KR102135984B1

KR102135984B1 - 알루미늄 리튬 합금 주조 장치

Info

Publication number: KR102135984B1
Application number: KR1020147035379A
Authority: KR
Inventors: 라빈드라 브이 틸라크; 로드니 더블유 워츠; 로날드 엠. 스트리글
Original assignee: 알멕스 유에스에이 인코퍼레이티드
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2020-07-20
Also published as: US8479802B1; CN104470655A; EP4173738A1; BR112014028401A2; JP2015516307A; CN104470655B; EP2664398A3; JP6511561B2; JP6310450B2; IN2014DN10496A; RU2014150995A; JP2018089703A; RU2639185C2; KR20150013818A; WO2013173655A2; WO2013173655A3; EP2664398A2; EP2664398B1

Abstract

본 발명은, 주조 동안 냉각제 스트림에의 불활성 유체의 연속적인 또는 순차적인 도입을 허용하되, "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"의 경우에는, 냉각제 유동을 정지시키고 냉각제로서 불활성 유체만의 도입을 허용하는 직접 냉각 주조에 관한 것이다.

Description

알루미늄 리튬 합금 주조 장치{APPARATUS FOR CASTING ALUMINUM LITHIUM ALLOYS}

본 발명은 알루미늄 리튬 합금의 직접 냉각(direct chill) 주조에 관한 것이다.

종래의 (리튬을 함유하지 않는) 알루미늄 합금은, Aluminum Company of America(현 Alcoa)에 의한 1938년의 직접 냉각(Direct Chill) 주조 이래, 바닥 개방형 주형에서 반연속적으로 주조되고 있다. 지난 수년 간에 걸쳐, 프로세스에 대하여 다양하게 변형 및 변경이 이루어지고 있지만, 기본 프로세스는 본질적으로 동일하게 유지되고 있다. 알루미늄 잉곳 주조 분야의 당업자라면, 새로운 기술혁신이 프로세스를 그 일반적인 기능들을 유지하면서 개선하고 있음을 이해할 것이다. 이 프로세스의 이용 초기부터, 고상 잉곳 쉘(solid ingot shell)을 형성함에 있어서 일차 냉각을 제공하는 바닥 개방형 주형을 냉각시키고, 또한 주형의 바닥 아래에서 잉곳 쉘의 이차 냉각을 제공하는데 사용되는 선호하는 냉각제로서 물이 사용되고 있다.

불행히도, 주조 프로세스 동안 "블리드-아웃(bleed-out; 흡출)" 또는 "런-아웃(run-out)"으로부터의 위험이 내재하고 있다. 프로세스의 고유한 성질로 인해, 잉곳의 주변은, 주조되는 알루미늄 잉곳이 적절히 응고되지 않는 일이 발생하면, 잉곳 쉘에서 흡출하게 되는 부분적으로 응고된 액상 용융 금속의 내부 캐비티를 유지하는 응고된 금속으로 이루어진 박형의 쉘을 포함한다. 용융된 알루미늄은, 주형의 바닥 아래에서 잉곳 쉘 내의 파단부를 통해 물이 진입할 수 있는 잉곳 캐비티에서 뿐만 아니라 주조 피트 내의 다양한 장소들(예컨대, 잉곳 버트(butt) 또는 바닥과 스타팅 블록(starting block) 사이, 금속(통상적으로 스틸) 바닥 블록 베이스 상, 피트 벽(pit walls) 또는 피트의 바닥)에서 냉각수와 접촉하게 될 수 있다. "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 동안의 물은 (1) 물을 212℉보다 높게 가열하는 알루미늄의 열용량으로부터 물의 증기로의 변환 또는 (2) 화학 반응 발생 폭발을 야기하는 에너지 방출을 초래하게 되는 용융 금속과 물의 화학 반응으로부터 폭발을 야기할 수 있다.

미국 특허 제4,651,804호는 보다 현대적인 알루미늄 주조 피트 디자인을 기술한다. 이 참조문헌에 따르면, 주조용 주형이 지표 레벨에 또는 그 근처에 있는 상태에서 금속 용해로를 지표 레벨보다 약간 높게 설치하고, 주조 작업이 진행됨에 따라 주조 잉곳을 물 함유 피트 내로 강하시키는 표준적인 조업이 이루어지고 있다. 직접 냉각으로부터의 냉각수는 피트 내를 흐르고, 피트 내부에 물로 이루어진 영구적인 깊은 풀(pool)을 남기면서 그곳으로부터 지속적으로 제거된다. 이 프로세스는 통용되고 있으며, 전 세계에 걸쳐, 이 방법에 의해 연간 대략 5백만톤 이상의 알루미늄 및 그 합금이 생산되고 있다. 그러나, 이 물로 이루어진 영구적인 깊은 풀의 사용은 주조 피트에서 발생하는 모든 폭발을 막지는 못하는데, 그 이유는 계속해서 물이 용융 알루미늄과 접촉하고 있는 상술한 바와 같은 주조 피트 내의 다른 장소들에서 폭발이 계속해서 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 개량에도 불구하고, 깊은 풀의 물 피트의 사용에도, 해마다 주조 프로세스 동안 상당한 횟수의 폭발이 여전히 존재한다.

