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KR20250026445A - Electromagnetic stirring device and method for melting and distribution furnaces for non-ferrous high alloyed alloys - Google Patents

Electromagnetic stirring device and method for melting and distribution furnaces for non-ferrous high alloyed alloys Download PDF

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Publication number
KR20250026445A
KR20250026445A KR1020230107360A KR20230107360A KR20250026445A KR 20250026445 A KR20250026445 A KR 20250026445A KR 1020230107360 A KR1020230107360 A KR 1020230107360A KR 20230107360 A KR20230107360 A KR 20230107360A KR 20250026445 A KR20250026445 A KR 20250026445A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
crucible
electromagnetic
molten metal
melting
stirring device
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020230107360A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
미콜라 슬라쯔네프
심현석
최성규
신종옥
김경현
Original Assignee
(주)동산테크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)동산테크 filed Critical (주)동산테크
Priority to KR1020230107360A priority Critical patent/KR20250026445A/en
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Abstract

비철 고합금 합금의 용융 및 분배 퍼니스용 전자기 교반 장치는, 용융 금속을 수용하는 공간을 갖는 도가니와, 상기 도가니의 하측에 대칭 형태의 방사상으로 형성된 3상 마그네틱 코어와, 상기 3개의 마그네틱 코어의 상측에 각각 배치되는 3개의 극(pole)과, 상기 3개의 극을 각각 감싸는 3개의 코일과, 상기 코일에 가변하는 전류를 공급하는 전원을 포함하되, 상기 전류의 공급에 따라 발생하는 전자기장에 의해 상기 용융 금속이 교반된다.An electromagnetic stirring device for a melting and distribution furnace of a non-ferrous high-alloy alloy comprises: a crucible having a space for accommodating molten metal; three-phase magnetic cores formed radially in a symmetrical shape on the lower side of the crucible; three poles respectively arranged on the upper side of the three magnetic cores; three coils respectively surrounding the three poles; and a power source for supplying variable current to the coils, wherein the molten metal is stirred by an electromagnetic field generated according to the supply of the current.

Description

비철 고합금 합금의 용해 및 분배를 위한 퍼니스용 전자기 교반 장치 및 방법{Electromagnetic stirring device and method for melting and distribution furnaces for non-ferrous high alloyed alloys}{Electromagnetic stirring device and method for melting and distribution furnaces for non-ferrous high alloyed alloys}

본 발명은 주로 합금의 화학적 조성에 의해 분리되기 쉬운 복합 합금의 용융, 유지 및 주입과 관련된 공정에 대한 야금 및 주조 기술에 관한 것으로, 빌렛(billet), 슬라브(slab), 블룸(bloom) 등의 연속 주조 공정에 가장 적용 가능하며, 전자기 제어 교반, 화학적 조성 및 온도에 의한 액체 상태에서의 균질화, 전자기 정제 및 미세 구조 제어를 포함하여 품질을 향상시키기 위한 주조 기술에 관한 것이다.The present invention relates to metallurgy and casting technology for processes related to melting, holding and pouring of a composite alloy which is liable to be separated mainly by the chemical composition of the alloy, and is most applicable to continuous casting processes such as billet, slab and bloom, and to casting technology for improving quality including electromagnetically controlled stirring, homogenization in a liquid state by chemical composition and temperature, electromagnetic refining and microstructural control.

'본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 나노 및 소재 기술개발사업 (2021M3H4A3A02093507)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.''This study was conducted with the support of the Nano and Materials Technology Development Project (2021M3H4A3A02093507) funded by the Ministry of Science and ICT.'

공지된 바와 같이, 7000-시리즈와 같은 복잡한 고합금(high alloyed) 타입의 알루미늄 합금은, 화학적 조성에서 분리되는 경향이 있거나, 예를 들어, 반응성이 높은 합금 성분에 대한 높은 드로스(dross) 능력을 갖는다. 이는 특히, 주조 중에 주조 설비의 배스(bath)에서 인공 용융 금속 교반, 균질화, 유지 또는 정제하는 데에 필요하다.As is well known, complex high alloyed types of aluminum alloys, such as the 7000 series, have a tendency to separate out in their chemical composition or have a high dross capacity, for example, towards highly reactive alloying elements. This is particularly necessary for stirring, homogenizing, maintaining or refining the artificial molten metal in the bath of the foundry during casting.

이러한 경우에, 알루미늄-마그네슘, 알루미늄-아연, 알루미늄-구리 등의 합금뿐만 아니라, 고전적인 형태의 도가니 전기 저항 용해/주입 퍼니스(crucible electric resistance melting and pouring furnaces)는, SiC 원통형 도가니 외부 및 주변에 위치한 가열 요소에 의해 용융 금속을 가열함으로써, 자연적인 열 대류 수단만으로 내부 교반을 실현한다. 그러나 고합금 타입의 알루미늄 합금의 경우에, 알루미늄에 자연 용해되는 비율 이상의 농도를 가진 합금 원소를 사용하면 화학적 조성에 의한 분리 현상이 발생할 수 있다. In these cases, as well as for alloys such as aluminum-magnesium, aluminum-zinc, aluminum-copper, etc., classical crucible electric resistance melting and pouring furnaces realize internal stirring only by natural heat convection means by heating the molten metal by heating elements located outside and around the SiC cylindrical crucible. However, in the case of high-alloy type aluminum alloys, if alloying elements having a concentration higher than the natural solubility in aluminum are used, a segregation phenomenon due to chemical composition may occur.

예를 들어, Al-5%Mg의 경우 알루미늄의 용해 비율은 1.4%이므로 상부 수조에서 임계 농도 3~10%에서 마그네슘이 표면으로 떠오르게 된다. 또한 고농도의 마그네슘은 알루미늄 합금을 산화로부터 보호하는 Al2O3 산화막을 쉽게 파괴하지만, 산소와의 상호 작용에서 마그네슘은 더 빠르게 산화를 시작한다. 또한, 용해 퍼니스 도가니의 바닥 부분에서 Mg의 농도는 1.5 ~ 3 % 이하로 저하된다. 결과적으로 이러한 합금은 주기적으로 인위적인 혼합이 필요하며, 대기 중으로부터의 방어를 위해 Ag 또는 질소와 같은 관성 가스를 사용해야 한다.For example, in the case of Al-5%Mg, the dissolution ratio of aluminum is 1.4%, so magnesium floats to the surface at a critical concentration of 3 to 10% in the upper tank. In addition, high concentrations of magnesium easily destroy the Al2O3 oxide film that protects the aluminum alloy from oxidation, but magnesium begins to oxidize more quickly when interacting with oxygen. In addition, the concentration of Mg in the bottom part of the melting furnace crucible decreases to 1.5 to 3% or less. As a result, these alloys require periodic artificial mixing, and inertial gases such as Ag or nitrogen must be used for protection from the atmosphere.

특히, 7075 또는 7068과 같은 7000 시리즈 알루미늄 합금의 경우 아연 함유량이 6~8% 이상, 마그네슘 2.5~3%, 구리 1.5~2%인 경우 장시간 용융 유지시 아연은 가라앉고 마그네슘은 부유하는 화학적 분리가 더 뚜렷하게 나타난다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 액체 금속을 인위적으로 균질화할 필요가 있다. 이 경우, 파운드리 타입에서 용융물의 강제적 혼합을 구현하는 데 가장 적합한 도구는 교번하는 맥동 자기장을 제공하는 전자기 교반기이다.In particular, for 7000 series aluminum alloys such as 7075 or 7068, when the zinc content is 6-8% or more, magnesium 2.5-3%, and copper 1.5-2%, the chemical separation is more evident when the zinc sinks and magnesium floats during long-term melting. To solve this problem, it is necessary to artificially homogenize the liquid metal. In this case, the most suitable tool for implementing forced mixing of the melt in the foundry type is an electromagnetic stirrer providing an alternating pulsating magnetic field.

