KR101442647B1 - 스월링 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후판 또는 강판을 향하여 냉각수를 분사하는 스월링 노즐에 관한 것이며, 본 발명의 스월링 노즐은 후판 또는 강판을 향하여 냉각수를 분사하는 스월링 노즐에 있어서, 냉각수가 유입되도록 중공부가 형성된 몸체부; 상기 몸체부의 길이보다 짧게 마련되어 상기 중공부에 삽입되며, 외면에 나선방향을 따라 블레이드가 형성된 스월링부;를 포함하며, 상기 중공부는 상기 스월링부가 삽입되는 삽입구간과 상기 스월링부가 삽입되지 않는 혼합구간으로 구획되어, 상기 냉각수는 상기 삽입구간에서 상기 블레이드에 의해 나선방향을 따라 유동하고, 상기 혼합구간에서 상기 냉각수에 작용하는 원심력이 지지되어 스월링을 형성하고, 상기 스월링부는 상기 중공부 내에서 위치가 고정되도록 상기 몸체부의 삽입구간 측의 단부에 상기 중공부의 내경보다 크게 마련된 고정부를 구비하며, 상기 혼합구간 내에서 상기 냉각수가 상기 중공부의 단면 형상을 유지한 채로 나선방향을 따라 유동하는 스월링을 형성하도록 상기 스월링부의 외경 및 상기 혼합구간의 길이는 하기의 수식에 따르는 것을 특징으로 한다.

(Lmix: 혼합구간의 길이(mm), D: 스월링부의 외경(mm))

Description

스월링 노즐{SWIRLING NOZZLE}

본 발명은 스월링 노즐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동 유체가 노즐을 통해 분사되면서 안정적인 형상으로 스월링을 형성할 수 있는 스월링 노즐에 관한 것이다.

일반적인 철강제조공정을 살펴보면, 첫째, 철광석과 소결광 및 코크스를 용광로에 주입한 다음, 열을 가하여 철광석을 녹여 용선을 만다는 제선공정; 고로에서 토페도카(Torpedo Ladle Car)로 이송된 용선, 고철 및 부원로를 전로에 장입한 후, 산소를 불어 넣어 용선 중의 불순물을 제거시키고 필요한 성분을 첨가시켜 원하는 성분과 적정 온도의 용강을 만드는 제강공정; 제강 공정에서 생산된 용강을 주형(mold)에 주입하고 연속적으로 인발하고 냉각시켜 직접 소정의 반제품 슬래브를 제조하는 연속주조공정; 연속주조에서 생산된 반제품을 후판공정으로 이송시켜 재가열한 후, 각각의 열연 압연기에서 소정의 형상 및 치수를 갖는 제품을 생산하는 공정, 즉 반제품을 가열하여 두 개의 롤(roll) 사이에 밀어 넣고 압착시켜 여러 가지 형태의 강재를 만드는 압연공정 등으로 구분된다.

특히, 압연공정은 압연기에서 원하는 두께로 압연한 후, 롤러 테이블을 통해 이송되면서 각 규격의 재질에 맞는 냉각 온도까지 신속하게 냉각하게 되며, 이러한 후판 또는 강판의 냉각공정이 매우 중요하게 인식되고 있다.

이러한 냉각 공정에서 노즐로부터 분사되는 냉각수 중 일부가 후판 또는 강판 등의 냉각대상 상에 잔류하여 체류수를 발생시키고, 이러한 체류수는 후행하여 분사되는 냉각수와 냉각대상과의 직접적인 접촉을 방해한다. 특히, 이러한 냉각수의 잔류 현상은 이웃하는 노즐 사이에서 노즐이 구비되지 않는 영역에 대응되는 위치 상에서 발생하여 주위의 노즐이 구비된 영역에 대응되는 영역으로 퍼져나간다.

