KR100511104B1 - 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나 이상의 가스분무기에서 유출된 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 위치를 조절하여 적층 영역을 확대하고, 동시에 가스분무기와 잉곳 성형체 사이의 상대적인 회전운동의 제어를 통해서 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에 적층되도록 하며, 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 상대 높이를 주기적으로 변화시키는 진동운동 제어를 통해서 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 위치별 질량분포를 더욱 균일하게 함으로써으로써 잉곳의 미세조직 균질화 및 대구경화를 동시에 구현하는 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법을 제공한다.

또한, 다수개의 가스분무기를 동시에 적용하여 주조속도를 대폭적으로 증가시키고, 가스분무기와 잉곳 성형체간의 회전운동 혹은 진동운동을 적절히 제어하여 각형 잉곳의 제조가 가능한 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법을 제공한다.

Description

분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법{A METHOD FOR SPRAY CASTING OF ALLOY INGOTS}

본 발명은 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적어도 하나 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 방법에 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 1는 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)로 만든다. 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 150mm에서 200mm이내로 제한되기 때문에 액적 스프레이가 적층되는 영역을 넓히기 위해서 스캔닝 가스분무기(6a)가 사용되고 있다.

도 2의 (a)는 스캐닝 가스분무기에 대한 개략도로서, 고압가스 공급관(5)을 회전 진동 운동시키면 고압가스 공급관에 고정된 가스분무기(6a)가 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.

도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 가스분무기의 회전 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 효과보다는 낙하하는 액적 스프레이의 균일한 혼합이라는 측면에서 더 유용한 것으로 판단된다.

기존의 분무주조를 이용한 합금 잉곳 제조 방법은 도 3의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이 잉곳의 길이 방향을 기준으로 수직형, 경사형, 수평형의 세가지로 분류할 수 있다. 수직형의 경우((a)의 경우) 잉곳의 주조가 용이하나 가스분무기의 분무축을 수직에서 경사지게 해야 하므로 고도의 가스분무 기술이 필요하다. 반면에 경사형의 경우((b)의 경우) 분무축이 수직 방향이어서 가장 안정된 가스분무가 수행될 수 있으나 성장하는 잉곳이 경사지게 되어 중력을 고려할 때 대중량 잉곳의 제조가 까다로운 단점이 있다. 수평형((c)의 경우)은 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 작고 분무주조 회수율이 60%에서 70% 수준으로 낮다는 단점이 있어 이의 개선을 위해 두개의 가스분무기를 이용하는 기술이 사용되고 있다.

도 4는 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 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.

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

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

셋째, 하나 혹은 두개의 가스분무기를 이용하고 있어 다른 연속주조 혹은 잉곳주조 공정에 비해서 주조 속도가 매우 작다.

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

다섯째, 기존의 분무주조 잉곳 제조 방법은 원형의 잉곳 만을 제조 할 수 있으며 사각 등의 형상을 갖는 각형 잉곳을 제조할 수 없다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 적어도 하나 이상의 가스분무기에서 유출된 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 위치를 조절하여 적층 영역을 확대하고 동시에 가스분무기와 잉곳 성형체 사이의 상대적인 회전운동의 제어를 통해서 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에 적층되도록 함으로써 잉곳의 대구경화가 용이한 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 가스분무기와 잉곳 성형체 사이의 상대적인 회전운동과 더불어 부가적으로 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 상대 높이를 주기적으로 변화시키는 진동운동 제어를 통해서 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 위치별 질량분포를 더욱 균일하게 하고 그 적층 영역을 더욱 확대함으로써 잉곳의 미세조직 균질화 및 대구경화를 동시에 구현하는 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다수개의 가스분무기를 동시에 적용하여 주조속도를 대폭적으로 증가시키고, 가스분무기와 잉곳 성형체간의 회전운동 혹은 진동운동을 적절히 제어하여 각형 잉곳의 제조가 가능한 금속 혹은 합금의 분무주조 잉곳에 대한 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법은,

소정의 기준축에 대해서 분무축이 이루는 각도(분무경사각)가 0도에서 90도 사이이고 기판을 향해 있는 적어도 하나 이상의 가스분무기를 상기 기준축을 중심으로 주변에 위치시키는 단계;

상기 하나 혹은 다수개의 가스분무기를 이용하여 금속 혹은 합금 용탕을 미세한 액적 스프레이로 만드는 단계;

상기 액적 스프레이들이 낙하하는 경로의 소정 위치에 상기 기준축과 기판의 상단면이 서로 수직이 되도록 기판을 위치시키는 단계;

상기 액적 스프레이들을 상기 기판위에 연속적으로 적층시켜 잉곳 성형체를 형성시키고 상기 기준축을 따라 상기 잉곳 성형체를 성장시키는 단계;

상기 액적 스프레이들이 상기 잉곳 성형체의 상단부 위에서 그 원주 방향으로 회전운동 하기 위해서 상기 가스분무기 혹은 상기 기판 중의 적어도 어느 하나를 상기 기준축을 중심으로 상대적으로 회전 운동 시키는 단계;

상기 잉곳 성형체 상단부의 위치와 상기 가스분무기의 위치와의 상대적인 거리가 일정하게 유지되도록 하기 위해 상기 기준축을 따라서 상기 잉곳 성형체의 성장 방향과 반대로 상기 기판을 연속적으로 이동시키는 단계 및;

부가적으로 상기 액적 스프레이들이 상기 잉곳 성형체의 상단부 위에서 그 반경 방향으로 진동운동 하기 위해서 상기 가스분무기 혹은 상기 기판 중의 적어도 어느 하나를 상기 기준축 방향으로 상대적으로 진동운동 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

[실시예1]

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳 제조방법을 보여주고 있다. 소정의 기준축(31)을 기준으로 분무경사각(35)이 0도에서 90도 사이에 있는 적어도 하나 이상의 가스분무기(43)를 상기 기준축(31)을 중심으로 주변에 위치시킨다. 이때 가스분무기는 그 분무축(44)이 기판을 향해 있으며 상기 기준축을 중심으로 360도 빙 돌아가며 위치 시키는 것이 바람직하다. 턴디쉬(33)의 밑면에 장착된 용탕 오리피스(34)를 통해서 합금 용탕이 흘러 나올 때, 상기 하나 이상의 가스분무기를 이용하여 금속 혹은 합금 용탕을 분무 형태의 합금 액적으로 만든다. 이러한 액적 스프레이(58)들은 매우 빠른 속도로 낙하하며 분사된 가스 제트에 의해서 냉각 및 응고 과정을 거치게 된다. 액적 스프레이가 낙하하는 경로의 소정 위치에 상기 기준축과 그 상단면이 수직이 되도록 기판(62)을 위치시키면 반응고 상태의 액적 스프레이가 기판 위에 쌓이며 잉곳 성형체(61)를 형성하기 시작한다. 상기 기판 위의 전체 영역에서 액적 스프레이가 적층되도록 하기 위해서 상기 가스분무기(43) 혹은 상기 기판(62) 중의 적어도 어느 하나를 상기 기준축(31)을 중심으로 상대적으로 회전시킨다. 상기 잉곳 성형체가 성장함에 따라 상기 잉곳 성형체를 상기 기준축을 따라 성장의 반대 방향으로 연속적으로 이동시키면 긴 잉곳 성형체를 얻을 수 있다. 이때 잉곳 성형체의 형상은 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부(60) 위에 적층하는 위치(59)에 의해서 결정되고, 잉곳 성형체 상단부에서 기준축 방향으로의 성장 높이를 전체 영역에서 같도록 하기 위해서는 위치별 적층되는 액적 스프레이의 질량 분포를 균일하게 해야 한다.

상기와 같이 다수개의 가스분무기를 동시에 사용하면 분무주조 속도를 하나의 가스분무기를 사용하는 경우보다 사용된 가스분무기의 수량만큼 생산속도를 증가시킬 수 있다. 도 3과 도 4에 도시한 기존의 분무주조 방법에 있어서 중심축을 기준으로 한 쪽의 방향에만 가스분무기(6,6a,6b)를 위치시키기 때문에 공간적으로 가스분무기를 다수개 설치하는 것이 매우 어려웠다. 본 발명의 경우, 도 5에 도시한 바와 같이 상기 기준축(31)을 중심으로 하여 다수개의 가스분무기(43)를 환상으로 배열하기 때문에 기존의 분무주조 방법에 비해서 다수개의 가스분무기를 위치시킬 공간이 충분하여 다수개의 가스분무기 설치에 매우 유리하다. 본 발명에 있어, 다수개의 가스분무기의 적용은 주조 속도를 증가시키는 효과 이외에도 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부 위에 적층되는 영역을 확대할 수 있는 장점을 갖고 있다. 다수개의 가스분무기를 동시에 적용하는 방법은 각 가스분무기로부터 유출된 액적 스프레이가 성형체 상단부에 적층되는 반경 위치를 설정하는 방식에 따라서 다음과 같이 두 가지로 대별할 수 있다.

