KR20230167111A - 금속 분말의 제조를 위한 설비 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 분말의 제조를 위한 설비로서, - 상부와 하부를 갖는 무화 챔버, 상기 무화 챔버의 상부에 위치되고 액체 금속이 관류할 수 있는 무화 노즐, 상기 무화 노즐에 인접하고 상기 액체 금속에 가스가 분사될 수 있게 하는 가스 분무기, 및 상기 금속 분말을 배출하기 위한 상기 무화 챔버의 하부의 개구를 포함하는 가스 무화기, - 내부 파이프 및 외부 파이프를 포함하는 이중관 열교환기로서, 상기 내부 파이프와 상기 외부 파이프는 동심이고, 상기 내부 파이프는 상기 무화 챔버의 하부의 개구에 연결되고, 상기 외부 파이프는 상기 무화기의 가스 분무기에 연결되는, 상기 이중관 열교환기를 포함하는 설비에 관한 것이다. 본 발명은 또한 대응하는 프로세스에 관한 것이다.
Description
본 발명은 금속 분말의 제조를 위한, 특히 적층 가공 (additive manufacturing) 용 강 분말의 가스 무화에 의한 제조를 위한 설비에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가스 무화기 (gas atomizer) 의 출구에서 금속 입자를 냉각시키는 방법에 관한 것이다.
적층 가공용 금속 분말에 대한 요구가 증가하고 있으며, 따라서 제조 프로세스는 조정되어야 한다.
특히 금속 재료를 녹이고 용융 금속을 무화기에 연결된 턴디시에 붓는 것이 알려져 있다. 용융 금속은 제어된 분위기 하에서 챔버 내의 노즐을 통해 강제되고, 용융 금속을 미세 금속 액적으로 무화하는 가스의 제트에 의해 충돌된다. 미세 금속 액적은 미세 입자로 응고되며, 이는 챔버 바닥에 낙하하고 용융 금속이 완전히 무화될 때까지 챔버 바닥에 축적된다. 이어서, 분말은 너무 빨리 산화됨이 없이 공기와 접촉할 수 있는 온도에 도달할 때까지 무화기 내에서 냉각된다. 이어서 분말을 수집하기 위해 무화기가 개방된다. 이러한 냉각은 다량의 금속 분말의 제조 필요성과 양립할 수 없는 긴 프로세스이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 획득된 분말이 효율적으로 냉각될 수 있는 설비를 제공함으로써 종래 기술의 시설 및 프로세스의 결점을 해결하는 것이다.
또한, 가스 유량 (m3/h 단위) 과 금속 유량 (Kg/h 단위) 의 비가 1 과 5 사이로 유지되는 것이 바람직하므로, 용융 금속을 무화하기 위해 산업적 규모에서 막대한 양의 가스가 필요하다.
본 발명의 추가적인 목적은 가스가 효율적으로 사용되는 설비를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명의 제 1 주제는 금속 분말의 제조를 위한 설비로 구성되며, 이 설비는
- 상부와 하부를 갖는 무화 챔버, 상기 무화 챔버의 상부에 위치되고 액체 금속이 관류할 수 있는 무화 노즐, 상기 무화 노즐에 인접하고 상기 액체 금속에 가스가 분사될 수 있게 하는 가스 분무기, 및 상기 금속 분말을 배출하기 위한 상기 무화 챔버의 하부의 개구를 포함하는 가스 무화기,
- 내부 파이프 및 외부 파이프를 포함하는 이중관 열교환기로서, 상기 내부 파이프와 상기 외부 파이프는 동심이고, 상기 내부 파이프는 상기 무화 챔버의 하부의 개구에 연결되고, 상기 외부 파이프는 상기 무화기의 가스 분무기에 연결되는, 상기 이중관 열교환기를 포함한다.
본 발명에 따른 설비는 또한 아래에 나열된 선택적인 특징들을 개별적으로 또는 조합으로 가질 수 있다:
- 설비는 그레이딩 스테이션 (grading station) 을 더 포함하고,
- 내부 파이프가 공압 이송 파이프라이며,
- 내부 파이프가 이송 가스 입구를 포함하고,
- 이송 가스 입구는 무화 챔버의 하부의 개구에 인접하게 위치되며,
- 내부 파이프는 이중관 열교환기의 제 1 단부에 의해 무화 챔버의 하부의 개구에 연결되고,
- 내부 파이프는 이중관 열교환기의 제 2 단부에 의해 그레이딩 스테이션의 입구에 연결되며,
- 내부 파이프는 이중관 열교환기의 제 1 단부에 의해 그레이딩 스테이션의 출구에 연결되고,
- 외부 파이프는 이중관 열교환기의 제 1 단부에 의해 가스 분무기에 연결되며,
- 외부 파이프는 이중관 열교환기의 제 2 단부에 의해 그레이딩 스테이션의 출구에 연결되고,
- 외부 파이프는 가스 조절기에 연결되며,
- 무화기는 무화 챔버의 하부의 입자를 퍼징하기 위한 무화 챔버 내의 퍼지 (purge) 를 더 포함하고,
- 외부 파이프는 이중관 열교환기의 제 1 단부에 의해 퍼지에 연결되며,
- 퍼지는 내부 파이프의 이송 가스 입구에 연결되고,
- 무화기는 무화 챔버에 연결된 가스 추출기를 더 포함하며,
- 가스 추출기는 가스 분무기에 연결되고,
- 가스 추출기는 이중관 열교환기의 제 2 단부에 의해 외부 파이프에 연결된다.
본 발명의 제 2 주제는 가스 무화기의 출구에서 금속 입자를 냉각시키는 프로세스로서, 무화에 사용될 가스가 내부 파이프와 외부 파이프를 포함하는 이중관 열교환기의 무화기로부터 배출된 금속 입자와 먼저 접촉되고, 상기 내부 파이프와 상기 외부 파이프는 동심인, 상기 프로세스로 구성된다.
