KR100887191B1 - 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속 주조공정에서 가스를 용강쪽으로 취입하는 노즐에 관한 것이며, 특히, 노즐의 내부로 취입되는 가스가 노즐의 상부영역으로 용이하게 이동하여 노즐막힘이 방지되는 노즐을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 턴디쉬(3)에 수용된 용강(2)을 주형의 내부로 토출하는 연속주조용 노즐에 있어서, 용강(2)이 주입되는 웰블럭(21)의 저면에 상부노즐(22)이 접하며, 상부노즐(22)의 상부내경이 웰블럭(21)의 하부내경보다 크고, 상부노즐에는 외부로부터 공급된 가스를 상부노즐의 내벽방향으로 취입하는 장치가 설치된 연속주조용 노즐(10)이 제공된다.

연속주조, 턴디쉬, 노즐, 웰블럭, 가스취입, 노즐막힘

Description

노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐{A nozzle for continuous casting}

도 1은 연속 주조공정을 나타낸 단면도이고,

도 2는 도 1에 도시된 연속 주조공정에서 턴디쉬와 노즐 사이를 확대하여 나타낸 상세도이고,

도 3은 도 2에 도시된 상부노즐 영역에서 노즐막힘을 나타낸 개략도이고,

도 4는 종래 기술에 따른 가스를 노즐 내부에 취입하여 노즐막힘을 방지하는 연속주조용 노즐들을 나타낸 개략도이고,

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐을 나타낸 개략도이고,

도 6은 유체가 흐르는 관로에서 내경의 변화에 따른 압력변화를 나타낸 상태도이고,

도 7은 노즐의 내경차이에 따른 압력분포도이고,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐들을 도시한 개략도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 래들(Laddle) 2 : 용강

3 : 턴디쉬(Tundish) 11, 21 : 웰블럭(Wellblock)

12, 22 : 상부노즐 19 : 비금속 개재물

23 : 정체역 24 : 개스풀(Gas Pool)

본 발명은 연속 주조공정에서 가스를 용강쪽으로 취입하는 노즐에 관한 것이며, 특히, 노즐의 내부로 취입되는 가스가 노즐의 상부영역으로 용이하게 이동하여 노즐막힘이 방지되는 노즐에 관한 것이다.

도 1은 연속 주조공정을 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 연속주조기는 크게 용강(2)을 수용하고 있는 래들(1)과, 래들(1)로부터 토출된 용강(2)을 잠시 저장해 두는 턴디쉬(3)와, 턴디쉬(3)의 저면에 연통되어 설치된 노즐(10)을 통해 토출된 용강을 받아 용강이 일정한 형상을 갖도록 하는 주형(mold)을 포함한다.

이렇게 구성된 연속주조기에서의 공정은 다음과 같다. 래들(1)안에 있는 용강(2)이 턴디쉬(3)로 배출되면, 용강(2)은 다시 턴디쉬(3)에서 주형으로 배출되며 살수 냉각대에서 냉각되어 압연된다. 한편, 턴디쉬(3)에서 주형으로 공급된 용강(2)은 초기 응고층을 형성하기 시작하고, 살수 냉각대에서 완전히 응고되면 단면이 각기 다른 사각형 모양의 슬래브(slab), 블룸(bloom) 또는 빌렛(billet)으로 제조된다. 이런 연속 주조공정에서는 용강(2)이 턴디쉬(3)에서 주형으로 공급될 때, 공기와 접하여 산화되는 것을 방지하기 위해 노즐(10)을 이용하여 주형으로 공급한다.

도 2는 도 1의 연속 주조공정에서 턴디쉬와 노즐 사이를 확대하여 나타낸 상세도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연속 주조공정에서 용강을 주형으로 공급하는 노즐(10)은 다음과 같이 구성된다. 턴디쉬(3)의 바닥면에 웰블럭(11)이 설치되어 있고, 이런 웰블럭(11)의 저면에는 상부노즐(12), 플레이트(13, 14) 및 하부노즐(15)이 순서대로 설치된다. 그리고, 상부노즐(12)의 하단에 설치된 플레이트는 상부 플레이트(13)와 이런 상부 플레이트(13)의 저면에 접하는 하부 플레이트(14)로 구성된다. 하지만, 이와 같이 구성된 노즐에서 장시간 연속 주조를 하면, 노즐의 내벽에는 비금속 개재물(19)이 부착하게 된다.

