KR101089261B1 - 신장된 단면을 갖는 금속 제품의 연속 주조를 위한전자기적 교반 방법 - Google Patents

Abstract

연속적인 슬라브 주조 공정 중, 용융 금속이 좁은 면(3, 3')을 향해 개방된 측면 배출구(5, 5')를 구비한 잠긴 노즐(4)을 통해 주형(1) 내로 유입되며, 본 발명에 의한 교반은 적어도 주조 설비의 2차 냉각 영역에서 동일 선상에서 서로 반대방향으로 이동함으로써 쌍을 이뤄 작용하는 자기장을 이용하여 동일선상의 2개의 반대 방향 흐름으로서 액체 풀(liquid pool) 내에 중앙의 길이 방향 순환을 강제적으로 형성하고, 이는 "네잎 클로버" 형태의 구형 이동을 형성하며, 상기 이동의 상부 로브(L1, L4)는 노즐의 출구에서 배출되는 배출 제트(7, 7') 근처까지, 필요에 따라 상기 제트를 저지하거나 가속시키기 위해, 주형 내부로 연장된다.

본 발명은 야금 깊이(metallurgical length)에 걸친 금속의 전체적인 교반을 제공하며, 이로 인해, 주형 내에서 그리고 2차 냉각 영역 내에서 각각의 특징적인 유리한 효과를 제거하지 않으면서, 그리고 주형 내에서 국부적인 유동을 방해하지 않고 오히려 안정되도록 하면서, 액체 풀의 상부 및 하부 사이의 열적 및 화학적 균일성을 보장한다.

Description

신장된 단면을 갖는 금속 제품의 연속 주조를 위한 전자기적 교반 방법{ELECTROMAGNETIC AGITATION METHOD FOR CONTINUOUS CASTING OF METAL PRODUCTS HAVING AN ELONGATE SECTION}

본 발명은 금속, 특히 강(steel)의 연속 주조에 관한 것이다. 더 상세하게는, 주조되는 동안 평판 제품(즉, 신장 단면)의 전자기 교반에 관한 것이며, 더 정확하게는 금속 액체 풀(liquid pool)에서 인가된 자기장에 의한 특정 유동 분포의 형성에 관한 것이다.

"신장 단면의 제품(product of elongate cross section)"이라는 일반적 표현은 폭이 두께의 적어도 두 배인 야금 제품, 특히 슬라브(slabs), 협슬라브(narrow slabs), 박슬라브(thin slabs) 등을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.

17세기 초, 연속 강 주조(continuous steel casting) 분야에 나타난 전자기 교반(electromagnetic stirring)은, 응고 과정 동안 액체 풀(liquid pool) 내의 흐름을 제어하기 위한 거의 필수적인 도구로서, 급속하게 그 위치를 확고히 하였다. 가장 일반적으로 채용되는 원리는, 주조품 바로 옆에 위치하는 다상의 인덕 터(polyphase inductor), 보다 일반적으로는 여러 개의 다상의 인덕터에 의해 생성된 이동(회전 또는 순회하는) 자기장에 의하여 액체 금속을 변위시키는 잘 알려진 자기 유체 역학적(MHD, magnetohydrodynamic) 원리이다. 따라서, 주조 기계의 야금 높이(metallurgical height)에 적절히 위치하는, 적당한 주파수의 전류가 공급되는 이러한 인덕터들은, 야금가(metallurgist)의 요구에 부합할 수 있는 다양한 교반 모드를 갖는다.

더욱이, 연속 주조 중 금속 응고 메커니즘을 이해하는데 있어 일정한 진행은, 특히 최종 응고 제품의 일반적인 품질(즉, 내구 건전성, 표면 청결 또는 유입 결여, 응고 조직 등)을 위하여, 금속 액체가 순환 운동함으로써 수행되는 중요한 역할을 설명한다.

이러한 점에서, 연속 주조 중 용융 금속에 적용되는 운동은, 주형(鑄型, mould)을 고려하느냐, 그 아래의, 주조 기계의 2차 냉각 단계를 고려하느냐에 따라 개략적으로 2개의 분류로 나누어질 수 있다.

주조 금속의 액체 부분이 크게 우세한 높이에서는, 주형안의 전자기 교반에 의해 액체 금속에 정착된 이동이 이러한 한계 영역에서의 유동을 제어할 수 있도록 필수적으로 설계된다. 실제로, 주조 금속의 자유면(free surface)이 존재하는 곳에서는, 내부 청결이 그 표면의 기하학적 형상에 달려 있다. 또한, 첫 번째 표면 응고가 발생하는 영역에서는, 잘 알려진 바와 같이 최종 주조 제품의 표면 품질 및 주조 공정 자체의 제어가 모두 중요하다.

반면에, 2차 냉각 영역(일반적으로 "2차에서"라고 칭함)에서는, 주형 하부의 액체 풀(liquid pool) 내의 금속을 교반함으로써, 우선 가장 크게 등방성으로 응고되는 부분의 발달을 통해 주조 제품의 내부적인 야금 구조를 개선시키는 것을 목적으로 하며, 이는 합금 요소의 미세 분리(micro-segregation) 및 예를 들면 주조 제품의 중심 공극(porosity)이 없도록 하는데 유리한 것으로 알려져 있다. 따라서, 전자기 교반은, 예를 들면 보일러용 후판(thick plate) 또는 큰 용접 강관(welded pipe)과 같이, 공극이 없는 내부 구조를 필요로 하는 제품이 생산되어야할 때에는, 슬라브의 연속 주조에 더 자주 사용된다.

