KR100625174B1 - 연속회전 가압 자동 제어식 레오로지 소재의 연속 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 성질이 우수한 레오로지 소재를 연속적으로 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 장치는, 용해로에서 용융된 용탕을 담을 수 있고, 외부에는 용탕의 온도제어를 위한 인덕션코일이 설치된 보온로와; 상기 보온로의 게이트와 연결되고, 외부에는 가열장치와 냉각장치가 구비된 냉각관; 상기 냉각관과 연결되고, 외부에는 온도제어를 위한 인덕션코일이 설치된 교반탱크; 대칭으로 형성된 복수개의 게이트를 구비하는 상부교반자와, 상기 상부교반자와 일정간격을 두고 설치되고, 중심부분에는 출구가 형성된 하부교반자, 그리고 상기 상부교반자의 저면 중심에 형성되어, 상기 출구로 금속을 토출시키기 위한 스크루부로 구성되어 상기 교반탱크의 내부에 설치되고, 구동원에 의하여 회전하는 교반자; 상기 교반탱크의 출구와 연결되고, 온도제어를 위한 인덕션코일이 외부에 구비된 토출관; 그리고 상기 토출관을 통하여 나오는 고액공존의 금속을 소정 길이로 절단할 수 있는 절단장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

레오로지 소재, 반응고, 교반, 용탕

Description

연속회전 가압 자동 제어식 레오로지 소재의 연속 제조장치{Continuous fabrication equipment of rheology material with continuous rotational pressure automatic control type}

도 1은 본 발명에 의한 연속 제조장치의 구성을 단면으로 보인 개략도.

도 2는 본 발명의 교반자 부분의 단면 예시도.

도 3a는 본 발명의 상부교반자의 사시도.

도 3b는 본 발명의 상부교반자의 평면도.

도 3c는 본 발명의 상부교반자에 단면 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 ..... 보온로 2 ..... 에어공급부

3 ..... 인덕션코일 4 ..... 용탕 게이트

5 ..... 냉각관 6 ..... 가열장치

7 ..... 냉각장치 8 ..... 교반탱크

9 ..... 교반자 10 ..... 인덕션코일

11 ..... 교반자 구동부 12 ..... 토출관

13 .... 컷팅부 16 ..... 슬러리

17 ..... 상부교반자 18 ..... 하부교반자

25 ..... 블레이드

본 발명은 연속적으로 레오로지 소재를 제조하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세한 결정립과 균일한 구상화조직을 가지는 반응고 슬러리를 기계적 교반방식을 이용하여 제조할 수 있는 레오로지 소재의 연속 제조장치에 관한 것이다.

최근 재료 성능의 다양화, 고도화로 인하여 레오로지 소재의 제조장치 및 제조 기술이 많이 개발되어지고 있으며, 그 중 주목받는 것 중의 하나가 반응고 재료를 이용한 주조 및 단조 공정이다.

반응고 주조 및 단조 공정이란 금속 용탕을 응고시키는 도중에 강력한 교반력을 가하여 고상과 액상이 미세하게 혼재된 상태에 캐스팅과 단조 등의 성형공정을 통해 원하는 제품을 제조하는 것을 말한다. 그리고 이러한 공정은 일반 주조의 특징인 유동성 향상으로 복잡한 형상을 쉽게 제조할 수 있으며, 또한 단조와 같은 소성가공법 이상으로 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있는 새로운 성형공정으로 이에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으며, 결정립이 제어된 레오로지 소재를 제조하는 장비 개발이 요구되고 있다.

반응고 성형법(Rheo Forming)의 특징은 다음과 같다.

1) 응고 도중 고액 공존 영역에서 교반에 의해 기존의 덴드라이트 조직이 파 괴되므로 통상의 주조품에 존재하는 덴드라이트 조직 대신에 거의 구형에 가까운 초정 입자들이 균일하게 분산된 미세한 조직을 얻을 수 있다.

2) 내부 결함, 편석 등을 감소시킴은 물론, 저고상율에서 고고상율에 이르기까지 균일한 품질의 제품을 얻을 수 있다.

3) 응고 잠열을 대부분 방출시킨 후 주조되므로 주조장치에 열부하를 경감시켜 금형을 포함한 장치의 수명을 향상시키고 제조시간을 단축시킬 수 있다.

4) 가공 장치에 열부하를 감소시키므로 직접 최종제품에 근접하는 Near-Net Shape 제품의 가공이 가능하다.

