KR20240007221A - 유도 코일과 코일을 이용한 금속분말의 제조장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
유도코일과 중간코일을 이용한 금속분말 제조장치 및 방법로서, 본 발명은 금속 분말의 제조 장치(10, 100)에 관한 것이다. 이는 용융 챔버(12), 하류 분무화 타워(14) 및 용융물 제트(24)를 분무화하기 위한 노즐 조립체(16)를 포함한다. 상기 장치는 용융 챔버(12) 내에 배치되고 용융 주파수 fmelt에서 작동되며, 내부에 적어도 단면적으로 수용된 재료 로드(22)를 국부적으로 용융시켜 용융물 제트(24)를 분무화되어 생성하도록 구성되는 유도 코일(20) 및 용융 챔버(12) 내에 배치되고 기본 주파수 fbase에서 작동되며, 유도 코일(20)의 하류에 배치되고 유도 코일(20)과 동축으로 정렬되는 별도의 중간 코일(30, 130)을 추가로 포함한다. 중간 코일(30, 130)은 유도 코일(20)과 노즐 조립체(16) 사이의 영역에서 용융물 제트(24)를 과열시키도록 구성된다. 기본 주파수 fbase 대 용융 주파수 fmelt의 주파수 비율 FBS에 1 ≤ FBS = fbase/fmelt ≤ 500이 적용된다.
Description
본 발명은 유도코일과 중간코일을 이용하여 고순도 분말을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 재료를 용융 및 분무화하여 분말을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 분말은 Ni 초합금 분말, 귀금속 분말, 또는 고융점 및 반응성 금속 합금 분말과 같은 고순도 금속 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 장치 및 방법은 티타늄, 지르코늄, 니오븀 및/또는 탄탈륨 합금 분말을 생산하는 역할을 할 수 있다.
금속 분말은 반제품 및 성형 부품 생산을 위한 출발 물질로서 다양한 응용 분야에서 사용된다. 특히 금속 분말은 소결 또는 적층 제조 기술을 통해 이러한 목적으로 추가 가공될 수 있다. 예를 들어 항공 우주 산업, 에너지 기술, 화학 산업, 전자 산업 및 생물 의학 기술 등의 광범위한 응용으로 인해 (금속) 분말에 대한 수요와 (금속) 분말의 품질에 대한 요구 사항이 지속적으로 증가하고 있다.
분말 제조를 위한 통상적인 장치는 재료 용융물을 생성하거나 제공하기 위한 수단뿐만 아니라 재료 용융물의 용융물 제트를 분무화(atomizing)하거나 분무화(nebulizing)하기 위한 수단을 포함한다.
재료 용융물을 제조하는 공지된 공정으로는, 예를 들어 EIGA 공정(Electrode Induction Melting Inert Gas Atomization), VIGA 공정(Vacuum Induction Melting Inert Gas Atomization) 및 PIGA 공정(Plasma Inert Gas Atomization)이 있다.
EIGA 기술을 사용하여 재료 바(bar)를 용융시키고 이어서 용융된 재료를 분무화함으로써, 금속 분말을 제조하기 위한 장치는 문서 DE 4 102 101 A1 및 EP 3 083 107 A1에 공지되어 있다. 그러나 이러한 장치로 제조되는 분말의 품질에는 정해진 한계가 있으며, 향상된 분말 품질과 함께 더욱 미세하고 보다 균일한 분말이 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 더욱 미세하고 보다 균일하며, 및/또는 질적으로 향상된 분말을 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 분말 품질의 개선은 위성 형성 및/또는 분말 내 가스 함유의 감소 및/또는 최적의 구형도를 달성하는 것을 의미할 수 있다.
이 목적은 독립항의 주제에 의해 달성된다. 상기 장치 및 방법의 추가적인 개발 및 실시예는 종속항 및 아래 설명의 주제이다.
본 발명의 일 측면은 분말을 제조하기 위한, 특히 금속 분말을 제조하기 위한 장치 또는 시스템에 관한 것이다. 상기 장치는 티타늄, 지르코늄, 니오븀 및/또는 탄탈륨 합금의 고순도 분말을 제조하기 위한 장치 및/또는 니켈 초합금 분말, 귀금속 분말 또는 고융점 및 반응성 금속 합금 분말을 제조하기 위한 장치일 수 있다.
상기 장치는 용융 챔버와 용융 챔버 하류의 분무화 타워를 포함한다. 여기서 하류는 작동 중에 분무화 타워가 용융 챔버 아래에 위치한다는 것을 의미할 수 있다. 용융 챔버에는 예압을 가할 수 있다. 분무화 타워는 역압을 받을 수 있다. 역압은 예압보다 낮을 수 있다. 역압은 예압과 동일할 수 있다. 역압이 예압과 동일한 일 실시예에서, 용융 챔버는 바이패스(bypass)를 통해 분무화 타워에 연결될 수 있다.
상기 장치는 용융물 제트를 분무화하기 위한 노즐 조립체를 포함하며, 용융 챔버는 이를 통해 분무화 타워에 연결된다.
