KR20010034498A - 금속 제품의 연속주조용 다각 잉곳 주형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조될 금속 제품(7)을 인발하는 방향으로 연속하여 배치된, 주조될 용탕의 저장조로서 작용하는 냉각되지 않는 내화물로 제조된 예열기(5) 및 금속을 응고시키는 표준 냉각된 튜브형 금속 부재(6)를 포함한다. 전단 가스(예를 들면 아르곤)를 주입하는 슬롯(18)이 잉곳 주형 내주 상으로 빠져 나오도록 예열기(5)와 금속 부재(6) 사이에 배열된다. 주입 슬롯은 잉곳 주형 각도 각각으로 가스 흐름을 감소시키는, 차단 부재로 형성되는 것이 바람직한 수단(17)을 포함한다. 본 발명은 응고된 주조 제품의 에지를 따라 발생되는 결함을 감소시키거나, 또는 결함을 없앨 수도 있다.

Description

금속 제품의 연속주조용 다각 잉곳 주형 {INGOT MOULD WITH MULTIPLE ANGLES FOR LOADED CONTINUOUS CASTING OF METALLURGICAL PRODUCT}

금속 제품을 연속주조하는 경우, 일반적으로 수직형 주형의 상단부 즉 헤드 내로 용탕을 주입하여 저면을 거쳐 상기 주형으로부터 인발시켜 외주가 응고된 제품을 형성한다.

실제로 일반적인 연속주조법이 진보된 "핫 톱 연속주조"라고 하는 법은 메니스커스(meniscus)(주조 금속의 자유 표면)가 주형 헤드 내부의 금속이 응고되기 시작하는 레벨의 상류로 이송되도록 사용된다. 핫 톱 연속주조법을 실행하기 위하여, 냉각수가 내부를 순환하여 냉각되는 일반적으로 구리로 된 튜브형 주형 부재를, 그 상측 가까이에 위치된 턴디시(tundish)로부터의 용탕 주입 분사에 의하여 공급된 용탕의 저장조로서 기능하는, 단열성 내화물로 제조된 냉각되지 않는 공급 헤드로 완전하게 접촉되어 덮힌다. 상기와 같은 새로운 유형의 주형 헤드 구조 때문에, 액체 금속 메니스커스는 주조법 도중에 내화물 공급 헤드 내에 정착되는 반면, 금속은 종래의 연속주조에서와 같이 주조 제품의 형상 및 치수를 조정하는 냉각된 금속 튜브형 부재 레벨에서만 응고되기 시작한다. 따라서, 용탕 주입 분사로 인하여 액체 금속의 교반이 공급 헤드 내에서 일어난다. 하측에 위치된 구리 튜브형 부재로 형성된 응고 공간 내에는 주조 금속 흐름이 비교적 잔잔한 유체 상태로 유지될 수 있으므로, 주형의 내주 둘레 전체의 냉각된 구리 벽과 접촉하고 있는 철의 응고 프로파일을 특히 균일화 시킬 수 있다. 그러나, 상기 법을 만족스럽게 사용하기 위하여, 주조 금속이 공급 헤드 내에서 임의로 미리 응고되는 것을 방지하여 보다 하측, 정확하게는 냉각된 구리 벽과의 접촉 지점에서 확실하게 응고가 시작될 수 있도록 하는 것이 필요하다.

이렇게 하기 위하여, 내화물 공급 헤드와 구리 튜브형 부재 사이에 폭이 매우 좁은 갭(1 mm이하, 일반적으로는 약 0.2 mm)을 남겨서 이 슬롯을 거쳐 유체, 일반적으로 아르곤과 같은 불활성 가스를 주형의 내주 둘레 내로 주입하는 방법이 이미 제안되어 있다. 슬롯의 어느 지점에서나 가스가 확실하게 흐르도록 하기 위하여, 슬롯에는 자신을 둘러싸고 있는 분배 체임버를 거쳐 가압 가스가 공급된다.

