KR100445646B1 - 대구경 합금 잉곳의 분무주조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 수평축 방향의 상대 거리를 주기적으로 변화시키는 직선 왕복운동 및 가스분무기에 대한 잉곳 성형체의 회전운동의 제어를 통해서 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 위치별 질량분포를 균일하게 하고 그 적층 영역을 확대함으로써 잉곳의 미세조직 균질화 및 대구경화를 동시에 구현하는 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법 및 그 제조장치를 제공한다. 또한, 다수개의 가스분무기로부터 유출된 액적 스프레이를 낙하하는 도중 서로 균질하게 혼합시켜 잉곳 성형체 상단면 위에 적층시킴으로서 각기 다른 액적 스프레이의 적층에 의한 잉곳 성형체 내의 미세조직 차이를 제거할 수 있고, 또한 다수개의 가스분무기를 동시에 적용함으로 해서 주조속도를 대폭적으로 증가시킬 수 있는 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법 및 그 제조장치를 제공한다.

Description

대구경 합금 잉곳의 분무주조 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR SPRAY CASTING OF ALLOY INGOTS WITH LARGE DIAMETER}

본 발명은 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적어도 두개 이상의 가스분무기를 적용하여 주조속도를 증가시키고 액적 스프레이를 잉곳 성형체 상단부의 넓은 부분에 균일하게 적층시킬 수 있어 미세조직이 균일한 대구경 잉곳의 제조가 가능한 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.

분무주조 공정은 금속 혹은 합금 용탕을 고압의 가스로 분무화 시킨 후, 낙하하는 미세한 액적 스프레이를 반응고 상태에서 하부의 기판위에 적층시켜 합금 성형체를 제조할 수 있는 최신 합금 주조 방법이다. 이때 기판의 형상 및 운동에 따라서 봉상, 관상 혹은 판상의 합금 성형체를 제조할 수 있다. 일반적으로 봉상 잉곳 성형체를 얻기 위해서는 기판을 회전시키고 잉곳 성형체가 성장함에 따라 기판을 일정한 속도로 하강시킨다.

도 1은 미국특허 제4,697,631호(1987)와 미국특허 제4,938,275호(1990)에 개시된 합금 잉곳 성형체의 분무주조 방법을 설명한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 스캐닝 가스분무기(Scanning gas atomizer)만을 확대하여 도시한 것이다. 금속 혹은 합금 용탕(1)이 턴디쉬(2) 하부의 용탕 오리피스(3)를 통해 하부로 흘러 나올 때 고압가스 공급관(5)과 연결된 가스분무기(6)에서 고속의 가스 제트(7)가 분출되어 그 가스분무기를 관통하여 낙하하는 용탕 줄기(4)를 미세한 액적 스프레이(8)으로 분무화 시킨다. 액적 스프레이는 기판(10)의 수직 방향과 일정한 경사각을 가지고 낙하하다가 결국은 기판 위에 적층하며 이때 액적 스프레이가 기판 위의 전체 영역에 골고루 분포하도록 기판을 회전시킨다. 기판 위에 액적 스프레이가 균일하게 쌓이게 되면 봉상의 잉곳 성형체(9)로 성장하게 되며 이때 성형체의 성장속도와 동일한 속도로 기판을 하강시킨다. 이와 같이 적층되는 액적 스프레이의 양과 성형체의 성장속도가 균형을 이루게 되면 일정한 직경을 갖는 길다란 잉곳을 제조할 수 있게 된다. 기판의 하강속도를 감소시키면 잉곳 성형체(9)의 직경을 증가 시킬 수 있으나 기판의 하강속도를 지나치게 감소시키면 성형체의 중심부가 오목하게 함몰되어 내부에 조대한 기공이 많이 형성되기 때문에 피해야 한다. 일반적으로 이러한 방법으로 제조할 수 있는 잉곳 성형체의 직경은 150에서 200mm이내로 제한되기 때문에 액적 스프레이가 적층되는 영역을 넓히기 위해서 스캔닝 가스분무기(6a)가 사용되고 있다.

도 2는 스캐닝 가스분무기에 대한 개략도로서, 고압가스 공급관(5)을 회전 진동 운동시키면 고압가스 공급관에 고정된 가스분무기가 함께 회전 진동하게 된다. 이러한 회전 진동 운동은 가스 제트(7)의 용탕 줄기(4)에 대한 충돌각의 변화를 발생시켜 액적 스프레이(8)를 좌우로 흔들어 주게 되며 액적 스프레이가 성형체 위에 적층될 때 그 적층 영역을 좀 더 넓게 할 수 있다. 이와 같이 가스분무기의회전 진동은 용탕 줄기를 좌우로 흔들게 되고 이것은 액적 스프레이를 잉곳 성형체 상단부에서 스캐닝(Scanning, 직선 왕복 운동) 시키기 때문에 성형체 상단부의 더 넓은 영역에 액적 스프레이가 균일하게 적층할 수 있다. 스캔닝 가스분무기를 사용하면 직경이 최대 250mm 수준의 잉곳 성형체를 제조할 수 있으며 낙하 동안 액적 스프레이의 혼합이 일어나 정지된 가스분무기에 비해서 균질한 잉곳 성형체를 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나 스캐닝 가스분무기는 용탕 줄기에 대해서 가스 제트의 충돌각이 급격하게 변하기 때문에 가스분무의 효율이 매우 떨어지는 단점이 있다. 가스분무기의 회전 진동시 용탕 줄기(4)가 가스분무기(6a)의 중심에서 벗어나게 되며 분사된 가스 제트(7)가 용탕 줄기(4)와 한점에 만나지 못하고 넓은 구간에서 충돌하기 때문에 가스분무한 액적 스프레이의 입도 편차가 매우 심하다. 또한 충돌각의 변화와 가스분무기의 회전 진동이 합쳐져 용탕 줄기 주변에 급격한 난류를 생성시켜 배압이 발생할 위험이 크며 이 때문에 용탕 오리피스(3)가 응고되어 막힐 가능성이 있다. 이러한 배압 발생을 방지하기 위해서 스캐닝을 위한 가스분무기의 회전 진동 각도는 2도 내외로 제한되며 이로인해 스캐닝 가스분무기를 이용한 적층 영역의 확대 효과는 매우 작을 수 밖에 없다. 금속 혹은 합금의 액적 스프레이는 고밀도이기 때문에 분사 가스의 충돌각을 급속하게 변화 시켜서 액적 스프레이의 운동 양상을 실시간으로 변화시키기는 어려우며, 스캐닝 가스분무기는 적층 영역의 확대 효과 보다는 낙하하는 액적 스프레이의 균일한 혼합이라는 측면에서 더 유용한 것으로 판단된다.

기존의 분무주조를 이용한 합금 잉곳 제조 방법은 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이 잉곳의 길이 방향을 기준으로 수직형, 경사형, 수평형의 세가지로 분류할 수 있다. 수직형의 경우 잉곳의 주조가 용이하나 가스분무기의 분무축을 수직에서 경사지게 해야 하므로 고도의 가스분무 기술이 필요하다. 반면에, 경사형의 경우 분무축이 수직 방향이어서 가장 안정된 가스분무가 수행될 수 있으나 성장하는 잉곳이 경사지게 되어 중력을 고려할 때 대중량 잉곳의 제조가 까다로운 단점이 있다. 수평형은 분무축이 수직형에 비해서 더욱 수직방향에서 경사지게 되므로 가스분무 제어가 매우 까다로운 반면 한정된 높이에서 수평방향으로 긴 잉곳을 제조할 수 있는 장점이 있으나, 실제로는 수평 방향의 길다란 잉곳 회전체를 균등하게 지지하는 것이 매우 어려운 실정이다. 이와 같은 이유에서 수직형 분무주조 잉곳 제조방법이 상업적으로 가장 광범위하게 이용되고 있다. 그러나 이와 같이 하나의 가스분무기를 이용하여 잉곳을 분무주조하는 방법은 제조 가능한 잉곳의 직경이 비교적 작으며 스프레이의 외곽부에서 적층이 되지 못하고 튕겨 나가는 분무 액적이 많아서 분무주조 회수율이 60%에서 70% 수준으로 낮다는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 두개의 가스분무기를 이용하는 기술이 개발 되었으며 다음과 같다.

