KR20140085769A - 용탕 분사용 노즐 - Google Patents

Abstract

출탕 초반에 용탕이 노즐 중앙으로 과토출되는 것을 방지할 수 있고, 노즐의 양측 단부로 용탕이 원활하게 공급되도록, 내부에 용탕이 수용되는 공간인 수용부를 형성하고, 상기 수용부는 용탕이 투입되는 상단의 입구와 용탕이 분사되는 하단의 분사홀 및 입구와 분사홀을 연결하여 수용부의 내면을 이루는 측벽을 포함하며, 상기 수용부의 중앙부로 유입되는 용탕의 흐름을 양측 단부 쪽으로 유도하는 용탕유도부를 더 포함하는 용탕 분사용 노즐을 제공한다.

Description

용탕 분사용 노즐{NOZZLE FOR SPRAYING MOLTEN ALLOY}

본 발명은 용탕 분사용 노즐에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 고온의 용탕을 분사하여 비정질 합금을 제조하는 설비에서 고온의 용탕을 분사하는 용탕 분사용 노즐에 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 스피닝법은 용융된 합금이 수용되는 도가니와, 도가니의 하부에 장착되어 용융합금을 배출하는 노즐과, 상기 노즐의 하부에 근접 설치되어 회전하는 냉각롤로 구성된다.

이에 턴디쉬 내의 용융합금이 노즐의 슬릿이나 구멍을 통해 고속으로 회전하는 냉각롤의 원주면에 배출되어 퍼들(puddle)을 형성하고, 급속으로 냉각되어 비정질 상태를 유지하는 리본(ribbon)이나 화이버(fiber)로 제조된다.

용탕은 턴디쉬 하부의 탕도를 거쳐 노즐의 중앙부로 유입된 후 노즐의 길이방향 양 측단으로 이동하여 내부를 채우고 하단의 슬릿 또는 구멍을 통해 분사된다.

그런데, 종래의 노즐은 내부 폭에 비해 길이가 긴 직사각형태의 구조로, 노즐 중앙부로 공급된 용탕이 노즐 양 측단으로 이동해야 하므로 노즐의 양측 단부로는 용탕의 공급이 원활하게 이루어지지 못한다. 이에, 노즐 내에서 용탕의 균일한 유동이 생성되지 않고 일부 구간에서 정체 혹은 유속이 매우 감소하는 영역이 발생된다.

따라서, 노즐의 양측 단부로는 초기 용탕이 원활하게 공급되지 않아 노즐에 천공된 슬릿이나 구멍이 용탕의 응고에 의해 막히는 현상이 발생된다. 또한, 노즐의 중앙부로 용탕이 주입되기 때문에 공정 초반에 노즐로 유입되는 용탕은 노즐의 내부를 채우지 않고 바로 노즐 중앙을 통해 분사된다. 이에 출탕량이 불균일해지며 초기 노즐 내 용탕 불안정과 과토출로 인한 출탕 초반 용탕 비산을 야기하게 된다.

이에, 출탕 초반에 용탕이 노즐 중앙으로 과토출되는 것을 방지할 수 있도록 된 용탕 분사용 노즐을 제공한다.

또한, 노즐의 양측 단부로 용탕이 원활하게 공급되도록 한 용탕 분사용 노즐을 제공한다.

이를 위해 본 노즐은 용탕이 투입되는 상단의 투입구와, 용탕이 분사되는 하단의 분사홀 및 투입구와 분사홀을 연결하여 수용부의 내면을 이루는 측벽으로 이루어져 내부에 용탕이 수용되는 수용부와; 상기 수용부의 중앙부로 유입되는 용탕의 흐름을 양측 단부 쪽으로 유도하는 용탕유도부를 포함하고, 상기 용탕유도부는 상기 수용부의 중앙부에 분사홀과 이격되어 배치되고, 상기 측벽 중 수용부의 폭방향으로 대향되는 앞측벽과 뒤측벽 사이에 설치되어 입구와 분사홀 사이를 차단하는 베플을 포함할 수 있다.

