KR20120113011A - 광물질 섬유 제조 장치 - Google Patents

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KR20120113011A
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주식회사 와이제이씨
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Abstract

본 발명은 용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체 및 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되는 오리피스 플레이트를 포함하며, 용융된 광물질이 부싱몸체 및 오리피스를 관통하여 방사되어 광물질 섬유를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

광물질 섬유 제조 장치{Manufacturing devices of mineral fibers}
본 발명은 광물질 섬유 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내마모성 및 내부식성이 강한 부싱 및 오리피스 플레이트를 사용하여 용융된 광물질을 방사하여 광물질 섬유를 제조하는 광물질 섬유 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 유리섬유의 제조에 있어서 유리를 형성하는 원료를 용융로에 보내고 원료를 용융 상태로 가열한다.
유리섬유를 인발하기 위한 내화성 귀금속 합금(nobel metal alloys)으로 만들어진 부싱은 이미 잘 알려져 있으나 그 재질에 따라서 용융된 원료가 통과하면서 마모 및 부식이 발생하므로 부싱을 장시간 사용하기에 문제가 있었다.
또한, 유리섬유의 생산성을 향상시키기 위해 오리피스 플레이트에 형성되는 오리피스의 밀도를 증가하는 경우 점성이 높아진 유리에 의하여 각 오리피스의 마모 및 부식이 발생하였을 때 오리피스의 유출부의 마모 및 부식이 증대되어 유리피스의 유출부의 크기가 늘어나서 오래 사용하지 않아도 인접된 오리피스 사이의 거리가 좁아져 오리피스를 통과하는 용융 유리가 합류하는 문제점이 있다.
유리섬유가 아닌 광물질 섬유를 제조하는 경우 물질의 특성 상 부싱은 유리섬유를 제조하는 부싱보다 내부식성 및 내마모성이 커야한다.
따라서, 부싱의 마모 및 부식을 방지하여 오리피스 플레이트에 형성되는 오리피스의 밀도를 증가시키면서 장기간 사용하여도 방사된 광물질 콘이 합류되지 않는 부싱을 사용하는 광물질 섬유 제조 장치의 개발이 필요한 시점이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체 및 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되는 오리피스 플레이트를 포함하며, 용융된 광물질이 부싱몸체 및 오리피스를 관통하여 방사되어 광물질 섬유가 제조되는 광물질 섬유를 제조하는 광물질 섬유 제조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 부싱몸체 및 오리피스 플레이트의 재질이 이리듐 또는 이리듐 합금으로 이루어져 부싱몸체 및 오리피스 플레이트의 마모 및 부식을 방지하여 오리피스 플레이트에 형성되는 오리피스의 밀도를 증가시키면서 장기간 사용하여도 방사된 광물질 섬유가 합류되지 않는 광물질 섬유 제조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광물질 섬유 제조 장치는 용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 상기 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체 및 상기 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되는 오리피스 플레이트를 포함하며, 상기 용융된 광물질이 상기 부싱몸체 및 상기 오리피스를 관통하여 방사되어 광물질 섬유가 제조될 수 있다.
상기 부싱몸체 또는 상기 오리피스 플레이트의 재질은 이리듐일 수 있다.
상기 부싱몸체 또는 상기 오리피스 플레이트의 재질은 이리듐-로듐, 이리듐-로듐-금, 이리듐-팔라듐-금, 이리듐-로듐-백금이 혼합된 합금일 수 있다.
상기 오리피스 플레이트에는 200개, 400개 또는 800개의 오리피스가 형성될 수 있다.
상기 오리피스는, 상기 부싱몸체에 접하여 상기 용융된 광물질을 유입하는 유입구 및 상기 유입구보다 직경이 작으며 상기 유입구의 반대쪽에 형성되어 상기 용융된 광물질을 유출하는 유출구를 포함할 수 있다.
상기 오리피스의 유출구를 통과하는 용융 광물질은 콘 형상으로 방사된 후 각각의 필라멘트가 제조될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광물질 섬유 제조 장치는 용융된 광물질을 저장하는 용융로, 상기 용융로 하부에 구비되고, 하부에 형성된 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되어 상기 용융로로부터 공급받은 상기 용융된 광물질이 상기 오리피스를 통과하면서 콘 형상으로 방사되어 필라멘트를 제조하는 부싱, 상기 부싱의 하부에 위치하고, 상기 오리피스를 통과하면서 방사된 상기 필라멘트에 집속제를 도포하는 집속제 도포기, 상기 집속제 도포기의 하부에 위치하고, 상기 집속제가 도포된 상기 필라멘트를 집속하여 광물질 섬유를 제조하는 집속롤러 및 상기 광물질 섬유를 권취하는 권취기를 포함할 수 있다.
