수 있다. 철 금속, 특히 강철은 또한 용융 공정에서 사용되는 원료 물질로부터 잔류 황을 포함할 수 있으며, 이는 주물의 취성을 증가시킨다. 따라서, 마무리된 주물의 품질을 개선하기 위해, 가능한 한 많은 불순물을 용융 금속으로부터 제거하는 것이 중요하다.
용존 가스 및 고체 개재물은, 아르곤, 질소 및/또는 일산화탄소와 같은, 금속에 불용성인 가스 또는 가스 혼합물로 용융 금속을 퍼징(purging)함으로써 일반적으로 제거된다. 퍼지 가스의 기포는 용존 수소 및 고체 개재물을 포획하고, 용융 금속을 통해 이동하는 동안 만나고, 기포들의 표면으로 상승시킨다. 전형적으로, 이러한 퍼징은 용융 퍼니스 또는 캐스팅 레이들의 베이스에서 다공성 플러그에 의해 수행되었고, 용융 퍼니스 또는 캐스팅 레이들은 퍼지 가스를 금속을 통해 위로 버블링한다. (약 660℃의 용융점 및 약 2.4g/cm3의 밀도를 갖는) 알루미늄과 같은 더 낮은 온도 및 더 낮은 밀도의 용융 금속을 퍼징하는 다른 방법은, 용융 금속 내로 주입된 가스를 분산시키기 위해 회전되는 로터가 단부에 부착된 중공 샤프트를 통해 금속 내로 가스를 주입함으로써 이루어진다. 이러한 방법은 주입된 버블이 스피닝 로터 헤드에 의해 쵸핑(chopped)됨으로 인해 다공성 플러그를 사용하는 것보다 더 미세한 버블을 생성하는데, 이는 교반 효율을 개선하고 더 미세한 개재물이 용융 금속으로부터 들어올려질 수 있게 한다. 이러한 경우, 공정은 "탈기(degassing)"로 지칭될 수 있다.
탈기 로터들은 많은 이유들로 철 및 강철과 같은 더 높은 온도 및 더 높은 밀도의 금속에서 통상적으로 사용되지 않는다. 철 및 강철은 모두 용융시 약 1150 내지 1550℃의 용융점 및 약 7g/cm3의 밀도를 갖는다. 알루미늄에 대해 로터가 통상적으로 제조되는 종래의 내화성 세라믹 재료는 용철 또는 강철에 침지하기 전에 온도에 대한 프라이밍(priming)을 필요로 하며, 그렇지 않으면 열 충격으로 인해 비산된다. 이와 같은 온도에 대한 프라이밍은 어렵고 시간 소모적인 절차이다. 용철/강철의 극한 온도 및 밀도는 또한 로터를 제조하는 재료에 따라, 사용 동안 로터 헤드를 신속하게 경사 및 변형시킬 수 있으며, 이는 로터의 교반 및 퍼징 효율을 감소시킨다. 용철, 특히 금속 표면 상의 슬래그 층뿐만 아니라 벌크 금속 자체는 또한 일부 내화성 세라믹 재료에 부식성일 수 있고, 용융 알루미늄을 위해 로터를 제조하는데 사용되는 일부 내화성 재료(예를 들어, 흑연)는 용철에 용해될 수 있다. 이와 같이, 종래의 로터들은 사용하기가 어렵고 철 및 강철과 같은 더 높은 온도의 금속들에서 매우 짧은 수명을 갖는 경향이 있어서, 다공성 플러그들을 사용하는 것이 이러한 적용들에서 일반적으로 바람직하다.
철 금속의 탈황화(desulfurisation)는 일부 상이한 방식으로 수행될 수 있다. 하나의 방법은 (통상적으로 적어도 100톤의 용량을 갖는) 매우 큰 용기 및 용융 금속을 교반하기 위한 십자형의 임펠러를 포함하는 칸바라 반응기(Kanbara Reactor)에서 탈황화 첨가제로 용융 금속을 처리하는 것을 수반한다. 탈황화 첨가제(전형적으로 분말화된 칼슘 산화물)는 임펠러의 회전에 의해 용융 금속 내로 혼합되며, 여기서 첨가제는 금속 내의 황과 반응하여 고체 생성물(예를 들어, 칼슘 황화물)을 형성하며, 이는 결국 금속의 표면으로 부상되어 슬래그의 층을 형성하며, 이는 스키밍(skimming)에 의해 제거될 수 있다. 칸바라 반응기 탈황화에서, 임펠러는 위에서 언급된 바와 같이, 균열을 피하기 위해 용융 금속에 침지하기 전의 온도로 프라이밍되어야 한다.
철 금속을 탈황화하기 위한 또 다른 방법은, 스풀로부터 금속 내로 공급되는 코어드 와이어(cored wire) 형태의 탈황화 첨가제로 용융 금속을 처리하는 것을 수반한다. 코어드 와이어는 고융점 재료(예를 들어, 강철)의 시스(sheath)에 의해 둘러싸인(통상적으로 칼슘 및/또는 마그네슘을 함유하는) 탈황화 첨가제의 코어를 포함한다. 시스는 첨가제 코어가 용융 금속과의 접촉하는 즉시 산화하는 것을 보호하고, 와이어가 금속 내로 공급될 때 점진적으로 용융 또는 용해되어, 용융 금속의 헤드를 통해 위로 침투할 수 있도록 표면 아래의 사전결정된 깊이에서 첨가제 코어를 방출한다. 용융 금속 내로의 와이어의 공급 속도는 첨가제가 원하는 깊이에서 방출되는 것을 보장하기 위해 외부 시스의 용융/용해 속도와 균형을 이룬다. 이러한 방법은 일반적으로 다공성 플러그의 사용과 결합되고, 이는 금속을 통해 가스를 버블링하고 첨가제를 분산시키는 것을 돕는다.
탈황화 이외에(또는 그 대신에), 금속 처리 첨가제는 또한 퍼징 후에 남아 있는 개재물의 조성, 형태 및/또는 분포를 변경하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 칼슘 첨가제는 용철에 사용되어 고체 산화물 개재물(예컨대, 알루미나 또는 실리카)과 반응할 수 있고, 강철의 용융점에서 액체인 하부 융점 칼슘 알루미네이트 또는 실리케이트를 형성할 수 있으며, 따라서 주조 노즐을 막지 않는다. 첨가제들은 또한 균열 경향이 있는 주조 금속 내에 결함-라인들을 생성할 수 있는 수지상(dendritic) 또는 판상(plate-like) 개재물의 형태를 변경할 수 있어서, 개재물이 더 구형(globular)이 되고 그에 따라 그러한 결함-라인들을 형성하지 않는다. 예를 들어, 칼슘 첨가제는 강철에 사용되어 고체 산화물 개재물의 형태를 변경할 수 있는 반면, 마그네슘 첨가제는 철에 사용되어 탄소 개재물의 형태를 변경할 수 있다.
칼슘 및 마그네슘의 비등점이 각각 강철 및 철의 용융점 미만이기 때문에, 원소 칼슘 또는 마그네슘을 용철 금속으로 도입하는 것은 어렵고 위험할 수 있다. 따라서, 원소 Ca/Mg는 너무 많이 첨가되면 용철/강철과 접촉시 폭발적으로 증기화하거나, 또는 신속하게 산화시킬 수 있다. 결과적으로, 첨가제는 보통 원소 형태가 아닌 칼슘 실리콘(CaSi), 칼슘 실리콘 바륨(CaSiBa) 등과 같은 안정화된 형태로 첨가된다.