5) 통상의 주조법으로는 제조하기 힘든 비중차가 크거나 고용도가 작은 금속 원소가 균일하게 분산된 합금의 제조가 가능하다.

이상의 특징을 가진 반응고 성형법의 실용화로 인해, 금속재료의 품질, 신뢰성, 기능이 향상되고, 난가공성 및 고기능재의 제조 및 제품 양산시의 에너지 절약에 의한 비용절감을 이루며, 새로운 기능의 금속재료 및 복합재료의 제조가 가능하게 될 것이다.

금속합금은 고액 공존 영역에서 교반 및 응고 조건에 따라 합금 슬러리의 점성이 변하게 되며, 이와 같은 금속 합금 슬러리를 제조하기 위한 교반 방법으로 크게 기계적 교반법과 전자기에 의한 교반법이 있다.

기계적 교반 (Mechanical Stirring)은, 고액상 금속 내에 스크루 모양의 교반자를 넣어 회전 등의 상태에서 덴드라이트를 파괴시키면서 냉각속도의 제어에 의하여 응고시키는 방법으로 높은 전단력을 낼 수 있고, 구형화 조직을 쉽게 얻을 수 있는 등의 장점은 있으나, 스크루의 내구성과 고상율의 제어 한계성 때문에 실용화에 문제가 지적되고 있다.

그리고 Passive 법은, 고액상의 금속이 냉각되는 금속관속에 구형 세라믹볼을 채워 넣고 금속을 강제적으로 통과시키는 방법으로, 교반자의 내구성 문제는 해소할 수 있으나, 금속에 전단력을 제어하지 못하는 단점이 있다.

전자기적 교반법 (Electromagnetic Stirring)은, 유도전류를 이용한 전자기력으로 용탕을 교반하는 방법으로 용융 금속 중앙부의 교반 효과가 현저하게 저하되는 문제점이 있으며, 장치가 필연적으로 대형, 고가가 되어야하는 단점이 있기 때문에 부품 제조에 필요한 장치에 응용이 아주 제한적이다.

본 발명의 목적은, 결정립이 미세하고 균일한 구상화 조직을 얻을 수 있는 연속적으로 레오로지 소재를 제조하는 장치를 제공하는 것에 있다.

그리고 이와 같은 본 발명의 목적은, 장치의 단순화 및 강력한 교반 기술을 에 가장 바람직하게 설계되는 기계적 교반 방식을 이용한 장치에 의하여 달성될 수 있을 것이다. 이러한 본 발명의 장치는, 용해된 용탕에서 고액 공존영역으로의 온도제어와, 고액 공존영역에서 기계적 교반, 그리고 이러한 교반력으로 인하여 특정한 온도제어 및 정량 토출을 위한 장치 등의 일련의 연속작업이 가능하게 될 것이다.

그리고 고상율의 범위가 보다 넓은 소재의 경우(30~80%) 보다 강력한 전단력을 얻기 위한 교반자의 형상 및 재교반시 교반자의 교체 및 재작업을 보다 쉽게 할 수 있는 교반장치 등도 같이 제공하고자 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하며, 본 발명에 의한 레오로지 소재의 연속 제조장치는, 용해로에서 용융된 용탕을 담을 수 있고, 외부에는 용탕의 온도제어를 위한 인덕션코일이 설치된 보온로와; 상기 보온로의 게이트와 연결되고, 외부에는 가열장치와 냉각장치가 구비된 냉각관; 상기 냉각관과 연결되고, 외부에는 온도제어를 위한 인덕션코일이 설치된 교반탱크; 대칭으로 형성된 복수개의 게이트를 구비하는 상부교반자와, 상기 상부교반자와 일정간격을 두고 설치되고, 중심부분에는 출구가 형성된 하부교반자, 그리고 상기 상부교반자의 저면 중심에 형성되어, 상기 출구로 금속을 토출시키기 위한 스크루부로 구성되어 상기 교반탱크의 내부에 설치되고, 구동원에 의하여 회전하는 교반자; 상기 교반탱크의 출구와 연결되고, 온도제어를 위한 인덕션코일이 외부에 구비된 토출관; 그리고 상기 토출관을 통하여 나오는 고액공존의 금속을 소정 길이로 절단할 수 있는 절단장치를 구비하는 것을 기술적 특징으로 한다.

그리고 실시예에 의하면, 상기 절단장치는, 유압실린더와, 상기 유압실린더에 의하여 왕복운동하는 컷터로 구성되고 있다.