이러한 전자기 장치의 고전적인 응용 분야는 잔향 타입으로 사용되는 야금 용해 퍼니스이다. 단상, 3상 및 다상으로 알려진 다양한 디자인의 전자기 교반기는 일반적으로 용해 장치의 측면 벽에 설치되거나 채널 또는 벽 유형을 포함한 바닥 위치에 설치된다. 그러나, 도가니형 용해 퍼니스의 경우 용융 금속에 가장 가까운 곳에 전자기 시스템을 설치해야 하는 위치적 제약으로 인해 EMS 적용은 매우 드물다. The classic application of these electromagnetic devices is in metallurgical melting furnaces, where they are used as reverberation type. Electromagnetic stirrers of various designs, known as single-phase, three-phase and multi-phase, are usually installed on the side wall of the melting unit or in the floor position, including channel or wall types. However, in the case of crucible-type melting furnaces, EMS applications are very rare due to the locational constraints that require the electromagnetic system to be installed as close as possible to the molten metal.

도가니 전기저항 용해 퍼니스는, 일반적으로 세라믹 또는 금속형 도가니 내부에 용융 금속의 주 용기로서 히터가 설치되고, 내벽 내화 단열층이 설치되는 원통형 금속 케이스로서, 용융 금속에 가장 근접한 위치에 히터가 설치된다. 일반적인 도가니의 두께는 30~60mm로 매우 깨지기 쉽다. 알루미늄 합금과 같이 최대 1000℃의 온도에서 높은 온도 및 열전도율을 가져야 하는 도가니 소재를 통해 히터에서 용융 금속으로 열에너지가 전달되기 때문에, 높은 열전도율을 제공하기 위해서는 도가니의 벽 두께가 얇아야 한다.The crucible electrical resistance melting furnace is a cylindrical metal case, which is generally a ceramic or metal crucible, which serves as the main container for the molten metal, and has a heater installed inside, and an inner wall refractory insulation layer installed, so that the heater is installed at the closest position to the molten metal. The thickness of a typical crucible is 30 to 60 mm, and it is very fragile. Since the heat energy is transferred from the heater to the molten metal through the crucible material, which must have high temperature and thermal conductivity at temperatures of up to 1000℃, such as aluminum alloy, the wall thickness of the crucible must be thin to provide high thermal conductivity.

도가니 상부는 잉곳(ingot) 내부 충전, 용융물 교체 및 정련 처리를 위해 개방되어 있으며 다른 가공 장비가 없어야 한다. 도가니의 바닥면에는 일반적으로 강철 바닥 커버 위에 내화 재료 위에 놓인 "바닥 스톤(bottom stone)"이 배치된다. 일반적으로 "바닥 스톤"과 내화물은 강해야 하며 열전도율이 매우 낮아야 한다. 왜냐하면 용광로의 바닥 부분에는 도가니 로딩을 갖는 모든 중량 합금이 위치하기 때문이다. 또한 도가니의 용융 금속에서 바닥 가장자리 용광로까지의 거리는 일반적으로 안전 관점에서 볼 때 200 ~ 500mm이다. 그리고, 설치의 관점에서 볼 때, 이러한 유형의 퍼니스의 바닥 부분만 전자기 교반기를 배치하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 정확히 바닥 부분에서 이루어지는 인공 전자기 용융 금속 교반이, 강제 용융 교반의 적용을 위한 최상의 해결책이 될 수 있다.The upper part of the crucible is open for ingot internal charging, melt exchange and refining, and there should be no other processing equipment. The bottom of the crucible is usually placed with a "bottom stone", which is placed on the refractory material on the steel bottom cover. Generally, the "bottom stone" and the refractory should be strong and have very low thermal conductivity, because the bottom part of the furnace is where all the heavy alloys with the crucible loading are located. In addition, the distance from the molten metal of the crucible to the bottom edge of the furnace is generally 200 to 500 mm from the safety point of view. And from the point of view of installation, only the bottom part of this type of furnace can be used to place the electromagnetic stirrer. In addition, the artificial electromagnetic molten metal stirring exactly at the bottom part can be the best solution for the application of forced melt stirring.

혼합 효율의 유체 역학적 관점에서, 특히 도가니 전기 저항 용해 퍼니스의 형상에서 가장 높이 평가되는 용융 혼합 모드는 최소 두 가지 모드를 가질 수 있다.From a fluid dynamic point of view of mixing efficiency, the most highly regarded melt mixing mode, especially in the geometry of a crucible electrical resistance melting furnace, can have at least two modes.

1) 토로이달(toroidal) 용융물은 수직 축 평면에서 혼합되며, 생성 축 침수 제트 용융물은 아래에서 위쪽으로 들어 올려지고, 종결 순환 모드에서 도가니의 측면을 따라 표면에서 바닥으로 되돌아 간다.1) The toroidal melt is mixed in the vertical axial plane, and the resulting axial submerged jet melt is lifted upward from below and returns from the surface to the bottom along the side of the crucible in a terminal circulation mode.

2) 회전 순환 용융은 원심 효과에 의한 압력 증가와 중앙의 압력 감소에 의해 측벽 도가니 영역에서 생성되어, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 수평면에서 용융되며, 감소 와류 전력에 의해 외부 와류 가장자리에서 내부 가장자리로 이차 용융 혼합을 제공한다.2) Rotating circulating melt is generated in the side wall crucible area by the pressure increase due to the centrifugal effect and the pressure decrease in the center, melting in the horizontal plane in a clockwise or counterclockwise direction, and providing secondary melt mixing from the outer vortex edge to the inner edge by the decreasing vortex power.

첫 번째의 유형인 토로이달 수직 교반은 축의 하부 도가니에서 발생하는 인위적인 수직 전자기력에 의해 활성화될 수 있다. 두 번째 유형인 회전 교반은 도가니의 바닥 가장자리에 가해지는 회전 자기장에 의해 생성될 수 있다.The first type, toroidal vertical stirring, can be activated by an artificial vertical electromagnetic force generated from the lower crucible of the shaft. The second type, rotary stirring, can be generated by a rotating magnetic field applied to the bottom edge of the crucible.

그러나, 유체역학적 관점에서 단방향 수직 또는 회전 혼합을 생성할 경우, 도가니 수조 내 분해시 혼합 회로 중앙에 저압 영역이 생성되므로 베이스보다 밀도가 낮은 비금속 개재물이 용융된다는 단점을 가지고 있다.However, from a fluid dynamics perspective, when creating unidirectional vertical or rotational mixing, a low-pressure region is created in the center of the mixing circuit during decomposition in the crucible tank, which has the disadvantage that non-metallic inclusions with a lower density than the base are melted.

따라서, 수직 토로이달의 시간 가변 구조의 결합을 생성한 후, 수평 회전으로 전환하거나 그 반대로 전환하면, 음의 데드 존(zone)과 저압 존을 갖는 매크로 와류 운동을 형성하는 문제를 해결하고 용융물의 안정적인 순환을 제공할 수 있다.Therefore, after creating a combination of time-varying structures of vertical toroids, switching to horizontal rotation or vice versa can solve the problem of forming macro-eddy motions with negative dead zones and low-pressure zones, and provide stable circulation of the melt.

