KR880000468B1 - 용융된 철의 욕에 칼슘을 첨가하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용융된 철의 욕에 칼슘을 첨가하는 방법 및 그 장치

제1도는 본 발명의 방법에서 사용하기 적합한 장치의 개략도.

제2도는 제1도에서 선2-2를 따라 절취한 래들(laddle)내의 내화 랜스(lance)의 편심 배치 형태를 도시한 도면.

제3도는 래들내에서 용융된 철의 임계심도, 즉 철 정압(ferrostatic pressure)이 칼슘의 증기압과 같은 용융된 금속의 표면 하부의 깊이를 온도의 함수로서 결정하기 위해 사용될 수 있는 도표.

제4도는 본 발명의 실시예를 나타낸 개략도.

제5도는 제4도에서 도시된 발명의 노즐의 부분 단면도.

제6도는 제5도에서 선3-3을 따라 절취한 단면도.

제7도는 역시 제5도에서 선3-3을 따라 취한 노즐의 출구의 상세도.

제8도는 제4도에 도시된 발명의 밀폐 장치 투시도.

제9도는 제8도에서 선6-6을 따라 취한 단면도.

제10도는 제8도에서 선7-7을 따라 취한 단면도.

제11도는 제4도에서 개략적으로 도시된 부분들의 양호한 외형 배치도를 도시한 입면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 20 : 도선 9, 24 : 도선 공급 장치

10, 30 : 밀폐(조립체)장치 32 : 피스톤

3, 52 : 래들(용기) 11, 44 : 도관

60 : 노즐 80 : 깔때기부

6, 84 : 출구

본 발명은 용융된 금속을 처리하는 분야에 관한 것으로, 특히 처리되는 금속의 특성을 개선하기 위해 정련 성분 또는 합금 성분을 첨가하기 위한 처리 방법과 장치에 관한 것이다.

철을 생산하는데 있어서, 용융된 철이 적당한 용광로 내에서 생성된 다음, 합금이나 정련 목적을 위해 하나 이상의 성분과 함께 처리되는 래들내로 유입된다. 이때 산화물 함유 부유선광이나, 산화물 함유 조직 변형 또는 탈황을 위한 정련제로 용융된 철 재질에 칼슘을 첨가시키는 것이 잘 알려져 있다. 불행하게도 칼슘의 저밀도(철에 비교하여), 휘발성과 반응성은 래들에서 용융된 재질에 칼슘을 만족스럽게 첨가하기 위한 공정을 매우 복잡하게 만든다.

금속 처리 공정에서, 특히 철 처리 공정에서, 일반적으로 용융된 금속은 용융된 금속 표면상에서 비교적 고체 상태로 떠있는 다량의 슬래그로부터 분리된다. 이러한 슬래그는 다양한 저밀도 불순물과 다량의 산화 금속과 같은 것으로 구성되어 있다. 용융된 금속내에 첨가 재질을 공급하기 위해 첨가제는 슬래그 표면을 통과하여 하부에서 제공되어야 한다. 물론 예를들어 철과 같은 금속의 특성을 개선시키는 첨가제는 전형적으로 상당히 비싸기 때문에 절약해야 한다. 예를들어, 첨가제를 첨가하는 동안 슬래그층에서 첨가제의 손실등과 같은 칼슘 함유 첨가제의 손실은 생산자와 제품에 대해 중요한 경제성 문제의 요인이 될 수 있다. 따라서, 칼슘을 용융된 금속의 표면 아래 가장 효과적인 곳에 공급하여 칼슘 첨가제를 고루 분포시켜 용융된 금속과 혼합하는 것이 아주 바람직하다.

래들내의 용융된 재질에 칼슘을 첨가하기 위해 다양한 기술이 이용되었다. 칼슘 함유 입자 재질의 덩어리를 첨가하면, 입자덩어리는 용융된 금속내에서 충분한 시간동안 머물지 않고 금속 표면으로 떠오르기 때문에 만족스럽지 못하다. 그래서 용광로부터 유출되는 용융된 금속의 흐름내에 직접 미립자 첨가제를 쏟아넣어서 체류 시간을 증가시키려는 노력을 할 수도 있지만 칼슘이 대기 산소와 너무 격렬한 반응을 일으키게 된다. 또 용융된 금속내에 피복된 주입기의 사출 또는 투입 등으로 칼슘 함유 재질을 주입시켜 적당한 체류시간을 제공할 수도 있지만 공정이 너무 복잡하고, 경비가 많이들며 시간소비가 많다. 또한 내화 랜스를 통해 불활성 개스에 의해 칼슘 함유 분말을 용융된 금속내로 주입시키는 방법이 제안되었다. 그러나 용융된 철재질내로 분말을 불어넣기 위해서는 상당한 양의 개스 흐름이 필요하기 때문에, 개스가 방출될때 상당한 와류가 용융된 금속 표면에서 발생되어 용융된 철재질이 대기속의 산소나 질소에 대해 과도하게 노출된다. 뿐만아니라 랜스를 떠난후에도 칼슘은 랜스를 둘러싸는 불활성 개스줄기내에서 또는 상기 개스줄기에 인접해 상승하는 용융된 금속을 통해 급상승하려 한다. 따라서 욕내에서 칼슘의 체류시간은 아주 짧다.

