KR19990024730A - 연속주조용 침지노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 턴디쉬와 주형사이에 사용되는 연속주조용 침지노즐에서 몰드파우더라인 부근에 접촉되는 외벽면에 대해 내침식성 및 내스폴링성을 향상시켜 노즐의 사용수명을 증대시키는 것에 관한 것으로, 이에 따른 구성은 본체 및 몰드파우더라인 부근에 접촉되는 외벽면을 구비한 용강 주조용 침지노즐에 있어서, 상기 외벽면의 재질이 중량% 로써 질화알루미늄(AlN) 5∼60%, 탄소(C) 5∼25% 이고, 나머지는 산화칼슘(CaO)을 포함한 안정화 지르코니아(ZrO₂)로 조성됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐에 관한 기술이다.

Description

연속주조용 침지노즐

본 발명은 용강의 연속주조용 침지노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강표면상의 용융 몰드파우더층과 접촉하는 부분에 배치되는 침지노즐의 외벽면에 대한 내식성 및 내스폴링성 향상으로 사용수명이 증대되는 침지노즐의 재질에 관한 것이다.

용강의 연속주조에 있어서는 몰드파우더 및 침지노즐이 사용된다.

몰드파우더(예를들면, SiO₂: 35.46중량%, Al₂O₃: 6.08중량%, CaO : 36.87중량%, Na₂O : 8.05중량%, Igloss : 5.33중량% 및 불순물로 구성되는 조성의 것이 알려져 있다)는 주형내의 용강표면상에 투여되어서 상기 용강의 열에 의하여 유리 모양으로 용융하여 용강표면을 덮는 동시에 응고된 용강의 외면과 주형내면과의 사이에 침투되어서 주편의 표면을 덮는다.

따라서 용강 및 주편은 공기로부터 차단되기 때문에 산화를 방지할 수 있다.

또, 용융 몰드파우더 층은 용강표면상에 부상한 비금속개재물을 흡수한다.

한편 침지노즐은 턴디쉬의 바닥에 수직으로 돌출하여 설치되고, 그의 하부가 용융 몰드파우더층을 관통하여 주형내의 용강속에 침지된다.

따라서, 턴디쉬내의 용강은 침지노즐을 통과하여 주입초기를 제외하고는 공기와 접촉되는 일이 없이 주형내에 주입된다.

이와 같이 연속주조에 있어서 침지노즐과 몰드파우더를 병용하면 주형내의 용강 및 주형에서 추출되는 주편의 산화, 용강 속의 난류 발생, 공기, 몰드파우더 및 슬래그의 혼입, 용강의 스플래시 등의 결함이 효과적으로 방지되어서 표면성상(性狀) 및 내부성상이 양호한 주편을 얻을 수 있다.

도 1은 기존의 침지노즐에 대한 개략 단면도를 나타낸 것으로, 턴디쉬내의 용강은 일반적으로 알루미나(Al₂O₃) - 탄소계 내화물로 조성된 노즐 본체(1)의 통공을 통해 주형내로 유입됨과 함께 노즐 본체(1)의 외면중 용융 몰드 파우더(3)와 용강(4)에 접하는 부분인 외벽면(2)은 다른 부분에 비교하여 가장 많이 침식된다.

최근 연속주조기의 고능률화 및 생산성 향상화에 따라 용강을 연속적으로 주입하는 일이 적지 않기 때문에 침지노즐은 가혹한 사용조건에서 여러 가지 특성이 요구된다.

특히, 외벽면(2)은 용강 및 몰드파우더에 대한 내식성과 내스폴링성이 중요하며 이는 침지노즐의 사용수명이 좌우되는 주요 인자로 작용한다.

몰드파우더는 불화물, 알카리 성분 등을 함유하고 있으며, 특히 염기도(CaO/SiO₂) 등을 조절하여 각종 변화에 따른 조업 특성에 부합되도록 몰드파우더를 선정하게 된다.