또한, 혼합 장치는 소형이고 용해 퍼니스의 구조와 결합되는 것이 바람직하다. 특히, 용해 퍼니스가 틸팅(tilting) 타입이고, 그 기능에 따라 경사 위치에서 도가니내의 용융물을 계속 혼합해야 할 때, 더욱 그러하다.In addition, it is desirable that the mixing device be compact and be combined with the structure of the melting furnace. This is especially true when the melting furnace is of a tilting type and, depending on its function, the melt in the crucible must be continuously mixed at an inclined position.

현재까지, 용융, 야금 및 붓는 용광로에서 용융 혼합을 위한 다양한 전자기 방법 및 장치가 알려져 있다. 전자기 장치의 주요 부분은 도가니가 없는 용해 퍼니스에 사용되며, 영국 특허 GB 2389645A와 같이 전자석의 도킹 영역에서 라이닝 두께가 감소하는 용해 퍼니스의 측면 또는 하부에 위치할 수 있다. To date, various electromagnetic methods and devices for melt mixing in melting, metallurgical and pouring furnaces are known. The main part of the electromagnetic device is used in a melting furnace without a crucible, and can be located on the side or bottom of the melting furnace with a decreasing lining thickness in the docking area of the electromagnet, as in British patent GB 2389645A.

많은 기술 파운드리 설비를 갖추기 위한 고전적이고 실용적인 시스템은 이동 자기장의 유도 전자기 교반기에 의한 용융물의 전자기 교반 시스템이다. 인덕터는 제련조에서 용융물의 강제 수직 교반에 사용되거나 저유량 용융 주조 시스템에서 사용될 수 있다. A classic and practical system for equipping many technology foundry facilities is the electromagnetic stirring system of the melt by means of an induction electromagnetic stirrer in a moving magnetic field. The inductor can be used for forced vertical stirring of the melt in a smelting vessel or in a low-flow melt casting system.

그러나, 도가니 용해 및 유지로에서 전자기 교반기를 사용하는 방법은, 용해 퍼니스 본체로부터 용융물이 있는 캐비티까지의 거리가 멀고, 이 경우 자기장 침투 영역이 매우 낮아져서 회전 또는 주행 자기장을 사용하는 것이 사실상 불가능하므로 사용되는 예가 거의 없다.However, there are few examples of using an electromagnetic stirrer in a crucible melting and maintenance furnace because the distance from the melting furnace body to the cavity containing the melt is long, and in this case, the magnetic field penetration area is very low, making it virtually impossible to use a rotating or traveling magnetic field.

따라서, 개선의 주요 포인트는 단위 또는 수십 헤르츠의 저주파 자기장을 사용하거나 특수 설계된 전자석을 사용하여 전자기장의 유효 작용 범위를 늘리는 것이다.Therefore, the main point of improvement is to increase the effective range of the electromagnetic field by using low-frequency magnetic fields of units or tens of hertz or by using specially designed electromagnets.

액체 금속의 전자기 교반 방법도 널리 알려져 있으며, 금속에 가해지는 힘과 펄스 자기장이 주기적으로 변경되고 용융물이 반대 자기장으로 이동 방향을 바꾸는 방식으로 구현된다. 그 효율성은, 맥동 전자기장 및 맥동 전자기력 하에서 바이너리 합금 시스템의 난류 혼합 영역이, 극 전자기 시스템을 부착하는 영역내로 한정된다는 점에 기인한다. 이원 합금 시스템에 대한 기계적 진동 작용의 효과는 액체 용융물에서 높은 소산 파의 에너지로 인해 제한된다. 따라서, 자기장에 의한 맥동에서 이동 용융 모드로 작동하는 전자기 시스템의 주기적 변화 모드로 인해 분산 효과가 감소함으로써 용융조에서 층류 및 와류의 순환 경로를 형성한다.The electromagnetic stirring method of liquid metal is also widely known, which is implemented in such a way that the force applied to the metal and the pulsed magnetic field are periodically changed, and the melt changes its direction of movement in the opposite magnetic field. Its efficiency is due to the fact that the turbulent mixing region of the binary alloy system under the pulsating electromagnetic field and the pulsating electromagnetic force is limited to the region where the polar electromagnetic system is attached. The effect of the mechanical vibration action on the binary alloy system is limited by the high energy of the dissipative wave in the liquid melt. Therefore, the dispersion effect is reduced due to the periodic changing mode of the electromagnetic system operating in the moving melting mode under the pulsation by the magnetic field, thereby forming a circulating path of laminar and eddy currents in the melting tank.

액체 금속용 맥동 자기장의 잘 알려진 전자기 교반기에서는, T형 단극 자기 와이어가 있는 단상 전자석이 메인 장치로 사용된다.In the well-known electromagnetic stirrer of a pulsating magnetic field for liquid metals, a single-phase electromagnet with a T-shaped monopole magnetic wire is used as the main device.

테스트 결과, 자기장으로부터 용융물까지의 거리가 100~150mm인 경우, 침수 제트 코어에서 용융물 제트 속도가 초당 최대 1m에 도달할 때 이러한 혼합의 효과를 확인할 수 있다. 이 경우, 50~60Hz의 표준 네트워크 주파수를 사용하는 것이 고려될 수 있다.Test results show that the effectiveness of this mixing can be verified when the melt jet velocity in the submerged jet core reaches up to 1 m/s when the distance from the magnetic field to the melt is 100 to 150 mm. In this case, the use of a standard network frequency of 50 to 60 Hz can be considered.

그러나, 전력망에서 5~50㎾ 이상의 부하 용량을 가진 단상 전류를 사용하게 되면, 작업장의 3상 전기 시스템에서 위상 변화에 큰 영향을 미치게 되는데, 특히, 커패시터에 의한 보상이 없는 높은 무효 전력은 공장의 3상 전원 공급 시스템에 큰 악영향을 미친다.However, if a single-phase current with a load capacity of 5 to 50 kW or more is used in the power grid, it will have a significant impact on the phase shift in the three-phase electrical system of the workplace, and in particular, the high reactive power without compensation by capacitors will have a significant negative impact on the three-phase power supply system of the factory.

또한, 세라믹과 함께 전자석 극과 액체 금속을 사용하는 경우 50~60Hz와 같은 중간 주파수 범위에서 사용이 가능하다. 그러나, 금속판과 자기장이 상호작용하는 경우, 50~60Hz의 전기 네트워크 주파수에서는 유도 전기 와류 전류의 활성화로 인해 자기장의 강도가 현저히 떨어지게 된다. 또한, 600℃ 이상의 고온으로 과열되면 금속 구조물은 열 변형이 발생할 수 있으므로 몇몇 전기 절연 큐티(insulation cuties)를 만들어야 하는데, 이는 용광로 구조의 기계적 내구성을 심각하게 저하시킨다.Also, when using electromagnet poles and liquid metals with ceramics, it is possible to use them in the medium frequency range, such as 50–60 Hz. However, when the metal plate and the magnetic field interact, the intensity of the magnetic field drops significantly at the electric network frequency of 50–60 Hz due to the activation of induced electric eddy currents. In addition, when overheated to a high temperature of 600°C or higher, the metal structure may undergo thermal deformation, so several electrical insulation cuties must be created, which seriously reduces the mechanical durability of the furnace structure.

