KR100416302B1 - 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속 제거방법 및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄을 융해하여 최종의 제품을 만들기까지 여러 가지 공정에서 생성되거나 혼입 되는 개재물을 효과적으로 제거하기 위한, 전자기력을 이용한 알루미늄중 개재물의 연속제거방법 및 장치에 관한 것이다. 본 개재물 제거방법은 알루미늄에서 개재물을 제거하는 방법에 있어서, 개재물이 포함된 알루미늄을 용해하는 단계와, 상기 용융 금속에 직류전류와 직류자장을 동시에 인가하여 전자기력을 발생하는 단계와, 상기 전자기력으로 인해 알루미늄과 개재물이 분리되는 단계를 포함한다. 이와같이, 본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치는 개재물이 포함된 알루미늄 용탕에 직류 전류와 직류 자장을 인가하여 개재물을 분리 제거함으로서 다른 화학적 방법에 의한 재 오염의 위험 없이 알루미늄중의 개재물을 간단한 공정으로 제거할 수 있고 분리에 따른 비용이 적게들며 실제로 연속공정에 적용시킬 수 있어 생산자의 효율성을 극대화 한다.

Description

전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속 제거방법 및 장치 {Process and apparatus for continuous elimination of inclusions in Al alloy using electromagnetic field}

본 발명은 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 연속적으로 흐르는 액상의 알루미늄에 일정한 직류전류와 이와 수직방향으로 직류자장을 인가시켜 전자기력을 발생시킨 다음 이 힘을 이용하여 알루미늄에 포함된 개재물을 분리 제거하는 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치에 관한 것이다.

알루미늄을 용해하여 최종의 제품을 만들기까지 여러 가지 공정을 거치게 되는데 이 과정을 거치면서 용융금속은 대기 접촉에 의한 산화물이나 외부로부터의 2차 오염이 불가피하여 이로 인하여 산화물(Al₂O₃,MgO, MgAl₂O₄),염화물, 질화물(AlN), 탄화물(Al₄C₃, SiC)등과 같은 개재물이 알루미늄 용탕에 생성된다. 이들은 수소가스의 불균일 핵생성 영역을 제공하여 기공과 같은 주조불량을 일으키고 기계 가공시 하드스팟(hard spot)으로 작용하여 표면 마무리의 불량을 가져오는 기계적 특성을 감소시키며 충진성 및 유동성 그리고 부식저항성도 감소시킨다. 이러한 문제점을 해결하고자 다양한 개재물 제거 방법이 논의되어온 바 있는데 이러한 종래의 개재물 제거법에 관해 상세히 알아보면 다음과 같다.

종래의 용융 알루미늄 중의 개재물을 제거하기 위한 방법으로는 침강법, 플럭스법, 여과법 등이 있으나 이는 긴 공정시간에 따른 비용의 증가, 플럭스 처리에 의한 2차 오염, 미소한 입자에 대한 저 효율성 등과 같은 문제점을 안고 있다.또한, 항공산업의 구조재와 자동차 부품으로서 주조용 알루미늄 합금의 이용이 증대됨에 따라 효과적인 개재물 제거 기술의 개발이 시급한 실정이다.이러한 문제점을 해결하고자, 대한민국 특허공보 제 2000-0040629호는 "전자기력을 이용한 개재물 제어장치"을 제안하고 있다. 본 대한민국 특허공보 제 2000-0040629호는 용강흐름경로 중 적정부위에 용강흐름에 대한 반대방향으로 로렌쯔력이 작용되도록 전자석에 의한 직류자기장을 형성함에 의해 만곡형 연주기의 용강내 개재물의 거동을 제어하는 장치에 있어서, 상기 직류자기장과 수직한 방향에 응고쉘 양측표면부 사이에 전압차를 발생시키는 양 및 음전극을 연결하여 직류전기장에 의해 중력과 반대방향의 로렌쯔력을 발생시킴을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 개재물 제어장치에 관한 것으로써, 100Gauss 정도의 작은 자기장을 이용하여 개재물의 제어에 그 목적을 두고 있어, 실질적으로 개재물의 제거가 미흡한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 비교적 쉽게 얻을 수 있으며, 저렴한 전기에너지를 이용한 전자기력 발생장치를 이용하여 알루미늄중의 개재물을 제거함으로써 재 오염의 위험이 없고, 경제적으로 연속적인 공정에 적용할 수 있는 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a와 도 1b는 본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치에 따른 전자기력의 작용원리를 나타내는 설명도이고,

도 2는 본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치에 따른 전자기 연속분리 제거 장치도이고,

