KR20140122543A - 금속 열처리용 냉각장치 및 이를 갖는 금속 열처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온으로 가열된 금속 소재를 균일한 냉각 속도로 냉각시킬 수 있는 금속 열처리용 냉각장치 및 이를 갖는 금속 열처리장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 금속 열처리용 냉각장치는, 냉각매체가 저장되는 냉각챔버와 금속 소재가 탑재되는 운반 지그의 출입을 위한 출입구를 갖는 냉각조와, 냉각조에 냉각매체를 공급하기 위한 냉각매체 공급기와, 냉각매체를 냉각챔버로 분사하기 위한 복수의 분사구를 갖는 분사관과 냉각매체 공급기와 분사관을 유입관을 갖는 냉각매체 공급관과, 냉각매체를 냉각챔버 쪽으로 펌핑하기 위한 공급 펌프와, 냉각챔버의 냉각매체를 흡입하기 위한 복수의 흡입구를 갖는 흡입관과 냉각매체 공급기와 흡입관을 연결하는 배출관을 갖는 냉각매체 회수관과, 냉각챔버의 냉각매체를 냉각매체 공급기 쪽으로 펌핑하기 위한 회수 펌프를 포함한다.

Description

금속 열처리용 냉각장치 및 이를 갖는 금속 열처리장치{Cooling apparatus for metal heat treatment and metal heat treating apparatus having the same}

본 발명은 금속 열처리용 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온으로 가열된 금속 소재를 균일한 냉각 속도로 냉각시킬 수 있는 금속 열처리용 냉각장치 및 이를 갖는 금속 열처리장치에 관한 것이다.

금속 소재의 제조에 있어서 제품에 필요한 기계적 성질을 얻기 위해 열처리는 필수적이다. 열처리란 재료에 가열과 냉각의 조작을 통하여 원하는 성질로 변화시키는 것, 즉 금속의 잔류응력을 감소하거나 내부 조직을 변화시켜서 필요한 기계적인 성질을 얻는 것으로, 동일 재료도 열처리에 따라 그 적응성은 광범위하게 변할 수 있다.

예컨대, 고강도 알루미늄 합금의 제조에서는 기계적 성질을 부여하기 위해 용체화열처리(solution heat treatment)를 실시하고 있다. 그런데 이러한 열처리 과정에서 재료 표면과 내부의 냉각속도 차이에 의해 열적잔류응력(thermal residual stress)이 발생하게 된다. 또한 알루미늄 인발 제품이나 압출 제품의 경우에는 성형조건에 의한 불균일한 변형과 금형과의 마찰열로 인하여 제품의 내외부의 온도차이가 발생하고 이로 인하여 잔류응력이 발생한다.

이렇게 발생된 잔류응력은 제품을 가공하거나 사용 중 변형이나 뒤틀림 같은 제품 불량의 발생원이 된다. 특히 잔류응력이 내재된 재료에 반복적인 굽힘을 받는 경우에는 피로강도가 감소하고, 사용 조건에 따라서 크랙(crack) 또는 파손을 유발하게 된다.

현재, 이러한 알루미늄 제품의 잔류응력을 제거하기 위하여 여러 가지 기술들이 개발되어 산업현장에 사용되고 있다. 대표적인 기술로는 소성 변형법이 있는데, 이 기술은 재료의 표면과 내부의 잔류응력의 형태，즉 인장잔류응력(tensile residual stress)과 압축잔류응력(compressive residual stress)에 따라 존재하는 잔류응력을 상쇄시키는 방향으로 인장 또는 압축을 가하는 기술이다. 링 형상 제품의 경우에는 링 내부에 압축잔류응력이 크게 발생하기 때문에 내경을 확장시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제0536752호(2005. 12. 08 공개) 대한민국 등록특허공보 제0877815호(2007. 11. 19 공개) 대한민국 등록특허공보 제1033956호(2011. 04. 20 공개)

