KR810002034B1 - 전자주조 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전자주조 장치

제1도는 본 발명에 의한 전자주조장치의 도식적 표시도.

제2도는 본 발명의 한 실시예에 따르는 제어시스템의 블록다이아그램.

제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 제어시스템의 블록다이아그램.

제4도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 제어시스템의 블록다이아그램.

본 발명은 금속 또는 합금을 특히 동 또는 동합금을 전자적으로 주조(鑄造)하는 개량된 장치에 관한 것이다. 전자 주조공정은 이미 알려져 있고 수년동안 연속적으로 또는 반연속적으로 금속 또는 합금을 주조하는데 사용되어 왔으며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 주조하는데 상업적으로 사용되어 왔다.

알루미늄보다 무거운 금속, 즉, 동, 동합금, 강철, 강철합금, 니켈, 니켈합금등과 같은 것을 주조하는데 전자주조 공정을 시도해본 결과, 주조공정을 제어하는데 여러가지 문제점이 발생된다. 전자주조 공정에서는 용융금속헤드(molten metal head)가 포함되어 있으며, 이 용융 금속헤드는 용융금속헤드의 유체정압(hydrostatic pressdure)을 상쇄시키는 전자 압력(electrmagnetic pressdure)에 의해 주형벽과 분리되어 유지되어 진다. 용융금속헤드의 유체정압은 용융금속 헤드의 높이와 용융금속의 비중의 함수가 된다.

안루미늄과 알루미늄합금을 전자주조방법으로 주조할때, 용융금속헤드는 구성품인 산화물 필름에 의하여, 비교적 낮은 밀도와 높은 표면장력을 갖는다. 이 표면장력은 전자압력에 추가되어 함께 용융금속헤드의 유체정압에 반하여 작용한다. 그러므로, 용융금속헤드의 약간의 변동은 상쇄에 필요한 자기 압력에 약간의 차이를 초래한다. 동이나 동합금과 같은 무거운 금속이나 합금의 경우에는, 용융 금속헤드의 비교할만한 변동이 유체정압과 상쇄를 위해 요구되는 자기 압력에 큰 변동을 일으킨다. 동이나 동합금의 경우에는 억제(containment)를 위해 필요한 자기압력의 변동이 알루미늄이나 알루미늄합금의 경우보다 약 3배정도 더 크다는 것이 밝혀졌다.

전 길이에 걸쳐 균일한 횡단면을 갖는 주괴(ingot)를 얻기 위하여, 유도기(inductor)내의 주괴의 둘레와 용융금속 헤드는 특히 응고 주괴 껍질의 유체와 고체표면 가까이에서 수직을 유지해야 한다. 주괴의 둘레의 실제 위치는 유체정압과 자기압력이 평형을 이루는 평면에 의하여 영향을 받는다.

그러므로, 용융금속헤드의 절대 높이의 어떤 변동은, 주괴을 길이를 따라 표면기복을 일으키는 유체정압에 비교할만한 변동을 일으킨다. 전술한 사실로부터 무거운 금속과 합금을 전자적으로 주조하려고 시도할때, 요구되는 표면 모양과 주조 조건을 얻기 위하여는 더 많은 정도의 제어가 필요하다는 것이 자명해진다. 미국특허 Getseler 제4,014,379호에서는 주괴의 유체부분(용융금속헤드)의 크기가 규정된 값에서 벗어남에 따라 이에 응답하는 유도기 전류를 제어하기 위한 시스템이 설명되어 있다.

Getseler 미국특허제4,014,379호에서 주괴의 유체부분의 표면 레벨의 측정된 변동에 응답하여 유도기 전류를 조절하기 위하여 유도기 전압을 제어한다.

유도기전압의 제어는, 주판수 변환기의 피일드 권선(field winding)에 공급되는 증폭된 오차(error)신호에 의하여 성취된다.

Getseler 미국특허 제4,014,379호에서 설명되어 있는 제어 시스템의 결점은, 주괴의 유체 부분의 표면레벨의 변동으로 인한 용융금속헤드의 변동만을 감안한 점이다.

또한 Getseler 미국특허 제4,014,379호에서는 용융금속과 응고주괴 껍질사이의 응고전면의 위치는 유도기에 대하여 상대적으로 고정되어 있다고 가정하였다.

이것은 실제의 경우 믿을 수 없다. 응고전면의 수직위치에 변동을 일으키는 요소는, 주조속도, 금속가열, 냉각수 유동율, 냉각수 적용 위치, 냉각수 온도, 냉각수 순수도(불순물 포함량), 유도기 전류의 전폭과 주파수등의 변동을 포함한다.

