Update2024.05.19 (일)
사형주조 기술개발, 車·造船 강국 실현
■ 기술의 정의 및 분류
◇ 기술의 정의 및 분류
사형 주조는 원하는 모양의 제품을 얻기 위해 모래(또는 주물사)를 사용해 만든 소정의 공간(주형 공간)에 용융 금속을 주입한 후 응고시켜 원하는 모양의 제품을 얻는 방법이다. 일반적으로 금속 소재는 변형 저항이 커 원하는 모양으로 제작하기가 쉽지 않다. 사형 주조 기술은 변형 저항이 큰 고체 상태의 금속을 용해해 변형이 자유로운 액체 상태로 사형에 주입해 원하는 모양의 제품을 얻는다. 사형 주조 공정은 주조 방안 수립, 조형, 용해, 주입 및 후처리 순으로 진행되며 일반적인 주조품 생산 공정은 아래 그림과 같다.
사형 주조 기술은 주형의 종류와 주조 방법에 따라서 분류할 수 있다.
○ 주형의 종류에 의한 분류
사형 주조 기술을 주형의 종류에 따라서 생형, 열 경화성, 가스 경화성, 상온 자경성 및 특수 주형(또는 사형)으로 분류할 수 있다. 사형은 모두 1회용 주형이다. 각 주형은 생산량, 제품의 크기, 기본 설비 보유 여부, 후처리 및 경제성에 따라 장단점을 가지고 있으며, 주형 종류의 선택 시 많은 경험과 숙련이 요구된다.
○ 주조 방법에 의한 분류
주조 방법에 의한 분류는 보통 주입 압력을 기준으로 한다. 사형의 경우 주형 강도가 비교적 작으므로, 중력에 의해 용탕이 주입되는 중력 주조법을 적용한다. 일부 열 경화성, 가스 경화성 및 상온 자경성 주형의 경우 0.5~2kgf/cm2의 낮은 압력을 가하는 저압 주조법을 적용하기도 한다. 소실 모형 주조법 및 V 프로세스와 같은 특수 사형은 진공 흡입을 이용한다. 각 주조 방법의 선택은 합금의 종류에 따라서 달라진다.
◇ 작동원리 및 적용 부품 소재
○ 작동 원리
주조품을 생산하기 위해서는 얻고자 하는 형상의 모형(Pattern)을 제작한 후 이를 이용해 조형한다. 모형을 주형 상자(Flask)와 조립한 후 주물사를 채워 넣고 다진다. 상형(Cope)과 하형(Drag)을 분리한 후 모형을 방출시키면 모형의 모양과 같은 모양의 주형 공간(Mold Cavity)이 남는다. 탕구(Sprue)의 바닥과 주형 공간을 탕도(Runner)와 인게이트(Ingate)로 연결시킨다. 용탕을 주입하면 주형 내의 모든 공간은 용탕으로 채워진다. 사형의 구성 요소는 아래 그림에서 보이는 바와 같다.
모형(Pattern)을 조형 방식에 따라서 아래 표와 같이 분류할 수 있다. 모형 소재로는 목재(목형), 금속(금형) 및 플라스틱(수지형) 등이 주로 사용되며 석고를 사용하는 경우도 있다. 목재로는 삼나무·노송·참나무·벚나무·홍송·티크·합판 등이 사용되며, 금속 소재로는 회주철·구상흑연주철·황동·청동·알루미늄 합금·탄소강·아연 합금 등이 사용된다. 그리고 플라스틱 소재로는 에폭시(Epoxy)·우레탄(Urethane)·케미컬 우드(Chemical Wood)·발포 수지 등이 각각 사용된다.
사형의 경우 주형사의 구성 요소로는 주물사, 점결제 및 경화제가 있다. 점결제는 주물사를 결합시키는 역할을 하고, 경화제는 결합을 촉진시켜 주형 강도를 증가시키는 역할을 한다. 주물사는 내열성, 치수 안정성 및 재활용성이 중요하다. 주물사는 고온의 용탕과 접촉해도 소착이 일어나지 않도록 충분한 내화도를 가져야 하며, 용탕과 접촉해 가열된 후 냉각되는 동안 팽창 및 수축이 크게 일어나지 않아야 한다. 그리고 사용 시 모래 입자가 잘 파괴되지 않고 반복 사용할 수 있어야 한다.
주형용 모래로는 규사·지르콘사·올리빈사·알루미나사 등을 사용하며, 이 중 규사가 가장 많이 사용된다. 나머지는 가격이 비싸므로 냉각을 촉진할 필요가 있는 경우나 용탕과 주형사이의 반응을 방지할 필요가 있는 경우 등에 제한적으로 사용된다. 주형용 모래의 화학 성분과 특징은 아래 표에 요약했다.
