KR101591914B1 - 금속 스크랩 분류 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속스크랩이 레이저 분광분석에 의하여 성분에 따라 분류될 수 있는 금속스크랩 분류장치에 관한 것으로, 금속스크랩 투입부(10)와, 금속스크랩 투입부(10)에 의하여 투입된 금속스크랩을 이송라인을 따라서 이송하되, 레이저 조사를 위한 관통영역(T)이 구비된 이송부(20)와, 이송부(20) 하부에 배치되어 관통영역(T)을 통해 금속스크랩에 레이저를 조사하게 되는 레이저 헤드(42)가 마련되어 방출된 플라즈마를 여기원으로 하여 시료의 성분에 대한 분석이 이루어지는 레이저 분석부(40)와, 레이저 헤드(40)와 대향하여 이송부(20)의 상부에 마련되어 수평이송이 이루어지는 금속스크랩을 가압하여 이송방향으로 안내하게 되는 가압부(30)와, 이송라인을 따라 이송되는 금속스크랩의 분류가 이루어지는 분류부(50)와, 분석부(40)에서 검출된 금속스크랩의 성분에 따라서 상기 분류부(50)를 제어하여 금속스크랩을 분류하게 되는 제어부를 포함하여, 이송중인 여러 가지 형상의 금속스크랩에 조사되는 레이저 빔의 초점이 금속스크랩의 표면에 진동없이 정확하게 맺힐 수 있게 되는 금속스크랩 분류장치를 제공하고자 한다.

Description

금속 스크랩 분류 장치{Scrap metal sorting device}

본 발명은 금속 스크랩 분류 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 금속 스크랩의 이송 중에 레이저 분광 분석이 원활히 수행 되도록 금속 스크랩의 진동 방지 수단이 구비된 금속 스크랩 분류 장치에 관한 것이다.

지르코늄(Zr) 금속은 기계적 특성 및 열전도도가 티타늄계(Ti) 금속소재와 유사하고, 어느 금속소재 보다도 우수한 내식성을 보유하고 있어 산성이나 알칼리성 환경 하에서도 내식성이 매우 뛰어난 특징이 있기 때문에 핸드폰, 보철재료, 합성섬유, 섬유화학 공업용 부품에 널리 사용되고 있다. 특히 Sn, Nb, Fe, Cr, Ni 및 Cu 등의 원소들을 첨가하면 순수 지르코늄에 비해서 내식성과 기계적 특성이 매우 향상된 합금을 얻을 수 있다. 이러한 지르코늄 합금은 중성자 흡수 단면적이 작고 핵연료로 사용하는 이산화우라늄(UO2)과의 양립성도 우수하므로 원자로의 노심재료로 사용하기에 매우 적합하다. 이와 같은 특징으로 인해 지르코늄 합금은 경수로와 중수로의 핵연료 피복관, 안내관, 지지격자, 압력관 등으로 사용되고 있다. 이 중 가장 많이 사용되고 있는 분야는 핵연료 피복관이다. 향후 지속적인 국내 에너지 수요 및 원자력을 이용한 에너지 생산이 증가될 가능성이 있어 지르코늄 금속 소재의 사용량이 증가될 것으로 전망된다.

원자력 분야에서 지르코늄 합금 사용량의 70% 이상은 핵연료 피복관의 부품으로 사용되고 있다. 국내에서 핵연료 피복관을 생산하기 위해서는 국외로부터 지르코늄 합금(TREX)을 고가로 수입하여 성형, 세정, 열처리, 가공 등을 거쳐 피복관으로 생산한다. 이러한 피복관 제조과정에서 지르코늄의 스크랩이 연간 40톤 이상 발생하고 있으며 그 중 튜브 성형공정에서의 스크랩(튜브류) 발생량은 전체의 80%를 차지하고 있다. 향후 생산용량 확대로 스크랩 발생량이 연간 80톤 이상으로 증가될 것으로 예상된다. 제련공정의 기술적, 환경적 어려움 등으로 인해 고가의 금속이면서, 제한된 제조가 가능함을 감안할 때, 본 금속의 스크랩 재활용은 그 가치가 크다고 할 수 있다.

