07-FS-1-000907-FS-1-000907-FS-1-000907-FS-1-0009

금형주조에 의한 알루미늄 부스터 팬금형주조에 의한 알루미늄 부스터 팬금형주조에 의한 알루미늄 부스터 팬금형주조에 의한 알루미늄 부스터 팬

제조 기술 지원제조 기술 지원제조 기술 지원제조 기술 지원

2008. 4. .2008. 4. .2008. 4. .2008. 4. .

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 하나몰드주식회사하나몰드주식회사하나몰드주식회사하나몰드주식회사

지 식 경 제 부지 식 경 제 부지 식 경 제 부지 식 경 제 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

지 식 경 제 부 장 관 귀 하지 식 경 제 부 장 관 귀 하지 식 경 제 부 장 관 귀 하지 식 경 제 부 장 관 귀 하

본 보고서를 금형주조에 의한 알루미늄 부스터 팬 제조기술 지원 지원기간“ ”( :

과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다2007. 04. 01 ~ 2008. 03. 31) .

2008. 04. .2008. 04. .2008. 04. .2008. 04. .

지 원 기 관 한국생산기술연구원지 원 기 관 한국생산기술연구원지 원 기 관 한국생산기술연구원지 원 기 관 한국생산기술연구원::::

원 장 나 경 환원 장 나 경 환원 장 나 경 환원 장 나 경 환::::

지 원 기 업 하나몰드주식회사지 원 기 업 하나몰드주식회사지 원 기 업 하나몰드주식회사지 원 기 업 하나몰드주식회사::::

대표이사 한 규 칠대표이사 한 규 칠대표이사 한 규 칠대표이사 한 규 칠::::

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 이 재 훈이 재 훈이 재 훈이 재 훈

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 전 중 환전 중 환전 중 환전 중 환

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유

번 호연구기간 2007. 04. 01.~2008. 03. 31.

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명 금형주조에 의한 알루미늄 부스터 팬 제조기술 지원

지원책임자 이 재 훈지 원

연구원 수

총 : 명2

총

사업비

정부 : 천원100,000

내부 : 명2 기업 : 천원100,000

외부 : 명 계 : 천원200,000

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 신소재본부 경량소재팀/

지원기업 기업 명 하나몰드주식회사 기술책임자 심 규 창: :

연구지원 결과 요약보고서

면 수쪽61

구조해석을 통한 부스터 팬 설계 합리화o :

가동조건에서 내구해석을 통해 불레이드 부의 내구성 향상을 위한 최적 설계안 도출root .

유동 및 응고해석을 통한 부스터 팬 주조 금형설계 및 주조방안 개발o

유동 및 응고해석을 통해 방향성응고를 유도하여 주조결함이 없는 주조 금형설계 및 주조방안을

도출하고 최적의 금형주조공정조건 확립.

신 합금 채택 및 개량을 통한 기계화 특성향상 방안o :

석출경화형 합금 에서 고용 강화형 합금으로 대체하여 열처리 공정을 생략하여 보다 저렴(LM23)

하고 고온 기계적 특성이 우수한 부스터 팬 제조 기술 확립.

각종 특성 평가 및 정보지원o :

각 종 부위별 화학분석 및 기계적 특성 내구성을 평가해 신뢰성확보 방안을 마련하고 선진기술,

의 지속적인 정보를 습득 제공 한편 당 기술을 활용해 향 후 추가적인 신규 사업 부품을 발굴.

제공.

색 인 어

한 글 알루미늄 부스터 팬 금형주조 해석, , , FE ,

영 어 Aluminium, Booster Fan, Permanent Mold Casting, FE Analysis.

- 4 -

종합기술지원사업 기술지원성과 요약문종합기술지원사업 기술지원성과 요약문종합기술지원사업 기술지원성과 요약문종합기술지원사업 기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

현 사형주조에서 정밀금형주조방법의 개발을 통해 알루미늄 부스터 팬의 기계적 특o

성 편차를 최소화하고 재질개선을 통해 알루미늄 블레이드의 내열특성 향상 방안 마련.

불량률개선 목표 현 사형주물 미만o : ~40% -> 5%

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

구조해석을 통한 부스터 팬 설계 합리화o

유동 및 응고해석을 통한 주조금형설계 및 주조방안 개발o

신 합금 채택을 통한 기계적 특성 향상 방안o

각종 화학성분 및 특성 분석 지원o

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

개발한 부스터 팬의 기계적 특성은 상온 에서 강도 연신률(25 ) 220.9MPa, 18%,※ ℃

온도에서 강도 연신률 를 보여 그동안 수입제품제조사인 사170 174.9 MPa, 24% ABB℃

의 부스터 팬의 특성 강도 연신율 보다도 강도나 연신률면에서 이상( 160MPa, 2%) 20%

우수한 특성을 보임.

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

화력발전소 탈황설비 단 및 단 알루미늄 부스터 팬o 1 2

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

원감절감 효과원감절감 효과원감절감 효과원감절감 효과3)3)3)3)

공정개선 및 품질향상 및 생산성 증대 등으로 인한 절감효과 반영※

- 6 -

적용제품 시장전망적용제품 시장전망적용제품 시장전망적용제품 시장전망4)4)4)4)

구 분당해연도

매출

차년도

예상매출

전년 년(2007 )

대비 증가 비율비고

내 수 백 만원 년40 / 백 만원 년100 / 250%

수 출 천 달러 년/ 천 달러 년/ %

계 백 만원 년40 / 백 만원 년100 / 250%

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명당해연도

수입액

차년도

수입액

수입

대체금액비고

천달러 년100 / 천달러 년100 / 천달러 년100 /

천달러 년100 / 천달러 년100 / 천달러 년/

계 천달러 년100 / 천달러 년100 / 천달러 년100 /

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

구조해석을 통한 부스터 팬 설계 합리화o

유동 및 응고해석을 통한 부스터 팬 주조 금형 설계기술 개발o

부스터 팬 정밀금형주조기술 개발o

개발한 부스터 팬의 기계적 특성은 상온에서 강도 연신률220.9MPa, 18%, 170※ ℃

온도에서 강도 연신률 를 강도 연신률 보다도 강도나174.9 MPa, 24% ( 160MPa, 2%)

연신률면에서 이상 우수한 특성을 보임20% .

- 7 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

기존 사형주조법의 약점중의 하나로 지적되었던 응고시 합금원소의 거시편석 수축결함,

등 문제를 해결할 수 있는 정밀 금형주조기술이 개발됨으로써 불량률저감과 수입품대,

비 기계적 특성이 우수하여 지속적인 매출증대가 예측되고 향 후 관련제품 및 기술 분

야에서 로 성장이 기대 됨leading company .

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) , ::::

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2) :2) :2) :2) :

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건10 주조 세부 공정별 자료제공으로 기술력 향상

시제품제작 건12 금형주조개발 및 적용을 위한 시제품제작 실험

양산화개발 건20 양산으로 확산 적용 시험

공정개선 건5 주조 요소공정의 개선 및 표준화

품질향상 건5불량률 저감 및 내구성 향상으로 제품 신뢰도

및 생산성 증대

시험분석 건12 미세조직 및 기계적 특성 분석 제공

수출 및 해외바이어 발굴 건-

교육훈련 건4금형설계 기술 최신 주조기술의 해외 및 국내,

동향

기술마케팅 경영자문/ 건5 개발 공정 마케팅 및 홍보

정책자금알선 건-

논문게재 및 학술발표 건-

기 타 건-

- 8 -

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

유한요소 구조해석을 통한 부스터 팬 구조의 타당성 해석을 통해 부의 곡률반경을root

조정함으로써 부스터 팬의 응력집중을 정도 완화 할 수 설계합리화 방안을 마련하20%

고 유동 및 응고해석을 통해 최적의 주조방안 및 금형설계기술과 부스터 팬 정밀금형

주조 공정기술을 개발 우수한 특성의 부스터 팬 제조에 성공하였다, .

본 연구를 통해 개발한 부스터 팬의 기계적 특성은 상온에서 최고 연신률220.9MPa,

온도에서 강도 연시률 를 보여 그동안 수입제품 제조사인18%, 170 174.9 MPa, 24%℃

사의 부스터 팬의 특성 강도 연신율 보다도 강도나 연신률면에서ABB ( 160MPa, 2%)

이상 월등히 우수한 특성을 보였다 본 국산화 개발의 성공으로 향 후 억원 상당20% . 1

의 수입대체효과가 기대된다.

