KR20070122240A - 주철 파이프의 원심분리형 캐스팅 몰드 보호용습식-스프레이 제품과 조합되는 건식-스프레이 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 습식-스프레이층 상에 건식 적용되는 주철 파이프의 원심분리형 캐스팅 몰드 보호를 위한 분말 제품에 관한 것으로서, CaSi 합금을 제외한 건식-스프레이 제품의 통상적인 구성성분 및 몰드에서 제거될 때 영구 몰드에 초기 적용된 제1층이 파이프에 확실히 부착되게 하는 습식-스프레이 첨가제를 포함한다. 상기 첨가제는 알칼리 카보네이트 또는 알칼리 실리케이트일 수 있으며, 예를 들면 Na₂O에 대한 SiO₂의 중량함량비율이 1 내지 3인 소듐실리케이트, 또는 무수 소듐메타실리케이트 및 모든 비율의 하나 이상의 상기 물질들의 혼합물일 수 있다.

주철 파이프, 원심분리형 캐스팅 몰드, 알칼리 금속 카보네이트, 무수 소듐메타실리케이트

Description

주철 파이프의 원심분리형 캐스팅 몰드 보호용 습식-스프레이 제품과 조합되는 건식-스프레이 제품{Dry-spray products for protecting centrifugal casting molds of cast iron pipes in association with a wet-spray product}

본 발명은 주철 파이프의 원심분리형 캐스팅을 위해 사용되는 몰드를 보호하기 위한, 습식-스프레이 타입의 서브레이어 제품과 조합된 건식-스프레이 타입의 분말 형태의 제품에 관한 것이다; 사용되는 캐스팅 몰드는 통상 "쉘"로 지칭된다.

따로 지시하지 않는 한, 화학적 조성과 관련된 모든 값은 중량%이다.

주철 파이프용 원심분리형 캐스팅 쉘을 보호하기 위해 사용되는 코팅물질은 분말형태의 접종물(inoculants)과 내화물(refractories), 및 실리카와 벤토나이트의 혼합물로 구성될 수 있으며, 이들은 수성 현탁액을 스프레이함으로써 코팅된다. 이러한 코팅은 예를 들어 미국특허 제4,058,153호(Pont-A-Mousson)에 개시되어 있으며, 습식-스프레이 코팅으로 알려져 있다.

또한 철이 캐스팅되기 전에 분말을 건조상태로 쉘상에 스프레이할 수도 있으며, 이러한 분말은 건식-스프레이 분말로 지칭된다.

통상적으로 400 mm 이상의 직경을 갖는 파이프의 경우, 상기 두가지 형태의 제품을 조합하여 사용한다. 즉;

- 실리카 및 벤토나이트 혼합물로 구성되고, 뜨거운 쉘에 스프레이되는 즉시 신속하게 건조되는 습식-스프레이 타입의 제1층; 및

- 철이 캐스팅되기 전에 상기 제1층에 스프레이되는 건식-스프레이 타입의 제2층.

이들을 증착하기 위해 어떤 기술이 채용되던 간에, 이들 제품은 수개의 목적, 특히 하기의 목적을 위해 사용된다:

- 몰드-방출효과를 얻기 위하여, 즉 고화 후 몰드로부터 파이프를 보다 쉽게 제거하기 위하여;

- 열적 장애물 효과를 얻기 위하여, 즉 쉘의 온도 상승을 제한하여 그 수명을 연장하기 위하여;

- 안티핀홀 효과를 얻기 위하여, 즉 파이프의 표면에 핀홀이 생성되는 위험을 제한하기 위하여; 및

- 파이프의 야금학적 구조를 조절하기 위하여, 주철에 최적의 접종효과를 얻기 위하여.

철에서의 불충분한 접종은 카바이드의 형성, 냉각 및 급속한 디몰딩에 따른 상당한 정도의 수축, 고생산성의 제한 등을 초래하는 것으로 알려져 있다. 그래서 수득된 캐스팅을 바로 열처리하는 것이 요구되나, 이는 상당히 값비싸다는 것이 판명되었다.

