KR101489052B1 - 레이저를 이용한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법 및 그 재생품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조용 주형의 보수방법 및 재생 주형품에 관한 것으로서, 주형 표면에 발생된 균열이나 긁힘 또는 변형부위를 부분적으로 제거하여 보수하거나 또는 두께가 얇아진 주형 표면의 전체를 보다 두텁게 육성적층하기 위해서, 얇아진 주형의 표면 전체 또는 주형표면상에 발생된 균열이나 긁힘 또는 변형부위를 절삭이나 연삭의 공정을 통하여 완전히 제거하여 평탄화하는 단계; 평탄화된 부위에 레이저 광을 이용하여 면적이 넓은 부위에 대해서는 적어도 2구역 이상으로 분할하여서 동이나 동합금 또는 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금의 분말이나 선재를 용융시켜서 제거하기 전의 주형의 표면보다 더 두텁게 육성적층하는 단계; 및, 두텁게 적층된 부위를 포함하여서 절삭이나 연삭의 공정을 재도입하여서 주형의 표면전체를 평활하게 마무리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 으로 하고, 이와 같은 보수방법에 의해서 가공된 슬래브용 연속주조용 재생 주형품을 제공한다.

Description

레이저를 이용한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법 및 그 재생품{Repairing methods for slab of the continuous casting machine mold by using of the Laser and its productions}

본 발명은 연속주조용 주형(몰드라고도 함. 이하 주형)에 대한 보수방법 및 그 재생품에 관한 것이다. 보다 상세하게는 동이나 동합금으로 구성되는 연속주조용 주형에 있어서, 고온의 용강과 직접 접촉하게 되면서 주형 표면에서 발생하게 되는 균열(크랙)이나 긁힘(스크래치) 또는 변형 등과 같이 물리적으로 손상된 부분만을 대상으로 하여서 선택적인 보수를 하여 재사용하거나, 또는 반복되는 보수가공(전 표면)에 의해서 주형 전체의 두께가 미리 정해진 소정치 이하로 얇아지게 되어 폐기처분하게 된 주형을 대상으로 하여서 그 표면 전체 두께를 두껍게 육성적층(肉盛積層)하는 전면적인 보수를 하여 재사용하기 위해서, 이들을 보수하는데 레이저 광을 도입하는 연속주조용 주형에 대한 보수방법 및 이들 보수방법을 적용하여 얻게 되는 재생 주형품에 관한 것이다.

연속주조 공정은 용강을 냉각하여 슬래브(slab), 시트 바(sheet bar), 블룸(bloom) 또는 빌릿(billet) 등의 반제품을 생산하는 공정으로서, 공정의 개략적인 구성을 나타내면 도 3과 같다.

저류조(110)는 레이들(100, ladle)로부터 용강(M)을 공급받고, 용강(M)은 중력에 의해서 그 하방에 설치된 4개의 판(대항하는 2개의 장편부와 이들 장편부 양단에 구성되는 역시 대항하는 구조로서의 2개의 단편부. 도 1은 장편부의 일예를 나타냄)으로 구성된 관상 주형(120)으로 유입되어서, 주형(120)의 배면에 설치된 냉각수단(125)에 의해 냉각/응고되면서 일정한 크기의 형상 슬래브로서 완성된다. 이 후 슬래브는 주형(120)의 유출구 아래에 구성된 다수의 압연롤러(160)와 디스케일러(130), 각인, 절단(140) 등의 공정을 거치면서 소정의 두께를 갖는 제품(S)으로서 완성하게 된다.