또한, 유도 도가니 퍼니스에서 용융물을 처리하고 복합 재료를 준비하는 잘 알려진 방법도 있다. 여기서는, 유도 가열 시스템과 함께, 도가니 하부에 맥동 자기장의 저주파 전자기 시스템이 설치된다. 개념적 관점에서 볼 때 이는 본 발명의 프로토 타입으로 사용될 수 있다.There is also a well-known method of processing a melt in an induction crucible furnace and preparing a composite material. Here, a low-frequency electromagnetic system with a pulsating magnetic field is installed at the bottom of the crucible together with an induction heating system. From a conceptual point of view, this can be used as a prototype of the present invention.

오늘날, 유도 도가니로의 경우, 특히 주파수 변조를 사용하는 특별한 경우에, 교번하는 도가니 가열 모드를 위해 인덕터의 다중 주파수 피딩과 저주파 영역에서의 작동 주파수의 사용하는 해결책이 있지만 이는 합리적인 결정이다.Today, for induction furnaces, especially in the special case of frequency modulation, there is a solution using multi-frequency feeding of the inductor for alternating crucible heating mode and using the operating frequency in the low frequency range, which is a reasonable decision.

또한, 메인 인덕터와 추가적인 전자기 바닥 혼합 시스템을 동시에 사용하면 수동적 상호 영향과 전력 전기 네트워크에 유해한 고주파수인 고조파가 발생할 수 있다.Additionally, the simultaneous use of the main inductor and an additional electromagnetic floor mixing system can result in passive mutual influences and the generation of harmonics, high frequencies that are harmful to the power grid.

대부분의 경우, 이러한 기술 솔루션을 적용하려면 전자기 혼합의 효율성을 보장하기 위해 전자기 교반기 설치 영역에 용융 장치 설계, 채널 연결, 특수 전자기 투명 창 등 구성을 크게 변경해야 한다. 그런데, 이는 자성 및 두꺼운 벽의 비자성 재료에서 전자 와류 전류가 형성되는 동안, 전자기파의 제한된 투과 범위와 높은 에너지 손실로 이어진다.In most cases, the application of these technological solutions requires significant changes in the design of the melting device, channel connections, special electromagnetic transparent windows, etc. in the installation area of the electromagnetic stirrer to ensure the efficiency of electromagnetic mixing. However, this leads to a limited penetration range of electromagnetic waves and high energy losses during the formation of electronic eddy currents in magnetic and thick-walled non-magnetic materials.

저주파 자기장의 사용은 좋은 해결책이지만, 에너지 및 유체 역학적 효율이 낮기 때문에 혼합 없이는 거의 불가능한 예외적인 상황에서만 사용될 수 있다.The use of low-frequency magnetic fields is a good solution, but due to their low energy and hydrodynamic efficiency, they can only be used in exceptional situations where mixing is virtually impossible.

혼합의 유체 역학 관점에서 볼 때, 방향성 혼합 모드를 제공하는 이동 자기장은 가장 고려할만한 변형 방식이다. 그러나, 일반적으로 이동 자기장의 작용 영역이 매우 좁기 때문에 인덕터의 극에 대한 최대한의 추산이 필요하다.From the fluid dynamics point of view of mixing, the moving magnetic field providing the directional mixing mode is the most feasible deformation mode. However, since the area of action of the moving magnetic field is usually very narrow, a maximum estimate of the poles of the inductor is required.

영국 특허 제2389645호 (2007.04.11. 등록)British Patent No. 2389645 (registered on April 11, 2007)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전기 저항 가열 방식의 도가니형 용해 분배 산업용 퍼니스(furnace)에 적용하여, 화학적, 온도적으로 분리되기 쉬운 고합금 알루미늄 용융물을 고도로 균질한 상태로 전자기 혼합, 균질화하고 유지하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method and device for electromagnetically mixing, homogenizing, and maintaining a highly homogeneous state of a high-alloy aluminum melt that is easily separated chemically and thermally by applying it to a crucible-type melting distribution industrial furnace of an electric resistance heating method.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 비철 고합금 합금의 용융 및 분배 퍼니스용 전자기 교반 장치는, 용융 금속을 수용하는 공간을 갖는 도가니; 상기 도가니의 하측에 대칭 형태의 방사상으로 형성된 3상 마그네틱 코어; 상기 3개의 마그네틱 코어의 상측에 각각 배치되는 3개의 극(pole); 상기 3개의 극을 각각 감싸는 3개의 코일; 및 상기 코일에 가변하는 전류를 공급하는 전원을 포함하되, 상기 전류의 공급에 따라 발생하는 전자기장에 의해 상기 용융 금속이 교반되는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention for achieving the above technical task, an electromagnetic stirring device for a melting and distribution furnace of a non-ferrous high-alloy alloy comprises: a crucible having a space for accommodating molten metal; three-phase magnetic cores radially formed in a symmetrical shape on the lower side of the crucible; three poles respectively arranged on the upper sides of the three magnetic cores; three coils respectively surrounding the three poles; and a power source for supplying variable current to the coils, characterized in that the molten metal is stirred by an electromagnetic field generated according to the supply of the current.

상기 전자기 교반 장치는, 상기 도가니를 틸팅 가능하게 거치하는 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임을 직선 방향으로 이동 가능하게 지지하는 레일을 더 포함한다.The above electromagnetic stirring device further includes a main frame for tiltingly mounting the crucible; and a rail for supporting the main frame so as to be able to move in a linear direction.

상기 마그네틱 코어는, 상기 전자기장이 상기 도가니 내의 용융 금속으로 향하도록, 서로 120도 사이의 수평면에 조립되는 T 자형 마그네틱 코어로 구성된다.The above magnetic core is composed of T-shaped magnetic cores assembled in a horizontal plane at an angle of 120 degrees to each other so that the electromagnetic field is directed to the molten metal in the crucible.

상기 발생된 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 수평 방향 및 축 방향으로 교반되도록 교반의 방향 및 강도가 제어된다.By the electromagnetic field generated above, the direction and intensity of stirring are controlled so that the molten metal is stirred horizontally and axially with respect to the crucible.

상기 발생된 전기장은 단방향 전자기장이고, 상기 단방향 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 축 방향으로 교반되도록, 수직 토로이달 용융 교반의 강도가 제어된다.The above-mentioned generated electric field is a unidirectional electromagnetic field, and the intensity of the vertical toroidal melting stirrer is controlled by the unidirectional electromagnetic field so that the molten metal is stirred axially with respect to the crucible.

상기 발생된 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 수평 방향 및 축 방향으로 교반되도록 교반의 방향 및 강도가 제어되는 제1 모드와, 상기 발생된 단방향 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 축 방향으로 교반되도록 수직 토로이달 용융 교반의 강도가 제어되는 제2 모드가 시간에 따라 번갈아 사용된다.A first mode in which the direction and intensity of stirring are controlled so that the molten metal is stirred horizontally and axially with respect to the crucible by the generated electromagnetic field, and a second mode in which the intensity of vertical toroidal melting stirring is controlled so that the molten metal is stirred axially with respect to the crucible by the generated unidirectional electromagnetic field are used alternately over time.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 는, 을 포함한다.In addition, according to another embodiment of the present invention for achieving the above technical task, includes .

본 발명에 따른 에 의하면, 조제, 주입 및 저장 공정에서 용융물의 균질한 상태를 보장하고, 화학적 및 온도 분리 문제를 해결하며, 합금의 저용융 성분의 소손 정도를 줄이고 용융액 상태의 고품질을 보장할 뿐만 아니라 미세 구조 제어 조건을 조성할 수 있다. According to the present invention, it is possible to ensure a homogeneous state of the melt in the preparation, injection and storage processes, solve chemical and temperature separation problems, reduce the degree of damage to low-melting components of the alloy, ensure high quality of the melt state, and create microstructure control conditions.

