KR20100020722A - 반고체 금속 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

반응고 금속을 얻기 위한 경사 냉각장치 및 방법에 관해 개시된다. 경사 냉각 장치는 적어도 그 표면이 흑연소재로 된 경사 냉각판을 적용하며, 경사 냉각판 일측에는 용탕과 공기의 접촉을 억제하기 위한 불활성 가스 커튼 형성 장치가 마련된다. 반응고 금속 냉각 방법은 적어도 그 표면이 흑연 소재로된 경사 냉각판을 통해 용탕을 유동시키면서 반응고시키는 단계와, 경사 냉각판 위로 불활성 가스 커튼을 형성하여 경사 냉각판 위를 유동하는 용탕의 표면에 대한 공기의 접촉을 억제하는 단계를 포함한다.

경사, 냉각, 용탕, 흑연, 불활성, 커튼

Description

반고체 금속 제조 장치 및 방법{Manufacturing apparatus of Semi-Solid metal and method the same}

본 발명은 반응고(semi-solid, 또는 반고체) 금속, 예를 들어 반응고 주철(cast iron)의 연속 제조 장치 및 그 방법에 관련되며, 특히 경사 냉각판(inclined cooling plate)을 이용해 용탕을 반응고 시키는 장치 및 방법에 관련된다.

반응고 금속은 액상(liquid phase)과 고상(solid phase)이 공존하는 슬러리(slurry) 상태의 금속이다. 반응고 공정(process)은 경사 냉각판에서 진행되는데 완전 액상의 용탕(溶湯))이 경사 냉각 판을 흐르는 과정에서 고상의 결정들이 형성된다. 반응고 상태의 슬러리는 후공정, 예를 들어 주입, 단조, 압출 등의 금속가공 공정을 거치면서 부품화 또는 제품화된다. 이와 같이 반응고 상태의 슬러리를 이용해 제조된 생산품들은 금속 조직이 미세하여 기계적 특성이 우수하다고 알려져 있다. 그러나, 이러한 반응고 금속을 이용한 생산 기술은 주로 경량 합금인 저융점 금속에 많이 적용되었다.

경사 냉각판은 주로 연강판(steel plate)으로 제조되는데, 이를 이용해 고융 점 용탕을 처리하게 되면 고온의 용탕에 연강판이 변형되거나 냉각이 불균일하게 일어날 수 있다. 반응고 금속을 얻기 위해 종래에는 주로 연강(판을 경사 냉각판으로 이용되었는데, 이 경우에는 동합금이나 주철(cast iron)과 같이 1100℃ 이상의 고온의 용탕은 연강판을 변형시킬 수 있고, 이에 따라 냉각이 불균일하게 진행될 수 있다.

한편, 용탕이 냉각판 상에서 유동하는 동안, 용탕과 대기 간의 접촉에 따른 산화물 등의 불순물 발생이 우려된다. 산화물 등에 의한 불순물이 반응고 금속에 잔류하게 되면 반응고 금속의 품질이 저하하고, 자연히 이로부터 제조된 부품이나 제품의 기계적 특성의 악화가 우려된다. 또한, 불순물의 혼입은 반응고 금속의 성분 변화를 야기할 수 있다.

예시적 실시예(example embodiments)들은 양질의 반응고 금속을 얻을 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

예시적 실시예들에 따르면, 냉각 판의 변형이 억제되고 용탕을 효과적으로 냉각 시켜 용탕 중에 초기결정을 균일하게 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

예시적 실시예들에 따르면, 대기와 용탕 간의 접촉을 억제하여 산화물을 포함하는 불순물의 발생을 억제할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다.

예시적 실시예에 따르면,

금속 용탕이 유동하는 경사면을 가지는 것으로 흑연을 포함하는 내열성 캐스터블 내화물로 형성된 경사 냉각판을 포함하는 반고체 금속 제조장치가 제공된다.

구체적인 한 실시예에 따르면, 상기 냉각 판에 인접하여 상기 용탕과 대기의 접촉을 억제하는 불활성 가스 분사 장치가 더 마련될 수 있다.

구체적인 다른 실시예에 따르면, 상기 가스 분사 장치는 용탕의 유동방향에 나란한 방향으로 연장되는 관상 몸체를 가지며 관상 몸체에는 가스 분출공이 마련될 수 있다.

구체적인 또 다른 실시예에 따르면 상기 가스 분사 장치의 관상 몸체는 상기 냉각 판의 양측에 마련될 수 있다.

구체적인 또 다른 실시예에 따르면, 상기 냉각판을 하부에서 지지하는 지지판이 더 구비되고, 지지판은 상기 용탕의 유동방향에 나란하게 연장되는 것으로 냉각판의 측면을 대향하는 스커트를 구비할 수 있다.

