주조를 위해 알루미늄을 녹이는 방법

알루미늄은 강철이나 주철보다 융점이 낮기 때문에 모래 주조와 같은 공정에 적합하며, 중력 다이 캐스팅, 그리고 저압 주조. 기본적인 용해 공정에는 원료 준비, 알루미늄 가열, 용융 온도 조절, 슬래그 제거, 필요 시 용융 금속 처리, 그리고 준비된 금형에 주입하는 과정이 포함됩니다.

전체적인 공정은 간단하지만, 수분이 포함된 원료, 과도한 용융 온도, 과도한 교반 또는 불안정한 주입은 기공, 산화물 함유물 및 불완전한 충진의 위험을 높일 수 있습니다.

이 기사에서는 알루미늄의 용융 온도, 필요한 장비, 주요 작업 단계, 실용적인 용융 요령, 그리고 작업자가 준수해야 할 안전 수칙에 대해 설명합니다.

알루미늄은 몇 도에서 녹나요?

순수 알루미늄의 녹는점은 대략 660°C. 그러나 실제 주조 공정에서는 순수 알루미늄보다 알루미늄 합금이 더 자주 사용됩니다. 이러한 합금에는 실리콘, 마그네슘, 구리 또는 기타 원소가 포함될 수 있으므로, 정확한 단일 온도에서 녹는 것이 아니라 일정한 용융 범위를 거칩니다.

알루미늄 합금이 완전히 액체 상태가 되기 전에는 대개 반고체 상태를 거칩니다. 원료가 연화되거나 붕괴되었더라도 내부에는 여전히 일부 고체 금속이 남아 있을 수 있습니다. 따라서 용융 상태는 외관만 보고 판단하기보다는 온도 측정을 통해 확인해야 합니다.

실제로는 일반적으로 용융 온도를 선택한 합금의 액상선 온도보다 높게 유지하며, 슬래그 제거, 이송 및 주입 과정에서 발생하는 열 손실을 어느 정도 감안합니다.

온도 조절 요령
온도가 너무 낮으면 용융 알루미늄의 유동성이 부족해져 얇은 벽면, 리브 또는 게이트에서 멀리 떨어진 부위를 채우지 못할 수 있습니다. 반면 온도가 너무 높으면 산화, 수소 함유량 증가, 에너지 소비 및 합금 원소 손실이 증가할 수 있습니다.

용융 온도를 모니터링하려면 열전대를 사용해야 합니다. 적절한 용융 및 주입 온도는 합금 등급, 주조 형상 및 주조 공정에 따라 달라집니다.

알루미늄을 녹이려면 어떤 장비가 필요한가요?

알루미늄을 용해하는 데 필요한 기본 장비로는 용광로, 도가니, 온도 측정 도구, 슬래그 제거 도구, 이송 장비 및 미리 준비된 주형이 있습니다.

용광로와 도가니

일반적인 알루미늄 용해 장비로는 도가니 용해로, 저항 용해로, 가스 연소식 용해로, 유도 용해로 등이 있습니다. 이러한 시스템은 용해 속도, 온도 제어, 에너지 소비량, 그리고 적합한 생산량 측면에서 차이가 있습니다.

소량 용해 공정에서는 일반적으로 도가니를 사용하여 원료와 용융 알루미늄을 담습니다. 도가니의 일반적인 재질로는 흑연, 점토-흑연, 실리콘 카바이드 등이 있습니다. 적절한 도가니 유형은 용광로의 설계 및 가열 방식에 맞춰 선택해야 합니다.

매번 사용하기 전에 도가니에 균열, 심한 부식, 국부적인 두께 감소 또는 바닥 손상이 있는지 확인해야 합니다. 손상된 도가니는 계속 사용해서는 안 됩니다.

얇은 강철 용기는 신뢰할 수 있는 알루미늄 용해 도가니로 적합하지 않습니다. 고온에 장시간 노출되면 산화되거나 변형되거나 파손될 수 있습니다. 또한 강철 용기는 용융물에 철분을 혼입시킬 수도 있습니다.

온도 및 취급 도구

열전대는 용융 알루미늄의 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 용광로 배치별 데이터를 더 쉽게 비교할 수 있도록, 측정 위치와 프로브의 침지 깊이는 가능한 한 일관되게 유지해야 합니다.

