KR100239938B1 - 연속주조용 침지노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 턴디쉬와 주형사이에 사용되는 연속주조용 침지노즐에서 노즐내공에 대한 알루미나 개재물의 부착을 방지하여 막힘 현상을 제거하고, 내스폴링성과 내식성의 향상으로 노즐사용 수명을 증대시키는 것에 관한 것으로, 이에 따른 구성은 본체 및 내공벽면체를 구비한 용강주조용 침지노즐에 있어서, 내공벽면체 재질이 중량%로써, 질화알루미늄(AlN) 5∼70%, 탄소(C) 6∼36%, 탄화규소(SiC) 4∼6% 이고, 나머지는 알루미나(Al₂O₃)로 조성됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐에 관한 기술이다.

Description

연속주조용 침지노즐

본 발명은 턴디쉬와 주형사이에 사용되는 연속주조용 침지노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 침지노즐의 내공벽면에 대한 알루미나 개재물 부착을 방지하여 막힘현상을 제거하고, 내스폴링성과 내식성을 증대시키고 압축강도 등을 향상시켜 침지노즐의 사용수명 및 주편 품질을 향상시키는 침지노즐의 조성물에 관한 것이다.

연속주조용 침지노즐은 강의 연속주조시 턴디쉬(Tundish)와 주형(Mold) 사이에서 사용되어 용강의 산화방지 및 용강의 와류방지에 의한 슬래그(Slag) 혼입을 방지하여 주조된 주편의 품질 향상에 주요한 역할을 하게 된다.

이러한 침지노즐은 그 사용 조건상 내열충격성, 내마모성, 내식성 등이 엄격히 요구된다.

이와 같은 요구를 만족하기 위해 도 1과 같이 침지노즐의 본체(1) 및 내공벽면(2)은 알루미나, 탄소계 재질이 주로 사용된다.

그러나 알루미나-탄소계 침지노즐은 알루미늄 킬드강(Aluminium Killed Steel)의 주조시 탈산제로 첨가된 알루미늄이 용강중의 산소나 내공체 중의 SiO, CO 가스에 의해 산화되어 알루미나의 비금속 개재물을 생성시키며, 이 알루미나가 노즐의 내공 벽면과 토출구부 주위에 부착되어 점차 퇴적함으로써 노즐의 내공 직경이 감소되고 이러한 현상이 심할 경우 내공 막힘 현상을 초래한다.

이러한 노즐 막힘 현상을 방지하기 위한 일환으로 노즐 내공 벽면(2)에 지르코니아(ZrO₂)-칼시아(CaO)계 재질을 적용하여 내공 막힘 현상을 초래하는 개재물과 반응시켜 씻겨 내려가게 하는 방법과 탄소를 적용하지 않은 재질로 내공 재질을 구성하여 막힘 현상을 감소시키려는 시도가 진행중이지만 큰 실효를 거두지 못하고 있다.

일반적으로 현재 널리 적용되고 있는 방법으로는 노즐 내공 벽면을 통해 불활성의 아르곤가스를 불어 넣는 방법이 시행되고 있으며, 이를 위해 내공체 재질을 변경하여 내공 부위 막힘 현상을 줄이려는 많은 실험들이 진행되고 있다.

그러나 이또한 아직까지는 현장 적용 측면에서 뚜렷한 효과를 나타내고 있지 못하는 실정이다.

특히 최근에는 개재물 부상 효과, 폐쇄방지의 목적외에, 강의 품질 향상을 위해 불활성가스를 불어넣을 때의 배면압과 유량 관리가 더욱 필요하다.

한편, 재료적인 측면을 볼 때 침지노즐은 용강 투입시 급열에 따른 열충격에 대한 내스폴링성을 향상시키기 위해 알루미나, 탄소, 탄화규소 외에 용융실리카를 사용하게 된다.

그러나 이와 같은 재료는 고온하에서 장시간 사용하게 되면 내공체를 형성하고 있는 내화물 중에 함유된 용융실리카와 탄소 성분간에 SiO₂+ C → SiO + CO의 반응이 일어나게 되고, SiO₂의 소실에 의한 조직의 열화가 생길뿐 아니라 이때에 발생한 SiO와 CO 가스에 의해 용강 중의 알루미늄의 산화가 촉진되어 내공부에 알루미나가 부착 퇴적(3SiO₂+ 2Al → Al₂O₃+ 3Si, Al + CO → Al₂O₃+ C) 된다.

