KR100732119B1 - 강의 연속 주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오픈 노즐을 사용하고, 용강 내 Mn과 Si 성분 비율을 3.2이상으로 조절하여 빌레트를 제조하는 강의 연속 주조장치로서, 용강을 체류시키는 턴디쉬와, 상기 턴디쉬 저면에 설치되고 용강을 유출하는 턴디쉬 노즐과, 상기 노즐의 하부에 용강이 주입되는 주형과, 상기 오픈 노즐의 개공시 오픈 노즐의 밀폐용인 필러가 주형 외부로 배출되도록 상기 턴디쉬 노즐 하단에서 주형의 외부로 연결되는 종이 깔대기를 포함하는 강의 연속 주조장치가 개시된다. 이에 따라서, 주형 내부에서의 스컴 발생을 방지하여 제품의 품질을 향상시키고, 설비 사고를 예방함으로써 조업의 안정성에 기여하며, 생산성의 향상을 통해 원가 절감 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

연속 주조, 오픈 노즐, 빌레트, 주형, 몰드, 턴디쉬, 개재물

Description

강의 연속 주조장치{CONTINUOUS CASTING MACHINE OF STEEL}

도 1은 일반적인 연속 주조 설비를 도시한 개략도.

도 2a 내지 도 2c는 스컴을 포함하는 주편의 절단면 사진과 이의 SEM 사진.

도 3a 및 도 3b는 브레이크 아웃이 발생한 부분의 절단면 사진과 이의 SEM 사진.

도 4는 턴디쉬 내 개재물과 스컴의 조성을 비교한 표.

도 5는 비교예와 실시예의 용강 주조시 생성물 중 고상 SiO₂의 비율을 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 래들 2 : 턴디쉬

3 : 턴디쉬 노즐 4 : 주형

5 : 핀치롤

본 발명은 강의 연속 주조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빌레트 제조 공정에서 연속 주조시 주형 내부에서의 스컴 발생을 억제하기 위한 강의 연속 주조 장치에 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 주형에 주입하여 냉각, 응고시켜 연속적으로 슬라브나 블룸, 빌레트(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 빌레트로 생산하는 주형(4)이 설치되어 있고 그 주형(4)의 하단에는 빌레트를 안내하는 복수개의 핀치롤(5)이 설치되어 있다.

이러한 연속 주조 설비는 위에서 주입되는 용강이 주형(4)을 통하여 아래로 흐름에 따라 주형(4)의 단면 형상으로 응고되면서 연속 생산하는 방식으로 되어 있다.

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 개재물을 부상 분리시키며 상기 용강의 주입이 완료되면 턴디쉬(2)의 저면에 설치된 턴디쉬 노즐(3)을 개공시켜 용강을 유출한다. 이 때 유출되는 용강은 주형(4) 내로 주입되어 주형(4)의 내부에서 소정의 두께와 폭을 갖는 빌레트로 생산된 후 주형(4)의 하단에 설치된 복수개의 핀치롤(5)의 안내를 받으며 이동하는 것이다.

일반적으로 소단면의 빌레트를 제조하기 위한 연속 주조 설비는 주형(4)의 크기가 매우 작기 때문에 오픈 노즐(open nozzle)을 사용하여 턴디쉬(2)로부터 주형(4) 내로 용강을 주입한다. 상기 턴디쉬(2)의 내부에 품질 향상 및 안정적인 주입 작업을 위해 일정 시간 용강을 체류시키고, 턴디쉬(2) 하부에는 용강의 체류를 위해 오픈 노즐을 일시적으로 밀폐하기 위한 필러가 투입되어 있다.

