KR101639749B1 - 노즐 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 노즐 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용강 및 상기 용강의 유동 경로를 형성하는 노즐에 전류를 인가하여 계면에서 활성화된 용존 산소를 제거하고, 개재물의 부착을 방지하기 위한 노즐 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 노즐은 상단에 유입구가 형성되고 하단에 토출구가 형성되어 용강의 유동 경로를 형성하는 관 형상의 노즐 몸체; 상기 노즐 몸체의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 내공부; 및 상기 내공부의 내벽에 형성되는 고체 전해질층을 포함하고, 상기 노즐 몸체와 내공부는 동일한 재질로 형성된다.

Description

노즐 및 이의 제조 방법{Nozzle and method for producing the same}
본 발명은 노즐 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용강 및 상기 용강의 유동 경로를 형성하는 노즐에 전류를 인가하여 계면에서 활성화된 용존 산소를 제거하고, 개재물의 부착을 방지하기 위한 노즐 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적인 연속 주조 공정은 레이들에 수용된 용강을 턴디쉬로 주입하고, 턴디쉬에서 주입된 용강을 주형에 연속적으로 주입시켜 용강을 1차 냉각시킨 후 1차 냉각된 주편의 표면에 냉각수를 살수하여 2차 냉각시킴에 따라 용강을 응고시켜 주편을 제조하는 공정이다.
이러한 연속 주조 공정에서 침지 노즐은 턴디쉬의 용강을 주형으로 공급하는 유로의 역할을 하는 원통형의 내화물로 이루어진다. 용강이 침지 노즐의 내부로 이동하는 동안, 온도의 하락, 용강과 노즐 내벽 계면에서의 계면 반응 및 알루미나(Al2O3) 등으로 대표되는 용강 중 비금속 개재물의 부착 등의 이유로 노즐 내벽으로부터 노즐의 중심 방향으로 막힘층이 성장한다. 이와 같은 노즐 막힘 현상은 연속 주조 공정의 단락을 초래하여 생산성 및 주편 품질 저하 등 악영향을 야기하기 때문에 다양한 방법으로 이를 해결하고자 하는 노력이 있었다.
이러한 침지 노즐의 막힘을 방지하기 위한 기술로는, 용강 경로를 구성하는 재료의 재질 및 형상의 개선, 부착물의 가스 취입(gas injection)에 의한 부착 방지, 및 전기 화학적 수단의 적용 등에 의한 접근이 있다.
여기서, 전기 화학적 수단을 적용하는 방법으로 일본 공개특허공보 제2001-170742호 및 일본 공개특허공보 2001-170761호에 나타난 바와 같이, 용해 금속과 접하는 야금 용기나 유로의 내면을 산소 이온 전도체인 고체 전해질에 의해 구성하여, 용해 금속과의 사이에 직류 전류를 인가함으로써 개재물의 부착을 방지하는 기술이 있다.
이러한 전기 화학적인 면에서의 기술은, 개재물의 부착 방지 효과가 뛰어난 장점이 있지만, 고체 전해질이 기존 내화물 대비 고가이므로 원가 상승의 문제가 발생하거나 내면에 형성된 고체 전해질의 내열성 및 기계적 강도가 약해 내구성이 떨어지는 문제점이 있어 연속 주조 공정에 폭 넓게 적용하는 것이 곤란하였다.
JP 10-2001-170742 A JP 10-2001-170761 A
본 발명은 전기 화학적 반응을 이용하여 노즐과 용강 사이의 계면에서의 산화물 생성을 억제할 수 있는 노즐 및 이의 제조 방법을 제공한다.
