KR810002041B1 - 압축 공기에 의해 용융물을 정련한 금속주물의 개선된 제조 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

압축 공기에 의해 용융물을 정련한 금속주물의 개선된 제조 방법

첨부 도면은 본 발명의 방법을 행하는 데 적합한 정제 용기 또는 전로의 종단면도.

본 발명은 금속주물의 제조 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 주조하기 전에 용융물을 압축공기로 정제하여 주물의 품질을 개량한 방법에 관한 것이다.

금속제품은 일반적으로 그 제조 방법에 따라서 두 가지의 제품, 즉 정련제품과 주조제품으로 분류된다. 정련제품은 처음에 용융된 금속을 주형내에 붓고, 이어서 기계적으로 조작하거나 또는 압연, 인발(drawing), 압출 또는 단조(forging)에 의해 중간제품을 변형시켜 제조한다. 이와 반대로, 주조 제품은 제2단계 가공을 행하지 않고, 즉 응고된 제품을 기계적으로 변형시키지 않고 제조한다.

한편, 주조 제품은 일반적으로 열처리하여, 기계적 정선, 기계가공 또는 손질한 다음에 주조하며, 이 제품은 소성 변형을 행하지 않는다.

기계적인 변형 존재 또는 부재하에, 정련제품과 주조제품 사이의 차이는 매우 중요한데, 그 이유는 정련제품의 제조자에게 응고 도중에 일어나는 여러가지의 결점을 수정 또는 제거할 기회를 제공해주기 때문이다. 예를들면, 림드강(rimmed sfeel)의 응고주괴의 표면은 매우 양호한 반면에, 그 표면 밑에 다수의 작은 기공 (biowhoie)이 있다는 것은 잘 알려진 사실이다.

이와 유사하게 연속적으로 주조된 대부분의 강철 내에는 중심지역에 주물기공(shrinkageporocity)이 형성된다. 그럼에도 불구하고, 이들 기공과 주물기공 부분은 다음의 압연도중에 거의 완전히 제거되며, 최종 정련제품은 초기의 기공을 실질적으로 포함하지 않는다.

한편 주괴(ingot), 슬랩(slab) 및 빌릿(billet)에 있는 표면결함은 정련제품 제조시에 문제가 되지 않는데, 그 이유는 이 제품은 중간제품으로써 선적하기 전에 기계적으로 다시 조작하거나 또는 소성변형을 행하기 때문이다. 또한 표면결함이 일어날 때에, 이 결점은 기계적으로 더 가공하기 전에 연삭 또는 표피제거작업(scarfing)으로 용이하게 제거할 수 있다. 이에반해 주물은 최종 제품이므로 주물의 표면질은 매우 중요하게 되어 시간과 비용을 들여서 수공으로 연삭(grinding), 게이징(gauging) 및 절삭(hipping)하여 결함을 제거하여야 한다. 그러므로 이와 같은 결함의 원인이 되는 공동(cviy)은 용접 또는 금속층을 입혀 다시 제조해야 된다. 첨가해서, 표면보수는 치수의 정확성과 주물의 기계적 성질을 저하시킨다.

그러므로, 주괴, 슬랩 및 빌릿은 중간제품이므로, 이것들에 있어서 표면 및 내부결함은 허용되지만, 주물에서 이와 같은 결함은 허용될 수 없는데, 그 이유는 주물은 최종형태로 직접 제조되기 때문이다.

금속주조공업은 오랫동안 만족스럽지 못한 주조에서 일어나는 몇가지 어려운 문제점에 봉착해 왔었다. 이 문제점들은 표면 및 내부 결함에 기인한 것이다. 많은 표면 결함은 위에서 언급한 비용이 드는 마무리 작업에 의해 개선되어 지는 반면에, 내부 결함을 갖는 주조물은 긁어 내거나, 재용융하거나 덧입혀 주조하여 개선한다. 주조하는데 있어 표면 홈에는 열간균열(hot tear), 표면균열, 및 핀호울에서 커다란 기공에 이르기까지 다양한 크기의 구멍이 있는데 일반적으로 이들 결함의 공극적인 원인들은 잘 알려지지 않았다. 그 결과로, 만족스런 주물을 제조하기 위한 용융 및 주조 기술은 많은 경험과 체험적인 기술을 요한다. 주물내부의 결함은 주로 기공율과 주물의 기계적 성질들, 즉 강도, 연성, 인성(toughness) 및 충격내성에 나쁜 영향을 미치는 함유물에 기인한 것이다.

상기한 결점과 붕괴, 시효경화(age-hardening) 및 은점(fish-eye) 또는 백점(whife spofs)의 존재는 용융물질중에 산소, 질소, 수소, 인 및 유황성분의 함량이 조절되지 않은 관계로 이해된다. 그리하여, 이들 다섯가지의 원소의 농도를 낮추거나 또는 조절하여 결함이 없는 주물을 제조하는 것이 주조공업분야에 있어서 오랜 과제이었다. 스테인레스주물의 경우에, 부식내성이 가장 중요하며, 탄소함량을 낮추어 결함이 없는 주물을 주조하는 것이 부차적인 목적이다.

