KR100488876B1 - 수소가스 혼입 방지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소가스 혼입 방지 장치에 관한 것으로서, 중력 주조시 사용되고 있는 보온로 입구에 불활성가스를 분사하여, 그 내부의 용탕이 대기와 차폐되도록 함으로써, 용탕의 내부에 대기로부터 수소가스가 혼입되는 것을 방지하는 동시에 산소에 의한 용탕 상부에 산화물이 발생되는 현상을 방지할 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 용융된 합금이 주입되어 있는 보온로의 입구에 설치되는 여러개의 가스분사노즐과; 상기 가스분사노즐와 연결되어 분사압을 조절하는 압력 레귤레이터와; 상기 압력 레귤레이터와 연결되어 가스공급을 개폐하는 솔레노이드 밸브와; 상기 솔레노이드 밸브와 연결되어 가스공급량을 감지하는 유량감지센서와; 상기 유량감지센서와 연결되어 가스공급을 담당하는 가스공급장치와; 상기 솔레노이드 밸브 및 유량감지센서에 신호교환 가능하게 연결되는 제어장치로 구성된 것을 특징으로 하는 수소가스 혼입 방지 장치를 제공한다

Description

수소가스 혼입 방지 장치{Device for preventing intrusion of hydrogen gas}

본 발명은 수소가스 혼입 방지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중력주조법에 의한 제품 제조시 불활성 가스를 이용하여 보온로의 용탕을 대기와 차폐시켜 용탕의 내부로 수소가스가 혼입되는 것을 방지함으로써, 제품 품질 향상 및 물성 향상을 도모할 수 있도록 한 수소가스 혼입 방지 장치에 관한 것이다.

중력주조시 사용되는 보온로의 주된 역할은 주조 합금을 용해로에서 용해 후 주조전 온도편차에 의한 주조 불량을 줄이기 위하요 용탕을 일정한 온도로 유지시키는 점에 있다.

첨부한 도 4는 중력주조시 사용되는 종래의 보온로와, 용탕 주입컵을 나타내는 개략도이다.

상기 보온로(20)의 내부에는 용탕(10)이 주입되어 있고, 용탕(10)의 상면에는 대기와 닿아 산화물이 발생되어 있으며, 보온로(20)의 위쪽에는 용탕을 주입하는데 사용하는 용탕 주입컵(40)이 위치되어 있다.

이러한 종래의 보온로는 다음과 같은 문제점이 있었다.

보온로가 용탕을 일정한 온도로 유지시켜 주고 있는 상태에서 용탕은 대기에 노출된 상태인 바, 주조시 결함 발생의 원인이 되는 수소가 대기 중에서 용탕의 내부로 혼입되어 용탕 내부의 수소가스 함량이 높아지게 된다.

또한, 대기에 노출된 용탕이 산소와 반응하여 산화물이 용탕 상부에 발생하여 존재하게 된다.

이렇게 용탕 내부의 수소가스 함량이 높아지고 산화물이 주조시 혼입될 경우, 제품 내부에 미세한 구멍(pin hole)이나 기공(blow hole) 또는 수축 공동 (shrinkage cavity)과 같은 내부 결함을 나타내게 되고, 이러한 결함은 제품 수명에 악영향을 미치게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 용탕이 주입되어 있는 보온로의 입구 위치에 PID 컨트롤러에 의하여 압력 및 분사량이 조절되는 가스분사장치를 설치하여, 보온로의 입구에 불활성가스를 분사시켜줌으로써, 보온로의 입구에 에어커튼과 같은 막이 형성되어 용탕이 대기와 차폐도어지고, 그에따라 용탕 내부의 수소가스 함량이 저감되고 산화물의 생성이 줄어들어 안정적이면서 고품질의 중력주조품을 제조할 수 있는 수소가스 혼입 방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 용융된 합금이 주입되어 있는 보온로의 입구에 설치되는 여러개의 가스분사노즐과; 상기 가스분사노즐와 연결되어 분사압을 조절하는 압력 레귤레이터와; 상기 압력 레귤레이터와 연결되어 가스공급을 개폐하는 솔레노이드 밸브와; 상기 솔레노이드 밸브와 연결되어 가스공급량을 감지하는 유량감지센서와; 상기 유량감지센서와 연결되어 가스공급을 담당하는 가스공급장치와; 상기 솔레노이드 밸브 및 유량감지센서에 신호교환 가능하게 연결되는 제어장치로 구성된 것을 특징으로 하는 수소가스 혼입 방지 장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 보온로의 입구에는 용탕을 주입하는 용탕주입컵의 이동을 감지하는 위치감지센서가 상기 제어장치와 신호 교환 가능하게 연결 설치된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 가스분사노즐들은 보온로의 개방된 입구 전체에 가스를 분사하여 막을 형성할 수 있도록 보온로의 입구 일측에 나란하게 배열된 것을 특징으로 한다.

