KR19990081822A - 서브머즈드 입구 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조몰드로 용융스틸을 도입하기 위한 서브머즈드 입구 노즐에 관한 것이다. 이 노즐은 중앙구멍과 이 중앙구멍의 하부와 통해있는 두 개의 가로출구를 한정하는 노즐구조를 포함하는데 중앙 구멍은 노즐구조의 외주로 연장하여 출구의 하부표면지역을 형성하는 상향 접시형 하부표면에서 종료하고, 이에 의해 상향 접시형 하부표면을 거쳐 흐르는 용융스틸이 노즐 구조물로부터 외향이 상향으로 흐르게 된다.

Description

서브머즈드 입구 노즐

본 발명은 용융 스틸을 연속 주조 몰드로 유입시키기 위한 서브머즈드 입구 노즐에 관한 것으로서 보다 상세하게는 서브머즈드 입구 노즐의 구조 형태에 관한 것이다.

스틸의 연속 주조시에 용융 스틸은 액체스틸에 서브머즈드 내화튜브에 의해 몰드로 전달된다. 이 내화튜브는 서브머즈드 입구 노즐로 불리는데 슬랩 캐스터(slab casters)의 경우에는 중앙 구멍을 포함하는 이 구멍은 구멍을 가로질러 연장하는 두 개의 출구에서 종료한다. 서브머즈드 입구 노즐의 목적은 스틸의 재산화를 방지하는 것이다. 산소를 제거하기 위해서는 용융 스틸에 알루미늄이 첨가된다. 이것은 산소를 감소 또는 제거 시킬수 있지만 알루미늄 산화물의 증가가 노즐 통로를 막히게 하는 바람직하지 않은 부작용을 갖는다. 통상적인 주조 방법에서는 통로 내부에 알루미늄 산화물 증가의 축적을 제거하고 비금속성 함유물이 노즐의 내부에 점착하는 것을 방지하기 위해 주조시에 질소가스, 아르곤 가스 또는 두 가스의 혼합물이 노즐에 주입된다.

몰드에서는 용융 스틸의 상부 몰드에 몰드 분말을 첨가 또는 분포시키므로서 액체 슬래그 층이 스틸 메니스커스 상에 형성된다. 이 액체 슬래그 층은 용융 스틸이 고형화 할 때 고형화 스틸 쉘과 몰드 사이의 공간으로 흐르는 윤활제 및 열이 액체스틸의 메니스커스로부터 유출되는 것을 억제하는 절연제 모두로서 작용한다.

적당히 두꺼운 슬래그 층이 되도록하여 메니스커스 근처에서 스틸의 냉각을 방지하기 위해서, 메니스커스 근처의 스틸의 온도는 충분히 높게 유지되어야 한다. 통상적인 주조방법에서는 이것이 서브머즈드 입구 노즐에 아르곤 가스를 주입하므로서 달성된다. 아르곤가스는 스틸이 노즐의 출구로 나갈 때 스틸이 메니스커스를 향하여 상승하므로서 냉각에 견디기에 충분한 온도를 유지하도록 액체스틸에의 부력에 영향을 미친다.

용융 스틸 제조의 결핍, 특히 노출된 자동적용을 위한 초 저탄소(ULC) 및 저탄소강의 결핍은 소위 펜슬 파이프 결함으로 불린다. 펜슬 파이프 결함은 비금속성 함유물의 응집물의 포획 및 주조되는 스틸의 고형화 쉘 아래의 아르곤 가스의 거품으로부터 야기한다. 이 스틸은 얇은 스트립으로 압연되어 코일로서 수집되는 슬래브의 형태로 캐스터로부터 나온다. 스트립의 후속가공시에 스트립의 표피 아래에 그러나 그 표면에 훨씬 가깝게 포획된 가스 거품은 팽창하여 최종 제품의 표면상에 블리스터를 형성한다. 따라서, 아르곤 가스의 사용은 노즐 막힘을 감소시키고 슬래그 층 두께를 개선시키며 메니스커스 근처의 온도를 증가시키지만 가스 거품과 함유물의 포획된 응집물로 인하여 바람직하지 않은 펜슬 파이프 결함을 야기한다.

