구형 인공사 제조 및 특성에 관한 연구 = A Study on the Manufacturing and Properties of Spherical Artificial Sand

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sand casting is a sand mold made of molding sand made by mixing foundry sand and binder, through molten metal, and solidification. It is a casting technology that makes the maximum shape, and it is the most applied process or process type in the manufacturing Casting products. Sand casting has advantages such as low price of raw-material and processing cost, high production growth, and good performance in mass production. Depending on manufacturing sand Casting products, the mold and core have a great influence on the quality of Castings and important role for manufacturing Casting products.
Molding sand mixed with foundry sand and binder has required proper mold strength, permeability, thermal stability, refractoriness, flowability, produced good casting finish, collapsibility, Is reusable, offer ease of sand preparation and control, and Removes heat from the cooling casting are required. These properties are determined by the type and characteristics of the used foundry sand and binder. In general, the amount of binder used in molding sand is 1 to 3% of the weight of the foundry sand, and the characteristics of the mold and core are mainly determined by the characteristics of the molding sand. It is decided. Therefore, in sand casting, it is very important to select a foundry sand suitable for manufacturing a casting product.
Conventionally, natural silica sand has been commonly used as foundry sand in sand casting, but silica sand is an aggregate that is prone to mechanical crushing, and deterioration of the atmospheric environment in the casting factory atmosphere environmental degradation and increase in industrial waste, veining defect due to high coefficient of expansion, sand burn on and fusion due to low refractoriness. There is a disadvantage that defects occur.
Chromite sand was used to solve the sand burn-in defect caused by the lack of thermal properties of silica sand, but aggregate degradation due to repeated use, problems with system sand mixing, difficulty in separation and removal, There are disadvantages such as increased load during molding due to high density and waste containing chromium. Recently, industrial waste reduction and atmospheric environmental improvement have been highlighted as important tasks in the casting industry. In order to solve problems that occur when using conventional foundry sand and improve the atmospheric environment of casting factories, various imported artificial sands that can be applied as substitutes for natural sand have been introduced in Korea.
Artificial sands can be classified into artificial sand manufactured by the electric arc atomization or gas flame atomization, artificial sand manufactured by the spray drying & sintering process, artificial sand manufactured by the sintering & crushing process and exhibit different physical properties depending on the type of raw-minerals and manufacturing method.
The quality of a casting is mainly determined in the process of solidification and cooling of molten metal, and if the mold is damaged due to insufficient mold strength, the casting may be discarded due to poor shape. When a casting is manufactured by sand casting, the mold strength, shrinkage of the mold, type of foundry sand and binder affect the amount of hot crack defects and seizure defects on the surface of the product. And, through waste sand recycling, foundry sand that does not cause crushing even after repeated use is required as an important aggregate
Thermal durability is also important additionally, and foundry sand having characteristics of returning to sand particles without forming a fused compound by melting or sintering even after repeated use is required. That is, it is possible to manufacture castings of excellent quality without casting defects, and it is required to select molding sand having excellent durability even after repeated use through waste sand mechanical recycling.
In particular, in the selection of artificial sand for manufacturing heavy cast steel products, mold strength, crushing resistance during mechanical recycling, waste sand recycling recovery rate, longevity at high temperature heat resistance and refractoriness are important as maintained, and it is very important to understand the characteristics of natural sand and artificial sand manufactured by different manufacturing methods. However, there is a lack of study summarized documents or domestic studies summarizing the characteristics of various artificial sand.
In this study, comparative evaluation tests were conducted on the physical properties of various foundry sands, mold strength, physical durability, thermal durability, and casting test pieces. When comprehensively considering the actual amount of molding sand used according to density, the mold strength according to the shape of sand, the physical and thermal durability of foundry sand, and the heat resistance characteristics of foundry sand, ‘Molten artificial sand A1’ or ‘Molten artificial sand B’ is judged to be the most suitable spherical artificial sand for casting of heavy steel castings.
Meanwhile, as foundry sand is an important base material for sand casting, a stable supply and demand is very important. However, most of the molding sand used in the domestic casting industry relies on imports, and in the case of spherical artificial sand, there is no localization development and commercial production by domestic companies, so all of them are dependent on imports.
Recently, in the case of Korea, the casting industry discharges hazardous substances such as waste gas, waste water, waste dust, and industrial waste generated during the production process of castings. Due to this, the poor working environment has become a target to be avoided and is urgently task to be solved, and location difficulties such as relocation requests and occupancy restrictions due to dust and stink generated from the foundry are occurring. In order to solve these challenges, it is necessary to replace natural sand with artificial sand, and to supply and spread artificial sand to domestic casting companies, the need to develop cheaper domestic artificial sand compared to imported artificial sand is emerging.
Therefore, research and commercial production of the localization of spherical artificial sand are needed to secure the stability of supply and demand of foundry sand and to accelerate its supply and spread. However, there is no domestic research on the localization of spherical artificial sand.