비록 생산율의 감소를 수반할 수 있지만, 상기 최종적인 열처리를 피하기 위하여 경우에 따라 접종을 더 하거나, 반대로 생산성을 올리기 위하여 접종을 적게 하고 캐스팅에 하부 열처리를 시행하는 것이 바람직할 수 있다.

따라서 건식-스프레이 제품의 접종능은 매우 넓은 범위로 선택될 수 있으며, 반면 다른 요구되는 효과는 보다 일정한 요구조건에 종속된다.

캐스팅되는 동안 드로스(dross)가 쉘내에 형성 및 축적되어 철내로 동반되고, 따라서 파이프에 함입 결점을 형성하거나, 상기 파이프에 표면 결점을 형성시키지 않도록, 특히 습식-스프레이 제1층에 증착되는 건식-스프레이 제품은 디몰딩될 때 상기 습식-스프레이 층이 파이프에 결합된 상태로 남아 있게 할 수 있어야한다.

건식-스프레이 제품은 일반적으로 아래와 같은 물질을 포함하는 수개의 구성요소의 혼합물로 구성된다:

- 통상 제품의 30 내지 100 중량%을 구성하는 비교적 고효율의 접종물; 예를 들면, 0.1 내지 4 중량% 알루미늄, 0.1 내지 4 중량% 칼슘 및, 경우에 따라 주철에 보충적인 야금학적 효과를 나타낼 수 있는 기타 원소를 포함하는 페로-실리콘 합금(ferro-silicon alloys) 등을 사용할 수 있으며;

- 특히 안티핀홀 효과를 주는 원소 또는 합금 분말; 이들은 통상 원소주기율표 칼럼 2의 환원성 원소 또는 그 합금이며, 예를 들면 고 칼슘 함량의 산업적 실리콘-칼슘 합금, 특히 약 30% Ca을 포함하는 "CaSi"로 알려져 있는 합금; 및

- 제품의 70 중량% 까지 구성하는 실리카 등과 같은 불활성 광물(mineral) 충전제.

특히 습식-스프레이 제1층에 증착되는 건식-스프레이 제품의 경우에는 상기와 같은 혼합물은 상기 원하는 목적 중 하나가 달성될 수 없으며, 즉 디몰딩될 때 습식-스프레이 제품을 파이프에 결합된 상태로 유지시킬 수 없다.

이 목적을 위하여, 보통 건식 스프레이 제품으로서 상기 언급한 "CaSi"로 알려져 있는 합금으로 구성된 분말을 사용한다.

그러나, 이러한 타입의 분말이 실제 확실히 상기 습식-스프레이 층이 파이프에 결합된 채 남아 있게 한다 하더라도, 특히 접종 효과나 더 일반적으로 주철 파이프의 야금학적 구조의 조절에 관한 효과를 포함하는 다른 전술한 효과 측면에 있어서는 거의 만족스럽지 못하다.

본 발명은 상기한 단점을 해결하기 위하여,

- 뜨거운 쉘의 내부 표면상에 실리카 및 벤토나이트 혼합물의 수성 현탁액을 스프레이함으로써 쉘의 내부 표면에 수성-스프레이층 형태의 제1층을 생성하는 단계;

- 상기 제1층에 접종 금속 합금 또는 접종금속 합금의 혼합물, 경우에 따라 안티핀홀 효과를 갖는 환원성 원소 또는 합금 분말 및 경우에 따라 불활성 광물 충전제를 포함하는 분말제품을 건식-스프레이하는 단계;

- 주철 파이프를 원심분리 캐스팅하는 단계; 및

- 주철 파이프를 디몰딩하는 단계; 포함하는 공정에서

주철 파이프의 원심분리형 캐스팅에 사용되는 몰드 또는 쉘 보호용 분말제품으로서,

상기 분말제품은, 디몰딩시 상기 쉘상에 초기 증착된 습식-스프레이 제품이 주철파이프에 결합된 상태로 남아있도록 하는 하나 이상의 첨가제를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 분말제품을 제공한다.

바람직한 일 실시 형태에 따르면, 상기 첨가제는 알칼리 금속 카보네이트(alkali metal carbonate)이며; 다른 실시 형태에 따르면, 상기 첨가제는 알칼리 금속 실리케이트(alkali metal silicate)이다.

