KR102635585B1 - 합금 리본 제조장치 - Google Patents

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KR102635585B1
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Abstract

본 발명에 따른 합금 리본 제조장치는 고주파 용해로에서 흘러내리는 용융금속을 냉각롤로 급냉시켜 비정질 합금 리본을 제조하는 장치로, 냉각롤의 표면에 저온의 냉각제를 분사하는 냉각수단을 포함하여 합금 리본의 냉각속도를 향상시킴과 동시에 냉각롤이 균일하게 낮은 온도를 유지할 수 있게 함으로써 제조되는 합금 리본의 비정질 비율이 높아지는 것을 특징으로 한다.

Description

합금 리본 제조장치 {Alloy ribbon manufacturing device}
본 발명의 일 측면은 용융합금을 냉각시켜 합금 리본을 제조하는 장치에 관한 것이다.
각종 변압기, 각종 반응 장치, 노이즈 대책, 레이저 전원, 가속기용 펄스 파워 자성 부품, 각종 모터, 각종 발전기 등에 사용되는 높은 포화 자속밀도, 낮은 보자력의 자성 재료로서는 규소강, 페라이트, 비정질 합금이나 Fe 기재(基材)의 나노 결정 합금 재료 등이 알려져 있다.
비정질 합금 리본 또는 비정질 합금 박대는 뛰어난 자기 특성을 갖기 때문에, 전력 배전용이나 변압기용의 자심, 또는 전자·전기 회로용의 자심을 위한 재료로서 이용되고 있다. 비정질 합금 리본의 적층체에 의해 구성된 자심을 사용하면, 와전류손실을 저감할 수 있으므로 규소 강판을 자심으로 사용하는 변압기에 비하여 무부하손(철손)을 작게 할 수 있다.
규소강판은, 재료가 염가이고 자속밀도가 높지만, 고주파의 용도에 대하여는 자심(磁心) 손실이 크다는 문제가 있다. 제조 방법상, 비정질 리본 수준으로 얇게 가공하는 것은 극히 어렵고, 와전류(渦電流) 손실이 크기 때문에, 이에 따른 손실이 커서 불리했다. 또한, 페라이트 재료는 포화 자속밀도가 낮고, 온도 특성이 나쁜 문제가 있으므로, 동작 자속밀도가 큰 하이파워의 용도에는 자기적으로 포화되기 쉬운 페라이트는 적합하지 않았다.
또한, Co 기재의 비정질 합금은, 포화 자속밀도가 실용적인 재료에서는 1T 이하로 낮고, 열적으로 불안정한 문제가 있다. 그러므로, 하이파워의 용도에 사용한 경우, 부품이 커지게 되는 문제나 경시 변화 때문에 자심 손실이 증가하는 문제가 있다.
이러한 이유로, 변압기용의 자심에는 Fe-Si-B계 등의 Fe계 비정질 합금 리본이 사용되고 있다. 비정질의 Fe-Si-B계 합금 리본은 액체 급냉법, 그 중에서도 공업 생산성이 뛰어난 단롤법에 의해 제작되는 것이 많은 실정이다.
단롤법에서는 회전하는 냉각롤에 대하여 용융 상태의 합금 재료(용탕)를 토출하고, 토출한 용탕을 냉각롤면 상에서 급냉·응고시키며, 냉각롤에의 용탕의 공급은 통상적으로, 용탕이 고인 도가니의 저부에 설치된 토출구를 통해서 행하여진다.
제조하고자 하는 두께나 표면 형상(성상)을 갖는 비정질 합금 리본을 제조하기 위해서는, 냉각롤 표면에 대하여 용탕을 적절한 양이나 압력으로 공급하는 것이 중요하며, 이와 더불어 비정질 합금 리본의 생산성을 향상시키기 위해서는 제조 공정을 중간에 중단하지 않고 장시간에 걸쳐 연속적으로 진행하는 것이 필요하므로 비정질 합금 리본의 제조 공정의 진행에 따라 일정한 조건을 유지하는 방법이 균일한 품질의 비정질 합금 리본의 양산을 위해 주로 연구되고 있다.
중국 특허공개공보 105817632A호
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본 발명의 목적은 용융금속의 냉각에 의해 제조되는 비정질 합금 리본의 비정질 상의 비율을 높이고, 균일한 크기와 표면특성을 갖는 용융금속 리본을 연속적으로 제조할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면은,
내부의 용융금속액을 외부로 흘려보내는 토출구를 포함하는 용해로; 및
상기 용해로에서 흘려보내진 용융금속액 용탕줄기의 하류측에 구비되며, 회전하는 표면에서 상기 용탕줄기를 리본형태로 냉각시키는 냉각롤; 을 포함하고,
상기 냉각롤은 상기 용탕줄기와 접촉하는 접촉지점으로부터 상기 냉각롤의 회전방향으로 냉각된 합금 리본을 보내는 합금 리본 제조장치를 포함하고,
상기 냉각롤의 회전속력은 상기 용탕줄기의 낙하속력의 3 ~ 30 배인 것이 좋으며,
상기 토출구와 상기 접촉지점 사이의 거리는 상기 냉각롤의 직경의 0.2 ~ 8 배인 것이 좋다.
