KR101602437B1 - 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조괴중 발생되는 대기 노출시간을 줄여 재산화성 개재물의 발생을 방지하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치 및 방법을 개시한다. 또한 슬라이드 게이트를 통해 상기 용강 배출구의 개도를 조절이 이루어지고, 슬라이드 게이트에는 위치센서를 통해 개도 정도를 검출하여 표시부에 표시하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 방법이 제공되고, 또한 본 발명은 주입관의 내부에 가스 공급관을 설치하여 상기 주입관을 통해 상기 불활성 가스를 탕도연와 내부로 직접 주입하여 충전하고, 상기 불활성 가스의 주입을 완료하기 이전부터 상기 주입관의 상에서 용강의 주입이 시작되기 이전까지 래들의 용강 배출구와 상기 주입관 사이를 에어 커튼 밀폐부를 통해 밀폐하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치가 제공된다.

Description

잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치 및 방법{Apparatus and method for perfect sealing during bottom-uphill ingot casting}

본 발명은 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조괴중 발생되는 대기 노출시간을 줄여 재산화성 개재물의 발생을 방지하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 철강제품을 생산하는데 있어서, 그 기본이 되는 것은 압연이나 단조 등의 가공 공정에 앞서 용해, 정련된 용강을 일정한 형상의 응고체로 만들어내는 과정으로서, 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌렛(billet) 등과 더불어 잉곳(ingot)이 주요한 주조물의 형태들이다.

이 중, 잉곳은 통상적인 주조법인 연속주조방식이 아닌 조괴법으로 생산하는 경우가 대부분이다. 잉곳 조괴법은 크게 상주조괴법과 하주조괴법으로 나눌 수 있는데, 특히 하주조괴법은 잉곳 케이스의 하부로 용강이 주입되는 방식으로, 작은 크기의 잉곳 생산도 가능하며 표면 품질이 우수하고 생산속도가 빨라서 철강산업 분야에서 널리 쓰이고 있는 생산방식이다.

도 1은 종래의 하주조괴법에 따른 장치의 구성도로서, 래들(1)에 담겨져 있는 용강은 노즐(2)을 통하여 주입구(trumpet, 3)에 주입되고, 탕도(4)를 통하여 주형(mould)에 공급된다. 도 1과 같이 노즐(2)에서 주입구(3)까지 대기에 노출되어 있으므로 주입시에 대기 중의 산소와 용강 성분원소인 알루미늄이 반응하여 재산화생성물(비금속개재물)이 생성되며 생성된 비금속개재물의 응고 중 표면(hot top)으로 부상(浮上)하여 제거되지만, 일부분의 비금속개재물은 잉곳 본체(body)에 잔존하여 품질저하의 원인이 된다.

한편, 이렇게 생산된 하주조괴 잉곳은 다양한 용도로 쓰이고 있는데, 특히 크기가 크면서도 내부품질이 중요한 조선, 풍력을 비롯한 다양한 산업분야용 부품에 두루 적용된다. 또한 특히 부품의 평균 무고장시간(MTBF)이 중요 항목인 풍력용 기어박스 소재는 거대 개재물의 제어 정도가 제품의 품질을 좌우하는 척도이다.

이러한 거대 개재물에는 크게 슬래그, 내화물 등의 외래성 개재물과 재산화물, 탈산생성물 클러스터(Cluster) 등이 있는데, 이 중 하주조괴법에서 비교적 큰 발생빈도를 차지하는 생성원은 재산화물 클러스터이다.

특히 풍력 기어 박스용 부품같이 침탄용으로 쓰이는 강재는 장시간 고온의 열처리과정 하에서의 결정립 성장을 억제하기 위해, 0.025% 이상의 다량의 알루미늄이 첨가되게 되는데, 이러한 화학조성의 용강은 조괴 중 단시간의 대기노출로도 급격한 재산화가 이루어지며, 이렇게 생성된 알루미나 클러스터(Alumina Cluster; 주조 직전의 재산화물은 대부분 순수한 알루미나이다)는 잉곳 케이스 내로 유입 및 응고 과정을 통하여 잉곳주편 내에 분포함으로써 부품의 피로수명을 저하시키는 유해요소가 된다.

한편, 조괴 공정에서 대기노출에 가장 취약한 위치는, 래들 하부와 주입관 사이, 그리고 주입 초기시의 탕도연와 내부 및 표면 미려재가 탕면을 도포하기 전의 잉곳 케이스의 내부이다.