본 발명에 따른 프로세스는 또한 개별적으로 또는 조합으로 고려되는, 아래에 열거된 선택적인 특징들을 가질 수 있다:
- 무화에 사용될 가스는 외부 파이프 내에서 한 방향으로 순환하는 한편, 무화기로부터 배출된 금속 입자는 내부 파이프 내에서 다른 방향으로 순환하고,
- 무화에 사용될 가스는 가스 무화기 및 이중관 열교환기를 포함하는 금속 분말의 제조를 위한 설비의 일부인 그레이딩 스테이션으로부터 재순환되며,
- 무화에 사용될 가스는 가스 무화기로부터 재순환된 가스이고,
- 내부 파이프 내의 금속 입자를 이송하기 위해 사용되는 가스가 가스 무화기 및 이중관 열교환기를 포함하는 금속 분말의 제조를 위한 설비의 일부인 그레이딩 스테이션으로부터 재순환된 가스이며,
- 내부 파이프 내의 금속 입자를 이송하기 위해 사용되는 가스가 가스 무화기로부터 재순환된 가스이다.
명백한 것처럼, 본 발명은 무화기로부터 배출된 금속 입자가 무화에 사용될 가스에 의해 냉각되는 이중관 열교환기에 기초한다. 이에 따라, 입자는 설비의 다음 장비로의 이송 동안에 효율적으로 냉각되는 한편, 그 동안에, 이 가스는 가열되어, 가열된 가스가 무화 챔버 내의 용융 금속에 분무될 수 있다. 결과적으로, 입자들은 예를 들어 그레이딩 스테이션일 수 있는 다음 장비에서 그들의 취급을 위해 충분히 냉각된다. 이들은 또한 산화되지 않을 것이므로 보호 분위기 밖에서 취급되기에 충분히 차갑다. 무화를 위해 가열된 가스를 사용하는 것이 또한 유리하다. 가열된 가스는 냉각 속도를 감소시켜, 입자가 응고되는 데 더 많은 시간을 제공한다. 결과적으로, 표면 장력은 입자들을 더 둥근 입자들 또는 심지어 완벽한 구체들로 만드는 더 긴 기간에 그 역할을 할 수 있다. 또한, 가스가 가열됨에 따라, 가스 분무기 출구에서의 가스 속도가 더 높다. 가스 제트는 용융 금속을 더 효율적으로 무화하여 더 작은 입자를 초래한다. 입자 크기 분포가 더 작은 범위로 이동된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 설명에서 보다 상세히 기술될 것이다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여, 단지 설명의 목적으로만 제공되고 비제한적으로 의도된 다음의 설명을 읽음으로써 보다 양호하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 설비이다.
도 2는 본 발명의 제 1 변형예에 따른 설비이다.
도 3은 본 발명의 제 2 변형예에 따른 설비이다.
도 4는 본 발명의 제 3 변형예에 따른 설비이다.
도 5는 본 발명의 제 4 변형예에 따른 설비이다.
도 2는 본 발명의 제 1 변형예에 따른 설비이다.
도 3은 본 발명의 제 2 변형예에 따른 설비이다.
도 4는 본 발명의 제 3 변형예에 따른 설비이다.
도 5는 본 발명의 제 4 변형예에 따른 설비이다.
본 출원에서 사용되는 용어들 "하부", "아래에", "내향", "내향으로", "외향", "외향으로", "상류", "하류" 는 설비가 플랜트에 설치될 때 설비의 상이한 구성 요소들의 위치들 및 배향들을 나타낸다는 것에 주의해야 한다.
도 1을 참조하면, 금속 분말의 제조를 위한 설비 (1) 는 주로 가스 무화기 (2) 및 이중관 열교환기 (3) 로 구성된다.
가스 무화기 (2) 는 액체 금속의 스트림을 고속 가스와 충돌시켜서 미세 금속 액적으로 무화하도록 설계된 디바이스이다. 가스 무화기 (2) 는 주로 무화 챔버 (4) 로 구성되며, 이는 폐쇄되어 보호 분위기 하에 유지된다. 챔버는 상부 섹션, 하부 섹션, 상부 및 하부를 갖는다.
무화 챔버의 상부 섹션은 오리피스, 일반적으로 챔버 상부의 중심에 위치된 노즐 (5) 을 포함하며, 이를 통해 용융 금속 스트림이 강제된다. 노즐은 액체 금속의 스트림에 고속으로 가스를 분사하기 위한 가스 분무기 (6) 에 인접한다. 가스 분무기는 바람직하게는 가압 가스가 흐르는 노즐과 동축으로 배치된 환형 슬롯이다. 가스 분무기는 바람직하게는 가스 조절기 (7) 에 커플링되어 가스를 분사하기 전에 가스의 유동 및/또는 압력을 제어한다. 가스 조절기는 압축기, 팬, 펌프, 파이프 섹션 감소 또는 임의의 적합한 장비일 수 있다.
무화 챔버의 하부 섹션은 주로 챔버의 상부 섹션으로부터 낙하하는 금속 입자를 수집하기 위한 리셉터클이다. 이는 보통 챔버의 하부에 위치된 개구 (8) 를 통한 분말 수집 및 분말 배출을 용이하게 하도록 설계된다. 따라서, 이는 일반적으로 역원뿔 또는 역원뿔대 형상의 형태이다.
위에서 언급한 바와 같이, 이중관 열교환기는 무화에 사용될 가스가 가열되는 반면 무화기로부터 배출되는 금속 입자를 이송 중에 냉각시키도록 설계된다. 이를 위해, 이중관 열교환기 (3) 는 무화 챔버로부터 배출된 금속 분말의 이송을 위한 내부 파이프 (9) 및 무화 가스의 이송을 위한 외부 파이프 (10) 를 포함한다. 이 두 파이프들은 동심이다. 파이프들이 동심이라는 사실은 금속 분말과 무화 가스 사이에 효율적인 열전달을 제공한다.
