KR20070063953A

KR20070063953A - 급속응고장치

Info

Publication number: KR20070063953A
Application number: KR1020050124384A
Authority: KR
Inventors: 조대형; 김정균; 권기봉; 김영주; 최재영
Original assignee: 한국산업기술평가원
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-20

Abstract

본 발명은 급속응고장치에 관한 것으로서, 챔버와, 상기 챔버의 상부 일측에 설치되고 고주파 유도코일이 외주면에 권취되는 턴디쉬와, 상기 턴디쉬의 하부에 마련되어 용융금속을 유출하기 위한 오리피스와, 상기 오리피스의 하부에서 그와 소정 거리 이격 설치되어 고속회전하는 회전휠을 포함하고, 상기 턴디쉬와 회전휠 사이의 수직 거리를 조절하기 위한 수직이동수단이 마련되는 구성으로, 연속적인 리본 형상 및 일정 크기의 박편 형상의 금속 제조가 가능하고 다양한 종류의 금속 제조가 가능한 특징이 있다.

액적, 챔버, 열선

Description

급속응고장치{QUICK SOLIDIFICATING APPARATUS}

도 1은 종래기술에 따른 급속응고장치를 도시한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 급속응고장치를 도시한 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 급속응고장치의 오리피스를 도시한 구성도.

도 4는 본 발명의 따른 급속응고장치의 수직 이동되는 작동 상태도.

도 5는 본 발명의 따른 급속응고장치의 수평 이동되는 작동 상태도.

도 6은 본 발명의 따른 급속응고장치의 포집바스켓 작동 상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

100...챔버 200...턴디쉬

300...오리피스 400...회전휠

500...수직이동수단 600...수평이동수단

700...포집바스켓

본 발명은 급속응고장치에 관한 것으로서, 턴디쉬와 회전휠 사이의 수직 및 수평 거리의 조절을 통해 연속적인 리본 형상 및 일정 크기의 박편 형상의 금속 제조가 가능하고, 다양한 종류의 금속 제조가 가능한 급속응고장치에 관한 것이다.

일반적으로 금속응고장치는 고속으로 회전하는 회전휠의 측면 상으로 용융금속을 낙하시켜 급속 응고시킴으로써 금속 또는 합금 리본을 제조하는 장치이다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 급속응고장치는 유입된 용융금속의 온도를 일정온도 이상으로 유지시키는 턴디쉬(turndish)(20)와, 턴디쉬(20)의 하부에 마련되어 턴디쉬로부터 용융금속을 유출시키기 위한 오리피스(orifice)(30)와, 오리피스(30) 하부에 이격 설치되어 오리피스(30)를 통해 유출되는 용융금속을 급속 응고하여 리본으로 만들기 위한 회전휠(40)이 구비된다. 상술한 급속응고장치의 구성들은 챔버(40) 내에 마련되고, 상기 챔버(40) 내에서 용융금속의 급속 응고가 이루어진다.

그러나, 이와 같은 구성의 종래의 급속응고 장치는 오리피스를 통해 액적이 상기 회전휠에 낙하하는 간격을 소정 길이 조절할 수는 있지만 그 조절폭이 미미하고, 상기 챔버를 진공 챔버로 사용하는 경우에는 오리피스의 길이가 일정하게 구성되어야 한다. 따라서, 상기 오리피스를 통해 다양한 종류의 금속을 회전휠로 분사할 경우 연속적인 리본 형상의 구현이 어려운 문제가 있었다.

또한, 종래의 급속응고장치는 회전휠 축이 챔버에 일정하게 고정되어 오리피스를 통해 낙하하는 액적과 회전휠 간의 접촉각이 일정하게 정해진다. 이때, 회전 휠로부터 접촉후 분리되어 제조된 박편의 비행 거리에 한계가 발생하는데, 이러한 비행 거리의 한계는 원할한 응고가 진행되지 않게 한다. 또한, 제조 박편의 비행 거리의 한계는 진공 챔버에 부착되어 챔버를 오염시킬 수 있고, 제조 박편이 챔버에 축적시에는 제조 박편끼리 고착되는 현상이 발생하여 건전한 박편을 얻을 수 없는 문제가 있었다.

