KR20170072559A - 용융 금속 처리 장치 - Google Patents

Abstract

용융 금속 처리 장치는 용융 금속을 수용하는 도가니, 상기 도가니 내에 배치되고, 상부와 하부가 개방되어 있는 가압 펌프 케이스, 및 상기 가압 펌프 케이스의 상부에 형성되어 있는 용탕 흐름 플랜지를 포함한다. 용융 금속 중에 함유된 가스, 고증기압 금속, 개재물 등의 불순물을 더욱 효과적으로 제거하여 청정한 용탕을 확보할 수 있으며, 결과적으로 주물과 같은 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

용융 금속 처리 장치{APPARATUS FOR TREATING MOLTEN METAL}

본 발명은 용융 금속 처리 장치에 관한 것이다.

알루미늄 합금, 마그네슘 합금의 주조품의 결함 저감에는 용탕의 청정도가 매우 중요하다. 일반적으로 용융 금속에는 산화물, 금속간화합물, 이물질과 같은 개재물뿐만 아니라 각종 가스 성분(H₂, O₂, N₂ 등)도 녹아 들어가 용탕의 청정도를 저하시킨다. 특히, 고반응성 금속의 경우, 공기 성분과 반응하여 Al₂O₃, MgO, Al₂MgO₄과 같은 산화물을 생성하기 쉽다. 이러한 산화물이나 개재물, 가스 성분이 다량으로 용탕에 혼입하면 제품의 외관 불량뿐만 아니라, 균열, 파괴와 같은 결함이 발생할 수 있다.

한편, 마그네슘 합금의 경우에는 MgO와 같은 개재물의 비중이 용탕과 유사하기 때문에 침전시키거나 부상시키거나 분리하는 것이 곤란하고, 완전한 분리 제거가 어려운 것으로 알려져 있다.

용융 금속에서 개재물과 각종 가스 성분을 분리하기 위하여 용융 금속을 수용하는 진공 정련 장치 내를 1 기압 이하로 유지하고 용융 금속 중의 개재물을 부상시키는 방법이 개발되고 있으나, 용탕의 진공 분위기가 유지되지 못하여 정련 효율이 떨어지는 문제가 발생하고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 용융 금속 중에 함유된 가스, 고증기압 금속, 개재물 등의 불순물을 효과적으로 제거하여 청정한 용탕을 확보할 수 있는 용융 금속 처리 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용융 금속 처리 장치는 용융 금속을 수용하는 도가니, 상기 도가니 내에 배치되고, 상부와 하부가 개방되어 있는 가압 펌프 케이스, 및 상기 가압 펌프 케이스의 상부에 형성되어 있는 용탕 흐름 플랜지를 포함한다.

상기 용탕 흐름 플랜지가 형성되어 있는 상기 가압 펌프 케이스의 상부는 상기 도가니에 수용되는 상기 용융 금속의 높이보다 높게 위치할 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스의 하부는 상기 도가니의 하측면과 일정 간격 이격되어 있을 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스의 내부로 불활성 가스를 방출하여 상기 용융 금속 내에 상기 불활성 가스를 주입하는 중공 회전 샤프트를 더 포함할 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스 내에 위치하는 상기 중공 회전 샤프트의 하부에 장착되어 상기 용융 금속을 회전시키면서 상측으로 가압하는 가압 임펠러를 더 포함할 수 있다.

상기 중공 회전 샤프트에 연결되어 상기 중공 회전 샤프트의 회전을 제어함으로써 상기 가압 임펠러의 회전을 제어하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스 내부에 배치되고, 다수의 여과 기공이 형성되어 있는 금속 필더를 더 포함할 수 있다.

