KR20090034413A - 다용도 알루미늄 칩 용해로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄괴와 스크랩 등을 용해시키는 용해로에 원통형의 알루미늄 용탕 교반조와 알루미늄 칩 혼합조를 용탕 이송로를 사이에 두고 좌우 대칭으로 형성하고,

교반조에서 교반 상승된 상향류형의 알루미늄 용탕 와류를 용탕 이송로를 통하여 회전 이동되는 상태로 혼합조 상부면으로 측면 이송함과 동시에 높이 차에 의하여 혼합조 하부로 흘러내리게 되는 와류 상태 용탕에 알루미늄 칩을 주입하여 칩을 용탕 내부로 신속하게 빨려들어가게 하면서 침강시켜 알루미늄 칩이 혼합된 혼합용탕을 용해로에 환류시키는 방법으로 알루미늄 칩을 용해시킴으로써 크기와 밀도 차이가 있는 알루미늄괴, 알루미늄 스크랩, 알루미늄 칩 등의 다양한 알루미늄 용해 소재를 동시에 처리할 수 있으며 알루미늄 칩의 실수율도 대폭 향상된 다용도의 알루미늄 칩 용해로에 관한 것이다.

알루미늄 칩 용해로, 세라믹 교반기, 수율, 알루미늄 용탕 교반조, 알루미늄 칩 혼합조, 용탕 이송로, 사이클론, 상승 와류, 용탕 흐름, 깔때기 형상 용탕 이송관

Description

다용도 알루미늄 칩 용해로{Multiple purpose Aluminum Chip Melting Furnace}

본 발명은 공작 기계 등을 이용 알루미늄 제품을 가공할 때 폐기물로 다량 배출되나 작고 가벼워서 용탕에 투입, 용해하기 어려운 알루미늄 칩(Aluminum Chip)을 재활용하기 위한 다용도 알루미늄 칩 용해로에 관한 것으로서, 더욱 자세히는 알루미늄괴와 스크랩 등을 용해시키는 용해로에 용탕 유입관이 연결 장착된 알루미늄 용탕 교반조와 용탕 유출관이 장착된 알루미늄 칩 혼합조를 용탕 이송로를 사이에 두고 좌우 대칭으로 형성하고,

교반조에서 교반 상승된 상향류형의 알루미늄 용탕 와류를 용탕 이송로를 통하여 회전 이동되는 상태로 혼합조 상부면으로 측면 이송하고 높이 차에 의하여 혼합조 하부로 흘러내리게 되는 와류 상태 용탕에 알루미늄 칩을 주입하여 칩이 용탕 내부로 신속하게 빨려들어가게 침강시켜 알루미늄 칩이 혼합된 혼합용탕을 용해로에 환류시키는 방법으로 알루미늄 칩을 용해시킴으로써 크기와 밀도 차이가 있는 알루미늄괴, 알루미늄 스크랩, 알루미늄 칩 등의 다양한 알루미늄 용해 소재를 동시에 처리할 수 있으며 알루미늄 칩의 실수율도 대폭 향상된 다용도의 알루미늄 칩 용해로에 관한 것이다.

종래 알루미늄을 이용한 알루미늄 합금은 주조성, 가공성 등이 다른 금속보다 우수하여 초경량의 각종 구조재료나 기계부품으로 널리 사용되고 있으며 그 사용량도 점차 증가되고 있다.

알루미늄 관련 제품은 용해 소재로서 일정한 크기 지금 형상의 알루미늄 괴(Ingot, 인고트) 이외에도 폐알루미늄으로서 알루미늄 스크랩 또는 알루미늄 칩 등을 재활용하여 용해로에서 녹인 알루미늄 용탕을 형틀에 부어 다이캐스팅이나 주물 작업으로 생산하게 된다.

