KR100308917B1

KR100308917B1 - 저압주조로 내에서 연속적으로 가스를 제거하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100308917B1
Application number: KR1019990005272A
Authority: KR
Inventors: 이진형; 문병철
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1999-02-13
Filing date: 1999-02-13
Publication date: 2001-09-26
Also published as: KR20000056187A

Abstract

본 발명은 저압주조공정 중 주조로 내의 용탕에 포함되어 있는 가스를 연속적으로 탈기하여 용탕내의 가스함량을 낮게 유지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 저압주조공정은 금속을 용해한 후 용탕 내의 가스함량을 줄이기 위해서 레이들 내에서 탈가스 과정을 거치고 저압주조공정을 거치지만 시간이 오래 걸리고 용탕이 주조 조업중에 압축공기에 노출되므로 용탕내부로 가스가 유입되고 가스를 함유한 용탕이 주형에 주입되어 용탕의 응고 시 주물 내부에서 기공을 형성하여 주물의 구조적인 결함과 불량률을 높이는 요인이 되고 있다.

본 발명은 가스압력제어장치를 이용하여 가스이송관 및 가스주입관 다공질 부분을 통해 불활성가스를 용탕내로 유입시켜 가스방울을 형성하고 이 가스방울이 용탕과의 밀도차에 의해서 상승하여 용탕수면 위로 방출하는 과정에서 용탕내에 용해된 가스를 흡수해 용탕의 탈가스가 일어나게 될 뿐만 아니라 가스방울의 움직임에 의해 발생한 유동에 의해 용탕내부가 균일한 온도와 조성을 유지하게 한다.

본 발명은 장시간의 저압주조공정에서도 용탕내 가스함량의 증가를 방지하여 주물 내부에 구조적인 결함이 없는 우수한 주물을 생산하는데 목적이 있다.

Description

저압주조로 내에서 연속적으로 가스를 제거하는 방법 및 장치{Method of Degassing in Low Pressure Diecaster and the Apparatus thereof}

저압주조공정은 금속을 용해한 후 용탕 내의 가스함량을 줄이기 위해서 레이들 내에서 탈가스 과정을 거치고 저압주조로에 주입한다. 이때 저압주조공정은 상당한 시간에 걸쳐서 일어나고 용탕이 그 동안 매 주조 사이클 동안 압축공기에 노출되기 때문에 이 시간동안 용탕내부로의 가스유입은 피할 수 없다. 이렇게 용탕 안에 용해된 가스는 용탕이 주형에 주입되어 주물을 형성하는 동안 주물 내부에서 기공을 형성하여 주물 외부의 미관상 문제 뿐 만 아니라 주물 내부에 구조적인 결함을 형성하여 주물의 불량률을 높이는 요인이 되고 있다.

본 발명과 관련된 종래 기술로는 '저압 주조 방법 및 장치' 한국특허번호 507993호, '저압 주조에 있어서의 가압 제어 방법 및 가압 제어 장치' 한국특허번호 531325호 등은 저압주조에 있어서 용탕의 주입장치를 개선하여 주입과정에서 생길 수 있는 결함을 막고 몰드의 개량에 의하여 주물의 품질을 향상시키는 데 목적을 주고 장치를 개선하였다. 그러나 저압주조 공정에서 용탕을 탈가스한 후 저압주조로에 주입하여 장시간 조업하는 과정에서 용탕을 주형에 주입하기 위한 고압가스의 유입에 의하여 용탕내의 가스함량이 증가하여 생산된 주물에서 가스에 의한 외관상의 결함 및 주물내부의 구조적인 결함이 발생할 수 있다.

또한 메탈 핸드북(Metals Handbook vol 15 Casting, 9th Edition p 276)에 의하면 저압주조공정에서 주형은 밀폐된 용융 금속을 담은 도가니를 내부의 주조장치 위에 설치되어 있으며, 주조는 챔버 내부의 압력을 높임으로써 이루어진다. 주조장치 내의 압력이 높아지면 용탕과 주형을 연결하는 스토크를 통하여 용탕이 상승하고 주형을 채우게 된다. 이 방법은 자동화에 적합하며 금속주형을 사용하는 일반적인 중력주조공정보다 짧은 주기로 작업할 수 있으며 빠른 응고속도는 결정립 미세화와 함께 수지상정의 미세화로 인하여 주물의 기계적 성질을 좋게 한다고 기재되어 있으나 주조로 내에 용탕을 채운 후 탈가스 없이 장시간 작업으로 인하여 고압가스에 노출되므로 용탕 내 가스 농도의 증가와 이에 따른 결함이 발생한다.