상기 부싱과 상기 집속제 도포기의 사이에 위치하여 상기 오리피스에서 대기 중으로 방출되는 용융된 광물질을 냉각하는 공기 노즐을 더 포함할 수 있다.
상기 부싱은, 용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 상기 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체 및 상기 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되는 오리피스 플레이트를 포함하며, 상기 용융된 광물질이 상기 부싱 몸체 및 상기 오리피스를 관통하여 방사되어 광물질 섬유가 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체 및 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되는 오리피스 플레이트를 포함하며, 용융된 광물질이 부싱몸체 및 오리피스를 관통하여 방사되어 광물질 섬유가 제조되는 광물질 섬유를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부싱몸체 및 오리피스 플레이트의 재질이 이리듐 또는 이리듐 합금으로 이루어져 부싱몸체 및 오리피스 플레이트의 마모 및 부식을 방지하여 오리피스 플레이트에 형성되는 오리피스의 밀도를 증가시키면서 장기간 사용하여도 방사된 광물질 섬유가 합류되지 않는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광물질 섬유 제조 장치를 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 부싱을 구체적으로 나타내는 도면.
도 3은 도 2의 오리피스에서 광물질 섬유가 방사되는 모습을 보여주는 도면.
도 4는 도 1의 오리피스 플레이트를 보여주는 도면.
도 5는 도 4의 오리피스의 간격을 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광물질 섬유 제조 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 부싱을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 광물질 섬유 제조 장치(100)는 용융로(110), 부싱(120), 공기 노즐(130), 집속제 도포기(140), 접속롤러(150), 권취기(160)를 포함하여 구성된다.
용융로(110)는 가열되어 용융된 광물질(171)을 저장하는 수조이다. 용융로(110)는 지르코늄 내화물, 규산알루미늄 내화물이 적층된 수조로, 용융된 광물질(171)은 용융로(110)의 바닥면에 형성된 관통구멍(111)을 통해 부싱(120)으로 유입된다.
부싱(120)은 용융로(110)의 하부에 구비된다. 부싱(120)은 일정 두께를 갖는 부싱몸체(121) 및 부싱몸체(121)의 하부에 구비되는 오리피스 플레이트(123)를 포함하여 구성된다.
부싱몸체(121)의 상부에는 다수의 작은 구멍이 뚫린 스크린(미도시)이 형성되어 용융로(110)에서 유입되는 용융된 광물질(171)의 흐름을 조정하고 이물질이 통과되는 것을 방지한다. 스크린을 통과한 용융된 광물질(171)은 오리피스 플레이트(123)에 도달한다.
오리피스 플레이트(123)의 바닥면에는 오리피스(125)라고 불리는 복수개의 관통구멍이 형성되는데, 용융된 광물질(171)은 오리피스(125)를 통해 방사되어 가닥가닥의 필라멘트(173)가 되고 최종적으로 광물질 섬유(175)가 제조된다.
용융된 광물질(171)은 오리피스(125)의 유출구(129)에서 외부로 방사되면서 콘(cone) 형상으로 방사된다. 이에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명할 것이다.
오리피스(125)에서 대기 중으로 방출된 용융된 광물질(171)은 부싱(120)의 하부에 설치된 복수개의 파이프로 되는 공기 노즐(130)에서 분사되는 공기류에 의하여 냉각되어서 용융된 광물질(171)이 오리피스(125)의 유출구(129)에서 콘 형상으로 유출된다.
만약 공기 냉각이 수행되지 않으면 용융된 광물질(171)이 유출구에서 콘 형상으로 형성되지 않고 오리피스 플레이트(123)의 아래에 늘어붙어 몇 개의 큰 덩어리가 되어 하부로 낙하하게 되므로 한 가닥씩의 필라멘트(173)의 제조가 불가능하다. 따라서 공기 노즐(130)은 광물질 섬유(175)의 생산성을 향상시키기 위해 필요하다.