삭제

그리고 상기 상부교반자의 게이트 상부 일측에는, 금속을 상기 게이트로 유입시키기 위하여, 상부로 돌출 성형된 블레이드가 형성되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 상기 블레이드는 상부교반자의 회전방향에 대하여, 후방측에 해당하는 위치 의 게이트 상부에 형성되어 있다.

그리고 상기 게이트는 하측이 상부교반자의 회전방향에 대하여 후방측 향하도록 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면에 도시된 실시예에 기초하면서, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 장치는, 다이캐스팅 및 단조 등과 같은 성형장치에 공급되는 반고상의 슬러리를 연속해서 제조하는 장치로써, 미세하고 균일한 구상화 조직을 얻기 위해 기계적 교반방식이 적용된다. 그리고 용탕에서 고액 공존 상태를 얻기 위한 구조를 가지고 있으며, 보다 강력한 전단력과 토출량의 제어가 용이한 교반자의 구조와 교반장치를 구비하고 있다. 이러한 본 발명의 장치에 의하여 얻어지는 결정립이 제어된 레오로지 소재의 정량 제어를 통해 다이캐스팅 및 단조 등의 성형장치에 반고상의 슬러리를 연속적으로 제공하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 장치에 적용되는 보온로(1)는 용해로에서 용해되어 공급되는 용탕을 일정온도로 유지해 주는 보온로이다. 상기 보온로(1) 내부의 용탕을 일정 온도로 유지하기 위하여, 상기 보온로(1)의 주위에는 가열장치가 구비되는데, 예를 들면 상기 보온로(1)의 주위에는 인덕션코일(3)이 설치되어 있어서 전기의 공급에 의하여 상기 보온로(1)에 열을 공급하여, 내부의 용탕을 일정 온도로 유지할 수 있도록 구성되어 있다.

그리고 상기 보온로(1)의 상측에는 에어공급부(2)가 설치되어 있다. 상기 에어공급부(2)는 고압의 가스를 공급하는 것에 의하여, 보온로(1) 내부의 용탕을 용탕게이트(4)를 통하여 공급시킬 수 있도록 구성하고 있다. 상기 에어공급부(2)는 실질적으로 고압의 가스원과 연결되어 있어서, 제어에 따라서 고압의 가스를 상기 보온로(1)의 내부로 공급하여, 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있게 된다.

그리고 상기 보온로(1)의 하부측에 마련되어 있는 용탕게이트(4)를 통하여 출탕되는 용탕은, 냉각관(5)으로 안내될 수 있도록 구성되어 있다. 상기 냉각관(5)은, 보온로(1) 내부의 용탕을 후술하는 교반 탱크(8) 내로 안내하면서 일정온도(고액상공존 온도)로 유지시키기 위한 부분이다.

상기 냉각관(5)의 외부에는, 냉각관 내부의 용탕을 교반탱크(8)로 안내하는 과정에서 상기 용탕의 온도를 적정온도로 유지하기 위한 가열장치(6)와 냉각장치(7)가 설치되어 있다. 상기 가열장치(6)는 전기의 인가에 의하여 발열하는 열선 또는 인덕션코일로 구성하는 것이 가능하다. 그리고 상기 냉각장치(7)는 상기 냉각관(5) 내부의 용탕의 온도를 낮출 수 있는 것이면 어떠한 구성이라도 가능하고, 예를 들면 공냉을 위한 파이프 또는 수냉을 위한 파이프 또는 냉동싸이클의 냉매관 등과 같이 온도를 낮출 수 있는 것이라면 어떠한 구성이라도 가능하다.

그리고 상기 냉각관(5)은 교반탱크(8)와 연결되어 있어서 상기 냉각관(5)을 경유하는 용탕은 교반탱크(8)와 연결된다. 상기 교반탱크(8)는 고액 공존상태의 금속을 교반시키기 위한 장치이다.

상기 교반탱크(8)의 내부에는 용탕에 대하여 강한 전단력과 토출력을 얻기 위한 교반자(9)가 설치되어 있다. 그리고 상기 교반탱크(8)의 외부에는, 교반탱크(8) 내부에 있는 용탕을 적정한 온도로 유지하기 위한 인덕션코일(10)이 설치되어 있다. 상기 인덕션코일(10)은 교반탱크(8) 내부에 있는 용탕을 가열하는 것에 의하여, 최적의 반응고상태의 제품을 제공할 수 있도록 설치되는 것이다.

