KR200337464Y1 - 비와류 금형주조장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 금형에 용탕을 탕경이 발생하지 않도록 충분히 신속하게 공급하면서도 와류(turbulent)에 의한 개재물 혼입이 발생하지 않으며, 수축공을 최소화시키기 위하여, 래들과; 상기 래들로부터 공급된 용탕이 금형으로 주입되기 전에 임시로 저장되며, 경동(tilting) 가능한 용탕저장부와; 상기 용탕저장부와 같이 경동되면서 상기 용탕 저장부로부터 용탕이 주입되는 주조용 금형;으로 이루어지는 비와류 금형주조장치를 제공한다.

Description

비와류 금형주조장치{Non-Turbulent Mold Casting M/C}

본 고안은 탕경(lap) 및 개재물(inclusion) 혼입이 없는 건전한 빌렛을 제조하기 위한 비철금속 및 그 합금의 금형주조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금형에 용탕을 탕경이 발생하지 않도록 충분히 신속하게 공급하면서도 와류(turbulent)에 의한 개재물 혼입이 발생하지 않는 비와류(non-turbulent) 금형주조장치에 관한 것이다. 특히, 개재물 혼입 및 탕경의 발생이 없고, 수축공을 최소화하기 위해 용탕의 주입량과 주입속도 및 금형경동속도의 제어를 통해 주입시간별 응고속도제어 및 유동의 와류를 방지하는데 사용되는 용탕공급시스템과 금형경동시스템 및 이들 시스템의 설치방법에 관한 것이다.

비철금속 및 그 합금의 빌렛은 압출 등의 후가공 공정을 통해 봉이나 튜브의 형태로 제조되는데, 기존의 사형주조, 정적금형주조 또는 연속주조방법에 의해 제조된 빌렛의 경우, 사형주조 및 정적금형주조에 의해 제조된 빌렛은 기공 및 개재물이 잔존하고 있어 품질이 떨어지고 수축의 발생량이 많아 생산성이 떨어지며, 연속주조방법은 초기 시설 투자비 및 운영비가 고가이고 대량생산용이라 용해량 1ton이하의 소량 다품종의 빌렛에 부적합하다는 문제점이 있다.

특히, 무게 500 ㎏ 이하, 직경 300 ㎜ 이하의 비철금속 및 그 합금의 빌렛 제조시 정적금형주조방법을 사용할 경우, 주입속도가 느리면 탕경 및 기공 등의 주조결함이 발생하고, 너무 빨리 주입할 경우 와류가 발생하여 빌렛 내부에 개재물이 혼입되는 문제 등이 발생하여 불량 발생의 주요 원인이 되고 있으며, 제품의 신뢰성 저하의 문제점이 유발되고 있다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 무게 500 ㎏ 이하, 직경 300 ㎜ 이하, 길이 700 ㎜ 이하의 비철금속 및 그 합금 빌렛에 탕경, 개재물 혼입 및 기공이 발생하지 않고, 수축공의 발생이 50 ㎜ 이하로 제어되는 생산성이 우수한 비와류(non-turbulent) 금형주조장치를 제공하는 것으로 목적으로 한다.

이를 위해, 본 고안은 전체 용해량에 따라 초기 용탕저장부에서 용탕을 보온·저장하고, 주입 단계별로 금형 경동 속도를 제어하여 용탕의 공급량과 주입속도를 제어함으로써 와류를 방지하며, 상부 발열 캡의 직경 및 길이에 따라 초기 용탕 공급량을 제한함으로써 최종 수축공 생성부를 최소화할 수 있는 비와류 금형주조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a 내지 1c는 각각 본 고안의 일실시예에 따른 비와류 금형주조장치의 주입 공정, 경동공정 및 주조 완료시를 개략적으로 보인 단면도이다.

도 2는 도 1에 보인 비와류 금형주조장치의 일례를 보여주는 사진이다.

