KR101559045B1 - 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재활용을 위해 수거된 동스크랩을 용융하여 정제하는 과정에서 용탕에 함유된 산소를 가스를 이용하여 제거하는, 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치에 관한 것이다. 그 구성은; 도어부(9)에 의해 선택적으로 개폐되는 스크랩 투입구(11)가 일측에 마련되고, 내부 공간을 가열하기 위한 버너(13)가 타측에 마련되고, 용탕(M)을 방출하기 위한 출탕구(15)가 벽체에 마련되는 원통 형상의 용해로(1); 상기 용해로 회전장치; 원자재 장입부(3); 상기 용해로(1)에서 출탕된 용탕을 금형에 공급함으로써 빌렛과 같은 제품을 생산하는 주조부(5); 상기 용해로(1) 내부에 액화석유가스 또는 액화천연가스와 같은 가스를 공급하기 위한 가스주입부(7)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치{Casting Apparatus For Copper Billet Having Deoxidationer Using Gas}

본 발명은 금속의 주조시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 재활용을 위해 수거된 동스크랩을 용융하여 정제하는 과정에서 용탕에 함유된 산소를 가스를 이용하여 제거하는, 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치에 관한 것이다.

각종 부품이나 폐전선은 동의 재생산을 위해 수거된다. 수거된 원자재는 가열로에 투입되어 고온으로 가열에 의해 용융상태로 되며, 이후 주조공정을 통해 동빌렛(copper billet)으로 재생산된다. 원자재는 전선피복 등 다양한 불순물을 가지게 마련인데, 이들 불순물은 용해로에 투입하기 전에 깨끗하게 제거하는 것은 거의 불가능하므로 대부분 용해로에 함께 투입된다. 그래서 이 불순물을 제거하기 위한 공정을 필요로 하는데, 이 불순물 제거공정은 용탕에 산소를 공급함으로써 산화시키는 방법으로 시행된다.

그러나 불순물이 제거되고도 용탕 속에는 잔존 산소가 있게 되는데, 이는 생산되는 동빌렛의 순도 등 품질을 좌우하는 요인이 되므로 최대한 제거되어야 바람직하다. 이 과정은 산화의 반대 공정으로서 환원공정이 된다. 기존에는 환원공정에서 소나무와 같은 목재(특히 생목)를 용탕에 투입하여 연소시킴으로써 용존 산소를 제거하여 왔었다.

그러나 이 환원 과정에서 용탕의 온도보다 크게 낮은 생목재를 투입하기 때문에 용탕의 온도가 낮아지게 된다. 따라서 용탕을 재가열하여야 하는데 이 승온과정을 위해 에너지를 소비하여야 하고 승온과정에 의해 공정이 지연되는 문제가 생기게 된다. 그리고 목재를 구하기 위해 벌목을 해야 하므로 목재의 수급이 어려워지는 것은 물론 자연환경을 해치는 문제가 부수적으로 생기게 된다.

또한 생목재를 주조공장 주변에 야적해 놓아야 하므로 부지를 많이 차지하며 이를 용해로까지 옮기고 용해로에 투입하는 과정에서 노동력의 손실이 크다. 또한 목재를 투입하는 과정에서 작업자의 안전사고의 위험이 상존하며 생목을 연소시키는 과정에서 생기는 분진이 공장 내부에 부유하여 작업환경에 해를 주게 된다.

대한민국 특허출원 제10-2001-0065699호 대한민국 특허출원 제10-2004-0043867호 대한민국 특허출원 제10-2009-0019226호 대한민국 특허출원 제10-2010-7012342호

위와 같은 문제에 대한 본 발명의 목적은, 수거된 동스크랩을 용융하여 정제하여 주조하는 공정에서 생목재를 사용하지 않고서 용탕에 함유된 산소를 제거하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것에 있다. 특히 용탕의 온도를 크게 떨어뜨리지 않음으로써 용탕을 재가열하여야 하는 문제를 없애는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 긴급 상황시 기존의 환원방법을 병행하여 사용할 수 있으며 구성을 간단하게 하여 기존의 시스템을 그대로 이용할 수 있게 하는 경제적인 방안을 제시하는 것을 다른 목적으로 한다.

