KR100407802B1 - 슬릿형 주형을 이용한 알루미늄 전자기 연속주조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기 연속주조 기술에 있어서, 슬릿형 주형을 이용하여 알루미늄 및 그 합금을 전자기 연속주조하기 위한 기술에 관한 것이다. 본 발명의 전자기 연속주조 장치는 주형을 둘러싼 고주파 유도 코일에 전류를 인가하여, 주형에 형성된 다수의 슬릿을 통하여 전자기력을 작용하게 하고, 이와 동시에 주형의 외부에서 냉각수 분사 노즐을 이용하여 냉각수를 분사하여 냉각시킴으로써 주편의 표면 결함을 없애고 빠른 속도로 주조할 수 있다. 전자기 연속주조 장치는 주파수가 50Hz∼200,000Hz인 500A∼10,000A 범위의 전류를 사용하여 표면 결함이 없는 주편을 효율적으로 제조하며, 주형에 형성하는 슬릿은 주형 상부에서 고온에서 상부의 변형을 막고 몰드가 견고하게 설치될 수 있는 길이 만큼 떨어진 부분부터 주형 하부의 주조 방향으로 가공하고, 그 폭을 0.3mm ±0.2mm으로 하여, 전자기장이 용탕에 효율적으로 인가될 수 있도록 한다.

Description

슬릿형 주형을 이용한 알루미늄 전자기 연속주조 장치 {DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC CASTING OF ALUMINIUM USING SLITED MOLD}

본 발명은 알루미늄 전자기 연속주조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면 결함이 없는 주편을 고속으로 생산할 수 있도록 슬릿형 주형을 이용하여 알루미늄을 전자기 연속주조하는 방법에 관한 것이다.

연속주조 공정은 용해된 금속을 주형에 연속으로 주입하고 응고시켜서 소성 가공의 소재가 되는 잉곳(ingot)을 비교적 길게 만드는 제조 공정으로서, 보통 수냉 주형에 의하여 급속 냉각되기 때문에 제조품의 성질이 우수하고, 연속 공정이므로 산출률이 높으며, 주조 제품을 바로 단조하거나 임팩트하므로 공정 단축에 따른 소재 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.

특히 알루미늄의 경우, 용융점(658℃)이 낮아 연속주조에 적합하며, 연속주조 공법을 사용하는 경우 응고 속도가 빠르므로 결정립이 미세하며, 재결정이나 결정립 성장이 없는 조직을 만들 수 있다.

종래의 알루미늄 연속주조 공정에는 DC법(direct chill ingot casting, 직냉 주괴 주조법)이 있는데, 이는 주조 후 금속을 응고시키면서 점차 강하하는 짧은 주형 속에 용탕을 주입하여 판재나 인발용 주괴를 연속 제조하는 것으로, 대형 슬라브(slab)(두께 300mm~500mm)를 제조한 다음 표면 결함을 제거하기 위하여 슬라브 표면을 50mm~100mm 정도 스카핑(scarfing)한 후 압연하여 박판을 생산하는 공정이다. 또한 빌렛(billet)을 DC법으로 연속주조하여 표면을 스카핑한 후 압출하여 봉 및 선재를 제조하기도 한다.

또 다른 종래의 알루미늄 연속주조 공정에는 수평 주조법(horizontal continuous casting)이 있는데, 이는 연속주조 공정이 대부분 수직으로 행해지는 것으로 인한 결점, 특히 철강인 경우 건물이 높아야 하고 이에 따른 설비비의 부담이 커지기 때문에, 에너지 절약 측면에서 수평으로 연속주조 공정을 실시할 수 있도록 한 것이다. 수평 주조법으로 알루미늄을 가공하는 경우, 두께 300mm~400mm의 후판(厚板)을 제조한 후 표면을 약 50mm정도 스카핑하여 10mm이하의 박판을 제조한다.

