KR20150075177A - 실리콘 및 페로실리콘의 연속주조 및 파쇄장치 - Google Patents

실리콘 및 페로실리콘의 연속주조 및 파쇄장치 Download PDF

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김성욱
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Abstract

본 발명은 회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤을 포함하며,
상기 회전롤의 표면에는 용탕의 주조를 위한 둘 이상의 격벽이 형성되는 주조 장치에 관한 것이다.

Description

실리콘 및 페로실리콘의 연속주조 및 파쇄장치{APPARATUS OF CONTINUOUS CASTING AND CRUSHING OF SILICON AND FERROSILICON}
본 발명은 실리콘 및 페로실리콘의 연속 주조 및 파쇄장치에 관한 것이다.
실리콘 및 페로실리콘은 아크 전기로(아크로)에서 규광석과 탄소 환원제의 고온 환원반응을 통해서 제조된다. 이때, 상기 규광석과 탄소 환원제의 반응은 하기 반응식 1과 같다.
<반응식 1>
SiO2 + C → Si + 2CO
상기 반응식 1의 환원반응에 실리콘이 제조되며, 상기 반응에 철(Fe)을 첨가하면 페로실리콘이 제조된다. 아크로를 이용하여 실리콘 및 페로실리콘을 제조하는 이유는, 실리콘을 환원하기 위해서는 열역학적으로 1800℃ 이상의 고온 분위기를 요구하기 때문이다. 이러한 아크로는 상업적으로 널리 사용되고 있어 많은 기술적 발전이 이루어져 왔다.
아크로 내부에 실리콘이나 페로실리콘이 생성되면 상기 실리콘 또는 페로실리콘은 액체의 용탕으로 존재하게 되고, 아크로 아래 부분에서는 탭핑 공정에 의해 외부로 이동된다. 외부로 이동된 실리콘 또는 페로실리콘은 산화물 내화제로 이루어진 래들에 채워지고 별도의 가스나 플럭스를 투입하여 제품의 순도를 높이는 정련 공정을 수행한다. 이때, 실리콘 또는 페로실리콘 내부에 존재하는 알루미늄, 칼슘, 탄소 등의 불순물이 제거되고, 최종적으로 순도가 향상된 용탕을 얻게된다.
도 1은 정련된 용탕을 제품으로 만들기 위한 공정을 나타내는 모식도로, 일반적으로 래들에서 정련된 용탕을 제품으로 만들기 위해서는 철로 만들어진 주형 틀에 부어서 천천히 냉각하여 주편을 제조하게 된다. 이렇게 제조된 주편은 대략 수십 제곱미터의 면적 및 대략 수십 cm의 높이를 가지게 된다. 상기 주편은 파쇄기를 통해서 일정크기로 만들어주는 공정이 필요하게 되는데, 일반적으로 수작업이나 조 크러셔를 이용하여 파쇄를 하게 된다.
이러한 파쇄작업을 거쳐 제품을 제조하는 경우, 파쇄된 입자의 분포는 미세한 분말을 포함하는 형태를 띠고 있어 미분이 발생하는 것이 필연적이다. 이러한 미분은 대략 5-10% 가량 발생하고 있어 이는 최종 제품의 실수율을 감소시키는 원인으로 작용한다.
또한, 이러한 주형 틀을 이용하여 주조하는 경우에는 냉각시간이 대략 수십분이 초과되므로 파쇄기에 투입하는데 대기시간이 존재하게 되어 생산성 저하의 원인이 된다. 이러한 수십분간의 냉각은 주편 내부의 불순물의 편석을 야기하게 되는 영향도 미치게 되어, 주편의 부위에 다라 불순물의 함량이 달라지게 되어 최종적으로 균일한 제품을 얻는데 실패하게 되고 마찬가지로 제품의 실수율 하락으로 이어진다.
본 발명에서는 아크로에서 생산되고 래들에서 정련된 실리콘 및 페로실리콘을 연속주조 방법으로 제품화하여 미분발생을 억제하고 제품의 균일성을 높이는 방법을 제고하고자 한다.
