KR100959006B1 - 주물용 선철의 성분편차 감소장치 및 그 감소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주물용 선철의 성분편차 감소장치 및 그 감소방법에 관한 것으로서, 이는 선철 내부의 카본 및 실리콘을 균일하게 분포시키기 위해 쇳물이 공급될 스트랜드의 몰드 입측을 가열하는 단계; 상기 가열된 몰드에 쇳물이 공급되고 그 공급된 쇳물의 표면에 안정된 화합물 보호 층을 형성하도록 불활성가스를 분사하는 단계; 상기 화합물 보호 층을 안정화시키고 균일한 냉각을 유지하기 위해 외부공기 및 미스트 분사를 순차적으로 실시하는 단계; 상기 균일 냉각이 이루어진 제품 표면에 냉각수를 고압으로 분사하는 단계로 이루어진다.

주물용 선철, 성분편차, 미스트 분사, 불활성가스 분사

Description

주물용 선철의 성분편차 감소장치 및 그 감소방법{Ingredient deflection decrease equipment for cast metal pin iron and the decrease method thereof}

도 1은 주물용 선철 제조공정을 나타낸 개략도,

도 2는 종래의 주물용 선철 냉각과정을 나타낸 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 주물용 선철 냉각장치를 나타낸 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 주물선철 냉각 플로우를 나타낸 그래프.

※도면의 주요부분에 대한 부호 설명※

10 : 몰드가열수단 11 : 버너

20 : 불활성가스분사수단 30 : 공기분사수단

40 : 미스트분사수단 50 : 냉각수분사수단

본 발명은 주물용 선철의 성분편차 감소장치 및 그 감소방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 주물용 선철의 쇳물 냉각과정에서 외부에서부터 응고가 진행되기 때문에 불순물에 해당하는 카본[C], 실리콘[Si], 망간[Mn], 황[S], 인[P] 등이 선철 내부에 고르게 분포되지 못하고 가장 나중에 응고되는 중심부 및 상부 표 면으로 밀려나는 현상을 억제하고 선철 내부에 불순물, 특히 카본 및 실리콘을 고르게 분포시키도록 하는 주물용 선철의 성분편차 감소장치 및 그 감소방법에 관한 것이다.

주물용 선철의 제조는 고로에서 생산된 쇳물의 성분을 분석한 후 실리콘(Si) 성분 함량을 증가시키기 위해 가규제(Fe-Si)를 추가로 투입하여 몰드(Mould)에 부어서 일정한 모양의 냉각된 선철로 제조하는 것을 말한다. 상기 몰드에 부은 쇳물의 냉각과정에서는 외부에서부터 응고가 진행되기 때문에 불순물에 해당하는 카본(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P) 등은 선철 내부에 고르게 분포하지 못하고 가장 나중에 응고되는 중심부 및 상부 표면으로 밀려나게 된다.

따라서, 상기 선철의 냉각 패턴을 조정하여 상기 불순물에 해당하는 성분이 중심부 및 표면으로 밀려나는 현상을 억제하고 선철 내부에 불순물, 특히 카본 및 실리콘을 고르게 분포시키도록 하는 기술이 시급히 요구되고 있다.

종래의 주물용 선철 제조공정에서 주물제품 제조를 위한 선철의 성분 규격은 카본 3.5%이상, 실리콘 1.4 ~ 1.8%의 범위이다. 고로에서 생산된 선철의 카본 함량은 4.3~4.5% 수준으로 완전히 포화된 상태로써 추가적인 성분조정이 필요 없지만, 실리콘의 경우 평균 0.4% 수준으로써 목표 범위인 1.4~1.8%를 맞추기 위해서는 고로에서 배출된 성분을 분석하여 차이만큼의 실리콘을 투입하여야 한다.

이때 상기 실리콘의 추가 효율을 높이기 위해 도 1에 나타낸 바와 같이 토페도카(Torpedo Car)(1)에 쇳물을 담을 때 가규제투입장치(2)를 이용한 가규제를 동시에 투입하여 쇳물의 와류 현상을 이용하여 가규제가 충분히 용해될 수 있도록 한 다.

