KR20240065147A - 용융 금속 처리용 로터리 장치 - Google Patents

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KR20240065147A
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나겐드라 나그
웬우 시
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Abstract

본 발명은 로터리 장치와 함께 사용하기 위한 용융 금속 및 로터를 처리하기 위한 로터리 장치에 관한 것이다. 상기 로터리 장치는 중공축과, 상기 중공축의 일단에 구비되는 로터를 포함하고, 상기 로터는, 루프 및 베이스와, 복수의 디바이더에 의해 이격되어 연결되는 루프 및 베이스; 루프와 베이스 사이에 정의된 중앙 챔버-디바이더는 중앙 챔버의 주변부로부터 반경방향으로 연장됨 -; 각각의 인접한 한 쌍의 디바이더 사이에 규정되고, 각각의 통로는 중앙 챔버의 반경방향 외측에 위치된 입구 및 로터의 외주면의 출구를 갖는 것; 및 중공 샤프트를 통해 중앙 챔버 내로, 통로의 입구를 통해 그리고 출구 밖으로 한정되는 유동 경로를 포함한다. 베이스는, 중앙 챔버에 유체 연결된 복수의 개구 및 각각의 인접한 쌍의 개구 사이에 형성된 반경방향 블레이드를 포함하고, 중앙 개구 및 베이스로부터 외향으로 돌출하는 복수의 반경방향 베인 중 어느 하나를 포함하고, 상기 반경방향 베인은 상기 중앙 개구의 주변부 주위에 배열되고, 상기 반경방향 베인은 상기 베이스의 중심을 향해 그리고 상기 중앙 개구 위에 적어도 부분적으로 연장되는, 반경방향 베인; 또는 중앙 개구 및 베이스로부터 외향으로 돌출하는 복수의 반경방향 베인을 포함하고, 반경방향 베인은 중앙 개구의 주연부 주위에 배열되고, 상기 베이스는 상기 반경방향 베인들 사이에 배열된 복수의 컷아웃들을 더 포함하고, 상기 베이스 내의 컷아웃들은 상기 로터의 외주로부터 내측으로 연장된다.

Description

용융 금속 처리용 로터리 장치
본 발명은 용융 금속 처리용 로터리 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 용존 가스 및 고체 개재물과 같은 용융 금속으로부터 원치 않는 불순물을 제거하기 위한 로터리 장치에 관한 것이다.
주조 적용(특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 비철 금속의 주조)을 위해, 용융 금속은 통상적으로 하기 공정 중 하나 이상에 의해 주조 전에 처리되어야 한다:
i) 탈기(Degassing) - 용융 금속 내의 용존 가스의 존재는 고형화된 생성물에 결함을 도입할 수 있고, 그 기계적 특성에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 수소는 용융 온도로 증가하는 액체 알루미늄에서 높은 용해도를 갖지만, 고체 알루미늄에서의 그의 용해도는 매우 낮다. 결과적으로, 알루미늄이 냉각됨에 따라, 고형화된 주물에서 가스 기공을 생성할 수 있는 수소 가스가 배출된다. 고형화 속도는 기포의 양 및 크기에 영향을 미친다. 특정 응용에서, 핀홀 다공성은 금속 주물의 기계적 강도 및 압력 기밀성에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 가스는 또한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 플레이트, 시트 및 스트립의 생산 동안에 블리스터 형성(blister formation)을 초래할 수 있는 공극 및 불연속체(예컨대, 산화물 개재물)로 확산될 수 있다.
ii) 결정립 미세화(Grain refinement) - 주물의 기계적 특정은 고형화 금속의 결정립 크기를 제어하여 개선될 수 있다. 주조 금속의 결정립 크기는 고형화가 시작함에 따라 액체 금속 내에 존재하는 핵의 수에 의존하며, 냉각 속도에 의존한다. 더 빠른 냉각 속도는 일반적으로 더 작은 결정립 크기를 촉진하고, 용융물에 대한 특정 원소의 첨가는 결정립 성장을 위한 추가적인 핵을 제공할 수 있다.
iii) 개질(Modification) - 금속 합금의 미세 구조 및 특성은 나트륨 또는 스트론튬과 같은 특정 "개질" 원소의 소량의 첨가에 의해 개선될 수 있다. 개질은 고온 인열 저항을 증가시키고 합금 공급 특성을 개선하여, 수축 다공성을 감소시킨다.
iv) 세정 및 알칼리 제거(Cleaning and alkali removal) - 알칼리 원소의 상당한 농도는 합금 특성에 악영향을 미칠 수 있으므로, 이러한 알칼리 원소를 제거하거나 감소시킬 필요가 있다. 예를 들어, 주물 합금에 칼슘의 존재는 개질과 같은 다른 처리 공정을 방해할 수 있는 반면, 나트륨의 과잉 농도는 연질 알루미늄 합금의 연성 특성에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 고형화된 금속에 함유된 산화물, 탄화물 및 붕화물과 같은 비금속 내포물의 존재는 또한 금속의 물리적 및 기계적 특성에 악영향을 미칠 수 있으므로, 이들도 제거할 필요가 있다.
상기한 처리 공정은 다양한 방법 및 장비에 의해 개별적으로 또는 동시에 수행될 수 있다.
용융 금속의 탈기는 전형적으로 염소, 아르곤, 질소 또는 이들의 혼합물과 같은 건조 불활성 가스의 미세 기포로 용융 금속을 플러싱하는 로터리 탈기 유닛("RDU")을 사용하여 수행된다. RDU는 전형적으로 로터가 부착되는 중공 샤프트를 포함한다. 사용 시, 샤프트 및 로터는 회전되고 가스는 샤프트를 아래로 통과하고 로터를 통해 용융 금속 내로 분산된다. 로터를 통해 가스를 도입하면 매우 미세한 기포가 다수 발생하고, 이들은 이를 통해 용융물의 바닥으로 분산된다. 이러한 기포가 용융물을 통해 상승하면서 수소는 이들 내로 확산되고 기포가 표면에 도달하면 대기 내로 방출된다. 상승하는 버블은 또한 고체 개재물을 수집하고, 이들을 용융물의 상부로 운반하며, 여기서 이들은 스키밍될 수 있다. 수소(및 산화물 개재물)를 제거하기 위해 가스를 도입하는 것 이외에, 로터리 탈기 유닛은 또한 금속 처리제를 불활성 가스와 함께 샤프트를 통해 또는 샤프트에 인접한 튜브를 통해 용융물 내로 주입하는데 사용될 수 있다.
로터리 탈기 유닛에 사용하기 위한 로터리 장치의 예는 W02004/057045호에 기재되고 도 1에 도시된 "XSR 로터"(종래기술의 로터(1))이다. 로터리 장치(2)는 일단부에서 로터(6)에 연결되는 보어(4a)를 구비한 중공 샤프트(4)를 포함한다. 로터(6)는 일반적으로 디스크 형상이며 환형 베이스(10)로부터 이격된 환형 상부 루프(8)를 포함한다. 개방 챔버(12)는 베이스(10)의 중앙에 제공되고 루프(8)에 대해 상향으로 연장된다. 루프(8)와 베이스(10)는 챔버(12)의 주변으로부터 로터(6)의 주변으로 외측으로 연장되는 4개의 디바이더(14)에 의해 연결된다. 인접한 각 쌍의 디바이더(14), 루프(8) 및 베이스(10) 사이에는 구획부(16)가 형성된다. 루프(8)의 주변 에지(8a)에는 복수의 부분-원형 절결부(18)(본 실시예에서, 8개의 절결부)가 제공된다. 각각의 절결부(18)는 그 각각의 구획부(16)를 위한 제2 출구로서의 역할을 한다.
