WO2012157862A2 - 조립(분할)형 냉도가니를 포함하는 전자기 연속 주조 장치 - Google Patents

조립(분할)형 냉도가니를 포함하는 전자기 연속 주조 장치 Download PDF

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WO2012157862A2
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cold crucible
continuous casting
cold
electromagnetic
crucible body
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이종우
이재욱
조성대
이순규
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주식회사 케이씨씨
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    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
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    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/049—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for direct chill casting, e.g. electromagnetic casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/06—Ingot moulds or their manufacture
    • B22D7/08—Divided ingot moulds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic continuous casting device comprising an assembled (split) type cold crucible. More specifically, the invention includes a plurality of identically symmetrical lower open cold crucibles having a structure of at least a portion of the circumferential direction divided into segments by longitudinal slits and having a same symmetry.
  • the present invention relates to an electromagnetic continuous casting device for producing silicon ingots for solar cells by solidifying molten silicon by electromagnetic induction heating.
  • a single crystal method As a method of manufacturing a substrate for a solar cell, a single crystal method, a polycrystal method, a substrate growth method, and a thin film method exist.
  • the single crystal method has been most used until the mid-1990s due to its excellent conversion efficiency, but recently, the polycrystal method has been mainly used due to the development and price problems of impurity removal technology, grain boundary processing technology, and cell processing technology.
  • the cast method is a method of solidifying molten silicon into a quartz crucible or graphite mold.
  • the molten silicon and the walls of the crucible come into contact with impurities to form impurities in the silicon ingot,
  • the release agent used to prevent fusion between crucibles is incorporated into the molten silicon.
  • continuous casting is impossible, the fall of production efficiency is inevitable.
  • the electromagnetic continuous casting method is a method for continuously manufacturing a semiconductor or metal material having a relatively low electrical conductivity in an ingot form using an electromagnetic induction phenomenon.
  • Electromagnetic induction is used to supply the heat of fusion required to melt the raw materials being supplied, or to create an electromagnetic pressure that prevents the melt from contacting the crucible wall.
  • the induction magnetic field becomes smaller in response to moving away from the lower end of the high frequency induction coil. Therefore, the induced current decreases and the amount of heat generated decreases, so that the silicon solidifies from the lower end of the molten silicon to the upper end so that the silicon ingot Is produced.
  • a bottom open cold crucible which is composed of a segment at least partially divided by longitudinal slits along the circumferential direction.
  • the divided segment consists of a water-cooled structure in which cooling water passes through for the purpose of solidifying the molten metal and protecting the cold crucible.
  • Ingots produced in cold crucibles may have a cross section corresponding to the cross-sectional shape and size of the internal space of the cold crucible, and ingots formed by continuous supply of raw materials may be continuously discharged from the bottom of the cold crucible so that silicon polycrystalline ingots are continuously It can be prepared as.
  • the production of polycrystalline silicon ingots by electromagnetic continuous casting method minimizes impurity contamination by preventing molten silicon from contacting the inner wall of the crucible, and can continuously produce silicon ingots, thereby greatly reducing manufacturing costs. It is possible.
  • the manufactured polycrystalline silicon ingot can improve wafer yield through the development of ultra-thin polycrystalline silicon wafer having a thickness of 150 ⁇ m or less by using the advantage that the breakage rate is low in the wafer processing process.
  • the crucible In conventional electromagnetic continuous casting apparatus, the crucible is used in one piece to prevent deformation of the crucible and to form a uniform electromagnetic induction in the molten silicon. As the cross-sectional area of the ingot increases, the hydrostatic pressure of the molten silicon in the cold crucible also increases. In this case, local damage or shape distortion occurs in the segments and slits constituting the cold crucible. Damage or distortion of some of the crucibles may require repair, shorten the life of the crucible, increase equipment costs, and reduce the productivity of the silicon ingot. When using a conventional integrated cold crucible, there is a problem in terms of cost and time because the entire cold crucible must be replaced even when only a part of the cold crucible is damaged.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the first object of the present invention is to configure the structure of the conventional open bottom cold crucible in a plurality of assembly (split) type when local damage occurs in the cold crucible.
  • the present invention provides a silicon electromagnetic continuous casting apparatus capable of stable continuous casting by enabling partial repair and facilitating replacement.
  • the second object of the present invention is to assemble cold crucible parts, effectively combining cold crucible parts in the upper and lower parts of the cold crucible body to achieve the same dimensional stability (dimension of internal cross-sectional area of cold crucible) and performance as an integrated cold crucible. It is to provide a silicon electromagnetic continuous casting device comprising a crucible.
  • a third object of the present invention is to provide a silicon electromagnetic continuous casting apparatus including a cold crucible capable of minimizing damage inside the cold crucible while stably performing continuous casting while limiting the width of the segment to 20 to 60 mm.
  • Electromagnetic continuous casting device according to an embodiment of the present invention
  • the induction coil It is disposed inside the induction coil, and includes a conductive open bottom cold crucible having a structure divided into segments by longitudinal slits, and melted by electromagnetic induction heating by the induction coil.