첫째, 가스분무기의 각각으로부터 생성된 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부(60)에서 기준축(31)에 대해서 동일한 반경 위치에 충돌하도록 상기 가스분무기(43)의 위치 및 분무경사각(35)을 조정하는 것이다. 이와 같이 동일한 반경 위치에 적층하게 하는 가스분무기의 위치와 분무경사각의 조합은 무수히 많다. 그 중에서 도 6에 도시한 방법은 가스분무기를 기준축을 중심으로 하는 동심원 상에 동일한 원주각마다 하나씩 위치시키고 각 가스분무기(43)의 분무경사각(35)을 동일하게 조정하는 것이다. 본 방법은 가스분무기의 공간적 배열이 가장 단순하여 적용하기 편리하기 때문에 가장 바람직하다. 도 6는 4개의 가스분무기를 사용하는 것을 예시한 것으로 하나의 가스분무기를 사용하는 경우와 비교할 때 제조되는 잉곳 성형체의 직경을 동일하게 하는 경우 그 주조속도를 4배 정도 빠르게 할 수 있다는 장점이 있다. 본 방법은 각 액적 스프레이가 상기 기준축에 대해서 대칭적이기 때문에 균일한 직경을 갖는 잉곳의 대량 생산에 적합하다.

둘째, 가스분무기의 각각으로부터 생성된 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부(60)에서 그 중심축에 대해서 서로 다른 반경 위치에 충돌하도록 가스분무기(43)의 위치 혹은 분무경사각(35) 혹은 기판(62)의 위치를 조정하는 것이다. 이와 같이 각 가스분무기에서 유출된 액적 스프레이를 서로 다른 반경 위치에 적층시킴으로써 동일한 반경 위치에 적층 시킨 경우에 비해서 훨씬 대구경의 잉곳 성형체를 제조할 수 있다. 본 방법의 경우 동일한 분무경사각을 갖는 다수개의 가스분무기를 성형체 상단부에 대한 상대 높이를 서로 달리하여 배열시키는 것이 가장 단순하다. 도 7은 그 구체적인 예를 설명하는 것으로서, 분무경사각(35)이 동일한 가스분무기를 상기 기준축(31)을 중심으로 하는 원추면(Conic Surface) 위의 서로 다른 높이에 동일한 원주각마다 하나씩 위치시켜서 다수개의 가스분무기(43)를 배열하고 있다. 본 방법은 각각의 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부(60)의 서로 다른 반경 위치에 적층되기 때문에 대구경의 잉곳 제조에 유리하며 그 구성 또한 단순하다는 장점이 있다. 그러나 제조하고자 하는 잉곳의 직경이 바뀔 때 각 가스분무기의 위치를 각각 조정해야 하는 단점이 있다. 또한 가스분무기의 상대 높이가 서로 다르기 때문에 턴디쉬(33) 내의 용탕 높이가 동일하다고 가정하는 경우 각 가스분무기를 통한 용탕의 유출 속도가 다를 수 있다. 각 가스분무기를 통한 용탕의 유출량이 다르면 적층되는 액적 스프레이의 양도 변화하기 때문에 각 액적 스프레이의 적절한 적층 위치를 결정하는데 상당한 시간과 노력이 필요하다.

상기와 같이 각 가스분무기의 상대 높이가 다르면 용탕 유출 속도가 서로 다르게 되므로 각 가스분무기의 상대 높이를 같게 하면서 각 가스분무기에서 유출된 액적 스프레이를 서로 다른 반경 위치에 적층 시키는 것이 필요하다. 가스분무기의 상대 높이를 동일하게 유지하면서도 각 가스분무기(43)의 상기 기준축(31)과의 거리 및 분무경사각(35)을 조절하여 각 액적 스프레이가 서로 다른 반경 위치에 적층할 수 있는 방법은 무수히 많다. 그중에서도 도 8에 도시한 바와 같이, 분무경사각이 동일한 가스분무기를 상기 기준축(31)을 중심으로 동심원 상에 위치시키면서도 적층되는 반경 위치를 조절할 수 있는 방법이 가장 단순하고 용이하다. 즉, 도 6의 가스분무기의 배열 상태를 그대로 유지하고 부가적으로 기판의 회전축(85)을 상기 기준축(31)에 대해서 화살표로 표시한 것처럼 소정 거리만큼 수평방향으로 벗어나게 위치시킨 후 기판(62)을 상기 회전축(85)을 중심으로 회전시킴으로써 잉곳 성형체 상단부(60)의 서로 다른 반경 위치에 각각의 액적 스프레이를 적층시킬 수 있다. 이러한 방법은 도 6의 단순한 가스분무기 배열 상태를 적용하고도 기준축에 대한 기판의 수평 이동에 의해서 잉곳 성형체의 직경을 용이하게 조절 할 수 있고 각 가스분무기로부터 유출되는 액적 스프레이의 양을 동일하게 제어하기 쉬운 장점이 있다.

상기와 같이 다수개의 가스분무기를 사용하여 대구경 잉곳 성형체의 상단부에 액적 스프레이를 균일하게 적층시키기 위해서는 각각의 액적 스프레이가 충돌하는 성형체 상단부 위의 반경 위치를 적절하게 조정해야 한다. 본 발명에서는 4개의 가스분무기를 적용하는 경우를 예를 들어 상세히 설명하기로 한다. 도 9에 도시한 바와 같이 성형체 상단부(60)를 원주 방향으로 그 면적이 A₁, A₂, A₃, A ₄인 4개의 면적소로 나누고 4개의 액적 스프레이 I, II, III 및 IV를 상기 4개의 면적소에 각각 적층시킨다. 각각의 액적 스프레이의 양은 같다고 가정할 때 잉곳 성형체 상단부의 각 면적소에서의 성장 높이를 균일하게 하기 위해서는 각 면적소의 넓이는 동일해야 한다. 각 면적소의 넓이가 같아지는 경계를 결정하는 반경 위치는 s₁=0.50R, s₂=0.71R, s₃=0.87R, s₄=R이 되며(여기에서 R은 잉곳 성형체의 반경), 각 액적 스프레이는 이러한 반경 경계들 사이의 영역에 각각 적층되어야 한다. 예를 들어 액적 스프레이가 상기 반경 경계들의 중앙 부분에 적층되도록 하고자 한다면 액적 스프레이가 적층되는 반경 위치는 r₁=0.25R, r₂=0.60R, r₃=0.79R, r₄=0.93R이 된다. 각 액적 스프레이의 적층 영역이 상기 반경 경계 영역보다 크다면 상기 반경 경계 부근에서 액적 스프레이가 서로 중첩되면서 잉곳 성형체 상단부 전체 영역에서 균일하게 적층이 일어나게 된다. 만약에 n개의 가스분무기를 적용하는 경우, k번째 면적소를 구분하는 경계의 반경 위치(s_k)는 하기 <수학식 1>와 같이 결정할 수 있다.

상기 <수학식 1>를 이용하여 면적소를 분할하는 경계를 결정하고, 각 경계 사이의 소정 위치에 각 액적 스프레이가 충돌하도록 가스분무기의 위치를 조정하면 성형체 상단부를 균일하게 성장시키면서 대구경 잉곳 성형체를 제조할 수 있다.

상기와 같이 각 액적 스프레이가 적층되는 반경 위치를 적절하게 조절하여도 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에 액적 스프레이가 적층하기 위해서 소정의 회전운동이 필요하다. 즉, 상기 기준축(31)을 중심으로 하여 액적 스프레이(58)를 잉곳 성형체 상단부(60) 위에서 상대적으로 회전시키면 잉곳 성형체 상단부의 원주 방향을 따라서 액적 스프레이를 균일하게 분산시킬 수 있다. 액적 스프레이들이 잉곳 성형체 상단부(60) 위에서 원주 방향으로 상대적인 회전운동을 하기 위해서는 상기 가스분무기(43) 혹은 상기 기판(62) 중의 적어도 어느 하나를 상기 기준축(31)을 중심으로 상대적으로 회전 운동 시키면 된다. 본 발명에 따른 가스분무기의 기판에 대한 상대적인 회전 효과를 얻는 방법으로는 (1) 가스분무기만의 회전, (2) 기판만의 회전, (3) 가스분무기 및 기판의 동시 회전의 세 가지가 있으며 원형의 잉곳 성형체를 제조하기 위해서는 일정한 각속도로 회전시키면 된다.

