KR101576707B1 - 용융 금속 수용 구조체를 위한 압축 로드 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는, 외측 금속 케이스 내부에 배치되는 내화 용기에 힘을 가하기 위한 압축 로드 조립체에 관한 것이다. 조립체는, 제1 및 제2 대향 단부를 구비하는 길쭉한 강성 로드, 상기 길쭉한 로드의 제1 대향 단부에 인접한 나사형성 볼트, 및 상기 길쭉한 로드와 상기 볼트 사이에 작동적으로 배치되는 압축 구조체를 포함한다. 상기 볼트에 의해 상기 길쭉한 로드에 가해지는 힘이 상기 압축 구조체를 통과하도록 하며, 상기 압축 구조체는 상기 길쭉한 로드의 제한된 길이방향 이동을 상기 볼트의 상응하는 길이방향 이동을 요구함 없이 수용하도록 허용한다. 실시예는 또한 조립체의 구성요소를 형성하는 로드 구조체 및 적어도 하나의 그러한 조립체에 의해 지지되고 압축되는 용기를 구비하는 금속 수용 구조체에 관한 것이다.

Description

용융 금속 수용 구조체를 위한 압축 로드 조립체{COMPRESSIVE ROD ASSEMBLY FOR MOLTEN METAL CONTAINMENT STRUCTURE}

본 발명은 용융 금속을 수용하고 이송하기 위해 사용되는 구조체들 및 그러한 구조체들의 부품들에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 지지, 보호 및, 필요한 경우, 내화재 용기를 정렬시키기 위해 사용되는, 외측 금속 케이스 내부에 수용되는 내화 용기 또는 세라믹 용기를 구비하는 그러한 구조체들에 관한 것이다.

이러한 종류의 금속 수용 구조체는 일반적으로, 외측 금속 케이스 내부에 유지되는 예를 들어 용융 금속 이송 용기와 같은, 몇몇 종류의 내화 용기를 포함한다. 용기는 용융 금속이 용기 내부에 유지되거나 용기를 통해 이송됨에 따라 매우 뜨겁게 될 것이다(예를 들어, 700℃ 내지 750℃의 온도까지). 이러한 열이 수용 구조체의 외측 금속 케이스에 전달된다면, 금속 케이스는 팽창, 뒤틀림(warping) 또는 비틀림(distortion)을 받게 될 것이고, (용기가 섹션들로 제조되는 경우) 용기의 섹션들 사이에 틈새가 형성되도록 하는 원인이 되어, 그로 인해 용융 금속 누출을 허용할 수도 있을 것이다. 부가적으로, 케이스의 외측 표면이 장비의 작업자에게 안전하지 않은 작동 온도를 띨 것이다. 이러한 단점들은, 용융 금속을 위한 바람직한 온도를 유지하기 위해 부가적인 가열이 용기에 적용된다면, 더 악화될 것이다. 예를 들어, 용기 가열이 사용될 때, 최대 900℃의 온도가 용기의 외측에 나타날 것이다. 단열 층들이 용기와 케이스의 내부 사이에 제공될 수 있지만, 그러한 층들은 용기를 위해 견고한 지지를 제공할 수 없으며, 가열된 용기가 요구될 때, 열 순환을 위해 용기와 케이스 사이에 간극을 형성시키는 것을 가능하게 할 수 없을 것이다.

그러한 문제점들을 극복하기 위해, 용기는 금속 케이스의 내부공간 내부의 여러 군데의 이격 위치에 견고하게 지지되어, 용기와 케이스 사이에 단열 간극(thermal isolation gap)의 형성을 가능하게 할 것이다. 그러한 간극은 또한 열을 용기에 가하는 분배 시스템에서 열 순환을 허용한다. 이때, 금속 케이스를 위한 추가적인 단열을 제공하기 위해, 단열 층들은 상기 간극의 케이스측에서 상기 케이스의 내측을 덮도록 사용될 수도 있을 것이다. 그러나, 견고한 지지체들은, 분배 시스템의 열 순환 도중에 용기가 겪는 열 팽창 및 수축을 수용할 수 없고, 용기에 형성될 수도 있는 균열들을 수용하지 않는 경향이 있다.

따라서, 금속 분배 구조체의 금속 케이스 내부의 내화 용기를 위한 견고한 지지를 제공하는 개선된 수단에 대한 필요가 있다.

본 발명의 예시적 실시예는, 외측 금속 케이스 내부에 배치되는 내화 용기에 힘을 가하기 위한 압축 로드 조립체에 있어서, 상기 조립체는 제1 및 제2 대향 단부를 구비하는 길쭉한 강성 로드(rigid elongated rod), 상기 길쭉한 로드의 제1 대향 단부에 인접한 나사형성 볼트(threaded bolt), 및 상기 길쭉한 로드와 상기 볼트 사이에 작동적으로 배치되는 압축 구조체를 포함하여, 상기 볼트에 의해 상기 길쭉한 로드에 가해지는 힘이 상기 압축 구조체를 통과하도록 하며, 상기 압축 구조체는 상기 길쭉한 로드의 제한된 길이방향 이동을 상기 볼트의 상응하는 길이방향 이동을 요구함 없이 상기 압축 구조체에 의해 수용하도록 허용하는, 압축 로드 조립체를 제공한다.

