KR102042720B1 - 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 - Google Patents

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KR102042720B1
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Abstract

본 발명은 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 슬러리컵을 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 장치에 있어서, 고압의 에어 블로우를 이용하여 상기 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 고압세척부; 상기 고압세척부로부터 내부 이물질 제거와 냉각이 진행된 슬러리컵의 내부로 이형제를 도포하는 이형제 도포부; 상기 이형제 도포부로부터 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 예열부; 상기 예열부로부터 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 주입부 및 상기 주입부로부터 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 전자교반부를 포함할 수 있다.
또한, 슬러리컵을 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 방법에 있어서, 고압의 에어 블로우를 이용해 상기 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 단계; 내부 이물질 제거와 냉각이 진행된 슬러리컵의 내부로 이형제를 도포하는 단계; 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 단계; 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 단계; 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치{Manufacturing apparatus of High quality semi-solidification slurry through optimized process variables}
본 발명은 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응고 슬러리 제조에 대한 변수를 최소화 하고 장치 편의성 및 생산성을 향상시키도록 구성되는 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
고액공존(固液共存)상태의 금속재료, 즉, 반응고 슬러리는 통상 반응고 성형법(rheocasting) 및 반용융 성형법(thixocasting)으로 알려진 복합 가공법의 중간품을 말하는 것으로, 반응고 영역의 온도에서 액상과 구상의 결정립이 적절한 비율로 혼재한 상태에서 틱소트로픽(thixotropic)한 성질에 의해 작은 힘에 의해서도 변형이 가능하고, 유동성이 우수하여 액상과 같이 성형가공이 용이한 상태의 금속재료를 의미한다.
여기서, 반응고 성형법이란 미처 응고되지 않아 소정의 점성을 갖는 금속 슬러리(Slurry)를 주조 또는 단조하여 빌렛이나 최종 성형품을 제조하는 가공법을 말하며, 반용융 성형법이란 반응고 성형법에 의해 제조된 빌렛을 다시 반용융 상태의 금속 슬러리로 재가열한 후, 이 슬러리를 주조 또는 단조시켜 최종제품으로 제조하는 가공법을 말한다.
이러한 반응고/반용융 성형법은 주조나 용탕단조 등 금속재료를 이용하는 일반 성형방법에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있다. 예를 들면, 반응고/반용융 성형법에서 사용하는 슬러리는 금속재료보다 낮은 온도에서 유동성을 가지므로 이 슬러리에 노출되는 다이의 온도를 금속재료의 경우보다 더 낮출 수 있고, 이에 따라 다이의 수명이 길어질 수 있다. 또한, 슬러리가 실린더를 따라 압출될 때 난류(Trubulence)의 발생이 적어, 주조과정에서 공기의 혼입을 줄일 수 있으며, 이에 따라 최종 제품에의 기공 발생을 저감시킬 수 있다. 그 외에도 응고 수축이 적고, 작업성이 개선되며, 제품의 기계적 특성과 내식성이 향상되고, 제품의 경량화가 가능하다. 이에 따라, 자동차 및 항공기 산업분야, 전기 전자 정보 통신 장비의 신소재로서 활용될 수 있다.
한편, 반응고/반용융 성형법을 통해 가공되는 반응고 슬러리의 품질은 열을 통한 변수를 최소화 하며, 균형적인 열 구배가 이루어지는 조건이나 내부로 이물질 유입을 최소화 하는 등의 조건하에서 고품질을 구현할 수 있다. 또한, 반응고 슬러리를 동일한 품질로서 보다 빠르게 생산할 수 있는 생산성을 확보하는 것도 중요하다.
따라서, 자동차 및 항공기 산업분야, 전기 전자 정보 통신 장비의 신소재의 활용 증대에 맞추어 고품질의 반응고 슬러리를 구현하면서 생산성을 확보할 수 있는 반응고 슬러리 제조 장치와 방법의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기의 필요성에 따라 제안되는 것으로, 슬러리가 제조되는 공간인 슬러리컵과, 슬러리컵 내부로 유입되는 용탕간의 온도변화를 최소화 하고 공정을 단순화하면서 이물질 유입을 최소화되도록 하여 반응고 슬러리의 품질을 향상시키며, 편의성 및 생산성을 증대시킨 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는, 슬러리컵을 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 장치에 있어서, 고압의 에어 블로우를 이용하여 상기 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 고압세척부; 상기 고압세척부로부터 내부 이물질 제거와 냉각이 진행된 슬러리컵의 내부로 이형제를 도포하는 이형제 도포부; 상기 이형제 도포부로부터 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 예열부; 상기 예열부로부터 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 주입부 및 상기 주입부로부터 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 전자교반부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는 슬러리컵을 거치 또는 삽입할 수 있는 슬러리컵 고정 수단 및 슬러리컵 고정 수단 하단에 구비되며, 피스톤 로드에 의해 구동부와 연결되어 상기 슬러리컵 고정 수단에 거치 또는 삽입된 슬러리컵을 승강 시킬 수 있는 플런저를 더 포함하며, 상기 슬러리컵 고정 수단 및 플런저는, 상기 고압세척부, 이형제 도포부, 예열부, 주입부 및 전자교반부 중 하나 이상에 마련될 수 있다.
또한, 상기 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는 상기 슬러리컵 고정 수단 하단에 구비되어 슬러리컵의 각도를 조정 후 회전시키도록 구성되는 각도회전조절부 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 각도회전조절부는 복수의 이동홈이 마련되며, 상/하측으로 대칭되어 연결부에 의해 연결되는 2개의 회전판체 및 2개의 회전판체 사이 중심에 구비되어 자기장 제어부의 자기장 인가에 의해 상기 복수의 이동홈 중 하나를 따라 이동하도록 형성되는 각도조절볼을 포함하며, 상기 연결부는 자유롭게 높이 가변이 가능하도록 유동적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 각도회전조절부는 일측은 저경사부가 형성되고 타측은 고경사부가 형성되는 도넛형의 가이드판체 및 상기 가이드판체 중심에 마련되어 슬러리컵을 회전시키는 회전체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전자교반부는 설정된 변수에 맞추어 자동 제어가 가능한 제어부에 의해 전압, 전류, 교반시간을 포함하는 공정변수를 설정 또는 조절할 수 있다.
