KR102171772B1 - 노즐 및 금속 소재 제조장치 - Google Patents

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KR102171772B1 KR1020180158320A KR20180158320A KR102171772B1 KR 102171772 B1 KR102171772 B1 KR 102171772B1 KR 1020180158320 A KR1020180158320 A KR 1020180158320A KR 20180158320 A KR20180158320 A KR 20180158320A KR 102171772 B1 KR102171772 B1 KR 102171772B1
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Abstract

본 발명은 노즐 및 금속 소재 제조 장치에 관한 것으로서, 회전하는 냉각롤에 공급되는 용융물을 냉각시켜 금속 소재를 제조하는 금속 소재 장치로서, 상기 냉각롤의 상부에 상기 냉각롤이 연장되는 방향을 따라 연장되도록 구비되는 노즐 몸체와, 상기 냉각롤에 용융물을 공급하도록 상기 노즐 몸체를 관통하며 상기 노즐 몸체가 연장되는 방향을 따라 형성되는 내공부를 포함하는 노즐을 포함하고, 상기 내공부는 상기 내공부의 길이 방향에 대해서 적어도 일부는 서로 다른 폭을 갖도록 형성되며, 금속 소재의 폭 방향으로 두께 편차가 발생하는 것을 억제하고, 전체적으로 두께가 균일한 금속 소재를 제조할 수 있어, 금속 소재의 품질 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

노즐 및 금속 소재 제조장치{Nozzle and manufacturing apparatus for metal material}
본 발명은 노즐 및 금속 소재 제조장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 균일한 두께의 금속 소재를 제조할 수 있는 노즐 및 금속 소재 제조장치에 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)가 없고, 전위(dislocation) 등과 같은 결정결함(crystalline imperfection)이 존재하지 않는다. 또한, 비정질 금속은 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 소재, 예컨대 금속 소재로 제조하는 방법이다. 이와 같은 방법으로 금속 소재를 제조는 경우, 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 한다. 공기의 유동에 의해 퍼들의 거동이 불안정해지면 퍼들에 진동이 발생하여 냉각롤에 부착되는 용융물의 양에 편차가 발생하고, 이에 따라 금속 소재의 두께 편차가 크게 발생하여 품질이 저하되는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 주조 중 퍼들의 거동을 제어하는 방법이 다양하게 제시되고 있다. 이에 따라 금속 소재의 길이 방향으로 두께 편차는 많이 저감되었다. 그러나 금속 소재의 폭 방향 두께 편차는 여전히 크게 발생하는 문제가 있다.
KR 1525189 B KR 2013-0077484 A
본 발명은 균일한 두께를 갖는 금속 소재를 제조할 수 있는 노즐 및 금속 소재 제조장치를 방법을 제공한다.
본 발명은 제품의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 노즐 및 금속 소재 제조장치를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 노즐은, 일방향으로 연장되는 노즐 몸체; 및 상기 노즐 몸체가 연장되는 방향을 따라 연장되도록 상기 노즐 몸체를 관통하며 형성되는 내공부;를 포함하고, 상기 내공부는 상기 내공부가 연장되는 길이 방향에 대해서 적어도 일부는 서로 다른 폭을 가질 수 있다.
상기 내공부의 길이 방향의 중간에서 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 내공부의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 노즐 몸체는 내화물을 포함하고, 상기 내공부의 가장자리와 상기 내공부의 중간 사이의 적어도 일부에서, 상기 내공부는 상기 가장자리에서 내공부의 폭보다 상기 내화물의 열팽창으로 증가하는 길이 이상 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 상기 내공부의 중간으로 갈수록 점차적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 금속 소재 제조장치는, 회전하는 냉각롤에 공급되는 용융물을 냉각시켜 금속 소재를 제조하는 금속 소재 장치로서, 상기 냉각롤의 상부에 상기 냉각롤이 연장되는 방향을 따라 연장되도록 구비되는 노즐 몸체와, 상기 냉각롤에 용융물을 공급하도록 상기 노즐 몸체를 관통하며 상기 노즐 몸체가 연장되는 방향을 따라 형성되는 내공부를 포함하는 노즐을 포함하고, 상기 내공부는 상기 내공부의 길이 방향에 대해서 적어도 일부는 서로 다른 폭을 가질 수 있다.