  • An electromagnetic continuous casting apparatus for solidifying silicon in a downward direction wherein the cold crucible includes a plurality of cold crucible parts, and the sides of the cold crucible part are joined to each other to form a cold crucible body surrounding an inner space. It is done.
  • the cold crucible part may have a protrusion formed at a central portion thereof toward the inner space, and the protrusions and sides of the cold crucible parts may be engaged with each other to form the cold crucible body.
  • the cold crucible may include: an upper connection plate at which a portion corresponding to the inner space is opened; And a lower connection plate in which a portion corresponding to the inner space is opened, wherein the upper connection plate is fixed to the cold crucible body and the fastening means on an upper surface of the cold crucible body, and the lower connection plate is the cold crucible.
  • the cold crucible may be fixed to the cold crucible body and the fastening means at the bottom of the main body to maintain a constant shape.
  • the cold crucible may include a plurality of upper connecting members having a translator shape; And a lower connection plate having an opening corresponding to the inner space, wherein the upper connection member is in contact with the upper surface of the cold crucible body and the upper side of the cold crucible body, and surrounds the joint seam of the cold crucible parts. While being fixed by the fastening means, the lower connection plate is fixed to the cold crucible body and the fastening means on the lower surface of the cold crucible body can maintain a constant shape.
  • the cold crucible may include a plurality of upper connecting members having a translator shape; And a lower connection plate in which a portion corresponding to the inner space is opened, wherein the cold crucible part comprises: an upper protrusion protruding to an upper surface of a side of the cold crucible part; And a side protrusion protruding to the side of the side of the cold crucible part, when the sides of the cold crucible part are coupled to each other, the upper protrusion and the side protrusion are engaged with each other to be fixed by a fastening means, and the upper connection member Is in contact with the upper surface of the upper projection and the side of the side projection, and is fixed by the fastening means while wrapping the coupling seams of the cold crucible parts, the lower connection plate is the cold crucible body and the fastening means at the lower surface of the cold crucible body It can be fixed to maintain a constant shape.
  • variety of the said segment is 20-60 mm.
  • the electromagnetic continuous casting device Due to the configuration as described above, the electromagnetic continuous casting device according to an embodiment of the present invention has the following effects.
  • the cold crucible parts are effectively combined at the upper and lower parts of the cold crucible body to exhibit the same deformation preventing effect and the same performance as the integrated cold crucible.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of the cold crucible part in the electromagnetic continuous casting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a cold crucible body in which cold crucible parts are combined in an electromagnetic continuous casting apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a configuration for fixing the upper connection plate and the lower connection plate on the upper and lower portions of the cold crucible body in the electromagnetic continuous casting apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is a view showing a configuration for fixing the upper connection member and the lower connection plate on the upper and lower portions of the cold crucible body in the electromagnetic continuous casting device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a configuration for fixing the upper connection member and the lower connection plate on the upper and lower portions of the cold crucible body in the electromagnetic continuous casting device according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 6A is a diagram showing the state of molten silicon due to electromagnetic pressure when the width of the segment is 65 mm or more.
  • Fig. 6B is a diagram showing the state of molten silicon due to electromagnetic pressure when the width of the segment is 60 mm or less.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of the cold crucible part 110 in the electromagnetic continuous casting device according to an embodiment of the present invention.
  • Electromagnetic continuous casting apparatus is disposed inside the induction coil, and has a conductive open bottom cold crucible forming a structure in which at least a portion of the circumferential direction is divided into segments by longitudinal slits,
  • the silicon ingot is manufactured by melting silicon by electromagnetic induction heating by an induction coil and then solidifying it downward.
  • the cold crucible comprises a plurality of cold crucible parts 110.
  • Cold crucible parts 110 are preferably the same shape.
  • the cold crucible parts 110 form a cold crucible body 100 in which the respective side portions 116 (indicated by dashed lines in FIG. 1) are joined to each other to surround the internal space 119.
  • the cold crucible body 100 may have a rectangular shape, a circular shape, or various other polygonal shapes. That is, the plurality of cold crucible parts 110 combine with each other to form an assembled cold crucible.
  • a case in which the cold crucible body 100 is a quadrangle has been described as an example, but is not limited thereto.
  • the four cold crucible parts 110 are described as being combined with each other to form the cold crucible body 100, it is also possible to combine a variety of cold crucible parts 110.
  • the lower portion 114 of the cold crucible part 110 is spaced at regular intervals, and a plurality of slits 120 penetrating the outside and the internal space 119 of the cold crucible body 100 are formed in a vertical direction, and the slits ( A segment 130 is formed between the 120.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a cold crucible body 100 to which cold crucible parts 110 are connected in an electromagnetic continuous casting apparatus according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the cold crucible part 110 has a protrusion 118 at the center thereof, which faces the internal space 119, such that the protrusion 118 and the side 116 of the cold crucible part 110 are mutually connected. Interlocking to form a cold crucible body 100.