주조시 오픈 노즐을 사용하게 되면 용강이 공기에 노출된 상태에서 주조가 진행되기 때문에, 용강 내 슬래그 등의 비금속 개재물이나 산화에 의해 생성된 금속산화물이 주형 내의 탕면에서 스컴(scum)으로 되어 부유한다. 이러한 스컴이 용강의 주입과 함께 응고 중인 주형 내부에 유입되면 초기 응고셀에 부착되고, 이는 용강에서 주형으로의 열전달을 방해하게 된다. 결국 스컴이 부착된 부분의 응고가 국부적으로 지연되며 불균일해지므로, 주편에 성분 편석, 표면 결함 등이 발생하거나 제품 표면에 광택 얼룩 등이 발생하는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 스컴은 국부적으로 응고 지연을 발생시켜 응고셀이 얇아지고, 주형 하단을 빠져나오며 이 약한 응고셀이 깨져 내부 용강이 유출되는 브레이크 아웃(break out) 현상을 일으킬 수 있다. 그리하여 용강과 설비가 용착되는 사고가 발생하고, 근본적으로 연속 주조 설비에 의한 빌레트 제조가 불가능하다. 이로 인한 생산 손실은 물론, 설비 파손 및 추가적인 수리, 정비를 위한 막대한 비용이 요구된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 오픈 노즐을 사용한 빌레트의 연속 주조시 주형 내부에서의 스컴 발생을 방지하여 제품의 품질을 향상시키고, 스컴 발생의 방지로 인해 설비 사고를 예방하여 조업의 안정성과 생산성의 향상에 기여할 수 있는 강의 연속 주조장치에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 오픈 노즐을 사용하고, 용강 내 Mn과 Si 성분 비율을 3.2이상으로 조절하여 빌레트를 제조하는 강의 연속 주조장치로서, 용강을 체류시키는 턴디쉬와, 상기 턴디쉬 저면에 설치되고 용강을 유출하는 턴디쉬 노즐과, 상기 노즐의 하부에 용강이 주입되는 주형과, 상기 오픈 노즐의 개공시 오픈 노즐의 밀폐용인 필러가 주형 외부로 배출되도록 상기 턴디쉬 노즐 하단에서 주형의 외부로 연결되는 종이 깔대기를 포함하는 강의 연속 주조장치를 제공한다.

여기서, 불활성 가스를 주입하도록 상기 턴디쉬와 주형 사이에 설치되는 차단막을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 오픈 노즐의 밀폐용으로 탄소계 필러를 사용하는 것이 바람직하다.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 강의 연속 주조장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2c는 스컴을 포함하는 주편의 절단면 사진과 이의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 주형 내에 부유하는 스컴은 백색의 고상이 다량 함유되어 있다.

하기 표 1은 이러한 스컴의 부분별 조성을 나타낸 것이다.

상기 도 2a 내지 도 2c 및 표 1을 참조하면, A에서 볼 수 있듯이 석출된 고상은 SiO₂인 것을 알 수 있다. 상기 고상의 주변을 분석한 B를 보면, SiO₂의 주변에 MnO와 Al₂O₃ 성분이 함유되어 있다. 즉, 스컴은 SiO₂ 고상 주위에 MnO-Al₂O₃-CaO계 저융점 개재물이 융착된 형태를 이루고 있다. 또한 C의 경우와 같이 일부 K₂O를 함유하는데, 이는 턴디쉬 필러에서 유입된 것이다. 빌레트 제조 공정에서 주조를 시작하는 초기 작업시 오픈 노즐에 투입한 필러가 용강의 주입 시작과 동시에 주형으로 유입되는 것이다.

도 3a 및 도 3b는 브레이크 아웃이 발생한 부분의 절단면 사진과 이의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 주형 내에 부유하는 스컴은 백색의 고상이 다량 함유되어 있으며, 많은 양의 스컴으로 인해 브레이크 아웃이 발생한 것을 알 수 있다. 이는 스컴으로 인해 주형 내 국부적으로 냉각이 지연되고, 불균일하게 응고된 응고층이 깨져 내부의 용강이 유출되는 것이다.

하기 표 2는 이러한 스컴의 부분별 조성을 나타낸 것이다.

상기 도 3a, 도 3b 및 표 2를 참조하면, A에서 볼 수 있듯이 석출된 고상은 SiO₂인 것을 알 수 있다. 상기 고상의 주변을 분석한 B를 보면, SiO₂의 주변에 MnO와 Al₂O₃ 성분이 함유되어 있다. 즉, 스컴은 SiO₂ 고상 주위에 MnO-Al₂O₃-CaO계 저융점 개재물이 융착된 형태를 이루고 있다. 또한 C의 경우와 같이 일부 K₂O를 함유하는데, 이는 턴디쉬 필러에서 유입된 것이다. 빌레트 제조 공정에서 주조를 시작하는 초기 작업시 오픈 노즐에 투입한 필러가 용강의 주입 시작과 동시에 주형으로 유입되는 것이다.

