기계공작법

I 편 주 조

5장 용해로와 용해(교과서 p.58)

용해로는 고체의 원료지금(原料地金)을 용해하여 목적의 재질이 될 수 있도록 성분을 조성하고, 불순물을 제거하며, 주형 내에서 충분히 유동할 수 있도록 승온(昇溫)할 수 있게 설계되어야 한다.

열원에 따라 용해로를 분류하면

고체연료로: 용선로(熔銑爐; cupola), 도가니로 등
액체연료로: 도가니로, 반사로, 등
기체연료로: 천연 gas가 많은 미국, 소련 등에서 주로 지금(地金)의 예열에 사용된다.
전기로: 유도전기로 등

용해금속의 종류에 따라 분류하면

철주물용
1. 주철주물용: 용선로, 전기로 등
2. 주강주물용: 전기로, 평로, 반사로 등
비철주물용: 도가니로, 전기로 등

[1] 용선로(熔銑爐; cupola)

주철(鑄鐵; cast iron) 용해에 주로 사용되는 노로서 용금을 얻는데 경비가 가장 적게 든다. 아래 그림과 같이 노저부(爐低部)에 출탕구멍(tapping hole)이 있고, 이 구멍보다 약간 높은 위치에 용재구멍(鎔宰; slag hole)을 둔다.

용선로에서의 작업순서는

노 내부를 수리하고 건조시킨다.
용탕 또는 용재의 유출에 의한 위험을 방지하기 위해서 노 밑에 모래를 둔다.
노 내부 바닦에 장작과 coke를 넣고 불을 붙인다.
연소가 잘될 때 coke, 선철, 석회석을 순차적으로 장입한다. coke는 1회에 150mm 정도, 선철은 중량으로 coke의 약 10배, 석회석은 선철의 약 5% 정도를 장입한다.
약 10분 후 금속이 녹아 떨어지기 시작할 때 출탕구멍과 용재구멍을 내화점토로 봉입한다.

용선로의 단면
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용선로 내부의 온도분포

용선로에서 용탕을 받는다.

용량은 시간당 용해할 수 있는 능력(ton/hr)으로 표시하며, 보통 사용되는 것의 용량은 3 ~ 10ton/hr이다. 규격은 용해층의 안지름과 풍공(風孔)에서 장입구까지의 높이로 표시한다.

노 내부에 바르는 내화점토층인 liner에 따라 분류하면 산성로와 염기성로가 있으며, 전자의 liner 재료의 주성분은 규산이고 용탕의 P, S는 잘 제거되지 않으나 C, Si, Mn 등은 제거된다. 후자의 주성분은 염기성 재료인 MgO이며, P, S를 제거할 수 있다.
용선로는 다른 종류의 노에 비하여 다음의 장점이 있다.

열효율이 좋고
구조가 단순하여 시설비가 염가이며,
작업이 간편하고
노에서 수시로 출탕할 수 있다.

반면 지금(地金)이 고온에서 연료와 장시간 접촉하기 때문에 성분 변화가 많고 산화하여 감량되는 단점이 있다.

용선로에서 풍공비(風孔比; tuyere ratio)=(풍공의 총단면적)/(풍공부 위치에서 노단면적)이 1ton의 노에서는 15 ~ 30%, 3 ton 노에서는 10~20%, 5 ton노에서는 10 ~ 12% 정도이다. 풍공부의 면에서 장입구 하단까지의 높이인 유효높이를 H, 풍공면의 안지름을 D라 할 때 유효높이비=H/D가 4~5이다. 풍공비가 과대하고 풍속이 클 때는 용해재(熔解材)가 산화되거나 냉각되고, 풍공비가 너무 작을 때에는 중심부의 연소가 불충분하여 균일한 용해가 될 수 없다. 풍공비는 coke 질, coke 형상 및 지금(地金)의 종류에 따라 변한다. 풍공은 단면이 원형 또는 사각형이며 수평면에서 노저(爐低)를 행하여 10~15% 경사된 것이 많다. 풍공의 높이는 용탕이 괴는 높이를 한도로 가능하면 낮게 한다. 노저부(爐低部)에 출탕구멍이 있고, 이보다 높은 위치에 용재(鎔宰)구멍이 있다.
용선로에 장입되는 지금 및 coke 등의 양과 크기에 따라 다르나 풍공부를 통해서 공급되는 공기는 노 내의 저항 때문에 압력이 상당히 커야만 한다. 완전 연소가 되는 이론적 공기량은

단
Q: 송풍량(m³/min)
L: 탄소 1kg의 연소에 필요한 공기량(m³/kg)
K: 지금 100kg의 용해에 필요한 coke량(kg)
k: coke 100kg 중에 함유된 탄소량(kg)

실제에서는 이론적 공기량 보다 20 ~ 30% 정도 더 많은 공기를 공급하여야 한다.

