KR20140080731A - 비정질 스트립 제조장치 - Google Patents

Abstract

용탕과의 마찰을 줄여 노즐의 마모를 최소화할 수 있고, 노즐을 통한 용탕 분출시 용탕이 비산되는 것을 방지할 수 있도록, 내부에 용탕이 수용되는 도가니, 상기 도가니에 연결되어 용탕을 배출하는 노즐, 상기 노즐의 하부에 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 용탕을 급속 냉각시키는 냉각롤, 상기 노즐로 가스를 공급하여 노즐과 용탕 사이에 가스층을 형성하는 가스분사부를 포함하는 비정질 스트립 제조장치를 제공한다.

Description

비정질 스트립 제조장치{DEVICE FOR MANUFACTURING AMORPHOUS STRIP}

본 발명은 비정질 스트립 제조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 노즐의 마모를 줄이고 용융 금속의 비산을 억제할 수 있도록 된 비정질 스트립 제조설비에 관한 것이다.

일반적으로, 비결정질 합금(이하 비정질 합금이라 한다)은 금속을 용융상태에서 급속 냉각시켜 제조된다. 이에 비정질 합금은 원자가 규칙적으로 배열하여 결정화할 시간이 없이 액상의 무질서한 원자배열 상태를 고체에서까지 유지시키게 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 스피닝법을 위한 제조 장치는 용융된 합금을 수용하는 턴디쉬와, 상기 턴디쉬의 하부 일측에 장착되어 용탕을 배출하는 노즐과, 상기 노즐의 하부에 근접 설치되어 회전하는 냉각롤로 구성된다.

이에 턴디쉬 내의 용탕이 노즐을 통해 회전하는 상기 냉각롤의 원주면에 배출되면서 급속으로 냉각되어, 비정질 상태를 유지하는 일정폭 및 두께를 가지는 스트립 또는 리본으로 제조된다.

이러한 제조 과정에서 노즐과 냉각롤 사이의 간격 변화 또는 노즐의 마모 등에 의해 용융 금속이 비산되거나 스트립의 두께 편차가 커져 스트립이 균일하게 생성되지 않는 문제가 발생된다.

이에, 종래에는 노즐의 형상을 최적화하여 스트립의 품질 및 생산성을 향상시키고자하는 시도가 있었다. 그러나 이 경우 반복 사용에 따라 노즐이 용강에 마모되므로 스트립의 품질 저하를 줄이기 어려웠다.

또한, 냉각롤 표면에 유체를 공급하고 진공흡입장치를 이용하여 유체 및 이물질을 흡입하는 구조가 개발되었으나, 이러한 기술 역시 스트립을 냉각롤에서 박리시키는 데는 효과가 있으나 노즐 마모에 의한 스트립 불균일과 용탕 비산의 문제는 그대로 나타났다.

또한, 용탕이 담긴 도가니의 압력을 제어하여 노즐에서 분사되는 용탕의 압력을 일정하게 유지하는 방법이 시도되었으나, 이 또한 노즐의 마모 및 용탕의 비산을 방지하기 어려웠다.

이에, 용탕과의 마찰을 줄여 노즐의 마모를 최소화할 수 있도록 된 비정질 스트립 제조장치를 제공한다.

또한, 노즐을 통한 용탕 분출시 용탕이 비산되는 것을 방지할 수 있도록 된 비정질 스트립 제조장치를 제공한다.

또한, 제조되는 스트립의 두께를 균일하게 형성할 수 있도록 된 비정질 스트립 제조장치를 제공한다.

이를 위해 본 제조 장치는 내부에 용탕이 수용되는 도가니와, 상기 도가니에 연결되어 용탕을 배출하는 노즐, 상기 노즐의 하부에 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 용탕을 급속 냉각시키는 냉각롤, 상기 노즐로 가스를 공급하여 노즐과 용탕 사이에 가스층을 형성하는 가스분사부를 포함할 수 있다.

상기 가스분사부는 노즐의 선단 측면에 설치되는 측면분사기와, 상기 노즐의 측면을 관통하여 내측으로 연장되고 상기 측면분사기에 연결되어 가스가 유통되는 관로를 포함할 수 있다.