상기 첨가제는 또한 모든 비율의 하나 이상의 알칼리 금속 카보네이트 및/또는 하나 이상의 알칼리 금속 실리케이트 혼합물일 수 있다.

바람직하게는, 상기 알칼리 금속 실리케이트는 Na₂O 성분의 중량함량에 대하여 SiO₂ 성분의 중량함량의 비율이 1 내지 3인 소듐실리케이트이다.

다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 첨가제는 무수 소듐메타실리케이트(anhydrous sodium metasilicate)이다.

마지막으로, 바람직한 일 실시 형태에 따르면, 상기 제품에 있어 첨가제의 중량비율은 3 내지 25%이다.

주철 파이프를 위한 원심분리형 캐스팅 몰드를 보호하기 위해 건식-스프레이 제품으로서 사용되고, 실리카 및 벤토나이트 혼합물의 수성 현탁액을 뜨거운 쉘상에 스프레이함으로써 미리 수득된 습식-스프레이 제1층 상에 건식으로 스프레이되는 선행기술의 분말제품은 수많은 문제점이 있다.

특히 하기의 성분을 포함하는 쉘상에 직접적으로 건식 스프레이되는 건식-스프레이 제품의 경우에,

- 통상 제품의 30 내지 100 중량%을 구성하고 보통 0.1 내지 4 중량% 알루미늄 및 칼슘을 포함하며, 경우에 따라 주철에 보충적인 야금학적 효과를 나타낼 수 있는 기타 원소와 조합되는 페로-실리콘 합금(ferro-silicon alloys) 기초의 접종물;

- 특히 약 30% Ca을 포함하는 "CaSi" 합금과 같은 고 칼슘 함량의 실리콘 함금과 같은 안티핀홀 효과를 부여하는 환원성 원소 또는 합금 분말; 및

- 제품의 70 중량% 까지 구성하는 실리카 등과 같은 불활성 광물(mineral) 충전제,

이들은 디몰딩될 때 습식-스프레이 제품이 파이프에 결합된 상태로 유지되게 할 수 없어 쉘상에 드로스(dross)가 증착될 위험 및 함입(inclusion)이 주철에 형성될 위험이 커지게 하며, 상기 드로스가 함입 이외에도 파이프의 표면 결함을 생성한다.

불활성 광물 충전제가 과량으로 존재하는 경우에도 동일한 위험이 존재한다.

하나의 해결책은 상기 건식-스프레이 제품에 "CaSi" 합금의 함량을 거의 100%까지 증가시키는 것이다.

그러나, 이는 디몰딩될 때 습식-스프레이 제품이 파이프에 계속 결합된 채 유지해주는 효과는 상당히 개선되지만, 다른 요망되는 효과는 떨어진다. 비록 "CaSi"합금 자체가 미약하게 접종성이 있지만, 혼자서는 파이프를 이루는 주철의 금속조직 구조를 상기 기재된 혼합물만큼 조절할 수 없기 때문이다. 상기 효과를 증가시키기 위해 그 양을 늘리는 경우 상기 언급한 문제점, 즉 쉘, 특히 파이프의 벨 말단(bell end)에 해당하는 임프레션(impression)영역에 드로스를 형성하는 문제점이 생긴다. 이러한 현상은 파이프에 함입 결점 또는 파이프상의 표면 결점을 생성시키며, 파이프가 동강(scrap)나게 한다.

이러한 문제점을 경감시키기 위하여, 출원인은 복합체 효과, 즉 디몰딩될 때 습식-스프레이 제품이 파이프에 결합된 채로 유지시키는 효과 및 다른 효과, 즉 안티 핀홀효과, 접종효과 및 철의 금속구조를 조절하는 효과들을 모두 갖는 건식-스프레이 제품을 수득하기 위하여 연구를 수행하였다.

