KR102237726B1 - 제어된 표면 품질을 갖는 금속의 자기 부상 가열 - Google Patents

제어된 표면 품질을 갖는 금속의 자기 부상 가열 Download PDF

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데이빗 간처
로버트 부르스 워그스태프
테레사 엘리자베스 맥펄레인
로저 브라운
앤드류 제임스 호비스
안토니 쟝 윌리 프랄롱
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노벨리스 인크.
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Abstract

비접촉 가열 장치는 일련의 회전 자석을 이용하여 금속 물품을 가열, 부상 및/또는 이동시킨다. 일련의 제1 회전 자석은 금속 물품을 원하는 온도로 가열한다. 일련의 제2 회전 자석은 가열 장치 내의 금속 물품을 부상시키고 금속 물품에 원하는 장력을 유지하며, 금속 물품을 가열 장치를 통과하도록 추진시키는 것을 포함한다. 가열 장치는 원하는 시간 동안 원하는 온도에서 금속 물품을 균열하도록 충분히 멀리 연장될 수 있다. 회전 자석은 불활성 또는 약 반응성 기체로 채워진 전기적으로 비전도성인 내열성 챔버의 외부에 배치될 수 있으며, 이를 통하여 금속 물품이 가열 장치를 통과하게 된다.

Description

제어된 표면 품질을 갖는 금속의 자기 부상 가열
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 "ROTATING MAGNET HEAT INDUCTION"이라는 제목으로 2016년 9월 27일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/400,426호 및 "ROTATING MAGNET HEAT INDUCTION"이라는 제목으로 2017년 5월 14일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/505,948호의 이익을 주장하며, 이들의 개시 내용이 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.
또한, 본 출원은 "ROTATING MAGNET HEAT INDUCTION"이라는 제목으로 2017 년 9월 27일자로 출원된 Antoine Jean Willy Pralong 등의 미국 정규 특허 출원 번호 제15/716,887호; "SYSTEMS AND METHODS FOR NON-CONTACT TENSIONING OF A METAL STRIP"이라는 제목으로 2017년 9월 27일자로 출원된 Antoine Jean Willy Pralong 등의 미국 정규 특허 출원 번호 제15/716,559호; "PRE-AGEING SYSTEMS AND METHODS USING MAGNETIC HEATING"이라는 제목으로 2017년 9월 27일자로 출원된 David Michael Custers의 미국 정규 특허 출원 번호 제15/716,577호; "COMPACT CONTINUOUS ANNEALING SOLUTION HEAT TREATMENT"라는 제목으로 2017년 9월 27일자로 출원된 David Anthony Gaensbauer 등의 미국 정규 특허 출원 번호 제15/716,608호; 및 "RAPID HEATING OF SHEET METAL BLANKS FOR STAMPING"이라는 제목으로 2017년 9월 27일자로 출원된 Julio Malpica 등의 미국 정규 특허 출원 번호 제15/716,570호와 관련된 것이고, 이들의 개시 내용이 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 야금(metallurgy)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알루미늄 금속 스트립 또는 슬래브(slab)와 같은 금속 물품을 가열 및 가공하는 것에 관한 것이다.
금속 가공에서, 다양한 가공 단계 전, 동안 또는 후에 금속 물품의 온도를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 특정 공정(예컨대, 압연)을 수행하기 전에 금속 슬래브를 가열하는 것이 바람직할 수 있거나, 금속 스트립이 최소 온도를 넘어서 냉각되지 않으면서 일정 시간 동안 금속 스트립에서 열을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 온도 제어는 일반적으로 금속 스트립에서 또는 금속 스트립에 열 에너지를 부가 또는 제거하는 것을 포함할 수 있다.
금속 물품에 열에너지를 부가하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 특정 가열 기술, 특히 직접 접촉 기술은 표면 훼손, 표면의 폐기물(예컨대, 직접 충돌 화염에서의 탄소)의 축적 또는 기타 이러한 바람직하지 않은 결과와 같이 금속 물품에 바람직하지 않은 영향을 유발할 수 있다. 일부 기술은 접촉 없이 금속 물품을 가열하려고 하지만, 열 에너지를 금속 스트립으로 효율적으로 전달할 수 없다. 현재의 기술과 관련된 몇몇 다른 문제는 높은 설치 및/또는 유지 보수 비용을 요구하고, 상당한 제조 공간을 차지하며, 처리되는 금속 물품의 이동성을 제한하고, 금속 물품에 바람직하지 않은 영향을 유발하는 것을 포함한다.
또한, 가열 공정 중 및 후에 바람직한 표면 특성을 유지하는 것이 중요할 수 있다. 특히, 금속 물품을 고온으로 가열하는 동안 및 그 직후에 금속 물품의 표면과 접촉하는 장비를 사용하면 바람직하지 않은 표면 결함이 발생할 수 있다. 또한, 습한 공기와 같은 특정 기체에 노출될 때 금속 물품을 가열하는 것은 금속 물품에 바람직하지 않은 표면 결함을 일으킬 수 있다.
용어 구현예 및 이와 유사한 용어는 본 개시의 요지 및 이하의 청구범위 모두를 광범위하게 언급하기 위한 것이다. 이들 용어를 포함하는 설명은 본원에 기술된 요지를 제한하거나 이하의 청구 범위의 의미 또는 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 본원에 포함된 본 개시의 구현예는 이하의 청구항에 의해 정의되며, 이 '발명의 내용' 부분에 의해 정의되는 것은 아니다. 이 '발명의 내용' 부분은 본 개시의 다양한 양태에 대한 전체적인 개요이며, 이하의 상세한 설명 부분에서 더 설명되는 개념의 일부를 소개한다. 이 '발명의 내용' 부분은 청구된 요지의 핵심 또는 필수적인 특징을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 요지의 범위를 결정하기 위해 별개로 사용하기 위한 것도 아니다. 요지는 본 개시의 전체 명세서의 적절한 부분들, 임의의 또는 모든 도면 및 각 청구항을 참조하여 이해되어야 한다.
본 개시의 실시예는, 금속 물품을 수용하기 위한 가열 구역(가열 구역은 금속 물품의 온도를 증가시키기 위한 적어도 하나의 가열 소자를 포함함); 및 금속 물품의 온도를 유지하기 위한 가열 구역과 결합된 부양 구역을 포함하되, 부양 구역은 가열 동작 중에 금속 물품을 부상시키기 위해 배치된 회전 자석 배열을 포함하는 가열 장치를 포함한다.
일부 경우에, 회전 자석 배열이 회전 영구 자석 배열이다. 일부 경우에, 가열 구역과 부양 구역이 동일한 공간을 차지한다. 일부 경우에, 적어도 하나의 가열 소자는 적어도 하나의 회전 자석 배열을 포함한다. 일부 경우에, 부양 구역은 가열 구역 바로 뒤에 하류 방향에 위치하되, 가열 구역은 금속 물품을 연속적으로 수용하기 위한 입구를 포함하고, 부양 구역은 금속 물품을 연속적으로 배출하기 위한 출구를 포함한다. 일부 경우에, 적어도 하나의 가열 소자는 하나 이상의 유도 코일을 포함한다. 일부 경우에있어서, 적어도 하나의 가열 소자는 회전 자석의 추가 배열을 포함한다. 일부 경우에, 회전 자석의 추가 배열은 회전 영구 자석의 추가 배열이다. 일부 경우에, 회전 자석 배열은 복수의 가로 방향으로 이격된 회전 자석을 각각 포함하는 복수의 회전자(rotor)를 포함한다. 일부 경우에, 장치는 금속 물품의 온도를 측정하도록 배치된 온도 센서; 및 감지된 온도에 기초하여 적어도 하나의 가열 소자를 제어하기 위해 온도 센서 및 적어도 하나의 가열 소자에 연결된 제어기를 더 포함한다. 일부 경우에, 장치는 냉각제 유체 공급원에 결합되고 냉각제 유체를 금속 물품에 분배하도록 배치된 하나 이상의 냉각 노즐을 더 포함한다. 일부 경우에, 장치는 금속 물품의 온도를 측정하도록 배치된 온도 센서; 및 하나 이상의 냉각 노즐에 의해 분배된 냉각 유체의 양을 제어하기 위해 온도 센서 및 하나 이상의 냉각 노즐에 연결된 제어기를 더 포함한다. 일부 경우에, 회전 자석 배열은 금속 물품의 가로 폭(lateral width)과 평행한 회전축을 중심으로 회전한다. 일부 경우에, 장치는 가스를 수용하기 위한 챔버를 더 포함하되, 가열 동작 중에 금속 물품이 챔버 내에 배치되고, 회전 자석 배열은 금속 물품으로부터 챔버의 벽에 대향하여 배치된다. 일부 경우에, 챔버는 가열 구역으로의 금속 물품의 스레딩(threading)을 용이하게 하기 위해 하부 벽에서 분리 가능한 상부 벽을 포함한다. 일부 경우에, 챔버는 전기적으로 비전도성인 단열재로 제조된다. 일부 경우에, 챔버는 챔버를 불활성 기체의 공급원에 연결시키는 하나 이상의 포트를 포함한다.
본 개시의 실시예는 금속 물품을 가열 장치의 가열 구역에 배치하는 단계; 가열 구역 내의 가열 소자를 사용하여 금속 물품을 설정값 온도로 가열하는 단계; 부양 구역에서 금속 물품을 부상시키는 단계(금속 물품을 부상시키는 단계는 적어도 하나의 자기 회전자를 회전시켜 금속 물품에 인접한 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함함); 및 금속 물품이 부양 구역에서 부상되는 지속 시간 동안 설정값 온도를 유지하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.
일부 경우에, 적어도 하나의 자기 회전자 각각은 회전축을 중심으로 회전 가능한 하나 이상의 영구 자석을 포함한다. 일부 경우에, 가열 구역과 부양 구역이 동일한 공간을 차지한다. 일부 경우에, 금속 물품을 가열하는 단계는 적어도 하나의 자기 회전자 중 하나 이상을 회전시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 방법은 금속 물품을 가열 구역에서 부양 구역으로 향하도록 하는 단계를 더 포함하되, 부양 구역은 하류 방향으로 가열 구역 바로 뒤에 위치되고, 금속 물품을 가열 구역 내에 배치하는 단계는 가열 구역 내로 금속 물품을 연속적으로 수용하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 금속 물품을 가열하는 단계는 금속 물품을 하나 이상의 유도 코일에 통과시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 금속 물품을 가열하는 단계는 적어도 하나의 추가 자기 회전자를 회전시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 적어도 하나의 추가 자기 회전자 각각은 회전축을 중심으로 회전 가능한 하나 이상의 영구 자석을 포함한다. 일부 경우에, 적어도 하나의 자기 회전자 각각은 회전축을 중심으로 회전 가능한 복수의 가로 방향으로 이격된 자석을 포함한다. 일부 경우에, 방법은 온도 센서를 사용하여 금속 물품의 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 온도에 기초하여 가열 소자를 제어하는 단계를 더 포함한다. 일부 경우에, 방법은 하나 이상의 냉각 노즐을 사용하여 냉각제 유체를 금속 물품에 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 경우에, 방법은 온도 센서를 사용하여 금속 물품의 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 온도에 기초하여 냉각제 유체의 분배를 제어하는 단계를 더 포함한다. 일부 경우에, 적어도 하나의 자기 회전자 각각은 금속 물품의 가로 폭과 평행한 회전축을 중심으로 회전한다. 일부 경우에, 가열 구역에 금속 물품을 제공하는 단계는 금속 물품을 가스 충전 챔버에 제공하는 단계를 포함하고 금속 물품을 부상시키는 단계는 가스 충전 챔버를 관통하는 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 방법은 금속 물품을 가스 충전 챔버 내로 스레딩하는 단계를 더 포함하되, 금속 물품을 스레딩하는 단계는 가스 충전 챔버의 상부 벽과 하부 벽을 분리하는 단계; 상부 벽과 하부 벽 사이에 금속 물품을 삽입하는 단계; 및 상부 벽과 하부 벽을 함께 재설정하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 금속 물품을 부상시키는 단계는 전기적으로 비전도성인 단열재로 된 가스 충전 챔버를 관통하는 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 방법은 가스 충전 챔버에 불활성 기체를 공급하는 단계를 더 포함한다.
다른 목적 및 장점들은 다음의 비제한적인 실시예들의 상세한 설명으로 명백해질 것이다.
명세서는 다음의 첨부된 도면을 참조하며, 상이한 도면에서 유사한 참조 번호의 사용은 유사하거나 비슷한 구성 요소를 설명하기 위한 것이다.
도 1은 본 개시의 특정 양태에 따라 연속 비접촉 가열 장치의 측면도를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 개시의 특정 양태에 따라 비연속 비접촉 가열 장치의 측면도를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 개시의 특정 양태에 따라 회전 자석을 사용하는 연속 가열 장치를 도시하는 결합된 개략도 및 온도 차트이다.
도 4는 본 개시의 특정 양태에 따라 도 3의 가열 장치의 일부를 도시하는 확대 개략 측면도이다.
도 5는 본 개시의 특정 양태에 따른 영구 자기 회전자의 측단면도이다.
도 6은 본 개시의 특정 양태에 따라 자기 가열 및 장력 제어를 위한 회전 자석 배열을 도시하는 결합된 개략도 및 그래프이다.
도 7은 본 개시의 특정 양태에 따라 가열 장치를 사용하는 부분적으로 분리된 연속 주조 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 8은 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품을 스레딩하기 전에 개방 구성의 가열 장치를 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품이 가열 장치 내로 스레딩되는 동안의 개방 구성의 가열 장치를 도시하는 개략도이다.
도 10은 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품이 가열 장치 내로 스레딩된 후의 개방 구성의 가열 장치를 도시하는 개략도이다.
도 11은 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품이 제 위치에 스레딩된 폐쇄 구성의 가열 장치를 도시하는 개략도이다.
도 12는 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품을 가열하기 위한 공정을 도시하는 흐름도이다.
