WO2015093672A1 - 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법 - Google Patents

분말 제조 장치 및 분말 형성 방법 Download PDF

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윤시원
정해권
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    • B22F2301/35—Iron

Definitions

  • the present invention relates to a powder manufacturing apparatus using a molten steel and a powder forming method. Specifically, in forming a powder by spraying a cooling fluid into molten steel to form a powder, a powder manufacturing apparatus and a powder capable of forming an evenly distributed powder It is about a formation method.
  • the powder manufacturing apparatus is a technology for making a molten metal (S) into atomized powder (P) by using a fluid such as a high-pressure gas or cooling water so as to have a desired particle size distribution and characteristics as a micrometer fine powder. do.
  • a fluid such as a high-pressure gas or cooling water
  • molten steel (S) flows down from the molten steel supply unit 10, and the molten steel (S) flowing down is mounted on the main body (20) through an injection nozzle (30) for injecting fluid toward the molten steel (S). It is formed into atomized powder (P).
  • the spray nozzle 30 is connected to the fixed body 11, and the spray nozzle 30 may be adjusted at the fixed body 11 to change the collision point.
  • the method using an inert gas as a fluid has advantages in forming an ultrafine powder, in a uniform particle size distribution, and in forming a powder that is not oxidized, but there are inadequate aspects in mass production.
  • the water spray method using the cooling water has the disadvantages that the shape of the powder surface is uneven, the particle size distribution is difficult to be uniform, and the metal powder is easily oxidized, but it is advantageous in mass production. Therefore, in the current situation where the demand for automobile parts is rapidly increasing, it can be said that the production of metal powder is competitive by the cooling water spray method.
  • Determining the quality in the production of metal powder using water sand includes average particle size distribution, apparent density, surface shape, oxygen content, and the like of the metal powder.
  • the particle size distribution, apparent density, and surface shape are mostly determined in the water sanding process, and process variables affecting the cooling water amount, cooling water pressure, molten steel initial temperature, nozzle configuration, and the like.
  • the water spraying process has a mechanism in which high-pressure cooling water collides with molten steel to atomize, and at the same time, the degree of atomization and surface shape depends on the pressure of the cooling water, that is, the size, speed, and impact amount of the water particles.
  • a water jet nozzle and a configuration of the nozzle have been developed and commercialized to form such water particles and effectively effect collision and powdering with molten steel.
  • a nozzle of a V-jet method as shown in Figure 2 is a nozzle configuration to form a powder by adjusting the cooling water spreading in a fan shape in the nozzle tip to converge at a point of the molten steel flow.
  • the amount of cooling water required for powder formation increases because the number of coolant water particles participating in the effective collision is increased.
  • the nozzle configuration is an annular type as shown in FIG. 3 and has a structure in which the injection hole 36 is formed so that the coolant is injected to a point of the molten steel from the annular one-piece nozzle 35.
  • the impact of the fluid particles is high and the amount of fluid consumed is small.However, if the initial operating conditions are not perfect, it is difficult to adjust the angle of impact to a point of the molten steel, and the structure that injects high pressure fluid is integrated. There is a manufacturing difficulty.
  • Patent Document 1 KR10-2004-0067608 A
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, it is an object of the present invention to provide a powder manufacturing apparatus and powder forming method capable of preventing the particles from growing when forming fine powder through a fluid.
  • an object of the present invention is to provide a powder production apparatus and a powder forming method which can be stably operated even if the operating conditions are changed.
  • an object of the present invention is to provide a powder production apparatus and a powder forming method capable of increasing the amount of cooling water, reducing the amount of impact, and securing a collision angle while generating a powder having a particle size distribution and an average particle size.
  • the present invention provides the following powder manufacturing apparatus and powder forming method in order to achieve the above object.
  • the present invention provides a molten steel providing a molten steel; And a cooling fluid injector disposed under the molten steel providing unit and injecting a cooling fluid into the molten steel to powder the molten steel provided by the molten steel providing unit.
  • the cooling fluid injecting unit cools the molten steel. It provides a powder manufacturing apparatus for forming a first flow to form a powder by making a powder, and a second flow to form a falling air flow in the molten steel.
  • the cooling fluid injection unit may include a guide including a truncated conical portion disposed downward to allow the flowing molten steel to pass through the central portion, and an injection nozzle disposed outside the guide and injecting cooling fluid into the guide.
  • the second flow may be a flow that rotates and descends about a direction in which molten steel flows down.
  • the guide may be formed with a spiral portion for inducing the second flow.
  • the spiral portion may be a groove formed on the surface of the guide.
  • a plurality of spiral parts may be symmetrically formed on the guide.
  • the cooling fluid injection unit may be configured such that the flow rate of the first flow is greater than the flow rate of the second flow.
  • the injection nozzle is composed of a straight jet
  • the cooling fluid may be disposed toward the truncated cone of the guide.
  • the injection nozzle is located above the truncated cone portion of the guide, the angle formed by the injection nozzle may be greater than the angle formed by the inclined surface of the truncated cone portion with the vertical line.
  • the spiral portion may be formed to generate a downdraft at the intersection of the extension line of the inclined surface of the truncated cone portion.
  • the cooling fluid may be cooling water.
  • the present invention provides a molten steel providing molten steel; And a powder forming step of atomizing molten steel through the cooling fluid provided in the molten steel providing step, wherein the powder is dropped by the cooling fluid at a collision point between the cooling fluid and the molten steel to suppress coarsening of the powder at the same time as the powder forming step.
