KR101834419B1

KR101834419B1 - 주조장치 및 이를 이용한 주조방법

Info

Publication number: KR101834419B1
Application number: KR1020150167725A
Authority: KR
Inventors: 김욱
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2018-03-05
Also published as: KR20170062204A

Abstract

본 발명은 주조장치 및 이를 이용한 주조방법에 관한 것으로서, 내부에 용강이 수용되는 턴디쉬와; 상기 턴디쉬 하부에 연결되고, 노즐 몸체와, 상기 노즐 몸체의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸고 마그네시아 안정화 지르코니아(MgO stabilized ZrO₂, MSZ)를 포함하는 라이너를 포함하는 침지 노즐; 및 상기 턴디쉬에 수용된 용강과 상기 노즐 몸체를 통전시키는 전원부를 포함하여, 전기화학적 탈산 반응을 통해 노즐 막힘 현상을 억제할 수 있다.

Description

주조장치 및 이를 이용한 주조방법{Casting apparatus and casting method using the same}

본 발명은 주조장치 및 이를 이용한 주조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기화학적 탈산 반응을 통해 노즐 막힘 현상을 억제할 수 있는 주조장치 및 이를 이용한 주조방법에 관한 것이다.

연속주조공정은 정련이 완료된 용강이 담겨 있는 래들(ladle)이 연속주조장치에 안착되어 액체 상태의 용강이 래들에서 턴디쉬(tundish)를 거쳐 몰드(mold)로 이동하면서 고체 상태의 주편으로 변하는 공정이다. 이때, 침지노즐은 턴디쉬 하부에 위치하여 턴디쉬에서 몰드로 용강을 이동시키고, 용강에 침지되어 용강과 오랜시간 접하게 되므로 우수한 내구성이 요구된다. 침지노즐은 주로 내화성 및 용융 금속에 대한 내식성이 우수한 알루미나(Al₂O₃)와 개재물(슬래그 성분)에 대하여 젖음성이 작고 팽창량이 적으며 열전도성이 양호한 흑연(C)을 조합한 Al₂O₃-C 재질로 형성된다.

침지노즐은 턴디쉬의 용강을 몰드로 공급하는 유로의 역할을 하는 원통형 내화물이다. 용강이 침지노즐 내부로 이동하는 동안 온도의 하락, 용강과 노즐 내벽 계면에서의 계면반응, 용강 중 개재물의 노즐 내벽 부착 등의 이유로 노즐 내벽으로부터 노즐 중심 방향으로 막힘층이 성장한다. 이와 같은 노즐 막힘 현상은 연속주조 공정의 단락을 초래하여 생산성 및 주편 품질 저하 등의 악영향을 야기하게 된다. 따라서 이와 같은 노즐 막힘을 방지하기 위하여 비활성기체를 노즐 내부에서 용강으로 공급하여 기포에 의해 개재물의 부착을 방지하는 포러스(Porus)형 침지노즐, 노즐막힘을 유발하는 대표 산화물인 산화 알루미늄과 반응하여 저융점 화합물을 형성하는 내화물을 도입하여 노즐 막힘층이 노즐 재질과 함께 녹아내리게 하는 용손형 노즐 및 개재물의 부착이나 용강과의 접촉을 억제하는 내화물 재질을 도입하여 노즐 막힘을 저감하고자 하는 노력이 지속되고 있다.

KR1489377B JP 2001-170762A

본 발명은 주조 시 전기화학적 탈산 반응을 일으켜 노즐 막힘 현상을 억제할 수 있는 주조장치 및 이를 이용한 주조방법을 제공한다.

본 발명은 주조 공정 효율 및 생산성을 향상시킬 수 있는 주조장치 및 이를 이용한 주조방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 주조장치는, 주조 장치로서, 내부에 용강이 수용되는 턴디쉬와; 상기 턴디쉬 하부에 연결되고, 노즐 몸체와, 상기 노즐 몸체의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸고 마그네시아 안정화 지르코니아(MgO stabilized ZrO₂, MSZ)를 포함하는 라이너를 포함하는 침지 노즐; 및 상기 턴디쉬에 수용된 용강과 상기 노즐 몸체를 통전시키는 전원부를; 포함할 수 있다.

