KR102319205B1 - 연속 주조용 주형 및 강의 연속 주조 방법 - Google Patents

Abstract

주형 내벽면에 주형 동판과는 상이한 열 전도율을 갖는 금속 또는 비금속을 충전한 복수개의 이종 물질 충전층을 갖는 연속 주조용 주형의 사용 횟수를 연장한다. 본 발명의 연속 주조용 주형은, 적어도 메니스커스에서 메니스커스의 하방 20㎜의 위치까지의 영역의 수냉식 구리 주형의 내벽면의 일부분 또는 전체에 형성된 오목부의 내부에, 수냉식 구리 주형을 구성하는 주형 동판의 열 전도율과는 상이한 열 전도율의 금속 또는 비금속이 충전되어 형성된 복수개의 이종 물질 충전층을 갖는 연속 주조용 주형으로서, 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상은, 당해 오목부의 임의의 위치에 있어서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면이다.

Description

연속 주조용 주형 및 강의 연속 주조 방법

본 발명은, 주형 내벽면의 메니스커스(meniscus)를 포함하는 범위에, 주형 동판과는 상이한 열 전도율을 갖는 금속 또는 비금속이 충전된 이종 물질 충전층을 복수개 갖고, 주형 내에서의 응고 쉘의 불균일 냉각에 기인하는 주편(鑄片) 표면 깨짐(surface crack)을 억제하여 용강을 연속 주조할 수 있는 연속 주조용 주형 및, 이 연속 주조용 주형을 사용한 강의 연속 주조 방법에 관한 것이다.

강의 연속 주조에서는, 이하와 같이 소정 길이의 주편이 제조되고 있다. 주형 내에 주입된 용강이 수냉식 주형에 의해 냉각되고, 주형과의 접촉면에서 용강이 응고되어 응고층(이후, 「응고 쉘」이라고 함)을 생성한다. 이 응고 쉘이, 주형 하류측에 설치된 물 스프레이나 기수(氣水) 스프레이에 의해 냉각되면서 내부의 미응고층과 함께 주형 하방으로 연속적으로 인발된다. 이 인발 과정에서, 물 스프레이나 기수 스프레이에 의한 냉각에 의해 중심부까지 응고되고, 그 후, 가스 절단기 등에 의해 절단되어, 소정 길이의 주편이 제조되고 있다.

주형 내에 있어서의 냉각이 불균일하게 되면, 응고 쉘의 두께가 주조 방향 및 주편 폭 방향으로 불균일해진다. 응고 쉘에는, 응고 쉘의 수축이나 변형에 기인하는 응력이 작용하여, 응고 초기에 있어서는, 이 응력이 응고 쉘의 박육부(薄肉部)에 집중되고, 이 응력에 의해 응고 쉘의 표면에 깨짐이 발생한다. 이 깨짐은, 그 후의 열 응력이나 연속 주조기의 롤에 의한 굽힘 응력 및 교정 응력 등의 외력에 의해 확대되어, 큰 표면 깨짐이 된다. 응고 쉘 두께의 불균일도가 큰 경우에는, 주형 내에서의 세로 깨짐(longitudinal crack)이 되고, 이 세로 깨짐으로부터 용강이 유출되는 브레이크 아웃이 발생하는 경우도 있다. 주편 표면에 존재하는 깨짐은, 다음 공정의 압연 공정에서 강제품의 표면 결함이 되는 점에서, 주편의 단계에 있어서, 주편의 표면을 손질하여 표면 깨짐을 제거하는 것이 필요해진다.

주형 내의 불균일 응고는, 특히, 탄소 함유량이 0.08∼0.17질량％의 범위 내인, 포정 반응(peritectic reaction)을 수반하는 강(중탄소강이라고 함)에 있어서 발생하기 쉽다. 이는, 포정 반응에 의한 δ철(페라이트)로부터 γ철(오스테나이트)로의 변태 시의 체적 수축에 의한 변태 응력에 기인하는 변형에 의해 응고 쉘이 변형되어, 이 변형에 의해 응고 쉘이 주형 내벽면으로부터 떨어지고, 주형 내벽면으로부터 떨어진 부위(이후, 이 주형 내벽면으로부터 떨어진 부위를 「디프레션(depression)」이라고 함)의 응고 쉘 두께가 얇아져, 이 부분에 상기 응력이 집중됨으로써 표면 깨짐이 발생한다고 생각되고 있다.

특히, 주편 인발 속도를 증가한 경우에는, 응고 쉘로부터 주형 냉각수로의 평균 열 유속이 증가, 즉, 응고 쉘이 급속 냉각되어, 열 유속의 분포가 불규칙해지고 또한 불균일해지는 점에서, 주편 표면 깨짐의 발생이 증가 경향이 된다. 구체적으로, 주편 두께가 200㎜ 이상인 슬래브 연속 주조기에 있어서는, 주편 인발 속도가 1.5m/min 이상이 되면 표면 깨짐이 발생하기 쉬워진다.

종래, 상기의 포정 반응을 수반하는 중탄소강의 표면 깨짐을 억제하기 위해, 특허문헌 1에 제안되어 있는 바와 같이, 결정화하기 쉬운 조성의 몰드 파우더를 사용하여, 몰드 파우더층의 열 저항을 증대시켜 응고 쉘을 완(緩)냉각하는 것이 시도되고 있다. 이는, 완냉각에 의해 응고 쉘에 작용하는 응력을 저하시켜 표면 깨짐을 억제하는 것을 목표로 한 기술이다. 그러나, 몰드 파우더에 의한 완냉각 효과만으로는, 충분한 불균일 응고의 개선은 얻어지지 않아, 변태량이 큰 강종에서는, 표면 깨짐의 발생을 방지할 수 없다.

그래서, 연속 주조용 주형 자체를 완냉각화하는 수단이 다수 제안되어 있다.

특허문헌 2에는, 메니스커스 근방의 주형 내벽면에, 깊이 0.5∼1.0㎜, 폭 0.5∼1.0㎜의 격자 형상의 홈을 설치하여, 이 홈에 의해 응고 쉘과 주형의 사이에 강제적으로 에어 갭을 형성시키고, 이에 따라, 응고 쉘의 완냉각을 도모하여, 표면 변형을 분산시키고, 주편의 세로 깨짐을 방지하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 기술에서는, 몰드 파우더가 홈에 침입하지 않도록 하기 위해 홈의 폭 및 깊이를 작게 할 필요가 있고, 한편, 주형 내벽면은 주편과의 접촉에 의해 마모되는 점에서, 주형 내벽면에 형성한 홈이 얕아져, 완냉각 효과가 저감된다는 문제점, 즉, 완냉각 효과가 지속되지 않는다는 문제점이 있다.

특허문헌 3에는, 주형 내벽면에 세로 홈과 가로 홈을 형성하고, 이들 세로 홈 및 가로 홈의 내부에 몰드 파우더를 유입시켜, 주형을 완냉각화하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 기술에서는, 몰드 파우더의 홈부로의 유입이 불충분하여 홈부에 용강이 침입하거나, 홈부에 충전되어 있던 몰드 파우더가 주조 중에 벗겨져, 그 부위에 용강이 침입하거나 함으로써, 구속성 브레이크 아웃이 발생할 우려가 있다는 문제점이 있다.