알루미늄과 알루미늄 합금은 전기적으로 좁은 범위의 저항값을 갖는다. 그러므로 전자 주조공정에서는, 용융금속헤드와 응고주괴에 와류 전류(eddy current)가 발생되는 깊이는 알루미늄합금의 넓은 범위에 걸쳐 비교적 균일하다.

전자유도전류의 침투깊이는 부하의 저항과 주파수의 함수가 된다.

다른 무거운 금속과 합금뿐만 아니라 동과 동합금에서는 다른 합금의 범위에 걸쳐 저항의 넓은 범위가 존재한다. 그러므로 일정한 주파수에서 유도전류의 침투범위 또한 알루미늄에 비교될만큼 넓다. 이는 불편하다. 왜냐하면 용융금속의 자기 교반(magnetic stirring)의 정도는 유도전류의 침투깊이의 함수가 되기 때문이다.

한 합금을 다른 합금으로 변동시킬때 그런 무거운 금속과 합금의 경우에는 유도전류의 요구되는 침투깊이를 얻기 위하여 동작주파수를 변동시켜야 한다. 예를들면, 합금

510 00의 경우 유도전류의 침투깊이는 1KHZ에서 약 10mm, 4KHZ에서 5mm 10KHZ에서 3mm가 되리라 예상된다. 알루미늄 합금의 전자 주조에 보통 사용되는 침투깊이는 약 5mm이다. 합금

510 00에 대해 비교할때, 순수한 동은 2KHZ에서 5mm의 침투깊이로 얻는데 이는 합금

510 00의 경우의 주파수의 반이 되는 주파수에서 같은 침투깊이를 얻게 된다. 그러므로 동이나 동합금과 같은 금속의 전자 주조를 위한 제어시스템은 적절한 유도전류 침투깊이를 얻기 위하여, 여러 주파수에서 동작할 수 있어야 한다.

모우터 발전기 세트 대신에 고체상태 정전인버어터(Soild state static inverter)를 사용하는 고주파 전원 공급장치를 사용하는 것은 기술적인 면에서 이미 알려져 있다. 이 고체상태인버어터의 특별한 장점은 전원공급장치가 넓은 주파수 범위이서 동작할 수 있다는 것이다.

본 발명은 전술한 결점을 극복하며 동과 동합금의 주괴의 주조시 전길이에 걸쳐 균일한 횡단면을 갖도록하기 위하여, 전자주조 장치를 정확히 제어하는 장치를 공급한다.

본 발명은 금속을 전자장의 공급에 의하여 용융금속을 억제하여 요구되는 모양으로 변화시키는 주조 장치에 관한 것이다. 특히 용융금속에 전자장을 공급하기 위하여 유도기로 사용한다. 이 전자장은 유도기에 교류전류를 공급함으로써 발생된다. 동작시 유도기는 용융금속과 간격을 두고 떨어져 있는데, 이 간격은 용융금속의 표면으로부터 유도기의 대항하는 표면까지 뻗혀 있다.

본 발명에 의해, 주조장치가 동작하는 동안 간격의 변동을 최소화하기 위하여 제어시스템이 사용된 개량된 주조공정 및 장치가 제공되었다. 제어시스템은 제어회로를 포함하는데, 제어회로는 유도기에 교류전류를 공급하는 전원에 연결되어 있다. 이 제어회로는 간격의 변동을 감지하는 회로장치와, 간격변동을 최소화하기 위해 유도기에 공급되는 전류의 크기를 조절하기 위한 장치를 포함하다.

제시된 실시예에 따라 유도기의 전기 파라미터(Electrical parameter)가 측정된다. 측정을 위하여 선택되는 특별한 전기 파라미터는 간격의 크기에 따라 변하는 리액턴스나 인덕턴스와 같은 것이다. 또한 오차신호를 발생시키는 측정장치에 응답하는 장치가 있으며, 여기서 오차신호의 크기는 전기 파라미터의 측정치와 미리 설정된 값 사이의 차이의 함수가 된다. 또한 오차신호에 응답하여 오차 신호를 0으로 만들기 위하여 유도기에 공급되는 전류를 제어하는 장치가 있다. 제시된 또 다른 실시예에서는 간격의 크기를 감지하는 장치와 이에 응답하여 오차신호를 발생시키는 장치가 있으며, 오차 신호의 크기는 간격크기의 감지된 값과 미리 설정된 값사이의 차이의 함수가 된다. 또한 오차 신호에 응답하여, 간격의 크기를 미리 설정된 값으로 회복시키기 위해 유도기에 공급된 전류를 제어하는 장치가 있다.

본 발명의 장치는 아날로그회로, 디지탈회로, 또는 이의 복합회로를 사용함으로써 성취될 수 있다.