○ 적용 부품 소재
사형 주조용 금속 부품 소재는 매우 다양하며 재질별로 아래 그림과 같이 주철 주조품(또는 주물), 주강 주조품, 동합금 주조품, 경합금 주조품 및 기타의 5가지로 분류할 수 있다. 이 가운데 중량을 기준으로 주철 주물이 가장 많이 사용된다. 근래에는 자동차, 중장비 및 로봇 등의 경량화 추세에 따라 알루미늄과 마그네슘 합금의 생산량이 증가하고 있다.
비슷한 금속 소재라 하더라도 주조용 합금(Casting Alloy)과 가공용 합금(Wrought Alloy)의 화학 조성은 다소 차이가 있다. 주조용 합금의 기본 요구 조건으로서 주조성 특히 유동성은 필수적이다. 유동성이란 용탕이 응고가 일어나기 전에 좁은 채널을 흘러 들어갈 수 있는 능력이다. 즉, 복잡한 모양의 주조 제품을 얻기 위해서는 주형 공간 충전 능력이 필수적이다. 따라서 규소와 같은 금속 용탕의 유동성을 개선하는 원소의 함량이 가공용 합금보다 많고, 주조한 후 소성 가공을 하지 않으므로 미세 조직이 상대적으로 조대하고 내부 결함도 존재하며 기계적 성질, 특히 연신률과 인성이 상대적으로 낮다.
■ 기술의 환경 변화 및 중요성 3D 산업 취급, 신규 인력 태부족
◇ 주조산업 분야의 인력부족 심화
우리나라 사형 주조 기술은 20세기 후반을 지나면서 자동차 산업, 기계 공업 및 조선 업계의 발전과 더불어 크게 향상됐으며 제품 생산량도 크게 증가했다. 그러나 주조 산업 분야는 뿌리 산업 분야(주조·단조·금형·용접·열처리·표면처리)중에서도 대표적인 3D(Dirty, Danger, Difficult) 업종으로 나쁘게 인식돼 젊은 사람들이 기피하게 됐다. 또한, 현장 엔지니어는 물론 생산직 작업자들의 인력 공급이 부족해 노령화가 심화된 기술 분야다. 그리고 설비 투자 증대로 인한 생산 원가와 인건비 상승 등에 의한 국제 가격 경쟁력 약화 등으로 많은 수요업체들이 중국으로부터 비교적 간단한 주조 제품을 직수입하거나, 주조 공장을 중국 현지에 건설해 주조 제품을 국내에 수입하는 현상도 나타났다.
◇ 사형 주조 기술의 전략적 육성 필요
주조 산업 분야 중 사형 주조 기술은 관련 산업 분야에 소재를 공급하는 기본 산업으로 중소기업적 특성이 매우 강한 산업이다. 또한 용융 금속의 유동성을 이용해 아무리 모양이 복잡한 제품이라도 제조할 수 있는 기술이다. 더불어 생산 기술 및 제품 품질의 향상, 생산 원가의 절감 그리고 적기 제품 공급 등으로 인해 우리나라의 자동차, 조선 및 산업 기계 산업 등과 같은 관련 산업 분야의 발전에 지대한 영향을 미치는 기술이다. 즉, 개발 제품인 경우에는 다품종 소량 제품의 수요와 적기 공급 등의 문제로 인해 수입에 의존할 수 없는 경우가 많고, 다른 성형 기술로 제조한 제품으로 대체할 수 없는 경우가 많다. 또한 에너지 가격 상승 등으로 물류비가 원가에 미치는 부담 등으로 인해 수입에 의존할 수 없는 경우도 많다. 사형 주조 기술은 훈련과 오랜 경험으로 축적된 기술을 보유하고 있는 인력이 요구되는 기술로 단시간에 어느 수준에 도달하기 어려운 기술이다. 따라서 사형 주조 기술은 우리나라에서 반드시 육성해 발전시켜야 하는 기술이다.
◇ 정부의 뿌리 산업육성법 제정 및 발전 정책의 수립
오늘날 우리나라의 주조 산업 분야의 사형 주조 기술은 품질 향상 및 균일화, 경량화, 재질의 고급화, 적기 공급 등의 요구가 증대하고 있고, 인건비 상승, 노동력 감소, 설비 투자비의 증대, 에너지 가격 상승 그리고 더욱 엄격해진 환경 규제 등 많은 문제와 직면하고 있다. 다행히 금년에 정부는 ‘뿌리산업육성법’을 제정해 주조 산업의 국가 차원의 육성을 위한 발전 정책을 추진하고 있다.
■ 사형의 기술동향
사형 주조의 핵심 공정은 주형을 제작하는 사형 공정, 장입 소재를 용해하는 용해 공정, 주조품을 보호하기 위해 주형 표면에 도형제를 도포하는 도형 공정이다. 각 공정별로 최종 제품에 적합한 기술이 상이하므로 본 장에서는 주요 공정 기술의 종류와 최근 동향에 대해 확인하고자 한다.