이와 같은 공정상에서 주형의 표면(예, 도 1의1)은 1,600℃ 전후의 고온인 용강(M)과 직접 접촉을 하게 되면서 그 배면에 설치된 냉각수단(125, 6,8)에 의해 냉각도 이루어지고 있기 때문에, 열적 또는 물리적 충격이 대단히 크다. 때문에, 표면(1)에는 균열(예, 5)이나 긁힘(예, 3) 또는 변형 등이 발생하기가 쉽고, 이러한 요인은 제품의 불량화를 야기하기도 하고 주형의 수명을 단축시키기도 한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해서, 일반적으로는 동이나 동합금의 주형 표면에 내마모성과 내식성 등을 향상시키기 위한 방법의 하나로서 니켈도금 니켈합금도금 크롬도금 코발트합금도금 등을 필요에 따라 실시하고 있다. 그러나 도금처리로서는 이와 같은 결함을 원천적으로 봉쇄할 수가 없기 때문에, 종래는 이와 같은 결함이 발생할 때마다 또는 주기적으로 주형 표면의 전면에 걸쳐서 연삭과 절삭 등의 공정을 도입하여 결함부의 최고 깊이를 기준으로 하여서 그 자국을 완전히 없애고, 필요에 따라서 다시 적절한 도금을 하고 있는 실정이다. 때문에, 주형을 보수할 때마다 그 전체적인 두께는 점점 더 얇아지게 되고, 결국에는 설정한 기준치 이하의 두께가 되면 주형 전체를 폐기처분하지 않을 수가 없게 된다. 그렇다고 마냥 예를 들면 니켈도금 층의 두께를 올려서 보상할 수만도 없는 실정이다. 니켈(90W/mK, 20℃)은 동(380W/mK, 20℃)에 비해서 열전도율이 대단히 낮기 때문에, 주형 냉각의 관점에서는 니켈도금이나 니켈합금도금 층의 한도도 업계에서는 일반적으로는 4mm 전후 까지만 허용하고 있는 실정이다. 주형의 수명을 연장하는 데에도 한도가 따르게 되고, 폐기 시에는 경제적 손실이 대단히 크다고 하지 않을 수가 없다.

한편, 이와 같은 전통적인 주형의 전면 보수법에 대해서, 최근에는 전술한 결함 등에 대해서 국부적으로 보수하는 방법에 대한 기술 등도 개시되고 있다.

등록특허10-0815998호는 '연속주조 몰드의 보수 방법'에 관한 것으로서, 국부적으로 마모부위를 연마한 후에 동 분말이나 니켈 분말을 단독으로 사용하거나 이들 분말에 탄화규소(SiC)나 알루미나(Al₂O₃)등을 첨가하여서 200℃ 정도로 예열시킨 후에 소정의 가스와 함께 분사노즐을 통하여 연속주조 몰드에 분사를 하여 코팅처리를 하고 있다.

그리고 일본 특개평10-305351호는 '연속주조용 주형의 보수방법'에 관한 것으로서, 동 또는 동합금으로 되는 연속주조용 주형을 연삭해서, 적어도 주형의 긁힌 자국이나 변형부를 제거하는 공정과, 연삭 제거한 부위에 동 또는 동합금으로 전기도금을 하여서 도금층을 형성하는 공정과, 전기 도금층을 형성한 부위에 대해서 마무리 가공하는 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 일본 특개평11-156490호는 '연속주조에 이용하는 주형편의 보수방법'에 관한 것으로서, 주형편에 니켈도금과 크롬도금을 순차 실시하여 사용함에 있어서 니켈 도금층과 크롬 도금층 사이에 부식이 발생하였을 때 이를 보수하기 위한 보수방법을 제공하고 있다.

그리고 일본 특개2004-306120호는 '연속주조용 주형, 그 제조방법 및 보수방법'에 관한 것으로서, 주형을 보수함에 있어서는 주형 표면 손상부를 모재와 동일한 분말을 사용하여서 환원성 분위기하에서 콜드 스프레이법에 의해 도포를 하고 400~500℃에서 1~5시간의 열처리가 이루어지고 있다.

한편, 연속주조용 주형에 관한 기술은 아니지만, 일본 특개2010-207884호(발명의 명칭: 금형보수방법)에서는 다이캐스트(다이스강) 금형에서 발생하고 있는 열균열에 대한 보수방법으로서, YAG 레이저를 도입하여서 미세한 범위(보수 사이즈: 수직폭 5mm정도, 깊이 5mm정도)를 보수하기 위해 CAD, CAM 시스템을 도입하는 육성 기술이 개시되고 있다. 하지만 본 출원인이 의도하는 레이저 광을 이용하여서 동이나 동합금으로 구성되는 연속주조용 주형에 대한 부분적 보수나 전면적인 보수에 대한 기술에 대해서는 아직은 그 어디에도 개시되지 않고 있다.