이 외에도 실용신안등록출원 공개번호 제98-040522호등에는 쌍롤법으로 박판을 직접 주조하는 알루미늄 연속주조 공정을 개시하고 있는데, 이는 용탕 공급 장치를 통하여 각각의 롤 표면으로 공급된 동종 또는 이종 용융 금속이 롤과의 접촉을 통해 응고되면서 롤 하부로 작용하는 약간의 압력에 의하여 각각의 융액이 합쳐져 응고 완료되어 제조되는 공정에 관한 것이다.

이러한 종래의 알루미늄 연속주조 공정에서는 주편의 표면에 생긴 균열(crack)등의 결함을 제거하기 위하여 주편의 표면을 스카핑하거나 연마(grinding)해야 하기 때문에 소재의 손실이 수반되므로 생산성이 저하되고, 공정 지연 및 인력 손실로 인하여 원가가 상승하는 문제점이 있으며, 쌍롤법을 이용하는 경우에는 표면에 많은 결함이 발생하고 이에 따른 스카핑 또는 연마 작업을 실시해야 하므로 비용이 상승하고 고급재로 사용할 수 없다는 문제점을 지니고 있다.

도 4에 도시한 종래의 연속주조 장치의 개략도와 같이, 이러한 표면 결함은 일반 주조시 주형(1)과 내화물로 이루어진 핫탑(hot-top)(8)을 이용하여 용융 금속을 주입하는 경우, 주형(1), 용탕(2) 및 핫탑(8)이 만나는 교차점(9)에서 용융 금속이 불균일하게 응고하기 때문에 발생한다.

이러한 표면 결함을 해소하기 위하여 전자기 연속주조법(electromagnetic casting, EMC법)이 개발되었는 데, 이 방법은 비중이 가볍고 전기 전도도가 좋은 소재에 전자기장을 인가하여, 주형 대신에 전자기력에 의하여 슬라브를 무주형(moldless) 주조 형태로 주조하는 것이다.

EMC법은 전자기장에 의한 전자기력과 주울(Joule)열을 이용하여 주조 과정 중 소재에 발생하는 표면 결함을 방지하는 기술로서, 그 원리는 다음과 같다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 고주파 교류 전류가 흐르는 코일(51)을 설치하여 자기장을 발생시키고 이 자기장 내부에 금속등 전도성 물체를 두면 금속에 유도 전류가 발생한다. 이 때 전도성 물체에 자기장과 유도 전류에 의하여 로렌쯔력(Lorentz force)이 작용함과 동시에 유도 전류에 의한 주울열이 발생하는 데, 이러한 주울열과 전자기력을 용탕(2) 부분에 인가함으로써 응고셸을 서냉시키고 표면 결함이 없는 주편을 생산할 수 있다.

전자기 연속주조법은 주조 생산성을 높이고, 전체적으로 철강 제품 제조 공정의 소요 에너지를 절약할 수 있는 기술로서, 이 방법을 사용하는 경우 주조 표면이 미려해지고, 직접 수냉시키므로 결정 조직이 미세해진다는 이점이 있다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 종래의 전자기 연속주조법에서는 코일(51)에 인가된 전기 자기장으로 용탕면(11)을 가열하고 전자기력으로 주형 없는 주편 형상을 유지하므로 주편 표면을 획기적으로 개선하여 주편의 표면 결함을 상당히 줄일 수 있다.

그러나 주형 없이 전자기장으로 용탕면(11)을 유지하기 때문에 용탕면(11)이 불안정하여 자장 스크린(10)으로 용탕면(11)을 안정화시켜야 하므로 고속으로 주조할 수 없다는 단점이 있다. 또한 주형을 사용하지 않고 주조하기 때문에 주조된 주편의 전체적인 형상이 일정하지 않고 굴곡이 있어서 후속 공정을 수행하는 데 많은 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 알루미늄 또는 그 합금을 연속주조시 특수 제작된 주형을 이용하여 용탕면 부분에 전자기장을 인가하고 주편의 외부에서 냉각수 분사 노즐을 이용하여 냉각수를 분사함으로써 초기 응고셸을 완전히 냉각시켜, 표면 결함이 없는 주편을 고속으로 생산할 수 있는 알루미늄 또는 그 합금의 연속주조 장치를 제공하는 것이다.

