KR100435291B1 - 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치를 제공하기 위한 것으로, 용탕이 전자기 탕구(10)를 통과하도록 하는 용탕통과 파이프(20)와; 상기 용탕통과 파이프(20)의 내부의 좌우면에 위치하여 자기장이 통과될 수 있도록 하는 비전도체 부분(21)과; 상기 용탕통과 파이프(20)의 내부의 상하면에 위치하여 용탕에 전류가 인가되도록 하는 전도체 부분(22)과; 상기 용탕통과 파이프(20)의 외면을 둘러싸 용탕의 온도 저하와 전자석 코어(31)의 과열을 방지하는 단열재(23)와; 상기 비전도체 부분에 자기력을 공급하는 전자석 코어(31)와 전자기 코일(32)을 포함하여 구성함으로써, 다중 탕구를 갖고 있는 주조 시스템의 탕구 주위에 전자기장을 가하여 주입속도를 조절함으로써 각 탕구의 주입속도를 제어할 수 있게 되는 것이다.

Description

주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치{Apparatus for controlling of melt inlet velocity in casting system}

본 발명은 주조 시스템의 용탕 주입에 관한 것으로, 특히 다중 탕구를 갖고 있는 주조 시스템의 탕구 주위에 전자기장을 가하여 주입속도를 조절함으로써 각 탕구의 주입속도를 제어하기에 적당하도록 한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 주조 공정은 어떠한 목적을 가진 금속 제품을 제조하기 위해 제품과 동일한 틀을 만들어 그 안에 액체 금속을 주입하여 응고시켜 제조하는 공정이다.

이때 틀의 재질은 모래, 세라믹, 고체금속으로 만들 수 있다. 모래를 이용한 주조방법을 사형주조라 하며, 세라믹 재질을 이용한 방법을 정밀주조라고 한다.

또한 탕구는 금속제품을 형성할 수 있는 틀 전에 액체금속이 주입될 수 있는 구멍을 의미한다.

그래서 주조 시스템은 이러한 주조법을 이행하기 위한 틀을 의미하며, 주조 시스템에는 결함이 없는 금속제품을 생산하기 위하여 탕경, 탕도 및 탕구 설계가 필수적으로 요구된다. 주조시스템은 하나의 시스템으로 하나 또는 다수의 금속제품을 생산할 수 있다.

주조시스템 설계시 탕구는 특별한 경우를 제외하고는 주물내 충진거동이 균일해야 하고, 탕구에서 용탕의 주입속도가 일정하게 이루어 져야만 결함이 없는 금속제품을 생산할 수 있다.

종래에는 주물내 용탕의 균일한 충진 거동을 보일 수 있도록 다양한 형상의 탕구 및 탕로를 설치하여 모든 탕구에 대하여 주입속도를 일정하게 또는 원하는 속도로 할 수 있도록 설계해 왔다(M. R. Jolly, et. Al : Proc. of Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes VIII, Ed. By B. G. Thomas et. al., TMS (1998), 67. 참조).

그러나 이러한 종래의 기술은 최적의 주입속도를 결정하기 위해서는 탕로의 형상을 반복적으로 바꾸거나 효율적인 설계를 위해 시간과 노력이 많이 투입되었던 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 다중 탕구를 갖고 있는 주조 시스템의 탕구 주위에 전자기장을 가하여 주입속도를 조절함으로써 각 탕구의 주입속도를 제어할 수 있는 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치는,

용탕이 전자기 탕구를 통과하도록 하는 용탕통과 파이프와; 상기 용탕통과 파이프의 내부의 좌우면에 위치하여 자기장이 통과될 수 있도록 하는 비전도체 부분과; 상기 용탕통과 파이프의 내부의 상하면에 위치하여 용탕에 전류가 인가되도록 하는 전도체 부분과; 상기 용탕통과 파이프의 외면을 둘러싸 용탕의 온도 저하와 전자석 코어의 과열을 방지하는 단열재와; 상기 비전도체 부분에 자기력을 공급하는 전자석 코어와 전자기 코일을 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치의 구성도이고,

도 2는 도 1에 의한 전자기력 발생상태를 보인 개념도이며,

도 3은 본 발명이 적용되는 사형 주조 시스템의 단면도이고,

도 4는 본 발명이 적용되는 세라믹 정밀주조 시스템의 단면도이며,

도 5는 종래 전자기 탕구 미설치시의 주조 시스템의 용탕 충진 거동을 보인 단면도이고,

도 6은 본 발명에 의해 전자기 탕구 설치시의 주조 시스템의 용탕 충진 거동을 보인 단면도이며,

도 7은 본 발명에 의한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절방법을 보인 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 전자기 탕구 20 : 용탕통과 파이프