본 발명은, 하나의 실시예에서,
회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤을 포함하며,
상기 회전롤의 표면에는 용탕의 주조를 위한 둘 이상의 격벽이 형성된 주조 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 하나의 실시예에서,
회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤을 포함하며, 상기 회전롤의 표면에는 용탕의 주조를 위한 둘 이상의 격벽이 형성된 주조 장치; 및
상기 회전롤의 회전에 의해 주조 장치에서 이탈된 주조물을 파쇄시키기 위한 파쇄대를 포함하는 파쇄 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 하나의 실시예에서,
전술한 파쇄 시스템을 사용하고, 회전롤의 표면에 용탕을 장입하여 냉각시키는 단계;
회전롤의 회전에 의해 상기 냉각된 용탕을 회전롤에서 이탈시키는 단계; 및
이탈된 상기 냉각된 용탕을 파쇄대와 접촉시켜 파쇄시키는 단계를 포함하는 파쇄 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 주조 장치 또는 파쇄 장치를 사용함으로써, 생산성을 향상시키고, 급속 응고를 통해 품질의 균일성을 높이며, 파쇄 시 미분 발생량을 최소화 시키므로 실수율 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 종래 페로실리콘의 파쇄 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 주조 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파쇄 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 회전롤의 표면 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 유체라인이 형성된 회전롤 표면의 구조를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 주조 장치는, 하나의 예로서, 회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤을 포함하며, 상기 회전롤의 표면에는 용탕의 주조를 위한 둘 이상의 격벽이 형성될 수 있다.
이하, 본 발명에서 용어 ‘용탕’은 금속 또는 합금이 용융상태로 존재하는 것을 의미하고, ‘주편’은 용탕이 냉각되어 응고된 상태를 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 주조 장치에서, 회전롤은 회전축을 중심으로 정해진 속도에 따라 회전하는 롤로써, 상기 회전롤은 상하 방향으로 회전한다. 회전롤의 회전축에는 모터 등을 연결하여 회전축에 동력을 전달하고, 회전롤이 상하 방향으로 회전할 수 있게 할 수 있다. 상기 회전롤의 표면에는 금속의 용탕이 장입되어 냉각될 수 있다. 이러한 회전롤의 표면은 판으로 이루어 질 수 있는데, 상기 판의 재질은 용탕의 온도를 견디고 열전도도가 우수한 금속 또는 금속 합금일 수 있으며, 구체적으로 구리일 수 있다.
주조 장치는, 회전롤의 표면에는 장입되는 용탕이 흐르지 않고 냉각될 수 있도록, 용탕의 흐름을 제한하기 위한 격벽이 형성된다. 상기 격벽은 둘 이상 형성되는데, 두 개의 이웃하는 격벽, 즉 하나의 격벽과 상기 격벽과 일정 간격 상에 위치하는 격벽은 주형틀의 역할을 수행하게 된다. 이하, 이웃하는 두 격벽 및 상기 격벽 사이의 표면을 포함하는 구성을 주형틀이라 호칭할 수 있다.
본 발명에서 이웃하는 격벽 사이의 표면, 즉, 주형틀의 표면은 일반적으로 가로 및 세로의 길이가 일정한 판으로 이루어질 수 있으나, 용탕의 흐름을 고려하여 사다리꼴의 형상을 가질 수도 있다.
상기 회전롤의 표면에 형성되는 격벽의 수는 회전롤의 크기 또는 제조되는 주편의 크기에 따라 달라 질 수 있으나, 본 발명에서는 여섯개 이상일 수 있다. 상기 격벽은 회전롤의 표면에 동일 간격으로 각각 형성되어, 이웃하는 두 격벽 사이, 즉 주형틀에서 냉각되는 용탕의 함량 및 용탕이 냉각되는 시간을 일정하게 조절할 수 있다.
상기 회전롤의 표면의 단면 구조는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 원형 또는 다각형일 수 있다. 여기서, 원형은 일반적인 원뿐만 아니라, 타원 또는 원둘레의 일부가 일그러진 형상을 가진 원을 포함할 수 있다. 또한, 다각형의 변의 수는 6 개 이상일 수 있으며, 변의 길이가 동일한 정다각형, 각 변의 길이가 서로 다른 다각형을 포함할 수 있다. 구체적으로 회전롤의 단면은 변의 수가 6 내지 8인 정다각형일 수 있다. 정다각형의 형상을 가지는 것이 용탕의 함량 및 용탕이 냉각되는 시간을 일정하게 조절하여, 균일한 주편을 얻을 수 있다.
