KR200260648Y1 - 가열주형식 수평연속주조장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 가열주형식 수평연속주조장치에 관한 것으로 주조시 금속의 응고계면을 주형의 내부에 위치하게 하고, 주형에 근접한 냉각장치를 형성시켜 일 방향 응고조직을 갖는 금속의 주조장치에 관한 것이다.

본 고안은 금속 또는 금속합금을 용해하는 용해로(10)와, 상기 용해로(10)를 가열하는 가열수단(11)과, 상기 용해로(10)내에 상·하 이동되게 설치되는 용탕높이조절장치(30)와, 상기 용해로(10)에 연통되게 단열재(20)를 관통하는 주형(40)과, 상기 주형을 가열하는 제2가열수단(41)과, 상기 주형(40)에 대응되게 형성되는 인출물(70) 냉각수단(50)과, 상기 주형(40)에 출입이 자유롭게 끼워져 용탕의 흐름을 제어하는 더미 바(60)와, 용해로(10)에 장착되어 용탕의 온도를 측정하는 열전대(12)와, 주형(40)에 삽입되어 주형내부의 온도를 측정하는 열전대(42)로 구성되는 가열 주형식 수평연속주조장치에 관한 것이다.

Description

가열주형식 수평연속주조장치{horizontal continious casting equipment in using of the heating mold and the eguipment here of}

본 고안은 가열주형식 수평연속주조장치에 관한 것으로, 상세하게는 주조시 금속의 응고계면을 주형의 내부에 위치하게 하고, 주형의 끝단에는 근접하는 냉각수단을 형성시켜 일방향 응고조직을 갖는 금속의 주조장치에 관한 것이다.

최근 공업의 고도화와 전자산업의 급속한 발전으로 사용되는 기기가 정밀화 소형화 됨에 따라 이에 사용되는 금속재료도 현저하게 소형화, 고급화 되는 경향이 있다.

특히, 컴퓨터의 회로에 사용되는 본딩와이어는 10㎛∼20㎛정도의 극세선이 사용된다.

이와같은 극세선을 얻기 위하여는 원래의 소재인 주괴내부에 마크로편석, 비금속개재물, 기포등이 없어야 하고, 불순물의 편석이 용이한 결정입계가 적거나 없는 금속재료가 요구된다.

이러한 금속재료를 얻기위한 방법으로 연속주조법이 사용되고 있다.

그러나, 일반적인 연속주조법은 수냉식 냉각주형을 사용하고 있어, 주조시 주형 벽면상에서 안정한 응고각이 형성되어, 주형벽으로 부터 중심부를 향해 수직으로 성장한 주상정이 발달하고, 이에따라 주괴의 중심부에는 수축공, 기포등이 발생하거나, 거시 편석을 이르켜 목적하는 소재를 얻을 수 없는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위한 방법으로 가열주형을 이용한 연속주조법이 시도되고 있다.

가열주형을 이용한 연속주조법은 냉각주형을 사용하는 것과는 달리 주형내벽을 용탕온도 이상이 되도록 유지시켜 주형 벽면상에서의 응고 핵생성을 저지하고, 용탕의 응고가 주형 출구선단부에서 이루어지도록 제어하여 주괴의 표면이 평활, 미려하여, 내부에 수축공이나 기공 등의 결함이 없는 주괴가 얻어질 뿐 아니라 길이나 형상에 제약을 받지않고 연속적으로 일방향 응고재를 얻을 수 있다.

특히 주조방식을 수평방식으로 하면 컴퓨터 회로의 본딩와이어, 음향기기의 케이블 등과 같은 소형정밀부품 소재를 용이하게 얻을 수 있다.

즉, 가열주형을 이용한 수평식 연속주조법은 개재물, 수축공 등의 내부결함이나 표면의 결함이 존재하지 않는 일방향 응고재나 단 결정 소재를 길이의 제한없이 연속으로 얻을수 있으며, 보다 빠른 인출속도로 선재 또는 봉재를 끊기지 않게 제조할 수 있다.

그러나, 이러한 기존의 가열주형을 사용하는 일방향 응고 기술은 작업시 용탕의 높이와 인출되는 인출부의 상단부의 높이가 수평을 이루어야 하는 제약이 있었다.

이는 주형의 끝단을 통과하는 용탕에 중력이 가해지는 경우, 즉, 용탕의 높이가 인출부 보다 높게 형성되면 용탕압에 의해 인출부가 비산되는 브레이크 아웃(Break out)현상이 발생되며 반대로 용탕의 높이가 인출부의 높이보다 낮은 경우 용탕이 원할하게 인출되지 않아 인출부가 끊기는 현상이 발생되게 된다.

