KR20180018588A - 반-완성형 야금 제품 및 주형의 제조방법 및 이 방법을 실행하는 장치 - Google Patents

반-완성형 야금 제품 및 주형의 제조방법 및 이 방법을 실행하는 장치 Download PDF

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KR20180018588A
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안드리 비탈리비치 엘리시브
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안드리 비탈리비치 엘리시브
솔로 발코 라쉬브
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Abstract

본 발명은 야금 및 주조 산업에 관련되며, 가스 압력 하, 진공 내, 대기압 조건 내, 및 특수한 가스 매질 내에서 금속과 합금의 제조에 구현될 수 있다. 장치는 내장 기밀 게이트(4)를 가지는 차단 장치(3)로 연결되는 가열로 오토클레이브(1)와, 주입 오토클레이브(2)를 포함한다. 주입 오토클레이브(2)는 기밀 게이트(5)에 의해 분리된다. 공급관(6)이 몰드(8)의 트레이(7)의 바닥 부분에 고정된다. 캡슐(9) 내에서는 “하이 모드”에서 주괴(슬래브, 성형 주물), 2금속과 두세 합금 등급의 3층 주괴뿐 아니라 통상적인 주괴의 주조가 수행된다. 가열로 오토클레이브(1)는 유도 가열로(12)를 가지도록 구성된다. 본 발명의 구체적인 특징은 용융물의 집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치를 사용하는 것인데, 이는 장치의 생산성을 현저하게 향상시킨다.

Description

반-완성형 야금 제품 및 주형의 제조방법 및 이 방법을 실행하는 장치
본 발명은 야금 및 주조 산업(metallurgical and foundry industry)에 관한 것으로, 가스압력 하, 진공, 대기압 및 특수한 가스 매체 내에서 금속 및 합금 제품을 제조하는 데 사용될 수 있다.
가스압력 하, 진공, 대기압 및 특수한 가스 매체 내에서 금속 및 합금을 제조 및 주조(casting)하는 장치[라쉬바 I. A.(Rasheva I.A.), 펫칸친 L. T.(Petkanchin L.T.), 특허 제2001/6887.23, 2001년 8월, 합금의 제조 및 주조 장치, 남아프리카공화국]가 공지되었는데, 이는 Cu, Pb, Mg, Zn 등과 같이 고 질소 농도이고 쉽게 증발(evaporate) 가능한 원소들과 합금된 단일물(monolithic)(단일; mono) 주괴(ingot), 재용해 전극(remelted electrode) 및 강철 주물(casting)을 제조할 수 있다. 이 설비는 가열로(furnace) 및 주입(pouring) 오토클레이브(autoclave)들과, 공급관(feed pipe)을 가지는 기밀 캡슐(airtight capsule)을 포함하는데, 이들은 전체적으로 함께 밀봉되거나 그 사이에 밀봉 연결을 가지고 자체적으로 밀봉될 수 있다. 가열로 오토클레이브에는 유도 가열로가 포함되고 주입 오토클레이브에는 단일 주괴, 재용해 전극의 몰드(mould) 또는 주형(casting form)의 세트(set)가 존재한다. 가열로 및 주입 오토클레이브들은 공통의 작업 공간(workspace)을 가질 수 있고, 필요시 오토클레이브들은 두 기밀(gastight) 게이트들에 의해 자동으로 분리될 수 있다. 야금 또는 주조 세트를 가지는 밀봉 캡슐은 주입 오토클레이브 내에서 수직으로 이동하며, 캡슐은 (주입 오토클레이브 또는 가열로 및 주입 오토클레이브들로 형성되는 압력 하의 공통 용기(vessel) 내의 전체 작업 압력과 독립적인) 자체적인 가스압력을 가질 수 있다. 주입 캡슐 내에는 액체 금속이 밑에서 위로(anti-gravitationally) 주입되는 몰드(주형)가 위치한다. 공급관은 캡슐에 밀봉 상태로 고정된다. 상부 및 하부 이동 플랫폼(upper and lower moving platform)은 수평 레일을 따라 이동하고, 가열로 및 주입 오토클레이브들은 승강기에 의해 수직으로 이동한다.