알루미늄과 같은 용융 금속을 처리하기 위한 로터는 전통적으로 흑연의 고체 블록을 원하는 형상으로 가공함으로써 제조되어 왔다. 그러나, 드릴링 공구에 대해 시야 접근이 필요하기 때문에, 가공은 어렵고 비용이 많이 드는 공정일 수 있고, 특히 로터의 내부 표면 상에서 복잡한 형상을 제조되는데 잘 적합하지 않다. 드릴링 공구가 더 내구성이 있거나 더 연마성이 있는 세라믹 재료를 천공할 수 없을 수 있기 때문에, 가공은 또한 로터로부터 제조될 수 있는 재료의 선택을 제한한다. 더욱이, 가공 결함은 제조 재료의 강도 및 따라서 로터의 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 발명자들은 등방 가압을 사용하여 제조 재료를 희생 코어 주위로 가압한 다음, 그 후 코어를 제거함으로써, 특히 로터의 내부에서 훨씬 더 복잡한 로터 설계가 생성될 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 가시선 접근(line-of-sight access)이 필요하지 않기 때문이다. 더욱이, 이러한 새로운 제조 방법은 가공에 의해 형상화하기 어려울 알루미나, 탄소 결합 알루미나, 또는 다른 내화 금속 산화물, 탄화물 또는 질화물과 같은 훨씬 더 내구성 있는 재료가 로터를 위해 사용될 수 있게 한다. 희생 코어 주위로 로터를 등압 가압함으로써, 로터의 표면 마감이 또한 가우시안 및 비가우시안 표면 곡률들(Gaussian and non-Gaussian surface curvatures) 간의 매우 매끄러운 표면 및 이음매 없는 병합으로 크게 향상될 수 있다.
따라서 본 발명은 기계가공과 같은 종래의 방법으로는 제조할 수 없었던 완전히 새롭고 개선된 로터 설계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 관점에 따르면, 중공 샤프트 및 상기 중공 샤프트의 일단부에 있는 로터를 포함하는, 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치가 제공된다. 상기 로터는, 복수의 디바이더에 의해 서로 이격되고 연결되는 루프(roof) 및 베이스(base); 상기 루프와 상기 베이스 사이에 형성된 중앙 챔버로서, 상기 디바이더는 상기 중앙 챔버의 주변부로부터 반경방향으로 연장되는, 상기 중앙 챔버; 각각의 인접한 쌍의 디바이더들 사이에 형성되는 통로로서, 각각의 통로는 중앙 챔버의 반경방향 외측에 위치된 입구와, 상기 로터의 외주면 내의 출구를 갖는, 상기 통로; 및 상기 중공 샤프트를 통해 상기 중앙 챔버 내로, 상기 통로의 입구를 통해 그리고 상기 출구 외부에 형성되는 유동 경로(flow path)를 포함한다. 상기 베이스는 상기 중앙 챔버에 유체적으로 연결된 복수의 개구부와, 각각의 인접한 쌍의 개구부들 사이에 형성된 반경방향 블레이드를 포함한다.
로터리 장치.
상기 장치는 중공 샤프트의 길이를 따라 연장되는 종방향 축을 갖고, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "반경방향" 및 "반경방향으로"는 종방향 축에 수직인 방향으로 로터의 중심과 그 외주부 사이에서 연장되는 것을 의미한다. 상기 로터는 일반적으로 단면이 원형일 수 있으며, 그 반경은 로터의 중심과 로터의 외주부 사이에서 연장된다. 일반적으로, 로터의 루프 및 베이스는 종방향 축에 수직인 평행한 평면에 놓인다.
상기 로터는 중공 샤프트와 일체로 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 로터는 중공 샤프트에 부착, 예를 들어, 로킹 메커니즘 또는 접착제에 의해 나사 결합, 푸시-핏(push-fit) 또는 고정되는 별개의 구성요소일 수 있다.
사용 시, 상기 반경방향 블레이드는 중공 샤프트를 통해 주입된 가스 버블을 쵸핑(chopping)하는 것을 보조하여 훨씬 더 작고 더 많은 기포를 생성한다. 크기를 감소시키고 버블의 수를 증가시키는 것은 용융물 전체에 걸쳐 기포의 분산을 개선시키고, 주어진 회전 속도에서 탈기 및 세정 효율을 상당히 증가시키고, 이에 의해 처리 시간을 감소시키거나, 또는 동일한 탈기 및 세정 효율을 더 낮은 회전 속도로 유지하여 샤프트 및 로터의 수명을 연장시킨다. 또한, 더 작은 버블은 용융물을 통한 더 낮은 상승 속도를 가질 수 있고, 따라서 수소를 위한 용융물 내부의 더 긴 잔류 시간이 기포로 확산된다.
상기 복수의 개구부는 베이스의 중심에 위치될 수 있다. 상기 베이스는 환형일 수 있다. 상기 복수의 개구부는 중공 샤프트 및/또는 중앙 챔버의 축방향으로 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 로터의 베이스는 적어도 3개의 개구부와, 적어도 3개의 반경방향 블레이드를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 로터의 베이스는 3개, 4개, 5개 또는 6개의 개구부 및 반경방향 블레이드를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 동일하게 이격되어, 터빈형 배열을 형성한다.
일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 베이스의 평면 내에, 즉 베이스의 평면으로부터 외측으로 돌출되지 않는다. 대안적인 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 베이스의 평면으로부터 외측으로 돌출된다. 상기 반경방향 블레이드는 종방향 축의 방향으로 측정된 바와 같이, 베이스의 높이보다 작거나 같은 높이로 돌출될 수 있다. 상기 반경방향 블레이드는 베이스로부터 멀어지게 중앙 챔버로부터 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 베이스와 루프 사이의 영역 내로 연장되지 않는다.
일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 베이스의 중심에 위치된 중앙 허브에 의해 서로 연결된다. 상기 중앙 허브는 원형 형상일 수 있다. 상기 중앙 허브는 반경방향 블레이드에 구조적 지지를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 베이스의 평면 및/또는 로터의 회전축에 수직인 평면에 대해 각을 이루는데, 예컨대 비스듬하게 경사진다. 예를 들어, 상기 반경방향 블레이드는 임펠러를 형성할 수 있다. 상기 반경방향 블레이드는 30° 내지 90°, 또는 40° 내지 80°, 50° 내지 70°, 또는 대략 60°의 블레이드 각도(blade angle)를 가질 수 있다.
사용 시, 상기 로터리 장치는 로터를 통한 유체 유동 경로(예컨대, 용융 금속을 위한 액체 유동 경로)를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 유체 유동 경로는 복수의 개구부를 통해 중앙 챔버로 축방향으로 형성되고, 그 후 각각의 인접한 쌍의 디바이더들 사이의 통로를 통해 중앙 챔버로부터 반경방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 로터는 베이스를 통해 액체를 끌어당기고 이를 반경방향 외측으로 구동하도록 구성될 수 있다. 상기 반경방향 블레이드는 유체 유동 경로에 대해 비스듬하게 경사질 수 있다.
일련의 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 유체 유동 경로에 대해 양의 각도(positively angled)를 갖는데, 즉 상기 반경방향 블레이드는 로터의 회전이 유체 유동 경로 내의 유체 유동을 증가하도록 경사진다. 이는 로터를 통한 유체 유량, 속도, 또는 체적을 증가시키기 위해 바람직할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 중앙 챔버에 가장 가까운 반경방향 블레이드의 부분은 후단 에지(trailing edge)를 형성한다. 즉, 상기 블레이드는 상향으로 경사진다.
추가적인 일련의 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드는 예를 들어 베이스를 통해 중앙 챔버로 유입되는 유체를 느리게 하기 위해 베이스를 통과하는 유체를 느리게 하도록 구성된다. 상기 반경방향 블레이드는 유체 유동 경로에 대해 음의 각도(negatively angled)를 갖는데, 즉, 상기 반경방향 블레이드는 로터의 회전이 유체 유동 경로 내의 유체 유동을 감소하도록 경사진다. 이는 로터 내의 유체의 체류 시간을 증가시키고 및/또는 로터에 대한 시간을 증가시켜 가스 버블을 냉각 또는 분산시키고 유체(예를 들어, 액체 금속 또는 그 내부의 가스) 상에 가해지는 전단력을 연장시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 중앙 챔버에 가장 가까운 반경방향 블레이드의 부분은 선단 에지(leading edge)를 형성한다. 즉, 상기 블레이드는 하향으로 경사진다.