  • a powder forming method in which a downdraft forming step of forming an air stream is performed.
  • the powder forming step in the present invention may form a cooling fluid wall to prevent the inflow of outside air around the collision point of the molten steel and the cooling fluid.
  • the step of forming the downdraft may be provided by rotating the cooling fluid downward to form a downdraft by the rotary flow.
  • the present invention can provide a powder manufacturing apparatus and a powder forming method which can prevent the particles from growing when forming the fine powder through the fluid as described above.
  • the present invention can provide a powder manufacturing apparatus and a powder forming method which can be stably operated even if the operating conditions are changed.
  • the present invention can provide a powder manufacturing apparatus and a powder forming method capable of increasing the amount of cooling water, reducing the amount of impact, and securing a collision angle, while generating a powder having a particle size distribution and an average particle size.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a conventional powder production apparatus.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a powder manufacturing apparatus having a jet nozzle of a conventional vjet type.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a powder manufacturing apparatus having a conventional annular type injection nozzle.
  • FIG. 4 is a conceptual view of a powder manufacturing apparatus including a guide
  • FIG. 5 is an enlarged view of an enlarged guide portion of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a photograph when molten steel blockage occurs in the powder manufacturing apparatus including the guides of FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of a powder manufacturing apparatus of the present invention.
  • FIG. 9 is an enlarged view illustrating an enlarged guide portion of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a detailed view of the spiral portion shown in FIG. 9.
  • FIG. 11 is a conceptual perspective view of the first flow formed in FIG. 8
  • FIG. 12 is a conceptual perspective view of the second flow formed in FIG. 8
  • FIG. 13 is a conceptual plan view of the first and second flows of FIGS. 11 and 12.
  • 15 is a graph showing the speed in the vertical direction at the molten steel collision point of the invention example and the comparative example according to the present invention.
  • injection nozzle 131 cooling water
  • FIGS. 4 and 5 A technique using a guide has been proposed as shown in FIGS. 4 and 5 to improve the two conventional methods as disclosed in the background art. That is, a straight jet type nozzle is used, but an inverse truncated conical guide 40 is disposed to guide the coolant so that the coolant can be concentrated at the molten steel collision point, and the injection nozzle 31 is cooled by the guide 40. A structure for concentrating cooling water by spraying has been proposed.
  • the conical coolant wall WB is formed by the coolant sprayed on the guide 40. Since the coolant wall blocks the inflow of external air, There is a problem that the outside is blocked, whereby the molten steel is hardened inside the cooling water wall WB when the molten steel is not smoothly collided at the molten steel collision point, which is illustrated in FIG. 6.
  • the inventor of the present invention while taking advantage of the advantages of the guide 4 (easy to concentrate the cooling water at the molten steel impact point and generating a stable powder even in the change of operating conditions), the disadvantage of the guide 4 (by the coolant wall To remove the negative pressure) and together with the first flow formed by the guide to cool and powder the molten steel to form a downdraft in the molten steel to provide a second flow which assists in the discharge of the powder formed by collision with the cooling water. do.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of a powder manufacturing apparatus according to the present invention
  • FIG. 9 is an enlarged view of the guide portion of FIG. 8
  • FIG. 10 is a detailed view of the spiral portion shown in FIG. 9.
  • the powder manufacturing apparatus according to the present invention may have the same configuration except for the conventional powder manufacturing apparatus of FIG. 1 and the cooling fluid injection unit, and thus, the configuration will be described based on the configuration of the cooling fluid injection unit. .
  • the cooling fluid injection part is disposed outside the guide 140 and the guide 140 including a truncated conical part disposed downwardly so that the molten steel flowing down from the molten steel providing part 10 (see FIG. 1) passes through the center part.
  • a spray nozzle 130 for injecting cooling fluid into the guide 140 is connected to the fixed body 110 and is arranged to spray cooling fluid toward the guide 140.
  • the injection nozzle 130 is preferably directed directly below the truncated cone portion 142 and the cylindrical portion 141 connecting portion of the guide 140 of the guide 140, but is not limited thereto, any of the truncated cone portion 142 Concentration of the cooling fluid can be achieved by the guide 140 if facing one point.
  • the coolant is injected into the cooling fluid from the injection nozzle 130, but the cooling fluid injected from the injection nozzle 130 need not be limited to the cooling water, and an inert gas may be used according to the type of molten steel. General air may be used.
  • the injection nozzle 130 is advantageously a straight jet type that injects the cooling fluid toward one point, but when the cooling fluid strikes the guide 140, the cooling fluid forms the first flow and the second flow 150, 160.
  • the straight jet type for example, V jet or annular type, may be applied.
  • the guide 140 includes a cylindrical portion 141 connected to the fixed body 11 and a truncated cone portion 142 extending from the cylindrical portion 141 and having a shape of an anti-friction cone shape. 9 and 10, spirals 143 are formed on the surface of the truncated cone 142 to form a second flow that forms a downdraft along with a first flow that powders molten steel.
  • the first flow 150 descends downward along the surface of the truncated cone 142 and collides with the molten steel. ) Is formed.
  • the first flow 150 is formed along the guide 140 around the injection point and forms the coolant wall WB.
  • the spiral portion 143 is formed in the truncated cone portion 142, a part of the cooling water 131 injected to the guide 140 is rotated by the spiral portion 143 while molten steel A second flow 160 spirals towards the point of impact.