본 발명은 용융 금속을 처리하기 위한, 또는 적어도 유용한 대안을 제공하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
로터리 장치
본 발명의 제1 관점에 따르면, 용융 금속을 가스로 처리하기 위한 로터리 장치(본원에서는 "로터"로도 부름)가 제공된다. 상기 장치는 일단부에서 로터 헤드를 포함하는 관형 슬리브, 및 중공 샤프트의 적어도 일부가 관형 슬리브에 의해 둘러싸이도록 관형 슬리브 내부에서 연장되는 중공 샤프트를 포함한다. 상기 로터 헤드는 가스를 용융 금속 내로 배출하기 위한 가스 출구를 포함하고, 상기 중공 샤프트는 로터 헤드의 가스 출구에 유체 연결된다. 상기 관형 슬리브 및 로터 헤드는 부식 및 열 충격에 강한 내화성 재료로 형성된다. 상기 중공 샤프트는 흑연을 포함하는 내화성 재료로 형성된다.
본 발명의 발명자들은 흑연을 포함하는 재료로 제조된 내부 중공 샤프트 및 더 큰 저항성의 내화성 재료로 제조된 외부 관형 슬리브 및 로터 헤드를 포함하는 2-파트 로터가 강철과 같은 고온 용융 금속에서 우수한 내구성 및 수명을 갖는다는 것을 발견하였다. 본 발명의 실시예들은 용철에서 반복된 시험 후에 변형을 거의 나타내지 않는 한편, 양호한 교반 및 퍼징 효율을 달성하였다. 흑연을 포함하는 중공 샤프트는 용융 또는 섀터링(shattering) 없이 용철의 고온에 적합하게 저항성이 있는 한편, 사용 중에 파손 없이 모터에 장착될 충분한 정도의 가소성을 갖는다. 이론에 구속되기를 바라지 않고서, 금속으로부터 제조된 내부 샤프트는 용철/강철에서 받는 온도 하에서 너무 많이 연화되는 것으로 생각되고, 세라믹 재료로 제조된 내부 샤프트는 모터 상에 장착하기에 너무 부서지기 쉽다. 따라서, 본 발명자들은 본 발명의 중공 샤프트에 사용하기에 특히 적합한 흑연을 발견하였다. 흑연은 일반적으로 용철에서 사용하기에 적합한 것으로 간주되지 않지만, 흑연이 용철에 용해될 수 있기 때문에, 본 발명에서 흑연을 포함하는 중공 샤프트는 외부 관형 슬리브에 의해 보호된다.
실시예들에서, 관형 슬리브는 용융 실리카, 실리콘 탄화물, 알루미나, 탄소-결합 알루미나, 탄소-결합 세라믹, 점토 흑연, 실리콘 알루미나 질화물, 금속 산화물, 탄화물, 또는 질화물, 또는 내화물을 포함하는 등압 프레스된(또한 "등압된"으로도 알려짐) 내화성 혼합물, 또는 알루미나 및/또는 마그네슘 지르코네이트 또는 금속 산화물로 코팅된 기재 또는 이들의 조합을 포함하는 내화성 재료로 형성된다. 로터 헤드는 또한 용융 실리카, 실리콘 탄화물, 알루미나, 탄소-결합 알루미나, 탄소-결합 세라믹, 점토 흑연, 실리콘 알루미나 질화물, 금속 산화물, 탄화물, 또는 질화물을 포함하는 등압된 내화성 혼합물, 또는 알루미나 및/또는 마그네슘 지르코네이트 또는 금속 산화물로 코팅된 내화성 기재 또는 이들의 조합을 포함하는 내화성 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 관형 슬리브 및 로터 헤드는 모두 동일한 재료로 제조된다. 대안적인 실시예들에서, 관형 슬리브 및 로터 헤드는 상이한 재료들로 제조된다.
용융 실리카, 실리콘 탄화물, 알루미나, 탄소-결합 알루미나, 탄소-결합 세라믹, 점토 흑연, 실리콘 알루미나 질화물, 금속 산화물, 탄화물, 또는 질화물을 포함하는 등압된 내화성 혼합물, 또는 알루미나 및/또는 마그네슘 지르코네이트 또는 금속 산화물 또는 이들의 조합으로 코팅된 내화 기재를 포함하는 고저항 내화성 재료는, 분해 또는 프라이밍에 대한 필요성 없이 용융 강에 사용되는 부식 및 열 충격에 대해 충분한 저항성을 갖는다. 그러나, 이러한 재료들은 매우 비용이 들 수 있다. 또한, 이들 재료는 비교적 잘 부서지기 때문에, 본 발명의 발명자들은 모터 상에 장착하기 위한 필수적인 가소성을 갖지 않는다는 것을 발견하였다. 이론에 구속되기를 바라지 않고서, 이러한 고저항성 재료들로부터 전체적으로 제조된 단일-부품 로터들은 사용 중에 진동에 취약할 수 있고, 그리고 모터로 장착 지점 부근에서 균열될 수 있어, 로터를 불안정하게 하고 결국 완전히 파손되게 하는 것으로 생각된다. 본 발명의 로터리 장치는, 요구되는 고저항 내화성 재료의 양을 감소시키고, 모터 상에 장착될 때 균열에 덜 민감한 (흑연을 포함하는) 더 가소성의 내화성 재료로 제조된 내부 샤프트를 제공함으로써, 이러한 재료로 제조된 외부 슬리브만을 포함한다.
실시예들에서, 관형 슬리브 및/또는 로터 헤드는 등압 탄소-결합 알루미나, 예를 들어 상표명 VisoTM으로 Vesuvius Plc.에 의해 제조된 내화성 재료를 포함하는 내화성 재료로 형성된다. 본 발명의 발명자들은 등압된 탄소-결합된 알루미나를 사용하여 제조된 로터들이 슬래그의 축적(build-up)이 추가적인 사용으로부터 로터가 방지되기 전에 변형없이 18개까지의 용도들에 대해 지속되는, 특히 내구적인 것을 발견하였다.
실시예들에서, 로터 헤드는 관형 슬리브와 일체로 형성된다. 다른 실시예들에서, 로터 헤드는 관형 슬리브의 단부에 결합되는 별개의 구성요소이다. 이러한 실시예들에서, 로터 헤드는 임의의 적합한 수단, 예를 들어 나사, 푸시-핏(push-fit) 등에 의해 관형 슬리브의 단부에 결합될 수 있다
실시예들에서, 중공 샤프트는 제1 단부 및 제2 단부를 가지며, 중공 샤프트의 제1 단부는 관형 슬리브에 의해 둘러싸인다. 실시예들에서, 중공 샤프트의 제2 단부는 로터리 장치(예를 들어, 모터)를 회전시키기 위한 장치에 결합되도록 구성된다. 예를 들어, 중공 샤프트의 제2 단부는 V-벨트에 의해 모터에 연결되도록 구성된 풀리를 포함할 수 있거나, 또는 중공 샤프트의 제2 단부는 모터 샤프트 상에 직접 장착되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중공 샤프트의 제2 단부는 V-벨트용 풀리를 포함하는 칼라, 또는 예를 들어 볼트들에 대한 개구들을 갖는 플랜지를 제공함으로써 다른 수단에 의해 모터 샤프트에 결합되도록 구성된 칼라를 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 중공 샤프트는 제1 단부와 제2 단부 사이에서 측정된 길이를 가질 수 있다. 실시예들에서, 중공 샤프트의 길이의 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80% 또는 적어도 90%가 관형 슬리브에 의해 둘러싸인다. 실시예들에서, 중공 샤프트는 관형 슬리브에 의해 실질적으로 완전히 둘러싸이지만, 그러한 실시예들에서 관형 슬리브는 중공 샤프트의 제2 단부 근처에서 개방되어, 중공 샤프트의 제2 단부가 여전히 로터리 장치를 회전시키기 위한 장치에 결합될 수 있음이 이해될 것이다.