(특허문헌1)등록특허10-0815998호

(특허문헌2)일본 특개평10-305351호

(특허문헌3)일본 특개평11-156490호

(특허문헌4)일본 특개2004-306120호

(특허문헌5)일본 특개2010-207884호

종래 연속주조용 주형의 표면을 전면적으로 보수하거나 또는 상기 선행기술등과 같이 부분적으로 보수하는 방법을 종합적으로 분석을 하여서 기술별로 분류해 보면, 용사(분사, 스프레이라고도 함. 이하 용사라고 함. 특허문헌 1과 특허문헌 4)와 도금(특허문헌 2와 3) 및 용접 기술로 나눌 수가 있게 되고, 그 외에 새로운 기술로서 본 발명에 의해 제안되고 있는 육성적층(肉盛積層. 예, 특허문헌 5) 기술이 새로운 수단으로서 추가할 수가 있게 된다.

이들 기술 중에서 용사 피막은 비교적 간단한 방법이기는 하지만, 용사 중에 산화반응이 일어나기가 쉬워서 모재와의 치밀한 피막형성을 곤란하게 하고 모재와의 밀착성을 떨어뜨리기도 한다. 그리고 용사후에는 소정의 열처리도 필수적이다.

그리고 도금은, 모재 성분이 예를 들면 고경도 합금으로 구성될 때에는 그 와의 성분을 일치시키기가 어렵기도 하거니와 밀착력이 낮다. 특히 니켈도금 피막의 경우에는 결정입자 크기가 10~수백㎛ 정도로 조대하기도 하여서 피로강도가 한정되기도 하고, 경도가 Hv300 이상 시에는 균열이 쉽게 일어나는 특징도 있게 된다. 때문에 전통적으로는 용강과 접촉하는 동이나 동합금으로 구성되는 주형 표면에 최대 2mm 정도 이하의 두께로 니켈도금이나 니켈합금도금을 하여 보호하고는 있지만, 그 손상이 심할 경우에는 부분적 보수는 물론이거니와 전면적인 보수로서도 문제를 해결할 수도 없는 경우도 있게 된다.

한편, 플라즈마나 TIG 또는 MIG 용접을 하여서 부분적으로 주형의 보수를 가능케 하는 기술에서는, 모재에 대한 열영향부가 대단히 크게 나타나는 특징이 있다. 이는 모재에 대한 잔류응력을 최대화 하는 것으로서 균열의 발생요인으로 작용하기도 한다. 그리고 용접을 고경도 동합금에 적용 시에는 재질에 열화(경도저하)를 가져오기도 한다.

이와 같이 연속주조용 주형을 보수하여 재사용하기 위해서 많은 기술이 개시되고 있지만, 이들 기술 하나하나에는 일장일단이 있고 실용화에는 많은 문제점이 나타나고 있다. 더욱이 얇아져서 폐기처분하게 된 주형을 적층 보수하여서 재사용하고자 하는 기술에 대해서는 그 어디에도 찾아볼 수가 없다.

따라서 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 직시하여 주형의 반영구적인 사용을 보장하기 위한 일환으로서, 연속주조용 주형 표면에 대한 부분적 보수 내지는 전면적 보수를 실시함에 있어서, 레이저 광을 도입하는 보수방법과 그로부터 얻게 되는 재생 주형품을 제공하는 것을 기술적 과제로 하고 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은,

제1의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법은, 슬래브(slab)를연속 생산하기 위해서 동이나 동합금으로 구성되면서 그 표면은 도금과 용사 및 레이저 광의 어느 하나 이상을 도입하여서 강화된 연속주조용 주형(몰드)에 있어서, 용강과 직접 접촉하게 되는 주형의 표면상에 발생된 균열(크랙)부위나 긁힘(스크래치)부위 또는 변형부위와 같은 결함부위를 부분적으로 제거하여 보수하거나 또는 두께가 얇아진 주형의 표면 전체를 보수하기 위해서, 절삭이나 연삭 또는 이들의 혼합 공정을 도입하여서 두께가 얇아진 주형 표면의 전체를 평탄화하거나 또는 주형 표면상에 발생된 균열부위나 긁힘부위 또는 변형부위와 같은 결함부위를 완전히 제거하여서 그 부위만을 부분적으로 평탄화 기계 가공하는 주형 표면의 평탄화 단계; 평탄화된 부위를 대상으로 하여서, 레이저 광을 이용하여 분말이나 선재로 구성되는 동이나 동합금, 니켈이나 니켈합금 및 코발트합금 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 용융시켜가며 육성적층하는 단계; 및, 레이저 광에 의해서 육성적층된 부위를 포함하여서 절삭이나 연삭 또는 이들의 혼합 공정을 재도입하여서 주형의 표면전체를 평활하게 마무리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 제2의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법은, 제1의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법에 있어서, 레이저 광은 YAG 레이저 또는 탄산가스 레이저 또는 화이버 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하게 된다.

