WO2013137607A1 - 슬릿이 비등간격으로 형성된 전자기 주조용 도가니 {crucible for electromagnetic casting with slits at non equal intervals} - Google Patents

슬릿이 비등간격으로 형성된 전자기 주조용 도가니 {crucible for electromagnetic casting with slits at non equal intervals} Download PDF

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WO2013137607A1
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crucible
molten metal
shape
electromagnetic
electromagnetic casting
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PCT/KR2013/001947
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문병문
신제식
박동호
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한국생산기술연구원
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
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    • 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
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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
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like

Definitions

  • the present invention relates to crucibles used in electromagnetic casting (hereinafter referred to as 'EMC'), and more particularly, to produce ingots close to the shape of a plate with low energy.
  • the present invention relates to a crucible for electromagnetic casting.
  • Electromagnetic casting is the most representative process for melting and casting metals using electromagnetic fields.
  • an alternating current is applied to the crucible to induce a magnetic field change to form an induction current on the metal surface to be melted, and the metal is melted by Joule's Heat generated from the induction current.
  • This direct melting method by electromagnetic induction is capable of melting a material such as a metal in a short time has a high productivity.
  • the induced current acts on the magnetic field to generate electromagnetic force (Lorentz force) in the molten metal.
  • the generated electromagnetic force is always directed toward the center of the crucible according to the Fleming's left-handed law, even if the coil current changes direction, and due to the pinch effect such as electromagnetic pressure, Can prevent contact. This enables melting of the melt without contacting the crucible and casting-free casting, thereby suppressing contamination of raw materials, improving the quality of the ingot, and at the same time, reducing the cost of equipment and improving productivity by eliminating the replacement of molds.
  • the electromagnetic force does not act uniformly on the surface of the molten metal and the molten metal may become unstable. It may slump and contact the inner wall of the crucible, making it difficult to produce an ingot of the desired shape.
  • the present invention is to change the shape of the crucible in various forms during electromagnetic casting, to stabilize the movement of the molten metal in the crucible and to cast an ingot having a crucible-like shape and uniform crystal grains.
  • An object of the present invention is to provide a crucible for electromagnetic casting which can adjust the electromagnetic force applied to the surface.
  • the present invention is to surround the crucible with a coil or the like to apply an alternating current to the crucible, and the circumferential portion of the crucible is formed in segments so that the applied alternating current is partially induced in the crucible, and the slits for insulation are provided between the segments.
  • the shape of the molten metal is controlled by using the principle that the electromagnetic force applied from the inner wall surface of the crucible to the surface of the molten metal in the crucible increases as the width of the segment increases.
  • the slit (Slit) is formed in the crucible at a boiling interval.
  • the slits are formed at narrow intervals on the surface of the crucible close to the center of the crucible, and the surface away from the center of the crucible. It is characterized in that the slits are formed at increasingly wider intervals.
  • the shape of the horizontal cross section of the crucible is characterized in that the oval, rectangular or polygonal.
  • the shape of the horizontal cross section of the crucible is characterized in that the flat oval, rectangular or polygonal to produce an ingot close to the plate shape.
  • the shape of the horizontal cross section of the crucible is oval.
  • the shape of the horizontal cross section of the crucible maintains a constant shape from the uppermost part to the lowermost part of the crucible, so that the amount of molten metal remaining in the molten state in the crucible is minimized.
  • the present invention can control the electromagnetic force applied to the surface of the molten metal from the inner wall surface of the crucible by forming the slits of the crucible at boiling intervals, and the shape of the crucible and the shape of the crucible while changing the shape of the crucible in various forms during electromagnetic casting Can be matched.
  • the molten metal can be stabilized, the molten metal in the crucible can be prevented from being swayed, thereby eliminating the risk that the molten metal may come into contact with the inner wall of the crucible and forming the molten metal smaller, thereby saving energy.
  • 1A is a schematic diagram of a horizontal cross section of an imaginary elliptical crucible in which the spacing between the slits of the crucible is kept constant as before and is only elliptical in shape.
  • Figure 1b is a schematic diagram of a horizontal cross section of an elliptical crucible showing how the shape of the molten metal actually appears when the spacing between the slits of the crucible is kept constant as before and only the shape is elliptical.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a horizontal cross section of a crucible in the form of a rectangle in which the intervals between the slits of the crucible are formed at boiling intervals.
  • FIG. 3 is a schematic diagram depicting in detail a partially enlarged view of FIG. 2.
  • FIG. 3 is a schematic diagram depicting in detail a partially enlarged view of FIG. 2.
  • Fig. 4 is a schematic diagram of a horizontal cross section of a crucible of an elliptical form in which the intervals between the slits of the crucibles are formed at boiling intervals.