다른 예시적 실시예는, 외측 금속 케이스 내부에 배치되며, 상기 케이스의 내측 표면으로부터 이격되고 적어도 하나의 압축 로드 조립체로부터 압축력을 받게 되는 내화 용기를 구비하는, 용융 금속 수용 구조체(예를 들어, 용융 금속을 유지, 분배 또는 이송하기 위한 구조체)에 있어서, 상기 조립체는, 제1 대향 단부 및 상기 케이스 내부에서 상기 용기와 접촉하는 제2 대향 단부를 구비하는 길쭉한 강성 로드, 상기 길쭉한 로드의 제1 대향 단부에 인접하고 상기 케이스 외측으로 연장되는 나사형성 볼트, 및 상기 길쭉한 로드와 상기 볼트 사이에 작동적으로 배치되는 압축 구조체를 포함하여, 상기 볼트에 의해 상기 길쭉한 로드에 가해지는 힘이 상기 압축 구조체를 통과하도록 하며, 상기 압축 구조체는 상기 길쭉한 로드의 제한된 길이방향 이동을 상기 볼트의 상응하는 길이방향 이동을 요구함 없이 상기 압축 구조체에 의해 수용하도록 허용하는, 용융 금속 수용 구조체를 제공한다.

용기는, 예를 들어, 용기의 길이방향 일단부로부터 길이방향 타단부까지 연장되는 금속 이송 통로를 구비하는 길쭉한 용기, 금속 필터를 수용하고 용융 금속을 이송하기 위한 길쭉한 통로를 구비하는 용기, 용융 금속을 수용하여 일시적으로 유지하기 위한 내부 공간(interior volume) 및 상기 내부 공간 속으로 연장되는 하나 이상의 금속 가스제거 유닛을 구비하는 용기, 또는 반응성 화학물질을 수용하기 적합한 내부 공간을 구비하는 도가니와 같이 설계되는 용기일 것이다.

구조체에서, 다수의 압축 단열 로드 조립체는 각각 바람직하게 0 내지 5,000lb(0 내지 2268kg) 범위 이내의 힘을 상기 용기에 가한다. 상기 용기는 바람직하게 길이방향 측벽들 및 바닥벽을 구비하며, 상기 압축 단열 로드 조립체의 일부는 바람직하게, 1.5 내지 15인치(3.8 내지 38.1cm)의 거리 만큼 이격된 용기를 따르는 위치들에서, 상기 길이방향 측벽들 및/또는 상기 바닥벽과 접촉한다. 바람직하게, 상기 용기와 상기 케이스 사이에 채워지지 않은 간극이 있으며, 튜브형 금속 보강체가 예를 들어 0.0 내지 2인치(0 내지 5cm)의 거리 만큼 상기 간극에 못 미치게 종단된다. 선택적으로, 상기 튜브형 금속 보강체는 바람직하게 0.0 내지 3인치(0 내지 7.6cm)의 거리 만큼 몸체의 길이방향 단부들 중 하나로부터 이격되어 있다.

상기 구조체는 상기 용기를 가열하기 위한 히터를 포함하거나 선택적으로 용기가 가열되지 않을 수도 있으며, 단열재가 상기 케이스의 내측 표면에 인접하게 제공될 것이다.

상기 압축 조립체의 상기 강성 로드는 상기 용기의 높은 열을 견딜 수 있다. 본질적으로, 상기 용기와 상기 금속 케이스 사이의 접촉은 상기 강성 로드만을 경유하기 때문에, 상기 용기의 벽들로부터의 열전도가 감소된다. 따라서, 상기 로드는 상기 용기를 상기 금속 케이스로부터 열적으로 격리한다. 부가적으로, 상기 로드에 의해 작용하게 되는 압축력은 성형시에 균열이 형성되는 것을 방지하고, 균열이 형성될 때 그러한 균열들을 수용하는 경향이 있어서, 그로 인해 용기로부터의 금속 누출의 경우들을 감소시킨다.

상기 용기는 주로 용융 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 수용하거나 이송하기 위한 것이지만, 다른 용융 금속들과 합금들, 특히 용융 알루미늄과 유사한 그 융점을 갖는, 예를 들어 (알루미늄보다 낮은 융점을 갖는) 마그네슘, 납, 주석 및 아연, 그리고 (더 높은 융점을 갖는) 구리와 금을, 수용하거나 이송하기 위해 적용될 수도 있을 것이다. 철 및 강은 더 높은 융점을 갖지만, 필요하다면, 본 발명의 구조체가 또한 그런 금속들을 위해 설계될 수도 있을 것이다.

또 다른 예시적 실시예는, 전술한 종류의 압축 단열 로드 조립체를 위한 로드 부품에 있어서, 제1 대향 단부 및 제2 대향 단부를 구비하는 길쭉한 강성 로드를 포함하며, 상기 로드는 상기 로드의 제2 대향 단부에 인접한 내화 단열재를 구비하는, 로드 부품을 제공한다.

본 발명의 실시예들이 이하에서 첨부되는 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 로드 조립체를 도시한 분해 상태 단면도;
도 2는 도 1의 압축 로드 조립체를 갖도록 제공되는 용융 금속 수용 구조체의 일부분들 도시하고, 또한 수용 구조체의 외측 표면에 부착되는 유지 브라켓(retaining bracket)을 도시하는 단면도;
도 3은 도 2와 유사한 유사하지만, 그의 용융 금속 수용 용기를 지지하는 부가적인 압축 단열 로드 조립체들을 도시하는, 용융 금속 수용 구조체를 도시한 부분 절개 사시도; 및
도 4는 도 2와 유사하지만 대안적인 실시예를 도시하는 단면도.

