KR102631056B1 - 음극재용 동박 소재 제조 설비 - Google Patents
음극재용 동박 소재 제조 설비 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 음극재용 동박 소재 제조 설비에 관한 것이다.
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 설비는, 정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되며, 수용된 용융체가 토출되는 토출구(12)가 형성되어 있는 턴디시(10)와; 연료와 산소를 공급받아 연료를 연소시켜 상기 턴디시(10) 내부의 용융체를 용융 상태로 유지케 하는 가열장치(60)와; 상기 가열장치(60)로 공급되는 산소가 액체 상태로 저장되어 있는 액화산소탱크(70)와; 내부에 냉각수가 저장되어 있으며, 상부가 개방되어 있고, 토출구(12)에서 토출된 용융체가 상부로 투입되어 내부의 냉각수와 접촉하여 굳어져 고체 상태의 동박소재가 제조되는 냉각탱크와; 상기 냉각탱크에서 배출된 냉각수가 내측으로 유입되도록 이루어져 있고, 관로상에 공급펌프가 구비된 냉각수회수관(92)을 통해 상기 냉각탱크와 연결되어 냉각탱크로 냉각수를 공급하도록 이루어져 있는 열교환탱크(90)와; 상기 열교환탱크(90) 내부에 설치되어 있으며, 상기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관 연결되어 열교환탱크(90) 내부의 냉각수와 열교환을 이루어 열교환탱크(90) 내부로 유입된 냉각수를 냉각시키고, 액화산소탱크(70)로부터 유입된 액체산소를 기체화시켜 가열장치(60)로 공급하는 기화기(80);를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 용융체의 제조, 용융체의 고화 방지를 위한 가열장치의 산소 공급을 위해 사용하는 액체산소의 기화를 위해 사용되는 기화기를 이용하여 용융체의 냉각에 사용된 냉각수의 냉각에 사용함으로써 동박소재의 제조에 소요되는 전력 소모를 최소화하여 생산성이 향상되도록 하고, 연속 생산이 가능해지게 된다.
또한, 냉각탱크 내부로의 냉각수 공급을 하부와 중간 부분으로 나누어 공급하고, 중간 부분은 상방향을 향해 상향 경사지게 하여 고압으로 공급함으로써 용융체와 냉각수가 접촉하는 초기 냉각 효율을 향상시켜 냉각탱크의 규모를 대형화시키지 않고도 원할한 용융체의 냉각이 이루어질 수 있게 된다.
더하여, 냉각탱크를 월류하는 냉각수가 임시 저장되는 임시저장탱크가 구비되는 한편, 임시저장탱크 내의 냉각수와 기화기가 설치된 열교환탱크 내의 냉각수를 소정의 배합으로 혼합하고, 냉각탱크 내 하부 공급되는 냉각수와, 중간에 공급되는 냉각수로 하여금 각기 다른 온도로 공급될 수 있도록 하여 냉각수의 위치별 온도 변화를 통해 다양한 물성을 갖는 동박 소재의 선택적인 제조가 가능해진다.
또한, 냉각탱크를 내부냉각탱크와 외부냉각탱크로 나누어 구성하고, 냉각수의 공급을 내부냉각탱크 및 외부냉각탱크 각각으로 제공하여 내부냉각탱크의 과열을 방지하고, 냉각 효율을 제고할 수 있게 된다.
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 설비는, 정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되며, 수용된 용융체가 토출되는 토출구(12)가 형성되어 있는 턴디시(10)와; 연료와 산소를 공급받아 연료를 연소시켜 상기 턴디시(10) 내부의 용융체를 용융 상태로 유지케 하는 가열장치(60)와; 상기 가열장치(60)로 공급되는 산소가 액체 상태로 저장되어 있는 액화산소탱크(70)와; 내부에 냉각수가 저장되어 있으며, 상부가 개방되어 있고, 토출구(12)에서 토출된 용융체가 상부로 투입되어 내부의 냉각수와 접촉하여 굳어져 고체 상태의 동박소재가 제조되는 냉각탱크와; 상기 냉각탱크에서 배출된 냉각수가 내측으로 유입되도록 이루어져 있고, 관로상에 공급펌프가 구비된 냉각수회수관(92)을 통해 상기 냉각탱크와 연결되어 냉각탱크로 냉각수를 공급하도록 이루어져 있는 열교환탱크(90)와; 상기 열교환탱크(90) 내부에 설치되어 있으며, 상기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관 연결되어 열교환탱크(90) 내부의 냉각수와 열교환을 이루어 열교환탱크(90) 내부로 유입된 냉각수를 냉각시키고, 액화산소탱크(70)로부터 유입된 액체산소를 기체화시켜 가열장치(60)로 공급하는 기화기(80);를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 용융체의 제조, 용융체의 고화 방지를 위한 가열장치의 산소 공급을 위해 사용하는 액체산소의 기화를 위해 사용되는 기화기를 이용하여 용융체의 냉각에 사용된 냉각수의 냉각에 사용함으로써 동박소재의 제조에 소요되는 전력 소모를 최소화하여 생산성이 향상되도록 하고, 연속 생산이 가능해지게 된다.
또한, 냉각탱크 내부로의 냉각수 공급을 하부와 중간 부분으로 나누어 공급하고, 중간 부분은 상방향을 향해 상향 경사지게 하여 고압으로 공급함으로써 용융체와 냉각수가 접촉하는 초기 냉각 효율을 향상시켜 냉각탱크의 규모를 대형화시키지 않고도 원할한 용융체의 냉각이 이루어질 수 있게 된다.
더하여, 냉각탱크를 월류하는 냉각수가 임시 저장되는 임시저장탱크가 구비되는 한편, 임시저장탱크 내의 냉각수와 기화기가 설치된 열교환탱크 내의 냉각수를 소정의 배합으로 혼합하고, 냉각탱크 내 하부 공급되는 냉각수와, 중간에 공급되는 냉각수로 하여금 각기 다른 온도로 공급될 수 있도록 하여 냉각수의 위치별 온도 변화를 통해 다양한 물성을 갖는 동박 소재의 선택적인 제조가 가능해진다.
