KR20130077479A - 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면은 저 비용으로 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠 사이에 설정되는 갭을 자동 인식하여 설정된 값으로 갭을 자동 제어하는 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치는, 내부에 용융 합금이 수용되는 도가니를 구비한 턴디쉬, 상기 턴디쉬 하부에 장착되고 도가니에 연결되어 용융 합금을 배출하는 노즐, 상기 노즐의 하부에 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 용융 합금을 급속 냉각시키는 냉각휠, 상기 노즐과 냉각휠 사이의 갭을 검출하는 화상 인식 카메라, 및 상기 화상 인식 카메라의 출력값에 따라 상기 턴디쉬를 승강시켜 상기 노즐과 상기 냉각휠 사이의 갭을 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치{DEVICE FOR CONTROLLING GAP OF COOLING WHEEL AND NOZZLE FOR MANUFACTURING AMORPHOUS FIBER}

본 기재는 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠 사이에 설정되는 갭을 자동 인식하여 설정된 값으로 제어하는 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 비결정질 합금(이하 비정질 합금이라 한다)은 금속을 용융상태에서 급속 냉각시켜 제조된다. 따라서 비정질 합금은 원자가 규칙적으로 배열하여 결정화할 시간이 없이 액상의 무질서한 원자배열 상태를 고체 상태까지 유지하게 된다.

비정질 합금은 통상적인 결정질 합금과는 달리 원자들이 불규칙하게 배열함으로써 결정성을 갖지 않는 액상과 유사한 구조를 지닌다. 따라서 비정질 합금은 결정질 합금의 특징인 결정입계(grain boundary), 전위(dislocation) 등과 같은 결정결함(crystalline imperfection)이 존재하지 않으며, 같은 조성의 결정질 금속에 비하여 우수한 연자성, 초자왜, 강인성, 내식성, 초전도성 등의 우수한 특성을 갖는다.

이러한 비정질 합금 제조 방법으로서는 다이캐스팅/영구주형주조법(die casting/permanent mold casting)과 멜트 스피닝법(melt spinning)이 주로 이용되고 있다. 멜트 스피닝법은 합금을 용융시키는 도가니, 도가니의 하부 일측에 장착되어 용융 합금을 배출하는 노즐, 및 노즐의 하부에 근접 설치되어 회전하는 냉각휠로 구성된다.

도가니 내의 용융 합금이 노즐을 통해 고속으로 회전하는 냉각휠의 원주면에 토출되면서 급속으로 냉각되어, 비정질 상태를 유지하는 일정 폭 및 두께를 가지는 스트립 또는 파이버로 제조된다.

비정질 소재의 특성상 용융 합금은 105K/s 이상의 급속 냉각이 요구되므로 매우 적은 양의 용융 합금 만을 냉각휠에 토출되어 급속 냉각된다. 용융 합금을 미세한 양으로 제어하여 냉각휠에 토출하기 위해서는 용융 합금을 배출하는 노즐과 냉각휠 사이에 설정되는 미세 갭의 제어가 필수적이다. 노즐과 냉각휠 사이의 갭은 노즐이 냉각휠에 대해 수평을 유지하여 노즐과 냉각휠 사이의 갭이 일정해야 균일한 두께의 스트립 또는 파이버를 제조할 수 있다.

그런데 턴디쉬 외피와 노즐의 열팽창 또는 냉각휠의 열팽창 등으로 조업 중에 캡이 불규칙하게 변한다. 따라서 이 갭을 정확히 계측하고 자동으로 설정된 갭으로 조정될 필요가 있다.

노즐과 냉각휠의 갭을 측정하는 방법 중, LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 이용 방법은 스피닝 시 용탕 비산으로 오염되고, 2-3회 작동 후 고장이 나며, 예열(Preheating) 또는 스피닝 과정에서 주변 구조물의 처짐으로 갭의 실측값의 확인이 어렵다.

레이저 이용 방법은 보정 소프트웨어의 설정을 필요로 하고, 주변 환경 변화에 따른 경험 보정식을 필요로 하며, 주변 구조물의 처짐이 많은 중앙부위에서 갭 측정이 어려우며, 안정화에 장시간이 소요된다.

