KR102034438B1 - 금속 소재 제조장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 소재 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 용기 내부에 용융물을 마련하는 과정; 용융물의 계면 장력을 조절하기 위한 조절 매체를 마련하는 과정; 상기 용기의 하부에 구비되는 냉각롤을 회전시키는 과정; 상기 냉각롤에 용융물을 배출시키는 과정; 상기 냉각롤에 배출된 용용물의 적어도 일부에 상기 조절 매체를 접촉시키는 과정; 및 용융물을 응고시켜 금속 소재를 제조하는 과정;을 포함하고, 비정질 금속 소재 제조 시 노즐과 냉각롤 사이에 형성되는 퍼들의 형태를 제어함으로써 조업을 안정적으로 수행할 수 있고, 고품질의 금속 소재를 제조할 수 있다.

Description

금속 소재 제조장치 및 그 방법{Manufacturing apparatus for metal material and method thereof}

본 발명은 금속 소재 제조장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 비정질 금속 소재를 안정적으로 제조할 수 있는 금속 소재 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 비결정질 합금(이하 비정질 합금이라 한다)은 용융상태의 용강을 급속 냉각시켜 제조된다. 이에 용강이 냉각되는 과정에서 결정질을 형성하지 못하고 유리질과 같은 상태, 즉 비결정질 상태로 응고된다.

비정질 금속은 통상적인 결정질 금속과는 달리 원자들이 불규칙하게 배열함으로써 결정성을 갖지 않는 액상과 유사한 유리질 구조를 지닌다. 따라서 비정질 금속은 결정질 금속의 특징인 결정입계(grain boundary), 전위(dislocation) 등과 같은 결정결함(crystalline imperfection)이 존재하지 않으며, 같은 조성의 결정질 금속에 비해 우수한 연자성, 강인성, 내식성, 초전도성 등의 특징을 갖는다.

이러한 비정질 금속의 제조 방법은 다이캐스팅/영구주형주조법(die casting/permanent mold casting)과 멜트 스피닝법(melt spinning) 등이 있으며, 그 중 멜트 스피닝법이 주로 사용되고 있다.

멜트 스피닝법은 PFC(Planar Flow Casting)이라 불리우기도 하며, 용융물을 고속으로 회전하는 냉각롤에 공급하여 급속 냉각 및 응고시킴으로써 리본이나 스트립 등과 같은 비정질 금속 소재로 제조하는 방법이다. 이와 같은 방법으로 비정질 금속 소재를 제조는 경우, 비정질 금속 소재의 품질에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나는 냉각롤의 회전에 의해 발생하는 공기의 유동을 들 수 있다.

이는 공정 진행 중에 대기 중의 공기가 고속으로 회전하는 냉각롤에 유입되어 용융물을 산화시키거나 냉각롤 상부에 누적된 용융물, 즉 퍼들(puddle)의 거동을 불안정하게 만든다. 특히, 공기의 유동에 의해 퍼들의 거동이 불안정해지면 냉각롤에 부착되는 용융물의 양에 편차가 발생하여 비정질 금속 소재의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

KR 1525189 B KR 2014-0123125 A

본 발명은 용융물의 계면 장력을 제어하여 안정적인 조업을 가능하게 하는 금속 소재 제조장치 및 그 방법을 제공한다.

본 발명은 제품의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 금속 소재 제조장치 및 그 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 금속 소재 제조장치는, 내부에 용융물을 수용하기 위한 공간을 제공하는 용기; 용융물을 배출시킬 수 있도록 상기 용기의 하부에 구비되는 노즐; 회전 가능하고, 상기 노즐의 하부에 이격되도록 구비되는 냉각롤; 및 상기 노즐과 상기 냉각롤 사이에 용융물의 계면 장력을 조절하기 위한 조절 매체를 분사할 수 있는 조절부;를 포함할 수 있다.

상기 조절부는, 상기 조절 매체를 수용할 수 있는 저장기; 및 상기 저장기에 연결되고, 조절 매체를 분사하기 위한 분사기;를 포함할 수 있다.

상기 조절부는, 가열수단을 더 포함하고, 상기 가열수단은 상기 저장기에 구비될 수 있다.