노즐로 아르곤 가스를 주입하는 것을 없애므로서 다수의 펜슬 파이프 결함이 제거 또는 거의 감소될 수 있다. 그러나, 아르곤 가스를 주입하지 않을 때에는 슬래그 층 두께의 감소 및 그로 인하여 메니스커스 근처의 스틸이 냉각될 위험이 상승한다는 것이 실질적으로 발견되었다. 이것은 슬리버(Slivers)로 알려진 표면결함의 형성을 가져온다.

이러한 바람직하지 않은 부작용은 본 발명의 목적인 서브머즈드 입구 노즐의 구조를 변경하므로서 피할 수 있거나 그 발생을 거의 감소 시킬수 있다.

본 발명은 적절한 슬래그 층 두께 및 메니스커스로의 열전달을 보장하여 펜슬 파이프 결함 및 슬리버가 최소화된 서브머즈드 입구 노즐을 제공한다. 본 발명에서, 메니스커스 근처의 온도는 아르곤 가스의 주입이 없을 때 또는 통상적인 노즐에서 사용된 것 보다 낮은 가스주입비에서도 메니스커스에서 스틸의 냉각을 방지할 만큼 충분히 높다. 이것은 슬래그 입자가 액체스틸 스트림에 포집되는 지점까지 메니스커스에서의 난류가 증가하지 않는다는 것을 보장한다.

서브머즈드 입구 노즐은 노즐 구조물을 포함하는데 이 구조물은 그 구조물을 통하여 수직으로 연장하는 중앙 구멍을 한정한다. 중앙 구멍은 상향으로 접시형인 하부면에서 종료한다. 상향으로 접시형인 표면은 약 180도의 두 개의 출구를 통하여 용융 스틸이 흐르게 한다. 출구는 상부지역에서 하향하여 경사진 립에 의해 그리고 하부지역에서 상향하는 접시형 하부 표면에 의해 부분적으로 한정된다. 스틸의 흐름이 노즐을 빠져나갈 때 일반적으로 아래 방향으로 향하게 하는 선행 기술의 노즐과 달리 하향 경사진 립과 조합한 접시형 하부 표면은 스틸의 유출 흐름을 수평으로 향하게 한다. 그 결과, 스틸의 많은 부분이 짧은 시간에 메니스커스를 향하게 된다.

본 발명의 하나의 특징으로, 상향하는 접시형 하부 표면은 수직으로 연장하는 중앙 구멍에 대하여 수직인 면에 대하여 5-35도의 각을 중심으로 양으로 슬로프된다. 본 발명의 또다른 특징으로, 하향 경사진 립은 수직으로 연장하는 중앙구멍에 수직인 면에 대해 5-35도의 각을 중심으로 음으로 슬로프된다.

또다른 특징들은 첨부된 도면을 참고로 하기 발명의 상세한 설명을 읽으므로서 명백하고 보다 충분히 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 서브머즈드 입구 노즐의 수직 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 노즐의 측면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 노즐의 저면도이다.

도 4는 노즐로부터 방출되었을 때 용융 스틸의 흐름 경로를 도시한 도 1에 도시된 노즐 하단부의 부분 단면도이다.

도 5A는 노즐로부터 방출되었을 때 용융 스틸의 흐름 경로를 도시한, 종래 노즐의 하단부의 부분 단면도이다.

도 5B는 노즐로부터 방출되었을 때 용융 스틸의 흐름 경로를 도시한, 종래 노즐의 하단부의 부분 단면도이다.

도 5C는 노즐로부터 방출되었을 때 용융 스틸의 흐름 경로를 도시한, 종래 노즐의 하단부의 부분 단면도이다.

도 6은 도 1에 도시된 노즐의 몰드 상부에서의 속도 프로파일을 도시한 그래프이다.

도 7은 종래노즐의 몰드 상부에서의 속도 프로파일을 도시한 그래프이다.

도 8은 종래노즐을 구비한 몰드에서 용융 스틸의 이중회전흐름 패턴을 도시한 것이다.

