KR960002410B1 - 용융물질의 흐름을 냉각하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용융물질의 흐름을 냉각하는 장치 및 방법

제1 도 내지 제4 도는 본 발명에 따른 열전달 도관들의 횡단면도.

제5 도는 간극 크기의 함수와 헬륨으로 채워진 간극에 대한 함수로써 가로질러 존재하는 열속(heat flux)들 사이의 관계를 도시한 그래프.

제6 도는 본 발명에 따른 열전달 도관의 종단면도.

제7 도는 본 발명에 따른 또 다른 열전달 도관의 측면도.

제8 도는 제7 도에 도시된 열전달 도관의 평면도.

제9 도는 제8 도에 선Ⅸ-Ⅸ을 따른 단면도.

제10 및 제11 도는 본 발명에 따른 또 다른 사각단면 열전달 도관의 단면도.

제12 도 내지 제16 도는 본 발명에 따른 열전달 도관들의 종단면도.

제17 도는 제9 도 및 제10 도에 도시된 것과는 다른 도관 세그먼트의 단면도.

본 발명은 용융재료의 흐름을 냉각하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 열전달 도관을 통과하는 액체 금속과 같은 용융물질의 흐름에서 열을 제거하는 것에 관한 것이다.

중공 튜브나 상부 개방식 채널 형태의 열전달 도관들은 주조될 용융물질에서 열을 제거하는 것으로 공지되어 있다. 통상적으로, 주형에 유입되기 전에 전달용기내에서 용융물질 조기응고되지 않도록, 주조될 용융물질은 그 액화 온도 이상의 온도로 유지된다. 결과적으로, 주조 공정에서 물질로부터 제거되어야만 하는 상당한 양의 과열과 잠열 때문에, 응고과정이 비교적 느리게 되기 쉽다. 또한 상기 과열과 잠열 때문에 배출율이 비교적 낮고 그 결과 주조제품에 매크로-편석(macro-segregation)이 발생된다.

이러한 열전달 도관이나 운반체는 영국 특허 21117687B에 기재되어 있다.

종래의 열전달 도관이나 운반체들(이하 간단히 "열전달 도관"이라 칭한다)은 관형이나 채널형 구조로서 그 질량에 의존하며, 필요한 열전달을 제공하기 위해 물분무 또는 냉각제재킷이나 유동층에 의해 외부 냉각된다. 용융물질내에 충분한 전단속도(shear rate)를 제공하므로써 대부분의 과열과 잠열의 일부가 배출될 수 있지만, 여전히 용융물질내에 낮은 점성을 보존해서 도관을 봉쇄하지 않고도 정상상태 열제거를 이룰 수 있음이 알려졌다.

열전달 도관을 사용하면, 응고물질로 된 셀이 그 도관 내측면에 형성될 수 있는데, 특히 열배출율이 높은 경우 더욱 그러하다. 이러한 셀의 형성은 본 발명이 해결하려고 하는 어떤 문제점들을 유발시킬 수 있다.

통상적으로, 용융물질에 전도도가 높은 열전달 도관을 통과할때, 다음과 같은 일련의 문제점이 발생한다.

(a) 액체물질이 비교적 차가운 도관벽의 내측표면과 접촉하면서 응고되어 고형셀과, 도관내에 존재하는 열전달 조건들에 의존하는 평형두께 및 형상과 용융물질의 상태 및 도관의 특성들을 형성한다.

(b) 셀의 반경외측면 온도가 셀의 반경내측면에 남아있는 온도보다 상당히 낮은 평형온도 형상을 이루기 위해 응고된 셀의 두께가 증가한다. 따라서, 셀이 수축하여 그 원주의 여러곳에서 도과표면과 분리되려는 경향을 갖는다.

(c) 셀의 두께와 열전달에 대한 셀의 저항으로 인해, 열전달이 극도롤 제한될 수 있다.

(d) 도관 내측면의 온도가 증가하고 이에 따라 팽창되므로써 도관과 셀의 대향면들 사이에 간극형성을 촉진시킨다.