상기 반경방향 블레이드가 양의 각도(예를 들어, 상향) 또는 음의 각도(예를 들어, 하향)를 가지는지의 여부는 로터의 회전 방향에 의존한다는 것이 이해될 것이다. 본 맥락에서, 양 및 음의 각도들은 로터의 나머지 부분 및 로터의 의도된 회전 방향에 관하여 뷰잉되도록 의도된다. 예를 들어, 반경방향 블레이드가 음의 각도를 갖는 실시예에서, 이는 예를 들어 상기 로터의 구성에 의해 결정된 회전 방향에 대해 의미하는 것으로 의도되고, 예를 들어 상기 반경방향 블레이드는 디바이더 및/또는 개구부와 같은 로터의 다른 구성요소에 대해 반대 방향으로 경사질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 로터는 어느 한 방향으로 회전가능하도록 의도될 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 중공 샤프트 및 상기 중공 샤프트의 일단부에 있는 로터를 포함하는, 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치가 제공된다. 상기 로터는, 복수의 디바이더에 의해 서로 이격되고 연결되는 루프 및 베이스; 상기 루프와 상기 베이스 사이에 형성된 중앙 챔버; 각각의 인접한 쌍의 디바이더들 사이에 형성되는 통로로서, 각각의 통로는 중앙 챔버의 반경방향 외측에 위치된 입구와, 상기 로터의 외주면 내의 출구를 갖는, 상기 통로; 및 상기 중공 샤프트를 통해 상기 중앙 챔버 내로, 상기 통로의 입구를 통해 그리고 상기 출구 외부에 형성되는 유동 경로를 포함한다. 상기 베이스는 중앙 개구부와, 상기 베이스로부터 외측으로 돌출하는 복수의 반경방향 베인을 포함하고, 상기 반경방향 베인은 상기 중앙 개구부의 주변부 주위에 배열된다. 상기 반경방향 베인은 상기 베이스의 중심을 향해 그리고 상기 중앙 개구부 위로 적어도 부분적으로 연장된다.
"베이스의 중심"은 베이스의 종방향 축을 따르기보다는, 베이스의 외주로부터 베이스의 평면을 따라 측정된 바와 같은 중심점을 의미하고자 하는 것이 이해될 것이다. 외향으로 연장되는 베인은 중심 챔버의 반대 방향으로 베이스로부터 축방향으로 및/또는 베이스로부터 연장될 수 있다.
사용 시, 중앙 개구 위에서 적어도 부분적으로 연장되는 반경방향 베인은 제1 관점의 로터 내의 반경방향 블레이드와 유사한 효과를 달성하는데, 즉 중공 샤프트를 통해 주입되는 기포를 쵸핑한다. 또한, 돌출하는 베인은 로터에 의해 달성되는 버블의 토크 및 방향성 유동을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 로터의 베이스는 적어도 3개의 개구부와, 적어도 3개의 반경방향 베인을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 로터의 베이스는 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 반경방향 베인을 포함한다. 베인의 수를 증가시키는 것은 제조의 복잡성을 증가시키고 각 베인의 단면적을 감소시키고, 따라서 이들 인자는 로터 성능과 균형화되어야 한다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 제3 관점에 따르면, 중공 샤프트 및 상기 중공 샤프트의 일단부에 있는 로터를 포함하는, 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치가 제공된다. 상기 로터는, 복수의 디바이더에 의해 서로 이격되고 연결되는 루프 및 베이스; 상기 루프와 상기 베이스 사이에 형성된 중앙 챔버; 각각의 인접한 쌍의 디바이더들 사이에 형성되는 통로로서, 각각의 통로는 중앙 챔버의 반경방향 외측에 위치된 입구와, 상기 로터의 외주면 내의 출구를 갖는, 상기 통로; 및 상기 중공 샤프트를 통해 상기 중앙 챔버 내로, 상기 통로의 입구를 통해 그리고 상기 출구 외부에 형성되는 유동 경로를 포함한다. 상기 로터의 베이스는 중앙 개구부와, 상기 베이스로부터 외측으로 돌출하는 복수의 반경방향 베인을 포함하고, 상기 반경방향 베인은 상기 중앙 개구부의 주변부 주위에 배열된다. 상기 베이스는 상기 반경방향 베인들 사이에 배열된 복수의 절결부(cut-outs)를 더 포함하고, 상기 베이스 내의 절결부는 상기 로터의 외주부로부터 내측으로 연장된다.
사용 시, 상기 베이스 내의 절결부는 제1 관점의 로터 내의 반경방향 블레이드에 유사한 효과를 달성하는데, 즉 중공 샤프트를 통해 주입된 버블을 쵸핑한다. 상기 반경방향 베인은 로터에 의해 달성되는 버블의 토크 및 방향성 유동을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 베이스 내의 절결부는은 또한 로터에 의해 달성되는 버블의 토크 및 방향성 유동을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 베이스는 적어도 3개의 절결부를 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 베이스는 3개, 4개, 5개 또는 6개의 절결부를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 베이스 내의 각 절결부의 에지는 베이스의 평면에 대해 및/또는 회전축에 수직인 평면에 대해 비스금하게 피칭된다. 일부 실시예에서, 상기 베이스의 각 절결부의 에지는 베이스의 평면에 대해 20° 내지 70°의 각도로 피칭된다. 의도된 회전 방향으로 각 절결부의의 에지를 비스듬하게 피칭함으로써, 로터가 용융물 내에서 회전할 때 항력 계수를 감소시키는 것을 도울 수 있고, 주어진 회전 속도에 대해 요구되는 교반 전력의 양을 감소시킬 수 있다. 각 절결부의 에지를 피칭시키는 것은 또한 이소프레싱(isopressing)에 의한 제조의 용이성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 베이스의 절결부는 단면(즉, 절결부를 통한 축방향 단면)이 부분-원형 또는 반원형이다. 단면은 회전축에 수직일 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 각 절결부의 에지는 베이스의 평면에 대해 비스듬하게 피칭될 수 있고, 그 피치 각도는 에지의 길이를 따라 변한다. 일부 실시예에서, 상기 에지의 일단부는 20° 내지 70°의 각도로 피칭되는 한편, 상기 에지의 다른 단부는 110° 내지 160°의 각도로 피칭된다.
상기 베이스 내의 절결부는 로터의 외주부로부터 베이스의 중심을 향해 내측으로 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 절결부는 로터 반경의 적어도 5%, 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30% 또는 적어도 40%로 내측으로 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 절결부는 로터 반경의 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하 또는 10% 이하로 내측으로 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 절결부는 로터 반경의 5 내지 50%로 내측으로 연장된다.
일부 실시예에서, 상기 반경방향 베인은 베이스를 통한 디바이더의 연속이다.
일부 실시예에서, 상기 반경방향 베인은 각각의 베인의 폭이 로터의 외주부로부터 중앙 개구부로 감소하도록 테이퍼링된다.
하기의 선택적인 특징은 상술된 본 발명의 제1, 제2 또는 제3 관점 중 임의의 실시예에 동일하게 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드 또는 베인은 대칭적으로 배열된다. 일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드 또는 베인은 서로로부터 동일하게 이격된다.
일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드 또는 베인은 베이스의 평면에 대해 비스듬하게 피칭된다. 일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드 또는 베인은 베이스의 평면에 대해 20° 내지 70°의 각도로 피칭된다. 일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드 또는 베인은 만곡된다. 일부 실시예에서, 상기 반경방향 블레이드 또는 베인은 베이스 평면에 대해 비스듬하게 만곡되고 피칭된다. 블레이드/베인을 비스듬하게 피칭하거나 블레이드/베인을 의도된 회전 방향으로 만곡시키는 것은 로터가 용융물 내에서 회전할 때 항력 계수를 감소시키는 것을 도울 수 있어, 주어진 회전 속도에 대해 요구되는 교반 전력의 양을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 상기 로터는 적어도 4개의 디바이더와, 그 사이에 형성된 적어도 4개의 통로, 또는 적어도 6개의 디바이더와, 그 사이에 형성된 적어도 6개의 통로를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 로터는 4개의 디바이더와, 4개의 통로, 5개의 디바이더와, 5개의 통로, 6개의 디바이더와, 6개의 통로, 7개의 디바이더와, 7개의 통로, 또는 8개의 디바이더와, 8개의 통로를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 디바이더는 베이스의 평면에 수직으로 배향된다. 대안적으로, 상기 디바이더는 베이스의 평면에 대해 비스듬하게 배향될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 디바이더는 베이스의 평면에 대해 20° 내지 70°의 각도로 배향된다.