도 3은 도 2에 도시된 상부노즐 영역에서 노즐막힘을 나타낸 개략도이다.

도2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이런 노즐(10)의 내벽에는 불순물인 비금속 개재물(19)이 부착되는데, 이는 화학적으로 비금속 개재물(19)이 용강보다 큰 젖음성을 갖고 있고, 유체역학적으로 노즐(10)의 내벽에서 용강의 유속은 거의 없기 때문이다. 또한, 용강의 열은 노즐의 벽을 통하여 외부로 발산되기 때문에, 노즐(10)의 내벽에 부착된 비금속 개재물(19)의 온도는 용강의 온도에 비해 낮게 된다. 이로 인해, 비금속 개재물(19)은 더욱 성장하게 되고, 노즐막힘 현상은 더욱 심해진다.

이런 노즐막힘 현상은 웰블럭(11)과 상부노즐(12) 영역의 내벽에서 주로 발 생한다. 노즐막힘이 발생되면, 노즐(10)내의 유로가 차단되어 생산량은 목표주조속도에 도달하기 어렵게 된다. 그래서, 침지노즐의 영역에서 노즐막힘이 발생할 경우에는 침지노즐을 신속하게 교환하여, 주조작업을 계속 진행한다. 그리고, 웰블럭(11)과 상부노즐(12)영역에 노즐막힘이 발생하였을 때는 봉쑤심을 통해 비금속 개재물(19)을 뚫거나, 주조를 중단한다. 그러나, 비금속 개재물(19)이 강제적으로 뚫린 경우나 자연적으로 비금속 개재물(19)이 떨어져 나간 경우에는 주형에 선상결함이 생기게 된다.

아래의 표 1은 노즐막힘과 뚫림현상이 발생한 경우와 정상적인 경우의 주편품질을 비교한 표이다.

표 1에서와 같이, 노즐막힘과 뚫림현상이 발생한 경우는 그렇지 않은 정상적인 경우에 비하여 선상결함의 발생이 2.31배가 높았다. 즉, 노즐막힘과 뚫림의 발생은 주편의 선상결함 발생에 큰 영향을 주게 된다. 이와 같이 연속 주조공정에 있어서, 주편의 품질성과 생산성 향상를 위해서는 노즐막힘이 발생하지 않는 것이 양호하다.

이와 같은 노즐막힘 현상을 방지하기 위한 종래의 방법으로는 아르곤가스의 취입방법이 제시되고 있다.

이런 아르곤 가스의 취입방법은 상부노즐을 다공질로 구성하거나 채널을 형 성하여 아르곤 가스를 취입하는 것이다. 이와 같은 아르곤 가스의 취입은 노즐막힘을 억제할 수 있는 효과가 있다.

도 4는 종래 기술에 따른 가스를 노즐 내부에 취입하여 노즐막힘을 방지하는 연속주조용 노즐들을 나타낸 개략도이다.

상부노즐에 아르곤 가스를 취입하여 노즐막힘을 방지하는 기술들은 아래의 기술문헌들에 공지되어 있다.

이와 같은 방법은 대한민국 특허출원 제 1999-10971호인 그로브(Groove)를 적용하는 방법과, 대한민국 특허출원 제 1998-29681, 1999-60661, 1999-67104, 2000-82194호에 제시된 선회류를 발생시켜 아르곤 가스를 취입하는 방법과, 대한민국 특허출원 제 1998-62092호인 아르곤 가스를 취입할 때 압력을 펄스상으로 제어하는 방법 및 대한민국 실용신안공개 제 2001-00885호인 상부노즐의 내경을 2~3도 기울어지게 만든 방법 등이 제시되고 있다. 그러나, 이와 같은 노즐막힘을 방지하는 방법은 연속주조기의 웰블럭에서 상부노즐로 향하는 내경이 감소하는 경우에 사용된다. 이런 경우에는 상부노즐의 상부보다 내경이 작은 하부에서 압력이 낮아서, 상부노즐로 취입되는 아르곤 가스는 상부노즐의 하부에서 주로 취입되어, 노즐막힘을 방지하는 효과가 적다.