가스를 주입하면 상측, 내화물 공급 헤드의 내벽에 맞대어 형성될 수 있는 이질(異質) 성분의 유해 응고막을 전단하는 효과가 있어서, 바로 하측에 위치된 냉각된 구리 부재 내에서 예리하고 정연하게 응고가 시작되는데 도움이 되는 상태를 만든다.

원형이 아닌 주형, 즉 사각형(예를 들어 사각형 단면을 가진 슬래브, 블룸 또는 빌릿 주조용) 또는 보다 일반적인 다변형(원하는 최종 제품의 형상을 이미 가진 블랭크 주조용)의 냉각 튜브형 부재가 제공된 주형의 경우, 완전하게 응고된 후의 주조 제품 상에서, 주형 내의 상기 지점, 즉 고체 셸(solid shell)이 형성되는 바로 그 순간의 응고 금속 부족이 원인이 될 수 있는 종방향으로 금이 가고 벗겨지는 등의 응고 결함이 에지를 따라 발생되는 것이 관찰되었다.

본 발명은 스틸 블룸(steel bloom), 빌릿(billet) 또는 슬래브(slab)와 같은 금속 제품의 핫 톱 연속주조용 주형 헤드에 관한 것이다.

도 1은 도 3의 평면 1-1 상의 주형 상단부의 축방향 단면에서의 개략적인 반단면도.

도 2는 도 3의 평면 2-2 상의 주형 상단부의 축방향 단면에서의 개략적인 반단면도.

도 3은 도 1 또는 도 2의 평면 3-3 상의 주형 하단부의 평면도.

본 발명의 목적은 얻어진 주조 제품의 모서리에서 이들 응고 결함을 줄이거나, 또는 완전하게 없앨 수 있는 해결책을 특히 제공하는 것이다.

상기 목적을 위하여, 본 발명의 주제는 주조 제품의 형상 및 치수를 정하며 용탕이 냉각된 금속 내벽과 접촉되어 응고되는 사각형 형상의 냉각된 금속 튜브형 부재를 포함하는 용탕 핫 톱 연속주조용 주형에 관한 것으로서, 상기 냉각된 튜브형 부재는 응고될 용탕의 저장조를 형성하는 단열성 내화물로 제조된 냉각되지 않는 공급 헤드로 덮히고, 주형의 내주 둘레에 전단 유체(shearing fluid)(특히 아르곤과 같은 가압 불활성 가스) 주입용 슬롯이 냉각된 금속 부재와 내화물 공급 헤드 사이에 제공되고, 상기 주형은 모서리에서 전단 유체의 흐름을 감소시키는 수단이 제공되는 것을 특징으로 한다.

상기 수단은 주입 슬롯 내에 가스 흐름 장애물을 형성하는 부재로 구성되며, 상기 부재는 슬롯의 각 모서리에 위치되는 것이 바람직하다.

본 발명은 다음 설명으로부터 이해될 것이다. 공급 헤드의 베이스에 주입된 가스 흐름에 만족할 수 있는 전단 효과를 얻기 위하여, 슬롯을 따라 가스 흐름 속도를 일정하게 유지하여 원하지 않게 응고 조각이 남아 있을 수 있는 데드 영역(dead region)이 생기지 않게 하는 것이 필요하다. 그러나, 슬롯에 외주 가압 -가스 메니폴드로부터 공급되는 경우, 즉 헤드 손실이 동일하고, 따라서 슬롯의 전체 길이에 걸쳐 일정한 유속으로 선형으로 주입되는 것이 확실한 경우, 주조 제품 외주 둘레의 모든 지점에 동일한 주입-가스 유속이 얻어지지 않는다. 이것은 슬롯의 형상이 주형과 같이 사각형으로 동일하기 때문에 주형 내부의 모서리 영역에 가스가 두 방향으로 공급되므로 주형의 모서리에서 가스 유속이 보다 빠르기 때문이다. 모서리의 보다 빠른 유속으로 슬롯 영역, 즉 특히 바로 하측에 위치된 냉각된 구리 부재의 상단부에 과압이 발생하여 응고된 셸이 주조 제품 에지의 냉각된 구리 벽으로부터 국부적으로 분리될 수 있다. 모서리에서 냉각되는 제품의 효력 상실 때문에, 이들 분리가 "응고된 금속 부족"형의 응고-방해 현상의 원인이 되고, 이 현상은 얻어진 주조 제품 상에 에지를 따라 모서리에 생긴 응고 결함에 의하여 나타난다.

