KR100654889B1 - 연속주조용 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조용 노즐에 관한 것으로, 몰드에 용강을 공급하는 연속주조용 노즐에 있어서, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 점점 작아지도록 노즐 길이방향에 대해 소정의 기울기를 갖는 경사부와, 상기 경사부의 하부에 연장형성된 단면적이 일정한 직선부를 포함하고, 상기 경사부는 노즐 내경이 비대칭 형상을 갖도록 급한 경사면과 완만한 경사면의 단면적을 갖고, 상기 급한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점이 상기 완만한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점보다 노즐의 하단에 가깝게 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐이 제공된다. 이에 따라서, 주조시 용강 흐름에 자연스럽게 회전류를 형성하여 노즐 막힘을 방지하고 몰드 내의 용강을 안정화시키며, 이로 인해 강의 품질을 향상시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

몰드, 턴디쉬, 연속주조, 노즐, 용강

Description

연속주조용 노즐 {Nozzle for continuous casting}

도 1은 일반적인 연속 주조 설비를 도시한 개략도.

도 2는 턴디쉬와 노즐을 도시한 단면도.

도 3a은 노즐 내 부착물의 부착 상태의 사진.

도 3b는 노즐 내 부착물의 현미경 사진.

도 4는 노즐 내 부착물의 EDAX 분석 결과를 도시한 그래프.

도 5는 용강 중 칼슘과 유황 농도와의 관계 및 노즐 막힘 발생시 용강 중 유황 농도를 나타낸 그래프.

도 6a 내지 도 6c는 턴디쉬 바닥에 용강의 회전류를 발생시키는 장치를 도입한 경우에 대한 사진 및 개략도.

도 7은 노즐 내부에 회전류의 발생을 위한 블레이드를 설치한 노즐을 도시한 단면도.

도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 연속 주조용 노즐을 도시한 단면도.

도 10a 내지 10d는 본 발명에 의한 연속주조용 노즐을 통과하는 용강의 유동 현상을 나타낸 3차원 해석 모델.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 래들 2 : 턴디쉬

3 : 턴디쉬 노즐 4 : 몰드

10 : 턴디쉬 20, 30 : 노즐

본 발명은 연속주조용 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경강선재의 제조 공정에 있어서 황화칼슘(CaS)과 같은 비금속개재물에 의한 노즐막힘을 방지하기 위한 연속주조용 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 연속 주조법은 종래의 조괴에서 분괴 압연을 거쳐 슬라브(slab)나 블룸(bloom)을 만드는 방법에 비하여 잉곳 케이스의 주조, 형발, 균열, 분괴 압연을 생략하고 직접 용강을 몰드에 주입하여 냉각, 응고시켜 연속적으로 슬라브나 블룸, 빌렛(billet) 등을 제조하는 방법이다.

도 1은 일반적인 연속 주조 설비를 도시한 것이다.

연속 주조 설비는 용강을 수송하는 래들(1)의 하부에 턴디쉬(2)가 위치되고 그 턴디쉬(2)의 저면에는 용강을 유출하는 턴디쉬 노즐(3)이 설치되어 있다. 한편 상기 노즐(3)의 하부에는 용강을 소정의 두께와 폭을 갖는 빌렛으로 생산하는 몰드(4)가 설치되어 있고 그 몰드(4)의 하단에는 빌렛을 안내하는 복수개의 핀치롤이 설치되어 있다. 이러한 연속 주조 설비는 위에서 주입되는 용강이 몰드(4)를 통하여 아래로 흐름에 따라 몰드(4)의 단면 형상으로 응고되면서 연속 생산하는 방식으로 되어 있다.

