KR100514812B1 - 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤에 관한 것으로 그 목적은, 대구경의 광폭 주조롤 슬리브부분에 형성되는 냉각홀을 최소직경으로 다열로 형성시킴으로서, 박판 주조시 주조롤의 표면에서 중심부로 전달되는 열유속을 최대한 감소시키도록 하는 데에 있다.

따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중심부의 샤프트(7)와 그 외곽으로 열박음되는 슬리브(6)로 구성된 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 있어서, 상기 주조롤(3)은 1000-2000mm의 폭을 갖는 광폭 주조롤로 구성되고, 상기 주조롤의 슬리브 표면층 하부에는 10-20mm의 직경(D)의 냉각홀(8)(8')들이 제공되고, 상기 냉각홀(8)(8')들은 냉각홀의 직경보다 크고 서로 동일한 간격(H)으로 2 열로 형성된 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤을 제공한다.

Description

냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤{WIDE CASTING ROLL WITH HIGH COOLING EFFECT}

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조기에 관한 것으로 보다 상세히는, 쌍롤식 박판주조공정에서 사용되는 광폭 주조롤의 슬리브 표면층 하부에 소정의 직경과 간격을 두고 2열의 냉각홀들을 배열 설치함으로서, 용강이 접촉하여 주편을 제조하는 회전하는 한쌍의 주조롤 특히, 대구경의 광폭 주조롤의 슬리브부분에 형성되는 냉각홀을 최소직경으로 다열로 형성시킴으로서, 박판 주조시 주조롤의 표면에서 중심부로 전달되는 열유속을 최대한 감소시키도록 한 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤에 관한 것이다.

일반적으로 박판의 주조방법에는 용강을 턴디쉬를 통하여 연속주조방법으로 슬라브를 제조하고, 이를 압연 및 사상작업을 거쳐 박판으로 제조하는 연속주조방법과, 회전하는 쌍롤과 에지댐사이에 직접 투입된 용강의 풀을 통하여 주조롤로서 슬라브의 압연 및사상 작업없이 직접 주편(박판)을 제조하는 쌍롤식 박판주조방법이 있는데, 상기 후자는 연속주조방식의 여러공정을 거치지 않으면서도 박판을 직접 제조할 수 있어 원가측면에서 상당한 비용절감이 가능하고 공정을 줄일 수 있어 이와 같은 쌍롤식 박판주조방식에 대한 집중적인 연구가 진행되고 있다.

이와 같은 일반적인 쌍롤식 박판주조기는 도 1에서 도시하고 있다.

즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 일정속도로 회전하는 2개의 주조롤(3)사이에 용강 저장용기의 하측으로 설치된 침지노들(1)을 통하여 용강(2)이 공급되어 주조롤(3)과 그 양측의 에지댐으로서 형성되는 용강풀을 통하여 공급된 용강(2)이 주조롤(3)과 접촉하여 응고쉘(4)을 형성하면서 주조롤(3)이 회전함에 따라 롤 최근접점에서 주편(5)을 주조하는 것이다.

이때, 상기 용강(2)을 주편(5)으로 주조하기 위한 응고쉘(4)의 형성은 주조롤(3)과 용강(2)의 접촉시 냉각되면서 발생되므로 상기 주조롤(3)의 냉각이 중요한 박판주조의 기술이 된다.

즉, 도 2에서는 상기 주조롤(3)의 냉각구조를 개략적으로 도시하고 있는데, 용강이 저장된 저장용기의 하측 노즐(1)로부터 공급된 용강(2)이 주조롤(3)의 표면측의 슬리브(6)에 원주방향으로 다수개 형성되어 냉각수가 흐르는 냉각홀(8)에 의하여 냉각되는데, 이때 상기와 같은 주조롤(3)의 냉각효율은 상술한 바와 같이 박판주조기의 생산성을 결정하게 되고, 따라서 현재에는 주조롤(3)의 표층부 슬리브부분을 열전도도가 좋은 구리를 사용하는 것이 바람직하지만 비용문제를 감안하여 슬리브(6)부분만 구리 또는 구리합금을 사용하고, 그외의 주조롤(3)의 나머지 부분 즉, 샤프드부분은 상대적으로 가격이 저렴한 일반강 또는 합금강을 사용하고, 이와 같은 주조롤(3)의 슬리브(6)와 샤프트(7)는 열박음을 통해 조립된다.