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과□

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과□

출원된 특허의 경우o

- 9 -

등록된 특허의 경우o

사업화 현황□

고용창출 효과□

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. :1. :1. :1. :

- 10 -

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. :2. :2. :2. :

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. :3. :3. :3. :

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. :4. :4. :4. :

기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. :5. :5. :5. :

- 11 -

목 차목 차목 차목 차- -- -- -- -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원의 목표제 절 기술지원의 목표제 절 기술지원의 목표제 절 기술지원의 목표2222

제 절 기술지원의 내용제 절 기술지원의 내용제 절 기술지원의 내용제 절 기술지원의 내용3333

제 장 주 조 방 안제 장 주 조 방 안제 장 주 조 방 안제 장 주 조 방 안2222

제 절 탕구계제 절 탕구계제 절 탕구계제 절 탕구계1111

제 절 압탕계제 절 압탕계제 절 압탕계제 절 압탕계2222

제 장 부스터 팬 금형주조제 장 부스터 팬 금형주조제 장 부스터 팬 금형주조제 장 부스터 팬 금형주조3333

제 절 기지합금 및 코팅소재제 절 기지합금 및 코팅소재제 절 기지합금 및 코팅소재제 절 기지합금 및 코팅소재1111

제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계2222

제 절 부스터 팬 주조 및 특성평가제 절 부스터 팬 주조 및 특성평가제 절 부스터 팬 주조 및 특성평가제 절 부스터 팬 주조 및 특성평가3333

제 장 연 구 결 과제 장 연 구 결 과제 장 연 구 결 과제 장 연 구 결 과4444

제 절 부스터 팬 구조해석제 절 부스터 팬 구조해석제 절 부스터 팬 구조해석제 절 부스터 팬 구조해석1 FE1 FE1 FE1 FE

제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화2222

제 절 부스터 팬 기계적 특성제 절 부스터 팬 기계적 특성제 절 부스터 팬 기계적 특성제 절 부스터 팬 기계적 특성3333

제 장 결 론 및 향후계획제 장 결 론 및 향후계획제 장 결 론 및 향후계획제 장 결 론 및 향후계획5555

- 12 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성제 절 기술지원의 필요성1111

화력발전용 가스터빈의 연료는 석탄 경유 등을 사용하고 있으며 연소 후 각, , LNG

종 황화물이 함유된 연소가스가 다량 배출 됨 이러한 황화물 함유 연소 가스는 대.

기오염의 주 원인으로서 최근에는 그 배출량을 엄격히 규제하고 있음 따라서 연소.

가스에 의한 황화물의 배출을 감소시키기 위하여 고품위의 연료를 사용하여 황화,

물의 배출을 낮추었으나 점차 강화되는 환경기준과 저 황화물 원료의 가격 상승으

로 인하여 발전단가는 지속적으로 높아지고 있음 이에 대한 대책으로 도입된 것이.

탈황 설비이며 최근에 운전 중인 가스터빈에 설치하여 운전 중이거나 현재 설치,

중에 있음.

화력발전소에서 탈황설비의 핵심 부품은 연소되어 나온 가스를 탈황설비내로 강제

로 이송시키는 부스터 팬으로서 연소가스 내에 존재하는 각종 황화물에 의해 부품

이 산화 되어 약 년 만에 교체해야 되는 소모성 부품 임 선진국에서는 주로 가1-2 .

벼우면서도 내열 및 내산성이 우수한 알루미늄 합금 부스터 팬을 사용하고 있음, .

국내에서는 주철제품이 최근에 개발되어 적용되고 있으나 주철제품은 산화에 약하

고 알루미늄에 비해 무게가 배나 무거워 부스터 팬의 가동에 추가적 에너지 손실, 3

이 매우 큰 단점이 있음.

- 13 -

최근 탈황설비의 대형화에 따라 부스터 팬 또한 대형화 추세에 있어 알루미늄 합금

재질 부스터 팬의 국산화 개발이 시급히 요청되고 있음.

현재 국내에서 여수화력발전소에서 전량 수입하여 사용하고 있으며 따라서 이러한

부스터 팬을 국산화하게 될 경우 예상 수명이 년인 부스터 팬의 국산화로 수입1-2

대체가 가능하고 주철재 부스터팬 보다 경량화에 따른 정도의 에너지 절감 효50%

과가 기대 됨.

알루미늄 합금재질의 부스터 팬 국산화 개발을 위해서는 가동온도인 이상의170℃

고온에서도 높은 강도를 유지할 수 있는 내열 알루미늄합금의 개발과 최종형상으로

주조결함이 없이 제조할 수 있는 주조공정의 개발 각 종 열처리기술 부스터 팬의, ,

정밀 곡면가공기술 고속회전에 의한 황화물가스 에 의한 내마모성 및 내산, erosion

화 특성 향상을 위한 표면 코팅처리기술이 필수적으로 요구 됨.

그러나 지원기업인 주 하나몰드는 설계 주조 및 가공과 관련된 핵심설비는 구비되( ) ,

어 있으나 대부분의 직원이 생산을 겸하고 있고 전담 연구개발 인력이 부족하여 상

기 기술내용을 독자적으로 해결하고 대응하기에는 한계가 있음.

- 14 -

제 절 기술지원의 목표제 절 기술지원의 목표제 절 기술지원의 목표제 절 기술지원의 목표2222

현 사형주조에서 금형주조방법의 개발을 통해 알루미늄 부스터 팬의 기계적 특성o

편차를 최소화하고 재질개선을 통해 알루미늄 블레이드의 내열특성 향상 방안 마련

불량률개선 목표 현 사형주물 미만o . ~40% -> 5%

재질개선 및 제조방법에 따른 기계적 특성 목표o :

제 절 기술지원의 내용제 절 기술지원의 내용제 절 기술지원의 내용제 절 기술지원의 내용3333

금형주조에 의한 알루미늄블레이드 제조공정의 최적화 기술o :

알루미늄 합금 및 제조공정을 면밀히 분석하고 실험을 통해 최적 금형설계기술 용,

탕의 전 처리 및 응고 냉각속도 등의 최적의 제어기술등의 확립 제공하고 열처리

조건 등의 각종 제조공정 인자를 분석해 작업을 표준화 한다.

신 합금설계 기술 및 열처리 기술o :

탈황설리에서 알루미늄 부스터 팬은 가동은도가 근처의 고온까지 상승해 현170℃

석출경화 형 합금 은 장시간 가동 시 기계적 특성이 저하되는 단점이 있다(LM23) .

- 15 -

따라서 기존의 내열 알루미늄합금의 분석 채택 및 개량을 통해 내열특성 향상방안,

을 마련한다.

내구해석 및 응고 해석기술o FE :

알루미늄블레이드의 내구해석을 통해 부의 최적설계 지원 및 금형 주조시 응고root

해석을 통해 주요인자의 상관관계를 규명하고 최적 금형설계 및 공정해적 기법을

제공한다.

특성평가 및 정보제공o :

개발 알루미늄 블레이드에 대해 각 종 부위별 화학분석 및 기계적 특성 내구성을,

평가해 신뢰성확보 방안을 마련하고 선진기술의 지속적인 정보를 습득 제공 한다.

한편 당 기술을 활용해 향 후 추가적인 신규 사업 부품을 발굴 제공한다.

- 16 -

제 장 주 조 방 안제 장 주 조 방 안제 장 주 조 방 안제 장 주 조 방 안2222

주조방안이라 함은 결함이 없는 주물을 생산하기 위하여 어떻게 용탕을 부어 넣고

어떻게 압탕을 설치할 것인가 하는 방법을 말한다 따라서 주조방안은 용탕을 부어.

넣는 방법 즉 탕구방안과 압탕을 붙이는 방법 즉 압탕방안의 둘로 나누어진다 주, , .

조방안은 제품의 불량률을 결정하는 중요한 요인이지만 주조방안을 이론에 근거해

계산한다고 하더라도 수많은 공정인자가 결합되어 건전한 주물을 얻기 위해서는 어

느 정도의 시행착오가 불가피하다 본 장에서는 주조방안의 설계에 필요한 탕구계.

와 압탕계 설계 시에 고려해야할 주요 인자들에 대해서 살펴본다.

제 절 탕 구 계제 절 탕 구 계제 절 탕 구 계제 절 탕 구 계1111

탕구계는 가 없는 용탕을 주형에 주입하는데 주요 목적이 있으며 외부와 주형dross

공간을 연결하고 를 분리시켜 포집하며 주형공간으로부터 공기나 다른 가스들dross

을 배기시키는 기능을 갖는다 탕구계는 대별해서 탕구 탕도 주입. (sprue), (runner),

구 의 세 가지로 구성되며 아래의 그림 에 일반적인 탕구계를 나타내었다(ingate) 2.1 .

그림 에서 수구 는 레들로부터 주형에 주탕을 행하기 쉽도록 하고2.1 (pouring cup)

용탕의 흐름을 일정하게 하는 역할을 하고 탕구 는 수구로부터 용탕을 탕도(sprue)

로 유도하는 역할을 한다.

- 17 -

탕구의 형상은 보통 수직형인데 윗부분의 직경이 아랫부분의 직경보다 크게 만든

다 이는 탕구가 상하 동일한 단면일 경우 용탕이 탕구 벽에 떨어져서 공극부가 생.