그리고 제3의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법은, 제1의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법에 있어서, 주형의 표면 전체를 육성적층함에 있어서는, 주형의 표면을 적어도 2구역 이상으로 분할하여서 분할된 구역에 레이저 광을 번갈아 조사하면서 적층하는 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 제4의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법은, 제1의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법에 있어서, 레이저 광을 이용하여 주형을 보수하고자 하는 주형 표면의 일부 내지 전면에 적외선 흡수제를 도포한 후에 레이저 광을 조사하여 육성적층하는 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 제5의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법은, 제1의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법에 있어서, 동이나 동합금 또는 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금의 분말이나 선재에 적외선 흡수제를 첨가하는 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 제6의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법은, 제4의 발명 또는 제5의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법에 있어서, 적외선 흡수제로서는 흑연, BN, SiC 중의 어느 하나를 단독으로 사용하거나 또는 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.

그리고 제7의 발명에 의한 슬래브용 연속주조용 재생 주형품은, 제1의 발명 내지 제5의 발명 중 어느 하나의 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법에 의해서 가공된 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에서는, 연속주조 공정에서 사용되는 동이나 동합금으로 구성된 주형에 있어서 그 표면을 부분적으로 보수하거나 또는 전면적으로 보수할 때에, 레이저 광을 이용하는 보수 방법과 그 재생 주형품을 제공하고 있다.

레이저 광을 이용한 이와 같은 주형 보수는, 모재의 열영향부(입열부)를 극소화할 수가 있어서 잔류응력을 최소화하여 균열발생을 저감시키고, 레이저 광에 의한 용융→응고→냉각 공정을 초 단시간에 완료하기 때문에 모재의 수축응력에 대한 변형을 최소화하고 ?칭효과(경도향상 등)에 의한 내구성 향상도 기대할 수가 있게 된다.

레이저 광을 이용함으로써 얻게 되는 이러한 특징은, 주형을 필요할 때마다 보수를 가능케 하고, 아울러 종래는 폐기처분하여야만 했던 주형의 전면 육성적층에도 이용할 수가 있게 되어서, 주형의 반영구적인 사용을 보장할 수도 있게 된다.

따라서 레이저 광을 이용한 주형보수는 자원절약은 물론 제조비용을 절감하여서 제품의 대외 경쟁력에 우월성을 유지할 수가 있게 하는 요인으로고 작용하기 때문에, 그 기대하는 바는 크다고 할 수 있다.

도 1은 연속주조공정에서 사용되고 있는 주형 구성요소 중의 하나로서, 장편부의 일예를 나타내는 경사도이다.
도 2는 두께가 얇아서 사용한계에 다다른 장편부 표면에 레이저 광을 이용하여서 금속을 전면에 걸쳐서 육성적층하는 방법을 나타내고 있는 경사도로서, 장편부를 3구역으로 분류하여 레이저 광을 각 구역별로 순차 조사하는 실시 일예를 나타내고 있다.
도 3은 연속주조공정의 개략적 공정도이다.

이하, 첨부된 도 1과 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다.

도 1은 연속주조공정에서 사용되고 있는 주형 구성요소의 하나로서, 장편부의 일예를 나타내고 있다.

도 3에 나타내고 있는 것과 같이 연속주조공정에서 일반적으로 사용하고 있는 주형(120)은, 도 1에 나타낸 장편부 2개가 서로 대항하는 구조로서 그 양단에 또 다른 대항 구조의 단편부(도시 생략) 2개와 결합되어서 용강 주입부가 관상으로 하는 형태로서 사용하게 된다.

