KR19990055365A - 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드의 개선에 관한 것으로, 특히 몰드의 조립제작과 유지보수가 보다 간편용이하게 이루어질 수 있고, 또 몰드의 재사용이 가능하도록 구성된 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드에 관한 것이다.

본 발명의 몰드는 몰드 몸체가 각각 복수의 슬릿(13)들과 각 슬릿(13)들사이의 냉각수 채널(14)들을 가지는 두 장변 유니트(11)와 두 단변 유니트(12)들로 조합구성되고, 상기 각 슬릿(13)이 몰드주위에 배치되는 전자기장인가 코일의 상부로 코일폭의 약 0.5배 범위까지, 코일 하부로는 코일폭의 약 2배 범위까지 연장형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전자기장을 이용한 연속주조용 몰드

본 발명은 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드의 개선에 관한 것으로, 특히 몰드의 조립제작과 유지보수가 보다 간편, 정확하게 이루어질 수 있고, 또 몰드의 재사용이 가능하도록 하는 데에 주안점을 두어 발명된 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드에 관한 것이다.

전자기장을 이용한 연속주조(Electromagnestic casting: 이하 "EMC"라 함)기술은 주편의 표면결함을 감소시켜 주편을 후공정인 압연공정으로 직송시키는 것을 가능하게 함으로써 에너지를 절약하고 품질을 향상시키는 기술로, 동 기술적용의 성공여부는 EMC 기술의 핵심인 EMC 몰드의 개발에 있다. 그러나 EMC 몰드는 그 작동원리상 복잡한 구조가 불가피하여 제작비가 많이 들고, 또한 견고하게 제작하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 근본적인 목적은 재사용이 가능하면서 간편용이하게, 그리고 견고하게 제작할 수 있고 유지보수가 간편한 EMC 몰드를 설계 제작하는 것이다.

일반적으로, 강의 연속주조 기술은 철강재의 양산이 가능하도록 한 기술이나, 주편제조시 몰드의 진동에 의해 생기는 오실레이션마크(oscillation mark)라고 하는 표면결함이 발생한다. 이 오실레이션마크는 각종 표면결함의 근원이 되며, 이곳에 개재물이 포집되어 최종 압연제품에 심각한 결함을 초래하게 된다. 따라서, 주조 주편을 압연공정으로 이송하기 전에 주편의 표면부를 검사하여 오실레이션마크가 생긴 부분을 스크래핑(scraping)하는 공정을 거치게 된다. 이 경우, 상기 오실레이션마크 형성부분에 대한 스크래핑과정에서 많은 시간과 경비가 소요되며, 특히 주편이 냉각되어 압연전에 다시 예열로에서 가열해야 하기 때문에 에너지소비가 가증되는 문제점이 있게 된다.

그동안, 이러한 연속주조 제품상의 결함발생과 그에 따른 경제적 손실을 줄이기 위하여 많은 기술이 개발되어 왔다.

주편의 표면품질을 향상시키기 위해서는 탕면부를 안정화시키고, 몰드와 주편사이의 마찰력을 줄여야 한다. 이를 위하여 몰드파우더(mold powder)의 점도 및 결정화 온도를 낮추어 파우더 소비량 및 액상 슬래그필름 두께를 증가시키기 위한 몰드파우더가 개발된 바 있으나, 점도를 낮추기 위해서는 Na₂O 및 F를 다량 첨가해야 하며 용융온도를 낮추기 위해서는 점도가 높아져야 하는 한계가 있다.

또한, 주편 표면결함의 주된 원인인 몰드진동에 의한 결함을 줄이기 위하여 몰드의 진동주파수와 진폭을 조절하는 방법과, 몰드를 비정현파로 진동시키는 방법이 개발되었으나 이들은 모두 상술한 오실레이션마크 형성을 억제하기에는 한계가 있다.

다른 한편으로는, 2 차 냉각대에서 냉각속도를 조절하는 것에 의해 표면에 발생하는 크랙을 줄이는 연구가 수행되었으나 이역시 표면결함의 근원인 오실레이션 마크발생을 해결할 수 있는 방법은 아니다.

따라서, 보다 적극적인 방법으로 연속주조용 몰드내에서 초기 응고셀의 생성을 제어할 수 있는 기술로 EMC 기술이 개발되었다. EMC 기술은 용탕면 부근에 전자기장을 인가하여 전자기장에 의해 유도되는 주울열과 전자기압을 이용하는 기술로, 주울열에 의해 초기 응고셀 부분이 가열 완냉각되어 초기 응고셀이 용탕면 아래에서 얇게 생성되기 때문에 오실레이션마크가 형성되기 어려우며, 전자기압에 의해 몰드와 탕면간의 접촉각이 커져서 초기 응고셀부가 몰드진동의 영향을 적게 받는다. 이와 같은 EMC 기술은 저주파를 이용하는 기술과 고주파를 이용하는 기술이 있으며, 그중에서 주편의 표면품질 개선에는 고주파를 이용한 EMC가 효과적이다. 이러한 고주파 EMC를 위해서는 분할형 몰드가 이용되며, 그 이유를 도 1a 및 도 2a를 참조하여 설명한다.

