KR102139349B1 - 철 금속 주물의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철 금속 주물의 제조 방법에 관한 것으로서, 주조 재료(54)를 유지하기 위한 공동(12)을 갖는 소모성 주형(10)이 개방된 다중 부분 영구 주형(22, 24) 내로 삽입되고(단계 106), 영구 주형이 폐쇄되고(단계 106), 공동(12)이 주조 재료(54)로 채워지며, 공동 내로 부분적으로 돌출하는 지지 장치(14)가 부분적으로 오버캐스트되고(단계 108), 충전 후 소모성 주형(10)이 영구 주형 내에서 냉각되고(단계 110, 112, 114), 영구 주형은 적어도 액상선 온도 이하로 떨어지는 것 이후에, 냉각 중에 개방되고, 소모성 주형은 주물과 함께 영구 주형으로부터 비파괴적으로 제거되고(단계 116), 소모성 주형(10)은 적어도 주물의 미세 구조의 형성이 완료될 때까지 지지 장치(14)에 매달린 채로 고형화된 주물과 함께 더 냉각되고(단계 118), 주물은 소모성 주형을 제거함으로써 탈형된다(단계 120).

Description

철 금속 주물의 제조 방법{Method for producing iron metal castings}

본 발명은 철 금속 주물의 제조 방법에 관한 것이다.

주조 방법은 일반적으로 그 제조 유형에 따라 구분되며, 특히 소모성 주형 내 주조와 영구 주형 내 주조, 예컨대 냉각형 주조(chill casting) 및 압력 다이-주조(pressure die-casting) 사이에서 구분된다. 본 발명에 따른 방법은 개방된 다중 부분 영구 주형 내에서 주물을 유지하기 위한 공동을 갖는 소모성 주형을 사용함으로써 2가지 주조 기술을 결합한다. 소모성 주형과 영구 주형의 이러한 조합은 또한 기본적으로 알려져 있다. 예를 들어, EP 1 131 175 B1 및 DE 10 2010 035 440 A1을 참조한다.

EP 1 131 175 B1은 내벽이 경화 주조 재료 또는 생사(greensand) 주형과 접촉하는 영구 주형 내의 철 주조 방법 및 장치를 다룬다. 주형이 영구 주형 내에 배치된 후, 영구 주형의 측부가 폐쇄되고 가압 메커니즘에 의해 가변 가압 압력이 가해진다. 영구 주형은 용융물이 도입된 후 냉각 메커니즘에 의해 냉각된다. 이를 위해, 펄라이트 변태가 완료될 때까지 전체 냉각 공정 동안 냉각 속도를 제어하여 주물의 원하는 기계적 성질을 확보하는 것이 제안된다. 또한, 영구 주형을 개방함으로써 펄라이트 변태 단계에서 냉각 속도를 증가시키는 것이 제안되고, 그 결과로 발생하는 공기 냉각은 냉각 속도를 증가시키고 주물의 더 큰 강도를 가져온다. 또는, 주물의 온도가 오스테나이트 영역에 있을 때, 영구 주형을 개방하여 냉각 속도를 낮추는 것이 제안된다. 이를 위해, 주조편은 절연 매체에 매립되거나 개방 직후에 덮여야 하고, 주조편의 온도가 펄라이트 변태 온도 이하로 떨어질 때까지 이 상태로 유지되어야 한다.

DE 10 2010 035 440 A1은 주조편의 냉각을 더 잘 제어하기 위하여 영구 주형의 내벽과 소모성 주형(사형)의 외벽 사이에 냉각제가 흐르는 적어도 하나의 공간 또는 사형을 중심으로 나선형으로 배치된 냉각제 채널을 제공하는 것을 제안한다.

다음의 발명은 소모성 주형 및 소모성 주형을 둘러싸는 영구 주형으로 구성된 이 장치 또는 유사한 장치를 사용한다. 이러한 전제로부터 시작하여, 본 발명이 해결하고자 하는 문제점은 금속 주물 제조 방법의 더 효율적이고 유연한 구성이다.

이 문제는 특허 청구범위 제1항의 특징을 갖는 철 금속 주물을 제조하는 방법에 의해 해결된다. 방법은 다음 단계를 포함한다:

- 주조 재료를 유지하기 위한 공동을 갖는 소모성 주형이 개방된 다중 부분 영구 주형 내로 삽입되고,

- 다중 부분 영구 주형이 폐쇄되고,

- 소모성 주형의 공동이 주조 재료로 채워지며, 소모성 주형의 공동 내로 부분적으로 돌출하는 지지 장치가 주조 재료와 부분적으로 오버캐스트(overcast)되고,

- 충전 후 소모성 주형이 영구 주형 내에서 냉각되고,

- 다중 부분 영구 주형이 액상선 온도 이하로 떨어지는 것 이후, 바람직하게는 고상선 온도 이하로 떨어지는 것 이후, 특히 바람직하게는 주물이 공석 변태 온도에 도달하기 전에 냉각 중에 개방되고, 소모성 주형이 주물과 함께 개방된 영구 주형으로부터 비파괴적으로 제거되고,

- 적어도 주물의 미세 구조 형성이 완료될 때까지 지지 장치에 매달려 더 냉각되고,

- 주물이 소모성 주형을 제거함으로써 탈형(demold)된다.