이 때, 상기 냉각롤은 표면의 열전도도가 200 ~ 400 W/mㆍ℃ 이고, 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금으로 이루어지는 것이 좋으며,
상기 접촉지점에서 상기 냉각롤과 상기 용탕줄기의 온도 차이는 1600 ℃ 이상인 것이 바람직하다.
또, 상기 접촉지점으로부터 상기 냉각롤의 회전방향을 따라 제조된 합금 리본이 상기 냉각롤의 표면으로부터 박리되는 박리지점까지의 냉각구간에 대하여,
상기 접촉지점 및 상기 박리지점에서 상기 냉각롤의 표면온도차이는 10 ~ 50 ℃인 것이 좋고,
상기 냉각롤의 회전속도는 20 m/s 내지 30 m/s 인 것이 좋으며,
상기 냉각롤의 표면을 냉각하는 냉각수단을 더 포함하는 것이 좋다.
이 때, 상기 냉각수단은 냉각제를 분사하는 냉각제 분사노즐인 것이 좋고,
상기 냉각제 분사노즐은 1개 이상의 스프레이 분사노즐 또는 슬릿 노즐인 것이 바람직하다.
또, 상기 냉각제 분사노즐은 상기 접촉지점에 대하여 상기 냉각롤의 회전 반대방향으로 30 ~120°회전된 위치에 냉각제를 분사할 수 있고,
상기 냉각제의 분사량(l/s)은 상기 용탕줄기의 유량(l/s)의 10,000 내지 100,000배인 것이 좋으며,
상기 냉각제 분사노즐의 분사 커버리지 영역의 너비는 상기 합금 리본의 폭의 2 ~ 10 배인 것이 좋다.
이 때, 상기 냉각제는 -190 ~ -70 ℃의 질소일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 전술한 제조장치 중 어느 하나의 제조장치에 의해 제조되는 합금 리본을 포함하고,
상기 합금 리본은 비정질상의 비율이 99.5 ~ 100.0 %인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 따른 함금 리본 제조장치는 흘러내리는 용융금속이 표면에서 냉각될 때 높은 냉각속도를 제공하기 위하여 냉각롤의 표면에 냉각제를 공급하여 냉각롤의 표면온도를 영하의 저온으로 형성할 수 있으므로 제조되는 합금 리본의 비정질상 비율이 높고, 냉각제의 분사량을 조절하여 공정의 진행에 따라 온도가 상승하는 냉각롤의 표면온도를 일정하게 유지할 수 있어 연속적으로 제조되는 합금 리본의 성질이 균일하게 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 리본 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각제 분사노즐을 냉각롤의 회전축에 수직인 방향으로 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각제 분사노즐을 냉각롤의 회전축에 평행한 방향으로 나타낸 도면이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
여기서 1) 첨부된 도면들에 도시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 개략적인 것으로 다소 변경될 수 있다. 2) 도면은 관찰자의 시선으로 도시되기 때문에 도면을 설명하는 방향이나 위치는 관찰자의 위치에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 3) 도면 번호가 다르더라도 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용될 수 있다.
4) '포함한다(comprise, comprises, comprising), 갖는다, 이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 5) 단수로 설명되는 경우 다수로도 해석될 수 있다. 6) 형상, 크기의 비교, 위치 관계 등이 '약, 실질적' 등으로 설명되지 않아도 통상의 오차 범위가 포함되도록 해석된다.
7) '~후, ~전, 이어서, 후속하여, 이때' 등의 용어가 사용되더라도 시간적 위치를 한정하는 의미로 사용되지는 않는다. 8) '제1, 제2, 제3' 등의 용어는 단순히 구분의 편의를 위해 선택적, 교환적 또는 반복적으로 사용되며 한정적 의미로 해석되지 않는다.
9) '~상에, ~상부에, ~하부에, ~옆에, ~측면에, ~사이에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우 '바로'가 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다. 10) 부분들이 '~또는'으로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독뿐만 아니라 조합도 포함되게 해석되나, '~또는, ~중 하나'로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독으로만 해석된다.
본 명세서에서 비정질이란 통상의 비결정질, 비정질상으로도 사용되는 고체 내 결정이 이루어지지 않은, 즉 규칙적인 구조를 가지지 않는 상을 말한다.
