KR101456447B1 - 용융물 주입 장치 - Google Patents

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KR101456447B1 KR1020130051950A KR20130051950A KR101456447B1 KR 101456447 B1 KR101456447 B1 KR 101456447B1 KR 1020130051950 A KR1020130051950 A KR 1020130051950A KR 20130051950 A KR20130051950 A KR 20130051950A KR 101456447 B1 KR101456447 B1 KR 101456447B1
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Abstract

본 발명은 용융물 주입 장치에 관한 것으로서, 원료 공급부와; 상기 원료 공급부 하부에 구비되어 플라즈마를 이용하여 상기 원료 공급부에서 공급되는 원료를 용융시켜 용융물을 생성하는 용융부와; 상기 용융부 하부에 구비되어 상기 용융물을 저장하고, 일측 하부에 상기 용융물이 토출되는 토출구가 마련되는 저장부;를 포함하고, 상기 저장부는, 상기 용융부의 직하부에 구비되는 수직부와, 상기 수직부의 하부에 일측으로 연장 형성되고 하부에 상기 토출구가 마련되는 수평부가 형성된 저장기와, 상기 저장기의 내부에 구비되어 상기 용융물과 상기 용융물을 생성하면서 발생하는 배가스가 이동하는 경로를 형성하는 차폐판을 포함하여, 용융물 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

용융물 주입 장치{Melt supply equipment}
본 발명은 용융물 주입 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융물의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 용융물 주입 장치에 관한 것이다.
몰드 플럭스 용해 설비는 용융 몰드 플럭스를 제조하여, 몰드로 공급하는 설비이다. 통상적인 몰드 플럭스 용해 설비는 몰드 플럭스용 원료를 용융시키는 내부 공간을 가지는 용해로, 용해로 일단으로 삽입되도록 설치되어, 용해로 내부로 화염을 분사하여 원료를 용해시키는 토치, 용해로의 타단에 마련되어 생성된 용융 몰드 플럭스를 몰드로 토출시키는 토출구를 포함한다.
한편, 용해로 내부로 파우더 상태의 원료를 투입하면, 적어도 일부는 분사되는 화염에 의해 비산된다. 이에, 화염에 의해 비산된 원료는 상기 화염과 접촉하는 시간이 짧기 때문에 미처 용융되지 못하는 문제가 있다. 이와 같이, 용해로 내부에 공급되는 원료 중 일부는 용융되지 않기 때문에, 공급되는 원료 대비 용융물의 생산율이 적다. 이에, 목표로 하는 슬래그의 두께를 형성하기 위해 용융 몰드 플럭스를 생산하는 시간이 장시간 소요된다. 게다가 화염에 의한 영향으로 용융 몰드 플럭스에 유동이 발생하여 몰들 플럭스를 몰드로 안정적으로 공급하기 어렵고, 화염에 의한 압력파와 몰드 플럭스 용융시 발생하는 기체가 외부로 유출되어 환경을 오염시키는 문제점이 있다.
또한, 몰드 플럭스가 용융되면서 실시간으로 몰드에 공급되기 때문에 몰드로 주입되는 용융 몰드 플럭스의 양에 변화가 크고, 토출구의 온도 저하에 따라 용융 몰드 플럭스의 온도 저하는 물론, 이에 따른 토출구의 막힘 현상이 발생하는 문제점이 있다.
JP 2000-169162 A KR 2006-110700 A KR 2006-93326 A
본 발명은 용융물의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 용융물 주입 장치를 제공한다.
본 발명은 설비의 수명을 향상시킬 수 있는 용융물 주입 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 용융물 주입 장치는, 원료 공급부와; 상기 원료 공급부 하부에 구비되어 플라즈마를 이용하여 상기 원료 공급부에서 공급되는 원료를 용융시켜 용융물을 생성하는 용융부와; 상기 용융부 하부에 구비되어 상기 용융물을 저장하고, 일측 하부에 상기 용융물이 토출되는 토출구가 마련되는 저장부;를 포함하고, 상기 저장부는, 상기 용융부의 직하부에 구비되는 수직부와, 상기 수직부의 하부에 일측으로 연장 형성되고 하부에 상기 토출구가 마련되는 수평부가 형성된 저장기와, 상기 저장기의 내부에 구비되어 상기 용융물과 상기 용융물을 생성하면서 발생하는 배가스가 이동하는 경로를 형성하는 차폐판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 원료 공급부는, 원료를 저장하는 원료 저장기와; 상기 원료 저장기와 상기 용융부를 연결하는 원료 이송배관과; 상기 원료 이송배관에 연결되어 상기 원료를 이송하는 원료 이송 기체를 공급하는 이송기체 공급관;을 포함할 수 있다.
상기 원료 이송배관에 건조기를 구비할 수 있다.
상기 용융부는, 상부에 상기 원료 공급부에서 공급된 원료가 주입되는 주입구가 형성되고, 하부에 상기 용융물이 배출되는 배출구가 형성되는 플라즈마 가둠관과; 상기 주입구에 연결되어 상기 플라즈마 가둠관 내부로 플라즈마 기체를 공급하는 플라즈마 기체 공급부와; 상기 플라즈마 가둠관을 둘러싸며 배치되는 유도 코일과; 상기 코일에 전원을 공급하는 전원공급기;를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 가둠관의 둘레에는 냉각 자켓이 구비될 수 있다.