상기 금속 필터는 상기 가압 임펠러의 상측에 위치할 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스의 상부를 상기 도가니의 상측면에 고정하고, 상기 가압 펌프 케이스의 상부와 상기 도가니의 상측면 사이의 오픈부를 형성하는 가압 펌프 고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 도가니의 주변을 둘러싸고 상기 도가니를 외부에서 가열하는 용해로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 용융 금속 처리 장치는 용융 금속을 수용하는 도가니, 상기 도가니 내에 배치되고, 상부와 하부가 개방되어 있는 가압 펌프 케이스, 및 상기 가압 펌프 케이스 내부에 배치되고, 다수의 여과 기공이 형성되어 있는 금속 필터를 포함한다.

상기 가압 펌프 케이스의 상부에 형성되어 있는 용탕 흐름 플랜지를 더 포함할 수 있다.

상기 용탕 흐름 플랜지가 형성되어 있는 상기 가압 펌프 케이스의 상부는 상기 도가니에 수용되는 상기 용융 금속의 높이보다 높게 위치할 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스의 하부는 상기 도가니의 하측면과 일정 간격 이격되어 있을 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스의 내부로 불활성 가스를 방출하여 상기 용융 금속 내에 상기 불활성 가스를 주입하는 중공 회전 샤프트를 더 포함할 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스 내에 위치하는 상기 중공 회전 샤프트의 하부에 장착되어 상기 용융 금속을 회전시키면서 상측으로 가압하는 가압 임펠러를 더 포함할 수 있다.

상기 금속 필터는 상기 가압 임펠러의 상측에 위치할 수 있다.

상기 중공 회전 샤프트에 연결되어 상기 중공 회전 샤프트의 회전을 제어함으로써 상기 가압 임펠러의 회전을 제어하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 가압 펌프 케이스의 상부를 상기 도가니의 상측면에 고정하고, 상기 가압 펌프 케이스의 상부와 상기 도가니의 상측면 사이의 오픈부를 형성하는 가압 펌프 고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 도가니의 주변을 둘러싸고 상기 도가니를 외부에서 가열하는 용해로를 더 포함할 수 있다.

용융 금속 중에 함유된 가스, 고증기압 금속, 개재물 등의 불순물을 더욱 효과적으로 제거하여 청정한 용탕을 확보할 수 있으며, 결과적으로 주물과 같은 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 금속 처리 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융 금속 처리 장치를 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 금속 처리 장치를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 용융 금속 처리 장치는 진공 챔버(1)를 포함한다. 진공 챔버(1)는 전체적으로 진공 기밀 구조 및 내열 구조로 되어 있다.

진공 챔버(1)는 용융 금속을 수용하는 도가니(2), 도가니(2)를 외부에서 가열하는 용해로(3), 및 도가니(2) 내에 배치되는 가압 펌프(30)를 포함한다.

도가니(2)는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금과 같은 비철합금의 용해를 위한 노(furnace)이다. 도가니(2)는 흑연이나 주철로 만들어질 수 있다. 여기서는 도가니(2)가 비철합금의 용해를 위한 노인 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않으며, 도가니(2)는 강철, 유리 등의 다양한 재료의 용해에 사용되는 노일 수 있다.

도가니(2)는 덮개(2')로 덮이고, 도가니(2)와 덮개(2') 사이에 마련된 내열 오링(O-ring)(4)으로 도가니(2) 내부의 진공 기밀이 유지될 수 있다.

용해로(3)는 도가니(2)의 주변을 둘러싸고 도가니(2)를 외부에서 가열한다. 용해로(3)는 코크스, 석탄가스, 천연가스, 중유, 석탄 등을 연료로 하거나, 연료를 사용하지 않고 전열이나 아크열을 이용할 수 있다.

도가니(2)에 알루미늄 합금, 마그네슘 합금과 같은 비철합금을 넣고, 덮개(2')로 도가니(2)를 덮은 후 용해로(3)로 도가니(2)를 가열함으로써, 비철합금을 용해시켜 용융 금속을 생성할 수 있다.

도가니(2)의 측벽에는 용융 금속을 외부에 취출하기 위한 배출구(5)가 마련된다.

