KR101257326B1 - 개선된 기계적 강도를 갖는 금속의 연속 주조 방법 및이러한 방법에 의해 얻어진 제품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 국자 또는 턴디쉬와 연속 주조 잉곳 주형 사이에 위치된 노즐의 중공 제트의 형태의 금속의 연속 주조용 방법에 관한 것이고, 상기 노즐은 그 상부에서 잉곳 주형으로 진입하기 전에 노즐의 내부벽쪽으로 노즐의 입구에서 도달한 용융 금속의 적어도 일부를 전환할 수 있는 분배 부재를 포함한다. 상기 방법은 미세하게 분리된 고형 재료의 중공 제트의 내부 체적의 주입을 포함하는 방법에 있어서, 미세하게 분리된 고형 재료는 200 ㎚ 미만, 바람직하게는 100 ㎚ 미만의 특징적인 크기를 갖는 기술적인 세라믹 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
노즐, 연속 주조용 방법, 세라믹 나노 입자, 중공 제트
Description
본 발명은 보다 큰 기계적인 강도를 부여하기 위해 원소의 첨가에 의해 그 화학적 조성이 변경되도록 라미네이션, 연속 어닐링 등의 이후의 열기계적 처리를 하기 전에 슬래브, 빌렛(billet), 와이어 등의 중간 제품을 얻기 위한 용융 금속, 특히 강의 연속 주조의 신규한 방법에 관한 것이다.
이하의 설명은 강의 연속 주조에 특히 관련된다. 그러나, 이러한 선택은 단지 예일 뿐이고, 본 발명에 임의의 제한을 가하지 않는다.
본 발명은 또한 이러한 방법에 의해 얻어진 개선된 기계적인 특성을 갖는 제품에 관한 것이다.
강의 연속 주조 기술은 널리 공지되었다. 이는 기본적으로 국자(ladle)로부터 또는 턴디쉬(tundish)로부터 용융 강을 그 저부 단부에서 개방되는 소위 "연속 주조 잉곳 주형"으로 지칭되는 냉각된 구리 또는 구리 합금 주형으로 공급하는 단계와, 이러한 개구로부터 부분적으로 경화된 연속 시트 형상의 잉곳을 추출하는 단계로 구성된다.
일반적으로, 용융 강은 턴디쉬와 잉곳 주형 사이의 적어도 하나의 노즐, 즉 적어도 하나의 관형 요소에 의해 잉곳 주형으로 공급된다. 노즐의 저부 단부는 일반적으로 노즐의 축 또는 측면에 위치된 하나 또는 두 개의 출구 개구를 구비하고, 잉곳 주형에 용융 강이 존재하지 않는 수준으로 배출된다.
또한 턴디쉬로부터 들어오는 너무 고온의 용융 강의 개선된 냉각을 달성하기 위한 노즐의 개발은 공지되었다. 목적은 잉곳 주형 내로 진입하는 페이스트 형태의 강을 얻기 위한 것이다. 이들 노즐은 특히 수냉식 구리 튜브 또는 디플렉터 또는 돔을 갖는 열 교환기를 포함할 수 있다. 후자는 과열된 강이 노즐의 벽을 따라 얇은 층으로 적하되도록 강제하는 목적을 갖고, 이는 열교환의 영역을 상당히 증가시킨다. 도관의 냉각은 강으로부터의 과도한 열의 제거를 보장하고, 잉곳 주형 내로 진입하는 페이스트(paste)로 강을 변화시키는 경화 분류의 외관을 야기한다. 도관 내에 가압하의 보호 가스 예를 들어 아르곤을 도입하는 것은 용융 강에 의해 임의의 공기 유동을 방지하는 과부하(overload)를 야기하여 산화를 야기하거나 알루미나의 형성 및 노즐의 막힘을 야기할 수 있다. 유럽 특허 EP-B-269-180호에 개시된 이 기술은 중공 제트 캐스팅 또는 HJN 또는 중공 제트 노즐 수단으로 지칭된다.
EP-B-605 379호에 개시된 다른 개발은 어떠한 공기의 진입도 방지하기 위해 대기압에 대해 약간 고압에서 벡터로써 비산화가스를 이용함으로써 소정량의 미세하게 분해된 금속 재료를 중공 제트로 주입하는 것에 대한 것이다. 이러한 경우에 따라, 그 목적은 강의 기본적인 화학적 조성의 변경 또는 신규한 경화 시드(seed) 를 생성함으로써 경화 구조의 정제를 달성하기 위한 것이다.
