KR20170028392A - 주물 주조 방법 - Google Patents

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더크 로고우스키
위르겐 슈미트
롤프 쉬스만
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프리츠 빈터 아이젠기에쎄라이 게엠베하 & 코. 카게
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Abstract

본 발명은 코어 주물사, 바인더 및 필요에 따라서는 첨가제로 이루어진 몰드 재료로 제조되는 하나 또는 그 이상의 주조 몰드 부분들 또는 주조 몰드 코어들로 이루어진 주조 몰드가 제공되는, 주물의 주조 방법에 관한 것이다. 주조 몰드(2)가 하우징 내에 수용되되, 하우징의 내부 표면 부분과 주조 몰드(2)의 관련 외부 표면 부분 사이에 충전 공간(10)이 형성되도록 수용된다. 그런 다음, 충전 공간(10)이 자유-유동 충전 재료(F)와 금속 용탕이 주입된다. 금속 용탕의 주입과 관련하여, 주조 몰드가 열을 방출하기 시작한다. 금속 용탕에 의해 열이 입력됨에 따라, 몰드 재료의 바인더가 증발 및 타기 시작한다. 이에 따라 바인더가 바인딩 효과를 상실하며, 주조 몰드(2)가 분해된다. 본 발명에 따르면, 충전 재료(F)의 겉보기 밀도가 낮아서 충전 공간 내에 충전 재료(F)로 형성된 충전 재료 패킹을 관통하여 가스 유동(S1, S2)이 흐를 수 있다. 충전 공간을 채우는 동안, 충전 재료(F)충전재(F)가 최소 온도(Tmin)에 있고, 주조 몰드(2)로부터 방출되는 열과 바인더가 연소하는 동안에 배출되는 열을 통해 발생하는 공정 열의 결과로 충전재(F)가 최소 온도(Tmin)에서부터 바인더가 주조 몰드(2)로부터 증발하고 충전재(F)와 접촉하기 시작하는 바인더가 발화 및 연소하기 시작하는 경계 온도(Tbound)를 상회하는 온도로 상승한다.

Description

주물 주조 방법 {METHOD FOR CASTING CAST PARTS}
본 발명은 제조될 주물을 형성하는 캐비티를 둘러싸는 주조 몰드에 용탕을 주입하는 주물의 주조 방법에 관한 것으로, 소실형 주형으로 설계된 주조 몰드는 하나 또는 그 이상의 주조 몰드 부분 또는 코어로 이루어져 있다. 이에 따라 주조 몰드 부분 또는 주조 코어는 코어용 주물사, 바인더 및 선택적으로 주형 재료의 특정 물성을 조정하기 위한 하나 또는 그 이상의 첨가제로 구성된 주형 재료로 형성된다.
이러한 종류의 종래의 방법에서, 먼저 통상적으로 주물을 형성하는 주조 몰드가 제공되고, 주조 코어 및 몰드 부분은 별도의 작업 공정으로 사전 제작된다. 따라서, 주조 몰드는 복수의 주조 코어, 소위 "코어 패키지"로서 구성될 수 있다. 마찬가지로, 예를 들어 주조 재료를 구성하는 2개의 주형 절반부만으로 이루어지는 주조 몰드를 사용하는 것이 가능하며, 주형 절반부에는 주물을 형성하는 주형 공동이 형성되며, 여기에서도 주물 내에 리세스, 캐비티, 채널 및 이와 유사한 것을 형성하기 위해, 주형 코어가 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 주물의 전형적인 예는 엔진 블록 및 실린더 헤드를 포함한다. 고 부하를 겪는 대형 엔진의 경우, 사형 주조를 통해 주철로 제조된다.
철 주조의 분야에서, 벤토나이트와 혼합된 규사, 광택 탄소 포머 및 물이 주조 몰드의 외측 밀폐부를 형성하는 몰드 부분의 주조 재료로 일반적으로 사용된다. 반면, 주물의 내부 공동과 채널을 형성하는 주조 코어는, 유기질 혹은 무기질 바인더 예컨대 합성 수지 또는 물유리와 혼합된 상업적으로 이용 가능한 코어용 주물사로 형성되는 것이 일반적이다.
코어용 주물사 및 바인더의 종류에 관계없이, 전술한 종류의 몰드 재료로 이루어진 주조 몰드를 제조하는 데에 사용되는 기본 원리는, 성형한 후에 적당한 열처리 또는 화학적 처리에 의해 바인더가 경화되어, 코어용 주물사의 입자들이 서로 접착되어, 관련 몰드 부분 또는 코어의 형태의 안정성이 충분한 기간동안 확보된다.
특히, 주철로 대형의 주물을 주조할 때, 용융 금속을 주입한 후에 주조 몰드에 가해지는 내압이 매우 높아질 수 있다. 이 압력을 흡수하여 주조 몰드가 파열되는 것을 확실하게 방지하기 위해서는, 두꺼운 벽 형태의 대형 주조 몰드를 사용하거나 주조 몰드를 외측에서 지지하는 지지 구조물을 사용해야만 한다.
이러한 지지 구조물의 한 가지 가능한 형태는 주조 몰드 위에 배치되는 인클로저로 이루어진다. 인클로저는 일반적으로 주조 몰드의 둘레를 둘러싸지만 주조 몰드에 용융물을 주입할 수 있도록 충분히 큰 개구부를 상부면에 갖는 재킷의 형태로 설계된다. 이에 따라 인클로저는 제 위치에 놓인 후에 인클로저의 내면과 주조 몰드의 외면 사이에, 적어도 주조 몰드의 지지를 결정짓는 부분에 충전 공간이 남아 있는 치수로 형성된다. 이 충전 공간이 자유-유동 충전재로 채워져서, 인클로저에 의해 넓은 영역에 걸쳐 관련 표면 영역에 대한 지지가 보장된다. 가능한 한 충전 공간을 고르게 충진할 수 있도록 하기 위해, 주조 몰드와 충전 재료 사이의 동일하게 균일한 접촉 및 그에 상응하여 취약한 몰드 재료의 균일한 지지가 이루어지도록 하며, 충전재로는 일반적으로 겉보기 밀도가 높은 모래나 강철 샷(sand or steel shot) 같이 미세하고, 자유 유동 충전재가 사용된다. 충전 후, 충전재가 추가로 압밀(compact) 된다. 여기서 목표는 비압축성 단일체처럼 작용하여 가장 작은 압축 가능한 충전용 덩어리를 만드는 것인데, 이는 인클로저에서 주조 금형으로 지지력이 직접 전달되도록 한다.
용융 금속을 고온에서 주조 몰드에 주입하면, 주조 몰드를 구성하는 주조 몰드 부분 및 코어도 급격하게 가열된다. 그 결과로, 주조 몰드가 열을 방출하기 시작한다. 주조 몰드의 온도가 소정의 최소 온도를 초과하면, 주형 재료의 바인더가 증발 및 연소되어 추가로 열을 배출한다. 이로 인해 바인더가 그 효과를 잃게 된다. 바인더의 이러한 분해에 의해, 주형 몰드 부분 및 주형의 코어가 되는 주형 재료의 입자끼리의 응집력이 상실되어, 주형 및 그 주형 재료로 이루어지는 부품 및 코어가 붕괴되어 개별 파편으로 된다.