또한, 고체 전해질층을 포함하는 노즐 제조시 재질 차이에 의한 크랙 발생을 억제하고, 상기 고체 전해질층의 접착력 및 내구성을 향상시킬 수 있는 노즐 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 노즐은, 상단에 유입구가 형성되고 하단에 토출구가 형성되어 용강의 유동 경로를 형성하는 관 형상의 노즐 몸체; 상기 노즐 몸체의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 내공부; 및 상기 내공부의 내벽에 형성되는 고체 전해질층을 포함하고, 상기 노즐 몸체와 내공부는 동일한 재질로 형성된다.
상기 노즐 몸체와 내공부는 카본(C) 함유 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 재질로 형성되고, 상기 카본(C)은 상기 노즐 몸체 또는 내공부의 전체 중량%에 대하여 20 중량% 이상으로 함유될 수 있다.
상기 고체 전해질층은 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ: MgO Stabilized ZrO2)을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄은 상기 고체 전해질층의 전체 mol%에 대하여 산화마그네슘(MgO)이 8 내지 15mol%로 함유될 수 있다.
상기 내공부와 상기 고체 전해질층 사이에는 전극층이 더 형성될 수 있다.
상기 전극층은 산화크롬(Cr2O3)을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 전극층은 200㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다.
상기 노즐 몸체는 내벽의 적어도 일부가 함입 형성되고, 상기 내공부는 상기 함입 형성된 노즐 몸체의 내벽에 삽입될 수 있다.
상기 노즐 몸체와 용강의 계면 및 상기 고체 전해질층과 용강의 계면은 동일한 면을 형성할 수 있다.
상기 고체 전해질층의 임계 접착력은 45N 이상의 값을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐 제조 방법은, 제 1 내화물을 중공의 원통형으로 성형, 건조 및 소성하여 내공부를 마련하는 과정; 상기 내공부의 내면에 고체 전해질층을 코팅하는 과정; 상기 내공부를 심봉에 결합하고, 상기 심봉을 노즐 성형틀에 고정하는 과정; 상기 노즐 성형틀 내에 제 2 내화물을 충전하고, 상기 제 2 내화물을 성형, 건조 및 소성하여 노즐 몸체를 형성하는 과정;을 포함하고, 상기 제 1 내화물 및 제 2 내화물은 동일한 재질의 내화물로 이루어진다.
상기 제 1 내화물 및 제 2 내화물은 상기 노즐 몸체 또는 내공부의 전체 중량%에 대하여 카본(C)이 20 중량% 이상 함유되는 카본(C) 함유 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 고체 전해질층은 전체 mol%에 대하여 산화마그네슘(MgO)이 8 내지 15mol%로 함유되는 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 고체 전해질층을 코팅하는 과정 전에, 상기 내공부의 내면에 산화크롬(Cr2O3)을 포함하는 재질로 형성되는 전극층을 코팅하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 고체 전해질층을 코팅하는 과정은 상기 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄에 추가로 산화마그네슘(MgO)을 3 내지 7mol% 혼합한 코팅재를 대기압 플라즈마 분사(APS: Air Pasma Spraying) 방식으로 분사하여 코팅할 수 있다.
상기 노즐은 턴디쉬로부터 유입되는 용강을 주형으로 공급하는 침지 노즐일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 노즐 및 이의 제조 방법에 의하면, 내공부와 노즐 몸체를 동일한 재질로 형성하여 재질 차이로 인한 크랙 발생을 억제할 수 있다.
또한, 고체 전해질층으로 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄을 사용하여 연속 주조 온도에서 가장 높은 이온 전도성을 확보할 수 있으며, 고체 전해질층의 접착력 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐 및 이의 제조 방법에 의하면, 노즐과 용강 사이의 계면에서의 개재물 생성을 억제할 수 있게 되어 노즐의 교체 횟수를 크게 줄일 수 있게 되며, 이에 따라 연속 주조 공정을 간소화시킬 수 있으며 공정 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 노즐 내벽의 개재물 퇴적으로 인한 주편의 결함을 방지하여 생산성 및 품질을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 연속 주조 설비를 보여주는 개략도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 내공부를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐을 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 내공부의 횡단면에 대한 성분 분석 결과를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 인장 실험 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐 제조 방법을 나타내는 흐름도.