본 개시의 특정 양태 및 특징은 일련의 회전 자석을 사용하여 금속 물품을 가열, 부상 및/또는 가열 장치를 관통하여 이동시키는 가열 장치에 관한 것이다. 가열 장치는 터널 오븐, 균열로(soaking furnace) 또는 다른 적합한 가열 소자일 수 있다. 일련의 제1 회전 자석은 금속 물품을 원하는 온도로 가열할 수 있다. 일련의 제2 회전 자석은 가열 장치 내의 금속 물품을 부상시키고 금속 물품에 원하는 장력을 유지할 수 있으며, 또한 가열 장치를 통과하도록 금속 물품을 추진시킬 수 있다. 가열 장치는 원하는 시간 동안 원하는 온도에서 금속 물품을 균열하도록 충분히 멀리 연장될 수 있다. 일부 경우에, 회전 자석은 불활성 또는 약 반응성 기체로 채워진 전기적으로 비전도성인 내열성 챔버의 외부에 배치될 수 있으며, 이를 통하여 금속 물품이 가열 장치를 통과하게 된다.
가열 장치는 금속 슬래브, 스트립 또는 다른 물체와 같은 금속 물품을 위한 초소형 가열 오븐일 수 있다. 일부 경우에, 가열 장치는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘계 재료, 타이타늄, 타이타늄계 재료, 구리, 구리계 재료, 강재, 강재계 재료, 청동, 청동계 재료, 황동, 황동계 재료, 복합 재료, 복합 재료에 사용되는 시트를 포함하는 비철계 재로, 또는 기타 적합한 금속, 비금속 또는 재료들의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 물품은 모놀리식(monolithic) 재료뿐만 아니라 롤-결합 재료, 클래드 재료, 복합 재료(탄소 섬유-함유 재료 등이 있지만 이에 한정되지 않음) 또는 다양한 기타 재료와 같은 비모놀리식 재료를 포함할 수 있다. 하나의 비제한적인 실시예에서, 가열 장치는 알루미늄 금속 스트립, 슬래브 또는 철을 함유하는 알루미늄 합금을 포함하는 알루미늄 합금으로 제조된 다른 물품과 같은 금속 물품을 가열하는 데 사용될 수 있다.
가열 장치는 선택적으로 불활성 분위기 내에서 비접촉 방식으로 금속 물품을 신속하게 가열할 수 있다. 가열 장치는 연속 가열 장치 또는 비연속 가열 장치로 구성될 수 있다. 연속 가열 장치는 상류 단부에서 금속 물품을 연속적으로 수용할 수 있고 추가 가공 및/또는 취급을 위해 하류 단부에서 처리된 금속 물품을 연속적으로 배출할 수 있다. 하나의 실시예에서, 연속 가열 장치는 연속 주조 장치와 코일러(coiler) 사이의 공정 라인에 배치될 수 있다. 비연속 가열 장치는 별개의 길이를 갖는 금속 물품을 순차적으로 가열할 수 있다. 예를 들어, 비연속 가열 장치는 정의된 길이의 금속 슬래브를 수용할 수 있고, 한번에 전체 금속 슬래브를 가열한 다음, 새로운 금속 슬래브가 비연속 가열 장치에 배치되기 전에 처리된 금속 슬래브가 제거되게 할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "위", "아래", "수직" 및 "수평"은 마치 금속 물품이 그 상부 및 하부 표면이 지면과 대체로 평행한 수평 방향으로 이동하는 것처럼, 금속 스트립과 같은 금속 물품에 대한 상대적인 방향을 기술하는 데 사용된다. 본원에서 사용되는 용어 "수직"은 금속 물품의 방향에 관계 없이, 금속 물품의 표면(예컨대, 상부 또는 하부 표면)에 수직인 방향을 의미할 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "수평"은 금속 물품의 방향에 관계없이, 움직이는 금속 물품의 이동 방향에 평행한 방향과 같이 금속 물품의 표면(예컨대, 상부 또는 하부 표면)에 평행 한 방향을 의미할 수 있다. 용어 "위" 및 "아래"는 금속 물품의 방향에 관계없이, 금속 물품의 상부 또는 하부 표면을 넘어서는 위치를 의미할 수 있다. 금속 물품은 수평, 수직 그리고 대각선과 같은 기타 방향을 포함하는 임의의 적합한 방향으로 배향되거나 이동할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 수직, 세로 및 가로는 가열되는 금속 물품을 참조하여 사용될 수 있다. 세로 방향은 처리 장비를 통해 금속 물품의 이동 방향을 따라 예컨대 연속 어닐링 용액 열처리(continuous annealing solution heat treatment, CASH) 라인 또는 다른 장비를 통과하는 통과 라인을 따라 연장될 수 있다. 세로 방향은 금속 물품의 상부 및 하부 표면에 평행할 수 있다. 세로 방향은 가로 방향 및 수직 방향에 대해 수직일 수 있다. 가로 방향은 금속 물품의 측부 가장자리 사이에서 연장될 수 있다. 가로 방향은 세로 방향 및 수직 방향에 수직인 방향으로 연장될 수 있다. 수직 방향은 금속 물품의 상부 및 하부 표면 사이에서 연장될 수 있다. 수직 방향은 세로 방향 및 가로 방향에 수직일 수 있다.
본 개시의 양태 및 특징은 포일, 시트, 스트립, 슬래브, 플레이트, 셰이트(shate) 또는 기타 금속 물품의 형태와 같은 임의의 적합한 금속 물품과 함께 사용될 수 있다. 본 개시의 양태 및 특징은 평평한 표면(예컨대, 평평한 상부 및 하부 표면)을 갖는 임의의 금속 물품에 특히 적합할 수 있다. 본 개시의 양태 및 특징은 평행한 또는 대략 평행한 대향 표면(예컨대, 상부 및 하부 표면)을 갖는 임의의 금속 물품에 특히 적합할 수 있다. 대략 평행한 것은 평행 또는 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 또는 10° 이내로 평행하거나 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.
본 개시의 양태 및 특징은 임의의 적합한 금속의 금속 물품과 함께 사용될 수 있다. 일부 경우에, 금속 물품은 알루미늄 합금과 같은 알루미늄이다. 일부 경우에, 금속 물품은 철을 함유하는 알루미늄 합금일 수 있다. 본 개시의 특정 양태 및 특징은 6xxx 또는 5xxx 시리즈 알루미늄 합금과 함께 사용하기에 특히 적합할 수 있지만, 1xxx, 2xxx, 3xxx, 4xxx, 7xxx 또는 8xxx 시리즈 합금과 같은 다른 합금도 사용될 수 있다. 6xxx 및 5xxx 시리즈 알루미늄 합금은 미터 당 대략 10,000,000개의 지멘스(Siemens)(10 MS /m)의 전도도를 가질 수 있다. 일부 경우에, 15 MS/m 또는 20 MS/m와 같이 더 높은 전도도를 갖는 합금은 적어도 부분적으로 1차 자속(예컨대, 회전 자석에 의해 발생된 자속)에 대비하여 적은 2차 자속(예컨대, 금속 물품에 의해 발생된 자속)의 발생으로 인해 회전 자석을 통한 가열이 결과적으로 덜 효율적일 수 있다.
회전 자석 배열은 가열 장치 내의 금속 물품의 가열 및 부상을 모두 제공한다. 가열 구역은 금속 물품에 신속한 가열을 제공하도록 구성되고 배치되는 회전 자석의 제1 배열을 포함할 수 있다. 부양 구역 및 선택적으로 가열 구역은 금속 물품을 부상시키기 위해 구성되고 배치되는 회전 자석의 제2 배열을 포함할 수 있다. 회전 자석은 움직이고 시간에 따라 변하는 자기장의 존재 하에서 와전류를 발생시킬 수 있는 임의의 적합한 금속 물품에 사용될 수 있지만, 알루미늄 금속 스트립이나 슬래브와 함께 사용하기에 특히 적합할 수 있다.
각각의 회전 자석은 영구 자석 또는 전자석과 같은 하나 이상의 자기 공급원(magnetic source)을 포함할 수 있다. 회전 자석은 일반적으로 영구 자석만을 포함할 수 있지만, 경우에 따라 회전 자석이 전자석 또는 전자석과 영구 자석의 조합을 대신 포함할 수 있다. 영구 자석 회전 자석은 경우에 따라 바람직할 수 있으며 전자석에 의존하는 회전 자석보다 더 효율적인 결과를 얻을 수 있다. 각각의 회전 자석은 다른 회전축이 사용될 수 있지만, 회전 자석에 인접하여 통과하는 금속 물품의 세로 축에 수직인 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 즉, 각각의 자기 회전자는 다른 회전축이 사용될 수 있지만, 금속 물품의 가공 방향(예컨대, 압연 방향)에 수직인 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 일부 경우에, 회전축은 가공 방향에 수직일 수 있고 금속 스트립의 가로 폭과 동일 평면상에 있을 수 있으며, 이 경우 금속 물품의 온도 프로파일에 대해 원하는 제어를 달성하도록 회전축을 의도적으로 경사지게(예컨대, 다른 쪽 단부보다 금속 스트립에 더 가까운 자기 회전자의 한 쪽 단부를 경사지게) 할 수 있다. 일부 경우에, 자기 회전자의 회전축은 금속 스트립의 높이에 수직일 수 있고, 금속 스트립의 가로 폭 및 가공 방향에 의해 형성된 평면과 평행하면서 이격된 평면 내에 있을 수 있으며, 이 경우 금속 물품의 온도 프로파일에 대해 원하는 제어를 달성하도록 회전축을 의도적으로 경사지게(예컨대, 다른 쪽 단부보다 더 하류 쪽에 있는 자기 회전자의 한 쪽 단부를 경사지게) 할 수 있다. 일부 경우에, 자기 회전자의 회전축은 다른 각도로 기울어질 수 있다. 회전 자석의 회전 운동은 그의 자기 공급원(들)이 이동 또는 변동 자기장을 유도하게 한다. 회전 자석은 회전자 모터(예컨대, 전기 모터, 공압 모터 또는 기타) 또는 근처의 자기 공급원(예컨대, 또 다른 회전 자석 또는 변동 자기장)의 교감 운동을 비롯해서 임의의 적절한 방법을 통해 회전될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 회전 자석은 자기 회전자상에 하나 이상의 자석을 포함하는 자기 회전자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일 회전자는 단일 자기 공급원을 포함할 수 있어 2개의 자극을 함유할 수 있거나 단일 회전자가 다중 자기 공급원을 포함할 수 있으므로 다중 자극을 함유할 수 있다. 일부 경우에, 자기 회전자의 외주에서부터 밖으로 자기장을 보내기 위해 할바흐(Halbach) 배열에 배열된 영구 자석 자기 공급원과 같이 방향성 있는 비대칭 자기장을 생성하도록 단일 회전자의 자기 공급원이 배열될 수 있다.
일부 경우에, 자기 회전자는 단면이 원형이고, 자기 공급원은 단일 회전축을 중심으로 회전 가능하다. 하지만, 경우에 따라 자기 회전자는 단면이 타원형이거나 비원형일 수 있으며, 자기 공급원은 단일 회전축 이상을 중심으로 회전 가능하다. 이러한 경우에, 자기 회전자는 하나 이상의 회전축(예컨대, 단순한 타원형 벨트의 경우에는 2개의 회전축)을 중심으로 순차적으로 회전 자석을 갖는 벨트 또는 트레드(tread)의 형태를 취할 수 있다.
정밀한 가열 제어는 회전 자석을 사용하여 금속 물품에 물리적으로 접촉하지 않고 금속 물품을 가열할 때 달성될 수 있다. 이러한 정밀 제어는 자기 공급원의 세기, 자기 공급원의 수, 자기 공급원의 방향, 자기 공급원의 크기, 회전 자석 자체의 크기(예컨대, 임의의 쉘(shell) 포함), 회전 자석의 속도(예컨대, 회전 속도), 수직 오프셋 회전 자석(예컨대, 단일 회전자 세트의 수직 오프셋 회전자) 사이의 수직 간격, 수직 오프셋 회전 자석의 가로 방향 오프셋 배치(예컨대, 단일 회전자 세트의 가로 방향 오프셋 배치), 인접한 회전 자석 사이의 세로 방향 간격, 가열되는 물품의 두께, 가열되는 물품과 각각의 회전 자석 사이의 수직 거리, 가열되는 물품의 조성, 자기장 차폐의 존재(예컨대, 특정 자속 집속 요소), 자기장 차폐의 두께 및/또는 투과율, 가열되는 물품의 전방 속도, 및 사용된 회전 자석의 수를 포함하여, 회전 자석과 관련된 다양한 요소의 조작을 통해 달성될 수 있다. 다른 요소도 제어될 수 있다. 이들 요소 및 기타 요소의 제어는 정적(예컨대, 가열 공정 전에 설정) 또는 동적(예컨대, 가열 공정 중에 즉시 변경 가능)일 수 있다. 일부 경우에, 앞서 언급한 요소 중 하나 이상의 제어는 무엇보다도 컴퓨터 모델, 작업자 피드백 또는 (예컨대, 실시간 센서의 신호를 기반으로 한) 자동 피드백을 기반으로 할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "가열 공정"은 금속 물품의 가열 및 부양 또는 균열을 모두 포함할 수 있다.
