KR101426008B1 - 다중 분사노즐 및 이를 이용한 분말 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 각종 산업용으로 사용되는 각종 기능성 분말(연·경자성재료, 수소저장재료, 열전재료, 2차전지 등)이나, 구조 부품용 분말(Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Al,Ti 및 그 합금)로 사용되는 각종 순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등의 분말 제조장치에 사용하는 분무노즐(atomizing nozzle)에 관한 것으로서, 고체상태의 원료를 용해하여 오리피스를 통과하는 용탕을 냉각 매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 10bar 이상의 압력으로 분무시켜 미세한 분말형태로 제조할 때, 특히 냉각속도가 느릴 때 발생하는 미세편석을 줄이기 위하여 종래 가스분무법(혹은 수분사법)과는 달리 분무노즐을 다중(2개 이상)의 분사노즐을 수직으로 설치하여 상기한 냉각매체를 동시에 분사함으로써, 냉각효과를 높게 하여 미세편석을 줄여 보다 균질한 미세조직을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 분말의 사이즈와 모양을 용이하게 조절하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 각종 산업용으로 사용되는 순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등의 분말 제조장치에 사용되는 분무노즐에 관한 것으로, 일반적으로 가스분무법(혹은 고압수분사법)으로 고체상태의 원료를 도가니에 장입하여 아크로나 유도로 등으로 용해한 액체를 오리피스로 통과시키면서 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 고압으로 분사시켜 미세한 분말형태로 제조할 때, 특히 냉각속도가 느릴 때 발생하는 미세편석을 줄이기 위하여 다중(2개 이상) 분사노즐을 사용하는 한편, 회전하는 원추형 냉각롤러의 외측과 고정된 냉각용 중공형 원통의 내측에 연속적으로 부딪혀 냉각효과를 높임으로써, 미세편석을 줄이는 동시에 보다 균질한 미세조직을 얻을 수 있도록 하는 다중 분무노즐 및 이를 이용한 분말 제조장치에 관한 것이다.
각종 산업용으로 사용되는 순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등의 분말을 제조하는 방법 중의 하나로 잘 알려진 분무법(atomization process)은 냉각매체의 종류에 따라 가스 분무법, 수분사법 및 혼합 분무법으로 구분되며, 그 중 가스 분무법은 냉각매체로 불활성 가스(N2,Ar,He)나 공기(air) 등을 사용하므로 분말 제조 시 산화 및 불순물 혼입문제가 적어 고품질의 분말제조가 가능하지만, 냉각효과가 낮기 때문에 합금분말의 경우 미세편석이 발생하여 균질한 합금분말을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 사용 가스의 가격이 비교적 고가이기 때문에 생산코스트 상승의 문제점이 있고, 또한 수분사법은 상기한 가스나 공기 대신에 비교적 저가인 물(H2O)을 주요 냉매로 사용하기 때문에 제조하는 분말의 산화문제가 클 수 있지만, 산화문제가 적거나 후처리 공정으로 산화문제를 해결할 수 있는 경우에는 경제적으로 매우 유리할 뿐만 아니라, 냉각효과가 매우 크다는 장점 때문에 최근 철(Fe)계 연자성 비정질 합금분말, 센더스트(SENDUST), 스테인레스강(Stainless steel) 등 분말제조에 효율적이며 경제적인 제조법으로 적용되고 있으며, 또한 혼합 분무법은 냉각 매체로 상기한 가스(N2,Ar,He), 공기 및 물(H2O) 등을 적절한 비율로 혼합하여 사용하는 제조방법으로 상기한 가스 분무법이나 수분사법의 장단점을 고려한 제조방법이다.
한편 분무노즐(atomizing nozzle)은 전술한 분무법에 사용되는 핵심적인 부품이며, 현재 제조하고자 하는 분말의 종류, 크기 및 형상 등에 따라 매우 다양한 크기 및 구조로 개발되어 사용되고 있다.
대표적으로 순금속 및 합금분말을 제조할 목적으로 진공 혹은 불활성 분위기에서 원료금속 잉곳(ingot)을 도가니에 장입하여 유도로나 아크로 등으로 완전하게 용융하여 미세관을 통과하는 액상의 금속을 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)로 고압 분무시켜 미세한 분말형태로 제조하고 있으며, 이러한 방법으로 얻어지는 분말에 산화가 문제될 경우에는 주로 불활성 가스(N2,Ar,He 등)를 사용하지만, 산화문제가 없을 때는 공기, 고압 수(H2O) 또는 물과 가스(공기,N2 )를 사용하여 제조하며, 용탕온도, 가스압력, 환상노즐의 사이즈 등의 공정변수에 따라 합금분말의 사이즈, 형상 및 입도분포가 다른 분말이 얻어진다.