본 발명에 따른 액적 스프레이의 상대적인 회전 효과를 얻는 첫 번째 방법은 기판(62)은 회전하지 않으며 상기 기준축(31)을 중심으로 가스분무기(43)가 회전 운동을 하는 것이다. 이와 같이 가스분무기를 회전시키면 액적 스프레이(58)가 회전하며 낙하하기 때문에 공간상에서 액적 스프레이가 서로 혼합되는 효과가 있다. 다양한 크기의 액적으로 구성된 액적 스프레이가 공간상에서 서로 충돌하여 균일한 형태의 스프레이로 바뀌며 이로 인해 더욱 균일하게 잉곳 성형체 위에 쌓이게 된다. 이러한 액적 스프레이의 실시간 혼합은 최종 잉곳 성형체(61)의 미세조직을 좀 더 균일하게 한다. 종래의 분무주조 기술의 경우 잉곳 성형체를 부착한 기판이 회전해야 하기 때문에 잉곳 성형체의 길이에 제한이 있었다. 잉곳 성형체와 기판은 몇 개의 고정핀으로 연결되어 있기 때문에 잉곳 성형체의 길이가 너무 길어지면 안정되게 회전시키는 것이 거의 불가능하다. 그러나 본 발명의 경우 잉곳 성형체는 회전하지 않기 때문에 상기 기준축 방향을 따라 매우 긴 잉곳 성형체를 안정적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 액적 스프레이의 상대적인 회전 효과를 얻는 두 번째 방법은 상기 가스분무기(43)는 회전하지 않고 잉곳 성형체(61)가 부착된 기판(62)만을 회전시키는 것이다. 가스분무기를 회전시키는 경우 그 상부에 있는 턴디쉬(33) 및 수용된 합금 용탕도 함께 회전해야 하므로 안전상 그 회전속도를 너무 빠르게 할 수는 없다. 그러나 기판을 회전시키는 경우 그 회전속도를 빠르게 할 수 있으며 기계 구조의 입장에도 용이한 장점을 갖고 있다. 또한 세 번째 방법으로써, 기판(62)과 가스분무기(43)를 동시에 회전시키면 두 가지의 장점을 함께 취할 수 있다. 이때 기판과 가스분무기의 회전 방향을 서로 정반대로 하여 회전시켜야만 가스분무기의 회전에 의한 액적 스프레이의 혼합 효과를 얻으면서도 기판에 대한 상대적인 회전 속도를 크게 할 수 있다.

상기와 같이 각 액적 스프레이가 적층되는 반경 위치를 적절하게 조절하고 가스분무기를 기판에 대해서 상대적으로 회전시키면 액적 스프레이들이 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에 연속적으로 적층하게 된다. 이때 잉곳 성형체(61)는 상기 기준축(31) 방향으로 성장하게 되고, 잉곳 성형체가 일정한 속도로 성장하면서도 동일한 직경을 유지하기 위해서는 잉곳 성형체 상단부의 위치와 가스분무기의 위치 사이의 상대적인 높이를 일정하게 유지해야 한다. 그러므로 상기 상대 높이가 일정하게 하기 위해서는 상기 기준축을 따라서 기판을 잉곳 성형체의 성장과 반대의 방향으로 연속적으로 이동시켜 주어야 한다. 잉곳 성형체의 평균 직경은 기판의 이동 속도와 밀접한 관계를 갖고 있으며 시간당 적층되는 액적 스프레이의 전체량이 동일하다면 기판의 이동속도는 잉곳 성형체의 평균 직경의 제곱에 반비례해야 한다. 즉, 액적 스프레이가 잉곳 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.

원형 기판을 가정할 때, 잉곳 성형체 상단부(60)의 전체 영역에서 액적 스프레이가 균일하게 적층하기 위해서는 각 액적 스프레이가 적층되는 위치를 적절하게 조절하고 액적 스프레이의 상대적 회전 운동을 통해 원주 방향으로의 액적 스프레이의 질량 분포를 제어함으로써 충분하다. 그러나 좀 더 대구경을 갖는 잉곳을 제조하고자 할 경우에는 부가적으로 잉곳 성형체의 반경 방향을 따라서 액적 스프레이의 질량 분포를 제어할 필요가 있다. 즉 액적 스프레이의 적층 영역 보다 액적 스프레이가 적층해야만 하는 반경 영역이 더욱 크다면 액적 스프레이를 잉곳 성형체 상단부의 반경 방향으로 직선 왕복 운동시키면 반경 방향으로의 질량 분포를 제어 할 수 있다. 이와 같이 원주 방향과 함께 부가적으로 반경 방향으로 액적 스프레이가 적층되는 질량 분포를 동시에 적당히 조절함으로써 대구경을 갖는 잉곳 성형체 상단부의 모든 위치에서 균일한 성장 높이를 얻을 수 있다.

액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부 위에서 그 중심과 외곽 사이의 범위 내에서 반경 방향으로 직선 왕복 운동(진동운동) 하기 위해서는 가스분무기를 같은 높이에서 잉곳 성형체 상단부의 반경 방향을 따라 흔들어 주면 된다. 그러나 이러한 운동은 가스분무기(43)와 결합된 턴디쉬(33) 및 그 수용된 합금 용탕의 좌우 진동을 야기하므로 합금 용탕을 턴디쉬 내에 수용하는 것이 어렵고 고온의 합금 용탕이 좌우로 흔들리기 때문에 조업 사고가 날 위험성이 매우 크다. 또한 다수개의 가스분무기를 장착한 경우 각각의 가스분무기를 독립적으로 직선 왕복 운동 시키는 것은 매우 어렵다. 그러므로 본 발명은 가스분무기(43)와 기판(62) 중의 적어도 어느 하나를 상기 기준축(31) 방향으로 진동 운동시킴으로써 잉곳 성형체 상단부(60)와 가스분무기(43) 사이의 기준축 방향의 상대 높이를 주기적으로 변화시킨다.

도 10은 잉곳 성형체 상단부(60)와 가스분무기(43) 사이의 상대 높이에 따른 액적 스프레이의 반경방향으로의 진동 운동 양상을 보여주고 있다. 가령 상기 상대높이가 H₀와 같이 작으면 액적 스프레이는 성형체 상단부의 바깥 반경부에 적층되고 상기 상대높이가 점차 증가함에 따라서 액적 스프레이의 적층 위치는 성형체 상단부의 중심 반경부에 가까워진다. 상대높이가 최대치인 H₁에 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 진동 주기(t₀)가 되며 진동운동의 진폭은 Δh로 그 값은 H₁-H₀이다.

앞서 설명한 바와 같이, 액적 스프레이들이 잉곳 성형체 상단부 위에서 원주 방향으로 상대적으로 회전운동 하기 위해서는 가스분무기(43) 혹은 기판(62) 중의 적어도 어느 하나를 상기 기준축(31)을 중심으로 일정한 각속도로 회전 운동 시키면 된다. 마찬가지로 상기 상대 높이를 주기적으로 변화시키기 위해서는 가스분무기(43) 혹은 기판(62)의 적어도 어느 하나를 기준축(31) 방향으로 일정한 진폭으로 진동 운동시키면 된다.

도 11은 가스분무기와 기판 사이의 상대적인 회전 운동과 진동 운동의 조합을 통해서 얻을 수 있는 9가지의 잉곳 분무주조 방법을 도시하고 있다. 방법1 내지 방법3은 가스분무기는 진동 운동하고 기판은 진동 운동하지 않는 경우 가스분무기만 회전운동, 기판만 회전운동, 가스분무기 및 기판이 동시 회전운동 하는 방법에 해당된다. 방법4 내지 방법6은 가스분무기는 진동 운동하지 않고 기판은 진동 운동하는 경우 가스분무기만 회전운동, 기판만 회전운동, 가스분무기 및 기판이 동시 회전운동 하는 방법에 해당된다. 방법7 내지 방법9은 가스분무기 및 기판이 동시에 진동 운동하는 경우 가스분무기만 회전운동, 기판만 회전운동, 가스분무기 및 기판이 동시 회전운동 하는 방법에 해당된다.

방법1 내지 방법3은 가스분무기(43)를 상기 기준축 방향으로 진동 운동 시킨 것으로 가스분무기가 기준축을 따라 상승하면 액적 스프레이의 적층 위치는 안쪽으로 이동하고 반대로 하강하면 적층위치는 바깥쪽으로 이동한다. 가스분무기의 진동운동은 액적 스프레이의 적층 영역을 성형체의 반경 방향으로 확대 시켜 주며 부가적으로 낙하하는 액적 스프레이가 공간상에서 서로 혼합되는 효과를 준다. 방법1의 경우 가스분무기가 회전하면서 동시에 진동 운동을 하기 때문에 낙하하는 액적 스프레이는 원주 방향 공간과 높이 방향 공간을 따라 실시간으로 혼합된다. 그러므로 방법1을 사용하면 액적 스프레이를 가장 균질한 상태로 적층시킬 수 있다. 방법2는 가스분무기를 진동시키고 기판을 회전시키는 것으로 대구경 잉곳의 제조에 적합한 장점을 갖고 있다.

