1. 시작하며
홋카이도 무로란시에 위치한 일본제강소 M&E 주식회사는 2020년 4월 1일 주식회사 일본제강소 무로란제작소의 소형재· 에너지사업과 풍력발전기기 보유 서비스 부문 및 그룹 회사 4사를 통합한 사업 자회사로서 발족하였다. 본사 시설 일부가 2019년에는 일본 유산 「탄철항」으로 인정되었다.
소형재 부문을 담당하는 주조공장에서 주강품의 조형, 주입, 마감, 용접 등 폭넓은 공정을 수행하고 있다. 제품군에는 발전용, 산업기기용 부품 등이 있으며, 중량은 수~300톤까지, 재질은 탄소강, 저합금강, 스테인레스강 등 다양한 종류와 형태의 대형주강품을 제조하고 있다. 그림 1은 주력 제품인 화력발전용 터빈케이싱이다.
그림 1. 화력발전소용 차실
2. 테마 선정이유
압연기용 밀 하우징 (2대/1세트) 노후화 교체 건을 약 40년 전에 제조하였던 당사가 다시 수주하였다. 이 제품은 전체 높이 15m, 최대폭 5m의 크기이다. 제품 중량은 380톤이고, 주입 중량은 600톤을 초과하는 초대형 주물이다 (그림 2).
그림 2. 밀하우징 개략
주조공장에서의 크레인 최대 허용 중량인 270톤 (150톤 크레인 1대+120톤 크레인 1대)에 비해, 이번 제품은 그것을 훨씬 초과하는 중량이다. 다른 일반적 경우에는 제강공장 (주조공장과 별채)으로부터 레이들을 대차로 운반하여 주조공장에서 주입하였으나, 이번 제품의 경우에는 그러한 방법이 불가능하다. 따라서 40년 전과 같이 대형 크레인 (300톤 크레인×2대)이 있는 제강공장에서 주형을 조형한 후, 주입하는 것으로 결정하였다.
당시의 경험과 기술을 이해하는 인력이 거의 남아있지 않은 상황에서 제강공장에서의 조형 작업이 순조롭지 않겠지만, 남아있는 자료와 함께 새로운 지혜를 보태어 짧은 납기에 대응하게 되었다.
3. 문제점의 파악과 목표설정 · 활동계획
그룹원 전원이 제강공장에서의 조형 수행에 매달렸고, 이와 관련하여 과거 방법 대비 문제점을 체계적으로 밝혀내었다 (그림 3).
그림 3. 문제점의 추출
우선 모래와 수지를 혼련하는 믹서 및 탕도도관절단기 등 조형 전용설비를 제강공장에 운반, 이전 설치할 필요성이 있는가에 대해 검토하였다. 그리고 과거에는 일체형의 목제 현형(실제 부품과 같은 형태) 목형 방식을 채택하였지만, 현재의 목형은 정형 크기의 목제상자로 형상을 개략적으로 만들고, 그 표면에 분할로 NC 가공한 발포 스티로폼을 붙여 맞추는 방식으로 제작하였다 (그림 4). 발포 스티로폼 가공일수의 문제와 목제상자 등의 기존 도구수의 부족, 치수 정밀도 등의 문제가 발생하였다.
그림 4. 목형개략
현재의 주력제품에 특화한 생산체제 속에서는 교대근무 작업자수가 원래 11명으로 적은 데다가, 40년 전 경험자가 겨우 1명이고, 10년 전 유사 중형품의 경우를 포함하더라도 고작 4명 수준으로 경험자가 적다.
이번에 가장 곤란했던 문제점은 당시와 모래종과 경화 프로세스가 상이하다는 것이다. 40년 전의 프로세스는 건조형으로 모래, 점토와 물을 혼련하여도 건조시키지 않으면 굳지 않는다. 그래서 주조공장에서 모래를 혼련하여, 제강공장에 운반한 후 조형하는 것이 가능하였다. 그러나 현재는 알칼리페놀 자경성수지를 사용하기 때문에 혼련한 직후부터 자연 경화하므로, 제강공장까지 운반하면 그 경과 시간 동안에 모래는 사용할 수 없게 되어버린다.
특히 혼련 모래의 문제에 대해서는 조형공정에서의 근본적인 개선을 실시하여, 최단 납기 요구를 실현할 필요가 있었다.
4. 해석 (원인의 추구)
제강공장에서의 조형을 가능하도록 하기 위해, 현재 소유한 롱암 믹서를 이전 설치하게 되면, 다시 복구하는데 시간이 걸리고 후속 제품 제조에 영향을 주게 된다 (표 1).
표 1. 대책안의 검토
제강공장에 조형 설비를 신규 설치하는 것도 검토해 봤지만, 납기까지 시간이 부족하고, 고액의 비용이 발생하고, 하우징 제조 후에는 제강공장으로 다시 복귀해야 하기 때문에 전혀 현실적이지 않았다.
기존에 보유한 이동형 믹서로의 조형도 검토하였지만 30kg 배치 믹서로 550톤을 초과하는 모래를 혼련하는 것도 현실적이지 않다. 따라서 혼련한 모래를 운반하지 않고, 경화시킨 주형으로 운반하는 제안이 도출되었다.
수백 톤에 달하는 주형을 한 번에 옮기는 것은 불가능하므로 주형을 복수 개로 분할하여, 제강공장에 운반 후 조립하여 한 개의 거대한 주형으로 만드는 것은 가능하지 않을까 생각하였다.