이중관 열교환기는 제 1 단부 (11) 및 제 2 단부 (12) 를 포함한다. 내부 파이프 및 외부 파이프는 각각 열교환기의 제 1 단부 측에 위치된 제 1 단부 및 열교환기의 제 2 단부 측에 위치된 제 2 단부를 갖는다.
그 단부들 중 하나에서, 내부 파이프 (9) 는 무화 챔버의 하부에 있는 개구 (8) 에 연결된다. 연결 및 개구가 설계되는 방식은 본 발명의 맥락에서 특별히 제한되지 않는다. 무화기가 연속적으로 운전되는 경우, 개구는 무화를 방해함이 없이 금속 분말이 무화기로부터 연속적으로 배출될 수 있도록 설계된다. 개구는 예를 들어 제어 밸브 또는 회전 밸브일 수 있다.
내부 파이프는 무화 챔버에 직접 연결될 수 있다. 그 경우에, 금속 입자는 무화 챔버로부터 내부 파이프 내로 직접 유동한다. 대안적으로, 내부 파이프는 무화 챔버에 간접적으로 연결될 수 있다. 그 경우에, 금속 입자는 무화기로부터 배출될 때 무화기의 챔버(들) 및/또는 장비의 다른 피스(들)을 통해 내부 파이프에 전달된다.
내부 파이프 (9) 는 바람직하게는 공압 이송 파이프라인이다. 따라서, 금속 분말의 이송이 용이해진다. 공압 운반은 분말을 희석 상으로 이송하는 방법이다. 분말은 가스에 의하여 희석되어 내부 파이프에서 구름 형태로 이송된다. 공압 운반은 금속 분말 (Kg 단위) 대 가스 (Kg 단위) 의 비율에 따라 조밀상 또는 희박상일 수 있다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 내부 파이프에서의 이송은 내부 파이프의 시작부에서, 즉 개구 (8) 측에서 과압으로 가스를 송풍함으로써 제공된다. 따라서, 내부 파이프는 이송 가스 입구 (13) 를 포함한다. 이송 가스 입구는 내부 파이프에 새로운 가스가 들어가게 하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 또는 조합으로, 이송 가스 입구는 내부 파이프에 재순환 가스를 주입하도록 설계될 수 있다. 그 경우에, 이송 가스 입구는 설비의 다른 가스 파이프들 및/또는 다른 가스 조절기들에 연결된다. 이러한 가스 재순환의 예는 나중에 설명된다. 이송 가스 입구의 설계가 무엇이든, 바람직하게는 내부 파이프에 진입하는 가스의 유동 및/또는 압력을 제어하기 위해 가스 조절기에 커플링된다. 가스 조절기는 압축기, 팬, 펌프, 파이프 섹션 감소 또는 임의의 적합한 장비일 수 있다.
본 발명의 다른 변형예에서, 내부 파이프에서의 이송은 내부 파이프의 단부로부터 가스를 흡입하여 진공을 생성함으로써 제공된다. 그 경우에, 내부 파이프는 내부 파이프의 단부에, 즉 개구 (8) 의 반대측에 가스 출구를 포함한다. 가스 출구는 송풍기 또는 진공 펌프에 연결된다.
개구 (8) 에 반대되는 내부 파이프의 측에서, 내부 파이프는 바람직하게는 프로세스의 다음 단계에서 사용될 장비에 연결된다. 내부 파이프는 바람직하게는 그레이딩 스테이션 (14) 에 연결된다.
외부 파이프 (10) 는, 그의 단부들 중 하나에서, 무화기의 가스 분무기 (6) 에 연결된다. 이러한 연결은 열교환기에서 가열된 가스를 가스 분무기로 이송하는 가스 도관 (15) 을 통해 행해질 수 있다. 가스가 용융 금속의 스트림에 분사되기 전에 가압되거나 더 가압되어야 하는 경우에, 외부 파이프와 가스 분무기 사이에 압축기가 위치될 수 있다.
외부 파이프 (10) 는, 그의 다른 단부에서, 냉각 가스 입구 (16) 를 포함한다. 냉각 가스 입구는 외부 파이프에 신선한 가스가 들어가게 하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 또는 조합으로, 냉각 가스 입구는 외부 파이프에 재순환 가스를 주입하도록 설계될 수 있다. 그 경우에, 냉각 가스 입구는 설비의 다른 가스 파이프들 및/또는 다른 압축기들에 연결된다. 이러한 가스 재순환의 예는 나중에 설명된다. 냉각 가스 입구의 설계가 무엇이든, 바람직하게는 외부 파이프에 진입하는 가스의 유동 및/또는 압력을 제어하기 위해 가스 조절기에 커플링된다. 가스 조절기는 압축기, 팬, 펌프, 파이프 섹션 감소 또는 임의의 적합한 장비일 수 있다.
내부 및 외부 파이프들의 개별 직경 및 상대 직경은 설비의 치수에 따라 조정된다. 특히, 이들은 외부 파이프 (10) 내에서 순환하는 가스가 그레이딩 스테이션 (14) 에서 배출되기 전에 원하는 온도에서 내부 파이프 (9) 내에서 순환하는 금속 입자들을 냉각시키도록 조정된다. 바람직하게는, 그 동안에, 외부 파이프 (10) 내에서 순환하는 가스는 무화에 바람직한 온도로 가열된다. 당업자는 무화기로부터 배출되는 입자들의 흐름 및 원하는 온도를 알고 내부 및 외부 파이프들을 용이하게 치수 결정할 수 있다.
