KR100304351B1 - 수평연속주조에 의한 동합금 제조 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Al-Bronze(Cu-Al-Fe), Si동, Be동, Cupro-Nickel(Cu-Ni)등의 특수 동합금을 제조하는 기술에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 용해, 용탕의 이송과 합금화 및 주조과정을 밀폐시킨 후 용해로에서 Ar과 N₂가스를 주입하여 용탕의 주조기 이송과정에서 환원성 분위기를 이용하는 용탕의 탈산 및 불순물을 제거하고 산소를 극미량으로 제어하는 무산화 제조공정을 포함하는 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치와 그 제조방법을 제공하므로서, 합금중에 첨가된 활성금속이 대기중 산소와 산화반응을 일으키지 않고 첨가원소에 따라 원하는 특성을 발휘될수 있도록 하여 고부가가치로서 각종 전자기기 및 구동부품의 다양화 및 고기능에 사용되는 용접봉재를 대량으로 양산할수 있는 특수 동합금을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 수평연속주조 방식에 의해 near net shape 봉재의 연속 주조가 가능하도록 하므로서 열간 압출 및 후공정을 생략하여 공정에너지(약 30)를 절감할수 있는 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치와 그 제조방법을 제공함에 있다.

Description

수평연속주조에 의한 동합금 제조 장치 및 그 제조방법{METHOD AND DEVICE OF PRODUCTION WITH COPPER ALLOY A BE DUE TO HORIZONTAL CONTINUOUS CASTING}

본 발명은 Al-Bronze(Cu-Al-Fe), Si동, Be동, Cupro-Nickel(Cu-Ni) 등의 특수 동합금을 제조하는 기술에 관한 것이다.

특히, 특수 동합금을 용해 및 주조공정의 수평연속주조로 제조함에 있어 무산화 제조공정을 제공하므로서, 합금중에 첨가하는 활성금속(Al, Fe, Si, Ni 등)이 대기중 산소와 산화반응을 일으키지 않고 첨가원소에 따라 원하는 특성을 발휘될수 있도록 하는 수평연속주조에 따른 동합금 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 각종 전자기기 및 구동부품의 다양화 및 고기능에 따라 용접봉으로 사용되는 Al-Bronze, Si동, Be동, Cupro-Nickel등의 동합금에는 Al, Fe, Si, Ni 등의 원소가 함유되어 있다.

그리고, Al-Bronze는 내식성이 필요한 모재의 육성 용접용으로 사용되고, Si동은 도전성이며 고강도재의 용접용에 사용되며, Cupro-Nickel은 내식성이 우수하기 때문에 해양 구조물의 용접용으로 많이 사용된다.

여기서, 상기 Al-Bronze, Si동, Cupro-Nickel등의 동합금에 함유되어 있는 Al, Fe, Si, Ni 등의 원소는 대기중 산소와 그 반응성이 크기 때문에, 무산화를 위해 종래에는 진공유도용해로를 이용한 batch type의 주조방법을 이용한다.

그러나, 상기 진공유도용해로를 이용한 batch type의 주조방법은 생산성이 뒤지고 후공정이 복잡한 문제점이 있다.

또한, Al, Fe, Si, Ni와 같은 활성금속이 함유된 Al-Bronze, Si동, Cupro-Nickel등의 용접봉재를 제조하기 위해서는 동합금 제조방식인 P첨가 탈산방식을 적용하고 있으나, 이는 잔류하는 P₂O₅에 의해 그 용접성이 크게 저하되는 문제점이 초래된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 용해, 용탕의 이송과 합금화 및 주조과정을 밀폐시킨 후 용해로에서 Ar과 N₂가스를 주입하여 용탕의 주조기 이송과정에서 환원성 분위기를 이용하는 용탕의 탈산(CO, CO₂, H₂, N₂) 및 불순물을 제거하고 산소를 극미량(예: 10ppm이하)으로 제어하는 무산화 제조공정을 포함하는 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치와 그 제조방법을 제공하므로서, 합금중에 첨가된 활성금속(Al, Fe, Si, Ni 등)이 대기중 산소와 산화반응을 일으키지 않고 첨가원소에 따라 원하는 특성을 발휘될수 있도록 하여 고부가가치로서 각종 전자기기 및 구동부품의 다양화 및 고기능에 사용되는 용접봉재를 대량으로 양산할수 있는 특수 동합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수평연속주조 방식에 의해 near net shape 봉재의 연속 주조가 가능하도록 하므로서 열간 압출 및 후공정을 생략하여 공정에너지(약 30)를 절감시키고자 하는 것이다.