유도 코일은 용융 챔버 내부에 배열된다. 유도 코일은 복수의 권선(turn)을 포함할 수 있다. 유도 코일은 용융 주파수 fmelt에서 작동하고, 분무화될 용융물 제트를 생성하기 위해 내부에 단면적으로 수용된 적어도 재료 로드를 국부적으로 용융시키도록 구성된다. 여기서, 국부적으로 용융된다는 것은 재료 로드가 일단(유도 코일에 배치된 일단)의 영역에서 유도 코일에 의해 가열되어 용융되는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 연속적이고 균일한 용융물 제트가 생성될 수 있도록 재료 로드를 지속적으로 전진시킬 수 있다. 재료 로드는 금속 로드일 수 있다. 따라서, 용융물 제트는 금속 용융물 제트일 수 있다. 재료 로드는 티타늄, 지르코늄, 니오븀 및/또는 탄탈륨 합금, 니켈 초합금 분말, 귀금속 또는 다른 고융점 반응성 금속 합금을 포함할 수 있다. 용융물 제트는 연속적이거나 짧은 연속 액적으로 형성될 수 있다.
용융 주파수 fmelt는 조정 가능하다. 용융물 제트의 직경, 용융 속도 및 용융물 제트의 용융 속도는 용융 주파수의 특정 선택에 의해 영향을 받을 수 있다. 용융 속도 dm/dt는 0.1kg/min 및 10kg/min 사이, 바람직하게는 0.5kg/min 및 8kg/min 사이, 바람직하게는 1.5kg/min 및 6kg/min 사이일 수 있다. 용융될 재료는 마그네슘을 포함할 수 있고, 밀도가 1600kg/m3일 수 있다. 용융될 재료는 알루미늄을 포함할 수 있고, 밀도가 2700kg/m3일 수 있다. 용융될 재료는 텅스텐을 포함할 수 있고, 밀도가 19000kg/m3일 수 있다. 용융물 제트의 직경은 2mm 및 10mm 사이, 바람직하게는 3mm 및 9mm 사이, 보다 바람직하게는 4.5mm 및 7.5mm 사이일 수 있다. 용융 속도는 0.01m/s 및 9m/s, 바람직하게는 0.1m/s 및 5m/s 사이, 보다 바람직하게는 0.5m/s 및 4m/s 사이일 수 있다. 용융물 제트의 직경과 용융 속도 및 용융 속도에 대해 지정된 값 범위는 유리한 조합, 즉, 가능한 가장 작은 용융물 제트 직경에도 불구하고 충분히 높은 용융 속도를 제공하기 위한 최적의 균형을 나타난다.
또한, 별도의 중간 코일이 용융 챔버 내부에 배치된다. 여기서, 별도라는 것은 중간 코일이 유도 코일과 구조적으로 분리되어 있다는 것, 즉 단순히 유도 코일의 한 부분을 형성하는 것이 아니라는 것을 의미할 수 있다. 중간 코일은 유도 코일과 별도로 제어될 수도 있고, 유도 코일의 제어 및 주파수에 반드시 의존할 필요는 없지만, 두 코일의 제어가 서로 일치할 수도 있다. 중간 코일은 복수의 권선을 가질 수 있다.
중간 코일 및/또는 유도 코일은 각각 차폐 재료, 예를 들어 페라이트 외장(ferrite sheath)으로 둘러싸일 수 있다. 이러한 방식으로 특정 필드 라인 안내를 실현할 수 있다. 이를 통해 개별 코일의 주파수 범위를 조정하는 동시에 코일 간의 상호 간섭을 방지할 수 있다.
중간 코일은 유도 코일의 하류에 위치하며 유도 코일과 동축으로 정렬된다． 따라서 중간 코일은 유도 코일과 노즐 조립체 사이에 배치되고, 중간 코일은 유도 코일로부터 이격되어 있다. 중간 코일은 또한 노즐 조립체로부터 이격될 수 있으며, 특히 중간 코일의 마지막 권선은 노즐 조립체의 입구 개구로부터 이격될 수 있다. 대안적으로, 중간 코일은 하단부를 갖는 노즐 조립체 내로 연장될 수 있다. 이 경우, 중간 코일의 마지막 권선은 적어도 노즐 조립체의 내경이 가장 작은 부분과 이격될 수 있다.
특히, 유도 코일과 중간 코일은 하류 및 서로 동축으로 배열되도록 정렬되어, 유도 코일에 의해 생성된 용융물 제트가 중간 코일을 통과한다. 여기서, 하류는 중간 코일을 마주하는 유도 코일의 마지막 권선이 (코일의 세로 축을 따라) 유도 코일을 마주하는 중간 코일의 첫 번째 권선으로부터 축방향으로 이격되어 있음을 의미할 수 있으며, 중간 코일의 첫 번째 권선은 유도 코일의 마지막 권선보다 분무화 타워에 더 가깝게 배열되며, 즉 중간 코일의 첫 번째 권선은 유도 코일의 마지막 권선으로부터 분무화 타워 방향으로 이격되어 있다.
중간 코일은 기본 주파수 fbase에서 작동하고 유도 코일과 노즐 조립체 사이의 영역에서 용융물 제트를 과열시키도록 구성된다. 과열은 또한 용융물 제트를 재료의 액상 온도 이상으로 가열 및/또는 유지하는 것으로 설명될 수 있다. 보다 정확하게는, 기본 주파수 fbase에서 작동하는 중간 코일은 유도 코일의 마지막 권선과 상기 코일을 마주하는 노즐 조립체의 입구 개구 사이의 영역 중 적어도 일부에서, 중간 코일과 용융물 제트의 종축을 따라 용융물 제트를 가열할 수 있다. 이러한 방식으로, 노즐 조립체에 진입하기 전에 용융물 제트의 냉각이 목표에 따라 영향을 받을 수 있으며 이에 따라 방지되거나 감소될 수 있다. 이 영역에서 용융물 제트의 냉각을 방지하거나 감소시킴으로써, 용융물 제트의 영역이 노즐 조립체에 들어가기 전에 이미 (부분적으로) 응고되는 것을 방지할 수 있다. 분무화 전 응고는 제조되는 분말의 품질에 중요한 영향을 미친다. 이는 특히 분말 품질을 향상시키는 중간 코일에 의해 대응될 수 있다.