상기 목표 가규제를 투입한 후 토페도카(1)를 주선기로 이송하여 몰드(4)가 연속으로 연결된 스트랜드(Strand)(3)에 쇳물을 부어서 일정한 모양의 선철로 만들어 야드(Yard)(5)에 보관 후 상온까지 냉각하여 운송한다.

한편, 상기 토페도카(1)로부터 몰드(4)에 쇳물을 공급하기 위해서는 도 2에 나타낸 바와 같이 토페도카(1)를 기울여서 쇳물을 유도통(1a)에 부은 후 몰드(4)에 담기도록 한다. 상기 몰드(4)는 상부 개방된 그릇 형태로써 연속 작업을 하기 위해서 체인으로 연결되어서 컨베이어 형태로 회전시키는 것인 바, 이를 스트랜드라 한다.

상기 몰드(4)에 담겨진 쇳물은 스트랜드(3)의 회전에 따라 진행하면서 입측에서는 공냉상태(A)를 유지하다가 소량의 살수량을 유지하는 1차 살수(B), 다량의 살수량을 투입하는 2차 살수(C)를 거치고, 이후 팬 콘베이어(Pan Conveyor)(D)를 지나는 과정에서 공냉야드(F)에 떨어진 후 3차 살수(E)과정을 거친다.

이때, 상기 각 과정별 냉각온도를 살펴보면 1500℃의 쇳물단계 즉 토페도카(1)에서 스트랜드(3)의 공냉(1300℃)(A), 1차 살수(1200℃)(B2) 2차 살수(700℃)(C) 팬 콘베이어 공냉(650℃)(D) 야드 적치 후 살수(300~500℃)(F)의 단계를 거친다.

이와 같은 종래의 주물용 선철 제조방법 문제점은, 첫째, 스트랜드의 하단부에서는 되돌아오는 몰드의 표면에 부착된 수분을 완전히 제거하지 않은 상태에서 쇳물을 몰드에 부을 때 초래되는 수분의 급팽창에 의한 선철 제물의 형상이 나빠지 는 것과 몰드의 온도가 낮아 몰드에 부어진 쇳물의 냉각이 몰드 표면에서부터 급속히 진행되는 문제점이 있다.

둘째, 상기의 냉각 상태가 1차 살수를 만나기 전까지 공냉상태로 유지되기 때문에 분당 116℃의 냉각속도로 서냉 되어서 상부 표면으로 카본 및 실리콘이 국부적으로 집중화되는 문제점이 있다.

셋째, 1차 살수 직전까지 고온을 유지하고 있기 때문에 상부에서 분사되는 물에 의해 표면이 굴곡되어 카본 및 실리콘 층의 표면적이 증가하여 장기간 보관 과정에서 녹이 발생하는 문제점이 있다.

참고로 선철의 일반적인 보관장소는 옥외 야드이기 때문에 표면의 카본 및 실리콘은 쉽게 수분과 반응하여 녹으로 변화된 후 표면에서 이탈되는 특성을 가지고 있다. 특히, 실리콘으로 인하여 발생되는 녹은 건조된 황토와 유사한 형태를 띠기 때문에 제품 표면에서 쉽게 제거되어 중요한 실리콘의 손실로 연계된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 몰드와 쇳물이 접촉되는 경계면에서의 급속한 냉각을 방지하고, 상부 표면으로 카본과 실리콘이 집중화되는 현상을 억제하며, 장기간 보관하여도 표면에 녹 등이 발생하지 않도록 하여 선철 제조과정에서 조정한 실리콘 함량이 최종 사용단계까지 일정하게 유지되도록 한 주물용 선철의 성분편차 감소장치 및 그 감소방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 기술적 구성에서 주물용 선철의 성분편차 감소방법은, 선철 내부의 카본 및 실리콘을 균일하게 분포시키기 위해 쇳물이 공급될 스트랜드의 몰드 입측을 가열하는 단계; 상기 가열된 몰드에 쇳물이 공급되고 그 공급된 쇳물의 표면에 안정된 화합물 보호 층을 형성하도록 불활성가스를 분사하는 단계; 상기 화합물 보호 층을 안정화시키고 균일한 냉각을 유지하기 위해 외부공기 및 미스트 분사를 순차적으로 실시하는 단계; 상기 균일 냉각이 이루어진 제품 표면에 냉각수를 고압으로 분사하는 단계로 이루어진다. 그리고, 상기 몰드의 가열수단은 버너이고 그 가열온도는 400∼500℃이다.

