KR20230108535A - Metal powder manufacturing apparatus and metal powder manufacturing method using same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기상응축법에 의한 금속분말 제조시 금속증기가 냉각관 벽면에서 고착화되는 문제를 해결하는 것으로 목적으로 한다. 본 발명의 일 실시예 의하면 금속증기를 이송하기 위한 캐리어가스를 금속원료를 용융 및 기화시키는 챔버의 외벽을 냉각시키는 냉각가스로 활용하는 방법이 제공된다.본 발명에 의하면 캐리어가스의 일부가 냉각가스로서 챔버의 벽면을 냉각시킴에 따라 금속원료가 용융된 금속용탕의 온고가 감소하게 되며, 이로 인해 상기 용탕에서의 금속증기압이 감소하여 용탕에서의 급격한 금속 증발을 억제할 수 있다. 또한 챔버 외벽을 냉각시키는 동안 캐리어가스의 온도는 상승하게 되어 일정한 수준으로 가열된 캐리어가스가 챔버 내부로 투입되게 된다. 따라서 냉각가스로 활용되는 일부의 캐리어가스 비율을 조절함에 따라 챔버내로 투입되는 캐리어가스의 온도를 적절하게 제어할 수 있다. An object of the present invention is to solve the problem that metal vapor is fixed on the wall surface of a cooling pipe during the manufacture of metal powder by vapor condensation. According to an embodiment of the present invention, a method of using a carrier gas for transporting metal vapor as a cooling gas for cooling an outer wall of a chamber for melting and vaporizing a metal raw material is provided. According to the present invention, a part of the carrier gas is a cooling gas. As the wall surface of the chamber is cooled, the temperature of the molten metal in which the metal raw material is melted is reduced, and as a result, the metal vapor pressure in the molten metal is reduced, so that rapid evaporation of metal from the molten metal can be suppressed. In addition, while the outer wall of the chamber is cooled, the temperature of the carrier gas rises, so that the carrier gas heated to a certain level is injected into the chamber. Therefore, the temperature of the carrier gas introduced into the chamber can be appropriately controlled by adjusting the ratio of a part of the carrier gas used as the cooling gas.

Description

금속분말 제조장치 및 이를 이용한 금속분말 제조방법{Metal powder manufacturing apparatus and metal powder manufacturing method using same} Metal powder manufacturing apparatus and metal powder manufacturing method using the same {Metal powder manufacturing apparatus and metal powder manufacturing method using same}

본 발명은 금속분말 제조장치 및 이를 이용한 금속분말 제조방법에 대한 것으로, 상세하게는 금속원료의 기화 및 응축을 통해 금속분말을 제조하는 장치 및 이를 이용한 금속분말의 제조방법에 대한 것이다. The present invention relates to a metal powder manufacturing apparatus and a metal powder manufacturing method using the same, and more particularly, to a metal powder manufacturing apparatus through vaporization and condensation of a metal raw material and a metal powder manufacturing method using the same.

금속분말을 제조하는 방법은 습식법과 건식법으로 구분된다. 습식법은 액상 중에서의 화학반응을 이용하는 방법으로 침전법, 졸-겔법, 수열합성법 등이 있다. 건식법은 기상의 원료를 이용하는 방법으로 화학기상합성, 기상응축법 등이 있다. 건식법은 순도가 높고 결정성이 우수한 장점이 있다. 그러나 고온공정이므로 생성된 금속분말들이 서로 충돌한 후 충돌부분에서 국부적으로 소결되어 금속분말들이 서로 붙어 있는 형태의 연결입자가 형성되는 문제점이 있다. 이러한 연결입자는 후속되는 분급공정에 선택적으로 제거되어야 하므로 이러한 분급으로 인하여 분말제조시 낮은 수율을 유발하는 문제가 있다. The method for producing metal powder is divided into a wet method and a dry method. The wet method is a method using a chemical reaction in a liquid phase, and includes a precipitation method, a sol-gel method, and a hydrothermal synthesis method. The dry method is a method using gaseous raw materials, and includes chemical vapor synthesis and gaseous condensation methods. The dry method has the advantage of high purity and excellent crystallinity. However, since it is a high-temperature process, there is a problem in that the generated metal powders collide with each other and are locally sintered at the collision portion to form connected particles in which the metal powders are attached to each other. Since these connected particles must be selectively removed in a subsequent classification process, there is a problem of causing a low yield when producing powder due to such classification.

