Developments of Lol Monitoring Device for Molding Sand and Sand Reclamation System

주물사 주형사의 강열감량 감시장치와 모래 재생 시스템 개발

1. 서론

폐사는 2015년 센서를 이용한 주물사의 LoI%를 지원하는 측정 방법과 장치에 대한 특허를 획득하고 2019년 실용화를 위한 시제품을 개발.

2020년에는 자경성 모래 처리 라인 내에 설치하는 방식으로 상업 기기를 납품했다.

2. 장치 개요

2.1 목적

모래 재생 처리 장치는 일반적으로 무인화에 의한 자동운전이다.

이 모래 재생 처리 설비의 라인 상에 폐사가 새롭게 개발한 LoI 감시 장치를 배치함으로써, 모래를 측정하고, 측정한 값을 데이터화, 피드백 제어를 하여, 재생기의 모래 연마 정도를 연산 가변 할 때까지를 모두 자동운전으로 가능하게 한다.

또한 IoT를 활용하여 LoI의 상태를 시각화하고 효율적인 모래 재생 처리를 하는 것을 목적으로 했다.

2.2 장치 내용

일반적인 강열 감량 시험에서는 강열 전 시료: W1(g)을 1000℃에서 1시간 강열 후 실온까지 방냉, 강열 후 시료 : W2 (g)의 중량을 측정하여, LoI (%) = (W1-W2) / W1의계산식에 의해 산출된다.

이 LoI 값을 폐사가 개발한 장치에서는 센서를 이용하여 간단하게 자동 측정을 가능하게 한다.

측정에 걸리는 시간은 약 1분으로 짧은 시간이 소요되며, 열원도 필요 없기 때문에, 쉽게 모래 재생 처리 라인에 설치할 수 있다. 또 샘플링된 모래는 그대로 재생 처리 라인으로 되돌아간다.

본 장치에 의한 값은 변환기를 통해 전압으로 변환시켜 제어판에 직접 포섭 연산 처리에 의해 LoI 값으로 출력된다. 그림 1에 장치 외관을 나타내었다.

그림 1. LoI 감시 장치 외관

미리 역치를 설정함으로써 재생기의 회전수 등을 피드백 제어하고 자동으로 가변시킨다. 측정 데이터와 LoI 환산치, 재생기의 운전 주파수 (회전수)등의 기록은 IoT 유닛을 경유하여 클라우드 상에서 확인이 가능해진다.

2.3 시제기와 실험결과

주물 maker전시에서 실제 사용하고 있는 모래 샘플 (Furan 자경성·규사)을 대여받아 사내 테스트를 실시했다.

기존의 강열 감량 시험에서 측정한 LoI 값과 비교했을 때 상관계수가 0.98이라는 정확도를 얻었다.

표 1, 그림 2에 LoI 감시 장치 시제기 테스트 시의 데이터를 나타낸다.

표 1. LoI 감시 장치 시제기 테스트

그림 2. LoI 감시 장치 시제기 테스트

3. 실기(実機) 도입 사례

3.1 사례 1 (Furan 자경성·규사)

그림 3에 도입 설비의 플로우, 그림 4에 납품 사진을 나타낸다.

그림 3. 도입 설비의 플로우

그림 4. 사례 1 납품 시 사진

재생기에서 재생 처리된 모래는 컨베이어를 통해 샌드 쿨러에 운반된다. 그 사이의 shoot에서 모래를 샘플링하여 감시 장치로 측정한 후, 모래는 샌드 쿨러로 보내진다.

감시 장치에 의한 측정값은 변환기를 통해 전압의 변화로서 제어반에 직접 포섭하여 연산 처리에 의해 Lol%로 출력된다.

미리 임계치를 설정함으로써 재생기의 회전수를 피드백 제어에 의해 자동으로 가변시킨다.

