KR101639753B1 - 노즐 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR101639753B1
KR101639753B1 KR1020140160859A KR20140160859A KR101639753B1 KR 101639753 B1 KR101639753 B1 KR 101639753B1 KR 1020140160859 A KR1020140160859 A KR 1020140160859A KR 20140160859 A KR20140160859 A KR 20140160859A KR 101639753 B1 KR101639753 B1 KR 101639753B1
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Abstract

본 발명은 용강이 통과되는 통로를 구비하는 노즐몸체, 상기 통로의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 내공부, 용강 및 노즐몸체에 전원을 인가하는 전원공급부를 포함하고, 상기 내공부는 이온전도성의 고체전해질을 함유하는 노즐로서, 용강이 노즐 내의 통로를 통과하는 동안 용강 계면에서의 전기화학적 탈산이 가능하여, 상기 통로 내에 개재물이 부착되는 것이 억제 또는 방지될 수 있는 노즐 및 이의 제조방법이 제시된다.

Description

노즐 및 이의 제조방법{Nozzle and manufacturing method of the same}
본 발명은 노즐에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개재물 부착에 의한 노즐의 막힘 현상을 억제 또는 방지할 수 있는 노즐 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연속주조 설비는 정련된 용강을 공급받아 이를 주편으로 주조하는 설비이다. 예컨대 공개특허공보 제10-2010-0076107호에 제시되고 있는 바와 같이, 연속주조 설비에는 턴디시 내의 용강을 몰드로 공급하기 위한 침지노즐(Submerged Entry Nozzle, SEN)이 구비된다.
한편, 용강이 침지노즐을 통과하는 동안 용강 온도 저하, 계면 반응 및 개재물의 부착 등에 의하여 침지노즐의 내벽으로부터 침지노즐의 중심 방향으로 막힘층이 형성되어 성장하고, 이에, 연속주조 중에 침지노즐의 막힘 현상이 발생되는 경우가 있다. 침지노즐의 막힘 현상은 연속주조 공정의 생산성 감소 및 연속주조 공정에서 제조되는 주편의 품질 저하 등의 원인이 된다.
종래에는 상기의 특허문헌에 제시되고 있는 바와 같이, 소정의 기체를 침지노즐의 내벽에 공급하여 개재물의 부착을 억제하였다. 즉, 종래에는 침지노즐 내벽에 공급되는 소정의 기체를 이용하여 용강 내에 혼입된 개재물이 침지노즐의 내벽에 접촉되는 것을 억제하였고, 이에 침지노즐 내벽에 개재물이 부착되는 것을 억제하는 방안이 제시되었다. 이 외에도 개재물의 부착을 억제하는 내화물 재질을 도입하거나, 침지노즐 내벽에 형성되는 막힘층이 침지노즐 내벽의 내화물과 함께 용손되어 제거되는 등의 방안들이 제시되었다.
하지만, 용강이 침지노즐을 통과하는 동안 침지노즐 내벽의 계면에서는 산화물이 생성될 수 있으며, 종래의 방안들로는 이를 방지하지 못하였다. 따라서, 침지노즐 내벽의 계면에서 생성되는 산화물에 의하여 종래의 방안들은 그 효과가 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 침지노즐 내벽의 계면에서 산화물이 생성되는 것을 억제 또는 방지 가능한 종래와는 다른 방안이 요구되고 있다.
KR 10-2010-0076107 A
본 발명은 계면에서의 전기화학적 탈산이 가능하여 개재물의 부착이 억제 또는 방지될 수 있는 노즐을 제공한다.
본 발명은 부착된 개재물을 금속 이온 및 산소 이온으로 분해하여 제거 가능한 노즐을 제공한다.
본 발명은 용강 내의 금속 성분이 산화되어 개재물로 생성되는 것을 억제 또는 방지 가능한 노즐을 제공한다.
본 발명은 노즐 내에서 전극을 형성하는 내공부의 구조적 손상이 억제 또는 방지될 수 있도록 형상이 개선된 노즐 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 노즐은, 일 방향으로 연장되어 용강이 통과되는 통로를 구비하는 노즐몸체; 및 상기 통로의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 내공부;를 포함하고, 상기 내공부는 이온전도성의 고체전해질을 함유할 수 있다.
상기 노즐몸체는 알루미나(Al2O3) 및 카본(C)을 함유하되, 상기 카본은 상기 노즐몸체의 전체 중량에 대하여 20 wt% 이상의 중량으로 함유될 수 있다.
상기 고체전해질은 8 mol% 내지 15 mol%의 마그네시아(MgO) 및 85 mol% 내지 92 mol%의 지르코니아(ZrO2)를 함유할 수 있다.
상기 내공부는 상기 통로 전체를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
상기 내공부는 일 방향으로 연장되는 중공형의 원통체 형상으로 형성되어, 상기 통로 내에 삽입 결합될 수 있다.
상기 내공부의 양측 단부 각각에는 곡면 형상의 모서리가 형성될 수 있다.
상기 용강 및 노즐몸체에는 전원을 인가 가능한 전원공급부가 연결되고, 상기 전원공급부는 상기 용강 및 노즐몸체에 직류전류 또는 직류전압을 인가하는 직류전원을 포함하며, 상기 직류전원의 양극단자는 상기 노즐몸체에 연결되고, 상기 직류전원의 음극단자는 상기 용강에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 노즐 제조방법은, 제1 내화물을 중공형의 원통체 형상으로 압축 성형하여 내공부를 준비하는 과정; 상기 내공부를 심봉에 결합하고, 상기 내공부가 결합된 심봉과 노즐성형틀을 결합하는 과정; 상기 노즐성형틀 내에 상기 제2 내화물을 충전하고, 상기 제2 내화물을 압축 성형하여 노즐몸체를 형성하는 과정; 및 상기 노즐몸체 및 상기 노즐몸체 내부의 내공부를 동시에 소성하는 과정;을 포함하고, 상기 내공부는 상기 내공부의 양측 단부 각각에 곡면 형상의 모서리가 형성되도록 압축 성형된다.
