KR20110064040A - 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐, 이를 이용한 복합선재 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐, 이를 이용한 복합선재 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

심재를 용융된 피복재로 피복하여 복합선재를 제조할 때에 이용되는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐로서, 질화규소를 함유하는 질화규소계 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐, 이를 이용한 복합선재 제조장치 및 제조방법이 제공된다.
동피복, 복합, 심재, 연속주조, 인서트노즐, 질화규소, 전기도금

Description

심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐, 이를 이용한 복합선재 제조장치 및 제조방법{INSERT NOZZLE FOR INSERTING AND GUIDING CORE MATERIAL, COMPOSITE-WIRE MANUFACTURING APPARATUS USING THE SAME, AND COMPOSITE-WIRE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐, 이를 이용한 복합선재 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 심재의 편심을 미연에 방지할 수 있는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐, 이를 이용한 복합선재 제조장치 및 심재의 선경축소 및 합금원소 용융을 근본적으로 방지할 수 있는 복합선재 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 복합선재(10)는 도 1에 나타낸 바와 같이 기계적 강도, 진동, 마찰, 항장력 및 선팽창 계수 등을 고려한 심재(11)(예를 들면, 강선)의 외주연에 전기 화학적 부식, 도전성 및 전기적 저항등을 고려한 피복재(12)(예를 들면 아연, 동, 동합금, 카드뮴 등)를 피복하여 완성된다.
복합선재의 하나로 동피복 강선은 송전선이나 통신선으로 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 다이오드, 콘덴서, 저항 등의 리드선으로 기타 다양한 산업 분야에 서 그 용도가 확대되고 있다.
이러한 복합 선재는 심재의 외주연에 동판 또는 동리본을 용접 피복한 후 롤에 의한 압착으로 피복재를 피복하는 롤 성형(ROLL FORMING) 방식과, 동관에 심재를 삽입하여 인발 다이스를 통한 압착 봉합으로 피복재를 피복하는 봉합법, 그리고 심재에 전해도금으로 피복재를 피복하는 전해 도금법, 아울러 용융된 피복재 속에 심재를 통과시켜 연속 주조하는 융착법 등으로 완성될 수 있다.
한편, 롤 성형 방식은 피복재의 두께를 제한적으로 피복할 수 밖에 없는 단점이 있고, 봉합법은 봉합하는 길이가 한정되어 일정거리마다 용접에 의해 연결하게 되는데 용접부위에서 박리현상이 심해 제품 품질을 저하시키며 직경 10㎜ 이상의 철 선재를 사용하게 되면 가는 선재로 가공하기 위하여 대용량의 설비가 요구되는 문제점이 있으며, 전해 도금법은 생산속도가 늦고 순도에도 한계가 있으며 폐수처리에도 많은 비용이 소모되어 생산비가 높고 피복재의 두께를 극히 제한적으로 피복할 수 밖에 없으며 부식에 약한 문제점이 있다.
반면, 융착법은 이음매 없는 복합선재를 연속적으로 생산할 수 있으며, 피복재의 두께를 자유롭게 조정할 수 있는 등 많은 장점이 있다.
융착법에 의한 동피복 강선의 제조를 위한 연속주조과정동안 용탕하부로 연속적으로 삽입되는 심재인 강심선은 피복재인 1200℃이상 고온의 용융 동에 노출되며 피복된다. 연속주조 인출속도에 따라 다르지만 10-30초동안 고온의 용융동에 노출된 강심선의 표면은 용융되어 연속주조 전보다 심재의 직경이 작아지게 된다. 더욱이 강심선으로부터 용융된 합금원소(Fe 및 Ni 등은)는 피복재인 용융동에 함유되 어 동의 전기전도도를 저하시켜 동피복 복합선재가 가져야 할 전기적 특성의 열화를 가져온다.
또한, 종래에는 강심선(선재)을 복합선재의 중심에 정확히 일치시키기 위하여 심재유도 및 삽입을 위한 인서트 노즐 등이 흑연재료로 고안되어 있는데 이들 흑연재 인서트 노즐은 고온의 용탕과 주위의 산소에 의해 소모되어 일정시간 사용후에는 심재 유도를 위한 고유의 기능을 상실하고 복합선재 중심에서 강심선이 편중되어 주조되는 즉, 심재가 편심(센터링 불량)되는 문제를 보인다. 이러한 편심은 당업계에서 가장 심각하게 고려하고 있는 당면 과제이다.
상기 종래기술의 문제점들을 극복하기 위하여 본 발명은 안출된 것으로, 본 발명의 제1 목적은 고온에서도 변형되지 않고 용융된 피복재와 반응하지 않아 심재의 편심을 미연에 방지할 수 있는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 이를 이용한 복합선재 제조장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 제3 목적은 심재의 선경축소 및 합금원소 용융을 근본적으로 방지할 수 있는 복합선재 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 구성으로,
심재를 용융된 피복재로 피복하여 복합선재를 제조할 때에 이용되는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐은, 질화규소를 함유하는 질화규소계 세라믹으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 질화규소계 세라믹은 질화붕소를 더 함유할 수 있다.
바람직하게는, 상기 피복재는 구리일 수 있다.
바람직하게는, 상기 심재는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선일 수 있다.
본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 구성으로,
피복재를 용융시키기 위한 용해로, 심재를 용융된 피복재로 피복하여 복합선재를 연속주조하기 위한 중공 금형 및 상기 심재를 상기 복합선재의 중심에 일치시키도록하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐을 포함하는 복합선재 제조장치에 있어서,
상기 인서트 노즐은 질화규소를 함유하는 질화규소계 세라믹으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 질화규소계 세라믹은 질화붕소를 더 함유할 수 있다.
바람직하게는, 상기 용해로는 흑연도가니와 상기 흑연도가니 주위에 설치되는 유도코일을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 중공 금형은 상기 용해로의 하부에 수평으로 설치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 피복재는 구리일 수 있다.
바람직하게는, 상기 심재는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선일 수 있다.
본 발명의 제3 목적을 달성하기 위한 구성으로,
