KR101010631B1 - 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 쌍의 주조롤(1)과, 그 좌우 양 측면에 설치되는 에지댐(2) 및 상기 주조롤(1)과 에지댐(2) 사이에 형성되는 용강풀(4)로 용강을 공급하는 침지노즐(3)을 갖추어 서로 맞물리는 방향으로 주조롤(1)을 회전시켜 주편을 주조하는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(1) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 주조롤(1)의 측면 에지부(13)에 형성된 고경도 코팅층(9)이 모서리(12)에서 중앙부 쪽으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형태를 갖고 있어, 에지댐(2)과의 마모에 잘 견디고 열충격에 의해서 균열이 발생하지 않아 우수한 품질의 주편을 제조할 수 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 및 그 제조방법을 제공한다.

쌍롤, 박판주조, 주조롤, 고경도 코팅층, 슬리브(10)

Description

쌍롤식 박판주조기의 주조롤 및 그 제조방법{apparatus and method for roll in twin roll strip casting machine}

본 발명은 본 발명은 한 쌍의 주조롤(1)과, 그 좌우 양 측면에 설치되는 에지댐(2) 및 상기 주조롤(1)과 에지댐(2) 사이에 형성되는 용강풀(4)로 용강을 공급하는 침지노즐(3)을 갖추어 서로 맞물리는 방향으로 주조롤(1)을 회전시켜 주편을 주조하는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 있어서, 균열의 발생을 방지하고 수명이 긴 주조롤(1) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

쌍롤식 박판주조 공정은 서로 맞물려 돌아가는 양 주조롤(1)에 용강을 부어 응고시킴과 동시에 일정량의 열간 변형을 가해 10 ㎜이하의 얇은 두께를 갖는 박판을 제조하는 방식이다.

상기와 같은 박판 주조 공정에 채용되는 쌍롤식 박판주조기는 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각수에 의해 냉각되는 한 쌍의 주조롤(1)과 그 양 측면에 부착된 에지댐(2) 사이에 턴디쉬(5)에서 침지노즐(3)을 통해 공급된 용강에 의한 용강풀(4) 을 형성하고 서로 반대 방향으로 주조롤(1)들을 회전시켜 롤과의 접촉에 의해 주조롤(1) 내부로 열을 빼앗긴 용강을 급속 응고시켜 주편을 제조한다.

회전하는 주조롤(1) 사이에 공급된 용강은 에지댐(2)으로 밀폐하기 때문에 에지댐(2)과 주조롤(1) 측면의 밀착이 매우 중요하며, 에지댐(2)은 회전하는 주조롤(1) 측면에 밀착되어 마찰 마모되기 때문에 장기간 동안 용강 밀폐를 유지하며 안정된 마모를 할 수 있도록 주조롤(1) 측면을 코팅하게 되고 이러한 측면코팅은 생산성 측면에서 매우 중요하다.

용강을 직접 맞닿는 주조롤(1)의 원통면에는 열충격성이 우수한 재질의 코팅층이 선호되고 있지만 에지댐(2)과 맞닿는 주조롤 측면부(7)는 내열충격성 외에 내마모성도 요구되므로 고경도의 재질을 선호한다. 경도가 낮을 경우 에지댐(2)과 마찰 마모로 인해 형상이 변하여 용강 밀폐성능이 떨어져 주조된 주편의 에지 형상이 불량하여 실수율이 떨어지거나 주조 안정성이 떨어지게 되고, 경도가 높은 경우 내열충격성이 떨어져 균열 및 박리가 쉽게 발생하므로 주조롤(1) 수명이 단축되는 문제점이 있게 된다.