또한, 냉각탱크를 내부냉각탱크와 외부냉각탱크로 나누어 구성하고, 냉각수의 공급을 내부냉각탱크 및 외부냉각탱크 각각으로 제공하여 내부냉각탱크의 과열을 방지하고, 냉각 효율을 제고할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 2차전지의 음극재용 동박을 제조함에 있어서, 고순도의 밀베리가 아닌 저순도의 일반 동을 사용하여 제조하되, 용융체의 제조, 용융체의 고화 방지를 위한 가열장치의 산소 공급을 위해 사용하는 액체산소의 기화를 위해 사용되는 기화기를 이용하여 용융체의 냉각에 사용된 냉각수의 냉각에 사용함으로써 동박소재의 제조에 소요되는 전력 소모를 최소화하여 생산성이 향상되도록 한, 음극재용 동박 소재 제조 설비에 관한 것이다.
최근 환경 규제가 강화되고, 전기차에 대한 수요 증가에 따라 동박의 중요성이 커지고 있는 실정이다.
전지박으로도 불리우는 동박은전기차에 사용되는 2차전지의 핵심 소재로 꼽히고 있다. 2차전지용 동박은 배터리에서 발생한 열을 외부로 방출하고 전극의 형상을 유지하는 지지체 역할을 하기 때문에 전기차 배터리의 핵심 부품으로 꼽힌다. 특히 동박은 전기배터리의 4대 핵심소재(양극재, 음극재, 분리막, 전해액)인 음극재에 들어가는 얇은 막으로 활용된다.
여기서, 2차전지의 용량 증가를 위해서는 단위면적당 에너지 밀도가 높아져야 하고, 이를 위해 동박의 두께를 얇게 만들어 단위 부피당 면적은 더 넓게, 무게는 더 작게 만들어야 효율적이다.
이러한 동박은 크게 롤 압연 방식과 전해 방식을 사용하여 제조되는데, 롤 압연 방식은 두께가 얇아질수록 생산비가 증가하는 단점이 있어 일반적으로 전기 분해를 통해 구리를 도금시키는 방식인 전해 방식을 주료 사용하여 2차전지용 동박을 제조하고 있다.
이때, 전해 방식을 사용한 2차전지용 동박은 일반적으로 전기동이나 밀베리급 고급 동스크랩 등을 수급하고, 이를 주조 방식이나, 주조와 압연을 결합한 방식이나, 주조와 압연 및 신선을 결합한 방식 등을 통해 선재로 제조하고, 제조된 선재를 세척 및 절단한 후 이를 전해액인 황산 용액에 용해시킴으로써 제조될 수 있다.
그러나, 절단된 선재는 압연, 신선, 절단 공정에 의해 제조되고, 압연 및 신선시 압연유 및 신선유 등의 기름 성분에 노출되어 탈지를 위한 세척 공정이 필수적으로 필요하며, 공정이 복잡하여 동박의 비용이 증가하게 되고, 원재료인 전기동 또는 밀베리급 고급 동스크랩의 공급이 원할하지 않은 문제가 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위한 기술로, "전해동박용 부정형 구리 소재 및 이의 제조 방법"(한국 등록특허공보 제10-2521234호, 특허문헌 1)에는 구리 원재료를 용융시킨 후 물이 담기 수조 위에 구비된 충돌판 위로 낙하시켜 미립자 형태로 분산시켜 물속으로 침전시켜 평균 결정립 크기 50 ~ 300㎛, 벌크밀도 1.0 ~ 3.0g/㎤인 전해동박용 부정형 구리 소재를 제조하는 기술이 공개되어 있다.
특허문헌 1에서는 50㎛ 미만의 결정립 크기를 가질 경우 높은 결정립계 밀도로 표면의 부동태화가 가속될 수 있다고 판단하였으며, 이로 인해 수조 내의 물은 이미 충돌판에 의해 미립자 형태로 분산된 용융 구리를 굳히는 용도로 사용하였다.
한편, 용융체의 냉각시키기 위해서는 미순환 상태에서는 막대한 양의 냉각수를 필요로 하게 되며, 순환 방식으로 냉각시키기 위해서는 용융체의 냉각 후 가열된 냉각수를 다시 냉각시키기 위해서는 냉각장치를 사용해야 하고, 이 냉각장치의 작동을 위해서는 상당한 전력 소모가 불가피한 문제점이 있다.
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 설비는 상기한 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 용융체의 제조, 용융체의 고화 방지를 위한 가열장치의 산소 공급을 위해 사용하는 액체산소의 기화를 위해 사용되는 기화기를 이용하여 용융체의 냉각에 사용된 냉각수의 냉각에 사용함으로써 동박소재의 제조에 소요되는 전력 소모를 최소화하여 생산성이 향상되도록 하고, 연속 생산이 가능해지게 하려는 것이다.
또한, 냉각탱크 내부로의 냉각수 공급을 하부와 중간 부분으로 나누어 공급하고, 중간 부분은 상방향을 향해 상향 경사지게 하여 고압으로 공급함으로써 용융체와 냉각수가 접촉하는 초기 냉각 효율을 향상시켜 냉각탱크의 규모를 대형화시키지 않고도 원할한 용융체의 냉각이 이루어질 수 있게 하려는 것이다.
더하여, 냉각탱크를 월류하는 냉각수가 임시 저장되는 임시저장탱크가 구비되는 한편, 임시저장탱크 내의 냉각수와 기화기가 설치된 열교환탱크 내의 냉각수를 소정의 배합으로 혼합하고, 냉각탱크 내 하부 공급되는 냉각수와, 중간에 공급되는 냉각수로 하여금 각기 다른 온도로 공급될 수 있도록 하여 냉각수의 위치별 온도 변화를 통해 다양한 물성을 갖는 동박 소재를 선택적으로 제조 가능하게 하려는 것이다.
