KR100650559B1 - 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하는 스트립 캐스팅 공정에서 용강내 산소함량이 매우 낮은 강의 주조재 표면에 덴트를 예방하기 위한 것으로, 대기중의 산소가 주조롤 표면에 부착되어 용강내로 유입되지 않도록 산소 차단 장치를 부착시켜 외기 유입 산소와 용강내로의 흡수 반응 또는 산소와 용강내 탄소와의 반응을 억제하므로써 이들 두 원소의 가스 반응물에 의해 생성되는 표면 덴트 결함을 감소시켜 주편의 품질을 향상시키코자 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치 및 그 방법에 관한 발명이다. 본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하는 스트립캐스팅 공정에서 용강내 산소함량이 매우 낮은 강의 주조재 표면에 덴트를 예방하기 위한 것으로, 대기중의 산소가 주조롤 표면에 부착되어 용강내로 유입되지 않도록 산소 차단 장치를 부착시켜 외기 유입 산소와 용강내로의 흡수 반응 또는 산소와 용강내 탄소와의 반응을 억제하므로써 이들 두 원소의 가스 반응물에 의해 생성되는 표면 덴트 결함을 감소시켜 주편의 품질을 향상시키는 스트립 캐스팅 공정의 덴트 생성 방지 장치 및 그 방법을 제공한다.

스트립 캐스팅, 덴트, 산소차단장치.

Description

스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치 및 그 방법{A Method and apparatus for preventing surface dent defect in twin-roll strip casting}

도 1은 종래의 쌍롤형 박판주조 장치의 개략도,

도 2는 종래의 쌍롤형 박판주조 장치로 제조된 Fe-0.35C-25Mn-1.5Al-0.5Si 합금강의 주편 표면에 생성된 덴트 결함 형상의 예이고,

도 3은 본 발명의 주편 덴트 결함 방지용 롤 표면 산소 차단 장치의 구성도,

도 4는 본 발명의 롤 표면 산소 차단 장치를 이용하여 쌍롤형 박판주조 장치로 제조된 주편의 효과를 나타내는 주조재 표면 형상의 예이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

5 : 메니스커스쉴드, 6 : 브러쉬롤,

8 : 용강풀, 10 : 롤 표면 산소 차단 장치,

11 : 가스 공급구, 12 : 가스 배출구,

13 : 칸막이(separator), 23 : 가스공급노즐

본 발명은 스트립 캐스팅 공정에서 생산되는 주편의 품질향상에 관한 것이며, 특히 용강내 산소함량이 매우 낮은 강의 주조재 표면의 덴트(dent) 결함을 예방하므로써 주편의 품질을 향상시키고자 하는 스트립 캐스팅 공정의 덴트 생성 방지 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이하, 종래의 스트립 캐스팅공정을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 쌍롤형 박판주조 장치의 개략도이고, 도 2는 종래의 쌍롤형 박판주조 장치로 제조된 Fe-0.35C-25Mn-1.5Al-0.5Si 합금강의 주편 표면에 생성된 덴트 결함 형상의 예이다.

종래의 스트립캐스팅에 사용되는 쌍롤형 박판주조기(100)는 도 1에 도시한 바와 같이 턴디쉬(3)로부터 노즐(4)을 통해 두 개의 주조롤(1)과 측면에 부착된 에지댐(2)으로 형성되는 공간에 용강을 공급하여 용강풀(8)이 형성되게 한 후, 서로 반대 방향으로 주조롤(1)을 회전시키면서 주조롤(1)과 용강의 접촉을 통해 주조롤(1) 내부로의 열유출에 의해 용강을 급속응고시켜 주편(7)을 제조하는 장치이다.

상기의 장치로 주편(7)을 제조함에 있어서 주조롤(1)의 표면과 직접 접하는 용강 사이에 존재하는 분위기 가스, 즉 용강풀(8) 상부와 메니스커스쉴드(5) 및 측면의 에지댐(2)으로 둘러싸인 내부공간(메니스커스 쉴드 내부 :M)의 분위기 가스의 역할은 매우 중요하다.

종래의 주조롤과 응고쉘 계면의 가스층은 용강-롤의 열전달을 결정짓는 열적 저항체로 작용하며, 주조롤의 냉각능을 지배하는 용강-롤의 총괄열전달계수에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

롤과 응고쉘 계면에 존재하는 가스층은 두께나 분포뿐만 아니라 용강과의 반응성 여부, 즉 불활성, 산화성, 환원성 및 용해성 여부에 따라 가스의 작용 및 효과가 매우 다르다. 스트립캐스팅공정에서 분위기 가스로 질소 가스를 사용하는 것이 효과적인 것으로 알려져 있다. 질소 가스는 불활성 가스로서 용강의 재산화를 방지할 뿐만 아니라, 질소는 용강내로 쉽게 흡수되어 용강의 표면장력을 감소시킴으로써 용강의 젖음성(wetability)을 향상시킨다.