이와 같이 형성된 본 발명의 알루미늄 또는 그 합금을 연속주조하기 위한 장치는 주형에 슬릿을 가공함으로써 알루미늄 주조시에 전자기장이 잘 침투되고, 주형 외부에 전자기장을 인가할 수 있는 코일을 설치하여 용탕면을 유도 가열하며, 전자기압으로 주형과 응고셸간의 접촉압을 감소시킨다. 또한 알루미늄의 용융점이 낮아 냉각수를 분사하여 주형의 외부를 냉각할 수 있으므로, 일반 철계 합금의 연속주조시 주형내에 냉각수 채널을 설치해야 하는 주형 제작의 곤란함에 따른 부담을 덜 수 있다.

본 발명에 의한 알루미늄 전자기 주조 장치를 사용하여 알루미늄 또는 그 합금을 연속주조할 경우 주조시에 발생할 수 있는 각종 표면 결함을 제거할 수 있고, 주조 속도를 증가시켜 주조-압연 직결 공정을 실현할 수 있으며, 제품의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 연속주조 설비를 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 알루미늄 연속주조 기술의 개념도이다.

도 2는 본 발명의 알루미늄 연속주조 기술의 모식도이다.

도 3은 본 발명의 주형에 형성된 슬릿의 정면도이다.

도 4는 종래의 알루미늄 연속주조 기술의 개념도이다.

도 5는 종래의 알루미늄 전자기 연속주조 기술의 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 주형(mold) 2 : 용탕

3 : 고주파 유도 코일 4 : 슬릿(slit)

11 : 용탕면 12 : 주편

21: 플랜지 23: 볼트 구멍

25 : 냉각수 분사 노즐

본 발명은 알루미늄 또는 그 합금을 연속으로 주조하는 장치에 있어서, 용융 금속의 주조 방향으로 형성되고 주형의 중심축에 대하여 점대칭인 다수의 슬릿으로 분할된 주형과, 상기 주형의 외부 표면 및 코일의 상하단에 설치되어 상기 주형을 냉각하기 위한 냉각수 분사 노즐, 그리고 상기 주형의 외부에 형성된 고주파 유도 코일을 포함하며, 상기 코일에 전류를 인가하여 주형의 슬릿을 통하여 전자기력을 작용하고, 냉각수 분사 노즐을 통하여 용융 금속을 냉각시키는 알루미늄 및 그 합금의 연속주조 장치를 그 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 연속주조 장치에서, 코일의 위치는 코일 상부에서는 슬릿이 노출되는 길이가 코일 폭과 같은 길이이고, 코일 하부에서는 슬릿이 노출되는 길이가 코일 폭의 2배 이상이 되도록 주형의 외부에 배치하며, 코일의 전류 인가 범위는 주파수가 50Hz∼200,000Hz이고, 상기 전류값이 500A∼10,000A이다.

또한, 주형에 형성된 슬릿은 코일 폭의 4배 이상 길이로 형성되도록 하고, 주형 상부에서 고온에서 상부의 변형을 막고 몰드가 견고하게 설치될 수 있는 길이 만큼 떨어진 부분부터 주형 하부의 주조 방향으로 슬릿을 가공하며 그 폭은 0.3mm ±0.2mm으로 한다.

