KR100576239B1 - 수평연속주조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 세선 등을 제조하는 수평 연속주조 장치에 관한 것으로서, 특히 가열주형방식과 냉각주형방식을 모두 겸비한 혼합형 수평 연속주조 장치에 관한 것이다. 본 발명의 수평 연속주조 장치는, 용해로와, 용해로에 연통되게 연결된 수평형 주형과, 주형을 가열하는 주형가열부와, 용해로를 기점으로해서 주형가열부 보다 먼 위치에 배치되어 주형을 냉각하는 주형냉각부를 포함한다.

가열주형, 냉각주형, 주형가열부, 주형냉각부

Description

수평연속주조 장치{HORIZONTAL CONTINUOUS CASTING APPARATUS}

도 1은 본 발명의 수평 연속주조 장치의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 주형냉각부를 개략적으로 도시한 도면이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 용해로
12 : 용탕
13 : 주형
14 : 주형 가열부
15 : 주형 냉각부
16 : 분사 냉각부
17 : 가스 분사기
18 : 더미바
19 : 핀치롤

본 발명은 수평연속주조 장치에 관한 것으로, 특히 전자 및/또는 정밀기계 부품용 봉재를 제조하는데 이용되는 수평연속주조 장치에 관한 것이다.

최근 전자산업의 집적화에 따라, 그에 사용되는 부품들 역시 소형, 초정밀화되고 있다. 그에 따라 전자 장치의 본딩와이어도 매우 가늘은 극세선이 사용된다. 이러한 세선은 양호한 품질의 주괴로부터 얻어진다. 즉, 주괴 내부에 거시편석, 기포, 등이 없어야 하는 것이다.

이러한 주괴를 제조하는 방법으로서 연속주조가 사용되고 있으며, 기존의 연속주조는 냉각주형 방식과 가열주형 방식으로 대별된다.

일반적으로 냉각주형 연속주조는 주형이 냉각수순환장치에 의해 냉각되기 때문에, 주조시 주형벽면상에서 우선적으로 안정한 응고각이 형성된다. 그로인해, 주형벽으로부터 중심부를 향해 수직으로 성장한 주상정이 발달하며, 주괴의 중심부에는 수축공, 기포 등이 발생하거나 거시편석을 일으키는 문제가 있다.

이러한 냉각주형 연속주조의 문제를 보완할 수 있는 연속주조법이 가열주형 방식이다. 가열주형 연속주조는 주형내벽을 용탕온도 이상이 되도록 유지시켜서 주형 벽면상에서의 응고 핵생성을 억제하고, 응고가 주형의 후단부위인 인출구 선단부에서 이루어지도록 제어하는 방법이다. 이 방식은 표면이 평활, 미려하고, 내부에 수축공이나 기공 등의 결함이 없는 일방향 응고재가 얻어진다.

그러나 이와 같은 가열주형을 이용한 일방향응고법은 작업시에 용탕의 높이와 인출부 상단의 높이가 수평을 이루어야 하는 제약이 있다. 용탕의 높이가 인출부 보다 높을 경우 용탕압에 의해 인출부가 비산되고, 낮을 경우 용탕이 원할하게 인출되지 않아 인출이 끊기는 현상이 발생한다. 따라서, 용탕의 높이를 정밀하게 제어하여야 하며, 작업 중에는 용탕의 재공급이 가능하지 않다. 결국, 금속 용탕의 응고 및 주조 속도가 매우 느리고 조업 중에 누탕이 되는 사례가 많아 생산성이 낮아지는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 가열주형 방식과 냉각주형 방식을 모두 겸비한 혼합형 주형 방식의 수평연속주조 장치를 제 공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 수평연속주조 장치는, 금속 또는 금속합금을 용해하는 용해로; 상기 용해로의 일측으로부터 수평방향으로 연장되고, 수평연속주조장치의 본체속에 형성되며, 상기 용해된 금속 또는 금속합금의 주입구와 인출구를 갖는 수평형 중공주형; 상기 용해로를 가열하는 용해로가열부; 및 상기 수평형 중공주형의 둘레에 서로 이격되어 배치되며, 수평연속주조장치의 본체속에 배열된 주형가열부와 주형냉각부를 포함하며,상기 주형가열부는 상기 용해로측인 상기 주형의 주입구측에 인접하여 배열되며, 상기 주형냉각부는 상기 주형의 인출구측에 인접하여 배열된다.