알루미늄 리튬 합금의 출현으로 폭발의 위험이 더욱 증가되고 있는데, 그 이유는 용융 알루미늄 및 물 폭발의 가능성을 최소화하기 위해 통상적으로 사용되는 몇몇 예방 조치가 더 이상은 충분하지 않기 때문이다. 미국 특허 제4,651,804호를 다시 참조하면, 지난 몇 년간, 리튬을 함유하는 경금속 합금에 대한 관심이 커지고 있다. 리튬은 용융 합금을 더욱 반응적으로 만든다. 1957년 5월자의 "Metal Progress" 논문의 107 내지 112 페이지에서(이하, "Long"이라고 함), Long은 Al-Li을 포함하는 다수의 합금에 대한 알루미늄/물 반응을 보고하면서, "용융 금속이 어떻게든 물에 분산되었을 때...Al-Li 합금은...격렬한 반응을 겪었다(When the molten metals were dispersed in water in any way . . . Al-Li alloy . . . underwent a violent reaction.)"고 결론지은 H. M. Higgins에 의한 사전 작업을 언급한다. 직접 냉각 프로세스에 의해 상기와 같은 합금을 주조할 때 특정한 위험이 존재한다는 것도 Aluminum Association Inc.(미국)에 의해 발표되었다. Aluminum Company of America는 상기와 같은 합금이 물과 혼합될 때 매우 격렬하게 폭발할 수 있다는 것을 입증하는 테스트들의 영상 기록들을 이어서 공개했다.

다른 작업은 알루미늄 합금에 리튬을 첨가하는 것에 연계된 폭발력이 리튬이 없는 알루미늄 합금에 대한 것의 몇 배의 폭발 에너지의 성질을 증가시킬 수 있음을 입증했다. 리튬을 함유하는 용융 알루미늄 합금이 물과 접촉하게 되면, 물이 Li-OH + H+로 해리함에 따라, 수소가 급속하게 방출된다. 미국 특허 제5,212,343호는 폭발 반응을 개시하도록 물에 알루미늄, 리튬(및 다른 요소들도)을 첨가하는 것을 교시한다. 이들 요소(특히 알루미늄 및 리튬)의 물에서의 발열 반응은 다량의 수소 가스를 생성하고, 물에 노출된 용융 알루미늄 리튬 합금 1그램당 통상적으로 14 입방 센티미터의 수소 가스가 발생된다(참조: 계약 번호 # DE-AC09-89SR18035하의 미국 에너지부(U.S. Department of Energy) 지원 연구). 미국 특허 제5,212,343호의 첫 번째 청구항은 물 폭발을 생성하기 위한 이 강렬한 상호작용을 발열 반응을 통해 수행하는 방법을 기술한다. 이 특허는 리튬과 같은 요소의 첨가로 물질들의 단위 용적당 높은 반응 에너지를 달성하는 것을 기술한다. 미국 특허 제5,212,343호 및 제5,404,813호에 기술된 바와 같이, 리튬(또는 몇몇 다른 화학적 활성 요소)의 첨가는 폭발을 촉진한다. 이들 특허는 폭발 반응이 바람직한 결과로 되는 프로세스를 교시한다. 이들 특허는, 리튬이 없는 알루미늄 합금에 비해, "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"에 대한 리튬 첨가의 폭발성을 강화한다.

미국 특허 제4,651,804호에 기술된 바와 같이 변경된 주조 피트 디자인의 목적은, Al-Li 합금의 주조 중에 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"이 발생하는 경우에 주조 피트의 바닥에서의 폭발 가능성을 최소화하는 것이다. 이 기술은, 블리드-아웃 이후에도, 주형을 냉각하고 잉곳 쉘을 냉각하기 위해 냉각수를 계속해서 사용한다. 냉각제 공급이 중단되면, 용융 알루미늄-리튬과 물이 접촉하게 될 때, 추가적인 폭발 가능성을 야기하는 주형의 멜트-스루(melt-through) 또는 잉곳 쉘의 추가적인 멜트-스루에 의해 문제가 더욱 심각해질 가능성이 있다. "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"이 발생한 후의 잔여 냉각수는 다음과 같은 2가지의 분명한 단점이 있다: 1) 주조 피트의 상부 근처 또는 잉곳 분화구 내부의 다양한 장소에서의 용융 금속 물 폭발 가능성; 2) 상술한 바와 같이 H2의 발생을 원인으로 하는 수소 폭발 가능성.