따라서 이런한 부분을 보완하기 위해, 대부분의 잉곳 제조에서는 주입관 상부에 아르곤 가스 링을 설치하여 수평 혹은 수직으로 아르곤을 분사하고, 또한 탕도연와 잉곳 케이스 내부에 아르곤을 충진한다.

이 중, 아르곤 가스 링은 주입관 사이에 위치되어 중심부를 향해 수평방향으로 아르곤 가스를 분사함으로써, 주입류 사이의 틈새를 에어 커튼처럼 밀폐하는 개념이다.

그러나 이러한 아르곤 가스 링을 통한 밀폐방식으로는 완벽한 밀폐성능을 확보할 수 없다. 즉 아르곤의 전체 분사 높이 상부 주입부분이 대기에 노출되는 문제점이 있으며, 또한 래들 하부에서 수직방향으로 분사하는 방식 또한 분사기류들 사이의 틈새가 생길 수밖에 없어, 충분한 밀폐성능을 확보하기 어렵다.

물론 주입 중에는 래들 높이를 하강하여 주입관 상면에 밀착시키기 때문에 밀폐주입이 가능하나 주입 초기와 말기에는 유격을 유지하기 어려워 시점에 따라 재산화 반응으로 인한 문제가 발생되었다.

구체적으로, 주입 초기 과정을 세부적으로 들여다보면 래들 하부와 주입관 상부를 밀착시킨 후에는 주입노즐을 개방하는게 불가능한데, 그 이유로는 주입노즐 상부에 용강의 융착을 막기 위해 충진해 놓은 래들 은사(Fille)를 초기 주입류를 통해 버려내야 하기 때문이다.

이러한 불순물이 주입관 - 탕도연와를 통해 잉곳 케이스 내로 유입되게 되면 잉곳 제품 내에 분포하게 되어 치명적인 거대 개재물이 된다. 따라서 래들을 주입관 위쪽으로 이동시키기 전에 노즐의 슬라이드 게이트(Slide Gate)를 개방하여 소량의 용강을 흘려보낸 후에 주입관 위쪽으로 이동하여 중심이동시킨 후 래들 높이를 하강하여 주입관에 밀착시켜야 하며 이때까지의 시간이 바로 대기에 주입류가 노출되는 취약 시점이다. 이러한 취약요소를 가능한 최소화시키기 위해서 일반적으로 아르곤 가스 링을 적용하고 있는 것이다.

한편, 주입 말기 과정에 대해 구체적으로 살펴보면, 일반적으로 잉곳은 몸체부와 핫탑(hot top)부로 구성되어 있는데 몸체부 주입시에는 래들의 슬라이드 게이트를 완전 오픈하여 주입을 실시하지만, 용강이 몸체부 상부까지 차오른 후, 주입 말기의 핫탑부 주입 중에는 슬라이드 게이트의 개공 정도를 조절하여 주입속도를 조절해야만 한다.

그 이유는 핫탑부의 주입속도가 너무 빠르면 잉곳의 내부 품질이 취약해지며 또한 정확한 핫탑부 높이를 조절하기가 어려워 핫탑부의 중량비가 설계상 기준에 미달되거나 용강이 케이스 위로 오버플로워(Overflow) 될 수 있기 때문이다.

이때, 래들 하부와 주입관 사이가 그대로 밀착된 채로 주입하게 되면 작업자가 주입류를 육안으로 식별할 수 없어 주입속도를 조절할 수가 없다. 이 때문에 잉곳 케이스 내의 용강이 몸체부의 상부 정도까지 차오르는 시점에서 작업자는 래들을 들어올려 주입관과 래들 하부 사이에 간격을 만든다.

그리고 노즐을 통해 내려오는 주입류를 관찰해가면서 원격조정(Remote-Control)으로 슬라이드 게이트의 개공 정도를 조절, 주입속도를 감속하게 된다.

이러한 핫탑부 주입은 약 7분에서 10분 정도 지속되고, 이 과정에서 용강은 대기에 노출되며, 대기 중의 산소와 반응하여 재산화물(알루미나 클러스터; Alumina Cluster)을 형성하게 된다.

물론 보통의 일반적인 강 종류는 재산화의 정도가 크지 않으며, 주입 말기의 용강은 탕도연와 내부에서 응고되는 비중이 많으므로 제품화되는 양이 크지 않을 수도 있으나, 잉곳 케이스 내부에서 탕면부 슬래그 층으로의 부상분리 가능성이 주입 초기 용강에 비해 높지 않으므로 품질상 가장 취약한 부분이다.

