회주철의 플레이크 흑연이 연성 주철의 구상 흑연으로 변환되는 데에는 한 가지 필수 요소가 필요합니다. 마그네슘하지만 마그네슘은 용융 철과 격렬하게 반응하고 용해도가 낮으며 빠르게 변색되기 때문에 연성 주철 생산에서 가장 중요하면서도 어려운 단계가 바로 이 처리 과정입니다. 올바른 방법을 선택하고 공정 변수를 최적화하는 것은 구상흑연화 정도, 기계적 특성, 그리고 주조의 건전성을 직접적으로 좌우합니다.
이 글에서는 세 가지 주요 마그네슘 치료 방법을 비교합니다. 턴디시 커버, 샌드위치 및 코어드 와이어 주입 — 최적의 회복과 최소한의 퇴색으로 90% 이상의 일관된 결절 형성률을 달성하기 위한 실질적인 지침을 제공합니다.
마그네슘의 과제: 높은 반응성, 낮은 용해도
마그네슘의 끓는점은 1090°C로, 일반적인 철 채굴 온도(1400~1500°C)보다 훨씬 낮습니다. 용융된 철에 마그네슘을 첨가하면 즉시 기화되어 심한 소용돌이와 연기를 발생시킵니다. 성공적인 처리의 핵심은 다음과 같습니다. 이러한 격렬한 반응을 제어하는 것 구상화에 필요한 잔류 마그네슘 함량을 0.030~0.045%로 유지하여 과도한 탄화물이나 슬래그 발생을 방지합니다.
모든 상업적 방법은 다음과 같습니다. 마그네슘철규소(MgFeSi) 일반적으로 3~10%의 Mg를 함유하는 합금에 희토류 원소(Ce, La) 및 칼슘을 첨가하여 반응을 완화하고 구상화를 향상시킵니다.
방법 1: 샌드위치 방식 (기존 방식)
샌드위치 공법은 초기 투자 비용이 저렴하기 때문에 특히 소규모 주조 공장에서 가장 널리 사용되는 처리 기술로 남아 있습니다.
프로세스 설명
MgFeSi 합금은 특수 설계된 국자 바닥의 홈이나 오목한 부분에 놓입니다. 이 홈은 용융된 철과의 접촉을 지연시키기 위해 강철 조각이나 강판으로 덮습니다. 용융된 철은 덮개에 직접 부어지면서 덮개를 녹이고 마그네슘 반응을 시작합니다.
일반적인 매개변수
- 마그네슘 회복: 25~45% (변동성이 매우 큼)
- MgFeSi 첨가: 용융 중량의 1.0~1.5% (목표 Mg 함량에 따라 다름)
- 장비 비용: 낮음 (특수 국자만 사용 가능)
- 조작 기술: 중상급
- 연기 발생: 중요한
- 일반적으로 나타나는 결절 형성 양상: 80~90%
장점
- 초기 투자 비용이 적음 - 처리용 국자 외에는 특별한 장비가 필요 없음
- 소량에서 중량 생산(100~1000kg)에 적합합니다.
- 유연성이 뛰어나 다양한 철 화학 성분을 처리할 수 있습니다.
제한 사항
- 수율의 불일치 — 배치별 ±10% 변동은 흔한 현상입니다.
- 높은 연기 및 화염 발생 - 안전 및 환경 문제
- 처리 과정 중 상당한 온도 손실(30~50°C)
- 저유황 철광석에는 적합하지 않음 (더 많은 첨가물이 필요함)
- 자동화 생산이나 대량 생산에는 적합하지 않습니다.
방법 2: 턴디시 덮개법
턴디시 방식은 샌드위치 기법을 개선한 것으로, 칸막이가 있는 국자를 사용하여 반응 챔버를 만들어 더 나은 제어력과 더 높은 회수율을 제공합니다.
프로세스 설명
턴디시 국자는 중앙 벽으로 두 개의 구획으로 나뉘어 있습니다. 작은 구획에는 MgFeSi를 넣고, 큰 구획에 용융된 철을 부어 벽을 넘어 MgFeSi가 있는 구획으로 흐르게 합니다. 이렇게 하면 샌드위치 방식보다 난류가 적고 제어된 반응이 일어납니다.