본 발명은 가스압력제어장치를 이용하여 가스이송관 및 가스주입관 다공질 부분을 통해 불활성가스를 용탕내로 유입시키고 용탕에 유입된 불활성가스는 가스방울을 형성하고 이 가스방울이 용탕과의 밀도차에 의해서 용탕수면 위로 방출하는 과정에서 용탕내에 용해된 가스를 흡수해 용탕의 탈가스가 일어나게 함으로써 장시간의 저압주조공정에서도 용탕내 가스함량의 증가를 방지하여 주물 내부에 구조적인 결함이 없는 우수한 주물을 생산하는 것을 기술적 과제로 삼는다.

도 1은 저압주조로 내에서 연속적으로 탈가스하는 장치의 개략적 구성도.

도 2는 가스주입관의 요부확대 단면도.

도 3은 가스압력제어장치에 있어서 자동유량조절장치를 이용한 개략적 구성도.

도 4는 가스압력제어장치에 있어서 주조 사이클에 따라 고압밸브와 저압밸브 를 개폐하는 개략적 구성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 가스 주입관 2: 가스이송관

2A: 가스이송관 2B: 가스이송관

3: 용탕 4: 압축공기 주입구

5: 주형 6: 배기 밸브

7: 스토크 8: 가스압력제어장치

8a, 8b: 가스압력제어부 9: 가스실린더

10: 1차 압력조절밸브 11: 자동유량조절장치 제어판

12: 자동유량조절장치 13: 감압장치

14: 고압부 밸브 15: 저압부 밸브

16: 다공질

본 발명은 크게 가스 주입관(1)을 설치한 저압주조로내 압력의 변화에 무관하게 일정한 불활성 가스의 유량을 유지시키는 가스압력제어장치(8)로 구성된다. 가스 주입관(1)은 밑부분이 용탕(3)과 반응하지 않도록 세라믹 파이프나 세라믹 코팅을 한 금속파이프로 되어있다.

용탕(3)은 레이들을 이용해 저압주조로에 주입되며 이때부터 저압주조로 내에서 탈가스가 시작된다. 가스이송관(2)을 통해 들어온 질소 또는 아르곤의 불활성가스는 가스주입관(1) 밑부분의 다공질(16)을 통해 용탕(3)으로 나오면서 가스 방울을 형성하고 이것이 용탕(3)과의 밀도 차에 의해 용탕(3)의 수면위로 상승하면서 용탕(3)내에 용해된 가스를 흡수해 용탕(3)의 탈가스가 일어나게 되는데, 그 거동을 살펴보면 용탕내에서 불활성가스방울이나 용탕내에 용존하는 가스는 각의 표면에너지(surface energy)는 줄이고자하는 반응을 하게되는데, 불활성가스방울의 표면에너지는 용탕내의 가스의 표면에너지보다 작고 이에 따라 높은 표면에너지를 갖는 용탕의 가스 가 불활성가스방울에 흡수되는 것이 전체의 표면에너지를 줄이는 것이 되므로 불활성가스방울에 용탕내의 가스가 포집되는 반응을 하게되고 이에따라 한개의 가스방울 부피가 커지게되고 그만큼 가스방울은 부력을 크게받게 되므로 상승하여 용탕을 빠져나가게 되고 이에 따라 용탕 내에 존재하던 가스가 제거되는 것이다. 동시에 불활성가스방울이 상승하면서 용탕(3)을 휘저어 용탕(3)을 교반시키는 역할을 하여 용탕(3)내의 온도와 조성을 고르게 한다. 주조작업이 시작되면 압축공기주입구(4)를 통해 압축공기가 공급되고 고압의 공기가 주조로 내부를 채워서 용탕(3)을 누르고 압력을 받은 용탕(3)은 스토크(7)를 통한 상승작용에 의해 주형(5)을 채우게 된다. 이때 고압의 공기에 의하여 주조로 내부의 압력이 올라가므로 용탕(3) 내부의 압력도 올라가고 버블링 가스의 유량을 감소시키게 된다. 따라서 이 동안 가스주입관 (1) 하부 다공질(16)에서 용탕(3)의 역류를 방지하고 계속 탈가스를 하기 위해 일정한 불활성 가스의 유량을 유지시켜주는 것이 필요하다.