효율상의 이유로, 가스 및 금속 입자는 가장 바람직하게는 향류 (counter-current flow) 로 순환한다. 따라서, 내부 파이프 (9) 는 열교환기 (3) 의 제 1 단부에 의해 무화 챔버의 하부의 개구 (8) 에 연결되는 반면, 외부 파이프 (10) 는 열교환기의 동일한 단부에 의해 무화기의 가스 분무기 (6) 에 연결된다.
특히, 내부 파이프의 이송 가스 입구 (13) 는 열교환기 (3) 의 제 1 단부에서 무화기의 개구 (8) 에 인접하게 위치되는 한편, 외부 파이프의 냉각 가스 입구 (16) 는 열교환기의 제 2 단부에 위치된다. 즉, 이송 가스 입구와 냉각 가스 입구는 열교환기의 반대편 단부들에 있다.
도 2를 참조하여, 설비의 제 1 변형예를 설명한다. 이 변형예는, 가스가 재순환된다는 점과, 무화기가 무화기로부터 분말의 배출을 용이하게 하기 위한 퍼지 (17) 를 더 포함한다는 점에서 도 1에 도시된 것과 상이하다.
퍼지 (17) 는 바람직하게는 무화기의 하부 섹션에 위치된 복수의 퍼지 노즐을 포함한다. 특히, 이들은 금속 분말이 축적되는 무화기 부분의 위에 있다. 퍼지 노즐들은 가스가 무화기의 측벽들을 따라 유동하고 무화기 바닥의 개구 (8) 를 향해 금속 분말을 밀 수 있도록 설계된다. 퍼지 노즐들은 챔버 바닥으로부터 주어진 거리에서 챔버의 주변부를 따라 위치된 방사상 파이핑 시스템의 일부일 수 있다. 퍼지 노즐들은 챔버 바닥으로부터 상이한 거리들에서 챔버의 주변부를 따라 위치된 복수의 방사상 파이핑 시스템들의 일부일 수 있다. 퍼지 노즐들은 보조 가스 입구 (18) 에 커플링된다. 보조 가스 입구는 퍼지에 새로운 가스가 들어가게 하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 또는 조합으로, 보조 가스 입구는 퍼지에 재순환 가스를 주입하도록 설계될 수 있다. 그 경우에, 보조 가스 입구는 설비의 다른 가스 파이프들 및/또는 다른 압축기들에 연결된다. 본 예에서, 보조 가스 입구 (18) 는 열교환기 (3) 의 외부 파이프 (10) 에 연결된다. 특히, 외부 파이프를 가스 분무기에 연결하는 가스 도관 (15) 에 연결된다. 보조 가스 입구의 설계가 무엇이든, 바람직하게는 퍼지에 진입하는 가스의 유동 및/또는 압력을 제어하기 위해 가스 조절기에 커플링된다. 가스 조절기는 압축기, 팬, 펌프, 파이프 섹션 감소 또는 임의의 적합한 장비일 수 있다.
퍼지 (17) 는 무화기와 열교환기의 내부 파이프 사이의 가능한 압력 차이를 유지하면서 개구를 통한 금속 분말의 효율적인 배출을 위해 가스 압력을 감지 및 제어하기 위해 센서에 커플링될 수 있다.
도 2에 나타낸 변형예에서, 무화 및 이송에 사용된 가스도 또한 재순환된다. 특히, 이송에 사용되고 그레이딩 스테이션 (14) 에서도 사용되는 가스는 열교환기의 외부 파이프 (10) 에 재주입된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 열교환기의 외부 파이프의 제 2 단부는 그레이딩 스테이션 (14) 에 연결되고, 특히 그레이딩 스테이션의 제 1 스테이지를 형성하는 제 1 분리기 (20) 에 연결된다. 제 1 분리기는 사이클론일 수 있다. 제 1 분리기에서, 더 낮은 분말 분획, 예를 들어 20 ㎛ 미만의 분말 분획은 더 높은 분말 분획, 예를 들어 20 ㎛ 초과의 분말 분획으로부터 분리된다. 더 낮은 분말 분획은 대부분의 가스와 함께 제 1 필터 (21) 를 통과한다. 필터는 예를 들어 백 필터 (bag filter) 또는 정전 필터 (electrostatic filter) 일 수 있다. 후자는 150℃ 초과의 온도들을 견디기 위해 및/또는 백 대체물들을 회피하기 위해 바람직하다. 제 1 필터를 빠져나가는 가스는 재순환된다. 특히, 열교환기의 외부 파이프 (10) 에 재주입된다. 따라서, 제 1 필터 (21) 는 예를 들어 여과된 가스 도관 (22) 을 통해, 외부 파이프의 냉각 가스 입구 (16) 에 연결된다. 특히, 냉각 가스 입구에 커플링된 가스 조절기 (23) 에 연결된다. 제 1 필터에서 나오는 가스는 사이클론, 필터 및 여과된 가스 도관을 통과하면서 충분히 냉각되어, 외부 파이프에 직접 재주입될 수 있다. 충분히 냉각되지 않은 경우, 필터와 외부 파이프 사이에, 특히 여과된 가스 도관 상에 열교환기가 추가될 수 있다.
더 높은 분말 분획, 예를 들어 20 ㎛ 초과의 분획은 바람직하게는 제 1 수집기 (24) 에서 수집된다. 제 1 수집기는 바람직하게는 분말을 배출하기 위해 버터플라이 밸브와 같은 바닥 개방 밸브 (25) 를 포함한다. 배출은 바람직하게는, 그레이딩 스테이션의 제 2 스테이지를 형성하는 분류 시스템 (27) 에 연결된 컨베이어 (26) 에서 행해진다.