  • electromagnetic casting applies an alternating current to the crucible to induce a magnetic field change to form an induced current on the metal surface, and the induced current acts on the magnetic field to generate an electromagnetic force in the molten metal.
  • the generated electromagnetic force is always directed toward the center of the crucible according to Fleming's left-hand law even if the coil current is changed in direction, and a pinch effect such as electromagnetic pressure occurs.
  • the difference in potential energy according to the height of the molten metal is large, thereby maintaining a nonuniform gap between the molten metal and the inner wall of the crucible, but the specific gravity such as titanium, beryllium, magnesium, and aluminum
  • the potential energy difference according to the height of the molten metal is small to prevent the molten metal from contacting the inner wall of the crucible.
  • FIG. 1A the structure of the horizontal cross section of the crucible 11 made of elliptical shape while keeping the spacing (segment width) 13 between slits constant as before is shown.
  • an alternating current is applied around the crucible 11 by winding a coil or the like, and the induced current is applied to each segment 16 by the alternating current. Is formed.
  • the alternating current induced in the segment 16 also induces an alternating current on the surface of the molten metal 14, whereby an electromagnetic force is formed between the segment 16 and the molten metal 14.
  • a slit 17 made of an insulator is formed between the segments 16 so that an induction current is formed in each segment 16, and the portion 16 surrounding the segment is It consists of a conductor, such as copper, which is well-lived.
  • a cooling device using water or the like is designed in the interior 15 of the segment surrounded by the conductor.
  • the shape has equilibrium stability for minimizing the internal energy due to the surface energy and the volume of the fluid moving like a fluid in the crucible.
  • a minute difference in the distribution of the induced current flowing in the molten metal causes a difference in the electromagnetic force acting on the molten metal, which leads to a change in the shape of the molten metal.
  • the current density is rather high.
  • This minute difference in current distribution results in a difference in electromagnetic force
  • a difference in electromagnetic force results in a change in the shape of the melt
  • a change in the shape of the melt further increases the difference in the current distribution, ultimately different from the shape inside the crucible.
  • the result is a multifaceted shape.
  • the molten metal inside the elliptical crucible has a shape similar to the molten metal 14 as shown in the molten metal 14 of FIG. It becomes unstable and cannot make ingot of desired shape and quality.
  • the spacing between the slits that is, the width of the segment (segment) to design the boiling interval
  • the electromagnetic force applied to the center direction from the surface of the molten metal in the crucible it is possible to adjust the electromagnetic force directed toward the center of the surface of the molten metal in the crucible, so that anisotropy of form can be caused when the molten metal is formed inside the crucible, so that the gap between the slits is appropriately adjusted.
  • the shape of the molten metal can be controlled by adjusting the boiling interval.
  • the boiling interval means that the interval between the slits and the slits is not formed uniformly so that the width of the segment is not constant.
  • the center of the crucible which is the direction in which electromagnetic force applied from the inner wall surface of the crucible to the surface of the molten metal, is directed.
  • the slits are formed at narrow intervals on the face of the crucible close to the center of the crucible, and the slit is formed at increasingly wider distances from the face away from the center of the crucible. It is possible to increase the shape of the molten metal as a whole can be made from the shape of Figure 1b to the shape of Figure 1a.
  • FIG. 2 the structure of the horizontal cross section of the crucible of the rectangular form which formed the slit at the boiling interval according to the characteristic of this invention is shown. Only the gaps 23 between the slits of the crucible were formed at boiling intervals, and the slit 27 made of an insulator was formed between the segments so that an induction current was formed for each segment like the existing crucible for electromagnetic casting.
  • the portion 26 surrounding the segment consists of a conductor, such as copper, which is electrically conductive.
  • a cooling device using water or the like is designed.
  • the widths 22 of all the slits are constant, and on the surface of the crucible close to the center of the crucible on the basis of the center of the crucible which is the direction in which the electromagnetic force applied from the inner wall surface of the crucible to the surface of the melt 24 is directed.
  • the slits 27 were formed at narrow intervals, and the slits 27 were formed at increasingly wider intervals as the surfaces were farther from the center of the crucible.
  • FIG. 2 is partially enlarged to explain in detail.
  • the induced current 33 induced in the small segment 31 and the induced current 34 induced in the large segment 32 by the coil wound around the crucible are represented as follows.
  • I is an induced current induced in the segment
  • V is an induced electromotive force induced in the segment. Since the resistance (R) is proportional to the distance the current flows, the induced electromotive force (V) is proportional to the cross-sectional area through which the magnetic flux passes,
  • Table 1 ⁇ u> Primary induction current, path (length) and cross-sectional area flowing through each horizontal section of the crucible ⁇ / u> Crucible cross section Small segment (31) Large segment (32) Route 4D 2D (1 + N) area D 2 ND 2
  • the primary induction current I in the small segment 31 is given by equation (1)
  • the secondary induction current caused by the primary induction current generated in the crucible is generated in the conductive metal molten metal inside the crucible.
