KR101356924B1 - 금속 온도 보상을 갖는 복합 잉곳 주조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 복합 금속 잉곳을 직접 냉각 주조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 직접 냉각 주조 장치의 주조 몰드 내 2개 이상의 주조 챔버들에 용융 금속 스트림들을 제공함으로써 복합 잉곳을 형성하기 위해 2개 이상의 금속 레이어들을 순차 주조하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 용융 금속 스트림들의 주입 온도가 용융 금속 스트림들에 공급된 주조 챔버들의 주입구에 인접한 위치에서 모니터링되고, 모니터링된 온도는 어떤 차이가 있는지 판정하기 위해 미리 결정된 온도와 비교된다. 그 후 주조 챔버들에 주입되는 또는 주조 챔버들 내 용융 금속 온도에 영향을 미치는 주조 변수(예컨대, 주조 속도)가 주입 온도와 설정 온도의 차이에 의해 초래된 나쁜 영향을 제거하기 위해 비교된 온도 차이들에 기초한 양만큼 조정된다. 바람직하게는 모니터링된 온도를 설정 온도에 접근시키는 조정이 선택된다. 또 다른 실시예는 이 방법을 수행하는 설비를 제공한다.

Description

금속 온도 보상을 갖는 복합 잉곳 주조 방법 및 장치{CASTING COMPOSITE INGOT WITH METAL TEMPERATURE COMPENSATION}

본 발명은 순차 직접 냉각(direct chill) 주조에 의한 복합 금속 잉곳(ingot)의 주조에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 주조되는 용융 금속의 입력 온도의 변화에 대해 보상이 이루어지는 상기 주조에 관한 것이다.

여러 가지 목적을 위해 2개 이상의 금속 레이어(layers)들로 만들어진 금속 잉곳을 주조하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 잉곳으로부터 제작된 압연 제품은 금속 제품의 벌크 특성과 상이한 특이한 표면 특성을 제공하기 위해 코어 레이어의 한 측면 또는 양 측면에 금속 코팅 레이어를 구비하여 형성될 수 있다. 그와 같은 복합 잉곳이 주조되는 아주 바람직한 방법이 앤더슨 등의 발명자에 의한 국제 특허 공개 WO 2004/112992에 개시되어 있다. 이 문헌은 복합 잉곳을 주조하기 위해 한 번에 2개 이상의 금속 레이어를 직접 냉각(DC: direct chill) 주조하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 금속 레이어들 사이의 우수한 접착을 위해, 상기 레이어들은, 단일 장치에서 함께 주조되는 동안, 한 레이어가 또 다른 레이어의 이미 주조된 반고체 금속에 접촉하고, 그에 의해 금속-금속 인터페이스를 가로질러 어느 정도의 금속 공동-확산(co-diffusion)을 허용하도록 순차적으로 형성되는 것을 보장하는 것이 바람직하다. 주조 설비는 또한 금속 레이어들 사이의 인터페이스에서 과도한 산화물 형성을 방지하여, 레이어들의 상호 접착을 향상시킬 수 있다.

상기 언급된 발명자들은 다양한 레이어들의 주조를 위해 사용된 용융 금속들의 온도가 주조 방법 및 장치의 동작에 영향을 미칠 수 있다는 것을 알았다. 금속 스트림들 중 하나 이상이 너무 뜨거운 경우, 금속들이 처음 접촉하는 금속-금속 인터페이스의 파열(rupture) 또는 다른 종류의 파괴(failure)가 잉곳이 형성되는 중에 일어날 수 있다. 한편, 금속 스트림들 중 하나 이상이 너무 차가운 경우, 주조 몰드 내로의 용융 금속의 흐름은, 주조 몰드에 금속들을 이송하기 위해 사용된 분배 트로프(trough) 또는 다운스파우트(downspout) 내의 금속의 부분적인 또는 완전한 냉각으로 인해 방해를 받을 수 있다. 또한, 그와 같은 경우에, 주조 제품에 나쁘게 영향을 미치는 미리-고화된 재료가 주조 몰드 자체에 이송될 수 있다. 일반적으로 상기 장치는 원하는 온도(특정 금속에 대한 "설정 포인트(set point)"라고 함)에서 금속을 몰드에 이송하도록 최적화되지만, 실제로는 환경적 요인과 예상치 않은 동작의 변화(operational variation)로 인해 원하는 온도를 유지하는 것이 항상 용이하지는 않다. 그러므로, 그와 같은 온도 변화의 불리한 영향을 무효화하거나 최소화하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

전술한 앤더슨 등의 국제 특허 공개는 복합 잉곳을 형성하기 위해 다수 레이어들을 공동 주조하는 기본 프로세스를 개시하지만, 입력 온도의 변화에 의해 야기된 문제들은 논의하거나 개시하고 있지 않으며 그 해결책도 설명하고 있지 않다.

1998년 11월 24일 공고된 로더(Roder) 등의 미국 특허 제5,839,500호는 트윈 벨트 주조기, 이동 블록 주조기 등의 사용을 포함하는 연속 프로세스에 의해 금속 슬라브(slab)를 주조하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 상기 특허 문헌은 금속 온도와 같은 것들을 측정하고 특정 프로세스 파라미터들을 제어하는 것을 포함하여 금속 주조물의 품질을 개선하는 방법을 시사하고 있다. 그러나, 상기 특허문헌은 복합 잉곳을 주조하는 것과 관련이 없으며 주조 장치에 2개 이상의 금속 스트림들을 공급하는 것을 포함하지 않는다.

그러므로, 전술한 문제들 중 일부 또는 전부를 효과적으로 해결하는 방법이 필요하다.

따라서, 본 발명은 순차 직접 냉각(direct chill) 주조에 의해 복합 금속 잉곳(ingot)을 주조함에 있어서 온도 변화의 불리한 영향을 무효화하거나 최소화하는 방법 및 주조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예는 복합 금속 잉곳을 직접 냉각 주조하는 방법을 제공하며, 복합 잉곳을 형성하기 위해 직접 냉각 주조 장치의 주조 몰드 내 2개 이상의 주조 챔버들에 용융 금속 스트림들을 제공함으로써 2개 이상의 금속 레이어들을 순차 주조하는 단계; 2개 이상의 스트림들이 제공되는 주조 챔버들의 주입구들에 인접한 위치에서 2개 이상의 용융 금속의 상기 스트림들의 주입 온도를 모니터링하고, 상기 2개 이상의 스트림들에 대해 미리 결정된 설정 온도들과 모니터링된 상기 온도들을 비교하여 상기 2개 이상의 스트림들의 각각에 대해 상기 설정 온도들로부터 온도 차이들을 검출하는 단계; 하나 이상의 상기 온도 차이들에 의해 초래된 불리한 주조 효과를 최소화하도록 주조 변수를 조정하기 위한 상기 온도 차이들의 조합에 기초한 양에 의해, 상기 주조 챔버들에 주입되는 또는 상기 주조 챔버들 내 용융 금속 온도에 영향을 미치는 상기 주조 변수를 조정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 주조 변수의 조정 단계는 상기 2개 이상의 스트림의 상기 모니터링된 주입 온도를 상기 2개 이상의 스트림들의 각각에 대해 상기 미리 결정된 설정 온도에 접근시키거나 복귀시키는 방식으로 수행된다. 다시 말하면, 설정 온도로부터 온도 차이가 검출되는 경우, 주조 변수는, 온도 차이가 최소화되거나 제거되고 모니터링된 온도가 설정 온도에 접근하거나 설정 온도로 복귀하도록, 조정된다.