실시예들에서, (관형 슬리브에 의해 둘러싸인) 중공 샤프트의 제1 단부는 관형 슬리브 내부의 상보적인 수용 부분과 결합하도록 구성된 로킹 부분을 포함한다. 상기 로킹 부분 및 수용 부분은 관형 슬리브를 중공 샤프트에 견고하게 고정하는 것을 도울 뿐만 아니라, 중공 샤프트 및 관형 슬리브를 상호 회전(mutual rotation)으로 로킹하여, 중공 샤프트가 사용 중인 관형 슬리브와 독립적으로 회전하는 것을 방지하는 것을 도울 수 있다. 상보적인 수용 부분은 로터 헤드를 포함하는 관형 슬리브의 단부에 위치될 수 있다. 사용시, 관형 슬리브는 연화되어 내부 흑연 중공 샤프트에 의해 지지될 수 있지만, 일부 비틀림은 로터에서 발생할 수 있다. 로터 헤드를 포함하는 관형 슬리브의 단부에 수용 부분을 제공함으로써, 로터 헤드로부터 멀리 단부로부터 구동되어야 하는 경우보다 관형 슬리브의 비틀림이 더 적다. 수용 부분은 반드시 관형 슬리브의 절대 단부에 반드시 있어야 하는 것은 아니며, 절대 단부로부터 멀리 이격되어 위치될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
실시예들에서, 상기 로킹 부분 및 수용 부분은 다각형 단면을 갖는다. 이러한 실시예들에서, 로킹 부분 및 수용 부분은 동일한 다각형 단면을 가질 것이며, 로킹 부분은 수용 부분 내부에 꼭 맞게 끼워지도록 직경이 약간 더 작다. 로킹 부분의 에지들은 수용 부분의 에지들에 맞닿아서, 로킹 부분이 수용 부분 내에서 회전하는 것을 방지한다. 일부 실시예들에서, 다각형 단면은 적어도 3개, 4개, 5개 또는 6개의 정점을 포함한다. 바람직하게, 다각형 단면은 12개, 11개 또는 10개의 정점을 포함하여, 다각형의 에지들 사이에 형성된 각도가 로킹 부분의 정점들이 수용 부분의 인접한 정점들 사이에서 활주할 수 없는 것을 방지하기에 충분히 예각이다. 다른 실시예들에서, 로킹 부분 및 수용 부분은 제거된 코드(chords)를 갖는 원형인 횡단면을 갖는다.
상기 관형 슬리브는 종축을 따라 측정된 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 중공 샤프트는 관형 슬리브의 길이의 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80% 또는 적어도 90%를 따라 관형 슬리브 내부에서 연장된다. 이와 같이, 중공 샤프트는 로터 헤드 내로 연장되는 것과는 대조적으로, 로터 헤드 위로 종결될 수 있다. 실시예들에서, 중공 샤프트는 관형 슬리브의 실질적으로 전체 길이를 따라 관형 슬리브 내부에서 연장되어, 중공 샤프트의 제1 단부가 로터 헤드에 바로 인접하게 위치된다. 중공 샤프트가 관형 슬리브의 실질적으로 전체 길이를 따라 관형 슬리브 내부에서 연장되지 않고, 중공 샤프트의 제1 단부가 로터 헤드에 직접 인접하지 않는 실시예에서, 관형 슬리브는 중공 샤프트를 로터 헤드의 가스 출구에 유체 연결하는 도관 또는 보어를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 중공 샤프트의 제2 단부는 클램핑 수단에 의해 관형 슬리브에 고정될 수 있다.
상기 로터 헤드는 용융 금속을 교반하기 위한 임의의 적합한 형상 또는 구성일 수 있다.
실시예들에서, 상기 로터 헤드는 관형 슬리브의 종축에 수직인 방향으로 연장되는 평면(또는 플레이트), 및 관형 슬리브의 종축에 실질적으로 평행한 방향으로 평면으로부터 돌출하는 복수의 베인을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 가스 출구는 평면 표면 내의 보어를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 보어는 평면 표면의 중심에 위치된다. 일부 실시예들에서, 로터 헤드는 제1 평면에 대향하여 배치되고 복수의 베인 또는 필러에 의해 제1 평면에 연결되는 제2 평면(또는 플레이트)을 포함한다. 이러한 실시예들은 또한 제2 플레이트의 베이스로부터 돌출하는 베인을 포함할 수 있다. 플레이트(들)는 실질적으로 원형 또는 다각형, 예를 들어, 정사각형 형상일 수 있다. 실시예들에서, 플레이트(들)는 오목한 에지 및 절단된 코너를 갖는 대략 정사각형일 수 있다.
단일-플레이트 로터 헤드 설계는 이중-플레이트 설계보다 (예를 들어, 등압된 탄소-결합된 알루미나와 같은 재료를 사용하는) 가압 기술에 의해 제조하는 것이 더 용이한 것으로 밝혀졌다. 이중-플레이트 로터 헤드 설계가 가압 기술에 의해 제조될 수 있지만, 전체 로터 헤드에 걸쳐 완전한 치밀화가 항상 달성될 수 없다는 것이 발견되었다. 단일-플레이트 로터 헤드 설계는 로터 헤드로부터 멀어지는 하향 유동의 양을 증가시킬 수 있는 반면, 이중-플레이트 로터 헤드 설계는 로터 헤드로부터 멀어지는 측방향 유동의 양을 증가시킬 수 있다.
중공 샤프트 및 관형 슬리브는 마찰 끼워맞춤을 통해 함께 결합될 수 있다. 다른 결합 수단 및 메커니즘들이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 제1 관점의 로터리 장치와 함께 사용하기 위한 관형 슬리브가 제공된다.
상기 관형 슬리브는 용융 실리카, 실리콘 탄화물, 알루미나, 탄소-결합 알루미나, 탄소-결합 세라믹, 점토 흑연, 실리콘 알루미나 질화물, 금속 산화물, 탄화물, 또는 질화물을 포함하는 등압된 내화성 혼합물, 또는 알루미나 및/또는 마그네슘 지르코네이트 또는 금속 산화물로 코팅된 내화성 기재, 또는 이들의 조합을 포함하는 내화성 재료로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 관형 슬리브는 일단부에 일체로 형성된 로터 헤드를 포함하고, 로터 헤드는 가스 출구를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 관형 슬리브는 일단부에서 별도의 로터 헤드, 예를 들어 스레딩 수단(threading means)에 결합하기 위한 수단을 포함한다.
