KR100578299B1 - 팽창완충대를 구비한 쌍롤형박판주조장치용 사이드 댐 - Google Patents

팽창완충대를 구비한 쌍롤형박판주조장치용 사이드 댐 Download PDF

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KR100578299B1
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양기덕
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Abstract

본 발명은 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐에 관한 것으로서, 주조 초기 또는 주조 중 사이드 댐의 열응력에 의한 균열 발생 방지를 목적으로 팽창완충대가 설치된 사이드 댐에 관한 것이다.
본 발명은 내화물로 이루어지며 내주부 및 외주부로 구성된 몸체부로 이루어지는 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐에 있어서, 상기 사이드 댐에는 상기 사이드 댐의 내주부와 외주부의 온도 차이를 감소시켜 상기 사이드 댐의 외주부 표면에 받는 인장응력을 완화하고 내열 충격성을 향상시키기 위하여 적어도 1개 이상의 팽창완충대가 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐을 제공한다.
쌍롤형 박판주조장치, 사이드 댐, 팽창완충대

Description

팽창완충대를 구비한 쌍롤형박판주조장치용 사이드 댐{side-dam having a zone absorbing inflation for twin roll strip caster}
도 1은 일반적인 종래의 쌍롤형 박판 주조공정을 설명하기 위한 개략도
도 2는 종래의 쌍롤형 박판 주조용 사이드 댐을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 팽창완충대가 설치된 쌍롤형 박판 주조용 사이드 댐을 나타낸 도면
표는 주조과정 중 팽창완충대를 구비한 사이드 댐과 팽창완충대를 구비하지 않은 사이드 댐의 균열발생여부를 각각 비교한 표
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10...주조롤 20...사이드 댐
30...용강 풀 40...박판
60...몸체부 60a...내주부
60b...외주부 70...마찰부
80...팽창완충대
본 발명은 쌍롤형박판주조장치(twin roll strip caster)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주조 초기 또는 주조 중 자체 균열에 의해 발생되는 용강 유출 및 주조의 문제점을 방지할 수 있는 쌍롤형 박판주조용 사이드 댐에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 쌍롤형 박판주조 공정은 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 주조롤(10)과 상기 주조롤(10)의 양단면에 접하는 사이드 댐(20)에 의해 형성되는 이동 주형으로 용강을 공급하여, 상기 용강으로부터 직접 수 mm두께의 박판(40)을 고속으로 제조하는 공정으로서, 생산 공정을 단축함과 동시에 에너지 및 비용을 절감할 수 있는 신연속 주조 공정이다. 이러한 공정에 사용되는 사이드 댐(20)은 용강 밀폐 성능에 따라서 주조안정성 및 주편 에지부 형상과 주편 품질에 크게 영향을 미치며, 상기 사이드 댐(20)의 수명과 내구성에 따라서 주조 용량이 결정되는 매우 중요한 설비이다.
상기 쌍롤형 박판주조 공정에 사용되는 사이드 댐(20)은 상기 사이드 댐(20)의 몸체부를 형성하는 내화물 부분과 주조롤(10)과 접촉하는 Y자 형태의 마찰부(70)로 구성되어 있다. 그리고, 상기 사이드 댐(20)의 내화물 부분은 고온의 용강과 직접 접촉하는 내주부(60a)와 용강과 접촉하지 않는 외주부(60b)로 구성된다.
이러한 사이드 댐(20)은 고온의 용강과 회전하는 주조롤(10)의 측면에 동시에 직접 접하기 때문에 용강과 접촉하는 내화물의 내주부(60a)와 주조롤과 접촉하는 내화물의 외주부(60b)에 의해 온도 차가 발생되며, 이로 인해 내화물의 외주부(60b)는 매우 심한 인장 응력을 받게 된다. 이와 같이, 온도 차에 의해 발생된 커다란 열응력은 상기 사이드 댐(20)에 심한 열충격을 부여하여 내화물의 외주부 (60b)에서 균열이 발생하게 된다. 이러한 균열은 용강의 밀폐 성능을 저하시키고, 주조 안정성 및 주편 에지부 형상과 주편 품질에 영향을 미치며, 크게는 주조를 중단해야 하는 직접적인 원인이 되기도 한다.
