KR101449018B1

KR101449018B1 - Ultrasonic generator for control of solidification structure

Info

Publication number: KR101449018B1
Application number: KR1020070139353A
Authority: KR
Inventors: 최상우; 김구화; 배진수; 김정환
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: KR20090071139A; JP2011507704A; CN101909782A; JP5055435B2; WO2009084817A2; CN101909782B; WO2009084817A3

Abstract

본 발명의 일 측면은 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치에 관한 것으로, 특히 초음파 트랜스듀서에서 발생된 강력 초음파가 용융금속 내부로 전달되는 과정에서 초음파 입사 계면의 반사에 의하여 소실되는 현상을 방지하기 위한 장치에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to an ultrasonic generator for controlling a solidification structure, and more particularly, to an ultrasonic generator for controlling the solidification structure, in which a strong ultrasonic wave generated from an ultrasonic transducer is prevented from being lost due to reflection of an ultrasonic incident interface .

본 발명의 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치는, 초음파를 발생시켜 주형의 내부로 인가하는 초음파 트랜스듀서; 및 상기 주형의 표면에서 반사된 초음파의 강도를 증가시켜 상기 주형의 내부로 반사시키는 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.An ultrasonic generator for controlling the solidification structure of the present invention comprises: an ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves and applying the generated ultrasonic waves to the inside of the mold; And a reflection plate for increasing the intensity of ultrasonic waves reflected from the surface of the mold and reflecting the intensity of the ultrasonic waves to the inside of the mold.

응고조직, 초음파 트랜스듀서, 반사판, 포물선 Solidification structure, ultrasonic transducer, reflector, parabola

Description

[0001] Ultrasonic wave generating device for controlling solidification structure [0002]

주조공정은 산업에 활용되는 구조물을 만들기 위한 모재인 1차 소재를 생산하거나 모재를 용융시켜 원하는 형상으로 응고시키는 공정이다. 용융된 금속 즉, 용탕이 냉각되면 고체는 원하는 치수의 형상으로 응고되고, 온도가 낮은 바깥 표면부터 급속히 굳어진다. 상대적으로 열전달이 느린 주물의 내부는 바깥 표면이 응고되어 있더라도 액상으로 유지되고, 느린 열전달에 의해 서서히 응고된다. 빠른 냉각속도를 가진 주물의 표면에서는 다량의 결정립이 생성되어 미세한 조직구조가 형성되지만, 주물의 내부는 소수의 결정립이 천천히 성장하여 조대한 조직구조가 형성된다.The casting process is the process of producing the primary material, which is the base material to make the structure used in the industry, or solidifying the base material into the desired shape by melting the base material. When the molten metal, that is, the molten metal, is cooled, the solid coagulates to the desired dimension and rapidly hardens from the lower temperature outer surface. The inside of the casting, which is relatively slow in heat transfer, remains in a liquid state even if the outer surface is solidified, and gradually coagulates due to the slow heat transfer. On the surface of the casting having a rapid cooling rate, a large amount of crystal grains are generated to form a fine structure, but a small number of crystal grains grow slowly inside the casting to form a coarse structure.

조대한 조직구조를 갖는 소재는 강도가 낮고 필요한 물성을 얻기 위하여 추 가적인 가공에서 많은 에너지가 소요된다. 예를 들어, 연속주조공정으로부터 생산된 주편으로부터 자동차용 고급 강판을 생산하는 경우에 조대한 결정구조를 가지는 주편은 재압하 비율을 높여 압연과정에서 조직을 미세화할 필요가 있고, 이와 같은 추가적인 공정에서 재가열 또는 높은 압하율에 따른 많은 에너지가 소요된다. 이를 대체하는 신기술로 응고 중에 강력 초음파를 인가하여 용융금속의 결정립을 미세화 시킬 수 있다. 이를 위하여 가능한 높은 에너지의 강력 초음파를 주조공정에서 응고 중인 용융금속 내부로 전달시켜야 하나 발생시킬 수 있는 강력 초음파의 에너지량에도 제한이 있으므로 발생된 강력 초음파의 전달 효율을 증가시키는 것도 중요한 응고조직의 결정립 미세화에 중요한 요소기술이 된다.Materials with coarse textural structures are low in strength and require a lot of energy in additional processing to obtain the required properties. For example, in the case of producing a high-grade automotive steel sheet from a cast steel produced from a continuous casting process, it is necessary to increase the re-rolling ratio of the cast steel having a coarse crystal structure to make the structure finer in the rolling process. It takes a lot of energy due to reheating or high rolling reduction. As a new technology to replace this, strong ultrasonic waves can be applied during solidification to refine the crystal grains of the molten metal. For this purpose, it is necessary to transmit intensified ultrasonic waves of high energy as high as possible to the molten metal in solidification in the casting process. However, there is a limitation in the amount of intense ultrasound energy that can be generated. It becomes an important element technology for miniaturization.