몰드파우더는 몰드내 투입후 용강과의 비중차이로 인해 몰드 상부층에 부유하게 되며, 몰드내 침적 사용되는 침지노즐의 경우에는 필연적으로 몰드파우더와의 경계 부위가 존재하게 된다.

침지노즐의 파우더라인 경계부위에서는 몰드파우더 성분과 내화물 조직간의 화학작용 및 주형-주편간의 용강 응고 방지를 위해 시행되는 몰드 오실레이션(Oscillation)에 의한 물리작용에 의해 침식작용이 진행된다.

따라서 침지노즐의 몰드파우더 라인 부위에 접촉되는 외벽면(2)에 대한 저항성을 고려하여 지르코니아(ZrO₂) - 탄소계 내화물이 알려지고 있다.

이와 같은 지르코니아 탄소계의 공지된 내화물중에는 탄소 : 15∼30wt%, 지르코니아 : 30∼70wt%, 실리카 : 20wt% 이하로 조성된 것이 알려져 있으나, 이 경우는 탄소함량이 비교적 높아 탄소가 산화 및 용강에 용출되어 내화물 조직이 다공질되고, 다공질이 된 부분에 용강 및 용융 몰드파우더의 침입으로 지르코니아가 침범되어, 이 결과에 의해 내화물이 침식되는 문제가 있어 국내 실용신안 공보 85-2691호(이하 선기술이라 함)가 제안되고 있다.

상기 선 기술에서는 탄소 : 10.5∼26.5wt%, 지르코니아 : 70∼86wt%, Si 또는 Fe-Si중 1종 이상 0.5∼15wt%로 조성되고 있다.

지르코니아로서는 안정화 지르코니아, 미안정화 지르코니아중 어느 것을 사용해도 무방한 것으로 되어 있다.

상기한 선 기술이 종래에 비해 지르코니아 함량을 높이고, 탄소함량을 낮춘다 하여도 하기에서 설명되는 바와 같이 지르코니아 및 탄소의 특성상 내침식성 및 내스폴링성을 동시에 향상시키는데는 한계가 있음과 함께 자원확보가 용이하지 않은 고가의 많은 지르코니아 사용량에 따라 제조원가의 상승요인이 되고 있다.

지르코니아는 다른 내화성 산화물에 비해 용융 몰드파우더에 대한 내침식성이 극히 높기 때문에 사용되는데, 미안정화 지르코니아는 사용중 상변태에 따른 체적 변화가 크기 때문에 수축, 팽창에 의한 조직와해로 균열 또는 박리를 일으키는 결함이 있어 안정화 지르코니아(CaO 성분을 천연의 지르코니아와 함께 혼합 용융시킨 화합물)를 사용하고 있다.

그러나 몰드파우더의 특정성분(SiO₂, 불화물등)은 안정화 지르코니아와 반응이 용이하여 지르코니아 입자 붕괴에 따른 탈안정화 현상의 유발로 지르코니아 골재가 용출되는 문제가 있다.

즉, 지르코니아는 원료 특성상 열간에서의 팽창성이 다른 세라믹 재료에 비교할 때 높은 편에 속하므로 상기와 같은 내스폴링성의 약화를 초래할 수 있다.

한편, 탄소는 내스폴링성에 우수한 특성이 있어 이를 지르코니아와 함께 조성시키고 있다.

그러나, 탄소는 몰드파우더에 대한 젖음성이 적고, 용강에 대해서는 젖음성이 상대적으로 높기 때문에 몰드파우더- 용강계면은 상승하여 내화물 표면은 용강과 접하게 된다.

따라서 탄소는 용강에 용출되기 쉬운 특성이 있어 재차 내화물 표면에는 산화물계 골재가 남아 있게 되고, 이렇게 잔류되어 있는 산화물계 골재는 몰드파우더와 젖음성이 크게 되고, 용강과는 젖음성이 적게 됨에 따라 용강-내화물 경계에 몰드파우더가 다시 침투하여 산화물을 용출시킨다.

이와 같이 몰드파우더-용강계면간 슬래그막의 이동현상과 산화물계 골재, 탄소의 용해가 상호간에 연속적으로 발생되어 국부 용손이 진행되는 등의 문제점이 있다.

