KR20240024942A

KR20240024942A - 가스 무화기

Info

Publication number: KR20240024942A
Application number: KR1020247002117A
Authority: KR
Inventors: 벤자맹 부아지에르
Original assignee: 아르셀러미탈
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2024-02-26
Also published as: BR112023025652A2; CA3221946A1; EP4363139A1; WO2023275586A1; WO2023275674A1; CN117500623A

Abstract

본 발명은 금속 분말의 제조 방법에 관한 것으로, (i) 가스 무화기의 무화 챔버에 용탕을 공급하는 단계, (ii) 가스의 주입에 의해 용탕을 무화하여 금속 입자들을 형성하는 단계, (iii) 무화 챔버로부터 가스 무화기의 냉각 챔버에 금속 입자들을 이송하는 단계, (iv) 냉각 챔버의 저부로부터 가스 주입에 의해 냉각 챔버 내의 금속 입자들을 냉각시켜, 금속 입자들의 기포 유동 층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 이를 위한 가스 무화기에 관한 것이다.

Description

가스 무화기

본 발명은 금속 분말의 제조를 위한, 특히 적층 가공을 위한 강 분말의 제조를 위한 가스 무화기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가스 무화에 의한 금속 분말의 제조 방법에 관한 것이다.

적층 가공을 위한 금속 분말에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 제조 공정은 결과적으로 적응되어야 한다.

특히 금속 재료를 용융하고, 용탕을 무화기에 연결된 턴디쉬에 붓는 것이 알려져 있다. 용탕은 제어된 분위기 하에서 챔버 내의 노즐을 통해 강제되고, 미세 금속 액적들로 미립화하는 가스의 제트(jet)에 의해 충돌된다. 미세 금속 액적들은, 챔버의 저부에 떨어져 용탕이 완전히 미립화될 때까지 거기에 축적되는 미세 입자들로 응고된다. 이어서, 분말은, 너무 빨리 산화되지 않고서 공기와 접촉할 수 있는 온도에 도달할 때까지 무화기 내에서 냉각되게 된다. 무화기는 이어서 분말을 수집하기 위해 개방된다. 이러한 냉각은 많은 양의 금속 분말을 제조할 필요성과는 양립할 수 없는 긴 공정이다.

본 발명의 목적은 얻어지는 분말을 가스 무화기 내에서 신속하게 냉각할 수 있는 가스 무화기를 제공함으로써 종래 기술의 설비 및 공정의 단점을 해결하는 것이다.

또한, 전술한 종래 기술에 따른 공정은 연속 모드에서 다량의 금속 분말을 제조할 필요성과 양립할 수 없는 배치식 공정 (batch process) 이다.

본 발명의 추가적인 목적은 얻어지는 분말이 무화의 중단 없이 무화기로부터 배출될 수 있도록 하는 가스 무화기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 본 발명의 제 1 주제는 금속 분말을 제조하기 위한 방법으로 이루어지며, 이 방법은 다음을 포함한다:

- (i) 가스 무화기의 무화 챔버에 용탕을 공급하는 단계,

- (ii) 가스의 주입에 의해 상기 용탕을 무화하여 금속 입자들을 형성하는 단계,

- (iii) 상기 무화 챔버로부터 상기 가스 무화기의 냉각 챔버에 상기 금속 입자들을 이송하는 단계,

- (iv) 상기 냉각 챔버의 저부로부터 가스 주입에 의해 상기 냉각 챔버 내의 상기 금속 입자들을 냉각시켜, 금속 입자들의 기포 유동 층을 형성하는 단계.

본 발명에 따른 방법은 또한 개별적으로 또는 조합으로 아래에 열거된 선택적인 특징들을 가질 수 있다:

- 용탕은 고로 경로를 통해 얻어진 강이고,

- 용탕은 전기 아크로 경로를 통해 얻어진 강이고,

- 단계 (ii), (iii) 및 (iv) 는 동시에 수행되고,

- 단계 (iv) 에서, 금속 입자들은 300℃ 미만으로 냉각되고,

- 단계 (iv) 에서, 주입 가스가 추출되고, 냉각되고 재주입되고,

- 가스는 50℃ 미만으로 냉각되고,

- 상기 방법은 냉각 챔버로부터 금속 입자들을 연속적으로 배출하는 단계 (v) 를 더 포함하고,

- 연속적인 배출은 오버플로우를 통해 행해지고,

- 상기 방법은 배출된 금속 입자들을 체질 스테이션으로 수송하는 단계 (vi) 를 더 포함하고,

- 배출된 금속 입자들은 유동 층 형태로 이송되고,

- 상기 방법은, 단계 (ii) 와 단계 (iii) 사이에, 금속 입자들의 기포 유동 층 (15) 을 형성하기 위해 무화 챔버의 저부로부터의 가스 주입에 의해 무화 챔버에서 금속 입자들을 제 1 냉각 단계를 거치게 하는 추가 단계를 더 포함하고,

- 무화 챔버 및 냉각 챔버에서의 냉각 단계들은 상이한 가스들로 행해진다.

본 발명의 제 2 주제는, 무화 챔버 및 이 무화 챔버의 저부에 연결된 냉각 챔버, 냉각 챔버의 저부에 위치한 가스 주입기들 및 가스 주입기들에 결합되어 냉각 챔버 내에 축적될 금속 입자들을 유동화하고 금속 입자들의 기포 유동 층을 형성하는 유동 조절기를 포함하는 가스 무화기로 이루어진다.

본 발명에 따른 가스 무화기는 또한 개별적으로 또는 조합하여 아래에 나열된 선택적인 특징들을 가질 수 있다:

- 가스 주입기들은 냉각 챔버의 저부 벽에 개구들을 포함하고,

- 냉각 챔버의 저부와 가스 주입기들 사이의 거리는 바람직하게는 10 cm 보다 짧고,

- 가스 주입기들은 스파저들(spargers)이고,

- 가스 무화기는 냉각 챔버의 하부 섹션에 위치된 열교환기를 더 포함하고,

- 가스 무화기는 냉각 챔버의 하부 섹션에 오버플로우를 더 포함하고,

- 오버플로우는, 냉각 챔버의 하부 섹션에서 적어도 부분적으로 연장되고 냉각 챔버의 저부 벽을 통과하는 파이프이고,

- 냉각 챔버 외부의 오버플로우의 일부는 가스 입구를 포함하고,

- 가스 무화기는 냉각 챔버의 저부에 조대 입자 수집기를 더 포함하고,

- 가스 무화기는 냉각 챔버의 상부 섹션에 가스 추출기를 더 포함하고,

- 가스 추출기는 챔버로부터 추출된 가스를 탈진(dedusting)하기 위한 사이클론 분리기를 포함하고,

- 가스 추출기는 무화기 내의 가스 재순환을 위해 가스 주입기들에 연결되고,

- 가스 추출기와 가스 주입기들 사이의 연결부는 열교환기를 포함하고,

- 가스 무화기는 무화 챔버의 저부에 위치된 가스 주입기들 및 가스 주입기들에 결합되어 무화 챔버의 하부 섹션에 축적될 금속 입자들을 유동화시키고 금속 입자들의 기포 유동 층을 형성하는 유동 조절기를 더 포함한다.

본 발명의 제 3 주제는, 본 발명에 따른 가스 무화기, 및 가스의 순환을 위한 하부 덕트, 분말 재료의 순환을 위해 냉각 챔버에 연결된 상부 덕트, 및 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 하부 덕트와 상부 덕트를 분리하는 다공성 벽을 포함하는 컨베이어를 포함하는 설비로 구성된다.

본 발명에 따른 설비에서는 선택적으로, 컨베이어의 하부 덕트는 유동화 가스 입구 및 유동화 가스 입구에 결합되어 냉각 챔버로부터 배출될 금속 입자들을 유동화시키고 상부 덕트에서 금속 입자들의 유동 층을 형성하기 위한 유동 조절기를 포함한다.