도 1은 본 고안의 일실시예로서 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치의 구조를 보인 단면도.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 일실시예로서 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치의 구조를 보인 단면도 이다.

도 1에 도시된 바와같이, 용해로(1)에 저류된 용탕(M)을 히터부(2)로 가열한 후 수평방향으로 통과시켜 수평의 연속주조가 이루어지도록 하는 수평연속주조 장치에 있어서,

석영재질의 뚜껑(10a)을 포함하되, 상기 용해로(1)를 완전하게 밀폐시키도록 용해로(1)의 상단부에 위치하는 단열부재(3)를 관통시킨 장입로(10)와;

용탕(M)의 탈산(CO, CO₂, H₂, N₂) 및 불순물을 제거하여 산소를 극미량(예: 10ppm이하)으로 제어할수 있도록 상기 용해로(1)의 내,외부 및 냉각수단(30)의 내부로 일정가스(예: Ar과 N₂)를 주입시키는 제 1 내지 제 4 가스주입부(20a)(20b) (20c)(20d)와;

내부의 냉각수가 고온부와 접촉하고 있는 내부통로를 따라 양측면에서 유입되고 순환되어 외부로 유출되도록 밀폐시키되 수평으로 공급되는 용탕(M)을 냉각 및 응고시키는 냉각수단(30)과;

냉각수단(30)과 용해로(1)가 직접 접촉하여 용해로(1)의 열이 냉각수단(30)으로 전달되지 않도록 단열재로서 상기 냉각수단(30)과 용해로(1) 사이에 결합되는 절연링(insulation ring)(40)과;

상기 냉각수단(30)에 의해 그 온도가 저하된 용탕(M)과 용탕(M)의 응고물(shell)이 유입되면서 내부 응고를 시작하여 shell의 두께를 증가시켜 주편을 제공하는 흑연몰드(graphite mould)(50)와;

상기 흑연몰드(50)에 의해 제공되는 주편을 통해 연주제품을 취출하도록 핀치롤(pinch roll)(60a)이 장착된 취출수단(60); 을 더 포함하여 구성하였다.

여기서, 상기 절연링(40)은 단열효과가 우수한 것으로 알려진 hot pressed Boron Nitride를 사용하였다.

그리고, 냉각수는 외부의 냉각타워에 의해 냉각되면서 재사용이 가능하도록 설계한 후 각 라인에 sight glass를 설치 연결하여 비상시에는 경고음이 발생되도록 하므로서 냉각수 공급의 이상유무를 육안으로 확인할수 있게 하였으며,

상기 냉각수단(30)에 공급되는 냉각수는 냉각수의 양에 따른 냉각 기능의 변화를 확인할수 있도록 유량계를 설치하였다.

이하, 미설명된 도면부호 1a는 용탕(M)을 냉각수단(30)으로 이송시키기 위한 용탕배출구이고, 70은 단열재로서 용해, 용탕의 이송과 합금화 및 주조과정을 밀폐시키도록 하는 세라믹 보드 이다.

도면부호 80은 용해로(1)를 받치기 위한 받침대이고, 도면부호 90은 용해로(1)의 상단에 위치하는 배기구이다.

도면부호 100a는 흑연 페이퍼(graphite paper) 이다.

한편, 상기 설명된 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치에 의해 구현되는 동합금 제조방법의 진행단계는,

밀폐된 용해로에 Ar과 N₂가스를 주입하여 용탕(M)의 탈산(CO, CO₂, H₂, N₂) 및 불순물을 제거하면서 산소를 극미량(예: 10ppm이하)으로 제어하는 용탕정제단계와;

상기 단계에 의해 산소가 극미량으로 제어되면서 정제된 용탕(M)에 활성금속(Al, Fe, Si, Ni 등)을 첨가하는 단계와;

상기 단계에 의해 활성금속이 첨가된 용탕(M)을 일정 사이클(cycle)로 그 취출속도를 조절하면서 Al-Bronze(Cu-Al-Fe), Si동, Be동, Cupro-Nickel(Cu-Ni)등의 특수 동합금을 주조하는 취출단계; 로 진행되며,

상기 취출단계에 의한 취출속도는 전진/정지의 2단계 반복 사이클 또는 전진/정지/후진의 3단계 반복사이클로 조절되도록 하였다.