상기 플라즈마 기체 공급부는, 내부에 제1유로가 형성되는 내관과; 상기 내관의 외측에 상기 내관의 외주면과 이격되어 제2유로를 형성하는 외관과; 상기 제1유로와 상기 제2유로에 공급되는 플라즈마 기체를 분배하는 분배기;를 포함하고, 상기 내관과 외관은 상기 플라즈마 가둠관과 연통될 수 있다.
상기 내관과 상기 외관의 사이에 상기 제2유로와 교차하는 방향으로 배치되는 가이드링을 포함하고, 상기 가이드링에는 상기 플라즈마 기체가 유입되는 유입공와 상기 플라즈마 기체가 배출되는 배출공 및 상기 유입공과 배출공을 연통시키는 유통로가 형성되며, 상기 유통로는 상기 가이드링의 원주방향으로 기울어지게 형성될 수 있다.
상기 차폐판은 상기 저장기 내부에서 상기 저장기의 상부 내벽 및 하부 내벽과 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 저장기의 수평부에 배기구가 형성될 수 있다.
상기 토출구를 개폐하는 개폐수단이 구비될 수 있다.
상기 토출구를 가열하는 가열기가 구비될 수 있다.
상기 저장기의 내부 바닥은 적어도 상기 수평부에서 상기 토출구 측으로 하향 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시형태들에 의하면, 원료의 비산을 억제하여 용융물의 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 파우더 상태의 원료, 예컨대 몰드 파우더를 플라즈마를 이용하여 용융시킨 용융 몰드 플럭스를 저장기에 저장하고, 몰드 파우더를 용융시키는 플라즈마 젯의 열을 이용하여 저장기에 저장된 용융 몰드 파우더를 가열함으로써 미처 용융되지 못한 몰드 플럭스를 용해시키는 동시에, 저장기 내의 용융 몰드 플럭스의 온도 저하를 억제할 수 있다.
또한, 저장기 내에 플라즈마 젯에 의한 압력파의 영향을 차단하는 차폐막을 구비하여 저장기 내에 수용된 용융 몰드 플럭스의 탕면을 안정적으로 유지할 수 있다. 이를 통해 용융 몰드 플럭스를 몰드에 안정적으로 토출시킬 수 있다.
또한, 유도결합플라즈마를 이용하여 몰드 파우더를 용융시킴으로써 플라즈마 토치를 이용하여 몰드 파우더를 용융시키는 종래기술에 비하여 몰드 플럭스의 용융 효율을 향상시킬 수 있고, 전극 교체 등의 번거로움 없이 반영구적인 사용이 가능하다.
그리고 용융 몰드 플럭스가 토출되는 토출구를 가열하여 토출구의 막힘 현상도 억제 혹은 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 주입 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 용융물 주입 장치의 원료 공급부의 요부를 보여주는 단면도.
도 3은 용융부에 구비되는 가이드링의 구조를 보여주는 도면.
도 4는 저장부의 구조를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 변형 예에 따른 용융물 주입 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
도 6은 도 5에 도시된 용융물 주입 장치의 횡방향 단면도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 주입 장치를 이용하여 몰드 플럭스를 용융한 경우 열전달 효율과 플라즈마 출력 간의 관계를 보여주는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 주입 장치를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 용융물 주입 장치의 원료 공급부의 요부를 보여주는 단면도이고, 도 3은 용융부에 구비되는 가이드링의 구조를 보여주는 도면이고, 도 4는 저장부의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 주입 장치는, 파우더 상태의 원료, 예컨대 몰드 플럭스(MP)를 공급하는 원료 공급부(100)와, 원료 공급부(100) 하부에 구비되어 플라즈마를 이용하여 원료 공급부(100)에서 공급되는 몰드 플럭스(MP)를 용융시켜 용융물, 즉, 용융 몰드 플럭스(MM)를 생성하는 용융부(200)와, 용융부(200)의 하부에 구비되어 용융물을 저장하고 일측 하부에 용융물이 토출되는 토출구(318)가 마련된 저장부(300)를 포함한다. 이때, 저장부(300)는 용융부(200)의 직하부에 구비되는 수직부(A)와, 수직부(A)의 하부에 일측으로 연장 형성되고 하부에 토출구(318)가 마련되는 수평부(B)가 형성된 저장기(310)와, 저장기(310)의 내부에 구비되어 수직부(A)와 수평부(B)를 구분하는 차폐판(320)을 포함한다.
본 발명의 실시 예에서는 용융물, 즉 용융 몰드 플럭스(MM)가 저장되는 저장기(310)에 차폐판(320)을 구비함으로써 용융부(200)에서 발생하는 플라즈마의 영향으로 용융 몰드 플럭스(MM)가 유동하는 것을 억제 혹은 방지하여 토출구(318)로 안정적으로 배출시킬 수 있다.
원료 공급부(100)는 파우더 상태의 몰드 플럭스(MP)를 저장하는 원료 저장기(미도시)와, 원료 저장기에 저장된 몰드 파우더를 용융부(200)로 이송하는 경로로 사용되는 원료 공급배관(110)을 포함한다.