도 9는 고형화 쉘하에서 아르곤 포함 응집물의 포획 및 커브진 몰드내경의 곡률을 도시한 것이다.

도 10은 본 발명에 따라 구성된 서브머즈드 입구 노즐과 종래의 노즐을 비교한, 스틸몰드의 메니스커스(meniscus)에서의 열반응을 도시한 그래프이다.

도 1-3은 용융 스틸을 주조 몰드로 도입하기 위한 서브머즈드 입구 노즐(10)을 도시한 것이다. 노즐(10)은 일반적으로 관형의 내화물질로 구성되는데 턴디쉬(tundish)에 연결되기에 적합한 상단부(12)와 주조 몰드에 서브머즈드 하단부(14)를 포함한다. 일반적으로 원형이 중앙구멍(16)은 노즐(10)을 통하여 수직으로 그리고 동심원적으로 연장하는데 그 중심은 노즐(10)의 기하학적 중심으로 정의되고 축(A-A)로 일반적으로 표시되었다.

도 1과 3에 도시된 바와같이 중앙구멍(16)은 노즐(10)의 외주로 연장하는 접시형 하부표면(18)에서 종료하는데 중앙구멍(16)에 대해 가로로 연장하는 한쌍의 출구(21a, 20b)와 유체가 통하게 되어있다. 바람직한 실시예에서 출구(20a, 20b)는 약 180도 떨어져 있다(도 3에 도시된 바와같이). 출구(20a, 20b)는 상부지역(21a, 21b)과 하부지역(23a, 23b)을 포함한다. 상부지역(21a, 2b)은 각각의 하향 경사진 립(22a, 22b)에 의해 부분적으로 한정된다. 립(22a, 22b)은 중앙구멍(16)의 내벽(28)으로부터 노즐(10)의 외주 또는 외벽까지를 일컫는다. 출구(20a, 20b)의 하부지역(23a, 23b)는 접시형 하부표면(18)에 의해 부분적으로 한정된다. 접시형 하부표면(18)은 축(A-A)에서부터 노즐(10)의 외주로 외향 및 하향하여 커브져 있다. 따라서, 하부표면(18)은 축(A-A)에 대해 수직인 평면에 대하여 각 α만큼 양으로 슬로프지게 된다. 한편, 립(22a, 22b)은 평면에 대하여 각 β만큼 음으로 슬로프지게 된다.

본 발명에 있어서, 각 α와 β는 5-35 사이로 변할 수 있다. 바람직한 각은 노즐의 크기, 주조 속도, 노즐의 침지 깊이 및 주어진 주조 설계에 특정한 다른 특징과 같은 요인들에 좌우된다. 바람직한 실시예에서, 각 α와 β는 수평에서 15도이다.

도 4는 액체스틸이 입구 노즐(10)의 출구(20a, 20b)로부터 유출될 때 액체스틸의 흐름경로를 도시한 것이다. 본 발명에서는 액체스틸이 중앙구멍(16)과 출구(20a, 20b)를 통하여 흐를 때 상부지역(21a, 21b)이 스틸의 흐름을 수평으로부터 하향하게 하는 반면에 하부지역(23a, 23b)은 상부지역(21a, 21b)로부터 향한 흐름의 일부와 충돌하거나 그 상부로 충돌하는 상부방향으로 스틸을 향하게 한다.

이러한 흐름 특성은 종래의 서브머즈드노즐에 비해 몇가지 잇점을 제공한다. 비교로, 도 5A, 5B 및 5C에 도시된 통상적인 노즐은 노즐의 바닥단부에 있는 웰(111)로 특징되고 어떤 것(도 5B 및 5C)은 부분적으로 접시형이다. 이러한 기존의 노즐중 어떤 것도 본 발명에서와 같이 노즐의 외주로 연장하지 않는다. 또한, 도 5A, 5B 및 5C에 도시된 선행기술의 노즐(110)은 외향 및 하향 슬로프진 표면(123a, 123b)을 갖는 출구(120a, 120b)로 특징된다. 이것은 도 5A, 5B 및 5C에 화살표로 나타낸 바와같이 출구가 출구(120a, 120b) 근처의 수평으로부터 일반적으로 하향하게 액체 스트림을 향하게 한다. 이것은 액체스틸이 노즐(10)로부터 유출될 때 액체스틸의 집중적인 난류흐름경로에 영향을 미친다.