  • the protrusion 118 and the side 116 may be firmly coupled to each other, rather than the side 116 of the cold crucible parts 110 to each other.
  • FIG 3 is a view illustrating a configuration of fixing the upper connection plate 142 and the lower connection plate 144 on the upper and lower portions of the cold crucible body 100 in the electromagnetic continuous casting apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the cold crucible parts 110 combine with each other to form a cold crucible body 100.
  • the cold crucible parts 110 may be more firmly coupled to the upper and lower parts of the cold crucible body 100. Accordingly, the upper connection plate 142 having the portion corresponding to the internal space 119 is opened is fixed to the cold crucible body 100 and the fastening means 180 on the upper surface of the cold crucible body 100, and the internal space 119.
  • the lower connection plate 144 having an opening corresponding to) is fixed to the cold crucible body 100 and the fastening means 180 at the lower surface of the cold crucible body 100.
  • the fastening means 180 is preferably a bolt.
  • FIG 4 is a view illustrating a configuration of fixing the upper connection member 150 and the lower connection plate 144 on the upper and lower portions of the cold crucible body 100 in the electromagnetic continuous casting apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the upper connecting members 150 of the translator shape are fixed to the fastening means 180 while surrounding the coupling seams 145 of the cold crucible parts 110 while being in contact with the upper surface and the upper side of the cold crucible body 100.
  • the lower connection plate 144 is fixed to the cold crucible body 100 and the fastening means 180 on the lower surface of the cold crucible body 100 as in FIG. 3.
  • FIG 5 is a view showing a configuration for fixing the upper connection member 150 and the lower connection plate 144 on the upper and lower portions of the cold crucible body 100 in the electromagnetic continuous casting apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the cold crucible parts 110 are projected to the side of the upper projection 160 projecting to the top surface of the side 116 of the cold crucible part 110 and the side 116 of the cold crucible part 110.
  • the protrusion 170 is provided.
  • the upper connection member 150 is in contact with the upper surface of the upper protrusion 160 and the side of the side protrusion 170 engaged with each other, and wrap around the coupling seam 145 of the cold crucible parts 110 and is fixed by the fastening means 180.
  • the lower connection plate 144 is connected to the cold crucible body 100 and the fastening means 180 at the lower surface of the cold crucible body 100.
  • the fastening means 180 is preferably a bolt.
  • the upper connecting member 150, the upper connecting plate 142 and the lower connecting plate 144 should be prevented from deformation of the cold crucible body 100, the material having excellent mechanical strength is used Should be.
  • the heat generated by the electromagnetic induction should be minimized, if the material of the metal is not magnetic, it should be excellent in electrical conductivity, In the case of nonmetals, the electrical insulation is to be excellent.
  • the horizontal and vertical dimensions of the inner diameter of the cold crucible are 320 to 550 mm, and the ratio of the horizontal and vertical is preferably 0.6 to 1.7.
  • the width of the segment 130 of the lower open-type cold crucible part 110 was manufactured while changing the width to 18 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm, 55 mm, and 65 mm, and the width of the slit 120 was 0.5 mm to process the slit 120. Mica plates were inserted for insulation.
  • the inner diameter of the cold crucible was 350 mm x 350 mm and the length was 550 mm.
  • the upper connection plate 142 and the lower connection plate 144 may be provided to maintain a constant shape on the upper and lower portions of the cold crucible body 100 to which the four cold crucible parts 110 are coupled. By fastening using a bolt, it was possible to maintain the same shape as the integrated cold crucible.
  • the cold crucible parts 110 were made by oxygen-free copper having excellent electrical conductivity, and consisted of 11 segments 130 in total, and the segment width was 30mm and the slit width was 0.3mm.
  • the upper connection plate 142 and the lower connection plate 144 used the same oxygen-free copper as the cold crucible, and used bolts heat-treated to exhibit nonmagnetic properties.
  • Oxygen-free copper is relatively soft, so all tab structures are made of nonmagnetic helical coils.
  • the cold crucible part 110 was manufactured to have a protrusion 118 of 2 mm.
  • the finished cold crucible was 345 x 345 mm in inner diameter and 550 mm in length, with 44 segmented segments.
  • Example 2 Same as Example 2, except that the upper portion of the cold crucible body 100 was fixed using the upper connection member 150, and the lower portion was fixed using the lower connection plate 144. In order to maintain the assembly strength of the coupling portion, the upper connection member 150 used heat treated stainless steel.
  • the upper projections 160 and the side projections 170 are positioned on the upper and side surfaces of the cold crucible part by welding to form a separate coupling block
  • the tab structure was fabricated using the helical coil. Hole processing was performed on the side of the coupling block, and the bolt nut structure was fastened to allow additional coupling between cold crucible parts.
  • FIG. 6 (a) is a view showing a state of molten silicon due to electromagnetic pressure when the width of the segment 130 is 65 mm or more according to the first embodiment, and FIG. 6 (b) is 60 mm in the width of the segment 130. In the following case, it is a figure which shows the state of molten silicon by electromagnetic pressure.