도 3은 본 고안의 실시예 1의 고력황동 빌렛을 보여주는 사진이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

1: 래들(ladle) 2: 용탕저장부(Melt Sprue)

3: 용탕저장부 보온장치 4: 발열 캡(Hot Top)

5: 금형 경동장치 연결부 6: 주조용 금형(Metal Mold)

7: 하부 엔드 캡(Bottom End Cap) 8: 수축공(Shrinkage)

본 고안은, 래들과; 상기 래들로부터 공급된 용탕이 금형으로 주입되기 전에 임시로 저장되며, 경동(tilting) 가능한 용탕저장부와; 상기 용탕저장부와 같이 경동되면서 상기 용탕 저장부로부터 용탕이 주입되는 주조용 금형;으로 이루어지는 비와류 금형주조장치를 제공한다.

여기서, 바람직하게는 상기 용탕저장부 및 주조용 금형이 같이 경동하도록 이들이 하나의 경동장치(tilting equipment) 위에 설치할수 있는데, 이 경우 더욱바람직하게는, 상기 주조용 금형은 교체 가능하도록 별개의 연결부를 통해 상기 경동장치와 연결되어 설치될 수도 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 경동장치(tilting equipment)는 용탕저장부 쪽으로 치우치도록 상기 용탕저장부 및 주조용 금형을 같이 경동할 수 있는 경동장치인 것이 좋다.

여기서, 바람직하게는 상기 용탕저장부 및 보온장치의 온도는 작업자가 쉽게 모니터링할 수 있도록 디지털로 표시될 수 있으며, 상부 발열 캡은 주입과정에서도 형태를 그대로 유지하고 주조완료 후 쉽게 탈착되는 것이 좋다. 또한, 용탕은 상기 래들로부터 용탕저장부로 최대한 신속하게 공급되고, 용탕저장부로부터 금형에 주입되는 속도는 3단계로 구분하여 초기에는 신속하게, 중기에는 일정하게, 말기에는 느리게 제어하는 것이 좋다.

이하에서, 본 고안을 첨부 도면 및 바람직한 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 고안의 범위가 후술하는 설명에 의해 제한되지는 않으며, 본 고안의 범위는 오로지 청구의 범위에 기재된 내용에 의해 제한될 것이다.

본 고안의 핵심은 용탕저장부(Melt Sprue)에서 래들(ladle)로부터 공급된 용탕의 유동 및 온도를 안정시킨 다음 3단계로 금형경동속도를 제어하여, 래들로부터 주조 금형에 직접 주입시 래들과 주조 금형 사이의 거리차 및 공급속도의 변화에 따른 와류의 발생을 방지하고 응고 속도를 제어함으로써 탕경의 발생과 개재물 혼입이 없으며, 수축공이 최소화된 건전한 비철금속 및 그 합금의 빌렛을 제조함에 있다.

도 1은 본 고안에 따른 비철금속 및 그 합금의 빌렛 제조용 비와류 금형주조장치의 사시도이다.

도 1을 참조하여 본 고안에 따른 비와류 금형주조장치의 구성을 설명한다.

래들(1)로부터 용탕을 공급받아 일시 저장하여 유동을 안정화시킨 다음 상기 용탕을 금형(6)으로 주입하는 용탕저장부(2)에는, 용탕의 온도저하를 방지하기 위해 용탕저장부 보온장치(3)가 설치되고, 상기 용탕저장부(2)와 주조용 금형(6)사이에는 초기 용탕 공급량을 제한하고 수축공 생성량을 최소화하는 발열 캡(4)이 설치되고, 금형경동장치 연결부(5)에 의해 주조용 금형(6)이 금형경동장치에 설치·고정되며, 응고완료 후 빌렛의 취출 통로가 되는 하부 엔드 캡(7)이 착탈식으로 주조용 금형(6) 하부에 설치되어 있다.

상기 구성을 갖는 비와류 금형주조장치에서 200 ㎏ 이하의 용탕을 래들(1)로부터 용탕저장부(2)로 부어 주조작업을 수행하는 경우, 본 고안의 바람직한 일실시예에 따른 조건은 다음과 같다.