◇ 생형(Green Sand Mold)
생형은 조형 속도가 매우 빠르고 주형 강도는 낮으나 점결제 사용량이 적어 붕괴성이 뛰어나므로 주물사의 재활용성이 높다. 주물사로는 규사 및 크로마이트사 등이 쓰이고, 점결제로는 점토분인 벤토나이트가, 그리고 첨가제로는 덱스트린, 당밀 또는 전분 등을 쓰며 물과 함께 혼합한다. 첨가제는 용탕과 주형의 반응 시 소착 등을 방지하기 위한 것이다. 주철 주조용 생형의 경우에는 조형 후 주입 시 강도 변화를 감소시키기 위해 씨콜(Sea Coal)을 첨가한다.
생형은 자동화가 용이하고, 고속 조형이 가능하며, 혼련사(주형사)의 가격이 저렴하다. 또한, 조형 후 바로 주입할 수 있고, 붕괴 및 탈사성이 좋으며, 주조품 표면이 깨끗하다. 생형은 주형의 가특성이 좋아서 주조품의 변형과 균열 발생이 적으며 주입 시 유해 가스의 발생이 적은 장점이 있다. 특히 탈사가 용이하므로 주물사 재생이 용이하다. 그러나 주형 강도가 낮은 편이어서 용탕 침투가 일어나기 쉽고, 수분이 과다한 경우 기공 결함이 발생하기 쉬운 단점이 있다.
사형주조 기술 전략적 육성 필요
◇ 열 경화성 주형
○ 쉘(Shell) 주형
쉘 주형은 별도의 경화제를 사용하지 않고 경화되는 주형으로 코어(Core)의 제조에 많이 사용된다. 주물사로는 규사, 지르콘사 및 크로마이트사 등이 쓰이며 점결재로는 열경화성 수지인 Novorak Rsin (Phenol + Formaldehide)이 사용된다.
금형을 250~300℃의 온도로 가열하고 그 위에 이형제인 규소 수지를 바른 후 140~200메시(Mesh) 정도의 열경화성 수지 피복사를 덮어 조형하는 방법을 쉘 주형법이라 한다. 가열된 금형 위에 공급된 수지 피복사의 수지가 용융돼 접합된 후 금형을 뒤집어서 반응하지 않은 수지 피복사를 제거한다. 그리고 5~10mm 두께의 쉘을 금형에서 분리시켜 쉘쌍을 조립해 주형을 제작한다. 쉘 조형 공정과 조립된 쉘 주형은 아래 두 그림에서 보이는 바와 같다.
쉘이란 용어는 주형을 얇게 만들기 때문에 붙여진 것이다. 주조품이 작을 때에는 스프링이나 클램프 등으로 쉘을 조립하고, 클 때에는 용탕의 압력에 대해서도 쉘형의 조립 상태를 유지할 수 있도록 주형 상자에 쉘 주형을 넣고 쉘형과 주형 상자 사이에 빈 공간에 모래나 철편 등을 채워 넣는다. 쉘형 강도는 수지 피복사의 수지의 양과 가열 시간 등에 따라 달라진다.
쉘 주형은 다량의 주형을 준비한 후 일시에 주입해 다량의 제품을 생산할 수 있어 생산성이 좋고, 모래의 회수 및 재생이 용이하며, 수지 피복사를 사용하므로 제품 품질과 생산성이 우수하다. 또한, 속이 빈 코어를 제조할 수 있고, 소형 제품의 제조에 적합하며, 금형을 이용하므로 소형 대량 생산에 적합하고, 미숙련자도 제작할 수 있다. 철 및 비철 등 모든 금속 소재의 주조에 적용할 수 있으며 주조품의 정밀도가 높은 장점이 있다. 그러나 금형을 사용하므로 비용이 발생할 뿐만 아니라 소량의 주조품 생산시 비경제적인데, 이는 기공(Blow Hole) 결함 발생이 쉽고, 조형 설비가 필요하며, 수지 가격이 비싸므로 재료비에 의한 원가가 비싸기 때문이다. 또한, 가열하므로 쉘 제작의 에너지 비용이 높으며 철계 합금 주조시에는 제품 중량이 10kg 정도로 제한되는 단점이 있다.
◇ 가스 경화성 주형
가스 경화성 주형은 경화제로 반응성 가스를 사용하는 주형을 말한다. 주물사로는 규사 및 크로마이트사 등을 사용하며 점결제로는 무기계와 유기계의 수지를 사용한다. 반응성 가스로는 이산화탄소(CO2) 및 아민(Amine) 가스 등을 사용한다. 가스 경화형 주형은 아래의 표에서 보이는 바와 같이 무기계와 유기계로 분류할 수 있다.