또한, 상기 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는 상기 슬러리컵의 내부 이물질 제거와 냉각 수행 전에 슬러리컵의 두께를 결정하는 슬러리컵 두께 결정부를 더 포함하며, 상기 슬러리컵 두께 결정부는 얇은 두께의 슬러리컵 면체를 복수의 겹으로 겹쳐 슬러리컵의 두께를 결정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 반응고 슬러리 제조방법은, 슬러리컵을 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 방법에 있어서, 고압의 에어 블로우를 이용해 상기 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 단계; 내부 이물질 제거와 냉각이 진행된 슬러리컵의 내부로 이형제를 도포하는 단계; 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 단계; 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 단계 및 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 단계는 슬러리컵을 60 내지 120℃의 온도로 예열할 수 있다.
또한, 상기 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 단계는 용탕을 610 내지 650℃의 온도에서 주입할 수 있다.
또한, 상기 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 단계는 10 내지 30초 동안 전자 교반을 수행할 수 있다.
또한, 상기 슬러리컵은 2mm 내지 6mm 두께의 슬러리컵으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법은, 슬러리가 제조되는 공간인 슬러리컵과, 슬러리컵 내부로 유입되는 용탕간의 온도변화를 최소화 하고 공정을 단순화하면서 이물질 유입을 최소화되도록 하여 반응고 슬러리의 품질을 향상시키며, 편의성 및 생산성을 증대시킨 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법은, 슬러리컵의 온도, 슬러리컵의 형태, 교반 시간 등 슬러리 제조를 위한 다양한 변수 등이 최적화를 통해 슬러리 조직이 미세하고 균일한 구상화 입자를 얻도록 제조할 수 있어, 우수한 제품 품질을 실현할 수 있고, 이에 따라 고품질이 요구되는 국방, 우주항공 및 자동차의 특수보안부품 등의 분야에서도 용이하게 사용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법은, 전자 교반을 통한 제조가 이루어져 생산성 향상, 제조비 절감 등의 이점을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 일 구성인 전자교반부의 개략도이다.
도 3은 도 2의 전자교반부 중 전자기장 인가장치의 투영사시도이다.
도 4는 도 3의 전자기장 인가장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 일 구성인 각도회전조절부의 설치 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 각도회전조절부의 일례를 개략화한 도면이다.
도 7은 도 6의 각도회전조절부의 작동 예시도이다.
도 8은 도 6의 각도회전조절부의 회전판체와 각도조절볼을 예시한 도면이다.
도 9는 도 5의 각도회전조절부의 다른 예를 작동 예시와 함께 개략하여 도시한 도면이다.
도 10은 슬러리컵 두께 결정부가 추가된 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 구성 블록도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 제어부 예시 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 반응고 슬러리 제조방법의 흐름도이다.
도 13의 (a) 및 (b)는 반응고 슬러리의 외관 검사 예시 사진이다.
도 14는 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도 변화에 따른 외관 검사의 결과 그래프이다.
도 15는 EMS 교반시간 변화에 따른 외관 검사의 결과 그래프이다.
도 16은 반응고 슬러리 부위별에 따른 X-ray 결과 사진이다.
도 17은 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도 변화에 따른 내부 결함 상태에 대한 결과 그래프이다.
도 18은 EMS 교반시간 변화에 따른 내부 결함 상태에 대한 결과 그래프이다.
도 19는 열화상 카메라를 이용한 반응고 슬러리 부위별에 따른 온도 분포 분석 결과 사진이다.
도 20은 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도 변화에 따른 온도편차율 그래프이다.
도 21은 EMS 교반시간 변화에 따른 온도편차율 그래프이다.
도 22의 (a) 및 (b)는 열화상 카메라를 이용한 슬러리컵 예열온도에 따른 반응고 슬러리 온도 분포 분석 결과 사진 및 온도 분포 그래프이다.
도 23의 (a) 및 (b)는 열화상 카메라를 이용한 슬러리컵 두께에 따른 온도 분포 분석 결과 사진이다.
도 24는 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도에 따른 미세조직 분석 결과 사진이다.
도 25는 EMS 교반시간에 따른 미세조직 분석 결과 사진이다.
도 26은 개량첨가제 처리에 따른 반응고 슬러리 조직 성질 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법에 대하여 첨부한 도 1 내지 24를 참조하면서 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 내지 도11을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 구성 블록도이며, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 일 구성인 전자교반부의 개략도이다.
또한, 도 3은 도 2의 전자교반부 중 전자기장 인가장치의 투영사시도이며, 도 4는 도 3의 전자기장 인가장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는 슬러리컵을 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 장치에 관한 것으로, 고압세척부(10), 이형제 도포부(20), 예열부(30), 주입부(40) 및 전자교반부(50)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 고압세척부(10)는 슬러리컵 이용에 앞서 슬러리컵을 세척 및 냉각하는 곳으로, 고압의 에어 블로우(Air blow)를 이용하여 슬러리컵 내부를 세척하는 동시에 슬러리컵을 급속으로 냉각할 수 있다.
여기서, 슬러리컵을 냉각하는 것은 초기 작동시에는 불필요하나 슬러리 제조를 위한 한 사이클을 거치면 슬러리컵의 온도가 용탕에 의해 상승되어 표면이 매우 뜨거워지므로, 슬러리 제조 한 사이클을 거친 뒤 반복 사이클을 하고자 할 때에는 필요하다.
또한, 슬러리컵의 내부 세척은 제조되는 반응고 슬러리의 품질을 좌우하는 중요한 과정으로, 용탕이 유입되는 슬러리컵 내부로 이물질이 유입되게 되면 결국 용탕 내부로 이물질이 유입되어 기공을 형성하고, 이 기공에 의해 조직이 불균형하게 되면서 크랙이 발생할 수 있는 여지가 있기 때문에 슬러리컵 내부로의 이물질 차단이 중요하다.
이때, 고압세척부(10)는 고압의 에어 블로우를 이용하여 슬러리컵 내부를 강하게 세척하는 동시에 가열된 슬러리컵 내·외표면을 일정 온도까지 냉각하도록 형성되어 냉각과 세척 공정을 따로 진행할 필요가 없도록 하였다. 이로 인해, 공정은 간소화되면서 보다 빠른 슬러리 제조가 가능할 수 있다.