도 4a 및 도 4b는 미국특허 제5,472,038호(1995)에 개시된 바와 같이 두개의 가스분무기(6a,6b)를 동시에 가스분무하여 잉곳을 제조하는 방법을 설명한 도면이다. 두개의 가스분무기가 소정각도를 이루게 하여 장착한 후 기판(10)의 중앙부과 외곽부에 각각 액적 스프레이를 적층시키게 된다. 중앙부의 스프레이는 잉곳 성형체의 상단부를 주로 성형하고, 반면에 외곽부의 스프레이는 잉곳 성형체의 측면부를 성형하게 된다. 이와 같이 두개의 스프레이를 동시에 적층시키면 좀 더 대구경의 잉곳 제조가 가능하고 주조속도의 증가 및 회수율 향상을 부가적으로 기대할 수 있다. 일반적으로 기판의 중앙부를 적층시키는 액적 스프레이를 스캐닝하고 외곽부는 정지된 가스분무기를 사용한다. 가스분무기를 스캐닝하기 위해서 캠, 모터등의 복잡한 구성품이 필요하며 두개의 가스분무기에 모두 이와 같은 구성품들을 장착하기에는 공간이 협소하기 때문에 일반적으로 하나의 가스분무기만 스캔닝한다. 두개의 가스분무기를 사용하는 경우에도 수직형과 수평형의 분무주조 방법이 가능하며 제조할 수 있는 잉곳의 최대 직경은 350mm 수준인 것으로 알려져 있다. 그러나 상기 방법은 스프레이를 일부 중첩시킨다 해도 도 4a및 도 4b에서 A(중앙부)와 B(측면부)로 도시한 바와 같이 두개의 층이 생기기 때문에 두개의 층간의 미세조직 불균일이 발생할 가능성이 크며 직경이 큰 잉곳 성형체를 제조하는 경우 경계층에 기공이 도입될 우려가 있다. 이와 같이 두개의 가스분무기를 동시에 스캔닝한다고 하여도 제조 가능한 잉곳 성형체의 최대 직경은 400mm 내외이고 또한 전체가 균일한 잉곳 성형체를 얻는데는 불리하기 때문에 대구경의 잉곳의 균일한 성형체를 얻기 위해서는 새로운 제조 방법이 필요한 실정이다.

상기한 바와 같이 종래의 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳의 제조방법은 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.

첫째, 균일한 직경의 대구경 잉곳 제조를 위해 스캐닝 가스분무기를 사용하는데 있어서, (1) 액적 스프레이의 입도가 고르지 않아 최종 성형체의 미세조직 불균일을 조장할 수 있고, (2) 분사가스 충돌시 난류 및 배압이 발생하기 쉬워 용탕 오리피스의 응고 막힘을 유발하고, (3) 가스분무기의 회전 진동 각도가 2도 내외의 작은 범위에서만 스캐닝 효과를 기대할 수 있어 액적 스프레이의 적층 영역 확대에 미치는 영향이 현저하지 못하며, (4) 두개 이상의 가스분무기를 함께 사용하고자 할 경우 각각의 가스분무기에 스캔닝 구동수단들을 장착하기에는 공간적 구성이 너무 복잡해지기 때문에 적용이 매우 어려운 단점이 있다.

둘째, 균일한 직경의 대구경 잉곳 제조를 위해 두개의 가스분무기를 사용하는데 있어서, 잉곳 성형체가 두개의 층으로 성장하기 때문에 생성된 두 층간의 미세조직이 서로 다를 수 있고 경계층에 기공이 발생할 수 있어 미세조직이 균일한 대구경 잉곳 성형체의 제조가 어렵다.

셋째, 기존의 분무주조 잉곳 제조 방법으로 미세조직이 균일하면서도 직경이 400mm이상인 대구경 잉곳의 제조가 매우 어렵다.

넷째, 하나 혹은 두개의 가스분무기를 이용하고 있어 다른 연속주조 혹은 잉곳주조 공정에 비해서 주조속도가 매우 느리다.

다섯째, 기존의 분무주조 잉곳 제조 방법은 한 방향에서만 분무하기 때문에 공간상의 제약으로 다수개의 가스분무기를 적용하기가 곤란하다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 가스분무기와 잉곳 성형체 사이의 수평축 방향의 상대 거리를 주기적으로 변화시키는 직선 왕복 운동의 제어를 통해서 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 위치별 질량분포를 균일하게 하고 그 적층 영역을 확대함으로써 잉곳의 미세조직 균질화 및 대구경화를 동시에 구현하는 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다수개의 가스분무기로부터 유출된 액적 스프레이를 낙하하는 도중 서로 균질하게 혼합시켜 잉곳 성형체 상단면 위에 적층시킴으로서 각기 다른 액적 스프레이의 적층에 의한 잉곳 성형체 내의 미세조직 차이를 제거하고, 또한 다수개의 가스분무기를 동시에 적용함으로 해서 주조속도를 대폭적으로 증가시키는 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법 및 장치를 도시한 개략도이다.

도 2는 종래의 분무주조공정에서 이용하는 스캔닝 가스분무기의 원리를 도시한 개략도이다.

도 3a 내지 도 3c는 종래의 합금 잉곳의 분무주조장치에 대한 개략도로서,

도 3a는 수직형 분무주조장치를, 도 3b는 경사형 분무주조장치를, 도 3c는 수평형 분무주조장치를 도시하고 있다.

도 4a 및 도 4b는 종래의 두개의 가스분무기를 동시에 가스분무하여 합금 잉곳을 제조하는 방법에 대한 개략도로서,

도 4a는 수직형을, 도 4b는 수평형을 설명하고 있다.

도 5는 본 발명에 따른 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법을 설명하는 사시도이다.

도 6은 본 발명에 따른 다수개의 가스분무기 분무축이 기준축과 교차하는 방법을 설명하는 개략도이다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 다수개의 가스분무기를 배열하는 방법을 설명하는 개략도로서,

도 7a는 수직 평면 위에 배열하는 방법을, 도 7b는 기준축에 수직한 경사 평면 위에 배열하는 방법을, 도 7c는 수평한 평면 위에 배열하는 방법을 설명하고 있다.

도 8은 잉곳 성형체 상단부의 중심와 가스분무기 사이의 수평축 방향으로의 상대거리를 주기적으로 변화시킴에 따라 혼합 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에서 반경방향으로 직선 왕복 운동하는 양상을 보여주는 개략도이다.

도 9는 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에서 성장 높이를 균일하게 하기 위해서 잉곳 성형체 상단부에서 혼합 액적 스프레이가 적층되는 반경위치에 따라 반경 방향으로의 이동 속도가 변화해야 하는 양상을 설명하고 있다.

도 10a 및 도 10b는 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에서 혼합 액적 스프레이가 균일하게 적층하기 위한 액적 스프레이의 이론적인 운동 양상을 나타내는 그래프로서,

도 10a는 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 혼합 액적 스프레이의 시간에 따른 반경 위치 및 반경 방향으로의 불연속적인 이동속도를, 도 10b는 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 혼합 액적 스프레이의 시간에 따른 반경 위치 및 반경 방향으로의 연속적인 이동속도를 도시하고 있다.

도 11은 혼합 액적 스프레이의 균일한 혼합 및 적층을 도와 주기 위한 수직축 방향을 따른 기판의 진동 운동을 설명하는 개략도이다.

도 12는 본 발명에 따른 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조장치를 설명하는 단면도이다.