따라서, 냉각수의 유동에 의한 모멘텀을 향상시켜 체류수의 발생을 억제하고 기발생한 체류수를 용이하게 제거하는 것이 후판 또는 강판 등의 냉각대상을 냉각시키는 공정에서 중요한 요소로 고려되고 있으며, 스월링이 형성된 냉각수를 분사시키는 경우가 하나의 대안으로 연구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 안정적으로 스월링을 형성하여 작동 유체를 분사할 수 있는 스월링 노즐을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 후판 또는 강판을 향하여 냉각수를 분사하는 스월링 노즐에 있어서, 냉각수가 유입되도록 중공부가 형성된 몸체부; 상기 몸체부의 길이보다 짧게 마련되어 상기 중공부에 삽입되며, 외면에 나선방향을 따라 블레이드가 형성된 스월링부;를 포함하며, 상기 중공부는 상기 스월링부가 삽입되는 삽입구간과 상기 스월링부가 삽입되지 않는 혼합구간으로 구획되어, 상기 냉각수는 상기 삽입구간에서 상기 블레이드에 의해 나선방향을 따라 유동하고, 상기 혼합구간에서 상기 냉각수에 작용하는 원심력이 지지되어 스월링을 형성하고, 상기 스월링부는 상기 중공부 내에서 위치가 고정되도록 상기 몸체부의 삽입구간 측의 단부에 상기 중공부의 내경보다 크게 마련된 고정부를 구비하며, 상기 혼합구간 내에서 상기 냉각수가 상기 중공부의 단면 형상을 유지한 채로 나선방향을 따라 유동하는 스월링을 형성하도록 상기 스월링부의 외경 및 상기 혼합구간의 길이는 하기의 수식에 따르는 것을 특징으로 하는 스월링 노즐에 의해 달성된다.

(Lmix: 혼합구간의 길이(mm), D: 스월링부의 외경(mm))

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본 발명에 따르면, 냉각수는 삽입구간 및 혼합구간을 순차적으로 통과하여 적절한 형상의 스월링을 형성하며 분사될 수 있다.

여기서, 고정부를 통해 스월링부의 위치를 고정시켜 냉각수가 유입시 스월링부가 중공부에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 블레이드의 외경 및 혼합구간의 길이를 조절함으로써 작동 유체의 스월 강도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스월링 노즐을 개략적으로 도시한 절개사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 스월링 노즐을 개략적으로 도시한 분해사시도이고,
도 3은 도 1에 따른 스월링 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 도 1에 따른 스월링 노즐을 활용한 냉각시스템을 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 5는 도 4에 따른 냉각시스템의 분사노즐부를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은 일반적인 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험 결과를 나타낸 사진이며,
도 7은 블레이드가 길이방향을 따라 형성된 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이며,
도 8은 블레이드가 나선방향을 따라 형성된 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이며,
도 9는 최대 스월 강도를 발생하도록 혼합구간을 조절한 스월링 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이며,
도 10은 최대 스월 강도 범위 외로 혼합구간을 조절한 스월링 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 스월링 노즐에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스월링 노즐을 개략적으로 도시한 절개사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 스월링 노즐을 개략적으로 도시한 분해사시도이고,도 3은 도 1에 따른 스월링 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스월링 노즐(100)은 냉각수를 스월을 형성하며 분사시키는 것으로 스월링부(110)와 몸체부(120)를 포함한다.

상기 스월링부(110)는 냉각수가 나선방향을 따라 유동하도록 냉각수를 통과시키는 것으로, 외면에 나선방향을 따라 블레이드(111)가 마련되어 후술할 몸체부(120)의 내면과 블레이드(111) 사이로 냉각수가 유동하도록 안내한다.

또한, 스월링부(110)에서 외부로 노출되는 단부에는 후술할 중공부(121)보다 크게 고정부(112)가 마련되어 스월링부(110)가 후술할 중공부(121)에 삽입된 상태를 유지하며 고정된다.

여기서, 스월링부(110)는 중공부(121)에 억지끼움되어 위치가 고정될 수 있으나, 유입되는 냉각수에 의해 스월링부(110)가 중공부(121)로부터 이탈될 수 있어 고정부(112)를 별도로 마련하여 고정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예(100)에 따르면 스월링부(110)는 원통형으로 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 블레이드(111)는 스월링부(110)의 외면을 따라 나선 방향을 따라 형성된 것으로 스월링부(110)의 길이방향 상에 이웃하는 블레이드(111) 사이로 냉각수가 유동하도록 안내한다.