이러한 공지의 장치의 단점들은 다음과 같은데:
- 세라믹 공급관이 낮은 열전도율을 가져 (용융된) 액체 금속이 경화(crystallize)될 때까지 대기시간이 필요하고 다음 용해를 시작하기 위해 두 오토클레이브들이 분리(disconnect)되어야 하므로 생산성이 낮고;
- 두세 층의(layered) 주괴 또는 주물만이 생산 가능하여 제조 가능한 종류(assortment)가 제한되며;
- 유도 가열로가 몰드(주형) 충전 후에도 작동을 지속하므로 전력, 물, 내화재(refractory) 및 다른 소모성 재료(expendable material)들의 소비량이 증가하고;
- 주입 오토클레이브(pouring chamber) 내의 경화가 모든 제조 공정을 제한하므로 액체 충전물(charge) 사용(application)의 효율성이 낮으며;
- 고체 합금 덩어리(plug)가 내화관(refractory pipe) 내에 형성되므로 각 용해 후마다 고가의 공급 시스템의 교체가 필요하다.
(본 발명이) 제안하는 야금 반제품(semi-finished metallurgical product)과 성형 주물(shaped casting, 주형)을 제조하는 방법과 그 구현을 위한 장치의 기술적 결과는 생산성을 향상시키고 전력 소비를 감소시키며 제조 가능한 종류를 확대하는 것이다.
(본 발명의) 방법을 구현하는 기술적 효과는, 야금 제품 및 성형 주물을 제조하는 방법이, 가열로 오토클레이브에 용융된 액체 또는 고체 충전물(charge)을 충전(fill)하며, 압력 차이에 의해 용융물(melt)이 공급관을 통해 주입 오토클레이브 내의 몰드 또는 주형에 도입되고, 몰드 또는 주형의 충전과 후속되는 가스 압밀(gas compaction) 이후에 용융물의 국부적 경화에 사용되는 용융물의 집중적인 냉각을 위한 교체 가능한 장치가 공급관과 몰드의 바닥 트레이(bottom tray) 사이에 위치함으로써 달성된다.
물 또는 다른 냉매(cooling agent)가 집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치에 도입될 수 있다.
다층(multilayered) 합금을 제조할 때는 용융물의 도입 전에 몰드 내에 미리 거치된 적어도 하나의 야금 제품이 가열된다.
다양한 특성들을 가지는 야금 제품과 성형 주물을 얻기 위해, 가열로 오토클레이브 내의 용융물은 예를 들어 질소 등의 가스압력 하에서 처리될 수 있다.
(본 발명의) 장치 구현에 있어서의 기술적 효과는, 야금 제품과 성형 주물을 제조하는 장치가 이동 가능한(movable) 가열로 오토클레이브와 적어도 하나의 몰드 또는 주형을 가지는 주입 오토클레이브가 대응 공급관과 체결 시스템(locking system)으로 연결되고, 몰드의 바닥 트레이와 공급관의 단부가 용융물의 집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치가 연결 가능하도록 구성됨으로써 달성된다.
집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치는 고 열전도 냉각 슬리이브로 둘러싸인 고 열전도 슬리이브를 포함할 수 있다.
몰드의 바닥 트레이는 고 열전도 슬리이브와 고 열전도 냉각 슬리이브가 결합된 원추형 내화 슬리이브 내에 거치할 수 있게 구성될 수 있다.
다층 합금의 제조를 위한 이동(displacement) 가능한 주입 오토클레이브에는, 야금 블랭크(blank)의 몰드와 몰드를 덮는 통기성(gas-permeable) 뚜껑에 히터가 설치된다.
가열로 및 주입 오토클레이브들의 수는 생산량(production volume)에 따라 결정된다.
본 발명의 요지를 도면에 의해 설명한다.
