KR101194360B1 - 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템 및 냉각방법 - Google Patents

Abstract

빌렛 주조용 몰드를 균일하게 냉각시켜 빌렛의 품질을 향상시키고, 연속주조를 가능하게 하는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템 및 냉각방법을 제공한다. 자유단면 빌렛 주조용 몰드는 볼록부와 오목부를 포함하는 중공을 형성한다. 냉각시스템은 몰드를 둘러싸도록 배치되고 내부에 냉각수 통로를 형성하는 냉각 휠과, 몰드를 향한 냉각 휠의 내측에 서로간 거리를 두고 배치되며 냉각수 통로와 연통되어 몰드를 향해 냉각수를 분사하는 복수의 냉각 노즐을 포함한다. 복수의 냉각 노즐은 자신과 대응하는 몰드의 두께에 따라 분사량이 상이한 적어도 두 종류의 노즐로 구성된다.

Description

자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템 및 냉각방법 {COOLING SYSTEM AND COOLING METHOD FOR CONTINUOUS CASTING OF FREE-SHAPED BILLET}

본 발명은 자유단면 빌렛 연속주조 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빌렛 주조용 몰드를 균일하게 냉각시켜 빌렛의 품질을 높일 수 있는 냉각시스템 및 냉각방법에 관한 것이다.

자동차의 로우암 및 너클 등과 같이 형상 자유도가 높은 제품의 경우 높은 기계적 특성과 높은 성형성이 요구되기 때문에 일반적인 금형주조 및 다이캐스팅으로 제조시 많은 어려움이 있다. 일반적으로 이들 제품은 빌렛 또는 잉곳을 제조한 후 압출 또는 압연 등의 복잡한 공정을 거쳐 제조되므로 생산성이 낮고 제조 비용이 높은 문제가 있다.

현재 생산되는 알루미늄 압출전용 빌렛의 경우 대부분 에어슬립(air slip) 주조법을 채택하고 있다. 에어슬립 방식은 기존의 직접냉각(direct cooling) 주조법과 달리 다공성 흑연을 통해 직접 빌렛의 표면에 오일과 혼합가스(질소와 산소)를 공급하여 용탕과 몰드간 직접적인 접촉에 의한 열 방출을 사전에 제어하는 기술이다.

그러나 에어슬립 주조법을 적용하여도 자유단면 빌렛의 경우 빌렛의 단면 형상이 비대칭이므로 응고를 제어하기 어렵기 때문에 연속주조로 생산하는데 많운 어려움을 안고 있다.

본 발명은 빌렛 주조용 몰드를 균일하게 냉각시켜 빌렛의 품질을 향상시키고, 연속주조를 가능하게 하는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템 및 냉각방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 볼록부와 오목부를 포함하는 중공을 형성하는 자유단면 빌렛 제조를 위한 몰드를 구비한 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템에 있어서, 몰드를 둘러싸도록 배치되고 내부에 냉각수 통로를 형성하는 냉각 휠과, 몰드를 향한 냉각 휠의 내측에 서로간 거리를 두고 배치되며 냉각수 통로와 연통되어 몰드를 향해 냉각수를 분사하는 복수의 냉각 노즐을 포함하며, 복수의 냉각 노즐은 자신과 대응하는 몰드의 두께에 따라 분사량이 상이한 적어도 두 종류의 노즐로 구성되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템을 제공한다.

복수의 냉각 노즐은 볼록부에 대응하는 제1 노즐과 나머지 제2 노즐을 포함하며, 제1 노즐은 제2 노즐보다 분사량이 적은 노즐로 구성될 수 있다. 제1 노즐은 볼록부 중앙에 대응 배치되고, 제1 노즐 사이로 복수의 제2 노즐이 등간격으로 배치될 수 있다.

