KR20230093823A - 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치 및 그 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치 및 그 주조방법에 관한 것이다.
일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치는 몰드의 일면에 구비되는 냉각수 유입구; 상기 몰드의 내부에 자켓 형태로 형성되는 냉각수로; 및 상기 냉각수로에 연결되고 상기 몰드의 하단부에 구비되는 냉각수 분출구를 포함할 수 있다.

Description

알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치 및 그 주조방법{APPARATUS FOR CONTINUOUS CASTING A ALUMINIUM ALLOY BILLET AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 실시예들은 고용질 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 균일한 냉각능을 확보하고 건전한 표면을 가지며 내부 크랙이 없는 고용질 알루미늄 합금 빌렛을 제조할 수 있는 연속주조장치 및 그 구조방법에 관한 것이다.

지구온난화 및 수송기기의 전기에너지 사용에 따른 수송기기용 소재의 경량화는 필수적인 가운데, 알루미늄 소재의 적용은 지속적으로 증가하고 있다. 알루미늄 합금은 고강도, 고성형 및 고내식 등 요구특성에 대응하기 위해 각종 합금 첨가량이 증가하고 있는 추세이며, 특히, 소재의 신뢰성 및 특성측면에서 우수한 알루미늄 전신재에 적용범위는 날로 증가하고 있다. 이들의 압출 혹은 압연을 위한 반소재 형태의 빌렛 및 슬라브는 대부분 연속주조에 의해 제조되어 있이다(된)다. 그러나 알루미늄 전신재 합금 원소량의 첨가량이 증가함으로 인해 넓은 고액공존구간이 필요하며, 이로 인해 주조 시 응고크랙 및 용질의 편석 등의 많은 결함을 갖는 문제가 있다. 이들 결함은 연주재의 균질화처리에 장시간이 걸리고 압출공정에서 표면 및 내부 결함을 발생시키므로, 연속주조 시 건전한 빌렛을 제조하는 것은 매우 중요하다.

알루미늄 합금 빌렛을 연속주조하는 방법은 Direct Chill, Air Slip 공정이 활용되어 있은는 데, 이와 같은 기존의 연속주조방식은(6000)계 합금 빌렛에는 적합하나, 고용질 합금의 함유한 고강도 합금의 경우, 연주 중에 크랙 등이 발생하는 등 표면 및 내부조직 불균일 문제를 유발한다.

에어슬립방식 주조방법(국내 등록특허 10-0904506)은, 몰드내 가스와 오일을 공급하면서 용탕을 몰드 내에서 응고시킴과 동시에 다공질의 흑연링으로 냉각 및 윤활을 동시에 제어하여 연속주조하는 방식이며, 몰드 내로 일정압의 가스를 공급하여 몰드와의 마찰을 최소화하나, 일정 직경 이상의 고용질 합금의 빌렛의 연속주조에는 적합하지 못하다. 다른 방법으로 마그네슘 합금 용탕을 통형 단열 주형에서 냉각하면서 빌렛의 표면에 냉각액을 분사하여 수평으로 연속주조하는 기술(일본 등록특허 JP(5612881))이 있으나, 이 공정은 수평으로 연주하면서 빌렛과 몰드 사이 틈에 발화가스를 공급하면서 품질을 제어하는 방법으로 분위기 제어필요 및 생산성 측면에서 제약이 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 합금원소를 많이 함유하지 않은 합금에 대한 연속주조는 적합하나, 고용질 알루미늄 합금 빌렛의 연속주조에는 적합하지 않다.

즉, 종래 연속주조장치를 이용하는 경우, 각종 합금 첨가량이 높은 고용질 함유 알루미늄 합금 빌렛은 빌렛의 건전성을 유지하는 것이 특히 어려운 바, 고용질 함유 알루미늄 합금의 빌렛을 건전하게 제조하는데 있어 중요한 몰드시스템 및 그 연속주조에 관한 방법이 개발이 요구된다.

본 실시예에서는 연속주조시 균일한 냉각능 확보와 동시에과도한 냉각능에 의한 소재의 열충격을 제어하기 위한 연속주조장치 및 주조방법에 대한 기술을 제공하려고 한다.

