KR20140075105A - 금속 분말의 수분사 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 수분사 제조장치는 내부에 금속 용강이 저장되고, 그 하부에 상기 금속 용강을 배출하기 위한 오리피스가 장착되는 턴디쉬, 상기 턴디쉬의 오리피스를 통하여 낙하하는 용강 줄기에 대하여 수제트를 분사하는 수분사 노즐을 포함하고, 상기 수분사 노즐은 부채꼴 형태로 상기 용강줄기의 진행방향으로 용강줄기의 직선 영역을 따라 수제트를 분사시키는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 분말의 수분사 제조장치{Water atomizing device for manufacturing metal powders}

본 발명은 금속 분말의 수분사 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자유 낙하하는 금속 용강 줄기에 부채꼴형 수제트를 용강줄기의 직선 영역을 따라 분사하여 충돌시켜 분말화 효율을 향상시킬 수 있는 금속 분말의 수분사 제조장치에 관한 것이다.

최근 자동차 및 기계에 필요한 복잡한 형상을 가지는 소결용 부품산업의 발전으로 그 원료로 사용되는 철계 및 비철계 분말의 사용량이 급증하고 있다.

소결용 부품은 원료인 철계 및 비철계 분말을 목적에 맞는 제조 제품의 형상을 가진 금형 내부에 충진시킨 후 예컨대, 4~7 ton/cm² 의 고압을 인가하여 압축 성형하고, 물리적 및 기계적 특성을 부여하기 위해 고온에서 소결처리를 행하여 고밀도의 소결체를 얻는 과정을 거치게 된다.

특히, 자동차용 소결 부품 제조를 위해서는 분말 자체가 적정 입도, 유동도, 겉보기 밀도, 성형밀도, 고청정도 등의 고밀도 소결체를 제조할 수 있도록 우수한 품질을 갖추어야 한다.

수분사 공정이란 수직낙하하는 용융금속에 고압펌프를 이용하여 그 충격력과 냉각속도를 이용하여 금속 분말을 제조하는 방법이다. Fe, Cu와 같은 비교적 높은 융점과 산화가 빠르게 일어나지 않는 금속의 분말을 제조할 때 주로 사용된다. 특히, 분말야금용 철 분말의 경우에는 성형강도 및 소결체의 기계적 물성을 위해 부정형의 입자 형태를 가져야 하기 때문에 수분사 공정에 의해 제조되고 있다.

도1은 종래의 금속분말의 수분사 제조장치의 개략도이다. 이를 참조하여 설명하면, 턴디쉬(1) 내의 금속 용강(3)이 하부의 오리피스(5)를 통하여 자유 낙하할 때 주변에 도 2에 도시된 바와 같이 서로 대칭되게 부채꼴 모양의 수제트(7)를 분사하는 수노즐(9)을 장착한다. 상기 수노즐(9)의 압력은 일반적으로 150Bar 이며, 분사된 상기 수제트(7)는 용강 줄기(11)의 특정 점에서 서로 충돌하여 용강을 액적화 시키고 응고시켜서 최종 분말을 만들게 된다.

그러나, 종래에는 수분사되는 수제트(7)가 용강 줄기(11)의 한 점에서 서로 충돌하기 때문에, 그 충돌력이 서로 상쇄되어 분말화 효율이 떨어진다. 수제트(9)의 충격력이 용강에 전부 전달되어야 하는데 종래 기술은 수제트(9) 간의 충돌로 대부분의 에너지를 소모하여 분말화를 위해서 더 많은 물의 양과 더 높은 수압을 필요로 한다.

또한, 서로 수제트가 서로 충돌하는 영역에서 심한 와류가 발생되어 용강 줄기가 심하게 흔들릴 수 있으며, 심한 경우에는 물이 오리피스 영역까지 역류하여 오리피스가 용강 응고로 막혀서 분말 제조가 불가능한 상태로 되기도 한다.