용탕의 비중을 8.3g/㎤을 기준으로 래들(1)로부터 용탕저장부(2)로 용탕저장부 및 금형을 지면과의 수평을 기준으로 -10°경동(tilting)된 상태에서 용탕을 16 ~ 50 ㎏/sec의 주입속도로 붓는데, 주입온도는 융점보다 100 ~ 150℃ 정도 높은 온도를 유지한다. 그 후, 주조를 위해 상기 용탕저장부(2) 및 금형(6)의 경동 속도는 경동각의 측면에서 볼 때 지면과의 수평을 기준으로 -10°~ 10°의 1단계, 10°~ 60°의 2단계, 60°~ 90°의 3단계로 구분하여, 주입 초기인 1단계에는 45 ~ 50 ㎏/sec의 신속한 주입속도로 2초간, 2단계는 25 ~ 35 ㎏/sec의 일정한 주입속도로 5 ~ 8초간 주입하고, 마지막 3단계는 16 ~ 20 ㎏/sec 느린 속도로 주입한다.

한편, 200 ㎏ 이상의 빌렛을 제조하는 경우 상기 2 단계 경동을 수행하면서 래들로부터 16 ~ 20 ㎏/sec의 용탕주입속도로 계속 용탕을 공급받아 금형으로 주입하고 래들로부터의 용탕 공급이 완료된 후, 상기 3단계를 수행하여 최대 500 ㎏까지의 빌렛을 제조한다.

상기 용탕저장부(2)는 반 원통형 구조로서 강재로 제작되고 강재 안쪽으로는 30 ㎜ 이상의 세라믹 울 단열층과 30 ㎜ 이상의 세라믹 내화물층으로 보온이 되도록 하고 상기 세라믹 울 단열층과 세라믹 내화물층 사이에는 전기저항 가열방식의 용탕저장부 보온장치(3)가 설치된다. 상기 용탕저장부 보온장치(3)는 700 ~ 1100℃로 온도를 유지·제어할 수 있도록 설치되는 것이 좋다.

발열캡(4)이 실린더형으로 빌렛의 외경에 따라 각각 적정한 외경과 두께의 치수를 갖도록 50 ~ 100 ㎜의 높이로 형성되는데, 발열 완료 후에는 빌렛 및 금형으로부터 쉽게 분리되어야 한다.

금형경동장치 연결부(5)는 주조형 금형(6)이 경동중에도 움직임이 없도록 밴드와 고정핀에 의해 금형경동장치에 견고하게 고정되고, 밴드의 폭은 50 ㎜ 이상,두께는 3 ㎜ 이상을 사용하며, 고정핀이 접촉하는 부분의 금형는 밴드 형태의 덧살을 붙여 금형 표면에 흠집이나 구멍 등의 손상이 발생하지 않도록 한다.

하부 엔드캡(7)은 제조된 빌렛을 취출하는 통로이므로 금형으로부터 분리가 용이해야 하고, 두께는 20 ㎜ 이상이 좋다. 취출시에는 갑작스런 빌렛의 취출로 인해 바닥과의 충돌로 빌렛이 손상되는 것을 방지하기 위해 금형을 주조 종료시의 90°에서 45°로 경동시킨 후 엔드 캡을 해체하여 빌렛을 취출하는 것이 좋다.

용탕저장부

상기 주조용 금형의 상부에 설치되어, -10°경동된 상태에서 용탕의 비중을 8.3g/㎤을 기준으로 초기 용탕 저장량이 최대 200 ㎏이 되도록 고안된 임시 용탕 저장 폿(pot)으로 정의한다. 따라서, 200 ㎏ 이상의 빌렛을 제조하고자 하는 경우 용탕저장부의 경동각을 측면에서 볼 때 지면과의 수평을 기준으로 10°까지 경동한 다음 래들(1)로부터 계속 용탕을 공급받아 최대 500 ㎏까지 금형(6)에 주입할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 용탕저장부(2)의 외부 구조는 강재로 제작되며, 강재 안쪽으로는 30 ㎜ 이상의 세라믹 울 단열층과 30 ㎜ 이상의 세라믹 내화물층으로 보온이 되도록 하고, 상기 세라믹 울 단열층과 세라믹 내화물층 사이에 보온장치(3)가 설치되어 있다.

