KR20090066508A - 전자기 연속 주조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치는, 용융 금속의 주편을 연속 주조하는 몰드와, 몰드의 외곽을 둘러싸도록 형성된 코일과, 몰드의 하부에 설치된 교반 장치 및 코일의 외곽 및 몰드에서 인출되는 주편과 교반 장치 사이에 배치되어 몰드 및 주편으로 냉각수를 분사하는 냉각수 노즐부를 포함한다.

전자기 연속 주조 장치, 전자기 주조, 전자기 교반, 마그네슘

Description

전자기 연속 주조 장치{DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC CASTING}

본 발명은 전자기 연속 주조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마그네슘 및 그 합금의 주편을 표면 결함이 없이 제조할 수 있는 전자기 연속 주조 장치에 관한 것이다.

연속주조 공정은 용해된 금속을 주형에 연속으로 주입하고 응고시켜서 소성가공의 소재가 되는 잉곳(ingot)을 비교적 길게 만드는 제조 공정으로서, 보통 수냉 주형에 의하여 급속 냉각되기 때문에 제조품의 성질이 우수하고, 연속 공정이므로 산출률이 높으며, 주조 제품을 바로 단조하거나 임팩트하므로 공정 단축에 따른 소재 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.

특히, 마그네슘 합금은 경량이면서 치밀한 내부 구조로 고강도 특성을 가지며 내부 결함이 적어서 신뢰성이 요구되는 부품으로 사용이 확대되고 있다. 현재 마그네슘 압출재인 전신재나 파이프 소재는 하드 디스크용 액츄에이터, 시트 프레임, 자전거 프레임 및 림 등에 확대되고 있으며, 차후 자동차용 소재로도 적용이 확대되고 있다.

이러한 마그네슘 압출재의 우수한 특성으로 인해 그에 따른 마그네슘 빌렛 수요 확보가 요구되고 있으며 이를 위해서 마그네슘 빌렛 제조기술이 선행되어야 한다.

종래의 마그네슘 빌렛 제조기술로, 국내 특허 2006-0040054에는 마그네슘 합금 판재를 수평 연속주조하는 기술이 있으며, 국내 특허 2006-0072561에는 고주파 전자기장을 이용하여 마그네슘 빌렛 및 슬라브를 제조하는 기술이 있다. 또한, 일본 특허 2003-6530418에는 빌렛의 연속주조시 마그네슘 용탕의 연소를 방지하면서 양호한 표면 품질의 빌렛을 얻는 기술로, 용탕 발화 방지를 위해 고안된 노즐로 보호가스를 지속적으로 공급하여 마그네슘 빌렛을 주조하는 기술이 있다.

본 발명은 마그네슘 및 그 합금을 연속주조시, 전자기장과 전자기 교반 효과를 이용하여 내부 결정의 등축정률을 향상되고 표면 결함이 없는 주편을 고속으로 생산할 수 있는 전자기 연속 주조 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치는, 용융 금속의 주편을 연속 주조하는 몰드와, 몰드의 외곽을 둘러싸도록 형성된 코일과, 몰드의 하부에 설치된 교반 장치 및 코일의 외곽 및 몰드에서 인출되는 주편과 교반 장치 사이에 배치되어 몰드 및 주편으로 냉각수를 분사하는 냉각수 노즐부를 포함한다.

상기 냉각수 노즐부는 제1 냉각수 노즐 및 제2 냉각수 노즐을 포함하며, 제1 냉각수 노즐은 몰드 표면에 냉각수를 직접 분사하고, 제2 냉각수 노즐은 몰드에서 인출되는 주편에 냉각수를 직접 분사할 수 있다.

상기 냉각수 노즐부는 다수의 냉각수 노즐을 포함할 수 있다.

상기 제1 냉각수 노즐은 0~100 리터/min의 속도로 냉각수를 분사할 수 있고, 제2 냉각수 노즐은 0~200 리터/min의 속도로 냉각수를 분사할 수 있다.

상기 제1 냉각수 노즐을 통해 용융 금속을 1차로 냉각시키고, 제2 냉각수 노즐을 통해 몰드에서 인출된 주편을 2차로 냉각시킬 수 있다.

상기 교반 장치는 몰드에서 인출되는 주편의 내부에 교반력을 제공할 수 있다.