상기 베플은 원호형 단면형태로 휘어진 구조일 수 있다.

상기 베플은 수용부의 투입구를 향하는 상면이 오목하게 형성된 구조일 수 있다.

상기 베플은 상기 노즐과 별도로 형성되어 수용부의 앞측벽과 뒤측벽 사이에 걸쳐져 설치될 수 있다.

상기 베플은 상기 노즐에 일체로 형성될 수 있다.

상기 베플은 상기 수용부 길이의 20 ~ 40%의 길이로 형성될 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 의하면, 노즐의 중앙부와 양단부에서의 용탕 유속 차이를 최소화하여 분사량의 불균일을 해소함으로써, 보다 균일한 품질의 제품을 생산할 수 있게 된다.

또한, 출탕 초반에도 용탕이 노즐 중앙부를 통해 과도하게 토출되는 것을 최소화하여 용탕의 비산을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐이 턴디쉬 하부에 조립된 상태를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐의 베플을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐의 단면도이다.
도 5와 도 6은 종래 기술과 본 실시예의 용탕 분사용 노즐의 용탕 압력 분포를 비교한 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 설명은 고온의 금속 용탕을 분사하여 비정질 화이버(fiber)를 제조하는 공정에서 고온의 금속 용탕을 분사하는 노즐을 예로서 설명한다.

도 1은 본 실시예에 따라 턴디쉬에 조립된 용탕 분사용 노즐을 도시하고 있으며, 도 2는 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 노즐(10)은 도가니(100) 하부의 턴디쉬(110)에 장착되어 용탕이 수용되는 도가니(100)와 결합된다. 용탕은 도가니(100)로부터 노즐(10)을 통해 냉각롤 표면으로 분사되어 비정질 화이버로 제조된다.

턴디쉬(110)의 내부에는 도가니(100) 하부에 결합되고 용탕이 유통되는 관로(122)가 형성된 게이트(120)가 설치된다. 게이트(120)에 형성된 관로(122)는 도가니(100) 내에 상하 이동가능하게 설치된 스토퍼(130)에 의해 개폐된다. 그리고 게이트(120) 하부에 상기 노즐(10)이 밀착되며 지지대(140)가 노즐(10)을 턴디쉬(110) 하부에 고정시키게 된다. 이에 게이트(110)가 개방되면 도가니(100) 내의 용탕은 관로(122)를 통해 노즐(10) 내부로 투입된다.

본 실시예에서 상기 노즐(10)은 길이방향으로 길게 연장된 구조로 되어 있다. 노즐(10)의 중앙부에는 고온의 용탕이 수용되는 수용부(12)가 형성된다. 노즐(10)의 상단은 외측으로 연장되어 플랜지(14)를 이루며, 하단에는 수용부(12)와 연통되는 분사홀(16)이 간격을 두고 길이방향을 따라 형성된다.

상기 수용부(12)는 노즐(10)의 내측에 길이방향을 따라 길게 연장형성된 내부 공간으로, 도가니(100)에서 배출되는 고온의 용탕이 수용된다. 상기 수용부(12)는 노즐(10) 중앙부에 형성되어 용탕이 머무는 내부 공간으로 이해할 수 있다.

상기 수용부(12)는 상하단이 관통된 구조로, 상단은 용탕이 투입되는 투입구를 이루며, 하단은 용탕이 분사되는 분사홀(16)을 이룬다. 상기 입구와 분사홀(16) 사이는 서로 연결되어 수용부(12)의 내면인 측벽(18,19,20,21)을 이룬다. 즉, 수용부(12)는 투입구와 분사홀(16) 및 측벽(18,19,20,21)으로 둘러 쌓이는 내부 공간을 이룬다.