이와 같이, 주형 내벽면에 홈을 형성하고, 홈에 의해 에어 갭을 형성하는 기술 및 홈에 몰드 파우더를 유입시키는 기술에서는, 안정적인 완냉각 효과가 얻어지지 않는다. 이에 대하여, 주형 내벽면에 형성한 오목부에, 주형 동판과는 상이한 열 전도율을 갖는 금속 또는 비금속을 충전하여, 응고 쉘에 규칙적인 열 전달 분포를 부여하는 수단이 제안되어 있다. 오목부에 금속 또는 비금속을 충전함으로써, 홈부로의 용강의 침입에 의해 발생하는 구속성 브레이크 아웃은 미연에 해소된다.

특허문헌 4 및 특허문헌 5에는, 규칙적인 열 전달 분포를 부여함으로써 불균일 응고량을 줄이는 목적으로, 주형 내벽면에 홈 가공(세로 홈, 격자 홈)을 실시하고, 이 홈에 저(低)열 전도 금속이나 세라믹스를 충전하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 기술에서는, 세로 홈 또는 격자 홈과 구리(주형)의 경계면 및, 격자부의 직교부에 있어서, 오목부에 충전하는 물질과 구리의 열 변형차에 의한 응력이 작용하여, 주형 동판 표면에 깨짐이 발생한다는 문제점이 있다.

특허문헌 6 및 특허문헌 7에는, 특허문헌 4 및 특허문헌 5에 있어서의 문제점을 해결하기 위해, 주형 내벽면에 원형 또는 의사 원형(quasi-circular)의 오목부를 형성하고, 이 오목부에 저열 전도 금속이나 세라믹스를 충전하는 기술이 제안되어 있다. 특허문헌 6 및 특허문헌 7에서는, 오목부의 평면 형상을 원형 또는 의사 원형으로 하기 때문에, 오목부에 충전하는 물질과 주형 동판의 경계면은 곡면 형상이 되어, 경계면에서 응력이 집중되기 어렵고, 주형 동판 표면에 깨짐이 발생하기 어렵다는 이점이 얻어진다.

또한, 특허문헌 8에는, 특허문헌 4, 5, 6, 7에 개시되는 바와 같은, 주형 내벽면에 원형, 유사 원형, 세로 홈, 가로 홈 또는 격자 홈의 오목부를 형성하고, 이 오목부에 주형 동판과는 상이한 열 전도율을 갖는 물질을 충전시킨 이종 물질 충전층을 갖는 연속 주조용 주형에 있어서, 상기 이종 물질 충전층을 형성하는 물질과 주형 동판의 사이에 극간(공극)이 생기는 것을 방지하기 위해, 오목부의 저벽과 오목부의 측벽이 교차하는 부위에, 원호 형상의 둥근 부를 형성하는 기술 및, 오목한 곳의 측벽에, 저벽을 향하여 끝이 가는 단면 형상이 되는 가는 테이퍼를 형성하는 기술이 제안되어 있다. 특허문헌 8에 의하면, 도금 처리에 의해 이종 물질 충전층을 형성하는 경우도, 용사(溶射) 처리에 의해 이종 물질 충전층을 형성하는 경우도, 충전 물질을 오목부에 고르게 부착·퇴적시킬 수 있어, 이종 물질 충전층의 박리가 방지될 뿐만 아니라, 주형 내의 발열을 소망하는 범위로 제어할 수 있다고 되어 있다.

일본공개특허공보 2005-297001호 일본공개특허공보 평1-289542호 일본공개특허공보 평9-276994호 일본공개특허공보 평2-6037호 일본공개특허공보 평7-284896호 일본공개특허공보 2015-6695호 일본공개특허공보 2015-51442호 일본공개특허공보 2014-188521호

상기와 같이, 특허문헌 6, 7, 8 등에 의해, 연속 주조용 주형의 완냉각화 기술이 진보하여, 중탄소강 주편의 표면 깨짐은 경감되고 있다.

그러나, 특허문헌 8의 기술을 적용해도, 주형 내벽면에 주형 동판과는 상이한 열 전도율을 갖는 금속 또는 비금속을 충전한 이종 물질 충전층을 갖는 연속 주조용 주형의 수명은, 이종 물질 충전층을 갖고 있지 않은 연속 주조용 주형에 비교하여 짧다. 연속 주조용 주형은 고가이고, 사용 횟수가 짧은 것은, 제조 비용의 상승으로 연결된다. 연속 주조용 주형의 교환에는 수시간의 작업 시간을 요하고, 사용 횟수가 짧은 것은, 연속 주조 조업의 가동률을 저하시키는 요인이 되어 있기도 하다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그의 목적은, 주형 내벽면에 주형 동판과는 상이한 열 전도율을 갖는 금속 또는 비금속을 충전한 복수개의 이종 물질 충전층을 갖는 연속 주조용 주형에 있어서, 종래의 사용 횟수에 비교하여 사용 횟수를 연장할 수 있는 연속 주조용 주형을 제공하는 것이고, 이 연속 주조용 주형을 사용한 강의 연속 주조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 요지는 이하와 같다.

[1] 수냉식 구리 주형에 의해 형성되는 연속 주조용 주형으로서, 상기 수냉식 구리 주형의 내벽면에 있어서, 적어도 메니스커스에서 메니스커스의 하방 20㎜의 위치까지의 영역의 일부분 또는 전체에 형성된 오목부와, 상기 오목부의 내부에 상기 수냉식 구리 주형을 구성하는 주형 동판의 열 전도율과는 상이한 열 전도율의 금속 또는 비금속이 충전되어 형성된, 복수개의 이종 물질 충전층을 갖고, 상기 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상은, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면과, 평면으로 이루어지는, 연속 주조용 주형.

[2] 수냉식 구리 주형에 의해 형성되는 연속 주조용 주형으로서, 상기 수냉식 구리 주형의 내벽면에 있어서, 적어도 메니스커스에서 메니스커스의 하방 20㎜의 위치까지의 영역의 일부분 또는 전체에 형성된 오목부와, 상기 오목부의 내부에 상기 수냉식 구리 주형을 구성하는 주형 동판의 열 전도율과는 상이한 열 전도율의 금속 또는 비금속이 충전되어 형성된, 복수개의 이종 물질 충전층을 갖고, 상기 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상은, 상기 오목부의 임의의 위치에 있어서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면인, 연속 주조용 주형.

[3] 상기 오목부는, 하기의 (1)식을 만족하는 곡률 반경의 곡면으로 형성되는, [1] 또는 [2]에 기재된 연속 주조용 주형.

d/2＜R≤d…(1)

단, (1)식에 있어서, d는, 주형 동판 내벽면에 있어서의 오목부의 최소 개구폭(㎜), R은, 오목부의 평균 곡률 반경(㎜)이다.

[4] 상기 곡률 반경이 일정한 값인, [3]에 기재된 연속 주조용 주형.

[5] 상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 타원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있지 않은, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 연속 주조용 주형.

[6] 상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 타원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부 또는 일부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있는, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 연속 주조용 주형.

