일반기술

청정 Mushy State Forming을 위한 유도 가열용 코일설계의 최적화 기법 개발

유도가열은 표면에서부터 빌렛의 내부로 열전도에 의한 열전달이 일어나 가열된다. 그러므로, 유도가열을 이용하여 소재를 가열할 경우 열 유동에 대한 연구가 필요하다. 또한, 반용융 소재의 종류와 크기에 따라서 재가열 조건이 다르기 때문에 반용융 단조 및 주조를 위해서는 재가열 조건에 관한 D/B 구축이 극히 중요하다. 따라서 본 발명에서는 재가열시 빌렛의 온도 구배를 줄일 수 있고, 구상화된 조직을 얻을 수 있는 코일의 크기를 이론적으로 제안하여 설계한 후 코일을 제작하였으며, 유도가열 공정 시뮬레이션을 통하여 코일설계의 타당성을 검증하였다. 또한, 시뮬레이션의 결과를 유도가열 실험에 적용하여 반용융 소재의 종류, 직경 및 길이가 다양하게 변할 때 반용융 단조 및 주조공정에 이용할 수 있는 재가열 조건을 도출하였다. 유도가열 공정은 열전달, 전자기 효과들의 상호작용을 포함한다. 기하학적인 변수들뿐만 아니라 각각의 효과들에 대한 소재의 물성치는 유도가열 공정거동을 제어한다. 유도 코일설계와 유도가열 공정 시뮬레이션의 목적은 빌렛의 크기, 코일의 크기, 입력 주파수와 같은 다양한 공정변수의 영향을 결정하기 위한 유한요소 시뮬레이션 방법을 개발하기 위함이다. 유도 코일설계와 유도가열 공정 시뮬레이션을 위해서, 범용 유한요소 코드인 ANSYS TM을 사용하였다. ANSYS TM은 와전류의 유도로 인한 주울 가열과 전도, 대류 및 복사로 인한 열전달을 동시에 모델링할 수 있다. 더욱이 ANSYS TM은 문자와 숫자를 포함하는 변수들(alphanumeric variables)로 모델을 설정하는 데 사용되는 PDL(Parametric Design Language)이라는 기능을 가졌다. PDL은 기하학적인 형상, 재료의 물성치 및 제어 루프 순서의 변경을 손쉽게 한다. 유도가열 공정 시뮬레이션에 필요한 물성치는 유도 코일설계를 토대로 하였다. 반용융 소재(SSM)의 열해석에 사용된 경계조건에서 알 수 있듯이 주울 가열에 의해 빌렛의 표면이 가열되며 열전도에 의해 빌렛의 표면으로부터 중심까지 열 확산이 일어난다. 또한, 유도가열에서는 빌렛 표면의 열 대류와 열 복사 손실이 고려되어야 한다. 고상율 55%로 재가열된 A356 및 A319 소재의 온도분포에 대한 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이 열전도도가 작은 A319(109W/mK)가 A356(159W/mK)보다 원하는 고상율까지 가열하는 데 많은 시간을 필요로 함을 알 수 있다. 유도 코일설계를 토대로 한 시뮬레이션 결과를 통하여, 빌렛을 가열하는 데 필요한 총 에너지는 빌렛의 질량, 열 및 전자기 물성치의 함수이지만 그 관계는 비선형적이라는 사실을 알 수 있었다. 반용융 소재의 종류 및 크기에 따른 최적 코일설계를 토대로 한 유도가열 공정 시뮬레이션 모델은 반용융 소재의 종류 및 크기에 따라서 전자기 끝단효과의 방지, 균일한 온도분포 및 미세한 구상화 조직을 얻을 수 있는 재가열 D/B 구축 및 리드 타임(lead time) 단축에 유용할 것으로 사료된다.