KR20170042699A - 고전단 액체 금속 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전단(high shear) 액체 금속 처리 장치(1)를 제공한다. 이 장치(1)는 배럴(2), 회전자 축(5), 복수의 회전자 팬(6, 7, 8), 및 복수의 고정자 플레이트(9, 10, 11)를 포함한다. 배럴(2)은 상측 단부와 하측 단부 사이에 연장되어 있는 길이 방향 축선을 가지며 또한 상하측 단부에서 개구(4, 3)를 가지고 있다. 회전자 축(5)은 배럴(2)의 길이 방향 축선에 평행하게 그 배럴을 통과하여 중심에 장착된다. 복수의 고정자 회전자 팬(6, 7, 8)은 배럴(2) 내부에서 축(5)의 축방향 길이를 따라 장착되며, 각각의 회전자 팬(6, 7, 8)은 그의 외측 단부가 배럴(2)의 내벽의 최소 거리 내에 있도록 형성되어 있다. 복수의 고정자 플레이트(9, 10 11)는 배럴(2)의 내부 표면에 형성되며, 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 인접하는 회전자 팬(6, 7, 8) 사이에 위치되고, 각각의 고정자 플레이트는 내부 표면으로부터 실질적으로 회전자 축(5)까지 연장되어 있고, 각각의 고정자 플레이트에는 적어도 하나의 통로(17)가 관통 형성되어 있어 유체가 그 플레이트를 통과할 수 있게 해주고, 각각의 고정자 플레이트의 상하측 표면은 인접하는 회전자 팬(6, 7, 8)의 최소 거리 내에 있도록 형성되어 있다. 최소 거리는 10 ㎛ 내지 10 mm 사이 이다. 또한, 본 발명은 장치(1)를 사용하는 고전단 액체 금속 처리 방법을 제공한다. 본 발명은 처리 중에 액체 및 반액체 금속의 개선된 처리를 가능하게 해준다.

Description

고전단 액체 금속 처리 장치 및 방법{A DEVICE AND METHOD FOR HIGH SHEAR LIQUID METAL TREATMENT}

본 발명은 일반적으로 금속 재료의 완전한 고화 처리 전의 반고체 및 액체 금속 처리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히, 본 발명은 반고체 및 액체 금속을 전단(shearing)하기 위한 장치에 관한 것이다.

액체 금속은 가변적인 양의 비금속 성분, 즉 가스와 비금속 개재물을 함유하고 또한 이의 존재는 최종 제품에 결함을 유발할 수 있음은 잘 알려져 있다. 가스와 개재물을 제거하기 위한 많은 절차가 제안되어 있다.

고화 처리 전의 액체 금속 처리는, 결정립 미세화, 용융물 청결, 균질한 미세조직과 화학 조성의 균질성, 내래(endogenous) 및 외래(exogenous) 입자의 분산 및 분포를 위해 사형 주조(sand casting), 영구 몰드 주조, 고압 다이 캐스팅, 직접 냉각 주조, 쌍 롤 주조 등을 포함한(이에 한정되지 않음) 다양한 주조 공정에 필요하다.

액체 금속 처리를 위한 기존의 방법은 주로 임펠러에 의한 기계적 교반, 전자기적 교반, 및 가스 유도 액체 유동과 유사한 몇몇 다른 방법을 포함한다.

임펠러에 의한 기계적 교반은 액체 금속을 처리하는 매우 간단한 방법이다. 이는 임펠러 주위에서 적절한 용융물 전단만 제공하지만, 액체 금속에서 심한 와류(vortex)를 유발하고 또한 액체 표면 근처에서 심한 난류를 유발하게 되며, 그 결과, 용융물 표면으로부터 가스 및 다른 오염물질의 심각한 포집이 일어나게 된다. 이러한 문제를 처리하기 위한 많은 방안이 있다.

크래머(Kraemer) 등에게 허여된 미국 특허 제3,785,632호에는, 야금학적 반응을 촉진하기 위한 공정과 장치가 개시되어 있다. 그 공정은, 한 쌍의 임펠러를 사용하여 용융 욕(bath)과 반응물 사이의 경계에서 기계적으로 교반하는 것을 포함한다. 상기 장치가 교반을 시작하면 원심력 성분이 발생되어 래들(ladle)의 가장자리 쪽으로 상이한 만곡이 일어나게 되는데, 이 만곡으로 인해, 용융 금속 재료와 반응물 사이의 화학 반응이 촉진된다.

맥래(McRae) 등에게 허여된 미국 특허 제4,743,428호에는, 합금을 제조하기 위해 액체 금속을 기계적으로 교반하는 방법이 개시되어 있다. 공정은 주로 교반 장치를 사용하여, 합금 원소의 용해를 촉진시키고 또한 찌꺼기의 형성을 느리게 한다.

플레밍스(Flemings) 등에게 허여된 미국 특허 제3,902,544호에는, 비수지상(non-dendritic)의 일차 고형물을 갖는 반고체 금속 재료를 얻기 위해 기계적 교반으로 액체 금속을 처리하는 연속 공정이 개시되어 있다. 이 공정에서, 3개의 오거(auger)가 사용되고 3개의 분리된 교반 영역에 위치된다. 오거는 한쌍의 블레이드 임펠러에 비해 더 효과적이다. 교반 영역의 내부 표면과 오거의 외부 표면 사이의 거리는, 교반 영역 내의 재료에 높은 전단력이 가해질 수 있도록 충분히 작게 유지된다.

신구(Shingu) 등에게 허여된 미국 특허 제4,373,950호에서는, 알루미늄을 정화하기 위해 직접 냉각 주조 공정에 임펠러에 의한 기계적 교반을 사용하고 있다. 알루미늄 용융물은, 기계적 교반 장치를 사용하여 액체와 고형물 사이의 계면에 있는 수지상 결정을 파괴하고 또한 그 수지상 결정에서 방출된 불순물을 전체 액체에 분산시킴으로써 정화된다.

듀엔켈만(Duenkelmann) 등에게 허여된 미국 특허 제4,931,060호에는, 중공 축 및 용용 금속 내의 가스를 분산시키기 위해 상기 축에 부착되어 있는 중공 회전자를 포함하는 회전 장치가 개시되어 있다. 액체 금속의 탈기(degassing)를 위해 상기 장치는 축의 정상부에서 불활성 가스를 도입하고 다량의 불활성 가스를 용융물 안으로 전달한다.

위에서 논의된 발명은 모두 기계적 교반을 포함한다. 그 발명은 용융물 조정(conditioning)에 필요한 높은 전단율을 제공하지 않고 있으며 또한 용융물 표면으로부터 가스 및 다른 오염물질이 포집되는 문제를 피하지 못하고 있다.

미국 특허 제4,960,163호에서는, 미세한 결정립 조직을 얻기 위해 직접 냉각 주조에 사용되는 기계적 교반기 및 DC 주조기 내의 공간을 공급 저장부와 고화 저장부로 분할하는 격벽을 사용하며, 그 고화 저장부는, 이 고화 저장부에서의 교반을 약화시킴이 없이 공급 저장부 내의 액체 표면 근처에서 난류를 피하기 위한 것이다. 이 방법에 의해 어느 정도의 결정립 미세화가 달성되지만 그 결과는 뱃치(batch) 간에 일정하지 않다.

에른스트(Ernst)에게 허여된 미국 특허 제6,618,426호에는, 액체 금속을 처리하기 위해 전자기적으로 교반하는 공정이 개시되어 있다. 이 공정은 액체 표면에서의 난류를 줄이기 위해 서로 다른 방향을 갖는 다수의 코일을 사용한다. 그러나, 전자기적 교반에 의한 전단율은 낮고 장치의 비용이 높다.

WO 2010/032550(Nippon Light Metal Co. Ltd)에는, 래들링 챔버에 사용되는 금속 용융물 정련기(refiner)가 개시되어 있다. 이 정련기는 본질적으로 액체 금속을 탈기하고 탈슬래그하기 위한 다중 블레이드 교반기이다. 그러나, 그 장치는 매우 작은 분산 및 분포 능력을 가지고 있으며 전체 어셈블리는 기존의 주조 공정에 직접 결합되기에 적합하지 않다.