상기 코일의 전류 인가 범위는 주파수가 200Hz∼200,000Hz이고, 전류 값이 500A∼10,000A일 수 있고, 교반 장치의 전류 인가 범위는 주파수가 2Hz∼100Hz이고, 전류 값이 20A∼100A일 수 있다.

본 발명은 앞서 기재한 바와 같은 구성을 통하여 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 연속주조 주편의 표면 품질을 높이고 주조 속도를 향상시킬 수 있으며, 표면 결함이 발생하여 연속주조하기 어려운 합금을 연속주조 공정으로 생산할 수 있다.

전자기력은 주형과 접촉하는 용탕면의 곡률을 크게 하여, 용융 플럭스의 유입을 개선함과 동시에 응고셸과 주형간의 접촉압을 감소시킨다. 또한 주형 내에 냉각수 채널을 형성할 필요 없이 주형 외부에서 냉각수 분사 노즐을 사용하는 바, 냉각수 채널을 포함하는 주형의 제작상의 부담을 덜 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치(100)를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 도 1의 전자기 연속 주조 장치(100)는 전자기 연속 주조(electromagnstic casting; EMC)법을 이용하는 장치이다. 전자기 연속 주조법이란 고주파 전류에 의해 금속에 유도되는 전류에 의한 주울열(Joule heating)을 이 용하는 방법이다.

도 1을 참조하면, 전자기 연속 주조 장치(100)는 몰드(mold)(10)와, 몰드(10)의 외곽에 배치된 코일(20) 및 교반 장치(30)와, 몰드(10) 및 몰드(10)에서 인출되는 주편(61)을 냉각시키는 냉각수 노즐부(40)를 포함한다.

몰드(10)는 내부에 용융 금속인 마그네슘을 포함하는 합금 등의 금속 용탕(50)이 채워져 있으며, 용탕면을 안정하게 유지하고 주조(casting) 속도를 높이기 위해 몰드(10)의 길이 방향을 따라 가공된 슬릿(미도시)으로 분할될 수 있다.

몰드(10)을 감싸고 있는 코일(20)에 고주파 전류를 인가하면 몰드(10)에 전류가 (J)방향으로 유도되고, 이 전류에 의해 몰드(10) 내부의 용탕(50)에 자기장이 (B)방향으로 작용된다. 코일(20)에 인가하는 전류의 범위는 주파수를 200Hz∼200,000Hz으로 하며, 전류 값은 50A∼ 10,000A일 수 있다. 이와 같은 전류를 사용하는 경우, 효율적으로 주울가열 및 전자기력을 이용할 수 있어서 보다 품질이 좋은 주편(60)을 얻을 수 있다.

이 때, 용탕(50)에는 자기장과 유도 전류에 의하여 로렌쯔힘(Lorentz force)이 작용하여 (F)방향으로 전자기력이 발생된다. 전자기력은 용탕(50)의 표면에 작용하는 압력과 같은 역할을 하는데 도 1에 도시된 방향으로 전자기력이 발생됨에 따라 몰드(10)와 몰드(10) 표면에 접촉되는 용탕(50) 간의 접촉압을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 용탕 내부의 유동 형태에 거의 영향을 주지 않으면서 후술하게될 냉각수에 의해 냉각되는 몰드(10) 표면과 접촉되는 용탕(50)의 표면 형상을 제어할 수 있다. 즉, 냉각된 몰드(10) 표면과 용탕(50) 간의 접촉압이 크지 않으므 로 용탕(50)의 고상화가 지연될 수 있다.

또한, 자기장이 몰드(10)와 접촉하는 용탕(50)면의 곡률을 크게하여 몰드(10)와 용탕(50) 사이에 플럭스(flux) 유입을 개선하여 마찰을 감소시키면서 유도 전류에 의한 주울열(Joule heating)을 발생시킨다.

따라서 전자기력과 주울열이 몰드(10)와 접촉된 용탕(50)의 고상화를 지연시키는 역할을 하므로, 코일(20)이 배치된 몰드(10) 부위 내의 용탕(50)이 액상으로 유지될 수 있다.

한편, 코일(20)의 외곽에는 제1 분사 노즐(41)이 배치되어 몰드(10)로 냉각수를 분사한다. 이 냉각수에 의해 몰드(10) 표면이 서서히 냉각되어 몰드(10)의 표면과 접촉된 용탕(50)의 일부가 냉각될 수 있다. 냉각수는 일정한 속도, 예를 들어 0~100리터/min 의 속도로 몰드(10)에 분사될 수 있다.