현재, 상술한 기술 이외에도 알루미늄 등 금속 소재의 잔류응력을 효과적으로 제거하여 제품의 변형이나 뒤틀림을 줄이고, 치수 정밀도를 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고온으로 가열된 금속 소재를 균일한 냉각 속도로 냉각시킴으로써 제품의 변형이나 뒤틀림을 줄이고, 치수 정밀도를 향상시킬 수 있는 금속 열처리용 냉각장치 및 이를 갖는 금속 열처리장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 금속 열처리용 냉각장치는, 금속 소재를 수냉시키기 위한 냉각매체가 저장되는 냉각챔버와 상기 금속 소재가 탑재되는 운반 지그가 출입할 수 있도록 상기 냉각챔버와 연결되는 출입구를 갖는 냉각조와, 상기 냉각조의 냉각매체를 회수하여 냉각시킨 후 다시 상기 냉각조에 공급하기 위한 냉각매체 공급기와, 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 설치되고 냉각매체를 상기 냉각챔버로 분사하기 위한 복수의 분사구를 갖는 분사관과 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 분사관을 연결하여 상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 분사관으로 가이드하는 유입관을 갖는 냉각매체 공급관과, 상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 냉각챔버 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 유입관에 설치되는 공급 펌프와, 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 상기 냉각매체 공급관과 이격되도록 설치되고 상기 냉각챔버의 냉각매체를 흡입하기 위한 복수의 흡입구를 갖는 흡입관과 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 흡입관을 연결하여 상기 냉각조의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기로 가이드하는 배출관을 갖는 냉각매체 회수관과, 상기 냉각챔버의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 배출관에 설치되는 회수 펌프를 포함한다.

상기 분사관은 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 둘러싸도록 원형으로 이루어지고, 상기 복수의 분사구는 상기 운반 지그를 향하도록 상기 분사관의 내주면에 배치되며, 상기 흡입관은 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 둘러싸도록 원형으로 이루어지고, 상기 복수의 흡입구는 상기 운반 지그를 향하도록 상기 흡입관의 내주면에 배치되며, 상기 분사관 및 상기 흡입관은 각각 복수로 상기 냉각챔버에 설치되되, 상기 복수의 분사관과 상기 복수의 흡입관은 상기 운반 지그의 길이 방향을 따라 교번적으로 배치될 수 있다.

상기 냉각매체 공급관은 상기 복수의 분사구와 연결되도록 상기 분사관에 결합되어 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 향해 냉각매체를 분사하는 복수의 분사 노즐을 포함하고, 상기 복수의 분사 노즐은 상기 출입구 쪽으로 기울어지게 배치될 수 있다.

상기 분사관은 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 하단부에서 상단부까지 둘러싸도록 나선형으로 이루어질 수 있다.

상기 냉각매체 공급관은 상기 복수의 분사구와 연결되도록 상기 분사관에 결합되어 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 향해 냉각매체를 분사하는 복수의 분사 노즐을 포함하고, 상기 복수의 분사 노즐은 상기 출입구 쪽으로 기울어지게 배치될 수 있다.

상기 흡입관은 상기 분사관보다 상부에 배치될 수 있다.

본 발명에 의한 금속 열처리용 냉각장치는, 상기 냉각챔버의 냉각매체 온도를 검출하기 위해 상기 냉각조에 결합되는 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터 검출 신호를 제공받아 상기 냉각매체 공급기와 상기 공급 펌프 및 상기 회수 펌프의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 금속 열처리장치는, 상기 금속 소재가 탑재되는 운반 지그와, 상기 운반 지그를 이송시키기 위한 운반 지그 이송장치와, 상기 운반 지그에 탑재된 상기 금속 소재가 가열될 수 있도록 상기 운반 지그를 수용하는 가열챔버와 상기 운반 지그의 출입을 위해 상기 가열챔버와 연결되도록 상단에 마련되는 제 1 출입구와 상기 운반 지그의 출입을 위해 상기 가열챔버와 연결되도록 하단에 마련되는 제 2 출입구를 갖는 가열로와, 상기 가열챔버로 유입된 상기 운반 지그에 탑재된 상기 금속 소재를 가열하기 위해 상기 가열로에 설치되는 히터와, 상기 히터에 전원을 공급하기 위한 전원 공급기와, 상기 가열로의 하부에 배치되고 상기 금속 소재를 수냉시키기 위한 냉각매체가 저장되는 냉각챔버와 상기 운반 지그의 출입을 위해 상기 냉각챔버와 연결되도록 상단에 마련되는 출입구를 갖는 냉각조와, 상기 냉각조의 냉각매체를 회수하여 냉각시킨 후 다시 상기 냉각조에 공급하기 위한 냉각매체 공급기와, 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 설치되고 냉각매체를 상기 냉각챔버로 분사하기 위한 복수의 분사구를 갖는 분사관과 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 분사관을 연결하여 상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 분사관으로 가이드하는 유입관을 갖는 냉각매체 공급관과, 상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 냉각챔버 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 유입관에 설치되는 공급 펌프와, 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 상기 냉각매체 공급관과 이격되도록 설치되고 상기 냉각챔버의 냉각매체를 흡입하기 위한 복수의 흡입구를 갖는 흡입관과 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 흡입관을 연결하여 상기 냉각조의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기로 가이드하는 배출관을 갖는 냉각매체 회수관과, 상기 냉각챔버의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 배출관에 설치되는 회수 펌프를 포함한다.

