KR101211214B1 - 발포 금속 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포 금속 제조장치로, 양단에 각각 입구부(11)와 출구부(12)가 형성되고, 내부의 양측벽에는 길이방향을 따라 복수 개의 발열체(13)가 수직방향으로 설치되는 가열로(10)와; 상기 가열로(10) 내부의 하부에 설치되고, 상부에 위치하는 형틀(1)을 이송시키는 이송장치(20)와; 상기 형틀(1)에 용융된 소재를 출탕하여 주입하는 출탕유닛(30)과; 상기 가열로(10)의 외부에 위치되며, 상기 형틀(1)에 수용된 소재를 냉각시키는 조직안정화부(40)로 이루어지고, 상기 출탕유닛(30)의 전후에는 상기 가열로(10)의 내부 공기가 순환대류를 형성하도록 각각 팬(14)이 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 발포 금속 내부의 기공의 크기와 분포가 균일하게 형성된다.

Description

발포 금속 제조장치{Manufacturing System for Foam Metal}

본 발명은 발포 금속 제조장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 발포 알루미늄과 같은 발포 금속을 제조할 때 가열로 내부의 형틀에 주성분과 부성분이 혼합된 재료를 출탕하고, 이를 냉각시킴으로써 발포금속을 제조하는 발포 금속 제조장치에 관한 것이다.

발포 금속이란(Metal Foam, Foam Metal)은 내부에 무수한 기포가 형성된 다공성 금속으로서, 이러한 발포 금속은 소형 경량화가 가능하여 항공기, 자동차, 발전소 및 충격 흡수제, 연료전지, 필터, 건축용 내외장재 등과 같이 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.

발포 금속은 크게 개포형(open cell type)과 폐포형(closed cell type)으로 구분되는데, 이 중 개포형 발포 금속은 내부의 기공들이 서로 연결되어 기체나 유체가 통과할 수 있으며, 폐포형 발포 금속은 내부의 기공이 각각 독립적으로 형성되어 금속의 경량화에 중점을 둔 것으로, 이러한 발포 금속은 일반적으로 터널형의 가열로와, 가열로의 하부에 위치하는 롤러와, 롤러의 상부에 위치하면서 롤러를 타고 이송되면서 용융된 금속이 주입되는 형틀, 금속을 용융시켜 이송된 형틀에 용융 금속을 주입하는 용용로 등으로 이루어진 제조장치에 의해 제조되는데, 이때 형틀에 주입된 용융 금속에는 발포제가 포함되어 있어 이 발포제의 작용에 의해 금속 내부에 기공이 형성되면서 발포 금속이 제조되게 된다.

그리고 발포 금속 내부에 기공이 형성될 때에는 기공의 크기가 일정하면서도 분포도 균일하게 형성될 필요가 있다.

발포 금속, 특히 발포 알루미늄을 제조하기 위한 장치 및 방법으로서 특허 제881689호의 '발포 성장이 균일한 발포 알루미늄의 제조방법 및 그 장치'가 알려져 있는데, 이 특허의 제조장치는 도 1에 도시된 바와 같이 용융 알루미늄이 주입되는 형틀(100)과, 형틀(100) 내에 용융 알루미늄의 상면을 가압하는 가압수단(110)과, 형틀(100)을 이송하는 이송장치(120) 및 이송장치(120)를 감싸는 터널형 가열로(130)로 구성되어, 용융 알루미늄의 상면을 가압수단(110)에 의해 가압함으로써 발포 금속의 상면이 평탄하게 형성되도록 하는 동시에 기공 분포의 균일화를 도모하고 있다.

그러나 위 특허를 포함한 일반적으로 채택되고 있는 발포 금속 제조장치는 도 1에 도시된 바와 같이 가열로(130)의 내부 바닥에 이송장치(120)를 설치하고, 그 하부에 발열히터(발열체)를 설치하여 가열로(130)의 내부 온도가 일정한 온도로 유지되도록 하고 있는데, 용융로에서 금속을 용융시켜 이 용융된 금속을 형틀(100)에 붓는 과정에서 용융된 금속의 일부가 외부로 비산되면서 이송장치(120)나 발열체에 부착되거나 바닥에 남게 되고, 그 결과 발열체 등을 손상시키게 되어 발열체를 자주 수리하거나 교체하여야 하며, 따라서 유지 보수를 위한 설비의 가동 중단에 따른 생산 효율이 저하되는 문제가 있다.