주조 변수의 조정 단계는 주조의 특정 스테이지에서, 예를 들면 온도 차이가 주조 동작에 해롭지 않다고 여겨지는 경우(즉, 불리한 주조 영향을 초래하지 않는 경우), 또는 주조 변수 자체의 조정이 원치 않는 불리한 주조 영향을 초래하는 경우에, 중지될 수 있다. 또한, 상기 조정은 미리 결정된 범위 밖에 속하는 온도 차이에 대해 조정이 이루어지지 않도록 미리 결정된 범위 내에 속하는 온도 차이로 제한될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 복합 금속 잉곳을 주조하는 장치를 제공하며, 복합 잉곳을 주조하기 위한 2개 이상의 챔버를 구비한 주조 몰드를 갖는 직접 냉각 주조 장치; 상기 2개 이상의 주조 챔버에 용융 금속 스트림들을 공급하는 트로프; 상기 스트림들이 공급되는 주조 챔버의 주입구에 인접한 위치에서 하나 이상의 상기 용융 금속의 스트림들의 주입 온도를 모니터링하는 하나 이상의 온도 센서; 상기 하나 이상의 스트림들에 대해 미리 결정된 설정 온도와 상기 하나 이상의 온도 센서로부터의 상기 모니터링된 온도를 비교하여 상기 스트림에 대한 온도 차이를 검출하는 디바이스; 및 상기 하나 이상의 스트림에 대해 검출된 온도 차이에 기초한 양에 의해 상기 주조 챔버 내의 또는 상기 주조 챔버들에 들어가는 용융 금속 온도에 영향을 미치는 주조 변수를 조정하는 컨트롤러를 포함한다.

용어 "주조 변수(casting variable)"는 주조 동안에 조작자(또는 컴퓨터 또는 프로그래머블 로직 컨트롤러에서 동작하는 제어 알고리즘)에 의해 변화될 수 있는 주조 동작의 특징을 의미한다. 여러 개의 주조 변수들이 몰드 내 또는 몰드에 진입하는 금속 온도에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 상기 주조 변수들은 잉곳 주조 속도, 몰드 내 금속 레이어들의 냉각 레이트(rate of cooling), 몰드로부터 배출되는 복합 잉곳의 냉각 레이트, 및 몰드 내 금속의 표면 높이를 포함한다. 주조 속도의 변화는 보통 조정하기에 가장 용이하기 때문에 선호되는 변수이다. 주조 속도의 변화의 영향은 이하에서 더욱 상세히 설명된다.

몰드 내 금속 스트림의 냉각 레이트(증가된 냉각 또는 감소된 냉각)는 몰드의 챔버들을 분리하기 위해 사용된 냉각된 분할 벽들의 냉각을 조정함으로써 변화될 수 있다. 통상, 분할 벽들은 열전도성 금속으로 제작되고 분할 벽들과 물리적으로 접촉하고 있는 튜브를 통해 흐르는 물에 의해 냉각된다. 냉각수의 흐름 레이트(및/또는 그 온도)의 조정은 분할 벽으로부터 추출되는 열의 양(amount of heat)을 증가 또는 감소시키며, 따라서 분할 벽과 접촉하는 용융 금속으로부터 추출되는 열 및 온도를 증가 또는 감소시킨다. 따라서, 분할 벽과 접촉하고 있는 용융 금속의 온도는 몰드 자체 내에서 조정된다. 분할 벽과 접촉하고 있는 금속은 궁극적으로 인접한 금속 레이어들 사이에서 금속 인터페이스의 일부를 형성하며, 따라서 금속이 받는 냉각 양(amount of cooling)은 인터페이스에서 금속의 물리적 특성(즉, 인터페이스에서 용융 금속으로부터 형성된 반고체 금속 쉘의 온도 및 두께)에 직접 영향을 미친다. 따라서, 분할 벽에 부착된 튜브를 통과하는 물의 흐름 레이트를 증가시키는 것은 분할 벽과 접촉하고 있는 용융 금속의 냉각 레이트를 증가시키고, 따라서 용융 금속이 몰드에 진입할 때 의도된 온도(설정 온도)보다 높은 용융 금속의 온도를 보상한다. 반대로, 냉각수의 흐름 레이트의 감소는 설정 온도보다 낮은 용융 금속의 온도를 보상한다.

유사하게, 냉각수가 몰드에서 배출되는 잉곳의 외측에 적용되는 레이트는 몰드 내 금속의 온도를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 이것은 적용된 외부 냉각수에 의해 열이 방출되는 지점까지 잉곳을 따라 몰드 내 금속으로부터 열이 전도되기 때문이다. 따라서, 냉각수의 흐름(및/또는 그 온도)을 증가시키는 것은 몰드 내 용융 금속에 대한 냉각 효과를 증가시키고(따라서 설정 온도보다 높은 온도를 보상하고), 냉각수의 흐름을 감소시키는 것은 냉각의 상대적인 감소를 생성한다(설정 온도보다 낮은 온도를 보상한다).

몰드 챔버 내의 금속 풀(pool)의 표면 높이의 조정은 금속들이 서로 접촉하는 인터페이스에서 금속 온도를 변화시키는 효과가 있으며, 이는 주조 챔버 내의 금속 깊이가 클수록 용융 금속이 냉각된 몰드 벽들 및 분할 벽들과 접촉하는 시간을 증가시키고, 금속 깊이가 낮을수록 냉각 시간을 감소시키기 때문이다. 금속 높이는 용융 금속이 몰드 챔버들 내에 도입되는 레이트를 변경함으로써, 예를 들면 금속 공급 장치 내 밸브들 또는 "스로틀(throttles)"(보통 내열성 막대)을 이동시킴으로써 조정 가능하다. 따라서, 증가된 금속 깊이는 설정 온도보다 높은 온도를 보상하며, 감소된 금속 깊이는 설정 온도보다 낮은 온도를 보상한다.

주조 변수들을 조정하는 한 가지 목적은 주조 레이어들의 금속이 처음 만나는 인터페이스의 파열, 붕괴 또는 다른 실패를 방지하기 위한 것이다. 순차 주조에서, 반고체 금속으로 제작된 새로 형성된 금속 표면은 인접한 레이어를 위한 용융 금속이 주조 및 냉각되는 지지체로서 사용된다. 상기 반고체 금속의 레이어는 여전히 용융 금속 상태인 코어 주위에 외측 쉘로서 형성되며, 따라서 상기 쉘은 다른 주조 레이어로부터 용융 금속과 접촉될 때 파열 또는 붕괴를 회피하기에 충분히 두꺼워야 한다. 상기 쉘의 두께는 금속 레이어가, 특히 분할 벽에 의해 냉각되는 시간에 종속한다. 또한, 반고체 레이어의 온도는 다른 레이어의 용융 금속과 접촉될 때 용융 온도 범위 내로 상승되지 않아야 하며, 그렇지 않으면 인터페이스가 다시 파열 또는 붕괴할 수 있다. 따라서, 실용적인 주조 인터페이스의 생성은 주조 금속이 처음 만나서 완전히 고화하는 포인트에서 주조되는 제1 금속의 냉각 시간 및 가장 낮은 온도에 종속한다. 그러므로, 미리 결정된 설정 온도 부근에서 용융 금속들의 주입 온도의 변동을 보상하기 위해 이 냉각 시간 및 온도에 영향을 주는 주조 변수를 조정하는 것이 목적이다. 주조 변수를 조정하는 또 다른 목적은 도입되고 있는 금속의 과도한 냉각에 의해 야기된 고체 또는 반고체 금속 아티패트(artifacts)의 주조 챔버들 내로의 도입 또는 불량한 금속 흐름을 보상하는 것이다. 아래의 설명에서 명백해지는 것과 같은 보상을 위해 주조 속도와 같은 변수가 사용될 수 있다.

상기 실시예의 특징은 2개 이상의 금속 스트림들의 주입 온도의 변화가 상기 금속 레이어들 모두에 영향을 주는 단 하나의 주조 변수, 예컨대 주조 속도의 조정에 의해 보상된다는 것이다. 발명자는 상기 금속 스트림들에 대한 설정 온도로부터 미리 결정된 변화 범위 내에서 어느 정도의 열 전달이 금속-금속 인터페이스를 가로질러 발생하여 다양한 금속 스트림들의 온도 차이의 영향을 균등화 또는 최소화한다는 것을 발견했다. 예를 들면, 클래딩 금속이 코어 금속보다 더 큰 양만큼 너무 뜨겁지만 여전히 미리 결정된 범위 내에 있는 경우, 코어 금속의 온도에 기초한 주조 속도 저하는, 클래딩 레이어의 과도한 열이 부분적으로 코어 레이어에 전달되고 따라서 그렇지 않은 경우 예상되는 나쁜 영향을 갖지 않을 것이기 때문에, 금속-금속 인터페이스를 안정화시킬 것이다. 그러므로, 클래딩 금속의 추가 냉각은 요구되지 않는다. 또한 용융 금속 스트림들 양쪽 또는 모두의 초과 주입 온도의 합산 또는 평균에 기초하여 주조 변수를 조정하는 것이 가능하다.