도 1은 야금 제품과 주형을 제조하는 장치의 전체적 외관을 보이는 측면도;
도 2는 용융물의 집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치의 단면도;
도 3은 2금속(bimetallic) 주괴 제조의 개략도;
도 4는 3층 주괴 제조의 개략도;
도 5는 2금속 슬래브(slab) 제조의 개략도.
야금 제품 및 성형 주물(주형)을 제조하는 장치는 가동(mobile), 고정(immobile), 그리고 독립적(autonomous) 부품들로 구성되는데, 통합된 기밀 게이트(gastight gate; 4)를 가지는 고정 차단 장치(stationary shutoff device; 3)로 연결되는 가열로 오토클레이브(furnace autoclave; 1)와 주입 오토클레이브(pouring autoclave; 2)를 구비한다. 주입 오토클레이브(2)는 기밀 게이트(5)로 분리(disconnect)된다. 공급관(feed pipe; 6)은 몰드(mould; 8)의 바닥 트레이(bottom tray; 7)의 하부에 고정된다. 주입 캡슐(pouring capsule; 9)은 기구(mechanism; 10)에 의해 수직으로 이동하고 캐리지(carriage; 11) 상의 주입 오토클레이브(2)와 함께 수평으로 이동한다.
캡슐(9) 내에서는 “하이 모드(high mode)"에서 통상적인 주괴(ingot)와 함께 2금속 및 두세 가지 합금 등급의 3층 주괴 방식의 주괴(슬래브(slab), 성형 주물(shaped casting)의 주조가 밑에서 위로(anti-gravitationally) 수행된다. 가열로 오토클레이브(1)는 유도 가열로(induction furnace; 12)와 함께 승강기(elevator; 13)에 의해 L자홈(bayonet) 고정 차단 장치(stationary shutoff device; 3)를 향해 수직으로 이동하고, 캐리지(carriage; 14)에 의해 수평으로 이동한다. 고정 차단 장치(3)는 가열로 오토클레이브(1)와 주입 오토클레이브(2)를 연결하며, 캐리지(11 및 14)들은 레일(15 및 16)들을 따라 이동한다.
가열로 오토클레이브(1) 내에는 유도 가열로(12)가 위치하고, 주입 오토클레이브(2) 내에는 단일 주괴(mono-ingot), 재용해 전극(remelted electrode), 성형 주물(shaped casting), 2 내지 3층 주괴 및 주물 등의 제조에 사용되는 주괴용 몰드(mould; 8)(주형; casting form)의 세트가 위치한다. 주입 오토클레이브들과 캡슐(9)의 주물들은 낮거나 높을 수 있다(2금속 및 3층 주괴, 슬래브의 경우). 양 오토클레이브(1, 2)들은 공통의 작업 공간(workspace)을 가질 수 있지만 자체적인 분위기(atmosphere) 역시 가질 수 있다. 주입 오토클레이브(2) 내의 캡슐(9)은 단일 주괴, 2금속 주괴, 세 다른 금속층의 주괴 또는 두 합금의 두 층의 주괴를 위한 주형 또는 주입 세트와 함께 수직으로 이동한다. 캡슐(9)은 또한 자체적인 가스 매질을 가지는 밀봉 방식으로 구성될 수도 있고, 몰드(8)를 충전하기 직전에 주괴(슬래브)(19)의 내부 공간을 가열하는 히터(들)(18)를 가질 수 있다. (트레이 내의) 캡슐의 바닥(7)에는 고 열전도성 슬리이브(sleeve)(20)가 수냉 동 슬리이브(copper water-cooled sleeve; 21)와 접촉하여 설치된다. 공급관(6)은 그 하부의 바닥 트레이(7)에 밀봉 상태로 고정된다.
가열로 오토클레이브(1)는 L자홈 연결(bayonet connection; 24)로 연결된 케이싱(casing; 22)과 커버(cover; 23)로 구성된다.
주입 오토클레이브(2)는 L자홈 연결(27)로 연결된 하부(25)와 상부(26)를 가지는 케이싱으로 구성된다.
