KR100843861B1 - 래들과 턴디쉬 사이에서 공기흡입 방지 노즐구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조 공정에서 정련된 용강을 래들로부터 턴디쉬로 주입시키는 노즐들의 연결구조에 관한 것으로, 유체가 흐르는 전방 위치에 배치되는 전방 노즐의 내측 반경 보다 상기 전방 노즐에 연결되는 후방 노즐의 입구 위치의 내측 반경이 작게 형성되도록 상기 후방 노즐의 입구 위치에 내부로 돌출된 턱을 형성하여 연결부위를 통해 공기가 유입되지 않도록 하는 래들과 턴디쉬 사이에서 공기흡입 방지 노즐구조에 관한 것이다.

상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 노즐과 노즐사이의 연결부 형상을 변경함으로써 완전한 실링을 얻고, 이를 통해 용강의 재산화 방지를 통해 주편 품질을 향상시킬 수 있다.

연속주조, 침적노즐, 콜렉터노즐, 노즐, 래들, 턴디쉬

Description

래들과 턴디쉬 사이에서 공기흡입 방지 노즐구조{NOZZLE STRUCTURE FOR AIR INSPIRATION IN CONTINUOUS CASTER}

도 1은 일반적인 연주공정에서 래들과 턴디쉬 연결부위를 도시한 개략도이다.

도 2는 아르곤 실링 박스를 이용한 연결부위 밀폐상태를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 공기흡입 방지 노즐구조를 도시한 것으로, 도면의 중심선을 기준으로 좌측은 종래의 노즐 형상을 도시한 것이고, 우측은 본 발명의 노즐 형상을 도시한 것이다.

도 4는 노즐의 내부에서 진공이 형성되는 원리를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 의한 공기흡입 방지 노즐구조에 따른 공기 흡입 방지의 원리를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 의한 공기흡입 방지 노즐구조를 사용한 경우와 종래의 경우를 수모델 실험을 통하여 대비한 결과를 도시한 그래프도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 콜렉터 노즐 30: 침적노즐

40: 상부탱크 50: 돌출턱

60: 하부탱크 100: 용강

110: 래들 120: 턴디쉬

본 발명은 연속주조 공정에서 정련된 용강을 래들로부터 턴디쉬로 주입시키는 노즐들의 연결구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강이 흐르는 방향으로 전방에 위치한 노즐의 입구부분에 내측으로 돌출된 턱을 형성하여 연결부위를 통해 공기가 유입되지 않도록 하는 래들과 턴디쉬 사이에서 공기흡입 방지 노즐구조에 관한 것이다.

일반적으로, 도 1에 도시한 바와 같이 연속주조 공정에서는 제강공정으로부터 정련된 용강이 래들(ladel, 110)을 통해 연주공정으로 넘어오게 되며, 이와 같이 연주 공정의 턴디쉬(tundish)와 래들 사이를 연결하는 노즐이 침적노즐(long nozzle,103)이다. 그리고 레들하부에는 침적노즐(103)과 연결하기 위해 콜렉터(Collector) 노즐(101)이 부착되어 있다.

이와 같은 연속주조 공정에서 콜렉터 노즐과 침적노즐사이로 용강이 흐름에 따라 유체역학적으로 노즐 내부에는 용강의 흐름에 의한 정압이 노즐 외부의 대기압보다 낮아져서 생기는 공기흡입 및 이로 인해 용강이 재산화되는 등의 여러 문제점이 발생되었다. 따라서 용강이 흐르는 과정에서 노즐의 연결부위의 공기 흡입에 의한 노즐 막힘 현상은 매우 빈번하게 발생하고 있으며, 막힘 물질의 성장과 탈락이 반복되는 현상에 의해 대형 개재물의 주편내로 혼입 및 초기 응고층에 부착되는 것과 같은 현상의 원인이 되며, 이로 인해 조업 사고와 후공정 품질 결함과 직결된다. 이와 같은 노즐 막힘 현상의 주요 원인중에 하나는 용강과 대기중의 산소와 접할 때 산소와 반응하여 산화물이 생성되면서 생성되기 때문이다. 이와 같이 생성된 산화물은 서로 합체되거나 노즐이나 턴디쉬 벽체에 붙어서 집적되면서 크기가 커지며, 크기가 커진 산화물들은 어느 한계 이상이 되면 용강 유동에 휩쓸려 내려가면서 용강과 같이 이동하여 주형내로 유입되게 된다. 이와 같은 과정에 의해 주편에 대형 개재물이 함유될 경우 후공정에서 대형 품질 결함을 유발하거나 조업 사고를 일으키게 된다.

따라서 이와 같이 용강이 공기와 접촉해서 산화물이 생성되는 것을 방지하기 위해 수년간 많은 노력들을 해 왔으며, 여러 가지 공기와 용강의 접촉을 차단하는 기술이 적용되고 있다.