제2 관점의 관형 슬리브는 종축을 따라 측정된 길이를 가질 수 있다. 실시예들에서, 관형 슬리브는 중공 샤프트를 수용하기 위한 보어를 포함하고, 보어는 관형 슬리브의 길이의 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80% 또는 적어도 90%를 따라 관형 슬리브 내부에서 연장된다. 실시예들에서, 중공 샤프트를 수용하기 위한 보어는 관형 슬리브의 실질적으로 전체 길이를 따라 관형 슬리브 내부에서 연장된다. 중공 샤프트를 수용하기 위한 보어가 관형 슬리브의 실질적으로 전체 길이를 따라 관형 슬리브 내부에서 연장되지 않는 실시예들에서, 관형 슬리브는 중공 샤프트를 수용하기 위한 보어를 로터 헤드의 가스 출구에 또는 로터 헤드에 결합하기 위한 수단에 유체적으로 연결하기 위한 추가 도관 또는 보어를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 상기 관형 슬리브는 중공 샤프트 상의 상보적인 로킹 부분과 맞물리도록 구성된 수용 부분을 포함한다. 일부 실시예들에서, 수용 부분은 다각형 단면을 갖는다. 일부 실시예들에서, 다각형 단면은 적어도 3개, 4개, 5개 또는 6개의 정점을 포함한다. 일부 실시예에서, 다각형 단면은 12개, 11개 또는 10개 이하의 정점을 포함한다. 다른 실시예들에서, 로킹 부분 및 수용 부분은 코드(chords)가 제거된 원형인 단면을 갖는다.
제1 관점과 관련하여 설명된 임의의 선택적 특징들 및 실시형태들이 제2 관점에 동일하게 적용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
용융 금속을 처리하는 방법
본 발명의 제3 관점에 따르면, 용융 금속을 처리하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은,
상기 용융 금속의 노출된 표면 상에 합성 슬래그 재료의 층을 도포하는 단계; 및
로터 헤드를 포함하는 로터리 장치를 사용하여 상기 용융 금속을 교반하여, 상기 용융 금속이 합성 슬래그 재료의 층을 지나 유동하는 단계
를 포함한다.
실시예들에서, 용융 금속은 교반 동안 합성 슬래그 재료의 층의 적어도 일부가 표면 상에 유지되도록 교반된다.
실시예들에서, 상기 방법은 로터 헤드를 통해 용융 금속 내로 가스를 배출하는 단계를 더 포함한다. 실시예들에서, 가스는 용융 금속에서 용해되지 않는 하나 이상의 가스를 포함한다. 실시예들에서, 가스는 아르곤, 질소, 일산화탄소 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 발명자들은 합성 슬래그 재료의 층(플럭스(flux)로도 부름)을 금속에 도포하고, 로터리 장치로 금속을 교반하여 합성 슬래그의 표면층을 지나 흐르는 조합은 용융 금속으로부터 황을 제거하는 데 매우 효과적이라는 것을 발견하였다. 이론에 구속되지 않고서, 금속을 교반하기 위한 로터리 장치의 사용은 합성 슬래그의 표면 층을 지나서 유동하는 금속의 순환을 개선하여, 더 많은 황이 합성 슬래그에 의해 포획되게 하는 것으로 생각된다. 또한, 로터 헤드를 통해 용융 금속 내로 가스를 배출하는 것은 고체 개재물 및 용존 가스의 제거를 개선한다. 따라서, 본 발명의 방법은 용탕 금속에서 개재물을 동시에 제거, 탈기 및 탈황시키는 매우 효율적이고 효과적인 방법을 제공한다.
실시예들에서, 용융 금속은 철 금속이다. 실시예들에서, 용융 금속은 철 또는 강철이다.
실시예들에서, 상기 로터리 장치는 제1 관점에 따른 로터리 장치이며, 이는 철 또는 강철과 같은 더 높은 온도 및 더 높은 밀도의 용융 금속을 교반하기에 특히 적합하다.
실시예들에서, 상기 합성 슬래그 재료는 산화칼슘, 알루미나, 실리카, 마그네시아, 산화나트륨, 산화칼륨, 철(III) 산화물, 이산화탄소 및 불소 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 합성 슬래그 재료는 50 내지 90 중량%의 산화칼슘을 포함한다. 실시예들에서, 합성 슬래그 재료는 5 내지 30 중량%의 알루미나를 포함한다. 실시예들에서, 합성 슬래그 재료는 5 중량% 이하의 실리카, 마그네시아, 나트륨 산화물, 칼륨 산화물, 철(III) 산화물, 이산화탄소 및/또는 불소를 포함한다.
실시예들에서, 상기 방법은 금속 처리 첨가제를 포함하는 코어드 와이어를 용융 금속 내로 공급하는 단계를 더 포함한다. 실시예들에서, 코어드 와이어는 철 또는 스틸과 같은 고융점 금속, 및 금속 처리 첨가제를 포함하는 내부 코어를 포함하는 외부 시스를 포함한다. 실시예들에서, 금속 처리 첨가제는 탈황 첨가제, 내포 개질 첨가제, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 개재물 개질 첨가제는, 전술한 바와 같이, 용융 금속 내의 고체 개재물의 조성, 형태 및/또는 분포를 수정하기 위한 첨가제이다. 실시예들에서, 금속 처리 첨가제는 원소 또는 화합물 형태의 마그네슘, 페로실리콘 마그네슘, 칼슘, 산화칼슘, 칼슘 탄화물, 바륨, 스트론튬, 또는 이들의 조합을 포함한다.
사용시, 상기 외부 시스는 즉각적인 반응 또는 산화로부터 코어 첨가제를 보호하고, 용융된 금속의 표면 아래의 미리 결정된 깊이에서 첨가제를 방출하도록 점진적으로 용융되거나 용해된다. 코어드 와이어 및 합성 슬래그와 처리하는 조합은 용융 금속 내의 개재물의 탈황 및/또는 처리 및 제거를 추가로 향상시킬 수 있다.
실시예들에서, 상기 방법은 로터 헤드를 통해 또는 그에 인접하게 고체 금속 처리 첨가제를 배출하는 단계를 포함한다. 실시예들에서, 첨가제는 와이어 또는 분말의 형태이다. 실시예들에서, 첨가제는 코어드 와이어에 포함된다. 로터 헤드를 통해 또는 그에 인접하여 첨가제를 배출하는 것은 첨가제가 용융 금속 전체에 걸쳐 신속하고 효율적으로 분산될 수 있게 한다. 본 발명의 발명자들은 이러한 신속한 분산이 원소 Ca/Mg가 용융 금속에서 원소 Ca/Mg를 사용하는 것과 일반적으로 관련된 위험물의 상당한 감소를 갖는 첨가제로서 사용될 수 있게 한다는 것을 발견하였으며, 그 이유는 Ca/Mg가 증기화 또는 산화되기 전에 금속 전체에 빠르게 분산되기 때문이다. 이는 또한 용융 금속을 효과적으로 처리하는데 필요한 첨가제의 양을 감소시켜서, 최종 주조에서 취성을 야기할 수 있는 초과 첨가제의 축적을 감소시킨다.
