생형사의 습태성질에 미치는 혼련조건의 영향

생형사의 습태성질에 미치는 혼련조건의 영향

¹⁾

佐藤和則

I Metal Technology Co., Ltd.

Key words : 생형사, 습태성질, 주형, 혼련, 방치.

번역 : 여인동

1. 서 언

생형주형을 이용하여 고품질의 주물을 제조하기 위해서는 주 형을 구성하는 주물사의 품질안정화가 강력히 요구된다. 최근 생형라인에서는 모래 조성의 관리나 자동수분 콘트롤 보다도 콤팩트빌리티(compactability, CB)값의 관리를 행하는데, 생형 사의 성질 안정화를 목적으로한 자동화 관리 방안이라 하겠다.

그렇지만 모래 특성에 편차가 커서 생형사 성질의 안정화는 쉽지 않은 것이 실정이다. 생형사의 성질 편차가 생기는 요인 으로는 용탕주입시 열영향을 받아 생형사 성분이 열화되는 것 과 같은 회수사의 성상변화, 중자사 혼입에 의한 강도의 저하, 물의 첨가조정 조건에 의한 혼련성 등으로 생각 할 수 있다.

과거에 생형사의 편차를 줄이는 방법으로서 모래의 숙성도 연구[1]가 있었는데 (1) 풀·템퍼, (2) 프레·템퍼, (3) 에프터·

탬퍼 등으로 분류하고 벤토나이트에 수분을 효율적으로 침투시 키는 이론적 설명이 되어 있다[2]. 또한, 혼련효과를 올리는 방 법으로서 예비혼련을 행한 후, 본 혼련을 행하는 이중혼련으로 생형사의 습태성질 등의 편차를 줄이는 방법도 있다. 이러한 방법을 기존의 주조설비에 채용하는 데에는 대단한 설비 투자 가 필요하고 더욱이 주조품의 품질에 대한 인과관계 등에 대 하여 명쾌한 설명이 어려운 점 등으로 인하여 이중혼련을 하 고 있는 생형라인은 많지가 않다.

이번자료에서는 생형사의 편차에 미치는 많은 요인중에서 혼 련공정에 있어서 물의 조정조건(혼련조건)을 변화시키는 경우, 생형사의 특성(습태성질)이 어떻게 영향을 받는 것인가에 대하 여 조사한 결과를 보고한다.

2. 생형사의 사특성(습태성질)에 영향을 미치는 요인 생형사의 사특성(습태성질)에 영향을 미치는 변동요인은 다음 과 같은 것이 있다.

a 주조조건(주입온도, 샌드/메탈 비, 등) b 혼련조건(혼련시간, 첨가량, 등)

c 혼련설비 조건(심슨타입, 에지테이터 타입, 등) d 회수사 조성(입도분포, 점토분, 수분, 등)

e 회수사 처리설비 조건(산포된 물, 모래온도, 등) f 기타(방치, 이중혼련 등)

3. 시험 방법

생형사의 혼련 시험은 다음과 같은 방법으로 행하였다.

3.1 사배합

골재로서 회수사 4 kg(100%), 전부 회수사만이다. 시험에 사 용된 회수사의 조성을 Table1에 나타내었다. 사용된 회수사의 수분은 0.25% 이고 수분이외의 새로운 첨가제의 사용은 없다.

3.2 혼련조건-1

시험실용 혼련기(심슨타입; 용량 0.035 m³, 로라 직경

φ

_×

A :회수사(수량100%) → 혼련(4분) → 측정

B :회수사(수량 50%) → 혼련(2분) → (수량 50%) → 혼련(2 분) → 측정

C :회수사(수량 50%) → 혼련(2분) → (수량 30%) → 혼련(1 분) → (수량 20%) → 혼련(1분) → 측정

혼련조건 A는 모래 투입과 동시에 예정수량 전량을 첨가해 서 4분간 혼련을 행한 후 측정한 것이다. 혼련조건 B는 예정수 량을 모래 투입시에 50% 첨가하고 2분 혼련한 후 나머지 50%를 첨가해서 2분간 혼련한 후 측정한 것이다. 혼련조건 C

1)日本鑄造工學會誌 제 82권(2010) 제5호 page 291~298에 게재된 자료임.

2)한국생산기술연구원(Korea Institute of Industrial Technology) 주조기술연구부 수석연구원

Table 1. 회수사의 조성.