또, 본 발명에 따른 주물용 선철의 성분편차 감소장치의 특징적인 기술적 구성은, 선철 내부의 카본 및 실리콘을 균일하게 분포시키기 위해 쇳물이 공급될 스트랜드(3)의 몰드(4) 입측에 그 몰드를 가열하도록 몰드가열수단(10)이 설치되고, 상기 몰드가열수단의 후방에는 상기 몰드에 공급된 쇳물 표면의 안정된 화합물 보호 층을 형성하도록 불활성가스를 분사하는 불활성가스분사수단(20)이 설치되며, 상기 불활성가스분사수단의 후방에는 화합물 보호 층을 안정화시키고 균일한 냉각을 유지하기 위하여 외부공기를 분사하는 공기분사수단(30)과 미스트가 분무되는 미스트분사수단(50)이 순차적으로 설치되며, 상기 미스트분사수단의 후방에는 제품의 최종냉각을 위한 냉각수분사수단(50)이 설치된 것이다.

그리고, 상기 몰드가열수단(10)은 적어도 2개 이상의 버너(11)가 일정간격을 유지하도록 설치하여 된 것이고, 상기 불활성가스분사수단(20), 공기분사수단(30), 미스트분사수단(40), 냉각수분사수단(50)은 몰드(4)상에 설치되고, 그들은 분사노 즐이 각각 2개 이상 마련하여 된 것이다.

이하, 본 발명의 주물용 선철의 성분편차 감소장치 및 그 감소방법을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 먼저 스트랜드(3)의 입측 하부(쇳물이 몰드(4)에 주입되는 쪽)에 몰드(4)내의 수분을 건조시키고 그 몰드(4)를 400∼500℃까지 가열시키는 몰드가열수단(10)을 설치하는데, 상기 몰드가열수단(10)은 전기를 이용한 히터를 설치하여 사용할 수도 있으나 버너(11)를 사용함이 가장 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 버너(11)를 일정간격으로 다수개 설치하여 사용하였다.

상기 몰드(4)를 400∼500℃로 가열하는 이유는 몰드의 강도 유지 및 철의 재결정온도까지 도달되지 않는 범위내에서 최대한 고온의 온도를 유지하기 위함이다.

단, 상기 스트랜드(3)는 소형 그릇형태의 몰드(4)를 체인으로 엮어서 벨트컨베이어 형태를 만들어 일정거리를 두고 설치된 구동롤러와 리턴롤러를 권취하며 설치하여 상기 몰드(4)를 체인으로 엮어서 만든 벨트컨베이어를 계속 리턴 회전시키는 장치를 말한다.

상기와 같이하여 몰드(4)의 수분이 제거되고 온도가 400∼500℃까지 가열되면 이에 토페도카(1)의 쇳물을 유도통(1a)을 통하여 상기 몰드(4)에 주입한 다음 불활성가스분사수단(20)의 노즐을 통하여 질소가스를 분사한다. 상기 쇳물의 표면에 불활성가스인 질소가스를 분사하는 이유는 외부공기를 차단하고 안정된 화합물 보호 층을 형성하도록 하기 위함이다.

한편 상기 질소가스를 분사하는 불활성가스분사수단(20)인 노즐은 스트랜드(3)의 회전 즉 몰드(4)의 진행방향을 따라 적어도 2개 이상 일정간격을 유지하도록 설치되어 동시에 분사됨이 바람직하다.

상기 몰드(4)에 공급된 쇳물에 불활성가스가 분사되어 안정된 화합물 보호 층이 형성되면 이에 상기 화합물 보호 층을 안정화시키고 균일한 냉각을 유지하기 위하여 순차적으로 설치된 공기분사수단(30) 및 미스트분사수단(40)을 이용하여 외부공기를 분사하고 연이어서 미스트(수분을 안개형태로 분사하는 것을 말함)를 분사한다.