21 : 비전도체 부분 22 : 전도체 부분

23 : 단열재 31 : 전자석 코어

32 : 전자기 코일

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명, 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치의 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 용탕이 전자기 탕구(10)를 통과하도록 하는 용탕통과 파이프(20)와; 상기 용탕통과 파이프(20)의 내부의 좌우면에 위치하여 자기장이 통과될 수 있도록 하는 비전도체 부분(21)과; 상기 용탕통과 파이프(20)의 내부의 상하면에 위치하여 용탕에 전류가 인가되도록 하는 전도체 부분(22)과; 상기 용탕통과 파이프(20)의 외면을 둘러싸 용탕의 온도 저하와 전자석 코어(31)의 과열을 방지하는 단열재(23)와; 상기 비전도체 부분에 자기력을 공급하는 전자석 코어(31)와 전자기 코일(32)을 포함하여 구성된다.

도 7은 본 발명에 의한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 전자기력 발생장치를 주조 시스템의 탕구에 설치하는 단계(ST11)와; 상기 설치된 전자기력 발생장치에 전류를 인가하여 전자기력을 발생시키는 단계(ST12)와; 상기 발생된 전자기력에 의해 용융금속이 탕구로 주입되는 속도를 조절하는 단계(ST13)를 포함하여 수행한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 주조 시스템의 탕구 주위에 전자기장을 가하여 주입속도를 조절하고자 한 것이다. 그래서 본 발명에서는 주입속도를 일정하게 유지하기 위하여 탕로의 반복적인 설계보다는 탕구에서 전자기력을 이용하여 주입속도를 조절할 수 있는 탕구 장치를 제시하고, 모든 탕구에 대하여 일정하게 또는 원하는 속도로 유지시키기 위한 방법을 제시한다.

도 1은 전자기 코일이 설치된 탕구 및 그 작용 원리를 나타내고 있다.

도 1에서 전자기 탕구(10)는 원형 또는 다각형 모양의 파이프(20)와 전자기력을 인가할 수 있는 전도성이 좋은 금속으로 만들어진 전자기 코일(32) 및 규소강판의 재질로 된 금속 자기 코어인 전자석 코어(31)로 이루어져 있다.

원형 혹은 다각형 모양의 파이프(20)의 내부의 상하면에는 용탕에 전류를 인가할 수 있는 금속 전극인 전도체 부분(22)이 설치되고, 좌우면에는 자기장을 통과할 수 있는 비 전도성 세라믹 벽으로 이루어진 비전도체 부분(21)으로 구성되어 있다.

또한 전자기 탕구(10)와 전자석 코어(31) 사이에는 세라믹의 단열재(23)를 삽입하여 용탕의 온도 저하 및 전자석 코어(31)의 과열을 방지한다.

도 2는 도 1에 의한 전자기력 발생상태를 보인 개념도이다.

그래서 도 2와 구성으로 코일에 직류전류를 인가하게 되면, 도 2에서 보는 바와 같이 자기장이 B의 방향으로 자기코어인 전자석 코어(31)에 형성되게 된다.

이때 금속전극인 전도체 부분(22)에 직류전류를 가하게 되면 용탕내 전기장은 J 의 방향으로 형성되며, 상기한 전기장과 자기장의 상호작용에 의해 전자기력이 전면 방향에 발생하게 된다.

한편 전류방향이 반대가 되면 전자기력은 후면 방향으로 작용된다. 이 전자기력에 의하여 탕구를 통과하는 용탕은 힘을 받게 되어 그 속도가 증가하거나 감소하게 된다.

따라서 직류전류의 크기 및 방향을 조절하게 되면, 상기한 자기장 및 전기장의 크기가 변하게 된다.즉, 로렌츠력(lorentz force)을 이용하여 전류 혹은 자기장의 방향에 따라 용탕이 받는 힘의 방향을 결정할 수 있게 되고, 또한 전류 혹은 자기장의 세기에 따라 용탕이 받는 힘의 세기를 결정할 수 있게 된다.

이에 따라 상기한 전자기력의 크기가 조절되어 탕구내 용탕의 속도를 변화시킬 수 있게 된다.

도 3은 본 발명이 적용되는 주조 시스템의 단면도로써, 사형 주조에 전자기코일을 설치하는 방식을 제시하고 있다.