  • the width of the segment 130 in the electromagnetic continuous casting device according to an embodiment of the present invention is preferably 20 to 60mm.

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Abstract

본 발명은 조립형 냉도가니를 포함하는 전자기 연속 주조 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치는, 유도 코일의 내측에 배치되고, 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루는 도전성의 하부 개방형 냉도가니를 포함하며, 상기 유도 코일에 의한 전자기 유도가열에 의하여 용융된 실리콘을 하부 방향으로 응고시키는 전자기 연속 주조 장치에 있어서, 상기 냉도가니는 복수의 냉도가니 파트들을 포함하되, 상기 냉도가니 파트의 측부들이 상호 결합되어 내부 공간을 둘러싸는 냉도가니 본체를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

조립(분할)형 냉도가니를 포함하는 전자기 연속 주조 장치
본 발명은 조립(분할)형 냉도가니를 포함하는 전자기 연속 주조 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루는 다수의 동일한 대칭성을 갖는 조립(분할)형의 하부 개방형 냉도가니를 포함하고, 유도 코일에 의한 전자기 유도 가열에 의하여 용융된 실리콘을 하부 방향으로 응고시켜 태양 전지용 실리콘 잉곳을 제조하는 전자기 연속 주조 장치에 관한 것이다.
현재 태양전지용 기판을 제조하는 방법으로는 크게 단결정법, 다결정법, 기판성장법 및 박막법이 존재한다. 이 중에서 1990년대 중반까지는 단결정법이 우수한 변환효율로 인하여 가장 많이 쓰여 왔지만, 최근 들어서는 불순물 제거기술, 결정립계 처리기술 및 셀 공정기술 등의 발전과 가격문제로 인하여 다결정법이 주종을 이루고 있다.
다결정 실리콘 제조 기술 중 캐스트(Cast)법은 용융 실리콘을 석영 도가니나 흑연제의 주형으로 응고시키는 방법으로서, 이 방법은 용융된 실리콘과 도가니의 벽이 접촉하여 실리콘 잉곳에 불순물 오염이 생기고, 잉곳과 도가니 간의 융착을 방지하기 위해 사용되는 이형제가 용융된 실리콘에 혼입되는 문제점이 존재한다. 또한, 연속 주조가 불가능하기 때문에 생산 효율의 저하를 피할 수 없다.
전자기 연속 주조법은 전기전도도가 비교적 낮은 반도체 또는 금속재료를 전자기유도 현상을 이용하여 잉곳 형태로 연속 제조할 수 있는 방법이다. 공급되는 원재료를 녹이는 데에 필요한 용융열을 공급하기 위해, 또는 용융액이 도가니 벽면에 접촉하지 못하게 하는 전자기압의 생성을 위해 전자기유도 현상을 이용한다. 용융된 실리콘을 하부 방향으로 이동시키면 고주파 유도코일의 하단부에서 멀어지는 것에 대응하여 유도 자장이 작아지기 때문에, 유도전류가 저하되고 발열량이 감소하여, 용융 실리콘의 하단부에서 상단부로 실리콘이 응고되어 실리콘 잉곳이 제작된다.
이러한 전자기 연속 주조법에는 하부 개방형의 냉도가니가 사용되는데, 이 냉도가니는 둘레 방향을 따라서 적어도 일부분이 종 방향의 슬릿들에 의해 분할된 세그먼트로 구성된다. 분할된 세그먼트는 용탕의 응고와 냉도가니의 보호를 목적으로 내부로 냉각수가 통과하는 수냉 구조로 이루어져 있다. 냉도가니에서 제조되는 잉곳은 냉도가니의 내부 공간의 단면 형태 및 크기에 준하는 단면을 가질 수 있으며, 연속적인 원재료의 공급으로 형성되는 잉곳은 냉도가니 하부에서 연속적으로 배출될 수 있으므로 실리콘 다결정 잉곳이 연속적으로 제조될 수 있는 것이다.
전자기 연속 주조법으로 다결정 실리콘 잉곳을 제조하게 되면, 용융 실리콘이 냉도가니 내측 벽에 접촉하지 않게 하여 불순물 오염을 최소화할 수 있고, 연속적으로 실리콘 잉곳을 제조할 수 있기 때문에, 제조 비용의 대폭적인 절감이 가능하다. 또한, 제조된 다결정 실리콘 잉곳이 웨이퍼 가공 공정에서 파손(breakage)율이 낮은 장점을 이용하여 두께 150㎛이하의 초박형 다결정 실리콘 웨이퍼 개발을 통해 웨이퍼 수율을 향상시킬 수 있다.