상기 측벽은 수용부(12)의 내부 4면을 지칭한다. 보다 구체적으로, 상기 측벽 중 폭방향으로 대향되는 측벽은 앞측벽(18)과 뒤측벽(19)이라 하고, 수용부의 길이방향 양쪽 끝에 연결되는 측벽은 우측벽(20)과 좌측벽(21)이라 한다. 또한, 이하 설명에서 폭방향이라 함은 도 2에서 y축 방향이고 길이방향이라 함은 x축 방향을 의미한다.

여기서 상기 노즐(10)은 용탕이 분사홀(16)을 통해 분사될 때, 상기 분사홀(16)의 중앙부로 유입되는 용탕의 흐름을 양측 단부 쪽으로 유도하는 용탕유도부를 포함한다.

이에 본 노즐은 수용부(12)의 길이방향을 따라 중앙부로 유입되는 용탕을 용탕유도부를 통해 양측 단부쪽으로 분산시킴으로써, 노즐의 수용부 내에 용탕의 유동 정체 구역이 발생하지 않게 한다.

본 실시예에서 상기 용탕유도부는 상기 수용부의 중앙부에 분사홀과 이격되어 배치되고, 수용부의 폭방향으로 대향되는 앞측벽과 뒤측벽 사이에 설치되어 투입구와 분사홀 사이를 차단하는 베플(30)을 포함한다.

도 3과 도 4는 본 실시예에 따른 배플의 구조를 잘 예시하고 있다.

도시된 바와 같이, 상기 베플(30)은 두께가 균일한 판구조물로, 수용부 바닥인 분사홀(16)에서 소정 높이로 이격되어 수평방향으로 설치된다.

상기 베플(30)은 노즐(10)과 같은 재질로 이루어져 노즐에 일체로 형성될 수 있다.

상기한 구조 외에 상기 베플(30)은 노즐과 별도로 형성되어 수용부의 앞측벽과 뒤측벽 사이에 걸쳐져 설치될 수 있다. 상기 노즐의 수용부는 투입구인 위쪽에서 분사홀이 형성된 하부로 갈수록 점차적으로 단면폭이 줄어들도록 앞측벽과 뒤측벽이 경사면을 이룬다. 이에, 상기와 같이 베플의 폭을 대략 노즐 수용부 바닥에서 1/3 높이 정도에 해당되는 폭으로 형성하여, 베플을 노즐 수용부에 내려놓게 되면 베플이 앞측벽과 뒤측벽 사이에 걸쳐져 고정된다. 이러한 구조의 경우 상기 베플(30)은 상기 수용부의 내부 형태 즉, 앞측벽과 뒤측벽 사이의 형태와 대응되는 형태로 이루어질 수 있다.

상기 베플(30)은 수용부(12)의 중앙부에 설치됨에 따라 중앙부는 베플(30)에 의해 막히고 베플(30)과 길이방향 양 끝과 수용부의 측벽(우측벽(21) 및 좌측벽(22)) 사이는 개방된 구조를 이룬다. 본 실시예에서 상기 베플(30)의 설치 높이는 수용부 바닥에서 1/3 정도의 높이로 설정할 수 있으며 이 경우, 가장 만족할만한 효과를 얻을 수 있다.

이에 수용부(12)의 중앙부로 유입된 용탕은 베플(40)에 의해 막혀 바로 노즐 중앙부의 분사홀로 투입되지 못하고 중앙부에서 양측 단부쪽으로 유도되어 흘러나가게 된다. 따라서, 출탕 초반에 용탕이 바로 노즐 중앙부를 흘러내려 과도하게 토출되는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 분사홀(16)의 양측 단부쪽으로 용탕의 원활한 흐름이 생겨 노즐의 수용부 내에 용탕 정체가 발생되지 않게 된다.

본 실시예에서 상기 베플(30)은 상기 수용부 길이의 20 ~ 40%의 길이로 형성될 수 있다. 상기 베플(30)의 길이가 상기 범위에 못미치면 용탕을 수용부 양측 단부로 충분히 유도하지 못하여 용탕 정체구역이 계속 발생되고, 상기 범위를 넘게 되면 오히려 수용부 중앙부쪽으로 용탕의 흐름이 저하되어 유동 정체 구역이 발생될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 베플(30)은 원호형 단면형태로 휘어진 구조로 되어 있다. 또한, 상기 베플(30)은 수용부(12)의 투입구를 향하는 상면이 오목하게 형성되도록 아래로 볼록하게 휘어진 구조일 수 있다. 상기 베플(30)의 휘어진 곡률반경에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.