겨 공기 또는 가스가 탕구 벽에서 흡수되는 경향이 있으므로 고속 기계조형을 제외

하고는 경사탕구를 사용하는 것이 결함 방지에 유리하다.

상 하 동일 단면의 탕구( )ㆍ 아래쪽의 단면이 작은 탕구( )

그림 탕구계그림 탕구계그림 탕구계그림 탕구계2.12.12.12.1

- 18 -

탕구저 는 탕구 밑 부분에 원기둥이나 원반 모양으로 되어 있으며 용탕(sprue base)

이 난류현상을 보이지 않고 잘 흐르게 하기 위함 이다 탕도 는 탕구에서 주. (runner)

입된 용탕을 주형의 필요한 곳에 분배하는 역할을 하며 일반직으로 수평으로 설치

하고 탕구에서 혼입된 불순물은 탕도에서 제거해야 한다 탕도말. (runner extension)

은 탕도의 끝부분을 연장시켜 둔 것으로 탕도를 따라 들어오는 첫 용탕이 모래 미

분 등 불순물을 함유할 수 있기 때문에 이를 잡아두기 위한 것이다 주입구. (ingate)

는 주형으로 용탕을 공급하는 최종 부위로 용탕의 종류 즉 응고 속도에 따라 주입

구의 크기가 정해진다.

일반적으로 주물은 하형 쪽이 상형 쪽보다 조직이 치밀하고 결함이 적고 재질적으

로 우수하며 주물의 수직면보다는 수평면 쪽에서 결함이 생기기 쉽다 또한 주형내.

의 가스는 위쪽보다 아래쪽이 빠지기 어렵다 따라서 탕구방안 설계에 앞서서 상기.

의 점을 고려하고 용탕이 항상 흘러가기 쉬운 가까운 길을 택해서 주형을 채우도록

하여야 한다.

탕구방안을 세우는 순서로는 탕구계를 가압계 혹은 비 가압계로 할 것인가 결정한

후에 주조품의 중량계산하고 주입온도와 적정 주입시간을 결정한 후에 유효탕구 높

이 와 탕구계의 쵸크부 최소 단면적을 결정 한 후 탕구방안을 수립하게 된다 여기.

에서 가압식 탕구계라는 것은 탕구에서 압력이 증가하면서 용탕이 주입되는 방식으

로 주입구에 쵸크 부를 두어 용탕이 탕구계에 충만된 상태에서 주형에 주입(choke)

되도록 한다.

- 19 -

따라서 여러 개의 주입구를 사용하더라도 주입구의 단면이 모두 같다면 주입구를

통하는 용탕의 흐름은 거의 같다 주조회수율은 비 가압식 탕구계보다 좋은 장점이.

있는 반면에 유속이 빠르기 때문에 심한 난류를 일으키고 공기나 가스의 흡입 혹,

은 주형 침식 등의 단점이 있다 용탕의 유속은 주입구의 단면적에 좌우되고 일반.

적으로 탕구비 탕구 탕도 주입구의 단면적비 는 합금의 특정에 따라( : : ) 4:4:1,

등이 널리 쓰이고 있다4:3:1, 2:3:1 .

비 가압식 탕구계는 용탕의 압력 증가 없이 감소상태로 주입되는 것을 말하며 쵸크

부는 탕구의 아래 부분이나 탕도에 위치한다 일반적인 탕구비는. 1:2:4, 1:3:3,

가 널리 쓰인다 비 가압식 탕구계의 경우 탕도나 주입구에서 용탕의 유속이1:4:4 .

줄어들게 되므로 용탕의 난류나 주형의 침식을 최소로 줄일 수 있다는 장점이 있는

반면에 주입 시 탕도계의 완전한 충만을 위해서 하형에 탕도를 설치하고 상형에 주

입구를 설치하는 등의 세심한 설계가 필요하고 여러 개의 주입구를 사용하는 경우

균일한 용탕의 흐름을 얻기가 어렵다 또한 가압식 탕구계에 비해 탕도와 주입구가.

상대적으로 커 주조회수율이 적고 주형 해체 후 탕구계제거가 어렵다 일반적으로.

수직분할 형이나 하나의 주형에서 여러 개의 소형주물을 주조하는 경우 비 가압식

압탕계를 사용한다.

- 20 -

한편 주입에 필요한 용탕 양은 주물제품의 중량 외에 탕구계 압탕등의 중량을 고,

려하여 결정한다 가공된 주조품의 중량이 정확하게 계산되었다고 하더라도 주조품.

만의 중량은 다듬질 면이 많은 제품의 경우 약 배정도 여유 있게 용탕을 준비하1.3

여야 한다 주입온도는 용탕의 조성 냉각속도 주입속도 등에 따라 결정된다 높은. , , .

온도일수록 수축양이 크므로 유동성을 고려한 가장 낮은 온도를 택하는 것이 바람

직하다 일반적으로 주입은 조용하고 빠르게 하라는 원칙이 있는데 이 원칙을 준수.

하자면 탕구계는 되도록 단면적을 크게 해야 되지만 탕구나 탕도를 너무 크게 하면

주조회수율이 나빠져 경제성면에서 나쁘게 되므로 적정 설계가 필요하다.

주입시간은 주형에 용탕을 주입할 때 용탕이 주형이 완전히 충만 될 때 까지 응고

하지 않고 액상선 이상의 상태로 남아 있을 수 있는 시간 내에 주입 완료하는 시간

을 말한다 주입시간은 주물의 두께 형상 중량 성분 등에 따라서 달라진다 여러. , , , .

주물조성에 대해서 수많은 연구자들이 적정 주입시간에 대한 계산식을 보고하고 있

다 여기서는 알루미늄 주물에 대해서 이 제시한 주입시간 계산공식을. F. Nielsen

일례로 소개 한다.

알루미늄 사형 주물의 경우 주입시간 초(t, ) = 16 W Gㆍ ㆍ0.4의 관계식이 유효하다

고 발표하였다 여기서 는 표준적인 주물 두께 이고 는 주물중량 이다. W (cm) G (kg) .

이때 주입온도는 액상선보다 약 높게 잡는다160±10 .℃

- 21 -

알루미늄 금형주물의 경우 주입시간 초(t, ) = 8 W Gㆍ ㆍ0.4로 사형주물보다 빠르다.

여기서 는 압탕을 포함한 실질적인 주물중량이고 금형온도는 이다 사G 320±20 .℃

형이던 금형이던 계산식에 의한 주입 시간들은 상한치임으로 실제로는 이보다 더욱

짧게 하는 것이 가능하다 아래 그림 에는 에 의한 주물두께 중량에 따. 2.2 Nielson ,

른 주입속도와의 상관관계를 나타내었다.

그림 의 알루미늄에 대한 주입시간 그래프그림 의 알루미늄에 대한 주입시간 그래프그림 의 알루미늄에 대한 주입시간 그래프그림 의 알루미늄에 대한 주입시간 그래프2.2 Nielson2.2 Nielson2.2 Nielson2.2 Nielson

주입시간이 결정되면 주입시간에 맞게 탕구계를 설계 한다 탕구계의 단면이 최소.

가 되는 부분 즉 쵸크부의 단면적을 먼저 구한 다음 탕구비에 따라서 탕구계를 계,

산한다 쵸크부의 단면적 을 계산하는 식은 일반적으로 아래의 관계를 따른다. (A) .

- 22 -

A = 22.6 W/(C Hㆍ ㆍ1/2d t)ㆍ ㆍ

여기서

쵸크부의 단면적A : ( cm2)

속도계수C :

유효탕구 높이H : ( cm )

밀도d : ( g/cm3)

주입시간 초t : ( )

주입중량W : ( kg )

위 관계식에서 유효탕구 높이 는 주입되는 용탕의 유속을 결정하며 주입구에 대(H)

한 주형의 위치에 따라 아래 그림 의 세 가지 경우로 나누어 달리 계산된다2.3 .

그림 유효탕구 높이 계산의 예그림 유효탕구 높이 계산의 예그림 유효탕구 높이 계산의 예그림 유효탕구 높이 계산의 예2.32.32.32.3

의 경우 주물전체가 상형에 있으므로 용탕이 채워짐에 따라서 서서히 유속은 감소A

한다 이때 이고 이때. p = c

유효높이 탕구높이 이다(H) = (h) - p/2 .

의 경우 하형에 용탕이 채워져서 분리선에 도달할 때 까지 유속은 일정하다B .

- 23 -

계속해서 상형에 용탕이 충만함에 따라 배압이 생겨서 유속은 점차 감소 한다 이.

때

유효높이 탕구높이(H) = (h) - p2

로 계산한다/(2c) .

의 경우 주물전체가 하형에 있으므로 주형내에 들어오는 용탕의 유속은 분리선에C

도달할 때 까지 일정하다 이때 임으로 유효높이 는 탕구높이 와 같게 된, p = 0 (H) (h)

다.