종래의 열전달 도관을 사용하면, 응고물질로 된 셀이 도관내에 남게된다. 상기 셀은 비틀리게 되어 도관에서 제거하기가 어려울 수도 있다. 지금까지는, 중공 열전달 도관에서 셀을 제거할려는 시도가 그 도관이나 보조장비에 손상을 주었다. 주주공정을 다시 시작하기 전에 셀을 제거하는 것이 바람직한데, 그 이유는 비교적 낮은 온도에서 중공도관에 셀이 존재하면 막힐 수 있기 마련이다. 본 발명은, 상기 문제점들을 극복하면서 도관과 상기 도관을 흐르는 용융물질 사이에 개선된 열전달 특성을 제공하는 열전달 도관을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 용기나 송출 시스템으로부터 이송중인 용융물질을 냉각시키는 방법은 적어도 2개의 분리가능한 단편(segment)으로 이루어진 열전달 도관을 통해 용융물질이 흐르는 단계와, 도관의 내측면이나 그 부근에 응고물질로 구성되는 셀을 형성하기 위해 상기 물질로부터 열을 빼앗는 단계와, 열이 방출되는 비율을 제어하며 도관을 통한 용융물질의 유동을 유지하는 단계와, 응고된 셀을 용이하게 제거하기 위해 도관 단편을 분리시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 적어도 2개의 분리가능한 단편과, 응고물질과 도관내부의 다른 물질을 제거하기 위해 분리될 수 있는 단일 도관을 형성하기 위해 상기 단편을 해제가능하게 조립하는 수단을 구비한 열전달 도관을 포함하는 용융물질 냉각장치가 제공된다. 상기 단편들은 서로 해제가능하게 고정되는 것이 바람직하다.

도관은, 그 질량과, 외측의 냉각제분무와, 냉각제재킷 또는 유동층에 의해서 필요한 열전달을 이룰 수도 있다.

단면에서, 도관은 폐쇄형을 형성할 수도 있고 또는 그의 윗면을 따라 개방되어 있는 형태를 형성할 수도 있다. 전자(former)의 경우에, 열전달 도관의 단면은 원형, 다각형, 사각형, 곡선형, 타원형 또는 장방형일 수도 있다.

도관은 상부 개방형이고, 그 도관을 사용할 때 도관에 흐르는 용융물질과 그안에 형성된 응고 셀 위로 놓인 용이하게 제거가능한 단열성 덮개를 포함한다. 예를들어 아르곤 같은 기체가 도관안에 유입되어 덮개 밑의 공간을 충진하므로써 공기 오염물질을 제거하거나 최소화시킬 수 있다.

예를들어, 사각형 단면으로 된 열전달 도관의 경우, 상기 도관은 사용중에 단면의 대각선이 수직 평면과 수평 평면에 놓이도록 배치될 수도 있다. 선택적으로, 이러한 열전달 도관을 그 대각선이 어떠한 적절한 각도로 기울어질 수도 있다.

도관의 내측면은 도관과 상기 도관내에 담긴 물질 사이에서 다접촉을 촉진시키는 융기부를 갖는다. 따라서, 도관 내측면은, 예를들면 종이나 횡으로 홈이 파이거나 파형으로 될 수도 있다.

공기보다 전도율이 큰 첨가제나 용융제들은 적당한 장소에서, 예를들면 도관 단편들의 결합면들과 일치하는 장소에서 도관과 응고물질 셀의 대향면들 사이에 형성된 공간안으로 주입될 수도 있다. 이러한 첨가제는 기체상태일 수도 있고 주석, 슬랙(slag) 또는 탄화수소 같은 저융점 고체들로 이루어질 수도 있다. 헬륨과 같은 전도율이 높은 기체들은, 선택적으로 또는 추가적으로 도관의 적당한 위치에 형성된 구멍들을 통해 도관과 응고물질 셀 사이에 형성된 공간안으로 주입될 수도 있다.

탄호수소 첨가제나 용융제가 이용되는 경우, 기체들이 열전달을 향상시켜서 분해작용(degradation)과 탄산염화작용(carbonation)이 발생한다. 또한 선택적으로 중공도관의 내측면이나 단편들이 만나는 곳에 저융점 물질들로 댈 수도 있다. 액체물질이 중공도관내로 유입될 때, 저융점 물질들은 수축 및 팽창 간극을 부분적으로 충진시키기 위해 용융된다.

도관은 그 도관 내측면에 형성된 홈에 세트되고 그로부터 부풀어 직립이 분리가능한 적어도 하나의 라이너 세트를 포함할 수도 있다. 선택적으로, 상기 라이너는 접착, 용접에 의해서, 또는 양부재를 적절히 테이퍼 접착(taping)시키므로써 도관 내측면에 부착될 수도 있다. 라이너는 높은 온도에 있을때 팽창하는 고전도 물질로 건조되어 도관 내측면과 밀착하는 반면, 고형 셀은 수축하여 셀과 라이너가 밀착하게 된다. 라이너는 일회용일 수도 있으며 그렇지 않을 수도 잇다. 라이너는, 고형셀이 형성되면서 액체물질이 도관을 처음 통과할 때 그 안에 난류를 촉진시켜 용융물질의 중첩을 촉진시키도록 성형되거나 위치될 수도 있다. 중첩된 셀은 평균적인 수축/팽창 간극보다 작은 간극을 제공하여 내측 도관벽에 더 많이 접착하게 하여 열제거를 향상시킨다. 라이너의 측면들은 반경방형 내측 단면크기가 반경방향 외측 단면 크기보다 작도록 경사질 수도 있다.