따라서 상기한 선 기술처럼 지르코니아 및 탄소 함량의 조절만으로써는 내침식성과 내스폴링성을 동시에 만족시키는데 한계가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 지르코니아-탄소계 재료에 질화알루미늄을 첨가하여 탄소 및 지르코니아를 적절히 조절함으로써 내침식성과 내스폴링성, 내산화성을 동시에 충족할 수 있는 몰드파우더 계면에 접촉되는 노즐외벽면의 내화물을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 기존의 침지노즐을 나타낸 개략단면도

도 2는 내침식성 시험을 위한 고주파유도로의 개략 단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 본체 2 : 외벽면

3 : 몰드파우더

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 100 중량%로써, 질화알루미늄(AlN) : 5∼60%, 탄소(C) : 5∼25% 이고, 나머지는 산화칼슘(CaO)을 포함한 안정화 지르코니아로 조성됨을 특징으로 하는 몰드파우더에 접촉되는 노즐 본체 외벽면의 내화물을 갖는 연속주조용 침지노즐로 구성된다.

본 발명은 안정화 지르코니아 사용량을 감량하고 질화알루미늄을 첨가시킴과 함께 탄소 사용 범위를 기존과 같게 하거나 감량시킬 수 있는 것으로, 질화알루미늄의 첨가에 따라 안정화 지르코니아 및 탄소가 갖는 문제를 해결하여 내침식성과 내스폴링성을 동시에 충족시킬 수 있는데 특징이 있다.

질화알루미늄(AlN)은 내식성 및 내스폴링성에 우수한 것으로 그 사용량이 5중량% 이하일 경우는 안정화 지르코니아 및 탄소함량의 증가로 질화알루미늄의 특성이 나타나지 않아 내식성 및 내스폴링성이 충족되지 않고, 그 사용량이 60 중량% 초과하면 그 사용량에 비해 증진된 효과를 볼 수 없고 침식저항이 다소 악화될 수 있다.

탄소(C)는 기존 첨가량과 동일 범주로 할 수 있다.

또한 그 량을 감량시켜 사용할 수 있는데 이는 질화알루미늄을 사용하고 있어 가능하다.

탄소 사용량이 적으면 탄소의 용강에 의한 산화율은 저감되지만, 5중량% 이하에서는 조직결합력이 약화되어 강도 특성이 저하되고, 내스폴링성에도 좋지 않다.

또한 그 량이 25중량% 초과하면 주조중 용강내에 함유되어 있는 용존산소와 반응하여 가스성분(CO, CO₂)으로 산화 소실되므로 내식성에 좋지 않은 영향을 미친다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

표 1과 같이 조성한 원료를 성형, 소성하여 몰드파우더라인에 접할 수 있는 외벽면체 시편을 각각 제작하였다.

이 시편을 도 2와 같은 고주파 유도로 내의 (1500∼1550℃) 몰드파우더(3)가 투입된 용탕(4)안에 침적시켜 침식시험을 하였다.

또한 상기의 시편을 LP가스를 이용하여 1500∼1550℃로 가열시킨 후 수냉처리하는 단계를 3회 반복 처리하여 내스폴링성(열충격성)에 대한 내구성을 측정하였다.

산화율 측정에 있어서는 시편의 최초무게(W₁)를 재고, 전기로에서 열처리(1500℃ × 3시간 유지, 산화분위기)한 후의 무게(W₂)를 잰후, W₂- W₁/W₁으로 무게 감량을 계산하여 이를 백분율(%)로 환산하였다.

그 결과 표 1과 같은 물성치가 나타났다.

