KR100961329B1

KR100961329B1 - 노즐 막힘 방지용 코팅층을 구비한 침적 노즐

Info

Publication number: KR100961329B1
Application number: KR1020070135361A
Authority: KR
Inventors: 이상선
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2010-06-04
Also published as: KR20090067637A

Abstract

본 발명의 일 측면은, 연속 주조 공정에서 턴디쉬와 주형 사이에 설치되어 턴디쉬로부터 주형으로 용강을 주입하기 위한 침적 노즐에 있어서, 주형 내의 용강에 침지되어 용강과 접촉되는 상기 침적 노즐 부분의 내공부에 ZrO₂-CaO-SiO₂ 성분을 포함하는 재질로 된 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 침적 노즐을 제공한다.

연속 주조 공정, 침적 노즐

Description

노즐 막힘 방지용 코팅층을 구비한 침적 노즐{Submerged entry nozzle having coating layer for preventing clogging of submerged entry nozzle}

본 발명은 연속 주조 공정에서 턴디쉬의 용강을 주형으로 이송해주는 침적 노즐(Submerged entry nozzle)에 관한 것으로, 특히 침적 노즐의 내화물 재료가 용강 내의 개재물과 반응하여 침적 노즐의 내공이 막히는 현상이 효과적으로 방지되는 침적 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 연속 주조 공정은 턴디쉬에 수강된 용강을 주형 또는 몰드 내부로 주입하여 연속적으로 응고시키켠서 일정한 크기와 형태를 갖는 슬라브 등을 제조하는 과정을 포함한다.

통상의 연속 주조 공정 설비를 도시한 도 1을 참조하면, 연속 주조 공정에서 침적 노즐(10)은 턴디쉬(2)에 담겨진 용강(20)을 주형(13)으로 주입하는 노즐 구조체로서 슬래그(12) 하단의 슬래그 라인(14) 아래로 침지되어 있다. 침적 노즐(10)은 주형(13) 내부로 흐르는 용강의 보온과 주형 내의 용강 흐름의 안정 그리고 공 기의 유입을 차단하는 역할을 하며 통상 내화물로 만들어진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 침적 노즐(10)의 입구에 설치된 스토퍼(stopper: 11)의 개폐 조절에 의해 소정 유량의 용강이 턴디쉬(2)로부터 침적 노즐(10)을 통해 주형(13)으로 주입된다. 그러나, 연속 주조 공정이 진행됨에 따라 침적 노즐(10)의 내공이 막히는 현상이 발생하여, 침적 노즐(10)의 토출구(16)를 통해 나오는 용강 유량이 감소된다. 이러한 용강 유량 부족을 보상하기 위해 침적 노즐(10)을 위로 들어서 침적 노즐(10)로 주입되는 용강의 유량을 더 많게 할 수 있으나, 몰드 레벨(mold level)의 변동을 유발하게 되어 조업 안정성에 악영향을 미치게 된다.

현재까지 침적 노즐(10)의 막힘 현상을 완전히 방지한 기술은 나타나지 않은 실정이며, 제선 공정에서 탈산시 발생하는 용강내의 개재물이 존재하는 한, 침적 노즐(10) 막힘의 완전한 제거는 어려운 것으로 알려져 있다.

용강 내 개재물과 내화물의 반응으로 인해 발생된 비금속 물질이 침적 노즐(10)의 내벽에 들러붙음으로써 침적 노즐의 막힘 현상이 발생한다. 내화물로 된 침적 노즐(10)의 내벽면에 내화물과 용강과의 반응에 의해 얇은 망목상의 알루미나층이 형성되고 그 위에 알루미나 cluster가 부착되는데, 그 반응은 아래의 (1)~(5)와 같다.

[SiO₂]+[C]→{SiO₂}, [Al₂O₃]+2[C]→{Al₂O} + 2{CO} - - - - (1)

{SiO₂}→Si+O, {Al₂O}→2Al+O - - - - (2)

2Al+3O→[Al₂O₃] - - - - (3)

[Al₂O₃]+2[C]+2O→[Al₂O₃]+{CO} (초기 단계) - - - - (4)

[Al₂O₃]+4[C]+2[SiO₂]→[Al₂O₃]+2Si+4{CO} (나중 단계) - - - - (5)

침적 노즐(10)의 막힘은 조업에 상당히 부정적인 영향을 마치는데, 예를 들어, 노즐 막힘으로 인한 토출량 확보의 어려움, 막힘과 뚫림을 반복하면서 나타나게 되는 몰드 레벨의 헌팅 현상(hunting), 급속한 막힘으로 인한 주조 중단 등이 대표적인 사례이다.