도 13은 본 발명에 따른 기판부가 수직축 방향을 따라 진동 운동 할 수 있는 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조장치를 설명하는 단면도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1: 합금 용탕 2: 턴디쉬

3: 용탕 오리피스 4: 용탕 줄기

5: 고압가스 공급관 6: 가스분무기

6: 스캐닝 가스분무기 6b: 고정된 가스분무기

7: 가스 제트 8: 액적 스프레이

9: 잉곳 성형체 10: 기판

11: 분무챔버 12: 기판 구동축

13: 배기구 14: 비적층 분말 수집 캔

21: 수직축 22: 수평축

23: 기준축 24a, 24b: 합금 용탕

25: 용탕공급수단(래들) 26:침지 노즐

27: 용탕 개폐수단 28: 턴디쉬(Tundish)

29: 용탕 오리피스(Orifice) 30: 상부챔버

31: 가스분무기 32a, 32b, 32c: 개별 분무축

33: 가스 제트 34a, 34b, 34c: 개별 액적 스프레이

35: 혼합 액적 스프레이 36: 스프레이의 혼합 영역

37: 분무축의 교차점 38: 혼합 스프레이의 적층 영역

39: 가스분무기 왕복운동 캠

40: 캠 프로파일 홈 41: 종동절(Cam Follower)

42: 상부챔버 미끄럼판 43: 밀봉 윤활재

44: 하부챔버 미끄럼판 45: 하부챔버

46: 하부챔버 주름판 47: 기판

48: 잉곳 성형체 49: 잉곳 성형체 상단부

50: 기판 구동축 51: 기판구동부

52: 기판구동부 상부 케이스 53: 기판구동부 하부 케이스

54: 기판 진동용 너트 플레이트 55: 기판 진동용 구동모터

56: 기판 진동용 나선봉 57: 기판 진동용 체인

58: 기판 진동용 체인 스프라켓 59: 기판 회전모터

60: 내측 스프라인 샤프트 61: 외측 스프라인 샤프트

62: 기판 이동모터 63: 기판 이동용 체인

64: 기판 이동용 체인 스프라켓 65: 기판 이동용 나선봉

66: 기판 이동용 너트 플레이트 67: 기판 왕복운동 캠

68: 캠 프로파일 홈 69: 종동절(Cam Follower)

70: 미끄럼 롤러 71: 기판부 하부 지지대

72: 배기구 73: 상부챔버 상단면

74: 가스분무기 왕복운동 수단 75: 기판 왕복운동 수단

76: 기판 진동운동 수단 77: 분무축의 교차 영역

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 방법은,

수직축과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 방향이 기판을 향해 있는 소정의 기준축을 중심으로 가스분무기의 분무축이 상기 기준축 위의 일정 영역에서 교차하도록 적어도 두개 이상의 가스분무기를 위치시키는 단계;

상기 다수개의 가스분무기를 이용하여 금속 혹은 합금 용탕을 미세한 액적 스프레이로 만들며 상기 액적 스프레이들을 일정 거리 낙하시킨 후에 서로 충돌시켜 하나의 혼합 액적 스프레이로 균일하게 혼합시키는 단계;

상기 액적 스프레이들이 낙하하며 동시에 서로 혼합되는 경로의 소정 위치에 상기 수직축과 기판의 상단면이 서로 수직이 되도록 기판을 위치시키는 단계;

상기 혼합 액적 스프레이를 상기 기판 위에 연속적으로 적층시켜 잉곳 성형체를 형성시키고 상기 수직축을 따라 잉곳 성형체를 성장시키는 단계;

상기 혼합 액적 스프레이가 상기 잉곳 성형체의 상단부 위에서 그 반경 방향으로 직선 왕복 운동 하기 위해서 상기 가스분무기 혹은 상기 기판중의 적어도 어느 하나를 수평축 방향으로 상대적으로 직선 왕복운동 시키는 단계;

상기 혼합 액적 스프레이가 상기 잉곳 성형체의 상단부 위에서 그 원주 방향으로 회전운동 하기 위해서 상기 기판을 상기 수직축을 중심으로 회전운동 시키는 단계;

상기 잉곳 성형체의 상단부와 상기 가스분무기 사이의 상기 수직축 방향의 상대 높이가 일정하게 유지되도록 하기 위해 상기 수직축을 따라서 상기 잉곳 성형체의 성장 방향과 반대로 상기 기판을 연속적으로 이동시키는 단계 및;

부가적으로 상기 혼합 액적 스프레이가 상기 잉곳 성형체 상단부의 일정 영역에서 더욱 균일하게 혼합 및 적층되도록 하기 위해서 상기 기판을 상기 수직축을 따라서 상하로 진동운동 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 장치는,

금속 또는 합금 용탕을 수용하는 턴디쉬;

상기 턴디쉬 하부에 수직축과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 방향이 기판을 향해 있는 소정의 기준축을 중심으로 분무축이 상기 기준축 위의 일정 영역에서 교차하도록 위치한 적어도 두개 이상의 가스분무기;

상기 다수개의 가스분무기에서 나온 액적 스프레이를 적층시켜 잉곳 성형체로 성형하기 위해 상기 수직축을 중심으로 회전하며 상기 수직축 방향을 따라 연속적으로 이동하는 기판;

상기 다수개의 가스분무기 혹은 상기 기판 중의 적어도 어느 하나를 수평축 방향으로 상대적으로 직선 왕복운동 시키기 위한 가스분무기 왕복운동 수단 혹은 기판 왕복운동 수단 및;

부가적으로 상기 기판을 일정한 진폭을 갖고 상기 수직축 방향으로 상하로 진동운동 시키는 기판 진동운동 수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

아래에서, 본 발명에 따른 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳 제조방법 및 그 제조장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

[실시예1]

도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 따른 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳 제조방법을 보여주고 있다. 수직축(21)과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 방향이 기판(47)을 향해 있는 소정의 기준축(23)을 중심으로 가스분무기(31)의 분무축(32a, 32b, 32c)이 상기 기준축(23) 위의 일정 영역(77)에서 교차하도록 적어도 두개 이상의 가스분무기를 위치시킨다. 이때 가스분무기의 분무축(32a, 32b, 32c)은 기판(47)을 향해 있으며 상기 분무축은기준축(23)과 한점(37)에서 교차하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 상기 분무축과 상기 기준축이 교차하는 영역(77)이 기판(47)의 상단면 위에 오도록 위치시키는 것이 바람직하다. 턴디쉬(28)의 밑면에 장착된 용탕 오리피스(29)를 통해서 합금 용탕이 흘러 나올 때, 상기 다수개의 가스분무기(31)를 이용하여 금속 혹은 합금 용탕을 분무 형태의 합금 액적으로 만든다. 이러한 액적 스프레이(34a, 34b, 34c)들은 매우 빠른 속도로 낙하하며 분사된 가스 제트(33)에 의해서 냉각 및 응고 과정을 거치게 된다. 이와 같이 각 가스분무기에서 유출된 액적 스프레이(34a, 34b, 34c)는 각기 낙하하다가 일정 높이에서 서로 충돌하면 실시간으로 균일한 혼합이 일어난다. 도 6에 도시한 바와 같이 액적 스프레이는 그 분무축(32a, 32b)을 중심으로 소정의 폭을 갖고 있기 때문에 상당한 거리에 걸쳐 액적 스프레이가 혼합되는 영역(36)이 존재한다. 그러므로 분무축(32a, 32b)과 기준축(23)이 한점에서 교차하지 않고 일정 영역(77)에서 교차하여도 액적 스프레이가 충분히 잘 혼합될 수 있다. 액적 스프레이가 균일하게 혼합되는 소정 위치의 아래에 수직축(21)과 수직하게 기판(47)을 위치시키면 반응고 상태로 균일하게 혼합된 액적 스프레이(35)가 기판 위에 쌓이며 잉곳 성형체(48)를 형성하기 시작한다.