도 1은 본 발명의 예시적 일 실시예에 따른 압축 로드 조립체(10)의 분해된 종단면도이다. 조립체는 길쭉한 로드(12), 금속 플레이트(14), 이 플레이트(14)에 부착되어 스프링 와셔들(15)을 둘러싸고 이들을 플레이트에 인접하게 구속하는 리테이너(16) 내부에 유지되는, 3개의 컵형 금속 스프링 와셔(15), 볼트(18) 및 암나사 형성 너트(20)를 포함한다. 로드(12)는, 로드의 플레이트 접촉 단부(24)(제1 단부)와 용기 접촉 단부(23)(제2 단부)사이에서 연장되는 길이 "L"의 길쭉한 원통 또는 기둥 형태의 내화재, 일반적으로 세라믹 재료의 길쭉한 몸체(22)를 구비한다. 몸체용으로 사용되는 내화재는 (압출 가공되거나 프레스 가공된) 알루미나가 바람직하지만, 예를 들어, 지르코니아, 용융 실리카(fused silica), 규산알루미늄, 티탄산알루미늄, 또는 가공가능한 유리 세라믹들(예를 들어, 영국의 세라믹 서브스트레이트 앤 컴포넌트 리미티드사에 의해 Macor® 라는 상표명으로 판매되는 제품) 등과 같은 압축에 저항할 수 있는 다른 세라믹일 수도 있을 것이다. 로드(22)에는 또한, 플레이트 접촉 단부(24)로부터 로드(22)의 길이(L)를 따르는 경로의 일부분으로 연장되어 용기 접촉 단부(23)에 못 미치는 거리에서 종단되는, 둘러싸는 튜브형 금속 지지체(26)가 제공된다. 종종 "벨빌 와셔(Belleville washers)"로 불리는, 컵형 와셔들(15)은 그들에게 축방향 힘이 가해질 때 평평해 지지만, 힘이 제거될 때는 그들의 본래 컵형상으로 탄력적으로 탄성 복원된다. 스프링 와셔들은 중실체 디스크들처럼 보이지만, 선택적인 실시예들에서 작은 중앙 개구부들을 갖도록 제공될 수도 있을 것이다. 볼트(18)는 일단부에 확장된 다면체 가공된 헤드(30)를 구비하고, 볼트를 회전시키기 위해 사용되는 도구(미도시)의 소켓에 상응하도록 성형된다. 헤드는 길쭉한 수나사 형성 샤프트(31)에 부착되고, 샤프트의 반대편 단부에 접촉 표면(32)을 구비한다. 너트(20)는 다면체 가공 외형(34)을 구비하여 회전에 대항하여 유지될 수 있도록 하고, 회전될 때 너트가 나사 형성 샤프트(31) 상에서 진행하는 것을 가능하게 하는 치수 및 적합한 나사 수의 암나사 형성 보어(35)를 구비한다. 리테이너(16)는 볼트(18)의 단부가 이 리테이너를 통과하도록 허용하는 충분히 큰 직경인 중앙 구멍(28)을 구비하여, 접촉 표면(32)이 와셔들(15)과 접촉하고 와셔들을 압축하기 위해 축방향 힘을 가하도록 할 것이다.

로드(22) 및 바람직하게 튜브형 금속 지지체(26)는, 로드(22)가 예를 들어 높은 온도에의 노출에 의해 야기되는 파손 또는 금속 크리프(metal creep)에 의해 고장나면 교체가 요구될 수도 있는, 조립체를 위한 교체가능한 부품을 형성한다.

