KR101149373B1 - 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법에 관한 것이다. 특히, 고정형 냉각주형으로 대형 주괴를 생산하기 위한 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 장치는 용강이 유입되는 냉각주형과, 상기 냉각주형의 하측으로 인발되는 주편을 지지하는 지지부와, 상기 냉각주형의 직하에 구비되어 상기 주편을 냉각시키는 응고부와, 상기 냉각주형의 외측에서 상기 주편을 따라 상하로 구동되고, 상기 용강 및 상기 주편을 교반 및 유도가열하는 자장인가부 및 상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 상하로 구동되어 상기 주편을 냉각시키는 냉각부를 포함한다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 방법은 지지부의 정반을 냉각주형의 하부로 삽입시키는 단계와, 상기 냉각주형으로 용강을 유입하는 단계와, 상기 냉각주형의 외측에서 자장인가부를 사용하여 상기 용강을 교반 및 유도가열하는 단계와, 상기 정반을 하강시키면서 상기 냉각주형의 하측으로 주편을 인발시키는 단계와, 상기 냉각주형의 직하에 구비되는 응고부에 상기 주편을 통과시키는 단계와, 상기 자장인가부를 이동시켜 상기 응고부를 통과한 상기 주편을 교반 및 유도가열하는 단계 및 상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 냉각부를 상하로 구동시켜 상기 주편을 냉각시키는 단계를 포함한다.

반연속주조, 용강, 자장, 선응고, 중심편석, 캐비티, EMS, BWSC

Description

수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법{Apparatus for casting of vertical type and method for casting using it}

본 발명은 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법에 관한 것이다. 특히, 고정형 냉각주형으로 대형 주괴를 생산하기 위한 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법에 관한 것이다.

연속주조(continuous casting)는 일정한 형상의 주형에 용강을 주입하고, 주형 내에서 반응고된 용강의 주조 시편(이하, '주편'이라 함)을 연속적으로 주형의 하측으로 인발하여 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌렛(billet) 등과 같은 여러 가지 형상의 반제품을 제조하는 주조 방식이다.

그리고, 이와 구분되는 반연속주조(semi-continuous casting)은 주편의 크기가 대형화되어 연속주조가 곤란한 경우에 사용되며, 주형에 일정한 양의 용강을 반연속적으로 주입하고 주형으로부터 주기적으로 일정한 크기의 주편을 인발하여 반제품을 제조하는 주조 방식이다.

반연속주조 방식을 사용하는 종래의 수직형 주조 장치를 도 1을 참조하여 살펴보면 다음과 같다. (여기서, 도 1은 종래의 일실시예에 따른 수직형 주조 장치를 나타낸 도면이다.)

종래의 수직형 주조 장치는 턴디쉬(tundish; 미도시)로부터 주형(mold; 10)으로 용강이 유입되며, 주형(10)에서 인발된 주편(S)은 주형(10)의 직하에 구비되는 가이드롤(70) 및 냉각노즐(80)을 통과하면서 응고된다. 이때, 주편(S)의 하단에는 정반(well block 또는 well plate; 32)이나 더미바(dummy bar)가 결합되어 주편(S)을 지지하며, 정반 구동수단(30)에 의하여 주편(S)의 인발 방향을 따라 상하로 구동된다.

이러한 종래의 수직형 주조 장치에는 주편(S)의 탑부(연장되는 길이 방향으로 주편의 최상단부)를 가열하기 위한 가열장치(90)가 구비되어 주편(S)의 선응고를 방지함으로써 주편(S)의 수축을 최소화하였다. 이를 위해, 종래에는 주편(S)의 탑부가 가열커버(96)의 내측에 위치하도록 주형(10)의 하측으로 인발되었던 주편(S)을 상승시키고, 가열커버(96)의 내측을 불활성 가스분위기로 조성하는 가스투입관(94) 및 전극(92)을 사용하여 아크(arc) 또는 플라즈마(plasma; P)로 주편(S)의 탑부를 가열하였다.

그런데, 위와 같은 종래의 수직형 주조 장치는 인발되었던 주편(S)을 상승시키기 때문에 주형(10)의 표면이 쉽게 손상되어 주편(S)의 품질이 저하되고, 주형(10)의 상부에 가열장치(10)가 위치하여 주상 공간이 협소해지는 문제점이 있었다.

또한, 수직형 주조 장치에서 주조되는 주편(S)은 사이즈가 크기 때문에 냉각노즐(80)을 통과한 직후의 주편(S)은 응고된 상태(B부위)의 외부 표면 및 정반(32) 의 직상부(주편의 선단부)와 달리 내부에 미응고된 상태(A부위)의 액상 용강이 존재한다. 종래에는 냉각노즐(80)을 통과한 주편(S)을 냉각시키는 수단이 구비되지 않아 미응고된 액상 용강에 의한 복열이 주편(S)의 선단부 등을 재용해시키는 문제점이 발생하였다. 따라서, 주편(S)이 응고되는 과정에서 주편(S)의 길이 방향으로 온도 불균형이 야기되고, 이로 인해 주편(S) 내부에 응고 불연속층(A'; 도2(a) 참조) 또는 공극 등의 결함이 발생되어 주편(S)의 품질이 저하되는 문제점이 있었다. (여기서, 도 2(a)는 응고 불연속층이 형성된 주편의 내부 상태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 응고 연속층이 형성된 주편의 내부 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.)