상기 내공부는 길이와 폭을 갖는 슬릿 형상으로 형성되고, 상기 내공부의 길이는 상기 내공부의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 내공부의 길이 방향으로 중간에서 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 내공부의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 노즐은 내화물을 포함하고, 상기 용융물의 온도에서, 상기 내공부의 가장자리와 상기 내공부의 중간 사이의 적어도 일부에서 상기 내공부는, 상기 내공부의 가장자리에서 폭보다 상기 내화물의 열팽창으로 증가하는 길이 이상 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 내공부는 상기 내공부의 길이 방향으로 상기 내공부의 중간에서 가장 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 상기 내공부의 중간으로 갈수록 점차적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
상기 내공부의 가장자리에서 내공부의 폭을 1이라 할 때, 상기 내공부의 길이 방향으로 중간에서 내공부의 폭은 1.2 내지 1.4배로 형성될 수 있다.
상기 노즐 몸체는 내부에 상기 내공부를 형성하도록 상기 냉각롤의 길이 방향으로 배치되고 서로 마주보는 장변과, 상기 장변의 양쪽 단부에 배치되고 서로 마주보는 단변을 포함하고, 상기 장변은 내면의 적어도 일부에 상기 장변의 외측으로 함몰되는 오목홈을 포함할 수 있다.
상기 노즐 몸체는 내부에 상기 내공부를 형성하도록 상기 냉각롤의 길이 방향으로 배치되고 서로 마주보는 장변과, 상기 장변의 양쪽 단부에 배치되고 서로 마주보는 단변을 포함하고, 상기 장변은 내면에 상기 장변의 외측을 향하는 경사면을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 금속 소재의 두께를 균일하게 형성할 수 있다. 특히, 금속 소재의 폭 방향 두께를 균일하게 형성할 수 있다. 즉, 노즐의 내공부 형상을 변경하여 주조 중 발생하는 노즐 몸체의 열팽창에 의해 노즐의 내공부 폭이 감소하는 현상을 억제함으로써 냉각롤의 길이 방향으로 용융물을 균일하게 공급하도록 할 수 있다. 따라서 금속 소재의 폭 방향으로 두께 편차가 발생하는 것을 억제하고, 전체적으로 두께가 균일한 금속 소재를 제조할 수 있어, 금속 소재의 품질 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 내공부의 폭 변화로 인해 노즐을 교체할 필요가 없기 때문에 노즐의 사용 수명을 연장하여, 노즐 교체 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 금속 소재 제조 장치의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 금속 소재 제조 장치의 요부 구조를 확대하여 보여주는 도면.
도 3은 일반적인 금속 소재 제조 장치에 적용되는 노즐의 내공부 형상을 보여주기 위한 노즐의 저면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 장치에 적용되는 노즐의 저면도.
도 5는 내공부의 변형 예를 보여주는 노즐의 저면도.
도 6은 노즐 내공부의 길이 방향으로 중간에서 내공부의 폭에 따른 금속 소재의 폭 방향 두께 편차를 보여주는 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명을 설명하기 앞서 일반적인 금속 소재 제조 장치에 대해서 설명한다. 금속 소재 제조 장치는 용융물이 결정질을 형성하기 전에 급속하게 냉각시켜 유리질과 같은 상태로 응고되는 비정질 제품을 제조하기 위한 것이다. 이러한 금속 소재 제조 장치로 제조된 비정질 제품은 15 내지 40㎛ 정도의 두께와, 30 내지 250mm 정도의 폭을 갖도록 제조되는 리본, 스트립 등과 같은 금속 소재를 포함할 수 있다.
도 1은 일반적인 금속 소재 제조 장치의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 금속 소재 제조 장치의 요부 구조를 확대하여 보여주는 도면이고, 도 3은 일반적인 금속 소재 제조 장치에 적용되는 노즐의 내공부 형상을 보여주기 위한 노즐의 저면도이다.
도 1을 참조하면, 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 용융물을 응고시켜 금속 소재를 제조할 수 있도록 노즐(110)의 하부에 이격되어 구비되는 냉각롤(120)을 포함할 수 있다. 여기에서 용융물은 용강을 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, 도 2 참조)가 형성될 수 있다.
