KR101284692B1 - 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치 - Google Patents

나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속 주조용 몰드와 접촉되도록 설치되되, 내부에 나노유체가 순환되기 위한 냉각채널이 형성되는 냉각재킷과, 상기 냉각채널에 진동을 가하는 바이브레이터와, 내부에 냉각수가 순환되기 위한 열교환채널이 형성되되, 상기 열교환채널이 냉각재킷의 냉각채널 일부를 감싸도록 설치되는 열교환재킷을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 몰드를 냉각시키는 냉각매체를 나노유체로 대체함으로써 냉각채널에 수막이 형성되는 것을 방지하여 냉각효율을 극대화시키고, 몰드의 열화를 방지하여 몰드에 크랙이 발생하는 것을 방지하며, 응고쉘을 조기에 형성시켜 주조 상승을 함과 동시에 응고쉘 터짐과 같은 조업사고를 방지할 수 있어 원가절감을 시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치 {APPARATUS FOR COOLING THE CONTINUOUS CASTING MOLD USING NANOFLUIDS}
본 발명은 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 몰드를 냉각시키는 냉각매체를 나노유체로 대체함으로써 냉각채널에 수막이 형성되는 것을 방지하여 냉각효율을 향상시키고, 몰드의 열화를 방지하여 몰드에 크랙이 발생되는 것을 방지하며, 응고쉘을 조기에 형성시켜 응고쉘 터짐과 같은 조업사고를 방지하는 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 연속주조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 래들(미도시)에서 턴디쉬(미도시)로 공급된 용강(30)을 침지노즐(20)을 통하여 몰드(10)에 주입하고, 몰드(10)에서 성형된 주편을 아래 방향으로 롤(미도시)에 의해 인출하여 연속적으로 제조하는 기술이다. 이러한 연속 주조시, 몰드(10)로 주입된 용강(30)을 1차적으로 냉각하여 용강(30)의 외측에 응고쉘(31)을 형성시키며 용강(30)을 주편으로 성형하게 된다.
상기와 같이 몰드(10)로 주입된 용강(30)을 1차 냉각시키는 냉각장치는 몰드(10)의 외측에 접촉되도록 설치되되 내부에 냉각수가 순환되기 위한 냉각채널(41)이 형성되는 냉각재킷(40)과, 냉각채널(41)의 일 영역에 설치되어 냉각수와 열교환하는 열교환기(50)와, 냉각채널(41)의 냉각수를 순환시키는 펌프(60)와, 냉각수의 온도를 측정하는 입구온도계(70) 및 출구온도계(71)로 구성된다.
상술한 냉각장치는 펌프(60)에 의해 냉각수가 냉각채널(41)을 순환하게 되고, 몰드(10)와 인접된 냉각채널(41)에 냉각수가 이동됨에 따라 몰드(10)를 냉각시키게 된다. 몰드(10)가 냉각됨에 따라 몰드(10)로 주입된 용강(30) 또한 냉각되어 용강(30)의 외측에 응고쉘(31)을 형성시키며 주편을 성형하게 된다. 몰드(10)를 냉각시킨 냉각수는 펌프(60)에 의해 열교환기(50)로 이동되고, 열교환기에서 열교환되어 고온의 냉각수가 저온의 냉각수로 변환된다. 그 후, 저온의 냉각수는 다시 몰드(10)와 인접된 냉각채널(41)로 이동되어 몰드(10)를 냉각시키게 된다. 이때, 입구온도계(70) 및 출구온도계(71)에 의해 냉각수의 온도가 측정되고, 작업자는 이를 모니터링하여 몰드(10)가 제대로 냉각되고 있는지를 확인한다.
상기와 같은 일련의 과정들이 반복적으로 수행되어 몰드(10)를 냉각하고 이에 의해 용강(30)이 주편으로 성형되어 몰드(10)의 하부로 이동되게 된다.
그러나, 종래의 냉각장치는 냉각매체로 일반적인 냉각수를 사용하기 때문에 냉각채널(41)에 수막이 형성되어 냉각능력이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 냉각수가 냉각채널(41)을 순환 시, 몰드(10)와 인접된 냉각채널(41)에서 냉각수의 국부적인 끓음 현상이 일어나게 되어 몰드(10)가 열화되고 이에 따라 몰드(10)에 크랙이 발생하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 응고쉘(31)의 형성이 지연되어 응고쉘(31) 터짐과 같은 조업사고가 빈번히 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 몰드를 냉각시키는 냉각매체를 나노유체로 대체함으로써 냉각채널에 수막이 형성되는 것을 방지하여 냉각효율을 향상시키고, 몰드의 열화를 방지하여 몰드에 크랙이 발생되는 것을 방지하며, 응고쉘을 조기에 형성시켜 응고쉘 터짐과 같은 조업사고를 방지하는 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 연속 주조용 몰드와 접촉되도록 설치되되, 내부에 나노유체가 순환되기 위한 냉각채널이 형성되는 냉각재킷과, 상기 냉각채널에 진동을 가하는 바이브레이터와, 내부에 냉각수가 순환되기 위한 열교환채널이 형성되되, 상기 열교환채널이 냉각재킷의 냉각채널 일부를 감싸도록 설치되는 열교환재킷에 의해 달성된다.
