사형 주조 공정의 CFD 해석: 유동 분석을 통한 주조 품질 향상 전략

이 기술 요약은 Rajiv Kumar N, Umar Ahamed P, Mohamed Anwar A U가 International Journal of Trend in Scientific Research and Development (IJTSRD)에 발표한 논문 “CFD Analysis of Fluid Flow in Sand Casting” (2019)을 기반으로, (주)에스티아이씨앤디의 기술 전문가가 분석하고 정리한 내용입니다.

키워드

• Primary Keyword: CFD 해석
• Secondary Keywords: 사형 주조, 유체 유동, 응고 해석, FLUENT, 주조 결함, 충전 공정

Executive Summary

• 도전 과제: 사형 주조 공정 중 용탕의 유체 유동, 상변화, 온도 분포를 실험적으로 시각화하는 것은 매우 어려우며, 이는 수축공, 기공과 같은 주조 결함의 원인이 됩니다.
• 해결 방법: 본 연구에서는 유한 요소 이론에 기반한 CFD 소프트웨어(FLUENT)와 3D 모델을 사용하여 플랜지(flange) 및 풀리(pulley) 부품의 액상 금속 충전 과정을 수치적으로 시뮬레이션했습니다.
• 핵심 성과: 시뮬레이션을 통해 용탕의 자유 표면 변동과 온도 분포를 정밀하게 시각화했으며, 특히 결함 발생에 결정적인 초기 난류 단계와 후기 안정 유동 단계를 명확히 구분해냈습니다.
• 핵심 결론: CFD 해석은 주조 응고 공정의 정확한 초기 조건을 제공하며, 충전 파라미터를 제어하여 블로우홀이나 슬래그 혼입과 같은 결함을 줄이는 데 효과적인 도구임을 입증했습니다.

도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유

주조는 용융된 금속을 주형에 부어 원하는 형상을 만드는 핵심 제조 공정입니다. 특히 사형 주조는 전체 금속 주조품의 70% 이상을 차지할 만큼 널리 사용됩니다. 하지만 이 과정에서 품질을 결정하는 가장 중요한 단계인 ‘충전’과 ‘응고’는 눈으로 직접 확인하기 어렵다는 근본적인 한계를 가집니다.

용탕이 주형 내부를 채우는 동안 발생하는 불규칙한 유체 유동, 급격한 상변화, 불균일한 온도 분포 및 속도 구배는 최종 제품의 품질을 저하하는 주된 원인입니다. 이러한 현상들은 수축공, 기공, 개재물 혼입 등 치명적인 결함으로 이어져 생산 비용 증가와 제품 신뢰도 하락을 야기합니다. 기존의 실험적 방법만으로는 이러한 복잡한 물리 현상을 정밀하게 분석하고 제어하는 데 한계가 있었습니다. 따라서 주조 공정을 최적화하고 결함을 사전에 예측하기 위한 새로운 시각화 및 분석 도구가 절실히 필요한 상황이었습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션 기법을 도입했습니다. 연구팀은 상용 CFD 소프트웨어인 FLUENT를 사용하여 사형 주조의 충전 공정을 3차원으로 모델링하고 해석했습니다.

• 대상 모델: 산업 현장에서 널리 사용되는 플랜지(Flange)와 풀리(Pulley) 두 가지 부품을 대상으로 선정했습니다.
• 재료: 주물 제작에 보편적으로 사용되는 회주철(Grey Cast Iron)을 용탕 재료로 사용했으며, 밀도(7.06×10³ kg/m³), 비열(490 J/kg·K) 등 열물성 데이터를 해석에 적용했습니다.
• 해석 모델: 유한 요소 이론을 기반으로 3D 모델을 생성했으며, 액상 금속과 공기 사이의 경계면을 추적하기 위해 다상 유동 모델(VOF, Volume of Fluid)을 적용했습니다.
• 게이팅 시스템: 용탕의 난류 발생을 최소화하기 위해 탕구(sprue) 바닥에서 주입되는 하주식 탕구계(Bottom Gating System)를 설계에 반영했습니다.
• 경계 조건: 유입 속도, 압력, 온도와 같은 초기 및 경계 조건은 베르누이 방정식 등 이론적 계산을 통해 합리적으로 산출하여 시뮬레이션의 정확도를 높였습니다.

연구팀은 ICM CFD 14.5를 사용해 형상 모델링과 격자 생성을 수행한 후, FLUENT로 데이터를 이전하여 유동 해석을 진행하는 체계적인 절차를 따랐습니다.