냉각롤(120)은 용기(100)의 하부에 용기(100)와 이격되도록 구비될 수 있다. 냉각롤(120)은 일방향으로 연장되는 원통형으로 형성될 수 있다. 이때, 냉각롤(120)은 적어도 제조하고자 하는 금속 소재의 폭보다 큰 길이를 가질 수 있다. 냉각롤(120)은 그 외주면에 용융물이 공급될 수 있도록 외주면이 용기(100)를 향하고, 노즐(110)과 나란하게 배치될 수 있다. 이하에서는 냉각롤(120)에서 냉각롤(120)이 연장되는 방향을 냉각롤(120)의 길이 방향이라 한다. 그리고 냉각롤(120)이 연장되는 방향, 즉 냉각롤(120)의 길이 방향에 교차하는 방향에서 냉각롤(120)의 회전 방향은 냉각롤(120)의 회전 방향에 대해서 전방이라 하고, 그 반대 방향은 후방이라 한다.
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 용융물은 회전하는 냉각롤(120)의 표면에 부착되어 급속 냉각됨으로써 리본이나 스트립 등과 같은 얇은 두께의 금속 소재로 제조될 수 있다.
노즐(110)은 용기(100)의 하부, 즉 저면에 구비되는 노즐 몸체(112)와, 노즐 몸체(112)에 용기(100)의 배출구(102)와 연통되도록 형성되는 내공부(114)를 포함할 수 있다.
노즐 몸체(112)는 냉각롤(120)이 연장되는 방향, 즉 냉각롤(120)의 길이 방향을 따라 연장되도록 구비될 수 있다. 노즐 몸체(112)는 냉각롤(120)과 이격되도록 용기(100)의 하부에 연결되어, 노즐 몸체(112)와 냉각롤(120)과의 사이에 용융물이 배출될 수 있는 공간을 형성할 수 있다. 그리고 내공부(114)는 노즐 몸체(112)를 관통하며, 노즐 몸체(112)가 연장되는 방향을 따라 형성될 수 있다. 내공부(114)는 길이, 폭 및 높이를 갖는 슬릿 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 내공부(114)의 길이는 제조하고자 하는 금속 소재의 폭과 유사하거나 동일한 크기로 형성될 수 있다. 그리고 내공부(114)의 폭은 내공부(114)의 길이보다 매우 작게 형성될 수 있고, 제조하고자 하는 금속 소재의 두께에 따라 변경될 수 있다. 이러한 내공부(114)는 냉각롤(120)에 냉각롤(120)의 길이 방향으로 용융물을 공급할 수 있도록 냉각롤(120)과 나란하게 배치될 수 있다. 이하에서는 내공부(114)에서 냉각롤(120)의 길이 방향 또는 금속 소재의 폭 방향에 대응하는 방향은 내공부(114)의 길이 방향이라 하고, 냉각롤(120)의 회전 방향 또는 금속 소재의 길이 방향에 대응하는 방향은 내공부(114)의 폭 방향이라 한다. 이러한 구성을 통해 노즐(110)은 노즐 몸체(112)와 냉각롤(120) 사이에 형성되는 공간에 용융물을 공급할 수 있다.
냉각롤(120)에 공급된 용융물은 계면 장력에 의해 용융물 풀, 일명 퍼들(puddle)을 형성할 수 있다. 퍼들은 용융물의 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 결정된다. 이때, 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이의 간격이 매우 작기 때문에, 퍼들의 거동 안정성과 퍼들의 길이는 용융물과 공기의 계면 장력에 의해 결정될 수 있다. 퍼들은 노즐(110)과 냉각롤(120) 사이에서 내공부(112)를 기준으로 냉각롤(120)의 회전방향의 전방 및 후방으로 일정 길이를 갖도록 형성되어야, 리본이나 스트립 등과 같은 금속 소재를 안정적으로 제조할 수 있다.
한편, 금속 소재의 두께는 퍼들의 유동에 영향을 받게 된다. 이에 금속 소재의 두께를 균일하게 형성하기 위하여 퍼들의 유동을 제어하는 방법은 다양하게 제시되어 있다. 이와 같이 금속 소재의 두께를 균일하게 형성하기 위해서 퍼들의 유동을 제어함에도 불구하고, 금속 소재의 폭 방향으로 두께 편차는 여전히 발생하고 있다. 이러한 현상은 다양한 이유로 발생할 수 있으며, 그 중 하나의 이유로 금속 소재를 제조 시 고온의 용강과 지속적인 접촉으로 인한 노즐(110)의 열변형을 들 수 있다.
노즐(110)은 고온 강도를 가지며, 용융물과의 젖음성이 낮은 SiAlON, BN, ZrO2, MgO 등과 같은 내화물로 형성된다. 노즐(110)은 고온 강도가 좋은 내화물을 이용하여 형성되기는 하지만, 고온의 용강에 접촉하면 열변형, 예컨대 열팽창되는 현상이 발생하게 된다.