종래 이와 같은 주형에 있어서의 주형 수명의 판단은, 도 1과 도 2의 장편부에서 나타내고 있는 것과 같이, 예를 들면 그 두께가 T+t+h(h는 냉각수로 부)이던 것이 반복되는 보수가공에 의해서 T부분이 소멸되어서 주형유지 최소 두께 하한치로서 설정한 t+h에 이르게 되었을 때를 일반적으로 정의하고 있고, 이 때가 되면 주형은 폐기처분하게 된다.

도 2에서는, 종래 주형 수명이 다된, 즉 보수가 가능한 두께 T가 소멸되어서 폐기처분해야만 했던 장편부에 대해서, 본 발명의 레이저 광을 이용하여 주형 모재와 동일한 금속으로 전면 육성적층하기 위해서, 장편부를 3구역으로 균등하게 분류하여 레이저 광을 각 구역별로 순차 조사하는 일예를 나타내는 모식도를 나타내고 있다.

본 발명에서는, 1600℃ 전후로 공급되는 용강을 냉각하며 슬래브를 연속 생산하는 연속주조용 주형에 있어서, 고온의 용강과 직접 접촉하게 되면서 주형 표면에 나타나게 되는 균열부위(크랙. 5)나 긁힘부위(스크래치. 3) 또는 변형부위(특히, 예를 들면 장편부에 의해 양 측면이 구속된 단편부의 매니스커스(meniscus) 부위에 발생하는 것으로서 열응력에 의한 소성변형. 도시 생략) 등이 발생할 때에 이들만을 대상으로 하여서 보수하는 부분적 보수방법과, 도 2에 나타내는 것과 같이, 주형 두께가 사용한계 두께(t+h)에 이르게 되어서 종래는 폐기처분해야만 했던 주형표면의 전면에 대해서 육성적층하는 전면적 보수방법, 및 이들 보수방법으로부터 얻게 되는 부분보수 재생 주형품과 전면보수 재생 주형품을 제공하게 된다.

(1) 주형표면의 부분적 보수방법.

주형표면의 부분적 보수는 도 1에 나타내는 것과 같이, 먼저 동이나 동합금으로 구성되는 주형에 있어서, 그 표면(도금이나 용사 등이 적용된 면을 포함)에 균열부위(5)나 긁힘부위(3) 등이 있으면 이(들)을 완전히 제거할 부위의 최소 범위(4, 2)를 정한다. 그리고 절삭이나 연삭 또는 이들의 혼합공정을 적절히 도입하여서, 이(들) 결함부위의 폭이나 깊이 등이 완전히 제거되도록 하기 위해서, 결함의 크기보다는 어느 정도 그 범위를 확대해서 기계가공을 한다. 이 때 주형에 대한 가공 깊이가 예를 들어서 수mm 이상으로 깊을 때에는 레이저 광에 의해 육성적층을 용이하게 하기 위해서, 모재 측의 가공의 폭보다는 표면 측의 가공의 폭을 넓게 하여서 그 가공단면의 형상을 역삼각형이 되도록 하는 것이 보다 바람직한 방법이라고 할 수 있다. 물론 절삭이나 연삭을 한 가공 면은 레이저와의 적층 간격이나 높이를 일정히 유지해 주기 위해서라도 가능하면 평탄한 면으로서 그 거칠기를 최소화한 경면가공이 보다 더 바람직한 방법이 된다.

다음에, 기계가공을 하여서 평탄화한 동이나 동합금으로 구성된 주형의 모재 부위에는 YAG 레이저나 탄산가스 레이저 또는 화이버 레이저를 사용하여서, 열전도율의 편차를 줄이기 위해서라도 가능하면 주형 모재의 재질과 동일한 동이나 동합금(예를 들면, 종래부터 주형재로 사용해 오고 있는 은 동, 터프피치 동(Tough pitch Copper: CuB, AgCuB), 크롬 동, 크롬 지르코늄 동, 니켈 베릴륨 동 등, 및 필요에 따라서 제조상 불가분의 불순물을 제외하여 알루미늄, 텅스텐, 코발트 등을 1개 이상 첨가한 동합금 등)으로 이루어진 분말이나 선재를 용융시켜가면서 전면에 육성적층하고, 이것이 1회로서 기계가공하기 전의 주형 모재의 두께에 이르지 않을 때에는 이르게 될 때까지 육성적층을 반복한다.

