KR20010062613A

KR20010062613A - 용융금속의 연속주조법

Info

Publication number: KR20010062613A
Application number: KR1020000080147A
Authority: KR
Inventors: 나카타히토시; 이노우에다케시; 모리히데오
Original assignee: 구마모토 마사히로; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2001-07-07
Also published as: CN1248801C; US6453985B2; JP3412691B2; US20010004932A1; DE10064106C2; CN1301607A; JP2001246449A; DE10064106A1; KR100430083B1

Abstract

주형내에 고주파자장을 인가하여 연속전자계주조를 행할 때에, 극히 작은 소비전력으로 오실레이션마크(OSM)와 탕주름 등의 주편표면결함이 없는 주편을 효율적으로 제조할 수 있도록 한 연속주조법을 제공하는 것으로,

연속주조주형내에 고주파자장을 인가하여 전자계주조를 행함에 있어, 인가되는 자장주파수, 주조속도, 주형진동수, 주형진동의 편진폭을 고려하여, 초기응고각 형성위치에 인가되는 자장의 크기가 조업파라미터에 의해 결정되는 네가티브스트립시간과 상기 자장주파수로부터 다음 식으로 구해지는 소요최소자속밀도(B_min)를 밑돌지 않도록 제어하도록 한 용융금속의 연속주조법에 관한 것이다.

B_min=1130×t_n-5f×(t_n-0.05)

t_n=cos^-1(Ⅴ/2π×f_m×a)/(π×f_m):네가티브스트립시간(초)

f : 전자계 진동수(㎑)

Ⅴ: 주조속도(m/sec)

f_m: 주형진동수(㎐)

a : 주형의 편진폭(m)

Description

용융금속의 연속주조법 {Method of Continuous Casting of Molten Metal}

본 발명은 용융금속의 연속주조법에 관한 것으로, 특히 연속주조주형 내에 고주파자장(高周波磁場)을 인가(印加)하여 전자계주조(電磁界鑄造)를 행할 때에,이에 따라 주편표면에 형성되는 오실레이션마크(oscillation mark : 이하 "OSM"이라 약칭)과 탕주름(탕 표면의 변동으로 생기는 오실레이션상의 주름)을 필요최소한의 자장강도(즉 최소 소비전력)로 효과적으로 억제하여 표면성상이 양호한 주편을 얻을 수 있는 연속주조법에 관한 것이다.

이러한 오실레이션마크와 탕주름은 주형에 고주파를 인가하므로써 연속주조중에 전자계자장이 발생되기 때문에 생기는 것으로, 이 기술을 이하에 단순히 "고주파연주(high frequency continuous casting)"라 약칭해 부르기로 한다.

종래에는, 예컨대 (CAMP-ISIJ) 제 5 권(1992), 200쪽 및 동 제 6권(1993) 6쪽, 동 제 11권(1998) 138쪽, 동 제 12권(1999) 53쪽에 보면, 연속주조주편의 초기응고부에 전자력을 작용시키고, 그 핀칭력(pinching force) 및 가열효과를 이용하여 주편의 표면성상(表面性狀)을 개선하고저 시도가 있어왔다.

그러나 종래의 이 방식에서는, 고주파자장이 주편에 침투하기 쉽도록, 냉각형 도가니(cooling-type crucible 기술에 적용)와 같이 구리제주형, 즉 동주형(銅鑄型)에 종방향슬릿트(longitudinal slits)가 형성되고, 그 주위에 코일이 감겨 배치된다.

이 종방향슬릿트의 폭은, 예컨대 특개평 4-178247호 공보에도 기재되어 있는 바와 같이, 가공성과 자장의 침투성 및 용탕누설방지라는 목적에서 0.2~0.5mm 정도가 바람직한 것으로 되어 있다. 또한, 이 슬릿트의 종방향 전길이는, 자장의 침투성이라는 점을 고려하여 코일길이의 1.5배 이상이 바람직하다.