원료 저장기는 파우더 상태의 원료, 예컨대 몰드 플럭스(MP)를 저장한다. 원료 저장기에서 몰드 플럭스(MP)가 배출되는 부분에는 몰드 플럭스(MP)를 원료 공급배관(110)으로 일정 량씩 또는 균일하게 절출하기 위한 절출기(미도시)가 구비될 수 있다.
원료 공급배관(110)은 원료 저장기와 용융부(200)를 연결하며, 몰드 플럭스(MP)의 이동 경로로 사용된다. 원료 공급배관(110)에는 몰드 플럭스(MP) 내에 함유된 수분을 제거하기 위한 건조기(120)가 구비될 수 있다.
건조기(120)는 원료 공급배관(110)의 일부를 둘러싸도록 구비되어 원료 공급배관(110)을 가열함으로써 몰드 플럭스(MP)에 함유된 수분을 제거할 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 몰드 플럭스(MP)가 원료 공급배관(110)의 내벽에 부착되는 것을 억제하여 몰드 플럭스(MP)의 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 원료 공급배관(110)에는 건조기(120)를 통과하여 건조된 몰드 플럭스(MP)를 용융부(200)로 이송시키기 위한 이송기체 공급관(130)이 구비될 수 있다. 이송기체 공급관(130)은 원료 공급배관(110)에 복수 개 구비될 수 있으며, 복수 개의 이송기체 공급관(130)은 일정한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 이송기체 공급관(130)은 몰드 플럭스(MP)의 이송방향, 즉 용융부(200) 쪽을 따라 하향 경사지게 원료 공급배관(110)에 연결되어, 몰드 플럭스(MP)가 용융부(200)쪽으로 원활하게 이송될 수 있도록 한다. 또한, 이송기체 공급관(130)은 몰드 플럭스(MP)가 원료 공급배관(110)을 따라 소용돌이(swirling)를 일으키며 이송되도록 원료 공급배관(110)의 길이방향에 비스듬하게 틸팅(tilting)되어 연결될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 몰드 플럭스(MP)가 원료 공급배관(110)의 내벽에 부착되는 것을 억제 혹을 방지하여 용융부(200)로의 이송 효율을 향상시킬 수 있다.
용융부(200)는 상부에 원료 공급부(100)에서 공급된 몰드 플럭스(MP)가 공급되는 주입구(미도시)가 형성되고, 하부에 용융 몰들 플럭스가 배출되는 배출구(미도시)가 형성되는 관(pipe) 형상의 플라즈마 가둠관(230)과, 주입구에 연결되어 플라즈마 가둠관(230) 내부로 플라즈마 기체를 공급하는 플라즈마 기체 공급부(210, 216)와, 플라즈마 가둠관(230)을 둘러싸며 배치되는 유도 코일(240) 및 유도 코일(240)에 전원을 공급하는 전원공급기(미도시)를 포함한다.
플라즈마 가둠관(230)은 외부 가둠관(232)과, 외부 가둠관(232) 내측에 외부 가둠관(232)과 이격되어 배치되는 내부 가둠관(234)을 포함한다. 이때, 내부 가둠관(234)은 외부 가둠관(232)의 상부측 일부와 중첩되어 이중관을 형성한다. 내부 가둠관(234)에는 몰드 플럭스(MP)를 용융시키기 위한 내부공간(S1)이 형성되고, 내부 가둠관(234)과 외부 가둠관(232) 사이에는 몰드 플럭스(MP)가 용융되는 외부공간(S2)이 형성된다. 내부공간(S1)과 외부공간(S2)은 유도 코일(240)에 전원을 인가하면 플라즈마 볼(PB)이 생성되어 플라즈마 볼(PB)에 의한 열을 이용하여 원료 공급부(100)에서 공급되는 몰드 플럭스(MP)를 용융시키는 공간이다.
이에 플라즈마 가둠관(230), 즉 외부 가둠관(232)과 내부 가둠관(234)은 중공형으로 형성되고, 상부에는 몰드 플럭스(MP)와 플라즈마 기체가 주입되는 주입구가 형성되고, 하부에는 용융 몰드 플럭스(MM)가 배출되는 배출구가 형성된다.
플라즈마 가둠관(230)의 외측. 즉 외부 가둠관(232)의 외측에는 유도 코일(240)이 구비될 수 있다. 유도 코일(240)은 플라즈마 가둠관(230)을 둘러싸도록 구비되고, 유도 코일(240)은 전원공급기에 연결되어 플라즈마 가둠관(230) 내부에 유도전류를 발생시키기 위한 전원, 예컨대 고주파 전원을 공급받는다. 이에 플라즈마 가둠관(230)은 유도전류를 발생시켜 플라즈마를 생성하기 위해 석영, 세라믹 등과 같은 유전체로 형성될 수 있다.