종래 주조 결함은 소위 마무리 조작중에 보수하였다. 이들 조작중의 대부분은 상당량의 노동력을 필요로 하므로 비용이 매우 비싸게 든다. 더군다나 이와같은 마무리 조작의 대부분은 연삭인데, 이 연삭과정은 분진을 일으키므로 건강에 해롭다. 그러나, 이와 같은 주물은 보수할 수 없는데, 그 이유는 세밀한 부분을 보수할 수 없기 때문이다.

이와 같은 경우에, 결함이 있는 주물을 폐기해야 된다. 그리하여 오랫동안 주조공업은 주물의 표면품질과 물리적 성질면에서 주물을 개량할 수 있는 방법을 탐색하여 왔었다.

생성되는 주물의 품질을 개량하기 위해 주조전에 용융물을 정제하기 위해 주조공업에 있어서 여러가지의 방법이 사용되어 왔었다. 용융의 최종단계는 흔히 주물의 미세구조와 청결에 소기의 효과를 얻기 위해 몇가지 형태의 정제 또는 정제 처리과정을 포함한다.

이와 같은 처리 과정은 흔히 가스를 송풍시키거나, 또는 용광로나 전달 레이들(fransfer ladle)에 시약을 첨가한다. 이 처리는 탈탄화(decov barixation), 탈인산화, 탈산화, 탈유황화 및 배기(degassing) 과정을 포함한다.

본 발명 이전에 주물용 용융강의 탈탄화는 용광로의 개구부(upening)를 통해 삽입한 소모성 창(consumable lance)을 통해 용융물에 산소 가스를 송풍시켜 행했다. 이러한 방법의 탈탄화는 첫째로 조작자에게 위험한데, 그 이유는 조작자가 뜨거운 금속과 불꽃에 노출되기 때문이며, 또한 조작자가 통상으로 위험스러운 창을 손으로 다루기 때문이다.

둘째로 이러한 방법의 탈탄화는 흔히 정확하지 못한데, 그 이유는 존재하는 산소 모두가 배스(bafh)에서 반응하지는 않기 때문이다. 그리하여, 용융간을 다시 송풍할 필요가 종종 있는데, 그 이유는 처음에 탄소가 충분하게 제거되지 않기 때문이다. 최종적으로, 이와 같은 재래식 방법의 탈탄화는 건강에 유해하고 환경을 오염시키는 연무나 연기를 다량으로 발생시키는 경향이 있다.

산소의 존재는 주물의 성질에 해로운 것으로 알려졌기 때문에, 주물은 주형틀에 붓기 전에 일반적으로 용융금속을 탈탄화 시킨다. 첨가해서 이 탈산화는 일반적으로 응고도중에 기공의 형성을 방지해 주는 것을 요한다. 이것은 통상으로 실리콘 또는 알루미늄과 같은 잘 알려진 탈탄화제를 첨가하거나 또는 ＂칼시바(calcibar)＂ 및 ＂하이퍼칼(Hgpercal)＂과 같은 특정 탈산화제를 첨가하여 행한다. 주조하기 전에 용융물을 양호하게 발산화 시키는 것은 결함이 없고 단단한 주물을 주조하는데 중요하다.

본 발명 이전의 주물용 용융강의 탈유황은 일반적으로 용광로내에 높은 비율의 석회대 실리카 또는 석회대 알루미나를 함유하는 슬래그를 형성시키고, 이어서 이 슬래그를 양호하게 탈산화 시킨 금속과 혼합하여 성취했다. 슬래그와 금속 사이의 편형은 금속으로부터 슬래그로 유황을 운반시킨다. 이 방법은 매우 느리며, 특히 미량(즉, 0.005% 이하)의 유황이 요구되는 경우 수 시간이 소요된다. 슬러그를 제거하여 새로운 제품을 제조하는 것은 종종 필요하다. 흔히 이 단계는 목적하는 유황의 저능도를 성취하기 위해 수회 반복처리해야 한다.

이 방법은 노동력과 시간의 소비가 많으며, 용광로 제작자가 용융금속과 해로운 연기에 노출되는 결점이 있다. 다른 방법으로써 더 비용이 드는 탈유황법은 태핑(fapping)하기 직전의 용광로 혹은 전달 레이틀(transferladle)에 칼슘, 마그네슘 또는 희토류금속과 같은 값비싼 유황제거 원소를 첨가하는 것이다. 이 방법의 비용과 재생 불가능성은 이 방법을 널리 사용하지 못하게 하는데 주요인이 된다. 알려져 있는 배기처리법은 용융물을 통해 아르곤과 같은 기포를 일으키는 배기가스에 의한 배기뿐 아니라 진공 용융, 진공 배기를 포함한다.

