KR101290117B1

KR101290117B1 - 용융 금속 배출용 노즐

Info

Publication number: KR101290117B1
Application number: KR1020117014822A
Authority: KR
Inventors: 아리토 미조베; 히데아키 가와베; 마나부 기무라
Original assignee: 구로사키 하리마 코포레이션
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2013-07-26
Also published as: US20110017784A1; CA2746005C; JP4695701B2; TW201103665A; JP2011025274A; CN102317006A; WO2011010501A1; BRPI1007554A2; CA2746005A1; US8469243B2; AU2010274474A1; AU2010274474B2; EP2380681A1; KR20110091026A; CN102317006B; BRPI1007554B1; EP2380681A4; TWI411480B

Abstract

간단한 구조이며, 내공을 통과하는 용융 금속의 흐름의 흐트러짐을 억제할 수 있도록 하기 위해, 노즐 길이를 L, 계산상의 헤드 높이를 Hc, 노즐 상단으로부터 하방으로 거리 z의 위치에서의 내공의 반경을 r(z)이라고 했을 때, 내공의 축을 따라 절단한 내공 벽면의 단면형상이 log(r(z))=(1/n)×log((Hc+L)/(Hc+z))+log(r(L))(6≥n≥1.5)로 나타나는 곡선을 일부 또는 전부에 포함하고, 상기 거리 z를 횡축(X축), 그 거리 z 위치에서의 수평 방향 단면의 내공 중심의 용융 금속의 압력을 종축(Y축)으로 플롯한 그래프에 있어서, 그 그래프의 선의 근사식 내에 양음 반대의 정수가 되는 부분을 동시에 포함하지 않고, 또한 그 선을 직선 회귀에 의한 근사식으로 간주한 경우에, 그 상관 계수의 절대값이 0.95 이상인 용융 금속 배출용 노즐을 제공한다.

Description

용융 금속 배출용 노즐{Nozzle for discharging molten metal}

본 발명은 용융 금속 용기의 바닥부에 설치되고, 그 용융 금속 용기로부터 용융 금속을 배출하기 위해, 용융 금속이 통과하는 내공을 가지는 용융 금속 배출용 노즐(이하, 단순히 「노즐」이라고 함)에 관한 것으로, 특히 노즐의 내공 형상에 관한 것이다.

용융 금속 용기의 바닥부에 설치되는 노즐은, 용융 금속의 헤드 높이를 추진력으로 하여 내공을 통해 거의 수직 방향으로 용융 금속을 배출한다. 그리고, 그 노즐의 내공 형상으로서는, 수직으로 곧게 연장된 스트레이트 형상의 것, 노즐 상단의 모서리가 원호형상으로 된 것, 노즐 상단부터 노즐 하단에 걸쳐 경사진 테이퍼 형상의 것 등이 일반적이다.

또한, 노즐에는 단지 용융 금속을 배출하는 것 뿐만 아니라, 그 배출량(배출속도)이나 배출 방향을 제어하는 기능을 구비한 것도 있다. 예를 들면, 턴디쉬 등의 용강 용기의 바닥부에 설치되는 연속 주조용 노즐로서, 도 4에 도시된 바와 같이 그 하방에 유량 제어 장치(예를 들면, 슬라이딩 노즐(SN) 장치, 도 4의 12 참조)를 가지는 상부 노즐(1a)이 있다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이 유량 제어 장치를 가지지 않는 오픈 노즐(1b)도 있다.

이러한 유량 제어 장치의 유무에 관계없이, 종래 노즐에서는 내공을 통과하는 용융 금속의 흐름에 흐트러짐이 생기면 여러 가지의 문제가 생기는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 유량 제어 장치를 가지는 경우에는 유량 제어에 결함을 초래하거나, 오픈 노즐에서는 노즐 하단으로부터 개방되어 배출되는 용융 금속류에 비산(도 5의 15 참조)이 생기는 경우가 있다.

내공을 통과하는 용융 금속의 흐름에 흐트러짐이 생기는 원인으로서는, 내공에 용융 금속 유래의 비금속 개재물 등이 부착(이하, 단순히 「개재물 등 부착」이라고 함)되거나(도 4의 14 참조), 또는 내공이 불균일하게 용손되는 것에 의한 내공 형상의 변화 등을 들 수 있다.

이들을 회피하기 위해, 종래부터 여러 가지의 대책이 시도되어 왔다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 개재물 등 부착 대책으로서 노즐의 내공 벽면으로부터 가스를 불어넣는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는 노즐의 내공 벽면에 난(難)부착성의 내화물층을 형성하는 것이 제안되어 있다. 이러한 노즐의 내공 벽면으로부터의 가스 취입(吹入)이나 난부착성의 내화물층의 적용은 상부 노즐, 그 하방의 슬라이딩 노즐 장치, 침지 노즐 등의 용융 금속 배출구에 연통하는 모든 노즐에서 실시되어 있고, 어느 정도의 개재물 등 부착 방지의 효과가 확인되어 있다. 그러나, 개별적인 조업마다, 또한 동일한 조업이라도 조업 상의 변동 요인에 의해 개재물 등의 부착 부위나 그 형태, 부착 속도 등은 변화하는 경우가 많아, 개재물 등 부착의 발생을 완전히 방지하기는 어렵다. 또한, 노즐이 일체 구조(상하 방향이 하나의 노즐로 구성)인 경우는 노즐의 부위마다, 노즐이 분할 구조(상하 방향이 상부 노즐, 침지 노즐 등 복수의 노즐로 구성)인 경우는 그들 노즐마다 가스 취입을 위한 복잡한 구조나 난부착성의 내화물층의 배치가 필요하게 되기 때문에, 노즐의 제조가 번잡해지고, 조업 상의 번잡함이나 관리의 번잡함 등도 더해져 비용 상승의 원인이 되고 있다.