심재를 용융된 피복재와 접촉시키면서 복합선재를 연속주조하는 복합선재 제조 방법에 있어서, 상기 연속주조 전에, 상기 심재가 용융되는 것을 방지할 정도의 두께로 상기 심재의 외주면에 상기 피복재를 미리 피복한다.
바람직하게는, 상기 피복재는 구리일 수 있다.
바람직하게는, 상기 심재는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선일 수 있다.
바람직하게는, 상기 두께는 100 내지 200㎛일 수 있다.
바람직하게는, 상기 심재의 외주면에 상기 피복재를 미리 피복하는 것은 전기도금법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 의하면, 심재의 편심을 미연에 방지할 수 있는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐 및 이를 이용한 복합선재 제조장치를 제공하는 데에 있다. 또한, 심재의 온도 상승을 막아 심재의 용융을 방지할 수 있는 효과도 지닌다.
또한, 본 발명에 의하면 심재의 선경축소 및 합금원소 용융을 근본적으로 방지할 수 있는 복합선재 제조방법을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐(20)을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 것처럼, 심재를 용융된 피복재로 피복하여 복합선재를 제조할 때에 이용되는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐(20)을, 종래의 흑연재질에서, 질화규소(Si3N4)를 함유하는 질화규소계 세라믹으로, 바람직하게는 질화붕소(예를 들면, 10% BN)를 더 함유하는 세라믹으로 개량함으로써, 종래의 흑연재질 인서트 노즐에 비해, 고온에서의 마모성 등이 우수할 뿐만 아니라 반응성이 낮아 용탕과 반응하지 않아 복합선재내의 심재의 편심을 미연에 방지할 수 있다. 바람직하게는, 피복재로는 구리가 이용될 수 있고, 심재로는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선이 이용될 수 있다.바람직하게는 복합선재의 직경이 20㎜이하, 그리고 심재의 직경은 5㎜이하이다. 인서트 노즐의 형상은 사용되는 심재의 직경, 복합선재의 직경 등 필요에 따라 얼마든지 변형가능하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 복합선재 제조장치(30)를 나타내는 도면이다. 도 3에 나타낸 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 복합선재 제조장치(30)는, 피복재를 용융시키기 위한 용해로(31), 상기 용해로(31)의 하부에 수평으로 설치되어 상기 심재를 상기 용융된 피복재로 피복하여 복합선재를 연속주조하기 위한 중공 금형(32) 및 상기 중공 금형의 입구 중공 측에 설치되어, 심재를 상기 복합선재의 중심에 일치시키도록 하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐(33), 상기 중공 금형의 출구 중공측 둘레에 설치되어 복합선재를 냉각시키기 위한 냉각 재킷(34)으로 구성되며, 상기 인서트 노즐(33)이 질화규소를 함유하는 질화규소계 세라믹으로 이루어진다. 바람직하게는 상기 인서트 노즐(33)은 질화붕소를 더 함유할 수 있다.
바람직하게는 용해로(31)를 흑연도가니(31a)와 상기 흑연도가니 주위에 설치되는 유도코일(31b)로 이루어지는 유도가열 방식의 용해로 구성하여 가열효과를 극대화 할 수 있다. 이 때, 종래의 흑연재 인서트 노즐은 유도코일에 의해 가열되어 인서트 노즐을 통해 삽입 및 유도되는 심재의 온도를 상승시키는데 반하여, 본 발명에서 제안하는 질화규소를 함유하는 질화규소계 세라믹 재질의 인서트 노즐(33)은, 유도코일(31b)에 의해 유도가열되지 않으므로 심재의 온도 상승을 미연에 방지 할 수 있다. 이와 같은 온도상승 방지 효과에 의해 심재가 용융되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 피복재로는 구리가 이용될 수 있고, 심재로는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선이 이용될 수 있다. 바람직하게는 복합선재의 직경이 20㎜이하, 그리고 심경의 직경은 5㎜이하이다.
한편, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 복합선재 제조방법은, 심재를 용융된 피복재와 접촉시키면서 복합선재를 연속주조하는 복합선재 제조 방법에 있어서, 상기 연속주조 전에, 상기 심재가 용융되는 것을 방지할 정도의 두께로 상기 심재의 외주면에 상기 피복재를 미리 피복한다.
도 4a는 융착법에 있어서 연속주조의 인출속도에 따른 심재의 직경을 나타내고, 도 4b는 융착법에 있어서 연속주조의 인출속도에 따른, 피복재(용융동)의 중량기준, 심재(Fe-Ni 와이어)로부터 용융된 합금원소(Fe와 Ni)의 중량비 및 그에 따른 전기전도 특성을 나타낸다. 도 4a에서, 복합선재의 연속주조에 사용된 심선의 직경은 2mm으로, 인출속도가 빨라질수록 용탕과 심선이 접촉하는 시간이 감소되어 용융으로 인한 심재의 직경 감소가 작아짐을 알 수 있다. 또한, 도 4b에서, 인출속도가 빨라질수록 피복재인 용융동내 심재로부터 용융된 합금원소 즉 Fe 와 Ni의 중량이 감소되어 복선선재의 전기전도특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 나타낸 것처럼, 심재의 선경 축소 및 합금원소의 오염을 방지하기 위해서는 심재의 용융을 최소화 하여야 하는데 이러기 위해서는, 연속주조시 인출속도를 증가시켜 용융동과 심재의 접촉시간을 최소화하여야 한다. 그러나 연속주조시 인출속도의 무리한 증가는 복합선재의 단락을 야기하여 생산성 저하 및 생산원가 증가의 문제가 있다.
또한, 복합선재의 연속주조시 인출속도를 증가시킨다 하더라도 용융동과 심재의 직접적인 접촉은 피할 수 없어 심재의 용융이 불가피하게 발생된다.
따라서, 심재(연강 또는 Fe-Ni 합금 와이어) 주위를 미리 피복재(Cu)로 도금(피복)한 후 연속주조를 행하면 심재의 합금성분이 용탕중으로 혼입되어 전기전도도 저하를 미연에 방지할 수 있다. 보다 구체적으로, 전기도금법 등을 이용하여 상기 심재가 용융되는 것을 방지할 정도의 두께(바람직하게는 100um이상, 보다 바람직하게는 100 내지 200um)로 상기 심재의 외주면에 상기 피복재를 미리 피복한다. 이와 같이 피복재가 미리 피복된 심재를 사용하여 연속주조함으로써 심재의 용융으로 인한 심재의 선경 축소 및 합금 원소에 의한 오염을 근복적으로 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 복합선재를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인서트 노즐을 나타내는 도면이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합선재 제조장치를 나타내는 도면이다.
도 4a는 융착법에 있어서 연속주조의 인출속도에 따른 심재의 직경을 나타내고, 도 4b는 융착법에 있어서 연속주조의 인출속도에 따른, 피복재(용융동)의 중량기준, 심재(Fe-Ni 와이어)로부터 용융된 합금원소(Fe와 Ni)의 중량비 및 그에 따른 전기전도 특성을 나타낸다.