상기 제1 내화물 및 제2 내화물은 서로 다른 재질일 수 있다.
상기 제1 내화물은 이온전도성의 고체전해질을 함유하되, 상기 고체전해질은 8 mol% 내지 15 mol%의 마그네시아(MgO) 및 85 mol% 내지 92 mol%의 지르코니아(ZrO2)를 함유하고, 상기 제2 내화물은 알루미나(Al2O3) 및 그라파이트(C)를 함유하되, 상기 그라파이트는 상기 제2 내화물의 전체 중량에 대하여 20 wt% 이상의 중량으로 함유될 수 있다.
상기 노즐몸체 및 내공부를 동시에 소성하는 과정은, 상기 노즐몸체 및 내공부를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 소성하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 용강이 노즐 내의 통로를 통과하는 동안 용강과 노즐 내부면과의 계면(이하, 용강 계면)에서의 전기화학적 탈산이 가능하다. 이에, 노즐의 통로 내에 부착된 개재물을 금속 이온 및 산소 이온으로 분해하여 제거 가능하고, 용강 계면에서 용강 내의 금속 성분이 산화되어 개재물로 생성되는 것을 억제 또는 방지 가능하다. 이로부터, 노즐의 통로 내에 개재물이 부착되는 것이 억제 또는 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따르면 용강 계면에서의 전기화학적 탈산을 유도 가능하도록 노즐의 통로 내에 제공되어 양극 전극을 형성하는 내공부의 형상이 개선됨에 의하여 응력 집중에 의한 내공부의 구조적 손상이 억제 또는 방지될 수 있다. 이로부터, 노즐의 제작 및 사용 시에 노즐의 내공부가 수명 내에 파손되는 것을 억제 또는 방지 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐이 적용되는 용강 처리설비를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 작동 방식을 도시한 모식도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 도면을 실시 예를 설명하기 위하여 크기가 과장될 수 있고, 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐이 적용되는 용강 처리설비를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐을 도시한 개략도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 작동 방식을 도시한 모식도이다.
본 발명의 실시 예에서는 노즐(300)이 적용되는 용강 처리설비로서 정련된 용강을 공급받아 이를 소정의 형상으로 응고시키면서 주편으로 주조하는 연속주조 설비를 예시한다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)이 설치되는 위치는 연속주조 설비에 구비되는 침지노즐이 설치되는 위치 예컨대 턴디시의 출강구일 수 있으나, 이를 특별히 한정하지는 않으며, 다양한 위치에서 사용 가능하다.
도 1을 참조하면, 용강 처리설비 예컨대 연속주조 설비는 용강을 임시 저장하는 턴디시(10) 및 턴디시(10)의 하측에서 턴디시(10)로부터 출강되는 용강을 공급받아 주편으로 주조하는 몰드(20)를 포함할 수 있고, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)은 턴디시(10)의 하측에서 턴디시(10)의 출강구(11)에 장착되어 턴디시(10) 내의 용강을 몰드(20)로 일정하게 공급하는 역할을 한다. 이때, 출강구(11)와 노즐(300)의 사이에는 게이트(미도시)가 장착되어 출강구(11)의 개도를 조절할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)은 용강이 통과되는 통로 내에 부착되는 개재물의 전기화학적인 탈산 유도 및 용강 계면에서의 산소 이온 제거가 가능하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기의 "용강 계면"은 "노즐(300)의 내부면과 용강과의 사이에 형성되는 계면"을 의미하며, 특히 본 실시 예에서는 "노즐(300) 내에 마련되는 내공부(320)의 내주면과 용강과의 접촉면에 형성되는 계면"을 의미한다.
이로부터, 본 발명의 실시 예가 적용되는 연속주조 설비 및 연속주조 공정에서는 노즐의 막힘 현상이 효과적으로 억제 또는 방지될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 턴디시(10) 및 몰드(20)를 포함하는 연속주조 설비는 특정한 구성 및 방식으로 한정되는 구성부가 아니며, 각각의 구성 및 방식은 다양할 수 있으므로, 각각의 구성부에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)은, 용강이 통과되는 노즐로서, 일 방향 예컨대 상하 방향으로 연장되어 용강이 통과되는 통로를 구비하는 노즐몸체(310), 용강이 통과되는 통로의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 내공부(320)를 포함하며, 용강 및 노즐몸체(310)에는 전원을 인가 가능한 전원공급부(330)가 연결된다. 이때, 내공부(320)는 연속주조 공정이 진행되는 이온전도성의 고체전해질을 함유한다. 인가된 전원에 의하여 용강의 계면에서 활성화되는 산소 이온(O2-)은 내공부(320)에 의하여 용강의 계면으로부터 노즐몸체(310)의 외부로 이동되어 제거될 수 있다. 이로부터, 용강 계면에서의 개재물 생성이 억제될 수 있다.
노즐몸체(310) 예컨대 침지노즐은 상하 방향으로 연장되는 중공형의 원통체 형상일 수 있다. 노즐몸체(310)는 그 내부에 상하 방향으로 연장되는 통로가 구비된다. 노즐몸체(310)의 상측 단부는 개방되어 통로와 연통되고, 노즐몸체(310)의 하측 단부에는 일 방향의 중심축을 중심으로 서로 대칭하는 복수의 토출구가 형성되어 통로와 연결된다. 이에 노즐몸체(310)의 통로로 용강이 통과 가능하다. 상기와 같이 형성되는 노즐몸체(310)는 턴디시(10)의 출강구(11)에 장착되어 턴디시(10)로부터 용강을 공급받는다.
