KR20000043434A - 소단면 빌렛 주조시 주형 윤활방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내화물 몰드를 사용한 소단면 빌렛 연주기에서 내화물 몰드 및 수냉 주형과 주편의 윤활 방법을 개선하도록 한 소단면 빌렛 주조시 주형 윤활 방법에 관한 것으로, 내화물 몰드를 사용한 소단면 빌렛 주조시 내화물과 수냉주형 사이를 통해 초기응고부에 오일을 투입하는 조건을 부여하여 주편 표면품질 및 주조속도 향상을 꾀하였으며, 또한 용강면에는 종래의 몰드 파우더를 사용하므로써 용강의 재산화 방지, 용강의 보온 작용 및 슬래그의 포집기능 등의 역할을 할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 갖는 본 발명은 수냉주형(3)에 형성된 응고셀(4)과 수냉주형(3)간에 원활한 윤활성을 확보하고, 내화물 몰드(2)에서의 개재물 포집 및 보온, 재산화 방지 등을 위하여 용강면에는 몰드 파우더(16)를 사용하고, 소단면 빌렛 주조시 내화물 몰드(2)과 수냉주형(3) 사이를 통해 초기 응고부에 오일을 투입하는 조건을 부여하기 위하여 상기 내화물 몰드(2)와 수냉주형(3) 사이에 윤활유가 흡입되는 두께 0.1~2mm의 실을 이용하여 일방향 배열 및 양방향으로 배열한 심지(12)를 설치후, 이 심지(12)의 후방 심지층(13)에 윤활오일의 투입하여 심지(12)가 윤활오일을 흡수하면서 내화물 몰드(2)와 응고셀(4)간의 윤활을 시켜주도록 하여서 됨을 요지로 한다.

Description

소단면 빌렛 주조시 주형 윤활방법

본 발명은 내화물 몰드를 사용한 소단면 빌렛 연주기에서 내화물 몰드 및 수냉 주형과 주편의 윤활 방법을 개선하도록 한 소단면 빌렛 주조시 주형 윤활 방법에 관한 것으로, 특히 주조속도를 향상시켜 연주의 생산성을 높이고, 또한 주편의 표면 품질을 향상시키며, 구속성 브레이크 아웃을 저감시키고자 하는 것이다.

일반적으로 연속주조시 주편은 일정한 속도로 인발되고 몰드내에서 용강 레벨은 일정한 높이를 유지하기 위하여 턴디쉬에서 용강이 계속 공급된다. 이때 용강의 주입은 침지노즐을 통하여 용강의 레벨 이하에서 이루어지거나 오픈(open) 주입일 경우는 용강 레벨 위에서 공급된다.

빌렛 연주 초기에는 몰드와 주편간의 윤활을 위하여 오일을 사용하였으며 지금까지도 소단면 빌렛인 경우는 이것을 사용한다. 상기 오일은 몰드벽 내부의 구멍을 통하여 공급되고 응고셀과 주형벽 사이로 유입된다.

또한 오일은 몰드벽과 응고셀사이를 통과하면서 마찰을 감소시켜 주편이 주형에 구속되는 현상을 방지한다. 그러나 오일은 다음과 같은 단점이 있다.

몰드내의 용강면을 오일이 균일하게 피복할 수 없기 때문에 용강이 대기에 의하여 재산화된다. 특히 저탄소 알루미늄 킬드강의 경우 재산화물이 몰드내 용강면 위에 집적되고 탈산 생성물 혹은 개재물이 부상하면 분리되지 않고 용강면 위에서 부유하게 되고 주형의 진동과 함께 응고셀에 권입되어 표면결함으로 잔존한다.

오픈노즐 대신 침지노즐의 사용이 보편화됨에 따라 용강이 용강면 이하에서 공급되어 용강흐름이 대기와 직접 접촉하는 것이 방지되고 용강면의 파동이 적어지면서 조괴용으로 사용하는 몰드 파우더를 연속주조에도 사용할 수 있게 되었다.