즉, 블레이드(111)가 나선방향을 따라 형성됨으로써, 스월링부(110)를 유동하는 냉각수도 나선방향을 따라 유동하여 스월이 형성될 수 있도록 유동방향을 조절하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 블레이드(111)는 4개로 마련되며, 서로 이웃하는 블레이드(111)는 중심축(105)을 기준으로 서로 90˚의 각도를 형성하도록 배치되나 이에 제한되는 것은 아니다.

여기서, 블레이드의 개수 또는 스월각은 사용자가 의도하는 스월 강도에 따라 달리 설정될 수 있다.

상기 몸체부(120)는 본 발명의 일실시예에 따른 스월링 노즐(100)의 메인 프레임 역할을 하는 것으로, 냉각수가 유입되고 유출되는 통로인 중공부(121)가 중심축(105)을 따라 관통하도록 형성된다.

상기 중공부(121)는 스월링부(110)가 삽입되는 삽입구간(122)과 삽입구간(122)을 통과한 냉각수가 스월링을 형성하도록 혼합되는 혼합구간(123)을 포함한다.

종래에는 노즐 몸체의 내벽면에 스월링 패턴을 형성하여 냉각수의 스월링 형성을 유도하였으나, 스월링 형상이 나타나지 않았다. 이는 냉각수가 스월링 패턴을 따라 유동한 후에 바로 외부로 분사됨으로 인한 것이며 사용자가 의도하는 스월링 형상을 형성하기 위해서는 냉각수의 유동방향을 조절하는 삽입구간 뿐만 아니라 냉각수가 유동방향을 따라 유동한 후에 일정범위 내에서 혼합되는 구간이 필요함을 실험에 의해 확인되었으며 이러한 실험결과는 후술한다.

즉, 스월링부(110)가 삽입되어 냉각수의 유동방향을 조절하는 삽입구간(122) 뿐만 아니라 냉각수가 혼합되는 혼합구간(123)이 존재해야 사용자가 의도하는 스월링 형상이 나타난다.

한편, 스월링을 형성하기 위하여 스월링 강도를 최대로 하는 혼합구간(123)의 길이는 실험결과에 따라 하기 수식으로 표현된다.

여기서 L_mix 는 혼합구간(123)의 길이를 의미하며, D는 스월링부(110)의 외경이 길이를 의미한다. 즉, 혼합구간(123)의 길이는 스월링부(110)의 외경에 2배 내지 5배 사이에 포함되어야 적절한 스월링이 형성될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

한편, 스월링부(110)와 몸체부(120)의 결합관계를 다시 설명하면, 스월링부(110) 외경에 비례하여 스월링부(110)의 길이를 결정하며, 스월링부(110)의 길이가 삽입구간(122)의 길이가 된다.

즉, 중공부(121)에서 스월링부(110)가 삽입되고 나머지 빈 공간이 혼합구간(123)으로 작용한다.

본 발명의 일실시예에 따른 스월링 노즐(100)의 활용예를 설명하면, 후판 또는 강판용 냉각 시스템에서 후판을 향해 냉각수를 분사하는 냉각시스템(200)에 이용되는 분사노즐부(210)로 사용될 수 있다.

도 4는 도 1에 따른 스월링 노즐을 활용한 냉각시스템을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4에 따른 냉각시스템의 분사노즐부를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 4 또는 도 5를 참조하면, 분사노즐부(210)는 냉각 대상이 되는 물체의 상측에 배치되어 냉각수를 분사하는 것으로 케이싱(220)과 스월링 노즐(100)를 포함한다.

상기 케이싱(220)은 내부에 냉각수를 수용할 수 있는 공간을 형성하는 박스형태의 부재로서, 냉각 대상의 폭방향을 따라서 길게 형성된다.