한편, 고압세척부(10)는 냉각률을 높이기 위해 에어 블로우와 함께 액적도 같이 분사되도록 할 수도 있다. 이를 위해, 고압세척부(10)에는 물 공급부(미도시)와 연결될 수 있으며, 물 공급부로부터 전달되는 물은 고압의 공기에 의해 액적화되어 에어 블로우와 함께 같이 분사될 수 있다. 이로 인해, 액적은 슬러리컵의 표면에 부착되어 열을 흡수하고 기화되면서 슬러리컵 표면의 온도를 급격히 낮출 수 있다.
이형제 도포부(20)는 고압세척부(10)로부터 내부 이물질 제거 및 냉각이 진행된 슬러리컵 내부로 이형제를 도포하는 곳으로서, 슬러리컵 내부로 도포된 이형제는 슬러리컵 내부를 세척하면서 제조된 슬러리와 슬러리컵 간의 막을 형성하여 슬러리의 탈거가 용이하게 되도록 할 수 있다.
여기서, 이형제 도포부(20)는 통상적인 노즐에 의해 분사가 이루어 질 수 있으나, 한편으론 초음파 진동소자(미도시)를 포함하여 도포가 이루어질 수도 있다. 여기서, 초음파 진동소자는 초음파 분사를 가능케 해 이형제의 분사범위를 넓힐 수 있으며, 이로 인해 이형제는 슬러리컵 내부로 빈틈없이 고루 분사될 수 있다.
예열부(30)는 이형제 도포부(20)로부터 이형제 도포가 완료된 슬러리컵을 예열할 수 있다. 여기서, 예열부(30)는 고주파 발생기로 고주파를 발산하여 슬러리컵을 60 내지 120℃의 온도로 예열을 할 수 있는데, 이러한 과정을 거치게 되면 슬러리 제조를 위한 용탕 주입 시에 슬러리컵 표면과 용탕의 온도 편차를 줄일 수 있어 용탕 내·외부의 온도 구배를 균일하게 형성할 수 있으며, 결국 균일하게 고상화(固相化)가 이루어져 후에 좋은 품질의 반응고 슬러리로 제조될 수 있다.
여기서, 슬러리컵의 예열 온도가 60℃ 미만으로 예열될 시에는 이형제를 슬러리컵에 도포 시 액상으로 흘러내려 슬러리컵에 제대로 도포가 이루어지지 않을 수 있고, 120℃를 초과하여 예열될 시에는 이형제가 증발하여 슬러리컵에 제대로 도포되지 않을 수 있다.
이와 같이 슬러리컵에 이형제의 도포가 제대로 이루어지지 않을 경우 슬러리컵 표면에서 용탕이 빨리 굳어 반응고 슬러리의 탈거가 용이하지 않은 현상이 발생할 수 있다.
주입부(40)는 예열부(30)로부터 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입할 수 있다. 여기서, 주입부(40)는 용해로에서 용해된 용탕을 래들링(Ladling)한 후 슬러리컵 내부로 용탕을 주입할 수 있으며, 이를 위해 주입부(40)는 슬러리컵의 움직임을 제한하도록 거치 또는 삽입하기 위한 슬러리컵 고정 수단(60)을 마련할 수 있고, 슬러리컵 고정 수단(60)과 용해로와의 거리가 멀 시에는 용해로로부터 래들링한 용탕을 이송하기 위한 이송부(미도시)를 포함할 수도 있다. 여기서, 이송부는 슬러리컵 고정 수단(60)과 용해로와의 거리를 가깝게 형성할 시에는 용탕을 래들링한 후에 슬러리컵으로 바로 주입하면 되므로 구비하지 않아도 무관하다.
또한, 주입부(40)는 슬러리컵에 대해 보다 정확하고 안전한 주입이 이루어지도록 깔대기부(미도시)를 포함할 수도 있다. 깔대기부는 슬러리컵 고정 수단(60) 상단으로 회동하도록 구성되어 용탕 주입 시에 사용될 수 있고, 주변으로 용탕이 튀거나 흐르는 것을 방지하여 슬러리컵에 래들링된 용탕이 모두 주입되도록 할 수 있다.
한편, 주입부(40)는 용해로로부터 래들링한 용탕을 610 내지 650℃의 온도에서 주입할 수 있다. 여기서, 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도가 610℃ 미만일 경우 조직은 균일하지만 슬러리 내 기포가 다량 존재할 수 있고, 650℃를 초과할 경우 조직이 균일하지 못하고 수지상으로 존재할 수 있다.
또한, 용탕은 알루미늄 합금인 A356일 수 있으나, 이는 바람직한 예로서 반드시 한정되는 것은 아니며, 다른 금속 재질로 형성될 수도 있다.
또한, 슬러리컵의 경우 두께가 2 내지 6mm인 것이 사용될 수 있다. 이는 슬러리컵의 두께가 2mm 미만일 경우 슬러리컵 표면에 대한 온도변화가 급격하여 용탕의 내·외측부의 온도 편차가 심해져 균일한 구상화 입자를 얻기 힘들고 용탕 외측부의 고상화가 급격히 진행되어 사출이 어려우며, 6mm를 초과할 경우 열전도성이 낮아져 고상화(固相化)에 많은 시간이 소요되며, 용탕 내·외측부의 균일한 고상화가 어려울 수 있다.
즉, 주입부(40)에서 용탕을 2 내지 6mm인 두께의 슬러리컵에 610 내지 650℃의 주입온도로 주입할 시에 제조되는 슬러리의 조직구상화가 잘 이루어지며, 초정균일도가 우수한 장점을 나타낼 수 있다.
전자교반부(50)는 슬러리컵(SC) 표면 근처에서 용탕이 초기 응고되어 수지상 조직이 형성되기 전에 슬러리컵(SC)에 주입되는 용탕에 전자기력을 가해 핵생성을 촉진시켜 슬러리화 되도록 작동되며, 이를 위해 도 2에 도시된 바와 같이 슬러리컵 고정 수단(60) 둘레로 구비되는 전자기장 인가장치(55) 및 슬러리컵을 전자기장 인가장치(55)와 대응되는 높이로 맞추거나 슬러리컵 고정 수단(60)으로부터 탈거하기 위해 슬러리컵 고정 수단(60) 하단에 마련되는 플런저(70)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 전자기장 인가장치(55)는 용탕의 슬러리컵에 대한 주입과 동시에 전자기장을 인가할 수도 있고, 용탕의 주입이 되는 도중에 전자기장을 인가할 수도 있다.