하지만 내열충격성과 고경도성은 서로 상반되는 면이 있어 재질적으로 두 가지 모두 우수하게 구현하기가 용이하지 않다. 에지댐(2)과 접촉부인 주조롤(1) 측면의 내마모성을 높이기 위해 측면 코팅의 경도를 높일 경우 주조롤 원통부(6)에 코팅되는 열충격이 우수한 기본 코팅층보다 열전도도 및 연신율이 떨어진다. 이에 따라 용강에 코팅층이 접하게 되면 열팽창율 및 연신율의 차이에 의해 에지부(13) 코팅층에서 균열이 발생하고 주조가 계속되면 균열이 성장하여 표면 코팅층과 코팅 층 아래 슬리브(10) 내부까지 균열이 전파된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 여러 가지 방법이 제시되었다.

대표적인 방법으로는 경도를 제한하여 내마모성과 내열충격성을 확보하는 방법(특허공개 제2000-0047516호)과 용강에 접촉하는 외측 재질은 내용강성이 우수한 재질을 선택하고 내측 재질은 경도가 높은 재질을 선택하는 2중 구조 방법(일본 특개평 6-126390호)과 주조롤(1) 측면에서 주조롤(1) 배럴부에 걸치는 모서리(12) 전체를 코팅하여 박리와 균열을 방지하는 방법(일본 특개평 7-284883호) 등이 제안되었다.

그러나 특허공개 제2000-0047516호의 경우 HV300(250g)의 재질인 sus410, 440A 301 630이나 고망간 주조강, 니켈-크롬-몰리브덴강, 인코넬 등을 부착하는 것을 제시하고 있으나, 부착 공정이 구현하기 어렵거나 비용이 높아 경제성이 떨어지며, 일본 특개평 6-126390호와 같은 2중 구조방법은 측면 재질을 두 재질을 사용하기 때문에 공정이 복잡하고 비용이 높은 단점이 있다. 그리고 모서리(12) 전체를 코팅하는 일본 특개평 7-284883호의 경우 주조롤(1) 배럴의 에지부(13) 15 ㎜가량을 측면부 도금재질로 도금하는 방법이기 때문에 주조롤(1) 에지부(13)의 응고성능이 떨어져 주편의 에지 불량이 발생하여 실수율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점인 주조롤(1) 측면에서의 마모성능을 향상시키고, 열충격에 의해 발생하는 균열을 해결하고자, 주조롤(1) 측면 에지부(13)에 고경도 코팅층(9)을 입히되 모서리(12)는 얇고 샤프트(11) 방향으로 갈수록 점차로 두꺼워지도록 두께의 차이를 부여함으로써 열충격에서 오는 균열의 발생을 방지하고 발생한 균열이 주조롤(1) 내부까지 전파되지 않도록 하여 주조롤(1)의 수명을 길게 함으로써 생산효율이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(1)과 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 중심부에는 샤프트(11)와 상기 샤프트(11)의 외측부에는 슬리브(10)로 되어 있고 상기 슬리브(10) 표면과 측면 에지부(13)에 기본 코팅층이 형성되어 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 있어서,

상기 주조롤(1)은 측면 모서리(12)에서 중앙부로 갈수록 두께가 얇아지는 형태의 경사면을 갖고 있는 기본 코팅층과, 상기 경사진 기본 코팅층 표면에 코팅되어 있고 측면 모서리(12)에서 중앙부로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형태를 하고 있는 경사진 고경도 코팅층으로 구성된 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 주조롤(1) 측면에 형성된 고경도 코팅층(9)이 모서리(12)에서 샤프트(11) 쪽으로 갈수록 두꺼워지도록 경사를 이루게 하여, 용강에 접하고 열전도율이 낮은 주조롤(1) 모서리(12)는 얇게 코팅하여 열 확산이 원활하게 이루어지도록 하고 에지댐(2)과 마찰을 주로 하는 주조롤(1)의 샤프트(11) 쪽은 코팅층(9)을 두껍게 하여 장시간 사용시에도 내마모성이 우수하여 내구성을 확보할 수 있어 조업 안정성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 고경도 코팅층(9)은 열전도율이 낮아 주조롤(1) 에지부(13)의 온도 상승을 억제하여, 주조시 응고성능의 차이로 발생하게 되는 에지 빌드업 현상을 방지하여 우수한 품질의 주편을 제조하는 효과가 있다.