[7] 상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있지 않은, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 연속 주조용 주형.

[8] 상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부 또는 일부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있는, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 연속 주조용 주형.

[9] [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬(tundish) 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.

본 발명에 의하면, 수냉식 구리 주형의 내벽면에 복수개의 이종 물질 충전층을 갖는 연속 주조용 주형에 있어서, 이종 물질 충전층을 구성하는 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상이 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면과 평면으로 이루어지는, 또는, 임의의 위치에 있어서 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면이기 때문에, 이종 물질 충전층과 접촉하는 주형 동판 표면에 응력이 집중되는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 주형 동판에서의 균열(cracking) 발생이 억제되어, 이종 물질 충전층을 갖는 연속 주조용 주형의 사용 횟수를 연장할 수 있다.

도 1은, 본 실시 형태에 따른 연속 주조용 주형의 일부를 구성하는 주형 장변(長邊) 동판으로서, 내벽면측에 이종 물질 충전층이 형성된 주형 장변 동판을 내벽면측으로부터 본 개략 측면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 주형 장변 동판의 X-X＇ 단면도이다.
도 3은, 주형 동판보다도 열 전도율이 낮은 물질이 충전되어 형성된 이종 물질 충전층을 갖는 주형 장변 동판의 3개소의 위치에 있어서의 열 저항을, 이종 물질 충전층의 위치에 대응하여 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 주형 장변 동판의 내벽면에 주형 표면의 보호를 위한 도금층을 형성한 예를 나타내는 개략도이다.
도 5는, 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상이 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면인 오목부를 구비한 주형 장변 동판의 개략도이다.
도 6은, 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상이 그의 일부에 곡률이 없는 형상인 오목부를 구비한 주형 장변 동판의 개략도이다.
도 7은, 열 피로 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 동판 시험편에 균열이 발생했을 때의 열 사이클수에 미치는 오목부의 평균 곡률 반경의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 9는, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도의 조사 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도에 미치는 오목부의 평균 곡률 반경의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 11은, 이종 물질 충전층의 배치예를 나타내는 개략도이다.
도 12는, 본 발명예 1∼20, 비교예 1∼5 및 종래예에 있어서의 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 13은, 본 발명예 1∼20, 비교예 1∼5 및 종래예에 있어서의 주형 동판 표면의 균열 개수 지수를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 따른 연속 주조용 주형의 일부를 구성하는 주형 장변 동판으로서, 내벽면측에 이종 물질 충전층이 형성된 주형 장변 동판을 내벽면측으로부터 본 개략 측면도이다. 도 2는, 도 1에 나타내는 주형 장변 동판의 X-X＇ 단면도이다.

도 1에 나타내는 연속 주조용 주형은, 슬래브 주편을 주조하기 위한 연속 주조용 주형의 예이다. 슬래브 주편용의 연속 주조용 주형은, 한 쌍의 주형 장변 동판(순(純)동제 또는 구리 합금제)과 한 쌍의 주형 단변 동판(순동제 또는 구리 합금제)을 조합하여 구성된다. 도 1은, 그 중의 주형 장변 동판을 나타내고 있다. 주형 단변 동판도 주형 장변 동판과 동일하게, 그의 내벽면측에 이종 물질 충전층이 형성된다고 하여, 주형 단변 동판에 대한 설명은 생략한다. 주형 단변 동판과 주형 장변 동판을, 간단히 주형 동판이라고 총칭하는 경우가 있다. 슬래브 주편에 있어서는, 슬래브 두께에 대하여 슬래브폭이 매우 크다는 형상에 기인하여, 주편 장변면측의 응고 쉘에서 응력 집중이 일어나기 쉽고, 주편 장변면측에서 표면 깨짐이 발생하기 쉽다. 따라서, 슬래브 주편용의 연속 주조용 주형의 주형 단변 동판에는, 이종 물질 충전층을 설치하지 않아도 좋다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 주형 장변 동판(1)에 있어서의 정상 주입(steady casting) 시의 메니스커스의 위치보다도 길이 Q(길이 Q는, 제로 이상의 임의의 값) 떨어진 상방의 위치에서, 메니스커스보다도 길이 L(길이 L은 20㎜ 이상의 임의의 값) 떨어진 하방의 위치까지의 주형 장변 동판(1)의 내벽면의 범위에는, 복수개의 이종 물질 충전층(3)이 형성되어 있다. 「정상 주입」이란, 연속 주조용 주형으로의 용강 주입이 개시된 후, 일정한 주조 속도를 유지한 순항 상태가 된 상태를 말한다. 정상 주입 시에서는, 슬라이딩 노즐에 의해 턴디쉬로부터 주형으로의 용강의 주입 속도가 자동 제어되어, 메니스커스 위치가 일정해지도록 제어된다. 도 1에서는, 주형 장변 동판(1)의 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형인 이종 물질 충전층(3)의 최소 개구폭(직경)을 d로 하고, 이종 물질 충전층끼리의 간격을 P로서 표시하고 있다.

이 이종 물질 충전층(3)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 주형 장변 동판(1)의 내벽면측에 각각 가공된 오목부(2)의 내부에, 주형 장변 동판(1)의 열 전도율과는 상이한 열 전도율을 갖는 금속 또는 비금속이, 도금 처리, 용사 처리, 수축 끼워맞춤 처리 등에 의해 충전되어 형성된 것이다. 도 2에 있어서의 부호 4는, 주형 냉각수의 유로를 구성하는, 주형 장변 동판(1)의 배면측에 설치된 슬릿이다. 부호 5는, 주형 장변 동판(1)의 배면과 밀착하는 백 플레이트이고, 백 플레이트(5)에서 개구측이 닫힌 슬릿(4)을 통과하는 주형 냉각수에 의해, 주형 장변 동판(1)은 냉각된다.

「메니스커스」란 「주형 내 용강 탕면(湯面)」이고, 비주조 중에는 그의 위치는 명확하지 않지만, 통상의 강의 연속 주조 조업에서는, 메니스커스 위치를 주형 동판의 상단으로부터 50㎜ 내지 200㎜ 정도 하방의 위치로 하고 있다. 따라서, 메니스커스 위치가 주형 장변 동판(1)의 상단으로부터 50㎜ 하방의 위치라도, 상단으로부터 200㎜ 하방의 위치라도, 길이 Q 및 길이 L이, 이하에 설명하는 본 실시 형태의 조건을 만족하도록 이종 물질 충전층(3)을 배치한다.

응고 쉘의 초기 응고로의 영향을 감안하면, 이종 물질 충전층(3)의 설치 영역은, 적어도, 메니스커스에서 메니스커스의 하방 20㎜의 위치까지의 영역으로 할 필요가 있고, 따라서, 길이 L은, 20㎜ 이상으로 할 필요가 있다.

연속 주조용 주형에 의한 발열량은, 메니스커스 위치 근방이 다른 부위에 비해 높다. 즉, 메니스커스 위치 근방의 열 유속은, 다른 부위의 열 유속에 비교하여 높다. 본 발명자들에 의한 실험의 결과, 주형으로의 냉각수의 공급량이나 주편 인발 속도에도 의하지만, 메니스커스로부터 30㎜ 하방의 위치에서는, 열 유속이 1.5MW/㎡를 하회하기는 하지만, 메니스커스로부터 20㎜ 하방의 위치에서는, 열 유속은, 대체로 1.5MW/㎡ 이상이 된다.