한편, 종래의 수직형 주조 장치에서는 응고가 완료된 주편(S)을 정반(32)에서 분리할 때에 주편(S)의 일부를 절단토치 등을 사용하여 강제 분리시키기 때문에 조업의 편의성이 떨어지고, 주편(S)의 실수율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 고정형 냉각주형으로 대형 주괴를 생산하기 위한 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법을 제공한다.

본 발명은 주편을 교반 및 유도가열하는 자장인가부를 구비하여 주편을 연속적으로 냉각시킬 수 있는 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법을 제공한다.

본 발명은 주편의 선단부를 냉각시킬 수 있는 냉각부를 구비하여 주편 내부에서 발생되는 복열을 억제할 수 있는 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법을 제공한다.

본 발명은 응고 완료된 주편을 정반에서 자동 분리하여 이송시킬 수 있는 분리부 및 회전이송부를 구비한 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 수직형 주조 장치는 용강이 유입되는 냉각주형과, 상기 냉각주형의 하측으로 인발되는 주편을 지지하는 지지부와, 상기 냉각주형의 직하에 구비되어 상기 주편을 냉각시키는 응고부와, 상기 냉각주형의 외측에서 상기 주편을 따라 상하로 구동되고, 상기 용강 및 상기 주편을 교반 및 유도가열하는 자장인가부 및 상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 상하로 구동되어 상기 주편을 냉각시키는 냉각부를 포함한다.

또한, 상기 수직형 주조 장치는 상기 주편의 일측에 구비되고 상기 주편을 밀어 상기 지지부와 분리시키는 분리부와, 상기 분리부와 마주보는 상기 주편의 타측에 구비되어 상기 주편을 회전 및 수평 이송시키는 회전이송부를 더 포함한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 수직형 주조 방법은 지지부의 정반을 냉각주형의 하부로 삽입시키는 단계와, 상기 냉각주형으로 용강을 유입하는 단계와, 상기 냉각주형의 외측에서 자장인가부를 사용하여 상기 용강을 교반 및 유도가열하는 단계와, 상기 정반을 하강시키면서 상기 냉각주형의 하측으로 주편을 인발시키는 단계와, 상기 냉각주형의 직하에 구비되는 응고부에 상기 주편을 통과시키는 단계와, 상기 자장인가부를 이동시켜 상기 응고부를 통과한 상기 주편을 교반 및 유도가열하는 단계 및 상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 냉각부를 상하로 구동시켜 상기 주편을 냉각시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 수직형 주조 방법은 상기 냉각부를 사용하여 상기 주편을 냉각시키는 단계 이후에 상기 주편의 응고가 완료되면 상기 주편을 일측에서 밀어 상기 지지부에서 분리시키는 단계와, 분리된 상기 주편을 수평하게 회전시켜 이송하는 단계 및 상기 이송된 주편을 일정한 길이로 절단하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따르면 고정형 냉각주형을 사용하여 냉각주형의 표면 손상을 방지하여 주편의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉각주형으로 유입되는 용강 및 냉각주형에서 인발되는 주편의 탑부를 자장인가부를 사용하여 교반 및 유도가열함으로써 주편을 길이 방향을 따라 연속적으로 냉각시킬 수 있다. 즉, 주편 내부에 응고 불연속층이나 공극이 발생되는 것을 방지하여 주편의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 주편이 인발 및 응고되는 과정에서 주편 선단부를 지속적으로 냉각시키는 냉각부를 구비하여 주편의 내부에서 발생되는 복열에 의한 온도 불균형을 방지할 수 있다. 즉, 주편 내부에 응고 불연속층이나 공극 등의 결함이 발생되는 것을 방지하여 주편의 불량률을 감소시킬 수 있다.

또한, 응고가 완료된 주편을 정반으로부터 용이하게 자동 분리시킬 수 있어서 조업 과정이 용이해지고, 주편의 실수율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법은 대형 주괴(주편)을 생산하는 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.

이후, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 주조 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각부를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치에 발열보온부를 결합시킨 상태를 나타낸 도면이며, 도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치의 실험예를 나타낸 그래프 및 상태도이다. (이하에서 후술되는 주조 장치는 반연속주조 방식을 사용하는 수직형 주조 장치를 중심으로 설명한다. 또한, 본 발명의 일실시예를 먼저 설명하고, 이후 본 발명의 다른 실시예에서는 일실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.)

도 3 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 장치(100)는 용강(molten steel; M)이 내측으로 유입되어 1차 냉각되는 고정형 냉각주형(110)과, 냉각주형(110)의 하측으로 인발되는 주편(S)을 지지하는 지지부(130)와, 냉각주형(110)의 직하에 구비되어 주편(S)을 2차 냉각시키는 응고부(170)와, 냉각주형(110)의 외측에서 주편(S)을 따라 상하로 구동되고, 용강(M) 및 주편(S)을 교반 및 유도가열하는 자장인가부(Electro magnetic stirrer; 120) 및 응고부(170)의 직하에서 주편(S)을 따라 상하로 구동되어 주편(S)을 3차 냉각시키는 냉각부(bottom water spray cooling(BWSC); 180)를 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 장치(100)는 주편(S)의 일측에 구비되고 주편(S)의 일측을 밀어 지지부(130)와 분리시키는 분리부(140)와, 분리부(140)와 마주보는 주편(S)의 타측에 구비되어 주편(S)을 회전 및 수평 이송시키는 회전이송부(150)와, 수평 이송된 주편(S')을 일정한 길이로 절단하는 절단부(160)를 더 포함한다.

