KR20010057616A - 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광폭의 롤 제조용 가스분무 주조장치에 관한 것으로서, 금속용탕을 고압의 가스로 분무화 시킨 후, 분무 용탕을 회전하는 코아재 위에 적층시켜 합금 롤을 제조하는 분무 주조장치에 있어서, 봉상 코아재(13)와 일정한 거리를 두고 턴디쉬(5)의 하부에다 봉상 코아재(13)의 길이 방향에 수직 방향으로 다수의 환형 가스분무기(7)를 나란히 설치하고, 상기 환형 가스분무기(7)에 연결된 가스공급관( 6)에 장홈(LH)을 갖는 운동전달 플레이트(19)를 설치하되 디스크캠(17)에 연결된 좌우 왕복운동암(18) 상에 설치된 다수의 선회축(22) 각각을 상기 장홈(LH)에 끼워서 구성한 것으로 진동하는 환형 가스분무기에 의해 각 스프레이의 질량 분포를 균일하게 하여 하부의 기판에 적층시키기 때문에 보다 정밀하게 제어된 두께를 갖는 광폭의 합금 롤을 제조할 수 있고, 가스분무기의 진동 변위량을 조절하여 롤의 폭을 보다 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 다수개의 가스분무기를 적용함으로써 작업 생산성이 매우 우수하게 되는 장점이 있는 것이다.

Description

광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치{Multi-Nozzle Spray Caster for wide roll casting}

본 발명은 광폭의 롤 제조용 가스분무 주조장치에 관한 것으로서, 특히 다수개의 진동하는 가스분무기를 이용하여 롤의 두께와 미세조직이 균일하게 형성되도록 하는 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치에 관한 것이다.

일반적으로 분무 주조공정은 금속용탕을 고압의 가스로 분무화(atomization) 시킨후, 낙하하는 미세한 분무액적(噴霧液滴)을 반응고 상태로 하부의 기판(subst rate)에 적층시켜 봉상, 롤 및 판상의 합금 성형체 부품을 제조할 수 있는 주조방법의 하나이다. 이중에서 롤 제조의 경우 균일한 두께를 얻는 것이 매우 중요하며, 특히 상업성의 의미에서 광폭의 롤 제조는 필수불가결한 기술요소이다. 이러한 롤의 두께 및 폭의 제어는 가스분무기의 형상, 설계 및 수량에 의해서 가능하게 된다.

도 1은 종래 롤 제조용 분무 주조장치의 구성도(ISIJ International, Vol. 30, No. 9, 1990, p.756-763)로서 도 1에 나타낸 바와 같이 용해로(1)에서 금속용탕을 상부 턴디쉬(2)에 붓고 상부 턴디쉬(2)에 장착된 스톱퍼(4)의 제어를 통해서 하부 턴디쉬(3)의 탕면 높이를 일정하게 유지한다. 하부 턴디쉬(3)의 용탕 오리피스(11)를 통해 용탕이 하부로 흘러나올 때 고압가스 공급관(6)과 연결된 환형 가스분사기(7)에서 고속의 가스 제트가 나와 낙하하는 용탕을 분무화 시킨다. 이때 분무 챔버(12) 하부에 장착된 회전하는 봉상 코아재(13) 위에 분무 용탕이 적층되어 외피재를 형성하여 성장하게 되고, 외피재가 원하는 직경으로 적층되면 최종 롤이 완성된다.

이러한 종래 롤 제조용 분무 주조장치는 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.

첫째, 균일한 두께를 갖는 롤을 제조할 수 없다.

도 2a에 도시한 바와 같이 종래 환형 가스분무기(7)의 환형 용탕 스프레이 (9)는 일종의 가우시안 분포를 갖고 있어 중앙에 훨씬 더 많은 질량이 존재하게 된다. 따라서 최종 롤의 폭은 스프레이의 반쪽폭(X)에 의해서 결정되며, 봉상 코아재(13)와 환형 가스분무기(7)의 수직거리(A)를 증가 시킴으로서 롤의 폭을 넓게 할 수 있으나 원기둥 롤의 단면 모양은 가우시안 분포를 나타낸다. 이와 같이 환형 가스분무기(7)의 경우 적층되는 롤의 단면 형상은 중심은 두껍고, 가장자리로 감에 따라 급격히 얇아지게 된다.

