공업로기술/ 알루미늄 합금용 형 담금로
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
알루미늄 합금용 형 담금로
上村 精二
대부분의 금속·합금은, 열처리를 실시함으로써 비로서 유용한 소재로서 본래의 성능을 발휘할 수 있으며, 열처리는 굉장히 중요한 가공의 한공정이다. 근래, 알루미늄 합금은, 그 강도가 크다는 이유로 항공기재료를 비롯하여, 점점 다방면에 고성능·고품질의 것이 요구되고 있다.
오스트리아 EBNER사의 알루미늄 합금용 수형 담금질된 로 HICON(dropbottom furnace)는, 이같은 요구에 부응하기 때문에, 합리적인 구조, 기구 설계가 이루어진 열처리 로이다.
여기에서는, 구조·기구를 중심으로 그 특징을 소개한다.

1. 서 론
열처리를 평가하는 기준으로서는, initial cost는 별도로 하고, 대충 분류하면 아래와 같이 될 것이다.

㈎ 가열·승온성능 (함온도 분석의 균일성)
㈏ 담금성
㈐ 재료의 handling성
㈑ 설치면적

현재 있는 담금로에 관해서는, 상기의 ㈎∼㈑의 성질을 높은 레벨에서 종합적으로 설계된 로는 그다지 전례가 없었다.
여기서 소개할 오스트리아 EBNER사가 개발한 알루미늄용 수형 담금로 HICON(dropbottom furnace)는, 그 이름대로 수형으로, 바닥이 열리는 덮개와 그 바로밑에 담금질용 통을 갖추고 있는 것이 특징이며, 이 수직방향의 재료장입, 담금질을 시행함으로써 상술한 ㈎∼㈑의 성능은, 종래의 로와 비교해서 대폭적으로 개선되어 있다.

이 결과, 품질향상을 비롯하여 성에너지, 성력화에 크게 기여할 수 있었다(사진1, 그림1).
이어서, 구조·기구를 중심으로 설명하겠다.



2. 구조 및 기구
이 로는, 크게 나누어 아래의 기능을 갖춘 장치로 구성되어 있다.
①담금재료를 재료가 놓인 장소에서 turn table 안으로 이동시키기 위한 changing 장치
②담금질용 통 등을 계속 회전시키기 위한 turn table
③가열장치로서의 담금로 본체


(1)changing장치(그림2)
changing 장치는, 담금재료를 다음 공정으로 이송시킬때의 장치로서 charge container, 늘어진 jig 및 charge hoist로 이루어져 있다. 이 charge hoist에 의해 지상에서 수평으로 옮길 수 있는데, 담금재료가 셋트된 charge container마다 걸려져, turn table에 떨어뜨려, 재료를 charge well에 셋트된다.
이때, charge container는 charge hoist가 걸린 대에 고정되어, 늘어진 jig와 담금재료로 분리되어 있다. 이 콘테이너는, 최종적으로 담금재료를 지상으로 보낼 때 다시 사용된다.



(2)turn table
turn table은 4개의 통(well)을 계속 회전시키는 장치로, 담금재료를 목적하는 위치에 회전하여, 이동시킨다. 4개의 통은,
㈎ charge well
㈏ No.1 담금질용 통
㈐ No.2 담금질용 통
㈑ dry well
이다. charge well은 앞에서의 charge hoist에 매달려있는 담금재료를 받는 통으로, turn table이 회전함으로써 재료를 로로 바로 떨어질 수 있게 회전이동한다.
No.1 담금질용 통과 No.2 담금질용 통에는, 물 또는 그밖의 담금질 액체가 가득차 있고, 각각 2대의 순환 펌프에 의해 담금질 액을 강제로 순환하는 구조로 되어 있다. dry well은 담금질된 후의 재료를 건조시키는 통으로, 건조용 축류팬이 설치되어 있다.
turn table의 구동은 유압으로 시행되고, soft start·soft stop과 정확한 위치 결정으로 가능하게 하고 있다.