또한, 바람직하게는 주형가열부는 용해로측의 주형의 선단 부위 둘레, 즉 주형과 용해로의 연결 부위의 둘레에 배치된다.

또한, 바람직하게는 주형냉각부는 용해로를 기점으로 해서 주형의 후단 부위에 배치된다.

또한, 주형냉각부는 바람직하게는 주형의 온도를 적어도 용탕 보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직하게는 수평형 중공주형의 밖으로 인출되는 금속 선재를 냉각하기 위하여 상기 수평연속주조장치의 본체와 이격되게 배열된 별도의 분사 냉각부를 더 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 수평연속주조 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 수평연속주조 장치의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 수평연속주조 장치는 용해로(10), 예를 들어 SiC 발열체(11)로 가 열되는 흑연도가니를 구비한다. 이 용해로(10)는 장입된 금속을 용탕(12)으로 제조한다.

용해로(10) 측벽에 본 발명의 수평형 주형(13)이 연통되도록 연결된다. 주형(13)은 예를 들어 흑연 주형으로서, 용해로 내의 용탕(12)이 이 주형(13) 내부를 통과하면서 원하는 형상으로 응고된다.

본 발명의 수평형 주형(13)에는 주형가열부(14)와 주형냉각부(15)가 모두 겸비된다.

주형가열부(14)는 예를 들어 칸탈(kantal) 발열체로서, 주형(13)을 가열하여 주형의 내벽에서 핵생성이 일어나는 것을 방지하고, 응고계면이 주형의 벽면이 아닌 내부에 위치하도록 한다. 그런 이유 때문에, 주형가열부(14)는 주형(13)의 용해로(10)측의 선단부위에, 즉 용해로(10)와 주형(13)의 연결부위에 가능한 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.

주형냉각부(15)는 예를 들어 냉각수 순환식 냉각장치로서 바람직하게는 용해로(10)를 기점으로 해서 주형(13)의 후단 부위에 배치된다. 주형냉각부(15)는 주형의 온도를 적어도 용탕의 융점보다 낮게 유지하여 주형냉각부(15) 부위에서 응고가 이루어진다.

이와 같은 주형가열부(14) 및 주형냉각부(15)에 의해, 응고계면이 주형 내부에 위치함과 더불어 응고가 주형냉각부(15)가 배치된 부위에서 이루어지게 된다. 특히 본 발명의 주형냉각부(15)는 그 부위에서의 빠른 응고를 제공하여 응고된 선재에 의해 누탕이 방지된다. 누탕 가능성이 없다는 것은, 용탕(12)의 높이를 주형(13) 높이 정도로 정밀하게 조절해야할 필요가 없다는 것을 의미한다. 따라서, 용탕(12)의 높이를 주형(13)의 높이보다 높게하여 인출이 끊김없이 계속되도록 하고, 또한 작업 중에도 얼마든지 용탕을 재충진할 수 있게 된다.

주형가열부(14)와 주형냉각부(15)는 공히 주형(13)을 둘러싸는 형태를 가지므로써 균일한 가열/냉각이 이루어지도록 한다.

주형가열부(14)와 주형냉각부(15)의 간격은, 주형(13)에 열충격이 가해지지 않을 정도의 적절한 거리를 가진다.