건식법 중 하나인 기상응축법은 금속원료를 높은 온도로 가열하여 기화시킨 후 이를 냉각부에서 냉각 및 응축시켜 금속분말을 제조하는 방법이다. 기상응축법에 의한 금속분말 형성장치는 플라즈마로 금속원료를 용융 및 기화시킨 후, 기화된 금속증기를 캐리어가스를 이용하여 냉각관으로 이송하여 상기 냉각관에서 냉각하여 금속증기를 금속분말로 응고시키다. 기상응축법에 의해 형성된 금속분말의 입도가 균일하지 않을 경우, 이는 플라즈마의 불균일한 에너지 공급, 캐리어가스로 인한 유동, 용탕 끓음, 금속원료의 비표면적 변화 등에 기인한다. 또한 기상화된 금속증기가 이송되는 과정 중에 냉각관 벽면에서 고상화되어 고착화되는 현상이 발생될 수 있다. 이러한 냉각관 벽면에서의 고착화는 금속분말의 손실을 초래하며, 유체 유동에도 악영향을 끼치며 불순물 입자의 원이이 되기도 한다. 따라서 이를 억제하는 것이 필요하다. The gas phase condensation method, which is one of the dry methods, is a method of producing metal powder by heating and vaporizing a metal raw material at a high temperature and then cooling and condensing it in a cooling unit. The metal powder forming apparatus by the gas phase condensation method melts and vaporizes the metal raw material with plasma, transfers the vaporized metal vapor to a cooling pipe using a carrier gas, and cools it in the cooling pipe to solidify the metal vapor into metal powder. . If the particle size of the metal powder formed by the vapor condensation method is not uniform, this is due to non-uniform energy supply of plasma, flow due to carrier gas, boiling of molten metal, change in the specific surface area of the metal raw material, and the like. In addition, a phenomenon in which the vaporized metal vapor is solidified and fixed on the wall surface of the cooling pipe may occur during the transfer process. The fixation on the wall surface of the cooling pipe causes a loss of metal powder, adversely affects the flow of the fluid, and becomes a source of impurity particles. Therefore, it is necessary to suppress it.

본 발명은 기상응축법에 의한 금속분말 제조시 금속증기가 냉각관 벽면에서 고착화되는 문제를 해결하는 것으로 목적으로 한다. An object of the present invention is to solve the problem that metal vapor is fixed on the wall surface of a cooling pipe during the manufacture of metal powder by vapor condensation.

본 발명의 일 실시예 의하면 금속증기를 이송하기 위한 캐리어가스를 금속원료를 용융 및 기화시키는 챔버의 외벽을 냉각시키는 냉각가스로 활용하는 방법이 제공된다. According to an embodiment of the present invention, a method of using a carrier gas for transporting metal vapor as a cooling gas for cooling an outer wall of a chamber for melting and vaporizing a metal raw material is provided.

본 발명에 의하면 캐리어가스의 일부가 냉각가스로서 챔버의 벽면을 냉각시킴에 따라 금속원료가 용융된 금속용탕의 온고가 감소하게 되며, 이로 인해 상기 용탕에서의 금속증기압이 감소하여 용탕에서의 급격한 금속 증발을 억제할 수 있다. 또한 챔버 외벽을 냉각시키는 동안 캐리어가스의 온도는 상승하게 되어 일정한 수준으로 가열된 캐리어가스가 챔버 내부로 투입되게 된다. 따라서 냉각가스로 활용되는 일부의 캐리어가스 비율을 조절함에 따라 챔버내로 투입되는 캐리어가스의 온도를 적절하게 제어할 수 있다. According to the present invention, as a part of the carrier gas cools the wall of the chamber as a cooling gas, the temperature of the molten metal in which the metal raw material is melted is reduced, and as a result, the metal vapor pressure in the molten metal is reduced and the rapid metal in the molten metal is reduced. evaporation can be inhibited. In addition, while the outer wall of the chamber is cooled, the temperature of the carrier gas rises, so that the carrier gas heated to a certain level is injected into the chamber. Therefore, the temperature of the carrier gas introduced into the chamber can be appropriately controlled by adjusting the ratio of a part of the carrier gas used as the cooling gas.