용선로의 송풍량 및 송풍압력의 예

탄소 1kg이 CO gas가 되기 위하여 4.45m³의 공기, 탄소 1kg이 CO₂gas가 되기 위하여 8.90m³의 공기가 필요하며, CO와 CO₂의 비율은 60 : 40 ~ 20 : 80으로서 평균치인 40 : 60을 취한다면 공기량 L은 L = 4.45X0.4 + 8.90X0.6 =7.12m³이다.
일반적으로

탄소는 2.8% 이하인 용탕을 얻는 것은 어렵고(∵ 탄소가 많이 함유된 연료인 coke와 접촉하기 때문에)
규소는 10 ~ 20% 정도 소실(燒失)
인은 coke에 0.01% 이상 함유되어 있으면 증가
망간은 15 ~ 20% 정도 소실
황은 3% 정도 증가

FeS은 고온취성의 원인이 되고, 유동성을 해치며, 경도를 크게 하고, 주물을 취약하게 하므로 다음과 같은 방법으로 황을 제거한다.

용제인 석회석(CaCO₂)에 의한 탈황
CaCO₃+FeS→CaS+FeO+CO₂(철 중의 탈황)
CaCO₃+S+CO→CaS+2CO₂(coke 중의 탈황)
2CaCO₃+2SO₂+3C→2CaS+5CO₂(coke 중의 탈황)
이때 CaS은 용재(鎔滓; slag)
FeMn에 의한 탈황
2FeMn+S→Mn₂S+2Fe
이때 Mn₂S은 용재
탄산소다(Na₂CO₃)에 의한 탈황
Na₂CO₃+FeS→Na₂S+FeO+CO₂(철 중의 탈황)
Na₂CO₃+S+C+O→Na₂S+2CO₂(coke 중의 탈황)
이때 Na₂S는 용재

보충 (160KB, 2매)(주조금속의 배합예; 신판 기계공작법, 서남섭 저, 동명사, p.73)

[2] 전로(前爐; receiver)

용금을 일시에 다량으로 사용하거나, 용금의 성분을 균일하게 하는데 사용하기 위하여 용선로에서 출탕(出湯)하는 용금을 저장하는 노로서, 다음 그림(a)와 같이 용선로 앞에 고정된 고정식 전로와 그림(b)와 같이 회전식 전로가 있다. 전로의 단점은 용금의 온도가 강하한다는 것이다.

전로(前爐)

[3] 도가니로(crucible furnace)

노 내에 있는 도가니 속에 Cu 합금, Al 합금과 같은 용융점이 낮은 비철금속의 용해에 사용되는 노로서, 지금(地金)이 연료와 직접 접촉하지 않으므로 비교적 순수한 용금을 얻을 수 있고, 설비비가 적게 드나, 열효율이 낮은 것이 단점이다. 도가니로의 종류에는 연료에 따라 coke 로, 중유로, gas 로, 전기로 등이 있고, 정치식(定置式)과 가경식(可傾式)이 있으며, 자연통풍식과 강제통풍식이 있다. 도가니의 재질에 따라 Cu 합금, Al 합금 등의 용해에 사용되는 흑연도가니와 Mg 합금, Zn 합금 등에 사용되는 철제도가니가 있다.
도가니의 용량은 1회에 용해할 수 있는 동(銅)의 중량으로 표시한다. 예를 들면 1회에 1kg의 동을 용해할 수 있으면 1번(#1) 도가니라 한다. 도가니의 수명은 강용 흑연도가니: 3회 이하, 황동 및 청동용 흑연도가니: 15~20회 정도이다.

도가니로의 예
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[4] 반사로(反射爐; reverberatory furnace)

아래 그림과 같이 연소실과 용해실이 별도로 되어 있으며, 용해실에는 깊이 300~350mm 정도의 용탕이 고이는 곳이 있고 석탄, 중유의 연소 gas가 지금(地金)을 직접 가열함과 동시에 벽돌을 가열하여 벽돌에서 반사되는 열로 금속을 용해시킨다. 출탕부(出湯部)는 용해실 측벽에 설치되어 있으며, 노 바닥은 규사로 lining되어 있고, 벽은 내화벽돌로 되어 있다. 용해능력은 1회의 용해량으로 표시되며, 15~40ton 정도가 많다. 용선로에서의 용해에 비하여 비교적 순수한 것을 얻을 수 있으며, 일시에 다량의 용탕을 얻을 수 있다. 따라서 대형 주물 및 가단주철 등 고급주물을 얻을 때 주로 사용된다. 용선로에서는 장입할 지금의 크기에 제한을 받으나, 이 노에는 비교적 큰 것도 넣을 수 있다.

반사로
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[5] Bessemer식 전로(Bessemer式轉爐; Bessemer converter)

제강로(製鋼爐)의 일종으로서 아래 그림과 같이 노 내부를 coke 등으로 백열(白熱) 상태까지 예열한 후 용선로에서 용해된 철을 전로로 옮겨 가열된 압축공기를 용탕에 주입하면 C, Mn, Si 등이 산화하여 강(鋼)이 되며, FeMn, FeSi 등을 첨가하여 목적하는 강을 만든다. 전로의 용량은 1회의 제강량으로 표시하며, 대형은 10~40ton, 소형은 0.5~3ton이다. 강 1ton에 대하여 350~400㎥의 공기가 필요하며, 공기 압력은 1.5~2.0kg/cm²이고, 1회의 작업시간은 15~20min 정도이다.