또한 도 2b에 도시한 선형 가스분무기(8)의 경우에도 스프레이의 질량 분포가 길쭉한 마름모 꼴을 나타내기 때문에 적층된 외피재 롤(14)의 단면 형상은 길쭉한 이등변 삼각형 모양이 된다. 이와 같이 상기 두 가스분무기는 모두 일정한 두께를 갖는 롤의 제조에는 효과적이지 못하다.

둘째, 광폭의 롤을 제조하기 어렵다.

롤의 제조에 있어서 일정 수준의 길이가 확보 되어야 공업적 경제성을 갖게 된다. 그런데 종래의 환형 가스분무기(7)는 스프레이의 폭이 한정되기 때문에 최대 20cm 폭 이상의 롤 제조가 불가능하다. 선형 가스분무기(8)를 적용하는 경우에도 용탕의 표면 장력 때문에 선형 오리피스에서 유출된 용탕이 선형으로 그대로 유지되기 어렵고 그 길이 또한 한정되기 때문에 광폭의 롤 제조에는 부적합하다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 롤 제조용 분무 주조장치의 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서 롤 제조용 분무 주조장치에 있어서 다수의 진동하는 가스분무기를 설치하고, 가스분무기의 진동에 의해 각 스프레이의 질량 분포를 균일하게 하여 하부의 기판에 적층시킴으로써 롤의 두께와 미세조직이 균일한 광폭의 합금 롤을 제조하는 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 롤 제조용 분무 주조장치의 구성도,

도 2a는 환형 가스분무기를 이용한 롤 제조를 설명하기 위한 도면,

도 2b는 선형 가스분무기를 이용한 롤 제조를 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치의 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 스프레이를 진동시키는 디스크캠의 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 각 가스분무기의 스프레이 질량 분포와 이들의 중첩

을 설명하기 위한 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 용해로 2 : 상부 턴디쉬

3 : 하부 턴디쉬 4 : 스톱퍼

5 : 턴디쉬 6 : 고압가스 공급관

7 : 환형 가스분무기 8 : 선형 가스분무기

9 : 환형 용탕 스프레이 10 : 선형 용탕 스프레이

11 : 용탕 오리피스 12 : 분무 챔버

13 : 봉상 코아재 14 : 적층된 외피재 롤

15 : 코아재 회전장치 16 : 배기닥트

17 : 디스크캠 18 : 좌우 왕복운동암

19 : 운동전달 플레이트 20 : 캠프로파일

21 : 좌우 왕복암 지지대 22 : 선회축

LH : 장홈

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치는 금속용탕을 고압의 가스로 분무화 시킨 후, 분무 용탕을 회전하는 코아재 위에 적층시켜 합금 롤을 제조하는 분무 주조장치에 있어서, 봉상 코아재(13)와 일정한 거리를 두고 턴디쉬(5)의 하부에다 봉상 코아재(13)의 길이 방향에 수직 방향으로 다수의 환형 가스분무기(7)를 나란히 설치하고, 상기 환형 가스분무기(7)에 연결된 가스공급관(6)에 장홈(LH)을 갖는 운동전달 플레이트(19)를 설치하되 디스크캠(17)에 연결된 좌우 왕복운동암(18) 상에 설치된 다수의 선회축(22) 각각을 상기 장홈(LH)에 끼워서 구성한 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 환형 가스분무기(7)의 진동 변위량의 조절이 가능하도록 상기 선회축(22)을 장홈(LH) 내에서 상하로 이동시켜 설치할 수 있고, 상기 봉상 코아재 (13)와 상기 환형 가스분무기(7) 사이의 거리를 미세 조정할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치의 작용을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치의 구성도로서, 봉상 코아재(13)의 길이 방향에 수직 방향으로 환형 가스분무기(7)를 다수개 나란히 설치하여 환형 가스분무기(7)가 봉상 코아재(13)의 길이 방향으로 진동( Scanning) 하도록 되어 있다. 턴디쉬(5)의 용탕 오리피스(11 ; 도 5 참조)를 통해 용탕이 하부로 흘러나올 때 고압가스 공급관(6)과 연결된 환형 가스분무기(7)에서 고속의 가스 제트가 나와 낙하하는 용탕을 분무화 시킨다. 이러한 환형 가스분무기(7)는 디스크캠(17)과 연결되어 있으며, 디스크캠(17)의 회전운동은 좌우 왕복운동암(18)의 좌우 왕복운동으로 변하며, 이때 운동전달 플레이트(19)는 진동운동을 하여 운동전달 플레이트(19)와 연결된 고압가스 공급관(6)이 회전 진동 운동을 하게 된다. 따라서 최종적으로 고압가스 공급관(6)에 고정된 환형 가스분무기(7)가 진동하여 환형 용탕 스프레이(9)를 진동(Scanning)시키게 되며, 하부의 회전하는 봉상 코아재(13)의 표면위에 분무액적(噴霧液滴)이 균일하게 적층된다. 봉상 코아재(13)는 일정한 속도로 회전하고 환형 가스분무기(7)를 다수개 설치하기때문에 각 스프레이가 서로 약간 중첩되면서 직경이 일정한 광폭 롤을 형성하게 된다.