상기 가스층은 노즐의 선단과 노즐에서 분출되는 용탕 사이에 형성될 수 있다.

상기 가스분사부는 상기 측면분사기에 연결되는 가스라인과, 상기 가스라인에 연결되는 가스탱크를 포함할 수 있다.

상기 가스는 불활성가스 또는 공기에서 선택될 수 있다.

상기 가스분사부는 측면분사기를 통한 가스 분사량이 노즐의 단위 길이 1mm에 대해 0.1 ~ 10ℓ/min일 수 있다.

상기 가스분사부는 노즐 외부에 배치되어 노즐로부터 냉각롤로 분출된 용탕 표면에 가스를 분사하는 표면분사기를 더 포함할 수 있다.

상기 표면분사기는 가스 분사량이 노즐의 단위 길이 1mm에 대해 1 ~ 100ℓ/min일 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 의하면, 노즐에서 분출되는 용탕과 노즐 선단 사이에 가스층을 형성하여 노즐이 직접적으로 용탕과 접촉되지 않도록 하여 노즐의 마모를 최소화할 수 있게 된다.

또한, 용탕이 노즐 선단과 직접 접촉되지 않아 용탕의 온도 저하를 현저히 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 노즐 선단과 용탕 사이의 가스층에 의해 용탕이 노즐 선단을 빠져나가면서 마찰에 의해 와류가 발생되는 것을 방지함으로써, 용탕이 비산되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 냉각롤에 분출된 용탕 표면에 가스에 의해 압력을 가함으로써 용탕이 냉각롤 표면에 눌려져 균일한 두께로 성형되어 우수한 품질의 제품을 제조할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 비정질 스트립 제조 장치를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 비정질 스트립 제조 장치의 가스분사부 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 비정질 스트립 제조 장치의 가스분사부 작용을 설명하기 위한 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 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

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 설명에서 본 실시예는 비정질 스트립 제조 장치 중 노즐에서 용탕을 회전하는 냉각롤에 분출하여 스트립으로 제조하는 멜트 스피닝 설비를 예로서 설명한다. 본 장치는 이러한 구조에 한정되지 않으며 용탕을 분출하여 비정질 스트립을 주조하는 모든 설비에 적용 가능하다.

도 1은 본 실시예에 따른 비정질 스트립 제조 장치를 도시하고 있으며, 도 2는 비정질 스트립 제조 장치의 가스분사부 구조를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 비정질 스트립 제조 장치(100)는 용융된 합금을 배출시키기 위해 내부에 용탕이 저장되는 도가니(110)와, 상기 도가니(110) 하부에 연결되어 용융 합금을 배출하는 노즐(120), 상기 노즐(120)로부터 배출되는 용융 합금을 급냉시킬 수 있도록 상기 노즐(120)의 하부에 근접 설치된 냉각롤(130)을 포함한다.

이에 상기 노즐(120)로부터 배출되는 용탕은 고속 회전하는 냉각롤(130)에 의해 급속 냉각되어 비정질 금속 스트립을 형성하게 된다.

또한, 상기 냉각롤(130)의 일측에는 냉각롤(130)에 급냉되어 부착된 금속 스트립을 냉각롤(130)에서 분리시키기 위한 분리장치(140)가 구비된다.

여기서, 본 제조장치(100)는 상기 노즐(120)로 가스를 공급하여 노즐(120)과 용탕 사이에 가스층(G)을 형성하는 가스분사부(10)를 더 포함한다.

이에 가스분사부(10)를 통해 노즐(120) 내부로 가스가 분출되어 노즐(120)로부터 용탕(P)을 분리시킴으로써, 노즐(120)에 대한 용탕 접촉을 방지할 수 있게 된다.

상기 가스층(G)은 가스압으로 노즐(120)에서 용탕(P)을 밀어내어 노즐(120)과 용탕 사이에 형성되는 가스가 채워진 공간으로 이해할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 가스분사부(10)는 노즐(120)의 선단 측면에 설치되는 측면분사기(20)와, 상기 노즐(120)의 측면을 관통하여 내측으로 연장되고 상기 측면분사기(20)에 연결되어 가스가 유통되는 관로(22)를 포함한다.