또한, 냉각탱크를 내부냉각탱크와 외부냉각탱크로 나누어 구성하고, 냉각수의 공급을 내부냉각탱크 및 외부냉각탱크 각각으로 제공하여 내부냉각탱크의 과열을 방지하고, 냉각 효율을 제고할 수 있게 하려는 것이다.
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 설비는 상기한 과제를 해결하기 위하여, 정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되며, 수용된 용융체가 토출되는 토출구(12)가 형성되어 있는 턴디시(10)와; 연료와 산소를 공급받아 연료를 연소시켜 상기 턴디시(10) 내부의 용융체를 용융 상태로 유지케 하는 가열장치(60)와; 상기 가열장치(60)로 공급되는 산소가 액체 상태로 저장되어 있는 액화산소탱크(70)와; 내부에 냉각수가 저장되어 있으며, 상부가 개방되어 있고, 토출구(12)에서 토출된 용융체가 상부로 투입되어 내부의 냉각수와 접촉하여 굳어져 고체 상태의 동박소재가 제조되는 냉각탱크와; 상기 냉각탱크에서 배출된 냉각수가 내측으로 유입되도록 이루어져 있고, 관로상에 공급펌프가 구비된 냉각수회수관(92)을 통해 상기 냉각탱크와 연결되어 냉각탱크로 냉각수를 공급하도록 이루어져 있는 열교환탱크(90)와; 상기 열교환탱크(90) 내부에 설치되어 있으며, 상기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관 연결되어 열교환탱크(90) 내부의 냉각수와 열교환을 이루어 열교환탱크(90) 내부로 유입된 냉각수를 냉각시키고, 액화산소탱크(70)로부터 유입된 액체산소를 기체화시켜 가열장치(60)로 공급하는 기화기(80);를 포함하여 구성된다.
상기한 구성에 있어서, 상기 냉각탱크의 중간 부분 내주면에는 상향으로 반대편 상부 벽면을 향해 경사지게 배치되어 있는 다수 개의 냉각수분사노즐(33)이 일정 간격으로 배치되어 있고, 상기 냉각수분사노즐(33)은 제1냉각수공급관(33a)을 통해 상기 냉각수회수관(92)과 연결되어 있으며, 상기 냉각탱크의 하부는 제2냉각수공급관(42)을 통해 상기 냉각수회수관(92)과 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 냉각탱크에서 용융체와 접촉하여 가온된 냉각수가 임시 저장되는 임시저장탱크(91)가 더 구비되어 있고, 상기 임시저장탱크(91)는 상기 열교환탱크(90)와 연결되어 임시 저장된 냉각수가 열교환탱크(90)로 공급되도록 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)에는 각각 온도감지계(96)가 설치되어 있으며, 상기 냉각수회수관(92)은 제1냉각수회수관(92a)과 제2냉각수회수관(92b) 두 개로 구성되어 있고, 상기 제1냉각수회수관(92a)은 제1냉각수공급관(33a)과 연결되어 있으며, 상기 제2냉각수회수관(92b)은 제2냉각수공급관(42)과 연결되어 있고, 상기 임시저장탱크(91)에는 각각 제1냉각수회수관(92a) 및 제2냉각수회수관(92b)과 연결되는 제1보충관(93) 및 제2보충관(94)이 설치되어 있으며, 상기 제1냉각수회수관(92a)과 제1보충관(93)이 연결되는 지점 및 제2냉각수회수관(92b)과 제2보충관(94)이 연결되는 지점 전의 각 배관에 조절밸브(95)가 설치되어 있고, 상기 온도감지계(96) 및 상기 조절밸브(95)들이 전기적으로 연결되어 있는 컨트롤장치가 구비되어 있어 온도감지계(96)에서 감지된 온도에 따라 컨트롤장치의 제어에 의해 각 조절밸브(95)의 개폐량을 조절하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 냉각탱크는, 상기 턴디시(10)의 하부에 위치하고, 상기 토출구(12)에서 토출되는 용융체가 내부로 수용되며, 하부에 용융체가 배출되는 배출구(32b)가 형성되어 있고, 상기 제1냉각수공급관(33a)과 연결된 냉각수분사노즐(33)이 중간에 설치되어 있는 내부냉각탱크(30)와; 상기 내부냉각탱크(30)와 이격되어 내부냉각탱크(30)와의 사이로 외부냉각공간(41)을 형성하고, 일측에는 상기 제2냉각수공급관(42)이 연결되어 있는 외부냉각탱크(40);로 구성되어 있으며, 상기 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)을 통해 공급된 냉각수는 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40)의 상부 벽면을 넘어 상기 임시저장탱크(91)에 저장되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 용융체의 제조, 용융체의 고화 방지를 위한 가열장치의 산소 공급을 위해 사용하는 액체산소의 기화를 위해 사용되는 기화기를 이용하여 용융체의 냉각에 사용된 냉각수의 냉각에 사용함으로써 동박소재의 제조에 소요되는 전력 소모를 최소화하여 생산성이 향상되도록 하고, 연속 생산이 가능해지게 된다.
또한, 냉각탱크 내부로의 냉각수 공급을 하부와 중간 부분으로 나누어 공급하고, 중간 부분은 상방향을 향해 상향 경사지게 하여 고압으로 공급함으로써 용융체와 냉각수가 접촉하는 초기 냉각 효율을 향상시켜 냉각탱크의 규모를 대형화시키지 않고도 원할한 용융체의 냉각이 이루어질 수 있게 된다.
