KR20190096023A - 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 및 그 합금을 주조 공정에 의해 부품 제조 시 주조결함을 최소화하고 부품의 내부조직을 미세화하기 위해, 용융금속 내부에 질소나 아르곤 등의 불활성 기체를 주입하여 불순물이나 가스가 용융금속의 표면으로 떠오르도록 하여 걷어내도록 하는 GBF(Gas Bubbling Filteration) 및 플럭스(용탕약품)를 주입하여 용융금속 내부에 형성되는 물방울(드로스)의 산화막을 벗겨내어 알루미늄의 회수율을 향상시키는 플럭스 주입공정을 위한 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 관한 기술이다.

Description

알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치{Inert gas and Flux adding device for cleaning molten aluminum alloys and refining grain}

본 발명은 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 및 그 합금을 주조 공정에 의해 부품 제조 시 주조결함을 최소화하고 부품의 내부조직을 미세화하기 위해, 용융금속 내부에 질소나 아르곤 등의 불활성 기체를 주입하여 불순물이나 가스가 용융금속의 표면으로 떠오르도록 하여 걷어내도록 하는 GBF(Gas Bubbling Filteration) 및 플럭스(용탕약품)를 주입하여 용융금속 내부에 형성되는 물방울(드로스)의 산화막을 벗겨내어 알루미늄의 회수율을 향상시키는 플럭스 주입공정을 위한 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 관한 기술이다.

알루미늄 합금 주물을 만들 때 바탕이 되는 알루미늄용탕이 깨끗하고 목적에 맞았을 경우와 더러워져 있어, 올바른 주물을 할 수 없는 경우가 있다. 좋은 주물은, 먼저 깨끗하고 좋은 용탕을 만드는 것부터 시작한다.

용탕의 품질은 ①화학 성분, ②가스, ③개재물, ④온도로 평가된다.

① 화학 성분은 사용하는 지금(地金)이나 리턴재의 Si, Cu, Mg, Fe 등으로 주요한 성분이 결정되지만, 이 밖에도 공정Si의 형태를 정하는 개량 처리용의 Na나 Sr 등의 미량 성분의 조정, 혹은 결정을 미세화하는 Ti나 Ti-B 등의 첨가 조정도 중요해진다. 더욱이 미량의 성분이 영향을 주기도 하여, 원하는 성분을 맞추는 것은, 가장 중요한 작업이라고 할 수 있다.

② 가스는 수소 가스 등이며, 대기 중에 포함되어 있는 수분과 알루미늄용탕이 반응하여 수소 원자의 형태로 용탕 중에 받아들여진 것을 말한다. 고온의 용탕에서는 많은 수소 원자가 용입되지만, 온도가 내려가서 응고하여 고체가 되면, 그 양은 극단적으로 적게 된다. 이 때문에, 수소 원자는 응고 과정에서 분자가 되어 기포가 된다. 기포는 주물 중에 갇혀져 가스 결함이 된다. 이것들은, 기계적 성질, 특히 연신력, 충격수치, 피로강도 등의 중요한 특성을 현저하게 저하시킨다. 이 때문에, 일반적으로 용탕 중의 가스는 철저히 제거하는 것이 필요하다. 다만 다이캐스팅과 같이 냉각 속도가 빠른 주물에서는 기포가 되기 어렵고, 영향이 적은 경우도 있다.

③ 개재물에는 산화물 등의 많은 종류가 있지만, 가장 일반적인 개재물은 알루미늄의 산화 피막이라고 할 수 있다. 알루미늄용탕은 쉽게 대기 중의 산소와 반응하여 산화알루미늄이 되어, 처음엔 지극히 얇은 피막으로서 용탕면을 덮는다. 시간이 지나면서 그 두께가 늘어난다. 알루미늄용탕은 비중이 가볍고, 산화 피막과의 비중차이도 작기 때문에, 쉽게 용탕에 섞이게 되고, 또, 분리하기도 어렵다. 이것이 혼입하게 되면 가스와 같이 기계적 성질을 열화시킬 뿐만 아니고, 용탕의 흐름을 저해하여 불량 발생을 증가시키는 경우도 많다. 가스와 달리, 냉각 속도와는 관계없이 유해하기 때문에, 다이캐스팅를 포함한 모든 주물에 대해 철저한 제거가 필요하다.

④ 온도는 주물을 만드는 모든 공정으로 가장 중요한 인자라고 할 수 있다. 용탕 품질에 대해서 ①~③의 조건이 만족되어도 온도가 부적당하면, 양호한 용탕 품질이라고는 하지 못하므로 주조 최적인 온도로 조정해야 한다.