한편 속도계수 는 탕구계의 형상 주형내의 저항 등에 따라서 변하는 계수로 주(C) ,

로 경험에 의해서 결정된다 아래의 표 에 탕구시스템에 따른 보고 된 속도계수. 2.1

값과 탕구계의 형상만을 고려한 속도계수 값을 표 에 나타내었다 또한 그림2.2 . 2.4

에는 간단한 형태의 주철주물에 있어서 주입온도와 탕구방안에 따르는 속도계수 상

관관계를 나타내었다.

표 탕구방안에 따른 속도계수 근사값표 탕구방안에 따른 속도계수 근사값표 탕구방안에 따른 속도계수 근사값표 탕구방안에 따른 속도계수 근사값2.22.22.22.2

연 구 자 속도계수 근사값 비 고

Petin

0.8 - 0.5

0.7 - 0.4

0.55 - 0.3

단순한 낙하식일때

탕구 탕도 일 때: = 1 : 1.5

탕구 탕도 일 때: = 1 : 0.75

西 山0.6

0.3

낙 하 식

압 상 식

Lehmann0.5

0.35

낙 하 식

압 상 식

日 和 佐

0.4

0.5

0.6

마찰이 큰 것

마찰이 보통

마찰이 적은 것

- 24 -

표 쵸크부의 위치에 따른 속도계수 근사값표 쵸크부의 위치에 따른 속도계수 근사값표 쵸크부의 위치에 따른 속도계수 근사값표 쵸크부의 위치에 따른 속도계수 근사값2.22.22.22.2

그림 간단한 형태의 주철주물에 있어서 주입온도와 탕구방안에 따르는그림 간단한 형태의 주철주물에 있어서 주입온도와 탕구방안에 따르는그림 간단한 형태의 주철주물에 있어서 주입온도와 탕구방안에 따르는그림 간단한 형태의 주철주물에 있어서 주입온도와 탕구방안에 따르는2.42.42.42.4

속도계수 상관관계속도계수 상관관계속도계수 상관관계속도계수 상관관계

쵸크부 단면적 탕구높이 및 속도계수 등 각각의 인자가 결정되면 다음으로 탕구비,

와 탕구계 각부의 형상 및 크기가 결정되어야 한다.

- 25 -

탕구 비는 탕구 탕도 주입구의 상대적인 단면적 비율로서 많은 연구자들이 합금: :

재질에 따라 여러 가지 안을 제시하고 있으나 일반적으로 미국 주물인 협회(AFS :

에서 제시한 의 비를 따른다 이 탕구비American Foundrymen's Society) 1 : 4 : 4 .

는 비 가압식 압탕계의 경우 유속을 점차 느리게 하고 탕구계에서 용탕의 난류현상

을 방지하여 주는 것으로 알려져 있다.

이때 탕구의 크기는 가압계의 경우 쵸크부는 주입구의 총 단면적이 되지만 비 가압

계에서는 탕구가 쵸크부의 탕도 하부나 탕도에 위치하게 된다 따라서 가압계의 경.

우는 탕구비에 따라 탕구를 계산하면 되고 비 가압계의 경우에는 탕구가 쵸크부가

되는 경우 탕구 상부의 단면적 경사형 탕구 경우 은 다음의 관계식에 따라 계산한( )

다 이때 쵸크부는 탕구하부의 단면적이다. .

탕구상부의 단면적(AT 탕구하부단면적) = (AB) (h1/b)ㆍ½

여기서 은 탕구 높이 길이 이고 는 수구에서의 용탕길이를 말한다h1 ( ) b .

탕구저는 탕구하부의 단면적을 기준으로 설계하는 방법과 탕도를 기준으로 설계하

는 방법이 있는데 탕구하부의 단면적을 기준으로 하는 경우 일반적으로 탕구저 깊

이는 탐도깊이의 배로 하고 탕구저 단면적은 쵸크부 단면적의 배정도로 한다 탕2 5 .

도를 기준으로 할 경우에는 탕구저 확장직경은 탕도 폭의 배정도가 무난하고 깊2.5

이는 탕도깊이와 같게 한다.

- 26 -

한편 탕도와 주입구의 크기는 가압계일 경우 쵸크부의 단면적은 주입구의 총 단면

적이 되므로 앞에서 기술한 탕구비에 따라서 탕도와 탕구의 단면적을 구하면 되고

비 가압계일 경우 탕구하부의 단면적을 계산 한 다음 탕도와 주입구의 단면적을 계

산하면 된다 또한 탕도와 주입구의 높이의 경우 탕도는 용탕을 주형에 배분하는.

동시에 용탕속의 불순물을 배분할 필요가 있으므로 주입구의 높이에 비해서 탕도의

높이가 어느 정도 높아야 한다 일반적으로 탕도의 높이는 주입구 높이의 배정도. 4

이지만 경우에 따라서는 배까지도 가능하다 또한 주입구의 방향은 용탕의 흐름과2 .

반대방향으로 위치하고 탕도나 탕도 끝에서 떨어진 곳에 위치해야 용탕내의 찌꺼기

들의 유입을 방지 할 수 있다 한편 주입구는 후육부터 주입하고 리브가 있는 부품.

은 리브를 따라서 주입구를 설치하고 주입구의 길이는 탕도의 폭보다 크지 않게 해

야 주입구의 파손이나 주입구의 끝에 미세기공이 생기는 것을 방지 할 수 있다.

지금까지의 서술한 내용을 바탕으로 그림 와 같은 알루미늄 주조품의 탕구계 설2.5

계치수를 예로서 계산하면 아래와 같다.

예 주입중량 알루미늄 주물) (W) : 18kg

알루미늄 밀도 : 2.7g/cm3

원형경사탕구 사용(C = 0.88)

개의 탕도 개의 주입구2 (R), 5 (G)

주입속도 초(r) : 1.8kg/

유효높이(H) : 22.5cm

탕구비 : 1 : 4 : 4

- 27 -

그림 알루미늄 주조 탕구계 예그림 알루미늄 주조 탕구계 예그림 알루미늄 주조 탕구계 예그림 알루미늄 주조 탕구계 예2.52.52.52.5

주입시간 계산 :①

주입중량 주입속도 초t = (W)/ (r) = 18/1.8 = 10

쵸크부 계산 탕구 하부 단면적( ) :②

AB = 22.6 W/(C Hㆍ ㆍ1/2d t)ㆍ ㆍ

= 22.6x18/(0.88x22.51/2x2.7x10)

= 3.6cm2( D=2.3cm )

탕구 상부 계산 :③

AT = AB (H/b)ㆍ1/2= 3.6 (22.5/5)ㆍ

1/2= 7.64cm

2( D=3.1cm )

탕도 단면 계산 :④

AR1 = AR5

AR1 + AR5 = 4AB

AR1 = 2AB = 2x3.6 = 7.2cm2

AR5 = 2AB = 2x3.6 = 7.2cm2

- 28 -

탕구저 계산 이때 탕도깊이는 폭은 로 가정한다: ( 2.5 cm, 2.88cm )⑤

단면 = 5AB = 5 x 3.6 = 18cm2( D = 4.8cm )

깊이 탕도 깊이= 2 x = 2 x 2.5 = 5cm

주입구 단면 A⑥ G1 계산 :

AG1 = AR1 주입구 수÷ = 7.2÷3 = 2.4cm2

A⑦ R2 탕도단면 계산 :

AR2 = (AR1 - AG1) + (AR1 - AG1) 0.5%ㆍ

= (7.2 - 2.4) + (7.2 - 2.4)x0.05 = 5cm2

주입구 단면 A⑧ G2 계산 :

AG2 = AG1 + AG1 5% = 2.4 x 1.05 = 2.5cmㆍ2

A⑨ R3 탕도단면 계산 :

AR3 = (AR2 - AG2) 1.05 = (5-2.5)x1.05 = 2.63cmㆍ2

주입구 단면 A⑩ G3 계산 :

AG3 = AG2 + AG2 5% = 2.5 x 1.05 = 2.63cmㆍ2

A⑪ R4 탕도단면 계산 :

AR4 = AR3 = 2.63cm2

주입구 단면 A⑫ G4 계산 :

AG4 = AR5 주입구 수÷ = 7.2 ÷ 2 = 3.6cm2

A⑬ R6 탕도단면 계산 :

AR6 = (AR5 - AG4) 1.05 = (7.2 - 3.6)x1.05 = 3.78cmㆍ2

주입구 단면 A⑭ G5 계산 :

AG5 = AG4 + AG4 5% = 3.6 x 1.05 = 3.78cmㆍ2

- 29 -

A⑮ R7 탕도단면 계산 :

AR7 = AR6 = 3.78cm2

제 절 압 탕 계제 절 압 탕 계제 절 압 탕 계제 절 압 탕 계2222

압탕은 주입된 주형내의 용탕에 정압을 부여하여 주형내의 가스를 제거하는 동시에

용탕의 냉각 및 응고에 따라 생기는 체적 수축에 대하여 용탕을 보급하여 주는 것

을 주 목적으로 한다 이러한 목적을 달성하기 위하여 압탕 속의 용탕은 실제의 주.