또한 본 명세서에서 철계 비정질 합금이란, 철이 가장 많은 중량비로 포함되며, 분말내 비정질이 단순히 포함된 것이 아니라 실질적으로 대부분을 차지하는 것으로서 예컨대 비정질의 비율이 90 % 이상인 것을 말한다.
또한, 합금 리본(alloy ribbon)이란, 합금 용탕을 냉각하거나 냉각된 합금에 압력을 가하여 합금으로 이루어진 얇은 두께의 띠(alloy strip) 형태로 제조된 것을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 합금 리본 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 합금 리본 제조장치는 고주파 용해로(100), 냉각롤(200), 냉각제 분사노즐(300)을 포함하여 이루어진다.
고주파 용해로(100)는 금속 또는 합금을 고온으로 승온시키고, 혼합 유지하여 균일한 액체 상태의 용융액으로 존재할 수 있게 하는 장치로, 용탕의 유지, 용해에 사용되는 유도 용해로(Induction furnace)의 한 종류인 도가니형 중주파로를 포함하여 의미한다.
고주파 용해로(100)에 용융 및 균일 혼합된 금속 또는 합금의 조성은 제한되지 않으며, 티타늄 및 알루미늄과 같은 활성이 높은 금속이 포함될 수 있고, 자성이 있는 금속이나 합금 및 이를 제조하기 위한 조성의 용융금속, 예를 들어, Fe-Si-B계 비정질 금속, Fe-Si-B-P계 비정질 금속, Fe-Si-B-Nb-Cu계 나노 결정 금속, Fe-Ni-M (metalloid)-T(other transition metal)등의 철계 비정질 금속 분말을 제조하기 위한 조성의 금속들이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 고주파 용해로(100)의 온도는 제한되지 않으나, 비금속물질이 후술할 토출구(110)를 막을 가능성을 낮추기 위하여 1200℃ 이상일 수 있고, 용탕의 냉각시 접촉면에서 발생하는 에어포켓의 생성을 줄이기 위하여 1900℃ 이하일 수 있으며, 1500℃에서 1900℃ 범위인 것이 바람직하다.
고주파 용해로(100)는 하부에 용융금속을 용탕줄기를 형성하도록 흘려보낼 수 있는 토출구(110)를 포함한다. 토출구(110)는 슬릿형태의 노즐 또는 홀 형태의 노즐을 포함할 수 있으며, 슬릿형태인 경우 슬릿의 폭은 0.2 ~ 5.0 mm이고, 길이는 0.5 ~ 500.0mm로 이루어지며, 홀 형태인 경우 직경은 0.2 ~ 20.0 mm이다. 용융금속은 중력 또는 기타 가압수단 등에 의해 내부의 용융금속을 외부로 일정하게 흘려보낼 수 있다.
토출구(110)에서 흘러내리는 용탕줄기의 유하속력은 용융금속의 조성, 점도에 따라 달라질 수 있으나 0.05 ~ 5.00 m/sec일 수 있고, 바람직하게는 0.10 ~ 3.00 m/sec인 것이 좋다.
냉각롤(200)은 고주파 용해로(100)에서 흘러나오는 용융금속을 냉각시켜 응고시키는 수단이다. 일정한 유량으로 흘러나오는 용융금속은 고주파 용해로(100)의 하부에 구비되어 고속으로 회전하는 냉각롤(200)과 접촉하며 냉각롤(200)의 표면에서 급속도로 냉각되며 응고된다.
냉각롤(200)의 형태는 제한되지 않으며, 판, 원판, 원통, 원뿔(cone) 등의 형태가 사용될 수 있고, 바람직하게는 원기둥 또는 원통형을 포함하는 금속롤이 사용되는 것이 좋다.
이 때, 냉각롤(200)이 고속으로 회전하므로 용융금속과 냉각롤(200)의 접촉면부터 응고가 진행되며, 응고되지 않은 상부의 용융금속은 회전하는 냉각롤(200)의 다른 표면에 접촉되어 연속적으로 냉각되어 얇은 두께의 박막 또는 리본을 형성할 수 있고, 플레이크(flake) 형태의 분말을 형성하는 것도 가능하다.
냉각롤(200)은 표면에서 용융금속의 열을 빠르게 전도하여 냉각속도를 높여야 하므로 열전도도가 높은 것이 유리하여 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 황동 등을 포함하는 소재가 사용될 수 있으나, 내구도 및 경제성을 고려하여 구리 또는 알루미늄을 포함하는 합금이 주로 사용되며, 경제성과 열전달 속도를 고려할 때 구리 단일금속 또는 구리합금이 사용되는 것이 바람직하고, 냉각롤(200)의 열전도도는 200 내지 400 W/m℃ 범위일 수 있다.