다른 실시예로서, 상기 취출/주조단계에 의한 취출속도는 전진/후진/정지의 3단계 반복사이클을 사용하였다.

이와같이 구성된 본 발명 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치와 그 제조방법의 일실시예를 첨부된 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 받침대(80)에 의해 받쳐져 있는 용해로(1)를 단열부재(2)와 세라믹 보드(70) 및 흑연몰드(50)로 완전하게 밀폐시킨다.

이후, 용해로(1)의 상단부에 위치하는 단열부재(3)를 관통한 장입로(10)의 뚜껑(10a)을 열어 히터부(2)에 의해 가열되는 용해로(1)의 용탕(M)으로 특수 동합금을 주조하기 위한 원소들을 장입한다.

그리고, 상기 용해로(1)의 내,외부 및 냉각수단(30)의 내부에 제 1 내지 제 4 가스주입부(20a)(20b)(20c)(20d)를 통해 Ar과 N₂가스를 주입시키면, 상기 주입된 Ar과 N₂가스에 의해 용탕(M)의 탈산(CO, CO₂, H₂, N₂) 및 불순물이 제거되면서 산소가 극미량(예: 10ppm이하)으로 제어된다.

이후, 산소가 극미량으로 제어되면서 정제된 용탕(M)에 활성금속(Al, Fe, Si, Ni 등)을 첨가한 후 용탕배출구(1a) 및 흑연몰드(50)와 흑연 페이퍼(100a)를 통해 정제된 용탕(M)을 냉각수단(30)으로 이송시킨다.

여기서, 상기 냉각수단(30)과 용해로(1) 사이에는 단열효과가 우수한 것으로 알려진 hot pressed Boron Nitride를 사용한 절연링(40)이 결합되어 있는 바, 상기 냉각수단(30)과 용해로(1)가 직접 접촉하여 용해로(1)의 열이 냉각수단(30)으로 전달되지 않도록 하였다.

또한, 상기 냉각수단(30)은 내부의 냉각수가 고온부와 접촉하고 있는 내부통로를 따라 양측면에서 유입되고 순환되어 외부로 유출되도록 밀폐되는 바, 상기 정제되면서 이송되는 용탕(M)을 냉각 및 응고시키게 된다.

이때, 상기 냉각수단(30)에 의해 그 온도가 저하된 용탕(M)과 용탕(M)의 응고물(shell)은 고밀도의 흑연을 사용하는 흑연몰드(50)로 유입되는 바, 상기 흑연몰드(50)는 유입된 용탕(M)과 용탕(M)의 응고물인 쉘의 내부 응고를 시작하면서 상기 쉘의 두께를 증가시킨 주편을 주조하게 된다.

그리고, 상기 흑연몰드(50)에 의해 주조되는 주편은 핀치롤러(60a)가 장착된 취출수단(60)을 통해 연주제품을 취출하게 되므로서, 고부가가치로서 각종 전자기기 및 구동부품의 다양화 및 고기능에 사용되는 용접봉재를 대량으로 양산할수 있게 되는 것이다.

즉, 정제된 용탕(M)은 상기 취출수단(60)에 의해 일정 사이클(cycle)로 그 취출속도가 조절되면서 용접봉재를 대량으로 생산할수 있는 Al-Bronze(Cu-Al-Fe), Si동, Be동, Cupro-Nickel(Cu-Ni)등의 특수 동합금을 주조할수 있게 되는 것이다.

상기 취출공정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 취출수단(60)에 의한 취출속도는 전진/정지의 2단계 반복사이클 또는 후진/전진/정지의 3단계 반복사이클로 조절하거나 다른 실시예로서 전진/후진/정지의 3단계 반복사이클로 조절되는 바,

[1]. 전진/정지의 2단계 반복사이클.

냉각수단(30)에 의해 응고한 소재를 소정의 거리만큼 취출한 후 정지사이클을 일정시간 유지하고 그 정지시간 중 유입되었던 용탕(M)은 흑연몰드(50)에서 쉘을 형성한다.

그리고, 상기 형성된 쉘은 정지단계에서 충분하게 두꺼워지면서 일정강도를 유지하게 되므로 상기 전진사이클에서 파괴되지 않고 응고한 선재를 따라 취출되도록 하는 것이다.

[2]. 후진/전진/정지의 3단계 반복사이클.