바람직하기로는, 상기 가스공급장치로부터 공급되는 가스는 불활성 가스를 사용하는 것이 좋다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 설명한다.

첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 수소가스 혼입 방지 장치가 중력주조법에 의한 주조 시 사용되는 보온로에 설치된 상태를 나타내는 개략도이다.

본 발명은 중력주조법에 의한 제품 제조시 불활성 가스를 이용하여 보온로의 용탕을 대기와 차폐시켜 용탕의 내부로 수소가스가 혼입되는 것을 방지하고, 그에따라 주조 제품의 품질 향상 및 물성 향상을 도모할 수 있도록 한 것이다.

이를 위한 본 발명의 수소가스 혼입 방지 장치의 주요 구성은 용탕이 주입되어 있는 보온로의 입구측에 설치되어진다.

용융된 합금이 주입되어 있는 상기 보온로(20)의 입구에 여러개의 가스분사노즐(50)을 설치하는 바, 상기 가스분사노즐(50)들은 보온로(20)의 개방된 입구 전체에 가스를 분사하여 막을 형성할 수 있도록 보온로(20)의 입구 일측(원주면을 따라)에 나란하게 배열시켜 설치하게 된다.

상기 각각의 가스분사노즐(50)은 파이프에 의하여 가스의 분사압력을 조절하는 압력 레귤레이터(100)와 연결되어진다.

또한, 상기 압력 레귤레이터(100)에는 파이프에 의하여 솔레노이드 밸브(90)가 연결되는데, 이 솔레노이드 밸브(90)는 온/오프되면서 가스의 공급을 허용하거나 차폐시키는 개폐 기능을 하게 된다.

또한, 상기 솔레노이드 밸브(90)에는 파이프에 의하여 가스공급량을 감지하는 유량감지센서(110)가 연결되고, 이 유량감지센서(110)에는 불활성가스(예를들어, 질소와 아르곤등)가 충진되어 있는 가스공급장치(80)가 연결되어진다.

한편, 상기 솔레노이드 밸브(90) 및 유량감지센서(110)에는 신호교환 가능하게 제어장치(70)(예를들면, PID 컨트롤러)가 연결되는 바, 제어장치(70)는 솔레노이드 밸브(90)에 온/오프 제어 신호를 보내고, 유량감지센서(110)의 감지신호를 받아들이게 된다.

특히, 상기 보온로(20)의 입구에는 용탕을 주입하는 용탕주입컵(40)의 이동을 감지하는 위치감지센서(60)가 설치되어, 용탕을 주입하기 위한 동작으로 용탕주입컵(40)이 보온로(20)의 입구에 위치되는 경우를 감지하게 된다.

물론, 상기 위치감지센서(60)도 제어장치(70)와 연결되어, 용탕주입컵(40)의 위치를 감지한 감지신호를 제어장치(70)에 보내게 된다.

여기서, 이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 수소가스 혼입 방지 장치가 작동되는 상태를 설명한다.

용해로에서 용융된 합금(알루미늄,철,마그네슘 등)을 용탕주입컵(40)을 이용하여 보온로(20)로 주입하게 되면, 이때 용탕주입컵(40) 또는 용탕의 위치를 상기 위치감지센서(60)에서 감지하여, 이 감지된 위치 정보를 제어장치(70)에 송신하게 된다.

이때, 상기 용탕주입컵(40)이 보온로(20)의 입구에 위치된 경우에는 상기 제어장치(70)는 솔레노이드 밸브(90)에 전류신호를 보내어 솔레노이드 밸브(90)를 오프시킴에 따라, 가스공급이 진행되지 않게 한다.

그 이유는 상기 가스분사노즐(50)로부터 분사되는 불활성가스가 보온로(20)의 입구에 막을 형성하고 있으므로, 이 불활성 가스막이 용탕주입컵(40)의 간섭을 받게 되는 것을 방지하기 위함이다.