그리고 상기 교반자(9)는 교반자 구동부(11)에 의하여 상기 교반탱크(8) 내부에서 회전할 수 있도록 설치되어 있다. 상기 교반자 구동부(11)에서의 회전력은, 벨트 등과 같은 동력전달기구를 통하여 상기 교반자(9)에 전달된다.

본 발명의 교반자(9)는 상부교반자(17)와 하부교반자(18)로 구성된다. 상기 상부교반자(17)와 하부교반자(18) 사이에는 일정한 간격을 가지도록 설치되어 있어서, 회전하는 상부교반자(17)와 고정된 하부교반자(18) 사이에서 전단력과 토출력을 발생시키고 또한 회전수를 조절하여 용탕의 공급량을 제어하게 된다.

본 발명의 상부교반자(17)를 도시하고 있는 도 3에 도시된 바와 같이, 상부교반자(17)는 복수개의 대칭적인 게이트(20)를 가지며, 용탕(19)은 상교반자(17)의 회전력에 의해 상기 게이트(20)를 통하여 주입된다. 그리고 상부교반자(17)의 게이트(20)의 외측 일부분에는 용탕(19)의 주입을 위하여 블레이드(25)가 형성되어 있다. 상기 블레이드(25)는 상부교반자(17)의 회전방향에 대해 후측에 설치되어 있어서, 용탕(19)을 상기 게이트(20)로 보다 용이하게 주입시킬 수 있게 된다. 상기 게이트(20)는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 일방향으로 경사지게 형성되어 있다. 즉 상기 게이트(20)는 상부교반자(17)의 회전방향에 대하여, 하부로 갈수록 후방으로 경사진 상태로 형성된다. 이는 상기 게이트(20)의 경사방향이, 하방으로 갈수록 상기 블레이드(25) 측으로 경사져 있다는 것을 의미한다.

그리고 상기 게이트(20)로 주입된 용탕은 상부교반자(17)의 회전력에 의해 하부교반자(18)와의 사이에서 전단력이 가해진다. 상부교반자(17)의 저면과 하부교반자(18)의 상면은 중심부분이 하향하도록 성형되어 있고, 하부교반자(18)의 중심부분의 최저점부분에는 용탕이 공급되는 출구(23)가 형성되어 있다. 따라서 상부교반자(17)가 회전하여 용탕을 상기 게이트(20)로 안내하게 되면, 용탕은 하부교반자(18)의 중앙부로 집중된다.

상기 상부교반자(17)의 저면에는 도2에 도시된 바와 같이 하부교반자(18)의 출구(23) 속으로 연장된 스크루부(22)가 형성되어 있다. 따라서 상기 스크루부(22)에 의하여, 하부교반자(18)의 출구(23)를 향하는 중앙부에서 상기 스크루(22)에 의해 토출력이 가해진다. 그리고 최종 전단력이 가해져 교반된 금속은 교반탱크(8)의 출구(23)를 통하여 빠져나가게 된다.

상기 출구(23)를 통하여 토출되는 금속은 토출관(12)으로 안내된다. 상기 토출관(12)은 교반된 슬러리의 안내 및 보온역할을 하는 장치이다. 상기 토출관(12)의 외부에는 인덕션코일(14)이 설치되어 있어서, 토출관(12)을 통하여 나가는 금속을 원하는 온도로 유지할 수 있게 된다.

상기 토출관(12)의 외측에는, 슬러리(16)를 원하는 길이로 절단할 수 있는 컷팅부(13)가 설치되어 있다. 본 실시예에서, 상기 컷팅부(13)는, 유압실린더(13b)와, 상기 유압실린더(13b)에 의하여 직선왕복운동하면서 상기 토출관(12)에서 토출되는 금속을 절단할 수 있는 컷터(13a)로 구성되고 있다.

상기 토출관(12)에서 토출되는 슬러리(16)는 원하는 고상율과 구상화의 자기를 가지고 미세한 구상화 조직의 슬러리 상태이며, 다이캐스팅 및 단조 등 성형설 비에 공급되는 정량제어된 것이다.

다음에는 이상과 같은 구성을 가지는 레오로지 소재의 연속 제조장치의 기본적인 동작에 대하여 간단하게 살펴보기로 한다.