종래의 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니는 냉도가니의 변형을 방지하고, 용융 실리콘에 균일한 전자기 유도를 형성하기 위해 일체형으로 사용되었다. 잉곳의 단면적이 증가함에 따라 냉도가니 내 용융실리콘의 정수압 역시 증가하게 되는데, 이 경우, 냉도가니를 구성하는 세그먼트 및 슬릿에 국부적인 손상이나 형상의 왜곡이 발생하게 된다. 냉도가니 중 일부에 손상이나 왜곡이 발생하면, 이에 대한 수리가 요구되고, 도가니의 수명이 짧아지게 되며, 설비 비용이 상승하고, 실리콘 잉곳의 생산성이 저하될 수 있다. 종래의 일체형 냉도가니를 사용하면, 냉도가니 중 일부에만 손상이 발생한 경우에도 전체 냉도가니를 교체해주어야 하므로 비용 및 시간적인 면에서 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제1목적은 종래의 하부 개방형 냉도가니의 구조를 복수의 조립(분할)형으로 구성하여 냉도가니에 국부적 손상이 발생하는 경우, 부분적 수리를 가능하게 하고, 교체를 용이하게 할 수 있도록 하여 안정적인 연속주조가 가능한 실리콘 전자기 연속 주조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 냉도가니 파트들을 조립시, 냉도가니 본체의 상부 및 하부에서 냉도가니 파트들을 효과적으로 결합하여 일체형 냉도가니와 동일한 치수 안정성(냉도가니 내부 단면적의 치수) 및 성능을 발휘하는 냉도가니를 포함하는 실리콘 전자기 연속 주조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3목적은 세그먼트의 폭을 20 내지 60mm로 한정하여, 안정적으로 연속 주조를 하면서, 냉도가니 내부의 손상을 최소화시킬 수 있는 냉도가니를 포함하는 실리콘 전자기 연속 주조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치는,
유도 코일의 내측에 배치되고, 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루는 도전성의 하부 개방형 냉도가니를 포함하며, 상기 유도 코일에 의한 전자기 유도가열에 의하여 용융된 실리콘을 하부 방향으로 응고시키는 전자기 연속 주조 장치에 있어서, 상기 냉도가니는 복수의 냉도가니 파트들을 포함하되, 상기 냉도가니 파트의 측부들이 상호 결합되어 내부 공간을 둘러싸는 냉도가니 본체를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉도가니 파트는, 중앙부에 상기 내부 공간을 향하는 돌출부가 형성되고, 상기 냉도가니 파트들의 돌출부와 측부가 상호 맞물리며 결합되어 상기 냉도가니 본체를 형성할 수 있다.
상기 냉도가니는, 상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 상부 연결 플레이트; 및 상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 하부 연결 플레이트를 더 포함하되, 상기 상부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 상면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되고, 상기 하부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 하면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되어 일정한 형상을 유지할 수 있다.
상기 냉도가니는, 기역자 형상의 복수의 상부 연결 부재들; 및 상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 하부 연결 플레이트를 더 포함하되, 상기 상부 연결 부재는 상기 냉도가니 본체의 상면과 상기 냉도가니 본체의 상부 측면에 접하고, 상기 냉도가니 파트들의 결합 이음새를 감싸면서 체결 수단으로 고정되고, 상기 하부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 하면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되어 일정한 형상을 유지할 수 있다.
상기 냉도가니는, 기역자 형상의 복수의 상부 연결 부재들; 및 상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 하부 연결 플레이트를 더 포함하되, 상기 냉도가니 파트는, 상기 냉도가니 파트의 측부의 상면으로 돌출된 상부 돌출부; 및 상기 냉도가니 파트의 측부의 측면으로 돌출된 측부 돌출부를 포함하여, 상기 냉도가니 파트의 측부들이 상호 결합될 때, 상기 상부 돌출부와 측부 돌출부가 각각 서로 맞물려 체결 수단으로 고정되고, 상기 상부 연결 부재는 상기 상부 돌출부의 상면 및 상기 측부 돌출부의 측면에 접하고, 상기 냉도가니 파트들의 결합 이음새를 감싸면서 체결 수단으로 고정되며, 상기 하부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 하면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되어 일정한 형상을 유지할 수 있다.
상기 세그먼트의 폭은, 20 내지 60mm인 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성으로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치는 하기와 같은 효과를 가진다.
(1) 종래의 일체형 냉도가니를 복수의 냉도가니 파트들로 조립하여 냉도가니에서 국부적 손상이 발생하는 경우, 부분적 수리가 가능하고, 교체가 용이하여 교체 비용이 절감되고, 안정적인 연속 주조가 가능하다.
(2) 냉도가니 파트들을 조립하는 경우, 냉도가니 본체의 상부 및 하부에서 냉도가니 파트들을 효과적으로 결합시켜 일체형 냉도가니와 동일한 변형 방지 효과 및 동일한 성능을 발휘한다.