일반적인 매개변수
- 마그네슘 회복: 40~60% (샌드위치보다 더 일관성 있음)
- MgFeSi 첨가: 용융 중량의 0.8~1.2%
- 장비 비용: 중형 (특수 턴디시 국자 필요)
- 조작 기술: 보통의
- 연기 발생: 보통의
- 일반적으로 나타나는 결절 형성 양상: 85~95%
장점
- 샌드위치 방식보다 더 높고 일관된 마그네슘 회수율
- 연기 및 섬광 감소
- 온도 손실이 더 적습니다(15~30°C).
- 저유황계 철에 더 적합합니다.
- 중형 주조 공장(500~2000kg 배치)에서 널리 사용됩니다.
제한 사항
- 턴디시 국자의 높은 자본 비용
- 특정한 국자 설계 및 유지 관리가 필요합니다.
- 소량 생산(200kg 미만)에는 적합하지 않습니다.
- 코어드 와이어에 비해 여전히 배치별 편차가 상당합니다.
방법 3: 코어드 와이어 주입(최신 방법)
코어드 와이어 주입 방식은 대량의 연성 주철 생산에 있어 정밀도, 일관성 및 자동화를 제공하는 가장 기술적으로 진보된 방법입니다.
프로세스 설명
MgFeSi 분말은 강철 외피(심선)로 감싸져 랜스를 통해 용융된 철에 연속적으로 공급됩니다. 와이어는 표면 아래에서 녹으면서 마그네슘을 용융 철에 직접 방출하여 연기 발생을 최소화하고 효율을 극대화합니다.
일반적인 매개변수
- 마그네슘 회복: 50~75% (가장 일관적임)
- MgFeSi 와이어 첨가: 용융 중량의 0.5~0.9% 상당
- 장비 비용: 높은 (와이어 피더 + 랜스)
- 조작 기술: 낮음(자동)
- 연기 발생: 최소
- 일반적으로 나타나는 결절 형성 양상: 90~98%
장점
- 최고 수준의 일관된 회복 — 변동률 < ±3%
- 정밀한 마그네슘 제어 — 목표 잔류 마그네슘 함량 0.005% 이내
- 연기와 불꽃이 최소화됨 — 더 안전하고 깨끗한 운영
- 최저 온도 손실 (5–15°C)
- 완전 자동화 가능 — 공정 제어 시스템과 통합됩니다
- 배치 크기에 관계없이 작동합니다. — 100kg부터 50톤까지
- 저유황 철에 가장 적합합니다.
제한 사항
- 와이어 피더 및 랜스 시스템에 대한 더 높은 초기 투자 비용
- 일관된 전선 품질과 공급 시스템 교정이 필요합니다.
- 전선 소모품에 대한 지속적인 비용 발생 (낮은 추가 요금으로 상쇄됨)
- 최적의 랜스 깊이 및 이송 속도를 위해서는 작업자 교육이 필요할 수 있습니다.
비교 요약표
| 매개변수 | 샌드위치 방식 | 턴디시 방식 | 코어드 와이어 주입 |
|---|---|---|---|
| 마그네슘 회수율(%) | 25~45% | 40~60% | 50~75% |
| 복구 일관성 | 불량(±10%) | 보통(±5%) | 우수함(±3%) |
| MgFeSi 첨가율 | 1.0~1.5% | 0.8~1.2% | 0.5~0.9% |
| 온도 하락 (°C) | 30~50°C | 15~30°C | 5~15°C |
| 연기 발생 | 높은 | 보통의 | 최소 |
| 자본 비용 | 낮은 | 중간 | 높은 |
| 배치 크기 적합성 | 100~1000kg | 500~2000kg | 모든 범위 (100~50,000kg) |
| 전형적인 결절 | 80~90% | 85~95% | 90~98% |
| 자동화 잠재력 | 없음 | 제한된 | 가득한 |
색바램 이해하기: 시간과의 싸움
마그네슘 감소(황, 산소 및 슬래그와의 반응으로 인해 잔류 마그네슘이 점진적으로 손실되는 현상)는 처리 직후에 시작됩니다. 마그네슘 감소는 예측 가능한 지수 함수적 감소를 따릅니다.