본 발명을 이해를 돕기 위한, 이하에서 설명하는 FR 72/20546 문서에 개시된 첨부도면 도 3에 도시된 바와 같은, 연속 슬라브 주조 기계의 2차 냉각 영역에서, 주조 제품의 넓은 면(large face)의 일측에 서로 마주보도록 위치되고, 제품의 너비 방향으로 이동하여 횡단하는 자기장을 생성하는 선형 인덕터(41, 41')를 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 그 목적은, 액체 금속 안에 본질적으로 서로 반대 방향으로 회전하는 인접한 두 개의 루프(loop)를 형성하는 유동을 설정하는 것이다. 이들 루프들(42,43)은 넓은 면(large surface)에 평행하게 형성되며, 자기장이 작용하는 공통된 횡단 영역의 어느 하나의 측면에서 주조 제품의 길이방향을 따라 점차 연장된다. 각 루프의 유동은 하나의 작은 면(small face)을 따라 상승하며, 반대편 작은 면(small surface)을 따라 하강한다. 이러한 이동 형태는 일반적으로 "버터플라이 날개(butterfly wing)" 형태라고 불린다.

FR 82/10844의 문서에서 발췌한 첨부된 도 4에 도시된 바와 같이, 주조 기계의 길이에 따라, 자기장이 작용하는 횡단 영역(51, 52)을 다중화하는 것도 가능하 다. 이러한 경우, 상기 영역은 주어진 이용가능한 교반력으로 가능한 한 최대의 부피를 교반하기 위해 가장 가까운 루프 사이에서 한 쌍이 서로 반대 방향으로 회전한다. 따라서 "3중-제로 형태(triple-zeroes configuration)"로 불리는 유동 형태가 형성되며, 이는 서로 반대 방향으로 회전하는 인접한 3개의 루프, 즉 2개의 횡단 작동 영역(51, 52) 사이에 위치하는 중앙 루프(60)와 중심 루프의 어느 한 측에서 동일한 방향으로 회전하는 두 개의 외측 루프들(61, 62)로 형성된다.

어떤 실시 형태가 선택되더라도, 지지 롤러들(FR 72/20547) 사이에 위치하는 것과 같이 주조 기계의 2차 냉각 영역의 지지 롤러 뒤에 위치한 인덕터, 또는 액츄얼 롤러(FR 72/20546) 안에 수용된 인덕터를 이용하여, 이는 동일하게 달성될 수 있다. 이는 이하 설명하는 바와 같이 본 발명의 실시 수단에도 적용될 수 있다.

역사적으로, 슬라브(slab)의 넓은 면에 평행한 평면에 형성되는 루프형 금속의 순환에 기초한, 이러한 유형의 이동에 대한 발견은, 봉형 제품(long product)과는 달리, 평판 제품의 연속 주조에서 제품 단면의 신장된 형상이 주조축에 대한 안정된 회전 운동의 발생을 쉽게 허용하지 않는다는 사실에서 출발했다. 주요한 이유는 아마도 제품의 두께에서 필요한 큰 속도 구배에 있을 것이다. 이는 가장 두꺼운 제품에 대하여 거의 20cm를 초과한다.

그러나, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은, 제품의 넓은 면에 평행한 야금 길이에 걸쳐 전개되는 단계적인 루프 형태는, 이러한 장애를 겪지 않는다. 이는 또한 주조 기계의 상부와 하부 사이의 보다 우수한 열교환을 보장한다. 상부의 가장 뜨거운 용융 금속은, 하부에 모여지는 응고된 금속의 미세결정을 상승하는 흐 름(42b, 43b)이 상부에 제공하는 동안, 하강하는 흐름(42a, 43b)에 의한 강제적인 대류에 의해 아래쪽으로 이동되며, 따라서 주조 제품의 가장자리에서 중앙으로 광범위하고 균일한 등방성의 응고의 조기 형성에 유리하다. 그러나, 이러한 루프들(42, 43)은, 주형 내의 금속의 자유면을 방해할 위험이 있기 때문에, 상단에 인접하여서는 원하는 것처럼 지나치게 강력하게 발달될 수 없다. 현재, 주조 제품의 표면, 하부 표면(sub-skin) 및 코어(core)의 우수한 품질을 얻기 위해, 주형의 이 높이에 퍼져 있는 인-몰드(in-mould) 유동의 약한 유체동역학적 평형의 보존이 얼마나 필요한지가 알려져 있다.

정확히는, 단일 축상으로 배출하는 직선 노즐을 대신하여, 주형의 좁은 면으로 개방된 측면 배출구를 구비한 잠긴(submerged) 노즐을 이용한 주형의 상부를 통한 주조될 금속의 유입이, 현재 실제로 사용되고 있으며, 그 결과 실제로는 긴 제품만을 위해 유지되고 있다. 인-몰드 유동을 통해 얻을 수 있는 주된 장점은, 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이, 주형의 좁은 면에 대한 반사 효과에 의해, 노즐(26)의 각각의 측면 홀(27, 27')로 부터 배출되는 뜨거운 액체 금속의 제트가 두 부분으로 자연스럽게 퍼져나간다는 것이다. 주된 부분(21)은 주조 제품의 추출 방향에서 아래쪽을 향한다. 다른 부분(22)은, 인-몰드 금속의 자유면(23) 근처에서, 주조 공정이 멈추는 강력한 원인이 될 수 있는 매니스커스에서의 금속의 응고 현상을 방지하기 위해 필요한 엔탈피를 제공하도록 위쪽으로 반향된다. 따라서, 그 목적은 주형 내에서 "싱글 롤" 모드에 반대되는 것으로서 "더블 롤" 모드라고 불리는 순환 모드를 생성하는 것이다.

도 6에 도시된 바와 같은 싱글 모드는, 먼저 노즐의 출구로부터 배출되자마자 매니스커스를 향해 금속이 상승하는 형상이 분명하게 나타나며, 이는 자주 상부에 위치하는 주조 턴디쉬(tundish)로부터의 노즐의 막힘을 방지하기 위해 아르곤 가스가 분사됨으로 인해 초래된다. 이러한 첫 번째 상승은 각각의 좁은 면을 향하는 표면 흐름으로 이어지며, 그 후 좁은 면을 따라 유동이 하강한다. 이러한 방법으로, 주형 내에는 속도 맵(velocity map)이 빠르게 형성되며, 여기서 속도는 매니스커스로 "뜨거운" 금속을 공급하기 위한 상부 롤(22)이 존재하지 않는 가운데 일반적으로 제품이 추출되는 방향으로 아래쪽을 향한다.