한편 본 발명에서 사용하는 가스압력제어장치(8)는 도 3의 자동유량조절장치 제어판(11)과 자동유량조절장치(Mass Flow Controller)(12)로 이루어진 가스압력제어부(8a)와 도 4의 감압장치(13)를 설치한 저압부 밸브(15)와 감압장치를 설치하지 않아 상대적으로 고압을 나타낸 고압부 밸브(14)를 주조사이클에 연계시킨 가스압력제어부(8b)를 선택적으로 이용할 수 있다. 자동유량조절장치(12)를 이용한 가스압력제어부(8a)는 가스주입관(1)에 불활성가스를 공급하여 주조 싸이클에 따라 저압주조로 내의 압력 변화가 있어도 자동유량조절장치(12)에 의하여 일정한 양의가스가 흐르게 한다. 또한 자동유량조절장치 제어판(11)의 고장으로 용탕(3)이 가스주입관(1)을 통해 역류해 올라오더라도 용탕(3)이 차가운 가스이송관(2)에 들어오자마자 응고해버리기 때문에 안전하다. 그러나 자동유량조절장치(12)는 상당히 고가이기 때문에 이것을 사용하지 않고도 일정한 유량의 불활성 가스를 공급 할 수 있게 감압장치(13)를 설치한 가스이송관(2A) 및 저압부 밸브(15)와 감압장치를 설치하지 않아 상대적으로 고압을 나타내는 가스이송관(2B) 및 고압부 밸브(14)를 주조사이클에 연계시킨 가스압력제어부(8b)를 이용할 수 있다.

이 경우에 가스 공급 경로를 저압과 고압으로 하여 저압주조로 내의 압력에 따라 주조로 내부가 대기압인 경우 저압부 밸브(15)를 열고 고압부 밸브(14)를 닫아서 탈가스를 시키고, 주조작업 중 고압의 가스가 주조로를 채우고 있는 경우에는 고압부 밸브(14)를 열고 저압부 밸브(15)를 닫아서 주조로 내의 높은 압력 하에서도 일정한 가스 유량을 유지시킬 수 있다.

즉, 가스 실린더(9)에서 나오는 질소 또는 아르곤의 불활성가스는 1차 압력

조절밸브(10)를 거쳐 압력이 조절되어 가스이송관(2)으로 공급되고 가스이송관(2)을 통해 이동하는 불활성 가스는 가스압력조절부(8b)내부 가스이송관(2A)과 가스이송관(2B)으로 이동한다. 가스이송관(2A)으로 이동하는 불활성 가스는 설치한 감압장치(13)를 이용하여 불활성 가스의 압력을 저압으로 유지시키고 가스이송관(2B)에는 감압장치를 설치하지 않아 상대적으로 고압을 유지시킨다. 압축공기주입구(4)를 통해 압축공기가 주조로 내부에 공급되어 용탕(3)을 주형(5)에 주입하기 전에는 고압부 밸브(14)를 닫고 저압부 밸브(15)를 열어 불활성 가스를 가스주입관(1)을 통해 용탕(3)으로 보내 용탕(3)의 탈가스를 진행한다. 주형(5)에 용탕(3) 주입이 시작되면 고압부 밸브(14)는 열고 저압부 밸브(15)는 닫아 상대적으로 고압의 불활성 가스를 주조로 내부로 보내 고압상태인 주조로에서도 일정한 압력 차를 유지하여 버블링이 계속 일어나게 한다. 용탕(3)의 주입이 끝나고 주물의 응고가 완료하면 배기 밸브(6)를 열어 로내 압력을 낮추어 용탕(3)을 하강시킨다. 이때에 저압부 밸브(15)를 열고 고압부 밸브(14)를 잠근다. 이렇게 두 가스공급 밸브의 개폐는 주조사이클 제어와 연결하여 동시에 일어난다. 용탕(3)이 가스주입관(1)의 미세한 다공질(16) 내부로 역류하는 것을 방지하기 위해서 가스 공급은 주조로 내에 용탕(3)이 있는 한 계속 유지시켜 준다. 상기에서 언급한 과정을 이해하기 쉽도록 아래의 표 1에 정리하여 나타내었다.