이에 더하여 균일한 발포가 이루어지기 위해서는 가열로(130) 내부의 온도가 균일하여야 할 뿐만 아니라, 형틀(100)에 주입된 금속의 적절한 냉각이 이루어져야 함에도 그러하지 못하고, 결과적으로 기공의 크기와 분포가 균일하게 형성되지 못한다는 문제도 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 발포 금속제조 시스템이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 발열체가 손상되지 않고, 발포 금속 내의 기공의 크기와 분포가 균일하게 형성될 수 있도록 하는 발포금속 제조장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 발포금속 제조장치를, 양단에 각각 입구부와 출구부가 형성되고, 내부의 양측벽에는 길이방향을 따라 복수 개의 발열체가 수직방향으로 설치되는 가열로와; 상기 가열로 내부의 하부에 설치되고, 상부에 위치하는 형틀을 이송시키는 이송장치와; 상기 형틀에 용융된 소재를 출탕하여 주입하는 출탕유닛과; 상기 가열로의 외부에 위치되며, 상기 형틀에 수용된 소재를 냉각시키는 조직안정화부로 이루어지고, 상기 출탕유닛의 전후에는 상기 가열로의 내부 공기가 순환대류를 형성하도록 각각 팬을 설치하는 것에 의해 달성된다.

이때 상기 출탕유닛이 위치되는 상기 이송장치의 하부에는 상기 형틀의 외부로 비산되는 용탕 찌꺼기를 회수하는 회수구가 더 구비되는 것으로 실시될 수 있다.

또한 본 발명은 상기 조직안정화부는 상기 가열로에서 배출되는 상기 형틀 내에 수용된 용융된 소재를 공기에 의해 냉각시키는 제1공냉부와; 상기 제1공냉부를 통과한 상기 형틀을 냉각수에 의해 냉각시키는 수냉부 및 상기 수냉부를 거친 상기 형틀을 재차 공기에 의해 냉각시키는 제2공냉부로 이루어지는 것으로 실시될 수 있다.

또한 본 발명은 상기 제1공냉부에서는 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 65~75%가 되도록까지 냉각시키고, 상기 수냉부에서는 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 85%~95%가 되도록까지 냉각시키며, 상기 제2공냉부에서는 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 100%가 되도록까지 냉각시키는 것으로 실시될 수 있다.

본 발명은 발열체를 가열로 내부의 양측벽에 길이방향을 따라 수직방향으로 설치되기 때문에 발열체가 손상되는 것이 방지된다.

또한 본 발명은 출탕유닛의 전후에 각각 팬이 설치됨으로써 가열로 내부 공기가 순환대류를 형성하게 되고, 그 결과 출탕유닛 전후의 온도편차가 해소되어 발포 금속 내부에 균일한 크기의 기공이 형성된다.

이에 더하여 본 발명에는 가열로의 하부쪽에 회수구가 구비되어 있어 형틀에 용융 소재를 주입하는 과정에서 형틀 외부로 비산된 소재가 회수될 수 있다.

또한 본 발명은 형틀 내부에 수용된 소재가 제1공냉부, 수냉부 및 제2공냉부를 차례로 거치면서 냉각 발포되기 때문에 발포 금속 내부의 기공의 크기가 균일한 동시에 발포 시간이 단축된다.

도 1은 종래의 발포 금속 제조장치의 예를 보인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 발포 금속 제조장치의 예를 보인 구성도,
도 3(a, b)은 종래의 가열로와 본 발명에 따른 가열로의 온도편차를 구하기 위한 실험한 예를 보인 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 팬의 사용예를 보인 사용상태도,
도 5는 본 발명에 따른 조직안정화부의 예를 보인 구성도,
도 6은 본 발명에 다른 회수구의 예를 보인 구성도,

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 발포 금속을 제조하기 위한 발포 금속 제조장치에 관한 것으로, 본 발명의 발포 금속 제조장치는 도 2에 도시된 바와 같이 가열로(10), 이송장치(20), 출탕유닛(30) 및 조직안정화부(40)를 포함한다.

가열로(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 길이를 가지는 터널형의 공간을 가지는 형태로서, 그 양단에는 각각 입구부(11)와 출구부(12)가 형성되고, 그 내부의 양측벽에는 가열로(10)의 길이방향을 따라 각각 복수 개의 발열체(13)가 수직방향으로 설치된다. 그리고 입구부(11)와 출구부(12)의 각각에는 가열로(10)의 내부 공간을 폐쇄하기 위한 도어가 설치되고, 발열체(13)는 봉 형상의 전기히터로 실시된다.

본 발명은 상기와 같이 복수 개의 발열체(13)가 가열로(10)의 양측벽에 길이방향을 따라 수직방향으로 설치되기 때문에 후술하는 출탕유닛(30)의 용융 금속을 형틀에 주입하는 과정에서 용융 금속이 형틀의 외부에 비산되더라도 비산된 금속이 발열체(13)에 부착되는 것을 방지하는 동시에, 가열로(10) 내부의 온도분포가 균일하게 되는 효과가 있다.