명백한 바와 같이, 본 발명은 무화기 챔버에 인접한 냉각 챔버 내의 분말을 효율적으로 냉각하기 위한 유동 층의 기술에 대한 의지에 근거한다. 냉각 챔버의 하부 섹션에 오버플로우가 추가되는 경우, 무화 공정을 방해하지 않으면서 유동화 분말이 무화기로부터 연속적으로 배출될 수 있다.

본 발명 다른 특징들 및 이점들은 다음의 설명에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
본 발명은 다음을 참조하여, 단지 설명의 목적으로만 제공되고 비제한적으로 의도된 다음의 설명을 읽음으로써 보다 양호하게 이해될 것이다:
- 도 1 은 본 발명의 변형예에 따른 가스 무화기를 도시하고,
- 도 2 는 유동화의 가능한 양상을 나타내고,
- 도 3 은 본 발명의 다른 변형예에 따른 가스 무화기를 도시하고,
- 도 4 는 본 발명의 제 1 변형예에 따른 2개의 무화기 및 컨베이어를 포함하는 설비를 도시하고,
- 도 5 는 본 발명의 제 2 변형예에 따른 2개의 무화기 및 컨베이어를 포함하는 설비를 도시하고,
- 도 6 은 본 발명의 다른 변형예에 따른 가스 무화기를 도시하고,
- 도 7 은 본 발명의 다른 변형예에 따른 가스 무화기를 도시한다.

본 출원에서 사용되는 용어 "상부(upper)", "하부", "아래", "위", "상부(top)", "저부", "상류", "하류" 등은 플랜트에 설치될 때 디바이스의 상이한 구성 요소들의 위치 및 배향을 지칭한다는 것을 유의해야 한다.

도 1 을 참조하면, 가스 무화기(1)는 액체 금속의 스트림을 고속 가스 스트림과 충돌시킴으로써 액체 금속의 스트림을 미세 금속 액적들로 무화하기 위해 설계된 장치이다. 가스 무화기(1)는 보호 분위기하에서 유지되는 밀폐형 무화 챔버(2)로 주로 구성되어 있다. 챔버는 상부 섹션, 하부 섹션, 상부 및 저부를 갖는다.

챔버의 상부 섹션은 오리피스, 일반적으로 챔버 상부의 중심에 위치된 노즐(3)을 포함하며, 이를 통해 용탕 스트림이 강제된다. 노즐은 액체 금속의 스트림에 고속으로 가스를 분사하는 가스 분무기(4)에 의해 둘러싸여 있다. 가스 분무기는 바람직하게는 가압 가스가 흐르는 환형 슬롯이다. 가스 분무기는 바람직하게는 가스 조절기(5)에 커플링되어 가스를 분사하기 전에 가스의 유동 및/또는 압력을 제어한다. 가스 조절기는 압축기, 팬, 펌프, 파이프 섹션 리덕션 또는 임의의 적합한 장비일 수 있다.

가스 무화기(1)는 바람직하게는 가스 분무기(4)를 통한 가스 주입을 보상하기 위한 가스 추출기(11)를 포함한다. 가스 추출기는 바람직하게는 무화 챔버의 상부 섹션에 위치된다. 가스 추출기는 일 측에서 무화 챔버에 연결되고 다른 측에서 탈진 수단(12)에 연결된 하나의 파이프 또는 복수의 파이프의 형태일 수 있다. 탈진 수단은 추출된 가스로부터 가장 미세한 입자들을 제거한다. 이는 전기-필터, 백 필터, 다공성 금속 필터 또는 사이클론 분리기를 포함할 수 있다. 사이클론 분리기는 비교적 낮은 압력 강하를 가지며 움직이는 부분이 없기 때문에 바람직하다.

바람직하게는 가스 추출기(11)는, 챔버내에 주입되어 가스 추출기를 통해 추출된 가스가 재순환될 수 있도록 설계된다. 따라서, 가스 소모가 최소화된다. 이에 따라, 가스 추출기는 가스 분무기(4)에 연결되는 것이 바람직하다. 특히, 일측에서 무화 챔버에 연결된 탈진 수단(12)은 타측에서 가스 분무기(4)에 결합된 가스 조절기(5)에 연결된다.

가스 추출기(11)와 가스 분무기(4) 사이의 연결부는 바람직하게는 열 교환기(13)를 포함한다. 결과적으로, 가스는 연결부에서의 열 손실이 가스를 원하는 온도로 되돌리기에 충분하지 않은 경우에 그리고/또는 열 회수가 요망되는 경우에 용탕 스트림 상에 분사되어야 하는 온도로 냉각될 수 있다.

가스 추출기(11)와 가스 분무기(4) 사이의 연결부는 또한 일부 새로운 가스가 시스템에 도입되어야 하는 경우에 특히 가스 손실을 보상하기 위해 가스 입구(10)를 포함할 수 있다.

챔버의 하부 섹션은 주로 챔버의 상부 섹션으로부터 낙하하는 금속 입자를 수집하기 위한 리셉터클이다. 이는 챔버의 바닥에 위치하는 배출 개구를 통한 분말 수집 및 분말 배출이 용이하도록 통상적으로 설계된다. 따라서, 이는 일반적으로 역원뿔 또는 역원뿔대 형상의 형태이다.

챔버의 하부 섹션은 적어도 하나의 냉각 챔버(38)에 연결된다. 이 냉각 챔버는 상부 섹션, 하부 섹션, 상부 및 저부를 갖는다. 연결부는 바람직하게는 무화 챔버의 저부를 냉각 챔버의 하부 섹션에 연결한다. 연결부는 무화 챔버의 배출 개구를 냉각 챔버에 연결하는 파이프(39)의 형태일 수 있다. 파이프는 바람직하게는 무화 챔버 내의 가스의 역류를 최소화하기 위하여, 도 1 에 예시된 바와 같이, 냉각 챔버의 하부 섹션에 연결된다. 파이프는 금속 입자의 유동을 제어하기 위해 밸브, 즉 기계적 밸브 또는 공압 밸브를 포함할 수 있다.

냉각 챔버는, 챔버의 저부에 위치되고, 챔버의 하부 섹션에 축적될 금속 입자들을 유동화하고 금속 입자들의 기포 유동 층을 생성할 수 있는 가스 주입기들(40)을 포함한다. 이러한 유동 층 덕분에, 무화 챔버로부터 냉각 챔버로 이송된 금속 입자는 강한 가스-입자 열 전달에 의해 산화 윈도우(oxidation window) 아래로 효율적으로 냉각된다. 냉각 챔버의 하부 섹션에 쌓여 있는 금속 입자들은 냉각 상태를 유지하게 되고, 무화 챔버로부터 배출되는 뜨거운 입자들은 유동 층에서 매우 빠르게 혼합되어 냉각된다. 더욱이, 냉각은 보호 분위기에서 행해질 수 있기 때문에, 금속 입자들은 그들의 냉각 동안 산화되지 않는다.

도 2 에 예시된 바와 같이, 유동화의 여러 방식들이 있다. 유동화는 고체 입자들이 기체 또는 액체에서 현탁액을 통해 유체와 같은 상태로 변형되는 작업이다. 유체 속도에 따라, 입자들의 거동이 다르다. 본 발명의 하나로서의 기체-고체 시스템에서, 유속이 증가함에 따라, 입자들의 층은 고정 층으로부터 최소 유동화, 기포 유동화 및 교반이 더욱 격렬해지고 고체의 이동이 더욱 격렬해지는 슬러깅으로 된다. 특히, 최소 유동화를 넘어 유속의 증가에 따라, 기체의 버블링 및 채널링에 의한 불안정성이 관찰된다. 이 단계에서, 유동 층은 기포 체제이며, 이는 층 내의 고체 입자의 양호한 순환, 급속 냉각 및 유동 층의 균질한 온도를 갖기 위해 본 발명에 요구되는 체제이다. 주어진 체제 및 유동층의 원하는 온도를 얻기 위해 적용되는 가스 속도는 사용되는 가스의 종류, 입자의 크기 및 밀도, 가스 주입기에 의해 제공되는 가스 압력 강하 또는 챔버의 크기와 같은 여러 파라미터에 의존한다. 이는 당업자에 의해 쉽게 관리될 수 있다. 또한, 버블링 체제에서, 층은 설비를 합리적인 크기로 유지하는 것을 돕는 솔리드 볼륨을 넘어 많이 확장하지 않는다. 버블링 유동층의 개념은 문헌 “Fluidization Engineering” by Daizo Kunii 및 Octave Levenspiel, second edition, 1991, 특히 도입부의 1면 및 2면에 정의되어 있다.