이러한 분무법의 수분사법은 비교적 저렴한 물(H2O)을 사용하므로 분말제품의 생산 코스트를 절감할 수 있으며, 냉각효과가 크기 때문에 미세편석을 줄일 수 있지만, 특히 제조된 분말의 표면산화 및 고압 수 발생장치의 설비비가 고가인 것이 단점이다.
각종 산업용으로 사용되는 순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등의 분말은, 기본적으로 최종 적용 제품의 특성 향상을 위해 균질한 화학적 조성이 중요하지만, 적용 제품에 따라 분말의 입도, 형상 및 미세조직 등이 매우 중요하다.
그러나 이러한 분말을 고온으로 용해하여 종래 제조방법인 분무법이나 원심분리법으로 제조할 경우에는, 보통 상기한 분말의 화학적 조성, 입도, 형상 및 미세조직 제어가 어려울 뿐만 아니라, 제조공정이 복잡하여 장치 및 설비비가 고가이기 때문에 생산 코스트가 상승하는 문제점이 있기 때문에 본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 하는 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 수단으로써, 우선 고체 원료를 도가니에 장입하여 고주파 유도로(혹은 아크로)로 용해한 후 도가니 하부에 설치된 오리피스(orifice)를 통해 액상으로 자연 낙하하는 원료용액을 냉각효과를 높이기 위해 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 다중 분사노즐로 분사하여 1차적으로 냉각시킨 후, 더욱 냉각효과를 높이기 위해 분사된 분말을 재차 2000rpm이상의 고속으로 회전하며 수냉되는 원추형 냉각롤러의 외측과 상기한 원추형 냉각롤러의 외측에 수냉되며 고정 설치한 냉각용 중공형 원통의 내벽에 연속적으로 부딪히게 하여 냉각효과를 상승시킴으로서 이루어진다.
즉, 본 발명은 고온으로 용해한 분말원료를 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 다중(2개 이상)의 분사노즐을 사용하여 10~1,000bar범위의 압력으로 분사하여 냉각하는 단계, 상기 다중 분무노즐의 하단에 설치되고 수냉되며 2000rpm이상의 고속으로 회전하는 원추형 냉각롤러의 외측에 재차 부딪혀 연속적으로 냉각되는 단계를 수행함으로써 분말의 제조가 이루어진다.
이러한 본 발명에 의해 얻어진 분말의 특성은, 보통 용탕온도, 용탕출구 속도, 냉각 매체의 분사압력에 따라 다를 수 있지만, 특히 다중의 분사압력, 냉각매체, 원추형 냉각롤러의 외형 및 회전속도 등에 따라 제조된 분말의 입도, 형상 및 미세조직 등이 다를 수 있다.
본 발명에 의해 제조한 분말(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등)은 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)에 의해 다중(2개 이상) 분사노즐에 의해 분사되어 1차적으로 냉각된 직후, 30mm이내의 근거리에 설치되어 고속으로 회전하는 원추형 냉각롤러에 부딪혀 연속적으로 냉각되기 때문에 냉각속도 저하에 의한 미세편석이 적고, 입도 및 형상 제어가 용이하므로, 각종 산업용으로 사용하는 각종 분말제품의 물성 향상에 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정이 비교적 단순하여 생산성 향상은 물론, 설비비 절감에 따른 경제적 효과에도 유리하다.
도 1은 본 발명의 다중(2중) 분사노즐 분해 단면도.
도 2는 본 발명의 다중(2중) 분사노즐 조립 단면도.
도 3은 본 발명의 다중(3중) 분사노즐 조립 단면도.
도 4는 본 발명의 도 1에 도시된 A-A 선 단면도.
도 5는 본 발명 다중 분사노즐의 분사각 및 교차점을 보인 상태.
도 6은 본 발명의 다중(2중) 분사노즐에 의한 제1실시 예 단면도.
도 7은 본 발명의 다중(2중) 분사노즐에 의한 제2실시 예 단면도.
도 8은 본 발명의 다중(2중) 분사노즐에 의한 제3실시 예 단면도.
도 2는 본 발명의 다중(2중) 분사노즐 조립 단면도.
도 3은 본 발명의 다중(3중) 분사노즐 조립 단면도.
도 4는 본 발명의 도 1에 도시된 A-A 선 단면도.
