KR20030064818A - 이동형 전기 아크에 의한 용융 금속의 처리 - Google Patents

Abstract

주조 공정중에 금속 주조물 내의 개재물, 수축 기포, 공극률 및 분리를 감소시키고, 잉곳 및 기타 주조물의 그레인 구조, 기계적 특성 및 수율을 향상시키는 장치(10) 및 방법. 상기 장치(10)는 주조되는 금속 주조물(12)의 상측 표면(18) 위에서 이동형 전기 아크(16)를 형성하기 위한 최소한 하나의 전극(14), 주입 도중 또는 주입 후에 금속 주조물(12)의 상측 표면(18) 위에 전기 아크 전극(14)을 매달기 위한 스탠드(20), 전기 아크(16)를 포함하는 전기 회로(30)를 완성하기 위해 주조용으로 사용되는 주형(28)의 금속 표면(26)에 부착 가능한 제2 전극(24) 및 장치(10)와 파워 서플라이(34) 사이에 접속되는 전자 제어부(32)를 포함한다.

Description

이동형 전기 아크에 의한 용융 금속의 처리 {TREATING MOLTEN METALS BY MOVING ELECTRIC ARC}

수천년에 걸쳐 금속이 주조되어 왔지만, 완벽한 중력 주조물의 제조에는 현재까지 몇 가지 난제들이 잔존해 있다. 주조 공정중에, 액상 금속이 주형 속으로 주입됨에 따라 액체는 먼저 주형의 벽 부근에서 냉각 및 응고되고 그 후에는 주조물 중앙에서도 냉각 및 응고된다. 냉각 공정은 실질적인 수축을 수반하기 때문에, 수축 기포라 칭하는 한 개 또는 여러 개의 공극(void)이 주조물 내에, 일반적으로 주조물의 상부 중앙 부위에 형성된다. 강의 제조에서, 수축 기포는 잉곳의 상부 5-20%의 불량품을 야기하며, 이것은 절단되어 폐기된다. 수축 기포로 야기되는 손실을 줄이고자 하는 시도 중 하나는 레이들(ladle) 내의 연강(mild steel)을 부분적으로 재산화시킴으로써, 수축 기포를 추후에 압연에 의해 폐쇄될 수 있는 다수의분배된 작은 기포로 젼환시키는 것이다. 이 문제에 대한 보다 일반적 해결책은 플레이트 또는 분말에 의한 발열성 또는 격리 핫 톱(isolation hot top)을 이용하는 것이다. 핫 톱은 기포를 용융 금속에 공급하기 위해 잉곳의 정상부에 용융 금속 저장용기(reservoir)를 유지할 수 있게 한다.

유사한 형태의 소모는 전형적인 사형 주조(sand casting) 도중에 발생된다. 주형이 완전히 메워지는 것을 확실히 하기 위해서, 여러 개의 대형 라이저(riser)를 이용하여 주형 내부로의 금속 유입을 촉진한다. 주조물이 주조장을 떠나기 전에 라이저는 절단되고 폐기된다. 합금 주조에서의 추가적 효과는 덴드라이트(dendrite)를 냉각하는 동안의 성형으로서, 상기 덴드라이트는 용융체의 여러 지점이 격자 구조를 가짐에 따라 응고 과정중에 형성된다. 덴드라이트가 형성되는 동안, 금속 산화물 또는 질화물과 같은 불순물이 외부로 밀려 나와 결정 그레인 경계를 형성하고, 이것들은 추후에 완성된 구성 요소 내에 균열이 시작되는 자리(site)를 형성한다. 이들 불순물의 집합체를 개재물이라 칭한다. 세심한 주형 설계 및 상대적으로 낮은 주입 온도로 이 문제를 어느 정도 대처할 수 있다.

또한 대기 중 또는 다른 원천으로부터의 가스가 액상 금속 내에 존재하여, 이것이 주조물 공극률의 주요 원인이 된다. 수소, 산소, 기타 가스 등의 개재물은 진공 쳄버에서 액상 합금을 주조함으로써 크게 감소될 수 있지만, 그 공정은 고품질 합금의 제조에 대해서만 경제적이다.

오늘날 연속 주조는 길이가 긴 금속 잉곳(빌릿, 블룸 및 슬래브)의 주된 제조 방법으로서, 이들 잉곳은 완전히 응고된 후 요구되는 임의의 길이로 절단된다.가장 보편적인 시스템에서, 금속은 턴디쉬(tundish)로부터 수냉 주형 내부에 연속적으로 주입된다. 캐스트 로드(cast rod)는 롤러에 의해 앞으로 이송되며 물 분사에 의해 냉각된다. 이 방법에서도 공극률, 불순물, 균열 및 거친

그레인 사이즈 등의 문제가 모두 나타날 수 있어서 이들 문제에 대처하기 위한 많은 노력이 경주되어 왔다.