컨베이어는 컨베이어 가스 입구 (28) 를 포함할 수 있다. 컨베이어 가스 입구는 컨베이어 내에 신선한 가스가 들어가게 하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 또는 조합으로, 컨베이어 가스 입구는 컨베이어에 재순환 가스를 주입하도록 설계될 수 있다. 그 경우에, 컨베이어 가스 입구는 설비의 다른 가스 파이프들 및/또는 다른 압축기들에 연결된다. 컨베이어 가스 입구의 설계가 무엇이든, 바람직하게는 컨베이어에 진입하는 가스의 유동 및/또는 압력을 제어하기 위해 가스 조절기에 커플링된다. 가스 조절기는 압축기, 팬, 펌프, 파이프 섹션 감소 또는 임의의 적합한 장비일 수 있다.
분류 시스템 (27) 은 일련의 분류기들 또는 체들 (sieves) 을 포함한다. 각각의 분류기 (29) 는 분리 챔버 (30), 바닥 개방 밸브 (31), 수집기 (32) 및 가스 출구 (33) 를 포함한다. 분리 챔버의 특징은 원하는 분말 분획을 수집하기 위해 경우에 따라 조정된다. 분리 챔버들은 관심 있는 분획들 또는 등급들 중 일부를 순차적으로 수집하도록 설계될 수 있다. 등급의 예는 20-60 ㎛, 60-150 ㎛ 및 150-250 ㎛ 이다.
컨베이어 (26) 로부터 나오는 분말은 분류 시스템의 각각의 분류기 (29) 를 순차적으로 통과한다. 분말의 분획은 체질되어 대응하는 수집기 (32) 에 수집되고, 분말의 나머지 부분은 다음 분류기로 이송된다.
분류 시스템 (27) 의 출구에서, 가스는 제 2 필터 (34) 를 통과한다. 필터는 예를 들어 백 필터 또는 정전 필터일 수 있다. 후자는 150℃ 초과의 온도들을 견디기 위해 및/또는 백 대체물들을 회피하기 위해 바람직하다. 제 2 필터를 빠져나가는 가스는 재순환된다. 특히, 이중관 열교환기의 외부 파이프 (10) 에 재주입된다. 따라서 그레이딩 스테이션의 출구는 외부 파이프에 연결된다. 특히, 제 2 필터 (34) 는 예를 들어 제 2 여과된 가스 도관 (35) 을 통해, 외부 파이프의 냉각 가스 입구 (16) 에 연결된다. 특히, 냉각 가스 입구 (16) 에 커플링된 가스 조절기 (23) 에 연결된다. 제 2 필터로부터 나오는 가스는 분류 시스템을 통과하면서 충분히 냉각되어, 외부 파이프에 직접 재주입될 수 있다. 충분히 냉각되지 않은 경우, 필터와 외부 파이프 사이에, 특히 제 2 여과된 가스 도관 상에 열교환기가 추가될 수 있다.
선택적으로, 분류 시스템에서 수득된 상이한 분획들로부터의 가스가 또한 외부 파이프에서 포획되고 재순환된다.
도 3을 참조하여 설비의 제 2 변형예를 설명한다. 이 변형예는 퍼지 (17) 의 보조 가스 입구 (18) 가 내부 파이프의 이송 가스 입구 (13) 와 동일한 가스 소스에 연결된다는 점에서 도 2에 도시된 것과 상이하다. 내부 파이프 내의 이송과 유사하게, 퍼지가 바람직하게는 저압 가스로 행해지기 때문에, 이 연결은 더 효율적이다.
이 변형예에서, 무화기는 그 상부 섹션에 2차 가스 분무기 (36) 를 더 포함한다. 이 2차 가스 분무기는 노즐 부근에서 가스를 주입하여 이를 청결하게 유지하도록 설계된다. 저압 가스가 2차 가스 분무기에 바람직하게 사용되기 때문에, 2차 가스 분무기는 바람직하게는, 보조 가스 입구 (18) 와 유사하게 내부 파이프의 이송 가스 입구 (13) 와 동일한 가스 소스에 연결된다. 2차 가스 분무기는 바람직하게는 챔버에 진입하는 가스의 유동 및/또는 압력을 제어하기 위해 가스 조절기 (37) 에 커플링된다. 가스 조절기는 압축기, 팬, 펌프, 파이프 섹션 감소 또는 임의의 적합한 장비일 수 있다.
도 4 및 도 5 를 참조하면, 무화기는 가스 분무기를 통한 그리고 가능하게는 퍼지를 통한 가스 주입을 보상하기 위한 가스 추출기 (38) 를 더 포함할 수 있다. 가스 추출기는 바람직하게는 챔버의 바닥에서 금속 분말을 방해하지 않도록 챔버의 상부 섹션에 위치된다. 가스 추출기는 일 측에서 챔버에 그리고 다른 측에서 탈진(dedusting) 수단 (39) 에 연결되는 하나의 파이프 또는 복수의 파이프들의 형태일 수 있다. 탈진 수단은 추출된 가스로부터 가장 미세한 입자들을 제거한다. 이는 전기-필터, 백 필터 또는 사이클론 분리기를 포함할 수 있다. 비교적 낮은 압력 강하를 가지며 움직이는 부분이 없기 때문에 사이클론 분리기가 선호된다.