통상적인 노즐(110)과 달리 본 발명의 접시형 하부표면(18)은 노즐(10)의 외주에서 외향 및 상향하게 연장하므로서 도 4에서 화살표로 나타낸 바와같이 액체스틸의 흐름을 출구(20a, 20b)의 근처에서 수평면으로부터 상향으로 향하게 한다. 따라서, 통상의 노즐로 달성했었던 것보다 액체스틸의 더 많은 부분이 메니스커스를 향하게 된다. 도 4와 도 5A, 5B, 5C에 도시된 흐름 경로의 비교는 본 발명의 노즐(10)로부터 나오는 액체스틸의 흐름경로가 통상적인 노즐에 대한 것과 비교할 때 실질적으로 더 수평적이라는 것을 나타낸다. 이것은 메니스커스에서 난류를 감소시키므로서 액체스틸 스트림에 용융슬래그가 포집될 가능성을 감소시키는 정지흐름경로에 영향을 미친다.

서브머즈드 입구 노즐(10)은 아르곤주입 없이 통상적인 노즐로 달성할 수 있었던 것보다 실질적으로 개선된 속도로 메니스커스로의 열전달을 촉진하는, 주조몰드에서의 흐름패턴을 확립한다. 이것은 메니스커스 근처의 스틸온도가 몰드분말을 용융시키고 이에 의해 불순물을 흡수하기에 충분한, 일정한 두께의 몰드슬래그층을 제공하고 용융스틸이 고형화할 때 캐스터와 몰드 사이의 윤활제로서 제공되기에 충분히 높게되는 것을 보장한다.

어떤 선행기술의 노즐은 용융주조물 근처의 메니스커스 근처에 높은 온도를 달성하기 위해 노즐에의 아르곤 가스주입에 의존하고 이에 의해 아르곤 가스 부력이 용융스틸을 메니스커스로 향하게 한다. 본 발명의 흐름 특성은 아르곤 가스주입의 필요성을 제거 또는 거의 감소시킨다. 아르곤 가스주입의 필요성을 제거하므로서 본 발명은 용융 주조물의 고형화 쉘 아래에 남아있는 아르곤 가스의 거품에 의해 야기된 펜슬 파이프 결함의 가능성을 감소시킨다. 또한, 본 발명의 흐름경로는 통상의 노즐이 달성했던 것보다 메니스커스 근처에서 더 높은 온도를 발생시키기 때문에 메니스커스 근처에서 용융스틸의 냉각이 발생할 우려가 더 적다. 따라서, "슬리버"로 알려진 표면결함의 가능성을 감소시킨다.

도 5A에 도시된 통상적인 노즐(110)의 흐름특성에 대한 본 발명의 서브머즈드 입구 노즐(10)의 흐름특성의 잇점을 입증하기 위해 실험을 수행했다. 구체적으로는 0.4 규모의 물 모델 캐스터 상에서 물 모델 시뮬레이션을 수행했다. 물 모델에서의 속도 프로파일을 입자 영상 속도계(PIV) 기술을 사용하여 측정했다.

도 6과 도 7은 몰드의 상부에 있는 각 노즐(10, 110)로부터 유출되는 액체스틸의 속도 벡터를 도시한, 액체 스틸 몰드의 수직평면(이 평면은 페이지의 평면과 평행하다)을 나타낸다. 각 도면의 우측부분은 노즐의 축(A-A)이 놓여있는 수직면(페이지의 면에 대해 수직인)을 나타낸다. 도면의 좌측부분은 노즐의 축(A-A)으로부터 몰드의 모서리(도시되지 않음)까지의 거리에 약 60%인 수직면(페이지의 면에 대해 수직인)이다.; 모서리는 73인치 폭의 몰드의 좁은 면이다. 양 노즐 실험에서 가스주입은 없었다. 주조속도는 분당 약 50인치였고 각 노즐의 침지 깊이는 약 6인치였다.