상기 파우더를 이용한 연속주조는 전술한 제문제를 해결하고 주편의 표면품질 향상에 크게 기여하므로서 연속주조비의 확대에 결정적 역할을 하였다.

현재는 오픈 주입을 하는 소단면 빌렛 연주기를 제외하고 전부 몰드파우더를 사용하고 있는 실정이다.

몰드 파우더는 연속주조용 몰드내 용강면 위에 뿌려주는 인공 슬래그 조성물이다. 대부분의 몰드파우더는 CaO-SiO₂-Al₂O₃로 이루어진 물질에, 연주 조업조건에 적합한 용융특성을 얻을 수 있도록 하기 위하여 알카리 산화물(Na₂O, K₂O, Li₂O, BaO 등)과 알카리 불화물(CaF₂, NaF, Na₃AlF₆등)이 첨가되어 있다.

또한 주형과 주편 사이로 유입되는 몰드 파우더는 슬래그 필름 상으로 주형-주편사이에 존재하며 주편의 인발과 함께 소비된다.

따라서 용강면 위에서 항상 분말층, 소결층, 용융슬래그층이 존재 할수 있도록 주조중 일정량씩 계속 투입되어야 한다. 분말층은 용강의 보온작용에 매우 유효하므로 주조중 일정한 두께가 항상 확보되어야 하며 이를 위해 몰드 파우더 중에 탄소질 물질(graphite, carbon black, coke 등)을 첨가하여, 용융속도를 조절하고 있다. 이러한 몰드 파우더의 기능으로서는 크게 5가지를 들 수 있다.

1)용강의 재산화 방지

몰드 파우더의 슬래그층은 용강면을 균일하게 도포하여 대기와 용강이 접촉하는 것을 방지한다. 용강이 재산화 될 경우 합금원소의 손실과 함께 개재물이 발생하여 품질이 저하된다.

2)용강의 보온작용

몰드 파우더의 분말층과 소결층은 다공질이기 때문에 용강의 열이 대기로 방출되는 것을 방해한다. 보온 기능이 충분치 않을 경우 용강면이 국부적으로 응고하며, 이 응고부는 파우더의 유입을 차단하거나 초기응고셀과 접촉하여 결함 혹은 브레이크 아웃을 발생시킨다.

3)개재물 흡수 작용

용강중에는 탈산 생성물인 알루미나 혹은 여러 가지 종류의 고융점 개재물이 존재하여 몰드위로 부상한다. 이러한 개재물을 분리시키지 못할 경우 응고셀에 포착되어 결함이 발생하거나 응고 및 주편의 고온 기계적 성질의 불균일을 야기하여 응고셀이 파단될 수 있다. 몰드파우더의 슬래그층은 개재물과 반응하여 저융점 화합물로 만들어 슬래그중에 용해시키는 기능이 있다.

4)주형, 주편간 윤활 작용

몰드 파우더의 가장 중요한 기능으로서 주형, 주편간의 슬래그 필름으로 유입되어 마찰력을 저감시키면서 응고셀이 주형벽에 구속되는 것을 방지한다.

용융된 몰드 파우더는 주형의 진동 및 주편의 인발과 함께 탕면부로 유입되어 소비된다. 차가운 주형쪽에는 고상, 주편쪽에는 액상으로 슬래그 필름이 존재하며 윤활은 이 액상층의 두께 및 유동, 즉 몰드파우더의 응고온도 및 점도에 크게 의존하는 것으로 알려져 있다.

5)균일한 열전달 기능

주형과 주편간에 존재하는 슬래그 필름의 기증중 하나는 응고셀로 부텨 주형으로의 열전달을 균일하게 하는 것이다. 국부적인 열전달의 불균일이 초래될 경우 주편 표면에 표면 결함을 야기시킨다.