본 발명에서 회전롤의 표면이 다각형의 형상을 지닐 경우, 격벽은 다각형의 변의 가장자리에 형성될 수 있으며, 구체적으로 변의 한쪽 가장자리에만 형성될 수 있다. 또한, 각 변에 격벽이 형성되는 방향을 모두 동일하게 함으로써, 하나의 변에 형성된 격벽과 이웃하는 변에 형성된 격벽이 하나의 주형틀을 이룰 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 회전롤은 이러한 주형틀이 다각형의 변의 개수만큼 형성될 수 있다.
상기 격벽은 회전롤의 표면을 기준으로 경사지게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 격벽은 회전롤의 표면을 기준으로 80 내지 100°의 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 격벽의 두께는 특별히 제한되지 않고, 용탕의 냉각에 영향을 받지 않는 한도 내에서 적절히 조절될 수 있다. 격벽의 높이 또한 특별히 제한되지 않고, 적절히 조절될 수 있으며, 구체적으로 7 cm이상으로 조절될 수 있다. 격벽들 사이에 주입되는 용탕의 높이는 5 cm 이하로 조절되는 것이 회전롤에서 냉각된 용탕, 즉 주편의 이탈에 유리하며, 주편의 파쇄가 용이하게 이루어질 수 있다. 격벽의 재질은 특별히 제한되지 않으며, 상기 주형틀의 표면판의 재질과 동일할 수 있다. 구체적으로 구리를 사용할 수 있는데, 상기 구리는 열전도도가 높으므로 용탕이 회전롤의 표면에 장입되면 급속한 냉각 및 응고가 이루어질 수 있다.
주조 장치에서, 회전롤의 표면은 패턴화 될 수 있다. 상기 패턴화에 의해 회전롤의 표면에서 용탕이 냉각된 주편의 이탈을 용이하게 할 수 있다. 이때, 표면의 패턴 종류는 특별히 제한되지 않으며, 격자형 등의 패턴을 지닐 수 있다.
주조 장치에서, 회전롤의 표면 내부에는 냉각 유체라인이 추가로 형성될 수 있다. 용탕은 고온이므로, 주조 장치를 장시간 사용하면 회전롤의 표면에 손상을 주게 된다. 따라서, 냉각 유체라인을 사용하여 용탕의 냉각 온도를 제어하는 것이 필요하다. 상기 냉각 유체라인은 회전롤의 표면 내부에 유체가 흐르는 관의 형태로 형성될 수 있다. 이때, 유체의 온도는 회전롤에 장입되는 용탕의 온도를 200℃ 이하, 구체적으로 50 내지 150℃이하로 제어할 수 있도록 조절될 수 있다. 또한, 냉각 유체라인에 흐르는 유체의 양은 냉각 속도에 따라 적절히 제어될 수 있다.
주조 장치에서는 회전롤에 장입된 용탕이 약 1분 안에 50% 이상 응고가 이루어지도록 제어하는 것이 좋다. 특히, 회전롤의 표면이 패턴화되어 있는 경우, 상기 냉각 유체라인은 패턴 중 돌출 부분 내부에 형성되어 용탕의 냉각 효율을 극대활 할 수 있다.
또한, 주조 장치는, 회전롤의 속도를 제어하기 위한 속도 제어부를 추가로 포함할 수 있다. 회전롤의 표면에 장입된 용탕은 일정 수준으로 냉각되어야 회전롤에서 이탈 및 파쇄할 수 있다. 또한, 금속의 종류에 따라 용탕의 온도에 차이가 있으므로, 회전 속도를 제어하여 용탕의 냉각 시간을 제어해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 속도 제어부를 추가로 포함함으로써, 용탕이 파쇄가 가능한 수준으로 냉각된 후 회전롤을 이탈하도록 할 수 있다.
또한, 주조 장치는 회전롤의 표면에서 냉각된 주편을 이탈시키기 위한 주편 이탈부를 추가로 포함할 수 있다. 상기 주편 이탈부를 통해 주편이 회전롤의 표면이나 격벽에 고착되어 떨어지지 않는 현상을 방지할 수 있다. 상기 주편 이탈부는 회전롤에서 주편을 이탈시킬 수 있는 한 그 구성은 특별히 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 파쇄 장치에 관한 것으로, 본 발명의 파쇄 장치는, 하나의 예로서, 회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤을 포함하며, 상기 회전롤의 표면에는 용탕의 주조를 위한 둘 이상의 격벽이 형성되는 주조 장치; 및
상기 회전롤의 회전에 의해 주조 장치에서 이탈된 주조물을 파쇄시키기 위한 파쇄대를 포함한다.