또한, 상기 바이브레이터는 냉각재킷의 내부에 설치되되, 연속 주조용 몰드와 인접되는 냉각채널에 접촉되도록 설치될 수 있다.
또한, 상기 냉각재킷의 냉각채널 중 열교환채널에 의해 감싸지는 냉각채널은 다 갈래의 나선형 형태로 형성될 수 있다.
또한, 내부에 나노유체가 순환되기 위한 보조 열교환채널이 형성되되, 상기 보조 열교환채널이 열교환재킷의 열교환채널 일부를 감싸도록 설치되는 보조 열교환재킷을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조 열교환채널에 진동을 가하는 바이브레이터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각채널 및 보조 열교환채널에 각각 연결되어 순환될 나노유체를 공급하고, 순환된 나노유체를 회수하는 제1 및 2 나노유체 저장고와, 상기 냉각채널, 열교환채널 및 보조 열교환채널에 각각 설치되어 나노유체 및 냉각수를 순환시키는 순환펌프를 더 포함할 수 있다.
이에 의해, 몰드를 냉각시키는 냉각매체를 나노유체로 대체함으로써 냉각채널에 수막이 형성되는 것을 방지하여 냉각효율을 극대화시키고, 몰드의 열화를 방지하여 몰드에 크랙이 발생하는 것을 방지하며, 응고쉘을 조기에 형성시켜 주조 상승을 함과 동시에 응고쉘 터짐과 같은 조업사고를 방지할 수 있어 원가절감을 시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 대한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치의 개념도이다.
도 3 내지 도 6은 종래와 본 발명을 비교한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 몰드(10)와 접촉되도록 설치되되 내부에 나노유체가 순환되기 위한 냉각채널(110)이 형성되는 냉각재킷(100)과, 냉각채널(110)에 진동을 가하는 바이브레이터(120)와, 내부에 냉각수가 순환되기 위한 열교환채널(210)이 형성되되 열교환채널(210)이 냉각재킷(100)의 냉각채널(110) 일부를 감싸도록 설치되는 열교환재킷(200)과, 내부에 나노유체가 순환되기 위한 보조 열교환채널(310)이 형성되되 보조 열교환채널(310)이 열교환재킷(200)의 열교환채널(210) 일부를 감싸도록 설치되는 보조 열교환재킷(300)을 포함하여 구성된다.
먼저, 냉각재킷(100)은 몰드(10)의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 형성되는 사각 박스 형상의 부재로, 일 측면이 몰드(10)의 외측 전 영역과 접촉되도록 형성된다. 이때, 냉각재킷(100)의 내부에는 나노유체가 순환되기 위한 냉각채널(110)이 형성되는데, 냉각채널(110)은 나노유체를 순환시켜 몰드(10)를 냉각시키기 위한 유로로서, 냉각채널(110)의 일 영역이 몰드(10)와 인접되도록 형성된다.
그리고, 냉각채널(110)과 연결되어 나노유체를 냉각채널(110)에 공급하고 순환된 나노유체를 다시 회수하는 제1 나노유체 저장고(130)가 더 설치된다. 제1 나노유체 저장고(130)에 수용된 나노유체는 순환펌프(160)에 의해 냉각채널(110)로 이동되어 냉각채널(110)을 순환한 후 다시 제1 나노유체 저장고(130)로 회수된다.
상기와 같이 나노유체가 냉각채널(110)을 도 2의 화살표 A 방향으로 순환함으로써 냉각재킷(100)과 접촉된 몰드(10)를 냉각시키는 것이다. 상기한 일련의 과정이 반복적으로 수행되어 몰드(10)를 연속적으로 냉각시키게 된다,
또한, 냉각채널(110)에는 입구온도계(140)와 출구온도계(150)가 설치된다. 상기한 입구온도계(140) 및 출구온도계(150)에 의해 나노유체의 온도가 측정되고, 작업자는 이를 모니터링하여 몰드(10)가 제대로 냉각되고 있는지를 확인한다.
