KR20030033397A - 대형 스텐레스 강괴 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 강괴의 주조방법에 관한 것으로 특히, 강괴 몰드에 용강을 주입한 후 강괴의 응고 과정 중 스텐레스 강괴가 가지는 응고 특성을 고려하여 강괴 내부의 주조결함이 적은 대형 스텐레스 강괴 주조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 본 발명의 대형 스텐레스 강괴 주조방법은, 강괴 압탕 표면에 공급되는 발열 보온재를, 금속 알루미늄 분말에 다공질 단열재를 혼합하여 혼합 발열 보온재로 제조한 후, 제조된 혼합 발열 보온재를 몰드 내에 충진된 용강의 표면에 도포하고, 이어서 다공질 단열재를 도포하며, 다시 혼합 발열 보온재를 재차 도포한 후 마지막으로 다공질 단열재를 도포하여, 혼합 발열 보온재의 발열 및 보온 효과를 시간적으로 연장시킨다.

이 같은 본 발명의 대형 스텐레스 강괴 주조방법에 의하여 혼합 발열 보온재의 발열 및 보온 효과를 시간적으로 연장시키므로써, 대형 스텐레스 강괴의 내부 결함이 감소되어 대형 스텐레스 강괴의 주조 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

대형 스텐레스 강괴 주조방법{Casting Method for Large Stainless Steel Ingot}

본 발명은 대형 스텐레스 강괴를 주조하는 공정에서, 다른 강종에 비하여 빈도수가 높고 심하게 발생하는 강괴 중심부의 응고 균열이나 기공 등 강괴 내부의 부적합한 응고 조건에 의해 발생되는 응고 결함을 방지하여 품질이 우수한 강괴를 주조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강괴 몰드에 용강을 주입한 후 강괴의 응고 과정 중 스텐레스 강괴가 가지는 응고 특성을 고려하여 압탕부의 보온을 효과적으로 실시하므로써, 강괴 내부의 주조결함이 적은 대형 스텐레스 강괴 주조방법에 관한 것이다.

현재 연속주조 공정 기술이 발달하여 대부분의 구조용 스텐레스 합금강이 판재나 봉재 또는 각재의 형태로 생산되고 있으나, 대형 기계부품이나 대형 금형 선박부품 등은 전통적으로 제조해 온 대형 강괴에 의존할 수 밖에 없다.

최근 이러한 대형 부품에서 요구되는 품질 수준이 높아지고 강괴의 사용율 또한 높아짐에 따라 제조된 강괴 전체의 품질이 균일하게 향상되도록 하는 주조방법을 필요로 하고 있다.

특히, 스텐레스 합금강은 다른 강종에 비하여 용강이 주입된 후 응고될 때 강괴 자체가 가지는 열확산계수가 낮기 때문에 타 강종에 비하여 20-50% 이상 장시간의 응고 시간이 요구된다. 이에 따라 기존 압탕부가 성능을 발휘할 수 있는 시간이 부족하며, 응고 말기 타 강종에 비하여 큰 밀도 차이 발생으로 인하여 강괴 중심부 응고 잔류 응력의 발생과 응고 균열이 생성되는 경향이 높게 나타나고 있다.

이와 같은 현상으로 인하여 최근에는 실제 주조공정에 의한 제품을 제조하기 전에 컴퓨터에 의한 모의 주조를 통하여 결함을 예측하고, 결함의 발생원인을 분석하여 문제점을 보완하며, 보완된 것을 실제 주조 조건에 적용하여 주조 공정에 대한 조건들을 개선하고 있으나 이 또한 한계가 있는 것이 사실이다.

강괴의 주조공정에서는 여러 가지 주조결함이 나타나는데, 이는 주괴편석, 비금속 개재물 혼입 및 잔류, 응고 수축, 응고 균열, 기공 등과 같은 다양한 주조결함으로 발생되는 동시에 발생 빈도가 높아 짐에 따라 손실이 크게 발생된다.