특히 바람직한 실시예에서, 복합 금속 잉곳을 직접 냉각 주조하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 직접 냉각 주조 장치 내 2개 이상의 주조 챔버에 용융 금속 스트림을 제공함으로써 복합 잉곳을 형성하기 위해 2개 이상의 금속 레이어들을 순차 주조하는 단계; 상기 용융 금속 스트림에 공급된 주조 챔버들 중 하나에 인접한 위치에서 상기 용융 금속 스트림들 각각의 온도를 모니터링하고, 상기 용융 금속 스트림들 각각에 대해 설정된 설정 온도로부터 검출된 온도 편차(temperature deviation)를 보상하기 위해 상기 주입 온도들 중 하나 이상을 기초로, 미리 결정된 주조 속도 또는 미리 결정된 주조 속도의 변경 레이트(rate of change)를 조정하는 단계를 포함하며, 주조 속도 증가는 주입 온도를 상승시키기 위해 사용되고 주조 속도 감소는 주입 온도를 낮추기 위해 사용된다.

금속 레이어를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된 용어 "외측(outer)" 및 "내측(inner)"은 엄격하지 않게 사용된다. 예를 들면, 2개 레이어 구조에서는, 엄격히 말하면 외측 레이어와 내측 레이어가 있을 수 없지만, 외측 레이어는 최종 제품으로 조립될 때 대기, 기상, 육안에 노출되는 것이 보통 의도되는 레이어이다. 또한, "외측" 레이어는 종종 "내측" 레이어보다 더 얇고, 보통은 그렇게 여겨지며, 따라서 하부의 "내측" 레이어 또는 코어 잉곳 위에 얇은 코팅 레이어로서 제공된다. 시트 물품을 형성하기 위해 열간 및/또는 냉간 압연을 염두에 둔 잉곳의 경우에, 잉곳의 주요 (압연) 양면을 코딩하는 것이 종종 바람직하며, 그 경우에는 확실히 인식할 수 있는 "내측" 및 "외측" 레이어들이 존재한다. 그와 같은 상황에서, 내측 레이어는 종종 "코어(core)" 또는 "코어 잉곳"이라고 지칭되며 외측 레이어들은 "클래딩(cladding)" 또는 "클래딩 레이어"로 지칭된다.

또한 본 명세서에서는 특정 합금들을 그것들의 알루미늄 연합회("AA": Aluminum Association) 번호 규격에 의해 지칭한다. 이들 규격은 미국 버지니아주 22209 알링톤 윌슨 불러바드 1525에 주소를 둔 알루미늄 연합 주식회사(Aluminum Association, Inc.)에 의해 공개되고 2009년 2월 개정된 "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys"로부터 입수 가능하다(이 공개 문헌의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 특별히 포함된다).

본 발명의 실시예는 첨부된 다음 도면을 참조하여 다음 상세한 설명에서 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 소위 "하이 클래드(high clad) 주조 배열이 도시되어 있는, 본 발명의 실시예에서 채용될 수 있는 종래 주조 장치의 수직 단면도이고,
도 2는 소위 "로우 클래드(low clad) 주조 배열이 도시되어 있는, 본 발명의 실시예에서 채용될 수 있는 종래 주조 장치의 수직 단면도이고,
도 3은 도 2의 단면 확대도이고 주조 잉곳의 반고체 영역과 분할 벽을 냉각시키는 설비를 추가로 도시하며,
도 4는 2개의 주조 장치를 포함하는 주조 테이블의 평면도이고 본 발명의 실시예에 따른 금속 공급 트로프(trough) 내 온도 센서를 도시하며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시하는 도 1과 유사한 도면이고,
도 6 및 도 7은 "하이 클래드" 주조 배열(도 6)과 "로우 클래드" 주조 배열(도 7)에 의해 수행된 주조 동작 동안 온도 및 주조 속도 변화를 도시하는 그래프이다.

첨부된 도면의 도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예가 동작할 수 있는 일반적인 환경의 예를 설명하기 위해 제공되었다. 도면들은 2005년 1월 20일자 공개된 Anderson 등의 미국특허공개 US2005/0011630 A1에 예로서 개시된 타입의 복합 직접 냉각(composite direct chill) 주조 장치의 수직 단면도이다(특히 상기 특허문헌의 개시된 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다). 본 발명은 또한 Wagstaff의 미국 특허 제6,260,602호에 개시된 기법을 포함한다(상기 특허문헌의 개시 내용 역시 참조에 의해 본 명세서에 포함된다). 이하의 설명은 인터페이스의 무결성에 영향을 미치는 주조 변수로서 주조 속도를 채용하며, 전술한 것과 같은 다른 주조 변수들이 대신 채용될 수 있음을 명심해야 한다.

도 1은 복합 순차 주조 장치(10)의 소위 "하이 클래드"(역방향 냉각(reverse chill)) 동작을 도시하며, 여기서 클래딩 레이어(11)를 형성하는 금속 풀(pools)은 중심 코어 레이어(12)를 형성하는 금속 풀보다 몰드 내에서 더 높은 레벨에서 표면을 유지한다. 이와 대조하여, 도 2 및 도 3은 소위 "로우 클래드"(정상 냉각(normal chill)) 동작을 도시하며, 여기서 클래딩 레이어(11)를 위한 금속 풀 표면은 코어 레이어(12)를 위한 표면보다 몰드 내에서 더 낮은 레벨에 배열된다. 상기 장치가 "하이 클래드" 배열 또는 "로우 클래드" 배열 중 어느 배열로 동작하는 지는 주조되는 금속의 특성(예컨대, 상대적 액상선(liquidus) 및 고상선(solidus) 온도 등)에 주로 종속한다. 도 1 내지 도 3을 고려할 때, 상기 실시예가 관련된 복합 잉곳은 도시된 것처럼 반드시 3개의 레이어를 가질 필요는 없으며 코어 레이어(12)와 코어 레이어의 일 측면에 하나의 클래딩 레이어(11)만을 포함할 수 있다는 것을 유념해야 한다.

더 구체적으로, 도 1은 직사각형 내측 레이어 또는 코어 잉곳(12)의 두 주요 표면(압연면(rolling faces)) 위에 외측 레이어(클래딩 레이어 또는 "클래드")를 주조하기 위해 사용된 상기 Anderson 등의 장치의 버젼(10)을 도시한다. 이 버젼의 장치에서, 클래딩 레이어는 주조 동안 먼저(적어도 부분적으로) 고화되고 그 다음에 코어 레이어(12)가 클래딩 레이어에 접촉하여 주조된다는 것을 알 수 있다. 이러한 배열은, (코어 합금이 높은 Mg 함유량을 갖는 알루미늄계 합금이고 클래딩 합금이 낮은 Mg 함유량을 갖거나 Mg를 전혀 갖지 않는 알루미늄계 합금일 때와 같이) 클래딩 합금보다 상대적으로 더 낮은 액상선 및 고상선 온도를 갖는 코어 합금을 주조할 때 전형적이다. 상기 장치는 배출되는 잉곳(17) 위에 냉각수의 스트림 또는 제트(jet)(16)가 분출되는 물 재킷(15)의 일부를 형성하는 몰드 벽(14)을 갖는 직사각형 주조 몰드 어셈블리(13)를 포함한다. 이런 식으로 주조된 잉곳은 일반적으로 직사각형 단면을 가지며 최대 216cm(85inches) x 89cm(35inches)의 크기를 갖지만, 지속적으로 향상되는 기법은 훨씬 더 큰 잉곳의 주조를 가능하게 한다. 이와 같이 형성된 주조 잉곳은 보통 종래의 열간 및 냉간 압연 공정에 의해 압연기에서 클래드 시트, 예컨대 브레이징 시트로 압연하기 위해 사용된다.