전자기장을 사용하여 노(furnace)의 용기에서 용융 금속을 교반하기 위한 방법과 장치가 알려져 있다. 이동 자기장 유도기가 노의 수직 벽을 따라 위치된다. 노는 용융 금속을 위한 통로를 포함한다. 그 통로부터 용기 안으로 유입하는 용융 금속의 스트림은 주로 용기의 벽을 따라 안내된다. 그러나, 상기 장치 및 그의 시스템은, 용기의 중간부에서의 제트(jet) 혼합의 강도가 그 용기의 벽을 따라서 보다 더 낮기 때문에 목적을 달성하지 못한다. 그래서, 용기의 중간부에 있는 고체 금속을 용융시키기 위해, 추가적인 기계적 접촉 교반이 필요하다. 또한, 다른 교반 방법은, 원운동을 하여 액체를 교반하는 자성 비드(magnetic bead)를 용융 금속 내에 배치하는 것이다. 상기 방법과 장치의 사용을 제한하는 다른 단점은, 유도기를 분리시키고 통로로부터의 슬래그 제거를 위해 플레이트를 교체하기 위해서는 노를 장기간 가동 중단시킬 필요가 있다는 것이다.

다른 종래 기술에서, 노의 일 단부를 따라 있는 고정 포켓을 갖는 노가 알려져 있는데, 그 아래에 유도기가 배치된다. 포켓의 바닥은 노의 바닥과 동일면에 위치된다. 금속은 포켓을 따라 펌핑되고 용기의 벽에 있는 창(window)을 통해 용기에 들어가게 된다. 용기의 중간부에서의 교반 강도는 그 용기의 측면에서 보다 낮다.

다른 종래 기술에 따르면, 그의 목표는, 용해로의 실질적인 재구성을 필요로 하지 않는 교반 장치를 제공하는 것인데, 이 교반 장치는 용해로의 용기에서 용융 금속의 효과적인 제트 혼합을 보장해야 한다. 교반은 간헐적으로 이루어진다. 설정된 목표는 달성되지 않는데, 왜냐하면, 제트의 형태로 노의 용기 안으로 버려질 수 있는 용융 금속의 양이 장치의 관의 용량을 초과할 수 없기 때문이다. 상기 장치의 단점은, 관으로부터 슬래그를 제거하는 데에 힘이 들며 또한 기계적 구동 펌프의 관의 진행이 복잡하다는 것이다.

또 다른 종래 기술에 따르면, 용융 금속을 처리하기 위한 회전 장치가 제공되어 있는데, 여기서, 챔버, 입구 보다 큰 단면을 갖는 출구 및 지붕과 기부에 있는 절개부의 조합에 의해, 용융 금속의 탈기 및 혼합 모두가 개선되고, 그래서, 탈기/혼합의 동일한 효율을 유지하면서 회전 속도를 줄일 수 있어, 축과 회전자의 수명이 길어지고 또는 탈기/혼합 시간이 동일한 회전자 속도에서 더 효율적으로 얻어질 수 있어, 처리 시간을 줄일 수 있는 기회가 제공된다. 그러나, 용융 금속의 점도 및 챔버, 출구 및 입구의 치수에 따라 회전 속도를 제어 조절하는 것은 어려운 일이다. 액체 금속에서 형성되는 와류 및 액체 표면 근처에서의 심한 난류로 인해, 가스 및 다른 오염물질의 심각한 포집이 일어나게 된다.

또 다른 종래 기술에 따르면, 진동 유체 교반 장치가 제공되어 있는데, 이 교반 장치는, 유체를 수용하기 위한 탱크; 진동기를 포함하는 진동 발생부; 상기 탱크와 진동 발생부 사이에 배치되는 진동 흡수 부재; 진동 발생부에 작동 연결되어 있고 탱크 안에서 연장되어 있는 진동 바아; 및 진동 바아에 부착되는 진동 베인을 포함하고, 진동 흡수 부재는 고무판 또는 고무판과 금속판의 적층체를 포함한다. 시스템의 성능은 진동 흡수 부재에 달려 있고 또한 그 시스템은, 진동수의 제어 조절이 매우 어렵기 때문에 액체가 탱크 밖으로 흩어지는 단점을 가지고 있다.

액체 금속을 처리하기 위한 현재의 기계적 또는 전자기적 교반은 액체 표면 근처에서 난류를 일으키게 되는데, 이 난류는 대부분의 주조 공정에 유해한 것이다. 그러므로, 비교적 안정적인 액체 표면을 얻기 위해 교반 속도는 제한되어야 하고, 따라서 액체 금속 처리의 효과 및 효율 모두가 저하된다.

본 명세서를 읽고 이해하면 통상의 기술자에게 명백하게 될 전술한 이유로, 고화 처리 전의 액체 금속 처리를 위한 시스템 및 방법으로서, 규모 조정 가능하고 새로운 기술의 플랫폼에 독립적이고 양립가능하며, 또한 용이하고 비용 효과적으로 유지되고 휴대 가능하며 또한 매우 적은 시간 내에 어느 곳에도 전개될 수 있는 최소한의 자원을 사용하는 상기 시스템 및 방법이 당업계에서 필요하다.

그러므로, 기존의 주조 공정에 쉽게 적용 가능하고 또한 용융물 표면으로부터의 가스 및 다른 오염물질의 포집을 피하면서 강한 용융물 전단을 제공할 수 있고 또한 하류에서의 처리에 필요한 액체 또는 반고체 슬러리/공급 재료를 가압하여 그러한 전단된 용융물을 스트림 아래에 공급할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이 유리할 것이다.

본 발명은 고전단(high shear) 액체 금속 처리 장치를 제공하는 바, 이 금속 처리 장치는,

제1 단부와 제2 단부 사이에 연장되어 있는 길이 방향 축선을 가지며 또한 상기 제1 및 제2 단부에서 개구를 가지고 있는 배럴;

상기 배럴의 길이 방향 축선에 평행하게 그 배럴을 통과하여 중심에 장착되는 회전자 축;

상기 배럴 내부에서 상기 축의 축방향 길이를 따라 장착되는 복수의 회전자 팬으로서, 각각의 회전자 팬은 그의 외측 단부가 배럴의 내벽의 최소 거리 내에 있도록 형성되어 있는 복수의 회전자 팬; 및

상기 배럴의 내부 표면에 형성되는 복수의 고정자 플레이트를 포함하고,

상기 고정자 플레이트는 인접하는 회전자 팬 사이에 위치되고, 각각의 고정자 플레이트는 내부 표면으로부터 실질적으로 회전자 축까지 연장되어 있고, 각각의 고정자 플레이트에는 적어도 하나의 통로가 관통 형성되어 있어 유체가 고정자 플레이트를 통과할 수 있게 해주며, 각각의 고정자 플레이트의 상하측 표면은 인접하는 회전자 팬의 최소 거리 내에 있도록 형성되어 있고,

상기 최소 거리는 10 ㎛ 내지 10 mm 사이 이다.

본 발명은 또한 본 발명의 장치를 사용하여 액체 금속을 처리하는 방법을 제공하는 바, 본 방법에서는, 회전자 팬이 1 rpm 내지 50,000 rpm 사이의 속도로 회전되고 있고 있을 때 상기 액체 금속은 제1 단부에서부터 제2 단부까지 배럴을 통과하게 된다.

즉, 본 발명은 금속 재료, 미립자 강화 금속 매트릭스 복합 재료(MMC) 및 섞임 불가능 합금의 추가 고화 처리를 위한 공급 재료로서 처리된/조정된 액체 금속을 제공하기 위한 장치 및 방법이다.

본 발명의 장치 및 방법은, 액체 금속 또는 금속 매트릭스 복합 재료(MMC)에서 화학 조성을 균질하게 할 수 있고 또한 가스 상(phase), 액체 상 및 고체 상을 분산 및 분포시킬 수 있다. 또한, 상기 장치 및 방법은 다양한 주조 공정 구조에서 실시될 수 있다. 본 발명의 방법은 독립형 시스템 또는 내장형 시스템으로서 실시될 수 있다.

본 발명은 금속 재료의 고화 처리 전의 액체 금속 처리를 위해 사용될 수 있다. 특히, 액체 금속은 본 장치가 가할 수 있는 높은 전단으로 인해 그 장치에 의해 처리될 수 있다. 이는, 개재물 및 기체 요소를 제어하고 용융물의 조성 및 온도를 균질화하고 화학 반응 또는 액체 상을 포함하는 상 변태를 위한 동적 조건을 향상시키며 이종 상(heterogeneous phase)을 함유하는 재료를 혼합하고 주조 미세조직을 정련하여(refine) 주조 결함을 제거하거나 감소시키고 또한 다양한 작용제(agent)를 분산시키는 수단을 제공한다. 그 결과, 본 발명은, 고압 다이 캐스팅, 저압 다이 캐스팅, 중력 다이 캐스팅, 사형 주조, 인베스트먼트(investment) 주조, 직접 냉각 주조, 쌍 롤 주조, 및 공급 재료로서 액체 금속을 필요로 하는 다른 주조 공정과 같은(이에 한정되지 않음) 다양한 주조 기술에 적용될 수 있다.

