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배관 부품 제조에서 중력 모래 주형을 이용한 용융 금속 유동 및 응고에 대한 CFD 해석

연구 배경

  • 문제 정의: 배관 부품 제조 공정에서 중력 모래 주형을 이용한 주조는 용융 금속의 복잡한 열 전달 및 응고 과정으로 인해 결함(예: 기공, 수축 결함)이 발생할 수 있어 생산 효율과 제품 품질에 영향을 준다.
  • 목표: CFD 기법(특히 FLOW 3D CAST v5.03)을 활용하여 실제 생산 라인과 동일한 주형 및 내부 챔버 형상을 기반으로 용융 금속의 충진, 응고 및 냉각 단계를 해석하고, 다양한 타설 온도와 러너 설계가 주조 결함에 미치는 영향을 평가하는 데 있다.

연구 방법

  1. CFD 시뮬레이션
    • 프로그램 및 기법: FLOW 3D CAST v5.03 사용, Volume of Fluid (VOF) 방법을 통해 용융 금속의 자유 수면을 추적.
    • 난류 모델: 두 방정식 k–ε 모델을 채택하여 난류 효과를 반영.
    • 모델 형상: 실제 생산 라인의 주형과 내부 챔버 형상을 그대로 반영.
  2. 주요 변수 및 조건
    • 타설 온도: 다양한 타설 온도(예: 1329°C, 1529°C)를 적용하여 유동 속도, 응고 시간 및 결함 발생에 미치는 영향 평가.
    • 러너 설계: 러너의 크기와 수가 용융 금속의 흐름 및 결함 위치에 어떤 영향을 미치는지 분석.
  3. 메쉬 독립성 및 시간 단계
    • 여러 메쉬 크기를 비교하여 계산 정확도와 효율성을 확보함(예: 250,000 요소 사용).

주요 결과

  • 충진 및 응고 해석: CFD 시뮬레이션을 통해 용융 금속이 주형 내에서 충진되는 과정과 이후 응고 및 냉각 단계가 상세하게 재현되었음.
  • 타설 온도의 영향:
    • 높은 타설 온도(1529°C)는 용융 금속의 유동을 빠르게 하며, 반면 응고에는 더 긴 시간이 소요됨.
    • 낮은 타설 온도(1329°C)에서는 유동 속도가 다소 느리고, 응고 과정이 상대적으로 빠르게 진행됨.
  • 러너 설계의 효과: 다양한 러너 각도 및 구조 변경 시도에도 불구하고, 현재 연구에서는 러너 설계가 기공 결함(캐비티) 감소에 큰 영향을 미치지 않음.
  • 전체 공정 소요 시간: 충진, 응고, 냉각 단계 각각의 소요 시간이 계산되어 생산 공정 개선에 활용 가능함.

결론 및 향후 연구

  • CFD 기법은 중력 모래 주형을 이용한 배관 부품 주조 공정에서 용융 금속의 충진, 응고 및 냉각 단계를 효과적으로 해석할 수 있음을 보여준다.
  • 타설 온도가 용융 금속 유동 및 응고 거동에 결정적인 영향을 미치며, 이로 인해 주조 결함 발생이 달라짐을 확인하였다.
  • 향후 연구에서는 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교 검증하고, 결함 발생 원인 및 위치에 대한 추가 분석을 통해 생산 공정의 최적화를 도모할 예정이다.

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