도 4는 턴디쉬 내 개재물과 스컴의 조성을 비교한 것이다.

도면을 참조하면, 턴디쉬 내 용강은 대부분 고상 Al₂O₃가 주성분인 비금속 개재물을 포함한다. 그러나 턴디쉬에서 오픈 노즐을 통해 주형 내로 용강을 주입한 경우, 주형 내에 생성된 스컴은 상기에서도 언급한 바와 같이 고상의 SiO₂을 주성분으로 포함한다. 따라서 스컴 중의 고상 SiO₂는 강중 개재물로 존재하던 것이 아니라, 주형 내에서 새로 형성된 것임을 알 수 있다. 이는 오픈 노즐을 사용한 연속 주조 공정에 있어서, 턴디쉬에서 주형으로 용강이 주입될 때 공기 중에 노출되어 있기 때문에 강중 Si 성분이 산소와 반응하여 형성된 것이다. 즉, 스컴은 연속 주조 중에 용강의 재산화에 의해 발생되는 것이다.

본 발명은 빌레트 제조시 주형에 주입되는 용강의 성분을 조정함으로써 스컴의 발생을 방지하고자 한다. 브레이크 아웃으로 인해 설비 사고가 발생된 경우의 원인을 분석해보면, 대부분 용강의 Mn/Si의 비율이 2.0 이하로 나타나고 있다. 따라서, 본 발명은 용강의 5대 성분인 C, Si, Mn, P, S 중 Mn과 Si의 성분 비율을 조정하여 재산화된 고상 SiO₂의 형성을 억제한다.

하기 표 3은 비교예와 실시예의 Mn/Si 비율을 나타낸 것이다.

도 5는 상기 비교예와 실시예의 용강 주조시 생성물 중 고상 SiO₂의 비율을 나타낸 그래프이다.

이는 1520℃에서 용강 100g과 산소가 반응하는 경우로, Factsage를 사용하여 반응 생성물을 분석한 것이다. 상기 표 3에 나타낸 바와 같이 Mn/Si의 비율을 변화시켜 전체 생성물 중에서 고상 SiO₂의 비율을 계산하였다.

도면을 참조하면 Mn/Si 비율이 높아질수록 생성물 중 고상 SiO₂의 비율이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 비교예 1과 비교예 2의 경우는 Mn/Si 비율이 상대적으로 낮으며, 상대적으로 많은 양의 고상 SiO₂가 생성된 것을 볼 수 있다. 반면, 실시예 1과 실시예 2의 경우는 Mn/Si 비율이 상대적으로 높으며, 고상 SiO₂의 생성량이 상대적으로 적다. 특히, 현재 조업 범위(가) 내에서 Mn/Si 비율이 3.2 이상인 실시예 1과 실시예 2의 경우, 고상의 SiO₂가 생성되지 않은 것을 볼 수 있다. 반면, Mn/Si 비율이 3.2 이하인 비교예 1과 비교예 2의 경우에는 재산화된 고상 SiO₂가 생성된 것을 볼 수 있으며, 이로 인해 품질 저하 및 브레이크 아웃과 같은 설비 사고를 야기할 수 있다. 따라서 연속 주조시 고상 SiO₂로 인한 스컴의 발생을 방지하기 위해 용강 내 Mn/Si 비율을 3.2 이상으로 조절하는 것이 바람직하다.

이와 같이 연속 주조시 용강 내 Mn 성분은 허용치 범위 중 최대한의 범위로 조정하고 Si 성분은 허용치 범위 중 최소한의 범위로 조정하여, Mn/Si 비율이 3.2 이상이 되도록 유지한다.

빌레트 제조를 위해 오픈 노즐을 사용하여 연속 주조시, 턴디쉬로부터 주형으로 주입되는 용강이 공기 중에 노출되어 있기 때문에 용강의 재산화에 의해 고상의 SiO₂로 이루어진 스컴이 형성되는 것이다. 이러한 용강의 재산화를 방지하기 위해 주조 중 턴디쉬와 주형 사이에 산소가 유입되는 것을 차단하는 것이 바람직하다. 본 발명은 턴디쉬와 주형 사이에 박스 형태의 차단막을 설치하고, 그 내부에 아르곤(Ar), 질소(N) 가스와 같은 불활성 가스를 주입하여 공기와의 접촉을 막는다. 그리하여 연속 주조시 오픈 노즐을 사용하더라도, 턴디쉬에서 주형 내로 용강을 주입할 때 공기 중에 노출되던 종래와는 달리 공기와의 접촉을 막을 수 있으며, 이로 인해 용강의 재산화가 억제되어 고상의 SiO₂로 인한 스컴의 발생을 방지할 수 있다.