이를 통해, 예열되었다고는 하나 비교적 저온인 슬러리컵 표면에서 초기 응고층으로부터 수지상 조직으로 성장해 나가는 일이 없게 되고, 슬러리컵 전체에 걸쳐 미세한 결정핵들이 동시에 발생하게 되며, 슬러리컵 내의 용탕 전체가 균일하게 액상선 온도 직하로 급속히 냉각되어 다수의 결정핵을 동시에 발생시킬 수 있다.
이는, 슬러리 제조영역에 용탕을 주입하기 이전 또는 주입과 동시에 전자기장을 인가함으로써 활발한 초기 교반 작용으로 인해 내부의 용탕과 표면의 용탕이 잘 교반되어 용탕 내에서의 열전달이 빠르게 일어나고, 슬러리컵 표면에서의 초기 응고층 형성이 억제되기 때문이다.
또한, 잘 교반되고 있는 용탕과 비교적 저온의 슬러리컵 표면과의 대류 열전달이 증가하여 용탕 전체의 온도를 급속히 냉각시키게 된다. 즉, 주입되는 용탕이 주입과 동시에 전자기장 교반에 의해 분산 입자들로 흩어지고 이 분산 입자들이 결정핵으로서 슬러리컵 내에 고루 분포하게 되며, 이에 따라 슬러리컵 전체에 걸쳐 온도차가 발생하지 않게 되는 것이다.
이는, 주입되는 용탕이 저온의 슬러리컵 표면과 접촉하여 급속한 대류열전달에 의해 슬러리컵 표면에서의 초기 응고층에서 수지상 결정으로 성장하는 종래 기술과는 차별되는 것이다.
이러한 전자기장 인가장치(55)는, 외부로부터 보호를 위해 케이스(55-1) 내에 구비될 수 있으며, EMS(Electro Magnetic Stirring, 55-2)와 전자자석(55-3)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, EMS(55-2)와 전자자석(55-3)의 상호작용으로 전자기장이 발생될 수 있으며, 수평방향이나 수직방향으로 교반하도록 형성될 수 있다. 또한, 케이스(55-1) 도면에 도시된 바와 같이 결속부재(55-4)가 마련될 수도 있다.
플런저(70)는 구동부(74)의 작동에 의해 승하강 운동되는 피스톤 로드(72)와 연결되어 승하강될 수 있으며, 상단으로는 슬러리컵 안착부가 마련되어 전자교반을 위해 슬러리컵(SC)을 전자기장 인가장치(55)와 대응되는 높이로 맞추거나, 전자교반이 완료된 슬러리컵(SC)을 슬러리컵 고정 수단(60)으로부터 탈거하도록 작동될 수 있다.
또한, 구동부(74)는 구동 모터와 기어장치 또는 공압 실린더 또는 유압 실린더 등으로 구비될 수 있고, 제어부에 전기적으로 연결되어 있는 동력 장치(미도시)에 의해 구동될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 전자교반부(50)는 전자교반을 통해 기계적 교반이 갖는 한계 없이 열추출 속도와 전단작용을 정확하게 조절하여 온도분포의 균일성을 나타낼 수 있고 작업 시간이 단축되며 후속 공정으로의 연계가 쉬운 장점을 나타낼 수 있으며, 특히 가스, 불순물 및 산화물 등의 개입을 억제할 수 있어 고품질의 구형와 조직을 얻을 수 있다.
이때, 전자교반은 10 내지 30초간 이루어질 수 있는데, 이는, 10 내지 30초 내의 범위에서 교반할 때에 조직크기, 구상화 및 균일도가 적절하고 기포발생율이 매우 적어 우수한 조직을 갖기 때문으로, 10초 미만으로 교반될 시에는 조직 불균형이 심하여 수지상으로 존재하며, 30초를 초과할 경우 효과는 동일하나 교반 시간이 길어 경제적 효율성이 낮다.
한편, 상술한 슬러리컵 고정 수단(60)과, 플런저(70) 및 구동부(74)로 인한 슬러리컵의 승하강 운동은 이해를 돕기 위해 전자교반부(50)에서 설명하였으나, 전자교반부(50) 외에도 슬러리컵의 고정과 슬러리컵의 탈거를 위해 승하강 운동이 요구되는 고압세척부(10), 이형제 도포부(20), 예열부(30) 및 주입부(40)에서도 모두 적용될 수 있다.
즉, 고압세척부(10), 이형제 도포부(20), 예열부(30) 및 주입부(40)에서도 모두 슬러리컵이 고정된 상태로 고압세척, 이형제 도포, 예열, 용탕 주입 등이 이루어질 수 있으며, 슬러리컵은 상기 각 부에 구비된 슬러리컵 고정 수단(60)과 플런저(70) 등을 통해 고정/해제 및 탈거가 반복되면서 순차적으로 전자교반까지 진행되어 슬러리가 완성될 수 있다.
또한, 다른 형태로는 슬러리컵 고정 수단(60)과 플런저(70)가 각 부마다 하나씩 구비되는 것이 아닌 한 곳에 하나 이상으로 마련되고, 고압세척부(10), 이형제 도포부(20), 예열부(30) 및 주입부(40)의 각 작동을 수행하는 장치가 슬러리컵 고정 수단(60)과 플런저(70) 방향으로 이동되도록 형성될 수도 있다.
예컨대, 하나의 슬러리컵이 슬러리컵 고정 수단(60)에 장착된 후에, 고압세척부(10)의 에어블로우 장치가 장착된 슬러리컵 상측으로 이동하여 고압세척 및 냉각하며, 순차적으로 이형제 도포 노즐이 슬러리컵 상측으로 이동하여 이형제를 도포하고, 예열부의 예열 수단, 주입부(40)의 주입 수단 등이 차례로 이와 같이 동작되어 한곳에서 모든 과정이 이루어지도록 형성될 수도 있다. 이후, 전자교반까지 완료된 후에는 마지막에 플런저가 작동하여 슬러리컵을 슬러리컵 고정 수단(60)에서 탈거하는 방식으로 진행되어 공정을 최소화할 수도 있다.