또한, 인공 전자기 용융 교반으로 인해 용융, 준비, 정제 및 가공의 기술 속도를 높일 수 있다. In addition, the technological speed of melting, preparation, refining and processing can be increased due to artificial electromagnetic melt stirring.

또한, TiB와 같이 침전되기 쉬운 미세 입자의 크기를 줄이는 합금 성분을 사용하는 경우, 인위적인 용융 교반을 통해 개질 효과를 크게 향상시키고 용융 혼합 없이 30~40분 정도에 불과했던 잔존 시간을 몇 시간으로 증가시킬 수 있는 장점도 있다.In addition, when using an alloying element that reduces the size of fine particles that are prone to precipitation, such as TiB, there is also an advantage in that the reforming effect can be significantly improved through artificial melt mixing, and the residual time, which was only about 30 to 40 minutes without melt mixing, can be increased to several hours.

도 1은 전자기 용융 교반용 시스템을 구비한 용융 및 분배 도가니 틸팅형 전기저항 퍼니스의 국부 단면도이다.
도 2는 3상 3극 전자석으로 실행되는 전자기 교반기를 도시한 도면이다.
도 3은 자기장의 종결 방향과 상호 이동 방향이 서로 120도의 위상 편이를 갖는 3상 전류의 세 개의 맥동 자기장 회로의 수직 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 단방향 전자기장을 생성하여 도가니 평면과 축을 이루는 강도 수직 토로이달형 용융 교반을 제어하는 인공 용융 전자기 교반을 수행하는 방법을 설명한 도면이다.
도 5는 생성 단방향 전자기장에 의해 도가니 평면과 축 방향으로 수직 토로이달 용융 교반의 개략도이다.
도 6은 삼중 전자석의 극 부근에서 생성된 유사한 자기장의 상호 작용을 나타낸 도면이다.
도 7은 회전 자기장을 생성할 때, 경사 작업 조건에서 용해 퍼니스의 도가니에서 용융물의 회전 혼합을 설명한 도면이다.
도 8은 단방향 자기장을 생성할 때, 경사 작업 조건에서 용해 퍼니스의 도가니에서 용융물의 수직 토로이달 혼합을 설명하는 도면이다.
Figure 1 is a local cross-sectional view of a melting and distribution crucible tilting type electric resistance furnace equipped with an electromagnetic melt stirring system.
Figure 2 is a drawing of an electromagnetic stirrer operated by a three-phase, three-pole electromagnet.
Figure 3 is a diagram showing a vertical image of three pulsating magnetic field circuits of three-phase currents, the direction of magnetic field termination and the direction of mutual movement having a phase shift of 120 degrees from each other.
FIG. 4 is a drawing illustrating a method for performing artificial melting electromagnetic stirring by controlling the intensity vertical toroidal melting stirring that forms an axis with the crucible plane by generating a unidirectional electromagnetic field.
Figure 5 is a schematic diagram of a vertical toroidal melting stirrer in the crucible plane and axial direction by a generated unidirectional electromagnetic field.
Figure 6 is a diagram showing the interaction of similar magnetic fields generated near the poles of a triple electromagnet.
Figure 7 is a drawing illustrating the rotational mixing of a melt in a crucible of a melting furnace under inclined operating conditions when generating a rotating magnetic field.
Figure 8 is a drawing illustrating vertical toroidal mixing of a melt in a crucible of a melting furnace under inclined operating conditions when generating a unidirectional magnetic field.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention, and the methods for achieving them, will become clearer with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and these embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with a meaning that can be commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries shall not be ideally or excessively interpreted unless explicitly specifically defined.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing embodiments only and is not intended to limit the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise. The terms "comprises" and/or "comprising" as used herein do not exclude the presence or addition of one or more other components in addition to the components mentioned.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 발명은, 전자기 교반기를 갖는, 도가니 틸팅 타입의 전기 저항 용융-유지 및 분배 퍼니스의 합리적인 표준 타입을 제안하고자 한다. 상기 전자기 교반기는 수평의 메인 코어와 적어도 하나의 코일을 갖는 폴(pole)을 구비한 3개의 T자형 마그네틱 코어를 갖는다. 상기 메인 코어와 폴은 도가니에 용융된 금속을 수직으로 방향으로 향하게 한다. 여기서, 세 개의 T형 코어는 각각 120도씩 수평면으로 조립되어 있다.The present invention proposes a reasonable standard type of an electric resistance melting-holding and distribution furnace of a crucible tilting type having an electromagnetic stirrer. The electromagnetic stirrer has three T-shaped magnetic cores having a horizontal main core and a pole having at least one coil. The main core and the poles direct the molten metal in the crucible vertically. Here, the three T-shaped cores are assembled at 120 degrees to the horizontal plane, respectively.

독창적인 유체 역학적으로 고효율의 용융 교반 모드는, 회전하는 전자기장의 생성에 의해, 도가니 면에 대해 수평 방향 및 축방향으로 교반되는 용융물의 방향 및 속도를 제어하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 이는 단일 방향의 잔자기장의 생성에 의해, 도가니 면에 대해 축방향으로 교반되는 수직 토로이달 용융물의 강도에 의해 제어될 수 있고, 수평 방향 및 수직 방향 토로이달 용융물 교반에서 회전 시간이 변경될 수 있다.The unique fluid dynamically highly efficient melt stirring mode can be used to control the direction and speed of the melt stirred horizontally and axially with respect to the crucible face by generation of a rotating electromagnetic field. In addition, it can be controlled by the intensity of the vertical toroidal melt stirred axially with respect to the crucible face by generation of a unidirectional residual magnetic field, and the rotation time can be changed in the horizontal and vertical toroidal melt stirring.

도 1은 전자기 용융 교반기를 구비한 용융 및 분배 도가니 틸팅형 전기저항 퍼니스의 국부 단면도이다. 참고로, 도 1 및 이하 도 4, 7 및 8의 모든 경우에서 용융물(7)의 유동 방향은 일반적으로 정적 흐름도로 제시되어 있다.Fig. 1 is a cross-sectional view of a localized melting and distribution crucible tilting type electric resistance furnace equipped with an electromagnetic melting stirrer. For reference, in all cases of Fig. 1 and Figs. 4, 7 and 8 below, the flow direction of the melt (7) is generally presented as a static flow diagram.

이러한 용융을 위한 전자기 교반기(100a)는 복수의 코어(14, 15) 및 복수의 코일(13, 16)으로 구성될 수 있다. 상기 전자기 교반기(100a)는 용융물(7)을 갖는 도가니(6)의 아래에 도가니 면의 축방향으로 설치된다. 여기서, 액상 비철 고합금의 용융물(7)을 전자기적으로 교반할 때, 회전하는 전자기장(도 2의 25 또는 도 3의 22, 23, 24)에 의해, 도가니 평면에 대해 수평 방향 및 축방향으로, 속도 회전 교반 모드로 제어된다. 일반적인 용융물(7)의 유동 방향은 도 1의 부재번호 8로 표시된 바와 같이 전자기장의 방향과 마찬가지이다.An electromagnetic stirrer (100a) for such melting may be composed of a plurality of cores (14, 15) and a plurality of coils (13, 16). The electromagnetic stirrer (100a) is installed below a crucible (6) having a melt (7) in the axial direction of the crucible surface. Here, when the melt (7) of the liquid non-ferrous high alloy is stirred electromagnetically, it is controlled in a speed rotation stirring mode in the horizontal direction and the axial direction with respect to the crucible plane by a rotating electromagnetic field (25 in FIG. 2 or 22, 23, 24 in FIG. 3). The general flow direction of the melt (7) is the same as the direction of the electromagnetic field, as indicated by the reference numeral 8 in FIG. 1.

