KR101742075B1

KR101742075B1 - 쉬라우드 노즐 및 연속주조방법

Info

Publication number: KR101742075B1
Application number: KR1020150120282A
Authority: KR
Inventors: 정태인; 김용인
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2017-05-31
Also published as: KR20170024800A

Abstract

본 발명은 노즐 및 이를 구비하는 연속주조방법에 관한 것으로서, 용강이 수용되는 래들을 마련하는 과정; 내벽에 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층이 형성되는 노즐을 상기 래들의 하부에 연결하는 과정; 상기 노즐을 통해 상기 래들의 하부에 구비되는 턴디쉬에 용강을 주입하는 과정;을 포함하여, 턴디쉬 내에서 용강의 재산화를 억제 혹은 방지할 수 있다.

Description

쉬라우드 노즐 및 연속주조방법{Shroud Nozzle and continuous casting method of using the same}

본 발명은 쉬라우드 노즐 및 이를 구비하는 연속주조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용강의 청정도를 확보할 수 있는 쉬라우드 노즐 및 이를 구비하는 연속주조방법에 관한 것이다.

일반적으로 턴디쉬(tundish)는 래들에 저장된 용강을 수용하여 개재물의 분리 부상 및 용강의 온도를 보존하며 주형으로 용강을 공급하여 연속 주조 작업이 용이하도록 하는 용기를 말한다.

턴디쉬는 용강을 주형으로 주입하기 전 일시적으로 용강을 저장하고, 주형 내로 공급되는 용강의 양을 조정하거나, 용강 중 개재물을 분리하는 등 다양한 기능을 수행하고 있다. 그 중 용강 중 개재물을 제거하는 기능은 주편의 품질을 좌우하기 때문에 매우 중요한 기능이 되고 있다.

그러나 래들에서 턴디쉬로 용강을 주입할 때 턴디쉬 내 잔류하는 공기에 의해 용강이 오염되기 때문에 턴디쉬의 개재물 제거 효과가 충분하게 발휘되지 않는 현상이 발생하고 있다. 이에 래들에서 턴디쉬로 용강을 공급할 때 턴디쉬 상부를 턴디쉬 커버로 덮고 턴디쉬 내에 불활성 가스를 취입함으로써 턴디쉬 내 공기를 턴디쉬 외부로 배출시키는 방법이 적용되고 있다. 그런데 턴디쉬 내부로 용강을 공급하기 위한 노즐이 삽입되는 공간이 필요하므로 턴디쉬 커버에 의해 턴디쉬 내부를 완전히 밀폐시키는 것은 불가능하다. 이에 턴디쉬 내부로 불활성 가스를 취입하게 되면 턴디쉬 내부 압력 변화로 인해 턴디쉬 외부에서 턴디쉬 내부로 공기가 유입되는 현상이 발생하여 용강이 공기, 즉 공기 중 함유되는 산소에 의해 산화되는 문제점이 여전히 발생하게 된다.

JP 2002-263808A JP 1996-332551A

본 발명은 턴디쉬로 주입되는 용강의 청정도를 확보할 수 있는 쉬라우드 노즐 및 이를 구비하는 연속주조방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 쉬라우드 노즐은, 래들의 하부에 연결되어 턴디쉬에 용강을 공급하는 쉬라우드 노즐로서, 상부에는 주입구가 형성되고, 하부에는 토출구가 형성되며, 상기 주입구와 상기 토출구를 연통시키는 내공부가 형성되는 몸체; 및 상기 용강의 열에 의해 용해되도록 상기 몸체의 내벽 적어도 일부에 형성되고, 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층;을 포함할 수 있다.

상기 코팅층은 상기 몸체의 내벽 전체에 걸쳐 형성될 수 있다.

상기 몸체의 내벽에는 요홈이 형성되고, 상기 코팅층은 상기 요홈에 매립되도록 형성될 수 있다.

상기 코팅층은 상기 몸체의 내벽에 요철 구조를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 코팅층은 Al, Ti, Si, Cu, Ni 및 Fe 중 적어도 어느 하나를 함유할 수 있다.

상기 코팅층은 5 내지 20㎜ 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 코팅층은 다공성 박막 형태로 형성될 수 있다.