다른 한편으로, 복수의 냉각 노즐은 볼록부에 대응하는 제1 노즐, 오목부에 대응하는 제3 노즐, 및 제1 노즐과 제3 노즐 사이에 위치하는 제4 노즐을 포함하며, 제4 노즐은 제1 노즐보다 분사량이 많고 제3 노즐보다 분사량이 적은 노즐로 구성될 수 있다.

제1 노즐은 볼록부 중앙에 대응 배치되고, 제3 노즐은 오목부 중앙에 대응 배치되며, 제4 노즐은 제1 노즐과 제3 노즐 사이 중앙에 배치될 수 있다.

제1 노즐은 냉각수를 미스트형으로 분사하는 미세 분무형 노즐로 구성될 수 있다. 복수의 노즐은 분사량 조절이 가능한 가변 노즐로 구성될 수 있다.

몰드의 중공은 3개의 볼록부 및 3개의 볼록부 사이에 위치하는 3개의 오목부를 포함하며, 제1 노즐은 3개의 볼록부 외측에서 각 볼록부의 중앙에 대응 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예는 볼록부와 오목부를 포함하는 중공을 형성하는 자유단면 빌렛 제조를 위한 몰드를 이용한 자유단면 빌렛 연속주조의 냉각방법에 있어서, 냉각수 통로를 구비한 냉각 휠을 몰드 주위에 설치하는 단계와, 몰드를 향한 냉각 휠의 내측에 복수의 냉각 노즐을 설치하여 몰드를 향해 냉각수를 분사하는 단계를 포함하며, 냉각수를 분사하는 단계에서 복수의 냉각 노즐 중 볼록부에 대응하는 노즐의 분사량을 나머지 노즐의 분사량보다 적게 설정하는 자유단면 빌렛 연속주조의 냉각방법을 제공한다.

냉각수를 분사하는 단계에서 복수의 냉각 노즐 중 오목부에 대응하는 노즐, 오목부와 볼록부 사이에 대응하는 노즐, 및 볼록부에 대응하는 노즐의 순서대로 냉각수 분사량을 설정할 수 있다.

본 실시예에 따른 냉각시스템은 몰드의 중공으로 투입된 용탕에 대해서 균일한 냉각 및 응고를 실현할 수 있다. 그 결과, 빌렛의 내부 결함을 방지하고 응고 조직을 균일화하여 빌렛의 품질을 높일 수 있으며, 고품질의 자유단면 빌렛을 연속으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 냉각시스템의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 냉각시스템의 작동 상태를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템의 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 냉각시스템의 작동 상태를 나타낸 평면도이다.
도 6은 비교예의 방법으로 제조된 알루미늄 자유단면 빌렛의 단면도이다.
도 7은 실시예의 방법으로 제조된 알루미늄 자유단면 빌렛의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 냉각시스템의 평면도이며, 도 3은 도 2에 도시한 냉각시스템의 작동 상태를 나타낸 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 자유단면 빌렛 연속주조 장치는 기본적으로 내부에 중공(10)을 형성하며 용탕을 제공받아 이를 경화시켜 빌렛을 제조하는 몰드(20)를 포함한다. 몰드(20)의 중공(10) 형상은 제조하고자 하는 빌렛의 형상에 대응한다. 자유단면 빌렛 제조의 경우, 몰드(20)의 중공(10)은 복수의 오목부(11)와 복수의 볼록부(12)를 포함한다.

도 1 내지 도 3에서는 몰드(20)의 중공(10)이 서로간 거리를 두고 위치하는 3개의 볼록부(12)와, 3개의 볼록부(12) 사이에 위치하는 3개의 오목부(11)로 이루어진 경우를 예로 들어 도시하였다. 그러나 몰드(20)의 중공(10) 형상은 도시한 예에 한정되지 않으며, 볼록부(12) 및 오목부(11)의 개수와 위치 등은 다양하게 변할 수 있다.

몰드(20)는 구리와 같은 금속으로 제조될 수 있다. 그리고 몰드(20)의 외주면에는 도시하지 않은 코일 또는 전자기 교반장치가 설치될 수 있다. 코일 또는 전자기 교반장치는 고주파 자기장 및 저주파 자기장을 발생하여 몰드(20) 내부의 용탕을 교반시킴으로써 빌렛의 표면 품질과 내부 품질을 향상시킨다.