도 5는 본 발명 다중 분사노즐의 분사각 및 교차점을 보인 상태.
도 6은 본 발명의 다중(2중) 분사노즐에 의한 제1실시 예 단면도.
도 7은 본 발명의 다중(2중) 분사노즐에 의한 제2실시 예 단면도.
도 8은 본 발명의 다중(2중) 분사노즐에 의한 제3실시 예 단면도.
본 발명은 종래의 가스분무법이나 고압수분사법과는 달리, 분말원료(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등)를 용해하여 오리피스(orifice)를 통과하는 용탕을 분사노즐로 냉각매체를 분사시켜 분말을 제조할 때, 특히 냉각효과를 높여 분말의 특성을 향상시키기 위해 다중(2개 이상)의 분사노즐을 사용하여 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 또는 그 혼합물)를 10~1,000bar범위의 압력으로 1차적으로 냉각시킨 후, 분사된 분말의 냉각효과를 더욱 높이기 위해 재차 2,000rpm이상의 고속으로 회전하며 수냉되는 원추형 냉각롤러 및 중공형 원통의 내벽 등에 연속적으로 부딪히게 하여 냉각효과를 상승시킴으로서 이루어진다.
이러한 본 발명에 있어서, 우선 다중(2개 이상)의 분사노즐에 대하여 도 1내지 도 5에 대하여 살펴본다.
본 발명의 다중(2개 이상)의 분사노즐은 반드시 수직으로 구성하되, 예를 들면, 2개의 분사노즐을 2중으로 설치할 경우, 상하로 제1,2분사노즐(5)(7)은 상하로 겹치게 하여 설치하되, 상측에 위치하는 제1분사노즐(5)의 분무각(81)보다 하측에 위치하는 제2분사노즐(7)의 분사각(81a)을 크게 함으로써, 다중 제1,2분사노즐(5)(7)의 분사 교차점(87)(87a)이 상하로 위치하게 하되 상기 분무 교차점(87)(87a)의 거리(88a)는 30mm 이내가 되게 한다.
즉, 본 발명은 다중의 제1분사노즐(5)에서 분사각(81)을 갖고 냉각매체(31a)로 용탕을 분사시키되 하측으로 교차점(87)이 형성되면서 미립자가 분사각(81)으로 퍼지면서 1차 냉각이 이루어지게 하고, 1차 냉각이 이루어진 미립자는 제2분사노즐(7)에서 분사각(81a)을 갖고 냉각매체(31a)를 분사시킴으로써 분사각(81a)으로 퍼지면서 2차 냉각이 이루어지게 된다.
또한 본 발명에 있어서, 상기한 다중 분사노즐(5)(7)의 분사각(81)(81a)은 오리피스(29)를 통과하여 낙하하는 용탕(28)을 분사하여 미립분말을 생성시키는 중요한 파라미터이며, 특히 상기한 분사노즐(5)의 분사각(81)을 65o이상으로 제작하면 상기 오리피스(29)를 통과하는 용탕의 흐름을 방해할 수 있지만, 반면에 10o이하로 적어지면 용탕을 분사할 수 있는 힘이 저하하므로 15∼65o범위로 제작하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)에는 냉각매체(31a)가 3개의 주입구를 통하여 등 간격으로 주입되어 분사되게 하되 3개의 주입구는 환상 노즐부 외주로부터 1200의 각도(103)를 갖고 접선의 형태로 설치된다.
한편, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 다른 실시예로써 제1,2분사노즐(5)(7)의 하측에 또 다른 분사노즐(9)을 설치하는 경우, 3중의 분사노즐(9)의 분사각(81b) 및 교차점(87b)을 구성할 수 있으며, 이러한 경우 3차에 걸친 미립자 분말의 냉각이 이루어지게 되는 것으로, 분사노즐(5)(7)(9)을 거치면서 3번에 걸친 냉각이 이루어지게 된다.
이러한 본 발명의 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)을 이용하여 분말을 제조하는 3가지 실시예를 도 6내지 도8에 의거 살펴본다.
도 6은 본 발명의 제 1실시예로서, 종래 분무장치에 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)을 상하로 손쉽게 설치하여 오리피스(29)를 통해 낙하하는 용탕(28)을 냉각매체(31a)를 분사용 챔버(109)내에 상기한 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)을 이용하여 1,2차로 분사압과 분사각(81)(81a) 등을 조정하여 효과적으로 냉각속도를 조절함으로써, 합금분말을 얻을 수 있도록 하고 있으며, 특히 합금분말을 제조할 경우, 비교적 저렴한 설비비로 조성편석이 적고 미세한 조직의 합금분말을 얻을 수 있다.