이러한 사이드 댐(20)의 주조 초기 또는 주조 중의 균열발생방지를 위하여 여러가지 방법들이 제안되고 있다.
먼저, 재질적인 측면에서, 상기 사이드 댐(20)의 몸체부를 이루는 내화물 부분은 스트립 캐스팅 공정 초기 내열충격성이 우수한 퓨즈드 실리카(fused silica)질을 주로 사용하였다. 상기 퓨즈드 실리카질은 상전이 온도 이하에서는 열팽창률이 0에 가까우며, 단열성도 비교적 우수한 재질이다. 그러나, 상기 퓨즈드 실리카는 약 1200℃ 이상의 온도의 비정질(amorphous) 상태에서는 크리스토발라이트(cristobalite)로 상전이가 진행되면서 원자의 재배열에 의한 수축으로 균열이 발생되며, 열충격 저항성은 소멸된다. 따라서, 장시간 주조에 적용하기 위하여 Al2O3-C, Al2O3-SiC-C, Alumina-mullite 등과 같은 알루미나계 내화물 재질이 개발되었다.
그러나, 이러한 재질들은 또한 내열 충격성이 약하기 때문에 사이드 댐(20)에 가열 시스템을 설치하여 전기 히터로 상기 사이드 댐의 내화물 몸체부를 가열함으로써 열충격 저항성을 향상시키는 방법들이 제안되고 있다.
일예로서서, 일본 특개평7-68353호에서는 사이드 댐 내화물 몸체부에 히터 관통공을 설치하고 발열체를 관통공에 삽입하여 전기 히터로 가열하여 내화물을 예열하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 이러한 시스템도 사용 중 사이드 댐의 완전 한 균열 발생을 방지하는 것에는 한계가 있었다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 사이드 댐(20)의 내화물 부분은 고온의 용강과 직접 접촉하는 내주부(60a)와 용강과 접촉하지 않는 외주부(60b)로 구분되어 진다.
이 때, 고온의 용강과 접촉하는 내주부(60a)와 용강과 접촉하지 않는 외주부(60b)의 온도 차이에 의해 외주부(60b) 표면에는 커다란 인장 응력이 발생하게 되며, 이 인장 응력이 내화물의 한계 강도를 초과하면 외주부(60b)에서부터 균열이 발생하게 된다. 이러한 응력을 완화시키기 위해 내화물 배면을 전기히터로 가열하면 내화물의 외주부(60b)와 내주부(60a)의 온도 차이가 감소되어 내화물에 부여되는 인장응력을 완화시킬 수 있게 된다.
그러나, 이 때에도 상기 사이드 댐을 구성하는 내화물 몸체부의 외주부(60b)의 끝부분까지는 완벽하게 가열할 수 없었으며, 아무리 잘 예열한다 할지라도 내화물의 내주부(60a)와 외주부(60b) 사이에는 온도 차이가 발생하게 된다. 또한, 주조롤(10)과 직접 접촉하는 마찰부(70)는 상기 주조롤과의 적절한 내마모성 및 내열충격성을 고려하여 BN-복합체를 적용하고 있으나, 일반적으로 BN-복합체는 열전도율이 높아 수냉되고 있는 주조롤(10)에 의해 쉽게 열을 빼앗기게 되며, 이로 인해 내화물의 외주부(60b)의 온도는 더욱 감소하게 되어 내화물의 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도 차이는 더욱 크게 된다. 따라서, 상기 사이드 댐은 가열 장치에 의하여 내화물의 균열 발생 가능성을 어느 정도는 감소시킬 수 있으나, 장시간 주조에서는 항상 사이드 댐의 균열 발생에 대한 문제점을 가지고 있게 된다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점 및 제결점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주조 초기 또는 주조 중 열응력에 의해 발생되는 균열을 방지하기 위한 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐을 제공하고자 한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내화물로 이루어지며 내주부 및 외주부로 구성된 몸체부로 이루어지는 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐에 있어서, 상기 사이드 댐에는 상기 사이드 댐의 내주부와 외주부의 온도 차이를 감소시켜 상기 사이드 댐의 외주부 표면에 받는 인장응력을 완화하고 내열 충격성을 향상시키기 위하여 적어도 1개 이상의 팽창완충대가 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 이하에서 종래와 동일한 구성 요소에 대해서는 종래와 동일한 도면 번호 및 동일 명칭을 부여하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 팽창완충대가 설치된 쌍롤형 박판 주조장치용 사이드 댐을 나타낸 도 3을 참조하면, 상기 사이드 댐은 일반적으로 사이드 댐의 몸체를 구성하는 내화물 몸체부(60)와 주조롤(10)과 접촉하는 마찰부(70)로 이루어져 있다.