본 발명에 따른 노즐 및 이의 제조 방법은 용강 및 상기 용강의 유동 경로를 형성하는 노즐에 전류를 인가하여 계면에서 활성화된 용존 산소를 제거하고, 개재물의 부착을 방지할 수 있는 기술적 특징을 제시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
일반적으로 연속 주조 설비는 제강 공정에서 생산된 용강을 레이들에 담아 이송하여 연속 주조 공정에서 쉬라우드 노즐을 사용하여 턴디쉬에 받고, 이후 주형으로 공급하여 원하는 크기의 주편으로 연속 생산하는 설비이다.
도 1은 일반적인 연속 주조 설비를 보여주는 개략도이다. 도 1을 참조하여 연속 주조 설비를 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 용강을 수송하는 레이들(10)이 레이들 터렛 유닛(20)에 안착되어 교대로 턴디쉬(30)의 상부에 위치된다. 이때, 레이들 터렛 유닛(20)은 회전 구동되는 스윙 타워(21)의 양측에 레이들(10)을 안착시킬 수 있도록 된 레이들 받침대(23)가 각각 구비됨으로써 레이들 받침대(13)에 적어도 2개 이상의 레이들(10)을 안착시키고, 스윙 타워(21)의 회전에 의해 레이들(10)을 교대로 턴디쉬(30)의 상부에 위치시키는 것이다. 그리고, 턴디쉬(30)의 하부에는 용강을 소정의 두께와 폭을 갖는 주편으로 생산하는 주형(40)이 설치되며, 주형(40)의 하부에는 주편을 안내하는 복수 개의 핀치 롤(41)이 설치된다. 이때, 레이들(10)의 저면에는 콜렉터 노즐(11,Collector Nozzle)이 구비되고, 상기 콜렉터 노즐(11)과 연결되어 레이들(10) 내부의 용강을 턴디쉬(30)로 포어링(Pouring)시키는 쉬라우드 노즐(51; Shroud Nozzle)이 설치되며, 턴디쉬(30)의 저면에는 용강을 주형(40)으로 유출시키는 통로인 침지 노즐(100)이 설치된다. 여기서 미설명 부호 50은 노즐 장착 유닛을 말한다.
이러한 연속 주조 공정에서 침지 노즐(100)은 턴디쉬(30)의 용강을 주형(40)으로 공급하는 유로의 역할을 하는 원통형의 내화물로 이루어진다. 용강이 침지 노즐(100)의 내부로 이동하는 동안, 온도의 하락, 용강과 노즐 내벽 계면에서의 계면 반응 및 알루미나(Al2O3) 등으로 대표되는 용강 중 비금속 개재물의 부착 등의 이유로 노즐 내벽으로부터 노즐의 중심 방향으로 막힘층이 성장한다. 이러한 침지 노즐(100)의 막힘을 방지하기 위하여 용강 및 상기 용강의 유동 경로를 형성하는 노즐에 전류를 인가하여 계면에서 활성화된 용존 산소를 제거하고, 개재물의 부착을 방지하는 전기 화학적 방법을 사용할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐은 턴디쉬로부터 유입되는 용강을 주형으로 공급하는 침지 노즐인 것을 예로 들어 설명하나, 상기 노즐은 이에 한정되는 것은 아니고 제 1 용기에 수용된 용강을 제 2 용기에 공급하며 계면에서 활성화된 용존 산소에 의하여 생성되는 개재물이 내벽에 부착될 수 있는 어떠한 종류의 노즐에도 적용이 가능함은 물론이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 내공부를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐을 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(100)은 상단에 유입구(110)가 형성되고 하단에 토출구(120)가 형성되어 용강의 유동 경로를 형성하는 관 형상의 노즐 몸체(130); 상기 노즐 몸체(130)의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 내공부(160); 및 상기 내공부(160)의 내벽에 형성되는 고체 전해질층(180)을 포함하고, 상기 노즐 몸체(130)와 내공부(160)는 동일한 재질로 형성된다.