다음에, 본 발명을 더욱 명료하게 이해할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명에 따른 사각형 형상의 빌릿강의 핫 톱 연속주조용 주형에 대한 설명을 첨부 도면을 참조하여 비한정인 예를 들어 설명한다.

도 1 및 도 2는 위쪽으로 연장된 냉각된 구리 튜브형 부재(6)를 가지며, 용탕이 조금이라도 스며드는 것이 방지되도록 냉각되지 않는 내화물로 제조된 공급 헤드(5)에 의하여 완전하게 연속된 핫 톱 연속주조 주형(1)의 상단부를 도시한다.

냉각된 금속 부재(6) 및 내화물 공급 헤드(5)는, 이들의 내측 부분이, 강철과 같은 용탕(4)이 주입되어 응고되는 내부 주조 공간(3)을 형성한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 내부 주조 공간(3)은 모서리가 둥근 사각형 단면을 가지며, 본 발명을 구성하는 특징적인 부재를 더욱 명료하게 도시하기 위하여 그 반경은 의도적으로 확대된 것으로서 이에 대하여는 후술한다.

냉각된 구리 튜브형 부재(6)가 주형의 주요 부재를 형성한다는 점을 유의해야 한다. 물의 내부 순환에 의하여 강력하게 냉각(여기서는 부재(6)와 이 부재로부터 약간 떨어져서 이 부재를 둘러싸는 금속 재킷(8) 사이에 남겨진 공간(2)에서 냉각됨)되는 상기 부재는 종래에는 용강(7)이 응고되는 내벽(11)에 대하여 결정기(crystallizer)로서 작용하여 철강이 냉간 구리(11)와 처음으로 접촉하자 마자 제1의 셸(7')을 먼저 형성한다. 다음에, 주조 제품이 화살표 F로 표시된 방향으로 주형의 아래쪽으로 전진할 때, 구리 부재(6)의 강력한 냉각으로 인하여 뿜어 나오는 강렬한 열의 영향으로 상기 셸이 서서히 두꺼워진다. 따라서, 주조 제품(7)은 종래 주형 하측 약 10미터에서 일어나는 완전한 응고 시까지 외주로부터 중앙축을 향하여 점진적으로 응고되고, 이를 위하여 주형을 따라 냉각될 주조 제품의 표면에 즉시 분무하기 위하여 물 분무기가 제공된다.

이른 바 "핫 톱" 주조의 독특한 구성품인 공급 헤드(5)에 관해서는, 이의 주요 기능은 용탕의 저장조(4)로서 작용한다는 것이다. 상기 금속은 턴디시의 출구 구멍(outlet orifice) 상에 장착된 노즐(13)을 거쳐, 공급 헤드의 바로 상측에 위치된 턴디시(14)로부터 나오는 용탕 주입 분사(12)로서 도달한다. 저장조(4)는 스틸 분사(12)의 큰 운동량으로 인하여 액체 금속이 종종 강렬하게 교반되어 자유롭게 발달하고 가라않을 수 있도록 함으로써 유체 역학에 대하여 중요한 역할을 하는 버퍼 매스(buffer mass)를 구성한다. 따라서, 결정기(6)로 들어가서 이 결정기 내에서 응고되는 액체강은 훨씬 잔잔한 상태, 특히 메니스커스(15)로부터 떨어져 있고, 그 교반으로 종래의 주조 주형 내 가장 먼 주형이 균일하지 않게 응고되는 경우가 종종 있다. 저장조(4) 하측의 용탕 흐름은 "피스톤"-형 흐름에 가깝고, 즉 응고 법을 적절하게 실행하는데 매우 바람직한 섹션을 가로 지르는 속도 벡터(velocity vector)에 현저한 구배(marked gradient)없이 흐르다.