일부 경우에, 자기 회전자는 금속 스트립 전체에 걸쳐(예컨대, 금속 스트립의 가로 폭 전체에 걸쳐) 균일한 온도 프로파일을 얻기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우에, 금속 스트립 전체에 걸쳐 온도 프로파일의 균일성을 최적화하는 데 기술이 사용될 수 있다. 이러한 기술의 예는 냉점에 대한 보조 히터의 사용; 냉점에 인접한 더 작은 추가 자기 회전자의 사용; 자속을 온점의 영역에서 멀어지고/지거나 냉점의 영역 쪽을 향하도록 전환하는 자속 전환기의 사용; 서로에 대한 및/또는 금속 스트립의 중심선에 대한 자기 회전자의 가로 이동; 맞춤형 자속 프로파일(예컨대, 자기 회전자의 길이를 따라 특정 방식으로 변화하는 자속 프로파일)이 있는 자기 회전자를 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 가열 구역의 양태 및 특징은 회전 자석을 참조하여 설명된다. 그러나 일부 경우에, 비회전 전자석이 회전 자석 외에 또는 회전 자석 대신 가열 구역에서 사용될 수 있다. 그러나, 변동 자기장을 발생시키기 위해 고정식 전자석과는 대조적으로 회전 자석을 사용하면 효율을 개선할 뿐만 아니라 금속 물품을 더 균일하게 가열할 수 있다. 물품의 폭을 가로 질러 부여되는 유도 자기장을 변화시키기 위해 고정식 전자석을 사용하면 물품에 국부적인 고온점이 생성될 수 있다. 다양한 강도의 유도 자기장은 상이한 고정식 전자석의 권선에서 자연적 편차로 인해 발생할 수 있다. 전자석 권선의 편차는 일부 위치에서 인접한 측면 위치보다 더 많은 열을 발생시킬 수 있다. 국부적인 고온점은 물품을 불균일하게 변형시킬 수 있으며 다른 제조상의 결함을 유발할 수 있다. 대조적으로, 영구 자석은 크기에 따라 또는 한 자석에서 다른 자석으로 일정 수준의 고유한 자기 편차를 포함할 수 있지만, 이 편차의 일부 또는 전부는 회전 자석 또는 회전자에서의 자기 공급원의 회전으로 인해 자동으로 평균화될 수 있다. 어떤 영구 자석도 임의의 가로 방향으로 정지된 위치에 유지되지 않으므로 평균 자기장이 회전 영구 자석에 의해 인가되고 있다. 따라서, 회전 자기 회전자는 보다 제어된 방식으로 금속 물품을 균일하게 가열할 수 있다. 전자석이 회전 자석 히터에 사용될 때, 상이한 전자석 사이의 편차는 회전자의 회전으로 인해 평균화될 수 있다. 이러한 편차의 평균화는 고정식 전자석에서는 발생하지 않는다.
회전 자석은 "하류" 방향 또는 "상류" 방향으로 회전할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 하류 방향으로 회전하는 회전 자석은 임의의 시점에서 금속 물품에 가장 가까운 회전 자석의 표면이 금속 물품의 이동 방향으로(예컨대, 일반적으로 하류 방향을 향해) 이동하도록 회전한다. 예를 들어, 금속 물품이 그 세로 방향으로 우측으로 이동하는 측면에서 금속 물품을 볼 때, 하류 방향으로 회전하는 금속 물품 위에 위치한 회전 자석은 반시계 방향으로 회전할 수 있는데, 금속 물품 아래에 위치하고 하류 방향으로 회전하는 회전 자석은 시계 방향으로 회전할 수 있다. 본원에서 사용되는, 상류 방향으로 회전하는 회전 자석은 임의의 시점에서 금속 물품에 가장 가까운 회전 자석의 표면이 금속 물품의 이동 방향에 대해 반대 방향으로 이동하도록(예컨대, 일반적으로 상류 방향을 향해) 회전한다. 예를 들어, 금속 물품이 그의 세로 방향으로 우측으로 이동하는 측면에서부터 금속 물품을 볼 때, 상류 방향으로 회전하는 금속 물품 위에 위치한 회전 자석은 시계 방향으로 회전할 수 있는데, 금속 물품 아래에 위치하고 상류 방향으로 회전하는 회전 자석은 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
가열 장치가 비연속 가열 장치인 경우에, "상류"라는 용어는 "제1 단부쪽으로"라는 말로 대체될 수 있고 "하류"라는 용어는 "제2 단부쪽으로"라는 말로 대체될 수 있으며, 여기서 비연속 가열 장치의 제1 단부 및 제2 단부는 연속 가열 장치의 상류 단부 및 하류 단부와 동일할 수 있다.
회전 자석은 금속 물품의 위 또는 아래(예컨대, 통과 라인의 위 또는 아래 또는 챔버의 위 또는 아래)에 배치될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 금속 물품에 대해 배치되는 요소에 대한 언급은 통과 라인(예컨대, 금속 물품이 이동하고자 하는 원하는 통과 라인)에 대해 배치되는 요소를 적절하게 지칭할 수 있다. 일부 경우에, 금속 물품을 가열하기 위한 회전 자석 배열은 금속 물품의 위아래 모두에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 이들 회전 자석은 서로 통과 라인의 반대 방향으로 직접 배치된 유사한 회전 자석(예컨대, 유사하거나 동일한 크기, 강도, 회전 속도 및/또는 상류 또는 하류 회전 방향)과 일치된 쌍으로 배치된다. 대향하는 회전 자석이 금속 물품의 대향 측면에 배치되고 동일한 하류 또는 상류 방향으로 회전하는 경우, 두 개의 회전 자석 중 하나는 시계 방향으로 회전할 수 있는데, 두 개의 회전 자석 중 다른 하나는 반시계 방향으로 회전할 수있다.
가열용 회전 자석은 금속 물품의 폭과 대략 동일하거나 그보다 큰 길이를 가질 수 있다. 일부 경우에, 가열용 회전 자석은 금속 스트립의 가로 폭의 100% 미만을 차지하도록 가로 방향으로 변위될 수 있다. 부상용 회전 자석(예컨대, 부양 구역의 회전 자석)은 금속 스트립의 가로 폭의 100% 미만, 예를 들어 금속 스트립의 가로 폭의 대략 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 또는 30%를 차지할 수 있다. 일부 경우에, 부양 구역 내의 단일 회전자는 서로 가로 방향으로 이격된 2개 이상의 회전 자석을 수용할 수 있다. 일부 경우에, 부양 구역의 순차 회전자(예컨대, 세로 방향으로 이격된 순차 회전자) 내의 회전 자석의 가로 방향 위치가 서로 오프셋되어 부양 구역에서 회전 자석을 엇갈리게 배열할 수 있다. 회전 자석의 엇갈려 있는 성질은 부양 구역에서 바람직하지 않은 불규칙한 가열을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.
일부 경우에, 금속 물품을 부상시키는 회전 자석 배열은 반드시 그럴 필요는 없지만 금속 물품 아래에만 배치될 수 있다. 일부 경우에, 회전 자석을 금속 물품 위에 배치하여 금속 물품의 방향을 지정하거나 조정하는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 회전 자석은 금속 물품의 에지를 막 지나는 것을 포함하여 금속 물품의 에지에 또는 그 근처에 위치될 수 있고, 금속 물품의 세로 축에 평행한 회전축을 따라 회전되어, 가열 장치를 통과하는 원하는 경로의 세로 중심선을 향해 힘을 유도할 수 있다. 이들 회전 자석은 금속 물품의 센터링을 용이하게 할 수 있다. 이러한 센터링 회전 자석은 임의의 적절한 위치, 예를 들어 가열 장치의 입구 또는 출구에 또는 그에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 경우에, 센터링 회전 자석은 보다 긴 가열 장치에서 금속 물품을 안정화시키고, 금속 물품이 낮은 장력하에서 지지될 때, 또는 금속 물품이 압축하에 지지될 때 사용될 수 있다.
일부 경우에, 부상이 상실된 경우에 금속 스트립을 지지하기 위해 하나 이상의 접촉 롤러가 금속 스트립에 인접하여 배치될 수 있다. 이들 접촉 롤러는 부양 구역이 정상적으로 작동하는 동안 접촉하지 않을 수 있다.
일부 경우에, 금속 물품 아래에서만 회전 자석(예컨대, 가열 및/또는 부상 배열)의 배열이 보다 두꺼운 금속 물품(예컨대, 대략 10 mm보다 더 두꺼운 경우)에 특히 적합할 수 있다. 일부 경우에, 금속 물품 위아래의 회전 자석 배열(예컨대, 가열 및/또는 부상 배열)은 보다 얇은 금속 물품(예컨대, 대략 10 mm이거나 그보다 더 얇은 경우)에 특히 적합할 수 있다.
일부 경우에, 회전 자석이 금속 물품의 위아래에서 사용될 때, 금속 물품 위에 배치된 회전 자석은 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동 가능할 수 있다. 폐쇄 위치에서, 회전 자석 및 선택적으로 챔버의 임의의 상부 벽은 정상 작동을 위해 제 위치에 있을 수 있다. 개방 위치에서, 상부 회전 자석 및 선택적으로 챔버의 임의의 상부 벽은 금속 물품이 가열 장치 내로 로딩되거나 스레딩되는 데 더 많은 공간을 제공하기 위해 정상 작동 위치로부터 멀리 이동될 수 있다. 일단 금속 물품이 로딩되면, 상부 회전 자석 및 선택적으로 챔버의 임의의 상부 벽은 정상 작동을 위해 폐쇄 위치로 다시 이동할 수 있다.
일부 경우에, 자속 집속 요소(magnetic flux focusing element)가 회전 자석에 인접하여 사용되어 자속을 특정 영역으로부터 멀어지거나 또는 특정 영역을 향하도록 방향을 전환시킬 수 있다. 자속 집속 요소는 자속을 집중시키는 것을 포함하여 자속을 방향 전환할 수 있는 임의의 적합한 물질일 수 있다. 자속 집속 요소는 물품에 인접하거나 직면하지 않는 회전 자석 내의 자기 공급원에서 자속을 수신할 수 있고 물품쪽으로(예컨대, 물품의 상부 또는 하부 표면에 수직인 방향으로) 자속을 다시 향하게 할 수 있다. 자속 집속 요소는 또한 회전 자석과 가열되는 금속 물품 이외의 인접 장비 사이에 자기 차폐를 제공하는 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 자속 집속 요소는 인접한 세로 방향으로 오프셋된 회전 자석이 둘 사이의 보다 적은 자기적 상호 작용으로 서로에 더 가깝게 배치되도록 할 수 있다. 자속 집속 요소는 실리콘 합금강(예컨대, 전기강)을 포함하여 적합한 재료로 제조될 수 있다. 자속 집속 요소는 다수의 라미네이션(lamination)을 포함할 수 있다. 자속 집속 요소는 자속 전환기이거나 자속 제어기일 수 있다. 자속 집속 요소가 사용될 때, 회전 자석은 보다 낮은 회전 속도에서 효율적인 결과를 얻을 수 있고, 자석은 금속 물품에서부터 더 멀리 위치될 수 있다.
회전 자석은 또한 금속 물품의 장력을 제어하는 데 사용될 수 있다. 하류 방향으로 회전하는 회전 자석은 금속 물품에 하류쪽으로 힘을 가할 수 있는 반면, 상류 방향으로 회전하는 회전 자석은 금속 물품에 상류쪽으로 힘을 가할 수 있다. 세로 방향으로 이격된 다수의 회전 자석은 서로 금속 물품에 유도된 임의의 장력을 일부 또는 모두 상쇄시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 물품에서 세로 방향 장력을 유도하도록 회전하는 제1 회전 자석은 세로 방향 장력이 감소되거나 제거될 수 있도록 반대 방향으로 회전하는 제2 회전 자석에서 이격될 수 있다. 따라서, 금속 물품의 장력은 본원에서 기술된 회전 자석(예컨대, 위치, 속도, 방향, 강도, 대향하는 롤러 사이의 갭 및 기타 이러한 파라미터)의 제어를 통해 제어될 수 있다.
일부 경우에, 가열 장치는 가열 구역에서의 가열 및/또는 부양 구역에서의 균열 중에 금속 물품 주위에 불활성 분위기를 유지할 수 있다. 불활성 분위기는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 기체를 함유할 수 있거나 건조한 공기와 같은 최소 반응성 기체를 함유할 수 있다. 불활성 분위기는 가열 장치 자체의 벽 내에 또는 별도의 챔버 내에 함유될 수 있다. 가열 장치가 비연속 가열 장치인 경우, 챔버는 완전히 둘러싸일 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 가열 장치가 연속 가열 장치인 경우, 챔버는 상류 단부 및 하류 단부에서 개방된 채로 유지될 수 있어, 금속 물품이 챔버에 연속적으로 진입 및 배출될 수 있게 한다. 챔버의 상부 및 하부 벽(예컨대, 금속 물품의 상부 및 하부 표면에 인접하고 평행한 벽, 또는 금속 물품의 두께에 수직인 벽) 및 선택적으로 측벽(예컨대, 금속 물품의 가로 폭에 수직인 벽), 및 존재하는 경우, 선택적으로 단부 벽(예컨대, 금속 물품의 세로축에 수직인 벽)은 이러한 케블라® 또는 기타 파라 아라미드와 같은 비전도성 및 내열성 재료로 제조될 수 있다. 회전 자석은 챔버의 외부에 배치될 수 있고, 회전 자석에 의해 유도된 변동 자기장은 챔버 벽을 통과하여 내부의 금속 물품에 가열 및/또는 부상을 제공할 수 있다. 불활성 기체 또는 최소 반응성 기체는 챔버를 따라 단부에서 및/또는 삽입 지점에서 챔버 내로 공급될 수 있다. 이들 기체는 노즐을 통해 챔버 내로 분배될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 이들 노즐은 챔버 내에 금속 물품을 부양시키는 것을 용이하게 하도록 고안된 방식으로 기체를 공급하도록 배치될 수 있다.
일부 경우에, 고온 기체가 회전 자석에서 열을 보충하기 위해 공급될 수 있다. 이러한 고온 기체는 불활성 또는 최소 반응성 기체일 수 있다. 고온 기체는 자기 가열이 금속 물품을 완전히 가열하지 않는 영역을 겨냥한 지향성 포트를 통해 공급될 수 있다. 고온 기체는 가열 장치 또는 챔버 내에서 불활성 또는 최소 반응성 분위기를 제공할 뿐만 아니라 금속 물품의 온도를 균일하게 하는 것을 용이하게 할 수 있다.
일부 경우에, 진공원이 챔버에 결합되어 챔버 내에 전체 또는 부분 진공을 설정할 수 있다. 일부 경우에, 밀봉 롤러를 사용하여 챔버의 상류 및 하류 말단에서 확실히 밀봉할 수 있다. 일부 경우에, 밀봉 롤러는 가열 구역의 상류 및 급랭 구역의 하류에 위치될 수 있다.
일부 경우에, 가열 구역 내의 회전 자석으로부터의 가열을 보충하거나 대체하기 위해 다른 기술이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 가열 구역에서의 가열은 회전 자석으로부터의 가열을 보충하거나 대체하기 위해 유도 가열을 사용하여 제공될 수 있다.