가압 펌프(30)는 가압 펌프 케이스(31), 용탕 흐름 플랜지(32), 가압 펌프 고정부(33) 및 가압 임펠러(34)를 포함한다. 가압 펌프(30)는 가압 펌프 케이스(31) 내에서 Ar 가스, N₂ 가스 등의 불화성 가스를 용융 금속 중에 도입하면서 용융 금속을 교반하도록 구성된다.

가압 펌프 케이스(31)는 상부와 하부가 개방되어 있는 연통형으로 마련될 수 있다. 가압 펌프 케이스(31)의 상부는 가압 펌프 고정부(33)에 의해 도가니(2)의 상측면에 고정된다. 가압 펌프 케이스(31)의 하부는 도가니(2)의 하측면과 일정 간격 이격되어 있다. 가압 펌프 케이스(31)의 상부는 도가니(2)에 수용되는 용융 금속의 높이보다 높게 배치될 수 있다.

가압 펌프 케이스(31)의 상부에는 용탕 흐름 플랜지(32)가 형성되어 있을 수 있다. 용탕 흐름 플랜지(32)의 직경은 정련 효과를 향상시키기 위하여 적절한 폭으로 정해질 수 있다. 용탕 흐름 플랜지(32)의 표면에는 물결 모양 등의 유체 흐름을 제어할 수 있는 패턴이 부가되어 있을 수 있다. 용탕 흐름 플랜지(32)는 필요에 따라 생략될 수도 있다.

가압 펌프 고정부(33)는 가압 펌프 케이스(31)의 상부를 도가니(2)의 상측면에 고정한다. 가압 펌프 고정부(33)는 가압 펌프 케이스(31)의 상부의 일부에만 연결되어 있으며, 가압 펌프 케이스(31)의 상부와 도가니(2)의 상측면 사이의 오픈부를 형성한다. 오픈부를 통해 용융 금속이 가압 펌프 케이스(31)의 상부로 흘러 넘칠 수 있다.

가압 임펠러(34)는 도가니(2)의 상측을 관통하고 가압 펌프 케이스(31)의 내부에 위치하는 중공 회전 샤프트(6)의 하부에 장착되어 용융 금속을 회전시키면서 상측으로 가압한다.

중공 회전 샤프트(6)와 도가니(2)의 연결 위치에는 로터리 조인트(7)가 배치되며, 로터리 조인트(7)는 중공 회전 샤프트(6)와 도가니(2)를 결합하고, 도가니(2)를 진공 기밀한다. 중공 회전 샤프트(6)는 구동부(8)에 연결되어 있으며, 구동부(8)는 중공 회전 샤프트(6)의 회전을 제어한다. 중공 회전 샤프트(6)의 회전 제어에 따라 가압 임펠러(34)의 회전이 제어될 수 있다.

중공 회전 샤프트(6)의 내에는 가스 도입공(미도시)이 형성되어 있으며, 중공 회전 샤프트(6)의 상부에는 Ar 가스, N₂ 가스 등의 불활성 가스의 공급을 제어하는 가스 개폐 밸브(9)가 연결되어 있다. 가스 개폐 밸브(9)가 열리면 중공 회전 샤프트(6)의 가스 도입공을 통하여 Ar 가스, N₂ 가스 등의 불활성 가스가 중공 회전 샤프트(6)의 하부로 배출된다. 즉 가압 펌프 케이스(31)의 내부로 불활성 가스를 방출되고, 용융 금속 내에 불활성 가스가 주입된다. 중공 회전 샤프트(6)의 하부는 가압 펌프 케이스(31)의 하부와 유사한 높이에 위치할 수 있다. 가압 펌프 케이스(31)의 내부에 불활성 가스의 에어 버블(14)이 형성되며, 에어 버블(14)에 의하여 용융 금속 내의 개지물이나 산화물 등이 상부로 부상할 수 있다.

