KR20150043811A - 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미나 및 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 하나를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러와, 알루미나와 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 마련하되, 상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 알루미나와 탄화규소를 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 레벨러가 탄화규소를 주 재질로 제조되었기 때문에 알루미늄 용탕에서 사용되는 경우, 종래의 그라파이트에 의하여 제조된 레벨러에 비하여 내구성 및 내산화성이 우수하여 장기간의 사용에도 레벨러가 열화되지 않는 작용효과가 기대된다.

Description

금속 용탕 플로우 조절용 레벨러 및 그 제조방법{Leveler for controlling the flow of metal melts and the manufacturing method of the same}

본 발명은 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미나 및 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 하나를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러와, 알루미나와 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 마련하되, 상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 알루미나와 탄화규소를 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법을 제공한다.

금속을 연속 주조함에 있어서 금속 용탕의 플로우(Flow) 조절은 필수적이며, 일반적으로 레벨러 소재는 내열성이 우수한 그라파이트(graphite)를 주로 사용하고 있다. 하지만 그라파이트 소재로 제작된 레벨러는 고온환경에서 장시간 사용하면 그 표면이 산화되는 문제점이 있어, 주로 그라파이트는 환원분위기에서 초고온 열처리 로(furnice)의 발열체로 제작되어 사용되는 것이 바람직한데, 그럼에도 불구하고 환원분위기의 조성이 용이하지 아니한 금속 용탕의 제조 환경에서도 많이 이용된다.

따라서, 그라파이트를 이용하여 레벨러를 제조하는 한, 연속적으로 장시간 사용하는 것이 불가능하고, 사용과정 중 그라파이트로부터 산화되어 떨어져 나간 파편 및 입자들이 금속 용탕 내부로 혼입되므로, 금속의 최종제품에 그라파이트 개재물이 잔류하는 문제점이 있다.

이와 같은 개재물들은 금속의 연속주조 시 최종제품에 크랙(Crack)이 발생되도록 원인제공을 하며, 이에 최종제품의 불량률이 높아지고 수율이 저하되며, 이들로 인해 최종제품의 제조단가가 상승하는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 특허출원 제1999-7000021호 "세라믹 복합재료"에서는 질화붕소, 이붕화지르코늄 입자 및 유기접합체분해로 발생하는 탄소에 의하여 함께 결합된 최소한 한가지의 기타 내화재를 포함하는 세라믹 복합재료를 개시하고 있는 바, 기존에 사용되었던 그라파이트 재질을 세라믹 재질로 변화하여 금속 용탕용 구성재로 제조함으로써 금속 용탕의 환경에서도 연속적이며 장시간 사용 가능하고, 개재물의 발생을 억제를 통하여 제품 생산 효율 증가 및 고품질의 금속 제품 생산이 가능하도록 하였다.

그러나, 위 선행기술은 복합재료를 사용하므로, 재료간 열적성질(예를 들어 열팽창 계수)의 차이에 따른 내부 응력이 발생될 수 있고, 따라서 반복사용과정에서 재료의 파괴가 초래될 수 있으며, 다종의 원료를 취급하므로, stoichiometry의 조절이 용이하지 않고, 또한 제조공정이 복잡해지는 문제점이 있다.

특히, 알루미늄 용탕의 환경에서는 알루미늄의 융점을 고려하고, 이러한 융점에서 내열성이 있으며, 알루미늄과의 관계에서 알루미늄에 의한 침식에 강한 재질을 이용하여 제조된 레벨러의 공급이 요청되고 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 용융온도에 도달하지 아니하는 한, 고온에서의 내산화성 및 내구성이 높은 탄화규소 소재를 주 재질로 하여 금속 용탕용 레벨러를 제작함으로써, 연속적이며 장시간 알루미늄의 주조가 가능함에 따라 알루미늄 제품생산의 수율과 생산속도를 증가시키도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 레벨러를 장시간 사용함에도 불구하고, 레벨러로부터 인입되는 개재물의 발생을 최대한 억제함으로써 생산되는 알루미늄의 품질을 제고시키도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 알루미나 및 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 하나를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러를 제공한다.

상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 상기 알루미나와 탄화규소는 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것이 바람직하다.

상기 탄화규소는 반응소결 탄화규소 및 상압소결 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.

싱기 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소는 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것이 바람직하다.

상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 알루미나는 구형분말을 상기 탄화규소는 침상형의 분말을 적용한 것이 바람직하다.

상기 금속 용탕은 알루미늄 용탕이며, 따라서 상기 레벨러는 알루미늄 용탕용도로 사용된다.