본 발명은 중심부에는 샤프트(11)와 상기 샤프트(11)의 외측부에는 슬리브(10)로 되어 있고 상기 슬리브(10) 표면과 측면 에지부(13)에 기본 코팅층이 형성되어 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 있어서,

상기 주조롤(1)은 측면 모서리(12)에서 중앙부로 갈수록 두께가 얇아지는 형태를 하고 있는 경사진 기본 코팅층(8)과, 상기 기본 코팅층의 경사면 표면에 코팅되어 있고 측면 모서리(12)에서 중앙부로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형태의 경사면을 갖는 고경도 코팅층(9)으로 구성된 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤에 관한 것으로, 상기 주조롤(1) 측면 에지부(13)에 형성된 고경도 코팅층(9) 의 경도는 Hv 300~600 범위이며, 니켈보론 또는 니켈크롬으로 구성되고, 모서리(12)에서의 코팅층 두께는 0.01~0.4 ㎜로 되어 있고, 고경도 코팅층(9)의 표면과 기본 코팅층(8)의 표면과의 경사각도(θ)는 1~30°범위이고, 상기 기본 코팅층은 열충격성이 우수한 재료를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명은 상기 주조롤(1) 슬리브(10)의 표면과 측면 에지부(13)에 기본 코팅층(8)을 형성하는 단계와, 상기 기본 코팅층이 형성된 측면 에지부(13)를 모서리(12)에서 중앙부 쪽으로 가면서 두께가 좁아지도록 경사면을 형성하도록 하는 경사면 형성단계와, 상기 측면 에지부(13)에 형성된 기본 코팅층의 경사면에 고경도 코팅층(9)을 형성하는 단계와, 상기 고경도 코팅층을 측면 에지부(13)와 평행이 되도록 하고 측면 모서리(12)에서 중앙부 쪽으로 가면서 두께가 넓어지도록 가공하는 고경도 코팅층 가공단계로 구성된 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤의 제조방법을 제공하게 된다.

고경도 코팅층(9)의 경도는 Hv 300~600 범위 내로 제한한다. 만일, Hv가 300 이하가 되면 내마모성이 니켈과 큰 차이가 없으므로 본 발명의 효과를 얻을 수가 없고, Hv가 600 이상이 되면 내마모성에 대한 효과가 더 이상 증가하지 않을 뿐만 아니라 오히려 코팅층의 균열이 쉽게 발생함으로 코팅층의 내구성이 떨어지게 된다.

또한, 고경도 코팅층(9)의 모서리(12) 두께는 0.01~0.4 ㎜ 범위 내로 제한한다. 만일, 두께가 0.01 ㎜ 이하에서는 충분한 내마모성을 발휘할 수 없고, 두께가 0.4 ㎜ 이상에서는 내마모성은 좋으나, 열의 전달이 원활히 이루어지지 않아 주조 롤(1)의 에지부(13)의 최고온도가 매우 높아지는 문제가 발생한다.

이하, 본 발명을 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 주조롤(1) 측면의 고경도 코팅층(9)을 형성하는 단계를 나타낸 것으로, 먼저 주조롤(1) 표면 및 측면에 니켈 등의 재료를 사용하여 기본 코팅층을 제조하고 제조한 기본 코팅층은 기계적 가공 등을 이용하여 모서리(12)에서 중앙부 쪽으로 갈수록 기본 코팅층이 얇아지도록 코팅층이 경사지도록 가공한다.

다음으로 경사진 기본 코팅층 표면 위에 고경도를 갖는 니켈보론이나 니켈크롬 등의 재료를 사용하여 코팅층을 제조하고 제조한 고경도 코팅층(9)은 기계적 가공 등을 이용하여 모서리(12)에서 중앙부 쪽으로 갈수록 고경도 코팅층(9)이 두꺼워지도록 슬리브(10) 측면과 평행이 되도록 수직 가공한다.