통상의 알루미늄 용해로는 로의 형식이 반사로 또는 전기로, 도가니로로서 알루미늄을 일정한 크기로 성형한 알루미늄 괴 또는 스크랩을 용해로에 주입하고 대략 750~850℃ 정도의 고열로 용해시켜 별도의 용탕 안내 이송 수단을 이용 외부로 배출(출탕)하여 래들을 이용 주형에 이송시키게 되는데, 작고 가벼운 알루미늄 칩보다는 주로 알루미늄괴와 스크랩을 만을 처리하게 설계되어 있어 용해 소재에 따라 그 용도에 한계가 있으며 수동식 작업이 번거롭고 안전사고의 위험이 상존하여 작업환경이 열악해 지는 문제점이 있다.

따라서 공작기계로 알루미늄을 가공할 때 필연적으로 발생하게 되는 다량의 알루미늄 칩은 알루미늄 괴나 스크랩과는 달리 작고 가벼워서 용해로에 투입시 용탕으로 침강되지 않고 용탕의 탕면상에서 부유된 상태로 있다가 용해되기 때문에 용해로 분위기가스와 접촉하면서 산화되어 산화물인 알루미나(Al₂O₃)로 산화되므로서 용해 효율이 떨어지게 되고 결국 순수 알루미늄의 실수율이 떨어지게 되어 용탕에 투입 및 용해시키기 어려운 문제점이 있게 되는 것이다.

상기한 문제점을 해결하여 알루미늄 칩의 실수율을 높이기 위한 종래의 기술 중에서 용해로 저부에 기계적 교반기를 설치하고 용탕을 회전식으로 교반하여 와류를 형성함과 동시에 위에서 알루미늄 칩을 투입 용해시켜 펌프로 용탕을 위로 퍼올리는 방법은 기계적 교반기가 고온의 용탕에 의하여 화학적으로 반응하여 소손되기 쉬워서 짧은 수명에 의한 잦은 교체로 인한 유지보수비용이 증가하게 되며 약한 교반 강도로 인하여 용탕에 형성되는 와류의 선회력이 미약하여 알루미늄 칩이 빠르게 침강되지 못하고 칩이 용탕 표면에 부상하게 되므로 만족할 만한 알루미늄 용해과정에서의 용해효율(수율)을 올리지 못하게 되는 문제점이 있다.

그리고 종래의 용탕 교반식 알루미늄 칩 용해로는 일체로 형성된 하나의 용해로에서 알루미늄 용탕의 용해는 물론 용탕의 교반과 침강 동작 등을 반복적으로 수행함에 따른 간섭 현상으로 인하여 용탕 흐름의 왜곡(작용, 반작용)이 발생함으로써 용해 수율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한 전자기장을 이용한 알루미늄 용탕 교반 장치도 용탕의 교반에 필요한충분한 교반력을 제공하지 못하고 장치가 복잡해지며 장치 가격이 상승되는 문제점이 있다.

전술한 바와 같이 종래의 용탕 교반식 알루미늄 칩 용해로는 교반력이 떨어져서 알루미늄 금속의 회수율을 떨어뜨리게 되어 용해 수율이 낮아지거나 기계적 교반기인 경우 고온의 용탕에 의하여 소손되기 쉬워 유지보수비용이 증가하게 되며 하나의 용해로에서 용탕의 교반과 부상, 와류발생 등의 동작에 의한 간섭 현상이 발생하여 생산성이 떨이지고, 알루미늄괴, 알루미늄 스크랩, 알루미늄 칩 등의 다양한 알루미늄 용해 소재를 동시에 처리할 수 없는 문제점이 있어 이의 개선이 절실한 과제로 대두되어 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서,

알루미늄괴와 스크랩을 용해시키는 용해로 일측면에 용탕 유입관이 연결 장착되고 화학적으로 안정된 세라믹 교반기를 내장한 알루미늄 용탕 교반조와 반송펌프를 별도로 사용하지 않고서도 혼합 용탕이 용해로로 반송되도록 깔때기 형상의 용탕 유출관을 장착한 알루미늄 칩 혼합조를 용탕 이송로를 사이에 두고 좌우 대칭으로 양분 형성하고,