또한, 금속 소재는 15 내지 40㎛ 정도의 두께와, 30 내지 250mm 정도의 폭을 갖도록 제조되는데, 냉각롤(120)의 길이 방향으로 용융물을 공급하기 위해 노즐(110)의 내공부(114)는 금속 소재의 폭과 유사한 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 그리고 내공부(114)의 폭은 금속 소재의 두께보다 큰 폭, 예컨대 300 내지 700㎛ 정도의 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이 내공부(114)는 폭에 비해 길이가 매우 길게 형성될 수 있다.
이러한 이유로 노즐(110)이 열변형되면 내공부(114)의 가장자리 영역에서는 노즐 몸체(112)에 의해 지지되어 내공부(114)의 폭 변화량이 크지 않다. 그러나 내공부(114)의 중간으로 갈수록 내공부(114)의 폭 변화량이 증가하게 된다.
도 3의 (a)는 금속 소재를 제조하기 이전의 노즐(110)의 상태를 보여주고 있으며, 도 3의 (b)는 노즐(110)을 통해 용융물을 공급한 이후, 즉 금속 소재 제조 중 또는 제조 후 노즐(110)의 상태를 보여주고 있다. 이하에서는 내공부(114)의 길이 방향으로 가장자리에서 내공부의 폭을 가장자리 폭이라 하고, 내공부(114)의 길이 방향으로 중간에서 내공부의 폭을 중간 폭이라 한다. 이때, 내공부(114)의 중간이란 내공부(114)의 양쪽 가장자리에서 동일한 거리에 위치하는 지점, 즉 내공부(114)의 길이 방향으로 가운데를 의미할 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 내공부(114)는 가장자리 폭(WS0)과 중간 폭(WCO)이 동일한 크기를 갖도록 제조될 수 있다(WCO=WS0). 그런데 금속 소재를 제조하는 과정에서 노즐 몸체(112)가 고온의 용융물과 접촉하면 용융물에 의해 가열될 수 있다. 이에 노즐 몸체(112)가 열팽창하게 되고, 이로 인해 내공부(114)의 폭이 감소하게 된다. 이때, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 내공부(114)의 폭은 내공부(114)의 길이 방향을 따라 전체적으로 감소하게 된다. 특히, 내공부(114)의 길이 방향에서 가장자리에서 중간으로 갈수록 폭 감소량이 증가하여, 중간 폭(WC1)이 가장자리 폭(WS1)보다 훨씬 많이 감소하게 된다(WC1<WS1). 그리고 주조 후 내공부(114)의 가장자리 폭(WS1)은 주조 이전의 가장자리 폭(WS0)과 유사한 크기를 가질 수 있다(WS0≒WS1).
이렇게 내공부(114)의 폭이 감소하게 되면, 내공부(114)를 통해 배출되는 용융물의 양이 감소하게 된다. 특히, 내공부(114)의 폭이 가장 많이 감소한 내공부(114)의 중간에서 배출되는 용융물의 양이 가장 많이 감소하게 된다. 이에 따라 내공부(114)의 가장자리영역과 내공부(114)의 중간영역에서 배출되는 용융물의 양에 차이가 발생하게 된다. 이는 금속 소재의 폭 방향 두께에 영향을 주게 되고, 이에 제조된 금속 소재는 폭 방향으로 두께 편차를 갖게 된다.
이에 본 발명의 실시 예에서는 내공부의 형상을 변경하여 주조 중 노즐이 열변형되더라도 내공부의 길이 방향으로 용융물을 균일하게 배출시킬 수 있도록 하였다. 특히, 주조 중 열변형이 가장 많이 발생하는 내공부의 중간 폭을 내공부의 가장자리 폭보다 크게 형성함으로써 내공부의 폭이 감소한 만큼 보상해줄 수 있다. 따라서 금속 소재의 폭 방향으로 두께 편차를 저감시켜 두께가 균일한 금속 소재를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 장치에 적용되는 노즐의 저면도이고, 도 5는 내공부의 변형 예를 보여주는 노즐의 저면도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 장치는, 냉각롤(120)의 상부에 구비되는 노즐 몸체(202)와, 냉각롤(120)의 길이방향을 따라 용융물을 공급하도록 노즐 몸체(202)를 관통하며 형성되는 내공부(204)를 포함하는 노즐(200)을 포함하고, 내공부(204)는 내공부(204)의 길이 방향에 대해서 적어도 일부는 서로 다른 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 특히, 내공부(204)는 냉각롤(120)의 길이 방향에 대해서 내공부의 가장자리에서 내공부의 폭, 예컨대 가장자리 폭(WS0)보다 큰 내공부(204)의 중간에서 내공부의 폭, 예컨대 중간 폭(WC2)을 갖도록 형성될 수 있다(WS0<WC0).