In this study, domestic minerals such as kaolin, pyrophyllite, pottery stone, and feldspar and imported bauxite were used as raw materials for the electric arc atomization process. To prepare a prototype artificial sand, evaluate the properties of imported artificial sand, mold strength test, physical durability test, thermal durability test, A sand burn-in test piece casting test was conducted and comparative evaluation was conducted.
As a result, the spheroidicity, mold strength, crushing resistance, refractoriness, and sintering temperature of prototype artificial sand manufactured by the arc atomization method using bauxite and domestic pyrophyllite as raw materials were improved. Explosion heat resistance, and sand burn in defect rate are superior to commercial 'sintered artificial sand', and commercial 'molten artificial sand' A1 and B showed the same level.

국문 초록 (Abstract)

사형주조는 주물사와 점결제를 혼련한 조형사로 제작한 사형 주형에, 용융금속을 주입하고, 응고시켜 소정의 형태로 만드는 주조 기술로써, 주조공정에서 가장 많이 적용되는 있는 공법이다. 사형 주조는 저렴한 원료와 가공 비용, 높은 생산 효율성, 대량 생산에서의 우수한 치수 정밀도 등의 다양한 장점을 가진다. 사형 주조로 주조품을 제조하는 과정에 있어서 주형 및 중자는 주조품의 품질에 크게 영향을 미치는 등 주물의 제조에 중요한 역할을 한다.
주물사와 점결제가 혼련된 조형사는 적정한 주형 강도, 통기도, 열적 안정성, 내화도, 유동성, 주물표면 미려성, 붕괴성, 복용성, 주물사 처리 및 관리의 용이성, 냉각능이 요구된다. 이러한 특성은 사용되는 주물사와 점결제의 종류 및 특성에 따라 결정되며, 일반적으로 조형사에 사용되는 점결제 첨가량은 주물사 중량의 1∼3% 수준으로, 주형 및 중자의 특성은 주물사의 특성에 의해 주로 결정 된다. 따라서, 사형주조에 있어서 주조품 제조에 적합한 주물사 선택은 매우 중요하다.
종래 사형주조에 주물사로 천연 규사가 보편적으로 사용되었으나, 규사는 기계적 파쇄가 발생하기 쉬운 골재로써, 주조 공장에 있어서의 대기 환경 악화 및 산업 폐기물의 증가를 초래하고, 높은 열팽창율에 의한 베이닝 결함, 낮은 내화도에 의한 소착 및 융착 결함 등이 발생되는 단점이 있다.
규사의 열적특성 부족에 의한 소착결함 해결을 위해, 크로마이트사가 사용되기도 하였으나, 반복 사용에 의한 골재 열화, 시스템샌드 혼입 문제, 분리 제거의 어려움, 높은 밀도에 따른 조형 시 하중 증가, 크롬함유 폐기물이 되는 단점이 있다.
최근에는 주조업계의 중요한 과제로써 산업폐기물 저감 및 대기환경 개선이 부각되고 있다. 종래의 주물사 사용 시 발생되는 문제점 해결과 주조공장의 대기 환경 개선을 위해서, 천연사를 대체 적용할 수 있는 다양한 외산 인공사가 국내에 소개되고 있다.
인공사는 용융분사법으로 제조된 인공사와 조립소결법으로 제조된 인공사 및 분쇄법으로 제조된 인공사로 분류할 수 있으 며, 원료광물의 종류, 제조 공법에 따라 상이한 물리•화학적 특성을 나타낸다.
주조품의 품질은 용융금속이 응고 및 냉각되는 과정에서 주로 결정 되며, 주형 강도 부족으로 주형이 파손되면, 주조품이 형상 불량으로 폐기 될 수도 있다. 주조품을 사형주조로 제조할 때, 주형강도, 주형의 수축량, 주물사 및 점결제 종류는 제품 표면의 열간균열 결함과 주물사 소착 결함 발생량에 영향을 준다. 그리고 사재생을 통해 반복 사용에서도 파쇄가 발생하지 않는 주물사가 중요한 골재로 요구되고 있다. 또한, 열적인 내구성도 중요하며, 반복 사용해도 용융 또는 소결되어 융착물을 형성하지 않고 모래입자로 돌아가는 특성을 가지는 주물사가 요구 된다. 즉, 주조결함이 없는 품질이 우수한 주조품 제조가 가능하며, 기계식 사재생을 통한 반복 사용에도 내구성이 우수한 주물사 선택이 요구된다. 특히, 대형 주강품 제조를 위한 인공사 선택에 있어서는, 주형강도, 기계적 재생 시의 내파쇄성 및 주물사 재생 회수율, 고온의 온도에 오래 유지 됨에 따른 내열성 및 내화도 등이 중요하며, 천연사 및 각각 다른 제조공법으로 제조된 인공사의 특성에 대한 이해가 매우 중요하다. 그러나 각종 인공사 특성에 대해 요약한 문서나 국내 연구는 부족하다.
