KR20130019646A - 용탕 분사용 노즐 - Google Patents

Abstract

용탕을 안정적이고 균일하게 분사할 수 있도록 하여, 제조되는 스트립의 두께 편차를 최소화할 수 있고, 용탕에 의해 노즐이 변형시에도 용탕의 균일한 분사가 가능하도록, 상하단이 관통되어 용탕이 흘러나가는 공간인 슬릿부를 형성하고, 상기 슬릿부는 용탕이 투입되는 상단의 투입구와 용탕이 분사되는 하단의 분사슬릿 및 투입구와 분사슬릿을 연결하는 내측벽을 포함하며, 상기 분사슬릿은 중앙에서 양 선단으로 갈수록 폭이 커지는 구조의 용탕 분사용 노즐을 제공한다.

Description

용탕 분사용 노즐{NOZZLE FOR SPRAYING MOLTEN ALLOY}

본 발명은 노즐에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 고온의 용탕을 분사하여 스트립을 제조하는 설비에서 고온의 용탕을 균일하게 분사할 수 있도록 된 용탕 분사용 노즐에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 스트립이나 리본을 제조하기 위한 연속 주조 방법으로 칠블록 멜트 스피닝법(CBMS; chill block melt spinning)이 주로 이용되고 있다. 칠블록 멜트 스피닝법은 25 ~ 50㎛ 두께의 스트립이나 리본을 제조할 수 있다. 그러나 상기 공정을 통해서는 폭 5mm 이상의 리본이나 스트립을 제조하기 어려운 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 PFC(palnar flow casting)주조 방법이 개발되었다. PFC 공정은 광폭의 스트립을 제조하기 위한 것으로, 용탕을 폭방향으로 길게 분사할 수 있는 노즐이 사용된다. 상기 공정은 금속이 용융되는 도가니의 하부 일측에 장착된 노즐을 통해 용탕을 고속 고압으로 분사하여 원하는 폭의 스트립이나 리본을 제조하게 된다.

여기서 상기 공정에서 사용되는 노즐은 분사슬릿의 길이가 길고 냉각휠과의 간격은 200㎛ 내외로 매우 좁다. 상기 공정의 핵심은 노즐과 냉각휠과의 간격을 공정이 종료할 때까지 일정하게 유지하는 것이다. 그러나, 노즐의 분사슬릿의 길이가 증가함에 따라 제조되는 스트립의 폭방향으로의 두께 편차도 증가할 수 있다.

스트립의 품질은 미세구조 및 표면 상태에 의해 크게 좌우되며, 그 중 표면 상태는 두께 편차와 표면 거칠기로 판단할 수 있다. 스트립의 표면 상태에 영향을 미치는 여러 인자 중에 노즐의 분사슬릿에서 분사되는 용탕의 안정성 및 균일성의 영향이 가장 크다. 용탕의 안정성 및 균일성은 분사슬릿의 상태에 따라 좌우된다. 용탕 분사시 분사슬릿이 열변형을 일으켜 불균일한 분사가 발생되거나, 용탕이 노즐의 용탕 주입구 중앙부위에 집중되어 분사슬릿의 중앙과 외측부의 위치에 따라 용탕 분사 속도에 차이가 발생될 수 있다. 이러한 이유로 스트립의 두께 편차가 발생되어 품질이 저하되는 것이다.

따라서 노즐의 폭이 증가함에 따라 발생되는 두께 편차를 최소화하기 위한 기술의 개발이 절실히 요구된다.

이에, 용탕을 안정적이고 균일하게 분사할 수 있도록 하여, 제조되는 스트립의 두께 편차를 최소화할 수 있도록 된 용탕 분사용 노즐을 제공한다.

또한, 용탕에 의해 노즐이 변형시에도 용탕의 균일한 분사가 가능하도록 된 용탕 분사용 노즐을 제공한다.

이를 위해 본 노즐은 상하단이 관통되어 용탕이 흘러나가는 공간인 슬릿부를 형성하고, 상기 슬릿부는 용탕이 투입되는 상단의 투입구와 용탕이 분사되는 하단의 분사슬릿 및 투입구와 분사슬릿을 연결하는 내측벽을 포함하며, 상기 분사슬릿은 중앙에서 양 선단으로 갈수록 폭이 커지는 구조일 수 있다.

상기 분사슬릿은 양 선단이 원호형태로 만곡된 구조일 수 있다.

상기 분사슬릿은 중앙에서 선단으로 갈수록 만곡된 원호형태로 형성될 수 있다.

상기 노즐은 상기 슬릿부 내에 슬릿부의 중앙부로 투입된 용탕을 양 선단쪽으로 유도하기 위한 적어도 하나 이상의 유도판이 더 설치될 수 있다.

상기 유도판은 투입구 중앙부에서 분사슬릿의 선단부를 향해 경사진 구조일 수 있다.

