KR100405515B1 - 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법에 관한 것으로서,

주형(10)에 용강을 주입하고 응고시켜 강괴를 주조하는 방법에 있어서, 상기 주형(10)내에 단열성이 우수한 내화물질로 구성된 보조 주형(20)을 안착시키는 단계와; 상기 보조 주형(20)에 용강을 충진시키는 단계와; 상기 보조 주형(20)에 용강의 충진이 완료된 후 상기 보조 주형(20)을 주형(10)내에서 들어올리면서 제거하여 보조 주형(20)내에 있던 균일한 온도의 용강을 주형(10)내에 충진시키는 단계와; 용강을 상기 주형(10)으로 추가 공급하여 주형(10)내의 잔여 공간을 충진시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,

주조결함으로 인한 수축공, 응고균열, 기공 등 강괴 내부의 부적합한 응고조건에 의해 발생하는 응고결함을 방지하여 내부 건전성이 우수한 강괴를 주조할 수 있도록 해주는 효과를 제공한다.

Description

보조 주형을 이용한 강괴 주조방법{Steel Ingot Casting Method using Auxiliary Mold}

본 발명은 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법, 보다 상세하게는 강괴를 주조하는 공정에 있어서 주조결함으로 인한 수축공, 응고균열, 기공 등 강괴 내부의 부적합한 응고조건에 의해 발생하는 응고결함을 방지하여 내부 건전성이 우수한 강괴를 주조하는 방법에 관한 것으로, 특히 강괴 주형에 용강을 주입함에 있어서 강괴 주형 내부에 단열성이 우수한 보조 주형을 설치하여 보조 주형에 용강을 충진시킨 다음, 보조 주형을 제거하여 주형내에 균일한 온도분포의 용강을 충진되게 함으로써, 주조결함이 적은 강괴가 주조되도록 하는 방법에 관한 것이다.

용강을 일정한 형상의 주형에 주입하고 응고시켜 목적하는 형상과 크기로 제품을 제조하는 주조기술은 용강의 유동성을 이용하여 낮은 공정비용으로 복잡한 형상의 제품을 제조할 수 있고, 같은 형상 및 크기의 제품을 반복적으로 제조할 수 있는 장점을 가지고 있다.

그러나, 주조는 기계가공, 열처리 등과 같은 공정에 비하여 작업자의 의지와는 관계없이 제품의 내부결함이 발생하기 쉬운 단점이 있으며, 용강의 응고중에는 인위적으로 조절할 수 있는 제조변수가 적은 문제점이 있어 왔다.

특히 강괴의 크기가 수십톤이 넘는 주괴는 응고시간이 길고 작은 변수에도 장시간 영향을 받기 때문에 실제 주조결과에서는 2톤 미만의 경량 주조품에서 예측되지 못한 수축공, 기공, 편석 등의 문제점이 심각하게 나타나게 되어 큰 제품손실을 초래하는 경우가 많다.

또한 실제 주조공정에 있어서는 강괴의 주조후 열간, 냉간단조가공 같은 후가공량을 줄이고 제품생산성을 향상시키기 위하여 강괴 폭과 길이의 비를 크게 하는 경향이 있고 그에 따른 부적합한 응고 모델의 형성으로 강괴내 심각한 불량을 초래하고 있다.

따라서 최근에는 실제 주조공정에 의한 제품을 제조하기 전에 컴퓨터에 의한 모의 주조를 통하여 결함을 예측하고, 모의 주조의 결과를 반영하여 실제 발생할 수 있는 결함을 최소화하는 주형설계 및 주조공정조건을 설정하여 주조를 시도하고있으며, 이를 통해 주조공정조건을 개량하고 있다.

그러나, 강괴의 주조공정에서는 여러 가지 주조결함, 즉 주괴편석, 비금속 개재물 혼입 및 잔류, 응고수축, 응고균열, 기공 등과 같은 다양한 주조결함의 발생 빈도가 높은 것이 현실이고, 그에 따른 손실도 크다. 또한 상기와 같은 주조결함 발생시 대형 강괴내에 내재된 결함을 검사하여 판정하는 것도 용이하지 않기 때문에 단조공정 중의 균열발생, 최종제품에서의 불량검출 등 많은 공정비 손실이 발생하게 된다.

상기와 같은 강괴의 내부결함은 대부분 주조조건의 부적합 즉, 응고 모델의 부적합에서 기인하는 경우가 대부분이기 때문에, 용강을 주형에 충진시킬 때의 용강 온도 및 용강공급조건과 주형에 용강이 채워진 후 주형내에서 응고하는 조건에 따라 주조된 강괴의 품질이 좌우되게 된다.

