KR20200070712A - 수분사 금속분말 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
수분사 금속분말 제조 장치는 턴디쉬와 상단 수노즐 및 하단 수노즐을 포함한다. 턴디쉬는 금속 용탕을 저장하고, 오리피스를 통해 금속 용탕을 배출한다. 상단 수노즐은 턴디쉬의 하부에 위치하며, 오리피스를 통과하여 낙하하는 용탕 줄기에 원추형의 상단 수제트를 하방을 향해 분사한다. 하단 수노즐은 상단 수노즐의 하부에 위치하고, 상단 수제트와 충돌한 용탕 줄기에 원추형의 하단 수제트를 하방을 향해 분사한다. 상단 수제트의 압력은 하단 수제트의 압력보다 높고, 하단 수제트의 유량은 상단 수제트의 유량보다 높다.
Description
본 발명은 금속분말 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낙하하는 용탕 줄기에 수제트(water jet)를 충돌시켜 금속분말을 제조하는 수분사 금속분말 제조 장치에 관한 것이다.
최근 복잡한 형상의 부품을 제작하는 금속 3D 프린팅 산업이 발전하면서 원료로 사용되는 철계 및 비철계 금속분말의 사용이 급증하고 있다. 분말 베드 용융(Powder Bed Fusion, PBF) 방식의 경우 45㎛ 이하의 금속분말이 요구되고, 직접 에너지 증착(Direct Energy Deposition, DED) 방식의 경우 60㎛ 내지 150㎛ 크기의 금속분말이 요구된다.
이 가운데 금속분말의 수요는 대부분 PBF 방식이 차지하고 있으나, 45㎛ 이하의 금속분말을 수분사 공정으로 제조하기에는 회수율이 15% 수준으로 낮은 실정이다. 또한, 낮은 수율로 인해 금속분말의 가격은 1킬로그램당 15만원 이상의 고가이므로, 금속 3D 프린팅 공정의 광범위한 상업화에 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 수분사에 의한 분말화 효율을 향상시켜 금속분말의 회수율을 높이고, 분말화에 소요되는 분사수의 양을 줄여 제조 원가를 낮추며, 대량생산이 가능한 수분사 금속분말 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수분사 금속분말 제조 장치는 턴디쉬와 상단 수노즐 및 하단 수노즐을 포함한다. 턴디쉬는 금속 용탕을 저장하고, 오리피스를 통해 금속 용탕을 배출한다. 상단 수노즐은 턴디쉬의 하부에 위치하며, 오리피스를 통과하여 낙하하는 용탕 줄기에 원추형의 상단 수제트를 하방을 향해 분사한다. 하단 수노즐은 상단 수노즐의 하부에 위치하고, 상단 수제트와 충돌한 용탕 줄기에 원추형의 하단 수제트를 하방을 향해 분사한다. 상단 수제트의 압력은 하단 수제트의 압력보다 높고, 하단 수제트의 유량은 상단 수제트의 유량보다 높다.
상단 수제트의 압력은 800bar 내지 1,500bar의 범위에 속할 수 있고, 하단 수제트의 압력은 100bar 내지 200bar의 범위에 속할 수 있다. 상단 수제트와 하단 수제트의 유량비는 1:5 내지 1:20의 범위에 속할 수 있다. 용탕 줄기에 대해 상단 수제트가 이루는 각도는 10° 내지 20°의 범위에 속할 수 있고, 용탕 줄기에 대해 하단 수제트가 이루는 각도는 15° 내지 30°의 범위에 속할 수 있다.
상단 수노즐과 하단 수노즐 각각에 복수의 분사구가 서로간 거리를 두고 적어도 하나의 동심원을 따라 배열될 수 있다. 복수의 분사구는 바깥쪽 동심원을 따라 서로간 제1 간격으로 두고 배열되는 복수의 제1 분사구와, 안쪽 동심원을 따라 제1 간격과 다른 서로간 제2 간격을 두고 배열되는 복수의 제2 분사구로 구분될 수 있다. 제1 간격은 제2 간격보다 작을 수 있고, 복수의 제2 분사구 각각은 복수의 제1 분사구 각각보다 작은 크기로 형성될 수 있다.