그리고, 대한민국 특허출원 제 2000-82012호에 제시된 상부노즐의 외피에 돌기를 인가하여 상부노즐 내에 균일한 가스가 취입되도록 한 방법이 있다. 이 방법은 돌기에 의해 상부까지 개스풀을 형성시킬 수 있는 장점이 있지만, 상부로 가스가 누출될 위험성이 매우 크고, 상부에 작용하는 압력이 하부보다 커서 주로 하부 로 가스가 취입된다.

그리고, 일본 특허공개 제 1990-307654호에서는 평균기공이 25㎛ 이하인 다공질 재료를 사용하여 가스를 취입하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 다공질 내부의 압력이 상부노즐의 위치에 따라 상이하여 상부노즐의 상부영역에 아르곤 가스가 도달하지 못하게 된다. 그래서, 이와 같은 방법은 웰블럭과 상부노즐이 만나는 영역에 발생하는 노즐막힘을 효과적으로 억제할 수 없게 된다.

그리고, 일본 특허공개 제 2000-84647호에서는 가스의 배압과 취입량을 조절할 수 있는 개스풀을 도입하여 상부노즐의 내벽에 아르곤 가스를 취입한다. 그러나, 이 같은 방법은 상부노즐의 상부영역에 아르곤 가스를 효과적으로 취입하지 못하는 결과를 얻는다.

그리고, 일본 특허공개 제 2000-79453호와 유럽특허(EP) 제 0982088호에서는 상부노즐의 길이방향을 따라 개스풀을 설치하여, 상부노즐에 균일한 가스를 취입한다. 그러나, 노즐의 내경이 좁아지는 형상에서는 상부노즐의 상부의 압력이 하부에 비해 훨씬 높기 때문에, 용강의 유속이 빨라질 때에는 상부노즐의 상부에 더욱 아르곤 가스가 취입되지 못하게 된다.

그리고, 일본 특허공개 제 2000-61595호는 철피를 개스풀에 삽입하여 주조 중에도 아르곤 가스의 배압이 떨어지지 않도록 구현하였으나, 상부노즐 상부영역으로 아르곤 가스가 주로 취입되지 못하는 결과를 얻는다.

그리고, 일본 특허공개 제 1999-314142호에서는 여러가지 모양의 개스풀을 이용하여, 아르곤 가스를 상부노즐 내면에 균일하게 취입한다. 하지만, 이 또한, 아르곤 가스가 상부노즐 상부영역으로 주로 취입되지 못하는 결과를 얻는다.

그리고, 유럽특허 제 EP771601호와 제 EP509699호에서는 상부노즐의 내부와 외부를 이종물질로 구성하여 가스 취입성을 향상시키고 있다. 그러나, 상부노즐의 상부의 압력이 하부에 비해 높기 때문에, 본 발명의 목적인 상부노즐의 상부영역으로 아르곤 가스의 취입이 용이하지 못하다.

또한, 도 4의 (a) 내지 (j)에 도시된 바와 같이 상부노즐의 상부영역에 가스를 취입하고자 하는 방법은 많이 제안되고 있으나, 이와 같은 방법에 의해 제작된 노즐막힘을 방지하는 연속주조용 노즐들은 아르곤 가스가 상부노즐의 상부영역으로 다소 취입되는 효과만 있다. 그리고, 이와 같은 방법들은 효과에 비해 내부에 채널을 형성하는 등 그 제작면에서 실제로 구현하기가 매우 어렵거나, 레이저를 이용한 정밀가공으로 인해 제작비가 상승하는 문제점이 발생한다.