냉각주형(110)은 액상의 용강(M)을 통과시켜 일정한 형태로 응고시키는 상하 관통된 장방형의 틀이다. 본 발명의 실시예들에 사용된 냉각주형(110)은 틀 형태가 변형되지 않는 고정형을 사용하여 냉각주형(110)의 하측으로 인발되는 주편(S)의 단면적이 수직 방향을 따라 항상 일정하게 형성된다. 여기서, 냉각주형(110)의 형상은 생산하고자 하는 주편(S)의 형상, 크기에 따라 자유롭게 변형될 수 있다.

한편, 냉각주형(110)은 냉각수가 순환되는 냉각수관(미도시)이 내부에 구비되는 수냉 주형(water-cooled mold)으로서, 냉각주형(110)으로 주입된 액상의 용강(M)을 1차 냉각하여 응고 영역(B부위)와 미응고 영역(A부위)이 공존하는 반응고 상태의 주편(S)으로 변환시킨다. 이러한 냉각주형(110)의 일측에는 냉각주형(110)과 주편(S)이 서로 들러붙는 스티킹(sticking) 현상을 방지하고, 인발을 효율적으로 수행하기 위해서 냉각주형(110)을 수직 방향으로 진동시키는 주형진동장치(미도시)를 결합시킬 수 있다. 또한, 냉각주형(110)과 주편(S) 사이에 발생되는 마찰력을 감소시키기 위해서 몰드 플럭스(mold flux) 또는 오일(oil) 등을 냉각주형(110)의 내측 벽면에 도포할 수 있다.

지지부(130)는 냉각주형(110)의 하측으로 인발되는 주편(S)을 수직으로 지지하고, 주편(S)의 하강 속도, 즉 인발 속도를 조절할 수 있다. 이러한 지지부(130)는 주편(S)의 하부면을 받쳐주는 정반(132)과, 정반(132)이 안착되는 이동플레이트(134) 및 이동플레이트(134)의 하부에 결합되어 이동플레이트(134)를 구동시키는 주편구동부(136)를 포함한다. 여기서, 주편구동부(136)는 모터를 사용하는 기어(gear) 방식, 벨트(belt)나 풀리(pulley) 방식, 실린더(cylinder) 방식 등의 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 본 발명의 실시예들에서는 유압 피스톤을 사용한 실린더 방식을 사용하였다.

지지부(130)에 구비되는 정반(132)은 용강(M)이 유입되기 전에 냉각주형(110)의 내측으로 몸체의 일부 또는 전체가 삽입되고, 용강(M)이 유입된 후 주편(S)의 인발을 위해 점차 하강한다. 정반(132)의 냉각주형(110)의 내측에 삽입될 때 정반(132)의 외주면과 냉각주형(110)의 내측 벽면 사이에는 에어갭(air gap)으로 실링(sealing)이 이루어진다. 따라서, 냉각주형(110)의 내측으로 유입된 용강(M)이 정반(132)과 냉각주형(110) 사이의 미세한 이격공간으로 새는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 정반(132)의 상부면에는 응고 완료된 주편(S)과 정반(132)의 분리가 용이하도록 다수의 홈(미도시)이 형성되고, 이러한 정반(132)의 상부면에 특정 성분의 화학 약품이 도포될 수 있다.

자장인가부(120)는 액상의 용강(M) 및 주편(S)의 내부에서 미응고된 부위를 교반 및 유도가열하여 주편(S)의 내부에 응고 불연속층(A'; 도2(a) 참조)이나 공극이 형성되는 것을 방지한다. 본 발명의 일실시예에 따른 자장인가부(120)는 지면에 대하여 수직 방향으로 연장되는 제1가이드(122)와, 제1가이드(122)의 연장되는 길이 방향을 따라서 상하로 이동되는 제1이동부재(124)와, 제1이동부재(124)의 일측에 결합되어 내측으로 냉각주형(110)이 삽입되고, 용강(M) 및 주편(S)에 자장을 인가하는 자장인가장치(126)와, 제1이동부재(124)에 전동식 또는 유압식으로 구동력을 공급하는 제1이동부재 구동부(미도시) 및 제1이동부재(124)의 위치를 제어하는 자장인가 제어부(미도시)를 포함한다. 여기서, 제1이동부재(124)의 일측에는 제1이동부재(124)의 지면으로부터의 높이를 검출하는 위치센서(미도시)가 결합되며, 위치센서에 검출된 값을 통해 자장인가 제어부는 제1이동부재(124)의 위치를 정확하 게 제어할 수 있다.

자장인가장치(126)는 제1이동부재(124)의 일측에 직접 결합될 수 있으며, 보다 안정적인 결합을 위해 자장인가장치(126)가 안착될 수 있는 자장인가장치 받침플레이트(128)를 사용할 수 있다. 이때, 자장인가장치 받침플레이트(128)도 냉각주형(110)이 내측에 삽입될 수 있도록 자장인가장치(126)와 동일한 크기 및 형상의 관통홀이 형성된다. 자장인가장치(126)는 수평 단면의 형상이 원형, 타원형 또는 장방형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 본 발명의 실시예들에서는 주편(S)의 외주면에 고르게 자장을 인가할 수 있도록 자장인가장치(126)를 원통형으로 형성하였다.