용융물질로부터 열전달 도관 벽으로의 열전달을 도와주고 도관을 처음 통과하는 용융물질내에 난류를 증가시키기 위해 도관의 내측면에는 일체형의 돌출부가 제공된다. 상기 돌출부는 불연속 부재일 수도 있고, 도관 내주면을 따라 원주방향으로 혹은 나선형으로 연장될 수도 있으며, 이러한 돌출부들의 조합일 수도 있다. 돌출부의 측면은 도관표면에서 멀어질수록 내측으로 경사질 수도 있다.

열전달 도관은 예열하지 않을 경우에 발생될 수도 있는 간극을 감소시키고 도관내의 습기가 응축되는 것을 방지하기 위해 사용되기 전에 예열된다.

만약 도관내벽에 습기가 있으면, 도관으로 유입되는 용융물질에 물을 가열하여 증기를 발생시키기 때문에 파열될 수도 있다. 예열은, 예열하지 않을 경우 장치의 시동시에 과도기 상태중에 발생할 수도 있는 천이상태(transient conditon)의 영향을 최소화하는데 이용될 수도 있다. 천이상태에서는 셀이 아주 빨리 성장하여 조기 봉쇄를 야기하지만, 정상상태에서는 용융금속을 흐르게할 안정된 셀들이 형성될 것이다.

적어도 2개의 단편으로 이루어지는 열전달 도관은 단편 결합면들에 의해 내측단면형상이 고정되지 않도록 구성될 수도 있다. 열전달 도관은, 단편들을 상대 운동시켜 사용중에 응고 셀과 도관 사이에 형성된 간극을 감소시키거나 제거하도록 구성될 수도 있다. 도관 단편들의 결합면들 사이에는 압축성 물질이 위치되며, 이러한 물질을 압축시켜서 도관의 내부단면적이 사용중에 감소될 수도 있다.

도관의 내부 단면은 도관의 길이를 따라 일정할 수도 있고 가변적일 수도 있다. 도관 내부 단면은 한쪽 단부에서 다른쪽 단부까지 경사질 수도 있다. 선택적으로, 내부단면은 양단부에서 단면적이 최소로 되는 지점이나 지역까지내부를 향하여 경사질 수도 있다. 형성된 경사는 연속적일 수도 있으며, 주조에 필요한 조건들을 맞추기 위해 길이와 직경의 변동이 가변적일 수도 있는 불연속 계단들로 구성될 수도 있다.

어떤 도관의 각 단편은 양과 크기가 구조 조건들에 의해 결정되는 각각의 구간들을 접촉시켜서 구성될 수도 있다. 각각의 단편 구간은 그 종방향 및 직경방향 크기가 가변적이므로 조립되었을때 그 "직경"이 길이를 따라 가변적일 수 있는 계단식 도관이 형성될 것이다. 각각의 구간은 도관으로부터의 냉각이 그 길이와 "직경"의 불연속 부분들을 따라 조절되거나 전체 도관 냉각으로 이어질 수 있도록 각각의 냉각장치를 가질 수 있다.

도관을 통해 용융물질이 이동하는 방향은 일반적으로 수평 또는 수직일 수도 있고 수평에 대해 일정한 각도로 경사질 수도 있다. 또한 도관을 통해 흐르는 물질의 경로는 직선, 곡선 또는 나선이거나 이들의 조합식이므으로 물질내에 400/초 이하의 전단속도를 발생시키는 난류 유동이 존재하게 된다.

물을 분무하거나 유동층 또는 냉각제유동 재킷에 의해 열전달 도관 외측면이 냉각될 수도 있다. 각각의 경우에, 도관 외측면에 적용하는 냉각제양은 도관의 길이에 따라 다르게 된다.

도관을 흐르는 물질에서 열의 제거를 강화시키기 위해 경사형의 수냉식 맨드렐이 도관내에 위치될 수도 있다.

열전달 도관은 임계 최대길이(L) 대 직경(D)비를 갖도록 설치될 수도 있다. 여기서, 상기 직경(D)은 도관의 내부단면에 내접할 수 있는 최대한의 원의 직경으로서 정의된다. 0.5m/sec의 체적 속도를 갖는 액체강에 대해, 매끄러운 수냉식 원형도관이 약 30℃ 과열된 경우 액체 강 유입에 대해 최대L/D 비는 약 50이다. 실험에 의해 또는 수학적 모형에 의해 또는 이들의 조합에 의해 결정될 수 있는 일련의 조건에 대해 허용될 수 있는 최대L/D비가 있다. 첫번째 기준은 레이놀즈수가 4000 이상인 경우이고, 제2 기준은 도관을 통과하는 액체와 응고 셀 사이의 접경에서 전단 속도가 400/sec 이상인 경우다. 허용가능한 최대한의 L/D비율 그 자체는 도관내의 액체물질의 평균 체적속도, 셀/도관 접경에서는 열전단 조건들, 및 도관의 유효내경에 좌우된다. 하기의 방정식으로부터 액체강의 전단응력(T)에 관련된 전단 속도 역시 길이 방향 유동에 대한 평균 체적 속도(V)에 상당히 좌우된다는 것을 인식할 수 있다.