상기 알루미나 및 탄화규소는 99% 이상의 순도를 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 알루미나와 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 마련하되, 상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 알루미나와 탄화규소를 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법을 제공한다.

상기 탄화규소는 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소가 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것이 바람직하다.

상기 알루미나를 배제하고, 탄화규소가 반응소결 탄화규소인 경우, 탄화규소와 탄소를 혼합하고 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 성형체에 규소를 함침하는 단계; 및 규소가 함침된 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 알루미나 및 탄화규소는 성형단계에서 레벨러 형상으로 제조되거나, 소결후 레벨러 형상으로 가공되는 것이 바람직하다.

상기 소결하는 단계는 가압소결 방법인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 레벨러가 탄화규소를 주 재질로 제조되었기 때문에 알루미늄 용탕에서 사용되는 경우, 종래의 그라파이트에 의하여 제조된 레벨러에 비하여 내구성 및 내산화성이 우수하여 장기간의 사용에도 레벨러가 열화되지 않는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명에 따르면, 복합소재가 아닌 단일 소재를 이용하여 레벨러가 제조되었기 때문에, 고온의 환경하에서 이종의 재질간 발생되는 열팽창계수의 차이에 의하여 레벨러 내부에 응력이 발생되고 이로 인하여 레벨러가 파손되는 현상을 상당시간 지연시키는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명에 따르면, 단일소재를 이용하여 레벨러를 제조하므로 원료가 혼합공정이 불요하여 공정의 단순화를 이룰 수 있으며, 공정단가를 낮추는 작용효과가 기대된다.

또한 본 발명은 용융온도에 도달하지 아니하는 한, 고온에서의 내산화성 및 내구성이 높은 탄화규소 소재를 주 재질로 하여 금속 용탕용 레벨러를 제작함으로써, 연속적이며 장시간 알루미늄의 주조가 가능함에 따라 알루미늄 제품생산의 수율과 생산속도를 증가시키도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 레벨러를 장시간 사용함에도 불구하고, 레벨러로부터 인입되는 개재물의 발생을 최대한 억제함으로써 생산되는 알루미늄의 품질을 제고시키도록 하는 작용효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조되는 상압소결 SiC 재질을 알루미늄 용탕에서 사용하기 이전상태와 32시간 사용한 상태를 각각 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조되는 레벨러를 각각 재질을 달리하여 질량감소율을 측정함으로써 레벨러로서의 수명을 예측하기 위한 그래프이다.
도 3은 비교예인 그라파이트에 의하여 제조되는 레벨러의 질량감소율을 측정함으로써 레벨러로서의 수명을 예측하기 위한 그래프이다. 가로축은 용탕 장입 시간을 나타낸다.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 고순도 Al₂O₃, 반응소결로 제작된 SiC, 상압소결로 제작된 SiC 중에서 선택되는 적어도 하나의 세라믹 소재를 이용하여 알루미늄 용탕 플로우(Flow) 조절용 레벨러를 제작하는 것이다.

본 발명에서는 바람직하게는 알루미나, 탄화규소 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 레벨러를 제작하여 알루미늄 용탕에서 사용하는 것이나, 이를 혼합하여 복합체로 제조하여 사용하는 것도 가능하며, 복합체로 제조하는 경우, 열팽창계수 차이 등에 따른 문제점이 발생될 수는 있으나, 알루미늄 용탕의 온도가 이러한 복합체의 열적성질 차이에 영향을 미치게될 정도로 높은 것은 아니므로, 이러한 문제점은 크지 않을 것으로 예상된다.

본 발명에서, 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 알루미나와 탄화규소는 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄화규소는 반응소결 탄화규소 및 상압소결 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 하나인 것이 좋은데, 이들을 각각 독립적으로 사용하여 레벨러를 제작할 수도 있고, 또한 두 재료를 모두 혼합하여 제작할 수도 있다.

싱기 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소는 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것이 바람직하다.

한편, 복합체의 강도를 향상하기 위하여 알루미나는 구형분말을 상기 탄화규소는 침상형의 분말을 적용함으로써 탄화규소에 의해 알루미나 기지의 재료가 강화되도록 제조할 수도 있다. 이는 복합재료 제조의 기본 원리이므로 구체적인 설명은 생략하기로 하나, 알루미늄 용탕용 레벨러의 제작에 이와 같은 개념을 적용하는 것은 매우 중요하다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 상압소결한 SiC 소재의 레벨러를 Al 용탕 속에서 약 32시간 동안 사용하기 전과 후를 각각 사진으로 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 육안으로도 표면이 산화되지 않았음을 알 수 있었다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조되는 레벨러를 각각 재질을 달리하여 질량감소율을 측정함으로써 레벨러로서의 수명을 예측하기 위한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 알루미나 재질의 레벨러의 경우 30시간 동안 알루미늄 용탕에서 사용한 후에도 질량 감소율이 0.23%에 불과하여 질량감소율이 가장 낮았으며, 질량감소율이 가장 높은 반응소결 SiC를 재질의 레벨러도 2.4%의 질량감소율을 나타내어 질량감소율이 낮음을 알 수 있었다.

