KR20010059704A - 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치에 관한 것으로, 점도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 용탕 또는 슬러리의 온도를 실시간으로 정확하게 측정하는데 이를 위하여, 도가니 재질을 알루미늄 용탕이나 슬러리와 반응성이 적은 고순도 흑연을 이용하여 흑연도가니를 제작하고, 이 도가니의 하부에 단열로의 외부로부터 냉각공기를 공급받을 수 있게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치를 제공하는데 있다.

Description

금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치{Slurry cooling device for measuring high temperature viscosity of iron}

본 발명은 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슬러리의 냉각속도에 따라 점도를 측정함에 있어서 공냉식으로 슬러리를 냉각시킴으로써, 구조가 간단하면서도 점도 측정을 실시간으로 보다 정확하게 측정할 수 있는 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 용탕을 금형 내에 충진시켜 제품을 제조하는 방법에는 주조, 다이 캐스팅(die casting), 스퀴즈 캐스팅(squeeze casting) 등 다양한 방법이 있다.

그 중에서 액체와 고체가 혼합된 슬러리(slurry)을 이용하여 원하는 제품의 형상을 성형하는 반응고 성형공정은 기존의 용탕을 이용하는 중력주조, 다이케스팅, 스퀴즈 케스팅에 비해 높은 생산속도와 우수한 기계적 물성을 지닌 차세대 성형공정으로 각광받고 있는 성형방법이다.

이러한 성형방법은 기존 용탕을 이용한 주조 방법에 비해 낮은 반응고 구간에서 성형이 가능하기 때문에 용탕의 응고가 짧은 시간 내에 이루어질 뿐만 아니라 용탕의 약 70% 정도가 임 고체 상태로 금형 내에 충진되어지기 때문에, 실제로 남은 약 30% 정도만이 응고되고 이 때문에 수축공도 기존 100%의 액상을 주입하는 주조법보다 상대적으로 작게 형성되어 수축공에 의한 주조결함을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

즉, 슬러리는 100% 액상인 용탕에 비해 약 1∼10Poise 정도의 점도를 가지고 있어 금형에 충진시 금형 내부 공간에 존재하는 기체를 오버 플로우(over flow)를 통해 거의 모두를 배출시킬 수 있게 되어 주조결함을 최대한으로 줄일 수 있게 되는 것이다.

첨부도면 도 1은 종래의 슬러리에 대한 점도를 측정하기 위한 장치로, 내부에 냉각수 자켓(210)이 구성이 용기 형태의 본체(100)와, 이 본체 내부에 설치되어 슬러리를 담아 두는 도가니(300)로 구성되어 있다.

특히, 상기 도가니(300)는 내면이 소정의 각도로 테이퍼진 일종의 금속 도가니로, 그 벽체 내부에는 온도를 측정하기 위한 서모커플(thermocouples)(310)이 구비되어 있으며, 슬러리가 채워지는 내부에 회전교반봉(320)이 첨부도면 도 1에서와 같이 설치되어 있다.

이러한 슬러리 점도 측정장치는 도가니(300) 내에 일정량의 슬러리를 충진하고 나서 교반작용을 일으키면서 이 도가니의 벽체를 통해 전달된 슬러리의 온도를 서모커플(310)를 통해 측정하게 된다.

그러나, 기존의 슬러리 점도 측정장치는 도가니가 알루미늄과 반응이 적은 스테인레스 304를 사용하여 냉각수단을 수냉식을 채택하고 있는데, 구조가 복잡할 뿐만 아니라 냉각성능이 떨어져 점도 측정이 부정확하게 되어 이에 대한 개선이 필요하게 되었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 점도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 용탕 또는 슬러리의 온도를 실시간으로 정확하게 측정하는데 이를 위하여, 도가니 재질을 알루미늄 용탕이나 슬러리와 반응성이 적은 고순도 흑연을 이용하여 흑연도가니를 제작하고, 이 도가니의 하부에 단열로의 외부로부터 냉각공기를 공급받을 수 있게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 슬러리 냉각장치의 구성을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 슬러리 냉각장치의 전체 구성을 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 슬러리 냉각장치의 도가니를 나타내는 단면도.

도 4는 본본 발명에 따른 냉각장치를 이용하여 일정한 냉각속로 슬러리를 냉각하면서 여러가지 변형속도별로 측정된 알루미늄(A356) 합금의 점도를 측정한 결과를 나타내는 도면.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 밀폐형 단열 노체 11 : 공간부

12 : 노체 가열용 발열체

13, 21, 310 : 서모커플(thermocouple)

20 : 도가니 22, 320 : 회전교반봉

23 : 공기 공급수단 24 : 공급파이프

25 : 공급수단 26 : 분사구멍

27 : 유량조절기 100 : 상부하부 이동판 지지기둥

110 : 케이스 116 : 도가니 이송장치

200 : 냉각시스템 본체 210 : 냉각수 자켓

300 : 도가니 S : 금속 슬러리(Slurry)