또한 도 7은 본 발명의 제 2실시예로서, 상부 플랜지(6)과 하우징(8)의 상측으로 도시되지 아니한 용해용 챔버에 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)이 설치되는 한편, 오리피스(29)를 통하여 용탕(28)이 배출되게 구성되고, 상기 오리피스(29)의 하측으로 설치되는 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)에는 냉각매체(31a)가 주입되게 하며, 상기 하우징(8) 내측에는 수냉되는 냉각용 중공형 원통(11)이 설치되고, 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내측 공간에는 고속으로 회전하며 수냉되는 원추형 냉각롤러(35)가 설치되고, 하부 플랜지(40)의 상측에는 원추형 냉각롤러(35)와 함께 회전되는 나선형 임펠러(13)가 설치되며, 상기 나선형 임펠러(13)와 원추형 냉각롤러(35)는 고속회전 모터(43)에 의해 회전하도록 구성하되, 상기 냉각용 중공형 원통(11)과 하우징(9) 사이에는 냉각수(50)가 주입되어 냉각이 이루어지게 한다.
그리고 원추형 냉각롤러(35)의 내부에는 냉각수(50)가 순환되게 하여 다중 제1,2분사노즐(5)(7)에서 1,2차 냉각된 미립자가 원추형 냉각롤러(35)의 상측에 부딪히면서 3차 냉각된 후 다시 중공형 원통(11)의 내측에 부딪히면서 4차 냉각이 이루어지게 된다.
이러한 본 발명의 제조장치의 상부에는 고체상태의 원료를 적합한 분위기에서 용해할 수 있는 용해용 챔버가 위치되고, 상기 용해용 챔버의 내측에는 용해용 도가니가 위치하게 되며, 상기 용해용 도가니는 권회되는 고주파 유도로를 사용할 수 있고, 상기 용해용 도가니에서 용해된 액상의 용탕(28)은 원통형 오리피스(29)를 통하여 배출하게 되며, 상기 원통형 오리피스(29)는 그 하측으로 2개의 다중 제1,2분사노즐(5)(7)을 상하로 설치함으로써 상기 용해용 도가니에서 용해된 후 하측에 설치된 원추형 오리피스(29)를 통과해 낙하하는 액상의 분말원료가 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)에서 분사되는 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 및 그 혼합물)(31a)에 의해 1,2차 냉각되게 한다.
여기서, 용해용 챔버와 용해용 도가니 등은 도시되지 않았다.
그리고, 본 발명에서 원통형 오리피스(29)를 통과한 용탕을 냉각매체(31)를 분사시켜 냉각시키는 다중의 제 1,2 분사노즐(5)(7)은 원추형을 이루고 하측에 형성되는 교차점(87)(87a)에서 교차되게 냉각매체(31a)를 분사시키게 되는 것으로, 상기 다중의 제1,2 분사노즐(5)(7)은 상하로 겹치게 하여 2중으로 설치하되, 상측에 위치한 환상의 제 1분사노즐(5)의 분사각(81)보다 하측에 위치한 다중 제 2 분사노즐(5)의 분사각(81a)을 크게 함으로써 환상의 제 1,2 분사노즐(5)(7)로부터 분사되는 각각 냉각매체(31a)에 대한 교차점(87)(87a)의 이격거리는 30mm이내가 되게 한다.
본 발명은 용해용 챔버의 하부에는 하우징(8)을 구비하고, 상기 하우징(8)의 내측에는 냉각팬이 부착된 냉각용 중공형 원통(11)을 구비하되, 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 외측에는 하우징(8)과의 사이에 냉각수(10)가 순환되어 냉각되도록 하고, 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내측은 중공형으로 하되, 그 상부에는 상기 제 1의 분사노즐(5)에서 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물)(31a)에 의해 1차적으로 분무된 분말을 상기한 냉각매체(31a)를 2차적으로 분무시켜 냉각할 수 있는 다중의 제 2 분사노즐(7)을 구비하며, 또한 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내측에는 상기한 다중의 제1,2의 분사노즐(5)(7)에서 분무되어 냉각된 분말의 냉각효과를 더욱 높이기 위해 고속으로 회전하며 수냉되는 원추형 냉각롤러(35)를 설치한다.