상기 노즐 몸체는 Al₂O₃를 포함하고, 상기 노즐 몸체는 상기 노즐 몸체 전체 중량에 대하여 20중량% 내지 30중량% 의 탄소 성분을 함유할 수 있다.

상기 라이너는 마그네시아 안정화 지르코니아 80 내지 95중량%와, 탄소 5 내지 20 중량%를 포함할 수 있다.

상기 마그네시아 안정화 지르코니아는 마그네시아(MgO) 8 내지 15mol%를 함유할 수 있다.

상기 라이너의 길이방향에 대해서 상기 라이너의 상측과 하측 중 적어도 어느 한 쪽에 더미 링이 구비될 수 있다.

상기 더미 링은 탄소 성분을 포함할 수 있다.

상기 더미 링은 상기 라이너의 길이에 대하여 1~2%의 길이로 형성될 수 있다.

상기 턴디쉬 내 용강에 침지되는 전극을 포함하고, 상기 전원부는 상기 전극 및 상기 침지 노즐에 전원을 인가할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따른 주조방법은, 턴디쉬에 수용된 용강을 침지 노즐을 통해 몰드로 주입하여 주편을 주조하는 주조방법으로서, 상기 침지 노즐은 상기 턴디쉬에 연결되는 노즐 몸체와, 상기 노즐 몸체 내벽에 구비되고 마그네시아 안정화 지르코니아를 함유하는 라이너를 포함하고, 상기 용강과 상기 노즐 몸체를 통전시켜 상기 용강 중 함유되는 산소를 상기 침지 노즐 측으로 배출시킬 수 있다.

상기 용강과 상기 노즐 몸체가 통전되면, 상기 용강 중 생성된 금속산화물이 산소이온과 양이온으로 분해되고, 상기 산소이온이 상기 라이너를 통해 상기 노즐 몸체로 이동하여 상기 용강 중 산소가 침지 노즐 측으로 배출될 수 있다.

상기 용강은 음극으로, 상기 침지 노즐은 양극으로 하여 통전시킬 수 있다.

상기 용강과 상기 침지 노즐을 통전시키는 과정에서 0.1 내지 10mA/㎠의 전류 밀도가 인가되도록 통전시킬 수 있다.

상기 라이너의 상측 및 하측의 적어도 한 쪽에는 더미링이 구비되고, 상기 더미링은 상기 주편을 주조하는 과정에서 용해되어 공간을 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 주조장치 및 이를 이용한 주조방법은, 노즐, 예컨대 주조공정에서 사용되는 침지 노즐의 내공부가 막히는 현상을 억제 혹은 방지할 수 있다. 즉, 주조 온도에서 용강과 접촉하는 노즐 내공부에 전기화학적 탈산을 가능하게 하는 고체전해질을 이용하여 라이너를 형성하고 용강과 침지 노즐을 통전시킴으로써 주조 중 용강과 접촉하는 침지 노즐의 내벽에 금속산화물 등의 개재물이 적층되어 노즐 막힘 현상이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 이를 통해 노즐 내벽에서의 계면 산소 농도를 낮춰 노즐 내벽과 용강의 젖음성을 저감시킬 수 있다. 따라서 노즐 막힘을 일으키는 주요 요인인 노즐 내공부에서 개재물 생성과 용강의 젖음성이 개선되어 노즐이 막히는 현상을 억제 혹은 방지할 수 있다. 이에 노즐 막힘에 의한 주조 중단 등의 문제점을 해결할 수 있으므로 주조 효율 및 생산성을 향상시킬 수 있고, 이를 이용하여 제조되는 주편의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 노즐의 수명을 향상시켜 노즐 교체에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.