선택적으로, 냉각제 노즐은 냉각제를 금속 물품에 분배하기 위해 가열 장치 내에 배치될 수 있다. 분배된 냉각제는 금속 물품에서 원하는 온도를 유지하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 금속 물품을 부상시키는 역할을 하는 회전 자석의 제2 배열은 금속 물품에 약간의 열량을 제공할 수 있으며, 이는 냉각제의 적용을 통해 상쇄될 수 있다. 또 다른 예로서, 분배된 냉각제는 금속 물품의 모서리와 같이 자기 가열 중에 상승된 온도를 경험할 수 있는 금속 물품의 부분으로 지향될 수 있다. 일부 경우에, 냉각제 노즐은 가열 장치의 부양 구역 내에만 배치될 수 있지만, 다른 경우에 냉각제 노즐은 가열 구역과 같은 가열 장치 전체에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 냉각제의 적용은 가열 공정이 시작되기 전에 사전 설정될 수 있다. 일부 경우에, 냉각제의 적용은 온도 센서와 같은 센서의 피드백을 기반으로 동적으로 제어될 수 있다. 냉각제는 냉각제 기체(예컨대, 불활성 기체의 냉각된 부분) 또는 냉각제 액체(예컨대, 물)를 포함하여 금속 물품을 냉각시키기 위한 임의의 적합한 유체일 수 있다.
선택적으로, 불활성 분위기 기체 이외에 처리 기체를 (예컨대, 챔버에) 공급할 수 있다. 예를 들어, 메탄 또는 실란 기체와 같은 처리 기체가 가열 장치 내의 금속 물품의 표면의 안정화(passivation)를 유도하도록 공급될 수 있다.
일부 경우에, 하나 이상의 자기 회전자를 갖는 가열 구역은 고온 공기 노즐을 사용하여 금속 물품을 부상시키는 부양 구역과 같은 전통적인 부양 구역과 짝을 이룰 수 있다. 이러한 경우에, 자기 회전자는 금속 스트립을 신속하게 가열하는 데 적합할 수 있으며, 고온 공기 노즐 또는 다른 종래 기술을 사용하여 부양에 적합한 금속 스트립에서 바람직한 장력을 달성하는 데 사용될 수 있다.
가열 공정 중에, 자석의 회전 방향 및/또는 회전 속도는 가열 장치를 통한 금속 물품의 전진을 돕거나 금속 물품의 인장력 또는 압축력을 변경시키는 힘을 제공하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 얇은 금속 물품(예컨대, 0.5 mm 내지 10 mm)의 경우 약간의 장력이 바람직할 수 있지만, 매우 높은 온도에서 금속 물품의 파손을 방지하기 위해 더 두꺼운 금속 물품(예컨대, 10 mm 초과)의 경우 약간의 압축력이 바람직할 수 있다.
본 개시의 특정 양태 및 특징은 대류식 오븐보다 더 빠른 가열, 예컨대 대류식 오븐보다 대략 5배 빠른 가열을 제공할 수 있고 높은 에너지 효율(예컨대, 대략 80% 효율)을 갖는 가열 장치를 제공한다. 또한, 회전 자석은 열의 거의 즉각적인 온/오프 제어를 제공할 수 있다. 또한, 본 개시의 특정 양태 및 특징은 금속 물품의 가열 및/또는 균열 중에 금속 물품을 부상시켜서 표면 품질을 최적화하고, 선택적으로 불활성 분위기 내에서 금속 물품을 부상시키는 능력을 제공한다. 본 개시의 특정 양태 및 특징은 또한 매우 작은 크기로 다양한 이점을 제공할 수 있다. 가열 장치의 세로 방향 길이는 급격한 자기 가열로 인해 최소화될 수 있을 뿐만 아니라 자기 가열 및 부상은 불활성 대기를 함유하는 챔버가 매우 작아서 기체 사용 효율을 향상시키도록 할 수 있다. 일부 경우에, 본 개시의 특정 양태 및 특징은 감소된 표면 산화 및 금속간 상(intermetallic phases)의 보다 빠른 용해 또는 재분배와 같은 금속 물품에 다른 금속학적 이점을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 본 개시의 특정 양태 및 특징은 금속 물품이 과열되면 발생할 수 있는 특정 가열 공정 중에 바람직하지 않은 마그네슘 이동을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 자기 회전자로 금속 물품을 가열하는 것은 금속 물품 자체 내에서(예컨대, 와전류로 인해) 열 발생을 유도하기 때문에, 외부 가열(예컨대, 금속 물품의 표면에서의 공기 가열)에 대한 의존성이 최소화되거나 회피될 수 있다. 외부 가열은 균일한 가열을 위해 열을 금속 물품의 표면에서 금속 물품의 중심으로 전달해야 하기 때문에 특히 속도가 우선시 될 때 금속 물품이 과열되는 상당한 위험이 수반될 수 있다. 외부 가열의 사용을 피하거나 최소화함으로써, 본 개시의 특정 양태 및 특징은 금속 물품이 과열의 위험이 최소이거나 전혀 없이 가열될 수 있으므로 바람직하지 않은 마그네슘 이동이 최소이거나 없을 수 있다.
본 개시의 특정 양태 및 특징은 소형의 연속 어닐링 용액 열처리(CASH) 라인과 같은 다양한 금속 가공 라인과 함께 사용될 수 있다. 본 개시의 특정 양태 및 특징은 금속 물품의 균질화 또는 어닐링과 같은 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 본원에 개시된 가열 장치는 수직 배향, 경사 배향 또는 곡선 배향과 같은 임의의 적합한 배향으로 동등하게 사용될 수 있지만 수평 배향으로 기술된다. 본원에 개시된 가열 장치는 임의의 적합한 온도에서 작동될 수 있지만, 알루미늄 합금 처리 시 대략 560°C, 565°C, 570°C, 575°C, 580°C, 585°C, 590°C, 595°C 또는 600°C 이하의 온도에서, 더욱 바람직하게는 대략 565°C에서 작동하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 경우에, 본 개시의 특정 양태 및 특징은 연속 주조 장치를 빠져나간 후 바로 또는 곧 금속 물품을 처리하는 데 특히 유용할 수 있다. 금속 슬래브(예컨대, 대략 16 mm 두께의 슬래브) 또는 금속 스트립과 같은 금속 물품은 연속 주조 장치를 빠져나오고 선택적으로 급랭된 후 약 450°C에서 가열 장치로 들어가고 대략 560°C 내지 대략 570°C의 온도로 가열될 수 있다. 주조후-가열 공정 후에, 금속 물품은 예컨대 열간 압연에 의해 두께 감소를 겪을 수 있다. 일부 경우에, 두께 감소는 두께를 대략 70% 줄일 수 있지만 더 많이 또는 더 적게 두께가 감소될 수 있다.
본 설명에서, AA 번호 및 "시리즈" 또는 "7xxx"와 같은 기타 관련 지정으로 식별되는 합금에 대한 참조가 이루어진다. 알루미늄 및 그 합금의 명명 및 식별에 가장 일반적으로 사용되는 번호 지정 시스템의 이해를 위해, 모두 알루미늄 협회에 의해 출판된 "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys" 또는 "Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot"을 참조한다.
본원에서 사용되는 플레이트는 일반적으로 두께가 5 mm 내지 50 mm의 범위이다. 예를 들어, 플레이트는 두께가 약 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm, 45 mm, 또는 50 mm인 알루미늄 제품을 지칭할 수 있다.
본원에서 사용되는 (시트 플레이트로도 지칭되는) 셰이트는 일반적으로 두께가 약 4 mm 내지 약 15 mm이다. 예를 들어, 셰이트는 두께가 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13 mm, 14 mm, 또는 15 mm일 수 있다.
본원에 사용되는 시트는 일반적으로 두께가 약 4 mm 미만인 알루미늄 제품을 지칭한다. 예를 들어, 시트는 두께가 4 mm 미만, 3 mm 미만, 2 mm 미만, 1 mm 미만, 0.5 mm 미만, 0.3 mm 미만, 또는 0.1 mm 미만일 수 있다.
본원에서 사용되는 "실온"의 의미는 약 15°C 내지 약 30°C의 온도, 예를 들어 약 15°C, 약 16°C, 약 17°C, 약 18°C, 약 19°C, 약 20°C, 약 21°C, 약 22°C, 약 23°C, 약 24°C, 약 25°C, 약 26°C, 약 27°C, 약 28°C, 약 29°C 또는 약 30°C를 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 "주위 조건"의 의미는 대략 실내 온도, 약 20% 내지 약 100%의 상대 습도 및 약 975 밀리바(mbar) 내지 약 1050 mbar의 기압을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상대 습도는 약 20%, 약 21%, 약 22%, 약 23%, 약 24%, 약 25%, 약 26%, 약 27%, 약 28%, 약 29%, 약 30%, 약 31%, 약 32%, 약 33%, 약 34%, 약 35%, 약 36%, 약 37%, 약 38%, 약 39%, 약 40%, 약 41%, 약 42%, 약 43%, 약 44%, 약 45%, 약 46%, 약 47%, 약 48%, 약 49%, 약 50%, 약 51%, 약 52%, 약 53%, 약 54%, 약 55%, 약 56%, 약 57%, 약 58%, 약 59%, 약 60%, 약 61%, 약 62%, 약 63%, 약 64%, 약 65%, 약 66%, 약 67%, 약 68%, 약 69%, 약 70%, 약 71%, 약 72%, 약 73%, 약 74%, 약 75%, 약 76%, 약 77%, 약 78%, 약 79%, 약 80%, 약 81%, 약 82%, 약 83%, 약 84%, 약 85%, 약 86%, 약 87%, 약 88%, 약 89%, 약 90%, 약 91%, 약 92%, 약 93%, 약 94%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99%, 약 100% 또는 그 사이의 임의의 지점일 수 있다. 예를 들어, 기압은 약 975 mbar, 약 980 mbar, 약 985 mbar, 약 990 mbar, 약 995 mbar, 약 1000 mbar, 약 1005 mbar, 약 1010 mbar, 약 1015 mbar, 약 1020 mbar, 약 1025 mbar, 약 1030 mbar, 약 1035 mbar, 약 1040 mbar, 약 1045 mbar, 약 1050 mbar, 또는 그 사이의 임의의 지점일 수 있다.
본원에 개시된 모든 범위는 그 안에 포함되는 임의의 및 모든 하위범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "1 내지 10"의 명시된 범위는 최솟값 1과 최댓값 10 사이(경계값 포함)의 임의의 및 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 즉, 모든 하위 범위는 1 이상의 최솟값(예컨대, 1 내지 6.1)으로 시작하고, 10 이하의 최댓값(예컨대 5.5 내지 10)으로 끝나야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 원소의 구성 양을 언급할 때 "최대"라는 표현은 그 원소가 선택적이고 해당 특정 원소의 0 퍼센트 구성을 포함함을 의미한다. 달리 명시되지 않는 한, 모든 조성 백분율은 중량%(wt.%)이다.
본원에서 사용되는 단수 표현("a," "an," 및 "the")은 문맥이 명백히 달리 지시하지 않는 한, 단수 및 복수 참조들을 포함한다.
하기 실시예에서, 알루미늄 합금 생성물 및 그 성분은 그의 원소 조성의 관점에서 중량%(wt.%)로 기재된다. 각각의 합금에서, 나머지는 불순물의 총합에 대해 0.15%의 최대 중량%를 갖는 알루미늄이다.
결정 성장 억제제 및 탈산소제 또는 기타 첨가제와 같은 부수적인 원소가 본 발명에 존재할 수 있으며, 본원에 기재된 합금 또는 본원에 기재된 합금의 특성을 벗어나거나 크게 변경하지 않고 그 자체로 기타 특성을 부가할 수 있다.
재료 또는 원소를 포함하는 불가피한 불순물은 알루미늄의 고유한 특성 또는 가공 장비와의 접촉으로 인한 침출로 인해 합금에 소량으로 존재할 수 있다. 일반적으로 알루미늄에서 발견되는 일부 불순물은 철과 규소를 포함한다. 기술된 바와 같이, 합금은 합금 원소, 부수적인 원소 및 불가피한 불순물 이외의 임의의 원소의 약 0.25 중량% 이하를 함유할 수 있다.
본원에 기술된 합금은 당업자에게 공지된 임의의 적합한 주조 방법을 사용하여 주조될 수 있다. 몇몇 비제한적인 예로서, 주조 공정은 직접 냉각(DC) 주조 공정 또는 연속 주조(CC) 공정을 포함할 수 있다. 연속 주조 시스템은 한 쌍의 움직이는 대향 주조 표면(예컨대, 움직이는 대향 벨트, 롤 또는 블록), 한 쌍의 움직이는 대향 주조 표면 사이의 주조 공동 및 용융 금속 인젝터를 포함할 수 있다. 용융 금속 인젝터는 용융 금속이 용융 금속 인젝터를 빠져나가 주조 공동 내로 주입될 수 있는 단부 개구를 가질 수 있다. 일부 경우에, 본 개시의 양태는 연속 주조 금속 물품과 함께 사용하기에 특히 적합할 수 있다.
본원에서 기술된 알루미늄 합금 제품은 항공기 및 철도에의 용도를 포함하여 자동차 용도 및 기타 운송 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 개시된 알루미늄 합금 제품은 범퍼, 사이드 빔, 루프 빔, 크로스 빔, 필러 보강재(예컨대, A-필러, B-필러 및 C-필러), 내부 패널, 외부 패널, 측면 패널, 내부 후드, 외부 후드 또는 트렁크 리드 패널과 같은 자동차 구조 부품을 제조하는 데 사용될 수 있다. 본원에 기술된 알루미늄 합금 및 방법은 또한 예를 들어 외부 및 내부 패널을 제조하기 위해 항공기 또는 철도 차량 용도에 사용될 수 있다. 본 개시의 특정 양태 및 특징은 개선된 표면 품질 및 금속학적 특성을 갖는 금속 물품을 제공할 수 있으며, 이는 개선된 결합 능력 및 성형성을 가져올 수 있으며, 본원에서 언급된 임의의 용도뿐만 아니라 다른 용도에 특히 바람직할 수 있다.