바람직하게는 가스 추출기 (38) 는, 챔버에 주입되어 가스 추출기를 통해 추출되는 가스가 재순환될 수 있도록 설계된다. 결과적으로, 가스 소비가 최소화된다. 따라서, 가스 추출기는 바람직하게는, 가스 분무기, 퍼지, 2차 가스 분무기, 열교환기의 외부 파이프의 냉각 가스 입구, 내부 파이프의 이송 가스 입구 또는 이들의 조합과 같은 설비의 다른 부분에 연결된다. 연결은 추출 가스 도관 (40) 의 형태일 수 있다. 특히, 일 측에서 챔버에 연결된 탈진 수단 (39) 은 다른 측에서, 가스 분무기 (6) 에 커플링된 가스 조절기 (7) 에, 또는 보조 가스 입구 (18) 에 커플링된 가스 조절기 (19) 에, 또는 2차 가스 분무기 (36) 에 커플링된 가스 조절기 (37) 에, 또는 냉각 가스 입구 (16) 에 커플링된 가스 조절기 (23) 에, 또는 이송 가스 입구 (13) 에 커플링된 가스 조절기에, 또는 이들의 조합에 연결될 수 있다. 재순환될 가스를 더욱 세정하기 위해 필터들이 또한 추가될 수 있다.
추출 가스 도관 (40) 은 열교환기 (41) 를 포함할 수 있다. 결과적으로, 가스는, 탈진 수단 (39) 및 연결에서의 열 손실이 충분하지 않은 경우에 재사용되어야 하는 온도로 냉각될 수 있다.
추출 가스 도관은 또한, 특히 가스 손실들을 보상하기 위해, 일부 새로운 가스가 시스템에 도입되어야 하는 경우에 가스 입구 (42) 를 포함할 수도 있다.
도 4에 도시된 제 3 변형예에서, 추출 가스 도관 (40) 은 2차 가스 분무기 (36) 에 커플링된 가스 조절기 (37) 에 그리고 보조 가스 입구 (18) 에 커플링된 가스 조절기 (19) 에 연결된다.
도 4에 예시된 제 3 변형예에서, 추출 가스 도관 (40) 은 이중관 열교환기 (3) 의 내부 파이프 (9) 의 이송 가스 입구 (13) 에 추가로 연결된다. 결과적으로, 챔버로부터 추출된 가스는 내부 파이프 내에서 금속 분말을 이송하는 데 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 제 4 변형예에서, 추출 가스 도관 (40) 은 이중관 열교환기의 외부 파이프 (10) 에 그리고 특히 외부 파이프의 냉각 가스 입구 (16) 에 연결된다. 결과적으로, 챔버로부터 추출된 가스는 내부 파이프 내의 금속 분말을 냉각시키는 데 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 제 4 변형예는 그레이딩 스테이션 (14) 의 제 1 필터 (21) 로부터 나오는 여과된 가스 도관 (22) 및 그레이딩 스테이션에서 나가는 제 2 여과된 가스 도관 (35) 이 이중관 열교환기의 내부 파이프 (9) 의 이송 가스 입구 (13) 에 연결된다는 점에서 이전의 변형예들과 더 다르다. 연결은 제 3 여과된 가스 도관 (43) 의 형태일 수 있다. 결과적으로, 그레이딩 스테이션으로부터 나오고 그레이딩 스테이션을 통과하면서 냉각된 가스는, 내부 파이프에서 금속 분말을 이송하는 데 사용될 수 있다. 가스가 충분히 냉각되지 않은 경우, 그레이딩 스테이션과 내부 파이프 사이에, 특히 제 3 여과된 가스 도관 상에 열교환기가 추가될 수 있다.
가스 재순환의 다른 설계도 물론 가능하다.
프로세스 관점으로부터, 무화기 (2) 로부터 배출되는 분말의 냉각은 무화에 사용될 가스가 이중관식 열교환기 (3) 에서 무화기로부터 배출되는 금속 입자와 먼저 접촉되는 프로세스 덕분에 가능해진다.
무화될 금속은 특히 강, 알루미늄, 구리, 니켈, 아연, 철, 합금일 수 있다. 강은 특히 탄소강, 합금강 및 스테인리스강을 포함한다.
금속은 고체 상태로 무화기에 제공될 수 있고, 노즐 (5) 을 통해 무화기에 연결된 턴디시에서 용융될 수 있다. 또한 이전 단계에서 녹여 턴디시에 부을 수 있다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 무화될 용융 금속은 고로 루트 (blast furnace route) 를 통해 수득되는 강이다. 그 경우에, 고로로부터 선철 (pig iron) 이 출탕되어, 선택적으로 고온 금속 탈황 스테이션으로 보내진 후, 전로 (converter)(또는 순산소전로 (Basic Oxygen Furnace) BOF) 로 이송된다. 용선 (molten iron) 은 전로에서 용강 (molten steel) 으로 정련된다. 이어서, 전로부터의 용강은 전로부터 회복 레이들 (recuperation ladle) 로 출탕되고, 바람직하게는 LMF (ladle metallurgy furnace) 로 이송된다. 따라서, 용강은 특히 탈산 (de-oxidation) 을 통해 LMF 에서 정련될 수 있고, 용강의 1차 합금화는 합금철 (ferroalloy) 또는 규화물 합금 (silicide alloy) 또는 질화물 합금 (nitride alloy) 또는 순수 금속 또는 이들의 혼합물을 첨가함으로써 행해질 수 있다. 까다로운 분말 조성이 생성되어야 하는 특정 경우에, 용강은 또한 VTD (vacuum tank degasser) 에서, VOD (vacuum oxygen decarburization) 용기에서 또는 VAD (vacuum arc degasser) 에서 처리될 수 있다. 이들 장비는 특히 수소, 질소, 황 및/또는 탄소 함량을 추가로 제한할 수 있게 한다.
이어서, 정련된 용강은 복수의 유도로 (induction furnace) 에 부어진다. 각각의 유도로는 다른 유도로와 독립적으로 작동될 수 있다. 특히 다른 유도로가 여전히 운전되는 동안 유지보수 또는 수리를 위해 중단될 수 있다. 또한, 유도로마다 상이한 양으로 합금철, 스크랩, DRI (Direct Reduced Iron), 규화물 합금, 질화물 합금 또는 순수 원소가 공급될 수 있다.