종래에는 콜렉터 노즐과 침적노즐사이에 공기 흡입을 방지하기 위해 도 2에 도시한 바와 같이, 콜렉터 노즐(101)과 침적노즐(103) 사이에 석면이나 암면으로 실링(sealing)(109)을 한 후 외부에서는 용강을 산화시키지 않는 아르곤(Argon) 가스 분위기를 형성하는 개방형 실링 방법을 주로 이용해 왔다. 또한 콜렉터 노즐과 침적 노즐 사이를 완전히 밀폐한뒤 아르곤 가스를 취입하여 재산화를 방지하는 밀폐형 실링 기술이 있다. 그러나 개방형 실링의 경우 노즐 외부에 아르곤 가스 분위 기를 만든다고 해도 완전히 공기의 혼입을 차단할 수 없으며, 밀폐형 실링의 경우 실링 효과는 우수하지만 콜렉터 노즐과 침적노즐을 같이 밀폐하고 있어서 레들을 교환해야 할 경우 조업에 있어서 많은 문제점들을 안고 있는 것이다.

또한 제강공정과 연주공정을 연결하는 부분인 레들과 턴디쉬간의 노즐 연결부는 청정도의 유지 및 향상 측면에서 매우 중요한 부분이다. 전 공정에서 아무리 청정도를 높인다 하더라도 후공정에서 오염이 되면 후공정 품질 결함과 직결되므로 전공정에서 청정도 향상도 중요하지만 후공정에서 오염 방지 또한 매우 중요한 일이다. 따라서 콜렉터 노즐과 침적노즐사이로 용강이 흐름에 따라 노즐 내부에 용강의 흐름에 의한 정압이 노즐 외부의 대기압보다 낮아져서 생기는 공기흡입 및 이로 인해 발생하는 용강의 재산화를 방지하기 위해 원천적인 공기 흡입을 방지하기 위한 구조가 요구되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유체역학적인 원리를 이용하여 노즐과 노즐사이의 연결부 형상을 변경함으로써 완전한 실링을 얻고, 이를 통해 용강의 재산화 방지를 통해 주편 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명에 따른 후방 노즐과 전방 노즐을 연결하여 유체를 흐르도록 하는 노즐 연결구조의 일 예는 유체가 흐르는 전방 위치에 배치되는 전방 노즐의 내측 반경보다 전방 노즐에 연결되는 후방 노즐의 입구 위치의 내측 반경이 작게 형성되도록 후방 노즐의 입구 위치에 내부로 돌출된 턱이 형성되도록 구성될 수도 있다.

또한, 본 발명의 후방 노즐과 전방 노즐을 연결하여 유체를 흐르도록 하는 노즐 연결구조의 다른 일 예는 용강이 흐르는 방향으로 전방에 위치한 콜렉터 노즐의 내측 반경 보다 콜렉터 노즐에 연결되는 침적노즐의 입구 위치의 내측 반경이 작은 반경으로 형성되도록 침적노즐의 입구 위치에 내부로 돌출된 턱이 형성되도록 구성될 수도 있다.

이하 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 공기흡입 방지 노즐구조를 도시한 것으로, 도면의 중심선을 기준으로 좌측은 종래의 노즐 형상을 도시한 것이고, 우측은 본 발명의 노즐 형상을 도시한 것이다. 도 4는 노즐의 내부에서 진공이 형성되는 원리를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명에 의한 공기흡입 방지 노즐구조에 따른 공기 흡입 방지의 원리를 도시한 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명은 침적노즐(30)의 입구부, 즉 콜렉터 노즐(10)과 접하는 부위의 형상을 관경을 일부 축소함으로써 콜렉터 노즐과 침적노즐 연결부위에서 유체의 속도에너지를 압력에너지로 전환시켜 대기압이상으로 유지하도록 하는구조를 제공한다.

유체역학적으로 이와 같은 현상에 대한 원리는 도 4에 도시한 바와 같이, 일반적인 경우 상부에 위치한 상부 탱크(40)의 수면에서 대기압이 작용하므로 1 위치에서 정압은 대기압인 Pa가 된다. 또한 하부 탱크(60)의 수면에서 대기압이 작용하므로 2 위치에서 정압은 대기압과 같게 된다. 이와 같은 상부 탱크와 하부 탱크 사이에 아래와 같은 베르누이 정리를 적용하면 다음과 같게 된다.

즉 1지점과 2지점의 압력이 동일하면 속도는 높이차에 의해 정해진다.

따라서 3지점에서의 압력은 속도가 존재하게 되면 대기압보다 낮아지게 된다. 상기 식에서 본 바와 같이 1지점과 2지점 사이에는 높이차에 의하여 속도차가 존재하게 되며, 3지점에서는 속도가 존재하게 된다. 따라서 노즐 부분에 틈이 존재하거나 노즐과 노즐간의 연결부분이 존재하게 되면 노즐 내부는 대기압보다 낮고 외부는 대기압이므로 압력차이에 의해서 공기가 흡입되는 것이다.

즉, 3과 4지점에서 식 1의 관계를 적용하게 되면 다음과 같다.

위의 식에서 P₄는 대기압이므로 Pa와 같고 Z₃와 Z₄는 동일한 높이가 된다. 또 한 V₃는 유량과 관계가 있으며, V₄는 노즐 외부 이므로 유속이 없는 것으로 간주할 수 있다. 따라서 3지점에서의 압력 P₃는

이 되어 항상 대기압보다 낮아지게 된다.