또한, 본 발명의 수평연속주조 장치는 2차로 주형 밖에서 인출되는 선재에 냉각수를 분사하는 분사냉각부(16)를 구비한다. 분사냉각부(16)가 배치되는 위치는 바람직하게는, 주형(13)의 후단부에 최대한 근접한 곳으로 하여 급냉효과를 한층 더 높히도록 한다. 그를 위해, 분사조건 이를테면, 냉각수의 압력, 각도 및 수량, 그리고 냉각수와 응고선재와의 접촉시간 등도 최적으로 조정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 수평연속주조 장치는 상술한 바와 같이 응고계면이 주형 내부에 위치하고, 열의 흐름이 인출방향으로만 흐르게 되어 초기에 생성된 응고 핵들은 인출방향과 반대방향으로 성장을 하게 된다. 성장하던 결정들 중 이렇게 우선성장 방위를 갖는 결정이 다른 결정들을 잠식한다. 이러한 경쟁성장은 몇 개의 결정들만이 남아서 방향성성장이 얻어진다.

또한, 본 발명의 수평연속주조 장치는 또한 주형냉각부(15)의 존재에 의해 강도와 인성이 동시에 향상되는 급속냉각효과까지 보장한다. 따라서 응고조직이 미세하고, 표면이 미려한 응고 선재 또는 봉재가 얻어진다.

본 발명의 주형냉각부(15)는, 도 2에 보다 상세하게 도시한 바와 같이, 냉각장치 지지대(154)에 의해 지지되어 주형(13)의 인출구(131) 부위의 둘레를 감싸는 형태로서, 냉각수 입구(152)를 통해 유입된 냉각수가 몸체(151) 내부의 순환 경로를 따라 순환한 후, 냉각수 출구(153)을 통해 배출된다. 이러한 주형냉각부(15)에 의해 주형의 온도는 적어도 용탕의 융점보다 낮게 유지하여 주형냉각부(15) 부위에서 응고가 이루어지게 된다.

원하는 급속 냉각을 얻기 위해서는, 주형가열부(14)와 주형냉각부(15) 간의 간격 및 온도 구배, 그리고 인출속도와 주형가열부(14)와 주형냉각부(15) 사이의 온도구배를 그에 적합하게 조정한다. 도 1에서의 미설명 도면부호 155, 156는 각각 급수온도 측정용 열전대와 배수온도 측정용 열전대이다.

상술한 본 발명의 수평연속주조 장치를 이용하여 구리 봉재를 제조하기에 적합하게 구성하였고, 그 장치를 사용하여 실제 구리봉재를 제조하였다. 그에 대해 도 1 및 도 2을 참조하여 그에 대해 구체적으로 설명한다.

수평연속주조 장치는 그의 본체에 금속 또는 금속합금을 용해하는 용해로(10)로서 SiC발열체로 가열되는 흑연도가니를 구비하였다. 수평연속주조 장치의 본체에는 또한 흑연으로 이루어진 용해로의 일측으로부터 수평방향으로 연장되어 형성된, 용해된 금속 또는 금속합금의 주입구와 인출구를 갖는 주형(13)이 구비되어 있으며, 주형(13)은 용해로(10)를 기점으로 해서 선단부에 칸탈발열체인 주형가열부(14)와, 후단부, 예를 들어 주형의 끝부위에서 2 내지 50mm가 되는 위치에 냉각수 순환장치인 주형냉각부(15)를 각각 구비하였다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 주형(13)은 수평연속주조장치의 본체속에 배열되어 있으며, 주형 둘레에 배치되고, 용해로 측의 주형의 끝부분에 형성된 주형가열부(14)와, 주형가열부(14)와 이격되어 주형의 인출구측에 인접되어 배열되어 있는 주형냉각부(15)를 구비한다. 주형가열부(14)와 주형냉각부(15)는 수평연속주조 장치의 본체 속에 배열된 주형(13)의 둘레에 서로 이격되게 배열되어 있다. 주형(13)에 열충격이 가해지지 않도록 이 두 장치의 간격을 150mm 이상으로 하였고, 또한 주형의 외경을 통상의 굵기보다 크게 하였다. 또한, 2차 냉각부인 분사냉각부(16)는 주형(13)에 최대한 근접한 위치에 배치하였다. 도 1에 도시한 바와 같이, 분사 냉각부(16)는 주형의 인출구 밖으로 인출되는 금속선재를 2차 냉각시키기 위하여 주형의 인출구로부터 이격되게 즉, 연속주조장치의 본체로부터 이격되게 설치되어 있다.

