KR20230072027A - 개재물을 제거할 수 있는 용강공급장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 합금을 제조하기 위한 용강공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강 내 존재하는 미세 개재물을 용이하게 제거할 수 있는 용강공급장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 금속 합금을 제조하기 위한 용강공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강 내 존재하는 미세 개재물을 용이하게 제거할 수 있는 용강공급장치에 관한 것이다.
파인메탈마스크(Fine metal mask, FMM) 등의 용도로, 금속 합금 예를 들어, Fe-36Ni계 인바(Invar) 합금 등이 많이 사용되고 있다. 이러한 금속 합금소재를 최종 두께 30㎛ 이하의 극박 형태로 제조하는 것이 필요한 경우가 많고, 이런 경우에는 제품의 단위면적내 크기 3㎛ 이상의 개재물을 없앨 필요가 있다.
상기 인바(Invar) 합금과 같이 금속 합금을 제조하는 방법은, 목표로 하는 성분과 함량을 조절하여 용해, 주조, 단조, 압연 등의 공정을 포함하여 이루어진다. 금속 합금 내 존재하는 개재물, 통상 비금속 개재물은 용해 중 생성된 비금속 개재물 입자들이 주조 몰드에 유입되어 응고 중 잔류하게 되는 중이다. 따라서, 용강을 주조 몰드에 전달하기 위한 용강공급장치에서 상기 비금속 개재물을 제거하는 것이 바람직하다.
상기 비금속 개재물을 제거하는 방법으로, 특허문헌 1 내지 3에서는 용강과 비금속 개재물의 비중 차이를 이용하여 용강 표면으로 부상 분리하는 방법 등이 개시되어 있다. 그러나, 위와 같은 원리를 이용하여 효과적으로 제거할 수 있는 비금속 개재물의 크기는 수백 마이크로미터에서 수십 마이크로미터의 범위로 볼 수 있다. 따라서, 수 마이크로미터 크기의 비금속 개재물들은 용강 중 부상 속도가 매우 느리므로, 위와 같은 방법으로 분리 제거하는데 한계가 있다.
이에, 수 마이크로미터 크기의 용강 내 비금속 개재물을 효과적으로 제거할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 일측면은 합금 금속을 제조하기 위해, 용해 후 주조몰드에 공급하기 위해 사용되는 용강공급장치로써, 용강 중 잔류하는 미세 비금속 개재물을 용이하게 제거할 수 있는 용강공급장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 아니한다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일태양은 용강 투입구, 용강 배출구, 용강 수용부 및 덮개를 포함하는 용강공급장치로서,
상기 덮개에 연결되어, 용강 수용부의 용강을 유동시키기 위한 격벽(weir dam)이 1개 이상 구비되어 있고,
상기 격벽은 다공질 구조로 이루어져 있는 용강공급장치에 관한 것이다.
본 발명의 용강공급장치를 이용하면, 용강 중 수 마이크로미터(㎛) 이하의 미세 개재물을 효과적으로 제거하여 고청정 합금 금속 소재를 제조할 수 있다. 이를 통해, FMM 등 극박이 요구되는 소재에서의 개재물 크기와 개수를 크게 감소시켜 고품질의 제품을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 태양을 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 인바(Invar)합금 용강 중 비금속 개재물 크기에 따른 부상속도 예측 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래 용강공급장치의 단면을 모식적으로 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명 용강공급장치의 단면을 모식적으로 도시한 그림이다.
도 2는 종래 용강공급장치의 단면을 모식적으로 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명 용강공급장치의 단면을 모식적으로 도시한 그림이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.
본 발명의 발명자들은 파인메탈마스크(Fine metal mask, FMM)용 인바(Invar) 합금 소재에서 수 마이크로미터(㎛) 수준의 비금속 개재물의 용강 중 부상 속도를 연구하였다.
용강 중 비금속 개재물의 부상속도는 다음의 계산식으로 나타낼 수 있다.