이러한 자장인가장치(126)는 냉각주형(110)의 외측에 위치되는 경우에는 용강(M)의 액상 상단부에 자장을 인가하여 미응고된 상태의 용강(M)을 교반시키는 한편, 와전류(Eddy current)를 이용한 유도가열 방식으로 용강(M)을 가열하여 대기 중에 노출됨으로써 야기되는 갑작스러운 응고(이하, '선응고'라 함)를 방지할 수 있다. 또한, 냉각주형(110)의 하부로 주편(S)이 인발되면 주편(S)의 탑부(주편의 최상단부)와 동일한 높이가 되도록 하강하여 주편(S)의 탑부에 자장을 인가한다. 즉, 주편(S) 내부의 미응고된 부위(A부위)에 물리적인 교반을 발생시키는 동시에 유도가열시킨다.

위와 같이, 자장인가장치(126)를 통해 용강(M) 및 주편(S)에 자장을 인가함으로써 용강(M)과 주편(S)의 공극률(porosity)과 기공의 발생을 최소화한다. 또한, 주편(S)의 내부에 중심편석, V형 편석, 역V형 편석의 발생을 저감시켜 주편(S)의 품질을 향상시킨다. 즉, 주편(S) 탑부의 미응고된 부위(A부위)가 선응고되는 것을 방지함으로써 수축공동(shrinkage cavity)을 최소화하여 주편(S)의 실수율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는 자장인가부(120)에 하나의 자장인가장치(126)를 구비시켰으나, 도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서와 같이 복수의 자장인가장치(226, 229)을 사용하여 수직형 주조 장치(100')를 구현할 수 있다. (도 4에서는 2개의 자장인가장치를 적용하였다.) 즉, 본 발명에 따른 다른 실시예에서는 자장인가장치(226, 229)를 복수개 구비하여, 하나의 자장인가장치(229)는 냉각주형(110)의 일측에 위치하도록 고정시키고, 다른 나머지 중 적어도 하나 이상의 자장인가장치(226)를 상하 구동시켜 하강되는 주편(S)의 탑부와 지면으로부터 동일한 높이가 되도록 유지시킬 수 있다.

또한, 주편(S)의 길이 방향을 따라 상하 구동되는 자장인가장치(226)를 주편(S)의 전 영역에서 상하 구동되도록 하여 주편(S)의 탑부 외의 부위에도 자장을 인가시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에서는 자장인가부(120, 220)의 교반 및 유도가열에 의한 효과가 미흡할 경우에 그 효과를 보다 극대화시키기 위해서 도 6에 도시된 것처럼 냉각주형(110)으로 용강(M)의 유입이 완료된 후, 냉각주형(110)의 내측에서 용강(M)의 상부를 덮는 발열보온부(190)를 추가로 결합시킬 수 있다.

여기서, 발열보온부(190)는 용강(M)의 상부에 삽입되어 미응고된 용강 부위(A부위)를 덮는 상하 관통된 스틸캔(192)과, 스틸캔(192)의 개방된 상부를 덮는 보온덮개(heat insulation cover; 198)를 포함한다. 한편, 보온덮개(198)로 스틸캔(192)의 상부를 덮기 전에 스틸캔(192)의 내부에 발열재(pyrogen material; 194) 및 보온재(196)를 순차적으로 적재할 수 있다. 용강(M)에 삽입되는 스틸캔(192)은 재질 특성상 하부면이 용강(M)의 초기 응고층과 자동으로 용접된다. 이와 같은 발열보온부(190)는 주편(S) 탑부의 열손실을 방지함과 아울러 스틸캔(192)의 내부에 적재되는 발열재(192)를 통해 추가열을 주편(S)에 제공하여 주편(S)의 선응고를 방지한다.

본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치(100, 100')에서 자장인가부(120, 220)에 의한 교반 및 유도가열 실시 여부와, 발열보온부(190)의 결합 여부에 따른 주편(S)의 수축공동의 깊이와 주편(S)의 실수율에 대한 관계를 도 7을 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 도 7의 실험예에 사용된 주편(S)의 크기는 수평 단면에서 가로와 세로의 길이가 각각 700㎜이고, 인발되는 수직 길이는 충분히 길게 형성되었다. 또한, 자장인가부(120, 220)에서 주편(S)에 가해주는 유도 가열량은 100㎾/㎡이며, 발열보온부(190)에 적재되는 발열재(194)는 약 3㎏이 사용되었다.

위와 같은 실험조건들을 적용시킨 결과, 용강(M)과 주편(S)에 교반 및 가열(유도가열)을 실시한 경우가 이를 실시하지 않은 경우보다 약 30% 정도 주편실수율(%)이 향상되었으며, 발열보온부(190)를 자장인가부(120, 220)와 함께 적용시킨 경우가 자장인가부(120, 220)를 홀로 적용시킨 경우보다 약 4% 정도 주편실수율(%)이 향상되었다. 즉, 자장인가부(120)에 의한 교반 및 가열의 효과가 발열보온부(190)에 의한 효과보다 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 품질이 우수한 대형 주괴를 주조 방식으로 생산하는데 있어서, 자장인가부(120, 220)와 발열보온부(190)의 적용이 필요함을 확인할 수 있었다.

응고부(170)은 냉각주형(110)에서 1차 냉각된 주편(S)을 2차 냉각시키는 수단으로서, 자장인가부(120, 220) 및 지지부(130)의 상하 구동에 방해되지 않도록 냉각주형(110)의 직하에 설치된다. 이러한 응고부(170)는 주편(S)을 하측으로 통과시면서 주편(S)의 팽창을 물리적으로 방해하고, 주편(S)을 지면에 수직인 방향으로 안내하는 다수의 풋롤(foot roll; 172)과, 풋롤(172)을 통과한 주편(S)에 냉각수를 분사 또는 살포하여 주편(S)을 2차 냉각시키는 다수의 냉각노즐(cooling nozzle; 174)을 포함한다.