즉, 정밀하게 온도를 맞추어 출강된 용강을 래들(1)에 의해 수송하여 래들(1) 하부에 형성된 출강구를 통하여 턴디쉬(2)의 내부로 주입한다. 턴디쉬(2)에서는 용강 중 게재물을 부상 분리시키며 상기 용강의 주입이 완료되면 턴디쉬(2)의 저면에 설치된 턴디쉬 노즐(3)을 개공시켜 용강을 유출한다. 이 때 유출되는 용강은 몰드(4) 내로 주입되어 몰드(4)의 내부에서 소정의 두께와 폭을 갖는 빌렛으로 생산된 후 몰드(4)의 하단에 설치된 복수개의 핀치롤의 안내를 받으며 이동하는 것이다.

도 2는 턴디쉬와 노즐을 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 턴디쉬(2) 내의 용강을 몰드(4)에 공급하는 노즐은 턴디쉬(2)에 고정되는 상부 노즐(5), 상, 하부 플레이트(6, 8), 상부 노즐(5)을 통과하는 용강의 양을 조절하기 위해 이들 사이에 수평 이동되도록 형성된 중앙 플레이트(7), 하부 플레이트(8) 하방에 고정된 하부 노즐(9)을 포함한다. 상기 하부 노즐(9) 내벽에는 용강 중의 비금속 개재물이 부착되어 있는 현상(A)을 볼 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 이러한 노즐 내벽에 집적된 비금속 개재물의 부착 상태와, 이의 형상을 전자 현미경(SEM)으로 상세하게 관찰한 사진을 나타낸 것이다.

도 4는 노즐 내벽에 집적된 비금속 개재물의 화학적 조성을 분석한 것이다. 분석 결과에서 볼 수 있듯이, 부착물의 조성은 대부분 칼슘(Ca)과 유황(S)으로, 즉 황화칼슘(CaS) 개재물들이 응집체(cluster)를 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 다량의 미세한 개재물들이 응집체를 형성하여 비대하게 성장하면 이들이 용강의 흐름을 저하시키고, 그에 따라 노즐 내부에서 비금속 개재물의 부착이 용이해지며, 결 국 노즐이 막히는 현상을 초래하게 된다.

특히, 0.27 내지 0.82wt% 농도의 탄소, 0.4 내지 0.7wt% 농도의 망간을 함유하는 경강선재의 경우에 있어서, 비금속개재물의 조성을 분석해보면 황화칼슘(CaS)이 주성분임을 알 수 있다. 경강선재는 타이어 보강용인 와이어 로프(wire rope), 비드 와이어(bead wire) 등에 사용되며, 고로, 전로, 노외정련, 빌렛 연주기 순의 공정으로 제조된다. 가공성 향상을 위해 강중의 유황 농도에 대해 엄격하게 관리하고 있지 않으며, 고로 출선 후 용선 중의 유황을 제거하기 위한 예비처리 탈황 공정을 거치지 않기 때문에 용강 중의 유황 농도가 0.0080wt% 이상으로 매우 높다. 그러나 용강 중의 유황(S) 농도가 높으면, 이 유황은 용강 중에 존재하는 칼슘(Ca)과 결합하여 황화칼슘(CaS)을 형성하기 쉽다. 즉, 도 5에 나타낸 바와 같이 용강 중에 존재하는 유황의 농도가 0.0080wt% 이상으로 높은 경우에 황화칼슘(CaS)이 쉽게 형성되는 것(B)을 알 수 있다. 따라서, 용강 중에 생성된 황화칼슘(CaS)은 주조시 노즐 내벽에 부착하기 쉬우며, 노즐 내벽에 다량 부착된 황화칼슘(CaS) 개재물에 의해 용강 흐름이 변하거나 노즐 막힘을 초래하여 주조 중단의 원인이 되기도 한다.

