KR20010022221A - 연속 금속 장입 주조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조 공정에서 금속의 연속 장입 주조용 주형의 "냉각된 금속 몸체(1)/내화 피드 헤드(14)" 경계부에 만들어져 주괴의 내주부 주변으로 나오는 주입 슬롯(20)―여기서 후자는 슬롯의 두께를 조절하는 클램핑 수단으로 제공됨―을 통해 주입되는 전단 유체의 직선 분포를 조절하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 "냉각 상태"에서 인화성 유체가 상기 슬롯을 통해 주입되어 슬롯에서 배출될 때 점화되며, 클램핑 수단(25, 26, 28, 29)이 상기 주형의 내주부 주변에서 상기 슬롯(20)으로부터 배출되는 화염의 높이를 대체적으로 일정하게 조절하는 방식으로 작동하는 특징을 가진다. 본 발명은 주입 슬롯의 두께를 조절할 필요 없이 주입되는 흐름의 속도를 정확하게 지속적으로 조절한다는 이점을 제공한다. 본 발명은 연속 장입 주조에 특히 적합하다.

Description

연속 금속 장입 주조 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUS METAL CHARGE CASTING}

핫-탑 연속 주조는 종래의 연속 주조의 발전으로 볼 수 있으며, 이는 메니스커스(주조 금속의 유리된 표면)가 냉각된 주형의 구리에 대하여 금속이 응고되기 시작하는 레벨에 대하여 상방향으로 뒤로 당겨지는 반면, 이들 두 레벨은 종래의 연속 주조와 일치한다는 점에서 확인된다. 이러한 새로운 배열(arrangement)은 주조용 액상 금속을 함유하는 대신 단열 내화 재료(refractory material)로 만들어지는 인접한 피드 헤드(feed head)를 냉각된 주형의 구리 부분 및 기생 응고(spurious solidification)가 전혀 나타나지 않는 피드 헤드의 벽에 배치함으로써 얻어진다. 따라서, 주조 금속의 응고는 이러한 구리 부분의 상단부에서 정확하게 시작될 수 있다. 이는 내화 피드 헤드와의 접촉으로 형성되는 경향이 있는 바람직하지 않은 응고 필름을 전단하는 분사 형태로 불활성 기체(예를 들면, 아르곤)가 구리 부분과 피드 헤드 사이에 위치하는 주형의 제1 내부 주변을 통해 주입되기 때문이다. 이러한 유형의 배열은 본 명세서에 인용 참조된 FR-A-93/03871에 기재되어 있다.

본 발명자가 이미 기재한 바와 같이(FR-A-96/04304), 피드 헤드의 바닥은 Sialon™과 같이 양호한 기계적 강도를 가지는 조밀한 내화 재료로 만들어지는 부분으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 부분은 냉각된 주형의 구리와 그 위에 위치하는 피드 헤드의 단열 섬유질 내화재 사이의 전이 영역 역할을 하며, 이 지점에서 주조 금속의 정확한 응고가 시작된다. 이때 이곳이 냉각된 구리 몸체의 상측 에지와 직접적으로 접촉하도록 위치되는 경우에는 매우 빠르게 열화(劣化)될 것이다. 이렇게 되면, 이러한 매개 부분에서의 조기 기생 응고의 위험성이 증가되지만, 구리와 함께 전단 기체를 경계부에 유입시키면 이러한 바람직하지 않은 진행이 하부로 진행되는 것을 중단시킬 수 있으므로 아무런 문제가 없다.

전단 기체는 얇은 슬롯(수십 mm면 거의 충분함)을 통해 주입되며, 이는 주형의 구리 몸체와 시알론 삽입물(Sialon insert) 사이에 놓이는 섬유질 내화 재료의 비드를 압착하여 만들어진다. 클램핑 방법을 사용하는 경우에는 원하는 슬롯의 두께가 얻어질 때까지 비드를 압착한 다음, 조절 쉼 부재(controlled shim)를 사용하여 보정한다.

그러나, 주조 공정의 정확한 수행을 위해서는 주형의 내주부(內周部; inner perimeter) 주변에 유입되는 기체의 흐름이 균일하게 분포되도록 해야한다. "냉각 상태"(주조 금속이 없는 상태)에서 슬롯의 두께 조절에 온갖 주의를 기울인다 하더라도, 일반적으로는 이러한 양호한 직선 분포(linear distribution)가 정확하게 제공되지 않는다. 또한, 구리/내화재 경계부에서의 압력 강하에 대한 국부적인 불균형―여기서 불균형은 주입 슬롯을 규정짓는 두 대향면의 미세 조도에 있어서의 국부적인 편차와 관련 있음―을 해결할 수 없다. 더욱이, "고온" 조작 시에는(주조 금속이 존재하는 상태) 관련 물질의 차별적 팽창 현상으로 인하여 이곳은 훨씬 더 불균일해 진다.