본 연구에서는 각종 주물사의 물성, 주형강도, 물리적 내구성, 열적 내구성, 소착시험편 주조 등의 비교 평가시험을 하였다. 밀도에 따른 주물사 실사용량, 주물사 형상에 따른 주형강도, 주물사의 물리적 및 열적 내구성, 주물사의 내열특성을 종합적으로 고려하였을 때, 아크용사법으로 제조된 용융인공사 A1 또는 분말식화염용사법으로 제조된 용융인공사 B가 대형주강품 주조에 가장 적합한 구형 인공사로 판단되었다.
한편, 주물사는 사형주조에 있어 중요한 기초 소재로써, 안정적인 수급이 매우 중요하다. 하지만, 국내 주조산업에 사용되는 주물사는 대부분 수입에 의존하고 있으며, 구형 인공사의 경우에는 국산화 개발 및 국내기업의 상업생산이 없는 실정으로써, 전량 수입에 의존하고 있다.
최근 국내의 경우, 주조산업에서 주물의 생산과정에서 발생되는 폐가스, 폐수, 폐분진, 산업폐기물과 같은 유해물질 배출과 이로 인한 열악한 작업 환경이 기피 대상이 되어 현재 해결해야 할 당면 과제로 떠오르고 있으며, 주조공장에서 발생되는 먼지•악취 등에 따른 이전요구 및 입주 제한 등 입지 애로 사항 발생되고 있다. 이러한 당면과제 해결을 위해서는 천연사를 인공사로 대체 적용이 필요하며, 국내 주조업체에 인공사 보급•확산을 위해서는 수입산 인공사 대비 저렴한 국산 인공사 개발에 대한 필요성이 대두 되고 있다. 따라서 주물사 수급 안정성 확보 및 보급•확산 가속화를 위해서는 구형 인공사 국산화 개발에 대한 연구 및 상업 생산이 필요하다. 하지만, 구형의 인공사 국산화 개발에 대한 국내 연구는 없는 실정이다.
본 연구에서는 국내산 광물인 고령토, 납석, 도석, 장석과 외산 광물인 보크사이트를 원료광물로 활용하여, 아크용사법으로 구형의 인공사 시작품을 제조하고, 물성 평가, 주형강도 시험, 물리적 내구성 시험, 열적 내구성 시험, 소착시험편 주조시험 등을 실시하여, 외산 상용 인공사와 비교 평가하였다.
그 결과 보크사이트와 국내산 납석을 원재료 광물로 활용하여, 아크용사법으로 제조한 인공사 시작품의 구형도, 주형강도, 내파쇄율, 내화도, 소결온도, 폭열내열성, 소착결함 발생율은 상용 소결인공사에 비해 우수하고, 상용 용융인공사 A1 및 B와 동등한 수준을 나타내었다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 연구내용과 논문의 구성 7
• 1.3. 참고문헌 8
• 제2장 각종 주물사의 특성과 주강품 주조에 적합한 인공사 선택에 관한 연구 14
• 2.1. 서론 14
• 2.2. 실험방법 19
• 2.2.1. 실험용 주물사 준비 19
• 2.2.2. 주물사 물성 비교 평가 23
• 2.2.3. 주형강도 시험 23
• 2.2.4. 주물사 내구성 평가 24
• 2.2.5. 주물사의 내열 특성 평가 31
• 2.2.6. 주강시험편 주조 소착 결함 발생율 비교 시험 32
• 2.3. 실험결과 및 고찰 36
• 2.3.1. 각종 주물사의 물성 36
• 2.3.2. 각종 주물사의 주형강도 특성 52
• 2.3.3. 각종 주물사의 내구성 56
• 2.3.4. 각종 주물사의 내열 특성 67
• 2.3.5. 주강 시험편 주조 소착결함율 74
• 2.4. 결론 79
• 2.5. 참고문헌 81
• 제3장 아크용사법에 의한 구형 인공사 제조에 관한 연구 88
• 3.1. 서론 88
• 3.2. 실험방법 95
• 3.2.1. 인공사 시작품 제조 95
• 3.2.2. 비교 평가용 상용 인공사 준비 97
• 3.2.3. 인공사 물성 비교 평가 106
• 3.2.4. 주형강도 시험 106
• 3.2.5. 인공사 내구성 평가 107
• 3.2.6. 인공사의 내열 특성 평가 108
• 3.2.7. 주강시험편 주조 소착 결함 발생율 비교 시험 109
• 3.3. 실험결과 및 고찰 112
• 3.3.1. 인공사의 물성 112
• 3.3.2. 인공사의 주형강도 특성 123
• 3.3.3. 인공사의 내구성 127
• 3.3.4. 인공사의 내열 특성 134
• 3.3.5. 주강 시험편 주조 소착결함율 142
• 3.4. 결론 147
• 3.5. 참고문헌 149
• 제4장 종합결론 158
• Abstract 160
• 본 연구와 관련된 저자의 발표논문 및 학술발표 165
• 후기 166