위와 같은 응고부(170)의 직하에는 이동하는 주편(S)을 따라 상하로 구동되어 주편(S)의 선단부(여기서, 주편(S)의 선단부는 지지부(130)와 접하는 주편(S)의 최하단부를 의미함)를 냉각시키는 냉각부(180)가 구비된다.

냉각부(180)는 주편(S) 선단부의 외주면에 냉각수를 분사하는 다수의 냉각노즐(184)을 구비하는 복열방지용 스프레이 장치(182; 도5 참조)와, 복열방지용 스프레이 장치(182)를 주편(S) 선단부와 지면으로부터 동일한 높이가 되도록 상하 구동시키는 냉각 구동부를 포함한다.

여기서, 본 발명의 실시예들에 따른 냉각 구동부는 지면에 대하여 수직 방향으로 연장되는 제2가이드(187)와, 제2가이드(187)의 연장된 길이 방향을 따라 상하로 이동되어 복열방지용 스프레이 장치(182)를 상하 구동시키는 제2이동부재(186)와, 제2이동부재(186)의 일측에 결합되어 다수의 냉각노즐(184)에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급탱크(188)와, 제2이동부재(186)에 구동력을 공급하는 제2이동부재 구동부(미도시) 및 제2이동부재(186)의 위치와 다수의 냉각노즐(184)에 분사되는 냉각수 분사량을 제어하는 냉각 제어부(미도시)를 포함한다.

본 발명의 실시예들에서는 복열방지용 스프레이 장치(182)의 측벽이 개방되도록 하여 복열방지용 스프레이 장치(182)의 외측에 자장인가장치(126, 226)가 위치하더라도 자장의 인가에 방해되지 않도록 하였다. 여기서, 주편(S)을 따라 상하 구동되는 냉각부(180)와 자장인가부(120)가 간섭되지 않는다면 복열방지용 스프레이 장치(182)를 다양한 형상 및 구조로 형성할 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 실시예들에서는 제2이동부재(186)의 일측에 냉각수 공급탱크(188)가 결합되었지만, 수직형 주조 장치(100, 100')의 일측에 냉각수 공급탱크를 별도로 형성하고, 다수의 냉각수 공급관을 다수의 냉각노즐(184)에 연결시켜 냉각수를 분사시킬 수 있다.

한편, 제2이동부재(186)의 일측 또는 복열방지용 스프레이 장치(182)의 일측에는 적어도 하나 이상의 위치센서(미도시) 및 온도센서(미도시)가 각각 부착된다. 주편(S)의 선단부가 응고부(170)를 통과할 때 위치센서를 사용하여 주편(S) 선단부의 지면으로부터의 높이를 감지할 수 있다. 또한, 주편(S)의 선단부가 응고부(170)를 통과할 때 온도센서를 사용하여 주편(S) 선단부의 온도를 측정할 수 있다.

위와 같이, 주편(S)의 이동에도 불구하고 주편(S)의 선단부를 지속적으로 냉각시킬 수 있는 냉각부(180)를 구비함으로써 주편(S) 내부에서 발생되는 복열에 의한 재용해를 방지할 수 있다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8(a)는 냉각부(180)가 적용되지 않을 때의 주편(S)의 이동거리(distance)에 따른 온도(temperature) 변화를 측정한 그래프이고, 도 8(b)는 냉각부(180)를 적용될 때 주형(S)의 이동거리에 따른 온도 변화를 측정한 그래프이다. (여기서, t1은 주형통과시 온도이고, t2는 응고부에서의 온도이며, t3은 응고부를 통과할 때의 온도이다.)

도 8(a)와 도 8(b)에 도시된 t3 부분을 살펴보면, 냉각부(180)를 적용하지 않을 경우에는 주편(S) 내부에서 발생되는 복열에 의해 주편(S) 선단부의 온도가 재상승되는 것을 확인할 수 있으며(도9(a) 참조), 냉각부(180)를 적용한 경우에는 주편(S) 내부에서 발생되는 복열을 억제하여 주편(S) 선단부의 온도가 재상승되지 않고 서서히 냉각되는 것을 확인할 수 있다(도9(b) 참조).

따라서, 냉각부(180)를 사용하여 주편(S)의 응고시 주편(S) 선단부를 냉각시킴으로써 주편(S)이 길이 방향을 따라 온도가 불균형해지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 주편(S)의 내부에 응고 불연속층(A')이나 공극 등의 결함이 발생되는 것을 방지하여 주편(S)의 품질을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 냉각부(180)에서의 냉각이 일정 시간 경과되어 주편(S)의 응고가 완료되면, 주편(S)의 일측에 위치하는 분리부(140)가 동작한다. 여기에서 주편(S)의 일측이라 함은 주편(S)의 좌측 또는 우측 중 어느 하나를 의미한다.

분리부(140)는 응고 완료된 주편(S)을 일측에서 힘을 가해 밀어줌으로써 정반(132)에서 분리시킨다. 이를 위해, 분리부(140)는 지면에 대하여 수직하게 일정한 간격으로 이격되고, 지면에 대하여 수평 방향으로 왕복 구동되는 다수의 유압 푸싱장치(142)가 사용된다. 본 발명의 실시예들에서와 같이 정반(132)에서 주편(S) 을 밀어 자동 분리시킴으로써 정반(132)과 주편(S)의 분리시 토치 등을 사용하는 절단이 이루어지지 않는다. 따라서, 주편(S)의 실수율이 낮아지는 것을 방지할 수 있으며, 정반(132)의 회수 시간, 재사용을 위한 준비 시간 등을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.