삭제

본 발명의 실시 형태에 따른 연속주조방법은, 용강이 수용되는 래들을 마련하는 과정; 내벽에 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층이 형성되는 쉬라우드 노즐을 상기 래들의 하부에 연결하는 과정; 상기 쉬라우드 노즐을 통해 상기 래들의 하부에 구비되는 턴디쉬에 용강을 주입하여 상기 쉬라우드 노즐을 따라 이동하는 용강에 의해 코팅층을 용해시킴으로써 상기 용강 중에 마그네슘을 유입시키는 과정;을 포함하고, 상기 용강 중에 유입된 마그네슘은 상기 턴디쉬 내 산소를 제거할 수 있다.

상기 턴디쉬에 용강을 주입하는 과정에서 상기 코팅층은 상기 노즐을 따라 이동하는 용강에 용해될 수 있다.

상기 턴디쉬에 용강을 주입하는 과정에서 용강 중으로 유입된 마그네슘 성분이 상기 턴디쉬 내의 산소와 반응하여 산화마그네슘(MgO)을 생성할 수 있다.

상기 코팅층은 상기 턴디쉬에 용강이 주입되고 30 내지 200초 내에 제거될 수 있다.

본 발명에 의하면, 턴디쉬 내 산소를 효율적으로 제거하여 용강의 재산화를 억제할 수 있다. 즉, 턴디쉬에 용강을 주입하기 위한 노즐에 산소친화도가 좋은 마그네슘 함유 코팅층을 형성할 수 있다. 이에 용강이 래들에서 턴디쉬로 이동하는 과정에서 용강의 열에 의해 용해되어 용강 중으로 유입될 수 있다. 이렇게 용강 중으로 유입된 마그네슘은 턴디쉬 내의 산소와 반응하여 산화마그네슘을 생성하여 턴디쉬 내 산소를 용이하게 제거할 수 있고, 그에 따라 주조되는 주편의 품질 저하를 억제 혹은 방지할 수 있다. 또한, 별도의 설비를 구축하지 않고 턴디쉬 내 산소를 제거할 수 있어 설비 구축에 따른 비용 증가를 억제할 수 있다. 수 있어 주조되는 주편의 품질 저하를 억제 혹은 방지할 수 있다.

도 1은 연속주조장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 2는 도 1에 도시된 연속주조장치의 일부 구성을 보여주는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 노즐의 구조를 보여주는 사시도 및 단면도.
도 4는 도 3의 (b)에 도시된 선B-B'에 따른 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 연속주조장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 연속주조장치의 일부 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 연속주조장치는 연속 주조 장치는 제강공정에서 정련된 용강이 담기는 래들(ladle; 10)과, 래들(10)에 연결되는 노즐(20), 예컨대 주입노즐(20)을 통해 용강을 공급받아 이를 일시 저장하는 턴디쉬(tundish; 30)와, 턴디쉬(30)에 저장된 용강을 침지노즐(40)을 통해 전달받아 일정한 형상으로 초기 응고시키는 주형(mold; 30)을 포함한다. 또한, 주형(50)의 하부에 구비되어 주형(50)으로부터 인발된 미응고 주편(S)을 냉각시키면서 일련의 성형 작업을 수행하도록 복수의 세그먼트(segment)가 연속적으로 배열되는 냉각라인(60)을 포함한다.

도 2를 참조하면, 주입노즐(20)은 래들(10)의 하부에 연결되어 턴디쉬(30) 상부를 통해 턴디쉬(30) 내부에 배치되어 래들(10)에 수용된 용강을 턴디쉬(30)에 공급한다. 주입노즐(20)은 래들(10)과 턴디쉬(30)의 사이에 구비되어 래들(10)에 수용된 용강을 턴디쉬(30)로 주입하며, 롱 노즐 또는 쉬라우드 노즐일 수 있다. 턴디쉬(30) 상부에는 턴디쉬 커버(31)가 구비되며, 턴디쉬 커버(31)에는 주입노즐(20)이 삽입되는 관통구(33)가 형성될 수 있다. 관통구(33)는 주입노즐(20)의 설치를 용이하게 하기 위하여 주입노즐(20)의 직경보다 큰 직경을 갖도록 형성될 수 있다.

이러한 구조적 특징 때문에 턴디쉬(30) 상부를 턴디쉬 커버(31)로 덮는 경우에도 턴디쉬(30) 내부가 완전히 밀폐되기 어렵다. 따라서 턴디쉬(30) 내부에는 공기가 존재하게 되고, 용강 주입 전 턴디쉬(30) 내부의 공기를 제거하기 위해 불활성 가스를 주입하는 경우 관통구(33)를 통해 공기가 유입되는 문제점이 여전히 발생하게 된다. 이와 같은 상태에서 턴디쉬(30)에 용강을 공급하면 제강공정에서 정련된 용강이 재산화되어 다량의 개재물을 생성하기 때문에 주조되는 주편의 품질을 저하시킬 수 있다.

