KR20050100289A - 고속 주조용 다중분무성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2개 이상의 가스토출구와, 상기 가스토출구와 동일한 개수의 오리피스를 구비하는 턴디쉬를 포함하는 주 분무시스템과; 적어도 1개 이상의 가스토출구와, 상기 가스토출구와 동일한 개수의 오리피스를 구비하는 턴디쉬를 포함하는 부 분무시스템;을 포함하여 구성되며, 상기 주 분무시스템과 부 분무시스템은 서로 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치를 제공한다.

Description

고속 주조용 다중분무성형장치{MULTI-NOZZLE SPRAY FORMING DEVICE FOR HIGH SPEED CASTING}

본 발명은 고속주조용 다중분무성형 장치에 관한 것이다.

분무성형법에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 분무기(5)를 통해 유입되는 고압의 가스를 이용하여 내경이 1-10mm인 용탕공급관인 오리피스(orifice)(4)을 통해 유출되는 용융 금속을 지름 10-200㎛의 미세 액적(3)으로 분무하고, 이렇게 분무된 액적들이 (판상, 튜브형, 또는 봉상) 기판(2, 9)에 도달한 후 응고 완료되어 성형체(1)를 이루게 된다. 분무성형법은 단일 공정에 의해 한덩어리의 금속재료를 10³-10⁵℃/sec 정도의 냉각속도로 제조할 수 있는 유일한 방법이다. 이 때 기판(2, 9)과 분무기(5)의 상대 위치 및 이동방법에 따라 봉상, 판상 및 튜브 형상의 성형체(1)를 직접 제조할 수 있어 공정을 단축시키는 효과도 동시에 얻을 수 있다. 따라서 이 제조 방법은 난가공성 금속재료의 성형뿐만 아니라, 일반 상용합금의 급속응고 제조법으로도 응용할 수 있다.

한편, 종래의 분무성형장치, 특히 봉상(billet) 분무성형체 제조용 장치에서는 1개의 분무기를 사용하여 회전 및 하강하는 기판에 봉상 성형체를 적층/성형하였다. 상기한 분무성형장치에서는 고정식 분무기 또는 진동식 분무기를 사용하였다.

도 2a 내지 도 2b는 종래의 분무기(5), 특히 고정형 분무기에 의한 분무성형장치에 대한 개략도이다. 도시한 바와 같이, 회전 및 하강 운동하는 기판(2)에 일정한 각도만큼 기울어진 분무기(5)로 액적(3)을 분무하여 봉상 성형체(1)를 제조하거나,(도 2a, 수직식 분무성형법) 분무 성형작업을 용이하게 하기 위하여 상기 수직식 분무성형장치를 90°회전시킨 상태의 분무 성형장치(도 2b, 수평식 분무성형장치)를 사용하여 제조하기도 한다. 작업 중 분무기(5)가 기판(2) 회전축과 일정한 각도로 고정되어 있으므로, 액적(3)이 성형되는 영역이 좁다.

도 3a 내지 도 3b는 고정식 분무기에 의해 제조된 봉상 성형체 상단부의 형상을 도시한 것으로, 도 3a는 기판 하강속도가 0.5mm/sec일 때, 도 3b는 기판 하강 속도가 0.2mm/sec일 때를 도시한 것이다. 봉상 성형체 지름은 액적의 유입 속도에 대한 기판 하강 속도에 의해 결정되는데, 기판 하강 속도가 작을수록 성형체의 지름은 증가한다. 그러나, 기판 하강속도를 지나치게 줄이게 되면, 성형체는 중심부가 오목하고 바깥쪽 높이가 높아져 도 3b에 도시된 바와 같이 성형체 내부에 조대한 기공이 형성되어 건전한 조직을 가진 성형체를 제조하기가 힘들어지게 된다. 따라서, 이 방법에 의하여 제조되는 성형체의 지름은 150~200mm로 제한된다.

이와 같이, 고정식 분무기는 액적 형성 영역이 좁아, 이로 인하여 대구경의 분무성형체를 성형할 수 없는 문제점이 존재하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 일정 각도 범위에서 진동함으로써 액적 성형 영역을 넓히는 진동식 분무기(scanning atomizer)가 제안되었다.

도 4는 종래의 진동식 분무기(5a)(scanning atomizer)에 의한 분무성형장치에 대한 개략도이다. 도시한 바와 같이, 분무기(5a)를 진동시키면서, 액적(3)을 분무하여 액적(3)이 성형되는 영역을 넓힐 수 있다. 상기의 진동식 분무기(5a)를 사용하면, 성형체(1)의 지름을 200mm 이상으로 키울 수 있다. 그러나, 상기 진동식 분무기(5a)는 분무축의 회전 범위가 클 경우 분무거리 편차가 심해 제조된 성형체의 결함을 유발하는 문제점이 있다.