본 발명자 등은 상기와 같이 발열체(13)를 가열로(10)의 양측벽에 수직으로 설치하는 경우에 있어서의 가열로(10) 내부의 온도 분포를 확인하기 위해 도 3(a, b)에 도시된 바와 같이 가열로 내부의 복수의 온도검출센서(T1, T2, T3, T4)를 각각 설치한 다음, 각각의 위치에서의 온도를 검출하여 보았으며, 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

발열체 위치	T1(℃)	T2(℃)	T3(℃)	T4(℃)	비고
하부	680	670	690	660	설정온도 700℃
측면	684	680	685	680

위 표 1에서 보는 바와 같이 종래 구조의 가열로, 즉 발열체(13)를 가열로의 하부에 수평으로 설치하는 형식의 가열로의 내부 온도는 660～690℃ 범위로 나타났으나, 본 발명에서와 같이 발열체(13)를 가열로의 측벽에 수직으로 설치하는 경우 가열로 내부의 온도는 680～685℃ 범위의 온도범위로 나타나 종래의 방식에 비해 가열로 내부의 온도가 더 균일하게 되는 것을 확인할 수 있었다.

이에 더하여 본 발명은 상기한 바와 같이 발열체(13)가 가열로(10)의 양측벽에 수직으로 설치됨으로써 용융된 금속을 후술하는 출탕유닛(30)으로부터 그 하부에 위치하는 형틀(1)로 주입시킬 때 용융 금속이 형틀(1) 외부로 비산되더라도 비산된 금속이 발열체(13)에 부착될 가능성이 거의 없으며, 따라서 발열체(13)의 유지보수에 따른 생산성 저하가 방지되는 동시에, 발열체(13)의 성능을 일정하게 유지할 수 있기 때문에 종래에 비해 가열로(10) 내부의 온도 조절이 더욱 용이하다.

한편 가열로 내부의 온도가 전체적으로 균일하게 유지되는 것이 바람직하지만, 적어도 출탕유닛(30) 주위의 온도가 균일하게 유지될 필요가 있는데, 이에 따라 본 발명에서는 출탕유닛(30) 전후의 온도를 더욱 균일하게 유지할 수 있도록 출탕유닛(30)의 전후에는 각각 팬(14)이 설치되고, 이때 각각의 팬(14)은 가열로(10)의 내부 공기가 순환대류를 형성하도록 도 4에 도시된 바와 같이 발열체(13)의 하부에 위치되면서 그 토출구는 상방을 향하도록 설치되고, 이러한 팬(14)은 자연스러운 대류가 형성되도록 팬(14)의 회전속도는 가열로(10) 내부의 풍속이 2m/sec 이하가 되도록 설정된다.

가열로(10)의 바닥에 설치되어 형틀(1)을 입구부(11)에서 출구부(12)를 따라 이송되도록 하는 이송장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 이송롤러(21)가 이송 경로를 따라 설치되고, 이들 이송롤러(21)는 구동모터(도시되지 않음)에 의해 구동된다.

그리고 이송롤러(21)의 상부에는 복수의 형틀(1)이 안착되어 구동모터의 동작에 의해 이송롤러(21)가 회전 동작되면, 형틀(1)이 가열로(10)로의 입구부(11)를 통해 내부로 진입된 후, 지속적인 이송 동작에 의해 다시 출구부(12)를 통해 외부로 배출되어 후술하는 조직안정화부(40)로 이송된다.

가열로(10)의 상부쪽에 위치하면서 가열로(10) 내부로 진입된 형틀(1)에 용융된 금속을 출탕하는 출탕유닛(30)은 발포재가 포함된 소재를 녹여 용융된 소재를 출탕구를 통해 형틀(1)로 출탕하며, 형틀(1)에 주입된 소재는 발포 성장이 개시되면서 소재 내부에 무수한 기공이 형성된다.

이렇게 형틀(1)에 주입된 용융된 소재는 가열로(10) 내에서 일정한 발포율에 도달하기까지 머무르게 되는데, 이때 발포율은 완성품 대비 45~55 부피% 범위가 되는 것이 바람직하다.

가열로(10) 내부에서 형틀(1)에 주입된 소재가 일정한 발포율에 도달하게 되면, 이송장치(20)의 구동에 의해 가열로(10)의 외부로 배출되고, 이렇게 배출된 형틀(1)은 냉각과정을 거치면서 조직이 치밀화되는 동시에 구조적으로 안정된다.