알루미늄 용탕 교반조에서 생성된 상향류형의 알루미늄 용탕 와류가 용탕 이송로를 통하여 알루미늄 칩 혼합조로 측면 이동하면서 높이 차에 의하여 순간적으로 급속하게 낙하하는 용탕 와류에 알루미늄 칩을 주입하여 칩을 용탕 내부로 신속 하게 빨려들어가게 하여 침강시키는 방법으로 용탕의 순환 수류를 형성함으로써,

알루미늄 괴 또는 알루미늄 스크랩을 용해시키는 용해 공정에 알루미늄 용탕을 교반 상향류 형태의 와류를 형성시키는 공정과 퍼올려져서 측면 이송되고 낙하하는 용탕 와류에 알루미늄 칩을 주입하여 칩이 빨려 들어가서 용해 침강되도록 하는 용탕 혼합공정이 연계된 다단계 연속 공정의 조합에 의하여 종래 기술의 문제점을 모두 극복하고 통합 공정에 따른 복합 시너지 상승효과를 실현하게 하였다.

이와 같이 본 발명은 에너지 절약형 용해로로서 기존의 알루미늄 용해로의 큰 설계 변경 없이도 알루미늄 용탕 교반조와 알루미늄 칩 혼합조를 간단하게 결합하여 사용할 수 있으며,

연계되는 공정의 조합에 따른 복합 상승효과로 크기와 밀도 차이가 있으나 용해잠열이 높은 알루미늄괴, 알루미늄 스크랩, 알루미늄 칩 등의 다양한 알루미늄 용해 소재를 사용에너지원을 최소로 하는 높은 열효율로 동시에 처리할 수도 있으며 용탕과 쉽게 반응하지 않는 세라믹 교반기의 채택으로 내구성이 좋으며 교반강도가 강하여 폐자원인 알루미늄 칩으로부터 회수되는 실수율도 대폭 향상되는 효과가 있어 생산성이 향상되고 원가가 절감되며 용해 작업 환경을 개선하는 효과가 있다.

또한 강력한 선회속도로 용탕의 난류 강도가 커질 뿐 아니라 순차로 이루어 진 반응조 구성으로 하나의 통체로 구성된 용해로 보다 반응성이 좋으며 알루미늄 용해 잠열의 열손실을 최소화하여 용해도를 향상시키는 효과가 있다.

또한 반응성이 큰 알루미늄 용탕을 직접 운반할 필요가 없으므로 자동화된 무인 운전으로 에너지 절약적인 용탕의 연속적인 용해가 가능하며 용탕을 용해로에 수용하면서도 신속하고 정확하며 안전하게 이송시킬 수 있게 되어 작업 환경을 개선하여 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명의 구성을 첨부 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같으며 본 발명의 요지를 불명료하게 흐릴 수 있는 공지의 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 용탕 교반식의 알루미늄 칩 용해로에 있어서,

알루미늄괴와 스크랩을 용해시키는 알루미늄 용해로(10) 일측면에 엘보우 형상의 용탕 이송관(25)이 연결 장착되고 모터(22)를 구동원으로 화학적으로 안정된 세라믹 교반기(21)를 내장한 알루미늄 용탕 교반조(20)와 역류됨이 없이 용탕의 흐르는 방향을 일정하게 유도하여 반송펌프를 별도로 사용하지 않고서도 하향 이동하는 혼합 용탕이 용해로로 반송되도록 깔때기 형상의 용탕 이송관(41)을 장착한 알루미늄 칩 혼합조(40)를 소폭의 용탕 이송로(30)를 사이에 두고 안경 테와 같이 좌 우 대칭으로 양분 형성하는 용탕 흐름 구조로서,