한편 주조하기 전에 레이들내에서의 아르곤 배기는 용융물중의 수소 및 산소함유량을 저하시켜 주물의 품질을 개량시키는 반면에 이것은 불순물을 모두 제거하거나 또는 한정된 시간내에 수소농도를 저하시키지 못한다. 배기에 필요한 시간은 배기용기로 부터 열손실에 의해 엄격하게 제한됨으로써 여러가지 목적에 사용하기에 충분할 정도로 용해된 가스함량을 저하시킬 수 없다. 또한 배기자체는 유황을 제거하지 못하며, 주조에 충분한 유등성을 얻기 위해 용융물을 다시 가열하는 것이 필요하다. 그러므로, 본 발명 이전에 주조업계는 결함이 없는 주물을 제조하기 위해 상기한 방법들을 이용하여 노력해 왔었다. 그러나, 이들 종래의 방법은 비경제적이고, 부정확하거나 또는 재생불가하며 시간을 소비하고, 조작자의 건강에 해로우며, 전반적으로 공업적인 필요면에서 부적합하였다. 그리하여, 주물의 응고된 후 보수처리 작업이 통상 광범하게 필요하다. 실제로 행의 응용을 목적으로 사용하는 주물의 경우에 점검비용과 보수비가 흔히 주물자체의 원가를 초과한다.

과거, 25년동안, 정련강제품 제조업자들은 BOF,AOD,OBM 또는 Q-BOP 및 LWS법등의 공지의 정제 방법중 한가지 방법을 사용하여 용융금속처리법을 크게 계량했다. 이들 방법은 미국특허 제2,800,631호, 3,252,790, 3,706,549, 3,930,843 및 3,844,768호로 발표되어 있다. 적당히 조절된 농도의 탄소, 인, 유황, 산소, 질소 및 수소를 함유하는 정련강의 제조는 상기한 방법중의 하나 또는 한가지 방법 이상을 결합해서 용이하게 그리고 경제적으로 성취할 수 있다. 그러나, 주조 또는 주조 금속분야에 있어서, 필적할만한 진전이 없었다.

한편, 주조업계는 상기한 6가지 원소중의 하나 또는 두가지 원소의 농도를 낮추거나 또는 조절한 제품을 수차례 제조했었으나, 상기한 6가지 원소 전체의 농도를 저하시키거나 조절한 주물은 이제까지 제조하지 못하였으며, 이들 6가지 원소를 모두 조절한 경우의 이용가치나 또는 이점은 종래에 알려지지 않았었다.

용융물에 아르곤 및 산소를 동시에 주입하여 정련강을 제조하기 위한 용융 스테인레스 스티일의 압축공기처리(흔히 AOD법으로 칭함)는 정련제품을 제조하기 위하여 스테인 레스제철공장에 있어서 상업적으로 광범위하게 사용되어진다. 크립립스키(krivsky)에 의한 기초적인 AOD 정제법은 미국특허 제3,752,790호로 발표되었다.

프로그램에 따라 가스를 송풍시키는 크립스키법을 개량한 것은 넬슨(Nelson)등의 미국특허 제3,046,107호로 발표되었다. 적절한 질소함유량을 성취하기 위해 아르곤 및 산소혼합가스와 질소를 사용하는 것은 사코마노(Saccomano) 등의 미국특허 제3,754,894호로 발표되었다.

AOD 법의 개량은 또한 존슨(Johnsson) 등과 미국특허 제3,867,135호로 발표되었으며, 이 방법은 용융금속을 정제하기 위해 산소와의 혼합물에 증기 또는 암모니아를 이용하는 것이다.

븐 발명 이전에 주물을 제조하기 위해 주조 공업분야에서 상기한 바와 같은 공기압축 용융정제방법이 사용되지 않았던 것을 유의해야 된다.

본 발명의 목적은 주물의 표면 품질, 내부품질 및 물리적 성질을 개선하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주조하기 전에 용융물을 압축공기로 정제하여 주물을 주조하는 방법을 개량하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 주물의 생성수율을 증대시키는 것이다. 주조하기 전에, 분리된 용기중에서 용융물을 압축공기로 정제함으로써 종래의 주물보다 우수한 품질의 주물을 주조할 수 있음을 발견했다.

이와 같은 주물은 표면품질과 내부품질이 매우 우수했다.

상기의 목적은 다음과 같이 본 발명에 의해 성취된다.

표면품질과 내부품질을 개량한 금속주물의 최종 제품을 제조하는 방법은 (a) 용광로중에 선택된 물질을 용융시키고, (b) 용융물을 정제하고, (c) 용융물을 주형내에 붓고, (d) 용융물을 주형내에서 응고시키고, (e) 주형으로 부터 주물을 분리시킴에 있어서, (1) 용광로부터의 용융물을 적어도 한개의 침수송풍구(submerged tuyere)를 설치한 정제용기에 옮기고, (2) (a) 전술한 송풍구를 통해 10-90% 희석가스를 포함하는 산소-함유 가스 혼합물을 용융물에 주입하고, (b) 이어서 전술한 송풍구를 통해 용융물에 스파아징 가스(sparging gas)를 주입하여 전술한 용융물을 정제하는 것을 특징으로 하고 있다.