상기 언급된 문제를 극복하기 위한 한가지 방법으로 칼슘은 용융된 금속 상부 표면을 통과하여 연속적으로 공급되는 칼슘 함유 도선(피복된 또는 피복되지 않은) 형태로 철 제조 래들내의 용융된 금속에 첨가되었다. 상기 도선 공급의 주된 장점은 분말을 주입할때와 같이 용융된 철재질내에 칼슘 함유 재질을 주입하기 위해 대량의 개스 유입이 필요없다는 것이다. 그러나 칼슘의 높은 휘발성은 표면에서 공급된 도선에 함유된 칼슘을 충분히 이용할 수 없다. 만약 도선의 칼슘이 용해되기 전에 도선이 용해된 금속 표면 아래로 충분한 깊이까지 삽입되지 않는다면, 짧은 체류 시간과 칼슘의 불충분한 이용은 용융된 금속의 불균일한 처리 결과를 유발한다. 철 정압이 칼슘의 증기압과 동일한 깊이 아래로 내려갈때까지 주입된 칼슘이 반응되지 않고 남아있도록 하는 것이 특히 중요하다. 특히 피복된 칼슘 금속 함유도선이 이용될때도 상기점을 고려하지 않으면 소정의 목적은 달성하기가 어렵다. 철 정압이 칼슘의 증기압보다 낮은 곳에서 칼슘이 용해되었을 때, 커다란 칼슘 기포가 형성되어 용융된 금속의 표면으로 급상승한다. 이 결과 용융된 철 재질의 불충분, 불균일한 처리와 용융된 금속의 표면에 많은 양의 와류를 발생시킨다.

미합중국 특허 제4,154,604호에는 압축된 불활성개스로 채워진 내화 피복관을 통해 조속의 용융된 금속에 도선을 첨가하는 방법과 장치가 공지되어 있다. 그러나 상기 특허에는 용융된 금속의 다운웰링(downwelling)지역 바로 아래 또는 내화피복관의 하부 끝으로부터 조금 떨어진 거리에서 도선 조성의 용해가 바람직하다는데 대해서 기술되어 있지 않다. 결과적으로 상기 특허에 기술된 양호한 실시예에서 용기의 바닥벽에 관의 하단 끝을 근접시키는 것에 대해서는 기재되어 있지않다.

용해된 철재질 욕에 칼슘을 첨가하기 위한 새로운 공정이 개발되었으며, 상기 공정은 상기 철재질보다 낮은 밀도를 가진 칼슘 금속 함유도선을 내화 랜스를 통해 상기 욕속에 삽입하는 한편, 랜스 내부에 용융된 철재질이 들어가지 않도록 하면서 용융된 철 재질의 재순환을 일으키도록 상기 랜스를 통해 충분한 불활성 개스를 불어넣으며, 상기 욕에서 랜스의 배치, 도선의 조성, 단면 크기 및 공급 속도는 (a) 도선이 랜스의 도선 출구로부터 나온 후 완전히 용융되기 전에 수평 방향으로 굽어지게 하며, (b) 상기 도선의 대부분의 칼슘 용해는 용융된 철재질의 온도에서 철 정압이 칼슘의 증기압보다 큰 상기 욕의 표면 하부 깊이에서 상기 용융된 철 재질의 다운웰링 지역 또는 그 바로 아래서 용융에 의해 이루어지도록 구성된 방법이다. 도선의 굴곡은 도선의 밀도가 용해된 금속의 밀도보다 낮기 때문에 도선에서 부력이 생겨서 굽어지게 된다. 도선은 랜스를 통해 공급이 되지만 랜스의 도선 출구는 금속 용융 온도에서 철 정압이 칼슘의 증기압보다 큰 상기욕의 표면 하부 깊이에 배치되는 것이 바람직하다.

철 정압이 칼슘의 증기압보다 큰 곳에서 칼슘이 용해되면 이는 액체 칼슘 방울로 용해되어 용융된 금속을 통해 기체 칼슘 방울보다 더욱 천천히 상승한다(그래서 보다 긴 체류 시간을 제공한다). 상기 액체 방울은 욕에서 용융된 철 재질을 통해 서서히 상승하게 되기 때문에 이는 많은 수의 작은 기체 방울로 전환되어 그기체 방울이 용융된 금속의 표면에 도달했을때 과도한 와류를 발생시키지 않는다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따라서, 액체 칼슘 방울은 욕에서 용융된 금속의 순환 운동이 생기는 다운웰링 지역을 통해 상승한다. 칼슘을 상승시키고 용융된 철을 순환시키는 역류는 칼슘과 용융된 철재질 사이의 접촉 정도를 높이고 또한 욕에서 칼슘의 체류 시간을 증가시킨다. 그 결과 정련 첨가제인 칼슘의 이용 효율이 개선된다.

본 발명의 방법에서 또 다른 장점은 랜스내의 불활성 개스의 흐름 속도는 용융된 금속 내부의 순환율을 좋게하고 욕의 표면에 있는 슬래그와 금속 접촉을 최적화시키기 위해 도선 공급 속도와는 무관하게 변화될 수 있다.

본 발명은 또한 다량의 용융된 재질속에 도선 형태의 처리 요소를 직접 효과적으로 첨가하기 위한 새로운 장치를 포함하며, 상기 장치는 용융된 재질의 표면 하부에 배치된 출구를 가지 내열 노즐과, 노즐내로 도선을 공급하는 수단과, 도선과 함께 노즐내로 불활성 개스 매질을 동시에 주입할 수 있는 수단을 구비하여, 기포 동요에 의해 용융된 재질을 요동시키면서 용융된 재질의 고형화에 의해 노즐이 막히는 것을 방지한다. 서로 마주보고 있으며, 압력으로 작동되는 피스톤을 가진 밀폐 장치는 불활성 개스 소스의 상부에 있는 (도선 공급 방향에 대해서)도선과 결합되며, 상기 개스는 기밀 도관을 통해 도선과 함께 노즐에 공급된다. 노즐 구멍의 특수한 형태는 불활성 개스의 작용을 최대화한다. 노즐의 출구 부근에서 유통로의 제한은 개스의 속도를 증가시키는 부분을 만들어, 도선 공급에서 생길 수 있는 불규칙성으로 인하여 노즐의 내부속으로 용융된 금속이 유입되는 것을 방지한다.

본 발명의 새로운 장치는 비용이 적게들며 사용에 편리하고, 시동과 사용중 정지에 효과적이며, 처리되는 금속에서 특정 농도를 달성가기 위해 필요한 첨가제의 사용을 최소한으로 한다.