버블링 유동층으로 인해, 그리고 유동층의 다른 체제들과는 반대로, 금속 입자들은 층 내에서 입자 크기들의 균일한 분포를 유지하면서 유동층의 작업 온도로 매우 신속하고 매우 효율적으로 냉각된다. 결과적으로, 분말상 냉각제를 사용하여 금속 입자의 냉각에 도움을 줄 필요가 없다.

본 발명의 문맥에서, "챔버의 저부에 위치한다"는 것은 가스 주입기(40)가 챔버의 하부 섹션에서 챔버의 저부(41)에 충분히 가깝게 위치되어, 무화 챔버로부터 냉각 챔버로 전달되는 실질적으로 모든 입자들이 유동화되는 것을 의미한다. 초기의 비무화 금속 스트림 및/또는 조대 입자들로부터 기인하는 응고된 스플래시는 유동화되지 않을 수 있고, 가스 주입기 아래로, 즉 유동 층 아래로 낙하될 수 있다. 냉각 챔버의 저부와 가스 주입기들 사이의 거리는 바람직하게는 10 cm 미만, 더욱 바람직하게는 4 cm 미만, 더욱 더 바람직하게는 1 내지 3 cm 이다.

가스 주입기들(40)은 냉각 챔버의 저부의 입자들이 상승하여 유동층이 형성되도록 냉각 챔버의 저부로부터 챔버의 상부를 향해 가스를 주입한다.

가스 주입기들은 챔버의 저부 벽에 개구들을 포함할 수 있다. 가스는 분말 층을 유동화시키기 위해 이러한 개구들을 통해 주입될 수 있다.

가스 주입기들은 챔버의 측벽을 통과하는 파이프들(42)을 포함할 수 있다. 챔버 내부에 위치하는 가스 주입기들의 부분은 도 1 에 나타낸 예와 같이 가까운 거리에서 저부 벽의 형상을 따를 수 있다.

가스 주입기들을 다공성 금속 플레이트, 소결 금속 플레이트 또는 캔버스를 포함할 수 있다. 가스 주입기들은 바람직하게는 주입된 가스의 분산을 제공하기 위해 많은 작은 구멍들이 뚫린 파이프와 같은 부품인 스파저들(spargers)을 포함한다. 스파저들은 충분한 압력 손실을 제공하기 때문에 10 cm/s 초과의 가스 속도에 바람직하다. 스파저들은 보다 바람직하게는 다공성 스파저들이다. 이러한 유형의 스파저들은 수천 개의 작은 기공들에 의해 금속 입자들의 층 내의 가스의 분포를 보장한다.

각각의 스파저는 무화기가 작동되는 동안 스파저가 무화기로부터 삽입되고 그로부터 제거될 수 있게 하는 그로밋 시일(grommet seal)(압축 피팅)을 포함할 수 있다.

가스 주입기들은 유동 조절기(43)에 커플링된다. 유동 조절기는 가스 주입기를 통해 주입되는 가스의 흐름을 제어하고, 따라서 챔버의 섹션은 알려져 있기 때문에 냉각 챔버 내의 가스의 속도를 제어한다. 따라서, 가스 흐름은, 금속 입자들이 유동화되고 수득된 유동층이 버블링 체제에서 유지되도록 조정될 수 있다. 가스 조절기는 팬의 형태일 수 있다. 팬 속도는 가스 주입기를 통해 주입되는 가스의 흐름을 제어하기 위해 조절된다. 유동 조절기는 가스 소스에 연결된다. 가스 소스는 후술되는 바와 같이 새로운 가스를 유입시키도록 설계된 가스 입구(44) 및/또는 재순환된 가스를 제공하는 가스 추출기일 수 있다.

냉각 챔버(38)는 바람직하게는 가스 주입기(40)를 통한 가스 주입 및 무화 챔버(2)로부터 오는 가능한 가스를 보상하기 위한 가스 추출기(45)를 포함한다. 가스 추출기는 바람직하게는 유동층과 간섭하지 않도록 그리고/또는 기포 비산으로 인한 유동층 위의 입자들이 가스 추출기에서 입자들을 흡입할 높은 가스 속도 영역에 도달하기 전에 중력에 의해 층에서 다시 낙하하도록 챔버의 상부 섹션에 위치된다. 가스 추출기는 일 측에서 챔버에 연결되고 다른 측에서 탈진 수단(46)에 연결된 하나의 파이프 또는 복수의 파이프의 형태일 수 있다. 탈진 수단은, 앞서 상세화된 바와 같이, 무화 챔버의 탈진 수단(12)과 동일한 선택적 특징을 갖는다.

바람직하게는 가스 추출기(45)는, 냉각 챔버내에 주입되어 가스 추출기를 통해 추출된 가스가 재순환될 수 있도록 설계된다. 따라서, 가스 소모가 최소화된다. 따라서, 가스 추출기는 가스 주입기(40)에 연결되는 것이 바람직하다. 특히, 일측에서 냉각 챔버에 연결된 탈진 수단(46)은 타측에서 가스 주입기들(40)에 결합된 유동 조절기(43)에 연결된다.

가스 추출기(45)와 가스 주입기(40) 사이의 연결부는 바람직하게는 열교환기(47)를 포함한다. 결과적으로, 가스는, 연결부에서의 열 손실이 가스를 원하는 온도로 다시 가져오기에 충분하지 않은 경우에 그리고/또는 열 회수가 요구되는 경우에, 챔버 내에 주입되어야 하는 온도로 냉각될 수 있다.

가스 추출기(45)와 가스 주입기(40) 사이의 연결부는 또한 일부 새로운 가스가 시스템 내에 도입되어야 하는 경우, 특히 가스 손실을 보상하거나 순도를 증가시키기 위해 가스 입구(44)를 포함할 수도 있다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 가스 무화기는 챔버의 하부 섹션에 위치된 열 교환기(48)를 더 포함한다. 냉각 챔버에 형성된 기포 유동층(49)이 열교환기에 접촉하도록 위치한다. 열교환기는 냉각 챔버 내에 적어도 부분적으로 위치될 수 있거나, 냉각 챔버의 하부 섹션 주위의 냉각 재킷일 수 있다. 가스 주입기(40)를 통한 가스의 주입에 의해 이동 중에 있는 고체 입자들은 열교환기와 접촉하게 되고, 여기서 이들은 그 열을 내부를 순환하는 전달 매체로 방출한다. 열교환기 내부의 매체의 유량은 냉각 속도를 제어하도록 조절될 수 있다. 그러한 열교환기는 유동층 내의 입자들의 냉각 및 원하는 온도에서의 그들의 유지를 용이하게 한다. 열교환기는 또한 입자들을 원하는 온도로 냉각 또는 유지하는데 필요한 가스의 흐름을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 가스 무화기(1)는 냉각 챔버의 저부 아래에 조대 입자 수집기(16)를 더 포함한다. 전술한 바와 같이, 초기의 비무화 금속 스트림 및/또는 조대 입자로부터 기인하는 응고된 스플래시는 유동화되지 않을 수 있고, 챔버의 저부에서 가스 주입기 아래로, 즉 유동층 아래로 떨어질 수 있다. 조대 입자 수집기는 무화를 방해하지 않으면서 무화기로부터 이들 원하지 않는 입자들의 배출을 허용한다. 조대 입자 수집기는 바람직하게는 밸브(17) 및 수집 챔버(18)를 포함한다. 수집 챔버는 제 2 밸브를 통해 가동 챔버에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 가동 챔버는 챔버 내의 압력을 손상시키지 않고서 교체될 수 있다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 일단 금속 입자들이 생성되어 유동층에 의해 냉각되면, 금속 입자들은 냉각 챔버의 저부에 위치된 배출 개구를 통해 배출된다. 이는 배출 개구의 기술에 따라 일단 용탕의 배치(batch)가 냉각되었다면 또는 냉각을 방해하지 않고서 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 변형예에 따르면, 가스 무화기는 냉각 챔버(38)의 하부 섹션에 오버플로우(50)를 포함한다. 그 목적은 냉각 챔버로부터 분말을 배출하는 것이다. 특히, 냉각 챔버의 하부 섹션의 유동화된 분말은 유동층의 레벨이 오버플로우(50)의 상부에 도달하자마자 연속 모드로 가스 무화기로부터 배출될 수 있다. 따라서, 무화기는 연속적으로 작동될 수 있다.

