KR100959563B1 - 간접 가압방식의 비정질 스트립 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융 합금을 간접 가압 방식으로 배출하여 급속 응고시켜 비정질 금속 스트립을 효율적으로 제조하기 위한 비정질 스트립 제조장치에 관한 것으로, 그 내부에 비정질 합금을 용융시켜 주는 도가니; 상기 도가니 내의 합금을 용융시켜 주는 가열 수단; 상기 도가니 내의 압력을 조절해 주는 압력 조절 수단; 상기 도가니 내의 용융 합금을 상기 압력 조절 수단을 통해 사이폰식으로 유출 또는 회수하는 사이폰관; 상기 사이폰관으로부터 용융 합금을 공급받아 배출하는 주조 노즐; 및 상기 주조 노즐로부터 배출되는 용융 합금을 급속으로 냉각시켜 비정질 금속 스트립을 형성하는 냉각롤로 구성된다.

본 발명은 용융 합금의 배출 압력을 간접 가압 방식으로 일정하게 유지할 수 있어서 균일한 두께 및 폭을 가지는 비정질 합금 스트립을 제조할 수 있다.

비정질, 스트립, 사이폰

Description

간접 가압방식의 비정질 스트립 제조장치 및 그 제조방법{Apparatus and Method for Manufacturing Amorphous Strip in Indirect Pressure Type}

본 발명은 비정질 스트립 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융 합금을 간접 가압방식으로 배출하여 급속 응고시켜 비정질 금속 스트립을 효율적으로 제조하기 위한 비정질 스트립 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 비결정질(비정질) 합금은 통상적인 결정질 합금과는 달리 원자들이 불규칙하게 배열함으로써 결정성을 갖지 않는 액상과 유사한 구조를 지니고, 결정질 합금의 특징인 결정입계(grain boundary), 전위(dislocation) 등과 같은 결정결함(crystalline imperfection)이 존재하지 않는 재료이다.

비정질 합금은 기계적 성질, 자기적 성질, 내식성 등이 결정질 합금에 비해 매우 우수한 소재로서, 항공 산업, 핵 발전 설비 산업, 방위 산업 등을 포함하는 전 산업분야에서 활용도가 높은 첨단소재로 이용 가능성이 매우 높은 소재이다.

이러한 비정질 합금 제조 방법으로서는 다이캐스팅/영구주형주조법(die casting/permanent mold casting)과 본 발명과 관련이 있는 멜트 스피닝법(melt spinning)이 주로 이용되고 있다.

종래의 멜트 스피닝법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 합금(12)을 용융시키기 위한 전기 유도 코일(11)에 내장된 도가니(10)와, 상기 도가니(10)의 하부 일측에 장착되어 용융 합금(12)의 자중에 의한 직접 가압에 의해 용융합금(12)을 배출하는 주조 노즐(13)과, 상기 주조 노즐(13)의 하부에 근접 설치되어 회전하는 냉각롤(17)로 구성되는 것이 일반적이다.

상기와 같이 구성된 종래의 제조장치는 상기 도가니(11) 내의 용융 합금이 상기 주조 노즐(13)을 통해 고속으로 회전하는 상기 냉각롤(16)의 원주면에 배출되면서 급속으로 냉각되어 비정질 상태를 유지하는 일정폭 및 두께를 가지는 스트립(17)을 형성한다.

이 때, 상기 도가니(11) 내의 용융 합금(12)을 상기 주조 노즐(13)로 배출하기 위해서는 상기 용융 합금(12)의 자중에 의한 힘만을 이용하거나, 고압의 불활성 가스를 상기 도가니(11) 내에 공급함으로써 상기 도가니(11) 내의 압력을 높여 상기 주조 노즐(13)로 배출할 수도 있다.

그런데, 용융 합금(12)을 주조 노즐(13)로 배출하는 종래의 방식은 상기 도가니(11) 내의 용융 합금(12)의 자중만의 힘에 의해서 이루어지거나, 고압의 불활성 가스에 의한 힘을 추가하여 이루어지는데, 이와 같은 방식은 도가니(11) 내의 용융 합금(12)을 직접적으로 가압하여 배출하는 직접 가압 방식이기 때문에, 스트립 제조의 단속 조절이 불가능한 문제점을 안고 있다.

