KR100380742B1 - 연속주조용침지노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기 제동장치(이하, "EMBR"이라 함)를 가진 만곡형 연주기에 설치되는 침지노즐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주형 단변부를 향해 형성된 용강토출구의 개구폭이 노즐반경방향으로 외측으로 갈수록 증가함으로써, 이로부터 토출된 용강의 제트류 두께가 빠르게 증가하여 용강의 진행속도를 감소시키고 이에 의해 개재물의 부상시간을 더 많이 확보함에 의해 주편의 품질을 향상시키는 연속주조용 침지노즐에 관한 것이며,

전자기 제동장치(EMBR)를 갖추어 주형 단변부로 토출되는 용강의 흐름을 제어하는 연주기에 설치되고, 상기 주형 단변부방향으로 용강을 토출시키도록 일정폭(a)으로 개구된 용강토출구를 갖춘 침지노즐에 있어서, 상기 용강토출구(12)는 용강의 제트류(Z) 두께를 증가시키어 용강의 진행속도를 감소시키도록 주형의 두께방향(Y)으로 확산각도(2θ)만큼 크게 개구되는 구성을 제공한다.

Description

연속주조용 침지노즐{IMMERSION NOZZLE FOR THE CONTINUOUS CASTING}

본 발명은 전자기 제동장치(이하, "EMBR"이라 함)를 가진 만곡형 연주기에 설치되는 침지노즐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주형 단변부를 향해 형성된 침지노즐 용강토출구의 개구폭이 노즐반경방향으로 외측으로 갈수록 증가됨으로써 그로부터 토출된 용강의 제트류 두께가 빠르게 증가하도록 하여 용강의 진행속도를 감소시키고 이에 의해 개재물의 부상시간을 더 많이 확보함에 의해 주편의 품질을 향상시킬 수 있는 연속주조용 침지노즐에 관한 것이다.

강의 연속주조법은 1960년대 이후 세계적으로 도입되고 있는 중간제품생산기술로서, 일반 조괴법에 비하여 많은 장점이 있기 때문에 현재 전세계 조강 생산량의 60％ 이상을 차지하고 있으며, 특히 일본, 한국, 서유럽 등지에서는 90％ 이상이 이러한 연속주조기술에 의하여 슬라브를 생산하고 있다. 연속주조방법은 발명된 이후 끊임없이 새로운 기술이 추가되어, 초기 형태와는 매우 다르게 변모해 왔다. 특히, 다양한 제품생산 및 설비비 저감을 목적으로 연주기의 높이가 점차 낮아졌는데, 초기에는 응고의 시작부터 완료까지 수직 형태인 수직형 연주기였던 반면에, 현재는 응고시작점에서부터 특정곡률반경으로 주편을 구부려 수평으로 인출시키는 만곡형 연주기(100)(도1a 참조)로 발달하였다.

그러나, 이러한 만곡형 연주기(100)에 의해 생산된 주편(150)의 내측에는 상부표면 바로 아래측에 개재물 집적대(160)가 형성되는바, 이는 노즐(110)에서 투입된 개재물이 용강(150)의 유동에 휩쓸려 미응고주편 하부까지 내려갈 때 용강유동에 의한 영향과 중력과 반대방향으로 작용하는 부력의 영향에 의해 나선형으로 회전하면서 상승하여 응고쉘(140)의 곡률부 내측면에 부착되는 것에 기인하는 것이고, 이렇게 주편의 내측 상부표면에 집적된 개재물들은 압연과정을 거치면서 표면으로 노출되어 제품의 표면결함으로 나타나거나, 혹은 강판내부에 내재해 있다가 소둔등의 열처리과정을 거치면서 팽창에 의한 블로우홀(Blow Hole)등 내부결함으로 나타나게 되는 문제를 가진다. 미설명부호(130)은 주형을 나타낸다.