도 4는 상기의 도 3에서 나타난 바와 같은 방법으로 주조롤을 제조하는 경우 주조롤 단면도를 나타낸 것이다. 주조롤 내부에는 샤프트(11)가 형성되어 있고, 외부에는 슬리브(10)가 형성되어 있으며, 슬리브 표면과 측면에는 기본 코팅층이 코팅되어 있고 측면에는 기본 코팅층과 고경도 코팅층이 이중코팅구조를 이루고 있다. 상기 슬리브 측면의 기본 코팅층은 중앙부로 갈수록 두께가 얇아지고 고경도 코팅층은 중앙부로 갈수록 두께가 넓어지는 특징이 있다.

도 5는 본 발명의 주조롤(1) 측면의 고경도 코팅층(9)의 재질과 두께를 실시예의 조건으로 모델링하여 주조롤(1) 표면온도를 유한 요소해석으로 구한 것으로, X축은 주조롤(1) 회전각이며 Y축은 주조롤(1) 모서리(12)의 온도이다. 니켈보론으로 코팅된 고경도 코팅층(9)은 두께가 두꺼워질수록 주조롤(1) 모서리(12)부의 표 면온도가 매우 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 주조롤(1) 측면 모서리(12)의 고경도 코팅층(9)의 두께가 생산효율에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

주조롤(1) 직경 1250 ㎜, 폭 1340 ㎜인 대형 쌍롤식 박판주조기를 이용하여 강종 STS 304를 3.0 ㎜ 두께의 주편을 주조하였다. 주조롤(1)의 슬리브(10) 재질은 구리합금이 사용되었으며, 슬리브(10) 표면에 형성된 기본 코팅층은 2 ㎜ 두께의 니켈층으로 되어 있고, 상기 니켈로 된 기본 코팅층 위에 형성된 고경도 코팅층(9)은 니켈보론으로 되어 있으며 주조롤(1) 측면 모서리(12)에서부터 샤프트(11) 중심방향으로 37 ㎜ 아래까지 코팅하였다.

표 1은 코팅조건에 따른 주조롤(1)의 특성결과를 나타낸 것이다.

비교예 1은 주조롤(1) 측면 코팅을 니켈 재료로 2 ㎜ 두께로 기본 코팅만 실시한 것이고, 비교예 2는 경사짐이 없이 니켈 재료로 2 ㎜ 두께로 기본 코팅을 하고 니켈보론 재료로 2 ㎜ 두께로 고경도 코팅을 한 것이고, 비교예 3과 실시예 1~3에서는 니켈 재료로 기본 코팅을 하고 상기 기본 코팅을 기계가공을 통해 경사지도록 하였고, 상기 기본 코팅층에 니켈보론으로 고경도 코팅을 한 후 수직으로 기계가공하여 최종코팅층을 제조하였다. 비교예 3은 고경도 코팅층(9)의 두께가 주조롤(1) 측면 모서리(12)에서는 0.5 ㎜이고 모서리(12)에서 37 ㎜ 아래에서는 3.5 ㎜이며, 실시예 1은 고경도 코팅층(9)의 두께가 주조롤(1) 측면 모서리(12)에서는 0.05 ㎜이고 모서리(12)에서 37 ㎜ 아래에서는 3.95 ㎜이며, 실시예 2와 3은 고경도 코팅층(9)의 주조롤(1) 측면 모서리(12)의 두께가 0.05 ㎜로 동일하며 모서 리(12)에서주조 37 ㎜ 아래에서는 1 ㎜와 2 ㎜로 각각 다르게 하여 경사각도(θ)에 따른 효과를 비교하고자 하였다.

[표1]

마모량 측정은 주편을 1,000톤 주조 후 코팅층이 마모된 량을 마이크로 미터로 측정하였다. Cu 균열 측정은 슬리브(10) 내로 전파된 균열의 깊이를 검사하였다.