또한, 오픈 노즐의 하단으로부터의 용융 금속 비산의 대책으로서는, 특허문헌 3에 내공에 특이한 형상의 단차 부분을 형성하는 것이, 특허문헌 4에는 내공에 테이퍼를 형성하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 특허문헌 3이나 특허문헌 4의 오픈 노즐에서는 일부 특정의 조업 조건의 경우에 조업 초기에 어느 정도의 효과가 인정되지만, 조업 조건의 변동에 의해 효과의 정도에 차이가 생기거나, 조업 시간의 경과와 함께 효과가 작아지는 등의 문제가 있어 충분한 대책은 되지 않는다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2007-90423호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2002-96145호 공보 특허문헌 3: 일본공개특허 평11-156501호 공보 특허문헌 4: 일본공개특허 2002-66699호 공보

본 발명은 간단한 구조이며, 내공을 통과하는 용융 금속의 흐름의 흐트러짐을 억제할 수 있는 노즐을 제공하는 것을 과제로 한다.

즉, 본 발명은 내공을 통과하는 용융 금속의 흐름의 흐트러짐을 안정화시킬 수 있고, 내공 벽면에의 개재물 등 부착이나 용손, 오픈 노즐의 하단의 용강 비산 등을 억제할 수 있는 노즐을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 용융 금속 용기의 바닥부에 설치되고, 그 용융 금속 용기로부터 용융 금속을 배출하기 위해, 용융 금속이 통과하는 내공을 가지는 용융 금속 배출용 노즐로서, 노즐 길이를 L, 계산상의 헤드 높이를 Hc, 노즐 상단으로부터 하방으로 거리 z의 위치에서의 내공의 반경을 r(z)이라고 했을 때, 내공의 축을 따라 절단한 내공 벽면의 단면형상이

log(r(z))=(1/n)×log((Hc+L)/(Hc+z))+log(r(L))(6≥n≥1.5) …식 1

로 나타나는 곡선이며,

상기 계산상의 헤드 높이(Hc)는 노즐 상단의 내공의 반경을 r(O), 노즐 하단의 내공의 반경을 r(L)이라고 했을 때,

Hc=((r(L)/r(O))ⁿ×L)/(1-(r(L)/r(O))ⁿ)(6≥n≥1.5) …식 2

이며,

상기 거리 z를 횡축(X축), 그 거리 z 위치에서의 수평 방향 단면의 내공 중심의 용융 금속의 압력을 종축(Y축)으로 플롯한 그래프에 있어서, 그 그래프의 선을 2차함수로 곡선 근사시켰을 때, 위로 볼록한 곡선으로 근사되는 영역과 아래로 볼록한 곡선으로 근사되는 영역이 인접하는 굴곡 부위를 포함하지 않고, 또한 그 선을 직선 회귀에 의한 근사식으로 간주한 경우에, 그 상관 계수의 절대값이 0.95 이상인 용융 금속 배출용 노즐이다.

이하, 용융 금속 용기 중에서 용강 용기인 턴디쉬의 바닥부의 용강 배출구에 설치되는 노즐(연속 주조용 노즐)을 예로 본 발명을 상세히 설명한다.

노즐의 내공을 통과하는 용강류의 흐트러짐은, 내공에서의 용강의 압력 분포의 흐트러짐에 기인한다는 것을 본 발명자들은 알아내었다.

턴디쉬로부터 노즐의 내공을 통과하는 용강류, 내공 내의 압력 등은 일반적인 유체 이론에 기초하여, 용강욕의 깊이(Hm)(실제의 헤드 높이, 이하 단순히 「Hm」이라고도 함. 도 1 참조)로 지배된다고 생각되고 있다. 또한, 턴디쉬의 용강량은 조업 중 거의 일정하게 유지되어 있고, Hm은 일정하다. 이론적으로는 노즐로부터 배출되는 용강의 압력은 이 일정한 Hm에 지배되어 일정 또는 안정 상태가 되게 된다.

그러나, 실제의 조업에서는, 용강이 노즐로부터 배출되는 동안의 노즐의 내공에서의 용강의 압력은, 노즐 상단 부근에서 크게 변화하는 것 및 그 압력 변화 부분을 기점으로 용강류의 흐트러짐을 일으키는 것을, 시뮬레이션 및 조업에 이용한 노즐의 해석 결과 등으로부터 알 수 있었다.