종래에는 이러한 문제점을 해결하면서 주편의 품질을 향상시키기 위하여, 도 1b에 도시한 바와같이, 연주기(100A)에 적정길이의 수직부(170)를 설치함으로써 주편 하부로 내려간 개재물이 재순환될 때에도 응고쉘에 부착되지 않고 탕면으로 부상분리될 수 있도록 하는 기술을 사용하였다. 그러나, 이러한 수직부(170) 설치방법은 설비의 전체높이를 증가시켜 경제적인 측면에서 바람직하지 못하였다.

최근에는 설비의 큰 변화를 초래하지 않으면서 비교적 간단한 방법에 의해 용강을 제어하는 방법이 사용되는바, 이는 도2에 도시한 바와같이 침지노즐(110) 주위 국소부위에 전자기 제동장치(미도시함)(Electromagnetic Brake Ruler, 'EMBR')를 설치함으로써 자기장에 의한 로렌쯔력을 이용하여 용강(150)의 흐름을 제어하는 것이다(스웨덴 특허 SE 8,003,695, SE 9,100,184; 미국특허 US 4,495,984, US 5,404,933; 일본 특개평 2-284750; 대한민국 특허출원 제97-72370, 98-31788호).

그러나, 이와같이 직류전자기장을 이용한 최근의 방법들은 개재물들의 침투깊이를 감소시키거나, 침투되는 개재물의 수를 감소시켜서 주편의 품질을 개선시키고자 하는 방법이므로, 주편 하부로 침투된 개재물의 제어에는 한계가 존재하게 된다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서 그 목적은, 침지노즐의 용강토출구를 통하여 주형 단변부측으로 토출되는 용강에 의해 형성되는 제트류 두께가 빠르게 증가하도록 하여 용강의 진행속도를 감소시키고 이에 의해 개재물의 부상시간을 더 많이 확보할 수 있도록 한 연속주조용 침지노즐을 제공하는데에 있다.

도1a 및 1b는 일반적인 만곡형 연주기에서의 개재물 거동을 설명하기 위한 모사도

도2는 일반적인 만곡형 연주기에서의 용강유동을 설명하기 위한 유동모식도

도3은 일반적인 만곡형 연주기에 전자기 제동장치를 사용하여 용강유동을 제거하는 경우의 용강유동을 설명하기 위한 유동모식도

도4a 및 4b는 종래기술에 따른 침지노즐의 형상을 도시한 도면 및 그에 의한 용강 제트류 형상을 도시한 유동평면모식도

도5a 및 5b는 본 발명에 따른 침지노즐의 형상을 도시한 도면 및 그에 의한 용강 제트류 형상을 도시한 유동평면모식도

도6은 슬라브 폭을 10등분하고 각각 등분된 구간에서 집적된 개재물들의 수에 대한 다양한 경우(전자기제동을 실시하지 않은 경우, 전자기제동을 이용한 경우, 본 발명의 노즐인 경우)의 수치해석결과이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 ... 침지노즐 12 ... 용강토출구

130 ... 주형 131 ... 단변부

150 ... 용강 Z ... 제트류

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 전자기 제동장치(EMBR)를 갖추어 주형 단변부로 토출되는 용강의 흐름을 제어하는 연주기에 설치되고, 상기 주형 단변부방향으로 용강을 토출시키도록 일정폭으로 개구된 용강토출구를 갖춘 침지노즐에 있어서,

상기 용강토출구는, 용강의 제트류 두께를 증가시키어 용강의 진행속도를 감소시키도록 주형의 두께방향으로 확산각도만큼 크게 개구된 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐을 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2에서 도시한 바와같이, 연속주조시 연주기(100B)의 침지노즐(110)에서 토출된 용강은 주형(130)의 단변부(131)를 향하여 제트류(Z)를 형성하게 된다(도2a참조).