본 발명의 방법 및 장치의 구현은 전형적인 도가니 틸팅형 전기 저항 히터 용융-주입 퍼니스(도 1의 5)에서 수행된다. 여기서 전방향으로 이동이 가능하도록, 틸팅 축(3)을 갖는 용광로 메인 프레임(2)이 레일(1) 상에 이동 가능하게 설치되고, 상기 메인 프레임(2)에 정면 방향으로 틸팅될 수 있는 퍼니스(5)가 거치된다. 정면 장소 퍼니스(5)에는, 빌렛 또는 슬래브 등을 제조하기 위해, 용융물(7)을 금형 또는 기타 연속 주조 장치(여기서는 제시되지 않음)의 툰디쉬(tundish)에 부어 넣을 수 있는 주입 노즐(4)이 존재한다.The implementation of the method and device of the present invention is carried out in a typical crucible tilting type electric resistance heater melting-pouring furnace (5 in Fig. 1). Here, a furnace main frame (2) having a tilting axis (3) so as to be omnidirectionally movable is movably installed on a rail (1), and a furnace (5) capable of tilting in a frontal direction is mounted on the main frame (2). In the frontal location furnace (5), there is a pouring nozzle (4) capable of pouring a molten material (7) into a tundish of a mold or other continuous casting device (not shown here) for producing billets or slabs, etc.

원통형 금속 케이스로 설계되는 퍼니스(5)는, 벽 두께가 50~60mm인 교환 가능한 도가니(6) 내부에 설치되는 원통형 금속 케이스(예: SiC)로 구성될 수 있다. 상기 도가니(6)의 내부에는 용융된 금속(7), 예를 들어, 7075 계열과 같은 7000 계열의 고합금 알루미늄 합금과 함께, 용융 온도 제어를 위한 써모커플(thermocouple: 30)이 배치되어 있다.The furnace (5) designed as a cylindrical metal case can be composed of a cylindrical metal case (e.g., SiC) installed inside an exchangeable crucible (6) having a wall thickness of 50 to 60 mm. Inside the crucible (6), a molten metal (7), for example, a high-alloy aluminum alloy of the 7000 series such as the 7075 series, is placed, along with a thermocouple (30) for melting temperature control.

퍼니스(5)의 내벽을 둘러싸는 금속 케이스의 내부에는 예를 들어 벽돌로 만들어진 단열재(10)가 도가니 공간의 주변을 따라 설치된다. 이 때, 전기로 전원을 공급하면 Ni-Cr과 같은 전기 저항 히터(9)가 퍼니스 내부 공간에서 도가니(6)를 가열한다.Inside the metal case surrounding the inner wall of the furnace (5), an insulating material (10) made of, for example, bricks is installed along the periphery of the crucible space. At this time, when power is supplied by electricity, an electric resistance heater (9) such as Ni-Cr heats the crucible (6) in the inner space of the furnace.

퍼니스(5)의 바닥 부분에는 내부가 구부러진 둥근 모양을 가지며 스테인레스 강판과 같은 비자성 재료로 제조되는 바닥 커버 (12)가 설치되며, 상기 바닥 커버(12)의 상측 내부는 강한 내화물(11)로 덮여 있다. 또한, 상기 내화물(11)의 상측 중앙에는, 용융 금속(7)을 보유하는 세라믹 도가니(6)를 지지하기 위한 "바닥 스톤"(bottom stone: 35)이 배치된다.At the bottom of the furnace (5), a bottom cover (12) having a curved, round shape on the inside and made of a non-magnetic material such as a stainless steel plate is installed, and the upper inside of the bottom cover (12) is covered with a strong refractory material (11). In addition, a “bottom stone” (bottom stone: 35) is placed at the upper center of the refractory material (11) to support a ceramic crucible (6) holding molten metal (7).

퍼니스(5)의 비자성 바닥 커버(12)의 아래에는 전자기 교반을 위한 구성으로, 자기 코어(14, 15; 단면으로 표시됨) 및 자기 코어에 설치되는 코일 (13, 16, 18)가 설치된다.Below the non-magnetic bottom cover (12) of the furnace (5), a configuration for electromagnetic stirring is installed, including a magnetic core (14, 15; shown in cross section) and a coil (13, 16, 18) installed on the magnetic core.

도 2는 3상 3극 전자석으로 실행되는 전자기 교반기(100a)를 도시한 사시도이고, 도 3은 자기장의 종결 방향과 상호 이동 방향이 서로 120도의 위상 편이를 갖는 3상 전류의 세 개의 맥동 자기장 회로의 수직 이미지를 나타낸 평면도이다.Figure 2 is a perspective view showing an electromagnetic stirrer (100a) operated by a three-phase three-pole electromagnet, and Figure 3 is a plan view showing a vertical image of three pulsating magnetic field circuits of three-phase currents whose magnetic field termination direction and mutual movement direction have a phase shift of 120 degrees from each other.

도 2 및 도 3에서 부재번호 25는 전자기장으로 인한 회전 방향을 나타내고, 부재번호 13, 15, 17은 3개의 마그네틱 코어를 나타낸다. 또한, 부재번호 14, 16, 18은 3개의 코일을 나타내고, 부재번호 19, 20, 21은 3개의 극(pole)을 나타낸다. 또한, 도 3에서 부재번호 22, 23, 24는 서로 인접한 극 사이에서 형성되는 전자기장 라인으로서 각각 분리되어 표시된다.In FIGS. 2 and 3, reference numeral 25 represents a direction of rotation due to an electromagnetic field, and reference numerals 13, 15, and 17 represent three magnetic cores. In addition, reference numerals 14, 16, and 18 represent three coils, and reference numerals 19, 20, and 21 represent three poles. In addition, reference numerals 22, 23, and 24 in FIG. 3 are separately indicated as electromagnetic field lines formed between adjacent poles.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전자기 교반기(100a)는, 수평으로 메인 코어와 극을 갖는 3개의 T자형 자기 코어(13, 15, 17)와, 상기 자기 코어(13, 15, 17)에 각각 적어도 하나의 코일(14, 16, 18)을 갖는 극으로 구성되는 3상 3극 전자석으로 구현된다. 이러한 구성에 의해, 용융물 내지 용융 금속(7)을 도가니(6) 내에서 수직방향(파란색 점선)으로 향하게 할 수 있다. 여기서, 상기 3개의 T형 코어(13, 15, 17)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 각각 사이에 120도를 갖도록 수평면 내에서 조립될 수 있다.As shown in FIGS. 2 and 3, the electromagnetic stirrer (100a) is implemented with a three-phase, three-pole electromagnet comprising three T-shaped magnetic cores (13, 15, 17) having a main core and poles horizontally, and poles having at least one coil (14, 16, 18) on each of the magnetic cores (13, 15, 17). With this configuration, the molten material or molten metal (7) can be directed in a vertical direction (blue dotted line) within the crucible (6). Here, the three T-shaped cores (13, 15, 17) can be assembled within a horizontal plane so as to have 120 degrees therebetween, as shown in FIGS. 2 and 3.