회전 제트를 갖는 연속 주조 노즐은 또한 EP-A-101 20 37호에 개시된 바와 같이 공지되었고, 이는 그 상부 부품에 분배 장치 또는 돔을 갖는 수직 도관으로 구성되고, 그 기능은 노즐에 진입하는 용융 금속을 도관의 내부 표면 쪽으로 전환하는 것이고, 노즐축에 대해 별형 패턴이고 수평에 대해 경사져서 배열된 세 개의 아암을 포함한다. 이들 아암은 용융 강에 대해 노즐의 내부 벽을 따르는 나선 회전 운동을 부과하도록 구성된다. 용융 강은 동일한 유동으로 종래의 노즐에서 얻어진 것보다 상당히 낮은 속도로 노즐의 2측면 출구를 통해 배출되고, 이는 추출되는 잉곳의 양을 개선시킨다(보다 적은 함유물과 보다 적은 가스 기포).
혼합된 화학적 또는 2성분 혼합물을 갖는 강 기반 제품의 연속 주조는 또한 다수의 특정 응용예에서 길고 편평한 제품에서 나타나는 큰 잇점을 갖는다(예를 들어, 아연도금되도록 라미네이트된 제품의 적합성을 개선시키기 위해 슬래브의 표면에서 실리콘 수준의 감소; 그 주조 유동을 개선시키기 위해 포정(peritectic) 강의 표면에서 카본 함량의 변경; 예를 들어, 코어 등에서 높은 연성과 표면에서의 높은 강도와 같은 그 두께를 따라 기계적인 성질이 변화하는 제품의 주조 등). 용어 "2성분"은 학습된 제품의 위치에 따라 변화하는, 예를 들어 코어에 비해 표면에서 변화하는 강의 화학적 조성을 갖는 제품을 지칭한다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 본 출원인은 국제 특허 출원 WO-A-02/30598호에서 용융 강을 두 개의 물리적으로 완전히 분리된 구역으로 내부 스트림 및 외부 스트림인 두 개의 스트림으로 분리하도록 설계된 그 상부에 돔을 갖는 분배 장치를 포함하는 연속 주조 노즐을 제 안하였다. 돔 내에서 내부 구역으로 가스, 액체 또는 미세하게 분리된 고형 재료(통상적으로 100 미크론을 초과하는 입자 크기를 갖는 파우더)를 주입하기 위한 수단은 기본 강과는 상이한 화학적 조성을 갖는 강의 형성과 외부 구역 내에서의 주조를 허용한다.
부가로, 예를 들어 미세구조화(마르텐사이트, 바이나이트 등)에 의해 또는 내생(endogenous) 침전에 의한 강의 기계적인 특성을 개선시키기 위한 종래의 열기계적 처리는 최종적으로 얻어진 강의 구조가 제품의 열 후처리(예를 들어, 용접, 아연도금 등)에 의해 악영향을 받을 수 있다는 단점을 갖는다. 따라서 이는 적어도 구조를 갖는 제품을 직접 주조할 수 있는 소정의 경우에 바람직하여, 임의의 이후의 처리를 통해 안정되는 기계적 특성이 제품에 가해진다.
독일 특허 DE-A-102 53 577호는 파우더가 자성 제품과 혼합됨에 따라 분산에 의해 경화된 자성 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은 상기 파우더가 1 내지 200 ㎚ 사이의 직경을 갖는 세라믹 입자를 포함하고, 용융의 과냉각에 의해 제어된 경화가 야기되는 것에 특징이 있다.
독일 특허 DE-A-102 53 577호는 파우더가 자성 제품과 혼합됨에 따라 분산에 의해 경화된 자성 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은 상기 파우더가 1 내지 200 ㎚ 사이의 직경을 갖는 세라믹 입자를 포함하고, 용융의 과냉각에 의해 제어된 경화가 야기되는 것에 특징이 있다.
본 발명은 종래 기술의 단점을 극복하는 해결책을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 특히 라미네이션 전에 강에 큰 기계적인 강도를 부여하는데 적합한 변경된 화학적 조성의 슬래브 또는 빌렛을 제공하도록 하는 연속 주조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 특히 주조 이후의 라미네이션 프로세스 및/또는 열기계적 처리에 대해 균일한 화학적 조성 및/또는 안정화된 구조의 강을 얻기 위한 것이다.
본 발명의 하나의 특정 목적은 연속 주조 노즐을 통해 미세하게 분리된 세라믹 입자를 주입하기 위한 중공 제트 기술을 개발하기 위한 것이다.