소모성 주형은 모래, 특히 화학적으로 결합된 주물사를 사용하여 크로닝(Croning), 콜드박스(cold box), 핫박스(hotbox), 퓨란(furan) 또는 물유리(water glass) CO₂법과 같은 통상적인 방식으로 만들어지며, 이하에서는 사형 또는 코어 팩으로도 지칭한다.

철 금속 주조란 탄소 함량, 즉 주철 및 강철에 상관없이 모든 철-탄소 화합물의 주물을 의미한다. 이 문서의 의미에서 주조 재료는 철 금속 주물의 용융물을 의미한다. 이것이 (적어도 부분적으로) 고형화되면, 주물 또는 주조편으로 언급한다.

영구 주형은 바람직하게는 강철, 주철 또는 황동으로 제조된 것과 같은 금속 영구 주형이지만, 그래파이트와 같은 다른 영구 주형 재료로 이루어질 수도 있다.

철 금속 주물의 제조를 위한 본 발명의 방법과 공지된 방법 사이의 근본적인 차이는 2단계 냉각 및 탈형 공정이다. 적어도 액상선 온도 이하로 떨어질 때까지, 바람직하게는 고상선 온도 이하로 떨어질 때까지 및 더 바람직하게는 주물이 공석 변태 온도에 도달하기 전에 주물의 제1 냉각(제1 냉각 단계)이 여전히 영구 주형 내부에 있는 주형 내에서 일어난다. 코어 내의 주물이 제1 냉각 단계에서 냉각될 수 있는 바람직한 저온 한계는 723℃인 것으로 나타낼 수 있다. 이를 위해, DE 10 2010 035 440 A에 기재된 장치를 유리하게 사용할 것이다. 따라서, 본 발명의 방법은 바람직하게는 소모성 주형이 영구 주형의 내벽과 소모성 주형의 외벽 사이에 배치된 공동을 통해 흐르는 냉각제에 의해 냉각되는 것을 요구한다. 이 단계는 이하에서 "1차 냉각"으로도 지칭된다. 냉각제는 바람직하게는 공기 또는 불활성 가스이다. 공동은 주형 주위에 나선형으로 배치된 하나 이상의 냉각 채널에 의해 주형에 형성될 수 있다. 냉각 공정은 조절되거나 제어되는 방식으로 수행되는 것이 바람직하며, 바람직하게는 주형의 충전 후에 시작한다. 예외적인 경우에는, 또한 주형 충전 도중에 시작할 수 있다. 후자의 경우에서 소모성 주형의 주조 온도는 영구 주형의 제거 이전에, 바람직하게는 매달린 상태에서 냉각 중에 측정된다. 이는 적외선 카메라를 통해 광학적으로 또는 열 센서를 사용하여 비접촉 방식으로 수행될 수 있다. 온도-조절된 냉각제 흐름 외에도, 소정 냉각 속도에 대한 냉각제 요구량을 (수학적으로) 미리 결정하고 그에 따라 냉각제 흐름을 프로그래밍함으로써 시간, 질량 및/또는 모듈러스 제어(즉, 응고비라고도 불리는 표면 대 체적비에 따라)될 수 있다.

기지의 원하는 재료 특성(강도, 경도, 연성(ductility) 등)은 개별 미세 구조 변형 온도에 따라 매번 적용되는 탄소 함량, 합금 조성 및 냉각 프로그램을 선택하여 조정된다. 여기에서, 주형과 주물로 구성된 유닛을 영구 주형으로부터 제거하는 것은, 오스테나이트 형성 또는 응고 중 또는 그 완료 후의 제1 냉각 단계를 종료하고 제2 냉각 단계를 개시하는 중요한 역할을 한다. 따라서, 제거 시간은 액상선 온도에 도달하는 것보다 빠르지 않다. 주물 벽을 향한 온도 구배를 고려하면, 주물의 코어가 그 시간에 용융 부분을 여전히 포함할 수 있는 반면 표면 고상화가 이미 일어나서 주물에 충분한 안정성을 부여한다. 바람직하게는, 주물이 내부에서 고상선 온도에 또한 도달할 때까지 제거를 미루지만, 주물이 코어에서 공석 변태 온도에 도달할 때보다 길게 미루어서는 안 된다. 정확한 온도는 원하는 미세 조직 상태(오스테나이트, 거친/미세 선재 펄라이트, 거친/미세 입자 페라이트 등)와 화학 조성, 합금 요소, 특히 재료의 탄소 분율에 따라 달라진다.

따라서, 제2 냉각 단계는 주조편의 원하는 미세 구조 및 특성에 따라 빨라도 주물이 적어도 부분적으로 응고될 때, 즉 오스테나이트 형성이 시작되었거나 유리하게 완료되었을 때, 그리고 바람직하게는 공석 변태 온도(723℃)에 도달하기 전에 개시된다. 이를 위하여, 영구 주형이 개방되고 주형이 응고된 주물과 함께 비파괴 방식으로 제거된다. 주형은 주조편을 둘러싸고 손상되지 않은 채로 유지되며 이후에는 열 절연 또는 조절 물질의 역할을 한다. 따라서, 더 이상의 동작이 없으면, 주형이 주변 조건에 노출되는 동안 주형 내에 여전히 밀봉된 주물의 표면에 대해 균일한 냉각이 보장된다. 제2 냉각 단계의 마지막에서만 주물이 탈형된다.