파쇄 장치에서, 주조 장치는 전술한 구성을 지닐 수 있다.
주조 장치의 회전롤에서 이탈되는 주편은 파쇄대에 의해 파쇄된다. 구체적으로, 회전롤의 회전에 의해 주편은 회전롤을 이탈하여 자유낙하하고, 낙하하는 주편은 파쇄대와 접촉하여 충격에너지에 의해 파쇄된다. 상기 파쇄대의 판 형상을 지닐 수 있다. 또한, 재질은 주편이 패쇄될 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 구리 또는 스테인레스를 사용할 수 있다. 상기 파쇄대는 파쇄된 주편의 파쇄물의 회수를 용이하게 하기 위하여 수직방향으로 기울어 지는 구성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 파쇄 장치는, 파쇄대에서 파쇄된 주편의 파쇄물을 회수하기 위한 포집백을 추가로 포함할 수 있다. 구체적으로 파쇄대를 기울여 포집백에 파쇄물을 용이하게 수거할 수 있다.
또한, 본 발명의 파쇄 방법에 관한 것으로, 본 발명의 파쇄 방법은 전술한 파쇄 장치를 이용하여 수행된다.
하나의 예로서, 파쇄 방법은 회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤의 표면에 용탕을 장입하여 냉각시키는 단계;
회전롤의 회전에 의해 상기 냉각된 용탕을 회전롤에서 이탈시키는 단계; 및
이탈된 상기 냉각된 용탕을 파쇄대와 접촉시켜 파쇄시키는 단계를 포함한다.
먼저, 회전롤의 표면에 용탕을 장입하여 냉각시키는데, 정련된 금속의 용탕을 회전롤에 미리 결정된 속도로 장입시킬 수 있다. 본 발명에서는 용탕으로 실리콘 또는 페로실리콘의 용융물을 사용할 수 있다. 상기 용탕은 회전롤 표면에 형성된 격벽에 의해 흐르지 않고 고정되며, 회전롤의 회전에 따라 냉각된다. 상기 회전롤의 표면에 장입된 용탕은 200℃ 이하, 구체적으로 50 내지 150℃의 온도를 유지할 수 있다. 필요에 따라서는 회전롤의 표면 내부에 유체 냉각라인을 설치하여 용탕의 온도를 용이하게 제어할 수 있다.
회전롤은 용탕의 종류 및 온도 등에 따라 적절한 속도로 회전할 수 있다.
상기 회전롤의 회전에 의해 용탕은 냉각되면서 이동하고, 한계지점까지 이동하면 회전롤에서 이탈하게 된다. 본 발명에서는 용탕의 냉각되어 제조된 주편의 이탈을 용이하게 수행하기 위하여 주편 이탈부를 추가로 이용할 수 있다.
본 발명의 회전롤은 회전하면서, 용탕의 장입, 냉각 및 응고가 반복적으로 수행되므로, 용탕의 주조가 연속적으로, 간편하게 수행될 수 있다.
상기 회전롤에서 이탈된 주편은 파쇄대로 자유낙하하며, 파쇄대와의 접촉에 의해 파쇄된다. 상기 파쇄된 파쇄물은 파쇄대를 기울여서 용이하게 수거할 수 있다. 이때, 하나의 예에서, 파쇄물의 평균 직경은 20 cm 이하, 10 cm 이하, 구체적으로 5 cm 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 주조 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 주조 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2를 참고하면, 주조 장치는 회전롤(100)을 포함하며, 회전롤(100)은 회전축(110)을 중심으로 상하로 회전할 수 있다. 일례에서, 회전롤(100)의 표면(120)은 다각형으로 형성되며, 다각형의 변의 가장자리, 구체적으로 변의 한쪽 가장자리에는 격벽(130)이 형성될 수 있다.
용탕은 회전롤에 장입되어, 냉각되면서 주편(200)으로 응고되며, 회전롤이 회전하면서 상기 주편(200)은 회전롤(100)로부터 이탈될 수 있다.