그러나, 상기 "더블 롤" 모드는, 주조 중 주조 조건(주조 속도, 슬라브 폭, 주조 노즐이 잠긴 깊이, 막힘 방지 아르곤의 유속 등)이 만족되는 경우에만 지속된다. 이러한 조건들이 동요한다면(실제 일반적인 경우에 해당함), 실제 주조 과정 동안 "싱글 롤" 모드에서 임의의 전이가 나타날 수도 있다.

또한, 인-몰드 "더블 롤" 유동을 제어하는 것은, 필수적으로, 주형 안에서, 노즐 일측의 매니스커스에서의 재순환 이동의 "좌-우" 대칭이 유지될 수 있는가에 달려 있다. "좌-우" 비대칭이 발생은, 주조 플랫폼에 서 있는 작업자가 잘 알 수 있는, 허용 불가능한 표면 롤링(rolling)을 발생시키는 금속욕(metal bath) 안의 진동의 원인이 된다고 알려져 있기 때문이다. 따라서, "좌-우" 비대칭의 발생을 방지하기 위해, 상부 근처에서의 부분적인 순환 유동(22, 22')을 보장하기 위한 주의가 장기간 지속적으로 요구된다. 이러한 상승 순환은, 필요한 열을 매니스커스로 전달기에 충분히 유효한 열을 가지는 반면, 냉각된 주형의 구리벽에 대하여 매니스 커스의 경계 주변에 형성되는 제1 응고 라인(25)이 지나치게 교반되는 것을 방지하기 위해 유체동역학적 관점에서 너무 강해서는 안 된다. 이와 같이 첫 번째 응고 라인을 일정하게 함으로써 사실항 주형의 상부에서 첫 번째 표면이 균일하게 형성될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 슬래그의 퇴적 또는 응고된 표면의 두께가 부분적으로 얇아지므로 인해, 주형 아래쪽의 파괴 위험이 불가피하게 발생한다.

보다 간단히 설명하면, 측면 배출구를 갖는 잠긴(submerged) 노즐을 이용하여 주조함으로써, 임의의 하나의 주조 공정 중, 임의적으로, 또는 어떤 경우든, 필수적으로 요구되는 것은 아닌, "더블 롤" 타입 또는 "싱글 롤" 타입의 인-몰드 유동, 또는 "좌-우" 비대칭으로 인한 불안정한 유동을 달성할 수 있다.

특히, 연속 주조 기계의 상부 영역에서의 유동 제어에 대한 이러한 어려움 때문에, 요즈음에는 노즐에서 배출되는 측면 배출 제트에 작용하는 전자기 교반 시스템이 이미 존재한다. JP 1534702 문서에서 발췌한 첨부된 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 수평으로 이동하는 자기장은, 노즐(31)의 어느 한 면에서 금속 제트의 배출 경로를 향하는 주형(32)의 넓은 면을 따라 위치하는 다상의 선형 인덕터(30a, 30b, 30a', 30b')에 의해 생성된다. 자기장의 이동 방향을 조절함으로써, 금속 제트의 흐름(작은 면에서 노즐로의, 자기장의 이동에 대한 역방향 이동)을 느려지게 할 수 있으며(도 2b₁), 반대로 흐름(노즐로부터 작은 면을 향하는 순방향 이동)을 빠르게 할 수도 있다(도 2b₂). 원칙적으로, 주조 금속의 표면에 공급되는 엔탈피의 양이, 우선적으로 보존되어야 하는 인-몰드 유동 모드를 지나치게 방해하지 않으면서 예를 들면 주조 조건에 따라 조절되도록 한다.

따라서, 전술한 종래 기술의 간단한 검토를 통하여, 주조 제품이 주형 내에서의 금속 교반과 2차 냉각 영역에서의 교반 사이에서 신장된 단면(평판 제품 등)을 가질 때 마찰은 아닐지라도 분리가 나타남을 명확히 알 수 있다.

본 발명은 특히 이러한 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다. 달리 말하면, 특히 슬라브(slab)와 같은 평판 제품(flat product)의 연속 주조에 적용될 수 있는 본 발명의 목적은, 야금 길이(metallurgical length)에 걸친 용융 금속의 연구된 전체적인 교반 이동을 통해, 2차 냉각 영역과 주형 사이의 양 방향으로 여전히 액체 상태인 금속의 우수한 교환을 제공하는데 있다. 그 결과, 인-몰드 유동 모드를 방해하지 않고, 그리고 가능하면 주형내의 교반 및 2차 냉각 영역에서의 교반 각각에 특정한 누적된 유리한 효과를 제거하지 않으면서, 액체 풀(iquid pool)의 상부와 하부 사이의 열적 및 화학적 균일성을 달성할 수 있다.

본 발명의 보충적인 목적은, 후판(thick plate), 또는 큰 용접 강관(welded pipe), 페라이트 스테인레스 강(ferritic stainless steel), 또는 규소 전기 강(silicon electric steel)의 등급과 같은 우수한 내적 품질을 생성하기 위해 필요한 강의 등급(steel grade)의 야금 품질을 개선하는 것을 돕는 것이다.

다른 보충적인 목적은, 가속 매체(agent)로서, 또는 반대로 금속이 주형으로 들어가는 것을 방해하는 매체로서, 또는 주형 내에서 금속 이동의 "좌우" 비대칭 경향을 방해하는 수단으로서, 노즐에서 분사되는 주조 제트 수준으로 유동을 사용할 수 있도록 2차 냉각 영역에서의 유동을 변화시키는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 핵심은 주형에 좁은 면을 향하는 측면 배출구를 갖는 잠긴 주조 노즐이 구비되며, 주조 금속 근처에 위치하는 다상의 인덕터(multiphase inductor)에 의해 생성되는 이동 자기장에 의해 실행되는, 슬라브 또는 이와 유사한 평판 제품의 연속 주조를 위한 설비의 2차 냉각 영역에서의 전자기 교반 방법에 있어서, 2차 냉각 영역에 길이 방향 금속 유동이 강제적으로 형성되고, 상기 강제 유동은 동일 선상의 두 개의 반대 방향 흐름(10a, 10b 또는 20a, 20b)으로 주조 제품의 중간 영역에 배치되는 것을 특징으로 한다.