플라즈마 가둠관(230)의 외측, 보다 바람직하게는 유도코일(240) 외측에는 냉각 자켓(250)이 구비될 수 있다. 냉각 자켓(250)은 몰드 플럭스(MP)를 용융시키는 경우, 플라즈마 가둠관(230) 내부의 플라즈마로부터 발생하는 열이 외부로 방사되는 것을 차폐 및 냉각시킴으로써 주변 설비가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
플라즈마 기체 공급부(210, 216)는 플라즈마 가둠관(230) 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등과 같은 플라즈마 기체를 저장하는 플라즈마 기체 저장기(미도시)와, 플라즈마 가둠관(230) 상부의 주입구에 연결되는 플라즈마 기체 공급관(210)과, 플라즈마 기체의 공급 유량을 조절하여 플라즈마 기체 공급관(210)으로 공급하는 분배기(216)를 포함한다.
플라즈마 기체 공급관(210)은 플라즈마 기체가 이동하는 제1유로(P1)를 형성하는 내관(212)과, 내관(212) 외부에 이격되어 구비되어 플라즈마 기체가 이동하는 제2유로(P2)를 형성하는 외관(214)을 포함한다. 내관(212)은 내부 가둠관(234)과, 외관(214)은 외부 가둠관(232)과 상호 연통되도록 연결되고, 제1유로(P1)는 내부 가둠관(234)의 내부공간(S1)과, 제2유로(P2)는 외부 가둠관(232)의 외부공간(S2)과 상호 연통된다. 또한, 제1유로(P1)는 원료 공급배관(110)의 단부와 연통되어 파우더 상태의 몰드 플럭스가 유입된다. 내관(212)과 외관(214)은 스테인레스 강 등과 같이 기체와 반응성이 적은 금속 물질로 형성될 수 있다.
제1유로(P1)와 제2유로(P2)는 각각 플라즈마 기체 공급배관에 연결되고, 이들 플라즈마 기체 공급배관은 플라즈마 기체 저장기에서 공급되는 플라즈마 기체를 분배기(216)에서 일정 비율로 분배받아 유통시킨다. 분배기(216)는 제1유로(P1)와 제2유로(P2)로 공급되는 플라즈마 기체의 유량을 조절하여 플라즈마 가둠관(230) 내에서 생성되는 플라즈마 볼(PB)의 위치를 조절할 수 있다. 플라즈마 볼(PB)의 생성 위치에 따라 플라즈마 가둠관(230)이나 플라즈마 기체 공급관(210)이 용손될 수 있으므로, 플라즈마 볼(PB)의 생성 위치를 적절하게 조절하여 설비의 수명 저하를 억제할 수 있다. 분배기(216)는 목표로 하는 플라즈가 기체량을 제1유로(P1)와 제2유로(P2)로 5 ~ 60 : 95 ~ 40의 비율로 공급할 수 있다. 예컨대 플라즈마 기체가 제2유로(P2)보다 제1유로(P1)로 더 많이 공급되는 경우 플라즈마 볼(PB)이 플라즈마 가둠관(230)의 내부공간(S1)에 집중적으로 발생하게 된다. 이러한 경우 플라즈마 볼(PB)에서 발생하는 열에 의해 내부 가둠관(234)이 지나치게 가열되어 용손되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 제1유로(P1)와 제2유로(P2) 공급되는 플라즈마 기체의 유량을 적절하게 조절하여 설비의 손상을 억제 혹은 방지하는 것이 좋다.
또한, 내관(212)과 외관(214) 사이, 즉 제2유로(P2)에는 플라즈마 기체에 방향성을 부여하기 위한 가이드링(220)이 구비될 수 있다. 가이드링(220)은 상부면에 플라즈마 기체가 유입되는 유입공(222)이 형성되고, 하부면에 유입공(222)으로 유입된 플라즈마 기체가 배출되는 배출공(224)이 형성되고, 가이드링(220)을 관통하며 유입공(222)과 배출공(224)을 연통시키는 유통로(226)가 형성된다. 이때, 유통로(226)는 가이드링(220)의 원주방향으로 기울어지게 형성될 수 있다. 이와 같이 유통로(226)를 기울어지게 형성함으로써 제2유로(P2)를 따라 이송되는 플라즈마 기체의 이송방향을 변경시킬 수 있다. 이에 유통로(226)를 통과한 플라즈마 기체는 가이드링(220)의 후방에서 제2유로(P2)의 길이방향에 대해 일정 각도, 예컨대 45도 정도의 기울기를 가지며 내관(212)의 외주면을 따라 회전(swirling)하면서 플라즈마 가둠관(230)의 외부공간(S2)으로 이송된다. 제2유로(P2) 및 외부공간(S2)을 따라 이송되는 플라즈마 기체는 플라즈마 가둠관(230)에서 생성되는 플라즈마 볼(PB)에 의한 압력에 의해 몰드 파우더나 플라즈마가 제2유로(P2) 측으로 침투하는 것을 효율적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 유도결합플라즈마(Inductive Coupled plasma, ICP)를 이용하여 몰드 플럭스(MP)를 용융시킨다. 종래에는 동(Cu)으로 형성된 음극과 양극을 사용하여 아크를 발생시키는 플라즈마 토치를 이용하여 몰드 플럭스(MP)를 용융시켰는데, 이 경우 플라즈마 토치에 의해 발생되는 플라즈마 젯(jet)(PZ)의 중심온도가 500℃ 정도로 낮고, 전극이 시간에 따라 마모되어 주기적으로 교체해야하는 문제점이 있다. 그러나 본 발명에서는 유도결합플라즈마를 이용하여 발생되는 플라즈마 볼(PB)의 중심온도는 약 10,000℃ 정도로 매우 높아 몰드 플럭스를 효율적으로 용융시킬 수 있고, 유도코일(240)을 이용하기 때문에 마모 등에 의한 교체가 필요 없이 반영구적으로 사용할 수 있다.
