KR101958372B1 - 연속식 다단아크 용융 장치 및 이를 이용한 용융 지르콘 비드 제조방법 - Google Patents

연속식 다단아크 용융 장치 및 이를 이용한 용융 지르콘 비드 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 및 낙하 시간을 제어할 수 있는 연속식 다단 아크발생장치로서, 수직으로 형성된 원통형의 노벽; 상기 노벽을 냉각하기 위하여 냉각수가 순환되는 냉각관; 상기 노벽에 소정의 간격으로 설치된 복수의 아크발생 전극봉 및 용융 비드를 수집하는 수집부를 포함한 연속식 다단아크 용융 장치로, 상기 복수의 아크발생 전극봉은 전류와 전압을 개별적으로 제어되어, 소정의 간격으로 온도별로 예열부, 용융부 및 서랭부 순으로 구성되어 투입된 전구체가 예열, 용융 및 서냉 과정을 거치면서 낙하하도록 하여 연속적으로 용융 비드가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

연속식 다단아크 용융 장치 및 이를 이용한 용융 지르콘 비드 제조방법{Continuous multi-arc melting furnace and Manufacturing method of fused zircon beads using the same}
본 발명은 연속식 다단아크 용융 장치 및 이를 이용한 용융 지르콘 비드 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 예열, 용융 및 서랭의 온도별로 구획된 다단 아크발생장치를 이용하여 연속식으로 용융 지르콘(zircon) 비드를 제조하는 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
지르콘(ZrSiO4)는 지르코늄의 규산염으로서 물리화학적으로 안정된 화합물로 높은 융점으로 유리 용해로의 리밍재 또는 주물용 내화재로 사용되고, 입사광을 산란시켜 불투명하게 하는 유탁제로 유약 처리된 세라믹의 경도를 향상시켜 다양한 타일, 위생도기, 자기, 기타 여러 세라믹에 광범위하게 사용되고 있다.
비드(bead)로 제조되어 분쇄, 분산, 표면처리, 블라스팅 매체로 사용되는 경우 비드의 크기 제어가 중요하다.
세라믹 비드 제품은 일반적으로 분말을 성형하여 소결하는 방법과 용융하여 액적(drops)으로 고화시켜 제조하는 방법이 있다.
종래의 용융 지르콘 비드 제조방법은 출발 물질을 배치식 고주파 유도로를 이용한 통상의 액적 낙하 분무방식으로 제조되며, 제조되는 용융비드는 용융물의 점도가 높아서 미세구 제조가 어렵고, 크기는 400um 이상이 대부분으로 목표 크기의 회수율이 20 ~ 30% 매우 낮을 뿐만 아니라 기공 등 내부 결합이 많아 품질이 떨어지고, 원료물질을 3,000℃ 고온에서 3 ~ 6시간 정도 지속하여 용융하기 때문에 전기에너지 소모가 매우 크며, 단일 배치식 방식으로 작업시간이 길고 생산성이 낮은 문제점이 있다.
또한, 플라즈마 용융장치를 이용한 소형비드는 전구체 낙하 및 열간체류시간을 조절할 수 없어 10~50um 크기는 쉽게 제조할 수 있으나, 100um 이상의 비드는 제조하기가 어렵다.