이상의 상술한 분무성형장치는 모두 1개의 분무기를 사용함으로써 주조 속도가 매우 제한적이다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 2개 또는 그 이상의 분무기를 사용하는 시스템이 제안되었다.

그러나 기존의 다중 분무기를 사용하는 분무성형장치의 경우, 분무기의 비정상적인 동작 즉, 오리피스 막힘 현상이나 분사각도의 변화에 의해 빌렛이 목적한 형상으로 성형되지 않거나 주조 속도가 저하되어 분무성형 작업이 완료되기 전에 준비된 용융 금속이 응고되는 등의 상황에 대처할 방법이 없는 문제점이 있다. 특히, 다중 분무성형 장치는 대량의 금속을 짧은 시간 내에 주조하기 위해 사용되므로 상기한 바와 같은 비정상적 상황이 발생할 경우 원소재비, 용해비, 인건비 등 경제적 손실이 매우 크다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 용융 금속을 미세한 액적으로 형성하여 기판으로 송급하는 가스분무기를 2개 이상 설치하여 분무성형 속도를 향상시키기 위한 것이며, 이 때 정상적으로 동작하지 않는 가스 분무기를 대체하거나 보완하기 위한 예비적인 분무기를 제공함으로써 작업의 성공률을 대폭 증가시키기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 2개 이상의 가스토출구와, 상기 가스토출구와 동일한 개수의 오리피스를 구비하는 턴디쉬를 포함하는 주 분무시스템과; 적어도 1개 이상의 가스토출구와, 상기 가스토출구와 동일한 개수의 오리피스를 구비하는 턴디쉬를 포함하는 부 분무시스템;을 포함하여 구성되며, 상기 주 분무시스템과 부 분무시스템은 서로 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치를 제공한다.

상기 주 가스분무시스템과 부 가스 분무시스템에서 가스토출구는 다수의 가스분무기별로 독립적으로 구비되어 별개로 가스를 공급하거나, 하나의 가스분무기에 여러 개의 가스토출구가 구비되도록 하여 일괄적으로 가스를 공급할 수도 있다.

상기 부 분무시스템은 독립적으로 이동 가능하도록 할 수 있으며, 이를 위하여 별도의 구동시스템을 구비할 수 있다.

본 발명에서는 분무성형을 위한 기본 구성장치(금속 용해장치, 용융 금속 이송용 래들(선택사양), 용융 금속 이송용 런너(선택사양), 턴디쉬, 용탕공급관(오리피스, orifice), 회전 및 상하 운동하는 기판, 고압가스 공급 장치, 집진장치(선택사양) 등)외에 특히, 2개 이상의 주 가스분무기(main atomizer)와 주 가스분무기 중 정상적으로 동작하지 않는 분무기를 대체/보완하기 위한 부 가스분무기(spare atomizer, reserve atomizer)를 더 포함하여 이루어진 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서 부 분무시스템의 형태는 다양하게 변화될 수 있으며, 경우에 따라서는 주 분무시스템과 장치의 구성이 동일한 경우도 가능하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다중분무성형장치에 대하여 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다.

- 기본 구성

도 5a 및 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 다중분무성형장치는 분무성형을 위한 기본적인 구성 이외에 특히, 기판의 회전 중심축으로부터 반지름 방향으로 배열된 다수의 가스토출구와 턴디쉬로 이루어진 주 분무 시스템(10)과 주 분무시스템을 이루는 가스 분무기중 일부가 정상적으로 작동하기 않을 경우를 대비한 부 분무시스템(11)으로 이루어져 있다. 다수의 가스토출구를 구비하기 위해서는 앞서 기술한 바와 같이 가스토출구가 구비된 다수의 가스분무기를 설치할 수 있으며, 이와 달리 하나의 가스분무기에 다수의 가스토출구가 구비되도록 할 수도 있다. 각 가스토출구에는 스토퍼(stopper)(14)를 설치하여 비정상적인 작동을 하는 가스토출구에 대한 용탕 공급을 차단할 수 있다. 주 분무시스템과 부 분무시스템의 배열은 장치 구성의 용이성과 작업의 용이성을 고려하여 설계되어야 하며 각각의 분무 시스템에 대해 보다 구체적으로 서술하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 장치는 기판 형상만 바꾸면 봉상 성형체와 롤 또는 파이프 제조에 활용할 수 있으므로, 이하에서는 봉상 성형체 제조 장치에 국한하여 설명한다.

- 주 가스분무 시스템(main gas atomizing system)

주 가스분무 시스템은 도 5a와 5b에서 10으로 표시된 부분으로, 분무성형 시 작업 속도를 증가시키기 위하여 2개 이상의 다수의 가스토출구가 구비된다. 이 때 용탕은 하나의 턴디쉬(6)로부터 가스토출구의 숫자와 동일하게 설치된 오리피스(미도시)를 통해 각각의 가스토출구(5)로 공급된다.

