KR100518331B1 - 슬래브 연속주조 주형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주편의 코너크랙 및 면세로 크랙을 방지하기 위한 슬래브 연속주조 주형에 관한 것이다. 이 주형은 장변 주형(22)과,

경사지게 설치되고 주편폭을 조절하는 단변 주형(24)을 포함하고, 상기 단변 주형(24)에는 본체부(24a)와 주조되는 주편 모서리에 모따기면을 형성하는 돌출부(24b)가 상기 본체부의 양측 단부에 일체로 구비되고, 상기 돌출부(24b)는 주편과 접하는 면이 경사면으로 형성되어 주편의 모따기면이 하방으로 갈수록 내측으로 경사지게 주조하도록 구성된다.

Description

슬래브 연속주조 주형{MOLD FOR CONTINUOUS CASTING SLAB}

본 발명은 주편의 코너크랙 및 면세로 크랙을 방지하기 위한 슬래브 연속주조 주형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주편의 모서리에 모따기면을 형성하고 이 모따기면의 주형경사를 보상할 수 있는 연속주조 주형에 관한 것이다.

슬래브 연속주조 공정은 도 1에 나타난 바와 같이, 레이들(1)로부터 턴디쉬(2)를 거쳐 액상의 용강이 주형으로 주입되어 주편을 제조하는 공정이다. 주형내에서는 주입된 용강이 1차 냉각으로 주편 표면으로부터 응고되기 시작하여 2차 냉각대(4)에서 계속된 냉각을 통해 응고가 완료됨으로써 연속적으로 슬래브가 생산된다. 생산된 슬래브는 압연과정의 후공정을 거치게 된다. 도 2는 주형의 상세도이다.

침지노즐(5)을 통해 주형(10)안으로 유입된 용강은 구리합금으로 만들어진 주형동판에 의해 냉각되어 탕면에서부터 응고되기 시작한다. 슬래브 연속주조의 경우 주형동판의 냉각은 동판에 슬릿을 만들고 여기에 냉각수를 유입시켜 냉각하게 된다. 열에 의한 주형동판의 변형을 방지하고 주형동판에 냉각수를 공급하기 위해 주형동판의 배면에 텐션볼트를 이용하여 주형동판과 워터자켓(7)을 연결시킨다.

주형내에서 용강은 응고되면서 수축하게 된다. 주편의 수축은 주형동판과 주편간에 공기틈을 만들고 이 공기틈은 주형동판과 응고층간의 열전달을 방해하여 응고층 성장을 지연시켜 브렛아웃(breakout)등의 조업사고을 일으키거나 주편 표면에 면세로크랙을 발생시킨다. 따라서, 주편의 응고수축량 만큼을 주형동판에 경사지게 설치하여 응고층의 수축에 따른 공기틈을 보상하고 있다. 즉, 장변응고층의 수축량은 단변 주형을 경사지게 설치하여 보상하고, 단변응고층의 수축량은 장변 주형을 경사지게 설치하여 보상한다. 그런데, 슬라브의 경우 두께와 폭의 비가 1:3이상으로 폭이 훨씬 크므로, 단변부의 응고층 수축량은 장변부의 응고층 수축량에 비해 작다. 따라서, 장변 주형은 단변주형에 미리 일정한 경사를 주어 고정하는 대신, 도 3과 같이 단변 주형(21)을 경사지게 설치하고 있다. 단변 주형은 주편의 폭에 따라 각도를 가변할 수 있도록 설치하여 장변부 응고층의 수축량을 보상해주고 있다.

최근 들어, 연속주조기와 압연기를 직결하는 직접압연기술이 발달하고 있다. 이 기술은 연속주조에서 생산된 고온의 주편을 재가열을 하지 않고 압연기에 직접 투입하는 것으로, 가열로를 거치지 않기 때문에 에너지를 절감할 수 있다. 직접압연시에는 도 4와 같이, 주편에 면세로크랙이나 코너크랙이 존재하면 압연시 표면결함을 유발하므로 직접압연시 주편에는 면세로크랙이나 코너크랙이 발생되어서는 안된다. 따라서, 직접압연기술을 가능하게 하기 위해서는 주편에서의 크랙 방지가 중요하다. 크랙이 이 존재하는 경우 스카핑(scarfing)으로 결함을 제거하여 압연하고 있다.