도시되어 있지 않지만 일반적으로, 내화물로 제조된 공급 헤드(5)는 용탕(4)의 저장조를 액체상태로 유지하기 위하여 그 단열성에 따라 선택된, 예를 들면 KAPYROK사에서 제품명 A120K으로 판매하는 소재의 섬유질 내화물로 제조된 메인 상단부, 및 응고 시작으로 응력을 받는 냉각된 구리 부재(6)의 바로 근방에 최적의 기계적 완전성을 확보하기 위하여 SiAlON™과 같은 조밀한 내화물로 제조되도록 선택된 환형의 하단 인서트를 가진다.

공급 헤드는 도시되지 않은 위치결정 핀(alignment pin) 및 타이 로드(tie rod)(9')를 가지며, 내화부를 덮는 금속판(5a) 상에 지지되는 조립 플랜지(9)에 의하여, 튜브형 부재(6)에 대하여 잘 정렬된 위치에 고정되는 것을 알 수 있다. 금속 박판(sheet metal)으로 제조된 상자(10)를 타이 로드의 통로용으로 및 어셈블리를 단단하게 하기 위하여 제공하는 것이 바람직하다.

공급 헤드(5) 용으로 사용된 내화물의 단열 성질에도 불구하고, 유해한 주조 금속 응고막(16)이 공급 헤드의 내벽 상에 크게 또는 작게 형성될 수 있다. 상기 응고막은 외주 상에 국한되어 형성되지만, 상기 조각(fragment)(16)들이 응고가 시작되는 냉각 부재(6)의 에지 레벨까지 도달하는 한 결정기(6) 내의 정확한 응고에 해로울 수 있다. 공급 헤드에 조기에 형성된 임의의 원하지 않는 응고막을 상기 단계 전에 파손하기 위하여, 전단 유체를 공급 헤드의 베이스 주변에 주입한다. 이와 관련하여, 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 주조 금속에 대하여 화학적으로 불활성인 아르곤과 같은 가스를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 목적을 위하여, 예를 들어 폭이 약 0.2 mm인 좁은 슬롯(18)이 공급 헤드(5)와 냉각된 구리 부재(6) 사이에 제공된다. 상기 슬롯은 주형 내부쪽으로 자유롭게 개방되며 그 타단은 공급 헤드에 제공된 밀봉 상태의 환형 체임버(19) 내로 들어간다. 슬롯(18)을 따라서 통해 있는 상기 체임버(19)는 슬롯으로부터 들어가야 하는 선형 가스 흐름을 적절하게 분배하는 작용을 하고, 덕트(20)를 거쳐 가압 가스의 외부 소스(21)에 연결된다. 슬롯(18)은 주형의 사각형 형상, 즉 셸이 구리 부재(6) 내에서 응고되면 주조 제품(7)이 채택하는 형상과 유사한 환형 형상을 가진다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 모서리의 둥근 부분이 전술한 이유 때문에 의도적으로 확대된 4개의 모서리가 있는 윤곽을 가진다.

주형의 모서리(3a, 3b, 3c, 3d) 각각에 근접하여 주조 공간(3) 내에 주입된 전단 가스가 직각의 슬롯(18) 두 개의 측면으로부터 공급되기 때문에, 주조 공간(3)의 모서리 영역에 양방향으로 집중되는 공급은 보다 많은 가스가 가장 외측 셸이 형성되는 지점의 이들 영역 내로 상기 영역의 상단 에지의 구리 벽(11)으로부터 주조 금속이 국부적으로 분리될 위험을 안고 송풍된다는 의미이며, 따라서 구리 부재(6) 내에서 응고 도중에 외주의 나머지 부분과 비교하여 주조 제품의 에지 영역에 충분하지 응고되지 않은 금속이 있다는 의미인데, 그 이유는 이들 지점에서 제품의 효과적인 냉각이 부족하기 때문이다.

