KR101417950B1 - 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치 - Google Patents

비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정련시 도가니에서 발생되는 불순물 가스가 챔버 내부로 확산되는 것을 방지하고 포집판에 집중되도록 유도하여 포집효율을 향상시킬 수 있는 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치를 개시한다. 본 발명은 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치로서, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부에 위치되며 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 도가니의 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 도가니; 상기 도가니의 상부에 위치하여 용융시 발생하는 불순물 가스를 포집하는 포집판; 및 상기 도가니의 하부에 위치하며 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 반응성 가스 또는 불활성 가스를 분사하여 상기 포집판으로의 기류커튼을 형성하는 가스공급수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치{Impurities extractor for scrap refining system using a non - contact crucible}
본 발명은 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정련시 도가니에서 발생되는 불순물 가스가 챔버 내부로 확산되는 것을 방지하고 포집판에 집중되도록 유도하여 포집효율을 향상시킬 수 있는 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치에 관한 것이다.
근래 들어, 태양전지 생산이나 티타늄 재활용을 위해 실리콘이나 다른 고용융점을 갖는 금속 스크랩을 정련하기 위한 스크랩 정련 시스템의 개발이 다방면으로 이루어지고 있다.
일 예로, 도 1은 종래의 실리콘을 전자기 연속 주조 방식으로 제조하는 정련 시스템을 나타내는 구성도로서, 도 1과 같이 종래의 실리콘 정련 시스템은 도가니(3)에 실리콘 공급부(2)로부터 정제 대상 실리콘을 투입한 후 유도코일(4)에 의해 실리콘을 가열하여 실리콘 용융물(5)을 생성한다. 이때 실리콘 용융물(5)에 작용하는 로렌츠 힘에 의해 도가니(3)와 실리콘 용융물(5)은 접촉하지 않는다(이를 일명 '비접촉 도가니'라 일컫는다). 그 상태에서 가스 공급부(1)로 붕소 제거용 물질인 O2, H2, H2O, N2 등을 공급한다. 붕소 제거용 물질은 불활성 물질인 Ar, He 등과 함께 공급할 수도 있다. 붕소 제거용 물질과 불활성 물질을 넣으면서 동시에 펌프 등을 사용하여 내부에 있는 가스를 강제로 가스배출부(7)로 외부로 배출시켜 내부 압력을 일정하게 맞추어 진공상태를 이룬다.
이와 같은 정련 시스템은, 유도코일에 의한 자기장에 의해 그 실리콘이 용융되면서 도가니 내부 방향으로 로렌츠 힘을 받아 실리콘 용융물이 도가니 내부로 향하게 되어 도가니 내측면과 서로 접촉하지 않게 되는 비접촉 도가니를 채용한다. 따라서 전류의 방향이 바뀌어도, 자기장의 방향 역시 같이 변하므로 로렌츠 힘은 항상 실리콘 내부 방향을 향하게 된다. 이렇게 도가니와 실리콘이 접촉하지 않음으로 인하여, 실리콘 내로 도가니에 존재하는 불순물이 침입하지 않게 되며, 도가니의 재사용이 가능하다.
한편, 이러한 종래의 정련 시스템은 용융시 챔버 내에 다량의 불순물 가스가 발생되어 주괴의 품질(순도)을 저해하는 요인으로 작용하는 문제점이 있었다.
따라서 이를 해소하고자 종래에는 불순물 포집수단이 마련된 정련 시스템이 제안되었다. 도 2는 종래의 불순물 포집수단이 채용된 정련 시스템의 일 예를 나타내는 구성도이다.
도 2와 같이, 종래의 실리콘 정련 시스템은 진공 챔버(A)와, 진공 챔버(A) 내에 배치되는 냉도가니(B)와, 냉도가니(B)에 실리콘 스크랩(16)을 공급하는 원료공급장치(C)와, 진공 챔버(A) 내의 냉도가니(B)의 상방에 배치되어 반응성 가스를 불활성 가스에 의해 플라즈마 화염 내에 유입시켜 형성된 스팀 플라즈마를 통해 실리콘 스크랩(16)을 용융시키는 스팀 플라즈마 토치(D), 및 진공 챔버(A)에 발생된 불순물 가스를 포집하기 위한 불순물 포집 장치(F)를 포함한다. 도 2에서 미설명부호 11은 자기장 투과덮개, 10은 유도코일, 14는 세그먼트, 및 15는 주괴이다.