미국특허 제4,307,280호에서 Ecer는 주조물 공극이 이미 형성된 후 그것을 채우는 방법을 제시한다. 공극은 검출되고 도표화되어야 하며, 그 후 주조물은 2개의 전극 사이에서 프레스되고 공극 부근에 국부적 용융을 일으킬 수 있는 충분한 전류가 인가된다. 이로써 내부 공극은 붕괴되어 메워질 수 있는 오목부(dimple)를 형성하도록 표면으로 이동된다고 기재되어 있다. 상기 방법은 물론 황화물 및 규산염과 같은 고형 개재물의 제거에는 적용될 수 없다.

연속 주조 과정에서 잉곳에 롤러 압력을 가하는 방법이 일본국 특허 제JP56050705A2에서 Fukuoka 등에 의해 제안되어 있다. 압력이 주조 홈의 저면측 상 균열의 발생을 방지한다고 기재되어 있다. 롤러는 구부러진 잉곳이 직선화되는 지점에 위치한다. 명백히 이 방법은 개재물의 감소 또는 금속의 미세구조를 개선하는 데에는 도움이 되지 않는다.

미국특허 제4,770,724에서 Lowry 등은 공극 및 흠(flaw)을 제거하고 고밀도의 균질한 제품을 제조하는 것을 청구하는, 금속에 대한 통상적이 아닌 연속 주조 방법을 설명한다. 이 방법은 봉쇄력(containment force)을 동시에 제공하는 전자기장에 의해 중력에 대항하여 금속을 상향하여 강제 유동시킴으로써 달성된다. 이방법은 소형 단면에 한정되기 때문에 대형 잉곳, 슬래브 또는 블룸에는 적용될 수 없다.

본 발명은 철 및 비철 금속의 주조 기술에서의 개선에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 주조 공정중에 금속 주조물(casting) 내의 개재물(inclusion), 수축 기포(blowhole), 공극률(porosity) 및 분리(segregation)를 감소시키고, 또한 잉곳 및 기타 주조물의 그레인(grain) 구조, 기계적 특성 및 수율을 향상하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 예로서 나타내는 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 설명한다. 구조적 상세 사항은 그에 대한 기본적 이해를 위해 필요한 한도에서만 제시된다. 도면과 함께 기재된 실시예에 의해 본 발명의 추가적 형태가 구현될 수 있는 방법이 당업자에게 명백해질 것이다.

도 1은 주형 내의 액체 금속에 전기 아크를 작동시키는 전기 아크 전극의 상세도이며, 또한 주조물 내의 전류 플럭스(flux)의 분배를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예의 입면도이다.

도 3a는 액체 금속 상부의 전극 위치의 상세한 단면도이고, 도 3b는 전기 아크의 반경 방향 속도를 증가시키기 위한 전자기 코일이 설치된 실시예의 단면도이다.

도 4는 주조물 분말이 아크 작동 구역에 도달하는 것을 방지하기 위한 장치가 설치된 실시예의 상세한 단면도이다.

도 5는 금속이 전극의 중앙을 통해 주입되는 실시예의 단면도이다.

도 6은 복수의 전극이 설치된 장치의 도식적 평면도이다.

도 7은 아르곤 가스에 의한 회전형 아크 전극의 개략도이다.

도 8은 나이프 형상을 갖는 이동형 아크 전극의 개략도이다.

도 9는 종래의 주조물 및 본 발명에 따른 주조물에서의 덴드라이트의 비교도로서, 그레인 및 덴드라이트의 크기가 과장되어 있다.

도 10 및 도 11은 10톤 공구강 잉곳 그레인 구조의 비교 사진을 포함한다.

도 12는 오스테나이트 그레인 사이즈를 도표화하여 비교하는 그래프이다.

도 13은 여러 가지 잉곳 위치에서의 경도를 도표화하여 비교하는 그래프이다.

도 14는 종래의 주조물 및 본 발명에 따른 주조물 내의 잉곳 공극의 비교 도면이다.

도 15는 종래의 사형 주조물 및 본 발명에 따른 사형 주조물에서의 라이저 사이즈의 비교 도면이다.

따라서 본 발명의 목적 중 하나는 종래의 주조 방법의 단점을 해소하고 양호한 품질의 잉곳 및 기타 주조물을 제조하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 분기상 결정을 작은 조각으로 분쇄하여, 완성된 주조물의 그레인 사이즈를 감소시키는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 균질성을 향상시키고 저밀도의 개재물 및 가스가 주조물의 표면으로 부상할 수 있도록 응고 과정중에 액상 금속을 교반(stirring)하는 기술을 제공하는 것이다.

[발명의 요약]

본 발명은 금속 주조물 내의 수축 기포, 개재물, 공극률 및 그레인 사이즈를 감소시키며 균질성을 향상시키기 위한 장치로서,

a) 주조되는 금속 주조물의 상측 표면 위에 이동형 전기 아크를 형성하기 위한 최소한 하나의 전극;

b) 주입 도중 또는 주입 후 상기 금속 주조물의 상측 표면 위에 상기 전기 아크 전극을 매달기 위한 스탠드;

c) 상기 전기 아크를 포함하는 전기 회로를 완성하기 위해, 주조에 사용되는 주형의 금속 표면에 부착할 수 있는 제2 전극; 및

d) 상기 장치와 파워 서플라이 사이에 접속되는 전자 제어부

를 포함하는 장치를 제공함으로써 상기 목적을 달성한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 각각의 라이저 위에 별도의 이동형 전기 아크를 제조하기 위한 사형 주조물 또는 영구 주형 주조물 중 최소한 하나의 라이저 상부에 각각 위치시킬 수 있는 복수의 전극이 제공되는 전기 아크 주조 장치가 제공된다.