구체적인 또 다른 실시예에 따르면, 상기 분사장치의 관상 몸체는 상기 지지판의 스커트에 고정될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 냉각판의 상방에 외부로 부터 공급되는 용탕을 상기 냉각판의 표면으로 안내하는 깔때기(funnel)가 더 마련되어 있을 수 있다.

구체적인 실시예에 따르면, 상기 깔때기는 그 내부에 내화성 안내 부재를 더 구비할 수 있으며, 상기 냉각판에 대면하는 단부에는 용탕의 유동방향으로는 좁고 이에 직교하는 방향으로는 길게 연장된 슬릿형 용탕 출구가 마련될 수 있다.

다른 유형의 예시적 실시예에 따르면,

흑연을 포함하는 냉각 판의 표면 상을 용탕을 유동시키는 단계;

상기 냉각 판 위에 불활성 가스에 의해 가스 커튼을 형성하는 단계; 그리고

상기 냉각 판을 냉각수에 냉각시키는 단계;를 포함하는 반고체 금속 제조방법이 제공된다.

구체적인 다른 실시예에 따르면, 상기 용탕의 유동방향에 직교하는 방향으로 길게 연장된 슬롯형 용탕 출구를 깔때기를 이용해 상기 용탕을 상기 냉각판에 공급할 수 있다.

구체적인 또 다른 실시예에 따르면, 상기 불활성 가스를 상기 용탕의 유동방향에 직교하는 방향에서 분사할 수 있다.

구체적인 또 다른 실시예에 따르면, 상기 불활성 가스를 상기 용탕의 유동방향에 직교하는 방향에서 분사함에 있어, 상기 냉각판의 양측으로부터 분사할 수 있다.

본 발명에 따른 반응고 금속 제조 장치는 냉각판의 보호에 의한 변형 방지, 용탕의 고른 공급, 용탕과 대기와의 접촉등이 억제됨으로써 양질의 반응고 상태의 슬러리를 제조하여 고품질의 제품 생산을 가능하게 한다. 또한, 고온합금의 금형에 액상으로 주입하는 경우에도 주입온도를 가능한 낮게 제어할 수 있으므로 금형수명 연장, 조직 미세화의 효과 등으로 생산 비용의 절감 및 제품 품질향상이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 예시적 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 예시적 실시예에 따른 반응고(또는 반고체) 금속 제조 장치의 개략적 사시도이며 도 2는 경사 냉각판을 지지하는 베이스와 베이스를 지지하는 다리의 구조를 보이는 측면도이다. ,

도 1, 2를 참조하면, 경사 냉각판(10)이 양측에 길이 방향으로 소정 높이의 스커트(11a)가 형성되는 하부 베이스(11)에 의해 지지되고 있다. 하부 베이스(11)는 길이 조정이 가능한 일반적인 구조의 네 개의 다리(13, 14, 15, 16)에 의해 지지된다.

상기 네 개의 다리(13, 14, 15, 16)는 전체의 길이의 조정이 가능하도록 상호 끼움 결합되는 상, 하부 측의 관상 부재(13a, 13b), (14a, 14b), (15a, 15b), (16a, 16b)를 구비한다. 또한, 각 다리(13, 14, 15, 16)는 상하 부재 중, 어느 일측 부재 예를 들어 상부측 부재(13a, 14a, 15a, 16a)의 하단부에 고정되는 것으로 하부측 부재(13b, 14b, 15b, 16b)가 끼워지는 고정 링(13c, 14c, 15c, 16c) 및 고정 링(13c, 14c, 15c, 16c)에 결합되어 하부측 부재(13b, 14b, 15b, 16b)를 고정하는 고정 볼트(13d, 14d, 15d, 16d)이 구비한다.

한편, 상기 다리(13, 14, 15, 16)들 각각은 베이스의 하부에 고정된 힌지부(18)에 결합되어 있다. 한편, 앞쪽 다리(13, 14)와 뒤쪽 다리(15, 16)은 횡방향의 연결봉(18, 19)에 의해 상호 연결되어 있다. 그리고 전후의 연결봉(18, 19)은 길이 조정이 가능한 전후 다리 각도 조정부(17)에 의해 상호 연결되어 있다. 조정부(17)는 전후 연결봉(18, 19)에 끼워지는 회전 원통부(17e, 17f)에 의해 연결봉(18, 19)에 대해 회전 가능하게 연결되는 T 형 연결부재(17a, 17b)를 구비한다. 두 연결부재(17a, 17b)는 일측이 타측에 삽입된 상태로 결합되는 구조를 가짐으로써 조정부(17) 전체의 길이 조정이 가능하다. 이때에 조정부(17)의 길이 고정은 고정링(17c)에 결합된 고정 볼트(17d)에 의해 이루어진다.

