KR100566741B1 - 액체 냉각식 주형 - Google Patents

Abstract

얇은 강 슬랩의 연속 주조를 위한 액체 냉각식 주형은 구리 또는 구리 합금과 같은 열 전도도가 높은 재료로 이루어진 주형체를 구비한다. 주형체는 서로 대향된 2개씩의 폭이 넓은 측벽과 연속 주조물의 폭을 한정하는 폭이 좁은 측벽으로 구성되는 것이 바람직하고, 폭이 넓은 측벽은 깔때기형 탕입 구역을 형성한다. 높은 열 응력 및 기계 응력을 받는 구리판의 구역에서 균열이 형성되는 것을 방지하기 위해, 특히 탕수준면 구역에 높은 면당 열류를 수반하는 냉각 구역이 배치된다.

Description

액체 냉각식 주형{LIQUID COOLANT-TYPE MOLD}

도 1은 본 발명에 따른 깔때기 주형판을 나타낸 도면.

도 2는 주형판의 벽 구역을 나타낸 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 깔때기 주형판 2 : 깔때기형 부분 3 : 탕수준면

4 : 주조 측면 5 : 임계 구역 6 : 냉각 홈

GR : 주조 방향

본 발명은 구리 또는 구리 합금과 같은 열 전도도가 높은 재료로 이루어진 성형 주형체를 구비하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형에 관한 것이다.

주형은 용해된 액상 금속으로부터 열을 빼앗고, 초기에 실시되는 연속 주조물의 외각 형성 단계를 거쳐 연속 주조물을 완전하게 응고시킬 수 있다.

사용 목적에 따라 둥근 형태, 직사각형 형태 또는 복잡한 형태의 주형관과 같은 여러가지 기하학적 형상의 주형이 사용된다. 주형판은 정사각형/직사각형 예비 블록용으로 또는 가로와 세로의 비율이 높은 슬랩용으로 사용된다. 그 이외에도, 이중 T형 비임용 예비 성형재 및 주조 노즐을 수납하는 깔때기형 확장부가 상부의 판 구역에 마련된 얇은 슬랩용 주형과 같은 특수한 기하학적 형상도 제공된다. 그러한 모든 주형은 고유의 형식으로 주형면의 균일한 냉각을 이루도록 형성된다. 그러나, 모퉁이 구역은 특수한 경우에 해당하는데, 왜냐하면 예컨대 판 주형에서는 구조적 조건으로 인해 냉각에 장애가 있는 맞대기 연부가 존재하기 때문이다. 또한, 일부의 경우에는 상당한 재료 체적을 차지하는 구역이 배면측 고정 요소에 제공되는데, 그러한 구역도 역시 특수하게 형성된 홈형 냉각제 채널에 의해 균일한 냉각과 관련하여 그에 적합하게 정밀한 구조로 형성된다.

또한, 매우 높은 열 응력을 받는 주형을 양호하게 냉각시켜 주형이 조기에 손상되는 것을 방지하는 방안이 공지되어 있다. 즉, 한편으로 얇은 슬랩용 주형의 경우에는 주형 벽의 열 저항이 너무 커서는 안되기 때문에 벽 두께를 얇은 것으로 선택하게 된다. 다른 한편으로, 높은 주조 속도를 얻고자 하는 경우에는 냉각수의 품질 및 냉각수의 속도에 관한 요건을 특수하게 설정한다.

전술한 모든 조치에 의해 추구되는 동일한 목표는 냉각체의 주조 측면을 최대한으로 양호하고 균일하게 냉각시키도록 조절하는 것이다. 경우에 따라서는 역시 균일한 냉각을 이루기 위해 구조 형식에 따라 존재할 수 있는 장애 구역을 제거한다.

깔때기 주형판을 사용할 경우의 국부적인 응력 조건은 한편으로는 작업 상황이 원인이 되어 발생한다. 그러한 응력 조건은 주조 작업의 측면에서 본다면 근본적으로 강의 종류/주조 온도, 주조 속도, 주조 분말의 윤활 조건/냉각 조건, 주조 노즐의 기하학적 형상 및 용해물에 주어지는 유동에 의해 결정된다. 다른 한편으로, 냉각수의 측면에서 본다면 냉각수의 품질, 냉각수의 양 및 냉각수의 속도가 주형의 온도를 결정한다. 그러한 값의 일부는 냉각제 채널의 기하학적 형상에 따른 것과 같은 주형의 구조에 의해 이미 결정되어 있는 것이다.

그러나, 여러 제강소에서 사용되었던 다수의 주형판에 대한 파괴 검사에 의해 실제의 응력 및 그로부터 유발된 주형 재료의 손상을 명백하게 확인할 수 있다. 그러한 검사에 의하면, 메니스커스(meniscus)의 전체 폭에 걸쳐 표면 또는 표면에 인접한 구역이 상이하게 연화된 것을 확인할 수 있다.