저장부(300)는 내부에 용융 몰드 플럭스(MM)가 수용되는 공간이 형성되는 중공형으로 형성되고, 용융부(200)의 직하부에 구비되는 수직부(A)와, 수직부(A)의 하부에서 일측으로 연장 형성되고 하부에 토출구(318)가 마련되는 수평부(B)를 포함하는 저장기(310)와, 저장기(310)의 내부에 구비되어 수직부(A)와 수평부(B)를 구분하는 차폐판(320)을 포함한다. 저장기(310)는 스테인레스 강 등과 같은 금속 외피(312)와, 금속 외피(312) 내부에 구비되는 내화물(314)로 형성될 수 있고, 차폐판(320)은 내화물(314)로 형성될 수 있다.
저장기(310)의 수직부(A)는 용융부(200)의 직하부, 즉 플라즈마 가둠관(230)의 직하부에 구비되고, 상부에는 플라즈마 가둠관(230)에서 배출되는 용융 몰드 플럭스(MM)가 주입되는 입구(316)가 형성된다. 수직부(A)는 용융부(200)에서 생성된 용융 몰드 플럭스(MM)가 배출되는 경로로 사용되는 동시에, 플라즈마 젯(PZ)이 이동하는 경로로 사용된다. 그리고 수직부(A)의 하부는 수평부(B)와 연통되어 수평부(B)와 함께 용융 몰드 플럭스(MM)가 저장되는 풀(pool)을 형성한다. 이에 따라 풀에 저장된 용융 몰드 플럭스(MM)는 수직부(A)로 이동하는 플라즈마 젯(PZ)에 의해 가열되어 일정 온도를 유지할 수 있다.
저장기(310)의 수평부(B)는 수직부(A)의 하부에서 일측으로 연장되어 형성된다. 저장기(310)의 내부 바닥은 평평하게 형성될 수도 있으나, 토출구(318) 측으로 소정 각도, 예컨대 0 초과 30°이하로 하향 경사지도록 형성될 수도 있다. 이에 따라 저장기(310)에 저장된 용융 몰드 플럭스(MM)가 저장기(310)의 바닥면을 따라 유동하여 중력에 의해 토출구(318) 측으로 이동할 수 있다.
수평부(B)의 일측 하부에는 용융 몰드 플럭스(MM)가 토출되는 토출구(318)가 형성되고, 토출구(318)는 개폐수단(330)에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 개폐수단(330)은 수평부(B) 내부에 구비되는 스토퍼(332)와, 그 외부에 구비되어 스토퍼(332)를 승강시키는 구동부(334)를 포함하고, 구동부(334)의 동작을 통해 스토퍼(332)를 상승 또는 하강시킴으로써 토출구(318)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 이러한 구성을 통해 저장기(310)에 저장된 용융 몰드 플럭스(MM)를 몰드에 일정량씩 토출시킬 수 있다. 또한, 스토퍼(332)에 눈금자를 형성하거나 구동부의 동작을 제어하여 용융 몰드 플럭스(MM)를 정량으로 토출시킬 수도 있다.
그리고 토출구(318)는 저장기(310) 하부로 연장되도록 형성하고, 토출구(318)의 외부에는 유도코일(319)을 배치하고, 유도코일(319)에 전원을 공급하는 전원공급장치를 연결하여 토출구(318)를 가열함으로써 토출구(318)에서 용융 몰드 플럭스(MM)가 냉각되어 응고되는 현상을 방지할 수 있다. 이외에도 토출구(318)의 온도를 일정하게, 즉 고온으로 유지할 수 있는 다양한 종류의 가열기가 구비될 수 있음은 물론이다.
한편, 저장기(310) 내부에는 수평부(B)와 수직부(A)를 구분하는 차폐판(320)이 구비될 수 있다. 차폐판(320)은 플라즈마 젯(PZ)에 의해 발생하는 압력파의 영향으로 저장기(310) 내부로 유입된 용융 몰드 플럭스(MM)에 유동이 발생하는 것을 억제 혹은 방지한다. 즉, 차폐판(320)은 수직부(A)로 유입되는 플라즈마 젯(PZ)이 용융 몰드 플럭스(MM)가 토출되는 토출구(318)가 형성된 수평부(B) 측에 영향을 미치는 것을 차단할 수 있다. 따라서 저장기(310)에 저장된 용융 몰드 플럭스(MM)가 토출구(318)를 통해 토출될 때 플라즈마 젯(PZ)에 의한 영향을 받지 않고 안정적으로 토출될 수 있다.