이는 자연스럽게 2차 냉각 영역에서 두 개의 상부 로브(lobe)와 두 개의 하부 로브를 갖는 "네잎 클로버" 형태의 액체 금속 순환을 형성하며, 상기 상부 로브는 주조 노즐의 배출구로부터 배출되는 제트의 높이까지 주형 내로 연장된다.

본 발명의 하나의 실시 형태에 의하면, 제품의 중간 영역에서 길이방향으로 동일 선상에서 서로 멀어지는 반대 방향 흐름은, 주조 노즐의 배출구로부터 방출되는 제트의 높이까지 주형 내로 연장되는 상기 두 개의 상부 로브들이 제트를 강화하기 위해 상기 제트와 병합되도록 형성된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 의하면, 제품의 중간 영역에서 길이방향으로 동일 선상에서 서로 수렴되는 반대 방향 흐름은, 주조 노즐의 배출구로부터 방출되는 제트의 높이까지 주형 내로 연장되는 상기 두 개의 상부 로브들이 제트의 속도를 늦추기 위해 역방향으로 상기 제트에 중첩되도록 형성된다.

본 방법의 하나의 특정 실시 형태에 의하면, 2차 냉각 영역에서 상기 길이방향 흐름의 위치는 주형 내에서 금속 이동의 "좌-우" 비대칭 경향을 방지하기 위해 주조 제품의 하나 또는 다른 하나의 좁은 면을 향해 측면으로 이동된다.

하나의 실시 방법에 의하면, 상기 주조 제품의 중간 영역에서 길이방향 금속 흐름은, 상기 중심 영역에서 길이 방향으로 이동하는 동일 선상의 이동 자기장에 의해, 서로 가까워지거나 서로 멀어지는 동일 선상의 두 개의 반대 방향 유동으로 형성된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 주조 제품의 중간 영역에서 길이방향 금속 흐름은, 주조 제품의 너비를 횡단하여 이동하는 동일 선상의 이동 자기장에 의해, 주조 제품의 가장자리로부터 중심을 향해 서로 가까워지거나 주조 제품의 중심으로부터 가장자리로 서로 멀어지는 동일 선상의 두 개의 반대 방향 유동으로 형성된다.

또 다른 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 이동 자기장은 주조 제품의 넓은 면을 향하여 위치되는 다상의 선형 인덕터들에 의해 생성된다.

또 다른 실시 형태로서, 상기 인덕터들에는 다른 강도의 전류가 공급되어, 상기 인덕터들이 생성하는 이동 자기장에 의해 형성된 동일 선상의 두 개의 반대 방향 흐름에 대한 작용을 변화시킨다. ,

자기장의 이동 또는 금속 유동에 적용되는 "동일 선상" 이라는 용어는, 2개의 평행한 벡터와 대조되는 2개의 동일 선상의 벡터와 같이, 서로 평행하게 이동하는 것이 아니라 동일한 선을 따라 이동하는 자기장 또는 금속의 흐름을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은, 가장 기본적으로, 2차 냉각 영역에서 2개의 가로 방향 지류와 2개의 길이 방향 지류를 포함하는 "교반 십자가"를 형성하는 것이다. 상기 가로 방향 지류(또는 주조 축이 수직이라고 가정할 때 수평 지류)는 주조 제품의 폭을 가로질러 형성되며, 2개의 길이 방향(또는 수직) 지류는 주조 제품의 중심 영역(일반적으로 축 영역(axial region))에서 형성된다.

더욱이, 주조 기계의 2차 영역에서의 이러한 "교반 십자가"는 쿼드릴로베이트(quadrilobate) 형태로 액체 풀(liquid pool) 내에서 재순환 유동을 발달시키고, 다음으로 주형 영역에 도달하는 구 형태의 이동을 형성하며, 따라서 본 발명이 의도하는 상기한 목적을 달성할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명을 통하여 더 상세하게 설명한다.

-도 1 내지 도 4는 앞서 기술한 종래 기술을 나타낸다.

더 상세하게는:

* 도 1은 좁은 면을 향해 개방된 측면 배출구가 구비된 잠겨 있는 노즐을 통해 슬라브의 연속 주조를 위한 주형으로 유입되는 액체 금속의 공지된 순환 이동 맵을 나타내는, 주형의 넓은 면에 평행한 수직 중심 단면을 단순화하여 나타낸 표준 도면;

* 도 2a, 도 2b₁, 도 2b₂ 는 주형의 각각의 넓은 면에서 노즐의 일측에 위치하며, 동일한 넓은 면에 대하여, 자기장이 인가되는 금속 제트의 배출 방향과 동일한 방향(2b₂) 또는 반대 방향(2b₁, 2a)으로, 한 쌍이 반대의 수평 방향으로 이동하는 이동 자기장을 생성하는 선형의 다상 인덕터에 의하여, 측면 출구를 갖는 잠긴 노즐을 구비한 슬라브의 연속 주조를 위한 공지된 전자기 교반 모드를 두 가지 관점(좌측의 사시도 및 우측의 단면도)에서 도시한 도면;

* 도 3은 주조 기계의 2차 냉각 영역에서 볼 수 있는 연속 주조 중 슬라브를 간단히 도시한 사시도로서, 상기 영역에는 제품의 폭 방향으로 제품의 각각의 측면에서 서로 마주보는, 예를 들면 전술한 문서 FR 7220546에 개시된 바와 같은 "버터플라이 윙(butterfly wing)" 형태의 전자기 교반 모드를 생성하기 위해 수평으로 활주하는 자기장을 생성하는, 한 쌍의 선형 인덕터가 구비된다;

* 도 4는 도 3에 도시된 것과 유사한 도면으로, 예컨대 전술한 문서 FR 8210844에 개시된 기술을 실시하여 형성되는 것과 같은 "트리플 롤(triple roll)" 전자기 교반 모드를 도시한 것이다;

- 도 5 내지 도 9는 본 발명을 도시한 것이다.

