KR900009215B1 - 중공강괴의 제조방법 및 장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

중공강괴의 제조방법 및 장치

제1도는 본 발명에 따른 중공강괴 제조장치의 종단면도.

제2도는 선형가스 속도와 내관의 온도간의 관계를 도시한 그래프.

제3도는 용강의 상승속도와 용강의 과열온도의 곱과 강괴의 개재물지수와의 관계를 도시한 그래프.

제4a도와 제4b도는 각각 종래 기술과 본 발명에 따라 제조된 중공강괴에서 압탕 바로 아래의 거시조직.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주형받침대 2 : 주형

3 : 탕도 4 : 코어

5 : 탕구 6 : 외관

7 : 내관 9 : 냉각가스 탱크

12 : 환상갭 13 : 절연슬리이브

15 : 보강판

본 발명은 압력용기, 대형링(ring)재료 등과 같은 원통형 단조 강제품의 제작에 사용되는 스톡(stock) 또는 중공 금속괴에 관한 것으로서, 특히 중공 강괴의 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.

원통형 단조 강제품 등의 제작에 사용하는 중공 강괴의 제조방법으로서는, 금속 또는 주물사로 만든 중실코어를 중공 원통형 주형에 동심으로 설치하고 주형과 코어 사이의 환상 구조공간에 상부 또는 하부 주입법으로써 용강을 주입하여 냉각 및 응고시키는 방법과, 이 방법과는 전혀 다른 원심주조법으로써 중공강괴를 제조하는 방법 등이 알려져 있다. 그러나 이러한 방법들은 코어의 배치가 복잡하고, 강괴의 표면상태가 불량하고, 코어의 측면에서 용강이 불충분하게 냉각되어 거대한 편석을 일으키는 등의 문제점이 있다. 결과적으로 충분히 만족할 만한 중공강괴를 제조하지 못하고 있다.

최근에 상기 문제점을 해결하기 위한 기술로서, 용융금속과 접촉하는 외관으로 사용되는 금속실린더와 이 실린더 내부에 배치된 중공 또는 중실 금속으로. 코어를 제작하여 그 사이에 공기, 수증기 등과 같은 냉각매체를 공급하는 중공강괴의 제조방법이 제안되었다(영구 특허 제 520598호), 또한 일본국 특허 공개 공보 제54-117326호에 개시된 중공강괴 제조방법은 원통형 강관과 이 강관의 내벽과 접촉하는 원통형 내화부재로된 코어를 받침대 위에 설치된 주형의 중심부에 배치하여 주형과 코어 사이의 갭으로 용융 금속을 주입하는 방법이다.

이와 같은 공지 방법은 코어의 설치를 간편하게 하고, 코어 근방의 용강의 냉각을 개선시켜 결과적으로 많은 문제점을 해결하였다. 그러나, 예를들어 영국 특허 제 520598호의 기술에서는 용강에 접촉하는 금속외관이 용강의 주입시 용강의 흐름에 의해 연소될 염려가 있으며, 일단 연소되면, 용강이 코어로 침투하여 제조된 중공강괴의 사용을 불가능하게 한다. 한편, 금속외관의 두껍거나 또는 냉각이 강해지면, 용강의 응고수축시 응력이 응고된 쉘(shell)에 가해짐으로써 강괴의 내표면에 균열이 발생한다. 중공강괴의 내표면에 걸친 균열은 단조 후 제품에 악영향을 주기 때문에 바람직하지 못하다. 코어의 냉각을 촉진하기 위해 물, 증기, 액상 금속 등을 이용하는 것이 확실히 효과적이기는 하지만, 그 설비가 복잡하고 조작도 대단히 어렵다. 반면에 간단히 사용할 수 있는 가스를 냉각 매체로 이용하면, 공지된 통상의 기술로서는 충분한 냉각이 수행되지 않는다.

또한 일본국 특허 공개 제 54-117326호에 개시된 기술은 강괴의 내표면에 응고 수축에 의한 균열이 일어나지 않고, 원통형 강관이 연소되는 경우에도 코어의 구조에는 문제가 야기되지 않으며 용강의 응고 후 코어를 간편하게 제거할 수 있는 특징이 있어, 종래의 중공강괴 제작법에 수반된 많은 문제점을 해결하고 있다. 그러나, 이 기술에서도 강괴에 발생하는

형 편석을 완전히 극복하지 못함으로써, 단조 후 기계가공시 제품의 내표면에 발생하는

형 편석선이 제품의 성질을 해치게 되는 문제점이 여전히 남아 있다.