전점토분 활성점토분 미분 작열감량 수분 입도지수

10.3% 7.5% 0.54% 2.47% 0.25% 69.2

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는 예정수량을 모래 투입시에 50% 첨가하고 2분간 혼련한 다 음 남은 물 30%를 2차로 첨가해서 1분간 혼련하고 마지막으로 남은 물 20%를 첨가한 다음 1분간 혼련해서 측정한 것이다.

3.3 혼련조건-2

예비혼련을 3분간 행하고 혼련사를 밀페시킨 용기에 방치한 후 본혼련을 4분간 행하였다. 첨가한 물의 양은 120cc 이다.

예비혼련에서 물을 30cc(25%) 첨가하고 방치시간을 각각 30분, 60분, 180분으로 한 후 본 혼련에서 물을 90cc(75%) 첨가해 서 측정한 값이다. 방치시간 30분을 D, 60분을 E, 180분을 F 로 표시하였다.

D :회수사(물의 량 25%) → 혼련(3분) → 방치(30분) → (물의 량 75%) → 혼련(4분) → 측정

E :회수사(물의 량 25%) → 혼련(3분) → 방치(60분) → (물의 량 75%) → 혼련(4분) → 측정

F :회수사(물의 량 25%) → 혼련(3분) → 방치(180분) → (물의 량 75%) → 혼련(4분) → 측정

G :회수사(물의 량 40%) → 혼련(3분) → 방치(30분) → (물의 량 60%) → 혼련(4분) → 측정

H :회수사(물의 량 40%) → 혼련(3분) → 방치(60분) → (물의 량 60%) → 혼련(4분) → 측정

I :회수사(물의 량 40%) → 혼련(3분) → 방치(180분) → (물의 량 60%) → 혼련(4분) → 측정

또한 방치시간은 동일한 조건으로 하고 물의 첨가량을 예비 혼련시 50cc(40%), 본 혼련시 70cc(60%)으로 하여 실험을 하 였는데 방치시간 30분을 G, 방치시간 60분을 H, 방치시간 180분을 I로 표시하였다.

3.4 측정항목

혼련 종료 후 모래를 배출한 다음 수분, 콤팩타빌리티 (CB값), 압축강도, SSI, 통기도, TP밀도를 측정 하였다.

3. 생형사의 혼련시험 결과와 고찰 3.1 혼련조건-1의 시험결과

Fig. 1은 물의 첨가 시기을 변화시키고 혼련조건을 다르게 했을 때 수분 및 CB값의 변화를 표시하였다. 그림 중 검은색 마크는 물의 량을 110cc 첨가한 경우이고 흰색은 물의 량을 120cc 첨가한 경우로서 혼련 4분후의 결과이다. 혼련 조건 A 는 혼련 시작시 물을 전량 첨가한 것이고 혼련 조건 B는 혼 련 시작시 물을 50%만 첨가한 뒤 혼련 2분후 나머지 50%를 첨가하고 다시 2분 혼련한 결과이며 혼련조건 C는 혼련 시작 시 물을 50% 첨가한 뒤 혼련을 2분간 행하고 남은 30%를 첨가한후 1분 추가 혼련하고 다시 나머지 20%를 첨가한 후 혼련을 1분 추가 실시한 시료의 결과이다.

기본적으로 가지고 있는 회수사의 수분은 0.25%이고 물의 량을 110cc첨가한 경우의 계산 수분은 3.0% 인데 B및 C는 거의 계산 값에 가까운 값인데 반하여 A는 2.82%로서 약 0.1~0.2% 정도 낮은 값으로 나타났다. 이것은 4분 혼련하고 있는 순간에 수분이 증발해서 생긴 이유로 생각 된다.

물의 량이 많은 120cc의 경우에 있어서도 같은 경향을 보였 다. 혼련 시작 시 물을 전량 첨가하는 A의 경우, B나 C 같 이 분할해서 첨가하는 경우에 비교해서 수분량이 저하되는 경 향을 표시하고 있다.

CB값의 변화를 수분의 그림과 비교해서 보면 혼련 조건 C 의 CB값이 이상하게 저하하고 있다. 동일한 량의 물을 첨가하 더라도 3회분할하여 최후에 20%의 물을 나누어 첨가한 효과 가 나타나지 않는다.