냉각롤(200)의 회전에의해 용융금속의 냉각 및 리본 형태가 형성될 수 있다. 예를 들어 원통형의 냉각롤(200)이 사용되는 경우 냉각롤(200)은 수평방향 또는 용융금속의 유하방향과 수직방향으로 이루어진 회전축에 대하여 일정한 방향으로 회전하도록 구비될 수 있다. 냉각롤(200)의 회전속도는 제한되지 않지만 원주에서의 선속력이 10 m/s 이상이고 50 m/s 이하일 수 있으며, 바람직하게는 15 m/s 내지 40 m/s 인 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 20 m/s 내지 30 m/s 인 것이 좋다.
냉각롤(200)의 원주에서의 선속력은 용탕줄기의 유하속력의 3배 내지 30배 일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 25배 일 수 있다. 냉각롤(200)의 회전속도가 해당 범위보다 느린 경우 냉각롤(200)에 용탕이 두껍게 형성되어 열전달 효율이 떨어져 미세 결정이 형성되고, 리본형태가 균일하게 형성되지 않을 수 있고, 해당 범위보다 빠르게 회전하는 경우에 원심력이 증가하여 용융금속이 튕겨 나가거나 분말화될 수 있고, 회전축에 과도한 부담을 주어 과도한 진동으로 설비의 내구성과 제품의 두께 편차에 따른 품질 균일성에 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예와 같이 냉각롤(200)의 표면온도가 충분히 낮게 유지되는 경우에는 단시간내에 충분한 냉각이 이루어질 수 있어 냉각롤(200)의 회전속도가 빨라지더라도 비정질 비율이 높은 합금 리본이 제조될 수 있다.
냉각롤(200)의 표면온도는 용융금속과 접촉하여 냉각되는 순간 또는 용융금속과 접촉하기 전 구간에서 0℃ 또는 영하의 온도를 가지며, -50 ~ 0 ℃로 유지될 수 있고, 바람직하게는 -30 ~ -10 ℃로 유지되는 것이 좋다.
냉각롤(200)은 흘러내리는 용융금속과 접촉하는 접촉지점에서 용융금속과의 온도차이가 클수록 좋으나, 1600 ~ 1800 ℃ 일 수 있고, 바람직하게는 1600 ℃ 이상인 것이 좋다.
해당 온도범위보다 냉각롤(200)의 온도가 더 높은 경우에는 용융금속과의 열전달 속도가 감소하므로 금속의 냉각속도가 저하되고, 제조되는 제품의 비정질 비율이 감소되는 문제점이 있다.
냉각롤(200)의 표면온도가 위와 같이 낮게 유지됨으로 인하여, 냉각롤(200)은 합금 리본(1)이 냉각롤(200)으로부터 박리된 이후에도 표면온도가 0 ~ 80 ℃ 범위이고, 용융금속과 접촉하는 접촉지점에서와 합금 리본(1) 박리되는 박리지점에서의 냉각롤(200) 표면의 온도차이가 10 ~ 50 ℃, 바람직하게는 10 ~ 30 ℃로 형성되어 합금분말과 냉각롤(200)의 접촉시간동안 전달되는 열량이 종래보다 높으며, 냉각롤(200)으로부터 박리되는 합금 리본(1)의 온도도 20 ~ 50 ℃ 로 낮게 형성되어 비정질의 비율이 높게 나타난다.
또한, 비정질의 합금 형성을 위하여 냉각롤(200)에 의한 용융금속의 냉각속도가 빠를수록 생성되는 금속리본의 비정질상이 잘 형성될 가능성이 높으며, 냉각속도는 1*103 K/s 내지 1*105 K/s 범위일 수 있으나, 1*105 K/s 내지 1*107 K/s 인 것이 바람직하다.
냉각롤(200)의 직경은 냉각롤(200)에 합금 용탕 접촉시부터, 냉각롤(200)으로부터 합금 리본이 박리될 때까지의 냉각 시간을 결정하는 요인 중 하나로서, 200 ㎜ 이상일 수 있고, 300 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 한편, 이 직경은 설비의 고속 회전시 진동 및 유지보수를 고려하여 1500 ㎜ 이하인 것이 좋다.
냉각롤(200)의 표면과 토출구(110)와의 거리는 100 ~ 1500 mm 인 것이 좋으며, 냉각롤(200)의 직경 대비 0.2 ~ 8 배인 것이 좋다. 해당 범위를 벗어나는 경우 용탕이 유하하는 동안 일부 냉각되어 비정질의 형성 효율이 감소하거나 낙하한 용탕이 주변으로 튀어 형태가 불균일해지고, 다른 장치(냉각 노즐 등)에 손상을 주는 문제가 있을 수 있다.
냉각수단은 고온의 용융금속과 접촉하여 열교환이 일어나 온도가 상승하는 냉각롤(200)을 식히고, 냉각롤(200)의 표면온도를 낮게 유지하기 위하여 구비된다.