위와 같은 목적은, 동(銅)의 재생산을 위해 수거된 원자재를 용융시킨 다음 정제하여 빌렛 등으로 재생산하는 주조장치에 있어서;

도어부에 의해 선택적으로 개폐되는 스크랩 투입구가 일측에 마련되고, 내부 공간을 가열하기 위한 버너가 타측에 마련되고, 용탕을 방출하기 위한 출탕구가 벽체에 마련되는 원통 형상의 용해로;

상기 용해로를 일정한 각도 범위에서 원통축을 중심으로 왕복 회전시키기 위한 용해로 회전장치;

상기 스크랩 투입구를 통해 상기 용해로 내부에 원자재를 장입하기 위한 원자재 장입부;

상기 용해로에서 출탕된 용탕을 금형에 공급함으로써 빌렛(billet)과 같은 제품을 생산하는 주조부;

상기 용해로 내부에 액화석유가스 또는 액화천연가스와 같은 가스를 공급하기 위한 가스주입부를 포함하되;

상기 가스주입부는;

상기 용해로 내부에 인입되는 것으로서 가스 주입시 가스가 토출되는 단부가 용탕 내부에 잠기게 되는 가스주입관체;

상기 가스주입관체를 통해 상기 용탕 내부로 가스를 공급하는 가스공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치에 의해 달성된다.

본 발명의 특징에 의하면, 상기 가스주입관체는 상기 용해로의 외벽을 관통하여 설치되는 대경관(大徑管); 상기 대경과 내부에 밀착하여 끼워지는 것으로서 선단부가 상기 용해로 내부로 돌출되게 되는 소경관(小徑管); 상기 대경관을 상기 용해로의 측벽에 고정시키기 위한 대경관 고정수단;을 포함할 수 있다.

본 발명의 특징에 의하면, 상기 대경관은 상기 용해로의 두께방향에 대하여 경사지게 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 소경관은 상기 대경관에 연속적으로 끼워지는 다수의 단위관으로 구성되며, 상기 용해로 내부로 돌출된 단위관이 마모시, 상기 대경관의 후방으로부터 가해지는 충격에 의해 밀려서 차례대로 상기 용해로 내부로 돌출될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면 상기 도어부는;

원판 형태의 도어본체(33); 하단이 도어본체(33)에 전면에 연결되어 상부로 연장되며 상단에는 상부레일(35)을 따라 구름운동될 수 있는 휠이 설치되는 도어지지대(37); 상기 도어지지대(37)를 좌우방향으로 기동시키기 위한 도어기동부(39)를포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 용해로(1)의 상기 내측벽(1a,1b)으로부터 발산되는 반사열이 가열공간(S)의 중심부를 향하도록; 상기 내측벽(1a,1b)은 수직선에 대하여 소정의 각도(A)로 경사지게 설치될 수 있다.

위와 같은 구성에 의하면, 기존에 사용되어 왔던 목재를 사용하지 않고도 용탕을 환원시킬 수 있는 동빌렛 주조장치가 제공된다. 가스는 용해로로 공급되는 과정에서 신속하게 가열되므로 용해로의 온도를 거의 떨어뜨리지 않게 된다. 따라서 용해로의 재가열을 위해 소비되는 에너지가 거의 없게 된다. 또한 청정한 가스를 이용함으로써 공장의 용적효율을 높이고 작업환경을 향상시킬 수 있으며 원료의 안정적인 수급에 의해 생산품의 가격을 안정화시킬 수 있게 된다.