  • Equation (4) F ⁇ J ⁇ B
  • J is the primary current applied in the crucible and B is the magnetic flux density generated thereby.
  • the intensity of the magnetic field generated at the surface of the molten metal in the crucible is expressed by the following equation. The intensity varies as shown in (5).
  • L is a constant value
  • dI is a current change amount
  • dt is a change in time
  • the J induced in the molten metal in the crucible is the same.
  • the relative ratio of the electromagnetic force at the point is 2N / 1 + N, which is equal to the ratio of the relative magnetic field at point (A) and point (B). That is, when N is greater than 1, the electromagnetic force generated in the segment 32 larger than the small segment 31 of the crucible becomes relatively larger by 1 + N / 2N, thereby increasing the relative electromagnetic force.
  • FIG. 4 the structure of the horizontal cross section of the crucible 41 made of the ellipse which formed the slit at the boiling interval according to the characteristic of this invention is shown.
  • the detailed internal structure is the same as the rectangular crucible 21 of FIG. 2 and the horizontal cross section of the crucible has an elliptical shape, it is possible to produce an ingot of higher quality than the rectangular crucible 21 of FIG.
  • the electromagnetic force applied to the surface of the molten metal it is possible to maintain the molten metal in the same way as the shape of the crucible, and to be manufactured close to the shape of a plate, such as forging and rolling. It has the advantage that the molding can be easy.
  • the temperature of the molten metal is lower than in the remaining portions made of the surface. If the temperature of the four corners of the rectangle becomes lower than the temperature of the other parts, the molten metal may become slightly unstable, and the particles may not be uniformly formed when the ingot is formed.
  • the elliptical crucible 41 of Figure 4 while making up for all of the above disadvantages can make an ingot close to the plate shape.
  • the elliptical crucible 41 can be produced with a uniform temperature to stabilize the molten metal and produce a uniform ingot.
  • the elliptical crucible 41 of FIG. 4 does not require the condition that the intervals between which the slits on both sides of the ellipse are formed, like the segments 42 and 43 on both sides, should be symmetrical, and the ratio of each boiling interval must be kept constant. No, it is only necessary to control the electromagnetic force applied to the surface of the molten metal in the crucible by boiling intervals. By controlling the electromagnetic force, the molten metal 44 having the same shape as the shape of the crucible can be formed and the molten metal can be stabilized.
  • the ingot close to the shape of the plate may be manufactured by flattening the nozzle of the lower portion of the crucible without deforming the shape of the crucible.
  • the volume of the molten metal is larger than necessary to increase the amount of molten metal contained in the crucible, so that a large amount of energy is required to melt the molten metal to contain a large amount of molten metal. .
  • a greater amount of energy will be needed because there is a need to support the molten metal in order to avoid contact with the bottom of the crucible in which the nozzle is formed.
  • the present invention can be usefully used in a crucible which maintains a constant shape from the top to the bottom of the crucible so as to save energy for melting and supporting the molten metal in the crucible.

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Abstract

본 발명은 전자기 주조시에 도가니의 형태를 다양한 형태로 변화시키면서도 도가니 내의 용탕의 움직임을 안정시키고 도가니와 같은 형상을 갖고 균일한 결정입자를 갖는 잉곳을 주조하기 위하여, 도가니의 내부 벽면에서 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력을 조절할 수 있는 전자기 주조용 도가니를 제공하고 있다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 25.03.2013]　슬릿이 비등간격으로 형성된 전자기 주조용 도가니
본 발명은 전자기 주조(ElectroMagnetic Casting, 이하 'EMC'이라 함)시에 사용되는 도가니(Crucible)에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 적은 에너지로 난 가공성 재료를 판재 형상에 가까운 잉곳(Ingot)으로 제작할 수 있는 전자기 주조용 도가니에 관한 것이다.
전자기 주조(EMC)는 전자기장을 이용하여 금속을 용융시키고 주조하는 공정의 가장 대표적인 공정이다. 이 기술은, 도가니에 교류 전류를 인가하여 자기장(Magnetic Field) 변화를 유발시켜 용융시키고자 하는 금속표면에 유도 전류를 형성시키고, 상기 유도전류로부터 발생하는 줄열(Joule's Heat)에 의해 금속이 용융된다. 이러한 전자기 유도에 의한 직접 용융 방식은 단시간 내에 금속과 같은 물질을 용융시키는 것이 가능하여 높은 생산성을 가진다.