슬래그 제거 도구는 용융물 표면의 산화물과 불순물을 제거하는 데 사용됩니다. 도가니 들어올림 도구나 주송용 용기는 용융 금속을 이동시키고 주입하는 데 사용됩니다.

용융 알루미늄과 접촉할 가능성이 있는 모든 공구는 건조한 상태여야 합니다. 또한, 차가운 공구의 경우 국부적인 온도 손실을 줄이고 수분으로 인한 비산 위험을 방지하기 위해 예열이 필요할 수 있습니다.

알루미늄이 주조 온도에 도달하기 전에 금형을 준비해야 합니다. 모래 주형인 경우, 캐비티 상태, 게이트 및 배기구를 점검해야 합니다. 영구 주형은 일반적으로 주조 공정에 따라 예열됩니다.

주조를 위해 알루미늄을 녹이는 방법

1단계: 알루미늄 원료를 준비하고 장전하기

먼저 알루미늄 합금의 등급을 확인하십시오. 합종에 따라 실리콘, 마그네슘, 구리, 철 및 기타 원소의 함량이 다릅니다. 겉모습이 비슷하다는 이유만으로 재료를 혼용해서는 안 됩니다.

산업용 용광로의 충전물에는 일반적으로 새로운 알루미늄 잉곳과 동일한 합금 등급의 관리된 재사용 재료가 포함됩니다. 재사용 재료는 러너, 라이저 또는 불량 주물에서 나올 수 있으나, 그 출처와 비율은 적절히 관리되어야 합니다.

서로 다른 합금 등급을 혼합하면 최종 조성이 요구 범위를 벗어나 기계적 특성이나 열처리 반응에 영향을 미칠 수 있습니다.

가열하기 전에 재료에서 기름, 플라스틱, 페인트, 모래 및 강철 삽입물을 제거하십시오. 큰 조각은 용광로나 도가니에 들어갈 수 있는 크기로 잘라 더 고르게 가열되도록 할 수 있습니다.

가공 대상 재료는 모두 건조한 상태여야 합니다. 실외에 보관된 알루미늄, 최근에 세척한 부품, 밀폐된 중공 부품 또는 잔류 액체가 남아 있을 가능성이 있는 재료는 용광로에 직접 넣지 마십시오.

알루미늄 캔은 용해할 수 있지만, 벽이 얇아 산화 손실이 크고, 표면의 코팅으로 인해 연기와 잔류물이 발생합니다. 따라서 일반적으로 산업용 주조용 원료로는 적합하지 않습니다.

원료를 조심스럽게 투입하십시오. 무거운 조각은 도가니나 용광로 내벽에 떨어뜨려서는 안 됩니다. 또한 원료가 가라앉을 공간, 추가 원료를 넣을 공간, 그리고 슬래그를 제거할 공간이 필요하므로 도가니를 완전히 채워서는 안 됩니다.

2단계: 원료를 가열하고 용융 온도를 조절합니다.

용광로는 운영 절차에 따라 가열해야 합니다. 일부 용해 공정에서는 먼저 작은 용융 풀을 형성한 다음, 나머지 원료를 여러 차례에 걸쳐 투입하기도 합니다.

고체 알루미늄은 일반적으로 용융 풀과 접촉하면 더 빨리 녹습니다. 하지만 한 번에 너무 많은 냉간 재료를 투입하면 온도가 크게 떨어질 수 있으며, 이로 인해 전체 용융 시간이 길어질 수 있습니다.

가능한 한 용광로 덮개를 닫아 두십시오. 덮개를 자주 열면 열 손실이 발생하고 용융 알루미늄이 공기에 더 많이 노출됩니다.

원료가 녹는 동안 열전대를 사용하여 온도를 모니터링하십시오. 필요한 공정 온도에 도달하면 불필요한 가열은 피해야 합니다.

과도한 과열은 산화와 수소 흡수를 증가시킬 뿐만 아니라, 마그네슘과 같은 합금 원소의 손실을 초래할 수도 있습니다. 온도가 충분하지 않으면 원료의 일부가 녹지 않거나 주조 시 유동성이 떨어질 수 있습니다.