본 발명은 다양한 실시예를 참고로 하여 설명하기로 한다. 참고된 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 한정된다.

래들 (3)(대기에 노출된)내에 포함된 예를들어, 강철과 같은 용융된 철재질의 욕(2)속으로 칼슘 금속 함유도선(1)을 공급하는데 적합한 장치가 제1도와 제2도에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 방법에 있어서, 도선(1)은 용융된 철재질보다 낮은 밀도를 갖는다. 본원에서 사용된 "칼슘 금속 함유 도선"이란 용어는 도선의 최소한 일부가 별개의 상태인 미합금 원소 금속 칼슘으로 구성된 것을 의미한다. 상기 도선은 또한 칼슘 합금(예, 칼슘-알루미늄 합금), 또는 칼슘 화합물(칼슘 실리사이드) 또는 정련 및 합금용으로 용융된 철 재질에 첨가된 다른 조성(예, 알루미늄, 마그네슘, 희토류 원소)을 포함할 수도 있다. 칼슘 금속 함유 도선은 피복상태(예, 강철로 피복된) 또 피복되지 않은 것일수도 있다. 전자의 경우에 있어서, 피복 도선의 칼슘금속 함유 코어는 그 자체가 도선이거나 또는 예를들어 다른 공지된 형태 즉, 분말일 수도 있다. 도선을 공급하기 전에 석회나 형석 등을 포함한 기본 합성 슬래그의 표면층(4)이 용융된 금속(2)에 인가되어 있다. 본원에서 사용된 "욕의 표면 하부의 깊이"는 또는 "용융된 금속(2)의 표면 하부 깊이"등의 용어는 슬래그/용융된 금속의 경계부분 아래의 깊이를 말한다.

질 제1도는 도시된 바와 같이, 도선(1)은 내화 랜스(5)를 통해 아래쪽으로 용융된 철 재질의 욕속으로 공급된다. 이와 동시에, 랜스를 통해 용융된 철 재질에 불활성 개스(예, 아르곤)가 유입된다. 상기 불활성 개스는 랜스(5)의 도선 출구(6)로부터 나와서 랜스(5)를 둘러싸는 다수의 기포(7)로 상태로 용융된 금속의 표면으로 상승한다. 불활성 개스의 압력과 흐름 속도는 용융된 철 재질이 랜스의 내부 구멍에 들어가지 않을 정도로 충분하여야 하며 따라서 상기 재질의 고형화에 의해 구멍이 막히는 것을 방지한다. 또한 불활성 개스 압력과 흐름속도는 래들(3)내에 용융된 금속(2)의 순환을 일으킬 정도로 충분하여야 한다(제1도의 욕(2)에서 화살표 참조). 그러나, 불활성 개스의 흐름속도는 기포(7)가 대기로 이탈될때 용융된 금속의 표면상에 많은 와류를 일으키지 않을 정도로 높은 것이 바람직하다. 랜스(5)를 통해 흐르는 불활성 개스의 양호한 흐름속도 범위는 약 1.5×10^-5에서 4×10^-5ft³표준/ (응용된 금속의 분·파운드)이다. 랜스(5)내의 불활성 개스는 도선(1)을 용융된 금속내로 주입하는 것과는 상관이 없기 때문에 상기 개스의 흐름 속도는 도선의 공급 속도와는 별도로 조정될 수 있다. 물론 랜스(5)내의 불활성 개스 압력은 도선의 출구에서 철 정압 보다는 커야한다.

본원에서 사용된 "내화 랜스"란 용어는 용융된 철 재질(2)과 접촉하는 랜스(5)의 외부 부분이 상기 재질과 접촉하는 동안 물리적, 화학적 변화에 견딜 수 있는 내화성 재질(예, 알루미나)로 만들어져 있는 것을 의미한다. 랜스(5)는 도선(1)이 랜스(5)를 통해 공급되는 동안 똑바로 수직으로 위치되는 것이 바람직하다. 그러나, 랜스(5)는 도선이 공급되는 동안 수직 방향으로부터 벗어나 경사를 이룰 수가 있다(단 수평으로 되어서는 안됨). 또한 랜스는 "<"형으로 될 수도 있다. 랜스는 도선 주입구와 도선 출구로 구비되어 있으며, 사용시에는 도선 주입구가 도선 출구보다 높은 위치에 있다. 일반적으로 도선 출구는 랜스의 하부 끝단에 있다. 그러나 랜스의 하부 끝단으로부터 위치를 옮겨 측면부에 도선 출구를 갖는 랜스를 사용하는 것도 가능하다.

제1도에서 도시된 장치는 랜스(5), 도선 스풀(8), 도선 공급기(9), 불활성 개스 공급 장치 및 밀폐 조립체(10), 상기 조립체(10)를 연결시켜 지지하는 기밀 도관(11)등을 포함한다. 본 발명을 실시하는데 필수적 사항은 아니지만, 기계적 도선 공급기, 불활성 개스, 공급 장치 및 밀폐 조립체와 제 4도 내지 제11도에 도시된 형태의 내화 랜스를 이용하는 것이 바람직하다. 피복되지 않은 칼슘 금속 도선과 같이, 도선(1)이 외부 표면에 노출된 원소 칼슘 금속을 포함하는 경우, 칼슘-불활성 개스로 압력이 가해진 하우징에 스풀(8)을 유지하는 형태로 대기의 침식으로부터 스풀(8)상의 도선을 보호하기 위해 통상적인 조처가 취해져야 할 것이다.