직접 냉각 주조를 실시하는 다른 방법에 있어서, "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"으로부터 물-리튬 반응 없이 잉곳 냉각을 제공하기 위해 물 이외의 잉곳 냉각제를 사용하는 주조용 Al-Li 합금에 관련된 특허들이 발급되어 있다. 미국 특허 제4,593,745호는 할로겐화 탄화수소 또는 할로겐화 알콜의 사용을 기술한다. 미국 특허 제4,610,295호, 제4,709,740호 및 제4,724,887호는 에틸렌 글리콜을 잉곳 냉각제로서 사용하는 것을 기술한다. 이를 위해, 할로겐화 탄화수소(통상적으로 에틸렌 글리콜)는 물 및 수증기가 없어야만 한다. 이는 폭발 위험에 대한 해법이기는 하지만, 강한 발화 위험이 있고, 실시 및 유지에 비용이 든다. 잠재적인 글리콜 발화를 포함하는 주조 피트 내부에는 발화 억제 시스템이 필요해진다. 글리콜 취급 시스템, 즉 글리콜을 탈수시키는 열 산화기를 포함하는 글리콜 기반의 잉곳 냉각제 시스템, 및 주조 피트 방화 시스템을 구현하는데 드는 통상적인 비용은 5백만 달러 내지 8백만 달러(오늘날의 달러) 정도이다. 100% 글리콜을 냉각제로서 사용하는 주조는 또한 다른 쟁점을 가져온다. 글리콜 또는 다른 할로겐화 탄화수소의 냉각 능력은 물의 냉각 능력과는 다르고, 상이한 주조 조업들 뿐만 아니라 주조 세공이 이 기술을 이용하는데 필요해진다. 글리콜을 스트레이트 냉각제로서 사용하는 것과 연관된 다른 단점은, 글리콜이 물보다 낮은 열전도율 및 표면 열전달 계수를 갖기 때문에, 100% 글리콜을 냉각제로서 갖는 금속 주조의 미세구조는 보다 굵은 바람직하지 않은 야금 성분들을 가지는 경향이 있고, 주조품 내에서 더욱 다량의 중심선 수축 기공을 보인다는 점이다. 더욱 미세한 미세구조의 결여 및 보다 높은 집중도의 수축 기공의 동시 존재는 상기와 같은 초기 자원으로부터 제조되는 완성품의 특성에 해로운 영향을 미친다.

미국 특허 제4,237,961호에 기술된, 또 다른 경우에 있어서, 물은 직접 냉각 주조 동안 잉곳으로부터 제거된다. 유럽 특허 제0 183 563호에 있어서는, 알루미늄 합금의 직접 냉각 주조 동안 "브레이크-아웃(break-out)" 또는 "런-아웃" 용융 금속을 수집하는 디바이스가 기술되어 있다. "브레이크-아웃" 또는 "런-아웃" 용융 금속을 수집하는 것은 이 용융 금속 덩어리를 집중시킨다. 이 교시는, 제거를 위해 물이 수집될 때, 물의 제거가 물의 풀링(pooling)을 초래하게 되는 인위적인 폭발 조건을 생성하게 되기 때문에, Al-Li 주조에 대해서는 사용될 수 없다. 용융 금속의 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 동안, "블리드-아웃" 물질도 풀 형성 물 영역에 집중되게 된다. 미국 특허 제5,212,343호에 교시된 바와 같이, 이는 반응성 물/Al-Li 폭발을 생성하는 바람직한 방식이 된다.

따라서, Al-Li 합금의 직접 냉각 주조에서의 폭발 가능성을 더욱 최소화하고, 또한 보다 품질 좋은 주조품을 동시에 생산하기 위해, 향상된 장치 및 프로세스들에 대한 상당한 요구가 있다.

본 발명의 과제는 청구항 1의 요지에 의해 해결된다.

도 1은 직접 냉각 주조 시스템의 일 구역의 절개도이다.
도 2는 정상 주조 작업 동안 잉곳을 냉각하기 위해 직접 냉각 주조용 주형 또는 냉각제 피드(feed)에 냉각제와 동시에 또는 그것과 함께 연속으로 불활성 유체를 주입하는 구성을 나타내는 도 1의 시스템의 일부의 상면 개요도이다.
도 3은 액체 냉각제(물)의 유동의 정지에 이어서, "블리드-아웃" 또는 "런-아웃" 동안 또는 이후에 냉각제로서 불활성 유체만을 주입하는 도 1의 시스템의 일부의 상면 개요도이다.