또한, 상기 유도전류는 자기장과 작용하여 금속 용탕에 전자기력(Lorentz force)을 발생시킨다. 이 발생되는 전자기력은, 코일 전류의 방향이 바뀌더라도 플레밍의 왼손법칙에 따라 항상 도가니 내부의 중심방향으로 향하게 되고 전자기압(Electromagnetic Pressure)과 같은 핀치효과(Pinch Effect)로 인하여 용탕과 도가니 내측 벽과의 접촉을 방지할 수 있다. 이로 인해 도가니에 접촉하지 않고 용탕의 용융이 가능해지고 무주형 주조가 가능해짐으로써, 원료의 오염이 억제되고 잉곳의 품질이 향상되며 동시에 주형이 소모 교체되지 않아 설비 비용이 줄어들고 생산성이 향상된다.
그러나, 이러한 전자기 유도에 의한 전자기 주조에서는, 도가니의 내부벽면에서 도가니의 중심까지의 거리가 일정하지 않으면 용탕의 표면에 전자기력이 균일하게 작용하지 않아 용탕이 불안정해질 수 있고, 용탕이 불안정해지면 용탕이 출렁거려서 도가니의 내측 벽과 접촉할 수도 있으며, 원하는 모양의 잉곳을 제조하기가 어렵다.
그렇지만, 다양한 형상의 잉곳을 제조하기 위해서는 도가니를 원형만이 아닌 다양한 형태의 도가니로 변형시킬 필요가 있다. 또한, 난 가공성 재료의 단조 압연 등의 성형을 용이하게 하기 위하여, 전자기 주조로 주조할 때부터 판재에 가까운 잉곳을 제조하려면 도가니를 납작한 형태에 가까운 다양한 형태의 도가니로 변형시킬 필요가 있으므로, 도가니의 내부벽면에서 도가니의 중심까지의 거리를 일정하게 유지할 수 없다.
도가니의 형태를 변형시키지 않고 종래의 전자기 주조시에 사용되는 원형 도가니 형태로 유지하면서 납작한 형태의 노즐을 통해 두께가 얇은 잉곳을 주조할 수도 있지만, 필요 이상의 부피로 형성된 용탕을 유지하기 위하여 용해 에너지가 많이 소모되고, 형상 재질 등이 특별한 노즐의 설계가 필요하며 노즐의 내구성 등이 문제가 되므로 경제적으로 불리하다. 그러므로, 여전히 잉곳의 형상과 동일한 형상을 가지는 전자기 주조용 도가니가 필요하다.
본 발명은, 전자기 주조시에 도가니의 형태를 다양한 형태로 변화시키면서도 도가니 내의 용탕의 움직임을 안정시키고 도가니와 같은 형상을 갖고 균일한 결정입자를 갖는 잉곳을 주조하기 위하여, 도가니의 내부 벽면에서 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력을 조절할 수 있는 전자기 주조용 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 도가니 주위에 코일 등이 둘러싸여서 도가니에 교류전류를 인가하고, 그 인가된 교류전류가 도가니에 부분적으로 유도되도록 도가니의 둘레부분이 세그먼트로 형성되어 있고 세그먼트 사이에는 절연을 위한 슬릿을 구비한 전자기 주조 도가니에 있어서, 세그먼트의 폭이 커질수록 상기 도가니의 내부 벽면에서 상기 도가니 내의 용탕의 표면으로 가해지는 전자력이 강해지는 원리를 이용하여, 상기 용탕의 형상을 조절하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 도가니에 상기 슬릿(Slit)을 비등간격으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 도가니의 내부 벽면에서 도가니 내의 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력이 향하는 방향인 도가니의 중심을 기준으로 하여, 도가니의 중심에서 가까운 도가니의 면에는 좁은 간격으로 슬릿을 형성하고, 도가니의 중심에서 멀어지는 면일수록 점점 넓은 간격으로 슬릿을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 도가니의 수평 단면의 형상은 타원형, 직사각형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.
상기 도가니의 수평 단면의 형상은 판재형상에 가까운 잉곳을 제조하기 위하여 납작한 타원형, 직사각형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.
상기 도가니 내의 용탕의 움직임을 안정시키고 도가니와 같은 형상을 갖고 균일한 결정입자를 갖는 잉곳을 생성하기 위하여 상기 도가니의 수평 단면의 형상이 타원형인 것을 특징으로 한다.
상기 도가니의 수평 단면의 형상은 도가니의 최상부에서 최하부까지 일정한 형상을 유지하고 있어, 도가니 내에 용융상태로 머무는 용탕의 양을 최소로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 도가니의 슬릿을 비등간격으로 형성함으로써 도가니 내부 벽면에서 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력을 조절할 수 있어, 전자기 주조시에 도가니의 형태를 다양한 형태로 변화시키면서도 도가니의 형상과 그 용탕의 형상을 일치시킬 수 있다. 또한, 용탕을 안정화시킬 수 있기 때문에 도가니 내의 용탕이 출렁거리는 것을 방지하여 도가니의 내부벽면에 용탕이 접촉할 수도 있는 위험을 제거하고 용탕을 작게 형성할 수 있어 에너지를 절약할 수 있다.