전로(轉爐)
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[6] 평로(平爐; open heart furnace)

1회에 다량의 용강(熔鋼)을 얻는 제강로이며, 대형은 50~500ton, 중형은 10~25ton, 소형은 3~5ton 정도의 용해능력을 갖고 있다. 연료 gas와 공급되는 공기를 예열하는 축열실(蓄熱室)과 용해하는 반사로로서 되어 있다. 선철, 고철, 석회석 등을 장입하고, 축열실에서 gas와 공기를 1000~1200℃ 정도로 예열하여 연소실에 20~30min마다 교대로 보내어 1800℃ 정도로 가열하여 용융, 산화 및 정련하여 목표 성분의 용강(熔鋼)을 얻는다.

평로(平爐)
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[7] Rockwell식 전로(Rockwell式轉爐; Rockwell converter)

아래 그림과 같이 2개의 노가 서로 연결되어 있어 한쪽에서 중유 burner로 연소 gas를 유입시켜 용해정련하고, 그 배기 gas로 다른 노의 지금을 예열한다. 이 노는 열효율을 높일 수 있고, 융점이 낮은 청동, 황동 등의 용해에 더욱 효율적이며, 용량은 장입 지금의 중량으로 표시한다.

Rockwell식 전로

[8] 전기로(電氣爐; electric furnace)

전기를 열원으로 하는 노로서 주로 제강, 특수주강의 용해에 사용되며, 조작이 용이하고 온도 조절을 정확히 하기에 편리하다. 금속의 산화 손실이 적고 정확한 성분의 용탕을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 전력비가 많이 들고 전극봉에서 불순물의 개입이 있을 수 있으므로 전극봉의 선택에 주의를 요한다. 전기로의 종류를 들어 보면 다음과 같다

(1) 전호로(電弧爐; electric arc furnace):

☞ 전호로는 탄소전극 사이에 발생하는 간접적인 열에 의하여 지금을 용해하는 간접전호로와 탄소전극과 지금이 각각 한 극이 되어 직접 전호를 발생시켜 그 arc의 복사열과 반사열에 의하여 자체의 지금을 용해하는 직접전호로가 있다.
아래 그림은 간접전호로로서 용탕의 온도를 균일하게 하기 위하여 수평축 주위로 요동시킨다. 노체(爐體) 중앙에 장입구 및 출탕구가 있으며, 온도가 낮고 용해율이 낮기 때문에 주로 융점이 낮은 동합금 및 합금주철 등의 용해에 사용된다. 노의 용량은 250~1000kg이며, 전력은 70~300kw이고, 용해시간은 지금 1ton에 대하여 황동에는 40min, 동에는 60min 정도이다.

간접전호로
간접전호로
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아래 그림과 같이 탄소전극과 직접 전호를 발생시켜 지금을 용해시키는 직접전호로에는 단상 및 3상 등이 있으며, 전극과 지금 사이의 전호열과 전류가 지금을 통할 때의 저항열에 의하여 용금을 얻는다. 1800℃ 정도의 고온 이므로 휘발성이 적은 고력주철, 가단주철, 강의 제조에 사용되며, 노상(爐床)의 재료에 따라 산성로와 염기성로가 있다. 노의 측벽에 장입구와 용재출구가 있으며, 전동식 또는 유압식 경동장치가 있고, 노의 용량은 1~20ton 정도이다.

직접전호로 직접전호로
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(2) 유도전기로(誘導電氣爐; induction furnace):

유도 가열 방식에 의하여 금속의 냉재(冷材) 용해, 용탕의 승온(昇溫), 성분 조정을 하는 노로서, 전기도체의 주위에 coil을 감고 교류전류를 통하여 전자유도 작용으로 도체에 유도전류 I²·R가 발생하여 금속을 용해한다. 그림(a)는 고주파 유도전로이며, 1차 coil을 외주에 감고 2차 coil에 해당하는 것은 노 내의 지금이다. 주로 특수강의 제조에 사용되며, 주파수는 400~100000cycle/sec정도, 노의 용량은 2 ~ 8ton 정도이고, 양질의 용탕을 얻을 수 있으나 전력 손실이 크다.
그림(b)는 저주파유도로이며, 1은 1차 coil, 2는 변압기의 철심이다. 1에 전류를 통하면 V형 홈 3 속의 용금이 2차 coil의 역할을 하여 유도전류를 발생시켜 열을 낸다. 주파수는 60~180cycle/sec이고, 노의 용량은 200~1000kg이 보통이며 대형에는 10ton급도 있다.

(a) 고주파유도로
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(b) 저주파유도로