본 실시 형태에서는, 주편에 표면 깨짐이 발생하기 쉬운 고속 주조 시나 중탄소강의 주조 시에 있어서도, 주편 표면 깨짐의 발생을 방지하기 위해, 이종 물질 충전층(3)을 설치하여, 메니스커스 위치 근방의 주형 내벽면에 있어서, 열 저항을 변동시키고 있다. 이종 물질 충전층(3)을 설치함으로써 열 유속의 주기적인 변동을 충분히 확보하고, 이에 따라 주편 표면 깨짐의 발생을 방지하고 있다. 이러한, 초기 응고로의 영향을 감안하면, 적어도, 열 유속이 큰 메니스커스에서 20㎜ 하방의 위치까지는, 이종 물질 충전층(3)을 배치할 필요가 있다. 길이 L이 20㎜ 미만인 경우에는, 주편 표면 깨짐의 방지 효과가 불충분하게 된다. 길이 L의 상한은 없고, 주형 하단까지 이종 물질 충전층(3)을 설치해도 상관없다.

한편, 이종 물질 충전층(3)의 상단부의 위치는, 메니스커스와 동일 위치 또는 메니스커스 위치보다도 상방인 한, 어디의 위치라도 좋다. 도 1에 나타내는 길이 Q는, 제로 이상의 임의의 값이라도 상관없다. 단, 메니스커스는, 주조 중에 이종 물질 충전층(3)의 설치 영역에 존재할 필요가 있고, 메니스커스는 주조 중에 상하 방향으로 변동한다. 이 때문에, 이종 물질 충전층(3)의 상단부가 항상 메니스커스보다도 상방 위치가 되도록, 설정되는 메니스커스 위치보다도 10㎜ 정도 상방 위치까지, 바람직하게는 20㎜∼50㎜ 정도 상방 위치까지, 이종 물질 충전층(3)을 설치하는 것이 바람직하다.

오목부(2)의 내부에 충전하는 금속 또는 비금속의 열 전도율은, 일반적으로는, 주형 장변 동판(1)을 구성하는 순동 또는 구리 합금의 열 전도율보다도 낮지만, 예를 들면, 주형 장변 동판(1)을 열 전도율이 낮은 구리 합금으로 구성한 경우에는, 충전되는 금속 또는 비금속의 열 전도율이 높아지는 경우도 있다. 충전하는 물질이 금속인 경우에는, 도금 처리 또는 용사 처리에 의해 충전하고, 충전하는 물질이 비금속인 경우에는, 용사 처리, 또는, 오목부(2)의 형상에 맞추어 가공한 비금속을 오목부(2)에 끼워넣는(수축 끼워맞춤) 등 하여 충전한다.

도 3은, 주형 동판보다도 열 전도율이 낮은 물질이 충전되어 형성된 이종 물질 충전층(3)을 갖는 주형 장변 동판(1)의 3개소의 위치에 있어서의 열 저항을, 이종 물질 충전층(3)의 위치에 대응하여 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 이종 물질 충전층(3)의 설치 위치에서는 열 저항이 상대적으로 높아진다.

복수의 이종 물질 충전층(3)을, 메니스커스 위치를 포함하여 메니스커스 근방의 연속 주조용 주형의 폭 방향 및 주조 방향으로 설치함으로써, 도 3에 나타내는 바와 같이, 메니스커스 근방의 주형 폭 방향 및 주조 방향에 있어서의 연속 주조용 주형의 열 저항이 규칙적 또한 주기적으로 증감한다. 이에 따라, 메니스커스 근방, 즉, 응고 초기에서의 응고 쉘로부터 연속 주조용 주형으로의 열 유속이 규칙적 또한 주기적으로 증감한다. 주형 동판보다도 열 전도율이 높은 물질을 충전하여 이종 물질 충전층(3)을 형성한 경우에는, 도 3과는 상이하게, 이종 물질 충전층(3)의 설치 위치에서 열 저항이 상대적으로 낮아지지만, 이 경우도 동일하게, 메니스커스 근방의 주형 폭 방향 및 주조 방향에 있어서의 연속 주조용 주형의 열 저항이 규칙적 또한 주기적으로 증감한다.

이 열 유속의 규칙적 또한 주기적인 증감에 의해, δ철로부터 γ철로의 변태에 의해 발생하는 응력이나 열 응력이 저감하고, 이들 응력에 의해 생기는 응고 쉘의 변형이 작아진다. 응고 쉘의 변형이 작아짐으로써, 디프레션의 발생이 억제되어, 응고 쉘의 변형에 기인하는 불균일한 열 유속 분포가 균일화되고, 또한, 발생하는 응력이 분산되어 개개의 변형량이 작아진다. 그 결과, 응고 쉘 표면에 있어서의 표면 깨짐의 발생이 억제된다.

본 발명에서는, 주형 동판으로서 순동 또는 구리 합금을 사용한다. 주형 동판으로서 사용하는 구리 합금으로서는, 일반적으로 연속 주조용 주형 동판으로서 사용되는, 크롬(Cr)이나 지르코늄(Zr) 등을 미량 첨가한 구리 합금을 이용한다. 순동의 열 전도율은 398W/(m×K)인 것에 대하여, 구리 합금의 열 전도율은, 일반적으로, 순동보다도 열 전도율이 낮고, 순동의 대략 1/2의 열 전도율을 갖는 구리 합금도 연속 주조용 주형으로서 사용되고 있다.

오목부(2)에 충전하는 물질로서는, 그의 열 전도율이 주형 동판의 열 전도율에 대하여 80％ 이하, 또는, 125％ 이상인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 충전하는 물질의 열 전도율이, 주형 동판의 열 전도율에 대하여 80％보다도 크거나, 또는, 125％보다도 작으면, 이종 물질 충전층(3)에 의한 열 유속의 주기적인 변동의 효과가 불충분해져, 주편 표면 깨짐이 발생하기 쉬운 고속 주조 시나 중탄소강의 주조 시에 있어서, 주편 표면 깨짐의 억제 효과가 불충분하게 된다.

본 실시 형태에 있어서, 오목부(2)에 충전하는 물질은, 특히 그의 종류를 특정하지 않아도 좋다. 단, 참고로 충전 물질로서 사용 가능한 금속을 들면, 니켈(Ni, 열 전도율; 90W/(m×K)), 크롬(Cr, 열 전도율; 67W/(m×K)), 코발트(Co, 열 전도율; 70W/(m×K)) 및, 이들 금속을 함유하는 합금 등이 적합하다. 이들 금속이나 합금은, 순동 및 구리 합금보다도 열 전도율이 낮아, 도금 처리나 용사 처리에 의해 용이하게 오목부(2)에 충전할 수 있다. 오목부(2)로의 충전 물질로서 사용 가능한 비금속으로서는, BN, AlN, ZrO₂ 등의 세라믹스가 적합하다. 이들은, 저열 전도율이기 때문에, 충전 물질로서 적합하다.