간단히 말해서, 이들 문제점의 주된 원인은 중공강괴로 부터 제작되는 제품이 보다 대형화되고 그 품질이 보다 높게 요구되기 때문이다. 실제로 상기 종래 기술에 수반된 문제점은 치명적인 것이며, 요구되는 고품질 그리고 대형의 중공강괴를 제조하기란 현실적으로 곤란하다.

본 발명은 전술한 문제점을 극복하고, 고품질의 대형중공 강괴를 제조할 수 있는 기술제공을 그 목적으로 한다.

본 발명의 첫번째 특징에 의하면, 주형의 중심부에 원통형 금속코어를 동축으로 설치하고 코어와 주형 사이에 형성된 환상의 주조공간에 용강을 주입하여 냉각 및 응고시키는 중공강괴의 제조방법에 있어서, 코어가 내관 및 외관으로 구성된 동심 이중관 구조이고, 내관과 외관사이에 형성된 환상갭을 통해 불활성 가스를 14m/sec 이상의 가스선형 속도로 유동시키고 또한 내관의 내측 원주표면을 향해 냉각공기를 불어줌으로써 코어를 냉각시키며, 이와같은 냉각상태에서 용강의 상승속도와 용강의 과열온도의 곱이 7, 000(㎜.℃/분) 이상이 되도록 용강을 주입하는 것을 특징으로 하는 고품질, 대형의 중공강괴의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 두번째 특징에 의하면, 주형의 중심부에 원통형 금속코어를 동축으로 배치하고, 코어와 주형사이에 형성된 환상의 주조공간으로 용강을 주입하여 냉각 및 응고시키는 중공강괴의 제조장치에 있어서, 코어의 구조가 내관과 외관으로 구성된 동심 이중관이며, 내관의 내측 원주표면을 향해 개방된 다수의 냉각가스 출구를 구비한 냉각가스 탱크가 코어의 중심부에 내장되어 있고, 내측가스 공급관에 각각 연결된 다수의 불활성 가스출구가 내관의 하부에 배치되어 내관과 외관 사이에 형성된 환상갭을 향해 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 중공강괴의 제조장치가 제공된다.

상기 장치에서 코어의 외관의 하부 외측에 보강판이 설치되어 외관의 연소를 방지해 준다.

본 발명에 의하면, 코어를 내관과 외관으로 구성된 동심 이중관 구조로 하고 외관의 하부 외측에 보강판을 설치하였는데, 이렇게 한 이유는 주입시 주형받침대에 구비된 탕구로부터 주조공간으로 도입되는 높은 과열 온도의 용강의 흐름에 의해 코어의 외관이 연소되어 결국 중공강괴의 제조를 거의 불가능하게 하는 상황을 배제하기 위한 것이다.

주조공간을 향하여 외관에 설치된 보강판의 높이는 탕구로부터 코어의 외관까지의 거리와 탕구로부터의 용강 유속에 따라 가변적으로 조정된다.

코어의 외관과 내관 사이에 형성된 환상캡에는, 내관의 하부로부터 공급되는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스가 상방으로 유동하여 내관과 외관을 냉각시켜 준다. 이 경우에 환상갭을 통과하는 가스로서 질소 또는 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 사용하는 이유는 용강과 접촉하는 외판의 온도가 순간적으로 상승하여 공기 등과 같은 산화성가스를 사용할때 가끔 발생하는 산화성열(oxidative heat)에 외해 외관이 연소될 위험성을 배제하기 위한 배려때문이다.

외관의 두께는 용강의 응고 수축시 적당히 변형하여 중공강괴의 내표면에 균열을 일으키지 않을 정도로 한다. 한편, 내관의 두께는 용강을 지지하고 설사 외관이 연소되더라도 소정의 중공구조를 유지할 수 있는 정도로 한다. 외관과 내관사이의 환상갭의 크기는 외관의 허용 가능한 변형량 보다 그지 않도록 결정한다. 외관의 두께가 외관의 변형이 용이하도록 선정되어도 연소에 대한 위험은 마찬가지다. 연소 방지를 위해 외관의 하부가 상기 보강판을 이용한 이중구조로 되어 있으나, 경우에 따라서는 연소가 야기되는데에 대한 대비책이 있어야 한다. 따라서, 외관이 변형되거나 또는 외관의 연소시 용강이 환상갭으로 흘러가더라도, 내관이 용강을 지지하여 용강이 응고될 수 있도록 내관의 두께, 냉각조건 및 환상캡의 크기를 선정한다.