제2 냉각 단계에서 주물의 효과적이고 특히 균일한 냉각을 위해, 주형은 요구되는 냉각 성능의 관점에서 설계되어야 하는데, 즉 특히 주형의 벽 두께는 주물의 표면 대 용적 비, 주위 조건 및 주물의 원하는 재료 미세 구조를 고려하여 설계되어야 한다. 이와 관련하여 주위 조건은, 예를 들어 주물을 포함하는 소모성 주형이 그것이 가지는 지지 장치 상에 여전히 매달려 있고 더 냉각되는 냉각 공간에서의 열 조건을 의미한다. 이러한 냉각 공간에서, 일정한 열 조건 및 도입된 열의 신속한 운반은 냉각제, 바람직하게는 공기 또는 불활성 가스의 적절한 순환 또는 적절한 교환에 의해 다시 조정될 수 있다. 바람직하게는, 냉각은 주형 및/또는 주물의 온도 모니터링 하에서 제어 또는 조절된다. 이를 위해 소모성 주형의 주조 온도는 영구 주형을 제거한 후 냉각하는 동안, 바람직하게는 다시 한번 매달린 상태에서 측정된다. 그러나 이는 또한 비접촉식으로, 예를 들면 적외선 카메라를 사용하여 광학적으로 또는 열 센서를 사용하여 수행될 수 있다. 제2 냉각 단계는 코어 팩으로부터 주물을 제거하기 위해 원하는 목표 온도에 도달할 때 종료되며, 원하는 목표 온도는 추가 냉각의 온도 곡선이 미세 구조 형성에 더 이상 영향을 주지 않는 바람직하게는 <300℃의 개봉 온도이다.

특히 두 번째 냉각 단계에서, 지지 장치 상에 주조편과 함께 주형을 자유롭게 매다는 것이 중요한 역할을 한다. 이는 한편으로는 영구 주형으로부터 제거하는 동안 소모성 주형의 손상 위험을 줄인다. 손상은 주물의 일부 또는 전부를 주변으로 노출시켜 제어되지 않은 미세 구조의 형성을 가져올 수 있다. 다른 한편으로는, 기댄(recumbent) 상태의 이송과는 대조적으로 매달린 상태에서는 주형의 모든 면으로 냉각제가 균일하게 흐르도록 하여, 냉각의 효율 및 균일성을 증가시킨다.

바람직하게는, 소모성 주형이 개방된 영구 주형 내에 위치되기 전에 지지 장치가 공급기 캡과 함께 소모성 주형 내로 삽입된다. 매달기 장치를 구비한 이러한 공급기 캡은 예를 들어 DE 10 2010 051 348 A 문서에 공지되어 있다.

영구 주형은 주형의 제거 직후에 다음 주조 동작을 위해 준비될 수 있다. 즉 특히 다음의 소모성 주형을 장착할 수 있다. 따라서 동일한 수율을 위해 더 적은 수의 영구 주형이 요구되므로 이 방법은 매우 효율적이고 비용 면에서 유리하다. 상이한 주조 제품이 상이한 소모성 주형을 사용하여 동일한 영구 주형으로 생산될 수 있기 때문에 이 방법은 또한 매우 유연하고 또한 비용 면에서 유리하다. 따라서 주물 공장에서 많은 상이한 영구 주형을 보관할 필요가 없다. 이를 위해서는 원통형 영구 주형 모양이 가장 다각적이다.

또한, 소모성 주형의 공동은 바닥으로부터 상승하는 용융물로 채워지는 것이 유리하다. 저압 주조 기술의 사용이 특히 바람직하다.

주형을 바닥으로부터 채우고 나면 게이트 밸브를 통해 주형을 유리하게 닫을 수 있다.

이는 충전 후에 영구 주형을 주형 및 주물과 함께 충전 스테이션으로부터 제거하여 충전 스테이션이 다시 다음 주형/영구 주형의 충전에 사용될 준비를 하도록 한다.

특히 바람직하게는, 소모성 주형의 냉각은 게이트 밸브에 의해 폐쇄된 직후에 시작된다.

본 발명의 한 유리한 변형은 주조 재료로 소모성 주형의 공동을 충전하는 동안 영구 주형의 내벽과 소모성 주형의 외벽 사이에 배치된 공동을 통해 주조 가스를 배출하는 것을 요구한다.

1차 냉각을 위한 공동 및 주조 가스를 배출하기 위한 공동은 바람직하게는 동일하다. 따라서, 공동은 바람직하게는 주조 동안의 배기가스 라인과 제1 냉각 단계 동안의 주물 및 소모성 주형을 위한 냉각제 공급 및 배출로서의 이중 기능을 갖는다. 공동은 배기가스가 주위로 들어가기 전에 특별히 폐기하는 폐쇄된 공기 배출 시스템에 쉽게 연결되는 것이 유리하다. 이에 따라, 큰 치수의 배기 후드 및 많은 양의 2차 공기를 순환시키는 대응하는 도관 시스템을 피할 수 있다.

바람직하게는, 소모성 주형의 1차 냉각에 추가하여, 영구 주형, 즉 영구 주형 벽은 충전 후에 직접 냉각된다("2차 냉각"). 이는 영구 주형 벽 내에 이를 위해 특별히 제공되며, 유사하게 냉각제가 흐르는 냉각 라인에서 수행된다.

본 발명의 다른 유리한 변형은 소모성 주형이 개방된 다중 부분 영구 주형 내로 삽입될 때 영구 주형 내에서 부분 진공에 의해 유지되는 것을 요구한다.