본 발명에 의한 금속 열처리장치는 가열장치를 이용하여 금속 소재를 고온으로 가열한 후, 가열된 금속 소재를 신속하게 냉각조에 투입함으로써, 가열된 금속 소재를 신속하게 수냉시킬 수 있다. 그리고 냉각조 내에서 냉각매체를 금속 소재를 향해 분사함과 동시에 승온된 냉각매체를 냉각조에서 배출시켜 냉각조 내의 온도를 일정 수준 이하로 유지시킴과 동시에 냉각매체를 활발하게 유동시킴으로써, 고온의 금속 소재를 전체적으로 균일하고 신속하게 냉각시킬 수 있다. 더욱이, 금속 소재 주위에서 활발하게 유동하는 냉각매체는 금속 소재 표면에서의 기포 발생을 억제시킴으로써, 금속 소재와 냉각매체 사이에 열교환이 더욱 활발하게 이루어질 수 있고, 이에 의해 금속 소재의 냉각 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 금속 열처리장치를 개략적을로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 금속 열처리장치의 금속 열처리용 냉각장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 금속 열처리용 냉각장치의 주요 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 금속 열처리용 냉각장치의 주요 구성을 나타낸 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 금속 열처리용 냉각장치 및 이를 갖는 금속 열처리장치에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 금속 열처리장치를 개략적을로 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 금속 열처리장치의 금속 열처리용 냉각장치를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 금속 열처리장치(10)는, 성형된 금속 소재(M;도 2 참조)를 가열한 후 급냉시키기 위한 것으로, 금속 소재(M)가 탑재되는 운반 지그(12)와, 운반 지그(12)를 이송시키기 위한 운반 지그 이송장치(13)와, 운반 지그(12)에 의해 이송되는 금속 소재(M)를 가열하기 위한 가열장치(20)와, 운반 지그(12)에 탑재된 상태로 가열장치(20)를 통과한 금속 소재(M)를 수냉시키기 위한 금속 열처리용 냉각장치(30)를 포함한다. 본 발명에 의한 금속 열처리장치(10)는 가열장치(20)와 금속 열처리용 냉각장치(30)가 상하로 인접하게 배치되고, 운반 지그(12)에 탑재된 금속 소재(M)를 가열장치(20)를 거쳐 가열한 후 신속하게 금속 열처리용 냉각장치(30)로 이송하여 급냉시킬 수 있다.

금속 소재(M)가 수용되어 가열되는 가열장치(20)의 가열로(21)와, 금속 소재(M)가 수용되어 수냉되는 금속 열처리용 냉각장치(30)의 냉각조(31)는 프레임(18)에 결합되어 상하로 배치되고, 운반 지그(12)는 프레임(18)의 결합된 운반 지그 이송장치(13)에 의해 가열로(21)를 완전히 벗어난 가열로(21)의 상부에서 가열로(21)를 거쳐 냉각조(31)로 차례로 이송될 수 있다. 운반 지그 이송장치(13)는 운반 지그(12)에 결합되는 와이어(14)와, 와이어(14)를 지지하기 위해 프레임(18)에 회전 가능하게 결합되는 지지 휠(15)과, 와이어(14)를 감거나 풀기 위해 프레임(18)에 결합되는 와이어 권취기(16)를 포함한다. 물론, 운반 지그 이송장치(13)는 도시된 것과 같이 와이어(14)와 와이어 권취기(16)를 포함하는 구조 이외에, 운반 지그(12)를 상하로 이송시킬 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.

가열장치(20)는 운반 지그(12)에 탑재되어 운반되는 금속 소재(M)를 가열하기 위한 것으로, 운반 지그(12)를 수용하여 운반 지그(12)에 탑재된 금속 소재(M)를 가열하기 위한 가열로(21)와, 가열로(21)에 설치된 히터(23)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급기(26)를 포함한다. 가열로(21)의 내부에는 금속 소재(M)가 탑재된 운반 지그(12)를 수용하는 가열챔버(22)와, 가열챔버(22)로 운반된 금속 소재(M)에 열을 가하기 위해 가열챔버(22)의 둘레에 배치되는 히터(23)가 구비된다. 그리고 가열로(21)의 상단에는 운반 지그(12)의 출입을 위해 가열챔버(22)와 연결되는 제 1 출입구(24)가 마련되고, 가열로(21)의 하단에는 운반 지그(12)의 출입을 위해 가열챔버(22)와 연결되는 제 2 출입구(25)가 마련된다. 금속 소재(M)가 탑재된 운반 지그(12)는 제 1 출입구(24)를 통해 가열챔버(22)로 유입되었다가, 제 2 출입구(25)를 통해 가열챔버(22)를 빠져나가 냉각조(31)로 이송된다.