Fig. 2에는 CB값을 횡축으로 한 경우의 수분과의 관계를 나 타내었다. CB값과 수분의 관계를 보면 비례하는 정의 상관관 계가 분명해 지고 있다. 이것은 현재까지의 연구결과와 일치 한다. Fig. 1에서는 각 혼련조건에서 수분과 CB값과의 거동이 일견 흩어져 있는 것처럼 보이지만 Fig. 2로 부터는 혼련사의 수분값에 대응시킨 CB값이 변화하는 경향은 본 실험에서도 뚜 렷해지고 있다고 생각한다. 이것은 생형사의 혼련 실험에 있어

Fig. 1.

혼련조건을 달리한 경우 수분및 CB값의 변화.

서의 다양한 영향인자(예를 들면, 실험용 혼련기의 초기상태나 물 첨가시의 혼련기 내벽이나 로라에 물 부착 등)에 의한 가 능성을 나타내 주고 있다고 생각 할 수 있다.

Fig. 3에는 혼련조건을 달리 했을 때 CB값/수분의 변화 및 CB값과 CB값/수분의 관계에 대하여 나타내었다. 혼련 시작시 물을 전량 첨가한 A의 경우에 비하여 2회로 나누어 물을 첨 가한 B 경우 쪽이 CB값/수분이 높게 되는 경향이 나타났다.

이것은 혼련 종료시의 수분량이 B의 경우가 높은 것이 영향을 주고 있다고 생각 된다. 물의 량을 3회로 나누어 첨가한 C의 경우는 B의 경우에 비교하여 CB값/수분이 예상한 만큼 상승 하지 않고 오히려 저하하는 경향을 나타내었다. 특히 흰색마크 로 표시된 물의 첨가량이 많은 120cc 물을 첨가시킨 C의 경 우 CB값/수분 값이 이상하게 낮게 되어 있다. 이것은 물의 량 에 비례하여 CB값이 나타나지 않는 혼련 부족 경향이 나타난 것으로 생각 된다.

혼련조건을 변화 시켜도 CB값/수분의 비는 일정하게 되는 것으로 생각 되지만 실험 결과에서는 다르게 나타나고 있다.

물의 량 110cc경우의 CB값/수분은 CB값에 차이가 있어도 A, B, C에 큰 차이는 발견되지 않았다. 물의 량 120cc의 경우

C가 A및 B에 비하여 이상한 값을 나타내고 있다.

Fig. 4에 물의 첨가시기를 변화시킨 경우의 혼련조건에 따른 압축강도의 변화를 나타내었다. 또한, 일반적으로 표시하는 CB 값을 횡축으로 한 경우의 압축강도와의 관계에 대하여도 표시 하였다. 혼련조건이 다르면 물의 량 110cc의 CB값에 비교해서 물의 량 120cc의 CB값이 어떠한 경우에도 높은 값을 나타내 고 있지만 이것은 일반적인 경향과 같은 양상이다. 또한 혼련 시작시 전량을 첨가한 A의 경우에 대하여 2회로 분할 하여 첨가한 B및 3회로 분할하여 첨가한 C는 압축강도가 저하하는 경향을 나타 내었다. 이것을 CB값과 압축강도의 관계로 보면 일반적으로 CB값이 높게되면 압축강도는 저하하는 경향이 된 다고 알고 있는 것처럼 혼련 조건 A, B, C와 비교하면 그 관계는 일반적인 경향과 같은 양상이다. 혼련 조건 A, B, C 를 비교하면 물을 분할해서 첨가한 경우 압축강도가 저하하는 경향이 나타났다. 즉, 물을 분할해서 첨가하는 것보다 혼련 시 작시에 전량 첨가시킨 경우 쪽이 압축강도가 높게 되는 경향 이 나타났다.

Fig. 5에 혼련조건을 달리했을때 SSI의 변화및 CB값과 SSI 의 관계에 대하여 나타내었다. 110cc를 첨가한 경우에 비해 120cc를 첨가한 경우가 SSI가 높은 경향을 나타 내었다.

물을 120cc 첨가한 경우에는 혼련조건 A, B에서는 차이가 보여지지 않지만 혼련조건 C의 SSI는 저하했다. 또한 CB값과 SSI의 관계에서 본 경우 물을 110cc 첨가한 시료에 비하여 120cc 첨가한 것이 전체적으로 높은 표면안정도를 나타내었다.

이것은 수분의 레벨이 높으면 SSI도 높게 되는 일반적인 경향 과 일치한다.