또한, 주조결함의 발생시 대형 강괴 내에 내재된 결함을 검사하여 판정하는것도 용이하지 않기 때문에 단조공정 중 균열 발생이나 최종 제품에서의 불량검출 등에 따른 많은 공정비의 손실이 가중된다.

이와 같은 강괴의 내부결함은 대부분 주조 조건의 부적합 즉, 응고 모델의 부적합에서 발생하는 결함 중 특히 스텐레스 강종의 압탕의 부적합에 기인하는 경우가 많다.

일반적으로 대형 강괴의 주조에서 용강이 주입되면 압탕부에서는 발열과 보온을 실시하기 위하여 금속 알루미늄이 함유된 고온 발열재를 용강의 표면에 투입하고, 이어서 보온재로 사용되는 왕겨를 덮어 용강의 주입 후 압탕의 온도를 유지하여 왔으나, 압탕비가 낮거나 특수한 합금의 대형 강괴에서는 압탕의 성능이 낮아 주조결함으로 이어지는 경우가 많았다.

이와 같은 압탕의 성능이 미약하여 발생하는 문제점을 해결하고 강괴의 품질향상을 위하여, 미국 특허 제4,134,433호에서는 대형 강괴의 압탕부에 흑연 전극봉을 설치하였다. 이는 몰드에 용강이 채워진 후 주괴의 응고 특히, 압탕부의 응고를 조절하기 위하여 용강이 응고되는 동안 상기 흑연 전극봉에 간헐적으로 전류를 공급하고, 압탕부 표면에서 아크를 발생시켜 압탕부의 온도를 다른 부분의 강괴 온도보다 높게 하여 응고시키는 방법으로서, 강괴 상부의 온도를 보상하여 그 온도를 높게 유지함에 따라 용강 중에 존재할 수 있는 비금속 개재물의 부상 분리, 가스의 제거, 수축공 및 응고 균열의 방지 효과를 추구하고 있다.

상기한 방법 이외에도 압탕부에 덮개를 설치하여 방열을 최소화함에 따라 압탕부의 온도를 높게 유지하는 방법, 또는 핫탑(Hot Top) 부분에 유도 코일을 설치하여 용강의 온도를 측정하며 간헐적으로 가열하는 장치 및 방법, 또는 강괴의 압탕 부분에 단열성이 우수한 단열밴드를 적용하여 보온을 하는 방법 등이 있다.

그러나, 상기한 방법들은 강괴 몰드에 주입되는 용강의 온도 저하 및 그에 따른 불균일 온도분포 특히, 강괴 상부 압탕부의 온도가 낮아지는 원초적인 상태를 기반으로 추가적인 온도보상이나 온도유지를 위한 수단들로 이루어진 것이다.

상기 미국 특허 제4,134,433호에서와 같이 강괴의 압탕부에 흑연 전극봉을 설치하여 가열하는 방법은 전극봉에 공급되는 전류 및 시간을 조절하여 강괴 압탕부의 온도를 인위적으로 관리한다는 측면에서는 장점이 있으나, 흑연 전극에 의한 장시간 아크 발생시 상기 흑연 전극이 압탕부 용강 표면에 의해 침식되고, 그 침식된 흑연이 강괴 중에 혼입되어 결과적으로 원하지 않는 탄소 및 기타 불순물(산화물)들로 인한 문제를 야기할 가능성이 높다라는 문제점이 있다. 또한, 상기 흑연 전극의 설치공간 확보로 인하여 공간 소모율이 높다라는 문제점이 있으며, 흑연 전극봉의 거치대 등 설비 투자비가 가중된다라는 문제점이 있다.