본 발명의 다른 목적은 긴급 상황시 기존의 환원방법을 병행하여 사용할 수 있으며 구성이 간단하여 설치비용이 적게 소모되며, 기존의 시스템을 그대로 이용할 수 있어 더욱 경제적이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 동빌렛 주조장치의 개략적 측단면도이다.
도 2는 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 동빌렛 주조장치의 개략적 정면 구성도이다.
도 3은 도 1의 A-A선을 따라 취한 것으로서, 본 발명의 실시예에 의한 동빌렛 주조장치의 개략적 정단면도이다. 도 4 내지 도 5는 사용상태의 정단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 가수주입관의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다. 기본적으로 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하며, 도 4 내지 도 6은 필요한 곳에서 인용하기로 한다.

본 발명은 동(銅)의 재생산을 위해 수거된 원자재로부터 주조의 방법을 이용하여 동빌렛을 생산하는 시스템에 관한 것이다. 원자재는 전기동 또는 동스크랩이 될 수 있다.

본 발명의 동빌렛 주조장치는 용해로(1), 용해로 회전장치, 원자재 장입부(3), 주조부(5) 및 가스주입부(7)를 포함한다. 본 발명은 특히 산소를 제거하는 환원공정(또는 탈산공정)을 위한 장치를 가진다. 환원공정이라 함은 불순물 제거를 위해 용탕(M)에 투입한 산소를 제거함으로써 동빌렛의 품질을 높이는 공정이다. 본 발명에 의하면 가스를 이용하여 환원공정을 시행하며, 더 나아가 긴급시 종래의 방법을 병행하여 사용할 수 있게 하는 구성이 제안된다.

용해로(1)는 원자재가 투입되어 용해되는 가열공간(S)을 제공하는 것으로서 원통 형상으로 되어 있으며 내부의 벽체는 내화벽돌로 마감되어 있다. 용해로(1)의 일측에는 도어부(9)에 의해 선택적으로 개폐되는 스크랩 투입구(11)가 마련되고, 타측에는 내부 가열공간(S)에 화염을 방사하여 용해로(1)를 가열하기 위한 버너(13)가 설치된다. 용해로(1)의 벽체에는 정제된 용탕(M)을 방출하기 위한 출탕구(15)가 마련된다. 출탕구(15)는 도 5에 도시된 바와 같이 출탕시 개방되며 용해 및 정제시에는 폐쇄되어 있어야 한다. 공지의 각종 밀폐방식이 채용될 수 있다.

원자재는 용해되었을 경우 용해로 내부 가열공간(S) 전체 높이 중 1/3 높이만큼 채워지도록 투입된다. 이 높이는 용해로의 바닥면에서 용탕(M)의 액면까지의 높이로서, 이하에서는 이를 '기준높이(H)'라 한다. 도 3에 도시된 것처럼 출탕구(15)는 이 기준높이(H)보다 높은 곳에 설치된다.

버너(13)가 원자재에 직접 화염을 분사하여 가열하는 것은 일부분에 지나지 아니한다. 원자재에 가해지는 대부분의 열은 용해로 내벽에 설치된 내화벽돌에 의한 반사열이다. 용해로 회전장치는 이 반사열을 충분히 이용하고 나아가 원자재를 고르게 섞어줌으로써 고르게 용융시킬 수 있도록 용해로를 원통의 축(X)을 중심으로 회전시킨다. 일방향으로 계속해서 회전시키는 것은 아니며 일정한 각도 범위에서 왕복회전시키도록 되어 있다. 이로써 원자재는 용해로(1) 내벽 전체로부터 반사열을 제공받을 수 있게 된다. 특히 본 발명에 의하면 용해로(1)의 내측벽(1a,1b)은 수직선에 대하여 소정의 각도(A)로 경사지게 설치되어 있다. 이는 내측벽(1a,1b)으로부터 발산되는 반사열이 가열공간(S)의 중심부를 향하게 함으로써 보다 효과적으로 원자재를 가열하도록 하기 위한 것이다.