한편, 본 실시 예에서는 상측 단부에서 하측 단부를 향하는 길이 방향으로 변화하는 내경을 가지도록 형성되어 노즐몸체(310)에 구비되는 통로를 예시하며, 이는 통로 내의 용강 유동을 목적하는 패턴으로 형성하기 위하여 적절히 변경 선택되어질 수 있다. 예컨대 통로는 노즐몸체(310)의 상측 단부에서 하측을 향하는 방향으로 내경이 일정하게 유지되는 제1 영역(310a), 제1 영역(310a)의 하측 단부에서 하측을 향하는 방향으로 내경이 점진적으로 증가되는 제2 영역(310b) 및 제2 영역(310b)의 하측 단부에서 하측으로 향하는 방향으로 내경이 일정하게 유지되는 제3 영역(310c)으로 구분될 수 있다.
본 실시 예에서는 후술하는 내공부(320)가 노즐몸체(310)의 통로의 제1 영역(310a)에서 통로의 내주면을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 하지만, 이를 특별히 한정하지 않으며, 예컨대 연속주조 시에 개재물이 집중적으로 부착되는 위치에 대응되도록 내공부(320)의 위치가 선택될 수 있다. 예컨대 제1 영역(310a)의 상부에 내공부(320)가 위치되거나 제1 영역(310a), 제2 영역(320) 및 제3 영역(330c) 전체에 내공부(320)가 위치될 수 있다.
노즐몸체(310)는 내화성의 재질 예컨대 Al2O3-C의 재질로 제작될 수 있다. 이때, 노즐몸체(310)에 함유되는 카본(C)에 의하여 노즐몸체(310)는 용강에 대한 내스폴링성이 부여될 수 있고, 노즐몸체(310)에 함유되는 알루미나에 의하여 노즐몸체(310)에 목적하는 만큼의 내화성이 부여될 수 있다. 한편, 본 실시 예에서는 노즐몸체(310)가 알루미나(Al2O3) 및 카본(C)을 함유하되, 카본은 노즐몸체(310)의 전체 중량에 대하여, 20 wt% 내지 30 wt%의 범위의 중량으로 함유될 수 있다. 이로부터 노즐몸체(310)는 연속주조 공정의 고온 분위기에서 목적하는 전기전도도를 확보할 수 있다. 즉, 카본이 노즐본체(310)에 20 wt% 이상의 중량으로 함유됨에 의하여, 노즐(300)이 적용되는 공정인 연속주조 공정 시의 분위기 온도 예컨대 1550℃ 내지 1650℃의 온도에서 노즐몸체(310)를 하기의 고체전해질을 함유하는 내공부(320)에 접촉되는 전극 상세하게는 양극전극으로 활용 가능하다.
예컨대 카본이 노즐몸체(310)에 20 wt% 미만으로 함유되는 경우, 노즐몸체(310)에 목적하는 만큼의 전기전도성을 부여하지 못하여 노즐몸체(310)를 전극으로 활용할 수 없게 된다. 한편, 카본이 노즐몸체(310)에 30 wt% 를 초과하여 함유되는 경우, 목적하는 전기전도도는 확보 가능하나, 연주 중에 카본이 용강 중의 철 성분(Fe)으로 용출되어 용강의 성분이 변하게 되고, 노즐몸체(310)의 강도가 저하된다. 따라서, 본 실시 예에서는 노즐몸체(310)의 전체 중량에 대하여, 20 wt% 내지 30 wt%의 범위의 중량으로 함유되는 카본(C)을 예시한다.
내공부(320)는 상하 방향으로 연장되는 중공형의 원통체 형상일 수 있으며, 노즐몸체(310)의 통로의 내측 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다. 중공형의 원통체 형상으로 형성되는 내공부(320)는 노즐몸체(310)의 통로의 내측면의 형상 즉, 노즐몸체(310)의 내주면의 크기 및 형상에 대응하도록 외주면의 크기 및 형상이 형성될 수 있다. 또한, 내공부(320)는 노즐(300)이 적용되는 각 공정에서 처리물 예컨대 용강이 노즐(300) 내에서 목적하는 토출량 및 유동 형상을 확보 가능하도록 내주면의 크기 및 형상이 형성될 수 있다. 또한, 내공부(320)는 상하 방향으로의 통로의 적어도 일부 영역을 둘러싸도록 상하 방향으로의 크기가 형성될 수 있다.
내공부(320)는 통로의 서로 구분되는 복수의 영역들 중 적어도 하나 이상의 영역에 대응하도록 마련되어, 통로의 일부를 둘러싸거나 통로 전체를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 예컨대 내공부(320)가 복수의 영역 중 어느 하나의 영역 내에 마련되는 경우, 복수의 영역 중 통로의 내경이 가장 작은 영역에 마련될 수 있다.
내공부(320)는 노즐(300)이 적용되는 연속주조 공정의 특성 예컨대 강종 등에 대응하여, 통로의 일부 또는 전체를 둘러싸도록 형성되되, 내공부(320)가 통로의 일부를 둘러싸는 경우, 통로 즉 노즐몸체(310)의 내주면으로부터 돌출되지 않도록 형성될 수 있다. 이에 내공부(320)의 내주면과 내공부(320)가 설치되지 않는 영역에서의 통로의 내주면이 서로 매끄럽게 연결될 수 있다.