본 발명의 주 목적은, 금속 재료, 미립자 강화 금속 매트릭스 복합 재료(MMC) 및 섞임 불가능 합금의 추가 고화 처리를 위한 공급 재료로서 처리된/조정된 액체 금속을 제공하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 액체 금속 또는 입자 또는 가스에서 화학 조성을 균질하게 할 수 있고 또한 가스 상, 액체 상 및 고체 상(상기 금속과 반응하여 금속 매트릭스 복합 재료(MMC)를 형성함)을 분산 및 분포시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 장치 및 방법은, 화학 반응 및 적어도 하나의 액체 상과 관련된 상 변태를 위한 동적 조건을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 금속 재료의 반고체 슬러리를 처리하는 데에 유리하다. 특히, 반고체 슬러리에 대한 전단 효과는, 형성된 수지상 결정(dendrite)을 분해시켜 미세조직이 등축적(equiaxial)이거나 등축 상태로 유지되도록 하는 것이다. 이는 금속 재료의 항복 응력이 입자 크기에 반비례하기 때문에 특히 중요할 수 있으며, 그 입자 크기는 전단율에 반비례한다. 또한, 금속이 이러한 환경에서 고화되면(심지어 부분적으로), 반고체 슬러리가 충분한 시간 동안 충분한 전단을 받는 경우 결과적인 입자 조직은 등축적으로 되는 경향이 있다.

본 발명은 액체 금속 재료를 완전히 처리하는 데에 유리하다. 특히, 본 발명은 액체 재료 내에 입자를 고르게 분포시켜 핵 형성 자리의 고른 분포를 제공하게 되며, 그 결과, 최종 고체 재료에 미세하고 균질한 미세조직이 생길 수 있다.

본 발명은, 정련된 미세조직과 감소된 주조 결함을 갖는, 고품질 금속 재료와 금속 매트릭스 복합 재료(MMC) 및 금속 발포체를 제조하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은, 액체 표면 근처에서 심한 난류를 유발함이 없이, 높은 전단율 하에서의 분산적인 혼합 및 전체 양의 액체 금속에서 거시적 유동과의 분포적인 혼합을 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 장치는 인라인 합금화 노(furnace)에서 사용될 수 있다. 대안적으로, 상기 장치는 주조 환경에서 액체 금속용 펌프로서 사용될 수 있고, 동시에, 전단되고 정련된 재료를 제공한다. 대안적으로, 상기 장치는 금속을 재활용하기 위해 잠재적인 밀(mill)로서 사용될 수 있다. 추가 대안으로서, 본 발명에 따른 장치는, 압출물(시트 금속을 형성하기 위해 반고체 상태로 한 세트의 롤러 안으로 공급될 수 있음)을 만들기 위해 단순한 프로파일드(profiled) 다이를 부착하여 압출 공정에서 압력 제공기로서 사용될 수 있다.

회전자 축과 회전자 팬의 회전은 통상의 기술자에게 명백한 어떤 방식으로도 이루어질 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 축과 팬의 회전은, 유체가 상기 장치를 통과함에 따라 그 유체가 팬과 축을 회전시키는 작용을 하도록 유체를 압력 하에서 상기 장치에 공급함으로써 이루어질 수 있다. 이를 달성하기 위해, 팬은 적절한 방식으로 형성될 필요가 있을 것이고, 통상의 기술자는 이러한 결과를 얻기 위해 팬을 형성할 수 있는 다양한 방법을 쉽게 이해할 것이다.

대안적으로 또는 추가적으로, 본 발명의 장치는 회전자 팬을 회전시키기 위해 회전자 축에 연결되어 있는 모터를 더 포함할 수 있다. 이 모터는 회전자 축에 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 모터는 플랫폼에 설치될 수 있고 회전자 축에 연결되어 회전자 팬을 구동시킬 수 있다.

일반적으로, 본 발명의 장치는 전통적인 배향으로 사용될 것인데, 그래서, 장치가 사용될 때 배럴의 제1 단부가 가장 위쪽에 있게 된다. 그러나, 상기 장치는 다른 배향으로도 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 장치는 실질적으로 반대의 배향으로 사용될 수 있는데, 이 경우, 배럴의 제1 단부는 가장 아래쪽에 있고 액체 금속은 배럴을 통해 위쪽으로 펌핑된다. 이는, 상기 장치가 탈기를 위해 그리고/또는 MMRC의 제조를 위해 사용되는 경우에 바람직할 수 있다. 반대의 배향으로 사용되는 경우, 가스는 장치를 통과하는 액체 금속을 통해 기포화될 수 있고, 그리하여, 가스와 액체 금속의 반응에 의해 산화물, 탄화물 또는 다른 개재물이 형성된다.

본 발명에 따른 장치는 상기 배럴의 제1 단부에 형성되는 저장부를 포함할 수 있다. 그 저장부 다음에는, 배럴 내부의 고정자 플레이트와 회전자 팬이 번갈아 배치되어 있다. 저장부 스테이지는, 저장부 내에 있는 액체 금속의 소용돌이를 방지하기 위해 위치되는 내부 배플(baffle)을 포함할 수 있다. 고정자 플레이트는 저장부의 하측 부분을 형성할 수 있고, 배플은 고정자 플레이트 바로 밑에 있는 회전자 팬에 의해 생기는 상류 소용돌이를 방지하도록 형성될 수 있다.

고정자 플레이트는 통상의 기술자에게 명백한 어떤 방식으로도 형성될 수 있다. 각각의 고정자 플레이트는, 배럴 안으로 끼워져 그 배럴에 의해 함께 유지되는 원형 플레이트의 두 절반부로 이루어지는 것이 바람직할 수 있으며, 이 두 절반부의 중심부에는 회전자 축이 통과할 수 있는 구멍이 형성되어 있다.

고정자 플레이트는 일반적으로, 소용돌이 유체가 상기 플레이트를 관통해 형성되어 있는 적어도 하나의 통로를 통과할 때 그 소용돌이 유체(액체 금속)의 운동 에너지를 유체의 압력으로 전환시키는 작용을 하도록 형성된다.

각각의 고정자 플레이트는 이를 관통해 형성되어 있는 적어도 하나의 통로를 가지고 있다. 각각의 고정자 플레이트는, 액체 금속이 상기 플레이트를 통과할 수 있도록 관통 형성되어(예컨대, 천공되어) 있는 복수의 구멍을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 상기 구멍의 직경은 어떤 적절한 크기라도 될 수 있고 바람직하게는 0.5 mm 내지 10 mm 일 수 있다. 고정자 플레이트에 있는 구멍의 직경은 배럴의 세로 길이를 따라 일정할 수 있고 또는 적절한 방식으로 변할 수 있다. 그러나, 상기 구멍의 직경은 배럴의 세로 길이를 따라 감소하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 고정자 플레이트에 있는 구멍의 직경은, 배럴의 길이 방향 축선을 따른 고정자 플레이트의 위치에 의해 결정될 것이며, 배럴의 제1 단부에 더 가까이 있는 플레이트가 그 배럴의 하측 단부에 더 가까이 있는 플레이트 보다 비교적 더 큰 구멍을 갖는다.

본 발명의 장치는 이 장치가 사용되는 온도에서 녹지 않거나 과도하게 악화되지 않는 재료로 형성되어야 함을 이해할 것이다. 그 결과, 상기 장치는 200℃ 이상, 더 바람직하게는 600℃ 이상, 가장 바람직하게는 1000℃ 이상의 녹는점을 갖는 재료(들)로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 높은 녹는점을 갖는 재료로 형성된 장치는 액체 금속 처리의 고온 환경에서 사용되기에 적합하다.

본 발명의 각 회전자 팬은 적어도 바람직하게는 하나의 블레이드를 포함한다. 각 블레이드는, 회전시 액체 금속에 에너지를 부가하고 그 액체 금속을 인접하는 고정자 플레이트를 통해 아래로 미는 작용을 하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 장치에 의해 생기는 높은 전단은 각 회전자 팬과 인접 고정자 플레이트 사이의 최소 거리의 결과이다. 특히, 회전자 팬이 10 ㎛ 내지 10 mm의 최소 거리 내에 위치됨으로써, 장치 내의 액체 금속은 회전자 팬의 회전시 높은 전단을 받을 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 장치는 보호 하우징을 추가로 포함하는데, 고정자 플레이트, 배럴 및 회전자 팬 모두가 그 보호 하우징 안에 포함된다.

바람직하게는, 본 발명의 장치는 부시를 포함한다. 이 부시는 상기 하우징 또는 회전자 축에 고정된다.

본 발명의 회전자 축에는 나사산이 형성될 수 있어, 회전자 팬이 그 회전자 축에 쉽게 장착되고 너트를 사용해 제자리에 유지될 수 있다.

