KR200197013Y1 - 전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 반응고 성형용으로 사용되는 반응고 빌렛 제조장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 전자기 교반에 의하여 구상화된 결정립자가 균일하게 분포되고 기포가 존재하지 않는 양호한 품질의 빌렛을 수직으로 제조하는 전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치에 관한 것이다.

일반적으로 DC주조법에 의해 제조된 빌렛은 조대한 수지상 조직을 나타내는 반면에, 반응고 빌렛은 응고시 강한 교반을 가해주면 전단응력에 의해 조대한 수지상 조직이 파괴되어 구형의 결정입자들이 기지내에 미세하고 균일하게 분포된다

본 고안에서는 알루미늄을 이용하여 반응고 빌렛을 제조하는 수직 연주장치에 있어서, 용탕(2)의 산화방지와 이물질 혼입이 억제될 수 있도록 상부에는 커버가 설치되며, 용탕 표면은 아르곤 가스와 같은 불활성기체로 분위기를 차단할 수 있는 턴디쉬(3)와; 몰드(7)내에 응고가 시작된 용탕을 교반할 수 있는 둘레에 설치된 전자기 교반장치(8)와; 교반에 의한 회전력이 상부로 전달되지 않도록 설계된 용탕주입구 및 합금의 변화에 따라서 교반 위치를 조절하기 위해 구리로 제작된 자기장 차폐장치(9)가 부착되어 있는 몰드(7)와; 상기 몰드(7)에서 제조된 빌렛을 내부까지 완전히 원주방향으로 균일하게 냉각시켜주는 냉각수 공급장치(10)와; 반응고 빌렛을 인출하는 더미(12)와 빌렛 인출장치(13)를 갖추어 구성된 것으로 기포및 산화물이 없고 구상화된 조직을 갖는 반응고 빌렛을 제조할 수 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치{Vertical continuous casting apparratus for the billet of reactor using the electromagnetic stirrer}

본 고안은 반응고 성형용으로 사용되는 반응고 빌렛 제조장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 전자기 교반에 의하여 구상화된 결정립자가 균일하게 분포되고 기포가 존재하지 않는 양호한 품질의 빌렛을 수직으로 제조하는 전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치에 관한 것이다.

일반적으로 DC주조법에 의해 제조된 빌렛은 조대한 수지상 조직을 나타내는 반면에, 반응고 빌렛은 응고시 강한 교반을 가해주면 전단응력에 의해 조대한 수지상 조직이 파괴되어 구형의 결정입자들이 기지내에 미세하고 균일하게 분포된다. 이 반응고 빌렛을 고액 공존온도로 재가열시 기지가 우선적으로 용융되어 유동성이 좋고 변형저항이 낮아져, 가압성형시 작은 압력으로도 복잡한 형상의 제품을 실형상에 가깝게 가공할 수 있으며, 고액 공존상태에서의 점성이 액체에 비해서 높기 때문에 금형에 충진될 때 난류발생이 억제된다.

따라서 기포가 없는 균일한 금속조직을 얻을 수 있어서 다른 가공법보다 기계적 성질이 우수한 제품을 얻을 수 있다. 또한 성형온도가 낮기 때문에 금형수명이 늘어나고 주조 사이클의 단축이 가능하다.

이러한 반응고 빌렛을 제조하는 방법으로는 응고시 성장하는 수지상에 전단응력을 가하여 수지상을 절단및 구형화 시키는 교반법(기계적 교반법,Passive 법, 전자기적 교반법), SIMA법(Strain Induced Melt Activated), 결정립 미세화제 첨가법, 진동법 및 분말야금법 등의 여러가지 방법이 보고되고 있다.

기계적 교반법의 경우 높은 고상율에서도 교반에 의한 구형화가 가능하나, 기포 혼입 및 교반자의 마모 등의 문제로 대량생산에는 부적합한 것으로 알려져 있고, 전자기적 교반법은 용탕 내에 교반자의 삽입 없이도 전자기장에 의해 교반이 가능하여 현재 유일하게 상업적으로 적용되고 있는 방법이다. 그러나 전자기 교반법에 의해 반응고 빌렛을 제조시 교반에 의한 회전력이 턴디쉬 상부까지 전달되어 용탕표면의 산화물, 개재물 및 기포가 빌렛 내부로 용탕 내부로 혼입되어 빌렛에 유입될 우려가 있다.

일반적으로 용탕으로 부터 반응고 빌렛을 제조하기 위해 미국, 프랑스 등에서는 전자기 교반법에 의해 제조하여 상용화되고 있으나 이러한 종래의 방법은 아래와 같은 공정상의 문제점을 갖고 있다.

첫째; 고액 공존영역을 교반할 경우 교반력에 턴디쉬의 용탕상부까지 전달되어 용탕 표면의 회전에 의하여 표면의 산화물, 개재물 혹은 기포가 용탕 내부로 혼입되어 빌렛에 유입된다.