이를 이미지로 나타내면, 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 도 2의 선 9가 용강 상면으로부터 하방으로 향함에 따른 압력 분포의 이상적인 이미지이다. 그러나, 실제로는 도 2의 선 8의 이미지로 나타내는 바와 같이 노즐 상단 부근에서 크게 변화한다.

이 원인은, 용강이 턴디쉬의 용강면을 포함하는 용강욕이 넓은 범위로부터 노즐의 내공 상단으로 향하는 직접적이고 균일한 흐름을 형성하는 것이 아니라, 용강 배출구의 기점으로서의 노즐의 내공 상단 근방의 턴디쉬 바닥면 부근으로부터 내공으로 향하는 다방향으로부터의 흐름을 형성하는 것, 그 유속이 상대적으로 큰 것, 그 다방향으로부터의 유속 상호의 충돌 등이 생기는 것 등에 있음을 알 수 있었다. 따라서, 용강 배출구인 내공에서의 용강의 유속이나 압력에 관해서는 턴디쉬 바닥면 부근으로부터 내공 상단으로 향하는 흐름을 고려할 필요가 있다.

또한, 이 턴디쉬 바닥면 부근으로부터 내공 상단으로 향하는 흐름과, 이에 기인하는 압력 변동 등의 현상은, 내공 상단 부근의 용강류의 변동뿐만 아니라, 내공의 하방 전체에 걸쳐 용강류의 형태(안정성, 흐트러짐 등)에 강한 영향을 미치는 것도 알 수 있었다.

그리고, 본 발명자들은, 이 턴디쉬 바닥면 부근으로부터 내공으로 향하는 흐름과, 이에 기인하는 내공 내의 압력 변동 등의 현상은, 내공의 형상에 강하게 영향을 받는 것, 그리고 이 내공을 후술하는 바와 같이 특정의 형상으로 함으로써 정류화(整流化; 용강류의 안정화, 흐트러짐의 방지)를 행할 수 있다는 것을 알아내었다.

내공 내의 용강의 정류화(용강류의 안정화, 흐트러짐의 방지)는 내공 내의 용강 유동 방향, 즉 상하 방향의 위치와 각각의 위치마다의 압력 분포에 의해 결정된다. 바꿔 말하면, 노즐 상단과 거기로부터 하방의 위치의 용강류 내의 에너지 손실의 추이 상태에 의해 결정된다는 것이다.

노즐의 내공을 통과하는 용강의 유속을 만들어 내는 에너지는 기본적으로 턴디쉬 내의 용강의 헤드 높이인 점에서, 노즐 상단(내공 상단)으로부터 하방으로 거리 z의 위치에서의 용강의 유속(v(z))은 중력 가속도를 g, 용기 내의 실제의 헤드 높이를 Hm, 유량 계수를 k라고 하면,

v(z)=k(2g(Hm+z))^1/2 …식 3

으로 나타난다.

그리고, 노즐의 내공을 통과하는 용강의 유량(Q)은, 유속(v)과 단면적(A)의 곱이기 때문에, 노즐 길이를 L이라고 하고, 노즐 하단(내공 하단)에서의 용강의 유속을 v(L), 내공 하단의 단면적을 A(L)이라고 하면,

Q=v(L)×A(L)=k(2g(Hm+L))^1/2×A(L) …식 4

로 나타난다.

또한, 내공 내의 어느 위치에서 내공축에 수직으로 단면을 취하더라도 유량(Q)은 일정하다는 점에서, 노즐 상단(내공 상단)으로부터 하방으로 거리 z의 위치에서의 단면적(A(z))은 A(z)=Q/v(z)=k(2g(Hm+L))^1/2×A(L)/k(2g(Hm+z))^1/2 …식 5

로 나타나고, 양변을 A(L)로 나누면,

A(z)/A(L)=((Hm+L)/(Hm+z))^1/2 …식 6

이 된다.

여기서, 원주율을 π라고 하면, A(z)=πr(z)², A(L)=πr(L)²이기 때문에,

A(z)/A(L)=πr(z)²/πr(L)²=((Hm+L)/(Hm+z))^1/2 …식 7

r(z)/r(L)=((Hm+L)/(Hm+z))^1/4 …식 8

이 된다.

따라서, 내공의 임의의 위치(z)의 반경(r(z))은

log(r(z))=(1/4)×log((Hm+L)/(Hm+z))+log(r(L)) …식 9

로 나타나고, 내공 벽면의 단면형상을 그 식 9를 만족하는 형상으로 함으로써 에너지 손실을 최소로 할 수 있다.

이 식 9를 그래프에 나타내면 4차 곡선을 그린다. 그리고, 이 식 9의 그래프에 상당하는 내공 벽면 형상의 경우에 가장 용강의 압력 손실을 작게 할 수 있게 된다. 게다가, 이 식 9에 합치하는 형상에서는, 노즐 상단(내공 상단)으로부터 하방으로 임의의 거리 z의 위치마다 점차(완만하게) 압력이 감소하여 정류화된 상태가 된다.

이러한 Hm을 이용한 압력 분포의 산출식은, 용강이 턴디쉬의 용강면의 헤드압에 의해, 내공 상단에 거의 수직 방향으로 직접적이고 균일하게 흘러들어가는 것을 전제로 하고 있다.