한편, 케이싱(220)의 하면에는 복수개의 스월링 노즐(100)이 마련되며, 스월링 노즐(100)의 단면은 원형으로 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 스월링 노즐(100)은 케이싱(220)의 내측으로 함몰되게 형성되어 케이싱(220) 외면으로부터 냉각수가 분사되도록 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 케이싱(210)의 외측으로 돌출되게 형성될 수 있다.

한편, 복수개의 스월링 노즐(100)의 배치구조를 설명하면, 복수개의 스월링 노즐(100)은 케이싱(220)의 길이방향을 따라 상호 이격되도록 형성되며, 케이싱(220)의 폭방향을 따라 상호 이격되도록 형성된다. 즉, 케이싱(220)의 외면에 복수개의 스월링 노즐(100)이 사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형을 형성하도록 배치된다.

또한, 스월링 노즐(100)의 삽입구간(122) 측으로는 케이싱(220)에서 냉각수를 수용하는 부분과 연결되어 냉각수를 공급받으며, 혼합구간(123) 측으로는 냉각수를 분사한다.

지금부터는 상술한 스월링 노즐의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.

먼저, 스월링부(110)의 유무, 블레이드(111)의 스월각, 혼합구간(123)의 유무를 기준으로 일반적인 노즐, 블레이드(111)가 스월링부(110)의 길이방향을 따라 형성된 경우의 노즐, 혼합구간(123)이 없는 경우의 스월링 노즐, 혼합구간(123)을 50mm 형성한 경우의 스월링 노즐, 혼합구간(123)을 20mm 형성한 경우의 스월링 노즐의 스월링 형상을 비교 시험하여 혼합구간(123)이 스월링 형성에 미치는 영향에 대해 설명한다.

도 6은 일반적인 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험 결과를 나타낸 사진이며, 도 7은 블레이드가 길이방향을 따라 형성된 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이며, 도 8은 블레이드가 나선방향을 따라 형성된 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이며, 도 9는 최대 스월 강도를 발생하도록 혼합구간을 조절한 스월링 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이며, 도 10은 최대 스월 강도 범위 외로 혼합구간을 조절한 스월링 노즐을 통과한 냉각수의 유동 형상의 시험결과를 나타낸 사진이다.

여기서, 몸체부(120)는 길이가 100mm로 마련되고, 블레이드(111)의 개수는 4개로 마련되며, 스월링부(110)의 외경은 16mm로 마련된 상태로 시험하나 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 도 6 내지 도 10을 참조하여, 실험 조건을 달리한 경우에 스월링 형상이 형성되는지 여부에 대하여 살펴본다.

도 6을 참조하면 일반적인 노즐의 경우, 냉각수는 유동로의 내경의 단면적 형상과 유사한 형상으로 분사된다. 즉, 스월링이 형성되지 않는다.

도 7을 참조하면 블레이드(111)가 스월링부(110)의 길이방향을 따라 형성된 노즐의 경우, 냉각수는 4갈래의 방향으로 분산되어 분사된다. 즉, 스월링이 형성되지 않는다.

도 8을 참조하면 스월링 패턴이 형성되나 혼합구간(123)이 형성되지 않은 노즐의 경우, 스월링은 형성되지 않으며, 상술한 블레이드(111)가 스월링부(110)의 길이방향을 따라 형성된 노즐과 유사한 형상으로 냉각수가 분사된다. 즉, 노즐의 내벽면에 스월링 패턴이 형성된 것만으로는 안정적으로 스월링이 형성되지 않는다는 것을 알 수 있다.

도 9를 참조하면 혼합구간(123)이 50mm 형성된 경우, 즉 L_mix / D 가 3.13 정도 되는 경우를 살펴 보면, 냉각수가 스월링을 형성하며 분사되는 것을 확인할 수 있다.

도 10을 참조하면 혼합구간(123)이 20mm 형성된 경우, 즉 L_mix / D 가 1.25 정도 되는 경우를 살펴 보면, 냉각수가 스월링을 형성하나 스월 강도가 약하여 일반적인 노즐의 경우와 혼합구간(123)이 50mm 형성된 경우의 사이에 해당하는 스월링을 형성하며 분사되는 것을 확인할 수 있다.