상기한 구조에 의해 중앙부(12)로 유입된 용탕은 베플(30)의 양 측단을 지나면서 상방향으로 흐르게 된다. 이러한 용탕 흐름에 의해 수용부 내의 용탕이 정체되지 않고 보다 원활한 흐름을 유지하면서 단부쪽으로 흘러나갈 수 있게 된다.

따라서 수용부(12)의 중앙부로 유입된 용탕은 베플(40)에 의해 분사홀(16)의 양쪽 단부로 유도되어 양측 단부에서의 용탕 흐름 속도를 높일 수 있게 된다.

이하 본 실시예의 노즐의 작용에 대해 종래기술과 비교하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 종래 기술에 따른 용탕 분사용 노즐의 용탕 압력 분포를 나타내고 있다. 도면에서 화살표의 크기는 속도의 크기에 대응하며, 화살표의 방향은 유동의 방향을 나타낸다. 그리고 좌측의 스케일바는 용탕의 유동 속도의 크기를 나타내고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 종래기술의 경우, 노즐의 끝부분에 충돌하는 용탕의 흐름으로 인하여 수용부 내에 2개의 흐름이 겹치는 유동 정체 영역이 발생된다.

이러한 정체 유동은 낮은 온도의 노즐 표면과 접촉하여 용탕의 온도를 점차 하락시키게 된다. 이에, 결국 응고 지역이 발생되며 이후 응고영역이 성장하여 용탕의 흐름이 매우 나빠지게 된다. 따라서 종래 구조의 경우 결국 노즐 내부 전체가 응고되어 설비 가동을 중단하고 정비가 요구되는 등 조업에 심각한 악영향을 끼치게 된다.

도 6은 본 실시예에 따른 용탕 분사용 노즐에 있어서 용탕 압력 분포를 나타내고 있다.

본 실시예의 경우, 노즐의 중앙부에 위치한 베플(30)에 의해 용탕의 흐름 분산 효과가 발생되어 용탕이 종래 정체 영역 쪽으로 유도된다. 이에 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우 용탕의 유동이 정체되는 영역이 발생되지 않고 원활한 흐름을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

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 : 수용부
16 : 분사홀 18,19,20,21 : 측벽
30 : 베플

Claims (6)

1. 용탕이 투입되는 상단의 투입구와, 용탕이 분사되는 하단의 분사홀 및 투입구와 분사홀을 연결하여 수용부의 내면을 이루는 측벽으로 이루어져 내부에 용탕이 수용되는 수용부와; 상기 수용부의 중앙부로 유입되는 용탕의 흐름을 양측 단부 쪽으로 유도하는 용탕유도부를 포함하고,
   상기 용탕유도부는 상기 수용부의 중앙부에 분사홀과 이격되어 배치되고, 상기 측벽 중 수용부의 폭방향으로 대향되는 앞측벽과 뒤측벽 사이에 설치되어 투입구와 분사홀 사이를 차단하는 베플을 포함하는 용탕 분사용 노즐.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 베플은 상기 노즐과 별도로 형성되어 수용부의 앞측벽과 뒤측벽 사이에 걸쳐져 설치되는 용탕 분사용 노즐.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 베플은 상기 노즐에 일체로 형성된 용탕 분사용 노즐.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 베플은 원호형 단면형태로 휘어진 구조의 용탕 분사용 노즐.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 베플은 수용부의 투입구를 향하는 상면이 오목하게 형성된 구조의 용탕 분사용 노즐.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 베플은 상기 수용부 길이의 20 ~ 40%의 길이로 형성되는 용탕 분사용 노즐.

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