통상적으로 슬래브 연속주조 주형은, 도 5와 같이, 장변주형(12)과 단변주형(14)이 직각을 이룬다. 직각형태의 주형의 경우 장변주형과 단변주형이 만나는 주편의 모서리부근에서는 응고층 장변과 단변의 2방향으로 열이 빠져나간다. 따라서, 주편의 모서리부는 도 6와 같이, 응고층이 다른 부분에 비해 두껍고 주편 표면 온도가 낮으므로 모서리부의 표면온도가 다른 부위에 비해 낮아지고 2차냉각대에서 냉각수에 의해 주편이 과냉각되어 연주기를 통과하면서 주편이 굽힘이나 펴짐의 힘을 받을 경우 코너크랙이 발생하게 된다. 또한, 단변 주형쪽의 주형경사가 많은 경우 주형동판과 응고층의 접촉이 잘 이루어져서 응고층 모서리부가 단변주형쪽으로 회전되게 된다. 응고층 모서리부가 주형단변 방향으로 회전하는 경우 도 7과 같이, 단변주형과의 마찰로 인해 응고층이 강도를 가지는 주형하부에서 단변 주형에 마모를 일으켜 단변 주형동판의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 주조방향으로 응고층에 힘을 가해 코너크랙의 원인이 된다.

주편에 발생하는 면세로크랙은 주형경사와 밀접한 관계가 있다. 도 8에 주형경사가 부족할 경우 주편에 발생하는 면세로크랙의 발생 기구가 나타나 있다. 용강은 주형내 탕면에서 응고를 시작하면서 수축하게 되는데 장변응고층의 길이가 단변 응고층의 길이에 비해 길므로 장변응고층의 수축량은 단변응고층의 수축량보다 크게 된다. 만약 단변 주형의 경사가 장변응고층의 수축량을 보상하여 주지 못하면 주형단변과 단변 응고층 사이에 공기틈이 발생하게 되고, 장변 응고층의 한 부분이 주형용제의 불균일 유입 등으로 불균일 응고층이 발생하게 되는 경우 응고층 안쪽에서는 철정압이 존재하므로 응고층 장변과 수평하게 인장응력이 작용하게 되어 불균일 응고층이 이 힘을 견디지 못할 경우 표면에 면세로크랙이 발생하게 된다.

연속주조 주형을 개량한 선행기술로는 일본 공개특허공보 평11-290995호, 소56-011154호, 평8-112649호 등이 있다.

일본 공개특허공보 평11-290995호는 주형의 중심부와 코너부의 온도차이를 최소화하여 슬라브의 응고구조를 균일화하기 위하여 도 9(a)와 같이, 단변 주형의 양측 단부를 아크 형태로 가공하여 주편의 코너부를 아크 형태로 형성하도록 한 주형이 제안되어 있다. 이 주형은 폭가변이 불가능한 것으로, 코너부가 아크형태로서 면크랙 방지에는 효과적일 수 있으나 아크형상을 갖는 주편의 모서리부에 면세로 크랙이 발생하는 단점이 있다.

일본 공개특허공보 소56-011154호는 호형태의 판을 추가하여 코너에 설치하고 이 판에 고진동을 부여하여 주형용제의 유입을 조정하는 방법이 있다. 이 주조방법은 주형용제의 유입량을 조정하여 주편을 완냉각 하기 위한 진동 장치를 추가로 설치하여야 하며, 이 또한, 주편의 호의 면에 크랙이 발생하는 단점이 있다.

일본 공개특허공보 평8-112649호는 박슬래브의 내부크랙을 방지하고 가로크랙을 방지하는 주형이 제안되어 있다. 이 주형은 서로 마주보는 주편 모서리부에 직선상 또는 호형을 형성하고 있으나, 주편의 선상 또는 호형으로 형성되는 주편의 모서리면에 크랙이 발생하는 단점이 있다.