특히, 로터 헤드를 통해 첨가제를 배출하는 것은, 특히 첨가제가 로터리 장치 내에 포함되는 동안 첨가제가 용융 금속에 노출되는 것을 차폐하며, 로터 헤드의 깊이에 대응하는 깊이에서 용융 금속 내로 방출되도록 허용하고, 따라서 보호 코팅이 반드시 요구되는 것은 아니다. 그러나, 보호 코팅을 포함하는 코어드 와이어가 편의를 위해 사용될 수 있으며, 여기서 다른 형태의 금속 처리 첨가제가 이용가능하지 않거나, 또는 첨가제가 용융 금속 내로의 방출 전에 더 낮은 깊이에 도달하는 것이 필요한 경우에 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 로터리 장치는 용융 금속을 교반하기 위해 적어도 50, 적어도 100, 적어도 200 또는 적어도 300 rpm의 속도로 회전된다. 일부 실시 예들에서, 상기 로터리 장치는 용융 금속을 교반하기 위해 600 이하, 500 이하, 400 이하 또는 300 rpm 이하의 속도로 회전된다. 일부 실시예들에서, 상기 로터리 장치는 50 내지 600 rpm, 100 내지 300 rpm, 또는 100 내지 200 rpm, 예를 들어 150 rpm의 속도로 회전된다. 더 높은 회전 속도는 로터 헤드로부터의 하향 유동(즉, 증가된 바닥 교반)의 전체 유동 속도 및 양을 증가시킬 수 있지만, 용융 금속 내로의 공기 혼입을 또한 증가시킬 수 있다. 600 rpm을 넘는 회전 속도를 증가시키는 것은 와류(vortex)의 형성을 야기할 수 있으며, 이는 유해한 효과들로 용융물 내로 공기를 다시 비말동반시킨다. 일부 실시예들에서, 회전 속도는 방법 동안 변경된다. 일부 실시예들에서, 회전 속도는 방법 동안 더 높은 시작 회전 속도로부터 감소할 수 있는데, 그 이유는 금속이 냉각기에 따라 증가함에 따라 용융 금속의 밀도가 증가하기 때문에, 교반에 필요한 전력을 증가시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 로터리 장치의 회전 속도는 200 rpm에서 시작할 수 있고, 상기 방법 동안 120 rpm으로 감소할 수 있다.
제3 관점의 방법은 무철심 유도로(coreless induction furnace: CIF) 또는 레이들 퍼니스(ladle furnace)를 포함하는 임의의 레이들 또는 노에서 사용하기에 적합할 수 있다. 상기 방법이 레이들에 사용되는 실시예들에서, 용융 금속은 전기 아크로(electric arc furnace: EAF) 또는 CIF로부터 (탭핑된) 레이들 내로 부어질 수 있다. 제3 관점의 방법은 용철을 처리하는데 특히 적합하지만, 탈황화 및/또는 예컨대 철과 같은 개재물 제거를 필요로 하는 다른 용융 금속을 처리하기 위해 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 제4 관점에 따르면, 용융 금속을 처리하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은,
용융 금속에 금속 처리제를 도포하는 단계;
로터 헤드를 포함하는 로터리 장치를 사용하여 상기 용융 금속을 교반하는 단계; 및
상기 로터 헤드를 통해 상기 용융 금속 내로 가스를 배출하는 단계
를 포함한다.
실시예들에서, 용융 금속은 철 금속이다. 일부 실시예들에서, 용융 금속은 철 또는 강철이다.
실시예들에서, 금속 처리제는 탈황화 첨가제, 개재물 개질 첨가제, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 처리 첨가제를 포함한다. 개재물 개질 첨가제는, 전술한 바와 같이, 용융 금속 내의 고체 개재물의 조성, 형태 및/또는 분포를 수정하기 위한 첨가제이다. 실시예들에서, 적어도 하나의 금속 처리 첨가제는 마그네슘, 페로실리콘 마그네슘, 칼슘, 산화칼슘, 칼슘 탄화물, 바륨, 스트론튬, 또는 이들의 조합을 원소 또는 화합물 형태를 포함한다.
실시예들에서, 금속 처리제는 용융 금속의 표면 상에 합성 슬래그 재료의 형태로 적용되는 탈황화제를 포함한다. 일부 그러한 실시예들에서, 용융 금속은, 합성 슬래그 재료의 적어도 일부가 교반 동안 표면 상의 층에 유지되고 용융 금속이 표면 상의 합성 슬래그 재료의 층을 지나 유동하도록, 로터리 장치와 함께 교반된다.
실시형태에서, 상기 합성 슬래그 재료는 산화칼슘, 알루미나, 실리카, 마그네시아, 산화나트륨, 산화칼륨, 철(III) 산화물, 이산화탄소 및 불소 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 합성 슬래그 재료는 50 내지 90 중량%의 산화칼슘을 포함한다. 실시예들에서, 합성 슬래그 재료는 5 내지 30 중량%의 알루미나를 포함한다. 실시예들에서, 합성 슬래그 재료는 5 중량% 이하의 실리카, 마그네시아, 나트륨 산화물, 칼륨 산화물, 철(III) 산화물, 이산화탄소 및/또는 불소를 포함한다.
실시예들에서, 금속 처리제는 용융 금속의 표면 상에 분말 형태로 적용된다. 일부 그러한 실시예들에서, 용융 금속은 분말이 용융 금속 내에 혼입되어 그 전반에 걸쳐 분산되도록 로터리 장치와 교반된다.
실시예들에서, 금속 처리제는 용융 금속 내로 공급되는 와이어 형태로 적용된다. 실시예들에서, 와이어는 제3 관점과 관련하여 전술된 바와 같이, 보호 외측 시스를 포함하는 코어드 와이어이다. 실시예들에서, 와이어는 로터리 장치와 함께 용융 금속 내로 공급된다.
일부 실시예들에서, 상기 로터리 장치는 용융 금속을 교반하기 위해 적어도 50, 적어도 100, 적어도 200 또는 적어도 300 rpm의 속도로 회전된다. 일부 실시 예들에서, 상기 로터리 장치는 용융 금속을 교반하기 위해 600 이하, 500 이하, 400 이하 또는 300 rpm 이하의 속도로 회전된다. 일부 실시예들에서, 상기 로터리 장치는 50 내지 600 rpm, 100 내지 300 rpm, 또는 100 내지 200 rpm, 예를 들어 150 rpm의 속도로 회전된다. 더 높은 회전 속도는 로터 헤드로부터의 하향 유동(즉, 증가된 바닥 교반)의 전체 유동 속도 및 양을 증가시킬 수 있지만, 용융 금속 내로의 공기 혼입을 또한 증가시킬 수 있다. 600 rpm을 넘는 회전 속도를 증가시키는 것은 와류(vortex)의 형성을 야기할 수 있으며, 이는 유해한 효과들로 용융물 내로 공기를 다시 비말동반시킨다. 일부 실시예들에서, 회전 속도는 상기 방법 동안 변경된다. 일부 실시예들에서, 회전 속도는 방법 동안 더 높은 시작 회전 속도로부터 감소할 수 있는데, 그 이유는 금속이 냉각기에 따라 증가함에 따라 용융 금속의 밀도가 증가하기 때문에, 교반에 필요한 전력을 증가시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 로터리 장치의 회전 속도는 200 rpm에서 시작할 수 있고, 방법 동안 120 rpm으로 감소할 수 있다.