따라서 본 발명에서는 턴디쉬(30) 내 공기, 즉 산소를 효율적으로 제거할 수 있는 방법을 제안한다. 이에 본 발명에서는 래들(10)에서 턴디쉬(30)로 용강을 주입하는 주입노즐(30)의 내벽에 산소친화도가 높은 마그네슘(Mg) 성분, 예컨대 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층(29)을 형성한다. 이러한 구성을 통해 용강이 주입노즐(30)을 따라 이동하면 용강의 열에 의해 코팅층(29)이 용강 중으로 용해되어 용강 중에 마그네슘 농도가 증가하게 된다. 이러한 용강이 턴디쉬(30)로 주입되면 용강 중 마그네슘 성분과 턴디쉬(30) 내 산소가 상호 반응하여 산화마그네슘(Mgo)를 생성하며 턴디쉬(30) 내 산소를 제거할 수 있고, 용강이 턴디쉬(30) 내 산소에 의해 산화되는 현상을 억제 혹은 방지할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 노즐의 구조를 보여주는 사시도 및 단면도이고, 도 4는 도 3의 (b)에 도시된 선B-B'에 따른 단면도이다.

도 3을 참조하면, 주입노즐(20)은 상부에 주입구(24)가 형성되고, 하부에는 토출구(26)가 형성되는 몸체(22)와, 몸체(22) 내부에 주입구(24)와 토출구(26)를 연통시켜 용강이 흐르는 통로를 형성하는 내공부가 형성된다. 그리고 몸체(22)의 내부에는 내벽의 적어도 일부에 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층(29)이 형성될 수 있다.

주입노즐(20)은 주입구(24)가 형성되는 상부가 래들(10)의 하부에 연결되고, 토출구(26)가 형성되는 하부는 턴디쉬(30) 내부에 배치될 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 주입노즐(20)은 래들(10) 하부에는 콜렉터 노즐(미도시)이 구비되고, 주입노즐(20)은 콜렉터 노즐에 연결될 수 있다. 이때, 턴디쉬(30)는 상부에 관통구(33)가 형성되는 턴디쉬 커버(31)가 배치되어 그 상부가 커버되며, 주입노즐(20)의 하부는 관통구(33)에 삽입되어 턴디쉬(30) 내부에 배치된다.

몸체(22)는 래들(10) 내 용강을 턴디쉬(30)로 원활하게 배출시킬 수 있도록 토출구(26)의 직경이 주입구(24)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 몸체(22)의 하부 측벽에는 용강이 배출될 때 발생하는 편류를 방지하기 위해 적어도 하나의 편류 방지홀(28)이 형성될 수도 있다. 편류 방지홀(28)은 토출구(26)와 연결되도록 형성될 수 있다. 편류 방지홀(28)은 턴디쉬(30) 내 용강이 턴디쉬(30)의 배출구(미도시)로 배출되는 힘에 의해 주입노즐(20)의 토출구(26)로 배출되는 용강이 배출구 측으로 집중되는 현상을 억제하기 위해 형성되는 것이다.

코팅층(29)은 몸체(22)의 내벽에 형성될 수 있으며, 마그네슘 함유 물질, 예컨대 마그네슘 합금을 포함하여 형성될 수 있다. 마그네슘은 산소친화도가 높은 물질로서 소정의 공간, 예컨대 턴디쉬(30) 산소와 반응하여 산화마그네슘을 생성하며 턴디쉬(30) 내 산소를 제거할 수 있다. 코팅층(29)은 마그네슘 함유 물질, 예컨대 Al, Ti, Si, Cu, Ni 및 Fe 중 적어도 어느 하나를 함유하는 마그네슘 합금일 수 있다. 또한, MgO, Al₂O₃ 등의 산화물, AlN, TiN 등의 질화물, 혹은 MgS 등의 황화물을 10질량％ 이하에서 함유해도 좋다. 이것은 불순물의 함유율이 10 질량％을 초과하면 용강 중으로 유입되는 마그네슘의 양이 감소하여 턴디쉬(30) 내의 산소 농도를 감소시키기 어렵기 때문이다. 마그네슘은 산소와의 친화도가 매우 높은 금속으로 소량, 예컨대 마그네슘 함금 분말 중 1 질량% 이상만 함유되어도 용강 중으로 마그네슘을 원활하게 공급할 수 있어 턴디쉬(30) 내 산소를 효율적으로 제거할 수 있다. 다만, 코팅층(29) 내 마그네슘의 함량이 1질량% 미만인 경우 용강 중으로 유입되는 마그네슘의 양이 급격하게 저하되어 턴디쉬(20) 내 산소를 효율적으로 제거하기 어려운 문제점이 있다.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 코팅층(29a)은 몸체(22)의 내벽에 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 또한, 도 4의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 코팅층(29b, 29c)는 몸체(22)의 내벽 일부에 형성될 수도 있다. 이때, 코팅층(29b)은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 몸체(22)의 내벽에 요홈(22a)을 형성하고 요홈(22a) 내부에 매립되는 형태로 형성될 수도 있다. 그리고 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 코팅층(29c)은 몸체(22)의 내벽 적어도 일부에 요철, 예컨대 엠보싱 형상을 갖도록 형성될 수도 있다. 또한, 이러한 코팅층(29)은 다공성 박막 형태로 형성하여 용강과의 접촉 면적을 증가시켜 용해 속도를 증가시킬 수도 있다. 이 경우, 턴디쉬(30)로 용강을 주입하는 초기에 용강 중 마그네슘 농도를 급격하게 증가시켜 턴디쉬(30) 내의 산소를 신속하게 제거할 수 있다.