실제로 주조 몰드에서 주물을 탈형할 때에 이러한 효과가 사용될 수 있음이 알려져 있다. 따라서, 여기서 주물과 함께 주조 몰드가 연속 공정 순서로 주조 열로부터 열처리로(heat treatment furnace)로 운송되는, 주물에 대한 열처리 방법이 예를 들어 EP 0 546 210 B2호 또는 EP 0 612 276 B2호로부터 공지되어 있다. 열처리로를 통과하는 동안, 주조 몰드 및 주물이 열처리의 목적인 주물의 상태가 달성되는 온도에서 적절히 긴 시간 동안 노출된다. 동시에, 열처리 온도는 몰드 재료의 바인더가 분해되는 온도로 선택된다. 주물에서 자동으로 떨어져 낙하하는 몰드 재료로 구성된 주조 몰드의 파편들이 열처리로 자체 내의 모래 베드에 수집된다. 수집된 파편들은, 주조 금형 부품 및 코어의 파편이 분해되는 것을 더욱 촉진하기 위해 일정 기간 동안 그곳에 머물러 있는다. 주형으로부터 떨어진 주형 재료의 파편은 고온 가스 유동을 송풍하여 모래 베드가 유동화됨으로써 지지 될 수 있다. 충분히 붕괴된 주형 재료 단편들이 최종적으로 코어용 주물사가 재생되는 처리 설비로 공급되어, 새로운 주조 몰드 부분 및 코어의 제조에 사용될 수 있다.
주물의 주조에 필요한 주조 몰드의 탈형 및 가공을 위해 공지되어 있는 공정은 실제로 알루미늄으로 제조되는 내연 기관용 부품의 대량 주조에 효과적이라는 것이 입증되었다. 그러나, 이것은 상당한 구조 길이의 노 및 대량 생산 부품 또는 주조 몰드의 경우에 전술한 유형의 외장을 통한 추가적인 지지를 필요로 하는 주조 몰드 및 주물의 취급이 복잡한 것으로 입증되었다. 특히 주철로 소량 그리고 중간 정도의 양으로 제조되는 주물에 특히 그러하다.
이러한 배경에 비추어, 본 발명에 의해 해결하고자 하는 과제는 에너지 효율이 최적화된 주조 기술로 특히 경제적인 방식으로 주물을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 청구항 제1항에 서술되어 있는 방법으로 이러한 문제를 해결하였다.
본 발명의 유리한 실시형태들이 종속 청구항들에 특정되어 있고, 본 발명의 일반적인 개념과 함께 아래에서 개별적으로 설명된다.
이에 따라, 본 발명은 생산하고자 하는 주물을 형성하는 캐비티를 둘러싸는 주조 금형에 용탕을 부어 주조하는 주물의 주조 방법을 제공한다. 주조 몰드는 하나 또는 그 이상의 주조 몰드 부분들과 코어들로 구성되는 소실형 몰드(lost mould)로 설계된다. 이들 주조 몰드 부분들은, 각 경우에서, 코어용 주물사, 바인더 및 필요에 따라서는 몰드 재료의 특정 물성을 조정하기 위한 하나 이상의 첨가제로 구성되는 몰드 재료로 구성되는 몰드 재료로 제작된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 방법은 다음의 작업 단계들을 포함한다.
- 주조 몰드를 제공하는 단계;
- 하우징의 적어도 하나의 내부 면과 주조 몰드의 외각 면 섹션 사이에 충전 공간을 형성하도록 하우징 내에 주조 몰드를 둘러싸는 단계;
- 자유-유동 충전재로 충전 공간을 채우는 단계;
- 용융 금속을 주조 몰드 내로 주입하는 단계로,
- 용융 금속을 주입한 결과로, 주조 몰드가 고온 용융 금속에 의해 야기되는 열의 입력의 결과로 열을 방출하기 시작하고, 및
- 용융 금속에 의해 야기되는 열의 입력의 결과로, 몰드 재료의 바인더가 증발 및 연소하기 시작하여, 바인더가 그 효과를 상실하여 주조 몰드를 파편들로 분쇄시키는 단계.
본 발명에 따르면, 충전 재료의 겉보기 밀도가, 충전 공간 내로 주입되어 충전 공간(10)을 채운 후, 충전재에 의해 형성되는 충전재 패킹을 가스 유동이 투과할 수 있을 정도로 낮다.
또한, 본 발명에 따른 방법에서, 충전 공간을 채우는 동안, 충전재가 최소 온도에 있고, 주조 몰드로부터 방출되는 열과 바인더가 연소하는 동안에 배출되는 열을 통해 발생하는 공정 열의 결과로 충전재가 최소 온도(Tmin)에서부터 700℃인 경계 온도를 상회하는 온도로 상승한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 방법은 충전재를 축열기(heat accumulator)로 사용하고, 주조 몰드의 주조 몰드 부분들과 코어들을 이루는 몰드 재료의 바인더가 온도 효과를 통해 인클로저 내에서 체류하는 동안에 이미 상당히 분해되도록 이 축열기의 온도를 설계 및 제어하는 아이디어에 기초한 것이다.
이러한 방식으로, 몰드 재료를 구성하고 있는 주조 몰드의 부분들 및 코어들이 주물로부터 떨어지는 시점까지 분해되어, 인클로저를 제거한 후에 주물의 적어도 외부 표면에 몰드 부분들 또는 코어들이 거의 부착되어 있지 않게 된다.
동시에, 주물 내부의 채널 또는 공동을 형성하는 코어들도 떨어져 나간다. 이에 따라, 이러한 코어의 코어용 주물사 및 몰드 재료 파편들이 이미 자중 주물에서 흘러나오거나 또는 본질적으로 공지된 방식 예를 들어 교반과 같은 기계적 방법 또는 적합한 유체로 플러싱(flushing)을 통해 주물로부터 제거될 수 있다.
본 발명에 따르면, 주물과 인클로저 사이에 형성된 충전 공간에 채워지는 충전 재료는 자유 유동(free-flowng)하므로, 주조 몰드의 외부 표면 영역에 존재하는 언더컷, 공동 및 유사한 영역의 충전 공간도 완전히 채우게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 충전재의 겉보기 밀도가, 충전재가 충전 공간을 채운 후 그리고 충전된 충전재를 임의로 가능하게 압축한 후에, 충전재를 가스 유동이 통과할 수 있을 정도로 낮아야 한다는 것이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전술한 종래 기술과는 대조적으로, 주조 몰드의 최적 지지를 확보하면서도 상당한 부분이 가스 비투과성인 매우 심하게 압축된 패킹이 충전 공간 내에 명확하게 생성되지 않는다. 그보다는, 본 발명에 따라 사용되는 충전재는 예를 들어 열 대류의 결과로 발생하는 가스 유동이 투과될 수 있도록 선택되어야 한다. 이는 주조 몰드가 주조 몰드 내로 주입되는 용융 금속을 통해 가열되고, 주조 몰드 부분들 및 코어들의 몰드 재료의 증발성 바인더 성분들이 기화되고 연소되어 열을 방출할 때 발생한다.
본 명세서에서 기화(vaporising) 및 연소(combusting) 바인더가 언급될 때, 이는 항상 열을 가하여 기화되고 연소될 수 있는 바인더 성분을 의미한다. 이는 고체 또는 다른 형태의 다른 바인더 성분, 예를 들어 균열 생성물과 같은 주형 틀에 남아서 열의 영향을 통해 최적으로 분해되는 바인더 성분의 존재를 배제하지 않는다.
충전 공간 내에 충전되어 있는 충전재의 가스 유동에 대한 본 발명에 따른 침투성(permeability)은, 주조 몰드로부터 증발하는 바인더가 충전재 자체의 영역에서 연소할 수 있게 하고, 그 결과로 추가로 충전재를 가열하도록 할 뿐만 아니라, 바인더의 연소를 지원하는 산소의 공급도 허용한다. 이러한 방식으로, 용융 금속을 통해 도입되고 바인더의 연소를 통해 방출되는 공정 열의 결과로서, 충전재는 주조 몰드로부터 빠져나와 충전재와 접촉하는 몰드 부분들 및 코어들의 바인더 성분들이 연소하거나 또는 적어도 열적으로 분해되어 이들 바인더 성분들이 더 이상 환경에 유해한 영향을 미치지 않거나 배기가스로서 인클로저로부터 인출되어 배기가스 정화 프로세스에 공급될 수 있다.