제4 관점의 방법은 무철심 유도로(coreless induction furnace: CIF) 또는 레이들 퍼니스(ladle furnace)를 포함하는 임의의 레이들 또는 노에서 사용하기에 적합할 수 있다. 상기 방법이 레이들에 사용되는 실시예들에서, 용융 금속은 전기 아크로(electric arc furnace: EAF) 또는 CIF로부터 (탭핑된) 레이들 내로 부어질 수 있다. 제4 관점의 방법은 용철을 처리하는데 특히 적합하지만, 탈황화 및/또는 예컨대 철과 같은 개재물 제거를 필요로 하는 다른 용융 금속을 처리하기 위해 또한 사용될 수 있다.
실시예들에서, 상기 로터리 장치는 제1 관점에 따른 로터리 장치이다.
본 발명의 제5 관점에 따르면, 용융 금속의 처리에서 본 발명의 제1 관점에 따른 로터리 장치의 사용이 제공된다. 바람직하게는, 용융 금속은 용강(molten steel)이다.
제3 관점의 방법과 관련하여 설명된 선택적인 특징들 및 실시예들 중 임의의 것이 제4 관점의 방법에 동일하게 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이제, 본 발명의 실시예들은 대응하는 기준 부호들이 대응하는 부분들을 나타내는 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 로터리 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치와 함께 사용하기 위한 중공 샤프트를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 중공 샤프트의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 로터리 장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 장치의 개략도로서, 용융 금속을 교반 및 처리하는데 사용하기 위한 교반 장치와 조립된 도면이다.
도 8은 (a) 이중-플레이트 로터 헤드 설계, 및 (b) 600 rpm으로 회전하는 단일-플레이트 로터 헤드 설계에 대한 속도 필드 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
도 9는 도 10에 도시된 속도 필드 시뮬레이션 데이터에 대응하는 스케일링된 플로우 패턴 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
도 10은 (a) 100 rpm, (b) 200 rpm, 및 (c) 300 rpm으로 회전하는 단일-플레이트 로터 헤드 설계에 대한 속도 필드 및 스케일링된 유동 패턴 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 로터리 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치와 함께 사용하기 위한 중공 샤프트를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 중공 샤프트의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 로터리 장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 장치의 개략도로서, 용융 금속을 교반 및 처리하는데 사용하기 위한 교반 장치와 조립된 도면이다.
도 8은 (a) 이중-플레이트 로터 헤드 설계, 및 (b) 600 rpm으로 회전하는 단일-플레이트 로터 헤드 설계에 대한 속도 필드 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
도 9는 도 10에 도시된 속도 필드 시뮬레이션 데이터에 대응하는 스케일링된 플로우 패턴 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
도 10은 (a) 100 rpm, (b) 200 rpm, 및 (c) 300 rpm으로 회전하는 단일-플레이트 로터 헤드 설계에 대한 속도 필드 및 스케일링된 유동 패턴 시뮬레이션 데이터를 도시한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치(100)를 도시한다. 로터리 장치(100)는 관형 슬리브(1)와, 관형 슬리브(1) 내부에서 연장되는 중공 샤프트(3)를 포함한다.
관형 슬리브(1)는 일단부에 일체로 형성된 로터 헤드(5)를 포함한다. 로터 헤드(5)는 각각 관형 슬리브의 종축에 수직으로 연장되는 제1 평면(또는 플레이트)(7) 및 제2 플레이트(9)를 포함하는 표준 이중 플레이트 설계이다. 제1 플레이트(7) 및 제2 플레이트(9)는 복수의 필러(11)에 의해 서로 연결된다. 로터 헤드(5)는 제1 플레이트(7)를 통해 연장되는 보어의 형태로 용융 금속으로 가스를 배출하기 위한 가스 출구(13)를 더 포함한다.
중공 샤프트(3)는 제1 단부(15) 및 제2 단부(17)를 포함하고, 제1 단부(15)는 관형 슬리브 내에 둘러싸인다. 중공 샤프트(3)는 (도 3에 도시된 바와 같이) 그를 통해 연장되는 보어(19)를 더 포함한다. 관형 슬리브(1)는 중공 샤프트(3)의 보어(19)를 로터 헤드(5)의 가스 출구(13)에 유체 연결하는 도관(21)을 포함하여, 가스 및/또는 고체 금속 처리제는 중공 샤프트(3)를 통해 그리고 로터 헤드(5)를 통해 사용 중에 용융 금속 내로 흐를 수 있다. 일부 실시예들(도시되지 않음)에서, 중공 샤프트(3)는 이를 통해 연장되는 복수의 보어를 포함할 수 있어서, 가스 및 고체 금속 처리제가 중공 샤프트(3)를 통해 개별적으로 전달될 수 있다.
중공 샤프트(3)의 제1 단부(15)는 관형 슬리브 내의 상보적인 수용 부분(25)과 맞물리는 로킹 부분(23)을 포함한다. 로킹 부분(23)은 6개의 인접한 코드가 제거된 원형인 단면 형상을 가지며, 즉 로킹 부분(23)은 대체로 육각형인 단면을 갖는다. 관형 슬리브(1)의 수용 부분(25)은 대응하는 단면 형상을 가져서, 로킹 부분(23)의 에지 및 정점은 수용 부분(25)에 맞닿고 관형 슬리브(1)내부의 중공 샤프트(3)의 독립적인 회전을 방지한다.
중공 샤프트(3)의 제2 단부(17)는 관형 슬리브(1)로부터 돌출하고, (예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이) 로터리 장치(100)를 회전시키기 위한 장치에 결합되도록 구성된다. 예시된 실시예에서, 중공 샤프트의 제2 단부(17)는 원주방향 홈(25)을 포함한다. 원주방향 홈(25)은 V-벨트를 통해 모터에 연결하기 위한 풀리로서 작용할 수 있다. 대안적으로, 원주방향 홈(25)은 (예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이) 칼라와 맞물리도록 구성될 수 있고, 이는 V-벨트를 통해 모터에 연결하기 위한 풀리로서 또는 다른 수단, 예를 들어 너트 및 볼트에 의해 모터 샤프트에 연결하기 위한 플랜지로서 작용할 수 있다. 도시된 실시예에서, 중공 샤프트(3)의 제2 단부(17)는 (예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이) 중공 샤프트(3)를 관형 슬리브(1)에 고정하는 클램핑 수단과 맞물리기 위한 만입부(27)를 더 포함한다.
관형 슬리브(1)는 관형 슬리브의 종축을 따라 측정된 바와 같은 길이(LA)를 갖는다. 중공 샤프트(3)는 종축을 따라 측정된 바와 같은 길이(LB)를 갖는다. 관형 슬리브(1)는 최대 직경(DA)으로부터 그 길이를 따라 내측으로 테이퍼짐으로써, 관형 슬리브의 직경이 로터 헤드(5)를 향해 약간 감소한다. 또한, 중공 샤프트(3)는 제1 단부(15)에서의 최대 직경(DB)으로부터 관형 슬리브의 내부 치수에 대응하는 제2 단부(17)에서의 최소 직경으로 그 길이를 따라 내향으로 테이퍼진다. 로터 헤드는 직경(DC)을 갖는다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터리 장치(200)를 도시한다. 로터리 장치(200)는 관형 슬리브(31) 및 중공 샤프트(33)를 포함한다. 관형 슬리브(31) 및 중공 샤프트(33)는, 관형 슬리브(1)가 단일 플레이트 설계를 갖는 로터 헤드(35)를 포함하는 것을 제외하고는, 도 1 내지 도 4에 도시된 관형 슬리브(1) 및 중공 샤프트(3)와 대체로 동일하다. 로터 헤드(35)는 관형 슬리브(31)의 종축(A)에 수직으로 연장되는 평면(또는 플레이트)(37)을 포함하고, 베인(39)은 플레이트(37)의 베이스로부터 돌출된다. 플레이트(37)는 대체로 정사각형이고, 오목한 에지(41) 및 절단된 코너(43)를 갖는다.
