KR101632183B1 - 랜스노즐 제조 방법 - Google Patents

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KR101632183B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 랜스노즐 제조 방법은, 입구측을 통해 공급된 가스를 출구측으로 배출하는 복수의 배출관들과, 상기 배출관의 출구측이 각각 연결되는 복수의 배출홀들을 가지는 전방벽을 포함하는 랜스노즐을 주조 가공으로 1차 제조하는 주조 단계; 그리고 상기 배출관과 반대편에 위치하는 상기 전방벽의 전방면 중 상기 배출홀의 둘레를 단조 가공하여 단조조직을 형성하는 단조 단계를 포함하되, 상기 주조 단계에서, 상기 배출관의 내부에 폐쇄부재가 형성되어 상기 폐쇄부재에 의해 상기 배출관의 내부 중 전단부를 제외한 나머지가 폐쇄되며, 상기 단조 단계는 상기 폐쇄부재가 형성된 상태에서 상기 단조 가공이 이루어진다.

Description

랜스노즐 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING LANCE NOZZLE}
본 발명은 랜스노즐 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단조 가공을 포함하는 랜스노즐 제조 방법에 관한 것이다.
랜스노즐은 산소를 분사하여 강을 제조하는 전로에 사용되어 용강을 교반시키며, 약 1,600℃의 온도를 유지하는 전로 내의 용강에 근접한 상태에서 산소를 분출한다. 이와 같은 작동 조건 하에서, 랜스노즐의 표면온도는 일시적으로 400℃ 이상까지 빠르게 상승할 수 있으며, 랜스노즐이 상부로 후퇴할 때 20℃로 빠르게 냉각된다. 따라서, 랜스는 매우 우수한 열전도체 재료(예를 들면, 구리)로 제조되며, 내부의 벽을 따라서 높은 속도로 유동하는 냉각 유체와 효과적으로 열교환이 이루어질 수 있다.
그러나, 랜스노즐은 산소를 배출하는 과정에서 배출관의 선단측이 마모되거나 파손되므로, 일정한 사용회수를 설정하고 설정된 사용회수에 도달하면 랜스노즐을 교체하는 방식을 채택하고 있다.
한국공개특허공보 2004-0056181호(2004.06.30.)
본 발명의 목적은 내구성을 개선할 수 있는 랜스노즐 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제조시 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 랜스노즐 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 랜스노즐 제조 방법은, 입구측을 통해 공급된 가스를 출구측으로 배출하는 복수의 배출관들(15)과, 상기 배출관의 출구측에 각각 형성된 복수의 배출홀들(14)을 가지는 전방벽(12)을 포함하는 랜스노즐을 주조 가공으로 1차 제조하는 주조 단계; 및 상기 전방벽(12)의 전방면(12a) 중 상기 배출홀(14)의 둘레를 단조 가공하여 단조조직을 형성하는 단조 단계를 포함하되, 상기 주조 단계에서, 상기 배출관(15)의 내부에 폐쇄부재(15a)가 형성되어 상기 폐쇄부재(15a)에 의해 상기 배출관(15)의 내부 중 출구측 일부를 제외한 나머지가 폐쇄되며, 상기 단조 단계는 상기 폐쇄부재(15a)가 형성된 상태에서 상기 단조 가공이 이루어진다.
상기 랜스노즐 제조 방법은 상기 주조 단계와 상기 단조 단계 사이에, 상기 랜스노즐의 상기 전방면(12a)을 황삭 가공하는 황삭 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 랜스노즐 제조 방법은 상기 단조 단계 이후에, 정삭 가공을 통해 상기 전방면(12a) 중 상기 단조조직과 상기 단조조직 이외의 부분 사이의 단차를 제거하는 정삭 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 정삭 단계 이전에 상기 단조조직의 높이는 상기 전방면(12a)의 높이에 비해 낮을 수 있다.