노즐 몸체(130)는 상단에 유입구(110)가 형성되고 하단에 토출구(120)가 형성되어 상기 유입구(110)로부터 토출구(120)로 용강이 유동하는 관 형상을 가지며, 카본 함유 산화알루미늄(C-Al2O3)을 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 토출구(120)는 노즐 몸체(130)의 하단의 둘레를 따라 적어도 2개 이상이 형성될 수 있다. 도면에서는 토출구(120)가 노즐 몸체(130)의 하단 양 측면에 형성되는 경우를 예로 들어 도시하고 있으나, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐 몸체(130)의 구조는 이에 제한되는 것은 아니다.
내공부(160)는 노즐 몸체(130)의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성된다. 내공부(160)는 노즐 몸체(130)의 내벽의 전부를 형성할 수도 있으나, 연속 주조 공정에서 사용되는 침지 노즐(100)의 경우 길이가 1m 이상의 원통형의 구조를 가져 내부를 고르게 코팅하는 것이 어렵고, 상기 노즐 몸체(130)의 내벽 전체를 둘러싸는 내공부(160)에 후술할 ZrO2계의 기능성 내화물을 코팅하는 경우 발생하는 비용적인 문제를 고려할 때, 노즐 막힘이 주로 발생하는 위치를 포함하는 내벽의 일부를 둘러싸도록 형성할 수 있다. 이러한 내공부(160)의 위치는 연속 주조 설비의 특성에 맞는 침지 노즐(100)의 설계에 따라 유동적으로 변경할 수 있음은 물론이다.
내공부(160)는 노즐 몸체(130)의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 고정되고, 이후 노즐 몸체(130)의 성형, 건조 및 소성 과정에서 노즐 몸체(130)와 내공부(160) 간의 재질 차이에 의한 크랙(crack) 등의 발생을 억제하기 위하여 노즐 몸체(130)의 재질과 동일한 재질을 사용한다. 내공부(160)는 탄소(C)가 내공부(160)의 전체 중량 대비 20 중량% 이상 함유된 카본 함유 산화알루미늄(C-Al2O3)을 포함하는 재질로 형성할 수 있으며, 이 경우 고온에서의 전기 전도도를 확보할 수 있다.
고체 전해질층(180)은 내공부(160)의 내벽에 형성되어 노즐(100)과 용강의 계면에서 전기 화학적 탈산 반응을 구현한다. 고체 전해질층(180)은 용강과의 반응성을 최소화하기 위하여 산화지르코늄(ZrO2)계 즉, ZrO2-C의 재질로 형성될 수 있다. 산화지르코늄은 제강 및 연속 주조 공정에서 높은 내화도와 강도를 갖는 기능성 내화물에 사용되는 물질로, 내스폴링(spalling)성의 확보를 위해 탄소(C)와 혼합하여 ZrO2-C의 재질로 사용될 수 있다.