방법4 내지 방법6은 기판(62)을 상기 기준축을 따라서 진동 운동 시킨 것으로 기판이 기준축을 따라 상승하면 액적 스프레이의 적층위치는 바깥쪽으로 이동하고 반대로 하강하면 적층위치는 안쪽으로 이동한다. 기판이 진동 운동을 경우 액적 스프레이가 공간상에서 실시간으로 혼합되는 효과는 얻기 힘들며 다만 잉곳 성형체 상단부 위에 적층될 때 서로 혼합되게 된다. 가스분무기의 진동 운동 보다는 기판의 진동 운동이 기계 구조상 구현하기 용이하다. 방법4는 가스분무기를 회전시키고 기판을 진동 운동시키는 것이며, 방법5는 기판을 회전시키면서 동시에 진동 운동시키는 것으로 둘다 비교적 간단한 구조로 대구경 잉곳을 제조할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 합금 잉곳 성형체는 1m이상으로 길고 그 중량 또한 매우 무겁기 때문에 성형체를 포함한 기판을 상당한 거리의 진폭을 갖고 빠르게 진동운동 시키는 것은 쉬운 일이 아니다. 마찬가지로 가스분무기도 진동 운동을 위해서는 합금 용탕을 수용한 턴디쉬를 함께 구동하여야 하기 때문에 상당한 거리의 진폭을 갖고 진동시키는 것은 어렵다. 이러한 경우, 방법7 내지 방법9와 같이 가스분무기기(43)와 기판(62)을 동시에 서로 정반대의 방향으로 각각의 진폭을 절반으로 해서 진동 운동 시키면 진폭 증대 효과를 얻을 수 있다. 이때, 가스분무기가 상승할 때 기판은 하강하고 반대로 가스분무기가 하강할 때 기판은 상승하게 되며 그 각각의 진동주기는 동일해야 한다. 또한 이 방법은 방법1 및 방법4의 경우에 비해서 진폭을 각각 절반으로 줄였기 때문에 동일한 이동 속도에서 진동주기가 절반으로 감소하게 되며 결국 같은 시간에 더 많이 진동할 수는 장점이 있다.

또한, 도 10에서 도시한 바와 같이, 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 상대 높이를 주기적으로 변화시킬 때 상대 높이가 감소하면 액적 스프레이는 성형체 상단부의 바깥쪽으로, 상대 높이가 커지면 액적 스프레이는 성형체 상단부의 안쪽으로 적층한다. 그리고 상대 높이가 큰 경우가 작을 경우에 비해서 적층할 때 까지 액적 스프레이가 낙하하는 거리가 증가하므로 냉각할 시간적 여유가 더 있으며, 또한 적층 위치에서 그 스프레이의 폭이 넓어진다. 그러므로 상대 높이를 크게 하면 적층 위치에서 액적 스프레이의 온도가 낮아지게 되고 스프레이 폭이 넓게 됨으로써 스프레이에 포함된 열을 효과적으로 발산할 수 있다. 반면에 상대 높이가 작으면 적층 위치에서의 액적 스프레이의 온도가 높게 되며 그 스프레이의 폭이 좁아서 열을 작은 영역에 모아 놓는 효과를 갖게 된다. 일반적으로 분무주조 잉곳 성형체의 중앙부는 열의 발산이 어려워 온도가 너무 높고 반면에 표면부는 분사 가스에 의해서 너무 과냉이 되어 성형체 내부와 표면부 사이에는 커다란 온도 구배가 생성된다. 이러한 온도구배는 잉곳 부위별 미세조직의 불균일을 초래하고 열팽창이 심한 합금의 경우 내부 균열을 발생시키기도 한다. 그러나, 본 발명의 경우 상대 높이를 달리하여 성형체의 중심부로 온도가 낮은 액적 스프레이를 넓게 뿌려 주고, 반면에 성형체의 외곽부에는 온도가 높은 액적 스프레이를 밀집해서 뿌려 줌으로써 기존의 분무주조 공정에 발생되던 잉곳 내부의 온도 구배를 효과적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

잉곳 성형체 상단부(60)의 전체 영역에서 그 성장 높이를 균일하게 유지하기 위해서는 성형체 상단부의 반경 방향으로 일정한 속도로 진동 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 상단부의 전체 영역에서 성장 속도가 균일하게 된다.

도 12의 (a)에 도시한 바와 같이, 액적 스프레이가 상기 기준축을 중심으로 일정한 각속도로 회전하고 동시에 반경 방향을 따라서 일정하지 않은 속도 v로 왕복 직선 운동을 한다고 가정해서 진동 속도 v와 반경 위치 r과의 관계를 계산할 수 있다. 반경 위치 r₁에 있고 속도 v₁으로 진동 운동하는 액적 스프레이가 미소시간 Δt동안 지나가는 성형체 상단부의 영역은 ΔA₁이 된다. 또한, 반경 위치 r₂에 있고 속도 v₂로 진동 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 2>로 나타낼 수 있다.

여기서, 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 3>와 같이 나타난다.

이와 같이, r과 v의 곱이 위치에 무관하게 일정하다는 것은 액적 스프레이의 반경 방향으로의 이동속도가 반경 위치에 반비례한다는 것을 의미한다. 즉, 액적 스프레이가 성형체 상단부의 중앙부에서는 빠른 속도로 이동하고 외곽부로 갈수록 느리게 이동해야 균일한 적층이 일어날 수 있다.

도 12의 (b)는 액적 스프레이가 일정한 각속도로 상대적으로 회전하고 반경 방향을 따라서 회전 반경에 반비례하는 속도로 상대적으로 운동할 때 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부(60)에서 적층되는 위치의 궤적을 보여주고 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 진동 속도를 작게 하여 인접된 반경에서 액적 스프레이의 지체 시간을 크게 해주어야 한다. 그러므로 회전 선속도가 큰 외곽부에서는 촘촘한 반경 간격으로 액적 스프레이를 회전시키고 중심부로 갈수록 회전 선속도가 작아지기 때문에 반경 간격을 점점 크게 하여 액적 스프레이를 회전시켜야 한다.

상기 <수학식 3>에서 v(t)=dr(t)/dt이기 때문에 이를 대입하여 미분방정식을 풀고 초기 경계값을 넣어 단순화하면 하기 <수학식 4>과 같은 시간에 따른 변위 및 이동 속도 방정식을 얻을 수 있다.

여기서, r(t)는 잉곳 성형체 상단부(60)에 적층되는 액적 스프레이의 시간에 따른 반경 위치를, v(t)는 잉곳 성형체 상단부(60)의 r(t) 위치에서 액적 스프레이가 반경 방향을 따라 이동하는 속도를, h(t)는 가스분무기와 성형체 상단부 사이의 상대 높이를 주기적으로 변화시키기 위해서 가스분무기 혹은 기판이 기준축을 따라 상대적으로 진동 운동하는 이동 거리를, u(t)는 가스분무기 혹은 기판이 기준축을 따라 상대적으로 진동 운동하는 이동 속도를, r_max는 액적 스프레이가 적층되는 최대 반경 위치를, u_min는 가스분무기 혹은 기판의 상대적 진동운동에 대한 최소 이동 속도를, Φ는 가스분무기의 분무축(44)과 잉곳 성형체 상단부(60)가 이루는 각도를, t는 시간을 나타낸다.

상기 <수학식 4>은 시간이 0에서 t₀/2의 범위일 때만 유효하며, 이러한 범위를 벗어나게 되면 도 13에 도시한 바와 같이, 상기 변위 혹은 운동속도의 함수 곡선 부분을 주기적으로 변화시키며 운동을 한다. 도 13의 (b)에서 설명하면, 처음에 액적 스프레이가 성형체 상단부의 외곽에서 최소속도(-v_min: 음의 값)로 안쪽 방향으로 이동한다. 안쪽으로 가까워 질수록 이동속도는 빨라지며 시간이 t₀/2가 되었을 때 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 t₀ 가 되었을 때 최소속도(v_min: 양의 값)가 되면서 최대 반경에 도달하며 이때를 진동의 한 주기로 하여 그 후로는 상기와 같은 운동을 계속 반복하게 된다.

그러나 상기에서 설명한 바와 같이 균일한 적층을 위해 액적 스프레이가 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 14의 (b)에 도시한 바와 같은 연속적인 진동운동을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 이동속도를 연속적으로 함으로 해서 최대속도에서도 부드럽게 이동 방향을 바꿀 수가 있어 기준축을 따라 진동 운동하는 가스분무기(43) 혹은 기판(62)이 별다른 무리 없이 구동할 수 있게 된다. 도 14의 (a)는 반경 위치의 변화를 도시한 것으로 도 13의 (a)에 비해서 운동 방향이 바뀌는 부분에서 부드럽게 전환되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14(c)는 가스분무기 혹은 기판의 상대적인 진동운동에 의한 이동 거리의 시간에 따른 변화를 보여 주고 있는데 뾰족한 부분 없이 그 진동 운동 양상이 매우 매끄러운 특징이 있다.

도 12의 (b)에서 설명한 바와 같이 액적 스프레이는 회전을 하면서 반경방향으로의 진동운동을 하기 때문에 잉곳 성형체 상단부(60)의 전 영역에 고르게 액적 스프레이가 적층되기 위해서는 액적 스프레이의 진동운동의 주기에 맞추어 회전운동의 주기를 적당하게 조절해야 한다. 도 15의 (a)와 (b)는 상기 진동주기가 상기 회전주기에 비해서 매우 긴 경우, 즉 액적 스프레이가 한번 진동 운동할 때 여러 번 회전 운동이 일어나는 경우에 성형체 상단부에서의 액적 스프레이의 적층 위치에 대한 궤적을 보여주고 있다. 도 15의 (a)는 도 14의 연속적인 진동 거동을 적용하고 진동주기:회전주기의 비를 8.375로 했을 때 액적 스프레이의 적층 위치에 대한 궤적을 도시한 것으로 성형체 상단부의 전 영역에 액적 스프레이가 고르게 적층되면서 이동하고 있다는 것을 알 수 있다. 특히 성형체 상단부의 외곽 반경 부분에 더 많이 중첩되어 외곽부로 유입되는 액적 스프레이의 총량을 효과적으로 증가 시킬 수 있다. 일반적으로 기존의 스캐닝 가스분무기를 이용하여 합금 잉곳을 분무주조할 때 성형체 상단부의 안쪽 반경쪽으로 액적 스프레이가 더 많이 유입되어 잉곳 성형체 상단부가 볼록해지기 쉬운데 본 발명은 이러한 볼록 현상을 효과적으로 감소시켜 평평한 성형체 상단부를 얻을 수 있다.