이와 같이 플런저(70)를 이용한 승하강 방식은 고압세척부(10), 이형제 도포부(20), 예열부(30), 주입부(40) 및 전자교반부(50) 중 하나 이상의 부에서 적용될 수 있으며, 하나 이상의 플런저(70)에 대해 복수의 부가 거치도록 형성될 수도 있다.
또한, 고압세척부(10) 및 이형제 도포부(20)는 컵을 역방향으로 고정하도록 형성하고 각 노즐이 컵 내부로 인입되도록 하여 고압세척 및 냉각, 이형제 도포 등이 컵 내부에서 이루어지도록 할 수도 있다. 이는 이물질, 이형제 등이 컵 내부에 남는 것을 방지할 수 있고, 이물질 제거, 이형제 도포 등의 공정 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 그러나, 고압세척부(10) 및 이형제 도포부(20)의 역방향 고정은 반드시 한정되는 사항은 아니며, 정방향으로 고정하도록 형성되어도 무관하다.
슬러리컵이 정방향으로 고정되도록 할 시에는, 슬러리컵의 승하강 작동 외에도 고정된 슬러리컵의 각도를 조정 후 회전시키도록 구성되어 고압세척 및 냉각, 이형제 도포 등이 보다 슬러리컵 표면 전체에 대해 고루 균일하게 이루어지도록 할 수 있다.
이를 위해, 슬러리컵(SC)이 거치 또는 삽입되는 슬러리컵 고정 수단(60) 하단에는 플런저(70) 외에도 각도회전조절부(80, 90)를 더 포함할 수 있다.
각도회전조절부(80, 90)에 대해서는 도 5 내지 도 9를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 일 구성인 각도회전조절부의 설치 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 각도회전조절부(80, 90)는 플런저(70)와 함께 구비될 시에는 플런저(70)의 상측으로 구비될 수 있다. 그러나, 각도회전조절부(80, 90)는 항시 플런저(70)와 함께 구비되는 것은 아니며, 플런저(70)만 따로 구비될 수도 있고, 각도회전조절부(80, 90)만 따로 구비될 수도 있다.
즉, 플런저(70)와 각도회전조절부(80, 90)는 별개로 구비되어 각기 작동되거나 모두 구비되어 함께 작동하는 것이 가능할 수 있다.
도 6은 도 5의 각도회전조절부의 일례를 개략화한 도면이며, 도 7은 도 6의 각도회전조절부의 작동 예시도이고, 도 8은 도 6의 각도회전조절부의 회전판체와 각도조절볼을 예시한 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 각도회전조절부(80)의 일례로서, 회전부(81) 및 자기장 제어부(82)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 회전부(81)는 자기장 제어부(82)에 회전되도록 구성되어 하단에는 자기장 제어부(82)가 위치해 있고, 자기장 제어부(82)의 자기장 인가에 따라 회전 작동하도록 형성될 수 있다.
여기서, 회전부(81)는 중심에서 사방으로 길이를 형성하는 복수의 이동홈(811a)이 마련되며, 상/하측으로 대칭되어 연결부(813)에 의해 연결되는 2개의 회전판체(811) 및 2개의 회전판체(811) 사이 중심에 구비되어 자기장 제어부(82)의 자기장 인가에 의해 복수의 이동홈(811a) 중 하나를 따라 이동하도록 형성되는 각도조절볼(812)을 포함할 수 있고, 연결부(813)는 자유롭게 높이 가변이 가능하도록 유동적으로 형성될 수 있다.
이러한 구조의 회전부(81)는 각도조절볼(812)이 2개의 회전판체(811) 중심에 위치할 때에는 상측 회전판체(811)가 균형을 이루지만, 자기장 인가에 따라 일측으로 이동할 시에는 편심되어 타측이 연결부(813)의 높이 하강과 함께 자유 낙하되어 슬러리컵(SC)의 각도가 조절될 수 있다. 이 상태로 각도조절볼(812)이 반력을 형성하도록 자기장을 인가하게 되면 이내 원주방향으로의 흐름이 막힌 각도조절볼(812)은 회전부(81) 전체를 회전시키는 힘을 발생시키고, 슬러리컵(SC)은 일측으로 기울어진 상태로 회전하면서 세척 및 냉각, 이형제 도포 등이 이루어질 수 있다.
도 9는 도 5의 각도회전조절부의 다른 예를 작동 예시와 함께 개략하여 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 다른 예로써의 각도회전조절부(90)는, 일측은 저경사부(91a)가 형성되고 타측은 고경사부(91b)가 형성되는 도넛형의 가이드판체(91) 및 가이드판체(91) 중심에 마련되는 회전체(92)를 포함할 수 있다. 여기서, 고경사부(91b)는 저경사부(91a)에 비해 높이가 높은 상태로 경사진 경사부이며, 저경사부(91a)는 고경사부(91b)에 비해 높이가 낮은 상태로 경사진 경사부로서, 슬러리컵(SC)은 회전체(92)와 가이드판체(91)를 아우르도록 안착되어 저경사부(91a) 방향으로 기울어지며, 회전체(92)에 의해 회전하므로 회전과 동시에 각도가 조절되는 것이다. 한편, 회전체(92)는 힌지나 플렉시블 조인트 등을 구비하여 슬러리컵의 각도 조절에 대해 유연성을 갖는 것이 바람직하다.
상기와 같은 각도회전조절부(80, 90)를 통해 슬러리컵은 일측으로 기울어진 상태로 회전하면서 세척 및 냉각, 이형제 도포 등을 수행하므로 슬러리컵 모서리부를 포함한 전체 표면에 대해 보다 고루 균일하게 세척 및 냉각, 이형제 도포 등이 이루어질 수 있는 것이다.
도 10은 슬러리컵 두께 결정부가 추가된 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 구성 블록도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는, 슬러리컵 두께 결정부(100)를 더 포함할 수 있다.
슬러리컵 두께 결정부(100)는 슬러리컵의 내부 이물질 제거와 냉각 수행 전 즉, 고압세척부(10)를 거치기 이전에 슬러리컵의 두께를 결정하는 곳으로, 슬러리컵은 일 면체로 이루어질 수 있으나, 슬러리컵의 두께 결정을 위해 한편으론 복수의 면체가 겹층을 이룰 수도 있다. 이때, 면체는 0.5mm 내지 1mm일 수 있으며, 이들 면체가 복수의 겹으로 겹쳐진 후, 고정되어 일 면체와 같은 두께를 이룰 수 있다. 즉, 0.5mm 내지 1mm의 두께의 면체를 복수의 겹으로 형성하여 2mm 내지 6mm의 슬러리컵으로 형성하는 것이다.