오버플로우(50)는 바람직하게는 냉각 챔버의 하부 섹션에서 적어도 부분적으로 연장되고 챔버의 저부 벽(41)을 통과한다. 이는 다운커머(downcomer)의 형태일 수 있다. 이는 보다 바람직하게는 파이프이다. 그 섹션은 바람직하게는 챔버로부터 배출될 분말 유동에 맞추어진다. 특히, 그 섹션은 시간이 지남에 따라 챔버의 하부 섹션에 분말이 축적되지 않도록 냉각 챔버로 들어가는 금속 입자들의 흐름에 맞추어진다. 무화기에 형성된 더 조대한 입자들이 냉각 챔버의 저부에 수집되는 경우, 오버플로우의 섹션은 바람직하게는 냉각 챔버로 들어가는 금속 입자들의 유동에 적응되고, 더 조대한 입자들은 따로 남겨진다. 파이프의 섹션은 바람직하게는 일정하며, 즉 금속 분말의 균질한 배출을 돕고 막힘을 피하기 위해 파이프를 따라 또는 그 상단부에서의 감소가 없다. 본 발명의 일 변형예에서, 오버플로우, 또는 적용가능하다면 파이프는 챔버로부터 배출될 분말 유동을 조정하기 위한 밸브를 포함한다. 본 발명의 일 변형예에서, 오버플로우의 하단부는 무화기의 외부로부터 내부로의 가스의 유동을 추가로 제한하기 위해 감소된 섹션을 갖는다.

오버플로우의 높이는 오버플로우의 상부와 챔버의 저부 사이의 수직 거리로서, 즉 챔버 내에서 연장되는 오버플로우의 부분의 수직 길이로서 정의된다. 오버플로우의 높이는 바람직하게는 유동층의 체적이 원하는 온도에서 금속 분말을 냉각시킬 정도로 충분히 크도록 설정된다. 유동층의 체적은 실제로 챔버의 하부 섹션의 섹션 및 오버플로우의 높이에 의해 실질적으로 규정된다. 오버플로우 높이가 짧으면, 유동층의 부피가 낮고 유동층 내 입자들의 체류 시간이 짧다. 결과적으로, 방출된 입자들은 여전히 뜨겁다. 오버플로우 높이가 매우 길면, 유동층의 부피가 높고 유동층 내 입자들의 체류 시간이 길다. 결과적으로, 방출된 입자들은 냉각된다. 이러한 원리에 기초하여, 당업자는 챔버의 치수 및 방출된 입자들의 원하는 온도에 따라 오버플로우의 높이를 선택할 수 있다. 본 발명의 일 변형예에서, 오버플로우, 또는 적용가능하다면 파이프는 높이 조정 수단을 포함하여서, 특히 분말의 냉각 및 결과적으로 챔버로부터 배출되는 분말의 온도를 조정하거나 챔버를 비우기 위해 오버플로우의 높이가 즉시(on the fly) 조정될 수 있다.

오버플로우 때문에, 유동층 내의 입자들의 체류 시간은, 더 조대한 입자들이 먼저 배출되고 원하는 온도로 냉각되기 전에 챔버의 저부에 있는 밸브 또는 파이프와 같은 다른 솔루션과는 달리, 입자들의 크기에 상관없이 균일하다. 더욱이, 오버플로우를 통해 챔버를 빠져나가는 가스의 양이 낮기 때문에, 주입된 가스의 대부분은 층을 유동화하는데 사용되고, 이는 매우 안정적인 유동층에 기여한다. 또한, 오버플로우는 입자들에 의한 마모를 제한하는 기계적 부분이 아니다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 오버플로우(50)는 햇(hat: 51)에 의해 오버행(overhang)된다. 따라서, 챔버의 상부 섹션으로부터 낙하하는 고온 금속 분말이 오버플로우로 직접 유입되는 것이 방지된다. 햇은 오버플로우를 통해 배출되는 분말 플로우를 방해하지 않도록 오버플로우의 상부 위에 충분히 높게 위치된다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 오버플로우(50), 및 바람직하게는 챔버 외부의 오버플로우의 일부는 가스 입구(52)를 더 포함한다. 그 결과, 가스, 및 바람직하게는 냉각 챔버 내부에서 분말을 유동화시키기 위해 사용된 가스가 오버플로우에 주입될 수 있다. 이는 배출 분말을 유동화된 형태로 유지하는 것을 돕고, 오버플로우의 하류측 대기가 챔버로 유입되는 것을 방지한다.

도 3 에 도시된 일 변형예에 따르면, 무화기는 무화 챔버(2)에, 바람직하게는 무화 챔버의 저부에 연결된 복수의 냉각 챔버(38)를 포함한다. 무화 챔버의 저부에 위치된 재배향 밸브(redirecting valve)로 인해, 무화 챔버 내에 형성된 금속 입자들은 하나의 냉각 챔버로 그리고 다른 냉각 챔버로 전달될 수 있다. 이는 연속적으로 작동하는 무화기로 열을 이루어 생성된 상이한 금속 조성물들을 선별하는 쉬운 방법이다.

예시되지 않은 다른 변형예에 따르면, 냉각 챔버는 다단 유동층을 포함한다. 그 경우, 적어도 하나의 수평 다공성 바닥은 냉각 챔버의 내부를 상이한 섹션들로 분할한다. 후자는 전술한 오버플로우(50)와 유사한 오버플로우를 갖고서 서로 연결된다. 가스 주입기(40)를 통해 주입된 가스는 냉각 챔버의 저부에 놓인 금속 입자들을 먼저 유동화시킨 후, 다공성 바닥을 거쳐, 다공성 바닥에 놓인 금속 입자 등을 유동화시킨다. 즉, 무화 챔버로부터 배출된 금속 입자들은 다공성 바닥에서 낙하하여 유동층의 제 1 스테이지에서 제 1 냉각 단계를 거친다. 그 후, 이들은 냉각되어 오버플로우(50)를 통해 냉각 챔버로부터 배출될 때까지 유동층의 제 2 스테이지에서 제 2 냉각 단계 등을 거치는 더 낮은 레벨로 오버플로우를 통해 배출된다. 다공성 바닥은 다공성 재료로 제조될 수 있거나, 입자들이 하부 섹션으로 떨어지는 것을 방지하는 천공 플레이트 또는 임의의 시스템일 수 있다. 이러한 다단 유동층은 냉각 단계의 에너지 효율을 향상시킨다.

오버플로우를 통해 냉각 챔버로부터 배출된 분말은 챔버, 용기에서 또는 컨베이어(22)에 의해 수집될 수 있다. 컨베이어는 가스 무화기(1)를 포함하는 설비의 일부이다. 바람직하게는, 이는 분말을 체질 스테이션(sieving station: 23) 및/또는 배깅 스테이션(bagging station)으로 운반한다. 컨베이어는 특히 진공 공압 컨베이어, 압력 컨베이어 또는 흡입-압력 컨베이어일 수 있다.

도 4 및 도 5 에 도시된 본 발명의 일 변형예에 따르면, 냉각 챔버(38)로부터 배출된 분말은 유동층(24), 바람직하게는 기포 유동층의 형태로 수송된다. 이러한 수송은, 최소 통기력을 필요로 하기 때문에, 먼지 배출이 방지될 수 있고 연속 작동이 보장될 수 있는 이점이 있다.

컨베이어(22)는 바람직하게는 유동화 가스의 순환을 위한 하부 덕트(25), 분말의 순환을 위한 상부 덕트(26) 및 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 하부 덕트와 상부 덕트를 분리하는 다공성 벽(27)을 포함한다.