용탕 처리란, 지금(地金)이나 리턴재 등의 원재료를 녹여 얻을 수 있는 용탕을, 최고 품질로 완성하는 처리라고 할 수 있다. 내용으로서는①~④의 각각의 요구 특성을 만족시키는 것이지만, 일반적으로는 성분과 온도(①와④)는 일반적이기 때문에, 가스와 산화 피막(②와③)에 중점이 두어 탈가스+탈개재물을 의미하는 경우가 많다. 구체적으로는, 현재 일반적으로 이용되고 있는 방법은, 용해로로부터 보관유지로에의 이탕취과 중에서의 처리 혹은, 보관유지로 중에서의 처리 등이 많다. Ar가스 등의 불활성 가스의 기포를 회전날개에 의해 미세하게 분산시켜 용탕에 많은 기액계면을 만들어, 수소 가스를 기포에 확산시켜 제거하는 것과 동시에, 개재물을 기포에 흡착시켜 분리시킨다. 100kg정도의 소규모의 용해에서는, 플럭스 처리에 의한 경우가 많다.

구체적으로, 탈가스 처리는 용융금속 내부에 질소나 아르곤 등의 불활성 기체를 주입하여 불순물이나 가스가 용융금속의 표면으로 떠오르도록 하여 걷어내도록 하는 방식인 GBF(Gas Bubbling Filtration), 또는 플럭스(용탕약품)를 주입하여 용융금속 내부에 형성되는 물방울(드로스)의 산화막을 벗겨내어 알루미늄의 회수율을 향상시키는 플럭스 주입공정으로 구분된다.

그러나, 플럭스 주입공정은 주로 불활성 가스 또는 질소가스를 용탕 내부에 공급하면서 용융액 표면에 분말 형태로 뿌려주는 방식을 채용하는데, 이는 수작업으로 이루어지기 때문에 플럭스 분말의 공급량을 정확하게 조절하기가 어렵다는 문제점과, 작업 안전성 문제점 및, 인건비 등이 추가로 소요된다는 문제점이 있다.

또한, 플럭스 분말이 교반자에 부착되어, 플럭스가 소요되는 양이 과도하게 늘어날 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 알루미늄 및 그 합금 주조 시 GBF(gas bubbling filteration)에 의한 탈가스및 플럭스(Flux) 첨가 단계에서 보다 효율적으로 GBF 와 플럭스를 첨가를 가능하게 함으로써 합금 부품의 품질 및 기계적 특성을 향상시키는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 알루미늄 및 그 합금의 주조 시 용탕 출탕 후 탈가스 처리 단계에서 산화 개재물 및 기공과 같은 부품 결함 발생 요인을 효과적으로 제거하고, 이를 최소화하며, 미세화 플럭스 첨가 및 분산을 효과적으로 수행하여 공급함으로써 청정한 알루미늄 주물제품이 생산되도록 한 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 첨가물이 주입되는 첨가물주입구, 상기 첨가물주입구와 연결되어, 상기 첨가물을 용탕 내부로 공급시키는 첨가물공급로, 상기 용탕과 상기 공급된 첨가물을 교반시키기 위한 동력을 제공하는 교반모터, 상기 교반모터와 연결되어, 정해진 깊이 및 속도로 알루미늄 용탕에서 상기 용탕과 상기 공급된 첨가물을 교반시키는 교반자, 및 상기 용탕에 대한 상기 교반자의 높이를 변화시키는 공압이송장치를 포함하고, 상기 첨가물주입구는 불활성가스 첨가물주입구와 플럭스주입구를 포함하며, 상기 첨가물주입구를 통해 주입되는 불활성가스 및 플럭스는 동일한 상기 첨가물공급로를 통해 상기 용탕 내부로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 있어서, 상기 교반자는 상기 불활성가스 및 상기 플럭스를 상기 용탕으로 공급시키는 다수 개의 방출홀을 포함하고, 상기 다수 개의 방출홀은 상기 교반자의 중심을 기준으로 상기 불활성가스 및 상기 플럭스가 반경 방향으로 방출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 있어서, 상기 첨가물공급로는 상기 교반모터와 상기 교반자 사이에 회전 가능한 회동점을 포함하여,

상기 교반자는 상기 회동점을 중심으로 회전운동 혹은 진자운동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 있어서, 상기 첨가물 주입구를 통하여 상기 첨가물이 주입되는 과정은, 상기 불활성가스가 공급되는 제1단계, 상기 제1단계 이후에, 상기 불활성가스 및 상기 플럭스가 함께 공급되는 제2단계, 및 상기 제2단계 이후에, 상기 플럭스의 공급은 중단되고 상기 불활성가스가 공급되는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 있어서, 상기 공압이송장치는, 상기 제1단계 및 상기 제3단계에서는 상기 용탕의 바닥면을 기준으로 제1높이의 위치에 상기 교반자를 위치시키고, 상기 제2단계에서는 상기 용탕의 바닥면을 기준으로 제2높이의 위치에 상기 교반자를 위치시키며, 상기 제1높이는 상기 제2높이보다 높은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치는 알루미늄 및 그 합금의 용탕청정 및 미세화에 따라 제품의 품질 향상 및 기계적 특성을 효과적으로 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치는 용융금속의 양에 따라 분산자의 크기 조절하여 용융금속의 청정화 및 안정화가 가능한 효과가 있다.