여기서, 다중의 제 2 분사노즐(7)에 의한 냉각매체(31a)의 교차점(87a)과 원통형 냉각롤러(35)의 상측까지의 이격거리는 50mm 이내가 되도록 한다.
상기 원추형 냉각롤러(35)에는 다중의 제1,2 분사노즐(5)(7)에서 냉각매체(31a)를 분사시켜 1,2차로 냉각시킨 분말이 상부 외측으로 연속되어 부딪히면서 3차로 냉각이 이루어지게 되고, 상기 원추형 냉각롤러(35)의 하측에는 상기한 냉각매체(31a)와 냉각된 분말이 하측의 배출관(15)으로 용이하게 배출될 수 있도록 나선형 임펠러(13)를 구비하되, 상기한 임펠러(13)는 다중의 제1,2 분사노즐(5)(7)에서 분사되는 압력을 고려하여 적절하게 설계되어야 하며, 상기한 임펠러(13)의 하측에는 상기한 원추형 냉각롤러(35)와 임펠러(13)는 모터(43)에 의해 고속으로 회전한다.
여기서 상기한 다중의 제1,2 분사노즐(5)(7)에서 고압으로 분사되는 냉각매체(31a)는 불활성 가스(N2,Ar,He), 공기, 물(H2O) 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루어지며, 상기 냉각용 중공형 원통(11)은 열전도성이 우수한 Cu계 합금으로 제작하되, 상기 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽은 상기 다중의 1, 2 분사노즐(5)(7)에서 분사되는 냉각매체(31a)와 분무된 고체분말이 고온 고압으로 부딪혀 냉각되므로 고내열성, 내마모성 및 열전도성 등이 우수한 물질(TiN, CBN, AlN, SiC, WC 등)로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 고속으로 회전하며 수냉되는 원추형 냉각롤러(35)는 다중의 제1,2 분사노즐(5)(7)에서 원추형으로 분무되어 냉각된 분말이 재차 부딪혀 3차 냉각이 이루어지게 하는 것으로, 상기 원추형 냉각롤러(35)의 내측에는 외부로부터 냉각수(50)가 공급되어 냉각이 이루어지게 되어 다중의 제1,2 분사노즐(5)(7)에 의해 1,2차로 냉각된 미립자 분말을 보다 빠르게 냉각시킬 수 있으며, 바로 상측의 다중의 제1, 2 분사노즐(5)(7)에서 분사되는 냉각매체(31a)와 분무되어 생성된 고체분말이 고온 고압으로 부딪혀 냉각되므로 고온내열성, 내마모성 및 열전도성 등이 우수한 물질로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 제 2실시예에서 고체상태의 분말원료로부터 분말이 얻어지는 과정을 살펴보면, 우선 도가니에서 용해된 액상의 원료용액은 원추형 오리피스(29)를 통해 다중 제 1 분사노즐(5)에 유입되면, 상기 다중의 제 1 분사노즐(5)에서 냉각매체(31a)를 고압으로 분사하여 원료용액을 미립으로 분무시켜 1차 냉각으로 반액상의 분말이 생성되게 하며, 이 같이 다중 제1 분사노즐(5)에서 1차 냉각된 반액상의 분말은 다중 제2 분사노즐(7)을 거치면서 2차 냉각되어 응고가 진행된다.
그리고 2차 냉각된 분말은 2,000rpm이상의 고속으로 회전하는 원추형 냉각롤러(35)의 상단에 부딪히면서 3차 냉각이 이루어지고, 3차 냉각된 분말은 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽에 부딪히면서 4차 냉각이 이루어지게 되므로, 기존과 달리 냉각속도를 증가시킴으로서 냉각속도 저하로 인해 발생하는 미세편석을 줄이고 미세조직이 치밀한 합금분말을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 상기 원추형 냉각롤러(35)의 회전속도 및 상단의 형상을 변화시킴으로써, 다양한 분말의 사이즈, 입도 및 형상 등을 조절할 수 있는 한편 각종 비정질 합금분말도 용이하게 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서 제 3실시 예는, 도가니에서 용해된 용탕(28)을 오리피스(29)를 통하여 배출시키되 다중의 제1,2분사노들(5)(7)에서 냉각매체(31a)를 분사시켜 1,2차 냉각이 이루어지게 하는 것은 제1실시예와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하며, 다중 제1,2분사노즐(5)(7)에서 1,2차 냉각된 반액상의 미립자를 3,4차로 냉각시키는 장치에 대하여 살펴보기로 한다.