또한, 고체 전해질층(180)은 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ: MgO stabilized ZrO2)를 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄은 고체 연료 전지(SOFC), 용융 금속 중 산소의 농도를 측정하는 프로브(probe) 등의 재료로 사용되는 물질로 연속 주조 공정의 온도인 1550 내지 1650℃에서 가장 높은 산소이온 전도도를 가진다. 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄은 산화마그네슘(MgO)이 8 내지 15mol%로 함유되고, 나머지는 산화지르코늄(ZrO2)으로 이루어지며, 고체 전해질층(180)은 상기 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄에 추가로 산화마그네슘(MgO)을 3 내지 7mol% 혼합한 코팅재를 대기압 플라즈마 분사(APS: Air Pasma Spraying) 방식으로 분사하여 코팅하여 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 노즐(100)는 상기의 내공부(160) 및 고체 전해질층(180) 사이에 형성되는 전극층(170)을 더 포함할 수 있다. 상기 전극층(170)은 산화크롬계 산화물인 Cr2O3 등을 포함하는 재질로 형성될 수 있으며, 내공부(160)(도 1(a))의 내면에 전극층(170)을 형성(도 2(b))하고 상기 전극층(170)의 내면에 고체 전해질층(180)을 형성(도 2(c))하는 경우 내공부(160)와 고체 전해질층(180) 간의 접착력을 현저하게 향상시킬 수 있게 된다. 전극층(170)이 내공부(160) 및 고체 전해질층(180) 사이에 형성되는 경우의 접착력 향상과 관련하여는 도 4와 관련하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 상기 노즐 몸체(130)는 내벽의 적어도 일부가 함입 형성되고, 상기 내공부(160)는 상기 함입 형성된 노즐 몸체(130)의 내벽에 삽입될 수 있다. 이때, 내공부(160)의 내면에 전극층(170)을 형성하고, 상기 전극층(170)의 내면에 고체 전해질층(180)을 형성하는 경우 상기 전극층(170)의 두께는 200㎛ 이하로 형성되고, 상기 고체 전해질층(180)의 두께는 800 내지 1000㎛로 형성될 수 있다. 보다 상세하게는, 내공부(160)가 함입 형성된 노즐 몸체(130)의 내벽에 삽입 배치되는 경우 내공부(160)의 내면이 노즐 몸체(130)의 내면으로부터 약 1㎜ 함입되고, 상기 내공부(160)의 내면에 전극층(170) 및 고체 전해질층(180)이 코팅되어, 코팅 후의 노즐 몸체(130)의 내면과 고체 전해질층(180)의 내면은 동일한 면을 형성하게 된다. 즉, 상기 노즐 몸체(130)와 용강의 계면 및 상기 고체 전해질층과 용강의 계면은 동일한 면을 형성할 수 있게 된다. 따라서, 내공부(160)에 직접 고체 전해질층(180)이 코팅되는 경우 상기 고체 전해질층(180)은 약 1㎜ 즉, 1000㎛의 두께를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 내공부의 횡단면의 일부를 주사 전자 현미경으로 관찰한 결과를 나타내는 도면이다. 도면에서는 내공부의 상부에 전극층이 형성되고, 상기 전극층의 상부에 고체 전해질층이 형성되는 것으로 도시되었으나, 이는 관찰 위치에 따라 변화할 수 있음은 물론이다.
도 4 (a) 내지 (c)에서 알 수 있는 바와 같이, 카본 함유 산화알루미늄(C-Al2O3)을 포함하는 재질로 형성되는 내공부(160)의 상부에는 산화크롬(Cr2O3)을 포함하는 재질로 형성되는 산화크롬계 전극층(170)이 형성되어 있으며, 그 위에는 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ)을 포함하는 고체 전해질층(180)이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 면 분석 결과로부터 도 4(d)의 밝은 색으로 나타나는 지르코늄(Zr) 성분의 분포와 도 4(e)에서 밝은 색으로 나타나는 크롬(Cr) 성분의 분포를 통하여 전극층(170)의 상부에 고체 전해질층(180)이 분리되어 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 인장 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5에서 실선으로 나타낸 그래프는 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ)으로 형성되는 고체 전해질층(180)만을 내공부(160)의 내면에 코팅한 후 인장 실험을 실시한 결과이며, 점선으로 나타낸 그래프는 내공부(160)의 내면에 산화크롬(Cr2O3)으로 형성되는 전극층(170)을 먼저 코팅한 후 상기 전극층(170)의 내면에 고체 전해질층(180)을 코팅한 샘플에 대한 인장 실험 결과를 나타낸다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ) 고체 전해질층(180) 만을 단독으로 내공부(160)의 내면에 코팅한 경우 45N의 임계 접착력을 가지나, 내공부(160)의 내면에 산화크롬(Cr2O3)으로 형성되는 전극층(170)을 먼저 코팅한 후 상기 전극층(170)의 내면에 고체 전해질층(180)을 코팅한 경우 임계 접착력이 약 70N까지 개선되었음을 확인할 수 있다. 이는 산화크롬계 전극층(170)을 내공부(160) 및 고체 전해질층(180) 사이에 형성하는 경우 고체 전해질층(180)의 접착력 및 내구성이 현저하게 향상될 수 있음을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면 접착력 및 내구성이 향상된 고체 전해질층(180)에 의하여 용강 중의 산소를 용강과 노즐(100) 사이의 계면에서 제거할 수 있게 되어, 상기 계면에서의 산화물 생성에 의한 노즐 막힘층의 형성을 억제할 수 있다. 따라서, 연속 주조 공정의 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있게 되고, 제조물인 주편의 생산성 및 품질 향상의 현저한 효과를 가지게 된다.
