KR100409201B1 - 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조공정에서 주형으로 용강을 배출하는 노즐이 막히는 것을 방지하는 장치 및 그 방법에 있어서, 전자기 초음파의 진동을 이용하여 노즐 막힘을 방지하는 노즐막힘 방지장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 연속주조 설비인 턴디쉬에서 주형으로 용강을 배출하는 노즐 내부에 불순물이 부착되어 노즐이 막히는 것을 방지하는 노즐막힘 방지장치에 있어서, 상기 노즐 외부의 원주를 따라 설치되며 직류전원이 공급되는 다수 개의 제 1 코일(32, 36)과, 상기 다수 개의 제 1 코일(32, 36) 사이에 위치하여 교류전원이 공급되는 제 2 코일(34)을 포함하며, 상기 제 1 코일(32, 36)에 의해 정자장이 노즐의 길이방향으로 인가되고, 상기 제 2 코일(34)에 의해 유도전류가 형성되며, 상기 유도전류의 방향과 상기 정자장의 상호관계에 의해 상기 노즐 내부를 지나는 용강이 진동하는 것을 특징으로 하는 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치가 제공된다.

Description

전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치 및 그 방법{Anti-clogging apparatus of nozzle and its method with the ultrasonic waves vibration of electromagnetism }

본 발명은 연속주조공정에서 용강을 주형에 배출하는 노즐이 막히는 것을 방지하는 노즐막힘 방지장치 및 그 방법에 관한 것이며, 특히, 간접적인 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치 및 그 방법에 관한 것이다.

도 1은 연속주조공정을 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 노즐과 주형을 상세히 나타낸 상세도이며, 도 3은 종래의 기술에 따른 초음파 진동 인가방법에 의한 노즐의 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연속주조 공정을 보면 래들(Ladle)(10)안에 용해된 용강(1)은 턴디쉬(Tundish)(20)로 배출되고, 용강(1)은 다시 턴디쉬(20)에서 주형(Mold)(40)으로 배출되며 살수 냉각대(60)에서 냉각되어 압연된다. 한편, 턴디쉬(20)에서 주형(40)으로 공급된 용강(1)은 초기 응고층(50)을 형성하기 시작하고 살수 냉각대(60)에서 완전히 응고되어 단면이 사각형 모양의 블룸(Bloom)또는 슬래브(Slab)로 제조된다. 이런 연속주조 공정에서 용강(1)이 턴디쉬(20)에서 주형(40)으로 공급될 때 공기와 접하여 산화되는 것을 방지하기 위해 노즐(30)을 이용하여 주형(40)으로 공급한다.

그러나, 주조 중에 노즐(30)의 내벽에는 불순물인 지금 및 개재물(31)이 부착되는데, 이는 유체역학적으로 노즐(30)의 내벽에서 용강(1)의 유속이 거의 없어 용강(1)이 응고하거나 지금 및 개재물(31)이 부착되기 좋은 조건을 가지기 때문이다. 그리고, 화학적으로 지금 및 개재물(31)은 용강(1)의 젖음성보다 큰 젖음성을 가지는 노즐내화물(6)의 벽면에 부착되어 개재물에 의한 노즐막힘을 유발하며, 또한, 열적으로는 용강(1)의 열이 노즐(30)의 벽을 통하여 외부로 발산되므로 온도가 낮아져 지금 및 개재물 층이 부착 성장하게 되고, 이로 인해 노즐막힘 현상이 발생한다.

이와 같은 노즐막힘 현상을 방지하기 위해 종래의 방법으로는 아르곤가스(Ar) 취입방법, 용손형 노즐 사용방법, 단열노즐 사용방법, 유도가열방법, 초음파진동 인가방법 등이 있다.

아르곤가스 취입방법은 내측이 다공질이며 외측은 조직이 치밀한 노즐내화물의 중간부에 슬릿이 노즐의 길이방향으로 형성되고, 이런 슬릿을 통해 아르곤가스를 취입하면 아르곤가스는 내측벽의 다공질 내화물을 통해 용강으로 취입된다. 따라서, 아르곤가스 취입방법은 배출되는 아르곤가스에 의해 지금 및 개재물이 노즐의 내벽으로부터 분리되는 방법으로 현재 가장 많이 사용하고 있는 방법 중에 하나이다.

