KR100360379B1 - 광폭합금판재제조용분무주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선회하는 다수의 가스분무기를 적용하고 그 선회에 의해 각각의 스프레이의 질량 분포를 균일하게 하여 하부의 기판에 적층시킴으로써 판재의 두께와 미세조직을 균일하게 유지하면서도 광폭의 합금판재를 제조할 수 있는 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스분무기(41)를 통해 기판(42)에 분무되는 액적이 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 하는 디스크 캠(61)과, 디스크 캠(61)에 일단이 연결되어 디스크 캠(61)의 회전운동을 좌우 왕복운동으로 변환하는 왕복 운동아암(62)과, 왕복 운동아암(62)의 타단에 일측이 연결되어 좌우 왕복운동을 가스분무기(41)의 선회운동으로 변환하며, 가스분무기(41)의 상하 높낮이 조절이 가능한 운동전달 플레이트(63)를 포함한다.

Description

광폭 합금판재 제조용 분무주조장치{Spray caster for wide alloy plate}

본 발명은 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치에 관한 것이며, 특히, 선회하는 다수개의 가스분무기를 이용하여 판재의 두께와 미세조직을 균일하게 유지하면서도 광폭의 합금판재를 제조할 수 있는 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치에 관한 것이다.

분무주조 공정은 금속용탕을 고압의 가스로 분무화(atomization) 시킨 후, 낙하하는 미세한 분무액적을 반응고 상태로 하부의 기판(substrate)에 적층시켜 봉상, 관상 및 판상의 합금 성형체를 제조할 수 있는 최신의 합금제조방법이다. 이중에서 판재 제조의 경우 균일한 두께를 얻는 것은 매우 중요하며, 특히, 상업성의 의미에서 광폭의 판재 제조는 필수불가결한 요소기술이다. 이러한 판재의 두께 및 폭의 제어는 가스분무기의 형상 설계 및 수량에 의해서 제어가 가능하다.

도 1은 종래기술에 따른 판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도로서, 미국특허 제5,240,061호 및 미국특허 제5,343,926호에 기술되어 있다.

도 1에 보이듯이, 용해로(11)에서 금속용탕을 상부 턴디쉬(12)에 붓고 상부 턴디쉬(12)에 장착된 스토퍼(14)의 제어를 통해서 하부 턴디쉬(13)의 탕면 높이를 일정하게 유지한다. 그리고, 하부 턴디쉬(13)의 용탕 오리피스(15)를 통해 용탕이 하부로 흘러나올 때 고압 가스공급관(16)과 연결된 가스분무기(17)에서 고속의 가스 제트가 분무되어 낙하하는 용탕을 분무화 시킨다. 이 때, 챔버(18)의 하부에 장착된 기판(19)이 양단 롤러(20)의 회전과 함께 수평운동을 하게 되며, 적층된 분무 용탕은 판재(28)를 형성하면서 좌측으로 이동하며 연속적으로 판재를 제조한다.

또한, 생산성을 증가시키기 위해서 도 1에서 도시한 바와 같이 가스분무기(17)를 2개 장착할 수도 있다. 그리고, 기판(19)의 한 쪽의 측면에는 기판(19)이 차가울 경우 제조되는 판재의 저면에 기공이 발생하는 것을 예방할 수 있도록 가열장치(29)가 설치되어 있다. 이 때, 판재의 두께는 분무용탕 유출속도와 기판의 이동속도의 비에 의해서 결정된다.

또한, 도 2는 선형가스분무기를 이용한 판재제조방법을 도시한 개략도로서, N.J. Grant,Casting of Near Net Shape Products, Ed. by Y. Sahai et al., Metallurgical Society, Warrendale, PA, pp.203-221 (1988)에 기술되어 있다. 이 기술내용을 간단히 살펴보면, 용해로에서 금속용탕을 턴디쉬(23)에 붓고 턴디쉬(23)의 선형 용탕 오리피스를 통해 용탕이 하부로 흘러나올 때 고압 가스공급관과 연결된 선형가스분사기(24)에서 고속의 가스 제트가 나와 낙하하는 용탕을 분무화 시킨다. 이 때, 하부에 장착된 기판(25)이 수평운동을 하게 되며 적층된 분무 용탕은 판재(26)를 형성하면서 좌측으로 이동하여 연속적으로 판재를 제조한다.이 경우 판재의 너비(폭)는 선형가스분무기(24)의 너비와 비례하게 되며, 판재의 두께는 분무용탕 유출속도와 기판의 이동속도의 비에 의해서 결정된다.

그러나, 앞서 설명한 종래의 두 가지 장치는 다음과 같은 문제점 갖고 있다.

첫째, 균일한 두께를 갖는 판재를 제조할 수 없다.

즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, 종래의 환형가스분무기(31)의 스프레이(32)는 일종의 가우시안 분포를 갖고 있어 중앙에 훨씬 더 많은 질량이 존재하게 된다. 즉, 최종 판재(34)의 폭은 스프레이(32)의 반가폭(X)에 의해서 결정되며, 기판(33)과 가스분무기(31)의 수직거리(A)를 증가시킴으로써 판재(34)의 너비를 크게 할 수는 있으나 판재(34)의 단면 모양은 가우시안 분포를 나타낸다. 이와 같이 환형가스분무기(31)의 경우 적층되는 판재(34)의 단면 형상은 중심은 두껍고, 가장자리로 감에 따라 급격히 얇아지게 된다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 선형가스분무기(35)의 경우에도 스프레이(36)의 질량 분포가 길쭉한 마름모꼴을 나타내기 때문에 기판(37)에 적층되는 판재(38)의 단면 형상은 길쭉한 이등변 삼각형 모양이 된다. 이와 같이 상기 두 장치 모두 일정한 두께를 갖는 판재의 제조에는 효과적이지 못하다.

둘째, 광폭의 판재를 제조하기 어렵다.

판재 제조에 있어 일정 수준의 폭은 확보되야 공업적 경제성을 갖게 된다. 그러나, 종래의 환형가스분무기(31)는 스프레이의 폭이 한정되기 때문에 최대 15cm 폭 이상의 판재 제조가 불가능하다. 또한, 선형가스분무기(35)를 적용하는 경우에도 용탕의 표면 장력 때문에 선형 오리피스에서 유출된 용탕이 선형으로 그대로 유지되기 어렵고 그 길이 또한 한정되기 때문에 광폭의 판재 제조에는 부적합하다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 선회하는 다수의 가스분무기를 적용하고 그 선회에 의해 각각의 스프레이의 질량 분포를 균일하게 하여 하부의 기판에 적층시킴으로써 판재의 두께와 미세조직을 균일하게 유지하면서도 광폭의 합금판재를 제조할 수 있는 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,

도 2는 선형가스분무기를 이용한 판재제조방법을 도시한 개략도이고,

도 3a는 환형가스분무기를 이용한 판재 제조용 분무주조장치의 원리를 도시한 개략도이고,

도 3b는 선형가스분무기를 이용한 판재 제조용 분무주조장치의 원리를 도시한 개략도이고,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고,

도 5는 도 4에 도시된 분무주조장치의 디스크 캠의 구성도이며,

도 6은 도 4에 도시된 분무주조장치의 각각의 가스분무기의 스프레이 질량 분포와 이들의 중첩을 나타내는 설명도.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

41 : 가스분무기 42 : 기판

43 : 가스공급관 44 : 스프레이

45 : 합금판재 46 : 예열장치

51 : 턴디쉬 52 : 용탕 오리피스

61 : 디스크 캠 62 : 아암

63 : 플레이트 64 : 홈

65 : 지지대 66 : 피봇점

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분무주조장치는, 가스분무기를 통해 기판에 분무되는 액적이 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 회전하는 디스크 캠과, 상기 디스크 캠에 일단이 연결되어 상기 디스크 캠의 회전운동을 좌우 왕복운동으로 변환하는 왕복 운동아암과, 상기 왕복 운동아암의 타단에 일측이 연결되어 상기 좌우 왕복운동을 상기 가스분무기의 선회운동으로 변환하며, 상기 가스분무기의 상하 높낮이 조절이 가능한 운동전달 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 분무주조장치는 상기 왕복 운동아암이 수평을 유지하면서 좌우 왕복운동하도록 지지하는 지지대와, 상기 기판을 예열하는 다수개의 예열장치를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 분무주조장치는 상기 운동전달 플레이트의 타단을 상기 가스분무기에 가스를 공급하는 상기 가스공급관에 결합하는 것이 바람직하다.

아래에서, 본 발명에 따른 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 분무주조장치의 디스크 캠의 구성도이며, 도 6은 도 4에 도시된 분무주조장치의 각각의 가스분무기의 스프레이 질량 분포와 이들의 중첩을 나타내는 설명도이다.