회전이송부(150)는 정반(132)에서 분리된 주편(S')을 건네 받는 회전형 롤러테이블(152)과, 회전형 롤러테이블(152)을 수평 방향으로 회전시키는 틸팅장치(154) 및 회전형 롤러테이블(152)과 수평 방향으로 연장되는 이송 롤러테이블(156)을 포함한다. 최초의 상태에서 회전형 롤러테이블(152)은 주편(S)을 지지하는 부분이 수직인 상태로 대기되며, 주편(S)이 다수의 유압 푸싱장치(142)에 의해서 밀려나오면 이를 건네 받고, 이와 동시에 틸팅장치(154)에 의해 회전형 롤러테이블(152)의 기울기가 조절되어 주편(S')이 지면에 대하여 수평하게 놓여진다.

수평하게 회전된 회전형 롤러테이블(152)의 연장된 길이 방향으로 설치된 이송 롤러테이블(156)은 주편(S')을 절단부(160) 또는 후공정 등으로 수평 이송시킨다.

수평 이송된 주편(S')은 후공정에서 요구되는 크기로 절단되도록 이송 롤러테이블(156)의 연장선 상에 설치된 절단부(160)를 통과한다. 주편(S')의 일단에 발열보온부(190)가 결합된 경우 절단부(160)를 사용하여 발열보온부(190)를 주편(S)에서 제거할 수 있다.

이하, 전술한 본 발명에 따른 수직형 주조 장치를 이용한 주조 방법을 첨부 된 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.

도 10은 본 발명에 따른 수직형 주조 장치의 동작 상태를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 방법은 주조 개시 전(도10(a)) 단계로서 지지부의 정반을 냉각주형의 하부로 삽입시키는 단계(S110; 도10(b))와, 냉각주형으로 용강을 유입하여 1차 냉각시키는 단계(S120; 도10(b))와, 냉각주형의 외측에서 자장인가부를 사용하여 용강을 교반 및 유도가열하는 단계(S130; 도10(b))와, 지지부의 정반을 하강시키면서 냉각주형의 하측으로 주편을 인발시키는 단계(S140; 도10(c))와, 냉각주형의 직하에 구비되는 응고부에 주편을 통과시켜 2차 냉각시키는 단계(S150; 도10(c))와, 자장인가부를 이동시켜 응고부를 통과한 주편을 교반 및 유도가열하는 단계(S160; 도10(d)) 및 응고부의 직하에서 주편을 따라 냉각부를 구동시켜 주편을 3차 냉각시키는 단계(S170; 도10(d))를 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 방법은 냉각부를 사용하여 주편을 냉각시키는 단계(S170) 이후에, 일정한 시간이 경과하여 주편의 응고가 완료되면 주편의 일측에서 밀어 지지부에서 분리시키고, 분리된 주편을 수평하게 회전시켜 이송하는 단계(S180) 및 이송된 주편을 절단토치 등의 수단을 사용하여 일정한 길이로 절단하는 단계(S190)를 더 포함한다.

턴디쉬로부터 유입되는 일정량의 용강이 냉각주형에 모두 유입되면, 작업자의 선택에 의해서 자장인가부를 사용하여 용강을 교반 및 유도가열하기 전에 용강 의 상부를 발열보온부로 덮을 수 있다(S135). 즉, 용강의 상부가 대기 중에 노출되어 급격하게 냉각되는 선응고를 방지함으로써 주편의 품질을 향상시킬 수 있다.

만약, 용강의 상부에 발열보온부를 결합시킨 경우에는 주편을 일정한 길이로 절단하는 단계(S190)에서 발열보온부를 주편에서 제거할 수 있다. (여기서, 발열보온부의 수평 단면의 형상, 크기는 주형의 수평 단면의 형상, 크기보다 작게 형성되기 때문에 발열보온부가 주편의 외측으로 돌출되지 않는다. 즉, 발열보온부는 주편의 인발에 방해가 되지 않는다.)

또한, 용강이 냉각주형에서 1차 냉각되고, 응고부를 통과하면서 2차 냉각된 이후에도 주편의 대형 크기로 인해 주편의 내부에는 액상의 미응고 부위가 존재한다. 이러한 주편은 응고 과정에서 액상의 미응고 부위에 의해 야기되는 복열로 인해 이미 응고되었던 주편의 선단부 등이 재용해되어 주편에 온도 불균형이 발생된다. 이에, 본 발명의 일실시예에서는 주편의 온도 불균형을 방지하고자 냉각부를 사용하여 주편의 선단부를 복열에 의해 온도 상승되지 않고, 일정한 온도가 유지되도록 냉각시킨다.

여기서, 냉각부를 사용하여 주편을 냉각시키는 단계는 지지부와 접하는 주편의 선단부가 응고부를 통과할 때 주편 선단부의 위치를 감지하는 단계와, 응고부를 통과할 때 주편 선단부의 온도를 측정하는 단계와, 주편 선단부와 냉각부가 지면으로부터 동일한 높이로 유지되도록 주편의 하강 속도와 동일한 속도로 냉각부를 상하 구동시키는 단계와, 주편 선단부를 향해 분사되는 냉각수량을 조절하여 주편 선단부의 온도가 측정된 온도, 즉 응고부를 통과할 때의 온도보다 상승되지 않도록 냉각시키는 단계를 포함한다.