냉각시스템(100)은 몰드(20)의 외측에 설치되며, 몰드(20)의 외주면을 향해 냉각수를 분사하여 몰드(20)에 주입된 용탕을 응고시킨다. 본 실시예의 냉각시스템(100)은 원주 방향을 따라 두께가 상이한 몰드(20)에 대해 몰드(20) 내부의 용탕을 균일하게 냉각 및 응고시키는 구성으로 이루어진다.

냉각시스템(100)은 몰드(20)를 둘러싸도록 배치되고 내부에 냉각수 통로를 형성하는 냉각 휠(30)과, 몰드(20)를 향한 냉각 휠(30)의 내측에 서로간 거리를 두고 배치되며 냉각수 통로와 연결되어 몰드(20)를 향해 냉각수를 분사하는 복수의 냉각 노즐(41, 42)을 포함한다. 이때 냉각 노즐(41, 42)은 자신과 마주하는 몰드의 두께에 따라 분사량이 상이한 두 종류의 노즐로 구성된다.

구체적으로, 복수의 냉각 노즐(41, 42)은 몰드(20)의 볼록부(12)에 대응하는 제1 노즐(41)과 나머지 제2 노즐(42)을 포함하며, 제1 노즐(41)은 제2 노즐(42)보다 냉각수 분사량이 적은 노즐로 구성된다. 예를 들어 제1 노즐(41)은 제2 노즐(42)보다 분사구 직경이 작은 노즐일 수 있다.

몰드(20)의 균일 냉각을 위하여 제1 노즐(41)은 볼록부(12) 중앙에 대응 배치되고, 제1 노즐(41) 사이로 복수의 제2 노즐(42)이 등간격으로 배치될 수 있다. 또한, 제1 노즐(41)은 냉각수를 미스트형으로 분사하는 미세 분무형 노즐일 수 있다. 반면, 제2 노즐(42)은 일반 분사형 노즐일 수 있다.

도 1 내지 도 3에서는 총 12개로 구성된 냉각 노즐(41, 42)이 등간격으로 배치되고, 12개의 냉각 노즐(41, 42) 중 3개의 제1 노즐(41)이 몰드(20)의 볼록부(12) 중앙에 대응 배치되는 경우를 예로 들어 도시하였다.

몰드(20)는 볼록부(12)에 대응하는 영역과 오목부(11)에 대응하는 영역으로 구분되며, 오목부(11)에 대응하는 영역의 두께가 볼록부(12)에 대응하는 영역의 두께보다 크다. 이로써 볼록부(12)에 대응하는 영역은 냉각이 빠르게 진행되는 반면 오목부(11)에 대응하는 영역은 열의 이동이 용이하지 않아 냉각이 천천히 진행될 수 있다.

본 실시예의 냉각시스템(100)은 몰드(20)의 볼록부(12)에 대응하는 제1 노즐(41)에서 냉각수 분사량을 줄이고, 미스트형으로 냉각수를 분사함으로써 냉각능을 약화시킨다. 따라서 냉각시스템(100)은 몰드(20) 중 볼록부(12)에 대응하는 영역과 오목부(11)에 대응하는 영역의 냉각 속도를 균일화하며, 몰드(20)의 중공(10)으로 투입된 용탕에 대해서 균일한 냉각 및 응고를 실현할 수 있다.

그 결과, 몰드(20)의 비균일 냉각에 의한 빌렛의 내부 크랙을 방지하고, 응고 조직을 균일화하여 빌렛의 품질을 높일 수 있다. 또한, 제1 노즐(41)과 제2 노즐(42)을 가변 노즐로 구성하여 제1 노즐(41)과 제2 노즐(42)의 분사량 차이를 보다 세밀하게 조절할 수 있다. 이 경우 공정 변수의 정량화가 가능하므로 공정 조건을 복합적으로 조절하여 고품질의 자유단면 빌렛을 고속으로 제조할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템의 평면도이고, 도 5는 도 4에 도시한 냉각시스템의 작동 상태를 나타낸 평면도이다.