이와 같이 용강 중에 존재하는 황화칼슘(CaS), 알루미나(Al₂O₃)와 같은 비금속 개재물에 의한 노즐 막힘을 방지하기 위해, 일반적으로 예비처리 공정을 통해 용강 중에 존재하는 유황을 제거하여 황화칼슘(CaS)의 생성을 미연에 방지하거나, 적정량의 칼슘(Ca)을 투입하여 용강 중에 현탁되어 있는 융점이 높은 알루미나 (Al₂O₃) 개재물을 융점이 낮은 CaO-Al₂O₃의 복합산화물로 제어하는 방법이 있다. 그러나 과잉의 칼슘(Ca) 처리를 할 경우 용강 중의 유황(S) 농도가 낮아도 황화칼슘(CaS)의 생성율이 높아지기 때문에 노즐 막힘의 가능성은 커진다. 따라서 이같은 경우에는 칼슘(Ca) 투입량을 줄이거나, 미리 예비처리 공정에서 용강 중의 유황(S)농도를 낮추는 것이 바람직하다. 그러나 예비처리 공정을 거치기 위해서는 막대한 비용이 드는 설비 투자가 필요한 실정이다.

일반적으로 연속주조시 도 1에 도시한 바와 같이 상부의 입구가 좁아지는 형상의 노즐을 사용하며, 이는 노즐 상부의 경사면에서 용강의 유동이 변화함에 따라 비금속 개재물의 집적이 용이하여 노즐 내벽에의 부착이 잘 일어난다.

최근 이러한 노즐 내벽에의 개재물 부착을 방지하기 위하여, 용강의 회전류(swirling)를 이용하는 방법이 사용되고 있다.

도 6a 내지 도 6c는 턴디쉬 바닥에 용강의 회전류를 발생시키는 장치를 도입한 경우를 나타낸 것이다. 도 6a에 나타낸 바와 같이 턴디쉬 바닥에 용강의 회전류를 발생시키는 장치를 사용하면, 도 6b에서 볼 수 있듯이 용강이 나선형으로 회전하게 되고, 도 6c와 같은 용강의 회전에 의해 발생한 원심력에 의해 용강 내에 현탁된 개재물을 노즐(20) 벽측에서 용강의 흐름 내부로 이동하게 하여 노즐(20) 벽면과의 접촉을 미리 방지한다. 이러한 방법은 용강에 강한 회전력을 생성시킴으로써 비금속 개재물의 노즐 벽측에의 부착을 방지할 수는 있으나, 회전류가 몰드 탕면까지 유지됨으로써 주조 후 주편의 표면 결함이 발생할 가능성이 큰 문제점이 있 다.

도 7은 노즐의 중간 부분에서 회전류의 발생을 유도하는 경우를 나타낸 것이다. 즉, 노즐(20)의 중간 부분에 회전류의 발생을 유도하는 블레이드(25)를 설치한 것이다. 그리하여 생성된 회전류로 인해 노즐 벽측에 부착되는 비금속 개재물의 부착량은 줄일 수 있으나, 이와 같은 형태의 노즐도 몰드 부분에까지 회전류가 잔류함으로써 몰드에서 용강의 유동을 강하게 하여 제품 품질에 상당한 악영향을 초래하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주조시 용강 흐름에 자연스럽게 회전류를 형성함으로써 노즐 막힘을 방지함과 동시에 몰드 내의 용강을 안정화시켜 강의 품질을 향상시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 연속주조용 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상으로는, 몰드에 용강을 공급하는 연속주조용 노즐에 있어서, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 점점 작아지도록 노즐 길이방향에 대해 소정의 기울기를 갖는 경사부와, 상기 경사부의 하부에 연장형성된 단면적이 일정한 직선부를 포함하고, 상기 경사부는 노즐 내경이 비대칭 형상을 갖도록 급한 경사면과 완만한 경사면의 단면적을 갖고, 상기 급한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점이 상기 완만한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점보다 노즐의 하단에 가깝게 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐에 의해 달성된다.
여기서, 상기 상기 경사부는 내벽에 나선형의 홈 또는 계단이 형성된 것이 바람직하다.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 연속 주조용 노즐에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명에 의한 연속 주조용 노즐을 도시한 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 연속주조용 노즐(30)은 길이방향으로 긴 원통형으로 이루어진다. 노즐(30) 상부에는 하부로 갈수록 단면적이 점점 작아지도록 노즐(30) 내벽이 길이방향에 대해 소정의 기울기를 갖는 경사부(40)를 포함하고, 그 하부에 연장되어 형성된 직선부(50)를 포함한다. 즉, 노즐(30)의 상부에서 하부로 갈수록 용강이 주입되는 노즐(30) 상부의 입구가 점점 좁아지다가 직선부(50)에 주입되면 노즐(30)의 단면적은 일정해진다.