다공성 벽은 유동화 가스가 그것을 통과하도록 한다. 이러한 다공성 벽은 상부 덕트의 전체 단면에 걸친 가스의 균질한 분포를 보장하기 위해 다공성 벽을 통과할 때에 가스의 충분한 압력 강하가 존재하도록 설계된다. 다공성 벽은 다층(multi-ply) 캔버스 패브릭 또는 다공성 내화물일 수 있다.

하부 덕트는 유동 조절기 (28)에 커플링된 유동화 가스 입구 (29)에 의해 유동화 가스를 공급받는다. 유동화 가스 입구는 유동화 가스 입구 도관의 형태일 수 있고, 유동 조절기는 팬의 형태일 수 있다. 유동 조절기는 다공성 벽의 표면을 알고 있기 때문에 하부 덕트에 주입되는 가스의 유동을 제어하고 따라서 상부 덕트 내의 가스의 속도를 제어한다. 이에 따라, 가스 유동은 상부 덕트 내의 금속 입자들이 유동화되도록 조정될 수 있다. 유동 조절기가 팬일 경우, 속도를 조절하여 하부 덕트에 주입되는 유동화 가스의 유동을 조절한다. 유동 조절기는 가스 소스에 연결된다. 가스 소스는 새로운 가스를 유입하도록 설계된 가스 입구 및/또는 재순환된 가스를 제공하는 도관일 수 있다.

상부 덕트의 전체 단면에 걸친 가스의 이러한 균질한 분배 덕분에, 단지 하나의 유동 조절기(28)만이 전체 컨베이어에 대해 사용될 수 있다. 이렇게 하면 설치 및 유지 관리가 단순해진다.

컨베이어(22)는, 상부 덕트(26)의 상부에, 상부 덕트 내의 유동화 가스의 압력이 조절될 수 있도록 적어도 하나의 압력 밸브(30)를 포함한다. 압력 밸브는 바람직하게는 사이클론 박스(32) 내에 위치된 사이클론(31)과 같은 필터를 통해 상부 덕트에 연결된다. 그 방식으로, 압력 밸브를 통해 상부 덕트를 빠져나가는 유동화 가스는 여과되고, 즉 유동화 가스의 유동에 의해 드래깅된 층의 입자들은 가스로부터 분리되어 유동층에 다시 떨어진다. 사이클론 박스는 사이클론 내부의 입자들의 드래깅을 최소화하기 위해 상부 덕트 상부의 레벨 위에 위치되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 컨베이어(22)는 상부 덕트의 길이를 따라 분포된 복수의 압력 밸브(30)를 포함한다. 이는 유동층 위의 유동화 가스의 수평 순환을 제한하고 따라서 유동층을 추가로 안정화시킨다. 더욱 바람직하게는, 복수의 압력 밸브는 가스 댐(33)과 결합된다. 각각의 댐은 상부 덕트의 상부에 횡방향으로 그리고 2개의 연속적인 압력 밸브들(30) 사이에 위치된다. 이들 가스 댐은 유동층 위의 유동화 가스의 수평 순환을 추가로 제한한다.

컨베이어(22)는, 그 말단 중 하나에서, 체질 스테이션(23) 및/또는 배깅 스테이션에서 분말을 배출하기 위한 컨베이어 오버플로우(34)를 포함한다. 컨베이어 오버플로우는 도 4 에 도시된 바와 같이 상부 덕트의 단부 섹션에 제공될 수 있다. 그 경우, 유동층의 레벨이 컨베이어 오버플로우의 레벨에 도달하자마자, 분말은 체질 스테이션 및/또는 배깅 스테이션에서 유동한다. 컨베이어 오버플로우는 도 5 에 나타낸 것처럼 컨베이어의 말단 위에 위치할 수도 있다. 그 경우, 이는 상향 파이프(35)를 통해 상부 덕트에 연결된다. 그 경우에 컨베이어로부터 분말이 배출되는 방식은 후술한다. 이러한 구성은 컨베이어 아래에 완전히 위치되지 않을 수 있는 체질 스테이션 및/또는 배깅 스테이션에 공급하기에 매우 편리하다.

컨베이어(22)는, 바람직하게는 그 다른 말단에서, 냉각 챔버의 오버플로우(50)에 연결된다. 특히, 오버플로우 하단부는 상부 덕트(26)에 연결된다. 컨베이어는 복수의 오버플로우 및 이에 따라 복수의 무화기에 연결될 수 있다. 그 경우, 오버플로우는 컨베이어의 전체 길이를 따라 분포된다. 복수의 압력 밸브들이 있는 경우에, 이들은 바람직하게는 오버플로우들 사이에 위치되고, 잠재적 가스 댐은 바람직하게는 오버플로우에 인접하게 그리고 오버플로우의 상류에 위치된다.

컨베이어(22)는 분말이 관련되는 한은 냉각 챔버의 오버플로우 및 컨베이어 오버플로우에 의해서만 외부와 연통하고, 유동화 가스가 관련되는 한은 입구 도관, 바람직하게는 단일, 및 압력 밸브에 의해서만 외부와 연통하는 폐쇄 장치인 것이 바람직하다.

컨베이어(22)는 바람직하게는 수평이다. 이는 또한 상이한 부분들로 만들어질 수 있다. 이들 부분은 상이한 레벨들일 수 있다. 따라서, 수송은 현장의 지형에 쉽게 적응될 수 있다.

컨베이어(22)를 작동시키기 위해, 유동화 가스는 컨베이어의 하부 덕트(25)와 상부 덕트(26)를 분리하는 다공성 벽(27) 아래로 주어진 유량으로 도입된다.

유동화 가스는 다공성 벽을 통해 유동한 후, 유동화되도록 상부 덕트에 놓여 층을 형성하는 입자들 사이를 통과한다. 입자들 사이에 존재하는 틈새 공간 내의 유동화 가스의 속도가 충분히 높으면, 입자들이 이동되고, 그 후 상승되고, 각각의 입자는 이웃하는 입자들과의 영구적인 접촉점을 잃는다. 이로써, 상부 덕트 내에 유동층(24)이 형성된다.

상부 덕트(26) 내의 오버플로우(50)를 통해 냉각 챔버(38)로부터 배출된 분말은 컨베이어 내에서 유동화된 형태로 유지된다. 분말이 유체처럼 거동함에 따라, 이는 상부 덕트 내에서 수평을 유지하고, 컨베이어 오버플로우(34)에서 유동층을 컨베이어로부터 체질 스테이션 및/또는 배깅 스테이션으로 배출함으로써 컨베이어를 따라 분말의 연속적인 흐름이 생성된다. 상부 덕트의 단부 섹션에 컨베이어 오버플로우가 제공되는 경우, 유동층의 레벨이 컨베이어 오버플로우의 레벨에 도달하자마자 연속적인 흐름이 얻어진다. 컨베이어 오버플로우가 상향 파이프(35)에 의해 상부 덕트에 연결되는 경우, 상부 덕트 내의 유동화 가스 내의 압력은 유동층이 컨베이어 오버플로우까지 상향 파이프 내에서 상승하도록 대기압보다 약간 높게 설정된다. 예를 들어, 강 입자의 경우에, 대기압에 대한 과압은 상향 파이프의 미터당 200 내지 600 mbar 로 설정될 수 있다.

오버플로우(50)를 통한 분말 공급이 중단되는 경우, 유동층의 레벨은 컨베이어 오버플로우의 레벨에 도달할 때까지 컨베이어에서 감소할 것이다. 이 시점에서, 컨베이어 오버플로우를 통한 유동은 중단된다. 역으로, 어떤 이유로 컨베이어 오버플로우가 일시적으로 폐쇄되어야 한다면, 유동층의 레벨은 컨베이어에서 증가할 것이다. 그 경우, 유동층의 레벨이 상부 덕트의 상부까지 도달해야만 냉각 챔버의 오버플로우를 통한 분말 공급이 중단되어야 할 수도 있다.