내공부(320)는 연속주조 공정이 진행되는 공정에서의 온도 예컨대 1550℃ 내지 1650℃의 온도에서 목적하는 안정성 및 이온정도성을 가질 수 있는 재질 예컨대 고체전해질을 이용하여 제작 가능하다. 고체전해질은 예컨대 마그네시아 도판트(dopant)에 의하여 안정화된 지르코니아(MgO stabilized ZrO2, MSZ)를 포함할 수 있고, 이때, 8 mol% 내지 15 mol%의 마그네시아(MgO) 및 85 mol% 내지 92 mol%의 지르코니아(ZrO2)를 함유하도록 성분비가 선택될 수 있다. 이를 하기에서 설명한다.
고체전해질에 함유되는 마그네시아의 성분비가 8 mol% 보다 낮을 경우에는, 또는 고체전해질에 함유되는 지르코니아의 성분비가 92 mol%를 넘어서게 되는 경우, 고체전해질에서 목적하는 소정의 이온전도도를 획득할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 본 실시 예에서는 고체전해질에 함유되는 마그네시아의 성분비의 하한이 8 mol%일 수 있고, 이에 대응하여 지르코니아의 성분비의 상한이 92 mol%일 수 있다.
고체전해질에 함유되는 마그네시아의 몰농도가 15 mol% 이하의 영역에서는 마그네시아의 몰농도가 커질수록 고체전해질 전체의 이온전도도가 높아지는 특징이 있다. 반면에, 고체전해질에 함유되는 마그네시아의 몰농도가 15 mol% 를 넘어서는 영역에서는 마그네시아의 몰농도가 커질수록 지르코니아로 도핑되는 마그네시아에 의하여 고체전해질 전체의 이온전도도가 낮아지게 되는 특징이 있다. 따라서, 본 실시 예에서는 고체전해질에 함유되는 마그네시아의 성분비의 상한이 15 mol%일 수 있고, 이에 대응하여 지르코니아의 성분비의 하한이 85 mol%일 수 있다.
물론, 내공부(320)에 함유되는 고체전해질은 상술한 바에 한정되지 않으며, 전기화학적 탈산이 가능한 다양한 지르코니아(ZrO2)계 복합산화물이 내공부(320)의 형성에 사용되는 고체전해질로서 선택 적용될 수 있다. 여기서 지르코니아는 내화물에 함유되어 용강에 대한 내침식성, 내화도 및 강도를 부여함과 함께 이온전도성을 부여하는 기능성 내화물의 역할을 한다. 이때, 지르코니아계 복합산화물의 안정화를 위한 도판트로는 예컨대 Y2O3, MgO, CaO 등의 산화물이 있으며, 도판트는 목표하는 온도 구간 즉, 연속주조 공정에서의 온도 구간에서 지르코니아의 상(phase)을 이온전도도가 높은 입방형의 상(Cubic phase)으로 안정화시키는 역할을 한다.
고체전해질을 함유함으로써 이온전도성을 가지는 내공부(320)에 의하여 본 실시 예에 따른 노즐(300)은 용강과의 계면에서 발생되는 금속 성분의 산화물 생성을 억제 또는 방지 가능하다. 즉, 고체전해질은 용강 및 노즐몸체(310)에 인가되는 직류전류 또는 직류전압을 이용하여 용강 계면에서의 전기화학적 탈산 반응을 유도하는 역할을 하며, 이에 용강 계면에서의 개재물 생성을 억제 또는 방지하여 노즐의 막힘 현상을 저감시킨다. 이로부터 연속주조 공정에서의 노즐(300)의 연연주비가 향상될 수 있다.
한편, 상기의 내공부(320)는 통로의 내주면에 도포되어 코팅되거나, 소정의 형상 및 두께를 가지는 별도의 인서트 부재로 형성되어 통로 내에 삽입될 수 있다. 본 실시 예에서는 길이 방향으로 연장되는 중공형의 원통체 형상으로 형성되어, 통로 내에 삽입 결합되는 내공부(320)를 예시한다. 이때, 본 실시 예에서는 내공부(320)의 구체적인 형상을 하기와 같이 형성함으로써, 내공부(320)를 노즐몸체(310)에 삽입하여 소성 제조할 때 내공부(320)에 크랙성 결함이 발생되는 것을 억제 또는 방지 가능하다. 이를 이하에서 상세히 설명한다.
고체전해질을 노즐몸체(310)의 내벽에 설치하여 용강 및 노즐몸체(310)에 전기화학적 회로를 구성하기 위하여, 본 실시 예에서는 예컨대 치밀질의 인서트 부재로 제작되며 고체전해질을 함유하는 내공부(320)를 통로 내에 삽입한다.
이때, 내공부(320)의 양측 단부 각각의 코너부 중 외주면과 이어지는 외측 코너부에는 곡면 형상의 모서리(321)가 형성되도록, 내공부(320)의 형상이 가공될 수 있다. 이는 내공부(320)를 형성하는 고체전해질 재질(MSZ)과 노즐몸체(310)를 형성하는 내화성의 재질 예컨대 Al2O3-C의 재질의 서로 다른 열팽창율에 의하여 노즐(300)의 승온 또는 소성 시에 내공부(320)에 크랙성 결함이 생성되는 것을 방지하기 위함이다.