그런데, 이 제트류(Z)는 주형(130)의 단변부(131)에 충돌하면서 상승류(U)와 하강류(D)로 나뉘어지며, 또한 이는 4가지 형태의 순환류(U1)(U2)(D1)(D2)로 나뉘어지고, 이때 노즐(110)에서 단변부(132)로 진행되는 용강의 속도는 제트류(Z)의 두께(제트두께)(210)와 밀접한 관계가 있으며, 용강과 함께 토출된 개재물의 속도도 이와 관련이 있다.

그리고, 개재물(180)은 용강(150)에 비하여 상대적으로 작은 밀도를 가지고 있으므로, 진행하면서 지구 중력과 반대방향의 부력을 받게 되어, 개재물은 용강에 의한 힘과 부력의 합력벡터방향으로 진행한다.

따라서, 용강이 느리게 진행할수록 개재물이 부력을 받는 시간이 더욱 확보되어, 노즐(110)에서 주형(130)의 단변부(131)로 진행되면서 탕면으로 보다 많이 상승하게 된다.

이와같은 원리에서 전자기력 제동장치(190)를 갖춘 연주기(100C)(대한민국 실용신안등록출원 제98-31788)가 고안되어 개시되었는데, 이 장치가 연속주조에 사용될 경우, 용강(150)은 도3에 나타낸 바와같이 주형(130)의 두께방향으로 제트두께(210A)가 크게 증가하며, 용강유속이 급격하게 감소하여 개재물이 단변부(131)로 가면서 부상될 시간이 많이 확보됨으로써, 개재물 부상능 향상에 효과가 있다.

그러나, 용강이 주형 두께방향으로 확산되어, 제트두께(210A)가 충분히 커질때까지는 어느정도 확산거리(200)가 필요하게 된다. 이는 유동평면모식도인 도4b에서 보는바와같이 970㎜정도로 협폭인 슬라브 생산시에는 제트류(Z)가 충분히 확산되기까지는 슬라브 폭의 단부근처까지 진행되어야 하므로, 개재물이 부상될 충분한 시간을 확보하지 못하는 것이며, 따라서 개재물이 부상될 시간을 더 확보하기 위하여는 이러한 제트두께가 충분히 커질때까지 필요한 확산거리를 줄이는 것이 필요하다.

본 발명자등은 이러한 문제를 해결하기 위하여 용강이 침지노즐로부터 토출될때부터 확산되어지기 시작하여 보다 빠르게 제트류(Z) 두께가 증가하도록 하였는바, 이는 도 5a에서 도시한 바와같이, 침지노즐(10)의 용강토출구(12) 각각은 침지노들(10)의 반경방향으로 외측으로 갈수록 그 개구폭이 점차적으로 증가하도록 형성되는 것에 의해 가능하다.

그리고, 이러한 침지노즐(10)의 용강토출구(12)에 대한 형상은 도 4a에서 도시한 종래의 침지노즐(110)이 노즐의 반경방향에 대하여 일정폭(a)으로 개구된 용강토출구(112)를 가지는 것과 비교된다.

즉, 도 5a에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 침지노즐 용강토출구(12)는 종래 용강토출구(112)의 개구폭(a)에 비하여 토출되는 용강이 초기부터 양측으로 적정한 각도(θ) 만큼 확산되면서 토출되어 결과적으로는 도 5b에서 도시한 바와같이 용강 제트류(Z)의 확산각을 크게 함으로써, 용강이 주형 단변부 방향으로 보다 느리게 진행되며, 그 속에 포함된 개재물은 부력을 받을 시간을 더욱 많이 확보되게 된다.

또한, 본 발명에 따른 침지노즐(10)의 용강토출구(12)에 종래의 폭(a) 양측으로 형성된 용강 확산각도(θ)는 0°보다 크게 형성되면서 그 확산각도(θ)가 60°이상보다는 크지 않아야 하는데, 이는 상기 용강토출구(12)의 확산각도(θ)가 60°이상인 경우에는 유동의 박리가 일어나면서 바람직한 제트류의 형성이 곤란하여 개재물 향상능에 큰 효과가 관찰되지 않으므로 바람직하지 않다.