알루미늄 용탕 교반조(20)에서 교반 생성된 상향류형의 알루미늄 용탕 와류(Z)가 용탕 이송로(30)를 통하여 알루미늄 칩 혼합조(40)로 측면 이동하면서 높이 차에 의하여 순간적으로 급속하게 낙하하는 용탕 와류에 알루미늄 칩 공급수단으로 낙하 공급되는 알루미늄 칩(C)을 주입하여 칩을 용탕(Z) 내부로 신속하게 빨려들어가게 하여 침강시키는 방법으로 용탕의 순환 수류를 형성하여 알루미늄괴, 알루미늄 스크랩, 알루미늄 칩 등의 다양한 알루미늄 용해 소재를 동시에 처리할 수 있게 하는 구성이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 알루미늄 괴 또는 스크랩을 용해시키고 용해된 알루미늄 용탕을 수용하는 직사각형 탱크 형상의 알루미늄 용해로(10) 일측에 용탕 이송관(25)에 연결되어 용탕을 교반하는 원통형 알루미늄 용탕 교반조(20)와 상호 연통된 용탕 이송로(30)를 통하여 측면 이송되는 와류 형태의 알루미늄 용탕(Z)에 알루미늄칩(C)을 투입 용해시키고 용해된 혼합 용탕을 알루미늄 용해로(10)로 반송시키게 하는 원통형 알루미늄 칩 혼합조(40)가 머리부가 깔때기 형상인 용탕 이송관(41)으로 연결되는 구조로서 상부로 유입된 와류 형태 용탕을 이동시키는 과정에서 알루미늄 칩을 혼입하고 혼합된 알루미늄 용탕을 하부로 낙하 유출시키게 하는 구성이다.

상기 알루미늄 용해로(10)는 단열성, 형태적 안정성과 내구성이 좋은 캐스타블 내화물이나 세라믹 단열재 등이 외측의 강철판으로 감싸져서 다중 케이싱된 통상의 용해로로서, 알루미늄을 용해하는 용해로의 케이스 외주에는 인가되는 전원에 의하여 용해로를 고온으로 가열하는 버너나 가열용 전기 히터(미도시함)가 구비되어, 용해된 알루미늄 용탕을 적절한 온도로 유지시키게 되는 보온로를 겸하게 된다.

또한 상기 알루미늄 용해로(10) 일측면으로는 폭이 좁은 용탕 이송로(30)를 사이에 두고 구획 분리되어 병렬로 배치된 좌우 대칭의 원통형 알루미늄 용탕 교반조(20)와 알루미늄 칩 혼합조(30)가 용탕의 일방향 전진 흐름이 가능하도록 연결되는데, 상기 원통형 알루미늄 용탕 교반조(20) 저부로는 입출구의 관경이 일정한 'ㄴ'형의 엘보우(elbow) 형상 용탕 이송관(25)이 연결 장착되며, 알루미늄 칩 혼합조(40)로는 용탕이 원활하게 배출될 수 있도록 상부가 깔때기 형상의 용탕 이송관(41)이 장착되어 엘보우 형상 용탕 이송관(25)을 경유하여 용탕의 유동층이 상부에 형성되는 상향류형의 알루미늄 용탕 교반조(20)로 이송된 알루미늄 용탕을 하향류형의 알루미늄 칩 혼합조(40) 저부에 장착된 깔때기 형상 용탕 이송관(41)을 통하여 용해로(10)에 환류시키게 하는 용탕의 순환 수류 구조를 형성한다.

상기 알루미늄 용탕 교반조(20)와 알루미늄 칩 혼합조(40)는 일정 간격으로 이격되어 받침대(13) 위에 안착 설치되는데 알루미늄 용해로(10)에 연결되는 복수 개의 단관 형태 용탕 이송관 재질은 용탕의 유출 유입이 용이하게끔 용해로 아래쪽에 연결하고 용탕과 접촉시 알루미늄 용탕과의 화학적 반응에 의한 열적 변형이나 침식, 용해 등에 의한 관의 훼손을 방지하게끔 세라믹 재질의 이중관으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 용탕 교반조(20) 상부로는 모터 지지대(12) 위에 장착된 모터(22)로 구동되는 교반기(221)가 원통형 용탕 교반조(20)의 중심에 위치하도록 상부로부터 수직 방향으로 용탕에 침지되도록 장착되며, 세라믹 샤프트(23)에 세라믹 교반날개(24)가 장착된 교반기(21)는 용탕과 화학적으로 반응하지 않으며 변형이나 침식이 발생하지 않게끔 세라믹 재질이나 열전도능력, 화학적 불활성 등이 양호한 탄소재질로 형성된다.