○ CO2 주형
CO2 주형은 점결제로 사용하는 물유리 중의 SiO2의 아래와 같은 경화 반응에 의해 겔화로 주형이 강도를 가진다. CO2 주형은 주물사의 가사 시간이 길어 작업성이 좋고, 전용 설비가 거의 필요 없으며 용탕 주입시 유독 가스의 발생이 없다. 그러나 주형 강도가 높아서 붕괴성이 나쁘고 주물사 재생이 어려우며 강알칼리성 물유리로 인해 폐사 처리가 쉽지 않다.
Na2O·nSiO2·mH2O + CO2 → Na2CO3+ nSiO2·mH2O
○ VRH(Vacuum Replacement Hardening) 주형
CO2 주형은 주형 강도가 너무 크고 붕괴성이 나쁘다. 따라서 점결제인 물유리와 경화제인 CO2 의 사용량을 감소시켜 주형 붕괴성을 개선시키기 위해 개발한 주형이 VRH 주형이다. VRH 주형은 CO2 취입시 진공으로 흡인해 효율을 높혀 원하는 주형 강도를 얻는 방법으로 제조한다. VRH 주형법은 물유리 및 CO2 사용량을 절감하고, 주형의 붕괴성이 개선되며 물유리 사용량 감소에 따른 수분량 감소로 기공(Blow Hole)과 같은 주조 결함 발생이 감소하는 장점이 있다. 그러나 별도의 설비가 필요하고 대형 주조품을 생산하기 위한 주형 제조가 어렵다.
○ Cold Box 주형
Cold Box 주형은 페놀(Phenol) 수지와 폴리이소시아네이트(Polyisocyanate) 수지를 점결제로 사용하고, 아민(Amine) 가스(TEA, Tri-Ethyl Amine)를 경화제로 취입하면 우레탄(Urethane) 반응이 일어나 경화한다. 열 경화성 주형에 비해 에너지와 그 비용이 절감되고, 경화 속도가 빨라서 생산성이 높다. 그리고, 열 경화성에 비해 모형 선택 폭이 넓으며(목형 또는 수지형을 사용할 수 있음), 대량 생산 또는 다품종 소량 생산이 가능하다.
◇ 자경성 주형
자경성 주형은 주물사와 점결제 혼련 시 경화제를 함께 첨가해 시간이 경과함에 따라 경화되는 주형을 말한다. 자경성 주형은 아래 그림과 같이, 점결제에 따라 무기계와 유기계로 분류할 수 있다.
○ 후란(Furan) 자경성 주형
후란 자경성 주형은 가사 시간이 길기 때문에 대형 주조품의 제조에 많이 쓰이며 주물사 재생 처리가 좋다. 점결제로는 후란 수지가 그리고 경화제로는 유기 슬폰산계가 사용된다. 강도가 커서 수지 첨가량이 절감되며, 혼련사의 유동성이 좋고, 주형 표면 안정성이 우수한 장점이 있다. 또한 주형의 열간 강도가 높고, 주입 시 가스 발생량이 적으며, 주조품 표면이 깨끗하고 치수 정도가 좋다. 그러나 경화제가 온도 및 습도에 민감하며 알콜계 도형제는 주형 강도를 감소시키고 경화 반응에 시간이 걸리기 때문에 모형의 회전 시간이 긴 단점이 있다.
○ α set 자경성 주형
α set 자경성 주형에는 점결제로 알칼리 페놀(Alkali Phenol) 수지가 쓰이며, 경화제로는 유기 에스터(Ester)가 쓰인다. 주물사 회수·재생 처리가 용이하고, 사용되는 수지가 수용성 수지이므로 위험성이 적으며 냄새 등이 적어서 작업 환경이 개선되는 장점이 있다. 그러나 강산성 주물사에는 적당하지 않고, 주물사의 온도 및 습도가 경화에 민감하게 영향을 미치며 다른 유기 자경성 주형사에 비해서는 상대적으로 재생 처리가 곤란한 단점이 있다.
○ 페놀 우레탄(Phenol Urethane) 자경성 주형
페놀 우레탄(Phenol Urethane) 자경성 주형은 펩셋(Pepset) 주형이라고도 한다. 점결제로는 페놀(Phenol) 수지와 열경화성 수지(Polycyanate)가 쓰이며, 경화제로는 유기 염기성 화합물이 쓰인다. 경화속도가 빠르고 내·외부의 경화 시간 차이가 작아서 조형 시간이 단축되는 장점이 있다. 또한, 사용 주물사의 회수·재생이 용이하고, 혼련사의 유동성이 양호하며 주입 후 붕괴성이 양호한 장점이 있다. 그러나 유기 용제를 사용하기 때문에 악취가 발생하며 경화 속도가 주물사 온도에 민감한 단점이 있다.
■ 도형제의 기술동향
주조품을 보호하기 위해 조형한 후 주형 공간 표면에 도형제를 도포한다. 도형제는 고온의 액체 금속이 주형 공간 표면의 주물사 입자사이를 침투하는 것을 방지하고, 용탕 주입 시 주형 공간 표면의 주물사가 주조품에 소착되는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서 도형제의 입도는 가늘어야 하며 내화도가 충분히 있어야 한다.