이러한 구성을 갖는 종래의 실리콘 정련 시스템은 플라즈마 처리 온도를 높여 SG 실리콘으로의 실리콘 정련능을 향상시키고 실리콘 정련 과정 중 발생되는 불순물 가스에 의한 재오염을 방지할 수 있다.
한편, 종래의 정련 시스템의 불순물 포집 장치(F)에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 종래의 정련 시스템에 적용된 불순물 포집 장치(F)는 냉도가니(B)로부터 발생되는 불순물을 포함하는 진공 챔버 내의 불순물 가스를 포획하기 위한 포집판(F1)과, 포집판(F1)에 연결되어 포획된 진공 챔버 가스를 챔버 외부로 유출시키는 유출관(F2)을 포함한다.
또한 종래의 불순물 포집 장치(F)는 유입관(F2)에 연결되어 진공 챔버 가스에서 가스 상태의 불순물을 더스트로 집진하기 위한 더스트 집진기(F3)와, 진공 챔버 가스에서 미분 상태의 불순물을 걸러 내기 위한 필터(F4)를 더 포함한다.
아울러 유입관(F2)을 통과하여 정제된 진공 챔버 가스는 유출관(F5)을 통해 진공 챔버(A)로 유입되는 순환시스템을 갖는다.
그러나 종래의 정련 시스템에 적용된 불순물 포집 장치(F)는 챔버(A) 내에서 불순물 가스가 분산됨으로써 포집판(F1) 뿐만 아니라 챔버(A)의 내측면의 곳곳에 이물질이 부착되는 문제점이 있었다.
또한 스크랩의 용융시 발생되는 불순물 가스를 포집판(F1)으로 집중시키는 수단이 개시되어 있지않아 포집 효율을 향상시키는데 한계가 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 정련시 도가니에서 발생되는 불순물 가스가 챔버 내부로 확산되는 것을 방지하고 포집판에 집중되도록 유도하여 포집효율을 향상시킬 수 있는 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치로서, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부에 위치되며 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 도가니의 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 도가니; 상기 도가니의 상부에 위치하여 용융시 발생하는 불순물 가스를 포집하는 포집판; 및 상기 도가니의 하부에 위치하며 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 반응성 가스 또는 불활성 가스를 분사하여 상기 포집판으로의 기류커튼을 형성하는 가스공급수단을 포함하여 이루어진 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치를 제공한다.
상기 가스공급수단은 다수의 분사노즐이 상기 도가니의 하부에 배치될 수 있다.
상기 가스공급수단에 의해 형성된 상기 기류커튼은 상기 도가니에서 용융시 발생되는 불순물 가스가 상기 진공 챔버의 내부로 확산되는 것을 방지하도록 상기 불순물 가스를 둘러싸는 형태로 형성되어 상기 포집판으로 유도되는 것이 바람직하다.
상기 진공 챔버의 측면에는 비활성 가스를 공급하기 위한 주입구, 및 상기 진공 챔버 내부의 진공도를 유지하기 위한 배출구가 형성되되, 상기 주입구는 평면상에서 중심에서 일측으로 치우친 영역에 위치하여 상기 비활성 가스의 주입시 상기 진공 챔버 내부에서 상기 비활성 가스가 와류를 형성하게 되어 상기 불순물 가스를 상기 진공 챔버의 중심으로 유도하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 기류 커튼과 챔버 내의 불활성 가스의 와류형성으로 인해 불순물 가스가 진공 챔버로 확산되는 것을 방지하고, 포집판으로 불순물 가스가 집중되도록 유도할 수 있어 불순물이 진공 챔버 곳곳에 부착되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 포집판에 불순물이 집중적으로 유도되어 포집효율을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 또한 불순물 가스가 포집판으로 유도됨으로써 추후 진공 챔버 내부의 청소가 용이한 효과가 있다.
도 1은 종래의 실리콘을 전자기 연속 주조 방식으로 제조하는 정련 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 종래의 불순물 포집수단이 채용된 정련 시스템의 일 예를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 내부 기류상태를 보여주는 상태도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 가스분사 상태를 보여주는 예시도,
도 6은 종래의 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 챔버 내부로 공급된 가스의 기류 상태를 보여주는 상태도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 챔버 내부로 공급된 가스의 기류 상태를 보여주는 상태도, 및
도 8은 도 7의 평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치를 나타내는 구성도이다.