상기 디바이더는 베이스와 루프 사이에서 축방향으로 연장될 수 있다. 선택적으로, 상기 디바이더는 베이스 너머로 연장되지 않는다. 상기 디바이더는 베이스 내의 복수의 개구부 및/또는 반경방향 블레이드로부터 이격될 수 있다. 상기 베이스로부터 연장되는 베인을 포함하는 실시예에서, 상기 디바이더는 베이스로부터 베인과 반대 방향으로 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 각 통로는 로터의 루프 내의 제2 출구를 포함한다. 상기 제2 배출구는 사용 시 로터로부터 가스를 상측으로 분산시킬 수 있다. 측방향으로 지향된 출구와 상측로 지향된 출구의 조합을 제공하는 것은, 출원인의 이전 특허인 EP1573077호에서 논의된 바와 같이 더 작고 더 많은 버블의 가스가 생성되는 것을 허용하여, 탈기 및 세정 효율을 증가시킨다.
일부 실시예에서, 각 제2 출구는 루프의 외주부로부터 내측으로 연장되는 절결부이다. 상기 절결부는 단면이 부분-원형 또는 반원형일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 절결부는 로터 반경의 적어도 5%, 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30% 또는 적어도 40%로 내측으로 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 절결부는 로터 반경의 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하 또는 10% 이하로 내측으로 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 절결부는 로터 반경의 5 내지 50%로 내측으로 연장된다.
일부 실시예에서, 상기 루프 내의 절결부는 루프의 평면에 수직으로 루프를 통해 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 루프 내의 절결부는 루프의 평면에 대해 비스듬하게 루프를 통해 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 루프 내의 절결부는 루프의 평면에 대해 20° 내지 70°의 각도로 루프를 통해 연장된다. 일부 실시예에서, 상기 루프 내의 절결부는 루프의 평면에 대해 110° 내지 160°의 각도로 루프를 통해 연장된다. 상기 디바이더 및/또는 반경방향 베인/블레이드가 베이스의 평면에 대해 비스듬하게 배향되는 실시예에서, 상기 절결부는 디바이더의 각도 및/또는 반경방향 베인/블레이드의 각도 중 어느 하나에 대해 동일한 각도 또는 반대 각도로 루프를 통해 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 루프의 내부면은 중앙 챔버와 적어도 하나의 제2 출구 사이에서 연장되는 홈을 포함한다. 상기 홈은 상기 샤프트를 통해 주입된 가스의 일부가 제2 출구로 보다 효율적으로 전달되도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 로터의 루프는 그를 관통하는 중앙 보어를 구비하여, 가스가 중공 샤프트로부터 로터의 중앙 챔버로 주입될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 루프의 내부면은 루프 내의 가스 버블을 중앙 챔버 내로 그리고 로터의 베이스를 향해 채널링 다운하기 위한 내부 유동-지향 부재를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 유동-지향 부재는 환형 벽을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 환형 벽은 루프 내의 중앙 보어의 원주 둘레로 연장된다. 상기 환형 벽은 루프에서 가장 넓고 로터의 베이스를 향해 연장됨에 따라 좁아지도록 테이퍼질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 환형 벽은 루프와 베이스 사이의 방향으로 일반적으로 연장되는 복수의 개방 채널을 포함한다. 상기 채널은 루프로부터 버블에 하향 나선형 유동 패턴을 부여하도록 만곡될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 로터의 루프 및 베이스는 일반적으로 디스크 형상이다.
일부 실시예에서, 상기 로터는 등방 가압 내화 재료로 제조된다. 금속 산화물, 탄화물, 또는 질화물을 포함하는 내화 혼합물과 같은 이소-프레싱에 적합한 임의의 내화 재료가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 로터는 흑연, 알루미나, 알루미나 실리케이트, 탄소-결합 알루미나, 탄소-결합 세라믹, 점토-결합 흑연, 실리콘 알루미나 질화물, 용융 실리카, 실리콘 탄화물, 지르코니아, 또는 이들의 임의의 혼합물로부터 제조된다.
본 발명의 제4 관점에 따르면, 제1, 제2 또는 제3 관점 중 임의의 실시예의 로터리 장치에 사용하기 위한 로터가 제공된다. 제1, 제2 또는 제3 관점과 관련하여 전술된 임의의 선택적 특징은 적용가능한 경우 제4 관점의 로터와 자유롭게 조합될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 로터의 루프는 상기 장치의 중공 샤프트에 부착하기 위한 결합 수단을 구비한다. 상기 결합 수단은 로터가 중공 샤프트의 일단부 상에서 상보적인 나사산에 나사 결합될 수 있게 하는 나사산 벽(threaded wall)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 결합 수단은 중공 샤프트의 단부에 대해 상보적인 크기 및 형상을 갖도록 구성되는 로터의 루프 내의 캐비티를 포함할 수 있어, 로터는 푸시-핏 메커니즘(push-fit mechanism)에 의해 또는 확장 내화물 폼 접착제(예를 들어, ZYP coatings, Inc에 의해 생산된 Cera Foam)와 같은 적합한 내화 접착제를 사용하여 중공 샤프트에 부착될 수 있다. 대안적으로, 상기 결합 수단은 로킹 메커니즘을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 로터는 임의의 특정 제조 방법에 제한되지 않으며, 희생 코어 주위를 임의의 적합한 방법, 예컨대 이소프레싱(isopressing)한 다음, 코어를 제거하고, 첨가제 제조 등에 의해 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1은 WO2004/057045호에 기재된 바와 같은 종래 기술의 로터를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제1 관점과 함께 사용하기 위한 로터의 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제1 관점과 함께 사용하기 위한 로터의 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 관점과 함께 사용하기 위한 로터의 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제3 관점과 함께 사용하기 위한 로터의 실시예를 도시한다
도 6은 3개의 상이한 로터 설계의 토크를 비교하는 그래프이다.
도 7은 수면 레벨의 변화를 비교하는 차트이다.
도 8은 3개의 상이한 로터 설계의 혼합 효율을 비교하는 3개의 그래프를 도시한다.
도 9는 탈기 효율을 비교하는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10c는 탈기 효율 상의 다양한 상이한 특징부의 효과를 비교하는 3개의 그래프를 도시한다.
도 11은 5개의 상이한 로터 설계의 버블 질량 전달을 비교하는 그래프이다.
도 12는 5개의 상이한 로터 설계의 표면 질량 전달을 비교하는 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는 5개의 상이한 로터 설계의 탈기 효율을 비교하는 2개의 그래프를 도시한다.
도 14는 2개의 로터 설계의 탈기 효율을 비교하는 그래프이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제1 관점과 함께 사용하기 위한 로터(100)의 3개의 상이한 사시도를 도시한다. 로터(100)는 복수의 디바이더(24)(예시된 실시예에서, 6개의 디바이더)에 의해 이격된 루프(20) 및 베이스(22)를 포함한다. 디바이더(24)는 루프(20)와 베이스(22) 사이에 형성된 중앙 챔버(26)의 주변부로부터 반경방향으로 연장된다. 루프(20) 및 베이스(22)는 일반적으로 디스크-형상이다.
각각의 인접한 쌍의 디바이더(24)들 사이에 통로가 형성되며, 각 통로는 중앙 챔버(26)의 반경방향 외측에 위치된 입구(28)와, 로터(100)의 외주면에 있는 제1 출구(30)를 갖는다. 제1 출구는 로터로부터 측방향으로 유동을 지향시킨다. 각 통로는 또한 루프(20) 내에 제2 출구(32)를 갖는다. 제2 출구(32)는 로터로부터 상향으로 유동을 지향한다. 각 제2 출구(32)는 로터(100)의 외주부로부터 내향으로 연장되는, 루프(20) 내의 부분-원형 절결부이다. 제2 출구(32)는 제1 출구(30)보다 폭이 더 작다.