여기서 f는 고체/액체 사이의 마찰 계수이고,p는 액체 금속의 밀도이다. 다른 형태로 유발된 유동에 대해서는 그 관계가 다를 수도 있다.

도관의 내벽은 동, 강 또는 탄화규소와 같은 전도율이 높은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

사용시, 용융물질 유입온도가 낮을때는, 제거되는 열량이 감소되는 것이 바람직하다. 이것은, 냉각제의 흐름을 감소시키거나 셀과 도관 사이의 간극을 증가시키므로써 달성될 수 있다. 이런 간극의 증가는, 각각의 단편들을 서로 이격시켜 상대운동시키므로써 이루어질 수 있다. 상기 단편들은 셀을 직접 냉각시키는 적당한 냉각제와 숙련자에 의해 완전하게 제거될 수 있다.

주조 고장에서 각 주형들은 그의 냉각조건에 따라서 가변적으로 된다. 단지 하나의 도관만이 사용되는 경우, 사용중에 도관벽의 내측면위로 셀과 도관을 분리하는 절연층을 부가하므로써 냉각량을 조절할 수 있다.

절연층의 두께와 그 조성은 요구되는 바의 냉각을 제공하도록 가변적일 수도 있다.

정상 작동중에, 용융물질은 직선이거나 엘보우(elbow)와 같은 형상을 취하는 내화 부재들을 통해 열전달 도관을 드나들 수도 있다. 상기 도관과 한 두개의 내화 부재들은 분리될 수 있으므로 도관벽을 예열시키지 않고서도 내화부재들을 예열시킬 수 있다. 상기 내화부재들은 도관벽에 작용된 열처리에 상관없이 예열될 수도 있다. 내화부재들 내화예열의 손실을 최소화하면서 열전달 도관에 신속히 조립될 수 있는 방식으로 장착된다. 내화부재들은, 도곤의 구멍의 입구모서리와 출구모서리를 보호하는 열 장벽 기능을 하기 위해 도관에 들어가는 스피곳(spigot)을 포함하도록 성형될 수도 있다. 입구 내화재의 구멍은, 물질이 도관으로 유입될 때 도관내의 전단 속도를 향상시키는 접선 유동이나 나선 유동을 그 물질에 제공하도록 성형될 수 있다.

물질에서의 열 제거를 향상시키고 용융물질내의 전단 속도를 증가시키기 위해, 도관을 통해 흐르는 물질내에 자기 유체역학적 힘(magnetohydrodynamic force)을 발생시키는 자속 발생장비가 제공될 수 있다. 도관벽을 가열해서 응고물질셀의 전체나 일부를 용융시키는수단이 추가로 제공될 수도 있다. 이것은 주조하기 전에 도곤을 예열하는데 이용될 수도 있다.

냉각제가 도과에 닿기전에 그 유동 속도를 동력학적으로 변화시키므로써 도관에 의해 제거될 열량을 변화시킬 수 있다. 도관이 물 재킷을 포함하면, 냉각 틈새의 크기를 동력학적으로 가변시켜서 유동속도를 조절할 수 있다.

도관으로부터의 유출액은, 통상적인 주조 열전달내로 배출되거나, 응고되거나 부분적으로 응고된 가닥(strand)을 연속적으로 형성하는 1쌍의 로울러 닙(nip)안으로 배출될 수도 있다.

도관의 냉각 특성들을 향상시키고 용융물질내의 전단속도를 증가시키거나 셀의 성장을 둔화시키기 위해, 초음파도 포함하는 일정한 주파수로 도관을 진동시키는 수단이 제공될 수도 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해 하기에 상세히 서술될 것이다.

제1 도에 도시된 열전달 도관(1)은 단면이 원형이고 2개의 기다란 반원형 단편(1a, 1b)으로 구성된다. 사용시, 도관(1)의 중앙통로(4)를 통과하는 용융 금속은 응고되어 도관 내부 표면에 대해 고형 셀(2)을 형성하는 도관(1)은 사용중 일반적으로는 팽창되지만 셀(2)은 일반적으로 수축하여 간극(3)을 형성한다. 중력때문에 셀이 하강하므로 단일의 선 접촉이나 점 접촉이 발생한다. 따라서, 상기 간극(3)은 접촉선으로부터 반경향방향으로 180°위치에서 가장 크다.

4대의 종방향 단편으로 이루어진 사각 열전달 도관(5)이 제2 도에 도시되어 있다. 각각의 단편들은 그 대각선들이 일반적으로 수직 및 수평 평면에 있도록 배치된다. 도관내에서 용융물질이 응고되면서 형성된 고형의 셀(2)은 중력 때문에 그 둘레의 대략 절반 이상 도관의 내부 벽에 접촉하고, 나머지 벽 둘레는 간극(6)만큼 셀(2)에서 분리된다.