현재까지의 강괴주조에 있어서 용강의 주입방식에는 주형의 상부로부터 용강을 공급하는 상주입 방식(상주입법)과 주형의 하단으로부터 용강을 공급하는 하주입 방식(하주입법)이 사용되고 있다.

그런데, 상주입법과 하주입법 모두 용강의 주입속도에 있어서 약 1.5∼2.0톤/분의 속도로 공급하기 때문에 강괴의 크기에 따라 수분에서 수십분의 주입시간이 소요되게 되고, 이러한 긴 주입시간으로 인해 주입 동안에 주형에 충진된 용강의 일부는 온도가 낮아져서 유동성이 감소하고 국부적으로 응고가 진행되기 때문에, 균일한 온도분포를 갖는 이상적인 응고 모델에서 얻어지는 강괴의 내부 건전성을 확보할 수가 없게 된다.

특히 하주입법에 의해 주입되는 주조방식에서는 주입중의 온도저하로 인하여 강괴 상부의 온도가 낮아지는 현상이 발생하고, 강괴 상부의 응고가 조기에 진행되므로 강괴 내부에 심한 주조결함을 발생시킬 수 있다.

주입방법에 발생하는 이러한 근본적인 문제점을 완화하고 강괴의 내부 건전성을 확보하기 위하여 여러가지 방법들이 시도된 바 있다.

우선, 미국특허(US 4,134,443, 'Method of and apparatus for producing steel ingots')에서와 같이 주형에 용강이 채워진후 주괴의 응고를 조절하기 위하여 대형강괴의 압탕부에 흑연 전극봉을 설치하고, 용강이 응고하는 동안에 흑연전극봉에 간헐적으로 전류를 공급하여 압탕부 표면에서 아크를 발생시켜, 압탕부의 온도를 다른 부분의 강괴온도보다 높게 하고 최종적으로 응고되도록 관리하는 방법이 있다. 이 방법은 강괴 상부의 온도를 보상하고 높게 유지하여, 용강중에 존재할 수 있는 비금속 개재물의 부상분리, 가스의 제거, 수축공 및 응고균열의 방지효과를 추구하고 있다.

이외에, 압탕부에 덮개를 설치하고 방열을 최소화하여 압탕부의 온도를 높게 유지하는 방법, 주형에 용강이 충진되는 시점에 압탕부 표면에 발열제 분말 또는 발열판재를 첨가하여 추가열원을 공급하는 방법들이 대형 강괴 주조공정의 현장기술로서 사용되고 있다. 또한, 핫탑부분에 유도코일을 설치하여 용강의 온도를 측정하면서 간헐적으로 가열하는 장치 및 방법, 강괴의 압탕부분에 단열성이 우수한 단열밴드를 적용하여 보온을 하는 방법 등이 시도되고 있다.

그러나 상기와 같은 방법들은 강괴 주형에 주입되는 용강의 온도저하 및 그에 따른 불균일 온도분포, 특히 강괴상부와 압탕부의 온도가 낮아지는 원초적인 상태를 기반으로, 추가적인 온도보상 및 온도유지를 통해 강괴의 내부 건전성을 확보하려는 수단들이라는 점에 그 한계가 있었고, 다음과 같은 문제점을 여전히 안고 있었다.

우선, 미국특허(US 4,134,443)에서와 같이 강괴의 압탕부에 흑연 전극봉을 설치하여 가열하는 방법은 전극봉에 공급되는 전류 및 시간을 조절하여 강괴 압탕부의 온도를 인위적으로 관리하는데는 용이한 장점이 있으나, 흑연전극에 의한 장시간 아크 발생시 흑연전극이 압탕부 용강표면에 의해 침식 소모되고 그 소모된 흑연이 강괴중에 혼입되어, 원하지 않는 탄소 및 기타 불순물(산화물) 들이 용강중에 혼입될 가능성이 높다. 또한 흑연 전극봉의 설치공간 확보로 인하여 공간소모가 많고 흑연 전극봉의 거치대 등 높은 설비 투자비가 요구된다.

한편, 압탕부 표면에 발열제 분말 또는 발열판재를 적용하는 방법은 압탕부의 용강온도를 정성적(定性的)으로 상승시키는 효과가 기대되지만, 발열제의 양, 적용시기, 압탕부의 표면적 등에 따라 실제적으로 압탕부의 온도에 기여하는 정도가 다르기 때문에 많은 숙련과 적용 데이터가 축적되어야 하는 어려움이 있고, 주형의 용강이 응고되는 동안에 지속적인 열량 조절을 통한 세밀한 압탕의 온도조절이 사실상 불가능한 점이 문제이다.