일반적으로 액적 스프레이의 외곽부는 중앙부에 비해서 온도가 낮아서 잉곳 성형체의 상단면(49)에 적층되지 못하고 튕겨 나오기 쉽다. 기존의 분무주조 공정에 의한 합금 잉곳 제조 방법은 스프레이 외곽부의 합금 액적이 제대로 적층되지 않아서 주조 회수율이 70% 이하로 작다. 그러나 본 발명의 경우 여러 개의 스프레이가 적층되기 전에 낙하하면서 고르게 혼합되어 소정의 영역(38)을 중심으로 적층되기 때문에 스프레이 내의 합금 액적 간의 온도 불균일 및 입도 불균일을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다. 이와 같이 혼합 액적 스프레이(35)가 교차점(37) 혹은 교차 영역(77)을 중심으로 균일한 적층 영역(38)을 형성하기 때문에 합금 액적 간의 온도 및 입도 불균일이 거의 나타지 않으며 이로인해 미세조직이 균질한 합금 잉곳을 분무주조 할 수 있게 된다. 또한 다수개의 액적 스프레이(34a, 34b, 34c)가 하나로 통합되기 때문에 기존의 공지 기술에 비해서 스프레이 외곽부의 면적을 효과적으로 감소시킬 수 있어 주조 회수율을 높일 수 있다. 마지막으로 다수개의 가스분무기를 동시에 사용함으로써 기존 공지 기술에 비해서 주조 속도를 대폭적으로 증가 시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 경우 가스분무기를 다수개 위치시키는 방법은 크게 세가지로 대별할 수 있다. 도 7a는 수직축(21)과 수평축(22)으로 이루어진 수직 평면상에 각 가스분무기(31)의 분무축을 달리하여 배열하는 방법을, 도 7b는 상기 기준축(23)에 수직한 경사 평면 위에 기준축을 중심으로 가스분무기(31)를 배열하는 방법을, 도 7c는 수평한 평면 위에 가스분무기를 배열하는 방법을 보여주고 있다. 도 7a의 수직 평면 위에 배열하는 방법의 경우, 상기 기준축을 중심으로 양 쪽 방향으로 가스분무기를 배열하는 것으로 공간적으로 살펴 볼 때 적용할 수 있는 가스분무기의 개수가 제한적이라 할 수 있다. 반면에 도 7b와 같이 상기 기준축에 수직한 경사 평면 위에 상기 기준축을 중심으로 가스분무기를 빙 둘러 배열하면 좀 더 많은 수의 가스분무기를 위치시킬 수 있다. 또한, 도 7c와 같이 수평한 평면 위에 상기 기준축을 중심으로 빙 둘러 가스분무기를 배열하면 많은 수의 가스분무기를 위치시킬수 있고 가스분무기의 상대적 높이가 동일하므로 합금 용탕의 유출 속도를 동일하게 제어하기 용이한 장점이 있다.

상기와 같이 액적 스프레이가 낙하하는 동안 혼합하고 합체시켜서 만들어진 균일한 혼합 액적 스프레이(35)를 이용하여 대구경 잉곳 제조를 위해서는 혼합 액적 스프레이의 또 다른 운동이 필요하다. 잉곳 성형체의 형상 및 직경은 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부 위에 적층되는 위치에 의해서 결정되고, 잉곳 성형체 상단부에서 수직축 방향으로의 성장 높이를 전체 영역에서 같도록 하기 위해서는 위치별 적층되는 액적 스프레이의 질량 분포를 균일하게 해야 한다. 원형 기판을 가정할 때, 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에서 액적 스프레이가 균일하게 적층하기 위해서 소정의 회전 운동과 직선 왕복 운동이 동시에 필요하다. 잉곳 성형체 상단부에서 액적 스프레이를 상단부의 중심을 기준으로 하여 상대적으로 회전시키면 원주 방향으로의 질량 분포를 제어 할 수 있다. 또한, 잉곳 성형체 상단부에서 그 중심과 외곽 사이를 반경 방향으로 액적 스프레이를 직선 왕복 운동시키면 반경 방향으로의 질량 분포를 제어 할 수 있다. 이와 같이 원주 방향과 반경 방향으로 액적 스프레이가 적층되는 질량 분포를 동시에 적당히 조절함으로써 잉곳 성형체 상단부의 모든 위치에서 균일한 성장 높이를 얻을 수 있다.

본 발명의 경우 상기 기판(47)이 상기 수직축(21)을 기준으로 하여 일정한 속도로 회전 운동하여 잉곳 성형체 상단부(49)에서 원주 방향으로의 혼합 액적 스프레이(35)의 적층 속도가 균일하도록 제어한다. 또한, 잉곳 성형체 상단부(49)에서 반경 방향으로의 혼합 액적 스프레이(35)의 적층 속도를 제어하기 위해서는 가스분무기(31)와 기판(47)간의 수평축(22) 방향으로의 상대거리를 주기적으로 변화시키면 된다. 즉, 혼합 액적 스프레이(35)가 잉곳 성형체 상단부(49) 위에서 그 중심과 외곽 사이에서 반경 방향으로 직선 왕복운동 하기 위해서는 가스분무기(31)가 잉곳 성형체 상단부(49) 위에서 수평축(22) 방향을 따라 직선 왕복운동 하거나 혹은 기판(47)이 수평축(22) 방향으로 직선 왕복 운동 하면 된다. 물론 가스분무기와 기판이 동시에 수평축(22) 방향으로 직선 왕복운동 하여도 상대거리를 주기적으로 변화시킬 수 있으며, 이때 가스분무기와 기판의 운동 방향은 서로 정반대이고 각각의 왕복운동에 대한 진동주기는 동일해야 한다.

도 8은 가스분무기(31)가 수평축(22)을 따라 일정한 진폭을 갖고 직선 왕복 운동하는 것을 도시하고 있다. 가령 혼합 액적 스프레이(35)가 잉곳 성형체 상단부(49)의 바깥 반경부(r_max)에 적층되도록 기판(47) 중심과 가스분무기(31)와의 상대거리를 L₀로 초기 위치를 설정한다. 가스분무기와 기판 중심과의 상대거리를 점차 감소시키면 액적 스프레이의 적층 위치는 성형체 상단부의 중심 반경부에 가까워진다. 상대거리가 최소치인 L₁에 도달하면 액적 스프레이는 성형체 상단부의 중심부에 적층된다. 액적 스프레이가 적층되는 최대 바깥반경(r_max)에서 시작하여 최소 안쪽반경(r_min)을 거쳐서 다시 최대 바깥반경까지 이동하는데 걸리는 시간이 왕복 주기(t₀)가 되며 왕복 운동의 진폭은 ΔL로 그 값은 L₀- L₁이다. 이러한 가스분무기의 왕복 운동을 위해서는 가스분무기와 결합된 턴디쉬(28)와 가스분무기 및 턴디쉬를 지지하는 상부챔버(30)가 동시에 이동하여 한다. 이때, 턴디쉬에 수용된 합금 용탕이 좌우로 흔들리기 때문에 그 운동 속도를 너무 크게 하는 것보다 적층되고 있는 잉곳 성형체 상단부의 표면이 완전히 응고되지 않을 정도의 속도로 적정하게 제어하는 것이 중요하다.

또한 기판(47)을 상기 수평축(22)을 따라 직선 왕복 운동 시켜서 가스분무기와 기판 중심 사이의 수평축 방향 상대거리를 주기적으로 변화시킬 수 있다. 기판(47)을 수평 이동 시키는 것은 가스분무기(31)를 수평 이동 시키는 것에 비해서 비교적 기계 구조가 간단한 장점이 있다. 그러나 기판(47) 위에 부착된 잉곳 성형체(48)도 함께 수평 이동해야 하므로 잉곳 성형체가 일정 길이 이상으로 성장하는 경우 기판의 이동 속도를 빠르게 하는 것은 어렵다. 이러한 경우, 기판(47)과 가스분무기(31)를 동시에 수평축(22)을 따라 직선 왕복 이동 시켜서 상기 상대거리를 제어 할 수도 있다. 이때 가스분무기와 기판의 운동 방향은 서로 정반대이고 각각의 왕복운동에 대한 진동주기는 동일해야 하며, 그 이동 속도를 동일하게 하여도 상대적인 속도는 하나만 움직이는 경우에 비해서 두배가 되는 장점을 갖고 있다.

이와 같이 가스분무기와 기판간의 수평축 방향 상대거리를 주기적으로 변화시킴으로써 직경이 큰 잉곳 성형체의 제조가 가능하며, 이때 기판(47)을 상기 수직축(21)을 중심으로 일정한 각속도로 회전 운동 시킴으로써 혼합 액적 스프레이(35)가 잉곳 성형체 상단부(49)의 전체 영역에 균일하게 적층하도록 제어할 수 있다. 제조되는 잉곳 성형체(48)의 직경은 직선 왕복운동의 진폭 ΔL을 조절함으로써 용이하게 제어가 가능하다. 아주 직경이 큰 잉곳 성형체를 제조하는 경우 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에서 반경 방향으로 한번 왕복하는 동안 상단부의 표면이 완전히 응고되지 않도록 가스분무기 혹은 기판을 충분히 빠르게 수평축 방향으로 이동시켜야 한다.