  • the second flow 160 since the spiral flow narrowing downward is formed, a downward air flow is formed while passing through the molten steel collision point. Accordingly, around the molten steel collision point, the downward flow of the molten steel turned into powder by the cooling water is discharged downward.
  • the spiral portion 143 may be symmetrically formed in the same shape along the circumferential direction of the truncated cone portion 142.
  • the first flow 150 can be configured to have a higher flow rate than the second flow 160.
  • the distribution of flow rate may be adjusted by the height or depth of the spiral portion 143 and the number of spiral portions 143.
  • the injection point at which the coolant is injected by the injection nozzle 130 may be coincident with the spiral portion 143, but may not coincide with the spiral portion 143. Since the 150 meets the spiral 143, the second flow 160 may naturally be formed, so that the injection point does not affect the formation of the first flow 150 and the second flow 160.
  • the operation of the powder manufacturing apparatus provides molten steel for providing molten steel through the molten steel providing unit, and forms a powder for atomizing the provided molten steel by giving an impact amount through a cooling fluid.
  • a falling airflow is formed to form a falling airflow by the cooling fluid at the point of collision between the cooling fluid and the molten steel so as to suppress coarsening of the powder, that is, change in particle size of the powder.
  • the powder forming method of the present invention forms a cooling fluid into a first flow and a second flow, so that the first flow collides with the molten steel, and the second flow forms a spiral flow that collects downward while rotating about the molten steel.
  • the descending airflow formed by the flow provides the force to pull down the powdered molten steel at the point of molten steel impact.
  • the second flow is provided in a manner other than a guide if it can provide a downdraft at the point of impact of the molten steel, but the first and second flows in the case of using a guide. It is advantageous in that it can be obtained simultaneously.
  • FIG. 11 is a conceptual perspective view of the first flow 150 formed in FIG. 8
  • FIG. 12 is a conceptual perspective view of the second flow 160 formed in FIG. 8
  • FIG. 13 is a first and second view of FIGS. 11 and 12.
  • a conceptual top view of the flows 150, 160 is shown.
  • the first flow 150 since the first flow 150 has a structure concentrated toward one point, it is possible to provide a large amount of impulse at the molten steel collision point.
  • the position of the injection nozzle 130 since the first flow is formed along the inclined surface of the guide 140, the position of the injection nozzle 130 may be freer than the structure of FIG. 3.
  • the entire cooling fluid injection unit should be replaced.
  • the height of the guide 140 is adjusted. It is possible not only to change the position of the molten steel collision point but also to provide a large impact amount to the molten steel collision point.
  • the metal powder is pulled out by the downdraft, there is no room for variation of powder particle size, such as agglomeration of powder, which is a factor to reduce the variation of each powder, so that the loss can be greatly reduced if they have the same average particle size. In this case, the yield increases.
  • FIG. 14 is a graph comparing the impact amount of the Examples and Comparative Examples of the present invention. The same amount of cooling water was used, in the case of the invention example, the guide 140 shown in FIG. 10 was used, and in the case of the comparative example, the powder manufacturing apparatus of the method shown in FIG. 2 was used.
  • Figure 15 is a graph showing the speed in the vertical direction at the molten steel impact point of the invention example and the comparative example according to the present invention.
  • Inventive Example 3 and Comparative Example 3 of FIG. 15 are the same as those of using the guide 140 as shown in FIG. 8, but in the case of Inventive Example 3, the guide 140 shown in FIG. 10 was used. A guide 140 in which the spiral portion 143 is not formed is used. That is, in the case of Comparative Example 3, the experiment was conducted under the same conditions except that a guide without a configuration capable of inducing the second flow 160 was used.
  • the X axis represents the height of the molten steel collision point
  • the Y axis represents the velocity
  • the Y axis represents a positive value
  • a minus value represents a velocity downward.

Landscapes

  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

본 발명은 유체를 통한 미세분말 형성 시 입자가 커지는 것을 막는 것이 가능한 분말 제조 장치를 제공하는 것으로, 용강을 제공하는 용강 제공부; 및 상기 용강 제공부의 하부에 배치되며, 상기 용강 제공부에 의해 제공되는 용강을 분말화하기 위하여 상기 용강으로 냉각 유체를 분사하는 냉각 유체 분사부;를 포함하며, 상기 냉각 유체 분사부는 상기 용강을 냉각시켜 분말화하는 제 1 흐름과, 상기 용강에 하강 기류를 형성시키는 제 2 흐름을 형성하는 분말 제조 장치를 제공한다.

Description

분말 제조 장치 및 분말 형성 방법
본 발명은 용강을 활용한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법에 대한 것으로, 구체적으로는 용강에 냉각 유체를 분사하여 입자화함으로써 분말을 형성함에 있어서, 고른 분포의 분말의 형성이 가능한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법에 대한 것이다.