그러나, 실제의 조업에서는 전술한 바와 같이 용강은 용강 배출구의 기점으로서의 노즐 상단 근방의 턴디쉬 바닥면 부근으로부터 내공으로 향하는 다방향으로부터의 흐름을 형성한다. 따라서, 내공에서의 현실의 압력 분포를 정확하게 파악하기 위해서는, Hm에 대신하여, 노즐 상단 근방의 턴디쉬 바닥면 부근으로부터의 용강 유동에 대해 영향이 큰 헤드 높이를 이용할 필요가 있다.

그래서, 본 발명자들은 여러 가지 시뮬레이션에 의한 검토 등을 행한 결과, 상기 식 9에서 z=0이라고 했을 때의 Hm을 계산상의 헤드 높이(Hc)(이하, 단순히 「Hc」라고도 함)로서 이용하는 것이 유효하다는 것을 알아내었다.

즉, Hc는 다음 식 10으로 나타낼 수 있다.

Hc=((r(L)/r(O))⁴×L)/(1-(r(L)/r(O))⁴) …식 10

이와 같이, Hc는 노즐 상단의 내공의 반경(r(O))과 노즐 하단의 내공의 반경(r(L))의 비의 크기와 노즐 길이(L)에 의해 규정되고, 이 계산상의 헤드 높이(Hc)가 본 발명의 노즐의 내공 내에서의 용강 압력에 영향을 준다. 즉, 상기 식 9의 Hm에 대신하여 Hc를 사용한 내공 벽면의 단면형상에 의해, 내공 상단 근방에서 발생하는 급격한 압력 변화를 억제할 수 있다.

또, Hc는 r(O)과 r(L)의 비의 관계로 변환하면 다음 식 11로 나타낼 수 있다.

r(O)/r(L)=((Hc+L)/(Hc+O))^1/4 …식 11

Hc를 용강 용기(턴디쉬)와 노즐(연속 주조용 노즐)의 축방향 단면의 이미지도에 나타내면 도 1과 같다. 도 1에서, 노즐(1)은 용강이 통과하는 내공(4)을 구비한다. 그리고, 부호 5가 노즐 상단(2)의 내공 대직경부(내공 반경(r(O))이고, 부호 6이 노즐 하단(3)의 내공 소직경부(내공 반경(r(L))이며, 내공 대직경부(5)부터 내공 소직경부(6)에 걸쳐 내공 벽면(7)이 존재한다. 또, 노즐 상단(2)이 상기 거리 z의 기점이다.

이상과 같이, 상기 식 9의 Hm에 대신하여 Hc를 사용한 내공 벽면의 단면형상에 의해, 노즐의 내공 중심의 압력 분포를 높이 방향에 대해 연속적으로 점차 감소시킬 수 있어 용강류가 안정되고 에너지 손실이 적은 스무드(일정)한 용강의 흐름을 만들어 낼 수 있는데, 본 발명에서는 이 용강류의 안정성, 스무드함을 평가하는 방법으로서 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 유체 해석을 행하여, 노즐 상단(내공 상단)으로부터 하방으로 거리 z 위치에서의 수평 방향 단면의 내공 중심에서의 용강의 압력을 구하는 것이 유효하다는 것을 알아내었다.

또, 이 시뮬레이션에는 Fluent사 제품의 유체 해석 소프트웨어, 상품명「Fluent Ver.6.3.26」을 사용하였다. 이 유체 해석 소프트웨어에서의 입력 파라미터는 이하와 같다.

·계산 셀 수: 약 12만(단, 모델에 의해 변동 있음)

·유체: 물(단, 용강의 경우도 상대적으로 동일하게 평가할 수 있는 것이 확인되어 있음)

밀도 998.2kg/㎥

점도 0.001003kg/m·s

·헤드 높이(Hm): 600mm

·압력: 입구(용강면)=((700+노즐 길이 mm의 값)×9.8)Pa(게이지압)

출구(노즐 하단)=0Pa

·노즐 길이: 120,230,800mm(표 1 참조)

·Viscous Model: K-omega 계산

상세한 유체 해석의 결과, 노즐 상단(내공 상단)으로부터 하방으로의 거리 z를 횡축(X축), 그 거리 z 위치에서의 수평 방향 단면의 내공 중심의 용강의 압력을 종축(Y축)으로 플롯한 그래프(이하, 「z-압력 그래프」라고 함)에 있어서, 그 선의 형태가, 본 발명의 과제를 해결하기 위해 필요한 용강류의 안정성(흐트러짐의 방지)에 중요한 영향을 미친다는 것을 본 발명자들은 알아내었다.

즉, 본 발명의 노즐은 z-압력 그래프에서, 상기 거리 z의 증대에 대해 상기 압력은 급한 변화를 일으키는 부분이 없고, 완만하게 감소하는 것을 특징으로 한다(거리 z가 커짐에 따라 상기 압력에 급한 변화를 일으키는 부분이 있으면, 그 부분을 기점으로 그 하방에서는 용강류에 흐트러짐이 생김).