조립체(10)의 부품들은, 내화 용기(42)(예를 들어, 금속 이송 용기), (예를 들어, 강으로 제조되는) 금속 케이스(44) 및 내부 단열재 층(45)(예를 들어, 내화 보드)를 구비하는, 용융 금속 수용 구조체(40)의 일부분 상의 위치에 조립된 형태로, 도 2에 도시된다. 개방된 또는 채워지지 않은 공기 간극(46)이 구조체 내부에서 금속 케이스(44)의 내측 표면에 인접한 단열재 층(45)과 용기(42) 사이에 존재한다. 간극은 케이스(44) 및 단열 층(45)의 구멍을 통과하는 길쭉한 로드(12)에 의해 양측이 연결되어, 로드의 용기 접촉 단부(23)가 용기(42)의 외측 표면(49)과 접촉하도록 한다. 로드(12)는, 로드의 플레이트 접촉 단부(24)가 케이스(44) 외부에 배치되도록, 충분한 길이이다. U-자형 브라켓(50)이, 플레이트(14), 리테이너(16) 및 너트(20)를 둘러싸도록, (예를 들어, 용접에 의해) 케이스(44)에 부착된다. 사실, 브라켓(50)의 외측 단부는, 너트의 외측 표면(34)과 맞물리는 접촉 플레이트(54)가 제공되는 중앙 구멍을 구비하여, 그로 인해 너트의 회전을 방지한다. 브라켓은 또한, 볼트의 축을 따르는 너트의 후방 축방향 이동을 방지하는 스토퍼(55)(stop)들을 구비한다. 케이스(44)에 인접한 브라켓(50)의 측부들은 또한 플레이트에 대한 폐쇄형 배치로 인해 (일반적으로 정사각형 또는 직사각형 형상인) 이 플레이트(14)의 회전을 방지하지만, 플레이트(14)의 길이방향 이동은 브라켓의 측면들에 의해 방지되지 않는다. 용기 접촉 표면(23)이 도시된 바와 같이 용기에 접촉하고 볼트(30)가 회전하여 와셔들(15)과 접촉하도록 이동하게 될 때, 로드는 용기에 대항하는 힘을 받지만, 컵형 와셔들(15)은, 볼트의 어떠한 축 방향 이동도 요구함 없이 열 사이클 동안의 용기의 팽창 또는 수축을 수용하기 위해, 로드(12)가 용기를 향해 또는 용기로부터 멀어지게 약간 이동하도록 허용하는 스프링으로써 작용한다. 스프링 와셔(15)들이 완전히 압축되면 용기의 팽창을 수용하기 위한 그들의 능력을 상실하기 때문에, 바람직하게는, 볼트는 스프링 와셔들이 완전히 압축되는 정도까지 조여서는 안 된다. 따라서 로드(12)는 확고하지만 용기에 대해 탄력적으로 유지되고, 압축력을 용기의 측부들에 작용시킨다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 용기(42)는 도시된 바와 같이 길쭉한 금속 이송 통로를 갖도록 제공되는, 용융 금속 분배 구조체의 길쭉한 내화 세라믹 용융 금속 이송 용기이다. 용기(42)는 금속 케이스(44)의 바닥벽(60)을 통해 수직으로 연장되는, 도 2에 도시된 종류의 인접한 로드 조립체(10) 쌍들에 의해 그의 하단부가 지지된다. 용기는 이러한 쌍들의 수직 조립체들에 의해 지지되고 바닥벽(60)으로부터 이격된 상태로 유지되며, 금속 케이스(44)에 볼트로 체결되어 금속 케이스의 일부를 형성하는 금속 상부 플레이트들(63) 바로 아래에 용기의 상부가 구속되기 때문에, 압축이 또한 이들 수직 조립체들에 의해 용기에 작용하게 된다. 바람직하게, 단열 내화 스트립(strip)(64)들이 용기(42)의 상부 가장자리들과 상부 플레이트들(63)의 돌출한 내측 립부(lip)(61)들 사이에, 이러한 위치에서 용기로부터의 열손실을 더욱 감소시키기 위해, 배치된다. 스트립들(64)은 강성이며, 압축력이 하부의 압축 로드 조립체들(10)에 의해 작용되도록 하는 스토퍼로써 작용한다. 단열 내화 스트립들(64)은, 용기로부터 밖으로 및 상부 플레이트(63) 속으로의 열전도를 최소화하기 위해 횡방향 수평 치수가 가능한 한 좁게 유지되는 것이 바람직하다. 용기(42)의 바닥 부분은 또한, 금속 케이스(44)의 측벽들(62)을 통해 연장되는 대향하는 수평 로드 조립체(10) 쌍들에 의해 측방 이동에 대항하여 제자리에 고정된다. 이러한 조립체들은 반대측부들로부터 용기에 서로 반대되는 평형을 유지하는 압축력들을 작용시키며, 이들은 일반적으로, 내화재가 용기의 일 측부에서 다른 측부로 완전하게 연장되어 용기 측부들의 내향 굽힘 또는 휨이 회피되도록 하는, 용기 통로 바로 아래의 수직 레벨에 배치된다. 몇몇의 그러한 그룹의 바닥벽 및 측벽 로드 조립체들(10)은, 내화 용기(42)를 위해 다수 위치에서 지지 및 압축을 제공하기 위해, 분배 구조체의 길이를 따라 서로 이격된 간극들로 배열된다. 그러한 조립체들의 그룹들의 상호 길이방향으로의 간극이 중요한 것은 아니지만, 바람직하게 1.5 내지 15인치(3.8 내지 38cm)의 범위 이내이고, 더욱 바람직하게 6 내지 10인치(15.2 내지 25.4cm)의 범위 이내이다.

비록 도 3은 수직 지지/압축 및 수평 지지/압축을 모두 제공하기 위한 조립체들(10)의 사용을 도시하지만, 다른 예시적 실시예들은 금속 분배 구조체의 작동환경 및 크기에 따라 요구되는 바에 따라 수직 지지/압축만을 또는 수평 지지/압축만을 제공할 수도 있을 것이다. 어떤 경우든, 조립체들은 용기를 케이스로부터 열적으로 격리한다.

금속 케이스의 내부는 금속 케이스로의 열전도를 더욱 감소시키기 위해 내화 단열 층들(45)로 라이닝된다. 그러한 층들은 용기(42)에 상당한 물리적 지지를 제공하지 않으며, 실제로, 용기(42)의 추가적인 단열을 제공하기 위한 공기 간극(46)이 있는, 도시된 바와 같은 적어도 용기의 수직 측부들에서 용기에 접촉하지 않는다. 물론, 필요하다면, 금속 케이스와 용기 사이의 전체 공간이 내화 단열재로 채워질 수도 있을 것이며, 도 3의 실시예에서 도시된 바와 같이 어떠한 공기 간극도 용기(42) 아래에 제공되지 않았다.

비록 도 3의 실시예가 용기(42)를 위한 내부 히터들을 사용하지 않지만, 필요하다면 측부 공기 간극들(46)이, 요구되는 고온에서 용융 금속 내용물을 유지하도록 용기에 열을 전달하기 위해, 전기 가열 요소들(미도시)을 갖도록 제공될 수도 있을 것이다. 선택적으로, 용기는, 예를 들어 2005년 12월 13일 틴제이 등에 허여된 미국특허 제6,973,955호, 및 하이마스 등에 의한 2008년 7월 10일 미국특허공개번호 제2008/0163999호로 공개된, 출원중인 미국특허출원번호 제12/002,989호에 개시된 수단에 의해 가열될 수도 있을 것이다(이러한 특허 및 특허출원의 개시들은 참조로 본 명세서에 명확하게 통합된다). 틴제이 등의 특허는 아래로부터의 전기적 가열을 제공하고, 하이마스 등의 특허출원은 연소 가스의 순환에 의해 가열을 제공한다. 또 다른 선택적인 실시예들에서, 가열 수단은 내화 용기 자체의 내부 또는 상부에 위치하게 될 수도 있을 것이다.