오리피스(125)를 통과하여 한 가닥씩 제조된 필라멘트(173)는 부싱(120)의 하부에 위치한 집속제 도포기(140)에 접하여 집속제가 도포된다.
다음으로 집속제가 도포된 필라멘트(173)는 집속롤러(150)에 의해 집속되어 스트랜드(strand), 즉 광물질 섬유(175)를 얻을 수 있고, 이후 광물질 섬유(175)는 권취기(160)에 의해 권취된다.
도 3은 도 2의 오리피스에서 광물질 섬유가 방사되는 모습을 보여주는 도면이고, 도 4는 도 1의 오리피스 플레이트를 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4의 오리피스의 간격을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 4의 오리피스의 형상을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여, 부싱(120)을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선 부싱(120)은 부싱몸체(121)와 오리피스 플레이트(123)를 포함하여 구성되며, 부싱몸체(121)는 용융로(110)의 하부에 구비되고 오리피스 플레이트(123)는 부싱몸체(121)의 하부에 구비된다.
부싱몸체(121)는 용융된 광물질(171)을 저장하는 용융로(110) 하부에 구비되고, 용융로(110)의 하단면에 형성된 관통구멍(111)을 통해 용융된 광물질(171)이 유입된다.
유입된 용융된 광물질(171)은 부싱몸체(121)의 하부에 구비된 오리피스 플레이트(123)에 형성된 복수의 관통구멍인 오리피스(125)를 통해 외부로 유출된다.
오리피스(125)를 통과하면서 한 가닥씩 별개로 나누어진 다수의 필라멘트(173)는 오리피스(125)의 유출구(129)에서 콘 형상 즉, 뿔 형상을 갖도록 유출되며 아래로 방사되면서 가느다란 필라멘트(173)가 형성된다.
부싱몸체(121) 및 오리피스 플레이트(123)의 재질은 이리듐 100%일 수 있으며, 이리듐 합금을 사용할 수도 있다.
부싱몸체(121) 및 오리피스 플레이트(123)의 재질로 이리듐 합금을 사용하는 경우, 합금의 조성비는 이리듐 90%+로듐 10%, 이리듐 75%+로듐 25%, 이리듐 86%+로듐 9%+금 5%, 이리듐 90%+팔라듐 5%+금 5%, 이리듐 90%+로듐 5%+백금 5%일 수 있다.
이와 같이 부싱몸체(121) 및 오리피스 플레이트(123)의 재질로 이리듐 또는 이리듐 합금을 사용하면 용융된 광물질(171)이 오리피스(125)를 통과할 때 발생하는 부식 및 마모가 방지되어 부싱(120)을 장기간 사용하더라도 광물질 섬유(175)를 효과적으로 제조할 수 있다.
구체적으로, 종래의 부싱은 백금에 로듐, 금 또는 팔라듐이 혼합된 합금으로 제조되었으나 표 1과 같이 백금과 이리듐의 물성표를 비교하면 백금보다 이리듐이 부싱으로 제조하기에 그 물성이 더욱 적합하여 백금 대신 이리듐을 기본으로 하는 합금을 사용하여 부싱의 제조 가격을 저하시키고 아울러 부식저항성의 향상과 경도 및 인장 강도의 향상으로 부싱의 수명을 2배 이상 연장할 수 있는 효과가 있다.
백금 이리듐
전기전도도(Electrical conductivity) 0.0966 106 cm-1Ohm-1 0.197 106 cm-1Ohm-1
밀도(Density) 21.45 g/cc 22.65 g/cc
경도(Hardness) 392 MNm-2 1670 MNm-2
녹는점(Melting point) 1772℃ 2443℃
희소성(Rarity) 0.001 ppm in lithosphere 3ㅧ10-6 ppm in lithosphere
원소(Chemical element) Of Group VIII in Mendeleev's Periodic Table Of Group VIII in Mendeleev's Periodic Table
원자번호(Atomic number) 78 77
원자량(Atomic weight) 195.08 192.22
전기저항률(Electrical resistivity) 9 microhm.cm at 0℃ 4.71 microhm.cm at 0℃
열전도도(Thermal conductivity) 73 watts/metre/℃ 148 watts/metre/℃
인장강도(Tensile strength) 14(annealed condition kg/mm2) 112(annealed condition kg/mm2)
구체적으로 이리듐은 세계적으로 미량 생산되고 있지만 용도가 광범위하지 못해 저렴한 귀금속이라고 볼 수 있으며 지금까지는 헬리콥터의 스파트 플러그(spark plug)나 열전대용 와이어, 레이저 크리스탈 성장 도가니 등에 이용되었지만 용도가 극히 협소했으며 따라서 가격이 매우 저렴하다.