전술한 바와 같이 몰드(10)와 접촉되는 용탕(50)이 냉각수에 의해 응고되더라도 코일(20)이 배치된 몰드(100 부위 내의 용탕(50)은 주울열에 의해 액상으로 유지되며, 코일(20)이 배치되지 않은 몰드(10) 부위, 즉 도 1에서 몰드(10) 하단 측의 용탕(50)은 몰드(10)와 접촉된 표면부터 서서히 응고되어 응고쉘(shell)(60')을 형성한다.

본 실시예와 같이 코일(20)에 의한 전자기 주조를 이용하면 용탕(50)의 일부를 가열시켜 액상으로 유지하면서 냉각수 노즐(41)을 통해 몰드(10)의 표면을 서서히 냉각시키는 수냉 방식으로 금속 합금을 연속적으로 주조할 수 있다. 이때, 몰드(10)에서 인출된 직후의 주편(61)은 그 외부는 응고되어 있으나 내부는 용융 상 태인 액상/고상 상태가 공존할 수 있다.

본 실시예에서는 몰드(10) 외부로 인출된 직후의 주편(61)에 대해 외부에서 전자기 교반력을 제공하여 주편(61) 내부를 교반시킴으로써 주편(61)의 등축정률을 향상시킨다.

도 1에 도시한 바와 같이, 몰드(10) 아래에는 주편을 둘러싸면서 교반 장치(30)가 설치된다. 이 교반 장치(30)는 전자기 교반(Electro magnstic stirrer; EMS)을 이용하는 것으로서, 유도기를 이용하여 주편(61) 내에 교반을 발생시킨다.

교반 장치(30)는 전자기력의 발생방법에 따라 교류 유도 전자 교반기, 직류 자장 교반기, 회전 자계 교반기 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 주편(61)의 둘레를 따라 수직 코일과 수평 코일을 배치하여 평면상의 자기장과 주편의 인출 방향의 자기장이 적절하게 조합되는 회전 자기장을 생성하여 주편(61) 내부를 교반시킬 수 있다. 주편(61) 내부에 교반류가 생성되면 이에 의해 응고 진행중인 결정이 파괴되고, 주편(61) 내부의 온도가 균일화되어 등축정의 결정이 발달할 수 있다.

이 코일들에 인가하는 전류의 범위는 주파수를 2Hz∼100Hz으로 하며, 전류 값은 20A∼100A일 수 있다. 전자기 교반의 좀더 상세한 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 생략한다.

한편, 교반 장치(30)와 주편(61) 사이에는 제2 냉각수 분사 노즐(42)이 배치된다. 제2 냉각수 분사 노즐(42)은 몰드(10)에서 인출되는 주편(61)에 직접 냉각수를 분사하여 이를 냉각시킨다. 이때, 냉각수는 일정한 속도, 예를 들어 0~200리터/min 의 속도로 주편(61)에 분사될 수 있다.

주편(60)은 제1 냉각수 분사 노즐(41)에서 분사되는 냉각수에 의해 1차적으로 냉각되어 몰드(10) 외부로 인출되고, 이 인출된 주편(61)은 제2 냉각수 분사 노즐(42)에서 분사되는 냉각수에 의해 2차적으로 냉각된다.

이에 따라 주편(61) 내부에 존재하는 액상의 금속이 완전하게 응고될 수 있으며, 이때 교반 장치(30)에서 제공되는 교반력에 의해 주편(61) 내에는 균일하게 응고 조직이 형성됨으로써 등축정 결정의 주편(61)을 제조할 수 있다.