이제 첨부 도면들을 참조하면, 도 1은 직접 냉각(DC) 주조 시스템의 구성요소들을 도시한다. 시스템(10)은 주조 작업 동안 주조용 실린더(도시되지 않음)에 의해 주조 잉곳(14)이 내부로 강하되는 주조 피트(12)를 포함한다. 주형(16)은 주조용 테이블(18) 상에 놓인다. 용융 금속(예컨대, Al-Li 합금)은 주형(16) 내로 이송된다. 주형(16) 내로 이송되는 용융 금속은 주조용 실린더(9) 상의 플래튼(8)에 의해 지지된다. 주형(16)은 주형(16) 내부의 리저버(20)에 내포된 냉각제에 의해 냉각되고, 용융 금속이 소정의 시변 속도로 위에서부터 이송됨에 따라, 잉곳(14)을 형성한다. 주조용 실린더(9)는, 주조용 주형(16)의 주변에 의해 규정된 바와 같은 원하는 길이 치수 및 원하는 기하학적 형상을 갖는 잉곳을 생산하기 위해 이 도면에서는 하향으로 소정의 속도로 변위된다.

주형(16)에 첨가된 용융 금속은, 주조용 주형의 냉각기 온도에 의해 또한, 그 베이스에서 주형(16) 주변의 복수의 도관 피드(13)(2개 도시됨)를 통해 주형 캐비티로부터 나온 후에 잉곳(14)에 영향을 주는 냉각제의 도입을 통해, 주형(16) 내에서 냉각된다. 용융 금속의 원하는 응고 속도를 달성하기 위한 양 및 위치에서 주형(16)의 베이스 주변에 위치된 피드들을 포함하는, 리저버(20)로부터 주조 피트(12) 내로 냉각제(예컨대, 물)를 전달하도록 구성된 다수의 도관 피드가 존재할 수 있음을 인식해야 한다. 냉각제는 냉각제가 도관 피드(13)들을 나가는 곳의 바로 아래의 지점에 대응하는 잉곳(14)의 주변에 대하여 이송된다. 냉각제가 도관 피드를 나가는 장소를 보통 응고 구역이라고 한다. 냉각제가 물인 경우에, 물과 공기의 혼합물(24)은 주조 피트(10) 내에서 잉곳(14) 주변에 대하여 생성되고, 주조 작업이 지속됨에 따라 갓 생성된 수증기가 그 안으로 지속적으로 도입된다.

도 1에 도시된 주조 시스템의 실시예는 적외선 온도계와 같은 "블리드-아웃" 검출 디바이스(17)를 또한 포함한다. "블리드-아웃" 검출 디바이스(17)는 시스템과 연계된 컨트롤러(15)에 직접적으로 및/또는 논리적으로 접속될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 플래튼(8)/주조용 실린더(9), 주형(16)으로의 용융 금속 공급구 및 주형(16)과 연계된 리저버(20)로의 물 유입구의 각각의 이동은 컨트롤러(15)에 의해 제어된다. 컨트롤러(15)는 비-일시적인 유형 매체의 형태로서 기계 판독 가능한 프로그램 명령어들을 포함한다. 일 실시예에 있어서, Al-Li 용융 금속 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"이 "블리드-아웃" 검출 디바이스(17)에 의해 검출되면, "블리드-아웃" 검출 디바이스(17)로부터 컨트롤러(15)까지 신호가 전송된다. 컨트롤러(15)에 저장된 기계 판독 가능한 명령어들은 플래튼(8) 및 용융 금속 입구 공급부(도시되지 않음)의 이동을 정지시키고, 주형(16)과 연계된 리저버(20) 내로의 냉각제 유동(도시되지 않음)을 정지시키거나 및/또는 우회시킨다.