따라서 금속 스크랩의 재활용을 위해서는 금속 스크랩이 성분에 따라 분류될 수 있는 공정이 필요하게 된다. 도1에는 종래 기술인 공개특허공보 제10-2009-0057937호(공개일자: 2009.06.08)에서 제안된 '미세한 비철 금속들 및 절연선 조각들을 분류하기 위한 장치 및 방법'이 도시되어 있다. 개략적인 구성은 혼합된 물질 조각들(103, 105)을 운송하기 위한 컨베이어 벨트(221)와, 컨베이어 벨트(221)의 폭을 가로질러 상기 컨베이어 벨트(221)의 상부 표면에 근접하게 위치되고, 자기장을 방사하고, 금속 조각들(105)이 자기장 내에서 탐지될 때 전기적 신호들을 생성하는 유도성 근접 센서(inductive proximity sensor)(207, 209)들의 어레이와, 분리 유닛(217)및 복수 개의 유도성 근접 센서들(207, 209)에 연결된 컨트롤러(225)를 포함하되, 상기 컨트롤러(225)가 탐지된 금속 조각들을 위하여 상기 전기적 신호들을 받을 때, 상기 복수 개의 유도성 근접 센서들(207, 209)에 의해 탐지된 상기 금속 조각들(105)을 상기 혼합된 물질 조각들로부터 분리하도록 상기 컨트롤러가 분리유닛(217)에게 명령하는 것을 특징으로 한다.

상기 종래기술은 비접촉식 검출이 가능하고 연속 공정으로 분류할 수 있는 점에서 장점이 있다. 다만 유도전류로 인한 열손실로 검출하는 방법이므로 전류가 흐르지 않는 비금속은 검출이 불가능하고 금속이라도 페라이트 같이 전류가 흐르지 않는 금속은 검출이 불가능하며 성분분석이 간접적인 방법으로 이뤄지므로, 첨가 원소만 다른 같은 종류의 합금 분류에 적용하기에는 한계가 있다.

이러한 한계점을 극복하기 위해서는 고방사선, 고온 환경 등의 임계환경에서 적용 가능하고, 측정장비의 오염이 없으며, 화학분석법 정도의 정확도를 가질 수 있는 측정 기법이 요구되는데, 이러한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 새로운 정량 측정 기법으로서 공정 현장에서 실시간으로 시료의 정량분석이 가능한 Laser Induced Breakdown Spectroscopy(LIBS)의 활용이 대두되고 있다.

LIBS는 레이저 분광학을 기반으로 하는 원소 분석기술이다. 고출력의 레이저 빔을 렌즈를 통해 시료 표면에 조사하면, 시료 표면에서 국소적인 플라즈마가 발생하며 이를 통해 시료의 일부가 증발되어, 원자화 및 이온화된다. 일정 시간이 경과되면 들뜸 상태인 플라스마가 주변 기체와 상호작용하여 에너지를 방출하면서 다시 바닥상태로 돌아간다. 이 때 방출 에너지는 원소의 종류 및 여기 상태에 따라 고유한 파장의 빛에너지 형태로 방출되는데, 표준 시료를 이용해 획득한 각 원소 고유의 특성신호(전이선)의 값과 비교함으로써, 미지의 시료에 대해 정성분석 및 정량분석을 가능케 하는 기술이다.

LIBS 분석은 각각의 원소에 대해 독립적인 특성 신호(피크)를 측정하는 것이므로, 한 시료 내의 여러 원소에 대해 동시 측정이 가능하고 실시간으로 결과를 확인할 수 있으며, 구조가 비교적 간단하여 구성이 용이하고 조작이 쉬우며 상대적으로 장치 설치에 대한 비용이 저렴하다는 장점이 있다.

다만, LIBS 분석은 레이저로 유도된 플라즈마의 요동(fluctuation)이 매우 심하며, 주변 환경에 민감하게 반응하여 측정 조건을 최적화하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 금속 분류 공정이 멈추지 않고 계속 진행되는 와중에서도 진동을 억제하면서 실시간으로 레이저 분석을 할 수 있는 장치가 요청된다.

레이저를 이용하여 금속을 성분에 따라 분류시키는 종래 기술로서는 도2에 도시되어 있는 미국등록특허공보 US6,795,179호 (등록일자: 2004.09.21) Metal scrap sorting system이 있다.

도2의 종래기술은 금속스크랩이 컨베이어에 불규칙하게 배열된 상태에서, 각각의 스크랩 입자의 형상과 배열 방향을 감지하여, 그에 맞는 각도의 레이저 빔을 조사하여 각각의 성분을 검출하고 분류하는 금속스크랩 분류 공정에 대한 기술이다. 형상과 방향이 불규칙 할 경우 종래에는 연속작업에 의하여 분류하는 공정을 설계하기에는 상당한 어려움이 있었으나, 도2의 종래기술은 다소 복잡한 렌즈와 센서 체계를 통하여 이를 구현하고 있다.

다만, 도2의 종래기술에서는 다양한 형상과 크기를 가진 금속스크랩이 불규칙적으로 배열되어 있는 상태에서 균일한 신호를 얻고자 상당수의 레이저 조사 및 집광 시스템 및 초점을 맞추기 위한 사전 센서들의 부품이 상당히 많이 요구되며, 개개 반사경의 각도가 개별적으로 조절 되는 큰 용량의 제어기가 필요하게 되어 상당한 비용이 들어가며 유지 보수가 힘들다는 문제가 있다.