도 4는, 주형 장변 동판의 내벽면에 주형 표면의 보호를 위한 도금층을 형성한 예를 나타내는 개략도이다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 이종 물질 충전층(3)을 형성시킨 주형 동판의 내벽면에, 응고 쉘에 의한 마모나 열 이력에 의한 주형 표면의 깨짐을 방지하는 것을 목적으로 하여, 도금층(6)을 형성하는 것이 바람직하다. 이 도금층(6)은, 일반적으로 이용되는 니켈 또는 니켈을 함유하는 합금, 예를 들면, 니켈-코발트 합금(Ni-Co 합금)이나 니켈-크롬 합금(Ni-Cr 합금) 등을 도금 처리함으로써 얻어진다.

이렇게 하여 구성되는, 메니스커스를 포함하는 범위에 복수개의 이종 물질 충전층(3)을 갖는 연속 주조용 주형에 있어서, 주형 수명을 연장시키는 것을 검토했다. 주로, 주형 동판과 이종 물질 충전층(3)이 접촉하는 계면의 주형 동판측에 균열이 발생하고, 이 균열이 확대되는 속도에 주형 수명이 영향을 받는 점에서, 주형 동판측의 계면에, 균열이 생기지 않도록 하는 것을 검토했다.

여러 가지 검토의 결과, 오목부(2)에 모서리부가 존재하면, 이 모서리부에 응력이 집중되어 주형 동판측에 균열이 발생하기 쉬워진다고 생각하고, 오목부(2)의 내면 형상을 매끄러운 형상으로 하는 것을 검토했다.

구체적으로는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상을, 오목부(2)의 임의의 위치에 있어서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면으로 하는 것을 검토했다. 이 형상에 대하여, 비교의 형상으로서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 오목부(2)의 측면(2a)이 테이퍼를 갖는 직원추체(直圓錐體)의 일부이고, 또한, 저면(2b)이 평탄한 형상(특허문헌 8을 참조)을 비교의 형상으로 했다. 즉, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이, 그의 일부에 곡률을 갖고 있지 않은 형상을 비교의 형상으로 했다. 도 5 및 도 6에 나타내는 오목부(2)는, 주형 동판 내벽면에 있어서의 오목부(2)의 개구 형상이 원형이다.

도 5에 나타내는 형상의 오목부(2)를 갖는 동판 시험편(열 전도율; 360W/(m×K)) 및, 도 6에 나타내는 형상의 오목부(2)를 갖는 동판 시험편(열 전도율; 360W/(m×K))을 제작하여, 열 피로 시험(JIS(일본 공업 규격) 2278, 고온측: 700℃, 저온측: 25℃)을 실시하고, 동판 시험편의 표면에 균열이 발생했을 때의 열 사이클수에 의해 주형 수명을 평가했다. 열 피로 시험에 있어서는, 동판 시험편의 표면에 균열이 발생했을 때의 열 사이클수가 많을수록 주형 수명은 길어진다. 시험에서는, 오목부(2)에 순니켈(열 전도율; 90W/(m×K))을 충전하여 이종 물질 충전층(3)을 형성한 동판 시험편과, 이종 물질 충전층(3)을 구비하고 있지 않은 동판 시험편을 이용했다.

도 5는, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면인 오목부(2)를 구비한 주형 장변 동판(1)의 개략도이고, 도 5(A)는 사시도이고, 도 5(B)는, 도 5(A)에 나타내는 주형 장변 동판의 Z-Z＇ 단면도이다. 도 6은, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이 그의 일부에 곡률이 없는 형상인 오목부(2)를 구비한 주형 장변 동판(1)의 개략도이고, 도 6(A)는 사시도이고, 도 6(B)는, 도 6(A)에 나타내는 주형 장변 동판의 Z-Z＇ 단면도이다. 도 6에 나타내는 오목부(2)는, 저면(2b)이 평탄할 뿐만 아니라, 측면(2a)도 오목부(2)의 깊이 방향에서는 곡률을 갖고 있지 않다.

도 7은, 열 피로 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면인 경우의 균열이 발생했을 때의 열 사이클수는, 이종 물질 충전층(3)을 구비하고 있지 않은 동판 시험편과 동등의 열 사이클수이고, 이종 물질 충전층(3)을 구비하고 있지 않은 경우와 동등의 주형 수명인 것을 확인할 수 있었다. 이에 대하여, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이 그의 일부에 곡률을 갖고 있지 않은 경우의 주형 수명은, 이종 물질 충전층(3)을 구비하고 있지 않은 경우의 약 1/2인 것을 알 수 있었다. 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이 저면과 측면의 교점에 R을 형성했을 뿐인 경우에는, 수직 부분의 형상이 변하지 않기 때문에 수명은 5/8 정도의 개선에 머물렀다. 이 결과로부터, 이종 물질 충전층(3)과 주형 동판의 계면을, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면으로 함으로써, 내균열 발생성이 우수하여, 주형 수명이 향상하는 것을 알 수 있었다.

또한, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면에서 형성되는 오목부(2)의 최소 개구폭인 이종 물질 충전층(3)의 동판 벽면에 있어서의 직경을 5㎜ 및 6㎜의 2수준으로 하고, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경이 상이한 오목부(2)를 갖는 동판 시험편(열 전도율; 360W/(m×K))을 제작하여, 상기의 열 피로 시험(JIS2278, 고온측: 700℃, 저온측: 25℃)을 실시하고, 동판 시험편의 표면에 균열이 발생했을 때의 열 사이클수에 미치는 오목부(2)의 평균 곡률 반경의 영향을 조사했다. 동판 벽면에 있어서의 오목부(2)의 개구 형상은 모두 원형으로 했다. 시험에서는, 오목부(2)에 순니켈(열 전도율; 90W/(m×K))을 충전하여 이종 물질 충전층(3)을 형성했다. 오목부(2)의 곡면의 곡률은, CNC 3차원 측정기로 측정하여 디지털 데이터로서 축적하고, 이것을 기초로 각 측정점에서의 수평 방향과 수직 방향의 곡률 반경을 구했다. 평균 곡률 반경은, 구한 곡률 반경의 총합을, 구한 곡률 반경의 개수로 나눔으로써 산출했다. 곡률 반경이 무한대가 된 데이터는 제외하여 평균 곡률 반경을 산출했다.

도 8은, 동판 시험편에 균열이 발생했을 때의 열 사이클수에 미치는 오목부의 평균 곡률 반경의 영향을 나타내는 그래프이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경이 오목부(2)의 최소 개구폭 d의 1/2보다도 큰 경우에, 동판 시험편의 표면에 균열이 발생했을 때의 열 사이클수가 크고, 주형 수명이 더 한층 길어지는 것을 확인할 수 있었다. 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경이 오목부(2)의 최소 개구폭 d의 1/2 이하인 경우는, 이종 물질 충전층(3)과 주형 동판의 계면의 응력이 커져, 균열이 발생하기 쉬워진다고 생각된다.