본 발명의 제1 목적은 국자 또는 턴디쉬와 연속 주조 잉곳 주형 사이에 위치된 노즐의 중공 제트의 형태의 금속의 연속 주조용 방법에 관한 것이고, 상기 노즐은 그 상부에서 잉곳 주형으로 진입하기 전에 노즐의 내부벽쪽으로 노즐의 입구에서 도달한 용융 금속의 적어도 일부를 전환할 수 있는 분배 장치를 포함하고, 200 ㎚ 미만, 바람직하게는 100 ㎚ 미만의 특징적인 크기를 갖는 기술적인 세라믹 나노 입자를 포함하는 미세하게 분리된 고형 재료의 중공 제트의 내부 체적 내료 주입하는 단계를 포함하고, 상기 나노 입자는 노즐 내로 주입되기 전에 10 내지 1000 미크론 사이, 바람직하게는 100 내지 200 미크론 사이의 크기의 미세입자로 응집되는 연속 주조용 방법에 있어서, 상기 나노 입자는 동일한 금속 또는 주조 금속과 상이한 금속으로 제조된 금속 매트릭스 내에 미세 입자로 응집되는 것을 특징으로 한다.
유리하게는, 기술적인 세라믹 나노 입자는 산화물, 질화물, 카바이드, 붕소화물, 실리사이드 및/또는 이들의 조합의 나노 입자를 포함한다.
산화물은 바람직하게는 Al2O3, TiO2, SiO2, MgO, ZrO2 또는 Y2O3이다.
다른 장점으로써, 나노 입자의 크기는 10 내지 100 ㎚ 사이이다.
본 발명에 따라, 용융 금속에 합체되는 나노 입자의 함량은 주조 금속의 중량 당 5 % 이하이고, 바람직하게는 0.1 내지 1 % 사이이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 노즐의 중공 제트의 내부 체적 내로 주입된 세라믹 나노 입자는 비산화 가스, 바람직하게는 아르곤에 현탁되고, 상기 가스는 대기압에 대해 약간 고압이고 최대로는 잉곳 주형 내로 진입하는 중의 주조 금속의 정압이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 응집된 세라믹 나노 입자는 워엄 스크류(worm screw)와 같은 기계적인 이송 장치에 의해 노즐의 중공 제트의 내부 체적 내로 주입된다.
특정 장점으로서, 나노 입자는 기본적으로 10 내지 1000 미크론 사이, 바람직하게는 100 내지 200 미크론 사이의 크기의 미세 입자로 노즐 내에서 주입 전에 응집된다.
또한 유리하게는, 노즐 내로의 주입 전에, 나노 입자는 주조 금속에 대해 동일한 금속 또는 상이한 금속으로 제조된 금속 매트릭스로 응집된다.
주조 금속은 바람직하게는 용융 강이고, 금속 매트릭스는 철 매트릭스 또는 철 이외의 합금 금속을 포함하는 금속 매트릭스이다.
다른 장점으로써, 나노 입자의 응집은 마이크로미터 크기의 철 입자, 즉 10 미크론을 초과하는 입자의 크기이고, 바람직하게는 20 미크론 미만의 세라믹 나노 입자를 혼합함으로써 얻어진다.
제1의 바람직한 방법에 따르면, 혼합물은 슬러리 내에서의 예비 혼합에 의해 생성되고, 그 다음에 건조, 분쇄, 이소스태틱(isostatic) 가압 및 부가의 분쇄를 받는다.
제2의 바람직한 방법에 따르면, 혼합물은 철 매트릭스 내로 세라믹을 합체하도록 "기계적인 합금" 형식의 고에너지 태핑(tapping) 가공에 의해 생성된다.
제1의 유리한 실시예에 따르면, 사용되는 중공 제트 노즐은 회전 제트형이 사용되고, 즉 이는 그 상부에 돔을 구비한 분배 장치를 갖는 수직 도관을 포함하고, 그 기능은 노즐에 진입하는 용융 금속을 도관의 내부 표면 쪽으로 전환하는 것이고, 노즐축에 대해 별형 패턴이고 수평에 대해 경사져서 배열된 일련의 아암을 포함하고, 이들 아암은 용융 강에 대해 노즐의 내부 벽을 따르는 나선 회전 운동을 부과하도록 구성된다.