도 1에는 본 발명의 기술사상을 따르는 기상응축법에 의한 금속분말 제조장치가 도시되어 있다. 1 shows an apparatus for manufacturing metal powder by a gas phase condensation method according to the technical idea of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals throughout this specification mean like elements. Further, various elements and areas in the drawings are schematically drawn. Therefore, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명의 기술사상을 따르는 기상응축법에 의한 금속분말 제조장치(100)가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 금속분말 제조장치(100)은 금속원료(110)를 내부에 수용하는 챔버(112)와, 상기 챔버(112) 내에서 플라즈마를 이용하여 상기 금속원료(110)를 기화시켜 금속증기를 생성하는 플라즈마 토치(116)를 포함한다. 또한 캐리어 가스에 의해 각각 이송되는 금속증기가 수용되고, ??칭가스(122)에 의해 상기 금속증기가 냉각되어 금속분말(126)이 형성되는 냉각부(120)를 포함한다. 1 shows a metal powder manufacturing apparatus 100 according to the vapor phase condensation method according to the technical idea of the present invention. Referring to FIG. 1, a metal powder manufacturing apparatus 100 includes a chamber 112 accommodating a metal raw material 110 therein, and vaporizing the metal raw material 110 using plasma in the chamber 112. It includes a plasma torch 116 that generates metal vapor. It also includes a cooling unit 120 in which metal vapor transported by a carrier gas is accommodated and the metal vapor is cooled by a quenching gas 122 to form metal powder 126 .

금속원료(110)은 고체상태로 챔버(112) 내에 장입된다. 챔버(112) 내에서 플라즈마에 의해 고온으로 가열되어 용융된 후 금속증기로 기화된다. 금속원료(110)은 분말(powder)이나 펠렛(pellet) 형태로 투입될 수 있다. 금속원료(110)로는 니켈(nickel), 구리(copper), 은(silver), 철(iron), 알루미늄(Aluminum), 코발트(cobalt), 백금(platinum), 금(gold), 주석(tin) 및 이를 포함하는 합금(alloy) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 기화된 금속증기는 챔버(112) 내부로 공급되는 캐리어 가스(118)에 의해 냉각관(120)으로 이송된다. 캐리어 가스(118)은 불활성 가스 혹은 질소 가스를 포함한다. 예를 들어 불활성 가스로 Ar이 사용될 수 있다. The metal raw material 110 is loaded into the chamber 112 in a solid state. In the chamber 112, it is heated to a high temperature by plasma, melted, and then vaporized into metal vapor. The metal raw material 110 may be introduced in the form of powder or pellets. The metal raw material 110 includes nickel, copper, silver, iron, aluminum, cobalt, platinum, gold, tin And it may include any one of an alloy (alloy) including the same. The vaporized metal vapor is transported to the cooling pipe 120 by the carrier gas 118 supplied into the chamber 112 . The carrier gas 118 includes an inert gas or nitrogen gas. For example, Ar may be used as an inert gas.

플라즈마 토치(116)는 금속원료(110) 사이에 열 플라즈마를 발생시켜 금속원료(110)을 가열하여 기화시킨다. 플라즈마 토치(116)는 아크 방전을 발생시키고 불활성 가스를 고속으로 통과시켜 고온의 열 플라즈마를 형성한다. 이러한 열 플라즈마의 열에너지가 금속원료(110)가 투입됨에 따라 금속원료(110)의 용융 및 기화가 일어나게 된다. The plasma torch 116 generates thermal plasma between the metal raw materials 110 to heat and vaporize the metal raw materials 110 . The plasma torch 116 generates an arc discharge and passes an inert gas at high speed to form a high-temperature thermal plasma. As the thermal energy of the thermal plasma is input to the metal raw material 110, melting and vaporization of the metal raw material 110 occurs.

캐리어 가스에 의해 이송된 금속증기는 냉각부(120)로 투입된 후 외주면에 형성된 ??칭가스 투입구를 통해 투입되는 ??칭가스(122)에 냉각되어 분말 형태로 고상화된다.The metal vapor transported by the carrier gas is introduced into the cooling unit 120 and then cooled by the quenching gas 122 introduced through the quenching gas inlet formed on the outer circumferential surface to be solidified into a powder form.