- 처음 5분: 마그네슘 10~15% 손실
- 5~10분: 추가 5~10% 손실
- 10~15분: 추가 3~5% 손실
중대한 함의: 결절 형성률 90% 이상을 유지하려면 석고 고정은 다음 기간 내에 완료해야 합니다. 10~12분 치료 후 15분이 지나면 초기 마그네슘 수치와 관계없이 결절 형성률이 80% 미만으로 떨어질 수 있습니다.
색바램 방지 전략:
- 황 함량이 낮은(<0.02% S) 철을 사용하여 마그네슘이 황화마그네슘(MgS)으로 손실되는 것을 최소화하십시오.
- 슬래그 덮개를 두껍게 유지하고 염기성(CaO/SiO₂ > 2.0)을 유지하십시오.
- Mg 처리 후 핵 생성 부위를 복원하기 위해 후처리 첨가제(FeSiCa 또는 FeSiBa)를 0.1~0.3% 첨가하십시오(마그네슘은 흑연 핵을 파괴합니다).
- 처리 후 붓기까지의 대기 시간을 최소화하십시오.
- 코어 와이어 주입 방식은 나중에 마그네슘을 첨가할 수 있게 하여 전체 유지 시간을 단축시켜 줍니다.
잔류 마그네슘 표적 및 결절 형성
잔류 마그네슘과 결절 형성 사이의 관계는 단면 두께, 염기성 황 함량 및 희토류 함량에 따라 달라집니다. 일반적인 지침은 다음과 같습니다.
| 잔류 마그네슘(%) | 예상되는 결절 | 적용 적합성 |
|---|---|---|
| 0.020–0.025% | 50~70% (혼합/벌레형) | CGI(압축흑연주철)는 연성이 없습니다. |
| 0.030–0.035% | 80~90% | 연성 주철에 필요한 최소 사양이며, 두꺼운 단면에도 적합합니다. |
| 0.035–0.045% | 90~95% | 표준 연성 주철 범위 - 대부분의 용도에 적합한 대상 재질 |
| 0.045–0.055% | 95~98% | 고품질 연성 주철, 박형 단면, 높은 구상흑연 함량 요구 사항 |
| >0.060% | 95~98% 이상의 탄화물 | 과잉 처리 - 저온 발생 위험, 연성 감소, 슬래그 증가 |
최적 범위: 잔류 마그네슘 함량 0.035~0.045%는 탄화물 위험 및 비용 대비 결절 형성률(>90%)의 균형을 유지합니다.
성공적인 치료를 위한 필수 철분 함량
치료 방법에 관계없이, 철분의 질이 치료 성공 여부를 결정합니다.
- 황: 마그네슘 처리 전 황 함량은 0.02% 미만이어야 합니다. 황 함량이 높으면 마그네슘이 황화마그네슘(MgS)으로 전환되어 결절 형성이 감소합니다. 염기성 황 함량이 0.025%를 초과하는 경우 탈황 처리(탄산칼슘, 산화칼슘 또는 소다회)를 사용하십시오.
- 탄소 환산량: 최적 함량은 4.2~4.4%입니다. CE가 낮을수록 탄화물 생성 경향이 증가하고, CE가 높을수록 흑연 부유 현상이 발생합니다.
- 인: <0.05% — 높은 P 값은 취성을 유발합니다.
- 티타늄과 크롬: 최소화 — 이것들은 마그네슘의 작용을 억제하는 탄화물 촉진제입니다.
연성 주철의 일반적인 결함 문제 해결
결절 발생률 낮음(<80%)
- 가능한 원인: 잔류 마그네슘 함량 낮음, 염기성 황 함량 높음(>0.02%), 과도한 변색, 희토류 부족
- 해결책: MgFeSi 첨가량 증가, 기본 철의 사전 탈황, 유지 시간 단축, 희토류 함유 MgFeSi 첨가
탄화물(칠) 형성
- 가능한 원인: 과다 처리(Mg >0.055%), 낮은 접종량, 낮은 탄소 등가량, 박편의 급속 냉각
- 해결책: Mg 첨가량을 줄이고, 접종 후 FeSiCa 첨가량을 늘리고, CE를 상향 조정(4.3-4.4%)하고, 박편 제작에는 FeSiSr 접종제를 사용하십시오.