Fig. 6은 혼련조건을 달리했을 때 통기도 및 TP밀도의 변화 에 대하여 표시하였다. 혼련조건을 달리 했을때 혼련 시작시 물을 전량 첨가한 A의 경우에 대하여 2회로 분할 하여 첨가 한 B및 3회로 분할 하여 첨가한 C는 통기도가 낮아지는 경향 을 나타내었다. 또한 분할해서 물을 첨가하는 경우에는 TP밀도 가 높아질 가능성을 나타내었다. 이것으로부터 TP밀도와 통기 도는 서로 상관관계가 있는 것으로 생각되어진다.

Fig. 2.

CB값과 수분의 관계.

Fig. 3.

혼련조건을 달리했을 때 CB값/수분의 변화 및 CB및 CB값/수분의 관계.

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Fig. 4.

혼련조건을 달리 했을때 압축강도의 변화 및 CB값과 압축강도의 관계.

Fig. 5.

혼련조건을 달리했을 때 SSI의 변화 및 CB값과 SSI의 관계.

Fig. 6.

혼련조건을 달리 했을 때 통기도 및 TP밀도의 변화.

3.2 혼련조건-2 의 시험결과와 고찰

혼련조건의 2로서, 예비혼련을 한 생형사를 방치한 후 본 혼련을 행한 경우의 주물사특성(습태성질)의 변화에 대하여 고 찰하였다. 물의 첨가량은 120cc의 1레벨이다.

전체 첨가 물의 량 120cc중의 30cc(25%)을 예비혼련시 첨 가하고 방치시간을 각각 30분(D), 60분(E), 180분(F)으로 한 후 본 혼련시 나머지 물 90cc(75%)를 첨가 혼련한 후 측정을 행한 경우와 물의 첨가량을 전첨가량 120cc중 50cc(40%)을 예비혼련하고, 본혼련에서 남은 물 70cc(60%) 를 첨가한후 동 일한 조건으로 방치한 것으로서, 방치시간 30분을 G, 60분을 H, 180분을 I로 하였다. 또한 Fig. 7에 표시한 그림중의 혼련 조건 A, B, C의 첨가 수량은 120cc의 예이다.

Fig. 7은 혼련조건 2의 예비혼련을 한 생형사를 방치한 경우 의 수분및 CB값의 변화를 나타내었다. 혼련조건 A와 비교한 경우 혼련조건 E및 H의 수분및 CB값은 대략 비슷한 값이 되 었다. 이것에 비하여 혼련조건 D, F, 및 G, I는 혼련조건 A의

수분및 CB값에 비하여 낮은 값이 되었다.

방치하는 방법은 수분의 증발을 방지하기 위해서 밀페시킨 용기에서 행하였지만 방치30분과 180분에서는 약간의 수분증발 이 발생되고 있다. 방치의 경우에는 다소의 수분변화 가능성을 고려할 필요가 있다.

Fig. 8에는 CB값을 횡축으로 한 경우의 CB값과 수분 및 CB값과 CB값/수분의 관계를 나타내었다. 일반적으로 CB값과 수분은 정상관관계로 되어 있다고 생각하는 것으로 부터(파선으 로 둘러싼 부분), 조건C의 값은 다른 조건과는 다른 값을 나 타내고 있다. 또한 CB값/수분의 관계에 있어서도 모래조성이 동일한 경우 CB값/수분의 값은 대략 비숫한 양상이 된다고 생 각하는 것에서부터(파선으로 둘러싼 부분) 조건 C의 값은 다른 조건과는 다른 값을 나타내고 있다. 조건 C의 실험에서는 혼 련부족 경향으로 그 원인을 생각하지만 그점에 대하여는 향후 추가시험에 의한 검토를 행할 예정이다.

Fig. 9는 혼련조건2에서 방치한 경우의 압축강도및 SSI의 변

Fig. 7.

혼련조건-2 로 방치한 경우의 수분과 CB값의 변화.

Fig. 8.

CB값과 수분 및 CB값/수분의 관계.