일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치는, 몰드 내부에 구비되고 몰드의 일면에 구비되는 냉각수 유입구; 상기 몰드의 내부를 관통하여 구비되고 상기 몰드의 외측면의 형태를 따라 형성되는 냉각수로; 및 상기 냉각수로에 연결되고 상기 몰드의 최하단부에 구비되는 냉각수 분출구를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치는, 상기 냉각수로는 상기 냉각수 유입구가 구비되는 몰드의 일면에 연결되는 제2면, 상기 제2면에 연결되는 제3면 및 사기 제3면에 연결되는 제4면을 따라 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면 합금원소가 많이 첨가된 알루미늄 합금 빌렛 연속주조과정 중 몰드 내에서 균일한 냉각능 확보를 통해 건전한 표면을 가지면서 내부 crack 없는 알루미늄 합금 빌렛을 용이하게 제조할 수 있다.

또한 냉각수 차단을 통해 냉각변형을 제어하여 건전한 빌렛 제조가 가능하다.

도 1은 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치를 도시한 것이다.
도 2는 냉각수량에 따른 빌렛의 단면을 관찰한 결과이다.
도 3은 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치의 냉각수 공급 차단부로 냉각수를 차단하여 제조한 빌렛과 냉각수를 차단하지 않고 제조한 빌렛의 단면을 비교한 결과이다.
도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 주조방법을 나타낸 것이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/ 또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 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 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/ 또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치를 도시한 것이다.

도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치는 몰드의 일면에 구비되는 냉각수 유입구; 몰드의 내부에 자켓 형태로 형성되는 냉각수로; 및 냉각수로에 연결되고 몰드의 하단부에 구비되는 냉각수 분출구를 포함할 수 있다. 냉각수로는, 몰드의 내부를 관통하여 구비되고, 냉각수 유입구가 구비되는 몰드의 일면에 연결되는 제2면, 제2면에 연결되는 제3면 및 제3면에 연결되는 제4면을 따라 형성될 수 있다. 즉, 사각기둥형태의 몰드의 내부에 ‘ㄷ’ 자 형태로 형성될 수 있고, 냉각수로에 유입되는 냉각수가 몰드 내부를 통과함으로써 몰드를 균일하게 냉각시킬 수 있다.

몰드 내의 알루미늄 합금 용탕의 냉각은 냉각수로 차가워진 몰드에 의한 간접적 냉각에만 의존한다. 즉, 본 발명에서 제안하고 있는 연속주조장치에 따른 용탕의 간접 냉각은, 일정 온도의 냉각수가 몰드에 공급되고 몰드는 용탕 열을 빼앗아 일정형상을 갖도록 응고시켜 주조하는 것이다. 몰드를 직접 냉각시키는 자켓형태의 몰드는 금속 내 냉각수로, 즉 하부에서 공급된 물이 “ㄷ”자 형태로 공급되어 일정하게 몰드 냉각이 가능하도록 하며, 몰드 하부에서 냉각수가 배출된다. 즉, 하부에서 일정하게 공급되는 냉각수는 간접방식으로 몰드 전체를 균일하게 냉각하는 것이 가능하다.

냉각수 분출구에서는 냉각수로를 통과한 냉각수가 미리 정해진 각도를 가지고 빌렛에 분사될 수 있다. 바람직하게는 냉각수 분출구에서 분사되는 냉각수는 빌렛이 생성되는 방향으로(30)도 내지(45)도로 분사될 수 있다. 몰드 하부에 구비된 냉각수 분출구는, 알루미늄 빌렛 내부의 미응고된 영역냉각과 건전한 표면을 확보하기 위해 몰드 최하단부에서 빌렛에 직접 비스듬하게 냉각수가 공급되게 한다.

일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치는 냉각수 분출구에서 분사되는 냉각수의 공급을 제어하는 냉각수 공급 차단부를 더 포함할 수 있다. 냉각수 공급 차단부는 빌렛이 완전 응고된 후에는 냉각수가 공급되지 않도록 하는 셔터일 수 있다. 빌렛이 완전 응고된 후 몰드 하부로 빌렛으로 직접적으로 냉각수가 공급되지 않도록 shutter를 설치함으로써, 응고 후 냉각과정에서 생성되는 크랙을 제어하려고 한다. 이를 통해 표면 및 내부크랙이 없는 건전한 알루미늄 합금 빌렛을 용 이하게 제조할 수 있는 장점이 있다.

또한, 10cc/min 내지 30cc/mm 유량으로 식물성 오일을 공급하는 오일 공급부를 더 포함할 수 있고, 냉각수 유입구는, (15)도 내지(25)도의 냉각수(30)내지(60)리터를 냉각수로로 유입시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치를 이용하면, 분당 50mm/min 내지 80mm/min의 빌렛을 주조할 수 있고, 총 용질 합금량이(7% 이상인 고용질 알루미늄 합금 빌렛을 내부 crack 이 없고 건전한 표면을 가지도록 제조할 수 있다.