도 2를 참조하면, 인공 용융 전자기 교반기(100a)에서의 용융물은 특정 방향(도 1의 8)로 제어되며, 특히, 생성된 회전 전자기장(25)에 의해, 도가니 평면에 대해 수평 방향 및 축 방향으로, 속도 회전 전자기 교반의 동작을 제어한다. 회전 운동 자기장(25)의 개략도는 도 2에 잘 도시되어 있다. 자기장의 회전 운동은 삼중 전자석의 3극 위의 상부 평면에 집중되며, 도가니(6)와 퍼니스(5)의 하부에 있는 용융물(7)을 향해, 전자석의 수직 극(19, 20, 21)을 기준으로 위쪽을 향하여 형성된다(도 1 및 도 2 참조).Referring to FIG. 2, the melt in the artificial melting electromagnetic stirrer (100a) is controlled in a specific direction (8 in FIG. 1), and in particular, the operation of the speed rotating electromagnetic stirring is controlled in the horizontal direction and the axial direction with respect to the crucible plane by the generated rotating electromagnetic field (25). A schematic diagram of the rotating motion magnetic field (25) is well illustrated in FIG. 2. The rotating motion of the magnetic field is concentrated on the upper plane above the three poles of the triple electromagnet, and is formed upwardly based on the vertical poles (19, 20, 21) of the electromagnet toward the melt (7) located at the lower part of the crucible (6) and the furnace (5) (see FIGS. 1 and 2).

도 3을 참조하면, 3상 3중 전자석의 회전 자기장은 3개의 자속(22, 23, 24)에 의해 생성되며, 이는 차례로 3개의 자기 코어(13, 15, 17)에서 3상 전류원에 의해 전원이 공급되는 3개의 권선(14, 16, 18)에 의해 생성된다. 이 때, 상기 3개의 권선(14, 16, 18)은 "별(star)" 형태로 상호 연결되어 있다.Referring to Fig. 3, the rotating magnetic field of the three-phase, three-pole electromagnet is generated by three magnetic fluxes (22, 23, 24), which are in turn generated by three windings (14, 16, 18) supplied with power by a three-phase current source from three magnetic cores (13, 15, 17). At this time, the three windings (14, 16, 18) are interconnected in a “star” shape.

도 3은 3상 전류의 3개의 맥동 자기장 회로의 평면도를 잘 나타낸다. 여기서, 자기장(22, 23, 24)의 종결 및 상호 이동 방향이 서로에 대해 120도의 위상 편이를 갖는 것으로 도시된다. 예를 들어, 비동기 전기 모터의 작동 원리에 따라 코일의 위상 순서를 반대로 전환하면, 회전 자기장의 정방향 회전을 역전시킬 수도 있다. 자기장의 침투 깊이를 넓히기 위해서 3상 전류 주파수 인버터를 사용할 때에는 10~25Hz 주파수 범위에서의 3상 전류를 사용하는 것이 바람직하다.Fig. 3 shows a schematic diagram of three pulsating magnetic field circuits of three-phase current. Here, the termination and mutually moving directions of the magnetic fields (22, 23, 24) are shown to have a phase shift of 120 degrees with respect to each other. For example, if the phase order of the coils is reversed according to the operating principle of an asynchronous electric motor, the forward rotation of the rotating magnetic field can also be reversed. In order to increase the penetration depth of the magnetic field, it is preferable to use a three-phase current in the frequency range of 10 to 25 Hz when using a three-phase current frequency inverter.

본 발명의 다른 실시예로서, 도 4는 단방향 전자기장을 생성하여 도가니 평면과 축을 이루는 강도 수직 토로이달형 용융 교반을 제어하는 인공 용융 전자기(100b)에 의해 교반을 수행하는 방법을 설명한 도면이다. As another embodiment of the present invention, FIG. 4 is a drawing explaining a method of performing stirring by an artificial melting electromagnetic field (100b) that generates a unidirectional electromagnetic field to control a strong vertical toroidal melting stirrer that forms an axis with the crucible plane.

도 4 내지 도 6에서는, 생성된 단방향 전자기장(도 4, 5의 22, 23, 24)에 의해 도가니 평면과 축 방향으로 교반되는 수직 토로이달 용융물을 강도에 따라 제어하는 형태가 도시된다. 특히, 본 실시예에서 인공 용융 전자기 교반기(100b)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 단방향 전자기장(8)의 생성에 의해 도가니 평면에 대해 축 방향으로 수직 토로이달 용융 교반의 강도를 제어한다.In FIGS. 4 to 6, a form is illustrated in which vertical toroidal melt stirred in the axial direction and the crucible plane is controlled according to intensity by the generated unidirectional electromagnetic field (22, 23, 24 of FIGS. 4 and 5). In particular, in the present embodiment, the artificial melting electromagnetic stirrer (100b) controls the intensity of vertical toroidal melt stirring in the axial direction with respect to the crucible plane by the generation of a unidirectional electromagnetic field (8), as illustrated in FIG. 4.

도 5는 생성 단방향 전자기장에 의해 도가니 평면과 축 방향으로 수직 토로이달 용융 교반기(100b)의 사시도이고, 도 6은 삼중 전자석의 극 부근에서 생성된 유사한 자기장의 상호 작용을 나타낸 평면도이다.Figure 5 is a perspective view of a vertical toroidal melting stirrer (100b) in the crucible plane and axial direction by a generated unidirectional electromagnetic field, and Figure 6 is a plan view showing the interaction of similar magnetic fields generated near the poles of a triple electromagnet.

도 5 및 도 6에서 부재번호 13, 15, 17은 3개의 마그네틱 코어를 나타낸다. 또한, 부재번호 14, 16, 18은 3개의 코일을 나타내고, 부재번호 19, 20, 21은 3개의 극(pole)을 나타낸다. 또한, 부재번호 22, 23, 24는 서로 인접한 극 사이에서 형성되는 전자기장 라인으로서 각각 분리되어 표시된다.In FIGS. 5 and 6, reference numerals 13, 15, and 17 represent three magnetic cores. In addition, reference numerals 14, 16, and 18 represent three coils, and reference numerals 19, 20, and 21 represent three poles. In addition, reference numerals 22, 23, and 24 are separately indicated as electromagnetic field lines formed between adjacent poles.

수직축을 따르는 수직 단방향 자기장(22, 23, 24)의 생성은, 동일한 단상 또는 2상 전류에 의해 전원이 공급될 때, 서로에 대해 동일한 위상 편이를 갖는 수직 극(19, 20, 21)을 갖는 3개의 내장된 T자형 전자석에 의해 이루어진다. 이 때, 상기 T자형 전자석은 3개의 자기장의 동일한 위상 편이를 갖는 동일한 이름의 중첩, 대수적 덧셈에 의해 제어될 수 있다.The generation of vertical unidirectional magnetic fields (22, 23, 24) along the vertical axis is achieved by three built-in T-shaped electromagnets having vertical poles (19, 20, 21) with the same phase shift relative to each other when powered by the same single-phase or two-phase current. In this case, the T-shaped electromagnets can be controlled by the superposition, algebraic addition of the three magnetic fields of the same name with the same phase shift.

용융 혼합의 합리적인 유체 역학적 모드를 구성하는 관점에서, 매크로 와류 내부의 저압 영역 및 그 내부의 유체 역학적 데드 존과 함께 용융 혼합의 안정적인 와류 순환 회로의 형성을 방지할 수 있다. 이를 위해, 수평면 도가니에서 용융물의 회전 혼합 시간을 수직 방향의 단방향 토로이달 또는 그 반대로 결합된 순차적 변화를 적용하는 모드를 이용한다.From the viewpoint of constructing a reasonable hydrodynamic mode of melt mixing, the formation of a stable vortex circulation circuit of melt mixing can be prevented together with the low-pressure region inside the macro vortex and the hydrodynamic dead zone inside it. For this purpose, a mode is utilized in which the rotational mixing time of the melt in a horizontal crucible is applied in a sequential manner combined with a vertical unidirectional toroidal or vice versa.