본 발명에 따른 새로운 전자기 연속주조 기술 방법을, 도면을 참조하여 자세하게 설명한다. 또한, 종래의 전자기 연속주조 기술과 동일하거나 대응하는 부분에 동일한 참조 번호를 사용하여 그 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 전자기 연속주조 기술의 개념도이다. 고주파 유도 코일(3)에 전류를 인가하면 슬릿으로 분할된 주형에 자기장이 (B)방향으로 유도되고 이 자기장에 의하여 전류가 (J)방향으로 유도된다. 고주파 유도 코일(3)에 인가하는 전류의 범위는 주파수를 50Hz∼200,000Hz으로 하며, 그 크기는 500A∼ 10,000A이다. 이와 같은 범위의 전류를 사용하는 경우, 효율적으로 주울 가열 및 전자기력을 이용할 수 있어서, 보다 품질이 좋은 주편(12)을 얻을 수 있다.

이 전류는 슬릿(4)으로 분할된 특수 주형(1)을 통하여 주형(1) 내부의 용탕(2)에 유도 자기장과 전류를 발생시킨다. 이렇게 유도된 전류는 용탕(2)을 주울 가열(Joule heating)할 뿐만 아니라 자기장과 작용하여 용탕(2)에 (F)방향으로 전자기력을 발생시킨다. 본 발명은 이러한 주울 가열과 전자기력을 이용하는 것을 특징으로 하고 있다.

도 2에 본 발명에 따른 알루미늄 전자기 연속주조 장치의 개략도를 나타낸다. 도 2에서는 용탕면을 안정하게 유지하고 주조 속도를 높이기 위하여, 길이 방향으로 슬릿(4)이 형성된 주형(1)을 나타내고 있다. 이와 같은 주형(1)의 구조에 따라 전자기장이 슬릿(4)을 통하여 용탕(2)에 효율적으로 인가될 수 있다. 즉 주형(1)에 전자기장을 인가하면, 인가된 자기장은 구리(Cu)로 이루어진 주형의 표피 효과 때문에 구리로 된 주형(1)의 외부에만 코일 전류 방향의 반대 방향으로 유도되며 주형 내부의 금속에는 인가되지 않는다. 따라서 주형(1)에 슬릿(4)을 형성하면 슬릿(4)을 통하여 고주파 유도 코일(3)에 인가된 전류로 인한 자기장이 주형(1)내의 용탕(2)에 유도된다. 이와 같이 유도된 자장 및 전류에 의하여 주형(1)내의용탕(2)이 가열되며 용탕(2)의 중심 방향으로 작용하는 전자기력이 발생한다. 전자기력은 주형(1)과 접촉하는 용탕(2)의 용탕면(11)(도 1에 도시)의 곡률을 크게 하여, 용융 플럭스(flux)의 유입을 개선함과 동시에 응고셸과 주형간의 접촉압을 감소시킨다. 주울 가열에 의하여 용탕(2)의 표면이 집중적으로 가열되므로, 얇은 초기 응고셸이 용탕면(11)(도 1에 도시)의 하부에서 형성되면서 오실레이션 마크(oscillation mark)의 근원이 되는 훅(hook)의 발생이 억제될 뿐만 아니라 응고 불균일과 급냉에 의한 결함이 발생하지 않는다. 또한 주울열은 주편과 주형간에 존재하는 플럭스의 고상화를 지연시키는 역할을 하므로, 이로 인하여 응고셸과 주형간의 열전달이 촉진될 뿐만 아니라 열전달의 폭 방향 편차도 감소된다.