또한 강 종류의 화학조성 상으로는 알루미늄 함량이 높은 강 종류의 경우, 이러한 주입 말기 대기 노출 구간에서 급격한 재산화가 일어나게 되며 거대한 클러스터(Cluster)를 형성하기가 쉽다. 특히 비파괴 검사를 통한 내부결함 기준이 극히 협폭인 잉곳-단조 제품인 경우, 이러한 부분은 심각한 취약요소가 될 수 있으며, 실제 일부 하주 조괴품에서 이러한 품질문제가 제기된다.

<선행문헌>

대한민국 실용신안등록 제0166037호(2000년 02월 15일)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 하주조괴방식으로 잉곳(ingot) 및 잉곳 압연/단조재 생산시 전면 밀폐를 통한 재산화 개재물 발생을 방지하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 주입관의 내부에 가스 공급관을 설치하여 상기 주입관을 통해 상기 불활성 가스를 탕도연와 내부로 직접 주입하여 충전하고, 상기 불활성 가스의 주입을 완료하기 이전부터 상기 주입관의 상에서 용강의 주입이 시작되기 이전까지 래들의 용강 배출구와 상기 주입관 사이를 에어 커튼 밀폐부를 통해 밀폐하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치가 제공된다.

상기 용강 배출구에는 복수의 플레이트 중 어느 하나가 슬라이드되는 것으로 상기 용강 배출구의 개도를 조절하는 슬라이드 게이트를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 슬라이드 게이트는, 복수의 상기 플레이트 중 적어도 하나에 위치센서가 장착되어 상기 용강 배출구의 개도 정도를 검출하여 제어패널로 표시할 수 있다.

상기 주입관의 상부에는 밀폐막이 형성되어 상기 하부 플레이트의 이동 시에도 밀폐가 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 탕도연와의 내부로 불활성가스를 직접충전하고, 상기 불활성가스의 충전완료 이전부터 래들의 용강이 상기 탕도연와로 투입시작까지 상기 래들의 용강배출구와 주입관 사이의 연결부를 에어 커튼을 통해 밀폐하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 방법을 제공한다.

상기 불활성가스의 충전은 상기 탕도연와의 내부에 설치된 가스 공급관에 의해 상기 탕도연와의 내부로 직접 충전될 수 있다.

상기 용강배출구는 슬라이드 게이트를 통해 상기 용강 배출구의 개도를 조절이 이루어지고, 슬라이드 게이트에는 위치센서를 통해 개도 정도를 검출하여 표시부에 표시할 수 있다.

본 발명에 따르면, 잉곳의 하주조괴시, 전면 밀폐주입을 실시하는데 제약사항이 되는 요소들을 제거하고, 대기 노출시간을 최소화하여 잉곳 단조품에 심각한 품질문제를 야기시킬 수 있는 재산화물 생성을 방지하는 효과가 있다.

또한 이러한 효과를 통해 고알루미늄 강재 및 무결함 수준의 내부품질을 확보할 수 있고, 하주조괴법으로 생산하는 일반적인 잉곳 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 하주조괴법에 따른 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치를 나타내는 구성도, 및
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치의 슬라이드 게이트를 나타내는 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

본 발명은 일반적인 종래의 하주조괴법에서 발생할 수 있는 대기노출에 의한 재산화 반응 문제를 최소화하기 위해 제공된다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 용강(15)이 수용되는 래들(10), 래들(10)의 용강(15)을 공급하기 위한 탕도연와(40)와 연결된 잉곳 케이스(50)를 포함한다.

한편, 래들(10)의 하부에는 슬라이드 게이트(20)가 설치되는데 구체적으로 용강 배출구(24)의 연도 내에 설치되어 용강 배출구(24)의 개도를 조절함으로써 용강(15)의 주입속도를 조절할 수 있다.

또한 탕도연와(40)의 선단은 주입관(41)으로 형성되고, 주입관(41)에는 에어 커튼 밀폐부(30)가 형성되고, 탕도연와(40)의 말단은 공급구(42)가 형성되어 잉곳 케이스(50)와 연결된다.

먼저, 본 발명은 종래의 문제점으로 언급했던 바와 같이, 탕도연와(40)의 내부와 래들(10)의 연결부 사이에서의 대기 노출을 차단하기 위해 대략 'ㄱ'자로 형성된 가스 공급관(60)을 구비하여, 주입관(41) 내로 불활성가스(아르곤 가스)를 탕도연와(40)의 내부로 직접공급하도록 구성된다.