도형제로는 흑연, 목탄분, 운모분, 알루미나 분말, 지르콘 분말, 및 규석 분말 등이 쓰이고 있다. 도형제는 도형기계 분말, 첨가제 그리고 도형제를 주형 공간 표면에 도포하기 좋게 하기 위한 용제로 이루어진다. 용제로는 알코올이나 물이 쓰이고 있다. 도형제를 용제로 희석해 도포하며 붓으로 칠하거나 스프레이(Spray)로 뿌리는 방법을 주로 이용한다. 또한, 소형 주조품을 도형제 통 속에 침지해 도포하는 경우도 있다.
■ 용해의 기술동향
용해로는 장입 소재를 용해해, 원하는 재질의 제품을 얻을 수 있도록 용탕의 화학 조성을 조절하고, 불순물을 제거하고 주형 내에서 유동도가 충분해 주입이 잘되고 승온할 수 있도록 설계 및 선택해야 한다. 주조용 용해로로는 큐폴라, 유도로, 반사로 및 도가니로 등이 주로 이용되는데 열원과 용융 금속의 종류에 따라 아래와 같이 분류할 수 있다.
◇ 큐폴라(Cupola)
큐폴라는 주철의 용해를 위해 주로 이용되며 용해 경비가 가장 적게 든다. 아래 그림에서 보이는 바와 같이 노저부에 출탕구(Tapping Spout)가 있고 출탕구보다 높은 위치에 출재구(Slag Spout)가 있다. 큐폴라의 작업 순서는 다음과 같다.
ⅰ 노 내부를 수리하고 건조시킨다.
ⅱ 용탕 또는 용재(Slag)의 유출에 의한 방지하기 위해 노 밑에 모래층을 둔다.
ⅲ 노 내부 바닥에 장작과 코크스(Cokes)를 넣고 불을 붙인다.
ⅳ 연소가 잘 일어나고 있을 때 코크스, 주물용 선철 및 석회석을 차례로 장입한다.
코크스는 1회에 150mm 정도, 주물용 선철은 중량 기준으로 코크스의 약 10배 그리고 석회
석은 약 5% 정도를 장입한다.
ⅴ 약 10분 후 금속이 녹아 떨어지기 시작할 때 출재구를 내화점토로 봉입한다.
ⅵ 송풍 장치를 가동해 송풍한다.
큐폴라의 용량은 시간당 용해 능력(tons/hr)으로 표시하며 보통 사용되는 큐폴라의 용량은 3~10tons/hr이다. 큐폴라의 규격은 용해층의 내부 직경과 풍구에서 장입구까지의 높이로 표시한다. 노 내부에 바르는 내화 점토층인 라이너(Liner)에 따라 분류하면 산성로와 염기성로가 있다. 전자의 라이닝 소재의 주성분은 SiO2이며 인(P) 및 황(S)은 잘 제거되지 않으나 탄소(C), 규소(Si) 및 망간(Mn) 등은 제거된다. 후자의 주성분은 산화마그네슘(MgO)이며 P와 S를 제거할 수 있다.
큐폴라는 다른 종류의 로에 비해 열효율이 좋고, 구조가 단순해 시설비가 싸고, 작업이 간편하며 연속 조업하는 동안 노에서 수시로 출탕할 수 있는 장점이 있다. 그러나 금속 장입 소재가 고온에서 연료와 장시간 접촉하기 때문에 화학 조성의 변화가 많고 감량되는 단점이 있다.
◇ 유도로
유도로는 고주파 유도 용해로와 저주파 유도 용해로가 있으며 장입물의 크기에 따라 선택된다. 에너지원은 전기이며 전자 유도 작용에 의해 장입 소재인 금속 물체 중에 생기는 유도 전류가 금속 물체 중의 저항에 의한 손실 때문에 열로 변환돼 가열·용해하는 기구를 이용한 용해법이다.
구조적으로는 철심형과 무철심형이 있다. 철심형은 장입물의 크기가 클 경우에 사용하며 대용량의 용해를 할 수 있다. 현재 사형 주조 공장에서는 다음 무철심형을 주로 사용한다. 유도로는 급속 가열·용해가 가능하며, 전력 효율이 가장 높고, 용탕의 화학 조성 제어가 용이한 장점이 있다. 그러나 전력 비용이 많이 들고 설비비가 비싼 단점이 있다.