용기 히터들이 사용될 때, 로드(12)를 위한 튜브형 금속 지지체들(26)은 공기 간극(46) 내부의 가열된 공기에 직접적으로 노출되지 않는 것이 바람직하다. 그러한 경우에, 금속 지지체들은, 덮이지 않은 세라믹 몸체(22) 만이 간극 내부에 노출되는 가운데, 단열재 층(45)(도 2 참조) 내부에서 종단되어야 할 것이다. 따라서, 금속 지지체는, 간극(46) 내부의 부분에 대해 0.13 내지 0.38인치(3mm 내지 1cm) 범위의 추가 간격을 더한 만큼을 제외하고, 세라믹 몸체(22)의 전체 길이를 덮는 것이 바람직하다. 종종, 간극은 0.25 내지 1.5인치(6mm 내지 3.8cm)의 크기의 범위이므로, 금속 지지체(26)가 용기 접촉 단부(23)로부터 0.38 내지 1.88인치(1cm 내지 4.8cm)를 제외한 세라믹 몸체의 전체 길이를 덮도록 한다. 가열되지 않는 금속 분배 시스템에 대해서는, 용기에 인접한 세라믹 몸체(22)의 마지막 0.13 내지 0.5인치(3mm 내지 1.3cm)를 제외한 모든 부분이 튜브형 금속 지지체(26)에 의해 덮이는 것이 바람직하다. 이는, 세라믹 몸체를 위한 최대한의 지지를 제공하는 가운데, 로드(12)에 의한 용기의 단열을 제공하는데 충분하다.

로드(12)의 길이(L)는 서로 다른 크기의 금속 분배 시스템에 맞도록 변화할 것이다. 그러나, 길이들은 1.5 내지 12인치(3.8cm 내지 30.5cm) 범위에서 또는 그 이상, 더욱 유용하게 3 내지 5인치(7.6cm 내지 12.7cm) 범위에서 대체로 변화할 것이다.

로드(12)의 열전도는 세라믹 몸체(22)의 직경이 감소함에 따라 유리하게 감소되지만, 압축강도는 불리하게 감소되고 취성(brittleness)이 증가하므로, 일반적으로 충분한 강도를 유지하는 가운데 열전도를 최소화하는 두께의 최적 범위가 있다. 이러한 최적 범위는 내화 로드(22)용으로 사용되는 재료에 의존하지만, 바람직하게 0.25 내지 3.0인치(6mm 내지 7.6cm)이고, 더욱 바람직하게 0.5 내지 1.25인치(1.3cm 내지 3.2cm)이다.

전술한 바와 같이, 볼트(18)는 정상적으로 조여져서, 로드(22)가 용기(42)에 대항하여 압축력을 가하도록 한다. 바람직하게, 이 압축력은 0 내지 5,000lb(0 내지 2668kg)의 범위이고, 더욱 바람직하게 800 내지 1,200lb(363 내지 544kg)의 범위이다. 어떤 힘도 실제로 작용시키지 않는 가운데 용기가 움직이는 것을 로드가 방지한다면, 열적 부하 아래서 또는 균열의 발생으로 인해 용기가 로드에 대해 압축될 때까지는 로드가 여전히 기능하는 것이기 때문에, 제로 힘(zero force)이 넓은 범위에서 포함된다.

로드들은 용기에 작용되는 압축하중을 지지하므로, 로드들(12)의 세라믹 재료는 부서짐이나 파손없이 그러한 하중 하에서 작동할 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 0.625인치(1.6cm)의 직경을 구비하는 로드 상의 1,200lb(544kg)의 압축설계하중은 거의 4,000psi(27.6MPa)의 압력을 생성하고, 실제로 이 압력은 로드에 16.3ksi(112.4MPa)의 압력을 생성하는 5,000lb(2268kg) 정도로 높을 것이다. 알루미나로 제조되는 로드들은 300ksi(2068.4MPa) 이상의 압축강도에서 이용가능하며, 따라서 이러한 적용의 대부분 또는 모두에 적당하다. 다른 세라믹들은 50ksi(344.7MPa) 정도로 낮은 압축강도를 구비할 것이며, 따라서 많은 용도에 더욱 적합하게 될 수 있다. 재료 강도는 전형적으로 실온에서의 재료에 대해 주어지며, 고온에서는 급격하게 감소될 것이며, 따라서 맞닥뜨릴 가능성이 있는 것보다 훨씬 더 큰 강도 값들을 갖는 재료를 선택하는 것이 권장된다는 것을 유념해야 할 것이다. 매우 높은 압축강도 때문에, 알루미나는 대부분의 용도에 바람직하다.

비록 로드(22)가 내화재 원통 또는 기둥인 것이 바람직하지만 튜브형 또는 중공형일 수도 있다는 것을 알아야 할 것이다. 이는 로드의 단부(23)와 용기 벽 사이의 접촉 면적을 더욱 최소화하고, 그로 인해 용기로부터의 열전도를 더욱 감소시킨다. 특히 알루미나의 높은 강도는, 로드 파손에 대한 상당히 증가된 위험 없이, 이를 가능하게 한다. 로드(22)는 또한, 예를 들어 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 다각형 등 임의의 바람직한 단면 형상일 수 있을 것이다.

지지 금속 튜브(26)는 내화 로드를 위한 양호한 지지를 제공하기 충분한 길이인 것이 바람직하지만, 용기로부터의 열전도의 증가를 초래하는 것을 회피하도록 용기 접촉 단부(23)에 못 미치는 충분한 거리에서 종단되어야 할 것이다. 튜브는 로드를 수용하기에 충분하도록 두꺼워야 할 것이며, 로드가 사용 중에 부서져도 여전히 압축 하중을 작용시키기 위한 충분한 강도를 가져야만 한다. 바람직한 튜브의 벽 두께는 적어도 0.1인치(3mm), 더욱 바람직하게 0.03 내지 0.07인치(1mm 내지 2mm)의 범위이다. 강 또는 다른 강한 금속이 튜브용으로 사용될 수 있을 것이다.