또한, 최근 환경, 에너지 효율의 극대화에 대한 관심 증대에 따라 자동차, 항공기 등의 소재로 알루미늄 합금의 사용량이 증대됨에 따라 관련 기술의 개발 및 장치의 사용 빈도가 증대될 것으로 예상된다.

또한, 적은 비용의 투자를 통하여 제품의 품질을 극대화시킬 수 있으므로 이에 사업화 및 기업화가 가능할 것으로 예상된다.

도 1은 본 발명에 의한 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치에 있어서, 교반모터와 연결되어 용탕 내에서 교반되는 교반자를 나타낸 모식도이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치(10)는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 첨가물이 주입되는 첨가물주입구(11a, 11b), 상기 첨가물주입구(11a, 11b)와 연결되어, 상기 첨가물을 용탕 내부로 공급시키는 첨가물공급로(12), 상기 용탕과 상기 공급된 첨가물을 교반시키기 위한 동력을 제공하는 교반모터(13), 상기 교반모터(13)와 연결되어, 정해진 깊이 및 속도로 알루미늄 용탕에서 상기 용탕과 상기 공급된 첨가물을 교반시키는 교반자(14), 및 상기 용탕에 대한 상기 교반자(14)의 높이를 변화시키는 공압이송장치(15)를 포함한다.

여기서, 상기 용탕은 주조 작업에서 금속이 녹은 쇳물을 의미하며, 바람직하게는 알루미늄 주조 공정에서 제조되는 알루미늄 용탕일 수 있다.

먼저, 상기 첨가물주입구는 첨가물, 즉 불활성가스 및 플럭스가 각각의 저장소로부터 상기 용탕 내부로 공급되도록 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치(10) 내부로 주입되는 장소로써, 도면에 도시되어 있지는 않지만 밸브가 구비될 수 있다.

또한, 상기 첨가물주입구는 각각의 첨가물을 주입하기 위한 불활성가스 첨가물주입구(11a)와 플럭스주입구(11b)를 포함한다.

다음으로, 상기 첨가물공급로(12)는 상기 첨가물주입구(11a, 11b)를 통해 주입되는 불활성가스 및 플럭스를 상기 용탕 내부로 공급하는 유로로써, 이때 상기 첨가물주입구를 통해 주입되는 불활성가스 및 플럭스는 동일한 상기 첨가물공급로(12)를 통해 상기 용탕 내부로 공급된다. 이를 통해, 기존의 플럭스주입방법인 플럭스 분말을 용탕에 도포하는 것보다, 플럭스 분말이 용탕 내부에 보다 잘 혼합될 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 첨가물공급로(12)는 상기 교반모터(13)와 상기 교반자(14) 사이에 회전 가능한 회동점(미도시)을 포함하여, 상기 교반자(14)를 상기 회동점을 중심으로 회전운동 혹은 진자운동하도록 마련하여 상기 첨가물을 용탕 내부에 혼합시켜 용탕청정 및 합금 미세화의 효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 한다.

다음으로, 상기 교반모터(13)는 공급된 첨가물을 교반시키기 위한 동력을 제공하는 것으로, 상기 교반자(14)에 동력을 제공하는 모터라면 통상의 기술자가 선택적으로 상황에 맞게 구비할 수 있는 것이다.

다음으로, 상기 교반자(14)는 상기 교반모터(13)의 동력을 전달받아 용탕 내부에서 공급된 첨가물을 교반시키기 위한 것이다.

구체적으로, 상기 교반자(14)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 불활성가스 및 상기 플럭스를 상기 용탕으로 공급시키는 다수 개의 방출홀을 포함하고, 상기 다수 개의 방출홀은 상기 교반자(14)의 중심을 기준으로 상기 불활성가스 및 상기 플럭스가 반경 방향으로 방출되도록 형성된다. 다수 개의 방출홀을 짝수 개로 구비되어 마주보는 방향으로 한 쌍을 이룰 수 있도록 구비되는 것이 바람직하며, 플럭스 및 불활성가스의 방출 방향은 상기 첨가물공급로(12)에서 첨가물이 공급되는 방향과 수직을 이루도록 마련된다.