더 상세하게는:

* 도 5는 슬라브의 연속 주조를 위한 주형의 넓은 면에 평행한 축방향 수직 단면을 도시한 것으로, 상기 주형은 좁은 면을 향해 개방된 측면 배출구를 갖는 잠긴 노즐을 구비하며, 본 발명의 일 실시형태에 따라 반대의 종방향 흐름이 서로 멀 어지도록 이동하는 2차 냉각 영역에서의 네잎 클로버 형태의 구형 교반 원리 및 이로 인해 발생하는 주형 바로 아래의 2차 냉각 영역에서의 순환 이동 맵을 보여주는 도면;

* 도 6은 도 5와 유사한 도면으로서, 인-몰드 유동 모드가 "더블 롤(double roll)" 형태가 아니라 "싱글 롤(single roll)" 형태인 도면;

* 도 7a는 도 5를 기본적으로는 반복하고 있으나, 수평으로 이동하는 자기장을 갖는 선형 인덕터에 의한 네잎 클로버 형태의 교반의 실시를 나타내는 도면;

* 도 7b는 도 7a와 유사한 도면으로서, 수직으로 이동하는 자기장을 갖는 선형 인덕터를 이용하는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도면;

* 도 8은 도 5를 기본적으로는 반복하고 있으나, 주조 노즐의 출구에서 배출되는 금속 제트에 직접 작용하는 수평 이동 자기장을 생성하는 선형 인덕터에 의하여 "더블 롤" 모드의 보충적인 인-몰드 유동을 설정하는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는 도면;

* 도 9는 주조 제품의 중간 부분에서 나눠지지 않고 수렴하는 반대의 길이 방향 금속 흐름을 생성하는 본 발명의 다른 실시 형태를 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 명세서의 시작 부분에서 이미 설명한 배경 기술 설명을 보조하기 위해 사용되었다. 따라서 이하에서는 이 도면들을 다시 참조하지는 않을 것이다.

도 5 내지 도 9는 본 발명에 의한 고유의 2차 냉각 영역에서의 교반 모드를 나타내며, 이러한 2개의 실시 모드(중앙에서 나눠지거나 합쳐지는 금속 흐름)에서는, 선형 인덕터와 같은 것에 의해 만들어진 순환하는 자기장이 두꺼운 수직 또는 수평 화살표로 도시되어 있다. 생성된 대류 운동은 주 경로(main paths)가 화살머리를 이동시키는 라인 형태로 도시되며, 상기 화살머리는 전달 경로에 따른 순환 이동 방향을 나타낸다. 실선은 활성 대류 영역을 나타내며, 따라서 순환 영역은 이동 자기장(travelling magnetic fields)의 작용에 영향을 받는다. 파선은 수동 대류 영역, 즉 운동 루프(movement loop)를 폐쇄하기 위해 활성 영역을 필수적으로 보완하는 순환 영역을 나타낸다.

도면들에서, 동일한 요소는 동일한 참조 부호로 표시된다. 도면이 지나치게 복잡해 지는 것을 방지하고 도면에 나타난 본 발명의 필수 요소를 더욱 명확히 하기 위해, 필요한 경우 반복적인 참조번호는 표시하지 않았다.

각각의 도면들은 연속적인 슬라브 주조 주형(1)과, 그 바로 밑의 주조 기계의 2차 냉각 영역(2)을 도시하며, 도면이 불필요하게 불명확해지는 것을 방지하기 위해 지지 롤(support roll)은 도시하지 않았다. 도면들은 주형에 가해지는 넓은 면에 평행한 평면으로 도시하였으므로, 좁은 면(face)(3, 3')이 도시되어 있으며, 이 면들은 주조 제품(6)의 좁은 측면(18, 18') 만을 결정한다. 넓은 면들은 도면의 평면상에 위치하므로, 상기 도면들에서는 참조되지 않는다. 그리고, 보다 명확하게 하기 위하여, 참조부호 6은 주조 슬라브 그 자체 또는 아직 액체인 그 코어를 나타내며, 더 일반적으로 "액체 풀(liquid pool)"로 불린다.

주조 축 A(종래의 경우에서처럼, 주조 제품의 길이 방향 축과 일치)에 중심이 맞춰진 잠긴 노즐(4)은, 그 위에 위치한 턴디쉬(tundish, 미도시)로부터 주형(mould)에 용융 금속을 공급한다. 이 노즐에는, 각각 좁은 면(3, 3') 중 하나 또는 다른 하나를 향하는 측면 배출구(5, 5')가 구비된다. 주조품의 크기는 주조 공간을 한정하는 주형의 내부 공간의 치수에 의해 결정된다. 상기 주조 공간으로는, 노즐(4)의 출구로부터 배출된 용융 금속이, 일반적으로 어느 정도 수평의 중간 방향을 따라, 또는 약간 아래쪽으로 경사지게, 제트(7, 7', jets) 형태로 유입된다. 따라서, 주조 제품은, 메니스커스(8, maniscus) 높이의 상단으로부터 주조 기계의 추출 방향을 따라 아래쪽으로, 수직 또는 곡선 경로를 따라, 도면에 수직한 평면에서, 일반적으로 분당 1미터의 추출율(주조율)로 진행한다. 제품은 진행함에 따라, 먼저 냉각된 구리 벽에 접하는 주형(1)으로, 다음으로 워터 스프레이 레일(water spray rail)의 영향을 받는 2차 냉각 영역(2)으로, 내부열을 추출함으로써, 가장자리에서 중심쪽으로 점차 응고된다.

야금 길이(metallurgical length) (또는 액체 풀(iquid pool)의 깊이)는 일반적으로, 응고가 진행됨에 따라 주조 제품의 넓은 면 각각에 걸쳐 발달되는 최종 응고된 전면이 만나는 지점에서, 주형(또는 매니스커스) 속의 주조 금속의 자유면 높이와 2차 냉각 영역 아래의 액체 풀(liquid pool)의 바닥 높이 사이의 수직 방향 치수의 차이로 정의된다.