이와같은 이유로 작업중 용탕의 재공급이 불가하여 1회 작업시 용탕의 일정량 만큼만 작업할수 있고 작업을 중단한후 다시 용탕을 재 공급하여 작업하여야 하는 문제가 있었다.

본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 문제점을 해소할 수 있도록 용탕의 높이를 항시 인출부의 상단높이와 동일하게 유지하지 않아도 작업이 가능하고, 작업중 용탕의 충진이 가능한 가열주형식 수평연속주조장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 고안의 가열주형식 수평연속주조장치의 개략도,

도 2는 본 고안에 따른 냉각장치의 단면도,

도 3은 본 고안의 주형거리에 따른 주형내부 온도를 측정한 측정표,

도 4는 본 고안에 따른 A1합금 인출물 외형사진,

도 5는 본 고안에 따른 A1합금 인출물의 현미경 단면조직

※ 도면중 주요 부호에 관한 설명.

10 : 용해로, 11 : 가열수단,

12 : 열전대, 20 : 단열재,

30 : 용탕높이조절장치, 31 : 잠김부,

32 : 손잡이, 40 : 주형,

41 : 제 2가열수단, 42 : 열전대,

50 : 냉각수단, 51 : 냉각수 분사기,

52 : 가스 분사기, 53 : 튜브형 수냉욕조,

54 : 돌출턱, 55 : 냉각수 받이,

56 : 배수구, 60 : 더미 바,

61 : 핀치롤, 70 : 인출물,

80 : 용탕.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안은 용해로와 용해로를 가열하는 가열수단과, 상기 용해로를 둘러싸며 단열하는 단열재와, 상기 용해로 내에 상·하 이동되게 설치되는 용탕높이조절장치와, 상기 용해로에 연통되어 단열재를 관통하는 주형과, 상기 주형을 가열하는 가열수단과, 상기 주형에 대응되게 외측에 형성되는 인출물 냉각수단과, 상기 주형에 출입이 자유롭게 끼워지며 후단에는 인입, 인출 수단이 구비된 더미 바와, 용해로에 장착되어 용탕의 온도를 측정하는 열전대 및, 주형내에 삽입되어 주형내부의 온도를 측정하는 열전대로 구성된다.

이하 본 고안의 일 실시예에 따른 도면으로 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안의 가열주형식 수평연속주조장치의 개략도 이다.

금속을 용해하는 흑연로(10)외측에는 흑연로(10)를 가열하는 발열체(11)가설치된다.

상기 흑연로(10)와 발열체(11)외측에는 단열재인 내화벽돌(20)이 축조되고, 상기 흑연로(10)에는 하측이 용탕(80)에 잠기어 잠김정도에 따라 용탕높이가 조절되는 잠김부(31)와 상기 잠김부(31)에 연결되는 손잡이(32)로 이루어진 용탕높이조절장치(30)가 설치된다.

상기 용탕높이조절장치(30)는 기기에 의해 상·하 이동되어도 좋고 작업자에 의해 이동되어도 좋다.

상기 흑연로(10)의 측부에는 상기 흑연로(10)에 연통되며 내화벽돌(20)을 관통하는 흑연주형(40)이 설치되며, 상기 흑연주형(40)외측으로는 내화벽돌(20)에 둘러싸여 흑연주형(40)을 가열하는 제 2발열체(41)가 형성되어 있고, 상기 주형의 끈단부에서 내측으로 30㎜에 걸쳐 0.1∼10°의 각도로 테이퍼가 형성된다.

이러한 테이퍼는 용융금속이 흑연주형(40)내에서 응고시 응고수축에 의해 흑연주형(40)과 발행되는 마찰력을 감소시키는 것으로 마찰력에 의한 금속의 크랙을 방지시킨다.

도 2는 본 고안에 따른 냉각장치 단면도 이다.

상기 흑연주형(40)에 대응하는 인접된 외측에는 냉각수단(50)이 형성되며, 상기 냉각수단(40)은 흑연주형(40)으로 부터 인출된 인출물(70)에 냉각수를 분사하는 냉각수분사기(51)가 설치되며, 상기 냉각수 분사기(51)앞쪽으로는 분사된 냉각수가 흑연주형(40)으로 유입되는 것을 차단하도록 가스분사기(52)가 설치되어 Ar가스를 인출물(70)에 분사한다.