본 발명에 따른 연속주조용 노즐(30)의 상기 경사부(40)는 기존의 개념인 대칭형과는 전혀 상이한 비대칭형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 노즐(30) 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 점점 작아지도록 노즐(30)의 내벽이 소정의 기울기를 갖되, 그 기울기가 원통의 내주연을 따라 변하도록 한다. 즉, 종래 대칭형의 경사부는 길이방향에 대해 일정한 기울기를 갖도록 형성되었으나, 본 발명의 비대칭형의 경사부(40)는 길이방향에 대한 기울기가 원통의 내주연의 부분에 따라 일정하지 않다. 그리하여 도면에 도시한 바와 같이 횡단면의 형상에 있어서 양측의 기울기가 다른 경사부(40)를 형성할 수 있다.
부연하자면, 본 발명의 연속주조용 노즐에 형성된 직선부(50)는 어느 위치를 종단면하더라도 대칭의 형상을 갖는 원형단면이 형성되는 반면, 상기 경사부(40)는 어느 부위를 종단면하더라도 비대칭의 형상을 갖는 타원형단면이 형성된다. 특히, 상기 경사부는 도면에 도시된 바와 같이 횡단면을 하는 경우 직선부의 중심선상을 기준으로 양측 경사면이 서로 다른 기울기를 갖는 급한 경사면과 완만한 경사면을 형성하게 된다. 특히, 상기 급한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점(A)과 상기 완만한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점(B)이 이격되도록 형성됨으로써, 경사부로 주입되는 용강의 흐름에 차이가 발생하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연속 주조용 노즐(30)의 작용에 대하여 설명하면, 노즐(30) 상부에 비대칭형의 경사부(40)를 형성함으로써 용강의 흐름의 차이가 발생하여 자연적인 회전류(swirling flow)가 생성된다. 즉, 노즐(30) 상부의 경사부(40)에서 직선부(50)로 용강이 이동할 때, 경사부(40) 내벽의 서로 다른 기울기에 따라 용강의 흐름의 속도 차이가 생기므로 자연스럽게 약한 회전류가 형성될 수 있다. 그리하여 용강 내부의 비금속 개재물이 원심력에 의해 노즐(30)의 내벽보다는 용강 흐름의 내부에 모이게 되고, 비금속 개재물과 노즐(30) 내벽과의 접촉을 미리 방지함으로써 개재물이 집적되어 노즐(30)의 내벽에 부착되는 현상을 미리 방지할 수 있다.

일반적으로 대칭형의 경사부를 갖는 연속주조용 노즐을 사용하여 주조시, 용강 중에 존재하는 비금속 개재물이 노즐을 통해 이동하며 내벽에 접근할 경우 개재물이 계면에너지를 줄이기 위해 노즐 내벽에 부착하게 되는데, 특히 경사부에서 직선부로 이동하며 용강의 유속이 낮아지는 경우 개재물의 부착 속도가 증가하게 된다. 그러나 본 발명의 연속주조용 노즐은 노즐 상부에 형성된 비대칭형의 경사부에서 약한 회전류가 형성되어 용강 중에 다량의 비금속 개재물이 존재하더라도 이들 비금속 개재물이 노즐 내벽에서 용강 중심부로 이동하도록 유도하기 때문에 개재물의 부착을 방지할 수 있다. 또한 종래 의도적으로 강한 회전류를 형성하여 몰드 내의 용강의 흐름에까지 영향을 미치는 경우에 비하여, 본 발명의 연속주조용 노즐은 노즐 상부에서 자연스럽게 약한 회전류를 형성하여 용강을 유동시키기 때문에 몰드 내의 용강도 안정화시킬 수 있다. 이로 인해 용강의 흐름이 강의 품질에 미치는 악영향을 줄이고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 상기 급한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점(A)이 상기 완만한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점(B)보다 노즐의 하단에 가깝게 형성될 경우 용강 흐름의 차이가 극대화되면서 자연적인 회전류를 생성하게 된다.