핵심 성과: 주요 연구 결과 및 데이터

시뮬레이션 결과, 주형 충전 과정에서 발생하는 복잡한 유동 현상을 성공적으로 시각화하고 정량적으로 분석할 수 있었습니다.

성과 1: 충전 단계별 유동 패턴의 정밀 시각화

플랜지 모델의 충전 과정을 시간대별로 분석한 결과, 유동 패턴이 뚜렷하게 변화하는 것을 확인했습니다.

• 초기 난류 단계 (0.02초 ~ 0.3초): 용탕이 게이트를 통해 주형 캐비티로 처음 유입될 때, 캐비티 바닥 및 벽과 충돌하며 매우 불안정한 유동을 보였습니다. Fig 16에서 볼 수 있듯이, 이 단계에서는 액면이 심하게 요동치며 강한 난류가 발생합니다. 연구팀은 이 시점이 블로우홀이나 슬래그 혼입과 같은 결함이 생성될 가능성이 가장 높은 구간이라고 지적했습니다.
• 안정화 단계 (0.55초 이후): 충전이 진행됨에 따라 용탕의 유입 속도가 느려지고 액면이 점차 안정적으로 상승했습니다. Fig 17 (g, h)는 용탕이 라이저(riser) 입구에 도달하고 최종적으로 충전을 완료(0.76초)하는 안정된 유동 상태를 보여줍니다. 이 단계에서는 결함 발생 확률이 현저히 감소합니다.

성과 2: 시뮬레이션과 실제 실험 결과의 비교 검증

연구팀은 CFD 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 실제 주조 실험에서 측정한 충전 시간과 비교했습니다.

• 플랜지: 실험 충전 시간은 0.67초, CFD 해석 시간은 0.76초로 나타났습니다. (Table II)
• 풀리: 실험 충전 시간은 1.13초, CFD 해석 시간은 1.49초로 나타났습니다. (Table I)

두 경우 모두 실험값이 CFD 해석값보다 약간 짧게 측정되었지만, 전반적인 충전 시간을 매우 유사한 수준으로 예측하여 CFD 모델이 실제 물리 현상을 효과적으로 모사함을 입증했습니다. 이는 CFD가 주조 공정 설계 및 최적화에 신뢰할 수 있는 도구임을 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

본 연구 결과는 주조 공정의 다양한 실무 분야에 다음과 같은 중요한 통찰을 제공합니다.

• 공정 엔지니어: 이 연구는 특정 공정 변수(예: 게이팅 시스템 설계)를 조정하는 것이 결함 감소에 기여할 수 있음을 시사합니다. 시뮬레이션을 통해 충전 초기 단계의 난류를 최소화하는 주입 속도나 탕구계 설계를 사전에 파악하여 공정 안정성을 높일 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 시뮬레이션 결과(Fig 16, Fig 21)는 특정 조건(초기 충전)이 결함(블로우홀, 슬래그 혼입)에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다. 이는 난류가 심하게 발생할 것으로 예측되는 부위에 대한 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 연구 결과는 특정 설계 요소(예: 탕구계 형상 및 위치)가 응고 중 결함 형성에 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다. 이는 초기 설계 단계에서부터 유동 해석을 고려하는 것이 중요하며, 최적의 주조 방안을 찾는 데 귀중한 정보를 제공합니다.

논문 상세 정보

CFD Analysis of Fluid Flow in Sand Casting

1. 개요:

• 제목: CFD Analysis of Fluid Flow in Sand Casting
• 저자: Rajiv Kumar N¹, Umar Ahamed P², Mohamed Anwar A U³
• 발행 연도: 2019
• 학술지/학회: International Journal of Trend in Scientific Research and Development (IJTSRD)
• 키워드: Mould Filling, Fluid flow, CFD, FLUENT

2. 초록:

주조 공정에서 충전 및 응고 과정은 실험적 방법으로 시각화하기 어렵습니다. 유체 유동, 상변화, 온도 분포 및 속도 구배는 바람직하지 않습니다. 따라서 우리는 응고 파라미터를 제어하기 위해 CFD 소프트웨어를 사용하고자 합니다. 유한 요소 이론에 따라, FLUENT 소프트웨어와 3차원 모델을 사용하여 주조 충전 공정의 액상 금속 자유 표면과 온도장을 수치적으로 시뮬레이션했습니다. 속도, 압력, 온도 등과 같은 경계 및 초기 조건은 이론적으로 합리적으로 계산되었습니다. 3차원 주조를 시뮬레이션하기 위해 FLUENT를 사용하는 것의 타당성을 연구했으며, 용탕 자유 표면의 변동이 관찰되었습니다. 충전 종료 시의 온도 분포 데이터는 주조 응고 공정의 추가적인 수치 시뮬레이션을 위해 기록되었으며, 이는 정확한 초기 조건을 제공했습니다.