상기 교반기(21)는 상단으로 와류를 형성시키는 교반용의 수중펌프로서 'ㄴ'형 곡선 파이프의 엘보우 형태 용탕 이송관(25)의 출구 측에 최대한 근접한 위치에서 교반 날개(24)를 강한 구동력으로 회전함으로써 교반력에 의한 강력한 상승 와류를 형성하게 되는데, 교반기(21)는 월류장치 기능을 하는 엘보우 형태 용탕 이송관(25)의 일측 단부에 위치하여 용해로에서 교반조로 용탕을 강제적으로 펌핑 배출하게 하는 용적 펌프기능을 하게 되며, 용해로에서 강제 출탕된 알루미늄 용탕은 고속으로 회전되는 교반 날개에 부딪치면서 운동에너지를 가지고 가운데로 몰려들 어 소용돌이치면서 상부로 밀려 올라가는 상승 와류(볼렉스)가 형성되고 회전력과 소용돌이에 의한 원운동으로 상승하면서 회전 이동하는 용탕 회전 수류는 폭이 좁은 용탕 이송로(30)로 방향성 있게 안내되어 베르누이의 법칙에 의해서 물이 더 빨리 흐르게 되어 더욱 유속이 빨라지게 되는 것이다.

상기 교반기(21)는 용탕을 이송시키는 본 발명의 기능 이외에도 용탕을 용해조 외부로 강제 펌핑 배출하게 하는 출탕 용도 등 다용도로 활용이 가능하다.

한편 용탕 이송로(30)를 통하여 용탕 혼합조(40)로 안내 이송된 용탕 회전 수류는 용탕 혼합조의 저부로 급속하게 하향 이송하게 되는데, 용탕 혼합조 상부로 유입된 소용돌이치는 와류 표면에 알루미늄 칩(C)이 이송 컨베이어(50)와 칩 투입 호퍼(51) 등의 칩 공급수단을 통하여 빠른 속도로 주입되면 원심력이 작용하게 되는 와류 형태 고온의 알루미늄 용탕속에 합쳐져 칩의 투입속도보다 빠르게 녹아 들어가게 되고 칩(chip)이 혼합 용융된 알루미늄 혼합 용탕은 점차 소멸되는 회전력에 불구하고 와류 흐름 방향이 높이차에 의하여 하향류 형태로 변환되어 급속히 침강하게 되고 저면의 깔대기 형상 용탕 이송관(41)으로 급속히 빨려들어가서 선회하며 하강하는 사이클론 효과로 별도의 반송 펌프 없이도 용해로(10)에 환류되게 되는 것이다.

이때 상기 알루미늄 용탕 혼합조(40) 저부에 형성된 깔대기 형상 용탕 이송 관(41)에서는 반전 낙하되는 와류 형태 용탕을 상광 하협으로 완만하게 경사진 깔때기부에서 사이클론 현상에 의한 원심력으로 깔때기 경사면을 따라 재선회시키면서 급속히 하부로 유출되게 하여 알루미늄 칩이 첨가 용융된 혼합 용탕이 용해로(10)로 되돌려지게 되는 알루미늄 칩 용해의 순환 사이클을 반복하게 되는 것이다.

상기와 같은 알루미늄 용탕의 혼합과정에서 알루미늄 칩에 존재하는 밀도가 큰 순수 알루미늄은 고온의 알루미늄 용탕에 온도 편차 없이 급속히 녹아서 침강되고, 크기와 밀도가 작은 불순물이나 기름 등의 입자는 와류 중앙으로 모여서 침투 용해되지 못하고 와류 유동에 휩쓸려 와류 표면을 따라 계속 돌면서 용탕 와류 상부 표면으로 부상하는 방법으로 이물질이 분리되므로 알루미늄 칩으로부터 회수되는 실수율도 높아지게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 간단한 구성으로 크기와 밀도 차이가 있는 알루미늄괴, 알루미늄 스크랩, 알루미늄 칩 등의 다양한 알루미늄 용해 소재를 짧은 사이클타임 및 체류시간으로 동시에 처리할 수 있으며 알루미늄 칩의 실수율도 대폭 향상됨은 물론 온도 편차 없이 용탕 전체가 균일하게 섞이게 되어 품질 안정화 및 고급화에 기여할 수 있다.