더하여, 냉각탱크를 월류하는 냉각수가 임시 저장되는 임시저장탱크가 구비되는 한편, 임시저장탱크 내의 냉각수와 기화기가 설치된 열교환탱크 내의 냉각수를 소정의 배합으로 혼합하고, 냉각탱크 내 하부 공급되는 냉각수와, 중간에 공급되는 냉각수로 하여금 각기 다른 온도로 공급될 수 있도록 하여 냉각수의 위치별 온도 변화를 통해 다양한 물성을 갖는 동박 소재의 선택적인 제조가 가능해진다.
또한, 냉각탱크를 내부냉각탱크와 외부냉각탱크로 나누어 구성하고, 냉각수의 공급을 내부냉각탱크 및 외부냉각탱크 각각으로 제공하여 내부냉각탱크의 과열을 방지하고, 냉각 효율을 제고할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 설비의 일 예를 나타낸 부분 절단 사시도.
도 2는 도 1의 정단면 개략도.
도 3은 도 1의 측단면 개략도.
도 4는 본 발명에서 냉각수분사노즐의 배치 및 냉각수의 분사 방향을 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명에서 열교환탱크와 임시저장탱크를 이용하여 냉각수 온도 조절이 이루어지도록 한 예를 나타낸 부분절단 사시도.
도 6은 본 발명의 제조 장치에 의해 제조된 음극재용 동박 소재의 예를 나타낸 사진.
도 7 및 도 8은 본 발명에 의해 제조된 음극재용 동박 소재를 한국 화학융헙시험연구원에 결정립 크기에 대한 분석을 의뢰하여 받은 시험성적서 및 일부 발췌본.
도 2는 도 1의 정단면 개략도.
도 3은 도 1의 측단면 개략도.
도 4는 본 발명에서 냉각수분사노즐의 배치 및 냉각수의 분사 방향을 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명에서 열교환탱크와 임시저장탱크를 이용하여 냉각수 온도 조절이 이루어지도록 한 예를 나타낸 부분절단 사시도.
도 6은 본 발명의 제조 장치에 의해 제조된 음극재용 동박 소재의 예를 나타낸 사진.
도 7 및 도 8은 본 발명에 의해 제조된 음극재용 동박 소재를 한국 화학융헙시험연구원에 결정립 크기에 대한 분석을 의뢰하여 받은 시험성적서 및 일부 발췌본.
이하에서는 첨부된 도면을 통해 본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 설비에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 음극재용 동박 소재 제조 설비는 도 1, 2에 도시되어 있는 바와 같이 턴디시(10), 가열장치(60), 액화산소탱크(70), 냉각탱크, 열교환탱크(90), 기화기(80)를 포함하여 구성되어 있다.
본 발명의 구성요소인 턴디시(10)는 도 1, 2 등에 도시되어 있는 바와 같이 정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되며, 수용된 용융체가 토출되는 토출구(12)가 형성되어 있다.
토출구(12)는 턴디시(10) 중앙을 기준으로 방사상으로 2개 이상 일정 간격으로 형성되어 있다.
토출구(12)에는 관 형상을 이루는 스파우트가 끼워져 교체 가능하게 설치될 수 있다.
이때, 턴디시(10)에서 토출되는 용융체가 하부의 냉각탱크에 고르게 분산되어 토출되고, 작은 덩어리들로 서로 분리되어 제조될 수 있도록 하기 위하여 턴디시(10)를 회전시키는 회전구동장치(20)가 구비될 수 있다.
상기 턴디시(10) 하부에 연결된 채 상기 턴디시(10)를 수평 회전시켜 상기 토출구(12)를 통해 토출되는 용융체로 하여금 턴디시(10) 주변에 방사상으로 토출시키도록 이루어져 있다.
도 1에 도시된 회전구동장치(20)는 상기 턴디시(10) 하부에 설치되어 턴디시(10)가 안착되는 안착부재(21), 상기 안착부재(21)의 하부에 수직 방향으로 연장되어 있으며, 수직 회전하도록 이루어진 제1회전축(22), 상기 제1회전축(22)의 하부에 위치하여 수평 방향의 회전력을 수직 방향의 회전력으로 변환시키는 동력전달장치(23), 상기 동력전달장치(23)와 일측이 연결된 채 수평 방향으로 연장되어 있으며 수평 회전하도록 이루어진 제2회전축(24) 및 상기 제2회전축(24)과 연결되어 제2회전축(24)을 회전시키는 구동모터(25)로 이루어져 있다.
여기서 동력전달장치(23)는 서로 맞물려 회전하는 한 쌍의 베벨기어로 구성될 수 있다.
이러한 회전구동장치(20)는 턴디시(10)를 수평 회전시키기 위한 것이라면 도면에 의해 한정되지 않고 공지된 다양한 회전 구동 장치가 적용될 수 있다 할 것이다.
본 발명의 구성요소인 가열장치(60)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 상기 턴디시(10)의 상측에 인접하여 설치되어 있으며, LPG, LNG, 석유 등의 원료를 연료로 하고, 산소 공급하에 연료를 연소시켜 용융체를 가열하여 캐비티(11) 내부의 용융체가 굳는 것을 방지하는 역할을 한다.
본 발명의 구성요소인 액화산소탱크(70)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 기화기(80)를 통해 상기 가열장치(60)와 연결되어 기화된 산소를 가열장치(60)에 공급하도록 이루어져 있으며, 내부에 액체 상태의 산소가 저장되어 있다.
본 발명의 구성요소인 냉각탱크는 내부에 냉각수가 저장되어 있으며, 상부가 개방되어 있고, 토출구(12)에서 토출된 용융체가 상부로 투입되어 내부의 냉각수와 접촉하여 굳어져 고체 상태의 동박소재가 제조되도록 한다.
냉각탱크는 하나만으로 이루어질 수도 있으나, 도면에 도시되어 있는 바와 같이 내부냉각탱크(30)와 외부냉각탱크(40) 두 개로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
내부냉각탱크(30)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 상부케이스(31), 하부케이스(32) 및 냉각수분사노즐(33)로 구성되어 있다.