3. 서론:

주조는 고체를 녹여 적절한 온도로 가열한 후(때로는 화학 조성을 수정하기 위해 처리됨), 응고 중에 적절한 형태로 담는 공동 또는 주형에 붓는 제조 공정입니다. 이 과정은 충전과 응고의 두 단계로 구성됩니다. 주조 작업 전반에 걸쳐 주형 충전은 주조 품질 관리에 매우 중요한 역할을 합니다. 본 연구는 CFD 소프트웨어를 사용하여 주조 공정의 충전 및 응고를 제어하고, 유동, 상변화, 온도 분포 등과 같은 파라미터를 분석하여 결함을 줄이는 것을 목표로 합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

사형 주조는 가장 널리 사용되는 주조 공정 중 하나이지만, 충전 및 응고 과정에서 발생하는 결함을 제어하기 어렵다는 문제가 있습니다. 특히 용탕의 유동 현상을 직접 관찰할 수 없어 경험에 의존한 공정 설계가 주를 이루었습니다.

이전 연구 현황:

과거에는 주조 공정을 실험에 의존하여 분석했으나, 이는 시간과 비용이 많이 들고 복잡한 내부 유동을 파악하는 데 한계가 있었습니다. 최근 컴퓨터 기술의 발달로 CFD를 이용한 수치 시뮬레이션이 대안으로 떠오르고 있습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 CFD 소프트웨어(FLUENT)를 사용하여 사형 주조의 충전 공정을 3차원적으로 시뮬레이션하고, 용탕의 유체 유동, 자유 표면 변화, 온도 분포를 분석하는 것입니다. 이를 통해 결함 발생 메커니즘을 이해하고, 응고 해석을 위한 정확한 초기 조건을 제공하여 주조 공정 최적화에 기여하고자 합니다.

핵심 연구:

플랜지와 풀리 두 가지 모델에 대해 하주식 탕구계를 적용한 3D 모델을 생성하고, 회주철의 물성치를 입력하여 FLUENT에서 충전 과정을 해석했습니다. 시뮬레이션을 통해 시간 경과에 따른 용탕의 유동 패턴, 속도 벡터, 온도 분포를 시각화하고, 이를 실제 실험 결과와 비교하여 해석 모델의 타당성을 검증했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 CFD 시뮬레이션을 통해 사형 주조 공정을 분석하는 수치 해석적 연구 설계를 따릅니다. 플랜지와 풀리 두 가지 사례에 대한 3D 모델링, 격자 생성, 경계 조건 설정, CFD 해석, 결과 분석 및 실험값 비교 검증의 단계로 진행되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 모델링 및 격자 생성: ICM CFD 14.5를 사용하여 3D 지오메트리를 모델링하고 해석을 위한 격자를 생성했습니다.
• CFD 해석: ANSYS FLUENT 소프트웨어를 사용하여 다상 유동(VOF), 난류(k-epsilon), 에너지 방정식을 포함한 지배 방정식을 풀었습니다.
• 이론적 계산: 베르누이 방정식 등을 사용하여 게이트에서의 유속, 유량, 충전 시간 등을 이론적으로 계산하고, 이를 시뮬레이션의 초기 조건 설정 및 결과 비교에 활용했습니다.
• 결과 분석: 시간 경과에 따른 상(phase) 분포, 온도 분포, 속도 벡터를 시각화하여 유동 특성을 정성적, 정량적으로 분석했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 회주철을 이용한 사형 주조 공정의 ‘충전 단계’에 초점을 맞춥니다. 플랜지와 풀리 두 부품의 하주식 탕구계를 통한 충전 과정을 대상으로 하며, 유체 유동, 자유 표면 변화, 온도장 변화를 CFD로 분석하는 것을 범위로 합니다. 응고 과정 자체의 심층 분석보다는, 응고 해석을 위한 정확한 초기 조건을 제공하는 데 중점을 둡니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• CFD 시뮬레이션을 통해 충전 초기 단계(0~0.3s)에서 발생하는 강한 난류 유동과 후기 단계(0.55s~)의 안정적인 유동을 성공적으로 시각화했습니다.
• 초기 난류 단계가 블로우홀, 슬래그 혼입 등 주조 결함 발생의 주요 원인임을 확인했습니다.
• 시뮬레이션으로 예측한 충전 시간(플랜지: 0.76s, 풀리: 1.49s)이 실제 실험값(플랜지: 0.67s, 풀리: 1.13s)과 근사치를 보여 해석 모델의 신뢰성을 입증했습니다.
• 충전 과정 중 온도 분포는 유체 유동 방향을 따라 전달되며, 속도 벡터 분석을 통해 용탕의 흐름 방향을 명확히 파악할 수 있었습니다.