전형적인 강철 제조 작업에 있어서, 래들(3)내서 용융된 강철 재질(2)의 온도는 약200℉ 내지 3600℉이다. 이 온도에서 칼슘의 증기압은 상당하다. 앞서 논의된 바와같이 칼슘 첨가 작업을 완전히 성공적으로 수행하기 위해서는 도선(1)의 원소 칼슘 금속의 대부분(또는 전체)의 용해가 증발보다는 용해에 의해 이루어지는 것이 필수적이다. 따라서 상기 용해는(금속 용융 온도에서) 철 정압이 칼슘의 증기압과 같은 용융된 금속의 표면 아래의 깊이로 규정된 용융된 금속의 임계 깊이에서 이루어져야 한다. 상기 임계 깊이는 제3도에서 제공된 도표를 사용하여 온도의 함수로 쉽게 결정되어질 수 있다. 제3도에서 우측 곡선은 온도에 대한 칼슘 증기압을 나타내고 반면 왼쪽 곡선은 용융된 금속의 표면 아래 깊이에 대한 철 정압을 표시한다. 예를들어 2860℉에서 칼슘의 증기압은 1.57atm이다. 2860℉에서 1.atm의 철 정압은 2.8피트 하부에서 생기며 이것이 곧 임계 깊이이다.

본 발명의 방법에서 핵심은 용융된 금속(2)에서 랜스(5)의 위치, 도선(1)의 조성, 단면 크기 및 공급 속도를 조정하여(a) 도선이 랜스의 도선 출구로부터 나온 후 완전히 녹기전에 실제적으로 수평 방향으로 굽어지게 하며, (b) 도선의 대부분 칼슘 용해가 임계깊이 D(제1도 참조) 아래의 용융된 철 재질의 다운웰링 지역에서 또는 바로 밑에서 일러나도록 하는 것이다.

본원에 사용된 "랜스의 배치" 또는 "랜스의 위치"란 용어는 욕내에서의 랜스 깊이와 욕을 통과하는 수평면(제2도의 평면)에서 랜스 위치 및 수직에 대한 랜스의 위치(즉, 랜스가 수직으로부터 이탈하였을 경우의 경사 정도)를 조정하는 것을 의미한다. 랜스의 배치, 도선의 조성, 도선의 단면크기, 도선의 공급 속도의 4개 변수는 서로 연관되어 있어서 상기 변수중 하나를 변화시키면 상기(a)와 (b)등의 결과를 계속적으로 얻기 위해 나머지 변수중에서 하나 또는 그 이상의 조정이 필요가 있다. 그래서, 예를들어 제1도에 도시된 바와 같이 랜스를 통해 도선이 공급되는 동안 도선의 출구(6)는 임계 깊이 아래에 위치되도록 랜스를 배치하는 것이 바람직하다. 그러나, 랜스의 도선 출구를 임계 깊이보다 다소 위에서 작동하는 것도 가능하다. 이 경우에 본 발명의 계속적인 실시를 위해서, 도선 공급 속도를 증가시키고, 도선의 직경을 증가시키며 피복 도선으로 교환하는 것이 필요할 것이다. 랜스(5)는 제2도의 평면에서와 같이 래들(3)에서 편심 형태로 배치하는 것이 바람직하다. 래들(3)내에서 랜스(5)의 편심형 배치는 래들의 한쪽편에 다운웰링을 치우치게 하여 (제1도 참조) 용융된 금속(2)의 순환에 있어서 다운웰링의 영역의 크기를 증가시키는 역활을 한다. 랜스(5)의 길이 방향축과 가장 가까운 래들 측면벽의 내부 표면(제1도와 제2도에서 표면(12)) 사이의 거리는 수평면에서 보았을때 욕의 가장 긴 직선 길이 L의 약 1/6 내지 1/3에 해당한다. 욕의 가장 긴 직선길이는 단면이 원형일 경우에는 직경이고, 장방향일 경우는 길이가 될 것이다.

도선(1)이 랜스(5)의 도선 출구(6)로부터 진행하여 완전히 녹기 전까지의 거리는 직접적으로 도선의 공급속도에 의존하기 때문에 상기 속도는 상당히 중요한 변수이다. 본 발명을 실시하는데 있어서, 도선의 두께를 줄이거나 또는 피복된 것을 피복되지 않은 것으로 바꾸면 도선의 공급 속도가 증가되어야 할 것이다. 또한 높은 용해온도는 도선 공급 속도를 높여야 할 것이다.

도선(1)이 약 8mm 내지 12mm의 직경 갖는 피복되지 않은 칼슘 금속 도선인 경우, 랜스(5)는 욕에서 수직선 형태로 배치되며 랜스(5)의 도선 출구(6)는 랜스의 하부 끝단에 있게 되고, 임계깊이(D) 아래에 배치되며, 랜스의 길이 방향 종축과 가장 근접한 래들 측벽의 내부 표면간의 거리는 욕의 가장 긴 직선 길이 (수평면에서)의 1/3 내지 1/6에 해당하고, 용융된 철 재질(2)의 온도는 약 2800℉내지 3000℉이며 본 발명을 실시하는데 양호한 도선 공급속도의 범위는 500ft/min 내지 1000ft/min 이다.

다음 실시예는 본 발명의 공정 예를 나타낼뿐 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

[실시예 1]

피복된 칼슘 금속 도선

3600파운드의 기본 슬래그 혼합물이 단면이 타원인 래들의 하부에 첨가되었으며 210톤의 용융된 강철이 용광로로부터 래들내로 유입되었다. 강철의 유황 함량은 0.021wt%에서 0.008wt%로 유입 과정에서 감소되었다. 상기에서 언급된 바와같이 에밀제이·워더2세의 특허출원에서 기술된 형태인 8피트 길이의 직선형 내화 랜스가 용융된 강철의 조속에 배치되었으며, 랜스는 가장 가까운 래들 측벽 내부 표면으로부터 상기 주측의 길이 1/3정도 떨어진 거리에서 단면인 타원인 래들 주축상에 배치되고, 랜스의 하부 끝단에 있는 도선 출구는 용융된 강철욕조의 표면으로부터 6피트 아래에 배치되어 있다. 압축된 아르곤(30psi)을 12scfm 속도로 랜스를 통해 유입시키면서, 전체 직경이 8mm인 3000ft의 피복된 칼슘 금속 도선(49wt% 칼슘 금속코어-51wt%, 0.010in 두께의 1010 강철 피복)을 550ft/min의 공급 속도로 랜스를 통해 용융된 강철 욕속으로 공급한다. 래들내의 용융된·강철의 온도는 2860℉이며 그에 대응하는 임계 깊이는 2.8ft이다. 도선은 랜스의 하부 끝으로부터 나온 후에 거의 수평 방향으로 구부려진다. 도선의 완전한 용해는 랜스의 하부 끝단으로부터 약 10피트의 거리에서 이루어진다. 도선 공급이 끝난후, 래들내의 용융된 강철은 적절한 주형속에 부어 주조한다. 주조된 강철 제품은 0.22wt%의 탄소, 1.36wt%의 망간, 0.03wt% 알루미늄, 0.12wt%의 바나듐, 0.005wt% 황과 45ppm 칼슘을 포함한다. 그리고 100% 포접 변형이 관찰되었다.