그 결과 하기와 같이 구성되는 건식-스프레이 제품을 수득할 수 있었다:

· 한편으로,

- 전술한 바와 같이 건식 스프레이 제품에 통상적으로 사용되는 조성, 비율 및 입자 크기를 갖는 하나 이상의 접종물,

- 경우에 따라, 특히 안티 핀홀 효과를 내는 Mg, Zn, Al, Ca 등과 같은 환원성 원소를 제공하는 하나 이상의 원소 또는 합금 분말, 및

- 경우에 따라, 실리카와 같은 불활성 광물 충전제로서, "CaSi"형태의 합금은 거의 또는 전혀 포함하지 않는 불활성 광물 충전제를 포함하는,

복수의 성분의 혼합물을 함유하는 통상의 건식-스프레이 타입의 분말 75 내지 97%; 및

· 다른 한편으로,

디몰딩될 때 상기 습식-스프레이 제품이 파이프에 결합된 상태로 남아있도록 하는 첨가제 3 내지 25%.

상기 첨가제는 바람직하게는 알칼리 금속 카보네이트 또는 알칼리 금속 실리케이트이며, 특히 Na₂O 성분의 중량함량에 대하여 SiO₂ 성분의 중량함량의 비율이 1 내지 3인 소듐실리케이트이거나, 또는 모든 비율의 하나 이상의 상기 첨가제의 혼합물, 즉 하나 이상의 알칼리 금속 카보네이트 및/또는 하나 이상의 알칼리 금속 실리케이트의 혼합물이며, 또는 무수 소듐메타실리케이트이며, 상기 모든 경우 그 입자 크기는 350㎛ 이하이다. 본 발명에 따른 분말 제품의 입자 크기는 580㎛ 이하, 보다 바람직하게는 250㎛ 이하이다.

습식-스프레이 제품의 결합 효과는 습식-스프레이 제품이 결합된 상태로 존재하지 않는 파이프의 외부표면의 면적 퍼센트로 특정될 수 있다. 하기 모든 예에서, 습식-스프레이 제품은 먼저 뜨거운 쉘상에 증착되었으며, 상기 습식-스프레이 제품은 건조 후, 95% 실리카(디아토마이트(diatomite)형태), 벤토나이트에 의해 제공되는 1% CaO 및 3% 알루미나를 포함하였다. 이후 쉘의 열에 의해 습식-스프레이 제품이 건조된 후, 통상적으로 건식 스프레이 제품을 증착하는데 사용되는 방법을 사용하여 상기 습식-스프레이 제품상에 건식 스프레이 제품을 증착하였다.

예 1:

대조 시험으로서, 61.1% Si, 30.4% Ca 및 1.21% Al을 포함하는 100% "CaSi" 합금으로 이루어진 건식-스프레이 제품을 사용하였으며, 상기 제품은 그 입자 크기가 63㎛ 이하가 25% 이고, 200㎛ 이하가 98%였다.

상기 제품은 만족할 만한 결과를 나타내었다: 파이프는 실질적으로 핀홀이 없었으며; 소수의 핀홀이 존재하였으나 얕았고, 기준을 만족하였다; 카바이드 함량은 8%이었으며, 파이프의 외부 표면상 35㎛ 두께의 이온 철(ferritic iron)이 존재하였다. 파이프를 디몰딩할 때, 2% 정도의 표면만이 습식-스프레이 제품이 결합된 상태로 존재하지 않았다. 그러나 벨내에 드로스가 15mm 두께의 밴드를 형성하며 농축되었다.

예 2:

하기 조성의 혼합물을 제조하였다:

-65.5% Si, 1.3% Ca 및 0.95% Al을 포함하며, 200㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 페로-실리콘 93%;

-200 내지 400㎛의 입자 크기를 갖는 Mg 금속 분말 3%; 및

-150 ㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 플루오르스파(fluorspar) 4%.

입자 크기 분석 결과 상기 혼합물은 63㎛ 이하가 28% 이고, 200㎛ 이하가 97%인 입자 크기를 나타내었다.