통상적인 노즐(110)의 출구(120a, 120b)는 물을 본 발명의 노즐(10)에 의해 나타난 것(도6에서 화살표 40으로 표시된) 보다 급경사의 각(도 7에서 화살표 140으로 표시된)으로 하향 시킨 것으로 발견되었다. 따라서, 본 발명의 노즐(10)로부터의 액체스틸이 통상적인 노즐(110)보다 얕은 침투깊이를 나타낸다.

도 8에 도시된 바와같이, 통상적인 노즐(110)로부터 유출하는 액체스틸은 좁은 면상에 충돌하여 선행기술에서 이중롤 패턴으로 알려진 두 개의 경로로 분리된다. 한 부분은 좁은 면을 따라 상향으로 흐른 후 메니스커스를 따라 노즐(110)을 향하여 복귀한다. 다른 부분은 하향하여 흐른 후 역시 노즐(110)을 향하여 복귀한다. 이중롤 흐름 패턴은 정상파 프로파일을 가져와서 몰드 슬래그 층의 두께를 일정하지 않게하고 이에의해 몰드 슬래그가 노즐(110)에서 또는 그 주위에서 보다 좁은 면 근처에서 상대적으로 더 얇게 된다.

통상적인 노즐(110)로부터의 액체스틸 스트림의 깊은 침투는 또한 용융스틸풀(pool)로 깊게 아르곤 가스 함유 응집물 또는 거품의 침투를 증가시킨다. 도 9에 일반적으로 도시된 바와같이 아르곤 가스를 상향 부상시키기 위한 시도는 커브진 몰드 내경의 고형화 쉘 아래에서의 아르곤 함유 응집물의 포집에 의해 방해된다. 스틸에 대한 후속처리, 예를들면 어닐링은 포집된 가스거품의 팽창 및 압연제품의 표면상의 블리스터 형성에 의해 펜슬 파이프 결함을 가져온다.

도 6에서, 본 발명노즐(10)으로부터 유출되는 액체스틸의 흐름 프로파일은 도 7에 도시된 통상적인 노즐(110)과 비교할 때 실질적으로 보다 수평적인 것으로 나타났다. 따라서, 액체스틸의 침투깊이는 낮고 아르곤 함유 응집물은 커브진 몰드내경의 곡률이하의 보다 짧은 거리로 침투한다. 따라서, 아르곤 함유 응집물이 내경 아래서 포집되어 후에 펜슬 파이프 결함을 형성할 가능성은 거의 감소된다.

또한, 메니스커스 근처에서의 스틸속도는 통상적인 노즐(110)에서 보다 본 발명의 노즐(10)에서 실질적으로 더 늦다. 이것은 몰드 슬래그 층으로부터 몰드에 있는 재순환 액체 스트림으로 입자를 포힙하여 후에 슬리버 또는 펜슬 파이프와 같은 결합을 야기할 가능성을 감소시킨다. 이것은 실리콘 오일이 몰드 슬래그를 시뮬레이션 하는데 사용된 물 모델링 시험에 의해 확인되었다. 이 시험은 가스주입이 없는 상태에서 본 발명의 노즐(10)이 60인치/분의 주조 속도에서도 평온하고 평평한 메니스커스(통상적인 노즐(110)의 정상파 프로파일과는 대조적으로)를 생성한 것으로 나타났다. 한편, 통상적인 노즐(110)은 45인치/분 이하의 주조속도에서 슬래그의 포집을 시작했다. 따라서, 본 발명의 서브머즈드 입구 노즐(10)을 사용하므로서 통상적인 노즐을 사용할 때 달성되는 것 보다 빠른 속도에서 주조가 이루어질 수 있는 것으로 믿어진다. 따라서, 캐스터의 전체 생산성이 실질적으로 개선된다.