액적 스프레이가 연속적으로 적층함에 따라서 잉곳 성형체(48)가 상기 수직축(21) 방향으로 성장하게 되고, 잉곳 성형체가 일정한 속도로 성장하면서도 동일한 직경을 유지하기 위해서는 잉곳 성형체 상단부(49)와 가스분무기(31)의 사이의 상대적인 높이를 일정하게 유지해야 한다. 그러므로 상기 상대 높이를 일정하게 하기 위해서는 수직축을 따라서 기판을 잉곳 성형체의 성장과 반대의 방향으로 연속적으로 이동시켜 주어야 한다. 잉곳 성형체의 평균 직경은 기판의 평균 이동 속도와 밀접한 관계를 갖고 있으며 시간당 적층되는 액적 스프레이의 전체량이 동일하다면 기판의 이동속도는 잉곳 성형체의 평균 직경의 제곱에 반비례해야 한다. 즉, 액적 스프레이가 성형체 상단부의 전체 영역에 균일하게 적층되고 그 양이 같다고 가정하는 경우 더욱 큰 직경을 갖는 잉곳 성형체를 제조하기 위해서는 그 직경의 제곱에 반비례하여 기판의 이동속도를 더욱 작게 해야 한다.

잉곳 성형체 상단부(49)의 전체 영역에서 그 성장 높이를 균일하게 유지하기 위해서는 혼합 액적 스프레이(35)가 성형체 상단부(49)의 반경 방향으로 일정한 속도로 직선 왕복 운동을 해서는 안되며 그 운동속도를 반경 위치의 함수로 조절해야 한다. 즉, 성형체 상단부의 중심부에서는 이동 속도를 매우 빠르게 하며, 반면에 성형체 상단부의 외곽부로 갈수록 이동속도를 점차 감소시켜야 한다. 이와 같이 조절함으로써 위치별로 적층되는 액적 스프레이의 평균량이 같아져 성형체 상단부의전체 영역에서 성장 속도가 균일하게 된다.

도 9에 도시한 바와 같이, 혼합 액적 스프레이(35)가 상기 수직축(21)을 중심으로 일정한 각속도로 회전하고 동시에 반경 방향을 따라서 일정하지 않은 속도 v로 직선 왕복 운동을 한다고 가정해서 왕복 이동 속도 v와 반경 위치 r과의 관계를 계산할 수 있다. 반경 위치 r₁에 있고 속도 v₁으로 왕복 운동하는 액적 스프레이가 미소시간 Δt동안 지나가는 성형체 상단부의 영역은 ΔA₁이 된다. 또한 반경 위치 r₂에 있고 속도 v₂으로 왕복 운동하는 액적 스프레이가 미소시간 Δt동안 지나가는 성형체 상단부의 영역은 ΔA₂가 된다. 동일한 시간당 액적 스프레이가 지나는 미소 영역에 쌓인 액적 스프레이의 양은 같기 때문에 성장 높이를 같게 하기 위해서는 ΔA₁과 ΔA₂이 서로 같아야 한다. 이러한 관계는 하기 <수학식 1>로 나타낼 수 있다.

상기 <수학식 1>에서 Δr = vΔt이며, (2r+Δr)은 대략적으로 2r이라 할 수 있기 때문에 간단히 하면 r과 v의 곱은 위치에 상관없이 항상 일정해야 한다는 결론에 도달하므로 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.

이와 같이 r과 v의 곱은 위치에 무관하게 C로 일정하다는 것은 액적 스프레이의 반경 방향으로의 이동속도가 반경 위치에 반비례한다는 것을 의미한다. 즉, 액적 스프레이가 성형체 상단부의 중앙부에서는 빠른 속도로 이동하고 외곽부로 갈수록 느리게 해야 이동해야 균일한 적층이 일어날 수 있다. 성형체 상단부의 외곽부는 회전 반경이 커서 회전 선속도가 커지게 되기 때문에 액적 스프레이가 상당히 긴 원주 영역을 지나게 되어 위치별로 적층되는 실제 양은 작게 된다. 이와 같이 작아진 양을 보상하기 위해서는 반경 방향을 따라 이동 속도를 작게 하여 인접된 반경에서 액적 스프레이의 지체 시간을 크게 해주어야 한다. 그러므로 회전 선속도가 큰 외곽부에서는 촘촘한 반경 간격으로 액적 스프레이을 회전시키고 중심부로 갈수록 회전 선속도가 작아지기 때문에 반경 간격을 점점 크게 하여 액적 스프레이를 회전시켜야 한다.

상기 <수학식 2>에서 v(t)=dr(t)/dt이기 때문에 이를 대입하여 미분방정식을 풀고 초기 경계값을 넣어 단순화하면 하기 <수학식 3>과 같이, 시간에 따른 변위 및 이동 속도 방정식을 얻을 수 있다.

상기 <수학식 3>에서 r(t)는 잉곳 성형체 상단부(49)에 적층되는 혼합 액적 스프레이(35)의 시간에 따른 반경 위치를, v(t)는 잉곳 성형체 상단부의 r(t) 위치에서 혼합 액적 스프레이가 반경 방향을 따라 이동하는 속도를, r_max는 혼합 액적 스프레이가 적층되는 최대 반경 위치를, t는 시간을 나타낸다. 상기 수학식은 시간이 0에서 t₀/2의 범위일 때만 유효하며, 이러한 범위를 벗어나게 되면 도 10a에 도시한 바와 같이 상기 변위 혹은 운동속도의 함수 곡선 부분을 주기적으로 변화시키며 운동을 한다. 처음에 혼합 액적 스프레이가 성형체 상단부의 외곽에서 최소속도(v_min: 음의 값)로 안쪽 방향으로 이동한다. 안쪽으로 가까워 질수록 이동속도는 빨라지며 시간이 t₀/2가 되었을 때 혼합 액적 스프레이는 최소 반경에 도달하며 최대속도(v_max: 음의 값)에 이르게 된다. 최소 반경에서 순간적으로 이동방향을 정반대로 하여야 하며 최대속도(v_max: 양의 값)를 시작으로 해서 외곽부로 갈수록 이동속도가 느려지게 된다. 시간이 t₀가 되었을 때 최소속도(v_min: 양의 값)가 되면서 최대 반경에 도달하며 이때를 직선 왕복 운동의 한 주기로 하여 그 후로는 상기와 같은 운동을 계속 반복하게 된다.

그러나 상기에서 설명한 바와 같이 균일한 적층을 위해 혼합 액적 스프레이(35)가 반경 방향을 따라 운동하는 이론적인 이동 속도는 불연속적으로, 특히 최대 운동 속도에서 순간적으로 그 운동 방향을 바꿔야 하기 때문에 실제적으로 사용하기 매우 어렵다. 그러므로 본 발명의 경우 대부분의 경로에서 이동속도 v는 반경 위치 r에 반비례 하면서도 전 구간에서 연속적인 운동을 할 수 있는 도 10b에 도시한 바와 같은 연속적인 왕복 운동을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 이동속도를 연속적으로 함으로 해서 최대속도에서도 부드럽게 이동 방향을 바꿀 수가 있어 수평축을 따라 왕복 운동하는 가스분무기(31) 혹은 기판(47)이 별다른 무리 없이 구동할 수 있게 된다. 도 10b에서 살펴볼 때, 액적 스프레이가 적층되는 반경 위치의 변화에 있어 뾰족한 부분 없이 그 왕복 운동 양상이 매우 매끄러운 특징이 있다. 또한 가스분무기 혹은 기판의 상대적인 왕복 운동 속도의 경우에도 10a에 비해서 운동 방향이 바뀌는 부분에서 부드럽게 전환되는 것을 알 수 있다.