특히 바람직하게는, 소모성 주형과 영구 주형이 결합 요소(fitting element)를 포함하여 소모성 주형이 개방된 다중 부분 영구 주형 내로 삽입될 때 이들이 서로 결합되어 영구 주형 내의 주형의 정해진 위치를 보장한다. 상호 작용하는 결합 요소는 따라서 코어 베어링으로도 지칭된다. 결합 요소 및 부분 진공 유지 기술이 겸비될 수 있으며, 이하에서 예시적인 실시예의 도움으로 설명될 것이다.

도 1은 영구 주형 내의 배치 동안 소모성 주형의 제1 실시예이다.
도 2는 영구 주형과 결합된 소모성 주형의 제2 실시예의 도움으로 충전 단계를 도시한 것이다.
도 3은 영구 주형과 결합된 소모성 주형의 1차 냉각을 도시한 것이다.
도 4는 영구 주형과 결합된 소모성 주형의 개방을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법에서 사용하는 영구 주형과 결합된 소모성 주형의 제3 실시예이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법에서 사용하는 영구 주형과 결합된 소모성 주형의 제4 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법에서 사용하는 영구 주형과 결합된 소모성 주형의 제5 실시예이다.
도 8은 대규모로 자동화된 주조 스트링에 대한 본 발명에 따른 방법의 순서의 개략도이다.

도 1은 주조 재료를 유지하기 위한 공동(12)을 갖는 소모성 주형(10)을 나타낸다. 공동(12)은 제조될 주조편의 외부 윤곽을 반영하는 내부 표면을 갖는다. 소모성 주형(10)은 바람직하게는 화학적으로 결합된 주형 모래로 이루어져 자연 안정 구조를 형성한다.

주형(10) 내에는 두 개의 제1 고정 요소(anchor element)(16)에 의해 지지 장치(14)가 고정되어 있다. 따라서 지지 장치는 그 자체의 하중을 견디기 위해 주형(10)에 이미 충분히 연결되어 있다. 또한 지지 장치는 주형(10)의 벽을 관통하여 공동(12) 내로 돌출하여 이후에 주조 재료와 부분적으로 오버캐스트될 수 있는 제2 고정 요소(18)를 갖는다.

소모성 주형(10) 내 공동(12)의 추후 충전은 하나 이상의 게이트(20)를 통한 통상의 방식으로 일어나며, 바람직하게는 바닥으로부터 공동(12)으로 방출되어 소모성 주형의 공동(12)이 바닥으로부터 상승하는 주조 재료로 채워질 수 있으며, 특히 바람직하게는 저압 주조 기술이다.

도 1에 도시된 방식으로 주조 재료로 충전되기 전의 소모성 주형(10)은 먼저 개방된 다중 부분 영구 주형의 제1 부분, 여기서는 제1 절반(22)에 삽입되고, 다음에 영구 주형이 그 제2 절반(24)을 제1 절반(22)과 조립함에 의해 폐쇄된다. 소모성 주형(10)이 먼저 영구 주형의 제1 절반(22)에 정확히 맞추어지고 이어서 영구 주형의 폐쇄 이후에 또한 영구 주형의 제2 절반(24) 내로 수용되도록 소모성 주형(10)과 영구 주형의 절반들(22, 24)은 서로 상보적으로 설계된 결합 요소(26, 28)를 갖는다. 소모성 주형(10)의 결합 요소는 주형(10)의 외벽(30)으로부터 원주 방향으로 돌출하는 수 개의 러그(26)로 설계된다. 이를 위해, 영구 주형 절반(22,24)은 그 내벽(32)에 상보적인 오목부(28)를 갖는다. 상호작용하는 결합 요소(26, 28)는 소위 코어 베어링(34)을 형성한다.

영구 주형 절반(22, 24)은 한편으로는 오목부(28)와 영구 주형 절반(22, 24) 의 외부(38) 사이에 연결 채널(36)을 갖는다. 연결 채널(32)은 외부(34)에서 흡입 라인(도시하지 않음)으로 연결될 수 있어, 내벽(32)과 외벽(30) 사이에 부분 진공이 생성될 수 있다. 이 방법으로, 주형(10)은 그 돌출부(26)에 의해 영구 주형 절반(22)의 오목부(28) 내로 당겨지며, 영구 주형이 폐쇄될 때까지 지속되는 부분 진공에 의해 그 자리에 유지된다. 이 다음에는, 부분 진공은 더는 필요하지 않으며 흡입 라인이 제거되거나 부분 진공이 비활성화될 수 있다.

물론, 연결(32)은 소모성 주형(10)과 다중 부분 영구 주형 사이의 경계면의 다른 위치에 또한 적용되어, 부분 진공 고정을 위한 결합 요소 및 연결 채널이 서로 공간적으로 분리될 수 있다. 그러나, 도시된 방식으로, 결합 요소와 부분 진공 고정 수단이 유리하게 겸비된다.

영구 주형의 내벽(32)과 소모성 주형(10)의 외벽(30) 사이에 소모성 주형의 냉각, 즉 1차 냉각용 냉각제를 위한 도관의 역할을 하는 공동(40)이 배치된다. 원주 방향으로 폐쇄된 냉각제 라인인 공동(40)은 개방형 스파이럴(spiral) 또는 헬리컬(helical) 채널(42, 44)의 형태로 외벽(30) 중간에 형성되기 때문에, 소모성 주형(10)과 영구 주형을 결합할 때 먼저 형성된다. 둘러싸는 공동 대신, 몇 개의 공동이 또한 제공될 수 있다. 또한, 이는 소모성 주형(10)을 둘러싸는 스파이럴 또는 헬리컬 형태로 배열되어야 하는 것은 아니며, 예를 들어, 사행(meandering)형 또는 반복적으로 교차하는 격자(gridlike)형으로 형성될 수도 있다. 공동(40)은 영구 주형의 외부로 적어도 2개의 연결 채널(46, 48)을 가져 이들이 순환 시스템 또는 냉각제 공급 시스템에 연결될 수 있다.