	기존재질	실시예(화학성분 : 중량%)
		1	2	3	4	5	6	7
		본 발명	비교예	본 발명
화학성분(%)	C	21	21	21	21	21	21	15	5
	ZrO2	76	70	56	36	17	-	70	70
	(CaO)	(3)	(3)	(2)	(2)	(1)	-	(3)	(3)
	AlN	-	6	21	41	61	79	12	22
물성	부피비중	3.45	3.36	3.10	2.73	2.37	2.13	3.40	3.47
	겉보기 기공율(%)	18.6	18.0	17.8	17.5	18.2	18.1	17.6	18.0
	압축강도(㎏/㎠)	270	275	280	278	285	270	271	265
	선팽창율(%)at 1000℃	0.40	0.38	0.36	0.35	0.32	0.28	0.39	0.41
	상대침식지수(%)	100	85	60	50	90	115	80	55
	스폴링시험	변화없음	변화없음	변화없음	변화없음	변화없음	변화없음	변화없음	변화없음
	산화율(%)	21.0	17.5	16.5	16.2	17.1	17.8	17.2	16.7

실시예(시편 1∼4)

본 실시예는 기존 재질과 같이 탄소량(21wt%)을 고정시키면서 질화알루미늄 및 안정화 지르코니아 첨가량을 변화시킨 경우로써, 기존 재질보다 내식성이 향상된 결과를 나타내고 있다(기존 재질의 침식지수를 100으로 볼 때 변화된 침식지수가 낮게 나타남).

이는 질화알루미늄이 사용조건에서의 용강에 의한 탄소성분의 산화율을 저하시켜 몰드파우더의 내화물 조직으로의 침식경로를 적게 만든 결과로 해석된다.

이때의 질화알루미늄의 원료 특성상 사용 조건에서의 산소 포집능력이 크므로 이를 통해 탄소의 산화율 저하에 기여한 것으로 볼 수 있다.

비교예(시편 5)

시편 5는 기존 재질의 안정화 지르코니아 전체를 질화알루미늄으로 대체한 경우로써, 이때는 탄소의 용강에 의한 산화율은 저감되지만 몰드파우더에 대한 침식저항성이 다소 약화됨을 알 수 있다.

즉, 침식저항성 측면에서 볼 때 기존재질에서 사용되고 있는 안정화 지르코니아 성분이 질화알루미늄보다 다소 높은 것으로 판단된다.

따라서 안정화 지르코니아와 질화알루미늄을 적절히 혼용하여 사용한 재질이 내식성 향상에 유리하다고 볼 수 있다.

실시예(시편 6∼7)

본 실시예는 기존의 탄소함량보다 감량하여 변화시키고, 안정화 지르코니아 및 질화알루미늄 함량을 변화시킨 것이다.

즉, 몰드파우더에 의한 침식과 아울러 용강중에서의 용존 산소에 의한 탄소의 산화손실 영향도 함께 고려해야 되므로 내스폴링성이나 조직 결합력에 크게 영향을 주지 않는 범위에서의 탄소함량을 결정하여 주는 것이 필요하기 때문에 이를 위해서 탄소함량 변화시험을 실시한 것이다.

그 결과 탄소함량이 저감된 상태에서도 질화알루미늄과 안정화 지르코니아를 적절히 배합함으로써, 상대 침식지수 및 산화율 저감으로 내침식성이 향상됨을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 몰드파우더 계면에 접촉되는 침지노즐 외벽면의 재질인 기존의 안정화 지르코니아-탄소계 내화물에 대해 질화알루미늄을 첨가함과 함께 안정화 지르코니아 및 탄소함량을 적절히 조절함으로써, 내식성 및 내스폴링성 향상을 비롯한 강도의 향상으로 사용수명이 증대될 수 있는 침지노즐을 얻게 된다.

Claims (2)

1. 본체 및 몰드파우더라인 부근에 접촉되는 외벽면을 구비한 용강 주조용 침지노즐에 있어서,

   상기 외벽면의 재질이 중량% 로써 질화알루미늄(AlN) 5∼60%, 탄소(C) 5∼25% 이고, 나머지는 산화칼슘(CaO)을 포함한 안정화 지르코니아(ZrO₂)로 조성됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
2. 제 1 항에 있어서,

   안정화 지르코니아에 산화칼슘(CaO)이 1∼3중량% 포함됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.