이는 상술한 방법에 한정되지 않고, 다양한 공정 및 방법에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 스컴의 일부분은 오픈 노즐을 일시적으로 밀폐하기 위해 투입했던 필러가 주형 내에 유입됨으로써 형성된 것이다. 본 발명은 필러의 유입으로 인한 스컴의 발생을 막기 위해, 종이를 사용하여 턴디쉬 노즐의 하단에서 주형 외부로 연결되는 깔대기를 형성한다. 즉, 본 발명의 연속 주조장치는 용강을 수송하는 래들의 하부에 턴디쉬가 위치되고, 그 턴디쉬의 저면에는 용강을 유출하는 턴디쉬 노즐이 설치되며, 상기 노즐의 하부에는 용강을 소정의 두께와 폭을 갖는 빌레트로 생산하는 주형이 설치되어 있고 그 주형의 하단에는 빌레트를 안내하는 복수개의 핀치롤이 설치되어 있다. 이때 턴디쉬 노즐의 하단에는 종이로 형성된 깔대기가 위치하며 이 깔대기는 주형 외부로 연결된다. 또한 종이 깔대기의 위치 및 형상은 특별히 한정되지 않으며 주형 외부로 연장되는 형태이면 된다. 이에 따라 턴디쉬 노즐을 개공하여 턴디쉬에 체류되어 있던 용강을 주형 내에 주입할 때, 먼저 턴디쉬를 빠져나오는 필러는 밀도가 낮기 때문에 상기 종이 깔대기를 타고 주형 외부로 분리가 되고, 이후에 나오는 용강은 높은 밀도와 높은 온도 때문에 종이 깔대기를 소각시키고 주형 내부로 주입된다. 그리하여 주형 내부로의 필러 유입을 방지하고 스컴의 형성을 막을 수 있다. 물론 주형 내부로의 필러 유입을 방지하기 위한 방법으로는 상술한 방법에 한정되지 않고, 다양한 공정 및 방법에 의해 이루어질 수 있다. 또한 고상 SiO₂로 인한 스컴의 발생을 막기 위해 SiO₂계 필러를 사용하지 않고, 탄소계 필러를 사용하는 것이 바람직하다.

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 연속 주조장치는 오픈 노즐을 사용한 연속 주조 공정의 빌레트 제조 과정에서 턴디쉬의 하단에서 주형 외부로 연결되는 종이 깔대기를 형성하여 필러의 유입으로 인한 스컴 발생과 방지하고, 용강 성분의 Mn/Si 비율을 조정하여 주형 내부에서의 스컴 발생을 막고, 이로 인해 제품의 품질을 향상시키고, 설비 사고를 예방함으로써 조업의 안정성에 기여하며, 생산성의 향상을 통해 원가 절감 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 오픈 노즐을 사용하고, 용강 내 Mn과 Si 성분 비율을 3.2이상으로 조절하여 빌레트를 제조하는 강의 연속 주조장치로서,

   용강을 체류시키는 턴디쉬와,

   상기 턴디쉬 저면에 설치되고 용강을 유출하는 턴디쉬 노즐과,

   상기 노즐의 하부에 용강이 주입되는 주형과,

   상기 오픈 노즐의 개공시 오픈 노즐의 밀폐용인 필러가 주형 외부로 배출되도록 상기 턴디쉬 노즐 하단에서 주형의 외부로 연결되는 종이 깔대기를 포함하는 강의 연속 주조장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 불활성 가스를 주입하도록 상기 턴디쉬와 주형 사이에 설치되는 차단막을 포함하는 강의 연속 주조장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 오픈 노즐의 밀폐용으로 탄소계 필러를 사용하는 것을 특징으로 하는 강의 연속 주조장치.
5. 삭제

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