몰드의 입력 단부(entry end portion)(18)는 직립 분할 벽(19)(때로는 "냉각(chills)" 또는 "냉각 벽(chill walls)"이라고 함)에 의해 3개의 공급 챔버로 분리되며, 각각은 잉곳 구조체의 각 층을 위한 것이다. 우수한 열 전도도를 위해 종종 구리로 만들어지는 분할 벽(19)은 상기 분할 벽과 접촉하는 수냉식 냉각 설비(도 3을 참조하여 이하에서 상세히 설명됨)에 의해 차갑게 유지된다. 그 결과, 분할 벽은, 수냉식 몰드 주조 벽(14)이 하는 것처럼, 상기 분할 벽과 접촉하는 융융 금속을 냉각시켜 고화한다. 분할 벽(19)에 의해 몰드 내에 형성된 상기 3개의 챔버 각각에는 개별적인 용융 금속 전달 노즐에 의해 원하는 레벨까지 용융 금속이 제공된다. 코어 레이어를 공급하는 노즐은 도면부호가 '20A'이고 클래딩 레이어를 공급하는 노즐은 도면부호가 '20B'이다. 노즐(20A)에는 용융 금속의 수직 위치에 따라서 용융 금속의 흐름을 제어하는 수직으로 조정 가능한 스로틀(throttle)(24)이 구비된다. 노즐(20B)은 용융 금속의 흐름이, 이하의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 선행 스테이지(earlier stage)의 금속 전달에서 제어되기 때문에 그와 같은 스로틀을 갖지 않는다. 금속 용융로 또는 다른 용융 금속 용기(미도시)로부터 코어 및 클래딩 레이어를 위한 용융 금속을 전달하는 용융 금속 전달 트로프(25, 26)로부터 금속노즐(20A, 20B)에 각각 용융 금속이 공급된다. 이 금속 전달 배열은 나중에 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 도 1에서, 수직 샤프트(23) 위에 지지된 수직 이동식 하부 블록 유닛(21)은 초기에 몰드의 개방 하단부(22)를 폐쇄하고, 그 다음 연장하는 복합 잉곳(17)이 몰드로부터 배출될 때 복합 잉곳(17)을 지지하면서 제어된 레이트로 (화살표(A)로 표시된 방향으로) 주조 동안에 하강된다. 도 2의 장치는 기본적으로 도 1의 장치와 같은 방식으로 동작하지만, 코어 레이어와 클래딩 레이어의 각각의 금속 풀의 상대적인 높이는 반대이며, 이것은 코어 레이어(12)가 먼저 주조되고 클래딩 레이어(11)가 코어 레이어의 부분적으로 고화된 표면 위에 주조되는 것을 의미한다.

도 1 및 도 2에서는 완전히 명백하지 않지만, 도 3에 의하면, 상기 주조장치는, 금속들 중 하나는 완전히 용융되고(즉, 하위의 주조 풀 표면을 갖는 금속 레이어, 이 경우에는 클래딩 레이어(11)) 다른 금속은 반고체(또는 "무른(mushy)") 상태에 있거나 또는 상기 다른 레이어의 용융 금속과 접촉에 의해 반고체 온도 범위 내의 온도까지 상승되는 동안 코어 레이어(12)와 클래딩 레이어(11) 사이의 인터페이스(100)에서의 금속들이 먼저 서로 접촉되는 방식으로 동작되어, 상기 인터페이스에서 소정의 금속 확산이 일어나고, 그에 의해 궁극의 완전 고체 잉곳 내 레이어들 사이에 우수한 계면 결합을 형성하게 되는 것을 알 수 있다. 각 금속이 냉각되면서, 금속은 완전 용융 상태에서 반고체 상태로 그리고 완전 고체 상태로 변한다. 따라서, 클래딩 레이어는 완전 용융 영역(11A), 반고체 영역(11B), 및 완전 고체 영역(11C)을 갖는다. 코어 레이어 역시 완전 용융 영역(12A), 반고체 영역(12B), 및 완전 고체 영역(12C)을 갖는다. 분할 벽(19)의 하단부(19A)의 아래의 코어 레이어(12)는 용융 금속 영역(12A)을 둘러싸는 반고체 금속의 쉘(12D)을 갖고, 클래딩 레이어의 용융 영역(11A)은 상부 표면(11D)에서 이 반고체 쉘과 접촉한다. 상기 쉘은 초기에 매우 얇고 비교적 깨지기 쉬우며 쉘은 주조 동안 파열하거나 붕괴하지 않는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 주조 실패가 초래될 것이다. 그러므로 반고체 영역은 아주 짧은 범위의 온도에 대하여 존재할 수 있기 때문에 금속 온도의 세심한 제어가 중요하다. 도 3은 또한 분할 벽(19)을 냉각시키는 설비를 도시한다. 이 설비는 용융 금속과 접촉하지 않는 위치에서 상기 분할 벽과 접촉하는 금속 튜브(102)를 포함한다. 상기 튜브에는 화살표로 표시된 것처럼 유입 파이프(103)를 통해 냉매(통상 냉각된 물)가 공급되고 배출 파이프(104)를 통해 제거된다. 분할 벽은 높은 열 전도도를 갖는 금속(예컨대, 구리)으로 만들어지기 때문에, 열은 분할 벽을 통해서 용융 금속으로부터 방출되고 냉각수에 의해 제거된다. 분할 벽(19)에 인접한 코어 레이어(12)의 용융 금속은 냉각되어 도시된 것과 같이 반고체가 된다.

실제에 있어서, 코어 레이어와 클래딩 레이어를 위해 사용된 용융 금속은 통상 하나 이상의 금속 용융로로부터, 도 1 및 도 2에 도시된 대략 수평의 트로프(25, 26)를 포함하는 트로프(troughs) 또는 론더(launders)를 경유하여 상당한 거리에 걸쳐 전달된다. 상기 용융로로부터 금속의 온도 및 흐름의 제어의 어려움과 수반되는 거리로 인해서, 주조 동작 동안에 용융 금속이 주조 몰드의 챔버에 전달될 때 원하는 값으로부터의 온도 변화가 일어날 수 있다.

첨부된 도면의 도 4의 평면도에 도시된 것과 같이, 2개 이상의 복합 잉곳이 동시에 주조될 수 있도록 주조 테이블(30)의 일부를 형성하는 2개 이상의 주조 몰드(10)에 용융 금속을 공급하는 것이 일반적이다. 일반적으로, 상기 주조 테이블의 일부를 형성하는 모든 몰드의 주조 속도가 반드시 같도록 그와 같은 테이블의 각 몰드의 하부 블록(21)의 하강 레이트는 단일 모터 또는 엔진의 제어하에 있다. 클래딩 레이어를 위한 용융 금속은 트로프(27)를 통해 화살표(B) 방향으로 용융로로부터 공급되고 다운스파우트(28)를 통해 트랜스버스 트로프(25)로 이동된다. 다운스파우트(28)에는 일반적으로 클래딩 레이어를 위한 금속 흐름을 제어하기 위해 스로틀(도시되지 않음, 도 1 및 도 2의 스로틀(24)과 유사함)이 제공된다. 상기 금속은, 트랜스버스 채널(트로프)(25)로부터, 이미 설명한 바와 같이 다운스파우트(20B)를 통해 주조 장치(10)의 클래딩 챔버에 공급된다. 다운스파우트(28)는 스로틀에 의해 조절되기 때문에, 트랜스버스 트로프(25)의 다운스파우트(20B) 그 자체에는 전에 언급한 바와 같이 스로틀이 제공되지 않는다. 이 실시예에서, 잉곳의 클래딩 레이어 양자를 위해 사용된 금속들은 동일하지만, 원한다면 하나 이상의 추가 전달 채널을 제공함으로써 상이한 금속이 공급될 수 있다. 코어 레이어를 위한 용융 금속은 용융로(melting furnace)로부터 트로프(26)를 통해 화살표(C) 방향으로 공급된다. 이 경우에, 상기 금속은 채널에 제공된 다운스파우트(20B)를 통해 주조 장치(10)의 코어 챔버에 직접 공급된다. 도시된 실시예에서 코어 레이어(12)는 클래딩 레이어(11)보다 훨씬 더 큰 체적을 갖기 때문에, 트로프(26)를 통해 전달된 용융 금속의 양은 채널(27)을 통해 전달된 양보다 훨씬 더 크다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 온도 센서(40, 41)는 각각의 경우에 용융로로부터 가장 멀리 있는 다운스파우트(20A 또는 28)에 근접하게 위치된 채널(26, 27) 내에 제공된다. 상기 센서는 온도계, 열전쌍, 더미스터, 광고온계 등과 같은 임의의 적당한 타입을 가질 수 있다. 현재 선호되는 온도 센서는 캐나다 퀘벡주 라발 베르가르 스트리트 976에 주소를 둔 오메가 카나다로부터 입수 가능한 피복된 타입 K 열전쌍이다. 상기 센서는 트로프의 용융 금속에 넣거나, 광고온계 또는 다른 원격 센서의 경우에, 금속으로부터 떨어져서 가까이 배치된다. 신호선(42, 43)은 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이 온도 신호를 다른 장치에 전달한다. 상기 센서는 바람직하게는 몰드 입구(다운스파우트)에 가능한 가까이 배치되어야 하지만, 실제에 있어서는 센서로부터 입구까지 가는 동안 현저한 온도 손실이 발생할 가능성이 없다면 상기 입구로부터 일정 거리 떨어져 분리될 수 있다. 몰드 입구에 센서들을 근접시킬 때, 그와 같은 허용 가능한 간격을 명심해야 한다.