그리고 이외에도 강괴 몰드 압탕부에 유도 가열 코일을 설치하여 주괴의 응고 진행에 따라 간헐적으로 전류를 공급하여 불순물의 혼입없이 압탕부의 온도를정확히 조절하고, 강괴의 주조품질을 향상시키는 방법이 있는데, 이는 외부 입력조건의 정확한 조절 및 용강의 불순물 오염에 문제가 없는 점과 상기 흑연 전극봉 가열법에 비하면 설비 투자비를 줄일 수 있다는 것을 장점으로 가지고 있으나, 유도 가열 장치의 사용 및 이로 인한 전력 소모 등에 기인한 다소의 설비 투자비와 상기 전력 소모로 인한 비용 증가는 피할 수가 없다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 일반적으로 사용되고 있는 대형 강괴 주조장치에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.

몰드(1)의 하부에 형성된 주입관(4)을 통해 용강이 공급되어 상기 몰드에 충진됨에 따라 몰드 내 강괴를 형성하게 된다. 구체적으로 상기 강괴는 강괴 본체(2)와 강괴 압탕(3)으로 구분할 수 있다. 상기 강괴 압탕은 상기 강괴 본체의 품질 향상을 위하여 여분의 용강을 추가 공급하여 형성한 것으로 상기 강괴 본체에 발생할 수 있는 응고 수축과 같은 주조결함을 흡수한다. 스텐레스 강괴는 강괴 재질 내 열확산속도가 낮은 관계로, 일반적인 강종에 사용하는 압탕 및 압탕 발열재를 적용하면 상기 강괴 본체의 응고 완료 이전에 압탕과 본체의 응고가 동시에 진행되거나 압탕이 먼저 응고하여 상기 강괴 본체에 응고 수축 및 응고 균열과 같은 주조결함을 발생시킨다. 따라서 스텐레스 강괴에는 압탕 발열재의 작용시간 연장을 위한 조건이 요구된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점들 및 압탕 발열재의 작용시간 연장을 위한조건을 개선하고자 안출된 것으로서, 압탕부 가열 방법에서 불순물 혼입으로부터 자유롭고, 전극봉 및 유도 가열 장치같은 설비로 인한 투자비 또는 이 설비를 유지하는데 소모되는 전력으로 인한 추가비용이나 계속적인 소모성 부자재의 소요가 배제되면서, 스텐레스 강괴의 응고 특성이 갖는 압탕의 필요조건으로 단속적인 압탕 발열재의 작용보다는 일정시간 지속적인 압탕 발열재의 작용과 보온 효과를 높여 강괴 특성이 갖는 응고 특성을 개선하므로써 강괴 내의 응고결함이 적은 주조품을 제조할 수 있는 대형 스텐레스 강괴 주조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 대형 강괴 주조장치에 본 발명의 대형 스텐레스 강괴 주조방법을 적용한 것을 나타내는 개략도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 몰드2 : 강괴 본체

3 : 강괴 압탕4 : 주입관

5 : 정반6 : 압탕 슬리브

7 : 압탕 케이스8 : 혼합 발열 보온재

9 : 다공질 단열재10 : 표면 미려재

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 대형 스텐레스 강괴 주조방법은, 강괴 압탕 표면에 공급되는 발열 보온재를, 금속 알루미늄 분말에 다공질 단열재를 혼합하여 혼합 발열 보온재로 제조한 후, 제조된 혼합 발열 보온재를 몰드 내에 충진된 용강의 표면에 도포하고, 이어서 다공질 단열재를 도포하며, 다시 혼합 발열 보온재를 재차 도포한 후 마지막으로 다공질 단열재를 도포하여, 혼합 발열 보온재의 발열 및 보온 효과를 시간적으로 연장시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 대형 스텐레스 강괴 주조방법은, 금속 알루미늄 분말의 입자가 0.5-2mm 이내의 크기를 갖도록 하고, 혼합 발열 보온재를 구성하는 다공질 단열재는 10-30% 이내의 혼합비율을 갖도록 하며, 혼합 발열 보온재와 다공질 단열재는 2-3회 교대로 적층시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실예를 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명하면 다음과 같다.