반면에, 도 15의 (b) 는 진동주기:회전주기의 비가 정확히 8일때 액적 스프레이가 적층하는 위치에 대한 궤적으로서 한번 진동할 때 8번 회전하면서 이동하는 궤적이 다음 진동에도 동일하게 되어 계속 같은 곡선 위치를 반복하게 된다. 그러므로 액적 스프레이의 진동주기:회전주기의 비가 정확히 정수가 될 경우 액적 스프레이가 같은 위치를 반복적으로 이동하기 때문에 성형체 상단부의 전 영역에 액적의 균일한 적층을 얻기 어렵다.

도 15의 (c)와 (d)는 상기 회전주기가 상기 진동주기에 비해서 매우 긴 경우, 즉 액적 스프레이가 한번 회전 운동할 때 여러 번 진동 운동이 일어나는 경우에 성형체 상단부에서의 액적 스프레이의 적층 위치에 대한 궤적을 보여주고 있다. 도 15의 (c)는 회전주기:진동주기의 비가 8.375일때 액적 스프레이의 적층 위치에 대한 궤적으로서 성형체 상단부의 전 영역에 액적 스프레이가 고르게 적층되면서 이동한다는 것을 알 수 있다. 이 경우에 잉곳 성형체 상단부의 외곽 반경 부분 보다는 안쪽 반경 부분에 액적 스프레이가 더 많이 중첩되기 때문에 중심부로 유입되는 액적 스프레이가 많아져서 성형체 상단부가 볼록해질 가능성이 있다.

반면에, 도 15의 (d)는 회전주기:진동주기의 비가 정확히 8일때의 액적 스프레이의 적층 위치의 궤적을 보여주고 있으며 1회전 마다 정확히 8번 동일한 파형으로 진동하기 때문에 상단부 전 영역에 균일하게 적층되지 않고 진동 운동의 각 층 사이마다 기공을 잔뜩 포함한 팔각형 형상의 잉곳이 만들어지게 된다. 그러므로 액적 스프레이의 회전주기:진동주기의 비가 정확히 정수가 될 경우에도 도 15의 (b)의 경우와 마찬가지로 액적 스프레이가 같은 위치를 반복적으로 이동하기 때문에 성형체 상단부의 전 영역에서 액적의 균일한 적층을 얻기 어렵다. 상기의 네가지 경우를 고려할 때 진동주기가 회전주기 보다 훨씬 길면서 진동주기:회전주기의 비가 정수가 아닌 경우에 가장 균일하게 적층되는 상단부 표면을 얻을 수 있어 가장 바람직하다.

[실시예 2]

실시예 1의 경우 기판에 대한 가스분무기의 상대적인 회전속도는 일정하기 때문에 원형 잉곳을 제조할 수 있다. 이러한 기판에 대한 가스분무기의 상대적인 회전속도를 주기적으로 변화시키면 삼각, 사각 혹은 오각 등의 형태를 갖는 각형 잉곳의 제조가 가능하다. 도 16는 사각 잉곳 제조를 위해서 가스분무기가 수행하여야 하는 회전 운동 조건을 도시하고 있다. 사각 잉곳의 네 개의 모서리 부분을 형성하기 위해서는 각 모서리 부분에 더 많은 액적 스프레이가 적층되어야 하므로 회전하지 않는 기판에 대해서 가스분무기가 1/4회전 할 때 마다 회전 각속도를 주기적으로 작게 하여야 한다. 반대로 가스분무기는 회전하지 않고 기판이 1/4회전 할 때 마다 회전 각속도를 주기적으로 작게 하여도 사각 잉곳의 제조가 가능하다.

이하에서 사각 잉곳 제조를 위한 가스분무기(43) 혹은 기판(62)의 회전운동에 대해서 상세히 설명한다. 사각 잉곳을 제조하기 위해서는 가스분무기 혹은 기판의 상대적인 회전 각속도를 중심각(θ)의 함수로 조절해야 한다. 즉, 성형체 상단부의 사각변 중앙부에서는 회전속도를 빠르게 하며, 반면에 성형체 상단부의 모서리부로 갈수록 회전속도를 점차 감소시켜야 한다. 이와 같이 조절함으로써 각 중심각 마다 적층되는 액적 스프레이의 평균량이 같아져 성형체 상단부의 전체 영역에서 성장 속도를 균일하게 할 수 있다. 도 16의 (b)에 도시한 바와 같이, 액적 스프레이가 상기 기준축(31)을 중심으로 주기적으로 변하는 회전 각속도 ω(t)로 상대적으로 회전한다고 가정해서 회전 각속도 ω와 회전 중심각 θ와의 관계를 계산할 수 있다. 중심각 θ₁에 있고 회전 각속도 ω₁으로 회전 운동하는 액적 스프레이가 미소시간 Δt동안 지나가는 성형체 상단부의 영역은 ΔA₁이 된다. 또한 중심각 θ₂에 있고 속도 ω₂로 회전 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 5>로 나타낼 수 있다.

여기서, Δθ=ωΔt이며, 대략적으로 θ+Δθ≒θ이고 sinΔθ≒Δθ이라 할 수 있기 때문에 간단히 하면 하기 <수학식 6>과 같은 결론에 도달한다.

상기 <수학식 6>에서 ω(t)=dθ(t)/dt이기 때문에 이를 대입하여 미분방정식을 풀고 초기 경계값을 넣어 단순화하면 하기 <수학식 7>과 같이 시간에 따른 중심각 및 회전 각속도 방정식을 얻을 수 있다.

여기서, θ(t)는 잉곳 성형체 상단부(60)에 적층되는 액적 스프레이의 시간에 따른 중심각 위치를, ω(t)는 잉곳 성형체 상단부(60)의 θ(t) 중심각 위치에서 분무액적의 회전 각속도를, ω₀는 사각변의 중심부에서의 초기 회전 각속도를, t는 시간을 나타낸다.

가스분무기의 회전 주기를 t_r 이라 할 때, 상기 <수학식 7>은 0≤t≤t_r/8의 범위(1/8회전 혹은 0°≤θ≤45°)일 때만 유효하며, 이러한 범위를 벗어나게 되면 도 15의 (c)에 도시한 바와 같이 상기 회전 각속도의 함수 곡선 부분을 주기적으로 변화시키며 운동을 한다. 처음에 초기 회전 각속도 ω₀로 회전하다가 모서리부로 갈수록 회전 각속도가 거의 선형적으로 감소하며 모서리부에서의 회전 각속도는 ω₀의 절반이 된다.

상기와 같이 기판 혹은 가스분무기를 1/4회전 할 때 마다 회전 각속도를 주기적으로 변화시키는 회전운동만으로 사각 잉곳의 제조가 가능하다. 그러나 상기 회전운동에 부가적으로 액적 스프레이가 적층되는 궤적을 사각형으로 수정하면 사각 잉곳의 제조가 더욱 용이하게 된다. 도 16의 (b)에 점선으로 도시한 것처럼 잉곳 성형체 상단부 위에서 액적 스프레이가 적층되는 궤적이 정확하게 정사각형 형태로 하기 위해서는 가스분무기 혹은 기판을 1/4회전 할 때 마다 기준축 방향을 따라 진동 운동시키면 된다.

이하에서 가스분무기를 회전시키고 진동운동 시키는 경우에 사각 잉곳 제조를 위한 진동운동을 상세히 설명한다. 액적 스프레이가 성형체 상단부(60)에서 도 16의 (b)의 점선으로 표시한 것과 같이 사각형 형상으로 궤적을 그리며 적층하기 위해서는 가스분무기(43)의 회전 운동과 아울러 기준축(31) 방향으로 가스분무기(43)를 적절하게 진동 운동 시켜야 한다. 이때 가스분무기의 1/4회전 마다 가스분무기를 한번 진동 운동시켜야 하며 회전 각속도의 변화 주기와 동일하면서도 시작점과 종료점을 일치시켜야 한다. 간단한 기하학적인 계산을 통해서 사각 궤적을 위한 진동 변위 y(t)와 이로 인한 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 시간에 따른 반경 위치 r(t)를 하기 <수학식 8>과 같이 계산할 수 있다.