(3) 세그먼트의 폭을 20 내지 60mm로 한정하여, 안정적으로 연속 주조를 하면서, 냉도가니 내부의 손상을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 파트의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 파트들이 결합된 냉도가니 본체를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 본체의 상부 및 하부에 상부 연결 플레이트 및 하부 연결 플레이트를 고정하는 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 본체의 상부 및 하부에 상부 연결 부재 및 하부 연결 플레이트를 고정하는 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 본체의 상부 및 하부에 상부 연결 부재 및 하부 연결 플레이트를 고정하는 구성을 도시하는 도면이다.
도 6(a)는 세그먼트의 폭이 65mm이상 경우, 전자기압에 의한 용융 실리콘의 상태를 도시하는 도면이다.
도 6(b)는 세그먼트의 폭이 60mm이하인 경우, 전자기압에 의한 용융 실리콘의 상태를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 예시적인 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 하며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 파트(110)의 구성을 도시하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치는 유도 코일의 내측에 배치되고, 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루는 도전성의 하부 개방형 냉도가니를 가지며, 유도 코일에 의한 전자기 유도가열에 의하여 실리콘을 용융시킨 후 하부 방향으로 응고시켜 실리콘 잉곳을 제조한다.
냉도가니는 복수의 냉도가니 파트(110)들을 포함한다. 냉도가니 파트(110)들은 동일한 형상인 것이 바람직하다. 냉도가니 파트(110)들은 각각의 측부(116)(도 1에서 점선으로 표시)가 상호 결합하여 내부 공간(119)을 둘러싸는 냉도가니 본체(100)를 형성한다. 냉도가니 본체(100)는 사각형 형상, 원 형상 또는 기타 다양한 다각형 형상이 될 수 있다. 즉, 복수의 냉도가니 파트(110)들이 서로 결합하여 조립형의 냉도가니를 형성하는 것이다. 본 명세서에서는 냉도가니 본체(100)가 사각형인 경우를 예시로 들어 설명하고 있지만, 이에 한정되지 않음은 자명하다. 또한, 본 명세서에서는 4개의 냉도가니 파트(110)들이 상호 결합하여 냉도가니 본체(100)를 형성하는 것으로 기재하고 있지만, 다양한 수의 냉도가니 파트(110)들이 결합하는 것도 가능하다.
냉도가니 파트(110)의 하부(114)에는 일정 간격으로 이격되고, 냉도가니 본체(100)의 외부와 내부 공간(119)을 관통하는 복수 개의 슬릿(120)이 수직 방향으로 형성되고, 슬릿(120)들 사이에는 세그먼트(130)가 형성된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 파트(110)들이 연결된 냉도가니 본체(100)를 도시하는 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 냉도가니 파트(110)는 중앙부에 내부 공간(119)을 향하는 돌출부(118)가 형성되어, 냉도가니 파트(110)들의 돌출부(118)와 측부(116)가 상호 맞물려 결합하여 냉도가니 본체(100)를 형성한다. 냉도가니 파트(110)들의 측부(116)가 상호 결합하는 경우보다 돌출부(118)와 측부(116)가 상호 결합하는 경우에 견고하게 결합할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 본체(100)의 상부 및 하부에 상부 연결 플레이트(142) 및 하부 연결 플레이트(144)를 고정하는 구성을 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 냉도가니 파트(110)들이 서로 결합하여 냉도가니 본체(100)를 형성한다. 조립형 냉도가니가 일체형 냉도가니와 동일한 성능을 발휘하도록 하기 위해 냉도가니 본체(100)의 상부 및 하부에서 냉도가니 파트(110)들을 더욱 견고하게 결합시켜야 한다. 따라서, 내부 공간(119)에 대응되는 부분이 개방된 상부 연결 플레이트(142)가 냉도가니 본체(100)의 상면에서 냉도가니 본체(100)와 체결 수단(180)으로 고정되고, 내부 공간(119)에 대응되는 부분이 개방된 하부 연결 플레이트(144)가 냉도가니 본체(100)의 하면에서 냉도가니 본체(100)와 체결 수단(180)으로 고정된다. 체결 수단(180)은 볼트인 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 본체(100)의 상부 및 하부에 상부 연결 부재(150) 및 하부 연결 플레이트(144)를 고정하는 구성을 도시하는 도면이다.
기역자 형상의 상부 연결 부재(150)들은 냉도가니 본체(100)의 상면과 상부 측면에 접하면서, 냉도가니 파트(110)들의 결합 이음새(145)를 감싸며 체결 수단(180)으로 고정된다. 하부 연결 플레이트(144)는 도 3과 마찬가지로, 냉도가니 본체(100)의 하면에서 냉도가니 본체(100)와 체결 수단(180)으로 고정된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니 본체(100)의 상부 및 하부에 상부 연결 부재(150) 및 하부 연결 플레이트(144)를 고정하는 구성을 도시하는 도면이다.