본 발명은 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)의 하측으로 냉각용 디스크(99)를 설치하되 상기 1,2차 냉각된 반액상의 분말은 상기 냉각용 디스크(99)를 관통하여 냉각수(50)에 의한 수냉이 이루어지는 원통형 냉각롤러(101)에서 부딪혀 3차 냉각이 이루어지게 하며, 상기 냉각용 디스크(99)의 내측으로 냉각수(10a)를 순환시켜 냉각용 디스크(99)에서도 냉각이 이루어지게 한다.
냉각용 디스크(99)의 하측으로 분사용 챔버(95)가 구성되며, 분사용 챔버(95)의 내측으로 원통형 냉각롤러(101)가 모터(43)에 의해 회전가능하게 설치되고, 상기 분사용 챔버(95)에서 냉각되어 수집된 분말은 별도로 회수된다.
본 발명의 분사용 챔버(95)에 설치되는 원통형 냉각롤러(101)은 2,000rpm으로 회전하는 한편 내부에 냉각수(50)의 순환으로 냉각이 이루어지게 하는 한편 상측에는 접시와 같이 아래로 오목한 형태가 되게 하고, 냉각수(10a)의 순환으로 수냉이 이루어지는 냉각용 디스크(99)의 저면에는 접시를 엎어놓은 형태의 상측으로 오목한 형태가 되게 하며, 상기 원통형 냉각롤러(101)에 부딪혀 3차로 냉각된 미립자는 냉각용 디스크(99)의 저면에 형성된 오목한 부분에 부딪혀 4차로 냉각이 이루어지게 한다.
여기서, 다중의 제 2 분사노즐(7)에 의한 냉각매체(31a)의 교차점(87a)과 원통형 냉각롤러(101)의 오목한 상면까지의 이격거리는 50mm 이내가 되게 한다.
이러한 본 발명의 제 3실시 예에 따른 제조장치의 상부에는 고체상태의 분말원료(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등)를 적합한 분위기에서 용해할 수 있는 용해용 챔버의 도가니에서 원통형 오리피스(29)를 통과해 낙하하는 용탕(28)이 다중의 제1,2차 분사노즐(5)(7)에서 고압으로 분사되는 냉각매체(N2,Ar,He,공기,물 및 그 혼합물)(31a)에 의해 1,2차 냉각이 이루어지게 하며, 1,2차 냉각된 미립자는 분사용 챔버(95)에 분사하여 3,4차에 걸친 냉각이 이루어지게 한다.
분사용 챔버(95)의 내측에 설치된 원통형 냉각롤러(101)의 상부에는 냉각용 디스크(99)가 설치되어, 다중의 제1,2차 분사노즐(5)(7)에서 1,2차 냉각이 이루어진 반액상의 미립자는 2,000rpm으로 회전하는 원통형 냉각롤러(101)에 부딪혀 3차 냉각이 이루어진 분말이 위로 비산되며, 원통형 냉각롤러(101)에서 비산된 분말은 냉각용 디스크(99)의 저면에 부딪히면서 4차 냉각이 이루어지는 것으로, 상기 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)에서 고압으로 분사되는 냉각매체(31a)는 불활성 가스(N2,Ar,He), 공기, 물(H2O) 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루어진다.