예를 들어, 유도 코일에 의해 용융된 직후와 중간 코일에 들어가기 전에, 용융된 재료의 온도는 고상선 온도보다 높을 수 있으며, 액상선 온도보다 최대 70℃ 높을 수 있다(Tsol ≤ T ≤ (Tliq + 70℃)). 용융물 제트는 중간 코일을 통과한 후 (즉, 분무화 타워를 마주하는 중간 코일의 하단에서) 중간 코일에 의한 추가 과열로 인해 고상선 온도보다 높고 액상선 온도보다 최대 100℃ 높은 온도를 가질 수 있다(Tsol ≤ T ≤ (Tliq + 100℃)).
중간 코일은 (용융물 제트의 일부 냉각을 초래하는) 복사 손실을 보상하거나 용융물 제트의 과열을 추가로 증가시키는 역할을 할 수 있다.
기본 주파수 fbase 대 용융 주파수 fmelt의 주파수 비율 FBS 에 대해 다음이 적용될 수 있다:
1 ≤ FBS = fbase/fmelt ≤ 500;
바람직하게는, 1 ≤ fbase/fmelt ≤ 250;
보다 바람직하게는 1 ≤ fbase/fmelt ≤ 100;
보다 더 바람직하게는 3 ≤ fbase/fmelt ≤ 50;
보다 더욱 더 바람직하게는 8 ≤ fbase/fmelt ≤ 25.
특히, FBS는 5 내지 15, 바람직하게는 6.5 내지 13.5, 보다 바람직하게는 8 내지 12, 보다 더 바람직하게는 9 내지 11, 보다 더욱 더 바람직하게는 약 10일 수 있다.
기본 주파수 fbase 대 용융 주파수 fmelt의 지정된 주파수 비율 FBS는 특히 유리한 관계를 나타내며, 이는 한편으로는 냉각이 확실하고 충분히 감소될 수 있고, 다른 한편으로는 재료 로드의 용융(즉, 용융물 제트의 생성)과 용융물 제트의 과열 사이의 매우 원활한 전환이 가능하기 때문이다.
용융 주파수 fmelt, 기본 주파수 fbase 및/또는 주파수 비율 FBS는 용융 재료에 따라 및/또는 제조할 분말(및 원하는 용도)에 따라 및/또는 코일 기하학과 구조에 따라 선택될 수 있다. 즉, 코일은 필요에 따라 제어될 수 있고, 해당 주파수에서 작동될 수 있다. 이러한 목적을 위해 장치(arrangement)의 설계를 수정할 필요가 없기 때문에, 본 발명에 따른 장치는 다양한 응용 분야에 매우 유연하게 적용될 수 있다.
유도 코일과 노즐 조립체 사이의 영역은 유도 코일과 노즐 조립체 사이의 최소 거리, 즉 노즐 조립체를 향한 유도 코일의 마지막 권선과 노즐 조립체의 상부 입구 개구 사이의 거리일 수 있다.
추가 개발에서, 중간 코일은 변조 주파수 fmod가 기본 주파수 fbase로 변조되도록 구성될 수 있다. 기본 주파수 fbase로 변조된 변조 주파수 fmod는 본질적으로 동일한 크기를 갖는 개별적인 연속적인 액적으로 연속 용융물 제트의 목표 분리 또는 분해를 유발하거나 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다. 즉, 변조된 변조 주파수 fmod는 용융물 제트의 목표된 분리 또는 분해를 동일한 크기의 개별 액적으로 유발하는 교란 또는 간섭 주파수를 나타낸다. 용융물 제트를 연속적인 액적으로 분리하는 경우, 후속 분무화가 최적으로 준비될 수 있으며, 이에 따라 달성 가능한 분말 품질과 관련하여 더 효율적이고 훨씬 더 나은 분무화가 달성될 수 있다. 유도 코일과 노즐 조립체 사이 영역의 용융 액적에 작용하는 추가 기본 주파수 fbase는 원하지 않는 냉각, 특히 용융물 제트의 응고를 방지하며, 이는 원하는 분말 품질을 보장하기 위해 많은 수의 용융 액적으로 형성된 용융물 제트의 경우 훨씬 더 중요하다. 용융 주파수 fmelt를 통한 용융물 제트의 직경 및 용융물 제트의 용융 속도의 이전 목표 조정과 함께, 변조 주파수 fmod를 통한 용융물 제트의 목표 분해는 목표 및 적용 관련 방식으로 입자 크기와 분말의 품질을 설정할 수 있다. 이 설정은 다양하고 쉽게 조정할 수 있다. 기본적으로 동일한 크기의 액적을 설정하면 응고가 균일하고 매우 균질한 분말이 제조된다.