예컨대 고체전해질 재질(MSZ)의 경우, 1000℃ 내지 1200℃의 온도 사이에서 상전이(phase transition)되며 부피가 변화한다. 반면에, 내화성 재질인 Al2O3-C의 재질의 경우, 1000℃ 내지 1200℃의 온도 사이에서의 부피 변화가 고체전해질에 비하여 상대적으로 적다. 따라서, 노즐(300)의 소성 제작 시에, 인서트 부재로 제작되는 내공부(320)의 노즐몸체(310) 내에서의 상대적인 부피 팽창에 의하여, 내공부(320)와 노즐몸체(310) 사이에는 응력이 발생된다. 응력은 부재의 단면 형상이 급격하게 변화하는 부분에 집중되는 특성을 가지며, 이에 내공부(320)의 상측 및 하측 단부의 코너부에 집중될 수 있다. 이에 노즐(300)의 소성 과정에서, 내공부(320)의 코너부에는 크랙이 발생될 수 있다. 이를 억제 또는 방지하고자 본 발명의 실시 예에서는 단면의 형상이 점진적으로 변화되도록 코너부를 곡면 형상으로 가공하여 응력 집중을 효과적으로 해소할 수 있다. 이에 노즐(300)의 제작 시 크랙성 결함을 발생을 억제 또는 방지 가능하여, 노즐(300)의 생산성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
전원공급부(330)는 용강 및 노즐몸체(310)에 직류전류 또는 직류전압을 인가하는 직류전원을 포함하며, 직류전원의 양극단자는 노즐몸체(310)에 예컨대 금속 와이어(wire)에 의하여 연결되고, 직류전원의 음극단자는 예컨대 턴디시 내의 용강 중에 침지되는 내화성 재질인 Al2O3-C의 재질의 대전극에 의하여 용강에 연결될 수 있다. 여기서 용강 중에 침지되는 대전극은 노즐몸체(310)와 대응되는 조성 및 성분비의 조성을 가지는 재질로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이 연결되는 전원공급부(330)에 의하여 용강은 음극전극으로 대전되며, 노즐본체(310)는 양극전극으로 대전되어 전기화학적 탈산을 위한 소정의 회로가 노즐(300) 내의 용강 계면에 제공될 수 있다.
하기에서는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300) 및 연속주조 설비가 연속주조 공정에 적용되는 경우를 설명한다. 예컨대 본 실시 예에서는 용강을 공급받아 주편으로 주조하는 연속주조 방법을 다음과 같이 예시한다. 연속주조 방법은 턴디시(10), 몰드(20) 및 노즐(300)을 구비하는 연속주조 설비를 마련하는 과정, 턴디시(10) 내에 수강된 용강을 몰드(20)로 주입하여 주편을 인발하는 과정, 용강 및 노즐(300)에 전원을 인가하는 과정을 포함하며, 용강 및 노즐(300)에 전원을 인가하는 과정은, 직류전원의 음극단자를 용강에 연결하고, 직류전원의 양극단자를 노즐의 노즐몸체(310)에 연결하여, 용강 및 노즐(300)에 직류전류 또는 직류전압을 인가하는 과정을 포함할 수 있다. 이때, 노즐(300)은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)을 포함할 수 있으며, 노즐(300)은 전도성 재질의 노즐몸체(310), 노즐몸체(310) 내의 통로의 길이 방향으로의 소정 영역에 마련되는 이온전도성 재질의 내공부(320) 및 용강과 노즐몸체(310)에 전원을 인가하는 전원공급부(330)를 구비할 수 있다.
먼저, 연속주조 설비를 마련한다. 이어서, 턴디시(10)에 용강을 수강하고, 예컨대 출강구(11)에 마련된 게이트(미도시)를 개방하여 턴디시(10) 내의 용강을 노즐(300)로 공급한다. 용강은 턴디시(10)의 출강구(11)에 장착된 노즐(300)을 통과하여 몰드(20)로 연속하여 공급되고, 몰드(20)의 하측으로 인발되어 몰드(20)의 하측에 마련되는 2차 냉각 라인(미도시)을 통과하며 연속하여 주편으로 주조된다. 주편의 주조와 함께, 용강 및 노즐(300)에 전원을 인가하여, 용강 계면에서의 개재물 생성을 억제 또는 방지하고, 부착된 개재물의 분리 및 분해를 촉진시켜, 노즐의 막힘 현상을 억제 또는 방지한다.
상세하게는 다음과 같다. 노즐(300)이 몰드(20)로 용강을 공급하는 동안에, 노즐(300)의 전원공급부(330)를 이용하여 노즐(300)의 통로에 삽입 결합된 이온전도성 고체전해질의 내공부(320)를 외측에서 감싸는 노즐몸체(310)에 직류전원의 양극을 인가하고, 노즐 내를 통과하는 용강에 직류전원의 음극을 인가한다. 이때, 턴디시(10) 내에 수강된 용강에 직류전원의 대전극을 침지시켜 용강에 음극을 인가 가능하다. 이로부터, 노즐몸체(310)와 내공부(320)와 용강 계면과 용강과 전원공급부(330)를 연결하는 전기화학적 회로가 형성될 수 있고, 이를 이용하여, 노즐(300)과 용강의 사이의 계면에서 전기화학적인 탈산이 유도될 수 있고, 용강 계면에서의 용강 내의 산소 이온은 내공부(320) 및 노즐몸체(310)를 통과하여 노즐(300)의 외부로 제거될 수 있다. 이에 따라 용강 계면에서 금속 성분이 산화되어 개재물로 생성되는 것을 억제 또는 방지할 수 있어, 노즐(300)의 통로 내에 막힘층이 형성되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다. 또한, 용강 계면의 산소 농도가 낮아질 수 있어 노즐(300)의 통로 내주면에 대한 용강의 젖음 정도가 낮아질 수 있다.