다른 유리한 실시예에 따르면, 사용되는 중공 제트 노즐은 용융 금속을 내부 스트림과 외부 스트림의 두 개의 스트림으로 분리하도록 설계된 상부에 돔을 갖는 분배 장치를 포함하고, 내부 구역의 돔 내에서 세라믹 나노 입자의 주입은 기본 금속과 상이한 화학적 조성을 갖는 금속의 형성과 외부 구역에서의 주조를 허용한다.
선택적으로, 세라믹 나노 입자의 주입은 노즐의 외부 구역에서 수행될 수 있다.
본 발명의 제2 목적은 높은 기계적 강도를 갖고, 전술한 방법에 의해 특별하게 얻어진 연속 주조 잉곳 주형으로부터 그 출구에서 연속 시트의 잉곳으로 주조한 후에 형태를 갖는 금속, 바람직하게는 강에 관한 것이고, 잉곳의 적어도 일부에 균일하게 분포된 중량 당 적어도 1%의 기술적인 세라믹을 포함한다.
본 발명이 기초로 하는 아이디어는 이후의 열처리(들)에 의한 저하가 없는 강에 안정적인 특성을 부여하는 세라믹 입자를 미세 분산함으로써 경화된 강을 개발하기 위한 것이다.
예로써, 강의 연속 주조의 경우가 고려될 것이다.
따라서 바람직한 강의 특성을 얻기 위해 필요한 입자의 양이 필요에 따라 첨가된 표준 기본 강을 주조하는 것이 제안된다. 장점으로써, 일반적으로 사용되고 전술된 실시예에서, 후자가 노즐을 통과하는 용융 금속의 적어도 하나의 단편에 합금 원소 또는 산화물을 삽입하기 위한 수단을 포함하기 때문에, 용융 금속에 대한 입자의 첨가는 연속 주조 노즐의 수준에서 직접적으로 수행된다.
본 발명에 따르면, 첨가된 입자는 세라믹 입자이다. 세라믹 기술 또는 산업 분야의 종사자들은 비금속이고 무기물인 제조된 제품의 클래스로 지칭한다. 이들은 산화물(Al2O3, TiO2, SiO2, MgO, ZrO2, Y2O3 등)과 비산화물(질화물, 카바이드, 붕소화물, 실리사이드 등)의 두 개의 주 그룹으로 분할된다. 게다가, 본 발명의 요구 사항으로, 세라믹 입자는 나노 크기, 통상적으로 10 내지 100 ㎚(1 ㎚ = 10-9 m)이고, 용융 강 내로 합체된 후에 이들은 기본적으로 주조 제품의 전체 섹션에 걸쳐 균일하게 분포된다는 작동 정의를 따라야 한다. 본원에서, 입자의 "크기"는 입자의 가장 큰 치수를 의미한다. 함유물로서의 입자의 나노 특성은 사실상 제품의 보강을 위해 필요 불가결한 것이다. 이에 반해, 마이크로미터 크기의 함유물은 제품을 약하게 만드는 불균일 영역과 결함을 만든다.
용융 강에 첨가되는 나노 입자의 양은 최대 중량 당 1 %이다.
용융 강 내의 입자의 습윤성은 입자를 선택하는데 가장 중요한 기준이고, 이러한 결정의 기술적인 문제는 본 발명의 핵심이다. 용융 강 내의 나노 입자의 균일한 분포는 용융 강의 표면에 주입되는 파우더의 제한을 제외하고 필수 불가결한 것이다.
본 발명에 따라, 입자는 유리하게는 HJN 노즐을 통해 주입될 수 있도록 최대 100 내지 200 ㎛ 크기로 응집된다.
용융 강 내의 입자의 습윤성을 개선시키기 위해, 나노 크기의 세라믹 입자는 100 내지 200 ㎛의 최종 특징 크기인 혼합물을 얻기 위해 철 또는 금속 매트릭스 내에서 응집될 수 있다. 철 또는 금속 매트릭스는 용융 강 내의 입자의 분산을 돕는다. 이러한 혼합물을 얻기 위해, 나노 크기의 세라믹 입자는 마이크로미터 크기의 철 입자(예를 들어 10 내지 20 미크론의 크기)와 혼합되어 사용된다. 그 혼합물은 하기 2 단계에 의해 생성된다.
- 슬러리로 혼합되고 그 다음에 건조, 분쇄, 이소스태틱 가압되고 그 다음에 재분쇄되고,
- 세라믹이 철 매트릭스 내로 합체되도록 고에너지 태핑(기계적인 합금) 처리함.
태핑은 원소를 접촉시키는 단계와 원소의 힘에 의해 추출됨으로써 제1 원소와 다른 하나 또는 몇 개의 원소로 형성된 조합으로 도입하는 단계로 구성된 조작이다.