본원에 기술된 알루미늄 합금 제품 및 방법은 또한 전자 기기 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 알루미늄 합금 제품 및 방법은 휴대 전화 및 태블릿 컴퓨터를 포함하는 전자 장치용 하우징을 제조하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금 제품은 휴대 전화(예컨대, 스마트 폰), 태블릿 하단 섀시 및 기타 휴대용 전자 기기의 외부 케이스용 하우징을 제조하는 데 사용될 수 있다.
이들 예시적인 실시예는 독자에게 본원에서 논의된 일반적인 요지를 소개하기 위해 제공되며 개시된 개념의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 이하의 섹션은 도면을 참조하여 다양한 부가적인 특징 및 실시예를 설명하며, 도면에서 유사한 참조 부호는 유사한 요소를 나타내며, 방향 설명은 예시적인 구현예를 설명하기 위해 사용되지만 예시적인 구현예와 같이 본 개시를 제한하는 데 사용되어서는 안 된다. 본원의 도해에 포함된 요소들은 축척대로 도시되지 않을 수 있고 특정 크기는 설명의 목적상 과장될 수 있다.
도 1은 본 개시의 특정 양태에 따라 연속 비접촉 가열 장치(100)의 측면도를 도시하는 개략도이다. 가열 장치(100)는 가열 구역(102) 및 부양 구역(104)을 포함할 수 있다. 금속 물품(110)(예컨대, 금속 슬래브 또는 금속 스트립)은 하류 방향(112)(예컨대, 가공 방향)으로 가열 장치(100)를 통과할 수 있다. 금속 물품(110)은 가열 장치(100)의 상류 단부의 입구(106)에 진입하여 가열 장치(100)의 하류 단부의 출구(108)에서 배출될 수 있다.
금속 물품(110)은 가열 구역(102) 또는 부양 구역(104) 내의 임의의 지지 구조와 물리적으로 접촉하지 않고 가열 구역(102) 및 부양 구역(104)을 통과할 수 있다. 가열 구역(102)에서, 금속 물품(110)은 원하는 설정값 온도로 가열될 수 있다. 부양 구역(104)에서, 금속 물품(110)은 원하는 설정값 온도(예컨대, 원하는 설정값 온도의 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10% 또는 15%에서 또는 이내)에서 유지될 수 있다. 부양 구역(104)의 길이 및 금속 물품(110)이 하류 방향(112)으로 이동하는 속도는 금속 물품(110)의 특정 단면이 원하는 설정값 온도에서 소비하는 시간(예컨대, 균열 시간)을 지시할 수 있다. 예를 들어, 30 미터 부양 구역(104)은 분당 10 미터로 이동하는 금속 슬래브에 3분의 균열 시간을 제공할 수 있다.
일부 경우에, 가열 구역(102)에 진입하기 전에, 금속 물품(110)은 냉각되어 금속 물품(110)의 가로 폭에 걸쳐 고른(예컨대, 균일한) 온도 프로파일을 제공하는 것을 용이하게 할 수 있다. 그러나, 냉각은 가열 구역(102)에 들어가기 전에 일어날 필요는 없다.
가열 구역(102)은 임의의 적합한 가열 소자를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가열 구역(102)은 금속 물품(110)을 가열하도록 구성된 회전 자석 배열(114)을 포함한다. 선택적으로, 유도 루프(118)는 가열 구역(102) 내의 금속 물품(110)을 둘러싸 금속 물품(110)에 보충 열을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 가열 구역(102)은 유도 루프(118)를 포함하고 가열용 회전 자석 배열(114)을 포함하지 않는다. 그러한 경우에, 가열 구역(102)은 부양 구역(104)에 대해 보다 상세히 기술된 바와 같이, 부상 목적을 위한 추가 회전 자석을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 유도 루프(118)는 자기 가열 중에 형성되는 임의의 냉점을 보정하는 것과 같이, 금속 스트립 내의 가로 방향 온도 균질성을 향상시키기 위한 보충 가열을 제공할 수 있다.
부양 구역(104)은 금속 물품(110)을 부상시키도록 구성된 회전 자석 배열(116)을 포함할 수 있다. 부상용 회전 자석 배열(116)은 부양 구역(104) 내에 단독으로 위치될 수 있거나, 선택적으로 또한 가열 구역(102) 내에 위치될 수 있다. 일부 경우에, 선택적인 냉각 노즐(122)이 부양 구역(104) 내에 위치되어 회전 자석 배열(116)로부터 부가된 임의의 열에도 불구하고 금속 물품(110)을 원하는 설정값 온도로 유지하기 위한 추가 온도 제어를 제공할 수 있다. 냉각제 노즐(122) 각각은 금속 물품(110)에 대한 냉각제의 적용을 제어하기 위해 개별적인 제어 장치(예컨대, 밸브)를 가질 수 있다.
일부 경우에, 부양 구역(104)은 비자성 기술을 사용하여 금속 스트립을 부상시키기 위한 공기 노즐 또는 다른 요소와 같은 전통적인 부양 요소를 포함할 수 있다. 이들 요소는 자기 부상 외에 또는 이를 대신하여 사용될 수 있다.
금속 물품(110)을 가열하도록 구성된 회전 자석 배열은 금속 물품(110)의 대략 전체 폭 또는 그 이상에 걸쳐 연장되는 자기 회전자와 같이 금속 물품(110)의 온도를 효율적으로 상승시키는 크기 및 위치의 자석을 포함할 수 있다. 금속 물품(110)을 부상시키도록 구성된 회전 자석 배열은, 금속 물품(110)의 전폭 미만으로 차지하는 (예컨대, 금속 물품(110)의 가로 폭의 약 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15% 또는 10%이거나 그 미만인) 하나 이상의 회전 자석을 포함하는 자기 회전자와 같이 금속 물품(110)에 실질적으로 열을 제공하지 않고 금속 물품(110)을 효율적으로 부상시키는 크기 및 위치의 자석을 포함할 수 있다.
하나 이상의 센서(124)는 가열 장치(100) 내에, 예컨대 가열 구역(102) 및/또는 부양 구역(104) 내에 위치되어 금속 물품(110)의 온도와 같은 금속 물품(110)의 특성, 또는 가열 장치(100) 내에 분위기의 특성을 측정한다. 센서(124)에서 얻은 측정치는 제어기(126)에 제공될 수 있다. 일부 경우에, 제어기(126)는 센서(124)에서 얻은 측정치를 사용하여 가열 구역(102) 내의 회전 자석 배열(114) 또는 유도 루프(118) 배열 및/또는 부양 구역(104) 내의 냉각제 노즐(122)과 같은 가열 장치(100)의 양태에 대한 동적 제어를 제공할 수 있다. 제어기(126)는 센서(124)에서 받은 피드백을 사용하여 원하는 설정값 온도가 가열 구역(102)에서 달성되고 부양 구역(104)에서 유지되도록 보장할 수 있다.
일부 경우에, 가열 장치(100)는 불활성 분위기를 함유하는 선택적인 챔버(120)를 포함할 수 있다. 기체 포트(128)는 기체 공급부에서 챔버(120)로 불활성 기체 또는 최소 반응성 기체를 공급할 수 있으므로, 금속 물품(110)을 둘러싸는 불활성 분위기를 유지할 수 있다. 챔버(120)는 입구(106)에서 출구(108)까지 연장될 수 있다. 챔버(120)는 전기적으로 비전도성 및/또는 단열성인 재료와 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 일부 경우에, 챔버(120)는 Kevlar® 또는 유사한 재료로 제조될 수 있다.
도 2는 본 개시의 특정 양태에 따라 비연속, 비접촉 가열 장치(200)의 측면도를 도시하는 개략도이다. 가열 장치(200)는 결합된 가열 및 부양 구역(203)을 포함할 수 있다. 금속 물품(210)(예컨대, 금속 슬래브 또는 금속 스트립)은 가열 장치(200) 내에 배치될 수 있다. 가열 및 부양 구역(203)은 금속 물품(210)이 삽입 및 회수될 수 있는 개구를 가질 수 있거나, 금속 물품(210)이 가열 장치(200) 내에 위치되고 가열되고 균열될 수 있도록 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있으며, 그로부터 제거된다. 비연속, 비접촉 가열 장치(200)는 비연속식으로 금속 물품(210)의 배치(batch) 처리를 허용할 수 있다.
가열 및 부양 구역(203) 내에서, 가열 및 부양 구역(203) 내의 임의의 지지 구조와 물리적 접촉 없이 금속 물품(210)이 부상되고 가열될 수 있다. 일부 경우에, 금속 물품(210)은 그 단부에서만 지지될 수 있고 회전 자석을 사용하여 부상될 수 있다. 가열 및 부양 구역(203)에서, 금속 물품(210)은 원하는 설정값 온도로 가열될 수 있고 원하는 시간(예컨대, 균열 시간) 동안 원하는 설정값 온도에서(예컨대, 원하는 설정값 온도의 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 2%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 20% 또는 25%에서 또는 내에서) 유지될 수 있다.
가열 및 부양 구역(202)은 회전 자석 및/또는 유도 코일과 같은 임의의 적합한 가열 소자를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가열 및 부양 구역(203)은 금속 물품(210)을 가열하고 가열 및 부양 구역(203) 내에서 금속 물품(210)을 부상시키도록 구성된 회전 자석 배열(214)을 포함한다. 일부 경우에, 금속 물품(210)을 부상시키도록 구성된 회전 자석의 부가적인 배열이 가열 및 부양 구역(203) 내에 배치될 수 있다. 금속 물품(210)을 가열하도록 구성된 회전 자석 배열은 금속 물품(210)의 대략 전체 폭에 또는 그 이상에 걸쳐 연장되는 자기 회전자와 같이 금속 물품(210)의 온도를 효율적으로 상승시키는 크기 및 위치의 자석을 포함할 수 있다. 금속 물품(210)을 부상시키도록 구성된 회전 자석 배열은, 금속 물품(210)의 전폭 미만으로 차지하는 (예컨대, 금속 물품(210)의 가로 폭의 대략 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15% 또는 10%이거나 그 미만인) 하나 이상의 회전 자석을 포함하는 자기 회전자와 같이 금속 물품(210)에 실질적으로 열을 제공하지 않고 금속 물품(210)을 효율적으로 부상시키는 크기 및 위치의 자석을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 선택적인 냉각 노즐(222)이 가열 및 부양 구역(203) 내에 위치되어 금속 물품(210)을 원하는 설정값 온도로 유지하기 위한 추가 온도 제어를 제공할 수 있다. 냉각제 노즐(222) 각각은 금속 물품(210)에 대한 냉각제의 적용을 제어하기 위해 개별적인 제어 장치(예컨대, 밸브)를 가질 수 있다.
하나 이상의 센서(224)는 가열 및 부양 구역(203) 내에 배치되어 금속 물품(210)의 온도와 같은 금속 물품(210)의 특성 및/또는 가열 장치(200) 내의 분위기의 특성을 측정할 수 있다. 센서(224)에서 얻은 측정치는 제어기(226)에 제공될 수 있다. 일부 경우에, 제어기(226)는 센서(224)에서 얻은 측정치를 사용하여 회전 자석 배열(214) 또는 기타 가열 소자, 또는 냉각제 노즐(222)과 같은 가열 장치(200)의 양태에 대한 동적 제어를 제공할 수 있다. 제어기(226)는 센서(224)에서 받은 피드백을 사용하여 가열 공정 중에 원하는 설정값 온도가 달성되고 유지되도록 보장할 수 있다.
일부 경우에, 가열 장치(200)는 불활성 분위기를 함유하는 선택적인 챔버(220)를 포함할 수 있다. 기체 포트(228)는 기체 공급부에서 챔버(220)로 불활성 기체 또는 최소 반응성 기체를 공급할 수 있으므로, 금속 물품(210)을 둘러싸는 불활성 분위기를 유지할 수 있다. 챔버(220)는 전기적으로 비전도성 및/또는 단열성인 재료와 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 일부 경우에, 챔버(220)는 Kevlar® 또는 유사한 재료로 제조될 수 있다.
도 3은 본 개시의 특정 양태에 따라 회전 자석을 사용하는 연속 가열 장치(300)를 도시하는 결합된 개략도 및 온도 차트(340)이다. 온도 차트(340)는 가열 장치(300)와 정렬되어 가열 장치(300)를 따라 상이한 거리에서 금속 물품(310)의 대략적인 온도(342)를 표시한다. 점선으로 표시된 원은 도 4에 도시된 확대도에 대한 표시자이다. 도 3의 가열 장치(300)는 도 1의 가열 장치(100)일 수 있다. 금속 스트립 또는 금속 슬래브와 같은 금속 물품(310)은 가열 장치(300)를 통해 하류 방향 (312)으로 이동할 수 있다.
가열 장치(300)는 가열 구역(302) 및 부양 구역(304)을 포함한다. 가열 구역(302)에서, 회전 자석 배열(314)은 금속 물품(310)을 가열하여 금속 물품(310)의 온도를 상승시킬 수 있다. 회전 자석 배열(314)은 서로 세로 방향으로 이격된 6쌍의 자기 회전자들(336)을 포함하고, 각각의 쌍의 자기 회전자들(336)은 금속 물품(310)의 대향 측면상에 대향하는 상부 및 하부 회전자들을 포함한다. 일부 경우에, 회전 자석 배열(314)은 다른 구성 및/또는 방향에서 다른 개수의 회전 자석(예컨대, 다른 개수의 회전자)을 포함할 수 있다. 온도 차트(340)는 금속 물품(310)이 각 쌍의 자기 회전자(336)를 통과함에 따라 금속 물품(310)의 온도(342)가 증가함을 나타낸다. 금속 물품(310)의 온도(342)는 가열 구역(302) 내의 입구 온도(346)에서 원하는 설정값 온도(344)로 증가한다.