예 1과 동일한 조건하에서 사용한 결과, 본 제품은 하기의 결과를 나타내었다: 파이프는 실질적으로 핀홀이 없었으며; 소수의 핀홀이 존재하였으나 얕았고, 기준을 만족하였다; 카바이드 함량은 10%이었으며, 파이프의 외부 표면상 30㎛ 두께의 이온 철이 존재하였다. 이러한 결과는 만족스럽다. 벨내의 드로스 밴드의 두께는 단지 5mm였다. 그러나, 습식-스프레이 제품이 존재하지 않는 파이프의 표면 영역 퍼센트는 60%까지 상승하였다. 이로부터 종래의 통상적인 형태의 건식-스프레이 제품(예 2)은 "CaSi" 합금 단독으로 이루어진 건식-스프레이 제품과 매우 유사한 야금학적 효과를 나타냄을 명백히 확인할 수 있다; 드로스의 형성에는 그다지 영향을 받지 않으나, 파이프에 결합되어 남아 있는 습식-스프레이 제품에 관해서는 훨씬 효과가 떨어진다.

예 3:

하기 조성의 혼합물을 제조하였다:

-65.5% Si, 1.3% Ca 및 0.95% Al을 포함하며, 200㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 페로-실리콘 77%;

-200 내지 300㎛의 입자 크기를 갖는 Mg 금속 분말 3% ; 및

-350 ㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 무수 소듐메타실리케이트 20%.

입자 크기 분석 결과 상기 혼합물은 63㎛ 이하가 24% 이고, 200㎛ 이하가 95%인 입자 크기를 나타내었다.

예 1과 동일한 조건하에서 사용한 결과 본 제품은 모든 파라미터에서 만족스러운 결과를 나타내었다: 파이프는 실질적으로 핀홀이 없었으며; 소수의 핀홀이 존재하였으나 얕았고, 기준을 만족하였다; 카바이드 함량은 10%이었으며, 파이프의 외부 표면상 35㎛ 두께의 이온 철이 존재하였다. 벨내의 드로스 밴드의 두께는 단지 7mm 였다. 습식-스프레이 제품이 없는 파이프의 표면 영역 퍼센트는 3%에 불과하였다.

본 제품은 야금학적 효과는 종래의 건식-스프레이 제품(예 2)과 유사하였으나, 습식-스프레이 제품의 파이프와의 결합성의 측면에서는 우수한 효과를 나타내었으며, 드로스를 형성하는 경향이 매우 낮았다(포인트 테스트에서, "CaSi" 합금 단독으로 이루어진 건식-스프레이 제품보다는 훨씬 낮았으며, 종래 형태의 건식-스프레이 제품과는 유사하였으나, 습식-스프레이 제품의 파이프에의 결합성의 향상으로 인하여 연속적 사용 동안 실질적으로 위험이 상당히 경감되었다).

Claims (7)

1. - 뜨거운 쉘의 내부 표면상에 실리카 및 벤토나이트 혼합물의 수성 현탁액을 스프레이함으로써 쉘의 내부 표면에 수성-스프레이층 형태의 제1층을 생성하는 단계;

   - 상기 제1층에 접종 금속 합금 또는 접종 금속 합금의 혼합물, 경우에 따라 안티핀홀 효과를 갖는 환원성 원소 또는 합금의 분말 및 경우에 따라 불활성 광물 충전제를 포함하는 분말제품을 건식-스프레이하는 단계;

   - 주철 파이프를 원심분리 캐스팅하는 단계; 및

   - 주철 파이프를 디몰딩하는 단계;를 포함하는 공정에서

   주철 파이프의 원심분리형 캐스팅에 사용되는 몰드 또는 쉘 보호용 분말제품으로서,

   상기 분말제품은, 디몰딩시 상기 쉘상에 초기 증착된 습식-스프레이 제품이 주철 파이프에 결합된 상태로 남아있도록 하는 하나 이상의 첨가제를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 분말제품.
2. 제1항에 있어서,

   상기 첨가제는 알칼리 금속 카보네이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
3. 제1항에 있어서,

   상기 첨가제는 알칼리 금속 실리케이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
4. 제1항에 있어서,

   상기 첨가제는 하나 이상의 알칼리 금속 카보네이트 및/또는 하나 이상의 알칼리 금속 실리케이트의 혼합물인 것을 특징으로 하는 분말제품.
5. 제3항 또는 제4항에서,

   상기 알칼리 금속 실리케이트는 Na₂O에 대한 SiO₂의 중량 함량 비율이 1 내지 3인 소듐실리케이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 첨가제는 무수 소듐메타실리케이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제품내 첨가제의 중량비율이 3 내지 25%인 것을 특징으로 하는 분말제품.