이하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐 제조 방법을 상세하게 설명한다. 상기 노즐 제조 방법과 관련하여 전술한 본 발명의 실시 예에 따른 노즐에 대한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐 제조 방법은 제 1 내화물을 중공의 원통형으로 성형, 건조 및 소성하여 내공부(160)를 마련하는 과정(S100); 상기 내공부(160)의 내면에 고체 전해질층(180)을 코팅하는 과정(S200); 상기 내공부(160)를 심봉에 결합하고, 상기 심봉을 노즐 성형틀에 고정하는 과정(S300); 상기 노즐 성형틀 내에 제 2 내화물을 충전하고, 상기 제 2 내화물을 성형, 건조 및 소성하여 노즐 몸체(130)를 형성하는 과정(S400);을 포함하고, 상기 제 1 내화물 및 제 2 내화물은 동일한 재질의 내화물로 이루어진다.
이때, 제 1 내화물 및 제 2 내화물은 각각 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(100)의 세부 구성부인 내공부(160) 및 노즐 몸체(130)에 대응되는 내화물로서, 동일한 재질로 구성된다.
내공부를 마련하는 과정(S100)은 먼저 제 1 내화물을 중공의 원통형으로 성형, 건조 및 소성하여 내공부(160)를 제조한다. 여기서 내공부(160)는 이후에 이루어지는 노즐 몸체(130)의 성형, 건조 및 소성 과정에서 노즐 몸체(130)와 내공부(160) 간의 재질 차이에 의한 크랙 등의 발생을 억제하고, 고온에서의 전기 전도도를 확보하기 위하여 노즐 몸체(130)의 재질과 동일하게 탄소(C)가 20 중량% 이상 함유된 카본 함유 산화알루미늄(C-Al2O3)을 포함하는 재질로 형성할 수 있음은 전술한 바와 같다.
또한, 내공부(160)는 노즐 몸체(130)의 형성시 내공부(160)의 내면이 용강과 접하는 노즐 몸체(130)의 내면으로부터 약 1㎜ 함입되도록 형성하여, 상기 내공부(160)의 내면에 고체 전해질층(180) 또는 전극층(170)과 고체 전해질층(180)이 코팅되는 경우 코팅 후의 고체 전해질층(180)과 용강의 계면과 노즐 몸체(130)와 용강의 계면이 동일한 면을 형성하도록 할 수 있다.
이후, 내공부(160)의 내면에 고체 전해질층(180)을 코팅(S200)한다. 이때, 내공부(160)의 내면에 전극층(170)을 코팅(S200)한 후, 전극층의 내면에 다시 고체 전해질층(180)을 코팅할 수도 있으며, 이 경우 전극층(170)은 산화크롬계 산화물인 Cr2O3 등을 포함하는 재질로 형성될 수 있고, 상기 전극층(170)에 의하여 고체 전해질층(180)의 접착력 및 내구성이 현저하게 향상됨은 도 5의 실험 결과로부터 알 수 있었다.