그리고, 상기 주조롤(3)의 샤프트(7)의 중심부에도 냉각수가 흐르는 냉각홀(9)이 형성되어 있다.

한편, 상기와 같은 박판주기에서 주조롤(3)의 열전달 측면을 고려하면 상술한 주조롤(3)의 재질뿐 만 아니라 덧분여서, 주조롤(3)의 냉각홀 특히, 슬리브(6)부분에 원주를 따라 형성되어 용강(2)의 냉각에 직접적인 영향을 미치는 냉각홀(8)의 구조에 따른 냉각수 흐름이 주조롤(3) 표면의 응고 균일성과 주조중 주조롤(3)의 열팽창량을 결정짓는 중요한 변수가 된다.

즉, 주조롤(3)의 재질은 대부분의 경우 열전도도가 좋은 구리 또는 구리합금을 사용하고 있기 때문에 주조롤(3)의 열전달 효율을 결정짓는 중요한 변수는 롤 슬리브(6)에 위치하는 냉각홀(8)의 적절한 배열이며 냉각수 배열의 변수로는 냉각홀(8)의 직경, 개수 및 롤표면으로부터 떨어진 거리등을 들수 있다.

이중 냉각홀(8)과 롤표면으로부터 떨어진 거리는 롤표면과 가까울수록 좋으나 동일한 개념이 기존의 연주 몰드에서도 적용되고 있으므로 대략 15~50 mm 정도의 거리를 사용하고 있는 것이 일반적이다.

따라서 주조롤(3)의 냉각효율을 지배하는 주요변수는 도 3에서 도시한 바와 같이, 냉각홀(8)의 직경과 개수라고 볼수 있으며 가능한한 롤표면을 통해 흡입된 열량이 냉각홀(8)을 통해 전량 빠져나가는 것이 바람직한데, 이를 위하여는 작은 냉각홀(8)이 촘촘하게 배열되는 것이 가장 이상적이다.

실제로 주조롤(3)의 폭이 500 mm 이하인 소형 규모에서는 냉각홀(8)의 직경이 수mm 에 불과하고 냉각홀(8)사이의 간격도 수 mm 로 하여 가공하여 사용하는 경우가 많다.

그러나, 상업용 광폭 주조롤 즉, 생산성의 확보를 위해 주조롤(3)의 폭이 1m ~ 2m 에 이르는 광폭 주조롤(3)에 있어서는 냉각홀(8)을 가공함에 있어 많은 어려움이 있는데, 즉 냉각홀(8)의 크기를 살펴보면 수mm 직경을 지닌 냉각홀(8)의 가공은 거의 불가능하다.

이는 냉각홀(8)을 가공하는 심혈(深穴) 작업시 문제가 발생하기 때문이며 일반적으로 가공이 가능한 폭/심혈직경의 적정값이 존재하기 때문이며 이 값을 넘어서 가공하게 되면 심혈가공시 직진도의 보장이 어려워 가공에 문제가 발생할 경우에는 고가의 롤 슬리브를 손상시킬 위험성이 있다.

따라서, 일반적으로 폭/심혈직경 의 적정값은 100~150 정도로 알려져 있으며 폭이 2m 인 광폭 주조롤의 경우는 냉각홀(3)의 직경(D)은 20 mm 에 가깝다.

결국, 이러한 큰 냉각홀의 효과적인 열전달을 위해서는 국내 실용신안 출원 제 39357 에 개시된 바와 같이 냉각홀(8)내에 삽입물(insert)을 넣어 열전달 계수값을 증가시키는 경우도 있다.

