KR101525189B1 - 비정질 소재 제조설비 - Google Patents

Abstract

전체적인 공정 흐름을 방해하지 않으면서 냉각휠과 함께 회전되는 공기가 노즐쪽으로 유입되는 것을 최소화할 수 있도록, 내부에 용강을 저장하는 도가니가 설치되는 턴디쉬, 상기 턴디쉬의 외부 하단에 설치되고, 상기 도가니에 저장된 용강을 분사하기 위한 노즐, 상기 노즐의 하부에 간격을 유지하면서 배치되고 상기 노즐로부터 분사되는 용강을 급냉시켜 스트립을 제조하기 위한 냉각휠을 포함하는 비정질 소재 제조설비에 있어서, 상기 냉각휠의 고속 회전에 따라 냉각휠을 따라 흐르는 공기가 노즐쪽으로 유입되는 것을 차단하기 위한 차단부를 포함하고, 상기 차단부는 노즐에서 이격된 위치에 배치되고 냉각휠의 축방향으로 연장되며 냉각휠의 외주면에 간격을 두고 이격되는 감압판재를 포함하는 비정질 소재 제조설비를 제공한다.

Description

비정질 소재 제조설비{APPARATUS FOR MANUFACTURING AMORPHOUS FIBER}

본 발명은 비정질 스트립 또는 리본을 제조하기 위한 제조 설비에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 비정질 스트립 또는 리본의 제조시 노즐과 냉각휠 사이에 냉각휠과 함께 회전되는 공기의 유입을 억제할 수 있는 비정질 소재 제조 설비에 관한 것이다.

일반적으로, 비결정질 합금(이하 비정질 합금이라 한다)은 금속을 용융상태에서 급속 냉각시켜 제조된다. 이에 비정질 합금은 원자가 규칙적으로 배열하여 결정화할 시간이 없이 액상의 무질서한 원자배열 상태를 고체에서까지 유지시키게 된다.

비정질 합금은 통상적인 결정질 합금과는 달리 원자들이 불규칙하게 배열함으로써 결정성을 갖지 않는 액상과 유사한 구조를 지닌다. 따라서 비정질 합금은 결정질 합금의 특징인 결정입계(grain boundary), 전위(dislocation) 등과 같은 결정결함(crystalline imperfection)이 존재하지 않으며, 같은 조성의 결정질 금속에 비하여 우수한 연자성, 초자왜, 강인성, 내식성, 초전도성 등의 우수한 특성을 갖는다.

이러한 비정질 합금 제조 방법으로서는 다이캐스팅/영구주형주조법(die casting/permanent mold casting)과 멜트 스피닝법(melt spinning)이 주로 이용되고 있다. 멜트 스피닝법을 위한 제조 장치는 용융된 합금을 수용하는 턴디쉬와, 상기 턴디쉬의 하부 일측에 장착되어 용탕을 배출하는 노즐과, 상기 노즐의 하부에 근접 설치되어 회전하는 냉각휠로 구성된다.

이에 턴디쉬 내의 용탕이 노즐을 통해 회전하는 상기 냉각휠의 원주면에 배출되면서 급속으로 냉각되어, 비정질 상태를 유지하는 일정폭 및 두께를 가지는 스트립 또는 리본으로 제조된다.

상기 공정을 통해 비정질 소재를 제조함에 있어서, 공정 조건 외에 소재의 품질을 크게 좌우하는 요인으로 공기의 유입을 들 수 있다. 이는 공정 진행 중에 대기 중의 공기가 고속으로 회전하는 냉각휠에 유입되는 경우 비정질 소재의 표면 품질이 급격하게 저하되어 높은 조도(Rz)값을 나타내기 때문이다.

즉, 고속으로 회전하는 냉각휠에 의해 주변의 공기도 같이 회전하면서 용탕 공급 노즐 주변에 강력한 공기 흐름이 발생된다. 이러한 공기의 흐름은 노즐과 냉각휠 사이의 용탕 누적부인 퍼들(puddle)로 유입되어 퍼들을 불안정하게 만든다.

이러한 불안정한 퍼들에 의해 비정질상이 형성되지 않거나, 공기의 유입으로 인해 급냉으로 제조되는 비정질 소재의 표면에 공기층(air pocket)이 여러 군데 불균일하게 생성되는 문제가 발생된다. 이에 제품이 미려한 표면을 나타내지 못하고 거친 표면을 형성하게 되며 이는 곧 제품 품질 저하의 원인이 된다.

따라서, 비정질 소재의 우수한 표면 품질을 확보하기 위해서는 상기 노즐과 냉각휠 사이에 상기 냉각휠과 함께 회전되는 공기의 유입을 억제할 필요가 있다.