상기 사이드 댐(20)을 이루는 내화물 몸체부(60)는 고온의 용강과 직접 접촉 하는 내주부(60a)와 상기 고온의 용강과 접촉하지 않는 외주부(60b)로 구성되어 있으며, 내주부(60a)와 외주부(60b)의 재질을 다르게 사용할 수도 있으나 일반적으로는 동일 재질을 사용한다.
그리고, 상기 마찰부(70)는 냉각수가 흐르는 주조롤(10)과 고온의 용강이 직접 접촉하기 때문에 내열충격성이 우수하며, 상기 주조롤(10)에 대응하여 적절한 내마모성을 갖추어야 한다. 이를 위해, 일반적으로는는 BN-복합체 재질이 사용되는데, 가격이 고가이므로 상기 사이드 댐(20) 전체에는 사용되지 못하고 주조롤(10)과 접촉하는 부위에만 한정하여 사용되며, 대게 Y자 형태로 이루어져 내화물 몸체부(60)에 매설되어진다.
그리고, 상기 한쌍의 주조롤(10)과 한쌍의 사이드 댐(20)에 의해 형성된 이동 주형 내로 용강이 수강되면 상기 사이드 댐은 고온의 용강과 접촉하는 부위인 내주부(60a)와 상기 고온의 용강과 접촉하지 않는 부위인 외주부(60b)로 구분되며, 이로 인해 내화물 몸체부(60)의 내주부(60a)와 외주부(60b) 사이에는 온도 차가 발생하게 된다. 이 인장 응력이 내화물 몸체부(60) 재질의 한계 강도를 초과하면 상기 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)는 큰 인장응력을 받게 된다. 그리고, 이 인장 응력이 내화물 몸체부(60)를 이루는 재질의 한계 강도를 초과하면 내화물의 외주부(60b)로부터 균열이 발생하게 된다. 따라서, 내화물 몸체부(60)의 균열이 발생되지 않기 위해서는 내화물 몸체부(60)의 강도가 인장응력보다 크거나, 또는 내화물 몸체부(60)의 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도차가 적어 이로 인해 발생되는 외주부(60b)의 인장응력이 내화물 몸체부(60)의 강도보다 작아야 한다.
그러나, 일반적으로 내화물 몸체부(60)의 강도가 증가하면 이와 비례적으로 열팽창률 및 탄성율이 증가하여 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)에 받는 인장응력 또한 증가하게 된다. 또한, 열팽창특성이 증가하면 내화물 몸체부(60)의 열변형이 발생되어 상기 사이드 댐(20)에 의한 용강의 밀폐성능이 저하되게 된다. 그러므로, 내화물 몸체부(60)의 강도증진이 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)의 균열 발생방지에 어느 정도 효과는 있지만, 근본적인 문제해결에는 적합하지 않다.
따라서, 본 발명에서는 내화물 몸체부(60)의 균열발생방지를 위하여 외주부(60b)에 팽창완충대(80)를 설치하여 내주부(60a)와 외주부(60b)간 온도 편차를 감소시켜, 내화물 몸체부의 외주부(60b)에서 발생하는 인장응력을 감소하여 내열충격성이 우수한 사이드 댐(20)을 제공한다.
다음 실시예들에서 본 발명에 따른 사이드 댐에 대하여 보다 자세히 설명하기로 한다.