또한, 침지 노즐 내부에 이온전도성이 우수한 고체전해질을 이용하여 라이너를 형성하기 때문에 개재물 생성 억제를 위한 전력 소모를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치에 적용되는 노즐의 단면도.
도 3은 주조 중 노즐의 내공부에서 발생하는 탈산 반응 모식도.
도 4는 주조 중 노즐 내부 구조의 변화를 보여주는 단면도.
도 5는 실험에 사용된 침지 노즐의 내부 사진.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치에 적용되는 노즐의 단면도이고, 도 3은 주조 중 노즐의 내공부에서 발생하는 탈산 반응 모식도이고, 도 4는 주조 중 노즐 내부 구조의 변화를 보여주는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 주조장치, 예컨대 연속주조장치는 정련을 거친 용강을 담는 용기인 래들(ladle)로부터 용강(60)을 저장하고 분배하는 역할을 하는 턴디쉬(10), 용강(60)의 유량을 제어하는 스토퍼(20) 및 슬라이딩 플레이트(30), 용강(60)을 몰드(50)로 배출하는 침지 노즐(40) 및 용강(60)을 응고시켜 주편(61)으로 만드는 몰드(50)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 용강의 유량을 제어하기 위해 스토퍼(20)와 슬라이딩 플레이트(30)이 동시에 구비되는 것으로 도시하고 있으나, 실제 조업에서는 스토퍼(20)와 슬라이딩 플레이트(30) 중 어느 한 가지가 이용될 수 있다. 또한, 주조장치는 턴디쉬(10) 내 용강과 침지 노즐(40)에 전압을 인가하는 전원부(70)를 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 침지 노즐(40)은 용강이 이동할 수 있는 내공부를 갖고, 용강이 외측, 예컨대 몰드로 이동할 수 있는 토출구(42)를 포함하는 노즐 몸체(41)와, 노즐 몸체(41)의 내벽 적어도 일부를 둘러싸도록 구비되고 마그네시아 안정화 지르코니아(MgO stabilized ZrO₂, MSZ)를 함유하는 라이너(43)를 포함할 수 있다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 침지 노즐(40)은 노즐 몸체(41)의 외벽의 적어도 일부를 감싸는 슬래그 라인부(47)를 포함할 수도 있다.

노즐 몸체(41)는 용강이 이동할 수 있는 내공부를 갖도록 적어도 상부가 개방된 원통형의 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 노즐 몸체(41)의 하부측에는 용강이 내공부에서 외측으로 토출될 수 있는 토출구(42)가 형성될 수 있다. 노즐 몸체(41)는 Al₂O₃-C를 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 노즐 몸체(41)는 도전성을 가질 수 있도록 C 성분을 20 내지 30중량% 정도 포함하도록 형성될 수 있다. 이는 침지 노즐(40)과, 침지 노즐(40)을 따라 흐르는 용강 사이에 통전 회로를 형성하기 위함이다.

라이너(43)는 노즐 몸체(41)의 내벽, 즉 용강과 접촉하는 면에 형성될 수 있다. 라이너(43)는 노즐 몸체(41)의 내벽 전체에 걸쳐 형성될 수도 있으나 노즐 몸체(41)의 상부 측에서 토출구(42) 상부까지 형성될 수 있다. 이에 라이너(43)는 노즐 몸체(41) 내부에 노즐 몸체(41)의 내벽을 따라 상하방향이 개구된 중공의 원통형으로 형성될 수 있다.

라이너(43)는 노즐 몸체(41)의 내벽에 형성되어 용강 중 산소 이온을 노즐 몸체(41) 측으로 이동시키는 역할을 한다. 라이너(43)는 이온전도성이 우수한 물질로 잘 알려진 마그네시아 안정화 지르코니아(MSZ)로 형성될 수 있다. 마그네시아 안정화 지르코니아는 고체상태에서 이온이 전기를 안내하는 성질을 가지는 고체전해질로서, 고체연료전지, 용융 금속 중 산소의 농도를 측정하는 프로브(probe) 등 적용되고 있다.

본 발명에서는 이와 같은 마그네시아 안정화 지르코니아(MSZ)를 라이너(43)로 사용하여 용강 중 산소 이온을 노즐 몸체(41) 측으로 유도함으로써 침지 노즐(40) 내벽에 개재물, 예컨대 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ 등의 금속산화물이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.