이에, 전체적인 공정 흐름을 방해하지 않으면서 냉각휠과 함께 회전되는 공기가 노즐쪽으로 유입되는 것을 최소화할 수 있는 비정질 소재 제조설비를 제공한다.

또한, 노즐에서 유출되는 용탕이 보다 안정되게 냉각휠에 안착될 수 있도록 된 비정질 소재 제조설비를 제공한다.

또한, 냉각휠에 의해 형성된 공기 유동으로부터 노즐 내부 온도가 변화되는 것을 방지할 수 있도록 된 비정질 소재 제조설비를 제공한다.

본 장치는 내부에 용강을 저장하는 도가니가 설치되는 턴디쉬, 상기 턴디쉬의 외부 하단에 설치되고, 상기 도가니에 저장된 용강을 분사하기 위한 노즐, 상기 노즐의 하부에 간격을 유지하면서 배치되고 상기 노즐로부터 분사되는 용강을 급냉시켜 스트립을 제조하기 위한 냉각휠을 포함하는 비정질 소재 제조설비에 있어서,

상기 냉각휠의 고속 회전에 따라 냉각휠을 따라 흐르는 공기가 노즐쪽으로 유입되는 것을 차단하기 위한 차단부를 포함하고, 상기 차단부는 노즐에서 이격된 위치에 배치되고 냉각휠의 축방향으로 연장되며 냉각휠의 외주면에 간격을 두고 이격되는 감압판재를 포함할 수 있다.

상기 감압판재는 냉각휠의 회전방향을 따라 노즐의 앞쪽에 배치될 수 있다.

상기 감압판재와 냉각휠 사이의 이격 거리는 상기 노즐의 팁부와 냉각휠 사이의 간격에 대응될 수 있다.

상기 감압판재는 냉각휠의 곡률 반경과 대응되는 곡률반경으로 굽어져 형성될 수 있다.

상기 차단부는 상기 감압판재의 양 측단에 결합되고 냉각휠의 지지대에 설치되어 감압판재를 냉각휠 상에 이격된 상태로 지지하는 고정브라켓을 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 냉각휠과 함께 회전되어 노즐과 냉각휠 사이로 유입되는 공기의 흐름을 억제할 수 있기 때문에, 비정질 스트립 혹은 리본의 표면에 요철이 발생되지 않으므로, 우수한 표면 품질을 갖는 비정질 스트립 또는 리본을 제조할 수 있다.

또한, 노즐에서의 강한 공기 흐름을 최소화하여 공기의 유입에 의한 노즐의 온도 하락을 방지하고 용탕이 노즐 내부에서 응고되는 것을 막아 장시간 조업이 가능하고 생산성을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따라 공기 유입을 억제하는 비정질 소재 제조설비를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 비정질 소재 제조설비의 냉각휠에 갑압판재가 설치된 구조를 도시한 사시도이다.
도 3과 도 4는 본 실시예에 따른 비정질 소재 제조설비의 노즐에서 공기의 흐름을 종래와 비교하여 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예와 종래기술 따른 노즐에서의 공기 흐름에 대해 전산 모사한 결과를 비교 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 공기 유입 억제수단을 구비한 비정질 소재 제조설비를 도시하고 있으며, 도 2는 본 실시예에 따른 비정질 소재 제조설비의 냉각휠에 갑압판재가 설치된 구조를 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 비정질 소재 제조 설비(100)는 용융된 합금을 배출시키기 위해 내부에 용탕이 저장되는 도가니를 구비한 턴디쉬(110)와, 상기 턴다쉬(110) 하부에 연결되어 용융 합금을 배출하는 노즐(120), 상기 노즐(124)로부터 배출되는 용융 합금을 급냉시킬 수 있도록 상기 노즐(124)의 하부에 근접 설치된 냉각휠(130)을 포함한다.

이에 상기 노즐(120)로부터 배출되는 용탕은 고속 회전하는 냉각휠(130)에 의해 급속 냉각되어 비정질 금속 스트립 또는 비정질 금속 리본 등의 비정질 소재로 제조된다. 상기 노즐(120)은 예를 들어, 노즐고정용 지그 등과 같은 노즐부(122)에 의해 지지되어 턴디쉬 하부에 장착된다.

또한, 상기 냉각휠(130)의 일측에는 냉각휠(130)에 급냉되어 부착된 비정질 금속 소재를 냉각휠(130)에서 분리시키기 위한 분리장치(140)가 구비된다.

여기서, 본 제조 설비(100)는 상기 냉각휠을 따라 흐르는 공기가 노즐(120)로 급속하게 흘러가는 것을 저감하거나 차단하기 위한 차단부(10)를 더 포함한다.