피규어 목록:

• Fig 1 Process of casting in industry
• Fig 2 2D View of flange
• Fig 3 Real object
• Fig 4 2D View of pulley
• Fig 5 2D View of bottom gated system of flange
• Fig 6 Gating system for flange
• Fig 7 Mould cavity of Gating system for flange
• Fig 8 Gating system of pulley
• Fig 9 Mould cavity of gating system for pulley
• Fig 10 2D & 3D View of pouring & sprue
• Fig 11 Real view of pouring and sprue
• Fig 12 2D & 3D View of riser for flange
• Fig 13 2D & 3D view of riser for pulley
• Fig 14 Filling and feeding system
• Fig 15 Casted product
• Fig 16 Initial stages of phase transfer
• Fig 17 Final stages of phase transfer
• Fig 18 Mould filling of flange
• Fig 19 Temperature distribution of flange
• Fig 20 velocity vector for flange
• Fig 21 Initial stages of phase transfer
• Fig 22 Final stages of phase transfer
• Fig 23 Mould filling of pulley
• Fig 24 Temperature distribution of pulley
• Fig 25 Velocity vector of pulley

7. 결론:

플랜지와 풀리 모델의 주조 충전 공정에 대한 3D 유동장 및 온도장 시뮬레이션을 통해, ANSYS FLUENT와 같은 상용 소프트웨어를 사용하여 주조 공정을 효과적으로 시각화할 수 있음을 확인했습니다. 특히 용탕 자유 표면의 변화를 정확하고 가시적으로 보여주었습니다. 유체는 온도의 운반체이므로, 온도장의 변화는 유동장의 변화에 의해 결정됩니다. FLUENT 시뮬레이션 결과는 충전 초기 단계에서 액면이 불안정하며, 특히 용탕이 주형 벽과 처음 접촉할 때 결함 발생 가능성이 높다는 것을 보여주었습니다. 충전이 안정 단계에 들어서면 속도가 느려지고 액면이 안정적으로 상승하여 강한 난류로 인한 결함 확률이 감소합니다. 실험과 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 유체 유동, 온도 분포, 속도 벡터를 성공적으로 식별했으며, 이는 주형 충전 공정을 제어하는 데 중요한 정보를 제공합니다.

8. 참고 문헌:

1. Nitin Pathak, Arvind Kumar, Anil Yadav, Pradip Dutta (2009) ‘Effects of mould filling on evolution of the solid-liquid interface during solidification’ Applied Thermal Engineering.
2. YUWEN Xuan-xuan, CHEN Ling, HAN Yi-jie (2012) ‘Numerical Simulation of Casting Filling Process Based on FLUENT’ International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems.
3. Dang-Kha Nguyen, Shyh -Chour Huang (2012) ‘Analysis The Effect Of Turbulence Flow, The Heat, And Phase Transfer On Thermal Arrest Time In Casting Process By Computational Fluid Dynamics’ Journal Of Fluid Engineering.
4. Carlos E. Esparza, Martha P. Guerrero-Mata Roger Z. Rios-Mercado (2005) ‘Optimal Design Of Gating System By Gradient Search Mode’ Computational Materials Science.
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6. Leszek Sowa (2012) ‘Mathematical Modeling of the Filling Process of A Slender Mould Cavity’ Scientific Research of the Institute of Mathematics and Computer Science.
7. C. R. Swaminathan, V. R. Voller, A time-implicit filling algorithm, Applied Mathematical Modelling 18 (1994) 101-108.
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10. Y. C. Lee, H. Y. Hwang, J. K. Choi, 2000, A study on application of solidification and fluid flow simulation to die design in gravity die casting, in: P. R. Sahm, P. N. Hansen, J.G. Conley (eds.), Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Process IX, Aachen, Germany, pp. 349-356.
11. Fluent 6.3.26 Documentation – User’s Guide and UDF Manual, Lebanon, USA, 2005
12. S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere, Washington, DC, 1980.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 연구에서 특별히 ‘하주식 탕구계(Bottom Gating System)’를 선택한 이유는 무엇인가요?

A1: 논문에 따르면, 하주식 탕구계는 특히 높이가 높은 주물에 권장되는 방식입니다. 용탕이 위에서부터 자유 낙하하는 것을 방지하여 튀거나 산화되는 현상을 줄이고, 주형 캐비티 바닥부터 점진적으로 채워나가기 때문에 유동의 교란을 최소화할 수 있습니다. 이는 깨끗한 용탕을 주입하고 부드러운 충전을 유도하여 주조 품질을 높이는 데 유리하기 때문에 본 연구의 모델로 채택되었습니다.