제3 도에 도시된 열전달 도관(7)은 제2 도의 도관과 유사하지만 종방향으로 연장된 융기부(10)들을 포함한다. 상기 융기부들에 의해, 다수의 접촉선에서 접촉이 이루어지며, 용융물질이 액체강이고 열전달 도관(7)으로 구성되었다면, 셀과 도관 사이에 약 0.8% 팽창/수축 변위가 발생하는데, 이것은 제3 도에 도시되어 있고, 그때 셀과 도관은 동축이다. 융기부(10)들의 정점 및 골(trough)들은 셀(2)로부터 간극(8)정도로 이격되어 있다.

열전달 도관(7)에 접속된 진동 유도장치(9)는, 소정의 주파수(초음파일 수도 있다)로 도관을 진동시켜 도관의 냉각 특성들을 개선시키고 유동하고 있는 용융물질내의 전단 속도를 증가시키거나 셀 성장을 둔화시킨다.

제4 도에서 좌측은 사용전의 사각형 열전달 도관(12)이고 우측은 사용중의 도관이다. 제4 도에 도시된 바와같이, 시동전에 저융점 첨가제나 용융제(15)로 열전달 도관(12) 내부표면을 댄다. 공정이 시작되면, 고형셀(2)이 급속 형성된다. 그때 첨가제나 용융제라이닝은 도면부호 14로 도시된 것처럼 용융되어 도면부호 16으로 도시된 높이까지 수축/팽창 간극을 부분적으로 충진한다. 저융점 첨가제나 용융제가 셀(2)과 열전달 도관(12) 사이에 형성된 수축/팽창 간극안으로 주입되면, 상기 간극 전체는 주입된 고전도율 첨가제나 용융제로 채워질 수 있다.

만일 공기 대신에 헬륨 기체가 수축/팽창 간극에 이용되면, 열전달 특성이 향상된다. 하나 이상의 전기코일(11) 형태를 취하는 자속 발생기는 열전달 도관(12) 주위에 위치된다. 코일에 의해 발생된 자속은 도관을 통해 흐르는 물질내에 자기 유체역학적 힘을 발생시켜 그곳으로부터 열제거를 개선시키고 용융물질내의 전단속도를 증가시킨다.

제5 도는 고형 갈 셀 두께가 10㎜이고 수냉식 도관이 동 제품일때, 공간이 정체공기로 채워져 있는 경우와 정체헬륨으로 채워져 있는 경우에 소정의 간극을 가로질러 이루어진 열 흐름을 비교한 그래프이다.

제6 도에 도시된 열전달 도관은, 경사형 라이너(19), 사각형 라이너(23), 사각형 돌출부(26), 및 경사형 돌출부(29)를 포함한다. 경사형 라이너(19)의 종단명은 그의 방사면들이 물질 유동의 축선(17)을 향하여 경사지도록 구성되어 있다. 라이너(19)는 도관의 일부분을 형성하는 홈(18)안으로 설치된다. 경사형 라이너(19)가 종방향으로 팽창하기 때문에, 셀(2)과 경사형 라이너(19)가 경사면(20)을 따라 밀착된다. 이와 동시에, 셀(2)은 종방향으로 국부적으로 수축되어 수축/팽창 간극을 없애서 통상적으로 제5 도에 도시된 개선된 열전달 특성을 제공한다. 방사상 수축/팽창 간극들은 도면부호 22에서는 셀(2)과 도관 사이에, 도면부호 21에서는 라이너(19)의 내측면과 셀(2) 사이에 남아 있다. 도관 몸체보다 온도가 높은 라이너(19)가 방사상으로 팽창하여 어떠한 틈새라도 메꾸어 버리므로써 라이너(19)와 홈(18)이 밀착된다.

사각형 라이너(23)도 경사형 라이너(19)와 유사한 방식으로 작동되어 방사면(24)을 따라 밀착하게 된다. 사각형 라이너(23)를 통해 제거된 열은 같은 크기의 홈(18)에 설치된 경사형 라이너(19)를 통해 제거된 열보다 적은데, 이는 사각형 라이너(23)의 내측면에 관련된 수축/팽창 간극(25)의 길이가 경사형 라이너(19)와 관련된 간극(21)의 길이보다 큰 반면, 방사면(24)의 길이는 셀(2)과 밀착했을 때 경사면(20)의 길이보다 작기 때문이다.

사용한 후에 본 발명에 따른 단편형 도관내에 사용된 라이너는 셀과 함께 회수되거나 폐기될 수 있다.