유도로의 수는 전로로부터 나오는 용강 또는 LMF로부터 나오는 정련된 용강의 유동 및/또는 무화기의 하부에서의 강 분말의 원하는 유동에 맞게 조정된다.
각각의 유도로에서, 용강의 합금화는 원하는 강 분말의 조성으로 강 조성을 조정하기 위하여 합금철 또는 규화물 합금 또는 질화물 합금 또는 순수 금속 또는 이들의 혼합물을 첨가함으로써 행해진다.
그 다음, 각각의 유도로에 대해, 원하는 조성의 용강이 적어도 하나의 가스 무화기에 연결된 전용 저장소에 부어진다. "전용"은 저장소가 주어진 유도로와 쌍을 이루는 것을 의미한다. 그렇기는 하지만, 복수의 저장소가 하나의 주어진 유도로에 전용될 수 있다. 명료성을 위해, 각각의 유도로는 적어도 하나의 가스 무화기에 연결된 적어도 하나의 저장소를 갖는 그 자신의 생산 스트림을 갖는다. 이러한 병렬 및 독립적인 생산 스트림들로, 강 분말의 생산 프로세스는 다용도이고, 용이하게 연속적으로 될 수 있다.
저장소는 주로, 분위기적으로 제어될 수 있으며 용강을 가열할 수 있고 가압될 수 있는 저장 탱크이다.
각각의 전용 저장소 내의 분위기는 바람직하게는, 용강의 산화를 피하기 위해 아르곤, 질소 또는 이들의 혼합물이다.
각각의 저장소에 부어진 강 조성물은 액상선 온도 초과로 가열되어 이 온도에서 유지된다. 이러한 과열 덕분에, 무화기 노즐의 막힘이 방지된다. 또한, 용융된 조성의 점도 감소는 적절한 입자 크기 분포를 갖는 위성 없이 높은 구형도를 갖는 분말을 얻는 것을 돕는다.
마지막으로, 전용 저장소가 가압될 때, 용강은 저장소로부터 저장소에 연결된 가스 무화기들 중 적어도 하나로 흐를 수 있다.
본 발명의 다른 변형예에 따르면, 무화될 금속은 전기 아크로 루트를 통해 수득되는 강이다. 그 경우에, 스크랩, 금속 미네랄 및/또는 금속 분말과 같은 원료는 전기 아크로 (EAF) 에 공급되어, 제어된 온도에서 가열된 액체 금속으로 용융되고, 불순물 및 개재물은 별도의 액체 슬래그 층으로서 제거된다. 가열된 액체 금속은 EAF로부터 레이들 내로, 바람직하게는 수동적으로 가열가능한 레이들 내로 제거되고, 정련 스테이션으로 이동되고, 여기서 바람직하게는 유도 가열식 정련 유지 용기 (inductively heated refining holding vessel) 내에 배치된다. 거기에서, 액체 금속으로부터 탄소, 수소, 산소, 질소 및 다른 바람직하지 않은 불순물을 제거하기 위해 진공 산소 탈탄 (vacuum oxygen decarburization) 과 같은 정련 단계가 수행된다. 이어서, 정련된 액체 금속을 갖는 레이들은 무화기의 가열된 턴디시를 포함하고 제어된 진공 및 불활성 분위기 하의 폐쇄된 챔버 위로 이송될 수 있다. 레이들은 공급 도관에 연결되고, 가열된 턴디시는 공급 도관을 통해 정련된 액체 금속이 공급된다.
대안적으로, 정련된 액체 금속을 갖는 레이들은 정련 스테이션으로부터 가스 무화기의 가열된 턴디시와 함께 제어된 진공 및 불활성 분위기 하에서 주입 영역 (pouring area) 을 포함하는 무화기 스테이션의 도어에 위치된 다른 유도 가열 무화기 홀더 용기로 이송된다. 이어서, 유도적으로 가열된 무화 유지 용기는 진공 및 분위기가 주입 영역 중 하나로 조정되는 수용 영역 내로 도입된다. 이어서, 용기는 주입 영역 내로 도입되고, 액체 금속은 제어된 속도로 가열된 턴디시 내로 주입되고, 무화기로 무화된다.
양 변형예에서, 용융 금속은 제어된 분위기 하에서 챔버 (4) 내의 노즐 (5) 을 통해 강제되고 미세 금속 액적으로 무화하는 가스의 제트 (jet) 에 의해 충돌될 때까지 턴디시 내에 무화 온도에서 유지된다.
무화의 챔버 내에 형성된 금속 분말은, 바람직하게는 챔버를 퍼징함으로써, 이중관 열교환기 (3) 의 내부 파이프 (9) 내의 무화기로부터 배출된다. 내부 파이프에서, 금속 분말은 그레이딩 스테이션으로 이송되고 동시에 냉각된다. 내부 파이프 내의 압력은 바람직하게는 최대 5 bar, 보다 바람직하게는 3 과 5 bar 사이에 포함된다.
열교환기 (3) 의 외부 파이프 (10) 내의 가스 순환은 바람직하게는 내부 파이프의 출구 또는 그레이딩 스테이션의 입구에 도달하는 금속 분말이 150℃ 미만으로 냉각되도록 조정된다. 결과적으로, 내고온성 장비에 반대하여 보통의 체질 장비가 사용될 수 있다. 외부 파이프 내의 압력은 바람직하게는 20 과 20 bar 사이에 포함된다. 바람직하게는 외부 파이프 내의 가스 및 내부 파이프 내의 금속 입자는 향류로 순환하고 있다.
이중관 열교환기에서 분말을 이송하는 데 사용되는 가스는 바람직하게는 분말의 체질 동안에도 사용된다. 체질 단계의 종료 시에, 가스가 바람직하게는 이중관 열교환기의 외부 파이프 (10) 에 재주입되어, 내부 파이프 (9) 에서 이송되는 금속 분말을 냉각시킨다. 대안적으로, 가스는 열교환기의 내부 파이프 (9) 에 재주입되어, 금속 분말을 이송한다.