자동차 및 금속 부품의 형상이 점차 복잡해지고 그 수요 또한 늘어남에 따라 기존의 단조와 주조로 제조되던 방식에서 핫프레스포밍(Hot Press Forming)과 같은 대량 생산에 특화된 방식의 비율이 점차 증가하고 있다. HPF의 기술 발전에 의해 금속 분말로 구성된 제품의 강성 및 특성이 증대됨에 따라 점차 복잡한 형상의 자동차 부품에 대한 수요가 늘어나고 있다. 이에 따라 금속 분말을 대량으로 제조하는 분말화(Atomization) 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
도 1 에 나타나듯이 분말 제조 장치는 고압의 가스나 냉각수와 같은 유체를 이용하여 금속 용강(S)을 미립화된 분말(P)로 만드는 기술로써 마이크로미터 단위의 미립 분말로 원하는 입도분포 및 특성을 갖도록 한다. 이를 위해서 용강 공급부(10)에서 금속 용강(S)을 흘러내리게 하며, 흘러내리는 용강(S)는 본체(20)에 장착되며 상기 용강(S)을 향하여 유체를 분사하는 분사 노즐(30)을 통하여 미립화된 분말(P)로 형성한다. 분사 노즐(30)은 고정 바디(11)에 연결되어 있으며, 충돌 지점을 변경하기 위하여 분사 노즐(30)은 고정 바디(11)에서 분사 위치가 조절될 수 있다.
유체로 불활성 가스를 이용한 방식은 극미립 분말을 형성하거나 균일한 입도 분포, 산화되지 않는 분말 형성에 강점이 있으나, 대량생산에는 부적합한 측면이 존재한다. 반면 냉각수를 이용한 수분사 방식은 분말 표면의 형상이 불균일하고 입도 분포를 균일화하기 어렵고 금속분말의 산화가 쉽게 이루어진다는 단점이 있지만 대량 생산에 유리하다는 장점이 있다. 따라서 자동차 부품 소재로 수요가 급격하게 증가하는 현재의 상황에서는 냉각수 수분사 방식으로 금속 분말 생산이 경쟁력을 갖는다고 볼 수 있다.
수분사를 이용한 금속분말 생산에 있어서 품질을 결정하는 것은 금속분말의 평균 입도 분포, 겉보기 밀도, 표면 형상, 산소 함유량 등이 있다. 이중에 입도 분포와 겉보기 밀도, 표면 형상의 경우에는 수분사 공정에서 대부분 결정되며, 이에 영향을 미치는 공정 변수로서는 냉각수량, 냉각수 압력, 용강 초기 온도, 노즐 구성 등이 있다. 일반적인 수분사 공정은 고압의 냉각수를 용강에 충돌시켜 미립화하는 동시에 냉각이 이루어지는 메커니즘을 갖고 있으며, 미립화 정도와 표면 형상은 냉각수의 압력, 즉 물입자의 크기와 속도, 충격량에 좌우된다. 이러한 물입자를 형성하고 용강과의 충돌 및 분말화를 효과적으로 이루어지게 하도록 수분사 노즐과 노즐의 구성이 개발되고 상용화되어 있다.
종래에 알려진 구성은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
첫째로, 도 2 에 도시된 바와 같은 브이젯 방식의 노즐로써 노즐팁에서 부채꼴로 퍼지는 냉각수를 용강 흐름의 한 지점에 수렴하도록 조정하여 분말을 형성하는 노즐 구성이다. 복수 개의 노즐 팁(31)으로 구성되며 넓게 퍼지는 냉각수 분사 구조로 인하여 용강과의 충돌 각도 및 조업 기준 설정이 용이하다. 그러나 유효 충돌에 참여하는 냉각수 물입자 수가 적으므로 분말 형성에 필요한 냉각수량이 증가한다는 단점이 존재한다.
다음으로, 노즐 구성은 도 3 에 나타난 것과 같은 환형 타입으로써 환형의 일체형 노즐(35)에서 용강의 한 지점으로 냉각수가 분사되도록 분사 구멍(36)이 형성되는 구조를 가지고 있다. 브이젯 방식 노즐에 비하여 유체 입자의 충격량이 높으며 소모되는 유체량이 적다는 장점이 있으나, 초기 조업 조건이 완벽하지 않으면 용강의 한 지점으로의 충돌 각도 조정이 어려우며, 고압의 유체를 분사하는 구조를 일체형으로 만드는 제작상의 난점이 존재한다.
또한 두 가지의 노즐 구성 방식 모두 유체와 용강의 충돌 각도에 변경이 생길 경우, 미립화된 분말이 하강하지 못하고 냉각수와 공기의 유동에 따라 큰 덩어리를 형성하는 현상이 발생하게 된다.
(특허문헌 1) KR10-2004-0067608 A
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유체를 통한 미세분말 형성 시 입자가 커지는 것을 막는 것이 가능한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 조업 조건이 변경되더라도 안정적으로 조업이 가능한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명은 일정 이상의 입도 분포와 평균 입도를 갖는 분말을 생성하면서도, 냉각수량 증대와 충격량 감소, 충돌 각도 확보가 가능한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법을 제공한다.
본 발명은 용강을 제공하는 용강 제공부; 및 상기 용강 제공부의 하부에 배치되며, 상기 용강 제공부에 의해 제공되는 용강을 분말화하기 위하여 상기 용강으로 냉각 유체를 분사하는 냉각 유체 분사부;를 포함하며, 상기 냉각 유체 분사부는 상기 용강을 냉각시켜 분말화하는 제 1 흐름과, 상기 용강에 하강 기류를 형성시키는 제 2 흐름을 형성하는 분말 제조 장치를 제공한다.
본 발명에서 상기 냉각 유체 분사부는 흘러내리는 용강이 중앙부로 통과하도록 하방을 향하여 배치되는 절두 원뿔형부를 포함하는 가이드와, 상기 가이드 외측에 배치되며, 상기 가이드로 냉각 유체를 분사하는 분사 노즐을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 2 흐름은 용강이 흘러내리는 방향을 중심으로 회전 하강하는 흐름일 수 있다.