냉각수단의 종류 및 형태는 제한되지 않고, 냉각제를 냉각롤(200)의 표면에 균일하게 제공할 수 있는 종류 및 형태라면 어떠한 방식이라도 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 냉각수단으로 액체질소 또는 기화된 저온의 액체질소를 분사하는 분사노즐을 포함한다. 냉각제 분사노즐(300)의 수는 제한되지 않으며, 1 개 내지 10 개의 노즐이 사용될 수 있고, 하나의 긴 슬릿형태의 노즐 또는 1 ~ 10 개의 스프레이(Spray)형태 노즐이 사용될 수 있다.
용융금속이 냉각롤(200)과 접촉하는 면적 및 영역의 크기에 따라 그에 맞는 냉각제 분사노즐(300)이 사용되는 것이 바람직하고, 용융금속이 슬릿형태의 토출구(110)에서 유하하는 경우, 해당 영역에 균일하게 냉각제를 분사할 수 있는 슬릿형태의 분사노즐이 사용될 수 있고, 홀이나 도넛 형태를 가지는 토출구(110)에서 유하하는 경우, Spray 형태의 노즐이 복수로 사용되어 냉각제가 중첩되며 분사되는 방식으로 사용될 수 있으나, 이에 제한됨 없이 다양한 형태의 분사노즐이 사용될 수 있다.
냉각제 분사노즐(300)은 용융금속 접촉지점분을 기준으로 냉각롤(200)의 회전방향 부분을 하류, 냉각롤(200)의 회전방향 반대방향 부분을 상류라고 할 때, 상류측에서 냉각제와 냉각롤(200)이 접촉하여 냉각될 수 있도록 위치한다. 냉각제 분사노즐(300)은 냉각제를 냉각롤(200)의 하류에 분사하여 용융금속을 냉각시킨 후 온도가 올라간 냉각롤(200)을 다시 저온으로 냉각시키고, 이 때, 냉각롤(200)이 냉각제에 의해 냉각되기 시작하는 지점 또는 냉각제 분사노즐(300)의 분사방향은 냉각롤(200)이 용융금속과 접촉하는 지점의 위치로부터 금속판의 회전 반대방향으로 30 ~ 120° 지점인 것이 좋다.
해당 지점보다 용융금속 접촉지점에 더 가까운 경우 냉각제로부터 냉각되는 시간이 충분하지 않고, 잔류 냉각제의 영향으로 용융금속이 냉각될 수 있어 냉각효과가 불충분하거나 리본형태가 균일하지 않게 형성될 수 있으며, 해당 범위보다 더 상류에 위치하는 경우 냉각 이후 용융금속 접촉 지점까지 주변과의 열전달에 의해 온도가 일부 상승하여 냉각효율이 떨어져 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
냉각제가 냉각롤(200)의 표면에 접촉할 때의 접촉각은 접촉점에서 냉각롤(200)의 표면에 접하는 접평면과 냉각제의 분사방향이 이루는 각으로 표현될 수 있으며, 접촉각은 85 ~ 95° 일수 있고, 바람직하게는 88 ~ 92°인 것이 좋다. 접촉각이 해당 범위보다 넓거나 작은 경우 냉각영역이 너무 넓어져 효율이 감소하고, 온도분포가 균일하지 않게 이루어져 합금 리본의 비정질이 균일하게 나타나지 않을 수 있다.
냉각제 분사노즐(300)에서 분사되는 냉각제가 냉각롤(200)의 표면에 접촉하는 분사 커버리지 영역 면적은 냉각이 가장 많이 일어나는 부분으로, 용융금속이 접촉되어 합금 리본(1)을 생성하면서 온도가 상승한 부분에 대하여 집중적인 냉각이 이루어지는 것이 바람직하므로, 커버리지 영역의 면적의 너비는 합금 리본의 폭보다 크고, 2 ~ 10 배일 수 있으며, 바람직하게는 2 ~ 5 배 인 것이 좋다.
냉각제가 분사노즐로부터 분사되며 퍼지는 각도인 분사각도는 제한되지 않으나, 30 내지 150°범위일 수 있으며, 90 내지 120°인 것이 바람직하다. 분사각도가 작을수록 냉각효율이 높아지나 분사 커버리지 영역의 면적이 좁아지는 문제가 있다.
냉각제 분사노즐(300)은 하나 이상의 위치에서 냉각제를 분사하여 냉각효율을 향상시킬 수 있다. 인접하는 두 노즐의 분사 커버리지 영역을 서로 중첩될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각제 분사노즐을 나타낸 것이다. 인접하는 두 노즐은 분사 커버리지 영역의 폭 또는 면적이 50 % 내지 80% 범위로 중첩되도록 간격을 가지며 배치되어 냉각제를 분사할 수 있다. 이 때 커버리지 영역의 폭이란, 두 냉각제 분사노즐(300)을 일 평면상에 두고 관찰하였을 때, 해당 평면상에서 관찰되는 분사 폭을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
커버리지 영역의 폭 또는 면적의 중첩 비율이 해당 범위보다 낮은 경우에는 냉각효율이 높지 않은 문제가 있고, 해당 범위보다 높은 경우에는 분사되는 냉각제의 양이 많아져 경제성이 낮아지는 문제가 있다.