상기 단조 단계는 상기 배출홀(14)의 직경보다 큰 외경을 가지는 해머(22)를 이용하여 상기 단조조직을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 랜스노즐 제조 방법은, 가스를 공급하는 중심관(2)과, 복수의 개구들(4)이 형성되며 상기 중심관(2)의 전단을 폐쇄하는 중심관의 전방벽(3)과, 상기 중심관(2)의 둘레에 동축방향으로 배열되어 상기 중심관(2)과의 사이에 냉각수가 공급되는 내부 환상 공동(6)이 형성되는 내부관(5)과, 상기 내부관(5)의 둘레에 동축방향으로 배열되어 상기 내부관(5)과의 사이에 상기 내부 환상 공동(6) 내에 공급된 상기 냉각수를 배출하는 외부 환상 공동(11)이 형성되는 외부관(10)과, 상기 중심관(2)의 전방에 위치하여 상기 개구(4)를 통해 공급된 가스를 출구측으로 배출하는 복수의 배출관들(15)과, 상기 배출관(15)의 출구측에 형성된 복수의 배출홀들(14)을 가지는 전방벽(12)을 포함하는 랜스노즐을 주조 가공으로 1차 제조하되, 상기 배출관(15)의 내부에 폐쇄부재(15a)가 형성되어 상기 폐쇄부재(15a)에 의해 상기 배출관(15)의 내부 중 출구측 일부를 제외한 나머지가 폐쇄되는 주조 단계; 및 상기 폐쇄부재(15a)가 형성된 상태에서, 상기 배출홀(14)의 직경보다 큰 외경을 가지는 해머(22)의 하부면을 이용하여, 상기 전방벽(12)의 전방면(12a) 중 상기 배출홀(14)의 둘레를 단조 가공하여 단조조직을 형성하는 단조 단계를 포함한다.
상기 랜스노즐 제조 방법은, 상기 단조 단계 이후에, 상기 폐쇄부재(15a)를 제거하여 개방된 상기 배출관(15)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 주조 가공을 통해 제조된 랜스노즐을 단조 가공하여 교반 가스(예를 들어, 산소)가 분출되는 배출관의 선단 측이 쉽게 마모되거나 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 랜스노즐의 교체 주기를 연장할 수 있다. 또한, 주조 가공을 통해 랜스노즐을 1차적으로 제조한 후 주요 부위만 단조 가공을 거치므로, 2개 이상의 단조 가공된 부품을 브레이징(brazing) 가공하여 제조하는 랜스노즐에 비해 제조시 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 또한, 랜스노즐의 브레이징 가공시 발생할 수 있는 결함 등의 단점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 랜스노즐을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시한 랜스노즐을 제조하는 방법을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 주조 가공 후 단조 가공의 실시여부에 따른 랜스노즐을 비교한 사진이다.
도 6은 도 5에 도시한 배출홀의 둘레를 확대한 사진이다.
도 7은 단조 가공의 실시여부에 따른 배출홀의 둘레에 대한 조직사진이다.
도 8은 단조 가공의 실시여부에 따른 배출홀의 둘레에 대한 마모시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시한 랜스노즐을 제조하는 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 9를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 랜스노즐을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 랜스노즐(1)은 교반 가스(예를 들어, 산소)를 공급하는 중심관(2)을 포함한다. 중심관(2)은 개구(4)가 형성된 전방벽(3)에 의해 폐쇄되며, 개구(4)는 축(19)을 기준으로 둘레에 등각을 이루어 배치될 수 있다.
내부관(5)은 중심관(2) 둘레에 동축방향으로 배열되어 있으며, 환상 공동(6)이 내부관(5)과 중심관(2) 사이에 형성되어 화살표(F1) 방향으로 냉각수가 공급된다.
외부관(10)은 중심관(2) 둘레에 동축방향으로 배열되어 있으며, 환상 공동(11)이 내부관(5)과 외부관(10) 사이에 형성되어 화살표(F2) 방향으로 냉각수를 배출한다. 외부관(10)은 교반될 전로에 대향되고 임계열응력을 받는 전방벽(12)에 의해 폐쇄된다. 냉각수는 전방벽(3)과 전방벽(12) 사이에 형성된 열교환공간(13)을 흐르며(F3,F4), 냉각수와 가열된 전방벽(12) 사이에 충분한 열교환을 제공하기 위해 전방벽(12)은 높은 열전달계수를 가지는 열전도체 재료, 예를 들면 구리로 제조되는 것이 바람직하다. 즉, 공동(6)으로부터 나오는 냉각수가 배출관(15)을 우회하여 통로(8)를 통해 열교환영역(13)으로 유입되며(F3), 공동(11)을 향하여 화살표(F4) 방향으로 유동한다.