도 1a는, 도가니의 슬릿 사이의 간격은 기존처럼 일정하게 유지하고 형태만을 타원형으로 한 가상의 타원형 도가니의 수평단면의 개략도이다.
도 1b는, 도가니의 슬릿 사이의 간격은 기존처럼 일정하게 유지하고 형태만을 타원형으로 하였을 때, 실제로 용탕의 형상이 어떻게 나타나는지 보여주는 타원형 도가니의 수평단면의 개략도이다.
도 2는, 도가니의 슬릿 사이의 간격을 비등간격으로 형성한 직사각형 형태의 도가니의 수평단면의 개략도이다.
도 3은, 도 2를 부분적으로 확대하여 상세하게 묘사한 개략도이다.
도 4는, 도가니의 슬리시 사이의 간격을 비등간격으로 형성한 타원형 형태의 도가니의 수평단면의 개략도이다.
본 발명에 따른, 전자기 주조는 도가니에 교류 전류를 인가하여 자기장 변화를 유발시켜 금속표면에 유도 전류를 형성시키며, 유도 전류는 자기장과 작용하여 금속 용탕에 전자기력을 발생시킨다. 이 발생되는 전자기력은 코일 전류의 방향이 바뀌더라도 플레밍의 왼손법칙에 따라 항상 도가니 내부의 중심방향으로 향하게 되고 전자기압과 같은 핀치효과가 발생한다.
철, 구리, 납과 같이 비중이 약 5.0 이상의 금속의 경우 용탕의 높이에 따른 위치에너지의 차이가 커서 용탕과 도가니 내측 벽사이가 불균일한 간격을 유지하지만, 티타늄, 베릴륨, 마그네슘, 알루미늄과 같이 비중이 약 5.0 미만의 금속의 경우 용탕의 높이에 따른 위치에너지의 차이가 적어서 용탕과 도가니 내측 벽과의 접촉을 방지할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a에서는 슬릿 사이의 간격(세그먼트의 폭)(13)을 기존처럼 일정하게 유지하고 타원형으로 만든 도가니(11)의 수평단면의 구조를 나타내고 있다. 여기에서, 도가니(11)에 교류전류를 인가해 주기 위해서 도가니(11) 주위에는 코일을 감는 등의 방법으로 교류전류를 인가해 주고 있고, 그 교류 전류에 의해서 각 세그먼트(16) 마다 유도전류가 형성된다. 그리고 세그먼트(16)에 유도된 교류전류에 의해서 용탕(14)의 표면에도 교류전류가 유도되고, 그로 인해, 세그먼트(16)와 용탕(14) 사이에 전자기력이 형성된다.
도 1a에서는 기존의 전자기 주조용 도가니와 같이 각 세그먼트(16) 마다 유도전류가 형성될 수 있도록 세그먼트(16) 사이에 절연체로 이루어진 슬릿(17)을 형성하였고, 세그먼트를 둘러싸고 있는 부분(16)은 전기가 잘 통할 수 있는 구리와 같은 도체로 이루어져 있다. 그리고 도체로 둘러싸여 있는 세그먼트의 내부(15)에는 물 등을 이용한 냉각장치가 설계되어 있다.
그러나, 모든 구조를 기존의 도가니와 같이 유지하면서 도가니의 모양만 타원형의 도가니로 만들면, 도가니 내부에서 유체같이 이동하는 용탕의 표면에너지 및 유체의 부피로 인한 내부에너지의 최소화를 위하여 평형 안정성을 갖는 형상으로 유동한다. 또한, 용탕에 발생하여 흐르는 유도전류 분포의 미세한 차이가 용탕에 작용하는 전자기력의 차이를 야기하여 용탕 형상의 변화로 이어지는데, 이러한 용탕 형상의 변화는 다시 유도전류 분포의 차이를 더욱 크게 하는 효과가 있어 용탕의 형상을 더욱 도가니의 모양과 다르게 하는 쪽으로 작용하는 경향이 있다. 더 상세하게 설명하면, 용탕에 발생하는 유도전류는 표피효과에 의해 용탕 표면 부위에 집중적으로 분포하는 특성과 전기저항을 최소화하기 위하여 흐르려는 특성에 의하여 장방형의 도체의 경우, 모서리 또는 단변보다는 장변에서 전류밀도가 다소 높게 된다. 이러한 미세한 전류분포의 차이가 전자기력의 차이를, 전자기력의 차이는 용탕 형상의 변화를, 그리고 이러한 용탕 형상의 변화는 전류분포의 차이를 더욱 크게 하여 궁극적으로는 도가니 내부의 형상과는 사뭇 다른 용탕 자유 다면 형상으로 이어지는 결과로 나타나게 된다. 그리하여, 타원형 도가니 내부의 용탕의 형상은, 도 1a의 용탕(14)과 같이 도가니와 같은 모양의 용탕(14)이 형성되지 않고, 도 1b에서의 용탕과 같이 장구 형상에 가까운 형상을 띄게 되어 용탕이 불안정해지고 원하는 형태 및 품질의 잉곳을 만들 수 없다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 슬릿 사이의 간격, 즉, 세그먼트(Segment)의 폭을 조절하여 비등간격으로 설계함으로써, 도가니의 내부에서 용탕의 표면에서 중심방향으로 가해지는 전자기력을 조절한다. 이러한 방식으로 도가니의 내부에서 용탕의 표면의 중심방향으로 향하는 전자기력을 조절할 수 있게 되면, 도가니 내부에 용탕이 형성될 때, 형태의 이방성(Anisotropy)을 야기할 수 있기 때문에 적절하게 슬릿사이의 간격을 비등간격으로 조절하여 용탕의 형상을 조절할 수 있다. 여기에서, 비등간격이란 슬릿과 슬릿 사이의 간격을 일정하게 형성하지 않아 세그먼트의 폭이 일정하지 않은 것을 말하는 것이다.