용해로 회전장치는 용해로(1)의 전후에 설치되는 원형레일(17), 바닥프레임(20)에 고정 설치되는 복수 개의 휠(19), 상기 휠(19)을 구동하기 위한 휠구동모터(18)를 포함한다. 휠구동모터(19)가 휠(19)을 구동시키면 마찰력으로 인하여 원형레일(17)이 휠(19) 위에서 기동하게 되며 따라서 용해로(1)가 축(X)을 중심으로 회전될 수 있게 되는 것이다. 용해로(1)의 회전각(K)은 90 ~ 180°의 범위 내에 있다. 용해로(1)에는 연도(21)가 설치되는데 용탕(M)이 연도(21)를 통해 흘러나오면 안 되기 때문에 회전각도에는 제한이 따르게 된다.

원자재 장입부(3)는 스크랩 투입구(11)를 통해 용해로(1) 내부에 원자재를 장입한다. 본 발명의 실시예에 의하면 원자재 장입부(3)는 지게차와 유사한 방식으로 원자래를 운반하여 공급한다. 바퀴가 설치된 운반대차(23)는 바닥에 설치된 바닥레일(25)을 따라서 전후방향으로 이동될 수 있다. 운반대차(23)의 전방에는 포스트(27)가 수직으로 설치되고, 아암(29)이 포스트(27)의 연장방향을 따라 수직으로 기동 가능하게 설치된다. 아암(29)은 지게차의 포크와 유사하게 일정한 각도 범위에서 틸팅이 가능하게 설치된다. 아암(29)에는 원자재가 담기는 곳으로서 기다란 통형상의 버킷(31)이 장착된다. 버킷(31)은 상부가 개방된 기다란 용기 형태로서 버킷(31)을 기울이거나 회전시켜 뒤집음으로써 원자재를 용해로(1) 내에 쏟아 붓게 된다.

스크랩 투입구(11)를 선택적으로 개폐하는 도어부(9)의 구성은 다음과 같다.

도어본체(33)는 원판 형태로 되어 있으며 내부에는 냉각수단으로서의 물자켓이 형성되어 있다. 도어지지대(37)의 하단은 도어본체(33)에 전면에 연결되며, 도어지지대(37)의 상단에는 상부레일(35)을 따라 구름 운동될 수 있는 휠(36)이 설치된다. 공압실린더 또는 유압실린더로 된 도어기동부(39)는 도어지지대(37)를 좌우방향으로 수평 이동시킴으로써 도어본체(33)가 선택적으로 스크랩 투입구(11)를 개폐시키도록 한다. 용해로(1)의 고열에 의한 피해가 없도록 도어기동부(39)는 기다란 연결대(38)를 통해 휠(36)에 연결된다.

도어본체(33)는 도 3에 도시된 바와 같이 좌우로 거동하면서 스크랩 투입구(11)를 개폐할 수 있게 된다. 이러한 구성에 의하면, 도어를 여닫는 구조에 있어서 경첩과 같은 열에 취약한 부분이 없게 되며 편리하게 도어를 여닫을 수 있으며, 내구성 역시 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

주조부(5)에서는 용해로(1)에서 출탕된 용탕(M)을 금형(41)에 공급함으로써 빌렛과 같은 제품을 생산한다. 보통 수직식 연속주조방법을 이용하여 빌렛을 생산하게 되는데, 이러한 주조방식은 공지의 기술이므로 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 중요한 특징부인 가스주입부(7)를 설명한다. 전술한 바와 같이 본 발명의 주조장치는 생목을 이용하는 대신 가스를 이용한다. 가스는 액화석유가스 또는 액화천연가스일 수 있으며, 가스주입부(7)는 용해로(1)의 내부에 액화석유가스 또는 액화천연가스를 공급한다.

가스주입부(7)는 가스주입관체(43)와 가스공급부(45)로 구성되어 있다.