바꿔 말하면, 본 발명의 노즐은 z-압력 그래프에서, 그 그래프의 선이 거의 직선형상(예를 들면, 도 6의 (a)) 또는 완만한 원호에 가까운 곡선(예를 들면, 도 6의 (b))을 그린다고 하는 것이다. 예를 들면, 알파벳의 「S」「C」「L」등에 형태가 비슷한 급한 곡률이나 방향이 변화하는 부분(예를 들면, 도 6의 (c), 도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d 등)을 가지지 않는다고 하는 것이다.

이를 더 상술하면, 급한 방향이나 곡률이 변화하는 부분을 가지는 형태의 경우, 근사식을 그리면 복수의 직선 회귀선(상관 계수의 절대값이 약 0.95 이상)이나 복수의 비선형 곡선 등을 포함한다고 하는 것이다. 또한, 이러한 곡선을 회귀선의 정수로 평가한 경우, 노즐 상단 위치(즉, z=0)부터 하방의 소정 거리 위치까지의 곡선 회귀에서 복수의 근사 곡선이 존재하고, 이들 곡선은 X값에 대한 양음 반대의 정수가 아닌 것(도 6의 (c)를 예로 이를 설명하면, 도면 중의 거리 z와 압력의 관계를 플롯한 곡선에는 z를 대략 3분할한 영역마다 (가), (나), (다)의 3개의 비선형 근사 곡선을 포함한다. 이 (가)와 (나) 및 (나)와 (다)의 근사식은 각각 양음 반대의 정수가 된다), 즉 z-압력 그래프의 선 자체에 X값에 대한 양음 반대의 정수가 되는 부분을 동시에 포함하지 않는 것이 필요하다는 것이다.

또한, 이 z-압력 그래프의 선은, 가장 안정된 용강류를 얻기 위해서는 일정한 직선형상인 것이 필요하며, 한없이 직선형상이 되는 것이 바람직하다. 이 직선형상의 평가 기준으로서는, 이 선을 직선 회귀에 의한 근사식으로 간주한 경우에, 그 상관 계수의 절대값이 0.95 이상인 것이 필요하다. 내공 내의 용강 압력이 급히 변화하는 부분이 있으면, z-압력 그래프의 선을 직선 회귀에 의한 근사식으로 간주한 경우의 상관 계수의 절대값도 작아진다. 그 절대값이 0.95 미만이면 본 발명의 과제 해결이 어려워지는 정도의 용강류의 흐트러짐이 생긴다.

이들은 전술한 Fluent에 의한 시뮬레이션, 실조업의 결과 등의 실험에 의해 얻은 결과로부터 결정하였다.

또, 본 발명자들은 이 시뮬레이션 등의 결과로부터 전술한 식 9 및 식 10에서의 4차의 차수가 1.5 이상 6 이하의 범위인 곡선이면, 정류화가 가능하다는 것을 알아내었다. 즉, 차수를 n으로 치환한 경우에 식 9는

log(r(z))=(1/n)×log((Hc+L)/(Hc+z))+log(r(L))(6≥n≥1.5) …식 1

마찬가지로 식 10은

Hc=((r(L)/r(O))ⁿ×L)/(1-(r(L)/r(O))ⁿ)(6≥n≥1.5) …식 2

로 나타낼 수 있다.

n의 값이 1.5 미만인 경우 및 6을 넘는 경우에는, z-압력 그래프의 선에 급한 변화를 일으킨다(후술하는 실시예를 참조).

본 발명의 식 1 및 식 2에 기초하는 노즐의 내공 벽면 형상의 이미지는 도 3과 같이 된다. 도 3은 상부 노즐(1a)을 나타내고, (a)는 종단면도, (b)는 입체도이다. 도 3 중, 부호 10이 n=1.5일 때의 내공 벽면 형상이고, 부호 11이 n=6일 때의 내공 벽면 형상이다.

또, 본 발명의 식 1 및 식 2에 기초하는 노즐의 내공 벽면 형상은, 본 발명의 용융 금속 배출용 노즐의 내공 전체 길이에 걸쳐 형성한다. 단, 본 발명의 용융 금속 배출용 노즐의 하방에 다른 노즐(용강 유로)이 존재하고 있더라도, 본 발명의 용융 금속 배출용 노즐에 의해 정류화한 용강류가 안정성을 유지하여 정류화의 효과가 손상되지 않음을 실시예에 의해 확인하였다.(실시예 B 참조)

용융 금속 용기로부터 용융 금속을 배출하는 노즐의 내공에서의 용융 금속의 유동 상태를 흐트러짐 없이 안정된 상태로 할 수 있다. 이에 의해, 내공 벽면에의 개재물 등 부착이나 내공 벽면의 국부 용손 등의 발생을 억제하는 것이 가능하게 되고, 안정된 유동 상태로 용융 금속 배출 조업을 장시간 유지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 오픈 노즐의 하단으로부터의 용융 금속의 비산도 억제하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 발명의 노즐은 그 내공 벽면을 적정한 형상으로 하는 것만으로 얻어지며, 가스 취입 기구 등의 특별한 기구를 설치할 필요는 없으므로, 구조가 간단하고 제조도 쉬워서 비용을 저감할 수 있다.