◇ 아아크로
탄소 전극사이의 아아크에 의해 발생하는 간접적인 열에 의해 장입물을 용해하는 간접 아아크로와 탄소 전극과 장입물이 각각 극으로 작용해 발생하는 아아크에 의해 장입물을 용해하는 직접 아아크로가 있다. 각각의 아아크로는 아래 그림에서 보이는 바와 같다. 간접 아아크로는 온도가 낮고 용해율이 낮기 때문에 주로 융점이 낮은 동합금과 합금 주철의 용해에 이용된다. 직접 아아크로는 단상 및 3상이 있으며 전극과 장입물사이의 아아크 열과 전류가 장입물을 흐를 때의 저항열에 의해 가열·용해한다. 약 1,800℃ 정도로 고온에 도달하므로 휘발성이 적은 고력 주철. 가단 주철 및 주강의 용해에 이용되며 노상(Hearth)의 라이닝 소재에 따라 산성로와 염기성로로 분류할 수 있다.
◇ 반사로
반사로는 용탕 표면을 직접 연료의 연소에 의해 가열할 뿐만 아니라 천정과 측면으로부터 반사열에 의해 가열하는 로다. 비철 합금의 용해를 위해 많이 이용되며 열원으로는 가스, 경유 또는 전기가 사용된다. 아래 그림에서 보이는 바와 같이 연소실과 용해실이 별도로 구분돼 있으며, 용해실에는 깊이 300~350mm 정도의 용탕이 고이는 노상이 있다. 석탄, 중유 또는 가스 연료의 연소 가스가 장입물을 직접 가열함과 동시에 내화 벽돌로 축조된 벽에서 반사되는 열로 금속을 가열해 용해한다. 출탕부는 용해실 측벽에 설치돼 있으며 노상은 실리카로 라이닝 돼있다. 용해 능력은 1회의 용해량으로 표시되며 15~40톤(ton) 정도로 용량이 많아 비교적 순수한 용탕을 얻을 수 있으며 한 번의 용해로 다량의 용탕을 얻을 수 있다. 따라서 대형 주조품을 얻을 때 주로 사용한다.
◇ 도가니로
도가니로는 로 내에 넣어 놓은 도가니 내에 장입물을 넣어 용해하는 방식의 로로 그 역사는 매우 길다. 장입물과 용탕을 직접 가열하지 않고 로 내에 넣어 놓은 도가니를 직접 가열한다. 구리 및 알루미늄 합금과 같은 융점이 낮은 비철 합금의 용해에 주로 이용된다. 장입물이 직접 연료와 접촉하지 않으므로 비교적 깨끗한 용탕을 얻을 수 있고, 설비비는 적게 드나 열효율이 낮은 단점이 있다.
도가니로의 종류에는 연료에 따라 코크스로, 중유로, 가스로 및 전기 저항로 등이 있다. 또한 정치식과 가경식이 있으며 자연 통풍식과 강제 통풍식이 있다. 도가니는 구리 및 알루미늄 합금 등의 용해에 사용되는 흑연 도가니와 마그네슘 및 아연 합금 등의 용해에 사용되는 철제 도가니가 있다.
◇ 용해 작업 전방 산업 발전과 함께 수요 증가
주조품의 품질에 직접 영향을 미치므로 용해 작업은 매우 중요하다. 금속 장입물, 합금 원소 첨가제 및 용제 등을 로에 장입하거나 첨가한다. 공업적으로 순수한 1차 금속 및 고철과 계이팅계, 압탕 및 불량 처리된 주조품 회수재를 장입한다.
합금 원소의 융점이 낮을 때에만 순수한 합금 원소를 첨가해 용탕의 화학 조성을 제어한다. 융점이 높은 경우에는 저 융점 금속과 잘 섞이지 않으므로 융점을 낮춘 모합금을 첨가한다. 모합금은 중력 편석이 일어나는 경향이 작은 것을 선택해야 한다. 합금 용해를 하는 경우 일반적으로 융점이 낮은 합금을 먼저 용해하고 융점이 높은 합금을 첨가한다.
용탕 표면을 분위기와의 반응과 오염으로부터 보호하기 위해 그리고 용탕을 정련하기 위해 용탕 표면을 열손실에 대해 차단해야 한다. 이를 위해 일반적으로 용제를 용탕 표면을 덮거나 용탕과 용제를 혼합해 슬래그를 형성하게 한다. 주강의 경우 슬래그 성분에는 CaO, SiO2, MnO 및 FeO 등이 있다. 슬래그는 실리카 함량이 많은 산성 슬래그와 산화 칼슘 함량이 많은 염기성 슬래그가 있다. 용제는 탄산나트륨과 불화칼슘(주철용) 그리고 보락스-실리카 혼합물(동 합금용) 같은 2차 용제가 섞인 석회석 및 도로마이트 같은 무기 화합물이다. 이와 같은 화합물은 용해 가스와 여러 가지 불순물을 제거해 용탕을 정련한다.
출탕 및 주입 시에는 용탕이 가스와 비금속 개재물로 오염되지 않도록 주의해 용탕을 다루어야 한다. 레이들과 같은 도구는 깨끗하고 잘 건조돼야하며 조용하게 주입해야 한다.