1. 한국 공개특허 제2008-0007602호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 온도 및 낙하 시간을 제어할 수 있는 연속식 다단 아크발생장치를 이용한 용융 지르콘 비드 제조방법을 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 연속식 다단아크 용융 장치는, 수직으로 형성된 원통형의 노벽; 상기 노벽을 냉각하기 위하여 냉각수가 순환되는 냉각관; 상기 노벽에 소정의 간격으로 설치된 복수의 아크발생 전극봉 및 용융 비드를 수집하는 수집부를 포함한 연속식 다단아크 용융 장치로, 상기 복수의 아크발생 전극봉은 전류와 전압을 개별적으로 제어되어, 소정의 간격으로 온도별로 예열부, 용융부 및 서랭부 순으로 구성되어 투입된 전구체가 예열, 용융 및 서냉 과정을 거치면서 낙하하도록 하여 연속적으로 용융 비드가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 예열부는 1,500 ~ 2,000℃로 전구체를 예열시킬 수 있도록 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉으로 구성되고, 상기 용융부는 3,000℃ 이상으로 전구체를 용융시킬 수 있도록 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉으로 구성되고, 상기 서랭부는 800 ~ 1,500℃로 온도를 제어할 수 있도록 1m 간격에 1 ~ 2쌍의 아크발생 전극봉으로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 연속식 다단아크 용융 장치를 이용한 용융 지르콘 비드 제조방법은, 지르콘 전구체의 준비단계; 전구체의 예열 단계; 전구체의 용융 단계 및 서랭부 통과 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 지르콘 전구체의 준비단계는 지르콘사를 볼밀로 분쇄하여 슬러리를 만들고, 슬러리를 스프레이 드라이어로 분무 건조하여 과립을 만든 후, 1,000℃에서 하소 및 분급 처리하여 100 ~ 200 um 크기의 전구체를 준비하는 것을 특징으로 한다.
지르콘 전구체의 준비의 다른 실시예는, 지르콘사를 볼밀로 분쇄하여 슬러리를 만들고, 슬러리를 평판 건조시킨 후, 1,000℃에서 하소 및 분급 처리하여 75 ~ 150 um 크기의 전구체를 준비하는 것을 특징으로 한다.
상기 예열부의 전압은 40~ 50V, 전류는 300 ~ 400A로 제어하고, 상기 용융부의 전압은 50~ 100V, 전류는 500 ~ 1000A로 제어하고, 상기 서랭부의 전압은 20~ 30V, 전류는 200 ~ 300A로 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 아크로의 길이 또는 상승 기류로 열간 체류시간을 0.5초 이상으로 유지할 수 있어 비교적 큰 입자의 전구체를 용융하여 100 um 이상의 균일한 크기의 용융 비드를 생산할 수 있다.
또한, 예열, 용융 및 서냉 등 온도별로 구별하여 열충격을 감소시키고 결함을 줄여 고품질의 용융 지르콘 비드를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 용융 지르콘 비드는 표면처리 장치 또는 샌드 블라스팅 장치의 매체로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용융 지르콘 비드 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 용융 지르콘 비드 제조방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따라 준비된 전구체의 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 용융 지르콘 비드의 전자현미경 사진이다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
종래의 수직으로 형성된 아크로에서 1m 내외의 아크발생 구간에서는 원재료가 자유 낙하하면 통상 0.1초 미만의 열간 체류시간을 갖기 때문에 10~50um 크기의 전구체는 용융이 가능하지만, 100um 크기 이상의 전구체는 용융시키기가 매우 어렵다.
본 발명에서는 열간 체류시간을 0.5초 이상을 유지할 수 있도록 아크발생장치의 길이와 개수 및 전력을 제어하여 10~400um 크기의 용융비드를 만들 수 있다.
즉, 아크발생장치를 0.5~1.0m 길이로 하면 100um이하의 전구체를 용융할 수 있고, 1.0~3.0m 길이로 하면 100um~200um의 전구체를, 2.0~5.0m의 길이로는 200um~400um 전구체를 용융하여 비드를 제조할 수 있다.
또한, 아크로를 예열, 용융 및 서랭부로 구성하고 개별적으로 공급전력을 제어할 수 있고, 상향 기류의 풍압을 형성함으로써 열간 체류시간을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용융 지르콘 비드 제조장치의 개략도로서, 수직으로 형성된 노벽(10), 냉각수가 순환되는 냉각관(20), 복수의 아크발생 전극봉(30) 및 용융 비드를 수집하는 수집부(50)를 포함한다.
노벽(10)은 원통의 내화물에 냉각수가 순환되는 냉각관(20)을 삽입하여 수직으로 구성한다.