이와 같이, 종래기술에 따르면, 수분사 분말화 효율이 떨어지고, 분말화에 소요되는 물의 양이 과대하게 소요되고, 제조 공정 동안 오리피스 막힘 등의 불안정한 현상이 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수분사 분말화 효율을 최대한 향상시키고, 분말화에 소요되는 물의 양을 감소시키며, 제조 공정 동안 오리피스 막힘 등의 불안정한 현상을 예방할 수 있는 금속 분말의 수분사 제조장치를 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 수분사 제조장치는 내부에 금속 용강이 저장되고, 그 하부에 상기 금속 용강을 배출하기 위한 오리피스가 장착되는 턴디쉬, 상기 턴디쉬의 오리피스를 통하여 낙하하는 용강 줄기에 대하여 수제트를 분사하는 수분사 노즐을 포함하고, 상기 수분사 노즐은 부채꼴 형태로 상기 용강줄기의 진행방향으로 용강줄기의 직선 영역을 따라 수제트를 분사시키는 것을 특징으로 한다.

상기 수분사 노즐은 상기 수제트가 마주 보는 방향으로 분사되도록 상기 용강 줄기를 중심으로 서로 충돌하도록 2개 이상일 수 있다.

상기 부채꼴 형태의 수제트는 용강줄기와의 각도가 10~30도일 수 있다.

상기 부채꼴 형태의 수제트의 퍼짐각도는 5~20도일 수 있다.

본 발명에 의한 금속 분말의 수분사 제조장치에 따르면 부채꼴 수제트를 용강줄기 방향과 수직방향으로 서로 충돌시키는 종래기술에 비하여 용강 줄기의 진행방향에 따라서 직선적으로 충돌시키기 때문의 수분사 분말화 효율이 월등하게 향상된다. 또한 분말화 효율이 향상됨으로써 동일한 입자 크기의 금속 분말을 제조하는 데 소요되는 물의 양을 감소시킬수 있어 경제적이다.

도1는 종래기술에 따른 금속 분말의 수분사 제조장치의 개략도이다.
도2은 종래기술에 따른 금속 분말의 수분사 제조장치의 수분사 상태를 나타낸 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 수분사 제조장치의 개략도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 금속분말의 수분사 제조장치에 대하여 설명하기로 한다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말의 수분사 제조장치의 개략도이다. 도3을 참조하면, 본 실시예에 따른 금속 분말의 수분사 제조장치는 용강 줄기에 대하여 부채꼴의 수제트를 평행하게 충돌시켜 금속분말을 제조하기 위한 장치이다.

이러한 금속 분말의 수분사 제조장치는 내부에 금속 용강(110)이 저장되고, 그 하부에 상기 금속 용강(110)을 배출하기 위한 오리피스(120)이 장착되는 턴디쉬(100), 상기 턴디쉬(100)의 오리피스(120)를 통하여 낙하하는 용강줄기(130)에 대하여 수제트(210, 310)를 분사하는 수분사 노즐(200, 300)을 포함하고, 상기 수제트(210, 310)는 부채꼴 형태로 상기 용강줄기(130)의 진행방향으로 용강줄기(130)의 직선영역을 따라 분사될 수 있다.

종래기술에서는 수분사 노즐에서 분사된 수제트가 용강의 줄기의 한 점에서 서로 충돌된다. 금속 용강의 분말화 효율을 증가시키기 위해서는 수제트의 운동량이 용강줄기에 직접 전달되는 것이 가장 유리하다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 수분사 노즐(200, 300)에서 분사되는 수제트(210, 310)를 용강줄기(130)의 진행방향으로 용강줄기(130)의 직선영역에 따라 분사되도록 수분사 노즐(200, 300)을 위치시킨다.

상기 수분사 노즐(200, 300)은 용강 줄기를 기준으로 환상으로 적어도 2개 이상 설치될 수 있다. 환상으로 배열된 수분사 노즐은 용강줄기에 대해서 서로 대칭적으로 위치하는 것이 바람직하다. 장착되는 수분사 노즐의 수는 2개 이상 일 수 있으며, 바람직하게는 4~6개일 수 있다. .