노즐 몸체(202)는 냉각롤(120)의 길이 방향으로 배치되고 서로 마주보는 한 쌍의 장변과, 장변의 양쪽 단부에 장변과 교차하는 방향으로 배치되고 서로 마주보는 한 쌍의 단변을 포함할 수 있다. 이때, 장변과 단변은 서로 분할되어 형성될 수도 있고, 서로 연결된 하나의 구조체로 형성될 수도 있다. 이러한 구성을 통해 노즐 몸체(202)에는 냉각롤(120)의 길이 방향으로 연장되는 내공부(204)가 형성될 수 있다.
노즐 몸체(202)는 SiAlON, ZrO2 및 MgO 중 적어도 어느 하나의 내화물을 포함하여 제조될 수 있다. 이러한 내화물은 각각 서로 다른 열팽창 계수를 가질 수 있고, 열팽창 계수에 대응하는 열팽창량을 가질 수 있다. 예컨대 BN의 경우, 결정상에 따라서 0.6×10-6/K 내지 3.5×10-6/K 의 열팽창 계수를 가질 수 있다. BN의 열팽창 계수가 3.5×10-6/K인 경우, 용융물의 온도가 1400℃일 때 0.0049% 정도의 열팽창량을 나타낼 수 있다. 다시 말해서, 금속 소재의 주조가 이루어지는 동안 냉각롤(120)에 용융물을 공급하기 위한 노즐(200)은 고온의 용융물에 의해 가열되면서 열팽창이 일어나게 된다. 이때, 용융물과 직접 접촉하는 노즐 몸체(202)의 내측, 즉 내공부(204) 측과 용융물과 직접 접촉하지 않는 노즐 몸체(202)의 외측은 온도 차이가 발생하기 때문에 노즐 몸체(202)의 내측과 외측의 열팽창량은 서로 다를 수 있다. 여기에서 언급하는 열팽창량은 용융물과 직접 접촉하는 노즐 몸체(202)의 내측에서의 열팽창량을 의미할 수 있다.
주조가 시작되면 내공부(204)를 통해 용융물이 이동하면서 노즐 몸체(202)가 가열되고, 이로 인해 노즐 몸체(202)는 열팽창하게 된다. 이에 노즐 몸체(202)의 내부에 형성된 내공부(204)의 폭은 적어도 노즐 몸체(202)를 형성하는 내화물의 열팽창 계수에 따라 정해지는 열팽창량에 대응하는 정도로 감소할 수 있다. 다시 말해서 내공부(204)의 폭은 노즐 몸체(202)가 열팽창으로 늘어난 길이 정도로 감소할 수 있다. 이때, 내공부(204)의 길이 방향을 형성하는 노즐 몸체(202)의 장변은 한 쌍으로 이루어지기 때문에 실질적으로 내공부(204)의 폭이 감소하는 양은 노즐 몸체(202)가 열팽창으로 늘어난 길이의 2배 정도일 수 있다.
따라서 내공부(204)는 내공부(204)의 가장자리와 내공부(204)의 중간 사이의 적어도 일부에서 가장자리 폭(WS0)보다 용융물의 온도에서 내화물의 열팽창 계수에 따라 정해지는 열팽창량에 따라 늘어나는 길이의 2배 정도 또는 이상 큰 중간 폭(WC2)을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 내공부(204)의 폭은 내공부(204)의 길이 방향으로 동일한 크기로 변화하지 않고, 내공부(204)의 길이 방향으로 내공부(204)의 가장자리에서 중간으로 갈수록 변화량이 증가하게 된다. 이때, 내공부(204)의 가장자리는 노즐 몸체(202)에 의해 지지되기 때문에, 내공부(204)의 가장자리 폭은 내화물의 열팽창량 정도로 감소하게 된다. 그러나 내공부(204)의 가장자리에서 멀어질수록, 즉 내공부(204)의 중간으로 갈수록 내공부(204)의 폭 감소량은 점차적으로 증가하게 되고, 대체로 내공부(204)의 중간 폭이 가장 많이 감소하게 된다.
