This article was contributed by Eric Riedel 1,2
1Otto-von-Guericke-University Magdeburg, Institute of Manufacturing Technology and Quality Management, Germany
2Soplain GmbH, Germany
현대의 주조 생산에는 샌드 코어를 사용해야 합니다. 환경 인식의 확대는 물론 규제 강화로 인해 코어가 열로 건조되고 치유되는 무기, 무배출 바인더 시스템 개발이 뒷받침되고 있습니다. 핫박스 공정이라고 하는 것에서는 코어 박스에서 열이 발생하여 샌드바인더 혼합물로 전달됩니다. 그러나 핫박스 공정은 크게 두 가지 기술적 단점을 보입니다.
첫 번째 단점은 약 1 W/(m·K)의 석영 모래의 열전도율이 매우 낮다는 것입니다. 외부 열 전달로 인해 공정에 시간이 많이 소요되고 쉘 형성과 그에 따른 품질 문제가 발생할 수 있습니다. 이 때문에 최대 523.15K 이상의 매우 높은 코어 박스 온도가 적용되어 열 전달을 가속합니다. 열상자 공정의 두 번째 단점은 코어 건조 자체를 실시간으로 직접 측정하고 디지털화할 수 없다는 점입니다. 대신 코어 박스에서와 같은 주변 파라미터를 기록해야만 수동적으로 측정할 수 있습니다.
ACS 프로세스
특허받은 새로운 ACS(Advanced Core Solution) 프로세스는 시간과 에너지 효율이 높은 코어 건조 및 양생을 목표로 합니다. ACS 프로세스는 모든 무기 바인더 시스템에 공통적인 특성을 사용합니다.
물 기반이기 때문에 전기적으로 전도성이 있습니다. 주요 요인은 전기 전도성 코어 박스 재료의 개발로, 모래-바인더 혼합물에 대한 전도도를 조정할 수 있습니다. 전압이 인가되면 그림 1에서와 같이 코어 박스와 모래-바인더 혼합물을 통해 전류가 균일하게 흐릅니다. 좀 더 정확히 말하면, 전류가 모래 알갱이 사이에 있는 전기 전도성 바인더 브리지를 통해 흐릅니다.
고유의 전기 저항으로 인해 모래 중심부는 셸 형성 없이 균일하게 가열됩니다. Joule heating이라 불리는 그 이면의 과학적 원리는 Joule 의 제1법칙에 근거하고 있습니다. 직렬 공정에서 전기 전도성 코어 박스는 Joule heating을 통해 가열되어 건조 공정이 추가로 가속화됩니다. 이는 ACS 공정의 경우 코어 박스 내부의 복잡한 가열 장치가 더 이상 필요하지 않으므로 코어 박스 구조가 단순화되기 때문에 더욱 중요한 장점입니다.
이 새로운 프로세스를 통해 처음으로 열이 필요한 곳, 즉 코어 내에서 직접 생성됩니다. 필요한 열은 균질하게 분포된 바인더를 통해 생성되어 인접 모래로 전달되기 때문에, 석영 모래의 낮은 열전도율은 더 이상 제한 공정 인자가 아닙니다. 또한 최초로 건조별 전기 파라미터를 기록함으로써 건조 프로세스 자체를 포괄적으로 실시간 모니터링할 수 있습니다. FLOW-3D를 사용하여 ACS 프로세스를 시뮬레이션할 수 있으며, 프로세스 편익의 정량화를 포함한 산업적 적용에 대한 중요한 기준을 충족합니다.
모델 설명
모델링은 Starobin 등의 작업을 기반으로 합니다. [1], 그러나 FLOW-3D의 전기-기계 모델로 확장합니다. 전기 전위(즉, 냄비 = 1)를 활성화하면 전기-열 효과, 즉 줄 가열(에테르모 = 1)을 고려해야 합니다.
모델 세부 정보는 [2]에서 확인할 수 있습니다. 구성 요소의 전기적 특성을 통해 코어 박스는 전기 전도도(초)와 유전 전위(오디엘)를 가진 동적 전위(오이포템 = 1)를 할당받으며, 전체 모래-바인더 혼합물의 전기 전도도를 설명하기 위해 모래 코어에도 동일하게 적용됩니다.
전극에는 한 전극에 대해 고정 전위(외전 = 0), 전기 전도도, 음전위(외전)가 할당되고 다른 전극에 대해서는 양의 전위(외전)가 할당됩니다. 전기 전도도에 대한 온도에 의존하는 정의는 아직 가능하지 않기 때문에, 우리는 재시동 시뮬레이션과 능동 시뮬레이션 제어로 작업했습니다.
이렇게 하면 각 온도 범위의 평균 전기 전도도, 즉 293.15 ~ 303.15 K, 303.15 ~ 313.15 K 등을 고려할 수 있다. 다음의 조사는 1유체 시뮬레이션에 초점을 맞춘 조사, 즉 purging 은 고려하지 않았습니다.
예제
첫 번째 단계에서는 상업적으로 이용 가능한 무기 모래-바인더 혼합물이 가열 및 온도에 의존하는 전기 전도성을 조사하기 위해 시뮬레이션 모델의 실험 조사 및 유효성 검사를 위해 사용되었습니다.
373.15 K에 도달하는 데 필요한 시간뿐만 아니라 모래 코어에 입력되는 전력 및 에너지를 측정하였다. 실험 분석과 결과를 바탕으로 기초적인 시뮬레이션 모델을 만들었습니다. 재량권을 이유로, 기초 결과 중 일부는 질적으로만 제시된다. 결과는 그림 2에 제시되어 있으며, 측정값과 시뮬레이션 사이의 높은 수준을 보여줍니다.