조업조건에 적합한 몰드 파우더는 적정한 용융속도를 유지하면서 적정속도로 소비되어 원활한 윤활작용을 하여야 한다. 즉 첨가된 몰드 파우더가 용해되는 속도와 주형-주편간으로 유입되는 속도가 균형을 유지하면서도 유입슬래그는 최대한으로 윤활 작용을 하여야 한다.

용융속도가 과소하면 즉 소비량이 감소하여 슬래그 풀두께가 저하하게 되어 유입부족에 의한 브레이크 아웃과 개재물성 결함등이 발생할 수 있다. 용융속도가 충분히 빠른 경우에도 유출속도가 느리면 윤활에 필요한 슬래그의 공급이 불충분해지며 슬래그 풀도 두껍게 형성된다. 이 결과 윤활 부족에 기인한 구속현상이나 구속성 브레이크 아웃이 발생하기도 한다.

상기에서 언급한 종래의 오일을 사용하는 방법이나 몰드 파우더를 사용하여 응고셀과 몰드를 윤활시키는 방법을 내화물 몰드를 사용한 소단면 빌렛 연주기에 그대로 적용시키기에는 다음과 같은 문제점이 있다.

도 1에서와 같이 좌측에 나타낸 종래의 연주법에 있어서는 용강면(1)이 초기응고셀(14)과 일치하여 존재한다. 따라서 주형의 진동에 따라 상부에서 투입한 오일이나 도 2에서와 같이 몰드 파우더를 사용한 주형 윤활 방법을 사용할 수가 있다.

즉, 용강면(1)상에 존재하는 오일은 초기 응고셀(14)과 수냉주형(3)의 벽면을 따라 침투하므로서 윤활작용을 하게 되는 것이다. 또한 몰드 파우더는 용강면(1)상에서 분말층(6), 소결층(7), 용융 슬래그층(8)로 존재하게 되며, 용융 슬래그층(8)은 주형진동과 더불어 형성된 오실레이션 마크(10)부 및 응고수축등에 따라서 생성된 응고셀(4)과 수냉주형간의 틈새로 슬래그 필름(9)이 형성되면서 윤활 작용을 하게 되는 것이다. 그러나 도 1의 우측에 나타낸 내화물 몰드(2)를 사용한 소단면 빌렛 연주법에 있어서는 용강면(1)과 초기응고셀(14)이 내화물 몰드(2)가 수냉주형(3)의 상부에 존재 하므로써 종래 연주와는 달리 서로 분리되어 있다.

즉, 내화물 몰드(2)에 존재하는 용강은 내화물 몰드(2)에서 열전달이 극히 미미하므로 응고가 일어나지 않게 되어 용강 상태로 존재하게 된다. 따라서, 용강면(1)상에 존재하는 오일이나 몰드 파우더는 내화물 몰드(2)에 있는 미응고 용강층을 통과하여 초기 응고셀(14)까지 침투하는 것이 불가능하게 되어 수냉주형(3)과 응고셀(4)간의 윤활을 시켜주지 못하게 된다.

즉, 내화물 몰드(2)부에는 미응고 용강이 존재하고 수냉주형(3)의 상단부에서 초기응고가 진행되는 현재의 내화물 몰드를 사용한 구조에서는 오일이나 몰드 파우더의 유입이 초기응고부까지 진행되지 못한다. 따라서 종래의 윤활 방법으로는 내화물 몰드를 사용하는 연주기에서는 원활한 윤활이 어렵다.

도 3에는 NSC에서 사용하는 내화물 몰드의 개략도를 나타내고 있다.

상기 NSC에서는 스텐레스강의 제조시에 수냉주형(3)과 응고셀(4)이 만나는 부위에 흑연판(10)을 부착하여 주형(3)과 응고셀(4)의 윤활이 가능하게끔 하였다.

즉, 종래의 몰드파우더와 오일을 사용하지 않더라도 뛰어난 윤활성을 가진 흑연판(11)을 사용하므로써 수냉주형(3)과 응고셀(4)의 원활한 윤활을 도모하고 있다.