여기서, 용강 및 노즐몸체(310)에 전원을 인가함에 있어서, 연속주조 공정이 진행되는 동안 지속적으로 또는 주기적으로 전원을 인가할 수 있다. 물론 전원을 인가하는 방식은 이에 한정되지 않으며, 전원을 인가하는 시간은 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대 주조 초기, 중기 및 말기 등과 같이 연속주조 시의 서로 구분되는 공정시간 중 특정 시간대 예컨대 개재물의 생성에 취약한 시간동안 전원을 인가할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)의 통로 내벽에 형성되는 용강 계면에서의 전기화학적 탈산 작용을 도 3과 함께 상세하게 설명한다.
도 3은 용강의 계면에서 생성되는 산화성의 개재물이 전기화학적 탈산 작용에 의하여 산소 이온과 금속 이온으로 분리되는 일련의 과정을 도시한 모식도이다.
도 3을 참조하면, 용강 계면에서는 용강 중의 금속(M)이 산소와 결합되어 금속 이온(M+) 및 산소 이온(O2-)의 결합물 즉 산화물 또는 개재물이 생성된다. 이는 용강 중에 존재하는 산소가 용강의 계면에서 활성화되는 특성 때문이다. 생성된 산화물은 연속주조 공정에서의 용강의 온도범위에서는 안정적인 상태로 존재하며, 또한, 용강과의 계면 에너지가 높아서 즉, 노즐(300)의 내벽에 부착되려는 성질이 상대적으로 강하여, 노즐(300)을 향하여 자발적으로 이동되어 부착된다. 이와 같이 연속주조 중인 노즐(300)의 내벽에는 산화물이 생성 및 부착된다.
이때, 용강을 음극(cathode)으로 하고, 노즐몸체(310)를 양극(anode)으로 하며, 음극과 양극의 사이에 용강 계면 및 내공부(320)의 순으로 연결되어 구성되는 전기회로에 소정 크기의 직류전압 또는 직류전류를 인가한다. 이때, 인가되는 직류전압 또는 직류전류의 크기는 연속주조 공정에서의 공정 조건에 따라 정량화된 값으로 산출될 수 있다.
상기의 전류값 및 전압값을 결정하는 방식은 다양할 수 있으며, 이는 연속주조 공정의 각 조건에 따라 다양하게 변경 가능하다. 본 발명의 실시 예에서는 이의 수치 범위 및 이를 산출하는 소정의 과정을 하기에서 간단히 설명한다.
예컨대 전기회로에 소정의 전류값 예컨대 1.0A 의 직류전류를 기준 전류값으로 인가하고, 연속주조를 실시한다. 이어서, 전기회로에 인가되는 직류전류 또는 직류전압의 값을 순차적으로 변화시키면서 연속주조를 반복 실시한다. 이때 전기회로 즉 전원공급부(330)에서 인가되는 전류 및 전압값을 제외한 나머지의 공정 조건은 동일하게 유지한다. 이와 동일하게 전기회로에 인가되는 직류전압값을 변경시키며 연속주조를 반복 실시한다. 반복 실시되는 연속주조 공정에서 몰드(20) 또는 턴디시(10)의 탕면에서의 유동 형상 및 주조 속도 등을 측정하여 연속주조가 안정적으로 진행되는 경우에서의 직류전류 또는 직류전압 값을 해당 연속주조 공정에서 최적화되는 전류값 또는 전압값으로 정량화한다. 이와 같은 과정에 의하여, 본 실시 예에서는 노즐(300)의 전원공급부(330)를 이용하여 노즐(300)에 제공되는 전기회로에 1A 내지 7A의 직류전류 또는 5A의 직류전류 또는 40V 내지 80V의 직류전압 중 어느 하나를 선택적으로 인가하여, 용강 계면에서의 전기화학적 탈산을 원활하게 실시할 수 있다.
이어서, 도 3을 참조하여, 용강의 계면에서 생성되는 산화성의 개재물이 전기화학적 탈산 작용을 설명한다. 소정의 직류전압 또는 직류전류가 전기회로에 인가되면, 산화물 예컨대 개재물의 주변으로 전자가 밀집되고, 이어서 전자에 의하여 산화물의 전기화학적인 환원 반응이 유도된다. 이에, 산화물이 산소 이온과 금속 이온으로 분리 또는 분해되며, 산소 이온은 전기적 성질에 의하여 이온전도성의 내공부(320)를 통과하여 양극으로 대전된 노즐몸체(310) 측으로 이동되어 용강 계면으로부터 제거된다. 전기회로 내의 전자에 의하여 산소 이온이 제거되어 환원된 금속 이온은 용강에 혼입된다. 이와 같은 과정을 거쳐 노즐 내벽과 용강 사이의 계면에서 생성 및 부착되는 개재물을 지속적으로 분해 및 제거되고, 특히, 계면에서의 산소 농도가 낮아짐에 따라 노즐(300)의 내벽에 개재물에 의한 막힘층이 형성되는 것을 효과적으로 억제 또는 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)을 제조하는 방법을 상세히 설명한다. 이때, 설명의 중복을 피하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐의 상세한 설명과 중복되는 사항들은 간략하게 설명하거나 그 설명을 생략한다.
본 발명의 실시 예에 따른 노즐을 제조하는 방법은, 제1 내화물을 중공형의 원통체 형상으로 압축 성형하여 내공부를 형성하는 과정과, 내공부를 심봉에 결합하고 내공부가 결합된 심봉과 노즐성형틀을 결합하는 과정과, 노즐성형틀 내에 제2 내화물을 충전하고 제2 내화물을 압축 성형하여 노즐몸체를 형성하는 과정과, 노즐몸체 및 노즐몸체 내부의 내공부를 동시에 소성하는 과정을 포함한다.