상부케이스(31)는 원통형의 형상을 취하며, 외주면이 연결부재를 통해 외부냉각탱크(40)와 연결되어 있다.
이러한 내부냉각탱크(30)는 상부로 용융체가 유입되기 위하여 상부가 개방되어 있으며, 도면에 도시된 것처럼 상기 턴디시(10)의 외경보다 큰 내경을 가져 상기 토출구(12)에서 방사상으로 토출되는 용융체가 내부로 수용되는 상부냉각공간(31a)이 내부에 형성되어 있다.
하부케이스(32)는 상기 상부케이스(31)의 하부에 일체로 연결된 채 하방으로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원추형의 형상을 취해 수용공간(21)에서 낙하되는 융용체의 낙하를 가이드하는 하부냉각공간(32a)이 형성되어 있다.
이러한 하부케이스(32) 하부 중앙에는 냉각수와 접촉하여 굳어진 용융체(동박 소재)가 배출되는 배출구(32b)가 형성되어 있다.
냉각수분사노즐(33)은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 상기 상부케이스(31)의 하부 둘레를 따라 일정 간격을 두고 다수 개가 설치되어 있으며 외부로부터 냉각수를 공급받아 상부냉각공간(31a)에 냉각수를 분사하도록 이루어져 있다.
이러한 냉각수분사노즐(33)들은 상부케이스(31) 둘레를 감싸 배설된 하나의 원형배관(33c)에 연결되도록 하고, 이 원형배관(33c)으로 냉각수를 공급하는 제1냉각수공급관(33a)이 구비되도록 할 수 있다.
도면에서 원형배관(33c)은 사각 단면 형상의 형태로 이루어지고, 냉각수분사노즐(33)이 사각 단면 내부에 일부가 수용된 형태가 도시되어 있는데, 도면에 의해 한정되는 것은 아니다 할 것이다.
원형배관(33c)으로 냉각수를 공급하기 위한 제1냉각수공급관(33a)에는 냉각수 공급의 여부를 제어할 수 있는 제1조절밸브(33d) 및 냉각수를 공급하기 위한 제1공급펌프(33b)가 설치될 수 있다.
이러한 냉각수분사노즐(33)은 각각 설치 위치의 반대편 상부케이스(31) 상측 벽면을 향해 상향 경사지게 설치되어 있어 토출구(12)에서 토출되어 낙하하는 용융체와 냉각수를 접촉시켜 용융체를 급속 냉각시키도록 이루어져 있다.
내부냉각탱크(30) 내부의 냉각수 충진은 배출구(32b)를 통해 내부에서 차오르도록 하여 충진하는데, 하부냉각공간(32a)의 상부는 용융체와의 열교환으로 인해 하부에 비해 온도가 높아지게 된다.
따라서, 상부냉각공간(31a) 상부의 냉각수 온도는 배출구(32b) 측과 비교하면 상당히 높은 온도를 이루게 되므로 냉각 효율이 상대적으로 떨어질 수 있으며, 상부와 하부의 온도 차이에 의해 제조되는 동박 소재의 물성을 일정하게 유지하기 힘들게 된다.
하지만 냉각수분사노즐(33)이 상부케이스(31) 하부에 위치한 채 상방으로 경사지게 설치됨으로 인해 배출구(32b) 측으로부터 차오르는 냉각수에 비해 훨씬 낮은 온도의 냉각수를 공급할 수 있게 되어 상부냉각공간(31a) 내의 냉각수 온도를 낮춰 순간적인 냉각 효율을 높혀줄 수 있게 되며, 낮은 온도의 냉각수 접촉을 통해 결정립 크기를 작게 할 수 있게 된다.
더 바람직하게는 동박 소재를 공급받는 회사의 요구에 따라 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수의 온도를 조정함에 따라 결정립 크기를 조절할 수 있으며, 냉각수와 용융체의 순간적인 접촉시 발생하는 수증기의 급속한 활동과 그 정도를 조절하여 동박 소재의 기공 발달 정도, 뾰족한 돌기들의 발달 정도를 조절할 수 있게 된다.
이때, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 상기 냉각수분사노즐(33)은 평면상에서 상부케이스(31)의 반대편 벽면을 향하되, 상부케이스(31)의 중앙을 빗겨나는 방향을 이루도록 이루어져 있고, 서로 인접한 냉각수분사노즐(33)들은 동일한 시계방향 혹은 반시계 방향으로 빗겨나도록 이루어져 있어 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수로 하여금 상부케이스(31)을 중앙을 기준으로 나선형의 유체 흐름을 유도하도록 이루어짐이 보다 바람직하다.
이는 각각의 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 고압의 냉각수들의 이동 경로가 충돌하여 상부케이스(31) 상면에 고압으로 도달하지 못하는 것을 방지하고 원할하게 상부 영역까지 도달할 수 있게 해주며, 상부케이스(31) 상면 부분에서 평면상에서 일정 방향으로 회전하여 냉각 효율이 고르게 유지될 수 있게 해준다.
더불어, 상기 나선형의 유체 흐름은 상기 턴디시(10)의 회전 방향과 동일한 방향을 이루도록 함으로써 냉각 효율이 보다 일정하게 될 수 있도록 함이 바람직하다.
외부냉각탱크(40)는 내주면이 상기 내부냉각탱크(30)와 이격되어 내부냉각탱크(30)와의 사이로 외부냉각공간(41)을 형성하고, 일측에는 냉각수가 공급되는 제2냉각수공급관(42)이 연결되어 있다.
상기 냉각수분사노즐(33)에서 분사되는 냉각수와 함께 상하부 냉각수의 온도 차이에 의해 외부냉각공간(41) 내부에는 하향의 냉각수 흐름을 유도하고, 하부냉각공간(32a) 내부에는 상향의 냉각수 흐름을 유도할 수 있게 된다.
아울러, 제2냉각수공급관(42)에는 냉각수의 공급 여부를 제어하기 위한 제2조절밸브(42a) 및 냉각수 공급을 위한 제2공급펌프(42b)가 설치될 수 있다.