즉, 임계 구역에서는 초기치의 100%의 경도가 약 60%로 하락하는 반면에, 임계 구역에 인접한 동일 높이의 구역에서는 초기치의 약 70%로만 하락한 것으로 측정되었다; 그경우, 주형판의 연부 구역은 관찰되지 않았다. 그와 유사한 사항이 주형판을 사용하고 난 후의 벽 두께에서도 측정된다; 탕수준면의 임계 구역에서는 동일한 정도로 연화된 재료가 임계 구역이 아닌 구역에 비해 1/3만큼 더 큰 깊이로 연장된다.

얇은 슬랩용 주형은 폭이 넓은 측벽에 미치는 각종의 영향으로 인해 상이한 두께로 되는 것이 요구된다. 그러한 영향에 속하는 것으로서 주요한 것은 다음과 같다:

- 강 용해물의 높은 유동 속도; 특히, 주조 횡단면이 깔때기형 부분으로부터 평행한 측면으로 전이되는 구역에 용해물의 난류가 걸리게 된다.

- 열 팽창으로 인해 깔때기형으로 만곡된 구리판의 벽에 걸리는 높은 기계 응력; 그 경우, 결과적으로 나타나는 합성 응력은 주조 측면에서 특히 높다.

상기 영향으로 인해 전술한 깔때기형 부분의 전이 구역에서 주형 재료가 두드러지게 연화된다. 그러한 표면 구역에서는 상대적으로 높은 국부 온도 및 재료의 체적 요소의 각각의 내열성과 관련된 높은 재료 하중으로 인해 조기에 균열이 형성된다. 그러한 균열 형성은 전술한 구역에서 온도 조건에 따라 강의 Zn 원자가 Cu 매트릭스 속으로 확산되는 과정이 두드러지게 진행됨으로 인해 더욱 빨리 이루어지는데, 그 이유는 확산 과정에 의해 형성된 CuZn 상이 높은 균열 전파 속도가 가능한 경질의 취성 표면층을 형성하기 때문이다.

선행 기술로부터 출발된 본 발명의 목적은 탕수준면 구역에서의 열류가 높고, 높은 열 응력과 기계 응력을 받는 구역에서의 균열 형성의 위험이 회피될 수 있는 주형을 제공하는 것이다.

그러한 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징부에 개시된 특징에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 또 다른 구성은 특허 청구 범위의 종속항 들에 개시되어 있다.

즉, 본 발명의 핵심적 조치는 임계 이상의 응력을 받는 깔때기형 부분의 양측 구역에서 매우 강력하게 주형체를 냉각시키는 것이다. 본 발명의 구성에 따르면, 그러한 임계 구역에서의 냉각 성능은 수평의 인접 구역에서의 그것에 비해 10 내지 20% 더 높은 것이 바람직하다. 그러한 구역에서는 냉각면이 확대되도록 예컨대 냉각제 채널이 더욱 밀접하게 설정될 수 있다. 선택적으로, 냉각제 채널은 국부적으로 표면에 보다 더 인접하게 옮겨질 수도 있다; 그 경우, 여러가지의 효과적인 유효 냉각 벽 두께로 냉각수가 작용한다. 그것은 냉각 구멍에 대해서도 마찬가지로 적용된다. 또한, 홈형 냉각제 채널이 형성된 폭이 넓은 측벽판은 깔때기형으로 전이되는 임계 구역에 추가로 냉각 구멍을 구비할 수 있다; 그 경우에도 역시 얇은 벽 두께에도 불구하고 의외로 주형 재료의 균열 저항 및 그에 따른 주형판의 총 수명이 높아진다.

또한, 배면측의 냉각 강도를 다양하게 함에 의해 판 표면의 주조 측면에서 매우 양호하게 조절되는 온도의 경과를 얻게 된다. 그러한 효과는 임계적 의미가 있는 주조 분말의 좁은 작업 온도 범위의 조절을 위한 미세한 온도 간격을 가능하게 해준다. 그에 의해, 주조 분말이 보다 더 낮거나 높은 온도 범위로 조절되는 상황이 회피될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부 도면에 도시된 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 깔때기 주형판(1)은 주조측으로 깔때기형 부분(2)의 수평 출구(수직선 C)에서 최대의 열 응력을 나타낸다. 그 직접적인 결과로서, 직선 C에서 주조 방향(GR)으로 탕수준면(3)의 바로 아래에 위치하여 4.7 내지 5.2 MW/m²(megawatt per square meter)의 최대의 면당 열류가 생기게 된다. 계산에 의해 조사된 바에 따르면, 주형판(1)의 주조 측면(4)에서의 최대 온도는 약 400℃이다. 구리로 이루어진 주형판(1)의 임계 구역(5)에서의 효과적인 유효 벽 두께(d)는 주형판의 상부 200 mm에 걸쳐 B, C, D 사이에서 d₁=20 mm로부터 d₂=18 mm로 감소된다(도 2를 참조).

