KR20110011363A - 대구경의 마그네슘 합금 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치 - Google Patents

Abstract

대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 제조할 수 있고, 단조 및 압출 공정의 단순화를 통해 생산성을 확보할 수 있도록, 마그네슘 합금 용탕을 응고하는 몰드와, 몰드의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일, 상기 몰드의 하부에 설치된 전자기 교반장치, 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부, 상기 몰드로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부를 포함하는 연속주조장치에 있어서, 상기 몰드를 냉각하기 위한 몰드냉각부를 더 포함하는 대구경 마그네슘 합금 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치를 제공한다.

대구경, 빌렛, 몰드, 연숙주조, 몰드냉각부, 주속제어부

Description

대구경의 마그네슘 합금 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치{DEVICE FOR MANUFACTURING MAGNESIUM ALLOY BILLET OF LARGE DIAMETER}

본 발명은 마그네슘 합금 빌렛을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 제조하기 위한 연속 주조 장치에 관한 것이다.

마그네슘 합금은 경량이면서 매우 우수한 비강도 및 비탄성계수를 가지고 있어 자동차 및 항공기용 소재로 각광받고 있다. 또한 충격흡수성, 전자파차폐능이 우수하여 휴대전화기, 노트북, 카메라 등 전자산업에도 활발히 활용되고 있다.

마그네슘 합금의 대부분은 주조법으로 제조하고 있으며 강도를 요하지 않는 부품에 부품 제조에 주로 응용된다. 마그네슘 합금을 강도가 요구되는 구조재 등의 부품에 적용하기 위해서는 내구성과 신뢰성이 뛰어난 전신재(wrought)의 개발이 요구된다.

우수한 특성을 갖는 마그네슘 전신재를 제조하기 위해서는 마그네슘 합금 빌렛 제조기술이 선행되어야 한다.

마그네슘 합금 빌렛을 주조하기 위해서는 초기 응고의 제어가 중요한 요소이 다. 마그네슘 합금은 응고잠열이 작아 주조시 초기 응고 제어가 용이하지 않아 연속공정을 적용하기 어렵다. 초기 응고 제어가 잘못되는 경우 표면 및 내부 결함을 야기하며 품질 저하의 원인이 된다.

이에 상기한 문제를 해결하기 위하여 저주파 및 고주파 전자기장을 이용하여 초기 응고를 제어하고 내부 품질을 개선하는 연속주조기술이 개발되었다.

그러나 상기 연속주조기술은 표면 및 내부 품질이 우수한 마그네슘 합금 빌렛을 제조할 수 있으나, 소구경의 빌렛을 제조할 수 있을 뿐 대구경의 빌렛은 제조하기 어려운 단점이 있다.

이에 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 제조할 수 있도록 된 연속 주조 장치를 제공한다.

또한, 단조 및 압출 공정의 단순화를 통해 생산성을 확보할 수 있도록 된 마그네슘 합금 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치를 제공한다.

이를 위해 본 장치는 마그네슘 합금 용탕을 응고하는 몰드와, 몰드의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일, 상기 몰드의 하부에 설치된 전자기 교반장치, 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부, 상기 몰드로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부를 포함하는 연속주조장치에 있어서, 상기 몰드를 냉각하기 위한 몰드냉각부를 더 포함할 수 있다.

상기 몰드냉각부는 상기 전자기 코일 상부쪽에 배치되어 몰드 상부를 냉각하는 몰드상단냉각부와, 전자기 코일 하부쪽에 배치되어 몰드 하부를 냉각하는 몰드하단냉각부를 포함한다.

이에 본 장치는 마그네슘 용탕이 전자기 코일을 거치기 전에 몰드를 일차 냉각하고 전자기 코일을 거친 후에 이차 냉각하는 이단계의 냉각 구조를 이룬다.

여기서 상기 몰드냉각부는 0 ~ 200 ℓ/min 의 용량으로 냉각수를 분사하는 구조일 수 있다.

상기 몰드는 구리 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 몰드는 마그네슘 용탕의 진행방향을 따라 상단에서 하단으로 갈수록 내경이 점차적으로 줄어드는 구조일 수 있다.