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■ 국가별 동향-미국
전 세계 주조 공장에서 생산하고 있는 주물 소재의 재질별로 분석해 보면 선진국일수록 비철 주조 공장이 차지하는 비율이 높다. 미국의 경우 60% 이상이 비철 주조 공장이며 이 중 다이캐스팅 공장의 비율이 매우 높다. 비철 주조품의 경우 수송 기계류, 전기 동력 장비 및 산업 기계류 순으로 나타나고 있다. 또한 미국의 경우 회주철에 비해 구상흑연주철의 생산량이 더 많다. 미국의 주조품 시장의 경우 Al 합금, 주강 및 구상흑연주철 제품 수요가 증가할 것으로 예상되며 회주철 제품의 수요는 외국과의 경쟁 및 기계적 성질 측면에서 뒤떨어져 감소할 것으로 예상된다. 또한 전기 자동차 시장의 확대와 수송 기계의 경량화 수요로 알루미늄 및 마그네슘 등 경량 비철 금속 주조품 수요가 증가할 것으로 예상된다. 미국의 제조업 투자와 인프라 재구축으로 주철 및 주강 제품의 시장도 꾸준히 유지될 것으로 예상된다.
■ 국가별 동향-일본
일본도 공장의 60% 이상을 비철 주조품 공장이 차지하고 있다. 자동차의 경량화 추세와 더불어 비철 주조품 생산량이 증가하고 있으며 앞으로 전자 산업 및 기계 공업 등의 분야에서 비철 주조품의 수요가 늘어나 비철 주조 산업의 발전이 있을 것으로 예상된다.
주요 연구기관으로 히타치금속 등과 같은 대기업 연구소, 중소기업 연구소 그리고 일부 대학교의 연구실에서 주조 분야의 연구·개발을 담당하고 있다.
■ 국가별 동향-유럽 연합(EU)
독일 및 프랑스와 같은 선진국에서는 미국 및 일본과 마찬가지로 공장의 60% 이상을 비철 주조품 생산 공장이 차지하고 있다.
유럽 연합(EU)의 경우 기업체 연구소 및 대학의 연구실에서 주로 주조 분야의 연구·개발을 담당하고 있다. 특히, 유럽 연합 내에 본사를 두고 있는 주조 부자재 업체 및 장비 제조 업체에서 사형 주조의 특성과 생산성 향상을 위한 장비 개발 등의 연구를 활발히 진행하고 있다.
■ 국가별 동향-한국
◇ 연구 개발 현황
우리나라 주조 산업은 자동차, 조선, 전자 및 산업 기계 등의 부품으로 필요한 부품 소재 산업으로서 소재 공급을 하고 있어 완성품의 품질과 수출에 직접적인 영향을 미치고 있다. 또한 자동차 부품의 글로벌 마케팅에 힘입어 주조 부품의 직접 수출도 증가하고 있다.
주조 산업은 중소기업 중심의 인력 수요가 많아 고용 효과가 큰 반면 인력 수급이 문제다. 현장 작업 인력뿐만 아니라 기술 개발을 주도할 엔지니어의 유입이 절대 부족하며 현장 생산 작업은 외국인 노동자에 크게 의존하고 있다. 1980년대에 비해 2000년대에 대학졸업 현장 엔지니어의 비율이 두 배 정도로 증가해 주조 기술의 발전에 도움이 됐으나 숙련 기능공은 절반 이하로 감소해 작업 현장에서의 기술적 know-how 축적, 생산 기술 및 불량률 제어 등에 불리하게 작용하는 원인이 되고 있다.
◇ 선도 연구 기관
우리나라 사형 주조 기술에 대한 선도 연구 기관은 한국생산기술연구원이다. 과거 한국과학기술연구소(KIST)의 주물 센터가 모태가 돼 현재의 한국생산기술연구원으로 발전했다. 그리고 현대자동차 및 두산인프라코어 등 대기업 연구소 또는 기술원에서 주로 연구하고 있으며 영남대를 포함한 일부 대학의 연구실에서 기초 연구를 담당하고 있다.
◇ 기술 경쟁력 분석
우리나라 주조품 생산 규모는 약 210만톤으로 세계 8위권이며 축적된 기술 경쟁력을 바탕으로 자동차, 조선 및 공작 기계 등 국내 산업에 미치는 영향은 매우 크다. 공장 수는 약 870여개이며 4만명 이상의 종업원이 종사하고 있다. 이 중 중소기업이 90% 이상을 차지하며, 종업원 수 300인 미만 업체가 차지하는 비율이 90% 이상이고, 100인 미만 업체가 80% 이상이다.