이에, 회전하는 냉각휠(130)에 의해서 냉각휠(130)과 함께 회전하면서 노즐(120) 쪽으로 흘러 들어가는 공기의 흐름이 상기 차단부(10)에 의해 억제되어 보다 안정적인 퍼들 형성은 물론 노즐의 온도 하락을 방지할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 노즐(120)로 유입되는 공기 흐름을 억제하는 방식은 노즐에서의 공간 크기를 노즐 주변부에서의 공간 크기와 같도록 하여 공간의 크기 차이에 따른 압력변동을 최소화함으로써 이루어진다.

이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 차단부(10)는 냉각휠(130)의 회전방향을 따라 노즐(120)의 앞쪽에서 노즐(120)과 이격된 위치에 배치되고, 냉각휠(130)의 축방향으로 연장되어 냉각휠(130)의 외주면에 간격을 두고 이격된 감압판재(12)를 포함한다.

상기 감압판재(12)는 노즐(120) 앞에 놓여지는 공간을 줄여 압력변화를 최소화함으로써, 노즐(120)을 지나는 공기의 급속한 흐름을 억제하게 된다. 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.

본 실시예에서 상기 감압판재(12)는 냉각휠(130)의 회전방향을 따라 노즐(120)의 앞쪽에 배치된다. 냉각휠(130)의 회전방향을 따라 노즐(120)의 앞쪽이라 함은 감압판재(12)가 앞에 위치하고 뒤쪽에 노즐(120)이 위치하여 냉각휠(130)의 일지점이 먼저 감압판재(12)를 지난 후 노즐(120)을 지나는 것을 의미한다. 즉, 노즐(120)을 기준으로 냉각휠(130) 회전에 따라 용강이 진행하는 방향의 반대쪽에 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이 냉각휠(130)이 시계방향으로 회전함에 따라 용강은 도면의 우측으로 진행하게 되고, 이에 상기 감압판재(12)는 냉각휠 회전방향을 따라 앞쪽인 노즐(120) 오른쪽에 배치된다. 이에, 감압판재(12)는 냉각휠의 회전방향을 따라 노즐(120)보다 앞쪽에서의 공간 크기를 노즐(120)에서의 공간 크기에 맞춰 줄여 압력 변화를 줄이게 된다.

본 실시예에서 상기 감압판재(12)는 강성 재질, 예를 들어 철재질의 강판으로 이루어질 수 있다. 상기 감압판재(12)는 냉각휠(130)의 외주면을 따라 길게 연장 형성되며, 일단은 노즐(120)쪽에 근접하여 위치하고 타단은 냉각휠(130) 외주면을 따라 연장되어 노즐(120) 끝을 지나 외측으로 연장된다. 냉각휠(130)의 외주면을 따라 연장되는 상기 감압판재(12)의 길이는 냉각휠(130)의 속도나 냉각휠 외주면과의 간격 등에 따라 달라질 수 있다.

상기 감압판재(12)는 냉각휠(130)의 축방향으로 연장되어 냉각휠(130)의 축방향 전면을 커버한다. 또한, 상기 감압판재(12)는 냉각휠(130)의 곡률 반경과 대응되는 곡률반경으로 굽어져 형성된다. 이에, 감압판재(12)는 전면이 냉각휠(130)의 위주면을 따라 균일한 간격으로 냉각휠(130)과 이격된다. 따라서, 감압판재(12)와 냉각휠(130) 외주면 사이는 감압판재(12) 전면에서 균일한 크기의 공간이 형성된다.

본 실시예에서, 상기 감압판재(12)와 냉각휠(130) 사이의 이격 거리는 상기 노즐(120)의 팁부(124)와 냉각휠(130) 사이의 간격에 대응된다. 대응된다는 것은 완전히 같거나 거의 같음을 의미한다.

본 실시예의 감압판재(12)는 냉각휠(130)과 함께 회전하는 강력한 공기의 흐름에 의해 냉각휠(130) 표면에서 떨어지지 않고 그 위치를 계속 유지할 수 있도록, 고정브라켓(14)에 의해 지지된다. 상기 고정브라켓(14)은 상기 감압판재(12)의 양 측단에 결합되고 냉각휠(130)의 양측단에 배치된 지지대(132)쪽으로 연장된다. 이에, 감압판재(12)는 고정브라켓(14)을 매개로 냉각휠(130) 양단의 지지대(132)쪽에 고정설치되어 냉각휠(130)에서 이격 배치된다.

도 3은 종래 기술에 따른 비정질 소재 제조 설비를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐부(122)에서의 공간 변화를 살펴보면, 노즐(120)의 앞쪽 공간에서 노즐부(122)와 냉각휠(130) 외주면 사이의 공간은 노즐의 팁부(124)로 갈수록 점차적으로 줄어든다.

노즐(120)을 지나는 실제 공기의 흐름은 노즐부(122)와 냉각휠(130) 사이의 공간 크기 차이에 의한 압력차에 의해 발생하는 것이다. 실제, 냉각휠(130) 회전시 노즐부(122)와 냉각휠(130) 사이의 공간 외의 자유공간(free space)에서는 표면 공기 유속이 거의 없다.