또, 본 발명에서 상기 가이드에는 상기 제 2 흐름을 유도하는 나선부가 형성될 수 있다. 이때, 나선부는 상기 가이드의 표면에 형성된 홈일 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 나선부는 상기 가이드에 복수 개가 대칭적으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 냉각 유체 분사부는 상기 제 1 흐름의 유량이 상기 제 2 흐름의 유량보다 많도록 구성될 수 있다.
본 발명에서 상기 분사 노즐은 스트레이트 젯으로 구성되며, 상기 냉각 유체를 상기 가이드의 절두 원뿔형부를 향하여 배치될 수 있다.
또, 본 발명에서 상기 분사 노즐은 상기 가이드의 절두 원뿔형부보다 상측에 위치하여, 상기 분사 노즐이 수직선과 이루는 각은 상기 절두 원뿔형부의 경사면이 수직선과 이루는 각보다 클 수 있다.
또한, 상기 나선부는 절두 원뿔형부의 경사면의 연장선의 교차점에서 하강 기류가 발생하게 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 냉각 유체는 냉각수일 수 있다.
한편, 본 발명은 용강을 제공하는 용강 제공 단계; 및 상기 용강 제공 단계에서 제공되 용강을 냉각 유체를 통하여 미립화시키는 분말 형성 단계;를 포함하며, 상기 분말 형성 단계와 동시에 분말의 조대화를 억제하도록 냉각 유체와 용강의 충돌 지점에 상기 냉각 유체에 의한 하강 기류를 형성하는 하강 기류 형성 단계가 수행되는 분말 형성 방법을 제공한다.
또, 본 발명에서 상기 분말 형성 단계는 상기 용강과 상기 냉각 유체의 충돌 지점을 중심으로 외기의 유입을 막는 냉각 유체 벽을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 하강 기류 형성 단계는 회전류에 의한 하강 기류를 형성하도록 상기 냉각 유체를 하방을 향하여 회전시켜 제공할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 구성을 통하여 유체를 통한 미세분말 형성 시 입자가 커지는 것을 막는 것이 가능한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 조업 조건이 변경되더라도 안정적으로 조업이 가능한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법을 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일정 이상의 입도 분포와 평균 입도를 갖는 분말을 생성하면서도, 냉각수량 증대와 충격량 감소, 충돌 각도 확보가 가능한 분말 제조 장치 및 분말 형성 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은 종래의 분말 제조 장치의 개념도이다.
도 2 는 종래의 브이젯 타입의 분사노즐을 가지는 분말 제조 장치의 개념도이다.
도 3 은 종래의 환형 타입의 분사노즐을 가지는 분말 제조 장치의 개념도이다.
도 4 는 가이드를 포함하는 분말 제조 장치의 개념도이며, 도 5 는 도 4 의 가이드 부분을 확대한 확대도이다.
도 6 은 도 4 및 도 5 의 가이드를 포함하는 분말 제조 장치에서 용강 막힘이 발생했을 때의 사진이다.
도 7 은 분말 입도 분포와 평균 입도의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 분말 제조 장치의 개념도이다.
도 9 는 도 8 의 가이드 부분을 확대한 확대도이다.
도 10 은 도 9 에 도시된 나선부의 상세도이다.
도 11 은 도 8 에서 형성된 제 1 흐름의 개념사시도이며, 도 12 는 도 8 에서 형성된 제 2 흐름의 개념사시도이며, 도 13 은 도 11 및 도 12 의 제 1 및 제 2 흐름의 개념평면도이다.
도 14 는 본 발명에 따른 발명예와 비교예의 충력량 비교 결과를 도시한 그래프이다.
도 15 는 본 발명에 따른 발명예와 비교예의 용강 충돌 지점에서의 수직방향으로의 속도를 도시한 그래프이다.
부호의 설명
130: 분사 노즐 131: 냉각수
140: 가이드 141: 원통부
142: 절두 원뿔부 143: 나선부
150: 제 1 흐름 160: 제 2 흐름
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
배경기술에 개시된 바와 같은 종래의 두 방식을 개선하기 위하여 가이드를 사용한 기술이 도 4 및 5 와 같이 제안된 바 있다. 즉, 스트레이트 젯 타입의 노즐을 사용하되, 용강 충돌 지점에 냉각수가 집중될 수 있도록 냉각수를 가이드 하는 역절두 원뿔형의 가이드(40)를 배치하고, 상기 가이드(40)로 분사 노즐(31)이 냉각수를 분사하여 냉각수를 집중시키는 구조가 제안된 바 있다.
이와 같은 구조의 경우에 가이드(40)에 분사되는 냉각수에 의해서 원뿔형의 냉각수벽(WB)이 형성되며, 이와 같은 냉각수벽은 외부의 공기가 유입되는 것을 차단하기 때문에, 냉각수벽 내부(I)와 외부가 차단되며, 그로 인하여 용강 충돌 지점에서 용강의 충돌이 원활하지 않은 경우에 냉각수벽(WB) 내부(I)에 용강이 굳어버린다는 문제가 있으며, 이러한 상태가 도 6 에 도시되어 있다.