주조 시 용강 중 함유되는 산소는 계면에서 활성화되는 특성으로 인해 용강과 침지 노즐(40) 내벽의 계면에서 금속산화물을 생성한다. 이렇게 생성된 금속산화물은 용강과의 계면 에너지가 높아서 용강 안에서 침지 노즐(40) 내벽으로 자발적으로 이동하여 부착된다. 이러한 과정이 반복 및 지속되면서 침지 노즐(40)의 내공부가 막히는 노즐 막힘 현상이 발생하게 된다. 이에 본 발명에서는 노즐 몸체(41) 내벽에 이온전도성이 우수한 고체전해질을 이용하여 라이너(43)를 형성하고, 용강과 침지 노즐(40), 즉 노즐 몸체(41)를 통전시켜 산소 이온을 용강 외부로 유도함으로써 침지 노즐(40) 내벽에 금속산화물의 부착을 억제 혹은 방지할 수 있다.

금속산화물의 생성 및 부착을 억제하는 메카니즘을 설명하면 다음과 같다.

도 3의 (a)를 참조하면, 주조 시 용강 중 함유되는 산소는 금속 산화물을 형성하며 노즐 몸체(41) 내벽으로 이동하게 된다. 그리고 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 용강과 노즐 몸체(41)가 통전되면, 금속산화물 주변으로 밀집한 전자가 금속산화물을 산소이온과 양이온(금속이온)으로 분해시킨다. 이렇게 분해된 산소이온은 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 이온전도성이 우수한 라이너(43)를 통해 노즐 몸체 쪽으로 이동하게 되고, 노즐 몸체의 기공을 통해 빠져나와 산소 가스를 생성하며 외부로 배출된다. 그리고 양이온은 용강 중으로 흡수된다. 이러한 과정, 즉 탈산반응을 통해 용강 중 산소를 용강 외부로 배출시킴으로써 침지 노즐(40) 내 금속산화물의 생성 및 부착을 억제함으로써 노즐 막힘 현상을 억제 혹은 방지할 수 있다.

라이너(43)는 라이너(43) 전체 중량에 대하여 마그네시아 안정화 지르코니아(MSZ) 80 내지 95중량%와, 탄소 5 내지 20중량%를 포함할 수 있다. 이때, 마그네시아 안정화 지르코니아(MSZ)는 온도 변화에 따른 상변이에 의해 체적변화가 일어나는 것을 억제하기 위하여 8 내지 15mol% 정도의 마그네시아(MgO)와, 나머지는 지르코니아(ZrO₂)로 구성될 수 있다. 이와 같이 지르코니아에 마그네시아를 안정화제로 사용함으로써 지르코니아가 온도 변화에도 비교적 안정적인 상을 유지할 수 있으므로 주조 중 라이너(43)에 크랙이 발생하거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 라이너(43)를 온도 변화에 안정적인 마그네시아 안정화 지르코니아를 이용하여 제조하더라도 온도 변화에 따른 체적 팽창을 완전히 억제할 수는 없다. 또한, 라이너(43)와 노즐 몸체(41)의 열팽창률이 서로 다르며, 라이너(43)의 열팽창률이 노즐 몸체(41)의 열팽창률보다 크기 때문에 주조 시 라이너(43)의 체적 팽창에 의해 라이너(43)와 노즐 몸체(41) 간에 응력이 작용하여 라이너(43)에 크랙이 발생하거나 파손되는 현상이 발생할 수 있다.