따라서, 도가니 내부의 용탕의 형상을 도 1b의 용탕의 형상이 아닌 도 1a의 용탕의 형상(14)으로 조절하기 위해서는, 도가니의 내부 벽면에서 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력이 향하는 방향인 도가니의 중심을 기준으로 하여, 도가니의 중심에서 가까운 도가니의 면에는 좁은 간격으로 슬릿을 형성하고, 도가니의 중심에서 멀어지는 면일수록 점점 넓은 간격으로 슬릿을 형성하는 함으로 해서, 도가니 내부에서 용탕 표면의 중심으로 향하는 전자기력을 강하게 해줄 수 있어, 전체적으로 용탕의 형상을 도 1b의 형상에서 도 1a의 형상으로 만들어 줄 수 있다.
도 2에서는, 본 발명의 특징에 따라 슬릿을 비등간격으로 형성한 직사각형 형태의 도가니의 수평단면의 구조를 나타내고 있다. 도가니의 슬릿사이의 간격(23)만을 비등간격으로 형성하였고 나머지는 기존의 전자기 주조용 도가니와 같이 각 세그먼트(Segment) 마다 유도전류가 형성될 수 있도록 세그먼트 사이에 절연체로 이루어진 슬릿(27)을 형성하였고, 세그먼트를 둘러싸고 있는 부분(26)은 전기가 잘 통할 수 있는 구리와 같은 도체로 이루어져 있다. 그리고 도체로 둘러싸여 있는 세그먼트의 내부(25)에는 물 등을 이용한 냉각장치가 설계되어 있다. 여기에서, 모든 슬릿의 폭(22)은 일정하고, 도가니의 내부 벽면에서 용탕(24)의 표면으로 가해지는 전자기력이 향하는 방향인 도가니의 중심을 기준으로 하여, 도가니의 중심에서 가까운 도가니의 면에는 좁은 간격으로 슬릿(27)을 형성하고, 도가니의 중심에서 멀어지는 면일수록 점점 넓은 간격으로 슬릿(27)을 형성하였다.
도 3에서는 도 2를 부분적으로 확대하여 상세히 설명하고 있다. 도 3에서, 도가니 주위에 감겨있는 코일에 의해 작은 세그먼트(31)에 유도되는 유도전류(33)와 상대적을 큰 세그멘트(32)에 유도되는 유도전류(34)는 다음과 같이 나타낸다.
식(1) : I = V/R
이때, I는 세그먼트에 유도되는 유도전류이며, V는 세그먼트에 유도되는 유도 기전력이다. 이에 의한 저항(R)은 전류가 흐르는 거리에 비례하고, 유도 기전력(V)은 자속이 통과하는 단면적에 비례하므로,
표 1 도가니의 각 수평단면을 흐르는 1차 유도전류와 경로(길이)와 단면적
도가니 단면 작은 세그먼트(31) 큰 세그먼트(32)
경로 4D 2D(1+N)
면적 D2 ND2
작은 세그먼트(31)에서의 1차 유도전류 I는 식(1)에 의해,
식(2) : I = V/R ≒ D2/4D = D/4 이고,
큰 세크먼트(32)에서 1차 유도 전류 I 또한 식(1)에 의해
식(3) : I = V/R = ND2/2D = ND/2(1+N) 가 된다.
따라서, 도가니 내부의 도체성 금속 용탕에는, 도가니에서 발생한 1차 유도전류에 의한 2차 유도전류가 발생하게 된다.
한편, 도 2의 용탕(24) 표면의 (가)지점에서 발생하는 전자기력(F)은 J×B에 비례하므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
식(4) : F ≒ J×B
*여기서, J는 도가니에서 인가된 1차 전류이고, B는 이로 인해 발생한 자속밀도이다.