그러나, 아르곤가스 취입방법은 다연연주 공정에서 장시간 동안 주조를 시행하게 되면 노즐과 용강이 반응하여 반응층이 생기므로 가스를 차단하거나 표면조도를 저하시켜 개재물이 부착 누적되어 노즐막힘현상이 발생하게 되므로 아르곤가스 취입방법 외에 부가적으로 다른 노즐막힘 방지방법이 필요하게 된다.

용손형 노즐을 사용하는 방법은 개재물과 노즐 재질이 반응하여 저융점화합물을 형성하도록 개재물의 조성에 따라 노즐의 재질을 달리하여 용강과 함께 주형으로 배출되도록 제작된 노즐을 사용하는 노즐막힘 방지방법이다. 그러나, 이 방법은 개재물성 노즐막힘에는 효과가 있으나, 지금성 노즐막힘에는 효과가 없고 고가라는 단점이 있다.

그리고, 단열노즐 사용방법은 노즐 내부에 형성된 아르곤가스 슬릿을 빈 공간으로 두어 단열하거나 혹은 세라믹으로 채워 단열 슬릿으로 만들어 아르곤가스를 취입하지 않은 상태에서 노즐을 통해 노즐 외부로 전달되는 열을 최소화시키는 노즐을 사용하는 것으로서, 이런 단열노즐 사용방법에서는 지금성 노즐막힘 방지에는 다소 효과가 있으나, 개재물성 노즐막힘 방지에는 효과가 없는 단점이 있다.

유도가열방법은 노즐의 주위에 고주파 유도코일을 설치하여 노즐 내에 지금 및 개재물을 용해하도록 하는 장치이나, 핀치효과(Pinch effect)에 의해 노즐 중심부의 개재물이 노즐 벽측으로 이동하여 용강의 유속을 가속시키는 단점이 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 아르곤가스관에 초음파진동발생부가 설치된 초음파 진동 인가방법은 "일본국 특개소 58-151949호"에 기재되어 있으며, 이런 초음파 진동 인가방법은 노즐내화물(6)의 중간부에 형성된 슬릿(3)에 연결된구리관(4)에 초음파진동발생부(5)가 설치되어 아르곤가스를 배출함과 동시에 노즐에 진동을 가하는 방법으로 노즐(30)의 개재물 및 지금의 부착을 노즐의 진동과 아르곤가스의 취입으로 억제하는 방법이다.

그러나, 이런 초음파 진동 인가방법은 초음파 진동이 노즐벽면에 전달되므로써, 지금 및 개재물의 부착을 억제할 수 있으나 노즐 자체의 내구성이 저하하여 노즐내화물이 탈락 또는 손상을 주어 노즐의 수명을 단축시킨다.

종래에는 앞에서 설명한 노즐막힘 방지방법을 사용하여 노즐의 막힘을 방지하였으나, 이런 방법은 노즐막힘 방지의 효과가 낮거나, 노즐의 손상 등의 문제가 발생하였다.

한편, 노즐이 막히면 주조작업은 중단된다. 설사, 강제적으로 주조작업을 수행한다 하더라도 용강이 노즐로부터 배출됨에 있어 불균일하게 배출되어 주형 내의 용강탕면(54)의 변화로 인한 용강탕면(54)상의 주형용제(52)가 혼입되어 용강을 오염시키거나 노즐막힘물질 자체가 박리하여 용강을 오염시키기도 하여 제품의 품질을 저하시키는 주요인이 된다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 전자기 초음파의 진동을 이용하여 노즐 막힘을 방지하는 노즐막힘방지장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 연속주조공정을 나타낸 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 노즐과 주형을 상세히 나타낸 상세도이고,

도 3는 종래의 기술 중의 한 실시예인 초음파 진동인가방법에 따른 노즐의 우측 단면도이고,

도 4는 초음파 진동을 노즐내화물에 인가하는 것과 인가하지 않는 것을 시뮬레이션한 상태를 나타낸 개략도이고,

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기 초음판 진동을 이용한 노즐막힘방지장치의 원리를 나타낸 개략도이고,

도 6은 도 5에 도시된 노즐막힘방지장치에 의해 용강의 진동을 나타낸 개략도이며,

도 7은 본 발명의 노즐막힘방지장치에서 AC/DC 인덕터(inductor)의 수와 위치관계를 나타낸 개략도와, 그에 따른 지금 및 개재물의 부착량을 나타낸 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 용강 5 : 초음파진동발생부