중간 코일은 유도 코일과 마주하는 중간 코일의 단부 영역에 형성된 간섭 구간 또는 구역을 포함할 수 있다. 따라서, 간섭 구간은 용융물 제트가 중간 코일로 진입하는 중간 코일의 영역에 제공되므로 초기 간섭 구간 또는 입력 간섭 구간으로도 지칭될 수 있다. 간섭 구간 또는 간섭 영역에 인접한 중간 코일의 나머지 부분은 과열 구간 또는 과열 영역으로 설명될 수 있다. 간섭 구간은 집중 구간을 나타내며, 용융물 제트를 국부적으로 짧고 강하게 압착하도록 설계될 수 있다. 중간 코일은 간섭 구간에서 감소된 내경을 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 과열 구간 또는 중간 코일의 나머지 부분에 비해 감소된 직경을 가질 수 있다. 간섭 구간은 중간 코일 길이의 5%와 25% 사이, 바람직하게는 10%와 20% 사이, 보다 바람직하게는 12.5%와 17.5% 사이로 연장될 수 있다. 간섭 구간은 감소된 직경의 특정 권선을 포함할 수 있다. 간섭 구간 내에서 냉각 벽 도가니 방어벽(cold wall crucible palisade)은 용융물 제트가 통과하는 직경을 줄이는 권선 내에 배치될 수 있다. 간섭 구간은 중간 코일의 나머지 권선들과 별개이며, 나머지 권선들과 병렬로 연결된 권선을 포함할 수 있다. 별도의 권선은 나머지 권선보다 더 높은 전류에서 작동될 수 있다.
중간 코일은 비전도성 페라이트 재료에 의해 단면적으로 둘러싸여, 중간 코일의 인덕턴스를 더욱 증가시킬 수 있다.
간섭 구간의 감소된 내부 직경 또는 내부 단면으로 인해, 중간 코일에 의한 용융물 제트의 영향, 특히 변조된 변조 주파수 fmod에 의한 집중이 실현될 수 있다. 이를 통해 용융물 제트가 이 간섭 구간에서 개별적인 연속 액적으로 분할되어, 이미 중간 코일로 유입되기 시작한다. 이러한 액적은 이후 과열 구간을 통과할 때 과열된다.
용융 주파수 fmelt는 10kHz와 500kHz 사이, 바람직하게는 100kHz와 400kHz 사이, 보다 바람직하게는 200kHz와 300kHz 사이일 수 있다. 용융 주파수 fmelt는 적어도 10kHz, 바람직하게는 적어도 50kHz 이상, 보다 바람직하게는 적어도 100kHz, 보다 더 바람직하게는 적어도 200kHz, 보다 더욱 더 바람직하게는 적어도 250kHz일 수 있다. 용융 주파수 fmelt는 500kHz 이하, 바람직하게는 450kHz 이하, 보다 바람직하게는 350kHz 이하, 보다 더 바람직하게는 300kHz 이하, 보다 더욱 더 바람직하게는 250kHz 이하일 수 있다. 지정된 범위의 용융 주파수 fmelt를 사용하면 여기에 관련된 재료에 대해 2mm에서 10mm 사이의 용융물 제트 직경을 설정할 수 있다.
기본 주파수 fbase는 100kHz와 5000kHz 사이, 바람직하게는 200kHz와 4500kHz 사이, 보다 바람직하게는 500kHz와 4000kHz 사이, 보다 더 바람직하게는 1000kHz와 3000kHz 사이, 보다 더욱 더 바람직하게는 1500kHz와 2500kHz 사이일 수 있다. 기본 주파수 fbase는 적어도 100kHz, 바람직하게는 적어도 200kHz, 보다 바람직하게는 적어도 500kHz, 보다 더 바람직하게는 적어도 1000kHz, 보다 더욱 더 바람직하게는 적어도 1500kHz일 수 있다. 기본 주파수 fbase는 5000kHz 이하, 바람직하게는 4500kHz 이하, 보다 바람직하게는 4000kHz 이하, 보다 더 바람직하게는 3000kHz 이하, 보다 더욱 더 바람직하게는 2500kHz 이하일 수 있다. 특정 범위의 기본 주파수 fbase는 여기에 관련된 재료에 대한 용융물 제트의 바람직하지 않은 냉각을 방지하거나 감소시킬 수 있으며, 특히 용융물 제트 직경은 바람직하게는 2mm와 10mm 사이로 설정된다.
변조 주파수 fmod는 0.001kHz와 5kHz 사이, 바람직하게는 0.005kHz와 4.5kHz 사이, 보다 바람직하게는 0.01kHz와 4kHz 사이, 보다 더 바람직하게는 0.05kHz와 3.5kHz 사이, 보다 더욱 더 바람직하게는 0.1kHz와 3kHz 사이, 보다 더욱 더 바람직하게는 1kHz와 2.5kHz 사이일 수 있다. 변조 주파수 fmod는 적어도 0.001kHz, 바람직하게는 적어도 0.005kHz, 보다 바람직하게는 적어도 0.01kHz, 보다 더 바람직하게는 0.05kHz 이상, 보다 더욱 더 바람직하게는 0.1kHz 이상, 보다 더욱 더 바람직하게는 1kHz 이상일 수 있다. 변조 주파수 fmod는 5kHz 이하, 바람직하게는 4.5kHz 이하, 보다 바람직하게는 4kHz 이하, 보다 더 바람직하게는 3.5kHz 이하, 보다 더욱 더 바람직하게는 3kHz 이하, 보다 더욱 더 바람직하게는 2.5kHz 이하일 수 있다. 특정 범위의 변조 주파수 fmod에 의해, 여기에 관련된 재료에 대해, 원하는 직경을 갖는 연속적인 액적으로 용융물 제트의 목표된 분해가 실현될 수 있으며, 특히 용융물 제트의 직경은 바람직하게는 2 mm 내지 10 mm로 설정된다
변조 주파수 fmod는 특히 간섭 구간에서 용융물 제트 직경과 용융 속도에 따라 선택될 수 있다. 여기서, 다음이 적용될 수 있다:
여기서,
여기서, vm = 용융 속도(m/s), μ = 각 재료의 용융 점도(Pa.s), ρ = 각 재료의 용융 밀도(kg/m3), γ = 각 재료의 용융 표면 장력(N/m)이다.