한편, 식(2)와 식(3)에 의해 작은 세그먼트(31)와 큰 세그먼트(32)에서 발생하는 유도전류의 크기가 달라짐에 따라, 도가니 내의 용탕 표면에서 발생하는 자기장의 세기는 다음의 식(5)와 같이 그 세기가 달라진다.
식(5) : B = -L·dI/dt
여기서, L은 상수값, dI는 전류변화량, dt는 시간의 변화이다.
즉, 식(5)에 의해 도 2의(가)지점에서의 자기장의 세기 B(가)와, 도 2의 (나)지점에서 발생하는 자기장의 세기 B(나)의 상대적인 자기장의 세기의 비는 식(2) 및 식(3)에 의해, 다음의 식(6)과 같이 나타낼 수 있다.
식(6) : B(나)/B(가) ≒ ND/2(1+N)/D/4 = 2N/1+N
그러므로, (가)지점과 (나)지점의 전자기력의 상대적인 비를 구하기 위하여 식(6)을 식(4)에 대입하면, 도가니 내의 용탕에 유도된 J는 동일하므로, (가)지점과 (나)지점의 전자기력의 상대적인 비는 (가)지점과 (나)지점의 상대적인 자기장의 비와 동일하게 2N/1+N이다. 즉, N이 1보다 큰 수의 경우, 도가니의 작은 세그먼트(31) 보다 큰 세그먼트(32)에서 발생하는 전자기력이 상대적으로 1+N/2N만큼 커지게 되어 상대적인 전자기력이 커지게 된다.
도 4에서는, 본 발명의 특징에 따라 슬릿을 비등간격으로 형성한 타원형으로 만든 도가니(41)의 수평단면의 구조를 나타내고 있다. 여기에서, 세부적인 내부 구조는 도 2의 직사각형 도가니(21)와 동일하며 도가니의 수평단면이 타원형의 형상을 하고 있음으로 해서, 도 2의 직사각형 도가니(21)보다 양질의 잉곳을 제작할 수 있다.
도 2의 직사각형 도가니(21)에서는 본 발명의 특징에 따라 용탕의 표면에 가해지는 전자기력을 조절하여 도가니의 모양과 동일하게 용탕을 유지할 수 있고, 판재형상에 가깝게 제조할 수 있어 단조 및 압연 등의 성형이 용이할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그러나, 직사각형이라는 형상이 가지고 있는 특성 때문에 양질의 잉곳을 형성하기 어려울 수가 있다. 도가니 내의 직사각형 용탕(24)의 네 모서리 부분은 겹치는 두 면의 방향으로 열이 빠져나가기 때문에, 면으로 이루어진 나머지 부분들에서 보다 용탕의 온도가 더 낮아지게 된다. 이 직사각형의 네 부분의 모서리의 온도가 다른 부분의 온도보다 낮아지게 되면 용탕이 약간은 불안정해 질 수도 있고, 잉곳이 형성될 때 입자가 균일하게 형성되지 못할 가능성이 있다.
도 4의 타원형 도가니(41)는, 위와 같은 단점을 모두 만회하면서 판재 형상에 가까운 잉곳을 만들 수 있다. 이 타원형 도가니(41)는, 온도가 균일하게 생성되어 용탕을 안정시킬 수 있고 입자가 균일한 잉곳을 제조할 수 있다.
도 4의 타원형 도가니(41)는, 양쪽의 세그먼트(42, 43)처럼 타원형 양쪽의 슬릿이 형성되는 간격이 대칭이 되어야 한다는 조건이 필요한다는 것도 아니고 각 비등간격의 비율이 일정하게 유지되어야 하는 것도 아니며, 단지, 비등간격으로 슬릿이 형성되어 도가니 내부에서 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력을 조절할 수 있기만 하면 된다. 이러한 전자기력의 조절에 의하여 도가니의 형상과 같은 형상의 용탕(44)을 형성하고 용탕을 안정시킬 수 있다.
상기 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 것과 같이, 도가니의 형태는 변형시키지 않고 도가니의 아래부분의 노즐만을 납작하게 하여 판재형상에 가까운 잉곳을 제조할 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 설계에서는 용탕의 부피가 필요 이상으로 크게 형성되어 도가니가 담고 있는 용탕의 양이 많아지기 때문에, 도가니가 용융시키면서 많은 양의 용탕을 담고있기 위해서 용탕을 용융시키는 많은 양의 에너지가 필요하다. 또한, 노즐이 형성되어 있는 도가니의 아랫부분과 접촉이 되지 않게 하기 위해서 용탕을 부양시켜야할 필요성이 있기 때문에 더 많은 양의 에너지가 필요하게 될 것이다.