또한, 심혈가공시 또 하나의 제약은 냉각홀(8)과 냉각홀(8)간의 간격(도 3의 H로 나타냄)인데, 그 간격이 작은 경우에 균일한 용강(2)의 응고측면에서 바람직하나, 냉각홀간격(H)을 너무 작게 하는 경우에는 심혈가공시 편심이 발생하게 되어 심한 경우는 옆의 구멍쪽으로 뚫고 나가게 되는 등의 심각한 문제가 발생하게 된다.

따라서, 안정적인 냉각홀(3)의 심혈가공을 위해서는 냉각홀 크기 만큼의 냉각홀간격을 확보하는 것이 바람직한데, 이는 냉각홀(8)의 직경(D)이 커질 수록 냉각홀(8)의 간격도 자연적으로 커지게 될 수 밖에 없기 때문이다.

한편, 냉각홀(8)의 간격이 넓어지게 되면 롤표면에서 용강이 응고되면서 롤 내부로 들어오게 되는 열유속(도 5의 F)의 상당부분을 롤 표면근처의 냉각홀(8)에서 흡수를 못하게 되며 냉각홀(8)사이를 통해 롤 내부로 빠져 나가게 되는 현상이 발생한다.

따라서, 도 3에서 도시한 바와 같이, 주조롤 슬리브(6)의 재질을 열전도도가 좋은 구리인 경우 특히 빠져나가는 열유속(F)이 커지게 되며 냉각홀(8) 사이로 빠져나가는 열유속(F)은 결과적으로 슬리브 전체의 온도를 상승시키게 되고, 이러한 슬리브(6)의 온도상승은 슬리브(6)의 롤 표면방향으로의 열팽창량을 증가시켜 롤 전체 열팽창에 의한 크라운량 증가를 초래하여 주조롤(3)의 열팽창현상이 정상화 되는데 많은 시간이 소요될뿐만 아니라, 심한 경우에는 샤프트(7)와 슬리브(6) 조립시 적용하였던 열박음 온도에 가깝게 되어 국부적인 탈착이 발생하여 샤프트(7)와 슬리브(6)사이의 경계면에서 냉각수가 누수되는 사고가 발생될 위험이 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선시키기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 쌍롤식 박판주조공정에서 사용되는 광폭 주조롤의 슬리브 표면층 하부에 소정의 직경과 간격을 두고 2열의 냉각홀들을 배열 설치함으로서, 쌍롤식 박판주조공정시 광폭 주조롤의 경우 롤의 슬리브 표면하층의 냉각홀사이의 간격이 확대됨에 따라 냉각홀사이로 빠져나가는 열유속을 효과적으로 방지하여 열량감소에 따른 슬리브의 팽창을 감소시키어 슬리브의 온도 상승으로 인한 샤프트와의 열박음이 취약하게 되면서 냉각수가 누수되는 것을 미연에 방지시키고, 특히 주조롤의 열평형이 안정적으로 짧은 시간에 이루어 지도록 하여 주편 형상을 안정화시키는 한편, 광폭의 주조롤을 안정적으로 제작 및 상업적으로 사용할 수 있도록 한 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 중심부의 샤프프와 그 외곽으로 열박음되는 슬리브로 구성된 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 있어서, 상기 주조롤은 1000-2000mm의 폭을 갖는 광폭 주조롤로 구성되고, 상기 주조롤의 슬리브 표면층 하부에는 10-20mm의 직경의 냉각홀들이 제공되고, 상기 냉각홀들은 냉각홀의 직경보다 크고 서로 동일한 간격으로 2 열로 형성된 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤을 제공한다.

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이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤을 도시한 요부도이다.

도 4에서는 본 발명인 주조롤(3) 즉, 주조롤(3)의 냉각홀 구성을 도시하고 있는데, 먼저 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기의 박판주조기에서 사용되는 주조롤(3)은 중심에 냉각수(11)가 흐르는 냉각홀(9)이 형성되는 스틸 샤프트(7)와 그 외주연에 박판주조시 열전달이 우수한 구리 또는 구리합금으로 된 용강(2)의 접촉부분인 슬리브(6)가 열박음으로 조립된다.