본 발명의 방법은 본 발명의 장치를 사용하여 액체 금속을 뱃치(batch)식으로 또는 연속적으로 강하게 전단할 수 있다. 이는, 액체 금속의 탈기, 반고체 슬러리의 제조, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조, 금속 발포체의 제조, 섞음 불가능 금속 액체의 혼합, 재순한, 합금화, 액체 금속의 펌핑, 추가 고화를 위한 조정된 액체 금속의 제공 또는 기존의 주조 공정에서의 액체 금속 처리를 포함하는(이에 한정되지 않음) 액체 금속 처리 방법의 일 부분으로서 행해질 수 있다.

작동 중에, 모터는 모터 축을 구동시켜 고정자 플레이트 사이의 회전자 팬을 회전시킬 수 있다. 팬이 적절히 형성되어 있다면, 이는 하류에서 장치 내의 액체에 작용하는 부압(negative pressure) 및 액체의 소용돌이를 발생시킬 것이다. 액체가 고정자 플레이트를 가로질러 소용돌이 운동을 함에 따라, 액체 금속은 회전자 팬과 고정자 플레이트 사이의 작은 틈으로 인해 전단된다. 회전자 팬은 높은 속도로 회전될 수 있고, 그리하여, 팬이 액체 금속을 자르고 또한 액체가 팬을 가로지를 때 그 액체 금속의 전단이 일어나게 된다.

또한, 팬의 회전에 의해 액체 금속이 각 고정자 플레이트에 형성되어 있는 적어도 하나의 통로를 통해 밀리고 그리하여 액체 금속이 더 전단될 것이다. 액체 금속이 고정자 플레이트를 통과함에 따라, 액체 금속에서 유동의 소용돌이 요소가 감소되고, 이 결과, 고정자 플레이트에서 압력 증가가 일어난다.

본 발명의 일부 실시예에서, 배럴의 직경은 그의 제1 단부에서부터 제2 단부까지 감소될 수 있다. 이들 실시예에서는, 전술한 바와 같이 일단 액체 금속이 고정자 플레이트에 형성되어 있는 적어도 하나의 통로를 통과하면, 그 액체 금속은 통과한 고정자 플레이트와 다음 고정자 플레이트 사이에 형성되어 있는 더 작은 공간 안으로 들어가게 된다. 이는 배럴의 직경이 감소하기 때문이다. 그래서, 이 단계에서 액체 금속의 압력이 증가된다. 액체 금속은 고정자 플레이트를 통과한 후에 다른 회전자 팬을 만나게 되고, 액체 금속이 배럴의 하측 단부 밖으로 나갈 때까지 전술한 공정이 반복된다.

본 발명에 따른 장치는 충분한 회전자 팬과 고정자 플레이트를 포함할 것이고, 그래서, 장치를 통과하는 액체 금속은 충분하고 강한 전단을 받게 될 것이고 또한 액체 금속의 원하는 처리가 일어나기에 충분한 압력을 받게 될 것이다. 필요한 전단과 압력은 상기 장치의 실시예의 특정한 의도된 용도에 의해 결정될 것이다.

각 회전자 팬은 하나 이상의 팬 블레이드를 포함할 수 있다. 각 블레이드는 배럴의 길이 방향 축선에 평행하거나 그 길이 방향 축선에 대해 각도를 이룰 수 있으며 또는 배럴의 길이 방향 축선에 대한 배향이 길이를 따라 변하도록 만곡되어 있을 수 있다. 각 블레이드의 형상은, 실용적으로 제조 및 조립될 수 있다면, 원통형, 정사각 기둥형, 프리즘형 및 규칙적이든 불규칙적이든 다른 기하학적 몸체일 수 있다. 개별 블레이드의 형상은 서로 다를 수 있고, 한 블레이드의 표면은 평평하거나 만곡되어 있거나, 또는 서로 다른 기하학적 표면들이 조합된 것일 수 있다. 단일의 회전자 팬이 서로 다른 형상의 블레이드를 포함할 수 있다. 회전자 팬의 블레이드는 회전자 축 주위에 대칭적으로 분포되는 것이 바람직하지만, 그럴 필요는 없다. 특히 더 큰 세라믹 예를 고려할 때, 구조적 안정성의 목적으로, 회전자 팬은 회전자 팬의 모든 블레이드의 외측 선단/가장자리를 결합하기 위해 사용되는 외측 주변 링을 포함할 수 있고, 그래서 팬의 구조적 온전성이 유지되고 또한 장치의 사용 중에 원심력에 의해 블레이드에 가해지는 인장 응력이 감소될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 하나 이상의 회전자 팬의 블레이드는 중공형일 수 있고 또한 공기 또는 다른 재료가 팬을 통해 액체 금속 안으로 공급될 수 있도록 형성될 수 있다. 회전자 팬을 이렇게 형성하면, 공기 또는 MMRC 입자(또는 다른 적절한 재료)를 액체 금속에 도입하여 그 액체 금속의 처리를 향상시킬 수 있다.

각 고정자 플레이트를 관통해 형성되어 있는 구멍의 형상은, 장치 내의 액체 금속이 효율적으로 또한 실용적으로 전단된다면, 둥근 구멍, 정사각형 구멍, 슬롯 등일 수 있다. 적절한 크기의 둥근 구멍이 일반적으로 선호된다. 고정자 플레이트의 기능은, 전단을 제공하고 또한 액체 유동의 운동 에너지를 압력 에너지로 전환시켜 압력 형성 및 장치의 수송 능력을 도움으로써 상기 액체 유동의 운동 에너지를 감소시키는 것이다.

본 발명의 고정자 플레이트는, 전단을 제공하고 유동의 운동 에너지를 감소시켜 그 운동 에너지를 압력 에너지로 전환시키기 위해 중실 플레이트 대신에 고정자 플레이트로 구성될 수 있다. 즉, 하나 이상의 구멍이 관통 형성되어 있는 중실 플레이트로 고정자 플레이트를 형성하는 것에 대한 일 대안으로, 하나 이상의 고정자 플레이트는 배럴의 내벽으로부터 나온 또는 그에 부착된 또는 그 내벽 안으로 슬롯팅된 블레이드의 링으로 이루어질 수 있다. 이들 블레이드는, 운동 에너지를 압력 에너지로 전환시키고 높은 전단을 제공하는 동일한 기능을 얻도록 성형될 수 있다. 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 블레이드의 형상은, 실용적으로 제조 및 조립될 수 있다면, 원통형, 정사각 기둥형, 프리즘형 및 규칙적이든 불규칙적이든 다른 기하학적 몸체일 수 있다. 개별 블레이드의 형상은 서로 다를 수 있고, 한 블레이드의 표면은 평평하거나 만곡되어 있거나, 또는 서로 다른 기하학적 표면들이 조합된 것일 수 있다. 동일한 고정자 플레이트에 대해 서로 다른 블레이드가 사용될 수 있다. 블레이드는 고정자 플레이트 주위에 대칭적으로 분포될 필요는 없다. 고정자 블레이드는 만곡되어 있고 그리고/또는 구멍을 가질 수 있다. 작동 중에, 모터가 회전자 축을 통해 회전자에 동력을 공급하고 회전자를 구동시켜 고정자 사이에서 회전되게 한다.

하나 이상의 고정자 플레이트가 블레이드로 형성되면, 사용시 액체 금속은 블레이드 사이에서 고정자 플레이트를 통과할 것이다. 사용시, 회전자 팬과 고정자 플레이트 사이의 작은 틈 때문에, 회전자 팬과 고정자 플레이트 사이의 액체 금속은 높은 전단을 받게 된다. 회전자 팬의 회전의 결과로 발생되는 원심력 때문에 외향 유동 성분이 또한 발생된다. 이의 영향을 받는 액체 금속은 회전자 팬의 외측 가장자리와 배럴 내벽 사이에서 이 둘 사이의 좁은 틈 내에서 전단될 것이다.

사용시, 본 발명의 장치의 회전자 축 및 회전자 팬은 어떤 적절한 속도로도 작동될 수 있다. 일반적으로, 회전자 축은 1 rpm 내지 50,000 rpm 사이의 속도로 회전되는 것이 바람직할 것이다. 통상의 기술자라면 바람직한 회전 속도를 쉽게 결정할 것이다.

본 발명에 따른 장치의 하나 이상의 회전자 팬은, 각기 회전자 팬을 형성하는 블레이드의 선단 주위에 형성되는 외측 주변 링을 포함할 수 있다. 이러한 구성은, 회전자 팬이 세라믹계 재료로 형성되는 경우에 유리한데, 더 간단한 구성을 가능하게 하기 때문이다. 이는, 알루미늄과 같은 부식성이 더 큰 액체 금속 및 고 녹는점 합금의 처리에 사용되는 장치에 특히 적합하다. 외측 주변 링의 존재로 인해, 심지어 반경 방향 응력도 회전자 팬을 따라 전달될 수 있다.