마지막으로, 상기 공압이송장치(15)는 공압에 의해 상기 교반자(14)의 용탕에 대한 위치를 상기 첨가물공급로(12)와 나란한 상하 방향으로 이동시키기 위한 수단이며, 공압을 이용하여 이송시키기 위해 필요한 필수적인 구성요소는 상세히 설명하지 않기로 한다.

다른 실시예에 따른 본 발명에 따른 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치(10)는 첨가물, 즉 불활성가스와 플럭스를 용탕 내에서 보다 잘 혼합시키기 위해 상기 첨가물주입구(11a, 11b)와 상기 공압이송장치(15)를 자동으로 조절하는 기술이 적용될 수 있다.

첨가물주입구(11a, 11b)를 통하여 상기 첨가물이 주입되는 과정은, 상기 불활성가스가 공급되는 제1단계, 상기 제1단계 이후에, 상기 불활성가스 및 상기 플럭스가 함께 공급되는 제2단계, 및 상기 제2단계 이후에, 상기 플럭스의 공급은 중단되고 상기 불활성가스가 공급되는 제3단계로 이루어진다.

여기서, 플럭스는 분말, 파우더로 공급되는 경우가 대부분인데, 혼합 효율을 향상시키기 위해서는 상기 불활성가스만 공급되는 상기 제1단계 및 상기 제3단계보다는 상기 제2단계에서 상기 교반자(14)의 위치가 낮은 것이 바람직할 것이다.

이를 위해 상기 공압이송장치(15)는, 상기 제1단계 및 상기 제3단계에서는 상기 용탕의 바닥면을 기준으로 제1높이의 위치에 상기 교반자(14)를 위치시키고, 상기 제2단계에서는 상기 용탕의 바닥면을 기준으로 제2높이의 위치에 상기 교반자(14)를 위치시킬 수 있다. 여기서, 상기 제1높이는 상기 제2높이보다 높은 것을 의미한다.

따라서, 본 발명에 따른 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치(10)는 불활성가스 및 플럭스를 용탕 내부로 주입함에 있어, 혼합 효율을 보다 향상시켜 해결하고자 하는 과제인 알루미늄 용탕의 청정, 탈가스, 합금 미세화를 용이하게 해결할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치
11a : 첨가물주입구(불활성가스)
11b : 첨가물주입구(플럭스)
12 : 첨가물공급로
13 : 교반모터
14 : 교반자
141 : 다수 개의 방출홀
15 : 공압이송장치

Claims (5)

1. 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 첨가물이 주입되는 첨가물주입구;
   상기 첨가물주입구와 연결되어, 상기 첨가물을 용탕 내부로 공급시키는 첨가물공급로;
   상기 용탕과 상기 공급된 첨가물을 교반시키기 위한 동력을 제공하는 교반모터;
   상기 교반모터와 연결되어, 정해진 깊이 및 속도로 알루미늄 용탕에서 상기 용탕과 상기 공급된 첨가물을 교반시키는 교반자; 및
   상기 용탕에 대한 상기 교반자의 높이를 변화시키는 공압이송장치;를 포함하고,
   상기 첨가물주입구는 불활성가스 첨가물주입구와 플럭스주입구를 포함하며, 상기 첨가물주입구를 통해 주입되는 불활성가스 및 플럭스는 동일한 상기 첨가물공급로를 통해 상기 용탕 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 교반자는 상기 불활성가스 및 상기 플럭스를 상기 용탕으로 공급시키는 다수 개의 방출홀을 포함하고,
   상기 다수 개의 방출홀은 상기 교반자의 중심을 기준으로 상기 불활성가스 및 상기 플럭스가 반경 방향으로 방출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 첨가물공급로는 상기 교반모터와 상기 교반자 사이에 회전 가능한 회동점을 포함하여,
   상기 교반자는 상기 회동점을 중심으로 회전운동 혹은 진자운동하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 첨가물주입구를 통하여 상기 첨가물이 주입되는 과정은,
   상기 불활성가스가 공급되는 제1단계;
   상기 제1단계 이후에, 상기 불활성가스 및 상기 플럭스가 함께 공급되는 제2단계; 및
   상기 제2단계 이후에, 상기 플럭스의 공급은 중단되고 상기 불활성가스가 공급되는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 공압이송장치는,
   상기 제1단계 및 상기 제3단계에서는 상기 용탕의 바닥면을 기준으로 제1높이의 위치에 상기 교반자를 위치시키고,
   상기 제2단계에서는 상기 용탕의 바닥면을 기준으로 제2높이의 위치에 상기 교반자를 위치시키며,
   상기 제1높이는 상기 제2높이보다 높은 것을 특징으로 하는 알루미늄 용탕청정 및 합금 미세화를 위한 불활성가스 및 플럭스 첨가 장치.

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