다시 말하면, 상기와 같은 종래의 스트립 주조는 상기 도가니(11) 내의 용융 합금(12)을 자중 또는 고압의 가스에 의한 단독 또는 복합에 의한 직접 가압 방식으로 상기 주조 노즐(13)로 배출하는 방식이기 때문에 두께와 폭이 정해진 한 종류의 스트립을 도가니의 내의 용융합금이 소진될 때까지 제조해야 하는 문제점이 있다.

또한, 비정질 스트립의 품질 균일성을 유지하기 위해서는 상기 주조 노즐을 통한 용융 합금의 배출량을 균일하게 유지해야 하는데, 용융 합금만의 자중에 의한 힘이나 고압 가스를 이용한 직접 가압 방식에 의해 직접적으로 배출되기 때문에 두께 및 폭 조절을 용이하게 임의로 조절할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 종래의 스트립 제조장치는 도가니와 주조 노즐이 일체로 되어 있는 경우가 많기 때문에 장착된 주조 노즐의 규격 외의 스트립을 제조하기가 어려운 문제점과, 스트립 제조 공정이 중간에 중단된 후에는 주조 노즐 내의 합금이 냉각되어 막히기 때문에 추후 스트립 제조 공정을 위해서는 별도로 주조 노즐의 개통을 위한 가열 작업이 필요한 문제점이 있다.

아울러, 도가니 내의 용융 합금이 소진된 후에 추가 제조를 위해서 합금 원료의 충진 및 용융 후에 용융 합금이 정상적으로 배출될 때까지 주조 노즐이 용융 합금의 열에 의해 간접적으로 가열되어야 하기 때문에 냉각롤로 배출되기 전에 미리 냉각되어 버리므로 정상적인 비정질 스트립 제조가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 균일한 두께 및 폭을 가지는 비정질 금속 스트립을 제조할 수 있는 비정질 스트립 제조장치 및 간접 가압방식의 비정질 스트립 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 비정질 스트립의 제조 공정의 변경에 따라 용이하게 용융 합금의 배출 여부를 원활하게 제어함으로써 공정 관리를 용이하게 해 주는 비정질 스트립 제조장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그 내부에 비정질 합금을 용융시켜 주는 도가니; 상기 도가니 내의 합금을 용융시켜 주는 가열 수단; 상기 도가니 내의 압력을 조절해 주는 압력 조절 수단; 상기 도가니 내의 용융 합금을 상기 압력 조절 수단을 통해 사이폰식으로 유출 또는 회수하는 사이폰관; 상기 사이폰관으로부터 용융 합금을 공급받아 배출하는 주조 노즐; 및 상기 주조 노즐로부터 배출되는 용융 합금을 급속으로 냉각시켜 비정질 금속 스트립을 형성하는 냉각롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 스트립 제조장치를 제공한다.

상기 가열 수단을 유도 가열 방식으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 압력 조절 수단은 불활성 가스를 공급하여 가압하는 가압 수단과, 가압을 위한 불활성 가스를 배출시켜 주는 감압 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가압 수단은 불활성 가스를 공급하는 가스 공급원과, 상기 가스 공급원과 상기 도가니 사이에 개폐 제어가 가능한 밸브로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 감압 수단은 상기 도가니 내의 가스를 배출시켜 주는 진공 수단과, 상기 진공 수단과 상기 도가니 사이에 연결되어 개폐 제어가 가능한 밸브로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 사이폰관은 유도 가열식에 의해 가열되지 않는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 사이폰관은 Al₂O₃, SiO₂, MgO, ZrO₂ 중에서 선택된 어느 한 소재로 이루어진 관으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명의 간접 가압방식의 비정질 스트립 제조방법은 주조 노즐과 편이된 위치에 배치된 도가니에 장입된 합금을 용융시키는 단계와; 상기 도가니 내부의 용융 합금을 가압하여 도가니와 주조 노즐 사이를 연결하는 사이폰관을 통하여 주조 노즐로부터 고속 회전하는 냉각롤의 표면으로 용융 합금을 분사하는 단계와; 상기 냉각롤에 의해 급속 냉각된 비정질 스트립을 냉각롤로부터 박리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 도가니 내부의 용융 합금을 가압하여 사이폰관을 통하여 주조 노즐로 배출하는 단계는 가스 공급원으로부터 불활성 가스를 도가니 내부로 공급하는 단계로 구성된다.