도 4와 도 5를 참고하면, 제2 실시예의 냉각시스템(110)은 복수의 냉각 노즐(41, 43, 44)이 자신과 마주하는 몰드(20)의 두께에 따라 분사량이 상이한 세 종류의 노즐로 구성되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 냉각시스템과 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

구체적으로, 복수의 냉각 노즐(41, 43, 44)은 몰드(20)의 볼록부(12)에 대응하는 제1 노즐(41)과, 몰드(20)의 오목부(11)에 대응하는 제3 노즐(43)과, 제1 노즐(41)과 제3 노즐(43) 사이에 위치하는 제4 노즐(44)을 포함한다. 이때 제4 노즐(44)은 제1 노즐(41)보다 분사량이 많고 제3 노즐(43)보다 분사량이 적은 노즐로 구성된다. 예를 들어, 제4 노즐(44)은 제1 노즐(41)보다 분사구 직경이 크고 제3 노즐(43)보다 분사구 직경이 작은 노즐일 수 있다.

도 4와 도 5에서는 총 12개의 냉각 노즐(41, 43, 44) 가운데 3개의 제1 노즐(41)이 몰드(20)의 볼록부(12) 중앙에 대응 배치되고, 3개의 제3 노즐(43)이 몰드(20)의 오목부(11) 중앙에 대응 배치되며, 제1 노즐(41)과 제3 노즐(43) 사이 중앙마다 제4 노즐(44)이 배치되는 경우를 예로 들어 도시하였다.

제2 실시예에서는 냉각수 분사량을 세 단계로 조절하여 전술한 제1 실시예보다 정밀한 균일 냉각을 실현할 수 있다. 즉, 몰드(20)의 오목부(11)에 대응하는 제3 노즐(43)에서 냉각수 분사량을 가장 많게 설정하고, 몰드(20)의 오목부(11)와 볼록부(12) 사이에 대응하는 제4 노즐(44)에서 냉각수 분사량을 중간으로 설정하며, 몰드(20)의 볼록부(12)에 대응하는 제1 노즐(41)에서 냉각수 분사량을 가장 적게 설정한다.

따라서 제2 실시예의 냉각시스템(110)은 몰드(20)의 원주 방향을 따라 몰드(20)의 냉각 속도를 보다 효과적으로 균일화하며, 몰드(20)의 중공(10)에 투입된 용탕에 대해 균일한 냉각 및 응고를 실현할 수 있다. 제2 실시예에서도 제1 노즐(41)과 제3 노즐(43) 및 제4 노즐(44)을 가변 노즐로 구성하여 제1 노즐(41)과 제3 노즐(43) 및 제4 노즐(44)의 분사량 차이를 보다 세밀하게 조절할 수 있다.

도 6은 비교예의 방법으로 제조된 알루미늄 자유단면 빌렛의 단면도이고, 도 7은 실시예의 방법으로 제조된 알루미늄 자유단면 빌렛의 단면도이다. 여기서, 비교예의 방법이란 몰드를 둘러싸는 냉각 노즐을 한 종류로 구비하여 모든 냉각 노즐에서 냉각수를 동일한 양으로 분사하여 냉각하는 방법을 의미한다.