우리나라 주조 공장 수는 1991년에 930개 까지 증가했다가 이 후 감소 추세를 보였다. 2000년에 약 800여개 업체로 증가해 2009년 현재 약 870여개 업체에 이르렀다. 주조 공장은 부산·경남, 인천·경기 및 대구·경북의 순으로 기계 공업이 발달한 곳을 중심으로 밀집돼 있다. 근래에는 자동차 공장의 이전에 따라 충남 및 전북 지역의 업체수가 증가하고 있다.
■ 시장 규모 및 전망
세계 주조품 생산량은 중국, 일본 및 우리나라를 포함하는 아시아가 약 59.6%, 미주가 약 11.9% 그리고 러시아를 포함하는 유럽이 약 23.3%를 차지해 중국의 영향이 가장 큰 것을 알 수 있다. 중국은 2009년 한 해 동안 약 3만개의 주조 공장에서 약 3,530만톤을 생산해 세계 주조품 생산량의 약 43.9%를 차지했다. 세계 주요 주조품 생산국은 중국, 인도, 일본, 러시아, 독일, 브라질, 및 우리나라의 순으로 우리나라는 2009년도 통계를 기준으로 세계 8위를 차지했다.
세계 주조 공장의 수는 중국, 인도, 미국, 일본 및 러시아의 순으로 나타나고 있으며 우리나라의 주조 공장 수는 약 870개 업체로 이 역시 세계 8위를 차지하고 있다. 독일의 경우 약 600개의 공장에서 약 390만톤을 생산해 공장당 생산량이 약 6,500톤으로 효율이 가장 높은 것으로 나타났다. 전 세계의 주조 공장은 약 5만1,000개 정도이다. 최근 2년간 경쟁력이 없는 많은 공장들이 퇴출됐으며 경쟁력을 가지고 살아남은 공장은 기술 개발 및 국가적 차원의 지원 등이 이루어질 경우 안정적 성장세를 유지할 전망이다.
세계 주조품 생산량 중 회주철, 구상흑연주철, 주강 및 비철 주조품이 차지하는 비율은 각각 47, 24, 12 및 17%로 나타나고 있다. 회주철의 생산량이 가장 많으나 생산량의 증가율은 감소하고 있다. 1999년 이후 회주철 생산량은 약 9.3% 증가에 그쳤으나, 구상흑연주철, 주강 및 비철 주조품 생산량은 각각 약 39.6, 50.0 및 41.1% 증가했다. 또한 주철 주물의 구성비를 보면 전 세계적으로 회주철이 약 65% 그리고 구상흑연주철이 약 35%를 차지하고 있다.
■ 미래의 연구방향
우리나라 뿌리 산업의 한 분야인 주조 산업은 앞에서도 언급한 바와 같이 기술 경쟁력을 바탕으로 꾸준히 발전하고 있으며 자동차, 조선 및 산업 기계의 발전과 함께 그 수요는 더욱 증가할 것이다. 또한, 자본력과 기술개발 능력을 보유하고 있는 선진국에서 큰 관심을 가지고 있다. 그러나 인력 수급, 환경 문제 및 후발 국가의 기술발전 등으로 인해 발전에 어려움을 겪고 있다. 따라서 제조 공정 개선, 생산 기술과 우수한 제품 개발을 통해 우리나라 주조 산업이 꾸준히 성장하고 경쟁력을 가지기 위해서는 꾸준한 인력 양성, 생산 설비, 제품 개발, 공해 방지 및 작업 환경 개선 등의 노력이 필요하다.
■ 국내 사형주조산업이 나아갈 방향
20대의 젊은 사람들이 제조업 현장 특히 주조 공장에서 근무할 마음이 생길 수 있도록 정부 차원의 정책 수립 및 지원과 주조 업체의 노력이 필요하다. 그리고 교육 기관에서는 제조업 현장 작업에 관한 교육을 담당해 이에 도움을 줄 수 있어야 한다. 특히 대학, 관련 연구기관 및 학회에서 신규 인력 교육과 현장 엔지니어 재교육을 통해 꾸준히 인력 양성에 기여할 필요가 있다.
생산 공정 즉, 주물사 처리, 조형, 용해 및 후처리 공정 등의 가능한 부분을 찾아 자동화 및 기계화를 추진할 필요가 있다. 이를 통한 인건비 절감, 생산 효율과 생산성 증가를 통한 윈가 절감을 실현해 경쟁력을 확보할 수 있다.
정부의 지원과 기업체의 자체 노력, 그리고 연구소 및 대학 연구팀의 협력으로 부가가치가 높은 신제품 개발, 생산 제품의 고품질화, 생산 공정 개선을 통한 원가 절감 등의 연구 개발을 꾸준히 추진돼야 한다. 이를 꾸준히 추진함으로써 글로벌 경제 체제에서 앞서 나갈 수 있을 것이다.
더불어 날로 엄격해져 가고 있는 환경 규제에 대비하기 위한 공해 방지 설비 설치를 통해 세계적인 추세에 뒤쳐지지 않도록 노력해야 한다.