그러나 부식성에 대해서는 어떤 귀금속보다 강하며 합금으로 소량 포함될 때 백금의 경로를 높여주는 역할을 한다.
이리듐은 상온에서 취약성이 있는 것이 단점이라 할 수 있으나 광물질 섬유 제조는 1200℃ 이상에서 장기간 이루어지므로 고온강도나 경도 또는 내침식성이 강한 것이 오히려 광물질 섬유 제조에 장점이 되고 있다.
이리듐은 상온에서는 산소와 전혀 반응하지 않지만 고온에서 산화이리듐(IrO2)의 얇은 피막을 형성한다고 알려져 있으며 할로겐 화합물도 반응한다고 알려져 있다.
그러나, 내부에서 반응이 진행되지 않고 표면 막을 형성하는 정도이므로 부싱(120)에 이리듐을 사용면 광물질 섬유 제조 장치(100)의 효율이 더욱 향상될 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 3을 참조하면 오리피스(125)를 통과하면서 용융 광물질(171)을 가느다란 필라멘트(173)로 형성하기 위해 오리피스(125)의 유출구(129)는 유입구(127)의 직경보다 더 작게 형성되는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 유입구(127)의 직경은 0.32mm, 유출구(129)의 직경은 0.17mm인 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면 오리피스 플레이트(123)에는 200개, 400개 또는 800개의 오리피스가 형성될 수 있다.
구체적으로, 오리피스 플레이트(123)에서 오리피스(125)가 형성되는 면적을 포함하여 양 단의 반원부분까지 포함한 전체의 가로(a)를 434.4mm이라 하고 세로(b)를 130mm이라 할 때 형성되는 오리피스(125)의 개수는 200개, 400개 또는 800개일 수 있다.
오리피스 플레이트(123)에는 최대한 많은 오리피스(125)를 형성하여야 광물질 섬유(175)의 생산성이 향상되나 제한된 면적에 너무 많은 오리피스(125)를 형성하면 각 오리피스(125)를 통해 유출되어 오리피스 플레이트(123)의 표면에 형성되는 개개의 용융 광물질(171)의 콘(172)이 서로 합류되어 방사할 수 없게 되므로 오리피스(125)의 밀도를 어느 한도 이상으로 증대하는 것이 어려웠다.
또한, 오리피스(125)의 밀도를 어느 한도로 유지하더라도 장기간 사용하는 경우 부식, 마모 등에 의해 오리피스(125)의 유출구(129)가 점차 커져서 오리피스(125) 사이의 거리가 좁아지고, 이로 인해 유출구(129)에서 방사되는 광물질의 콘(172)이 서로 합류될 수 있다.
따라서, 본 발명의 오리피스 플레이트(123)는 이리듐 또는 이리듐을 포함하는 합금을 재질로 하므로 장기간 사용하더라도 부식, 마모 등이 쉽게 일어나지 않도록 함과 동시에 오리피스(125)의 개수를 200개, 400개 또는 800개로 한정하여 유출구(129)에서 광물질 콘(172)이 합류되지 않도록 하였다.
덧붙여 오리피스 플레이트(123)에 구비된 단자(124)를 통해 흐르는 전류에 의하여 부싱(120)에 적합한 온도를 유지할 수 있다.
도 5를 참조하면 각 오리피스(125)의 중심과 중심 사이는 가로(c)의 길이가 4.4mm이고 세로(d)의 길이가 4.4mm로 각 중심은 정사각형을 형성한다.