튜브가 로드 둘레에 최소의 틈을 가지고 조립되지 않는 한, 로드는 공간을 채우는 열 저항성 접착제로 튜브 내에 부착되는 것이 바람직하다. 적당한 접착제들은, 고온 세라믹 접착제인 (미국 뉴욕주 브루클린의 콘트로닉스 코포레이션사로부터 입수가능한) Cotronics ResBond® 989FS 및 고온 에폭시 수지를 포함한다. 에폭시 수지의 일부는 용기에 가장 근접한 단부에서 불에 타서 없어질 수도 있지만, 먼 쪽 단부는 접착제가 기능을 유지하도록 충분히 차갑게 유지될 것이다. 접착제에 대한 필요성을 완전히 회피하기 위해, 튜브 및 로드는 함께 열적으로 수축 조립될 수도 있을 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 로드(12)의 단부(23)가 본 발명의 예시적 실시예에서 용기(42)의 외측 표면(49)에 직접적으로 대항하여 지탱한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 용기 벽의 하중을 분산시키기 위해 더 넓은 표면적을 구비하는 비압축성 스페이서(미도시)를 경유하여 힘을 작용시키도록 요구될 수 있을 것이다. 그러한 스페이서는, 예를 들어 알루미나와 같은 세라믹 재료로 제조되는 것이 바람직할 것이며, 로드(12) 자체의 일부로 제조되거나 로드에 부착될 수 있을 것이다. 장점은, 좁은 로드/넓은 스페이서 조합의 사용으로 인해 열전도를 최소화하는 가운데, 용기에 손상을 야기하는 것에 대한 적은 가능성이다.

다른 대안으로서, 로드(12)는 부분적으로 내화재 그리고 부분적으로 금속으로 제조되며, 내화재 부분이 용기 접촉 단부(23)에 인접하게 배치될 수도 있을 것이다. 내화재 부분은, 용기와 로드의 금속 부분 사이에서 단열재로 작용하기에 충분한 길이로 제조될 것이다.

비록 전체적으로 또는 부분적으로 내화 세라믹 재료로 제조된 로드(22)의 사용이 이상에서 설명되었지만, 로드는 전체적으로, 예를 들어 스테인리스 강, 티타늄 또는 인코넬(니켈-크롬계 합금)과 같은, 금속으로 제조될 수 있다. 명확하게, 금속 로드의 사용은 압축 하에서 파손 가능성을 감소시키지만, 용기로부터의 열손실을 증가시킨다. 나아가, 어떤 금속은 강도의 감소 또는 고온 크리프를 받을 수도 있고, 따라서 예를 들어 더 낮은 온도의 금속으로 그리고 용기의 부가적인 가열이 없는, 더 낮은 온도의 이용에만 전체-금속 로드를 사용하도록 권장된다. 대조적으로, 내화 세라믹들로 이루어지거나 이를 포함하는 로드들은 모든 온도에서의 이용에 적당하다.

비록 구체적으로 도시되지는 않지만, 용기(42)의 길이방향 단부들은 또한, 금속 케이스의 단부벽들에 부착되는 볼트 및 컵형 와셔 조립체들에 의한, 용기 단부들에 대항하는 인접한 단부 플레이트의 추력(thrust)으로부터의 압력 하에 놓이게 될 것이다. 그러나, 도면들에 도시된 것과 같은 단열 로드들은, 이러한 단부벽 위치들에서 요구되지 않는다.

용기(42) 자체는, 예를 들어 알루미나 또는 탄화규소 등과 같은, 임의의 적당한 공지의 세라믹 재료로 제조될 수 있으며, 임의의 요구되는 길이의 용기를 형성하기 위해 단부들끼리 맞닿게 놓이는 2개 이상의 용기 섹션(예를 들어, 도 3에 도면부호 42A 및 42B도 지시됨)(vessel section)으로 제조될 것이다.

도 3의 실시예에서, 금속 수용 용기(42)는, 한 위치(예를 들어, 금속 용해로)에서 다른 위치(예를 들어, 주조 금형)까지 용융 금속을 이송하기 위해 사용되는, 용융 금속 분배 시스템에 사용되는 종류의 길쭉한 금속 용기이다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에 따르면, 용기는, 예를 들어 용해로에서 주조 테이블까지 통과함에 따른 용융 금속 흐름으로부터 미립자를 필터링하기 위해 사용되는, 예를 들어 인-라인 세라믹 필터(예를 들어 세라믹 폼 필터)와 같이, 다른 목적을 위해 설계될 수도 있을 것이다. 그러한 경우에서, 용기는, 용융 금속을 이송하기 위한 통로 및 이 통로 내에 배치되는 필터를 포함한다. 다른 예시적 실시예에서, 용기는, 예를 들어 1995년 8월 10일 공개된 국제특허공개공보 제95/21273호(이 문헌의 내용은 참조로 본 명세서에 편입됨)에 개시된 바와 같은, 알칸 콤팩트 금속 가스제거기와 같이, 내부에서 용융 금속이 가스제거되는 컨테이너이다. 가스제거작업은, 노(furnace)에서 주조 테이블까지 이동함에 따른 용융 금속 흐름으로부터, 수소 및 다른 불순물을 제거한다. 그러한 용기는, 회전가능한 가스제거 헤드(head)들이 위로부터 그 내부로 돌출하는, 용융 금속 수용을 위한 내부 공간을 포함한다. 용기는 일괄 처리(batch processing)를 위해 사용될 수도 있고, 또는 금속 이송 용기들에 부착되는 금속 분배 시스템의 일부 일 수도 있다. 일반적으로, 용기는 금속 케이스 내부에 배치되는 임의의 내화 금속 수용 용기일 것이다. 용기는 또한 반응성 화학물질들 또는 화학물질 종류를 수용하기 위한 내화 세라믹 도가니처럼 설계될 수도 있을 것이다.