부양 구역(304)에서, 회전 자석 배열(316)은 금속 물품(310)을 부상시켜 금속 물품(310)이 원하는 지속 시간 동안 원하는 설정값 온도(344)에서 균열될 수 있게 한다. (도 1의 냉각제 노즐(122)과 같은) 선택적 냉각제 분배기는 회전 자석 배열(316)에서부터의 임의의 가열 효과에도 불구하고 원하는 설정값 온도(344)에서 온도(342)를 유지하는 것을 돕는 데 사용될 수 있다. 회전 자석 배열(316)은 31개의 회전자(334)와 같은 몇 개의 회전자(334)를 포함할 수 있다. 각각의 회전자(334)는 금속 물품(310)의 전폭 미만으로 차지하는 (예컨대, 금속 물품(310)의 가로 폭의 대략 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15% 또는 10%이거나 그 미만인) 하나 이상의 가로 방향으로 이격된 회전 자석을 포함할 수 있다.
불활성 분위기를 수용하기 위한 챔버는 상부 벽(330) 및 하부 벽(332)뿐만 아니라 측벽(미도시)에 의해 부분적으로 형성될 수 있다. 각각의 상부 벽(330) 및 하부 벽(332)뿐만 아니라 선택적으로 측벽은 전기적으로 비전도성이고 단열성인 재료로 제조될 수 있다. 일부 경우에, 상부 벽(330), 하부 벽(332) 및 측벽 중 하나 또는 둘 모두의 일부 또는 전부는 전도성 및/또는 자성 재료로 제조될 수 있거나 그에 결합된 전도성 및/또는 자성 재료를 가질 수있다. 이 전도성 및/또는 자성 재료는 가열 구역(302)의 자기 회전자(336)와 같은 하나 이상의 자기 회전자에서부터 (예컨대, 자속 디렉터로서) 자속을 원하는 방식으로 전환시키는 것을 도울 수 있다. 벽이 존재하지 않는 경우, 자속은 다른 방식으로 가열 구역(302)의 자기 회전자(336)와 같은 하나 이상의 자기 회전자에서부터 전환될 수 있다.
금속 물품(310)은 가열 장치(300)를 통해 이동할 때 상부 벽(330)과 하부 벽(332) 사이를 통과할 수 있다. 가열 구역(302) 내의 회전 자석 배열(314)의 회전자(336) 및 부양 구역(304) 내의 회전 자석 배열(316)의 회전자(334)는 금속 물품(310)에서부터 상부 벽(330) 및/또는 하부 벽(332)에 대향하는 챔버의 외부에 배치될 수 있다.
도 4는 본 개시의 특정 양태에 따른 도 3의 가열 장치(300)의 일부(400)를 도시하는 확대 개략 측면도이다. 도 4의 부분(400)은 도 3의 점선 원으로 확인된다. 가열 구역의 회전자(336)는 금속 물품(310)의 위아래에 배치되고 상부 벽(330)과 하부 벽(332)에 의해 형성된 챔버(420)의 외부에 배치된다. 부양 구역의 회전자(334)는 오로지 금속 물품(310) 아래에 배치되고 하부 벽(332) 아래의 챔버(420)의 외부에 배치된다.
도 5는 본 개시의 특정 양태에 따른 영구 자기 회전자(500)의 측단면도이다. 영구 자기 회전자(500)는 도 1의 회전 자석 배열(114, 116) 또는 도 2의 회전 자석 배열(214) 중 임의의 회전자가 되기에 적합한 회전자의 예이다. 자기 회전자(500)는 하나 이상의 자기 공급원(550)을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 자기 회전자(500)는 영구 자석인 8개의 자기 공급원(550)을 포함한다. 자석은 임의의 적절한 방향으로 정렬될 수 있다. 자기 공급원(550)은 인접한 영구 자석이 반경 방향으로 외측을 향하는 상이한 극을 제공하도록 (예컨대, N, S, N, S, N, S, N, S가 번갈아 가며) 배열될 수 있다. 사마륨 코발트, 네오디뮴 또는 다른 자석과 같은 임의의 적합한 영구 자석이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 사마륨 코발트 자석이 더 높은 열로 더 느리게 자기장 강도에서 떨어질 수 있으므로 사마륨 코발트 자석이 네오디뮴 자석보다 바람직할 수 있다. 그러나 경우에 따라, 네오디뮴 자석은 더 낮은 온도에서 더 강한 자기장 강도를 갖기 때문에 사마륨 코발트 자석보다 네오디뮴 자석이 바람직할 수 있다.
자기 공급원(550)은 쉘(552)로 둘러싸일 수 있다. 쉘(552)은 자속이 통과할 수 있는 임의의 적합한 재료일 수 있다. 일부 경우에, 쉘(552)은 비금속 코팅으로 이루어질 수 있거나 또는 비금속 코팅을 더 포함할 수 있다. 일부 경우에, 쉘(552)은 Kevlar® 코팅을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 자기 회전자(500)는 중심 축(556)을 갖는 강자성 코어(554)를 포함할 수 있다. 자기 회전자(500)는 자기 공급원(550)을 지지하기에 적합한 다른 내부 배열을 포함할 수 있다. 임의의 적합한 개수의 자기 공급원(550)이 사용될 수 있지만, 6개 또는 8개의 자기 공급원(550)과 같은 짝수 개의 자기 공급원(550)으로 효율적인 결과가 달성될 수 있음이 밝혀졌다.
자기 공급원(550)은 자기 회전자(500)의 원주의 임의의 백분율을 덮도록 크기가 정해질 수 있다. 효율적인 결과는 자기 회전자(500)의 원주의 대략 40%~95%, 50%~90%, 또는 70%~80%를 차지하도록 크기가 조정된 자기 공급원(550)으로 달성될 수 있다.
자기 회전자(500)는 임의의 적합한 크기로 형성될 수 있지만, 직경이 200 mm와 600 mm 사이, 적어도 300 mm, 적어도 400 mm, 적어도 500 mm, 또는 적어도 600 mm인 회전자로 효율적인 결과가 달성될 수 있음이 밝혀졌다.
각각의 자기 공급원(550)의 두께는 자기 회전자(500) 내에 끼워질 수 있는 임의의 적합한 두께일 수 있지만, 두께가 15 mm 이상, 15~100 mm, 15~40 mm, 20~40 mm, 25~35 mm, 30 mm 또는 50 mm인 영구 자석으로 효율적인 결과가 달성될 수 있음이 밝혀졌다. 다른 두께가 사용될 수도 있다.
시험 및 실험을 통해, 다른 개수의 자석이 사용될 수 있지만 단일 회전자 둘레에 배치된 6개 또는 8개의 자석을 사용하여 매우 효율적인 가열력(heating power)을 얻을 수 있다고 판정되었다. 너무 많은 자석을 사용하면 가열력이 떨어질 수 있다. 일부 경우에, 설치 및/또는 유지 보수 비용을 최소화하기 위해 자석 수가 선택될 수 있다(예컨대, 구입할 자석의 수). 일부 경우에, 금속 스트립에 인접한 자석의 이동으로 인해 금속 스트립에서 발생하는 장력의 변동을 최소화하기 위해 자석 수가 선택될 수 있다. 예를 들어, 극소수의 자석은 장력 변동을 커지고/거나 길어지게 할 수 있지만, 보다 많은 자석은 변동을 더 작아지고/거나 짧아지게 할 수 있다. 시험 및 실험을 통해, 자석이 회전자의 원주의 40% 내지 95%, 보다 구체적으로는 회전자의 원주의 50%~90% 또는 70%~80%를 차지할 때 매우 효율적인 가열력을 얻을 수 있다고 판정되었다. 시험 및 실험을 통해, 회전자의 직경이 200, 300, 400, 500 또는 600 mm 이상과 같이 큰 경우에 매우 효율적인 가열력을 얻을 수 있다고 판정되었다. 또한 보다 큰 회전자를 사용하면 자석 비용을 최소화할 수 있다. 시험 및 실험을 통해, 회전자의 직경이 200, 300, 400, 500 또는 600 mm 이상과 같이 큰 경우에 매우 효율적인 가열력을 얻을 수 있다고 판정되었다. 또한 보다 큰 회전자를 사용하면 자석 비용을 최소화할 수 있다. 일부 경우에, (예컨대, 직경이 600, 500, 400, 300 또는 200 mm 이거나 또는 그 아래인) 보다 작은 회전자가 금속 물품을 부상시키는 데 특히 적합할 수 있지만, 보다 큰 회전자는 금속 물품을 가열하기에 특히 적합할 수 있다.
회전자의 속도가 증가함에 따라 가열력이 증가하는 경향이 있다. 그러나, 경우에 따라, 회전자의 속도가 임계 레벨에 도달하면, 속도의 추가 증가는 금속 스트립의 고유한 인덕턴스 및 저항률 특성으로 인해 가열 효율에 부정적인 영향을 미친다. 1800 rpm 또는 대략 1800 rpm(예컨대 1800 rpm의 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 15% 또는 20%)은 다양한 로케일의 주전원에서 발견되는 60 Hz 주파수에서 회전자 모터를 제어하는 단순성으로 인해 부분적으로 바람직한 속도일 수 있다고 판정되었다. 일부 경우에, 사용된 회전자 모터 및/또는 공급된 주전원에 기초하여 다른 주파수가 선택될 수 있다. 회전자 속도는 금속 스트립에 가해진 열 에너지의 양을 제어하는 데 유용한 방법일 수 있지만 일정한 회전자 속도를 유지하고 수직 갭 제어 및 기타 제어를 사용하여 금속 스트립에 적용된 열에너지 양을 조정하는 것이 유리할 수 있다고 판정되었다.
시험 및 실험을 통해, 회전자의 영구 자석의 두께가 15~40 mm, 20~40 mm, 또는 25~35 mm 또는 30 mm 또는 그 근방일 때 높은 효율의 가열력이 얻어질 수 있다고 판정되었다. 더 두꺼운 자석으로 강한 가열력을 얻을 수 있지만 상기 범위 내에서 자석을 사용하면 충분히 강력한 가열력을 제공하면서 동시에 자석의 설치/유지 보수 비용을 낮게 유지할 수 있다.
도 6은 본 개시의 특정 양태에 따라 자기 가열 및 장력 제어를 위한 회전 자석(600)의 배열을 도시하는 결합된 개략도 및 그래프이다. 회전 자석 배열(600)은 금속 물품(602)을 가열할 수 있을 뿐만 아니라 금속 물품(602)의 장력 변화를 유도할 수 있는 다중 회전자(608, 610)를 포함할 수 있다. 도 6을 참조하여 설명한 바와 같은 자기 가열 및 장력 제어는 가열용 회전자 및 부상용 회전자를 포함하여 임의의 적합한 회전자와 함께 사용될 수 있다. 자기 가열은 도 1의 가열 장치(100)와 같은 가열 장치의 가열 구역에서 발생할 수 있고, 장력 제어는 가열 장치 내의 임의의 위치에서 발생할 수 있다.
도 6의 좌측 부분은 금속 물품(602)의 대향 측면 바로 위에 배치된 회전자(608)를 도시한다. 금속 물품(602)이 제1 회전자 쌍(608) 사이의 갭에 진입함에 따라, 장력은 도 6의 장력 라인(609)에서 볼 수 있듯이 초기에 비교적 높을 수 있다. 회전자(608)의 각각을 상류 방향으로 회전시킴으로써, 회전자(608)는 장력 조정을 부여하면서 동시에 도 6의 온도 라인(601)에서 볼 수 있는 바와 같이 금속 물품(602)의 온도를 증가시킬 수 있다. 상류 방향으로 작동되는 각각의 연속적인 회전자(608)는 금속 스트립의 온도를 증가시키면서 금속 스트립의 장력을 감소시킬 수 있다. 이 기술은 금속 물품(602)의 온도가 증가함에 따라 과도한 장력 및/또는 물리적 접촉이 바람직하지 않을 수 있고 금속 물품(602)에 결함을 유발할 수 있기 때문에 특히 유익할 수 있다. 금속 물품(602)과 회전자(608) 사이에 물리적 접촉을 일으키지 않고 자기 회전자(608)를 사용하여 금속 물품(602)의 온도를 높이고 장력을 감소시킬 수 있다.
도 6의 우측 부분은 가열을 제공함과 동시에 장력을 증가시키도록 작동하는 회전자(610)를 도시한다. 금속 물품(602)이 회전자(610)의 갭을 통과함에 따라, 장력은 초기에 비교적 낮을 수 있고 증가될 수 있다. 그러므로, 본원에 기술된 자기 회전자(610)는 금속 물품(602)과 접촉할 필요 없이 금속 물품(602)의 온도를 증가시키고 금속 물품(602)의 장력을 증가시키는 것 모두에 특히 유용할 수 있다. 자기 회전자(610)를 하류 방향으로 회전시킴으로써, 회전자(610)는 금속 물품(602)의 장력을 증가시키면서 동시에 금속 물품(602)의 온도를 증가시킬 수 있다.
가열 회전자 대신에 부상 회전자가 사용될 때, 부상 회전자는 금속 물품에 상당한 가열을 제공하지 않으면서 인장력을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 개시의 특정 양태에 따라 가열 장치(717)를 사용하는 부분적으로 분리된 연속 주조 시스템(700)을 도시한 개략도이다. 도 1의 가열 장치(100)와 같은 가열 장치(717)는 완전 또는 부분적으로 분리된 연속 주조 시스템에서 특히 유용할 수 있다.
부분적으로 분리된 연속 주조 시스템(700)은 쌍롤 주조기(twin roll caster)와 같은 다른 연속 주조 장치가 사용될 수 있지만 연속 쌍 벨트 주조기(708)와 같은 연속 주조 장치를 포함한다. 연속 벨트 주조기(708)는 액체 금속(736)을 고형화시키기에 충분한 냉각 속도로 액체 금속(736)으로부터 열을 추출할 수 있는 대향 벨트를 포함하며, 액체 금속(736)은 일단 고형화되면 금속 물품(710)으로서 연속 벨트 주조기(708) 밖으로 통과한다. 연속 벨트 주조기(708)를 빠져 나올 때의 금속 물품(710)의 두께는 다른 두께가 사용될 수 있지만, 대략 16 mm일 수 있다. 연속 벨트 주조기(708)는 원하는 주조 속도로 작동할 수 있다. 대향 벨트는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있지만, 경우에 따라 벨트는 구리 또는 알루미늄으로 제조된다. 연속 벨트 주조기(708) 내의 냉각 시스템은 다른 범위가 사용될 수 있지만, 연속 벨트 주조기(708)를 빠져나가는 금속 물품(710)이 200°C 내지 530°C 사이의 온도를 갖도록 액체 금속(736)으로부터 충분한 열을 추출할 수 있다.