이에 마그네슘 빌렛의 응고에 따른 수축시에도 몰드와의 공극을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상기 몰드는 원통형 단면구조로 표면에는 간격을 두고 슬릿이 주조방향으로 형성된 구조일 수 있다. 또한, 상기 슬릿 내에는 운모가 삽입될 수 있다.

또한, 상기 주속제어부는 0 ~ 400mm/min 의 범위에서 마그네슘 합금 빌렛의 단면적에 반비례하여 속도를 감속하는 구조일 수 있다.

이와 같이 본 장치에 의하면, 내부 및 표면 품질의 특성을 유지하면서 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 연속주조하여 제조할 수 있게 된다.

또한, 냉각수 제어와 주조속도 제어를 통해 브레이크아웃(Breakout)이 발생 하지 않는 안정적 조업 조건을 제시함으로써 실수율의 향상을 기대할 수 있다.

또한, 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 제조할 수 있게 되어 이를 바탕으로 후가공 공정을 단순화할 수 있는 부가적인 효과를 얻게 된다.

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

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

사시도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.

도 1은 본 실시예에 따른 마그네슘 합금 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 장치(100)는 마그네슘 합금 용탕을 응고하는 몰드(10)와, 이 몰드(10)의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일(30), 상기 몰드(10)의 하부에 설치된 전자기 교반장치(40), 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부(50), 상기 몰드(10)로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부(60), 상기 몰드(10)를 냉각하기 위한 몰드냉각부(20)를 포함합니다.

본 장치(100)는 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 연속주조하기 위한 장치이다. 여기서 대구경이라 함은 마그네슘 합금 빌렛의 직경이 300mm 이상인 것을 의미한다. 본 실시예에서는 300mm의 직경을 갖는 마그네슘 합금 빌렛을 제조하기 위한 구조를 예로써 설명하도록 한다.

상기 구조의 연속주조장치(100)를 통해 마그네슘 합금 빌렛을 제조함에 있어서, 양호한 표면 품질과 내부 품질 향상을 위해 코일(30)에의 전류 인가범위는 주파수 200 ~ 200,000Hz, 코일 전류 50 ~ 10,000A를 적용하여 고주파의 영역에서 전 류를 인가한다.

또한, 전자기 교반장치(40)는 전원 주파수 범위 2 ~ 100Hz, 코일 전류 20 ~ 1000A를 적용하여 저주파의 영역에서 전류를 인가한다.

상기 주파수와 전류의 세기는 주편의 크기 또는 주조 속도에 따라 결정한다.

이에 코일(30)에 고주파 전류를 인가하면 몰드(10) 내부의 마그네슘 용탕에 유도 자장과 전류를 발생시킨다. 유도된 전류는 용탕을 가열할 뿐 아니라 자장과 작용하여 용융 금속에 전자기력을 발생시킨다. 전자기력은 몰드(10)와 접촉하는 용탕의 탕면 곡률을 크게 하고 주편과 몰드(10)간의 접촉압을 감소시킨다. 가열에 의해 용융 금속의 표면이 집중적으로 가열되고 응고 속도를 제어할 수 있어 작은 응고 잠열을 크게 하는 효과를 얻을 수 있어 응고 불균일과 급냉에 의한 결함 없이 연속주조를 할 수 있게 된다.

또한, 상기 전자기 교반장치(40)는 몰드(10) 하단쪽에 위치하여 내부 품질 제어를 위해 용탕을 교반하게 된다. 회전형 전자기 교반장치(40)로 몰드(10) 내 용탕을 원주방향으로 회전시키면 주상정 조직이 절단되어 주편 전체가 등축정 조직으로 되고 주조 조직이 미세화된 주편을 얻게 된다.

여기서 본 장치(100)는 상기 몰드냉각부(20)를 구비하여 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 연속주조할 수 있게 된다.

상기 몰드냉각부(20)는 상기 전자기 코일(30) 상부쪽에 몰드(10) 외면을 따라 배치되어 몰드(10) 상부를 냉각하는 몰드상단냉각부(22)와, 전자기 코일(30) 하부쪽에 몰드(10) 외면을 따라 배치되어 몰드(10) 하부를 냉각하는 몰드하단냉각 부(24)를 포함한다.