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화를 나타내었다. 압축강도의 그래프에서는 방치를 행하지 않은 경우, 분할해서 물을 첨가한 경우가 압축강도 저하 경향이 나 타났다. 그것에 대하여 예비혼련을 행하고 방치한 경우 혼련조 건 D, E, F 및 혼련조건 G, H, I의 압축강도는 전체적으로 강도가 높고 편차도 적은 경향을 나타내고 있다. 또한 SSI의 그래프는 어느 경우의 혼련조건에 있어서도 큰 변화는 보이지 않았다. 일반적으로 SSI 는 수분 또는 CB값에 의존한다는 말 도 있지만 CB40% 이상에서는 안정하므로 본실험에 있어서는 SSI에 큰 변화가 보여지지 않는 것으로 생각 된다.

Fig. 10 에는 CB값과 압축강도 및 SSI의 관계를 나타내었 다. 일반적으로 CB값이 높게 되면 압축강도는 낮게 되는 경향 을 띠지만 혼련조건 C는 그 경향으로 부터 벗어나 있다. 이것 은 4분간의 혼련시간 중에 도중에서 물을 추가시킨 경우 균등 한 물의 분산이 이루어지지 않아 소위 혼련부족경향이 된 원인 으로 생각 된다.

SSI는 일반적으로 CB값이 높게되면 상승하는 경향을 나타내 게 되는데 CB값 40% 이상이 되면 안정화하는 경향이 있다.

결국, CB값 40% 이상이 되는 이번 실험범위에서는 수분변화의 영향을 받아 CB값을 변화시켜도 SSI의 편차가 작은 것으로 생 각된다.

Fig. 11은 혼련조건2의 방치한 경우의 통기도 및 TP밀도의 변화에 대하여 나타내었다.

통기도 그래프에는 방치를 행하지 않은 경우 분할해서 물을 첨가한 경우에 통기도가 저하하는 경향을 나타내었다. 이것은 압축강도의 경우와 동일한 양상이다. 방치를 행한 혼련조건 D, E, F 및 혼련조건 G, H, I의 통기도는 전체적으로 높고 편차 도 작은 경향이다.

Fig. 12는 TP밀도와 통기도의 관계를 표시하였다. 혼련조건 B및 C의 통기도가 저하하고 있지만 TP밀도가 높게 되면 통기 도가 저하한다는 일반적인 경향을 나타내고 있다고 생각된다.

Fig. 9.

혼련조건-2의 방치하는 경우의 압축강도 및 SSI의 변화.

Fig. 10.

CB값과 압축강도 및 SSI의 관계.

CB값과 통기도의 관계에 있어서도 동일한 양상으로 혼련조건 B 및 C의 통기도가 저하 하고 있다. 이것은 물을 동일한 량 으로 첨가하는 경우, 혼련 시작시에 물을 전량 첨가하던가 예 비혼련을 행하고 방치하는 쪽이, 물을 분할해서 첨가하는 것 보다도 모래의 특성이 양호하게 되는 것을 나타내 주고 있다.

4. 결 언

생형사의 조정방법으로서 혼련시간을 4분으로 하고 혼련하는 경우에 물의 첨가량 및 첨가시기를 변경하였고, 변경된 혼련 조 건에서 방치를 하는 경우의 생형사특성에 대해서도 조사하였다.

1. 물을 120cc 첨가한 혼련조건 C에서는 잔류수분이 혼련조 건 B와 거의 동일한 값(약3.3%)에도 불구하고, CB값이 저 하하고 분할 첨가한 마지막 단계 물첨가 효과가 얻어지지 않 았다.

2. 물의 첨가시기를 변화시킨 경우 압축강도는 혼련조건 A,

B, C의 순서로 낮은 값을 나타내었다.

3. 물의 첨가시기를 변화시킨 경우 통기도는 혼련조건 A, B, C의 순서로 낮은 값을 나타내었다.

4. 혼련조건에 방치공정을 추가한 경우 압축강도는 혼련조건 A, B, C에 비하여 높은 값을 나타내었고 편차도 적게 되었다.

5. 혼련조건에 방치 공정을 추가한 경우 통기도는 혼련조건 A, B, C에 비하여 높은 값을 나타내고 편차도 적게 되었다.

생형사의 특성에 영향을 주는 혼련조건의 하나로서 물의 첨 가 시기는 혼련초기에 전량을 첨가하는 것이 요망된다. 또한 방치공정을 추가하면 생형사 특성이 양호하게 되어 생형사가 안정화 된다.

참고문헌

Fig. 11.

혼련조건-2의 방치한 경우의 통기도 및 TP밀도의 변화.

Fig. 12.

TP밀도와 통기도의 관계 및 CB값과 통기도의 관계.

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