도 3과 같이 본 발명은 진공 챔버(20), 도가니(30), 포집판(60), 및 가스공급수단을 포함한다.
진공 챔버(20)에는 비활성 가스(예를 들어 아르곤 가스나 헬륨가스 등)를 주입하기 위한 주입구(21)가 측면에 형성된다. 이때 주입구(21)는 하나 또는 그 이상일 수 있다. 한편 진공 챔버(20)의 상부에는 배출구(22)가 형성된다. 이 배출구(22)는 진공 챔버(20)의 진공도를 유지하기 위해 내부의 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다.
도가니(30)는 외부에 유도코일(31)이 권취된 형태로 제공된다. 즉 전자기 도가니로서, 교류 전류를 인가하여 자기장(Magnetic Field) 변화를 유발시켜 용융시키고자 하는 금속표면에 유도 전류를 형성시키고, 상기 유도전류로부터 발생하는 줄열(Joule's Heat)에 의해 금속이 용융된다. 이러한 전자기 유도에 의한 직접 용융 방식은 단시간 내에 금속과 같은 물질을 용융시키는 것이 가능하여 높은 생산성을 기대할 수 있다.
또한, 상기 유도전류는 자기장과 작용하여 용탕(32)에 전자기력(Lorentz force)을 발생시킨다. 이 발생되는 전자기력은, 코일 전류의 방향이 바뀌더라도 플레밍의 왼손법칙에 따라 항상 도가니 내부의 중심방향으로 향하게 되고 전자기압(Electromagnetic Pressure)과 같은 핀치효과(Pinch Effect)로 인하여 용탕과 도가니(30)의 내벽(35)과의 접촉을 방지할 수 있다. 이로 인해 도가니(30)의 내벽(35)과 용탕(35)의 사이에는 서로 접촉되는 공간이 형성된다.
포집판(60)은 도가니(30)의 용탕(32)에서 발생되어 상승되는 불순물 가스 중에 포함된 불순물을 표면에 응결시켜 포집하는 수단이다. 구체적으로 포집판(60)에는 진공 챔버(20) 내부와의 온도차를 형성할 수 있도록 냉각수단이 구비될 수 있다. 한편 포집판(60)은 도 3과 같이 도가니(30) 수직한 상부에 위치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 도가니(30)로부터 상승되는 불순물 가스가 직접적으로 노출되도록 위치된다.
가스공급수단은 도가니(30)의 하부측에 위치된다. 구체적으로 가스공급수단은 비활성가스나 반응가스를 진공 챔버(20) 내부(구체적으로 용탕과 도가니의 내벽 사이의 공간)로 분사할 수 있는 다수의 분사노즐(41,42)일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 내부 기류상태를 보여주는 상태도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 가스분사 상태를 보여주는 예시도이다.
도 4 및 도 5와 같이, 도가니(30)의 하부에 설치된 분사노즐(41,42) 통해 가스(불활성 가스 또는 반응가스)를 주입하면 주괴(50)와 내벽(35) 사이의 틈으로 가스가 주입되고 용탕(32)과 내벽(35) 사이의 공간을 통과하여 포집판(60)의 하부면까지 주입된 가스가 전달된다. 이에 따라 도 5와 같이 도가니(30)의 상부와 포집판(60)의 사이에는 수직하게 분사노즐(41,42)에서 분사된 가스가 기류 커튼(FC)를 형성하게 된다. 즉 용탕(32)의 둘레방향으로 솟구치는 가스기류가 용탕(32)의 둘레영역만큼의 기류 커튼(Fc)을 형성하게 된다.
이와 같이 형성된 기류 커튼(Fc)은 도가니(30)의 용융시 발생되는 불순물 가스가 진공 챔버(20)의 내부로 확산되는 것을 차단하게 된다. 또한 기류 커튼(Fc)은 도가니(30)에서 상승되는 불순물 가스가 포집판(60)의 하부영역으로 집중되도록 유도하는 역할을 한다. 즉 도가니(30)의 하부에서 분사된 가스는 비접촉 도가니의 틈을 통해 포집판(60)의 하부면에 직접분사되는 것으로 기류 커튼(Fc)을 형성하고, 이 기류 커튼(Fc)은 금속 용융시 발생되는 불순물 가스가 진공 챔버(20) 내부로 확산되는 것을 방지하도록 도가니(30)에서 상승되는 불순물 가스를 기류 커튼(Fc) 내에 유지하면서 포집판(60)으로 유도하는 역할을 한다.