스텐레스 강괴의 주조공정에서 몰드(1) 내에 용강이 충진된 후 강괴 압탕(3)에 적용하는 압탕 발열 보온재(8)의 제조 및 그의 적용 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 발열공급원인 금속 알루미늄 분말의 크기가 0.5-2mm로 되도록 조절하고, 상기 그 크기가 조절된 금속 알루미늄 분말에 보온재 및 단열재로서의 다공질 단열재(9)인 왕겨를 혼합하여 혼합 발열 보온재(8)를 제조한다. 이어서 제조된 상기 혼합 발열 보온재(8)를 용강이 충진되고 나면 1차적으로 상기 용강의 표면에 분산 도포하고, 다음에 상기 다공질 단열재(9)인 왕겨를 분산 도포한 후 상기 혼합 발열 보온재(8)를 다시 분산 도포하며, 마지막으로 상기 다공질 단열재(9)인 왕겨를 분산 도포하여 보온효과(왕겨는 보온재, 단열재 그리고 미약하지만 발열재로서의 역할을 한다)를 높인다. 이때 여기에서 소요되는 상기 혼합 발열 보온재의 양은 강괴의 중량에 따른 무게 분율로 정하여 일정량을 사용한다.

이와 같은 압탕 혼합 발열 보온재의 적용 방법에서 발열공급원인 상기 금속 알루미늄 분말의 크기를 2mm 이하로 정하는 것은, 왕겨와 혼합하였을 때 왕겨의 공극에 상기 금속 알루미늄 분말이 침투함에 따라 발열재의 적용시, 상기 알루미늄 분말이 왕겨의 껍질에 둘러싸여 발화연소를 지연시키는 효과를 갖도록 하는 것이다.

또한, 상기 금속 알루미늄 분말의 크기를 0.5mm 이상으로 정하는 것은, 분말의 크기가 작아짐에 따라 왕겨의 껍질에 의해 보호를 받지 못하고 직접적으로 용강과 접촉함에 따라 순간적으로 발화되어 열량을 방출하는 효과를 갖도록 하는 것이다.

그리고, 또한 상기 혼합 발열 보온재와 왕겨를 교대로 적층시켜 사용하므로써 상기 혼합 발열 보온재의 발열 작용을 지연시키는 효과가 있다.

상기한 효과들에 의하여 결과적으로 강괴 압탕(3)의 발열 보온 효과를 연장시킬 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 압탕 혼합 발열 보온재의 지연 연소조건을 대형 강괴 주조에 적용할 때, 열확산계수가 높은 저탄소 구조용 강의 강괴 주조에는 적합하지 않고, 스텐레스 강괴와 같이 강괴의 열확산계수가 낮아서 강괴의 응고시간이 길어지는 강괴의 주조공정에 적합한 것이다.

첨부된 도면 중 미설명 부호 2는 강괴 본체, 4는 주입관, 5는 정반, 6은 압탕 슬리브, 7은 압탕 케이스, 10은 표면 미려재를 각각 나타낸 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예 1)

SUS316 합금강을 주조할 수 있는 5톤 용량의 몰드에 온도가 1502℃인 용강을 1.2톤/분 속도로 주입하고, 종래의 방법에 따라 평균 0.7-1.0mm의 입도를 갖는 금속 알루미늄 분말이 45% 정도 함유된 발열재를 2kg/ton 비율로 용강 충진 완료시점에서 강괴 압탕부에 투입하며, 종래의 발열재에 10-50% 정도의 왕겨를 혼합하여 만든 혼합 발열재를 상기와 동일한 방법으로 상기 강괴 압탕부에 투입하여 비교 평가하였다.

또한, 30%의 왕겨가 혼합된 혼합 발열재를 순수 왕겨와 함께 강괴 압탕부에 교대 적층한 경우도 비교 평가하였다.

이러한 비교평가 조건 중 동일 크기의 강괴에서 투입된 발열재의 총량, 보다 자세하게는 금속 알루미늄 분말의 총량은 동일하게 하였다.