상기 유도판은 서로 마주보는 내측벽 사이에 설치되고 투입구에서 분사슬릿을 향해 연장되는 구조일 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 의하면, 광폭의 스트립 제조시에도 스트립의 두께 편차를 최소화하여 균일한 두께를 갖는 우수한 제품을 생산할 수 있게 된다.

또한, 노즐의 열변형 발생시에도 용탕 분사량을 균일하게 유지하여 두께 편차를 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐이 도가니에 설치된 상태를 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐의 평면과 정면 및 측면에 대한 개략적인 도면이다.
도 3은 또다른 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐의 평면과 정면 및 측면에 대한 개략적인 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하 설명은 고온의 금속 용탕을 고속 고압으로 분사하여 두께가 얇은 스트립이나 리본을 제조하는 공정에서 고온의 금속 용탕을 분사하는 노즐을 예로서 설명한다.

도 1과 도 2는 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 노즐(10)은 도가니(100) 하부에 결합되어 도가니에서 용융된 고온의 용탕을 공급받아 고속으로 분사하게 된다. 상기 도가니(100)와 노즐(10) 사이에는 게이트(110)가 설치되어 용탕의 공급을 제어하게 된다. 이에 게이트(110)가 개방되면 도가니(100) 내의 용탕은 게이트(110)를 통해 노즐(10) 내부로 투입되고 노즐(10) 하부를 통해 원하는 폭으로 고속 배출되어 얇은 스트립으로 제조된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(10)은 길이방향으로 연장된 직사각형태로 이루어진다. 상기 노즐(10)은 중앙부에 길이방향을 따라 길게 연장 형성되어 고온의 용탕이 흘러나가는 슬릿부(12)를 구비한다. 상기 슬릿부(12)가 형성된 노즐의 하단 중앙부는 아래쪽으로 더 길게 연장되어 노즐 선단부(15)를 이룬다.

상기 슬릿부(12)는 노즐(10) 중앙부에 형성되어 용탕이 머무는 공간으로 이해할 수 있다. 상기 슬릿부(12)는 상하단이 관통된 구조로, 상단은 용탕이 투입되는 투입구(14)를 이루며, 하단은 상기 노즐 선단부(15)를 관통하여 형성되며 용탕이 분사되는 분사슬릿(16)을 이룬다. 상기 투입구(14)와 분사슬릿(16) 사이는 서로 연결되어 슬릿부(12)의 내측벽(18)을 이룬다. 즉, 슬릿부(12)는 투입구(14)와 분사슬릿(16) 및 내측벽(18)으로 둘러쌓이는 내부 공간을 이룬다.

여기서 본 실시예의 노즐(10)은 상기 분사슬릿(16)이 중앙에서 양 선단으로 갈수록 폭이 커지는 구조로 되어 있다.

따라서 고온의 용탕 분사과정에서 분사슬릿(16)이 열변형되었을 때 분사슬릿(16)의 중앙부와 양 선단부에서 분사되는 용탕의 양을 일정하게 유지할 수 있게 된다.

용탕은 상기 노즐(10) 내부의 빈 공간인 슬릿부(12)에 담겨있게 된다. 용탕과 노즐(10)이 접촉하게 되면 고온 에너지가 공급되므로 이 에너지를 소멸하기 위해 노즐(10)은 열변형을 겪게 된다. 열변형이 발생하게 되면 양 선단부보다 중앙부의 변형이 더 심하므로 분사슬릿(16)은 마치 나뭇잎 형상과 같이 중앙부의 폭이 더 커지는 형상이 된다. 따라서 이러한 변형을 예측하여 열변형 후에 균일한 폭을 유지할 수 있도록 미리 그 오차만큼 분사슬릿(16)의 중앙부와 양 선단부의 폭을 상기와 같이 균일하지 않게 형성한다. 이에 열변형 이후에는 분사슬릿(16)이 균일한 폭을 유지하게 된다.

또한, 상기한 구조는 용탕의 공급 유량 차이에 따른 분사슬릿(12)의 위치별 용탕 분사량을 균일하게 해준다. 즉, 게이트(110)로부터 공급되는 용탕은 슬릿부(12)의 중앙으로 공급됨에 따라 슬릿부(12)의 중앙부과 양 선단부는 용탕의 유량 차이가 발생된다. 이러한 유량 차이에 의해 분사슬릿(12)의 중앙부는 양선단부보다 용탕 분사량이 커지게 된다. 본 노즐(10)은 상기와 같이 분사슬릿(16)의 양 선단부 폭을 중앙부보다 크게 형성함으로써, 양선단부에서 용탕의 분사량을 높일 수 있게 된다. 따라서 본 노즐(10)은 슬릿부(12) 위치에 따라 용탕의 공급량이 상이함에 따라 발생되는 분사량 차이를 보상하여, 분사슬릿(16)의 중앙부와 양 선단부에서 균일한 양으로 용탕을 분사할 수 있게 된다.