전술한 슬리이브(20, 21)들에 부가하여 집중적 냉각을 위한 장치는 플라스틱 밀봉 코팅(plastic sealing coating; 31)과, 물(냉매)의 유량 센서와, 그리고 제어 패널에 설치된 자동 탭(automatic tap)을 포함하는데, 자동 탭은 몰드(8)의 바로 직후에 최대 물 냉각 흐름(냉매)을 개방하지만, 액체 금속이 주괴(슬래브)(19)와 밀접하게 이어지도록(dense seam) 가압하고 새로이 주조되는 주괴의 수축(shrinkage sink)을 감소시키기 위한 시간도 고려한다.
교체 가능한 내화 원추형 슬리이브(23)(“스톤(stone)")이 바닥 트레이(7) 내에 거치된다.
몰드(8) 내에서 합금을 제조할 때, 슬래브(주괴 반제품; semi-ingot)(19)가 몰드(8)의 작업 공간 내에 견고히 고정되어 그 일부를 점유한다. 몰드(8)의 자유 반공간(free half-space)에 히터(18)가 매니퓰레이터(manipulator)에 의해 하강되어 주괴(슬래브)(19)의 내면을 가열하는 데 사용된다. (다른 금속과 합금들에 대해 다른) 설정 온도에 도달하면 히터(18)가 상승되고 액체 금속(33)이 도입되어 2금속 또는 3금속 합금의 제2 부분을 형성한다.
상부 기밀 게이트(5)가 주입 오토클레이브(2)의 바닥에 설치된다. 하부 기밀 게이트(4)는 고정 차단 장치(3) 내에 설치되어 오토클레이브(1, 2)들을 연결한다. 유도 가열로(12)는 가열로 오토클레이브(1)의 케이싱(22) 내에 고정 상태로(stationary) 설치되어 있는데, 케이싱은 가동 캐리어(moving carriage; 14) 상에 지지축(trunnion; 34)에 의해 장착된다.
3층 주괴(슬래브)를 제조하는 경우(도 4), 작동의 시퀀스는 2금속 주괴(들)의 제조와 유사하다.
작동이 고체 충전물에 기반할 때, 유도 가열로(12)가 고체 충전물로 충전되고, 이는 대기압 조건 하에서 용해 및 처리된다. 주입 오토클레이브(2)는 장치 자체에서 또는 레일(rail road; 16) 상에서 용해하도록 구성된다. 바닥 트레이(7)의 저면(도 2)에는 (플라스틱 코팅(31)으로 피복된) 고 열전도성 슬리이브(20)와 접촉하는 “스톤"(원추형 슬리이브)(32)이 설치되고, 고 열전도성 냉각 동 슬리이브(21)가 거치된 다음 공급관(6)이 설치된다. 동 슬리이브(21)는 제어 패널에서 몰드(8)의 뚜껑에 삽입되어 금속 주조 공정을 기록하는 열전쌍(thermocouple)들을 가지는 두 센서들과 연결된다. 다음(주괴의 일부인) 슬래브(19)가 몰드(8) 내에 설치되어 견고하게 고정되고 이에 이어 히터(18)가 하강한다. 슬래브(19)의 내면을 설정 온도까지 가열한 다음, 히터(18)가 상승되고, 이어서 통기성 뚜껑(gas-permeable lid; 35)이 거치되고 캡슐(9)의 뚜껑(29)이 L자홈 연결(27)에 의해 고정된다. 주입 오토클레이브(2)의 상부(26)가 하부(25) 상에 거치되어 L자홈 연결(27)에 의해 고정된다.