도 1a에서와 같이 몰드(2) 주위에 코일(1)를 배치하고, 상기 코일(1)을 통하여 몰드(2)에 전자기장을 인가하면, 인가된 고주파 자장은 구리의 표피효과(skin depth effect) 때문에 구리로 된 몰드(2)의 외부에만 코일전류방향(3)의 반대방향으로 유도되며 몰드(2) 내부의 금속(4)에는 인가되지 않는다. 따라서, 상기 몰드(2)를 도 1b와 같이 복수의 분할몰드(5)들로 조합구성하면 각각의 분할몰드(5) 사이의 슬릿(6)을 통하여 코일(1)에 인가된 전류로 인한 자장이 몰드 내부 금속(4)에 유도된다. 이와 같이 유도된 자장(B)과 전류(J)에 의하여 몰드내의 금속(4)은 가열되고 중심방향으로 작용하는 전자기력(F)이 발생한다. 이와 같은 분할형 EMC 몰드로서 현재까지 사용되어온 몰드는 그 몰드가 서로 분리형성된 수십개의 분할몰드(5)들로 조합구성되기 때문에 견고하게 조립하기가 어렵고, 한번 사용한 후에는 재사용이 불가능한 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 연구발명된 것으로, 몰드의 각 면을 하나의 단일체로 하고 전기장이 인가되는 부분에만 슬릿을 형성제공함으로써 몰드를 보다 견고하고 간편하게 설치사용할 수 있고 사용후에도 내부면을 연마하여 재사용할 수 있는 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1a는 몰드에 전자기장을 유도하는 원리를 보여주는 도식적인 평면도,

도 1b는 몰도내부의 용융금속에 전자기력이 작용하도록 몰드에 슬릿들을 형성한 상태를 보여주는 도식적인 평면도,

도 2b는 도 2a의 도식적인 측면도, 도 2c는 본발명에 몰드의 도식적인 평면도,

도 3a는 몰드내 적정 슬릿설계를 위한 몰드상 수치해석 결과를 나태낸 그래프,

도 3b는 몰드내 적정 슬릿설계를 위한 몰드하부 수치해석 결과를 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명의 몰드와 종래의 몰드내의 자속밀도 비교도.

*도면중 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 전자기장 인가 코일 2 : 일반몰드 3 : 코일전류방향

4 : 주조금속 5 : 분할몰드 6 : 슬릿

10 : 본 발명의 몰드 11 : 장변 유니트 12 : 단변유니트

13 : 슬릿 14 : 냉각수채널 15 : 냉각수 입구

16 : 냉각수출구 17,18 : 클램프

이하에서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 기술내용을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2a- 도 2c는 본 발명에 따른 한 EMC 몰드의 구성을 도식적인 방법으로 보여 준다.

여기에 도시된 바와 같이 본 발명의 몰드(10)는 몰드의 두 마주보는 벽부를 구성하는 두 장변 유니트(11)들과, 이들 장변 유니트(11) 사이에 배치조립되는 두 단변 유니트(12)들로 조합구성되며, 이들 장변 및 단변 유니트(11)(12)들은 각각 한 단일체의 동재 구조물로 이루어진다. 상기 각 몰드 유니트(11)(12)들에는 전자기장을 통과시키는 복수의 슬릿(13)들이 일정간격으로 형성제공되며, 상기 각 슬릿(13)들 사이에는 냉각수순환을 위한 채널(14)들이 형성된다. 한 단위체의 유니트(11) 또는 유니트(12)에 있어서 상기 슬릿(13)들 사이의 각 채널(14)들에는 그 유니트하부에 제공되어 있는 하나의 냉각수 입구(15)를 통해 유입된 냉각수가 분산유입되어 흐르고, 이와 같이 상기 각 채널(14)들을 통해 흐른 냉각수는 각 채널(14)들을 통한 냉각수의 온도를 측정할 수 있도록 하기 위해 각각의 채널(14)에 대응시켜 설치된 냉각수 출구(16)들을 통해 몰드 외부로 유출된다.