상기 결과를 바탕으로 하여, 추가로, 실기(實機) 슬래브 연속 주조기로 시험을 실시했다. 이 실기 시험에서는, 주로, 슬래브 주편의 표면 흠의 발생 상황을 조사했다. 실기 시험에서는, 도 5에 나타내는 오목부(2)를 구비한 주형 장변 동판(1)을 갖는 연속 주조용 주형, 도 6에 나타내는 오목부(2)를 구비한 주형 장변 동판(1)을 갖는 연속 주조용 주형 및, 이종 물질 충전층(3)을 구비하고 있지 않은 주형 장변 동판을 갖는 연속 주조용 주형의 3수준으로 시험했다. 시험에서는, 주형 장변 동판(1)으로서는, 열 전도율이 360W/(m×K)인 구리 합금을 사용하고, 오목부(2)에 충전하는 물질로서는, 열 전도율이 90W/(m×K)인 순니켈을 사용하고, 길이 Q는 50㎜, 길이 L은 200㎜로 했다.

도 9는, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도의 조사 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이, 도 5에 나타내는 바와 같은 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면이라도, 도 6에 나타내는 바와 같은 오목부(2)의 일부가 곡률을 갖고 있지 않은 형상이라도, 이종 물질 충전층(3)을 구비한 구리 주형인 한, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도는, 이종 물질 충전층(3)을 구비하고 있지 않은 구리 주형을 사용한 경우와 비교하여 대폭으로 저감하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터, 이종 물질 충전층(3)을 설치함으로써, 슬래브 주편의 표면 깨짐을 효과적으로 경감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

추가로, 동판 내벽면에 있어서의 오목부(2)의 개구 형상이 원형이고, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상이 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면인 오목부(2)를 갖는 주형 장변 동판(1)에 있어서, 오목부(2)의 최소 개구폭인 이종 물질 충전층(3)의 동판 내벽면에 있어서의 직경을 5㎜ 및 6㎜의 2수준으로 하고, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경을 변경하여, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도에 미치는 오목부(2)의 평균 곡률 반경의 영향을 조사했다. 시험에서는, 주형 장변 동판(1)으로서는, 열 전도율이 360W/(m×K)인 구리 합금을 사용하고, 오목부(2)에 충전하는 물질로서는, 열 전도율이 90W/(m×K)인 순니켈을 사용하고, 길이 Q는 50㎜, 길이 L은 200㎜로 했다.

도 10은, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도에 미치는 오목부의 평균 곡률 반경의 영향을 나타내는 그래프이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경이 오목부(2)의 최소 개구폭 d 이하인 경우에, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도가 더 한층 적어지는 것을 확인할 수 있었다. 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경이 오목부(2)의 최소 개구폭 d보다도 큰 경우는, 오목부(2)의 내부에 충전되는 이종 물질 충전층(3)의 체적이 작아져, 슬래브 주편의 표면 깨짐 억제 효과가 작아진다고 생각된다.

이상의 시험 결과에 기초하여, 본 실시 형태에서는, 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상을, 당해 오목부(2)의 임의의 위치에 있어서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면으로 하는 것을 필수로 한다. 여기에서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면이란, 구면의 일부인 구관(球冠) 형상이나 타원체의 일부 등과 같은 곡면을 가리킨다. 그 경우에, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경은, 하기의 (1)식을 만족하는 것이 바람직하다.

d/2＜R≤d…(1)

단, (1)식에 있어서, d는, 주형 동판 내벽면에 있어서의 오목부의 최소 개구폭(㎜), R은, 오목부의 평균 곡률 반경(㎜)이다.

이는, 전술한 바와 같이, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경이 오목부(2)의 최소 개구폭 d의 1/2 이하인 경우는, 이종 물질 충전층(3)과 주형 동판의 계면의 응력이 커져, 균열이 발생하기 쉬워진다고 생각되기 때문이다. 한편, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경이 오목부(2)의 최소 개구폭 d보다도 큰 경우는, 이종 물질 충전층(3)의 체적이 작아져, 슬래브 주편의 표면 깨짐 억제 효과가 작아진다고 생각되기 때문이다.

본 실시 형태에 있어서, 오목부(2)를 형성하는 곡률 반경은, 일정한 곡률 반경이면, 설계 및 가공이 용이해져 바람직하지만, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면인 한, 곡률 반경은, 일정하지 않아도 좋다.

도 1 및 도 2에서는, 이종 물질 충전층(3)의 주형 장변 동판(1)의 내벽면에 있어서의 형상이 원형인 예를 나타냈지만, 원형으로 하지 않아도 좋다. 예를 들면, 타원형과 같은, 소위 「모서리」를 갖고 있지 않은, 원형에 가까운 형상인 한, 어떠한 형상이라도 좋다. 이하, 원형에 가까운 것을 「의사 원형」이라고 칭한다. 의사 원형이란, 예를 들면 타원형이나, 모서리부를 원이나 타원으로 하는 장방형 등, 모서리부를 갖고 있지 않은 형상이다.

상기 (1)식에 있어서의 최소 개구폭 d는, 오목부(2)의 주형 장변 동판(1)의 내벽면에 있어서의 개구 형상의 중심을 통과하는 직선 중에서 가장 짧은 직선의 길이로 정의한다. 환언하면, 이종 물질 충전층(3)의 주형 장변 동판(1)의 내벽면에 있어서의 형상의 중심을 통과하는 직선 중에서 가장 짧은 직선의 길이로 정의한다. 따라서, 최소 개구폭 d는, 오목부(2)의 주형 장변 동판(1)의 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형인 경우는 원의 직경이고, 타원형의 경우는 타원의 단경(短徑)이다. 오목부(2)의 주형 장변 동판(1)의 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형이고, 오목부(2)를 형성하는 평균 곡률 반경 R이 상기 (1)식을 만족하는 경우에는, 오목부(2)의 곡률 반경을 일정하게 하여 오목부(2)를 형성할 수 있다.

이종 물질 충전층(3)의 직경(의사 원형의 경우는 원상당경(equivalent circle diameter))은, 2∼20㎜인 것이 바람직하다. 이종 물질 충전층(3)의 직경을 2㎜ 이상으로 함으로써, 이종 물질 충전층(3)에 있어서의 열 유속의 저하가 충분해져, 표면 깨짐 억제 효과를 얻을 수 있다. 이종 물질 충전층(3)의 직경을 2㎜ 이상으로 함으로써, 금속을 도금 처리나 용사 처리에 의해 오목부(2)의 내부에 충전하는 것이 용이해진다. 한편, 이종 물질 충전층(3)의 직경(의사 원형의 경우는 원상당경)을 20㎜ 이하로 함으로써, 이종 물질 충전층(3)에서의 응고 지연이 억제되어, 그 위치에서의 응고 쉘로의 응력 집중이 방지되어, 응고 쉘로의 표면 깨짐의 발생을 억제할 수 있다. 원상당경이란, 의사 원형을 원으로 가정하여 의사 원형의 이종 물질 충전층(3)의 면적으로부터 산출되는 것이다.