본 발명에 있어서 스프레이의 진동은 도 4에 도시한 바와 같이 디스크 캠( 17)을 사용하며, 원판위에 원하는 운동에 따라 일정한 캠프로파일(20), 예컨대 편심 타원 혹은 하트 모양의 홈을 형성한다. 본 발명의 경우 스프레이가 동일한 속도로 스캔하도록 설계되어야 적층시 스프레이의 두께가 균일해질 수 있다. 이를 구현하기 위해서 디스크캠(17)의 캠프로파일(20)은 편심진 원홈을 사용한다.

디스크캠(17)이 회전할 때 좌우 왕복운동암(18)은 좌우 왕복운동을 하며, 이러한 좌우 왕복운동암(18)의 좌우 운동은 운동전달 플레이트(19)에 의해 회전 왕복운동으로 변하고, 이러한 회전 왕복운동은 환형 가스분무기(7)를 진동시키며 결국은 환형 용탕 스프레이(9)가 일정 영역을 반복하여 진동(Scanning)하게 된다.

선회축(22)을 상하로 이동 가능하게 설계하여 좌우 왕복운동암(18)의 높이(H )를 조절함에 따라 진동각도(S)를 제어할 수 있고, 좌우 왕복운동암 지지대(21)는 좌우 왕복운동암(18)의 운동시 수평을 유지시켜 주며, 내경에 윤활기능을 추가하여 디스크캠(17)의 고속회전시 좌우 왕복운동암(18)의 고속 왕복운동을 가능하게 한다. 진동각도(S)는 환형 가스분무기(7)의 중심과 선회축(22) 사이의 거리(H) 및 디스크캠(17)의 운동에 의해서 발생하는 중심으로 부터의 최대 변위(D)에 의해서 결정되며, 주사각도(S)는 H 및 D와 하기 수학식 1과 같은 관계가 있다.

상기 수학식 1에서 D값이 커질수록 또한 H값이 감소할수록 진동각도(S)는 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 D값은 디스크캠(17)이 제작될 때 캠프로파일(20)에 의해 이미 고정된 값이므로 동일한 디스크캠(17)에 대해서 H값을 조절해 줌으로써 진동각도(S)를 제어할 수 있다.

도 5는 도 3의 단면도로서 (나)에서 도시한 바와 같이 정지된 환형 가스분무기(7)를 다수개 나란히 적용한다고 해도 균일한 직경의 롤을 제조할 수 없다. 이러한 경우 스프레이 간의 거리를 2X이내로 좁혀 서로 중첩시킨다 해도 가우시안 분포의 합은 평면을 만들지 못하기 때문에 평판을 기대할 수 없다. (가)에 도시한 본 발명의 경우 가스분무기(7)를 일정 영역에서 진동시킴으로 해서 스프레이의 질량 분포를 가우시안 형태에서 거의 균일한 두께의 이등변 사다리꼴 분포로 변화시킨다. 이렇게 하여 얻어진 환형 용탕 스프레이(9)는 양끝에 불균일 부위를 갖게되며, 다수의 스프레이 양끝을 서로 중첩시켜 균일한 직경의 적층된 외피재 롤(14)를 얻을 수 있다.

n개의 환형 가스분무기(7)를 적용하여 폭인 W인 합금 롤을 제조하고자 할 때 환형 가스분무기(7) 사이의 최적거리(Y)는 하기 수학식 2와 같다.

X는 환형 가스분무기(7)의 설계에 따라 달라질 수 있으나 동일한 장치에 대해서는 일정하므로 롤의 폭을 조정하기 위해서는 환형 가스분무기(7) 사이의 거리(Y)와 이와 동시에 진동에 따른 스프레이의 변위폭(L)이 연동되어 최적화 되어야 한다. L의 값은 A와 H의 값에 따라 변화시킬 수 있으며, 폭이 W인 롤을 얻기 위한 최적의 H값은 하기 수학식 3과 같이 결정할 수 있다.