또한 강괴 주형 압탕부에 유도가열 코일을 설치하여 주괴의 응고진행에 따라 간헐적으로 전류를 공급하는 방법은 외부입력조건의 정확한 조절이 가능하고, 용강이 불순물에 의해 오염되지 않으며, 흑연전극봉 가열법에 비하여 설비투자비가 저렴하다는 장점이 있지만, 유도가열장치에 대한 설비투자비와 전력소모 등은 여전히 필요하다는 점이 문제이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 강괴 주형에 용강을 주입함에 있어서 강괴 주형 내부에 단열성이 우수한 보조 주형을 설치하여 보조 주형에 용강을 충진시킨 다음, 보조 주형을 제거하여 주형내에 균일한 온도분포의 용강을 충진되게 함으로써, 수축공, 응고균열, 기공 등 강괴 내부의 부적합한 응고조건에 의해 발생하는 응고결함을 방지하여 내부 건전성이 우수한 강괴를 주조할 수 있도록 하는 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법이 적용된 강괴 주조설비의 개략도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 주형 20: 보조 주형

30: 상부 정반 40: 주입관

50: 압탕 케이스 60: 압탕단열재

70: 상부발열/단열재

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 주형(10)에 용강을 주입하고 응고시켜 강괴를 주조하는 방법에 있어서, 상기 주형(10)내에 단열성이 우수한 내화물질로 구성된 보조 주형(20)을 안착시키는 단계와; 상기 보조 주형(20)에 용강을 충진시키는 단계와; 상기 보조 주형(20)에 용강의 충진이 완료된 후 상기 보조 주형(20)을 주형(10)내에서 들어올리면서 제거하여 보조 주형(20)내에 있던 균일한 온도의 용강을 주형(10)내에 충진시키는 단계와; 용강을 상기 주형(10)으로 추가 공급하여 주형(10)내의 잔여 공간을 충진시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 보조 주형(20)의 내용적은 주조 완료된 전체강괴 용적의 20∼90% 범위로 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법이 적용된 강괴 주조설비의 개략도이다.

강괴 주조 특히 대형 강괴의 주조에 있어서 컴퓨터에 의한 모의 주조에 의해 응고 모델 분석 및 주조 결과에 따른 강괴 내부의 결함 예측을 하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

즉 주입조건에 있어서, 용강이 주형내에 목적하는 주입온도로 동시에 균일하게 충진된 상태에서 응고하여 강괴가 형성될 경우에 비하여, 일정 시간동안 주형 내부에 용강이 주입되고 먼저 주입된 용강이 주형과 접촉하면서 용강의 온도가 낮아지고 그 온도분포가 주형 내부에 불균일하게 되어, 특히 강괴의 중단 및 상단에서 낮은 온도범위를 형성하는 조건에서 용강이 응고하는 경우에 강괴 내부에 많은 주조결함이 발생되는 것으로 예측되었다.

또한, 상기와 같이 용강의 응고가 이뤄지는 경우, 실제의 주조실험결과를 통해서도 강괴 내부에 수축균열, 기공, 수축공 같은 응고수축결함이 다량 발생되는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상기와 같은 모의 주조의 예측 결과 및 실제의 주조실험결과를 감안하여 구성된 것으로, 즉 상기와 같이 주형내의 용강의 온도분포가 불균일해지는 것을 방지하는 구성으로 되어 있다.

보다 상세하게 보면, 상기와 같이 주입시간 동안에 발생하는 용강의 열손실및 주형(10)내 불균일한 온도분포를 최소화하기 위하여, 본 발명에서는 현재 사용되는 주형(10)내부에 강괴의 용적의 20∼90%에 상당하는 내용적을 갖는 보조 주형(20)을 원통형 또는 각주형태로 하여 주형(10) 바닥의 주입관(40) 중심과 동심이 되도록 설치한다.

이때 보조 주형(20)의 재질은 보조 주형(20)내에 주입된 용강의 온도를 유지하도록 단열성을 가진 내화물로 구성되며, 용강을 충진하여 유지할 수 있도록 내구성을 갖춘 재질을 사용한다.

보조 주형(20)의 내용적은 강괴의 전체 용적에 20% 이상을 유지하는 것이 바람직한데, 보조 주형(20)의 내용적이 20% 이하인 경우에는 주형(10)내 용강의 동시공급에 의한 온도균일화 효과가 미미하여 실시효과가 미약하기 때문이다.

