KR20110084081A - 마그네슘 용탕 공급펌프 및 그 제어방법 - Google Patents

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요시히코 와타나베
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토카이 코포레이션
야마토 씨오., 엘티디
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Abstract

[과제]
고정밀도로 용탕을 공급할 수 있는 마그네슘 용탕 공급펌프를 제공한다.
[해결 수단]
베인 타입의 용탕 공급펌프(106)는 용기(104)에 저장되는 마그네슘 용탕(114)을 용탕도관(102)으로 수송한다. 제어부(120)는 용기(104) 내의 마그네슘 용탕(114)의 용탕면 높이에 대응하여 로터의 회전수를 변화시킨다. 제어부(120)는, 일정시간, 로터를 회전시키는 운전기간과 로터를 정지하는 정지기간을 교대로 반복하는 간헐운전을 하고, 운전기간별로 로터의 회전수를 높인다. 제어부(120)는 기준이 되는 용탕면의 높이 H와 현재 용탕면의 높이 h의 차이가 △h일 때, 회전수 N을 △h=a×N2+b(단, a, b는 실수 파라미터)를 만족시키도록 결정한다.

Description

마그네슘 용탕 공급펌프 및 그 제어방법{SUPPLY PUMP FOR MOLTEN METALS OF MAGNESIUM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 마그네슘 용탕 공급펌프에 관한 것이다.
근래, 자동차나 전자기기의 케이스에 이용 가능한 금속재료로서, 경량성과 높은 강성을 겸비하는 마그네슘 및 그 합금이 주목받고 있다. 마그네슘을 주조(casting)함에 있어서, 마그네슘 잉곳, 리턴재, 단재(端材), NG재 등의 재료를 가열에 의해 용탕화하여, 이를 도가니나 탱크 등의 용기로부터 용탕 공급펌프로 퍼 올려 성형기에 공급한다. 마그네슘 용탕 공급펌프로서는, 전자펌프를 이용한 것과, 피스톤을 이용한 것과, 가스 가압을 이용한 것 등이 알려져 있다.
마그네슘 용탕 공급펌프는 성형기에 대하여, 일정량의 마그네슘 용탕을 공급할 필요가 있고, 용탕 공급 정밀도가 제품의 품질이나 운전비용에 큰 영향을 미친다. 용탕 공급 정밀도의 관점에서 보면, 피스톤형 펌프가 우수하지만, 비용이 높고, 메인터넌스성이 떨어지는 문제가 있다.
일본특허공개 2000-126861호 공보 일본특허공개 2001-9561호 공보 일본특허공개 2003-117649호 공보 일본특허공개 2001-131650호 공보
본 발명의 일 실시형태는, 상기 과제를 해결하기 위하여, 고정밀도로 용탕을 공급할 수 있는 마그네슘 용탕 공급펌프의 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시형태는, 마그네슘 용탕 공급펌프에 관한다. 마그네슘 용탕 공급펌프는 용기에 저장되는 마그네슘 용탕을 용탕도관으로 수송하는 베인펌프와, 베인펌프의 로터의 회전수를 제어하는 제어부를 구비한다. 제어부는 용기 내의 마그네슘 용탕의 용탕면 높이에 대응하여 로터의 회전수를 변화시킨다.
본 실시형태에 의하면, 비용이 낮고 메인터넌스성이 높은 베인펌프를 이용하여, 고정밀도로 용탕을 토출할 수 있다.
제어부는, 일정시간 로터를 회전시키는 운전기간과 로터를 정지하는 정지기간을 교대로 반복하는 간헐운전(intermittent operation)을 행하여도 좋다. 제어부는 운전기간별로 로터의 회전수를 높여도 좋다.
제어부는, 기준이 되는 용탕면의 높이와 현재 용탕면의 높이의 차이가 △h일 때, 회전수 N을, △h=a×N2+b(단, a, b는 실수)를 만족하도록 결정해도 좋다.
본 발명의 다른 실시형태는, 용기에 저장되는 마그네슘 용탕을 용탕도관으로 수송하는 베인펌프의 제어방법에 관한다. 이 방법은, 기준이 되는 용탕면의 높이와 현재 용탕면의 높이의 차분 △h를 취득하는 스텝과, 차분 △h에 대응하여 베인펌프의 로터의 회전수를 제어하는 스텝을 포함한다.