베이스(22)는 중앙 챔버(26)에 유체적으로 연결되는 3개의 개구부(34)를 포함한다. 각각의 인접한 쌍의 개구부(34)는 그 사이에 반경방향 블레이드(36)를 형성한다. 도시된 실시예에서, 베이스(22)는 터빈 배열에서 등간격으로 이격된 3개의 반경방향 블레이드(36)를 포함하고, 반경방향 블레이드(36)는 베이스(A)의 평면에 놓인다.
각 반경방향 블레이드(36)의 에지(37)는 베이스의 평면에 대해 각도(α)로 피칭된다. 예시된 실시예에서, 각도(α)는 60°이다. 디바이더(24) 및 제2 출구(32)는 또한 베이스(A)의 평면에 대해 동일한 각도(α)로 배향된다.
로터(100)의 루프(20)는 중공 샤프트에 부착하기 위한 결합 수단 및 중앙 보어(39)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 결합 수단은 중공 샤프트의 수형 나사산 단부 상으로 나사 결합하기 위한 암형 나사산 벽(38)을 포함한다. 루프(20)의 내부면은 루프(20) 내의 가스 버블을 중앙 챔버(26) 아래로 채널링(channeling)하기 위한 흐름-지향 부재를 포함한다. 예시된 실시예에서, 유동-지향 부재는 중앙 보어(35)의 원주 둘레로 연장되는 환형 벽(41)을 포함한다. 환형 벽(41)은 루프(20)에서 가장 넓고 베이스(22)를 향해 연장됨에 따라 좁아지도록 테이퍼링된다. 환형 벽(41)은 루프(20)와 베이스(22) 사이의 방향으로 일반적으로 연장되는 복수의 개방 채널(43)을 포함하고, 루프(20) 내의 버블 상에 하향 나선형 유동 패턴을 부여하도록 만곡된다.
도 3은 본 발명의 제1 관점과 함께 사용하기 위한 로터(200)의 다른 실시예를 도시한다. 로터(200)는 몇 가지의 변형인 도 2a 내지 도 2c에 도시된 로터(100)와 대체로 동일하다.
도 3의 실시예에서, 반경방향 블레이드(36)는 베이스(A)의 평면으로부터 외향으로 돌출되고 약간 만곡된다. 반경방향 블레이드(36)는 베이스(22)의 중심에서 중앙 허브(42)에 의해 서로 연결되어, 블레이드(36)에 구조적 지지를 제공한다.
제2 출구(32)는 베이스(A)의 평면에 대해 60°의 각도(α)로 피칭되는 한편, 디바이더(24) 및 반경방향 블레이드(36)는 베이스(A)의 평면에 대해 150°의 각도(β)로 피칭된다.
도 4는 본 발명의 제2 관점과 함께 사용하기 위한 로터(300)의 실시예를 도시한다. 도 2 내지 도 3의 로터(100, 200)와 공유되는 로터(300)의 특징은 동일한 넘버로 지칭된다.
로터(300)는 복수의 디바이더(24)(예시된 실시예에서, 4개의 디바이더)에 의해 이격된 루프(20) 및 베이스(22)를 포함한다. 디바이더(24)는 루프(20)와 베이스(22) 사이에 형성된 중앙 챔버(26)의 주변부로부터 반경방향으로 연장된다. 루프(20) 및 베이스(22)는 일반적으로 디스크 형상이다.
각각의 인접한 쌍의 디바이더(24)들 사이에 통로가 형성되며, 각 통로는 중앙 챔버(26)의 반경방향 외측에 위치된 입구(28)와, 로터(100)의 외주면에 있는 제1 출구(30)를 갖는다. 제1 출구는 로터로부터 측방향으로 유동을 지향시킨다. 각 통로는 또한 루프(20) 내에 2개의 제2 출구(32)를 갖는다. 제2 출구(32)는 로터로부터 상향으로 유동한다. 따라서, 예시된 실시예에서, 로터(300)는 4개의 디바이더(24), 4개의 통로, 4개의 제1 출구(30) 및 8개의 제2 출구(32)를 포함한다. 각 제2 출구(32)는 로터(100)의 외주부로부터 내향으로 연장되는, 루프(20) 내의 부분-원형 절결부이다. 디바이더(24) 및 제2 출구(32)는 (베이스(A)의 평면에 평행한) 루프의 평면에 수직으로 배향된다.
베이스(22)는 중앙 챔버(26)에 유체적으로 연결된 중앙 개구(46)를 포함한다. 베이스(22)는 베이스(A)의 평면으로부터 외향으로 돌출하고 중심 개구부(46)의 주변부 주위에 배열되는 복수의 반경방향 베인(48)을 더 포함한다. 반경방향 베인(48)은 베이스(22)의 중심을 향해 연장되어 중앙 개구부(46) 위로 부분적으로 돌출한다. 예시된 실시예에서, 베이스(22)는 중앙 개구부(46)의 주변부 주위에 균등하게 이격된 5개의 반경방향 블레이드(46)를 포함한다. 반경방향 베인(46)은 만곡되며 베이스(A)의 평면에 대해 비스듬하게 피칭되지 않는다
루프(20)는 교번하는 배열에서 중앙 챔버(26)와 4개의 제2 출구(32) 사이에서 연장되는 4개의 홈(44)을 포함한다. 루프(20)는 또한 대응하는 크기 및 형상을 갖는 중공 샤프트의 단부에 끼워지도록 구성된 육각형-형상의 캐비티(40) 형태의 중앙 보어(39) 및 결합 수단을 포함한다.
도 5는 본 발명의 제3 관점과 함께 사용하기 위한 로터(400)의 실시예를 도시한다. 도 2 내지 도 4의 로터와 공유되는 로터(400)의 특징은 동일한 넘버로 지칭된다.
로터(400)는 복수의 디바이더(24)(예시된 실시예에서, 4개의 디바이더)에 의해 이격된 루프(20) 및 베이스(22)를 포함한다. 디바이더(24)는 만곡되어 루프(20)와 베이스(22) 사이에 형성된 중앙 챔버(26)의 주변부로부터 반경방향으로 연장된다. 루프(20) 및 베이스(22)는 일반적으로 디스크 형상이다.
각각의 인접한 쌍의 디바이더(24)들 사이에 통로가 형성되며, 각 통로는 중앙 챔버(26)의 반경방향 외측에 위치된 입구(28)와, 로터(100)의 외주면에 있는 제1 출구(30)를 갖는다. 제1 출구(30)는 로터로부터 측방향으로 유동을 자향한다. 각 통로는 또한 루프(20) 내에 2개의 제2 출구(32)를 갖는다. 제2 출구(32)는 로터로부터 상향으로 유동한다. 예시된 실시예에서, 로터(300)는 4개의 디바이더(24), 4개의 통로, 4개의 제1 출구(30) 및 8개의 제2 출구(32)를 포함한다. 각 제2 출구(32)는 로터(400)의 외주부로부터 내향으로 연장되는, 루프(20) 내의 부분-원형 절결부이다.
베이스(22)는 중앙 챔버(26)에 유체적으로 연결된 중앙 개구부(46)를 포함한다. 베이스(22)는 베이스(A)의 평면으로부터 외향으로 돌출하고 중심 개구부(46)의 주변부 주위에 배열되는 복수의 반경방향 베인(48)을 더 포함한다. 반경방향 베인(48)은 각각의 베인의 폭이 로터(400)의 외주부로부터 중앙 개구부(46)로 감소하도록 만곡되어 테이퍼진다. 반경방향 베인(48)은 디바이더(24) 및 반경방향 베인(48)이 베이스(22)를 통해 연속적인 평면을 형성하도록 베이스(22)를 통한 디바이더(24)의 연속이다.