도 4 및 도 6에 보이듯이, 본 발명의 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치는 기판(42)의 이동방향에 수직한 상부에 환형가스분무기(41)를 다수개 나란히 장착하여 가스분무기(41)를 기판(42)의 폭방향으로 선회하도록 구성되어 있다. 즉, 턴디쉬(51)의 용탕 오리피스(52)를 통해 용탕이 하부로 흘러나올 때 고압 가스공급관(43)과 연결된 가스분무기(41)에서 고속의 가스 제트가 나와 낙하하는 용탕을 분무화시킨다. 이러한 가스분무기(41)는 디스크 캠(61)과 연결되어 있으며, 이런 디스크 캠(61)의 회전운동은 좌우 왕복운동아암(62)의 왕복운동으로 변한다. 그러면, 운동전달 플레이트(63)는 선회운동을 하여 플레이트(63)와 연결된 고압 가스공급관(43)이 선회운동을 하게 된다. 그러면, 최종적으로 고압 가스공급관(43)에 고정된 가스분무기(41)가 선회운동하여 용탕 스프레이(44)가 선회하며, 하부의 평판 기판(42)위에 분무액적이 균일하게 적층된다. 그리고, 평판 기판(42)이 일정한 속도로 이동할 경우, 가스분무기(41)를 다수개 장착하기 때문에 각각의 스프레이(44)가 서로 약간 중첩되면서 두께가 일정한 광폭의 판재를 형성하게 된다.

그리고, 본 발명에 있어 스프레이(44)의 선회는 도 5에 도시된 바와 같은 디스크 캠(61)을 사용한다. 즉, 원판위에서 원하는 운동을 하도록 일정한 프로파일, 예를 들어, 편심 타원 혹은 하트 모양의 편심 진원 홈(64)을 가공한다. 본 발명의 경우 스프레이(44)가 동일한 속도로 선회(스캔)하도록 설계되어야 적층시 스프레이(44)의 두께가 균일해질 수 있다.

이를 구현하기 위해서 본 발명의 디스크 캠(61)의 프로파일은 편심 진원 홈(64)을 사용한다. 즉, 디스크 캠(61)이 회전할 때 좌우 왕복 운동아암(62)은 좌우 왕복운동을 하며, 이런 좌우운동은 플레이트(63)에 의해 왕복 선회운동으로 바뀐다. 이러한 왕복 선회운동은 가스분무기(41)를 선회시키며 결국은 용탕 스프레이(44)가 일정영역을 반복하여 선회된다.

이 때, 피봇점(65)을 상하로 이동 가능하게 설계하여 왕복 운동아암(62)의 높이(H)를 조절함에 따라 선회 각도(S)를 제어할 수 있으며, 왕복 운동아암 지지대(66)는 아암(62)의 운동시 수평을 유지하게 하며 내경에 윤활기능을 추가하여 디스크 캠(61)의 고속회전시 아암(62)의 고속 왕복운동을 가능하게 한다.

또한, 선회 각도는 가스분무기(41)의 중심과 피봇점(65)의 사이의 거리(H) 및 디스크 캠(61)의 운동에 의해서 발생하는 중심으로부터의 최대 변위(D)에 의해서 결정되며, 선회 각도(S)는 수학식 1과 같이 표현된다.

[수학식 1]

S(라디안) = ArcTan(D/H)

수학식 1에서 D값이 커질수록 또한 H값이 감소할수록 선회 각도는 증가하는것을 알 수 있다. 그러나, D값은 디스크 캠(61)이 제작될 때 캠 프로파일에 의해 이미 고정되는 값이므로 동일한 캠에 대해서 H값을 조절해 줌으로써 선회 각도를 제어할 수 있다.

도 6은 도 4의 단면도로서, (나)에서 도시한 바와 같이 정지된 환형가스분무기(41)를 다수개 나란히 적용한다고 해도 평평한 판재를 제조할 수 없다. 이러한 경우 스프레이(44)간의 거리를 2X이내로 좁혀 서로 중첩시킨다 해도 가우시안 분포의 합은 평면을 만들지 못하기 때문에 평판을 기대할 수 없다. 그러나, (가)에 도시한 본 발명의 경우 가스분무기(41)를 일정 영역에서 선회시킴으로써 스프레이(44)의 질량 분포를 가우시안 형태에서 거의 균일한 두께의 이등변 사다리꼴 분포로 변화시킨다. 이렇게 얻어진 스프레이(44)는 양끝에 불균일 부위를 갖게되며, 이런 스프레이(44)의 양끝을 서로 중첩시켜 균일한 두께의 평판(45)을 얻을 수 있다.

예를 들어, n개의 가스분무기(41)를 적용하여 폭이 W인 합금판재를 제조하고자 할 경우 가스분무기(41) 사이의 최적 거리(Y)는 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

여기에서, X는 가스분무기(41)의 설계에 따라 달라질 수 있으나 동일한 장치에 대해서는 일정하므로 판재의 폭을 조정하기 위해서는 가스분무기(41) 사이의 거리(Y)와 이와 동시에 선회에 따른 스프레이의 변위폭(L)이 연동되어 최적화 되어야한다. 이런 L의 값은 A와 H의 값에 따라 변화시킬 수 있으며, 폭이 W인 판재를 얻기 위한 최적의 H값은 수학식 3과 같이 결정할 수 있다.