다른 한편으로, 상단 수노즐과 하단 수노즐 각각에 적어도 하나의 고리형 분사구가 동심원을 따라 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 용탕 줄기에 초고압의 수제트를 소량 충돌시킨 후 고압의 수제트를 적당량 독립적으로 충돌시키므로, 분말화 효율을 최대로 높일 수 있고, 동일한 입자 크기의 금속분말을 제조하는데 소요되는 분사수의 양을 줄여 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 용탕 액적이 수제트와 함께 역류하는 현상을 억제할 수 있으므로 용탕의 막힘 현상을 방지할 수 있으며, 조업 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수분사 금속분말 제조 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 수분사 금속분말 제조 장치 중 상단 수노즐과 하단 수노즐의 저면도이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시한 상단 수노즐 및 하단 수노즐의 변형예를 나타낸 저면도이다.
도 6은 비교예의 수분사 금속분말 제조 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 수분사 금속분말 제조 장치 중 상단 수노즐과 하단 수노즐의 저면도이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시한 상단 수노즐 및 하단 수노즐의 변형예를 나타낸 저면도이다.
도 6은 비교예의 수분사 금속분말 제조 장치를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수분사 금속분말 제조 장치를 나타낸 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 수분사 금속분말 제조 장치(100)는 용탕 줄기에 대해 수제트를 2단계에 걸쳐 충돌시키는 구성으로 이루어진다. 구체적으로, 수분사 금속분말 제조 장치(100)는 오리피스(11)가 장착된 턴디쉬(10)와, 턴디쉬(10)의 하부에 위치하는 상단 수노즐(20) 및 하단 수노즐(30)을 포함한다.
턴디쉬(10)는 금속 용탕을 저장하며, 오리피스(11)를 통해 금속 용탕을 아래로 배출한다. 상단 수노즐(20)은 오리피스(11)를 통과해 낙하하는 용탕 줄기에 대해 상단 수제트(21)를 하방으로 1단계 분사한다. 하단 수노즐(30)은 상단 수제트(21)와 1차 충돌한 지점의 용탕 줄기에 대해 하단 수제트(31)를 하방으로 2단계 분사한다.
상단 수노즐(20)과 하단 수노즐(30)은 용탕 줄기를 둘러싸는 고리형으로 이루어지며, 수제트(21, 31) 분사를 위한 적어도 하나의 분사구를 형성한다.
도 2는 도 1에 도시한 수분사 금속분말 제조 장치 중 상단 수노즐과 하단 수노즐의 저면도이고, 도 3 내지 도 5는 도 2에 도시한 상단 수노즐 및 하단 수노즐의 변형예를 나타낸 저면도이다. 상단 수노즐과 하단 수노즐은 동일한 분사구 패턴을 가지므로 편의상 하나의 수노즐을 도시하였다.
도 2와 도 3을 참고하면, 상단 및 하단 수노즐(20, 30)에서 복수의 분사구가 동심원을 따라 배열될 수 있다. 도 2에서 복수의 분사구(41)는 하나의 동심원을 따라 배열될 수 있고, 도 3에서 복수의 분사구(42, 43)는 두 개의 동심원을 따라 배열될 수 있다.
도 2에서, 복수의 분사구(41)는 같은 크기의 원형일 수 있고, 하나의 동심원을 따라 등간격으로 배열될 수 있다. 도 3에서, 복수의 제1 분사구(42)는 바깥쪽 동심원을 따라 제1 간격으로 배열될 수 있고, 복수의 제2 분사구(43)는 안쪽 동심원을 따라 제2 간격으로 배열될 수 있다.
복수의 제1 분사구(42)는 같은 크기의 원형일 수 있고, 복수의 제2 분사구(43) 또한 같은 크기의 원형일 수 있다. 제1 간격은 제2 간격보다 작을 수 있으며, 제2 분사구(43)는 제1 분사구(42)보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 즉, 상대적으로 큰 제1 분사구들(42)이 바깥쪽 동심원을 따라 조밀하게 배열될 수 있고, 상대적으로 작은 제2 분사구들(43)이 안쪽 동심원을 따라 덜 조밀하게 배열될 수 있다.
도 4와 도 5를 참고하면, 상단 및 하단 수노즐(20, 30)에는 고리형(슬릿형) 분사구가 위치할 수 있다. 도 4에서, 하나의 고리형 분사구(44)가 상단 및 하단 수노즐(20, 30)과 동심원을 이루며 위치할 수 있다. 도 5에서, 제1 고리형 분사구(45)와 제2 고리형 분사구(46)가 상단 및 하단 수노즐(20, 30)과 동심원을 이루며 위치할 수 있다.