Claims (15)

  1. 심재를 용융된 피복재로 피복하여 복합선재를 제조할 때에 이용되는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐로서, 질화규소를 함유하는 질화규소계 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질화규소계 세라믹은 질화붕소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복재는 구리인 것을 특징으로 하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 심재는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선인 것을 특징으로 하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐.
  5. 피복재를 용융시키기 위한 용해로, 심재를 용융된 피복재로 피복하여 복합선재를 연속주조하기 위한 중공 금형 및 상기 심재를 상기 복합선재의 중심에 일치시키도록하는 심재의 삽입 및 유도용 인서트 노즐을 포함하는 복합선재 제조장치에 있어서,
    상기 인서트 노즐은 질화규소를 함유하는 질화규소계 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합선재 제조장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 질화규소계 세라믹은 질화붕소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 복합선재 제조장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 용해로는 흑연도가니와 상기 흑연도가니 주위에 설치되는 유도코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합선재 제조장치.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 중공 금형은 상기 용해로의 하부에 수평으로 설치되는 것을 특징으로 하는 복합선재 제조장치.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 피복재는 구리인 것을 특징으로 하는 복합선재 제조장치.
  10. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 심재는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선인 것을 특징으로 하는 복합선재 제조장치.
  11. 심재를 용융된 피복재와 접촉시키면서 복합선재를 연속주조하는 복합선재 제조 방법에 있어서, 상기 연속주조 전에, 상기 심재가 용융되는 것을 방지할 정도의 두께로 상기 심재의 외주면에 상기 피복재를 미리 피복하는 것을 특징으로 하는 복 합선재 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 피복재는 구리인 것을 특징으로 하는 복합선재 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 심재는 연강 또는 Fe-Ni 합금으로 이루어지는 강선인 것을 특징으로 하는 복합선재 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 두께는 100 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 복합선재 제조방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 심재의 외주면에 상기 피복재를 미리 피복하는 것은 전기도금법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 복합선재 제조방법.
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