이번 사례에서는 모래 재생 처리 라인의 자동 운전 중에 LoI 감시 측정을 「한다」 또는 「하지 않는다」의 선택이 가능하게 되어 있어, LoI 감시 측정을 「한다」는 경우에 재생기의 피드백 제어를 「한다」 또는 「하지 않는다」의 선택도 가능하다. 둘 다 「하지 않는다」의 선택이 되어 있으면, 기존의 모래 재생 처리 라인과 마찬가지로 LoI의 감시 측정은 이루어지지 않고, 모래 재생도 설정된 회전 수에 따라 일정한 처리가 될 뿐이다.

그림 5에 LoI 감시 측정을 「한다」 상태에서, 모래 재생기로의 피드백 제어를 「한다」 경우, 피드백 제어를 「하지 않는다」 경우 각각 1개월간 조업 운전한 실적을 나타낸다.

그림 5. LoI 감시 측정 1개월간 추이

그림의 상단은 피드백 제어를 「한다」 상태의 1개월간, 하단은 피드백 제어를 「하지 않는다」 상태의 추이로, 가로축은 날짜, 세로축은 LoI%, 실선은 LoI 환산값, 쇄선은 LoI 임계치 상한 2.5%~하한 1.5% 범위를 나타내고 있다.

피드백 제어를 「한다」 상태에서는 관리치인 2.0±0.5% 범위 내에서 추이하고 있음을 확인할 수 있다. 피드백 제어를 「하지 않는다」 상태에서는 임계치보다 낮은 범위가 많아지고 있다. 이번 케이스에서는 모래를 필요 이상으로 재생되어, 본래 재생 강도를 약하게 할 수 있었던 부분이다.

3.2 사례 2 (Furan 자경성?규사)

그림 6에 사례 2의 납품 시 사진을 나타낸다. 설비 플로우는 사례 1과 동일하지만, 모래 재생기가 사례 1에서는 연속식 재생이었던 데 반해, 사례 2는 배치식 재생 처리가 된다.

그림 6. 사례 2 납품 시 사진

재생 강도의 가변 방법도, 사례 1은 회전수의 변경에 의한 것이었지만, 사례 2에서는 재생 시간을 변경시키는 사양으로 되어 있다.

그림 7에 사례 2 장치 납품 시운전 시의 측정 데이터를 나타낸다.

그림 7. 사례 2 납품 시운전 시 측정 데이터

실제로 재생 처리한 모래 샘플을 채취하여 외부에서 분석한 LoI값과 감시 장치로 측정한 값에서도 매우 높은 상관성을 확인할 수 있었다.

4. 맺음말

현재 본 장치는, 실기 도입, 본 가동을 개시한 후 한동안 감시 장치로 측정한 모래를 통상적인 강열 감량 시험으로 LoI 값을 측정하고, 그 값으로 제어반 연산식을 보정하여 운용 중이다.

IoT 유닛을 경유하여 재생기의 상황도 확인할 수 있다.

본 시스템 도입에 의해 기대되는 효과로서,

1) 모래의 재생 정도를 적정한 상태로 유지함으로써 주물 제품의 불량을 줄일 수 있다.

2) 모래의 품질을 안정시킴으로써 거푸집 조형시 사용하는 바인더의 사용량을 적정하게 유지할 수 있다.

3) 모래를 효율적으로 재생시키면 수율이 향상되고, 여분의 먼지와 폐기 모래의 감소, 새로운 모래 보급량도 감소하여, 배출 제로 촉진 및 비용 절감을 기대할 수 있다.

4) 효율적인 재생 정도를 유지함으로써 모래 재생기 본체의 소모 부품 수명을 연장시키는 효과를 기대할 수 있으며 유지 보수를 절약, 비용을 절감할 수 있다.

5) 이러한 자동화에 의한 효과가 모래 관리, 설비 관리 업무에 있어서 이전과 비교해 대폭적인 현장에서의 에너지 절약화가 된다.

앞으로도 도입 사례를 늘려, 각 모래 종류 및 프로세스에 있어서 측정 빈도나 각종 설정의 최적화를 도모하고, 보다 정밀도 높은 모래 관리를 실시할 수 있도록 노력하겠다.