유리하게는, 이들 혼합물은 HJN 노즐(유럽 특허 EP-B-605 379호 참조)의 가스 대기 하에서 주입된다. 따라서 노즐에서 발생한 무거운 난류는 용융 강 내로 입자의 우수한 합체를 허용한다.
Claims (20)
- 국자 또는 턴디쉬와 연속 주조 잉곳 주형 사이에 위치된 노즐의 중공 제트의 형태의 금속의 연속 주조용 방법에 관한 것이고, 상기 노즐은 그 상부에서 잉곳 주형으로 진입하기 전에 노즐의 내부벽쪽으로 노즐의 입구에서 도달한 용융 금속의 적어도 일부를 전환할 수 있는 분배 장치를 포함하고, 200 ㎚ 미만의 특징적인 크기를 갖는 세라믹 나노 입자를 포함하는 미세하게 분리된 고형 재료의 중공 제트의 내부 체적 내로 주입하는 단계를 포함하고, 상기 나노 입자는 노즐 내로 주입되기 전에 10 내지 1000 미크론 사이의 크기의 미세입자로 응집되는 연속 주조용 방법에 있어서,상기 나노 입자는 금속 매트릭스 내에 미세 입자로 응집되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나노 입자의 특징적인 크기는 100 ㎚ 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 나노 입자의 크기는 10 내지 100 ㎚ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세 입자의 크기는 100 내지 200 미크론 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 매트릭스는 주조 금속과 동일한 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 나노 입자는 산화물, 질화물, 카바이드, 붕소화물, 실리사이드 및/또는 이들의 조합의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 산화물은 Al2O3, TiO2, SiO2, MgO, ZrO2 또는 Y2O3인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융 재료에 합체되는 나노 입자의 함량은 주조 금속의 중량 당 0.1 내지 1 % 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐의 중공 제트의 내부 체적 내로 주입된 응집 세라믹 나노 입자는 비산화 가스에 현탁되고, 상기 가스는 대기압에 대해 고압이며 최대로는 잉곳 주형 내로 진입하는 중의 주조 금속의 정압인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응집된 세라믹 나노 입자는 기계적인 이송 장치에 의해 노즐의 중공 제트의 내부 체적 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주조 금속은 용융 강이고, 상기 금속 매트릭스는 철 매트릭스인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 금속 매트릭스는 철 이외의 합금 금속을 포함하는 금속 매트릭스인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 나노 입자의 응집은 마이크로미터 크기의 철 입자, 즉 10 미크론을 초과하는 입자 크기의 세라믹 나노 입자를 혼합하는 단계를 통하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 마이크로미터 크기의 철 입자는 20 미크론 미만의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 혼합하는 단계에 따른 혼합물은 슬러리내에서의 예비 혼합에 의해 생성되고, 그 다음에 건조, 분쇄, 이소스태틱(isostatic) 가압 및 재분쇄되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 혼합하는 단계에 따른 혼합물은 철 매트릭스 내로 세라믹을 합체하도록 고에너지 태핑(tapping) 가공에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 중공 제트 노즐은 회전 제트형이 사용되고, 즉 이는 그 상부에 돔을 구비한 분배 장치를 갖는 수직 도관을 포함하고, 그 기능은 노즐에 진입하는 용융 금속을 도관의 내부 표면 쪽으로 전환하는 것이고, 노즐축에 대해 별형 패턴이고 수평에 대해 경사져서 배열된 일련의 아암을 포함하고, 이들 아암은 용융 강에 대해 노즐의 내부 벽을 따르는 나선 회전 운동을 부과하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 중공 제트 노즐은 용융 금속을 내부 스트림과 외부 스트림의 두 개의 스트림으로 분리하도록 설계된 상부에 돔을 갖는 분배 장치를 포함하고, 내부 구역의 돔 내에서 세라믹 나노 입자의 주입은 기본 금속과 상이한 화학적 조성을 갖는 금속의 형성과 외부 구역에서의 주조를 허용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제18항에 있어서, 세라믹 나노 입자의 주입은 노즐의 외부 구역에서 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 기계적 강도를 갖고, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 얻어진 연속 주조 잉곳 주형으로부터 그 출구에서 연속 시트의 잉곳으로 주조한 후에 형태를 갖는 금속이며, 잉곳의 적어도 일부에 균일하게 분포된 중량 당 적어도 1%의 세라믹을 포함하는 금속.
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