다중 가스 분무기는 각 가스토출구마다 개별적으로 가스압/가스유량/가스공급시간이 제어 가능한 개별 제어시스템을 구비할 수도 있으며, 또는 하나의 통합적인 제어 시스템을 구비할 수도 있다.

한편, 봉상 성형체(1)는 회전 중심축으로부터 멀어질수록 적층되는 면적이 중심축으로부터의 거리에 비례해서 증가하므로, 상기 봉상 성형체(1)의 상단부가 편평한 형상을 유지하기 위해서는 회전 중심축에서 멀어질수록 용탕 공급속도를 증가시키든지 아니면 가스토출구의 개수를 증가시켜야 한다. 이를 위하여 다음과 같은 장치적 구성을 취할 수 있다.

도 6a와 도 6b는 다중분무성형장치의 윗면에서 바라본 턴디쉬(6)와 오리피스(4)의 모습을 도식적으로 나타낸 것이다. 도 6a에서는 기판 중심축에서 멀어질수록 오리피스 사이의 간격을 좁게 하여 기판 중심축으로부터 바깥쪽으로 갈수록 용탕 공급량이 증가하도록 한 것이다. (설명의 편의상, 도면에서는 오리피스(4)의 배열만이 나타나있으나, 오리피스의 하부에 각각의 가스토출구가 위치하게 된다.) 한편, 도 6b에서는 기판 회전축에서 먼 곳에 위치한 오리피스(4)의 직경을 증가시켜 용탕 공급량이 증가하도록 배치한 것이다.

한편, 도 6a와 6b에서와 같이 오리피스의 위치를 (즉, 가스토출구의 위치를) 기판 중심축으로부터 반지름 방향으로 직선적으로 배치할 경우 각 가스토출구 간의 간섭이 일어날 수 있다. 이렇게 되면 주 분무시스템이 안정적으로 작동하기 어렵다. 이러한 간섭 발생을 보완하기 위해서, 도 7a 및 도 7b에서 도시된 바와 같이, 오리피스를 직선에서 벗어나도록 배치하여 가스토출구 사이의 간격을 확보할 수도 있다. 즉, 턴디쉬의 형태를 반원형으로 형성하거나(도 7a), 혹은 턴디쉬를 호형으로 형성하면서 이와 동시에 각 오리피스의 직경을 달리할 수 있다(도 7b).

또한, 각 가스토출구 사이의 거리를 확보하기 위한 방안으로, 도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 오리피스를 기판 회전축을 중심으로 서로 반대방향에, 즉 기판의 직경방향으로 배열할 수 있다. 이러한 배열은 가스토출구 내지는 가스분무기 사이의 간격을 확보할 수 있다는 장점 이외에 용융 액적이 적층되는 위치를 넓게 확보할 수 있어 성형체 온도를 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

한편, 각 가스토출구로부터 분출되는 분무액적의 분무각(가스분무기 또는 가스토출구의 분무중심축(12)과 기판의 회전축이 이루는 사이각)(13)은 도 9에서와 같이 작업의 용이성과 분무 액적의 적층률을 고려하여 0^o에서 ㅁ 90^o 사이에서 결정될 수 있으며, 전체 가스분무기(또는 가스토출구)가 동일한 각도로 고정시킬 수도 있으며, 안쪽 분무기(또는 가스토출구)와 바깥 쪽 분무기(또는 가스토출구)의 분무각을 다르게 정할 수도 있다.

- 부 가스분무 시스템(spare gas atomizing system)

부 가스 분무 시스템(11)의 역할은 전술한 바와 같이 주 분무시스템(10)의 일부 가스토출구가 정상적으로 작동하지 않을 경우를 대비한 예비 가스 분무 시스템이다. 따라서 부 가스 분무시스템은 작업 시작과 종료를 주 분무시스템과 독립적으로 제어할 수 있도록 하여야 한다. 부 분무 시스템은 도 10a에서 보는 바와 같이 주 분무시스템과 간섭이 일어나지 않은 위치이면 어느 곳에서나 설치 가능하며, 필요에 따라서는 2개 이상 설치할 수도 있다. 그러나 작업 시작 후 주 분무시스템(10) 중 어느 위치의 가스토출구(또는 가스 분무기)가 비정상적으로 작동할지를 예측할 수 없으므로 부 분무시스템은 기판 회전축을 중심으로 반지름 방향으로 위치 이동이 쉽게 이루어 질 수 있도록 제작되어야 한다. 부 분무 시스템은 1개의 가스 분무기를 갖도록 제작하는 것이 공정 제어에 유리할 것이나 필요에 따라서는 2개 이상의 가스분무기(또는 가스토출구)를 갖도록 하거나 도 10b에서와 같이 주 분무시스템과 동일하게 제작되어 주 분무시스템이 정상 작동하지 않을 경우 주 분무시스템 전체를 대체하도록 구비할 수도 있다.