상기 용강의 회전류의 생성을 촉진시킬 수 있도록 도 9에 도시한 바와 같이 노즐(30) 상부의 경사부(40) 내벽에 나선형의 홈 또는 계단(60)을 형성할 수 있다. 상기 나선형의 홈 또는 계단(60)은 용강의 이동 방향에 대해 소정의 기울기를 갖는 경사 각도로 형성될 수 있다. 그리하여 노즐(30) 상부의 경사부(40)에서 좀더 강한 회전류가 생성되고, 용강 중에 다량의 비금속 개재물이 존재하더라도 개재물이 원심력에 의해 노즐(30)의 내벽보다는 용강 흐름의 중심 부분으로 이동함으로써 노즐(30)의 내벽에 부착되는 것을 더욱 효과적으로 막을 수 있고, 그로 인해 노즐(30)이 막히거나 주조 작업이 중단되는 등의 현상을 방지할 수 있다.

도면상에는 상술한 비대칭형의 경사부를 포함하는 노즐에 나선형의 홈 또는 계단을 형성하였으나, 이에 한정되지 않고 대칭형의 경사부를 포함하는 노즐에 나선형의 홈 또는 계단을 형성하여 회전류를 생성시킬 수 있다.

도 10a 내지 10d는 3차원 해석 모델을 사용하여 상술한 도 9의 연속주조용 노즐을 통과하는 용강의 유동 현상을 해석한 것이다.

도 10a는 턴디쉬와 노즐에서의 용강의 흐름을 나타낸 것으로, 턴디쉬에서 공급된 용강이 노즐을 따라 통과하는 상태를 도시한 것이다. 노즐의 상부에서 하부로 용강이 흐름에 따라 회전류가 형성되는 것을 볼 수 있다. 도 9b는 노즐 경사부의 나선홈에서의 용강의 유동을 나타낸 것으로 복잡한 난류가 형성되고 있음을 볼 수 있다. 또한 도 9c 및 도 9d는 노즐의 상부에서 용강이 직선부로 빠져나가는 상태를 나타낸 것으로, 경사부 내부에 나선홈이 형성된 노즐의 상부에서 직선부로 용강이 이동할 때 직선부로의 이동 속도가 각각 상이하기 때문에 자연스럽게 회전류가 형성되는 것을 볼 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 이용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 연속주조용 노즐은 주조시 용강 흐름에 자연스럽게 회전류를 형성하여 노즐 막힘을 방지하고 몰드 내의 용강을 안정화시키며, 이로 인해 강의 품질을 향상시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 몰드에 용강을 공급하는 연속주조용 노즐에 있어서,

   상부에서 하부로 갈수록 단면적이 점점 작아지도록 노즐 길이방향에 대해 소정의 기울기를 갖는 경사부와,

   상기 경사부의 하부에 연장형성된 단면적이 일정한 직선부를 포함하고,

   상기 경사부는 노즐 내경이 비대칭 형상을 갖도록 급한 경사면과 완만한 경사면의 단면적을 갖고, 상기 급한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점이 상기 완만한 경사면과 직선부가 만나는 절곡지점보다 노즐의 하단에 가깝게 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 경사부는 내벽에 나선형의 홈 또는 계단이 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐.
3. 삭제

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