또한, 이 컨베이어를 이용한 분말 수송을 매우 손쉽게 턴-온 및 턴-오프할 수 있다. 유동화 가스의 입구는 단지 턴-온 및 턴-오프되면 된다.

유동화 가스는, 분말이 충분히 냉각되어 공기와 접촉하여 산화되지 않을 경우에는, 공기일 수 있다. 분말을 대기로부터 보호할 필요가 있으면, 유동화 가스는 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스일 수 있다. 그 경우, 불활성 가스는 바람직하게는 재순환된다.

도 6 및 도 7에 예시된 본 발명의 일 변형예에 따르면, 유동층은 냉각 챔버 및 무화 챔버 둘 모두에서 생성될 수 있다. 결과적으로, 금속 입자들은 동일한 가스 또는 상이한 가스들에 의해 여러 단계로 냉각될 수 있다.

이러한 변형예에서, 가스 무화기는, 무화 챔버의 저부에 위치되어 무화 챔버의 하부 섹션에 축적될 금속 입자들을 유동화시킬 수 있고 금속 입자들의 기포 유동층을 생성할 수 있는 가스 주입기들(6)을 추가로 포함한다. 이 유동층 덕분에, 금속 입자들은 강렬한 가스-입자 열 전달에 의해 효율적으로 제 1 냉각 단계를 거친다. 변형예로서, 냉각 챔버에 대해 전술된 바와 같은 다단 유동층이 사용될 수 있다.

가스 주입기들(6)은, 앞서 상세히 설명된 바와 같이, 냉각 챔버의 가스 주입기들(40)과 동일한 선택적 특징들을 갖는다.

가스 주입기들은 유동 조절기(9)에 커플링된다. 유동 조절기는 가스 주입기를 통해 주입되는 가스의 흐름을 제어하고, 따라서 챔버의 섹션은 알려져 있기 때문에 무화 챔버 내의 가스의 속도를 제어한다. 따라서, 가스 흐름은, 금속 입자들이 유동화되고 수득된 유동층이 버블링 체제에서 유지되도록 조정될 수 있다. 가스 조절기는 팬의 형태일 수 있다. 팬 속도는 가스 주입기를 통해 주입되는 가스의 흐름을 제어하기 위해 조절된다. 유동 조절기는 가스 소스에 연결된다. 가스 소스는 후술되는 바와 같이 새로운 가스를 유입시키도록 설계된 가스 입구(10) 및/또는 재순환된 가스를 제공하는 가스 추출기일 수 있다.

가스 무화기(1)는, 바람직하게는 전술한 바와 같이, 가능하게는 가스 분무기(4)에 연결된 가스 추출기(11)에 추가하여, 가스 주입기(6)를 통한 가스 주입을 보상하기 위한 가스 추출기(11)를 포함한다. 가스 추출기는 바람직하게는 냉각 챔버의 가스 추출기(45)에 대해 전술한 것과 유사한 이유로 무화 챔버의 상부 섹션에 위치된다. 가스 추출기는 일 측에서 챔버에 연결되고 다른 측에서 탈진 수단(12)에 연결된 하나의 파이프 또는 복수의 파이프의 형태일 수 있다. 탈진 수단은, 앞서 상세히 설명된 바와 같이, 냉각 챔버의 탈진 수단(46)과 동일한 선택적 특징을 갖는다.

바람직하게는 가스 추출기(11)는, 챔버내에 주입되어 가스 추출기를 통해 추출된 가스가 재순환될 수 있도록 설계된다. 따라서, 가스 소모가 최소화된다. 따라서, 가스 추출기는 가스 주입기(6)에 연결되는 것이 바람직하다. 특히, 일측에서 챔버에 연결된 탈진 수단(12)은 타측에서 가스 주입기들(6)에 결합된 유동 조절기(9)에 연결된다.

도 6 에 도시된 예에서, 사이클론 분리기 형태의 하나의 탈진 수단(12)은 금속을 무화하기 위해 챔버 내에 주입된 가스가 재순환되도록 금속 스트림 상에서의 가스를 분사하기 위해 가스 조절기(5)에 연결된다. 사이클론 분리기 형태인 또 다른 탈진 수단(12)은 분말 층을 유동화하기 위해 사용되는 가스가 재순환되도록 챔버의 저부에서 가스를 주입하기 위해 유동 조절기(9)에 연결된다. 두 경우들에서, 재순환될 가스를 세정하기 위해서 필터들이 추가될 수 있다. 가스 재순환의 다른 설계도 물론 가능하다.

가스 추출기(11)와 가스 주입기(6) 사이의 연결부는 바람직하게는 열교환기(13)를 포함한다. 결과적으로, 가스는, 연결부에서의 열 손실이 가스를 원하는 온도로 다시 가져오기에 충분하지 않은 경우에 그리고/또는 열 회수가 요구되는 경우에, 챔버 내에 주입되어야 하는 온도로 냉각될 수 있다.

가스 추출기(11)와 가스 주입기(6) 사이의 연결부는 또한 일부 새로운 가스가 시스템에 도입되어야 하는 경우에 특히 가스 손실을 보상하기 위해 가스 입구(10)를 포함할 수 있다.

가스 무화기는 무화 챔버의 하부 섹션에 위치된 열교환기(14)를 더 포함할 수 있다. 이 열교환기는, 앞서 상세히 설명된 바와 같이, 냉각 챔버의 열교환기(47)와 동일한 선택적 특징을 구비한다.

본 발명의 이러한 변형예에서, 무화 챔버(2)는, 냉각 챔버 내에 존재하는 가스가 파이프를 통해 빠져나가는 것을 방지하기 위해 그 하단부에 밸브, 예를 들어 L-밸브, H-밸브 또는 로터리 밸브를 포함하는 파이프(39)로 냉각 챔버(38)에 연결될 수 있다. 대안적으로, 무화 챔버(2)는, 앞서 상세히 설명된 바와 같이, 냉각 챔버의 오버플로우(50)와 유사한 오버플로우(19)(도 7에 도시된 바와 같음)에 의해 냉각 챔버(38)에 연결될 수 있다.

공정 관점에서, 냉각 챔버(38) 내부의 분말의 냉각은 다음을 포함하는 금속 분말의 제조 공정 덕분에 가능하게 된다:

- (i) 가스 무화기 (1) 의 무화 챔버 (2) 에 용탕을 공급하는 단계,

- (iii) 상기 무화 챔버로부터 냉각 챔버(38)로 금속 입자들을 전달하는 단계,

- (iv) 상기 냉각 챔버의 저부로부터 가스 주입에 의해 상기 냉각 챔버 내의 금속 입자들을 냉각시켜, 금속 입자들의 기포 유동 층 (49) 을 형성하는 단계.

바람직하게는, 본 공정은 금속 분말을 연속적으로 제조하기 위한 것이며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.

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, 노즐을 통해 무화기와 연결된 턴디쉬에서 용융될 수 있다. 금속은 또한 이전 단계에서 용융되어 턴디쉬에 부어질 수도 있다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 무화되는 용융 금속은 고로 경로를 통해 수득되는 강이다. 이 경우, 선택적으로 고온 금속 탈황 스테이션으로 보내진 후, 고로로부터 선철이 탭핑되어 전로(또는 BOF(Basic Oxygen Furnace))로 운반된다. 용융된 철은 전로에서 정련되어 용강을 형성한다. 이어서, 전로로부터의 용강은 전로로부터 회복 레이들(recuperation ladle)로 탭핑되고, 바람직하게는 레이들 야금로(LMF)로 전달된다. 따라서, 용강은 특히 탈산화를 통해 LMF 에서 정련될 수 있고, 용강의 1차 합금화는 합금철 또는 규화물 합금 또는 질화물 합금 또는 순수 금속 또는 이들의 혼합물을 첨가함으로써 행해질 수 있다. 까다로운 분말 조성물이 생성되어야 하는 특정 경우에, 용강은 또한 진공 탱크 탈기장치(VTD), 진공 산소 탈탄(VOD) 용기 또는 진공 아크 탈기장치(VAD)에서 처리될 수 있다. 이들 장비는 특히 수소, 질소, 황 및/또는 탄소 함량을 추가로 제한할 수 있게 한다.