또한, 종래의 급속응고장치에서는 턴디쉬 부위에 출탕되는 용융금속의 보온을 위한 열선이 마련되나, 오피피스 부위에는 열선이 마련되지 않는다. 이로 인해,열선이 마련되지 않은 오리피스 부위에서는 출탕시 용융금속의 온도 저하로 인한 용융금속의 응고가 발생되는 문제가 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 출탕전 용융금속의 온도를 일정온도 이상 높이게 구설할 수 있는데, 이때, 지나치게 온도를 높일 경우에는 용융금속의 온도 상승으로 인해 급속응고장치의 구성 내화물이 침식되어 오리피스의 분사를 방해하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 전술된 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연속적인 리본 형상 및 다양한 종류의 금속 제조가 가능한 급속응고장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 챔버와, 상기 챔버의 상부 일측에 설 치되고 고주파 유도코일이 외주면에 권취되는 턴디쉬와, 상기 턴디쉬의 하부에 마련되어 용융금속을 유출하기 위한 오리피스와, 상기 오리피스의 하부에서 그와 소정 거리 이격 설치되어 고속회전하는 회전휠을 포함하고, 상기 턴디쉬와 회전휠 사이의 수직 거리를 조절하기 위한 수직이동수단이 마련된다.

이때, 상기 턴디쉬와 회전휠 사이의 수평 거리를 조절하기 위한 수평이동수단이 마련될 수 있다. 상기 수직이동수단과 수평이동수단은 상기 턴디쉬와 회전휠의 적어도 어느 하나에 구동연결되는 전동모터와, 상기 전동모터를 제어하는 콘트롤러를 포함한다. 또한, 수평이동수단은 낙하되는 용융금속과 회전휠 간의 접촉각이 90도 ~ 160도 범위 내에서 유지되도록 이동될 수 있다. 상기 오리피스에는 그 외주면으로 권취되는 열선이 마련될 수 있고, 상기 오리피스의 하부에는 불순물의 혼입을 방지하는 포집바스켓이 마련될 수 있다.

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 급속응고장치의 구성도를 나타낸 도면이고, 도 3은 급속응고장치의 오리피스 구성도를 나타낸 도면이다.

도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 내측으로 소정공간이 형성되는 챔버(100)와, 용융금속이 장입되는 턴디쉬(200)와, 상기 턴디쉬(200)의 하부에 설치되는 오리피스(300)와, 상기 챔버(100)의 내측에 마련되어 상기 오리피스(300)에 소정 거리 이격 설치되는 회전휠(400)와, 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400) 사이의 수직 거리와 수평 거리를 조절하기 위한 수직 및 수평이동수단(500),(600)이 마련된다.

상기 챔버(100)는 상부 일측으로 턴디쉬(200)가 설치되고, 내측으로 턴디쉬(200)로부터 출탕되는 용용금속의 급속 응고를 위한 소정공간이 형성된다. 또한, 상기 챔버(100)에는 상기 소정공간을 진공상태로 유지하기 위해 도시되지 않은 진공펌프가 설치될 수 있는데, 이를 위해, 상기 챔버(100)의 일측에는 상기 진공펌프가 장착되는 도지되지 않은 플랜지가 마련될 수 있다. 이때, 챔버(100) 내의 소정공간은 상기 진공펌프를 통해 10^-6torr 이상의 진공도로 설정될 수 있다.

상기 턴디쉬(200)는 상기 챔버(100)의 상부 일측에 설치되고, 내측으로 용융금속이 충전된다. 상기 턴디쉬(200)의 외주연에는 내측으로 장입되는 용융금속을 일정 온도로 유지시키기 위한 고주파 유도코일(210)이 권취된다. 이를 통해, 별도의 가열로로부터 이송되온 고온 용해된 용융금속이 턴디쉬(200)에 충전시, 용융금속의 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 상기 턴디쉬(200)의 하부에는 노즐형상의 오리피스(300)가 연장형성된다.