또한, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등으로 서로 치환한 것도, 본 발명의 실시형태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 고정밀도로 마그네슘 용탕을 공급할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 마그네슘 용탕 공급장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 실시예에 따른 용탕 공급펌프의 정면 단면도.
도 3은 실시예에 따른 용탕 공급펌프의 평면도.
도 4는 실시예에 따른 용탕 공급펌프의 좌측면도.
도 5는 실시예에 따른 용탕 공급펌프의 A-A선 단면도.
도 6은 변형예에 따른 용탕 공급펌프의 좌측면도.
도 7은 도 1의 마그네슘 용탕 공급장치의 용탕면의 변화를 나타내는 도면.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 바탕으로 도면을 참조하여 설명한다. 각 도면에 나타내는 동일 또는 동등한 구성요소, 부재, 처리에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 설명은 적절히 생략한다. 또한, 실시예는 발명을 한정하는 것이 아니고 예시일뿐이며, 실시예에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 꼭 발명의 본질적인 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 마그네슘 용탕 공급장치의 구성을 나타내는 도면이다. 마그네슘 용탕 공급장치(100)는 주로 용탕도관(102), 용기(도가니)(104), 용탕 공급펌프(106), 제어부(120)를 구비한다. 잉곳 투입실(108)에는, 도시하지 않는 잉곳 여열장치에 의해 가열된 마그네슘 잉곳이나 리턴재 등(이하, "잉곳 등" 또는 "재료"라 한다)이 적당히 투입된다. 잉곳 투입실(108)은 용기(104) 내부의 용해실(110)과 연통되어 있고, 용해실(110)에는 용해된 마그네슘(또는, 그 합금)의 용탕(114)이 저장된다. 히터(112)는 용탕(114)의 온도를 제어하기 위하여 마련된다.
가동식 칸막이판(116)은 용해실(110)의 드로스(dross)가 용탕 공급펌프(106)측으로 유출되는 것을 방지하기 위하여, 잉곳 투입실(108)과 용탕 공급펌프(106)를 구획하는 격벽으로서 기능을 한다. 가동식 칸막이판(116)에 의해, 용탕 공급펌프(106)가 용해 전의 마그네슘에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
용탕 공급펌프(106)는 용기(104)에 대해 탈착 가능토록 되어 있다. 용탕 공급펌프(106)는 이른바 베인펌프이고, 용기(104)에 저장되는 마그네슘 용탕을 용탕도관(102)으로 송출한다. 용탕 공급펌프(106)는 주로 모터(1), 임펠러용 샤프트(10), 펌프케이싱(11), 임펠러(12)를 구비한다.
임펠러(12)는 동심 방사형으로 배치되는 복수의 베인(날개)를 구비하고, 그 중심이 임펠러용 샤프트(10)의 일단에 연결되어 있다. 임펠러용 샤프트(10)의 타단은 모터(1)의 로터와 접속되어 있다. 모터(1)를 회전시키는 것에 의해, 펌프케이싱(11)의 내부에서 임펠러(12)가 회전하고, 펌프케이싱(11) 내부의 용탕(114)이 용탕도관(102)측으로 수송된다. 용탕도관(102)은 용탕 공급펌프(106)에 대해 고정되어 있어도 좋지만, 탈착 가능토록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 용탕도관(102)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 사이펀(siphon)형을 채용해도 좋다.
제어부(120)는 용탕 공급펌프(106)의 모터(1)의 회전수를 제어하여, 용탕도관(102)으로부터 토출되는 용탕(114)의 양을 제어한다. 제어부(120)에 의한 모터(1)의 제어에 대해서는 후술한다. 또, 펌프케이싱(11)의 위치는 용기(104)의 더욱 저부쪽으로 위치하여도 좋다.
이상이 마그네슘 용탕 공급장치(100)의 전체구성이다. 이어서, 용탕 공급펌프(106)의 상세한 구성을 설명한다. 도 2~도 5는 실시예에 따른 용탕 공급펌프(106)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2는 정면 단면도이고, 도 3은 평면도이고, 도 4는 좌측면도이고, 도 5는 A-A선 단면도이다.