가스주입관체(43)는 가스가 토출되는 단부가 용탕(M) 내부에 잠길 수 있도록 용해(1)로 내부에 인입 설치된다. 가스공급부(45)는 용해로(1)가 도 4에 도시된 바와 같이 회전된 상태에서, 즉 가스주입관체(43)가 용탕(M)의 바닥까지 잠긴 상태에서 가스주입관체(43)를 통해 용탕(M) 내부로 가스를 공급한다. 그러면 가스는 산소를 공급받지 못한 상태에서 불완전연소되면서 기포를 발생시키게 되고 이 과정에서 용탕(M) 내부의 산소가 제거되는 환원과정이 일어나게 된다.

가스주입관체(43)는 선단이 용해로(1)의 내부 공간을 향해 개방될 수 있도록 용해로(1)의 벽체를 관통하여 고정 설치된다. 가스주입관체(43) 역시 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 고열로부터의 보호를 위해 기준높이(H)보다 높이 설치된다.

가스주입관체(43)는 대경관(47, 大徑管)과 소경관(49, 小徑管)으로 구성되어 있다. 이하, 도 6을 참조하여 설명한다.

대경관(47)은 용해로(1)의 내벽체로부터 돌출되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 대경관(47)을 고온 환경으로부터 보호하기 위함이다.

소경관(49)이 대경관(47) 내부에 밀착하여 끼워진다. 양자 간의 공차를 적게 함으로써 빡빡하게 끼워져 결합되도록 하는 것이다. 소경관(49)은 도시된 바와 같이 대경관(47)의 단부로부터 돌출되게 설치된다. 따라서 소경관(49)은 용해로 내부로 돌출되게 설치되어 노즐로서의 기능을 하게 된다. 소경관(49)은 마모를 예정하고 있는 소모성 부품이다. 가스는 실질적으로 소경관의 단부를 통해 분출되게 된다.

소경관(49)은 여러 개의 단위관(49a)이 길이방향을 따라 연속적으로 끼워지는 구성을 가질 수 있다. 대경관(47)의 후방에서 소경관(49)을 타격함으로써 소경관(49)을 점진적으로 용해로(1) 내부로 진입시킬 수가 있다. 마치 샤프펜슬과 같이 소경관(49)을 사용하게 되는 것이다.

대경관 고정수단은 대경관(47)을 용해로(1)의 측벽에 고정시킨다. 대경관(47)의 후단에는 가스공급관 연결구(51)가 마련되는 캡하우징(53)이 결합된다. 대경관 고정수단은 브래킷(55) 형태로 되어 있다.

캡하우징(53)에는 밀폐캡(57)이 나사결합되어 있다. 밀폐캡(57)에는 핸들(59)가 부착되어 있으며 핸들(59)을 회전시킴으로써 밀폐캡(57)을 대경관으로부터 분리시킬 수 있다. 밀폐캡(57)을 분리한 상태에서 소경관(49)에 타격을 가함으로써 소경관(49)을 마모 정도에 따라 조금씩 용해로 내부를 향해 밀어 넣을 수 있게 되는 것이다. 소경관(49)은 도시된 바와 같이 다수의 단위관(49a)으로 구성되기 때문에 계속 보충될 수 있다.

본 발명의 특징에 의하면, 대경관(47)은 용해로(1)의 두께방향에 대하여 소정의 각도(L)로 경사지게 설치될 수 있다. 이것은 소경관(49)을 용이하게 타격할 수 있도록 하며, 가스공급관(61)을 용이하게 연결할 수 있도록 한다.

위에 도시 및 설명된 구성은 본 발명의 기술적 사상에 근거한 바람직한 실시예에 지나지 아니한다. 당업자는 통상의 기술적 상식을 바탕으로 다양한 변경실시를 할 수 있을 것이지만 이는 본 발명의 보호범위에 포함될 수 있음을 주지해야 할 것이다.