도 3에 도시된 종류의, 그러나 내부 가열 수단을 갖는 용융 금속 분배 구조체는, 알루미나, 스테인리스 강 또는 인코넬로 제조되는 로드들(22)을 사용하여 구성되었다. 용기들은, 최소 1,000lb(454kg)의 압축력을 로드들에 작용시키는 가운데, 로드 단부들에서 대략 800 내지 850 ℃의 온도까지 가열된다. 이러한 높은 온도에서, 인코넬 및 스테인리스 강은 모두 고온 크리프를 겪지만, 내부 열이 제공되지 않는 낮은 온도의 구조체들에 적당할 것이다. 알루미나 로드들은, 심지어 5,000lb(2268kg)의 압축 하중을 받았을 때에도, 손상이나 크리프를 겪지 않았다. 알루미나 로드들은 상업적으로 입수가능하고 비교적 저렴하며, 따라서 압축 조립체들에 사용하기 위한 바람직한 로드들이다.

선택적인 실시예가 도 4에 예시된다. 이 경우에, 한 쌍의 길쭉한 로드(12)가 일단부(24)에서 플레이트(14)에, 그리고 타단부(23)에서 용기(42)에 견고하게 부착된다. 로드들(12)은 강성 세라믹 재료 또는 금속으로 제조될 것이다. 로드들은 금속 케이스(44) 및 단열 층(45)의 구멍들(48)을 통해 연장된다. 지지 플레이트(70)가 케이스(44) 외측에 제공되고, 케이스 또는 웹(web)(75)들에 의한 다른 고정 지지체에 대항하여 견고하게 지지된다. 로드들은, 지지 플레이트(70)로부터 가까운 거리에서 분리되는 플레이트(14)까지 지지 플레이트의 구멍(71)을 통해 연장된다. 확장된 헤드(30)를 구비하는 볼트(18)는 헤드(30)와 플레이트(14) 사이에 한 세트의 컵형 스프링 와셔(15)를 구비한다. 볼트는 플레이트(14)의 구멍을 관통하여 연장되고, 수나사 영역(72)을 구비한다. 다각형 외측 가장자리를 갖는 암나사 형성 너트(20)는 볼트의 수나사 영역(72) 상에서 회전가능하지만, 플레이트(20) 아래 측의 짧은 함몰부(73) 내부에서 구속된다. 함몰부(73)는 너트(20)의 다각형 외측 가장자리와 동일한 형상 및 크기이며, 따라서 너트는 플레이트에 대해 상대적으로 회전할 수 없다. 볼트(18)가 적당한 도구를 사용한 헤드의 회전에 의해 조여질 때, 플레이트(14)는 지지 플레이트(70)를 향해 끌어 당겨지고, 로드는 케이스 속으로 및 용기에 대항하여 밀리게 되며, 그로 인해 용기를 압축한다. 컵형 스프링 와셔들(15) 또한 압축되고 평평해지며, 볼트(18)에 외향력(outward force)을 가한다. 볼트가 정확하게 조여지면, 용기의 팽창 및 수축은 로드들(12)의 (양방향 화살표로 지시되는 바와 같은) 상응하는 축방향의 작은 이동에 의해 수용된다. 그러한 이동은, 외향 이동이 볼트 헤드(30)와 플레이트(14) 사이에서 스프링 와셔들(15)이 더욱 압축되도록 하고, 이에 반하여 내향 이동이 스프링 와셔들(15)이 팽창되도록 (즉, 더욱 완전한 컵형상을 띄도록) 하기 때문에, 가능하다. 그러한 이동은, 스프링 와셔들이 완전히 압축되거나 또는 그들의 완전한 컵 형상으로 복원될 때(플레이트(14)에 대항하며 그리고 그에 따라 로드들(12)에 대항하여 더 이상 밀지 않을 때), 종단된다. 본 실시예에서, 컵형 와셔들(15)은, 필요하다면, 나선형 스프링 와셔 또는 짧은 코일 스프링으로 교체될 수도 있을 것이다.

상기한 실시예에서와 같이, 컵형 와셔들(15) 및 플레이트(14)는 로드들(12)과 볼트(18) 사이에서 압축 구조체로서 역할을 수행하여, 로드들의 제한된 길이방향 이동이 볼트(18)의 상응하는 길이방향 이동을 요구함 없이 압축 구조체에 의해 수용되도록 허용한다.

로드들(12)은 용기(42)의 능동적인 가열이 없을 때 금속(예를 들어 스테인리스 강)으로 제조될 수도 있으며, 예를 들어 간극(46) 내에 제공되는 전기적 요소들(미도시)에 의한 용기의 능동적 가열이 있을 때 내화 세라믹(예를 들어, 알루미나)으로 제조될 수도 있을 것이다. 다른 대안으로서, 일단부(용기 접촉 단부)에 세라믹을, 타단부에 금속을 구비하는 복합재료 로드가, 부서질 수도 있는 긴 세라믹 재료 기둥의 사용을 회피하기 위해 사용될 수도 있을 것이다. 나아가, 상기한 실시예에서와 같이, 금속 튜브로 보강된 세라믹 로드가 로드들(12) 용도로 사용될 수도 있을 것이다.

언급한 바와 같이, 로드들(12)은, 힘이 작용함에 따라 플레이트가 경사지는 것(tilting)을 방지하기 위해 쌍으로 제공된다. 선택적으로, 단일 로드(12)가 플레이트(14)의 각 단부에 볼트들(18)과 함께 사용될 수도 있을 것이다. 이때 볼트들은 플레이트가 부적당하게 경사지는 것(tilting)을 회피하기 위해 동일한 양만큼 동시에 조여지게 될 것이다.