한편, 바이브레이터(120)는 냉각재킷(100)의 내부에 설치되어 냉각채널(110)에 진동을 가하게 된다. 이때, 바이브레이터(120)는 몰드(10)와 인접되는 냉각채널(110)에 접촉되도록 설치된다. 바이브레이터(120)는 나노유체의 입자가 서로 엉겨붙지 않도록 하기 위한 것으로, 이로 인해 냉각효율이 더욱 증대될 수 있다. 상기한 바이브레이터(120)는 진동모터 등으로 마련될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고 냉각채널(110)에 진동을 가할 수 있는 모든 수단을 포함한다.
또한, 열교환재킷(200)은 내부에 냉각수가 순환되는 열교환채널(210)이 형성된 열교환기로서, 열교환채널(210)이 냉각재킷(100)의 냉각채널(110) 일부를 감싸도록 설치된다. 여기서, 열교환채널(210)에 의해 감싸지는 냉각채널(110)의 일부분은 다 갈래의 나선형 형태로 형성된다. 이는, 냉각수와 냉각채널(110)의 나노유체가 만나는 부분을 증가시켜 열교환을 보다 효율적으로 하기 위함이다. 그리고, 열교환채널(210)에는 냉각수를 순환시키기 위한 순환펌프(220)가 별도로 설치된다. 상기와 같이 구성되는 열교환재킷(200)은 열교환채널(210)의 냉각수가 도 2의 화살표 B방향으로 순환됨에 따라 냉각채널(110)의 나노유체와 열교환하게 되어 몰드(10)를 냉각함에 따라 온도가 높아진 나노유체의 열을 빼앗아와 나노유체의 온도를 저하시키게 된다.
한편, 보조 열교환재킷(300)은 내부에 나노유체가 순환되는 보조 열교환채널(310)이 형성된 열교환기로서, 보조 열교환채널(310)이 열교환재킷(200)의 열교환채널(210) 일부를 감싸도록 설치된다. 그리고, 보조 열교환채널(310)과 연결되어 나노유체를 보조 열교환채널(310)에 공급하고 순환된 나노유체를 다시 회수하는 제2 나노유체 저장고(330)와, 보조 열교환채널(310)에 설치되어 나노유체를 순환시키는 순환펌프(340)가 별도로 설치된다. 또한, 열교환채널(310)에 진동을 가하는 바이브레이터(320)가 설치되어 열교환채널(310) 내를 순환하는 나노유체의 입자가 서로 엉겨붙는 것을 방지한다. 상기와 같이 구성되는 보조 열교환재킷(300)은 보조 열교환채널(310)의 나노유체가 도 2의 화살표 C방향으로 순환됨에 따라 열교환채널(210)의 냉각수와 열교환하게 되어 냉각채널(110)의 나노유체와 열교환함에 따라 온도가 높아진 냉각수의 열을 빼앗아와 냉각수의 온도를 저하시키게 된다.
상기한 일련의 과정에 따라, 몰드(10)는 냉각재킷(100)의 냉각채널(110) 내부의 나노유체에 의해 냉각되며, 몰드(10)를 냉각시킨 나노유체는 열교환재킷(200)의 냉각수와 열교환되고, 열교환된 냉각수는 보조 열교환재킷(300)의 나노유체와 열교환된다. 상기와 같은 일련의 과정이 반복적으로 수행되면서 몰드(10)가 냉각되고 이에 따라 몰드(10)로 주입된 용강(30)이 냉각되어 주편을 연속적으로 생산하게 된다.
이하에서는, 도 3 내지 6을 참조하여 본 발명에 따른 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치의 효과 및 특징을 상세하게 설명한다.
종래의 몰드 냉각장치의 경우 주조 속도가 6m/min이상이 되면 냉각채널 내의 냉각수의 온도가 상승하여 냉각수가 끓는 현상이 발생하거나 냉각채널에 수막이 형성되어 냉각효율이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 냉각효율 저하에 따라 몰드에 크랙이 발생되어 몰드가 파손되는 일이 빈번하였으며, 응고쉘의 형성이 원활하지 않아 응고쉘 터짐 등의 조업사고가 발생하였다.
그러나, 본 발명의 경우 냉각매체를 나노유체로 대체하였기 때문에, 냉각매체의 끓는점이 상승하여 나노유체의 온도가 올라가더라도 비등하지 않아 국부적인 끓는 현상이 발생하지 않는다. 또한, 냉각채널에 수막이 형성되지 않아 용강온도를 효과적으로 저하시킬 수 있으며, 이 결과로 응고쉘의 형성을 조기에 확보하여 고속 주조에서도 안정된 주조를 할 수 있다.
