KR20140117014A - 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치 - Google Patents

비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치 Download PDF

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Abstract

전체적인 공정 흐름을 방해하지 않으면서 냉각롤과 함께 회전되는 공기의 유입을 차단할 수 있도록, 내부에 용강을 저장하는 도가니가 설치되는 턴디쉬, 상기 턴디시의 외부 하단에 설치되고, 상기 도가니에 저장된 용강을 분사하기 위한 노즐, 상기 노즐의 하부에 간격을 유지하면서 배치되고 상기 노즐로부터 분사되는 용강을 급냉시켜 스트립을 제조하기 위한 냉각롤을 포함하는 비정질 소재 제조설비에 있어서, 상기 노즐과 냉각롤 사이를 차단하여 공기가 용강과 냉각롤 사이로 유입되는 것을 방지하는 차단부를 포함하고, 상기 차단부는 냉각롤의 회전방향을 따라 노즐의 앞쪽에서 냉각롤의 축방향으로 연장되어 표면에 밀착되는 차단재를 포함하는 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치를 제공한다.

Description

비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치{AIR BLOCKING APPARATUS FOR MANUFACTURING AMORPHOUS STRIP OR RIBBON}
본 발명은 비정질 스트립 또는 리본을 제조하기 위한 제조 설비에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 비정질 스트립 또는 리본의 제조시 노즐과 냉각롤 사이에 냉각롤과 함께 회전되는 공기의 유입을 차단할 수 있는 비정질 소재 제조 설비의 공기 차단 장치에 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.
상기 공정을 통해 비정질 소재를 제조함에 있어서, 공정 조건 외에 소재의 품질을 크게 좌우하는 요인으로 공기의 유입을 들 수 있다. 이는 공정 진행 중에 대기 중의 공기가 고속으로 회전하는 냉각롤에 유입되는 경우 비정질 소재의 표면 품질이 급격하게 저하되어 높은 조도(Rz)값을 나타내기 때문이다.
즉, 고속으로 회전하는 냉각롤에 의해 주변의 공기도 같이 회전하면서 용탕 공급 노즐 주변에 강력한 공기 흐름이 발생된다. 이러한 공기의 흐름은 노즐과 냉각롤 사이의 용탕 누적부인 퍼들(puddle)로 유입되어 퍼들을 불안정하게 만든다.
이러한 불안정한 퍼들에 의해 비정질상이 형성되지 않거나, 공기의 유입으로 인해 급냉으로 제조되는 비정질 소재의 표면에 공기층(air pocket)이 여러 군데 불균일하게 생성되는 문제가 발생된다. 이에 제품이 미려한 표면을 나타내지 못하고 거친 표면을 형성하게 되며 이는 곧 제품 품질 저하의 원인이 된다.
따라서, 비정질 소재의 우수한 표면 품질을 확보하기 위해서는 상기 노즐과 냉각롤 사이에 상기 냉각롤과 함께 회전되는 공기의 유입을 차단할 필요가 있다.
이에, 전체적인 공정 흐름을 방해하지 않으면서 냉각롤과 함께 회전되는 공기의 흐름을 차단하여 공기가 냉각롤과 용강 사이로 유입되는 것을 방지할 수 있는 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치를 제공한다.
본 장치는 내부에 용강을 저장하는 도가니가 설치되는 턴디쉬, 상기 턴디시의 외부 하단에 설치되고, 상기 도가니에 저장된 용강을 분사하기 위한 노즐, 상기 노즐의 하부에 간격을 유지하면서 배치되고 상기 노즐로부터 분사되는 용강을 급냉시켜 스트립을 제조하기 위한 냉각롤을 포함하는 비정질 소재 제조설비에 있어서, 상기 노즐과 냉각롤 사이를 차단하여 공기가 용강과 냉각롤 사이로 유입되는 것을 방지하는 차단부를 포함하고, 상기 차단부는 냉각롤의 회전방향을 따라 노즐의 앞쪽에서 냉각롤의 축방향으로 연장되어 표면에 밀착되는 차단재를 포함할 수 있다.
상기 차단재는 천 재질로 이루어질 수 있다.
상기 차단재는 단열재질로 이루어질 수 있다.
상기 차단부는 냉각롤의 축방향으로 연장되고 상기 차단재 상부에서 차단재에 접하여 차단재를 냉각롤 표면에 지지하는 고정판을 더 포함할 수 있다.
상기 고정판은 평판을 이루고 냉각롤의 회전방향을 따라 앞쪽 선단이 냉각롤에서 이격되고 뒤쪽 선단은 차단재에 접하는 구조일 수 있다.
상기 차단부는 상기 고정판의 앞쪽 선단에 설치되어 고정판을 냉각롤에서 이격된 상태를 지지하는 지지부재를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 냉각롤과 함께 회전되어 노즐과 냉각롤 사이로 유입되는 공기의 흐름을 차단할 수 있기 때문에, 비정질 스트립 혹은 리본의 표면에 요철이 발생되지 않으므로, 우수한 표면 품질을 갖는 비정질 스트립 또는 리본을 제조할 수 있다.
또한, 공기의 유입에 의한 노즐의 온도 하락을 방지하여 장시간 조업이 가능하고 생산성을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 공기 차단 장치가 구비된 비정질 소재 제조장치를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 비정질 소재 제조장치의 공기 차단 장치의 설치 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 공기 차단 장치의 작용을 종래와 비교하여 도시한 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.
도 1은 본 실시예에 따른 공기 차단 장치가 구비된 비정질 소재 제조장치를 도시하고 있으며, 도 2는 본 실시예에 따른 비정질 소재 제조장치의 공기 차단 장치의 설치 구조를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 비정질 소재 제조 설비(100)는 용융된 합금을 배출시키기 위해 내부에 용탕이 저장되는 도가니를 구비한 턴디쉬(110)와, 상기 턴다쉬(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 스트립 또는 비정질 금속 리본 등의 비정질 소재로 제조된다.
또한, 상기 냉각롤(130)의 일측에는 냉각롤(130)에 급냉되어 부착된 비정질 금속 소재를 냉각롤(130)에서 분리시키기 위한 분리장치(140)가 구비된다.