이에 라이너(43)의 길이 방향에 대해서 상측과 하측 중 적어도 어느 한 쪽에는 라이너(43)의 체적 팽창에 따른 공간을 확보하기 위하여 더미링(45)을 형성할 수 있다. 더미링(45)은 라이너(43)의 길이에 대해서 약 1 내지 2% 정도의 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 더미링(45)의 길이가 제시된 범위보다 작은 경우에는 라이너(43)의 체적 팽창에 대해서 적절하게 대응할 수 없어 라이너(43)의 파손이 불가피하고, 더미링(45)의 길이가 제시된 범위보다 큰 경우에는 노즐 몸체(41)가 용강에 노출되어 금속 산화물이 생성 및 부착될 수 있다. 더미링(45)은 라이너(43)의 체적 팽창에 따른 공간을 확보할 수 있다면 형성할 필요는 없지만, 침지 노즐(40) 제조 특성 상 라이너(43)의 체적 팽창에 대응하는 공간을 확보하기 어렵기 때문에 불가피하게 형성되는 것이다. 즉, 침지 노즐(40)을 제조하는 과정은 침지 노즐(40)을 구성하는 원료를 성형틀에 주입한 후 가압 성형공정과 소성 공정을 포함하는데, 성형틀에 원료 주입 시 특정 위치, 다시 말해서 라이너(43)의 체적 팽창에 대응하는 공간을 확보하기 어렵기 때문이다. 이에 더미링(45)은 라이너(43)를 구성하는 성분보다 용융점이 낮은 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 즉, 더미링(45)은 침지 노즐(40) 제조 시 라이너(43)의 상측 및 하측 중 어느 한 쪽에 형성되어 있지만, 주조 시에는 용강의 열에 의해 용해되어 제거됨으로써 라이너(43)의 체적 팽창을 위한 공간을 확보해줄 수 있다. 이에 더미링(45)은 침지 노즐(40) 제조 시 소성 온도보다 높고 주조 온도보다 낮은 용융점을 갖는 흑연 등과 같은 탄소 함유 물질을 이용하여 제조할 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 노즐 몸체(41) 내부에는 노즐 몸체(41)의 길이방향을 따라 더미링(45)/라이너(43) 또는 더미링(45)/라이너(43)/더미링(45)이 형성될 수 있다. 주조 전에는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 라이너(43)의 일측, 예컨대 상측에 더미링(45)이 존재하지만, 주조 시에는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 더미링(45)이 용강의 열에 의해 제거되어 라이너(43) 상측, 또는 상측 및 하측에 공간을 형성하게 되고, 용강의 열에 의해 라이너(43)는 'x' 만큼 체적이 팽창하여 더미링(45)이 용해되면서 형성하는 공간을 메우게 된다. 이에 라이너(43)의 체적 팽창에 의한 라이너(43)와 노즐 몸체(41) 간에 발생하는 응력을 완화시켜 라이너(43)에 크랙이 발생하거나 파손되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.

또한, 침지 노즐(40)의 외벽에는 슬래그 라인부(47)가 형성될 수 있다. 슬래그 라인부(47)는 슬래그(또는 플럭스, 62), 용강 등에 대한 내식성을 높이는 구성으로서, 토출구(42) 상부측 예컨대 몰드 내 용강의 탕면 주변에 형성될 수 있다. 슬래그 라인부(47)는 다양한 물질을 이용하여 형성될 수 있으며, 예컨대 칼시아·마그네시아 부분 안정화 지르코니아, 흑연 등의 혼합 물질을 이용하여 형성될 수 있다.

전원부(70)는 턴디쉬(10) 내 용강과 침지 노즐(40)을 통전시킨다. 이에 턴디쉬 내 용강에 전원을 인가하기 위한 제1전극(72)이 구비될 수 있고, 제2전극으로 침지 노즐(40)이 사용될 수 있다. 턴디쉬 내 용강에 전원을 인가하기 위해서 제1전극(72)은 턴디쉬 내 용강에 침지되도록 구비될 수 있으며, 제1전극(72)은 침지 노즐(40), 즉 노즐 몸체(41)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 또한, 전원부(70)는 제1전극(72)과 제2전극(침지 노즐(40))에 전원, 예컨대 전압 또는 전류를 인가하며, 제1전극(72)은 음극(cathode)으로, 제2전극은 양극(anode)으로 하여 전원을 인가한다. 이에 제1전극(72)과 제2전극에 전원을 인가하면 전자가 제1전극(72)에서 제2전극 측으로 이동하게 되고, 용강과 침지 노즐(40) 계면에서 분해된 산소 이온이 전자의 이동방향, 즉 용강에서 노즐 몸체 측으로 이동하게 된다. 따라서 용강 중 산소 이온이 라이너(43)를 통해 노즐 몸체(41) 측으로 이동하여 외부로 배출될 수 있으며, 이러한 과정을 통해 침지 노즐(40)의 내공부에 금속산화물이 부착되어 노즐 막힘 현상이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 주조장치를 이용하여 주편을 주조하는 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 주조방법은, 턴디쉬(10)에 수용된 용강(60)을 침지 노즐(40)을 통해 몰드(50)로 주입하여 주편(61)을 주조하는 주조방법으로서, 용강(60)과 침지 노즐(40)을 통전시켜 용강 중 함유되는 산소를 침지 노즐 측으로 배출시킬 수 있다.