상기 오리피스(300)는 용융금속을 출탕하기 위해 턴디쉬(200)와 연통되고, 상기 오리피스(300)의 내측에는 용융금속이 출탕되는 유로(310)가 형성된다. 또한, 출탕시 용융금속의 응고를 방지하기 위해 오리피스(300)의 외주연에는 열선(310)이 권취된다. 이는 오리피스(300)를 통해 용융금속이 분사되는 과정에서 용융금속의 온도를 일정 온도 이상으로 유지하기 위한 것으로, 종래의 출탕시 오리피스(300) 부위에서 용융금속의 온도 저하로 인한 응고의 발생을 방지한다. 상기 오리피스(300)의 하방향에는 고속도 회전이 가능한 회전휠(400)이 설치된다.

상기 회전휠(400)은 오리피스(300)로부터 출탕하여 자유 낙하하는 용융금속을 급냉시키기 위한 것으로, 상기 오리피스(300)의 하방향으로부터 소정 거리 이격된 챔버(100)내 소정공간에 위치한다. 상기 회전휠(400)은 고속으로 회전되는 원심력을 통해 오리피스(300)로부터 자유 낙하하여 접촉되는 용융금속을 냉각시켜 박편을 제조한다. 상기 회전휠(400)의 급냉표면은 주조동안 열순환에 의해 주기적으로 부하되는 응력에서 비롯되는 기계적손상을 견딜 수 있어야 한다. 이때, 상기 회전휠(400)은 급냉표면의 개선된 성능을 위하여 높은 열전도도와 높은 기계적 강도를 갖는 합금으로 구성되는 것이 바람직하다.

도 4는 급속응고장치의 수직 이동되는 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400)의 적어도 어느 하나에는 턴디쉬(200)와 회전휠(400) 간의 수직 거리를 조절하기 위한 수직이동수단(500)이 마련된다. 즉, 상기 용융금속이 오리피스(300)를 통해 출탕 되는 경우, 낙하하는 용융금속의 액적 형상은 낙하 초기에는 용탕줄기의 형상으로 형성되고, 낙하 중기에는 띠(ligament) 형상으로 형성되며, 낙하 말기에는 구형상으로 형성된다. 이때, 용융금속 액적의 자유 낙하 거리를 조절하면 연속적인 리본 형상 및 일정 크기의 박편(flake) 형상의 금속 제조가 가능하다.

이를 위하여 본 실시예에서는 각각의 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400)에 수직이동수단(500)이 마련되는데, 상기 수직이동수단(500)은 턴디쉬(200)와 회전휠(400)에 구동연결되어 상하 이동시키는 도시되지 않은 전동모터와, 상기 전동모터의 정방향, 역방향 회전을 제어하는 도시되지 않은 콘트롤러로 구성되고, 상기 전 동모터에는 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400)의 상,하 이동 속도 조절을 위한 인버터가 마련될 수 있다. 상기 인버터는 전동모터의 효율적인 속도 조절이 가능하여 가장 적합한 속도로 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400)이 이동되도록 한다.

도 5는 급속응고장치의 수평 이동되는 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400)의 적어도 어느 하나에는 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400) 간의 수평 거리를 조절하기 위한 수직이동수단(500)이 마련된다. 본 실시예에서는 각각의 턴디쉬(200)와 회전휠(400)에 수직이동수단(500)이 마련된다. 상기 수직이동수단(500)은 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400)에 구동 연결되어 좌우 이동시키기 위한 전동모터와, 상기 전동모터의 정방향, 역방향 회전을 제어하는 콘트롤러로 구성되고, 상기 전동모터에는 턴디쉬(200)와 회전휠(400)의 좌,우 이동 속도 조절을 위한 인버터가 마련될 수 있다. 이때, 수평이동수단(600)은 낙하되는 용융금속과 회전휠(400) 간의 접촉각(θ)이 90도 ~ 160도 범위 내에서 유지되도록 조절되는 것이 바람직하다.