산소-함유 가스 스트림(gas stream)을 보호용 유체(protective fluid)의 환상스트림으로 둘러싸는 것이 좋다.

본 명세서와 특허청구의 범위에서 사용하는 ＂정제＂란 용어는 다음과 같은 효과중의 하나 이상을 의미한다. 탈탄화, 탈인산화, 탈유황화, 배기, 탈산화, 기체상태합금, 불순물산화, 불순물 휘발, 슬래그 환원과 부유 및 비금속불순물의 균질화. 본 발명은 철, 코발트 또는 니켈기초 합금의 정제에 사용할 수 있으며, ＂금속＂이란 용어는 이와 같은 의미로 사용된다.

전술한 ＂희석가스＂란 용어는 용융물의 탈탄화중에 형성된 기구(氣球) 중의 일산화탄소의 부분압을 감압시키거나, 또는 전체 주입가스 유동율을 실질적으로 변동시키지 않고 용융물에 산소 가스의 공급속도를 변동시킬 목적으로 산소 기류에 첨가하는 하나 이상의 가스를 의미한다.

적합한 희석가스로 아르곤, 헬륨, 수소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 증기 및 메탄, 에탄, 푸로판 및 천연가스와 같은 탄화수소가스를 들 수가 있다. 이중에서 아르곤이 가장 적합한 희석가스이다.

전술한 ＂보호용 유체(prote ctive fluid)＂란 용어는 산소함유가스를 둘러싸고, 송풍구와 그것을 둘러싸는 내화성 라이닝(refractory lining)을 심한 마모로 부터 보호해 주는 하나 이상의 유체를 의미한다. 적합한 보호용 유체로 아르곤, 헬륨, 질소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소 유체(기체 또는 액체)및 증기를 들 수가 있다. 메탄, 에탄, 푸로판 또는 천연 가스가 적합한 탄화수소 가스이며, 제2번 디젤유가 적합한 탄화수소 액상물이다. 아르곤이 가장 적합한 보호성 유체이다.

전술한 ＂스파아징 가스(sparging gos)＂란 용어는 용융물로 부터 불순물을 증발시켜 제거시키거나 또는 슬래그에 휩싸이거나 반응하여 불순물을 슬래그로 전달하는 기능을 갖는 하나 이상의 가스를 의미한다. 적합한 스파아징 가스로 아르곤, 헬륨, 질소 및 증기를 들 수가 있다. 아르곤이 또한 적합한 스파아징 가스이다.

개량된 또는 우수한 표면품질을 갖는 주물을 최종 주물제품으로 정의하며, 이것은 종래의 제품과 비교했을 때에 청정, 연삭, 절삭, 용접 또는 기타의 보수작업을 줄일 수 있다. 이와 같은 개량된 표면품질은 염색침투탐상시험(dgepenefranf fest) 또는 자기탐상시험(magnafluxtest)으로 측정했을 때에 상기한 결점이 현저하게 줄어든 것으로 증명될 수 있다.

개량된 또는 우수한 내면품질을 갖는 주물을 최종주물 제품으로 정의하며, 이것은 종래의 제품과 비교했을 때에 다음과 같은 하나 이상의 특징을 나타낸다. 저농도의 함유물, 내부 기공율의 감소, 기계가공중 수소플레이킹(hgdrogen floking)의 감소, X-선으로 검사했을 때 결함의 감소 또는 인성(toughness)과 같은 보다 양호한 물리적 성질.

주조용 강철용융물을 처리하기 위한 압축 공기 정제법을 이용하면 정련 강제품을 제조하기 위하여 용융된 강철을 정제하여 얻는 화학적 이점을 대부분 얻을 수 있다. 특히 용융물을 보다 양호하게 탈산화하고, 탈산화 제품을 보다 양호하게 분리시키고, 저농도의 유황 및 수조를 사용함으로써 내면품질이 약간 개량되리라 예상되었다. 그러나, 본 발명에 의한 압축 공기처리법은 예상외로 주물의 표면품질을 개량하고, 강도, 연성 및 인성을 상당히 개량시킨 주물을 생성하며, 종래의 저합금강 및 탄소강보다 훨씬 우수한 품질의 주물을 제조할 수 있음을 발견했다.

본 발명의 결과로서, 더할 나위 없을 정도로 좋은 주물을 얻을 수 있다. 특히, 생성되는 주물의 표면품질은 균열이 보다 적으며, 열간 균열이 감소되었다. 첨가해서, 본 발명을 사용하면 주물 표면이 보다 부드러워지는데, 이것은 용융물과 샌드주형(sond mold)과의 상호작용이 감소된 결과로 이해된다. 주물의 물리적 성질들이 놀라웁게 개량되었음을 또한 발견했다.

상기한 개량은 본 발명에 따라 주조된 주물에서 나타나는 낮은 기공율 뿐 아니라 낮은 불순물 농도와 낮은 수소 플레이킹에 기인한 것으로 이해된다.