본 발명의 방법의 일부 실시예에서, 본 발명에 따른 장치는 사용 중에 처리되고 있는 재료의 통에 완전히 침지될 수 있다.

본 발명의 장치의 일부 실시예에서, 회전자 축은 상기 장치의 제1 단부 위쪽으로(또한 저장부가 존재한다면 그 저장부 위쪽으로도) 연장될 수 있고 그래서 중공 관에 의해 지지될 수 있어, 사용 중에 회전자 축의 뒤틀림이 방지될 수 있다.

본 발명의 장치의 배럴의 내벽은 그의 길이 방향 축선에 대해 실질적으로 원통 대칭형이다. 그래서, 회전자 팬의 외측 단부가 내벽의 최소 거리 내에 유지될 수 있다. 본 발명의 배럴의 내벽은 원주 방향 슬롯을 포함하고 있어 고정자 플레이트가 그 슬롯에 쉽게 장착되어 유지될 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 그의 길이 방향 축선을 따라 어떤 적절한 단면 프로파일이라도 가질 수 있다. 배럴은 그의 제1 단부에서 가장 넓고 하측 단부 쪽으로 가면서 점진적으로 좁아지는 것이 바람직할 수 있다. 이는 액체 금속이 배럴을 통과할 때 그 액체 금속에서 압력 증가를 용이하게 해주기 때문에 바람직할 수 있다. 대안적으로, 배럴은 그의 길이 방향 축선을 따라 실질적으로 일정한 직경을 가질 수 있다.

추가 대안으로서, 배럴은 벤튜리 미터(venturi meter)와 같이 성형될 수 있고, 넓어지다가 좁아지다가 다시 넓어지는 단면을 가질 수 있다. 추가 대안으로서, 배럴은 좁아지다가 넓어지다가 다시 좁아지는 단면을 갖도록 반대로 성형될 수 있다. 이들 단면 모두는 장치를 통과하는 액체를 압축 및 팽창시켜, 전단/혼합/공정 시간을 향상시키는 데에 이용될 수 있는 주기적인 압력 변동을 제공할 수 있다.

본 발명의 장치의 일부 실시예에서, 회전자 팬 및/또는 고정자 플레이트는, 회전자 팬의 회전시 상기 장치를 통해 액체를 끌어들이도록 형성될 것이다. 이들 실시예에서, 장치는 제1 단부의 개구가 액체 금속에 침지되어 위치된 상태에서 작동될 수 있고, 그래서 액체 금속이 그 개구를 통해 장치 안으로 자동적으로 끌려 들어가게 된다.

본 발명의 일부 실시예에서, 하나 이상의 회전자 팬은, 길이 방향으로 서로 이격되어 있는 두 세트의 블레이드로 형성될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 고정자 플레이트는, 길이 방향으로 서로 이격되어 있는 2개의 평평한 플레이트로 형성될 수 있다. 이런 방식으로 형성되는 회전자 팬과 고정자 플레이트는 더 강한 압력 형성 및 유동 확산을 제공할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 회전자 팬은 회전자 축 주위에 또한 이 축을 따라 나선형으로 배치될 수 있고, 고정자 플레이트는 상호 협력적인 나선형으로 배럴의 내벽 주위에 배치될 수 있다. 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 이를 달성하기 위해, 각각의 고정자 플레이트 및 각각의 회전자 팬은 완전한 원형은 아닐 수 있고 대신에 회전자 축 주위로 일 부분에 걸쳐서만 연장되어 있으면 된다. 그럼에도 불구하고, 배럴의 길이 방향 축선을 따른 방향으로 회전자 팬과 고정자 플레이트는 서로 번갈아 위치된다.

본 발명의 배럴은 통상의 기술자에게 명백한 어떤 방식으로도 구성될 수 있다. 예컨대, 배럴은 2개의 개별적인 절반부로 구성될 수 있는데, 그 두 절반부는 다음에 배럴을 조립하기 위해 함께 결합된다. 이는 홀딩 링을 사용하여 이루어질 수 있는데, 제1 홀딩 링은 배럴의 제1 단부에서 또는 그 근처에서 배럴 주위에 형성되고 제2 홀딩 링은 배럴의 제2 단부에서 또는 그 근처에서 배럴 주위에 형성된다. 대안적으로, 두 절반부는 간단히 함께 단단히 볼트 체결될 수 있고, 볼트 체결되는 단순한 플랜지를 사용하여 두 절반부 사이의 시일을 이룰 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 배럴은 하우징 내부에 포함될 수 있는데, 그래서 배럴 부품이 파손된 경우에 액체 금속이 그 하우징 안에 포함되어 유지된다.

본 발명의 일부 실시예에서, 상기 장치는 배럴 내부의 재료의 온도를 제어하기 위해(예컨대, 배럴 내부의 재료의 정확한 온도 구배를 보장하기 위해) 하나 이상의 가열기를 더 포함할 수 있으며, 이 가열기는 배럴의 외부에 있거나 그 배럴과 일체적으로 되어 있다. 가열기는 통상의 기술자에게 명백한 어떤 방식으로도 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 장치를 형성하는 재료는, 통상의 기술자에게 즉시 명백하게 될 재료 요건을 만족해야 할 것이다. 이 요건으로서 다음과 같은 것들이 있지만 그에 한정되지 않는다:

상기 재료는 장치가 사용되는 온도에서 높은 강도와 높은 내구성을 가져야 한다;

상기 재료는 함께 사용되는 액체 금속의 부식적인 특성에 견디도록 내부식성을 가져야 한다;

상기 재료는 이용 가능한 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있어야 한다; 그리고

상기 재료의 가격은 적절해야 한다.

세라믹, 흑연, 강, 고온 합금 및 다른 재료가, 원하는 온도(상기 장치가 사용되는 액체 금속에 의해 정해짐)에서 충분한 강도와 화학적 안정성을 가지고 있다면 고전단 장치의 제조에 사용될 수 있다. 예컨대, 무니켈 고온 강이, 액체 마그네슘 합금의 처리/조정을 위한 상기 고전단 장치를 만들기 위한 바람직한 재료이다. 흑연, M0S12로 코팅된 몰리브덴 및 세라믹은, 알루미늄 합금의 처리/조정을 위한 상기 고전단 장치를 만들기 위한 바람직한 재료이다. 적절한 세라믹 재료는 질화물, 규화물, 산화물, 탄화물, 시알론(sialon) 및 기타 혼합형 세라믹을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 특히 바람직한 세라믹은 탄화규소, 산화알루미늄, 질화붕소, 질화규소 및 시알론을 포함한다. 흑연은 본 발명의 모든 실시예에서 부시용으로 적합한 재료 중의 하나임을 유의해야 한다.

본 발명의 장치는 많은 용도를 가지고 있다. 그 장치는 조정된 액체 금속을 롤링, 압출, 인발 등과 같은 다양한 주조 공정에 공급하기 위한 고전단 펌프로서 특히 유용하다.

본 발명의 장치는 또한, 조정된 액체 금속을 고품질 잉곳을 제조하기 위한 연속 잉곳 주조기에 공급하기 위해 용해로(melting furnace) 또는 유지로(holding furnace)에 통합될 수 있다. 상기 잉곳은 잘 분산된 산화물 입자를 함유할 수 있고 자기(self) 결정립 미세화 분말을 가질 수 있으며, 또한 고품질 주물을 위해 주조소에 대한 공급 재료로서 사용될 수 있다.

본 발명의 장치는, 조정된 액체 금속을 연속(또는 반연속) 주조 공정에 공급하기 위해 용해로 또는 유지로에 통합될 수 있다. 상기 연속 공정은 얇은 스트립을 얻기 위한 쌍 롤 주조, 잉곳 및 슬라브를 얻기 위한 직접 냉각 주조, 로드를 얻기 위한 업-캐스팅(up-casting), 및 공급 재료로서 액체 금속을 필요로 하는 다른 연속(반연속) 주조 공정을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 상기 조정된 용융물의 공급 속도는, 회전자 속도 및 상기 장치의 회전자 팬 및/또는 고정자 플레이트의 설계를 변경하여 제어될 수 있다.

본 발명의 장치는, 조정된 액체 금속을 성형 부품을 제조하는 형상 주조 공정에 공급하기 위해 용해로 또는 유지로에 통합될 수 있다. 상기 형상 주조 공정은, 고압 다이 캐스팅, 저압 다이 캐스팅, 중력 다이 캐스팅, 사형 주조, 인베스트먼트 주조, 및 공급 재료로서 액체 금속을 필요로 하는 다른 형상 주조 공정을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 상기 조정된 용융물의 일회 투입량은, 회전자 속도 및 상기 장치의 회전자 팬 및/또는 고정자 플레이트의 설계를 변경하여 제어될 수 있다.