이 역시도 상기 불활성가스분사수단(20)과 마찬가지로 공기분사수단(30) 및 미스트분사수단(40)인 노즐에서 분사되고 그 노즐은 불활성가스분사수단(20)의 후방에 몰드(4)의 진행방향을 따라 적어도 2개 이상 일정간격을 유지하도록 설치되어 동시에 분사된다.

또, 상기 미스트분사 후에는 냉각수분사수단(50)인 노즐을 이용하여 냉각수를 분사함으로서 생산제품의 최종냉각이 이루어지는 것이다.

그리고 상기 질소 및 공기(Air)를 이용한 쇳물 상부 표면을 가급적 신속한 속도로 냉각시키기 위해서는 스트랜드(3) 상부에 고정식 노즐을 설치하여 스트랜드(3) 진행에 따라 쇳물 상부가 냉각되도록 하고, 특히 질소를 분사하는 구간에는 덮개를 설치하여 질소가스에 의한 불활성 분위기를 조성한다.

상기 스트랜드(3)의 회전속도는 분당 10m범위이기 때문에 노즐 설치 구간에 따른 냉각시간을 산정 할 수 있다. 쇳물 낙구, 즉 스트랜드(3)의 후미로부터 5m구간은 질소의 토출압은 최소 대기압 +2kg/cm2 이상을 유지하여 0.5분간 냉각시킴과 동시에 표면에 반응물을 형성시키고, 이후 20m구간에는 대기압 +1.0kg/cm2 이상의 공기분사 노즐을 설치하여 2분 동안 쇳물 상부를 충분히 냉각할 수 있는 능력이 있도록 한다.

1차 살수단계 즉 미스트(Mist)로 분무하기 위해서는 물을 미스트화하는 능력이 좋은 피크테일노즐(Pig Tail Nozzle)을 5m구간에 설치한다. 원할한 미스트 형성을 위해서는 물 압력을 2kg/cm2이상을 유지토록 한다.

이하 본 발명을 실시 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시 예를 나타내는 그림으로써 종래의 선철 냉각 속도와 대비하여 몰드가 사전 예열 됨에 따라 몰드와의 경계면에서는 냉각속도가 떨어지고, 상부표면에서는 종래 방법 대비 급속이 냉각되어 전체적인 냉각속도가 유사하게 조정됨을 알 수 잇다.

또한, 1차 살수단계인 미스트 분무로 변경함에 따라 냉각온도가 스트랜드(3) 내부에서 제품 표면의 반응이 진행되지 않을 정도까지 온도를 저하시킬 수 있다.

질소 분사구간은 덮게를 설치하고 그 덮게의 선단부에 체인커텐(Chain Curtain)을 설치하여 덮게 내부에서 질소에 의한 불활성 분위기가 충분히 형성되도록 한다.

스트랜드(3)의 진행 속도에 따라 각 구간별 냉각시간은 약간씩 변화하겠지만 평균적인 스트랜드 이동 속도를 10m/sec로 가정했을 경우 냉각시간은 질소냉각의 경우 0.5분, 고압 공기냉각의 경우 2분, 미스트 냉각의 경우 1분의 냉각시간을 갖게 된다.

이에 따른 냉각속도를 종래와 비교하여 보면 종래의 공냉에서 평균 116℃/min의 온도저하가 있었던 반면, 본 발명에 의하여 질소 및 고압공기에 의해 평균 196℃/min의 온도 저하속도를 갖게 된다. 이는 살수에 의한 냉각속도 200 ~ 250℃/min와 비교하여 볼 때 전체적으로 유사한 냉각 분포이다.

이상과 같은 본 발명은 몰드의 사전 예열에 따라 선철과 몰드가 닿는 면(측면부, 하부)의 냉각속도를 낮추게 되고, 질소에 의한 상부 표면의 급속 냉각은 표면으로 밀려오는 실리콘 및 카본의 집중화 현상을 억제하는 효과가 있다.

또한, 불활성 분위기에서 질소와 쇳물 표면의 실리콘, 티타늄이 반응하여 하기 식 1과 같이 안정한 화합물인 SiN, TiN를 형성한다.

