생형사처리 설비의 자동화기술

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김봉완(bongwank@reseat.re.kr)

* 출처 : 富貴原信, 牧野泰育, 橋本邦弘, “生砂處理設備における自動化技術”, 「鑄造工學(日本),

81(10), 2009, pp.504~508

1. 서론

생형사처리공정은 단계적인 사처리를 거듭하여 주형사의 온도 및 수분을 관리하는 수법이 주류를 이루고 있다. 생형사처리공정은 주물사 회수(이물질 분리 포함), 냉각, 저장, 혼련, 조형기에 공급 등의 공정으로 구성되어 있다.

이들 각각의 공정에 적합한 처리를 행하는 장치군을 생형사처리설비라 한다. 이들의 공정 중에서 생형사의 냉각과 혼련공정은 생형사의 온도와 수분을 관리하는 특히 중요한 공정이며, 온도와 수분의 관리는 센서에 의하여 고도로 자동화되어 있다.

2. 생형사의 냉각시스템

생형사처리설비에서 냉각공정은 70∼140℃의 온도에서 40∼160ton/hr에 이르는 대량으로 회수되는 탈사주형사를 40∼45℃로 냉각함과 동시에 함유수분을 거의 일정하게 하는 것을 목적으로 하고 있다. 냉각방법은 생형사에 함유된 수분을 일종의 열교환기인 냉각장치에서 증발시킴으로써 수분의 증발잠열을 이용하는 냉각방법이 주류를 이루고 있다.

외기온도를 비롯한 외란인자를 고려하여 냉각장치 내에서 증발하는 수분 및 냉각장치통과 후의 수분기대치를 예측하여 냉각장치 전에서 살수 제어하는 것이 요구된다. 대기온도, 사온도, 주물사 수분을 측정하는 센서장치에서 오는 측정신호를 마이크로컴퓨터로 보내어 주물사 냉각기 내에서의 증발수분의 예측과 함께 수분목표치로 관리할 수 있도록 부족 수분으로부터 수분첨가량을 계산한다.

센서장치에 있어서 수분의 측정에는 판상의 전극을 사중에 일정면적 삽입하여 정전류 방식에 의해 전압을 센서출력으로 나타내는 전기저항형 수분센서를 채용하고 있다. 이 센서에서 오는 신호를 전용증폭기에 의해 증폭하고 계산식에 의해 회수사 수분으로 환산한다.전자(Electromagnet) 비례변과 비접촉유량계를 조합한 유량제어 살수장치에 의해 계산된 양의 살수가 행해지고 있다. 그 후 생형사교반을 행하고 주물사냉각장치에 회수사가 투입됨에 따라 혼련사의 냉각이 이루어진다. 최근 새로 설치되는 주물사처리설비에서는 이와 같은 주물사냉각장치가 표준적으로 채용되며, 주물사냉각의 중요성은 공장규모에 관계없이 깊이 인식되고 있다.

3. 생형사의 혼련시스템

냉각된 회수사는 사립에서의 미시적인 수분확산을 위해 저장조에 일정시간 유지한 후에 혼련공정으로 이송한다. 혼련공정에서는 벤토나이트를 비롯한 첨가물과 수분이 첨가된다. 여기서 주물품질관리상 중요한 점은 일정한 주형사 특성을 갖는 혼련사를 조형기에 공급하는 것이다.

그러기 위해서는 혼련기에 첨가되는 수분량의 정확한 계측제어, 혼련공정에서의 혼련수분함유량의 적절한 미세정이 필요하다.사혼련 시스템에는 혼련 초기에 첨가되는 수분량을 계측제어하는 시스템과 혼련기 내의 혼련사 수분함량과 충전성(Compactability)을 미세 조정하는 기능을 갖는 시스템이 갖추어져 있다. 주수량 제어시스템은 수분센서를 이용하여 혼련기에 투입되는 회수사의 수분을 측정하고, 이 결과로부터 일차 첨가 수분량을 마이크로컴퓨터에 의해 연산하여 수분첨가의 제어를 행한다.

혼련기 내의 혼련사 수분함량의 미세조정을 위한 평가지표로서는 충전성이 채용되고 있다. 충전성은 생형사의 수분함유량에 의해 체가름 밀도가 변하는 것을 이용한 지표이고 수분함유량과 매우 높은 상관관계를 갖는 것으로 알려지고 있다. 생형사 수분함량의 대용 특성으로 혼련사의 특성관리에 이용되고 있다.