본 발명의 장치는 다음과 같은 특성을 갖는 액체 금속을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 예는 순전히 실례를 들기 위한 것이고 포괄적인 것은 아니다.

상기 장치는, 다양한 주조 공정에서의 고화 처리에 적합한 공급 재료로서, 가스 함량이 낮고 산화물 막 및 기타 개개물이 잘 분산되어 있으며 온도가 균일하고 또한 화학 조성이 균질한 조정된 액체 금속을 제조할 수 있다.

상기 장치는 결정립을 미세화하고 주조 공정을 용이하게 하며 또한 주조 제품의 품질을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 장치는, 직접 조정된 액체 금속을 제공하는 투입 펌프로서, 등축 고화를 촉진하기 위한 직접 냉각 주조 및 쌍 롤 주조 공정과 형상 주조 공정에 직접 사용될 수 있다.

상기 장치를 사용하여 가스 상, 액체 상 및 독립적인 고체 상을 액체 매트릭스 안으로 분산 및 분포시켜, 예컨대, 높은 효율로 탈기하고, 섞임 불가능 금속 액체를 혼합하여 미세하게 분산된 미세조직을 만들고, 미세한 고체 입자가 잘 분산되어 있고 균일하게 분포되어 있는 금속 매트릭스 복합 재료를 제조하고 또한 상기 상들 간의 화학 반응을 향상시킬 수 있다.

상기 장치는 주조 환경에서 용융 금속을 펌핑하기 위해 사용될 수 있다. 그 장치는 인라인 합금화 노에서 사용될 수 있다. 상기 장치는 스크랩(scrap) 금속을 효과적으로 재순환시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 장치는 압출, 롤링, 와이어 인발 및 빌렛(billet)과 플레이트의 주조를 포함한 일련의 개장가능한(retrofitable) 반고체 성형법을 위한 상류 압력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

상기 장치는 고체 입자, 액적, 및 가스 기포를 액체 금속에 효과적으로 분산시키고 또한 균일하게 분포시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 장치는 액체 금속에 있는 고체 입자, 액적, 또는 가스 기포의 크기를 줄이기 위해 사용될 수 있다. 상기 장치는 액체 금속의 화학 조성과 온도장의 균질화를 개선하기 위해 사용될 수 있다.

상기 장치는, 액체 금속에 있는 내래 고체 입자 및 외래 고체 입자 모두를 활성화시켜 금속 재료의 상당한 결정립 미세화를 이룸으로써 금속과 합금에 물리적 결정립 미세화를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 상기 장치는 화학 반응 또는 적어도 하나의 액체 상과 관련된 상 변태를 위한 동적 조건을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시되어 있고 아래에서 설명되는 바람직한 실시예로부터 더 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치 및 그의 구성품의 제1 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 1의 장치를 사용하는 액체 금속 조정 공정을 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 1에 나타나 있는 장치를 사용하는 액체 금속 탈기 공정을 개략적으로 도시한다.
도 5는 종래의 직접 냉각(DC) 주조 공정과 도 1의 장치를 결합한 직접 냉각(DC) 주조 공정을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 장치의 실시예의 다양한 회전자 팬 및 고정자 플레이트를 개략적으로 도시한다.

본 발명에 따른 장치(1) 및 그의 구성품의 일 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 장치(1)는 배럴(2)을 포함하고, 이 배럴은 상측 단부(3)와 하측 단부(4) 및 이들 단부 사이에 연장되어 있는 길이 방향 축선을 갖는다. 배럴(2)의 직경은 그의 상측 단부(3)와 하측 단부(4) 사이에서 일정한 비율로 감소되어 있어, 배럴(2)은 역 절두 원추형으로 되어 있다.

회전자 축(5)이 길이 방향 축선을 따라 상측 단부(3)와 하측 단부(4) 사이에서 배럴(2)을 통해 연장되어 있다. 3개의 회전자 팬(6, 7, 8)이 회전자 축(5)에 장착되어 있다. 3개의 고정자 플레이트(9, 10, 11)가 배럴(2)의 내벽에 장착되어 있고 이 내벽으로부터 회전자 축(5)까지 연장되어 있다. 저장부(12)가 상측 회전자 팬(6)의 상방에서 배럴(2)의 상측 단부(3)에 형성되어 있다. 그 저장부(12)는, 이 저장부 내에서의 액체 소용돌이를 방지하는 배플(baffle)(13)을 포함하며, 그의 상측 단부에 장착되는 플레이트(15)를 가지고 있다. 이 플레이트(15)는 저장부(12)의 상측 단부를 형성하고, 또한 그 플레이트에는 개구(16)가 형성되어 있어 액체 금속이 상기 저장부에 들어갈 수 있게 해준다. 부시(bush)(14)가 회전자 축(5)의 상측 단부 근처에서 그 회전자 축에 장착되어 있다.

각 회전자 팬(6, 7, 8)의 상세가 도 1에 나타나 있다. 상측 회전자(6)는 실질적으로 평평한 16개의 회전자 블레이드로 이루어지고, 중간 회전자 팬(7)은 실질적으로 평평한 8개의 회전자 블레이드로 이루어지며, 하측 회전자 팬(8)은 실질적으로 평평한 4개의 회전자 블레이드로 이루어져 있다. 각 팬의 회전자 블레이드는 회전자 축(5)과 정렬되어 있고 회전자 팬(6, 7, 8)의 주위에 동일한 원주 방향 간격으로 이격되어 있다. 회전자 팬(6, 7, 8)은, 각 블레이드의 반경 방향 외측 단부가 배럴(2)의 내벽의 최소 거리 내에 위치되고 또한 각 블레이드의 상하측 표면이 인접하는 고정자 플레이트(9, 10, 11)의 최소 거리 내에 위치되도록 형성되어 있다. 최소 거리는 10 mm 미만이다. 도 1은 개략도이므로 고정자 플레이트(6, 7, 8)와 회전자 팬(9, 10, 11) 사이의 틈은 상기 도에서 과장되어 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 또한 고정자 플레이트(9, 10, 11)의 상세를 나타낸다. 고정자 플레이트는 실질적으로 평평한 플레이트를 포함하고, 이 플레이트에는 복수의 구멍(17)이 관통 형성되어 있다. 이들 구멍은 액체 금속이 플레이트(9, 10, 11)를 통과할 수 있게 해준다. 도 1은 또한 배플(13)의 상세를 나타낸다. 이 배플(13)은, 복수의 구멍이 관통 형성되어 있는 플레이트를 포함하고, 다수의 수직 블레이드가 배플(13)의 표면으로부터 연장되어 있어 저장부 내에서의 액체 소용돌이를 방지한다. 도 1의 아래쪽 좌측 코너에 나타나 있는 바와 같이, 배럴(2) 및 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 함께 고정되는 2개의 절반부로 형성되어 있다.

사용시, 액체 금속은 상측 플레이트(15)에 있는 구멍(16)을 통해 장치(1) 안으로 제공된다. 이 액체 금속은 저장부(12)에 들어가고 그런 다음에 배플(13)과 상측 고정자 플레이트(9)를 통과하여 배럴(2)에 들어가게 된다. 그런 다음 액체 금속은 배럴의 하측 단부(4)에서 그 배럴(2)을 떠나기 전에 상기 장치(1)를 통과할 수 있다. 액체 금속이 장치(1)를 통과하는 중에, 회전자 축(5) 및 회전자 팬(5)이 1 rpm 내지 50,000 rpm 사이의 속도로 회전된다. 이는 회전자 블레이드와 배럴의 내벽 사이 또는 회전자 블레이드와 고정자 플레이트(9, 10, 11) 사이에서 금속을 전단(shearing)하는 작용을 한다. 회전자 블레이드가 내벽과 고정자 플레이트(9, 10, 11) 모두의 최소 거리 내에 있기 때문에, 액체 금속은 높은 전단을 받고 처리된다.

본 발명에 따른 장치(1)의 일 대안적인 실시예가 도 2에 나타나 있다. 도 2의 장치(1)는 도 1의 장치와 유사하고 또한 그와 동일한 원리에 따라 작동하는데, 그래서 장치(1)의 동일한 구성품은, 적절하다면 동일한 참조 번호로 나타나 있고, 또한 상당한 구조적 차이가 있는 경우를 제외하고는 상세히 설명되지 않을 것이다.