한편 이때 진공 챔버(20)의 내부에는 주입구(21)를 통해 불활성 가스가 공급되고 배출구(22)를 통해 배기되는 기류흐름이 형성될 수 있다.
도 6은 종래의 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 챔버 내부로 공급된 가스의 기류 상태를 보여주는 상태도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치의 챔버 내부로 공급된 가스의 기류 상태를 보여주는 상태도이며, 도 8은 도 7의 평면도이다.
도 6과 같이 종래에는 진공 챔버(20)의 측면에 주입구(21)가 형성되어 주입된 불활성 가스는 수직으로 상승하여 배출구(22)를 통해 배출되는 수직적 기류흐름을 형성한다.
반면, 본 발명에서는 도 8과 같이 주입구(21)를 진공 챔버(20)의 평면을 볼 때, 중심선에서 일측으로 치우친 영역에 위치시킨다. 이에 따라 비활성 가스의 주입시 진공 챔버(20) 내부에서 비활성 가스가 와류를 형성하게 되어 불순물 가스를 진공 챔버(20)의 중심으로 유도하는 역할을 기대할 수 있다.
즉, 도 7과 같이 도가니(30)의 하부에서 공급되는 가스를 통해 1차로 기류 커튼(Fc)을 형성하고 2차적으로 진공 챔버(20)의 측면에서 공급되는 불활성 가스를 진공 챔버(20)의 내부에서 중심을 향해 와류(소용돌이)를 형성함으로써 용융시 발생되는 불순물 가스가 진공 챔버(20)의 내부로 확산되는 것을 2중으로 방지할 수 있다.
이와 같이, 기류 커튼(Fc)과 챔버 내의 불활성 가스의 와류형성으로 인해 불순물 가스가 진공 챔버(20)로 확산되는 것을 방지하고, 포집판(60)으로 집중되도록 유도할 수 있어 불순물이 진공 챔버(20) 곳곳에 부착되는 것을 방지할 수 있고 포집판에 불순물이 집중적으로 유도되어 포집효율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한 불순물 가스가 포집판(60)으로 유도됨으로써 추후 진공 챔버(20) 내부의 청소시 포집판(60)에 부착된 불순물만을 제거할 수 있어 후공정이 용이한 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
20: 진공 챔버 21: 주입구
22: 배출구 30: 도가니
31: 유도코일 32: 용탕
35: 내벽 41,42: 분사노즐
50: 주괴 60: 포집판

Claims (4)

  1. 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치로서,
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내부에 위치되며 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 도가니;
    상기 도가니의 상부에 위치하여 용융시 발생하는 불순물 가스를 포집하는 포집판; 및
    상기 도가니의 하부에 위치하며 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 반응성 가스 또는 불활성 가스를 분사하여 상기 포집판으로의 기류커튼을 형성하는 가스공급수단을 포함하고,
    상기 가스공급수단에 의해 형성된 상기 기류커튼은, 상기 불순물 가스가 상기 진공 챔버의 내부로 확산되는 것을 방지하도록, 상기 반응성 가스 또는 상기 불활성 가스를 상기 도가니의 둘레를 따라 분사하여 상기 진공 챔버 상에서 상기 불순물 가스를 둘러싸는 형태를 이루게 함으로써 상기 불순물 가스를 상기 포집판으로 유도하는 것을 특징으로 하는 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스공급수단은 다수의 분사노즐이 상기 도가니의 하부에 배치된 것을 특징으로 하는 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공 챔버의 측면에는 비활성 가스를 공급하기 위한 주입구, 및
    상기 진공 챔버 내부의 진공도를 유지하기 위한 배출구가 형성되되,
    상기 주입구는 평면상으로 볼 때 중심에서 일측으로 치우친 영역에 위치하여 상기 비활성 가스의 주입시 상기 진공 챔버 내부에서 상기 비활성 가스가 와류를 형성되게 함으로써 상기 불순물 가스를 상기 진공 챔버의 중심으로 유도하는 것을 특징으로 하는 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치.
KR1020120054874A 2012-05-23 2012-05-23 비접촉 도가니를 이용한 스크랩 정련 시스템의 불순물 포집장치 KR101417950B1 (ko)

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