도 1 및 도 2에서는, 이종 물질 충전층(3)이 간격 P로 떨어져 배치된 예를 나타냈지만, 이종 물질 충전층(3)을 떨어트려 배치하지 않아도 좋다. 예를 들면, 도 11에 나타내는 바와 같이, 복수의 이종 물질 충전층끼리가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있어도 좋다. 도 11은, 이종 물질 충전층(3)의 배치예를 나타내는 개략도이고, (A)는, 이종 물질 충전층끼리가 맞닿고 있는 예이고, (B)는, 이종 물질 충전층끼리가 서로 연결되어 있는 예이다.

이종 물질 충전층(3)을 도 11의 (A) 또는 (B)의 형상으로 하여, 이종 물질 충전층끼리가 겹치는 범위를 갖게 함으로써, 주형 폭 방향 또는 주편 인발 방향으로 열 유속이 변화한 상태를 길게 유지할 수 있고, 이에 따라, 열 유속의 변화 주기를 장주기와 단주기의 중첩형으로 하는 것이 가능해진다. 즉, 주형 폭 방향 또는 주편 인발 방향의 열 유속 분포(열 유속의 최댓값, 최솟값)를 제어하는 것이 가능해져,δ→γ 변태 시 등의 응력 분산 효과를 높일 수 있다. 이종 물질 충전층(3)과 주형 동판의 계면이 작아지기 때문에, 사용 시의 이종 물질 충전층 상의 응력이 작아져, 주형 수명이 향상한다.

이종 물질 충전층(3)이 배치된 영역 내의 주형 동판 내벽면의 면적 A(㎟)에 대한, 모든 이종 물질 충전층(3)의 면적의 총합 B(㎟)의 비인 면적률 ε(ε＝(B/A)×100)은, 10％ 이상인 것이 바람직하다. 면적률 ε을 10％ 이상 확보함으로써, 열 유속이 작은 이종 물질 충전층(3)이 차지하는 면적이 확보되어, 이종 물질 충전층(3)과 순동부 또는 구리 합금부에서 열 유속차가 얻어지고, 주편 표면 깨짐 억제 효과를 안정적으로 얻을 수 있다. 면적률 ε의 상한값은 특별히 규정하지 않아도 좋지만, 50％ 이상으로 하면 주기적인 열 유속차에 의한 주편 표면 깨짐 억제 효과는 포화하는 점에서, 50％로 하면 충분하다.

도 5에서는, 임의의 위치에 있어서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면에서 형성된 오목부(2)를 나타냈지만, 오목부(2)의 형상은, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면과, 평면으로 이루어지는 형상이라도 좋다.

이와 같이 구성되는 연속 주조용 주형을 이용하여 주편을 연속 주조함에 있어서, 특히, 표면 깨짐의 감수성이 높은 탄소 함유량이 0.08∼0.17질량％인 중탄소강의 슬래브 주편(두께; 200㎜ 이상)을 연속 주조할 때에 사용하는 것이 바람직하다. 종래, 중탄소강의 슬래브 주편을 연속 주조하는 경우는, 주편의 표면 깨짐을 방지하기 위해, 주편 인발 속도를 저속화하는 것이 일반적이지만, 본 실시 형태에 따른 연속 주조용 주형을 이용함으로써 주편 표면 깨짐을 억제할 수 있기 때문에, 1.5m/min 이상의 주편 인발 속도라도, 표면 깨짐이 없거나, 또는 표면 깨짐이 현저하게 적은 주편을 연속 주조할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 수냉식 구리 주형의 내벽면에 복수개의 이종 물질 충전층(3)을 갖는 연속 주조용 주형에 있어서, 이종 물질 충전층(3)을 구성하는 오목부(2)의 주형 동판 표면에서의 형상을, 당해 오목부의 임의의 위치에 있어서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면으로 하기 때문에, 이종 물질 충전층(3)과 접촉하는 주형 동판 표면에 응력 집중이 발생하지 않고, 이에 따라 주형 동판에서의 균열 발생이 억제되어, 이종 물질 충전층(3)을 갖는 연속 주조용 주형의 사용 횟수를 대폭으로 연장할 수 있다.

상기 설명은 슬래브 주편의 연속 주조에 관하여 행했지만, 본 실시 형태는 슬래브 주편의 연속 주조로 한정되는 것이 아니고, 블룸 주편(cast bloom)이나 빌렛 주편(cast billet)의 연속 주조에 있어서도 상기를 따라 적용할 수 있다.

실시예

300톤의 중탄소강(화학 성분, C: 0.08∼0.17질량％, Si: 0.10∼0.30질량％, Mn: 0.50∼1.20질량％, P: 0.010∼0.030질량％, S: 0.005∼0.015질량％, Al: 0.020∼0.040질량％)을, 내벽면에 여러 가지의 조건으로 이종 물질 충전층이 설치된 수냉식 구리 합금제 주형을 이용하여 연속 주조하고, 주조 후의 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 및 주형 동판 표면의 균열 발생 개수를 조사하는 시험을 행했다(본 발명예 및 비교예). 이용한 수냉식 구리 합금제 주형은, 장변 길이가 1.8m, 단변 길이가 0.22m의 내면 공간 사이즈를 갖는 주형이다. 비교를 위해, 이종 물질 충전층이 설치되어 있지 않은 수냉식 구리 합금제 주형에 있어서의 시험(종래예)도 실시했다.

사용한 수냉식 구리 합금제 주형의 상단에서 하단까지의 길이는 950㎜이고, 정상 주조 시의 메니스커스(주형 내 용강 탕면)의 위치를, 주형 상단으로부터 100㎜ 하방 위치로 설정하고, 주형 상단으로부터 60㎜ 하방의 위치에서, 주형 상단으로부터 400㎜ 하방의 위치까지의 영역에 이종 물질 충전층을 배치했다.

주형 동판으로서는, 열 전도율이 360W/(m×K)인 구리 합금을 이용하고, 이종 물질 충전층의 충전 금속으로서는, 순니켈(열 전도율; 90W/(m×K))을 사용하고, 오목부의 주형 장변 동판의 내벽면에 있어서의 개구 형상을 원형 또는 타원형으로 하여, 여러 가지의 평균 곡률 반경으로 형성한 오목부에 도금 처리에 의해 순니켈을 충전하여, 이종 물질 충전층을 형성했다. 표 1에, 오목부의 최소 개구폭 d, 평균 곡률 반경 R 및 충전부의 형상을 나타낸다. 본 발명예 19, 20의 오목부는, 개구 형상이 원형이고 구대(球帶) 형상으로 저부에 평면이 형성된 형상을 갖고 있다.

연속 주조 종료 후, 주조한 슬래브 주편 표면의 21㎡ 이상의 면적을 염색 침투 탐상 검사에 의해 검사하여, 1.0㎜ 이상의 길이의 표면 깨짐의 개수를 측정하고, 그의 총합을 주편 측정 면적으로 제산(除算)하여 얻어지는 주편 표면 깨짐 개수 밀도를 이용하여, 주편 표면 깨짐의 발생 상황을 평가했다. 연속 주조 종료 후, 주형 수명의 평가로서 주형 동판 표면의 균열 개수를 측정했다. 상기의 표 1에, 슬래브 주편의 표면 깨짐 개수 밀도 및 주형 동판 표면의 균열 개수 지수의 조사 결과를 아울러 나타낸다. 주형 동판 표면의 균열 개수 지수는, 측정된 균열 개수를 종래예에서 측정된 균열 개수로 나누어 산출했다.