상기 분사슬릿(16)의 중앙부와 양 선단부의 폭 차이는 분사슬릿(16)의 재질이나 용탕에 의한 분사슬릿(16)의 마모정도 등에 따라 다양하게 설정가능하며 특별히 한정되지 않는다.

상기 분사슬릿(16)은 중앙을 중심으로 양 선단이 대칭적으로 형성되며, 중앙의 폭이 가장 좁고 양 선단의 폭이 가장 넓다.

상기 분사슬릿(16)의 폭은 중앙에서 양 선단으로 갈수록 점차적으로 커지는 데, 폭이 점차적으로 커진다 함은 그 변화량이 선형적이거나 이차함수적인 것에 관계없이 그 폭 수치가 증가함을 의미한다. 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 분사슬릿(16)은 서로 대향하는 폭방향의 양 측단이 길이방향을 따라 호형태로 만곡형성된 구조로 되어 있다. 이에 분사슬릿(16)의 중앙은 호형태로 만곡된 폭방향 양측단이 가장 근접하여 폭이 가장 좁고, 중앙에서 양 선단으로 갈수록 점차적으로 폭이 커진다.

또한, 상기 분사슬릿(16)은 양 선단이 원호형으로 만곡된 구조로 되어 있다. 이와 같이 분사슬릿(16)의 양선단이 원형으로 형성됨으로써, 용탕에 의해 분사슬릿(16)이 변형될 때 변형량이 균일해지게 된다. 따라서 분사슬릿(16)의 양 선단은 변형이 균일하게 발생하게 된다.

이와 같이 분사슬릿(16)의 중앙부와 양 선단부는 용탕에 의한 열변형량이 다르다 이에 이를 고려하여 상기와 같이 분사슬릿(16)의 중앙부의 슬릿 폭이 양선단부의 슬릿폭보다 좁게 형성함으로써, 열변형에 의한 폭 변화를 보상할 수 있게 된다. 따라서 열변형 이후에는 분사슬릿(16)이 균일한 폭을 유지하게 된다.

도 3은 본 노즐의 또다른 실시예를 도시하고 있다.

언급한 바와 같이, 도가니(100) 하단의 게이트(110)는 노즐(10)의 중앙에 위치하기 때문에 노즐(10)의 슬릿부(12)로 유입되는 용탕은 슬릿부(12)의 위치에 따라 유량 차이가 발생하게 된다. 이에 분사슬릿(16)을 통해 빠져나오는 용탕의 속도가 분사슬릿(16)의 길이방향 위치에 따라 다르게 나타난다.

이에 본 노즐(10)은 슬릿부(12)로 주입되는 용탕을 슬릿부(12)의 길이방향에 따라 전체적으로 균일하게 공급하는 구조로 되어 있다.

이를 위해 본 노즐(10)은 상기 슬릿부(12) 내에 슬릿부(12)의 중앙부로 투입된 용탕을 양 선단쪽으로 유도하기 위한 적어도 하나 이상의 유도판(20)이 설치된 구조로 되어 있다.

따라서 상기 노즐(10)의 투입구(14)를 통해 슬릿부(12)로 주입되는 용탕은 유도판(20)에 의해 슬릿부(12)의 양 선단쪽으로 유도됨으로써, 슬릿부(12)의 길이방향을 따라 전체적으로 균일하게 용탕이 투입되는 것이다.

여기서 상기 유도판(20)은 슬릿부(12)의 폭방향을 따라 서로 마주보는 내측벽(18) 사이에 설치된다. 상기 유도판(20)은 투입구(14)에서 분사슬릿(16) 쪽으로 연장되는 구조로 되어 있다. 본 실시예에서 상기 유도판(20)은 상단이 노즐(10) 상단과 동일평면상에 놓여지도록 투입구(14)와 대응되는 높이로 형성되고, 하단은 슬릿부(12) 내부를 따라 대략 상기 노즐 선단부(15) 전까지 연장된다. 상기 유도판(20)은 노즐 선단부(15)에는 형성되지 않는다. 상기 유도판(20)의 하단 위치는 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상기 유도판(20)은 투입구(14) 중앙부에서 분사슬릿(16)의 선단부를 향해 경사진 구조로 되어 있다.

즉, 본 실시예에서 상기 유도판(20)은 두 개가 한 쌍을 이루며, 슬릿부(12)의 중앙을 중심으로 대향 배치되고, 각각의 유도판(20)은 하향 경사진 구조로 되어 잇다.