도 2 및 도 3은 냉각제 분사노즐(300)이 1개 이상 사용되는 실시예를 예시적으로 나타낸 도면이다. 냉각제 분사노즐(300)이 복수개 사용되는 경우, 냉각제 분사노즐(300)은 다양한 형태로 배치될 수 있다. 냉각제 분사노즐(300)은 냉각제공급관(310)에 결합되어 구비될 수 있으며, 냉각롤(200)의 회전축과 평행하게 배치되는 냉각제공급관(310)에 일정한 간격으로 배치되어 냉각제를 분사할 수 있다.
도 2에서 냉각제 분사노즐(300)은 일정한 간격을 가지며 일렬로 구비되며, 분사각도(θ)로 냉각제를 분사하고, 냉각롤(200)에 냉각제가 분사되는 분사 커버리지 영역(L)이 도면에 표시되었다.
또한, 도 3과 같이 냉각제 분사노즐(300)은 하나 이상의 냉각제공급관(310)에 서로 다른 분사방향을 갖도록 냉각제 분사노즐(300)이 구비되어 지그재그 형태로 냉각제를 분사하거나, 2열 이상으로 배치되어 인접하는 냉각제 분사노즐(300)에 비해 냉각롤(200)의 상류와 하류방향의 지점에 동시에 냉각제를 분사할 수 있다.
위 경우에 냉각제 분사노즐(300)의 형태는 동일하게 구성되는 것이 좋으나, 서로 다른 형태의 분사노즐이 조합되어 사용될 수도 있다.
냉각제 분사노즐(300)은 냉각롤(200)의 내부에 구비되어 얇은 두께의 판으로 이루어진 냉각롤(200)의 내부에서 냉각제를 분사하여 냉각롤(200)을 냉각시킬 수 있다. 내부에 분사되는 냉각제는 용융금속과 직접 접촉되지 않으며, 고속회전에 의한 원심력으로 질소기체가 금소판의 표면에서 오래 접촉되지 못하는 문제점을 극복할 수 있고, 냉각롤(200)의 전체 구간에 대하여 높은 열교환이 가능한 장점이 있다. 온도가 높아진 질소기체는 블로워, 벤트 또는 펌프를 통해 냉각롤(200)의 바깥으로 제거된 후 제조된 합금 리본을 냉각롤(200)에서 박리시키기 위한 분사기체로 활용될 수 있다.
냉각롤(200)의 표면은 일정한 곡률반경을 갖는 곡면일 수 있으나, 곡률반경이 변경되는 곡면을 포함할 수 있고, 냉각롤(200)으로부터 합금 리본을 박리하기 위한 홈 또는 굴곡을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 냉각롤(200)의 표면에 계단형태의 절곡된 면을 포함하도록 홈을 포함하며, 해당 홈의 위치에 용탕줄기가 낙하하는 경우 회전하는 냉각롤(200)에 의해 접촉지점의 회전 반대방향에 위치하는 냉각롤(200)의 벽면이 용탕줄기를 회전방향으로 보내고, 원심력에 의한 합금 리본(1)의 박리가 잘 일어날 수 있다.
냉각롤(200)의 원주에 해당하는 길이의 합금 리본(1)의 제조 시 해당 홈의 위치에서 형성된 합금 리본(1)은 냉각롤(200)이 한 바퀴 회전하여 다시 접촉지점의 위치로 올 때까지 연속되는 합금 리본을 형성할 수 있고, 연속되지 않은 새로운 합금 리본이 홈에 흘러내리는 금속용탕으로부터 제조될 수 있다.
냉각롤(200)의 냉각에 사용되는 냉각제는 끓는점이 0℃ 이하이고 냉각롤(200) 및 용융금속과 반응성이 낮은 물질이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 액화질소(N2)를 사용하는 것이 좋다.
액화질소는 끓는점이 -196℃로 드라이아이스(-78.5℃)보다 훨씬 낮으며, 반응성이 낮은 불활성 기체로, 냉각롤(200) 및 용융금속과 반응성이 매우 낮으므로 냉각제로 사용하기에 적합하다. 냉각제는 -196℃ 내지 -70℃의 질소일 수 있으며, 바람직하게는 -190 ~ -70 ℃의 질소인 것이 좋다. 액화질소는 빠르게 기화되어 기체상태로 냉각제 분사노즐(300)을 통해 냉각롤(200)에 분사되어 냉각롤(200)을 급격하게 냉각시킬 수 있다.