제1 고리형 분사구(45)와 제2 고리형 분사구(46)는 같은 폭으로 형성되거나, 바깥에 위치하는 제1 고리형 분사구(45)가 안쪽에 위치하는 제2 고리형 분사구(46)보다 큰 폭으로 형성될 수 있다. 도 5에서는 첫번째 경우를 예로 들어 도시하였다.
상단 및 하단 수노즐(20, 30)에 위치하는 분사구 패턴은 도 2 내지 도 5에 도시한 예시로 한정되지 않으며, 다양하게 변형 가능하다.
다시 도 1을 참고하면, 상단 수제트(21)는 상단 수노즐(20)로부터 아래로 뾰족한 원추 형태로 분사되며, 낙하하는 용탕 줄기와 1차 충돌한다. 용탕 줄기는 상단 수제트(21)의 충돌에 의해 수 많은 액적 형태로 미분쇄되어 낙하 방향으로 운동한다.
상단 수제트(21)는 용탕 줄기에 대해 제1 각도(a1)를 갖도록 상단 수노즐(20)에서 분사된다. 제1 각도(a1)는 상단 수제트(21)와 1차 충돌하여 금속 용탕을 미세하게 분쇄할 수 있도록 10° 내지 20° 사이의 범위로 설정될 수 있다. 상단 수제트(21)는 800bar 내지 1,500bar의 압력을 가지는 초고압수이며, 적은 유량으로도 초미세분을 쉽게 제조할 수 있다.
하단 수제트(31)는 하단 수노즐(30)로부터 아래로 뾰족한 원추 형태로 분사되고, 상단 수제트(21)에 의해 1차 분쇄된 액적을 추가로 분쇄, 응고, 및 냉각한다. 즉, 상단 수제트(21)에 의해 분쇄된 액적들은 곧바로 하단 수제트(31)와 충돌함으로써 더욱 미세하게 분쇄된다.
하단 수제트(31)는 용탕 줄기에 대해 제2 각도(a2)를 갖도록 하단 수노즐(30)에서 분사된다. 제2 각도(a2)는 상단 수제트(21)와 1차 충돌한 액적이 더욱 미세한 금속분말로 파쇄, 응고, 및 냉각될 수 있도록 15° 내지 30° 사이의 범위로 설정될 수 있다. 하단 수제트(31)는 100bar 내지 200bar의 압력을 가지는 고압수이며, 상단 수제트(21)보다 많은 유량으로 배출된다.
이와 같이, 본 실시예의 수분사 금속분말 제조 장치(100)는 상단 수제트(21)에 의해 용탕 줄기를 액적 형태로 미분쇄시킨 직후 하단 수제트(31)에 의해 미분쇄 액적을 더욱 초미세 분쇄하며, 2단계 분쇄 작용에 의해 분말화 효율을 향상시킬 수 있다.
특히 상단 수제트(21) 충돌에 의한 하강 기류는 하단 수제트(31)의 충돌부에서 발생하는 분사수 역류를 억제하는 효과가 있다. 상단 수노즐(20)은 상단 수제트(21)의 제1 각도(a1)와 유량을 적절하게 설정하여 상단 수제트(21)에 의한 1차 충돌 시 분사수 역류를 억제할 수 있으며, 상단 수제트(21) 충돌에 의한 하강 기류는 이어지는 2차 충돌 시 발생할 수 있는 분사수 역류를 억제한다.
상단 수제트(21)와 하단 수제트(31)의 유량 비율은 1:5 내지 1:20 사이에 속할 수 있으며, 이 조건을 만족할 때 2차 충돌부에서 분사수와 미세 액적의 역류를 방지할 수 있다. 상단 및 하단 수노즐(20, 30)에서 배출하는 분사수의 총량이 동일하다고 가정할 때, 상단 수제트(21)의 유량을 작게 하여 금속 용탕을 1차로 미분쇄하면 분사 유량이 작으므로 액적의 급격한 냉각을 방지할 수 있다.
상단 수제트(21)와 1차 충돌한 용탕 줄기는 유량이 상대적으로 큰 하단 수제트(31)와 충돌하여 매우 미세한 금속분말이 되며, 이때 발생하는 분사수의 역류는 상단 수제트(21)의 충돌 기류에 의해 효과적으로 해소될 수 있다. 이러한 이유로 본 실시예의 수분사 금속분말 제조 장치(100)는 분사수와 액적의 역류를 방지하면서 대량 생산 조업의 안정성을 확보할 수 있다.