용탕저장부(2)는 래들(1)로부터 초기 200 ㎏까지 용탕을 공급받을 때 지면과의 수평을 기준으로 -10°로 유지하고, 이후 10°까지 경동한 다음 래들(1)로부터계속 용탕을 공급받아 최대 500 ㎏까지 용탕을 금형(6)에 주입하도록 한다. 초기에 -10°로 경동하는 것은 용탕저장부의 용적을 최대한 활용하기 위해서 인데, -10°보다 더 경동하면 금형 반대방향으로 과도한 하중이 걸려 뒤집히거나 누탕의 위험이 있고, -10°보다 덜 경동하면 용적을 최대한 활용할 수 없다.

한편, 200 ㎏ 이상의 빌렛을 제조하기 위해서는 10°까지 경동한 다음 래들로부터 용탕을 공급받아 금형으로 계속 주입하는데, 이것은 -10°에서부터 10°까지 2초간 경동하는 동안 45 ~ 50 ㎏/sec의 속도로 금형에 90 ~ 100 ㎏의 용탕을 주입한 다음 래들(1)로부터 용탕저장부(2)로 공급되는 용탕량과 용탕저장부(2)로부터 금형(6)에 주입되는 용탕량의 균형을 맞추기 위함인데, 이 때 용탕저장부의 경동 각도가 너무 작은 상태에서 용탕이 공급되면 금형에의 주입속도가 감소하거나 심하게는 공급이 중단될 수 있으며, 경동 각도가 너무 큰 상태에서 용탕이 공급되면 주입속도가 급증하여 와류가 발생할 수 있고, 심하게는 누탕의 위험이 있다.

따라서, 용탕저장부(2)는 래들(1)로부터 초기 200 ㎏까지 용탕을 공급받을 때 지면과의 수평을 기준으로 -10°로 유지하고, 이후 10°까지 경동한 다음 10°~ 60°의 2단계 경동을 수행하면서 16 ~ 20 ㎏/sec의 용탕주입속도로 래들로부터 계속 용탕을 공급받아 금형으로 주입하고, 래들로부터의 용탕 공급이 완료된 후, 용탕저장부 및 금형을 60°~ 90°의 3단계 경동시켜 최대 500 ㎏까지 금형에 주입되도록 설치하였다.

용탕저장부 보온장치

상기 용탕저장부의 바닥의 세라믹 울 단열층과 세라믹 내화물층 사이에 10㎜ 두께의 흑연재 전기저항가열판이 장착된 보온장치로 정의된다. 보온장치는 빌렛 재질 및 크기에 따라 주입온도가 융점보다 100 ~ 150℃ 높게 유지되도록 700 ~ 1100 ℃로 온도를 제어할 수 있도록 설치된다. 래들로부터 공급되는 용탕의 온도가 낮거나 공급량이 적어 용탕의 온도가 급격하게 떨어지는 경우는 용탕저장부의 보온장치 온도를 융점보다 높게 1100 ℃까지 설정하고, 래들로부터 공급되는 용탕의 온도가 낮거나 공급량이 200 ㎏ 이상인 경우 융점 근처로 설정한다. 용탕저장부 보온장치의 온도가 700℃ 미만이면 용탕의 보온 효과가 떨어지고, 1100℃를 초과하면 보온장치의 수명이 짧아지고 유지비가 과도하게 된다.

따라서, 용탕저장부 보온장치는 주입온도가 융점보다 100 ~ 150℃ 높게 유지되도록 700 ~ 1100℃로 온도를 제어할 수 있도록 설치하였다.