특히 포토에칭(photo etching)이나 숏블라스팅(shot blasting)과 같은 표면처리기술(texturing technology)에 의한 딤플(dimple)이 각인된 주조롤 표면에 있어서 질소가스는 균일한 응고를 유도하여 응고시 수반되는 응력을 효과적으로 분산, 해소시킴으로써 주편 표면의 균열발생을 방지하는 역할을 한다.

따라서, 스트립캐스팅 공정에 있어서 주조중 메니스커스쉴드(5)내의 분위기는 외부로부터 산소 등과 같은 유해성 가스나 오염원 유입으로 오염되지 않도록 극력차단하는 것이 무엇보다도 중요하며, 메니스커스쉴드(5)내의 분위기 가스의 조성, 양 및 흐름을 조절하는 기술은 무결함 주편 제조를 위한 핵심적인 기술이다.

하지만 최근 자동차용 대체 소재로서 연구가 활발히 진행되고 있는 고강도, 고연성의 고망간강(18~25wt%Mn)이나 강중 산소함량이 낮은 대상강을 주조할 경우에는 상기의 메니스커스쉴드 즉, 탕면 상부 밀폐공간 형성 및 공간내 분위기 제어로는 주조재 표면의 덴트(dent) 결함 생성을 억제 또는 방지할 수 없는 문제점이 있 다.

또한, 강의 응고시 수반되는 수축응력, 변태응력 등을 효과적으로 분산, 해소시키므로써 주편의 표면균열을 방지하는 역할 도모를 위해 크고, 작은 딤플이 시공된 주조롤로 스트립캐스팅할 경우에는 덴트 안에 충진된 외기 산소가스의 배출이 더욱 어려운 구조이므로 상기의 문제점이 더욱 심각해진다.

종래의 강력한 탈산제 역할을 하는 원소 Mn, Al, Si, Ti 등이 다량 함유된 강을 스트립캐스팅 공정으로 직접 박판을 주조할 경우에는 용강내 산소함량이 평형상태보다도 매우 낮기 때문에 외기 반응성 가스인 산소와 접촉하게 되면 용강내로 급속한 용해반응이 일어나고 또는 산소와 용강내의 탄소와의 격렬한 반응이 일어나며, 이러한 반응은 롤-응고쉘 사이 계면에서 응고와 동시에 일어나기 때문에 표면 덴트 결함을 유발시키는 문제점을 유발한다.

또한, 포토에칭, 숏블라스팅 또는 레이저빔 가공법에 의한 표면에 딤플이 시공된 주조롤은 매 회전마다 대기와 접촉되면서 딤플 기저부에 산소가스가 완전히 제거되지 않은 채 메니스커스로 유입되기 때문에 상기의 반응에 의한 표면 덴트가 더욱 조장될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 언급한 문제점을 해결하는 것으로, 용강내 산소함량이 극도로 낮아 산소와의 반응성이 큰 용강을 스트립캐스팅 공정으로 적용할 경우에 있어서 주조재 표면에 발생되는 덴트 표면결함을 예방하여 주편의 품질을 향상시키고자 하는 스트립 캐스팅 공정의 덴트 생성 방지 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하는 스트립캐스팅 공정에서 용강내 산소함량이 매우 낮은 강의 주조재 표면에 덴트를 예방하기 위한 것으로, 대기중의 산소가 주조롤 표면에 부착되어 용강내로 유입되지 않도록 산소 차단 장치를 부착시켜 외기 유입 산소와 용강내로의 흡수 반응 또는 산소와 용강내 탄소와의 반응을 억제하므로써 이들 두 원소의 가스 반응물에 의해 생성되는 표면 덴트 결함을 감소시켜 주편의 품질을 향상시키는 스트립 캐스팅 공정의 덴트 생성 방지 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스트립 캐스팅 공정의 덴트 생성 방지 장치는, 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤과 그 양측 면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과, 상기 용강풀내로 용강을 공급하는 침지노즐과, 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 메니스커스 쉴드를 갖추어 박판을 주조하는 쌍롤형 스트립캐스팅 장치에 있어서, 상기 메니스커스 쉴드 전방의 주조롤 대기접촉면을 외기의 유입을 차단하기 위하여 메니스커스 쉴드(5) 전단에서 브러쉬롤(6)까지 이르는 원주 궤적부의 표면뿐아니라 측면을 에워 싸도록 설치된 챔버(10)와, 상기 챔버(10)에 불활성 가스를 주입하기 위한 가스 공급 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 챔버(10)는 상부에 가스공급구(11)와 가스배출구(12)가 형성된 것을 특징으로 하며, 챔버(10)는 별도 챔버가 이루어지도록 롤 전폭 길이에 해당하는 것을 특징으로 한다.