이를 실현하기 위해 본 발명은, 단열 노체의 내부에 소정의 공간부가 형성되고, 이 공간부에 회전교반봉과 용탕의 온도 측정수단용 서모커플 또는 열전쌍이 구비된 흑연 도가니가 설치되어 이루어진 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치에 있어서, 상기 단열 노체의 내부에는 외부에서 공급되는 냉각용 공기를 분사할 수 있도록 공기 공급수단이 설치되어 있으며, 상기 도가니는 열전도도가 금속에 비해 우수한 순수흑연으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

이를 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 2는 본 발명에 따른 슬러리 냉각장치의 전체 구성을 나타내는 단면도로, 도면부호 10은 단열 노체를, 20은 이 단열 노체의 내부에 설치되는 도가니를 각각 나타낸다.

본 발명은 내부 온도를 조절할 수 있도록 구성된 단열 노체(10)와, 이 노체(10) 내부에 소정의 용탕을 충진하여 교반시켜 주면서 온도를 측정하기 위한 도가니(20)로 이루어진 통상의 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치에 있어서, 냉각수에 의해 이루어지던 냉각방식을 공냉식 냉각방식으로 바꾸고 또한 상기 도가니(20)를 열전도도가 기존 금속 재질과 비교하여 매우 우수한 재질로 제작하여 이루어진 것이다.

첨부도면 도 3을 참조하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하면, 상기 단열 노체(10)는 단열재를 이용하여 내부에 소정의 공간부(11)가 형성된 일종의 가열로(爐)로, 그 측벽에는 노체 내부를 가열하기 위한 노체 가열용 발열체(12)가 구비되어 있다.

또한, 상기 공간부(11)의 내부에는 내부 온도를 측정하기 위하여 서모커플(thermocouple)(13)이 구비되어 있으며, 본 발명의 바람직한 구현예에서 설명한 바와 같이 노체 내부 온도를 균일하게 유지하기 위하여 상기 서모커플(13)은 공간부(11)의 내부 높이를 세구간으로 나눠 각 위치에서 온도 측정 및 전원공급 장치가 독립적으로 세구간의 온도를 조절할 수 있도록 전부 3개가 설치되어 있다.

이와 같이 이루어진 밀폐형 단열 노체(10)는 이것을 감싸 밀폐시켜 주는 케이스(110) 내부에 설치되며, 이때 상기 케이스(110)의 하부에는 도가니(20)를 상하로 움직여 줄 수 있도록 도가니 이송장치(116)가 장착되어 있다.

여기서, 상기 이송장치(116)는 전동모터 등을 이용하여 로드의 단부가 케이스(110) 내부로 관통되게 설치하고, 이 로드의 단부에 도가니(20)를 장착하여 전동모터 작동에 따라 상하로 움직일 수 있도록 구성되어 있다.

상기 도가니(20)는 열전도율이 높은 고순도 흑연으로 제작되어 있으며, 상기 이송장치(116)의 상단부에 일체로 고정되어 있고, 내부에는 슬러리(S)의 온도를 측정할 수 있도록 서모커플(21)이 높이별로 3개 구비되어 있다.

특히, 상기 서모커플(21)은 첨부도면 도 3에서 도시한 바와 같이, 측벽에 길이방향으로 3개를 설치하여, 상기 도가니(20) 내에서 슬러리(S)의 높이에 대한 온도변화를 측정하게 된다.

또한, 상기 도가니(20)에는 용기 형상의 내부에 슬러리(S)를 교반시켜 주기 위한 회전교반봉(22)이 설치되어 있으며, 이 회전교반봉(22)은 단열노체(10)를 관통해서 상기 케이스(110)의 상부에 회전가능하도록 1∼2mm 여유공간을 두고 설치된다.

물론, 상기 회전교반봉(22)은 첨부도면에서는 도시하지 않았지만 케이스(110) 외부에 모터와 같은 구동수단과 연결되게 하고, 외부에서 임의로 회전속도 등을 조절할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 이루어진 도가니(20)는 상기 회전교반봉(22)에 의해 교반이 이루어지는 슬러리(S)의 온도를 측정하게 되는데, 이때 온도 측정은 상기 도가니(20)의하부에 설치된 공기 공급수단(23)에 의해 냉각이 이루어지는 사이에 진행하게 된다.

상기 공기 공급수단(23)은 도가니(20) 내부에 공급된 용탕이 공기에 의해 냉각되면서 금속의 반응고 구간에서 슬러리 상태즉, 액체+고차 상태로 바뀌게 되며, 시간의 지나감에 따라서 고처 비율이 점차 증가시켜 주는 역할을 하게 된다.

이러한 공기 공급수단(23)은 상기 도가니(20)의 하부를 감싸고 있는 냉각용 공기를 분사시켜 주는 공급파이프(24)와, 상기 케이스(110)의 외부에 설치되어 냉각용 압축공기를 공급해 주는 공급수단(25)으로 구성되어 있다.