이에 따라, 가스공급관(60)을 통해 탕도연와(40)의 내부에 불활성가스를 충전함으로써, 탕도연와(40)와 잉곳 케이스(50)의 산소농도를 저감시키는 작용을 한다. 이때 비활성가스는 탕도연와(40)의 내부에 최소 5분간 충전하는 것이 산소저감효과가 극대화될 수 있고, 5분 이상 충전하여도 산소저감효과는 미미하다.

한편 본 발명은 불활성가스의 충전이 완료되기 이전에 에어 커튼 밀폐부(30)를 통해 슬라이드 게이트(20)의 하부에 용강 배출구(24)가 주입관(41)의 입구에서 산소노출되는 것을 차단한다. 즉 비활성가스의 충전이 완료되기 전에 에어커튼 밀폐부(30)에 불활성가스를 분사하여 에어커튼을 형성하여 밀폐가 이루어지도록 함으로써 래들(10)의 용강 배출구(24)와 주입관(41)의 입구가 서로 밀폐된 상태로 용강(15)의 주입이 가능하도록 할 수 있다.

즉 탕도연와(40)를 통해 비활성가스를 충전함으로써 잉곳 케이스(50)와 탕도연와(40)의 산소를 저감시키는 것은, 충전이 완료된 상태에서 가스 공급관(60)를 제거하는 순간부터 래들(10)의 용강 배출구(24)와 주입관(41)의 서로 연결시키는 과정 중에 발생되는 산소노출을 개선할 수 없다.

따라서 본 발명에서는 비활성가스를 가스 공급관(60)을 통해 직접 탕도연와로 도입하여 충전시켜 내부의 산소를 저감시키는 것과 동시에, 용강의 주입을 위해 용강 배출구(24)를 열어 주입관(41)과 서로 연결하는 동안에 에어 커튼 밀폐부(30)를 통해 이 연결영역에 대한 밀폐가 이루어지도록 함으로써 탕도연와(40)를 통해 산소가 유입되는 것을 차단할 수 있다.

도 3을 참조하면, 에어 커튼 밀폐부(30)는 다수의 가스 분사구(31,32)가 형성되어 주입관(41)의 입구 중앙으로(원주방향으로) 불활성가스를 공급하도록 구성된다.

즉, 용강(15) 주입을 위해 래들(10)과 주입관(41)의 연결시 에어 커튼 밀폐부(30)를 통해 연결부에 대한 밀폐가 이루어지도록 함으로써 주입관(41)과 탕도연와(40), 및 잉곳 케이스(50)까지의 경로(초기 용강(15)의 이동경로)에서의 산소농도를 최소화할 수 있다. 또한 용강(15) 투입을 위한 연결시 에어커튼 방식의 간편한 밀폐가 이루어짐으로써, 연결 및 밀폐를 위한 소요시간을 줄여 공정효율을 개선할 수 있다.

한편, 본 발명의 슬라이드 게이트(20)에 대해 설명하면 다음과 같다. 슬라이드 게이트(20)는 용강(15)을 탕도연와(40)로 주입하는 경우 용강(15)의 투입 개폐를 위해 제공된다. 즉 용강 배출구(24)의 개도를 조절하기 위해 제공된다.

통상적인 하주조괴법에서는 주입 말기의 핫탑부 주입시에, 용강 배출구(24)의 개도 정도를 작업자가 정밀하게 조작하는 것으로 주입속도를 조절할 수 있다. 그러나 이러한 작업자에 의한 수동적인 개도 조절은 개도 조절의 정밀성을 확보할 수 없으며, 대기 노출시간도 상대적으로 긴 문제점이 있다.

이를 위해, 본 발명은 슬라이드 게이트(30)를 용강 배출구(24) 내에 설치하였다. 구체적으로 슬라이드 게이트(30)는 상부 플레이트(21)와 하부 플레이트(22) 중 어느 하나가 수평방향으로 슬라이드 되는 것으로 용강 배출구(24)의 개도를 조절하도록 구성된다.