또한, 상기와 같은 상부노즐에 가스를 취입하고자 하는 방법은 노즐의 내부에 압력차이가 있기 때문에, 상부노즐의 벽면에 취입되는 아르곤 가스의 양이 균일하지 않고, 심한 경우에 아르곤 가스가 개스풀의 근처에서만 취입되는 경우도 발생한다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 상부노즐의 상부내경을 웰블럭의 하부내경보다 크게 하여, 웰블럭의 하부인 상부노즐의 상부에 국부적인 정체역을 형성하여 노즐막힘이 방지되는 연 속주조용 노즐을 제공하는 데 그 목적이 있다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 턴디쉬에 수용된 용강을 주형의 내부로 토출하는 연속주조용 노즐에 있어서, 용강이 주입되는 웰블럭의 저면에 상부노즐이 접하며, 상기 상부노즐의 상부내경은 상기 웰블럭의 하부내경보다 크고, 상기 상부노즐에는 외부로부터 공급된 가스를 상기 상부노즐의 내벽방향으로 취입하는 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐이 제공된다.

또한, 상기 웰블럭의 하부내경보다 작은 내경을 가지고 있고, 일정한 두께를 갖는 부재가 상기 상기 웰블럭과 상기 상부노즐의 사이에 삽입된다.

또한, 상기 웰블럭과 상기 상부노즐이 접하는 내벽에서 외벽방향으로 상기 웰블럭과 상기 상부노즐 중 어느 하나 또는 양쪽에 오목지게 형성된다.

아래에서, 본 발명에 따른 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐을 나타낸 개략도이다.

도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐(20)은 턴디쉬(3)로부터 용강(2)을 받아들이는 웰블럭(21)이 위치하고, 웰블럭(21)의 저면에는 상부노즐(22)이 접하며, 이렇게 위치한 노즐을 따라 용강이 이동된다. 그리고, 웰블럭(21)의 하부내경은 상부노즐(22)의 상부내경보다 작게 구성되어 있다. 이와 같은 내경의 차는 1mm ~ 30mm의 범위 내에서 가장 양호한 실시예를 얻을 수 있고, 내경의 차가 1mm 미만인 경우에는 상부노즐의 상부에서 저압력이 형성되지 않고, 내경의 차가 30mm 초과하는 경우에는 용강이 상부노즐의 상부에서 응고되어 오히려 노즐막힘의 원인이 된다. 즉, 내경의 차이를 두는 이유는 용강의 흐름에 따라 상부노즐의 상부에 국부적인 정체역(23)을 형성시키기 위함이다. 따라서, 웰블럭(21)의 하부에는 상부노즐(22)과 접하는 공간에 와류가 형성되어 압력이 저하되는 정체역(23)이 형성된다.

그리고, 상부노즐(22)에는 기존의 노즐막힘을 방지하는 기술을 채용하여, 다공질 재료를 상부노즐(22)의 내벽에 설치한다. 이때, 다공질 재료는 기공률이 같은 것을 사용하거나, 기공률이 다른 이종의 다공질을 사용해도 무방하다. 또한, 다공질 재료를 대신하여 가스 채널(Gas channel)을 형성할 수도 있다.

그리고, 다공질 재료의 내부에는 외부로부터 공급된 아르곤 가스가 머무는 개스풀(24)이 존재한다. 이런 개스풀(24)은 상부노즐(22)에 내재되어, 아르곤 가스를 노즐 내부로 취입한다.

도 6은 유체가 흐르는 관로에서 내경의 변화에 따른 압력변화를 나타낸 상태도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이와 같은 관로에서의 압력변화 값은 웰블럭과 상부노즐의 형상에 따른 압력변화 상태와 동일하게 나타난다.

유체가 일정한 방향으로 흐르는 관로에 있어서, 관로의 내벽에는 일정한 두 께를 가지는 단차가 부착되어 있다. 즉, 단차가 부착된 상부영역은 상부노즐의 상부내경이 웰블럭의 하부내경보다 작은 경우에 해당하고, 단차가 부착된 하부영역은 상부노즐의 상부내경이 웰블럭의 하부내경보다 큰 경우에 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명이 이루고자하는 압력변화는 단차가 부착된 하부영역에서 발생한다.