한편 부 분무시스템의 가스분무기(또는 가스토출구)는 분무각도(13)를 주 분무시스템에서와 마찬가지로 작업의 용이성과 분무 액적의 적층률을 고려하여 0^o에서 ± 90^o 사이의 각도에서 고정한 것이거나, 혹은 분무각을 중심으로 일정 각도 범위(± 20^o이내)에서 진동하는 스캐닝(scanning) 분무기를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 다중분무성형 장치에 의하면, 다수의 가스분무기 또는 가스토출구를 사용함으로써 빠른 시간 내 대형의 봉상, 파이프 또는 롤 형상의 분무성형체를 제조할 수 있다. 또한 다수의 분무기를 사용함으로써 발생할 수 있는 일부 가스분무기 또는 가스토출구의 비정상적 동작 상황을 대비하여 예비 가스분무시스템을 구비함으로써 작업의 성공률을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 분무성형기술의 개략도이다.

도 2a 및 2b는 종래의 수직형 분무성형장치와 수평형 분무성형장치 개요도이다.

도 3는 종래의 분무기를 사용하여 제조된 분무성형체 윗 모습이다.

도 4는 진동 분무기를 사용하는 종래의 분무성형장치 개략도이다.

도 5a 및 5b는 본 발명에서 제안한 주 다중 분무시스템과 부 분무시스템으로 이루어진 고속 분무성형장치 개략도이다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 장치의 주 분무시스템에서 가스토출구를 직선적으로 배열한 개략도이다.

도 7a 및 7b는 본 발명의 장치의 주 분무시스템에서 가스토출구를 비직선적으로 배열한 개략도이다.

도 8a 및 8b는 본 발명의 장치의 주 분무시스템에서 가스토출구를 기판 회전축을 중심으로 양쪽으로 배열한 개략도이다.

도 9는 본 발명의 장치의 주 분무시스템에서 분무기와 분무각도를 도시한 개략도이다.

도 10a 및 10b는 본 발명의 장치의 주 분무시스템과 부 분무시스템의 배치도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1: 분무성형체 2: 회전기판

3: (비행)액적 4: 오리피스

5: 가스토출구 6: 턴디쉬

7: 용융금속(용탕) 8: 기판 이송장치

9: (튜브형 또는 봉상) 기판 10: 주 분무시스템

11: 부 분무시스템 12: 분무중심축

13: 분무각도 14: 스토퍼

Claims (14)

1. 2개 이상의 가스토출구와, 상기 가스토출구와 동일한 개수의 오리피스를 구비하는 턴디쉬를 포함하는 주 분무시스템과;

   적어도 1개 이상의 가스토출구와, 상기 가스토출구와 동일한 개수의 오리피스를 구비하는 턴디쉬를 포함하는 부 분무시스템;을 포함하여 구성되며,

   상기 주 분무시스템과 부 분무시스템은 서로 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 주 가스분무시스템과 부 가스 분무시스템에서 가스토출구는 다수의 가스분무기별로 독립적으로 구비되어 별개로 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 주 가스분무시스템과 부 가스 분무시스템에서 가스토출구는 하나의 가스분무기에 여러 개의 가스토출구가 구비되도록 하여 일괄적으로 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
4. 제1항에 있어서, 원하지 않는 분무기에 용탕공급을 차단할 수 있도록각각의 가스토출구는 스토퍼를 구비하는 다중 분무성형 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 주 분무시스템에서 기판 회전축을 중심으로 거리가 멀어질수록 각 오리피스간의 거리가 감소되도록 오리피스를 배치한 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 주 분무시스템에서 기판 회전축을 중심으로 거리가 멀어질수록 오리피스 직경이 증가되도록 형성한 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 주 분무시스템에서 각각의 오리피스를 곡선적으로 배치한 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 주 분무시스템에서 각각의 오리피스를 기판 회전축을 중심으로 반대 방향으로 배치한 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 주 분무시스템에서 가스분무기의 분무각도는 0^o에서 ± 90^o 사이인 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 부 분무시스템의 위치 변환을 위한 구동 시스템을 추가로 포함하는 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 부 분무시스템에서 가스분무기는 분무각도가 0^o에서 ± 90^o 사이의 범위에서 고정되는 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 부 분무시스템에서 가스분무기는 분무각도가 일정 범위에서 진동하는 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 부 분무시스템에서 가스분무기는 독립적으로 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 부 분무시스템과 주 분무시스템은 장치의 구성이 동일한 것을 특징으로 하는 다중 분무성형 장치.