Vf = (2/9) × [(ρs-ρl)/η] × g × r2
여기서,
Vf : rising velocity in cm per sec
ρs : density g/cm3 of suspended particle(2.3)
ρl : density g/cm3 of liquid (7.18)
η : viscosity of liquid dynes sec per sq cm (0.15796 g/cm·s )
g : acceleration due to gravity(cm per sq sec)
r : radius of particle (cm )
도 1은 대표적인 비금속 개재물 종류인 Al2O3, MgO, CaO, SiO2 에 대해서, 크기에 따른 용강 중 부상속도를 예측한 결과 그래프이다. 도 1의 결과에서 보듯이 종류에 따라 다소의 차이는 있지만, 개재물의 크기에 따라 부상속도는 절대적인 영향을 받고 있는 것을 알 수 있으며, 특히 개재물의 크기가 미세할수록 부상속도가 매우 낮고, 그 결과 용강공급장치에서 부상분리에 의한 개재물 제거가 용이하지 않음을 알 수 있다.
도 2는 종래 사용되는 용강공급장치의 단면을 모시적으로 도시한 것이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 용강공급장치는 용해로(melting furnace)에서 용해된 용강이 유입되고, 주조몰드(mold)로 배출, 공급하는 역할을 한다. 즉, 상기 용강공급장치는 용해로에서 용강이 유입되는 용강 유입부(10), 상기 유입된 용강이 수용되는 수용부(20) 및 상기 용강을 주조몰도로 배출하는 용강 배출부(30)를 포함한다.
한편, 상기 수용부에 존재하는 용강의 유동을 발생하기 위한 격벽(weir dam, 50))이 1개 이상 형성되어 있다. 상기 격벽(50)은 덮개(40)와 연결되어, 용강 수용부(20)의 상부에 위치한다. 종래에는 비금속 개재물이 포함된 용강이 용강공급장치 내부로 유입되고, 용강 수용부(20)를 거치는 과정에서 상기 격벽(50)에 의해 발생한 유동으로 인해, 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 비금속 개재물이 용강 상부로 부상하여 존재함으로써, 용강의 슬래그(slag)와 함께 제거할 수 있었다.
그러나, 전술한 바와 같이 수 마이크로미터(㎛) 크기의 비금속 개재물은 부상하여 분리하기 어려운 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 하는 것이다.
이하 본 발명 용강공급장치의 일구현예에 대해 도 3을 참고하여 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 이해를 위한 예시이며, 이에 한정하는 것은 아니다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 용강공급장치는 용해로에서 용강이 유입되는 용강 유입부(10), 상기 유입된 용강이 수용되는 수용부(20), 상기 용강을 주조몰드로 배출하는 용강 배출부(30) 및 상기 수용부에 존재하는 용강의 유동을 발생하기 위한 격벽(50')이 1개 이상 형성되어 있다.
상기 격벽(50')은 다공질 구조인 것이 바람직하다. 상기 다공질 구조의 격벽(50')을 이용하여, 용강 중 부상하기 어려운 수 마이크로미터(㎛) 이하의 비금속 개재물을 효과적으로 제거할 수 있다. 본 발명은 상기 격벽(50')을 다공질 구조로 함으로써, 용강의 유동(흐름)을 제어하는 동시에 다공질 구조의 격벽(50')을 통과하거나 부딪치는 과정에서, 상기 용강 중 미세 개재물이 다공질 구조에 흡착되거나, 상호 충돌에 의한 합체 과정이 발생하여 용강 상부로 부상하기 효과적인 수십 마이크로미터(㎛)의 크기로 성장을 유도할 수 있다.
상기 격벽(50')은 용강공급장치의 덮개(40)에 연결되어, 용강 수용부의 상부 에 존재하는 것이 바람직하며, 필요에 따라 용강공급장치 하부에 더 포함할 수 있다. 하부에 존재하는 격벽(51)은 용강의 빠른 흐름을 제어할 수 있으며, 반드시 다공질 구조일 필요는 없다.
상기 다공질 구조의 기공도는 10~60 PPI(pore per inch)인 것이 바람직하다. 상기 기공도가 10 PPI 미만에서는 기공의 크기가 너무 커서 용강의 흐름은 좋으나, 용강 중 미세 개재물의 흡착 여과 효과가 미약해질 수 있다. 반면, 60 PPI 이상에서는 용강의 흐름성을 저하시켜 원활한 용강 공급을 어렵게 하여 공급 중 용강의 막힘과 정체가 발생하는 문제가 있다. 따라서, 상기 다공질 구조 격벽의 기공도는 10~60 PPI인 것이 바람직하다.