그러나 이러한 구조의 한계점은 일반 탄소강의 경우 주조 초기에 흑연판(11)과 용강이 반응을 하여 용강의 오염 및 흑연판(11)이 용손될 가능성이 크므로 초기 응고부위까지 흑연판(11)을 연장시키는 것이 불가능함에 따라, 가장 윤활이 필요한 초기응고부위에는 윤할이 어렵게 된다.

또한, 흑연판 자체가 굉장히 경도가 낮은 재질이기 때문에 조그마한 긁힘 등의 외부적인 환경에 의해 쉽게 손상을 입어 장기간 사용이 어렵다.

이러한 문제점으로 인하여 현재 내화물 몰드를 사용한 구조에서 원활한 윤활이 어렵기 때문에 주편 품질을 확보하는 것은 물론 주조속도를 증가시키는데 한계가 있는 실정이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하고자 발명한 것으로, 내화물 몰드를 사용한 소단면 빌렛 주조시 내화물과 수냉주형 사이를 통해 초기응고부에 오일을 투입하는 조건을 부여하여 주편 표면품질 및 주조속도 향상을 꾀하였으며, 또한 용강면에는 종래의 몰드 파우더를 사용하므로써 용강의 재산화 방지, 용강의 보온 작용 및 슬래그의 포집기능 등의 역할을 할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

도1은 소단면 빌렛 주조 일반 몰드 및 내화물 몰드를 나타낸 개략도

도 2는 연속주조시 용강의 초기응고부 및 몰드 파우더의 상태를 나타낸 개략도

도 3은 내화물 몰드를 사용한 주형의 윤활에 관한 개념도

도 4a 및 도 4b와 도 4c는 본 발명에서 사용한 심지의 형태를 나타낸 상태도

도 5는 본 발명의 심지를 사용한 내화물 몰드 윤활 방법을 나타낸 모식도

도 6a 및 도 6b와 도 6c는 내화물 몰드의 윤활 방법에 따른 주편 표면 형상을 나타낸 사진

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 용강면 2 : 내화물 몰드

3 : 수냉주형 4 : 응고셀

5 : 침지노즐 6 : 분말층

7 : 소결층 8 : 용융 슬래그층

9 : 슬래그 필름 10 : 오실레이션 마크

11 : 흑연판 12: 심지

13 : 심지층 14 : 초기응고셀

15 : 브레이크 링 16 : 몰드 파우더

연주주편의 몰드와 응고셀간 윤활은 종래의 오일 및 몰드 파우더를 몰드 상부에 투입하는 방식에 의한다. 그러나 이러한 상부에 투입하는 경우는 내화물 몰드내에서 하부 몰드로의 유입이 불가능하기 때문에 내화물 몰드를 사용하는 현재의 구조에서는 이 방법의 적용이 불가능 하게 된다.

따라서 내화물 몰드의 상부로 몰드 윤활재의 투입은 사실상 불가능하게 되고 몰드의 윤활이 필요한 부분인 주편의 응고부, 즉 수냉주형으로 윤활이 가능하도록 하여야 한다.

내화물 몰드를 사용한 빌렛 연주기에서 몰드와 응고셀간의 윤활을 시켜 주기 위해서는 윤활 오일을 삽입하는 방법이 무엇보다도 중요하다.

하기에서는 여러 방법들에 대한 검토와 문제점에 대하여 논한다.

연주기 상부로 오일을 투입하는 방식을 응용하기 위해서는 수냉주형 상단부에 일정두께의 틈을 가공하여 그 부위로 오일을 삽입하여야 한다. 즉, 내화물 몰드와 수냉주형 사이에 오일을 투입할 수 있는 틈을 만들어 그 틈새로 오일이 흘러 들 수 있도록 하여야 한다.