도 1은 용강 용기(턴디쉬)와 노즐(연속 주조용 노즐)의 축방향 단면의 이미지도이다.
도 2는 용융 금속 용기와 노즐 내의 용융 금속의 압력 분포의 이미지도이다.
도 3은 본 발명의 노즐의 내공 벽면 형상의 이미지도로서, (a)는 종단면도, (b)는 입체도이다.
도 4는 상부 노즐(하방에 슬라이딩 노즐이 있는 예)의 축방향 단면의 이미지도이다. 또, 슬라이딩 노즐의 하방 침지 노즐과의 사이에 중간 노즐이나 하부 노즐 등을 포함하고 있어도 된다.
도 5는 오픈 노즐의 축방향 단면의 이미지도이다.
도 6은 z-압력 그래프의 선의 이미지도로서, (a)는 직선형상의 예, (b)는 완만한 원호에 가까운 예, (c)는 복수의 정수(양음)가 다른 근사 곡선을 포함하는 예(본 예시는 3개의 경우)이다.
도 7a는 비교예 1의 z-압력 그래프이다.
도 7b는 비교예 2의 z-압력 그래프이다.
도 7c는 비교예 3의 z-압력 그래프이다.
도 7d는 비교예 4의 z-압력 그래프이다.
도 7e는 실시예 1의 z-압력 그래프이다.
도 7f는 실시예 2의 z-압력 그래프이다.
도 7g는 실시예 3의 z-압력 그래프이다.
도 7h는 실시예 4의 z-압력 그래프이다.
도 7i는 실시예 5의 z-압력 그래프이다.
도 7j는 실시예 6의 z-압력 그래프이다.
도 7k는 비교예 5의 z-압력 그래프이다.
도 7l은 실시예 7의 z-압력 그래프이다.
도 7m은 실시예 8의 z-압력 그래프이다.
도 8a는 비교예 6의 z-압력 그래프이다.
도 8b는 비교예 7의 z-압력 그래프이다.
도 8c는 실시예 9의 z-압력 그래프이다.
도 8d는 실시예 10의 z-압력 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 시뮬레이션 및 실조업에서의 결과를 기초로 한 실시예에 의해 설명한다.

<실시예 A>

실시예 A는, 턴디쉬로부터 그 하방의 주형에 용강을 배출하는 노즐 중에서 노즐의 유로 내에 유량 제어 장치를 가지지 않는 오픈 노즐(도 5 참조)을 예로 시뮬레이션을 행한 결과이다. 표 1에 여러 가지 조건과 결과를 나타낸다.

시뮬레이션은 상기 Fluent사 제품의 유체 해석 소프트웨어, 상품명「Fluent Ver.6.3.26」을 사용하여 행하였다. 입력 파라미터는 상기한 바와 같다.

도 7a 내지 도 7m에는, 표 1의 각 예에 대한 상기 시뮬레이션에 의한 z-압력 그래프를 나타낸다. 즉, 도 7a 내지 도 7m은, 표 1의 각 예에 대한 상기 시뮬레이션의 결과를 노즐 상단(내공 상단)으로부터 하방으로의 거리 z를 횡축(X축), 그 거리 z 위치에서의 수평 방향 단면의 내공 중심의 용강의 압력을 종축(Y축)으로 플롯한 것이다. 또, 이 압력은 상대값이고, 조건에 따라 절대값은 슬라이드한다.

실시예 1~8은 상기 식 1 및 식 2를 적용한 본 발명의 노즐이다. 그 중에서 실시예 1, 2, 5, 6은 식 1 중의 n만을 1.5~6까지 변화시켜 n의 영향을 본 예이다. n이 1.5(실시예 1: 도 7e)와 2(실시예 2: 도 7f)인 경우는 z-압력 그래프의 선이 완만한 원호를 그리고 있고, 굴곡 부위는 볼 수 없다. 또한, n이 1.5에서 2로 커짐에 따라 원호의 곡률은 완만해져 직선에 가까워진다. 게다가 이 2개의 원호 중에는 굴곡 부위가 존재하지 않는다.

그리고, n이 4(실시예 5: 도 7i) 및 6(실시예 6: 도 7j)이 되면, z-압력 그래프의 선이 거의 직선이 되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 이 선을 직선 회귀에 의한 근사식으로 간주한 경우의 상관 계수를 보면, 상기 n의 증대에 따라 -0.95, -0.97, -0.99, -0.99로 매우 상관성이 강한 직선이 되어 있는 것을 알 수 있다.

이와 같이, z-압력 그래프의 선에 굴곡 부위가 없고 거리 z의 증대에 따라 압력이 점차 감소하는 것은, 내공의 유로 전체에 걸쳐 흐트러짐이 없고 안정된 유동 상태가 얻어지는 것을 나타내고 있다.

실시예 3, 실시예 4, 실시예 5는 n=4의 경우에 r(L)/r(O), 즉 노즐 상단의 내공 반경과 노즐 하단의 내공 반경의 비의 크기가 유동 상태(z-압력 그래프의 선)에 미치는 영향을 본 예이다. 이들 실시예 모두 z-압력 그래프의 선(도 7g 내지 도 7i)에 굴곡 부위는 없고, 상관 계수가 -0.99인 거의 직선 상태를 나타내며, r(L)/r(O)의 영향은 볼 수 없다.