본 발명은 금속, 특히 강의 핫-탑 연속 주조(hot-top continuous casting)에 관한 것으로서, 특히 조립되는 동안 상대적인 배치(positioning)가 정확하게 조절되는 주형의 구성 요소에 관한 것이다.

도 1은 소위 "고온" 상태, 즉 주조 공정에서 본 발명의 방법에 따라 수행하기 위하여 설정된 강의 핫-탑 연속 주조용 주형의 상단을 개략적으로 도시한 부분 수직 단면도.

도 2는 본 발명에 따라 전단 기체의 흐름 분포 조절시의 "냉각 상태", 즉 주조가 수행되기 전 주조 금속을 함유하지 않은 주형의 상태를 도시한 부분 수직 단면도.

본 발명의 목적은 주입 슬롯의 두께를 조절하지 않고도 주형의 "내화 피드 헤드/냉각 금속 몸체" 경계부에 주입되는 전단 기체의 흐름이 균일한 직선 분포를 갖게 하여 "고온 상태"에서도 이러한 균일한 분포를 유지케 하는 것이다.

이러한 목적에 있어, 본 발명은 주조 공정에서 금속의 핫-탑 연속 주조용 주형의 "냉각된 금속 몸체/내화 피드 헤드" 경계부에 만들어져 주형의 내주부 주변으로 나오는 주입 슬롯을 통한 (전단) 유체의 주입을 조절하는 방법에 관한 것이다. 여기서 후자는 슬롯의 두께를 국부적으로 조절하는 수단으로 제공된다. 이 방법은 주조 외의 시기에 인화성 유체가 상기 슬롯을 통해 주입되어 슬롯에서 배출될 때 점화된다는 점과 상기 조절 수단이 주형의 내주부 주위에서 슬롯으로부터 배출되는 화염의 높이를 거의 일정하게 조절하는 역할을 담당한다는 특징을 가지고 있다.

본 발명의 기초 원리는 전단 기체 주입 외주 전반에 걸쳐 슬롯의 두께를 균일하게 조절하지 않고도 이러한 외주 주변의 기체 흐름을 균일하게 분포시키는 것이며, 이는 어느 지점에서나 높이가 조절되는 커튼 화염으로 확인될 수 있다.

또한, 본 발명은 본 명세서에 첨부된 청구 범위에 명시된 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 측면 및 장점은 본 명세서에 첨부된 도면 및 이에 대한 상세한 설명을 통해 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도면에서 동일한 요소는 동일한 참조 부호로 표기되어 있다.

주형은 도면에서 수평선 A-A에 의하여 서로 구분되는 인접한 두 개의 단(1) 및 단(14)으로 구성되며, 이들 단의 경계부에 전단 기체 주입 슬롯(22)이 위치한다.

하측 단(1)은 결정화 장치(crystallizer)를 구성한다. 이곳에서 대규모 열 방출법에 의한 주조 금속의 응고가 시작되어 진행되기 때문에 이곳을 주형의 "활성" 부분이라 일컫는다. 구리(또는 보다 일반적으로는 구리 합금)로 만들어지는 이 부분은 물 순환(water circulation)에 의하여 신속하게 냉각되며 주조 금속(3)을 위한 내부 통로(2)를 가지며, 냉각된 금속 벽과 접한 곳에서 통로의 후부는 응고된 쉘(4)을 형성한다. 응고가 정확하게 개시되면, 후부가 화살표(5)가 가리키는 적출 방향으로 주형 내에서 아래쪽으로 진행되는 동안, 주조 생성물의 에지에서 중심 방향으로 점진적으로 응고되어 나간다.

결정화 장치(1)는 중첩된 두 개의 어셈블리, 즉 내적으로 조절되어 몸체(6)와 일직선상에 놓이는 보조 구성부(7)에서 연장되는 관 모양의 주요 몸체(6)로 바람직하게 이루어져 주조 생성물에 평탄하고 연속된 통로를 제공한다.