도 6을 참고하면, 비교예의 방법으로 제조된 알루미늄 자유단면 빌렛은 내부에 크랙이 발생하여 결함이 존재하고, 응고 조직이 상대적으로 불균일한 것을 확인할 수 있다. 반면 도 7을 참고하면, 실시예의 방법으로 제조된 알루미늄 자유단면 빌렛은 내부에 크랙과 같은 결함이 없고, 응고 조직이 비교적 균일한 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따르면 적어도 두 종류의 냉각 노즐을 이용한 냉각시스템 및 이를 이용한 냉각방법을 적용함으로써 품질이 양호한 자유단면 빌렛을 용이하게 제조할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

20: 몰드 10: 중공
11: 오목부 12: 볼록부
100, 110: 냉각시스템 30: 냉각 휠
41: 제2 노즐 42: 제2 노즐
43: 제3 노즐 44: 제4 노즐

Claims (10)

1. 볼록부와 오목부를 포함하는 중공을 형성하는 자유단면 빌렛 제조를 위한 몰드를 구비한 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템에 있어서,
   상기 냉각시스템은,
   상기 몰드를 둘러싸도록 배치되고 내부에 냉각수 통로를 형성하는 냉각 휠;
   상기 몰드를 향한 상기 냉각 휠의 내측에 서로간 거리를 두고 배치되며 상기 냉각수 통로와 연통되어 상기 몰드를 향해 냉각수를 분사하는 복수의 냉각 노즐
   을 포함하며,
   상기 복수의 냉각 노즐은 자신과 대응하는 몰드의 두께에 따라 분사량이 상이한 적어도 두 종류의 노즐로 구성되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 냉각 노즐은 상기 볼록부에 대응하는 제1 노즐과 나머지 제2 노즐을 포함하며,
   상기 제1 노즐은 상기 제2 노즐보다 분사량이 적은 노즐로 구성되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 노즐은 상기 볼록부 중앙에 대응 배치되며, 상기 제1 노즐 사이로 복수의 제2 노즐이 등간격으로 배치되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 냉각 노즐은 상기 볼록부에 대응하는 제1 노즐, 상기 오목부에 대응하는 제3 노즐, 및 상기 제1 노즐과 상기 제3 노즐 사이에 위치하는 제4 노즐을 포함하며,
   상기 제4 노즐은 상기 제1 노즐보다 분사량이 많고 상기 제3 노즐보다 분사량이 적은 노즐로 구성되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 노즐은 상기 볼록부 중앙에 대응 배치되고, 상기 제3 노즐은 상기 오목부 중앙에 대응 배치되며, 상기 제4 노즐은 상기 제1 노즐과 상기 제3 노즐 사이 중앙에 배치되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
6. 제2항 또는 제4항에 있어서,
   상기 제1 노즐은 냉각수를 미스트형으로 분사하는 미세 분무형 노즐로 구성되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 노즐은 분사량 조절이 가능한 가변 노즐로 구성되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
8. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 몰드의 중공은 3개의 볼록부 및 상기 3개의 볼록부 사이에 위치하는 3개의 오목부를 포함하며,
   상기 제1 노즐은 상기 3개의 볼록부 외측에서 각 볼록부의 중앙에 대응 배치되는 자유단면 빌렛 연속주조용 냉각시스템.
9. 볼록부와 오목부를 포함하는 중공을 형성하는 자유단면 빌렛 제조를 위한 몰드를 이용한 자유단면 빌렛 연속주조의 냉각방법에 있어서,
   상기 냉각방법은,
   냉각수 통로를 구비한 냉각 휠을 상기 몰드 주위에 설치하는 단계; 및
   상기 몰드를 향한 상기 냉각 휠의 내측에 복수의 냉각 노즐을 설치하여 상기 몰드를 향해 냉각수를 분사하는 단계를 포함하며,
   상기 냉각수를 분사하는 단계에서 상기 복수의 냉각 노즐 중 상기 볼록부에 대응하는 노즐의 분사량을 나머지 노즐의 분사량보다 적게 설정하는 자유단면 빌렛 연속주조의 냉각방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각수를 분사하는 단계에서 상기 복수의 냉각 노즐 중 상기 오목부에 대응하는 노즐, 상기 오목부와 상기 볼록부 사이에 대응하는 노즐, 및 상기 볼록부에 대응하는 노즐의 순서대로 냉각수 분사량을 설정하는 자유단면 빌렛 연속주조의 냉각방법.

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