본 발명의 바람직한 방법에서, 금속 주조물 내의 수축 기포, 개재물, 공극률 및 그레인 사이즈를 감소시키며 균질성 및 수율을 향상시키기 위한 방법으로서,

a) 주형 속으로 액체 금속을 주입하는 단계;

b) 전기 아크 전극을 준비하여 용융 금속의 상측 표면의 약간 상부에 상기 전기 아크를 위치시키는 단계;

c) 상기 전극과 상기 액체 금속의 상측 표면 사이에 아크를 형성함으로써, 상기 액체 금속을 교반하고, 거친 덴드라이트가 존재할 경우 이를 분쇄하며 냉각 수축으로 인해 주조물 내에 형성되는 공극을 메우기 위한 금속의 중앙 용융 풀(central molten pool)을 유지하도록 상기 전극에 전류를 인가하는 단계; 및

d) 전류를 인가함으로써 상기 상측 표면 위에 상기 전기 아크를 계속적으로 이동시키는 단계

를 포함하는 방법이 제공된다.

이하에서 본 발명의 방법 및 장치에 대한 추가의 실시예를 설명한다.

Praitoni 등의 미국특허 제4,756,749호에는 여러 개의 주조 스파우트(spout)를 가진 턴디쉬로부터 강을 연속 주조하는 방법이 기재되고 청구되어 있다. 턴디쉬 내에 있는 동안 강은 추가로 가열되며, 청구의 범위 제5항에서 그것은 이전된 아크 플라스마 토치이다. 미국특허 제5,963,579호에서, Henryon은 유사한 방법을 제시한다. 턴디쉬로부터 주형으로 금속이 주입되는 동안 가스의 흡수가 다시 발생되며, 공극률 및 분리에 대한 해결책은 제공되지 않는다.

이와는 대조적으로, 본 발명은 응고 과정중에 주조물의 상측 표면에 이동형 전기 아크를 직접 작동시키는 방법 및 장치를 제시한다. 전술한 바와 같은 배열의 이점은 주조 자체의 과정중에 주형 내 금속이 교반되는 것에서 비롯된다. 그와 같은 응고 직전의 교반은, 도 9에 예시한 바와 같이, 거친 덴드라이트를 보다 작은 고형물로 분쇄하여 그레인 구조를 향상시킨다. 교반은 또한 기포가 액체의 정상으로 상승하여 배출될 수 있게 한다. 수축 기포는 완전히 제거되고 불순물의 집합물은 분쇄되어 분산된다.

따라서, 비교 사진 및 도면에서 알 수 있는 추가의 데이터로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 신규 장치는 주조물의 품질 및 균질성을 크게 향상시키고 주조물 내의 보다 일관된 경도를 달성시키는 역할을 하는 것이 실현된다.

강조할 점은 설명하고자 하는 방법 및 장치가 실제로 테스트되었다는 것이다. 예를 들면, 본 발명의 청구의 범위 제8항 및 제17항에 따른 실린더 헤드를 사형 주조하는 12-헤드 장치는 본 발명의 목적에 합치되도록 제작되어 가동되었다. 또한 라이저 체적 감소 및 주조 생산성 증가의 예를 도 15에서 볼 수 있다.

먼저, 도 1을 참고하면 주형(28) 내의 액체 금속(12)에 대해 전기 아크(16)를 인가함으로써 주조물 내에 전류 플럭스(5)의 분배를 일으키는 전기 아크 전극(14)의 상세도가 도시된다. 이것은 주조를 실행하는 기본적 원리이다.

도 2에는 도 1을 참고하여 설명하고자 하는 방법을 이용하여 금속 주조물(12)을 제조하는 장치(10)가 제시된다. 상기 장치(10)는 도 10 내지 도 14를 참고하여 설명하는 바와 같이, 공극이 거의 없거나 전혀 없는 금속 주조물을 제조하며, 개재물, 공극률 및 그레인 사이즈를 감소시키고 균질성을 향상시킨다.

장치(10)는 전력이 공급되면 주조되는 액체 금속(12)의 상측 표면(18) 위에 이동형 전기 아크(16)를 형성하는 전기 아크 전극(14)을 지지한다.

스탠드(20)와 암(arm)(22)이 주입 후 또는 주입 도중에 상측 표면(18) 위에 상기 전극(14)을 매단다. 암(22)은 전극(14)이 금속 표면(18) 위에 위치할 수 있도록 높이 조절이 가능하다.

도 3에서 더욱 잘 볼 수 있는 전기 아크(16)를 포함하는 전기 회로(30)를 완결시키기 위해, 주조용으로 사용되는 주형(28)의 금속 표면(26)에 제2 전극(24)이 부착된다. 주형(28)은 수냉될 수 있다.