가압 임펠러(34)에 의해 용융 금속이 회전함에 따라 용융 금속의 탈가스 처리가 이루어질 수 있다. 가압 임펠러(34)는 프로펠러형, 스크루형, 터빈형 등으로 마련될 수 있다. 가압 임펠러(34)의 구조나 회전 속도 등은 다양하게 변경되거나 제어될 수 있으며, 이에 따라 상측으로 상승하는 용융 금속의 압력을 가변할 수 있다. 또한, 가압 임펠러(34)는 필요에 따라 용융 금속을 하강하도록 제어될 수도 있다.

도가니(2)에는 진공 개폐 밸브(10)가 개재되어 있는 배관이 연결되어 있으며, 배관에는 진공 펌프(미도시)가 연결되어 있다. 진공 개폐 밸브(10)가 열린 상태에서, 진공 펌프는 도가니(2) 내부의 가스(11)를 배기시켜 도가니(2) 내부의 진공 분위기를 조성한다. 도가니(2) 내부가 소정의 진공 분위기로 조성되면, 진공 개폐 밸브(10)가 닫혀서 도가니(2) 내부의 진공 분위기가 유지될 수 있다. 도가니(2)의 내부는 1 기압 이하로 유지될 수 있다.

용융 금속은 가압 임펠러(34)에 의해 가압 펌프 케이스(31) 내에서 상부로 부상하게 된다. 이때, 용융 금속 중 개재물(13)도 함께 가압 펌프 케이스(31) 내에서 상부로 부상하게 된다. 가압 펌프 케이스(31) 내에서 상부로 부상한 용융 금속은 용탕 흐름 플랜지(32)를 넘어서 낙하되며, 이에 따라 용융 금속의 탈가스 효율이 더욱 향상될 수 있다. 용융 금속의 탈가스에 의해 증발된 가스(11)는 진공 펌프에 의해 도가니(2) 외부로 배기된다. 용탕 흐름 플랜지(32)를 넘어서 용융 금속이 낙하된 가압 펌프 케이스(31)의 바깥 부분에는 부상된 개재물층(12)이 만들어질 수 있다. 가압 펌프(30)에 의해 용융 금속의 정련 과정이 이루어진 후 배출구(5)로 용융 금속을 취출하기 전에 부상된 개재물층(12)을 먼저 취출하여 제거할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융 금속 처리 장치를 나타낸다.

도 2는 도 1과 비교하여, 가압 펌프(30)는 가압 펌프 케이스(31) 내부에 배치되는 금속 필터(35)를 더 포함한다.

금속 필터(35)는 가압 펌프 케이스(31) 내부에 배치되며, 가압 펌프 케이스(31)의 상부와 하부 사이에 위치할 수 있다. 즉, 금속 필터(35)는 가압 임펠러(34)의 상측에 위치하고, 금속 필터(35)는 용탕 흐름 플랜지(32)의 하측에 위치한다.

금속 필터(35)는 금속 메시, 세라믹 등 액체 금속과 반응이 없거나 적은 재질로 마련될 수 있다. 금속 필터(35)에는 다수의 여과 기공이 형성되어 있다. 가압 임펠러(34)에 의해 상측으로 가압된 융용 금속은 금속 필터(35)를 통과하게 되며, 금속 필터(35)에 의해 용융 금속에 포함된 미세 개재물 및 산화물이 여과될 수 있다. 금속 필터(35)의 여과 기공의 크기는 개재물이나 산화물의 여과 정도를 고려하여 다양하게 설계될 수 있다.