또한, 전방벽(12)은 전방벽(3)에 형성된 개구(4)와 일렬로 배열되는 배출홀(14)을 가지며, 배출관(15)이 개구(4) 및 배출홀(14)에 연결되어 교반 가스(예를 들어, 산소)를 랜스노즐(1)의 외부로 분출한다. 배출관(15)은 축(19)을 기준으로 전방을 향해 외측경사지도록 배치되며, 랜스노즐(1)의 전방면은 배출관(15)의 중심축과 대체로 수직하다. 따라서, 전방벽(12)의 전방면은 랜스노즐(1)의 축(19)을 중심으로 외측을 향해 하향경사진 형상을 가진다. 또한, 전방벽(12)은 중심부에 통로(8)을 향하여 오목한 침하부(16)를 가지며, 냉각수분출구(9)가 배출관(15)과 내부관(5) 사이에 형성된다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시한 랜스노즐을 제조하는 방법을 순차적으로 나타내는 도면이다. 앞서 도 1에 도시한 랜스는 이하에서 설명하는 방법을 통해 제조될 수 있다.
먼저, 랜스노즐(1)은 주조 가공을 통해 일체로 제조되거나 2개 이상으로 제조된 후 용접을 통해 연결될 수 있다. 주조 가공은 동일 모형으로 주형을 만드는 것이므로, 형상치수가 동일한 것을 많이 얻을 수 있으며, 특히, 복잡한 형상의 제품을 용이하게 제작할 수 있어 가공비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
이후, 도 2에 도시한 바와 같이, 황삭(rough machining) 가공을 거치며, 황삭 가공을 완료한 상태에서 랜스노즐(1)은 정삭 가공까지 여유부분(C)(두께=약 10mm)를 가진다. 이와 같은 상태에서, 토치를 이용하여 랜스노즐(1)을 500도 내지 750도까지 예열한 후, 해머(22)를 통해 배출홀(14)의 둘레에 단조 가공을 실시한다. 해머(22)는 배출홀(14)의 직경보다 큰 외경을 가지며, 해머(22)는 전방면(12a)에 압축하중을 가한다. 이때, 폐쇄부재(15a)가 배출관(15)의 내부에 형성되어 배출관(15)의 내부 중 일부를 폐쇄한다. 즉, 랜스노즐의 주조 가공시, 배출관(15)은 전단부 일부만 전방면(12a)으로부터 함몰형성되며, 이후 폐쇄부재(15a)를 제거하여 완전한 배출관(15)을 형성한다.
가이드팁(24)은 해머(22)의 하부면으로부터 돌출되며, 배출홀(14)의 직경보다 작은 외경을 가진다. 가이드팁(24)은 상부직경이 하부직경보다 큰 사다리꼴 형상의 단면적을 가질 수 있다. 해머(22)가 전방면(12a)과 접촉시 가이드팁(24)은 배출홀(14) 내에 삽입되어, 해머(22)가 배출홀(14)의 둘레에 정확하게 압축하중을 가할 수 있도록 안내한다. 다만, 본 실시예와 달리, 가이드팁(24)은 생략될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 단조 가공이 완료되면 배출홀(14)의 둘레에 단조 조직(F)이 형성되며, 단조 조직(F)은 링 형상을 가지고 일정 두께 및 깊이로 형성된다. 이때, 단조 가공을 통해 조직이 조밀하게 되는 과정에서 단조 조직(F)과 전방면(12a) 사이에 단차(d)가 형성되며, 단차의 두께(d)는 앞서 설명한 여유부분(C)의 두께와 일치할 수 있다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 정삭 가공을 통해 여유부분(C)(또는 단차)을 제거하고 폐쇄부재(15a)를 제거하면 최종적인 랜스노즐(1)이 완성된다.
한편, 본 실시예는 주조 가공의 장점과 단조 가공의 장점을 활용함과 동시에, 주조 가공의 단점을 단조 가공을 통해 보완하고 단조 가공의 단점을 주조 가공을 통해 보완한다. 즉, 주조는 금속을 용해하여 이를 냉각, 응고시켜 제품을 얻는 공정으로 이때 생기는 주물의 조직은 흔히 주조조직이라고 하는 거친 결정조직이 되어 동일재료로 다른 가공에 의해서 만든 제품보다 기계적 성질이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 앞서 설명한 랜스노즐(1)의 경우, 교반 가스를 분출하는 배출관(15)의 선단측(또는 배출홀(14)의 주변)이 쉽게 마모되거나 파손되는 문제가 발생한다.
반면에, 단조는 소재에 압축하중을 가하므로, 주조에 비해 금속 조직이 조밀하게 되어 강도 등의 기계적 성질을 증대시킬 수 있으며, 랜스노즐(1)의 수명을 대폭 연장할 수 있는 반면, 제조시 많은 시간 및 비용이 소요되는 문제가 있다.