상기 냉각수분사기(51)에는 튜브형 수냉욕조(53)가 결합되며 튜브형 수냉욕조(53)단부는 돌출턱(54)이 형성되어 냉각수 분사기(51)에 의해 분사된 냉각수가 인출물(70)을 통해 튜브형 수냉욕조(53)에 일시 저장되어 인출물(70)을 냉각하고 돌출턱(54)과 인출물(70) 사이의 틈새를 통해 외측으로 배출된다.

상기 튜브형 수냉욕조(53) 외측에는 냉각수 받이(55)가 결합되며 냉각수 받이(55) 하측에는 배수구(56)가 설치된다.

또한, 흑연주형(40)에는 흑연주형(40)에 자유롭게 끼워지며 용탕의 통로를 개폐하는 더미 바(60)가 구비되며 상기 더미 바(60)의 끝단에는 더미 바(60)를 흑연주형(40) 내부로 밀어주고 인출하는 핀치롤(61)이 형성되어 있다.

또한, 용탕(80)의 온도를 측정하는 열전대(12)가 흑연로(10)내에 장착되며 흑연주형(40)에는 인출방향을 따라 주형내부의 온도를 측정하는 열전대(42)가 10㎜간격으로 형성된다.

전술한 가열주형식 수평연속주조 장치는 주형내부에서 응고계면을 유지하면서 일방향 연속주조를 행한다.

이러한 응고계면을 주형(40)내부에 이루게 하는 과정에서 주형 벽면과의 마찰에 의하여 주형 벽면으로 부터 핵생성이 이루어질 수 있으나 이러한 핵생성은 인접한 냉각장치의 이용 및 인출속도등에 의해 방지한다.

냉각장치에 의해 열의 흐름이 인출방향과 평행방향인 한 방향으로만 흐르게 하면 초기에 생성된 응고 핵들은 인출방향과 반대방향으로 성장한다.

이러한 열 이동방향과 일치된 결정들은 금속의 결정성장특성인 결정성장우선방위에 의해서 다수의 핵은 잠식되고, 열 이동방향에 따라 우선성장방위를 지닌결정들만 계속적인 성장을 하게된다.

이러한 결정성장은 몇개의 결정들만이 남아서 계속적인 일방향성장을 하게되며, 최종적으로 한개의 결정만이 남게되어 단결정 제품을 연속주조할 수 있다.

이하 본 고안의 일 실시예로 설명한다.

〈실시예 1〉

도 1에 도시된 바와 같은 수평연속주조장치를 이용하여 실시하였으며 용해금속은 A1-Si 합금을 사용하였다. A1-1Wt% Si 합금 2㎏를 흑연로(10)에 장입한후 용탕높이조절장치(30)를 흑연로(10)의 상부에 위치시킨후 흑연로를 가열하여 A1-Si합금을 용해하였다.

A1-Si합금이 용해된후 더미 바(60)를 흑연주행(40)을 통해 흑연로(10)내부로 20㎜인입시킨후 용탕의 온도를 720℃로 유지하고 흑연주형(40)도 가열하여 750℃로 유지하였다.

용탕온도 및 흑연주형온도가 720℃를 유지하는 동안 용탕높이조절장치(30)를 용탕내로 하강시켜 용탕높이가 흑연주형(40)보다 30㎜높게 조정한후 핀치를(61)을 이용하여 더미 바(40)를 30㎜/분 속도로 인출하여 용탕(80)이 흑연주형(40)에 유입되게 하면서 흑연주형 내측의 각부위 온도를 측정하여 A1-Si합금의 응고가 시작되는 고·액계면이 주형거리 10∼20㎜사이에서 형성되도록 하였다. 즉 응고가 시작되어 고·액계면이 형성되는 온도인 620℃가 주형거리 10∼20㎜에서 유지되도록 하였다.

도 3은 주형거리에 따른 주형내부의 온도를 측정한 표이고, 도 4는 본 고안의 실시예 1에 따른 A1합금 인출물 외형사진이다.

주형내부가 도 3과 같은 온도를 유지하면 더미 바(60)를 제거하여 연속주조를 하고 주조된 인출물(70)을 관측한 결과 도 4에 도시된 바와 같은 표면이 미려한 봉재를 인출 할 수 있었다.

물론 연속주조작업이 이루어짐에 따라 용탕높이는 하강되나 이때 용탕높이 조절장치(30)를 하강시켜 용탕높이를 높힘으로 일정레벨의 용탕높이를 유지하며 주조작업을 하였다.