Q2: CFD 시뮬레이션으로 계산된 충전 시간이 실제 실험값보다 약간 길게 나타났습니다(Table I & II). 이러한 차이는 왜 발생하나요?

A2: 논문에서 이 차이에 대한 직접적인 원인을 명시하지는 않았지만, 일반적으로 시뮬레이션과 실제 실험 간의 차이는 여러 요인에서 비롯될 수 있습니다. CFD 시뮬레이션은 재료의 열물성치, 주형과의 열전달 계수, 표면 장력 등 이상적인 가정 하에 계산됩니다. 실제 공정에서는 측정되지 않은 미세한 온도 변화, 주형의 불균일성, 용탕의 정확한 초기 조건 등이 결과에 영향을 미칠 수 있어 약간의 편차가 발생하는 것은 자연스러운 현상입니다. 그럼에도 불구하고, 두 값이 매우 근사하다는 점은 시뮬레이션의 신뢰성이 높다는 것을 의미합니다.

Q3: 논문에서는 충전 초기 단계의 난류가 결함의 원인이 된다고 언급했습니다. CFD 시뮬레이션이 이 문제를 해결하는 데 구체적으로 어떻게 도움이 되나요?

A3: 시뮬레이션은 결함이 발생할 가능성이 높은 ‘위치’와 ‘시점’을 정확히 예측하게 해줍니다. Fig 16과 Fig 20에서 볼 수 있듯이, 속도 벡터와 자유 표면의 변동을 시각적으로 분석함으로써 엔지니어는 어느 부분에서 난류가 가장 심하게 발생하는지 파악할 수 있습니다. 이 정보를 바탕으로 게이트의 위치나 크기를 변경하거나 주입 속도를 조절하는 등, 난류를 최소화하고 안정적인 충전을 유도하는 방향으로 탕구계 설계를 사전에 최적화할 수 있습니다.

Q4: 용융된 금속과 공기 사이의 경계면을 처리하기 위해 FLUENT에서 어떤 특정 모델을 사용했나요?

A4: 논문의 “SIMULATION OF FLANGE” 섹션에서 명시된 바와 같이, 서로 섞이지 않는 두 유체(액상 금속과 공기)의 경계면을 추적하기 위해 다상 유동 모델 중 하나인 ‘VOF(Volume of Fluid)’ 모델을 선택하여 사용했습니다. 이 모델은 주조 충전 과정에서 용탕의 자유 표면이 어떻게 변화하는지를 정확하게 시뮬레이션하는 데 매우 효과적입니다.

Q5: 시뮬레이션에 필요한 초기 유입 속도나 압력과 같은 경계 조건은 어떻게 결정되었나요?

A5: 논문의 초록과 “CALCULATIONS” 섹션(V)에 따르면, 이러한 경계 조건들은 시뮬레이션에 앞서 ‘이론적으로 합리적인 계산’을 통해 결정되었습니다. 구체적으로, 연구팀은 베르누이 방정식과 유량 계산 공식을 사용하여 탕구(sprue)의 높이와 게이트의 단면적을 기반으로 게이트를 통과하는 용탕의 속도(Vg)와 유량(Qg)을 계산했습니다. 이렇게 이론적으로 계산된 값을 시뮬레이션의 초기 경계 조건으로 입력하여 해석의 정확도를 확보했습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 사형 주조 공정에서 발생하는 근본적인 문제, 즉 눈에 보이지 않는 용탕의 유동을 CFD 해석을 통해 명확하게 시각화하고 분석할 수 있음을 성공적으로 보여주었습니다. 충전 초기 단계의 난류가 결함 발생의 핵심 원인임을 규명하고, 시뮬레이션 결과를 실제 실험과 비교 검증함으로써 CFD가 주조 품질을 예측하고 향상시키는 강력한 도구임을 입증했습니다.

이러한 접근법은 더 이상 추측이나 반복적인 실험에 의존하지 않고, 데이터에 기반하여 탕구계 설계를 최적화하고 공정 변수를 제어할 수 있게 합니다. 결과적으로 이는 결함률 감소, 생산성 향상, 그리고 원가 절감으로 이어질 수 있습니다.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 “Rajiv Kumar N, Umar Ahamed P, Mohamed Anwar A U”의 논문 “[CFD Analysis of Fluid Flow in Sand Casting]”을 기반으로 요약 및 분석한 것입니다.
• 출처: https://www.ijtsrd.com/papers/ijtsrd21553.pdf

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