수축 다공성
- 가능한 원인: 흑연 결정 수 부족, 불량한 공급, 과도한 Mg 함량으로 인한 불충분한 흑연 팽창
- 해결책: 접종 후 농도 증가(특히 FeSiBa), 라이저 최적화, 잔류 Mg 함량을 0.035~0.040%로 감소
사례 연구: 샌드위치형 전선에서 코어형 전선으로의 전환
연간 15,000톤의 연성 주철 부품(자동차 브래킷 및 차동장치 하우징)을 생산하는 중형 주조 공장은 구상흑연 함량(78~92%)의 불균형과 낮은 구상흑연 함량 및 탄화물로 인한 불량률(8%) 문제에 직면해 있었습니다. 1.2%의 MgFeSi를 첨가한 샌드위치 주조법을 사용함으로써 잔류 Mg 함량을 0.028%에서 0.052%까지 줄일 수 있었습니다.
변환 후 코어드 와이어 주입 MgFeSi(마그네슘 6%) 와이어를 0.7% 상당량 첨가했을 때, 결과는 놀라웠습니다.
- 잔류 마그네슘 함량은 0.038~0.042%로 안정화되었습니다(변동 범위 <±0.003%).
- 결절 형성률이 지속적으로 92% 이상 (평균 95%)
- 거절률이 8%에서 1.5%로 떨어졌습니다.
- MgFeSi 소비량이 35% 감소했습니다(1.2%에서 0.78% 상당).
- 연간 절감액: 합금 비용 21만 달러 + 고철 감소액 18만 달러
- 와이어 피더의 투자 회수 기간: 4개월
응용 분야별 추천
| 생산 규모 | 권장 방법 | 핵심 근거 |
|---|---|---|
| 소규모 주조 공장 (<연간 생산량 1,000톤) | 샌드위치 또는 참치 | 낮은 초기 투자 비용으로 적당한 품질 요구 사항을 충족할 수 있습니다. |
| 중형 주조 공장 (연간 1000~5000톤) | 턴디시 또는 코어드 와이어 | 턴디쉬 방식은 샌드위치 방식보다 성능이 우수하며, 코어드 와이어는 일관성을 제공하고 합금 소모량을 줄여줍니다. |
| 대형 주조 공장 (연간 5000톤 이상) | 코어드 와이어 | 탁월한 일관성, 최저 합금 비용, 자동화, 최소한의 연기 발생, 최고 수준의 구상 흑연 함량 |
| 박편 주조품(<6mm) | 코어드 와이어 + FeSiSr 접종 | 정밀한 마그네슘(Mg) 관리로 탄화물 생성을 방지하고, 스트론튬(Sr) 접종제로 내한성을 향상시킵니다. |
| 두꺼운 단면 주조품(>100mm) | 코어드 와이어 + RE 베어링 MgFeSi | 장시간 응고에는 더 높은 Mg 보유량이 필요하며, RE는 변색을 늦춥니다. |
연성 주철의 일관된 구상흑연 형성을 위해서는 체계적인 접근 방식이 필요합니다. 스케일 및 품질 요구 사항에 맞는 적절한 마그네슘 처리 방법을 선택하고, 엄격한 기본 철 관리(특히 황)를 유지하며, 견고한 후처리 접종을 시행하고, 잔류 마그네슘 및 소멸 시간을 모니터링해야 합니다. 대부분의 중대형 주조 공장의 경우, 코어드 와이어 주입 회수율, 일관성, 구상화 정도 및 총비용 측면에서 최상의 조합을 제공합니다. 다만, 와이어 공급 장비에 투자할 여력이 없는 경우 턴디시 방식은 여전히 실행 가능한 업그레이드 방안입니다. 브라이트 알로이스(Bright Alloys)에서 공급합니다. MgFeSi 합금(마그네슘 3~10%, 희토류 함유), 코어 와이어 및 페로실리콘 접종제 후처리 과정에서 야금학적 지원을 통해 연성 주철 가공을 최적화할 수 있습니다.