물론 동이나 동합금으로 구성된 주형모재상에 결함이 없을 때에는 이와 같은 동이나 동합금을 이용한 육성적층 공정은 생략할 수도 있게 된다.

이와 같이 동이나 동합금으로 육성적층한 부분적 보수 부분에 대해서, 그 주위의 표면에 내식성과 내마노성 내열성 등을 더 부여하기 위해서 예를 들면 니켈도금이나 니켈합금도금 또는 코발트합금도금 등과 같은 도금 층이 더 구성되어 있거나 또는 본 발명과 동일한 방법에 의해서 레이저 광을 이용하여 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금 등이 더 육성적층되어 있다면, 이곳에도 그 주위와 적어도 동일한 기계적 또는 물리적 특성을 발휘하기 위해서라도 레이저 광을 이용하여 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금 등을 더 육성적층하는 2단 육성적층법을 도입하는 것이 보다 바람직한 방법이라고 할 수 있다. 따라서 이와 같은 2단 육성적층은, 추후 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금 등으로 육성적층하고자 하는 소정의 두께를 남기고서 먼저 동이나 동합금의 분말이나 선재를 레이저 광에 의해서 주형 모재에 1차 육성적층을 하고, 이어서 여기에 다시 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금의 분말이나 선재를 레이저 광에 의해 용융시켜가면서 2차 육성적층을 완성하게 된다. 물론 이때도 1회의 육성적층으로서 그 주위보다 육성적층한 두께가 부족할 때에는 육성적층하지 아니한 면보다 어느 정도 돌출이 되도록 반복해서 육성적층을 하는 것이, 하기에 기술되는 마지막 마무리 공정상에서도 가공부위를 최소화할 수가 있어서 좋다고 할 수 있다.

이와 같이 레이저 광을 이용하여서 주형표면의 일부 또는 전면을 육성적층함에 있어서는, 사용하는 레이저의 출력, 레이저 광 빔의 사이즈, 모재의 재질, 레이저의 이송 속도, 금속 분말이나 선재의 공급량 등에 의존하기 때문에, 그때그때마다 최적의 조건을 실험적/경험적으로 도출하여 적용하는 것이 좋은 방법이라고 할 수 있겠다. 그리고 여기서 사용하는 분말이나 선재의 사이즈는 사용 레이저의 빔 스폿 등에 따라 상이 하겠지만, 그 최대 사이즈는 개략 도입 레이저 스폿경의 1/3 내지 2/3정도의 크기를 갖는다면 무난하다고 할 수 있다.

다음에, 레이저 광을 이용하여서 이와 같이 육성적층한 부분적 보수부분이나 부분적 보수부분을 포함하여 주형표면의 전면에 걸쳐서, 절삭이나 연삭의 공정을 재도입하여 주형으로서 문제없이 사용할 수 있도록 평활하게 마무리 가공을 하여 완성한다.

한편, 파장이 1㎛ 전후가 되는 YAG 레이저나 화이버 레이저는 물론이고, 10㎛ 전후의 탄산가스 레이저는 적외선의 파장을 이용하다 보니, 예를 들면 동에 대한 흡수율이 약 10% 정도 이하로 대단히 저조하다. 때문에 레이저 광의 흡수율을 높여주기 위해서, 적어도 보수하고자 하는 주형 표면의 스타트 지점(25) 내지 전면(24)에 적외선 흡수제를 먼저 가볍게 도포한 후에 레이저 광을 조사하거나, 또는 적외선 흡수제가 포함된 동이나 동합금 또는 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금의 분말이나 선재를 사용하면 레이저를 더욱 효과적으로 운용할 수가 있게 된다.