물론, 여기서, 상기 <수학식 8>은 0≤t≤t_r/8의 범위(0°≤θ≤45°)에서만 유효하며, 이러한 범위를 벗어나게 되면 도 15의 (d), (e)에 도시한 바와 같이 상기 함수 곡선 부분을 주기적으로 변화시키며 운동을 한다. 처음에 b의 반경 위치에 액적 스프레이가 적층되며 가스분무기가 회전함에 따라 가스분무기를 기준축을 따라 성형체 상단부 쪽으로 점차 이동시키면 45도 회전 하였을 때 액적 스프레이가 적층되는 반경 위치는 1.414b로 증가하게 된다. 더욱 회전하게 되면 가스분무기는 성형체 상단부에서 멀어지는 쪽으로 이동하여 90도 회전 하였을 때 액적 스프레이가 적층되는 반경 위치는 다시 b로 감소하게 된다. 이러한 과정을 계속 반복하면 가스분무기는 모서리부에서 회전속도를 감소시키고 액적 스프레이가 적층되는 궤적도 정확히 정사각형을 형성하여 성장 속도가 균일한 사각 성형체 잉곳을 제조할 수 있다. 상기와 같이 기판은 회전하지 않고 가스분무기가 1/4회전 마다 회전 각속도 및 상대 높이를 변화시켜서 사각 잉곳 성형체를 제조할 수도 있지만, 이와 반대로 가스분무기는 정지하고 기판이 1/4회전 마다 회전 각속도를 주기적으로 변화하고 아울러 1/4회전 마다 y(t) 만큼 진동 운동하여 사각 잉곳 성형체를 제조할 수도 있다.

사각 잉곳 성형체외에도 삼각 혹은 오각 등의 잉곳 성형체도 제조가 가능하다. 가령 n각형 잉곳 성형체를 제조하고자 한다면 1/n 회전 마다 회전 각속도 및 상대 높이를 주기적으로 변화 시키면 되며 이에 적합한 운동 방정식은 상기 <수학식 5>에서 <수학식 8>까지와 비슷한 과정을 거쳐서 도출할 수 있다. 또한, 사각 잉곳 성형체의 제조를 위해서 사용될 수 있는 가스분무기의 개수는 4개, 2개 및 1개로 4의 약수가 되어야 사각 형상을 기대할 수 있다. 이와 비슷하게 n각형 잉곳 성형체의 경우 이때 사용할 수 있는 가스분무기의 개수는 n의 약수가 되어야 한다.

도 16과 같이 사각 잉곳 성형체를 제조하면 액적 스프레이는 회전하는 동안 계속 같은 경로를 지나게 되므로 변의 길이가 큰 사각 잉곳을 제조하기 어렵다. 변의 길이가 좀 더 큰 사각 잉곳을 제조하고자 한다면 (1) 가스분무기가 회전하고 진동하는 경우 기판을 도 14에서 도시한 h(t) 함수 형태로 진동 운동 시키거나 (2) 기판이 회전하고 진동하는 경우 가스분무기를 h(t) 함수 형태로 진동 운동 시키면 액적 스프레이가 적층되는 영역을 확대할 수 있다.

도 17은 가스분무기의 회전 각속도 ω(t) 및 사각 궤적을 위한 진동 변위 y(t)를 1/4 회전마다 주기적으로 변화시키고 이와 독립적으로 기판을 기준축을 따라 h(t) 함수로 진동 운동 시키는 것을 도시하고 있다. 이러한 세가지 운동에 의해서 액적 스프레이는 도 17의 (b)에 도시한 바와 같이, 사각 잉곳 성형체의 가장자리 부분에서 거의 사각 형태의 궤적을 그리며 적층되며 성형체의 중심부로 갈수록 별 모양의 궤적을 그리며 적층하게 된다.

도 17의 (e)는 기판의 진동주기 대 가스분무기의 회전주기의 비가 2.375일 때의 액적 스프레이가 적층되는 성형체 상단부의 반경 위치를 도시한 것이다. 이 그래프에서 기판이 천천히 비교적 큰 진폭 Δh로 진동하고 있을 때 가스분무기가 작은 진폭 Δy로 사각 궤적을 위한 진동 운동을 함으로써 톱니 모양의 돌출부가 생성되는 것을 알 수 있다. 상기와 같이, 변이 큰 사각 성형체를 제조함에 있어 잉곳 성형체 상단부(60)의 전 영역에 고르게 액적 스프레이가 적층되기 위해서는 기판의 진동주기 대 가스분무기의 회전주기의 비를 적당하게 조절해야 한다. 도 18의 (a)는 기판의 진동주기 대 가스분무기의 회전주기의 비가 2.375이며 가스분무기가 50회전 했을 때 액적 스프레이가 적층된 궤적을 보여주고 있다. 액적 스프레이는 사각 성형체의 가장자리에서 사각 형태로 적층되고 성형체의 중심부로 갈수록 별 모양의 궤적으로 비교적 균일하게 적층된다. 이와 같이 사각 잉곳 성형체 상단부의 전 영역에서 균일한 적층이 일어나 변이 큰 사각 잉곳을 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.

반면에, 도 18의 (b)는 기판의 진동주기 대 가스분무기의 회전주기의 비가 정수인 2로 하였을 때 액적 스프레이가 적층되는 궤적을 도시하고 있다. 정수 비를 적용하는 경우 액적 스프레이는 동일한 경로를 따라서 계속 반복해서 적층되기 때문에 균일한 적층을 기대 할 수 없다는 것을 알 수 있다. 상기와 같이 가스분무기의 ω(t) 회전운동 및 y(t) 진동운동과 기판의 h(t) 진동운동에 의해서 큰 변을 갖는 사각 잉곳을 제조할 수 도 있지만, 반대로 기판이 1/4 회전마다 회전 각속도 (t)를 주기적으로 변화시키며 회전하는 동시에 사각 궤적을 위해 y(t)로 진동 운동하고 이와 독립적으로 가스분무기가 상기 기준축(31)을 따라 h(t) 함수로 진동 운동 해도 같은 효과를 얻을 수 있다.

[실시예 3]

도 19는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳 제조장치을 보여주고 있다. 금속 또는 합금 용탕을 수용하는 턴디쉬(33)의 하부에 소정의 기준축을 중심으로 주변에 위치하고 있는 적어도 하나 이상의 가스분무기(43)가 장착되어 있다. 상기 가스분무기는 그 분무경사각(35)이 0도에서 90도 사이로 그 분무축(44)은 기판(62)을 향해 있으며 공간적인 구성을 볼때 상기 기준축을 중심으로 환상으로 배열된 것이 가장 바람직하다. 액적 스프레이(58)들이 낙하하는 경로의 소정 위치에 상기 기준축(31)과 기판의 상단면이 수직이 되도록 기판(62)을 위치시킨다. 잉곳 성형체 상단부의 원주 방향으로 액적 스프레이(58)를 균일하게 적층시키기 위해 상기 가스분무기(43) 혹은 상기 기판(62) 중의 적어도 하나를 상기 기준축(31)을 중심으로 상대적으로 회전 운동 시키는 가스분무기 회전수단(82) 혹은 기판 회전수단(83)을 마련한다. 분무 주조가 진행되어 기판 위에 잉곳 성형체가 성장함에 따라서 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 상대적인 높이를 일정하게 유지하기 위해 상기 기판(62)을 상기 기준축(31)을 따라 연속적으로 이동시키는 기판 이동수단(84)이 구비되어 있다. 또한, 부가적으로 상기 가스분무기(52) 혹은 상기 기판(62) 중의 적어도 하나를 상기 기준축(31) 방향으로 상대적으로 진동운동 시키기 위한 가스분무기 진동수단(86) 혹은 기판 진동수단(87)을 구비할 수 있다.

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

상기 기준축(31)을 중심으로 사각 혹은 원형 형태로 길게 세워져 고정되어 있는 분무챔버(79)를 가지며, 상기 분무챔버의 윗면은 절두원추면 형상을 갖고 있는 챔버상단부(52)로 덮여 있다. 상기 챔버상단부 위에는 금속 또는 합금 용탕을 수용하는 턴디쉬(33)가 위치하고 있다. 먼저 합금 원료를 아크전기로 혹은 유도용해로에서 용해하여 준비한 합금 용탕을 상기 턴디쉬(33)에 공급한다. 상기 턴디쉬의 하부에는 상기 챔버상단부(52)를 관통하여 고정되어 있는 용탕 오리피스(34)가 가스분무기(43)의 상부에 위치하고 있다. 그리고 상기 용탕 오리피스 마다 용탕의 유출량을 조절할 수 있는 용탕 개폐수단(36)이 배치되어 합금 용탕이 턴디쉬에서 가스분무기로 유출되는 양을 제어한다. 처음에 턴디쉬 하부에 장착된 용탕 오리피스(34)는 스탑퍼와 같은 용탕 개폐수단(36)에 의해서 전부 막혀 있으며, 턴디쉬에 용탕(32)이 공급되어 특정 수위에 도달하면 가스분무기(43)와 연결된 용탕 오리피스의 용탕 개폐수단이 열리면서 합금 용탕이 가스분무기를 관통하여 유출된다.