냉각제의 분사량은 냉각롤(200)의 크기, 회전속도, 유지 목표 온도, 냉각제 분사노즐(300)의 형태 및 효율, 용융금속의 유량 및 온도 등 여러가지 요인에 따라 다르게 조절될 수 있고, 냉각롤(200)의 목표 온도를 조절하기 위해 냉각제의 분사량이 잘 조절되고, 일정하게 유지되는 것이 중요하다.
바람직한 냉각롤(200)의 온도를 유지하기 위해서는 예를들어, 흘러내리는 용탕의 온도가 1800 ℃ 이고, 1 g/s 의 유량으로 낙하할 때, 냉각제의 분사량은 1 ~ 1000 l/s 일 수 있고, 바람직하게는 10 ~ 100 l/s 인 것이 좋으며, 냉각제의 분사량(l/s)은 부피로 나타낸 용탕의 유량(l/s)대비 10,000 내지 100,000배로 이루어질 수 있다.
연속적인 합금 리본의 생산에서 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 냉각제의 분사량과 용융금속의 낙하 유량에 대하여 열 밸런스가 유지되어야 하므로, 냉각제 분사량과 용융금속의 유량은 매우 중요한 관계를 갖는다.
냉각제 분사량이 해당 범위보다 적은경우 냉각이 충분하지 못해 냉각롤(200)의 표면온도가 조금씩 상승하게 될 것이고, 해당 범위보다 큰 경우 금속롤의 표면온도는 유지되거나 조금씩 낮아지게 되지만 생산 경제성이 하락하는 문제가 있다.
냉각제의 분사량과 용융금속의 낙하 유량의 관계는 용융금속이 냉각롤(200)에 제공하는 열전달속도와 냉각제에 의하여 금속롤의 표면에서 빼앗기는 열전달속도의 비교로부터 계산될 수 있다.
실제로는 주변 공기에 의한 열의 손실 및 냉각롤(200)의 회전으로 인한 발열, 마찰열 등의 오차가 매우 크므로 측정이 매우 어렵지만, 개략적으로 계산하면, 용융금속이 공급하는 열의 양은 용융금속의 비열*유량*온도변화량 + 용융금속의 응고열*유량 으로 계산될 수 있고, 냉각제의 냉갹량은 냉각제의 비열*분사량*온도변화량으로 계산될 수 있다.
이러한 계산에 따르면, 냉각제의 분사량(MN)와 용융금속 유량(Mm)의 비율 (MN/ Mm)은 (용융금속의 비열*용융금속 온도변화량) / (냉각제의 비열*냉각제 온도변화량) 으로 근사될 수 있고, 예를들어 냉각제의 온도변화량이 160K 이고, 용융금속의 온도변화량이 1600K, 냉각제의 비열이 1.04 J/g℃, 용융금속의 비열이 약 0.473 J/g℃ 라 가정하면, 대략 4 내지 5배의 값을 얻을 수 있으며, 실제 질소와 같은 냉각제의 분사시 냉각롤(200)의 표면에서 전달되는 열전달의 효율이 매우 낮고 편차가 심하므로 0.3 ~ 2.0 의 범위를 갖는 실험보정계수를 곱하여 보정하고, l/s 단위를 g/s로 변환하기 위하여 질소의 밀도 1.251 g/l 및 용융금속의 밀도값을 활용하여 실험환경에 따른 적절한 비율의 냉각제를 공급할 수 있다.
본 발병의 다른 실시예는 냉각롤(200)의 용융금속 접촉표면 근방(토출구측)으로부터 냉각롤(200)의 회전 방향에 대한 하류측에 위치하는 박리 가스 노즐을 더 포함한다. 이에 의해, 냉각롤(200)의 회전 방향과는 반대 방향으로 박리 가스 (예를 들어 질소 가스나 압축 공기 등의 고압 가스 등)를 분사함으로써, 냉각롤(200)로부터의 비정질 합금 리본의 박리가 보다 효율적으로 행하여진다.
본 발명의 다른 실시예는 합금 리본의 박리와 냉각롤(200)의 냉각을 동시에 진행하여 장치의 구조를 단순화하고 생산원가를 절감할 수 있다.
용융금속의 냉각속도 및 합금 리본의 형성은 용융금속 용탕의 온도, 토출 유량, 냉각롤(200)의 온도, 냉각롤(200)의 회전속도에 따라 달라질 수 있다.