반면에, 상기 용탕주입컵(40)이 보온로의 입구에서 감지되지 않는 경우에는 상기 제어장치는 솔레노이드 밸브(90)에 전류신호를 보내어 솔레노이드 밸브(90)를 온시킴에 따라, 가스공급이 진행되어진다.

즉, 상기 가스공급장치(80)로부터 불활성가스가 유량감지센서(110)를 통하여 공급되는 바, 이때 유량감지센서(110)의 신호가 상기 제어장치(70)로 입력되면, 제어장치(70)는 솔레노이드 밸브(90)에 전류신호를 보내어 솔레노이드 밸브(90)가 온되게 하고, 동시에 솔레노이드 밸브(90)가 열리게 되어 가스의 공급이 이루어지게 되는 것이다.

계속해서, 상기 불활성가스는 솔레노이드 밸브(90)를 통과하여 압력 레귤레이터(100)로 흐르는 동시에 가스분사노즐(50)을 통하여 보온로(20)의 입구 전체에 분사되어짐으로써, 보온로(20)의 개방된 입구에는 불활성가스에 의한 막이 형성되어, 결국 보온로(20) 내부의 용탕은 상기 불활성 가스 막에 의하여 대기와 차단되어진다.

따라서, 보온로(20)의 내부에 주입되어 있는 용탕(10)으로 대기중의 수소가 혼입되는 것을 용이하게 방지할 수 있고, 산소에 의한 산화물의 발생도 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 압력 레귤레이터(100)를 조작시킴에 따라, 가스분사노즐(50)로부터 분사되는 불활성가스의 분사압력을 조절할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명하되, 하기의 실시예를 하나의 예시일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

본 발명의 불활성 가스를 사용한 대기 차폐 방법에 의한 수소가스 혼입 방지 장치를 이용하여 시편을 하기와 같이 제조하였다.

먼저, 알루미늄 합금을 750℃에서 용융하고 용탕주입컵을 이용하여 보온로에 주입하여 740℃로 보온 유지되도록 하였다. 180℃로 예열시킨 금형에 시편 5kg을 제조하기 위해서 알루미늄 합금 8kg을 주입하여 시편을 성형하였다.

본 발명의 장치가 작동하여 이루어지는 시편 제작을 순서대로 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 용해로에서 750℃로 용융하고 용융된 합금(알루미늄,철,마그네슘 등)을 보온로에 주입하여 740℃로 유지되도록 한다.

상기 위치감지센서가 보온로 상부에 용탕 또는 용탕주입컵의 위치를 감지하여, 용탕주입컵이 없는 것으로 감지한 후, 그 신호를 제어장치에 보내게 된다.

상기 제어장치는 세팅된 조건하에서 불활성 가스(질소 또는 아르곤 등)를 공급할 수 있는 제어 연산을 시작하게 되는데, 상기 유량감지센서로부터 유량감지(5L/min)정보를 받아서, 그 유량 정보에 따라 솔레노이드밸브를 열리게 하는 전류신호를 보내게 된다.

이에, 상기 불활성가스는 솔레노이드밸브를 통과하여 압력 레귤레이터로 흐르는 동시에 가스분사노즐을 통하여 보온로의 입구 전체에 분사되어짐으로써, 보온로의 개방된 입구에는 불활성가스에 의한 막이 형성되어, 결국 보온로 내부의 용탕은 상기 불활성 가스 막에 의하여 대기와 차단되어진다.

이러한 과정을 통하여 제조된 시편의 압탕부 직하면의 금속 조직을 광학 현미경으로 촬영하였는 바, 찰영된 사진은 도 3에 나타낸 바와 같다.

도 3의 사진에서 보는 바와 같이, 시편의 조직에는 미세한 구멍(pin hole)이나 기공(blow hole) 또는 수축 공동(shrinkage cavity)과 같은 내부 결함이 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.

[비교예]

종래에 대기와 노출되어 수소가 혼입되고 산소와의 반응으로 산화물이 존재하게 되는 보온로의 용탕을 이용하여 시편을 하기와 같이 제조하였다.

먼저, 알루미늄 합금을 750℃에서 용융하고 180℃로 예열시킨 금형에 시편 5 kg을 제조하기 위해서 알루미늄 합금 8 kg을 주입하여 시편을 성형하였다.

비교예에 따라 제조된 시편의 압탕부 직하면의 금속 조직을 광학현미경으로 촬영하였고, 그 촬영사진은 도 5에 나타낸 바와 같다.