로터(400)의 루프(20)는 중공 샤프트에 부착하기 위한 결합 수단 및 중앙 보어(39)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 결합 수단은 중공 샤프트의 단부 상으로 나사 결합하기 위한 나사산 벽(38)을 포함한다. 루프(20)의 내부면은 루프(20) 내의 가스 버블을 중앙 챔버(26)로 아래로 체널링하기 위한 흐름-지향 부재를 포함한다. 예시된 실시예에서, 유동-지향 부재는 중앙 보어(35)의 원주 둘레로 연장되는 환형 벽(41)을 포함한다. 환형 벽(41)은 루프(20)에서 가장 넓고 베이스(22)를 향해 연장됨에 따라 좁아지도록 테이퍼링된다. 환형 벽(41)은 루프(20)와 베이스(22) 사이의 방향으로 대체로 연장되는 복수의 개방 채널(43)을 포함하고, 루프(20) 내의 버블 상에 하향 나선형 유동 패턴을 부여하도록 만곡된다.
디바이더(24), 반경방향 베인(48) 및 제2 출구(32)는 베이스(A)의 평면(또는 베이스(A)의 평면에 평행한 루프의 평면)에 대해 60°의 각도(α)로 배향된다.
베이스(22)는 로터(400)의 외주부로부터 내향으로 연장되는, 반경방향 베인(48)들 사이에 배열된 복수의 절결부(50)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 베이스(22)는 4개의 반경방향 베인(48)과, 4개의 절결부(50)를 포함한다. 절결부(50)는 부분-원형 형상이다. 절결부(50)는 로터(400)의 외주부로부터 로터(400)의 반경(R1)의 대략 30%인 깊이(R2)로 내측으로 연장된다.
각 절결부의 에지(52)는 베이스(A)의 평면에 대해 비스듬하게 피칭된다. 에지(52)의 각도는 일단부에서 에지(52)가 60°의 각도로 피칭되고, 다른 단부에서 에지(52)가 150°의 각도로 피칭되도록 변한다.
풀 스케일 물 모델링 결과(Full scale water modelling results)
다양한 로터 설계의 성능은 배플 플레이트가 장착된 풀 사이즈 도가니(full size crucible)에서 물 모델링에 의해 테스트되었다. 도가니를 250 리터의 실온 물로 700 mm 깊이까지 충전하였다. 물은 용융 알루미늄과 유사한 점도 특성을 가지며, 따라서 용융 금속 내의 로터의 성능을 나타내기 위한 유용한 대용물(proxy)이다.
3개의 로터 설계, 즉 (A) 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술의 로터 설계, (b) 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 설계, 및 (c) 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 설계를 비교하였다.
교반 전력 및 와류 높이
각각의 로터 설계의 상대적인 교반 전력을 비교하기 위해, 상이한 회전 속도로 토크 측정을 수행하였다. 700 mm의 기준선으로부터 도가니 내의 물의 높이를 또한 측정하였다. 높은 수면 레벨은 일반적으로 보다 강력한 와류의 생성을 나타낸다. 와류의 강도는 더 높은 와류가 더 빠른 탈기 및 더 나은 혼합 효율로 이어질 수 있지만, 용융물 내로의 공기 혼입이 증가되기 때문에 균형화될 필요가 있다.
토크 측정 결과는 도 7에 도시되며, 이는 토크(N·m) 대 회전 속도(rpm)의 그래프이다. 모든 회전 속도에서, 로터 설계(B 및 C) 모두는 비교 설계(A)보다 더 높은 토크를 나타내었고, 설계(B)는 가장 높은 토크를 디스플레이한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 설계(B)의 증가된 토크는 또한 더 강력한 와류를 나타내는 A 또는 C보다 상당히 높은 수면 레벨을 생성하였다. 설계(C)는 약간 더 강력한 와류를 나타내는 비교 설계(A)보다 약간 더 높은 수면 레벨을 나타냈다.
혼합 효율(Mixing efficiency)
일련의 열전대가 도가니 내의 다양한 상이한 위치에 그리고 배플 플레이트 상에 위치되어 이들 위치에서의 물의 온도를 측정하였다. 로터를 물에 침지시키고 600 rpm의 회전 속도로 평형화시켰다. 그 다음, 7리터 부피의 온수(80℃)를 도가니에 붓고, 온도가 모든 열전대에 걸쳐 재안정화되는데 걸리는 시간(혼합 시간으로 지칭)을 측정하였다.
그 결과는 온도(℃) 대 시간(s)의 그래프인 도 8에 그래프식으로 도시되어 있다. 그래프 내의 각각의 라인은 도가니 내의 상이한 열전대로부터 판독된 온도에 대응한다.
로터 설계(A)는 109s-88s = 21초의 혼합 시간을 가졌다.
로터 설계(B)는 280s-272s = 8초의 혼합 시간을 가졌다
로터 설계(C)는 280s-272s = 8초의 혼합 시간을 가졌다
로터 설계(B 및 C) 모두는 비교 설계(A)의 혼합 효율의 2배 초과의 혼합 효율을 나타내었다.
탈기 효율(Degassing efficiency)
예 1:
산소 측정기를 도가니의 상부를 향해 물에 침지시켰다. 로터를 600 rpm으로 회전시키고, 산소 레벨이 최소 안정기(minimum plateau)에 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다. 물에 용해된 산소는 용융 알루미늄에 용해된 수소와 유사한 거동을 보이므로, 이러한 시험은 용융 금속에서 탈기 효율의 유용한 측정을 제공한다.
탈기 결과는 도 9에 도시되며, 이는 산소 레벨(mg/L) 대 시간(s)의 그래프이다. 초기에, 로터(B 및 C) 모두는 비교 설계(A)보다 상당히 더 빠른 산소 제거를 나타내었다. 로터(B)에 의해 달성되는 최대 산소 제거는 로터(A)에 의해 달성되는 것보다 더 작았으며, 이는 로터(B)에 의해 생성된 더 높은 와류에 기인하여 공기 혼입(air entrainment)을 초래한다. 그러나, 이러한 부정적인 효과에 대응하기 위해 배플 깊이 또는 배플 플레이트의 수를 조절함으로써 와류 레벨이 감소될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
로터(C)는 가장 빠른 산소 제거 및 가장 높은 최대 산소 제거(가장 낮은 최종 산소 레벨) 모두를 나타내는 최선의 수행이었다.
여러 다른 로터 설계의 탈기 효율을 또한 측정하여, 상이한 개별 특징부의 효과를 비교하였다.
예 2:
우선, 로터 설계(A)를 새로운 로터 설계(D)와 비교하여 베이스로부터 외측으로 돌출하는 반경방향 베인의 효과를 비교하였다. 로터(D)는 루프 내의 홈을 제외하고 로터(B)와 정확히 동일한 특징을 가졌고, 이는 로터(D)에서 생략되었다
둘째로, 로터 설계(A)를 새로운 로터 설계(E)와 비교하여 루프에서 홈의 효과를 비교하였다. 로터(E)는 로터(A)와 정확히 동일한 특징을 가졌지만, 중앙 챔버와 4개의 제2 출구 사이에서 연장되는 루프 내에 홈이 추가되었다.
마지막으로, 로터 설계(B)를 로터 설계(D)와 비교하여, 반경방향 베인 및 홈의 시너지(synergy)를 입증하였다.
그 결과는 도 10a 내지 도 10c에 도시되며, 이는 산소 레벨(mg/L) 대 시간(s)의 그래프이다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 반경방향 베인은 탈기 효율의 상당한 증가를 생성하는 한편, 도 10b는 루프 내의 홈이 탈기 효율의 중간 증가를 생성하는 것을 도시한다. 도 10c는 반경방향 베인 및 홈 모두를 포함하는 로터가 최상의 탈기 효율을 달성한 것을 도시한다.