상기 장변 및 단변 유니트(11)(12)들을 도2c와 같이 조합시킨 후 그 조합된 유니트(11)(12)들의 상부와 냉각수 출구(16)가 있는 벽부 상부를 클램프(17)(18)로 조여 고정시킴으로써 목적하는 바의 한 EMC 몰드가 조립완성될 수 있다.

위와 같이 몰드를 최대한 적은 수효의 유니트(11)(12)들로 조합 구성함으로써 몰드의 조립제작을 종전보다 훨씬 더 간편용이하게 , 그리고 견고하게 이루어낼 수 있으며, 몰드 사용후에는 몰드를 구성하는 각 유니트(11)(12)들을 분해, 연마한 후 재조립 사용하는 것이 가능해진다.

상기와 같이 EMC 몰드를 구성할 경우, 각 슬릿(13)들 사이가 완전히 분리된 단위체들로 조합구성되는 종래의 EMC 몰드보다 몰드내부에 유도되는 자장이 작아질 우려가 있고, 자장이 작아지면 그 몰드는 무용하게 된다. 상술한 본 발명의 몰드구성에 있어서, 유도되는 자장이 크게 감소하지 않는 최적의 슬릿(13)형성길이 및 위치를 알아 보기 위하여 수치해석을 수행하고, 그 결과를 도 3a 및 3b에 나타내었다. 설계대상 EMC 몰드는 길이 400mm, 내부 단면 100×100mm 의 것이며, 전자기장 유도 코일은 몰드 상단으로부터 50mm에서 135mm 에 걸쳐 설치되어 있다고 가정하였다. 도 3a는 종래의 EMC 몰드인 완전분할형 몰드와, 본 발명의 EMC 몰드인 상부통전 몰드에서 각각의 몰드내 자속밀도 차이를 보여준다. 몰드의 상부 20mm 부분의 몰드몸체를 이루는 동판을 그대로 두고 그 하부에만 슬릿을 가공한 경우에도 자속밀도는 거의 변함이 없는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3b에서 알 수 있듯이 몰드의 하부 150mm부분을 연결통전시킨 경우에는 자장분포가 거의 변하지 않으나 몰드 하부로부터 200mm까지의 부분을 연결 통전시킨 경우에는 코일 중심부에서 약 15%의 자속밀도 감소가 나타났다. 즉, 목드의 상부에서부터 20mm, 하부에서부터 150mm는 몰드몸체의 동판을 그대로 두고 그 사이의 코일이 설치된 230mm의 부분에만 슬릿을 가공하면 종래의 완전분할형 EMC 몰드의 경우와 거의 동등한 수준의 자속밀도를 얻을 수 있음을 확인하였다.

이와 같이 설계 제작한 본 발명의 EMC 몰드내에서 측정한 자장분포를 도 4에 나타내었다. 코일 전류 670A를 인가한 경우 종래의 몰드와 본 발명의 몰드내에서의 자속밀도는, 종래의 몰드의 경우가 약간 높으나 그 차이는 약 2% 범위 이내로 거의 동일하다.

종래의 EMC몰드는 수십개의 독립된 단위체들을 각각 제작하여 조립완성되는 것으로, 제작공차 및 조립공차가 누적되어 몰드 상하부의 편차가 평균 약 0.5mm까지 나타나고 이러한 공차를 줄이는 것이 매우 힘드나, 본 발명의 EMC 몰드는 몰드의 각면 이 하나의 단일한 몸체의 구조물로 되어 있기 때문에 보다 간편 정확한 제작 조립이 가능하였다.

종래의 EMC 몰드와 본 발명의 EMC 몰드를 이용하여 각각 20 회씩 용강을 주조한 후 분해하여 재조립해 보았다. 종래의 몰드는 재조립시 조립공차가 더 커졌으나 본 발명의 몰드는 최초 조립시와 거의 동일하게 정확히 재조립할 수 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 구성, 작용에 의해 이러한 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드를 종전보다 훨씬 더 간편 정확하게, 그리고 견고하게 제작 조립할 수 있고, 또한 몰드의 반복적인 재사용을 가능하게 하여 주는 신규유용한 효과를 제공하는 것이다.

Claims (2)

1. 몰드 몸체가 두 장변 유니트(11)와 두 단변 유니트(12)로 조합구성되고, 상기 각 유니트(11)(12)에 상하방향으로 일정한 연장길이를 갖는 복수의 슬릿(13)들이 일정간격으로 형성되어 있으며, 상기 각 슬릿(13)들 사이에는 냉각수 채널(14)들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 연속주조용 몰드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 슬릿(13)이 몰드주위에 배치되는 전자기장 인가 코일의 상부로 코일폭의 약 0.5배 범위까지, 코일하부로는 코일폭의 약 2배 범위까지 연장형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자기장을 이용한 연속주조용 몰드.