이때, 제1 내화물 및 제2 내화물은 각각 본 실시 예에 따른 노즐(300)의 세부 구성부인 내공부(320) 및 노즐몸체(310)에 대응되는 내화물로서, 서로 다른 재질을 함유하며, 이의 상세한 조성은 다음과 같다.
제1 내화물은 이온전도성의 고체전해질을 함유하되, 고체전해질은 8 mol% 내지 15 mol%의 마그네시아(MgO) 및 85 mol% 내지 92 mol%의 지르코니아(ZrO2)를 함유할 수 있다. 또한, 제2 내화물은 알루미나(Al2O3) 및 카본(C) 상세하게는 그라파이트를 함유하되, 그라파이트는 제2 내화물의 전체 중량에 대하여 20 wt% 이상의 중량으로 함유될 수 있다.
먼저, 노즐 제조를 위한 노즐성형틀과, 이에 충진되는 제1 내화물 및 제2 내화물을 마련한다. 여기서, 노즐성형틀은 용강이 통과되는 통로 형성을 위한 심봉을 내부에 구비하는 다양한 구조 및 방식의 노즐성형틀일 수 있다. 예컨대 본 실시 예에서는 연속주조 설비의 침지노즐을 성형 가능한 것을 만족하는 소정의 형상 및 크기를 가지는 노즐성형틀을 예시한다.
다음으로, 제1 내화물을 중공형의 원통체 형상으로 압축 성형하여 내공부(320)를 준비한다. 이때, 내공부(320)를 압축 성형하는 방식은 특별히 한정하지 않으며, 이의 제조방식은 다양할 수 있다. 예컨대 내공부(320)는 내부에 내공부의 형상과 대응되는 공간을 구비하는 소정의 틀을 마련하고, 틀 내에 제1 내화물을 주입한 뒤 이를 압축 성형하는 방식으로 제조 가능하다.
한편, 내공부를 압축 성형하는 과정에 있어서, 내공부(320)는 내공부(320)의 양측 단부 각각에 곡면 형상의 모서리가 형성되도록 압축 성형될 수 있다. 상세하게는, 내공부(320)의 양측 단부 각각의 코너부 중 외주면과 이어지는 외측 코너부에 곡면 형상의 모서리(321)가 형성되도록 압축 성형될 수 있다. 이에, 후술하는 노즐몸체(310) 및 내공부(320)의 소성 과정에서 고체전해질(MSZ)과 알루미나 카본Asl2O3-C)의 서로 다른 열팽창율에 의한 크랙성 결함의 발생이 억제 또는 방지될 수 있으며, 이에 따라 노즐몸체(310)와 내공부(320)를 동시에 소성 가능하다.
다음으로, 내공부(320)를 심봉에 결합하고, 이어서 이들을 노즐성형틀의 내부에 결합 고정시킨다. 이때, 내공부(320)는 심봉의 길이방향으로의 일부 영역을 둘러싸도록 심봉의 길이방향의 소정 위치에 삽입 결합되거나, 심봉의 외주면의 전체 영역을 둘러싸도록 심봉 외주면의 전체에 삽입 결합될 수 있다. 이에 따라 제조되는 노즐(300)의 통로 일부를 감싸거나 통로 전체를 감싸도록 내공부(320)가 형성될 수 있다. 한편, 내공부(320)가 심봉의 길이방향의 소정 위치에서 심봉의 일부 영역을 감싸도록 결합되는 경우, 이의 위치를 고정하기 위한 고정틀이 심봉에 더 결합될 수 있다. 내공부(320)가 결합된 심봉을 노즐성형틀과 결합시키는 방식에는 공지의 방식이 적용될 수 있으며, 이를 특별히 한정하지는 않는다.
다음으로, 노즐성형틀 내에 제2 내화물의 입자를 충전하고 노즐성형틀을 이용하여 제2 내화물을 압축 성형한다. 이에 노즐몸체(310)가 형성될 수 있으며, 노즐몸체(310)의 내부에는 용강이 통과되는 통로가 형성되고, 통로 내에는 통로의 적어도 일부를 둘러싸는 내공부(320)가 결합될 수 있다.
한편, 제1 내화물의 압축 성형 및 제2 내화물의 압축 성형 시 성형이 용이하도록 예컨대 페놀수지 및 열경화성 수지 등의 바인더가 각 내화물에 소정 함량 첨가될 수 있으며, 이의 함량은 각 내화물로부터 성형되는 내공부 및 노즐몸체가 목적하는 결합력으로 압축 성형될 수 있는 것을 만족하는 함량일 수 있다. 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위하여 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 성형체 예컨대 노즐몸체 및 이에 결합된 내공부로부터 노즐성형틀 및 심봉을 제거하고, 노즐몸체 및 내공부를 동시에 소성한다. 이때, 노즐몸체 및 내공부를 동시에 소성하는 과정은, 노즐몸체 및 내공부를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 소성하는 과정을 포함할 수 있다. 여기서 상기의 1000℃ 내지 1200℃의 온도는 내공부 즉 고체전해질의 상전이 과정을 위하여 요구되는 소성 온도 범위이다.
제1 내화물 예컨대 고체전해질 재질(MSZ)의 경우, 1000℃ 내지 1200℃의 온도 사이에서 상전이(phase transition)되며 부피가 변화한다. 반면에, 제1 내화물 예컨대 알루미나 카본 재질의 경우, 1000℃ 내지 1200℃의 온도 사이에서의 부피 변화가 고체전해질에 비하여 상대적으로 적다.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 노즐몸체 및 내공부를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 소정의 시간동안 소성하며, 이에 따라 내공부는 소성 시에 상전이 과정을 거칠 수 있다. 상전이 과정을 거치면서 내공부는 목적하는 강도 및 이온전도성을 가지게 되며, 이때, 내공부 양측 단부의 외측 코너부에 형성된 곡면 형상의 모서리에 의하여, 내공부(320)와 노즐몸체(310) 사이에는 발생되는 응력의 집중 현상을 억제 또는 방지 가능하다.