도 2에 도시된 것은 시스템(10)의 개략적인 평면도이다. 이 실시예에 있어서, 시스템(10)은 리저버(20)와 도관 피드(22) 사이에 또는 리저버(20)의 상류에, 냉각제 피드 내에 놓이는 냉각제 피드 시스템(21)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각제 피드 시스템(21)은 리저버(20)의 상류에 있다. 주형(16)(이 실시예에서는 원형 주형로서 예시됨)은 금속(14)을 둘러싼다. 또한, 도 2에서 알 수 있듯이, 냉각제 피드 시스템(21)은 리저버(20)에 이송하는 도관 피드(22)에 접속된 밸브 시스템(28)을 포함한다. 도관 피드(22) 및 본원에서 논의된 다른 도관들 및 밸브들에 대하여 적합한 재료는 스테인리스 스틸(예컨대, 스테인리스 스틸 관형 도관)을 포함하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 밸브 시스템(28)은 제 1 도관(33)과 연계된 제 1 밸브(30)를 포함한다. 제 1 밸브(30)는 밸브(30) 및 도관(33)을 통해 냉각제 공급원(32)으로부터 냉각제(일반적으로 물)의 도입을 허용한다. 밸브 시스템(28)은 제 2 도관(37)과 연계된 제 2 밸브(36)를 또한 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제 2 밸브(36)는 밸브 및 도관(37)을 통해 불활성 유체 공급원(35)으로부터 불활성 유체의 도입을 허용한다. 도관 시스템들(33 및 37)은 냉각제 공급원(32) 및 불활성 유체 공급원(35)을 제각기 도관 피드(22)에 연결한다. 불활성 유체는 반응성(예컨대, 폭발성) 산물을 생성하는 리튬 또는 알루미늄과 반응하지 않는 동시에, 인화성이 없거나 또는 연소를 지지하지 않는 액체 또는 가스이다. 일 실시예에 있어서, 불활성 유체는 불활성 가스이다. 적절한 불활성 가스는, 공기의 밀도보다 낮은 밀도를 가지며 반응성 산물을 생성하는 리튬 또는 알루미늄과 반응하지 않는 가스이다. 본 실시예에서 사용되는 적절한 불활성 가스의 다른 필요한 특성은, 가스가 불활성 가스에서 또는 공기와 불활성 가스 혼합물에서 정상적으로 이용 가능한 것보다 높은 열전도율을 가져야 한다는 점이다. 전술한 모든 요건을 동시에 충족하는 상기와 같은 적절한 가스의 일례는 헬륨(He)이다. 대안적인 바람직한 실시예에 있어서, 헬륨과 아르곤의 혼합물이 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기와 같은 혼합물은 적어도 약 20%의 헬륨을 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 상기와 같은 혼합물은 적어도 약 60%의 헬륨을 포함한다.

알루미늄-리튬 합금의 용융 및 주조 외에, 알루미늄 합금의 용융 및 직접 냉각 주조 분야의 당업자라면, 질소가 '불활성' 가스이기도 하며 공기보다 가볍다고 하는 일반적인 산업 지식 때문에, 헬륨을 대신해서 질소 가스를 사용하고 싶어질 수 있다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 프로세스 안전을 유지하려는 이유로, 본원에서는, 액상 알루미늄-리튬 합금과 상호작용하게 될 때에는, 질소가 실제로는 불활성 가스가 아니라고 여겨진다고 되어 있다. 질소는 용융 알루미늄-리튬 합금과 반응하고, 차례로 물과 반응해서 위험한 결과의 추가 반응을 가져오는 암모니아를 생성하므로, 질소의 사용은 완전히 방지되어야 한다. 이는 다른 추측 가능한 불활성 가스인, 이산화탄소에 대해서도 마찬가지인 것으로 여겨진다. 용융 알루미늄 리튬 합금의, 이산화탄소와 접촉하게 될 유한한 기회가 있는 임의의 응용분야에서는 그 사용이 방지되어야 한다.

정상 주조 조건을 나타내는 도 2에 있어서는, 제 1 밸브(30)는 개방되고, 제 2 밸브(36)는 폐쇄된다. 이 밸브 구성에 있어서는, 냉각제 공급원(32)으로부터의 냉각제만이 도관 피드(22) 내로 도입되고, 불활성 유체 공급원(35)으로부터의 불활성 유체는 그로부터 제외된다. 밸브(30)의 위치(예컨대, 완전 개방, 부분 개방)는, 밸브(30) 또는 별도로 위치된 인접 밸브(30)와 연계된 유량 모니터(밸브(30)의 하류에 제 1 유량 모니터(38)로서 예시됨)에 의해 측정된 원하는 유량을 달성하도록 선택될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 2 밸브(36)는, 원하는 곳에서, 불활성 유체 공급원(35)으로부터의 불활성 유체(예컨대, 불활성 가스)가 정상 주조 조건 동안 냉각제 공급원(32)으로부터의 냉각제와 혼합될 수 있도록 부분적으로 개방될 수 있다. 밸브(36)의 위치는, 밸브(36) 또는 별도로 위치된 인접 밸브(36)(밸브(36)의 하류에 제 2 유량 모니터(39)로서 예시됨)와 연계된 유량 모니터(예컨대, 불활성 유체 공급원의 압력 모니터)에 의해 측정된 원하는 유량을 달성하도록 선택될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 제 1 밸브(30), 제 2 밸브(36), 제 1 유량 모니터(38) 및 제 2 유량 모니터(39)는 각각 컨트롤러(15)에 전기적으로 및/또는 논리적으로 접속된다. 컨트롤러(15)는, 실행시에, 제 1 밸브(30) 및 제 2 밸브(36) 중 하나 또는 둘 모두가 작동되게 하는 비-일시적인 기계 판독 가능한 명령어들을 포함한다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같은 정상 주조 작업들하에서, 상기와 같은 기계 판독 가능한 명령어들은 제 1 밸브(30)를 부분적으로 또는 완전히 개방시키고, 제 2 밸브(36)를 폐쇄 또는 부분적으로 개방시킨다.