이때, 본 발명에서의 주조롤(3)은 다음에 상세하게 설명하겠지만, 그 폭이 상당히 큰 1000 - 2000mm 인 광폭 주조롤이며, 그리고 상기 주조롤 슬리브(6)의 표면층 하부에는 도 3에서와 같이 종래 1열로 형성시킨 냉각홀(8)을 서로 동일한 간격(H)으로 이격된 상태로 홀의 위치가 정삼삭형을 이루는 다열 즉, 2열의 냉각홀(8)(8')을 형성시킨다.

한편, 상기 냉각홀(8)(8')을 2열로 형성시키는 이유는 다음의 실시예에서 상세하게 설명하겠지만 2열과 3열은 열효과에서 별 차이가 없기 때문이고, 이때 중요한 것은 상기 냉각홀(8)(8')들인 일정한 직경(D) 즉, 주조롤(3)의 폭에 따라 10-20mm 로 형성시킨다.

따라서, 상기 주조롤(3)에 형성되는 냉각홀(8)(8')의 간격은 가공여유 즉, 냉각홀(8)(8')의 직경보다 작을 수 없고, 동시에 주조롤(3)의 직경을 감안하면 적정한 냉각홀(8)(8')의 수가 결정된다.

한편, 도 5 및 도 6에서는 종래의 1열 냉각홀(8)인 형성된 주조롤(3)과 본 발명인 2열로 냉각홀(8)(8')을 형성시킨 경우에 주조롤(3)의 표면에서 가해지는 열유속(F)(F')을 화살표로 나타내었는데, 본 발명인 경우에 2열의 냉각홀(8)(8') 때문에 1열의 냉각홀(8)인 종래보다 열유속이 2차적으로 분산되는 것이다.

즉, 도 5에서의 종래 1열 냉각홀(8)의 경우에는 용강(2)풀에서 롤표면으로부터 흡입된 열유속이 냉각홀(8)과 냉각홀(8)사이를 통과하는 열유속(F) 흐름은 냉각홀(8)과 냉각홀(8) 사이 중심에서 가장 크며 주조가 진행되면서 슬리브(6) 전체가 열평형에 이를때까지 계속적인 열유속 흐름이 진행되어 슬리브(6)의 열팽창이 장시간 발생하게 되며, 이는 롤 열팽창 크라운변화로 인한 주편형상의 변화를 초래할뿐 아니라, 열유속의 흐름이 큰 경우에는 롤 제작시 적용하였던 슬리브(6)와 샤프트(7)의 열박음이 현저하게 저감되어 이들 사이에 국부적인 냉각수 누출을 발생시킬우려가 있는 것이다

그러나, 도 6에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 2열 냉각홀(8)(8')이 형성되는 경우에는 1열의 냉각홀(8)을 통과한 열유속이 2열 냉각홀(8')에서의 열흡열을 통해 최소한 1/2 이상이 감소되어 빠져나가면서 열량자체가 상당히 감소되고, 결국 냉각홀(8)(8')이 형성되는 슬리브(6)의 온도상승을 효율적으로 억제할 수 있고, 결국 주조롤(3)이 짧은 시간내에 열평형에 도달하여 박판주조된 주편(5) 형상이 안정화되어 박판의 품질을 향상시키는 동시에, 상기에서 설명한 슬리브(6)의 온도상승에 따른 국부적인 열박음부분의 냉각수 유출이 없는 안전한 주조롤 제조가 가능한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

다음의 표 1에서는 본 발명의 효과를 측정하기 위하여 동일한 조건의 롤(3)에 대해 냉각홀(8)(8')의 배열에 따른 주조중인 롤(3)의 열팽창량을 이론값과 실험값으로 나타내었다.

이때, 주조롤(3)의 직경은 1250mm 이고, 롤폭은 1300mm 이며, 슬리브(6)의 재질은 구리합금이다.