도 2에서 설명되지 않은 용융 금속 처리 장치의 다른 구성요소는 도 1에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1: 진공 챔버
2: 도가니
3: 용해로
30: 가압 펌프
31: 가압 펌프 케이스
32: 용탕 흐름 플랜지
33: 가압 펌프 고정부
34: 가압 임펠러
35: 금속 필터

Claims (20)

1. 용융 금속을 수용하는 도가니;
   상기 도가니 내에 배치되고, 상부와 하부가 개방되어 있는 가압 펌프 케이스; 및
   상기 가압 펌프 케이스의 상부에 형성되어 있는 용탕 흐름 플랜지를 포함하는 용융 금속 처리 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 용탕 흐름 플랜지가 형성되어 있는 상기 가압 펌프 케이스의 상부는 상기 도가니에 수용되는 상기 용융 금속의 높이보다 높게 위치하는 용융 금속 처리 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 가압 펌프 케이스의 하부는 상기 도가니의 하측면과 일정 간격 이격되어 있는 용융 금속 처리 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 가압 펌프 케이스의 내부로 불활성 가스를 방출하여 상기 용융 금속 내에 상기 불활성 가스를 주입하는 중공 회전 샤프트를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 가압 펌프 케이스 내에 위치하는 상기 중공 회전 샤프트의 하부에 장착되어 상기 용융 금속을 회전시키면서 상측으로 가압하는 가압 임펠러를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 중공 회전 샤프트에 연결되어 상기 중공 회전 샤프트의 회전을 제어함으로써 상기 가압 임펠러의 회전을 제어하는 구동부를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 가압 펌프 케이스 내부에 배치되고, 다수의 여과 기공이 형성되어 있는 금속 필더를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 금속 필터는 상기 가압 임펠러의 상측에 위치하는 용융 금속 처리 장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 가압 펌프 케이스의 상부를 상기 도가니의 상측면에 고정하고, 상기 가압 펌프 케이스의 상부와 상기 도가니의 상측면 사이의 오픈부를 형성하는 가압 펌프 고정부를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 도가니의 주변을 둘러싸고 상기 도가니를 외부에서 가열하는 용해로를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
11. 용융 금속을 수용하는 도가니;
    상기 도가니 내에 배치되고, 상부와 하부가 개방되어 있는 가압 펌프 케이스; 및
    상기 가압 펌프 케이스 내부에 배치되고, 다수의 여과 기공이 형성되어 있는 금속 필터를 포함하는 용융 금속 처리 장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 가압 펌프 케이스의 상부에 형성되어 있는 용탕 흐름 플랜지를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 용탕 흐름 플랜지가 형성되어 있는 상기 가압 펌프 케이스의 상부는 상기 도가니에 수용되는 상기 용융 금속의 높이보다 높게 위치하는 용융 금속 처리 장치.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 가압 펌프 케이스의 하부는 상기 도가니의 하측면과 일정 간격 이격되어 있는 용융 금속 처리 장치.
15. 제11 항에 있어서,
    상기 가압 펌프 케이스의 내부로 불활성 가스를 방출하여 상기 용융 금속 내에 상기 불활성 가스를 주입하는 중공 회전 샤프트를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 가압 펌프 케이스 내에 위치하는 상기 중공 회전 샤프트의 하부에 장착되어 상기 용융 금속을 회전시키면서 상측으로 가압하는 가압 임펠러를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
17. 제16 항에 있어서,
    상기 금속 필터는 상기 가압 임펠러의 상측에 위치하는 용융 금속 처리 장치.
18. 제16 항에 있어서,
    상기 중공 회전 샤프트에 연결되어 상기 중공 회전 샤프트의 회전을 제어함으로써 상기 가압 임펠러의 회전을 제어하는 구동부를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
19. 제11 항에 있어서,
    상기 가압 펌프 케이스의 상부를 상기 도가니의 상측면에 고정하고, 상기 가압 펌프 케이스의 상부와 상기 도가니의 상측면 사이의 오픈부를 형성하는 가압 펌프 고정부를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.
20. 제11 항에 있어서,
    상기 도가니의 주변을 둘러싸고 상기 도가니를 외부에서 가열하는 용해로를 더 포함하는 용융 금속 처리 장치.

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