[실시예 2]

피복되지 않은 칼슘 금속 도선

실시예 1의 처리 방법이 피복되지 않은 칼슘 금속 도선을 사용하여 반복될 수 있다. 장치의 작동과 조건은 피복되지 않은 12mm 직경의 칼슘 금속 도선이 800ft/min의 속도로 1분동안 욕에 공급되는 것을 제외하고는 거의 변한 것이 없다. 도선이 랜스의 하부 끝단에 있는 도선 출구로부터 나온 후 거의 수평 방향으로 굽어진다. 도선의 완전한 용해는 랜스의 하부 끝단으로부터 약 10피트의 거리에서 이루어진다.

본 발명의 장치에 대한 양호한 실시예는 제4도 내지 제11도에 도시되어 있다. 용융된 금속을 처리하기 위해 하나 또는 그 이상의 처리 요소가 도선의 일부 또는 약간 다른 형태로 도선(20)내에 포함되어 있다. 상기 요소는 이하 도선 형태로 칭하기로 한다. 제4도를 참고하면, 일반적인 목적은 도선(20)을 릴(22)로부터 용기(52)내의 다량의 용융된 금속(56)에 이송하는 것이다. 상기와 같은 공급을 실해하기 위해서, 공급 장치(24)는 릴로부터 도선을 끌어당기며 도선이 공급로를 따라 진행하게 한다. 출구 부근에서, 특히 노즐(60)의 부근에서, 도선(20)은 기밀 도관(44)내로 이송된다. 불활성 개스는 상기 관내로 공급되며, 불활성 개스 공급부의 바로 좌측에서 위치된 밀폐 장치(30)는 도선 공급로의 후방으로 도선(20)주위에서 불활성 개스가 손실되는 것을 방지한다.

핀치롤러(26)를 포함한 적당한 공급 장치(24)에 대한 설명은 미합중국 특허 제4,235,362호를 참조할 수 있다. 피복된 것이나 되지 않은 도선을 포함하여 광범위한 크기 및 조성의 도선이 사용될 수 있다. 본 발명은 직경이 약 1cm의 도선을 포함하는 칼슘 피복된 도선에 관해 상세히 설명하기로 한다. 상기 직경의 도선 또는 약간 작은 직경의 도선은 비교적 강하다. 그래서 도선 이송 부재와 같은 도선 공급 장치는 상당한 내구성이 있어야 한다. 뿐만 아니라, 도선이 공급되는 동안, 비교적 단단한 도선이 도선 공급로를 따라 연속적으로 공급되지 않기 때문에 그리고 도선이 굽어져 있고 울퉁불퉁하기 때문에 생기는 상당한 진동과 횡변위를 고려해야 할 것이다.

제5도 내지 제7도에 상세히 도시된 본 발명의 노즐(60)은 내화 세라믹 케이싱(62)을 구비하며, 상기 케이싱(62)을 통해 칼슘 도선이 금속 도관부분(66, 70)내에서 최종 출구 또는 방출구(84)로 이송되어진다. 내화 케이싱(62)은 알루미나(Al₂O₃) 또는 라인조(line kiln)등에 사용되는 것과 같은 적당한 내화 재질로 만들어진다.

노즐 전체는 용융된 금속이 들어있는 용기내에서 미리 정해진 깊이까지 연장될 수 있을 만큼 충분히 길어야 한다. 통상적으로 슬래그/금속 경계부 아래의 최소한 3내지 5피트에서 노즐로부터 도선 첨가제가 방출되는 것이 바람직하다. 따라서 슬래그와 금속의 고온 및 부식 특성 때문에, 내화 케이싱(62)은 약 10피트 정도는 되어야 한다.

노즐(60)은 금속용기(52)에 대해 들어 올려지거나 낮추어질 수 있으며, 반대로 적절한 기계장치에 의해 용기(52)가 노즐에 대해 들어 올려지거나 낮추어 질수도 있다. 제4도에서 개략적으로 도시된 바와같이 금속용기(52)는 요크 조립체(48)를 포함한 원치/이송 시스템에 의해 지지될 수 있다. 한편, 제11도에 도시된 바와 같이 전체 공급 장치를 하나의 유니트하여 높혔다 낮추었다 하는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나 상기 어떤 것이든 간에 도관(44)이 구부려지지 않는다면 상관없다.

노즐(60)의 도선 이송부분은 금속 도관(70)에 연결되는 금속 도관(66)을 포함하며, 상기 도관통해 도선(20)이 통과한다. 약간 큰 도관(66)이 노즐(60)의 방출구(84)부근까지 도선을 운반한다. 큰 도관(66)의 끝단에 확대된 구멍(68)이 형성되어 그 속에 작은 도관(70)이 배채된다. 작은 도관(70)과 큰 도관(66)은 끼우거나 또는 용접등 편리한 방법에 의해 결합된다.