더욱이, 도2의 종래기술에는 컨베이어에 필수적으로 수반되는 모터 진동이 레이저의 피조사체인 금속스크랩에 그대로 전달되며, 진동을 약화시킬 수 있게 하는 구성이 전혀 나타나 있지 않으므로, 플라즈마의 요동을 완화시킬 수 없어서 검사 결과에 많은 노이즈가 개재될 수 밖에 없는 문제가 있게 된다.

따라서, 정밀하고 우수한 레이저 분광분석법을 금속스크랩에 활용 할 수 있으면서, 검사결과의 정확도를 획기적으로 높일 수 있는 금속 스크랩의 진동방지 기술이 요청되는 것이며, 이는 또한 대량 처리 공정에의 적용을 위해서 금속스크랩 분류 공정의 진행 중에 진동방지가 실현 가능하여야 하는 것이다.

공개특허공보 제10-2009-0057937호(공개일자: 2009.06.08)

미국등록특허공보 US6,795,179호 (등록일자: 2004.09.21)

이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 금속스크랩의 진동을 방지하여 정확한 초점 형성이 가능하게 되는 레이저 분광분석에 의한 금속스크랩 분류공정을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속 스크랩 분류장치의 기본구성은, 금속스크랩 투입부와, 금속스크랩 투입부에 의하여 투입된 금속스크랩을 이송라인을 따라서 이송하되, 레이저 조사를 위한 관통영역이 구비된 이송부와, 이송부 하부에 배치되어 상기 관통영역을 통해 상기 금속스크랩에 레이저를 조사하게 되는 레이저 헤드가 마련되어 방출된 플라즈마를 여기원으로 하여 시료의 성분에 대한 분석이 이루어지는 레이저 분석부와, 상기 레이저 헤드와 대향하여 상기 이송부의 상부에 마련되어 수평이송이 이루어지는 금속스크랩을 가압하여 이송방향으로 안내하게 되는 가압부와, 이송라인을 따라 이송되는 금속스크랩의 분류가 이루어지는 분류부와, 상기 분석부에서 검출된 금속스크랩의 성분에 따라서 상기 분류부를 제어하여 금속스크랩을 분류하게 되는 제어부를 포함하여 이루어지게 된다.

여기서, 이송부는 평판형 금속스크랩이 안착되는 수평구역과 튜브형상 금속스크랩이 안착되는 경사구역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이때, 이송부의 폭 방향 단면에서 수평구역은 양단에 위치되고, 경사구역은 수평구역 사이에 위치되며, 경사구역은 예각이 하부를 향하는 쐐기형상으로 된다. 특히, 경사구역은 수평구역 양단의 대향 점을 연결하는 V형 컨베이어인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 관통영역은 상기 경사구역의 최하부에 금속스크랩의 이송방향으로 길게 형성되며, 관통영역의 폭은 튜브형상 금속스크랩의 폭보다 작은 것을 특징으로 한다.

가압부에서 금속스크랩과 접촉되는 접촉부재는 바람직하게는 판스프링 또는 회전 롤러인 것을 특징으로 하게 되는데, 가압부에는 상기 접촉부재의 높이가 조절되게 하는 승강 기구가 더 포함되도록 하여, 평판형 금속스크랩의 경우와 튜브 형상의 금속 스크랩의 경우에 그 높이가 조절되게 한다.

특히, 상기 접촉부재와 상기 승강 기구는 힌지 축에 의하여 결합되게 함으로써, 금속 스크랩의 형상이 같더라도 그 두께가 다를 경우에 가압부의 접촉 부재의 높이가 두께의 변화에 대응되게 자율적으로 높이 조절이 될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 금속 스크랩 분류장치에는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 레이저 조사지점의 상부에 가압부를 채택함으로써 레이저 조사지점에 초점의 정확도가 비약적으로 상승하여 플라즈마의 여기원의 요동이 최소화될 수 있다.

둘째, 금속스크랩의 형상에 따라 이송부상에 서로 다른 위치에서 이송되게 함과 아울러, 가압부에 승강기구가 구비되어 형상이 다르더라도 정확한 레이저 초점 위치에 가압부의 가압이 가능하게 되어 형상이 다른 금속스크랩에 대해서도 조사지점의 초점의 정확도를 기할 수 있게 된다.

