재료 사업의 제조 기술을 지원하는 용해, 주조 및 용접 기술

Melting, Casting, and Welding Technologies Supporting the Art of Manufacturing in Materials Business

본 기술 요약은 [Hitoshi ISHIDA 박사]가 저술하여 KOBELCO TECHNOLOGY REVIEW에 게재된 논문 "[Melting, Casting, and Welding Technologies Supporting the Art of Manufacturing in Materials Business]"에 기반합니다.

Fig. 1 Improvement by allotment of refining function in hot-metal pretreatment

키워드

주요 키워드: 주조 결함 방지 기술
보조 키워드: 용탕 청정도 관리, 용해 기술, 응고 제어, 균열 민감도, 재활용 소재, 고품질 알루미늄, 개재물 제어

핵심 요약

도전 과제: 원자재 품질 저하와 재활용 소재 사용 확대 요구 속에서 일관된 고품질의 주조품을 생산해야 하는 산업적 과제.
해결 방법: 고온 야금 반응 제어, 열응력 해석, 응고 거동 분석 등 핵심 기술을 통해 용탕의 불순물을 제거하고 응고 과정을 정밀하게 제어.
핵심 돌파구: 알루미늄 합금의 균열 발생 가능성을 정량적으로 평가하는 파라미터를 개발하여, 주조 공정에서 균열을 사전에 방지할 수 있는 기술적 기반을 마련.
최종 결론: 용해 및 주조 공정에 대한 근본적인 이해와 정밀한 제어 기술을 통해, 재활용 소재 사용을 늘리면서도 제품의 품질과 신뢰성을 향상시킬 수 있음.

도전 과제: 왜 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한가?

최근 주조 업계는 원자재 가격 상승과 품질 저하라는 이중고를 겪고 있습니다. 동시에 탄소 중립 목표 달성을 위해 재활용 스크랩 사용을 확대해야 한다는 압박도 거세지고 있습니다. 재활용 소재는 불순물 함량이 높고 성분이 불균일하여 용탕의 청정도를 관리하기 어렵게 만들며, 이는 최종 제품의 기계적 특성을 저하시키고 균열과 같은 치명적인 주조 결함의 원인이 됩니다. 특히 복잡한 형상의 부품을 고속으로 생산하는 HPDC 공정에서는 이러한 원자재의 불안정성이 생산성과 품질에 직접적인 타격을 줍니다. 이 논문은 바로 이러한 문제, 즉 '어떻게 하면 불안정한 원자재를 사용하면서도 결함 없는 고품질 주조품을 안정적으로 생산할 것인가'라는 업계의 근본적인 고민에서 출발합니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

고베제강(KOBELCO) 연구팀은 각 소재 사업부(철강, 알루미늄, 구리, 티타늄 등)에서 축적된 핵심 기술을 바탕으로 문제에 접근했습니다. 본 요약에서는 특히 HPDC 산업과 관련이 깊은 알루미늄 주조 기술에 초점을 맞춥니다.

방법 1: 열응력 해석 및 균열 메커니즘 규명 연구팀은 대형 직사각형 DC(직접 냉각) 주조 잉곳에서 발생하는 표면 균열 문제 해결에 집중했습니다. 균열이 고액 공존 영역에서 시작된다는 점에 착안하여, 열전달 및 응고 과정을 분석해 균열 발생 메커니즘을 가설로 세웠습니다. 이를 통해 합금 성분이 균열에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다.

방법 2: 균열 민감도 정량화 단순한 경험적 접근을 넘어, 균열 발생 가능성을 정량적으로 평가하기 위한 새로운 지표를 개발했습니다. 수축 변형의 크기를 나타내는 '균열 전파 파라미터(ΔTⅡ)'와 고상율 변화에 대한 온도 구배를 이용한 '균열 개시 파라미터(ΔRⅡ/ΔTⅡ)'를 계산했습니다. 이 두 파라미터를 통해 특정 합금 및 주조 조건에서의 균열 민감도를 예측하고, 이를 실제 주조 결과와 비교 검증했습니다.

핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터

이 연구는 용해 및 주조 공정 최적화를 통해 품질을 획기적으로 개선할 수 있음을 구체적인 데이터로 입증했습니다.

발견 1: 정련 기능 분담을 통한 용선 예비처리 공정의 효율 극대화

철강 공정에서 탈규, 탈황, 탈인, 탈탄소 기능을 각 설비에 최적화하여 분담시키는 새로운 용선 예비처리 플랜트를 구축했습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 교반 임펠러를 이용한 강력한 교반(Strong stirring)을 통해 값비싼 융제 사용을 줄이면서도 탈황 반응 효율을 높여 비용을 절감하고 생산성을 향상시켰습니다. 이는 공정 단계를 명확히 분리하고 각 단계의 효율을 극대화하는 것이 전체 시스템 최적화에 얼마나 중요한지를 보여줍니다.

발견 2: 균열 민감도 평가를 통한 알루미늄 주조 균열의 사전 예방

이 연구의 가장 주목할 만한 성과는 알루미늄 합금의 균열 민감도를 정량적으로 평가하고 예측하는 방법을 확립한 것입니다. 그림 4는 여러 합금(a~j)을 다양한 주조 속도(60, 80, 100 mm/min)로 평가한 결과를 보여줍니다. 가로축의 '균열 전파 파라미터(ΔTⅡ)'와 세로축의 '균열 개시 파라미터(ΔRⅡ/ΔTⅡ)'가 모두 높은 영역에서 균열(Crack area)이 발생할 가능성이 컸습니다. 예를 들어, 'Group A'에 속하는 합금들은 균열 민감도가 높아 제어가 필요함을 시사합니다. 이 데이터를 통해 연구팀은 '균열 기준선(Line of crack criteria)'을 설정하고, 합금 성분과 주조 조건을 제어하여 제품이 '균열 없음 영역(no crack area)'에 위치하도록 공정을 설계할 수 있게 되었습니다. 이는 경험에 의존하던 결함 제어를 데이터 기반의 예측 가능한 과학의 영역으로 끌어올린 중요한 성과입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

공정 엔지니어: 이 연구는 특정 합금 성분에 따라 최적의 주조 조건(예: 주조 속도, 냉각 속도)이 달라질 수 있음을 시사합니다. 합금의 균열 민감도 데이터를 활용하여 특정 부품 생산 시 공정 파라미터를 미세 조정함으로써 균열 결함을 줄이고 공정 안정성을 높일 수 있습니다.
품질 관리팀: 논문의 그림 4에 제시된 균열 민감도 평가 방법은 새로운 품질 관리 기준을 수립하는 데 유용한 정보를 제공합니다. 입고되는 원자재(특히 재활용 스크랩)의 성분을 분석하여 균열 발생 위험도를 사전에 평가하고, 위험도가 높은 경우 공정 조건을 강화하는 등의 예방적 조치를 취할 수 있습니다.
설계 엔지니어: 연구 결과는 합금 성분이 응고 중 결함 형성에 결정적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 제품 설계 초기 단계에서부터 제조 용이성(DFM)을 고려하여 특정 성분 조성을 갖는 합금을 선택하거나, 균열에 덜 민감한 설계를 채택하는 것이 중요함을 의미합니다.

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논문 상세 정보

[재료 사업의 제조 기술을 지원하는 용해, 주조 및 용접 기술]

1. 개요:

제목: Melting, Casting, and Welding Technologies Supporting the Art of Manufacturing in Materials Business
저자: Dr. Hitoshi ISHIDA
발행 연도: 2025
발행 학술지/학회: KOBELCO TECHNOLOGY REVIEW
키워드: Melting, casting, welding, steel, aluminum, copper, titanium, resource circulation, carbon neutrality

2. 초록:

용해, 주조, 용접은 코벨코 그룹의 다양한 재료 사업에서 제조 기술을 지원하는 필수적인 핵심 기술이다. 각 분야(철강, 알루미늄, 구리, 주단강, 티타늄, 용접)의 고유한 특성을 고려하여 기술 개발이 추진되어 왔다. 최근에는 원자재 품질 저하와 함께 CO₂ 저감 및 자원 순환 관점에서 재활용 소재의 확대 사용에 대한 요구가 급증하고 있다. 미래의 탄소 중립 실현을 목표로 수많은 기술이 현재 개발되고 있다. 본고에서는 각 재료 사업에서 용해, 주조, 용접 기술과 관련된 발전 과정과 미래의 노력을 소개한다.