본 발명에 따라 미리 온도가 조정된 충전재는 바람직하게는 온도 손실을 최소화하기 위해 용융 금속을 주입하기 직전에 짧은 시간 내에 충전 공간으로 도입된다.
충전 공간에서 몰드 재료로부터 방출된 가연성 가스의 충분한 농도가 달성되면, 가열된 충전재와의 접촉을 통해 연소가 시작된다. 주조 몰드로부터 나오는 바인더의 연소가 계속되고, 연소가 계속되는 한 충전재는 계속 가열된다. 이러한 공정은 소량의 바인더만이 주형으로부터 탈출하여 가연성 분위기가 더 이상 인클로저 내에 형성되지 않을 때까지 계속된다. 그러나, 축열기 방식으로, 고온 충전재는 이제 바인더의 연소가 일어나는 경계 온도보다 높은 온도를 유지한다. 이에 따라, 주조 몰드도 적어도 이 온도로 유지되어, 주조 몰드 내에 잔류하는 바인더 잔류물이 열분해된다.
본 발명에 따른 방법에 특히 적합한 것은, 몰드 부분들 및 코어들이 유기 바인더에 의해 함께 결합된 몰드 재료로 이루어지는 주조 몰드이다. 예를 들어, 용매를 함유하는 상업적으로 입수 가능한 바인더가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있거나, 화학 반응을 통해 그 효과가 유발되는 바인더 일 수 있다. 이에 상응하는 바인더 시스템이 오늘날 소위 말하는 "콜드 박스(cold box) 방법"에 사용된다.
실제로, 철 주물을 가공할 때에 경계 온도로 700℃의 온도가 특히 적합하다. 700℃보다 높은 온도에서는 특히 유기 바인더가 안정적으로 연소된다. 동시에, 이러한 온도에서 주조 몰드에서 방출되는 다른 독성 물질들은 산화되거나 그렇지 않으면 무해하게 된다. 바인더의 온도-관련 붕괴의 결과로 주조 몰드에 발생되는 균열 생성물에 대해서도 동일하게 적용되며, 균열 생성물은 이러한 고온에서 확실하게 분해된다.
이 경우, 본 발명에 따르면, 충전재는 충전 시에 특정 온도로 예열되며, 입력 공정 열의 결과로서 충전재는 경계 온도보다 높은 온도로 가열된다. 실제 테스트에 의하면, 충전재가 충전 공간에 채워질 때 최저 온도로 500℃의 온도가 충분한 것으로 판명되었다.
바인더가 누출되어 연소되고 분해됨에 따라, 몰드 재료로 형성된 주조 몰드의 부분들 및 코어들이 붕괴되어 느슨한 파편(loose fragment)으로 되며, 이들은 폐기되고 인클로저로부터 제거된 후에 가공되거나 또는 용융 금속의 주입과 인클로저의 제거 사이의 기간 동안에 인클로저로부터 이미 제거될 수 있다. 이 목적을 위해, 주조 몰드가 체 베이스 상에 놓일 수 있고, 체 베이스를 통해 새어나오는 주조 몰드의 파편들이 수집될 수 있다. 실용적인 목적을 위해, 체 베이스의 개구는, 주조 몰드의 파편과 충전재가 함께 체 베이스를 통해 서로 흘러나와 수집되고 함께 처리되고, 처리한 후에 서로 분리되도록 설계된다. 이것은, 인클로저가 제거될 때 인클로저 내에 느슨한 충전재가 더 이상 존재하지 않는다는 장점이 있다.
그러므로 주조 몰드의 인클로저는 충전 공간을 형성하기에 충분한 거리에서 주조 몰드를 둘러싸는 단열성 및 충분히 단단한 재료로 구성된 재킷, 위쪽에 주조 몰드가 위치하며 체 플레이트로 기능하는 천공된 지지판 및 주조 몰드의 충진 후에 제 위치에 고정되는 열 절연성의 커버를 포함한다. 충전 공간 내에 형성되는 배기가스를 제어되는 방식으로 추출할 수 있도록 하기 위해, 배기가스 개구가 추가로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서도, 충전 공간에 충전된 충전재가, 주조 몰드와 인클로저 사이에 예비 장력을 생성하기 위해 압축될 수 있고, 이를 통해 주조 몰드의 보다 확실하고 정확하게 위치된 응집이 보장된다. 또한 주조 몰드가 복수의 몰드 부분들 및 코어들로 구성된 코어 패키지로 형성되는 경우에 유용하다. 그러나, 전술한 바와 같이, 겉보기 밀도가 낮기 때문에, 이 같이 압축된 상태로 충전되는 경우에도 가스 유동에 대한 투과성이 보장된다.
본 발명에 따라 달성되는 주조 몰드의 몰드 부분들 및 코어들의 분쇄 효과는, 충전재뿐만 아니라 주조 몰드 자체가 기체 투과성으로 설계된다는 점에서 더욱 증가될 수 있다. 이 목적을 위해, 충전 공간에서 형성되는 고온의 배기가스 또는 적절히 예열된 산소-함유 가스 유동이 통과하는 채널들이 주조 몰드 내에 의도적으로 도입될 수 있다. 이러한 방식으로, 금형 재료 바인더의 신속한 기화, 연소 및 다른 형태의 열분해가 또한 주조 몰드 내에서 개시된다. 이는 주형의 붕괴를 추가로 가속화시킨다.
관심 영역 내에서 주물의 특정 물성을 얻기 위해, 주조 몰드 내에 의도적으로 도입된 채널들이 주물의 위 또는 주물 내의 특정 영역의 냉각을 가속화시키는 데에 사용되거나 또는 그러한 가속 냉각을 방지하는 데에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 충전재에서, 압축 후, 예비 장력이 서로 접촉하는 충전재의 입자들을 통해 전달된다. 따라서, 본 발명에 따라 요구되는 충전재의 가스 투과성에도 불구하고, 충전재의 입자가 제어되지 않게 변위되는 것을 방지하기 위해, 주조 몰드와 마주하는 인클로저의 내면 위에 입자들이 충돌하는 구조화된 표면이 장착될 수 있으며, 적어도 이 영역에서 형상-잠금 방식으로 지지된다.
동시에, 충전재가 신속하게 가열되고 가능한 한 오랫동안 경계 온도보다 높은 온도에서 유지될 수 있도록, 충전재는 열 저장에 대한 적합성이 낮아야 한다.
따라서, 본 발명의 목적에 최적으로 적합한 충전재는 낮은 겉보기 밀도와 충전재를 형성하는 개별 입자가 제조되는 재료의 낮은 비열 용량을 조합한다. 실용적인 실험에 따르면, 충전재를 형성하는 재료의 겉보기 밀도(Sd)와 비열 용량(cp)의 곱(P)이 최대 1kJ/d㎥K(P = Sd × cp ≤ 1kJ/d㎥K)에 이르고, 이에 따라 곱 P = Sd × cp가 최대 0.5kJ/d㎥K에 이르는 충전재가 특히 적합하다는 것이 입증되었다.
압축이 일어나는지 여부와 관계없이, 과립 또는 기타 입상 벌크 재료가 충전재로서 효과적이라는 것이 입증되었습니다. 겉보기 밀도가 최대 4kg/d㎥, 특히 1 kg/d㎥ 미만 또는 심지어 0.5kg/d㎥ 미만이 본 발명의 목적에 특히 적합하다는 것이 입증되었다.
실제 실험에서, 과립형, 주입 가능한 그리고 자유-유동성 충전재가 사용되는 경우, 입자의 평균 직경이 1.5 내지 100mm인 경우가 바람직한 것으로 판명되었고, 최적으로 충전재는 1.5-40mm 범위의 입자 크기로 사용된다.