본 발명의 목적은 금속과 합금을 전자적으로 주조하는 개량된 장치를 제공하는 것이고, 또 다른 목적은 전술한 바와 같이 만들어 지는 주조물 표면의 모양의 변동(Perturbation)을 최소화되도록 하는 장치를 공급하는 것이며 이외에 또 다른 목적은 전술한바와 같어 용융금속과 유도기 사어의 간격을 전기적으로 감지하고, 어에 응답하여 유도기에 공급되는 전류를 제어하기 위한 장치를 제공하는 것어다.

본 발명에 의한 회로장치를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도에서, 전자주조 주형(10)은 수냉식인 유도기(11), 금속주조물(

)의 둘레표면(13)에 냉각수를 공급하는 냉각 매니포울드(12)(manifold), 및 비 자성 스크린(14)으로 구성된다. 응융금속은 주조시간동안, 트로프(15)(trough), 스파우트(16)(spout)와 종래의 응융금속헤드 제어를 사용하는 일반적인 방법으로 연속적으로 주형(10)안으로 주입된다. 유도기(11)는 본 발명에 따라 제어시스템(18)과 전원(17)으로부터의 교류전류에 의하여 동작한다.

유도기(17)내의 교류전류는 자장을 발생시켜, 어 자장은 와류 전류를 발생시키기 위하여 용융금속헤드와 상호 작용한다. 다음에, 이 와류전류는 자장과 상호 작용하여, 용융금속헤드(19)에 자기 압력을 가할 힘을 제공하여, 용융금속이 요구되는 주괴 횡단면을 갖도록 응고되도록 해 준다.

주조시간동안 공기 간격(d)이 용융금속헤드(19)와 유도기(11)에 존재한다. 응융금속헤드(19)는, 요구되는 주괴횡단면을 제공하는 유도기(11)와 똑같은 모양으로 형성 주형되어 진다. 유도기(11)는, 요구되는 주괴(

)횡단면을 얻기 위하여 필요한 모양 즉 원형 또는 직사각형 모양을 가질 수 있다.

비 자성스크린(14)의 목적은 자기압력을 잘 조절하여 용융금속헤드(19)의 유체정압과 평형이 되게하는 것이다. 비자성 스크린(14)은 도면과 같이 분리된 소자로 구성할 수 있고, 필요한 경우에는 냉각제를 공급하는 매니포울드(12)의 단일 부분에 삽입할 수도 있다.

주조공정이 시작될 때 용융금속을 주형(10)에 붓기 위하여, 최초에는 종래의 램(21)(ram)과 바닥블록(22)을 주형(10)의 자기 상쇄영역에 위치시킨다. 램(21)과 바닥블록(22)은 요구되는 주조 속도로 균일하게 움직이도록 한다.

주형(10)내에 자기적으로 억류되어 있는 용융금속의 응고는, 물을 냉각 매니포울드(12)로부터 주괴표면(13)으로 직접 공급함으로써 성취된다. 제1도에 보여진 실시예에서는 유도기(11)의 경계내에서 물을 주괴표면(13)으로 공급한다. 이 물은 필요하면 유도기(11)의 상부, 내부, 또는 하부에서 주괴표면(13)으로 공급할수도 있다.

필요하면 종래의 주형제조기술 또는 본문 서두에 전술한 다른 공지의 장치를 사용할 수도 있다.

본 발명은 주조공정 및 장치(10)의 제어에 관한 것으로, 주괴가 전체길이에 걸쳐 균일한 횡단면을 갖고 동이나 동합금과 같은 금속이나 합금의 형태를 갖도록 한다. 본 발명의 이러한 목적은 유도기(11)의 전기적 성질을 이용함으로써 성취되는데, 이 전기적 성질은 유도기(11)와 부하(주괴(c)와 용융금속헤드(19) 사이의 간격(d)의 함수가 된다.

본 발명에 의하면 유도기(11)가 동작하는 동안의 인덕턴스는 간격(d)의 것이 알려졌다. 다음의 식은 유도기(11)의 인덕턴스와 갭(d) 간격 사이에 성립되는 관계를 나타낸다.

Li=Kd (2D_c-d)...................................(1)

단, Li = 유도기의 인덕턴스

Dc = 유도기 직경

d = 유도기-주괴간격(공기간격)

k = 용융금속헤드(19)의 표면(23)의 레벨, 유도기(11)에 대한 응고전면(24)의 레벨, 금속 주조물의 전기 전도도, 전류의 주파수등을 포함하여 시스템의 기하학적 파라미터를 감안한 인자이다.