정련된 용강은 이어서 복수의 유도로에 부어진다. 각각의 유도로는 다른 유도로와 독립적으로 작동될 수 있다. 이는 다른 유도로가 여전히 가동되는 동안 유지보수 또는 수리를 위해 특히 중단될 수 있다. 이는 또한, 하나의 유도로에서부터 다른 유도로로 상이한 양의 합금철, 스크랩, 직접 환원철(DRI), 규화물 합금, 질화물 합금 또는 순수 원소를 공급받을 수 있다.

유도로의 수는 전로로부터 나오는 용강 또는 레이들 야금로로부터 나오는 정련된 용강의 유동에 대해 그리고/또는 무화기의 저부에서의 강 분말의 원하는 유동에 대해 맞추어진다.

각각의 유도로에서, 용강의 합금화는 원하는 강 분말의 조성에 대해 강 조성을 조절하기 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 저장조에 부어진다. "전용"이라 함은 저장조가 주어진 유도로와 쌍을 이루는 것을 의미한다. 즉, 복수의 저장조가 하나의 주어진 유도로에 전용될 수 있다. 명료함을 위해, 각각의 유도로는 적어도 하나의 가스 무화기에 연결된 적어도 하나의 저장조를 갖는 그 자신의 생산 스트림을 갖는다. 이러한 병렬적인 그리고 독립적인 생산 스트림들에 의해, 강 분말의 제조 공정이 다양하고 쉽게 연속 제작될 수 있다.

저장조는 주로 분위기 제어될 수 있고, 용강을 가열할 수 있고 가압될 수 있는 저장 탱크이다.

각각의 전용 저장조 내의 분위기는 바람직하게는 용강의 산화를 피하기 위해 아르곤, 질소 또는 이들의 혼합물이다.

각각의 저장조에 부어진 강 조성물은 액상선 온도 이상으로 가열되고 이 온도로 유지된다. 이 과열 때문에, 무화기 노즐(3)의 막힘이 방지된다. 또한, 용융된 조성물의 점도 감소는 적절한 입도 분포를 갖고서 위성 없이 구형도가 높은 분말을 얻는 것을 돕는다.

마지막으로, 전용 저장조가 가압될 때, 용강은 저장조로부터 저장조에 연결된 가스 무화기들 중 적어도 하나로 흐를 수 있다.

본 발명의 다른 변형예에 따르면, 무화될 금속은 전기 아크로 경로를 통해 수득되는 강이다. 이 경우, 스크랩, 금속 미네랄 및/또는 금속 분말 등의 원료는 전기 아크로(EAF)에 투입되고, 별도의 액체 슬래그층으로서 불순물 및 개재물이 제거된 상태로 제어된 온도에서 가열된 액체 금속으로 용융된다. 가열된 액체 금속은 EAF 로부터 레이들 내로, 바람직하게는 수동적으로 가열가능한 레이들 내로 제거되고, 정련 스테이션으로 이동되며, 여기서 바람직하게는 유도 가열식 정련 유지 용기 내에 배치된다. 이 때, 액체 금속으로부터 탄소, 수소, 산소, 질소 및 다른 바람직하지 않은 불순물을 제거하기 위해 진공 산소 탈탄과 같은 정련 단계가 수행된다. 이어서, 정련된 액체 금속을 갖는 레이들이 무화기의 가열된 턴디쉬를 함유하고 제어된 진공 및 불활성 분위기 하에서 밀폐된 챔버 위로 이송될 수 있다. 레이들은 공급 도관에 연결되고, 가열된 턴디쉬는 공급 도관을 통해 정련된 액체 금속에 공급된다.

대안적으로, 정련된 액체 금속을 갖는 레이들은 정련 스테이션으로부터 가스 무화기의 가열된 턴디쉬와 함께 제어된 진공 및 불활성 분위기 하에서 주입 영역을 포함하는 무화기 스테이션의 도어에 위치된 다른 유도 가열 무화 홀더 용기에 이송된다. 유도 가열 무화 홀더 용기는 이어서 진공 및 대기가 주입 영역 중 하나로 조정되는 수용 영역 내로 도입된다. 그 다음, 용기가 주입 영역 내로 도입되고, 액체 금속이 제어된 속도로 가열된 턴디쉬 내로 주입되고 무화기로 무화된다.

양 변형예에서, 용융 금속은 제어된 분위기 하에서 챔버(2) 내의 노즐(3)을 통해 가압되고(단계 (i)) 미세 금속 액적들로 무화하는 가스의 제트에 의해 충돌될 때까지(단계 (ii)) 턴디쉬 내의 무화 온도에서 유지된다.

단계 (ii)에 대해, 금속 스트림을 무화하기 위해 가스 분무기(4)를 통해 주입되는 가스는 바람직하게는 아르곤 또는 질소이다. 이들 모두는 다른 가스, 예를 들면 헬륨보다 더 느리게 용융 점도를 증가시키며, 이는 더 작은 입자 크기의 형성을 촉진한다. 이들은 또한 케미스트리의 순도를 조절하고, 원치 않는 불순물을 피하며, 분말의 양호한 모폴로지에 역할을 한다. 아르곤에 대해 39.95 g/mole 과 비교하여 질소의 몰량이 14.01 g/mole 이기 때문에, 질소에 의해서 보다도 아르곤에 의해 더 미세한 입자를 얻을 수 있다. 다른 한편으로, 질소의 비열 용량은 아르곤의 경우의 0.52 에 비해 1.04 J/(g K) 이다. 그래서, 질소는 입자들의 냉각 속도를 증가시킨다.

가스 유동은 금속 분말의 입자 크기 분포 및 미세조직에 영향을 미친다. 특히, 유동이 많을수록, 냉각 속도가 빠르다. 결과적으로, 가스 유량(m³/h 단위)과 금속 유량(Kg/h 단위) 사이의 비율로서 정의되는 가스 대 금속 비율은 바람직하게는 1 내지 5, 더 바람직하게는 1.5 내지 3 으로 유지된다.

무화 챔버 내의 용융 금속의 분무화로부터 금속 입자들이 얻어지면, 무화 챔버의 저부에 퇴적된 수득된 분말은 냉각 챔버(38)로 이송된다.

이어서, 챔버의 저부로부터 가스를 주입함으로써 금속 입자들을 냉각 챔버에서 냉각시켜 금속 입자들의 기포 유동 층(49)을 형성한다 (단계 (iv)). 이 단계는 바람직하게는 무화 단계와 동시에 수행된다. 이는 무화 단계와 연속하여 그리고 동시에 수행되는 것이 보다 바람직하다. 이러한 방식으로 무화기는 연속적으로 작동할 수 있다.

이 단계 동안, 금속 입자들은 바람직하게는 이들의 산화 윈도우 아래로 냉각된다. 강 분말의 경우에, 금속 입자들은 바람직하게는 300℃ 미만, 더 바람직하게는 260℃ 미만, 훨씬 더 바람직하게는 150 내지 260℃ 로 냉각된다. 그러한 냉각으로, 이어서 분말은 공정의 다음 단계들에서 공기 중에서 조작될 수 있다. 산화에 대한 강 조성물의 감도 및/또는 가스의 순도에 따라, 냉각이 조정될 수 있다. 분말을 냉각시키는데 필요한 가스 유동을 제한하기 위해, 분말은 바람직하게는 너무 많이, 예를 들어 150℃ 미만으로 냉각되지 않는다. 연속 모드에서는, 유동층이 일정한 온도로 유지되는 한편, 입자들의 일부가 챔버로부터 연속적으로 배출되고 새로운 고온 입자들이 층에 연속적으로 추가되도록 가스 흐름이 조정된다. 그 경우, 유동층은 300℃ 미만, 더 바람직하게는 260℃ 미만, 훨씬 더 바람직하게는 150 내지 260℃ 로 유지된다.