이와 같이 스텐레스 강괴 압탕부의 발열재 적용 조건에 따라 주조한 강괴의 주조 내부결함 및 품질을 정성적으로 비교 평가하여 얻은 결과를 하기의 [표 1]에 나타내었다.

참고로, 종래의 대형 강괴 주조공정에서는, 용강이 충진된 후 압탕 표면에 금속 알루미늄과 알루미늄 슬래그 및 재를 혼합하여 만든 발열재를 강괴의 크기에 따라 무게 분율로 하여 일정량 도포하고, 왕겨와 같은 단열 분말로 보온하는 방법이 사용되어 왔다.

왕겨 비율	교대 적층수	수축공(%)	발열 유지시간	내부응고 균열	균열 위치	주괴품질
0	1	8	15분	많음	주괴 중단	×
5	1	7	17분	많음	주괴 중단	×
10	1	5	20분	약간	주괴 중단	↓
15	1	3	30분	약간	주괴 상단	↓
20	1	0.1	35분	적음	주괴 상단	○
30	1	0.2	40분	적음	주괴 상단	○
40	1	0.7	40분	약간	주괴 상단	↓
50	1	2.5	40분	많은	주괴 중단	×
60	1	4	45분	많음	주괴 중단	×
10	2	3	35분	약간	주괴 중단	↓
10	3	2	30분	약간	주괴 중단	↓
10	4	2	30분	약간	주괴 중단	↓
20	2	0.04	45분	없음	주괴 상단	◎
20	3	0.04	40분	없음	주괴 상단	◎
20	4	0.05	40분	없음	주괴 상단	◎
30	2	0.07	45분	적음	주괴 상단	○
30	3	0.05	40분	없음	주괴 상단	○
30	4	0.05	40분	적음	주괴 중단	○
40	2	0.6	45분	약간	주괴 중단	↓
40	3	0.6	40분	약간	주괴 중단	↓
40	4	0.7	40분	약간	주괴 중단	↓

※ 우수: ◎, : 양호:○ , 보통: △, 미달: ↓, 불량:×

상기 [표 1]은 5톤 SUS316 강괴 압탕 발열재의 적용조건에 따른 강괴의 내부품질을 비교한 비교표로서, 표에 나타난 바와 같이 종래의 발열재에 왕겨의 혼합비율이 20%이며, 그리고 상기 왕겨 혼합 발열재와 왕겨의 적층수가 2-4회 일 때가 주괴 품질이 가장 우수한 것을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 대형 스텐레스 강괴 주조방법에 의하여 발열재의 발화 및 발열 성능을 지연시켜 압탕의 발열 보온 작용시간을 증가시키므로써, 응고된 대형 스텐레스 강괴의 내부 결함이 감소되어 상기 대형 스텐레스 강괴의 주조 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 대형 스텐레스 강괴의 주조시, 몰드 내에 용강의 충진 후 강괴 압탕 표면에 공급되는 발열 보온재는, 발열공급원인 금속 알루미늄 분말에 다공질 단열재를 혼합하여 혼합 발열 보온재로 제조하고, 제조된 상기 혼합 발열 보온재는 상기 몰드 내에 충진된 용강의 표면에 도포하고, 이어서 상기 다공질 단열재를 도포하며, 다시 상기 혼합 발열 보온재를 재차 도포한 후 마지막으로 상기 다공질 단열재를 도포하여, 상기 혼합 발열 보온재의 발열 및 보온 효과를 시간적으로 연장시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 대형 스텐레스 강괴 주조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속 알루미늄 분말의 입자는 0.5-2mm 이내의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 대형 스텐레스 강괴 주조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 발열 보온재를 구성하는 상기 다공질 단열재는 10-30% 이내의 혼합비율을 갖는 것을 특징으로 하는 대형 스텐레스 강괴 주조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 발열 보온재와 상기 다공질 단열재는 2-3회 교대 적층시키는 것을 특징으로 하는 대형 스텐레스 강괴 주조방법.