수분사 노즐(200, 300)은 하방을 향하며 수제트(210, 310)와 용강 줄기(310)와의 각도가 약 10~30도가 되도록 설치되는 것이 바람직하다. 수분사 노즐(200, 300)에서 분사되는 수제트(210, 310)와 용강줄기(130)와의 각도가 10도 미만인 경우 용강과의 충돌시 수제트(210, 310)의 운동량이 충분히 전달되지 않아 금속의 분말화 효율이 떨어질 수 있으며, 30도 이상이 되면 금속의 분말화 효율이 향상되나 서로 충돌한 수제트가 하방으로 빨리 배출되지 못하고 고여 있다가 상방으로 역류하는 문제가 발생할 수 있다.

수분사 노즐(200, 300)로부터 고압으로 분사된 수제트(210, 310)는 부채꼴 모양으로 분사되며 부채꼴의 평면부가 용강 줄기(130)와 평행하도록 수분사 노즐(210, 310)의 방향을 정렬하는 것이 바람직하다. 또한 부채꼴 수제트의 퍼짐각도는 5~20도가 바람직하다. 퍼짐각도가 20도를 초과하면 수제트가 너무 퍼지게 되어 분말화 효율이 떨어지고 수제트 간의 간섭이 발생하게 되며, 5도 미만인 경우 용강줄기와의 충돌 영역이 너무 협소하여 분말화 효율이 작아질 수 있다.

이하에서, 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 수분사 제조장치의 작동에 관하여 설명한다.

턴디쉬(100) 내의 금속 용강(110)은 하부의 오리피스(120)를 통하여 상기 턴디쉬(100)의 하부로 자유낙하하면서 배출된다.

이 때, 수분사 노즐(200, 300)은 상기 용강줄기(130)를 기준으로 서로 대칭되게 배치하여 일정한 각도로 상기 수제트(210, 310)를 용강줄기의 진행방향으로 용강줄기의 직선 영역에 따라 분사된다.

상기 분사되는 수제트(210, 310)는 용강줄기(130)의 특정 직선 영역에서 서로 충돌하여 용강을 분말화하여 모든 수제트가 분말화하는데 사용되어 분말화 효율이 향상된다. 또한 용강 줄기(130)를 따라서 부채꼴 수제트(210, 310)를 평행하게 충돌시키기 때문에 수제트(210, 310)가 서로 간섭하기 않기 때문에 용강 및 수 액적의 역류 현상이 발생하지 않는다.

따라서, 턴디쉬로(100)부터 유출되는 금속 용강(110)의 속도가 증가되더라도 물의 양을 비례하여 증가시킬 수 있고 이에 따른 역류 및 오리피스(120) 막힘 현상을 방지할 수 있어 대량생산시 안정적으로 조업을 진행할 수 있다. 용강줄기(130)를 분말화하는데 소요되는 에너지로 수제트를 100% 사용할 수 있기 때문에 물의 양이 현저히 작아져서 대량생산할 때 물을 획기적으로 절감할 수 있다. 그러므로, 분말의 효율증대, 분사수 절감에 의한 설비 투자비 감소 및 조업 원가 절감, 그리고 조업의 장시간 안정성 확대에 따른 생산성 향상을 기대할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 대하여 보다 자세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 수분사 장치로 철계 분말을 제조하고, 종래예로사 종래 기술에 의한 용강줄기 수직충돌 수제트 방식의 수분사 장치로 철계 분말을 각각 제조하였다.