도 3은 본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치에 따른 전자기 분리구역의 상세도이고,

도 4는 본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치에 따른 분리구의 상세도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 알루미늄용탕 102 : 직류전류

103 : 직류 전계 104 : 전자석

105 : 직류 자장 106 : 로렌츠의 힘

107 : 로렌츠 힘의 방향 108 : 로렌츠 힘의 반대방향

109 : 틸팅로 110 : 보호유지로

111 : 개폐장치 112 : 전자기 분리 구역

113 : 텅스텐 양극(+)전극 114 : 텅스텐 음극(-)전극

115 : 냉각장치 116 : 전자석의 N극

117 : 전자석의 S극 118 : 원형 히터(heater)

119 : 용탕이 흐르는 관 120 : 분리구

121 : 분리구의 출구 δ_f: 유체의 전기전도도δ_p: 개재물의 전기전도도

상기 목적은 본 발명에 따라, 알루미늄의 개재물을 제거하는 방법에 있어서, 개재물이 포함된 알루미늄을 틸팅로에서 용해하는 단계와, 상기에서 용해된 알루미늄 용탕을 보호유지로를 통하여 전자기 분리구역 흘려주면서 직류전류 100 A와 직류자장을 상기 직류전류의 발생방향과 수직방향으로 0.35 Tesla의 크기로 인가하는 단계와, 상기에서 직류전류와 직류자장을 인가한 후 분리되는 청정화된 알루미늄 용탕과 개재물을 분리구를 통해 상부로 상기 알루미늄 용탕을 배출시키고 하부로 상기 개재물을 트랩시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 개재물이 포함된 알루미늄을 용해하는 틸팅로와, 상기 용융금속에 전자기력을 인가하도록 하는 전자기 분리구역과, 상기 용융금속을 틸팅로에서 상기 전자기 분리구역으로 유도하는 보호유지로와, 상기 전자기 분리구역과 보호유지로 사이에 위치하여 직류전류를 유도하는 텅스텐전극과, 상기 직류자장을 전류의 발생방향과 수직방향으로 발생하도록 유도하는 전자석과, 상기 전자기 분리구역의 말단부에는 전자기력에 의해 분리된 청정화 된 알루미늄 용탕을 배출하는 분리구가 포함된 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 전자기 분리구역에는 용탕의 응고를 방지하는 원형 히터가 더 포함 된 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 바탕으로 해서 본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치에 관해 좀더 상세히 알아보면 다음과 같다.

본 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법은 상기 알루미늄용탕에 전자기력을 가하게 되는데, 전자기력은 도 1b에서와 같이 알루미늄 용탕(101)에 직류전류(102)를 공급하여 직류전계(103)를 형성시키고, 이와 수직된 방향으로 전자석(104)을 위치시켜 직류자장(105)을 인가하면 직류전계(103)와 직류자장(105)의 상호작용으로 인하여 로렌츠의 힘(106; 플레밍의 왼손법칙)이 발생되며 전기 전도성 유체인 액상의 알루미늄은 이 로렌츠 힘(106)의 방향으로 힘을 받게 된다. 이때 도 1c에서와 같이, 액상의 알루미늄 중의 입자(물질)는 그 입자의 전기 전도도에 의하여 그 입자가 받는 힘의 방향이 변하게 되는데, 입자가 액상의 알루미늄 보다 전기 전도도가 클 경우에는 알루미늄과 같이 로렌츠 힘의 방향으로 힘을 받게 되지만(107) 액상의 알루미늄 보다 전기 전도도가 작을 경우에는 로렌츠 힘의 반대방향으로(108) 힘을 받게된다. 참고로, 앞에서 액상의 알루미늄에 혼입되어 있는 개재물은 전기 전도도가 거의 0에 가깝다. 따라서 개재물은 로렌츠힘의 반대방향으로 힘을 받게 되는 것이며, 이 힘에 의하여 개재물이 분리되어 용탕에서 제거되는 것이다.

상기한 원리에 따라, 전자기력을 이용한 개재물 제거장치에 관해 도 2를 통해 알아보면 다음과 같다.

상기 개재물 제거장치는 틸팅로와 전자기 분리구역과 보호유지로와 텅스텐전극과, 전자석과, 원형 히터와 분리구를 포함하여 구성되어 있다.

상기 틸팅로(109)는 개재물을 제거하고자 하는 알루미늄을 장입하여 용해시킨다.

상기 전자기분리구역(112)은 상기의 알루미늄 용탕에 직류전류(103)와 직류자장(105)을 동시에 인가하여 전자기력을 발생시키게 된다.