차폐판(320)은 저장기(310) 내부의 상부면 및 하부면과 이격되도록 구비될 수 있다. 이때, 차폐판(320)의 상부면과 저장기(310) 내부의 상부면 사이로는 몰드 플럭스(MP)를 용융시키면서 발생하는 배가스가 수직부(A)에서 수평부(B) 쪽으로 이동하고, 차폐판(320)의 하부면과 저장기(310) 내부의 바닥면 사이로는 용융 몰드 플럭스(MM)가 수직부(A)에서 수평부(B) 쪽으로 이동하는 경로로 사용된다. 수평부(B) 쪽으로 이동한 배가스는 수평부(B)의 상부에 형성되는 배기구(315)를 통해 외부, 또는 별도의 가스처리장치로 배출될 수 있다.
이와 같이 저장기(310) 내부에 차폐판(320)을 구비함으로써 저장기(310)에 저장되는 용융 몰드 플럭스(MM)가 플라즈마 젯(PZ)에 의한 압력파에 의해 유동되는 것을 억제할 수 있다. 따라서 저장기(310) 내에 용융 몰드 플럭스(MM)의 탕면을 안정적으로 유지할 수 있고, 이에 토출구(318)를 통해 안정적으로 토출시킬 수 있다.
또한, 차폐판(320)을 이용하여 용융 몰드 플럭스(MM)와 배가스가 이동하는 경로를 분리함으로써 토출구(318)를 통해 배가스가 배출되면서 발생하는 소음을 감소시킬 수 있고, 배가스에 의해 용융 몰드 플럭스(MM)의 토출이 불안정해지는 현상도 억제 혹은 방지할 수 있다. 즉, 토출구(318)가 용융 몰드 플럭스(MM)에 의해 항상 잠겨있기 때문에 토출구(318)로 배가스가 배출되는 것을 억제할 수 있고, 저장기(310)에 별도의 배기구(315)를 형성하여 배가스를 배출시킬 수 있기 때문이다.
도 5는 본 발명의 변형 예에 따른 용융물 주입 장치를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 용융물 주입 장치의 횡방향 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 수평부(B1, B2)는 수직부(A) 일측에 구비되는 제1수평부(B1)와, 제1수평부(B1)의 일측에 연장 형성되는 제2수평부(B2)를 포함할 수 있다. 이때, 수직부(A)와 제1수평부(B1) 사이에는 차폐판(320)이 구비되고, 제1수평부(B1)와 제2수평부(B2) 사이에는 제1수평부(B1)와 제2수평부(B2) 사이를 개폐하는 게이트(340)가 구비될 수 있으며, 토출구(318)는 제2수평부(B2) 일측 하부에 형성된다. 제2수평부(B2)의 바닥은 제1수평부(B1)의 바닥과 평평하게 형성될 수도 있지만, 용융 몰드 플럭스(MM)의 원활한 유동을 위해 토출구(318) 측으로 30° 이하의 각도로 하상 경사지도록 형성될 수도 있다.
용융부(200)에서 배출되는 용융 몰드 플럭스(MM)는 수직부(A)를 통해 저장기(310) 내부로 유입되고, 차폐판(320)과 저장기(310) 바닥면 사이 공간으로 제1수평부(B1)로 유입되어, 수직부(A)와 제1수평부(B1) 하부에 저장된다. 수직부(A)와 제1수평부(B1)에 저장된 용융 몰드 플럭스(MM)는 게이트(340)를 개방한 경우, 제2수평부(B2)로 유입되어 토출구(318)를 통해 몰드로 토출된다. 이때, 게이트(340)는 용융 몰드 플럭스(MM)가 제2수평부(B2)로 일정량 유입되면 다시 폐쇄된다.
토출구(318)를 통해 용융 몰드 플럭스(MM)가 토출되고 나면, 제2수평부(B2)에는 소량의 용융 몰드 플럭스(MM)가 잔류하게 된다. 이때, 제2수평부(B2)가 냉각되어 잔류하는 용융 몰드 플럭스(MM)가 제2수평부(B2)의 내벽은 몰론 토출구(318)에 응고되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 제2수평부(B2)를 고온, 예컨대 1400℃ 정도로 유지할 수 있도록 제2수평부(B2)에 가열기를 구비할 수 있다. 가열기는 제2수평부(B2)를 형성하는 내화물(314)에 내장되는 전기가열코일(350)과, 전기가열코일(350)에 연결되어 전기가열코일(350)에 전원을 공급하는 전원공급장치(미도시)를 포함할 수 있다.
하기에서는 본 발명의 실시예에 따른 용융물 주입 장치의 동작을 설명한다.
먼저, 원료 저장기에서 배출되는 원로, 즉 파우더 상태의 몰드 플럭스(MP)는 원료 공급배관(110)을 통해 용융부(200)로 이송된다. 이때, 몰드 플럭스(MP)는 원료 공급배관(110)에 설치된 건조기(120)를 통과하면서 몰드 플럭스(MP) 내에 함유된 수분이 제거된다. 그리고 수분이 제거된 몰드 플럭스(MP)는 원료 공급배관(110)에 연결된 이송기체 공급관(130)을 통해 공급되는 이송기체에 의해 용융부(200)로 공급된다. 이송기체는 원료 공급배관(110)에서 몰드 플럭스(MP)를 회전시키면서 이송하여 몰드 플럭스(MP)가 원료 공급배관(110)에 부착되는 것을 억제한다.