본 발명은 형틀(1)을 적절한 속도로 냉각시킴으로써 형틀(1)의 내부에 수용된 발포 금속에 일정한 크기의 기포가 형성되는 동시에 균일한 기공분포가 이루어지도록 하는 조직안정화부(40)를 마련하고 있는데, 본 발명의 조직안정화부(40)는 도 5에 도시된 바와 같이 가열로(10)에서 배출되는 형틀(1) 내에 수용된 용융된 소재를 공기에 의해 냉각시키는 제1공냉부(41)와, 제1공냉부(41)를 통과한 형틀(1)을 냉각수에 의해 재차 급속 냉각시키는 수냉부(42) 및 수냉부(42)를 거친 형틀(1)을 재차 공기에 의해 냉각시키는 제2공냉부(43)를 포함한다.

일반적으로 수냉 방식을 채택하는 경우 냉각 시간이 짧다는 장점은 있으나, 공냉 방식에 비해 금속 조직의 안정성이 저하된다는 단점이 있고, 이에 반해 공냉방식은 금속 조직의 안정성에는 기여하지만 냉각 시간이 길어진다는 단점이 있다.

이에 따라 본 발명에서는 금속 조직의 안정화를 기하는 동시에 냉각 시간을 줄일 수 있도록 이들 수냉방식과 공냉방식을 조합하여 냉각시킨다.

이를 위해 본 발명에서는 제1공냉부(41)에서 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 65~75% 범위가 이루어질 때까지 공기에 의한 냉각이 이루어지고, 다시 수냉부(42)에 의해 소재의 발포율이 완성품 대비 85~95% 범위가 될 때까지 냉각이 이루어지며, 이후 제2공냉부(43)에서 다시 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 100%가 될 때까지 냉각된다.

한편, 본 발명의 가열로(10)의 내부에는 용융된 소재가 형틀(1)로 출탕되는 과정에서 형틀(1)의 외부로 비산되는 용탕 찌꺼기를 회수할 수 있도록 출탕유닛(30)이 위치되는 이송장치(20)의 하부쪽에 회수구(50)가 더 구비될 수 있는데, 이러한 회수구(50)는 도 6에 도시된 바와 같이 출탕유닛(30)의 출탕 영역을 기준으로 50~60cm의 폭을 가지는 것으로 실시된다.

그리고 회수구(50)는 내부 바닥이 경사지게 형성됨으로써 용탕 찌꺼기가 한곳에 모여 회수될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 가열로 내부의 온도가 균일하게 유지되는 동시에 조합된 냉각방식 하에서 금속의 발포가 이루어지기 때문에 기공의 크기와 분포가 균일하게 형성되는 동시에 발포 금속의 조직이 더욱 안정화된다.

10: 가열로 11: 입구부
12: 출구부 13: 발열체
14: 팬 20: 이송장치
21: 이송롤러 30: 출탕유닛
40: 조직안정화부 41: 제1공냉부
42: 수냉부 43: 제2공냉부
50: 회수구

Claims (4)

1. 양단에 각각 입구부(11)와 출구부(12)가 형성되고, 내부의 양측벽에는 길이방향을 따라 복수 개의 발열체(13)가 수직방향으로 설치되는 가열로(10)와;
   상기 가열로(10) 내부의 하부에 설치되고, 상부에 위치하는 형틀(1)을 이송시키는 이송장치(20)와;
   상기 형틀(1)에 용융된 소재를 출탕하여 주입하는 출탕유닛(30)과;
   상기 가열로(10)의 외부에 위치되며, 상기 형틀(1)에 수용된 소재를 냉각시키는 조직안정화부(40)로 이루어지고,
   상기 출탕유닛(30)의 전후에는 상기 가열로(10)의 내부 공기가 순환대류를 형성하도록 각각 팬(14)이 설치되며,
   상기 조직안정화부(40)는 상기 가열로(10)에서 배출되는 상기 형틀(1) 내에 수용된 용융된 소재를 공기에 의해 냉각시키는 제1공냉부(41)와; 상기 제1공냉부(41)를 통과한 상기 형틀(1)을 냉각수에 의해 냉각시키는 수냉부(42) 및 상기 수냉부(42)를 거친 상기 형틀(1)을 재차 공기에 의해 냉각시키는 제2공냉부(43)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발포 금속 제조장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 출탕유닛(30)이 위치되는 상기 이송장치(20)의 하부에는 상기 형틀(1)의 외부로 비산되는 용탕 찌꺼기를 회수하는 회수구(50)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 발포 금속 제조장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제1공냉부(41)에서는 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 65~75%가 되도록까지 냉각시키고, 상기 수냉부(42)에서는 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 85%~95%가 되도록까지 냉각시키며, 상기 제2공냉부(43)에서는 용융된 소재의 발포율이 완성품 대비 100%가 되도록까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 발포 금속 제조장치.

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