이상과 같이, 전술한 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법은 고정형 냉각주형을 사용하여 냉각주형의 표면 손상을 방지하여 주편의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉각주형으로 유입되는 용강 및 냉각주형에서 인발되는 주편의 탑부를 자장인가부를 사용하여 교반 및 유도가열함으로써 주편을 길이 방향을 따라 연속적으로 냉각시킬 수 있다. 즉, 주편 내부에 응고 불연속층이나 공극이 발생되는 것을 방지하여 주편의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 주편이 인발 및 응고되는 과정에서 주편 선단부를 지속적으로 냉각시키는 냉각부를 구비하여 주편의 내부에서 발생되는 복열에 의한 온도 불균형을 방지할 수 있다. 즉, 주편 내부에 응고 불연속층이나 공극 등의 결함이 발생되는 것을 방지하여 주편의 불량률을 감소시킬 수 있다.

또한, 응고가 완료된 주편을 정반으로부터 용이하게 자동 분리시킬 수 있어서 조업 과정이 용이해지고, 주편의 실수율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치 및 이를 이용한 주조 방법은 대형 주괴(주편)을 생산하는 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 일실시예에 따른 수직형 주조 장치를 나타낸 도면.

도 2는 응고 불연속층 및 응고 연속층이 형성된 주편의 내부 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 장치의 구성을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 주조 장치의 구성을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각부를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치에 발열보온부를 결합시킨 상태를 나타낸 도면.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 수직형 주조 장치의 실험예를 나타낸 그래프 및 상태도.

도 10은 본 발명에 따른 수직형 주조 장치의 동작 상태를 나타낸 도면.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 수직형 주조 방법을 나타낸 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

100, 100' : 수직형 주조 장치 110 : 냉각주형

120 : 자장인가부 130 : 지지부

140 : 분리부 150 : 회전이송부

160 : 절단부 170 : 응고부

180 : 냉각부 190 : 발열보온부

Claims (22)

1. 용강이 유입되는 냉각주형과;

   상기 냉각주형의 하측으로 인발되는 주편을 지지하는 지지부와;

   상기 냉각주형의 직하에 구비되어 상기 주편을 냉각시키는 응고부와;

   상기 냉각주형의 외측에서 상기 주편을 따라 상하로 구동되고, 상기 용강 및 상기 주편을 교반 및 유도가열하는 자장인가부; 및

   상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 상하로 구동되어 상기 주편을 냉각시키는 냉각부;

   를 포함하는 수직형 주조 장치.
2. 용강이 유입되는 냉각주형과;

   상기 냉각주형의 하측으로 인발되는 주편을 지지하는 지지부와;

   상기 냉각주형의 직하에 구비되어 상기 주편을 냉각시키는 응고부와;

   상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 상하로 구동되어 상기 주편을 냉각시키는 냉각부와;

   상기 주편의 일측에 구비되고 상기 주편을 밀어 상기 지지부와 분리시키는 분리부; 및

   상기 분리부와 마주보는 상기 주편의 타측에 구비되어 상기 주편을 회전 및 수평 이송시키는 회전이송부;

   를 포함하는 수직형 주조 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 주편의 일측에 구비되고 상기 주편을 밀어 상기 지지부와 분리시키는 분리부와, 상기 분리부와 마주보는 상기 주편의 타측에 구비되어 상기 주편을 회전 및 수평 이송시키는 회전이송부를 더 포함하는 수직형 주조 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 냉각부는,

   상기 주편의 인발 방향을 따라 상하 구동되어 상기 지지부와 접하는 상기 주편의 선단부를 냉각시키는 수직형 주조 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 냉각주형으로 유입된 상기 용강의 상부를 덮는 발열보온부를 더 포함하는 수직형 주조 장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 발열보온부는,

   상기 용강의 상부에 삽입되고 내측으로 발열재 및 보온재가 적재되는 상하 관통된 스틸캔과, 상기 스틸캔의 개방된 상부를 덮는 보온덮개를 포함하는 수직형 주조 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 냉각주형은,

   냉각수가 순환되는 냉각수관이 내측에 구비되고, 일측으로 상기 냉각주형을 상하 진동시키는 주형진동장치가 결합되는 수직형 주조 장치.
8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 지지부는

   상기 주편의 하단을 받쳐주는 정반과;

   상기 정반이 안착되는 이동플레이트; 및

   상기 이동플레이트의 하부에 결합되어 상기 이동플레이트를 상하 구동시키는 주편구동부;

   를 포함하는 수직형 주조 장치.
9. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 자장인가부는,

   지면에 대하여 수직 방향으로 연장되는 제1가이드와;

   상기 제1가이드의 연장된 길이 방향을 따라 상하로 이동되는 제1이동부재와;

   상기 제1이동부재의 일측에 결합되어 내측으로 상기 냉각주형이 삽입되며, 상기 용강 및 상기 주편에 자장을 인가하는 자장인가장치와;

   상기 제1이동부재에 구동력을 공급하는 제1이동부재 구동부; 및

   상기 제1이동부재의 위치를 제어하는 자장인가 제어부;

   를 포함하는 수직형 주조 장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 자장인가장치를 복수개 구비하여, 하나의 상기 자장인가장치를 상기 냉각주형의 일측에 위치 고정시키고, 다른 나머지 중 적어도 하나 이상의 상기 자장인가장치를 상기 주편의 하강에 따라 상기 응고부의 직하에서 상하 구동시키는 수직형 주조 장치.
11. 청구항 9에 있어서,