스몰 스케일 물 모델링 결과(Small scale water modelling results)
상이한 로터 설계를 갖는 추가적인 실험은 20℃ 물로 채워진 193 x 300 mm 원통형 탱크와 230 mm(6.73 리터)의 깊이까지 소형화된 셋업에서 수행되었다. 로터는 65 mm의 공통 직경으로 스케일링되었다. 알루미늄 400 x 20 mm 스트립 형태의 배플이 탱크 벽에 인접하여 클램핑되었다. 로터는 탱크의 베이스 위에 70 mm의 깊이에서 중심에 위치된 실험실 오버헤드 교반기에 장착되었다. 가스는 1.8 L/min(공기) 또는 2 L/min(아르곤) 중 어느 하나에서 로터의 부근에 공급되었다. 물의 산소 농도는 물에 침지된 YSI 광학 용존 산소 프로브에 의해 측정되었다.
질량 전달 분석(Mass transfer analysis)
각 실험은 탱크 내의 물을 평형화시킴으로써 시작하였으며, 이는 ~10 mg/L의 안정한 산소 농도가 달성될 때까지 고속(600 rpm)으로 교반하면서 탱크를 공기로 퍼징하는 것을 포함하였다. 각각의 로터 설계에 대해, 2 L/min의 고정된 아르곤 흐름으로 400, 600 및 800 rpm에서 탈기 동역학을 측정하였다.
탱크 내의 산소 농도 변화 시간인 C(t)는 수학식 1을 따를 것으로 여겨진다:
여기서, Co는 초기 산소 농도이고, C∞는 t=∞에서 성취된 점근적인 플랫 라인 산소 농도이고, k는 감쇠 상수이다. 공지된 초기 농도인 Co가 주어지면, 비-선형 최소 제곱 반복 피팅 용액은 로터에 대한 탈기 곡선에 피팅 용액을 적용함으로써 C∞ 및 k 둘 다를 결정하기 위해 사용된다.
물의 자유 표면(free surface)에서의 경계층은 그 위의 공기로 국부적인 평형을 유지하여 평형 농도(CE)를 유지하는 것으로 가정된다. 표면(CE)에서의 평형 농도와 벌크 조성(C(t)) 사이의 차이는 표면으로부터 벌크 내로의 용존 산소의 유동을 구동하고, 이는 또한 자유 표면(As)의 면적 및 표면 질량 전달 계수(ks)에 의존한다. 물에 존재하는 버블의 집단은 또한 그들의 표면에 국부적인 평형 농도(CB)를 형성하고, 벌크 조성(C(t))와 CB의 차이는 버블(AB)의 표면적과 버블 질량 전달 계수(kB)에 의존하는 기포로의 용존산소의 흐름을 유도한다. 표면에서 벌크로의 용존 산소의 흐름과 벌크에서 기포로의 용존 산소의 흐름을 분석하면, 벌크 산소 농도의 예상 시간 의존성을 나타내는 수학식 2가 유도된다:
2가지의 그룹화된 속도 상수는 k1 = kBAB 및 k2 = ksAs이다. 플랫 라인 농도(C∞)는 수학식 3에 의해 유효 속도 상수 및 평형 산소 농도(CE)와 관련이 있다:
피팅된 속도 상수는 (k1+k2/V)를 사용하여 식별된다. 따라서, 탱크 체적(v)및 평형 산소 농도(CE)를 알고, 벌크 산소 농도(C(t))를 측정함으로써, 상기한 관계들은 개별 버블 및 표면 그룹화된 속도 상수(k1 및 k2)가 결정되게 한다.
전술한 바와 같이, 버블 질량 전달과 관련된 매개변수인 kl은 작은 버블을 발생시키는 로터의 능력에 따라 달라지며, 여기서 더 작은 버블은 더 높은 질량 전달 및 물과 계면의 더 큰 총 면적을 가질 것이다. 따라서, kl가 클수록, 로터의 기여는 탈기 속도에 더 클 수 있다. 표면 질량 전달과 관련된 매개변수인 k2는 로터가 표면 근처에서 흐름을 발생시키고 자유 표면에서 업-개싱/아웃-개싱을 발생시키는 정도를 나타내지만, 자유 표면으로부터 공기의 재흡수도 나타낸다.
5가지의 로터 설계, 즉 (A) 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술의 로터 설계, (B) 도 4에 도시된 바와 같은 발명에 따른 설계, (C) 도 2a-c에 도시된 바와 같은 발명에 따른 설계, (F) 도 3에 도시된 바와 같은 발명에 따른 설계, 및 (G) 도 5에 도시된 바와 같은 발명에 따른 설계를 비교하였다.
버블 질량 전달 매개변수, k1:
앞선 분석을 각 로터에 대한 탈기 곡선에 적용하였다. 각 로터에 대해 계산된 k1 값은 아래의 표 1 및 도 11에 제공하였다.
표 1:
본 발명에 따른 각각의 로터 설계(B, C, F 및 G)는, 알루미늄을 교반하기 위한 속도의 표준 범위 내에 있는 400 rpm 및 600 rpm의 교반 속도에서 종래 기술의 예 A보다 더 높은 k1 값을 나타내었다. 로터 설계(F 및 G)는 모든 교반 속도에서 가장 높은 k1 값을 나타내었고, 이는 이들 설계가 더 큰 집단의 미세 버블을 생성할 수 있음을 나타낸다.
표면 질량 전달 매개변수, k2:
각각의 로터에 대한 계산된 k2 값은 아래의 표 2 및 도 12에 제공되었다.
표 2:
계산된 k2 값의 일반적인 경향은 큰 표면 질량 전달이 일반적으로 더 큰 버블 질량 전달과 상관된다는 것을 나타내는 k1 값의 일반적인 경향이다. 그러나, 400 rpm에서, 본 발명에 따른 로터 설계(B, C, F 및 G) 각각은 종래 기술의 예 A보다 더 낮은 k2 값을 나타내었고, 이러한 교반 속도에서 자유 표면으로부터의 공기의 보다 낮은 업-개싱 및 보다 낮은 재흡수를 나타낸다.
탈기 효율(degassing efficiency)
상기 설명된 소형화된 셋업을 사용하여, 5개의 로터 설계(A, B, C, F 및 G)는 400 rpm(도 13a) 및 600 rpm(도 13b)에서 회전되었다. 산소 레벨이 최소 안정기에 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다.
본 발명에 따른 모든 4가지의 설계(B, C, F 및 G)는 400 및 600 rpm 모두에서 종래 기술의 설계(A)보다 더 큰 탈기 효율을 나타내었다. 설계(F 및 G)는 400 및 600 rpm 모두에서 최상의 탈기 성능을 보여주었고, 600 rpm에서 상당히 더 빠른 산소 제거(종래 기술의 설계(A)보다 약 30 내지 50% 더 빠르다)를 했다.
본 발명에 따른 로터 설계의 개선된 탈기 성능은 또한, 설정된 탈기 시간 동안, 종래 기술의 설계(A)와 동일한 레벨의 산소 제거를 달성하기 위해 더 낮은 회전 속도가 사용되어 로터리 장치에 의해 요구되는 전력의 양을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
알루미늄 용융물 시험 결과(Aluminium melt testing results)
(도 2a 내지 도 2c에 따른) 로터 설계(C)의 성능은 용융 알루미늄을 사용하여 전체 크기 도가니에서 시험되고, (도 1에 도시된 바와 같이) 종래 기술의 로터 설계(A)와 비교되었다.
개재물 제거(inclusion removal)
로터(C)를 용융 알루미늄 내에 침지시키고, 4분의 처리 시간 동안 350 rpm으로 회전시켰다. Vmet 분석(Vesuvius metal quality analysis)을 주사 전자 현미경 및 사전 정의된 선택 규칙 및 이미지 처리 알고리즘을 사용하여 수행하였다. 시험은 1회 반복되었고, 요약화된 결과는 하기의 표 3a에 기록되었다. 그 다음, 시험은 로터 설계(A)(도 1)를 사용하여 500 rpm의 더 높은 속도에서 2회 더 반복되었고, Vmet 분석을 수행하였고 요약화된 결과는 표 3b에 기록하였다.