또한 격렬한 교반은 피해야 합니다. 용융 알루미늄은 표면에 산화막이 빠르게 형성되는데, 과도한 교반으로 인해 이 산화막이 용융물 속으로 말려 들어갈 수 있습니다.

3단계: 슬래그 제거 및 용융물 처리

녹은 알루미늄의 표면에는 보통 회색이나 어두운 색의 슬래그가 형성됩니다. 이 슬래그에는 산화물, 불순물 및 일정량의 포집된 금속이 포함되어 있을 수 있습니다.

슬래그 제거 도구는 건조한 상태여야 하며 적절히 예열되어야 합니다. 표면 재료를 용융물 속에 반복적으로 휘저어 섞기보다는 매끄럽게 제거해야 합니다.

산화막이 액체 금속 속으로 접혀 들어가면, 주조품 내에 개재물, 취약부 또는 누설 경로로 남아 있을 수 있다.

일부 용융 공정에서는 금속 알루미늄에서 산화물을 분리하는 데 도움을 주기 위해 전용 슬래그 제거용 플럭스를 사용합니다. 플럭스의 종류와 사용량은 합금 및 공정 조건에 맞춰야 하지만, 플럭스만으로는 깨끗한 원료 준비나 세심한 취급을 대체할 수는 없습니다.

여기서 ‘소금을 첨가한다’는 표현은 대개 일반 식용 소금이 아니라, 소금을 주성분으로 한 특수 알루미늄 용제제를 의미합니다. 또한 붕사 역시 알루미늄 용융에 사용되는 표준적인 범용 용제는 아닙니다. 일반적인 소량 주조의 경우, 검증되지 않은 물질을 첨가하는 것보다 깨끗한 원료, 안정적인 온도 제어, 그리고 꼼꼼한 슬래그 제거가 일반적으로 더 신뢰할 수 있는 방법입니다.

내부 품질 요구 사항이 더 높은 주조물의 경우, 용융 알루미늄에 대한 탈가스 처리가 필요할 수도 있습니다. 산업 생산 현장에서는 일반적으로 질소나 아르곤을 이용한 회전식 탈가스 공정을 통해 용융물의 수소 함량을 낮추고 있습니다.

합금 성분이 매우 중요한 경우, 분광기를 사용하여 시료를 검사함으로써 주요 합금 원소가 요구되는 범위 내에 있는지 확인할 수도 있습니다.

4단계: 주형을 준비하고 알루미늄을 주입하기

알루미늄이 주조 가능한 상태가 되기 전에 금형이 준비되고 완전히 건조되어야 합니다.

모래 주형에 대해서는 캐비티의 무결성, 게이트, 배기구를 점검해야 합니다. 중력 다이 캐스팅, 금속이 캐비티에 주입된 후 너무 빨리 응고되지 않도록 영구 금형을 적절한 온도 범위 내에서 유지해야 합니다.

주입은 부드럽고 지속적으로 이루어져야 합니다. 주입 속도가 너무 빠르면 튀는 현상, 기포 혼입 및 난류가 증가할 수 있습니다. 주입 속도가 너무 느리면 온도가 떨어질 수 있으며, 캐비티가 완전히 채워지기 전에 금속이 응고되기 시작할 수 있습니다.

용융 알루미늄의 자유 낙하 거리는 가능한 한 짧게 유지해야 합니다. 낙하 거리가 길어지면 공기 혼입과 산화막 형성이 증가합니다. 이미 표면 제거나 탈기 처리를 마친 용융물이라도, 이송 및 주입 과정에서 불안정하게 다루어질 경우 다시 오염될 수 있습니다.

주조를 마친 후에는 주조물이 충분히 굳을 때까지 기다린 다음, 진동 탈형하거나 금형에서 꺼내야 합니다. 그 후 러너 시스템을 제거하고, 필요에 따라 세척, 열처리 또는 기계 가공을 진행합니다.