본 발명의 냉각용 디스크(99)는 열전도성이 우수한 Cu계 합금으로 제작하되, 상기 냉각용 디스크(99) 저면의 상측으로 오목한 면과 원통형 냉각롤러(101)의 상측으로 오목한 상부면은 원통형 냉각롤러(101)의 회전력에 의해 비산되는 냉각매체(31a)와 분무된 고체분말이 고온 고압으로 부딪혀 냉각되므로 고내열성, 내마모성 및 열전도성 등이 우수한 물질(TiN, CBN, AlN, SiC, WC 등)로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하며. 원통형 냉각롤러(101) 내측에는 냉각수(50)의 순환에 의해 냉각이 이루어지게 되므로 다중 제1,2분사노즐(5)(7)에 의해 1,2차 냉각된 미립자 분말을 보다 빠르게 3차로 냉각시킬 수 있으며, 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)에서 분사되는 냉각매체(31a)와 분무되어 생성된 고체분말이 고온 고압으로 부딪혀 냉각되므로 고온내열성, 내마모성 및 열전도성 등이 우수한 물질로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 구성의 본 발명은 기본적으로 분말원료를 액상으로 용해한 용탕(28)은 원통형 오리피스(29)를 통해 다중의 제1,2차 분사노즐(5)(7)로 유입되면 냉각매체(31a)를 10~1,000bar범위의 압력으로 분사하여 1,2차 냉각시킴으로써 원료용액을 미립으로 분무시켜 분말이 생성되게 하며, 이 같이 다중의 제1,2차 분사노즐(5)(7)에서 액상의 원료용액을 냉각매체(31a)로 분사함으로써 1,2차적으로 냉각시켜 분말(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등)을 얻을 수 있지만, 특히 105k/sec이상의 냉각속도를 필요로 하는 비정질 합금분말을 제조하기 위해서는 냉각매체(31a)가 불활성 가스(N2,Ar,He)나 공기의 경우는 20bar이상, 그리고 물(H2O)을 사용할 경우에는 200bar 이상의 고압을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전술한 1차 냉각되어 반응고 상태의 분말을 2,000rpm의 고속으로 회전하는 동시에 내부에 냉각수(50)가 순환되어 수냉이 이루어지는 원통형 냉각롤러(101)의 상단에 부딪히게 함으로써 2차 냉각이 이루어지게 하되 원통형 냉각롤러(101)의 상측에는 아래쪽으로 오목한 형태를 갖도록 하여 3차 냉각이 이루어지게 하는 것으로, 냉각매체(31a)에 의해 1,2차 냉각된 분말은 원통형 냉각롤러(101)의 오목한 부분에 부딪혀 3차 냉각이 이루어지는 동시에 상측으로 반사되어 흩어지게 된다.
상기 원통형 냉각롤러(101)의 상면에 부딪혀 2차 냉각이 이루어진 분말은 원통형 냉각롤러(101)의 상측에서 설치된 냉각용 디스크(99)의 저면에 형성된 상측으로 오목한 부분에 부딪히면서 연속적으로 4차 냉각이 이루어지게 함으로써 냉각속도를 증가시키게 되므로, 기존과 같이 냉각속도 저하로 인해 발생하는 미세편석을 줄이고 미세조직이 치밀한 합금분말을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 상기 원통형 냉각롤러(101)의 회전속도를 조절함으로써, 분말의 사이즈, 입도 및 형상 등을 조절이 가능하며, 냉각속도 105K/sec정도가 요구되는 비정질 합금분말도 용이하게 제조할 수 있다.
5,7,9 : 분사노즐 11 : 냉각용 중공형 원통
13 : 나선형 임펠러 28 : 분말원료 용탕
29 : 오리피스 31a : 냉각매체
35 : 원추형 냉각롤러 52,52c : 회수된 분말
81 : 제 1 분사노즐의 분사각 81a : 제 2 분사노즐의 분사각
87, 87a, 87b : 교차점 43 : 모터
88a : 이격거리 99 : 냉각용 디스크
101 : 원통형 냉각롤러
13 : 나선형 임펠러 28 : 분말원료 용탕
29 : 오리피스 31a : 냉각매체
35 : 원추형 냉각롤러 52,52c : 회수된 분말
81 : 제 1 분사노즐의 분사각 81a : 제 2 분사노즐의 분사각
87, 87a, 87b : 교차점 43 : 모터
88a : 이격거리 99 : 냉각용 디스크
101 : 원통형 냉각롤러
Claims (13)
- 분말원료(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등)를 액상으로 용해한 후 오리피스(29)를 거쳐 자유 낙하하는 용탕(28)을 냉각매체(31a)를 분사시켜 1,2차 냉각이 이루어지게 하는 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)은 상하로 겹치게 하여 2중으로 설치하고,
상측에 위치하는 다중 제1분사노즐(5)의 분사각(81)보다 하측에 위치하는 다중의 제2분사노즐(7)의 분사각(81a)을 크게 하여 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)의 분사 교차점(87)(87a)이 상하로 위치하게 하되, 상기 분사 교차점(87)(87a)의 이격거리(88a)는 30mm 이내가 되게 하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐. - 제1항에 있어서, 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)의 하측으로 또 하나의 분사노즐(9)을 설치하여 용탕이 다중 분사노즐(5)(7)(9)을 통과하면서 3번에 걸친 냉각이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐.
- 제1항에 있어서, 다중의 제1,2분사노즐(5)(7)의 분사각(81)(81a)이 15∼65o를 갖게 되는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐.