본 발명에 의할 경우, 캐리어가스는 캐리어가스 투입구(130)을 통해 챔버(112)로 투입된다. 캐리어가스는 제 1 캐리어가스(210) 및 제 2 캐리어가스(220)를 포함한다. 제 1 캐리어가스(210)은 증발된 금속증기를 이송하기 위하여 캐리어가스 투입구(130)로 바로 투입된다. 이에 비해 제 2 캐리어가스(220)은 챔버(112) 벽면을 냉각시키기 위한 냉각가스로서의 기능도 동시에 수행하게 된다. 도 1를 참조하면, 제 2 캐리어가스(220)은 챔버(112)의 외벽을 유동한 후 캐리어가스 투입구(130)에 형성된 별도의 투입구(132)를 통해 챔버로 투입된다. 이 과정에서 제 1 캐리어가스(210) 및 제 2 캐리어가스(220)은 서로 합쳐져서 챔버 내부로 투입되게 된다. 이러한 본 발명의 캐리어가스의 유동 구조를 비교하기 위하여 도 2에는 종래의 금속분말 제조장치가 도시되어 있다. According to the present invention, the carrier gas is introduced into the chamber 112 through the carrier gas inlet 130. The carrier gas includes a first carrier gas 210 and a second carrier gas 220 . The first carrier gas 210 is directly injected into the carrier gas inlet 130 to transport the evaporated metal vapor. In contrast, the second carrier gas 220 simultaneously functions as a cooling gas for cooling the wall surface of the chamber 112 . Referring to FIG. 1 , the second carrier gas 220 flows through the outer wall of the chamber 112 and then is introduced into the chamber through a separate inlet 132 formed in the carrier gas inlet 130 . In this process, the first carrier gas 210 and the second carrier gas 220 are combined with each other and introduced into the chamber. In order to compare the flow structure of the carrier gas of the present invention, FIG. 2 shows a conventional metal powder manufacturing apparatus.

제 2 캐리어가스는 챔버 벽면을 유동하면서 챔버 내 금속용탕(110)을 냉각하게 되며 따라서 챔버 내 금속용탕의 온도는 감소하게 된다. 도 3에는 기존의 장치에서의 용탕온도분포(도 3의 좌측) 및 본 발명을 따르는 장치에서의 용탕온도분포(도 3의 우측)가 나타나 있다. 도 3의 경우 내부로 갈수록 온도가 높아짐을 알 수 있다. 도 3을 참조하면, 금속용탕의 내벽쪽 온도가 본 발명의 경우에 상대적으로 낮게 유지됨을 알 수 있다. The second carrier gas cools the molten metal 110 in the chamber while flowing on the wall of the chamber, and thus the temperature of the molten metal in the chamber decreases. 3 shows the molten metal temperature distribution in the existing device (left side of FIG. 3) and the molten metal temperature distribution in the device according to the present invention (right side of FIG. 3). In the case of FIG. 3 , it can be seen that the temperature increases toward the inside. Referring to FIG. 3 , it can be seen that the temperature of the inner wall of the molten metal is maintained relatively low in the present invention.

이러한 용탕온도 감소로 인해서 금속용탕에서의 급격한 금속 증발을 억제할 수 있다. 이는 증발되는 금속증기압의 감소를 의미하며 이는 급격한 증발로 인해 금속증기압이 급작스럽게 높아짐에 따라 추후 냉각관에서의 고상화를 유발하는 문제를 해결할 수 있다. Rapid evaporation of metal from the molten metal can be suppressed due to the decrease in the temperature of the molten metal. This means a decrease in the vapor pressure of the evaporated metal, which can solve the problem of causing solidification in the cooling pipe later as the metal vapor pressure suddenly increases due to rapid evaporation.

한편, 제 1 캐리어가스 및 제 2 캐리어가스의 분율을 조절함으로써 챔버 내에 투입되는 캐리어가스의 온도를 조절할 수 있다. 챔버 외벽을 냉각시키는 동안 제 2 캐리어가스의 온도는 상승하게 된다. 전체 캐리어가스 내에서 제 2 캐리어가스의 분율이 높아질수록 챔버로 투입되는 전체 캐리어가스의 온도는 상승하게 된다. 따라서 전체 캐리어가스 내에서 제 1 및 제 2 캐리어가스의 유량비를 조절함으로써 전체 캐리어가스의 온도를 제어할 수 있게 된다. Meanwhile, the temperature of the carrier gas introduced into the chamber may be adjusted by adjusting the fractions of the first carrier gas and the second carrier gas. While cooling the outer wall of the chamber, the temperature of the second carrier gas rises. As the fraction of the second carrier gas in the total carrier gas increases, the temperature of the total carrier gas injected into the chamber increases. Therefore, it is possible to control the temperature of the entire carrier gas by adjusting the flow rate ratio of the first and second carrier gases in the entire carrier gas.

100 : 금속분말 형성장치100: metal powder forming device

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금속분말 제조장치를 이용한 금속분말 제조 방법. Metal powder manufacturing method using a metal powder manufacturing device.
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