조품이 응고 될 때까지 오래도록 용융상태로 유지 되어야 한다 따라서 열의 중심.

이 주조품에서 압탕으로 옮겨져서 방향성 응고가 완료되는 종착점이 압탕이 될 수

있도록 하여야 한다 이러한 압탕의 역할을 충족시키기 위해서는 일반적으로 주조.

품이 응고 될 때까지 용탕을 공급할 수 있도록 넉넉한 압탕 부피를 가져야 하고 주

조품과 압탕과의 접합부분의 이른 응고를 방지하기 위해 단열 및 단면적에 신경을

써야 한다 또한 압탕에는 근본적으로 항상 고온의 용탕이 공급되도록 위치시켜야.

한다.

용탕의 응고과정을 살펴보면 용탕은 응고과정에서 비스머스 와 안티몬 실리(Bi) (Sb),

콘 등을 제외한 대부분의 금속들은 응고할 때 체적의 감소를 보인다 용탕이 주(Si) .

형공간을 완전히 채운 후 냉각될 때까지의 변화를 순서대로 나누어 보면 차 액체1

수축 차 응고수축 차 고체수축의 단계로 이루어진다2 3 .→ →

- 30 -

여기서 액체 수축은 응고개시 전까지 액체상태로서의 수축을 말하고 응고수축은 용

융상태에서 완전히 고체로 될 때까지 일어나는 체적의 수축이다 이때의 수축률은.

용탕내부의 조성 응고도중 다양한 상변화 및 주조방안에 가장 크게 영향을 받는다, .

또한 고체수축은 완전히 응고한 후 상온으로 될 때까지 외형치수의 수축으로 수축

공 주조방안 과는 관계하지 않는다 따라서 주물의 수축결함을 방지하기 위해서는( ) .

액체수축과 응고수축에 대한 압탕 대책이 중요하다 강의 경우 액체수축은 약.

이며 응고수축은 약 정도이고 순수 알루미늄의 경우 응고 수축양1.6%/100 3% ,℃

이 약 정도로 알려져 있다 한편 주물의 응고 속도는 용탕을 주입하였을 때6.6% .

주물이 갖는 열량과 주형 내에서 열을 뺏기는 속도에 좌우 된다 주물이 갖는 열량.

은 주물의 부피에 좌우되고 주형으로 열이 이동하는 속도는 주물의 표면적 및 주형

의 재질에 영향을 받는다 따라서 주물의 부피를 표면적으로 나눈 것을 주물의 모.

듈이라고 하고 보통 으로 표시하는데 의 크기는 주물의 응고속도 예측의 척도가M M

된다 일반적으로 사형 주물의 경우 응고시간은 주물모듈의 제곱 즉. , M2에 비례하

는 것으로 알려져 있다.

압탕을 설계하는데 있어서 고려해야 될 인자를 열거하면 아래와 같다.

성분원소의 영향 주입금속의 성분에 따라서 응고할 때 발생하는 수축률은 각기o :

달라진다 예를 들어 회주철의 경우 온도가 공정 온도에 도달할 때까지는 부피가.

수축하다가 공정온도에 도달하면 흑연이 정출하여 부피가 팽창하게 된다.

- 31 -

공정조성에 가까워질수록 흑연의 정출양이 많아지므로 압탕의 필요성은 적어진다.

주입온도의 영향 주입온도가 많을수록 수축은 그만큼 많이 된다 또한 주입온o : .

도가 낮으면 탕주 불량 등의 결함이 발생할 수 있으므로 주입온도는 수축을 최소로

줄일 수 있고 다른 결함이 발생하지 않을 수 있는 범위가 알맞다 또한 주물두께가.

얇을수록 주입온도는 높아지고 두께변화가 많은 주물의 경우 압탕 설계가 중요하게

된다.

주입시간의 영향 주입도중에도 주형내부의 용탕은 수축한다 주입시간을 길게o : .

하면 그만큼 많이 수축양을 주입과정에서 보충하게 되므로 압탕의 필요성이 적어지

지만 주입시간이 짧으면 그만큼 압탕도 커져야 한다.

주형의 영향 수축결함이 발생하는 원인에는 여러 요인이 있지만 주 원인은 용o :

탕의 수축 및 주형 벽의 이동에 따르는 용탕의 보급 부족이다 주형의 강도가 약하.

면 주형 벽이 밀리게 되어 수축결함이 생기게 되므로 어느 정도의 통기도를 유지하

면서 강도가 좋은 주형을 쓰는 것이 수축결함 방지에 유리하다 주형의 강도가 약.

한 생형의 경우 건조형에 비해서 압탕을 크게 설치하여야 한다.

주물모듈 또는 두께 의 영향 주물모듈이 크면 냉각속도 및 응고속도가 느려지o ( ) :

고 따라서 전체 부피 수축양 중 주입도중에 보충되는 양도 적어진다 주물의 응고.

속도가 느린 만큼 압탕도 오래 용탕을 보유하고 있어야 하므로 압탕을 크게 하거나

단열 슬리브를 써야한다.

- 32 -

압탕의 위치 주입된 용탕이 주형내의 각 부분에서 동시에 응고하기란 어려우며o :

주물의 두께나 주입구와의 거리등에 따라서도 응고 속도는 변화한다 용탕은 냉각.

이 빠른 곳에서부터 차례로 응고하여 최후에는 냉각이 가장 느린 후육 부분에 이르

러 따라서 압탕을 붙이는 장소는 일률적으로 정하기 어려우며 일반적으로 압탕은

주물두께가 두터운 부분과 두께변화가 생기는 부분에 설치한다.

압탕의 형상 압탕의 형상을 규정하는데 있어서 무엇보다도 압탕의 효과와 경제o :

성을 함께 고려해야 한다 앞에서 상술한데로 압탕이 동일한 체적을 갖더라도 표면.

적에 따라 즉 주물모듈 에 따라 응고시간의 관점에서 현저한 차이를 보여주기 때(M)

문에 적절한 형상을 선택하는 것이 중요하다 예로서 구형 압탕과 원기둥 압탕의.

응고시간을 고려해 보면 구형 압탕이 원기둥 압탕 보다 정도의 긴 급탕시간을50%

갖는 것으로 알려져 있다 그러나 구형 압탕의 경우 압탕의 설치 와 금형주조 경우.

주조 후 금형의 해체가 어려운 비경제적인 측면이 있다 아래에는 그림 일반적. ( 2.6)

으로 널리 쓰이고 있는 원기둥 압탕의 수축곡선을 보여주고 있다 그림 은 응고. 2.6

수축이 약 인 일반주강에서 압탕의 높이 가 압탕의 직경 과 같은 경우의 수5% (H) (D)

축곡선으로 표에는 잔류 압탕 체적 및 잔류 압탕의 모듈 비를 나타내었다 압탕 잔.

류부는 원래 원주형의 압탕보다 체적은 작아지나 표면적은 증가 한다 원기둥형 압.

탕에서 수축공이 최대로 생길 때는 초기체적의 약 에 달한다 압탕 잔류 부14% . (M)

계산은 다음과 같은 관계식에 의해서 계산된다.

- 33 -

압탕 잔류부 감소 증가(M) = V( )/A( )

= (VR - 0.05 (Vㆍ R + VC))/A

그림 원기둥형 압탕의 수축곡선그림 원기둥형 압탕의 수축곡선그림 원기둥형 압탕의 수축곡선그림 원기둥형 압탕의 수축곡선2.62.62.62.6

압탕 효과의 촉진 압탕의 형상과 위치가 정해지면 압탕의 효과를 촉진하기 위o :

해 압탕 주위에 보온 혹은 발열재를 함유한 슬리브를 사용하거나 압탕표면에 발열

재를 투입해서 압탕의 응고를 지연시킨다.

- 34 -

압탕의 열은 주형에의 전도와 대류 복사에 의해서 잃게 된다 전도와 대류는 온도, .

의 변화에 의해서 그다지 변화하지 않지만 복사는 고온도가 되면 상당히 커진다.

따라서 열손실을 억제하기 위해서는 고온에서는 복사를 저온에서는 전도를 억제하,

면 된다 또 압탕을 보온 하는데 강의 경우에는 표면에 보온재 혹은 발열재를 살포. ,

하고 알루미늄합금 등의 경우에는 압탕 슬리브를 사용하는 것이 효과적이다 한편.

이것은 압탕의 크기에도 영향을 받는데 대형의 압탕에 대해서는 슬리브를 사용하는

것보다 압탕표면에 살포하는 것이 유리하다 이밖에도 가스화염이나 등으로 압. arc

탕표면을 가열하는 방법이 있다.