K는 주어진 유도기 직경과 유도기-주괴간격에서 인덕턴스를 측정하여 식(1)로부터 경험적으로 구해진다. 인자 K는 간격(d)에 따라 변하지는 않는다. 금속 표면(23)이 유도기(11)의 상부 인접한 곳에 있는한, K는 용융금속헤드(19)의 높이(h)에 따라서만 조금씩 변한다.

이리하여 유도기-주괴 시스템의 인덕턴스는 간격(d)의 함수라는 것이 자명해진다.

유도기-주괴시스템의 인덕턴스와 리액턴스와의 관계는 다음식과 같다.

유도기(11)와 금속부하(19)사이의 공기간격(d)은 유도기(11)를 피이드(feed)하는 전기전원 공급에 리액턴스 부하(Xi)를 가한다. 이 유도 리액턴스(Xi)의 크기는 전류의 주파수(f), 공기간격(d)의 크기, 유도기권선수와 높이의 함수이다.

리액턴스(Xi)와 인덕턴스(Li)는 모두 저항과 비교하여 주조합금의 종류에 비교적 무관하다.

유도기(11)와 유도기가 둘러싸고 있는 금속부하(19)의 결합은 유도기(11)를 피이드 하는 전기 전원공급에 또한 저항 부하를 가한다. 이 저항성분 부하의 크기는 유도기(11)의 크기, 금속부하(19), 이들의 고유저항의 함수이다. 전술한 리액턴스 성분과 저항 성분의 부하의 결합은, 상쇄전류(I)가 통과해야 하는 종합 임피던스(Zi)가 된다. 이 종합 임피던스는 오옴으로 나타내면 다음과 같다.

부하 횡단면, 즉 용융금속헤드(19)의 횡단면에 있어서의 변동은 결국 유도기(11)의 전기적 부하의 변동을 가져온다. Getseler 미국 특허 제4,014,379에서와 같이 유도기(11) 양단에 일정한 전압이 가해진다면, 상쇄공정은 용융 금속헤드(19)의 유체정압과, 고유제어 특성을 제공할 전자력의 자기압력을 평형이 되도록 한다. 이에 의하면 용융 금속헤드(19)의 증가는 자기압력을 극복하여 주괴 횡단면을 더 크게하는 결과를 가져온다.

이는 차례로 간격(d) 또는 주괴-유도기 간격을 줄이게 되고 시스템의 임피던스(Zi)와 인덕턴스(Li)를 줄인다.

Getselev 미국특허 제4,014,379호에서는, 이 효과가 주괴의 크기가 증가함에 따라 저항이 변동하는 것에 기인한 것이라 하고 있다. 그러나 저항보다는 차라리 임피던스가 제어 특성이 된다. 유도기 전류 크기(Ii)는 주괴가 원래 크기로 되도록 다음 식에 의하여 증가된다.

이것은 동적 공정이므로, 형태의 변동 또는 기복은 요구되는 주괴표면(13)에 나타날 것이다. 이러한 변동은 수초의 특성 시간주기에 일어날 것이 기대된다. 이러한 효과를 전기 제어장치에 의하여 상쇄시키기 위하여 전원(17)과 제어시스템(18)의 응답속도가 충분히 더 빨라야 한다. 따라서 100msec이하의 응답시간이 바람직하다.

전술한 바와 같이 부하달린 유도기(11)의 인덕턴스 또는 리액턴스는 간격크기(d)의 함수이다.

Getselev 미국특허 제 4,014,397의 종래기술에서는, 유도기 양단에 일정한 전압이 유지되고, 용융 금속헤드(19)의 표면의 높이에 대응하는 보정전압이 유도기 전류를 제어하기 위하여 공급된다. 본 발명에서는 이와 반대로 용융 금속헤드(19)와 내부 표면사이의 간격(d)과 유도기(11)의 함수인 주조장치(10)의 전기적 특성이 감지되고, 이를 나타내는 신호가 발생된다.

간격(d)을 본질적으로 일정하게 유지하기 위하여 적절한 주파수, 전압, 전류가 공급되도록 간격신호에 응답하여 전원(17)출력이 제어되어 진다.

전자압력을 발생시키는 주요인자는 유도기(11)에 공급되는 전류이다.

이 전류는 공급되는 전압과 부하로 걸린 유도기의 임피던스의 함수이고, 이 임피던스는 주파수와 인덕턴스의 함수이다. 본 발명에 의하면, 일정한 주파수에서 전원(17)의 출력전압을 조정하거나, 일정한 전압에서 전원(17)의 주파수를 조정하거나, 또는 주파수와 전압을 함께 조정함으로써 공급되는 전류를 제어하는 것이 가능하다.