최대 비열 용량이 1kJ/kgK, 이상적으로는 0.5kJ/kgK 미만인 재료로 구성된 충전재가 본 발명에 대해 최적의 가열 및 열 저장 거동을 나타낸다. 최적임 본 발명에 최적인 가열 및 축열 거동을 나타낸다.
근본적으로, 열 부하를 견딜 수 있고, 전술한 조건을 충족시키며 충분히 내열성인 모든 벌크 재료가 충전재로서 적합하다. 이러한 목적에 특히 적합한 것은 세라믹 재료로 만들어진 과립과 같은 비금속 벌크 재료이다. 이들은 불규칙하게 형성되거나, 구형이거나, 충진 공간에 채워진 충진재를 통해 양호한 가스 유동을 달성하고 동시에 낮은 열 보유 성질을 달성하기 위해 공동을 함유할 수 있다. 충전재는 또한 고리 모양 또는 다각형의 요소로 구성될 수 있으며, 이들은 서로 접촉하면 특정 지점에서만 접촉해서 이들 사이에 충분한 공간이 유지되어서 양호한 관통 흐름을 보장한다.
필요에 따라 가스 유입구를 통해 인클로저 내로 도입되는 산소-함유 가스 유동이 충전재를 냉각시키는 것을 방지하기 위해, 가스 유동이 충전 공간에 유입되기 전에 실온보다 높은 온도로 가열될 수 있다. 최적으로, 가스 유동의 온도는 적어도 충전재의 최저 온도 수준이다. 예를 들어, 인클로저에서 배출되는 고온의 배기가스가 가스 유동을 가열하는 데에 사용될 수 있습니다. 기본적으로 알려져 있는 열교환기를 이 목적으로 사용할 수 있습니다. 가능하다면 충전재와 함께 주조 몰드의 파편이 인클로저로부터 빠져나올 수 있는 체 베이스가 제공되는 한, 산소-함유 가스 유동이 체 베이스를 통해 공급될 수 있다. 이것은 넓은 영역에 걸쳐 상기 가스 유동을 도입하는 장점을 가질뿐만 아니라, 고온의 충전재뿐만 아니라 인클로저 밖으로 새어 나오는 고온의 몰드 재료 파편과의 접촉을 통해 주입되는 가스 유동이 가열되는 효과를 갖는다.
대안적으로 또는 부가적으로, 배기가스 유동의 부분 유동을 산소-함유 가스 유동과 혼합하고, 이러한 방식으로 얻어진 고온 가스 혼합물을 충전 공간으로 다시 공급하는 것도 생각할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 충전 공간으로 공급되는 산소-함유 가스 유동이 배기가스의 10 내지 90부피 %로 구성되는 것이 실용적일 수 있다.
충전 공간으로 공급되는 산소-함유 가스 유동은 예를 들어 주위 공기로 이루어질 수 있다.
충전 공간으로 공급된 산소-함유 가스 유동은 열 대류를 통해 충전 공간 내에 유도된 유동의 결과로서 적절하게 설계된 입구를 통해 충전 공간으로 흡입될 수 있다. 또는, 물론 팬 또는 유사 장치에 의해 소정의 압력으로 가스 유동을 충전 공간으로 도입하는 것도 동등하게 고려될 수 있다.
충전 공간으로 유입되는 가스 유동에 대한 선택적인 조절은, 충전 공간에서 우세한 대기압에서의 과압 발생을 방지하기 위해 인클로저로부터 방출되는 배기가스 체적 유동에 따라 이루어질 수 있다. 이 목적을 위해, 해당 가스 유입구에는 유속에 따라 공기 흡입구를 제어하는 기구(mechanism)가 장착될 수 있습니다. 이러한 목적에 적합하게는, 예를 들어 통과하는 가스 유동의 유동 압력이 평형추에 따라 유속 및 이에 따른 연소 공기의 공급을 자동으로 조정하도록 부유되고 적재되는 본질적으로 알려진 진자형 플랩이 적합하다.
또한, 배기가스 출구에서 배기가스 측정을 수행하고, 이 측정의 결과에 따라 산소-함유 가스 흐름을 조절하여, 바인더 및 주조 몰드로부터 배출되어 충전 공간으로 유입될 수 있는 다른 가스들의 완전한 연소를 보장하는 것도 고려할 수 있다.
독성 물질의 방출을 최소화하는 것은, 본 발명에 따른 방법에서 바인더가 바인더의 연소 생성물에 함유되어 있는 독성 물질의 분해를 위한 촉매 컨버터를 구비한다는 점에서 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 탈형 후에 노출되는 주물은, 주물의 특정 상태를 달성하기 위해, 주조 몰드의 붕괴 후에 특정 냉각 곡선에 따라 본질적으로 공지된 제어 방식으로 냉각되는 열처리를 거친다.
당연히, 본 발명에 따른 공정에서, 여러 개의 주조 몰드가 인클로저 내에 함께 수납될 수 있고, 용융 금속이 채워져 있는 이들 주조 몰드는 근접하게 또는 일정 간격으로 평행하게 또는 연속적으로 수납된다.
근본적으로, 본 발명에 따른 방법은 충분히 높은 공정 열을 생산하는 공정 동안 모든 종류의 금속 주조 재료에 적합하다. 본 발명에 따른 방법은 용융된 주철의 고온으로 인하여 본 발명에 따른 바인더의 연소에 필요한 온도가 특히 확실하게 달성되기 때문에 주철로 제조되는 주물의 제조에 특히 적합하다. 특히, 주강 뿐만 아니라 GJL, GJS 및 GJV 주철 재료가 본 발명에 따라 처리될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 몰드 재료로 형성되는 몰드 부분들 또는 코어들로 이루어진 주조 몰드에 관해서는, 당연히, 이러한 주형 몰드 내에서 다른 재료로 구성되는 냉편(chill), 서포트(support) 등의 개별 부품을 제조할 가능성을 포함한다. 유일하게 중요하게 요구되는 사항은, 주조 몰드에 해당 용융 금속을 주입하는 과정에서, 바인더가 증발하여 충전 공간에서 연소되어, 몰드 재료의 바인더를 거의 완전하게 분해할 수 있을 정도록 충분히 긴 시간 동안 경계 온도보다 높은 온도를 유지할 수 있을 정도로 몰드 재료의 체적을 포함하여야 한다는 것이다.
본 발명에 따라 제공되는 인클로저로부터 방출되는 배기가스 유동의 세정은, 배기가스에 여전히 존재하는 가연성 물질이 후속적으로 배기가스 공기 연소 공정에서 연소됨으로써 달성될 수 있다. 이에 의해, 방출된 열이 결국 인클로저로 공급되는 산소-함유 가스 유동을 예열하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 기재되어 있는 방식으로, 병렬로 배열된 본 발명에 따른 몇 개의 주조 몰드에 의해 주편이 생성되는 경우, 주조 몰드가 관련 인클로저와 함께 터널 내에 또는 이와 유사한 장치 내에 함께 배치되고, 형성된 배기가스들이 공통의 배기가스 파이프로 추출하는 것이 실용적일 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 내연 기관용 엔진 블록 및 실린더 헤드의 주조에 의한 제조에 특히 적합하다. 특히, 관련 부품이 상업용 차량을 대상으로 하는 경우, 제조를 위해 요구되는 주조 몰드 및 부품은 비교적 큰 부피를 가지며, 이 경우 본 발명에 따른 공정의 장점이 특히 명백하게 나타난다.