모터(1)는 모터장착플랜지(2)에 체결된다. 모터(1)의 로터는 임펠러용 샤프트(10)와 접속되어 있다. 모터장착플랜지(2)는 중간 파이프(4)와 체결된다. 중간 파이프(4)의 내부에는 베어링 케이스(3) 및 단열재·베어링 케이스(5)가 마련된다. 베어링 케이스(3) 및 단열재·베어링 케이스(5)는 임펠러용 샤프트(10)의 축방향을 고정하면서 지지한다.
베어링 케이스(3)와 단열재·베어링 케이스(5)는 중간 파이프(4)의 두 군데에 마련하는 것이 바람직하다. 두 군데에서 임펠러용 샤프트(10)를 지지하는 것에 의해, 임펠러용 샤프트(10)의 떨림을 줄일 수 있고, 그에 의해 토출량을 안정화시킬 수 있다. 구체적으로, 1개의 베어링을 이용한 경우, ±5% 정도의 정밀도를 얻을 수 있는 것에 비해, 2개의 베어링을 이용한 경우에는, ±3% 이하의 고정밀도를 얻을 수 있다. 또한, 베어링을 2개 사용하는 것에 의해, 용탕 공급펌프(106)의 진동을 억제하고, 음향적인 노이즈도 줄일 수 있다.
조인트 슬리브(6)는 중간 파이프(4)와 펌프 베이스 플레이트(7)를 탈착 가능토록 조인트한다. 펌프 베이스 플레이트(7)에는 용탕도관(102)을 삽입하기 위한 용탕도관삽입구(15)가 뚫려있다. 펌프장착베이스(8)를 개재하여 용탕 공급펌프(106)는 도 1의 용기(104)에 대해 고정된다.
펌프케이싱(11)은 복수의 로드(9)를 개재하여 펌프장착베이스(8)에 대해 고정된다. 펌프케이싱(11)의 상면은 개구(17)가 마련되어 있고, 이 개구(17)로부터 용탕(114)이 펌프케이싱(11) 내로 흘러든다. 펌프케이싱(11)의 저부에는 펌프덮개(13)가 마련된다. 펌프덮개(13)의 중앙에도 개구(18)가 마련되어 있고, 이 개구(18)를 통해 펌프케이싱(11) 내에 모인 슬러지가 배출된다. 또한, 펌프케이싱(11)에는 용탕도관(102)을 삽입하기 위한 용탕도관삽입구(16)가 마련된다.
임펠러(12)는 임펠러용 샤프트(10)에 의해 회동 가능토록 피벗되어 있고, 모터(1)의 회전에 상응하여 임펠러(12)가 회전한다. 임펠러(12)가 회전하면 펌프케이싱(11) 내의 용탕(114)이 조인트 슬리브(6)에 연결된 용탕도관(102)을 개재하여 송출된다.
실제사용시에는, 용기(104)의 용탕면의 마그네슘이 활성화되고, 또는 용탕 내에서의 석출에 의해 드로스가 발생하고, 그것이 침전물(슬러지)로서 용기(104)의 저부에 축적된다. 침전물이 임펠러(12) 내에 들어가면, 임펠러(12)가 회전하지 않거나 손상될 우려가 있다. 이것을 방지하기 위하여, 임펠러(12)의 저면을 개구(18)보다 지름이 큰 원반모양으로 하여 펌프덮개(13)측의 개구(18)로부터의 침전물의 유입을 방지하고 있다.
또한, 펌프케이싱(11)의 상부에는 원반모양의 플레이트(14)가 마련된다. 플레이트(14)의 지름은 개구(17)를 완전히 덮도록 결정된다. 플레이트(14)의 장착 높이는 펌프케이싱(11)으로부터 3㎝~10㎝의 범위가 바람직하고, 도 2에서는 5㎝ 정도의 위치에 장착되어 있다. 플레이트(14)를 마련하는 것에 의해, 펌프케이싱(11)에 대한 개구(17)로부터의 침전물의 유입, 또는 개구(17)의 막힘을 줄일 수 있다. 또한, 침전물의 유입이 억제되는 것에 의해, 토출량의 정밀도를 높일 수 있다.