6 : 노즐내화물 7 : 알루미나 캐스터블

10 : 래들 20 : 턴디쉬

30 : 노즐 31 : 지금 및 개재물

32, 34, 36 : 코일 40 : 주형

50 : 용강의 초기 응고층 60 : 살수 냉각대

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 연속주조설비인 턴디쉬에서 주형으로 용강을 배출하는 노즐 내부에 불순물이 부착되어 노즐이 막히는 것을 방지하는 노즐막힘 방지장치에 있어서, 상기 노즐 외부의 원주를 따라 설치되며 직류전원이 공급되는 다수 개의 제 1 코일과, 상기 다수 개의 제 1 코일 사이에 위치하여 교류전원이 공급되는 제 2 코일을 포함하며, 상기 제 1 코일에 의해 정자장이 노즐의 길이방향으로 인가되고, 상기 제 2 코일에 의해 유도전류가 형성되며, 상기 유도전류의 방향과 상기 정자장의 상호관계에 의해 상기 노즐 내부를 지나는 용강이 진동하는 것을 특징으로 하는 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치가 제공된다.

또한 본 발명에 따르면, 연속주조 설비인 턴디쉬에서 주형으로 용강을 배출하는 노즐 내부에 불순물이 부착되어 노즐이 막히는 것을 방지하는 노즐막힘 방지방법에 있어서, 상기 노즐의 길이방향을 따라 정자장(Bo)을 형성하는 단계와, 상기 노즐의 원주 방향을 따라 시계방향과 반시계방향으로 유도전류(Jt)를 유도하는 단계와, 상기 정자장과 상기 유도전류가 하기의 식 1의 관계로 상호작용하여 상기 노즐 내부를 지나는 용강을 진동시키는 힘(Ft)으로 작용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지방법이 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치 및 그 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 4는 초음파 진동을 노즐에 직접 인가하는 것과 간접 인가하는 것을 비교하여 나타낸 상태도이며, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기 초음판 진동을 이용한 노즐막힘방지장치를 나타낸 개략도이고, 도 6은 도 5에 도시된노즐막힘 방지장치에 의해 용강에 진동이 가하는 원리를 나타낸 개략도이며, 도 7은 본 발명의 노즐막힘 방지방법에서 직류코일과 교류코일의 수와 위치관계에 따른 지금 및 개재물 부착량 지수를 나타낸 그래프이다.

먼저, 도 4에서는 본 발명의 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지방법을 시뮬레이션한 것으로서, 도 4의 (a)는 스테인레스 욕조(8)에 물을 채우고 노즐내화물(6)에 알루미나 캐스터블(Alumina Castable)(7)을 도포시켜 건조한 후에 물속에 침지하며, 도 4의 (b)는 노즐내화물(6)에 알루미나 캐스터블을 도포하고 건조한 후에 초음파진동 발생부(5)를 설치하여 진동을 노즐내화물(6)에 직접 인가하며, 도 4의 (c)는 노즐내화물(6)에 알루미나 캐스터블을 도포하고 건조하여 물속에 침지하고 초음파진동 발생부(5)를 욕조에 설치하여 초음파 진동을 노즐내화물(6)에 간접 인가한다. 그리고, 초음파진동발생부에 전원을 공급하여 400W, 28KHz의 진동을 발생시킨다.

그러면, 도 4의 (a)의 경우에는 캐스터블(7)이 노즐내화물(6)에 그대로 부착되어 있고, 진동을 직접 인가한 (b)와 간접 인가한 (c)의 경우에는 노즐내화물(6)에 도포된 캐스터블(7)이 완전히 제거된다. 그러나, 진동을 직접 인가한 (b)의 경우에는 노즐내화물 자체도 초음파 진동에 의해 탈락되어 노즐내화물(6)의 표면이 부서진다. 이는 초음파 진동을 노즐내화물을 통해 직접 인가하므로써, 초음파 진동에너지가 노즐내화물의 계면에 집중되었기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 용강을 진동하는 간접 인가방식을 택하였다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전자기 초음파 진동을 이용한노즐막힘방지장치는 노즐내화물(6)의 중간부에 원주를 따라 상하에 각각 1개씩 설치되며 직류전원이 공급되는 직류코일(32, 36)과, 상하의 직류코일(32, 36)의 사이에 설치되며 교류전원이 공급되는 교류코일(34)을 포함한다.

한편, 이런 직류코일(32, 36)에 직류전원을 공급하면 노즐(30)의 길이방향으로 정자장(Bo)이 인가되고, 교류코일(34)에 교류전원을 공급하면 노즐(30)의 원주방향을 따라 유도전류(Jt)가 유도된다. 그리고, 교류전원에 따라 유도전류의 방향은 시간에 따라 시계방향과 시계 반대방향으로 번갈아 가며 변화한다. 이와 동시에, 교류 자기장(Bt)도 노즐(30)의 길이방향을 따라 상부와 하부로 번갈아 가며 자기장이 발생한다.

교류 자기장(Bt)은 수학식 1과 같다.

여기에서, Bo는 벽에서의 교류 자기장의 피크치이고, r은 노즐의 내경 반지름이고, δ는 전자기 표면깊이이며, ψ(J.B)는 유도전류와 교류자기장의 위상차이다.

그리고, 유도전류(Jt)는 수학식 2와 같다.

여기에서, Jo는 벽에서의 유도전류의 피크치이다.

이와 같이, 직류 정자장과 교류자장에 의하여 유도된 유도전류(Jt)가 상호 작용하여 힘(Ft)이 발생하며, 주파수에 따라 주기적으로 변하는 힘(Ft)의 방향에 따라 진동으로 발생한다.

힘(Ft)은 수학식 3으로 계산된다.

한편, 유도전류는 전자기표면깊이(δ)내에서만 발생하며, 노즐(30)의 내벽 쪽에서 가장 높으므로 전자기 진동 또한 표층 즉, 용강(1)과 노즐내화물(6)이 접하는 부위에서 주로 집중된다. 따라서, 지금 및 개재물이 부착되는 노즐(30)의 벽쪽에 진동의 집중에 의해 지금 및 개재물의 부착을 방지한다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 도 7의 (a)는 노즐에 코일이 설치되지 않는 경우이며, 도 7의 (b)는 노즐내화물의 중간 상부에는 직류코일을 설치하고, 중간부에는 교류코일을 설치한 경우이며, 도 7의 (c)는 도 6에서와 같이, 상하부에 직류코일이 설치되며, 중간부에 교류코일이 설치된 경우이다. 그리고, 도 7의 (a),(b),(c)의 각각의 경우에 노즐 내부면에 부착되는 지금 및 개재물의 정도를 측정하였다. 그래프에 나타낸 바와 같이, 도 7의 (a)의 경우에 부착되는 지금 및 개재물의 량을 100이라는 지수로 보면, (b)는 75이며 (c)는 49이다.

이 때, 교류코일은 용량이 2.2KW, 50Hz, 0~12600 AT(Ampere turns)이며, 직류코일은 0~50000AT의 용량을 가진다. 시험조건으로, 교류코일의 자기장 세기는 5600AT이고 직류코일의 자기장 세기는 10000AT이다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘방지장치 및 그 방법은 지금 및 개재물이 노즐 내부면에 부착되는 것을 방지하며, 노즐내화물의 손상이 거의 없다.

따라서, 용강의 조성성분을 정확하게 할 수 있으며, 노즐의 손상을 방지하여 노즐의 수명을 연장할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치 및 그 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

1. 연속주조 설비인 턴디쉬에서 주형으로 용강을 배출하는 노즐 내부에 불순물이 부착되어 노즐이 막히는 것을 방지하는 노즐막힘 방지장치에 있어서,

   상기 노즐 외부의 원주를 따라 설치되며 직류전원이 공급되는 다수 개의 제 1 코일과,

   상기 다수 개의 제 1 코일 사이에 위치하여 교류전원이 공급되는 제 2 코일을 포함하며,

   상기 제 1 코일에 의해 정자장이 노즐의 길이방향으로 인가되고, 상기 제 2 코일에 의해 유도전류가 형성되며, 상기 유도전류의 방향과 상기 정자장의 상호관계에 의해 상기 노즐 내부를 지나는 용강이 진동하는 것을 특징으로 하는 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지장치.
2. 연속주조 설비인 턴디쉬에서 주형으로 용강을 배출하는 노즐 내부에 불순물이 부착되어 노즐이 막히는 것을 방지하는 노즐막힘 방지방법에 있어서,

   상기 노즐의 길이방향을 따라 정자장(Bo)을 형성하는 단계와,

   상기 노즐의 원주 방향을 따라 시계방향과 반시계방향으로 유도전류(Jt)를 유도하는 단계와,

   상기 정자장과 상기 유도전류가 하기의 식 1의 관계로 상호작용하여 상기 노즐 내부를 지나는 용강을 진동시키는 힘(Ft)으로 작용하는 단계를 포함하는 것을특징으로 하는 전자기 초음파 진동을 이용한 노즐막힘 방지방법.

   식 1은 힘(Ft)= 정자장(Bo)×유도전류(Jt)이다.