상기 관로(22)는 냉각롤(130)의 축방향을 따라 연장되는 노즐(120)의 길이방향으로 연속 형성되는 슬릿 구조 또는 노즐의 길이방향으로 간격을 두고 형성되는 홀 구조로 이루어질 수 있다. 상기 관로를 이루는 슬릿 또는 홀은 매우 미세한 크기로 이루어지며 용탕과의 접촉면 전면에 걸쳐 고른 압력을 가할 수 있도록 노즐 측면에 촘촘한 간격으로 형성될 수 있다. 상기 관로(22)는 노즐(120)의 길이방향을 따라 균일한 가스가 공급될 수 있는 구조면 특별히 한정되지 않는다.

상기 관로(22)는 노즐(120)의 선단쪽에 설치된다. 보다 구체적으로 상기 관로(22)는 용탕이 흘러나가는 방향쪽의 노즐(120) 선단 측면에서 내부로 관통 형성된다.

이에 도 3에 도시된 바와 같이, 관로(22)를 통해 분출된 가스에 의해 노즐(120)의 선단부 내측에서부터 용탕(P)이 흘러나가는 쪽의 노즐(120) 선단에 걸쳐 가스층(G)이 형성될 수 있다.

따라서, 노즐(120) 선단을 통해 용탕(P)이 분출되는 과정에서 노즐(120) 선단은 가스층(G)에 의해 노즐(120)과 직접적으로 접촉되지 않아, 용탕에 의한 마모를 방지할 수 있게 된다.

상기 가스분사부(10)는 가스 공급을 위한 공급부(30)를 포함하며, 상기 공급부(30)는 상기 측면분사기(20)에 연결되는 가스라인(32)과, 상기 가스라인(32)에 연결되는 가스탱크(34)를 포함한다. 상기 가스라인(32) 일측에는 가스 압력을 조절할 수 있도록 제어밸브(36)가 더 설치될 수 있다.

본 실시예에서 상기 가스는 용탕과 접촉하게 되므로 용융 금속의 산화를 방지할 수 있도록 질소나 아르곤 등의 불활성가스일 수 있다. 상기 가스는 불활성가스 외에 공기를 사용할 수 있다. 이 경우 상기 공급부는 가스탱크(34) 대신 펌프(38)를 구비하여 공기를 공급할 수 있다.

이에 가스탱크(34)에서 공급되는 가스는 가스라인(32)을 통해 측면분사기(20)로 공급된다. 측면분사기(20)는 노즐(120) 내측으로 연통되어 있는 관로(22)를 통해 가스를 소정 압력으로 분출하게 된다.

여기서, 상기 관로(22)를 통해 노즐(120) 내부로 분사되는 가스의 분사량은 단위 길이 1mm 당 0.1 ~ 10ℓ/min으로 설정될 수 있다.

상기 관로(22)를 통한 가스 분사량이 0.1ℓ/min보다 적으면 가스압이 충분하지 못하여 노즐(120)과 용탕 사이에 가스층(G)이 형성되지 못하여 노즐(120)과 용탕을 분리시키지 못하게 된다.

상기 관로(22)를 통한 가스 분사랑이 10ℓ/min을 넘게되면 과도한 가스 압력으로 인해 노즐(120)을 통한 용탕의 분사가 어려워지고, 용탕에 가스가 과도하게 혼입되어 스트립의 품질이 현저하게 저하된다.

또한, 상기 가스분사부(10)는 상기 노즐(120) 외부에 배치되어 노즐(120)로부터 냉각롤(130)로 분출된 용탕 표면에 가스를 분사하는 표면분사기(40)를 더 포함한다.

이에 표면분사기(40)를 통해 분사된 가스가 냉각롤(130) 표면으로 분출된 용탕을 냉각롤(130) 표면에 대해 가압하게 되고, 용탕은 가스압에 의해 고르게 펴지면서 그 두께가 보다 균일해지게 된다.