제7도에 도시된 노즐(60)의 가장 끝단에 있는 작은 도관(70)의 방출 단부는 길다랗고, 개스가 흐르는 방향으로 직경이 줄어들어지며 점차 가늘어져 깔때기 형태의 부분(80)을 형성하며, 깔때기형 부분의 좁은 협단부(82)를 따라 내려가면 직경이 균일한 비교적 짧은 실린더 부분(83)이 형성되어 직경이 갑자기 증가한다. 깔때기형 부분(80)의 협단부(82)와 마주보는 실린더 부분(83)의 끝단은 노즐(60)의 출구(84)를 형성한다. 제7도에서 도시된 바와 같이, 도선의 이동 방향에 따른 직경의 변화는 어떤 장점을 갖는다. 특히 상기와 같은 단면은 용융된 금속이 내줄내로 유입되는 것을 방지하도록 구성되어 있다. 바꾸어 말하자면, 용융된 금속이 도관(66,70) 내부를 따라 유입되어 노즐(70)내에서 굳어져 도선이 도관에 붙어버리는 것을 방지한다. 노즐로부터 금속을 배출시키면서, 도선(20)과 같이 노즐을 통해 외부로 전달되는 불활성 개스는 금속(56)을 동요시켜 첨가제와 용융된 금속을 혼합하며 따라서 첨가 재질의 균일한 분포를 제공한다. 또한 불활성 개스는 노즐을 냉각시키는 역활을 한다.

용융된 금속 표면 아래 분출 지점에서 용융된 금속(56)에 도선 형태의 첨가제를 첨가하기 위해, 용융된 금속내의 유체 압력을 극복할 필요가 있다. 물론 유체 압력은 용융된 금속 표면 아래의 깊이에 대한 함수관계에 있다. 압력은 금속에 따라 다르나, 1미터 또는 2미터 깊이에서는 대단히 크다. 공급되는 불활성 개스의 압력은 용융된 금속이 노즐내로 상승하지 않도록 하기 위해서 상기 유체 압력을 극복하여야 한다. 만약 용융된 금속이 노즐속으로 들어오게 내버려 둔다면, 도선(20)은 용융된 금속이 굳어기기 때문에 도관의 벽에 즉시 붙어버리거나 구속되어진다.

도선 형태의 첨가 재질(20)은 용융된 금속(56)의 용기내에서 방출된 후에 녹는다. 불활성 개스의 기포(88)는 용융된 금속(56)의 표면으로 상승하면서 용융된 금속을 동요시키고, 용기내의 전체 금속을 노즐주위에서는 상부로 다른 부분에서는 하부로 즉, 용융된 금속용기(52) 주변 둘레에서는 하부 방향으로 순환하게 한다.

도관(70)의 내부 직경 감소는 노즐 최종 출구 부근에서 개스의 속도를 최대화 시키기 위함이다. 일정한 압력의 개스는 단면 감소 지역(80)에서부터 제한부분(82)으로 갈수록 속도가 커진다. 제한부분 바로 뒤에는 구멍의 실린더부분(83)에 의해 공동 또는 공간이 형성되어 제한부(82)가 용융된 금속(56)으로부터 간격을 유지하게 하며, 제한부의 오리피스(82)내로 용융된 금속의 유입을 방지한다.

상기 기술된 구조 때문에, 도선은, 용융된 금속에 노출되는 도관(70)의 최하단부에서 깨끗하게 유지되며, 노즐과 접촉에 의해 온도가 내려가 굳어지는 금속이 상기 끝단에 부착되지 않게 한다. 도선(20)이 공급될때, 제한된 오리피스(82)내의 허용된 공간 주위에서 진동하고 흔들리는 것을 예견할 수 있지만, 그러나 도선은 비록 제한된 오리피스 벽의 연부에 대해 치우쳐 있을지라도 방출구(84)내에서는 중앙에 위치하게 된다. 도선과 제한된 오리피스 벽의 단부 사이에 남아있는 공간은, 개스 압력이 노즐내로 들어오려고 하는 용융된 금속의 유입을 이길 수 있을 만큼 작다. 도선과 불활성 개스의 상호 이동은 노즐이 막히지 않도록 하는 능력을 강화시킨다.

밀폐된 개스용기로부터 개스를 공급하는 장치가 없다면, 상당한 양의 불활성 개스가 대기중으로 새어나가 노즐(60)내로 용융된 금속(656)이 유입되는 것을 방지하는 역활을 할 수 없을 것이다. 따라서 밀폐 장치(30)는 불활성 개스의 역류를 방지하기 위해 제공된다. 밀폐 장치(30)는 마주보고 배치된 최소한 한쌍 이상의 피스톤(32)을 가진 하우징을 구비하며, 피스톤은 피스톤 사이에서 이동하는 도선이 활주 형태로 진행하도록 결합되며, 기밀 형태로 진행 도선을 파지하는 밀폐 표면을 갖는다. 불활성 개스는 마주보는 한쌍의 피스톤(32)의 우측(제8도)에서 개스 소스(31)로부터 도관(33)을 통해 도선(20)이 있는 지역에 유입되며, 도선은 밀폐 장치(30)로부터 노즐(60)에 연결되는 기밀 도관(44)내에 포함되어 있다. 밀폐 장치에 관한 것은 제 4도에 개략적으로 도시되어 있으며, 제8도 내지 제10도에 보다 상세히 도시되었다. 도선(20)에 대해 마주보고 배치된 피스톤(32)을 구동하기 위해서는 압축 공기 소스(34)를 사용하는 것이 바람직하다. 스프링, 유압등과 같은 것도 가능하다.

압축기나 또는 다른 압축 소스의 공기 압력을 고루 분포시키기 위해서는 다지관을 사용할 수 있다. 서로 마주보는 피스톤(32)은 개스가 누출되지 않는 실린더내에서 미끄럼 운동을 할 수 있게 배치되어 있으며, 예를들어, 피스톤 하나에 2개씩 있는 탄성 O형 링에 의해 밀폐가 이루어진다. 다지관(36)에 의한 개스 압력의 균등한 분포는 각 단계마다 동일 축상에 배치된 피스톤쌍에 동일한 압력을 가한다. 본 도면에서는 두쌍의 마주보는 피스톤이 나란하게 배열되어 있는 것을 도시한다. 또한 서로 마주보는 피스톤은 나란하게 배열되어 있는 것을 도시한다. 또한 서로 마주보는 피스톤이 나란하게 배열되어 있는 것을 도시한다. 또한 서로 마주보는 피스톤은 직각으로 또는 다른 원하는 형태로 장치될 수 있다. 상기 피스톤 쌍은 한쌍이 대기 밀폐를 제공하고, 다른쌍이 불활성 개스 매질 밀폐를 제공하는 형태로 서로 독립적으로 작동될 수도 있다.