또한, 슬러리컵 두께 결정부(100)는, 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 주변의 온/습도를 포함한 주변환경요소를 자동으로 분석하여 적정 두께를 알림하고, 알림된 적정 두께에 따라 슬러리컵의 두께를 결정할 수도 있다. 즉, 작업자는 슬러리컵 두께 결정부(100)를 통해 주변의 온/습도 등의 주변환경요소 변화를 인지할 수 있고, 이에 따른 적정 두께를 알 수 있으며, 작업자의 경험을 적절히 반영하여 슬러리컵의 두께를 최종적으로 결정하여 사용할 수 있다.
이와 같은 슬러리컵 두께 결정부(100)는, 슬러리컵을 일 면체로 형성할 시에는 각 두께별로 구비하기 위해 여러 개를 마련해야 되나, 복수의 면체로 겹쳐 형성하면 필요에 따라 겹을 조절하여 두께를 조절하면 되므로, 비용적인 부분을 많이 줄일 수 있으며 특히, 시시각각 변하는 주변 환경에 대해 슬러리컵의 두께를 빠르고 쉽게 조절할 수 있어 환경 변화에 대한 대처가 용이한 장점을 나타낼 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는 상술한 구성 모두 즉, 고압세척부(10), 이형제 도포부(20), 예열부(30), 주입부(40) 및 전자교반부(50) 등이 모두 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있음은 당연하다.
도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치의 제어부 예시 사진이다.
도 11을 참조하면, 제어부는 슬러리 제조 전반에 이르는 전압, 전류, 공정시간, 온도 등의 변수를 모두 제어할 수 있으며, 보다 정밀하고 자동화로 진행되어 반응고 슬러리의 품질이 항시 일정하도록 할 수 있다.
구체적으로, 도 11의 (a)를 참조하면, 용탕의 냉각 시간이 제어될 수 있고, 슬러리 제조에 인가되는 전류가 제어될 수 있다. 또한, 이형제 도포 온도 및 슬러리 제조에 따른 온도를 설정하는 바에 따라 일정하게 유지시킬 수 있다.
또한, 도 11의 (b)를 참조하면, 슬러리 제조 시의 전압 및 전압 인가시간을 정밀하게 제어하면서 일정하게 유지시킬 수 있으며, 공정횟수를 계수할 수 있다. 즉, 전자교반부(50)의 전압, 전류, 교반시간 등의 공정변수는 제어부를 통해 용이하게 설정하고 조절할 수 있다.
본 발명은 전자교반부(50)의 공정변수를 용이하게 설정하고 조절하며 일정하게 유지시킴으로써, 전자기장 인가장치(55)의 슬러리 핵생성 촉진을 균일하게 할 수 있으며, 이로 인해 슬러리의 고품질 실현과 품질의 균일화를 달성할 수 있는 것이다.
또한, 도 11에는 도시되지 않았으나 예열 온도 등도 제어 가능하며, 상술한 슬러리 제조 변수 외에도 다양한 변수를 자동으로 맞추어 일정하게 유지시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치는, 고품질을 실현하기 위한 반응고 슬러리의 조직을 최적화 할 수 있는 변수들을 용이하게 설정할 수 있으며, 설정된 사항에 맞추어 항시 일정하게 유지시킬 수 있어, 반응고 슬러리의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 상술한 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치를 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 반응고 슬러리 제조방법의 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 반응고 슬러리 제조방법은, 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치를 이용하는 것으로서 모든 과정이 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치에서 설명한 바와 같은 순차와 조건으로 이루어질 수 있다.
즉, 반응고 슬러리 제조방법은, 고압의 에어 블로우를 이용해 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 단계(S10), 내부 이물질 제거와 냉각이 진행된 슬러리컵의 내부로 이형제를 도포하는 단계(S20), 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 단계(S30), 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 단계(S40) 및 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
또한, 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 단계(S30)에서 슬러리컵을 60 내지 120℃의 온도로 예열할 수 있으며, 슬러리컵은 2mm 내지 6mm의 슬러리컵을 사용할 수 있고, 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 단계(S40)에서 S40용탕을 610 내지 650℃의 온도에서 주입할 수 있으며, 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 단계(S50)에서 10 내지 30초 동안 전자 교반을 수행할 수 있다.
또한, 고압의 에어 블로우를 이용해 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 단계(S10) 전에는 슬러리컵 두께 결정부(100)를 이용하여 슬러리컵의 두께를 결정하는 단계를 거칠 수 있다.
이와 같은 반응고 슬러리 제조방법에 대한 각 과정과 임계적 의의에 대한 설명은 앞서 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치에서 모두 서술하였으므로, 이하 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
한편, 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치에서는 설명하지 않았으나, 용탕에는 용탕 전체 100 중량% 대비, 알루미늄(Al) 4 내지 6 중량%, 티타늄(Ti) 0.5 내지 1.5 중량% 및 붕소(B) 0.005 내지 0.015%의 개량첨가제가 첨가될 수도 있다.
개량첨가제의 첨가로 인한 반응고 슬러리는 개량첨가제 미 첨가 대비 입자크기는 작아지고, 입자 밀도, 구상화, 연속성이 향상되어 기계적 성질에 유리한 금속조직을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치 및 제조방법을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 하기 실험예를 제시하나, 하기 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실험 예 1] 반응고 슬러리 고품질을 위한 최적조건 도출
반응고 슬러리 제조 시에 최적조건 도출을 위한 슬러리 제작 테스트를 진행하였다. 슬러리 제작 테스트는 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도, EMS 교반시간, 슬러리컵 예열 온도, 슬러리컵 두께에 대한 조건을 다양하게 변경하면서 각 조건에 따른 반응고 슬러리의 품질을 분석하였다.
슬러리컵에 대한 용탕 주입온도는 600℃ 내지 670℃에서 조정되었고, EMS 교반시간은 5초 내지 40초에서 조정되었으며, 슬러리컵 예열 온도는 60 내지 120℃이내와 이외로 조정되었고, 슬러리컵 두께는 2mm와 7mm로 설정되었다.