도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 주조방법을 나타낸 것이다. 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 주조방법은 총 용질 합금량이(7% 이상인 고용질 알루미늄 합금 원재료를 가열된 도가니에 공급하는 단계((100)); 상기 도가니에 공급된 고용질 알루미늄 합금 원재료를(700)도 내지(800)도로 승온하는 단계((200)); 가스를 버블링하는 단계((300)); 버블링된 합금 용탕을 몰드에 주입하는 단계((400)); 상기 몰드 내부에 냉각수를 유입하여 상기 용탕을 간접 냉각시키는 단계((500)); 상기 냉각수를 상기 몰드 하부로 배출하면서 냉각되어 생성되는 빌렛에 분사하는 단계((600))를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 몰드 내부에 자켓 형태의 냉각수로를 통과하여 상기 몰드 전체를 균일하는 냉각할 수 있고((500)’), 냉각수는, 몰드 하부로 배출될 때(30)도 내지(34)도의 각도를 가지고 빌렛에 분사되며((600)’), 빌렛이 완전 응고되면 냉각수 공급차단부에 의해 몰드 하부로의 냉각수 배출이 차단될 수 있다((700).

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

실시예 1

Zn 및 Mg 성분이 합계(7%내외, Cu(2%내외 총 용질합금량이(10%내외인 잉곳 혹은 스크랩 형태의 알루미늄 합금을 전기저항가열방식으로 가열된 도가니에 장입한 후(750)도 내외로 승온하였다. 일정량의 용탕이 확보한 후 gas bubble을 인가할 수 있는 로터를 용탕에 장입한 후, (15)분간 Ar gas를 버블링하여 탈가스히였다. 이후(710)도 내외로 유지된 건전한 용탕을 필터박스 및 탕도를 거쳐 도 1의 몰드로 주입하였다. 탕도에서 일정 수위를 가지면서 몰드에 공급되는 용탕은 일정온도로 탕면이 유지되면서 몰드에 공급된다. 몰드에 주입되는 알루미늄 용탕은(690)~(700)도 내외로 몰드 내에서 일정수위를 확보하였다. 몰드에(20)도 내외의 냉각수를(30)내지(60)리터 제어하면서 공급하였고, 분당(10)내지 30cc 식물성 오일을 몰드에 공급하였으며, 분당(50)내지 80mm의 빌렛을 주조하였다.

실험예(1)- 냉각수량의 조절에 따른 고용질 함유 알루미늄 빌렛 단면 비교

몰드 내 빌렛이 건전하게 연속주조되기 위해선, 우선 용탕 응고하는 과정이 중요하다. 특히, 용탕의 응고는 몰드의 냉각능에 의존하는데, Zn 및 Mg 성분이 합계(7%, Cu(2%인 알루미늄 합금을 종래의 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치를 이용하여 냉각수량을 달리하여 제조하였고, 제조된 빌렛의 단면을 관찰한 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2는 냉각수량에 따른 빌렛의 단면을 관찰한 결과이다. (a)는 25도 온도 냉각수 분당 50~70L를 공급하여 제조한 알루미늄 합금 빌렛의 단면이고, (b)는 25도 온도 냉각수 분당 40~60L를 공급하여 제조한 알루미늄 합금 빌렛의 단면이며, (c)는 25도 온도 냉각수 분당 30~50L를 공급하여 제조한 알루미늄 합금 빌렛의 단면이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 냉각수가 상대적으로 많은(a)경우에 빌렛 중심부에 큰 크랙을 확인할 수 있으며, 이는 냉각수량을 제어하면(b), (c)와 같이 중심부 크랙이 저감됨을 확인할 수 있다. 동시에 주조공정 중 크랙은 최소의 냉각수를 통해 몰드부의 냉각능을 제어하고, 몰드와 접촉하는 용탕과 몰드 중심부의 온도편차를 적게 하여 응고크랙을 제어할 수 있음을 알 수 있다. 본 발명에서는 이와 같은 효과를 내기 위하여 냉각수를 자켓형태의 몰드 내부 냉각수로에 공급하여 몰드를 균일하게 냉각함으로써, 표면 건전도를 높이고 crack 을 최소화한다.