상기 노즐은, 상기 용기의 하부에 연결되는 노즐 몸체와, 상기 노즐 몸체를 관통하도록 형성되는 주입구를 포함하고, 상기 분사기는 상기 노즐 몸체와 상기 냉각롤 사이 공간에 조절 매체를 분사하도록 배치할 수 있다.

상기 분사기는 상기 냉각롤의 회전 방향에 대해서 상기 주입구의 후방에 조절 매체를 분사하도록 배치할 수 있다.

상기 분사기는, 상기 용융물이 배출되는 방향과 나란한 방향으로 상기 조절 매체를 분사하도록 배치할 수 있다.

상기 분사기는, 상기 용융물이 배출되는 방향과 교차하는 방향으로 상기 조절 매체를 분사하도록 배치할 수 있다.

상기 분사기는, 상기 노즐 몸체를 관통하도록 형성할 수 있다.

상기 분사기는, 이동 가능하도록 배치할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따른 금속 소재 제조방법은, 용기 내부에 용융물을 마련하는 과정; 용융물의 계면 장력을 조절하기 위한 조절 매체를 마련하는 과정; 상기 용기의 하부에 구비되는 냉각롤을 회전시키는 과정; 상기 냉각롤에 용융물을 배출시키는 과정; 상기 냉각롤에 배출된 용용물의 적어도 일부에 상기 조절 매체를 접촉시키는 과정; 및 용융물을 응고시켜 금속 소재를 제조하는 과정;을 포함할 수 있다.

상기 조절 매체를 마련하는 과정은, 조절 매체의 원료 물질을 마련하는 과정; 및 상기 원료 물질을 기화시켜 조절 매체를 제조하는 과정;을 포함할 수 있다.

상기 조절 매체를 마련하는 과정은, 상기 조절 매체에 캐리어 가스를 혼합하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 조절 매체는 황(S) 및 인(P) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 캐리어 가스는 불활성 가스와 일산화탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 조절 매체를 접촉시키는 과정은, 용융물을 배출시키기 위한 노즐과 상기 냉각롤 사이에 형성되는 공간에 조절 매체를 공급하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 조절 매체를 접촉시키는 과정은, 상기 냉각롤의 회전방향에 대해서 상기 냉각롤으로 배출된 용융물의 후방 측에 상기 조절 매체를 선택적으로 접촉시켜 용융물의 계면 장력을 저감시킬 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 비정질 금속 소재 제조 시 노즐과 냉각롤 사이에 형성되는 퍼들의 형태를 제어함으로써 조업을 안정적으로 수행할 수 있고, 고품질의 금속 소재를 제조할 수 있다. 즉, 냉각롤으로 배출되는 용융물의 계면 장력을 국부적으로 조절하여 퍼들의 길이를 조절할 수 있다. 따라서 고속으로 회전하는 냉각롤에 의한 진동이나 공기 유동으로 인해 퍼들의 형태가 변형되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 노즐과 냉각롤 사이로 공기가 유입되는 것을 억제할 수 있기 때문에 비정질 금속 소재의 표면 품질 및 생산성을 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 금속 소재 제조 장치의 요부 구조를 확대하여 보여주는 도면.
도 3은 분사기의 다양한 배치 형태를 보여주는 도면.
도 4는 금속 소재 제조 시 노즐과 냉각롤 사이에서 용강 거동의 예를 보여주는 도면.
도 5는 금속 소재 제조 시 노즐과 냉각롤 사이에서 공기의 유동을 보여주는 도면.
도 6은 황의 활동도에 따른 용강의 계면 장력 변화를 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 방법으로 금속 소재를 제조할 때 장력 조절용 매체의 작용을 개념적으로 보여주는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 방법으로 금속 소재를 제조할 때 용강의 거동 변화를 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 주조용 몰드 및 이를 이용한 주조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 금속 소재 제조 장치의 요부 구조를 확대하여 보여주는 도면이고, 도 3은 분사기의 다양한 배치 형태를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 장치는, 내부에 용융물을 수용하기 위한 공간을 제공하는 용기(100)와, 용융물을 배출시킬 수 있도록 용기(100)의 하부에 구비되는 노즐(110)과, 회전 가능하고 노즐(110)의 하부에 이격되도록 구비되는 냉각롤(120) 및 용융물의 계면 장력을 조절하기 위해서 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에 조절 매체를 분사할 수 있는 조절부(130)를 포함할 수 있다. 여기에서 용융물은 용강을 포함할 수 있고, 용기(100)는 턴디쉬를 포함할 수 있다.