본 발명에서는 주편의 모서리에 모따기면을 형성하고 이 모따기면의 주형경사를 보상하여 주편의 면크랙은 물론 모따기면에서 크랙의 발생을 방지할 수 있는 연속주조 주형을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연속주조 주형은,

장변 주형과,

경사지게 설치되고 주편폭을 조절하는 단변 주형을 포함하고,

상기 단변 주형은 본체와 주조되는 주편 모서리에 모따기면을 형성하는 돌출부가 상기 본체부의 양측 단부에 일체로 구비되고,

상기 돌출부는 주편과 접하는 면이 경사면으로 형성되어 주편의 모따기면이 하방으로 갈수록 내측으로 경사지게 주조하도록 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

주편의 코너크랙은 주편의 모서리부에서 주형의 장변과 단변에서 2차원으로 열을 빼앗기면서 주편이 과냉되어 발생하는 것이다. 따라서, 주편의 모서리부에서의 과냉은 주편에 모따기면을 만들어주는 것이 효과적이다.

본 발명은 주조폭의 조절을 위해 단변 주형이 이동가능하도록 구성되는 슬라브용 연속주조 주형에서 도 10과 같이 단변주형(24)의 양측단부에 주편의 모서리부를 모따기면으로 형성하도록 하는 돌출부를 구비하는 것이다. 이러한 돌출부가 형성된 단변 주형은 경사지게 설치되며, 그 예가 도 11이다. 도 11은 단변 주형의 양측 단부에 돌출부를 구비하고 경사지게 설치한 것으로, d는 경사량이다.

본 발명자들은 도 11과 같은 주형을 이용하여 주조실험을 한 결과, 주편의 면세로크랙이나 코너크랙은 줄어들지만, 오히려 모따기면에 집중적으로 크랙이 발생하는 것을 확인하였다. 그 원인을 분석한 결과, 주편의 장변 응고수축량을 보상하기 위해 단변 주형을 경사지게 설치하는데, 도 11에서 돌출부에서의 경사량(X)은 다음과 같은 관계를 갖는다.

[관계식 1]

X= dCOSθ

여기서 X : 돌출부에서의 주형 경사량

d : 단변 주형의 경사량

θ : 돌출부의 각도(0<θ<90)

단변 주형의 돌출부 각도는 항상 0<θ<90 이므로 돌출부에서의 주형경사량 X는 0<X<d가 되므로 항상 단변 주형의 경사량보다 작은 값을 가지게 된다. 돌출부에서 주형경사량이 부족한 경우 주편의 모따기면에 대응하는 응고층에서의 수축량을 보상하지 못하여 응고층과 주형동판 사이에 공기틈이 발생하게 되고 철정압에 의해 모따기면에 면세로크랙이 발생하게 된다. 주편의 모따기 면에서 발생하는 면세로크랙을 방지하기 위해서는 단변 주형의 돌출부에 주형경사를 보상해 줄 필요가 있다.

본 발명에서는 주편에 모따기면을 형성하면서 그에 따라 줄어드는 장변의 응고수축보상량을 미리 단변의 돌출부에 주어 주편의 면세로 크랙은 물론 모따기면에서의 크랙을 줄이는데 특징이 있다.

본 발명의 주형을 도 12와 도 13을 통해 설명하는데, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니다.

본 발명의 슬라브용 연속주조 주형은 장변 주형(22)과, 경사지게 설치되고 주편폭을 조절하는 단변주형(24)을 포함한다. 본 발명은 단변 주형(24)은 본체(24a)의 양측 단부에 주편의 코너부에 경사진 모따기면을 형성할 수 있는 돌출부(24b)를 형성하는데, 특징이 있다.

본 발명에 따라 단변 주형(24)의 본체(24a)는 통상의 것을 사용한다. 이 통상의 단변 주형의 본체(24a)의 양측 단부에 경사면을 갖는 돌출부(24b)을 구비하는데, 이 경사면은 주편과 접하는 면이다. 돌출부(24b)의 경사면에 의해 주편의 모서리를 하방으로 갈수록 내측으로 경사진 모따기면으로 형성한다. 돌출부(24b)의 경사면은 돌출부에 미리 주형경사를 추가로 부여하여 단변을 경사지게 설치할 때에 돌출부에서의 경사량의 감소를 보상하기 위한 것이다.