디스크캠(17)이 결정되면 D의 값은 일정하며, 열수지를 고려하여 적당한 수직거리 A를 결정하면 균일한 두께를 얻기위한 H값을 결정할 수 있다.

정해진 폭의 롤 제조에 있어 적층되는 롤의 직경은 전체 용탕 유출 속도에 대한 봉상 코아재(13)의 회전속도 비에 의해 결정 된다. 일반적으로 용탕의 유출 속도 보다는 봉상 코아재(13)의 회전속도를 제어하는 것이 용이하며 공업적으로 정확도를 유지할 수 있다. 롤의 폭(W)은 하기 수학식 4에 의해 환형 가스분무기(7)의 개수(n)와 선회축 높이(H)를 조정하여 변화시킬 수 있다.

설치하는 환형 가스분무기(7)의 수를 증가시키면 롤의 폭을 증가시킬 수 있으나, 공정에 소요되는 가스 공급량이 기하급수적으로 증가되기 때문에 설비 투자비가 너무 커지는 단점이 있다. 그러므로 환형 가스분무기(7)의 개수는 4개에서 5개 정도로 고정시키고, 롤의 폭을 넓히고자 하는 경우에는 H를 증가시켜 각 환형 가스분무기(7)의 진동각도를 증가시키는 것이 용이하다. 이렇게 해줌으로써 스프레이를 더욱 길쭉하게 늘어나도록 유도해 균일한 직경의 광폭 롤을 제조할 수 있다.물론 이때에 롤의 폭에 맞춰 각 환형 가스분무기(7) 사이의 거리는 상기의 Y에 대한 최적화 수학식인 수학식 2를 이용하여 알맞게 증가시켜야 한다.

지금까지 각 스프레이를 정지 스프레이의 반쪽폭인 X 만큼 중첩시켜 직경이 균일한 롤을 제조 할 수 있다는 것을 보였다. 그러나 실제의 조업에서 예측된 스프레이 사이의 중첩 거리가 맞지 않을 경우가 있다. 이러한 경우를 대비해 본 발명에서는 환형 가스분무기(7)와 봉상 코아재(13)사이의 거리(A)를 미세 조정하여 스프레이간의 중첩 정도를 조정할 수 있다. 실제 조업 동안 장치에 포함된 공정인자인 n, D, H, Y, L, X등은 조절 할 수 없다. 따라서 조업동안 스프레이간의 중첩이 미진하면 A값을 증가시키고, 반대로 중첩이 과도하면 A값을 감소시켜서 균일한 직경의 롤을 제조할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치에 의하면, 다수의 진동하는 가스분무기를 설치하여 진동하는 환형 가스분무기에 의해 각 스프레이의 질량 분포를 균일하게 하여 하부의 기판에 적층시키기 때문에 보다 정밀하게 제어된 두께를 갖는 광폭의 합금 롤을 제조할 수 있고, 가스분무기의 진동 변위량을 조절하여 롤의 폭을 보다 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 다수개의 가스분무기를 채용함으로써 작업 생산성이 매우 우수하게 되는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 금속용탕을 고압의 가스로 분무화 시킨 후, 분무 용탕을 회전하는 코아재 위에 적층시켜 합금 롤을 제조하는 분무 주조장치에 있어서, 봉상 코아재(13)와 일정한 거리를 두고 턴디쉬(5)의 하부에다 봉상 코아재(13)의 길이 방향에 수직 방향으로 다수의 환형 가스분무기(7)를 나란히 설치하고, 상기 환형 가스분무기(7)에 연결된 가스공급관(6)에 장홈(LH)을 갖는 운동전달 플레이트(19)를 설치하되 디스크캠(17)에 연결된 좌우 왕복운동암(18) 상에 설치된 다수의 선회축(22) 각각을 상기 장홈(LH)에 끼워서 구성한 것을 특징으로 하는 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 환형 가스분무기(7)의 진동 변위량의 조절이 가능하도록 상기 선회축(22)을 장홈(LH) 내에서 상하로 이동시켜 설치할 수 있는 것을 특징으로 하는 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 봉상 코아재(13)와 상기 환형 가스분무기(7) 사이의 거리를 미세 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 광폭 롤 제조용 다중 노즐 가스분무 주조장치.