따라서 조직의 열화에 의한 배면압과 유량과의 특성치가 변화할 뿐만 아니라 내공체의 막힘 현상이 생겨 강의 품질 향상 및 장시간 사용에 지장을 주게 된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 알루미나(Al₂O₃) - 용융실리카(SiO₂) - 탄화규소(SiC) - 탄소(C)계 내화물중 용융실리카를 질화알루미늄으로 대체함으로써 내스폴링성 및 내식성을 증대시키고, 배면압 저하를 방지함과 함께 내공체의 막힘 현상방지로 강의 품질을 향상시킬 수 있는 침지노즐을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 연속주조용 침지노즐의 구조를 나타낸 종단면도

도 2는 내침식성 시험시의 고주파 유도로에 대한 개략 단면도

도 3은 스폴링 시험에 따른 가열 및 수냉을 나타낸 상태도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 본체 2 : 내공벽면체

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 본체 및 내공벽면체를 구비한 연속주조용 침지노즐에 있어서, 내공벽면체 재질이 중량%로써 질화알루미늄(AlN) 5∼70%, 탄소(C) 6∼36%, 탄화규소(SiC) 4∼6% 이고, 나머지는 알루미나(Al₂O₃)로 조성됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐로 구성된다.

상기 성분에서 질화알루미늄(AlN)은 열팽창 계수가 4×10^-6/℃ 이고, 열전도율이 높은 특성을 갖는 것으로, 이를 기존의 용융실리카 대신 치환함으로써 내식성 향상을 비롯한 내스폴리성, 배면압 저하 현상을 방지할 수 있다.

질화알루미늄(AlN)의 첨가량이 5∼70중량% 범위를 벗어나면 상기 특성이 충족되지 않는다.

탄소(C)는 내화물의 열전도율을 높임과 함께 열팽창율을 낮추는 작용을 하고, 내화물의 내스폴리성 및 용강에 대한 난유성(물에 젖지 않는 성질)을 향상시키는 작용을 하지만 3중량% 이하에서는 조직결합력의 약화로 강도특성이 저하되어 내열충격성이 떨어지고 내스폴링성에도 좋지 않게 된다.

그 함량이 36중량%를 넘게 되면 주조중 용강내에 함유되고 있는 용존 산소와 반응하여 가스성분(CO, CO₂등)으로 산화소실되므로 내식성에 좋지 않은 영향을 미친다.

탄화규소(SiC)는 내화물의 산화방지 및 내스폴링 향상에 기여하는 것으로, 산화방지는 SiC + 2O₂= SiO₂+ CO₂의 반응이 작용함으로써 이루어지고, 열간에서의 선팽창율이 적음에 따라 내스폴링성에 효과가 있는 것이다.

따라서 탄화규소(SiC)의 사용량이 너무 적으면 상기 효과가 미약하고, 너무 많으면 산화방지효과로 인해 생성된 SiO₂에 의해 알루미나 부착물 생성이 가중될 가능성이 있다.

본 발명에서는 기존 재질에서의 탄화규소(SiC)함량을 적정하게 판단하여 크게 변화시키지 않은 상태에서 질화알루미늄의 함량변화 관계에 주안점을 두어 실현한 것이다.

한편, 알루미나(Al₂O₃)의 사용량이 적으면 내식성 저하가 우려되고, 너무 많으면 내스폴링성의 열화를 일으킨다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

표 1 및 표 2와 같이 조성한 원료를 성형, 소성하여 각각의 내공체 시편을 제작하였다.

이 시편을 도 2와 같이 고주파 유도로내의 용탕안에서 침적시켜 침식시험을 실시하였으며, 시험후의 내화물 침식특성을 관찰하였다.

또한 상기 시편을 침지노즐에 조립후 도 3의 방법에 의해 LP 가스를 불어넣어 1500∼1550℃로 가열, 수냉과정을 3회에 걸쳐 반복하여 스폴링 시험 및 시험 전후의 내공체 재질에 대한 기공율 등을 조사하였다.

이에 따른 물성치 변화는 표 1 및 표 2와 같이 나타났다.