제1도 및 제2도에서는 전자주조장치(10)의 전원(17)을 제어하기 위한 일례로서 제어회로(18)가 보여져 있다. 이 제어회로(18)의 목적은 간격(d)이 거의 일정하게 유지되도록 하기 위한 것이며 변동이 생긴다해도 약간의 변동만 허용되는 것이다. 간격(d)의 변동을 최소로 함으로써 주조물(

)의 표면(13)의 모양의 변동을 최소화할 수 있다.

유도기(11)는, 요구되는 주파수와 전압에서 필요한 전류를 공급하는 전기전원(17)에 연결되어 있다.

이상적인 전원회로는 두개의 부회로(25), (26)로 구분되어 있다.

외부회로(25)는 본질적으로, 유도기(11)를 포함하는 탱크회로(26) 또는 부하양단에 전기적 전위를 공급하는 고체상태 발전기이다. 유도기(11)를 제외한 이 후자회로(26)는 가끔 열저장소로서 생각되며, 콘덴서와 변압기와 같은 소자를 포함한다.

본 발명에 의한 발전기회로(25)는 고체상태 인버어터(Solid state inverter)이면 더욱 좋다.

왜냐하면 고체상태 인버어터는 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 선택가능한 주파수 출력을 공급하는 것이 가능하기 때문이다. 이는 또한 전술한 바와 같이 부하에 전류의 침투깊이를 제어하는 것을 가능케 한다.

고체상태 인버어터(25)와 탱크회로(26) 즉, 열저장소는 종래의 설계로 할 수도 있다. 전원(17)은 이의 전압과 주파수 함수를 분리시키기 위하여 전면 끝에서 직류 전압 제어가 행해진다.

본 발명에 의하면 간격(d)의 변동을 감지하기 위하여 유도기-주괴 시스템의 전기파라미터의 변동이 감지되어진다. 간격(d)의 함수인 어떠한 요구되는 파라미터 또는 신호도 감지될 수 있다. 본 발명에 의하면 제어 파라미터로 유도기(11)와 그 부하의 리액턴스를 사용하면 더욱 좋다. 이들 파라미터들은 모두 유도기(11)와 부하(19) 사이의 간격의 함수이다. 그러나 필요하다면 간격에 의하여 영향을 받는 다른 파라미터, 즉 임피던스와 전력과 같은 것을 사용할 수도 있다. 임피던스는 바람직하지 못한 파라미터이다. 왜냐하면 이는 부하(주괴)의 직경에 따라 일반적으로 복잡한 양식으로 변동하는 저항성분 부하의 함수도 되기 때문이다.

제2도에서와 같이 전류와 90°위상차가 나는 유도기(11) 양단의 전압을 측정하여 유도기(11)에서 측정되는 전류로 이 전압신호를 나누어줌으로써 유도기(11)와 부하(19)의 리액턴스를 감지할 수 있다. 주파수가 고정된 동작모드에서는 리액턴스가 전술한 식 (2)와 같이 인덕턴스에 직접 비례할 것이다. 그러므로 주파수가 고정된 모드에서는 측정되는 리액턴스는 전술한 식(1)에 의하여 간격(d)의 함수가 된다. 동작시 주파수가 고정되어 있지 않다면, 리액턴스를 2πf로 나누어서 얻어지는 유도기(11)와 그 부하(19)의 인덕턴스를 결정하는 것이 바람직하다.

제2도에서도 동작시간동안 전원(17)의 주파수가 미리 선택된 주파수로 고정되어 있는 장치에서 전술한 제어회로(18)가 주로 이용될 수 있다. 그러므로 이 제어회로(18)에서는 간격(d)의 변동을 나타내는 신호를 얻기 위하여 유도기(11)와 부하(19)의 리액턴스 변동을 측정하는 것이 꼭 필요하다.

고체상태 전원(17)의 출력파형은 고주파를 포함한다. 기본주파수에 관계되는 이 고주파의 크기는, 주괴 모양이나 직경과 같은 여러 인자와 전원의 전력 취급소자 예를 들면 임피던스 정합변압기의 특성에 따라 달라진다. 공정에서 의도한 전기 파라미터 측정은, 고주파혼합에 의한 에러를 제거하기 위하여 기본파 주파수에서 행하는 것이 더욱 좋다.

전류변압기(27)는 유도기(11)내의 전류를 감지한다. 전류대 전압계수(Scaling)저항 회로망(29)은 이에 대응하는 전압을 발생시킨다. 이 전압은 PLL(Phase Loked Loop) 회로(30)에 공급되는데, PLL 회로는 전류파형의 기본파로 이 전압을 고정시키고, 전류 기본파에 대해 위상치가 0°와 90°인 2개의 정현파의 위상 기준출력을 발생한다.