전류 및 아크 운동을 제어하는 데 사용되는 전자 제어부(32)는 장치(10)와 파워 서플라이(34) 사이에 접속된다.

파워 서플라이(34)는 DC 전류를 발생하며(AC 전류, RF 안정기 등도 적합함), 포지티브 단자로는 전극(14)에 접속되고 네거티브 단자로는 주형(28)의 금속 부분(26)에 접속되는 것이 바람직하다.

도면의 나머지 부분에 관해서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 식별하는 데 사용되었다.

도 3b를 참고하면, 선택적으로 전극(14)에 인접하여 전기 코일(44)을 포함할 수 있는 전기 아크 주조 장치(42)의 상세도가 제시된다. 코일(44)에 전력이 공급되면, 주조물(12)의 표면(18) 전면에 걸쳐 회전 운동하는 전기 아크(16)의 반경 방향 운동을 증가시켜 전기 아크(16)의 속도를 증가시킨다.

도 4는 도 2에 나타낸 주형(28) 내에 청결한 금속 주조물을 제조하기 위한 주조 장치(46)의 상세도를 예시한다. 전극(50)은 중공형이며, 가스 공급관(52)을 충분히 수납하는 크기를 갖는다. 튜브(54) 및 도 2에 나타낸 제어부(32)가 전극(50)의 중공부를 통해 주조되는 잉곳(48)의 상측 표면(36) 위로 아르곤과 같은 불활성 가스의 흐름을 인도한다. 가스 분사(56)는 금속 표면이 산화 반응 및 질소 픽업(pick-up)되는 것을 방지하며, 상측 표면(36)으로부터 주조 분말(58)과 같은 비금속 불순물을 제거하는 역할을 한다.

바람직하게는 세라믹 재료로 만들어지고 잉곳(48)의 상측 표면(36) 상에 배치되는 내화성 보호링(guard ring)(60)이 설치되는 것이 유리하다. 상기 보호링(60)은 주조 분말과 같은 비금속 불순물을 상측 표면(36)으로부터 지속적으로 제거한다.

도 5를 참고하면, 연속 주조 장치(62)의 상세도가 예시된다. 중공형 전극(64)은 그 위에 있는 턴디쉬(70)로부터 금속(68)을 수용하여 주형(72) 속으로 금속(68)을 주입하는 주조 노즐(66)이 관통하여 삽입될 수 있도록 충분한 크기를 갖는다. 선택적으로, 주형(72)의 최소한 일부분은 금속이며 도 1에서와 같은 전기아크를 주조물(76)의 중심을 향해 자기적으로 힘을 가하는 전기 회로(74)의 구성 요소로서 기능한다.

도면에는 2개의 전기 회로(30, 74)가 도시되어 있다. 내측 고출력 회로(30)는 전기 아크(16)를 형성하는 전력을 제공한다. 외측 저출력 회로(74)는 턴디쉬(70)를 주형에 접속시키며 전기 아크의 제어를 안정화하고 아크를 주형(72)의 중심 방향으로 인도하기 위한 것이다.

도 6은 복수의 전극(14)이 설치된 이동형 아크 주조 장치(78)를 도시한다. 각각의 전극(14)은 대형 사형 주조물 또는 영구 주형 주조물(80)의 라이저, 예를 들면 실린더 헤드 중 하나의 상부에 배치된다. 각각의 전극(14)은 개별적 모터(82) 및 전기 회로(30)를 가지며, 전력을 공급하여 그것이 위치한 라이저 상부의 자체 이동형 전기 아크를 생성할 수 있다. 전기 아크에 의해 라이저를 통한 유동이 크게 촉진되기 때문에 종래의 주조에 비해 수가 더 적고 크기가 더 작은 라이저를 사용할 수 있다. 이 주제는 라이저를 볼 수 있는 도 15에서 추가로 예시될 것이다.

도 1 내지 도 4는 전기 아크(16)를 이용하여 금속 주조물 내의 공극, 개재물, 공극률 및 그레인 사이즈를 감소시키고 균질성을 향상시키는 방법을 예시하는 것으로서 참조된다.

상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.

단계 A. 전기 전도성 부재(26)를 갖는 주형(28) 속으로 철 또는 비철 액체 금속을 주입한다.

단계 B. 전기 아크 전극(14)을 준비하여 용융 금속의 상측 표면 약간 상부, 일반적으로 2-20 mm 상부에 위치시킨다.

단계 C. 전극(14)과 액체 금속(18)의 상측 표면 사이에 아크를 형성하도록 전극(14)에 전류를 인가한다. 본 발명의 바람직한 방법에서 전류는 DC이다. 아크는 전극(14)의 하측면(85)에서 연속적으로 이동함으로써 액상 금속을 교반하고, 덴드라이트(도 9)가 존재할 경우 이를 분쇄하며, 냉각 수축으로 인한 주조물 내에 형성되는 공극을 메우도록 금속의 중앙 용융 풀을 유지시킨다. 아크를 작동시켜 얻어지는 전류는 도 1에 화살표 5로 도시되어 있다. 이러한 교반에 의해 강한 와류(vortex)가 생성되고, 이 와류에 의해 기포와 저밀도 개재물이 주조물 표면에 도달하게 된다.