이는, 낙하되는 용융금속과 회전휠(400) 간의 접촉각(θ)이 90도인 경우에는 160도보다 회전휠과 접촉되는 시간이 짧기 때문에 리본의 폭이 가늘고 두께가 얇게 제조되는 반면, 160도인 경우에는 리본은 폭이 넓고 두께가 두껍게 제조되는바, 상기 접촉각(θ)이 160도 이상 되면, 회전휠과 용탕의 접촉되어 리본이 제조되는 것보다 액적상태로 바닥에 그냥 떨어지게 되어 급속 응고 효과가 없어지는 것은 물론 급속응고 장치에도 나쁜 영향이 발생하기 때문이다. 또한, 제조되는 리본이 회전휠과 접촉후 날아가 포집부에 모이는 것이 아니라, 회전휠 부근의 바닥에 쌓여 액적 상태로 적층되고 응고되어 포집부에 제조물이 모이지 않게 된다.

이를 통해, 상기 회전휠(400)에 의해 형성되는 박편의 비행 현상 및 비행 거리를 고려하여 용융금속과 회전휠(400)간의 접촉각 조절이 가능함으로써 박편이 비행하는 동안 완전 응고로의 유도가 가능하다. 또한, 적절한 용융금속과 회전휠(400) 간의 접촉각(θ) 조절을 통해 비중이 서로 다른 다양한 금속 형성의 적용이 가능하다. 이는 비중 차이에 의해 리본이 날아가는 거리와 두께나 폭의 형상이 변화되기 때문이다.

예를 들어, 비중이 큰 금속은 같은 리본의 크기에서 무겁기 때문에 바닥으로 빨리 떨어지기 때문에 비중이 작은 금속보다 각도를 작게(90도에 가깝게) 하여 제조하고, 비중이 작은 금속은 상대적으로 가벼운 성질 때문에 높은 각도(예 : 160도에 가까운)에서도 제조가 가능하다.

또한, 실험을 통해 비중이 다른 금속마다 최적 조건의 각도를 정할 수 있는바, 비중이 10.5인 Ag와, 비중이 2.7인 Al의 경우, 큰 비중을 갖는 Ag는 90도에 가깝게 제조하고, 낮은 비중을 갖는 Al은 100도 내외에서 제조하는 것이 바람직하다.

도 6은 급속응고장치의 포집바스켓 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 오리피스(300)의 하단부와 회전휠(400) 사이에는 불순물의 혼입을 방지하는 포집바스켓(700)이 마련될 수 있다. 즉, 본 발명의 챔버(100)에는 연속 주조를 위해 대기 용해, 진공, 가스 등을 통한 박편의 제조가 이루어질 수 있다. 특히 용융금속을 챔버(100)에서 대기 용해시, 출탕 말기에 용융금속의 불순물 혼합을 방지해야 하는데, 이를 위해 상기 오리피스(300)의 하단부와 회전휠(400) 사이에는 수평이동 가능한 포집바스켓(700)이 설치된다. 상기 포집바스켓(700)은 상기 챔버(100)로 유입되는 불순물의 혼입을 방지하기 위한 것으로, 실린더와 같은 이송수단을 통해 상기 챔버(100)내에서 수평이동이 가능하다. 상기 포집바스켓(700)의 구성은 주지 관용의 기술로서 이에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.

이와같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 별도의 도시되지 않은 가열로에서 고온 용해된 용융금속이 턴디쉬(200) 내측으로 장입된다. 장입된 용융금속은 상기 턴디쉬(200)의 외주면에 마련된 고주파 유도코일(210))을 통해 일정온도 이상으로 유지된다. 상기 턴디쉬(200) 내의 용융금속은 턴디쉬(200) 하부에 연결된 오리피스(300)를 통해 챔버(100) 내측에 마련된 회전휠(400)로 분사된다. 상기 오리피스(300)에서 분사된 용융금속은 고속회전하는 회전휠(400)과 접촉되어 비행되는 과정에서 냉각되어 응고된다.