도 3은 종래와 본 발명의 몰드 냉각을 위해 주입한 냉각매체의 양을 비교한 그래프로서, 종래의 경우에는 주조 속도가 올라갈수록 냉각수의 양을 더욱 많이 투입해야 하지만, 본 발명의 경우 주조 속도와 상관없이 나노유체의 양이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래보다 작은 양의 냉각매체를 이용하여 몰드를 냉각시킬 수 있으므로 냉각장치의 전체적인 용량이 감소되어 원가절감의 효과가 발생한다.
또한, 도 4는 종래와 본 발명의 열유속 지수를 비교한 그래프이다. 열유속 지수는 몰드의 단위면적당 어느 정도의 열이 전달되었는지를 나타내는 지수로서, 주조 속도가 증가할수록 본 발명의 열유속지수는 가파르게 상승하는 것을 볼 수 있다. 즉, 본 발명은 종래보다 몰드의 열을 많이 빼앗아오므로 응고쉘이 더 빨리 형성되어 응고쉘 터짐 등과 같은 조업사고가 발생하는 것을 미연에 방지하게 된다.
한편, 도 5는 종래와 본 발명의 몰드의 동판에 크랙이 발생하는 것을 비교한 그래프로서, 종래에는 주조 속도가 증가할수록 몰드 동판에 크랙이 발생하는 빈도가 증가하지만 본 발명의 경우에는 주조 속도에 상관없이 대략 일정한 빈도로 몰드 동판에 크랙이 발생한다. 이는, 본 발명이 냉각수 대신 나노유체를 냉각매체로 사용함에 따라 생기는 효과로 나노유체를 이용함으로써 냉각채널에 수막생성이 방지되고 국부적인 끓음 현상이 일어나지 않아 몰드가 보다 효율적으로 냉각되기 때문이다.
그리고, 도 6은 종래와 본 발명의 몰드 하단의 응고쉘 두께를 비교한 그래프이다. 도 6을 살펴보면, 종래보다 본 발명의 응고쉘 두께가 약 2배 이상 두꺼운 것을 볼 수 있다. 이 또한 냉각매체를 나노유체로 대체함에 몰드가 효과적으로 냉각되어 발생되는 효과이다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 것은 자명하다.
10 : 몰드 20 : 침지노즐
30 ; 용강 31 : 응고쉘
40 : 냉각재킷 41 : 냉각채널
50 : 열교환기 60 : 펌프
70 : 입구온도계 71 : 출구온도계
100 : 냉각재킷 110 : 냉각채널
120 : 바이브레이터 130 : 제1 나노유체 저장고
140 : 입구온도계 150 : 출구온도계
160 : 순환펌프 200 : 열교환재킷
210 : 열교환채널 220 : 순환펌프
300 : 보조 열교환재킷 310 : 보조 열교환채널
320 : 바이브레이터 330 : 제2 나노유체 저장고
340 : 순환펌프

Claims (6)

  1. 연속 주조용 몰드와 접촉되도록 설치되되, 내부에 나노유체가 순환되기 위한 냉각채널이 형성되는 냉각재킷과;
    상기 냉각채널에 진동을 가하는 바이브레이터와;
    내부에 냉각수가 순환되기 위한 열교환채널이 형성되되, 상기 열교환채널이 냉각재킷의 냉각채널 일부를 감싸도록 설치되는 열교환재킷을 포함하는 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이브레이터는 냉각재킷의 내부에 설치되되, 연속 주조용 몰드와 인접되는 냉각채널에 접촉되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각재킷의 냉각채널 중 열교환채널에 의해 감싸지는 냉각채널은 다 갈래의 나선형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드의 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서,
    내부에 나노유체가 순환되기 위한 보조 열교환채널이 형성되되, 상기 보조 열교환채널이 열교환재킷의 열교환채널 일부를 감싸도록 설치되는 보조 열교환재킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용한 연속 주조용 몰드의 냉각장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보조 열교환채널에 진동을 가하는 바이브레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드의 냉각장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 냉각채널 및 보조 열교환채널에 각각 연결되어 순환될 나노유체를 공급하고, 순환된 나노유체를 회수하는 제1 및 2 나노유체 저장고와;
    상기 냉각채널, 열교환채널 및 보조 열교환채널에 각각 설치되어 나노유체 및 냉각수를 순환시키는 순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 몰드의 냉각장치.
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