본 발명의 침지노즐에 대한 성능을 보다 정량적으로 살펴보기 위하여, θ= 15°인 경우에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고, 주형내 용강유동변화를 도 5b에 도시하였고, 주편내 개재물분포를 도 6에서 나타내었다.

이때, 도 5b에서 살펴보면, 본 발명에 따른 개구폭이 증대된 용강토출구(12)를 갖춘 침지노즐(10)의 사용으로 주형 두께방향(Y)으로 용강이 더 빨리 확산됨을 육안으로 판단할 수 있었으며, 시험에 의해 종래의 침지노즐(110)과 비교하여 주편 폭(970/1570mm)별로 정량적인 특성을 살펴보았는데, 그 결과는 다음과 같다.

즉, 970㎜인 경우에 대하여, 종래의 침지노즐(110)에 있어서는, "(확산거리)/(슬라브폭/2) > 1"의 관계를 가지는데 반하여, 본 발명의 침지노즐(10)에 있어서는, "(확산거리)/(슬라브폭/2)0.45"의 관계를 가졌으며, 1570㎜인 경우에 대하여, 종래의 침지노즐(110)에 있어서는, "(확산거리)/(슬라브폭/2)0.5"의 관계를 가지는데 반하여, 본 발명의 침지노즐(10)에 있어서는, "(확산거리)/(슬라브폭/2)0.25"의 관계를 가짐을 알 수 있었다.

이는, 본 발명의 침지노즐(10)을 사용할 경우 종래의 침지노즐(110)을 사용하는 경우에 비하여, 용강이 주형 두께방향(Y)으로 충분하게 확산되는데 필요한 확산거리가 약 55％ 이상 줄어들었음을 알 수 있었다.

그리고, 도 6에서 슬라브의 폭을 10등분하고 각각 등분된 구간에서 집적된 개재물들의 수에 대한 수치해석결과를 도시하였는데, 그 가로축은 슬라브폭을 나타내며, 세로축은 개재물들의 수를 나타낸다.

상기 도 6에서와 같이, 종래의 노즐(110)을 사용하면서 전자기 제동을 이용하지 않은 경우에 비하여 종래의 노즐(110)을 사용하면서 전자기 제동을 이용한 경우에 약 35％의 개재물 저감효과를 보이는 반면, 본 발명의 침지노즐(110)을 사용하면서 전자기 제동을 이용한 경우에 약 60％ 이상의 개재물 저감효과를 보임을 알 수 있었다.

상술한 바와같이 본 발명에 따른 연속주조용 침지노즐에 의하면, 용강토출구를 용강이 토출되면서 확산하도록 노즐반경방향으로 그 개구폭을 크게 형성함으로서, 용강이 주형 두께방향으로 충분하게 확산됨에 따른 확산거리가 크게 줄어들게 되며, 이는 주형의 단변부로 향하는 용강의 유동속도를 감소시켜 개재물의 부상분리능이 향상되고, 따라서 주편내 개재물 집적현상이 급격히 저감되어, 주편내부 결함이 감소되는 효과를 제공한다.

Claims (2)

1. 전자기 제동장치(EMBR)를 갖추어 주형 단변부로 토출되는 용강의 흐름을 제어하는 연주기에 설치되고, 상기 주형 단변부방향으로 용강을 토출시키도록 일정폭(a)으로 개구된 용강토출구를 갖춘 침지노즐에 있어서,

   상기 용강토출구(12)는, 용강의 제트류(Z) 두께를 증가시키어 용강의 진행속도를 감소시키도록 주형의 두께방향(Y)으로 확산각도( 2θ)만큼 크게 개구된 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐
2. 제 1항에 있어서, 상기 용강토출구(12)의 개구폭 증가정도를 나타내는 상기 확산각도(θ)는 60°보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