따라서, 주조 가공을 통해 랜스노즐을 1차적으로 제조하여 제조시 소요되는 시간 및 비용을 절감하는 동시에, 단조 가공을 통해 기계적 성질을 증대시킴으로써 쉽게 마모되거나 파손되는 배출관(15)의 선단측(또는 배출홀(14)의 주변)을 보강한다.
도 5는 주조 가공 후 단조 가공의 실시여부에 따른 랜스노즐을 비교한 사진이며, 도 6은 도 5에 도시한 배출홀의 둘레를 확대한 사진이다. 도 5 및 도 6은 약 150회 가량 사용한 랜스노즐을 나타내며, 좌측은 단조 가공을 실시하지 않은 경우이고 우측은 단조 가공을 실시한 경우이다. 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 단조 가공을 실시하지 않은 경우 배출관(15)의 선단측(또는 배출홀(14)의 주변)에 발생한 균열을 확인할 수 있으나, 단조 가공을 실시한 경우 배출관(15)의 선단측(또는 배출홀(14)의 주변)에 어떠한 균열도 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
도 7은 단조 가공의 실시여부에 따른 배출홀의 둘레에 대한 조직사진이며, 좌측은 단조 가공을 실시한 경우이고 우측은 단조 가공을 실시하지 않은 경우이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 단조 가공을 한 경우 금속 조직이 조밀하게 변하며, 주조에 비해 금속 조직이 조밀하게 되어 강도 등의 기계적 성질을 증대시킬 수 있다. 반면에, 단조 가공을 하지 않은 경우 상대적으로 금속 조직이 조밀하지 않으며, 소수의 그레인 바운더리를 가진다. 한편, 주조 가공 후 이루어지는 단조 가공의 정도에 따라 단조 조직과 주조 조직은 공존할 수 있으며, 단조 가공의 횟수가 증가할수록 단조 조직은 증가한다.
도 8은 단조 가공의 실시여부에 따른 배출홀의 둘레에 대한 마모시험 결과를 나타내는 그래프이다. 아래 [표 1]과 같은 조건에서 단조 가공을 실시하지 않은 랜스노즐(1)의 조직과 단조 가공을 실시한 랜스노즐(1)의 조직에 대한 마모시험을 실시하였다.
마모 시험 조건표(wear test condition)
시험 규격 ASTM G99, pin-on-disk sliding wear test
마찰 상대재(pin, couterpart) Al2O3 alumina ball
시험 시편(disk, specimen)
수직 적용 하중(applied load) 100N
미끄럼 속도(sliding speed) 0.1 m/s
미끄럼 거리(sliding distance 100m
시험 온도(temperature) room temperature
습도(humidity) 34%
그 결과, 도 8에 도시한 바와 같이, 단조 가공을 실시하지 않은 랜스노즐(1)의 마모량은 0.7mg인 반면, 10mm 단조 가공을 실시한 랜스노즐(1)의 마모량(실시예)은 0.1mg 이므로, 단조 가공을 통해 랜스노즐(1)의 기계적 성질이 대폭 개선될 수 있음을 알 수 있으며, 특히 내마모성이 7배 이상 증가할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 도 1에 도시한 랜스노즐을 제조하는 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 랜스노즐 제조장치는 베이스(32)의 상부에 놓여진 베드(36)를 포함하며, 베드(36)는 랜스노즐(1)의 전방면(12a)이 수평상태를 유지하도록 랜스노즐(1)을 고정지지한다.
랜스노즐 제조장치는 지지 프레임(29)을 더 포함하며, 지지 프레임(29)은 본체(30)에 고정된 상태를 유지할 수 있다. 지지로드(26)는 지지 프레임(29)을 관통하여 설치되며, 해머(22)는 지지로드(26)의 하단에 고정된다. 지지로드(26)는 별도의 구동장치(도시안함)를 통해 작동하며, 작동시 해머(22)는 랜스노즐(1)의 전방면에 압축하중을 가하여 단조 가공을 실시한다.