실시예 7, 실시예 8은 r(L) 및 r(O)가 상기 각 실시예보다도 크고, 노즐 길이(L)도 약 7배 정도 하방까지 연장한 경우에, r(L) 및 r(O)의 크기와 노즐 길이(L)의 영향을 본 예이다. 여기서, n은 4로 하고, r(L)/r(O)은 2 및 2.5로 하며, 실시예 3, 실시예 4에 대응한 조건으로 하였다. z-압력 그래프(도 7l 및 도 7m)로부터 r(L)/r(O) 및 노즐 길이(L)는 유동 상태에 대해 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.

이상의 실시예에서는 모두 z-압력 그래프의 선에 굴곡 부위는 없고, 상관 계수가 -0.95 정도 이상의 거의 직선 상태를 나타내며, r(L)/r(O) 및 노즐 길이(L)의 영향은 볼 수 없다. 이는, z-압력 그래프의 선에 굴곡 부위가 없고, 게다가 그 선의 직선 회귀의 근사식의 상관 계수의 절대값이 0.95 이상인 경우에는 노즐 길이가 하방으로 길어져도 안정된 흐트러짐이 없는 용강의 유동 상태를 유지할 수 있는 것을 나타내고 있다.

상기 실시예에 대해, 비교예 4 및 비교예 5는 식 1 및 식 2에서 n이 본 발명의 범위에 없는 예이다.

n=1.0인 비교예 4에서는 도 7d에 도시된 바와 같이 z-압력 그래프의 선에 S자 형상의 굴곡 부위는 없지만, 경사가 크게 다른 직선을 직각에 가까운 각도로 교차시킨 것과 같은 곡선이 되어 있다. 따라서, 이 경우에는 상기 교차하는 부위 부근으로부터 하방에서, 유속 변동 등의 약간의 조업 조건의 변동에 의해 용강류의 흐트러짐을 초래할 우려가 커서 바람직하지 않다.

n=7.0인 비교예 5에서는, 도 7k에 도시된 바와 같이 z-압력 그래프의 선에 S자 형상의 굴곡 부위가 극단적인 크기는 아니지만 볼 수 있다. 즉, 내공 상단 및 내공 하단 부근에서의 근사 곡선과 그 중간 부분의 근사 곡선이 양음 반대의 정수를 가지는 형태가 되어 있고, 이들 경계 부근을 기점으로 용강류의 흐트러짐을 초래할 우려가 커서 바람직하지 않다. 따라서, n은 1.5 이상 6 이하인 것이 필요하다.

비교예 1은 내공 형상이 상단부터 하단까지 직선, 즉 원통 형상인 예, 비교예 2는 테이퍼 형상인 예, 비교예 3은 R=47의 원호 형상인 예이다. 이들 모든 비교예에서 z-압력 그래프의 선에 S자 형상 등의 극단적인 굴곡 부위를 가지고 있고(도 7a 내지 도 7c), 이들 경계 부근을 기점으로 용강류의 흐트러짐을 초래한다.

이상의 본 실시예 A의 각 예마다 모형을 제작하고, 깊이 약 600mm의 수조로부터의 물의 배출 상태를 육안으로 확인하였다. 그 결과, 본 발명의 각 실시예에서는 비산은 작거나 또는 시인할 수 없을 정도였던 것에 대해, 비교예에서는 항상 또는 단속적으로 시인할 수 있을 정도의 비산(도 5의 15 참조)이 발생하였다.

<실시예 B>

실시예 B는, 턴디쉬로부터 그 하방의 주형에 용강을 배출하는 노즐 중에서 노즐의 유로 내에 유량 제어 장치(슬라이딩 노즐(SN) 장치)를 가지는, 이른바 SN 상부 노즐을 예로 시뮬레이션 및 실조업에서 검증을 행한 결과이다. 이 경우의 용강 유로는 턴디쉬를 기점으로 하방에 상부 노즐(도 4의 1a 참조), 슬라이딩 노즐 장치(도 4의 12 참조), 하부 노즐(도 4는 이를 도시하지 않았지만, 도 4의 12와 13 사이에 존재) 및 침지 노즐이다(도 4의 13 참조). 또, 하부 노즐 및 침지 노즐이 일체적인 경우(도 4의 경우)도 본 실시예의 조건과 같게 볼 수 있다.

표 2에 여러 가지 조건과 결과를 나타낸다. 이 실시예 B의 시뮬레이션은 유량 제어 장치의 면적 개방도를 50%로 하였다. 그 밖의 조건은 상기 실시예 A와 같이 하였다.

도 8a 내지 도 8d에는 표 2의 각 예에 대한 상기 시뮬레이션에 의한 z-압력 그래프를 나타낸다. 즉, 도 8a 내지 도 8d는 표 2의 각 예에 대한 상기 시뮬레이션의 결과를, 노즐 상단(내공 상단)으로부터 하방으로의 거리 z를 횡축(X축), 그 거리 z 위치에서의 수평 방향 단면의 내공 중심의 용강의 압력을 종축(Y축)으로 플롯한 것이다. 또, 이 압력은 상대값이고, 조건에 따라 절대값은 슬라이드한다.