0°위상 기준신호를 사용하여 위상 감지 정류기(31)가 기본 주파수 전류 크기를 유도한다. 또한 90°위상 기준신호는, 유도 리액턴스에 기인한 기본전압 크기를 유도하는 위상감지 정류기(28)에 공급된다. 두 정류기(28)(31)로부터 적절히 계수된 두 전압신호는 아날로그 전압 분배기(32)에 공급되어 정류기(28)로부터의 전압을 정류기(31)로부터의 전압으로 나눔으로써, 유도기(11)와 부하(19)의 리액턴스에 비례하는 출력신호를 얻게 된다. 이 분배기(32)의 출력신호는 선형모드에서 동작하는 차동증폭기(33)의 인버어팅(inverting) 입력에 공급되고, 증폭기(33)의 비인버어팅(noninverting) 입력은 조절가능한 전압전원(34)에 연결된다.

증폭기(33)의 출력은 에러신호 증폭기(35)에 전압에러신호를 공급하고, 이 신호는 전원외부회로(25)에 공급되어 결국 궤환제어를 하게 된다.

증폭기(35)는, 전체 궤환루우프의 동적특성을 조정하기 위한 주파수 보상회로를 포함하면 더욱 좋다.

차동증폭기(33)로부터의 에러 신호는 유도기(11)와 보하(19)의 리액턴스의 변동에 비례하고, 이는 리액턴스 변동방향의 감지 또는 극성에 상응한다. 조정가능한 전압 전원은 요구되는 세트점에 간격(d)을 조정하기 위한 장치며, 궤환 제어시스템(18)은 간격(d)의 변동을 최소값 또는 0으로 하기 위한 장치이다. 제2도에 관련되는 전술한 제어시스템은 (18) 주파수의 작은 변동만 허용되는 동작 모드에 필연적으로 제한될 필요는 없을지라도, 한번 세트된 주파수가 일정하게 유지되는 동작모드에 주로 사용된다.

기본 주파수 성분은 추출하기 위하여 PLL 회로(30)와는 다른 필터회로를 사용할 수도 있다. 예를 들면, 전류와 전압 파형을 전원(17)의 인버어터 구동회로로부터 추출해 냄으로써 임의의 위상 기준신호에 대해 0°와 90°위상에서 관찰될 수 있다. 이 동상(0°)과 90°위상차(90°)의 성분은 벡터적으로 결합되어 유도기(11)에 흐르는 전류와 기본 주파수에 비례하는 전압을 만들어낼 수 있다.

제3도는 제2도의 회로에 몇개의 회로소자를 추가하여 변형시킨 것이다.

제3도의 회로(18')에서는 유도기(11)에 공급되는 전류의 주파수가 감지되고, 이에 비례하는 전압신호가 전류대 전압 계수회로(29)의 출력에 연결된 주파수-전압 변환기(36)에 의하여 발생된다.

이 변환기(36)의 출력은 계수회로(37)에 의하여 분배기(32)의 출력에 적당히 계수된다. 주파수-전압변환기(36)로부터의 비례적인 전압에 의하여 제1전압 분배기(32)의 출력을 분배하기 위하여 제2아날로그 전압분배기(38)가 공급된다. 제 2분배기(38)의 출력신호는 유도기(11)와 부하(19)의 인덕턴스 값에 가까와지며, 이리하여 제어시스템(18')이 주파수 변동가능한 동작 모드에서 동작하도록 해 준다.

본 발명에 의한 제어시스템(18),(18')에서는 아날로그 형태의 회로를 사용했다. 그러나 필요하면, 제4도의 실시예에서 보여지는 바와 같이 디지탈 제어시스템(18＂)을 사용함으로써 제어의 더 큰 융통성을 성취할 수 있다. 제4도에서 외부회로(25)와 탱크회로(26)를 포함하는 전원(17)은 제2도 및 제3도와 본질적으로 같다.

이 실시예에서는 유도기(11) 양단의 전압을 감지하기 위하여 차동증폭기(39)를 사용하며, 유도기(11)내의 전류를 감지하기 위하여 전류변압기(27)를 사용한다. 차동증폭기(39)의 출력은 기본 주파수를 추출하기 위하여 필터회로(F)에 공급되고, 필터(F)의 출력은 주파수-전압변환기(40)에 공급되며, 이 변환기(40)의 출력신호는 공급된 전류의 주파수에 비례하는 신호(f)로 구성된다. 차동증폭기(39)의 출력은 또한 교류전력계(41)의 한쪽 입력에 공급되고, 또 다른 입력에는, 기본 주파수를 추출하는 필터회로(F')에 의하여 여과될때 전류전압기(27)에 의하여 감지되는 전류신호가 공급된다. 교류전력계(41)는 유도기(11)에 공급되는 RMS 전압(V), RMS 전류(I), 순수전력(KW)에 비례하는 출력신호를 제공한다.