기존의 초음파 진동자는 초음파 용접기와 초음파 세척기에서 활용되어 초음파 전달이 직접적으로 이루어지고 있다. 반면에, 금속의 응고조직 제어에서는 초음파 전달대상이 수백 ℃ 이상의 고온이므로 초음파의 직접적인 전달이 곤란하여 냉각유체 내부에서 초음파를 발생시켜 응고 중인 주조금속 내부로 입사시켜야 한다. 냉각유체 내부에 초음파 진동자를 넣고 초음파를 발생시켜 응고 중에 주조금속으로 초음파를 입사시키는 경우에 냉각유체와 주조금형 사이의 큰 음향 임피던스 차이에 의하여 많은 비율의 초음파가 반사되어 냉각유체 내부에서 산란되거나 소실되는 비효율적인 현상이 발생한다.Conventional ultrasonic vibrators are used in ultrasonic welding machines and ultrasonic washing machines, and ultrasonic waves are directly transmitted. On the other hand, in the control of the solidification structure of metal, it is difficult to directly transmit the ultrasonic wave because the object to be ultrasonically transmitted is a high temperature of several hundreds of degrees Celsius or more, so that ultrasonic waves are generated in the cooling fluid to enter into the solidifying metal. When an ultrasonic vibrator is inserted into a cooling fluid and an ultrasonic wave is injected into the casting metal during the solidification, a large amount of ultrasonic waves are reflected due to a large difference in acoustic impedance between the cooling fluid and the casting mold, The ineffective phenomenon occurs.

본 발명의 일 측면은 주조금속의 응고조직을 제어하기 위하여 냉각유체와 주형 사이의 경계면에서 반사된 초음파를 다시 반사시켜 용융금속 내부로 전달되는 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.One aspect of the present invention aims to increase the efficiency of transferring ultrasonic waves reflected at the interface between the cooling fluid and the mold to the inside of the molten metal to control the solidification structure of the cast metal.

본 발명의 다른 측면은, 냉각유체가 초음파 트랜스듀서의 성능이 떨어지지 않도록 충분히 냉각시키는 것을 목적으로 한다.Another aspect of the present invention aims at sufficiently cooling the cooling fluid so that the performance of the ultrasonic transducer is not degraded.

본 발명의 또 다른 측면은, 초음파 트랜스듀서에서 발생된 초음파가 주조금속 내부로 입사되지 못하고 계면에서 반사된 초음파를 포물선 형상의 반사판에서 계면에 수직인 방향으로 반사시키는 것을 목적으로 한다.Another aspect of the present invention is to reflect ultrasound generated from an ultrasonic transducer into the casting metal and reflect the ultrasonic waves reflected from the interface in a direction perpendicular to the interface in a parabolic reflection plate.

본 발명의 또 다른 목적은, 초음파가 반사된 계면 상의 지점으로부터 포물선형상 반사판 내의 반사지점을 거쳐 다시 계면으로 입사되는 지점까지의 경로가 한 파장 또는 파장 길이의 정수 배가 되게 하는 것을 목적으로 한다.It is a further object of the present invention to make the path from the point on the interface where the ultrasonic wave is reflected to the point on the interface through the reflection point in the parabolic reflector to be an integral multiple of one wavelength or wavelength.

본 발명의 일 측면은, 초음파를 발생시켜 주형의 내부로 인가하는 초음파 트랜스듀서; 및 상기 주형의 표면에서 반사된 초음파의 강도를 증가시켜 상기 주형의 내부로 반사시키는 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves and applying the ultrasonic waves to the inside of a mold; And a reflection plate for increasing the intensity of the ultrasonic waves reflected from the surface of the mold and reflecting the intensity of the ultrasonic waves reflected inside the mold to the inside of the mold.