상기 보호유지로(110)는 개폐장치(111)를 이용하여 상기 화합물을 틸팅로에서 상기 전자기 분리구역으로 유도하게 된다.

여기서, 전류를 인가하기 위한 전극은 알루미늄 용탕에 의해 침지되지 않는 텅스텐 전극을 사용하며 그 위치는 양극(113)은 분리구의 끝단에 그리고 음극은(114)은 보호유지로 앞에 위치한다. 상기한 직류자장(105)은 냉각장치(115)가 잘 갖추어진 전자석(104)에 의해 발생되며, 전류와 수직방향으로 자장인 인가되도록 설치되어 있다.

상기 원형히터(118)는 전자석의 N극(116)과 S극(117) 사이에 용탕의 응고를 방지하도록 설치되어 있는데, 이는 그 내부에 용탕이 직접 흐르게 되는 관(119)이 설치되어 있다.

상기 분리구(120)는 전자기분리구역을 통과한 용탕이 전자기 분리 구역(112)의 말단에 설치된 분리구(120)를 통과하게 되는데 이 분리구는 전자기 분리구역에서 하부로 침강 분리된 개재물이 출구(121)로 나오는 것을 방지하여 청정화 된 알루미늄 용탕만이 출구를 통해 배출될 수 있도록 한다.

이와 같이, 본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치의 실시예를 들면 아래와 같다. 아래의 사진은 알루미늄 용탕에 개재물인 알루미나(Al₂O₃) 입자를 혼입시킨 후 본 장치를 통하여 0.35Tesla의 자속밀도와 100A의 전류를 인가하여 알루미늄 용탕에서 개재물의 제거효과를 나타내고 있다.

사진1에서는 알루미나 입자가 약 10%의 면적분율(알루미나 입자의 면적/전체면적 × 100 )을 차지하고 있으나 본 장치를 통과 후 사진2에서 처럼 알루미나 입자의 면적분율은 0.6%까지 감소하였다.

( 사진1 )

( 사진2 )

또한, 실제 상업적으로 이용되고 있는 ADC10과 ADC12 (한국산업규격 ALD7과 8종)합금을 본 장치를 통하여 0.35Tesla의 자속밀도와 100A의 전류를 인가하여 개재물을 제거한 결과 인장강도는 그래프1에서 보면 각각 178.6, 154.6에서 208.8, 187.3MPa 로 증가하였으며 연신율 또한 그래프 2에서 보면 0.66, 0.69에서 1.11, 1.13%로 증가하였다.

(그래프 1)

(그래프 2)

본 발명인 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법 및 장치는 개재물이 혼입된 알루미늄 용탕에 직류 전류와 직류 자장을 인가하여 개재물을 분리 제거함으로서 다른 화학적 방법에 의한 재 오염의 위험 없이 알루미늄중의 개재물을 간단한 공정으로 제거할 수 있고 분리에 따른 비용이 적게들며 실재로 연속공정에 적용시킬 수 있어 생산자의 효율성을 극대화 한다

Claims (3)

1. 알루미늄의 개재물을 제거하는 방법에 있어서,

   개재물이 포함된 알루미늄을 틸팅로에서 용해하는 단계와,

   상기에서 용해된 알루미늄 용탕을 보호유지로를 통하여 전자기 분리구역 흘려주면서 직류전류 100 A와 직류자장을 상기 직류전류의 발생방향과 수직방향으로 0.35 Tesla의 크기로 인가하는 단계와,

   상기에서 직류전류와 직류자장을 인가한 후 분리되는 청정화된 알루미늄 용탕과 개재물을 분리구를 통해 상부로 상기 알루미늄 용탕을 배출시키고 하부로 상기 개재물을 트랩시키는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거방법.
2. 알루미늄에서 개재물을 제거하는 장치에 있어서,

   알루미늄을 용해하는 틸팅로와;

   상기 알루미늄 용탕에 전자기력을 인가하도록 하는 전자기 분리구역과;

   상기 알루미늄 용탕을 틸팅로에서 상기 전자기 분리구역으로 유도하는 보호유지로와;

   상기 전자기 분리구역과 보호유지로 사이에 위치하여 직류전류를 유도하는 텅스텐전극과;

   상기 직류자장을 전류의 발생방향과 수직방향으로 발생하도록 유도하는 전자석과;

   상기 전자기 분리구역의 말단부에는 전자기력에 의해 분리된 청정화 된 알루미늄용탕을 배출하는 분리구가 포함된 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 전자기 분리구역에는 용탕의 응고를 방지하는 원형 히터가 더 포함된것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 알루미늄중의 개재물 연속제거장치.