또한 본 발명은 용해 효율을 높이기 위하여 알루미늄괴 또는 알루미늄 스크 랩과 알루미늄 칩의 혼합 비율은 9:1(중량비)정도가 적당한 것으로, 알루미늄 칩을 잘게 분쇄하여 사용하되 용해속도와 알루미늄 칩의 속도 균형을 맞추기 위하여 일정한 속도로 구동하는 컨베이어 벨트 등의 이송 수단과 호퍼 등의 투입 수단을 갖추도록 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 칩 용해로의 전체 구성을 도시한 사시도

도 2는 본 발명의 평면 구성도

도 3은 본 발명의 정면 구성도

도 4는 본 발명의 알루미늄 교반조 단면 구성도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100:다용도 알루미늄 칩 용해로 10:알루미늄용해로

11:지지대 12:모터 지지대

13:받침대 20:알루미늄 교반조

21:교반기 22:모터

23:세라믹 샤프트 24:세라믹 교반 날개

25:엘보우형 용탕 이송관 30:용탕 이송로

31:알루미늄 칩 혼합조 32:깔때기형 용탕 이송관

Z:알루미늄 용탕 C:알루미늄 칩

Claims (3)

1. 용탕 교반식의 알루미늄 칩 용해로에 있어서,

   알루미늄괴와 스크랩을 용해시키는 알루미늄 용해로(10) 일측면에 엘보우 형상의 용탕 이송관(25)이 연결 장착되고 모터(22)를 구동원으로 화학적으로 안정된 세라믹 교반기(21)를 내장한 알루미늄 용탕 교반조(20)와 역류됨이 없이 용탕의 흐르는 방향을 일정하게 유도하여 반송펌프를 별도로 사용하지 않고서도 하향 이동하는 혼합 용탕이 용해로로 반송되도록 깔때기 형상의 용탕 이송관(41)을 장착한 알루미늄 칩 혼합조(40)를 소폭의 용탕 이송로(30)를 사이에 두고 좌우 대칭으로 양분 형성하여,

   알루미늄 용탕 교반조(20)에서 교반 생성된 상향류형의 알루미늄 용탕 와류(Z)가 용탕 이송로(30)를 통하여 알루미늄 칩 혼합조(40)로 측면 이동하면서 높이 차에 의하여 순간적으로 급속하게 낙하하는 용탕 와류에 알루미늄 칩 공급수단으로 낙하 공급되는 알루미늄 칩(C)을 주입하여 칩을 용탕(Z) 내부로 신속하게 빨려들어가게 하여 침강시키는 방법으로 용탕의 순환 수류를 형성하여 알루미늄괴, 알루미늄 스크랩, 알루미늄 칩 등의 다양한 알루미늄 용해 소재를 동시에 처리함을 특징으로 하는 다용도 알루미늄 칩 용해로
2. 제 1항에 있어서, 알루미늄 용탕 교반조(20)에 장착된 교반기(21)는 월류장치 기능의 엘보우 형태 용탕 이송관(25) 일측 단부에 위치하여 용탕을 강제적으로 펌핑 배출하면서 와류를 형성하는 교반용 수중펌프로서 알루미늄 용탕과 화학적으로 반응하지 않으며 변형이나 침식이 발생하지 않는 세라믹 또는 열전도능력, 화학적 불활성 등이 양호한 탄소재질의 흑연으로 형성됨을 특징으로 하는 다용도 알루미늄 칩 용해로
3. 제 1항에 있어서, 원통형 알루미늄 칩 혼합조(40)의 용탕 이송관(41)은 알루미늄 용탕이 이송관(41)으로 급속히 빨려들어가서 선회하며 하강하는 사이클론 효과를 구현하게끔 머리부가 깔때기 형상으로 형성됨을 특징으로 하는 다용도 알루미늄 칩 용해로

Images