용기(100)는 내부에 용융물을 장입할 수 있도록 상부가 개방되는 중공형으로 형성될 수 있다. 또한, 용기(100)의 하부, 예컨대 바닥에는 용융물을 배출시킬 수 있는 배출구(102)가 형성될 수 있다.

냉각롤(120)은 용기(100)의 하부에 용기(100)와 이격되도록 구비될 수 있다. 이때, 냉각롤(120)은 일방향으로 연장되도록 구비될 수 있다. 냉각롤(120)은 내부에 냉각매체를 이동시킬 수 있는 유로가 형성될 수 있으며, 냉각롤(120)은 냉각매체에 의해 비교적 저온을 유지할 수 있다. 그리고 냉각롤(120)은 고속으로 회전 가능하도록 구비될 수 있다. 이때, 냉각롤(120)은 시간당 90 내지 110㎞ 정도의 속도로 회전할 수 있다. 이에 냉각롤(120)은 용융물을 외주면에 부착시켜 급속 냉각, 응고시킴으로써 리본이나 스트립 등과 같은 금속 소재를 형성할 수 있다.

노즐(110)은 용기(100)의 하부, 즉 저면에 구비되어 배출구(102)를 통해 배출되는 용융물을 냉각롤(120)에 공급할 수 있다. 이때, 노즐(110)은 노즐 몸체(112)와, 배출구(102)와 연통되고 노즐 몸체(112)를 관통하도록 형성되는 주입구(114)를 포함할 수 있다. 노즐 몸체(112)는 냉각롤(120)이 연장되는 방향을 따라 연장되도록 구비되고, 주입구(114)는 노즐 몸체(112)가 연장되는 방향을 따라 슬릿 형태로 형성되어 냉각롤(120)의 길이방향을 따라 용융물을 배출할 수 있다. 또한, 노즐 몸체(112)는 냉각롤(120)과 이격되도록 배치되어, 냉각롤(120)과의 사이에 용융물이 배출될 수 있는 공간을 형성할 수 있다. 공간은 냉각롤(120)이 연장되는 길이방향 및 둘레방향으로 형성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 노즐 몸체(112)는 냉각롤(120)의 둘레방향으로 소정 거리 연장되도록 배치되어, 노즐 몸체(112)와 냉각롤(120) 사이에 주입구(114)를 통해 배출된 용융물이 수용될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 이후에서는 냉각롤(120)의 회전 방향을 기준으로 주입구(114)의 일측은 전방이라 하고, 타측은 후방이라 한다.

주입구(114)를 통해 배출된 용융물은 용융물의 계면 장력에 의해 용융물 풀, 일명 퍼들(puddle)을 형성할 수 있다. 퍼들은 용강의 자체 점성에 의한 유동과 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에서 계면 장력으로 형태가 결정될 수 있다. 여기에서 용융물의 점성에 의한 유동은 용융물의 온도와 냉각롤(120)의 회전 속도에 의해 결정되나, 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이의 간격이 매우 작기 때문에 퍼들의 거동 안정성과 퍼들의 길이는 용융물과 공기의 계면 장력에 의해 결정될 수 있다. 이때, 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에서 퍼들이 주입구(114)를 기준으로 전방 및 후방으로 일정 길이를 갖도록 형성되어야 리본이나 스트립 등과 같은 금속 소재를 안정적으로 제조할 수 있다. 그러나 냉각롤(120)의 회전 속도가 매우 빠르기 때문에 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에서 발생하는 공기의 유동에 의해 주입구(114) 후방에서 퍼들의 길이가 짧아져 퍼들 전체 거동이 불안정해짐으로써 금속 소재를 안정적으로 제조하기 어려운 문제점이 있다.