적외선 흡수제로서는 흑연이나 BN 또는 SiC 중의 어느 하나 이상을 단독으로 사용할 수가 있고 또는 혼합하여 사용하여도 좋다. 이들 흑연이나 BN 또는 SiC는 적외선의 흡수율을 높여주는 역할 이외에도 예를 들면 질화물이나 탄화물을 형성하기도 하여서 주형의 내마모성과 내수명 향상에 도움을 줄 수도 있게 된다. 적외선 흡수제의 함량은 금속의 분말 중량대비 개략 5wt% 이하의 범위 내에서 사용하면 좋고, 도포하여 사용하고자할 때에는 유기용제(예, 알콜 등)에 희석하여도 좋다. 알콜과 같은 유기용제 등은 레이저 광을 조사함으로써 용이하게 증발/소멸시킬 수가 있게 된다.

(2) 주형표면의 전면적 보수방법.

예를 들면 도 1에서 나타내고 있는 (T+t+h)의 두께를 갖는 주형의 장편부에 있어서, 보수를 반복하다 보면 미리 설정된 주형유지 최소 두께 하한치(t+h)에 이르게 된다. 도 2에서는 이와 같이 설정한 가용 두께 하한치t+h에 이르게 된 주형의 장편부에 대해서, 레이저 광을 이용하여 전면 보수하는 일예를 모식적으로 나타내었다.

먼저 거칠어진 주형의 장편부 표면의 전면에 대해서, 절삭이나 연삭 등의 공정을 도입하여 평탄하면서도 매끄러운 표면이 되게 가공을 한다. 물론 표면의 거칠기를 가능하면 최소화하는 것이 바람직한 방법이라고 할 수 있다.

그리고 주형표면의 전면에 걸친 보수는 그 면적이 대단히 넓다. 때문에 대면적을 효율적으로 보수하기 위해서는 고출력의 레이저를 도입하는 것이 바람직한 방법이 되고, 이 때는 레이저 빔 사이즈(스폿 경)도 mm 단위에 이르게 된다. 따라서 이와 같이 고출력 고에너지 대형 빔의 레이저를 사용하여서 금속을 육성적층함에 있어서는, 어느 한곳에 만 집중적으로 조사하게 되면 레이저 광에 의한 입열→용융→응고→냉각 과정에서의 변형과 축열을 경시할 수도 없게 된다.

본 발명에서는 이와 같은 점에 유의하여서, 고출력 고에너지 대형 스폿 빔의 레이저를 사용하여서 금속을 육성적층함에 있어서, 보수할 면적이 예를 들어서 1d㎡ 이상 정도로 넓다고 하면 레이저 광에 의한 잔류응력 및 축열을 최소화하기 위해서, 금속을 육성적층할 보수 부분을 2개 이상의 구역으로 분할하여서 분할된 구역에 레이저 광을 번갈아 조사하는 방법을 제시하고 있다.

도 2에서는 동이나 동합금의 장편부의 폭(W)에 대해서 3개의 구역, 즉 S1, S2, S3으로 나누고, S1구역에서 ①의 방향으로 동이나 동합금의 분말이나 선재(22)를 레이저 광(21)에 의해 예를 들어서 1 라인을 육성적층(26)을 하면, 그 다음에는 S2구역에서 S1구역에서 ①과 동일한 방향인 ②의 방향으로 1 라인을 육성적층(27)하고, 마지막에는 S3구역에서 ①②와 동일한 방향인 ③의 방향으로 1 라인을 육성적층(28)하는 일예를 보여주고 있다.

도 2에서는 1 구역당 1 라인의 육성적층의 일예를 보여주었으나, 본 발명에서 의도하는 바는 여기에 한정하는 것은 아니다. 경험이나 데이터상에 변형과 축열에 문제가 없다면 1 구역당 수회의 라인도 동시 육성적층할 수도 있음은 물론이라고 하겠다.

이와 같이 하여서 육성적층한 동이나 동합금의 두께는 최대 T까지도 가능하게 된다. 그리고 여기에 내식성과 내마모성을 부여하기 위해서 동이나 동합금으로 육성적층한 방법과 동일한 방식에 의해서 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금으로 또다시 육성적층도 가능하게 된다.

다음에, 레이저 광을 이용하여서 이와 같이 육성적층한 전면적 보수부분에 대해서, 절삭이나 연삭의 공정을 재도입하여 주형으로서 문제없이 사용할 수 있도록 평활하게 마무리 가공을 하여 완성한다.