가스가 모서리 영역 내에 과다하게 주입되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 슬롯(18)의 모서리에 가스 흐름을 차단하는 부재가 배치된다.

갭(18)의 모서리에 위치된 차단 부재(obstructing element)(17)는, 공급 헤드가 주형의 내부를 향하여 외측으로부터 금속 부재(6)의 상단에 맞대어 편평하게 함으로써 클램프된 후, 통로를 국부적으로 차단하는 다발로 된 가요성 섬유질 내화물로 구성될 수 있다. 다음에, 차단 부재(17) 각각은 분배 체임버(19)의 내주에 의하여 외측을 향하여, 주조 공간(3)의 모서리에 의하여 내부를 향하여, 그리고 주조 공간(3)을 향하여 집중되어, 차단 부재(17)를 내측으로 경계를 이루는 주조 공간의 둥근 모서리(3a)(또는 3b, 3c, 3d 각각)의 대응하는 단부에, 주조 공간(3)의 내측 평면과 직각으로 각도 α를 형성하는 두 개의 직선 측면에 의하여 횡방향으로 한데 묶는 것이 바람직하다.

주형 주조 공간의 둥근 모서리 반경이 약 6.5 mm인 경우, 차단 부재(17)의 폭은 주조 공간의 모서리에 인접한 가장 좁은 영역이 4 내지 6.5 mm 사이로 되는 것이 바람직하다. 상기 폭이 4 mm 이하인 경우, 가스 흐름이 모서리 내로 국부적으로 과다하게 주입되는 문제가 적절하게 해결되지 않는다. 폭이 6.5 mm 이상인 경우, 모서리에 근접한 영역에 주입 가스가 선형으로 흐르지 않는다.

또한, 차단 부재(17)의 직선 쪽과 주조 공간의 내면과 직각인 쪽 사이의 각도 α는 0 내지 45°가 바람직하다. 차단 부재(17) 측면의 이들 경사값 외에, 주입 가스의 선형 흐름, 즉 슬롯(18) 레벨의 주형 내주의 단위 길이당 흐름은 모서리에 근접한 영역에서 제로가 된다.

약 20°의 각도 α값이 직사각형 또는 사각형 제품을 주조하는 경우 주형의 내주 둘레에 일정한 선형 흐름을 얻을 수 있음을 알았다. 특정의 경우, 주조될 제품의 형상의 복잡한 정도에 따라, 차단 부재(17)의 두 개의 직선 횡방향 쪽을 모서리 단부의 내부 주조 공간(3)의 내부 평면과 직각으로 상이한 각도 α 및 α′로 할 수 있다.

전술한 형상 및 치수 특징을 가진 슬롯(18)을 차단하는 부재를 사용함으로써, 슬롯(18)에는 불활성 가스가 내부 주조 공간 내로 완전히 일정하게 흐를 수 있다. 이와 같은 방식으로, 일단 응고된 주조 제품의 에지를 따라 관찰된 응고 결함이 제거된다.

본 발명은 개시된 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 내화 섬유와 상이한 소재를 슬롯(18)의 모서리 영역을 차단하는 부재로서 사용할 수 있다. 상기 부재들은 가스에 대하여 완전하게 불침투성으로 되거나, 또는 약간 침투성으로 될 수 있다.