기존(내공체 1)

표 1과 같이 탄소 22wt%, SiC 6wt%, Al₂O₃47wt%, SiO₂25wt%로 조성된 내공체 1의 경우는 압축강도, 곡강도의 부족을 알 수 있고, 스폴링시험전의 겉보기 기공율19.2%가 내스폴링 시험후 35% 기공율로 큰 변화가 나타내고 있어 이는 내스폴링성에 약하며 불활성가스 취입시 계면압과 유량관리면에서도 불리함을 알 수 있다.

비교예(내공체 2, 3)

비교예는 내공체 1과는 달리 SiO₂를 전혀 사용하지 않고, 탄소(C)를 기존과 같게 하거나 4wt% 증가(22wt% → 26wt%) 시키고, SiC는 3wt%, 5wt%로 변화시켰으며, Al₂O₃량을 많게 변화시켜 물성치를 조사하였다.

그 결과 압축강도, 내식성은 양호하게 나타났지만, 열간선팽창율 증가에 따른 내스폴링성 저하로 스폴링시험(LP가스 가열 → 수냉반복시험)시 균열이 발생하였다.

실시예(내공체 4∼9)

본 실시예는 비교예(내공체 3)와 같이 탄소와 SiC를 고정시키고, AlN 첨가량을 5∼50wt% 범위내로 변화시키면서 Al₂O₃량을 조절하였다.

그 결과 기존(내공체 1)에 비해 선팽창율(%)은 높게 나타나고 있으나, 압축강도 및 곡강도 향상을 비롯한 스폴링 시험후 기공율 변화의 저감으로 내스폴링성이 월등히 향상되고 있으며, 또한 내침식성 역시 우수하였다.

또한 본 실시예는 비교예(내공체 3)에 비해 선팽창율의 저감, 내침식성 향상, 내스폴링시험에 따른 균열이 발생하지 않고, 내스폴링 시험후 기공율 변화의 저감 등에 따라 계면압과 유량관리면에서 유리함을 알 수 있는데, 이는 AlN 첨가량에 따른 결과라 할 수 있다.

비교예(내공체 10 및 내공체 15)

내공체 10과 15는 본 발명의 내공체 9와 같이 SiC와 Al₂O₃를 고정하고, 탄소와 AlN을 본 발명의 상,하 범위를 벗어난 상태에서 실시하였다.

그 결과 내침식성이 좋지 않음과 함께 내스폴링시험후 기공율이 크게 변화되고 있어 내스폴링성에 약함을 알 수 있다.

실시예(내공체 11∼14)

본 실시예는 SiC와 Al₂O₃를 내공체 10과 동일하게 고정시키되, 내공체 11, 12 및 13, 14는 탄소함량을 내공체 4∼9 보다 높게 하거나 낮게 하였고(즉, 하한치 6wt%와 상한치 36wt% 또한 내공체 13, 14는 AlN량을 많게(상한치에 근접)하여 실시한 것으로, 이는 탄소함량 및 AlN함량에 따른 영향을 조사한 것이다.

그 결과 표 2에 나타난 바와 같이, 압축강도 및 곡강도를 비롯한 선팽창율이 내공체 4∼9와 유사하거나 내침식성에서 큰 차이가 없으며, 기존(내공체 1)을 비롯한 비교예에 비해 내스폴링시험후 기공율 변화가 크지 않아 내스폴링성이 향상됨을 알 수 있었다.

이상에서와 같이 본 발명은 기존의 Al₂O₃- SiO₂- SiC - C계의 침지노즐 내화물에 대해 SiO₂대신 AlN을 사용함과 함께 탄소량을 조절함으로써, 강도향상을 비롯한 내침식성이 우수하고, 특히 내스폴링성의 향상과 알루미나 개재물 부착에 따른 노즐 내공막힘 현상의 제거 등으로 사용수명의 증대 및 주편품질을 좋게 할 수 있는 침지노즐 내공제를 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 본체 및 내공벽면체를 구비한 용강주조용 침지노즐에 있어서,

   내공벽면체 재질이 중량%로써, 질화알루미늄(AlN) 5∼70%, 탄소(C) 6∼36%, 탄화규소 4∼6% 이고, 나머지는 알루미나(Al₂O₃)로 조성됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.

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