그에 의해, 28℃만큼 감소된 최대 표면 온도가 설정된다; 그러한 탁월한 냉각 작용은 주형판(1)의 해당 사후 작업에서도 지속적으로 유지된다. 임계 구역(5)에서의 벽 두께(d₂)가 2 mm만큼 감소되었음에도 불구하고, 놀라웁게도 사후 작업을 포함하여 주형판(1)의 전체적인 내구 수명이 더욱 길어진다. 보다 더 깊게 파여진 냉각 홈(6)(주조면과 냉각면과의 사이의 벽 두께는 20 mm가 아니라 18 mm임)에 의해 강렬하게 냉각되는 임계 구역(5)은 후속되는 면에 걸쳐 연장된다(도 1을 참조); 깔때기형 부분(2)의 변곡점(B)으로부터 종점(D)까지 수평으로 370 mm에 걸쳐 길게 연장된다. 강렬한 냉각면은 주형판의 상연부(7)로부터 주조 방향(GR)으로 200 mm까지 연장된다; 그에 연접하여, 냉각 홈(6)의 깊이가 적절하게 조절되는 전이 구역(8)이 50 mm에 걸쳐 연장된다.

본 발명에 따른 액체 냉각식 주형에서는, 탕수준면 구역에 높은 면당 열류를 수반하는 냉각 구역을 배치하는 것에 의해 균열 형성의 위험이 가장 높은 구역을 강렬하게 냉각시켜 그 균열 형성을 방지하게 된다.

Claims (17)

1. 구리 또는 구리 합금과 같은 열 전도도가 높은 재료로 이루어진 성형 주형체를 구비하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형에 있어서,

   상기 성형 주형체는, 냉각면 측으로 높은 열 응력 및 기계 응력을 받는 구역에서 높은 면당 열류를 수반하는 냉각 구역을 구비하되,

   상기 냉각 구역은, 주조 방향으로 평행하게 연장되는 홈형 냉각제 채널 또는 냉각 구멍이 상기 높은 열 응력 및 기계 응력을 받는 구역에서 더 밀접하게 배치됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
2. 제1항에 있어서, 서로 대향된 2개씩의 폭이 넓은 측벽과 연속 주조물의 폭을 한정하는 폭이 좁은 측벽으로 이루어지는 성형 중공 공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
3. 제2항에 있어서, 상기 성형 중공 공간은 탕입측 단부에서의 횡단면이 연속 주조물의 탕출측 단부에서의 횡단면보다 큰 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 성형 중공 공간은 탕입측 단부에서 주조 방향(GR)으로 축소될 수 있는 볼록부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 높은 면당 열류를 수반하는 냉각 구역은 탕수준면 구역에 배치되고, 냉각 구역은 폭이 넓은 측벽의 메니스커스 길이의 20% 이상에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 응력을 받는 탕수준면 구역에서의 면당 열류는 탕수준면의 잔여 구역보다 5 내지 40%만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주조면과 냉각면 사이의 벽 두께는 높은 열 응력 및 기계 응력을 받는 폭이 넓은 측벽의 구역에서 감소되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
8. 제7항에 있어서, 상기 주조면과 냉각면 사이의 벽 두께는 탕수준면 구역에서 1 내지 6 mm만큼 감소되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
9. 삭제
10. 제9항에 있어서, 상기 냉각제 채널 또는 냉각 구멍의 간격은 높은 열 응력 및 기계 응력을 받는 구역이 탕수준면의 수평 인접 구역보다 20% 이상 더 작은 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
11. 제9항에 있어서, 상기 냉각제 채널 또는 냉각 구멍은 전이 구역에서 단계적으로 점점 더 밀접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
12. 제9항에 있어서, 상기 냉각제 채널 사이에 추가로 냉각 구멍이 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 높은 면당 열류를 수반하는 냉각 구역은 탕수준면 구역에 배치되고, 냉각 구역은 폭이 넓은 측벽의 메니스커스 길이의 30 내지 60%에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 응력을 받는 탕수준면 구역에서의 면당 열류는 탕수준면의 잔여 구역보다 10 내지 20%만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성형 주형체는 주조 방향으로 평행하게 연장되는 홈형 냉각제 채널 및 냉각 구멍을 구비하고, 그 냉각제 채널 및 냉각 구멍은 높은 열 응력 및 기계 응력을 받는 구역에서 더 밀접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
16. 제15항에 있어서, 상기 냉각제 채널 및 냉각 구멍의 간격은 높은 열 응력 및 기계 응력을 받는 구역이 탕수준면의 수평 인접 구역보다 20% 이상 더 작은 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.
17. 제15항에 있어서, 상기 냉각제 채널 및 냉각 구멍은 전이 구역에서 단계적으로 점점 더 밀접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 주조 설비용 액체 냉각식 주형.

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