또한, 공급 헤드(5)를 슬롯(18)의 폭에 걸쳐 연장되는, 내부 주조 공간(3)과 분배 체임버(19) 사이의 모서리 영역을 약간 두껍게 함으로써 슬롯(18)의 모서리 영역을 차단하고 이들 영역에 가스가 흐르지 않게 할 수 있다. 부재(6)에 인접한 공급 헤드(5)의 하단면을, 예를 들어 밀링과 같은 기계 가공에 의하여 추가로 두껍게 할 수 있다. 이에 반하여, 모서리는 공급 헤드(5)와 대면하는 그 상단면이 상기 목적을 위하여 기계 가공될 수 있는 부재(6) 상에서 추가적으로 두껍게 될 수 있다. 바람직하기로는, 추가로 두껍게 된 영역의 형상은 도 3에 예시된 바와 같이 차단 부재(17)의 형상과 유사하다. 상기 추가적인 두께는 약 0.2 mm이 바람직할 수 있다.

또한, 슬롯(18)의 모서리 영역 내로 주입되는 것을 차단하거나 또는 주입되지 않도록 분배 체임버(19)의 자신의 모서리에 근접한 영역을 부분적으로 차단할 수 있다. 분배 체임버는, 예를 들면, 분배 체임버 내에 가스 흐름 방향으로 채널로 관통된 플러그, 또는 기공율(degree of porosity)을 가진 플러그를 분배 체임버의 모서리 영역 내에 배치함으로써 차단될 수 있다.

본 발명은 헤드가 청구 범위에 한정된 정의를 충족시키는 경우, 빌릿, 블룸 또는 슬래브, 혹은 최종 제품(빔, 레일, 각종 섹션 등)에 이미 근접한 형상을 가진 블랭크와 같은 금속 제품의 핫 톱 연속주조용의 임의의 다각형 주형 헤드에 적용된다. 또한, 철강을 연속주조하는 경우 및 비철 금속을 연속주조하는 경우 양자 모두에 적용될 수 있다.

Claims (6)

1. 주조 제품의 형상 및 치수를 정하며, 용탕(7)이 냉각된 금속 내벽(11)과 접촉하여 응고되는 다각형 형상의 냉각된 튜브형 금속 부재(6) － 여기서 냉각된 튜브형 부재는 응고될 용탕의 저장조를 형성하는 단열성 내화물로 제조된 냉각되지 않는 공급 헤드(5)에 의하여 덮힘 －

   를 포함하며,

   주형의 내주 둘레에 전단 유체를 주입하는 슬롯(18)이 상기 냉각된 금속 부재(6)와 상기 내화물 공급 헤드(5) 사이에 제공되는

   용탕을 핫 톱 연속주조하는 주형에 있어서,

   상기 주형에 모서리의 전단 유체 흐름을 감소시키는 수단(17)이 제공되는

   것을 특징으로 하는 주형.
2. 제1항에 있어서, 가스 흐름을 감소시키는 상기 수단이 슬롯(18) 내 흐름을 국부적으로 차단하는 부재(17)로 구성되는 것을 특징으로 하는 주형.
3. 제2항에 있어서, 상기 차단 부재(17) 각각은 공급 헤드(5)와 냉각된 튜브형 부재(6) 사이에 배치된 압축 섬유 내화물로 구성되고, 슬롯(18)의 모서리 영역(3a, 3b, 3c, 3d)에 위치되는 것을 특징으로 하는 주형.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 슬롯(18)의 상기 모서리 영역 각각을 차단하는 부재(17)는 분배 체임버(19)와, 주조 공간(3)을 향하여 집중되는 내부 주조 공간(3) 내면의 모서리(3a, 3b, 3c, 3d) 사이에 두 개의 직선 측면을 가지고, 내부 주조 공간(3) 표면의 모서리(3a, 3b, 3c, 3d)에 근접하는 내부 주조면(3)과 직각으로 0°와 45°사이의 각도를 만드는 것을 특징으로 하는 주형.
5. 제2항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   반경이 약 6.5 mm인 둥근 모서리를 가지며,

   상기 차단 부재(17)가 폭이 4 내지 6.5 mm 사이인, 주조 공간(3)과 대면하는 면을 가지는 것을 특징으로 하는 주형.
6. 제1항에 있어서, 상기 가스 흐름을 감소시키는 수단이 상기 주입 슬롯(18)의 모서리를 부분적으로 차단하는 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 주형.