이에 본 장치(100)는 마그네슘 용탕이 전자기 코일(30)을 거치기 전에 몰드(10)를 일차 냉각하고 전자기 코일(30)을 거친 후에 이차 냉각하는 이단계의 냉각 구조를 이룬다. 상기와 같이 전자기 코일(30)을 기준으로 상하단에서 단계적으로 냉각을 수행하지 않는 경우 끊어짐 현상이 발생된다.

상기 몰드냉각부(20)로부터 분출되는 냉각수는 몰드(10) 외벽을 직접 냉각하게 되며, 마그네슘 용탕과는 직접 접촉되지 않는 구조로 되어 있다. 이에 마그네슘 용탕과의 접촉에 의한 발화를 방지할 수 있다.

여기서 상기 몰드냉각부(20)는 냉각수 분사 용량이 0 ~ 200ℓ/min 인 범위내에서 주조 공정 중 조절이 가능한 구조로 되어 있다.

상기 상단냉각부의 냉각수 분사용량과 상기 하단냉각부의 냉각수 분사용량의 비율은 1:3 ~ 1:5 로 설정될 수 있다. 예를 들어 몰드냉각부 전체의 냉각수 분사용량이 120ℓ/min인 경우 상단냉각부는 30ℓ/min로 냉각수를 분사하고 하단냉각부는 90ℓ/min로 냉각수를 분사한다. 상단냉각부의 냉각수 분사용량이 상기 범위를 이상인 경우 급냉에 따른 크랙이 발생하게 된다. 또한, 상기 하단냉각부의 냉각수 분사용량이 상기 범위 이하인 경우에는 냉각이 덜 이루어져 브레이크아웃 발생하게 된다.

상기 몰드냉각부(20)를 통한 냉각수 분사 용량은 마그네슘 합금 빌렛의 단면적에 비례하여 증가된다. 이때 비례상수는 본 실시예에서 1.2로 설정될 수 있다. 따라서 종래 직경 150mm 인 마그네슘 합금 빌렛 연속주조시 냉각수의 사용량이 30 ℓ/min 라면, 본 실시예와 같이 300mm 직경의 마그네슘 합금 빌렛 주조시에는 단면적에 비례상수를 곱한 값인 4.8배 증가된 냉각수 분사량이 요구된다. 이에 본 장치(100)의 몰드냉각부(20)는 144ℓ/min의 용량으로 냉각수를 분사하게 된다.

본 장치(100)의 몰드냉각부(20)는 순환식 시스템으로 사용된 냉각수를 재 이용하는 구조로 용수 사용량을 절감하도록 되어 있다. 또한 본 장치(100)는 용수 재이용에 따라 냉각수의 온도가 상승하고 이에 따른 냉각능 저하를 방지하기 위해 냉각탑 시스템을 구비한다.

또한, 본 장치(100)의 주속제어부(60)는 몰드(10) 하단에 설치되어 몰드(10)를 지나며 경화된 마그네슘 합금 주편의 하강 속도를 제어하게 된다. 본 실시예에서 본 주속제어부(60)는 주편의 하강 속도를 0 ~ 400mm/min 의 범위로 제어하게 된다. 상기 주속제어부(60)에 의한 주속은 대구경의 마그네슘 합금 빌렛 제조를 위해 마그네슘 합금 빌렛의 단면적에 비례하여 감소된다. 예를 들어, 종래 직경 150mm인 마그네슘 합금 빌렛 연속 주조시 주속의 한계속도가 200mm/min 이라면, 본 실시예와 같이 300mm 직경의 마그네슘 합금 빌렛 주조시 본 장치(100)는 단면적에 반비례하여 4배 감소시킨 50mm/min을 상한값으로 하여 주속을 제어한다. 여기서 상기 주속제어부(60)는 상기 몰드냉각부(20)에 의한 냉각수 분출량에 따라 그 주속을 조절 가능하다.

한편, 도 2와 도 3은 상기 몰드(10)의 구조를 예시하고 있다.

도시된 바와 같이 상기 몰드(10)는 원통형 단면구조로 단일 몸체로 이루어진다. 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 제조하기 위하여 상기 몰드(10)는 내경이 300mm 이상인 구조로 되어 있다. 본 실시예에서는 직경 300mm 인 마그네슘 합금 빌렛을 제조할 수 있도록 내경이 300mm인 구조로 되어 있다.