Si + 1/2N2 SiN , Ti + 1/2N2 TiN ------- (식 1)

상기 SiN, TiN공히 녹는점이 높은 화합물이며, 외부로부터의 냉각속도에 따라 그 화합물 층이 성장하여 두께가 증가하는 특성을 갖고 있다. 이러한 표면의 코팅(Coating)막을 균일하면서도 안정되게 형성할 필요가 있기 때문에 질소 냉각 이후의 20m구간은 적정 압력(대기압 + 1.0 kg/cm2)의 공기분사를 유지하여 표면의 냉각 속도를 유지하여 SiN, TiN화합물 막을 성장시키도록 하는 효과를 갖는다. 때문에 표면에 안정된 코팅 층을 형성하여 대기 습분 또는 우천 등에 의한 녹이 발생할 가능성을 배제할 수 있다.

그리고, 1차 살수를 일반적인 살수에서 미스트 살수로 변경한 것은 일반적으로 고온의 선철 상부에 살수를 하게 되면 그 물이 끓는 현상이 발생하여 표면의 코 팅층 이 파괴될 우려가 있는 것을 방지하고자 함이다. 미스트 분무를 통하여 선철의 온도를 안정한 온도까지 낮추어 본격적인 살수단계인 2차 살수를 대비하는 효과가 있다.

상기의 효과를 종합하면, 주물용 선철의 제조에 있어서 쇳물의 냉각을 종래 몰드와의 경계면(측면, 하부면)으로부터 진행되어 상부표면이 가장 나중에 냉각되었던 것을 전면이 유사한 속도의 냉각을 유지하게 되기 때문에, 표면으로 집중되어 녹 등의 형태로 손실되었던 카본 및 실리콘의 주물제품 제조에 있어서 중요한 성분을 선철 내부에 손실 없이 원래의 함량으로 선철 내부에 균일하게 잔류시킬 수 있고, 제품의 표면까지 안정된 화합물 보호 층을 형성하여 보통의 선철 대비 미려한 외관으로 제품의 부가가치를 올릴 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 선철 내부의 카본 및 실리콘을 균일하게 분포시키기 위해 쇳물이 공급될 스트랜드의 몰드 입측을 가열하는 단계;

   상기 가열된 몰드에 쇳물이 공급되고 그 공급된 쇳물의 표면에 안정된 화합물 보호 층을 형성하도록 불활성가스를 분사하는 단계;

   상기 화합물 보호 층을 안정화시키고 균일한 냉각을 유지하기 위해 외부공기 및 미스트 분사를 순차적으로 실시하는 단계;

   상기 균일 냉각이 이루어진 제품 표면에 냉각수를 고압으로 분사하는 단계로 이루어진 주물용 선철의 성분편차 감소방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 몰드의 가열수단은 버너이고 그 가열온도는 400∼500℃임을 특징으로 하는 주물 선철의 성분편차 감소방법.
3. 선철 내부의 카본 및 실리콘을 균일하게 분포시키기 위해 쇳물이 공급될 스트랜드(3)의 몰드(4) 입측에 그 몰드를 가열하도록 몰드가열수단(10)이 설치되고, 상기 몰드가열수단의 후방에는 상기 몰드에 공급된 쇳물 표면의 안정된 화합물 보호 층을 형성하도록 불활성가스를 분사하는 불활성가스분사수단(20)이 설치되며, 상기 불활성가스분사수단의 후방에는 화합물 보호 층을 안정화시키고 균일한 냉각을 유지하기 위하여 외부공기를 분사하는 공기분사수단(30)과 미스트가 분무되는 미스트분사수단(40)이 순차적으로 설치되며, 상기 미스트분사수단의 후방에는 제품의 최종냉각을 위한 냉각수분사수단(50)을 설치된 것을 특징으로 하는 주물용 선철의 성분편차 감소장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 몰드가열수단은 적어도 2개 이상의 버너(11)가 일정간격을 유지하도록 설치된 것임을 특징으로 하는 주물용 선철의 성분편차 감소장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 불활성가스분사수단, 공기분사수단, 미스트분사수단, 냉각수분사수단은 몰드상에 설치되고, 그들은 분사노즐이 각각 2개 이상 마련된 것임을 특징으로 하는 주물용 선철의 성분편차 감소장치.

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