셋째, 가압부에서 금속스크랩과의 접촉부재를 판스프링 또는 롤러로 함으로써, 금속스크랩의 이동 중에도 가압이 가능하게 되어, 공정의 고속화 및 대량화의 실현이 가능하게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 유도전류를 이용한 금속 분류 장치를 나타낸 도면,
도 2는 종래기술에 따른 금속 스크랩 분류 시스템을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 금속스크랩 분류장치를 나타내는 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 금속스크랩 분류장치를 나타내는 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 금속스크랩 분류장치의 가압부와 이송부를 나타내는 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 금속스크랩 분류장치에서 가압부의 측면도와 정면도,
도 7은 본 발명에 따른 금속스크랩 분류장치의 이송부에서 경사구역 전단 구동롤러를 나타내는 측면도 및 정면도,
도 8은 본 발명에 따른 금속스크랩 분류장치의 이송부에서 경사구역 후단 구동롤러를 나타내는 측면도 및 정면도,

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 3에 도시된 본 발명에 의한 금속스크랩 분류장치의 바람직한 실시예를 나타내는 사시도를 참조하여 전체 구성을 개략적으로 살펴보기로 하겠다.

본 발명에 의한 금속스크랩 분류장치는 금속스크랩이 성분에 따라 분류되도록 하는 공정을 구현하는 장치로서 공정의 시작지점인 금속스크랩 투입부(10)와, 금속스크랩 투입부(10)에 의하여 투입된 금속스크랩을 이송라인을 따라서 이송하되, 레이저 조사를 위한 관통영역(T)이 구비된 이송부(20)와, 이송부(20) 하부에 배치되어 관통영역(T)을 통해 금속스크랩에 레이저를 조사하게 되는 레이저 헤드(42)가 마련되어 방출된 플라즈마를 여기원으로 하여 시료의 성분에 대한 분석이 이루어지는 레이저 분석부(40)와, 레이저 헤드(42)와 대향하여 이송부(20)의 상부에 마련되어 수평이송이 이루어지는 금속스크랩을 가압하여 이송방향으로 안내하게 되는 가압부(30)와, 이송라인을 따라 이송되는 금속스크랩의 분류가 이루어지는 분류부(50)와, 분석부(40)에서 검출된 금속스크랩의 성분에 따라서 상기 분류부(50)를 제어하여 금속스크랩을 분류하게 되는 제어부로 이루어진다.

여기서 관통영역(T)은 도 3에 도시되어 있지는 않으며 도 5에 나타나 있다. 도 5는 후술하겠지만, 이송부(20)와 가압부(30) 및 분석부(40)의 상호작용관계를 나타내는 개념도이다.

각각의 세부구성에 대하여 좀 더 자세히 살펴보면,

먼저, 투입부(10)는 여러 가지 형상의 금속스크랩이 분류 공정으로 공급되게 하는 곳으로서, 공급의 방식은 제한이 없다. 공급은 작업자에 의하여 수동으로 행해질 수도 있고, 자동 투입기에 의하여 자동으로도 공급이 가능하다. 도 3에서 도시된 투입부(10)의 일 실시예에서는 라인의 측면에서부터 판형상 금속스크랩이 공급되도록 되고 라인의 길이방향의 시작점에서는 튜브형 금속스크랩이 공급되는 실린더 투입장치가 도시되어 있다. 이때, 레이저 분석이 가능하기 위해서는 두 개 이상의 금속스크랩이 한꺼번에 중첩되어 공급되면 안되며 하나씩 일정한 간격으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

이송부(20)는, 도 4의 전체 평면도와 도 5에 나타난 개념도를 참고하여 살펴보기로 하겠다. 이송부는 각 공정으로 금속 스크랩을 이송시키는 부위로서 각 공정을 모두 연결시키며, 금속스크랩의 운송 수단으로서는 특별한 제한이 없고, 바람직하게는 도 4 및 도 5처럼 컨베이어 벨트로 구성될 수도 있고, 혹은 체인이나 벨트로 구동되는 컨베이어 롤러 형태일 수도 있다.

도 5의 수직 단면 개념도를 참조하면, 이송부(20)는 단면구조상, 평판형 금속스크랩이 안착되는 수평구역(21a)과 튜브형 금속스크랩이 안착되는 경사구역(21b)으로 구분되며, 좀 더 구체적으로는, 수평구역(21a)은 이송부(20)의 폭 방향 수직 단면에서 양단에 위치되고, 경사구역(21b)은 양단의 수평구역(21a) 사이에 위치되며, 경사구역(21b)은 그 중심에 수평구역(21a)보다 하부에 위치되는 관통영역(T)과, 수평구역(21a)의 양 대향 점에서 중심의 관통영역(T)을 향하는 양 경사면으로 이루어지게 된다. 이때, 관통영역(T)의 폭은 튜브형 금속스크랩의 단면 직경보다 그 크기가 작도록 된다.