전진사이클 이전에 약간의 후진사이클을 도입하므로서 정지사이클에서 형성된 쉘이 흑연몰드(50) 표면과 융착되어 있어 취출하지 못하고 파괴될때 발생할수 있는 표면결함이나 연주소재의 파단등을 억제한다.

[3]. 전진/후진/정지의 3단계 반복사이클.

전진사이클 후 약간의 후진단계를 주므로서 합금용탕의 응고에 따른 수축력을 보완하고 응고한 소재와 유입된 용탕(M)의 welding을 용이하게 하기 위함이다.

이하, 실험에 의한 Be동 및 Si동과 Cupro-Nickel(Cu-Ni)의 연속주조에 대하여 설명하면 다음과 같다.

[1]. Be동의 연속주조에 따른 특성분석의 실험결과.

Be동의 조성은 97.9Cu-11.9Be-0.2Ni(Co)로서 냉각수단(30)을 이용하여 φ7∼10mm, 2-strand 선재를 수평연속주조하는 용탕정제 및 취출공정으로 진행시킨다.

즉, Cu-4wte, Cu-10wto나 Ni, 전기동을 절단하여 용해로(1)에 장입한 후 탈산을 위한 카본(carbon)분말을 도포한 후, 상기 용탕(M)의 불순물를 제거하고 그 탈산을 위해 Ar가스를 주입한다.

여기서, 상기 용탕(M)의 탈산을 위한 카본분말의 첨가량은 합금이 완전 용해되었을 경우 용탕(M)의 표면에 약 3cm의 두께로 쌓이는 분량으로 조절한다.

이때, Be동은 고상선 864℃, 액상선 955℃로서 고액공존영역(mushy zone)이 크기 때문에 선재 취출 사이클을 전진/정지/후진의 3단계 반복사이클을 이용한다.

즉, 전진사이클의 시간을 조절하여 초기 취출속도는 느리게 한 후 점차 속도를 증가시키면서 원하는 취출속도를 조절하게 되는 것이다.

그러므로, 정제가 완료되어 가스의 주입이 끝난 용탕(M)은 약 5분간 유지하였다가 용탕(M)의 온도가 액상선보다 약 200℃ 높은 온도인 1250℃에서 주조함이 바람직하다.

그 결과, 간헐취출에 따른 surface mark가 선명하게 되며, 초기의 취출상태에 비해 약 30kg 이상을 연속 주조한 후에는 몰드 내면의 손상으로 인해 주조재의 표면이 다소 거칠어지는 것이 확인되었다.

즉, 상기와 같은 몰드의 손상은 Be동 속의 Be와 몰드인 흑연과의 반응에 기인하는 것으로, 이는 수평연속주조에서 몰드의 교환주기를 보다 짧게 하면 해결되었다.

그리고, 그 성분 결과는 표1에서와 같이,

[표1]

	Be	Ni	Co	Fe	Mg	Si
No-1	1.50	0.015	0.18	0.027	0.110	0.43
No-2	1.35	0.13	0.20	0.036
Yosida	1.27	0.081	0.17	0.050

No-1과 No-2는 본 발명의 Be동 연속 주조품이고 Yosida는 일본제품의 Be동 일반 주조품에 대한 결과치로서, 본 발명에서는 첨가된 Be나 Co등이 동일용도의 일본제품에 비해 그 함량의 변화가 적게 나타났다.

[2]. Si동 및 Cupro-Nickel의 연속주조에 따른 특성분석 실험결과.

Si동의 조성은 Cu-3.0Si로서 용접용 봉재로 사용되는 합금 bar이다.

그 제조방법은 Si이 Be와 같이 산화하기 쉬운 원소이기 때문에 Be동의 제조조건과 동일하며, Cu-Si의 모합금이 존재하지 않기 때문에 순 Si를 사용하였다.

그러므로, 정제가 완료되어 가스의 주입이 끝난 용탕(M)은 약 5분간 유지하였다가 용탕(M)의 온도가 액상선보다 약 250℃ 높은 온도인 1300℃에서 주조함이 바람직하다.

그리고, 그 성분 분석결과는 표2 내지 표4에서와 같이,

[표2]. 1차 연속주조한 Si동 성분 분석결과

	Cu	Si	Fe
No-1	95.8	1.83	0.30
No-2	95.7	1.80	0.30
No-3	95.8	1.81	0.40

[표3]. 2차 연속주조한 Si동 성분 분석결과.