이에 조절부(130)를 통해 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에 조절 매체를 공급하여 용융물과 공기의 계면 장력을 제어함으로써 퍼들의 거동 또는 형상을 제어할 수 있다.

조절부(130)는 조절 매체의 원료를 저장하는 저장기(132)와, 저장기(132)에 연결되는 분사기(134)를 포함할 수 있다. 이때, 저장기(132)에는 조절 매체의 원료를 가열하기 위한 가열 수단(미도시)이 구비될 수 있다. 저장기(132)에서는 가열 수단을 통해 조절 매체의 원료를 가열하여 기화시킴으로써 조절 매체를 증기 또는 가스 형태로 제조할 수 있다.

분사기(134)는 조절 매체를 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이, 보다 구체적으로는 주입구(114)의 후방에 조절 매체를 분사할 수 있도록 구비될 수 있다. 이때, 분사기(134)는 노즐이나 파이프 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.

분사기(134)는 별도의 구조체로 형성될 수도 있고, 노즐(110) 내부에 삽입되어 노즐(110)과 일체형으로 형성될 수도 있다.

도 3은 분사기의 다양한 배치 형태를 보여주고 있다.

도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)는 분사기(134)를 노즐(110) 내부에 삽입하여 형성한 예를 보여주고 있다.

도 3의 (a)와 도 3의 (b)는 분사기(134)를 노즐(110)의 주입구(114)와 나란하게 배치한 예를 보여주고 있다. 이때, 분사기(134)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 주입구(114)과 비교적 멀리 이격되도록 배치될 수도 있고, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 주입구(114)와 인접하도록 배치될 수도 있다. 이 경우, 분사기(134)는 노즐(110)을 통해 용융물이 배출되는 방향과 동일한 방향으로 조절 매체를 분사할 수 있다.

도 3의 (c)는 분사기(134)를 노즐 몸체(112)의 일측을 통해 노즐 몸체(112)의 하측으로 조절 매체를 분사할 수 있도록 절곡된 형태로 배치한 예를 보여주고 있다. 이 경우, 분사기(134)는 노즐(110)을 통해 용융물이 배출되는 방향과 동일한 방향으로 조절 매체를 분사할 수 있다

도 3의 (d)는 분사기(134)를 노즐 몸체(112)의 일측을 통해 노즐 몸체(112)의 하측으로 조절 매체를 분사할 수 있도록 배치한 예를 보여주고 있다. 이 경우, 분사기(134)는 주입구(114) 측 또는 냉각롤(120) 측을 향해 하향 경사지도록 배치되어 용융물이 배출되는 방향에 대해 교차하는 방향으로 조절 매체를 분사할 수 있다.

도 3의 (e)와 도 3의 (f)는 분사기(134)를 별도의 구조물로 형성한 예를 보여주고 있다.

도 3의 (e)와 (f)는 노즐(110)의 타측, 즉 주입구(114)의 후방에서 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이 공간으로 조절 매체를 분사할 수 있도록 분사기(134)를 배치한 예를 보여주고 있다. 분사기(134)는 배출되는 용융물이 배출되는 방향에 대해서 교차하는 방향, 보다 구체적으로는 직교하는 방향으로 배치되어 배출되는 방향에 대해서 교차하는 방향으로 조절 매체를 분사할 수 있다. 이때, 분사기(134)는 도 3의 (e)에 도시된 것처럼 노즐(110)에 인접하게 배치할 수도 있고, 도 3의 (f)에 도시된 것처럼 냉각롤(120)에 인접하게 배치할 수도 있다. 도 3의 (e)와 도 3의 (f)에서는 분사기(134)가 노즐 몸체(112)의 저면과 나란하게 배치된 것으로 도시하고 있으나, 주입구(114) 측으로 상향 또는 하향 경사지도록 배치할 수도 있다.