본 발명에 의해 특징적으로 형성되는 "교반 십자가(9, stirring cross)"의 중심을 나타내는 지점 P는, 제품의 종축(주조축 A와 일치)을 따라 임의로 위치하 며, 매니스커스(8)의 약 3 또는 4m 아래에, 따라서 2차 냉각 영역 내부에 위치한다. 이러한 교반 십자가(9)는 4개의 가지(branch)를 갖는 십자가로, 한 쌍씩 동일 선상에 위치하는, 즉 주조축 A를 따라 정렬되는 한 쌍을 형성하는 두 개의 길이 방향(여기서는 수직방향) 가지(10a, 10b)와, 주조 제품의 폭방향으로 진행하는 한 쌍을 형성하는 두 개의 가로 방향(여기서 수평) 가지(11a, 11b)이다. 각 쌍의 2개의 가지 중 각각에서, 액체 금속 흐름이 서로 반대 방향으로 쌍을 이루어 그 내부를 순환한다. 또한, 한 쌍의 흐름의 순환은 다른 쌍의 순환과 반대 방향이다.

필수적으로 "제한된" 주조품의 치수 특성 때문에, 이러한 가지들은 도시된 바와 같은 주조 제품의 넓은 면(large surface)의 평면에서 네 잎 클로버 형상으로 전개되는 전체적인 흐름을 형성하기 위해 순환 루프에 의해 서로 연결된다. 여기서 네 잎 클로버 각각의 잎들은 로브(L1, L2, L3, L4)를 형성하며, 그 중 2개(L1, L4)는 주형(mould)의 배출 제트(7, 7') 높이까지 연장된다.

따라서, 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같은 교반 모드에서는, 수직 가지 쌍은 "퍼지는(divergent)" 대류 형태이다 - 금속 흐름은 각각 중심 P에서 멀어진다. 하나의 가지(10a)는 그 위쪽에 위치한 주형(1)을 향해 흐르며, 다른 하나의 가지(10b)는 주조 제품의 추출방향을 따라 액체 풀(liquid pool)의 폐쇄점을 향해 흐른다. 따라서, 수평 방향의 한 쌍의 가지(11a, 11b)에서는 금속 대류가 "수혐하는(convergent)" 형태이다 - 금속류는 합류 중심점 P 방향으로 서로를 향해 흐르며, 제품의 작은 면(small faces)에서 종축 A를 향해 흐른다.

전술한 바와 같이, 이러한 가지들을 형성하는 금속류(metal stream)는, 이러 한 넓은 면(바람직하게는 양면 모두)을 향하는 주조 제품에 직접 인접하여 위치하는 선형 인덕터에 의해 생성된 이동 자기장(travelling magnetic field)에 의해 생성된다. 물론, 두 쌍의 가지들이 자기장에 의해 동시에 활성화될 필요는 없다. 중심 P는 질량 유량 및 이동량을 유지하는 전류 이동 노드(current passage node)로서 작용하기 때문에, 하나의 가지들, 예컨대 수직 가지들(10a, 10b)만이 활성화되고, 다음으로 다른 가지들(11a, 11b)은 이에 반응하여 재순환하는 위치가 될 수 있으며, 그 역도 가능하다.

그러나, 본 발명에 의한 이러한 제1 교반 모드에서는, 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 수직 가지(10a, 10b)가 서로 멀어지도록 흐르는 것이 중요하다. 주형에 가까운 위쪽 로브(L1, L4)에서는 금속이 중심을 따라 상승하여 좁은 면(narrow face)을 따라 하강하고, 아래쪽의 로브(L2, L3)에서는 그 반대가 된다.

이러한 조건하에서, 본 발명의 실시는 액체 풀(liquid pool)의 하부와 상부 사이의 금속 물질 교환을 극대화하는 것으로 나타났다. 첫째로, 어떤 하나의 로브에서 금속의 순환은 두 개의 가깝게 인접한 로브에서와는 반대 회전 방향으로 발생한다. 둘째로, 주조 제트(7, 7')의 힘이 순 방향으로 상승하는 중앙 흐름(10a)에 의해 시스템적으로 보강되기 때문에, 주형 내부에서 매니스커스(8)에 인접한 재순환 루프(L5, L6)가 차례로 보강된다. 결과적으로, 주형 안에 존재하는 "더블 롤" 모드 (L5, L1, L4, L6)는 더 안정화된다.

따라서, 어떤 액체 금속 요소(야금 길이를 따라 임의의 지점에서 개념적으로 고립된)는, 2차 냉각 영역에 처음 존재하였다면 다시 하강하기 전에, 연속적인 상 승 또는 하강 운동에 의해, 적어도 한 번 주형에 존재할 높은 가능성을 갖게 되고, 처음 주형 내에서 선택되었다면 그 반대가 되며, 전체적인 요소는 필수적으로 주조 속도와 동일한 평균 속도로 추출 방향으로 평균적인 아래 방향 변위를 겪을 것이다. 다시 말하면, 본 발명의 실시는 주형의 뜨거운 영역과 2차 냉각 영역의 냉각 영역 사이에서 용융 금속 물질의 교환을 극대화하며, 이는 주형 안에서, "더블 롤" 모드를 안정화하기 위한 공지된 적당한 수단을 보완함으로써 실행된다.

이러한 교환은, 인-몰드(in-mould) 유동 모드를 방해할 어떠한 위험부담도 없이, 대신 노즐의 일 측면에서 "좌-우" 대칭 운동을 안정화시키는 것을 보완함으로써, 특히 초과되는 열을 보다 양호하게 제거하고 금속의 조기의 충분한 등방성 응고를 시발하는데 기여하며, 국부 모드가 존재하던지 간에, 즉 "더블 롤(도 5 참조)", 또는 "싱글 롤(도 6 참조)"에서 그렇게 한다. 따라서 하나의 모드에서 다른 모드로 전이하는 임의의 자연스러운 경향을 저지한다.

전술한 바와 같이, 교반 십자가(9)의 가지들(10, 11)은 이동 자기장에 의해 이 지점에 인가되는 작용에 의해 생성된다. 이러한 자기장의 힘선(line of force)들은, 액체 금속과의 전자력 연계(electromagnetic coupling)를 극대화하기 위해, 주조 제품 표면에 수직하거나, 또는 적어도 우세한 수직 성분을 갖는다.