아울러, 외부냉각탱크(40)는 일측으로 상향 경사진 이송컨베이어(50)의 상부가 수용될 수 있도록 타측에 경사진 돌출부(44)가 형성될 수 있다.
더불어, 외부냉각탱크(40)의 하부에는 강제로 냉각수를 배출할 수 있도록 냉각수배출관(43)이 연결될 수 있다.
이 냉각수배출관(43)에는 냉각수의 배출 여부를 조절할 수 있도록 제3조절밸브(43a)가 설치될 수 있다.
또는, 외부냉각탱크(40) 내부 냉각수의 외부 배출 역시 내부냉각탱크(30)와 마찬가지로 외부냉각탱크(40)의 상부 벽면을 넘어서 배출되도록 할 수 있다.
이 경우 상기 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면 높이는 상기 내부냉각탱크(30)의 상부케이스(31) 상측 벽면 높이와 동일하게 이루어져 있어, 냉각수분사노즐(33)의 분사에 의해 용융체를 냉각시킨 냉각수가 상부케이스(31) 상측 벽면을 넘은 후, 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면을 연속으로 넘어 배출되도록 함으로써 외부냉각공간(41) 내부의 냉각수 과열을 가일층 억제하도록 할 수 있다.
본 발명의 구성요소인 열교환탱크(90)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 상기 냉각탱크에서 배출된 냉각수가 내측으로 유입되도록 이루어져 있다.
유입 방식은 냉각수배출관(43)을 통한 방식이나, 월류 방식으로 바닥에 고인 냉각수가 자연스럽게 유입되도록 하는 방식 모두 가능하다.
이러한 열교환탱크(90)는 도면의 제1공급펌프(33b) 및 제2공급펌프(42b)와 같은 공급펌프가 관로상에 구비된 냉각수회수관(92)을 통해 상기 냉각탱크와 연결되어 냉각탱크로 냉각수를 공급하도록 이루어져 있다.
도면에서 냉각수회수관(92)는 제1냉각수회수관(92a)과 제2냉각수회수관(92b)으로 이루어져 있으며, 제1냉각수회수관(92a)은 제1냉각수공급관(33a)을 통해 냉각수분사노즐(33)과 연결되며, 제2냉각수회수관(92b)은 제2냉각수공급관(42)을 통해 외부냉각탱크(40)에 연결되도록 이루어진 구성이 도시되어 있다.
본 발명의 구성요소인 기화기(80)는 상기 열교환탱크(90) 내부에 설치되어 있으며, 상기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관 연결되어 열교환탱크(90) 내부의 냉각수와 열교환을 이루어 열교환탱크(90) 내부로 유입된 냉각수를 냉각시키고, 액화산소탱크(70)로부터 유입된 액체산소를 기체화시켜 가열장치(60)로 공급하도록 이루어져 있다.
상기한 구성에서 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 냉각탱크에서 용융체와 접촉하여 가온된 냉각수가 임시 저장되는 임시저장탱크(91)가 더 구비될 수 있다.
이때, 상기 임시저장탱크(91)는 상기 열교환탱크(90)와 연결되어 임시 저장된 냉각수가 열교환탱크(90)로 공급되도록 이루어져 있다.
이러한 임시저장탱크(91)를 구비하게 되면 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)으로 공급되는 냉각수를 각기 다른 온도가 되도록 하여 용융체의 냉각 조건 변화를 주어 결정립 크기나 벌크 밀도와 같은 용융체의 물리적 성질을 특정하게 유도할 수 있다.
도 4를 보면, 상기 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)에는 각각 온도감지계(96)가 설치되어 있으며, 상기 냉각수회수관(92)은 제1냉각수회수관(92a)과 제2냉각수회수관(92b) 두 개로 구성되어 있고, 상기 제1냉각수회수관(92a)은 제1냉각수공급관(33a)과 연결되어 있으며, 상기 제2냉각수회수관(92b)은 제2냉각수공급관(42)과 연결되어 있는 것을 알 수 있다.
또, 상기 임시저장탱크(91)에는 각각 제1냉각수회수관(92a) 및 제2냉각수회수관(92b)과 연결되는 제1보충관(93) 및 제2보충관(94)이 설치되어 있으며, 상기 제1냉각수회수관(92a)과 제1보충관(93)이 연결되는 지점 및 제2냉각수회수관(92b)과 제2보충관(94)이 연결되는 지점 전의 각 배관에 조절밸브(95)가 설치되어 있다.
이러한 구성은 상기 온도감지계(96) 및 상기 조절밸브(95)들이 전기적으로 연결되어 있는 컨트롤장치(미도시)가 구비되어 있어 온도감지계(96)에서 감지된 온도에 따라 컨트롤장치의 제어에 의해 각 조절밸브(95)의 개폐량을 조절하도록 할 수 있게 되어 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42) 내부의 냉각수 온도를 개별적으로 제어할 수 있게 된다.
도면에서 도면기호 '50'은 이송컨베이어(50)를 나타낸 것으로, 상기 배출구(32b)의 하부에 위치하고, 타측은 일측으로부터 상향 경사지게 연장되어 외부냉각탱크(40) 외측으로 돌출되어 내부냉각탱크(30)에서 냉각되어 제조된 동박소재를 이송시키게 된다.
아울러, 기화기에서 기체상태로 변환된 산소는 상기 가열장치에만 제공되는 것으로 한정되는 것은 아니며, 용융체를 제조하기 위한 '로' 내부로의 산소 공급, 턴디시(10)로 용융체를 공급하는 공급라인 중에 용융체 고체화를 방지하기 위한 가열장치의 산소 공급 등에도 적용된다 할 것이다.