이때, 상기 턴디쉬(200)와 회전휠에 연결된 수직 및 수평이동수단(500),(600)를 통해 상기 오리피스(300)와 회전휠(400) 간의 수직 및 수평 거리의 조절이 가능하다. 즉, 콘트롤러를 통해 상기 턴디쉬(200)와 회전휠(400)에 구동연결된 전동모터를 조절하여 상기 회전휠(400)에 접촉되는 용융금속 액적의 자유 낙하 거리 및 접촉각을 조절함으로써, 연속적인 리본 형상과 일정 크기의 박편 형상의 금속을 제조한다.

또한, 용융금속이 대기 용해되는 경우에는 포집바스켓(700)을 실린더를 통해 오리피스(300)의 하단부와 회전휠(400) 사이로 이동시켜 출탕시 용융금속의 불순물 혼합을 방지한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화 될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀 두고자 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 오리피스와 회전휠 사이의 수직 거리 조절을 통한 낙하하는 액적의 자유낙하 거리 조절이 가능함으로써, 연속적인 리본 형상 및 일정 크기의 박편 형상의 금속 제조가 가능하고, 다양한 종류의 금속 제조가 가능한 이점이 있다.

둘째, 본 발명은 오리피스와 회전휠 사이의 수평 거리 조절을 통해 낙하하는 액적과 회전휠 간의 접촉각을 조절함으로써, 제조 박편의 비행중에 완전 응고로의 유도를 통한 건전한 박편 제조가 가능하고, 비중이 상이한 서로 다른 금속의 제조가 가능한 이점이 있다.

셋째, 본 발명은 오리피스 외주면으로 열선이 권취되어 용융금속의 출탕시 오리피스 부위에서 발생되는 응고현상을 방지하여 원할한 용융금속의 분사가 가능한 이점이 있다.

네째, 본 발명은 연속 주조를 위한 대기 용해시 용융금속을 포집바스켓을 통 해 출탕되도록 하여 불순물의 혼입을 방지하고, 탈산제 및 잔탕의 제거가 가능한 이점이 있다.

다섯째, 본 발명은 보통 주조에서는 얻을 수 없는 완전한 비정질의 형성이 가능하고, 빠른 응고속도에 따른 미세한 입도의 획득이 가능한 이점이 있다.

Claims

챔버와,

상기 챔버의 상부 일측에 설치되고 고주파 유도코일이 외주면에 권취되는 턴디쉬와,

상기 턴디쉬의 하부에 마련되어 용융금속을 유출하기 위한 오리피스와,

상기 오리피스의 하부에서 그와 소정 거리 이격 설치되어 고속회전하는 회전휠을 포함하고,

상기 턴디쉬와 회전휠 사이의 수직 거리를 조절하기 위한 수직이동수단이 마련되는 것을 특징으로 하는 급속응고장치.
청구항 1에 있어서,

상기 턴디쉬와 회전휠 사이의 수평 거리를 조절하기 위한 수평이동수단이 마련되는 것을 특징으로 하는 급속응고장치.
청구항 2에 있어서,

상기 수직이동수단과 수평이동수단은

상기 턴디쉬와 회전휠의 적어도 어느 하나에 구동연결되는 전동모터와,

상기 전동모터를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속응고장치.
청구항 2에 있어서,

상기 수평이동수단은

낙하되는 용융금속과 회전휠 간의 접촉각이 90도 ~ 160도 범위 내에서 유지되도록 이동되는 것을 특징으로 하는 급속응고장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 청구항에 있어서,

상기 오리피스에는

그 외주면으로 권취되는 열선이 마련되는 것을 특징으로 하는 급속응고장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 청구항에 있어서,

상기 오리피스의 하부에는

불순물의 혼입을 방지하는 포집바스켓이 마련되는 것을 특징으로 하는 급속응고장치.