도가니의 아래에 좁은 노즐을 형성하고 있고, 도가니가 노즐보다 큰 용탕의 부피를 형성하고 있다면 용탕의 중량 때문에 도가니의 형태를 어떻게 변형시키더라도 도가니의 모양과 다르게 용탕이 형성된다거나 용탕이 불안정해지는 등의 현상이 나타나지 않는다.
그러므로, 본 발명은 도가니 내의 용탕을 용융시키고 부양시키는 에너지를 절약할 수 있도록 도가니의 최상부에서 최하부까지 일정한 형상을 유지하는 도가니에서 유용하게 사용할 수 있다.
실시예
등간격 도가니에서의 용해작업 실시예
1. 용해 재료: Ti 및 Ti 합금
2. 도가니 형상: 도 1b
3. 도가니 재질: 구리
4. 용해 방법: 도가니 비접촉식 전자기 유도용해
5. 용해작업조건:
1) 유도 코일의 입력 전력; 10 ~ 75kw
2) 주파수; ~ 15kHz
3) 용해 챔버(chamber)내의 환경; 진공 감압(10-3torr이하) 후, Ar가스
분위기 1기압 유지(Ar 퍼짐)
4) 용해 시간: 5 ~ 10분
6. 용해 결과: 도 1b에서의 용탕과 같이 장구형태의 두께가 다른 용탕형상 형성 및 응고 후도 동일한 형태를 유지함
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
[부호의 설명]
11: 등간격으로 슬릿이 형성된 타원형 도가니
12: 슬릿의 폭
13: 세그먼트의 폭
14: 용탕
15: 냉각장치
16: 세그먼트
17: 슬릿
21: 비등간격으로 슬릿이 형성된 직사각형 도가니
22: 슬릿의 폭
23: 세그먼트의 폭
24: 용탕
25: 냉각장치
26: 세그먼트
27: 슬릿
31: 작은 세그먼트
32: 큰 세그먼트
33: 작은 세그먼트의 유도전류
34: 큰 세그먼트의 유도전류
41: 비등간격으로 슬릿이 형성된 타원형 도가니
42, 43: 타원형 도가니 양쪽의 세그먼트
44: 용탕

Claims (9)

  1. 도가니 주위에 코일이 둘러싸여서 상기 도가니에 교류전류를 인가하고, 그 인가된 상기 교류전류가 도가니에 부분적으로 유도되도록 상기 도가니의 둘레부분이 세그먼트로 형성되어 있고 상기 세그먼트 사이에는 절연을 위한 슬릿(Slit)을 구비한 전자기 주조 도가니에 있어서,
    상기 세그먼트의 폭이 커질수록 상기 도가니의 내부 벽면에서 상기 도가니 내의 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력이 강해지게 하여, 상기 용탕의 형상을 조절하는 것을 특징으로 하는 전자기 주조용 도가니.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도가니에 상기 슬릿을 비등간격으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 주조용 도가니.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도가니의 내부 벽면에서 상기 도가니 내의 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력이 향하는 방향인 도가니의 중심을 기준으로 하여, 상기 도가니의 중심에서 가까운 상기 도가니의 면에는 좁은 간격으로 슬릿을 형성하고, 상기 도가니의 중심에서 멀어지는 면일수록 점점 넓은 간격으로 슬릿을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 주조용 도가니.
  4. 제 1 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니의 수평 단면의 형상은 타원형, 직사각형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 전자기 주조용 도가니.
  5. 제 1 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니의 수평 단면의 형상은 판재형상에 가까운 잉곳을 제조하기 위하여 납작한 타원형, 직사각형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 전자기 주조용 도가니.
  6. 제 1 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용탕은 비중이 5 미만인 금속인것을 특징으로 하는 전자기 주조용 도가니.
  7. 제 1 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니의 수평 단면의 형상은 도가니의 최상부에서 최하부까지 일정한 형상을 유지하고 있어, 도가니 내에 용융상태로 머무는 용탕의 양을 최소로 하는 것을 특징으로 하는 전자기 주조용 도가니.
  8. 전자기 주조시 용탕의 형상을 조절하는 방법으로서, 도가니 주위에 코일이 둘러싸여서 상기 도가니에 교류전류를 인가하고, 그 인가된 상기 교류전류가 도가니에 부분적으로 유도되도록 상기 도가니의 둘레부분이 세그먼트로 형성되어 있고 상기 세그먼트 사이에는 절연을 위한 슬릿(Slit)을 비등간격으로 구비하여,
    상기 세그먼트의 폭이 커질수록 상기 도가니의 내부 벽면에서 상기 도가니 내의 용탕의 표면으로 가해지는 전자기력이 강해지게 하여, 상기 용탕의 형상을 조절하는 것을 특징으로 용탕 형상 조절방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 용탕은 비중이 5 미만인 금속인것을 특징으로하는 용탕 형상 조절방법.
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