가스분무기의 가스분무를 위한 고압가스는 기준축(31)을 따라 중앙에 위치한 가스 공급관(41)을 통해서 공급되고, 가스 공급관을 중심으로 방사선 방향으로 가스분무기 케이스(42)가 여러 갈래로 갈라져 나온다. 상기 가스분무기 케이스의 소정 위치를 관통하여 가스분무기(43)를 장착하여 고정시킨다. 챔버상단부(52)의 하부에는 가스분무기 고정핀(49)이 마련되어 가스분무기 케이스와 챔버상단부를 완전히 고정시키며 이로 인해 가스분무기(43)와 챔버상단부(52)가 일체화되어 함께 운동하게 된다. 가스분무기를 관통한 합금 용탕은 가스분무기 하부에서 유출된 고속의 가스 제트(45)에 의해서 액적 스프레이(58)으로 분말화 되어 스프레이 형태로 낙하하게 된다. 소정 거리를 낙하한 액적 스프레이는 기판(62) 위에 적층되어 잉곳 성형체(61)를 형성하게 되고 계속 성장하게 된다.

잉곳 성형체 상단부의 원주 방향으로 액적 스프레이를 균일하게 적층시키기 위해서는 상기 가스분무기(43) 혹은 상기 기판(62) 중의 적어도 하나를 상기 기준축(31)을 중심으로 상대적으로 회전시켜야 한다. 상기 가스분무기와 상기 기판을 둘 다 회전시켜도 되지만 기계 구성상 복잡해지기 때문에 둘 중 하나만 회전시키는 것이 용이하다. 그러므로 가스분무기(43) 혹은 기판(62)을 상기 기준축(31)을 중심으로 회전운동 시키기 위한 가스분무기 회전수단(82) 혹은 기판 회전수단(83) 중의 하나만 구비하면 충분하다.

가스분무기 회전수단은(82) 챔버상단부 구동축(56), 직교축 기어(57) 및 챔버상단부 회전모터(55)로 구성되어 있다. 챔버상단부 지지대(53)의 하부면에 챔버상단부(52)를 회전시키기 위한 챔버상단부 회전모터(55)가 설치되어 있다. 이것은 챔버상단부 구동축(56)과 직교축 기어(57)로 서로 연결되어 상기 기준축을 중심으로 챔버상단부(52)를 회전 시킬수 있으며 이때 챔버상단부에 가스분무기 고정핀(49)으로 결합된 가스분무기 케이스(42) 및 가스분무기(43)도 함께 회전한다. 직교축 기어로는 제로올 베벨기어(Zerol bevel gear), 스파이럴 베벨기어(Spiral bevel gear), 하이포이드 기어(Hypoid gear), 혹은 워엄 기어(Worm gear)등을 사용할 수 있다.

잉곳 성형체가 성장함에 따라서 기판은 상기 기준축을 따라 성장과 반대의 방향으로 연속적으로 이동해야 하기 때문에 기판 회전수단(83)은 기판 이동수단(84)과 함께 고려해야 한다. 기판 회전수단(83)은 기판 회전모터(71), 내측 스프라인 샤프트(72) 및 외측 스프라인 샤프트(73)으로 구성되어 있다. 길이 방향으로 길게 홈이 가공된 내측 스프라인 샤프트(internal spline shaft)(72)을 기판 회전모터(71)의 중심축에 연결하고 내측 스프라인 샤프트가 관통된 상태에서 상하 이동을 할 수 있는 외측 스프라인 샤프트(external spline shaft)(73)을 설치한다. 외측 스프라인 샤프트는 기판(62)과 고정되어 함께 움직인다. 기판 회전모터(71)가 회전하면 내측 스프라인 샤프트(72), 외측 스프라인 샤프트(73), 기판(62) 및 잉곳 성형체(61)가 동시에 함께 회전 하게 된다.

또한, 기판 이동수단(84)은 기판 이동모터(74), 나선봉(77), 너트 플레이트(78), 기판 구동축(65) 및 외측 스프라인 샤프트(73)으로 구성되어 있다. 기판 이동모터(74)를 회전시키면 체인(75)을 통해서 다수개의 체인 스프라켓(76)으로 회전 운동이 전달되고 각 체인 스프라켓에 연결된 나선봉(77)이 동시에 회전하게 된다. 나선봉의 회전 운동은 너트 플레이트(78)의 상하 직선운동으로 바뀌게 되며 그 상부에 장착된 기판 구동축(65), 외측 스프라인 샤프트(73), 기판(62) 및 잉곳 성형체(61)가 일체가 되어 상하로 이동하게 된다. 특히, 외측 스프라인 샤프트(73)는 내측 스프라인 샤프트(72)와 함께 회전하면서 상하로 서로 미끄러질 수 있기 때문에 기판에 회전 운동을 전달하면서 동시에 상하로 이동할 수 있다.

분무주조 조업에 있어 가스분무기(43) 혹은 기판(62)중의 어느 하나만 회전운동을 시켜도 조업에는 충분하며, 만약 동시에 회전 시키고자 할 경우에는 기판의 회전 방향과 가스분무기의 회전 방향은 정반대가 되도록 제어해야 한다. 이러한 회전운동 이외에 부가적으로 상기 기준축을 따라 상대적으로 진동 운동시키면 대구경 잉곳 제조에 좀더 유리하다. 본 발명의 경우 상기 가스분무기(52) 혹은 상기 기판(62) 중의 적어도 어느 하나를 상기 기준축(31) 방향으로 상대적으로 진동운동 시키기 위해서 도 20에 도시한 바와 같이 가스분무기 진동수단(86) 혹은 기판 진동수단(87)을 부가적으로 구비한다. 상기 가스분무기와 상기 기판을 둘 다 진동 운동시켜도 되지만 기계 구성상 복잡해지기 때문에 둘 중 하나만 진동 운동시키는 것이 용이하다. 그러므로 가스분무기 진동수단(86) 혹은 기판 진동수단(87) 중의 어느 하나만 구비하면 충분하다.

가스분무기 진동 수단(86)으로는 도 10에 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, 챔버상단부 지지대(53)의 하부에 가스분무기 구동용 캠(54)를 설치하며, 상기 캠(54)이 회전을 함으로써 챔버상단부 지지대(53)가 상기 기준축 방향을 따라 진동 운동을 하게 된다. 가스분무기 케이스(42)는 챔버상단부(52)와 가스분무기 고정핀(49)으로 결합되어 있기 때문에 챔버상단부와 함께 가스분무기 케이스(42) 및 가스분무기(43)는 함께 진동운동을 하게 된다.

기판 진동 수단(87)은 경우 그 기계적 구성은 상기 가스분무기 진동수단(86)과 동일하다. 기판구동부 케이스(67)의 하부에 기판부 전체를 지지하는 기판부 지지대(68)을 설치하며, 기판부 지지대 하부에 기판 진동용 캠(69)를 설치한다. 상기 캠(69)이 회전을 함으로써 기판부 지지대(68)가 상하 진동 운동을 하며 이것은 잉곳 성형체를 포함한 기판부 전체를 진동 운동시키게 된다. 잉곳의 분무주조 조업에 있어 가스분무기(52) 혹은 기판(62)중의 어느 하나만 진동운동을 시켜도 조업에는 충분하며, 만약 동시에 진동운동 시키고자 할 경우에는 같은 진동 주기로 해서 기판의 진동 방향과 가스분무기의 진동 방향은 정반대가 되도록 제어해야 한다.

상기와 같이 가스분무기와 기판간의 상대적인 회전 운동에 부가적으로 진동 운동을 병행하면 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에 균일하게 적층되고 잉곳 성형체가 일정한 속도로 성장하게 된다. 이때 기판을 성형체의 성장과 반대의 방향으로 그 성장 속도와 동일한 속도로 이동시킴으로써 균일한 직경을 갖는 길다란 잉곳 성형체를 제조 할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 분무주조공정을 이용한 금속 혹은 합금 잉곳의 제조방법에 의하면, 다수개의 가스분무기를 이용한 적층 위치의 제어, 가스분무기와 잉곳 성형체 사이의 상대적인 회전운동의 제어 및 부가적으로 가스분무기와 잉곳 성형체 상단부 사이의 상대 높이를 주기적으로 변화시키는 진동운동을 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 가스분무기를 동시에 이용하여 주조속도를 대폭적으로 증가시킬 수 있고, 가스분무기와 잉곳 성형체간의 상대적인 회전운동 및 진동운동을 적절히 제어하여 각형 잉곳을 제조 할 수 있는 효과가 있다.

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

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

도 3은 종래의 합금 잉곳의 분무주조장치에 대한 개략도로서,

(a)는 수직형 분무주조장치를, (b)는 경사형 분무주조장치를, (c)는 수평형 분무주조장치를 도시하고 있다.

도 4는 종래의 두개의 가스분무기를 동시에 가스분무하여 합금 잉곳을 제조하는 방법에 대한 개략도로서,

(a)는 수직형을, (b)는 수평형을 설명하고 있다.

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

도 6은 본 발명에 따른 하나 이상의 가스분무기를 기준축을 중심으로 하는 동심원 상에 동일한 원주각마다 하나씩 위치시켜서 분무주조하는 방법을 도시한 개략도이다.