히터(23)는 전원 공급기(26)로부터 전원을 공급받아 작동한다. 전원 공급기(26)는 가열챔버(22)의 온도를 검출하기 위해 가열로(21)에 설치된 온도 센서(27)로부터 검출 신호를 제공받아 히터(23)에 대한 전원 공급을 단속한다.

이러한 가열장치(20)는 히터(23)가 전원 공급기(26)로부터 전원을 공급받아 열을 발생함으로써 운반 지그(12)에 탑재되어 가열챔버(22)로 유입된 금속 소재(M)를 고온으로 가열한다. 가열장치(20)는 온도 센서(27)로부터 가열챔버(22)의 온도에 대한 정보를 제공받고, 가열챔버(22)로 운반되는 금속 소재(M)의 종류 등에 따라 히터(23)의 온도를 다양하게 조절할 수 있다. 물론, 본 발명에 있어서 가열장치(20)의 구체적인 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 금속 열처리용 냉각장치(30)는 가열로(21)의 하부에 배치되고 금속 소재(M)를 수냉시키기 위한 냉각매체가 저장되는 냉각조(31)와, 냉각조(31)에 냉각된 냉각매체를 공급함과 동시에 냉각조(31)에서 승온된 냉각매체를 회수하는 냉각매체 공급기(34)와, 냉각매체 공급기(34)의 냉각매체를 냉각조(31) 쪽으로 펌핑하기 위한 복수의 공급 펌프(35)와, 냉각조(31)의 냉각매체를 냉각매체 공급기(34) 쪽으로 펌핑하기 위한 복수의 회수 펌프(36)와, 냉각매체 공급기(34) 등의 동작을 제어하는 제어기(37)를 포함한다. 이러한 금속 열처리용 냉각장치(30)는 가열장치(20)에 의해 가열된 금속 소재(M)를 균일한 냉각 속도로 수냉시킴으로써 금속 소재(M)의 변형이나 뒤틀림을 줄이고, 치수 정밀도를 향상시킬 수 있다.

냉각조(31)에는 냉각조(31) 내에 저장된 냉각매체의 온도를 검출하기 위한 복수의 온도 센서(38)가 설치되고, 이들 온도 센서(38)의 검출 신호는 제어기(37)로 전송된다. 제어기(37)는 온도 센서(38)의 검출 신호를 제공받아 냉각매체 공급기(34)와, 복수의 공급 펌프(35) 및 복수의 회수 펌프(36)의 동작을 제어하여 함으로써, 냉각조(31)에 내의 냉각매체가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 한다.

냉각조(31)는 가열로(21)의 하부에 놓이도록 프레임(18)에 고정된다. 냉각조(31)는 금속 소재(M)를 수냉시키기 위한 냉각매체가 저장되는 냉각챔버(32)와, 운반 지그(12)의 출입을 위해 냉각챔버(32)와 연결되도록 상단에 마련되는 출입구(33)를 갖는다. 냉각챔버(32)에는 냉각매체를 공급하기 위한 복수의 냉각매체 공급관(40)과, 냉각매체를 회수하기 위한 복수의 냉각매체 회수관(45)이 설치된다. 복수의 냉각매체 공급관(40)을 통해 냉각챔버(32)에 공급되는 냉각매체는 냉각챔버(32)로 유입된 고온의 금속 소재(M)를 급냉시키고, 냉각챔버(32)에서 온도가 상승한 냉각매체는 냉각매체 회수관(45)을 통해 냉각매체 공급기(34)로 회수된다.

냉각매체 공급관(40)은 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)의 둘레에 배치되도록 냉각챔버(32)에 설치되는 분사관(41)과, 냉각조(31)를 관통하여 냉각매체 공급기(34)와 분사관(41)을 연결함으로써 냉각매체 공급기(34)에서 냉각된 냉각매체를 분사관(41)으로 가이드하는 유입관(42)을 갖는다. 분사관(41)은 원형으로 이루어져 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)를 둘러싸며, 분사관(41)에는 복수의 분사구(43)가 구비된다.

유입관(42)에는 공급 펌프(35)가 설치되어, 공급 펌프(35)가 작동하면 냉각매체 공급기(34)에서 냉각된 냉각매체가 유입관(42)을 통해 분사관(41)으로 압송되어 복수의 분사구(43)를 통해 냉각챔버(32)로 분사된다. 복수의 분사구(43)는 운반 지그(12)를 향하도록 분사관(41)의 내주면에 마련되어 분사구(43)에서 토출되는 냉각매체는 금속 소재(M)가 탑재된 운반 지그(12)를 향해 분사된다.