또한, 도 5 와 같은 구조의 경우에 정상적인 수분사 조업의 경우에는 평균 입도 위주로 전체 분말의 분포가 형성된다. 그러나 노즐 각도의 변경, 충격량 감소, 냉각수량의 적정 비율 변화, 매스 플로의 저하가 발생할 경우에는 분말의 입도 분포가 넓어지게 되어 최종 오버사이즈 분말의 비율이 커지게 된다. 이와 같은 오버사이즈의 철 분말은 모두 스크랩으로 처리되므로 전체 수율을 떨어뜨리는 결과를 초래하게 된다. 따라서 수분사 공정에 있어서 효과적인 철 분말 생성을 위하여 일정 이상의 충격량을 확보하며 철 분말의 흐름을 원활하게 만드는 것이 필요하다.
즉, 도 7 에서 도시된 바와 같이, 정상적 상황과 비정상적 상황에서 동일한 평균 입도를 얻어낸다고 하더라도, 비정상적 상황에서 입도 분포가 커져서 오버사이즈 분말의 비중이 커지며, 그에 따라서 스크랩 처리되는 양이 증가하여 전체적인 수율을 저감시키게 된다는 문제가 있다.
특히, 가이드(4)에 의해서 발생하는 냉각수벽(WB)의 경우 냉각수를 집중하는데 유리하지만, 외부공기의 유입을 차단하여 용강 충돌 지점에 상방으로의 부압을 형성하며, 이는 용강 충돌이 원활하지 않은 경우에 용강의 굳음 혹은 철 분말의 입자의 편차를 크게 하는 문제가 있다.
이에 본 발명의 발명자는 가이드(4)의 장점(용강 충돌 지점에 냉각수의 집중을 용이하게 하게 함 및 조업 조건의 변경에도 안정적인 분말 생성)을 살리면서도, 가이드(4)의 단점(냉각수벽에 의한 부압)을 제거하기 위하여, 가이드에 의해 형성되어 용강을 냉각시켜 분말화하는 제 1 흐름과 함께 상기 용강에 하강 기류를 형성시켜 냉각수와의 충돌에 의해 형성된 분말의 배출을 돕는 제 2 흐름을 제공하는 한다.
도 8 에는 본 발명에 따른 분말 제조 장치의 개념도가 도시되어 있으며, 도 9 에는 도 8 의 가이드 부분의 확대도가 도시되어 있으며, 도 10 에는 도 9 에 도시된 나선부의 상세도가 도시되어 있다.
도 8 에서 보이듯이, 본 발명에 따른 분말 제조 장치는 도 1 의 종래의 분말 제조 장치와 냉각 유체 분사부를 제외하고는 동일한 구성이 적용될 수 있으며, 따라서, 냉각 유체 분사부의 구성을 중심으로 설명하도록 한다.
냉각 유체 분사부는 용강 제공부(10; 도 1 참고)로부터 흘러내리는 용강이 중앙부로 통과하도록 하방을 향하여 배치되는 절두 원뿔형부를 포함하는 가이드(140)와, 상기 가이드(140) 외측에 배치되며, 상기 가이드(140)로 냉각 유체를 분사하는 분사 노즐(130)을 포함한다. 분사 노즐(130)은 고정 바디(110)에 연결되어 가이드(140)를 향하여 냉각 유체를 분사하도록 배치된다.
분사 노즐(130)은 가이드(140)의 가이드(140)의 절두 원뿔부(142)와 원통부(141) 연결부 직하부를 향하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 절두 원뿔부(142)의 어느 일 지점을 향한다면 가이드(140)에 의해서 냉각 유체의 집중이 달성될 수 있다. 도 8 의 실시예에서는 분사 노즐(130)에서 냉각 유체로 냉각수가 분사되는 것이나, 분사 노즐(130)에서 분사되는 냉각 유체는 냉각수로 제한될 필요가 없으며, 용강의 종류에 따라서 불활성 가스가 사용될 수도 있으며, 일반 공기가 사용될 수도 있다.
분사 노즐(130)은 일지점을 향하여 냉각 유체를 분사하는 스트레이트 젯 타입이 유리하나, 가이드(140)에 냉각 유체가 부딪히면 냉각 유체가 제 1 흐름 및 제 2 흐름(150, 160)을 형성한다는 점을 고려할 때, 스트레이트 젯 타입이 아닌 다른 방식, 예를 들면 브이 젯 혹은 환형 타입이 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 가이드(140)는 고정 바디(11)에 연결된 원통부(141)와 상기 원통부(141)로부터 연장되며, 역절두 원뿔형의 형상을 가지는 절두 원뿔부(142)를 포함하여 구성되며, 도 9 및 도 10 에서 보이듯이, 용강을 분말화하는 제 1 흐름과 함께 하강기류를 형성하는 제 2 흐름을 형성하기 위하여 상기 절두 원뿔부(142)의 표면에 나선부(143)가 형성된다.
도 9 에서 보이듯이, 본 발명의 가이드(140)의 절두 원뿔부(142)로 냉각수(131)가 부딪히면, 절두 원뿔부(142)의 표면을 따라서 하방으로 내려와 용강에 충돌하는 제 1 흐름(150)이 형성된다. 제 1 흐름(150)은 분사 지점을 중심으로 가이드(140)를 따라서 형성되며, 냉각수벽(WB)을 형성한다.
본 발명의 실시예에서는 절두 원뿔부(142)에 나선 형상의 나선부(143)가 형성되어 있으므로, 가이드(140)에 분사된 냉각수(131)의 일부는 나선부(143)에 의해서 회전되면서 용강 충돌 지점 향하여 나선 진행하는 제 2 흐름(160)을 형성한다. 제 2 흐름(160)의 경우 하방으로 좁아지는 나선흐름이 형성되기 때문에, 용강 충돌 지점을 통과하면서 하강 기류를 형성하게 된다. 그에 따라서, 용강 충돌 지점을 중심으로, 냉각수에 의해서 분말로 변한 용강이 하부로 배출되는 하방흐름을 형성하게 된다.