또한, 가스 공급수단은 주배관(20) 및 이로부터 분기된 지관(22)과 지관의 끝단에 설치된 가스주입노즐(23)로 구성되며, 지관의 끝단에 설치된 가스공급노즐(23)은 상기 챔버에 형성된 공기공급구(22)의 갯수에 맞게 설치된 것을 특징으로 하며, 브러쉬롤(6)은 주조롤의 중심과 평행한 부분에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤과 그 양측 면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과, 상기 용강풀내로 용강을 공급하는 침지노즐과, 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 메니스커스 쉴드를 갖추어 박판을 주조하는 쌍롤형 스트립캐스팅 공정에 있어서, 메니스커스 쉴드 전방에서 브러쉬롤까지의 주조롤 대기 접촉면부에 불활성 가스를 분사하여 용강으로의 외기 유입 산소를 차단하는 것을 특징으로 한다,

또한, 불활성 가스는 메니스커스 쉴드 전방에서 브러쉬롤까지의 주조롤 원주 궤적부를 에워싸고 있는 밀폐형 챔버의 가스공급구를 통하여 분사되고 다시 가스배출구를 통하여 배출되며, 불활성 가스는 상기 챔버의 상부에 설치된 가스공급수단에 의해 공급되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 주편 덴트 결함 방지용 롤 표면 산소 차단 장치의 구성도 이고, 도 4는 본 발명의 롤 표면 산소 차단 장치를 이용하여 쌍롤형 박판주조 장치로 제조된 주편의 효과를 나타내는 주조재 표면 형상의 예이다.

본 발명은 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 주조롤과, 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과, 상기 용강풀의 상부면으로 불활성 분위기가스를 공급하여 외기와 용강의 접촉을 차단하는 메니스커스쉴드 및 상기 주조롤의 폭 방향으로 설치되는 브러쉬롤을 갖추어 Mn, Al, Si, Ti 등이 다량 함유된 강을 주조하는 쌍롤식 박판주조기에 있어서,

메니스커스쉴드(5) 전단에서 브러쉬롤(6)까지 이르는 원주 궤적부의 표면뿐만 아니라 측면을 에워싸는 밀폐형 챔버(10)를 설치하고 그 내부에는 2개 이상의 별도 챔버가 이루어지도록 롤 전폭 길이에 해당되는 칸막이(13)를 설치하며, 각 독립된 챔버에는 슬릿(slit) 또는 호울(hole)형태의 질소가스의 공급구(11)와 배출구(12)를 각 챔버마다 롤 축방향 배열로 다수 개를 구비한다.

가스의 공급은 유량 조절밸브(21)가 구비된 주배관(20)으로부터 분기된 지관(22)과 지관의 끝단에 설치된 가스공급노즐(23)을 통해서 상기의 슬릿 또는 호올 형태의 가스공급구(11)를 통해 공급된다.

상기와 같은 장치를 이용하여 Mn, Al, Si, Ti 등이 다량 함유되어 용강내 산소함량이 극도로 낮은 주조 대상 강종을 스트립캐스팅 공정으로 적용하여 주조재 표면에 발생되는 치명적인 덴트 표면결함을 효과적으로 예방하기 위해서는, 용강풀상부를 불활성 가스로 쉴딩하는 메니스커스쉴드(5)로부터 충분한 거리를 확보한 위치에 브러쉬롤(6)을 설치하고 그 중간 위치에 롤 표면 뿐만 아니라 측면도 에워싸 는 구조의 밀폐형 챔버(10)를 설치토록 한다.

상기의 밀폐형 챔버의 내부에는 2개 이상의 별도 챔버 공간이 확보될 수 있도록 롤 전폭 길이에 해당되는 칸막이(13)를 설치하여 각 챔버 단계별 외기의 산소 오염도가 효과적으로 감소시킬 수 있는 구조를 가진다.