냉각매체 회수관(45)은 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)의 둘레에 배치되도록 냉각챔버(32)에 설치되는 흡입관(46)과, 냉각조(31)를 관통하여 냉각매체 공급기(34)와 흡입관(46)을 연결함으로써 흡입관(46)으로 흡입된 냉각매체를 냉각매체 공급기(34)로 가이드하는 배출관(47)을 갖는다. 흡입관(46)은 원형으로 이루어져 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)를 둘러싸며, 분사관(41)과는 이격되도록 배치된다.

흡입관(46)의 내주면에는 냉각챔버(32)에서 온도가 상승한 냉각매체를 흡입하기 위한 복수의 흡입구(48)가 구비되고, 배출관(47)에는 회수 펌프(36)가 설치된다. 회수 펌프(36)가 작동하면 냉각챔버(32)의 냉각매체가 복수의 흡입구(48)를 통해 흡입되어 흡입관(46) 및 배출관(47)을 통해 냉각매체 공급기(34)로 회수된다.

도 2에 도시된 것과 같이, 냉각매체 공급관(40)과 냉각매체 회수관(45)은 각각 복수로 설치된다. 냉각챔버(32)에서 복수의 분사관(41)과 복수의 흡입관(46)은 냉각챔버(32)에 수용된 운반 지그(12)의 길이 방향을 따라 상호 이격되도록 배치되되, 교번적으로 배치된다. 즉 운반 지그(12)의 하단부에서 상단부 쪽으로 분사관(41)-흡입관(46)-분사관(41)-흡입관(46) 순서로 배치된다. 냉각매체는 냉각챔버(32)로 공급된 양만큼 냉각챔버(32)에서 배출되어야 하므로, 분사관(41)과 흡입관(46)은 쌍을 이루도록 배치되는 것이 좋다.

물론 본 발명에 있어서, 냉각매체 공급관(40)과 냉각매체 회수관(45)의 설치 개수나, 배치 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 그리고 냉각매체 공급관(40)의 분사관(41) 구조도 도시된 것과 같은 원형으로 한정되지 않고 운반 지그(12)의 둘레에 배치될 수 있는 다른 구조로 변경될 수 있고, 분사구(43)의 배치 구조도 다양하게 변경될 수 있다. 또한 냉각매체 회수관(45)의 흡입관(46) 구조도 도시된 것과 같은 원형으로 한정되지 않고 운반 지그(12)의 둘레에 배치될 수 있는 다른 구조로 변경될 수 있고, 흡입구(48)의 배치 구조도 다양하게 변경될 수 있다.

냉각매체 공급기(34)는 복수의 냉각매체 회수관(45)을 통해 냉각조(31)에서 온도가 상승한 냉각매체를 회수받아 냉각시키고, 냉각된 냉각매체를 복수의 냉각매체 공급관(40)을 통해 다시 냉각조(31)에 공급하는 것으로, 공지된 다양한 구조의 것이 이용될 수 있다. 물론 냉각매체 공급기(34)에는 외부 공급원으로부터 냉각매체가 유입될 수 있다. 냉각매체로는 냉각수나 냉각유 등 가열된 금속 소재(M)를 수냉시킬 수 있는 다양한 종류의 것이 이용될 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 의한 금속 열처리장치(10)에 의한 금속 소재(M)의 열처리 과정을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

열처리 대상이 되는 금속 소재(M)는 운반 지그(12)에 탑재되며, 금속 소재(M)가 탑재된 운반 지그(12)는 운반 지그 이송장치(13)에 의해 가열로(21) 쪽으로 하강한다. 가열로(21)의 제 1 출입구(24)를 통해 가열로(21) 내의 가열챔버(22)로 유입된 운반 지그(12)는 가열챔버(22)에 수용된 상태로 정지하고, 이때 히터(23)에서 발생하는 열에 의해 운반 지그(12)에 탑재된 금속 소재(M)가 가열된다.

가열로(21) 내에서 금속 소재(M)가 설정된 온도로 설정된 시간 동안 가열된 후, 운반 지그(12)는 운반 지그 이송장치(13)에 의해 냉각조(31)로 하강한다. 가열된 금속 소재(M)가 탑재된 운반 지그(12)가 냉각조(31)의 출입구(33)를 통해 냉각조(31) 내의 냉각챔버(32)로 유입될 때, 냉각매체 공급기(34)와, 복수의 공급 펌프(35) 및 복수의 회수 펌프(36)가 작동함으로써 냉각챔버(32)에서는 냉각된 냉각매체의 공급과 냉각매체의 배출이 이루어짐으로써, 냉각매체가 역동적으로 유동하게 된다.