자세하게 도시되지는 않았지만, 바람직하게는 수평구역(21a)을 이루는 컨베이어와 경사구역(21b)를 이루는 컨베이어는 둘 다 겸용 방진구조를 가지며 감속기가 부착되는 스테핑 모터로 구동되게 된다. 그리고, 도 7과 도 8에는 경사구역(21b)을 이루는 컨베이어를 구동시키는 전단구동롤러(22)와 후단구동롤러(23)가 도시되어 있다. 경사구역(21b)은 일종의 v형 컨베이어와 유사한 형상으로서 그 중심은 관통영역(T)으로 인해 양 경사면이 분리되어 있고, 각각의 양 경사면이 구동롤러(22)(23) 양측의 경사 롤러에 의하여 각각 구동되게 된다.

분석부(40)는 이송부의 하부에 위치되며, 분석 방식은 레이저 유도 플라즈마 분석으로서 레이저 유도 분해 분광학의 여기 소스인 고출력 에너지 펄스 레이저를 시료에 조사하여 방출된 플라즈마를 여기원으로 사용하여 분석하는 분석법이 채용되게 된다. 분석부(40)는 바람직하게는 Nd:YAG 결정을 이용한 고체 레이저 시스템으로서, 도시되지는 않았지만, 레이저 생성기와, 레이저를 금속스크랩에 조사하여 방출된 플라즈마로 시료의 성분을 정성적 및 정량적으로 분석하는 분광기로 이루어지며, 레이저 생성기와 분광기의 초점거리를 자동으로 조절하여 최적의 조건을 만드는 위치조절기(41)를 포함한다.

도 5를 참조하면, 위치조절기(41)에는 위치조절수단(미도시)과 포커싱 렌즈(43)및 컬렉팅 렌즈(미도시)가 포함되며 컬렉팅 렌즈는 광섬유 헤드 말단에 결합되게 된다.(미도시) 도 5에는 개략적이나마 위치조절기(41)와 레이저 헤드(42) 및 포커싱 렌즈(43)가 도시되어 있다. 그리고, 도 5에는 포커싱 렌즈(43)와 레이저 헤드(42)가 분리 되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 바람직하게는 포커싱 렌즈(43)는 레이저 헤드(42)에 일체로 결합되게 되며, 도 5에서는 이렇게 결합된 포커싱 렌즈(43)와 레이저 헤드(42)가 위치조절기(41)에 의하여 함께 상하로 이동이 가능하게 되는 것을 강조한 개념도이다.

가압부(30)는 이송중인 금속스크랩에 레이저가 조사될 때, 금속스크랩이 이송부(20)에서 전달받는 진동을 최소화 하는 한편, 레이저 조사를 받는 금속스크랩의 부위가 변화없이 유지되기 위하여 레이저 조사를 받는 부위의 반대면인 상부에서 금속스크랩을 이송부(20)에 압착하는 역할을 하게 된다. 가압부(30)는 도 6을 참조하면, 금속스크랩에 직접 접촉하여 금속스크랩을 가압하게 되는 접촉부재(31)와, 접촉부재(31)의 위치를 금속스크랩의 형상에 따라 상하로 이동시키는 승강기구(32)와 접촉부재(31) 및 승강기구(32)를 힌지연결 시키는 힌지축(33)으로 이루어진다.

분류부(50)는 도 4를 참조하면, 분석부(40)의 분석 결과에 따라 금속스크랩의 성분별로 각각 다른 용기에 분류시키게 되는 구간으로서, 튜브형 금속스크랩은 바람직하게는 후단 구동롤러(23)를 지나는 시점에서 수직으로 하강하여 이송방향에 직각으로 움직이는 복수개의 튜브형 금속스크랩 용기에 성분별로 분류된다. 평판형 금속스크랩은 분석부(40)의 분석 결과에 따라 각 평판형 금속스크랩 용기(52)(53)들에 성분별로 적재되게 된다.

제어부는 도시되지는 않았지만, 분석부(40)에 의하여 금속스크랩의 성분이 분석되면 그 분석 결과별로 금속스크랩이 동종성분끼리 분류될 수 있게 분류부(50)를 제어하게 된다.