먼저 순동 50kg을 흑연도가니인 용해로(10)에 장입하고, SiC 발열체를 사용하여 가열하였다. 용탕(12)의 온도는 1200℃를 유지하였고, 가스 분사기(17)를 통해 용탕보호가스로서 Ar을 흘려주었다. K-type 열전대를 주형 내에 삽입하여 주형이 온도를 측정하였다.

순동이 녹은 후, 핀치롤(19)을 이용하여 더미바(18)를 용해로(10)의 내부 20mm까지 넣은 후, 용탕(12)의 높이는 주형(13)의 높이보다 50mm이상 높게 하였다.

용탕(12)의 높이가 올라가면, 핀치롤(19)을 사용하여 100mm/min의 속도로 더미바(18)를 인출하면서, 각 부위의 온도를 측정하였다. 그 결과, 응고속도가 높고, 표면이 미려한 방향성 구리 봉재가 끊김없이 연속적으로 얻어졌다.

본 발명의 수평연속주조 장치는, 종래의 가열주형 방식과 냉각주형 방식이 가지는 단점을 동시에 해결하면서, 또한 그들 방식의 장점을 취한다. 이를테면, 응고 계면이 주형벽이 아닌 주형 내부에 위치하므로써, 주괴 중심부의 수축공, 기포, 거시편석등의 내부결함이 없는 양호한 품질의 응고재가 얻어진다. 또한, 본원 발명의 혼합형 주형은 주형의 후단부에 주형냉각부가 배치되므로써 누탕을 방지된다. 따라서, 용탕의 높이를 정밀하게 제어할 필요가 없고, 재충진이 자유로워서 길이에 제한없이 연속적으로 응고재를 얻을 수 있다. 또한, 응고, 인출 및 주조 속도가 빠르고, 급냉효과를 얻을 수 있기 때문에, 강도와 인성이 동시에 얻어지고 표면이 미 려한 응고재가 얻어진다.

이는 결국, 금속세선제조에 있어서 용융금속으로부터 직접 방향성을 가진 선재를 고속으로 연속주조할 수 있기에, 생산성의 향상과 아울러, 열간, 냉간가공 및 열처리 등의 공정을 간략화할 수 있다. 그에 따라 설비비 절감, 수율 향상의 경제적 효과도 매우 크다. 이와같은 고강도 고기능성을 가진 전자부품용 세선 제조는, 난가공적이면서 다품종소량 생산에 해당되기 때문에, 국내에서는 아직 제조공정기술이 확보되지 못하며, 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 전세계적으로도 이러한 소재를 생산하고 있는 국가는 일본, 미국, 독일 등 선진국에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 급속냉각 및 방향성 응고를 바탕으로 한 고속 연속주조공정으로서 산업수요가 매우 큰 비철계 합금을 생산 및 국산화하는데 큰 기여를 할 것으로 기대되는 바이다.

Claims (5)

1. 수평연속주조장치로서,

   금속 또는 금속합금을 용해하는 용해로;

   상기 용해로의 일측으로부터 수평방향으로 연장되고, 수평연속주조장치의 본체속에 형성되며, 상기 용해된 금속 또는 금속합금의 주입구와 인출구를 갖는 수평형 중공주형;

   상기 용해로를 가열하는 용해로가열부; 및

   상기 수평형 중공주형의 둘레에 서로 이격되어 배치되며, 수평연속주조장치의 본체속에 배열된 주형가열부와 주형냉각부를 포함하며,

   상기 주형가열부는 상기 용해로측인 상기 주형의 주입구측에 인접하여 배열되며, 상기 주형냉각부는 상기 주형의 인출구측에 인접하여 배열되는 수평연속주조장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 수평형 중공주형의 밖으로 인출되는 금속 선재를 냉각하기 위하여 상기 수평연속주조장치의 본체와 이격되게 배열된 별도의 분사 냉각부를 갖는 것을 특징으로 하는 수평연속주조장치.

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