주조를 시작하기 전 용강(60)과 침지 노즐(40)을 통전시키기 위한 회로를 구성할 수 있다. 회로 구성은 턴디쉬(10) 내 용강(60)에 제1전극(72)을 침지시키고 배선을 이용하여 제1전극(72)과 제2전극, 즉 노즐 몸체(41)를 연결한다. 그리고 배선을 통해 제1전극(72)과 제2전극을 외부에 설치되는 전원부(70)에 연결한다.

그리고 주조가 시작되면 턴디쉬(10) 내 용강(60)을 몰드(50)로 주입하고, 전원부(70)를 통해 제1전극(72)과 제2전극인 노즐 몸체(41)에 전원을 인가한다. 이때, 제1전극(72)은 음극으로, 제2전극은 양극이 되도록 설정하여 전류가 제1전극(72)에서 제2전극 측으로 흐르도록 한다.

전원부(70)를 통해 제1전극(72) 및 제2전극에 인가되는 전원은 0.1 내지 10mA/㎠ 정도의 전류 밀도가 인가되도록 조절할 수 있다. 이는 노즐 몸체(41) 내부에 구비되는 라이너(43)가 이온전도성이 매우 높기 때문에 비교적 작은 크기의 전류가 흐르더라도 산소 이온이 원활하게 이동할 수 있기 때문이다. 이때, 전류 밀도가 제시된 범위보다 작은 경우에는 금속산화물의 이온화 및 산소 이온의 이동이 원활하게 이루어지지 않는다. 또한, 전류 밀도가 제시된 범위 이내에서는 금속산화물의 이온화 및 산소 이온이 이동이 원활하게 이루어지므로, 전류 밀도를 제시된 범위보다 크게 할 필요가 없다.

이와 같이 제1전극(72)과 제2전극에 전원이 인가되면, 전자가 제1전극(72)에서 제2전극인 노즐 몸체(41) 측으로 이동하며, 이에 제1전극(72)에서 제2전극 측으로 전류가 흐르게 된다. 도 3을 참조하여 다시 설명하면, 제1전극(72)과 제2전극에 전원이 인가되면, 침지 노즐(40) 내벽 측에 생성된 금속 산화물 주변에 전자가 밀집하게 되고, 전자에 의해 금속 산화물이 산소 이온과 양이온으로 분해된다. 이렇게 분해된 산소 이온은 전자의 이동방향, 즉 용강에서 노즐 몸체(41) 방향으로 이동한다. 이때, 산소 이온은 침지 노즐(40) 내벽에 형성된 라이너(43)를 통해 노즐 몸체(41)로 이동하게 된다. 고체전해질인 라이너(43)는 산소 이온에 대해서만 투과성을 갖기 때문에 양이온은 용강 중으로 용해되어 흡수된다. 이와 같은 과정은 전원이 인가되는 동안 지속적으로 수행되며 침지 노즐(40)의 내벽에 금속 산화물이 생성 및 부착되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 따라서 금속 산화물의 생성 및 부착에 의해 발생할 수 있는 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 주조 장치를 이용한 시험 결과에 대해서 설명한다.

시험을 위해 침지 노즐의 내벽 일부에 고체전해질로 라이너를 형성하고, 나머지 부분은 라이너를 형성하지 않은 침지 노즐을 제작하였다. 이렇게 제작된 침지 노즐을 이용하여 용강 13ton 규모의 시험 설비에서 주조를 실시하였다. 이때, 2mA/cm² 의 전류 밀도가 인가되도록 전원을 공급하였다. 그리고 노즐 막힘 현상을 가속화 할 수 있도록 용강 중 Al₂O₃ 개재물이 다량으로 발생할 수 있는 조건을 적용하였다. 이후 시험에 사용된 침지 노즐을 절단하여 그 내부를 관찰하였다.