따라서 운반 지그(12)에 탑재되어 냉각챔버(32)의 냉각매체 속으로 유입되는 고온의 금속 소재(M)는 유동하는 냉각매체에 의해 전체적으로 균일하고 신속하게 냉각된다. 더욱이 냉각매체 공급기(34)에서 냉각된 냉각매체는 금속 소재(M) 둘레에 배치된 복수의 분사구(43)를 통해 금속 소재(M) 쪽으로 분사되므로, 금속 소재(M)는 더욱 신속하게 냉각될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의한 금속 열처리장치(10)는 가열장치(20)를 이용하여 금속 소재(M)를 고온으로 가열한 후, 가열된 금속 소재(M)를 신속하게 냉각조(31)에 투입함으로써, 가열된 금속 소재(M)를 신속하게 수냉시킬 수 있다. 그리고 냉각조(31) 내에서 냉각매체를 금속 소재(M)를 향해 분사함과 동시에 승온된 냉각매체를 냉각조(31)에서 배출시켜 냉각조(31) 내의 온도를 일정 수준 이하로 유지시키고 냉각매체를 활발하게 유동시킴으로써, 고온의 금속 소재(M)를 전체적으로 균일하고 신속하게 냉각시킬 수 있다. 더욱이, 금속 소재(M) 주위에서 활발하게 유동하는 냉각매체는 금속 소재(M) 표면에서의 기포 발생을 억제시킴으로써, 금속 소재(M)와 냉각매체 사이에 열교환이 더욱 활발하게 이루어질 수 있고, 이에 의해 금속 소재(M)의 냉각 효율이 향상될 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 금속 열처리용 냉각장치의 냉각조를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 금속 열처리용 냉각장치의 냉각조를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 금속 열처리용 냉각장치는 상술한 금속 열처리용 냉각장치(30)와 대부분의 구성이 같고, 다만 냉각조(31) 내에 냉각매체를 공급하기 위한 냉각매체 공급관(50)의 구조가 일부 변경된 것이다. 도 3에 도시된 냉각매체 공급관(50)은 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)의 둘레에 배치되도록 냉각챔버(32)에 설치되는 분사관(41)과, 냉각조(31)를 관통하여 냉각매체 공급기(34;도 1 참조)와 분사관(41)을 연결하는 유입관(42)을 갖는다. 유입관(42)에는 공급 펌프(35;도 1 참조)가 설치된다.

분사관(41)은 원형으로 이루어져 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)를 둘러싸며, 분사관(41)에는 복수의 분사 노즐(51)이 결합된다. 복수의 분사 노즐(51)은 분사관(41)의 내주면에 형성되는 복수의 분사구(43)와 연결되어, 복수의 분사 노즐(51)을 통해 냉각매체가 분사된다. 복수의 분사 노즐(51)은 출입구(33) 쪽으로 다소 기울어지게 배치된다. 따라서 분사 노즐(51)에서 토출되는 냉각매체는 냉각챔버(32)의 중앙 상부를 향해 분사된다. 이렇게 분사 노즐(51)을 냉각챔버(32)의 중앙 상부를 향하도록 배치하여 상대적으로 온도가 낮은 냉각매체를 냉각챔버(32)의 중앙 상부를 향해 분사하면, 온도가 낮은 냉각매체가 냉각챔버(32)의 중앙에 배치되는 금속 소재(M)의 표면을 따라 상승함으로써, 냉각챔버(32)에서의 냉각매체 유동이 더욱 활발하게 발생하여 금속 소재(M)의 냉각 효율이 더욱 향상될 수 있다.

도 4에 도시된 금속 열처리용 냉각장치는 상술한 금속 열처리용 냉각장치(30)와 대부분의 구성이 같고, 다만 냉각조(31) 내에 냉각매체를 공급하기 위한 냉각매체 공급관(55)의 구조와, 냉각매체 공급관(55)과 냉각매체 회수관(45)의 배치 구조가 일부 변경된 것이다. 도 4에 도시된 냉각매체 공급관(55)은 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)의 둘레에 배치되도록 냉각챔버(32)에 설치되는 분사관(56)과, 냉각조(31)를 관통하여 냉각매체 공급기(34;도 1 참조)와 분사관(56)을 연결하는 유입관(57)을 갖는다. 유입관(57)에는 공급 펌프(35;도 1 참조)가 설치된다.