도 5의 수직 단면도에서, 온도 센서들 중 하나(트로프(26) 내의 센서(40))만 도시되어 있지만 트로프(26)에 의해 은폐된 트로프(27) 내에 다른 센서가 존재한다. 온도 센서(40, 41)는 신호선(42, 43)를 통해 온도 측정장치(45)에 연결되며, 이 장치(45)는 검지된 온도를 디지털 신호로 변환하고 이 신호는 케이블(47)을 통해 PLC(programmable logic controller) 또는 컴퓨터(46)에 제공된다. 상기 PLC 또는 컴퓨터(46)는 센서(40, 41)에 의해 검지된, 용융 금속에 대해 미리 결정된 설정 온도로부터 변화를 최소화하기 위해 동작하는 적당한 주조 속도, 또는 미리 결정된 주조 속도의 적당한 조정을 계산하기 위해 수신한 온도 정보를 사용한다. 그 후 컴퓨터(46)는 주조 속도 액츄에이터(49)를 위한 컨트롤러(48)에 원하는 주조 속도 또는 속도 변화를 인코딩하는 신호를 전달한다(이와 같이 컨트롤러(48)는 주조 동안 하부 블록의 하방 이동의 속도를 규제한다). 액츄에이터(49)는, 도 5에서 개략적으로 도시되어 있지만, 펌프로부터 제어 밸브를 통해 작동액(hydraulic fluid)의 흐름에 의존하는 유압 작동식 실린더를 통상 채용할 것이다. 액츄에이터(49)는 초기에 하부 블록(21)을 시작 위치까지 상승시키며 거기서 하위 몰드 개구를 폐쇄한다. 그러나, 주조 동안, 유압은 점점 감소되고 중력이 하부 블록(21)을 아래로 이동시킨다.

그러므로, 컨트롤러(48)는 상기 유압(hydraulic pressure)이 감소되는 레이트를 규제하여 잉곳 하강 속도를 제어한다. 차례로, 이것은 금속이 주조 장치(10)를 통과하여 흐르는 레이트를 통제하고, 그리하여 금속이 트로프(25, 26, 27)를 통과하여 흐르는 레이트를 통제한다(스로틀(24) 및 다른 스로틀은 조정되지 않는 것으로 가정함). 따라서, 주조 속도의 증가는 용융 금속이 주조 장치 내로 흐르는 레이트를 증가시키고, 주조 속도의 감소는 주조 장치 내로 금속의 유입 레이트를 감소시킨다. 일반적으로, 주조 장치 내로 금속 유입 레이트의 증가는 상기 전달 트로프 및 스파우트 내에서 냉각되는 시간이 더 적기 때문에 주조 장치로 들어가는 금속의 온도를 증가시킨다. 반대로, 금속 흐름 레이트의 감소는 전달 시간의 증가와 그에 따른 냉각으로 인해 주조 장치로 들어가는 금속의 온도를 저하시킨다. 또한, 주조 속도를 늦추는 것은, 용융 금속과 냉각된 몰드 벽(14), 분할 벽(19) 및 궁극적으로 수냉 제트(16)와의 접촉 시간 증가를 포함하는 몇 가지 이유로 인터페이스(100)를 더욱 견고하게 하는 경향이 있으며, 이것은 인터페이스(100)에서 반고체 금속의 쉘 두께를 증가시킨다.

주조 테이블에 하나 초과의 주조 몰드가 있는 경우들에 있어서, 즉 도 4에 도시된 바와 같이 통산 3개가 있지만 2개의 그와 같은 몰드가 있는 경우에, 각 몰드의 주조 속도는 동일한 방식으로 조정된다. 센서(40, 41)가 위치되어 있는 채널(26, 27)의 종단에서 바람직한 설정 온도로부터 금속 온도의 변화가 있는 경우, 다른 주조 몰드들 각각으로 이어지는 다운스파우트에 인접한 채널들 내 위치에서 상응하는 온도의 변화가 있는 것으로 가정된다. 그러나, 주조 몰드 모두에 대해 동일한 방식으로 영향을 미치는 레이트로 하부 블록을 하강시킴으로써 주조 속도를 제어하는 대신에(또는 제어와 함께), 개별 몰드에 도입된 용융 금속의 특정 온도에 대해 주조 조건을 최적화하기 위해 주조 챔버 내의 금속 레벨의 높이가 주조 장치마다 상이하게 될 수도 있다고 지적된다.

이런 종류의 주조 동작은, 상기 실시예들의 조정 없이도, 보통 주조 속도가 다른 상이한 주조 스테이지(casting stage)들을 갖는다. 예를 들면, 주조 속도가 아주 낮고 종종 변하지 않는 기동 스테이지가 보통 존재한다. 그 다음에는 주조 속도가 선호되는 주조 속도까지 점차 증가되는 가속 스테이지가 이어진다. 그 다음 종종 실행(run) 스테이지 또는 정상상태(steady-state) 스테이지라고 불리는 정상 주조 스테이지(normal casting stage)가 존재하며, 이 스테이지에서 주조 속도는 잉곳의 벌크가 주조될 때까지 선호되는 주조 속도에서 유지된다. 실행 스테이지의 종단에서, 용융 금속의 공급이 간단히 종료된다. 상기 실시예의 검지된 금속 온도는 이들 상이한 주조 스테이지에서 상이한 방법으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 미리 결정된 주조 속도(소위 목표 속도)로부터의 속도 변화 또는 조정의 범위는 상이한 주조 스테이지에서 다를 수 있으며, 한 스테이지에서는 클래딩 금속의 검지된 온도가 주조 속도 변화를 판정하기 위해 사용될 수 있는 반면, 다른 스테이지에서는 코어 금속의 검지된 온도가 사용될 수 있고, 일부 스테이지들에서는 양쪽 다 사용될 수 있다. 또한, 하이 클래드 배열은 로우 클래드 배열과 상이하게 처리(treatment)될 수 있고, 상이한 금속 조합은 다른 금속 조합과 상이한 처리를 필요로 할 수 있음을 유념해야 한다.

다양하고 상이한 배열들(하이 클래드, 로우 클래드, 특정 금속 조합, 주조 스테이지 등) 각각에 대해 어느 처리가 가장 잘 작동하는지 경험적으로 또는 컴퓨터 모델링에 의해 결정될 수 있다. 온도에 기인한 금속-금속 인터페이스의 파괴 또는 브리치(breaches)로 인한 주조 실패를 최소화 또는 제거하는 것이 최고의 처리이다. 그러나, 실시예에 따라 주조 속도를 변화시키기 위해 상기 검지된 온도가 사용되는 방법을 결정하는데 다음 원칙들이 사용되는 것이 바람직하다:

(1) 목표 주조 속도는 이전에 사용된 주조 속도에 기초하여 모든 주조 스테이지에 대해 결정되거나, 경험적으로 결정될 수 있다.

(2) 온도 설정 포인트는 주조 장치로의 유입 시의 코어 금속 및 클래딩 금속의 각각에 대해 이미 알려진 동작으로부터 또는 경험적으로 결정될 수 있으며, 이것은 최적화된 클래드 금속 잉곳을 생성하는 주조를 위한 선호되는 온도이다. 상기 온도 설정 포인트는 종종 금속의 액상선 온도로부터의 이미 알려진 또는 미리 결정된 오프셋이다.

(3) 상기 설정 포인트로부터의 온도의 변화는 주조 속도 조정에 의해 제어 가능하지만(설정 포인트로 다시 이동함), 목표 주조 속도의 미리 알려진 또는 경험적으로 결정된 허용 가능한 변화에 의해 결정된 어떤 최대치 또는 최소치까지만(온도 보상 범위를 설정함) 제어된다.