도 6은 용융 스틸 스트림이 좁은면상에 처음 충돌할 때까지 메니스커스를 향하여 흐르지 않는 통상적인 노즐(110)과 달리 본 발명의 노즐(1)은 스틸이 노즐(10)으로부터 유출된 직후에 메니스커스를 향하여 많은 부분의 용융스틸이 흐르게 하는 것을 나타낸다. 도 6의 좌측 상부 코너는 서브머즈드 입구 노즐(10)이 노즐(10)로부터 좁은면까지의 거리의 약 40%만 도달할 때 메니스커스를 향한 흐름이 시작된다는 것을 보여준다. 따라서, 본 발명 노즐(10)의 출구(20a, 20b)로부터 배출된 액체스틸은 통상적인 노즐(110)의 출구(120a, 120b)로부터 배출된 스틸보다 더 빨리 메니스커스를 향하여 흐르게 된다. 따라서, 본 발명의 노즐(10)이 메니스커스 지역에서 용융스틸의 속도를 감소시킨다고하더라도 들어오는 액체스틸 스트림으로 부터의 열은 메니스커스의 온도가 몰드분말을 용융시켜서 주조용의 적절한 윤활제로서 제공하기에 충분하게 높은 충분한 시간으로 메니스커스에 전달된다.

본 발명의 노즐(10)이 통상의 노즐(110)과 동일하거나 개선된 속도로 메니스커스에 적절한 열을 전달할 수 있다는 것을 입증하기 위해 물 모델 시험을 노즐(10, 110)에 대해서 수행했다. 몰드의 있는 액체스틸을 나타내는 상대적으로 차가운(실온) 물의 풀로 열수가 각 노즐(10, 110)을 통하여 전달되었다. 각 노즐(10, 110)에 대해 메니스커스에 있는 각 지점에 걸쳐 온도반응을 측정하여 평균을 계산했다.

도 10은 아르곤 가스주입이 없는 본 발명의 노즐(10)과 분당 5ℓ의 가스주입이 있는 통상의 노즐 사이의 메니스커스에서의 온도 비교의 예를 도시한 것이다. 메니스커스의 특정 지점에 충분한 열을 전달하는 각 노즐(10, 110) 흐름경로의 능력은 20-30초 범위에서 온도의 초기 상승으로 나타난다. 도 10에 나타난 바와같이 아르곤 가스주입이 없는 노즐(10)의 열반응은 분당 5ℓ의 아르곤 가스주입이 있는 통상의 노즐(110)과 유사하다.

본 발명은 어느 정도의 특수성을 갖는 것이 기술되었지만 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 첨부된 특허청구범위와 같은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화를 이룰 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (4)

1. 용융스틸을 주조몰드로 도입하기 위한 서브머즈드 입구 노즐에 있어서,

   a) 중앙 구멍과 이 중앙구멍의 하부와 통해있는 두 개의 가로 출구를 한정하는 노즐 구조를 포함하고,

   b) 상기 중앙구멍은 상기 노즐구조의 외주로 연장하여 상기 출구의 하부표면지역을 형성하는 상향 접시형 하부표면에서 종료하고, 이에 의해 상향 접시형 하부표면을 가로질러 흐르는 용융스틸이 노즐구조로부터 외향 및 상향으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 서브머즈드 입구 노즐.
2. 제 1항에 있어서, 상기 출구가 하향 경사진 립에 의해 부분적 한정된 상부지역을 가지며, 이에 의해 상기 립을 거치는 용융스틸의 흐름이 상기 상향 접시형 하부표면을 따라 용융스틸의 출구 흐름으로 외향 및 하향하게 되는 서브머즈드 입구 노즐.
3. 제 1항에 있어서, 상기 상향 접시형 하부표면이 수직으로 연장하는 중앙구멍에 대해 수직인 평면에 대하여 5-35도의 각을 중심으로 양으로 슬로프진 서브머즈드 입구 노즐.
4. 제 2항에 있어서, 상기 하향 경사진 립이 수직으로 연장하는 중앙 구멍에 대해 수직인 평면에 대하여 5-35도의 각을 중심으로 음으로 슬로프진 서브머즈드 입구 노즐.