유도 가열로(12)는 캐리지(14)에 의해 레일(15)을 따라 이동하여 주입 오토클레이브(2) 밑에 중심을 잡고, 승강기(36)에 의해 고정 차단 장치(3)에 의해 정지될 때까지 상승하여 L자홈 연결(24)에 의해 고정된다. 액체 합금(33)이 가스 압력 하에서 처리된 다음, 공급관(6)의 하단이 액체 금속에 잠길 때까지 캡슐(9)이 제어된 상태로 하강된다. 이런 방식으로 이송 조건, 즉 가열로 오토클레이브(1)와 주입 오토클레이브(2)의 공통의 작업 공간 내의 압력 차이(P=P2-P1)가 형성되고, 유체 금속은 공급관(6)을 통해 몰드(8)를 향해 밑에서 위로 흐르기 시작한다. 몰드(8)의 자유 용적을 충전하고 난 뒤(도 3), 가장 집중적인 물 냉각 흐름(냉매)이 개시되어 제어된 결정화(crystallization)에 의해 유닛(장치) 내에 액체 금속의 국부적 결정화가 발생된다. 슬리이브(20) 영역(zone) 내의 국부적 결정화 이후 기밀 게이트(5)가 폐쇄된다. 압력 P2가 압력 P3보다 더 높아지고 가열로 오토클레이브(1) 내의 압력 P1은 대기압까지 강하된다. L자홈 연결(24)이 개방되어, 가열로 오토클레이브(1)는 승강기(36)에 의해 하단 위치로 하강되고, 가열로 오토클레이브(1)가 좌단 위치로 이동되어 유도 가열로(12)가 다음 용해의 충전물(charge)을 준비한다.
액체 충전물로 작동하는 경우, 유도 가열로(12)는 액체 충전물을 수용하고 가열로 오토클레이브(1)가 이동하여 주입 오토클레이브(2) 밑에 중심을 잡는다. 다른 작동들의 시퀀스는 고체 충전물로 작동하는 경우와 유사하다.
야금 제품과 성형 주물을 제조하는 (본 발명) 장치 구현의 작동과 방법에 의해 다음 주괴들이 얻어지는데:
1. 단일물의 통상적인 주괴(Monolithic conventional ingot).
유도 가열로(12)가 1580-1600°C의 온도까지 가열된다. 가열로 오토클레이브(1)의 압력 P1과 각각 주입 오토클레이브(2)와 캡슐(9)의 압력 P2, P3은 20초 동안 균등해진다. 압력 균등화 이후 고 질소의 크롬철(ferrochromium)이 도입되어 10분 동안 흡착(absorb)된다. 캡슐(9) 내에는 음의(negative) 차동압력(differential pressure)이 P=P1-P3=0.05 MPa으로 형성된다.
공급관(6)이 6초 동안 충전되고, 차동압력이 0.25MPa로 증가되어 몰드(8)가 용융물로 충전되고, 이는 예를 들어 다음 10분 동안 경화된다. 다음 주괴가 약 6분 동안 압밀(compact)된 후, 집중적 냉각이 시작되고 2분후 주조가 완료된다, 캡슐(9) 내의 주괴 상의 압력 P3이 2분간 0.45MPa의 수준으로 유지된다. 다음 15초 동안 가열로 오토클레이브(1) 내의 압력 P1이 저하되고, 장치(1)는 새로운 용융물의 충전을 위해 이동된다.
2. 2금속 주괴(도 3)
작동이 문단 1과 같이 진행되지만, 몰드(8)가 다른데, 고체 합금 주괴 반제품(10)이 몰드 내에 먼저 거치되어 히터(18)에 의해 100-150°C로 가열된다.
3. 3층 주괴(도 4)
작동이 문단 2와 같이 진행되지만, 몰드(8) 내에 두 주괴 반제품(19)이 거치된다.
4. 2금속 슬래브(판재; sheet) 주괴(도 5)
작동이 문단 1과 같이 진행되지만 주괴 반제품(19)이 평행육면체(parallelepiped) 구성을 가진다.