중간 코일은 원통형 형상을 가질 수 있다. 중간 코일은 적어도 단면 방향 및/또는 주로 일정한 직경을 갖는 원통형 형상을 가질 수 있다. 주로 일정한 직경은 여기서 중간 코일의 종축을 따라 보면, 중간 코일의 적어도 70%, 바람직하게는 중간 코일의 적어도 80%, 보다 바람직하게는 중간 코일의 적어도 85%가 일정한 직경을 갖는 것을 의미한다. 이는 용융물 제트가 중간 코일 영역의 각 위치에서 동일한 에너지 입력을 경험할 수 있게 하며, 따라서 중간 코일을 통한 통과(낙하) 전체에 걸쳐 각 위치에서 실질적으로 동일하게 가열될 수 있게 한다.
종축을 따라 볼 때 중간 코일의 길이는 노즐 조립체의 최소 내부 직경의 4배 이상, 바람직하게는 5배 이상, 보다 바람직하게는 6배 이상일 수 있다. 이러한 방식으로, 유도 코일과 노즐 조립체 사이의 영역에서 용융물 제트의 특히 효과적인 과열이 달성될 수 있다.
중간 코일은 (중간 코일 또는 장치의 종축을 따라 볼 때) 노즐 조립체와 유도 코일 사이의 최소 거리에 의해 정의된 거리의 적어도 50%에서, 바람직하게는 적어도 60%, 보다 바람직하게는 적어도 70%, 보다 더 바람직하게는 적어도 75%, 보다 더욱 더 바람직하게는 적어도 80%에서 용융물 제트를 과열시키도록 구성될 수 있다. 이러한 최소 거리 부분을 커버함으로써, 용융물 제트의 원치 않는 냉각이 효과적이고 충분히 감소될 수 있다.
유도 코일은 노즐 조립체를 향하는 방향의 적어도 단면에서 원추형인 형상을 가질 수 있으며, 이로써 재료 로드의 효과적인 용융이 실현될 수 있다.
노즐 조립체는 라발 노즐을 포함하거나 그 형태일 수 있다.
노즐 조립체는 환형 노즐을 포함할 수 있거나 환형 노즐의 형상으로 형성될 수 있다.
라발 노즐은 용융물 제트가 용융 챔버로부터 라발 노즐을 통해 분무화 타워로 통과하고, 추가적인 가스가 용융 챔버로부터 라발 노즐을 통해 분무화 타워로 유동하도록 구성 및 배열될 수 있으며, 추가 가스는 라발 노즐을 통해 유동할 때 용융물 제트를 가속시킨다. 환형 노즐은 라발 노즐의 하류에 배열될 수 있고 및/또는 라발 노즐 영역에 배열될 수 있어서, 추가적인 분무화 가스가 분무화 가스 공급원으로부터 환형 노즐을 통해 분무화 타워로 유동하며, 그 결과, 분무화 타워에 인접한 라발 노즐의 출구 개구 영역에서 국부적으로 감소된 역압이 생성될 수 있어서, 용융 챔버의 예압 P0와 국부적으로 감소된 역압 P2 사이의 압력 비율 D에 다음이 적용된다.
D = P0/P2 ≥ 2.
이러한 이중 노즐 조립체와 지정된 압력비를 통해 노즐을 통한 임계 흐름이 달성될 수 있으며 용융물 제트의 분무화가 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 금속 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은
- 용융 챔버 내에서 적어도 단면적으로 재료 로드를 둘러싸는 유도 코일에 의해 재료 로드를 국부적으로 용융시킴으로써 분무화될 용융물 제트를 생성하는 단계로서, 유도 코일은 용융 주파수 fmelt에서 작동되는 단계;
- 유도 코일의 하류에 배치되고, 노즐 조립체와 동축으로 정렬된 별도의 중간 코일에 의해 유도 코일과 노즐 조립체 사이의 영역에서 용융물 제트를 과열시키는 단계로서, 중간 코일은 기본 주파수 fbase에서 작동되고, 기본 주파수 fbase 대 용융 주파수 fmelt의 주파수 비율 FBS에 다음이 적용되는 단계:
1 ≤ FBS = fbase/fmelt ≤ 500; 및
- 노즐 조립체에 의해 과열된 용융물 제트를 분무화하는 단계로서, 용융 챔버는 노즐 조립체를 통해 분무화 타워에 연결되는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 금속 분말을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는:
용융 챔버,
용융 챔버의 하류에 배치된 분무화 타워,
용융물 제트를 분무화하고, 용융 챔버가 노즐 조립체를 통해 분무화 타워에 연결되는 노즐 조립체,
용융 챔버 내에 배열되고, 용융 주파수 fmelt에서 작동되며, 적어도 단면적으로 수용된 재료 로드를 국부적으로 용융시켜, 용융물 제트를 분무화되어 생산하도록 구성된 유도 코일,
용융 챔버 내에 배열되고, 기본 주파수 fbase에서 작동되며, 유도 코일의 하류에 배열되고, 유도 코일과 동축으로 정렬되며, 중간 코일이 유도 코일과 노즐 조립체 사이의 영역에서 용융물 제트를 과열시키도록 구성된 별도의 중간 코일을 포함하며,
중간 코일은 변조 주파수 fmod가 기본 주파수 fbase로 변조되도록 구성된다.
일부 특징, 이점, 기능, 작동 모드, 실시예 및 추가 개발이 위에서 장치의 한 측면에 대해서만 설명되었지만 이는 방법 및 다른 측면에 필요한 부분을 약간 수정하여 적용될 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
이하, 첨부된 개략도를 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 도면에서,
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 추가 실시예에 따른 장치의 개략도이다.