압탕의 크기 결정 이상적인 조건하에서 주물에 급탕할수 있는 압탕의 부피는o :

각 금속의 수축률로 계산 할 수 있으며 관계식은 다음과 같다.

x Vㆍ R = s Vㆍ C + s Vㆍ R

x Vㆍ R - s Vㆍ R = s Vㆍ C

VR = VC (s/(x - s))ㆍ

VR 압탕의 부피:

VC 주물의 부피:

압탕의 허용 급탕율 부피x : ( %)

주입용탕의 부피 수축률 부피s : ( %)

원기둥형 압탕이 높이 압탕 직경 인 경우에 대하여 압탕의 지름 은(H) = 1.5 (D) (D)ㆍ

다음 관계식으로 계산 한다.

- 35 -

VR = H Dㆍ2ㆍπ/4 = 1.5 D (Dㆍ ㆍ

2ㆍπ/4) = (1.5ㆍπ/4) Dㆍ

3

D = (4/(1.5ㆍπ) S/(x - s) Vㆍ ㆍ C)1/3

이상적인 조건하에서 압탕의 급탕율을 용탕의 체 수축을 로 가정했을 경14%, 2%

우

D = (4/(1.5ㆍπ) 0.02/(0.14 - 0.02) Vㆍ ㆍ C)1/3이다.

한편 압탕의 높이 는 압탕의 종류와 위치 즉 상면 후육 측면 박육 측면 혹은(H) , , , ,

맹 압탕등의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 모든 종류에 따라서 압탕의 높이는

압탕직경 의 배 정도가 무난한 것으로 보고 되고 있다(D) 1.5 .

알루미늄 주물의 압탕 계산법의 예o :

압탕을 계산하는데 있어서 앞에서 서술한 바와 같이 일반적으로 주물의 부피 표면

적으로 구하는 법 법 주물의 두께에 의한 압탕 직경 산출법 형상인자 주(Wallace ), , (

물의 두께 너비 길이 등 에 의하여 구하는 법 냉각비에 의한 압탕계산법 등이 있, , ) ,

다 아래에서는 형상인자와 냉각비로 압탕의 크기를 결정하는 예를 순서적으로 서.

술한다.

형상인자로 압탕을 결정하는 경우 알루미늄의 경우 주강과 유사하고 형상계수에 의

한 압탕 체적결정은 아래의 순서에 따른다 첫째로 형상계수 길이 너. ( L( ) + W(

비 두께 를 계산 하고 둘째 그림 로부터))/T( ) 2.7 VR/VC를 결정한 후 각각의 주물체적

(VR 과 압탕체적) (VC 을 계산하고 최종적으로 압탕 치수를 결정한다) .

- 36 -

그림 형상계수로부터 최소 유효 압탕 체적을 산출하는 도표그림 형상계수로부터 최소 유효 압탕 체적을 산출하는 도표그림 형상계수로부터 최소 유효 압탕 체적을 산출하는 도표그림 형상계수로부터 최소 유효 압탕 체적을 산출하는 도표2.72.72.72.7

냉각비에 따라 압탕을 결정하는 경우는 이론적으로 압탕모듈(MR 이 주물모듈) (MC 보)

다 클 경우 압탕은 조절응고 기능을 수행 한다 이를 위해 실제 계산에 있어서.

는 냉각비에 의해 압탕 체적을 결정할 경우 아래의 보정식에 따라야 한다고Caine

하였다.

VR/SR = (a/(VR/VC-b) + c) Vㆍ C/SC

이때 (VR/SR)/(VC/SC) = X, VR/VC 라고 하면= Y

VR 압탕체적: , VC 주물체적: ,

SR 압탕표면적: , SC 주물표면적:

가 된다X = a/(Y-b) + c

- 37 -

각각의 재질에 대해서 강의 경우 : a = 0.12, b = 0.05, c = 1.0

주철 및 황동 : a = 0.04, b = 0.017, c = 1.0

알루미늄합금 : a = 0.24, b = 0.017, c = 1.0

아래 그림 에는 각각의 금속에 대한 계산 결과 도표를 나타내었다2.8 .

그림 여러 금속에서 냉각비에 따른 압탕 체적 산출도포그림 여러 금속에서 냉각비에 따른 압탕 체적 산출도포그림 여러 금속에서 냉각비에 따른 압탕 체적 산출도포그림 여러 금속에서 냉각비에 따른 압탕 체적 산출도포2.82.82.82.8

- 38 -

제 장 부스터 팬 금형주조제 장 부스터 팬 금형주조제 장 부스터 팬 금형주조제 장 부스터 팬 금형주조3333

제 절 기지합금 및 코팅소재제 절 기지합금 및 코팅소재제 절 기지합금 및 코팅소재제 절 기지합금 및 코팅소재1111

사의 탈황설비 부스터 팬의 제조 규격에 따르면 기지금속은 표 의 코팅ABB 1 LM23,

재료는 고탄소 인 이다high Cr steel SM8222(Cr 28%, C 5%, Mn 1.0%, Fe bal.)

그러나 은 금속간화합물 석출경화형 합금으로 석출경화형 합금의 단점은 고온LM23

에서 사용시 석출물의 조대화로 재료의 기계적 특성이 지속적으로 열화 되는 것이

단점이 있다 부스터 팬의 사용온도는 이상으로 기지재료로서 고온에서의 석. 170C

출경화형합금의 채용은 많은 문제점을 안고 있다 따라서 본 연구에서는 표 에서. 3.1

보는 바와 같은 조성의 계열의 알루미늄합금으로 기지재를 대체하였다AC7A . AC7A

합금은 고용강화 합금으로 까지의 온도에서 장시간 사용하더라도 기계적Mg 200℃

특성이 상온강도의 이상을 안정적으로 유지하는 장점이 있다80% .

또 한편으로 부스터 팬의 내식 내마모성의 향상을 위해 요구규격에 맞추어 고탄소,

인 재질을 방법 그림 으로 부스터팬의high Cr steel SM8222 electric arc spray ( 3.1)

표면에 용융분사하여 하였고 코팅층의 두께는 부위별로 약간씩 차별을 두어coating

부스터 팬의 배기연소가스와 직접접촉하는 는 약 의 두께로leading surface 1.6mm

하고 는 로 차등을 두어 경량화 및 원가절감을 달성코자 하였trailing surface 1mm

다.

- 39 -

표 알루미늄 합금별 화학성분 비교표 알루미늄 합금별 화학성분 비교표 알루미늄 합금별 화학성분 비교표 알루미늄 합금별 화학성분 비교3.13.13.13.1

그림 공정그림 공정그림 공정그림 공정3.1 Electric Arc Spray Coating3.1 Electric Arc Spray Coating3.1 Electric Arc Spray Coating3.1 Electric Arc Spray Coating

- 40 -

제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계제 절 부스터 팬 구조 및 주조금형 최적화 설계2222

부적화 팬의 운행중 주 파손 부위는 부스터 팬 부의 부분으로 손root leading edge

상 원인은 운행중 이 부위에 응력의 집중 현상이 나타나기 때문이다 따라서 본 연.

구에서는 유한요소법에 의한 내구해석을 통해 현재 사용하고 있는 부스터 팬의 구

조 건정성을 시험하고 최소한의 설계변경을 통해 집중된 응력을 완화시키는 방안을

찾고자 하였다 본 구조해석은 그림 에서 보는 바와 같은 한국남동발전 호기. 3.2 1

부스터 팬 모델에 대해서 행하였으며 해석 모델에는 총 개 절점과FEM 31,038

개의 요소를 사용하였다 이때 하중조건은 실제 부스터팬 구조물의 운전조133,793 .

건인 회전반경은 회전속도는 으로 하였고 기지재의 기계적2.34m, 1,190rpm AC7A

물성치는 표 의 값을 적용했으며 구조해석 로서는3.2 tool ANSYSTM

을 사용하였10.0

고 구조물은 요소를 사용하였다 또한 구조물은 등방성 균질의 재료라고 가SOLID .

정하였다.

- 41 -

그림 부스터 팬 모델 및 구조해석 모델그림 부스터 팬 모델 및 구조해석 모델그림 부스터 팬 모델 및 구조해석 모델그림 부스터 팬 모델 및 구조해석 모델3.2 3D CAD FEM3.2 3D CAD FEM3.2 3D CAD FEM3.2 3D CAD FEM

- 42 -

표 구조해석을 위한 기지합금 의 기계적 물성치표 구조해석을 위한 기지합금 의 기계적 물성치표 구조해석을 위한 기지합금 의 기계적 물성치표 구조해석을 위한 기지합금 의 기계적 물성치3.2 (AC7A)3.2 (AC7A)3.2 (AC7A)3.2 (AC7A)

물 성 항 목 Value

Young' s Modulus 70 GPa

Yield Stength 118 MPa

Poisson' S ratio 0.33

Density 2,850 kg/m3

Ultimate Tensile Strength 187.9 MPa

한편으로 해석을 통해 구조변경이 이루어진 부스터 팬을 실 형상으로 제조하기FE

위해 주조금형을 제작하였다 이때 건전한 주물을 얻기 위한 최적의 금형설계 및.