상기 사이드 댐(20)을 구성하는 내화물 몸체부(60)에는 BN-복합체를 매설할 수 있도록 Y자 형태의 홈(90)이 제공된다. 이 때, 상기 사이드 댐(20)에 상기 BN-복합체를 매설하기 전, 소성된 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)에, 도 3에 도시된 바와 같이, 팽창완충대(80)를 설치한다. 상기 팽창완충대(80)는 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b) 끝 부분에서 BN-복합체가 매설되는 지점까지 컷팅된 슬릿의 구조로 이루어진다. 그리고, 상기 팽창완충대(80)의 내측쪽 슬릿의 끝부분에서부터 균열이 시작되지 않도록 하기 위하여 상기 팽창완충대(80)는 슬릿 폭보다 큰 둥근 원형 모양으로 가공된다.
상기 슬릿구조로 이루어진 팽창완충대(80)는 부정형 내화물일 경우 성형할 때부터 형성됨이 바람직하다. 그리고 이 때, 상기 팽창완충대(80)를 이루는 슬릿의 길이는 내화물 몸체부(60)가 용강과 직접 접촉하지 않는 부위까지 가능하며 내화물 몸체부(60)의 내주부(60a)에 가까울수록 유리하다.
또한, 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b) 표면에 팽창완충대(80)를 설치함으로써, 상기 팽창완충대(80)가 설치된 부분의 외주부(60b) 표면은 팽창완충대(80) 슬릿의 원형끝부분이 된다. 따라서, 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b) 표면이 내주부(60a)에 가까워 지게 되어 내화물 몸체부(60)를 가열하면 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)와 내주부(60a)의 온도편차가 감소하게 된다. 그 결과 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)에서 발생되는 인장 응력이 완화되어 내화물 몸체부(60)의 균열발생을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 팽창완충대(80)의 설치는 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)의 응력이 집중되는 곳, 즉 중앙에 설치되어야 균열발생방지에 효과적이다. 따라서, 상부 및 좌,우 측면에 적어도 1곳 이상 각각 설치되어야 한다. 상기 팽창완충대(80)의 설치는 그림 2와 같이 상부 및 좌,우 측면의 인장 응력이 집중되는 곳에 상부 3곳, 좌,우 측면 각 5곳씩 설치하였다. 그리고, 상기와 같이 팽창완충대(80)가 설치된 내화물 몸체부(60)에 BN-복합체를 매설하여 사이드 댐(20)을 제조하였다.
상기 서술한 바와 같이, 상기 사이드 댐(20)은 내화물 몸체부(60)와 BN-복합체가 매설된 마찰부(70)로 구분된다.
그리고, Al2O3-SiC-C계 재질 및 Al2O3-SiC-ZrO2-C계 재질 등 두 가지를 선정하여 성형 및 소성 과정을 거쳐 내화물 몸체부(60)를 제조한 후, 상기 팽창완충대(80)가 설치된 사이드 댐(20)의 사용상의 안정성을 평가하기 위하여 사이드 댐(20) 배면에 가열 시스템을 설치하여 전기 히터로 2시간 동안 1300℃까지 가열하고, 1300℃에서 30분간 유지하면서 균열발생여부를 관찰하여, 동일 재질에 대해 팽창완충대가 설치되지 않은 것과 설치된 것을 비교 평가하여 아래에 표로서 나타내었다.
이하에서는, 아래에 제시된 표를 참조하여, 각각의 비교예 및 실시예를 비교 설명하기로 한다.
표
Figure 112005019449635-pat00001
비교예 1, 실시예 1
비교예 1과 실시예 1은 Al2O3-SiC-C계 재질이며 곡강도는 116kg/cm2 이다. 상 기 재질에 팽창완충대를 설치한 것(실시예 1)과 팽창완충대를 설치하지 않은 것(비교예 1)을 각각 1300℃까지 가열하여 균열 발생여부 및 온도차이인 △T를 조사하였다. 즉, 팽창완충대를 하지 않은 비교예 1은 A와 B 지점의 온도를 측정하여 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도차이(A-B=△T)를 확인하였고, 실시예 1은 A'와 B' 지점의 온도를 측정하여 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도 차이(A'-B'=△T)를 확인하였다.