도 5에서, 냉도가니 파트(110)들은 냉도가니 파트(110)의 측부(116)의 상면으로 돌출된 상부 돌출부(160)와 냉도가니 파트(110)의 측부(116)의 측면으로 돌출된 측부 돌출부(170)를 구비한다. 냉도가니 파트(110)들의 측부(116)가 상호 결합이 될 때, 냉도가니 파트(110)들의 상부 돌출부(160)들끼리 서로 맞물리고, 측부 돌출부(170)들끼리 서로 맞물려 체결 수단(180)으로 고정된다. 상부 연결 부재(150)는 서로 맞물린 상부 돌출부(160)의 상면과 측부 돌출부(170)의 측면에 접하면서, 냉도가니 파트(110)들의 결합 이음새(145)를 감싸며 체결 수단(180)으로 고정된다. 도 3과 마찬가지로, 하부 연결 플레이트(144)는 냉도가니 본체(100)의 하면에서 냉도가니 본체(100)와 체결 수단(180)으로 연결된다. 체결 수단(180)은 볼트인 것이 바람직하다.
도 3, 도 4 및 도 5의 상부 연결 부재(150), 상부 연결 플레이트(142) 및 하부 연결 플레이트(144)는 냉도가니 본체(100)의 변형을 방지하여야 하므로, 기계적 강도가 우수한 재질이 사용되어야 한다. 상부 연결 부재(150), 상부 연결 플레이트(142) 및 하부 연결 플레이트(144)에서는 전자기 유도에 의한 발열이 최소화되어야 하므로, 그 재질이 금속인 경우에는 자성을 띄지 않고, 전기전도성이 우수하여야 하고, 비금속인 경우에는 전기절연성이 우수하여야 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 냉도가니의 내경의 가로 및 세로 치수는 320 내지 550mm이며, 가로와 세로의 비율은 0.6 내지 1.7인 것이 바람직하다.
실시예 1
하부 개방형 냉도가니 파트(110)들의 세그먼트(130) 폭을 18mm, 25mm, 30mm, 35mm, 40mm, 55mm, 65mm로 변경하면서 제작하였고, 슬릿(120) 폭은 0.5mm로 가공하여 슬릿(120)의 절연을 위해 운모판을 삽입하였다. 냉도가니의 내경은 350mm×350mm, 길이는 550mm가 되도록 하였다.
실시예 2
도 3에 도시된 바와 같이, 4개의 냉도가니 파트(110)가 결합된 냉도가니 본체(100)의 상부 및 하부에 일정한 형상을 유지할 수 있도록 상부 연결 플레이트(142) 및 하부 연결 플레이트(144)를 볼트를 이용하여 체결함으로써 일체형 냉도가니와 동일한 형상을 유지할 수 있도록 하였다. 냉도가니 파트(110)들은 전기전도성이 우수한 무산소동에 의해 제작되었고, 총 11개의 세그먼트(130)로 이루어져 있으며, 세그먼트 폭은 30mm, 슬릿 폭은 0.3mm가 되도록 제작하였다. 상부 연결 플레이트(142) 및 하부 연결 플레이트(144)는 냉도가니와 동일한 무산소동을 사용하였고, 비자성 특성을 보이도록 열처리된 볼트를 사용하였다. 무산소동의 경우 상대적으로 연질 특성을 보이므로 모든 탭 구조는 비자성 헬리코일을 사용하였다. 냉도가니 파트(110) 결합시 틈을 최소화하기 위해 냉도가니 파트에 2mm의 돌출부(118)를 가지도록 제작하였다. 결합이 완료된 냉도가니는 내경이 345×345mm 이고, 길이는 550mm, 44개의 분할된 세그먼트를 갖도록 제작되었다.
실시예 3
실시예 2와 모두 동일하며, 다만 냉도가니 본체(100)의 상부는 상부 연결 부재(150)를 이용하여 고정시키고, 하부는 하부 연결 플레이트(144)를 이용하여 고정시켰다. 결합부의 조립강도를 유지하기 위해 상부 연결 부재(150)는 열처리 된 스테인리스강을 사용하였다.
실시예 4
실시예 3과 모두 동일하며, 다만, 냉도가니 파트의 측부의 상면과 측면에 상부 돌출부(160) 및 측부 돌출부(170)를 용접을 통해 위치시켜, 별도의 결합 블럭을 구성하고, 결합 블럭에 비자성 헬리코일을 사용하여 탭 구조를 제작하였다. 결합 블럭의 측면부에 홀 가공을 하고, 볼트 너트 구조로 체결함으로써 냉도가니 파트간 추가적인 결합이 가능하도록 하였다.
도 6(a)는 실시예 1에 따라 세그먼트(130)의 폭이 65mm이상인 경우, 전자기압에 의한 용융 실리콘의 상태를 도시하는 도면이고, 도 6(b)는 세그먼트(130)의 폭이 60mm이하인 경우, 전자기압에 의한 용융 실리콘의 상태를 도시하는 도면이다.