변환기(40)로부터의 주파수 출력신호(f)와 교류전력계(41)로부터의 전압(V), 전류(I), 전력(KW) 신호는 이를 적절한 디지탈형으로 변환시키는 아날로그-디지탈변환기(42)에 공급된다. 이 변환기(42)의 출력은 미니콤퓨터(Mini- Computer) 또는 마이크로 프로세서(Microprocessor)와 같은 콤퓨터(43)에 공급된다.

여기서 사용되는 콤퓨터의 예로는 Digital Eguipmenf Inc. 에서 제조한 PDP-8 With Dec Pack을 들 수 있다.

피상전력(KVA), 위상각(θ), 임피던스(Z), 리액턴스(X), 인덕턴스(L)의 각각의 값을 계산하기 위하여 콤퓨터(43)에 공급되는 주파수(f), 전압(V), 전류(I), 전력(KW)의 값을 사용하기 위한 프로그램이 주어진다.

다음과 같은 관계식을 이용하여 이 파라미터들을 계산하기 위한 프로그램을 콤퓨터(43)에 할 수 있다.

전술한 각 관계는 이미 잘 알려져 있고, 동작중의 유도기-부하의 인덕턴스를 계산하도록 한다. 콤퓨터(43)는 인덕턴스를 계산한후, 전술한 식[1]을 이용하여 간격(dc)을 계산한다. 콤퓨터(43)는 이 계산된 간격(dc)을 기억장치에 미리 설정된 간격(d)과 비교하여, 두간격(d), (dc)의 차이에 대응되는 미리 프로그램된 에러신호를 발생한다. 이 에러신호는 아날로그형태로 변환되기 위하여 디지탈-아날로그 변환기(44)에 공급된다.

디지탈-아날로그 변환기(44)의 한 출력신호는 전압 제어기(45)에 공급되고, 다른 한 출력신호는 주파수 제어기(46)에 공급된다. 전압 제어기(45)와 주파수 제어기(46)의 출력은 각각 전원(17)에 공급되어 에러신호를 전원(17)에 궤환시킴으로써, 간격변동을 0으로 하기 위하여 이 에러신호가 간격변동을 보상하기 위한 유도기 전류를 조정한다.

방금 서술한 제어시스템(18＂)은 3가지 동작모드의 어느 경우에나 동작될 수 있다. 이는 유도기(11)에 공급되는 전류를 조정하기 위하여 전압만을 변동시키는 주파수 고정모드에서 우선 동작될 수 있다. 이 동작모드에서는 주파수 제어기(46)는 동작하지 않게 되며, 리액턴스(X)는 인덕턴스(L)에 직접 비례하기 때문에 인덕턴스(L)를 계산하는 것보다 계산된 리액턴스(X)값으로부터 보정 또는 에러신호를 계산하는 것이 가능하다.

제4도의 제어시스템(18＂)은 유도기(11) 전류를 제어하기 위하여 주파수만을 변동시키는 전압고정모드에서 또한 동작될 수 있다. 이 동작모드에서는 전압제어기(45)는 동작하지 않고, 주파수 제어기(46)만 에러신호를 전원(17)에 공급한다.

마지막으로 제4도의 디지탈 동작은 유도기(11) 전류를 제어하기 위하여 주파수와 전압을 모두 변동시키는 경우에도 사용가능하다. 이 모드에서는 전압제어기(45)와 주파수 제어기(46)가 모두 동작한다.

제4도의 제어시스템(18＂)의 동작은 에러신호를 발생하기 위하여 감지되는 간격크기와 미리 정해진 간격크기를 비교를 기준으로 설명되어졌지만, 제2도 및 제3도와 비슷한 양식으로 동작될 수도 있다. 예를 들면, 감지되는 간격 크기를 계산하는 대신 전술한 식에 의해 감지되는 리액턴스 또는 인덕턴스만을 계산하고, 이를 미리 프로그램된 프리세트값과 비교하여, 프리세트값에서 벗어나는 변동에 대응되는 미리 프로그램된 에러신호를 발생한다. 이는 감지되는 간격크기를 계산하는 경우보다는 계산과정을 더 적게 필요로 한다.

제4도에서의 제어회로(18＂)는 다음과 같은 이유에서 바람직하다.

즉, 콤퓨터(43)에 의하여 계산과 보정신호가 매우 빠른 속도로 발생되어질 수 있고, 디지탈회로와 콤퓨터프로그래밍을 사용함으로써 민감도와 융통성이 높아지기 때문이다.