사진 관찰 결과, 시편의 금속조직에는 미세한 구멍(pin hole)이나 기공(blow hole) 또는 수축 공동(shrinkage cavity)과 같은 내부 결함이 존재함을 확인할 수 있었다.

[실험예]

상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 시편으로 다음과 같이 제품내 결함 함유율을 나타내는 기공율과 보온로의 용탕의 표면에 발생된 산화물 두께를 측정 비교하였다.

- 기공율(Porosity Percentage(%)) : 기공율은 화상분석기(Image Analazer)의 시험방법으로 측정하였고, 그 결과는 다음의 표 1에 나타낸 바와 같다.

- 산화물 두께측정 : 보온로의 용탕에 발생된 산화물을 채취하여 시편 경면 연마 후 산화물 두께를 광학현미경(x200)로 측정하였고, 그 결과는 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

구 분	기공율(%)	산화물 두께(mm)
실시예	0.5	3
비교예	2	10

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 중력주조 제품 주조시 본 발명의 불활성 가스를 사용한 대기 차폐 방법에 의한 수소가스 혼입 방지 장치에 의하여 제조된 시편을 종래기술에 따라 제조된 시편과 달리, 기공율이 크게 줄어들었고, 보온로내 용탕 산화물 두께가 30% 정도로 줄어들었음을 알 수 있었다.

즉, 본 발명의 불활성 가스를 사용한 대기 차폐 방법에 의한 수소가스 혼입 방지 장치를 중력 주조시 이용하면, 주조 제품내 기공율 및 산화물 혼입을 줄이면서 고품질의 주조 제품을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 수소가스 혼입 방지 장치에 의하면, 중력 주조시 사용되고 있는 보온로 입구에 불활성가스를 분사하여, 그 내부의 용탕이 대기와 차폐되도록 함으로써, 용탕의 내부에 대기로부터 수소가스가 혼입되는 것을 방지하는 동시에 산소에 의한 용탕 상부에 산화물이 발생되는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이에따라, 용탕의 내부로 수소가스가 혼입되는 현상 및 산화물이 발생되는 현상을 방지함에 따라, 주조 제품의 내부에 미세한 구멍(pin hole)이나 기공(blow hole) 또는 수축 공동(shrinkage cavity)과 같은 내부 결함이 없는 우수한 품질의 중력 주조품를 제조할 수 있는 잇점이 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 수소가스 혼입 방지 장치가 중력주조법에 의한 주조 시 사용되는 보온로에 설치된 상태를 나타내는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 수소가스 혼입 방지 장치를 이용하여 중력주조법에 의한 주조공정을 실시한 후, 그 제조된 주조품에 대한 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진,

도 4는 기존의 중력주조법에 의한 주조시 사용되고 있는 보온로 및 용탕 주입컵을 나타내는 개략도,

도 5는 기존의 보온로에 주입된 용탕 내부에 수소가스가 혼입된 상태에서 중력주조법에 의한 주조공정을 실시한 후, 그 제조된 주조품에 대한 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 용탕 20 : 보온로

30 : 용탕주입컵 40 : 산화물

50 : 가스분사노즐 60 : 위치감지센서

70 : 제어장치 80 : 가스공급장치

90 : 솔레노이드 밸브 100 : 압력레귤레이터

110 : 유량감지센서

Claims (4)

1. 삭제
2. 용융된 합금이 주입되어 있는 보온로의 입구에 설치되는 여러개의 가스분사노즐(50)과, 상기 가스분사노즐(50)과 연결되어 분사압을 조절하는 압력 레귤레이터(100)와, 상기 압력 레귤레이터(100)와 연결되어 가스공급을 개폐하는 솔레노이드 밸브(90)와, 상기 솔레노이드 밸브(90)와 연결되어 가스공급량을 감지하는 유량감지센서(110)와, 상기 유량감지센서(110)와 연결되어 가스공급을 담당하는 가스공급장치(80)와, 상기 솔레노이드 밸브(90) 및 유량감지센서(110)에 신호교환 가능하게 연결되는 제어장치(70)로 구성된 수소가스 혼입 방지 장치에 있어서,

   상기 보온로(20)의 입구에는 용탕(10)을 주입하는 용탕주입컵(40)의 이동을 감지하는 위치감지센서(60)가 상기 제어장치(70)와 신호 교환 가능하게 연결 설치된 것을 특징으로 하는 수소가스 혼입 방지 장치.
3. 삭제
4. 삭제