여기서, 상기 공급파이프(24)에는 냉각 공기를 분사할 수 있도록 분사구멍(25)이 일정한 간격으로 다수 형성되어 있으며, 이때 상기 분사구멍(25)은 냉각효율을 높이기 위해 최대 직경이 1.5㎜를 넘지 않게 형성하게 된다.

또한, 상기 공급수단(25)은 노체(10)의 외부에 설치된 공기컴프레셔를 포함하게 되며, 특히 상기 공기컴프레셔와 공급파이프(24) 사이에 설치되는 유량 조절기(flowmeter)(27)에 의해 유량을 조절하게 된다.

이와 같이 이루어진 공기 공급수단(23)은 미도시된 제어유니트에 의해 공기 공급 신호를 받게 되면 컴프레셔로부터 공급파이프(24)를 통해 압축공기를 공급해 주게 되며, 이때 상기 분사구멍(26)을 통해 노체 내부 공간부(11)로 분사된 공기는 도가니(20)의 외주면을 따라 올라가면서 슬러리(S)를 냉각시켜 주게 되고, 또한 노체 내부에 존재하는 높은 온도(약 600℃)의 기체와 섞여 균일한 온도 구배를 유지시켜 주게 된다.

한편, 냉각용 공기의 잉여분은 첨부도면 도 2 및 도 3에서 화살표로 도시한 방향으로 상부로는 회전교반봉(22)과 노체(10) 사이로, 그리고 하부로는 이송장치(116) 노체(10) 사이의 틈새를 통해 노체(10) 외부로 배출되게 된다.

이와 같이 이루어진 본 발명의 슬러리 냉각장치를 이용하여 실험한 결과는 다음과 같다.

냉각속도	5(℃/MIN)	10(℃/MIN)	20(℃/MIN)
공기공급량	69(l/min)	130(l/min)	260(l/min)

여기서, 단위시간(min)당 냉각 온도로 나타나는 냉각속도는 유량 조절기에 의해 단위시간(min) 사이에 냉각수단(23)을 빠나가는 유량에 의해 조절된다.

첨부도면 도 4는 본 발명에 따른 냉각장치를 이용하여 일정한 냉각속로 슬러리를 냉각하면서 여러가지 변형속도별로 측정된 알루미늄(A356) 합금의 점도를 측정한 결과이다.

이러한 시험결과로 종래의 냉각속도 보다 높은 20℃/분의 조건에서도 첨부도면 도 4에서 보는 바와 같이 각 전단 변형속도에서 74.6, 224, 373, 597, 104s^-1로 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있었다.

특히, 기존에는 800s^-1까지 측정하였지만 전단 변형속도 1000s^-1이상에서도 안정된 데이터를 얻을 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 종래의 수냉식 냉각방식을 공냉식으로 바꾸고, 슬러리가 충진되는 도가니를 흑연으로 제작하여 열전도도를 휠씬 높일 수 있게 함으로써, 미세한 냉각속도까지 조절가능할 뿐만 아니라 금속 슬러리의 균일한 냉각이 가능하여 전단 속도별 냉각속도별로 반응고 금속 조직을 연구하는데 보다 정확한 정보를 얻을 수 있으며, 이러한 기초 공정 연구에 따른 반응고 성형 공정개발은 우수한 기계적 물성을 지닌 반응고 성형 부품을 개발가능케하여 경량재료, 즉 알루미늄, 마그네슘 합금과 같은 부품 개발을 촉진시켜 차량 경량화를 통한 연비 개선을 가능하게 하는 효과가 있다.

기존의 철강재로 제작되던 부품을 알루미늄과 같이 중량이 가벼운 재질로 대체할 수 있게 되어 경량화를 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 기존 용해공정이 줄어들어 작업환경을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 에너지를 절감할 수 있는 효과도 얻을 수 있게 되는 것이다.

Claims (4)

1. 밀폐형 단열 노체의 내부에 소정의 공간부가 형성되고, 이 공간부에 회전교반봉과 용탕의 온도 측정수단이 구비된 도가니가 설치되어 이루어진 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치에 있어서,

   상기 밀폐형 단열 노체의 내부에는 외부에서 공급되는 냉각용 공기를 분사할 수 있도록 공기 공급수단이 설치되어 있으며, 상기 도가니는 순수흑연으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 공급수단은 도가니의 하부를 감싸고 있는 형태로 냉각 공기를 분사할 수 있도록 분사구멍이 등간격으로 다수 형성된 것을 특징으로 하는 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 노체와 용탕에는 내부온도 및 용탕의 온도를 측정하기 위해 서모커플이 설치되어 있고, 이 서모커플은 각 측벽에 길이방향으로 3곳에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 공급수단은 노체 외부에 설치된 에어 컴프레서를 포함하면서 에어 컴프레서와 공급파이프 사이에 장착되어 유량 조절이 가능한 유량조절기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 금속의 고온 점도 측정용 슬러리 냉각장치.