또한 상기 간접 가압방식의 비정질 스트립 제조방법은, 진공 수단에 의해 상기 도가니 내부의 압력을 대기압보다 낮게 유지하여 상기 사이폰관 내에 잔류하고 있는 용융 합금을 도가니 내로 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치는 도가니 내의 용융 합금을 간접 가 압 방식으로 일정한 양으로 조절하여 배출하는 것이 가능하기 때문에 비정질 스트립의 폭 및 두께를 균일하게 제어할 수 있다.

그리고, 본 발명은 도가니 내에 있는 용융 합금의 주조 노즐에 대한 배출 또는 회수가 도가니 내의 압력 제어를 통해 이루어지기 때문에 비정질 스트립의 제조와 중단 등의 공정 관리가 용이하다.

또한, 제조되는 비정질 스트립의 규격 변경에 따라 주조 노즐을 교체할 때에는 용융 합금을 회수한 후에 교체하는 것이 가능하기 때문에 주조 노즐의 교체가 용이하고, 교체에 따른 용융 합금의 낭비 요인이 없다.

아울러, 도가니로부터 용융 합금을 간접 가압 방식으로 배출해 주는 사이폰관 내의 용융 합금에 대해서도 유도 가열이 이루어지기 때문에 주조 노즐을 통해 배출되는 용융 합금의 온도 변화를 최소화하여 비정질 형성능을 높여 줄 수도 있다.

본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치를 본 발명에 따른 실시예를 나타낸 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

첨부한 도면, 도 2는 본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치를 설명하기 위한 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치의 스트립 제조 상태를 설명하기 위한 구성도, 도 4는 본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치의 스트립 제조 중단 상태를 설명하기 위한 구성도이다.

본 발명의 비정질 스트립 제조장치는 도 2에 나타낸 바와 같이, 비정질 합금 이 용융되어 배출되는 부분과, 상기 용융된 합금의 배출을 압력을 제어하는 부분, 그리고 배출된 용융 합금을 급냉시켜 비정질 합금 스트립을 형성시켜 주는 부분으로 구성된다.

먼저, 합금을 용융시켜 배출시키기 위한 장치는 비정질 합금 형성을 위한 합금 성분들이 용융되어 용융 합금(23)이 저장되는 도가니(22)와, 상기 도가니(22)에 내장되어 상기 용융 합금(23)을 유도 가열 방식으로 용융시켜 주는 유도 코일(21)과, 상기 도가니(22)의 내부 하부에 가까운 위치에 그 일단부가 설치되어 역"U"형으로 형성되어 그 타단부 하부 외부로 연결되는 사이폰관(24)과, 상기 도가니(22) 및 상기 사이폰관(24)이 그 내부에 설치되는 하우징(20), 그리고, 상기 사이폰(24)의 타단부에 착탈 가능하게 장착되어 용융 합금(23)을 배출하는 주조 노즐(25)로 구성된다.

상기 유도 코일(21)은 금속을 유도 가열하기 위한 고주파 전원을 발생시키는 전원장치(미 도시함)에 연결된다.

상기 유도 코일(21)에 의해 가열되는 상기 도가니(22) 내의 합금(23)은 합금의 비정질 합금의 원료에 따라 용융시킬 수 있도록 800~2000C℃ 범위 내의 열을 유지할 수 있어야 한다.

상기 사이폰관(24)은 스트립(27)의 두께나 폭에 따라 배출되는 용융 합금(23)의 배출량을 보다 유리하게 조절하기 위해(아래에 설명하는 가압 부분에 의해서도 배출량을 조절할 수 있지만) 내부직경이 4~50mm 범위이면서 사이폰(syphon) 현상을 유발할 수 있는 역'U'자형 관 구조로 이루어지고, 유도 가열에 의해 가열되 지 않은 비금속 소재이면서 내열성이 우수한 Al₂O₃, SiO₂, MgO 또는 ZrO₂ 중에서 어느 한 소재로 제조하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 사이폰관(24)은 배출량의 증감에 따라 내부 직경이 다른 관을 사용하는 것이 바람직하지만 대량의 배출이 필요할 경우에는 다수의 사이폰관(24)을 병렬로 배치하여 구성할 수 있다.