이제 도 3을 참조하면, 이 도면은 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"의 발생시의 구성의 밸브 시스템(28)을 도시한다. 이 상황하에서는, 블리드-아웃 검출 디바이스(17)(도 1 참조)에 의한 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"의 검출시에, 제 1 밸브(30)는 냉각제 공급원(32)으로부터 냉각제(예컨대, 물)의 유동을 정지시키도록 폐쇄된다. 다른 실시예에 있어서, 제 1 밸브(30)는, 유량이 영(zero) 이상이되, 금속의 직접 냉각 및 응고를 제공하는 유출 잉곳 상을 유동하도록 선택된 소정의 유량 미만인 비율로, 냉각제의 유동을 줄이도록 폐쇄된다. 일 실시예에 있어서, 냉각제의 유량은, "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"을 다루도록 구현된 추가적인 조치(들)를 고려해서, 허용 가능하게 안전한(예컨대, 분당 수 리터 또는 그 미만) 비율로 감소된다. 동시에 또는 직후에, 즉 3초 내지 20초 내에, 제 2 밸브(36)가 불활성 유체 공급원(35)으로부터 불활성 유체의 도입을 허용하도록 개방되므로, 불활성 유체만이 도관 피드(22)에 도입된다. 불활성 유체가 헬륨(He)과 같은 불활성 가스인 경우에, 이 조건하에서는, 공기, 물 또는 수증기보다 밀도가 낮은 헬륨이 제공되면, 주조 피트(10)의 상부에 있는, 주형(16) 주위의 영역(도 1 참조)은 즉시 불활성 가스에 잠기고, 그에 따라 물과 공기의 혼합물(24)을 대체하고, 이 영역에서의 수소 가스의 형성 또는 용융 Al/Li 합금의 냉각제(예컨대, 물)와의 접촉을 억제하고, 이로써 이 구역에서 이들 재료의 존재로 인한 폭발의 가능성이 현저하게 감소된다. 1.0ft/sec와 약 6.5ft/sec 사이의 속도, 바람직하게는 약 1.5ft/sec와 약 3ft/sec 사이의 속도, 가장 바람직하게는 약 2.5ft/sec의 속도가 사용된다.

또한, 도 2 및 도 3에 도시된 것은 제 1 밸브(30) 및 제 2 밸브(36)에 제각기 연계된 체크 밸브(40) 및 체크 밸브(42)이다. 각각의 체크 밸브는, 주형 내로의 재료 유동에 있어서의 블리드-아웃 및 변화의 검출시에 각각의 밸브(30 및 36) 내로 냉각제 및/또는 가스가 역류하는 것을 억제한다.

도 2 및 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 제 1 밸브(30)의 폐쇄시에, 피드 시스템에 대한 수격현상 또는 손상이나, 밸브(30)를 통한 누출이 최소화되도록, 냉각제 공급 라인(32)에는, 제 1 밸브(30) 내로의 그 진입에 앞서 외부 "덤프(dump)"로 냉각제의 유동의 즉각적인 우회를 허용하는 바이패스 밸브(43)가 장착되는 것도 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 컨트롤러(15)에서의 기계 판독 가능한 명령어들은, 예컨대 적외선 온도계로부터의 컨트롤러(15)로의 신호에 의해 "블리드-아웃"이 검출될 때, 명령어들이 바이패스 밸브(43)를 개방하도록 작동시켜서 냉각제 유동을 우회시키고; 이어서 제 1 밸브(30)를 폐쇄되도록 작동시키고; 제 2 밸브(36)를 개방하도록 작동시켜서 불활성 가스의 도입을 허용하도록 하는 명령어들을 포함한다.