각 독립된 챔버에는 슬릿(slit) 또는 호울(hole)형태의 질소가스의 공급구(11)와 배출구(12)를 각 챔버마다 롤 축방향 배열로 다수 개를 구비하고, 가스의 공급은 유량 조절밸브(21)가 구비된 주배관(20)으로부터 분기된 지관(22)과 지관의 끝단에 설치된 가스공급노즐(23)을 통해서 상기의 슬릿 또는 호올 형태의 가스공급구(11)를 통해 공급하며, 공급하는 질소 가스의 양은 각 챔버내의 가스 압력이 대기압(1atm) 이상의 압력을 유지하여 질소 가스의 배출구 또는 롤 표면, 측면 실링부 틈새로부터 외부 공기가 유입되지 않도록 한다.

또한 롤 표면 딤플 기저부에 충진된 산소 가스의 배출이 효과적으로 달성될 수 있도록 다수의 슬릿 또는 호올 공급구를 갖도록 하고 각 공급구에는 고압으로 분사 가능한 구조의 가스 노즐(23)을 설치토록 한다.

상기 산소 차단 장치는 용강풀내로 용강을 공급하여 주조가 개시되는 시점 직전에 작동시키므로써 각 챔버내의 외기 산소가 배출될 수 있도록 하고, 주조 종료까지 계속해서 작동시키도록 한다.

도 4는 최근 자동차용 대체 소재로 활발히 연구 개발되고 있는 Fe-0.35C-25Mn-1.5Al-0.5Si 합금강을 본 발명의 쌍롤형 박판주조기로 제조된 주조재 표면을 관찰한 것으로 도 4의 a)는 상기의 산소 차단 장치를 설치하지 않고 주조한 경우이 고, 도 4의 b)는 상기의 산소 차단 장치를 설치하고 주조 개시 직전부터 종료시까지 작동시키면서 주조한 경우의 주조재 표면 형상을 관찰한 것이다.

롤 표면 뿐만 아니라 딤플 기저부의 충진된 유해한 산소 가스가 제거되므로써 산소와 용강과의 반응에 의해 생성되는 덴트 결함을 완전히 제거할 수 있는 효과를 확인할 수 있었다.

지금까지 본 발명의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형을 가할 수 있다.

본 발명에 따르면 스트립캐스팅공정으로 얇은 박판을 제조할 때, 주조롤 표면에 부착, 유입되는 산소 유입 및 이의 반응물로 생성되는 주조재 표면의 덴트 결함이 생성되는 것을 근원적으로 차단하므로써 주편의 품질 및 주조 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있었다.

Claims (9)

1. 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤과 그 양측 면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과, 상기 용강풀내로 용강을 공급하는 침지노즐과, 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 메니스커스 쉴드를 갖추어 박판을 주조하는 쌍롤형 스트립캐스팅 장치에 있어서,

   상기 메니스커스 쉴드 전방의 주조롤 대기접촉면을 외기의 유입을 차단하기 위하여 메니스커스 쉴드(5) 전단에서 브러쉬롤(6)까지 이르는 원주 궤적부의 표면뿐아니라 측면을 에워 싸도록 설치된 챔버(10)와;

   상기 챔버(10)에 불활성 가스를 주입하기 위한 가스 공급 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 챔버(10)는 상부에 가스공급구(11)와 가스배출구(12)가 형성된 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 챔버(10)는 별도 챔버가 이루어지도록 롤 전폭 길이에 해당하는 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 가스 공급수단은 주배관(20) 및 이로부터 분기된 지관(22)과 지관의 끝단에 설치된 가스주입노즐(23)로 구성된 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 지관의 끝단에 설치된 가스공급노즐(23)은 상기 챔버에 형성된 공기공급구(22)의 갯수에 맞게 설치된 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 브러쉬롤(6)은 주조롤의 중심과 평행한 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 장치.
7. 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤과 그 양측 면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과, 상기 용강풀내로 용강을 공급하는 침지노즐과, 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 메니스커스 쉴드를 갖추어 박판을 주조하는 쌍롤형 스트립캐스팅 공정에 있어서,

   상기 메니스커스 쉴드 전방에서 브러쉬롤까지의 주조롤 대기 접촉면부에 불활성 가스를 분사하여 용강으로의 외기 유입 산소를 차단하는 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 불활성 가스는 메니스커스 쉴드 전방에서 브러쉬롤까지의 주조롤 원주 궤적부를 에워싸고 있는 밀폐형 챔버의 가스공급구를 통하여 분사되고 다시 가스배출구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 방법.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,

   상기 불활성 가스는 상기 챔버의 상부에 설치된 가스공급수단에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅공정의 덴트 생성 방지 방법.

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