또한, 상기 몰드(10)는 마그네슘 용탕의 진행방향을 따라 상단에서 하단으로 갈수록 내경이 점차적으로 줄어드는 구조로 되어 있다. 본 실시예에서 상기 몰드(10)는 상단의 내경은 300mm 이고 하단의 내경은 297mm가 되도록 측면이 경사가공된다. 이에 마그네슘 빌렛의 응고에 따른 수축시에도 몰드(10)와의 공극을 최소화할 수 있게 된다.

상기 몰드(10)는 냉각성능을 높일 수 있도록 열전도율이 큰 재질로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 구리 재질로 이루어진다.

또한, 상기 몰드(10)의 표면에는 저주파 및 고주파 전자기장의 투과를 위해 간격을 두고 슬릿(12)이 주편 인출 방향으로 형성된다. 상기 슬릿(12)은 양 끝단이 몰드(10)의 상단과 하단에서 소정 거리 이격되어 형성된다. 상기 슬릿(12)은 몰드(10)의 외주면을 따라 간격을 두고 형성된다. 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 슬릿(12)이 22.5도 간격으로 16개가 형성된 구조로 되어 있다. 상기 슬릿(12)의 형성길이는 몰드(10)의 강성에 문제가 되지 않는 범위에서 결정될 수 있다. 본 실시예에서 상기 슬릿(12)의 폭은 0.3mm로 형성된다. 또한, 상기 슬릿(12) 내에는 냉각수가 침투하지 않도록 절연소재가 충진되어 밀봉된다. 본 실시예에서는 운모(14)가 삽입되어 몰드(10)를 밀폐하는 구조로 되어 있다.

도 4는 본 장치(100)를 통해 제조된 AZ80 마그네슘 합금 빌렛을 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 장치(100)에 의해 종래와 비교하여 직경이 두배 이상 증가한 300mm의 마그네슘 합금 빌렛의 제조가 가능함을 확인할 수 있다. 제조된 제품의 표면 및 단면 관찰을 통해 도시된 바와 같이 품질이 유지되고 있음을 확인할 수 있으며, 이에 따라 상기와 같이 본 장치를 통해 대구경의 빌렛을 안정적으로 조업할 수 있음을 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 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 실시예에 따른 마그네슘 합금 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 실시에에 따른 연속 주조 장치의 몰드를 도시한 평단면도이다.

도 3은 본 실시예에 따른 연속 주조 장치의 몰드를 도시한 측단면도이다.

도 4는 본 실시예에 따른 연속 주조 장치에 의해 제조된 대구경의 마그네슘 합금 빌렛을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 몰드 12 : 슬릿

14 : 운모 20 : 몰드냉각부

22 : 몰드상단냉각부 24 : 몰드하단냉각부

30 : 전자기 코일 40 : 전자기 교반장치

60 : 주속제어부

Claims (6)

1. 마그네슘 합금 용탕을 응고하는 몰드와, 몰드의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일, 상기 몰드의 하부에 설치된 전자기 교반장치, 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부, 상기 몰드로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부를 포함하는 연속주조장치에 있어서,

   상기 몰드를 냉각하기 위한 몰드냉각부를 더 포함하고,

   상기 몰드냉각부는 상기 전자기 코일 상부쪽에 배치되어 몰드 상부를 냉각하는 몰드상단냉각부와, 전자기 코일 하부쪽에 배치되어 몰드 하부를 냉각하는 몰드하단냉각부를 포함하는 마그네슘 합금 대구경 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 몰드냉각부는 0 ~ 200 ℓ/min 의 용량으로 냉각수를 분사하는 구조의 마그네슘 합금 대구경 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 주속제어부는 0 ~ 400mm/min 의 범위에서 마그네슘 합금 빌렛의 단면적에 반비례하여 속도를 감속하는 구조의 마그네슘 합금 대구경 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 몰드는 마그네슘 용탕의 진행방향을 따라 상단에서 하단으로 갈수록 내경이 점차적으로 줄어드는 구조의 마그네슘 합금 대구경 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 몰드는 원통형 단면구조로 표면에는 간격을 두고 슬릿이 주조방향으로 형성된 구조의 마그네슘 합금 대구경 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 슬릿 내에 운모가 삽입되어 몰드를 밀폐하는 구조의 마그네슘 합금 대구경 빌렛 제조를 위한 연속 주조 장치.

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