이때, 상기 사이폰관(24)은 내부의 용융 합금(23)에 대한 지속적인 가열을 위한 상기 유도 코일(21)의 가열 범위 내에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 주조 노즐(25)은 내열성이 우수한 세라믹 소재로 이루어지며, 스트립의 형상에 따라 원하는 형태의 배출 패턴을 가지는 다른 노즐로 용이하게 교체할 수 있도록 착탈 방식으로 상기 사이폰관(24)의 타단부에 장착된다.

그리고, 상기 도가니(22) 내의 압력을 조절하는 수단은 가압 부분과 감압 부분으로 구성된다.

상기 가압 부분은 상기 도가니(22) 내의 압력을 최소한 대기압(상기 주조 노즐의 외부 기압) 이상으로 유지하여 상기 용융 합금(23)이 상기 사이폰관(24)을 통해 배출시키기 위한 것으로, 상기 도가니(22) 내부의 상부에 연결되는 가스 라인(29)과, 상기 가스 라인(29)의 일측에 연결되는 제 1밸브(30)와, 상기 제 1밸브(30)에 연결되는 불활성 가스 공급원(28)으로 구성된다.

상기 불활성 가스 공급원(28)을 통해 공급되는 가스는 불활성 가스를 이용하면 무방하지만 상대적으로 경제적인 질소 가스를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 감압 부분은 스트립 주조가 종료되거나 중단된 상태에서 상기 사이폰관(24) 내의 용융 합금(23)을 상기 도가니(22) 내로 회수하기 위해서는 상기 가압 부분의 상기 제 1밸브(30)가 차단된 상태에서 상기 도가니(22) 내의 압력을 대기압 즉, 상기 주조 노즐(25)의 외부 기압보다 낮은 압력으로 유지하기 위한 것으로, 상기 가스 라인(29)에 연결되는 제 2밸브(31)와, 상기 제 2밸브(31)에 연결되는 진공펌프(32)로 구성된다.

따라서, 상기 제 1밸브(30)와 상기 제 2밸브(31)는 가압과 감압 과정에서 서로 반대의 개폐 상태를 유지한다.

상기 냉각롤(26)은 일반적인 멜트 스피닝법에 의한 냉각롤과 마찬가지로 열전도성이 우수한 소재인 구리(Cu)와 같은 소재로써 원통형의 구조로 이루어진다.

상기 냉각롤(26)은 폭이 25~250mm인 스트립의 제조가 가능한 폭과, 두께가 15~100㎛인 스트립(27)을 제조할 수 있도록 원주 속도가 10~100m/s로 회전수 조절이 가능하게 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이 도가니(22) 내에 합금(23)을 장입한 후에 상기 유도 코일(21)을 통해 가열하여 용융시킨 후에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 냉각롤(26)을 회전시키면서 상기 제 2밸브(31)를 폐쇄한 후에 상기 제 1밸브(30)를 개방시켜 상기 불활성 가스 공급원(28) 내의 질소 가스를 상기 도가니(22) 내로 공급한다.

이때, 상기 도가니(22) 내의 압력은 상기 주조 노즐(25)의 외부 압력 즉, 대기압보다 높은 압력 상태이며, 배출량을 제어하기 위해서 가스의 압력을 조절할 수 있다.

상기와 같이 도가니(22) 내부가 대기압보다 높은 압력으로 유지되면 도 3과 같이, 용융 합금(23)의 수위가 내려가면서 사이폰관(24) 내부로 유입되어 상기 주조 노즐(25)을 통해 배출되어 회전하는 상기 냉각롤(26)의 원주면에 접촉되면서 급속 냉각되어 비정질 금속 상태의 스트립(27)이 제조된다.

상기와 같은 상태로 스트립(27)을 제조하다가 중단하고자 할 때에는 도 4와 같이, 상기 제 1밸브(30)를 차단하고 상기 제 2밸브(31)를 개방하여 상기 도가니(22)의 압력을 대기압보다 낮게 유지하여 상기 사이폰관(24) 내에 잔류하고 있는 용융 합금을 도가니(22) 내로 회수한다.