고체 전해질층(180)은 내공부(160)의 내면에 형성되어 노즐(100)과 용강의 계면에서 전기 화학적 탈산 반응을 구현하기 위한 것으로, 연속 주조 공정의 온도인 1550 내지 1650℃에서 가장 높은 산소이온 전도도를 갖는 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ)을 포함하는 재질로 형성할 수 있으며, 상기 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ)은 산화마그네슘(MgO)이 8 내지 15mol%로 함유되고, 나머지는 산화지르코늄(ZrO2)으로 이루어지는 화합물로 형성됨은 전술한 바와 같다.
산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ)을 내공부(160) 또는 전극층(170)의 내면에 코팅하기 위하여는 브러싱(brushing), 디핑(dipping) 등 다양한 방법을 사용할 수 있으나, 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ)의 접착력을 향상시키고 코팅층을 안정하게 부착하기 위하여 대기압 플라즈마 분사(APS: Air Pasma Spraying) 방식으로 분사하여 코팅하는 것이 바람직하다. 이때, 분사되는 코팅제는 상기 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ)에 추가로 파우더 형태의 산화마그네슘(MgO)을 3 내지 7mol% 혼합한 코팅재를 사용하여 코팅시의 접착력을 향상시켜 안정적으로 코팅할 수 있다.
이후, 상기와 같이 고체 전해질층(180)이 코팅된 내공부(160)가 마련되면, 상기 내공부(160)을 심봉에 결합하고, 상기 심봉을 노즐 성형틀에 고정(S300)한다. 이때, 내공부(160)는 심봉의 길이 방향으로 일부 영역을 둘러싸도록 심봉의 길이 방향의 소정 위치에 삽입 결합되거나, 심봉의 외주면의 전체 영역을 둘러싸도록 심봉 외주면의 전체에 삽입 결합될 수 있다. 이에 따라 제조되는 노즐(100)의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 내공부(160)를 고정할 수 있다.
상기와 같이 고체 전해질층(180)이 코팅된 내공부(160)가 심봉에 결합되면, 상기 심봉을 노즐 성형틀에 고정한다. 신봉을 노즐 성형틀과 결합시키는 방식에는 공지의 방식이 적용될 수 있으며, 이를 특별히 한정하는 것은 아니다.
이후, 노즐 성형틀 내에 제 2 내화물을 충전하고, 상기 제 2 내화물을 성형, 건조 및 소성하여 노즐 몸체(130)를 형성(S400)한다. 노즐 몸체(130)는 상단에 유입구(110)가 형성되고 하단에 토출구(120)가 형성되는 관 형상을 가지며, 노즐 몸체(130)의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 내공부(160)가 배치된다. 노즐 몸체(130)는 내공부(160)와의 재질 차이에 의한 크랙 등의 발생을 억제하고, 고온에서의 전기 전도도를 확보하기 위하여 내공부(160)의 재질과 동일한 탄소(C)가 20 중량% 이상 함유된 카본 함유 산화알루미늄(C-Al2O3)을 포함하는 재질로 형성할 수 있다. 또한, 여기서 내공부(160)는 노즐 막힘이 주로 발생하는 위치를 포함하는 내벽의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 이러한 내공부(160)의 위치는 연속 주조 설비의 특성에 맞는 침지 노즐(100)의 설계에 따라 유동적으로 변경할 수 있음은 물론이다.