이러한 자기장들은 종래 다상의 선형 인덕터에 의해 쉽게 생성될 수 있는 것으로 알려져 있다.

도 7a는 본 발명의 제1 실시예를 나타낸 것으로, 두 개의 동일한 선형 인덕터(12, 13)가 주조축의 일측에 주조 기계에서 수직방향으로 동일한 높이에 수평으 로 위치하며(동일선상의 인덕터), 작은 측면(18, 18')에서 중심을 향하여, 주조 제품의 폭을 가로질러 이동하는 동일 선상의 자기장을 생성하기 위해 서로 반대로 설치된다.

이들 인덕터는, 바람직하게는 각각 주조 슬라브(6) 반쪽 너비의 1/2보다 조금 작은 길이를 갖는 활성 대류 가지(11a, 11b)에서 이동 자기장을 생성하도록 형성된다.

이러한 경우, 교반을 위한 구동력은 교반 십자가의 수렴하는 가로 방향 가지(convergent transverse branch)에 의해 제공되며, 다음으로 길이 방향의 발산하는 흐름(10a, 10b)은 합류점 P를 지난 후 얻어진다.

도 7b는 본 발명의 제2 실시예를 도시한 것으로, 앞선 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이러한 제2 실시예에 따르면, 동일 선상에 반대 방향으로 설치되는 선형 인덕터(14, 15)는 주조 축을 따라 수직으로 배치된다. 이러한 방법으로, 수직 가지(10a, 10b)(2차 영역에서의 그 존재가 발명의 기초가 됨)는 이 경우 직접 활성화되며, 다음으로 상부 인덕터(14)는 주형의 방향으로 주조 기계의 상부를 향해 이동하는 전자기장을 형성하고, 하부 인덕터(15)는 풀(pool)의 하부를 향해 아래쪽으로 이동하는 자기장을 형성한다.

도 8은 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 설명한다. 이는 (주조 제트(7, 7')를 보강하는) 상부 재순환 로브(L1, L4)의 상부 가장자리를 활성 대류 영역으로 변환하는 것으로 구성된다. 이를 위하여, 교반 십자가(9)를 형성하기 위해 2차 냉각 영역에 이미 존재하는 인덕터 쌍에, 수평으로 이동하는 자기장을 형성하는 추가 선형 인덕터(16, 17)가 추가되며, 이들 두 개의 인덕터는 출구(5, 5')로부터 배출되며 금속 제트(7, 7')와 동일한 높이로 노즐(4)의 일측에 동일 선상에 위치하며, 동시에 상기 제트와 함께 상기 노즐로부터 주형(1)의 좁은 면(3, 3')를 향해 이동한다. 따라서, 제트와 하부에서 상승하는 중심 유동 사이의 합류의 효과는 더욱 증대되며, 결과적으로 국부적인(local) 인-몰드(in-mould) "더블 롤(double roll)" 모드와 같이 된다.

도 9는 도 5와 유사하지만, 십자가(9)의 네 개의 가지 각각에서 금속 순환 방향이 반대로 된다는 점에서 근본적으로 구별된다. 따라서, 도 9는 본 발명의 두 번째 주된 실시예를 설명한 것으로, 주조 제품(6)의 중심부분에서 서로 반대되는 길이방향의 동일 선상의 흐름(20a, 20b)을 생성한다. 상기 흐름(20a, 20b)은 이를 억제하는 역방향의 노즐의 배출구(5, 5')로부터 발산되는 금속 제트(7, 7)의 높이까지 작은 측면(18, 18')을 따라 상승함으로써 주형(1) 안에서 연장되는 전체적인 액체 금속의 순환을 제공하기 위해 점 P를 향해 서로 합류한다.

전체적으로, 2차 냉각 영역에서 4개의 로브(L1 내지 L4)로 구성된 교반 형태가 다시 나타나며, 따라서 루프들은 첫 번째 실시예와는 반대 방향으로 회전한다. 그러나 제트(7, 7') 상의 상부 로브(L1, L4)의 저지 효과 때문에, 액체 풀의 중심부분에서의 금속의 아래 방향 복귀 흐름은 덜 집중되고 제한되며, 대신에 제품의 단면에서 첫 번째 실시예에서 보다 더 많이 확산되고 분산된다.

이러한 두 개의 주요 실시예는 실제로는 동일한 발명의 단지 두 개의 서로 다른 보충적인 단면이며, 교반 방법을 실시할 때 결합되어 제공될 수도 있다. 제트 로부터 멀리 떨어진 2차 냉각 영역에서의 교반에 대해 작용함으로써 필요에 따라 주조 제트(7, 7')의 이동을 저지 또는 가속하기 위해, 예컨대 자기장을 형성하는 인덕터의 극성을 바꿈으로써 동역학적 견지에서 작용하는 자기장의 이동 방향을 변경하는 것을 가능하게 하는 것이 용이하다.

따라서, 본 발명의 주된 장점은 주형 안에서 주조 제트로부터 멀리 떨어진 곳에도 작용할 수 있는 우수한 상/하 교환을 보장한다는 것이며, 그러기 위하여 전자기 교반 설비를 간단하고 복잡하지 않게 배열함으로써 그 구성부들은 널리 상업적으로 이용될 수 있다.

본 발명은, 간단히 말하면, 2차 냉각 영역에서 두 개의 병렬된 스트랜드(strand)로 제품의 길이 방향을 따라 나누기 위해, 그리고 각각의 스트랜드에서 "버터플라이 윙" 타입의 교반 모양을 설치하기 위해, 일반적으로 이용가능한 전자기 교반 수단을 적절히 사용한다. 이렇게 함으로써, 4개의 로브(lobe)로 구성된 전체적인 유동 시스템(flow system)이 2차 냉각 영역에서 생성되며, 이들의 중심 코어(core)는 중심 P를 갖는 "교반 십자가(9)"이다.