비교예 1은 내주부(60a) 온도가 1300℃ 일 때 외주부(60b) 표면 온도가 715℃로 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도 차이가 585℃ 발생하였으며, 외주부(60b) 표면에서부터 균열(crack)이 발생하였다.
그러나, 실시예 1은 내주부(60a) 온도가 1300℃일 때 외주부(60b) 표면 온도가 1036℃로 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도 차이가 264℃ 발생하였으며, 외주부(60b) 표면에 균열이 발생하지 않았다.
비교예 2, 실시예 2
비교예 2와 실시예 2는 Al2O3-ZrO2-C계 재질이며 곡강도는 211kg/cm2이다. 비교예 1 및 실시예 1 재질보다 약 2배 정도 곡강도가 높다. 상기의 재질을 비교예 1 및 실시예 1과 마찬가지로 1300℃까지 가열하여 균열발생 여부 및 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도 차이를 확인한 결과 팽창완충대(80)를 설치하지 않은 비교예 2에서는 외주부(60b) 표면에서부터 균열이 발생하였으며, 팽창완충대(80)를 설치한 실시예 2는 균열이 발생하지 않았다. 또한, 비교예 2와 실시예 2의 내주부(60a)와 외주부(60b)의 온도차이는 각각 580℃와 255℃였다.
상기와 같이 외주부(60b) 표면에 팽창완충대(80)를 설치하면 상기 내주부(60a)와 외주부(60b)간 온도 편차를 감소시킬 수 있게 되어, 내화물 몸체부(60)의 외주부(60b)에서 발생하는 인장응력을 완화함으로 인하여 내열충격성을 향상시키게 된다.
또한, 상기의 팽창완충대(80) 즉, 커팅하여 슬릿이 형성된 부분에 열팽창 계수가 내화물 몸체부(60)보다 작은 재질을 채움으로써 내열 충격성을 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 상기 사이드 댐(20)을 가열하면 사이드 댐의 외주부(60b)는 열적 특성에 의하여 팽창한다. 그러나, 열팽창 계수가 상기 내화물 몸체부보다 작은 재질이 팽창완충대에 채워지면, 팽창완충대의 저열팽창성 재질은 내화물 몸체부 만큼 열팽창율이 크지 못하기 때문에 같은 온도에서 내화물 몸체부(60)처럼 팽창하지 못한다. 따라서, 저팽창성 재질이 내화물 몸체부가 열에 의해 팽창되는 것을 구속시키기 때문에 인장응력이 감소되며, 내열 충격성은 향상된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고, 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
이상에서와 같이, 본 발명은 쌍롤형 박판주조장치를 사용하는 연속주조공정에 있어서, 사이드 댐의 외주부에 팽창완충대를 설치하여 내열 충격성이 우수한 사 이드 댐을 제공함으로써 사이드 댐의 용강 밀폐 성능을 향상시키며, 박판 연속주조공정 시 주편의 에지부 형상을 용이하게 하고, 주편 품질개선에 기여할 수 있는 효과를 갖게 된다.

Claims (5)

  1. 내화물로 이루어지며 내주부 및 외주부로 구성된 몸체부로 이루어지는 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐에 있어서,
    상기 사이드 댐에는 상기 사이드 댐의 내주부와 외주부의 온도 차이를 감소시켜 상기 사이드 댐의 외주부 표면에 받는 인장응력을 완화하고 내열 충격성을 향상시키기 위하여 적어도 1개 이상의 팽창완충대가 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창완충대는 상기 사이드 댐의 외주부의 좌,우 측면 및 상부 일측에 각각 적어도 1개 이상이 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창완충대는 외주부로부터 내주부에 이르는 슬릿으로서, 상기 내주부측 슬릿의 단부는 상기 슬릿 폭보다 큰 원형으로 형성됨을 특징으로 하는 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 팽창완충대에는 상기 내화물 몸체부의 열팽창계수보다 작은 재질로 충전되는 것을 특징으로 하는 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 사이드 댐을 구성하는 내화물이 부정형 내화물일 경우에는, 상기 팽창완충대가 성형 시에 형성되도록 함을 특징으로 하는 팽창완충대가 구비된 쌍롤형 박판주조장치용 사이드 댐.
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