- 분말원료(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등)를 도가니에 장입하여 용해를 한 후 도가니의 하부에 설치된 오리피스(29)를 통해 용탕(28)을 자연 낙하시키되, 냉각매체(31a)를 상하로 설치된 다중의 제1, 2 분사노즐(5)(7)에서 1, 2차로 분사하여 반액상의 미립자로 1, 2차로 냉각되도록 구성하고,
상기 1, 2차 냉각된 반액상의 미립자는 다중의 제1, 2 분사노즐(5)(7)의 하단에 설치되고 2,000rpm의 고속으로 회전하면서 수냉되는 원추형 냉각롤러(35)의 외측에 부딪혀 3차로 냉각되게 구성하며,
상기 원추형 냉각롤러(35)에 부딪혀 3차 냉각된 미립자는 원추형 냉각롤러(35)의 외측에 씌워져 수냉이 이루어지는 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽에 부딪히면서 4차로 냉각이 이루어지게 구성하고,
상기 4차 냉각된 분말은 원추형 냉각롤러(35)의 하측에 설치된 나선형 임펠러(13)에 의해 외부로 배출시켜 회수되게 구성한 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치. - 분말원료(순금속, 합금, 세락믹스 및 그 복합소재 등)를 도가니에 장입하여 용해를 한 후 도가니의 하부에 설치된 오리피스(29)를 통하여 용탕(28)을 자유 낙하시키되 냉각매체(31a)를 상하로 설치된 다중의 제1, 2 분사노즐(5)(7)에서 1, 2차로 분사하여 반액상의 미립자로 1, 2차 냉각되게 구성하고,
상기 1, 2차 냉각된 반액상의 미립자는 다중의 제1, 2 분사노즐(5)(7)의 하단에 설치되고 2000rpm의 고속으로 회전하면서 수냉이 이루어지는 원통형 냉각롤러(101)의 상측에서 하측 방향으로 오목한 상면에 부딪혀 3차로 냉각되게 구성하며,
상기 원통형 냉각롤러(101)에 부딪혀 3차 냉각된 미립자는 원통형 냉각롤러(101)의 상측에 고정 설치되고 수냉이 이루어지는 냉각용 디스크(99)의 저면에서 상측 방향으로 오목한 부분에 부딪혀 4차로 냉각이 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치. - 제5항에 있어서, 원통형 냉각롤러(35)의 상면은 하측으로 오목한 형태를 갖도록 하고, 냉각용 디스크(99)의 저면에는 상측으로 오목한 형태를 갖도록 하여 냉각되는 분말이 원통형 냉각롤러(35)와 냉각용 디스크(99)의 오목한 부분에 부딪히면서 냉각이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
- 제 4항 또는 제5항에 있어서, 냉각매체(31a)는 불활성 가스(N2,He,Ne,Ar), 공기, 물(H2O) 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 이루진 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
- 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 다중의 제 2 분사노즐(7)에 의한 냉각매체(31a)의 교차점(87a)과 원통형 냉각롤러(35)의 상측 또는 원통형 냉각롤러(101)의 오목한 상면까지의 이격거리는 50mm 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
- 제 4항에 있어서, 원추형 냉각롤러(35)와 냉각용 중공형 원통(11)의 재질은 Cu계 합금을 사용하되, 상기한 원추형 냉각롤러(35)의 외측 표면과 상기한 냉각용 중공형 원통(11)의 내벽은 고온내열성, 내마모성 및 열전도성 등이 우수한 TiN, CBN, AlN, SiC, WC 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 코팅하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
- 제 4항 또는 제5항에 있어서, 다중의 분사노즐(5)(7)에 의한 냉각매체(31a)의 교차점(87)(87a)의 이격거리(88a)는 30mm 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
- 제 4항 또는 제5항 있어서, 다중 제 1,2 분사노즐(5)(7)은 상하로 겹치게 2중으로 설치하되, 상기 환상의 제 1분사노즐(5)의 분사각(81)보다 다중 제 2 분사노즐(7)의 분사각(81a)을 크게 하여 상기한 다중의 제 1,2 분사노즐(5)(7)로부터 분사되는 각각 냉각매체(31a)의 교차점(87)(87a)의 거리(88a)가 30mm 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
- 제 5항에 있어서, 원통형 냉각롤러(101)의 상면과 냉각용 디스크(99)의 저면은 고온내열성, 내마모성 및 열전도성 등이 우수한 TiN, CBN, AlN, SiC, WC 등으로 이루어진 적어도 1종 혹은 2종 이상으로 혼합된 조성물로 코팅하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
- 제1항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 기재된 다중의 분사노즐(5)(7)을 이용하는 냉각매체(31a)의 분사압은 10∼1000bar 범위의 압력을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 분사노즐을 이용한 분말 제조장치.
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