바람직하게는, 명백한 대칭을 위하여, 이러한 두 개의 스트랜드로의 분할은 주조 제품의 폭 중간에서, 다시 말하면 일반적으로 주조축과 일치하는 주조 제품의 길이 방향 축을 따라 발생할 것이다.

이는, 예를 들면 중심 P를 갖는 중심점이 하나의 좁은 면(5) 또는 다른 좁은 면(5')을 향해 측면으로 이동하도록 인덕터(12, 13)에 공급되는 전류를 서로 다르게 조정함으로써 2개의 가로 방향 가지(11a, 11b) 사이의 교반력이 균형을 잃게 하 기에 충분할 수 있다는 것을 말하며, 따라서 노즐의 일 측면에서 다른 측면에서보다 인 몰드(in-mould) 이동에 대한 더 선택적인 효과를 얻을 수 있다.

마찬가지로, 수직 가지(10a, 10b)에서의 유사한 불균형은, 주어진 교반 설비를 이용하여, 주조 기계 상에서 이러한 설비의 위치를 변화시키지 않으면서도, 교반 십자가의 중심 P로부터 윗쪽으로 또는 아래쪽으로의 변위를 일으키는 것을 가능하게 할 것이다.

만일 교반 십자가의 중심 P의 위치를 조절하는 이러한 두 개의 옵션을 모두 사용할 수 있도록 하는 것이 요구된다면, 4개의 가지(10a, 10b, 11a, 11b) 각각을 전자기적으로 활성화시킬 수 있도록 2차 냉각 영역에 4개의 인덕터로 구성된 설비를 제공하는 것이 필요할 것이다.

본 발명은, 어떠한 실시 모드에서도, 야금 길이(metallurgical length)에 걸친 금속의 전체적인 교반을 제공하여, 주형 내부의 교반과 2차 냉각 영역에서의 교반 각각의 유리한 효과를 제거함 없이, 주형 내에서의 국부적인 유동 모드를 방해받지 않고 오히려 더 안정화시키면서, 액체 풀(liquid pool)의 상부와 하부 사이의 열적, 화학적 균일성을 보장할 수 있다.

본 발명이 전술한 예에 제한되지 않음은 당연한 것이며, 이하의 청구항에 기재된 한정 사항들을 준수한다면, 많은 실시 형태 또는 이와 동등한 것으로 확장가능하다.

따라서, 예를 들면 비록 사용될 선형 인덕터가 통상적인 평면 구조를 갖고 있다 하더라도, 이러한 배열은 단지 바람직한 하나의 예일 뿐이다. 또한 적당한 인 덕터는 야금 길이(metallurgical length)를 따라 배치되는 지점에서 슬라브의 표면 형상과 보다 잘 맞도록 곡선 형태일 수 있다.

Claims (10)

1. 주형에 좁은 면을 향하는 측면 배출구를 갖는 잠긴 주조 노즐이 구비되며, 다상의 인덕터(multiphase inductor)에 의해 생성되는 이동 자기장에 의해 실행되는, 신장된 단면을 갖는 금속 제품의 연속 주조를 위한 설비의 2차 냉각 영역에서의 전자기 교반 방법에 있어서,

   2차 냉각 영역(2) 및 주형(1) 사이의 액체 풀(6, liquid pool) 내에서 액체 금속의 교환을 증진시키기 위하여, 상기 2차 냉각 영역에 길이 방향 금속 유동이 강제적으로 형성되고, 상기 유동은 동일 선상의 두 개의 반대 방향 흐름(10a, 10b 또는 20a, 20b)으로 주조 제품의 중간 영역에 배치되어, 두 개의 상부 로브(lobe)와 두 개의 하부 로브를 갖는 네잎 클로버 형태의 액체 금속 순환을 제공하며, 상기 상부 로브(L1, L4)는 잠겨 있는 주조 노즐(4)의 배출구(5, 5')로부터 배출되는 제트(7, 7')의 높이까지 주형 내로 연장되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
2. 제1항에 있어서,

   주조 제품의 중간 영역에서 길이방향으로 동일 선상에서 서로 멀어지는 반대 방향 흐름(10a, 10b)은, 주조 노즐(4)의 배출구(5, 5')로부터 배출되는 제트(7, 7')의 높이까지 주형 내로 연장되는 상기 두 개의 상부 로브들(L1, L4)이 제트를 강화하기 위해 상기 제트와 병합되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
3. 제1항에 있어서,

   주조 제품의 중간 영역에서 길이방향으로 동일 선상에서 서로 수렴되는 반대 방향 흐름(20a, 20b)은, 주조 노즐(4)의 배출구(5, 5')로부터 방출되는 제트(7, 7')의 높이까지 주형 내로 연장되는 상기 두 개의 상부 로브들(L1, L4)이 제트의 속도를 늦추기 위해 역방향으로 상기 제트에 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
4. 제1항에 있어서,

   2차 냉각 영역에서 상기 길이방향 흐름의 위치는 주조 제품의 하나 또는 다른 하나의 작은 면을 향해 측면으로 이동되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 길이방향 금속 흐름은, 상기 중간 영역에서 길이 방향으로 이동하는 동일 선상의 이동 자기장에 의해, 서로 가까워지거나 서로 멀어지는 동일 선상의 두 개의 반대 방향 유동으로 형성되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 길이방향 금속 흐름은, 주조 제품의 너비를 횡단하여 이동하는 동일 선상의 이동 자기장에 의해, 주조 제품의 가장자리로부터 중심을 향해 서로 가까워지거나 주조 제품의 중심으로부터 가장자리로 서로 멀어지는 동일 선상의 두 개의 반대 방향 유동으로 형성되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이동 자기장은 주조 제품의 넓은 면을 향하여 위치되는 다상의 선형 인덕터들에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 인덕터들에는 다른 강도의 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   주형(1)에서 노즐(4)의 출구(5, 5')로부터 배출되는 금속 제트(7, 7')에 직접 작용하는, 다른 이동 자기장이 더 사용되는 것을 특징으로 하는 교반 방법.
10. 2차 냉각 영역에 제1항에 따른 전자기 교반 공정이 적용되는 연속 주조 설비로부터 생산되는 평판 금속 제품.

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