본 발명에서 나선부(143)는 절두 원뿔부(142)의 원주 방향을 따라서 동일한 형상이 대칭적으로 형성될 수 있다.
또, 본 발명에서 제 2 흐름(160)의 경우에 용강과의 충돌량을 증대시켜 입자화하는 것에는 유리하지 않기 때문에, 분사 노즐(130)을 통하여 제공되는 냉각수가 가이드(140)에 의해서 분배될 때, 제 1 흐름(150)이 제 2 흐름(160)보다 유량이 많도록 구성될 수 있다. 유량의 분배는 나선부(143)의 높이 혹은 깊이 및 나선부(143)의 개수로 조절될 수 있다.
또한, 도 9 에서 도시되어 있듯이, 분사 노즐(130)에 의한 냉각수가 분사되는 분사 지점은 상기 나선부(143)와 일치하게 하는 것도 가능하지만, 나선부(143)와 일치하지 않더라도 제 1 흐름(150)이 나선부(143)와 만나게 되므로 자연스럽게 제 2 흐름(160)이 형성될 수 있으므로, 분사 지점은 제 1 흐름(150)과 제 2 흐름(160)의 형성에 영향을 주지 않는다.
본 발명에 따른 분말 제조 장치의 동작은 용강 제공부를 통하여 용강을 제공하는 용강 제공하며, 제공된 용강을 냉각 유체를 통하여 충격량을 줘서 미립화시키는 분말을 형성한다. 이때, 분말 형성 단계와 동시에 분말의 조대화, 즉 분말의 입도 변화를 억제하도록 냉각 유체와 용강의 충돌 지점에 상기 냉각 유체에 의한 하강 기류를 형성하는 하강 기류를 형성시킨다. 이러한 본 발명의 분말 형성 방법은 냉각 유체를 제 1 흐름과 제 2 흐름으로 형성시켜서, 제 1 흐름은 용강과 충돌하게, 제 2 흐름은 용강을 중심으로 회전하면서 하방으로 모이는 나선 흐름을 형성하여 나선 흐름에 의해서 형성된 하강 기류로 용강 충돌 지점의 분말화된 용강을 아래로 잡아당기는 힘을 제공한다.
제조 방법 관점에 있어서, 제 2 흐름은 용강 충돌 지점에 하강 기류를 제공할 수 있다면 가이드가 아닌 다른 방식으로 제공되더라도 동일한 효과를 얻는 것이 가능하나, 가이드를 사용하는 경우에 제 1 흐름과 제 2 흐름을 동시에 얻을 수 있다는 점에서 유리하다.
도 11 에는 도 8 에서 형성된 제 1 흐름(150)의 개념사시도가, 도 12 에는 도 8 에서 형성된 제 2 흐름(160)의 개념사시도가, 도 13 에는 도 11 및 도 12 의 제 1 및 제 2 흐름(150, 160)의 개념평면도가 도시되어 있다.
도 11 및 도 13(a)에서 확인할 수 있듯이 제 1 흐름(150)의 경우에 한점을 향하여 집중되는 구조를 가지므로, 용강 충돌 지점에서 큰 충력량을 제공하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 흐름은 가이드(140)의 경사면을 따라서 형성되므로, 분사 노즐(130)의 위치가 도 3 과 같은 구조보다 자유로워질 수 있다. 특히, 조업 조건 혹은 용강 변경으로 인하여 용강 충돌 지점의 위치가 변경되어야 하는 경우에 도 3 의 종래기술의 경우 냉각 유체 분사부 전체를 교체하여야 하나, 본 실시예의 경우에 가이드(140)의 높낮이를 조절하는 것만으로도 용강 충돌 지점의 위치를 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 용강 충돌 지점으로 큰 충격량을 제공하는 것이 가능하다.
도 12 및 도 13(b) 에서 확인할 수 있듯이 제 2 흐름(160)의 경우에 용강 중돌 지점을 향하여 모이는 나선 흐름을 통하여 하강 기류를 형성한다. 나선 흐름의 경우에 한점에 모여 충돌하지 않고, 일 지점까지는 모이다가 그 이후에는 다시 벌어지는 흐름을 형성하게 되며, 그에 따라서, 나선 진행 방향으로 나선 내부에 하강 기류가 형성된다. 본 실시예에서는 제 1 흐름(150)에 의해서 형성되는 냉각수벽(WB)으로 인하여 용강 충돌 지점에 형성되는 상방향의 움직임을 제 2 흐름(160)을 통한 하강 기류로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 충돌로 의하여 분말화된 용강을 하부로 빼내는 역할을 하게 된다.
특히, 금속 분말이 하강기류에 의해서 빠져나감으로 인하여, 분말의 뭉침과 같은 분말 입도 변동의 여지가 사라지며, 이는 각 분말의 편차를 작게 하는 요소가 되어 동일한 평균 입도를 가지게 한다면 손실량을 크게 줄일 수 있어서 수율 증가의 효과가 있게 된다.