또는, 분사기(134)는 조절 매체의 분사 위치를 조절할 수 있도록 상하방향으로 이동 가능하도록 구비될 수도 있다. 이 경우, 분사기(134)의 위치, 즉 높이를 조절할 수 있는 구동장치(미도시)가 추가로 구비될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 금속 소재를 제조하는 동안 연속적으로 또는 단속적으로 분사기(134)의 위치를 조절하여 최적의 위치에 조절 매체를 분사함으로써 용융물의 거동을 효율적으로 제어할 수 있다. 또한, 금속 소재 제조 시 냉각롤(120)의 회전에 의해 발생하는 공기의 유동에 의해 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이 공간에서 조절 매체의 확산이 억제되는 것을 방지할 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 금속 소재 제조 시 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에서 용융물, 즉 퍼들의 거동이 불안정해지는 것을 억제 혹은 방지하여 조업을 안정적으로 수행할 수 있고, 고품질의 금속 소재를 제조할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 방법에 대해서 설명한다.

도 4는 금속 소재 제조 시 노즐과 냉각롤 사이에서 용강 거동의 예를 보여주는 도면이고, 도 5는 금속 소재 제조 시 노즐과 냉각롤 사이에서 공기의 유동을 보여주는 도면이고, 도 6은 황의 활동도에 따른 용강의 계면 장력 변화를 보여주는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 방법으로 금속 소재를 제조할 때 장력 조절용 매체의 작용을 개념적으로 보여주는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 방법으로 금속 소재를 제조할 때 용강의 거동 변화를 보여주는 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조방법을 설명하기 앞서, 금속 소재 제조 시 노즐과 냉각롤 사이에서 용융물의 거동, 즉 퍼들의 거동에 대해서 살펴보기로 한다.

용융물을 냉각롤(120)으로 배출하면, 용융물은 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에서 퍼들을 형성하게 된다. 그리고 냉각롤(120)의 회전에 의해 노즐(110)의 주입구(114) 전방에서는 퍼들 중 일부는 냉각롤(120)의 외주면에 부착되고 냉각롤(120)에 의해 급속 냉각되면서 리본이나 스트립 등과 같은 금속 소재로 형성된다.

퍼들은 주입구(114)를 중심으로 양쪽, 즉 주입구(114)의 전방과 후방에서 일정 길이를 갖도록 형성되어야 한다. 이에 퍼들은 냉각롤(120)의 회전에 의해 발생하는 공기의 유동과, 냉각롤(120)이 회전하면서 발생하는 진동에 대한 완충효과를 일으켜 퍼들의 형상을 일정하게 유지하면서 금속 소재를 균일한 두께로 제조할 수 있다.

도 4의 (a)는 이상적인 퍼들의 형태를 보여주고 있다. 이때, 퍼들은 주입구(114)의 전방에서 0.3 내지 0.7㎜ 정도의 길이를 갖도록 형성되고, 주입구(114)의 후방에서는 0.1 내지 0.3㎜ 정도의 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 퍼들은 냉각롤(120)의 회전에 의해 발생하는 공기의 유동과 냉각롤(120)의 진동에 대한 완충효과를 일으켜 금속 소재의 두께를 목표로 하는 두께, 예컨대 20 내지 30㎛ 정도의 두께로 균일하게 제조할 수 있다.

한편, 도 4의 (b)는 퍼들의 후방 측 길이가 짧아진 경우를 보여주고 있다. 이 경우, 퍼들의 전방 측은 이상적인 형태로 형성되더라도 후방 측 길이가 짧아져 퍼들의 후방 측이 노즐(110)의 주입구(114) 주변에 위치하여 주입구(114)를 통해 배출되는 용융물의 흐름에 영향을 미치게 된다. 이에 주입구(114)를 통해 배출되는 용융물에 공기가 유입되어 용융물이 산화되거나 퍼들 내에 기포가 발생하여 금속 소재의 제조 공정이 불안정해지는 문제점이 있다. 그러나 퍼들의 전방 측은 충분한 길이를 확보하고 있기 때문에 냉각롤(120)의 회전에 의해 발생하는 진동에 대해서 안정성을 유지할 수 있다. 다만, 냉각롤(120)의 회전에 의해 발생하는 공기의 유동에 의해 퍼들의 전방 측 길이가 길어지게 되면, 금속 소재의 두께가 목표로 하는 두께보다 증가할 수 있고, 이로 인해 결정질 응고가 일어나 금속 소재의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