이상과 같은 구성은 냉각을 위한 전력 소모를 최소화하면서 연속 생산이 이루어지도록 할 수 있고, 냉각수 온도 조절을 통해 벌크 밀도나 결정립 크기와 같은 음극재용 동박 소재의 주요 물성을 제어하여 고객에게 제공할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 음극재용 동박 소재 제조 공정에 대해 설명하기로 한다.
1. 토출단계
상기 턴디시(10)의 캐비티(11) 내부로 정련된 동이 용융된 용융체를 공급하고, 상기 회전구동장치(20)를 작동시켜 턴디시(10)를 회전시킨다.
턴디시(10)가 회전하게 되면 측벽면의 토출구(12)를 방사상으로 용융체가 토출된다.
2. 냉각단계
한편, 상기 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40)에는 두 탱크 상단에 이르도록 냉각수가 채워져 있는 상태로 준비하여 토출되는 용융체와 냉각수를 접촉시켜 용융체를 냉각 및 고화시킨다.
이때, 회전구동장치(20)의 작동과 동시에 냉각수분사노즐(33)을 통한 냉각수의 고압 공급을 개시하여 내부냉각탱크(30) 내부에 상향 경사진 냉각수 흐름을 유도하여 용융체와의 접촉에 의해 온도가 상승한 냉각수는 내부냉각탱크(30)의 상측 벽면 및 외부냉각탱크(40)의 상측 벽면을 연속으로 넘기거나 외부냉각탱크(40) 하부의 배출관을 통해 배출 처리하고, 전술한 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)을 통해 냉각수를 연속으로 공급한다.
내부냉각탱크(30) 하부로부터의 냉각수 공급은 전술한 제2냉각수공급관(42)을 통해 냉각수를 공급함으로써 외부냉각탱크(40) 내부에 냉각수를 공급함으로써 이루어진다.
3. 이송단계
회전구동장치(20) 및 냉각수분사노즐(33)로의 냉각수 공급과 더불어 이송컨베이어(50)를 작동시켜 상기 내부냉각탱크(30) 내부를 따라 고체화되어 배출구(32b)를 통해 낙하하는 동박소재를 이송컨베이어(50)를 통해 이송시켜 후속 공정으로 이송시킨다.
4. 냉각수 순환단계
토출단계가 진행되는 동안 가열장치(60)를 작동시켜 용융체가 굳어지는 것을 방지한다.
이때, 열교환탱크(90) 내부에서 냉각탱크에서 배출된 냉각수와 기화기(80) 내의 액체산소와 열교환시킨 후 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)으로 공급한다.
더하여, 온도감지계(96)에서 감지된 온도 값에 따라 각 조절밸브(95)의 개폐를 컨트롤장치를 통해 제어함으로써 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42) 내부의 냉각수 온도를 개별적으로 제어하여 원하는 물성의 동박소재를 제조할 수 있다.
도 6에는 이러한 방식에 의해 제조된 음극재용 동박 소재의 예가 도시되어 있으며, 도 7 및 8은본 발명에 의해 제조된 동박 소재의 결정립 크기에 관한 시험성적서이다.
도 6을 보면 알 수 있듯이 순간적인 저온의 냉각수와의 접촉을 통해 충돌판 없이도 뾰족한 돌기가 돌출된 팝콘과 같은 형상으로 변형되어 제조된 것을 확인할 수 있다.
시험성적서에서 확인할 수 있듯이 결정립 크기가 매우 작은 동박 소재의 제조가 가능한 것을 알 수 있다.
더하여, 가로, 세로, 높이 10cm의 정육면체 내부에 제조된 동박 소재를 채워 무게를 측정한 결과 2개로 나뉘어 공급되는 냉각수의 온도 조절에 따라 0.5 ~ 7kg의 범위 내에서 특정 무게로 유도하여 제조가 가능함을 알 수 있었다.
10 : 턴디시 11 : 캐비티
12 : 토출구 20 : 회전구동장치
21 : 안착부재 22 : 제1회전축
23 : 동력전달장치 24 : 제2회전축
25 : 구동모터 30 : 내부냉각탱크
31 : 상부케이스 31a : 상부냉각공간
32 : 하부케이스 32a : 하부냉각공간
32b : 배출구 33 : 냉각수분사노즐
33a : 제1냉각수공급관 33b : 제1공급펌프
33c : 원형배관 33d : 제1조절밸브
40 : 외부냉각탱크 41 : 외부냉각공간
42 : 제2냉각수공급관 42a : 제2조절밸브
42b : 제2공급펌프 43 : 냉각수배출관
43a : 제3조절밸브 44 : 돌출부
50 : 이송컨베이어 60 : 가열장치
70 : 액화산소탱크 80 : 기화기
90 : 열교환탱크 91 : 임시저장탱크
92 : 냉각수회수관 92a : 제1냉각수회수관
92b : 제2냉각수회수관 93 : 제1보충관
94 : 제2보충관 95 : 조절밸브
96 : 온도감지계
12 : 토출구 20 : 회전구동장치
21 : 안착부재 22 : 제1회전축
23 : 동력전달장치 24 : 제2회전축
25 : 구동모터 30 : 내부냉각탱크
31 : 상부케이스 31a : 상부냉각공간
32 : 하부케이스 32a : 하부냉각공간
32b : 배출구 33 : 냉각수분사노즐
33a : 제1냉각수공급관 33b : 제1공급펌프
33c : 원형배관 33d : 제1조절밸브
40 : 외부냉각탱크 41 : 외부냉각공간
42 : 제2냉각수공급관 42a : 제2조절밸브
42b : 제2공급펌프 43 : 냉각수배출관
43a : 제3조절밸브 44 : 돌출부
50 : 이송컨베이어 60 : 가열장치
70 : 액화산소탱크 80 : 기화기
90 : 열교환탱크 91 : 임시저장탱크
92 : 냉각수회수관 92a : 제1냉각수회수관
92b : 제2냉각수회수관 93 : 제1보충관
94 : 제2보충관 95 : 조절밸브
96 : 온도감지계
Claims (5)
- 음극재용 동박 소재 제조 설비에 있어서,
정련된 동이 용융된 용융체가 내부에 임시 수용되며, 수용된 용융체가 토출되는 토출구(12)가 형성되어 있는 턴디시(10)와;
연료와 산소를 공급받아 연료를 연소시켜 상기 턴디시(10) 내부의 용융체를 용융 상태로 유지케 하는 가열장치(60)와;
상기 가열장치(60)로 공급되는 산소가 액체 상태로 저장되어 있는 액화산소탱크(70)와;
내부에 냉각수가 저장되어 있으며, 상부가 개방되어 있고, 토출구(12)에서 토출된 용융체가 상부로 투입되어 내부의 냉각수와 접촉하여 굳어져 고체 상태의 동박소재가 제조되는 냉각탱크와;
상기 냉각탱크에서 배출된 냉각수가 내측으로 유입되도록 이루어져 있고, 관로상에 공급펌프가 구비된 냉각수회수관(92)을 통해 상기 냉각탱크와 연결되어 냉각탱크로 냉각수를 공급하도록 이루어져 있는 열교환탱크(90)와;
상기 열교환탱크(90) 내부에 설치되어 있으며, 상기 액화산소탱크(70) 및 가열장치(60)와 배관 연결되어 열교환탱크(90) 내부의 냉각수와 열교환을 이루어 열교환탱크(90) 내부로 유입된 냉각수를 냉각시키고, 액화산소탱크(70)로부터 유입된 액체산소를 기체화시켜 가열장치(60)로 공급하는 기화기(80);를 포함하여 구성된,
음극재용 동박 소재 제조 설비.