이에 내공부(204)는 내공부(204)의 길이 방향으로 내공부(204)의 중간에서 가장 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대 내공부(204)의 중간 폭(WC2)은 내공부(204)의 가장자리 폭(WS0)을 1이라 할 때, 1.2 내지 1.4배 이하가 되도록 형성할 수 있다. 이는 노즐 몸체(202)를 형성하는 내화물의 종류에 따라 변경될 수 있다. 내공부(204)의 중간 폭(WC2)이 지나치게 작은 경우에는 노즐 몸체(202)의 열팽창에 의한 내공부(204)의 중간 폭의 감소량을 보상하기 어려운 문제가 있다. 이에 제조된 금속 소재는 폭 방향으로 중간영역의 두께가 가장자리영역의 두께보다 얇게 형성되어 폭 방향으로 큰 두께 편차를 가질 수 있다. 반면, 내공부(204)의 중간 폭(WC2)이 지나치게 큰 경우에는 노즐 몸체(202)가 열팽창되서 내공부(204)의 중간 폭이 감소하더라도 내공부(204)의 가장자리 폭보다 지나치게 큰 폭을 가질 수 있다. 이에 제조된 금속 소재는 폭방향으로 중간 영역의 두께가 가장자리영역의 두께보다 두껍게 형성되어 폭 방향으로 큰 두께 편차를 가질 수 있다. 또한, 내공부(204)의 중간영역을 통해 다량의 용융물이 배출되면서 퍼들의 유동에 영향을 미쳐 금속 소재의 두께 편차를 발생시킬 수 있다.
도 4의 (b)는 주조 중 또는 주조 후 내공부(204)의 폭 변화를 보여주는 도면이다. 고온의 용융물에 의해 노즐 몸체(202)가 열팽창하면, 내공부(204)의 폭이 최초로 가공되었을 때보다 감소하게 된다. 이때, 내공부(204)의 중간 폭(WC3)은 최초 중간 폭(WC2)보다 감소하게 된다(WC2>WC3). 그러나 내공부(204)의 중간 폭(WC3)은 가장자리 폭(WS0, WS1)과 유사한 크기로 형성되어(WC3≒WS1), 내공부(204)는 길이 방향을 따라 일정한 폭을 가지게 된다.
노즐 몸체(202)는 내공부(204)의 길이 방향으로 내공부(204)의 중간 폭을 가장자리 폭보다 크게 형성할 수 있는 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
내공부(204)를 형성하는 노즐 몸체(202), 즉 장변은 도 4에 도시된 것처럼 내면 전체에 걸쳐 노즐 몸체(202)의 외측으로 함몰되고 곡면을 가지는 오목홈을 포함할 수 있다. 이때, 장변은 내공부(204)의 가장자리와 내공부(204)의 중간을 곡선으로 연결한 형태로 형성될 수 있다.
도 5는 노즐 몸체(202)의 다양한 변형 예를 보여주고 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, 노즐 몸체(202)의 장변은 내면에 노즐 몸체(202)의 외측을 향하는 경사면을 포함하도록 형성될 수 있다. 즉, 장변은 내공부(204)의 가장자리와 중간을 직선으로 연결한 형태로 형성될 수 있다.
그리고 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)를 참조하면, 노즐 몸체(202)의 장변은 내면의 적어도 일부에 노즐 몸체(202)의 외측으로 함몰되는 오목홈을 포함할 수도 있다. 이때, 오목홈은 내공부(204)의 길이 방향으로 중간을 포함한 일정 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 오목홈은 도 5의 (b)에 도시된 것처럼 사각 형태로 형성될 수도 있고, 도 5의 (c)에 도시된 것처럼 곡면을 갖도록 형성될 수도 있다.
그리고 오목홈과 내공부(204)의 가장자리 사이는 내공부(204)의 가장자리 폭과 동일한 폭을 갖도록 형성하거나, 내공부(204)의 가장자리 폭보다 내화물의 열팽창에 의해 늘어나는 길이 정도 큰 폭을 갖도록 형성할 수도 있다.
또한, 도시되어 있지 않지만, 내공부(204)의 길이 방향으로 복수 개의 오목홈을 형성할 수도 있다. 이때, 복수 개의 오목홈 중 내공부(204)의 길이 방향으로 중간영역에 형성되는 오목홈은 가장 깊은 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 소재 제조 장치를 이용하여 제조된 금속 소재의 폭 방향 두께 편차를 검증하기 위한 실험 예에 대해서 설명한다.