상기 용강공급장치의 재질은 내화재인 것이 바람직하며, 상기 다공질 구조의 격벽은 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 등 알루미늄 합금, 마그네시아(MgO) 등 마그네슘 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 격벽의 재질은 합금 용강의 종류 및 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, Fe-Ni 합금의 경우에는 용강 온도가 1500℃ 이상으로 지르코니아를 사용하는 것이 바람직하고, 동합금의 경우에는 용강 온도가 1000℃ 수준이고, 알루미늄, 마그네슘 합금의 경우는 700℃ 수준으로, 마그네시아, 알루미나, 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 용강공급장치가 사용되는 용강과 관련하여, 합금의 종류, 용해방법 등에 대해서는 특별히 제한을 두지 않는다. 특히, 대기 용해방법에 의하여 용해되는 용해로 용강을 공급하는 경우에는 비금속 개재물의 제거 효과가 보다 효과적일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 하기 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위는 하기 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
(실시예)
Fe-35~36Ni 합금을 100kg/ch. 진공유도용해로에서 용해한 후 1550~1600℃ 온도에서 상기 도 2 구조의 종래 용강공급장치와 도 3 구조의 본 발명 용강공급장치를 이용하여, 몰드에 공급하고 잉곳(ingot)을 제조하였다.
상기 본 발명 용강공급장치에서는 격벽(weir dam)의 기공도를 10~60 PPI로 변화하여 적용하였다.
상기 제조된 잉곳들에 대해, 잉곳 높이의 1/5하단부를 횡 방향으로 절개하고 절개된 잉곳의 단면 중심부에서 L20 × W20mm × T20 mm 시편을 채취하였다. 채취된 시편에 대하여 잉곳의 높이방향 상단면을 관찰면으로 동일한 조건으로 선택하여 연마한 후 광학현미경 관찰을 통하여 시편 내 비금속 개재물의 크기 개수를 측정하였다.
광학 현미경으로 관찰한 각각의 시편내 잔류하는 비금속 개재물 측정방법은 ASTM E1245 방법에 준하여 시편내 임의로 5시야 촬영된 이미지(image)에서 화상분석을 실시하여 단위 ㎟ 면적당 개재물의 크기별 개수를 분석하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1은 기존의 용강공급장치를 통하여 공급된 잉곳 내부의 개재물 분석결과를 종래예로 하고, 본 발명의 목적으로 고안된 용강공급장치의 다공성 구조의 격벽(weir dam)의 기공도를 변화하여 공급된 용강으로 제조된 잉곳의 내부에서 개재물 관찰 분석된 결과들을 발명예로 기재하였다.
| 비금속 개재물 크기(㎛) |
종래예 | 발명예1 (10PPI) |
발명예2 (30PPI) |
발명예3 (40PPI) |
발명예4 (60PPI) |
| 0.5 | 70 | 55 | 40 | 35 | 30 |
| 1 | 43 | 48 | 15 | 13 | 11 |
| 1.5 | 40 | 44 | 6 | 4 | 3 |
| 2 | 19 | 21 | 4 | 3 | 2 |
| 2.5 | 10 | 8 | 2 | 1 | 1 |
| 3 | 13 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 3.5 | 13 | 2 | 0 | 0 | 0 |
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| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
상기 1의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 용강공급장치를 이용하는 경우에는, 비금속 개재물 특히 미세한 크기의 비금속 개재물이 현저하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
10... 용강 투입구
20... 용강 수용부
30... 용강 배출구
40... 덮개
50, 50', 51... 격벽
20... 용강 수용부
30... 용강 배출구
40... 덮개
50, 50', 51... 격벽
Claims (6)
- 용강 투입구, 용강 배출구, 용강 수용부 및 덮개를 포함하는 용강공급장치로서,
상기 덮개에 연결되어, 용강 수용부의 용강을 유동시키기 위한 격벽(weir dam)이 1개 이상 구비되어 있고,
상기 격벽은 다공질 구조로 이루어져 있는 용강공급장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 다공질 구조의 기공도는 10~60 PPI(pore per inch)인 용강공급장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 격벽은 상기 용강 수용부의 상부에 형성된 용강공급장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 격벽은 상기 용강 수용부의 하부에 추가로 형성된 용강공급장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 격벽은 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 및 마그네시아(MgO) 중 1종 또는 2종의 혼합물로 제조된 용강공급장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 용강은 FMM용 Fe-Ni 합금을 제조하기 위한 용강인 용강공급장치.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |