KR100489015B1

KR100489015B1 - 쌍롤식 박판주조기용 냉각롤

Info

Publication number: KR100489015B1
Application number: KR10-2002-0052150A
Authority: KR
Inventors: 박철민; 강태욱; 문희경
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2005-05-11
Also published as: KR20040020541A

Abstract

본 발명은 주통로(11)내부에 중공원통형의 튜브부재(12)를 고정배치하며, 제 1연결통로(13)에 연통되는 제 1분배지역(14)을 외주면에 함물형성한 롤축(10a)과, 제 2분배지역(16)을 엔드플레이트(16a)로서 밀폐하고, 좌우양단의 제 2분배지역(16)을 연통하는 냉각수채널(17)이 일정간격을 두고 원주방향으로 형성되고, 구리소재로 이루어진 몸체외주표면에 니켈층이 코팅되는 중공원통형 슬리브(10b)로 이루어진 한쌍의 냉각롤(1)과, 상기 냉각롤(1)을 서로 반대 방향으로 회전시켜 주편(6)을 제조하는 쌍롤형 박판주조기에 있어서, 상기 슬리브(10b)의 냉각수채널(17)들은 상기 슬리브(10b)의 외경(D)에 대해서 95 내지 96.8% 에 해당하는 외경크기를 갖는 원형 가상선(P)을 따라 내경중심(C)들이 배치되도록 상기 슬리브(10b)에 형성되고, 상기 냉각수채널(17)의 내경(d)은 상기 슬리브(10b)의 외경(D)에 대하여 0.64 내지 1.667%의 크기로 갖추어지는 한편, 상기 냉각수 채널(17)사이의 간격(W)은 냉각수 채널(17)의 내경(D)에 대하여 95%의 크기로 형성되어, 열부하에 의한 응력과 변형을 최소화하여 사용수명을 연장하고, 주편표면에 리플현상이 없는 우수한 품질의 주편을 제조할수 있는 효과가 얻어진다.

Description

쌍롤식 박판주조기용 냉각롤{A COOLING ROLL FOR TWIN ROLL-STRIP CASTER}

본 발명은 수냉되는 냉각롤 사이로 용융된 금속을 주입하여 얇은 주편을 주조할 때 열부하에 의한 응력과 변형을 최소화하여 사용수명을 연장하고, 주편표면에 리플(ripple)현상이 없는 우수한 품질의 주편을 제조할수 있는 쌍롤식 박판주조기용 냉각롤에 관한 것이다.

일반적으로, 박판주조공정은 종래 주조공정에서 슬라브 혹은 박슬라브를 만든 후 이를 압연하여 철강판재를 만드는 대신에 용강으로 부터 직접 판재를 제조할 수 있는 기술로서 열간 압연공정 전체를 생략할 수 있는 획기적인 기술이다.

즉, 박판주조공정은 서로 맞물려 돌아가는 두개의 롤에 용강을 부어 응고시킴과 동시에 일정량의 열간 변형을 가해 1.4~4mm의 판두께를 갖는 철판재를 제조하는 방식이며, 극히 짧은 시간(0.2~0.6초)내에 모든 응고과정이 완료되어야 하고 고온의 용강이 이러한 급속 냉각 과정을 거치는 동안 롤의 전 폭에 걸쳐 균일한 응고와 형상이 확보되어야 하기 때문에 기계 또는 기계요소 설계가 매우 중요하다.

상기와 같은 박판주조공정에 채용되는 쌍롤식 박판주조기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 턴디쉬(3)의 용강을 침지노즐(4)을 통해 한쌍의 냉각롤(1)과 그 양측면에 부착된 에지댐(2)사이에 용강풀(5)을 형성하도록 용강을 공급하고, 서로 반대 방향으로 상기 냉각롤(1)을 회전시켜 롤과 용강의 접촉을 통해 롤내부로의 열유출에 의해 용강을 급속응고시켜 주편(6)을 제조하는 것이다.

도 1에서 미설명부호 7은 상기 용강풀(5)을 밀폐하는 매니커스실드이고, 8은 브러쉬롤이다.

그리고, 상기 냉각롤(1)은 도 2에 도시한 바와같이, 롤축(10a)과 그 길이중앙에 조립되는 중공원통형 슬리브(10b)로 구성되며, 상기 롤축(10a)의 중심부에는 일단이 개구되고, 타단이 밀폐되는 주통로(11)가 형성되고, 상기 주통로(11)에는 외부로부터 냉각수가 유입되는 입수통로(12a)와 냉각작용을 마친 냉각수가 배출되는 배수통로(12b)를 형성하도록 중공원통형 튜브부재(12)가 장착되며, 상기 롤축(10a)의 외주면에는 상기 입수통로(12a)로부터 방사방향으로 연장되는 제 1연결통로(13)에 연통되는 환고리형 제 1분배지역(14)을 함물형성한다.

그리고, 상기 롤축(10a)의 길이중앙부에 조립되는 슬리브(10b)의 양단부에는 상기 제 1분배지역(14)과 경사진 제 1연결통로(15)를 매개로 연통되는 제 2분배지역(16)을 환고리형으로 형성하고, 이는 환고리형 엔드플레이트(16a)로서 밀폐하는 한편, 상기 슬리브(10b)의 외주근방 몸체에는 좌우양단의 제 2분배지역(16)을 연통하여 냉각수가 일방향으로 흐르는 냉각수채널(17)이 원주방향으로 일정간격을 두고 복수개 형성되어 있다.

이에 따라, 상기 주통로(11)의 일단으로 유입되는 냉각수는 상기 입수통로(12a)를 통하여 상기 주통로(11)의 밀폐단까지 유입되고, 상기 배수통로(122b)의 길이중간에 형성된 분리패킹(18)에 의해서 냉각수의 흐름은 수직방향으로 제 1연결통로(13)를 통하여 제 1분배지역(14), 제 2연결통로(15), 제 2분배지역(16)까지 도달하게 되고, 상기 제 2분배지역(16)의 냉각수는 냉각수채널(17)을 통하여 반대편 제 2분배지역(16)까지 흐르게 되며, 상기 제 2분배지역(16)의 냉각수는 제 2연결통로(15), 제 1분배지역(14) 및 제 1연결통로(13)를 통하여 튜브부재(12)의 배수통로(12b)측으로 순환배출되도록 한다.

여기서, 상기 주통로(11), 제 1연통로(13), 제 1분배지역(14)이 형성되는 롤축(10a)은 일반 강 재질로 구성되며, 제 2연결통로(15), 제 2분배지역(16)이 형성되는 슬리브(10b)는 구리합금재질로 구성되는 한편, 상기 슬리브(10b)의 외주 표면층은 니켈로 코팅처리되어 구성된다.

한편, 매우 높은 온도의 용강과 냉각롤(1)의 외주면을 서로 접촉시키면서 용강을 응고시킴과 동시에 주편(6)에 압하력을 주어 바로 얇은 두께의 주편을 생산하는 쌍롤식 박판주조기(100)에서 주편형상을 결정하는 상기 냉각롤(1)의 중요성은 대단히 크다.

이에 따라, 상기 냉각롤(1)의 설계가 대단히 중요한 요소이므로 롤설계는 박판주조공정의 핵심이라 할 수 있다. 이러한 냉각롤(1)의 설계는 열응력 및 열변형 계산을 통하여 롤설계에 필요한 변수들을 선정하여야 하는데, 냉각롤이 용강과 접촉하는 동안에는 용강으로부터 매우 큰 열량이 냉각롤에 들어가므로 냉각롤표면 부근의 온도구배가 크게 됨에 따라, 열응력은 상당히 크게 발생한다.

그리고, 용강과 접촉하지 않는 동안 상기 냉각롤(1)은 냉각수 채널(17)을 통하여 일방향으로 흐르는 냉각수에 의한 열방출에 의해 냉각되는바, 이와 같이 상기 냉각롤(1)은 주조공정중 가열과 냉각을 반복하게 되고, 특히 냉각롤(1)표면인 슬리브(10b)는 가열과 냉각을 반복하는 온도폭이 크기 때문에 큰 값의 열응력이 반복적으로 바뀐다. 이로 인해 롤표면인 슬리브(10b)표면에 균열이 생길 수 있고. 균열이 생기면 그 균열이 주편의 표면에 그대로 전달되어 주편 표면품질을 나쁘게 하며, 심한 경우 냉각수의 누수위험까지 초래할 수 있다.

따라서, 조업의 안전과 표면품질을 좋게 하기 위해서 롤 표면 균열 가능성이 적도록 냉각롤을 설계하여야 하는데, 냉각롤(1)을 제작하는 것은 많은 제작비와 시간이 소요되며, 이러한 냉각롤(1)은 제작하여 사용했을 때 수명이 짧고 사용상 문제가 생긴다면 크나 큰 손실을 초래하기 때문에, 손실을 예방하고 사용했을 때 문제가 없도록 초기 설계때부터 신중하게 설계되어져야 한다. 이때, 냉각롤(1) 설계에서 가장 먼저 고려해야 하는 것은 롤에 가해지는 부하인데 부하에 따라 설계변수가 바뀔 것이다.

즉, 박판주조공정에서 냉각롤(1)에 가해지는 부하는 용강의 온도이며, 용강온도에 의해서 냉각롤(1)에 열응력이 발생하고 변형이 발생함에 따라, 상기 냉각롤(1)에 전달되는 열을 빨리 식혀야 하며, 이를 위해서 상기 냉각롤(1)에 냉각수를 투입시켜 롤을 냉각함에 따라, 상기 냉각롤(1)에 형성되는 냉각수채널의 배열이나 위치 및 크기등이 매우 중요한 변수가 된다.

미국특허 5651410호는 냉각롤에 대한 것으로 냉각하는 방식이나 냉각수 흐름의 경로 등에 대해 제안하였고, 미국특허 5010947호는 주편응고를 급속화하기 위한 방법을 제시하였다.

또한, 미국특허 5996680호는 롤 내부에 냉각방식을 지그재그 형태의 냉각을 함으로 팽창량을 조절하는 방법을 제시하였고, 미국특허 5887644호는 롤의 조립개념에 대하여 제시하였다.

그리고, 일본 특개평4-253551호는 롤의 냉각방법과 냉각수 방향 및 롤의 모서리부의냉각채널 모양을 변형시킨 특허에 관련된 것이고, 일본 특개평1-166862호와 특개소59-82149호는 롤의 본체 및 표면재질과 관련하여 제시하였다.

상기에서 언급한 발명들은 냉각롤(1)의 냉각 방식이나 재질 등에 관한 것이고, 냉각롤(1)의 냉각수채널(17)의 치수나 채널의 위치등의 형상 및 치수에 대해서 지금까지 언급한 기술은 개시되지 않고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 주조중 냉각롤몸체의 응력과 변형을 최소화하여 사용수명을 연장하고, 주조되는 주편표면에 리플(ripple)현상을 방지하여 우수한 품질의 주편을 제조할 수 있는 쌍롤식 박판주조기용 냉각롤을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로써, 본 발명은,

몸체중심부에 형성된 주통로 내부에 중공원통형의 튜브부재를 고정배치하며, 방사방향으로 연장되는 제 1연결통로에 연통되는 제 1분배지역을 외주면에 함물형성한 롤축과, 상기 제 1분배지역과 제 2연결통로를 매개로 연통되는 제 2분배지역을 엔드플레이트(16a)로서 밀폐하고, 좌우양단의 제 2분배지역을 연통하는 냉각수채널이 일정간격을 두고 원주방향으로 형성되고, 구리소재로 이루어진 몸체외주표면에 니켈층이 코팅되는 중공원통형 슬리브로 이루어진 한쌍의 냉각롤과, 그 양측면에 부착된 에지댐사이에 용강풀을 형성하고, 상기 냉각롤을 서로 반대 방향으로 회전시켜 주편을 제조하는 쌍롤형 박판주조기에 있어서,

상기 슬리브의 냉각수채널들은 상기 슬리브의 외경에 대해서 95 내지 96.8% 에 해당하는 외경크기를 갖는 원형 가상선을 따라 내경중심들이 배치되도록 상기 슬리브에 형성됨을 특징으로 하는 쌍롤형 박판주조기용 냉각롤을 마련함에 의한다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 쌍롤형 박판주조기용 냉각롤을 도시한 종단면도로서, 도시한 바와같이, 본 발명의 냉각롤(1a)은 대부분 기존 판매되는 열연코일의 폭에 맞추기 위해 약 1000~1350 mm 정도의 폭(W)을 가진다.

그리고, 상기 냉각롤(1a)은 열연용 롤과 다르게 용탕풀이 채워져 응고쉘을 형성시켜야 하므로 롤의 외경을 매우 크게 제작하며, 통상적으로 500~1500 mm 정도로 구성된다.

이러한 냉각롤(1a)에 외부 열하중을 받을 때 적은 열응력과 변형이 이루어져야 하며, 특히 변형측면에서 냉각롤(1a)이 약 5회전 정도 회전하고 나면 열적 평형상태가 이루어져 팽창의 양이 거의 줄어든다. 이를 위해서 냉각수채널(17)의 크기와 위치가 매우 중요하며, 상기 냉각롤(1a)을 구성하는 롤축(10a)과, 그 길이중앙부에 조립되는 슬리브(10b)의 재질도 또한 매우 중요한 요소이다.

즉, 상기 냉각롤(1a)의 롤축(10a)은 일반강 재질로 구성되고, 상기 슬리브(10b)는 열전도도가 좋은 구리합금으로 구성되며, 상기 슬리브(10b)의 외주표면은 구리합금을 보호하도록 니켈재질로 도금처리하는 방식으로 코팅된다.

이러한 구성을 갖는 냉각롤(1a)내에서 냉각수의 일방향으로 흐름을 안내하는 복수개의 냉각수 채널(17)들은 상기 슬리브(10b)의 외경(D)에 대해서 95 내지 96.8% 에 해당하는 외경크기를 갖는 원형 가상선(P)을 따라 내경중심(C)들이 배치되도록 상기 슬리브(10b)에 형성된다.

여기서, 상기 슬리브(10b)의 외경(D)은 상기 냉각롤(1a)의 외경과 동일하며, 상기 슬리브(1a)외경(D)의 중심(O)은 상기 원형가상선(P)의 중심과 일치하여야 한다.

그리고, 상기 슬리브(10b)의 외주면에 근접하여 몸체에 원주방향으로 형성되는 냉각수채널(17)의 내경(d)은 상기 슬리브(10b)의 외경(D)에 대하여 0.64 내지 1.667%의 크기로 갖추어지는 한편, 상기 냉각수 채널(17)과 인접하는 냉각수채널(17)간의 간격(W)은 가공에 존속되기 때문에 가능한 한 가까운 거리를 유지시키되 가공 가능한 범위 내에서 일정간격을 가져야 한다. 이에 따라, 상기 냉각수채널(17)간의 간격(W)은 상기 냉각수 채널(17)의 내경(D)에 대하여 약 95 %의 크기로 형성한다.

이러한 구성을 갖는 냉각롤(1a)에서의 냉각수흐름은 종래와 마찬가지로 상기 롤축(10a)에 형성된 주통로(11)의 일단으로 공급되면, 공급된 냉각수는 상기 주통로(11)내부에 설치된 튜브부재(12)에 의해서 형성된 입수통로(12a)를 통하여 제 1연결통로(13), 제 1분배지역(14), 제 2연결통로(15), 제 2분배지역(16)까지 전달되고, 상기 제 2분배지역(16)의 냉각수는 냉각수채널(17)을 통하여 반대편 제 2분배지역(16)까지 흐르면서 열방출을 하여 냉각롤(1a)을 냉각시키게 되는 것이다.

연속하여, 상기 냉각수채널(17)을 일방향으로 흐르면서 열교환된 냉각수는 상기와 반대로 반대편에 형성된 제 2연결통로(15), 제 1분배지역(14) 및 제 1연결통로(13)를 통하여 튜브부재(12)의 배수통로(12b)측으로 순환배출되는 것이다.

하기 표 1은 냉각수채널 형성위치, 냉각수채널 내경의 변화에 따른 슬리브몸체, 표면코팅층의 온도, 변형 및 응력을 나타낸 것이다.

슬리브외경 대비 냉각수채널 형성위치	93%	95%	95%	96%	98%
슬리브외경 대비 냉각수채널 내경크기	2%	1.667%	0.64%	0.64%	0.64%
슬리브표면층온도(니켈)	430℃	413℃	402℃	465℃	411℃
슬리브몸체온도(구리)	265℃	252℃	242℃	232℃	192℃
슬리브표면층변형(니켈)	0.157mm	0.145mm	0.137mm	0.147mm	0.104mm
슬리브몸체변형(구리)	0.149mm	0.138mm	0.130mm	0.137mm	0.091mm
슬리브표면층 응력(니켈)	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa
슬리브몸체 응력(구리)	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa	1.28⁹Pa

위의 계산 결과는 탄성해석을 한 경우의 결과이다. 그러나 실제로 탄소성 해석을 하여야 정확한 결과가 나올 수 있다. 탄소성 해석으로 하게 되면 응력은 니켈에서 약 1.5⁸Pa 이 되고 구리합금은 3.7⁸Pa이 될 것이다. 이는 각 재질의 항복 응력 값에 도달하는 것이다. 변형은 탄성해석이나 탄소성 해석의 결과가 비슷하게 나올 것이다. 그리고 온도 측면에서 구리는 석출 합금이기 때문에 350~400℃를 넘으면 합금의 물성치를 잃어버리게 되므로 넘지 않도록 하여야 한다.

응력과 변형율의 관계식(T. Altan, S.I. Oh and H.L. Gegel, Metal Forming-Fundamentals and Applications,1983년, pp.63)은 하기 식 1과 다음과 같다.

여기서, C(T)는 계수, m(T)는 변형율 민감도지수, T는 온도, Ts는 고상온도, TL은 액상온도이다.

상기 표 1의 결과에서 냉각수채널(17)의 형성위치가 냉각롤(1a)의 외경에 대하여 98%에 해당하는 원형가상선(P)을 따라 배치되고, 상기 냉각수채널(17)의 내경(d)이 냉각롤(1a)의 외경에 대하여 0.64%의 크기로 갖추어지면, 상기 식 1으로부터 슬리브 표면층과 몸체에서의 응력이나 온도 측면에서 다른 결과보다 양호한 결과를 얻을 수 있지만, 상기 냉각수채널(17)의 위치가 슬리브(10b)측에 너무 표면과 가까워 냉각수채널(17)의 직상부와 대응하는 주편에 대한 냉각효과에 비하여 냉각수채널(17)과 인접하는 냉각수채널(17)사이에서의 냉각효과가 상대적으로 낮아 온도 차이가 발생되기 때문에, 상기 슬리브(10b)의 외주면이 구불구불한 형상으로 변형되고, 이는 상기 슬리브외주면과 접하면서 응고쉘을 형성하여 제조되는 주편표면부에 구불구불한 형상을 전사하여 제품불량을 초래한다.

반면에, 상기 냉각수채널(17)의 형성위치가 냉각롤(1a)의 외경에 대하여 93%에 해당하는 원형가상선(P)을 따라 배치되고, 상기 냉각수채널(17)의 내경(d)이 냉각롤(1a)의 외경에 대하여 2%의 크기로 갖추어지면, 응력, 변형 및 온도 등의 결과가 다른 조건보다 높게 나오고, 특히 구리의 응력이 높게 나와 냉각롤(1a)의 피로수명 측면에서 좋지 않으므로 롤의 설계상 적절한 조건이 아니라고 판단된다.

이에 따라, 상기 냉각수채널(17)의 형성위치는 냉각롤(1a)의 외경에 대하여 93 내지 98%, 바람직하게는 95 내지 96%사이에 해당하는 원형가상선(P)을 따라 배치되고, 상기 냉각수채널(17)의 내경(d)은 냉각롤(1a)의 외경에 대하여 0.64 내지 2%, 바람직하게는 0.64 내지 1.667%사이의 크기로 갖추어지는 것이 좋다. 그리고, 상기 냉각수 채널(17)의 간격(W)도 상기 냉각수 채널(17)의 내경(D)의 95%에 해당하는 크기로 형성되는 것이 좋다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 슬리브의 표면에 근접하도록 폭방향으로 형성되어 냉각수가 일방향으로 흐르는 냉각수채널의 형성위치 및 크기를 냉각롤의 외경과 동일한 슬리브외경에 상관하여 구성함으로서, 같은 조건, 같은 열 부하에 있어 용강과 접하여 열교환이 이루어지는 슬리브몸체와 슬리브표면층의 응력과 변형을 최소화하여 냉각롤의 사용수명을 연장하고, 주조롤사이로 빠져나오면서 주조되는 주편표면상에서의 리플(ripple)현상을 방지하여 품질이 우수한 주편을 제조할수 있는 효과가 얻어진다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기를 도시한 구성도,

도 2는 일반적인 쌍롤식 박판주조기에 채용되는 냉각롤을 도시한 횡단면도,

도 3은 본 발명에 따른 쌍롤식 박판주조기용 냉각롤을 도시한 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1,1a ..... 냉각롤 2 ........ 에지댐

10a ...... 롤축 10b ...... 슬리브

11 ....... 주통로 12 ....... 튜브부재

12a ...... 입수통로 12b ...... 배수통로

13 ....... 제 1연결통로 14,16 .... 제 1,2분배지역

17 ...... 냉각수채널 P ........ 원형가상선

D ....... 내경 W ........ 간격

Claims

몸체중심부에 형성된 주통로(11)내부에 중공원통형의 튜브부재(12)를 고정배치하며, 방사방향으로 연장되는 제 1연결통로(13)에 연통되는 제 1분배지역(14)을 외주면에 함물형성한 롤축(10a)과, 상기 제 1분배지역(14)과 제 2연결통로(15)를 매개로 연통되는 제 2분배지역(16)을 엔드플레이트(16a)로서 밀폐하고, 좌우양단의 제 2분배지역(16)을 연통하는 냉각수채널(17)이 일정간격을 두고 원주방향으로 형성되고, 구리소재로 이루어진 몸체외주표면에 니켈층이 코팅되는 중공원통형 슬리브(10b)로 이루어진 한쌍의 냉각롤(1)과, 그 양측면에 부착된 에지댐(2)사이에 용강풀(5)을 형성하고, 상기 냉각롤(1)을 서로 반대 방향으로 회전시켜 주편(6)을 제조하는 쌍롤형 박판주조기에 있어서,

상기 슬리브(10b)의 냉각수채널(17)들은 상기 슬리브(10b)의 외경(D)에 대해서 95 내지 96.8% 에 해당하는 외경크기를 갖는 원형 가상선(P)을 따라 내경중심(C)들이 배치되도록 상기 슬리브(10b)에 형성됨을 특징으로 하는 쌍롤형 박판주조기용 냉각롤.
제 1항에 있어서,

상기 냉각수채널(17)의 내경(d)은 상기 슬리브(10b)의 외경(D)에 대하여 0.64 내지 1.667%의 크기로 갖추어짐을 특징으로 하는 쌍롤형 박판주조기용 냉각롤.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 냉각수 채널(17)사이의 간격(W)은 냉각수 채널(17)의 내경(D)에 대하여 95%의 크기로 형성됨을 특징으로 하는 쌍롤형 박판주조기용 냉각롤.