주조조건을 도출하기 위해 각 종 주조조건 및 금형형상에 따라 열 유동 및 응고해

석을 수행하였다 이때 해석 로서는 유한차분법을 이용한 해석프로그램. tool Z-Cast

을 사용하였다 용탕 주입시 유동해석을 위해 주입방법을 그림 에서 보는바와. 3.3

같이 상주식과 하주식 두 방안에 대해 모두 수행하였고 응고시 열전달 해석을 위한

금형으로는 재질 에 대해 그림 의 단면도와 같은 두께 및 형상으로 하였고FCD40 3.3

이때 응고변수로서 압탕의 내경은 로 고정하고 높이를 까지 변160mm 150~300mm

화시키고 주입온도는 까지 변화시켰다 이때 금형의 예열온도는720 ~750 . 30℃ ℃

및 로 하였다0 400 .℃ ℃

- 43 -

그림 유동 및 응고해석을 위한 주조방안 및 금형 단면도그림 유동 및 응고해석을 위한 주조방안 및 금형 단면도그림 유동 및 응고해석을 위한 주조방안 및 금형 단면도그림 유동 및 응고해석을 위한 주조방안 및 금형 단면도3.33.33.33.3

- 44 -

제 절 부스터 팬 주조 및 특성 평가제 절 부스터 팬 주조 및 특성 평가제 절 부스터 팬 주조 및 특성 평가제 절 부스터 팬 주조 및 특성 평가3333

앞 절에서 수행한 부스터 팬 및 주조방안 최적화에 따라 의 재질로 주조금FCD40

형을 제작하였다 이 때 주조방안은 해석결과에 따라 상주식으로 제작하였고 주조.

시 용탕 주입은 아르곤 가스로 분 탈개스 처리 후 에서 행하였다 이때 금20 725 .℃

형의 예열은 전기로 가열방식으로 로 하였다 또한 용탕의 주입시간은 용탕의400 .℃

난류방지를 위해 약 초간 행하였고 압탕의 냉각을 지연시켜 압탕효과를 최대한으10

로 얻기 위해 압탕에 단열슬리브를 삽입한 후 주조하였다 부스터 팬 주조kawool .

품은 및 최종 제품치수로 가공한 후 부스터 팬의 내식 내마모성의 향상deburring ,

을 위해 요구규격에 맞추어 고탄소 인 재질을high Cr steel SM8222 electric arc

방법 그림 으로 부스터팬의 표면에 용융분사하여 내식 내 마모 을spray ( 3.1) coating

시행 하였다 한편 제조한 부스터 팬의 인장특성은 규격의 시험편에 대. ASTM B557

해 상온 및 의 온도에서 분당 의 로 시험하였다 이것170 1mm cross head speed .℃

은 초당 10-4의 에 해당한다 부위 경도 특성은 비커스 경도기로 하중strain rate .

으로 회 측정 후 평균값을 채택하였고 한편으로 미세조직 관찰은 시료를100g 10

까지 연마한 후 및 시약으로 에칭한 후 광학현미경으로 관찰0.05 0.5%HF Keller㎛

하였다.

- 45 -

제 장 연 구 결 과제 장 연 구 결 과제 장 연 구 결 과제 장 연 구 결 과4444

제 절 부스터 팬 구조해석제 절 부스터 팬 구조해석제 절 부스터 팬 구조해석제 절 부스터 팬 구조해석1 FE1 FE1 FE1 FE

초기 원형모델 해석초기 원형모델 해석초기 원형모델 해석초기 원형모델 해석1) (R6~R10mm)1) (R6~R10mm)1) (R6~R10mm)1) (R6~R10mm)

그림 은 그림 의 초기 원형모델을 기반으로 구조해석을 시행한 결과이다 초4.1 3.2 FE .

기 원형모델은 부스터 팬의 와 날개의 경계곡률반경이 이었다 해석결root 6~10mm .

과 부스터 팬의 가동중에 최대 응력은 그림 에서 보는바와 같이 부스터 팬의root 4.1

부와 날개의 경계에서 나타나는 것으로 판명 되었다root leading .

그림 부스터 팬 원형모델 해석결과그림 부스터 팬 원형모델 해석결과그림 부스터 팬 원형모델 해석결과그림 부스터 팬 원형모델 해석결과4.1. (R6~R10mm)4.1. (R6~R10mm)4.1. (R6~R10mm)4.1. (R6~R10mm)

- 46 -

이때 최대 집중응력은 로 매우 높음을 알 수 있다 이는 가동온도 에148MPa . 170℃

서 기지소재 의 인장강도는 약 에 접근하는 수치로 본 해석결과AC7A 170~190MPa

는 초기 원형모델의 제품수명이 매우 짧고 조기에 파손될 수 있음을 보여주었다.

부스터 팬 집중응력 저감을 위한 구조변경 해석부스터 팬 집중응력 저감을 위한 구조변경 해석부스터 팬 집중응력 저감을 위한 구조변경 해석부스터 팬 집중응력 저감을 위한 구조변경 해석2) (R14~R26mm)2) (R14~R26mm)2) (R14~R26mm)2) (R14~R26mm)

차 해석결과를 토대로 응력집중 완화를 위해 부스터 팬 구조의 개량을 시도 하였1

다 그림 에는 응력집중의 완화를 위해 부의 부위별로 곡률을 크게 한. 4.2 root CAD

도면 및 해석모델을 나타내었다 해석을 위해 총 개의 절점과 개FE . 30,193 130,016

의 요소를 사용하였다.

그림 에는 본 연구에서 수행한 해석결과를 나타내었다 결과에서 보는바와 같이4.3 .

최대 집중응력은 부의 곡률반경을 도면과 같이 크게 했을 때 정도로root 123MPa

초기 원형모델에 비해 약 정도의 응력 집중이 완화 되었다 따라서23MPa, 20% .

향 후 부스터 팬의 최종 제품은 차 해석결과를 토대로 하고 제작을 위한 금형설계2

및 주조방안을 구하였다.

- 47 -

그림 부스터 팬 및 구조해석 모델 차그림 부스터 팬 및 구조해석 모델 차그림 부스터 팬 및 구조해석 모델 차그림 부스터 팬 및 구조해석 모델 차4.2 3D CAD FEM (2 )4.2 3D CAD FEM (2 )4.2 3D CAD FEM (2 )4.2 3D CAD FEM (2 )

- 48 -

그림 부스터 팬 차 모델 해석결과그림 부스터 팬 차 모델 해석결과그림 부스터 팬 차 모델 해석결과그림 부스터 팬 차 모델 해석결과4.3 2 (R14 R26mm)4.3 2 (R14 R26mm)4.3 2 (R14 R26mm)4.3 2 (R14 R26mm)～～～～

제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화제 절 열 유동 및 응고해석을 통한 주조방안 최적화2222

그림 에서 보여준 하주식 주조방안에서 용탕주입시 용탕의 충전양상을 예측한 유3.3

동해석결과를 아래 그림 에 나타내었다 이 때 주입온도는 주입시간은 약4.4 . 720 ,℃

초 금형온도는 로 하였다 해석결과는 하주식에서 용탕주입초기에 용탕의7 , 300 .℃

주입압력에 의해 용탕의 분출형태로 충전과정을 보였다 용탕이 분출형태로 충전되.

면 주입시 금형내에 가스의 혼입이 증가되어 주조기포 등의 주조 결함 발생확률이

높아져 주물품의 기계적 특성이 저하될 우려가 매우 크다.

- 49 -

그림 하주식 주입방안에서 유동해석결과그림 하주식 주입방안에서 유동해석결과그림 하주식 주입방안에서 유동해석결과그림 하주식 주입방안에서 유동해석결과4.44.44.44.4

- 50 -

한편 그림 과 그림 에는 하주식에서의 응고 및 주조수축 결함예측결과를 나타4,5 4.6

내었다 이때 응고변수로서 압탕의 내경은 높이를 로 변화시. 160mm, 150~300mm

켰는데 모든 압탕사양에 따라 지향성응고가 이루어졌다 그러나 수축결함예측에서.

는 그림 에서 보는바와 같이 부스터 팬 끝 부분 즉 제품주입구 부위에서 수축결4.6 ,

함이 예측되었는데 이는 금형주조시 빠른 열전달로 다른 부위에서 응고가 급속히

진행되는 동안 용탕 주입구 부위로 뜨거운 용탕이 지속적으로 공급되므로 이 부분

이 고립되어 수축 결함이 발생하는 것으로 추정된다 따라서 해석결과를 토대로 하.

주식은 부스터 팬 금형주조방안으로 적합하지 않음을 알 수 있다.