보조 주형(20)의 내용적을 강괴 용적에 대비하여 높임으로써 용강온도 균일화 효과는 증가하게 되는데, 보조 주형(20)의 최고 내용적을 90% 이하로 제한하는 것은 보조 주형(20)의 내구성에 따른 형상 및 주형 내부 형상조건에 의해 90% 이상으로 유지하는 것이 기술적인 면에서 곤란하기 때문이다.

주형(10) 내부에 주입관(40)과 동심으로 설치된 보조 주형(20)에 용강을 주입조건에 따라 주입하게 되면, 용강이 충진됨에 따라 발생하는 부력으로 보조 주형(20)이 부상하여 정반(30) 바닥면으로부터 이탈되지 않도록 보조 주형(20)을 가압하여야 한다.

보조 주형(20)내에 용강이 완전히 충진되는 시점이 되면 보조 주형(20)을 들어올려 제거함으로써, 보조 주형(20)내에 균일한 온도로 충진되어 있던 용강이 주형(10)내로 충진되고, 주형(10)내의 잔여 용적은 계속적인 용강 공급에 의해 충진 완료되게 된다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

본 실시예는 SUS304 합금강을 주형 형상비(길이/폭)가 1.5~1.8 범위에 있는 8톤 강괴를 주조할 수 있는 크기의 주형에 주입하는 경우로서, 주형은 FC20의 주철재 금속 주형이 사용되었다. 보조 주형은 열전도도가 0.5(W/m^oK)인 단열/내화재를 이용하여 원통형으로 제작하였다.

상기와 같은 보조 주형을 그 내용적을 달리하여 상기의 주형내에 설치하고, 용강의 주입온도를 1512^oC로 하여 10분 동안 주입하였으며, 보조 주형을 제거하기 전의 용강의 충진율에 따라 주조한 강괴의 주조 내부결함 및 품질을 정성적으로 비교평가하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

표 1은 주입중 보조 주형 제거 전 용강의 충진율에 따른 강괴의 내부품질 비교표이다.

보조 주형 용강충진율(%)	수축공(%)	응고균열	균열위치	주괴품질
0	8	많음	주괴중단	×
10	7	많음	주괴중단	×
20	5	약간	주괴중단	↓
25	3	약간	주괴중단	↓
30	1	적음	주괴상단	Ｏ
50	0.1	없음	압탕부	◎
60	0.1	없음	압탕부	◎
80	0.1	없음	압탕부	◎
90	0.05	없음	압탕부	◎

( 단, 우수: ◎, 양호: Ｏ, 보통: △, 미달: ↓, 불량: × )

표 1에 나타난 바와 같이, 보조 주형 용강충진율이 높아 질수록 수축공과 응고균열이 줄어들어 주괴품질이 향상되는 것을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법은, 강괴 주조를 위한 용강의 주입시 주형내에 단열성이 우수한 보조 주형을 사용하여 주형내 용강의 온도를 균일한 상태로 충진함으로써, 이상적인 균일온도 응고 모델에 수렴하도록 주조 공정을 실현할 수 있도록 하고, 이를 통해 최종 응고된 강괴 내부의 주조결함을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

또한 본 발명 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법은, 금속 주형내 용강의 온도를 균일하게 하고 주입 초기온도를 유지시켜 용강의 초기주입온도를 낯춤으로써, 높은 주조온도에 의해 고합금강에서 흔히 발생하는 편석결함을 저감시킬 수 있고 응고된 강괴내부에 결함이 적은 건전한 강괴를 제조할 수 있도록 하는 효과를 제공하는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 주형(10)에 용강을 주입하고 응고시켜 강괴를 주조하는 방법에 있어서,

   상기 주형(10)내에 단열성이 우수한 내화물질로 구성된 보조 주형(20)을 안착시키는 단계와;

   상기 보조 주형(20)에 용강을 충진시키는 단계와;

   상기 보조 주형(20)에 용강의 충진이 완료된 후 상기 보조 주형(20)을 주형(10)내에서 들어올리면서 제거하여 보조 주형(20)내에 있던 균일한 온도의 용강을 주형(10)내에 충진시키는 단계와;

   용강을 상기 주형(10)으로 추가 공급하여 주형(10)내의 잔여 공간을 충진시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 보조 주형(20)의 내용적은 주조 완료된 전체 강괴 용적의 20∼90% 범위로 하는 것을 특징으로 하는 보조 주형을 이용한 강괴 주조방법.