일반적으로 인클로저로부터 나올 때, 본 발명에 따라 얻어지는 코어용 주물사 파편은 여전히 고온이어서, 추가로 열을 공급하지 않고서도 종래의 분쇄기에서 분쇄될 수 있다. 코어용 주물사 파편이 충전재와 혼합된 형태로 존재하면, 이들은 분쇄한 후에 분리된다. 분쇄 후 얻어지는 코어용 주물사의 입자 크기가 충전재의 입자 크기보다 매우 작기 때문에 분리는 매우 간단하다. 따라서 분쇄기는 코어용 주물사의 기계적 프리 컨디셔닝에 영향을 주도록 설계될 수 있다. 이러한 전처리(preconditioning)는 예를 들어 코어용 주물사와 충전재 과립의 접촉을 통해 모래 입자의 표면 거칠기를 증가시켜서, 몰드 부분 또는 코어를 형성하기 위한 후속 공정에서 코어용 주물사에 대한 바인더의 접착력을 개선시키는 것을 포함할 수 있다.
후속 공정에서 얻어진 재활용 모래는 본질적으로 알려진 방식으로 새로운 모래와 혼합될 수 있습니다.
아래에서 예시적인 실시형태를 도식적으로 나타내는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 방법의 성능의 상이한 단계에서의 서모리액터를 도시하며, 각각의 경우에서 세로축을 따른 단면으로 본 도면이다.
도 9는 도 2 내지 도 8에 대응하는 도면에서 주물을 제거하기 위해 개방된 열 반응기를 도시한다.
도 10은 주물을 냉각시키기 위한 장치를 도시한다.
도 11은 완성된 주물을 도시한다.
도 12는 도 2 내지 도 8에 대응하는 도면에서의 서모리액터의 수집 팬을 도시한다.
도 13은 코어용 주물사의 종축을 가로지르는 단면에서 코어용 주물사를 재생하기 위한 파쇄기를 도시한다.
도 14는 도 2 내지 도 8에 대응하는 도면에서 주물을 주조하기 위한 주조 몰드를 도시한다.
도 15는 도 2 내지 도 8에 대응하는 도면에서 충전재로 채워진 저장 호퍼를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 데에 포함되는 사이클을 개략적인 형태로 도시한다. 이것은 새로운 미사용 코어용 주물사, 예를 들어 규사와 통상적 인 바인더 예컨대 상업적으로 이용 가능한 콜드 박스-바인더의 혼합물로 이루어진 몰드 재료로 제조된 주조 몰드 부분 및 코어로 시작된다. 새로운 충전재, 예를 들어 평균 입자 크기가 1.5-25mm인 세라믹 과립도 사용되며, 처음 사용할 때에는 이를 사용하기 전에 필요한 최소 온도, 예를 들어 500℃까지 가열해야 한다. 이러한 출발 재료들은, 아래에 설명되어 있는 바와 같이 사이클에서 나중에 재사용될 수 있다.
도 2 내지 도 8에서 본 발명에 따른 방법의 상이한 단계로 표현되어 있는 서모리액터(T)는 체판(1)을 구비하며, 체판(1) 위에 주철 용탕을 주입하기 위해 준비된 주조 몰드(2)가 놓인다. 주조 몰드(2)는 주물(G)을 주조로 제조하기 위한 것으로, 본 실시 예에서 주물(G)은 상용 차량의 내연 기관용 엔진 블록이다.
주조 몰드(2)는 외부에 배치되는 복수의 외부 코어 또는 몰드 부분 및 내부에 배열되는 주조 코어로 이루어진 코어 패키지로서 종래의 방식으로 조립된다. 또한, 주조 몰드(2)는 강 또는 다른 파괴 불가능한 재료로 이루어진 부품을 포함할 수 있다. 이들은 예를 들어 냉편(chill)과 접촉하게 되는 용융물의 가속 응고를 통해 주물(G)을 제어 방식으로 응고시키기 위해, 주조 몰드(2) 내에 배치되는 냉편과 그와 유사한 것을 포함한다.
주조 몰드(2)는 주물(G)을 형성하기 위해 주철 용융물이 주입되는 몰드 캐비티(3)를 환경(U)으로부터 구획한다. 그에 따라 철 용융물은 게이트 시스템을 통해 주형 공동(3) 내로 유입된다. 게이트 시스템은 명료함을 위해 도면에 도시하지 않았다.
주조 몰드(2)의 코어 및 몰드 부분은 상업적으로 입수 가능한 코어용 주물사, 시판되는 유기 바인더 및 선택적으로 예를 들어 바인더를 통해 코어용 주물사 입자들이 보다 잘 습윤될 수 있도록 첨가되는 첨가제의 혼합물로 구성된 종래의 주형 재료로부터, 콜드 박스 방법을 사용하는 종래의 방식으로 제조된다. 주조 몰드(2)의 주조 코어 및 몰드 부분은 이러한 주형 재료로 형성된다. 얻어진 주조 코어 및 몰드 부분들을 반응 가스로 가스 처리하여 화학 반응에 의해 바인더를 경화 시켜 코어 및 몰드 부분에 필요한 강성을 부여한다.
체판(1)의 에지가 수집 팬(5)의 둘레 에지 견부(4) 위에 지지된다. 밀봉 요소(6)는 둘레 에지 견부(4)의 주변 접촉 면 내에 통합되어 있다.
일단 주조 몰드(2)가 체판(1) 위에 위치되면, 서모리액터(T)의 일부를 구성하는 인클로저(7)가 수집 팬(5)의 둘레 에지 숄더(4) 위에 위치된다. 인클로저(7) 는 후드 형태로 설계되며, 주조 몰드의 외각 둘레 면(8) 상에서 주조 몰드(2)를 둘러싼다. 인클로저(7)에 의해 한정된 공간의 주연은 주조 몰드(2)의 주연에 비해 큰 치수가 정해지므로, 인클로저(7)가 체 베이스(1) 위에 놓인 후에, 주조 몰드(2)의 외가 둘레 면과 인클로저(7)의 내면(9) 사이에 충전 공간이 형성된다. 인클로저는 그 에지가 수집 팬(5)과 연계되어 밀봉 요소(6) 상에 안착 되므로, 환경(U)에 대한 충전 공간(10)의 밀봉이 보장된다. 인클로저는 열 절연 재료로 구성되며, 이는 여러 층으로 구성될 수 있다. 이 층들 중 하나의 층은 인클로저(7)가 형태의 필수 안정성을 보장하고, 다른 층은 단열을 보장한다. 상부 측에서, 인클로저(7)는 주조 몰드(2)가 주철 용융물로 충전되고 충전 공간(10)이 충전재(F)로 충전될 수 있는 큰 개구부(11)를 둘러싸고 있다(도 3).
적어도 500℃의 온도(Tmin)로 가열된 과립 형태의 충전재(F)로 충전 공간(10)을 채우기 위해, 저장 호퍼(V)가 개구(11) 위에 위치하며, 그 개구(11)를 통해 고온 충전재(F)가 분배 시스템(12)을 거쳐 충전 공간(10)으로 흐를 수 있게 된다(도 4).
충전 공정이 완료되면, 필요에 따라 충전 공간(10)에 충전된 재료의 패킹 압축될 수 있다. 그런 다음, 덮개(13)가 개구(11) 위에 놓여지며, 커버(13)도 주철 용융물이 주조 몰드(2)에 충전될 수 있는 개구(14)를 구비한다(도 5).
그런 다음 주철 용융물을 주조 몰드(2) 내로 주입한다(도 6).
한편, 산소-함유 주변 공기가 인클로저(7)의 하부 에지 영역에 성형되어 있는 가스 유입구(15)를 통해 충전 공간(10)으로 유입될 수 있다. 접근 장치(16)를 통해 수집 팬(5)으로 들어가는 주위 공기도 또한 체판(1)을 거쳐 충전 공간(10)으로 흡입된다(도 7).
주철 용융물의 주입 및 주물(G)의 관련 탈형으로 시작되는 주조 몰드(2)의 바람직한 파괴는 두 단계로 이루어진다.