와전류 센서 이용 방법은 주변 통전 가능 구조물에 의한 왜곡 보정, 절연체인 노즐에 추가 도전체를 삽입하는 방안을 필요로 하며, 노이즈와 분해능의 분리 방안을 필요로 하고, 고속 회전체와 노즐 사이의 사용 가능 여부 확인을 필요로 한다.

엑스선(X-ray) 이용 방법은 비용이 과다하고, 정확한 계측 제어 시스템 구축에 많은 시간이 소용된다.

본 발명의 일 측면은 저 비용으로 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠 사이에 설정되는 갭을 자동 인식하여 설정된 값으로 갭을 자동 제어하는 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치는, 내부에 용융 합금이 수용되는 도가니를 구비한 턴디쉬, 상기 턴디쉬 하부에 장착되고 도가니에 연결되어 용융 합금을 배출하는 노즐, 상기 노즐의 하부에 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 용융 합금을 급속 냉각시키는 냉각휠, 상기 노즐과 냉각휠 사이의 갭을 검출하는 화상 인식 카메라, 및 상기 화상 인식 카메라의 출력값에 따라 상기 턴디쉬를 승강시켜 상기 노즐과 상기 냉각휠 사이의 갭을 조절하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는, 상기 노즐의 길이방향 양측에서 배치되고 상기 턴디쉬와 연결되는 한 쌍의 구동실린더, 및 상기 화상 인식 카메라의 출력신호로 상기 갭을 인식하여, 상기 구동실린더를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 화상 인식 카메라를 구비하므로 노즐과 냉각휠 사이에 설정되는 갭을 자동 인식하여 설정된 값으로 갭을 자동 제어하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치를 도시한 개략적인 정면도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 화상 인식 카메라의 분해능을 나타내는 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 파이버 제조설비(100)의 노즐(120)과 냉각휠(130)의 갭 제어장치를 도시한 개략적인 정면도이고, 도 2는 도 1의 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 비정질 스트립 제조설비(100)는 도가니(112)를 내장한 턴디쉬(110), 노즐(120) 및 냉각휠(130)을 포함한다.

턴디쉬(110)에 구비되는 도가니(112)는 합금을 용융시켜 배출시키기 위하여, 용융 합금을 내부에 저장한다.

노즐(120)은 턴디쉬(110)의 하부에 설치되고 도가니(112)에 연결되어, 도가니(112)로부터 유입되는 용융 합금을 냉각휠(130)에 토출한다.

냉각휠(130)은 노즐(120)의 하부에 배치되어 노즐(120)로부터 토출되는 용융 합금을 급속 냉각시킬 수 있도록 구성된다. 따라서 냉각휠(130)은 노즐(120)에 근접하여 설치된다.

따라서 노즐(120)로부터 토출되는 용융 합금은 고속 회전하는 냉각휠(130)에 의해 급속 냉각되어 비정질 금속 파이버를 형성하게 된다.

노즐(120)은 냉각휠(130)의 폭 방향(x축 방향)으로 길게 배치되는 복수의 분사구들(미도시)을 구비하며, 이 분사구들은 용융 합금을 고속으로 회전하는 냉각휠(130)의 원주 표면에 대하여 폭 방향(x축 방향)으로 배열된다.

따라서 노즐(120)은 폭을 가지는 냉각휠(130)의 원주 표면에 용융 합금을 분사할 수 있다. 이때, 노즐(120)과 냉각휠(130)은 설정된 갭(G)을 유지한다.

일 실시예의 비정질 스트립 제조설비(100)는 화상 인식 카메라(140)와 제어부(150)을 더 포함한다.

화상 인식 카메라(140)는 노즐(120)과 냉각휠(130) 사이의 갭(G)을 자동으로 검출하도록 설치된다.

예를 들면, 화상 인식 카메라(140)는 제조되는 비정질 파이버가 비산되는 후방에 설치되어 노즐(120)과 냉각휠(130) 사이에 설정되는 갭(G)를 향하도록 설치된다.

제어부(150)는 화상 인식 카메라(140)의 출력값에 따라 턴디쉬(110)를 승강시켜 노즐(120)과 냉각휠(130) 사이의 갭(G)을 자동 조절하도록 구성된다. 예를 들면, 제어부(150)는 한 쌍의 구동실린더(151)과 컨트롤러(152)를 포함한다.