앞서 주지한 바와 같이, 적절한 불활성 가스의 하나가 헬륨이다. 헬륨은 냉각제 유동이 중단될 때 주조용 주형으로부터 또한 응고 구역으로부터 열의 연속적인 추출을 허용하는 상대적으로 높은 열전도율을 갖는다. 이 연속적인 열 추출은 주조되는 잉곳/빌릿을 냉각시키도록 기능하고, 이로써 잉곳/빌릿의 헤드에서의 잔열로 인해 발생하는 임의의 추가적인 "블리드-아웃" 또는 "런-아웃"의 가능성이 감소된다. 동시에, 주형은 과도한 가열로부터 보호되고, 이로써 주형에 대한 손상 가능성이 감소된다. 비교하자면, 헬륨, 물 및 글리콜에 대한 열전도율은 다음과 같다: He; 0.1513 W·m^-1·K^-1; H2O; 0.609 W·m^-1·K^-1; 및 에틸렌 글리콜; 0.258 W·m^-1·K^-1.

헬륨 및 상술한 가스 혼합물의 열전도율이 물 또는 글리콜의 열전도율보다 낮지만, 이들 가스가 응고 구역에서 또는 그 근처에서 잉곳 또는 빌릿에 영향을 줄 때, 오히려 표면 열전달 계수 및 그에 따른 냉각제의 효과적인 열전도율을 줄일 수 있는 "증기 커튼(steam curtain)"은 생성되지 않는다. 따라서, 단일의 불활성 가스 또는 가스 혼합물은, 먼저 그들의 직접적으로 상대적인 열전도율만을 고려해서 예상될 수 있는 것보다, 물 또는 글리콜의 열전도율에 더 가까운 효과적인 열전도율을 나타낸다.

당업자에게는 분명한 바와 같이, 도 2 및 도 3이 형성되는 주조 금속의 빌릿 또는 원형 단면을 나타내고 있지만, 본 발명의 장치 및 방법은 사각형 잉곳의 주조에도 동등하게 적용 가능하다.

따라서, 높은 열전도율 및 낮은 비중을 갖는 불활성 가스와 같은 불활성 유체의 응고 구역에의 동시 도입과 함께 액체 냉각제의 선택적인 정지를 제공하는 Al/Li 합금의 직접 냉각 주조에 있어서의 폭발 가능성을 최소화하는 시스템 및 장치가 기술되고 있다. 대안적인 바람직한 실시예에 따르면, 불활성 유체와 냉각제의 혼합물이 응고 구역에 이송될 수 있거나 또는 불활성 가스들의 혼합물이 응고 구역에 이송될 수 있다.

상기 기재에 있어서는, 설명을 위해, 실시예들에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 요건들 및 몇몇 구체적인 세부사항들이 기술되었다. 그러나, 당업자에게는, 하나 이상의 다른 실시예가 이들 중 일부의 구체적인 세부사항 없이도 실시될 수 있음이 자명할 것이다. 기술된 특정한 실시예들은 본 발명을 제한하기 위해 제공되는 것이 아니라 설명을 위한 것이다. 본 발명의 범위는 위에 제공된 구체적인 예시들에 의해 결정되는 것이 아니라 하기의 특허청구범위에 의해서만 결정되는 것이다. 다른 예들에 있어서는, 기재의 이해를 방해하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 구조들, 디바이스들, 및 작업들이 블록도 형태로 또는 세부사항 없이 도시되어 있다. 적절한 것으로 고려되는 곳에서, 참조 번호들 또는 참조 번호들의 용어 부분들은 선택적으로 유사한 특징들을 가질 수 있는 상응하는 또는 비슷한 요소들을 지칭하도록 도면들 안에서 반복되고 있다.

이 명세서 전반에서, "일 실시예", "실시예", "하나 이상의 실시예", 또는 "상이한 실시예들"에 대한 참조는, 예컨대 특정한 특징이 본 발명의 실시에 포함될 수 있음을 의미한다는 점을 또한 이해해야 한다. 유사하게, 상세한 설명에서는, 개시의 간소화를 위해, 또한 다양한 발명 양태들의 이해를 돕기 위해, 다양한 양태들이 때때로 그 단일의 실시예, 도면, 또는 기재에서 함께 그룹화된다는 점을 이해해야 한다. 그러나, 이 개시물의 방법은, 발명이 각 청구항에서 명확히 인용된 것보다 많은 특징들을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 오히려, 하기의 청구항들을 반영할 때, 발명 양태들은 단일의 개시된 실시예의 모든 특징들보다 적을 수 있다. 따라서, 발명의 상세한 설명에 이은 특허청구범위는 이로써 이 발명의 상세한 설명에 명확히 포함되는 것이고, 각각의 청구항은 발명의 별도의 실시예로서 자립하는 것이다.