3. 서론:

코벨코 그룹은 철강, 비철금속(알루미늄, 구리, 티타늄), 용접 재료 등 다양한 소재를 생산하는 제조업체이다. 주요 고객은 자동차, 항공기, 조선, 철도, 식품 포장, 전자, 건축 공학 등 다양한 산업에 분포한다. 최근 원자재 가격 및 조달 리스크가 증가하고 품질은 저하되고 있다. 탄소 중립을 달성하기 위해서는 CO₂ 배출량의 신속한 감축과 자원 순환을 지원하기 위한 재활용 소재의 확대 사용이 요구된다. 용해와 주조는 금속 재료 생산의 첫 공정으로, 최종 제품의 품질을 결정하는 출발점이다. 또한, 구조용 재료를 접합하는 공정으로서 용접은 강도, 연성, 인성을 보장하는 데 있어 높은 신뢰성이 요구되는 필수 공정이다. 본 논문에서는 각 재료 사업의 제조를 지원하는 용해, 주조, 용접 기술의 발전 과정과 미래 전망을 소개한다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

코벨코 그룹이 영위하는 철강, 알루미늄, 구리, 주단강, 티타늄, 용접 등 다양한 재료 사업의 제조 경쟁력을 뒷받침하는 핵심 기술로서 용해, 주조, 용접 기술의 중요성이 부각된다. 특히 최근 원자재 품질 저하, 재활용 소재 사용 확대, 탄소 중립 달성 요구 등 외부 환경 변화에 대응하기 위한 기술 혁신이 시급한 상황이다.

기존 연구 현황:

본 논문은 특정 선행 연구를 검토하기보다는, 코벨코 그룹이 창립 이래 각 소재 분야에서 축적하고 발전시켜 온 고유의 용해, 주조, 용접 기술 현황을 정리한다. 각 소재의 특성에 맞춰 정련된 기술들, 예를 들어 철강의 고효율 정련 기술, 알루미늄의 균열 방지 기술, 주단강의 고청정강 제조 기술, 티타늄의 특수 용해 기술 등이 기존 기술의 기반을 이룬다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 코벨코 그룹의 각 재료 사업(철강, 알루미늄, 구리, 주단강, 티타늄, 용접)에서 제조의 근간을 이루는 용해, 주조, 용접 기술의 발전 과정과 성과를 소개하고, 탄소 중립과 자원 순환이라는 미래 사회의 요구에 부응하기 위한 최신 기술 개발 동향과 향후 전망을 제시하는 데 있다.

핵심 연구:

본고는 각 재료 분야별 핵심 기술 개발 사례를 다룬다. (1) 철강: KR 및 전환로형 탈인로를 활용한 용선 예비처리 공정 효율화. (2) 알루미늄: DC 주조 공정에서의 균열 발생 메커니즘 규명 및 균열 민감도 정량화 기술 개발. (3) 구리: 시뮬레이션 기술을 활용한 주형 설계 및 주조 조건 최적화. (4) 주단강: 불순물 및 개재물 제어를 통한 초고청정강 개발 및 피로 강도 향상. (5) 티타늄: VAR 및 CCIM 특수 용해법을 통한 고품질 잉곳 제조 및 스크랩 활용 기술. (6) 용접: 용접금속의 응고 균열 억제 기술. 또한, 자원 순환의 예로 알루미늄 공정 부산물인 아크로 회(ash)를 철강 공정의 탈황제로 재활용하는 기술과 TiAl 합금의 CCIM 용해 기술 개발 사례를 소개한다.