밀폐 장치(30)의 하우징은 강철로 만들어지는 것이 바람직하다. 피프톤(32)은 하우징의 실린더 내에 장치되며, 내구성있는 플래스틱으로 만들어져 있다. 피스톤은, 예를들어, 테프론, 나일론과 같은 것으로 만들거나 코팅을 하여 만들 수 있다.

밀폐 장치(30)의 하우징에는 확장되면서, 깔때기형 주입 오리피스(35)가 제공되어 진행하는 도선(20)의 끝단을 물고있도록 구성되어 있다. 도선(20)을 최초에 끼우는 동안, 서로 마주보는 피스톤의 중심이 정렬되도록 하기 위해 피스톤을 스프링 작용 편향 또는 수동 조정을 할 필요가 있을 것이다. 도선이 한번 끼워지고 나면 밀폐 장치(30)는 밀폐 장치(30)에 대한 도선의 횡 위치의 변위를 보상하는 한편 기밀 상태를 유지한다. 피복된 도선은 상당히 경직되어 있기 때문에 심한 마찰을 방지하고 밀폐 상태를 유지하기 위해, 정위치된 상태에서 약간의 변화는 허용할 필요가 있다.

적당한 제어장치가 핀치롤러 도선 공급 장치(24)와 불활성 개스 압력 제어장치(42)에 연결될 수 있다. 낭비를 피하기 위해 개스 제어 장치(42)는 도선이 밀폐 장치(30)의 서로 마주보는 피스톤에 의해 물려질때까지 폐쇄 상태를 유지하여야 한다. 하여튼, 주입 노즐(60)이 슬래그(54) 표면 또는 용융된 금속에 가까이 갈때까지는 개스가 필요치 않다. 상기 점에 도달했을때, 도선 공급기와 불활성 개스 압력 제어장치가 동시에 작동하면서 노즐이 용융된 금속내로 들어간다. 용융 첨가제와 불활성 개스는 슬래그/금속 경계부의 훨씬 아래에 있는 노즐 오리피스에서 방출된다.

양호한 시스템의 장치가 제11도에 도시되어 있다. 시스템 전체는 추측으로 장치된 테이블(120) 상에 배치되어 한지(122)를 축으로 하여 작동되도록 구성되어 있다. 유압 또는 압축 공기 작동 승강 장치(124)가 추축을 중심으로 하여 테이블(120)을 상승 또는 하강 시키도록 작동되어 용기(52)내에서 용융된 금속에 대해 노즐(60)을 상승 또는 하강시킨다. 승강장치는 불활성 개스 및 도선 공급 제어장치에 포함될 수도 있다.

노즐(60)은 첨가제 공급 방향과 불활성 개스가 흐르는 방향에서 볼때 균일한 직경의 실린더 부분을 가진 구멍이 형성되어 있으며, 그 다음은 도선의 직경보다 약간 큰 지름을 가진 개구에서 직경의 감소가 종결되는 테이퍼된 부분이 형성되며, 상기 개구보다 큰 균일한 직경을 가진 제2실린더부분이 형성되어, 도선은 출구에 인접한 노즐 도관의 내부벽만으로부터 일정한 간격을 유지한다. 테이퍼된 부분과 제2실린더부분 사이에서의 갑작스런 형태 전환은 개스의 속도가 증가하도록 제한된 오리피스를 만들어 용융된 금속의 역류를 방지한다. 상기 설명된 본 발명의 근본적 형태는 상기 기술에 숙련된 사람에 의해 변형될 수 있다. 본 발명의 진정한 범위는 상기 명세서보다 첨부된 범위에보다 명확히 나타나있다.

Claims (15)