실제 부싱몸체(121) 및 오리피스 플레이트(123)의 재질로 순수 100% 이리듐을 사용하고 400개의 오리피스(125)를 형성한 경우, 오리피스 플레이트(123)의 가로(a), 세로(b), 높이(c)를 각각 130mm, 434.4mm, 2mm로 하고 오리피스(125)의 중심 사이의 간격을 4.4mm로 하였을 때 용융된 광물질(171)이 광물질 콘(172)으로 방출되는 방출량은 분당 90g이고 권취기(160)에 권취되는 속도는 분당 300~1500m에 이른다. 즉, 생산량 및 권취속도에 있어서 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
이때 오리피스(125)의 개수가 400개에서 200개 또는 800개로 변경되는 경우 오리피스 사이의 간격은 4.4mm±10% 정도의 편차가 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 오리피스(125)의 개수, 오리피스(125)가 형성되는 오리피스 플레이트(123)의 면적, 각 오리피스(125) 사이의 간격에 대해 설명하였으나 그 수치는 이에 한정되지 않고 광물질의 콘(172)이 서로 합류하지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.
결과적으로 용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체 및 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되며, 용융된 광물질이 부싱몸체 및 오리피스를 관통하여 광물질 섬유로 제조되는 오리피스 플레이트를 포함하는 광물질 섬유 제조 장치에 있어서, 부싱몸체 또는 오리피스 플레이트의 재질을 이리듐 또는 이리듐 합금으로 사용함으로써 부싱몸체 및 오리피스 플레이트의 부식 및 마모를 방지하여 오리피스의 유출구에서 방사되는 광물질 콘이 합류되지 않도록 하면서 오리피스 플레이트에 형성되는 오리피스의 밀도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
100 : 광물질 섬유 제조 장치 110 : 용융로
120 : 부싱 121 : 부싱몸체
123 : 오리피스 플레이트 125 : 오리피스
130 : 공기 노즐 140 : 집속제 도포기
150 : 집속롤러 160 : 권취기

Claims (9)

  1. 용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 상기 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체; 및
    상기 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되는 오리피스 플레이트;를 포함하며,
    상기 용융된 광물질이 상기 부싱몸체 및 상기 오리피스를 관통하여 방사되어 광물질 섬유가 제조되는 광물질 섬유 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부싱몸체 또는 상기 오리피스 플레이트의 재질은 이리듐인 것을 특징으로 하는 광물질 섬유 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부싱몸체 또는 상기 오리피스 플레이트의 재질은 이리듐-로듐, 이리듐-로듐-금, 이리듐-팔라듐-금, 이리듐-로듐-백금이 혼합된 합금인 것을 특징으로 하는 광물질 섬유 제조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오리피스 플레이트에는 200개, 400개 또는 800개의 오리피스가 형성되는 것을 특징으로 하는 광물질 섬유 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 오리피스는,
    상기 부싱몸체에 접하여 상기 용융된 광물질을 유입하는 유입구; 및
    상기 유입구보다 직경이 작으며 상기 유입구의 반대쪽에 형성되어 상기 용융된 광물질을 유출하는 유출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광물질 섬유 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오리피스의 유출구를 통과하는 용융 광물질은 콘 형상으로 방사된 후 각각의 필라멘트가 제조되는 것을 특징으로 하는 광물질 섬유 제조 장치.
  7. 용융된 광물질을 저장하는 용융로;
    상기 용융로 하부에 구비되고, 하부에 형성된 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되어 상기 용융로로부터 공급받은 상기 용융된 광물질이 상기 오리피스를 통과하면서 콘 형상으로 방사되어 필라멘트를 제조하는 부싱;
    상기 부싱의 하부에 위치하고, 상기 오리피스를 통과하면서 방사된 상기 필라멘트에 집속제를 도포하는 집속제 도포기;
    상기 집속제 도포기의 하부에 위치하고, 상기 집속제가 도포된 상기 필라멘트를 집속하여 광물질 섬유를 제조하는 집속롤러; 및
    상기 광물질 섬유를 권취하는 권취기;를 더 포함하는 광물질 섬유 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부싱과 상기 집속제 도포기의 사이에 위치하여 상기 오리피스에서 대기 중으로 방출되는 용융된 광물질을 냉각하는 공기 노즐;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광물질 섬유 제조 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 부싱은,
    용융된 광물질을 저장하는 용융로 하부에 구비되어 상기 용융된 광물질이 관통되는 부싱몸체; 및
    상기 부싱몸체의 하부에 구비되고 복수의 관통구멍인 오리피스가 형성되는 오리피스 플레이트;를 포함하며,
    상기 용융된 광물질이 상기 부싱 몸체 및 상기 오리피스를 관통하여 방사되어 광물질 섬유가 제조되는 것을 특징으로 하는 광물질 섬유 제조 장치.
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