표 3a
표 3b
본 발명자들은 본 발명에 따른 로터가 용융 알루미늄으로부터 개재물을 제거하는데 놀라울 정도로 효과적이라는 것을 발견하였다. 실시예 1 및 2에서, 로터(C)는 (존재하는 결함의 면적 분율로부터 유래된) 개재물 지수 모두 및 알루미늄 내의 총 개재물 수의 급격한 감소를 초래하는 것으로 확인되었다. 실시예 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 비록 총 개재물의 감소가 달성가능하지만, 이는 개재물 지수의 등가적인 감소에 의해 뒷받침되지 않는다. 특히 주목되는 것은 로터(C)에 의한 더 큰 개재물의 거의 전체 제거이다. 표 3a는 15미크론보다 큰 크기를 갖는 알루미늄 산화물이든 다른 방식이든, 매우 적은 개재물이 처리 후에 남아있다는 것을 보여준다. 대조적으로, 실시예 3 및 4에서, 큰 개재물(>15미크론)의 수가 증가하였다. 이러한 시험은 로터 설계(C)가 종래 기술의 로터 설계(A)만큼 효과적이거나 더 우수하고, 이것이 더 낮은 회전 속도에서 달성된다는 것을 보여준다.
더 낮은 회전 속도들의 사용은 이들이 로터들 및 기계류들 상의 마모를 감소시키고, 표면에서 형성될 수도 있는 와류의 크기를 감소시키며, 따라서 용융 금속 내의 가스 구속을 감소시키기 때문에 바람직하다. 그러나, 더 높은 속도들은 더 큰 혼합으로 인한 탈기 및 포접 제거에 더 효과적인 것이 전형적이다. 따라서 프로세싱 동작에서 선택된 속도는 이들 2개의 인자들의 균형이다.
탈기 효율
용융된 알루미늄 내의 수소 함량이 모니터링되는 동안 로터(C)를 알루미늄에 침지시키고 350 rpm으로 회전시켰다. 용융물로부터 수소를 제거하기 위해 질소 가스를 로터에 통과시켰다. 그 다음, 350 rpm 및 500 rpm에서 로터(A)를 사용하여 테스트를 반복하였다. 그 결과를 도 14의 그래프에 플롯하였다.
수소 농도가 50% 감소하는 평균 시간은 다음과 같았다:
- 로터 C - 350rpm 160s
- 로터 A - 350rpm 350s
- 로터 A - 500rpm 185s
그래프를 보면, 등회전 속도에서는 로터(C)가 로터(A)보다 알루미늄 용융물에서 수소를 제거하는데 더 효과적이며, 500rpm의 더 큰 회전 속도에서는 로터(A)에 비해 여전히 개선된 것으로 나타났다.

Claims (15)

  1. 중공 샤프트 및 상기 중공 샤프트의 일단부에 있는 로터를 포함하는, 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치에 있어서,
    상기 로터는,
    복수의 디바이더에 의해 서로 이격되고 연결되는 루프(roof) 및 베이스(base);
    상기 루프와 상기 베이스 사이에 형성된 중앙 챔버로서, 상기 디바이더는 상기 중앙 챔버의 주변부로부터 반경방향으로 연장되는, 상기 중앙 챔버;
    각각의 인접한 쌍의 디바이더들 사이에 형성되는 통로로서, 각각의 통로는 중앙 챔버의 반경방향 외측에 위치된 입구와, 상기 로터의 외주면 내의 출구를 갖는, 상기 통로; 및
    상기 중공 샤프트를 통해 상기 중앙 챔버 내로, 상기 통로의 입구를 통해 그리고 상기 출구 외부에 형성되는 유동 경로(flow path)
    를 포함하고,
    상기 베이스는 상기 중앙 챔버에 유체적으로 연결된 복수의 개구부와, 각각의 인접한 쌍의 개구부들 사이에 형성된 반경방향 블레이드를 포함하는,
    로터리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는 적어도 3개의 개구부 및 적어도 3개의 반경방향 블레이드를 포함하는,
    로터리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반경방향 블레이드는 상기 베이스의 평면으로부터 외측으로 돌출하는,
    로터리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 블레이드는 회전축에 수직인 평면에 대해 비스듬하게 경사지고, 상기 반경방향 블레이드는 상기 베이스를 통해 상기 중앙 챔버로 유입되는 유체를 느리게 하도록 구성되는,
    로터리 장치.
  5. 중공 샤프트 및 상기 중공 샤프트의 일단부에 있는 로터를 포함하는, 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치에 있어서,
    상기 로터는,
    복수의 디바이더에 의해 서로 이격되고 연결되는 루프 및 베이스;
    상기 루프와 상기 베이스 사이에 형성된 중앙 챔버;
    각각의 인접한 쌍의 디바이더들 사이에 형성되는 통로로서, 각각의 통로는 중앙 챔버의 반경방향 외측에 위치된 입구와, 상기 로터의 외주면 내의 출구를 갖는, 상기 통로; 및
    상기 중공 샤프트를 통해 상기 중앙 챔버 내로, 상기 통로의 입구를 통해 그리고 상기 출구 외부에 형성되는 유동 경로
    를 포함하고,
    상기 베이스는 중앙 개구부와, 상기 베이스로부터 외측으로 돌출하는 복수의 반경방향 베인을 포함하고, 상기 반경방향 베인은 상기 중앙 개구부의 주변부 주위에 배열되고,
    상기 반경방향 베인은 상기 베이스의 중심을 향해 그리고 상기 중앙 개구부 위로 적어도 부분적으로 연장되는,
    로터리 장치.
  6. 중공 샤프트 및 상기 중공 샤프트의 일단부에 있는 로터를 포함하는, 용융 금속을 처리하기 위한 로터리 장치에 있어서,
    상기 로터는,
    복수의 디바이더에 의해 서로 이격되고 연결되는 루프 및 베이스;
    상기 루프와 상기 베이스 사이에 형성된 중앙 챔버;
    각각의 인접한 쌍의 디바이더들 사이에 형성되는 통로로서, 각각의 통로는 중앙 챔버의 반경방향 외측에 위치된 입구와, 상기 로터의 외주면 내의 출구를 갖는, 상기 통로; 및
    상기 중공 샤프트를 통해 상기 중앙 챔버 내로, 상기 통로의 입구를 통해 그리고 상기 출구 외부에 형성되는 유동 경로
    를 포함하고,
    상기 베이스는 중앙 개구부와, 상기 베이스로부터 외측으로 돌출하는 복수의 반경방향 베인을 포함하고, 상기 반경방향 베인은 상기 중앙 개구부의 주변부 주위에 배열되고,
    상기 베이스는 상기 반경방향 베인들 사이에 배열된 복수의 절결부(cout-outs)를 더 포함하고, 상기 베이스 내의 절결부는 상기 로터의 외주부로부터 내측으로 연장되는,
    로터리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베이스의 절결부는 단면이 부분-원형 또는 반원형인,
    로터리 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 베이스는 적어도 4개의 절결부를 포함하는,
    로터리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 적어도 4개의 디바이더와, 그 사이에 형성된 적어도 4개의 통로를 포함하거나, 또는 상기 로터는 적어도 6개의 디바이더와, 그 사이에 형성된 적어도 6개의 통로를 포함하는,
    로터리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    각의 통로는 상기 로터의 루프 내의 제2 출구를 포함하는,
    로터리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 제2 출구는 상기 루프의 외주부로부터 내측으로 연장되는 절결부이고, 선택적으로 상기 절결부는 단면이 부분-원형 또는 반원형인,
    로터리 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 루프의 내부면은 상기 중앙 챔버와 적어도 하나의 제2 출구 사이에서 연장되는 홈을 포함하는,
    로터리 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 루프의 내부면은 상기 루프 내의 가스 버블을 상기 중앙 챔버 내로 그리고 상기 로터의 베이스를 향해 채널링(channeling)하기 위한 흐름-지향 부재를 포함하는,
    로터리 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 등방 가압 내화 재료(isostatic pressed refractory material)로 제조되는,
    로터리 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 로터리 장치에 사용하기 위한 로터.
KR1020247013272A 2021-09-21 2022-09-20 용융 금속 처리용 로터리 장치 KR20240065147A (ko)

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