이하에서는 위에서 설명한 각 구성들이 어떻게 서로 작용하는지에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도3과 도4를 참고하면, 투입부(10)에서는 최초에 금속스크랩이 형상별로 튜브형과 평판형으로 선별되게 된다. 이 선별 과정은 도시되지는 않았지만 자동 기기에 의할 수도 있고 작업자에 의하여 수동으로 이뤄질 수도 있다. 도 3의 바람직한 실시예에는 이렇게 선별된 금속스크랩을 금속스크랩 분류공정으로 공급하는 공급기가 도시되어 있다. 여기서 작업자 혹은 자동 금속스크랩 선별기는 공급기에 금속스크랩을 공급할 때 일정한 간격으로 공급하여야 한다. 만약 스크랩이 서로 부분적으로 겹치거나 붙어서 이동할 경우 인접한 두 개의 금속스크랩이 이후에 통과하게 될 분석부(40)에서 하나의 금속스크랩으로 인식될 우려가 있기 때문이다.

그리고, 금속스크랩이 투입부에서 튜브형과 평판형으로 선별되면, 선별된 형상별로 각각 따로 공정을 진행하도록 함이 바람직하다. 서로 다른 형상의 스크랩이 함께 공정에 투입 되게 되는 것 보다 측정의 정확도를 높이기 위함이다. 이는 아래에서 후술하기로 한다.

이렇게 투입된 금속스크랩은 이송부(20)에 의하여 각 공정으로 이송된다. 이송부(20)는 바람직하게는 컨베이어와 컨베이어를 구동시키는 구동부 및 컨베이어와 구동부를 지지하는 테이블 혹은 프레임으로 이루어진다. 여기서 컨베이어의 형상은 앞서 설명하였듯이 수직단면의 구조가 양측은 수평구역(21a)을 이루며 수평구역 사이는 중심의 하부를 향하는 경사구역(21b)로 이루어진다. 평판형 금속스크랩은 양측 수평구역(21a)을 가로질러 안착된다. 튜브형 금속스크랩은 경사구역(21b)에 튜브형 금속스크랩의 길이방향이 이송방향과 일치되게 안착된다. 이때 튜브형 금속스크랩의 저면은 경사구역(21b)의 중심이 되며 이 중심에 길이방향으로 관통영역(T)이 형성되게 되며, 관통영역(T)의 폭은 튜브형 금속스크랩의 단면 직경보다 작게 되어 금속스크랩이 관통영역(T)사이로 낙하되지 않고 계속 이송될 수 있게 된다.

이송부(20)에 의하여 금속스크랩은 분석부(40)위를 통과하게 된다. 분석부(40)는 레이저 유도 방전 분광(이하에서 'LIBS'라 하기로 한다.)방식을 채용하는 것으로 레이저 헤드(42)가 이송부(20)의 관통영역(T) 수직 하부에 위치하게 된다. 레이저 헤드(42)에서 성분분석을 위하여 조사되는 고출력 레이저 빔은 관통영역(T)을 통과하여 금속스크랩의 저면에 닿게 되며 레이저 빔이 닿은 부위에서 밝은 빛이 방출되는 플라즈마가 형성되어 플라즈마 속에서 시료는 증기화 되면서 원자화 및 이온화되고, 레이저에서 흡수된 에너지에 의하여 원자 및 이온은 여기상태로 존재하게 된다. 이 여기상태의 원자 및 이온은 일정시간이 지나면 에너지를 방출하며 다시 바닥상태로 돌아가는데 이 때 방출되는 에너지는 원소의 종류 및 여기상태에 따라 고유의 파장을 방출하며, 이를 앞서 설명한 컬렉팅 렌즈(미도시)를 통하여 광섬유헤드로 수집되어 분광분석이 되게 된다.

이때, LIBS를 이용한 시료의 분석은 레이저로 유도되는 플라즈마의 요동이 매우 심하며 주변 환경에 민감하게 반응하므로 측정조건을 최적화시키기가 어렵다. 따라서 주위 진동의 영향을 최대한 배재하여야 하며 레이저 빔의 조사를 받는 피사체인 금속스크랩은 흔들리지 않고 레이저 빔과 금속스크랩의 표면이 이루는 각도는 고정될 필요가 있다. 따라서 측정의 정확도를 위하여 금속스크랩을 이송부(20)의 컨베이어 표면에 밀착시킬 가압수단이 필요하게 된다. 이 역할을 가압부(30)에서 담당하게 된다.

가압부(30)는 레이저 빔을 받는 순간의 금속스크랩의 요동을 방지시켜야 하므로 가압부(30)에서 금속스크랩에 직접 접촉되어 금속스크랩을 가압하게 되는 접촉부재(31)의 위치는 레이저 헤드(42)의 수직 상방에 위치되어야 한다. 이때, 금속스크랩은 레이저 헤드(42)와 접촉부재(31)의 사이를 통과하게 되는 것이다.

특히, 가압부(30)의 접촉부재(31)는 정지된 상태의 금속스크랩이 아닌 이송중인 금속스크랩을 가압시켜야 하므로 금속스크랩의 이송 중에 접촉되더라도 금속스크랩의 이송에 지장이 없게 되는 형태를 지녀야 하게 된다. 따라서 접촉부재(31)는 바람직하게는 판스프링 또는 롤러 형태로서 이송중인 금속스크랩에 대하여 마찰의 영향이 최소화 될 수 있는 것으로 한다.