실험예(2)- 냉각수 공급 차단 여부에 따른 빌렛 단면 비교

실험예(1)의 25도 온도 냉각수 분당 30~50L를 공급하는데 있어서 주조, 즉, 몰드 내 응고가 완료된 후, 추가로 냉각을 위해 냉각수를 빌렛에 공급한 경우인 반면, (b)는 추가 냉각수를 차단하여 알루미늄 합금 빌렛(b)를 제조하였다.

도 3은 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치의 냉각수 공급 차단부로 냉각수를 차단하여 제조한 빌렛과 냉각수를 차단하지 않고 제조한 빌렛의 단면을 비교한 결과이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 연주 후 냉각수량을 지속적으로 공급한 경우에 도 3과 같이 중심부에서 크랙의 발생(a)이 관찰된다. 반면, 냉각수를 차단하면 크랙이 대략 발생하지 않았다(b. 즉, 연속주조 후 빌렛은 몰드에서 공급되는 냉각수에 의해 지속적으로 냉각되는 게 일반적인데, 이로 인해 빌렛이 냉각하는 과정 중 변형을 억제하는 데 어려움이 있음을 알 수 있다. 본 발명에서는 이를 제어하기 위해 도 1의 몰드 하단부에 연주 후 냉각수를 공급 차단하는 냉각수 공급 차단부를 구비하여 급속냉각에 의한 열변형을 억제하여 크랙없는 연주재(b)를 확보하였다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

1. 몰드의 일면에 구비되는 냉각수 유입구;
   상기 몰드의 내부에 자켓 형태로 형성되는 냉각수로; 및
   상기 냉각수로에 연결되고 상기 몰드의 하단부에 구비되는 냉각수 분출구를 포함하는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각수로는,
   상기 몰드의 내부를 관통하여 구비되고, 상기 냉각수 유입구가 구비되는 몰드의 일면에 연결되는 제2면, 상기 제2면에 연결되는 제3면 및 상기 제3면에 연결되는 제4면을 따라 형성되는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수로에 유입되는 냉각수는, 상기 몰드 내부를 통과함으로써 상기 몰드를 균일하게 냉각시키는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 냉각수 분출구는,
   상기 냉각수로를 통과한 냉각수가 미리 정해진 각도를 가지고 상기 빌렛에 분사되는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 냉각수 분출구에서 분사되는 냉각수는,
   상기 빌렛이 생성되는 방향으로(30)도 내지(45)도로 분사되는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수 분출구에서 분사되는 냉각수의 공급을 제어하는 냉각수 공급 차단부를 더 포함하는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 냉각수 공급 차단부는,
   빌렛이 완전 응고된 후에는 냉각수가 공급되지 않도록 하는 셔터인 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
8. 제1항에 있어서,
   10cc/min 내지 30cc/mm 유량으로 식물성 오일을 공급하는 오일 공급부를 더 포함하는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 냉각수 유입구는,
   (15)도 내지(25)도의 냉각수(30)내지(60)리터를 상기 냉각수로로 유입시키는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
10. 제1항에 있어서,
    분당 50mm/min 내지 80mm/min의 빌렛을 주조하는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치는,
    총 용질 합금량이 7% 이상인 고용질 알루미늄 합금 빌렛을 제조하는 알루미늄 합금 빌렛 연속주조장치.
12. 총 용질 합금량이 7% 이상인 고용질 알루미늄 합금 원재료를 가열된 도가니에 공급하는 단계;
    상기 도가니에 공급된 고용질 알루미늄 합금 원재료를(700)도 내지(800)도로 승온하는 단계;
    가스를 버블링하는 단계;
    버블링된 합금 용탕을 몰드에 주입하는 단계;
    상기 몰드 내부에 냉각수를 유입하여 상기 용탕을 간접 냉각시키는 단계;
    상기 냉각수를 상기 몰드 하부로 배출하면서 냉각되어 생성되는 빌렛에 분사하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 빌렛 주조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 냉각수는,
    상기 몰드 내부에 자켓 형태의 냉각수로를 통과하여 상기 몰드 전체를 균일하는 냉각하는 알루미늄 합금 빌렛 주조방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 냉각수는,
    상기 몰드 하부로 배출될 때(30)도 내지(34)도의 각도를 가지고 빌렛에 분사되는 알루미늄 합금 빌렛 주조방법.
15. 제12항에 있어서,
    상기 빌렛이 완전 응고되면 냉각수 공급차단부에 의해 상기 몰드 하부로의 냉각수 배출이 차단되는 알루미늄 합금 빌렛 주조방법.
    
    
    
    

Images