상기와 같이 액적 스프레이가 낙하하면서 서로 합체가 되고 혼합 액적 스프레이가 수평축 방향으로 직선 왕복운동 함으로써 균질한 잉곳 성형체를 제조할 수 있다. 본 발명의 경우, 스프레이의 혼합 효과를 극대화 시키고 또한 스프레이의 적층 영역을 더욱 확대하기 위해서, 도 11에서 도시한 바와 같이 기판(47)을 일정한 진폭을 갖고 수직축을 따라 상하로 진동 운동 시킬 수 있다. 기판이 진동하지 않을 경우 혼합 액적 스프레이의 적층 영역은 도 11의 'A' 영역으로 고정되기 때문에 제조할 수 있는 혼합 스프레이의 적층 영역이 좁게 한정된다. 이때, 기판을 수직축을 따라 상하로 일정한 진폭으로 진동시키면 스프레이의 적층 영역이 도 11의 'B'와 같이 증가되어 혼합 스프레이가 넓은 영역에 균일하게 퍼져 스프레이 내부의 열량을 쉽게 분산시킬 수 있다. 이와 같이 기판을 수직축을 따라 진동운동 시킴으로써 스프레이의 혼합이 더욱 용이하게 되며, 잉곳 성형체 상단부에서 스프레이의 적층 영역이 확대되어 좀 더 큰 직경을 갖는 잉곳의 제조가 가능하며, 스프레이의 열적상태를 좀 더 큰 영역으로 분산시킬 수 있어 잉곳 성형체 내부의 열구배를 효과적으로 감소킬 수 있다.

상기와 같이 가스분무기(31) 혹은 기판(47)중의 적어도 어느 하나를 수평축(22) 방향으로 상대적으로 직선 왕복이동 시킴에 따라 기판 중심과 가스분무기간의 수평축 방향의 상대 거리가 주기적으로 변화하게 된다. 이때 혼합된 액적 스프레이(35)가 적층되는 영역이 상기 왕복 이동 운동의 진폭에 의해서 그 직경이 용이하게 조절되기 때문에 대구경 잉곳의 제조가 가능한 장점이 있다. 또한 다수개의 가스분무기를 장착하더라도 혼합 액적 스프레이(35)를 사용함으로써 성장하는 잉곳 성형체(48) 내부에 경계층이 발생하지 않아 균일한 잉곳의 제조가 가능하며, 다수개의 가스분무기를 용이하게 장착함으로써 주조 속도를 한층 향상시킬 수 있다.

[실시예2]

도 12 및 도 13은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳 제조장치을 보여주고 있다. 금속 또는 합금 용탕을 수용하는 턴디쉬(28)의 하부에 수직축(21)과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 소정의 기준축(23)을 중심으로 분무축(32a, 32b, 32c)이 상기 기준축(23) 위의 일정 영역에서 교차하도록 위치한 적어도 두개 이상의 가스분무기(31)를 장착한다. 상기 가스분무기는 그 분무축이 기판(47)을 향해 있으며 공간적인 구성을 볼 때 상기 기준축(23)을 중심으로 환상으로 배열하고 각 분무축은 상기 기준축과 동일한 한점(37)에서 교차하는 것이 가장 바람직하다. 상기 다수개의 가스분무기(31)에서나온 개별 액적 스프레이(34a, 34b, 34c)들이 낙하하면서 서로 혼합되는 소정의 경로에 기판(47)을 위치시키며 상기 기판 위에 잉곳 성형체(48)를 형성시킨다. 잉곳 성형체 상단부의 원주 방향으로 혼합 액적 스프레이(35)를 균일하게 적층시키기 위해 상기 기판(47)은 상기 수직축(21)을 중심으로 회전한다. 또한 상기 기판(47) 위에서 잉곳 성형체(48)가 성장함에 따라서 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 상대적인 높이를 일정하게 유지하기 위해 상기 기판(47)은 상기 수직축(21)을 따라 연속적으로 이동한다. 잉곳 성형체 상단부의 반경 방향으로 액적 스프레이를 균일하게 적층시키기 위해 상기 가스분무기(31) 혹은 상기 기판(47) 중의 적어도 어느 하나를 수평축(22) 방향으로 상대적으로 직선 왕복운동 시키기 위한 가스분무기 왕복운동 수단(74) 혹은 기판 왕복운동 수단(75)을 구비한다. 또한, 부가적으로 상기 기판(47)을 일정한 진폭으로 상기 수직축(21) 방향으로 진동운동 시킬 수 있는 기판 진동운동 수단(76)을 구비할 수 있다.

이하, 도 12를 참조하여 본 실시예의 구성 및 작용에 대해서 상세히 설명한다.

소정의 수평축(22) 방향으로 분무챔버를 상부와 하부로 수평으로 절개한 후 상부챔버(30)가 하부챔버(45)에 대해서 수평 방향으로 왕복 운동을 할 수 있다. 상기 상부챔버(30)의 상단면(73) 위에는 금속 또는 합금 용탕을 수용하는 턴디쉬(28)가 위치하고 있으며, 그 상부에는 용탕공급장치(혹은 래들)(25)가 장착되어 있다. 상기 용탕공급장치의 하부에는 침지 노즐(26)이 위치하고 있으며 이를 통해서 합금 용탕(24a)을 상기 턴디쉬(28)에 공급 한다. 그리고 상기 침지 노즐의 상부에는 합금 용탕의 유출량을 조절할 수 있는 용탕 개폐수단(27)을 배치한다. 또한 상기 상부챔버의 상단면(73)의 아래에는 수직축(21)과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 방향이 기판(47)을 향해 있는 소정의 기준축(23)을 중심으로 일직선상 혹은 환상으로 위치하는 적어도 하나 이상의 가스분무기(31)를 장착한다. 이때, 상기 하나 이상의 가스분무기의 분무축(32a, 32b, 32c)이 상기 기준축(23) 상의 한점(37) 혹은 일정 영역에서 교차하도록 분무축을 조정한다. 상기 턴디쉬(28) 하부에 장착되고 상기 상부챔버 상단면(73)을 관통하여 고정되어 있는 용탕 오리피스(29)를 상기 가스분무기(31)마다 그 상부에 설치한다. 상기 상부챔버(30)의 측면부에는 상기 가스분무기(31)가 잉곳 성형체(48)에 대해서 수평축(22) 방향을 따라서 왕복 운동을 할 수 있게 하는 가스분무기 왕복운동 수단(74)을 설치한다. 가스분무기 왕복운동 수단(74)은 상기 상부챔버(30)를 수평축 방향으로 왕복운동 시키며, 이때 상부챔버(30)에 결합된 가스분무기(31) 및 턴디쉬(28)가 동시에 수평축 방향으로 왕복 운동을 하게 된다.

개별 액적 스프레이(34a, 34b, 34c)들이 서로 만나서 혼합 액적 스프레이(35)로 합체가 되는 소정 위치에 상기 수직축(21)과 기판(47)의 상단면이 수직이 되도록 기판(47)을 위치시킨다. 상기 기판 위에 성형되는 잉곳 성형체(48)의 상단부에서 반경 반향으로 액적 스프레이를 균일하게 적층 시키기 위해서 상기 잉곳 성형체(48)가 부착된 상기 기판(47)을 상기 가스분무기(31)에 대해서 상대적으로 수평축 방향으로 직선 왕복운동 시키는 기판 왕복운동 수단(75)을 구비한다. 상기 기판 왕복운동 수단(75)의 실질적인 효과는 가스분무기 왕복운동 수단(74)과동일한 것으로 상기 두가지 왕복운동 수단(74,75)이 모두 필요한 것은 아니며 둘 중 하나만 구비하면 충분하다. 또한, 잉곳 성형체 상단부에서 원주 방향으로 액적 스프레이를 균일하게 적층시키기 위해 상기 기판(47)을 일정한 각속도로 회전시키는 기판 회전모터(59)을 구비하고 있다. 조업이 진행되어 기판 위에 잉곳 성형체가 성장함에 따라서 가스분무기(31)와 잉곳 성형체 상단부(49) 사이의 상대적인 평균 높이를 일정하게 유지하기 위해 상기 기판(47)을 수직축(21)을 따라 연속적으로 이동시키는 기판 이동모터(62)가 구비되어 있다. 그리고 상기 상부챔버(30)의 하부에는 하부챔버(45)가 위치하며 상기 상부챔버(30) 및 잉곳 성형체(48)를 포함하는 기판구동부(51)를 지지한다.

이하, 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 과정과 연관하여 본 실시예의 구성 및 작용에 대해서 상세히 설명한다.