	Cu	NiSi	Fe	Mn	Zn	Sn
No-1	95.5	1.79	0.23	0.86	0.62	0.32
No-2	96.4	2.02	0.24	0.81	0.57	0.31

[표4]. 연속주조한 Cupro-Nickel의 성분 분석결과.

	Cu	Ni	Fe	Mn	Ti
No-1	87.9	10.1	1.17	0.62	0.008
No-2	987.5	10.1	1.26	0.70	0.005

용탕(M)의 정제 및 탈산을 위해 용탕(M)의 표면에 도포한 graphite flake에서 Fe가 혼입되었으나, 이는 graphite flake로 부터의 Fe혼입은 원치 않는 결과를 초래하거나 특성의 제어에 악영향을 미치기 때문에 수입되는 graphite flake를 사용하지 않고 폐기되고 있는 heating element재를 분쇄하여 도포하므로서 Fe의 혼입을 방지할수 있었다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 용해, 용탕의 이송과 합금화 및 주조과정을 밀폐시킨 후 용해로에서 Ar과 N₂가스를 주입하여 용탕의 주조기 이송과정에서 환원성 분위기를 이용하는 용탕의 탈산 및 불순물을 제거하고 산소를 극미량으로 제어하는 무산화 제조공정을 포함하는 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치와 그 제조방법을 제공하므로서, 합금중에 첨가된 활성금속이 대기중 산소와 산화반응을 일으키지 않고 첨가원소에 따라 원하는 특성을 발휘될수 있도록 하여 고부가가치로서 각종 전자기기 및 구동부품의 다양화 및 고기능에 사용되는 용접봉재를 대량으로 양산할수 있는 특수 동합금을 제공하는 한편, 수평연속주조 방식에 의해 near net shape 봉재의 연속 주조가 가능하도록 하므로서 열간 압출 및 후공정을 생략하여 공정에너지의 절감 효과를 제공한다.

Claims (3)

1. 용해로에 저류된 용탕을 히터부로 가열한 후 수평방향으로 통과시켜 수평의 연속주조가 이루어지도록 하는 수평연속주조 장치에 있어서,

   석영재질의 뚜껑을 포함하되 상기 용해로를 완전하게 밀폐시키도록 용해로의 상단부에 위치하는 단열부재를 관통시킨 장입로와;

   용탕의 탈산 및 불순물을 제거하여 산소를 극미량으로 제어할수 있도록 상기 용해로의 내,외부 및 냉각수단의 내부로 일정가스를 주입시키는 제 1 내지 제 4 가스주입부와;

   내부의 냉각수가 고온부와 접촉하고 있는 내부통로를 따라 양측면에서 유입되고 순환되어 외부로 유출되도록 밀폐시키되 수평으로 공급되는 용탕을 냉각 및 응고시키는 냉각수단과;

   냉각수단과 용해로가 직접 접촉하여 용해로의 열이 냉각수단으로 전달되지 않도록 단열재로서 상기 냉각수단과 용해로 사이에 결합되는 절연링과;

   상기 냉각수단에 의해 그 온도가 저하된 용탕과 용탕의 응고쉘이 유입되면서 내부 응고를 시작하여 쉘의 두께를 증가시켜 주편을 제공하는 몰드와;

   상기 몰드에 의해 제공되는 주편을 통해 연주제품을 취출하도록 핀치롤이 장착된 취출수단; 을 더 포함하여 구성함을 특징으로 하는 수평연속주조에 의한 동합금 제조장치.
2. 밀폐된 용해로에 Ar과 N₂가스를 주입하여 용탕의 탈산 및 불순물을 제거하면서 산소를 극미량으로 제어하는 용탕정제단계와;

   상기 단계에 의해 산소가 극미량으로 제어되면서 정제된 용탕에 활성금속을 첨가하는 단계와;

   상기 단계에 의해 활성금속이 첨가된 용탕을 일정사이클로 그 취출속도를 조절하면서 동합금을 주조하는 취출단계; 로 진행함을 특징으로 하는 수평연속주조에 의한 동합금 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 취출단계에 의한 용탕의 취출속도는 전진→정지, 전진→정지→후진, 전진→후진→정지의 반복사이클을 적용하되,

   그 취출속도는 상기 적용되는 반복사이클 중 어느 하나를 선택한 후 이를 순차적으로 진행시켜 조절함을 특징으로 하는 수평연속주조에 의한 동합금 제조방법.