제1 단계에서, 바인더 중의 용매가 증발한다. 주조 몰드(2)로부터 증기 형태로 방출된 용매가 충전 공간(10) 내에서 자동적으로 발화되고 연소되는 농도에 도달한다. 이와 같이하여 열이 방출됨으로써, 약 500℃의 온도 Tmin으로 된 입상의 충전재(F)가 그 온도가 약 900℃의 최대 온도 Tmax에 도달할 때까지 700℃의 경계 온도(Tbound)보다 높게 가열된다.
주조 몰드(2)로부터 증발하는 바인더 성분의 농도가 자발적 연소를 위해 더 이상 충분하지 않을 때, 이러한 방식으로 가열된 충전재는 축열기의 기능을 수행하고, 이를 통해 주형(2)의 온도 및 충전 공간(10)은 700℃의 온도 Tbound 보다 높은 수준으로 유지된다. 이러한 방식으로, 바인더 성분 및 주조 몰드(2)로부터 발생하는 다른 잠재적인 유해 물질의 연소가 주형(2)으로부터 더 이상 바인더가 증발하지 않을 때까지 계속된다. 충전 공간(10) 안이 고온인 결과로, 주조 몰드(2)로부터 방출될 수 있는 증발 물질들이 산화되거나 무해하게 된다.
가스 유입구(15) 및 체 베이스(1)를 통해 인클로저(7)의 충전 공간(10)으로 유입되는 주위 공기로 형성된 산소-함유 가스 유동(S1, S2)이 또한 주조 몰드(2)로부터 나오는 가스의 완전 연소에 기여한다.
충전재(F)의 겉보기 밀도(bulk density)가 너무 낮아서, 충전 공간(10)에 존재하는 충전재 패킹의 양호한 가스 투과성이 압밀 후에도 보장되기 때문에, 주조 몰드(2)로부터 발생하는 가스의 연소를 위해 산소를 공급하는 가스 유동(S1, S2)과의 양호한 상호 혼합이 보장된다. 동시에, 충전 공간(10) 내에 패킹되어 있는 충전재가 그 둘레 면 위에서 주조 몰드(2)를 지지하고, 이러한 방식으로 주철 용융물에 의해 파괴되지 않도록 한다.
주조 몰드(2)로부터 충전재(F)를 통해 방출되는 가스 유동은 주입된 가스 유동(S1, S2)과 양호한 상호 혼합을 일으키고, 더 긴 처리 시간 및 양호한 반응성을 유발한다. 주조 몰드(2)는 바인더 시스템의 연소 및 주조 몰드(2) 내로 주입된 금속을 통한 열 입력뿐만 아니라 예열된 충전재(F)를 통해 가열된다. 그 결과로, 주조 몰드(2)의 몰드 부분 및 코어를 함께 유지하고 있는 바인더 시스템이 사실상 완전하게 파괴된다. 몰드 부분과 코어가 파편(B) 또는 개별 모래 알갱이로 분해된다.
파편(B) 및 느슨한 모래가 체 베이스(1)를 통과하여 수집 팬(5) 내로 낙하여 수집 팬 내에 수집된다. 주조 몰드(2)의 분해의 진행에 따라, 체 베이스(1)가 개방되어 충전재(F)도 수집 팬(5) 내로 낙하한다(도 8).
주조 몰드(2)로부터 방출되는 가스를 최적으로 연소하고, 이미 인클로저 내에 있는 코어용 주물사를 재생하기 위해, 최적으로는 충전재(F) 및 충전 공간(10)으로 유동하는 가스는 각각의 경우에 700℃를 훨씬 상회한다. 이러한 목적을 위해, 서모리액터(T) 내의 조건은 재생 공정 및 배기가스 처리가 설비 가용성과 독립적으로 진행되는 조건이다. 측정 값 및 설정 값은 충전재(F), 가스 유입구(15) 및 흡기구(16) 및 주형(2) 자체를 통해 유입되는 산소-함유 가스 유동(S1, S2)의 시작 온도이다.
주조 몰드(2)의 파괴의 진행 및 주조 몰드(2)에 주입된 주철 용융물의 응고의 진행은, 주조 몰드(2)의 붕괴가 시작될 때 주물(G)이 충분히 고형화되도록 서로 조화를 이룬다.
일단 주조 몰드(2)가 실질적으로 완전히 붕괴되면, 그 안에 주형 재료-충전재의 혼합물이 담겨 있는 수집 팬(5)이 체 베이스(1)로부터 분리되고, 인클로저(7)도 체 베이스(1)로부터 분리된다. 대부분의 모래가 제거된 주물(G)을 자유롭게 접근할 수 있으며, 이 목적을 위해 제공된 터널-형 공간(17)에서 제어되는 방식으로 냉각될 수 있다(도 10). 제거될 때, 주물(G)은 오스테나이트 변태가 아직 완료되지 않은 고온에 있으며, 급속 냉각은 내부 응력을 유발하여 균열을 일으킨다. 이러한 이유로, 주물(G)은 응력-프리(stress-free) 어닐링을 위한 어닐링 곡선에 따라 냉각 터널(17)에서 서냉된다. 냉각 공기 공급은 제품별 기준으로 냉각 프로파일을 얻을 수 있도록 치수가 정해져 있습니다.
수집 팬(5)에 담겨 있는, 여전히 고온인 충전재(F), 코어용 주물사 및 파편(B)들의 혼합물은, 예를 들어 로터리 밀(rotary mill)일 수 있는 분쇄기(18)에서 집중적으로 혼합되고, 충분한 양의 산화 공기와 혼합되어, 여전히 잔류할 수 있는 임의의 바인더 잔류물이 연소될 수 있다. 이 공정 단계에서, 충전재(F)는 또한 코어 모래로부터 분리될 수 있고, 둘 다 별도의 냉각 단계를 통과할 수 있다. 이러한 재생은 바인더 시스템의 완전 연소를 신뢰성 있게 보장하고, 또한 기계적 마찰을 통해 코어용 주물사로 재사용 하기 위한 바인더의 양호한 접착을 위해 코어용 주물사 표면을 준비한다.
수집된 코어용 주물사는 사실상 실온으로 냉각되고, 이어서 프랙션(fraction)을 분리한 후, 다시 한번 새로운 주조 몰드(2)를 위한 주형 부분 또는 주조 코어로 다시 처리된다.
충전재(F)는 의도된 시작 온도(Tmin)와 대조적으로 냉각되고 사이클의 일부로서 충전 공간(10)의 새로운 충전을 위해 저장 호퍼(V)에 충전된다.
가스 유동(S1, S2)으로서 충진 공간(10) 내로 도입되는 연소 공기의 양은 가스 입구(15) 및 흡기구(16)의 개구 단면이 조절될 수 있는 기계적으로 조절 가능한 플랩 또는 슬라이드 밸브에 의해 조절된다. 관련 조정은 먼저 바인더 시스템의 연소에 화학량론적으로 필요한 공기의 양을 통해 결정될 수 있으며, 이 경우 커버(13) 내에 몰딩되어 있는 커버(13)의 개구(14)로 형성되어 있는, 배기가스 출구(19)에서 CO, NOx 및 O2의 측정에 의해 미세 조정되며, 커버의 개구를 통해 충전 공간(10)에서 생성된 배기가스가 인클로저(7)로부터 배출된다.