영구 주형 벽의 2차 냉각을 위한 수단으로서, 추가적인 도관 시스템(50)이 영구 주형 벽 내에 제공되고, 도시되지 않은 포트에 의해 그 부분에 대하여 외부로 유도되며, 추가 냉각제를 위해 순환 시스템 또는 공급 시스템에 연결될 수 있다.

도 2는 소모성 주형(10)의 공동(12)을 주조 재료(54)로 충전하는 단계를 도시한다. 주조 재료(54)는 영구 주형 절반(22, 24)을 결합하여 영구 주형이 닫힌 후에 게이트(20)를 통해 바닥으로부터 소모성 주형(10)의 공동(12) 내로 도입된다. 충전과 동시에 공동(12) 내의 주조 가스는 사형(10)의 다공성 구조를 통해 영구 주형의 내벽과 사형(10)의 외벽 사이의 공동(40)으로 인출되며 여기로부터 연결 채널 (48)을 통해 영구 주형으로부터 밖으로 배출된다. 단지 예로서, 연결 채널(48)은 여기에서 공기 배출 채널로 표시된다. 이 경우 연결 채널(46)은 예를 들어 플러그 또는 밸브(어느 것도 도시되지 않음)에 의해 폐쇄 상태로 유지된다. 그러나, 주조 가스는 연결 채널(46)을 통해 역방향으로 또는 동시에 두 연결 채널(46 및 48)을 통해 흡입될 수 있다.

여기에 나타난 실시예에서, 소모성 주형(10)은 DE 10 2010 051 348 A에 기술 된 바와 같이, 주조편용 공동(12) 위에, 공급기 캡(52)이 미리 설치되어 있는 다른 공동을 갖는다. 공급기 캡(52)은 주조 재료(54)를 유지하는 역할을 하고, 단열 및/또는 발열 특성을 가져 공동(12) 내에서 이미 고형화되기 시작하였지만, 밀봉된 주조 재료를 유체 상태로 더 긴 시간 동안 유지하도록 한다. 따라서, 응고에 기인한 주조 재료(54)의 부피 수축은 공급기 캡(52) 내의 더 따뜻하고 덜 점성인 용융물로 보상된다.

공급기 캡(52)의 사용 덕분에, 이 예에서 지지 장치(14)도 다르게 설계된다. 이는 공급기 캡(52)의 공동과 맞물리는 고정 요소(18)를 가지며, 이는 공급기 캡 및/또는 주형(10)에 충분히 단단히 연결되어 그 자연적인 무게를 지탱한다. 도입된 주조 재료(54)가 고정 요소(18) 주위에서 고형화된 후에, 결과적인 연결에 의해 하중이 또한 또는 심지어 대부분 지탱되고 주조편은 지지 장치 상에 주형(10)과 함께 유지될 수 있다.

도 2에 도시된 충전 단계의 끝에서, 게이트(20)는 게이트 밸브(55)에 의해 폐쇄되어, 소모성 주형을 갖는 영구 주형이 충전 스테이션으로부터 제거될 수 있다.

도 3은 충전 후 영구 주형에서의 소모성 주형(10)의 냉각 단계, 즉 1차 냉각을 도시한다. 이 단계는 바람직하게는 게이트 밸브(55)에 의해 소모성 주형(10)을 폐쇄한 후에 시작하여, 충전하는 동안 주조 재료의 응고가 이전에 시작되지 않도록 한다. 냉각을 위해, 냉각제는 이미 기술된 연결 채널(46)을 통해 공동(40)으로 도입되고 이어서 연결 채널(48)을 통해 이로부터 배출되어, 열이 소모성 주형(10)으로부터 유실된다. 공동(40)이 도 2에 도시된 주조 동안 배기가스 라인 및 도 3에 도시된 1차 냉각 단계 동안 냉각제의 공급 및 배출로서의 이중 기능을 용이하게 수행할 수 있도록, 바람직하게는 각각의 공급 라인(도시되지 않음)에는 연결부(46, 48)에 밸브가 제공된다. 따라서, 공급 라인은 냉각제 라인 또는 배기가스 라인에 선택적으로 폐쇄되거나 연결될 수 있다. 1차 냉각은 주물이 적어도 부분적으로 응고되고 주조편(56)이 안정된 구조를 가질 때까지 수행된다. 생산되는 제품의 원하는 미세 구조에 따라, 1차 냉각 및 따라서 제1 냉각 단계 또한 더 오래 지속될 수 있다. 기본적으로 효율성을 이유로 영구 주형으로부터 주형 및 주물을 제거하는 것과 동시에 따라서 제1 냉각 단계의 종료 즉시 1차 냉각을 중단하는 것이 좋다.