상기와 같이 상기 사이폰관(24)과 도가니(22) 내의 압력 조절을 통해 용융 합금(23)의 배출과 회수를 제어하면 종래의 용융 합금의 자중에 의한 배출에 비해 스트립 제조 공정 제어가 월등하게 유리하게 이루어진다.

도 1은 종래의 비정질 스트립 제조장치를 설명하기 위한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치를 설명하기 위한 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치의 스트립 제조 상태를 설명하기 위한 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 비정질 스트립 제조장치의 스트립 제조 중단 상태를 설명하기 위한 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

20: 하우징 21: 유도 코일

22: 도가니 23: 용융 합금

24: 사이폰관 25: 주조 노즐

26: 냉각롤 27: 스트립

28: 가스 공급원 29: 가스 라인

30: 제 1밸브 31: 제 2밸브

32: 진공 펌프

Claims (10)

1. 그 내부에 합금을 장입하고 있는 도가니;

   상기 도가니 내부의 합금을 유도가열 방식으로 용융하기 위해 상기 도가니 주변에 배치되는 가열수단;

   상기 도가니 내부의 상부로부터 연장되는 가스라인을 경유하여 연결되어 상기 도가니 내로 고압의 불활성 가스를 공급하여 상기 도가니 내의 용융합금을 가압하기 위한 불활성 가스 공급원;

   상기 도가니 내부의 상부로부터 연장되는 상기 가스라인을 경유하여 연결되어 상기 도가니 내로 공급된 고압의 불활성 가스를 상기 도가니 외부로 배출하여 도가니 내의 압력을 대기압보다 낮게 유지하기 위한 진공펌프;

   일단부는 상기 도가니의 내부 바닥에 인접하여 배치되고, 타단부는 역"U"자 형상의 관을 경유하여 상기 도가니의 외부에 배치되며, 상기 고압의 불활성 가스에 의해 상기 도가니 내의 용융합금을 도가니의 외부로 유도하여 배출하기 위한 사이폰관;

   상기 역"U"자 형상의 관이 상기 가열수단의 가열범위 내에 배치되도록 하여 상기 사이폰관 내의 용융합금에 대해서도 가열이 이루어질 수 있도록 상기 도가니, 가열수단 및 사이폰관을 그 내부에 포함하는 하우징;

   상기 사이폰관의 상기 타단부에 착탈가능하게 장착되어 상기 사이폰관으로부터 공급되는 상기 용융합금을 분사하기 위한 주조노즐; 및

   고속회전하며 상기 주조노즐과 이격되어 배치되어 상기 주조노즐로부터 분사되는 용융합금을 급속 냉각시켜 비정질 스트립을 형성하는 냉각롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 스트립 제조장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 사이폰관은 Al₂O₃, SiO₂, MgO, ZrO₂ 중에서 선택된 어느 하나의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 비정질 스트립 제조장치.
7. 삭제
8. 도가니에 장입된 합금을 상기 도가니 주변에 배치되는 가열수단을 통하여 용융하는 단계와;

   불활성 가스 공급원으로부터 불활성 가스를 상기 도가니 내부로 공급받아 상기 도가니 내부의 용융합금을 가압하여, 일단부는 상기 도가니의 내부 바닥에 인접하여 배치되고 타단부는 역"U"자 형상의 관을 경유하여 상기 도가니의 외부에 배치되며 상기 역"U"자 형상의 관이 상기 가열수단의 가열범위 내에 배치되도록 하여 상기 역"U"자 형상의 관 내의 용융합금에 대해서도 가열이 이루어질 수 있도록 구성된 사이폰관을 경유하여, 상기 사이폰관의 상기 타단부에 착탈가능하게 장착되는 주조노즐을 통하여 상기 주조노즐과 이격되어 배치되어 있는 냉각롤의 표면으로 용융합금을 분사하는 단계와;

   상기 냉각롤에 의해 급속냉각된 비정질 스트립을 냉각롤로부터 박리하는 단계와;

   진공펌프에 의해 상기 도가니 내부의 압력을 대기압보다 낮게 유지하여 상기 사이폰관 내에 잔류하고 있는 용융합금을 도가니 내로 다시 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 간접 가압방식의 비정질 스트립 제조방법.
9. 삭제
10. 삭제

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