표 1. 주조사이클과 도 4의 가스압력제어장치 밸브의 제어

주조 사이클	압축공기	주조로 내 압력	고압부밸브(14)	저압부밸브(15)
용탕 주입 중	공급	고압	열림	닫힘
용탕 주입 전후	공급 안함	대기압	닫힘	열림

본 발명은 저압주조공정에서 용탕 내의 가스의 함량을 전체 주조공정 시간동안 계속 낮게 유지시킴으로써 주물 내부에 기공이 생기지 않는 건전한 주물을 얻을 수 있다. 또한 용탕 내의 가스함량 증가에 의한 조업 중단사태를 방지하여 생산성을 향상시키고 지속적인 용탕의 완만한 교반에 의하여 용탕의 온도나 조성을 균일하게 하여 주물의 품질향상을 도모할 수 있다.

Claims

유량을 조절할 수 있는 가스압력제어장치(8)에 의해 주조로 내의 압력 변동에 무관하게 가스이송관(2)과 가스 주입관(1)을 통해 불활성 가스를 저압주조로 내의 용탕(3)에 지속적으로 일정하게 공급하여 불활성가스방울을 발생시키어 얻어진 불활성가스방울이 상승하면서 용탕(3)내의 용존가스를 제거하는 공정과, 고압의 압축공기가 주조로 내를 채워서 용탕(3)의 표면을 가압하여 스토크(7) 내의 용탕(3)을 상승시켜 주형(5)을 채우는 공정이 하나의 프로세스에서 이루어진 것을 특징으로 하는 저압주조로 내에서 연속적으로 가스를 제거하는 방법.
가스실린더(9)의 불활성가스를 1차 압력조정밸브(10), 가스이송관(2), 가스압력제어장치(8), 가스이송관(2), 다수의 구멍이 형성된 다공질(16)이 자유단부에 형성된 가스주입관(1)을 통하여 주조로내의 용탕(3)에 공급된 구조로 되고, 동시에 주조로의 측면 상부에 고압의 압축공기가 주조로 용탕(3)의 표면위로 공급되는 압축공기주입구(4)와 주조로 내의 압력을 제어하기 위한 배기밸브(6)가 형성되고 주조로의 중앙상부에 주형(5)을 입설시켜 주형(5)의 용탕주입 탕도를 용탕(3)에 세워 형성된 스토크(7)에 의하도록 구성된 것을 특징으로 하는 저압주조로 내에서 연속적으로 가스를 제거하는 장치.
제 5항에 있어서, 일정한 유량을 유지하기 위한 가스압력제어장치(8)는 자동유량조절장치(12)와 자동유량조절장치 제어판(11)으로 구성된 가스압력제어부(8a)로 됨을 특징으로 하는 저압주조로 내에서 연속적으로 가스를 제거하는 장치.
제 5항에 있어서, 가스압력제어장치(8) 내부는 가스이송관(2)을 가스이송관 (2A)과 가스이송관(2B)으로 분기시키고, 가스이송관(2A)에는 감압장치(13)를 설치하고 감압장치에 의해 감압된 가스를 개폐하는 저압부 밸브(15)와 가스이송관(2B)에는 고압의 가스를 나타내고 이 고압 가스를 개폐하는 고압부 밸브(14)로 구성되어서 주조로 내 압력의 고저에 따라 밸브(14)와 밸브(15)를 번갈아 개폐하는 가스압력제어부(8b)로 됨을 특징으로 하는 저압주조로 내에서 연속적으로 가스를 제거하는 장치.