도 4는 1차 냉각 후에 영구 주형을 개방하는 단계를 나타낸다. 소모성 주형(10)이 지지 장치(14)로부터 매달린 상태로 유지되는 동안, 영구 주형의 두 절반(22, 24)이 이격된다. 여기에 도시된 예시적인 실시예의 지지 장치(14)는 도 1에 도시된 것에 대응한다. 이 때의 주물은, 특히 표면에서, 이미 부분적으로 응고되어 있기 때문에, 그 자체의 안정성을 가지며, 주형 및 주물의 하중이 지지 장치(14)의 주형(10)과 주조편(56)으로의 연결의 양자에 의해 지탱된다.

이러한 방식으로, 주형은 영구 주형으로부터 비파괴적으로 제거되어 제2 냉각 단계로 옮겨진다. 상술한 바와 같이, 주형(10)은, 바람직하게는 지지 장치(14) 상에서 측정된 주조 온도가 예를 들면, 300℃의 원하는 개봉 온도에 도달하거나 그 이하로 떨어지고 추가 냉각이 더 이상 주조편의 미세 구조 및 특성에 영향을 미치지 않는 때인 경우가 바람직한 현재 온도에 도달할 때까지 예를 들면, 원하는 방식으로 조절된 열 조건 또는 적어도 제어된 열 조건 하에서 추가로 냉각시키는 냉각 공간으로 이송된다.

도 5는 지지 장치(14)의 다른 구성을 갖는 영구 주형과 결합된 소모성 주형(10)을 나타낸다. 이는 소모성 주형(10)을 통해 주조편(56)까지 연장되는 하나의 고정 요소(18)만을 갖는 점에서 상술한 두 지지 장치와 비교하여 단순화되었다. 고정 요소(18)는 주조편 없이 주형(10)을 지지하기에 적합하지 않도록 설계될 수 있으므로, 영구 주형 내로 삽입할 때 다른 방식으로 취급될 것이다. 대안적으로, 도시되지 않은 구조물(후크 또는 이와 유사한 것)이 고정 요소(18)의 표면을 따라 제공되어, 사형(10)과 적절한 연결을 형성하여, 비어 있는 사형(10)을 리프팅 및 운반할 때 지지 장치(14) 상의 인장 응력을 견딜 수 있다. 그렇지 않으면 고정 요소(18)의 하단부는 상술한 방식으로 사형(10)의 공동 내로 연장되어, 여기에 도시된 방식으로 주물의 고형화 후에 주조편(56)에 연결되고, 이 연결에 의하여 주조편(56)과 함께 사형(10)을 지탱할 수 있다.

도 6은 영구 주형과 결합된 소모성 주형(10)에 대한 지지 장치(14)와 관련하여 변경된 다른 실시예를 나타낸다. 실시예는 도 1의 제1 실시예에 따라 연장되는 두 개의 제1 고정 요소(16)를 사형(10)에 결합하고, 제2 고정 요소(18)는 사형(10)을 통과하여 도 2의 제2 실시예에 따라 주조편(56) 내로 연장되고, 사형(10)에 통합되어 주조 재료를 위한 공동을 제공하는 공급기 캡(52)이 제공된다.

도 7은 예를 들면 사형(10) 내의 추가적인 블라인드 홀 보링(58)에 의해 도 5에 도시된 실시예와 다른 영구 주형과 결합된 소모성 주형(10)의 제5 실시 예를 도시한다. 주형(10)의 블라인드 홀 보링(58)은 공동(40)의 일부분 내로 나오며 따라서 냉각제를 수용하기 위한 그 체적을 확대한다. 블라인드 홀 보링(58)의 배치는 냉각제를 이러한 위치에서 주조편(56)의 표면 또는 고형화 이전에 주조 재료와 주형(10) 사이의 경계면에 더 가깝게 기동시키기 위해 더 큰 벽 두께를 갖는 사형(10)의 영역에 대응한다. 이러한 제공 덕분에, 주형(10)의 벽 두께가 상이하더라도, 주물 표면의 더 균일한 냉각 또는 필요할 때에는 표면의 원하는 부분에서의 주물의 특별히 가속화된 냉각이 달성될 수 있다. 블라인드 홀 보링 대신, 해당 위치에서의 열교환 또는 냉각 과정을 더욱 가속하거나 더 정밀한 조절을 가능하게 하는 보링 및/또는 채널이 또한 제공될 수 있다. 특히, 이는 큰 국부적 질량(열 센터)의 특정한 냉각 및/또는 미세 구조의 국부적 최적화를 가능하게 한다.

도 8의 흐름도는 본 발명의 특히 유리한 실시예의 방법을 설명하기 위해 사용될 것이다. 본 발명은 실제 주조 공정의 전후에 오는 추가 단계를 포함한다. 이는 코어 제조 단계(100)로 시작하며, 예를 들어 콜드박스 공정, 핫박스 공정, 크로닝 공정, 퓨란 수지 공정 또는 물유리 CO₂ 공정에서 소모성 주형이 바람직하게는 화학적으로 결합된 사형으로 제조된다. 이 단계(100)는 바람직하게는 광학 모니터링 및 컴퓨터 제어 하에서 일어난다.

사형이 제조되면, 수동으로, 반자동으로, 또는 완전 자동으로, 바람직하게는 로봇(R1)을 통해 다음 스테이션으로 이송된다. 이 스테이션에서, 소위 코어 팩 조립(102)이 이루어진다. 여기에서 몇 개의 부분 코어가 주조에 필요한 것과 같은 소모성 주형의 코어 팩으로 조립된다. 이 단계에서는, 필요에 따라, 예를 들면 스프레이 로봇(spraying robot)을 사용하여 탈형 능력 및 표면 품질 요건에 따른 부가적인 코어 평활화가 추가될 수 있다.