이에 상기 슬릿부(12)는 유도판(20)에 의해 용탕이 투입되는 투입구(14)가 중앙부쪽 투입구와 양 선단부쪽 투입구로 분할되며, 유도판(20) 사이에 형성되는 중앙부쪽 투입구는 좁고 양 선단부쪽 투입구(14)는 넓어지게 된다. 따라서 게이트를 통해 슬릿부(12)의 중앙부로 투입된 용탕은 일부만 유도판(20)에 의해 형성된 좁은 투입구(14)를 통해 중앙부로 유입되고 나머지는 유도판(20)을 따라 양 선단부쪽으로 흘러나가게 된다.

이와 같이 슬릿부(12)의 중앙부로 투입된 용탕을 강제적으로 양 선단부로 유도함으로써, 노즐 선단부(15)에서는 슬릿부(12)의 길이방향을 따라 전체적으로 고르게 용탕이 공급된다. 따라서 슬릿부(12)에 고르게 투입된 용탕은 노즐 선단부 하단의 분사슬릿(16)을 통해 고르고 균일한 양으로 분사된다.

이하 본 노즐(10)의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 노즐(10)은 도가니에서 용융된 고온의 용탕을 고속 고압으로 분사하여 두께가 얇은 스트립이나 리본을 제조하게 된다.

도가니에서 용융된 1300℃ 이상의 용탕은 게이트를 통해 노즐(10)로 공급된다. 이때, 게이트를 통해 노즐(10)의 슬릿부(12) 중앙으로 공급된 용탕은 슬릿부에 형성된 유도판(20)에 의해 일부가 슬릿부(12)의 양선단부로 유도된다.

이에 용탕이 중앙에서 양 선단부로 고르게 분산됨으로, 슬릿부(12)의 중앙부와 양 선단부에 거의 균일한 양으로 용탕을 공급할 수 있게 된다. 용탕은 슬릿부(12)의 분사슬릿(16)을 통해 균일한 양으로 분사되어 스트립으로 제조된다.

용탕 공급과 분사과정에서 고온의 용탕에 의해 노즐(10)이 열변형되면, 분사슬릿(16)의 중앙부가 양 선단부보다 상대적으로 심하게 변형되어 그 폭이 커지게 된다. 여기서 본 분사슬릿(16)은 폭이 양 선단부에서 중앙부로 갈수록 작은 구조로 되어 있어, 열변형이 발생되는 경우 중앙부의 폭이 양 선단부의 폭과 동일하게 된다. 따라서 열변형 후에도 분사슬릿(16)은 전체적으로 균일한 폭을 유지할 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 노즐(10)을 PFC(palnar flow casting) 공정에 적용하여 스트립을 제조하는 경우, 100 ~ 300mm의 광폭 스트립을 제조하더라도 두께 편차를 3㎛ 이내로 줄여 균일한 두께의 제품을 제조할 수 있게 된다.

PFC 공정을 통해 제조되는 스트립은 주로 변압기 코어나 모터 코어로 사용되는 데, 이 코어의 특성과 단가에 영향을 미치는 중요 사항은 점적율이다. 적은 재료로 우수한 특성을 얻기 위해서는 점적율이 높아야 한다. 스트립의 두께 편차가 작을수록 점적율이 증가하고 반대로 두께 편차가 클수록 점적율은 감소한다.

따라서 본 노즐(10)은 스트립의 두께편차를 최대한 줄일 수 있게 되어 점적율을 높은 우수한 품질의 스트립을 제조할 수 있는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 노즐 12 : 슬릿부
14 : 투입구 16 : 분사슬릿
18 : 내측벽 20 : 유도판

Claims (6)

1. 상하단이 관통되어 용탕이 흘러나가는 공간인 슬릿부를 형성하고,
   상기 슬릿부는 용탕이 투입되는 상단의 투입구와 용탕이 분사되는 하단의 분사슬릿 및 투입구와 분사슬릿을 연결하는 내측벽을 포함하며,
   상기 분사슬릿은 중앙에서 양 선단으로 갈수록 폭이 커지는 구조의 용탕 분사용 노즐.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분사슬릿은 양 선단이 원호형태를 이루는 용탕 분사용 노즐.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 분사슬릿은 폭방향 양 측단이 길이방향을 따라 호형태로 만곡형성된 구조의 용탕 분사용 노즐.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 노즐은 상기 슬릿부 내에 슬릿부의 중앙부로 투입된 용탕의 일부를 양 선단쪽으로 유도하기 위한 적어도 하나 이상의 유도판이 더 설치된 용탕 분사용 노즐.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 유도판은 투입구 중앙부에서 분사슬릿의 선단부를 향해 경사진 구조의 용탕 분사용 노즐.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 유도판은 슬릿부의 폭방향으로 서로 마주보는 내측벽 사이에 설치되고 투입구에서 분사슬릿을 향해 연장되는 구조의 용탕 분사용 노즐.

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