여기서, 본 제조 설비(100)는 냉각롤의 회전에 의해 상기 노즐(120)과 냉각롤(130) 사이로 유입되는 공기의 흐름을 차단하여 공기가 용강과 냉각롤(130) 사이로 유입되는 것을 방지하는 차단부(10)를 더 포함한다.
이에, 회전하는 냉각롤(130)에 의해서 냉각롤(130)과 함께 회전하면서 노즐(120) 선단쪽으로 흘러들어가는 공기가 상기 차단부(10)에 의해 막히게 되어 공기가 용탕과 냉각롤(130) 사이로 유입되어 에어포켓이 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 차단부(10)는 냉각롤(130)의 회전방향을 따라 노즐(120)의 앞쪽에서 냉각롤의 축방향으로 연장되어 표면에 밀착되는 차단재(12)를 포함한다. 상기 차단재(12)는 냉각롤의 표면을 따라 흐르는 공기의 흐름이 방해하여 공기가 노즐쪽으로 유입되는 것을 차단하게 된다.
상기 차단재(12)는 노즐(120)로부터 소정 거리 이격되어 배치된다. 본 실시예에서 상기 차단재(12)는 노즐(120)로부터 5mm 이내의 거리에서 설치된다. 차단재(12)의 설치 위치가 상기 범위를 벗어나게 되면 노즐로부터 공기 차단 위치가 너무 떨어져 차단 효과가 떨어지게 된다. 상기 차단재(12)는 냉각롤의 축방향으로 연장되어 냉각롤의 축방향 전면을 커버한다.
본 실시예에서 상기 차단재(12)는 냉각롤(130)의 회전방향을 따라 앞쪽 즉, 노즐(120)을 기준으로 냉각롤(130) 회전에 따라 용강이 진행하는 방향의 반대쪽에 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이 냉각롤(130)이 시계방향으로 회전함에 따라 용강은 도면의 우측으로 진행하게 되고, 이에 상기 차단재(12)는 냉각롤 회전방향을 따라 앞쪽인 노즐(120) 왼쪽에 배치된다. 이에, 차단재(12)가 용강의 진행방향을 따라 노즐 앞쪽에서 미리 공기를 차단할 수 있게 된다.
본 실시예에서 상기 차단재(12)는 천재질로 이루어진다. 상기 차단재(12)는 냉각롤(130) 표면에 밀착되므로, 냉각롤 표면과 마찰이 발생되는 데, 상기와 같이 천재질로 이루어짐에 따라 냉각롤 표면에 마모나 상처를 주지 않는 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 차단재(12)는 고온용 단열재질로 이루어진다. 상기 냉각롤은 고온의 용강과 접하는 부재이므로 표면 온도가 대단히 높다. 이에, 차단재가 단열재질로 이루어짐으로써 냉각롤의 고열로부터 차단재의 손상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 차단부(10)는 냉각롤(130)과 함께 회전하는 강력한 공기의 흐름에 의해 차단재(12)가 냉각롤 표면에서 떨어지지 않도록 차단재(12)를 눌러 지지하는 고정판(14)을 더 포함한다. 상기 고정판(14)은 냉각롤(130)의 축방향으로 연장되고 상기 차단재(12) 상부에서 차단재에 접한 상태로 차단재를 냉각롤 표면에 눌러 들뜨지 않도록 한다.
상기 고정판(14)은 대략 상기 차단재(12)와 대응되는 크기를 갖는 평편의 판 구조물을 이룬다. 상기 고정판(14)은 강성 재질, 예를 들어 금속 재질의 강판으로 이루어져 어질 수 있다. 이에, 강력한 공기의 흐름에 대해 고정판(14)이 강성을 유지하면서 차단재(12)를 지지하여 차단재(12)가 냉각롤(130)로부터 이격되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 고정판(14)은 냉각롤(130)의 회전방향을 따라 앞쪽 선단이 냉각롤로부터 이격되고 들어올려지고 뒤쪽 선단은 차단재(12)에 접하는 구조로 되어 있다. 앞쪽 선단이라 함은 회전하는 냉각롤에 의한 공기 흐름과 마주하는 선단을 의미한다. 또한, 상기 차단부(10)는 상기와 같은 상태로 고정판(14)이 설치되도록 상기 고정판(14)의 앞쪽 선단에 설치되어 고정판(14)을 냉각롤에서 이격된 상태를 지지하는 지지부재(16)를 더 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉각롤(130)의 축방향 양 선단에는 고정판(14)을 지지하는 프레임(132)이 설치되며, 상기 지지부재(16)는 프레임(132)과 고정판(14)의 선단 사이에 설치되어 프레임(132)에 대해 고정판(14)을 지지하게 된다. 상기 지지부재(16)는 고정판(14)을 프레임에 고정시킬 수 있으면 충분하며, 그 설치 개수나 설치 위치에 대해서 특별히 한정되지 않는다.
상기 고정판(14)은 지지부재(16)에 의해 앞쪽 선단이 냉각롤(130)에서 들어올려진 상태로 고정된다. 이에, 고정판(14)은 냉각롤 표면 상부의 영역을 가로막아 공기의 흐름을 차단하게된다. 따라서, 본 실시예의 차단부(10)는 차단재(12)에 의해 냉각롤(130) 표면의 공기 흐름을 차단함은 물론, 고정판(14)에 의해 냉각롤 표면에서 이격된 위쪽 부분의 공기 흐름도 차단할 수 있게 된다.
이와 같이, 고속 회전하는 냉각롤(130)에 의해 발생된 공기의 흐름이 차단되어 공기가 노즐쪽으로 흐르지 않게 됨으로써, 공기에 의한 영향을 받지 않고 비정질 소재를 제조할 수 있게 된다.
도 3은 본 실시예에 따라 차단부(10)가 구비한 비정질 소재 제조 설비에서 노즐로의 공기 유입량을 전산 모사한 결과를 비교예인 종래 구조의 비정질 소재 제조 설비와 비교하여 도시하고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 구조인 비교예의 경우 냉각롤을 따라 공기가 그대로 노즐로 흐르게 되어, 노즐로 유입되는 공기 유량이 0.088 kg/s 인 반면, 본 실시예와 같이 차단부(10)를 구비한 경우 냉각롤을 따라 흐르는 공기가 차단되어 노즐로의 유입 공기 유량이 0.03 kg/s로 나타났다. 이와 같이, 본 실시예의 경우 차단부(10)에 의해 노즐로 유입되는 공기 유량이 종래와 비교하여 최대 70% 감소하였고, 노즐 측면에서의 공기 유속은 종래와 비교하여 50% 이상 감소하였으며, 실제 측정값도 같은 비율로 종래보다 현저하게 저감됨을 알 수 있다.
따라서 본 장치는 노즐로 유입되는 공기를 보다 효과적으로 차단함으로써 비정질 스트립 또는 리본의 표면에 에어포켓이 발생되지 않아 우수한 표면 품질을 확보할 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 : 차단부 12 : 차단재
14 : 고정판 16 : 지지부재