또한, 이러한 모드는 전원 프로그래머의 계획된 프로그램에 따라 삼중 전자석의 권선을 스타형 3상 연결을 전기적으로 단상 또는 2상 병렬 연결 모드로 전환하여 구현할 수도 있다.Additionally, these modes can be implemented by electrically switching the windings of the triple electromagnets from a star-shaped three-phase connection to a single-phase or two-phase parallel connection mode, depending on the planned program of the power programmer.

다음의 도 7과 8에서는 도가니가 용융물(7)을 붓는 상태(pouring state)로 기울어진 경우를 나타낸다. 이 중에서, 도 7은 회전 자기장을 생성할 때, 경사 작업 조건에서 용해 퍼니스의 도가니에서 용융물의 회전 혼합을 설명한 도면이다. 그리고, 도 8은 단방향 자기장을 생성할 때, 경사 작업 조건에서 용해 퍼니스의 도가니에서 용융물의 수직 토로이달 혼합을 설명하는 도면이다.The following Figures 7 and 8 illustrate a case where the crucible is tilted in a pouring state of the melt (7). Of these, Figure 7 is a drawing explaining rotational mixing of the melt in the crucible of the melting furnace under inclined working conditions when generating a rotating magnetic field. And Figure 8 is a drawing explaining vertical toroidal mixing of the melt in the crucible of the melting furnace under inclined working conditions when generating a unidirectional magnetic field.

본 발명에 따르면, 여러 가지 모드의 인공 전자기 용융 교반이 가능한 비철 합금 틸팅형 전기저항 용해-주입 퍼니스의 시제품 및 합리적인 설비 개념이 창출된다.According to the present invention, a prototype and a rational equipment concept of a tilting electric resistance melting-pouring furnace for non-ferrous alloys capable of artificial electromagnetic melting stirring in various modes are created.

특히, 고합금, 고강도 7000계 등 다양한 알루미늄 합금에 대해 화학성분 및 온도에 의한 용융물 분리, 산화 및 드로스 저감, 액체 상태의 균질 합금 안정화, 주조 부품의 미세 구조 제어 등의 문제를 해결하여 용융물의 품질을 향상시킬 수 있다.In particular, it can improve the quality of the melt by solving problems such as separation of the melt by chemical composition and temperature, reduction of oxidation and dross, stabilization of homogeneous alloy in liquid state, and microstructural control of cast parts for various aluminum alloys such as high alloy and high strength 7000 series.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

1: 레일 2: 메인 프레임
3: 틸팅 축 4: 주입 노즐
5: 퍼니스 6: 도가니
7: 용융 금속 8: 유동 방향
9: 전기저항 히터 10: 단열재
11: 내화물 12: 바닥 커버
13, 15, 17: 마그네틱 코어 14, 16, 18: 코일
19, 20, 21: 극(pole) 22, 23, 24: 부분 전자기장
25: 전자기장 30: 전자기 교반기
35: 바닥 스톤
1: Rail 2: Main Frame
3: Tilting axis 4: Injection nozzle
5: Furnace 6: Crucible
7: Molten metal 8: Flow direction
9: Electric resistance heater 10: Insulator
11: Refractory 12: Floor Cover
13, 15, 17: Magnetic core 14, 16, 18: Coil
19, 20, 21: poles 22, 23, 24: partial electromagnetic fields
25: Electromagnetic field 30: Electromagnetic stirrer
35: Floor Stone

Claims (6)

비철 고합금 합금의 용융 및 분배 퍼니스용 전자기 교반 장치로서,
용융 금속을 수용하는 공간을 갖는 도가니;
상기 도가니의 하측에 대칭 형태의 방사상으로 형성된 3상 마그네틱 코어;
상기 3개의 마그네틱 코어의 상측에 각각 배치되는 3개의 극(pole);
상기 3개의 극을 각각 감싸는 3개의 코일; 및
상기 코일에 가변하는 전류를 공급하는 전원을 포함하며,
상기 전류의 공급에 따라 발생하는 전자기장에 의해 상기 용융 금속이 교반되는 것을 특징으로 하는, 전자기 교반 장치.
An electromagnetic stirring device for a melting and distribution furnace of a non-ferrous high alloy alloy,
A crucible having a space for holding molten metal;
A three-phase magnetic core formed radially in a symmetrical shape on the lower side of the above crucible;
Three poles each positioned on the upper side of the three magnetic cores;
Three coils each surrounding the three poles above; and
Includes a power source that supplies a variable current to the coil;
An electromagnetic stirring device, characterized in that the molten metal is stirred by an electromagnetic field generated according to the supply of the above current.
제1항에 있어서,
상기 도가니를 틸팅 가능하게 거치하는 메인 프레임; 및
상기 메인 프레임을 직선 방향으로 이동 가능하게 지지하는 레일을 더 포함하는, 전자기 교반 장치.
In the first paragraph,
A main frame for tiltingly mounting the above crucible; and
An electromagnetic stirring device further comprising a rail for supporting the main frame so as to be movable in a linear direction.
제1항에 있어서, 상기 마그네틱 코어는
상기 전자기장이 상기 도가니 내의 용융 금속으로 향하도록, 서로 120도 사이의 수평면에 조립되는 T 자형 마그네틱 코어로 구성되는, 전자기 교반 장치.
In the first paragraph, the magnetic core
An electromagnetic stirring device comprising T-shaped magnetic cores assembled in a horizontal plane at an angle of 120 degrees to each other so that the electromagnetic field is directed to the molten metal within the crucible.
제1항에 있어서,
상기 발생된 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 수평 방향 및 축 방향으로 교반되도록, 교반의 방향 및 강도가 제어되는, 전자기 교반 장치.
In the first paragraph,
An electromagnetic stirring device in which the direction and intensity of stirring are controlled so that the molten metal is stirred in the horizontal and axial directions with respect to the crucible by the electromagnetic field generated above.
제1항에 있어서,
상기 발생된 전기장은 단방향 전자기장이고, 상기 단방향 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 축 방향으로 교반되도록, 수직 토로이달 용융 교반의 강도가 제어되는, 전자기 교반 장치.
In the first paragraph,
An electromagnetic stirring device in which the generated electric field is a unidirectional electromagnetic field, and the intensity of vertical toroidal melt stirring is controlled by the unidirectional electromagnetic field so that the molten metal is stirred in the axial direction with respect to the crucible.
제1항에 있어서,
상기 발생된 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 수평 방향 및 축 방향으로 교반되도록 교반의 방향 및 강도가 제어되는 제1 모드와,
상기 발생된 단방향 전자기장에 의해, 상기 용융 금속이 도가니에 대해 축 방향으로 교반되도록 수직 토로이달 용융 교반의 강도가 제어되는 제2 모드가 시간에 따라 번갈아 사용되는, 전자기 교반 장치.
In the first paragraph,
A first mode in which the direction and intensity of stirring are controlled so that the molten metal is stirred in the horizontal and axial directions relative to the crucible by the electromagnetic field generated above;
An electromagnetic stirring device, wherein a second mode in which the intensity of vertical toroidal melt stirring is controlled is alternately used over time so that the molten metal is stirred axially with respect to the crucible by the unidirectional electromagnetic field generated above.
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