본 발명에 따라 처리한 용융강은 미처리금속보다도 동일한 온도에서, 보다 양호한 유동성을 가지므로 보다 우수한 주물을 생성하는데, 그 이유는 정제하지 않은 용융물보다 금속이 보다 작고 복잡한 틈으로 흘러들어가기 때문이다.

이와는 별도의 방법으로 낮은 주조온도에서 동일한 유동성을 얻을 수 있다. 이것은 주물 표면을 개량시키는데 기여한다.

본 발명에 의한 압축공기 정제처리는 금속주물의 제조에 통상적으로 사용되는 여러가지 형태의 철 또는 강철용융물과 코발트 및 니켈합금에 사용하는데 유리하다. 그러나, 이 처리방법은 페라이트 및 오오스테나이트 스테인레스스티일강, 저합금강 및 탄소강의 처리에 특히 유익함을 발견했다. 특별히 유익한 효과는 열간 균열 및 수소 플레이킹에 민감한 WC 6 및 HY 80과 같은 강철제 주물에서 얻어졌다.

주조후 결함을 보수하기 위해 흔히 상당한 절살, 연삭 및 용접과정을 필요로 하는 HY 130과 같은 고강도 강철은 본 발명에 의해 상당히 개량되어 마무리 비용을 상당히 절감시켰다. 균열이나 또는 미세균열을 일으키지 않고 주조하기가 대단히 어려웠었던 본 발명이전의 CN7M, CH20, CK20, 310L 및 347L과 같은 오오스테나이트 스테인레스 등급품은 본 발명에 의해 균열없이 용이하게 주조할 수 있다.

소형이고 간단한 주물과 복잡한 대형주물에 두루 사용할 수 있는 본 발명의 이점은 고품질의 주물제조가 요구되는 경우, 예를들면 항공기, 선박 및 핵발전소에 사용하는 펌프 및 터어빈 주조에 있어서 특히 중요하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 예기치 못한 효과외에, 본 발명을 사용했을때 얻어지는 기타 이점들은 용융금속의 최소 산화 현상으로 원료물질을 절약할 수 있으며, 저급충전물질을 사용할 수가 있다.

요구되어지는 용융물의 화학적 성질을 보다 더 정확하게 성취함으로써 생산의 증가를 가져왔으며, 주물 품질을 개량하여 불량품이 적어졌다.

본 발명을 행함에 있어서, 충전물의 용융은 당업계의 공지 방법으로 행할 수 있다. 가장 보편적인 주조를 위한 용융에 사용되는 용광로는 화덕 또는 도가니형태의 연료연소용광로와 저항, 유도 또는 아아크형태의 전기로이다.

이중에서 후술한 두개의 용광로가 적합하다. 충전물을 용융시킨 다음에 용융물을 제1도에 나타낸 바와 같은 공기 압축 전로에 레이들(ladle) 또는 다른 방법으로 이송시킨다.

제1도는 본 발명을 행하는데 사용하기 위한 적합한 정제용기(1)의 종단면도이다. 이 용기(1)는 트러니언 링(3)에 착탈자재로 부착된 외부강철셀(2)로 구성된다. 트러니언 링(tvunion ving)과 용기는 충전, 샘플링, 슬래그 제거 및 태핑(tapping)을 용이하게 해 주기위해 작동수단(도시하지 않음)에 의해 고정 부착시켜 경사시킬 수 있다. 셀(2)은 기초내화벽돌(4)로 안을 댄다. 셀(shell)은 착탈자재로 설치하는 것이 적합한데, 그 이유는 조작을 중단시키지 않게하기 위해 수개의 셀이 필요하기 때문이다. 수평으로 배치한 등심원 형태의 송풍구(5)는 유동체를 주입하기 위한 용기의 바닥 근처의 용기의 측벽에 형성된다. 필요에 따라 이 송풍구는 용기의 측벽대신에 또는 용기의 측벽외에 용기의 저부에 형성할 수 있다. 그러나, 적어도 두개 이상의 송풍구를 사용하는 것이 적합하며, 용기의 저부 근처에 용기의 측벽에 수평으로 비대칭관계로 배치하는 것이 적합하다. 즉, 두개의 송풍구를 비대칭 관계로 배치시켜, 유체 기류가 서로 정반대로 주입되도록 한다. 송풍구를 비대칭으로 배치시키면 주입된 가스에 의해 용융물의 혼합을 증대시킨다. 송풍구(5)는 내부 튜우브(6)와 동심외부 튜우브(7)로 구성된다. 산소 가스단독 또는 희석가스와 혼합한 것을 내부튜우브(6)를 통해 주입시키고, 보호용 가스는 송풍구의 외부튜우브(7)를 통해 주입시킨다. 이 후자는 내화성 라이닝을 급속한 품질저하를 보호해 주는 산소기류 주위의 보호용 환상막을 형성한다. 유체의 압력은 용융물을 침투하기에 충분할 정도로 증압되어야 한다. 중심 및 환상통로의 송풍구 입구에서 유체의 절대압은 출구에서 유체의 절대압보다 적어도 2배이상 커야 한다.