또한, 내관과 냉각가스용 냉각가스 탱크(공기조)사이에 유사한 환상갭이 구비되어 냉각가스 탱크로부터 내관의 내측 원주표면를 향해 냉각가스를 붙어주게 되어 있다. 냉각가스 탱크는 상단에 냉각가스 입구를, 그리고 측면(외측 원주표면)에 다수의 공기출구를 구비하고 있다. 공기 출구로부터의 냉각공기 분사방향은 내관의 내측 원수표면에 대해 수직이 되도록 한다. 냉각공기를 수직으로 분사시키는 이유는 내관의 냉각 효과를 최대로 하기 위한 것이다.

내관은 외관의 변형을 일정량 이하로 제어하고 연소시에 흐르는 용강을 냉각 및 응고시켜야하므로 일정한 강도를 유지하여야 한다. 일반적으로, 온도의 상승에 따라 강의 고온강도가 변화하고, 약 800℃ 이상에서α→β 변태로 인하여 인성이 낮아짐은 주지된 사실이다. 따라서 내관의 강도를 유지하기 위해, 내관의 온도가 항상 800℃ 이하로 유지되도록 냉각시켜 주어야 한다. 다수의 중공강괴를 제조하는 실험 결과, 제2도에 도시된 바와같이, 내관과 외관사이의 환상갭을 통하여 흐르는 불활성 가스의 형 속도가 내관의 표면온도와 연관성이 있는 것으로 밝혀졌다. 즉, 표준상태(0℃, 1기압)로 환산된 선형 가스속도(V)와 내관의 표면온도간의 관계는 기의 선형이며, 내관의 온도를 800℃ 이하의 온도로 억제하기 위해서는 선형가스 속도(V)가 14m/초 이상이면 충분함을 알 수 있다.

보통, 강괴의 주조시에는 가공결함과 편석을 방지하려는 것이 당연하다. 이와 관련하여 가공결함과 편석을 감소시키는데에 압탑(feeder head)이 효과적임은 주지의 사실이다. 특히 본 발명에서와 같이 대형 코어를 냉각시키려 한다면, 가공결함과 편석을 방지하기 위해서는 용융금속 표면에 대응하는 높이에 발열 또는 절연슬리이브를 배치하여야 한다.

또한, 대형 강괴의 제조시 특별히 주의해야할 사항 중 하나로서 강괴의 개재물의 감소를 들 수 있다. 개재물의 존재는 제품의 품질을 현저하게 해치기 때문에 본 발명에서와 같은 중공강괴의 제조시에도 개재물을 줄일 수 있도록 해야 한다. 이와 관련하여, 본 발명자물은 주입시 용강의 상승속도 V(㎜/분)와 용강의 과열온도

T(℃)와의 곱이 제3도에 도시된 바와같이 강괴의 개재물량과 명확한 관계가 있고 유해한 개재물은 V×

T≥7, 000(㎜.。C/분)의 범위에서 급격히 감소함을 확인하였다. 지금까지는 용강에 접촉하는 외관이 연소될 위험이 높기 때문에 용강의 상승속도 V 또는 과열온도

T의 증가는 바람직하지 못하였으나, 본 발명에 따른 상기 코어구조를 이용하면, 상기 공정이 가능하다.

제1도는 본 발명에 따른 장치의 단면도이며, 주형받침대(1)는 주형(2)에서 환상 주조공간 S를 향해 개방된 다수의 탕구(5)와 탕도(3)로 구성된다. 본 발명에 따른 코어(4)는 외관(6)과 내관(7)으로 구성된 동심이중관 구조이다. 내관(7)에는 냉각가스 탱크(9)가 내장되어 있다. 내관(7)과 냉각가스 탱크(9) 사이의 갭에는 일정 간격으로 다수의 불활성 가스용 공급관(8)이 설치되어 있으며, 각각의 공급관(8) 하단부에는 내관(7)과 외관(6) 사이에 형성된 환상갭(12)을 향해 개방된 출구(11)가 구비되어 있다. 냉각가스 탱크(9)의 상단에는 공기 등의 냉각가스를 도입하기 위한 입구(10)가 구비되어 있다. 냉각가스 탱크(9)의 외측 원주표면에 다수의 출구(14)가 구비되어 있으며, 이 출구를 통해 냉각가스가 내관(7)의 내측 원주표면에 수직 방향으로 분사됨으로써 공기에 의해 내관(7)이 냉각된다. 절연슬리이드(13)와 보강판(15)은 주입된 용강으로부터 외관(6)을 보호하는 역활을 한다.