둘째; 합금의 조성에 따라서 고상선과 액상선의 온도가 다르기 때문에 주입온도와 교반을 가해주어야 할 영역이 변경되지만 기존의 방법은 교반위치가 고정되어 있어서 합금의 조성이 변화될 경우, 교반 위치제어가 불가능한 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 개선하기 위하여 본 고안에서는 용탕 주입구의 형상을 조절하여 산화물 및 기포의 혼입을 억제하였고, 합금의 종류에 따라 고액 공존온도가 변화하기 때문에 교반위치를 조절할 수 있도록 한 전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치를 제공하는데 그 목적이 있다

도 1은 본 고안에 따른 반응고 빌렛을 제조하기 위한 수직 연주장치의 구성을 보인 단면도.

도 2는 반응고 몰드 시스템의 단면도.

도 3은 용탕 주입구의 형태를 나타낸 것임.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 통도 2: 용탕

3: 턴디쉬 4: 세라믹 폼 필터

5: 커버 6: 용탕주입구

7: 몰드 8: 전자기 교반장치

9: 자기장차폐장치 10: 냉각수 공급장치

11: 반응고 빌렛 12: 더미(dummy)

13: 빌렛 인출장치 14: 냉각수

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는 알루미늄을 이용하여 반응고 빌렛을 제조하는 수직 연주장치를 구성함에 있어서, 용탕의 산화방지와 이물질 혼입이 억제될 수 있도록 상부에는 커버가 설치되며, 용탕 표면은 아르곤 가스와 같은 불활성기체로 분위기를 차단할 수 있는 턴디쉬와; 몰드내에 응고가 시작된 용탕을 교반할 수 있는 둘레에 설치된 전자기 교반장치와; 교반에 의한 회전력이 상부로 전달되지 않도록 설계된 용탕주입구 및 합금의 변화에 따라서 교반 위치를 조절하기 위해 구리로 제작된 자기장 차폐장치가 부착되어 있는 몰드; 상기 몰드에서 제조된 빌렛을 내부까지 완전히 원주방향으로 균일하게 냉각시켜주는 냉각수 공급장치와; 반응고 빌렛을 인출하는 더미와 빌렛 인출장치를 갖추어 구성됨을 특징으로 한다.

또한 상기 용탕 주입구는 상부내경보다 하부내경을 작게 형성하며, 바람직하게는 상기 용탕 주입구의 하부내경에 대한 상부내경의 비율은 30 - 70%임을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 고안의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 반응고 빌렛을 제조하기 위한 수직 연주장치의 구성을 보인 단면도로서 용탕(2)의 산화방지와 이물질 혼입이 억제될 수 있도록 상부에는 커버가 설치되며, 용탕 표면은 아르곤 가스와 같은 불활성기체로 분위기를 차단할 수 있는 턴디쉬(3)와; 몰드(7)내에 응고가 시작된 용탕을 교반할 수 있는 둘레에 설치된 전자기 교반장치(8)와; 교반에 의한 회전력이 상부로 전달되지 않도록 설계된 용탕주입구 및 합금의 변화에 따라서 교반 위치를 조절하기 위해 구리로 제작된 자기장 차폐장치(9)가 부착되어 있는 몰드(7)와; 상기 몰드(7)에서 제조된 빌렛을 내부까지 완전히 원주방향으로 균일하게 냉각시켜주는 냉각수 공급장치(10)와; 반응고 빌렛을 인출하는 더미(12)와 빌렛 인출장치(13)로 구성된다.

도 2는 반응고 몰드 시스템의 단면도이며, 도 3은 용탕 주입구의 형태를 나타낸 것이다.

용해로에서 원하는 조성의 합금을 용융한 후 통도(1)를 통하여 용탕(2)을 턴디쉬(3)로 이송한다. 이때 턴디쉬(3) 하부는 용탕의 산화물 및 이물질을 제거하기 위하여 세라믹 폼 필터(4)가 부착되어 있다.

또한 턴디쉬 내에 산화물의 형성을 억제하기 위하여 상부에는 대기중의 분위기와 차단하기 위하여 커버(5)를 설치하였으며, 용탕 내부로 수소혼입을 억제하기 위하여 용탕 표면에 아르곤 가스를 흘려주었다.

턴디쉬(3)로 이송된 용탕은 용탕 주입구(6)를 통하여 원통형의 몰드(7)에 공급된다.

전자기장에 의해 용탕을 교반시 상부로 교반력이 전달되어 턴디쉬(3) 상부에 와류가 발생될 경우 용탕표면의 산화물이나 이물질이 내부로 혼입되고, 또한 대기중의 수소가 혼입되어 빌렛 내부에 기포가 발생한다. 따라서 회전력이 상부로 전달되는 것을 억제할 수 있도록 용탕 주입구(6)의 형상이 최적설계되어야 한다.

도 3 의 A와 B에서는 용탕 주입구의 형상을 나타내었다.

두 형상 모두 상부의 직경을 몰드 연결부위의 직경보다 작게 설계함으로써 교반력이 상부로 전달되는 것을 최소화할 수 있도록 하였다.

제조하고자 하는 빌렛의 직경에 따라 a와 b의 직경은 다르게 설계되어야 한다. 일반적으로 B는 빌렛의 직경과 동일한 크기로 설계하고, a는 b의 30 - 70%의 크기로 하는 것이 가장 바람직하다.