한편, 베이스(11)의 일측면 즉 일측 스커트(11a)에 냉각수 입구(20) 및 출구(21)가 마련되어 있다. 이는 후술되는 냉각판(10) 하부의 냉각수 라인(23, 도 3a, 3b 참조)에 연결되는 것이다. 그리고 양측 스커트(11a, 11a)의 상단에는 관상의 불활성 가스 분사장치(30, 31)이 고정되어 있다. 양 가스 분사장치(30, 31)는 상호 나란하게 배치되어 용탕의 유동방향에 직교하는 양 방향에서 상호 마주 보는 방향으로 불활성 가스를 분사하여 가스 커튼을 형성할 수 있도록 가스 분출공(30a, 31a)가 소정 간격을 형성되어 있다. 이 가스 분출공(30a, 31a)을 통해 불활성 가스가 분사되면 유동하는 용탕 위로 가스 커튼이 형성되어 냉각판(10)을 덮게 되고 따라서 용탕이 냉각판(10) 상을 유동할 때에 대기와의 접촉을 억제하여 산화물과 같은 불순물 발생 및 혼입을 억제한다. 도면에서 참조번호 30b, 31b는 가스 분사장치(30, 31) 각각에 연결되는 가스차단 밸브이며 30c, 31c는 가스 도입관이다.

한편, 냉각판(10) 위에서는 용탕을 냉각판(10)으로 안내하는 사각 깔때기(50)가 위치하는데, 이는 상기 양 가스 배출관(30, 31)에 지지되는 지지체(40)가 고정된다. 지지체(40)는 사각 깔때기(50)가 안착되는 링형 마운트(41)와 이의 양측에 마련되어 상기 가스 분사장치(30, 31)에 지지되는 "ㄷ"형 고정 브라켓(42)을 구비한다. 브라켓(42)은 가스 분사장치(30, 31)를 따라 이동하는 것으로 그 몸체에 설치된 고정용 볼트(43)에 의해 가스 분사장치(30, 31)의 소정 위치에서 위치 고정된다.

도 3a는 베이스(11)에 장착된 냉각판(10) 및 그 주변 요소를 평면적으로 나타내 보인 평면도이다. 도 3b는 도 3a의 A-A' 선 단면도이다.

도 3a, 3b를 참조하면, 냉각판(10)은 스커트(11a, 11a)에 감싸인 베이스(11)의 안쪽 바닥에 안착되어 있다. 냉각판(10)의 양측에는, 냉각판(10)과 스커트(11a) 사이의 공간을 메워서 용탕(100)이 냉각판(10)과 베이스(11) 사이의 틈으로 유입하는 것을 방지하는 내화성 시멘트 등으로 된 매립층(10a)이 형성된다.

한편, 냉각판(10)과 베이스(11)의 사이에는 전술한 냉각수 배관(23)이 위치 한다. 이 냉각수 배관(23)은 냉각판(10)으로 흡수되는 열을 외부로 배출하는 열교환기로서, 용탕(100)에 의해 가열되는 냉각판(10)을 적절히 냉각시킨다. 도면에서는 상기 냉각수 배관(23)이 냉각판(10)의 몸체 자체에 매립된 형태로 도시되어 있는데, 다른 실시예에 따르면 냉각판(10) 하부에 밀착된 상태에서 내화물 세멘트 등에 의해 고정될 수 있다.

상기 냉각판(10)은 윤활성이 우수한 탄소를 함유하는 내화물성 캐스터블 성형물이다. 흑연은 일반적인 알루미나와 같은 산화물계 내화재보다 열전도도가 우수하고, 또한 흑연 자체의 윤활성이 있기 때문에 고융점 금속의 슬러리를 얻는 데 매우 유리하다.

이의 표면은 용탕(100)이 유동하며, 그 하부의 냉각수 배관(23)을 통한 열교환에 의해 적절한 온도를 유지함으로써 용탕(100) 중에 초정을 안정되게 형성할 수 있다. 이러한 냉각판(10)은 내화물이므로 변형이 없고 따라서 그 위를 유동하는 용탕(100)이 안정되게 접촉된 상태에서 냉각됨으로써 양질의 반응고 금속(슬러리)을 제조할 수 있다.