도 7은 본 발명에 따른 하나 이상의 가스분무기 각각으로부터 생성된 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에서 그 중심에 대해서 서로 다른 반경 위치에 충돌하도록 가스분무기의 위치를 조정하여 분무주조하는 방법을 도시한 개략도이다.

도 8은 본 발명에 따른 하나 이상의 가스분무기 각각으로부터 생성된 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에서 그 중심에 대해서 서로 다른 반경 위치에 충돌하도록 기판의 위치를 조정하여 분무주조하는 방법을 도시한 개략도이다.

도 9는 잉곳 성형체 상단부에서 다수개의 가스분무기로부터 유출된 액적 스프레이들이 적층해야 할 영역을 원주 방향의 면적소로 각각 분할하고 그 해당 영역을 대표할 수 있는 반경 위치를 결정하는 방법을 도시한 것이다.

도 10은 잉곳 성형체 상단부와 가스분무기 사이의 기준축 방향으로의 상대높이가 변화함에 따라 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에서 반경방향으로 진동 운동하는 양상을 보여주는 개략도이다.

도 11은 가스분무기 혹은 기판 사이의 상대적인 회전 운동과 진동 운동의 조합을 통해서 얻을 수 있는 9가지의 잉곳 분무주조 방법을 도시하는 개략도이다.

도 12는 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에서 성장 높이를 균일하게 하기 위해서 액적 스프레이가 잉곳 성형체 상단부에서 상대적으로 운동하는 방법을 설명한 것으로서,

(a)는 잉곳 성형체 상단부에서 액적 스프레이가 적층되는 반경위치에 따라 반경 방향으로의 이동 속도가 변화해야 하는 것을, (b)는 잉곳 성형체 상단부에서 액적 스프레이가 적층되는 위치의 궤적을 도시하고 있다.

도 13은 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에서 액적 스프레이가 균일하게 적층하기 위한 액적 스프레이의 이론적인 운동 양상을 나타내는 그래프로서,

(a)는 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 시간에 따른 반경 위치를, (b)는 잉곳 성형체 상단부에서 액적 스프레이의 시간에 따른 반경방향으로의 이동속도를, (c)는 가스분무기 혹은 기판이 상대적인 진동운동에 의해서 움직인 이동거리의 변화를, (d)는 가스분무기 혹은 기판이 상대적으로 진동 운동하는 이동속도의 변화를 도시하고 있다.

도 14는 잉곳 성형체 상단부의 전체 영역에서 액적 스프레이가 균일하게 적층하기 위한 근사치로서 액적 스프레이의 연속적인 운동 양상을 나타내는 그래프로서,

(a)는 잉곳 성형체 상단부에 적층되는 액적 스프레이의 시간에 따른 반경 위치를, (b)는 잉곳 성형체 상단부에서 액적 스프레이의 시간에 따른 반경방향으로의 이동속도를, (c)는 가스분무기 혹은 기판이 상대적인 진동운동에 의해서 움직인 이동거리의 변화를, (d)는 가스분무기 혹은 기판이 상대적으로 진동 운동하는 이동속도의 변화를 도시하고 있다.

도 15는 액적 스프레이의 원주방향으로의 회전운동 주기와 반경방향으로의 진동운동 주기의 조합에 따른 잉곳 성형체 상단부에서의 액적 스프레이가 적층하는 위치에 대한 궤적을 도시한 것으로서,

(a)는 진동주기:회전주기=8.375:1의 경우를, (b)는 진동주기:회전주기=8:1의 경우를, (c)는 진동주기:회전주기=1:8.375의 경우를, (d)는 진동주기:회전주기=1:8의 경우를 보여주고 있다.

도 16은 사각 잉곳 제조를 위해서 가스분무기가 수행하여야 하는 회전 운동 혹은 진동 운동 조건을 도시한 개략도이다.

도 17은 변의 길이가 좀 더 큰 사각 잉곳을 제조하기 위해 가스분무기에 대해 회전 각속도 (t) 및 사각 궤적을 위한 진동 변위 y(t)를 1/4 회전마다 주기적으로 변화시키고 이와 독립적으로 기판을 기준축을 따라 h(t) 함수로 진동 운동 시키는 것을 도시한 개략도이다.

도 18은 기판의 진동주기와 가스분무기의 회전주기의 조합에 따른 잉곳 성형체 상단부에서의 액적 스프레이가 적층하는 위치에 대한 궤적을 도시한 것으로서,

(a)는 기판의 진동주기 대 가스분무기의 회전주기의 비가 2.375의 경우를, (b)는 기판의 진동주기 대 가스분무기의 회전주기의 비가 2의 경우를 보여주고 있다.

도 19는 본 발명에 따른 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조장치를 설명하는 단면도이다.

도 20은 본 발명에 따른 가스분무기 혹은 기판의 진동수단이 부가된 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

6a: 스캐닝 가스분무기 6b: 고정된 가스분무기

7: 가스 제트 8: 액적 스프레이

9: 잉곳 성형체 10: 기판

11: 분무 챔버 12: 기판 구동축

13: 배기구 31: 기준축

32: 합금 용탕 33: 턴디쉬(Tundish)

34: 용탕 오리피스(Orifice) 35: 분무경사각

36: 용탕 개폐수단 37: 턴디쉬 스탑퍼

38: 턴디쉬 슬라이딩 게이트 39: 고압가스 인입구

40: 가스공급관 지지대 41: 고압가스 공급관

42: 가스분무기 케이스 43: 가스분무기

44: 분무축 45: 가스 제트

46: 가스분무기 구동부 47: 가스공급관 지지대 고정부

48: 가스공급관 회전 베어링 49: 가스분무기 고정 핀

50: 챔버상단부 회전 베어링 51: 밀봉재

52: 챔버상단부 53: 챔버상단부 지지대

54: 가스분무기 진동용 캠 55: 챔버상단부 회전모터

56: 챔버상단부 구동축 57: 직교축 기어

58: 액적 스프레이 59: 분무액적의 적층 영역

60: 잉곳 성형체 상단부 61: 잉곳 성형체

62: 기판 63: 예비 기판

64: 성형체 고정핀 65: 기판 구동축

66: 기판 구동부 67: 기판 구동부 케이스

68: 기판부 지지대 69: 기판 진동용 캠

70: 기판진동 가이드봉 71: 기판 회전모터

72: 내측 스프라인 샤프트 73: 외측 스프라인 샤프트

74: 기판 이동모터 75: 체인

76: 체인 스프라켓 77: 나선봉

78: 너트 플레이트 79: 분무챔버

80: 배기구 81: 분무챔버 지지대

82: 가스분무기 회전수단 83: 기판 회전수단

84: 기판 이동수단 85: 기판 회전축

86: 가스분무기 진동수단 87: 기판 진동수단

Claims (21)

1. 소정의 기준축에 대하여 분무축을 갖는 다수의 가스분무기를 이용하여 금속 혹은 합금 용탕을 미세한 액적 스프레이로 만드는 단계, 액적 스프레이의 낙하경로상에 기판을 위치시키는 단계, 기판상에 액적 스프레이를 연속 적층시켜 잉곳 성형체를 형성시키고 기준축을 따라 잉곳 성형체를 성장시키는 단계, 기준축을 중심으로 기판을 회전시키는 단계, 가스분무기를 기준축 방향을 따라 진동시켜 액적 스프레이를 그 반경방향으로 진동운동시키는 단계 및 성형체의 성장속도에 대응되게 기판을 연속적으로 하향 이동시키는 단계를 포함하는 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법에 있어서;

   상기 기판을 회전시키는 단계에서 상기 기판은 각속도가 주기적으로 변화되면서 다수의 가스분무기가 그리는 면적소의 경계에서 각 액적 스프레이가 상호 충돌하면서 성형체의 상단부를 균일하게 성장시키도록 하는 것을 특징으로 하는 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법.
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7. 소정의 기준축에 대하여 분무축을 갖는 다수의 가스분무기를 이용하여 금속 혹은 합금 용탕을 미세한 액적 스프레이로 만드는 단계, 액적 스프레이의 낙하경로상에 기판을 위치시키는 단계, 가스분무기를 기준축 방향을 따라 회전시켜 액적 스프레이를 그 반경방향으로 회전낙하시키는 단계, 기판상에 액적 스프레이를 연속 적층시켜 잉곳 성형체를 형성시키고 기준축을 따라 잉곳 성형체를 성장시키는 단계 및 성형체의 성장속도에 대응되게 기판을 연속적으로 하향 이동시키는 단계를 포함하는 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법에 있어서;

   상기 가스분무기를 회전시키는 단계에서 상기 가스분무기는 각속도가 주기적으로 변화되면서 다수의 가스분무기가 그리는 면적소의 경계에서 각 액적 스프레이가 상호 충돌하면서 성형체의 상단부를 균일하게 성장시키도록 함과 동시에 상기 기판을 일정한 진폭으로 진동운동시켜 적층 구경을 확장하는 것을 특징으로 하는 분무주조공정을 이용한 합금 잉곳 제조방법.
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