슬래브(slab)와 같이 긴 교차 단면을 가지는 제품을 주조하는 경우, 주요 몸체(6)는 종래와 같이 서로 직각으로 결합되는 4개의 인접 플레이트로 이루어지며, 블룸(bloom) 또는 빌렛(billet)을 주조하는 경우에는 관 모양의 단일 관형 구성품(monolithic tubular component)으로 이루어진다. 모든 경우에서 주조 금속과 접하게 되는 몸체(6)의 내부 표면은 이들 표면에서 약간 떨어진 곳에 위치하는 재킷(9)에 의해 만들어지는 수직 통로(8)를 통해 공급되는 물의 외부 순환에 의하여 신속하게 냉각된다. 재킷(9)은 그 단부에 상측 개구(10) 및 하측 개구를 가지며, 이들은 통로(8)를 상단의 방출 챔버(10) 및 하단의 주입 챔버(도면에 도시되어 있지 않음) 각각과 연결해 준다.

보조 구성부(7)는 주조 금속의 응고가 개시되는 상측 에지(13)와 인접한 곳에 만들어지는 수평 채널(12) 내의 내부 물 순환에 의하여 냉각되는 고리로 이루어진다. 고리(7)의 주요 기능은 관 모양의 주요 몸체(6)를 물로 냉각하는 회로에 의한 냉각보다 효과적으로 에지를 냉각하여 주조 공정 중에 매우 강한 열가공 응력(thermomechanical stress)을 받게되는 에지(13)를 열적으로 보호하는 것이다.

상측 단(14)은 냉각되지 않은 내화 재료로 만들어지는 피드 헤드로 이루어지며, 앞에서 설명한 바와 같이 이것의 내벽 또한 단(1)의 벽과 일직선상에 놓이게된다.

주조 공정에 대하여 간단히 설명하면, "단열 내화 피드 헤드(14)에 의해 둘러싸이는 냉각된 금속 결정화 장치(1)"의 배열은 주조 금속(3)을 위한 보정 통로(calibrating passage)를 규정하며, 피드 헤드와 접하는 상측 부분(15)은 용융 금속이 주형으로 유입됨으로써 초래되는 유동학적 교란(hydrodynamic perturbation)을 제한하기 위한 완충 영역을 형성하며, 주조 금속을 아래로 확장시키는 부분(16)은 주조 금속이 응고되는 영역이다.

내화 피드 헤드(14) 또한 근접하게 중첩된 다음과 같은 두 개의 독립된 성분으로 이루어진다:

- 주조 금속이 부분(15)에서 조기 기생 응고되는 것을 방지하기 위하여 선택되는 단열 특성을 가지는 내화 재료, 바람직하게는 A 120K(Kapyrok사 제품)와 같은 섬유질 내화 재료로 만들어지는 상측 슬리브(17); 및

- 어셈블리가 주조 작업에 필요한 통상의 수직 진동 운동 및 열회로 내에서 주조 공정 자체에 필연적으로 수반되는 특성에 의하여 부과되는 기계 작동의 열가공 응력을 받는 동안, 고리(7)의 에지(13)에 위치하는 고체 쉘(solid shell; 4)의 첨단이 결정화 장치(1) 부근에서 기계적으로 부식되는 것을 견딜 수 있도록 하기 위하여 선택되는 양호한 기계적 무결성을 가지는 조밀한 내화 재료, 바람직하게는 SiAlON(Sialon™)과 같이 붕소 질화물이 첨가된 내화 재료로 만들어지는 하측 삽입물(18).

중첩된 두 부분으로 이루어지는 피드 헤드(14)의 장점은 에지(13) 부근에서 특히 격렬한 환경에 놓이게되는 하단 부분(18)의 기계적 무결성을 개선할 수 있다는 것이다. 이어 반해서, 강한 하측 삽입물(18)은 섬유질 내화재로 만들어지는 상측 슬리브(17)보다 불가피하게 단열이 덜 된다.

따라서, 이들의 내벽과 접하는 곳에서 주조 금속의 조기 기생 응고 필름이 형성될 수 있다. 이 필름은 결정화 장치(1)에서 이루어지는 조절 응고 공정에 있어서 상당히, 심지어는 용인될 수 없을 정도의 불균일한 요소이다. 따라서, 상기에서 언급된 바 있는 FR-A-93/03871에 기재된 핫-탑 주조의 바람직한 실시예에 따라 삽입물(18)에서 생성되는 필름의 기생 응고를 차단하여 냉각된 금속 고리(11)와 접한 곳에서 주조 금속의 예리하고 고른 응고가 개시될 수 있도록 하기 위하여 피드 헤드(14)의 밑면으로 기체를 환형의 흐름으로 유출시키는 것이 바람직하다.