(본 발명) 장치와 방법은 다음 이점들을 가지는데:
- 세라믹 공급관(6)의 공급 채널의 일부를 제어상태로 집중적으로 냉각하는 장치가 주입 시간을 감소시켜 설비의 생산성을 향상시키고;
- 제어된 집중적 냉각 장치가 공급관(6) 외부에 위치하여 사용수명을 수십 배 연장시키며;
- 고가의 공급 시스템을 복수 회 사용할 수 있게 보장하고;
- 야금 방법으로 접합된 2금속 및 3금속의 최첨단 제품을 포함하여 생산 가능한 종류가 더 넓으며;
- 용해 시간이 더 짧아 전력, 물, 재료 등의 소비가 감소되고;
- 전체 제조 공정의 경쟁력의 기반이 되는 액체 충전물에 대한 작동이 효율성이 더 높으며;
- 매끈한(polished) 실린더들과 승강 기구의 매끈한 안내 칼럼 상의 액체 용융물의 고온 거울(mirror)의 악영향(1600-1700°C, 방사(irradiation), 먼지. 가스 등)의 시간을 단축시키고;
- 공급 시스템의 서비스 간격이 더 길어 산업 재해의 위험을 현저히 감소시키고;
- 장치가 진공을 포함하여 압력 하 또는 대기압 내의 용해를 가능하게 한다.
(본 발명) 야금 제품과 성형 주물을 제조하는 방법과 이를 구현하는 장치는 가스 압력 하, 진공 또는 대기압 내 뿐만 아니라 특수한 가스 매질 내에서 금속과 합금의 제조와 주조에 사용되어 통상적인(단일) 주괴(슬래브), 단일 금속, 2금속, 두세 등급들의 금속 또는 합금의 3층, 재용해 전극과; 성형 주물, 통상적, 질소(NS), 고 질소(HNS) 강들, 칼슘, 납, 아연, 마그네슘, 망간 등 쉽게 증발 가능한 원소와의 합금뿐 아니라 비철금속(non-ferrous metal)과 합금을 얻을 수 있다.

Claims (11)

  1. 가열로 오토클레이브에 액체 충전물 또는 고체 용해 충전물이 충전되어 압력차에 의해 공급관을 통해 주입 오토클레이브의 몰드 또는 주형으로 도입되는 반-완성형 야금 제품 및 주형을 제조하는 방법으로,
    용융물을 공급관을 통해 도입하기 전에 공급관과 몰드 또는 주형의 바닥 트레이 사이에 용융물의 집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치가 거치되고, 몰드 또는 주형에 용융물이 충전되고 후속되는 가스 압밀 이후에 사용되어 용융물을 국부적 경화시키는 제조 방법.
  2. 청구항 1에서,
    물 또는 다른 냉매가 용융물의 집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치 내에 도입되는 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에서,
    몰드 또는 주형에 미리 거치되는 야금 블랭크가 용융물의 도입 이전에 가열되는 제조 방법.
  4. 청구항 1 또는 2에서,
    용융물이 가스 압력 하의 가열로 오토클레이브에서 처리되는 제조 방법.
  5. 청구항 4에서,
    질소가 사용되는 제조 방법.
  6. 청구항 3에서,
    용융물이 가스 압력 하의 가열로 오토클레이브에서 처리되는 제조 방법.
  7. 청구항 6에서,
    질소가 사용되는 제조 방법.
  8. 각각의 공급관 또는 체결 시스템으로 연결되는, 제거 가능한 가열로 오토클레이브와 적어도 하나의 몰드 또는 주형을 가지는 주입 오토클레이브로 구성되고, 몰드의 바닥 트레이와 공급관의 하단이 용융물의 집중적 냉각을 위한 교체 가능한 장치로 결합될 수 있도록 구성되는, 반-완성형 야금 제품 및 주형의 제조 장치.
  9. 청구항 8에서,
    용융물의 집중적 냉각을 위한 장치가 교체 가능하고, 고 열전도성 냉각 슬리이브로 둘러싸인 고 열전도성 슬리이브를 포함하는 제조 장치.
  10. 청구항 9에서,
    몰드 또는 주형의 바닥 트레이가, 고 열전도성 슬리이브와 고 열전도성 냉각 슬리이브에 연결되는 교체 가능한 원추형 내화 슬리이브를 삽입할 수 있도록 구성되는 제조 장치.
  11. 청구항 8-10에서,
    주입 오토클레이브가, 야금 블랭크의 몰드 또는 주형 내에 위치하는 히터와 몰드 또는 주형을 덮는 통기성 뚜껑과 함께 이동 가능하게 구성되는 제조 장치.
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