한편, 비교예로서 도 3에서는 코팅된 그라파이트의 질량감소율을 나타내었다. 도시된 바와 같이, 종래의 그라파이트는 본 발명에 의하여 알루미나 또는 탄화규소(반응소결 탄화규소 포함) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나에 의해 제조된 레벨러 보다는 질량감소율이 크므로, 본 발명에 의한 레벨러가 침식에 보다 강함을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 의하여 선택된 재료들을 이용하여 레벨러를 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

알루미나를 이용하는 경우에는 고순도 알루미나 원료분말을 가압소결하고, 이후에 원하는 형태로 기계적 가공을 함으로써 제조하였다. 한편, 미리 레벨러의 형상대로 성형을 하고, 이를 가압소결하는 방법도 가능하다. 또한, 상기 가압소결방법은 상압소결로 대체되어도 무방하다 할 것이나, 레벨러의 강도, 내열성 등을 고려하면 가압소결이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서는 알루미나 또는 탄화규소를 순도 99% 이상의 것을 사용하였고, 불순물을 배제한 결과, 용탕에 불순물이 혼입되는 현상을 억제할 수 있었으며, 이러한 원료물질의 순도는 금속 용탕용 레벨러의 제조에 있어서는 매우 중요한 요소라 할 것이다.

반응소결 탄화규소를 이용하는 경우에는 탄화규소와 탄소를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 이후에 위 혼합물을 성형한 후, 진공 장치 등을 이용하여 Si를 액상의 형태로 하여 함침하고 소결함으로써 제조하되, 이 때, 원하는 레벨러의 형태대로 제작된 금형을 사용하여 소결할 수도 있다.

탄화규소를 이용하는 경우에는 알루미나의 제조방법과 동일한 방법을 적용하여 제조한다.

위 재료들 중 적어도 2 이상을 혼합하는 경우에는 기지재료가 80중량부를 초과하지 않도록 칭량하여 혼합한 후, 기지재료의 소결온도까지 열처리하여 소결함으로써 레벨러를 복합재료 형태로 제작한다.

한편, 탄화규소와 알루미나는 융점이 매우 높으므로, 비교적 저온의 융점을 갖는 알루미늄의 용탕에서 사용하는 경우에 두 재료간의 열팽창계수 차이가 크게 작용하지는 않을 것으로 판단된다.

이때 소결온도는 해당 재료에 적용되는 통상적인 소결온도를 적용하며, 순도는 가급적 고온인 것이 좋다.

이상과 같이 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 이는 실시예로서 권리범위를 적시된 내용대로 한정하여 해석할 수는 없으며, 본 발명의 보호범위는 후술하는 청구범위의 해석에 의하여야 함은 자명한 것이라 할 것이다.

Claims (12)

1. 알루미나 및 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 하나를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 상기 알루미나와 탄화규소는 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄화규소는 반응소결 탄화규소 및 상압소결 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러.
4. 제 3 항에 있어서,
   싱기 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소는 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 알루미나는 구형분말을 상기 탄화규소는 침상형의 분말을 적용한 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 용탕은 알루미늄 용탕인 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미나 및 탄화규소는 99% 이상의 순도를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러.
8. 알루미나와 탄화규소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 마련하되, 상기 알루미나와 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 알루미나와 탄화규소를 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
   상기 혼합된 혼합물을 소결하는 단계;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 탄화규소는 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소를 모두 포함하는 경우, 반응소결 탄화규소와 상압소결 탄화규소가 중량비 기준으로 2 : 8 ~ 8 : 2의 범위로 혼합된 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 알루미나를 배제하고, 탄화규소가 반응소결 탄화규소인 경우,
    탄화규소와 탄소를 혼합하고 성형하여 성형체를 제조하는 단계;
    상기 성형체에 규소를 함침하는 단계; 및
    규소가 함침된 성형체를 소결하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 알루미나 및 탄화규소는 성형단계에서 레벨러 형상으로 제조되거나, 소결후 레벨러 형상으로 가공되는 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 소결하는 단계는 가압소결 방법인 것을 특징으로 하는 금속 용탕 플로우 조절용 레벨러의 제조방법.

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