본 발명을 행하는데 적합한 용기 및 송풍구의 상세한 기재는 사코마노(Saccomano)와 엘리스(Ellis)의 미국특허 제3,703,279호에 기재되었다. 스파아징 가스는 산소기류를 사용했을 때에 전기한 것과 동일한 송풍구 또는 분리 송풍구를 통해 용융물에 주입할 수 있다. 스파아징 가스는 전자의 송풍구를 통해 주입하는 것이 적합하다. 산소가스를 송풍시킨 후에, 스파아징 가스는 용융 금속이 냉각을 일으키는 송풍구로 되돌아가는 것을 방지하기 위해 송풍구의 중심통로와 환상통로를 통해 주입된다.

일반적으로, 본 발명방법의 용융금속정제 단계는 침수 송풍구를 통해 용융물에 산소 및 희석가스와 보호용 유체(예, 아르곤)를 주입하여 행한다. 탈탄화 즉, 주입된 산소와 용융물 중 탄소와의 반응은 배드(bath)성분의 산화를 조절하며, 배드의 온도를 유지해 준다. 용융물에 초기에 고혼합비의 산소대 희석 및 보호 가스를 도입한다.

정제하고져하는 강철 조성에 따라서, 용융물중의 탄소함량이 감소할 때에, 산소대 희석가스 및 보호용 유체의 비율은 송풍을 통해 열역학적조건을 유리하게 유지하기 위해 일반적으로 수 단계로 저하시키는 것이 적합하다.

산소와 기타 가스는 용융물 밑으로 고속도로, 도입하므로 용융물 내에서 우수한 혼합이 일어나며, 가스-금속과 슬래그-금속이 긴밀하게 접촉하게 된다. 그 결과, 용기내에서 일어나는 모든 화학적 공정의 반응이 크게 개량되었다. 이것은 10분 이내의 송풍시간에서 칼슘, 마그네슘 또는 희토류원소와 같은 값비싼 탈유황제를 첨가함이 없이 매우낮은 농도(0.005%)이하로 탈유황을 성취해 준다. 약 1% 이하의 크롬을 함유하는 합금의 탈인산화는 적어도 75% 이상의 산소를 함유하는 가스 혼합물을 사용하여 탄소함유량 0.1이하로 배드를 탈탄화시켜 용이하게 행할 수 있다. 그 다음에 이와 같이 형성된 인성분 함유 슬래그는 송풍시키기 전에 스파아징 가스를 송풍시키거나 또는 이 슬래그에 환원제, 탈산화제 또는 탈유황제를 첨가한다.

본 발명의 기타 이점은 엔드포인트 탄소를 근접조절할 수 있고, 산소 질소 및 수소의 잔류량을 매우 낮게 유지할 수 있는 것이다.

본 발명을 실행하여 얻은 이들 세성분 원소에 대한 전형적인 잔류치를 다음의 표1에 나타냈다.

[표 1]

첨가해서 용융물중 납 및 아연은 야금적으로 해롭지 않은 수준까지 낮출 수 있다.

본 발명에 의해 얻은 상승효과, 즉 저농도의 유황성분을 갖는 저농도가스(산소, 질소 및 수소)와 용융물의 유동성 증가는 전례 없는 표면품질, 내면청정 및 개량된 기계적 성질을 갖는 주물을 제공해주었다. 아래의 표Ⅱ는 스테인레스 스티일등급 CA6NM의 두개의 주물의 화학적 및 물리적 성질을 비교한 것이며, ASTM명세 A 296으로 하나는 종래의방법대로 다른 하나는 본 발명 방법대로 행한 것이다.

[표 2]

샤르피 V형노치(charpyv-notch)(R.T.에서).

상기의 표2에서 본 발명에 의해 주조한 주물은 모든 면에서 특히 충격내성에 있어서 종래의 주물보다 우수함을 알 수 있다.

인성에서 차이는 유황함유율이 이 특정주조에 있어서 압축공기정제로 얻은 0.01% 이하의 종래것에 비해 0.022% 밖에 되지 않을 정도로 현저했다. 이 경우에, 특정 탈유황처리를 사용하지 않았다.

HY 130과 같은 고강도 합금으로 본 발명에 의해 주조한 주물에서 진공배기 금속으로 주조한 동일한 합금의 주물과 비교했을 때에 80%의 충격강도의 개량이 얻어졌다. 이와같은 고층격 강도는 이 종류의 합금으로 주조한 주물에 있어서 종래의 충격강도치를 훨씬 능가했다.

[실시예 1]

전기아아크 용광로에 HY-80 고철 6290 파운드, 연강고철 5869 파운드 및 석회 300파운드를 채웠다. 전극에 전류를 통과시키고, 충전물을 약 1시간동안용융했다. 용융물을 하강시킨 다음에, 이 조성물을 종래의 방법대로 처리하여 후술하는 용광로 탭 조성과 약 3100°F의 온도를 갖도록 재조정했다.