감지되는 신호의 기본 주파수를 추출해 내기 위하여 필터(30)(F) 및 (F¹)로서 PLL 회로를 사용하면 물론 좋지만, 이 목적을 위하여 다른 필터회로를 사용할 수도 있다.

본 발명의 장치(10)는 액체금속헤드(19)의 상부표면(23)을 감지함 필요 없이 사용될 수 있다. 왜냐하면 사용되는 피라미터들이 간격(d)의 함수이고, 용융금속헤드(19)의 높이(h)에 의하여 크게 영향을 받지 않기 때문이다.

그러나 필요하면, 장치(10)를 좋게 동조하기 위하여 Getselev 미국특허 제 3,895,379호에서와 같은 방법으로 용융금속헤드(19)의 상부표면(23)을 감지할 수도 있다. 즉 Trans-Tek, Inc. 에 의하여 제조된 Model 350과 같은 선형 트랜스듀서(47)를 사용하여 용융금속헤드(19)의 높이에 대응되는 신호를 발생시킬 수 있다.

이 트랜서듀서(47)의 출력은 아날로그-디지탈변환기(42)에 공급되어 디지탈신호로 바뀐다. 디지탈용융금속헤드 높이신호는 콤퓨터(43)에 의하여 요구되는 미리 프로그램된 값과 비교되어, 차이에 대응되는 에러신호가 발생된다. 콤퓨터(43)는 간격 변동에 기인한 에러신호와 헤드높이 변동에 기인한 에러신호를 결합시켜, 적절히 결합된 에러신호를 발생시키며, 이 신호는 전술한 방법으로 전원(17)을 제어하기 위하여 공급된다.

앞에서 부하는 주괴로서 서술되었지만, 로드(rods), 바아(bars)와 같이 연속적인 또는 반 연속적인 주조형태로 할 수도 있다.

본 발명에서는 유도기 직경함이 사용되었지만, 비원형유도기(11)에 대해서는 유효유도기 직경으로 대치되어질 수 있다. 이 유효유도기 직경은 유도기(11)의 면적을 측정하여 이 면적을 원형유도기인 것처럼 생각하고 구한 값으로 두면 유효반경을 계산에 의해 구할 수 있다.

본 발명은 동과 동합금에 관하여 서술되었지만, 전술한 장치 및 공정은 니켈과 니켈합금, 강철과 강철합금, 알루미늄과 알루미늄합금과 같은 여러 범위의 금속과 합금의 주조에도 사용될 수 있다.

콤퓨터(43)의 프로그래밍과 기억은 종래의 방법으로 수행될 수 있으므로 본 발명의 일부분을 이루는 것은 아니다.

본 발명의 제어회로(18)(18')(18＂)는 특정예로써 전자주조장치에 이용된다고 하였지만, 자장을 금속부하에 공급하기 위하여 유도체가 사용되는 금속취급장치의 다른 종류에 부분적 또는 전체적으로 이 제어회로를 응용할 수 있다. 특히 유도기의 인덕턴스를 감지하는 회로는, 예를 들면 유도로(爐)에 응용할 수 있다.

본 출원에서는 참고로 미국특허를 들어서 비교 설명하였다.

본 발명에 의하여 전술한 목적, 수단, 장점을 충분히 만족시키는 전자주조장치 및 공정이 제공되어질 수 있음은 확실하다.

본 발명의 특정 실시예에 의하여 서술되었지만, 많은 다른 실시예, 즉 수정 또는 변형된 예가 전술한 기술에 의하여 가능하다.

Claims (1)

1. 용융금속을 받아들여 전자석으로 요구되는 모양으로 모양을 만들어주는 장치로서 응융금속에 자장을 걸어주기 위한 유도기를 포함하는 장치, 자장을 발생시키기 위하여 교류전류를 동작하는 동안 용융금속과 일정간격 떨어져 있는 유도기에 공급하는 장치 및 주조장치가 동작하는동안 유도기와 용융금속 사이의 간격변동을 최소화하는 장치로서 교류전류 공급장치에 연결되어 있으며, 간격 크기에 따라 변하는 유도기의 리액턴스 전기 파라미터를 결정하는 장치와 이 장치에 응답하여 결정된 전기적 파라미터값과 미리 정해진 값과의 차이의 함수인 에러신호를 발생하는 장치인 간격변동을 감지하는 회로장치와 이 장치에 응답하여 즉 에러신호에 응답하여 이 신호를 0으로 하기 위하여 유도기에 공급되는 전류를 제어하는 장치로 이루어져 있는 제어회로 장치를 내포하는 것을 특징으로 하는 전자 주조장치.

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