(4) 온도 제어는 주조의 실행 스테이지 동안에 가장 중요하지만 상기 기동 스테이지 및 가속 스테이지 동안 모두에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 모든 주조 스테이지 동안에 주조 속도 보상에 의한 어느 정도의 온도 제어가 존재한다.

(5) 만일 발생할 수 있는 변화가 하나 이상의 주조 스테이지에서 주조 잉곳에 해롭지 않은 것으로 확정되면, 검지된 온도 변화는 상기 온도 보상 범위의 전부 또는 일부 어느 하나에 대하여 무시될 수 있다.

(6) 보상적 주조 속도 변경을 생성하기 위해 코어 금속의 온도와 클래드 금속의 온도의 어느 하나 또는 둘 모두가 사용될 수 있고, 클래드 금속 온도, 코어 금속 온도, 또는 둘 다에 대한 의존은 금속 인터페이스에 가장 민감한 것(즉, 인터페이스 파괴를 초래할 가능성이 아주 높은 것)으로 간주되는 온도에 따라 상이한 주조 스테이지들 동안에 변경될 수 있다.

(7) 임의의 주조 스테이지에서 바람직하게는 초과되지 말아야 할 임의의 장치에 대한 주조 속도의 최대 변경 레이트가 있을 수 있다.

(8) 상기 온도들은 바람직하게는 상기 금속이 주조 몰드에 들어가는 지점에서 또는 가까이서 측정되어야 한다(하지만 온도 변경에 관계없는 거리는 허용될 수 있다).

(9) 만일 공통 채널을 통해 금속이 공급되는 하나 초과의 주조 몰드가 있는 경우, 상기 금속이 용융 금속의 소스로부터 가장 먼 몰드에 들어가는 지점에서 또는 가까이서 온도를 측정하는 것이 바람직하다. (가장 바람직하게는 상기 지점의 상류에서)

(10) 일반적으로, 검지된 온도의 변경은 주조 속도의 보상 변경에 선형적으로 연결되지만, 상기 검지된 온도들 중 하나는 다른 것보다 더 큰(또는 더 작은) 주조 속도의 보상 변경을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

(11) 주조 속도 변화는 종종 ±10mm/분의 범위에, 더욱 바람직하게는 ±6mm/분의 범위에 있을 수 있다. 그러나, 특정 합금 조합 또는 주조 설비의 타입에 있어서, 더 높은 주조 속도 변화가 고려될 수 있다.

(12) 주조 속도 조정에 의해 보상될 수 있는 온도 변화는 상기 설정 포인트를 중심으로 ±60℃만큼 높게, 더욱 일반적으로는 ±35℃가 될 수 있다. 그러나 다수의 경우에, 온도 변화는 상기 설정 포인트를 중심으로, 훨씬 더 적은 예컨대 ±10℃ 또는 심지어 ±6℃, 또는 더 작은 온도(예컨대, ±3℃)가 될 수 있다.

이들 원칙과, 이 원칙들이 사용되는 방식은 아래의 실시예들과 첨부된 도면들 중 도 5 및 도 6으로부터 더욱 명백해질 것이다.

실시예

주조 속도가 조정될 수 있고, 또한 관련 컴퓨터 알고리즘의 기초가 되는 방법의 예들이 도 6 및 도 7에 도시되어 있으며, 도 6은 하이 클래드 주조 배열에 대한 상황을 도시하고, 도 7은 로우 클래드 주조 배열에 대한 상황을 도시한다. 도 6은 약 6 중량%의 Mg를 함유하는 상품명 AA5000 시리즈 알루미늄계 합금의 코어와, 약 1 중량%의 Mg를 함유하는 또 다른 상품명 AA5000 시리즈 알루미늄계 합금의 2개의 클래딩 레이어의 주조에 관한 것이다. 도 7은 AA3000 시리즈 알루미늄계 합금과 상품명 AA4000 시리즈 알루미늄계 합금의 2개의 클래딩 레이어의 주조에 관한 것이며, 그 결과 브레이징 시트 제품을 얻기 위해 나중에 압연되는 잉곳이 얻어진다. 측정된 온도 및 조정된 주조 속도는 이들 도면에서 도시되어 있지 않지만, 지시된 한계 내에서 변화되었다. 즉, 설정 포인트로부터 주입 온도의 변화로 인한 주조 속도의 조정은 주입 온도를 설정 포인트로 복귀시켰다.

도 6은 몰드 배출구로부터 주조 잉곳의 길이(주조 길이)를 가로축에 나타내고, 좌표의 좌측에 주조하는 속도(주조 속도)(하부 블록의 이동 속도), 좌표 우측에 온도(설정 포인트)를 나타낸 그래프이다. 가로축 상의 주조 길이는 450mm이지만, 주조 잉곳의 최대 길이는 더 길며(예컨대, 3m - 5 m), 주조 상황은 450mm 넘어서는 변하지 않기 때문에 그래프는 거기서 종료되었다. 실선으로 도시된 곡선(50)은 "목표" 주조 속도를 나타내며, 이것은 본 발명의 실시예에 따른 어떠한 속도 보상도 없는 경우에 의도된 또는 기초 주조 속도였다. 목표 주조 속도는 특정 주조 장치 및 금속 조합에 대한 선행 경험으로부터 알았다. 그와 같은 주조 동작에서 전형적인 것과 같이, 상이한 주조 스테이지들이 존재하고 목표 주조 속도는 상이한 스테이지에서 상이하게 되었다. 주조가 개시될 때(잉곳 길이 0mm에서) 브라켓 X로 표시된 기동 스테이지가 있으며 그동안 하부 블록(21)은 몰드 배출구로부터 하방으로 이동되었다. 상기 이동에 대한 목표 속도는 분당 31mm로 일정했다. 일정 시간(약 4분 미만, 약 110mm의 잉곳 길이에서) 이후, 주조 동작은 제2 스테이지(브라켓 Y로 표시된 가속 스테이지)로 진입했으며 이 동안 목표 주조 속도는 약 350mm의 잉곳 길이에서 약 43mm/분의 최대 속도(다음 스테이지를 위한 목표 주조 속도)에 도달할 때까지 지속적으로 증가하였다. 제3 스테이지에서(브라켓 Z로 표시된 실행 스테이지), 목표 속도는 나머지 주조 동작 동안 동일하게(43mm/분)으로 유지되었다.

임의의 목표 주조 속도에 대하여, 최대 안전 속도 조정, 즉 주조 잉곳에 손상을 주지 않고 채용될 수 있는 목표 주조 속도의 증가 또는 감소가 미리 결정되었다. 최대 안전 속도 조정(증가 또는 감소)을 초과하면 경험에 의해 어떤 해로운 또는 원치않는 효과가 초래될 수 있는 위험이 있음을 알 수 있었다. 예컨대, 목표 주조 속도가 너무 증가되는 경우, 장방형 잉곳의 큰 면들(소위 압연 면들)이 과도하게 오목해질 수 있는 반면, 목표 주조 속도가 너무 감소되는 경우, 큰 면들이 과도하게 볼록해질 수 있다. 이들 최대값은 실시예에서 채용된 목표 주조 속도 조정 또는 보상의 한계를 나타낸다. 즉, 이들 최대값은 임의의 주조 스테이지에 대한 최대 보상 속도 및 최소 보상 속도를 나타내고, 그것들은 경험적으로 결정되거나 숙련된 작업자에 의해 합리적인 범위로 결정된다.

도 6에서, 최대 보상 속도는 단속선(51)으로 도시되어 있고 최소 보상 속도는 단속선(52)으로 도시되어 있다. 이 선들 사이의 거리는 유효 안전 속도 보상 범위라고 여겨지며, 이 범위는 주조의 시작에서 0으로부터 증가하여 수직선(53)에서 최대가 되는 것을 알 수 있다. 수직선(53) 이후에, 속도 보상 범위는 크게 변하지 않지만, 목표 주조 속도는 가속 스테이지 Y에서 변한다.