또한, 반응고 슬러리의 품질 분석은 외관검사 및 내부결함 검사를 통한 슬러리 성형성 검사, 열화상 카메라를 통한 온도분포 분석, 구상화율, 조직 크기, 기포함유량을 통한 미세조직 관찰을 진행하였고, 외관검사의 경우 육안으로 검사하였으며, 내부결함 검사는 X-Ray로 검사하였다.
그 결과는, 도 13 내지 도 26에 도시하였다.
1. 외관검사
도 13의 (a) 및 (b)는 반응고 슬러리의 외관 검사 예시 사진이며, 도 14는 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도 변화에 따른 외관 검사의 결과 그래프이고, 도 15는 EMS 교반시간 변화에 따른 외관 검사의 결과 그래프이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도가 600℃ 내지 609℃에서는 불량율이 19%, 610℃ 내지 650℃에서는 불량율이 11%, 651℃ 내지 670℃에서는 불량율이 19%인 것을 볼 수 있다.
또한, EMS 교반시간은 5초 내지 9초에서 불량율이 15%, 10초 내지 30초에서 불량율이 6%, 31초 내지 40초에서 11%를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 반응고 슬러리에 대한 외관은 610℃ 내지 650℃의 온도에서 10초 내지 30초간 전자 교반(EMS 교반)을 수행하였을 때 가장 적정한 것을 확인할 수 있다.
2. 내부결함 검사
도 16은 반응고 슬러리 부위별에 따른 X-ray 결과 사진이며, 도 17은 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도 변화에 따른 내부 결함 상태에 대한 결과 그래프이고, 도 18은 EMS 교반시간 변화에 따른 내부 결함 상태에 대한 결과 그래프이다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도가 600℃ 내지 609℃에서는 12%의 결함 발생율이, 610℃ 내지 650℃에서는 결함 발생율이 7%, 651℃ 내지 670℃에서는 결함 발생율이 26%인 것을 볼 수 있다.
또한, EMS 교반시간은 5초 내지 9초에서 불량율이 22%, 10초 내지 30초에서 불량율이 11%, 31초 내지 40초에서 15%를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 반응고 슬러리에 대한 내부 결함은 610℃ 내지 650℃의 온도에서 10초 내지 30초간 전자 교반(EMS 교반)을 수행하였을 때 가장 적정한 것을 확인할 수 있다.
3. 온도분포 분석
도 19는 열화상 카메라를 이용한 반응고 슬러리 부위별에 따른 온도 분포 분석 결과 사진이며, 도 20은 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도 변화에 따른 온도편차율 그래프이고, 도 21은 EMS 교반시간 변화에 따른 온도편차율 그래프이다.
도 19 내지 도 21을 참조하면, 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도가 600℃ 내지 609℃에서는 28%의 편차율이, 610℃ 내지 650℃에서는 편차율이 19%, 651℃ 내지 670℃에서는 편차율이 33%인 것을 볼 수 있다.
또한, EMS 교반시간은 5초 내지 9초에서 편차율이 44%, 10초 내지 30초에서 편차율이 18%, 31초 내지 40초에서 편차율이 30%를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 반응고 슬러리에 대한 온도 분포는 610℃ 내지 650℃의 온도에서 10초 내지 30초간 전자 교반(EMS 교반)을 수행하였을 때 가장 적정한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 22의 (a) 및 (b)는 열화상 카메라를 이용한 슬러리컵 예열온도에 따른 반응고 슬러리 온도 분포 분석 결과 사진 및 온도 분포 그래프이다.
도 22를 참조하면, 슬러리컵 예열온도가 60 내지 120℃ 이외로 예열될 경우 반응고 슬러리 중앙부에 온도산포가 발생하는 것을 볼 수 있는 반면에, 60 내지 120℃ 이내로 예열될 경우 반응고 슬러리 중앙부의 온도산포가 개선된 것을 확인할 수 있다.
따라서, 슬러리컵의 예열온도는 60 내지 120℃의 온도에서 가장 적정한 것을 확인할 수 있다.
도 23의 (a) 및 (b)는 열화상 카메라를 이용한 반응고 슬러리컵 두께에 따른 온도 분포 분석 결과 사진이다.
도 23을 참조하면, 반응고 슬러리컵의 두께가 7mm일 경우, 80초 후에 온도가 너무 빠르게 낮아지고 쉘이 발생하여 사출이 불가한 것을 볼 수 있는 반면에, 반응고 슬러리컵 두께가 2mm일 경우, 80초 후에 온도가 빠르게 낮아지지 않고 벽면에서의 온도구배가 적어 슬러리 성형에 적합한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나 6mm까지는 모두 벽면에서의 온도구배가 적어 슬러리 성형에 적합성을 보였으므로, 슬러리컵의 두께는 2mm 내지 6mm가 적합한 것을 확인할 수 있었다.
4. 미세조직 검사
도 24는 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도에 따른 미세조직 분석 결과 사진이며, 도 25는 EMS 교반시간에 따른 미세조직 분석 결과 사진이다. 또한, 표 1은 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도에 따른 미세조직 분석 결과 요약표이며, 표 2는 EMS 교반시간에 따른 미세조직 분석 결과 요약표이다.
구분 605℃ 630℃ 660℃
조직 크기 좋음 좋음 나쁨
구상화 및 균일도 좋음 좋음 나쁨
기포발생율 나쁨 양호 좋음
요약 조직은 균일하지만 슬러리 내 기포 다량 존재 조직 구상화가 잘 이루어졌고, 초정균일도가 우수 조직이 균일하지 못하고 수지상 존재
구분 7초 20초 35초
조직 크기 양호 좋음 좋음
구상화 및 균일도 나쁨 좋음 좋음
기포발생율 나쁨 좋음 좋음
요약 조직 불균형 심함
(수지상 존재)		 조직이 균일함 조직이 균일함
도 24 및 도 25와, 표 1 및 표 2를 참조하면, 슬러리컵에 대한 용탕 주입온도가 605℃에서는 조직은 균일하지만 슬러리 내 기포가 다량 존재하였고, 630℃에서는 조직 구상화가 잘 이루어졌고 초정균일도가 우수하며, 660℃에서는 조직이 균일하지 못하고 수지상 존재한 것을 확인할 수 있다.