분사관(56)은 냉각챔버(32)로 유입된 운반 지그(12)를 하단부에서 상단부까지 둘러싸도록 나선형으로 이루어지고, 분사관(56)의 하단부 및 상단부가 유입관(57)이 각각 연결된다. 따라서 냉각매체 공급기(34)에서 냉각된 냉각매체가 한 쌍의 유입관(57)을 통해 분사관(56)의 하단부 및 상단부 쪽으로 공급된다.

분사관(56)에는 복수의 분사 노즐(58)이 결합된다. 복수의 분사 노즐(58)은 분사관(56)의 내주면에 형성되는 복수의 분사구(59)와 연결되어, 복수의 분사 노즐(58)을 통해 냉각매체가 분사된다. 복수의 분사 노즐(58)은 냉각조(31)의 출입구(33) 쪽으로 다소 기울어지게 배치된다. 따라서 분사 노즐(58)에서 토출되는 냉각매체는 냉각챔버(32)의 중앙 상부를 향해 분사된다.

이렇게 분사관(56)을 냉각챔버(32)의 중앙에 운반 지그(12)를 하단부에서 상단부까지 둘러싸도록 나선형으로 배치하고, 분사관(56)의 복수의 분사 노즐(58)을 냉각챔버(32)의 중앙 상부를 향하도록 배치하여 상대적으로 온도가 낮은 냉각매체를 냉각챔버(32)의 중앙 상부를 향해 분사하면, 온도가 낮은 냉각매체가 냉각챔버(32)의 중앙에 배치되는 금속 소재(M)의 표면을 따라 상승함으로써, 냉각챔버(32)에서의 냉각매체 유동이 더욱 활발하게 발생하여 금속 소재(M)의 냉각 효율이 더욱 향상될 수 있다.

냉각매체 회수관(45)의 흡입관(46)은 냉각챔버(32)의 상부에 분사관(56)보다 위쪽에 배치된다. 이렇게 흡입관(46)을 냉각챔버(32)의 상부에 배치하면, 금속 소재(M)와의 열교환에 의해 온도가 상승하면서 냉각챔버(32)의 위쪽으로 이동한 냉각매체가 냉각매체 회수관(45)을 통해 신속하게 배출될 수 있어, 냉각챔버(32)의 온도를 일정 수준 이하로 유지시키는데 유리하고, 결과적으로 금속 소재(M)의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 냉각매체 회수관(45)을 통한 냉각매체의 회수량은 냉각매체 공급관(55)을 통한 냉각매체 공급량과 같아지도록 설정된다.

이러한 실시예에 있어서, 분사관(56)에서 분사 노즐(58)은 생략될 수 있고, 분사관(56)의 내주면 쪽에 형성된 복수의 분사구(59)를 통해 냉각된 냉각매체가 금속 소재(M) 쪽으로 분사될 수 있다. 그리고 냉각매체 회수관(45)의 설치 개수나 배치 개수 등은 다양하게 변경될 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10 : 금속 열처리장치 12 : 운반 지그
13 : 운반 지그 이송장치 14 : 와이어
16 : 와이어 권취기 18 : 프레임
20 : 가열장치 21 : 가열로
22 : 가열챔버 23 : 히터
24, 25, 33 : 출입구 26 : 전원 공급기
27, 38 : 온도 센서 30 : 금속 열처리용 냉각장치
31 : 냉각조 32 : 냉각챔버
34 : 냉각매체 공급기 35 : 공급 펌프
36 : 회수 펌프 37 : 제어기
40, 50, 55 : 냉각매체 공급관 41, 56 : 분사관
42, 57 : 유입관 43, 59 : 분사구
45 : 냉각매체 회수관 46 : 흡입관
47 : 배출관 48 : 흡입구
51, 58 : 분사 노즐

Claims (8)