도 6의 결과를 제공한 주조 장치에서, 주조 잉곳의 표면에 대해 상이한 각도로 배열되어 별개로 동작 가능한 2세트의 수냉 제트(16)(도 1 참조)가 설치되었다. 잉곳의 표면에 대해 22°방향으로 배치된 제1 세트의 제트는 소위 "버트-컬(butt-curl)"(열응력으로 인한 잉곳의 하단부의 비틀림)을 감소시키기 위해 낮은 흐름 레이트로 주조의 개시부터 동작되었다. 이 흐름은 가속 스테이지에서 주조 속도가 증가됨에 따라 증가되었다. 특정 지점에서, 잉곳 표면에 대해 45°의 방향으로 배치된 제2 세트의 제트의 작동 밸브를 온으로 전환했다. 수직선(53)은 제2 세트의 제트의 밸브 개방 이전에 성장 잉곳의 25mm 위치를 나타내고, 수직선(54)은 밸브 개방이 종료된 후 25 mm 위치를 나타내며 수직선(55)은 밸브 개방 종료 후 75mm 위치를 나타낸다. 이것들은 이 동작의 주조 시퀀스에서 의미있는 위치로 여겨진다.

주조 시퀀스의 초기에는, 클래드 레이어를 위한 융융 금속에 대해 온도 센서(41)에 의해 검지된 온도만이 속도 보상(speed compensation)을 생성하기 위해 사용되었다. 클래딩을 위한 용융 금속의 온도는 도 6에서 '56'으로 표시된 것과 같은 클래드 온도 설정 포인트로서 지칭되는 선호되는 온도를 가지고 있었다. 이것은 우수한 금속-금속 인터페이스 및 다른 바람직한 특성을 제공하기 위해서 클래딩 금속에 대한 가장 바람직한 온도이다. 이 설정 온도는 특정 주조 설비 및 금속 조합에 대해 이미 알려져 있지만, 경험적으로 결정될 수도 있다. 도 6은 설정 포인트 라인(56) 위에 단속선(57)으로 표시된 클래딩 금속에 대한 최대 유효 온도와 설정 포인트 라인(56)의 아래에 단속선(58)으로 표시된 클래딩 금속에 대한 최소 유효 온도를 도시한다. 이 단속선들 사이의 거리는 유효 클래드 온도 조정 범위를 나타낸다. 최대 유효 온도는 보상 속도 범위 내에서 주조 속도를 조정함으로써(이 경우에는 저하시킴으로써) 감소시킬 수 있는 최대 온도이고, 최소 유효 온도는 보상 속도 범위 내에서 주조 속도를 조정함으로써(이 경우에는 증가시킴으로써) 증가시킬 수 있는 최소 온도이다. 이 온도 범위를 초과하면, 클래드 금속 온도를 클래드 온도 설정 포인트로 복귀시키기 위해 다른 조치가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 트로프 히터가 (만일 존재하는 경우) 온 또는 오프되거나, 절연 트로프 커버가 (만일 존재한다면) 들어 올려지거나 내려질 수도 있다. 그와 같은 조치들은 상기 실시예에 따른 주조 변수 보상에 의해 달성 가능한 정밀 온도 제어가 일반적으로 가능하지 않고, 따라서 상기 방법들에 의해 제어될 수 없는 큰 온도 변화를 위해 유보된다.

상기 실시예에서, 주조 시퀀스의 초기 부분 동안에는 클래드 금속 온도 측정에만 의존하지만, 컴퓨터(46)는 검지된 온도가 설정 포인트(56) 아래로 떨어지는 경우 주조를 가속하고 검지된 온도가 설정 포인트(56) 위로 상승하는 경우 주조를 감속한다. 온도의 변경에 비해 속도의 변경은 일반적으로 선형 함수이므로 속도 변경은 온도 변화가 최대 또는 최소에 도달할 때 최대 또는 최소에 도달하게 된다. 예를 들면, 도 6의 결과를 생성한 장치에 있어서, 설정 포인트로부터 클래딩 온도의 변경은 단위 온도(℃)에 대해 0.5mm/분의 레이트로 주조 속도 보상을 초래했다. 주조 개시부터 수직선(53)까지의 영역에서, 최대 보상 범위는 수직선(53)에서(밸브 개방 전 25mm) 0에서부터 ±3mm/분까지 증가했다. 수직선(53, 54) 사이의 영역에서, 최대 보상 범위는 ±3mm/분으로 일정하게 유지되었다. 그러나, 대부분의 주조 장치에서, 속도의 변경은, 설정 포인트로부터 최소값 또는 최대값까지의 온도의 순간적인 변경이 목표값으로부터 최대값 또는 최소값까지 주조 속도의 순간적인 변경을 생성하지 않도록, 특정 최대값을 초과하지 않아야 한다. 대신에, 속도는 최대값 또는 최소값에 도달될 때까지 더욱 서서히 변할 것이다. 온도 변화에 추종하는 이 속도 보상의 지연은 급격한 속도 변경을 방지하기 위해 제공된다. 도 5의 결과를 생성한 장치에 대한 최대 속도 변경은 0.2mm/sec이다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 클래드 온도에 대한 의존은 잉곳의 길이가 수직선(55)에 도달할 때까지만 계속되었고, 그 후 클래드 온도는 속도 보상을 생성하기 위해 더 이상 사용되지 않았다. 대신에, 수직선(55)을 지나서는, 센서(40)에 의해 측정된 코어 온도만이 속도 보상에 의존하였다. 클래드 금속의 경우와 같이, 코어 금속은 선호되는 온도(설정 온도)(60)와 설정 온도(60)를 중심으로 최대 및 최소 온도(단속선(61, 62)에 의해 각각 도시됨)를 가졌으며 이 범위에서 온도는 주조 속도 변화에 의해 설정 온도로 복귀되는 것이 가능하였다. 이 영역에서, 코어 온도는 단위 온도(℃)당 0.5mm/분의 레이트로 주조 속도 변화를 초래하며 최대 보상은 ±3mm/분이다.

2개의 센서로부터 온도 설정 포인트의 중첩 영역이 수직선(54, 55) 사이에 존재하는 것이 도 6으로부터 명백하며 이 영역에서 클래드 온도와 코어 온도 양자가 주조 속도에서의 보상을 생성하기 위해 사용된다. 이 영역에서, 보상은 100% 클래드-기반/0% 코어-기반으로부터 0% 클래드-기반/100% 코어-기반으로 선형으로 천이되었다(이것은 클래드-기반만의 보상으로부터 코어-기반만의 보상으로 매끈한 천이(smooth transition)를 보장하기 위해 실행되었다). 따라서, 이 영역의 절반에서, 클래드에 대해 계산된 보상의 50%는 코어 금속에 대해 계산된 보상의 50%에 가산되었다.

도 7은 낮은 클래딩 레벨에서 동작된 주조 몰드에 대한 효과적인 기법을 도시한다. 이 주조 실시예에서는, 도 6의 경우와 달리, 물 제트 둘 다 주조 개시부터 개방되었으며, 이것은 주조되는 금속의 타입들에 대해 적합하다. 또한, 목표 주조 속도(70)는 기동 시(브라켓 X)의 낮지만 일정한 속도로부터, 가속 스테이지(브라켓 Y) 동안의 증가하는 속도, 및 정상 주조 실행 스테이지(브라켓 Z) 동안의 일정하지만 더 높은 주조 속도까지 변화했다. 도 6의 예에서와 같이, 잉곳의 길이는 도시된 300mm보다는 훨씬 더 컸지만, 주조 조건은 이 지점을 지나서 변경되지 않았으며 따라서 그래프는 여기서 종료되었다. 최소 주조 보상 속도는 단속선(71)으로 도시되어 있고, 주조 시작 시(길이 0)의 (목표값으로부터) -6mm/분부터 기동 스테이지(X)의 종료 시(수직선(72))의 -3mm/분까지 감소한다. 최소 주조 보상 속도는 그 후 나머지 주조 스테이지 동안에 -3mm/분에서 일정하게 유지된다. 도 6과 달리, 기동 스테이지(X)와 가속 스테이지(Y) 동안에 목표 주조 속도(70)로부터 허용된 속도 보상 증가는 없었다. 수직선(73)에서 시작하는 실행 스테이지(Z)에서, 보상의 최대 증가는 단속선(74)로 도시된 것처럼 +3mm/분이었다.