상단 수제트(21)는 800bar 이상의 초고압수이므로 미세한 금속분말을 용이하게 제조할 수 있다. 그러나 초고압 분사는 과다한 설비 비용이 요구되므로, 사용 유량을 최소화함으로써 금속분말 제조에 대한 적정한 제조 원가를 기대할 수 있다.
본 실시예의 경우 800bar 이상의 초고압수 사용량을 전체 분사수 사용량의 5% 내지 20% 수준으로 감소시킴으로써 제조 비용을 낮출 수 있다. 100bar 내지 200bar의 고압수는 설비 비용이 비교적 저렴하므로, 이러한 고압수를 90% 이상 사용하고도 20㎛ 수준의 금속분말을 경제적으로 제조할 수 있다.
도 6은 비교예의 수분사 금속분말 제조 장치를 나타낸 구성도이다.
도 6을 참고하면, 비교예의 수분사 금속분말 제조 장치는 턴디쉬(10)와, 턴디쉬(10)의 하부에 위치하는 수노즐(50)을 포함한다. 비교예에서 수제트(51)는 낙하하는 용탕 줄기와 한 점에서 충돌하며, 분사수가 원추형의 협소한 꼭지점에 집중되므로 방출된 분사수를 담아낼 여유 공간이 부족하다.
따라서 용탕 줄기와 수제트(51)가 서로 충돌하는 영역에서 심한 와류가 발생할 수 있고, 와류에 의해 낙하하는 용탕 줄기가 심하게 흔들려 파열될 수 있으며, 이는 최종 금속분말 입도의 불균일로 이어진다. 특히 이러한 와류가 하방으로 빠져나가지 못하고 위로 솟구치는 역류가 발생할 수 있다.
역류 현상이 오리피스(11) 영역까지 확장되면 오리피스(11) 부근의 용탕 줄기가 파열되어 오리피스(11)에 응고될 수 있고, 오리피스(11)에서 성장할 수 있다. 결과적으로 고리형 수노즐(50)의 중심 관통부가 용탕 응고에 의해 막혀 금속분말 제조가 불가능한 상태가 될 수도 있다.
고리형 수노즐(50)에서 용탕 줄기와 수제트(51) 사이의 각도를 크게 하면 수제트(51)의 충격력을 크게 전달할 수 있기 때문에 금속분말 미세화에 유리하지만, 전술한 역류 현상 때문에 용탕 줄기와 수제트(51) 사이의 충돌 각도를 10° 이내로 제한하는 것이 일반적이다. 이와 같이 비교예의 구성은 금속분말 미세화 효율이 낮으며, 대량생산에 불리하다.
<실험예>
STS316 스테인리스강 분말을 제조하기 위하여 STS316 봉재를 유도 용해로에서 100kg씩 용해하였다. 이러한 용탕을 1,750℃에서 턴디쉬로 출탕하였고, 오리피스를 통해 턴디쉬의 용탕을 배출하였으며, 턴디쉬 하부에 설치된 수노즐을 작동시켜 금속분말을 제조하였다. 오리피스의 내경은 5mm이다.
하기 표 1에 비교예와 실시예 1, 2의 실험 결과를 나타내었다. 비교예에서 용탕 줄기에 대한 수제트의 경사각은 10°이고, 분사 압력은 150bar이다. 실시예 1, 2에서 용탕 줄기에 대한 상단 수제트의 경사각은 15°이고, 하단 수제트의 경사각은 25°이다. 실시예 1에서 상단 수제트와 하단 수제트의 유량비는 1:10이고, 실시예 2에서 상단 수제트와 하단 수제트의 유량비는 1:16이다.
| 평균입경 d50 (㎛) |
기하편차 | 분말 회수율 (<20㎛)(%) |
분사수 소모량 (리터/분) |
|
| 비교예 | 70 | 2.20 | 8 | 600 |
| 실시예 1 | 17 | 1.91 | 84 | 25(상단) 250(하단) |
| 실시예 2 | 15 | 1.89 | 88 | 25(상단) 400(하단) |
실시예 1, 2의 경우 20㎛ 이하의 금속분말 회수율이 80%를 초과하여 회수율이 상승된 것을 확인할 수 있고, 분사수 소모량이 비교예 대비 절반 가량 절감된 것을 확인할 수 있다. 최종적으로 표 1의 실험 결과에 근거할 때, 실시예 1, 2의 경우 금속분말의 제조원가 절감이 가능하다.