본 발명의 다른 측면은, 상기 초음파 트랜스듀서를 감싸고 있으면서 유동되어 상기 초음파 트랜스듀서를 기 설정된 온도 이하로 유지시키는 냉각유체를 더 포 함하는 것을 특징으로 하는 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic generator for controlling a solidification structure, characterized by further comprising a cooling fluid surrounding the ultrasonic transducer and flowing while maintaining the ultrasonic transducer at a predetermined temperature or less do.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 초음파 트랜스듀서는, 발생된 초음파를 증폭시키는 트랜스듀서 혼을 포함하되, 상기 트랜스듀서 혼의 선단으로부터 상기 반사판까지의 거리와, 상기 반사판으로부터 상기 주형까지의 거리의 합은 반파장의 정수배인 것을 특징으로 하는 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the ultrasonic transducer includes a transducer horn for amplifying the generated ultrasonic wave, wherein a distance from a tip of the transducer horn to the reflector, and a distance from the reflector to the mold, Is an integral multiple of a half-wave length.

본 발명의 다른 측면은, 상기 반사판은 포물선인 것을 특징으로 하는 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치를 제공한다.Another aspect of the present invention provides an ultrasonic generator for controlling a solidification structure, wherein the reflection plate is a parabola.

본 발명의 일 측면에 따르면, 강력 초음파를 이용하여 응고조직을 제어하므로, 발생된 초음파가 산란되어 소실되는 것을 억제한다.According to an aspect of the present invention, since the solidification structure is controlled by using the strong ultrasonic wave, the generated ultrasonic waves are prevented from scattering and disappearing.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 강력 초음파를 이용하여 초음파의 전달 능력을 향상시킴으로써 응고조직을 효과적으로 미세화할 수 있기 때문에 경제적인 이익이 크다.According to another aspect of the present invention, since the solidification structure can be effectively miniaturized by enhancing the ultrasonic transmission capability by using the strong ultrasonic wave, the economic benefit is great.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shape and the size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity and the same elements are denoted by the same reference numerals in the drawings.

도 1은 본 발명의 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 주형(200) 내부에는 응고 중인 용융금속(100)이 채워져 있고, 그 반대면 즉 주형(200)의 외부에는 초음파를 발생시켜 주형(200)의 내부로 인가하는 초음파 트랜스듀서(400)가 위치한다. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic generator for controlling the solidification structure of the present invention. Referring to FIG. 1, a molten metal 100 is filled in a mold 200, and an ultrasonic transducer, which generates ultrasonic waves on the opposite side of the mold 200 and applies the molten metal 100 to the inside of the mold 200, (400).

초음파 트랜스듀서(400)의 구조를 살펴보면, 초음파 진동자(410)와 트랜스듀서 혼(420)으로 구성되어 있다. 초음파 진동자(410)는 초음파를 일정한 파장 간격으로 발생시키고, 트랜스듀서 혼(420)은 초음파 진동자(410) 하부에 부착되어 초음파 진동자(410)에서 발생한 초음파를 증폭시킨다.The structure of the ultrasonic transducer 400 includes an ultrasonic transducer 410 and a transducer horn 420. The ultrasonic transducer 410 generates ultrasonic waves at a predetermined wavelength interval and the transducer horn 420 is attached to the lower portion of the ultrasonic transducer 410 to amplify the ultrasonic waves generated in the ultrasonic transducer 410.

초음파는 공기를 통하여 전달되기 어렵기 때문에 액체를 매개체로 하여 주형(200) 표면으로 높은 출력의 초음파를 전달시킨다. 그리고, 내부의 용융금속 (100)으로부터 높은 열이 전달되고 있으므로 초음파 트랜스듀서(400)를 고열로부터 보호하고 성능을 유지할 수 있도록 이 액체는 냉각 기능을 수행한다.Since the ultrasonic wave is difficult to be transmitted through the air, a high-power ultrasonic wave is transmitted to the surface of the mold 200 using the liquid as a medium. Since the high heat is transferred from the molten metal 100, the liquid performs the cooling function so as to protect the ultrasonic transducer 400 from the high temperature and maintain its performance.