일부 경우에, 가열 장치(717)(예컨대, 도 1의 가열 장치(100))는 연속 벨트 주조기(708)의 출구 부근에 연속 벨트 주조기(708)의 하류에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 선택적 핀치 롤(715)이 연속 벨트 주조기(708)와 가열 장치(717) 사이에 배치될 수 있다. 가열 장치(717)는 금속 물품(710)의 온도를 약 570°C(예컨대, 500~570°C, 520~560°C, 또는 560°C 또는 그 근방 또는 570°C)일 수 있는 원하는 설정값 온도로 증가시키고, 원하는 시간 동안 그 온도를 유지할 수 있다. 연속 주조기(708)의 배출 속도로 이동하면서, 가열 장치(717)는 금속 물품(710)이 1분 또는 그 근방 내지 10분에 또는 보다 바람직하게는 1분에 또는 1분 내지 7분에 가열 장치(717)를 통과하도록 충분한 길이일 수 있다.
일부 경우에, 열간 압연 스탠드(784)는 선택적으로 가열 장치(717)의 하류 및 코일링 장치의 상류에 배치될 수 있다. 열간 압연 스탠드(784)는 금속 물품(710)의 두께를 70% 이상, 또는 보다 바람직하게는 50% 내지 75%로 감소시킬 수 있다. 일부 경우에, 조압연기가 열간 압연 스탠드(784) 대신 사용될 수 있다. 압연후 급랭(post-rolling quench)(719)은 열간 압연 스탠드(784)를 빠져나간 후에 금속 물품(710)의 온도를 감소시킬 수 있다. 압연후 급랭(719)은 유익한 금속 특성을 부여할 수 있다. 일부 경우에, 임의의 압연전 급랭(pre-rolling quench)(713)은 가열 장치(717)와 열간 압연 스탠드(784) 사이의 금속 물품(710)의 온도를 감소시킬 수 있으며, 이는 금속 물품(710)에 유익한 금속 특성을 부여할 수 있다. 압연전 급랭(713) 및/또는 압연후 급랭(719)은 200 °C/초 또는 그 근방의 속도로 금속 물품(710)의 온도를 감소시킬 수 있다. 코일링 전에, 금속 물품(710)은 에지 트리머(721)에 의해 에지 트리밍을 겪을 수 있다. 코일링하는 동안, 금속 물품(710)은 중간 코일(712)(예컨대, 핫 밴드)로 권취될 수 있고 중간 코일(712)이 원하는 길이 또는 크기에 도달한 경우 전단(723)이 금속 물품(710)을 분할할 수 있다. 이 중간 코일(712)은 압연기에 있어서 가장 바람직한 속도로 압연기에서 나중에 추가로 가공될 수 있다. 따라서, 압연기의 속도 및 연속 주조기의 속도는 분리될 수 있고 서로 제한될 필요가 없다.
그러나, 다른 경우들에서, 금속 물품(710)은 중간 코일(712) 내로 먼저 권선되지 않고 추가 처리될 수 있다.
도 8~11은 로딩 또는 스레딩 절차를 도시하는 측면 개략도이다.
도 8은 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품을 스레딩하기 전에 개방 구성의 가열 장치(800)를 도시하는 개략도이다. 가열 장치(800)는 도 3의 가열 장치(300)와 유사할 수 있다. 가열 장치(800)는 가열 구역에 회전 자석 배열(814) 및 부양 구역에 회전 자석 배열(816)을 포함할 수 있다. 개방 위치에 있을 때, 불활성 분위기용 챔버의 상부 벽(830)은 하부 벽(832)으로부터 멀리 상승될 수 있다. 회전 자석 배열(814)의 상부 회전자(836)는 상부 벽(830)과 함께 상승될 수 있다. 일부 경우에, 상부 벽(830) 및 회전자(836)를 상승시키는 대신에, 이와 달리 상부 벽(830) 및 회전자(836)는 하부 벽(832)에서 멀리 이동될 수 있다. 금속 물품의 스레딩은 금속 물품을 부상시키면서 금속 물품을 스레딩하도록 회전 자석 배열(814, 816)의 회전 자석을 회전시키면서 가열 장치(800)의 상류 단부로부터 금속 물품을 삽입함으로써 시작될 수 있다.
도 9는 금속 물품(910)이 본 개시의 특정 양태에 따라 가열 장치(900) 내로 스레딩되는 동안의 개방 구성의 가열 장치(900)를 도시하는 개략도이다. 가열 장치(900)는 금속 물품(810)이 스레딩되는 동안의 도 8의 가열 장치(800)일 수 있다. 금속 물품(910)의 스레딩은 회전 자석 배열(914, 916)의 회전 자석이 회전되는 동안 금속 물품(910)이 가열 장치(900)의 상류 단부로부터 삽입될 때 발생하므로 금속 물품(910)을 부상시키면서 금속 물품(910)을 스레딩한다.
도 10은 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품(1010)이 가열 장치(1000) 내로 스레딩된 후의 개방 구성의 가열 장치(1000)를 도시하는 개략도이다. 가열 장치(1000)는 금속 물품(1010)이 스레딩되지만 가열 장치(800)를 폐쇄 위치에 위치시키기 전의 도 8의 가열 장치(800)일 수 있다. 금속 물품(1010)이 완전히 스레딩된 후에, 금속 물품(1010)은 회전 자석 배열(1014, 1016)을 사용하여 계속 부상될 수 있다.
도 11은 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품(1110)이 제 위치에 스레딩된 폐쇄 구성의 가열 장치(1100)를 도시하는 개략도이다. 가열 장치(1100)는 금속 물품(1110)이 스레딩되고 가열 장치(800)가 폐쇄 위치로 이동된 후의 도 8의 가열 장치(800)일 수 있다. 금속 물품(1110)이 스레딩된 후에, 도 10과 관련하여 도시된 바와 같이, 불활성 분위기용 챔버의 상부 벽(1130)은 챔버를 형성하도록 하부 벽(1132)에 인접한 통상의 작동 위치로 다시 이동될 수 있다. 회전 자석 배열(1114)의 상부 회전자(1136)는 상부 벽(1130)과 더불어 하강되거나 그렇지 않으면 원위치로 다시 이동될 수 있다. 금속 물품(1110)이 내부에 스레딩된 폐쇄 구성이 되면, 가열 장치(1100)는 본원에서 기술된 바와 같이 작동할 수 있다.
도 12는 본 개시의 특정 양태에 따라 금속 물품을 가열하기 위한 공정(1200)을 도시하는 흐름도이다. 공정(1200)은 도 1의 가열 장치(100) 또는 도 2의 가열 장치(200)와 같은 본원에 기술된 가열 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
블록(1202)에서, 금속 물품은 가열 구역 내에 배치될 수 있다. 비연속 가열 장치의 경우, 가열 구역에 금속 물품을 배치하는 것은 가열 구역 내의 영구적인 또는 일시적인 개구 내로 금속 물품을 삽입하는 단계를 포함할 수 있다. 연속 가열 장치의 경우, 가열 구역에 금속 물품을 배치하는 것은 가열 구역의 입구로 금속 물품을 연속적으로 삽입하는 단계를 포함할 수 있다.
블록(1204)에서, 금속 물품은 가열 구역에서 가열될 수 있다. 가열이 빠르게 발생할 수 있다. 가열은 온도 센서 피드백을 통해 동적으로 제어 가능하거나 그렇지 않을 수 있는 가열 소자를 기반으로 발생할 수 있다. 적합한 가열 소자의 예는 유도 가열기 및/또는 회전 자석 배열을 포함한다. 금속 물품을 가열하기 위해 회전 자석 배열을 사용하면 유리한 결과를 얻을 수 있다.
블록(1206)에서, 금속 물품은 회전 자석 배열을 사용하여 부양 구역에서 부상된다. 비연속 가열 장치의 경우, 부양 구역은 가열 구역과 동일할 수 있으며, 따라서 동일한 공간을 차지할 수 있다. 그러한 경우, 부상용으로 사용되는 회전 자석 배열의 일부 또는 전부는 또한 블록(1204)의 가열 소자로서 열을 제공할 수 있다. 연속 가열 장치의 경우, 부양 구역은 가열 구역 바로 뒤에 위치될 수 있고 금속 물품은 가열 구역에서 부양 구역으로 유도될 수 있다.
블록(1208)에서, 온도 설정값은 부양 구역에서 원하는 지속 기간 동안 유지될 수 있다. 비연속 가열 장치의 경우, 지속 시간은 시간 또는 다른 유사한 기술에 의해 설정될 수 있다. 연속 가열 장치의 경우, 지속 시간은 금속 물품의 이동 속도와 부양 구역의 길이의 조합에 의해 설정될 수 있다.
선택적 블록(1210)에서, 금속 물품은 챔버(예컨대, 기체 충전 또는 불활성 기체 충전 챔버)에 스레딩될 수 있다. 금속 물품을 스레딩하는 단계는 챔버의 상부 벽과 하부 벽을 분리하는 단계, 그 사이에 금속 물품을 삽입하는 단계, 및 상부 벽 및 하부 벽을 챔버를 형성하는 위치로 재설정하는 단계를 포함할 수 있다.
하기 실시예는 본 발명을 추가로 예시하기 위한 것이지만, 동시에 이들의 임의의 제한을 구성하지 않는다. 반대로, 본원의 설명을 읽은 후에, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 당업자에게 제안할 수 있는 다양한 구현예, 수정 및 균등물이 있는 수단이 명백하게 이해될 것이다. 하기 실시예들에 기술된 연구를 하는 동안, 달리 명시되지 않는 한, 통상적인 절차를 따랐다. 일부 절차는 설명을 위해 아래에 기술되어 있다.
제1 실시예 시험에서, 6xxx 시리즈 알루미늄으로 된 1mm 두께의 스트립은 세로 방향으로 이격된 두 쌍의 대향하는 회전자(예컨대, 금속 스트립 위아래에 배치된 회전자)에 배치된 4개의 회전자를 포함하는, 가열용 회전 자석 배열을 통과하였다. 금속 스트립은 60 m/분의 속도로 회전 자석 배열을 통과하였다. 스트립은 대략 30°C에서 회전 자석 배열에 들어가고 대략 170°C에서 빠져나왔다. 회전 자석 배열은 대략 75% 내지 대략 80%의 효율로 작동하고 세로 방향의 공간을 1m 미만으로 차지하였다. 반면, 표준 CASH 공정 라인의 유사한 가열 장치는 5미터를 초과하여 차지할 것이며 유도 가열을 통해 가열될 경우 대략 50% 효율로 작동할 수 있다. 제1 실시예의 시험의 회전 자석 배열은 본원에 기술된 바와 같은 가열 장치의 가열 구역의 전부 또는 일부로서 구현하기에 적합할 수 있다.
제2 실시예의 시험에서, 두께 16mm의 알루미늄 슬래브는 10 m/분의 비접촉 가열 장치를 통과하였다. 가열 장치는 3 미터 또는 4 미터 길이의 가열 구역에 이어서 대략 30 미터의 부양 구역을 포함하였다. 가열 구역은 금속 슬래브에서 80°C의 온도 상승을 부여할 수 있는 세로 방향으로 이격된 6쌍의 대향하는 회전자를 포함하였다. 모두 대략 33 내지 대략 34 미터 길이의 가열 장치 내에서, 가열 구역에서 원하는 설정값 온도에 도달하였고, 부양 구역에서 30분 동안 유지시켰다. 부양 구역은 금속 슬래브 아래에만 배치된 31개의 세로 방향으로 이격된 회전자를 포함하였다. 각각의 회전자는 6개 또는 7개의 가로 방향으로 이격된 회전 자석을 포함하고, 순차 회전자는 서로로부터 오프셋된 회전 자석을 가지며, 부양 구역 내에 회전 자석을 엇갈리게 배열할 수 있다. 보조 냉각 장치(예컨대, 냉각제 분배기)를 부양 구역에서 사용하여 금속 슬래브의 온도를 설정값 온도의 5°C 이내로 유지했다.
예시된 구현예를 포함하는 구현예들의 전술된 설명은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제공되었으며, 개시된 정확한 형태를 망라하거나 제한하려는 것은 아니다. 이의 많은 수정, 개조 및 사용은 당업자에게 명백할 것이다.
하기에 사용된 바와 같이, 일련의 실시예들에 대한 임의의 참조는 이들 실시예 각각에 대한 참조로서 택일적으로 이해되어야 한다(예컨대, "실시예 1~4"는 "실시예 1, 2, 3 또는 4"로 이해되어야 한다).
실시예 1은 가열 장치로서, 금속 물품을 수용하기 위한 가열 구역(가열 구역은 금속 물품의 온도를 증가시키기 위한 적어도 하나의 가열 소자를 포함함); 및 금속 물품의 온도를 유지하기 위한 가열 구역에 연결된 부양 구역을 포함하되, 부양 구역은 금속 물품을 부상시키는 부양 소자 배열을 포함하며, 부양 소자 배열 및 적어도 하나의 가열 소자 중 적어도 하나는 금속 물품에 인접하여 배치된 자기 회전자 배열을 포함한다.
실시예 2는 실시예 1의 가열 장치로서, 자기 회전자 배열의 각각의 자기 회전자는 적어도 하나의 영구 자석을 포함한다.
실시예 3은 실시예 1 또는 2의 가열 장치로서, 가열 구역과 부양 구역이 서로 중첩된다.
실시예 4는 실시예 3의 가열 장치로서, 적어도 하나의 가열 소자와 부양 소자 배열은 모두 자기 회전자 배열을 포함한다.