도 14 에는 본 발명의 실시예와 비교예의 충격량을 대비한 그래프가 도시되어 있다. 동일한 냉각수량을 사용하였으며, 발명예의 경우 도 10 에 도시된 가이드(140)를 사용하였으며, 비교예의 경우에 도 2 에 도시된 방식의 분말 제조 장치를 사용하였다.
발명예 1 의 경우에 분사 노즐(130) 4개를 사용한 것이며, 발명예 2 의 경우에 분사 노즐(130) 8 개를 사용한 것이며, 비교예 1 의 경우에 분사 노즐(30) 2개를, 비교예 2 의 경우에 분사 노즐(30) 4개를 사용한 결과이다.
도 14 에서 확인할 수 있듯이, 본 발명과 같이 가이드(140)를 사용한 경우에 동일한 노즐 수를 가지더라도 큰 충격량을 확보하는 것이 가능함을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명의 경우에 가이드(140)에 냉각 유체가 분사될 수 있다면 노즐의 위치, 종류에 큰 영향을 받지 않는다는 점에서 충격량 확보가 용이함을 확인할 수 있다.
한편, 도 15 에는 본 발명에 따른 발명예와 비교예의 용강 충돌 지점에서의 수직방향으로의 속도를 도시한 그래프가 도시되어 있다.
도 15 의 발명예 3 과 비교예 3 은 도 8 과 같이 가이드(140)를 사용한 점은 동일하나, 발명예 3 의 경우에 도 10 에 도시된 가이드(140)가 사용되었으나, 비교예 3 의 경우에 나선부(143)가 형성되지 않은 가이드(140)가 사용되었다. 즉, 비교예 3 의 경우에 제 2 흐름(160)을 유도할만한 구성이 없는 가이드를 사용하였다는 점을 제외하고는 동일한 조건에서 실험하였다. 도 15 에서 X 축은 용강 충돌 지점과의 높이를, Y 축은 속도를 나타내는 것으로 Y축이 + 값인 것은 상방으로의 속도를, - 인 것은 하방으로의 속도를 의미한다.
도 15 의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 제 2 흐름(160)이 형성되지 않은 비교예 3 의 경우에 용강 충돌 지점에서 상방으로의 힘, 즉 상방으로 용강이 이동하는 것이 나타나는 것을 확인할 수 있었으나, 제 2 흐름(160)이 형성된 발명예 3 의 경우에 하강 기류에 의해서 용강 충돌 지점에서 하방으로의 힘, 즉 하방으로 용강이 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 충격량에 의해 정해진 분말의 입도를 유지한 상태로 하방으로 배출/냉각시키는 것이 가능하며, 그에 따라서, 분말의 입도 분포를 평균에 집중되게 하는 것이 가능하다. 이는 오버사이즈되는 분말의 양을 감소시키게 되어 분말 제조 수율을 향상시키는 것이 가능하다.
이상에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적일 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 실시예로 제한되는 것은 아니며, 통상의 기술자에 의해서 변형 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (14)

  1. 용강을 제공하는 용강 제공부; 및
    상기 용강 제공부의 하부에 배치되며, 상기 용강 제공부에 의해 제공되는 용강을 분말화하기 위하여 상기 용강으로 냉각 유체를 분사하는 냉각 유체 분사부;를 포함하며,
    상기 냉각 유체 분사부는 상기 용강을 냉각시켜 분말화하는 제 1 흐름과, 상기 용강에 하강 기류를 형성시키는 제 2 흐름을 형성하는 분말 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유체 분사부는 흘러내리는 용강이 중앙부로 통과하도록 하방을 향하여 배치되는 절두 원뿔형부를 포함하는 가이드와, 상기 가이드 외측에 배치되며, 상기 가이드로 냉각 유체를 분사하는 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 흐름은 용강이 흘러내리는 방향을 중심으로 회전 하강하는 흐름인 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 가이드에는 상기 제 2 흐름을 유도하는 나선부가 형성된 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 나선부는 상기 가이드의 표면에 형성된 홈인 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 나선부는 상기 가이드에 복수 개가 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유체 분사부는 상기 제 1 흐름의 유량이 상기 제 2 흐름의 유량보다 많도록 구성되는 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 스트레이트 젯으로 구성되며, 상기 냉각 유체를 상기 가이드의 절두 원뿔형부를 향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 상기 가이드의 절두 원뿔형부보다 상측에 위치하여, 상기 분사 노즐이 수직선과 이루는 각은 상기 절두 원뿔형부의 경사면이 수직선과 이루는 각보다 큰 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 나선부는 절두 원뿔형부의 경사면의 연장선의 교차점에서 하강 기류가 발생하게 형성되는 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 유체는 물인 것을 특징으로 하는 분말 제조 장치.
  12. 용강을 제공하는 용강 제공 단계; 및
    상기 용강 제공 단계에서 제공된 용강을 냉각 유체를 통하여 미립화시키는 분말 형성 단계;를 포함하며,
    상기 분말 형성 단계와 동시에 분말의 조대화를 억제하도록 냉각 유체와 용강의 충돌 지점에 상기 냉각 유체에 의한 하강 기류를 형성하는 하강 기류 형성 단계가 수행되는 분말 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 분말 형성 단계는 상기 용강과 상기 냉각 유체의 충돌 지점을 중심으로 외기의 유입을 막는 냉각 유체 벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 분말 형성 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하강 기류 형성 단계는 회전류에 의한 하강 기류를 형성하도록 상기 냉각 유체를 하방을 향하여 회전시켜 제공하는 것을 특징으로 하는 분말 형성 방법.
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