이와 같이 구성된 관로에서 유체가 일정한 방향으로 흐를 때, 그 관로의 내경이 좁아지는 상부영역에는 그 주변보다 상대적으로 높은 압력이 발생되고, 그 관로의 내경이 넓어지는 하부영역에는 그 주변보다 상대적으로 낮은 압력('(-)압력'으로 표기)이 형성된다.

이런 결과를 연속주조기의 노즐에 적용하면, 상부노즐의 상부내경이 웰블럭의 하부내경보다 클때, 관로의 내경변화가 없는 지점에서의 압력을 기준으로 하여 웰블럭의 하부에서는 상대적으로 낮은 압력이 형성된다. 그래서, 상부노즐에 취입되는 아르곤 가스는 압력차에 의해서 상부노즐의 상부영역으로 용이하게 유입된다.

도 7은 노즐의 내경차이에 따른 압력분포도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 유체가 노즐의 상부영역에서 하부영역으로 흐르고, 노즐의 상부영역과 하부영역에는 내경차이가 있을 때, 도 7은 수치변화에 따른 압력분포 상태를 수치해석하여 나타낸 것이다. 이와 같은 결과는 노즐의 상부내경이 하부내경보다 10mm 큰 경우(도 7의 a)에서 5mm 작은 경우(도 7의 e)까지를 나타낸 것이다. 노즐의 상부내경이 하부내경보다 작아서, 상부영역과 하부영역의 내경차가 나는 영역에서 국부적인 압력이 낮아짐을 볼 수 있다. 이런 현상은 국부적인 정체역에서 압력강하가 크게 일어난다.(도 7의 d, e참조)

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐들을 도시한 개략도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명은 또 다른 실시예들과 같이 변형시켜도, 본 발명이 의도하고자 하는 웰블럭의 하부에 국부적인 정체역(23)을 형성시킬 수 있다. 도 8의 (a)는 상부노즐의 상부내경을 웰블럭의 하부내경보다 더 크게 형성한 것이고, 도 8의 (b) 및 (d)는 상부노즐 또는 웰블럭에 일정한 높이를 두어, 노즐 내에 국부적인 정체역을 형성시킨다. 또한, 도 8의 (c)와 같이, 웰블럭과 상부노즐의 사이에는 일정한 두께(h')를 가지는 플레이트(25)를 삽입시킬 수도 있다. 그리고, 도 8의 (e) 및 (f)와 같이, 웰블럭 또는 상부노즐에 완만한 곡면을 가공하여 국부적인 정체역(26, 26')을 형성할 수도 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐은 상부노즐의 상부 내경을 웰블럭보다 크게 하여, 웰블럭의 하부인 상부노즐의 상부에 국부적인 정체역을 형성하여 아르곤 가스가 상부노즐의 상부에 용이하게 취입되어 노즐막힘을 방지하는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐은 제작상이 쉬우면서도 노즐막힘이 방지되고, 이로 인해 제작비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐은 노즐막힘을 방지할 수 있으므로, 생산이 중단되지 않아 생산성이 향상되고, 노즐막힘으로 인한 주편의 품질저하가 방지된다.

이상에서 본 발명의 노즐막힘이 방지되는 연속주조용 노즐에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

1. 턴디쉬에 수용된 용강을 주형의 내부로 토출하는 연속주조용 노즐에 있어서,

   용강이 주입되는 웰블럭의 저면에 상부노즐이 접하며, 상기 상부노즐의 상부내경은 상기 웰블럭의 하부내경보다 크고, 상기 상부노즐에는 외부로부터 공급된 가스를 상기 상부노즐의 내벽방향으로 취입하는 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 웰블럭의 하부내경보다 작은 내경을 가지고 있고, 일정한 두께를 갖는 부재가 상기 상기 웰블럭과 상기 상부노즐의 사이에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 웰블럭과 상기 상부노즐이 접하는 내벽에서 외벽방향으로 상기 웰블럭과 상기 상부노즐 중 어느 하나 또는 양쪽에 오목지게 형성된 것을 특징으로 하는 연속주조용 노즐.

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