일반적으로, 압전재료는 최고 300℃ 이내에서만 그 특성이 유지되므로 압전성질이 파괴되지 않기 위하여 냉각시켜야 한다. 그리고, 초음파 트랜스듀서(400)의 온도가 상승하게 되면 전기적 임피던스가 변할 뿐만 아니라, 출력이 감소하게 되므로 항상 최적의 출력을 유지하기 위해서는 일정한 온도 이하로 유지시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 주형(200) 외부의 초음파 트랜스듀서를 감싸고 있으면서 유동되는 냉각유체(600)가 그 기능을 충분히 수행하고, 일정한 온도 이하로 유지되기 위하여 저온으로 냉각된 냉각유체(600)가 하우징(300)의 입수구(310)로 유입되어 초음파 트랜스듀서(400)를 냉각시키고 하우징(300)의 출수구(320)로 배출되어야 한 다.In general, the piezoelectric material retains its characteristics only within a maximum temperature of 300 ° C, so the piezoelectric material should be cooled so as not to be destroyed. When the temperature of the ultrasonic transducer 400 rises, not only the electrical impedance is changed but also the output is reduced. Therefore, it is necessary to keep the temperature below a certain temperature in order to always maintain the optimum output. For this, a cooling fluid 600 which surrounds the ultrasonic transducer outside the mold 200 sufficiently performs its function and a cooling fluid 600 cooled to a low temperature is supplied to the housing 300 The ultrasound transducer 400 is cooled and discharged to the outlet port 320 of the housing 300. [

강력한 초음파 음장 내에서는 공동화 현상이 발생하게 되어 기포가 동반하게 된다. 초음파의 전달경로 상에 존재하는 기포는 초음파의 전파를 방해하여 주형(200) 내부로의 초음파 전달율을 감소시키게 된다. 공동화 현상에 따른 기포 생성의 부작용을 억제하기 위해 냉각유체(600)의 유동으로 제거시켜야 한다. 일반적으로, 강력 초음파의 음장 내에서 기포 및 부유물질들은 초음파의 정상파 현상에 의한 노드 지점에 모이게 되고, 초음파의 전파방향에 대한 구속력이 형성된다. 따라서, 초음파 진행방향의 측면으로 구속력이 약하므로 입수구(310)로 유입된 냉각유체(600)를 초음파 전파의 측면 방향으로 유동시켜 초음파 트랜스듀서(400) 주변의 기포를 출수구(320)를 통하여 배출하도록 한다.In a strong ultrasonic sound field, cavitation occurs and air bubbles are accompanied. The bubbles existing on the path of the ultrasonic wave interfere with the propagation of the ultrasonic waves and reduce the ultrasonic wave transmission rate into the mold 200. It should be removed by the flow of the cooling fluid 600 in order to suppress the side effect of bubble generation due to the cavitation phenomenon. In general, bubbles and suspended matter in a sound field of a strong ultrasonic wave are gathered at a node point due to a standing wave phenomenon of an ultrasonic wave, and a restraining force for the propagation direction of the ultrasonic wave is formed. Therefore, the cooling fluid 600 flowing into the inlet 310 flows in the lateral direction of the ultrasonic wave propagating in the direction of the ultrasonic wave propagation direction, so that the air bubbles around the ultrasonic transducer 400 are discharged through the outlet 320 .

도 2는 도 1의 초음파 트랜스듀서의 주위부분의 확대도이다. 도 2를 참조하면, 트랜스듀서 혼(420) 주위에 포물선형 반사판(500)이 위치하고, 이 반사판(500)은 주형(200)의 표면에서 반사된 초음파의 강도를 증가시켜 주형(200)의 내부로 반사시킨다. 반사판(500)은 트랜스듀서 혼(420)의 선단(420a)과 주형(200)으로 향하고 있다. 트랜스듀서 혼(420)의 선단(420a)으로부터 반사판(500)까지의 거리와, 반사판(500)으로부터 주형(200)까지의 거리의 합은 반파장의 정수배이다.Fig. 2 is an enlarged view of a peripheral portion of the ultrasonic transducer of Fig. 1; 2, a parabolic reflection plate 500 is disposed around the transducer horn 420. The reflection plate 500 increases the intensity of the ultrasonic waves reflected from the surface of the mold 200, . The reflection plate 500 is directed to the tip 420a of the transducer horn 420 and the mold 200. [ The sum of the distance from the tip 420a of the transducer horn 420 to the reflector 500 and the distance from the reflector 500 to the mold 200 is an integral multiple of the half wavelength.