고로에서 제조된 용선을 냉연 스크랩과 혼합하여 전로에서 탄소, 실리콘, 인 등의 성분을 산화 정련하여 용강을 얻은 후 턴디쉬에 장입한 후 세라믹 노즐을 통해 용강을 낙하시켰다. 이 때 본 발명의 일 실시예에 따른 수분사 노즐을 통해 철계 분말을 500kg을 제조하여 그에 따른 평균입경, 표준편차 및 사용한 물의 양을 종래기술과 비교하여 표1에 나타내었다.

구분	평균입경 (μm)	표준편차 (기하평균)	분말회수율(%) (<180㎛ 비율)	사용한 물의 양 (L)
종래예	72	2.26	81.1	5,000
발명예	69	2.05	87.5	3,300

상기 표1에 나타난 바와 같이 발명예의 경우 종래예에 비해 제한 입경 크기(180㎛) 이하의 분말의 회수율이 6.4% 증가하였으며, 사용하는 물의 양도 1,700L가 절약되는 효과를 얻을 수 있었다. 분말제조시 1톤당 통상 90만원의 제조경비가 필요하므로, 회수율의 6.4%의 증가는 제조경비를 약 5.5만원을 절감하는 효과가 있었다. 또한 물의 사용량도 34% 정도 줄어들기 때문에 제조경비의 추가 절감효과도 얻을 수 있었다.

본 발명에 따른 조업 안정성의 효과를 확인하기 위하여 발명예와 종래예를 동일한 환경하에서 수분사하여 조업가능시간을 측정하여 비교분석하였다.

발명예에서는 개별 수제트와 용강줄기가 이루는 각도를 20도로 하여 4개의 수분사 노즐을 통하여 분사되는 수제트가 용강 줄기와 충돌하도록 설치하였으며, 종래예에서는 발명예와 동일하게 개별 수제트와 용강줄기기 이루는 각도를20도로 하여 2개의 수분사 노즐을 장착하였다.

통상적으로 종래예에서는 상기 조건하에서 조업시 조업시간이 3분이상 넘어가면 용강 액적이 상부로 튀어오르는 현상이 누적되어 턴디쉬 하부의 용강이 토출되는 노즐의 막힘 현상이 발생한다. 이에 따라 상기 조건 하에서 조업가능 시간을 표2에 나타내었다.

구분	조업시간
종래예	3분 18초
발명예	21분 31초

표2에 나타난 바와 같이 종래의 수직 충돌형 수분사 장치를 사용할 경우 조업시간이 3분 18초가 지난 후 챔버 상부 쪽으로 용강의 액적의 튐 현상이 누적되어 턴디쉬 노즐의 막힘이 발생하였으며, 본 발명예를 적용한 경우 조업시 용강이 모두 분말화 될 때까지 턴디쉬 노즐의 막힘현상을 발생하지 않았다. 즉 조업 안정성이 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있었다.

이상 첨부된 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 턴디쉬 110: 금속 용강
120: 오리피스 130: 용강줄기
200, 300: 수분사 노즐 210, 310: 수제트

Claims (4)

1. 내부에 금속 용강이 저장되고, 그 하부에 상기 금속 용강을 배출하기 위한 오리피스가 장착되는 턴디쉬;
   상기 턴디쉬의 오리피스를 통하여 낙하하는 용강 줄기에 대하여 수제트를 분사하는 수분사 노즐을 포함하고,
   상기 수분사 노즐은 부채꼴 형태로 상기 용강줄기의 진행방향으로 용강줄기의 직선 영역을 따라 수제트를 분사시키는 것을 특징으로 하는 금속 분말의 수분사 제조장치.
2. 제1항에서,
   상기 수분사 노즐은 상기 수제트가 마주 보는 방향으로 분사되도록 상기 용강 줄기를 중심으로 서로 충돌하도록 2개 이상인 금속 분말의 수분사 제조장치.
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 부채꼴 형태의 수제트는 용강줄기와의 각도가 10~30도인 금속 분말의 수분사 제조장치.
4. 제3항에서,
   상기 부채꼴 형태의 수제트의 퍼짐각도는 5~20도인 금속 분말의 수분사 제조장치.

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