- 제 1항에 있어서,
상기 냉각탱크의 중간 부분 내주면에는 상향으로 반대편 상부 벽면을 향해 경사지게 배치되어 있는 다수 개의 냉각수분사노즐(33)이 일정 간격으로 배치되어 있고, 상기 냉각수분사노즐(33)은 제1냉각수공급관(33a)을 통해 상기 냉각수회수관(92)과 연결되어 있으며,
상기 냉각탱크의 하부는 제2냉각수공급관(42)을 통해 상기 냉각수회수관(92)과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는,
음극재용 동박 소재 제조 설비.
- 제 2항에 있어서,
상기 냉각탱크에서 용융체와 접촉하여 가온된 냉각수가 임시 저장되는 임시저장탱크(91)가 더 구비되어 있고,
상기 임시저장탱크(91)는 상기 열교환탱크(90)와 연결되어 임시 저장된 냉각수가 열교환탱크(90)로 공급되도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
음극재용 동박 소재 제조 설비.
- 제 3항에 있어서,
상기 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)에는 각각 온도감지계(96)가 설치되어 있으며,
상기 냉각수회수관(92)은 제1냉각수회수관(92a)과 제2냉각수회수관(92b) 두 개로 구성되어 있고,
상기 제1냉각수회수관(92a)은 제1냉각수공급관(33a)과 연결되어 있으며,
상기 제2냉각수회수관(92b)은 제2냉각수공급관(42)과 연결되어 있고,
상기 임시저장탱크(91)에는 각각 제1냉각수회수관(92a) 및 제2냉각수회수관(92b)과 연결되는 제1보충관(93) 및 제2보충관(94)이 설치되어 있으며,
상기 제1냉각수회수관(92a)과 제1보충관(93)이 연결되는 지점 및 제2냉각수회수관(92b)과 제2보충관(94)이 연결되는 지점 전의 각 배관에 조절밸브(95)가 설치되어 있고,
상기 온도감지계(96) 및 상기 조절밸브(95)들이 전기적으로 연결되어 있는 컨트롤장치가 구비되어 있어 온도감지계(96)에서 감지된 온도에 따라 컨트롤장치의 제어에 의해 각 조절밸브(95)의 개폐량을 조절하도록 이루어진 것을 특징으로 하는,
음극재용 동박 소재 제조 설비.
- 제 4항에 있어서,
상기 냉각탱크는,
상기 턴디시(10)의 하부에 위치하고, 상기 토출구(12)에서 토출되는 용융체가 내부로 수용되며, 하부에 용융체가 배출되는 배출구(32b)가 형성되어 있고, 상기 제1냉각수공급관(33a)과 연결된 냉각수분사노즐(33)이 중간에 설치되어 있는 내부냉각탱크(30)와;
상기 내부냉각탱크(30)와 이격되어 내부냉각탱크(30)와의 사이로 외부냉각공간(41)을 형성하고, 일측에는 상기 제2냉각수공급관(42)이 연결되어 있는 외부냉각탱크(40);로 구성되어 있으며,
상기 제1냉각수공급관(33a) 및 제2냉각수공급관(42)을 통해 공급된 냉각수는 내부냉각탱크(30) 및 외부냉각탱크(40)의 상부 벽면을 넘어 상기 임시저장탱크(91)에 저장되도록 이루어진 것을 특징으로 하는,
음극재용 동박 소재 제조 설비.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230089531A KR102631056B1 (ko) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 음극재용 동박 소재 제조 설비 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230089531A KR102631056B1 (ko) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 음극재용 동박 소재 제조 설비 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102631056B1 true KR102631056B1 (ko) | 2024-01-30 |
Family
ID=89714863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230089531A KR102631056B1 (ko) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 음극재용 동박 소재 제조 설비 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102631056B1 (ko) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR20170108303A (ko) * | 2016-03-17 | 2017-09-27 | 서울시립대학교 산학협력단 | 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치 및 이를 이용한 금속의 제조 방법 |
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| KR102521234B1 (ko) | 2021-09-03 | 2023-04-13 | 엘에스전선 주식회사 | 전해동박용 부정형 구리 소재 및 이의 제조방법 |
-
2023
- 2023-07-11 KR KR1020230089531A patent/KR102631056B1/ko active IP Right Grant
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