용해로로부터 용해된 용탕(15)은 보온로(1)내에서 1차 전자교반 방식을 거칠 수 있으며, 상기 보온로(1)는 인덕션코일(3) 혹은 열선을 이용하여 분위기 온도를 고려한 정밀한 온도제어가 가능하다. 그리고 상기 보온로(1) 내부의 용탕을 교반탱크(8)로 일정량씩 공급하기 위하여, 상기 보온로(1)의 상부에는 에어공급부(2)를 갖추고 있다. 따라서 보온로(1)내에 일정한 압력상태에서 일정량의 용탕(15)이 에어공급부(2)를 통한 압력에 의하여 게이트(4)를 통해 빠져나가게 된다.

그리고 상기 용탕(15)은 교반 전에 고액 공존 상태로 만들기 위해서 냉각관(5)에서 냉각장치(7) 또는 가열장치(6)의 온도제어를 통해 원하는 온도로 냉각/보온된 상태(고액공존 상태)에서 교반탱크(8)로 유입되게 된다. 상기 교반탱크(8)로 유입된 금속은 고액공존 상태이며, 이 상태에서 전단력을 가하여 미세하고 균일한 구상화 조직을 얻기 위해 교반자(9)에 의해 교반되게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 교반자(9)는 회전가압지그의 형상을 이용하여, 회전가압지그 형식의 상하부 교반자(17,18)에서 고액공존 금속에 전단력을 가하면서 하부교반자(18)의 중앙부의 출구(23)를 통해 빠져나가게 된다. 이 때 금속은 전단력과 함께 토출력을 가지게 되어 미세하고 균일한 구상화 상태에서 교반탱크(8)를 빠져나가게 된다.

그리고 상기 교반탱크(8)내의 교반시 공기유입으로 인한 산화방지를 위해 질 소가스를 주입하는 것이 바람직하다. 이러한 금속은 일정온도로 유지/보온되어 정량제어를 통해 출구에서 절단되어 각종 캐스팅머신과 단조 프레스에 주입될 수 있는 슬러리(16)로 생성된다.

이상에서 설명한 본 발명에 의한 장치를 이용하여, 용융금속으로부터 결정립과 고상율이 제어되어진 소재를 이용하여 특허 제0360685호 또는 특허 제0227415호에 게시되어 있는 장치로 소정형상의 부품을 만들 수 있을 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의한 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당 업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다. 그리고 본 발명은 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 레오로지 소재의 연속적인 제조가 가능함을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 장치를 이용하는 것에 의하여, 기계적 성질이 우수한 레오로지 소재를 연속적으로 공급함으로써, 캐스팅머신과 단조프레스 장치 등을 이용한 부품의 제조가 더욱 유리하게 되는 효과를 기대할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 용해로에서 용융된 용탕을 담을 수 있고, 외부에는 용탕의 온도제어를 위한 인덕션코일이 설치된 보온로와;

   상기 보온로의 게이트와 연결되고, 외부에는 가열장치와 냉각장치가 구비된 냉각관;

   상기 냉각관과 연결되고, 외부에는 온도제어를 위한 인덕션코일이 설치된 교반탱크;

   대칭으로 형성된 복수개의 게이트를 구비하는 상부교반자와, 상기 상부교반자와 일정간격을 두고 설치되고, 중심부분에는 출구가 형성된 하부교반자, 그리고 상기 상부교반자의 저면 중심에 형성되어, 상기 출구로 금속을 토출시키기 위한 스크루부로 구성되어 상기 교반탱크의 내부에 설치되고, 구동원에 의하여 회전하는 교반자;

   상기 교반탱크의 출구와 연결되고, 온도제어를 위한 인덕션코일이 외부에 구비된 토출관; 그리고

   상기 토출관을 통하여 나오는 고액공존의 금속을 소정 길이로 절단할 수 있는 절단장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 레오로지 소재의 연속 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 절단장치는,

   유압실린더와, 상기 유압실린더에 의하여 왕복운동하는 컷터로 구성되는 것을 특징으로 하는 레오로지 소재의 연속 제조장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 상부교반자의 게이트 상부 일측에는, 금속을 상기 게이트로 유입시키기 위하여, 상부로 돌출 성형된 블레이드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레오로지 소재의 연속 제조장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 게이트는 하측이 상부교반자의 회전방향에 대하여 후방측 향하도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 레오로지 소재의 연속 제조장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 교반탱크의 내부에는 질소가스가 충진되는 것을 특징으로 하는 레오로지 소재의 연속 제조장치.

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