이러한 틈은 내화물 몰드와 만나는 부위인 몰드 동판의 가장 최상단부에 만들어져 이 부위로 윤활유를 삽입 시켜야 한다. 그러나 이러한 방법은 틈의 가공자체도 어려울 뿐더러 그 틈새를 통하여 오일이 일정한 압력으로 삽입이 계속적으로 이루어 져야 한다는 것을 전제로 한 것으로서 틈새에서 용강의 응고가 일어나지 않아야 한다.

또한 틈새 부위에는 수냉주형의 냉각수가 흐르지 않는 부분을 형성시키기 때문에 주조시 고온의 용강이 직접 존재하는 부위에서는 틈의 변형이 문제가 된다.

또한, 무엇보다도 몰드 동판의 윤활이 필요한 부분은 내화물 몰드와 용강이 만나는 수냉주형의 가장 최상단부로서 이 부분은 용강과 초기 응고셀이 직접적으로 경계면을 형성하는 곳이다.

따라서 이 틈새를 통하여 초기응고층이 형성될 경우에는 응고셀이 찢어질 가능성이 크므로 이러한 기술을 그대로 적용하기에는 한계점이 있다.

또한 NSC에서 사용하는 흑연판을 몰드의 안쪽에 사용하여 윤활을 시키는 도 3에는 종래의 몰드파우더와 오일을 사용하지 않고 흑연 자체의 성질인 윤활성을 이용한 구조로서 윤활은 원활히 진행되더라도 흑연판 자체가 굉장히 경도가 낮은 재질이기 때문에 조그마한 긁힘 등의 외부적인 환경에 의해 쉽게 손상을 입기 때문에 사용하기가 어렵게 된다.

따라서 본 발명에서는 상부 투입방법은 배제를 하고, 내화물 몰드와 수냉주형 사이로 투입되도록 하였다. 또한 내화물 몰드와 수냉주형 사이에서의 틈을 이용하지 않고 내화물 몰드와 수냉주형을 서로 만나는 부위에 심지를 사용하여 틈을 완전히 없앴으며 이 심지를 통하여 윤활유가 흡입되도록 하였다.

도 4는 본 발명에서 사용한 심지의 형상을 나타내고 있다.

도 4a는 심지로 사용한 실의 배열이 상하좌우 동일한 배열을 가진 격자 구조로 사용하였으며, 이때 실의 굵기는 약 0.1~0.3mm이다. 이런 구조의 실에서는 심지의 선이 유출되는 문제점은 없으나 충분한 오일의 양이 유입되지는 않는다.

도 4b는 도 4a에서 발생한 오일사용량을 보충하기 위하여 오일이 유입되는 쪽으로의 일방향으로만 실을 배치하였으며, 굵기가 약 1~2mm되는 굵은 실을 사용한 방법이다.

이 방법은 충분한 오일 사용량은 확보가 되나 초기 응고셀에 심지로 사용한 실이 포착되어 끌려 내려감으로써 주편 표면에 면세로 흠을 야기하였다. 이러한 도 4a, 도 4b의 구조를 보완하기 위하여 도 4c와 같은 심지를 사용하였다.

도 4c의 구조는 도 4b의 기본적인 구조에서 오일이 유입되는 방향의 수직방향으로 가는 실을 배치한 구조로서 이러한 가는 실은 오일이 유입되는 방향의 굵은 실을 고정시키는 역할을 한다.

도 5는 내화물 몰드(2)와 수냉주형(3)을 심지(12)를 사용하여 고정시킨 주형의 개략도를 나타내고 있다.

내화물 몰드(2)와 수냉주형(3)사이에 사용한 심지는 도 4에 나타낸 구조의 심지를 오일사용량에 따라 3~5겹을 사용하여 고정하였다.

도 5의 좌측에 나타낸 심지의 끝단 위치는 수냉주형과 정확히 일치되도록 하여 수냉주형에서 생성되는 초기응고층의 위치에 윤활오일이 유입될 수 있도록 하였다.