로터리 장치(200)는 중공 샤프트(33)에 관형 슬리브(31)를 고정하기 위한 클램핑 수단(45)을 포함한다. 로터리 장치(200)는 중공 샤프트(33)의 제2 단부 주위에 끼워지는 칼라(47)를 더 포함한다. 칼라는 (예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이) 로터리 장치(200)를 로터리 장치에 결합하도록 구성된 플랜지(49)를 제공한다.
도 6은 도 5에 도시된 로터리 장치(200)의 단면도를 도시한다. 중공 샤프트(33)의 제1 단부는 관형 슬리브(31) 내에 둘러싸이고, 관형 슬리브(31) 내의 상보적인 수용 부분(53)과 맞물리는 로킹 부분(51)을 포함한다. 보어(55)는 중공 샤프트(33)를 통해 연장되고 도관(59, 61)에 의해 로터 헤드(35)의 가스 출구(57)에 유체 연결된다.
중공 샤프트(33)의 제2 단부는 칼라(47)와 맞물리는 원주방향 홈(63)을 포함한다. 클램핑 수단(45)은 칼라(47)와 함께 관형 슬리브(31)를 중공 샤프트(33)에 고정시킨다.
도 7은 로터리 장치(300)를 회전시키고 가스 및/또는 금속 처리제를 로터리 장치(300)를 통해 용융 금속 내로 주입하기 위한 장치(302)와 조립된 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치(300)를 도시한다. 사용 시에, 로터리 장치(300)는 레이들(304)(또는 노)로 하강된다. 레이들(304)은 로터리 장치(300)가 하강되기 전 또는 그 후에 용융 금속으로 충전될 수 있다. 그 다음, 로터리 장치(300)는 예를 들어 본 발명에 따른 방법을 사용하여 용융 금속을 처리하는데 사용된다.
예 1
본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 장치는 흑연 및 용융 실리카를 포함하는 관형 슬리브를 포함하는 중공 샤프트로 제조되었다. 관형 슬리브는 일체로 형성된 로터 헤드를 포함한다. 그 종축을 따라 측정된 관형 슬리브의 길이는 123 cm(로터 헤드를 포함하지 않음)이었다. 흑연 샤프트는 관형 슬리브의 길이의 100 cm를 따라 관형 슬리브 내로 연장된다. 흑연 샤프트의 최대 직경은 7.6 cm였다. 관형 슬리브는 11.6 cm의 최대 직경 및 1.6 cm의 벽 두께를 가졌다.
로터 헤드는, 4개의 필러에 의해 연결되는, 오목한 에지 및 절단된 코너를 갖는 2개의 평행한 정방형 플레이트를 포함하는 표준 이중-플레이트 설계를 갖는다. 제1 플레이트는 가스를 용융 금속으로 배출하기 위한 중심에 위치된 보어를 포함한다. 플레이트의 직경은 25 cm였다.
로터리 장치는 용융 금속을 처리하기 위해 성공적으로 사용되었다. 결국, 반복된 사용은 용융 실리카의 약간의 연화로 인한 로터 헤드의 일부 뒤틀림 및 왜곡을 초래하고, 이는 교반 효율을 감소시켰다.
예 2
본 발명의 일 실시예에 따른 다른 로터리 장치는 흑연 및 VISOTM 등압-압착된 탄소-결합 알루미나를 포함하는 관형 슬리브를 포함하는 중공 샤프트로 제조되었다. 로터리 장치의 치수는 예 1의 로터리 장치와 동일하다.
예 1의 이중-플레이트 로터 설계는, 전체 로터 헤드에 걸쳐 항상 달성되지 않는 완전 치밀화로, 등압착에 의한 제조에서 일부 어려움을 제기하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 예 2의 로터리 장치는 단일 플레이트 및 베인을 포함하는 수정된 로터 헤드 설계를 포함한다. 플레이트는 대체로 정방형이고, 오목한 에지 및 절단된 코너를 갖고, 4개의 베인이 각각의 코너에서 플레이트의 베이스로부터 연장되었다. 플레이트는 가스를 용융 금속으로 배출하기 위한 중심에 위치된 보어를 포함한다. 플레이트의 직경은 25 cm였다.
예 2의 로터리 장치는 어떠한 변형의 징후 및 마모의 최소 표시 없이 용융 금속을 18회 처리하기 위해 성공적으로 사용되었다. 그러나, 로터리 장치 상의 슬래그의 무거운 축적은 교반 효율을 감소하기 시작하였다. 흑연 샤프트는 실패의 징후를 나타내지 않았으며, 따라서 흑연 샤프트는 대체 외부 슬리브와의 추가 사용을 위해 여전히 피팅되었다. 흑연 샤프트는 고장 없이 50회 이상 동안 지속되는 것으로 밝혀졌다.
유동 패턴 시뮬레이션(Flow pattern simulations)
유동 패턴 시뮬레이션은, 다양한 상이한 회전 속도에서 용철에서 단일-플레이트 및 이중-플레이트 회전자 설계들에 의해 나타나는 유동의 속도 및 방향을 비교하기 위해 OpenFoam® 소프트웨어를 사용하여 수행되었다. 그 결과는 도 8 내지 도 10에 도시되어 있다.
도 8은 600 rpm에서 15초 동안 이중-플레이트 로터(a) 및 단일-플레이트 로터(b)를 스피닝한 후의 속도 필드를 도시하는 한편, 도 9는 스케일링된 플로우 패턴을 도시한다. 양자의 설계들에 의해 달성된 피크 유동 속도는 유사하였다. 그러나, 유동 방향은 약간 상이하며, 이중-플레이트 로터로부터의 출구 유동은 대부분 수평인 반면, 단일-플레이트 설계는 보다 하향 지향된 유동을 나타냈다. 양자의 로터 설계들이 용철에서 양호한 시뮬레이팅된 교반 성능을 보였지만, 단일-플레이트 로터가 이중-플레이트 설계보다 더 높은 토크(이중-플레이트 로터에 대해 235 N.m과 비교하여 단일-플레이트 로터에 대한 271 N.m)를 보였다
도 10은 (a) 100 rpm, (b) 200 rpm 및 (c) 300 rpm에서 15 초 동안 단일-플레이트 로터를 스피닝한 후의 속도 필드 및 스케일링된 유동 패턴을 도시한다. 교반 성능은 회전 속도가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
개재물 제거 및 탈황화(Inclusion removal and desulphurisation)
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 탈황화를 위한 표준 방법에 대해 시험되었다.