본 발명은 레이저 광을 이용하여서 연속주조용 주형을 보수하여서 반 영구적으로 재사용할 수가 있게 되는 것으로서, 철강산업에 있어서 비용 절감에 획기적으로 기여하게 된다.

1 : (장편부)주형 표면 2 : 긁힘부위 제거 영역
3 : 긁힘부위 4 : 균열부위 제거 영역
5 : 균열부위 6 : (장편부)주형 배면 냉각부
7 : (장편부)주형 냉각통(워터 쟈켓)
8 : (장편부) 주형 냉각통 냉각부
9 : (장편부 간)클램프 설치용 관통구
20 : (장편부)주형 21 : 레이저
22 : 분말 또는 선재 23 : 레이저 스캔 방향
24. 25 : 적외선 흡수제 26. 27. 28 : 육성적층부분
100 : 레이들(ladle) 110 : 저류조(턴딧슈)
120 : 주형(몰드) 125 : 냉각수단
130 : 디스케일러 140 : 절단기
150 : 슬래브 160 : 압연 롤러
h : (장편부)주형 배면 냉각수로 구성부
t : (장편부)주형 유지 최소 두께
T : (장편부)수리 및 보수 가능 두께
M : 용강 S : 제품
S1, S2, S3 : 분할 구역 W : (장편부)주형 폭

Claims (7)

1. 슬래브(slab)를 연속 생산하기 위해서 동이나 동합금으로 구성되면서 그 표면은 도금과 용사 및 레이저 광의 어느 하나 이상을 도입하여서 강화된 연속주조용 주형(몰드)에 있어서,
   용강과 직접 접촉하게 되는 상기 주형의 표면상에 발생된 균열(크랙)부위나 긁힘(스크래치)부위 또는 변형부위와 같은 결함부위를 부분적으로 제거하여 보수하거나 또는 두께가 얇아진 상기 주형 표면의 전체를 보수하기 위해서,
   절삭이나 연삭 또는 이들의 혼합 공정을 도입하여서 상기 두께가 얇아진 주형 표면의 전체를 평탄화하거나 또는 상기 주형 표면상에 발생된 상기 균열부위나 긁힘부위 또는 변형부위와 같은 결함부위를 완전히 제거하여서 그 부위만을 부분적으로 평탄화 기계 가공하는 주형 표면의 평탄화 단계;
   상기 평탄화된 부위를 대상으로 하여서, 레이저 광을 이용하여 분말이나 선재로 구성되는 동(銅)이나 동합금, 니켈이나 니켈합금 및 코발트합금 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 용융시켜 가며 육성적층하는 단계; 및,
   상기 레이저 광에 의해서 육성적층된 부위를 포함하여서 절삭이나 연삭 또는 이들의 혼합 공정을 재도입하여서 상기 주형의 표면 전체를 평활하게 마무리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 광을 이용한 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법.
2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 레이저 광은 YAG 레이저 또는 탄산가스 레이저 또는 화이버 레이저를 사용하는 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법.
3. 청구항 제1항에 있어서, 상기 주형의 표면 전체를 육성적층함에 있어서는, 상기 주형의 표면을 적어도 2구역 이상으로 분할하여서 상기 분할된 구역에 레이저 광을 번갈아 조사하면서 육성적층하는 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법.
4. 청구항 제1항에 있어서, 상기 레이저 광을 이용하여 주형을 보수하고자 하는 주형 표면의 일부 내지 전면에는 적외선 흡수제를 먼저 도포한 후에 상기 레이저 광을 조사하여 육성적층하는 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법.
5. 청구항 제1항에 있어서, 상기 동이나 동합금 또는 니켈이나 니켈합금 또는 코발트합금의 분말이나 선재에는 적외선 흡수제가 첨가된 것을 사용하는 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법.
6. 청구항 제4항 또는 제5항에 기재된 연속주조용 주형의 보수방법에 있어서, 상기 적외선 흡수제는 흑연, BN, SiC 중의 어느 하나이거나 또는 어느 하나 이상을 혼합하여 사용하는 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법.
7. 청구항 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 슬래브용 연속주조용 주형의 보수방법에 의해서 가공된 슬래브용 연속주조용 재생 주형품.
   

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