내공부(160)가 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 노즐 몸체(130)를 성형하고, 이를 건조 및 소성하면 전기 화학적 방법으로 탈산 효과를 가지는 침지 노즐(100)을 제조할 수 있다. 제조된 침지 노즐(100)은 턴디쉬와 주형 사이에 배치되며, 용강과 상기 침지 노즐(100)에 전류 등의 전원을 인가하게 되면, 용강 중의 산소는 산소이온으로 활성화하여 침지 노즐(100)의 내벽에 형성되는 이온 전도성을 가지는 고체 전해질층(180)을 통하여 노즐(100)의 외부로 이동하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면 용강 중의 산소를 용강과 노즐(100) 사이의 계면에서 제거할 수 있게 되어, 상기 계면에서의 산화물 생성에 의한 노즐 막힘층의 형성을 억제할 수 있게 되고, 계면 산소 농도를 낮추어 노즐 내벽과 용강의 젖음성을 낮출 수 있다. 따라서, 연속 주조 공정의 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있게 되고, 제조물인 주편의 생산성 및 품질 향상의 효과가 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
100: 노즐 110: 유입구
120: 토출구 130: 노즐 몸체
160: 내공부 170: 전극층
180: 고체 전해질층

Claims (16)

  1. 상단에 유입구가 형성되고 하단에 토출구가 형성되어 용강의 유동 경로를 형성하는 관 형상의 노즐 몸체;
    상기 노즐 몸체와 동일한 재질로 형성되며, 중공의 원통형으로 형성되는 내공부;
    상기 내공부의 내면에 산화크롬(Cr2O3)을 포함하는 재질로 형성되는 전극층; 및
    상기 전극층의 내면에 형성되는 고체 전해질층을 포함하고,
    상기 노즐 몸체는, 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 내공부를 고정 배치하고, 상기 노즐 몸체와 용강의 계면 및 상기 고체 전해질층과 용강의 계면이 동일한 면을 형성하도록 충진되는 내화물을 성형, 건조 및 소성하여 형성되는 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐 몸체와 내공부는 카본(C) 함유 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 재질로 형성되는 노즐.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄(MSZ: MgO Stabilized ZrO2)을 포함하는 재질로 형성되는 노즐.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄은 상기 고체 전해질층의 전체 mol%에 대하여 산화마그네슘(MgO)이 8 내지 15mol%로 함유되는 노즐.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극층은 200㎛ 이하의 두께로 형성되는 노즐.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐 몸체는 내벽의 적어도 일부가 함입 형성되고,
    상기 내공부는 상기 함입 형성된 노즐 몸체의 내벽에 삽입되는 노즐.
  9. 삭제
  10. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 7 및 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 전해질층의 임계 접착력은 45N 이상의 값을 가지는 노즐.
  11. 제 1 내화물을 중공의 원통형으로 성형, 건조 및 소성하여 내공부를 마련하는 과정;
    상기 내공부의 내면에 산화크롬(Cr2O3)을 포함하는 재질로 전극층을 코팅하는 과정;
    상기 전극층의 내면에 고체 전해질층을 코팅하는 과정;
    상기 내공부를 심봉에 결합하고, 상기 심봉을 노즐 성형틀에 고정하는 과정;
    상기 노즐 성형틀 내에 상기 제 1 내화물과 동일한 재질의 제 2 내화물을 충전하고, 상기 제 2 내화물을 성형, 건조 및 소성하여 노즐 몸체를 형성하는 과정;을 포함하는 노즐 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 내화물 및 제 2 내화물은 카본(C) 함유 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 재질로 형성되는 노즐 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 전체 mol%에 대하여 산화마그네슘(MgO)이 8 내지 15mol%로 함유되는 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄을 포함하는 재질로 형성되는 노즐 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 고체 전해질층을 코팅하는 과정은 상기 산화마그네슘 안정화 산화지르코늄에 추가로 산화마그네슘(MgO)을 3 내지 7mol% 혼합한 코팅재를 대기압 플라즈마 분사(APS: Air Pasma Spraying) 방식으로 분사하여 코팅하는 노즐 제조 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 노즐은 턴디쉬로부터 유입되는 용강을 주형으로 공급하는 침지 노즐인 노즐 제조 방법.
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