1 : 용해로 3 : 원자재 장입부
5 : 주조부 7 : 가스주입부
9 : 도어부 11 : 스크랩 투입구
13 : 버너 15 : 출탕구
17 : 원형레일 19 : 휠
21 : 연도 23 : 운반대차
25 : 바닥레일 27 : 포스트(post)
29 : 아암(arm) 31 : 버킷(bucket)
33 : 도어본체 35 : 상부레일
37 : 도어지지대 39 : 도어 기동부
41 : 금형 43 : 가스주입관체
45 : 가스 공급부 47 : 대경관(大徑管)
49 : 소경관(小徑管) 51 : 가스공급관 연결구
53 : 캡하우징 55 : 브래킷
57 : 밀폐캡 59 : 핸들
61 : 가스공급관

Claims (6)

1. 동(銅)의 재생산을 위해 수거된 원자재를 용융시킨 다음 정제하여 빌렛(billet) 등으로 재생산하는 주조장치에 있어서;
   도어부(9)에 의해 선택적으로 개폐되는 스크랩 투입구(11)가 일측에 마련되고, 내부 공간을 가열하기 위한 버너(13)가 타측에 마련되고, 용탕(M)을 방출하기 위한 출탕구(15)가 벽체에 마련되는 원통 형상의 용해로(1);
   상기 용해로(1)를 일정한 각도 범위에서 원통축(X)을 중심으로 왕복 회전시키기 위한 용해로 회전장치;
   상기 스크랩 투입구(11)를 통해 상기 용해로(1) 내부에 원자재를 장입하기 위한 원자재 장입부(3);
   상기 용해로(1)에서 출탕된 용탕을 금형에 공급함으로써 빌렛과 같은 제품을 생산하는 주조부(5);
   상기 용해로(1) 내부에 액화석유가스 또는 액화천연가스와 같은 가스를 공급하기 위한 가스주입부(7)를 포함하되;
   상기 가스주입부(7)는;
   상기 용해로(1) 내부에 인입되는 것으로서 가스 주입시 가스가 토출되는 단부가 용탕(M) 내부에 잠기게 되는 가스주입관체(43); 상기 가스주입관체(43)를 통해 상기 용탕(M) 내부로 가스를 공급하는 가스공급부(45)를 포함하며;
   상기 도어부(9)는;
   원판 형태의 도어본체(33); 하단이 도어본체(33)에 전면에 연결되어 상부로 연장되며 상단에는 지면에 고정되어 있는 상부 프레임(35)에 힌지 연결되도록 힌지연결부(38)가 마련되는 도어지지대(37); 상기 도어지지대(37)를 상기 힌지연결부(38)를 중심으로 하여 상기 스크랩 투입구(11)의 개구방향에 대하여 직각을 이루는 방향으로 기동시키기 위한 도어기동부(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스주입관체(43)는 상기 용해로(1)의 벽체를 관통하여 설치되는 대경관(47, 大徑管); 상기 대경관(47) 내부에 밀착하여 끼워지는 것으로서 선단부가 상기 용해로(1) 내부로 돌출되게 되는 소경관(49, 小徑管); 및 상기 대경관(47)을 상기 용해로(1)의 측벽에 고정시키기 위한 대경관 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 소경관(49)은, 상기 대경관(47)에 연속적으로 끼워지는 다수의 단위관(49a)으로 구성되며; 상기 용해로(1) 내부로 돌출된 단위관(49a)이 마모시, 상기 대경관(47)의 후방으로부터 가해지는 충격에 의해 밀려서 차례대로 상기 용해로(1) 내부로 돌출되는 것을 특징으로 하는, 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 대경관(47)은 상기 용해로(1)의 두께방향에 대하여 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는, 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 용해로(1)의 내측벽(1a,1b)으로부터 발산되는 반사열이 가열공간(S)의 중심부를 향하도록;
   상기 내측벽(1a,1b)은 수직선에 대하여 소정의 각도(A)로 경사지게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스를 이용한 환원장치를 가지는 동빌렛 주조장치.

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