이러한 코팅층(29)은 래들(10) 내 용강을 턴디쉬(30)로 주입하는 과정에서 소정 시간 동안 용강에 용해될 수 있을 정도의 두께, 예컨대 5 내지 20㎜ 두께로 형성될 수 있다. 래들(10) 내 용강이 턴디쉬(30)로 주입될 때 주입노즐(20)의 내공부를 따라 이동하게 되는데, 이때 코팅층(29)은 용강의 열에 의해 용해되어 용강 중으로 유입되게 된다. 코팅층(29)은 래들(10) 내 용강이 턴디쉬(30)로 주입되는 초기에 용강 중에 유입되어 턴디쉬(30) 내 존재하는 산소를 제거하기 위한 것으로 래들(10) 내 용강이 턴디쉬(30)로 주입되는 전기간 동안 유지될 필요는 없다. 따라서 코팅층(29)은 턴디쉬(30) 내 산소를 충분히 제거할 수 있을 정도의 시간 동안 유지되거나 또는 턴디쉬(30) 내 산소를 충분히 제거할 수 있을 정도의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 연속주조방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연속주조방법은, 용강이 수용되는 래들(10)을 마련하는 과정과, 내벽에 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층이 형성되는 주입노즐(20)을 래들(10)의 하부에 연결하는 과정과, 주입노즐(20)을 통해 래들(10)의 하부에 구비되는 턴디쉬(30)에 용강을 주입하는 과정을 포함할 수 있다.

제강공정에서 정련된 용강이 수용된 래들(10)을 턴디쉬(30) 상부에 구비되는 래들 터렛(미도시)에 장착한다.

그 다음, 래들(10) 하부에 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층(29)이 형성되는 주입노즐(20)을 연결한다. 이때, 주입노즐(20)을 래들(10)에 연결하기 전 턴디쉬(30)를 예열할 수 있으며, 턴디쉬(30)의 예열 온도는 1200 내지 1300℃ 정도일 수 있다. 이와 같이 턴디쉬(30)를 예열함으로써 턴디쉬(30)로 주입되는 용강의 온도 저하를 억제할 수 있다.

주입노즐(20)이 래들(10) 하부에 연결되면 래들(10)에 수용된 용강을 주입노즐(20)을 통해 턴디쉬로 주입한다. 용강이 주입노즐(20)을 통해 턴디쉬(30)로 이동하기 시작하면 용강의 열에 의해 주입노즐(20)의 내벽에 형성된 코팅층(29)이 용해되어 용강 중으로 유입된다. 이때, 코팅층(29)은 주입노즐(20)을 따라 이동하는 용강의 열에 의해 용해되는데, 코팅층(29)을 형성하는 마그네슘 합금, 예컨대 Mg-Al의 경우 1300℃ 정도의 용융점을 갖는 알루미늄(Al)은 용해되고, 1100℃ 정도의 용융점을 갖는 마그네슘(Mg)은 기화되어 용강 중에 마그네슘 가스로 존재할 수 있다. 이에 용강에 용융된 알루미늄은 용강 중 산소 및 이후 주입되는 용강 중 산소와 하기의 식1과 같은 반응을 일으켜 Al₂O₃를 형성한다.