도 3은 중간 코일이 동작하는 기본 주파수 fbase와 변조 주파수 fmod를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 추가 실시예에 따른 장치의 개략도이다.
도 3은 중간 코일이 동작하는 기본 주파수 fbase와 변조 주파수 fmod를 나타낸 도면이다.
도 1은 고순도 금속 분말을 제조하기 위한 장치 또는 시스템(10)을 도시한다. 상기 장치(10)는 용융 챔버(12) 및 용융 챔버(12) 하류의 분무화 타워(14)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 용융 챔버(12)는 작동 중에 분무화 타워(14) 위에 배열된다. 용융 챔버(12)는 노즐 조립체(16)를 통해 분무화 타워(14)에 연결된다. 즉, 노즐 조립체(16)의 상단은 용융 챔버(12)에 인접하게 배치되거나 용융 챔버(12) 내로 연장된다. 노즐 조립체(16)의 하단은 분무화 타워(14)에 인접하게 배치되거나 분무화 타워(14) 안으로 연장된다.
노즐 조립체(16)는 용융 챔버(12)에 구성요소로서 통합될 수 있다. 노즐 조립체(16)는 용융 챔버(12) 및 분무화 타워(14)에 구성요소로서 통합될 수 있다. 노즐 조립체(16)는 분무화 타워(14)에 부품으로서 통합될 수 있다. 노즐 조립체(16)는 용융 챔버(12)와 분무화 타워(14) 사이에 별도의 구성요소로서 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 노즐 조립체(16)는 용융 챔버(12)와 분무화 타워(14) 사이에 별도의 구성요소로서 제공된다.
용융 챔버(12) 내에는 복수의 권선을 갖는 유도 코일(20)을 포함하는 EIGA(전극 유도 용융 불활성 가스 분무화) 조립체(18)가 제공된다. 유도 코일(20)은 노즐 조립체(16) 위에 배치되고 이와 동축을 이룬다. 유도 코일(20)은 노즐 조립체(16)를 향해 테이퍼링되는 형상을 갖는다.
또한, 재료 로드(22)가 용융 챔버(12) 내에 배열되는데, 이 경우 재료 로드(22)는 금속 또는 금속 합금, 바람직하게는 Ti64 합금으로 만들어진다. 노즐 조립체(16)를 향하는 재료 로드(22)의 단부는 유도 코일(20) 내에 적어도 부분적으로 수용되거나 유도 코일(20) 내로 연장된다.
유도 코일(20)은 용융 주파수 fmelt에서 작동되고 내부에 수용된 재료 로드(22)의 단부를 국부적으로 용융시키도록 구성된다. 여기서 유도 코일은 250kHz의 용융 주파수 fmelt에서 작동된다. 이러한 방식으로, 본 예시에서는 용융물 제트 직경(d0)이 5mm인 분무화될 용융물 제트(24)가 생성된다. 도시된 실시예에서, 용융물 제트(24)는 초기에 실질적으로 연속적으로 응집성인 용융물 제트(24)이다. 화살표(26, 28)로 표시된 바와 같이, 재료 로드(22)는 이동 가능하게 장착된다. 따라서, 재료 로드(22)는 종축(A)(화살표(28))을 중심으로 회전 가능하며, 이에 의해 재료 로드(22)의 균일한 용융이 달성될 수 있다. 또한, 재료 로드(22)는 노즐 조립체(16) 방향(화살표(26))으로 변위 가능하여 재료 로드(22)가 연속적으로 공급될 수 있어, 분무화 공정 또는 분무화 공정에서 용융될(그리고 후속적으로 분무화되거나 또는 분무화될) 재료가 연속적으로 공급될 수 있다. 재료 로드(22)를 이동시키기 위해 반대쪽 단부에서 해당 작동기(미도시)에 연결된다. 재료 로드(22)는 유도 코일(20)과 동축으로 그리고 노즐 조립체(16)와 동축으로 배열된다. 축 A는 EIGA 조립체(18), 유도 코일(20), 재료 로드(22) 및 노즐 조립체(16)의 종축 또는 중심축을 나타낸다.
상기 장치(10)는 용융 챔버(12)에 배치되고 기본 주파수 fbase에서 작동되는 중간 코일(30)을 포함한다. 도시된 실시예에서 기본 주파수는 2000kHz이다. 따라서 여기서 기본 주파수 fbase 대 용융 주파수 fmelt의 주파수 비율 FBS는 8이다.
도 1(또한 도 2)에서 볼 수 있는 바와 같이, 중간 코일(30)은 유도 코일(20)에 더하여 구조적으로 분리된 별도의 중간 코일(30)로서 형성된다. 중간 코일(30)은 유도 코일(20)의 하류에 배치되고 유도 코일(20)과 동축으로 정렬된다. 따라서, 용융물 제트(24)는 유도 코일(20)로부터 종축(A)을 따라 중간 코일(30)을 통과하여 노즐 조립체(16)로 통과하거나 떨어진다. 중간 코일(30)의 기본 주파수 fbase는 중간 코일(30)이 유도 코일(20)과 노즐 조립체(16) 사이의 영역에서 용융물 제트(24)를 과열시켜, 노즐 조립체(16)에 진입하기 전에 용융물 제트(24)의 냉각을 방지하거나 적어도 감소시키도록 선택된다. 도시된 실시예에서, 중간 코일(30)은 유도 코일(20), 더욱 구체적으로는 유도 코일(20)의 하단부와 노즐 조립체(16), 더욱 구체적으로는 노즐 조립체(16)의 상부 입구 개구 사이의 최단 거리의 약 50%에 걸쳐 용융물 제트(24)를 과열시킨다.