이러한 침적 노즐 막힘에 대한 해결책으로서 Ca 처리가 시행되고 있다. Ca 처리의 주목적은 용강 내에 고체상으로 존재하는 Al₂O₃ 개재물을 Ca 처리에 의해 저융점의 CaOㆍAl₂O₃계 개재물로 변화시켜 연속 주조시 고체 Al₂O₃가 노즐 내벽에 부착하여 막히는 문제를 억제하여 주조성을 향상시키는 것이다. 미니밀 연주의 경우 기존 밀과는 다르게 턴디쉬에서 추가로 Ca 처리를 하는 방식을 채택하고 있다. 기존 밀의 경우 2차 정련에서 Ca-Fe 와이어를 투입한 후 턴디쉬에서는 별도의 Ca 처리를 하지 않고 Ar 주입이나 봉쑤심 등의 방법을 사용한다. 턴디쉬에서 직접 Ca 처리를 함으로써 급속한 노즐 막힘시 즉시 막힘을 해소할 수 있는 기회를 제공함으로써 주조 중단을 막을 수 있다.

그러나, 턴디쉬에서 직접 Ca 처리를 함으로써 문제점이 발생되는데, 첫째, Ca는 용철 중 용해도가 매우 낮아 Ca 처리의 효율이 떨어질 뿐만 아니라, Ca는 산소와의 반응성이 대단히 커서 대기나 슬래그 등 산소 함유물질에 의한 손실이 상당히 크다. 둘째로, Ca의 큰 반응성은 연주 조업 중 턴디쉬 내부의 용강 유동에 악영향을 끼칠 뿐만 아니라 턴디쉬 노재의 침식에도 연관성이 있는 것으로 판단되고 있다.

본 발명의 일 측면은, 턴디쉬 내부의 용강 유동이나 턴디쉬 노재의 침식에 영향을 주지 않으면서도 침적 노즐 내공의 막힘 현상이 효과적으로 방지하기 위해 제공된다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 코팅층은 60 내지 90중량%의 ZrO₂-CaO-SiO₂ 성분과 10 내지 40%의 탄소(C)를 포함하는 재질로 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 코팅층은 29 내지 49중량%의 ZrO₂과, 10 내지 46중량%의 CaO와, 3 내지 23중량%의 SiO₂와, 15 내지 25중량%의 탄소(C)를 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 39중량%의 ZrO₂와, 26중량%의 CaO와, 13중량%의 SiO₂와 20중량%의 C와 2중량%의 기타 성 분(불순물 등)을 포함할 수 있다. 상기 코팅층은 상기 침적 노즐의 하단부로부터 용강 침지시 슬래그 라인에 해당하는 위치까지 연장될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상술한 용손형 재질로 된 코팅층을 용강과 접촉되는 침적 노즐 내공부에 구비함으로써 기존의 침적 노즐을 사용하는 경우에 비하여 노즐 막힘 현상을 현저히 개선할 수 있다. 또한 종래 Ca 처리에 따른 턴디쉬 내 용강 유동이나 턴디쉬 노재의 침식에 대한 악영향의 우려가 없다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 침적 노즐을 개략적으로 나타낸 정면도이고, 도 3는 도 2의 XX' 라인을 따라 자른 침적 노즐의 단면도(a) 및 YY' 라인을 따라 자른 침적 노즐의 단면도(b)이다.

도 2 및 3을 참조하면, 침적 노즐(100)은 용강에 침지되는 노즐 부분(B)의 내공부에 코팅된 막힘 방지용 코팅층(101a)을 구비한다. 코팅층(101a)이 형성된 노즐 부분은 노즐 하단부로부터 침지 부분의 상단에 이르는 소정 길이(D)만큼 연장되어 있다. 연속 주조 공정시 주형의 용강에 침지되는 노즐 부분(B) 이외의 다른 부분(A)은 코팅층(101a) 없이 기존 재질로 된 노즐 벽(100a)을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 연속 주조 공정시 용강에 침지되지 않는 부분(A) 전체 또는 비침지 부분(A) 중 일부도 그 내공부에 막힘 방지용 코팅층을 구비할 수도 있다.

Al2O3, SiO2 및 유리 탄소(free carbon)를 주된 성분으로 함유하는 기존의 노즐 벽(100a)의 재질과 달리, 연주 공정시 용강과 접촉되는 상기 코팅층(101a)은, ZrO₂와 CaO와 를 포함하며 특히 ZrO₂-CaO-SiO₂ 성분을 포함하는 재질로 되어 있다. 이 ZrO₂-CaO-SiO₂ 재질은 용강 내의 개재물인 Al₂O₃와 결합하여 저융점 화합물을 쉽게 형성하여 침적 노즐(100)의 내공부의 막힘 현상을 억제한다. 코팅층(101a)과 용강내 개재물과의 반응 과정은 노즐 막힘의 원인이 되는 용강 내 개재물을 세정시켜 주는 효과를 발생시킨다.