도 6은 변형예에 따른 용탕 공급펌프(106a)의 좌측면도이다. 도 6의 용탕 공급펌프(106a)에 있어서, 로드(9)는 상측 로드(9a)와 하측 로드(9b)로 분할되어 있다. 그리고 대응되는 로드(9a)와 로드(9b)는 조인트 슬리브(19)에 의해 접속된다. 분할위치는 용탕(114)의 용탕면으로 상정되는 높이이다. 즉, 조인트 슬리브(19)에 의해, 로드(9a)와 로드(9b)가 용탕면에 노출되는 것을 방지하고 있다. 용탕면의 높이는 잉곳의 투입이나 용탕 공급펌프(106)에 의한 용탕(114)의 송출에 상응하여 변화된다. 따라서, 조인트 슬리브(19)의 길이는 용탕면으로 상정되는 범위(20)를 커버하도록 결정된다.
용해실(110) 내의 용탕(114)의 상부에는 커버 가스(불활성 가스)가 충전되어 있다. 그렇지만, 현실에서는 열에 의해 커버 가스는 분해·활성화되어, 커버 가스와 접촉하는 용탕면 부근의 로드(9)나 임펠러용 샤프트(10)가 부식, 마모한다. 도 6의 용탕 공급펌프(106a)에 의하면, 조인트 슬리브(19)가 용탕면과 접촉하기 때문에, 조인트 슬리브(19)를 교환하면 된다. 즉, 로드(9)를 교환할 필요가 없기 때문에, 메인터넌스가 쉬워지고, 유지비용을 낮출 수 있다. 한편, 임펠러용 샤프트(10)에 조인트 슬리브를 마련하면, 토출량의 안정성을 손상시킬 우려가 있기 때문에, 슬리브식으로 하지 않고 있다. 따라서, 임펠러용 샤프트(10)에 관해서는, 마모될 때마다 교환할 필요가 있지만, 로드(9) 정도는 비용이나 작업시간 모두 문제가 되지 않는다. 필요에 충분한 토출량의 정밀도가 얻어지는 경우에는, 임펠러용 샤프트(10)도 로드(9)와 마찬가지로 분할하여, 용탕면 접촉부분을 조인트 슬리브에 의해 접속해도 좋다.
이어서, 도 1의 제어부(120)에 의한 용탕 공급펌프(106)의 제어방법을 설명한다. 제어부(120)는 용기(104) 내의 용탕(114)의 용탕면 높이에 상응하여 모터(1)의 회전수를 변화시킨다.
제어부(120)는, 모터(1)를 일정시간 회전시키는 운전기간과 모터(1)를 정지하는 정지기간을 교대로 반복하는 간헐운전을 진행한다. 1회의 운전기간에 의한 용탕(114)의 토출을 "원샷(one shot)"이라 한다.
도 7은 도 1의 마그네슘 용탕 공급장치(100)의 용탕면 변화를 나타내는 도면이다. 초기상태에 있어서, 용탕면의 높이는 H[㎜](이하, "기준높이"라 한다)이다. 그리고 원샷마다 용탕면의 높이는 h1, h2, h3…[㎜]의 식으로 차례로 변해간다. 여기서, 각 샷 후의 용탕면의 높이 h와 기준높이 H의 차분을 "△h[㎜]"로 기재한다.
이상적으로는, 용탕(114)의 토출량은 모든 샷에서 일정한 것이 바람직하다. 그렇지만, 현실적으로 펌프의 능력은 용탕도관(102) 내의 용탕의 높이 레벨에 따라 변하기 때문에, 토출시간을 일정하게 유지하였을 경우, 샷마다 용탕면의 높이가 감소함에 따라 토출량도 감소한다. 통상, 잉곳 등 재료의 투입을 제어하는 것에 의해 용탕면의 높이를 일정하게 유지하도록 배려되어 있지만, 모든 샷에 있어서 용탕면의 높이가 변하지 않도록 제어하는 것은 현실적으로 곤란하다.