도 3과 같은 사형 주조 시스템의 경우 목형을 두개로 제작하며, 주물 부분만 따로 제작하고, 다른 탕도, 탕경 등을 따로 만든다. 그리고 탕경, 탕도의 목형을 하형에 설치하고 전자기 탕구(10)를 설치한다. 그 다음 상형을 축조한 뒤 목형을 분리하여 전체 주조 시스템을 구축한다.

도 4는 본 발명이 적용되는 세라믹 정밀주조 시스템의 단면도이다.

이러한 도 4의 세라믹 정밀주조 주형의 경우, 세라믹 쉘을 제조한 뒤, 주입구 부분을 절단하고 전자기 탕구(10)를 끼워넣고 접착제를 사용하여 접착한다.상기한 도 3,4는 본 발명 장치의 적용예를 예시적으로 설명한 것이며, 결국 본 발명 장치는 탕도와 탕경 사이를 연결하는 주입구(탕구), 특히 다수개의 주입구중 어느 하나에 설치된다.

<수치예>

본 발명에 의한 주조시스템을 구축하여 실제 주조하였을 경우를 시뮬레이션 하면 도 6과 같다. 도 6은 실제 정사각형 모양의 주물에 두 개의 주입구가 존재하는 경우 두 주입구 중 왼쪽 한 개의 주입구에 본 발명에 의한 탕구(10)를 설치하여 적용시킨 결과이다. 또한 도 5는 종래 전자기 탕구 미설치시의 주조 시스템의 용탕 충진 거동을 보인 단면도이다.

그래서 종래의 전자기 탕구 미설치시(도 5 참조)와는 달리, 본 발명에서는 탕구에 전자기력이 미치게 된다.

즉, 도 6에서 전류(J)를 10A, 자기장(B)을 100gauss를 가했을 때, 용탕이 탕구(10)를 지나면서 탕도에서 주물쪽으로 100 dyne의 힘을 받게 된다.

이때의 탕구에서의 속도를 측정하면, 전류와 자기장을 가하지 않았을 때의 속도는, 종래의 도 5에서 약 15cm/sec이지만, 본 발명에 의해 전자기력이 가해졌을경우 용탕속도는 약 40cm/sec로 우측 탕구의 용탕속도와 비슷하게 됨을 알 수 있다.

그리고 모든 주입구의 속도를 일정하게 유지시킬 수 있다면 용탕충전시 균일한 충전양상을 얻을 수 있으며, 주물내 용탕 흐름의 경향을 대칭적으로 만들 수 있어 주물품의 건전성을 도모할 수 있다.

이처럼 본 발명은 다중 탕구를 갖고 있는 주조 시스템의 탕구 주위에 전자기장을 가하여 주입속도를 조절하게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치는 다중 탕구를 갖고 있는 주조 시스템의 탕구 주위에 전자기장을 가하여 주입속도를 조절함으로써 각 탕구의 주입속도를 제어할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 본 발명은 다수의 탕구를 갖고 있는 주조 시스템에 전자기를 이용하여 용탕의 주입속도를 조절함으로써 주물내 용탕 흐름을 조절하여 주물내 균일한 물성을 가진 주물을 생산해 낼 수 있어 건전한 주물 제조 및 불량률을 줄일 수 있는 주조 시스템을 만들 수 있는 효과도 있게 된다.

더불어 본 발명은 하나의 탕구를 갖고 있는 하나의 주조 시스템일지라도 시간에 따라 주입속도를 조절하여 건전한 주물을 생산할 수 있는 주조 시스템을 디자인 할 수도 있는 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 용탕이 전자기 탕구(10)를 통과하도록 하는 용탕통과파이프(20)와; 상기 용탕통과 파이프(20)의 내부의 좌우면에 위치하여 자기장이 통과될 수 있도록 하는 비전도체 부분(21)과; 상기 용탕통과 파이프(20)의 내부의 상하면에 위치하여 용탕에 전류가 인가되도록 하는 전도체 부분(22)과; 상기 비전도체 부분에 자기력을 공급하는 전자석 코어(31)와 전자기 코일(32)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치에 있어서;

   상기 용탕통과파이프(20)에는 그 외면을 둘러싸 용탕의 온도 저하와 전자석 코어(31)의 과열을 방지하는 단열재(23)를 부설한 것을 특징으로 하는 주조 시스템의 용탕 주입속도 조절장치.
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