코팅층(101a)은 60 내지 90중량%의 ZrO₂-CaO-SiO₂ 성분과 10 내지 40%의 탄소(C)를 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 이러한 재질의 코팅층(101a)은 분말 원 료로부터 만들어질 수 있다. 코팅층(101a)을 갖는 침적 노즐(100)을 만들기 위해, 종래의 노즐 벽 재료로 사용된 Al₂O₃ 분말 대신에 ZrO₂-CaO-SiO₂ 재질의 분말을 침적 노즐 제조용 몰드의 내공부 영역에 삽입할 수 있다.

이러한 특별한 재질의 코팅층(101a)은 침적 노즐(100)의 하단부로부터 약 240mm 지점까지 침적 노즐(100)의 내공부에 형성할 수 있다. 침적 노즐(101a)의 하단부로부터 240mm 높이에 해당하는 지점은 연주 공정중 침적 노즐(100)의 외벽이 슬래그 라인(도 1의 도면부호 14 참조)과 맞닿는 위치에 해당한다. 이 지점까지 용손형 재질인 ZrO₂-CaO-SiO₂을 포함하는 코팅층(101a)을 형성함으로써, 노즐 제작시 분말 형태의 원료를 칸막이 형태의 지그(zig)로 고무 몰드(침적 노즐 제작용 몰드)에 넣는 과정을 쉽게 할 수 있어 공정상의 편의성을 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 슬래그 라인에 해당하는 위치보다 더 높은 위치까지 코팅층(101a)을 형성할 수 있고, 침적 노즐(100)의 내공부 전체 길이를 통해 형성될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 코팅층(101a)은 29 내지 49중량%의 ZrO₂과, 10 내지 46중량%의 CaO와, 3 내지 23중량%의 SiO₂와, 15 내지 25중량%의 탄소(C)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 아래 표 1의 실시예에 나타난 바와 같은 조성의 재질로 막힘 방지용 코팅층(101a)을 형성할 수 있다. 표 1에는 종래예의 노즐 벽(101a) 재질과 일 실시예의 코팅층(101a) 재질의 주요 성분과 그 함량(중량%)이 기재되어 있다.

	종래예의 노즐 벽 (중량%)	실시예의 코팅층 (중량%)
Al₂O₃	64	-
ZrO₂	-	39
CaO	-	26
SiO₂	4	13
유리 탄소(free carbon)	26	20

위 표 1에 예시된 바와 같이, 종래의 재질과 달리, 변경된 재질(코팅층 재질)은 CaO와 ZrO₂를 포함함으로써 용강내 개재물인 Al₂O₃와 결합하여 저융점 화합물을 비교적 용이하게 형성하며, 노즐의 내구성이 기존 제품 대비 동등 수준 이상으로 유지된다. 실시예의 코팅층에는 표 1에 기재된 성분 이외에 불순물 등 기타 성분(약 2중량%)가 포함되어 있다.

연속 주조 공정시, 상술한 바와 같은 용손형 재질을 갖는 코팅층(101a)을 구비한 침적 노즐(100)을 사용하면, 코팅층(101a) 내의 CaO와 SiO₂가 용강 내의 개재물인 Al₂O₃와 반응하여 1400℃ 또는 그 이하의 저융점을 갖는 Al₂O₃ㆍCaOㆍSiO₂ 복합 산화물을 형성하게 된다. 이러한 과정은 용강 내 개재물을 세정시켜주는 효과를 발생시키게 하여, 침적 노즐(100) 내공의 급격한 막힘이나 뚫림 없이 지속적으로 Ca를 투입해주는 효과를 발생시킨다. 또한 코팅층(101a) 내의 ZrO₂는 스폴링(spalling)성 및 내용강성을 보완하여 노즐의 내구성의 약화를 막는다.

본 발명의 실시형태에 따른 침적 노즐(100)을 사용하여 연속 주조 공정을 수행하는 과정의 일례는 아래와 같다.

연속 주조 중, 침적 노즐(100)은 예열 과정과 주조 과정을 거친다. 상온의 침적 노즐(100)을 1500℃ 이상의 고온인 용강과 직접 접촉하면 열충격으로 인해 노즐에 크랙이 발생하여 주조 중 침적 노즐이 탈락하게 된다. 또한 충분한 예열을 시행하지 않았을 경우, 용강과 노즐 내화물의 온도 차이로 인해 용강 온도의 급격한 하락을 초래하여 노즐 막힘의 증가를 유발할 수 있다. 반대로, 지나친 예열의 경우에는, 탄소를 골재로 사용하여 제작되는 노즐 내화물의 특성상 예열 과정의 산소를 소소로 하여 산화 반응이 발생하게 되는데, 이 과정 중 탈탄 현상으로 인해 골재의 탈락 현상이 발생하게 되어 결국 노즐 내화물의 전체적인 균열을 초래할 수도 있다. 적절한 노즐 예열 시간은 90 내지 120분 정도이며 예열시 최고 온도는 약 1200℃로 하고 이 온도는 분위기 온도로 한다. 침적 노즐(100)은 예열 전에 턴디쉬(도 1의 도면부호 2 참조)에 미리 조립되어 있기 때문에, 침적 노즐의 예열은 턴디쉬와 동시에 진행되며, 예를 들어 도시가스와 공기의 혼합물을 열원으로 하는 버너를 사용하여 수행된다.