도 4의 (c)는 퍼들의 전방 측 길이가 짧아진 경우를 보여주고 있다. 이 경우, 퍼들의 후방 측 길이가 충분하기 때문에 냉각롤(120)의 회전에 의한 공기 유동에 완충 작용이 가능해진다. 하지만 퍼들의 전방 측 길이가 짧아지게 되면, 퍼들의 전방 측이 노즐(110)의 주입구(114) 근방에 배치되어 주입구(114)로 배출되는 용융물의 거동이 퍼들에 그대로 전달되면서 퍼들 전체가 진동하는 흐름이 발생할 수 있다. 이때, 용융물이 냉각롤(120) 표면에 부착될 때 퍼들의 진동이 그대로 전달되어 금속 소재의 두께가 불균일해지고, 금속 소재의 표면이 거칠게 형성되는 문제점이 발생하게 된다.

도 4의 (d)는 퍼들의 전방 측 및 후방 측 길이가 모두 짧아진 경우를 보여주고 있다. 이 경우, 앞서 설명한 도 4의 (b)와 도 4의 (c)에서의 문제점이 그대로 나타나게 될 수 있다. 이와 함께 냉각롤(120)과 노즐(110) 사이에 퍼들이 거의 형성되지 않고, 이로 인해 냉각롤(120)에 용융물이 안정적으로 부착되지 않기 때문에 금속 소재의 두께가 매우 얇아지게 되는 문제점이 있다. 또한, 용융물이 냉각롤(120)의 외주면에 일정하게 부착되지 않기 때문에 금속 소재의 두께 편차가 증가하여 금속 소재의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

이와 같이 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에 형성되는 퍼들의 형태를 제어하면, 금속 소재를 균일하게 안정적으로 제조할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에 형성되는 퍼들의 형태는 다양한 요인에 결정될 수 있다. 퍼들의 형태를 결정하는 요인 중 하나는 용융물의 계면 장력으로서, 본 발명에서는 용융물의 계면 장력을 제어함으로써 퍼들의 형태를 제어하는 방법에 대해서 제시한다. 즉, 용융물의 계면 장력이 큰 경우에는 용융물이 서로 응집하려는 힘이 강해져 퍼들의 길이가 짧아질 수 있고, 용융물의 계면 장력이 작은 경우에는 응집하려는 힘이 감소하게 되어 퍼들의 길이가 길어질 수 있다. 실제 조업에서는 금속 소재 제조할 때 퍼들의 전방 측 길이에 비해 후방 측 길이가 주로 짧아지게 된다. 이는 냉각롤(120)의 회전에 의한 공기의 유동에 기인하는 것으로 추측된다.

따라서 본 발명에서는 조절 매체를 용융물, 즉 퍼들과 접촉시켜 용융물의 계면 장력을 조절함으로써 퍼들의 형태, 구체적으로는 길이를 조절할 수 있다. 이때, 사용되는 조절 매체는 황(S)을 포함할 수 있으며, 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에 가스 또는 증기 상태로 공급될 수 있다. 또한, 조절 매체는 인(P)을 포함할 수도 있다.

조절 매체는 계면 활성제 역할을 하여 용융물의 계면 장력을 조절할 수 있다. 도 6은 용강에 함유된 황의 활동도, 예컨대 황의 함량에 따른 용강의 계면 장력 변화를 보여주고 있다. 도 6을 참조하면, 용강 중 황의 함량이 증가함에 따라 용강의 계면 장력이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이와 같은 경향은 다양한 논문 등에서 나타나 있다.

이와 같은 원리를 이용하여 본 발명에서는 황 성분을 퍼들에 접촉시켜 퍼들을 형성하고 있는 용융물의 계면 장력을 저감시킴으로써 퍼들의 길이를 조절, 즉 증가시킬 수 있다.

도 7을 참조하면, 금속 소재 제조 시 냉각롤은 고속으로 회전하기 때문에 조절 매체는 용융물 전체에 접촉하지 않고 퍼들의 후방 측에만 접촉하게 된다. 이에 조절 매체와 접촉하는 퍼들의 일부분, 즉 퍼들의 후방 측에서 용융물의 계면 장력을 선택적으로 조절할 수 있다.