- 51 -

그림 하주식 주입방안에서 응고온도해석결과그림 하주식 주입방안에서 응고온도해석결과그림 하주식 주입방안에서 응고온도해석결과그림 하주식 주입방안에서 응고온도해석결과4.54.54.54.5

그림 하주식 주입방안에서 수축결함해석결과그림 하주식 주입방안에서 수축결함해석결과그림 하주식 주입방안에서 수축결함해석결과그림 하주식 주입방안에서 수축결함해석결과4.64.64.64.6

- 52 -

그림 은 그림 의 상주식 주입방안에서 용탕의 충전과정을 그림 에는 응고온4.7 3.3 , 4.8

도 해석결과를 나타내었고 그림 는 이에 따른 수축결함의 발생가능성을 해석한, 4.9

결과이다.

그림 상주식 주입방안에서 유동해석결과그림 상주식 주입방안에서 유동해석결과그림 상주식 주입방안에서 유동해석결과그림 상주식 주입방안에서 유동해석결과4.74.74.74.7

그림 상주식 주입방안에서 응고온도해석결과그림 상주식 주입방안에서 응고온도해석결과그림 상주식 주입방안에서 응고온도해석결과그림 상주식 주입방안에서 응고온도해석결과4.84.84.84.8

- 53 -

그림 상주식에서 주입방안 도식 및 수축결함 해석결과그림 상주식에서 주입방안 도식 및 수축결함 해석결과그림 상주식에서 주입방안 도식 및 수축결함 해석결과그림 상주식에서 주입방안 도식 및 수축결함 해석결과4.94.94.94.9

그림 의 해석결과를 보면 상주식에서는 하주식에 비해 용탕 응고시 부스터4.7~4.9

팬 끝단에서 부위 압탕 로 지향성응고가 효과적으로 이루어지고 따라서 하주식root ( )

에서 초래되었던 수축결함이 나타나지 않음을 알 수 있다 그러나 상주식은 하주식.

에 비해 용탕의 산화물등의 유입가능성이 높아 주물의 건전성을 해칠 염려가 있음

으로 주입속도의 완만한 조절과 아울러 용탕의 산화물등의 찌꺼기가 유입되지 않도

록 에 각별히 유의해야 한다filtering .

그림 에는 본 해석결과에 따라 제작한 상주식 주조금형 및 금형 설계도면을 나4.10

타내었다 금형의 재질은 주철재로 하였고 본 제작금형을 활용하여 주조시. FCD40

에는 효과적인 압탕효과를 보기위해 그림 의 압탕부위에 섬유로 제작된4.10 kawool

단열 를 삽입하여 주조하였다sleeve .

- 54 -

그림 부스터 팬 주조 금형 및 금형설계도그림 부스터 팬 주조 금형 및 금형설계도그림 부스터 팬 주조 금형 및 금형설계도그림 부스터 팬 주조 금형 및 금형설계도4.104.104.104.10

- 55 -

제 절 부스터 팬 기계적 특성제 절 부스터 팬 기계적 특성제 절 부스터 팬 기계적 특성제 절 부스터 팬 기계적 특성3333

그림 에는 본 연구에서 금형주조로 제조한 부스터 팬의 가공 전 주조상태와 가4.11

공 후의 부스터 팬의 모습을 보여주고 있다.

그림 가공전과 가공 후 부스터 팬그림 가공전과 가공 후 부스터 팬그림 가공전과 가공 후 부스터 팬그림 가공전과 가공 후 부스터 팬4.114.114.114.11

또 한편으로 표 과 그림 에는 본 연구에서 금형주조로 제조한4.1 4.12, 4.13, 4.14

부스터 팬의 인장시험 및 경도측정 결과를 그림 에는 주조조직의 미세구조 관, 4.15

찰 결과를 나타내었다.

- 56 -

모든 특성평가는 본 연구 수행 전에 기존의 사형주조 방법으로 기지금속 재LM23

질을 사용하여 제조한 부스터 팬에 대해서도 동일하게 실시하였으며 금형주조의 특

성 향상정도를 알아보기 위해 상호데이터를 비교분석하여 나타내었다.

인장시험 결과 표 에서 보는바와 같이 금형주조로 제조한 인장강도는 사형주조방4.1

법으로 제조한 경우보다 상온과 의 가동온도의 모든 측정온도에서 약 배 이170 2℃

상 우수한 특성을 보여주었다 연신률 또한 사형주물품이 약 인데 반하여 금형. 1%

주조로 제조한 부스터 팬은 의 높은 인성을 나타내었다 이에 대한 원인은10~20% .

그림 의 미세조직에서 보는바와 같이 금형 주조품이 사형주조에 비해 지향성4.15

응고가 잘 이루어지고 냉각속도가 빨라 주조 기포등의 주조결함이 사형주조에 비해

최소화되었기 때문으로 판단된다 한편으로 경도특성은 그림 에서 보는바와 같. 4.14

이 금형주조가 평균 로 사형주조 에 비해 약간 우수한 특성을 보이고 있으나67 64

인장강도에 차이에 비해 미세하였다 본 연구를 통해 개발한 부스터 팬의 인장강도.

는 상온에서 약 이상 고온 에서 이상으로 스위스 사 제200MPa , (170 ) 160MPa ABB℃

품에 비해 대등이상이고 특히 연신률에서는 사 제품이 정도인데 반해 본 개ABB 2%

발품은 고온에서 대에 달해 보다 우수한 고온 특성을 나타내었다 그림 에20% . 4.16

는 최종 내식 내마모 코팅이 완료 된 부수터 팬과 코팅층의 조직사진을 보여주고

있는데 코팅층은 부위별로 에서 의 두께 편차를 보였다1mm 1.6mm .

- 57 -

표 제조방법 및 온도에 따른 부스터 팬의 인장특성표 제조방법 및 온도에 따른 부스터 팬의 인장특성표 제조방법 및 온도에 따른 부스터 팬의 인장특성표 제조방법 및 온도에 따른 부스터 팬의 인장특성4.14.14.14.1

그림 상온에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선그림 상온에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선그림 상온에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선그림 상온에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선4.124.124.124.12

- 58 -

그림 에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선그림 에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선그림 에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선그림 에서의 부스터 팬 부위별 인장곡선4.13 1704.13 1704.13 1704.13 170℃℃℃℃

그림 부스터 팬 부위별 경도 특성그림 부스터 팬 부위별 경도 특성그림 부스터 팬 부위별 경도 특성그림 부스터 팬 부위별 경도 특성4.144.144.144.14

- 59 -

(A)

(B)

그림 부스터 팬의 미세조직 금형주조 사형주조그림 부스터 팬의 미세조직 금형주조 사형주조그림 부스터 팬의 미세조직 금형주조 사형주조그림 부스터 팬의 미세조직 금형주조 사형주조4.15 : (A) , (B)4.15 : (A) , (B)4.15 : (A) , (B)4.15 : (A) , (B)

- 60 -

그림 코팅이 완료된 부스터 팬 개발품 및 코팅층 구조그림 코팅이 완료된 부스터 팬 개발품 및 코팅층 구조그림 코팅이 완료된 부스터 팬 개발품 및 코팅층 구조그림 코팅이 완료된 부스터 팬 개발품 및 코팅층 구조4.164.164.164.16

- 61 -

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론5555

유한요소 구조해석을 통한 부스터 팬 구조의 타당성 타당성 해적을 통해 부의root

곡률반경을 조정함으로서 부스터 팬의 응력 집중을 정도 완화할 수 설계합리화20%

방안을 마련하고 유동 및 응고해석을 통해 최적의 주조방안 및 금형설계기술과 부

스터 팬 정밀금형주조 공정기술을 개발 우수한 특성의 부스터 팬 제조에 성공하였,

다.

본 연구를 통해 개발한 부스터 팬의 기계적 특성은 상온에서 최고 연신220.9MPa,

률 온도에서 강도 연신률 를 보여 그동안 수입제품 제18%, 170 174.9 MPa, 24%℃

조사인 사의 부스터 팬의 특성 강도 연신율 보다도 강도나 연신ABB ( 160MPa, 2%)

률면에서 이상 월등히 우수한 특성을 보였다20% .

본 국산화 개발의 성공으로 년도 억원 상당의 여수화력 발전소 탈황설비 부2007 1

스터 팬 공급이 가능하게 되었다.

향후추진계획향후추진계획향후추진계획향후추진계획 ::::

본 연구를 통해 개발한 부수터 팬의 해석기법과 정밀금형주조기술을 적극 발전시켜

향 후 억원 상당의 발전소 탈황설비 부스터 팬의 국산화 대체를 적극 추진하고120

자 한다 한편으로는 국내 도심의 소각로 탈황설비 소형화 및 경량화를 위해 철재.

부스터 팬 대체를 적극 추진하여 사업 다각화 및 국내 관련 산업의 에너지 절감 및

경쟁력 향상 방안을 모색하고자 한다.

- 62 -