도 3은 본 발명에 따른 슬릿(4)이 가공된 주형(1)을 정면에서 본 도면이다. 주형(1)에 형성된 슬릿(4)은 용융 금속의 주조 방향으로 형성되고 주형의 중심축(A)에 대하여 점대칭으로 형성된다. 그리고 이러한 슬릿은 원통형 주형(1)일 경우 6 내지 24개 정도를 형성시키고 바람직하게는 12개를 형성시킨다. 주형(1)의 주조 방향으로 형성된 슬릿(4)의 폭과 길이는 주편 품질에 큰 영향을 미치는 데, 본 발명에서는 고온에서 상부의 변형을 막고 몰드가 견고하게 설치될 수 있도록 주형(1) 상부로부터 주조 방향인 아래 방향으로 7mm∼13mm, 바람직하게는 약 10mm 떨어진 부분부터 고주파 유도 코일(3) 폭의 4배 이상 길이로 슬릿을 가공한다. 주형(1)의 외부에 배치되는 코일의 위치는 고주파 유도 코일(3) 상부에서 보아 슬릿(4)이 노출되는 길이(L)가 고주파 유도 코일(3) 폭(L)과 같은 길이 정도로 하고, 고주파 유도 코일(3) 하부에서 보아 슬릿(4)이 노출되는 길이(2L)는 고주파 유도 코일(3) 폭(L)의 2배 이상으로 한다. 이러한 슬릿(4)은 주형의 끝까지 형성될 수도 있고, 도 3에 나타낸 바와 같이 주형의 끝까지 형성되지 않고 주형의 끝단 직전까지 형성될 수도 있다. 주형(1)에 형성되는 슬릿(4)의 폭은 0.3mm ±0.2mm로 하여 자기장이 주형(1)내의 용탕(2)에 보다 효율적으로 유도될 수 있도록 한다. 그리고 주형(1)의 상부에는 주형(1)을 외부 설비(미도시)에 고정시킬 수 있도록 플랜지(21)가 형성되어 있고 이러한 플랜지(21)에는 외부 설비와 결합될 수 있도록 볼트 구멍(23)이 형성되어 있다. 이상 설명한 본 발명의 주형은 원통형으로 제조한 경우를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 단면이 사각형 또는 직사각형 등과 같은 형태에서도 동일한 개념을 적용할 수 있다.

그리고 본 발명의 주형(1)은 용융점이 낮은 알루미늄 및 그 합금을 연속주조하는 특성상, 일반 철계 합금의 연속주조시와는 달리 주형(1) 내부에 냉각수 채널을 두지 않고 주형 외부에 설치된 냉각수 분사 노즐(25)에 의하여 냉각수를 분사(5)하여 냉각시킨다. 따라서 주형 내부에 냉각수 채널을 형성해야 하는 제작상의 부담을 덜 수 있다.

본 발명은 앞서 기재한 바와 같은 구성을 통하여 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 연속주조 주편의 표면 품질을 높이고 주조 속도를 향상시킬 수 있으며, 표면 결함이 발생하여 연속주조하기 어려운 합금을 연속주조 공정으로 생산할 수 있다. 전자기력은 주형과 접촉하는 용탕면의 곡률을 크게 하여, 용융 플럭스의 유입을 개선함과 동시에 응고셸과 주형간의 접촉압을 감소시킨다. 또한 주형 내에 냉각수채널을 형성할 필요 없이 주형 외부에서 냉각수 분사 노즐을 사용하는 바, 냉각수 채널을 포함하는 주형의 제작상의 부담을 덜 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 청구 범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 많은 다른 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (6)

1. 알루미늄 또는 그 합금을 연속으로 주조하는 장치에 있어서,

   용융 금속의 주조 방향으로 다수의 슬릿이 형성된 주형,

   상기 주형의 외부 중 일부를 휘감아 둘러싸도록 배치되며, 상기 다수의 슬릿을 통하여 상기 용융 금속에 전자기력을 가하는 고주파 유도 코일 그리고

   상기 주형의 외부 표면 및 상기 고주파 유도 코일의 상하단에 설치되어 상기 용융 금속을 냉각하는 다수의 냉각수 분사 노즐

   을 포함하며,

   상기 다수의 슬릿은 상기 주형의 중심축에 대하여 대칭으로 형성되며, 상기 슬릿의 폭은 0.3mm±0.2mm인 것을 특징으로 하는 알루미늄 연속주조 장치.
2. 제1항에서,

   상기 슬릿의 길이는 상기 고주파 유도 코일이 휘감긴 폭의 4배 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 연속주조 장치.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 고주파 유도 코일의 휘감긴 폭은 상기 고주파 코일 상부측의 슬릿 노출 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 알루미늄 연속주조 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제