도 7은 흑연 재질의 중공 전극(88) 내부에 윤곽(contour)의 접선방향으로 배치된 2개의 아르곤 가스관(86)을 포함하며 전기 아크(16)를 연속적으로 회전시키는전극 장치(84)를 도시한다. 수직형 아르곤 분사(90)는 아크(16)를 연속적으로 회전시키며, 부가적으로 산화 반응 및 질소 픽업을 방지하고 앞에서 언급한 바와 같이 주조 분말 등의 비금속 물질을 제거한다.

도 8은 예를 들면 기다란 주형(97) 상에 기다란 개방형 아크 경로가 필요할 경우에 전기 아크를 단일 방향으로 연속적으로 이동시키는 나이프 형상의 전극(92)을 예시한다. 상기 장치는 한 세트의 말굽형 강자성 코어(94, 나이프 형상의 전극(96) 및 한 세트의 코일(98)을 포함한다. 전극(96)에 전류가 인가되면 아크(16)가 촉발(ignite)되고, 이어서 아크는 코일(98) 및 강자성 코어(94)에 의해 생성되는 자장에 의해 촉발 지점(93)으로부터 전극의 타단(103)으로 이동하도록 구동된다. 아크(16)를 촉발하려면 전극 에지(93)와 용융 금속(95)의 표면 사이에 작은 틈을 만들어야 한다. 아크(16)의 촉발은 전극(96), 금속(95) 및 자석을 파워 서플라이(34)에 접속시키는 전기 회로(101)에 연결된 발진기(99)의 도움으로 이루어진다. 단부(93)에서 발생된 아크는 전극 동작 표면을 따라 지점(103)을 향해 고속으로 이동한다. 지점(103)에서 아크는 소멸되고 동시에 발진기는 지점(93)에서 또 하나의 아크를 촉발시킨다.

다시 도 1, 도 4 및 도 5를 참조하여, 주조 분말(58)의 이용을 포함하는 금속 주형(28, 72)에 대한 주조 방법(연속 주조와 함께)을 설명한다. 주조 분말은 산화물 및 탄소를 함유하며, 금속 주입이 진행되는 동안 주형(28) 속으로 유입된다. 상기 분말은 금속이 산화되는 것을 방지하고 주형 벽과 잉곳(48) 사이에서 윤활제 역할을 한다.

단계 A. 액체 금속(48 또는 76)을 주형(28 또는 72) 속으로 주입한다.

단계 B. 아르곤과 같은 불활성 가스를 분사시킴으로써 주조되는 잉곳에서의 액체 금속 상측 표면(36)으로부터 주조 분말을 제거한다. 주조물이 아직 부분적으로 액체인 동안 주조물을 산화 반응 및 질소 픽업으로부터 보호하도록 주조가 완결될 때까지 불활성 가스의 흐름을 지속시키는 것이 바람직하다.

단계 C. 주조물의 상측 표면(36) 상에 내화성 보호링(60)을 설치하여 주조 분말의 복귀를 방지한다.

단계 D. 전기 아크 전극(50)을 준비하여 용융 금속의 상측 표면(36)보다 약간 상부에 위치시킨다.

단계 E. 전극(50)과 상측 표면(36) 사이에 전기 아크(16)를 형성하도록 전극(50)에 전류를 인가하여, 액체 금속(48)을 교반하고, 거친 덴드라이트가 존재할 경우 이를 분쇄하고, 가스를 포함하는 저밀도 불순물이 상측 표면에 도달하도록하며, 냉각 수축으로 인해 주조물 내에 형성되는 공극을 메우기 위한 금속의 중앙 용융 풀을 유지시킨다.

단계 F. 전기 아크(16)를 상측 표면 위로 연속적으로 이동시킨다. 그러한 이동은 정확하게 형성된 전극(50)을 이용하여 자동적으로 이루어진다.

도 6을 참고하면, 복수의 라이저를 통해 금속이 공급되는 대형 사형 주조물(80)을 제조하기 위해 다음과 같은 주조 방법이 사용된다.

단계 A. 주형(80) 내부에 액체 금속을 주조한다.

단계 B. 복수의 간격을 두고 떨어진 전기 아크 전극(14)을 준비하고 라이저각각의 상측 표면보다 약간 상부에 각각의 전극(14)을 위치시킨다.

단계 C. 전극과 액체 금속의 상측 표면 사이에 이동하는 플라스마를 형성하도록 전극(14)에 전류를 인가한다.