이러한 목적에서, 소비되는 불활성 기체(예를 들면, 아르곤)가 주입되는 회로는 피드 헤드(14)와 결정화 장치(7) 사이에 제공된다. 이 회로는 "피드 헤드/결정화 장치" 경계부에 만들어져 주형의 내주부 주변으로 나오는 배출 슬롯(20)을 포함한다. 슬롯의 다른 단부는 가압 아르곤 공급원(22)과 연결되는 보정된 덕트(21)를 통해 아르곤이 공급되는 전달 챔버(19)와 연결된다.

시트-금속 구조물(23)은 약간 떨어진 위치에서 피드 헤드(14)를 둘러싸고 있으므로, 약간의 다공성 내화 물질(17)을 통해 통과되는 공기 중의 산소에 의하여 주형의 내부에서 주조용 액상 금속이 산화될 위험이 있는 곳은 차단된 상자의 후부로 한정된다.

압축성 비드(24)(예를 들면, 섬유질 내화 재료로 만들어짐)는 슬롯(20)의 두께를 조절하는 스페이서(spacer) 역할을 한다. 이러한 목적으로 클램핑 고리(25)는 삽입물(7)에 고정된 앵커 스터드(anchoring stud; 27)에 지지된 로드(26)의 나사형성 자유 단부에 나사식으로 고정되는 탄성 클램핑 너트(28)를 사용하여 이들 비드를 압축할 수 있다. 고리(25) 하부의 로드(26) 주위에 적층된 상태에서 상측 부분에 제공되는 시트-금속 구조물(23)의 유입 귀환부를 지탱하는 Belleville 와셔(29)를 사용하면 바람직한 클램핑 탄성을 얻을 수 있다. 너트(28)가 풀려지는 경우 클램핑 고리(25)의 내부가 압축 O-링(32)을 통해 보호용 기계 시트(31)로 코팅된 피드 헤드(14)의 상측 면을 지탱한다.

이 경우, 피드 헤드(14)를 둘러싸고 있는 상자는 클램핑 고리(25) 하부에 고정된 환형 플러그(33)에 의하여 상기 고리를 면하는 피드 헤드의 상측 부분에서 차단된다. 이때, 플러그의 크기는 귀환부(30)와 슬리브(17) 사이에 남아 있는 개구를 점유할 수 있도록 조절된다.

O-링 씰(34)은 귀환부(30)의 내부 에지에 만들어진 홈에 제공하여 플러그(33)가 조절 과정 중에 자유롭게 움직일 수 있도록 해준다. 차단될 수 있는 배출구를 가지는(도면에 나타나 있지 않음) 배기 구멍(35)은 플러그(33) 및 고리(25)를 통해 제공하여 상자 내의 불순물을 일소할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 금속(3)의 주조 과정에서 전단 아르곤이 슬롯(20)을 통해 "피드 헤드(14)/결정화 장치(1)" 경계부의 주형으로 유출된다. 따라서, 후자는 "양방향(two-way)" 선택기(36)와 그 뒤의 흐름 조절기(37)를 포함하는 유입로를 통해 공급원(22)에 의하여 공급된다.

"양방향" 선택기(36)는 본 발명에 따른 주조 공정에서 슬롯(20)을 통해 주입되는 인화되기 쉬운 가연성 유체를 함유하는 보조 공급원(38)의 선택 또는 주조 공정에 사용되는 아르곤 공급원(22)의 선택을 스위치하는 역할을 한다. 이러한 인화성 유체의 예로는 천연 가스가 있다.

도 2에 도시된 "냉각" 상태는 상기에 설정된 바와 같이 클램핑 고리(25)를 사용하여 비드-스페이서(24)를 강하게 또는 약하게 압축하여 슬롯(20)의 두께를 수십 mm, 예를 들면 0.2 mm로 고정하여 시작하는데 바람직하게 사용되다. 선택기(36)를 도 2에 도시된 바와 같이 배치하고, 조절 밸브(37)를 사용하여 초기에는 흐름 속도를 느리게 조절하여 슬롯(20)을 통해 공급원(38)으로부터 인화성 유체를 주입한다. 이 기체는 슬롯(20) 배출구의 공기 중에서 점화된다. 이어서, 후자가 주형의 내주부 주변에 화염 커튼(39)을 만드는 버너로 사용된다. 화염의 높이는 해당 위치에 대하여 직각으로 슬롯에서 배출되는 연료의 위치에 따른 국부적인 흐름의 속도에 따라 다양할 수 있다. 그런 다음, 화염(39)의 높이가 외주 주변 어느 곳에서나 거의 일정해질 때까지 클램핑 너트(28)를 조작하여 외주 주변 인화성 유체의 흐름 분포를 조절하고 화염의 높이가 몇 cm가 되도록 밸브(37)의 개구를 조절한다. 이는 2 내지 3 cm의 화염 높이가 슬롯(20)을 통한 전단 아르곤의 안전한 흐름을 보장 하기에 충분한 것으로 실험되었기 때문이다.