Claims (6)

  1. 내부에 용강을 저장하는 도가니가 설치되는 턴디쉬, 상기 턴디시의 외부 하단에 설치되고, 상기 도가니에 저장된 용강을 분사하기 위한 노즐, 상기 노즐의 하부에 간격을 유지하면서 배치되고 상기 노즐로부터 분사되는 용강을 급냉시켜 스트립을 제조하기 위한 냉각롤을 포함하는 비정질 소재 제조설비에 있어서,
    상기 노즐과 냉각롤 사이를 차단하여 공기가 용강과 냉각롤 사이로 유입되는 것을 방지하는 차단부를 포함하고, 상기 차단부는 냉각롤의 회전방향을 따라 노즐의 앞쪽에서 냉각롤의 축방향으로 연장되어 표면에 밀착되는 차단재를 포함하는 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단재는 천 재질로 이루어진 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 차단재는 단열재질로 이루어진 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차단부는 냉각롤의 축방향으로 연장되고 상기 차단재 상부에서 차단재에 접하여 차단재를 냉각롤 표면에 지지하는 고정판을 더 포함하는 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고정판은 평판을 이루고 냉각롤의 회전방향을 따라 앞쪽 선단이 냉각롤에서 이격되고 뒤쪽 선단은 차단재에 접하는 구조의 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 차단부는 상기 고정판의 앞쪽 선단에 설치되어 고정판을 냉각롤에서 이격된 상태를 지지하는 지지부재를 더 포함하는 비정질 소재 제조설비의 공기 차단 장치.
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