또한, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파쇄 장치를 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 파쇄 장치는 회전롤(100) 및 파쇄대(310)를 포함할 수 있다. 회전롤(100)에서 이탈되는 주편(200)은 파쇄대(310)와 접촉하여 파쇄물(210)로 파쇄될 수 있다. 파쇄물(210)은 포집백(320)에 의해 포집될 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 회전롤(100)의 표면(120) 및 격벽(130)의 구성을 나타낸다. 회전롤(100)의 표면(120)에 격벽(130)이 형성되는데, 상기 표면은 가로 및 세로의 크기가 동일한 판형일 수 있으며(a), 용탕의 흐름을 고려하여 용탕의 흐름을 제어하는 역할을 수행하는 격벽(130) 쪽의 가로 크기가 긴 사라디꼴의 형상을 가질 수 있다(b).
또한, 회전롤(100)의 표면(120)에는 도 5에 나타난 바와 같이, 냉각 유체라인(140)이 형성되어 용탕의 냉각을 용이하게 수행시킬 수 있다.
이하, 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
아크로에서 제조한 페로실리콘 용탕을 래들에 받았다. 이때, 용탕의 온도는 약 1600℃ 내외였다. 상기 용탕에 슬래그 처리 및 가스 투입을 통해 일부 불순물을 제거하고, 1500℃ 정도의 용탕이 되도록 하였다. 상기 용탕에서 상부에 있는 슬래그를 걷어내거나 따라서 제거하고 나머지 용탕은 본 발명의 파쇄 장치에 투입하여 연속응고 시켰다. 이때 파쇄 장치의 주형틀로의 용탕의 주입양은 운전자의 육안 식별을 통해 높이가 5cm 이하가 되도록 주입하고, 완료되면 멈추고 다음 주형틀로 회전한 후 동일한 작업을 반복하였다. 이러한 반복 조업의 주기는 3분으로 하고, 응고 상태를 관찰하여 가감을 실시하였다.
이때 바닥에 떨어진 페로실리콘 응고체는 파쇄된 상태로 포집하고, 미파쇄품이 있을 경우 일부 수작업을 통해 직경이 10cm 이하가 되도록 파쇄하고 포집백에 포장하였다. 미분이 발생하는 경우에는 분리 공정을 추가하여 제품에 미분이 함유되지 않도록 하여 최종적으로 개량하여 제품으로 완성하였다.
100: 회전롤
110: 회전축
120: 회전롤의 표면
130: 격벽
140: 냉각 유체라인
200: 주편
210: 파쇄물
310: 파쇄대
320: 포집백

Claims (11)

  1. 회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤을 포함하며,
    상기 회전롤의 표면에는 용탕의 주조를 위한 둘 이상의 격벽이 형성된 주조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 회전롤의 표면은 원형 또는 다각형이며, 상기 표면이 다각형일 경우 격벽은 변의 가장자리 부분에 형성되는 주조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 격벽의 형성 각도는 회전롤의 표면을 기준으로 80 내지 100°인 주조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 회전롤의 표면은 패턴화된 구조인 주조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 회전롤의 표면 내부에는 냉각 유체라인이 추가로 형성되는 주조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 회전롤의 표면은 패턴화된 구조이고, 회전롤의 표면 내부에는 냉각 유체라인이 형성될 경우, 상기 냉각 유체라인은 패턴화된 구조의 돌출 부분에 형성되는 주조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 회전롤의 회전 속도를 제어하는 속도 제어부를 추가로 포함하는 주조 장치.
  8. 회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤을 포함하며, 상기 회전롤의 표면에는 용탕의 주조를 위한 둘 이상의 격벽이 형성되는 주조 장치; 및
    상기 회전롤의 회전에 의해 주조 장치에서 이탈된 주조물을 파쇄시키기 위한 파쇄대를 포함하는 파쇄 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 파쇄대는 수직방향으로 기울어지는 파쇄 장치.
  10. 회전축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 회전롤의 표면에 용탕을 장입하여 냉각시키는 단계;
    회전롤의 회전에 의해 냉각된 용탕을 회전롤에서 이탈시키는 단계; 및
    이탈된 냉각된 용탕을 파쇄대와 접촉시켜 파쇄시키는 단계를 포함하는 파쇄 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 용탕은 실리콘 또는 페로실리콘의 용융물인 파쇄 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR200486217Y1 (ko) 2016-12-27 2018-05-28 (주)포스코엠텍 주조 장치

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