냉각홀의 구조에 따른 열팽창량

구분	발명예 1	발명예 2	발명예 3	종래예 1	종래예 2	기타예
계산값	1.0	1.1	1.15	1.4	1.7	0.98
측정값	1.0	1.08		1.36

( 여기서 발명예 1 : 직경 13mm의 2열 냉각홀, 발명예 2 : 직경 16mm의 2열 냉각홀, 발명예 3 : 직경 20mm의 2열 냉각홀, 종래예 1 : 직경 13mm 의 1열 냉각홀, 종래예 5 : 직경 20 mm의 1열 냉각홀, 기타예: 직경 13mm 의 3열 냉각홀 의 경우이다)

따라서, 상기 표1 에서 나타난 바와 같이 냉각수 구멍은 가공이 가능한 직경(D)이 작은 것이 롤(3)의 열팽창량이 적은 것으로 나타났고, 또한 종래의 1열 냉각홀의 경우에는 본 발명인 2열 냉각홀에 비하여 동일한 직경인 13mm인 경우에도 대략 0.15 정도의 상당한 열팽창량 차이를 보이고 있으며, 비교예 1에서 3열의 냉각홀을 구성한 경우에는, 본 발명예 1보다 0.02 정도의 열팽창량이 적은 것으로 나타났지만, 그 차이는 미비하고 대신에, 냉각홀의 추가적인 가공에 따른 제조원가 가 상승하여 본 발명에서와 같이 2열의 냉각홀(8)(8')을 롤 슬리브(6)의 표면층 하부에 형성시키는 것이 바람직함을 알 수 있었다.

이와 같이 본 발명인 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤에 의하면, 쌍롤식 박판주조공정시 광폭 주조롤의 경우 롤의 슬리브 표면하층의 냉각홀사이의 간격이 확대됨에 따라 냉각홀사이로 빠져나가는 열유속을 효과적으로 방지하여 열량감소에 따른 슬리브의 팽창을 감소시키어 슬리브의 온도 상승으로 인한 샤프트와의 열박음이 취약하게 되면서 냉각수가 누수되는 것을 미연에 방지시키고, 특히 주조롤의 열평형이 안정적으로 짧은 시간에 이루어 지도록 하여 주편 형상을 안정화시키는 한편, 광폭의 주조롤을 안정적으로 제작 및 상업적으로 사용할 수 있도록 하는 우수한 효과를 제공하는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 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 개략도

도 2는 종래 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 냉각구조를 도시한 개략도

도 3은 종래 주조롤의 냉각홀을 도시한 요부도

도 4는 본 발명에 따른 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤을 도시한 요부도

도 5 및 도 6은 종래 및 본발명의 주조롤 냉각구조에 따른 열유속의 흐름을 도시한 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1... 노즐 2.... 용강

3.... 주조롤 4.... 응고쉘

5.... 박판(주편) 6.... 주조롤 슬리브

7.... 주조롤 샤프트 8.... 주조롤 슬리브의 냉각홀

8'.... 주조롤 슬리브의 다른 냉각홀 9.... 주조롤 중심 냉각홀

10.... 주조롤 중심부의 사이펀 튜브 11.... 주조롤 중심부의 냉각수

D.... 주조롤 슬리브의 냉각홀 직경

H.... 주조롤 슬리브의 냉각홀간의 간격

F,F'.... 주조롤 슬리브의 냉각홀에 따른 열유속

Claims (3)

1. 중심부의 샤프트(7)와 그 외곽으로 열박음되는 슬리브(6)로 구성된 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 있어서,

   상기 주조롤(3)은 1000-2000mm의 폭을 갖는 광폭 주조롤로 구성되고,

   상기 주조롤의 슬리브 표면층 하부에는 10-20mm의 직경(D)의 냉각홀(8)(8')들이 제공되고, 상기 냉각홀(8)(8')들은 냉각홀의 직경보다 크고 서로 동일한 간격(H)으로 2 열로 형성된 것을 특징으로 하는 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤.
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