참고로 황(S)이나 인(P)은 용융물 중에서 불순물로 작용할 수 있으나, 본 발명에서는 용융물과 조절 매체가 순간적으로 접촉하기 때문에 조절 매체가 용융물 전체에 침투하기 어렵고, 용융물이 냉각롤에 의해 급속하게 냉각 응고되어 비정질 금속 소재로 제조되기 때문에 금속 소재에 결함을 발생시키지 않는다.

본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조방법은, 용기 내부에 용융물을 마련하는 과정과, 용융물의 계면 장력을 조절하기 위한 조절 매체를 마련하는 과정과, 용기의 하부에 구비되는 냉각롤을 회전시키는 과정과, 냉각롤에 용융물을 배출시키는 과정과, 냉각롤에 배출된 용융물의 적어도 일부에 조절 매체를 접촉시키는 과정 및 용융물을 응고시켜 금속 소재를 제조하는 과정을 포함할 수 있다.

용기에 용융물이 마련되면, 용기 하부에 구비되는 냉각롤을 회전시킬 수 있다. 이후, 노즐을 통해 용기에 수용된 용융물을 냉각롤으로 배출시킬 수 있다.

용기에서 배출된 용융물은 노즐과 냉각롤 사이에서 퍼들을 형성할 수 있다.

냉각롤으로 용융물이 배출되면, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 분사기를 통해 노즐과 냉각롤 사이로 조절 매체를 분사할 수 있다. 이때, 노즐과 냉각롤 사이로 분사되는 조절 매체는 냉각롤의 회전에 의해 발생하는 공기의 유동에 의해 용융물, 즉 퍼들 측으로 이동하여 퍼들의 후방 측에 접촉할 수 있다.

조절 매체는 저장기에 마련된 조절 매체의 원료 물질을 가열하여 기화시킴으로써 증기 또는 가스로 만든 다음, 그대로 노즐과 냉각롤 사이에 공급할 수도 있고, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등과 같은 불활성가스와 일산화탄소(CO) 등과 같은 캐리어 가스를 혼합하여 공급할 수도 있다. 이때, 조절 매체 중 황의 농도는 100 내지 300ppm 정도일 수 있으며, 0.1 내지 5bar의 압력으로 분사할 수 있다. 이때, 조절 매체 중 황의 농도가 제시된 범위보다 작은 경우에는 용융물의 계면 장력을 충분하게 저감시킬 수 없고, 황의 농도가 제시된 범위보다 큰 경우에는 용융물의 물성이 변경되어 금속 소재의 품질이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 조절 매체의 분사 압력이 제시된 범위보다 작은 경우에는 조절 매체가 용융물에 도달하지 못해 용융물의 계면 장력을 충분하게 저감시킬 수 없다. 반면, 조절 매체의 분사 압력이 제시된 범위보다 큰 경우에는 조절 매체의 분사 압력에 의해 퍼들의 후방 측 길이가 오히려 더 짧아질 수 있으며, 주입구를 통해 배출되는 용융물의 흐름에 영향을 미쳐 노즐과 냉각롤 사이에 원하는 형태의 퍼들을 형성할 수 없다.

퍼들의 후방 측에 조절 매체가 접촉되면, 퍼들을 형성하고 있는 용융물의 계면 장력이 감소하게 되고, 이에 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 퍼들의 후방 측이 조절 매체가 분사되는 방향으로 이동하면서 길이가 증가하게 된다. 또한, 용융물의 계면 장력이 감소하기 때문에 냉각롤 표면과의 부착성도 향상될 수 있다.

그리고 냉각롤의 회전에 의해 퍼들을 형성하고 있는 용융물은 냉각롤의 외주면에 부착되고, 냉각롤에 의해 급속 냉각되면서 응고되어 금속 소재로 형성될 수 있다.

이와 같은 방법으로 비정질 금속 소재를 제조하면, 금속 소재 제조 시 퍼들을 이상적인 형태로 형성할 수 있기 때문에 조업을 안정적으로 수행할 수 있고, 균일한 두께를 갖는 고품질의 금속 소재를 제조할 수 있다.