사각형 돌출부(26) 역시 공정 작업중에 종방향 팽창과 셀(2)의 수축을 통해 그 방사면(27)을 따라 셀과 밀착하게 된다. 방사상 수축/팽창 간극들은 도면부호 22에서는 셀(21)과 도관 사이에 그리고 도면부호 22에서는 셀(21)과 도관 사이에 그리고 도면부호 28에서는 직사각형 돌출부(26)의 내측면과 셀(2) 사이에 남아 있다.

경사형 돌출부(29)도 사각형 돌출부(26)와 유사한 방식으로 작동되어 방사면(30)을 따라 밀착하게 된다. 각각의 경사형 돌출부(29)의 종단면은 그의 방사면들이 물질 유동의 축선(17)쪽으로 경사지도록 구성된다. 사각형 돌출부를 통해 제거된 열은 경사형 돌출부(29)를 통해 제거된 열보다 적은데, 이는 도관벽에서 경사형 돌출부의 축선 길이가 간극(31)보다 큰 반면, 방사면(27)의 길이는 셀(2)과 밀접했을때 면들(30)의 의 길이보다 작기 때문이다. 셀(2)이 직사각형 돌출부 보다 경사형 돌출부를 갖는 도관에서 더 쉽게 제거될 수 있다는 점에서 경사형 돌출부(29)가 유리하다.

일반적으로, 균질 고체를 통한 열전달이 밀접해 있는 2개의 고체들을 통한 열전단 보다 양호하다는 점에서 돌출부가 라이너 보다 유리하다.

도관내에 있는 어떠한 돌출부나 라이너도 시동시에 용융금속내에 난류를 초래하여 중첩이 발생하게 한다. 고형 셀의 중첩은 더 많은 수의 점 접촉이나 선 접촉을 초래하여 열제거를 개선시킨다.

돌출부나 라이너는 도관의 다음 사용을 위하여 셀로부터 용이하게 분리되도록 분할 될 수도 있다.

제7 도 내지 제9 도에는 다른 사각단면의 열전달 도관이 도시되어 있다. 이 도관은 4개의 유사한 단편(32)들을 2개의 후방 프레임(33)에 결합하여 형성된다. 단편(32)들중 2개는 도관의 길이를 따라 위치된 볼트(35)에 의해 각각의 후방 프레임(33)에 장착되어 도관의 절반부를 형성한다. 완전한 열전달 도관은 후방 프레임(33)들을 볼트(36)로 조이므로써 형성된다. 상기 단편(32)들은 상이한 종방향 팽창에 의한 응력의 발생을 최소화하기 위해 각각의 후방 프레임(33)에 위치된 종방향 틈새(34)에 설치된다. 이러한 응력들은 각각 단편(32)에 있는 볼트(36)용 종방향 틈새와 볼트(35)용 틈새를 병합시키므로써 더욱 최소화된다.

각 단편(32)은 특정 냉각제속도에 필요한 열 제거율을 제공하는 크기를 갖는 냉각 틈새(37)를 갖는다. 냉각제의 속도는 냉각제틈새(37)의 폭, 보다 자세하게는 두께(X)를 적당히 변화시키므로써 각 단편(32)의 길이를 따라 변화될 수 있다. 물과 같은 냉각제는 파이프(38)를 거쳐 냉각제틈새(37)로 유입되어 파이프(39)를 통해 유출된다. 냉각제는 단편(32)들의 어느쪽 단부에서도 유입될 수 있지만 용융물질과 동일한 단부에서 유입되는 것이 바람직하다. 각각의 단편(32)은 냉각제틈새(37)가 먼지등으로 오염되었는지를 점검하기 위해 볼트(41)에 의해 고정된 적어도 하나의 덮개(41)를 포함한다.

도관을 사용한 뒤에는 중공의 고형 셀(2)이 남게 된다. 상기 셀(2)은 볼트(36)를 제거한후 수평 축선을 따라 열전달 도관을 하나의 후방 프레임(33)과 각각의 2개의 단편(32)에 의해 형성된 절반부 운반체로 분할해서 쉽게 꺼낼 수 있다. 이러한 공정은 셀(2)의 어떠한 뒤틀림에 의해서도 영향을 받지 않는다.

셀(2)은 상반부 둘레에 수축/팽창 간극이 있는 도관에 형성된다. 수축/팽창 간극을 제거하며 제거되는 열의 양을 증가시킬 수 있다. 제10도에 되시된 바와 같은 장치를 이용해서 수축/팽창 간극을 제거할 수 있다. 볼트(36)는 절반부 운반체 조립체를 각자가 수평 축선(42)을 향하여 또는 이로부터 멀어지도록 이동될 수 있는 안내부(43)로 대체된다. (규소 섬유와 같은) 내열성의 압축성 물질로 이루어진 압축층 즉 가스켓(44)이 단편들의 두 결합면 사이에 위치되므로써 2개의 절반부 도관 조립체들이 "Y"의 결합면 간격을 제공하는 소정의 위치에 있게 된다. 공정이 시작된 직후 고형 셀과 수축/팽창 간극이 형성될 것이다. 그후 절반부 도관 조립체중 한개나 2개의 힘(F)이 가해져서 전체 수축/팽창 간극이 없어지고 셀(2)과 밀착할때까지 상기 조립체들을 서로 접근시킨다. 상기 힘(F)은 도관의 전체 사용주기 동안 계속될 것이다. 힘(F)은 스프링, 공압, 유압 또는 전자기적으로나 다른 적당한 수단으로 가해져서 절반부 운반체 조립체들을 밀착시킬 수 있다.