즉, 시험에 따르면 스월링 노즐(110)에 의해 분사되는 냉각수가 스월링을 형성하기 위해서는 스월링 패턴, 즉 삽입구간(122) 뿐만 아니라 혼합구간(123)도 필요하며, 혼합구간(123)의 길이도 중요한 요소라는 것을 알 수 있다.

그 외 추가적인 시험을 통해, 적절한 형태의 스월링이 형성되기 위한 최적의 상태는 혼합구간(123)의 길이가 몸체부(120)의 외경의 2배 내지 5배 사이에 포함되는 것으로 나타났다. 물론, 이 외의 범위 내에서도 스월링이 발생하므로 여기에 제한되는 것은 아니다.

즉, 이러한 시험 결과는 스월링이 형성되기 위해서는 삽입구간(122)을 통해 냉각수의 유동방향을 설정해주고, 혼합구간(123)을 통해 냉각수가 스월링을 완성하게 된다는 것을 알려준다.

다시 설명하면, 삽입구간(122)에서는 냉각수가 블레이드(111) 사이로 분리되어 나선방향을 따라 회전하면서 복수개로 분리된 나선방향의 유동방향을 갖게 되고, 혼합구간(123)이라는 밀폐된 공간, 즉 중공부(121)의 내벽면을 따라 유동하면서 냉각수가 원심력에 의해 외측으로 퍼져나가려는 힘을 중공부(121)의 내벽면이 지지하여 결국 냉각수는 중공부(121) 단면의 형상을 유지한 채로 나선방향을 따라 유동하는 스월링을 완성하게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 스월링 노즐(100)의 활용예로 설명한 냉각시스템(200)의 작동은 상술한 스월링 노즐(100)의 작동 방법과 크게 다르지 않다.

즉, 이러한 냉각시스템(200)에서 분사노즐부(210)를 통해 형성된 스월링은 냉각 대상의 외면에 도달하여 냉각을 수행하는 동시에, 회전유동을 통하여 냉각수가 냉각 대상의 외면에 체류하는 현상을 방지함과 동시에 냉각수의 회전유동으로 인한 모멘텀 증가에 의하여 기존에 체류하고 있던 냉각수가 냉각 대상으로부터 제거되도록 한다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

1: 종래의 스월링 노즐 10: 몸체부
100: 스월링 노즐 110: 스월링부
120: 몸체부 200: 냉각시스템
210: 분사노즐부 220: 케이싱

Claims (3)

1. 후판 또는 강판을 향하여 냉각수를 분사하는 스월링 노즐에 있어서,
   냉각수가 유입되도록 중공부가 형성된 몸체부;
   상기 몸체부의 길이보다 짧게 마련되어 상기 중공부에 삽입되며, 외면에 나선방향을 따라 블레이드가 형성된 스월링부;를 포함하며,
   상기 중공부는 상기 스월링부가 삽입되는 삽입구간과 상기 스월링부가 삽입되지 않는 혼합구간으로 구획되어, 상기 냉각수는 상기 삽입구간에서 상기 블레이드에 의해 나선방향을 따라 유동하고, 상기 혼합구간에서 상기 냉각수에 작용하는 원심력이 지지되어 스월링을 형성하고,
   상기 스월링부는 상기 중공부 내에서 위치가 고정되도록 상기 몸체부의 삽입구간 측의 단부에 상기 중공부의 내경보다 크게 마련된 고정부를 구비하며,
   상기 혼합구간 내에서 상기 냉각수가 상기 중공부의 단면 형상을 유지한 채로 나선방향을 따라 유동하는 스월링을 형성하도록 상기 스월링부의 외경 및 상기 혼합구간의 길이는 하기의 수식에 따르는 것을 특징으로 하는 스월링 노즐.
   

   

   
   (Lmix: 혼합구간의 길이(mm), D: 스월링부의 외경(mm))
   
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