본 발명의 일 변형예에 따르면, 분말 층을 유동화하기 위해 냉각 챔버의 가스 주입기(40)를 통해 주입된 가스는 바람직하게는 아르곤 또는 질소이고, 더욱 바람직하게는 무화 챔버에서 용융 금속 스트림을 무화하는데 사용되는 가스와 동일한 가스이다. 이는 바람직하게는 1 내지 80 cm/s, 더욱 바람직하게는 1 내지 20 cm/s 의 속도로 주입되며, 이는 낮은 환기력 및 이에 따른 감소된 에너지 소비를 필요로 한다. 가스 흐름은 팬과 같은 냉각 챔버의 유동 조절기(43)에 의해 조절되는 것이 바람직하다.

가스는 10 내지 50℃ 의 온도에서 주입되는 것이 바람직하다. 이는 금속 입자들의 냉각을 더욱 향상시킨다.

본 발명의 다른 변형예에 따르면, 분말 층을 유동화하기 위해 냉각 챔버의 가스 주입기(40)를 통해 주입되는 가스는 금속 입자들에 대한 환원 가스이다. 결과적으로, 금속 입자들은 무화에 사용되는 불활성 가스 내의 미량의 산소 때문에 무화 챔버 내의 입자들의 표면에 형성된 가능한 산화물을 제거하기 위해 동시에 냉각 및 처리될 수 있다. 강의 경우, 환원 가스의 예는 질소와 수소의 혼합물이다.

냉각 챔버에 주입되는 가스는 챔버 내의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 냉각 챔버로부터 추출되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 가스 추출기(45) 내의 가스 유동이 조정된다. 챔버(2) 내의 과압은 바람직하게는 5 내지 100 mbar 로 설정된다.

냉각 챔버에 주입되는 가스는 재순환되는 것이 바람직하다. 그 경우, 챔버로부터 추출된 후에 냉각되는 것이 보다 바람직하다. 바람직하게는 50℃ 이하, 더욱 바람직하게는 10 내지 50℃ 로 냉각된다.

단계 (iv) 동안, 유동층을 열교환기(47)와 접촉시킴으로써 금속 입자들의 냉각이 추가로 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 냉각 챔버로부터 냉각된 금속 입자들을 연속적으로 방출하는 단계 (v) 를 추가로 포함할 수 있다. 이 단계는 바람직하게는 무화 단계 및 냉각 단계와 동시에 수행된다. 연속 배출은 전술한 바와 같이 오버플로우(50)를 통해 행해질 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 배출된 금속 입자들을 체질 스테이션(23) 및/또는 배깅 스테이션으로 수송하는 단계 (vi) 를 추가로 포함할 수 있다. 이 단계는 바람직하게는 무화 단계, 냉각 단계 및 배출 단계와 동시에 수행된다.

배출된 금속 입자들은 유동층(24)의 형태로 이송될 수 있다. 이는 바람직하게는 기포 유동층이다.

본 발명에 따른 방법은 단계 (ii) 와 단계 (iii) 사이에 추가적인 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 단계 동안 금속 입자들은, 전술한 바와 같이, 금속 입자들의 기포 유동층(15)을 형성하기 위해 무화 챔버의 저부로부터 가스를 주입함으로써 무화 챔버에서 제 1 냉각 단계를 거친다. 그 경우에, 금속 입자들은 먼저 무화 챔버 내의 불활성 가스를 사용하여 제 1 온도로 냉각될 수 있고, 이어서 냉각 챔버 내의 불활성 가스 또는 환원 가스를 사용하여 제 2 온도로 추가로 냉각될 수 있다. 제 1 온도는 300℃ 내지 450℃ 일 수 있다. 제 2 온도는 150℃ 내지 300℃ 일 수 있다.

Claims

금속 분말의 제조 방법으로서,
- (i) 가스 무화기 (gas atomizer: 1) 의 무화 챔버 (2) 에 용탕을 공급하는 단계,
- (ii) 가스의 주입에 의해 상기 용탕을 무화하여 금속 입자들을 형성하는 단계,
- (iii) 상기 무화 챔버로부터 상기 가스 무화기의 냉각 챔버 (38) 에 상기 금속 입자들을 이송하는 단계,
- (iv) 상기 냉각 챔버의 저부로부터 가스 주입에 의해 상기 냉각 챔버 내의 상기 금속 입자들을 냉각시켜, 금속 입자들의 기포 유동 층 (49) 을 형성하는 단계
를 포함하는, 금속 분말의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 단계 (ii), (iii) 및 (iv) 가 동시에 수행되는, 금속 분말의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단계 (iv) 에서, 상기 금속 입자들이 300℃ 미만으로 냉각되는, 금속 분말의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (iv) 에서, 주입된 가스가 추출되고, 냉각되고, 재주입되는, 금속 분말의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 챔버로부터 금속 입자들을 연속적으로 배출하는 단계 (v) 를 더 포함하는, 금속 분말의 제조 방법.
제 5 항에 있어서, 배출된 금속 입자들을 체질 스테이션 (sieving station) 에 수송하는 단계 (vi) 를 더 포함하는, 금속 분말의 제조 방법.
제 6 항에 있어서, 배출된 금속 입자들이 유동 층 (24) 의 형태로 수송되는, 금속 분말의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (ii) 와 단계 (iii) 사이에, 금속 입자들의 기포 유동 층 (15) 을 형성하기 위해 상기 무화 챔버의 저부로부터의 가스 주입에 의해 상기 무화 챔버에서 상기 금속 입자들을 제 1 냉각 단계를 거치게 하는 추가 단계를 더 포함하는, 금속 분말의 제조 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 무화 챔버 및 상기 냉각 챔버에서의 냉각 단계들은 상이한 가스들로 수행되는, 금속 분말의 제조 방법.
무화 챔버 (2) 및 상기 무화 챔버의 저부에 연결된 냉각 챔버 (38), 상기 냉각 챔버의 저부 (41) 에 위치한 가스 주입기들 (40) 및 상기 가스 주입기들에 결합되어 상기 냉각 챔버에 축적될 금속 입자들을 유동화시키고 금속 입자들의 기포 유동 층 (49) 을 형성하기 위한 유동 조절기 (43) 를 포함하는, 가스 무화기 (1).
제 19 항에 있어서, 상기 냉각 챔버의 저부 (41) 와 상기 가스 주입기들 (40) 사이의 거리는 바람직하게는 10 cm 보다 짧은, 가스 무화기.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 냉각 챔버의 하부 섹션에 위치된 열 교환기 (47) 를 추가로 포함하는, 가스 무화기.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 챔버의 하부 섹션에 오버플로우 (50) 를 추가로 포함하는, 가스 무화기.
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 챔버의 상부 섹션에 가스 추출기 (45) 를 추가로 포함하는, 가스 무화기.
제 14 항에 있어서, 상기 가스 추출기 (45) 는 상기 무화기 내의 가스 재순환을 위해 상기 가스 주입기들 (40) 에 연결되는, 가스 무화기.
제 15 항에 있어서, 상기 가스 추출기 (45) 와 상기 가스 주입기들 (40) 사이의 연결부는 열 교환기 (47) 를 포함하는, 가스 무화기.
제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무화 챔버 (2) 의 저부 (7) 에 위치된 가스 주입기들 (6) 및 상기 가스 주입기들에 결합되어 상기 무화 챔버의 하부 섹션에 축적될 금속 입자들을 유동화시키고 금속 입자들의 기포 유동 층 (15) 을 형성하기 위한 유동 조절기 (9) 를 더 포함하는, 가스 무화기.
제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 가스 무화기 (1), 및 가스의 순환을 위한 하부 덕트 (25), 분말 재료의 순환을 위해 냉각 챔버에 연결된 상부 덕트 (26), 및 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 상기 하부 덕트와 상기 상부 덕트를 분리하는 다공성 벽 (27) 을 포함하는 컨베이어 (22) 를 포함하는, 설비.
제 18 항에 있어서, 상기 컨베이어 (22) 의 상기 하부 덕트 (25) 는 유동화 가스 입구 (29) 및 상기 유동화 가스 입구에 결합되어 상기 냉각 챔버로부터 배출될 금속 입자들을 유동화시키고 상기 상부 덕트 (26) 에서 금속 입자들의 유동 층 (24) 을 형성하기 위한 유동 조절기 (28) 를 포함하는, 설비.