(3)담금로 본체
로 본체는 내통, 외곽과 이 사이에 전열히터가 설치되어, 2대의 순화팬에 의해 강제대류가 이루어져, 재료가 가열된다. 담금재료를 급속하게 균일 가열하기 위해서, 팬의 용량은 2,000㎥/min.으로 대형이며, 정회전·역회전을 한다(사진2).
담금재료는 전술한 것처럼, turn table에 의해 이송된다.
이 로 아래에 온 재료는, 패네스호이스트에 의해 로 안으로 charge되어 가열된다.
가열처리가 완료하게 되면, 바로 재료는 담금질용 통으로 하강하고, 담금 처리된다.
강하속도는 자유롭게 변경할 수 있고, No.1, No.2의 담금질 액의 선택 및 간접적으로 냉각되는 담금질 액의 온도관리에 따라 굉장히 균일하고 정밀도 높은 열처리를 가능하게 한다.
특히, 장척물의 담금재료에 대해서는, 이 수형로의 특징을 특별히 발휘할 수 있고, 20m의 장척재료에 대해서도 양호한 가열처리와 담금처리를 실현하고 있다.
이처럼, 로 본체의 가열성능은 당연하면서 수직방향으로 담금처리를 시행함으로써 균일하게 담금질 할 수 있고, 고품질의 재료를 얻을 수 있으며, 이 담금처러에 의한 재료 변형이 적고, 다음 공정에서의 handling이나 교정작업을 쉽게 할 수 있다.
더블어 매달린 jig를 연구함으로써, 여러 가지 형태의 재료를 처리할 수 있다.

3. 승온·가열성능
그림3은, 관상태의 담금재료를 가열했을 때의 분위기 온도의 상승 커브로, 로의 상중하 3점에서 측정된 것이다. 이 재료에서는, 14∼15분이라는 단시간에 ±2.5℃라는 온도범위가 생기고 있다.



이것으로도 알 수 있듯이, 재료실체의 온도도 여지없이 상승하고 있음이 측정된다. 이 일로부터 소킹시간을 포함한 가열시간도 짧게 끝나게 된다. 이 승온 속도와 가열온도의 균일성은 하기의 장치, 구조에서 많이 있다.
㈎ 일대의 대형순환 팬
㈏ 전열 히터를 포함한 로의 대칭성
일반적으로 순환팬은 정회전·역회전시켜 사용하는 것도 있지만, 정회전·역회전시에 풍량과 압력특성 은 반드시 일치하지 않고, 전열히터측의 전열 및 가열재료측의 전열에 적지 않게 영향을 주고, 이 결과, 가열승온시 단시간으로 온도분석을 어느 범위내로 억누르려고 하면, 이 특성의 결점이 큰 지장이 된다.
이 로에 있어서는, 순화팬을 일대로 하는 것으로 이 결점을 해소하고 있다.
더블어 전열히터는 로 외곽과 내통 사이 전면에 배열되어, 국소적인 과승온부가 발생하지 않도록 하는 동시에 복사의 영향도 최대한 균일해지도록 설계되어 있다.
또, 로 구조 전체가 대칭성이 높은 구조이기 때문에, 이같은 균일성이 높은 온도분석을 얻을 수 있다.
따라서, 전술한 것처럼, 20m를 넘는 장척의 재료에 대해서도 효율적인 가열이 가능해지고 있다.

4. 결 론
이상, 알루미늄 합금용 수형 담금로 HICON (dropbottom furnace)의 구조·기구를 중심으로 소개했지만, 이같은 하드웨어 뿐만이 아니고, 로 온도-담금질 액-액체 온도-처리재료의 재질 관련 등의 금속재료학적인 소프트웨어에 관해서도 각방면에서 지도해주면, 공업로 회사로서 행운이다.
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