(식1)

이렇게 용강 중으로 유입된 마그네슘 가스는 턴디쉬(30)에서 용강으로부터 빠져나와 턴디쉬(30) 내부 공간으로 부상하여 턴디쉬(30) 내 산소와 하기의 식2와 같은 반응을 일으켜 산화마그네슘(MgO)을 형성한다. 그리고 용강 중 존재하는 마그네슘 가스는 용강 중 산소와 반응하여 산화마그네슘을 형성할 수 있다.

(식2)

이렇게 형성된 Al₂O₃와 산화마그네슘, 그리고 미반응 Mg-Al 합금은 이후 턴디쉬(30)로 주입되는 용강 탕면에 슬래그를 형성하게 된다.

이와 같은 반응은 턴디쉬(30)에 용강이 어느 정도 주입되는 동안, 예컨대 코팅층(29)이 완전히 용해되기 전까지, 예컨대 30 내지 200초 정도 지속적으로 이루어지며 턴디쉬(30) 내 산소를 효율적으로 제거할 수 있다.

이와 같이 용강이 턴디쉬(30)로 주입되는 초기에 턴디쉬 내 산소를 제거한 후 래들(10)에 수용된 용강을 주입노즐(20)을 통해 턴디쉬(30)로 주입하면서 주편(S)을 주조한다.

이후, 주편의 주조가 완료되고 턴디쉬를 교체하는 경우 주입노즐(20)도 함께 교체하여 용강의 주입 초기 턴디쉬(30) 내 산소를 효율적으로 제거할 수 있다. 따라서 용강의 주입 초기 턴디쉬(30) 내 산소에 의해 발생할 수 있는 용강의 산화를 억제 혹은 방지함으로써 턴디쉬(30) 내에서 용강이 재산화됨에 따라 발생할 수 있는 주편의 품질 저하를 방지할 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

10: 래들 20: 주입노즐
22: 몸체 29: 코팅층
30: 턴디쉬 31: 턴디쉬 커버
40: 침지노즐 50: 주형
60: 냉각라인

Claims

래들의 하부에 연결되어 턴디쉬에 용강을 공급하는 쉬라우드 노즐로서,
상부에는 주입구가 형성되고, 하부에는 토출구가 형성되며, 상기 주입구와 상기 토출구를 연통시키는 내공부가 형성되는 몸체; 및
상기 용강의 열에 의해 용해되도록 상기 몸체의 내벽 적어도 일부에 형성되고, 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층;
을 포함하는 쉬라우드 노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 코팅층은 상기 몸체의 내벽 전체에 걸쳐 형성되는 쉬라우드 노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 몸체의 내벽에는 요홈이 형성되고,
상기 코팅층은 상기 요홈에 매립되도록 형성되는 쉬라우드 노즐.
청구항 1에 있어서,
상기 코팅층은 상기 몸체의 내벽에 요철 구조를 갖도록 형성되는 쉬라우드 노즐.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅층은 Al, Ti, Si, Cu, Ni 및 Fe 중 적어도 어느 하나를 함유하는 쉬라우드 노즐.
청구항 5에 있어서,
상기 코팅층은 5 내지 20㎜ 두께를 갖도록 형성되는 쉬라우드 노즐.
청구항 5에 있어서,
상기 코팅층은 다공성 박막 형태로 형성되는 쉬라우드 노즐.
삭제
용강이 수용되는 래들을 마련하는 과정;
내벽에 마그네슘 합금을 함유하는 코팅층이 형성되는 쉬라우드 노즐을 상기 래들의 하부에 연결하는 과정;
상기 쉬라우드 노즐을 통해 상기 래들의 하부에 구비되는 턴디쉬에 용강을 주입하여 상기 쉬라우드 노즐을 따라 이동하는 용강에 의해 코팅층을 용해시킴으로써 상기 용강 중에 마그네슘을 유입시키는 과정;을 포함하고,
상기 용강 중에 유입된 마그네슘은 상기 턴디쉬 내 산소를 제거하는 연속주조방법.
삭제
청구항 9에 있어서,
상기 코팅층은 Al, Ti, Si, Cu, Ni 및 Fe 중 적어도 어느 하나를 함유하는 연속주조방법.
청구항 11에 있어서,
상기 턴디쉬에 용강을 주입하는 과정에서 용강 중으로 유입된 마그네슘 성분이 상기 턴디쉬 내의 산소와 반응하여 산화마그네슘(MgO)을 생성하는 연속주조방법.
청구항 12에 있어서,
상기 코팅층은 상기 턴디쉬에 용강이 주입되고 30 내지 200초 내에 제거되는 연속주조방법.