KR20070122240A - 주철 파이프의 원심분리형 캐스팅 몰드 보호용습식-스프레이 제품과 조합되는 건식-스프레이 제품 - Google Patents
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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
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)
- - 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 공정에서주철 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.
- 제1항에 있어서,상기 첨가제는 알칼리 금속 카보네이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
- 제1항에 있어서,상기 첨가제는 알칼리 금속 실리케이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
- 제1항에 있어서,상기 첨가제는 하나 이상의 알칼리 금속 카보네이트 및/또는 하나 이상의 알칼리 금속 실리케이트의 혼합물인 것을 특징으로 하는 분말제품.
- 제3항 또는 제4항에서,상기 알칼리 금속 실리케이트는 Na2O에 대한 SiO2의 중량 함량 비율이 1 내지 3인 소듐실리케이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 첨가제는 무수 소듐메타실리케이트인 것을 특징으로 하는 분말제품.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제품내 첨가제의 중량비율이 3 내지 25%인 것을 특징으로 하는 분말제품.
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