코어 팩 조립(102)에 이어 선택적으로 코어 팩이 창고 보관(104)된다. 이는 호출을 기다리는 창고에 보관된다. 일반적으로 로트 크기(lot size), 공정 속도, 코어 제조 조건 및 제조 공정 요구사항에 따라 일정 수의 코어 팩을 보유하고 있거나, 코어의 제조가 다음에서 설명하는 작업 단계만큼 빠르게 또는 더 빠르게 일어날 때 창고 보관 없이 최적 코어 제조 조건 하에서 적시 생산이 있을 수 있다.

코어 팩은 필요에 따라 코어 창고로부터 취해져 방법의 다음 단계(106)로 공급된다. 다시 한번, 코어 팩의 획득은 로봇(R2)에 의해 완전히 자동으로 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 중심 모듈은 소위 생산 아일랜드(I1)이며, 이는 또한 "회전 장치(carousel)"로도 알려져 있고, 여기에서 본 발명에 필수적인 방법의 단계들 중 적어도 5개(여기서는 6개)가 수행된다. 생산 아일랜드(I1)의 제1 작업 스테이션에서의 제1 작업 단계(106)는 개방된 다중 부분 영구 주형으로 코어 팩을 삽입하고 그것을 폐쇄하는 것이다. 이는 바람직하게는 도 1과 관련하여 전술한 방식으로 수행된다.

다중 부분 영구 주형이 닫히면, 작업 스테이션이 전환되고, 작업 단계(108)에서, 바람직하게는 저압 주조 기술로, 소모성 주형의 공동이 주조 재료로 채워진다. 일단 충전이 완료되면, 소모성 주형이 게이트 밸브에 의해 폐쇄되고, 다음 작업 단계(110)로 이어질 수 있다. 이를 위해, 영구 주형은 다시 다음 워크 스테이션으로 전환되고, 여기서 제1 냉각 단계, 또는 주형의 1차 냉각이 수행되며 선택적으로 영구 주형의 2차 냉각이 동시에 또는 연속적으로 수행된다. 이를 위하여, 영구 주형, 또는 더 정확하게는 상술한 연결 채널(46, 48)이 냉각제 시스템, 바람직하게는 냉각제 회로에 연결된다. 또한, 영구 주형 벽 내의 상술한 도관 시스템(50)은 냉각 시스템, 바람직하게는 냉각 회로 및 작동 중인 냉각제 시스템 또는 시스템들에 연결될 수 있다. 이 작업 단계(110)의 냉각 공정은 주물 또는 영구 주형 온도의 모니터링 하에서 조절된 방식으로 특히 바람직하게 일어난다. 이는, 다시 한번 바람직하게는, 상술한 지지 장치 상에서 측정될 수 있다.

냉각은 이 실시예에서 총 3개의 작업 스테이션, 즉 또한 작업 단계(112, 114)에서 일어난다. 전체 1차 냉각 공정 동안 생산 아일랜드(I1)는 2개의 작업 위치로 이동하여 이전 작업 스테이션은 그 동안 작업 단계(106, 108)를 수행하기 위해 이용 가능하다. 단계(106)에서 주형(10)을 영구 주형 내로 삽입하는 데 걸리는 시간과 단계(108)에서의 충전 시간의 1차 냉각 공정(선택적으로 영구 주형의 냉각과 함께)에 대한 비율은 냉각 공정을 위해 예약된 작업 스테이션의 수를 결정한다.

생산 아일랜드의 최종 작업 스테이션에서, 냉각된 소모성 주형(10)을 갖는 영구 주형은 상술한 바와 같이 빨라도 주조가 적어도 부분적으로 응고될 때 다중 부분 영구 주형이 개방되는 작업 단계(116)를 거친다. 동시에, 지지 장치로부터 매달려있는 소모성 주형이 상술한 방식으로 개방된 영구 주형으로부터 제거된다. 다시 말하면, 이는 소모성 주형의 비파괴적 제거를 보장하기 위해 완전히 자동화된 방식으로 로봇(R3)에 의해 바람직하게 수행된다.

다음, 로봇(R3)은 소모성 주형을 냉각 라인으로 보내고, 여기에서 여전히 지지 장치로부터 매달린 채로 추가로 냉각된다(단계 118).

일단 소모성 주형 내에 봉입된 주물이 원하는 미세 구조를 갖는, 예를 들면 300℃의 개봉 온도에 최종적으로 도달하면, 주물이 소모성 주형의 기계적 제거에 의해 최종적으로 탈형되는 단계(120)가 일어난다. 이 단계는 또한 "비우기(emptying)"또는 "러프 디샌딩(rough desanding)"으로 지칭된다.

그 후에 주물에서 모래 잔유물을 제거하기 위해 폭파(blasting)(122)가 발생한다. 일단 이 공정 단계가 완료되면, 다음 단계인 공급기 및/또는 지지 장치의 분리(124)와 관련되는 분리 스테이션으로 바람직하게는 완전히 자동화된 방식으로 다른 로봇(R4)에 의해 주형이 이송된다. 이후에, 공지의 방법으로 최종 검사(126) 및 운송 또는 부품 창고로의 인도(128)가 수행된다.