제11도에는 채널(46)과 가동판(47)으로 구성된 투피스형(two piece type) 열전달 도관이 도시되어 있으며, 상기 가동판(47)은 공정을 시작하기 전에 고정 위치에 파지된다. 셀(2)이 형성되면, 가동판(47)과 셀(2)이 밀착할때까지 미끄럼면(48)에 의해 내측으로 안내되어 이동하는 가동판(47)상에 힘(P)이 가해진다. 상기 힘(P)은 제10도에서 설명된 힘(P)과 유사한 방식으로 가해질 수 있다.

제12도는 물질 입구에서 유동 축선(17)을 갖는 경상형 열전달 도관(50)을 표시하는데, 그 내측치수는 a＜b나 a＞b와 같은 입구에서 바깥쪽까지 선형으로 경사져 있다. 이런 형태의 도관은 셀을 쉽게 제거할 수 있게 하며, 사용중에 도관내에 형성된 고형 셀을 향해 물질 유동 축선(17) 방향으로 도관을 이동시켜 밀착시키므로써 열을 제거하는데 유리하다.

제13도에 도시되 이중 테이퍼식 도관(51)에는 하기와 같은 관계가 이용될 수 있다. 즉

ⅰ) d＜e& c c=e

ⅱ) d＜e& c c＜e

ⅲ) d＜e& c c＞e

용융물질은 어느쪽으로부터라도 유입될 수 있다. 이런 형태의 도관은 열을 제거하는데 유리하다. 공정이 정상 상태 조건에 접근함에 따라. 도관애에 형성된 셀은 방사상으로 수축하지만 도관 자체는 방사상으로 팽창하여 상술한 바와 같은 수축/팽창 간극을 제공한다. 이와 동시에, 도관이 물질 유동 축선을 따라 팽창되고 셀은 수축되므로써 수축/팽창 간극이 감소되어 열이 제거할 수 있다. 상기 이중 경사식 중공 운반체는 도관내의 셀이 공정의 말기에서 제거될 수 있도록 상술한 용이하게 분리될 수 있는 단편들을 이용한다. 즉, 도관 양단부 사이에는 최소한의 직경치수가 존재하기 때문에 셀은 물질 유동 축선을 따라 제거될 수 있다.

수형 맨드렐(male mandrel)(33)을 이용하는 열전달 도관(52)이 제14도에 도시되어 있다. 중공의 열전달 도관(52)은 외부 냉각되며 수형 맨드렐(53)은 냉각제가 흐르는 채널(54)을 이용하므로써 내부 냉각된다. 이런 배치는 열 제거 특성들을 개선한다. 이와같은 개선은, 셀이 직경 방향으로 수축되고 맨드렐도 팽창되어 그들 사이가 밀착하게 하므로써 이루어질 수 있다. 열전달 도관(52)과 맨드렐(53)은 각각 선택적으로 물질 유동 축선(17)을 따라 나란히 평행하거나 경사질 수 있다. 각 경우에, 물질의 유동에 이용할 수 있는 영역은 도관 길이를 따라서는 거의 일정해야 한다.

열전달 도관(52)과 수형 맨드렐(53)은 공정의 마지막에 셀의 제거에 도움을 주기 위하여 경사지도록 형성되는 것이 바람직하다. 맨드렐(53)은 물질이 맨드렐단부(55)를 향하거나 이로부터 멀어지는 방향으로 흐르도록 위치될 수 있다.

제15 및 16도는 2개의 경사형 절반부 단편(56, 57)을 갖는 분할식 열전달 도관을 도시하는데, 상기 단편은 경사부가 도관의 구멍이 물질유동 축선(60)이 되는 평행한 측부 도관을 형성하도록 장착된다.

사용중에, 용융물질이 흐르는 중공의 셀(2)은 도관내에 형성되고, 그 경사형 절반부 단편(56, 57)의 단부들은 일렬로 일치된다. 수축/팽창 간극(59)이 형성된다. 2개의 경사형 단편(56, 57)은 서로 반대 방향으로 움직인다. 즉 단편(57)은 B방향으로 움직이고, 단편(56)은 C방향으로 움직인다. 경사형 절반부 단편(56, 57)은 서로 밀착될 때까지 즉, 총 이동거리가 열 제거작용을 제공하는 거리(m)가 될 때까지 독자적으로 이동된다.