브레이크링(15)을 사용한 도 5의 우측 구조에서는 브레이크링(15)의 끝단부까지 심지를 배치하여 브레이크링(15)과 수냉주형(3)간의 작은 틈으로 오일이 유입되도록 하였다.

또한 원활한 오일의 유입을 위하여 내화물 몰드의 바깥부분에는 심지를 두껍게 부착시킨 심지층(13)을 두어 충분한 오일의 유입이 가능하도록 하였다.

이와같은 본 발명은 오일의 사용량 및 주편 표면의 형상은 심지의 형상을 도 4c와 같이 개선하고 몰드 파우더를 동시에 사용하므로써 주석의 경우 주조속도 0.5m/min의 경우 내화물 몰드와 수냉주형 사이로의 윤활유 투입에 의하여 표면품질이 현저히 개선되었다.

이하 본 발명의 주편 품질 개선 방법을 실시예를 통하여 설명한다.

〔실시예〕

본 발명에 사용한 시험조건

본 발명을 위한 시험주조시에 사용된 주석의 주조조건은 하기 표 1과 같다.

내화물 몰드 시험 주조조건

시험 대상	주조 속도	오 일	심지 형상	기 타
Sn 99.9%	0.5 m/min	실리콘 오일	도 4a,b,c	몰드파우더 사용

윤활유 유입방법에 따른 주편 표면품질

시험 주편 표면부의 건전도는 주편 표면의 형상을 육안관찰하였다.

도 6에 시험주조한 주편의 외관형상을 나타내었다. 도 6a의 경우는 윤활유를 투입하지 않은 경우로서 주편 표면부에 형성된 마크가 심하게 일그러져 있는 것을 알 수 있다.

이는 도 4a형상의 심지를 사용한 경우에도 유사한 경향을 나타내었다. 도 6b의 경우는 도 4b형상의 심지를 사용한 경우로써 일방향으로 배열된 심지가 고정이 부적절하여 주편의 초기응고부에 포집되어 주편 표면부에 주조방향으로 표면결함을 야기시킨 것을 알 수 있다.

도 6c의 경우는 도 4c구조의 심지를 사용한 것으로써 양호한 주편 표면 품질이 확보되는 것을 확인할 수 있다.

이러한 시험연주는 주석을 대상으로 하였지만 동일한 조건이 강의 주조에서도 적용될 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 내화물 몰드를 사용한 소단면 빌렛 주조시 내화물과 수냉주형 사이를 통해 초기응고부에 오일을 투입하는 조건을 부여하여 주편 표면품질 및 주조속도 향상을 꾀하였으며, 또한 용강면에는 종래의 몰드 파우더를 사용하므로써 용강의 재산화 방지, 용강의 보온 작용 및 슬래그의 포집기능 등의 역할을 할 수 있도록 함으로써, 주조속도를 향상시켜 연주의 생산성을 높이고, 또한 주편의 표면 품질을 향상시키며, 구속성 브레이크 아웃을 저감시키는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 수냉주형(3)에 형성된 응고셀(4)과 수냉주형(3)간에 원활한 윤활성을 확보하고, 내화물 몰드(2)에서의 개재물 포집 및 보온, 재산화 방지 등을 위하여 용강면에는 몰드 파우더(16)를 사용하고, 소단면 빌렛 주조시 내화물 몰드(2)과 수냉주형(3) 사이를 통해 초기 응고부에 오일을 투입하는 조건을 부여하기 위하여 상기 내화물 몰드(2)와 수냉주형(3) 사이에 윤활유가 흡입되는 두께 0.1~2mm의 실을 이용하여 일방향 배열 및 양방향으로 배열한 심지(12)를 설치후, 이 심지(12)의 후방 심지층(13)에 윤활오일의 투입하여 심지(12)가 윤활오일을 흡수하면서 내화물 몰드(2)와 응고셀(4)간의 윤활을 시켜주도록 하여서 됨을 특징으로 하는 소단면 빌렛 주조시 주형 윤활방법.