Claims

주형을 지지하는 주형 테이블을 갖는 주조 피트(casting pit), 주조되는 금속의 응고 구역에 냉각제가 영향을 미치게 하는 상기 주형과 연계된 냉각제 피드(coolant feed), 및 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 포함하는 밸브 시스템을 포함하는 장치로서,
상기 제 1 밸브는 냉각제 피드 내로의 냉각제의 도입을 허용하고, 상기 제 2 밸브는 상기 냉각제 피드 내로의 불활성 가스의 도입을 허용하며,
상기 장치는 용융 금속 블리드 아웃(bleed out) 검출 디바이스 및 컨트롤러를 더 포함하고,
상기 제 1 밸브, 상기 제 2 밸브 및 상기 용융 금속 블리드 아웃 검출 디바이스는 상기 컨트롤러에 전기적으로 결합되고,
상기 컨트롤러는, 상기 컨트롤러에 의해서 실행시에 상기 용융 금속 블리드 아웃 검출 디바이스에 의한 용융 금속 블리드 아웃의 검출시 냉각제의 유동을 정지시키기 위해 상기 제 1 밸브의 폐쇄를 야기하고, 냉각제 피드 리저버 내로 불활성 가스의 유동을 도입시키기 위해 상기 제 2 밸브의 개방을 야기하는 비-일시적인 기계 판독 가능한 명령어들을 포함하는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브 시스템은, 냉각제, 냉각제와 불활성 가스의 혼합물, 또는 불활성 가스만을 주조되는 잉곳의 응고 구역에 선택적으로 이송할 수 있도록, 상기 냉각제 피드 내에 위치되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 주형은 리저버(reservoir)를 포함하고, 상기 밸브 시스템은 상기 리저버의 상류에 위치되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 밸브에 결합된 불활성 가스 공급원을 더 포함하고,
상기 불활성 가스 공급원은 헬륨을 포함하는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 밸브에 결합된 불활성 가스 공급원을 더 포함하고,
상기 불활성 가스는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 밸브에 결합된 불활성 가스 공급원을 더 포함하고,
상기 불활성 가스는 적어도 20%의 헬륨을 포함하는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 밸브에 결합된 불활성 가스 공급원을 더 포함하고,
상기 불활성 가스는 적어도 60%의 헬륨을 포함하는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 용융 금속 블리드 아웃 검출 디바이스에 의한 용융 금속 블리드 아웃의 검출 이전에, 상기 컨트롤러에 의해 실행되는 기계 판독 가능한 명령어는 상기 제 2 밸브가 부분적으로 개방되는 것을 야기하는
장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 헬륨인
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 적어도 20%의 헬륨을 포함하는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 적어도 60%의 헬륨을 포함하는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
장치.
주형을 지지하는 주형 테이블을 갖는 주조 피트, 상기 주형 내의 냉각제 리저버 및 주조되는 금속의 응고 구역에 냉각제가 영향을 미치게 하는 상기 냉각제 리저버에 의해 이송되는 냉각제 피드를 포함하고, 또한 적어도 제 1 밸브 및 제 2 밸브를 포함하는 밸브 시스템을 포함하는 장치이며, 상기 제 1 밸브가 상기 냉각제 리저버 또는 상기 냉각제 피드로부터 냉각제의 선택적인 도입을 허용하고, 상기 제 2 밸브가 상기 냉각제 피드 내로의 불활성 가스의 선택적인 도입을 허용하는 장치를 이용하는, 직접 냉각(direct chill) 주조에서의 방법으로서,
비-블리드 아웃 검출 조건 하에서, 상기 냉각제 피드 내로 냉각제를 도입하는 단계; 및
블리드 아웃이 검출될 때, 상기 냉각제 피드 내로 상기 불활성 가스를 도입하고 상기 제 1 밸브를 폐쇄하여 상기 냉각제 피드 내로의 냉각제 유입을 차단하는 단계를 포함하는
방법.
삭제
제 14 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 헬륨인
방법.
제 14 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
방법.
제 14 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 적어도 20%의 헬륨을 포함하는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
방법.
제 14 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 적어도 60%의 헬륨을 포함하는 헬륨과 아르곤의 혼합물인
방법.
제 14 항에 있어서,
비-블리드 아웃 검출 조건 하에서, 상기 냉각제 피드 내로 상기 불활성 가스를 도입하는 단계를 포함하는
방법.
제 14 항 및 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조되는
금속.
제 14 항 및 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조되는
알루미늄-리튬 합금.