Claims (47)

1. 외측 금속 케이스 내에 배치되는 내화 용기에 힘을 가하기 위한 압축 로드 조립체에 있어서,
   제1 및 제2 대향 단부를 구비하는 길쭉한 강성 로드, 제1 및 제2 대향 단부를 구비한 볼트, 상기 길쭉한 강성 로드의 둘레를 둘러싸며 상기 길쭉한 강성 로드의 제1 대향 단부로부터 상기 길쭉한 강성 로드의 길이 보다 작은 거리를 연장하는 튜브형 금속 지지체, 및 상기 길쭉한 로드의 제1 대향 단부와 상기 볼트의 제1 대향 단부사이에 작동적으로 배치되는 압축 구조체를 포함하며,
   상기 압축 구조체는 압축 요소와 플레이트를 포함하며, 상기 압축 구조체는 상기 볼트의 상응하는 축방향 이동을 요구함이 없이 상기 길쭉한 로드의 작은 축방향 이동을 수용하며,
   상기 길쭉한 로드와 상기 볼트는 분리된 구성요소들이며, 이에 따라 상기 볼트에 의해 상기 길쭉한 로드에 가해진 힘이 상기 압축 구조체를 통과하게 되는, 압축 로드 조립체.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 압축 요소는 상기 볼트와 상기 길쭉한 로드의 제1 대향 단부 또는 상기 길쭉한 로드의 제2 대향 단부 중의 하나와의 사이에 작동적으로 배치되는 적어도 하나의 컵형 스프링 와셔를 포함하는, 압축 로드 조립체.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 컵형 스프링 와셔는, 상기 볼트의 제1 대향 단부 또는 상기 볼트의 제2 대향 단부 중의 하나가 상기 적어도 하나의 컵형 스프링 와셔와 접촉하도록 그 속으로 연장될 수 있는, 축방향 구멍을 구비하는 리테이너 내에 유지되는, 압축 로드 조립체.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 플레이트는, 상기 적어도 하나의 컵형 스프링 와셔와 상기 길쭉한 강성 로드의 상기 제1 대향 단부 사이에 배치되는, 압축 로드 조립체.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 길쭉한 강성 로드는 금속으로 제조되는, 압축 로드 조립체.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 금속은 스테인리스 강, 티타늄 및 니켈-크롬계 합금들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 압축 로드 조립체.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,
   상기 압축 로드 조립체의 적어도 일 부분이 용융 금속용 내화 용기와 외측 금속 케이스 사이에 배치되는, 압축 로드 조립체.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 1항에 있어서,
    상기 볼트를 둘러싸는 나사형성 너트를 더 포함하며, 상기 너트 및 볼트는 상호 맞물리는 나사산을 구비하는, 압축 로드 조립체.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 너트를 구속하고, 상기 길쭉한 강성 로드로부터 멀어지는 방향으로의 상기 너트의 회전 및 축방향 이동을 방지하는 브라켓을 더 포함하는, 압축 로드 조립체.
14. 제 1항에 있어서,
    상기 길쭉한 강성 로드는, 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형 및 다각형으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 단면 형상을 구비하는, 압축 로드 조립체.
15. 제 1항에 있어서,
    한 쌍의 상기 길쭉한 강성 로드를 더 포함하며, 상기 압축 구조체가 동시에 상기 한 쌍의 로드 상에 작용하는, 압축 로드 조립체.
16. 외측 금속 케이스 내에 배치되는 내화 용기에 힘을 가하기 위한 압축 로드 조립체에 있어서,
    상기 압축 로드 조립체의 적어도 일 부분이 용융 금속용 내화 용기와 외측 금속 케이스 사이에 배치되며,
    제1 및 제2 대향 단부를 구비하는 길쭉한 강성 로드, 제1 및 제2 대향 단부를 구비한 나사형성 볼트, 상기 길쭉한 강성 로드의 둘레를 둘러싸며 상기 길쭉한 강성 로드의 제1 대향 단부로부터 상기 길쭉한 강성 로드의 길이 보다 작은 거리를 연장하는 튜브형 금속 지지체, 및 상기 길쭉한 로드의 제1 대향 단부와 상기 볼트의 제1 대향 단부사이에 배치되는 압축 구조체를 포함하며,
    상기 길쭉한 로드와 상기 볼트는 분리된 구성요소들이며, 이에 따라 상기 볼트에 의해 상기 길쭉한 로드에 가해지는 힘이 상기 압축 구조체를 통과하게 되며, 상기 압축 구조체는 상기 길쭉한 로드의 제한된 길이방향 이동을 상기 볼트의 상응하는 길이방향 이동을 요구함 없이 상기 압축 구조체에 의해 수용하도록 허용하며,
    상기 길쭉한 강성 로드는 상기 로드의 상기 제2 대향 단부에 인접한 내화 단열재를 포함하는, 압축 로드 조립체.
17. 삭제
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22. 삭제
23. 제 16항에 있어서,
    상기 길쭉한 강성 로드는 부분적으로 상기 내화 단열재로, 그리고 부분적으로 금속으로 제조되는, 압축 로드 조립체.
24. 제 16항에 있어서,
    상기 길쭉한 강성 로드는 전체적으로 상기 내화 단열재로 제조되며, 상기 로드의 상기 제2 대향 단부에 못 미쳐서 종단되는 외측 금속 튜브 내에 지지되는, 압축 로드 조립체.
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 제 24항에 있어서,
    상기 튜브는 열 저항성 접착제에 의해 상기 로드에 부착되는, 압축 로드 조립체.
29. 제 16항에 있어서,
    상기 내화 단열재는, 알루미나, 지르코니아, 용융 실리카, 규산알루미늄, 티탄산알루미늄 및 가공가능한 유리 세라믹들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 세라믹 재료인, 압축 로드 조립체.
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