실시결과 종래 기술인 비교예 1은 마모량이 심해 주조롤(1)의 수명이 대단히 짧고 비교예 2는 슬리브(10) 내부의 균열이 매우 심하게 발생하였다. 본 발명인 실시예 1 내지 3의 경우에는 마모량, 슬리브(10) 내에서의 균열 및 주조롤(1) 모서리(12)에서의 최대온도에서 양호한 결과를 나타내고 있다.

도 1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기를 도시한 개략도이다.

도 2는 일반적인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤을 도시한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 쌍롤식 박판주조기의 주조롤을 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명의 쌍롤식 박판주조기의 주조롤의 수직단면도이다.

도 5는 주조롤 측면의 코팅조건에 따른 주조롤 모서리의 온도변화를 나타낸 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1. 주조롤 2. 에지댐

3. 침지노즐 4. 용강풀

5. 턴디쉬 6. 주조롤 원통부

7. 주조롤 측면부 8. 기존 코팅층

9. 고경도 코팅층 10. 슬리브

11. 샤프트 12. 모서리

13. 에지부 θ. 경사각도

100. 쌍롤식 박판주조기

Claims (11)

1. 중심부에는 샤프트(11)와 상기 샤프트(11)의 외측부에는 슬리브(10)로 되어 있고 상기 슬리브(10) 표면과 측면 에지부(13)에 기본 코팅층이 형성되어 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 있어서,

   상기 주조롤(1)은 측면 모서리(12)에서 중앙부로 갈수록 두께가 얇아지는 형태의 경사면을 갖고 있는 기본 코팅층(8)과, 상기 기본 코팅층 경사면 표면에 코팅되어 있고 측면 모서리(12)에서 중앙부로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형태의 경사면을 갖는 고경도 코팅층(9)으로 구성된 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 주조롤(1)의 측면 에지부(13)에 형성된 기본 코팅층의 표면과 고경도 코팅층의 표면이 이루는 경사각도(θ)는 1.0~30.0°범위인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 주조롤(1) 측면 에지부(13)에 형성된 고경도 코팅층(9)은 경도가 Hv 300~600 범위인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 주조롤(1) 측면 에지부(13)의 모서리(12)에 형성된 고경도 코팅층(9)은 두께가 0.01~0.4 ㎜ 범위인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 주조롤(1) 측면 에지부(13)에 형성된 고경도 코팅층(9)은 니켈보론 또는 니켈크롬으로 구성된 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 주조롤(1) 측면 에지부(13)에 형성된 기본 코팅층은 열충격성이 우수한 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤.
7. 주조롤(1) 슬리브(10)의 표면과 측면 에지부(13)에 기본 코팅층(8)을 형성하는 단계와;

   상기 기본 코팅층이 형성된 측면 에지부(13)를 모서리(12)에서 중앙부 쪽으로 가면서 두께가 좁아지도록 경사면을 형성하도록 하는 경사면 형성단계와;

   상기 측면 에지부(13)에 형성된 기본 코팅층의 경사면에 고경도 코팅층(9)을 형성하는 단계와;

   상기 고경도 코팅층 표면이 주조롤 측면부(7)와 평행이 되도록 하고 측면 모서리(12)에서 중앙부 쪽으로 가면서 두께가 넓어지도록 가공하는 고경도 코팅층 가공단계;로 구성된 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 경사면 형성단계와 고경도 코팅층 가공단계는 기계가공에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤의 제조방법.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 고경도 코팅층 가공단계에서 주조롤(1) 측면 에지부(13)에 형성된 기본 코팅층의 표면과 고경도 코팅층의 표면이 이루는 경사각도(θ)가 1.0~30.0°범위인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤의 제조방법.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 기본 코팅층 형성단계에서 기본 코팅층은 열충격성이 우수한 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤의 제조방법.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 고경도 코팅층 형성단계에서 고경도 코팅층(9)은 니켈보론 또는 니켈크롬으로 구성된 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기용 주조롤의 제조방법.

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