도 2의 장치(1)는, 배럴(2)이 실질적으로 원통형이고 그의 길이 방향 축선을 따라 일정한 직경을 갖는다는 점에서 도 1의 장치(1)와 다르다. 결과적으로, 고정자 플레이트(9, 10, 11) 각각은 서로 동일하고 회전자 팬(6, 7, 8) 각각은 서로 동일하다. 또한, 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 동일한 원주 방향 간격으로 이격되어 있는 복수의 블레이드로 형성되며, 서로 인접하는 블레이드들 사이에는 통로가 형성되어 있다. 블레이드는 평평하고 배럴(2)의 길이 방향 축선에 대해 각도를 이루고 있다. 회전자 팬(6, 7, 8)은 유사한 방식으로 형성되지만 더 적은 수의 블레이드를 포함하고, 그 결과, 블레이드 사이의 통로는 더 크게 되어 있다. 회전자 팬(6, 7, 8)과 고정자 팬(9, 10, 11) 모두는 블레이드를 지지하는 작용을 하는 반경 방향 외측 링을 갖는다. 회전자 팬(6, 7, 8)의 블레이드는, 장치(1)가 작동 중일 때 배럴(2)을 통해 액체 금속을 끌어 들이도록 형성되어 있다.

도 4, 5 및 6은 도 1의 실시예에 따른 상기 장치(1)의 가능한 적용예를 보여준다. 이들 도에서 장치(1)는 삼각형으로 개략적으로 나타나 있다. 도 4는 상기 장치(1)를 사용하는 액체 금속 조정(conditioning) 공정을 개략적으로 도시한다. 도 5는 상기 장치(1)를 사용하는 액체 금속 탈기(degassing) 공정을 개략적으로 도시한다. 도 6은 상기 장치(1)를 사용하는 직접 냉각 주조 공정을 개략적으로 도시한다. 통상의 기술자는, 이들 공정 각각이 일반적으로 수행되는 통상적인 방식을 쉽게 이해할 것이며, 그래서 본 명세서에서는 반복하지 않을 것이다. 오히려, 본 발명의 장치(1)의 사용 실시를 각각의 관련 공정을 참조하여 설명할 것이다.

도 4에 나타나 있는 공정에서, 상기 장치(1)는 조절 가능 플랫폼(22)에 고정되어 있고 회전자 축(5)은 모터(나타나 있지 않음)로 구동된다. 장치(1)의 위치는, 이 장치가 상기 플랫폼의 위치 조절에 의해 도가니(20) 내의 액체 금속(21)에 부분적으로 침지되도록 제어된다. 도가니(20)는 액체 금속(21)을 원하는 온도로 유지시키기 위해 가열된다.

작동 중에, 액체 금속(21)은 회전자 팬의 회전에 의해 상기 장치의 상측 단부를 통해 그 장치 안으로 끌려 들어가고 높은 전단을 받게 된다. 그런 다음 액체 금속(21)은 장치의 하측 단부에서 그 장치(1)를 나가게 된다. 회전자 팬의 작용에 의해 액체 금속(21)이 장치(1)를 통과함으로써, 도면에서 화살표로 나타나 있는 바와 같이 거시적 유동 패턴이 도가니 안에서 나타나게 된다. 이 거시적 유동은 액체 금속(21)을 장치(1)에 전달하고 그래서 도가니(20) 내의 모든 액체 금속이 반복된 높은 전단 처리를 받게 될 것이다. 추가로, 거시적 유동은 또한 용융물 온도와 화학 조성 모두의 공간적 균일성을 증진시킨다.

이 높은 전단 처리에 의해, 액체 금속(21)에 존재하는 산화물 덩어리, 산화물 막 및 다른 금속 개재물 또는 비금속 개재물이 분산된다. 상기 거시적 유동은 분산된 입자를 액체 금속(21) 전체에 걸쳐 균일하게 분포시킨다. 도가니(20) 내의 거시적 유동은 액체 금속(21)의 표면 근처에서 약하게 될 것이며 따라서 거시적 유동은 상대적으로 교란되지 않은 용융물 표면을 유지할 것이고, 그래서 가스, 찌꺼기 또는 다른 잠재적인 오염물질이 액체 금속(21)에 포집될 가능성이 없어지게 됨을 언급해야 한다. 이리하여, 조정된 액체 금속은 고품질의 주물을 만드는 데에 특히 적합하게 된다.

도 4의 공정은 또한 외래 고체 입자를 액체 금속(21) 안으로 분산시킬 수 있다. 그 외래 고체 입자는 결정립 미세화 입자, 금속 매트릭스 복합 재료(MMC)용 세라믹 입자 또는 나노 금속 매트릭스 복합 재료(NMMC)의 제조를 위한 나노 입자일 수 있다. 장치(1)는 상기 고체 입자를 분산시키고 분산된 고체 입자를 액체 금속(21) 내에 균일하게 분포시키며 또한 고체 입자를 액체 금속(21)으로 젖게 한다.

도 4의 공정은 액체 금속을 조정하기 위해 합금 액상선 위쪽에서 또는 반고체 슬러리를 만들기 위해 합금 액상선 아래쪽에서 액체 금속을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 액상선 위쪽에서 액체 금속(21)을 처리할 때, 상기 공정은 산화물 막 및/또는 덩어리를 개별 입자 내로 분산시켜 액체 금속 내에서의 젖음성과 공간 분포를 개선시킴으로써 잠재적인 핵 형성 자리를 증가시킬 수 있다. 이는 어떤 화학적 결정립 미세화제의 추가도 없이 결정립 미세화를 이루는 데에 큰 도움을 준다. 이를 물리적 결정립 미세화라고 한다. 금속을 그의 액상선 아래쪽에서 처리할 때, 상기 공정은 미세한 크기와 좁은 크기 분포의 고체 입자를 갖는 반고체 슬러리를 제공할 수 있다. 추가로, 상기 장치와 방법은 높은 품질의 반고체 슬러리를 다량으로 제공할 수 있다.

도 4의 공정으로 조정된 액체 금속(21)은, 합금 액상선 위쪽에서 처리되든 아래쪽에서 처리되든 상관없이, 뱃치(batch)식으로 또는 연속적으로 특정의 주조 공정, 예컨대, 공급 재료로서 액체 금속 또는 반고체 금속을 필요로 하는 고압 다이 캐스팅, 저압 다이 캐스팅, 중력 다이 캐스팅, 사형 주조(sand casting), 인베스트먼트(investment) 주조, 직접 냉각 주조, 쌍 롤 주조, 또는 다른 주조 공정에 공급될 수 있다.

도 5에 나타나 있는 공정은 도 4의 공정과 동일한데, 다른 점은, 가스를 액체 금속(21)에 주입하기 위한 관(26)이 플랫폼(22)을 통해 형성되어 있고 그래서 각 관의 일 단부가 상기 장치(1)의 바로 위쪽에 위치된다는 것이다. 액체 금속(21)을 탈기하기 위해, 아르곤, 질소 등과 같은 불활성 가스가 장치의 바로 위쪽에서 액체 금속(21)에 들어가도록 관(26)을 통해 액체 금속 안으로 도입된다.

상기 공정의 작동 중에, 액체 금속(21)과 가스 모두는 도 4의 공정과 동일한 방식으로 끌려 들어가 장치(1)를 통과하게 된다. 이리하여, 액체 금속(21)과 가스는 높은 전단을 받게 되고 또한 액체 금속(21)의 거시적 유동이 발생된다. 이리하여, 큰 불활성 가스 기포가 훨씬 더 작은 불활성 가스 기포로 분산 된다. 또한, 거시적 유동에 의해 불활성 가스 기포가 도가니(20) 내의 액체 금속(21) 전체에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있어, 가스/액체 접촉 면적이 상당히 증가 된다. 액체 금속(21) 내의 용해된 가스는, 액체 금속(21)에서 보다 훨씬 낮은 불활성 가스의 분압으로 인해 불활성 가스 기포로 확산될 것이다. 용해된 가스를 포함하는 불활성 가스 기포는 그의 부력 때문에 또한 거시적 유동의 도움을 받아 액체 금속(21)의 용융물 표면에서 빠져나가게 되고, 그 결과, 액체 금속 내의 가스 함량이 상당히 감소하게 된다.

도 5의 공정을 사용하여 탈기할 때, 액체 금속 내의 불활성 기포의 크기는, 사용되는 장치(1)의 특정한 실시예를 변화시켜 제어될 수 있다. 특히, 다음과 같은 파라미터, 즉 장치(1)의 최소 거리, 고정자 플레이트에 있는 통로의 크기와 형상, 회전자 팬과 회전자 축의 회전 속도, 회전자 팬과 고정자 플레이트의 갯수, 회전자 팬의 크기, 형상과 구성, 및 배럴의 크기와 형상이 불활성 기포의 크기에 영향을 줄 것이다.

도 5의 공정은 또한, 주입되는 불활성 가스를 탄화규소, 산화알루미늄 등과 같은 세라믹 분말로 대체하여 금속 매트릭스 복합 재료(MMC)를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 장치(1)에 의해 가해지는 높은 전단은 입자의 균일성과 젖음성을 개선할 수 있는데, 이 균일성과 젖음성은 고품질의 MMC 재료를 제조하는 데에 매우 중요한 것이다.