알루미늄 용융 효율을 높이는 요령

기본 용융 단계를 따르는 것 외에도, 몇 가지 작업 관행을 통해 용융 상태를 보다 안정적으로 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 깨끗하고 건조한 충전재를 사용하십시오: 유분, 코팅제, 수분 및 기타 오염 물질은 연기와 슬래그를 증가시키고 안전 위험을 높입니다.
• 장시간 과열을 피하십시오: 필요한 공정 온도에 도달한 후에는 산화, 수소 흡착 및 합금 원소 손실을 줄이기 위해 불필요한 온도 상승이나 장시간의 유지 시간을 피해야 합니다.
• 교반 및 공기 노출을 최소화하십시오: 산화막 형성과 유입을 줄이기 위해, 과도한 교반을 피하고 가능한 한 용광로 덮개를 닫아 두십시오.
• 도구와 금형을 예열합니다: 슬래그 제거 도구, 용해로, 그리고 용융물과 접촉하는 기타 장비는 건조한 상태여야 하며 적절히 예열되어야 합니다. 영구 주형 또한 공정에 따라 예열해야 합니다.
• 부을 때는 부드럽고 끊임없이: 자유 낙하 거리를 제한하여 안정적으로 주입하면, 비산, 공기 혼입 및 새로운 산화막 형성을 줄이는 데 도움이 됩니다.

알루미늄 용해 시 안전 수칙

작업을 시작하기 전에 작업자는 자신의 보호 장비, 작업 환경 및 취급 도구가 용융 금속 작업에 적합한지 확인해야 합니다. 알루미늄 용융 작업에는 고온과 액체 금속이 수반됩니다. 부적절한 보호 조치나 잘못된 작업 관행은 화상, 금속 비산 또는 화재 위험을 초래할 수 있습니다. 다음의 주의 사항을 준수해야 합니다:

1. 적절한 보호 장비를 착용하십시오: 내열 장갑, 안면 보호대, 안전 안경, 긴 소매 작업복 또는 내화성 앞치마, 그리고 용융 금속 작업에 적합한 안전화를 착용하십시오. 비산물이 닿을 수 있는 범위 내에서 피부가 노출되지 않도록 주의하십시오.
2. 환기를 잘 유지하십시오: 알루미늄을 녹일 때는 환기가 잘 되는 장소에서 작업하여, 기름, 도료 또는 기타 오염 물질에서 발생하는 연기와 유독 가스를 제거할 수 있도록 하십시오.
3. 용융 알루미늄에 수분이 닿지 않도록 하십시오: 원료, 도가니, 슬래그 제거 도구, 래들 및 주형은 반드시 건조한 상태를 유지해야 합니다. 수분은 순식간에 증기로 변하여 금속이 격렬하게 튀는 현상을 일으킬 수 있습니다.
4. 적절한 고온용 도구를 사용하십시오: 고온 작업용으로 설계된 도가니, 들어 올리는 도구, 강철 집게, 거품 제거 도구 및 국자를 사용하십시오. 사용 전에 균열, 마모, 변형 또는 취급 시 불안정성이 없는지 점검하십시오.
5. 금속 화재에 대비하세요: 작업장 근처에 적절한 금속용 소화 장비를 비치하고, 작업자가 현장의 비상 절차를 숙지하도록 해야 합니다. 유출되거나 연소 중인 용융 알루미늄에는 물을 직접 뿌려서는 안 됩니다.
6. 작업 구역을 깨끗하게 유지하십시오: 용융 알루미늄을 이송하고 주입하는 경로는 평평하고 깨끗하며 장애물이 없어야 합니다. 충돌이나 간섭의 위험을 줄이기 위해 불필요한 인원은 작업 구역 밖에서 대기해야 합니다.

결론

주조를 위한 알루미늄 용해 과정에는 원료 준비, 장비 점검, 가열, 온도 제어, 슬래그 제거, 용융물 처리, 그리고 준비된 주형에 주입하는 단계가 포함됩니다.

일반적인 소량 주조의 경우, 재료와 공구를 건조한 상태로 유지하고, 용융 온도를 안정적으로 유지하며, 과도한 교반이나 불안정한 주입을 피하는 것이 가장 중요합니다. 또한 산업 생산에서는 내부 결함을 줄이고 생산 배치 간 일관성을 유지하기 위해 합금 등급, 재사용 재료 비율, 수소 함량 및 산화물 함유물을 더욱 엄격하게 관리해야 합니다.