5. 연구 방법론:

연구 설계:

본고는 단일 실험 연구가 아닌, 코벨코 그룹 내 여러 재료 사업부에서 수행된 다양한 기술 개발 사례를 종합하여 소개하는 기술 총설(review paper)의 형태를 취한다. 각 소재별 기술적 과제를 정의하고, 이를 해결하기 위해 적용된 접근법과 그 성과를 체계적으로 정리하여 제시한다.

데이터 수집 및 분석 방법:

소개된 기술들은 수치 모델 실험, 5톤 KR 시험과 같은 파일럿 테스트, 유동-응고 해석, 열응력 해석과 같은 시뮬레이션, 그리고 실제 생산 라인에서의 적용 결과를 포함한 내부 R&D 프로젝트로부터 도출된 데이터를 기반으로 한다. 각 기술의 효과는 효율성, 비용, 품질(예: 불순물 농도, 피로 강도, 결함 발생률) 등의 지표를 통해 분석되었다.

연구 주제 및 범위:

연구 범위는 코벨코 그룹이 생산하는 주요 금속 재료인 철강, 알루미늄, 구리, 주단강, 티타늄과 관련된 용해 및 주조 기술, 그리고 강재 접합을 위한 용접 기술을 포괄한다. 또한, 자원 순환 및 탄소 중립이라는 목표 아래 개발 중인 미래 지향적 기술(예: 부산물 재활용, 신소재 용해 기술)까지 범위를 확장한다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

철강 부문에서는 정련 기능을 각 설비에 분담시키고 교반 조건을 최적화함으로써 용선 예비처리 공정의 효율을 높이고 비용을 절감했다 (그림 1, 2).
알루미늄 부문에서는 균열 개시 및 전파 파라미터를 이용하여 합금의 균열 민감도를 정량적으로 평가하는 방법을 개발하여, 주조 조건 제어를 통한 균열 방지를 가능하게 했다 (그림 4).
주단강 부문에서는 불순물 및 개재물 제어 기술을 통해 기존 청정강 대비 20% 이상, 일반강 대비 최대 40%까지 피로 강도가 향상된 초고청정강(super-clean steel)을 개발했다 (그림 5).
티타늄 부문에서는 TiAl 합금의 CCIM 용해 시 고농도 알루미늄 첨가를 통한 탈산 기술을 개발하여 스크랩 재활용률을 높일 수 있는 가능성을 입증했다 (그림 6).
자원 순환 측면에서, 알루미늄 공장의 아크로 회를 철강 공장의 탈황제로 재활용하는 시설 간 협력 기술을 확립했다.

Figure Name List:

Fig. 2 Effect of impeller speed and immersion depth on dispersion of desulfurization agent

Fig. 4 Crack susceptibility evaluation of each alloy by crack susceptibility parameter and crack prevention concept for each group

Fig. 1 Improvement by allotment of refining function in hot-metal pretreatment
Fig. 2 Effect of impeller speed and immersion depth on dispersion of desulfurization agent
Fig. 3 Effect of RH treatment conditions on [N] content (calculation results)
Fig. 4 Crack susceptibility evaluation of each alloy by crack susceptibility parameter and crack prevention concept for each group
Fig. 5 Fatigue strength of super clean steel for solid type crankshaft
Fig. 6 Effect of aluminum concentration on deoxidation behavior in molten TiAl with flux addition

7. 결론:

코벨코 그룹은 각 부문의 특정 요구에 기반하여 다양한 재료의 제조를 지원하기 위한 용해, 주조 및 용접 기술을 개발해왔다. 미래의 비전은 탄소 중립과 자원 재활용을 통해 실현되는 지속 가능한 세상이다. 우리는 다양한 재료 사업의 기술 역량을 용해, 주조, 용접 기술 개발에 통합하여 CO₂ 저감과 자원 순환을 모두 지원하고자 한다.

8. 참고 문헌:

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전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 최근 들어 원자재 품질 관리가 특히 더 중요해진 이유는 무엇입니까?