도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 주조 몰드(2)의 바인더 시스템으로부터의 용매(solvent)의 증발 및 주조 몰드(2)로부터의 다른 증기 방출을 통해, 커브(Ktox)로 표현되어 있는 독성이 큰 물질 농도가 충전 공간(10) 내로 주입된 바로 직후에, 이들은 실온에서도 자발적으로 연소된다. 상온에서 가연성인 유독 물질 농도에 도달하는 경계인 Kbound는 점선으로 도 16에 도시되어 있다. 그러나, 거기에 도입된 고온 충전재(F)로 인해, 충전 공간(10)에서 500℃의 높은 최저 온도(Tmin)로 인해, 이미 주조 몰드(2)로부터 충전 공간(10)으로 들어가는 가스의 연소가 상당히 낮은 농도에서 시작된다(도 16 참조).
1 단계에서 과립 내의 연소의 결과로, 과립이 가열되고 짧은 시간이 경과한 후에 그 온도(Tfill)가 700℃의 경계 온도(Tbound)를 초과하며, 여기서 충분한 산소 함량이 주어지면 유기 물질이 산화되어 자발적으로 연소 된다는 것이 알려져 있다. 온도(Tfill) 곡선은 도 16에 점선으로 도시되어 있다.
주조 몰드(2)로부터 증발하는 바인더가 집중 연소하는 이 단계("단계 1")는 실질적으로 증발 바인더에 의해 형성되는 주조 몰드(2)로부터 충전 공간(10)으로 배출되는 가연성 가스의 농도(Ktox)가 실온에서 더 이상 연소가 일어나지 않을 정도의 범위까지 감소될 때까지 계속된다.
그러나, 전술한 바와 같이, 700℃를 상회하는 고 충전재 온도로 인하여, 이 산화 또는 연소가 다음 단계 2에서 계속되며, 그로 인해 방출되는 열은 충전재(10)의 온도가 최대 온도(Tmax)에 도달할 때까지 더 증가시키기에 충분하다. 충전재(10)는 주조 몰드(2)의 분해 과정이 진행되어 더 이상의 증기 방출이 일어나지 않을 때까지 이 온도로 유지되고, 주조 몰드(2)는 작은 부분으로 분해되고 몰드 재료 잔재는 팬(5)으로 낙하한다. 그러나, 충전 공간(10) 내에서 연소 과정이 이루어지고 있는 한은, 상당한 양의 열이 발생되어서 온도 Tmax를 상한으로 하고 온도 Tbound를 하한으로 하는 범위 내에서 충전재(F)가 충분히 긴 시간 동안 남아있게 된다.
이에 따라, 본 발명에 따르면, 충진재가 충전 공간(10)에 충전되는 온도의 선택을 통해, 700℃의 경계 온도(Tbound)를 초과되는 시간이 정해지므로, 낮은 독성 물질 농도(Ktox)의 결과로서, 충전 공간(10)에서의 연소 공정은 더 이상 확실하게 필요한 강도로 발생하지 않는다. 여전히 고도로 가열된 충전재(F)는, 그 자체로 고려되는 충전 공간에 존재하는 가연성 가스의 농도가 온도(Tbound) 보다 낮은 온도에서 지나치게 낮을지라도, 주조 몰드(2)로부터 여전히 방출되는 가스의 분해 및 잔류 연소가 이루어지도록 한다.
주조 물드(2)에 함유된 증발 및 가연성 물질로 인하여, 연소에 많은 화학 에너지가 이용 가능하여 1,000℃ 이상의 충전재 온도가 달성될 수 있음이 입증되었다. 그러나, 이 경우 주편의 냉각이 장시간에 걸쳐 진행되므로 긴 공정 시간이 필요할 것이다. 이는 또한 충전재(F)가 충전 공간(10) 내로 채워지는 시작 온도를 통해 결정될 수 있다. 이 경우, 냉각 공기로 작용하는 가스 유동(S1, S2)의 증가를 통해 온도의 급격한 상승이 방지될 수 있다.
예를 들어 세라믹 충전재인 충전재(F)를 선택할 때, 충전재(F)의 개별 입자가 주조 중에 발생하는 압축력을 흡수하고, 순환하는 동안에 마찰 손실을 최소화하기 위해 높은 압축 강도를 갖는 것이 보장된다. 가능하다. 추가의 선택 기준은 700℃ 이상의 온도 상승을 가능한 한 빨리 달성하기 위해, 단계 1로부터 충전 물질(F)의 겉보기 밀도와 함께 낮은 열 용량이다. 연소 공기의 조절된 공급 및 상대적으로 낮은 온도의 벌크 물질에서의 산화를 통해 질소 산화물의 형성이 대부분 방지된다.
본 발명에 따르면, 배출 배기가스가 제1 단계에서도 충진 물질 패킹을 실질적으로 가열하기 때문에, 패킹 내에 형성되는 온도 프로파일이 청정 연소를 보장한다. 충전 공간(10) 내에 생성된 열 대류 유동으로 인해, 연소 공기는 수직 방향으로 위쪽으로 흐르고, 제1 단계에서 뚜렷한 증기 형성으로 인해, 주조 몰드(2)로부터 충전재 패킹 내로의 독성 가스 물질의 방출은 수평 방향으로 발생한다. 충전재(F) 내의 가스 유동의 교차가 양호한 혼합을 보장한다.
따라서, 주형(2) 위의 영역에서 가스가 동일한 방향을 따라 유동하여, 배기가스가 주입 깔대기 위의 배기가스 출구(19)로부터 빠져나가기 전에, 커버(13)와 충전재(F) 사이의 연소 공간에서 배기가스 도관의 최고온 영역에서 충분히 후-연소될 수 있다.
예시적인 계산에서, 본 발명에 따른 공정에 대해 표 1에 기재되어 있는 파라미터들과 재료 값들을 기초로 하여, 용융물의 냉각 및 바인더의 연소를 통해 배출되는 열 에에너지(Qa) 및 주조 몰드의 코어용 주물사의 가열과 충전재의 가열에 필요한 열 에너지(Qb)가 결정된다.
통상적인 코어용 주물사 즉, 규사(quartz sand)로 이루어진 몰드 재료와 상업적으로 이용 가능한 바인드로 제작된 몰드 부분과 코어로 이루어진 주조 몰드에 용융물로 회주철 용융물을 통상적인 콜드 박스(cold box) 방법을 사용하여 주입하는 것으로 가정하였다.
또한, 간략화를 위해, 주조 금속은 주조 후에 주조 몰드 및 충전재에 열을 발산하고, 사용된 바인더 내에 잠복되어 있는 화학 에너지가 연소열 형태로 충전재의 가열에 완전히 이용 가능한 것으로 가정하였다.
용융물을 응고시키기 위해 전도 배출할 필요가 있는 융융열(Hfus)은 다음 식으로 산출되었다.
Hfus = mmelt × hfus × 1/1000 MJ/kJ
이에 따라, 본 실시예에서
Hfus = 170㎏ × 96kJ/㎏ × 1/1000MJ/kJ = 16.3MJ.
용융물이 냉각되면서 방출하는 열 에너지(Qa1)은 다음 식에 따라 산출된다.
Qa1 = cp × ΔT × m × 1/1000MJ/kJ - Hfus
여기서, 본 실시예에서
ΔT = (T1 - T2) = (850K - 1500K) = -650K
Qa1 = 950J/kgK × -650K × 170㎏ × 1/1000MJ/kJ - 16.3MJ
Qa1 = -121MJ.
대응하는 계산에서, 몰드재 내에 함유되어 있는 바인더의 연소에 의해 방출되는 열 에너지(Qa2)는 다음 식으로 계산된다.
Qa2 = hi × mBinder × (-1)
Qa2 = 30MJ/kJ × 4㎏ × (-1) = -120KJ.
배출되는 총 열 에너지 Qa = Qa1 + Qa2는 -241MJ에 이른다.
주조 몰드의 코어용 주물사를 온도 T1에서 온도 T2로 가열하는 데에 필요한 열 에너지(Qb1)는 다음 식으로 산출된다.
Qb1 = cpcore sand × (T2 - T1) × mcore sand
Qb1 = 835J/㎏K × (800K - 20K) × 255㎏ = 166[MJ].