본 발명에서 돌출부(24b)는 다양한 형태가 고려되는데, 가장 바람직한 형태는 삼각뿔대형상이다. 즉, 경사면의 상부변이 직선을 가질 때, 돌출부의 경사면 전체에 걸쳐 균일한 주형 경사 보상이 가능하다. 경사면의 호형태를 갖게 되면, 호의 위치마다 경사 보상량에 차이가 있어 돌출부의 설계에 어려움이 있다. 돌출부에서 적어도 경사면은 거의 평면에 가까운 것이 가장 바람직하다.

또한, 돌출부(24b)에서 몸체(24a)와의 상부접변(a)의 길이는 몸체(24a)의 길이(t)와 다음의 조건 a<0.5t를 만족하여야 한다. 이 범위내에서 돌출부(24b)의 형상과 크기는 필요에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 돌출부(24b)에서 상기한 상부접변(a)과 경사면의 상부변(c)의 각도(θ)는 돌출부의 냉각능과 주편의 모따기면에서의 면세로 크랙의 방지와 관련하여 적절히 선정하는 것이 권장된다. 바람직하게는 돌출부(24b)에서 상기한 상부접변(a)과 경사면의 상부변(c)의 각도(θ)를 30~60°로 하는 것이다. 이 각도(θ)가 30°미만이면 돌출부에 의한 완냉효과가 크지 않으며, 각도(θ)가 60°초과의 경우에는 돌출부에서 장변부 접변(b)의 길이가 길어서 단변부의 냉각능으로 돌출부의 냉각이 어려워질 수 있다.

본 발명에서는 돌출부(24b)의 경사면의 상부변과 하부변의 수직거리(y, 돌출부 경사면의 경사량)는 모따기면의 주형 경사 보상량이 되며, 단변의 주형을 d만큼 경사주어 설치하는 경우에 다음의 관계식을 만족하는 것이 가장 바람직하다.

[관계식 2]

y=d(1-COSθ)

단변 주형의 경사량(d)이 0.9~1.2%이고, 상기 돌출부에서 단변부의 접변과 모따기변이 이루는 각도(θ)가 30~60°의 경우에 돌출부 경사면의 경사보상량(y)는 0.54~5.0mm가 된다. 단변 주형의 경사량(d)는 다음의 관계식으로 계산한다.

[관계식 3]

도 13에는 본 발명의 단변 주형의 입면도가 제시되어 있다. 이 단변 주형은 경사면을 갖는 돌출부가 구비되어 주편의 모따기면에 주형경사를 추가로 부여하여 단변 주형경사와의 차이를 보상한 것이다.

본 발명에 따라 경사면을 갖는 돌출부(24b)가 단변 주형의 몸체(24a)의 양측 단부에 구비된 주형은 슬라브(주편)의 주조에 가장 적합하며, 구체적으로는 주편의 두께와 폭의 길이비가 1:5~1:10의 슬라브에서 가장 효과가 좋다. 슬라브 두께와 폭의 길이비가 1:5~1:10의 경우에서 주조속도가 느려 면세로 크랙이나 코너크랙이 많이 발생하기 때문이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 주형은 단변주형(24)의 양측단부에 주편의 모서리부를 경사진 모따기면으로 형성하도록 하는 돌출부를 구비하는 것이다. 따라서, 이러한 주형에서는 주편의 모서리가 장변 주형(22)과는 접하지 않고 단변 주형과 접하여 모따기면으로 형성되므로, 주편의 모서리부에서 장변과 단변에 의해 2차원으로 열을 빼앗기면서 발생하는 과냉현상이 방지된다. 또한, 단변 주형(24)의 돌출부는 경사면에 의해 주형경사가 미리 부여되므로, 단변 주형(24)을 경사지게 설치함에 의해 단변주형(24)의 돌출부에서 단변 주형(24)의 경사량 보다 작아지는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 주편의 모따기면에서 크랙의 발생을 줄일 수 있는 것이다.

상기와 같은 본 발명은 종래의 주형에 비하여 그 적용효과가 우수한 것으로서, 실제 조업 적용의 실험을 실시한 결과는 다음과 같다.