합금 원료를 아크전기로 혹은 유도용해로에서 용해하여 준비한 합금 용탕(24a)을 용탕공급장치에(25)에 공급한다. 용탕공급장치 하부에 장착된 침지 노즐(26)을 통해서 하부에 위치한 턴디쉬(28)에 합금 용탕(24a)을 공급하며 턴디쉬의 용탕 높이를 조절하기 위해서 상기 침지 노즐에는 스탑퍼와 같은 용탕 개폐수단(27)이 부착되어 유출 되는 합금 용탕의 유출 속도를 제어한다. 턴디쉬에 합금 용탕(24b)이 공급되면 용탕 오리피스(29)를 통해서 합금 용탕이 가스분무기(31)를 관통하여 유출된다. 이때 가스분무기의 하부에서 합금 용탕이 고속의 가스 제트(33)에 의해서 합금 액적으로 분말화 되고 액적 스프레이 형태로 낙하하게 된다. 가스분무를 위한 고압가스는 가스 공급관(도면 미도시)을 통해서 각가스분무기(31)에 공급되고, 각 가스분무기를 통해 유출된 용탕은 액적 스프레이의 형태로 특정 거리를 낙하하다가 충돌하게 되고 서로 혼합되어 하나로 합체된 혼합 액적 스프레이(35)가 된다. 상기 혼합 액적 스프레이는 기판(47) 위에 적층되고 잉곳 성형체(48)를 형성하게 된다.

직경이 큰 잉곳 성형체를 제조하기 위해서는 상기 가스분무기(31)와 상기 기판(47) 사이의 수평축(22) 방향 상대거리를 주기적으로 변화시키는 것이 필요하다. 이러한 운동은 상부챔버(30)의 측면부에 장착된 가스분무기 왕복운동 수단(74)에 의해서 수행되며, 상세하게는 상기 가스분무기(31)를 고정하고 있는 상부챔버(30)가 잉곳 성형체(48)를 지지하는 하부챔버(45)에 대해서 수평축(22) 방향으로 왕복 운동을 하게 된다. 이러한 수평운동은 도 10b에 도시된 운동이 가능한 프로파일을 갖는 캠을 이용하는 것이 간단하며 그 외에도 프로그램이 제어된 스테퍼 모터(Stepper Motor) 혹은 프로그램이 제어된 유압 서보 모터 (Hydraulic Servo Motor)등을 사용 할 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면 가스분무기 왕복운동 캠(39)이 회전을 함으로써 종동절(41)이 좌우 수평 운동을 하며 이것은 가스분무기(31) 및 턴디쉬(28)를 포함한 상부챔버(30) 전체를 수평방향으로 직선 왕복 운동시키게 된다. 이러한 운동 양상은 캠 프로파일 홈(40)의 곡선 형상에 의해서 결정되고 상부챔버의 이동 속도는 액적 스프레이가 적층되는 잉곳 성형체 상단부 위의 반경 위치에 반비례하도록 설계하는 것이 가장 적합하다. 이러한 수평 왕복 운동을 원활하게 하기 위해서 상부챔버의 하단에는 상부챔버 미끄럼판(42)을 하부챔버의 상단에는 하부챔버 미끄럼판(44)을 두고 상기 두개의 미끄럼판 사이에는 밀봉윤활재(43)를 위치시킨다. 상기 밀봉윤활재는 상부챔버가 하부챔버에 대해서 수평 왕복 운동을 할 때 미끄럼 운동에 대한 윤활 작용을 하고 상부챔버 및 하부챔버 내의 분무가스가 외부로 유출 되지 못하도록 밀봉하는 역할을 한다.

한편, 상기 가스분무기(31)와 상기 기판(47) 사이의 수평축(22) 방향 상대거리를 주기적으로 변화시키기 위해서는 가스분무기(31)가 수평축 방향으로 직선 왕복운동 하는 것 이외에도 기판(47)이 수평축 방향으로 직선 왕복운동 하는 것도 가능하다. 이를 위해 기판구동부 하부케이스(53)의 측면부에 기판 왕복운동 수단(75)을 장착한다. 상기 기판 왕복운동 수단(75)의 구성은 가스분무기 왕복운동 수단(74)과 유사하다. 기판구동부 하부케이스(53) 및 상부케이스(52)가 수평축(22) 방향으로 운동을 할 때 이에 결합된 기판구동부(51), 기판 구동축(50), 기판(47) 및 잉곳 성형체(48)가 동시에 수평축 방향으로 왕복 운동을 하게 된다. 이러한 수평축 방향 운동은 도 10b에 도시된 운동이 가능한 프로파일을 갖는 캠을 이용하는 것이 간단하며 그 외에도 프로그램이 제어된 스테퍼 모터(Stepper Motor) 혹은 프로그램이 제어된 유압 서보 모터 (Hydraulic Servo Motor)등을 사용 할 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면 기판 왕복운동 캠(67)이 회전을 함으로써 종동절(69)이 좌우 수평 운동을 하며 이것은 기판구동부 케이스(52,53) 및 기판구동부(51)를 포함하여 잉곳 성형체(48)가 부착된 기판(47)을 수평축 방향으로 직선 왕복 운동시키게 된다. 이러한 운동 양상은 캠 프로파일 홈(68)의 곡선 형상에 의해서 결정되고 기판의 수평방향 이동 속도는 액적 스프레이가 적층되는 잉곳 성형체 상단부 위의 반경 위치에 반비례하도록 설계하는 것이 가장 적합하다.

원형 잉곳의 분무주조 조업에 있어 상기 가스분무기 왕복운동 수단(74)과 상기 기판 왕복운동 수단(75)의 실질적인 작용은 동일한 것이기 때문에 둘 다 구비할 필요할 필요는 없다. 즉, 가스분무기(31) 혹은 기판(47)중의 어느 하나만 수평축 방향으로 왕복운동을 시켜도 조업에는 충분하기 때문에 상기 왕복운동 수단(74,75)중 하나만 구비하면 충분하다. 그러나, 만약 가스분무기(31) 및 기판(47)을 동시에 수평축 방향으로 왕복운동 시키고자 할 경우에는 왕복 주기를 서로 같게 하고 기판의 이동 방향과 가스분무기의 이동 방향은 정반대가 되도록 제어하여 한다. 실제의 조업에 있어 유동성이 있는 합금 용탕을 수용한 턴디쉬를 포함하는 가스분무기(31) 혹은 중량물인 합금 잉곳 성형체를 포함하는 기판(47)을 빠른 속도로 왕복 운동 시키는 것은 어렵다. 이러한 경우 가스분무기 및 기판의 수평 방향 이동 속도를 작게 하여 동시에 상대적으로 이동시키면 상대적인 왕복 운동 속도는 실제 이동 속도의 2배로 되는 효과가 있다.

기판 위에 잉곳 성형체가 형성되고 성장함에 따라 잉곳 성형체(48)를 수직축(21)을 따라 회전시키며 하강 시켜야만 원주 방향을 따라서 균일한 잉곳 성형체를 계속해서 성장시킬 수 있다. 이를 위해 기판은 수직축을 따라 회전하면서 동시에 상하로 이동할 수 있도록 기판 회전 모터(59)와 기판 이동 모터(62)를 장착한다. 길이 방향으로 길게 홈이 가공된 내측 스프라인 샤프트(internal spline shaft)(60)를 기판 회전 모터의 중심축에 연결하고 내측 스프라인 샤프트가 관통된 상태에서 상하 이동을 할 수 있는 외측 스프라인 샤프트(external spline shaft)(61)을 설치한다. 외측 스프라인 샤프트는 기판(47)과 고정되어 함께 움직인다. 기판 회전 모터(59)가 회전하면 내측 스프라인 샤프트(60), 외측 스프라인 샤프트(61), 기판(47) 및 잉곳 성형체(48)가 동시에 함께 회전 하게 된다. 또한, 기판 이동 모터(62)를 회전시키면 체인(63)을 통해서 다수개의 체인 스프라켓(64)으로 회전 운동이 전달되고 각 체인 스프라켓에 연결된 나선봉(65)이 동시에 회전하게 된다. 나선봉의 회전 운동은 너트 플레이트(66)의 상하 직선운동으로 바뀌게 되며 그 상부에 장착된 기판 구동축(50), 외측 스프라인 샤프트(61), 기판(47) 및 잉곳 성형체(48)가 일체가 되어 상하로 이동하게 된다. 특히, 외측 스프라인 샤프트는 내측 스프라인 샤프트와 함께 회전하면서 상하로 서로 미끄러질 수 있기 때문에 기판에 회전 운동을 전달하면서 동시에 상하로 이동할 수 있다. 이와 같이 가스분무기와 기판간의 상대적인 직선 왕복 운동 및 기판의 회전 운동에 의해서 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에 균일하게 적층되면 잉곳 성형체가 길이 방향으로 일정한 속도로 성장하게 된다. 이때 기판을 성형체의 성장과 반대의 방향으로 그 성장 속도와 동일한 속도로 이동 시킴으로써 일정한 직경을 갖는 길다란 잉곳 성형체를 제조 할 수 있다.