발열 캡

상기 발열 캡은 용탕저장부의 하부에 취부되어 금형 경동 초기에 소량의 용탕이 금형에 흘러들어 가는 것을 방지하고 반응 발열을 방출하여 응고종료시 최종 응고층의 응고속도를 완화시켜 수축공 생성량을 최소화하는 실린더형 캡으로 정의한다. 발열캡의 크기는 빌렛의 외경에 따라 각각 적정한 외경과 두께의 치수를 사용하며, 높이는 50 ~ 100 ㎜이며, 발열 완료 후 빌렛 및 금형과 쉽게 분리되는 것이 좋다. 상기 발열 캡의 높이가 50 ㎜ 미만이면 발열량이 적고, 수축공이 빌렛 내부까지 발생하며, 100 ㎜를 초과하면 용탕저장부의 용적을 감소시키고 응고 완료후형태유지가 어려워진다.

따라서, 발열 캡은 높이 50 ~ 100 ㎜의 실린더형으로 응고시 반응 발열을 방출하고 응고 완료후 형태를 유지하는 것으로 설치하였다.

주조용 금형의 경동제어

상기 용탕저장부 및 주조용 금형을 -10°~ 90°까지 3단계에 의해 구분된 속도로 경동제어하는 것으로 정의한다.

용탕저장부를 래들로부터 초기 200㎏까지 용탕을 공급받을 때 지면과의 수평을 기준으로 -10°로 유지하고, 이후 90°까지 3단계의 구분된 속도로 제어하여 최대 500 ㎏까지 용탕이 금형에 와류가 발생하지 않도록 주입한다.

상기 용탕의 비중을 8.3g/㎤을 기준으로 용탕의 주입속도는 16 ~ 50 ㎏/sec이고, 상기 주입온도는 융점보다 100 ~ 150℃ 높은 온도를 유지하며, 상기 금형의 경동 속도는 경동각을 측면에서 볼 때 지면과의 수평을 기준으로 -10°~ 10°의 1단계, 10°~ 60°의 2단계, 60°~ 90°의 3단계로 구분하여, 주입 초기인 1단계에는 45 ~ 50 ㎏/sec의 신속한 주입속도로 2초간, 2단계는 25 ~ 35 ㎏/sec의 일정한 주입속도로 5 ~ 8초간 주입하고, 마지막 3단계는 16 ~ 20 ㎏/sec 느린 속도로 주입하는 것이 좋다.

이상은 200 ㎏ 이하의 빌렛을 제조하기 위한 경우이고, 200 ㎏ 이상의 빌렛을 제조하기 위하여는, 용탕저장부(2)가 래들(1)로부터 초기 200 ㎏까지 용탕을 공급받을 때 지면과의 수평을 기준으로 -10°로 유지하고, 이후 10°까지 경동하여상기 1단계를 수행한 다음, 상기 2 단계 경동을 수행하면서 16 ~ 20 ㎏/sec의 용탕주입속도로 래들로부터 계속 용탕을 공급받아 금형으로 주입하고, 래들로부터의 용탕 공급이 완료된 후, 용탕저장부 및 금형을 60°~ 90°의 3단계 경동시켜 최대 500 ㎏까지 빌렛을 제조할 수 있다.

특히, 1단계에서 주입속도가 50 ㎏/sec 이상이면 와류가 발생하고, 45 ㎏/sec이하이면 초기 응고부에 탕경이 발생하므로 주입 초기인 1단계에는 45 ~ 50 ㎏/sec의 속도로 주입되도록 경동속도를 제어한다.

따라서, 금형경동속도는 1단계에서는 2초 동안 10°/sec의 속도로 경동하고, 2단계에서는 5 ~ 8초 동안 6 ~ 10°/sec의 속도로 경동하며, 3단계에서는 나머지 시간동안 3 ~ 5°/sec의 속도로 경동하도록 제어하였다.

이하, 본 고안에 따른 용탕공급시스템과 금형경동시스템의 제작이 장착된 비와류(non-turbulent) 금형주조장치에 의해 고력황동 빌렛제조의 실시예를 설명한다.