복수의 아크발생 전극봉(30)은 소정의 간격으로 예열부(110), 용융부(120) 및 서랭부(130) 순으로 복수로 구성되며 제어부(미도시)에서 전류와 전압을 개별적으로 제어한다.
예열부(110)는 복수의 아크발생 전극봉을 사용하여 1,500 ~ 2,000℃로 원재료를 예열시킬 수 있도록 조절한다. 이때 비교적 입자 크기가 작은 원재료들은 용융이 될 수 있으며 중력으로 용융부로 낙하한다. 바람직하게는 예열부는 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉을 사용하며 전압은 40~ 50V 전류는 300 ~ 400A를 사용한다.
용융부(120)는 복수의 아크발생 전극봉을 사용하여 온도를 3,000℃ 이상으로 상승시켜 예열되어 낙하된 원재료들을 용융시키면 구형의 용융된 비드가 형성된다. 바람직하게 용융부는 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉을 사용하며 전압은 50~ 100V 전류는 500 ~ 1000A를 사용한다.
서랭부(130)는 800 ~ 1,500℃로 온도를 제어하여 용융부 구간에서 형성된 비드의 급랭을 방지한다. 바람직하게는 서랭부는 1m 간격에 1 ~ 2쌍의 아크발생 전극봉을 사용하며 전압은 20~ 30V 전류는 200 ~ 300A를 사용한다.
서랭부(130)와 수집부(50) 사이에는 별도의 캐리어 가스를 주입할 수 있는 주입구를 추가하여 상향 기류를 형성하여 낙하시간을 조절할 수 있다.
수집부(50)의 하부에 분급장치를 추가하여 비드 입자 크기를 선별하여 수집할 수 있다.
본 발명은 공급부(미도시)로부터 원재료를 연속적으로 공급함으로써 연속적으로 공정을 수행할 수 있어 배치식보다 열에너지를 효율적으로 사용하여 제조비용을 절감하고 생산성을 높일 수 있다.
또한, 예열부에서 예열을 하고 용융부에서 용융과정을 거치기 때문에 100 um 이상 크기의 전구체를 비드로 형성할 수 있고 비교적 균일한 입자 크기의 용융비드를 제조할 수 있다.
또한, 종래의 급랭으로 인하여 비드 내에 기공의 고립 등으로 품질이 저하되었으나 서랭부 구간을 경유하게 함으로써 급격한 열충격과 기공을 줄여 품질을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 실시예로서 상기의 연속식 고온기류관을 이용한 소형 용융 비드 제조장치를 이용한 용융 비드 제조방법의 흐름도이다.
1. 전구체 준비
용융 지르콘(ZrSiO4)의 원재료는 지르콘사(zircon sand)이다.
상기 지르콘사 60wt%와 정제수 40 wt%를 혼합하여 볼밀로 분쇄하여 슬러리를 만든다.
전구체는 슬러리를 스프레이 드라이어로 분무 건조하여 과립을 만들고 1,000℃ 정도에서 하소 및 분급 처리하여 100 ~ 200 um의 전구체를 준비하거나, 슬러리를 평판 건조시킨 후 1,000℃ 정도에서 하소 및 분급 처리하여 75 ~ 150 um의 전구체를 준비한다.
2. 전구체의 예열
준비된 전구체를 예열부, 가열부 및 서랭부로 수직 구성된 아크로에 낙하시켜 예열한다. 예열부는 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉을 사용하며 전압은 40~ 50V 전류는 300 ~ 400A를 사용한다.
3. 전구체의 용융
예열부를 통과한 전구체는 3,000℃ 이상인 용융부에서 용융되어 비드가 형성된다. 예열부는 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉을 사용하며 전압은 50~ 100V 전류는 500 ~ 1000A를 사용한다.