표준 방법(방법 1)에서, 용철은 무철심 유도로(CIF), 전기 아크로(EAF), 또는 양자로부터 주입 레이들로 탭핑되었다. 양자의 경우에, CIF로부터의 금속은 EAF로부터의 금속 전에 탭핑되었다. 알루미늄을 포함하는 코어드 와이어 및 SiCaBa를 포함하는 코어드 와이어가 용철 내로 공급되었다. 아르곤 가스는 5-20분 동안 다공성 플러그를 사용하여 용철을 통해 플러싱되었다.
본 발명의 방법(방법 2)에서, 용철은 방법 1과 동일한 방식으로 주입 레이들로 탭핑되었다. 알루미늄을 포함하는 코어드 와이어 및 SiCo를 포함하는 코어드 와이어가 용철 내로 공급되었다. 예 2의 로터리 장치를 사용하여 아르곤을 방출하고, 금속을 200-240 rpm으로 5-15분 동안 교반하였다.
방법 1 및 방법 2를 2.5 내지 18톤의 상이한 양의 용철로 여러 번 수행하였다. 각 방법에 의해 처리된 용철의 샘플을 Thermo Scientific™ ARL 4460 스펙트로미터 상에서 스파크-DAT 분석 방법을 사용하여 그 포함 함량에 대해 분석하였다. 스파크-DAT 분석 방법은 단일 스파크로 샘플 영역을 타격하는 것을 포함한다. 스파크에 의해 고착된 위치에 고체 개재물이 존재하는 경우, 분광계 피크가 생성된다. 이 프로세스는 샘플 영역에 걸쳐 반복된다. 그 다음, 샘플 영역 내의 개재물의 수는 생성된 피크의 수를 카운팅함으로써 결정될 수 있다. 방법 1 및 2에 대한 평균 포함 함량은 상기 언급된 다중 반복 절차로부터 평균 평균 포함 함량을 취함으로써 계산되었다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
방법 2로 처리된 용철은, 평균적으로, 방법 1로 처리된 용강(표준 퍼지 플러그 처리)보다 14 내지 30%의 더 적은 개재물 및 50 내지 60%의 더 많은 개재물을 함유하였다.
또한, 방법 2로 처리된 용철은 방법 1로 처리된 용철보다 상당히 더 적은 양의 황을 함유하는 것으로 밝혀졌다. 방법 1을 사용하면, 전형적인 황 함량은 EAF로부터 약 100 ppm이었고, CIF로부터 70 ppm이었다. 방법 2를 사용하면, 황 함량은 약 20 ppm으로 감소되었다.
방법 2에 의해 달성된 개선된 개재물 제거의 결과로서, 용융 금속을 위한 주입 온도는 표준 방법에 비해 20-30℃만큼 감소되어 상당한 에너지 절약을 제공하였다. 더 낮은 금속 온도는 또한 내화 물품 상의 마모를 감소시키고 (이에 의해 이들의 수명을 증가시키고), 응고되면서 주조에서 액체 수축을 감소시킬 뿐만 아니라, 금속의 표면에서의 재산화를 감소시킨다.
Claims (15)
- 용융 금속을 가스로 처리하기 위한 로터리 장치에 있어서,
일단부에 로터 헤드를 포함하는 관형 슬리브로서, 상기 로터 헤드는 가스를 용융 금속 내로 분산시키기 위한 가스 출구를 포함하는, 상기 관형 슬리브; 및
상기 관형 슬리브 내부에서 연장되는 중공 샤프트로서, 상기 중공 샤프트의 적어도 일부가 상기 관형 슬리브에 의해 둘러싸이는, 상기 중공 샤프트
를 포함하고,
상기 중공 샤프트는 상기 로터 헤드의 가스 출구에 유체 연결되고,
상기 관형 슬리브는 부식 및 열 충격에 저항성이 있는 내화성 재료로 형성되고,
상기 중공 샤프트는 흑연을 포함하는 재료로 형성되는,
로터리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 관형 슬리브는 용융 실리카; 알루미나; 실리콘 탄화물; 탄소-결합 알루미나; 탄소-결합 세라믹; 점토 흑연; 실리콘 알루미나 질화물; 금속 산화물, 탄화물 또는 질화물을 포함하는 등압된 내화성 혼합물; 등압된 탄소-결합 알루미나; 알루미나 및/또는 마그네슘 지르코네이트 또는 금속 산화물로 코팅된 내화성 기재; 또는 이들의 조합을 포함하는 내화성 재료로 형성되는,
로터리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 로터 헤드는 상기 관형 슬리브와 일체로 형성되거나, 또는 상기 로터 헤드는 상기 관형 슬리브의 단부에 결합되는,
로터리 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공 샤프트는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부는 상기 관형 슬리브에 의해 둘러싸이고, 선택적으로 상기 중공 샤프트의 상기 제2 단부는 상기 로터리 장치를 회전시키기 위한 장치에 결합되도록 구성되는,
로터리 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 중공 샤프트의 상기 제1 단부는 상기 관형 슬리브 내부의 상보적인 수용 부분과 맞물리도록 구성된 로킹 부분을 포함하고, 선택적으로 상기 상보적 수용 부분은 상기 로터 헤드를 포함하는 상기 관형 슬리브의 단부에 위치되는,
로터리 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 로킹 부분 및 상기 수용 부분은 다각형의 단면 또는 코드(chords)가 제거된 원형인 단면을 가지며, 선택적으로 상기 단면은 적어도 3개, 4개, 5개 또는 6개의 정점을 포함하는,
로터리 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 로터리 장치와 함께 사용하기 위한 관형 슬리브.
- 용융 금속을 처리하기 위한 방법에 있어서,
상기 용융 금속의 노출된 표면 상에 합성 슬래그 재료의 층을 도포하는 단계; 및
로터 헤드를 포함하는 로터리 장치를 사용하여 상기 용융 금속을 교반하여, 상기 용융 금속이 합성 슬래그 재료의 층을 지나 유동하는 단계
를 포함하는,
방법.
- 제8항에 있어서,
상기 로터 헤드를 통해 상기 용융 금속 내로 가스를 분산시키는 단계를 더 포함하는,
방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 합성 슬래그는 칼슘 산화물을 포함하는,
방법.
- 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 금속 처리 첨가제를 포함하는 코어드 와이어(cored wire)를 상기 용융 금속 내로 공급하는 단계를 더 포함하고, 선택적으로 상기 코어드 와이어는 고융점 금속을 포함하는 외부 시스(outer sheath), 및 상기 금속 처리 첨가제를 포함하는 내부 코어를 포함하고, 선택적으로 상기 금속 처리 첨가제는 마그네슘, 페로실리콘 마그네슘, 칼슘, 칼슘 산화물, 칼슘 탄화물, 또는 이들의 조합을 포함하는,
방법.
- 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 로터 헤드를 통해 금속 처리 첨가제, 선택적으로 고체 금속 처리 첨가제를 배출하는 단계를 포함하는,
방법.
- 용융 금속을 처리하기 위한 방법에 있어서,
용융 금속에 금속 처리제를 도포하는 단계;
로터 헤드를 포함하는 로터리 장치를 사용하여 상기 용융 금속을 교반하는 단계; 및
상기 로터 헤드를 통해 상기 용융 금속 내로 가스를 배출하는 단계를 포함하는,
방법.
- 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 금속은 강철(steel) 또는 철(iron)인,
방법.
- 용융 금속의 처리에서의 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 로터리 장치의 용도.
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