구동실린더(151)는 노즐(120)의 길이방향(x축 방향) 양측에서 배치되고 턴디쉬(110)와 연결되는 한 쌍으로 구성된다. 컨트롤러(152)는 화상 인식 카메라(140)와 구동실린더(151)에 연결된다.

구동실린더(151)는 턴디쉬(110)에 연결되는 가이드 및 가이드를 제어하는 구동모터(미도시) 등으로 대치될 수도 있다.

도 3은 화상 인식 카메라의 분해능을 나타내는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 화상 인식 카메라(140)는 작동 거리(D)에 설정되는 시야(V)의 1/9 면적의 분해능(R)을 가질 수 있다.

따라서 화상 인식 카메라(140)는 분해능(R)으로 시야(V) 범위 내에서 냉각휠(130)과 노즐(120) 사이의 갭(G)을 자동으로 인식할 수 있다.

예를 들면, 비정질 파이버 제조시, 냉각휠(130)과 노즐(120) 사이의 갭(G)은 0.3 ~ 0.8mm 범위 내에서 제어되어야 한다. 이때, 화상 인식 카메라(140)는 픽셀이 0.01mm이고, 9.6mm/1024 = 0.0009mm의 분해능(R)을 가진다.

컨트롤러(152)는 화상 인식 카메라(140)의 출력신호로 냉각휠(130)과 노즐(120) 사이의 갭(G)을 자동 인식하여, 구동실린더(151)를 제어하도록 구성된다.

즉 컨트롤러(152)는 화상 인식 카메라(140)의 출력값에 따라 노즐(120)과 냉각휠(130) 사이의 갭(G)을 자동으로 인식하고, 냉각휠(130)과 노즐(120) 사이의 갭에 대한 설정 값을 데이터로 내장하고 있다.

따라서 컨트롤러(152)는 화상 인식 카메라(140)의 출력값에 따라 노즐(120)과 냉각휠(130) 사이의 갭(G)을 인식할 수 있고, 인식된 실제 갭(G)을 설정 값과 비교하고, 그 차이를 연산하여 구동실린더(151)를 제어한다. 또한 컨트롤러(152)는 인식된 갭(G) 정보를 HMI(human machine interface)에 전달할 수 있다.

컨트롤러(152)에 의하여 구동실린더(151)가 제어됨으로써, 턴디쉬(110)가 승강된다. 따라서 턴디쉬(110)에 구비된 노즐(120)과 냉각휠(130) 사이의 갭(G)은 설정된 갭 범위로 조절된다.

일 실시예의 갭 제어장치를 비정질 파이버 제조설비(100)에 설치하여, 자동제어를 한 결과, 노즐(120)과 냉각휠(130) 사이의 갭(G)이 설정된 갭 범위에서 정확히 제어됨을 확인할 수 있었다.

갭을 육안으로 인식하고 수동으로 조절하는 방식에 비하여, 일 실시예는 인건비를 줄이고 조업의 표준화 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100 : 비정질 스트립 제조설비 110 : 턴디쉬
112 : 도가니 120 : 노즐
130 : 냉각휠 140 : 화상 인식 카메라
150 : 제어부 151 : 구동실린더
152 : 컨트롤러 G : 갭

Claims (2)

1. 내부에 용융 합금이 수용되는 도가니를 구비한 턴디쉬;
   상기 턴디쉬 하부에 장착되고 도가니에 연결되어 용융 합금을 배출하는 노즐;
   상기 노즐의 하부에 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 용융 합금을 급속 냉각시키는 냉각휠;
   상기 노즐과 냉각휠 사이의 갭을 검출하는 화상 인식 카메라; 및
   상기 화상 인식 카메라의 출력값에 따라 상기 턴디쉬를 승강시켜 상기 노즐과 상기 냉각휠 사이의 갭을 조절하는 제어부
   비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 노즐의 길이 방향 양측에서 배치되고 상기 턴디쉬와 연결되는 한 쌍의 구동실린더, 및
   상기 화상 인식 카메라의 출력신호로 상기 갭을 인식하여, 상기 구동실린더를 제어하는 컨트롤러
   를 포함하는 비정질 파이버 제조설비의 노즐과 냉각휠의 갭 제어장치.

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