클래딩 금속은 실선(75)으로 표시된 클래드 금속 온도 설정 포인트를 가진다. 코어 금속은 실선(76)으로 표시된 코어 금속 설정 포인트를 가진다. 이 실시예에서, 코어 금속 설정 포인트는 도면에서와 같이 클래드 금속 설정 포인트보다 더 높다. 코어 금속은, 단속선(77)으로 도시된 것과 같이, 코어 온도의 증가가 주조 속도에 대한 보상에 의해 제어될 수 있는 최대 온도를 갖는다. 최소 코어 금속 온도는 주조 동작의 실행 스테이지(Z)에서만 단속선(78)으로 도시되어 있다. 이것은 기동 스테이지와 가속 스테이지에서 코어 온도 설정 포인트 아래로의 코어 온도의 저하가 주조 속도의 변화에 의해 보상되지 않았음을 의미하며, 이것은 (전술한 바와 같이) 이 스테이지들에서 주조 속도의 양의 보상(positive compensation)의 결핍에 상응한다. 이것은 속도 증가가 주조 동작의 초기에 이러한 합금 조합에 아주 해로운 것으로 여겨지기 때문이다.

클래딩 금속은 단속선(79)으로 도시된 것과 같이 모든 스테이지 동안에 설정 온도 포인트 위의 최대 온도를 갖는다. 이 최대 온도까지의 온도 증가는 주조 속도의 상응하는 감소에 의해 제어 가능하다. 도시된 바와 같이, 이 최대 온도는 주조의 시작 시의 높은 값으로부터 기동 스테이지(X)의 종료 시의 더 낮은 값으로 감소하며, 그 후 가속 스테이지와 실행 스테이지 동안에 일정하게 유지된다. 그러나, 모든 주조 스테이지 동안, 클래드 금속 설정 온도(75) 바로 위에서부터 최대 클래드 금속 온도(79) 아래의 온도까지 이르는 빗금친 영역(80)으로 표시된 "데드밴드(deadband)"가 있었다. 이 데드밴드(80)는 주조 속도의 보상적 변경을 생성하기 위해서 클래드 설정 포인트로부터의 온도 증가가 사용되지 않는 영역을 나타낸다. 그러므로, 이 데드밴드(80) 위와 최대 클래드 금속 온도(79) 아래의 클래드 금속 온도만이 주조 속도 변경을 생성하기 위해 사용되었다. 이것은 클래드 금속 온도의 작은 증가(데드밴드(80) 내에 속하는 증가)가 주조 잉곳에 나쁘게 영향을 미치지 않고 따라서 주조 속도 보상 없이 허용될 수 있었기 때문이다.

클래드 금속은 주조 스테이지들 중 어느 스테이지에서도 설정 온도(75) 아래에 도시된 최소 온도 범위를 갖지 않았음을 알 수 있을 것이다. 이것은 속도 증가가 주조 동작의 초기에 이 합금 조합에 대해 아주 해로운 것으로 여겨졌기 때문이다(또한, 이것은 적어도 처음 두 스테이지(X, Y)에서 증가된 주조 속도 보상의 결핍(lack)과 상응한다).

이 실시예에서, (전술한 바와 같이, 약간의 온도 변화는 무시되었지만) 코어 및 클래드 금속 둘 다의 온도가 모든 주조 스테이지에 걸쳐 주조 속도 조정을 위해 사용되었다. 기동 스테이지(X)와 가속 스테이지(Y)에서, 코어 온도의 증가는 단위 온도(℃)당 0.5mm/분의 레이트로 주조 속도의 감소에 의해 보상되었다. (데드밴드(80) 위의) 클래딩 온도 증가는 단위 온도(℃)당 0.25mm/분의 레이트로 보상되었다. 이들 레이트는 가산 처리되었다(또는, 서로 다른 부호를 갖는 경우 감산되었다. 즉, 속도 증가와 속도 감소는 서로 상쇄되었다). 실행 스테이지 동안에는, 코어 금속 온도와 클래딩 금속 온도 양쪽이 주조 속도 보상을 생성하기 위해 사용되었지만, 데드밴드(80)보다 높은 클래드 금속의 온도 상승만이 사용되었고(클래드 금속 온도 저하는 무시되었다), 반면에 코어 금속의 온도 상승 및 온도 저하 양쪽이 주조 속도 보상을 위해 사용되었다. 코어 금속 온도 증가 및 저하는 단위 온도(℃)당 0.5mm/분의 레이트로 보상을 초래했다. 데드밴드 위의 클래드 금속 온도 증가는 단위 온도(℃)당 0.25mm/분의 레이트로 주조 속도 보상을 야기했다. 상기 변경들은 온도 변화가 설정 포인트에 대하여 양인지 또는 음인지에 따라 가산 또는 감산되었다.

도 7에 도시된 결과를 생성한 장치에서, 주조 속도의 허용된 최대 변경 레이트는 단위 온도(℃)당 0.2mm/분이었다.

특허청구범위의 청구항들의 범위를 벗어나지 않으면서 상이한 조건, 설비 및 금속 조합에 대한 보상을 위해 전술한 상세한 설명의 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다.

Claims (19)

1. 복합 금속 잉곳을 직접 냉각 주조하는 방법에 있어서,
   복합 잉곳을 형성하기 위해 직접 냉각 주조 장치의 주조 몰드 내 2개 이상의 주조 챔버들에 용융 금속 스트림들을 공급함으로써 2개 이상의 금속 레이어들을 순차 주조하는 단계;
   2개 이상의 스트림들이 제공되는 주조 챔버들의 주입구들에 인접한 위치에서 2개 이상의 용융 금속의 상기 스트림들의 주입 온도들을 모니터링하고, 상기 2개 이상의 스트림들에 대해 미리 결정된 설정 온도들과 모니터링된 상기 온도들을 비교하여 상기 2개 이상의 스트림들의 각각에 대해 상기 설정 온도들로부터 온도 차이들을 검출하는 단계;
   하나 이상의 상기 온도 차이들에 의해 초래된 불리한 주조 효과를 최소화하도록 주조 변수를 조정하기 위한 상기 온도 차이들의 조합에 기초한 양에 의해, 상기 주조 챔버들에 주입되는 또는 상기 주조 챔버들 내 용융 금속 온도에 영향을 미치는 상기 주조 변수를 조정하는 단계를 포함하는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 주조 변수 조정 단계는 상기 2개 이상의 스트림들의 상기 모니터링된 주입 온도를 상기 2개 이상의 스트림들의 각각에 대해 상기 미리 결정된 설정 온도에 접근시키는 방식으로 수행되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 주조 변수는 잉곳 주조 속도, 상기 몰드 내 상기 스트림의 냉각 레이트, 상기 몰드에서 배출되는 상기 복합 잉곳의 냉각 레이트, 및 하나 이상의 용융 금속의 상기 몰드 내 표면 높이로 구성된 그룹에서 선택되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 주조 변수는 잉곳 주조 속도인, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   주조 결함을 회피하기 위해 설정된 미리 결정된 한계 내에서 상기 주조 속도의 조정만이 채용되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 순차 주조는 주조 속도의 차이에 의해 정의된 2개 이상의 주조 스테이지들을 갖고,
   상기 주조 변수의 조정은 상기 스테이지들 중 하나 이상에서 수행되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 주조 변수의 조정은 상기 스테이지들 중 2개 이상에서 수행되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 주조 몰드는 주조 테이블 내에 배열된 2개 이상의 주조 몰드 중 하나이고, 상기 하나의 주조 몰드에 공급된 상기 2개 이상의 용융 금속 스트림들의 상기 모니터링된 주입 온도는 상기 몰드 모두의 주조 변수를 조정하기 위한 기초로서 사용되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 2개 이상의 스트림들에 대한 상기 온도 차이들은 상기 온도 차이들이 상기 설정 온도의 ±60℃의 범위 내에 속할 때만 상기 주조 변수를 조정하기 위해 채용되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개 이상의 스트림들에 대한 상기 온도 차이들은 상기 온도 차이들이 상기 설정 온도의 ±10℃의 범위 내에 속할 때만 상기 주조 변수를 조정하기 위해 사용되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개 이상의 스트림들에 대한 상기 온도 차이들은 상기 온도 차이들이 상기 설정 온도의 ±6℃의 범위 내에 속할 때만 상기 주조 변수를 조정하기 위해 사용되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 레이어들을 위해 공급된 금속은 알루미늄계 합금인, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
13. 제 1 항에 있어서,
    용융 금속의 상기 스트림들은 트로프를 통해 공급되고, 상기 온도들은 상기 트로프 내에서 모니터링되는, 복합 금속 잉곳 주조 방법.
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