예열 과정을 마친 후 즉각 주조 과정을 실시한다. 주조 시작 후 침적 노즐(100)은 용강(20)과 지속적으로 접촉하면서 턴디쉬(2)와 주형(13) 사이의 통로 역할을 한다. 턴디쉬(2)로부터 주형(13)으로 흐르는 용강의 유량은 분당 2~3톤 정도로서, 용강은 매우 고속으로 토출된다. 이 용강의 유량은 턴디쉬(2) 아래에 부착된 스토퍼(11)에 의해 조절될 수 있다. 용강(20)에 침지된 침적 노즐(100)의 코팅층(101a)은 코팅층(101a)의 ZrO₂-CaO-SiO₂ 성분과 용강 중의 Al₂O₃가 지속적으로 접촉하면서 전술한 '세정' 효과를 발생시키므로, 노즐 막힘이 현저히 저감되고 이에 따라 몰드 레벨의 변동도 저감된다. 결국, 턴디쉬 내의 용강 유동이나 턴디쉬 노재의 침식에 영향을 주지 않으면서도 연주 공정의 조업 안정성에 긍적적인 효과를 발생시킨다.

아래의 표 2는 일 실시예에 따른 코팅층(101a)을 구비한 침적 노즐과 종래예에 따른 재질로 된 침적 노즐을 사용한 경우, 각각의 침적 노즐의 노즐 막힘율을 나타낸 것이다. 표 2에 기재된 실시예의 코팅층 재질과 종래예 침적 노즐의 재질은 표 1에 나타난 바와 같다.

	실시예	종래예
래들 차지(charge)수	69	66
Ca-Fe 와이어 투입 횟수	28	47
막힘율	40.5%	71.2%

상기 표 2에서 '래들 차지(charge) 수'는 턴디쉬에 용강을 부은 래들(laddle) 수를 말한다. 'Ca-Fe 와이어 투입 횟수'는 연주 공정 중 노즐 막힘 발생시 조업자의 판단에 의해 턴디쉬에 Ca-Fe 와이어를 투입하게 되는데 그 투입 횟수를 말한다. 이 Ca-Fe 와이어 투입 횟수를 통해 노즐 막힘 발생 횟수를 알 수 있다.

표 2에 나타난 바와 같이, 실시예의 침적 노즐을 사용한 경우, 종래에 비하여 래들 차지수당 Ca-Fe 와이어 투입 횟수가 현저히 낮으며 막힘율 또한 약 30% 정도 저감되었음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 일반적인 연속 주조 공정 설비를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 침적 노즐을 개략적으로 나타낸 정면도이다.

도 3은 도 2의 XX' 라인을 따라 자른 침적 노즐의 단면도(a) 및 YY' 라인을 따라 자른 침적 노즐의 단면도(b)이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2: 턴디쉬 10, 100: 침적 노즐

11: 스토퍼 12: 슬래그

13: 주형 14: 슬래그 라인

16, 160: 토출구 100a: 노즐 벽

101a: 코팅층

Claims

연속 주조 공정에서 턴디쉬와 주형 사이에 설치되어 턴디쉬로부터 주형으로 용강을 주입하기 위한 침적 노즐에 있어서,

주형 내의 용강에 침지되어 용강과 접촉되는 상기 침적 노즐 부분의 내공부에 ZrO₂-CaO-SiO₂ 성분을 포함하는 재질로 된 코팅층이 형성되고,

상기 코팅층은 29 내지 49중량%의 ZrO₂과, 10 내지 46중량%의 CaO와, 3 내지 23중량%의 SiO₂와, 15 내지 25중량%의 탄소(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 침적 노즐.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 코팅층은 39중량%의 ZrO₂와, 26중량%의 CaO와, 13중량%의 SiO₂와 20중량%의 C와 2중량%의 기타 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 침적 노즐.
제1항에 있어서,

상기 코팅층은 상기 침적 노즐의 하단부로부터 용강 침지시 슬래그 라인에 해당하는 위치까지 연장된 것을 특징으로 하는 침적 노즐.