도 3의 표에서 주형거리 30㎜미만에서 온도가 저하된 것은 흑연주형과 인접된 냉각수단(50)에 의한 열전도에 의한것이고 주형거리 50㎜이상에서의 온도상승은 흑연주형(40)의 가열에 의한 것이다.

도 5는 도 4의 봉재의 단면을 표시한 현미경 단면조직으로 초기에는 다결정의 봉재가 인출된다.

결정이 일방향으로 성장되고, 몇개의 결정으로 이루어진 일방향 결정으로 변하고 나중에는 일방향의 단결정의 봉재가 인출됨을 알수 있다.

이하 본 고안의 가열주형식 수평연속주조방법에 관하여 설명한다.

본 고안은 용해할 금속이나 합금을 용해로(10)에 장입하고 가열하여 용해하는 단계와, 금속이 용해됨과 아울러 더미 바(60)를 주형(40)을 통하여 용해로(10)에 삽입시키는 단계와, 주형(40)을 용해온도보다 높게 가열하는 단계와, 금속이 완전히 용해되면 용탕높이 조절장치(30)를 용탕내에 넣어 용탕의높이를 금형보다 30㎜높게 형성시키는 단계와, 용해로(10)에 삽입된 더미바(60)를 주형(40)을 통해 서서히 인출하여 용탕을 주형(40)내에 유입시키되 주형거리 10∼20㎜위치에서 금속의 고,액계면을 형성시키는 단계와, 더미 바(60)를 주형(40)으로 부터 완전히 인출하고 냉각수단(50)과 가스분사기(52)를 가동시켜 냉각수의 주형(40)유입을 차단하며 인출금속을 냉각시키는 단계로 구성되어, 초기에는 다결정의 봉재가 인출되나, 차츰 결정이 일방향으로 성장되고 나중에는 일방향의 단결정의 봉재를 인출한다.

전술한 주조방법은 순금속이나 금속합금 봉재등의 제조에 사용할 수 있으며 특히 전자, 정밀기계 부품용의 A1합금봉의 제조에 사용하면 좋다.

본 고안은 작업중 용탕의 높이를 용이하게 조절할 수 있어 용탕의 높이를 항시 인출부의 높이와 동일하게 유지하지 않아도 작업이 가능하여 연속적으로 주조작업을 할수 있으며, 작업중 용탕을 충진 할 수 있어 연속작업이 가능하고, 종래 용해, 주조, 열간가공, 냉간가공, 열처리, 후처리 등의 공정을 생략하여 간편하게 열방향 단결정 제품을 제조할 수 있는 효과 있다.

Claims (4)

1. 금속, 금속합금을 용해하는 용해로(10)와, 용해로(10)를 가열하는 가열수단(11)과, 상기용해로(10)를 둘러싸며 단열하는 단열재(20)와, 상기 용해로(10)내에 상, 하 이동되게 설치되는 용탕높이조절장치(30)와, 상기 용해로(10)에 연통되어 단열재(20)를 관통하는 주형(40)과, 상기 주형(40)을 가열하는 제2 가열수단(41)과, 상기 주형(40)에 대응되게 형성되는 인출물 냉각수단(50)과, 상기 주형(40)에 출입이 자유롭게 끼워져 용탕의 흐름을 제어하며 후단에는 인입, 인출수단(61)이 구비된 더미 바(Dumy bar)(60)와, 용해로(10)애 장착되어 용탕의 온도를 측정하는 열전대(12) 및 주형(40)내에 삽입되어 주형(40)내부의 온도를 측정하는 열전대(42)로 구성된 것을 특징으로 하는 가열주형식 수평연속주조 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 주형(40)의 끝단부에는 내측으로 30㎜에 걸쳐 0.1∼10°의 각도로 테이퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 가열주형식 수평연속주조장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각수단(50)은 인출물(70)이 통과하는 통로가 형성된 튜브형 수냉욕조(53)와 상기 튜브형 수냉욕조 전방에 설치되어 냉각수를 분사하는 냉각수분사기(51)로 구성된 것을 특징으로 하는 가열주형식 수평연속주조장치.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 냉각수단(50)의 냉각수 분사기(51)전면에는 냉각수의 주형(40) 유입을 차단하는 가스를 분사하는 가스분사기(52)가 형성된 것을 특징으로 하는 가열주형식 수평연속주조장치.