[실시예]

다음과 같은 하부 주입법에 의해 중량 200톤, 평균 두께 1, 150㎜의 중공강괴를 제조하였다. 주입된 용강의 조성은 C : 0.17%, Si : 0.21%, Mn : 1.45%, N : 0.74%, Cr : 0.15%, Mo : 0.52% 및 나머지는 철과 불가피한 몇몇 원소들이다.

3개의 탕구가 있는 주형받침대위에 국화형 주형을 설치하였고, 연강으로된 의경 1400㎜, 내경 1370㎜인 외관과 연강으로 된 외경 1330㎜, 내경 1270㎜인 내관 및 외경 1016㎜, 내경 1000㎜인 냉각가스탱크를 주형의 중심부에 각각 설치하였다. 주입 초기부터 질소가스를 약 30시간 동안 50N㎥/분의 속도로 내관과 외관 사이의 환상갭으로 계속 유입시키는 동시에, 주입 초기부터 공기를 냉각가스 탱크로부터 약 30시간 동안 100N㎥/분의 속도로 내관과 탱크 사이의 갭으로 연속적으로 유입시켰다. 냉각가스 탱크의 측벽에는 직경 6㎜인 350개의 공기 출구가 구비되어 있으며, 이 출구를 통해 공기를 내관의 내측 원주표면에 수직한 방향으로 분사시켰다. 1590℃의 용강을 과열온도77℃를 유지하면서 145㎜/분의 상승속도로 주입하였다.

얻어진 강괴의 내표면에 외관이 부착되어 있었으나, 연소는 없었으며 외관의 바닥으로부터 읫쪽으로 80cm 거리까지의 이중구조부(보강판 부분)에 약간의 변형이 있었다. 그리고 외관의 바닥으로부터 1.2m 떨어진 지점에서 적당한 변형이 관측되었다. 상기 강괴를 단조 및 기계 가공하였을때, 제품으로서 부적당한 부분은 전혀 없었다.

압탕 바로 아래의 강괴 시편을 절취하여 정상부(20),

형 편석발생부(21) 및 최종응고부(22)에 관한 거시조직을 조사해본 결과 제4b도와 같은 결과를 얻었다. 제4b도에 도시된 본 발명의 경우가 제4a도에 도시된 종래 방법보다 우수함을 알 수 있다.

전술한 바와같이, 본 발명에 따르면

형 편석선을 국소화 시킬 수 있기 때문에 장치, 특히 코어 및 냉각수단을 복잡하게 하지 않으며 또한 연소부에 의한 문제점 없이 고품질의 대형 중공강괴를 확실하게 제조할수 있으며, 이는 중공강괴를 저렴하게 제조하는데에 효과적이다.

Claims (4)

1. 주형의 중심부에 원통형 금속코어를 주형과 동축상에 설치하고 주형과 원통형 금속코어 사이의 환상주조 공간으로 용강을 주입하여 냉각 및 응고시키는 중공강괴의 제조방법에 있어서, 상기 금속코어를 내관과 외관으로 구성된 동심 이중관구조로 하고, 내관과 의관 사이의 환상갭에 불활성 가스를 14m/sec 이상의 가스선형 속도로 유동시기고 또한 내관의 내측 원주표면에는 냉각공기를 불어줌으로써 상기 금속코어를 냉각하며, 이러한 코어냉각 조건하에서, 주입시 용강의 상승속도와 용강의 과열온도의 곱이 7, 000(㎜.℃/분)이상이 되도록 용강을 주입하는 것을 특징으로 하는 중공강괴의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 불활성가스가 질소 또는 아르곤 가스인 것을 특징으로 하는 중공강괴의 제조방법.
3. 주형의 중심부에 원통형 금속코어가 주형과 동축상에 설치되어 있고, 상기 금속코어와 주형 사이의 환상구조 공간에 용강을 주입하여 냉각 및 응고시키는 중공강괴의 제조장치에 있어서, 상기 금속코어가 내관과 외관으로 구성된 동심 이중관 구조이며, 내관의 내측 원주표면을 향해 개방된 다수의 냉각가스 출구가 구비된 냉각가스탱크가 상기 금속코어의 중심에 내장되어 있고, 내단의 하부에는 불활성 가스공급관에 각각 연결된 다수의 불활성 가스출구가 내관과 외관 사이에 형성된 환상캡을 향해 개방되도록 배치된 것을 특징으로 하는 중공강괴의 제조장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 코어의 외관의 하부외측에 보강판이 설치된 것을 특징으로 하는 중공강괴의 제조장치.

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