더욱이 용융점이 낮은 마그네슘 및 합금을 연속주조하는 경우, 본 실시예와 같이 냉각수 노즐(40)을 몰드(10) 외곽에 배치시키는 것이 냉각수 노즐을 몰드 내부에 배치시키는 것보다 좋다. 이러한 냉각수 노즐(40)의 구조는 몰드 내부에 냉각수 노즐을 형성하는 경우에 비해 제조가 간단하며 제조 비용도 절감할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치(100)는 전술한 바와 같이 금속 합금의 등축정률을 향상시켜 주조할 수 있는데, 이하에서는 이에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 발명자는 전술한 실시예의 전자기 연속 주조 장치(실험예)(100)와 교반 장치가 설치되지 않은 전자기 연속 주조 장치(비교예)를 준비하고, 이들을 이용하여 AZ31 마그네슘 합금을 연속 주조하였다. 그리고, 주조 과정에서 몰드(10) 내의 마그네슘 용탕(50)의 부위별 온도 변화를 일정 시간 동안 측정하였다. 실험예 및 비교예의 전자기 연속 주조 장치를 이용하여 각각 3회에 걸쳐 마그네슘 합금을 주조하면서 몰드(10) 표면으로부터 10㎜, 30㎜, 50㎜에 위치하고 있는 마그네슘 용탕(50)의 온도를 각각 측정하였고, 그 결과를 도 2 및 도 3에 각각 나타내었다.

도 2를 참조하면, 실험예 1~3과 같이 전자기장과 전자기 교반을 모두 적용시켜 마그네슘 용탕(50)을 교반시킨 경우, 각각의 실험예에서 용탕은 약 2℃의 온도 변화 진폭을 보이면서 그 변화 정도가 미약한 것을 알 수 있다. 또한, 실험예 1, 실험예 2 및 실험예 3을 비교해 보아도 용탕 온도의 변화가 10℃의 범위 내에 있어 실험예가 반복되어도 용탕의 온도는 균일하게 유지되고 있음을 알 수 있다.

이에 비해 도 3을 참조하면, 비교에 1~3과 같이 용탕을 교반시키지 않는 경우, 각각의 비교예에서 용탕은 약 5℃의 온도 변화 진폭을 보이면서 그 변화 정도가 심한 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3을 비교해 보아도 용탕 온도의 변화가 20℃의 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있다.

도 4는 실험예에서 제조된 AZ31 마그네슘 합금을 연속 주조하여 얻은 주편(빌렛)의 외관 사진이다. 도 4에 도시된 바와 같이 주편 표면이 상당히 매끄러운 것을 알 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 주형은 원통형으로 제조한 경우를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 단면이 사각형 또는 직사각형 등과 같은 형태에서도 동일한 개념을 적용할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실험예에 따른 결과를 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 비교예에 따른 결과를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 결과를 나타낸 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10; 몰드 20; 코일 30; 교반 장치

40; 냉각수 노즐부 50; 용탕

Claims (9)

1. 용융 금속의 주편을 연속 주조하는 몰드(mold);

   상기 몰드의 외곽을 둘러싸도록 형성된 코일;

   상기 몰드의 하부에 설치된 교반 장치; 및

   상기 코일의 외곽 및 상기 몰드에서 인출되는 주편과 상기 교반 장치 사이에 배치되어 상기 몰드 및 상기 주편으로 냉각수를 분사하는 냉각수 노즐부

   를 포함하는 전자기 연속 주조 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 냉각수 노즐부는 제1 냉각수 노즐 및 제2 냉각수 노즐을 포함하며,

   상기 제1 냉각수 노즐은 상기 몰드 표면에 냉각수를 직접 분사하고, 상기 제2 냉각수 노즐은 상기 몰드에서 인출되는 주편에 냉각수를 직접 분사하는 전자기 연속 주조 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 냉각수 노즐부는 다수의 냉각수 노즐을 포함하는 전자기 연속 주조 장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 제1 냉각수 노즐은 0~100 리터/min의 속도로 냉각수를 분사하는 전자기 연속 주조 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 제2 냉각수 노즐은 0~200 리터/min의 속도로 냉각수를 분사하는 전자기 연속 주조 장치.
6. 제2항에 있어서,

   상기 제1 냉각수 노즐을 통해 상기 용융 금속을 1차로 냉각시키고, 상기 제2 냉각수 노즐을 통해 상기 몰드에서 인출된 주편을 2차로 냉각시키는 전자기 연속 주조 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 교반 장치는 상기 몰드에서 인출되는 주편의 내부에 교반력을 제공하는 전자기 연속 주조 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 코일의 전류 인가 범위는 주파수가 200Hz∼200,000Hz이고, 상기 전류 값이 500A∼10,000A인 전자기 연속 주조 장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 교반 장치의 전류 인가 범위는 주파수가 2Hz∼100Hz이고, 상기 전류 값이 20A∼100A인 전자기 연속 주조 장치.

Images