용융금속의 온도, 유량 및 냉각롤(200)의 온도는 높을수록 냉각속도가 감소되어 제조되는 합금 리본의 비정질 형성 비율이 떨어지게 되고, 냉각롤(200)의 회전속도에 따라 제조되는 리본의 두께 및 형태가 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 냉각롤(200)의 온도를 낮게 유지함으로써 냉각속도 향상을 통한 비정질의 형성 비율을 높이고, 냉각롤(200) 중 용융금속이 접촉되어 열전도가 일어나는 부분과 다른 부분의 온도 차이를 최소화하기 위하여 냉각제 분사노즐(300)을 균일하게 분사하여 냉각롤(200)과 용융금속의 접촉면적의 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
또한, 냉각롤(200)의 온도가 일정하게 유지될 수 있으므로, 연속적인 비정질 합금 리본의 형성에도 구리판의 온도 변화가 거의 일어나지 않아 추가 조작이 최소화되므로 긴 길이를 갖는 합금 리본이 제조될 수 있어 경제성이 높다.
본 발명의 다른 측면은 전술한 합금 리본 제조 장치로부터 제조되는 합금 리본이다. 합금 리본의 조성은 제한되지 않으나, 자성이 있는 금속이나 합금 및 이를 제조하기 위한 조성의 용융금속, 예를들어, Fe-Si-B계 비정질 금속, Fe-Si-B-P계 비정질 금속, Fe-Si-B-Nb-Cu계 나노 결정 금속, Fe-Ni-M (metalloid)-T(other transition metal)등의 철계 비정질 합금이 사용될 수 있다.
합금 리본은 비정질상의 비율이 90 ~ 100 % 일 수 있고, 바람직하게는 99.5 ~ 100.0 %인 것이 좋다.
합금 리본의 폭 및 두께는 제한되지 않으나, 폭은 0.1 ~ 100 mm이고, 두께는 0.1 ~ 5 mm로 제조될 수 있다. 이때, 전술한 제조 장치는 높은 냉각속도를 제공하므로, 두께가 0.1 ~ 10 mm인 비정질 합금 리본이 제조될 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 합금 리본 100 : 고주파 용해로
110 : 토출구 200 : 냉각롤
210 : 접촉지점 220 : 박리지점
300 : 냉각제 분사노즐 310 : 냉각제공급관

Claims (17)

  1. 내부의 용융금속액을 외부로 흘려보내는 토출구를 포함하는 용해로; 및
    상기 용해로에서 흘려보내진 용융금속액 용탕줄기의 하류측에 구비되며, 회전하는 표면에서 상기 용탕줄기를 리본형태로 냉각시키는 냉각롤;
    을 포함하고,
    상기 냉각롤(200)의 접촉지점(210)과 상기 토출구(110)의 거리는 100 ~ 1500 mm이며,
    상기 냉각롤은 상기 용탕줄기와 접촉하는 접촉지점으로부터 상기 냉각롤의 회전방향으로 냉각된 합금 리본을 보내는 합금 리본 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각롤의 회전속력은 상기 용탕줄기의 낙하속력의 3 ~ 30 배인 합금 리본 제조장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각롤은 표면의 열전도도가 200 ~ 400 W/mㆍ℃인 합금 리본 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각롤은 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금으로 이루어지는 합금 리본 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접촉지점에서 상기 냉각롤과 상기 용탕줄기의 온도 차이는 1600 ℃ 이상인 합금 리본 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접촉지점으로부터 상기 냉각롤의 회전방향을 따라 제조된 합금 리본이 상기 냉각롤의 표면으로부터 박리되는 박리지점까지의 냉각구간에 대하여,
    상기 접촉지점 및 상기 박리지점에서 상기 냉각롤의 표면온도차이는 10 ~ 50 ℃인 합금 리본 제조장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 냉각롤의 회전속도는 20 m/s 내지 30 m/s 인 합금 리본 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각롤의 표면을 냉각하는 냉각수단을 더 포함하는 합금 리본 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각수단은 냉각제를 분사하는 냉각제 분사노즐인 합금 리본 제조장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각제 분사노즐은 1개 이상의 스프레이 분사노즐 또는 슬릿 분사노즐인 합금 리본 제조장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 냉각제 분사노즐은 상기 접촉지점에 대하여 상기 냉각롤의 회전 반대방향으로 30 ~120°회전된 위치에 냉각제를 분사하는 합금 리본 제조장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 냉각제의 분사량(l/s)은 상기 용탕줄기의 유량(l/s)의 10,000 내지 100,000배인 합금 리본 제조장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 냉각제 분사노즐의 분사 커버리지 영역의 너비는 상기 합금 리본의 폭의 2 ~ 10 배인 합금 리본 제조장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 냉각제는 -190 ~ -70 ℃의 질소인 합금 리본 제조장치.
  16. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제15항 중 어느 한 항의 제조장치에 의해 제조되는 합금 리본.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 합금 리본은 비정질상의 비율이 99.5 ~ 100.0 %인 합금 리본.
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