측정 지점은 293.15 K: a) 온도 상승 전력 입력- 측정값으로부터의 평균 편차: 0,95 %, b) 에너지 입력 – 측정값으로부터의 평균 편차: 4.8 %에서 시작하여 10 단계로 지정된 목표 온도의 도달도를 나타냅니다.
검증된 결과를 바탕으로 단순하지만 부피가 큰 기하학을 이용해 ACS 프로세스와 시뮬레이션을 보여주는데, 고전적인 핫박스 프로세스에 비해 진보된 ACS 개발의 기초와 높은 잠재력을 잘 보여줍니다.
기하학적 정렬은 그림 3에서 확인할 수 있습니다. (1) 고전적인 핫박스 프로세스, (2) 콜드 툴을 사용하는 ACS 콜드 스타트 프로세스(293.15 K), (3) 줄 효과로 인한 공구 난방에 대한 ACS 시리즈 프로세스 등 세 가지 경우를 시뮬레이션했습니다. 모든 3차원 모델은 1mm 크기의 셀로 분쇄되었습니다. 표 1은 계산된 시나리오의 가장 중요한 세부 사항을 요약합니다.
값은 실제 실험에서 파생됩니다.
결과 및 토론
그림 4는 고전적인 핫박스 공정을 위한 온도와 수분 발달을 보여주며, 외부 열 전달 및 그에 상응하는 수분 감소를 명확히 보여주고 있습니다.
시뮬레이션은 시뮬레이션의 마지막에 모래 코어 센터에 수분이 남아 있는 상태에서 120초 동안 수행되었습니다. 실제로 사이클 타임 대상은 코어 센터에 쉘 형성과 잔류 수분이 있는 건조 프로세스의 조기 종료를 강요합니다. 단, 그림 5에 나타낸 ACS 콜드 스타트 시뮬레이션(코어 슈팅 머신을 가동했을 때의 첫 번째 샷에 대응)에서는 새로운 프로세스의 기본 원리인 코어의 균일한 heating이 내부 아웃 수분 수송으로 이어집니다.
게다가, 모래 코어는 코어 박스보다 더 빨리 가열됩니다. 직렬 공정에서 코어 박스는 Joule heating을 통해 373.15 K 이상의 온도에 도달하여 고온 박스와 ACS 공정이 혼합되어 건조 공정이 더욱 가속화됩니다.
ACS 영상 시리즈 시뮬레이션의 결과는 그림 6에 요약되어 있습니다. 핫박스 공정에서 120초가 지나도 모래심이 완전히 낫지 않지만, ACS 공정에서는 72초나 45초 후에 코어가 완전히 건조될 수 있습니다. 코어 박스 온도가 상당히 낮음에도 불구하고, 새로운 프로세스는 코어 건조에서 상당한 가속도와 새로운 접근방식의 큰 잠재력을 보여줍니다.
한 가지 주요 이점은 관련 에너지 요건과 그에 상응하는 CO2 배출량을 포함하여 사이클 타임의 대폭적인 감소입니다. 모래심에 유입된 에너지는 시뮬레이션을 이용해 미리 예측은 물론 실제 공정 중에도 측정할 수 있어 공정 설계와 투명성 측면에서 또 다른 큰 장점입니다.
또한, 시뮬레이션은 시험 표본의 기하학적 독립적 동질 난방을 명확히 보여주는데, 이는 습기가 코어 중심에 갇히지 않고 셸 형성을 방지함을 의미합니다. 전체적으로, 새로운 공정은 공정의 효율성과 무기적으로 결합된 모래 코어의 품질에서도 상당한 증가를 가능하게 합니다. 세 가지 사례의 프로세스 도표는 모두 그림 7에 요약되어 있습니다.
요약 및 전망
시연된 모델링은 새로운 코어 건조 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하는 FLOW-3D의 기능과 기존의 핫 박스 프로세스와 비교하여 보다 효율적인 코어 건조 및 양생에 대한 새로운 프로세스의 가능성을 보여줍니다. 새로운 시뮬레이션 설정이 아직 개발 단계에 있고 더 많은 실제 사례 실험이 필요한 경우에도 건조 동작에 대한 뛰어난 통찰력을 얻을 수 있으며, 지금까지의 실험 측정과 매우 잘 일치합니다.
현재 시뮬레이션 내에서 모래-바인더 혼합물의 전기 전도성은 석영모래를 통해 생성되며, 실제로는 전기 전도성이 아니라 실제 측정된 모래-바인더 혼합물의 전기 전도성에 해당된다. 이렇게 하면 전체 모래-바인더 혼합물의 전기 전도성이 시뮬레이션에서 설명되며 실험 결과에 적합한 것으로 보입니다. 좀 더 정밀한 시뮬레이션을 위해, 실제 전도성 곡선을 고려하기 위해 고체 코어의 온도에 의존하는 전기 전도성(예: 모래-바인더 혼합물)을 절약할 수 있는 가능성이 도움이 될 것입니다. 추가 단계는 2유체 시뮬레이션 모델에 집중됩니다. 초기 실험은 좋은 결과로 기본적인 타당성을 보여줍니다.
아직 취해야 할 조치에도 불구하고, FLOW-3D로 ACS 공정을 시뮬레이션할 수 있는 능력은 줄 가열 기반 코어 건조 공정을 전체적으로 수립하는 데 중요한 이정표를 세우고 무기 모래 코어 제조에 이 공정의 이점을 보여준다고 할 수 있습니다.
References
- Starobin, C.W. Hirt, H. Lang, M. Todte, Core Drying Simulation and Validation, AFS Proceedings, Schaumburg, IL USA, 2011
- FLOW-3D from Flow Science, Inc., Santa Fe, NM, USA