A1: 논문에 따르면, 최근 원자재의 품질이 전반적으로 저하되고 있으며, 동시에 탄소 중립 및 자원 순환 목표 달성을 위해 재활용 소재의 사용을 확대해야 하는 상황입니다. 재활용 소재는 불순물 함량이 높을 수 있어, 이를 효과적으로 제어하고 고품질의 최종 제품을 만들기 위한 고도의 용해 및 정련 기술이 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

Q2: 논문에서 제시된 알루미늄 합금의 균열 민감도는 구체적으로 어떻게 정량화되었습니까?

A2: 연구팀은 두 가지 핵심 파라미터를 사용했습니다. 첫째는 수축 변형의 크기를 나타내는 '균열 전파 파라미터(ΔTⅡ)'이고, 둘째는 '균열 개시 파라미터(ΔRⅡ/ΔTⅡ)'입니다. 그림 4에서 보듯이 이 두 파라미터를 축으로 하는 2차원 맵을 만들어, 특정 합금과 주조 조건이 '균열 영역'에 속하는지 '균열 없음 영역'에 속하는지를 시각적으로 판단하고 예측할 수 있게 했습니다.

Q3: 철강, 알루미늄, 티타늄 등 다양한 소재를 다루는데, 이들을 관통하는 공통적인 핵심 기술은 무엇입니까?

A3: 소재는 다르지만, 근본적인 기술은 공유됩니다. 논문에서 정의한 바와 같이, (1) 원하는 재료 성분을 정밀하게 조정하고 불순물을 제거하는 '용해 기술', (2) 주조 결함을 방지하고 결정립을 미세화하는 등 응고 조직을 제어하는 '주조 기술'이 모든 소재에 공통적으로 적용되는 핵심 기술입니다. 고온 야금 현상에 대한 깊은 이해와 제어 능력이 핵심입니다.

Q4: 알루미늄 공정의 아크로 회를 철강 공정의 탈황제로 사용하는 기술의 의의는 무엇입니까?

A4: 이는 코벨코 그룹처럼 여러 소재 사업을 영위하는 기업만이 가질 수 있는 독특한 자원 순환 모델의 성공 사례입니다. 한 사업부에서 발생하는 부산물을 다른 사업부의 유용한 원료로 재활용함으로써 폐기물을 줄이고 원가를 절감하는 동시에, 그룹 전체의 환경 부하를 낮추는 중요한 의미를 가집니다. 이는 기술적 협력을 통한 지속 가능성 확보의 좋은 예시입니다.

Q5: 이 연구가 탄소 중립 목표 달성에 어떻게 기여할 수 있습니까?

A5: 두 가지 방식으로 기여합니다. 첫째, 불순물 함량이 높은 저급 원료나 스크랩을 효과적으로 정련하여 고품질 강재나 합금을 생산할 수 있는 기술을 개발함으로써 재활용 소재의 사용률을 극대화합니다. 이는 신재 생산에 따르는 CO₂ 배출을 줄이는 효과가 있습니다. 둘째, 공정 자체의 효율을 높여(예: 철강 예비처리 공정 개선, 티타늄 용해 시간 단축) 에너지 소비를 줄임으로써 직접적인 CO₂ 배출량 감축에 기여합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

원자재의 품질 변동성과 재활용 소재 사용 확대라는 도전 속에서 고품질의 주조품을 안정적으로 생산하기 위해서는 용해 및 주조 공정에 대한 깊이 있는 이해와 제어가 필수적입니다. 이 논문은 첨단 야금 기술과 데이터 기반 분석을 통해 주조 결함 방지 기술을 한 단계 발전시킬 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 특히 균열 민감도를 정량적으로 평가하고 예측하는 접근법은 R&D 및 생산 현장에서 매우 실용적인 통찰을 제공합니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

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이 콘텐츠는 "[Dr. Hitoshi ISHIDA]"가 저술한 논문 "[Melting, Casting, and Welding Technologies Supporting the Art of Manufacturing in Materials Business]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: KOBELCO TECHNOLOGY REVIEW NO. 42 FEB. 2025, pp. 22-30.

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