상기의 용융물을 아아크 용광로부터 전달레이들에 옮기고, 이어서 정제용기에 채웠다. 이 충전물에 석회 500 파운드, MgO100 파운드 및 알루미늄 60파운드를 첨가했다. 압축공기 정제초기에 용융물의 온도는 2900°F이었다. 이 용융물을 제1도에 표시한 바와 같은 내화제로 안을 댄 정제용기의 저부 측벽에 수평으로 그리고 비 대칭으로 배치한 두개의 동심 튜우브로 된 송풍구를 통해 송풍시킨다.

아르곤 가스로 희석한 산소로 구성되는 송풍가스를 송풍구의 중심튜우브를 통해 주입했다. 보호용 유체로 아르곤 가스를 사용하고, 송풍구의 환성통로를 통해 이 보호용 유체로 도입했다. 산소가스대 아르곤화합가스의 유동율의 비는 3대 1이었다. 전체로 2150ft³의 산소를 주입했다. 주입된 가스중 화합된 가스의 유동율은 약 6000SCFH이었다. 송풍개시 약 9분 후에, 전기의 용융물에 충전크롬 11파운드 및 표준 망간 18파운드를 첨가했다. 송풍 종료시에, 용융물의 온도는 3080°F이었고, 탄소 함유량은 0.10%이었다.

50% FeSi 100파운드를 부가한 다음에, 용융물을 스파아징하고, 송풍구의 중심통로와 환풍통로 양자를 통해서 4분동안 약 4000SCFH의 비율로 아르곤 가스를 주입하여 뒤섞었다. 이 때에, 용융물의 온도는 3000°F이었다. 그 다음에 용융물을 종래의 방법대로 탈산화시키고, 바닥부분에 있는 레이들에 태핑하기 전에 2분 이상동안 스파아징하고, 이어서 주형내에 붓는다. 용광로 탭 조성과 탭에서의 정제된 용융물의 최종 조성을 다음 표에 기재했다.

[실시예 2]

비교할 목적으로, 종래의 방법대로 열처리하여 제조한 HY-80(저합금강)은 다음과 같이 제조했다. 전기아아크 용광로에 HY-80 고철 15,000 파운드, 충전크롬 55파운드, 연강고철 14.082파운드 및 석회 600파운드를 충전했다. 전극에 전류를 통과시키고, 충전물을 용융시키고, 약 75분동안 2290°F까지 가열했다 그 다음에, 약 4000SCF의 산소를 손으로 쥘 수 있는 소모성 창(hand-held consunable laoue)으로 배드에 주입했다.

이와 같이 형성된 슬래그를 걷어내고, 배드온도가 2850°F 임을 측정했다.

용융물에 탄소 200파운드, 50%FeSi 500파운드, 석회 500파운드, 충전크롬 220파운드, Ni 285파운드 및 MoO₃66파운드를 부가했다. 전극에 전류를 통과시키고, 배드 온도를 45분동안 3020°F까지 증가시켰다. 이 온도에서, 예비샘플을 취해서 아래와 같은 분석에 사용했다. 그 후에, 여기에 석회 500파운드, 충전크롬 200파운드, Ni 135파운드 및 FeMo 28파운드를 부가하고, 이어서 손으로 질 수 있는 소모성 창에 의해 배드에 6700SCF의 산소를 주입하여 용융물을 더욱 탈탄화시켰다. 약 20분 동안 송풍시킨 후에, 탄소가 0.07%임을 측정하였다. SiMn 275파운드와 75% FeSi 131파운드를 부가 하였으며, 즉시 가열시켜 시료를 채취했다. 최종 탭 조성은 아래와 같았다.

아래의 표3은 종래의 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 열처리 한 상기의 실시예 1 및 2에서 제조한 용융물로 부터 제조한 주물의 물리적 성질을 비교한 것이다.

[표 3]

상기의 표3에서, 본 발명에 의해 제조한 주물의 충격강도를 현저하게 개량시킨 외에는 주물의 모든성질들이 거의 동일했다. 주물의 화학적 조성과 열처리가 실질적으로 동일하므로 유사한 성질들이 얻어지는 것을 예측할 수 있다. 개량된 충격강도는 본 발명에 의해 제조한 용융물의 내면청정을 개량한 것을 반영한 것으로 이해된다. 한편 인성(toughness)에 있어서 이 증가는 본질적으로 주물의 품질을 상당히 개량시키며, 주물의 청정과 마무리작업에 있어서 상당한 개량이 관찰되었다.

실시예 1의 용융물로 제조한 주물은 실시예 2의 용융물로 제조한 주물 보다 청정, 연삭, 용접 및 기타의 보수과정을 실질적으로 줄일 수 있다. 이 개량은 예기치 못했던 것이며, 종래에는 예측할 수 없었던 것이며, 주물의 가치에 중요한 부분을 차지하는 노동력 절약을 고려했을 때에 주조공업분야에 있어서 상당히 중요한다.

상기한 예기치 않은 개량 이외에, 본 발명에 의해 제조한 HY-80 주물의 기타 개량이 또한 관찰되었다 예를들면, 본 발명에 의해 제조한 실험주물을 보수하기위해 요구되는 용접은 5인 반면에 종래의 방법대로 주조한 동일한 주물에 대해 요구되는 보수 용접은 95이다. 또한 본 발명에 의해 제조한 주물은 13＂ 색션에서도 수소 플레이킹을 나타내지 않았다.