다시, 주조 몰드의 코어용 주물사를 온도 T1에서 온도 T2로 가열하는 데에 필요한 열 에너지(Qb2)는 다음 식으로 산출된다.
Qb2 = cpfilling material × (T2 - T1) × mfilling material
Qb2 = 754J/㎏K × (800K - 500K) × 125㎏ = 28[MJ].
초기에 여전히 20℃의 실온에서 주조 몰드의 코어용 주물사를 가열하기 위해 요구되는 열과, 500℃의 온도 T1에서 채워진 충전체를 800℃의 최종 온도 T2로 가열하기 위해 필요한 열 Qb = Qb1 + Qb2는 그 총 값이 Qb = 166MJ + 28MJ = 194MJ가된다.
따라서, 표 1에 기재된 파라미터로, 용융물 및 주형으로부터 방출되는 바인더의 연소를 통한 열 입력의 결과로, 충전재(F)의 가열 및 허용 오차 및 손실 보상을 위해 47MJ의 잉여 에너지가 이용될 수 있다.
표 1에서 재현된 회주철 용융물을 주입할 때에 달성될 수 있는 에너지 균형의 결정은, 종래의 바인더 시스템에 기초하여 제조되고 규사를 사용하는 종래의 주형 재료를 사용하여 열 에너지의 명백한 잉여 용량이 존재한다는 것을 보여준다. 주입된 산소-함유 가스 유동(S1, S2)은 에너지 측면에서의 영향이 매우 작기 때문에 이 고려에서 무시되었다.
표 2에서, 겉보기 밀도(Sd), 비열 용량(cp) 및 곱 P = Sd x cp는 상이한 벌크 물질에 대해 기술되어 있으며, 이들은 내열성 측면에서 충전재로 사용하기에 근본적으로 적합한 것이다. 예를 들어, 스틸 샷은 여기에 언급된 종류의 세라믹 과립보다 비열 용량(cp)이 현저히 낮지만, 본 발명에 따라 요구되는 주조 몰드 주위의 충전 공간에 형성되는 충전재 패킹의 가스 투과성을 보장하기에는 겉보기 밀도가 너무 크다는 것을 알 수 있다.
1 체판(sieve plate)
2 주조 몰드(casting mould)
3 몰드 캐비티(mould cavity)
4 둘레 에지 견부(peripheral edge shoulder)
5 수집 팬(collecting pan)
6 밀봉 요소(sealing element)
7 인클로저(하우징)(enclosure(housing))
8 주조 몰드(2)의 둘레 면(peripheral surface)
9 인클로저(7)의 내면
10 충전 공간(filling space)
11 인클로저의 개구(opening of the enclosure)
12 분배 시스템(distribution system)
13 커버(cover)
14 커버(13)의 개구
15 가스 유입구(gas inlet)
16 흡입(intake)
17 냉각 터널(cooling tunnel)
18 분쇄기(crushing mill)
19 배기가스 출구(exhaust gas outlet)
B 파편(fragments)
F 충전재(filling material)
G 주물(casting part)
S1, S2 산소-함유 가스 유동(oxygen-containing gas flows)
T 서모리액터(thermoreactor)
U 환경(environment)
V 저장 호퍼(storage hopper)
[표 1]
Figure pct00001

[표 2]
Figure pct00002

Claims (15)

  1. 생산하고자 하는 주물을 형성하는 캐비티(3)를 둘러싸는 주조 금형에 용탕을 부어 주조하는 주물(G)의 주조 방법으로, 소실형 몰드로 설계되는 주조 몰드(2)가 코어용 주물사로 구성되는 몰드 재료로 형성되는 코어용 바인더 또는 하나 이상의 주조 몰드 부분, 바인더 및 선택적으로 몰드 재료의 특정 물성을 조정하기 위한 하나 이상의 첨가제로 구성되는 몰드 재료로 형성되고, 주물의 주조 방법이;
    - 주조 몰드(2)를 제공하는 단계;
    - 하우징(7)의 적어도 하나의 내부 면과 주조 몰드(2)의 외각 면 섹션(8) 사이에 충전 공간(10)을 형성하도록 하우징(7) 내에 주조 몰드(2)를 둘러싸는 단계;
    - 자유-유동 충전재(F)로 충전 공간(10)을 채우는 단계;
    - 용융 금속을 주조 몰드(2) 내로 주입하는 단계를 포함하되,
    - 용융 금속을 주입한 결과로, 주조 몰드(2)가 고온 용융 금속에 의해 야기되는 열의 입력의 결과로 열을 방출하기 시작하고, 및
    - 용융 금속에 의해 야기되는 열의 입력의 결과로, 몰드 재료의 바인더가 증발 및 연소하기 시작하여, 바인더가 그 효과를 상실하여 주조 몰드(2)를 파편들(B)로 분쇄시키는, 주물의 주조 방법에 있어서,
    충전 공간(10) 내로 주입되어 충전 공간(10)을 채운 후, 충전재(F)에 의해 형성되는 충전재 패킹이 가스 유동(S1, S2)이 투과될 수 있을 정도로 충전재(F)의 겉보기 밀도가 낮고, 충전 공간(10)을 채우자마자 충전재(F)가 최소 온도(Tmin)에 있고, 주조 몰드(2)로부터 방출되는 열과 바인더가 연소하는 동안에 배출되는 열을 통해 발생하는 공정 열의 결과로 충전재(F)가 최소 온도(Tmin)에서부터 바인더가 주조 몰드(2)로부터 증발하고 충전재(F)와 접촉하기 시작하는 바인더가 발화 및 연소하기 시작하는 경계 온도(Tbound)를 상회하는 온도로 상승하는 것을 특징으로 하는, 주물의 주조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 겉보기 밀도(Sd)와 비열 용량(cp)의 곱(P)이 최대 1kJ/d㎥K 에 이르는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  3. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 겉보기 밀도(Sd)가 최대 4kg/d㎥에 이르는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 충전재(F)의 비열 용량(cp)이 최대 1kJ/kgK인 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 충전재(F)가 1.5 내지 100mm의 평균 직경을 갖는 과립으로 형성되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  6. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 충전재(F)로 충전 공간(10)을 충전하는 동안, 충전재(F)의 온도가 적어도 500℃에 이르는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 경계 온도(Tbound)가 700℃에 이르는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 인클로저가 가스 유입구(15) 및 배기가스 출구(19)를 구비하고, 충전 공간(10)에 포함되어 있는 충전재(F)가, 적어도 이따금씩 그리고 특정 구간에서, 산소-함유 기체 유동(S1, S2)을 통해 유동되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 가스 유동(S1, S2)이 실온을 상회하는 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스 출구(19)로부터 배출되는 배기가스 체적 유량에 따라 상기 가스 유동(S1, S2)이 조절되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스 출구(19)에서 배기가스 측정이 수행되고, 그 측정 결과에 따라 가스 유동(S1, S2)이 조절되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스 출구(19)로부터 나오는 연소 가스의 부분 유동이 산소-함유 가스 유동(S1, S2)과 혼합되고, 이렇게 혼합된 혼합물이 하우징(7) 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  13. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 바인더의 연소 생성물에 함유되어 있는 독성 물질을 분해하기 위한 촉매 컨버터가 하우징(7)에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  14. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 주조 몰드(2)가 체 베이스(1) 상에 배치되고, 체 베이스(1)를 통해 새어 나오는 주조 몰드(2)의 파편(B)과 충전재(F)가 함께 수집 및 처리되며, 후속 공정에서 이들이 분리되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
  15. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 주조 몰드(2)를 분쇄한 후에, 주물(G)이 열처리를 거치는 동안 특정 냉각 곡선에 따라 제어되는 방식으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 주물의 주조 방법.
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