구체적으로, 랜스노즐(1)은 전방면(12a)이 상부를 향하도록 랜스노즐(1)을 베드(36)에 고정하며, 토치를 통해 랜스노즐(1)을 단조 가공에 적합한 온도(예를 들어, 500~750도)로 가열한다. 이후, 베드(36)를 본체(30)를 향해 이동시키며, 랜스노즐(1)의 단조하고자 하는 배출홀(14)이 해머(22)의 바로 아래에 위치하도록 베드(36)의 위치를 조정한다. 베드(36)의 위치 조정이 완료되면, 구동장치를 작동하여 해머(22)를 통해 배출홀(14)의 둘레에 단조 가공을 실시한다. 이후, 단조 가공이 완료되면, 베드(36)를 본체(30)의 반대 방향으로 이동시키며, 랜스노즐(1)을 베드(36)로부터 제거한다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
1 : 랜스노즐 2 : 중심관
3,12 : 전방벽 4 : 개구
5 : 내부관 6,11 : 공동
8 : 통로 9 : 냉각수분출구
10 : 외부관 12a : 전방면
13 : 열교환공간 14 : 배출홀
15 : 배출관 19 : 축
22 : 해머 24 : 가이드팁
26 : 지지로드 29 : 지지 프레임
30 : 본체 32 : 베이스
36 : 베드

Claims (7)

  1. 입구측을 통해 공급된 가스를 출구측으로 배출하는 복수의 배출관들(15)과, 상기 배출관(15)의 출구측에 각각 형성된 복수의 배출홀들(14)을 가지는 전방벽(12)을 포함하는 랜스노즐을 주조 가공으로 1차 제조하는 주조 단계; 및
    상기 전방벽(12)의 전방면(12a) 중 상기 배출홀(14)의 둘레를 단조 가공하여 단조조직을 형성하는 단조 단계를 포함하되,
    상기 주조 단계에서, 상기 배출관(15)의 내부에 폐쇄부재(15a)가 형성되어 상기 폐쇄부재(15a)에 의해 상기 배출관(15)의 내부 중 출구측 일부를 제외한 나머지가 폐쇄되며,
    상기 단조 단계는 상기 폐쇄부재(15a)가 형성된 상태에서 상기 단조 가공이 이루어지는, 랜스노즐 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 랜스노즐 제조 방법은 상기 주조 단계와 상기 단조 단계 사이에,
    상기 랜스노즐의 상기 전방면(12a)을 황삭 가공하는 황삭 단계를 더 포함하는, 랜스노즐 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 랜스노즐 제조 방법은 상기 단조 단계 이후에, 정삭 가공을 통해 상기 전방면(12a) 중 상기 단조조직과 상기 단조조직 이외의 부분 사이의 단차를 제거하는 정삭 단계를 더 포함하는, 랜스노즐 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정삭 단계 이전에 상기 단조조직의 높이는 상기 전방면(12a)의 높이에 비해 낮은, 랜스노즐 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단조 단계는 상기 배출홀(14)의 직경보다 큰 외경을 가지는 해머(22)를 이용하여 상기 단조조직을 형성하는, 랜스노즐 제조 방법.
  6. 가스를 공급하는 중심관(2)과, 복수의 개구들(4)이 형성되며 상기 중심관(2)의 전단을 폐쇄하는 중심관의 전방벽(3)과, 상기 중심관(2)의 둘레에 동축방향으로 배열되어 상기 중심관(2)과의 사이에 냉각수가 공급되는 내부 환상 공동(6)이 형성되는 내부관(5)과, 상기 내부관(5)의 둘레에 동축방향으로 배열되어 상기 내부관(5)과의 사이에 상기 내부 환상 공동(6) 내에 공급된 상기 냉각수를 배출하는 외부 환상 공동(11)이 형성되는 외부관(10)과, 상기 중심관(2)의 전방에 위치하여 상기 개구(4)를 통해 공급된 가스를 출구측으로 배출하는 복수의 배출관들(15)과, 상기 배출관(15)의 출구측에 형성된 복수의 배출홀들(14)을 가지는 전방벽(12)을 포함하는 랜스노즐을 주조 가공으로 1차 제조하되, 상기 배출관(15)의 내부에 폐쇄부재(15a)가 형성되어 상기 폐쇄부재(15a)에 의해 상기 배출관(15)의 내부 중 출구측 일부를 제외한 나머지가 폐쇄되는 주조 단계; 및
    상기 폐쇄부재(15a)가 형성된 상태에서, 상기 배출홀(14)의 직경보다 큰 외경을 가지는 해머(22)의 하부면을 이용하여, 상기 전방벽(12)의 전방면(12a) 중 상기 배출홀(14)의 둘레를 단조 가공하여 단조조직을 형성하는 단조 단계를 포함하는, 랜스노즐 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 랜스노즐 제조 방법은,
    상기 단조 단계 이후에, 상기 폐쇄부재(15a)를 제거하여 개방된 상기 배출관(15)을 형성하는 단계를 더 포함하는, 랜스노즐 제조 방법.
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