과거에 주조공장에서 길이가 긴 주형을 반전하여 핸들링할 수가 없어서 주형을 3분할로 조형한 경험이 있다 (주조공학제82권 제10호 게재).
이 경험을 참고하여 분할 주형 방법을 목형 조립에서 조형방법, 운반, 조립 등까지 각 단계의 문제점을 추출하고, 대책을 마련하여 개선하고자 하였다 (그림 5).
그림 5. 개선안의 검증
5. 대책의 입안·실행
1) 주형의 분할 위치
분할 위치 관련해서는 형상이 단순한 곳으로 선정하는 것이 주형을 배치하는 경우에 위치 결정이 쉬울 것으로 판단했다. 한편, 트레일러로 운반할 수 있도록, 1개 당 주형 중량은 최대 20톤 이내가 되도록 하였다.
그 결과, 주형의 분할은 크게는 상·하단 둘로 나누고, 하형의 내면 형상부를 6분할하고, 외면·하면 상당부를 12분할, 상단의 상면·압탕상당부를 10분할로 하여, 총 28분할이 되었다(그림 6).
그림 6. 주형분할위치
2) 목형 조립
분할 위치를 검토하던 중, 제품 수직 부분에는 평탄부를 많이 가지고 있다는 점에 착안하여, 해당 부위는 목제상자를 그대로 목형표면으로 활용하는 것으로 발포 목형의 NC 가공 작업을 크게 줄였다 (그림 7).
그림 7. 내부상자의 평면활용
3) 조형 공기
중자 상의 블록 주형이 조형 가능한 장소는 목형 주변을 둘러싸는 중자 조형용 피트 한 군데 밖에 없다.
자경성 주형을 충분한 강도로 경화시키기 위해서는 24시간 이상이 필요하며, 이대로는 28개의 블록 주형을 공기에 맞춰 주형 하는 것이 곤란하다고 판단되었다.
그런데 이번 경우는 종래 제품과 비교하여 주형이 소형 분할되었기 때문에 중자용 피트를 3영역으로 구분하여 조형 가능하였다 (그림 8). 게다가 외형용의 금테 (프레임) 2세트를 조립하여, 그 내면에도 목형을 셋팅하는 것으로 피트를 대체하였다 (그림 9).
그림 8. 중자피트의 분할
그림 9. 외형용 금테의 활용
중자용과 외형용, 2대의 롱암 믹서 전에 합계 5개소의 조형 장소를 확보하고, 모래가 경화하는 동안 별도의 블록 주형을 조형할 수 있었다.
4) 심금 설계
주형의 경화·발형부터 마감 작업, 운반·임시 배치 후 소정의 위치에서 조립과 수 차례의 크레인 이동이 발생한다.
블록 주형 내에는 탕도 도관도 들어있어서 이동 중에 변형이나 파손 등의 가능성이 있다. 게다가 심금은 크레인으로 인양 시에도 사용하기 위해, 심금을 공고하게 조립하여 중자의 골조로 할 필요가 있었다 (그림 10).
그림 10. 매달기도구 겸용 심금
따라서 심금은 그 조립 방법 뿐만 아니라 매달 위치로서의 밸런스 및 와이어 걸기 용이성 등 측면도 고려하여 설계하였다 (그림 11).
그림 11. 주형의 인양작업
5) 블록 주형의 조립
주입 피트 내에는 모래로 정반을 긁어 심을 꺼낸다. 블록 주형에도 다시 한번 목형으로부터 전사한 심을 기록해두고, 각각을 합쳐 피트 정위치에 배치한 후 블록 주형에 세팅된 탕도도관끼리 연결하였다 (그림 12).
그림 12. 탕도토관의 접속
블록 주형끼리는 100~150mm의 간격으로 배치하고, 그 틈을 메우는 모래만 소형 배치 식 믹서로 혼련하여 용탕 누출을 방지하였다 (그림 13).
그림 13. 거푸집의 조립작업
6. 효과의 확인
애초에는 납기 준수는커녕 제조 자체가 곤란할 것으로 생각되었으나, 주형을 소형 분할하는 것으로 조형 설비가 없는 제강공장에서 주입 대응이 가능하였다.
2대 합쳐서 총 56개의 블록 주형을 운반하였지만, 변형이나 파손되는 것은 없었다.
대형의 정련용 용광로 (150톤)를 4대 사용하여 용해 및 주입하고 (그림 14), 약 1개월에 걸쳐 천천히 냉각시켰다. 주형틀 내에서 압탕 등을 절단하여 500톤 이하로 가볍게 만든 후에 탈형하여 다음 공정의 공장으로 반출하였다.
그림 14. 주조주입 풍경
후공정의 열처리, 기계 가공에 대해서는 대형 단강품용 설비를 사용하여 대응하였다. 그 결과, 납기에 맞춰 무사히 출하할 수 있었다 (그림 15).
그림 15. 출하
7. 정리
믹서의 신설 및 철거 등을 하지 않고서, 최소한의 비용으로 해결했다는 점과 40년 전의 경험 인력이 거의 없었던 점을 큰 성과로 볼 수 있으며, 표면적으로는 드러나지 않은 효과도 많았던 것으로 생각된다.
이번의 작업 방법 및 절차 매뉴얼 등을 기록으로 잘 남기고, 개선할 점도 포함하여 기능 전수를 이어 나갈 것이다.
또한, 납기 준수는 물론이고, 타 공정과의 제휴에도 시야를 넓히는 것을 적극 검토해 보는 등 한층 더 열정적으로 개선해 나갈 것이다.