도 10과 도 12의 형상을 갖는 주형에서 돌출부에서 단변주형의 몸체(24a)와의 상부접변(a)의 길이가 20mm, 돌출부에서의 경사면의 상부변(c)와 상기 몸체(24a)와의 상부접변(a)가 이루는 각(θ)이 30^o, 돌출부에서 경사면의 상부변과 하부변의 수직거리(y)가 1.5mm로 하는 주형을 제작하였다.

실험은 주조폭 1120~1470mm, 주편두께 220mm의 중탄강에 대해 단변 주형의 경사량(d)을 1.05%로 적용한 결과, 주편 코너크랙이 0.75%에서 0.1%로 대폭 감소하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 주형의 코너부를 직각형상에서 모서리를 없애면서 주형경사를 보상하기 위하여 주형경사를 미리 부여하여 주편의 모따기면에 발생하는 면세로 크랙 및 코너크랙을 방지하고 주형단변 모서리부의 마모를 줄여서 주형단변의 수명을 늘릴 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

도 1은 슬래브 연속주조 공정의 모식도

도 2는 주형의 사시도

도 3은 단변 주형을 경사지게 설치한 주형의 정면도

도 4는 주편에 발생하는 면세로크랙과 코너크랙의 모식도

도 5는 통상의 슬래브 연속주조 주형의 평면도

도 6은 일반적인 슬래브 연속주조 주형에서 모서리부의 응고층 거동의 모식도

도 7은 슬래브 단변 주형의 마모 양상에 대한 모식도

도 8은 주편에 발생하는 면세로크랙 발생기구를 나타내는 설명도

도 9는 종래의 연속주조 주형의 예시도

도 10은 단변 주형의 양측 단부에 돌출부가 구비된 주형의 일례

도 11은 경사면을 갖지 않는 돌출부가 양측단부에 구비되고, 경사지게 설치된 단변 주형의 부분 평면도

도 12는 경사면을 갖는 돌출부가 양측 단부에 구비된 단변 주형의 부분 평면도

도 13은 경사면을 갖는 돌출부가 양측 단부에 구비된 단변 주형의 사시도

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1.....레이들 2.....턴디쉬

4.....2차냉각대 5.....침지노즐

7.....워터자켓

10, 20.....주형 12, 22..... 장변 주형

14, 24..... 단변 주형

24a..... 단변 주형의 본체 24b..... 단변 주형의 돌출부

a..... 돌출부와 본체의 상부 접변 b..... 돌출부와 장변 주형의 상부 접변

c..... 돌출부의 경사면의 상부변

θ..... a와 c가 이루는 각도

d..... 단변 주형의 경사량

y..... 돌출부의 경사면에서 상부변과 하부변의 수직거리(돌출부 경사면의 경사량)

Claims (4)

1. 장변 주형(22)과,

   경사지게 설치되고 주편폭을 조절하는 단변 주형(24)을 포함하고,

   상기 단변 주형(24)은 본체(24a)와 주조되는 주편 모서리에 모따기면을 형성하는 돌출부(24b)가 상기 이 본체의 양측단부에 일체로 구비되고,

   상기 돌출부(24b)는 주편과 접하는 면이 경사면으로 형성되어 주편의 모따기면이 하방으로 갈수록 내측으로 경사지게 주조하도록 구성되는 슬라브 연속주조 주형.
2. 제 1항에 있어서, 상기 주편 폭은 900~1200mm이며, 주편의 두께와 폭의 길이비가 1:5~1:10임을 특징으로 하는 슬라브 연속주조 주형.
3. 제 1항에 있어서, 상기 단변주형(24)의 경사량은 0.9~1.2%이며, 상기 돌출부(24b)에서 단변주형의 몸체(24a)와의 상부접변(a)과 돌출부에서 경사면의 상부변(c)이 이루는 각도(θ)가 30~60°이며, 상기 돌출부에서 경사면의 상부변(c)과 경사면의 하부변의 수직거리(y, 돌출부의 주형 경사 보상량)는 0.54~5mm임을 특징으로 하는 슬라브 연속주조 주형.
4. 제 1항에 있어서, 상기 돌출부의 경사면은 평면임을 특징으로 하는 슬라브 연속주조 주형.