챔버에 주입된 가스는 바람직하게는 챔버로부터 적어도 부분적으로 추출된다. 이어서, 탈진되고 설비에서 재사용될 수 있다. 이는 용융 금속 스트림의 분사, 챔버의 퍼지, 노즐의 세정, 이중관 열교환기에서의 금속 분말의 냉각, 또는 이중관 열교환기에서의 금속 분말의 수송을 위해 재사용될 수 있다.
Claims (23)
- 금속 분말의 제조를 위한 설비 (1) 로서,
- 상부와 하부를 갖는 무화(atomization) 챔버 (4), 상기 무화 챔버의 상부에 위치되고 액체 금속이 관류할 수 있는 무화 노즐 (5), 상기 무화 노즐에 인접하고 상기 액체 금속에 가스가 분사될 수 있게 하는 가스 분무기 (6), 및 상기 금속 분말을 배출하기 위한 상기 무화 챔버의 하부의 개구 (8) 를 포함하는 가스 무화기 (gas atomizer; 2),
- 내부 파이프 (9) 및 외부 파이프 (10) 를 포함하는 이중관 열교환기 (3) 로서, 상기 내부 파이프와 상기 외부 파이프는 동심이고, 상기 내부 파이프는 상기 무화 챔버의 하부의 상기 개구 (8) 에 연결되고, 상기 외부 파이프는 상기 무화기의 상기 가스 분무기 (6) 에 연결되는, 상기 이중관 열교환기 (3) 를 포함하는, 설비. - 제 1 항에 있어서,
그레이딩 스테이션 (grading station; 14) 을 더 포함하는, 설비. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 내부 파이프 (9) 가 공압 이송 파이프라인, 설비. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 파이프 (9) 가 이송 가스 입구 (13) 를 포함하는, 설비. - 제 4 항에 있어서,
상기 이송 가스 입구 (13) 는 상기 무화 챔버의 하부의 개구 (8) 에 인접하게 위치되는, 설비. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 파이프 (9) 는 상기 이중관 열교환기의 제 1 단부 (11) 에 의해 상기 무화 챔버의 하부의 개구 (8) 에 연결되는, 설비. - 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 파이프 (9) 는 상기 이중관 열교환기의 제 2 단부 (12) 에 의해 상기 그레이딩 스테이션 (14) 의 입구에 연결되는, 설비. - 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 파이프 (9) 는 상기 이중관 열교환기의 제 1 단부 (11) 에 의해 상기 그레이딩 스테이션 (14) 의 출구에 연결되는, 설비. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 파이프 (10) 는 상기 이중관 열교환기의 제 1 단부 (11) 에 의해 상기 가스 분무기 (6) 에 연결되는, 설비. - 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 파이프 (10) 는 상기 이중관 열교환기의 제 2 단부 (12) 에 의해 상기 그레이딩 스테이션 (14) 의 출구에 연결되는, 설비. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 파이프 (10) 는 가스 조절기에 연결되는, 설비. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 무화기는 상기 무화 챔버의 하부의 입자를 퍼징하기 위한 상기 무화 챔버 (4) 내의 퍼지 (purge; 17) 를 더 포함하는, 설비. - 제 12 항에 있어서,
상기 외부 파이프 (10) 는 상기 이중관 열교환기의 제 1 단부 (11) 에 의해 상기 퍼지 (17) 에 연결되는, 설비. - 제 12 항에 있어서,
상기 퍼지 (17) 는 상기 내부 파이프 (9) 의 이송 가스 입구 (13) 에 연결되는, 설비. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 무화기 (2) 는 상기 무화 챔버 (4) 에 연결된 가스 추출기 (38) 를 더 포함하는, 설비. - 제 15 항에 있어서,
상기 가스 추출기 (38) 는 상기 가스 분무기 (6) 에 연결되는, 설비. - 제 15 항에 있어서,
상기 가스 추출기 (38) 는 상기 이중관 열교환기의 제 2 단부 (12) 에 의해 상기 외부 파이프 (10) 에 연결되는, 설비. - 가스 무화기 (2) 의 출구에서 금속 입자를 냉각시키는 프로세스로서, 무화에 사용될 가스가 내부 파이프 (9) 와 외부 파이프 (9) 를 포함하는 이중관 열교환기 (3) 의 무화기로부터 배출된 금속 입자와 먼저 접촉되고, 상기 내부 파이프와 상기 외부 파이프는 동심인, 프로세스.
- 제 18 항에 있어서,
상기 무화에 사용될 가스는 상기 외부 파이프 (10) 내에서 한 방향으로 순환하는 한편, 상기 무화기로부터 배출된 금속 입자는 상기 내부 파이프 (9) 내에서 다른 방향으로 순환하는, 프로세스. - 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
상기 무화에 사용될 가스는 가스 무화기 (2) 및 이중관 열교환기 (3) 를 포함하는 금속 분말의 제조를 위한 설비 (1) 의 일부인 그레이딩 스테이션 (14) 으로부터 재순환되는, 프로세스. - 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 무화에 사용될 가스는 가스 무화기 (2) 로부터 재순환된 가스인, 프로세스. - 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 파이프 (9) 내의 금속 입자를 이송하기 위해 사용되는 가스가 가스 무화기 (2) 및 이중관 열교환기 (3) 를 포함하는 금속 분말의 제조를 위한 설비 (1) 의 일부인 그레이딩 스테이션 (14) 으로부터 재순환된 가스인, 프로세스. - 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 파이프 (9) 내의 금속 입자를 이송하기 위해 사용되는 가스가 가스 무화기로부터 재순환된 가스인, 프로세스.
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