10 소모성 주형, 코어 팩
12 공동
14 지지 장치
16 제1 고정 요소
18 제2 고정 요소
20 게이트
22 제1 영구 주형 절반
24 제2 영구 주형 절반
26 결합 요소, 러그
28 결합 요소, 오목부
30 주형의 외벽
32 영구 주형의 내벽
34 코어 베어링
36 연결 채널
38 영구 주형의 외부
40 공동
42 스파이럴 또는 헬리컬 채널
44 스파이럴 또는 헬리컬 채널
46 연결 채널
48 연결 채널
50 도관 시스템
52 공급기 캡
54 주조 재료
55 게이트 밸브
56 주물 또는 주조편
58 블라인드 홀 보링
100 코어 제조
102 코어 팩 조립
104 코어 베어링
106 소모성 주형 삽입 및 영구 주형 폐쇄
108 충전
110 냉각
112 냉각
114 냉각
116 영구 주형 개방 및 개방된 주형 제거
118 소모성 주형 냉각
120 주조편 탈형
122 폭파
124 지지 장치 분리
126 최종 검사
128 창고보관 또는 운송

Claims (17)

1. 철 금속 주물의 제조 방법에 있어서,
   - 주조 재료(54)를 유지하기 위한 공동(12)을 갖는 소모성 주형(10)이 개방된 다중 부분 영구 주형(22, 24) 내로 삽입되고(단계 106),
   - 상기 다중 부분 영구 주형(22, 24)이 폐쇄되고(단계 106),
   - 상기 소모성 주형의 상기 공동(12)이 상기 주조 재료(54)로 충전(充塡)되되, 상기 소모성 주형의 상기 공동(12) 내로 부분적으로 돌출하는 지지 장치(14)가 상기 주조 재료(54)와 부분적으로 오버캐스트(overcast)되고(단계 108),
   - 충전 후 상기 소모성 주형(10)이 상기 영구 주형(22, 24) 내에서 냉각되고(단계 110, 112, 114),
   - 상기 다중 부분 영구 주형(22, 24)은 빨라도 액상선 온도(liquidus temperature) 이하로 떨어지는 것 이후, 냉각 중에 개방되고, 상기 소모성 주형(10)은 상기 주물과 함께 상기 영구 주형으로부터 비파괴적으로 제거되고(단계 116),
   - 상기 소모성 주형(10)은 적어도 상기 주물의 미세 구조의 형성이 완료될 때까지 지지 장치(14)에 매달린 채로 상기 주물과 함께 더 냉각되고(단계 118),
   - 상기 주물은 상기 소모성 주형(10)을 제거함으로써 탈형되는(단계 120)
   철 금속 주물의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 지지 장치(14)는 상기 소모성 주형(10)이 개방된 상기 영구 주형 내에 배치되기 전에, 공급기 캡(52)과 함께 상기 소모성 주형(10) 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 소모성 주형(10)의 상기 공동(12)은 바닥으로부터 상승하는 상기 주조 재료(54)로 충전되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 소모성 주형(10)의 상기 공동(12)은 저압 주조 기술로 충전되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 소모성 주형(10)은 상기 주조 재료(54)로 충전된 후에 게이트 밸브에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 소모성 주형(10) 및 상기 주물을 갖는 상기 영구 주형은 폐쇄 후 주조 스테이션으로부터 이송되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 소모성 주형(10)의 냉각은 상기 소모성 주형의 폐쇄 후에 시작되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 소모성 주형(10)은 상기 영구 주형의 내벽(32)과 상기 소모성 주형의 외벽(30) 사이에 배치된 공동(40)을 통해 흐르는 냉각제에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 냉각제 흐름은 질량, 시간 또는 모듈러스(modulus)에 의해 온도 조절 및 냉각 중 적어도 어느 한 상태로 되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지 장치(14)로부터 매달려 있는 상기 주물(56) 및 상기 소모성 주형(10)은 냉각 공간으로 운반되고 그 안에서 더 냉각되며, 온도 모니터링 하에서 선택적으로 제어되거나 조절되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    주조 온도는 상기 영구 주형(22, 24)의 제거 이전 및 이후 중 적어도 어느 한 시기에 상기 지지 장치 (14) 상에서 상기 소모성 주형(10)의 냉각 중에 측정되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소모성 주형(10)의 상기 공동(12)을 상기 주조 재료(54)로 충전(108)하는 동안, 주조 가스는 상기 영구 주형(22)의 내벽(32)과 상기 소모성 주형의 외벽(30) 사이에 배치된 공동(40)에 의해 배출되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 영구 주형(22, 24)은 상기 충전(108) 이후에 냉각되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 개방된 다중 부분 영구 주형(22, 24) 내에 배치될 때 상기 소모성 주형(10)은 부분 진공에 의해 상기 영구 주형 내에 유지되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소모성 주형(10) 및 상기 영구 주형은 상기 개방된 다중 부분 영구 주형(22, 24) 내로 상기 소모성 주형(10)을 삽입할 때 함께 결합되는 결합 요소(26, 28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
16. 제1항에 있어서,
    상기 다중 부분 영구 주형(22, 24)은 빨라도 고상선 온도(solidus temperature) 이하로 떨어지는 것 이후, 냉각 중에 개방되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 다중 부분 영구 주형(22, 24)은 빨라도 주물이 공석 변태 온도(transformation temperature)에 도달하기 전에, 냉각 중에 개방되는 것을 특징으로 하는 철 금속 주물의 제조 방법.

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