실시예 9 및 실시예 10은 상기 식 1 및 식 2를 적용한 본 발명의 노즐이다. 모두 z-압력 그래프의 선에 굴곡 부위는 볼 수 없고, 근사 직선의 상관 계수의 절대값이 0.99인 거의 직선형상이 되어 있다(도 8c 및 도 8d).

이에 대해, 비교예 7은, 실시예 9 및 실시예 10과 마찬가지로, 상기 식 1 및 식 2에 기초한 내공 벽면 형상인데, r(L)/r(O)이 1.1로 원주에 가까운 형상이 되어 있다. 이 비교예 7에서는, 도 8b에 도시된 바와 같이 z-압력 그래프의 선에 굴곡 부위를 볼 수 있어 용강류의 흐트러짐이 존재하는 것을 나타내고 있다. 이와 같이, 식 1 및 식 2의 조건에 합치하는 것만으로는 용강류의 흐트러짐을 억제하기가 어려운 경우가 있어, z-압력 그래프의 선의 형태도 평가한 후에 구체적인 내공 벽면 형상을 결정할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

비교예 6은 내공 벽면 형상이 테이퍼 형상인 종래 노즐의 예이다. 이 예에서는, 도 8a에 도시된 바와 같이 z-압력 그래프의 선에 S자 형상 등의 굴곡 부위를 가지고 있고, 이들 경계 부근을 기점으로 용강류의 흐트러짐을 초래한다.

실시예 10의 노즐을 종래 비교예 6의 노즐을 사용하고 있는 실조업에 이용하였다. 그 조건은, 턴디쉬 내의 실용강 헤드 높이는 약 800mm, 용강의 배출 속도는 약 1~2t/min. 주조(통강) 시간은 약 60분이다.

이 실조업에서의 결과, 실시예 10은 상부 노즐로부터 하방의 침지 노즐 내벽의 어떤 부위에도 개재물 등 부착은 볼 수 없고, 또한 국부 용손도 모두 없어 매우 안정된 주조 상태(개방도의 조정 빈도가 적음)를 유지할 수 있었다. 이로부터, 본 발명의 용융 금속 배출용 노즐의 하방에 다른 노즐(용강 유로)이 존재하고 있더라도 본 발명의 용융 금속 배출용 노즐에 의해 정류화한 용강류가 안정성을 유지하여 정류화의 효과가 손상되지 않는 것을 알 수 있다.

이에 대해, 비교예 6의 노즐에서는 상부 노즐로부터 하방의 침지 노즐 내벽의 넓은 범위에 걸쳐, 평균 20mm 두께의 알루미나를 주로 하는 부착층(도 4의 14 참조)이 형성되어 불안정한 주조 상태(개방도의 조정 빈도가 많음)이었다.

1 노즐
1a 오픈 노즐
1b 상부 노즐
2 노즐 상단
3 노즐 하단
4 내공
5 내공 대직경부
6 내공 소직경부
7 내공 벽면
8 현실의 용강 용기로부터 노즐 내의 용강 압력 분포 곡선(이미지)
9 용강 용기로부터 노즐 내의 이상적인 용강 압력 분포 곡선(이미지)
10 n=1.5일 때의 내공 벽면 형상
11 n=6일 때의 내공 벽면 형상
12 유량 제어 장치(슬라이딩 노즐 장치)
13 침지 노즐
14 부착물의 이미지
15 용강 비산의 이미지

Claims

용융 금속 용기의 바닥부에 설치되고, 그 용융 금속 용기로부터 용융 금속을 배출하기 위해, 용융 금속이 통과하는 내공을 가지는 용융 금속 배출용 노즐로서,
노즐 길이를 L, 계산상의 헤드 높이를 Hc, 노즐 상단으로부터 하방으로 거리 z의 위치에서의 내공의 반경을 r(z)이라고 했을 때, 내공의 축을 따라 절단한 내공 벽면의 단면형상이
log(r(z))=(1/n)×log((Hc+L)/(Hc+z))+log(r(L))(6≥n≥1.5) …식 1
로 나타나는 곡선이며,
상기 계산상의 헤드 높이(Hc)는 노즐 상단의 내공의 반경을 r(O), 노즐 하단의 내공의 반경을 r(L)이라고 했을 때,
Hc=((r(L)/r(O))ⁿ×L)/(1-(r(L)/r(O))ⁿ)(6≥n≥1.5) …식 2
이며,
상기 거리 z를 횡축(X축), 그 거리 z 위치에서의 수평 방향 단면의 내공 중심의 용융 금속의 압력을 종축(Y축)으로 플롯한 그래프에 있어서, 그 그래프의 선을 2차함수로 곡선 근사시켰을 때, 위로 볼록한 곡선으로 근사되는 영역과 아래로 볼록한 곡선으로 근사되는 영역이 인접하는 굴곡 부위를 포함하지 않고, 또한 그 선을 직선 회귀에 의한 근사식으로 간주한 경우에, 그 상관 계수의 절대값이 0.95 이상인 용융 금속 배출용 노즐.