도 12는, 본 발명예 1∼20, 비교예 1∼5 및 종래예에 있어서의 슬래브 주편의 주편 표면 깨짐 개수 밀도를 나타내는 그래프이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 본 발명예에서는, 비교예 및 종래예에 비교하여 주편 표면 깨짐 개수 밀도를 경감할 수 있는 것을 알 수 있었다. 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d 이하인 경우에, 주편 표면 깨짐 개수가 안정적으로 저하하는 것을 알 수 있었다. 본 발명예 19, 20의 결과로부터, 구대 형상으로 저부에 평면이 형성되어 있어도 비교예 및 종래예에 비교하여 주편 표면 깨짐 개수 밀도를 경감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

도 13은, 본 발명예 1∼20, 비교예 1∼5 및 종래예에 있어서의 주형 동판 표면의 균열 개수 지수를 나타내는 그래프이다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 본 발명예에서는, 비교예보다도 주형 동판 표면의 균열 개수 지수가 작아져, 주형 동판 표면의 균열 발생을 경감할 수 있는 것을 알 수 있었다. 본 발명예 19, 20의 결과로부터, 구대 형상으로 저부에 평면이 형성되어 있어도 비교예 및 종래예에 비교하여 균열 개수 지수는 작아져, 주형 동판 표면의 균열 발생을 경감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

한편, 본 발명예 중에서, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2을 초과하는 경우와, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2 이하인 경우에서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2을 초과하는 경우에, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2 이하인 경우보다도 균열이 발생했을 때의 열 사이클수가 대폭으로 증가하고, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2을 초과함으로써 주형 동판 표면에서의 균열 발생을 억제할 수 있다.

표 1에 있어서도 약간의 편차는 있긴 하지만, 오목부의 평균 곡률 반경 R과 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2의 대소에 의해 주형 동판 표면의 균열 개수 지수에 차이가 보였다. 표 1에 있어서, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2 이하인 경우에 종래예의 균열 개수 지수 이상이 된 것이 3/4 있었던 것에 대하여, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2을 초과하는 경우에 종래예의 균열 개수 지수 이상이 된 것이 7/14이 되어 있고, 오목부의 평균 곡률 반경 R이 오목부의 최소 개구폭 d의 1/2을 초과함으로써 주형 동판 표면의 균열 발생을 보다 경감할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 결과와 도 12의 결과로부터, 슬래브 주편의 표면 깨짐을 억제하고, 또한, 주형 수명을 연장시키기 위해서는, 오목부를 형성하는 평균 곡률 반경 R을 상기 (1)식의 범위로 하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.

1 : 주형 장변 동판
2 : 오목부
3 : 이종 물질 충전층
4 : 슬릿
5 : 백 플레이트
6 : 도금층

Claims (23)

1. 수냉식 구리 주형에 의해 형성되는 연속 주조용 주형으로서,
   상기 수냉식 구리 주형의 내벽면에 있어서, 적어도 메니스커스(meniscus)에서 메니스커스의 하방 20㎜의 위치까지의 영역의 일부분 또는 전체에 형성된 오목부와,
   상기 오목부의 내부에 상기 수냉식 구리 주형을 구성하는 주형 동판의 열 전도율과는 상이한 열 전도율의 금속 또는 비금속이 충전되어 형성된, 복수개의 이종 물질 충전층을 갖고,
   상기 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상은, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면과, 평면으로 이루어지며,
   상기 곡면과 평면으로 이루어진 오목부의 곡면은, 하기의 (2)식을 만족하는 평균 곡률 반경의 곡면으로 형성되는, 연속 주조용 주형.
   d/2＜R…(2)
   단, (2)식에 있어서, d는, 주형 동판 내벽면에 있어서의 오목부의 최소 개구폭(㎜), R은, 오목부의 평균 곡률 반경(㎜)임.
2. 수냉식 구리 주형에 의해 형성되는 연속 주조용 주형으로서,
   상기 수냉식 구리 주형의 내벽면에 있어서, 적어도 메니스커스에서 메니스커스의 하방 20㎜의 위치까지의 영역의 일부분 또는 전체에 형성된 오목부와,
   상기 오목부의 내부에 상기 수냉식 구리 주형을 구성하는 주형 동판의 열 전도율과는 상이한 열 전도율의 금속 또는 비금속이 충전되어 형성된, 복수개의 이종 물질 충전층을 갖고,
   상기 오목부의 주형 동판 표면에서의 형상은, 상기 오목부의 임의의 위치에 있어서, 모든 방향에 대하여 곡률을 갖는 곡면이며,
   상기 오목부는, 하기의 (2)식을 만족하는 평균 곡률 반경의 곡면으로 형성되는, 연속 주조용 주형.
   d/2＜R…(2)
   단, (2)식에 있어서, d는, 주형 동판 내벽면에 있어서의 오목부의 최소 개구폭(㎜), R은, 오목부의 평균 곡률 반경(㎜)임.
3. 제1항에 있어서,
   상기 오목부는, 하기의 (3)식을 만족하는 평균 곡률 반경의 곡면으로 형성되는, 연속 주조용 주형.
   R≤d…(3)
   단, (3)식에 있어서, d는, 주형 동판 내벽면에 있어서의 오목부의 최소 개구폭(㎜), R은, 오목부의 평균 곡률 반경(㎜)임.
4. 제2항에 있어서,
   상기 오목부는, 하기의 (3)식을 만족하는 평균 곡률 반경의 곡면으로 형성되는, 연속 주조용 주형.
   R≤d…(3)
   단, (3)식에 있어서, d는, 주형 동판 내벽면에 있어서의 오목부의 최소 개구폭(㎜), R은, 오목부의 평균 곡률 반경(㎜)임.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 곡률 반경이 일정한 값인, 연속 주조용 주형.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 타원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있지 않은, 연속 주조용 주형.
7. 제5항에 있어서,
   상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 타원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있지 않은, 연속 주조용 주형.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 타원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부 또는 일부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있는, 연속 주조용 주형.
9. 제5항에 있어서,
   상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 타원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부 또는 일부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있는, 연속 주조용 주형.
10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있지 않은, 연속 주조용 주형.
11. 제5항에 있어서,
    상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있지 않은, 연속 주조용 주형.
12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부 또는 일부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있는, 연속 주조용 주형.
13. 제5항에 있어서,
    상기 오목부의 주형 동판 내벽면에 있어서의 개구 형상이 원형이고, 또한, 서로 이웃하는 전부의 오목부 또는 일부의 오목부가 맞닿거나 또는 서로 연결되어 있는, 연속 주조용 주형.
14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬(tundish) 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
15. 제5항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
16. 제6항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
17. 제7항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
18. 제8항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
19. 제9항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
20. 제10항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
21. 제11항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
22. 제12항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.
23. 제13항에 기재된 연속 주조용 주형을 이용하여, 턴디쉬 내의 용강을 상기 연속 주조용 주형에 주입하여 용강을 연속 주조하는, 강의 연속 주조 방법.

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