따라서, 작동 시에 더 이상 주입 외주 주변 슬롯(20)의 두께를 일정하게 유지하려 수고할 필요 없이 이러한 외주 주변에서 전단 기체의 흐름은 직선적으로 균일하게 유지한다. 균일성은 화염 높이로 확인된다. 탄성 클램핑 메커니즘(29)-(28), (26)의 용도는 "냉각 상태"에(도 2 참조) 설정된 이러한 균일함을 주조 강의 존재 하에서도(도 1 참조) 유지될 수 있게 하는 것이다. 따라서, 본 발명은 주형 제조와 관련된 많은 물질의 다양한 팽창을 고려할 수 있다.

또한, 피드 헤드(14)를 둘러싼 밀봉된 상자 및 덕트는 가능한 한 소량의 인화성 유체가 상자 내에 남아있도록 하는 배기 구멍(35)으로 도시된 퍼지 시스템(purge system)에 의한 아르곤 주입에 의하여 체계적으로 "일소된다(rinsed)".

더욱이, 본 발명은 "냉각 상태"에서 주입 회로를 완벽하게 밀봉할 수 있다는 추가적 이점이 있다. 이는 인화성 유체가 주입되는 동안, 화염이 모든 회로를 따라 수동 조절될 수 있기 때문이며, 근소한 누출도 즉시 검출된다. 상기에 기재된 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 이들 실시예로 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명이 하기 청구 범위에 기재된 내용을 벗어나지 않는 범위 내의 다양한 변형예 또는 상응하는 예가 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 특히. 전단 가스를 주형에 배출하는 용도로 사용되는 주입기의 설명에 사용되는 "슬롯"이란 용어는 외주 주변에 연속된 슬롯 및 비연속된 슬롯 모두를 의미한다. 따라서, 주형의 내주부 주변에 분포하는 압력 강하 조절을 위한 수단으로 제공된 일련의 보정된 오리피스(calibrated orifice)도 슬롯의 범주에 포함된다.

Claims (5)

1. 주조 공정에서 금속의 핫-탑 연속 주조용 주형의 "냉각된 금속 몸체(1)/내화 피드 헤드(14)" 경계부에 만들어져 상기 주형의 내주부 주변으로 나오는 주입 슬롯―여기서 후자는 슬롯의 두께를 국부적으로 조절하는 수단으로 제공됨―을 통한 유체의 주입을 조절하는 방법에 있어서,

   주조 외의 시기에 인화성 유체가 상기 슬롯(20)을 통해 주입되어 슬롯에서 배출될 때 점화되며, 상기 조절 수단이 상기 주형의 내주부 주변에서 상기 슬롯(20)에서 배출되는 화염(39)의 높이를 거의 일정하게 조절하는 방식으로 작동하는 유체 주입 조절 방법.
2. 제1항에 있어서,

   주입되는 상기 인화성 유체로 천연 가스가 사용되는 유체 주입 조절 방법.
3. 제1항에 있어서,

   강의 핫-탑 연속 주조용 주형에 적용되는 유체 주입 조절 방법.
4. 제1항에 따르는 유체 주입 조절 방법을 수행하는 장치에 있어서,

   a) 상기 상이한 유체 공급원(22, 38)의 배출구에 연결될 수 있는 주입 선택기(36) 및 흐름 조절 밸브(37)가 제공되어 유체를 상기 주입 슬롯(20)에 공급하는 라인(line); 및

   b) 상기 주형의 내주부 주변에서 상기 주입 슬롯(20)의 폭을 조절하는 탄성 클램핑 수단(25, 26, 28, 29)

   를 포함하는 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 주형에 유체를 주입하는 회로 내부를 퍼지하는 것을 보장하는 수단(35)을 포함하는 장치.