    상기 제1이동부재의 일측에는 상기 제1이동부재의 지면으로부터의 높이를 검출하는 위치센서가 부착되는 수직형 주조 장치.
12. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 응고부는,

    상기 냉각주형의 하측으로 인발되는 상기 주편의 팽창을 방지하고 상기 주편의 인발 방향을 가이드하는 다수의 풋롤과;

    상기 주편에 냉각수를 분사시키는 다수의 냉각노즐;

    을 포함하는 수직형 주조 장치.
13. 청구항 4에 있어서,

    상기 냉각부는,

    상기 주편 선단부의 외주면에 냉각수를 분사하는 다수의 냉각노즐을 구비하는 복열방지용 스프레이 장치와;

    상기 복열방지용 스프레이 장치를 상기 주편 선단부와 지면으로부터 동일한 높이가 되도록 상하 구동시키는 냉각 구동부;

    를 포함하는 수직형 주조 장치.
14. 청구항 13에 있어서,

    상기 냉각 구동부는,

    지면에 대하여 수직 방향으로 연장되는 제2가이드와;

    상기 제2가이드의 연장된 길이 방향을 따라 상하로 이동되어 상기 복열방지용 스프레이 장치를 상하 구동시키는 제2이동부재와;

    상기 제2이동부재의 일측에 결합되어 상기 다수의 냉각노즐에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급탱크와;

    상기 제2이동부재에 구동력을 공급하는 제2이동부재 구동부; 및

    상기 제2이동부재의 위치 및 냉각수 분사량을 제어하는 냉각 제어부;

    를 포함하는 수직형 주조 장치.
15. 청구항 14에 있어서,

    상기 제2이동부재의 일측 또는 상기 복열방지용 스프레이 장치의 일측에는 적어도 하나 이상의 위치센서 및 온도센서가 각각 부착되는 수직형 주조 장치.
16. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

    상기 분리부는,

    지면에 대하여 수직 방향으로 정렬되며 지면에 대하여 수평 방향으로 구동되는 다수의 유압 푸싱장치를 포함하는 수직형 주조 장치.
17. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

    상기 회전이송부는,

    상기 지지부에서 분리된 상기 주편을 전달받는 회전형 롤러테이블과;

    상기 회전형 롤러테이블을 회전시키는 틸팅장치; 및

    회전된 상기 회전형 롤러테이블과 수평 방향으로 연장되는 이송 롤러테이블;

    을 포함하는 수직형 주조 장치.
18. 지지부의 정반을 냉각주형의 하부로 삽입시키는 단계와;

    상기 냉각주형으로 용강을 유입하는 단계와;

    상기 냉각주형의 외측에서 자장인가부를 사용하여 상기 용강을 교반 및 유도 가열하는 단계와;

    상기 정반을 하강시키면서 상기 냉각주형의 하측으로 주편을 인발시키는 단계와;

    상기 냉각주형의 직하에 구비되는 응고부에 상기 주편을 통과시키는 단계와;

    상기 자장인가부를 이동시켜 상기 응고부를 통과한 상기 주편을 교반 및 유도가열하는 단계; 및

    상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 냉각부를 상하로 구동시켜 상기 주편을 냉각시키는 단계;

    를 포함하는 수직형 주조 방법.
19. 지지부의 정반을 냉각주형의 하부로 삽입시키는 단계와;

    상기 냉각주형으로 용강을 유입하는 단계와;

    상기 정반을 하강시키면서 상기 냉각주형의 하측으로 주편을 인발시키는 단계와;

    상기 냉각주형의 직하에 구비되는 응고부에 상기 주편을 통과시키는 단계와;

    상기 응고부의 직하에서 상기 주편을 따라 냉각부를 상하로 구동시켜 상기 주편을 냉각시키는 단계와;

    응고 완료된 상기 주편을 일측에서 밀어 상기 지지부에서 분리시키는 단계와;

    분리된 상기 주편을 수평하게 회전시켜 이송하는 단계; 및

    상기 이송된 주편을 일정한 길이로 절단하는 단계;

    를 포함하는 수직형 주조 방법.
20. 청구항 18에 있어서,

    상기 냉각부를 사용하여 상기 주편을 냉각시키는 단계 이후에,

    상기 주편의 응고가 완료되면 상기 주편을 일측에서 밀어 상기 지지부에서 분리시키는 단계와;

    분리된 상기 주편을 수평하게 회전시켜 이송하는 단계; 및

    상기 이송된 주편을 일정한 길이로 절단하는 단계;

    를 더 포함하는 수직형 주조 방법.
21. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 냉각부를 사용하여 상기 주편을 냉각시키는 단계는,

    상기 지지부와 접하는 상기 주편 선단부가 상기 응고부를 통과할 때 상기 주편 선단부의 위치를 감지하는 단계와;

    상기 응고부를 통과할 때 상기 주편 선단부의 온도를 측정하는 단계와;

    상기 주편 선단부와 상기 냉각부가 지면으로부터 동일한 높이로 유지되도록 상기 주편의 하강 속도와 동일한 속도로 상기 냉각부를 상하 구동시키는 단계와;

    상기 주편 선단부를 향해 분사되는 냉각수량을 조절하여 상기 주편 선단부의 온도가 측정된 온도보다 상승되지 않도록 냉각시키는 단계;

    를 포함하는 수직형 주조 방법.
22. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 하나에 있어서,

    상기 냉각주형에 상기 용강의 유입이 완료되면, 상기 냉각주형의 내측으로 상기 용강의 상부를 덮는 발열보온부를 결합하는 단계를 더 포함하는 수직형 주조 방법.

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