또한, 실시예 1, 2의 경우 수제트의 충돌 각도가 커짐에도 불구하고 용탕과 분사수 충돌 시 용탕이 턴디쉬 방향으로 역류하는 현상이 발생하지 않으므로 용탕의 분말화 과정에서 턴디쉬의 막힘이 발생하지 않으며, 조업 안정성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 수분사 금속분말 제조 장치
10: 턴디쉬 11: 오리피스
20: 상단 수노즐 21: 상단 수제트
30: 하단 수노즐 41: 하단 수제트
50: 수노즐
10: 턴디쉬 11: 오리피스
20: 상단 수노즐 21: 상단 수제트
30: 하단 수노즐 41: 하단 수제트
50: 수노즐
Claims (8)
- 금속 용탕을 저장하고, 오리피스를 통해 금속 용탕을 배출하는 턴디쉬;
상기 턴디쉬의 하부에 위치하며, 상기 오리피스를 통과하여 낙하하는 용탕 줄기에 원추형의 상단 수제트를 하방을 향해 분사하는 상단 수노즐; 및
상기 상단 수노즐의 하부에 위치하고, 상기 상단 수제트와 충돌한 용탕 줄기에 원추형의 하단 수제트를 하방을 향해 분사하는 하단 수노즐을 포함하며,
상기 상단 수제트의 압력은 상기 하단 수제트의 압력보다 높고,
상기 하단 수제트의 유량은 상기 상단 수제트의 유량보다 높은 수분사 금속분말 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 상단 수제트의 압력은 800bar 내지 1,500bar의 범위에 속하고,
상기 하단 수제트의 압력은 100bar 내지 200bar의 범위에 속하는 수분사 금속분말 제조 장치. - 제2항에 있어서,
상기 상단 수제트와 상기 하단 수제트의 유량비는 1:5 내지 1:20의 범위에 속하는 수분사 금속분말 제조 장치. - 제3항에 있어서,
상기 용탕 줄기에 대해 상기 상단 수제트가 이루는 각도는 10° 내지 20°의 범위에 속하고,
상기 용탕 줄기에 대해 상기 하단 수제트가 이루는 각도는 15° 내지 30°의 범위에 속하는 수분사 금속분말 제조 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상단 수노즐과 상기 하단 수노즐 각각에 복수의 분사구가 서로간 거리를 두고 적어도 하나의 동심원을 따라 배열되는 수분사 금속분말 제조 장치. - 제5항에 있어서,
상기 복수의 분사구는 바깥쪽 동심원을 따라 서로간 제1 간격으로 두고 배열되는 복수의 제1 분사구와, 안쪽 동심원을 따라 제1 간격과 다른 서로간 제2 간격을 두고 배열되는 복수의 제2 분사구로 구분되는 수분사 금속분말 제조 장치. - 제6항에 있어서,
상기 제1 간격은 상기 제2 간격보다 작고,
상기 복수의 제2 분사구 각각은 상기 복수의 제1 분사구 각각보다 작은 크기로 형성되는 수분사 금속분말 제조 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상단 수노즐과 상기 하단 수노즐 각각에 적어도 하나의 고리형 분사구가 동심원을 따라 위치하는 수분사 금속분말 제조 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180158168A KR20200070712A (ko) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 수분사 금속분말 제조 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180158168A KR20200070712A (ko) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 수분사 금속분말 제조 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200070712A true KR20200070712A (ko) | 2020-06-18 |
Family
ID=71143251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180158168A KR20200070712A (ko) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 수분사 금속분말 제조 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200070712A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220034671A (ko) * | 2020-09-11 | 2022-03-18 | 미츠비시 파워 가부시키가이샤 | 금속 분말 제조 장치 및 그 가스 분사기 |
| KR20230107439A (ko) | 2022-01-07 | 2023-07-17 | 이언식 | 비산화성 워터제트 적용 금속분말 제조장치 및 그 방법 |
| KR20230116124A (ko) | 2022-01-27 | 2023-08-04 | 이언식 | 유체분사 금속분말 제조장치 |
-
2018
- 2018-12-10 KR KR1020180158168A patent/KR20200070712A/ko not_active IP Right Cessation
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