몰드(7)의 위치는 전자기 교반장치(9)의 교반력이 가장 강한 중앙부에 위치하고 있다. 구형의 몰드내로 유입된 용탕은 몰드벽과 접촉시 표면으로 부터 응고가 진행되며, shell 층이 형성되기 시작한다.

응고가 시작되는 위치에 교반을 가해줌으로써 수지상을 파괴시켜 구형의 결정입자가 기지 내에 고르게 분호된 조직을 얻을 수 있다. 몰드에서 1차 냉각된 부위는 더미(12)에 의해 아래로 하강하면서 냉각수 공급장치(10)을 통하여 공급된 냉각수에 의해 내부까지 완전히 응고된다. 합금의 종류와 주입온도의 변화에 따라 빌렛 인출장치(13)의 속도를 적절히 조절함으로써 균질한 조직의 반응고 빌렛(11)을 얻을 수 있다.

몰드의 재질은 전자기장 차폐를 최소화하기 위하여 스테인레스 스틸을 사용하였으며, 알루미늄이나 흑연으로도 제작이 가능하다. 1차적으로 형성된 빌렛표면의 shell층이 파열되지 않고 아래로 인출될 수 있도록 윤활성이 좋은 흑연링을 몰드 상부에 열박음 하였다. 또한 윤활성을 부여함과 동시에 1차 냉각을 최소화시켜 역편석층을 감소하기 위하여 흑연 링 표면에 오일이 공급되도록 설계하였다. 오일의 공급이 과다할 경우 빌렛 표면에 산화층이 발생할 수 있으므로 주조조건에 따라 적절한 양의 공급이 필요하다. 빌렛표면을 최대한 매끄럽게 제조하기 위하여 산소와 질소(혹은 아르곤가스와 같은 불활성기체)의 혼합가스를 공급하여 주었다.

결정립을 미세하게 분포시키기 위해서 응고가 시작되어 적절한 고상율을 가질 때 용탕을 교반시켜 주었으며, 합금에 따라 고상선과 액상선의 온도가 변하기 때문에 교반의 중심위치를 변화시켜 주어야 한다.

본 고안에서는 용탕주입구(6) 외부에 자기장 차폐에 가장 효과적인 동합금을 사용하여 교반이 필요없는 부위는 교반력을 제어할 수 있도록 자기장 차폐장치(9)의 길이를 조절하였다.

수지상을 파괴시키기 위한 교반력은 합금의 종류및 주조조건에 따라 변화하므로 실험적으로 최적화된 교반조건을 확립하여야 한다.

본 고안의 실시예로서 반응고 빌렛 수직 연속주조기를 사용하여 A356 합금을 3'로 주조하였다. 주조속도는 250mm/min이며 용탕의 주입온도는 650℃이었고 250Gauss로 용탕을 교반하였다.

이와 같이 본 고안에 의해 주조된 것을 광학 현미경을 이용하여 미세조직을 관찰한 결과 구형화된 결정립의 크기는 30 - 50㎛정도이며 기지내에 고르게 분포되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한 육안으로 관찰하였을 경우 주름이나 크랙이 없는 매끄러운 빌렛 표면을 얻을 수 있었다.

이상 살펴본 바와 같이 본 고안에서는 용탕주입구의 형상을 조절하여 산화물및 기포의 혼입을 억제하므로서 합금의 종류에 따라 고액 공존온도가 변화하기 때문에 교반위치를 조절할 수 있도록 수직주조장치를 적용하므로서 기포및 산화물이 없고 구상화된 조직을 갖는 반응고 빌렛을 제조할 수 있는 것으로 산업상 매우 유용한 기술인 것이다.

Claims (3)

1. 알루미늄을 이용하여 반응고 빌렛을 제조하는 수직 연주장치에 있어서,

   용탕(2)의 산화방지와 이물질 혼입이 억제될 수 있도록 상부에는 커버가 설치되며, 용탕 표면은 아르곤 가스와 같은 불활성기체로 분위기를 차단할 수 있는 턴디쉬(3)와;

   몰드(7)내에 응고가 시작된 용탕을 교반할 수 있는 둘레에 설치된 전자기 교반장치(8)와;

   교반에 의한 회전력이 상부로 전달되지 않도록 설계된 용탕주입구 및 합금의 변화에 따라서 교반 위치를 조절하기 위해 구리로 제작된 자기장 차폐장치(9)가 부착되어 있는 몰드(7)와;

   상기 몰드(7)에서 제조된 빌렛을 내부까지 완전히 원주방향으로 균일하게 냉각시켜주는 냉각수 공급장치(10)와;

   반응고 빌렛을 인출하는 더미(12)와 빌렛 인출장치(13)를 갖추어 구성됨을 특징으로 하는 전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 용탕 주입구는 상부내경보다 하부내경을 작게 형성함을 특징으로 하는 전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 용탕 주입구의 하부내경에 대한 상부내경의 비율은 30 - 70%임을 특징으로 하는 전자기 교반에 의한 반응고 빌렛 수직 연주장치.