[수학식 3]

즉, 디스크 캠(61)이 결정되면 D의 값은 일정하며, 열수지를 고려하여 적당한 수직거리 A를 결정하면 균일한 두께를 얻기 위한 H값을 결정할 수 있다.

그리고, 정해진 폭의 판재 제조에 있어 적층되는 판재의 두께는 전체 용탕 유출속도에 대한 기판의 이동속도 비에 의해 결정된다. 일반적으로 용탕의 유출속도 보다는 기판의 수평이동속도를 제어하는 것이 용이하며, 공업적으로 정확도를 유지할 수 있다. 또한, 판재의 폭은 가스분무기의 개수(n)와 피봇점 높이(H)를 조절하여 변화시킬 수 있다.

[수학식 4]

그리고, 장착된 가스분무기(41)의 수를 증가시키면 판재의 폭을 증가시킬 수 있으나, 공정에 소요되는 가스 공급량이 기하급수적으로 증가되기 때문에 설비 투자비가 너무 커지는 단점이 있다. 그러므로, 가스분무기(41)의 개수는 4개에서 5개 정도로 고정시키고, 판재의 폭을 넓히고자 하는 경우에는 H를 증가시켜 각 가스분무기의 선회 각도를 증가시키는 것이 용이하다. 이렇게 해줌으로써 스프레이(44)를 더욱 길쭉하게 늘어나도록 유도해 균일한 두께의 광폭 판재 제조가 가능하다. 물론, 이때에 판재의 폭에 맞춰 각 가스분무기(41) 사이의 거리는 수학식 2의 Y에 대한 최적화 수식을 이용하여 알맞게 증가시켜야 한다.

상기에서는 각각의 스프레이(44)를 정지 스프레이의 반가폭인 X 만큼 중첩 시켜 높이가 균일한 판재를 제조할 수 있다는 것을 보였다. 그러나, 실제의 조업에서 예측된 스프레이(44) 사이의 중첩 거리가 맞지 않을 경우가 있다. 이러한 경우를 대비해 본 발명에서는 가스분무기(41)와 기판(42)사이의 거리(A)를 미세 조절하여 스프레이간의 중첩 정도를 조절할 수 있다. 즉, 실제 조업동안 장치에 포함된 공정인자인 n, D, H, Y, L, X등은 조절 할 수 없다. 그러나, 조업동안 스프레이간의 중첩이 미진하면 A값을 증가시키고, 반대로 중첩이 과도하면 A값을 감소시켜서 균일한 두께의 판재를 제조할 수 있다.

또한, 기판(42)이 너무 차가운 경우 제조되는 판재의 저면에 기공이 발생할 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 스프레이가 적층되기 전에 기판(42)을 예열할 필요가 있으며, 이 때, 예열장치(46)는 산소-아세틸렌 토치, 플라즈마 토치, 유도 가열 장치 등을 사용할 수 있다. 또한, 광폭의 판재 제조에 있어 예열장치(46) 하나로는 부족하며 기판(42)의 폭 방향으로 전체에 걸쳐 고르게 예열할 수 있도록 다수개를 장착할 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치는 선회하는 다수의 가스분무기를 적용하고 그 선회에 의해 각 스프레이의 질량 분포를 균일하게 하여 하부의 기판에 적층시킴으로써 보다 정밀하게 제어된 두께를유지하면서도 광폭의 합금판재를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치는 가스분무기의 선회 변위량을 조절하여 판재의 폭을 보다 용이하게 조절할 수 있고, 다수개의 가스분무기를 적용함으로써 작업 생산성이 매우 우수하다.

이상에서 본 발명의 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims (4)

1. 가스공급관을 통해 공급되는 가스를 이용하여 턴디쉬에 내장된 금속용탕을 기판의 이동방향과 수직한 상부에 나란히 배치된 다수의 가스분무기를 통해 분무하여 이동하는 기판에 적층하여 합금판재를 제조하는 분무주조장치에 있어서,

   상기 가스분무기를 통해 기판에 분무되는 액적이 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 회전하는 디스크 캠과,

   상기 디스크 캠에 일단이 연결되어 상기 디스크 캠의 회전운동을 좌우 왕복운동으로 변환하는 왕복 운동아암과,

   상기 왕복 운동아암의 타단에 일측이 연결되어 상기 좌우 왕복운동을 상기 가스분무기의 선회운동으로 변환하며, 상기 가스분무기의 상하 높낮이 조절이 가능한 운동전달 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광폭 합금판재 제조용 분무 주조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 왕복 운동아암이 수평을 유지하면서 좌우 왕복운동하도록 지지하는 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판을 예열하는 다수개의 예열장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 운동전달 플레이트의 타단은 상기 가스분무기에 가스를 공급하는 상기 가스공급관에 결합되는 것을 특징으로 하는 광폭 합금판재 제조용 분무주조장치.