초음파 트랜스듀서(400)에서 발생된 초음파는 트랜스듀서 혼(420)의 선단(420a)에서 방출되어 냉각유체(600)를 통과하여 주형(200) 표면으로 전파된다. 냉각유체(600)와 주형(200)의 음향 임피던스 차이에 의하여 일부 초음파는 주형(200) 내부로 전달되지 못하고, 다시 냉각유체(600)로 반사되어 발생된 일부의 초음파는 냉각유체(600) 속에서 산란되어 소멸된다. Ultrasonic waves generated in the ultrasonic transducer 400 are emitted from the tip 420a of the transducer horn 420 and pass through the cooling fluid 600 to be propagated to the surface of the mold 200. [ A part of the ultrasonic waves generated due to the reflection of the cooling fluid 600 can not be transmitted to the inside of the mold 200 due to the difference in acoustic impedance between the cooling fluid 600 and the mold 200. Therefore, And it disappears.

그러나, 본 발명에서는 트랜스듀서 혼(420) 주위에 설치된 포물선형 반사판(500)이 주형(200) 표면에서 반사되는 초음파를 다시 반사하게 하여 주형(200) 내부로 전달되는 초음파의 강도를 향상시키게 한다. 주형(200) 내부로 재반사되는 효율을 증대시키기 위하여 반사판(500)은 트랜스듀서 혼(420)의 선단(420a)에서 반사된 초음파가 반사판(500) 내면에 반사될 때 그 반사각이 주형(200) 표면에 수직이 되는 포물선의 구조이다. 그리고, 초음파 트랜스듀서(400)의 선단(420a)에서 반사판(500)에 반사되어 주형의 계면까지 전파하는 경로의 길이는 파장 길이의 정수 배가 되어 초음파의 간섭에 의한 보강 현상이 일어나게 되어 초음파의 출력이 상승하게 된다.However, in the present invention, the parabolic reflector 500 installed around the transducer horn 420 reflects ultrasonic waves reflected from the surface of the mold 200 again, thereby improving the intensity of the ultrasonic waves transmitted into the mold 200 . The reflection plate 500 reflects the ultrasonic waves reflected from the tip 420a of the transducer horn 420 to the inner surface of the reflection plate 500 in order to increase the efficiency of being reflected to the inside of the mold 200, ) Is a parabolic structure perpendicular to the surface. The length of the path propagating from the tip 420a of the ultrasonic transducer 400 to the interface of the template is an integer multiple of the wavelength length so that the ultrasonic wave is reinforced by the interference of the ultrasonic waves, .

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims, .

도 1은 본 발명의 응고조직의 제어를 위한 초음파 발생장치의 구성도이다. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic generator for controlling the solidification structure of the present invention.

도 2는 도 1의 초음파 트랜스듀서의 주위부분의 확대도이다. Fig. 2 is an enlarged view of a peripheral portion of the ultrasonic transducer of Fig. 1;

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> Description of the Related Art

100 : 용융 금속 200 : 주형100: molten metal 200: mold

300 : 하우징 310 : 입수구300: housing 310: inlet

320 : 출수구 400 : 초음파 트랜스듀서320: Outlet 400: Ultrasonic transducer

410 : 초음파 진동자 420 : 트랜스듀서 혼410: ultrasonic vibrator 420: transducer horn

500 : 반사판 600 : 냉각유체500: reflector 600: cooling fluid

700 : 반사된 초음파 700: Reflected Ultrasound

Claims

An ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves and applying the generated ultrasonic waves to the inside of the mold; And

A reflector for increasing the intensity of the ultrasonic waves reflected from the surface of the mold and reflecting the intensity of the ultrasonic waves to the inside of the mold;

And an ultrasonic generator for generating ultrasonic waves.

The method according to claim 1,

Further comprising a cooling fluid surrounding the ultrasonic transducer and flowing to maintain the ultrasonic transducer at a predetermined temperature or lower.

The method according to claim 1,

The ultrasonic transducer includes:

Wherein the sum of the distance from the tip of the transducer horn to the reflector and the distance from the reflector to the template is an integer multiple of a half wavelength, For generating ultrasonic waves.

The method according to claim 1,

Wherein the reflection plate is a parabolic line.