도 5에는 레이저 빔이 금속스크랩에 조사되는 순간에 접촉부재(31)가 금속스크랩을 가압하는 모습이 개념도의 형태로 도시되어 있다. 도 5에는 평판형 금속스크랩이 가압되는 것으로 묘사되어 있다. 튜브형 금속스크랩이 이송될 경우에는, 경사구역(21b)의 중앙에 길이방향이 이송방향과 일치되는 형태로 이송되므로 그 높이가 양단의 수평구역(21a) 높이보다 낮아지게 된다. 따라서 도 5에서의 접촉부재(31)는 그 높이가 양단의 수평구역(21a)에서부터 하강되어야 한다. 이처럼 접촉부재(31)의 높이가 조절되도록 하는 역할은 승강기구(32)가 담당하게 된다. 승강기구(32)의 바람직한 실시예는 도 6에 도시된 바와 같다. 이 승강기구(32)에 의하여 금속스크랩의 형상이 변하더라도 별도의 접촉부재(31) 교체 없이 작업이 계속 진행될 수 있게 된다.

이때, 앞서 서술하였듯이 튜브형 금속스크랩과 평판형 금속스크랩이 서로 빈번하게 번갈아가며 이송되게 되면, 승강기구(32)의 빈번한 작동으로 인하여 정확한 레이저 빔의 포커싱에 영향을 줄 수가 있게 된다. 따라서 바람직하게는 작업 전에 형상별로 선별된 금속스크랩을 튜브형과 평판형 중 어느 한 가지 형상에 대해서만 먼저 투입되도록 하여 작업 전에 승강기구(32)에 의하여 접촉부재(31)의 높이가 미리 세팅될 수 있도록 한다. 그리고, 위치조절기(41)에 의한 포커싱 렌즈(43)와 레이저 헤드(42)의 거리도 미리 예정된 금속 스크랩 형상에 대응되게 세팅 되게 할 수 있다. 하지만, 튜브형과 평판형으로 금속스크랩을 선별할 공정을 단축하여 튜브형과 평판형 금속스크랩을 함께 분류 공정에 투입하는 것도 가능하다. 다만, 선별의 정확도를 위해서는 바람직하게는 튜브형과 평판형 중 어느 한 가지 형상에 대하여 각각 공정이 진행되도록 한다.

또한, 같은 형상의 금속스크랩이라도 그 두께가 서로 다를 수 있다. 예를 들어 평판형 금속스크랩은 그 두께가 서로 다를 수 있으며 튜브형 금속스크랩은 단면의 직경이 서로 다를 수 있다. 이 경우, 접촉부재(31)의 높이 변동이 허용되지 않고 고정되면 서로 두께가 다른 금속스크랩에 대응하여 고르게 가압시킬 수가 없을 것이다. 따라서 금속스크랩의 두께에 따라 자유롭게 접촉부재(31)의 높이가 조절될 수 있도록 접촉부재(31)는 승강기구(32)와 힌지축(33)으로 서로 결합되게 된다. 도 6에는 금속스크랩의 두께에 따라 힌지축을 중심으로 접촉부재(31)가 가변되는 모식도가 점선으로 표현되어 있다.

그리고, 원활한 분광분석을 위해서는 튜브형 금속스크랩의 경우는 레이저 빔의 연장선과 스크랩 측정면의 중심선, 즉 단면의 중심을 지나는 수직선이 일치되어야 하며, 평판형 금속스크랩의 경우는 레이저 빔의 연장선과 금속스크랩의 측정면이 직각을 이루는 것이 바람직하다.

그런데, 금속스크랩의 형상이 달라질 경우, 즉 평판형에서 튜브형으로 바뀌거나 튜브형에서 평판형으로 바뀔 경우에 레이저 헤드(42)에서 조사되는 레이저 빔이 금속스크랩 표면에 정확하게 초점이 맺히도록 해 주는 포커싱 렌즈(43) 및 방출되는 빛이 광섬유 헤드(미도시)에 정확히 수집될 수 있도록 하는 컬렉팅 렌즈(미도시)의 위치도 변화되어야 한다. 이처럼 포커싱 렌즈(43)와 컬렉팅 렌즈(미도시)의 위치를 변화시켜 주는 것이 위치조절기(41)이다.

도 5에는 개략적이나마 위치조절기(41)와 레이저 헤드(42) 및 포커싱 렌즈(43)가 도시되어 있다. 위치조절기(41)는 바람직하게는 PLC 신호에 따라 스텝모터에 의하여 자동구동 되게 되며 경우에 따라 수동 구동도 가능하도록 된다.