도 9를 참고하면, 예시를 위해 매우 큰 스케일로 나타낸 덴드라이트(104)의 형성 공정에 있는 2개의 주조물(100, 102)의 응고 과정이 도시되어 있다. 도면은 주형(110)의 벽(106)과 저면(108)에 인접한 응고 및 주형의 중앙 부위에 남아 있는 용융 금속(112)을 나타낸다. 왼쪽에 나타낸 주형(110a)은 주형 벽(106)에서 시작하여 덴드라이트(104)에서 끝나는 넓은 칼럼형 성장 구역(114a)을 갖는 종래의 주조물을 수용한다. 오른쪽에 나타낸 주형(110b)은 본 발명의 방법으로 제조된 주조물(102)을 수용한다. 주형 벽(106)에서 시작하여 떨어져 나간 덴드라이트(116)에서 끝나며, 가지형(branch) 세그먼트(118)가 새로운 작은 결정을 형성하는 좁은 칼럼형 성장 구역(114b)을 볼 수 있다. 덴드라이트 가지들은 이동하는 아크 플라스마의 교반 작용에 의해 파괴되었으며, 새로운 작은 결정화 중심부를 형성하는 역할을 한다.

도 10은 2개의 10톤 공구(tool) 강괴(steel ingot)의 미세구조를 나타낸다. 시료는 잉곳의 중심 위치로부터 잉곳 각각의 정상 부근, 중간 및 저면에서 절취했다. 도면은 50배의 배율로 나타낸 에칭부이다. 좌측에는 종래의 주조 잉곳으로부터 촬영된 에칭부의 사진(120, 122, 124)으로서, 거친 그레인 구조 및 불량한 균질성을 나타낸다. 우측에는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주조 잉곳으로부터 촬영된 에칭부의 사진(126, 128, 130)으로서, 미세한 그레인 구조 및 향상된 균질성을나타낸다.

도 11은 2개의 10 kg AlSi10Mg 잉곳의 미세구조를 나타낸다. 시료는 잉곳의 정상 부근 위치에서 절취했다. 도면은 125배의 배율로 나타낸 에칭부이다. 좌측에는 종래의 주조 잉곳으로부터 촬영된 에칭부의 사진(132, 134, 136)으로서, 거친 그레인 구조 및 불량한 균질성을 나타낸다. 우측에는 본 발명의 방법에 의해 제조된 주조 잉곳으로부터 촬영된 에칭부의 사진(138, 140, 142)으로서, 미세한 그레인 구조 및 향상된 균질성을 나타낸다.

도 12는 길이(144, 146, 148) 및 반경에 관한 3개 위치에서 측정되어 각각의 바(bar)에 대해 9개의 측정값을 얻은 2개의 공구강 바의 오스테나이트(austenite) 그레인 사이즈를 나타내는 그래프이다. 오스테나이트, 즉 감마철(gamma iron)은 철 중에 탄소가 고용(固溶)되어 있는 것으로서, 열처리하고자 하는 모든 강에서 그의 그레인 사이즈가 중요하다. 정사각형을 잇는 그래프 선은 종래의 주조 잉곳으로 만들어진 강의 바를 나타낸다. 원형 점을 연결한 선은 본 발명의 방법에 의해 처리된 잉곳을 나타낸다. 결과는 모든 위치에서 그레인 사이즈가 감소되는 것을 나타내며, 그 개선 범위는 잉곳의 저면 중앙에서 무시할 수준으로부터 중앙 정상부에서 7배의 향상까지 달한다.

도 13에서는 도 14에 예시하는 2개의 1.6톤 강괴의 경도(hardness)에 관한 비교 그래프를 나타낸다. 경도는 측면(150) 및 축 방향 구역(152)에서, 각각의 잉곳에 대해 잉곳 저면으로부터 6개 높이에서 측정되었다. 도 11에서와 마찬가지로, 정사각형을 잇는 그래프 선은 종래의 주조물로 만들어진 잉곳을 나타내고, 원형 점을 연결한 선은 본 발명의 방법에 의해 처리된 잉곳을 나타낸다. 종래 방식으로 주조된 잉곳은 본 발명의 방법에 의해 제조된 잉곳보다 훨씬 큰 변동을 나타낸다.

도 14를 참고하면, 이미 도 13에서 참조한 2개의 1.6톤 강괴(154, 156)의 사진으로서, 그 중심을 통하여 축방향으로 절단되고 폴리싱된 후의 사진이다. 종래 방식으로 주조된 잉곳(154)은 수축 기포로 인한 실질적 공극(158)을 나타낸다. 본 발명의 방법에 따라 주조된 잉곳(156)에는 분명히 나타난 공극이 없다.

도 15a는 각각의 외부 치수가 약 800×650 mm이고 벽 두께가 50 mm 내지 75 mm인 2개의 강제 사형 주조물(160, 162)을 나타낸다. 주조물(160, 162)의 중량은 각각 310 kg이었고, 각각 단일 라이저(164, 166)를 통해 주조되었다. 좌측의 주조물(160)은 종래의 방법으로 제조되었고, 폐기되는 라이저(164)의 중량은 140 kg이었다. 우측의 주조물(162)은 본 발명의 방법을 이용하여 제조된 것으로, 폐기 시의 중량이 26 kg에 불과한 라이저(166)를 사용할 수 있었다.

도 15b는 2개의 알루미늄 실린더 헤드 사형 주조물(168, 170)을 나타낸다. 그 주조물들은 각각 10개의 라이저(172, 174)를 갖는다. 주조물(168)은 종래의 방법 및 전체 크기의 라이저에 의해 주조된 반면, 주조물(170)은 본 발명의 방법을 적용하여 주조된 것으로, 각각의 라이저에 작용하는 도 6에 제시된 장치(78)를 이용하였다. 라이저 질량은 73% 감소되었다.