도 5는 실험에 사용된 침지 노즐의 내부 사진으로, 라이너가 적용된 영역(A)에서는 0.3㎜ 이하의 개재물층이 부착되었고, 라이너가 적용되지 않은 영역(B)에서는 개재물과 지금의 혼합으로 1.8 ~ 3.5㎜ 정도의 개재물층이 부착됨을 확인하였다.

이와 같은 시험을 통해 침지 노즐에 고체전해질을 포함하는 라이너를 형성하고, 용강과 침지 노즐을 통전시키면 용강 중 산소가 제거되어 침지 노즐 내벽에서 금속 산화물의 생성 및 부착이 억제됨을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 턴디쉬 20 : 스토퍼
30 : 슬라이딩 플레이트 40 : 침지 노즐
41 : 노즐 몸체 42: 토출구
43: 라이너 45: 더미링
47 : 슬래그 라인부 50 : 몰드
60 : 용강 61 : 주편
62 : 슬래그 70: 전원부
72: 제1전극

Claims

주조 장치로서,
내부에 용강이 수용되는 턴디쉬와;
상기 턴디쉬 하부에 연결되고, 노즐 몸체와, 상기 노즐 몸체의 내벽의 적어도 일부를 둘러싸고 마그네시아 안정화 지르코니아(MgO stabilized ZrO2, MSZ)를 포함하는 라이너를 포함하는 침지 노즐;
상기 라이너의 길이방향에 대해서 상기 라이너의 상측과 하측 중 적어도 어느 한 쪽에 구비되는 더미 링; 및
상기 턴디쉬에 수용된 용강과 상기 노즐 몸체를 통전시키는 전원부;를 포함하고,
상기 라이너는 마그네시아 안정화 지르코니아 80 내지 95중량%와, 탄소 5 내지 20 중량%를 포함하고, 상기 마그네시아 안정화 지르코니아는 마그네시아(MgO) 8 내지 15mol%를 함유하며,
상기 더미링은 상기 노즐 몸체 제조 시 소성 온도보다 높고 주조 온도보다 낮은 용융점을 갖는 탄소 함유 물질을 포함하는 주조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 노즐 몸체는 Al₂O₃를 포함하고,
상기 노즐 몸체는 상기 노즐 몸체 전체 중량에 대하여 20중량% 내지 30중량% 의 탄소 성분을 함유하는 주조 장치.
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청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 더미 링은 상기 라이너의 길이에 대하여 1~2%의 길이로 형성되는 주조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 턴디쉬 내 용강에 침지되는 전극을 포함하고,
상기 전원부는 상기 전극 및 상기 침지 노즐에 전원을 인가하는 주조 장치.
턴디쉬에 수용된 용강을 침지 노즐을 통해 몰드로 주입하여 주편을 주조하는 주조방법으로서,
상기 침지 노즐은 상기 턴디쉬에 연결되는 노즐 몸체와, 상기 노즐 몸체 내벽에 구비되고 마그네시아 안정화 지르코니아를 함유하는 라이너를 포함하고,
상기 라이너의 상측 및 하측의 적어도 한 쪽에는 더미링이 구비되고,
상기 더미링은 상기 주편을 주조하는 과정에서 용해되어 공간을 형성하며,
상기 용강과 상기 노즐 몸체를 통전시켜 상기 용강 중 함유되는 산소를 상기 침지 노즐 측으로 배출시키는 주조 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 용강과 상기 노즐 몸체가 통전되면, 상기 용강 중 생성된 금속산화물이 산소이온과 양이온으로 분해되고,
상기 산소이온이 상기 라이너를 통해 상기 노즐 몸체로 이동하여 상기 용강 중 산소가 침지 노즐 측으로 배출되는 주조 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 용강은 음극으로, 상기 침지 노즐은 양극으로 하여 통전시키는 주조 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 용강과 상기 침지 노즐을 통전시키는 과정에서 0.1 내지 10mA/㎠의 전류 밀도가 인가되도록 통전시키는 주조 방법.
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