상기 표면분사기(40)는 노즐(120) 선단부 외측에 근접 배치되며, 냉각롤(130)의 축방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 상기 표면분사기(40)는 하단에 냉각롤 축방향을 따라 슬릿 형태의 분사구가 형성된 구조 또는 냉각롤 축방향을 따라 홀이 연속적으로 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 이에, 냉각롤(130)의 축방향을 따라 표면분사기(40)에서 균일한 분사량으로 가스가 분출되어 용탕을 전체적으로 균일한 압력으로 가압할 수 있게 된다. 상기 표면분사기(40)는 냉각롤(130)의 축방향을 따라 균일한 가스압으로 가스를 분출할 수 있는 구조면 특별히 한정되지 않는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 표면분사기(40)는 용탕(P)이 흘러나가는 방향쪽의 노즐(120) 측면에 근접하여 배치된다. 이에, 상기 표면분사기(40)는 노즐(120)에서 분출된 용탕(P)이 냉각롤(130) 표면에 접하여 응고되기 시작하는 지점에서 용탕을 냉각롤(130) 표면에 가압할 수 있게 된다.

따라서 표면분사기(40)를 통해 분출되는 가스압에 의해 용탕이 냉각롤(130) 표면에서 균일한 압력으로 가압되어 응고됨으로써, 균일한 두께의 스트립을 안정적으로 생산할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 표면분사기(40)로 공급되는 가스는 질소나 아르곤 등의 불활성가스일 수 있으며, 불활성가스 외에 공기 또한 사용할 수 있다.

상기 표면분사기(40)는 가스탱크(34)와 가스라인(32)으로 연결되며, 가스라인(32) 일측에는 공급되는 가스 압력을 조절할 수 있도록 제어밸브(36)가 더 설치될 수 있다.

본 실시예에서 상기 표면분사기(40)를 통해 용탕 표면으로 분사되는 가스의 분사량은 단위 길이 1mm 당 1 ~ 100ℓ/min으로 설정될 수 있다.

상기 표면분사기(40)를 통한 가스 분사량이 상기 범위를 벗어나게 되면 용탕에 가해지는 가스압이 너무 작거나 커져 스트립의 두께를 균일화하기 어렵고 스트립의 품질이 현저하게 저하된다.

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 : 가스분사부 20 : 측면분사기
22 : 관로 30 : 공급부
32 : 가스라인 34 : 가스탱크
36 : 제어밸브 38 : 펌프
40 : 표면분사기

Claims (7)

1. 내부에 용탕이 수용되는 도가니와, 상기 도가니에 연결되어 용탕을 배출하는 노즐, 상기 노즐의 하부에 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 용탕을 급속 냉각시키는 냉각롤, 상기 노즐로 가스를 공급하여 노즐과 용탕 사이에 가스층을 형성하는 가스분사부를 포함하는 비정질 스트립 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스분사부는 노즐의 선단 측면에 설치되는 측면분사기와, 상기 노즐의 측면을 관통하여 내측으로 연장되고 상기 측면분사기에 연결되어 가스가 유통되는 관로를 포함하는 비정질 스트립 제조장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가스층은 노즐의 선단과 노즐에서 분출되는 용탕 사이에 형성되는 비정질 스트립 제조장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가스분사부는 노즐 외부에 배치되어 노즐로부터 냉각롤로 분출된 용탕 표면에 가스를 분사하는 표면분사기를 더 포함하는 비정질 스트립 제조장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 가스분사부는 상기 측면분사기 또는 상기 가스분사부에 연결되는 가스라인과, 상기 가스라인에 연결되는 가스탱크를 포함하는 비정질 스트립 제조장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 가스분사부는 측면분사기를 통한 가스 분사량이 노즐의 단위 길이 1mm에 대해 0.1 ~ 10ℓ/min인 비정질 스트립 제조장치.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 표면분사기는 가스 분사량이 노즐의 단위 길이 1mm에 대해 1 ~ 100ℓ/min인 비정질 스트립 제조장치.

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