도 6은 노즐 내공부의 길이 방향으로 중간에서 내공부의 폭에 따른 금속 소재의 폭 방향 두께 편차를 보여주는 그래프이다.
실험을 위해 하기의 표1에 기재된 바와 같은 내공부의 중간 폭을 갖는 복수의 노즐을 제작하였다. 이때, 노즐들은 BN을 이용하여 제작되었다.
내공부의 가장자리 폭(㎛) 내공부의 중간 폭(㎛) 금속 소재의
제조 상태
비교 예 500 500 불량
실시 예1
500		 550 양호
실시 예2 600 매우 우수
실시 예3 700 매우 우수
실시 예4 750 우수
상기 표1을 참조하면, 비교 예1의 노즐은 내공부의 가장자리 폭과 동일한 크기의 중간 폭을 갖도록 제작되었다. 그리고 실시 예1 내지 5의 노즐은 가장자리 폭보다 큰 중간 폭을 갖도록 제작되었다.
이렇게 제작된 노즐들을 이용하여 목표 두께를 25㎛로 하는 금속 소재를 제조하고, 제조된 금속 소재의 두께를 측정하였다. 이때, 금속 소재의 두께 측정은 금속 소재의 폭 방향으로 복수의 지점에서 각각 측정하였다. 그리고 측정된 금속 소재의 두께와 목표 두께 간의 차이를 산출하여 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 내공부의 중간 폭을 내공부의 가장자리 폭과 동일하게 형성한 비교 예의 경우, 금속 소재의 두께 편차는 금속 소재의 폭방향으로 가장자리에서 중간으로 갈수록 증가하는 경향을 보이고 있다. 이때, 금속 소재의 가장자리 영역의 두께 편차는 ±2㎛ 이내로 나타나고 있으나, 금속 소재의 중간 영역에서 두께 편차는 -6㎛를 초과하는 것으로 나타나고 있다. 이는 금속 소재의 폭 방향으로 중간영역의 두께가 가장자리영역에 비해 훨씬 얇게 형성된 것을 의미할 수 있다. 또한, 금속 소재의 중간 영역의 두께가 지나치게 얇게 형성되어 금속 소재의 제조 상태가 매우 불량한 것으로 판단되었다.
반면, 중간 폭을 가장자리 폭보다 크게 형성한 실시 예1 내지 4의 경우, 금속 소재의 두께 편차는 비교 예에 의해 제조된 금속 소재의 두께 편차보다 감소한 것을 알 수 있다.
특히, 내공부의 중간 폭을 내공부의 가장자리 폭에 대해서 1.2 내지 1.4배 크게 형성한 실시 예2 및 3의 경우, 제조된 금속 소재의 두께 편차는 금속 소재의 폭방향을 따라 ±2㎛ 이내로 산출되어, 금속 소재의 제조 상태가 매우 우수한 것으로 판단되었다. 그리고 금속 소재의 중간 영역 두께가 비교 예에 비해 두꺼워지고, 금속 소재의 가장자리 영역 두께와의 편차가 현저하게 감소하였다. 이는 노즐 몸체가 열팽창되면서 내공부의 길이 방향으로 내공부의 폭이 일정하게 형성되어 냉각롤의 길이 방향으로 용융물이 일정하게 공급되었기 때문이다.
한편, 내공부의 중간 폭을 비교 예에 비해 약간 증가시킨 실시 예1의 경우, 금속 소재의 두께 편차가 비교 예에 의해 제조된 금속 소재의 두께 편차보다 감소하여 그 제조 상태가 양호한 것으로 판단되었다. 그러나 금속 소재의 폭 방향으로 중간 영역에서 금속 소재의 두께 편차가 2㎛를 초과하고 있다.
그리고 내공부의 중간 폭을 내공부의 가장자리 폭에 대해서 1.4배를 초과하도록 형성한 실시 예4의 경우, 제조된 금속 소재의 두께 편차는 실시 예2 및 3과 유사한 경향을 보여, 금속 소재의 제조 상태가 우수한 것으로 판단되었다. 이는 노즐 몸체가 열팽창되면서 내공부의 길이 방향으로 내공부의 폭이 일정하게 형성되어 냉각롤의 길이 방향으로 용융물이 일정하게 공급되었다는 것을 의미할 수 있다. 다만, 금속 소재의 폭 방향으로 일부 영역에서 금속 소재의 두께 편차가 이때, 2㎛를 벗어나고 있으나, 금속 소재의 품질에 크게 영향을 미칠 정도로 크게 벗어나지 않고 있다. 여기에서 금속 소재의 두께 편차가 설정 범위를 벗어나는 이유는 내공부의 중간 폭이 다소 크게 형성되어 냉각롤에 비교적 많은 양의 용융물이 공급되면서 퍼들의 유동에 영향을 미쳤기 때문인 것으로 추측된다.