따라서, 서로 다른 재질의 제1 내화물 및 제2 내화물로 이루어진 내공부 및 노즐몸체를 동시에 소성함에 있어서, 내공부(320)의 노즐몸체(310) 내에서의 상대적인 부피 팽창에 의한 코너부로의 응력 집중을 방지하여, 내공부(320)의 손상을 억제 또는 방지 가능하다. 이로부터 노즐 제작 시의 크랙성 결함을 억제 또는 방지하고, 이에 노즐(300)을 제조하는 공정에서의 생산성 및 제조되는 노즐의 수명을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 노즐(300)은 노즐(300) 내를 통과하는 용강의 계면에서의 개재물 생성을 억제할 수 있고, 부착된 개재물을 분해할 수 있으며, 용강의 젖음 정도를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 노즐의 막힘 현상이 억제 또는 방지될 수 있어, 연속주조 공정의 생산성 및 주조되는 주편의 품질이 향상될 수 있다.
또한, 용강의 계면에서의 전기화학적 탈산을 유도하기 위하여 노즐의 통로 내에 제공되는 이온전도성의 고체전해질 내공부는 중공형의 원통체 형상으로 형성될 수 있다. 이로부터, 노즐의 제작 시에 내공부가 노즐 통로 내에 용이하게 삽입 결합될 수 있다.
또한, 내공부가 삽입 결합된 노즐의 소성 과정 또는 노즐을 이용한 연속주조 과정에서 노즐몸체와 내공부의 열 팽창율의 차이로 인하여 내공부의 모서리에는 응력이 집중될 수 있으나, 내공부의 곡면 형상의 모서리에 의하여 응력 집중이 해소될 수 있다. 이로부터, 노즐의 제작 및 사용 시에 열 팽창율의 차이로 인한 노즐 내공부의 파손을 방지 가능하다.
본 발명의 상기 실시 예는 연속주조 공정에 적용되는 경우가 예시되었으나, 이 외에도 다양한 금속 성분을 가지는 각종 용융물을 처리하는 공정에서의 용융물 토출에 적용될 수 있다. 한편, 본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 턴디시 20: 몰드
300: 노즐 310:노즐몸체
320: 내공부 330: 전원공급부

Claims (11)

  1. 일 방향으로 연장되어 용강이 통과되는 통로를 구비하는 노즐몸체; 및
    이온전도성의 고체전해질을 함유하고, 상기 통로의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 내공부;를 포함하고,
    상기 노즐몸체는 전기전도성을 가지며,
    상기 내공부는 일 방향으로 연장되는 중공형의 원통체 형상으로 형성되어 상기 통로 내에 삽입 결합되고, 상기 통로의 내측 둘레를 감싸 접촉되며,
    상기 내공부의 양측 단부 각각에는 곡면 형상의 모서리가 형성되는 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐몸체는 알루미나(Al2O3) 및 카본(C)을 함유하되,
    상기 카본은 상기 노즐몸체의 전체 중량에 대하여 20 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 함유되는 노즐.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체전해질은 8 mol% 내지 15 mol%의 마그네시아(MgO) 및 85 mol% 내지 92 mol%의 지르코니아(ZrO2)를 함유하는 노즐.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 내공부는 상기 통로 전체를 둘러싸도록 형성되는 노즐.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 용강 및 노즐몸체에는 전원을 인가 가능한 전원공급부가 연결되고,
    상기 전원공급부는 상기 용강 및 노즐몸체에 직류전류 또는 직류전압을 인가하는 직류전원을 포함하며,
    상기 직류전원의 양극단자는 상기 노즐몸체에 연결되고,
    상기 직류전원의 음극단자는 상기 용강에 연결되는 노즐.
  8. 제1 내화물을 중공형의 원통체 형상으로 압축 성형하여 내공부를 준비하는 과정;
    상기 내공부를 심봉에 결합하고, 상기 내공부가 결합된 심봉과 노즐성형틀을 결합하는 과정;
    상기 노즐성형틀 내에 전기전도성을 가지는 제2 내화물을 충전하고, 상기 제2 내화물을 압축 성형하여 노즐몸체를 형성하는 과정; 및
    상기 노즐몸체 및 상기 노즐몸체 내부의 내공부를 동시에 소성하는 과정;을 포함하고,
    상기 내공부는 상기 내공부의 양측 단부 각각에 곡면 형상의 모서리가 형성되도록 압축 성형되는 노즐 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 내화물 및 제2 내화물은 서로 다른 재질인 노즐 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 내화물은 이온전도성의 고체전해질을 함유하되,
    상기 고체전해질은 8 mol% 내지 15 mol%의 마그네시아(MgO) 및 85 mol% 내지 92 mol%의 지르코니아(ZrO2)를 함유하고,
    상기 제2 내화물은 알루미나(Al2O3) 및 카본(C)를 함유하되,
    상기 카본은 상기 제2 내화물의 전체 중량에 대하여 20 wt% 내지 30wt%의 중량으로 함유되는 노즐 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 노즐몸체 및 내공부를 동시에 소성하는 과정은,
    상기 노즐몸체 및 내공부를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 소성하는 과정;을 포함하는 노즐 제조방법.
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