1. 용융된 철 재질의 욕(20)에 칼슘을 첨가하는 방법에 있어서, 용융된 철 재질보다 낮은 밀도를 갖는 칼슘 금속 함유 도선(1)을 내화 랜스(5)를 통해 욕내로 공급하여 삽입하는 단계 ; 랜스에 용융된 철 재질이 유입되지 않게하고, 용융된 재질이 순환하도록 동요시키기 위해 랜스를 통해 충분한 불활성 개스를 동시에 유입시키는 단계를 구비하며 : 욕에서 랜스의 배치, 도선의 조성, 단면 크기 및 공급 속도는, 도선이 랜스의 출구(6)로부터 나온 후 욕에서 용해되기 전에 거의 수평 방향으로 굽어지고, 용융된 철 재질의 온도에서 철 정압이 칼슘의 증기압보다 큰 욕의 표면 하부의 깊이에 있는 용융된 철 재질의 다운웰링 영역 또는 그 바로 아래서 용해에 의해 도선내의 칼슘의 대부분이 용해되도록 결정이 되는 형태로 상기 단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질의 욕에 칼슘을 첨가하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계는 용융된 철 재질의 온도에서 철 정압이 칼슘의 증기압보다 큰 욕(2)의 표면 하부의 깊이에 랜스(6)의 도선 출구(6)가 배치되는 조건하에서 실행되는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질의 욕에 칼슘을 첨가하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 단계는, 랜스(5)가 직선 형태를 가지며 욕(2)에서 수직으로 배치되는 한편, 도선이 랜스를 통해 공급이되고, 도선 출구(6)는 욕에 삽입된 랜스의 단부에 있는 형태의 조건하에서 실행이 되는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질의 욕에 칼슘을 첨가하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 단계는 욕을 통과하는 수평면에서 보았을때 랜스(5)가 편심 형태로 배치되는 조건하에서 실행이 되는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질의 욕에 칼슘을 첨가하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 단계는, 욕(2)이 하부와 일반적으로 수직인 측벽을 갖는 용기(3)내에서 유지되며 랜스의 길이 방향축과 랜스에 가장 가까운 용기 측벽 사이의 거리는 욕을 통과하는 수평 단면에서 측정 해보았을때 가장 긴 길이(L)의 약 1/6 내지 1/3이 되는 형태의 조건하에서 실행이 되는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질의 욕에 칼슘을 첨가하는 방법.
6. 용융된 재질의 표면 하부로 도선 형태의 작업편을 주입시켜 용융된 재질에서 도선을 용해시키는 장치에 있어서, 도선이 주입되는 내열 노즐(60)을 구비하며, 상기 노즐은 입구 및 출구 단부를 가지며 작동 위치로 이동이 가능하고, 상기 입구 단부는 용융된 재질의 표면 상부에 배치되고, 상기 출구는 용융된 재질의 표면하부에 배치되며; 노즐 입구의 한 단부에 접촉되어 있는 용융된 재질에 불활성 개스를 전달하는 기밀 도관(44)과; 상기 도관의 다른 단부에 배치되어 도선을 밀폐 형태로 수용하는 밀폐 장치(30)와: 상기 도관에 불활성 개스를 주입시키는 압축된 불활성 개스 소스(31) : 상기 도관과 노즐을 통해 용융된 재질 내부에 직접 도선을 공급하는 도선 공급 장치(24)를 구비하며 : 상기 장치에서 도관에 의해 공급된 불활성 개스는 도선과 함께 노즐 출구로 방출되어 고화된 용융 재질에 의해 출구가 폐쇄되는 것을 방지하며 도선의 혼합물이 기포 동요를 통해 용융된 재질과 혼합이 잘 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질의 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 노즐(60)은 직경이 변하는 구멍을 가지며, 상기 구멍은 노즐의 입구 단부에서 큰 도관(66)을 수용하고, 노즐의 출구쪽에서 작은 도관(70)을 수용하는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질의 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 작은 도관(70)은 개스가 흐르는 방향에서 볼때 노즐의 출구 단부 부근에서 내경이 감소하며 도선의 직경보다 약간 큰 직경을 갖는 개구(82)에서 직경 감소가 끝나는 깔때기형 부분을 가지며, 그리고 상기 개구가 연결되는 거의 균일 직경의 실린더형 부분(83)을 구비하고, 상기 실린더형 부분의 직경은, 상기 깔때기형 부분과 실린더형 부분 사이에서 급격한 형태 전환을 위해 상기 개구의 직경보다 충분히 크고, 상기 개구의 반대편에 있는 실린더형 부분의 단부는 노즐의 출구를 형성하는 것을 특징으로 하는 용용된 철 재질 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 깔때기형 부분(80)은 실린더형 부분(83)보다 축방향으로 더 긴 것을 특징으로 하는 용용된 철 재질 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
10. 제6항에 있어서, 노즐(60)은 내열성재질로 형성된 길다란 케이싱인 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
11. 제6항에 있어서, 상기 밀폐 장치(30)는 하나의 대응 실린더에서 동축상으로 배치되고 서로를 향하여 이동 가능한 최소한 한쌍의 압력 작동 피스톤(32)을 가지며, 각 쌍의 피스톤은 대응 실린더내에서 유체 밀폐 형태로 활주되고, 상기 각쌍의 피스톤은 도선(20)이 유체 밀폐 및 활주 상태로 이동하는 통로를 제공하기 위해 서로 접촉 상태로 이동할때 서로 상호 작용하는 대응 밀폐 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
12. 제6항에 있어서, 상기 밀폐 장치(30)는 피스톤을 구동시키기 위해 압축된 개스를 동일한 압력으로 제공하는 개스 다지관(36)과 압축된 개스를 상기 디지관에 제공하능 압축 개스소스(34)를 갖는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
13. 제11항에 있어서, 압축된 개스는 공기인 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
14. 제12항에 있어서, 두쌍의 피스톤(32) 장치는 도선(20)의 공급로에 대해 서로 분리되어 있으며, 우측 쌍의 피스톤(제4도 및 제8도에서)은 불활성 개스 밀폐를 제공하며, 좌측 쌍의 피스톤(제4도 및 제8도에서)은 대기 밀폐를 제공하는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질 욕에 칼슘을 첨가하는 장치.
15. 용융된 철 재질에 칼슘을 첨가하는 방법에 있어서, 도선(20) 형태의 작업편을 수용하며 용융된 철 재질이 담겨있는 용기(52)내로 불활성 개스를 유입시키는 구멍을 구비한 내화성 외부 케이싱을 갖는 노즐(60)을, 노즐의 주입구가 용융된 재질의 표면 상부에 배치되게 하고 노즐의 출구는 용융된 재질 표면 하부에 배치되도록 삽입하는 단계와 : 용융된 철 재질보다 낮은 밀도를 갖는 칼슘 금속 함유 도선(20)을 노즐을 통해 용융된 철 재질내로 공급하기 위해 도선 공급 장치(24)를 이용하는 단계와 : 도선과 불활성 개스가 용융된 철 재질내로 주입될때 노즐의 출구에 용융된 철 재질이 유입되지 않게 하고, 용융된 철 재질의 순환 운동 유발시키기 위해 도선의 공급과 동시에 압축된 불활성 개스를 노즐에 제공하는 단계와 : 장치에서 불활성 개스의 역류와 손실을 방지하기 위해 노즐에 공급되는 도선 둘레에서 유체 밀폐 상태를 유지하는 밀폐 장치(30)를 제공하는 단계와 : 용융된 욕에서 도선이 용해되게 하여 용융된 재질과 밀접하게 혼합되는 칼슘 성분을 방출시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 용융된 철 재질에 칼슘을 첨가하는 방법.

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