도 5의 공정은 또한, 현장에서 강화 입자를 형성하기 위해 상기 주입되는 불활성 가스를 반응성 가스로 변경하여 현장에서 금속 매트릭스 복합 재료(MMC)를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로서, 알루미나 입자 강화 알루미늄 MMC를 제조하기 위해 액체 알루미늄 합금에 산소를 도입하는 것이다.

도 5의 공정은 또한, 주입되는 불활성 가스를 도가니(20) 내의 액체 금속(21)과 섞이지 않는 액체 금속으로 변경하여 섞임 불가능 금속을 혼합하기 위해 사용될 수 있다. 상기 공정은 섞임 불가능 금속 액체를 균일하게 분산 및 분포시킬 수 수 있다.

도 5의 공정은 또한, 탈기, MMC 제조, 섞임 불가능 금속 액체의 혼합 등의 목적으로 불활성 가스, 세라믹 입자, 섞임 불가능 액체 금속 등을 액체 금속(21)에 도입하기 위해 중공 회전자 축(5)을 사용하여 수정될 수 있다.

도 6은 종래의 직접 냉각(DC) 주조 공정과 본 발명의 상기 장치(1)를 직접 결합하여 고전단 DC 주조 공정을 형성하는 개략도를 나타낸다. 고전단 장치(1)는 위치 잡기를 위해 조절 가능 플랫폼(나타나 있지 않음)에 고정된다. 종래의 DC 주조 공정의 특징은 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다고 생각하고, 그래서 본 명세서에서는 반복되지 않을 것이다. 상기 장치(1)는 DC 주조기의 섬프(sump) 안으로 침지된다. 상기 장치(1)의 바닥의 바람직한 위치는 무른 영역의 상방으로 0 ∼ 300 mm에 있다.

DC 주조 중에, 액체 금속은 공급 관을 통해 DC 몰드에 연속적으로 공급되고 본 발명의 장치(1)에 의해 연속적으로 전단된다. 상기 무른 영역에 있는 거절된 용질(solute) 요소 및 고형 입자를 포함하는 액체 금속은 고화선(solidification front)으로부터 상기 장치 안으로 흡입되어 강한 전단을 받고 배출 된다. 강한 전단을 받은 용융물은 위에서 설명한 공정과 동일한 방식으로 DC 주조기의 섬프 안에서 거시적 유동 패턴을 발생시키게 된다. 이 거시적 유동 패턴에 의해, 장치(1) 주위에서 액체 금속의 온도와 화학 조성이 균질하게 된다. 이리하여, DC 주조기의 섬프 안에서 특유의 고화 조건이 발생되며, 그 결과, 미세하고 균일한 미세조직 및 균일한 화학 조성을 가지며 또한 주조 결함이 감소되거나 제거된 주조 잉곳(ingot)이 얻어지게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 장치의 일 부분을 형성할 수 있는 복수의 고정자 플레이트(9, 10, 11) 및 회전자 팬(6, 7, 8)을 나타낸다. 고정자 플레이트(9, 10, 11) 및 회전자 팬(6, 7, 8)은 도 1에 나타나 있는 장치(1)의 것과 실질적으로 동일하지만, 외측 반경 방향 가장자리 주위에 형성되어 있는 주변 링(40)을 더 포함하고 있다. 이 외측 링(40)은, 본 발명의 일부 실시예에서 필요할 수 있는, 고정자 플레이트(9, 10, 11) 및 회전자 팬에 대한 구조적 강화를 제공한다.

Claims (20)

1. 고전단(high shear) 액체 금속(21) 처리 장치(1)로서,
   제1 단부(3)와 제2 단부(4) 사이에 연장되어 있는 길이 방향 축선을 가지며, 또한 상기 제1 및 제2 단부(3, 4)에서 개구를 가지고 있는 배럴(2);
   상기 배럴(2)의 길이 방향 축선에 평행하게, 그 배럴을 통과하여 중심에 장착되는 회전자 축(5);
   상기 배럴(2) 내부에서 상기 회전자 축(5)의 축방향 길이를 따라 장착되는 복수의 회전자 팬(6, 7, 8)으로서, 각각의 회전자 팬(6, 7, 8)은 그의 외측 단부가 배럴(2)의 내벽의 최소 거리 내에 있도록 형성되는 복수의 회전자 팬(6, 7, 8); 및
   상기 배럴(2)의 내부 표면에 형성되는 복수의 고정자 플레이트(9, 10, 11)를 포함하고,
   상기 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 인접하는 회전자 팬(6, 7, 8) 사이에 위치되고, 각각의 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 내부 표면으로부터 실질적으로 회전자 축(5)까지 연장되어 있고, 각각의 고정자 플레이트(9, 10, 11)에는 적어도 하나의 통로(17)가 관통 형성되어 있어 유체가 고정자 플레이트(9, 10, 11)를 통과할 수 있게 해주며, 각각의 고정자 플레이트(9, 10, 11)의 상하측 표면은 인접하는 회전자 팬(6, 7, 8)의 최소 거리 내에 있도록 형성되어 있고,
   상기 최소 거리는 10 ㎛ 내지 10 mm 사이인, 고전단 액체 금속 처리 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 배럴(2)은 그의 제1 단부(3)에서부터 제2 단부(4)로 가면서 감소하는 직경을 갖는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 배럴(2)의 제1 단부(3)에서의 직경과 상기 배럴(2)의 제2 단부(4)에서의 직경은 같고, 상기 배럴(2)의 직경은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 변하는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
4. 청구항 1 내지 3중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 배럴(2)의 제1 단부(3)에 형성되어 있는 저장부(12)를 더 포함하는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 저장부(12)는 이 저장부 내에 들어 있는 액체 금속(21)의 소용돌이를 방지하기 위해 위치되는 내부 배플(baffle)(13)을 포함하는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
6. 청구항 1 내지 5중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 실질적으로 원형이고 원형 플레이트의 두 절반부로 형성되어 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
7. 청구항 1 내지 6중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 고정자 플레이트(9, 10, 11)는, 유체가 상기 고정자 플레이트를 통과할 수 있도록 관통 형성되어 있는 적어도 하나의 구멍을 갖는 디스크인, 고전단 액체 금속 처리 장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   각 구멍의 직경은 0.5 mm 내지 10 mm인, 고전단 액체 금속 처리 장치.
9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
   각각의 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 이를 관통하여 형성된 복수의 구멍(17)을 가지고 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
10. 청구항 7 내지 9중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 고정자 플레이트(9, 10, 11)를 관통하여 형성된 구멍(17)의 직경은 배럴(2)의 길이 방향 축선을 따라 감소하는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
11. 청구항 1 내지 6중 어느 하나의 항에 있어서,
    하나 이상의 고정자 플레이트(9, 10, 11)는 블레이드의 링으로 이루어져 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
12. 청구항 1 내지 11중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 회전자 팬(6, 7, 8)을 회전시키기 위해 상기 회전자 축(5)에 연결되어 있는 모터를 더 포함하는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
13. 청구항 1 내지 12중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 금속 처리 장치는 200℃ 이상의 녹는점을 갖는 재료로 실질적으로 형성되어 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속 처리 장치는 600℃ 이상의 녹는점을 갖는 재료로 실질적으로 형성되어 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 금속 처리 장치는 1000℃ 이상의 녹는점을 갖는 재료로 실질적으로 형성되어 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
16. 청구항 1 내지 15중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 배럴(2)은, 함께 볼트 체결되고 플랜지를 사용하여 밀봉되는 2개의 절반부로 형성되어 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
17. 청구항 1 내지 16중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 배럴(2)의 제1 단부에서부터 상기 배럴(2)의 제2 단부로 가는 유체의 이동이 중력의 도움을 받도록, 사용시 상기 배럴(2)의 제1 단부가 상기 배럴(2)의 제2 단부의 위쪽에 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
18. 청구항 1 내지 17중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 회전자 팬(6, 7, 8)은, 회전자 축(5)의 회전시, 배럴(2)의 제1 단부(3)로부터 유체를 제2 단부(4)로 끌어들이는 작용을 하도록 형성되어 있는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
19. 청구항 1 내지 18중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 배럴(2)은 보호 하우징 안에 내장되는, 고전단 액체 금속 처리 장치.
20. 청구항 1 내지 19중 어느 하나의 항에 따른 고전단 액체 금속 처리 장치(1)를 사용하여 액체 금속(21)을 처리하는 액체 금속 처리 방법으로서, 회전자 팬(6, 7, 8)이 1 rpm 내지 50,000 rpm 사이의 속도로 회전되고 있고 있을 때 상기 액체 금속(21)은 제1 단부에서부터 제2 단부까지 배럴(2)을 통과하는, 액체 금속 처리 방법.

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