1. 가열된 금속 소재를 수냉시키기 위한 금속 열처리용 냉각장치에 있어서,
   상기 금속 소재를 수냉시키기 위한 냉각매체가 저장되는 냉각챔버와, 상기 금속 소재가 탑재되는 운반 지그가 출입할 수 있도록 상기 냉각챔버와 연결되는 출입구를 갖는 냉각조;
   상기 냉각조의 냉각매체를 회수하여 냉각시킨 후 다시 상기 냉각조에 공급하기 위한 냉각매체 공급기;
   상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 설치되고 냉각매체를 상기 냉각챔버로 분사하기 위한 복수의 분사구를 갖는 분사관과, 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 분사관을 연결하여 상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 분사관으로 가이드하는 유입관을 갖는 냉각매체 공급관;
   상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 냉각챔버 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 유입관에 설치되는 공급 펌프;
   상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 상기 냉각매체 공급관과 이격되도록 설치되고 상기 냉각챔버의 냉각매체를 흡입하기 위한 복수의 흡입구를 갖는 흡입관과, 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 흡입관을 연결하여 상기 냉각조의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기로 가이드하는 배출관을 갖는 냉각매체 회수관; 및
   상기 냉각챔버의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 배출관에 설치되는 회수 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 열처리용 냉각장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분사관은 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 둘러싸도록 원형으로 이루어지고, 상기 복수의 분사구는 상기 운반 지그를 향하도록 상기 분사관의 내주면에 배치되며,
   상기 흡입관은 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 둘러싸도록 원형으로 이루어지고, 상기 복수의 흡입구는 상기 운반 지그를 향하도록 상기 흡입관의 내주면에 배치되며,
   상기 분사관 및 상기 흡입관은 각각 복수로 상기 냉각챔버에 설치되되, 상기 복수의 분사관과 상기 복수의 흡입관은 상기 운반 지그의 길이 방향을 따라 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 열처리용 냉각장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각매체 공급관은 상기 복수의 분사구와 연결되도록 상기 분사관에 결합되어 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 향해 냉각매체를 분사하는 복수의 분사 노즐을 포함하고,
   상기 복수의 분사 노즐은 상기 출입구 쪽으로 기울어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 열처리용 냉각장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 분사관은 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 하단부에서 상단부까지 둘러싸도록 나선형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 열처리용 냉각장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 냉각매체 공급관은 상기 복수의 분사구와 연결되도록 상기 분사관에 결합되어 상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그를 향해 냉각매체를 분사하는 복수의 분사 노즐을 포함하고,
   상기 복수의 분사 노즐은 상기 출입구 쪽으로 기울어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 열처리용 냉각장치.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 흡입관은 상기 분사관보다 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 열처리용 냉각장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각챔버의 냉각매체 온도를 검출하기 위해 상기 냉각조에 결합되는 온도 센서; 및
   상기 온도 센서로부터 검출 신호를 제공받아 상기 냉각매체 공급기, 상기 공급 펌프 및 상기 회수 펌프의 동작을 제어하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 열처리용 냉각장치.
   
8. 금속 소재를 가열한 후 수냉시키기 위한 금속 열처리장치에 있어서,
   상기 금속 소재가 탑재되는 운반 지그;
   상기 운반 지그를 이송시키기 위한 운반 지그 이송장치;
   상기 운반 지그에 탑재된 상기 금속 소재가 가열될 수 있도록 상기 운반 지그를 수용하는 가열챔버와, 상기 운반 지그의 출입을 위해 상기 가열챔버와 연결되도록 상단에 마련되는 제 1 출입구와, 상기 운반 지그의 출입을 위해 상기 가열챔버와 연결되도록 하단에 마련되는 제 2 출입구를 갖는 가열로;
   상기 가열챔버로 유입된 상기 운반 지그에 탑재된 상기 금속 소재를 가열하기 위해 상기 가열로에 설치되는 히터;
   상기 히터에 전원을 공급하기 위한 전원 공급기;
   상기 가열로의 하부에 배치되고, 상기 금속 소재를 수냉시키기 위한 냉각매체가 저장되는 냉각챔버와, 상기 운반 지그의 출입을 위해 상기 냉각챔버와 연결되도록 상단에 마련되는 출입구를 갖는 냉각조;
   상기 냉각조의 냉각매체를 회수하여 냉각시킨 후 다시 상기 냉각조에 공급하기 위한 냉각매체 공급기;
   상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 설치되고 냉각매체를 상기 냉각챔버로 분사하기 위한 복수의 분사구를 갖는 분사관과, 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 분사관을 연결하여 상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 분사관으로 가이드하는 유입관을 갖는 냉각매체 공급관;
   상기 냉각매체 공급기의 냉각매체를 상기 냉각챔버 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 유입관에 설치되는 공급 펌프;
   상기 냉각챔버로 유입된 상기 운반 지그의 둘레에 배치되도록 상기 냉각챔버에 상기 냉각매체 공급관과 이격되도록 설치되고 상기 냉각챔버의 냉각매체를 흡입하기 위한 복수의 흡입구를 갖는 흡입관과, 상기 냉각조를 관통하여 상기 냉각매체 공급기와 상기 흡입관을 연결하여 상기 냉각조의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기로 가이드하는 배출관을 갖는 냉각매체 회수관; 및
   상기 냉각챔버의 냉각매체를 상기 냉각매체 공급기 쪽으로 펌핑하기 위해 상기 배출관에 설치되는 회수 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 열처리장치.

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