도 1에 도시된 장치(10)의 중간 코일(30)은 간섭 구간(32) 또는 간섭 구역(32)과, 이에 인접한 과열 구간(34) 또는 과열 구역(34)을 포함한다. 간섭 구간(32)은 유도 코일(20)과 마주보는 중간 코일(30)의 상단 영역, 즉 용융물 제트(24)가 중간 코일(30)로 유입되는 영역에 형성된다. 중간 코일(30)은 간섭 구간(32)의 영역에서 과열 구간(34)의 내경에 비해 작은 내경을 갖는다. 여기서, 간섭 구간(32)은 중간 코일(30) 전체 길이의 약 15%에 걸쳐 연장된다.
0.006kHz의 추가 변조 주파수 fmod가 중간 코일(30)이 동작하는 기본 주파수 fbase로 변조되며, 즉, 기본 주파수 fbase가 이 변조 주파수 fmod와 중첩된다. 이러한 변조 주파수 fmod의 효과는 용융물 제트(24)가 교란되어 목표 방식으로 개별 액적(T)으로 분해된다. 이들 액적(T)은 연속적으로 서로 뒤따르며, 따라서 함께 용융물 제트(24)를 형성한다. 결과적으로, 도시된 실시예에서, 용융물 제트(24)는 이미 개별 액적(T)의 형태로 노즐 조립체(16)에 진입하고, 이어서 노즐 조립체(16)에 의해 분무화된다. 유도 코일(20)의 용융 주파수 fmelt 및 fmelt 또는 용융물 제트 직경 d0 및 용융 속도에 따른 변조 주파수 fmod의 선택적 설정에 의해 용융물 제트 직경 d0를 선택적으로 설정함으로써, 상기 장치(10)는 목표에 맞게 영향을 미칠 수 있으며, 액적의 크기를 설정할 수 있다. 이러한 방식으로 분말 특성이 목표에 맞게 영향을 받을 수 있다. 기본 주파수 fbase와 변조 주파수 fmod는 도 3에 개략적으로 도시된다.
용융물 제트(24)(즉, 액적(T))의 분무화 후에, 분무화된 액적은 분무화 타워(14)에서 냉각되고 거기서 응고되어 분말을 형성한다.
도 2는 추가 실시예에 따른 고순도 금속 분말을 제조하기 위한 장치 또는 시스템(100)을 도시한다. 상기 장치(100)는 본질적으로 도 1의 장치(10)와 유사하다.
도 1의 장치(10)와 대조적으로, 도 2의 장치(100)의 중간 코일(130)은 다른 구간이나 구역을 포함하지 않고 과열 구역(134)으로서 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 형성된다. 그럼에도 불구하고, 이 실시예에서도 변조 주파수 fmod는 용융물 제트(도 2에 도시되지 않음)를 과열시키기 위해 중간 코일(130)이 작동되는 기본 주파수 fbase로 선택적으로 변조될 수 있다. 도 1의 실시예와 동일하거나 다른 주파수가 제공될 수 있다.
도 2의 장치(100)와 도 1의 장치(10) 사이의 또 다른 차이점은 상기 장치(100)의 중간 코일(130)이 노즐 조립체(1) 내로 단면적으로 연장된다는 점이다. 특히, 분무화 타워(14)를 마주하는 중간 코일(130)의 적어도 하나의 마지막 권선은 여기서 노즐 조립체(130) 내에 배열된다.
도 2의 실시예에서, 중간 코일(130)은 노즐 조립체(16)를 마주하는 유도 코일(130)의 마지막 권선과 노즐 조립체(16)의 상부 입구 개구 사이의 최소 거리의 약 80%를 커버하고, 이 영역의 용융물 제트를 과열시킨다. 또한, 본 실시예에서 중간 코일(130)은 노즐 조립체(1)를 마주하는 유도 코일(20)의 마지막 권선과 노즐 조립체(16)의 내경이 가장 작은 부분 사이의 최소거리 범위의 약 77%에 걸쳐 연장된다. 따라서, 중간 코일(130)은 노즐 조립체(16)의 입구 구간에서도 여전히 용융물 제트를 과열시킨다.
도 3은 중간 코일(30, 130)이 작동되는 주파수를 예시하는 일 실시예의 개략도를 도시한다. 따라서 도면은 시간 축에 따른 기본 주파수 fbase와 변조된 변조 주파수 fmod를 도시한다.