분석부(40)를 지나는 금속스크랩은 분석 결과에 따라 동종 성분별로 분류부(50)에서 각각 별도의 용기에 적재되게 된다. 도 9에는 튜브형 금속스크랩 용기(51) 일 실시예가 도시되어 있다. 튜브형 금속스크랩은 도 4 및 도 8에 도시된 후단 구동롤러(23)를 지나면서 수직 하강되게 되는데 이 때, 도 9의 튜브형 금속스크랩 용기(51)를 안내하는 가이드레일(도면부호는 없음)은 금속스크랩 이송방향과 직각으로 교차하도록 설치되며 복수개의 튜브형 금속스크랩 용기(51)가 서로 이동하면서 각 용기에 정해진 성분의 금속스크랩을 수용하며 적재시키게 된다. 도 9에서는 감속기가 부착된 볼 스크류 방식으로 복수개의 튜브형 금속스크랩 용기(51)가 이동할 수 있게 도시되어 있으나, 복수개의 튜브형 금속스크랩 용기(51)를 이동시키는 구동방식에 대해서는 특별한 제한은 없다.

평판형 금속스크랩 용기(52)(53) 역시 복수개의 튜브형 금속스크랩 용기(51)와 같은 방식으로 이동되며 성분별로 정해진 용기에 금속스크랩이 적재될 수 있도록 이동된다. 이때, 금속스크랩 용기(51)(52)(53)들의 이동 제어 명령은 제어부(미도시)에서 발신하게 된다.

제어부(미도시)는 분류부(50)를 제어시키는 PLC 프로그램과 HMI 프로그램 및 분류부(50)와 분석부(40)를 연동시키는 프로그램을 포함하며 이는 공지의 기술이고 여러 가지 경우의 수로 설계가 가능하므로 여기서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 투입부 20 : 이송부
21 : 컨베이어 21a : 수평구역
21b: 경사구역 T : 관통영역
22 : 전단 구동롤러 23 : 후단 구동롤러
30 : 가압부 31 : 접촉부재
32 : 승강기구 33 : 힌지축
40 : 분석부 41 : 위치조절기
42 : 레이저헤드 50 : 분류부
51 : 튜브형 금속스크랩 용기 52 : 평판형 금속스크랩 용기
53 : 평판형 금속스크랩 용기

Claims (7)

1. 금속스크랩 투입부와;
   금속스크랩 투입부에 의하여 투입된 금속스크랩을 이송라인을 따라서 이송하되, 레이저 조사를 위한 관통영역이 구비되며, 평판형 금속스크랩이 안착되는 수평구역과 튜브형 금속스크랩이 안착되는 경사구역을 포함하여 이루어지는 금속스크랩 이송부와;
   이송부 하부에 배치되어 상기 관통영역을 통해 상기 금속스크랩에 레이저를
   조사하게 되는 레이저 헤드가 마련되어 방출된 플라즈마를 여기원으로 하여 시료의 성분에 대한 분석이 이루어지는 레이저 분석부와;
   상기 레이저 헤드와 대향하여 상기 이송부의 상부에 마련되어 수평이송이 이루어지는 금속스크랩을 가압하여 이송방향으로 안내하게 되는 가압부와;
   이송라인을 따라 이송되는 금속스크랩의 분류가 이루어지는 분류부와;
   상기 분석부에서 검출된 금속스크랩의 성분에 따라서 상기 분류부를 제어하
   여 금속스크랩을 분류하게 되는 제어부;를 포함하는 금속스크랩 분류장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   이송부의 폭 방향 단면에서, 수평구역은 양 단부에 배치되고, 경사구역은 수평구역 사이에 배치되며,
   경사구역은 수평구역의 안쪽 끝단에서 하부의 중심으로 모이는 두 개의 경사판으로 이뤄지고,
   상기 관통영역은 하부 중심에서 두 경사판의 간격이 되는 것을 특징으로 하는 금속스크랩 분류장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 관통영역의 폭은 튜브형 금속스크랩 단면 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 금속스크랩 분류장치.
5. 제1항에 있어서,
   가압부에서 금속스크랩과 접촉되는 접촉부재는 판스프링 또는 회전 롤러인 것을 특징으로 하는 금속스크랩 분류장치
6. 제5항에 있어서,
   금속스크랩의 형상에 따른 높이에 대응되도록, 가압부에는 상기 접촉부재의 높이를 조절시키는 승강 기구가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 금속스크랩 분류장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 접촉부재와 상기 승강 기구는 힌지 축에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 금속스크랩 분류장치.

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