도 13에 도시한 바와 같이, 상기 기판(47)을 수직축(21) 방향으로 일정한 진폭으로 진동 운동시키는 기판 진동운동 수단(76)을 기판 구동부(51)의 하부에 부가적으로 장착할 수 있다. 잉곳 성형체를 부착한 기판을 수직축 방향으로 진동운동 시키면 적층되는 혼합 액적 스프레이의 혼합 효과를 극대화할 수 있고, 적층되는 영역을 좀더 확대할 수 있으며 또한 열을 균일하게 분산시킬 수 있는 장점이 있다. 진동운동에 대해서 구체적으로 설명하면, 기판 진동용 모터(55)를 회전시킬때 진동용 체인(57)을 통해서 다수개의 진동용 체인 스프라켓(58)으로 회전 운동이 전달되고 각 진동용 체인 스프라켓에 연결된 진동용 나선봉(56)이 동시에 회전하게 된다. 진동용 나선봉(56)의 회전 운동은 기판진동용 너트 플레이트(54)의 상하 진동 운동으로 바뀌게 되며 그 상부에 장착된 기판 구동부(51), 기판(47) 및 잉곳 성형체(48)가 일체가 되어 상하로 운동하게 된다. 이때 기판 진동용 모터(55)의 회전 방향을 일정 시간 간격마다 바꾸어 주면 기판은 일정한 진폭을 갖고 수직 방향으로 진동 운동을 수행하게 된다. 이러한 진동 운동은 프로그램이 제어된 스테퍼 모터(Stepper Motor)로 용이하게 구현이 가능하며 그외에도 프로그램이 제어된 유압 서보 모터 (Hydraulic Servo Motor) 혹은 진동운동이 가능한 프로파일을 갖는 캠등을 사용 할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳의 제조방법 및 제조장치에 의하면, 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 수평축 방향 상대거리를 주기적으로 변화시키는 직선 왕복 운동 및 가스분무기에 대한 잉곳 성형체의 회전 운동의 제어를 통해서 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 위치별 질량분포를 균일하게 하고 그 적층 영역을 확대함으로써 내부의 미세조직이 균질하면서도 대구경의 직경을 갖는 잉곳을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다수개의 가스분무기로부터 유출된 액적 스프레이를 낙하하는 도중 서로 균질하게 혼합시켜 잉곳 성형체 상단면 위에 적층시킴으로서 각기 다른 액적 스프레이의 적층에 의한 잉곳 성형체 내의 미세조직 차이를 제거할 수 있고, 또한 다수개의 가스분무기를 동시에 적용함으로 해서 주조속도를 대폭적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 수직축과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 방향이 기판을 향해 있는 소정의 기준축을 중심으로 가스분무기의 분무축이 상기 기준축 위의 일정 영역에서 교차하도록 적어도 두개 이상의 가스분무기를 위치시키는 단계;

   상기 다수개의 가스분무기를 이용하여 금속 혹은 합금 용탕을 미세한 액적 스프레이로 만들며 상기 액적 스프레이들을 일정 거리 낙하시킨 후에 서로 충돌시켜 하나의 혼합 액적 스프레이로 균일하게 혼합시키는 단계;

   상기 액적 스프레이들이 낙하하며 동시에 서로 혼합되는 경로의 소정 위치에 상기 수직축과 기판의 상단면이 서로 수직이 되도록 기판을 위치시키는 단계;

   상기 혼합 액적 스프레이를 상기 기판 위에 연속적으로 적층시켜 잉곳 성형체를 형성시키고 상기 수직축을 따라 잉곳 성형체를 성장시키는 단계;

   상기 혼합 액적 스프레이가 상기 잉곳 성형체의 상단부 위에서 그 반경 방향으로 직선 왕복 운동 하기 위해서 상기 가스분무기 혹은 상기 기판중의 적어도 어느 하나를 수평축 방향으로 상대적으로 직선 왕복운동 시키는 단계;

   상기 혼합 액적 스프레이가 상기 잉곳 성형체의 상단부 위에서 그 원주 방향으로 회전운동 하기 위해서 상기 기판을 상기 수직축을 중심으로 회전운동 시키는 단계 및;

   상기 잉곳 성형체의 상단부와 상기 가스분무기 사이의 상기 수직축 방향의 상대 높이가 일정하게 유지되도록 하기 위해 상기 수직축을 따라서 상기 잉곳 성형체의 성장 방향과 반대로 상기 기판을 연속적으로 이동시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 가스분무기가 일정한 진폭을 갖고서 상기 수평축 방향을 따라 직선 왕복 운동하고 상기 기판은 직선 왕복 운동하지 않는 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판이 일정한 진폭을 갖고서 상기 수평축 방향을 따라 직선 왕복 운동하고 상기 다수개의 가스분무기는 직선 왕복 운동하지 않는 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판과 상기 가스분무기 사이의 상대적인 직선 왕복운동의 진폭을 제어하여 상기 잉곳 성형체의 직경을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 액적 스프레이의 혼합 효과를 증대하기 위해 상기 기판을 상기 수직축 방향을 따라 일정한 진폭을 갖고 상하로 진동운동 시키는 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 방법.
6. 금속 또는 합금 용탕을 수용하는 턴디쉬;

   상기 턴디쉬 하부에 수직축과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 방향이 기판을 향해 있는 소정의 기준축을 중심으로 분무축이 상기 기준축 위의 일정 영역에서 교차하도록 위치한 적어도 두개 이상의 가스분무기;

   상기 다수개의 가스분무기에서 나온 액적 스프레이를 적층시켜 잉곳 성형체로 성형하기 위해 상기 수직축을 중심으로 회전하며 상기 수직축 방향을 따라 연속적으로 이동하는 기판 및;

   상기 다수개의 가스분무기를 수평축 방향으로 직선 왕복운동 시키기 위한 가스분무기 왕복운동 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 가스분무기 왕복운동 수단은 프로파일로 제어된 캠, 프로그램 제어된 스테퍼 모터, 혹은 프로그램 제어된 유압 서보모터인 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 기판은 일정한 진폭을 갖고 상기 수직축 방향으로 진동 운동 할 수 있는 기판 진동운동 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 장치.
9. 금속 또는 합금 용탕을 수용하는 턴디쉬;

   상기 턴디쉬 하부에 수직축과 이루는 각도가 0에서 90도 사이이고 방향이 기판을 향해 있는 소정의 기준축을 중심으로 분무축이 상기 기준축 위의 일정 영역에서 교차하도록 위치한 적어도 두개 이상의 가스분무기;

   상기 다수개의 가스분무기에서 나온 액적 스프레이를 적층시켜 잉곳 성형체로 성형하기 위해 상기 수직축을 중심으로 회전하며 상기 수직축 방향을 따라 연속적으로 이동하는 기판 및;

   상기 잉곳 성형체를 부착한 상기 기판을 수평축 방향으로 직선 왕복운동 시키기 위한 기판 왕복운동 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 기판 왕복운동 수단은 프로파일로 제어된 캠, 프로그램 제어된 스테퍼 모터, 혹은 프로그램 제어된 유압 서보모터인 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 기판은 일정한 진폭을 갖고 상기 수직축 방향으로 진동 운동 할 수 있는 기판 진동운동 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 금속 혹은 합금 잉곳의 분무주조 장치.