4. 생형사특성의 품질관리

생형사특성의 관리는 생형조형법에 의한 주물생산에 있어서 품질 확보를 위해 불가결하다. 설비적으로는 수분센서의 응용에 의한 주물사 냉각공정과 혼련공정의 자동화시스템이 기술적으로 확립되어 있다. 수분이외에도 관리하여야 할 생형사 특성이 많이 있다. 이들에 대해서는 실험실에서의 수작업에 의한 분석, 측정 결과에 의해 관리가 이루어지고 있다.

최근에는 디지털 주물사시험기가 개발되어 수분, 충전성 압축강도, 통기도, 주물사 온도를 자동 측정하는 것이 가능하게 되었다. 측정데이터는 전산화하여 대량의 데이터를 사용한 통계적 해석도 행할 수 있다.

디지털 주물사시험기에 의해 측정, 축적된 데이터 중에서 압축강도에 주목하여 해석을 행하고, 압축강도 데이터를 그래프화하여 관리하는 경우도 있다.이와 같이 통계적인 처리에 의한 생형사 특성의 경향관리는 생형사의 안정화를 지향하기 위한 매우 유효한 수단이 될 수 있다. 이와 같은 자동계측장치가 생형사처리설비에 설치되면 온라인에서의 생형사 특성관리의 자동화가 더욱 진전될 것으로 생각된다.

5. 결론

최근 생형조형법에 의한 주물생산은 매우 섬세한 관리에 의해 공정 내에서 품질을 확보하는 것이 큰 특징이다. 생형사처리공정에서도 냉각공정, 혼련공정에서 사온, 수분의 자동제어시스템을 중심한 자동화가 진전되어 왔다.

이러한 생형사처리의 자동화는 균일하고 안정된 혼련사를 조형공정에 공급한다는 관점에서 생형사 처리공정에서의 품질관리라 할 수 있다.

또한 생형사의 특성관리에 의하여 생형사특성을 일층 안정되게 하는 것을 목표로 하는 온라인 자동계측시스템이 주목받는 자동화기술이 되고 있다.

주물사처리의 자동화를 위해서는 다량의 디지털 계측 데이터로부터 유익한 데이터를 인출하기 위한 통계해석법도 검토되어야 할 것이다. 이와 같은 하드웨어와 소프트웨어의 융합에 의해 사처리설비의 자동화가 앞으로 더욱 진전됨으로써 주물의 고품질화가 달성될 것으로 생각된다.

6. 전문가 제언

생형주물의 생산성은 조형의 자동화로 현저한 발전을 이루어 왔지만 사용되는 순환주물사의 품질에는 많은 문제점이 존재하고 있다. 주물사가 부적합하여 주입불가 주형의 증가 및 주조불량의 발생을 초래하며 생산성 감소나 후처리공수의 증가를 가져온다. 따라서 조형라인의 가동률을 높이고 주물의 품질을 향상시키기 위하여도 순환주물사의 품질안정이 금후의 큰 과제이다.

이러한 과제를 해결하기 위해서는 자동조형라인의 특성을 이해하고 총괄적인 주물사의 처리와 관리가 선행되어야 할 것이다. 생형사관리의 목적은 주조결함을 감소시키며 안정되게 조업할 수 있게 하는 것이다.

생형사관리를 위한 시험방법에는 여러 가지 있지만 관리의 효율을 얻기 위해서 시험항목을 선정하여야 한다.

최근에는 측정의 자동화가 진전되어 생형사의 온도, 수분, 충전성, 항압력 및 통기도 등이 사혼련 일회분마다 측정하는 것이 가능하게 되었다.

자동 또는 수동 계측된 데이터는 컴퓨터에 의해 연산처리 되고, 온라인 또는 오프라인에서 수분이나 첨가제의 투입량 조절에 반영한다. 또한 생형사 특성치의 경향관리에 의해 생형사의 변동을 예측하고 적절한 수치범위로 유지 관리하기에 이르고 있다.

우리나라는 주물생산 면에서는 세계 10위권에 진입하고 있으며 생형자동설비도 일반화되었다. 그러나 사처리설비의 자동화는 극소수에 불과하다. 대부분의 자동조형라인에서 생형사의 특성관리는 거의 이루어지지 못하고 있는 실정으로 속히 개선되어야 할 문제이다. 부디 주물사처리 및 관리의 중요성을 깊이 인식하고 설비의 자동화와 함께 국제경쟁력 높은 주물이 생산되기를 기대한다.