도 6(a)를 참조하면, 세그먼트(130) 폭이 65mm 이상인 경우, 세그먼트(130)와 슬릿(120)에서 용융 실리콘(10)에 대한 전자기압의 편차가 과도하여, 냉도가니 내측 표면과 용융 실리콘(10)이 접촉하는 면적이 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해, 용융 실리콘(10)을 하부 방향으로 인출하는 과정에서 용융 실리콘(10)과 냉도가니 내측 표면의 마찰력이 증가하여 내측 표면의 손상이 증가하고, 결국, 원활한 연속주조가 이루어질 수 없게 된다. 실험 종료 후 냉도가니 내측 표면의 손상 정도를 확인해 본 결과, 각 세그먼트(130)가 많이 손상되었다.
도 6(b)를 참조하면, 세그먼트(130) 폭이 60mm이하인 경우, 세그먼트(130)와 슬릿(120)에서 용융 실리콘(10)에 대한 전자기압 편차가 감소하여 용융 실리콘(10)과 냉도가니 내측과의 접촉 면적도 거의 없어진 것을 확인할 수 있다. 실험 종료 후 냉도가니 내측 표면의 손상도 현저히 감소하였다. 그러나, 세그먼트(130)의 폭이 20mm보다 작은 경우에는 세그먼트에 구비된 냉각 수단에 의해 용탕의 응고가 효율적으로 이루어지지 않게 되어 용탕의 유출이 발생하게 된다. 즉, 상기 실시예에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치에서 세그먼트(130)의 폭은 20 내지 60mm인 것이 바람직하다.
실시예 2, 3 및 4에 의한 연속 주조를 종래의 일체형 냉도가니와 비교하였을 때, 각각의 냉도가니 파트(110)들을 상부 및 하부에서 결합해줌으로써 결합되는 부위에서의 벌어짐 현상은 거의 나타나지 않았고, 세그먼트 폭이 동일한 경우에 동등한 수준의 인가 전력하에서 원활한 연속주조가 가능함을 확인하였다. 또한, 용융 실리콘과 냉도가니 내측부에서의 전자기압 편차 변화도 유사한 경향성이 보였다. 따라서, 일체형 냉도가니를 대신하여 분리(조립)형 냉도가니를 이용함으로써 원활한 실리콘 전자기 연속주조가 가능함은 물론, 냉도가니 제작비용/시간을 대폭 감소시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 유도 코일의 내측에 배치되고, 둘레방향의 적어도 일부가 종방향의 슬릿들에 의해 세그먼트로 분할된 구조를 이루는 도전성의 하부 개방형 냉도가니를 포함하며, 상기 유도 코일에 의한 전자기 유도가열에 의하여 용융된 실리콘을 하부 방향으로 응고시키는 전자기 연속 주조 장치에 있어서,
    상기 냉도가니는 복수의 냉도가니 파트들을 포함하되,
    상기 냉도가니 파트의 측부들이 상호 결합되어 내부 공간을 둘러싸는 냉도가니 본체를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 연속 주조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉도가니 파트는,
    중앙부에 상기 내부 공간을 향하는 돌출부가 형성되고,
    상기 냉도가니 파트들의 돌출부와 측부가 상호 맞물리며 결합되어 상기 냉도가니 본체를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 연속 주조 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉도가니는,
    상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 상부 연결 플레이트; 및
    상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 하부 연결 플레이트를 더 포함하되,
    상기 상부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 상면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되고, 상기 하부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 하면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되어 일정한 형상을 유지하는 것을 특징으로 하는 전자기 연속 주조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉도가니는,
    기역자 형상의 복수의 상부 연결 부재들; 및
    상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 하부 연결 플레이트를 더 포함하되,
    상기 상부 연결 부재는 상기 냉도가니 본체의 상면과 상기 냉도가니 본체의 상부 측면에 접하고, 상기 냉도가니 파트들의 결합 이음새를 감싸면서 체결 수단으로 고정되고,
    상기 하부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 하면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되어 일정한 형상을 유지하는 것을 특징으로 하는 전자기 연속 주조 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉도가니는,
    기역자 형상의 복수의 상부 연결 부재들; 및
    상기 내부 공간에 대응되는 부분이 개방된 하부 연결 플레이트를 더 포함하되,
    상기 냉도가니 파트는,
    상기 냉도가니 파트의 측부의 상면으로 돌출된 상부 돌출부; 및
    상기 냉도가니 파트의 측부의 측면으로 돌출된 측부 돌출부를 포함하여,
    상기 냉도가니 파트의 측부들이 상호 결합될 때, 상기 상부 돌출부와 측부 돌출부가 각각 서로 맞물려 체결 수단으로 고정되고,
    상기 상부 연결 부재는 상기 상부 돌출부의 상면 및 상기 측부 돌출부의 측면에 접하고, 상기 냉도가니 파트들의 결합 이음새를 감싸면서 체결 수단으로 고정되며,
    상기 하부 연결 플레이트는 상기 냉도가니 본체의 하면에서 상기 냉도가니 본체와 체결 수단으로 고정되어 일정한 형상을 유지하는 것을 특징으로 하는 전자기 연속 주조 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 세그먼트의 폭은,
    20 내지 60mm인 것을 특징으로 하는 전자기 연속 주조 장치.
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