이에, 도 3에 도시된 종래 구조의 경우 노즐부(122)와 냉각휠(130) 외주면 사이는 노즐부에서 노즐 팁부(124)로 갈수록 줄고, 이에 따라 그 사이의 공간 크기는 노즐 팁부로 갈수록 D3에서 D1로 작아지게 된다. 이에, 공기는 공간의 크기에 따른 압력 차이에 의해 노즐의 팁부(124)를 향해 빠른 속도로 흘러 나가게 된다. 따라서, 노즐(120)을 향해 강력한 공기의 흐름이 형성되는 것이다.

이에 반해, 도 4는 본 실시예에 따라 노즐(120)의 앞쪽에 감압판재(12)가 설치된 구조를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 감압판재(12)는 냉각휠(130)의 외주면에 근접해 있어서, 노즐(120) 앞쪽의 공간은 종래 D3에서 감압판재(12)와 냉각휠(130) 사이의 공간인 D2로 줄게 된다. 이에, 노즐(120) 앞쪽에서의 공간 크기는 노즐의 팁부(124)에서의 공간 크기와 유사해진다. 따라서 노즐부(122)를 따라 노즐(120)의 앞쪽에서 노즐 팁부(124)까지 공간의 크기에 따른 압력 차이가 거의 없게 된다.

언급한 바와 같이, 노즐(120)에서의 공기 흐름은 압력 차이에 의해 발생되므로, 본 실시예의 경우 압력차이가 작아 노즐(120)에서의 공기 흐름을 최대한 억제할 수 있게 된다.

도 5는 본 실시예에 따라 차단부가 구비한 비정질 소재 제조 설비에서 노즐(120)로의 공기 유입량을 전산 모사한 결과를 비교예인 종래 구조의 비정질 소재 제조 설비와 비교하여 도시하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래 구조인 비교예의 경우 냉각휠을 따라 흐르는 공기의 유속이 노즐에서 빨라져 노즐로 유입되는 공기 유량이 0.088 kg/s 로 나타났다. 반면에, 본 실시예와 같이 차단부(10)를 구비한 경우 냉각휠을 따라 흐르는 공기의 흐름이 억제되어 노즐로의 유입 공기 유량이 0.03 kg/s로 나타났다.

이와 같이, 본 실시예의 경우 차단부(10)에 의해 노즐로 유입되는 공기 유량이 종래와 비교하여 최대 70% 감소하였고, 노즐 측면에서의 공기 유속은 종래와 비교하여 50% 이상 감소하였으며, 실제 측정값도 같은 비율로 종래보다 현저하게 저감됨을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 차단부 12 : 감압판재
14 : 고정브라켓

Claims (5)

1. 내부에 용강을 저장하는 도가니가 설치되는 턴디쉬, 상기 턴디쉬의 외부 하단에 설치되고, 상기 도가니에 저장된 용강을 분사하기 위한 노즐, 상기 노즐의 하부에 간격을 유지하면서 배치되고 상기 노즐로부터 분사되는 용강을 급냉시켜 스트립을 제조하기 위한 냉각휠, 상기 냉각휠의 고속 회전에 따라 냉각휠을 따라 흐르는 공기가 노즐쪽으로 유입되는 것을 차단하기 위한 차단부를 포함하는 비정질 소재 제조설비에 있어서,
   상기 노즐은 용강이 분출되는 팁부와 노즐을 턴디쉬 하부에 장착하는 노즐부를 포함하고,
   상기 차단부는 노즐에서 이격된 위치에 배치되고 냉각휠의 축방향으로 연장되며 냉각휠의 외주면에 간격을 두고 이격되는 감압판재를 포함하며,
   상기 감압판재는 냉각휠의 회전방향을 따라 노즐의 앞쪽에서 상기 노즐부와 냉각휠 사이에 배치되고, 감압판재의 일단은 노즐의 팁부 쪽으로 연장되고, 타단은 노즐부를 지나 외측으로 연장되며, 감압판재와 상기 냉각휠 사이의 이격 거리는 상기 노즐의 팁부와 냉각휠 사이의 간격에 대응되어, 노즐의 앞쪽에서의 공간 크기를 노즐 팁부에서의 공간 크기로 줄이는 구조의 비정질 소재 제조설비.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 감압판재는 냉각휠의 곡률 반경과 대응되는 곡률반경으로 굽어져 형성된 비정질 소재 제조설비.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 차단부는 상기 감압판재의 양 측단에 결합되고 냉각휠의 지지대에 설치되어 감압판재를 냉각휠 상에 이격된 상태로 지지하는 고정브라켓을 더 포함하는 비정질 소재 제조설비.

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