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

100: 용기 110: 노즐
120: 냉각롤 130: 조절부

Claims (16)

1. 내부에 용융물을 수용하기 위한 공간을 제공하는 용기;
   용융물을 배출시킬 수 있도록 상기 용기의 하부에 구비되는 노즐;
   회전 가능하고, 상기 노즐의 하부에 이격되도록 구비되는 냉각롤; 및
   상기 노즐과 상기 냉각롤 사이에 용융물의 계면 장력을 조절하기 위한 조절 매체를 분사할 수 있는 조절부;
   를 포함하고,
   상기 조절부는,
   상기 조절 매체를 수용할 수 있는 저장기;
   상기 저장기에 연결되고, 조절 매체를 분사하기 위한 분사기; 및
   금속 소재를 제조하는 동안 상기 분사기의 위치를 조절하기 위한 구동장치;를 포함하는 금속 소재 제조장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 조절부는,
   가열수단을 더 포함하고,
   상기 가열수단은 상기 저장기에 구비되는 금속 소재 제조장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 노즐은,
   상기 용기의 하부에 연결되는 노즐 몸체와,
   상기 노즐 몸체를 관통하도록 형성되는 주입구를 포함하고,
   상기 분사기는 상기 노즐 몸체와 상기 냉각롤 사이 공간에 조절 매체를 분사하도록 배치하는 금속 소재 제조장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 분사기는 상기 냉각롤의 회전 방향에 대해서 상기 주입구의 후방에 조절 매체를 분사하도록 배치하는 금속 소재 제조장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 분사기는,
   상기 용융물이 배출되는 방향과 나란한 방향으로 상기 조절 매체를 분사하도록 배치하는 금속 소재 제조장치.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 분사기는,
   상기 용융물이 배출되는 방향과 교차하는 방향으로 상기 조절 매체를 분사하도록 배치하는 금속 소재 제조장치.
8. 삭제
9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
   상기 분사기는,
   상하방향으로 이동 가능하도록 구비되는 금속 소재 제조장치.
10. 용기 내부에 용융물을 마련하는 과정;
    용융물의 계면 장력을 조절하기 위한 조절 매체를 마련하는 과정;
    상기 용기의 하부에 구비되는 냉각롤을 회전시키는 과정;
    상기 냉각롤에 용융물을 배출시키는 과정;
    상기 냉각롤에 배출된 용용물의 적어도 일부에 상기 조절 매체를 접촉시키는 과정; 및
    용융물을 응고시켜 금속 소재를 제조하는 과정;을 포함하고,
    상기 조절 매체를 마련하는 과정은 황(S) 및 인(P) 중 적어도 어느 하나를 조절 매체로 마련하는 과정을 포함하고,
    상기 조절 매체를 접촉시키는 과정은,
    용융물을 배출시키기 위한 노즐과 상기 냉각롤 사이에 형성되는 공간에 조절 매체를 공급하되, 상기 냉각롤의 회전방향에 대해서 상기 냉각롤으로 배출된 용융물이 상기 노즐과 상기 냉각롤 사이에서 형성하는 퍼들의 후방 측에 상기 조절 매체를 선택적으로 접촉시켜 용융물의 계면 장력을 저감시켜 상기 퍼들의 길이를 증가시키는 과정을 포함하는 금속 소재 제조방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 조절 매체를 마련하는 과정은,
    조절 매체의 원료 물질을 마련하는 과정; 및
    상기 원료 물질을 기화시켜 조절 매체를 제조하는 과정;을 포함하는 금속 소재 제조방법.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 조절 매체를 마련하는 과정은,
    상기 조절 매체에 캐리어 가스를 혼합하는 과정을 포함하는 금속 소재 제조방법.
13. 삭제
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 불활성 가스와 일산화탄소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 소재 제조방법.
15. 청구항 10 내지 12 및 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조절 매체를 접촉시키는 과정은,
    상기 조절 매체의 공급 위치를 조절하는 과정을 포함하는 금속 소재 제조방법.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 조절 매체의 공급 위치를 조절하는 과정은,
    금속 소재를 제조하는 동안 상기 조절 매체를 공급하기 위한 분사기의 높이를 조절하는 과정을 포함하는 금속 소재 제조방법.

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