이를 통해 내공부의 길이 방향으로 내공부의 폭을 적절하게 변경하면, 열충격에 의해 노즐 몸체가 열팽창하더라도 내공부의 폭을 일정하게 유지할 수 있다. 따라서 냉각롤의 길이 방향으로 용융물을 균일하게 공급할 수 있어 폭 방향으로 균일한 두께를 갖는 금속 소재를 제조할 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시 예들 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, 200: 노즐
112, 202: 노즐 몸체 114, 204, 내공부
120: 냉각롤

Claims (13)

  1. 일방향으로 연장되고, 내화물을 포함하는 노즐 몸체; 및
    상기 노즐 몸체가 연장되는 방향을 따라 연장되도록 상기 노즐 몸체를 관통하며 형성되는 내공부;를 포함하고,
    상기 내공부는,
    상기 내공부가 연장되는 길이 방향에 대해서 적어도 일부는 서로 다른 폭을 가지며,
    상기 내공부의 가장자리와 상기 내공부의 중간 사이의 적어도 일부에서, 상기 가장자리에서 내공부의 폭보다 상기 내화물의 열팽창으로 증가하는 길이 이상 큰 폭을 갖도록 형성되는 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 내공부의 길이 방향의 중간에서 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 내공부의 폭보다 큰 노즐.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 상기 내공부의 중간으로 갈수록 점차적으로 증가하도록 형성되는 노즐.
  5. 회전하는 냉각롤에 공급되는 용융물을 냉각시켜 금속 소재를 제조하는 금속 소재 제조장치로서,
    상기 냉각롤의 상부에 상기 냉각롤이 연장되는 방향을 따라 연장되도록 구비되고, 내화물을 포함하는 노즐 몸체와, 상기 냉각롤에 용융물을 공급하도록 상기 노즐 몸체를 관통하며 상기 노즐 몸체가 연장되는 방향을 따라 형성되는 내공부를 포함하는 노즐을 포함하고,
    상기 내공부는,
    상기 내공부의 길이 방향에 대해서 적어도 일부는 서로 다른 폭을 가지며,
    상기 용융물의 온도에서, 상기 내공부의 가장자리와 상기 내공부의 중간 사이의 적어도 일부에서의 폭이, 상기 내공부의 가장자리에서 폭보다 상기 내화물의 열팽창으로 증가하는 길이 이상 큰 폭을 갖도록 형성되는 금속 소재 제조장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 내공부는 길이와 폭을 갖는 슬릿 형상으로 형성되고,
    상기 내공부의 길이는 상기 내공부의 폭보다 큰 금속 소재 제조장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 내공부의 길이 방향으로 중간에서 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 내공부의 폭보다 크게 형성되는 금속 소재 제조장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 내공부는 상기 내공부의 길이 방향으로 상기 내공부의 중간에서 가장 큰 폭을 갖도록 형성되는 금속 소재 제조장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 내공부의 폭은 상기 내공부의 가장자리에서 상기 내공부의 중간으로 갈수록 점차적으로 증가하도록 형성되는 금속 소재 제조장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 내공부의 가장자리에서 내공부의 폭을 1이라 할 때,
    상기 내공부의 길이 방향으로 중간에서 내공부의 폭은 1.2 내지 1.4배로 형성되는 금속 소재 제조장치.
  12. 청구항 5 내지 7, 9 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 몸체는 내부에 상기 내공부를 형성하도록 상기 냉각롤의 길이 방향으로 배치되고 서로 마주보는 장변과, 상기 장변의 양쪽 단부에 배치되고 서로 마주보는 단변을 포함하고,
    상기 장변은 내면의 적어도 일부에 상기 장변의 외측으로 함몰되는 오목홈을 포함하는 금속 소재 제조장치.
  13. 청구항 5 내지 7, 9 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 몸체는 내부에 상기 내공부를 형성하도록 상기 냉각롤의 길이 방향으로 배치되고 서로 마주보는 장변과, 상기 장변의 양쪽 단부에 배치되고 서로 마주보는 단변을 포함하고,
    상기 장변은 내면에 상기 장변의 외측을 향하는 경사면을 포함하는 금속 소재 제조장치.
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