이와 같이 속도가 증가하게 되면 압력은 감소하는 상반되는 관계가 있으므로 이와 같은 원리를 이용해서 노즐간의 연결부위 근처에만 국부적으로 유속을 낮춰줄 수 있으면, 국부적인 압력 상승으로 대기압과 유사하게 되어 공기가 흡입되어 용강이 재산화되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.

즉, 도 5에서와 같이 노즐의 연결부위에서 하부 노즐의 관경을 일시적으로 축소시킴으로써 노즐 내벽부분에서 유속을 0으로 만들면 이 부분에서의 압력은 대기압과 동일하게 된다. 이와 같은 원리를 이용할 경우 도 3에서 기존 노즐처럼 콜렉터 노즐(101)의 반경 R1과 침적노즐(103)의 반경 R2를 같게 유지하던 형태에서 벗어나, 노즐 연결부분에서 침적노즐(30)의 반경을 도 3과 같이 R3로 축소하게 되면 공기가 흡입되는 것을 방지할 수 있어 공기 흡입에 의한 용강의 재산화와 이로 인한 후공정 품질 결함 발생을 충분히 낮출 수 있다.

특히 축소 노즐이 되는 부분인 R3의 경우 기존 R2와의 비율을 유속에 따라 1:0.6~0.9정도로 유지할 경우, 이부분에서 거의 대기압에 가까운 압력을 유지할 수 있게된다. 따라서 본 발명을 이용할 경우 연주 공정의 시발점이라고 할 수 있는 레들(110)과 턴디쉬(120) 사이에서 용강의 재산화를 방지하여 후공정 품질을 향상시 키는데 크게 기여할 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 공기흡입 방지 노즐구조를 사용한 경우와 종래의 경우를 수모델 실험을 통하여 대비한 결과를 도시한 그래프도이다. 본 발명을 입증하기 위해 수모델 실험(Water Model Experiment)한 결과를 도 6에 도시하였다. 수모델 실험은 노즐에 용강 대신에 물을 투입하여 같은 조건하에서 공기의 유입여부를 실험하는 것을 칭한다. 도 5 및 도6에서와 같이, 이 경우의 R2:R3의 비율은 1:0.9이며 이때 노즐 연결부분에서 압력 게이지를 이용해 측정하여 데이터를 전압으로 받았다. 기존 형태의 노즐을 이용할 경우 연결부위에서 압력은 절대기압으로 약 0.92Bar였으나, 본 발명품을 이용할 경우 노즐과 노즐 사이에서 잰 압력은 약 0.96Bar로 압력 향상 효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 이와 같은 원리를 이용할 때 조업 조건에 따른 적정 유량을 도출하고 이에 알맞은 R2:R3의 비를 구해서 적용할 경우 공기 흡입 방지에 의한 용강 청정도 향상에 크게 기여할 수 있게 되는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 레들과 턴디쉬 사이를 연결해 주는 콜렉터 노즐과 침적노즐사이에서 근본적으로 존재하는 용강 오염 조건을 방지함으로써 용강 청정성 유지 및 향상에 의한 조업 안정성과 주편 품질 향상에 크게 기여할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (4)

1. 유체가 흐르는 전방 위치에 배치되는 전방 노즐과 유체가 흐르도록 상기 전방 노즐에 연결되는 후방 노즐이 구비되는 노즐 연결구조에 있어서,

   상기 유체가 흐르는 전방 위치에 배치되는 전방 노즐의 내측 반경(R1) 보다 상기 전방 노즐에 연결되는 후방 노즐의 입구 위치의 내측 반경(R3)이 작게 형성되도록 상기 후방 노즐의 입구 위치에 내부로 돌출된 턱(50)이 형성되는 것을 특징으로 하는 공기흡입 방지 노즐구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 후방 노즐의 입구 위치에 형성되는 돌출 턱(50)이 이루는 반경(R3)은 전방 노즐의 내측 반경(R1)의 60~90%가 되는 것을 특징으로 하는 공기 흡입 방지 노즐구조.
3. 연속주조 공정에서 정련된 용강이 래들 하부에 연결된 콜렉터 노즐 및 상기 콜렉터 노즐에 연결된 침적 노즐을 통하여 턴디쉬로 전달되도록 하는 노즐 연결구조에 있어서,

   용강이 흐르는 방향으로 전방에 위치한 콜렉터 노즐(10)의 내측 반경(R1) 보다 상기 콜렉터 노즐(10)에 연결되는 침적노즐(30)의 입구 위치의 내측 반경이 작은 반경(R3)으로 형성되도록 상기 침적노즐(30)의 입구 위치에 내부로 돌출된 턱(50)이 형성되는 것을 특징으로 하는 공기흡입 방지 노즐구조.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 침적노즐(30)의 입구 위치에 형성되는 돌출 턱(50)에 의해 형성되는 내측 반경은 침적노즐 반경(R2)의 60~90%가 되는 것을 특징으로 하는 공기 흡입 방지 노즐구조.

Images