실시예 5는 실시예 1 또는 2의 가열 장치로서, 부양 구역은 가열 구역 바로 뒤에 하류 방향에 위치하되, 가열 구역은 금속 물품을 연속적으로 수용하기 위한 입구를 포함하고, 부양 구역은 금속 물품을 연속적으로 배출하기 위한 출구를 포함한다.
실시예 6은 실시예 1 내지 3 또는 5의 가열 장치로서, 적어도 하나의 가열 소자는 자기 회전자 배열을 포함한다.
실시예 7은 실시예 6의 가열 장치이며, 부양 소자 배열은 추가 자기 회전자 배열을 포함한다.
실시예 8은 실시예 1 내지 4 또는 5의 가열 장치로서, 부양 소자 배열은 자기 회전자 배열을 포함한다.
실시예 9는 실시예 8의 가열 장치로서, 자기 회전자 배열은 복수의 가로 방향으로 이격된 자석을 각각 포함하는 복수의 회전자를 포함한다.
실시예 10은 실시예 1 내지 9의 가열 장치로서, 금속 물품의 온도를 측정하도록 배치된 온도 센서; 및 온도 센서 및 적어도 하나의 가열 소자에 연결되어 감지된 온도에 기초하여 적어도 하나의 가열 소자를 제어하는 제어기를 더 포함한다.
실시예 11은 실시예 1 내지 10의 가열 장치로서, 냉각제 유체 공급원에 결합되고 냉각제 유체를 금속 물품에 분배하도록 배치된 하나 이상의 냉각 노즐; 및 하나 이상의 가열 노즐 중 적어도 하나를 더 포함한다.
실시예 12는 실시예 11의 가열 장치로서, 금속 물품의 온도를 측정하도록 배치된 온도 센서; 및 하나 이상의 냉각 노즐에 의해 분배된 냉각제 유체의 양을 제어하기 위해 온도 센서 및 하나 이상의 냉각 노즐에 연결된 제어기를 더 포함한다.
실시예 13은 실시예 11의 가열 장치로서, 금속 물품의 온도를 측정하도록 배치된 온도 센서; 및 하나 이상의 냉각 노즐에 의해 적용된 열의 양을 제어하기 위해 온도 센서 및 하나 이상의 가열 노즐에 연결된 제어기를 더 포함한다.
실시예 14는 실시예 1 내지 13의 가열 장치로서, 자기 회전자 배열은 금속 물품의 가로 폭과 평행하고 하류 방향에 수직인 회전축을 중심으로 회전한다.
실시예 15는 실시예 1 내지 14의 가열 장치로서, 챔버를 추가로 포함하되, 금속 물품은 부양 구역 또는 가열 구역 중 적어도 하나에서 챔버 내에 배치되고, 자기 회전자 배열은 금속 물품으로부터 챔버의 벽에 대향하여 배치된다.
실시예 16은 실시예 15의 가열 장치로서, 챔버는 가열 구역 및 부양 구역 중 적어도 하나에 금속 물품의 스레딩을 용이하게 하기 위해 하부 벽에서 분리 가능한 상부 벽을 포함한다.
실시예 17은 실시예 15 또는 16의 가열 장치로서, 챔버는 전기적으로 비전도성인 단열재로 제조된다.
실시예 18은 실시예 15 내지 17의 가열 장치로서, 챔버는 챔버를 불활성 기체 공급원에 연결시키는 하나 이상의 포트를 포함한다.
실시예 19는 방법으로서, 금속 물품을 가열 장치의 가열 구역에 배치하는 단계; 가열 구역에서 설정값 온도로 금속 물품을 가열하는 단계; 부양 구역에서 금속 물품을 부상시키는 단계(금속 물품을 가열하는 단계 및 금속 물품을 부상시키는 단계 중 적어도 하나는 적어도 하나의 자기 회전자를 회전시켜 금속 물품에 인접한 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함함); 및 금속 물품이 부양 구역에서 부상되는 지속 시간 동안 설정값 온도를 유지하는 단계를 포함한다.
실시예 20은 실시예 19의 방법으로서, 적어도 하나의 자기 회전자 각각은 공통 회전축을 중심으로 회전 가능한 하나 이상의 영구 자석을 포함한다.
실시예 21은 실시예 19 또는 20의 방법으로서, 가열 구역과 부양 구역이 서로 중첩된다.
실시예 22는 실시예 19 내지 21의 방법으로서, 금속 물품을 가열하는 단계 및 금속 물품을 부상시키는 단계는 모두 적어도 하나의 자기 회전자를 회전시키는 단계를 포함한다.
실시예 23은 실시예 19 내지 22의 방법으로서, 금속 물품을 가열 구역에서 부양 구역으로 향하도록 하는 단계를 더 포함하되, 부양 구역은 하류 방향으로 가열 구역 바로 뒤에 위치되고, 금속 물품을 가열 구역 내에 배치하는 단계는 가열 구역 내로 금속 물품을 연속적으로 수용하는 단계를 포함한다.
실시예 24는 실시예 19 내지 23의 방법으로서, 금속 물품을 가열하는 단계는 적어도 하나의 자기 회전자 중 하나 이상을 회전시키는 단계를 포함한다.
실시예 25는 실시예 24의 방법으로서, 금속 물품을 부상시키는 단계는 추가 자기 회전자 배열을 회전시키는 단계를 포함한다.
실시예 26은 실시예 19 내지 25의 방법으로서, 금속 물품을 부상시키는 단계는 적어도 하나의 자기 회전자를 회전시키는 단계를 포함한다.
실시예 27은 실시예 26의 방법으로서, 적어도 하나의 자기 회전자 각각은 공통 회전축을 중심으로 회전 가능한 복수의 가로 방향으로 이격된 자석을 포함한다.
실시예 28은 실시예 19 내지 27의 방법으로서, 온도 센서를 사용하여 금속 물품의 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 온도에 기초하여 가열 소자를 제어하는 단계를 더 포함한다.
실시예 29는 실시예 19 내지 28의 방법으로서, 하나 이상의 냉각 노즐을 사용하여 냉각제 유체를 금속 물품에 제공하는 단계를 더 포함한다.
실시예 30은 실시예 29의 방법으로서, 온도 센서를 사용하여 금속 물품의 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 온도에 기초하여 냉각제 유체의 분배를 제어하는 단계를 더 포함한다.
실시예 31은 실시예 19 내지 30의 방법으로서, 하나 이상의 가열 노즐을 사용하여 금속 물품을 가열하는 단계를 더 포함한다.
실시예 32는 실시예 31의 방법으로서, 온도 센서를 사용하여 금속 물품의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 온도에 기초하여 금속 물품의 가열을 제어하는 단계를 더 포함한다.
실시예 33은 실시예 19 내지 32의 방법으로서, 적어도 하나의 자기 회전자 각각은 금속 물품의 가로 폭에 평행하고 금속 물품의 하류 방향에 수직인 회전축을 중심으로 회전한다.
실시예 34는 실시예 19 내지 33의 방법으로서, 금속 물품을 부상시키는 단계는 챔버 내에서 금속 물품을 부상시키는 단계 및 챔버를 관통하는 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함한다. 일부 경우에서, 챔버를 관통하는 변동 자기장을 발생시키는 단계는 금속 물품으로부터 챔버의 벽에 대향하여 배치된 적어도 하나의 자기 회전자로부터 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함한다.
실시예 35는 실시예 34의 방법으로서, 금속 물품을 챔버 내로 스레딩하는 단계를 추가로 포함하되, 금속 물품을 스레딩하는 단계는 챔버의 상부 벽과 하부 벽을 분리하는 단계; 상부 벽과 하부 벽 사이에 금속 물품을 삽입하는 단계; 및 상부 벽과 하부 벽을 함께 재설정하는 단계를 포함한다.
실시예 36은 실시예 34 또는 35의 방법으로서, 금속 물품을 부상시키는 단계는 비전도성 단열재로 된 챔버를 관통하는 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함한다.
실시예 37은 실시예 34 내지 36의 방법으로서, 챔버에 불활성 기체를 공급하는 단계를 더 포함한다.
실시예 38은 실시예 34 내지 37의 방법으로서, 챔버는 절연된 챔버이다.
실시예 39는 실시예 34 내지 38의 방법으로서, 챔버는 가스 충전 챔버이다.

Claims (26)

  1. 가열 장치로서,
    금속 물품을 수용하기 위한 가열 구역(상기 가열 구역은 상기 금속 물품의 온도를 증가시키기 위한 적어도 하나의 가열 소자를 포함함);
    상기 금속 물품의 온도를 유지하기 위한 상기 가열 구역과 연결된 부양 구역으로서, 상기 부양 구역은 상기 금속 물품을 부상시키는 부양 소자 배열을 포함하며, 상기 부양 소자 배열 및 적어도 하나의 상기 가열 소자 중 적어도 하나는 상기 금속 물품에 인접하여 배치된 자기 회전자 배열을 포함하고, 각각의 자기 회전자는 회전축을 포함하고, 각각의 회전축은 금속 물품의 이동 방향과 평행하고, 각각의 회전축은 금속 물품과 교차하지 않는, 부양 구역; 및
    챔버로서, 상기 금속 물품은 상기 부양 구역 및 상기 가열 구역 중 적어도 하나에서 상기 챔버 내에 배치되고, 상기 챔버는, 상기 부양 구역 및 상기 가열 구역 중 적어도 하나 내로의 상기 금속 물품의 스레딩(threading)을 용이하게 하기 위해 상부 벽이 하부 벽으로부터 분리 가능하도록, 하부 벽에 대해 이동 가능한 상부 벽을 포함하는, 챔버를 포함하는,
    가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 회전자 배열의 각각의 자기 회전자는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는, 가열 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열 구역과 상기 부양 구역이 서로 중첩되는, 가열 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 부양 소자 배열 및 적어도 하나의 상기 가열 소자는 모두 자기 회전자 배열을 포함하는, 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부양 구역은 상기 가열 구역 바로 뒤에 하류 방향에 위치하되, 상기 가열 구역은 상기 금속 물품을 연속적으로 수용하기 위한 입구를 포함하고, 상기 부양 구역은 상기 금속 물품을 연속적으로 배출하기 위한 출구를 포함하는, 가열 장치.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 가열 소자는 상기 자기 회전자 배열을 포함하는, 가열 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부양 소자 배열은 상기 자기 회전자 배열을 포함하는, 가열 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 자기 회전자 배열은 복수의 가로 방향으로 이격된 자석을 각각 포함하는 복수의 회전자를 포함하는, 가열 장치.
  9. 제1항에 있어서, 다음 중 적어도 하나를 더 포함하는 가열 장치:
    (1) 냉각제 유체의 공급원에 연결되고, 상기 금속 물품상에 냉각제 유체를 분배하도록 배치된 하나 이상의 냉각 노즐; 및
    (2) 상기 금속 물품을 가열하기 위한 하나 이상의 가열 노즐.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 회전축은 하류 방향에 수직인, 가열 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 불활성 기체 공급원에 챔버를 연결하는 하나 이상의 포트를 포함하는, 가열 장치.
  14. 가열 장치의 가열 구역에 금속 물품을 배치하는 단계;
    상기 가열 구역에 설정값 온도로 상기 금속 물품을 가열하는 단계;
    부양 구역에 상기 금속 물품을 부상시키는 단계(상기 금속 물품을 가열하는 단계 및 상기 금속 물품을 부상시키는 단계 중 적어도 하나는 상기 금속 물품에 인접한 변동 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 자기 회전자를 회전시키는 단계를 포함하고, 각각의 자기 회전자는 회전축을 포함하고, 각각의 회전축은 금속 물품의 이동 방향과 평행하고, 각각의 회전축은 금속 물품과 교차하지 않음); 및
    상기 부양 구역에서 상기 금속 물품이 부상되는 지속 시간 동안 상기 설정값 온도를 유지하는 단계를 포함하는 방법이며,
    상기 금속 물품을 부상시키는 단계는 챔버 내에서 상기 금속 물품을 부상시키는 단계 및 상기 챔버를 관통하는 변동 자기장을 발생시키는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 상기 챔버 내로 상기 금속 물품을 스레딩하는 단계를 더 포함하되, 상기 챔버 내로 상기 금속 물품을 스레딩하는 단계는
    상기 챔버의 상부 벽과 하부 벽을 분리하는 단계;
    상기 상부 벽과 상기 하부 벽 사이에 상기 금속 물품을 삽입하는 단계; 및
    상기 상부 벽과 상기 하부 벽을 함께 다시 설정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  15. 제14항에 있어서, 적어도 하나의 상기 자기 회전자 각각은 공통의 회전축을 중심으로 회전 가능한 하나 이상의 영구 자석을 포함하는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 가열 구역과 상기 부양 구역이 서로 중첩되는, 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 금속 물품을 가열하는 단계 및 상기 금속 물품을 부상시키는 단계는 모두 적어도 하나의 상기 자기 회전자를 회전시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 금속 물품을 상기 가열 구역에서 상기 부양 구역으로 향하도록 하는 단계를 더 포함하되, 상기 부양 구역은 하류 방향으로 상기 가열 구역 바로 뒤에 위치되고, 상기 금속 물품을 상기 가열 구역 내에 배치하는 단계는 상기 가열 구역 내로 상기 금속 물품을 연속적으로 수용하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제14항에 있어서, 적어도 하나의 상기 자기 회전자 각각은 공통의 회전축을 중심으로 회전 가능한 복수의 가로 방향으로 이격된 자석을 포함하는, 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 냉각 노즐을 사용하여 냉각제 유체를 상기 금속 물품에 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    온도 센서를 사용하여 상기 금속 물품의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 온도에 기초하여 상기 가열 구역, 또는 상기 냉각제 유체의 분배를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 가열 노즐을 사용하여 상기 금속 물품에 열을 제공하는 단계;
    온도 센서를 이용하여 상기 금속 물품의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 온도에 기초하여 하나 이상의 상기 가열 노즐에 의해 상기 금속 물품에 제공되는 열을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 제14항에 있어서, 적어도 하나의 상기 자기 회전자 각각은 상기 금속 물품의 가로 폭과 평행하고 상기 금속 물품의 하류 방향에 수직인 회전축을 중심으로 회전하는, 방법.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제14항에 있어서, 상기 챔버로 불활성 기체를 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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