4. 서랭부 통과
용융부에서 형성된 비드는 800 ~ 1,500℃의 온도인 서랭부에서 급랭을 방지하면서 수집부로 낙하한다. 서랭부는 1m 간격에 1 ~ 2쌍의 아크발생 전극봉을 사용하며 전압은 20~ 30V 전류는 200 ~ 300A를 사용한다.
5. 비드 수집
서랭으로 응고된 비드를 수집한다. 응고된 비드들은 중력에 의하여 수집되며 분급장치를 추가하여 크기를 선별할 수 있다.
도 3은 분무건조로 준비된 전구체의 전자 현미경 사진이고, 도 4는 연속식 연속식 다단 아크로를 이용한 용융 지르콘 비드의 전자 현미경 사진으로 비교적 균일한 크기의 용융 비드를 획득할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 용융 지르콘 비드는 표면처리 장치 또는 샌드 블라스팅 장치의 매체로 사용될 수 있다.
10: 노벽 20: 냉각관
30: 아크발생 전극봉 110: 예열부
120: 용융부 130: 서랭부

Claims (13)

  1. 수직으로 형성된 원통형의 노벽;
    상기 노벽을 냉각하기 위하여 냉각수가 순환되는 냉각관;
    상기 노벽에 소정의 간격으로 설치된 복수의 아크발생 전극봉 및
    용융 비드를 수집하는 수집부를 포함한 연속식 다단아크 용융 장치에 있어서,
    상기 복수의 아크발생 전극봉은 전류와 전압을 개별적으로 제어되어, 소정의 간격으로 온도별로 예열부, 용융부 및 서랭부 순으로 구성되어 투입된 전구체가 예열, 용융 및 서냉 과정을 거치면서 기체 중에 낙하하도록 하고,
    아크로의 길이로 열간 체류시간을 0.5초 이상으로 유지하여 연속적으로 용융 비드가 형성되는 것을 특징으로 하는 연속식 다단아크 용융 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예열부는 1,500 ~ 2,000℃로 전구체를 예열시킬 수 있도록 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉으로 구성된 것을 특징으로 하는 연속식 다단아크 용융 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용융부는 3,000℃ 이상으로 전구체를 용융시킬 수 있도록 1m 간격에 2 ~ 3쌍의 아크발생 전극봉으로 구성된 것을 특징으로 하는 연속식 다단아크 용융 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서랭부는 800 ~ 1,500℃로 온도를 제어할 수 있도록 1m 간격에 1 ~ 2쌍의 아크발생 전극봉으로 구성된 것을 특징으로 하는 연속식 다단아크 용융 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 연속식 다단아크 용융 장치를 이용한 용융 지르콘 비드 제조방법에 있어서,
    1) 지르콘 전구체의 준비단계
    2) 전구체의 예열 단계
    3) 전구체의 용융 단계
    4) 서랭부 통과 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 지르콘 비드 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지르콘 전구체의 준비단계는 지르콘사를 볼밀로 분쇄하여 슬러리를 만들고, 슬러리를 스프레이 드라이어로 분무 건조하여 과립을 만든 후, 1,000℃에서 하소 처리하여 분급 처리하여 100 ~ 200 um 크기의 전구체를 준비하는 것을 특징으로 하는 용융 지르콘 비드 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 지르콘 전구체의 준비단계는 지르콘사를 볼밀로 분쇄하여 슬러리를 만들고, 슬러리를 평판 건조시킨 후, 1,000℃에서 하소 처리하여 분급 처리하여 75 ~ 150 um 크기의 전구체를 준비하는 것을 특징으로 하는 용융 지르콘 비드 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 예열부의 전압은 40~ 50V, 전류는 300 ~ 400A로 제어하는 것을 특징으로 하는 용융 지르콘 비드 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 용융부의 전압은 50~ 100V, 전류는 500 ~ 1000A로 제어하는 것을 특징으로 하는 용융 지르콘 비드 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 서랭부의 전압은 20~ 30V, 전류는 200 ~ 300A로 제어하는 것을 특징으로 하는 용융 지르콘 비드 제조방법.
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