10: 장치
12: 용융 챔버
14: 분무화 타워
16: 노즐 조립체
18: EIGA 조립체
20: 유도 코일
22: 재료 로드
24: 용융물 제트
26: 운동 방향
28: 운동 방향
30: 중간 코일
32: 간섭 구간
34: 과열 구간
d0: 용융물 제트 직경
A: 종축
T: 액적
12: 용융 챔버
14: 분무화 타워
16: 노즐 조립체
18: EIGA 조립체
20: 유도 코일
22: 재료 로드
24: 용융물 제트
26: 운동 방향
28: 운동 방향
30: 중간 코일
32: 간섭 구간
34: 과열 구간
d0: 용융물 제트 직경
A: 종축
T: 액적
Claims (11)
- 금속 분말의 제조 장치(10, 100)로서, 상기 장치(10, 100)는:
용융 챔버(12);
용융 챔버(12)의 하류에 배치된 분무화 타워(14);
용융물 제트(24)를 분무화하고, 용융 챔버(12)가 노즐 조립체(16)를 통해 분무화 타워(14)에 연결되는 노즐 조립체(16);
용융 챔버(12) 내에 배열되고, 용융 주파수 fmelt에서 작동되며, 적어도 단면적으로 수용된 재료 로드(22)를 국부적으로 용융시켜, 분무화될 용융물 제트(24)를 제조하도록 구성된 유도 코일(20);
용융 챔버(12) 내에 배열되고, 기본 주파수 fbase에서 작동되며, 유도 코일(20)의 하류에 배열되고, 유도 코일(20)과 동축으로 정렬되며, 중간 코일(30, 130)이 유도 코일(20)과 노즐 조립체(16) 사이의 영역에서 용융물 제트(24)를 과열시키도록 구성된 별도의 중간 코일(30, 130)을 포함하며,
기본 주파수 fbase와 용융 주파수 fmelt의 주파수 비율 FBS에 대해 다음이 적용되는 장치(10, 100):
1 ≤ FBS = fbase/fmelt ≤ 500. - 제1항에 있어서,
중간 코일(30, 130)은 변조 주파수 fmod가 기본 주파수 fbase로 변조되도록 구성된 장치(10, 100). - 제2항에 있어서,
중간 코일(30, 130)은 유도 코일(20)과 마주보는 중간 코일(30, 130)의 단부에 형성된 간섭 구간(32)을 포함하고, 중간 코일(30, 130)은 간섭 구간(32)에서 내부 직경이 축소된 장치(10, 100). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
용융 주파수 fmelt는 10kHz 및 500kHz 사이, 바람직하게는 100kHz 및 400kHz 사이, 보다 바람직하게는 200kHz 및 300kHz 사이이고, 및/또는
기본 주파수 fbase는 100kHz 및 5000kHz 사이, 바람직하게는 200kHz 및 4500kHz 사이, 더 바람직하게는 500kHz 및 4000kHz 사이, 보다 더 바람직하게는 1000kHz 및 3000kHz 사이, 보다 더욱 더 바람직하게는 1500kHz 및 2500kHz 사이이며, 및/또는
변조 주파수 fmod는 0.001kHz 및 5kHz 사이, 바람직하게는 0.005kHz 및 4.5kHz 사이, 더 바람직하게는 0.01kHz 및 4kHz 사이, 보다 더 바람직하게는 0.05kHz 및 3.5kHz 사이, 보다 더욱더 바람직하게는 0.1kHz 및 3kHz 사이, 보다 더욱더 바람직하게는 1kHz 및 2.5kHz 사이인 장치(10, 100). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
중간 코일(30, 130)은 바람직하게는 주로 일정한 직경을 갖는 원통형 형상을 갖는 장치(10, 100). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
중간 코일(30, 130)의 길이는 노즐 조립체(16)의 최소 내경의 4배 초과, 바람직하게는 5배 초과, 보다 바람직하게는 6배 초과인 장치(10, 100). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
중간 코일(30, 130)은, 노즐 조립체(16) 및 유도 코일(20) 사이의 최소 거리로 정의되는 길이의 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 80%, 보다 바람직하게는 90%로 용융물 제트(24)를 과열되도록 구성되는 장치(10, 100). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
노즐 조립체(16)는 라발(Laval) 노즐을 포함하는 장치(10, 100). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
노즐 조립체(16)는 환형 노즐을 포함하는 장치(10, 100). - 제8항 또는 제9항에 있어서,
라발 노즐은 용융물 제트(24)가 용융 챔버(12)로부터 라발 노즐을 통해 분무화 타워(14)로 통과되고, 첨가 가스가 용융 챔버(12)로부터 라발 노즐을 통해 분무화 타워(14) 내로 유동하는 방식으로 구성 및 배열되고, 첨가 가스가 라발 노즐을 통과할 때 용융물 제트(24)를 가속시키며,
환형 노즐은 추가 분무화 가스가 분무화 가스 공급원으로부터 환형 노즐을 통해 분무화 타워(14)로 유동하는 방식으로 라발 노즐의 하류 및/또는 라발 노즐 영역에 배열되며, 결과로서, 분무화 타워(14)에 인접한 라발 노즐의 출구 개구 영역에서 국부적으로 감소된 역압이 생성될 수 있어서, 용융 챔버(12)의 예압 P0 및 국부적으로 감소된 역압 P2 사이의 압력비 D에 다음이 적용되는 장치(10, 100):
D = P0/P2 ≥ 2. - 금속 분말의 제조 방법으로서,
- 용융 챔버(12) 내에서 적어도 단면적으로 재료 로드(22)를 둘러싸는 유도 코일(20)에 의해 재료 로드(22)를 국부적으로 용융시킴으로써 분무화될 용융물 제트(24)를 생성하는 단계로서, 유도 코일(20)은 용융 주파수 fmelt에서 작동되는 단계;
- 유도 코일(20)의 하류에 배치되고, 노즐 조립체와 동축으로 정렬된 별도의 중간 코일(30, 130)에 의해 유도 코일(20)과 노즐 조립체(16) 사이의 영역에서 용융물 제트(24)를 과열시키는 단계로서, 중간 코일(30, 130)은 기본 주파수 fbase에서 작동되고, 기본 주파수 fbase 대 용융 주파수 fmelt의 주파수 비율 FBS에 다음이 적용되는 단계: 1 ≤ FBS = fbase/fmelt ≤ 500; 및
- 노즐 조립체(16)에 의해 과열된 용융물 제트(24)를 분무화하는 단계로서, 용융 챔버(12)는 노즐 조립체(16)를 통해 분무화 타워(14)에 연결되는 단계를 포함하는 방법.
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