한편, 냉각판(10) 위로는 가스 배출관(30, 31)로 부터 불활성 가스가 분사되어 가스 커튼이 형성되면 냉각판(10)을 유동하는 고온 용탕은 대기와 접촉이 억제되고, 따라서 용탕과 산소 접촉 등에 의한 산화물 등의 이물질 발생이 억제된다. 특히, 용탕에 합금화 되어 있는 활성금속 원소들은 대기 중의 산소와 접촉하게 되면 산화물을 형성하게 되고, 이러한 산화물들이 반응고 금속(슬러리)에 혼재되면 기계적 특성을 저하하게 된다. 또한 대기중의 수분과 접촉한 용탕은 수소용해량이 증가하고, 이 상태로 응고되면 가스 버블과 같은 결함이 발생하는 문제점도 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 용탕이 냉각판을 유동하는 과정에서 불활성 가스에 의해 보호되며 따라서 위와 같은 이물질의 혼입을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 4a는 냉각판위에 설치되는 깔때기(50) 및 이를 지지하는 지지체(40)를 발췌도시하며, 도 4b는 도 4a의 b-b' 선 단면도이며, 도 4c는 깔때기(50)의 용탕 출구를 보이는 평면도이다.

깔때기(50)는 하우징(50a)과 하우징(50a) 내의 4개의 내화물(50b)을 포함한다. 내화물(50b)은 흑연을 포함하는 캐스터블 성형물로서 용탕이 접촉하는 요소로서 사각의 하우징(50a)의 형상에 부합되도록 4개가 마련된다. 이러한 구조의 깔때기(50)에서 깔때기(50)내의 내화물(50b)은 흑연성분에 의해 용탕의 융착이 방지되어 용탕의 유동성을 일정하게 유지시킨다. 또한, 깔때기의 하단부의 출구(50c)가 좁고 긴 슬릿 형태로 되어 있어서 냉각판(10)에 용탕을 일정한 폭과 속도로 유동시킬 수 있다.

도 5 내지 도 8은 실제 제작된 반응고 금속 제조 장치를 보인다. 도 5는 정면에서 바라본 장면이며, 도 6은 깔때기 부분을 확대해 보이며, 도 7은 측면에서 비스듬히 바라본 장면이다. 그리고, 도 8은 실제 반응고 금속을 제조하는 방법을 보이는 것으로 본 발명의 장치에 의해 반응고 금속을 연속적으로 제조하면서 이를 금형에 주입하는 상태를 보인다.

도 1은 예시적 실시예에 따른 반응고(또는 반고체) 금속 제조 장치의 개략적 사시도이다.

도 2는 경사 냉각판을 지지하는 베이스와 베이스를 지지하는 다리의 구조를 보이는 측면도이다.

도 3a는 도 1에 도시된 장치에서, 베이스에 장착된 냉각판 및 그 주변 요소를 평면적으로 나타내 보인 평면도이다.

도 3b는 도 3a의 A-A' 선 단면도이다.

도 4a는 도 1에 도시된 장치에서, 냉각판 위에 설치되는 깔때기 및 이를 지지하는 지지체를 발췌 도시한다.

도 4b는 도 4a의 b-b' 선 단면도이다.

도 4c는 도 4a에 도시된 장치에서, 깔때기의 용탕 출구를 보이는 평면도이다.

도 5 내지 도 8은 실제 제작된 반응고 금속 제조 장치를 보이는 사진이다.

Claims (7)

1. 금속 용탕이 유동하는 표면을 가지는 것으로 흑연을 포함하는 캐스터블 내화물로 형성된 냉각판을 구비하는 반고체 금속 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각판 위로 불활성 가스를 분사하여 냉각판 위를 유동하는 용탕과 대기와의 접촉을 억제하는 불활성 가스 분사장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반고체 금속 제조장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   냉각판 위에 설치되는 것으로 용탕을 냉각판 위로 안내하는 상광하협의 깔때기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반고체 금속 제조장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 깔때기는 하우징과 하우징 내에 위치하여 용탕의 유동을 안내하는 내화재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반고체 금속 제조장치.
5. 흑연을 포함하는 내화성 냉각 판의 표면 상을 용탕을 유동시키는 단계;

   상기 냉각 판 위에 불활성 가스를 분사하여 상기 용탕과 대기와의 접촉을 억 제하는 단계; 그리고,

   상기 냉각 판을 냉각수에 냉각시키는 단계;를 포함하는 반고체 금속 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 가스를 상기 용탕의 유동방향에 직교하는 방향의 양측에서 분사하는 것을 특징으로 하는 반고체 금속 제조방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 용탕을 상기 냉각판에 공급함에 있어서, 좁고 긴 슬릿형 깔때기를 이용해 상기 용탕을 냉각판에 공급하는 것을 특징으로 하는 반고체 금속 제조방법.

Images