그리고 플라즈마 기체 공급장치를 이용하여 플라즈마 가둠관(230) 내에 플라즈마를 생성시키기 위한 기체, 예컨대 질소 가스를 공급하고, 용융부(200)의 유도코일에 전원을 공급한다. 이때, 기체 중의 일부는 파우더 상태의 몰드 플럭스와 혼합되어 제1유로(P1)를 따라 이동하고, 나머지 기체는 기체와 몰드 플럭스의 혼합물을 둘러싸며 제2유로(P2)를 따라 이동한다.
플라즈마 가둠관(230) 내부에 플라즈마 볼(PB)이 생성되고, 플라즈마 기체의 유동 방향을 따라 플라즈마 볼(PB) 하부로 플라즈마 젯(PZ)이 생성된다. 이때, 분배기(216)를 이용하여 제1유로(P1)와 제2유로(P2)로 공급되는 플라즈마 기체의 유량을 조절하여 플라즈마 볼(PB)이 생성되는 위치를 조절한다. 여기서 제1유로(P1)로 공급되는 플라즈마 기체의 유량이 제2유로(P2)로 공급되는 플라즈마 기체의 유량보다 지나치게 많은 경우에는 플라즈마 볼(PB)이 내부 가둠관(234)에 집중적으로 생성되고, 이에 플라즈마가 제1유로(P1)로 침투하는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 제1유로(P1)와 제2유로(P2)로 플라즈마 기체의 유량을 비슷하게, 예컨대 50 : 50으로 공급하여 플라즈마 볼(PB)의 직경을 증가시킴으로써 플라즈마가 제1유로(P1)로 침투하는 문제점을 해결할 수 있다. 이때, 플라즈마 볼(PB)의 중심부 온도는 다소 감소할 수 있으나 여전히 높은 온도, 예컨대 10,000℃ 정도의 높은 온도를 유지하면서 용융부(200)의 손상을 억제할 수 있다.
원료 공급배관(110)을 통해 플라즈마 가둠관(230) 내부로 유입되는 몰드 플럭스(MP)는 플라즈마 볼(PB) 및 플라즈마 젯(PZ)을 통과하면서 용융되어 용융 몰드 플럭스(MM)로 형성된다. 이와 같이 몰드 플럭스(MP)는 플라즈마 볼(PB)과 플라즈마 젯(PZ)을 통과함에 따라 고온의 플라즈마와의 반응시간이 증가하기 때문에 용융 효율이 향상되어, 결과적으로는 용융 몰드 플럭스(MM)의 생산성이 증가된다. 또한, 제2유로(P2)를 따라 유입되는 플라즈마 기체에 의해 플라즈마 볼(PB)의 직경이 증가하여 비산되는 몰드 플럭스도 효율적으로 용융시킬 수 있다.
이렇게 생성된 용융 몰드 플럭스(MM)는 플라즈마 가둠관(230)의 배출구를 통해 저장기(310)로 배출된다. 용융 몰드 플럭스(MM)는 저장기(310) 내부에 저장되고, 플라즈마 젯(PZ)은 저장기(310)의 수직부(A)로 유입되어 저장기(310)에 저장되어 있는 용융 몰드 플럭스(MM)를 지속적으로 가열하게 된다. 이때, 저장기(310)의 토출구(318)는 스토퍼(332)에 의해 폐쇄되어 있다.
용융 몰드 플럭스(MM)는 차폐판(320)의 하부와 저장기(310)의 바닥면 사이의 공간을 통해 수평부(B)로 이동하게 되고, 몰드 플럭스(MP)를 용융시키면서 발생하는 배가스는 차폐판(320)의 상부와 저장기(310)의 상부면 사이 공간을 통해 수평부(B)로 유입되어 배기구(315)를 통해 배출된다. 이때, 차폐판(320)은 수직부(A)로 유입된 플라즈마 젯(PZ)이 수평부(B)로 유입되는 것을 차단함으로써 수평부(B)로 이동한 용융 몰드 플럭스(MM)가 플라즈마 젯(PZ)에 의한 압력파의 영향으로 유동하는 것이 억제 혹은 방지될 수 있다.
이후, 저장기(310) 내에 일정량의 용융 몰드 플럭스(MM)가 저장되면, 스토퍼(332)를 상승시켜 토출구(318)를 개방하여 일정량의 용융 몰드 플럭스(MM)를 몰드로 토출시킨다. 이때, 용융 몰드 플럭스(MM)가 저장기(310)에 어느 정도 고인 다음 몰드로 토출시킴으로써 용융 몰드 플럭스(MM)를 토출구(318)로 일정량씩 안정적으로 토출시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 주입 장치를 이용하여 몰드 플럭스를 용융한 경우 열전달 효율과 플라즈마 출력 간의 관계를 보여주는 그래프이다.