실시예

본 실시예는 비와류 금형주조장치를 제작하여 고력황동 4종 소재의 빌렛을 외경 222㎜, 길이 420㎜(실시예 1)와 외경 300㎜, 길이 410㎜(실시예 2) 가 되도록 제조하고, 이 때의 수축공 깊이를 측정하고, 표면 결함의 발생여부를 조사한 것이다.

실시예의 실험조건 및 결과

조건 및 결과실시예	빌렛 치수	수축공	결함
	외경(㎜)	길이(㎜)	용해량(㎏)	깊이(㎜)	탕경	개재물 혼입
1	고력황동 빌렛 1	222	420	158	30	없음	없음
2	고력황동 빌렛 2	300	410	270	41	없음	없음

도 2에 보인 바와 같은 비와류 금형주조장치에서 고력황동 빌렛 1은 용해량이 158㎏으로 래들로부터 158㎏의 용탕을 모두 공급받을 때 지면과의 수평을 기준으로 -10갬 유지한 다음, 경동속도는 1단계에서는 2초 동안 10°/sec의 속도로 경동하고, 2단계에서는 6초 동안 8°/sec의 속도로 경동하며, 3단계에서는 나머지 시간동안 5°/sec의 속도로 경동하도록 제어하였으며, 이때, 보온장치의 온도는 1050℃, 발열캡의 두께는 50㎜였다. 얻어진 고력황동 빌렛 사진을 도 3에 보였다.

고력황동 빌렛 2는 용해량이 270㎏으로 래들로부터 초기 200㎏의 용탕을 지면과의 수평을 기준으로 -10°로 유지하여 공급받은 다음, 2초 동안 10°/sec의 속도로 경동하고, 2단계에서는 나머지 용탕을 래들로부터 공급받으면서 5초 동안 10°/sec의 속도로 경동하며, 3단계에서는 나머지 시간동안 5°/sec의 속도로 경동하도록 제어하였으며, 이때, 보온장치의 온도는 1000℃, 발열캡의 두께는 60㎜였다.

한편, 제작된 빌렛은 육안에 의한 표면결함의 존재여부를 확인한 다음, 단면 절단을 통해 수축공의 깊이를 측정하고, 개재물의 혼입 여부를 관찰했다. 실시예 모두 와류발생에 의한 탕경 및 개재물의 혼입은 없었으며, 수축공의 깊이는 빌렛 1의 경우 30 ㎜, 빌렛 2의 경우 41 ㎜로 모두 50 ㎜ 이하로 제어될 수 있었다.

따라서, 용탕공급시스템과 금형경동시스템의 제작이 장착된 비와류(non-turbulent) 금형주조장치를 사용할 경우, 상기와 같이 와류의 발생의 억제가 가능하며, 표면결함이 없고, 수축공의 깊이가 50 ㎜ 이하인 건전한 고력황동 빌렛의 제작이 가능했다.

이상과 같이, 본 고안의 비와류 금형주조장치에 따르면, 3단계로 구분된 용탕 공급속도의 제어를 통해, 탕경 및 개재물 혼입 등의 결함이 없고, 수축공의 깊이가 50㎜ 이하인 건전한 고력황동 빌렛을 제작할 수 있어서 불량 저감 및 생산성 향상이 기대된다.

Claims (5)

1. 래들과; 상기 래들로부터 공급된 용탕이 금형으로 주입되기 전에 임시로 저장되며, 경동(tilting) 가능한 용탕저장부와; 상기 용탕저장부와 같이 경동되면서 상기 용탕 저장부로부터 용탕이 주입되는 주조용 금형;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비와류 금형주조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 용탕저장부 및 주조용 금형이 같이 경동하도록 이들이 하나의 경동장치(tilting equipment) 위에 설치된 것을 특징으로 하는 비와류 금형주조장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 주조용 금형은 교체 가능하도록 별개의 연결부를 통해 상기 경동장치와 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 비와류 금형주조장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 경동장치는, 용탕저장부 쪽으로 치우치도록 상기 용탕저장부 및 주조용 금형을 같이 경동할 수 있는 경동장치인 것을 특징으로 하는 비와류 금형주조장치.
5. 삭제