[실시예 3]

전기 아아크 용광로에 18-8 스테인 레스스티일 고철 8947파운드, 탄소 40파운드 및 석회 500파운드를 충전했다. 전극에 전류를 통과시키고, 충전물을 용융시켰다. 용융물을 하강시킨 다음에, 조성물이 아래에 나타낸 용광로 탭 조성을 갖고, 약 3100°F 온도를 갖도록 종래의 방법대로 조정했다.

상기의 용융물을 아아크 용광로로 부터 전달 레이들에 태핑한 다음에 정제용기에 채웠다. 이 충전물에. 석회 500파운드를 부가했다.

공기 압축정제 공정의 초기에, 용융물의 온도는 2910°F이었다. 용융물을 제 1도에 표시한 바와 같은 정제용기의 저부 측벽에 수평으로 그리고 비대칭으로 배치한 두 개의 동심 튜우브로된 송풍구를 통해 송풍시켰다. 송풍가스는 중심 튜우브를 통해 주입한 아르곤으로 희석한 산소로 구성된다. 아르곤을 보호용 유체로서 송풍구의 환상통로를 통해 주입했다. 산소대 화합된 아르곤가스 유동율의 비는 3대 1이었다.

전체로 1800f³의 산소를 주입했다. 주입한 가스(즉, 산소와 아르곤가스)의 화합 유동율은 약 7000SCFH이었다. 3 : 1 유동율에서 21분동안 송풍시킨 후에, 용융물의 온도는 3120°F이었고, 탄소 함유량은 0.15%이었다. 산소대 화합된 아르곤 가스의 유동율은 1 : 1로 변경시켰다.

이유등율에서 약 15분동안 주입을 계속하고, 이때에 1000ft³의 산소를 모두 주입했다. 그 후에, 산소대 화합된 아르곤 가스의 유동율을 다시 1 : 3으로 변경하고, 100ft³의 산소를 4분이상 동안 주입했다. 그 다음에 Fecrsi 400파운드, 석회 100파운드 및 50% FeSi 215파운드를 첨가하고, 용융물을 뒤섞고, 송풍구의 양통로를 통해서 주입된 아르곤가스 단독으로 17분동안 스파아징했다. 탭 온도는 2920°F이었다. 그 다음에 바닥부분에 있는 레이들에 가열태핑한 다음에 주형내에 부었다.

[실시예 4]

비교할 목적으로, 종래의 방법대로 처리한 18-8 스테인레스스티일을 다음과 같이 제조했다. 전기 아아크 용광로에 18-8 고철 18,702파운드, FeNi 374파운드, 탄소 150파운드 및 석회 2500파운드를 충전했다. 전극에 전류를 통과시키고, 충전물을 용융시키고, 약 118분 동안 2850°F까지 가열시켰다. 이때에 채취한 예비시료는 아래 표에 나타낸 바와 같은 조성을 가졌다. 그 다음에 약 12,000SCF의 산소를 손으로 쥘 수 있는 소모성 창(hond-held consumable lance)을 통해 배드에 주입했다. 이와 같이 형성된 슬래그를 걷어내고, 이 용융물에 Fecrsi 2278파운드, 저급 CFeC r300파운드, 석회 800파운드 및 Ni 80파운드를 부가했다.

전극에 다시 전류를 통과시키고, 레이들에 가열태핑한 다음에 주형내에 부었다. 예비 시료 조성과 최종탭조성을 아래에 나타냈다.

실시예 3 및 4, 즉 본 발명과 종래의 방법대로 제조한 주물의 기계적 성질들은 거의동일했다. 그러나, 본 발명에 의해 제조한 6개의 주물에 기초한 청정 및 보수에 요구되는 평균시간은 종래의 방법으로 제조한 7개의 주물에 기초한 청정 및 보수에 요구되는 평균시간의 약 30%이하였다.

Claims (1)

1. 선택된 충전물을 용광로중에서 용융시키고, 이 용융물을 정제하고, 이 용융물을 주형에 티이밍시키고, 용융물을 주형내에서 응고시키고, 주물을 주형에서 분리시켜 개량된 표면품질과 내면품질을 갖는 금속의 최종 주물생성물을 제조하는 방법에 있어서, 전기의 용융물을 용융을 위해 사용되는 용광로로부터 적어도 한개 이상의 침수 송풍구를 형성한 정제용기에 이송시키고, 전기의 송풍구를 통해 10-90%의 희석가스를 함유하며 보호용 유체의 환상 스트림을 포함하거나 또는 포함하지 않는 산소-함유 가스 혼합물을 용융물에 주입하고, 이어서 전기의 송풍구를 통해 전기의 용융물에 스파아징 가스를 주입하여 전기한 용융물을 정제시키는 것을 특징으로 하는 압축 공기에 의해 용융물을 정련하는 금속주물의 개선된 제조방법.

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