제17도에는 제9 도 및 제10도에 도시된 도관들과 다른 도관 단편이 도시되어 있다. 이러한 도관 단편은 가동판(63)과 고정판(62)을 이용한다. 가동판(63)은 A방향으로 이동되어 치수(a)의 크기를 증가시키거나 감소시키므로써 열전달율을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 가동판(63)과 고정판(62) 사이의 접촉면 둘레에는 밀봉부(64)가 제공된다.

어떤 특정 도관은 단부에 다른 구간이 추가되므로써 그 길이가 조절될 수 있다. 이것은 한 이용상태에서 다른 이용상태로 변하는 조건들을 맞추기 위해 가변 길이로된 도관을 가질 수 있게 하기 위해서다.

요컨대, 본 발명은 상기 특징들 모두나 그중 1개 이상의 조합에 의해 단편식 열전달 도관내에서의 셀 형성으로 인한 물리적 문제와 열전달 문제들을 해결하기 위한 것이다.

Claims (14)

1. 수납용기나 송출 시스템으로부터 이송되는 용융물질의 흐름을 냉각하기 위한 장치에 있어서, 길이방향으로 연장되는 적어도 2개의 분리가능한 단편(1a,1b,32,46,47,56,57)과, 도관 내부로부터의 응고물질과 이물질을 제거하도록 선택적으로 분리될 수 있는 단일의 열전달 도관(1,5,7,12,32,50,51,52)을 형성하기 위해 상기 단편들을 해제가능하게 조립하는 수단(33,35)을 구비한 열전달 도관(1,5,7,12,32,33,50,51,52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
2. 제1항에 있어서, 분리가능한 도관(1a,1b,32,46,47,56,57)은 단일의 도관을 형성하도록 해제가능하게 고정되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
3. 제1항에 있어서, 열전달 도관(7)의 내측면은 적당한 파형의 융기부(10)를 갖도록 성형되어 열전달 도관(7)과 이 도관을 통과하는 물질의 접촉을 증진시키는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
4. 제1항에 있어서, 공기와는 다른 열전도율을 갖는 라이닝을, 도관 사용중에, 도관 내측면과 응고 용융물질 사이를 분리시키는 곳에서 열전달 도관(12)안으로 주입하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 도관이 도관 내측면과 접촉되어 팽창되는 적어도 하나의 분리가능한 라이너(19, 23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
6. 제1항에 있어서, 열전달 도관(50,51,52)의 내부 단면은 도관 길이를 따라 변하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
7. 제1항에 있어서, 열전달 도관은 조립됐을때 단면이 곡선이거나 다변형인 중공 도관을 형성하는 적어도 2개의 분리가능한 단편(32)을 포함하며, 상기 각각의 단편(32)은 단편과 도관을 통과하는 물질 사이의 열전달율을 제어하는 수단(37)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
8. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 단편(32)은 적어도 하나의 다른 단편(32)에 대해 도관의 종방향 중앙선을 향하거나 또는 이로부터 멀어지도록 이동가능한 것을 특징으로 하는 냉각장치.
9. 제1항에 있어서, 열전달 도관(52)내에 수형 맨드렐(53)이 설치되고, 맨들렐의 종축선은 도관은 종축선과 일치하며, 상기 맨드렐(53)에 형성된 길이방향 연장 통로인 채널(54)을 따라 냉각제매질을 운반하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
10. 제1항에 있어서, 도관과 맨드렐(53)을 진동시키는 진동 유도장치(9)가 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
11. 제1항에 있어서, 도관을 통해 흐르는 물질내에 자기유체 역학적 힘을 생성시키는 자속 발생 수단인 전기코일(11)이 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 도관은 적어도 2개의 경사형 절반부 단편(56,57)을 포함하며, 상기 경사형 절반부 단편중 적어도 하나는 다른 하나에 대해 도관의 길이 방향으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 냉각장치.
13. 제1항에 있어서, 적어도 1개의 단편은 적어도 2개의 종방향 구간으로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
14. 수납용기나 송출시스템으로부터 이송되는 용융물질을 냉각하는 방법에 있어서, 용융물질을 적어도 2개의 분리가능한 단편(1a,1b,32,46,47,56,57)을 포함하는 열전달 도관(1,5,7,12,32,33,50,51,52)을 통과시키는 단계와, 상기 열전달 도관(1,5,7,12,32,33,50,51,52)의 내측면이나 이 내측면에 인접해서 고형 물질인 셀(2)을 형성하도록 상기 용융물질로부터 열을 추출하는 단계와, 열이 추출되는 비율을 제어하여 상기 열전달 도관(1, 5, 7, 12, 32, 33, 50, 51, 52)을 통하는 용융물질의 유동을 유지하는 단계와, 고형화된 셀(2)의 제거를 촉진시키기 위해 단편(1a,1b,32,46,47,56,57)을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융물질의 냉각방법.

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