열전달 효율에 따라 유도결합 플라즈마 장치의 중요한 변수인 출력의 설계 값이 달라진다. 원료(파우더 상태의 몰드 플럭스)의 시간당 투입량을 1kg/분으로 설정하고, 열전달율을 70-80% 정도로 설정하면, 필요한 플라즈마 출력이 50 kW 수준이 된다. 그리고 원료의 시간당 투입량을 5 kg/분으로 설정하고, 열전달율을 70-80% 정도로 설정하면, 필요한 플라즈마 출력이 250kW 수준이 된다.
또한, 용융능을 5kg/분, 열전달율을 70%라고 하면 유도결합 플라즈마 장치의 출력 설계 값은 275 kW 정도이고 안정성 요소 등을 고려하면 400 kW가 적정하다. 플라즈마의 열전달 효율이 작아지면 필요한 출력 설계량은 커진다.
그러나 종래의 플라즈마 토치를 이용하여 몰드 플럭스를 용융시킬 때 플라즈마 토치에 의해 발생하는 플라즈마 젯에서 몰드 플럭스로의 열전달 효율은 30-40% 정도 수준이다. 그러나 본 발명에서는 파우더 상태의 몰드 플럭스가 플라즈마 볼(PB)과 플라즈마 젯(PZ)을 연속해서 통과하기 때문에 플라즈마에서 몰드 플럭스로의 열전달율을 70-80% 정도까지 향상시킬 수 있다. 이와 같이 열전달율을 향상시킴으로써 비교적 낮은 출력에서도 몰드 플럭스의 용융 효율을 향상시켜 생산성을 높일 수 있다.
상기에서는 몰드 플럭스용 원료를 용융시키는 용융 몰드 플럭스 장치를 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 원료를 용융시키는 다양한 장치에 적용될 수 있다.
100: 원료 공급부 110: 원료 공급배관
120: 건조기 200: 용융부
210: 플라즈마 기체 공급관 230: 플라즈마 가둠관
240: 유도 코일 300: 저장부
310: 저장기 320: 차폐판
318: 토출구

Claims (12)

  1. 원료 공급부와;
    상기 원료 공급부 하부에 구비되어 플라즈마를 이용하여 상기 원료 공급부에서 공급되는 원료를 용융시켜 용융물을 생성하는 용융부와;
    상기 용융부 하부에 구비되어 상기 용융물을 저장하고, 일측 하부에 상기 용융물이 토출되는 토출구가 마련되는 저장부;를 포함하고,
    상기 원료 공급부는,
    원료를 저장하는 원료 저장기와;
    상기 원료 저장기와 상기 용융부를 연결하고, 건조기가 구비되는 원료 이송배관과;
    상기 원료 이송배관에 연결되어 상기 원료를 이송하는 원료 이송 기체를 공급하는 이송기체 공급관;을 포함하고,
    상기 저장부는,
    상기 용융부의 직하부에 구비되는 수직부와, 상기 수직부의 하부에 일측으로 연장 형성되고 하부에 상기 토출구가 마련되는 수평부가 형성된 저장기와,
    상기 저장기의 내부에 구비되어 상기 용융물과 상기 용융물을 생성하면서 발생하는 배가스가 이동하는 경로를 형성하는 차폐판을 포함하는 용융물 주입 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융부는,
    상부에 상기 원료 공급부에서 공급된 원료가 주입되는 주입구가 형성되고, 하부에 상기 용융물이 배출되는 배출구가 형성되는 플라즈마 가둠관과;
    상기 주입구에 연결되어 상기 플라즈마 가둠관 내부로 플라즈마 기체를 공급하는 플라즈마 기체 공급부와;
    상기 플라즈마 가둠관을 둘러싸며 배치되는 유도 코일과;
    상기 코일에 전원을 공급하는 전원공급기;
    를 포함하는 용융물 주입 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 플라즈마 가둠관의 둘레에는 냉각 자켓이 구비되는 용융물 주입 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 플라즈마 기체 공급부는,
    내부에 제1유로가 형성되는 내관과;
    상기 내관의 외측에 상기 내관의 외주면과 이격되어 제2유로를 형성하는 외관과;
    상기 제1유로와 상기 제2유로에 공급되는 플라즈마 기체를 분배하는 분배기;
    를 포함하고,
    상기 내관과 외관은 상기 플라즈마 가둠관과 연통되는 용융물 주입 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 내관과 상기 외관의 사이에 상기 제2유로와 교차하는 방향으로 배치되는 가이드링을 포함하고,
    상기 가이드링에는 상기 플라즈마 기체가 유입되는 유입공와 상기 플라즈마 기체가 배출되는 배출공 및 상기 유입공과 배출공을 연통시키는 유통로가 형성되며,
    상기 유통로는 상기 가이드링의 원주방향으로 기울어지게 형성되는 용융물 주입 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 차폐판은 상기 저장기 내부에서 상기 저장기의 상부 내벽 및 하부 내벽과 이격되도록 배치되는 용융물 주입 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 저장기의 수평부에 배기구가 형성되는 용융물 주입 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 토출구를 개폐하는 개폐수단이 구비되는 용융물 주입 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 토출구를 가열하는 가열기가 구비되는 용융물 주입 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 저장기의 내부 바닥은 적어도 상기 수평부에서 상기 토출구 측으로 하향 경사지도록 형성되는 용융물 주입 장치.
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