또한, EMS 교반시간은 7초에서에서는 조직 불균형이 심하였으며, 20초와, 35초에서 모두 조직은 균일함을 보였다. 다만, 35초는 20초와 대비해 효과의 차이가 없으므로, 시간과 비용만 증대되는 것으로 판단되어 부적절함으로 판단하였다.
이와 같은 결과는, 상기 한정된 조건들 외에도 상기 한정된 조건이 속한 범위 즉, 600℃ 내지 609℃, 610℃ 내지 650℃, 651℃ 내지 670℃외의 주입온도 조건 범위와 5초 내지 9초, 10초 내지 30초, 31초 내지 40초의 EMS 교반시간 내에서는 모두 유사한 결과로 나타났다.
따라서, 반응고 슬러리에 대한 미세조직 결과는 610℃ 내지 650℃의 온도에서 10초 내지 30초간 전자 교반(EMS 교반)을 수행하였을 때 가장 적정한 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 실험 예를 통한 결과들을 종합적으로 살펴보았을 때, 반응고 슬러리는 610℃ 내지 650℃의 온도에서 10초 내지 30초간 전자 교반(EMS 교반)을 수행하였을 때 가장 품질이 우수한 것을 확인할 수 있다.
[실험 예 2] 개량처리에 따른 제조 조건별 미세조직 변화 관찰
본 발명의 실시 예에 따른 개량첨가제(알루미늄, 티타늄 및 붕소의 혼합물)의 용탕 첨가에 따른 반응고 슬러리의 결과를 살펴보기 위해, 용탕 100 중량%에 대하여 알루미늄(Al) 4 내지 6 중량%, 티타늄(Ti) 0.5 내지 1.5 중량% 및 붕소(B) 0.005 내지 0.015%을 첨가 후, 슬러리 조직 결과를 관찰하였다. 그 결과는 도 26과 같다.
도 26은 개량첨가제 처리에 따른 반응고 슬러리 조직 성질 변화를 나타낸 그래프이다.
도 26을 참조하면, 용탕 100 중량%에 대하여 알루미늄(Al) 4 내지 6 중량%, 티타늄(Ti) 0.5 내지 1.5 중량% 및 붕소(B) 0.005 내지 0.015%의 개량첨가제(그래프에는 개량처리제 기재)를 첨가 후 반응고 슬러리를 제조하였을 때에는 개량첨가제 미 첨가 대비 입자크기는 작아지고, 입자 밀도, 구상화, 연속성이 향상되어 기계적 성질에 유리한 금속조직을 나타냄을 확인할 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
10 : 고압세척부
20 : 이형제 도포부
30 : 예열부
40 : 주입부
50 : 전자교반부
55 : 전자기장 인가장치
60 : 슬러리컵 고정 수단
70 : 플런저
72 : 피스톤 로드
74 : 구동부
80 : 각도회전조절부
81 : 회전부
811 : 회전판체
811a : 이동홈
812 : 각도조절볼
813 : 연결부
82 : 자기장 제어부
90 : 각도회전조절부
91 : 가이드판체
91a : 저경사부
91b : 고경사부
92 : 회전체
100 : 슬러리컵 두께 결정부
SC : 슬러리컵

Claims (8)

  1. 슬러리컵을 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 장치에 있어서,
    고압의 에어 블로우를 이용하여 상기 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 고압세척부;
    상기 고압세척부로부터 내부 이물질 제거와 냉각이 진행된 슬러리컵의 내부로 이형제를 도포하는 이형제 도포부;
    상기 이형제 도포부로부터 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 예열부;
    상기 예열부로부터 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 주입부 및
    상기 주입부로부터 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 전자교반부를 포함하며,
    슬러리컵을 거치 또는 삽입할 수 있는 슬러리컵 고정 수단 및
    슬러리컵 고정 수단 하단에 구비되며, 피스톤 로드에 의해 구동부와 연결되어 상기 슬러리컵 고정 수단에 거치 또는 삽입된 슬러리컵을 승강 시킬 수 있는 플런저를 더 포함하고,
    상기 슬러리컵 고정 수단 및 플런저는,
    상기 고압세척부, 이형제 도포부, 예열부, 주입부 및 전자교반부 중 하나 이상에 마련되되,
    상기 슬러리컵 고정 수단 하단에 구비되어 슬러리컵의 각도를 조정 후 회전시키도록 구성되는 각도회전조절부 더 포함하는 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도회전조절부는,
    복수의 이동홈이 마련되며, 상/하측으로 대칭되어 연결부에 의해 연결되는 2개의 회전판체 및
    2개의 회전판체 사이 중심에 구비되어 자기장 제어부의 자기장 인가에 의해 상기 복수의 이동홈 중 하나를 따라 이동하도록 형성되는 각도조절볼을 포함하며,
    상기 연결부는 자유롭게 높이 가변이 가능하도록 유동적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도회전조절부는,
    일측은 저경사부가 형성되고 타측은 고경사부가 형성되는 도넛형의 가이드판체 및
    상기 가이드판체 중심에 마련되어 슬러리컵을 회전시키는 회전체를 포함하는 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치.
  6. 슬러리컵을 이용하여 반응고 슬러리를 제조하는 장치에 있어서,
    고압의 에어 블로우를 이용하여 상기 슬러리컵의 내부 이물질을 제거와 냉각을 동시에 수행하는 고압세척부;
    상기 고압세척부로부터 내부 이물질 제거와 냉각이 진행된 슬러리컵의 내부로 이형제를 도포하는 이형제 도포부;
    상기 이형제 도포부로부터 이형제가 도포된 슬러리컵을 예열하는 예열부;
    상기 예열부로부터 예열된 슬러리컵 내부로 용탕을 주입하는 주입부 및
    상기 주입부로부터 용탕이 주입되는 슬러리컵을 전자 교반하는 전자교반부를 포함하되,
    상기 슬러리컵의 내부 이물질 제거와 냉각 수행 전에 슬러리컵의 두께를 결정하는 슬러리컵 두께 결정부를 더 포함하며,
    상기 슬러리컵 두께 결정부는,
    얇은 두께의 슬러리컵 면체를 복수의 겹으로 겹쳐 슬러리컵의 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자교반부는,
    설정된 변수에 맞추어 자동 제어가 가능한 제어부에 의해 전압, 전류, 교반시간을 포함하는 공정변수를 설정 또는 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 최적화된 공정변수를 이용한 고품질 반응고 슬러리 제조장치.
  8. 삭제
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