이상 설명한 본 발명의 범위는 후속하는 청구의 범위가 의미하는 것에 포함되는 모든 실시예를 포함하도록 의도된다. 전술한 실시예는 본 발명의 유용한 형태를 예시하는 것이며, 본 발명의 부가적 변경 및 변형이 후속하는 청구의 범위가의미하는 것을 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 당업자는 용이하게 알 것이기 때문에 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다.

Claims (19)

1. 주조 금속과 합금의 품질 및 주조 수율을 향상시키기 위한 방법으로서,

   a) 용융 금속을 주형에 주입하는 동안 또는 주입한 후에, 전기 아크 전극을 준비하여 상기 용융 금속의 상측 표면보다 약간 상부에 위치시키는 단계; 및

   b) 상기 전극에 전류를 인가함으로써 상기 용융 금속이 응고되는 동안 상기 용융 금속의 상기 상측 표면 전면에 걸쳐 이동형 아크(moving arc)를 작동시키는 단계

   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 용융 금속을 교반하여 개재물(inclusion), 공극률(porosity), 수축 기포(blowhole) 및 그레인 사이즈(grain size)의 감소, 그리고 상기 주조 금속 및 합금 내 균질성의 향상 중 일부 또는 모두를 달성하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   사형 주조물(sand casting) 및 영구 주형 주조물(mold casting)에서 라이저(riser)의 사이즈 및/또는 수를 줄이는 방법.
4. 제1항에 있어서,

   금속 잉곳 주조를 위하여

   a) 상기 용융 금속을 주형에 주입하는 단계;

   b) 전기 아크 전극을 준비하여 상기 용융 금속의 상기 상측 표면보다 약간 상부에 위치시키는 단계;

   c) 상기 전극과 상기 상측 표면 사이에 아크를 형성하도록 상기 전극에 전류를 인가하는 단계; 및

   d) 상기 전기 아크를 상기 용융 금속의 상기 상측 표면 전면에 걸쳐 이동시키는 단계

   를 포함하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   주조 분말(casting powder)의 이용을 포함하는 금속 잉곳 주조를 위하여

   a) 상기 용융 금속을 주형에 주입하는 단계;

   b) 주조되는 잉곳의 상측 표면으로부터 주조 분말을 제거하는 단계;

   c) 상기 전극의 작동 영역을 둘러싸도록 상기 용융 금속의 상기 상측 표면 상에 내화성 보호링(guard ring)을 설치함으로써 상기 주조 분말의 복귀를 방지하는 단계;

   d) 전기 아크 전극을 준비하여 상기 용융 금속의 상기 상측 표면보다 약간 상부에 위치시키는 단계;

   e) 상기 전극과 상기 용융 금속의 상기 상측 표면 사이에 아크를 형성하도록상기 전극에 전류를 인가하는 단계; 및

   f) 상기 전기 아크를 상기 용융 금속의 상기 상측 표면 전면에 걸쳐 이동시키는 단계

   를 포함하는 방법.
6. 제1항에 있어서,

   연속식 및 반연속식 주조를 위하여

   a) 상기 용융 금속을 턴디쉬(tundish)에 주입하고, 상기 턴디쉬로부터 주조물, 슬래브(slab), 빌릿(billet) 또는 블룸(bloom)용 상기 주형에 상기 금속을 연속적으로 주입하는 단계;

   b) 전기 아크 전극을 준비하여 상기 용융 금속의 상기 상측 표면보다 약간 상부에 위치시키는 단계;

   c) 상기 전극과 상기 상측 표면 사이에 아크를 형성하도록 상기 전극에 전류를 인가하는 단계; 및

   d) 상기 전기 아크를 상기 상측 표면 전면에 걸쳐 이동시키는 단계

   를 포함하는 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 턴디쉬와 상기 주형 사이에 제2 전기 회로가 제공되는 방법.
8. 제1항에 있어서,

   주조 분발의 이용을 포함하는 연속식 및 반연속식 주조를 위하여

   a) 상기 용융 금속을 턴디쉬에 주입하고, 상기 턴디쉬로부터 주조물, 슬래브, 빌릿 또는 블룸용 상기 주형에 상기 용융 금속을 연속적으로 주입하는 단계;

   b) 전기 아크 전극을 준비하여 상기 용융 금속의 상기 상측 표면보다 약간 상부에 위치시키는 단계;

   c) 주조되는 상기 용융 금속의 상기 상측 표면으로부터 주조 분말을 제거하는 단계;

   d) 상기 전극의 작동 영역을 둘러싸도록 상기 용융 금속의 상기 상측 표면 상에 내화성 보호링을 설치함으로써 상기 주조 분말의 복귀를 방지하는 단계;

   e) 상기 전극과 상기 상측 표면 사이에 아크를 형성하도록 상기 전극에 전류를 인가하는 단계; 및

   f) 상기 전기 아크를 상기 상측 표면 전면에 걸쳐 이동시키는 단계

   를 포함하는 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 턴디쉬와 상기 주형 사이에 제2 전기 회로가 제공되는 방법.
10. 제1항 또는 제3항에 있어서,