또한 슬라이드 게이트(30)의 상부 플레이트(21)에는 기준점(P)이 형성되고, 하부 플레이트(22)에는 위치센서(70)가 형성되어 하부 플레이트(22)가 상부 플레이트(21)에서 이동되는 것으로 용강(15)의 주입을 위한 용강 배출구(24)의 개도가 조절된다. 이때 상부 플레이트(21)의 기준점(P)을 기준으로 하부 플레이트(22)의 위치 센서(70)가 이동거리를 산출함으로써 용강 배출구(24)의 개도 정도를 제어패널(미도시)의 표시부에 나타낼 수 있어 작업자가 육안으로 개도 정도를 확인할 수 있으며(예컨데 0 ~ 100%로 표시할 수 있다), 슬라이드 게이트(20)를 자동으로 조절함으로써 정밀한 개도 조절이 가능한 장점이 있다.

이와 같이 슬라이드 게이트(30)는 하부 플레이트(22)가 좌우로 이동하는 것으로 자동으로 개도조절이 가능하여, 정밀한 용강(15)의 주입속도를 확보할 수 있고 대기노출시간을 줄일 수 있어 종래의 재산화 반응에 대한 문제점을 해소할 수 있다.

한편, 래들의 하부(즉 용강 배출구; 24)와 주입관(41) 상부의 밀폐를 위해 특수단열재(cerakwool)로 이루어진 밀폐막(80)을 설치할 수 있다. 즉 주입관(41)의 상부에는 밀폐막(80)이 형성됨으로써 래들(10)의 용강 배출구(24)와 주입관(41)의 상부가 서로 밀착한 상태에서도 하부 플레이트(22)의 좌우 이동이 가능하도록 구성할 수 있다. 주입관(41)의 상부에 세라믹 섬유 재질의 밀폐막(80)을 형성함으로써 개도조절을 위해 하부 플레이트(22)의 수평이동시에도 용강 배출구(24)와 주입구(41) 사이의 밀폐상태를 유지할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 잉곳의 하주조괴시, 전면 밀폐주입을 실시하는 데 제약사항이 되는 요소들을 제거하고, 대기 노출시간을 최소화하여 잉곳 단조품에 심각한 품질문제를 야기시킬 수 있는 재산화물 생성의 방지할 수 있다.

또한 이러한 작용에 의해 고알루미늄 강재 및 무결함 수준의 내부품질을 확보할 수 있고, 하주조괴법으로 생산하는 일반적인 잉곳 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

10: 래들
15: 용강
20: 슬라이드 게이트
21: 상부 플레이트
22: 하부 플레이트
24: 용강 배출구
30: 에어 커튼 밀폐부
40: 탕도연와
41: 주입부
42: 공급구
50: 잉곳 케이스
60: 가스 공급관
80: 밀폐막

Claims (7)

1. 주입관의 내부에 가스 공급관을 설치하여 상기 주입관을 통해 불활성 가스를 탕도연와 내부로 직접 주입하여 충전하고, 상기 불활성 가스의 주입을 완료하기 이전부터 상기 주입관의 상에서 용강의 주입이 시작되기 이전까지 래들의 용강 배출구와 상기 주입관 사이를 에어 커튼 밀폐부를 통해 밀폐하며,
   상기 용강 배출구에는 복수의 플레이트 중 어느 하나가 슬라이드되는 것으로 상기 용강 배출구의 개도를 조절하는 슬라이드 게이트를 포함하고,
   상기 슬라이드 게이트는, 상기 복수의 플레이트 중 적어도 하나에 위치센서가 장착되어 상기 용강 배출구의 개도 정도를 검출하여 제어패널에 표시하는 것을 특징으로 하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 주입관의 상부에는 밀폐막이 형성되어 상기 복수의 플레이트 중 하부에 위치한 플레이트의 이동 시에도 밀폐가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 장치.
5. 탕도연와의 내부로 불활성가스를 직접충전하고, 상기 불활성가스의 충전완료 이전부터 래들의 용강이 상기 탕도연와로 투입시작까지 상기 래들의 용강 배출구와 주입관 사이의 연결부를 에어 커튼을 통해 밀폐하고,
   상기 용강 배출구는 슬라이드 게이트를 통해 상기 용강 배출구의 개도의 조절이 이루어지고, 슬라이드 게이트에는 위치센서를 통해 개도 정도를 검출하여 표시부에 표시하는 것을 특징으로 하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 불활성가스의 충전은 상기 탕도연와의 내부에 설치된 가스 공급관에 의해 상기 탕도연와의 내부로 직접 충전되는 것을 특징으로 하는 잉곳 하주조괴법을 위한 전면 밀폐주입 방법.
   
   
7. 삭제

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