따라서, 이 문제를 해결하기 위하여, 제어부(120)는 운전기간에 있어서의 모터(1)의 회전수를 샷마다 높인다.
제어부(120)는 기준 용탕면의 높이 H와 현재 용탕면의 높이 h의 차이(변화량)가 △h(=H-h)일 때, 회전수 N을 △h=a×N2+b(단, a, b는 실수)…(1)을 만족하도록 결정한다.
용기(104)의 표면적이 S[㎟]이고, 토출량 V[㎣]이 일정하다고 가정하면, 샷마다 용탕면 높이의 변화는, △hs=V/S[㎜]로 주어진다. 그리고 k-샷째의 높이 변화량 △hk는 △hk=k×△hs[㎜]가 된다. 표면적 S 및 토출량 V는 모두 이미 알고 있기 때문에, 제어부(120)는 각 샷에 있어서의 용탕면의 높이 h 및 변화량 △h를 트레이스할 수 있다. 그리고 변화량 △h에 상응하여 모터의 회전수를 보정한다. 식 (1)에 있어서의 파라미터 a, b는 마그네슘 용탕 공급장치(100)를 이용하여 실험하는 것에 의해 최적화할 수 있다.
또, 제어부(120)는 용탕면의 높이 변화 △h를 취득하기 위하여, 용탕면 높이 센서를 구비해도 좋다. 또한, 잉곳 등의 투입에 의해 용탕면의 높이가 상승한 경우, 제어부(120)는 모터의 회전수를 초기값으로 리셋하고, 동일한 처리를 반복한다. 투입되는 마그네슘재의 부피는 이미 알고 있기 때문에, 용탕면 높이의 상승량은 계산에 의해 취득할 수 있다. 제어부(120)에는 잉곳 등의 투입을 알리는 통지신호가 입력되어도 좋다. 또, 용탕면의 높이 h는 센서에 의해 측정하여도 좋다.
이 제어를 행하는 것에 의해, 샷마다의 토출량의 정밀도를 종래에 비해 대폭으로 개선할 수 있다.
실시예를 바탕으로, 구체적인 어구를 사용하여 본 발명을 설명하였지만, 실시예는 본 발명의 원리, 응용을 나타내는 것에 지나지 않고, 실시예에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 변형예나 배치의 변경을 가할 수 있다.
1 모터
2 모터장착플랜지
3 베어링 케이스
4 중간 파이프
5 단열재·베어링 케이스
6 조인트 슬리브
7 펌프 베이스 플레이트
8 펌프장착베이스
9 로드
10 임펠러용 샤프트
11 펌프케이싱
12 임펠러
13 펌프덮개
14 플레이트
15, 16 용탕도관삽입구
17, 18 개구
19 조인트 슬리브
100 마그네슘 용탕 공급장치
102 용탕도관
104 용기
106 용탕 공급펌프
108 잉곳 투입실
110 용해실
112 히터
114 용탕
116 가동식 칸막이판
120 제어부

Claims (5)

  1. 용기에 저장되는 마그네슘 용탕을 용탕도관으로 수송하는 베인펌프와,
    상기 베인펌프의 로터의 회전수를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 용기 내의 상기 마그네슘 용탕의 용탕면 높이에 대응하여 상기 로터의 회전수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 용탕 공급펌프.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 일정시간, 상기 로터를 회전시키는 운전기간과 상기 로터를 정지하는 정지기간을 교대로 반복하는 간헐운전을 하고, 운전기간별로 상기 로터의 회전수를 높이는 것을 특징으로 하는 마그네슘 용탕 공급펌프.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는, 기준이 되는 용탕면의 높이와 현재 용탕면의 높이의 차이가 △h일 때, 회전수 N을, △h=a×N2+b(단, a, b는 실수)를 만족하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 용탕 공급펌프.
  4. 용기에 저장되는 마그네슘 용탕을 용탕도관으로 수송하는 베인펌프의 제어방법이고,
    기준이 되는 용탕면의 높이와 현재 용탕면의 높이의 차분 △h를 취득하는 스텝과,
    상기 차분 △h에 대응하여 상기 베인펌프의 로터의 회전수를 제어하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    회전수 N을, △h=a×N2+b(단, a, b는 실수)를 만족하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
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