    복수의 라이저를 갖는 사형 주조물 또는 영구 주형 주조물을 위하여

    a) 용융 금속을 주형에 주입하는 단계;

    b) 복수의 전기 아크 전극을 준비하여 선택된 상기 라이저의 상기 상측 표면보다 약간 상부에 위치시키는 단계; 및

    c) 상기 전극과 상기 액체 금속의 상기 상측 표면 사이에 이동형 아크를 형성하도록 상기 전극에 전류를 인가하는 단계

    를 포함하는 방법.
11. 제1항에 있어서,

    잉곳, 블룸 또는 슬래브와 같은 하나의 대형 주조물 전면에 걸쳐 다중 아크를 작동시키기 위하여

    a) 액체 금속을 주형에 주입하는 단계;

    b) 복수의 전기 아크 전극을 준비하여 바람직한 위치에서 상기 주조물의 상기 상측 표면보다 약간 상부에 상기 전극을 위치시키는 단계; 및

    c) 상기 전극과 상기 액체 금속의 상기 상측 표면 사이에 이동형 아크를 형성하도록 상기 전극에 전류를 인가하는 단계

    를 포함하는 방법.
12. 응고되는 동안 용융 금속 및 합금 상부에 이동형 전기 아크를 작동시키기 위한 장치로서,

    a) 주조되는 금속 주조물의 상측 표면 전면에 걸쳐 이동형 전기 아크를 형성하기 위한 최소한 하나의 전극;

    b) 상기 용융 금속의 주입 후 또는 주입 도중에 상기 금속 주조물의 상기 상측 표면 상부에 상기 전기 아크 전극을 매달기 위한 스탠드;

    c) 상기 용융 금속으로 이루어지며, 상기 전기 아크를 포함하는 전기 회로를 완성하기 위한 제2 전극; 및

    d) 상기 장치 사이에 접속되며, 상기 전기 아크 및 상기 프로세스의 파라미터를 모니터하기 위한 제어부

    를 포함하는 장치.
13. 회전형 전기 아크를 발생하기 위해 제12항의 장치와 함께 사용되는 중공형(hollow) 전기 아크 전극으로서,

    상기 전극은 흑연 등으로 만들어지고, 불활성 가스의 흐름을 자신의 내부 표면으로 도입하기 위한 하나 또는 복수의 입구(entry)를 가지되, 상기 입구는 상기 가스 흐름이 상기 전극의 윤곽(contour)에 대해 접선 방향으로 들어갈 수 있도록 배치되는

    전기 아크 전극.
14. 한 방향으로 연속해서 이동형 아크를 발생하기 위해 제12항의 장치와 함께 사용되는 기다란 전극으로서,

    상기 전극은 나이프(knife) 형상을 가지며 강한 아크의 운동(motion)을 일으키는 자장을 생성하는 코일의 시스템을 구비하며, 상기 아크는 상기 자장에 의해 상기 전극의 일단에서 촉발되어 타단으로 이동되고 이어서 새로운 아크가 촉발되는

    전극.
15. 제12항에 있어서,

    상기 전극에 인접한 최소한 하나의 전기 코일을 추가로 포함하고, 상기 전기 코일은 전력을 공급받으면 상기 주조물의 상기 상측 표면 전면에 걸쳐 회전 운동하는 상기 전기 아크의 속력을 증가시키는 플라스마 주조 장치.
16. 제12항에 있어서,

    상기 주조물은 금속 잉곳, 블룸, 슬래브 또는 빌릿이고, 상기 전극은 중공형이며, 상기 장치는 산화 반응으로부터 보호 분위기를 제공하고 상기 상측 표면으로부터 주조 분말과 같은 고형 불순물을 제거하기 위해, 주조되는 상기 잉곳의 상기 상측 표면 상부로 상기 전극의 중심을 통하여 불활성 가스의 흐름을 인도하는 관(tubing) 및 제어부를 추가로 포함하는 플라스마 주조 장치.
17. 제16항에 있어서,

    상기 불순물이 상기 전극의 작동 구역에 도달하는 것을 방지하도록 슬래브, 블룸 및 빌릿을 포함하는 상기 잉곳의 상기 상측 표면에 침지될 수 있는 내화성 보호링을 추가로 포함하는 장치.
18. 제12항에 있어서,

    중공형 주조 노즐이 통과하여 삽입될 수 있도록 충분한 크기를 갖는 중공형 전극을 구비하며, 턴디쉬 및 주형이 상기 전기 아크가 상기 주조물의 중심을 향하도록 상기 전기 아크에 자기적으로 힘을 가하는 전기 회로의 구성 요소인 장치.
19. 제12항에 있어서,

    다중 전극이 제공되고, 각각의 전극은 사형 주조물 또는 영구 주형 주조물의 선택된 라이저 상부, 또는 분리된 이동형 전기 아크를 생성하기 위한 대형 주조물의 선택된 영역 상부에 배치되는 플라스마 주조 장치.