제 1 도는 고주파연속주조에 사용되는 범용주조시스템의 요부종단면설명도이다. 제 1 도에서 부호 1은 (분할)동주형, 2는 고주파코일, 3은 슬릿트(slit), 4는 주형 1에 주입될 용융금속의 급탕용 용융금속공급용 침지노즐, F는 플럭스(주형파우더), M_L은 용융금속, M_S는 응고각을 각각 나타낸다.

이 장치를 이용하여 연속주조를 행함에 있어서는, 침지노즐 4로부터, 용융금속 M_L을 연속적으로 공급하고, 고주파코일 2에 의해 초기응고각에 고주파자계의 전자력을 작용시키며, 이 전자력에 의해 상기 용융금속 M_L의 초기응고각부에 핀칭력(力)을 작용시키면서도 아울러 가열해가면서 응고각 M_S를 하방으로 연속적 또는 간헐적으로 시스템으로부터 인발하여 간다.

주형 1 내의 탕면상에는, 열의 방산방지와 용융금속 M_L의 산화를 방지하기 위한 플럭스가 장입되나, 이 플럭스(flux) F는 초기응고각 M_S와 주형 1 사이의 갭 (gap) 속으로 조금씩 작게 권입(卷)시켜 접촉면에서의 미끄럼을 원활히 하고, 주편의 표면성상을 개선하는 작용도 발휘된다.

이와 같은 연속주조법을 실시함에 있어서는, 주형의 상하진동으로 주편표면에 오실레이션마크(OSM)라 불리우는 주름을 수반한 마크(mark)가 형성되는 것이 알려져 있고, 이 OSM은, 그 깊이가 깊이와 주편크랙의 기점이 되기도 하고, 또는 주편 표피 아래에 소위 톱(瓜:hook)이라 불리우는 불연속응고부에서 개재물(介在物)과 기포(氣泡)가 주편결함으로 되는 일이 있다. 이 때문에 주편결함을 없애기 위해서 OSM을 극력 억제하여 평활한 주편표면성상을 얻는 것이 매우 중요하다.

본 발명자등은, 상술한 전자계 주형을 이용한 강의 연속주조방법에 대해 연구를 진행한 결과, 먼저 특개평 7-1093호 공보로 개시한 방법을 완성하여 제안하였다. 이 발명에서는, 주편표면의 OSM을 억제하여 표면성상을 높이기 위한 수단으로서 특히 용융조 또는 용탕의 용융금속의 메니스커스(maniscus)의 안정화를 위해 용탕에 과도한 내부유동을 일으키는 일이 없이, 또한 초기응고각과 주형 1 사이의 갭에 권입되는 플럭스(주형파우더)량을 적절히 제어하기 위해 주조속도에 따라 주형공심부(core or hollow portion)의 자장강도(환언하면 자속밀도)를 적절히 제어하는 방법을 개시한 것으로, 이 방법을 채용하면, 주편표면의 OSM의 형성을 억제하므로써 표면성상을 향상시키고 주조속도를 한층 더 높일 수가 있다.

게다가 이와 같은 전자계주조기술을 채용하면,

(ⅰ) 전자장에 의한 핀칭력(pinching force)에 의하여 초기응고각과 주형사이로의 플럭스의 유입유로가 확대되어 윤활성능이 향상한 결과, 안정된 고속주조가 가능하게 초기응고각과 주형사이로의 플럭스의 유입유로가 확대되어 윤활성능이 향상한 결과, 안정된 고속주조가 가능하게 될 뿐 아니라, OSM의 생성도 억제된다.

(ⅱ) 전자력에 의한 핀칭력이 초기응고각에 작용하므로써 응고각의 주형에의 연접촉화(軟接觸化)가 실현되어, 주형진동에 따른 악영향이 효과적으로 억제되어 OSM이 생성되기 어렵게 된다.

(ⅲ) 주형내 용탕의 탕면이 고주파인가되는 동안 전자력에 의해 가열되어 끓고, 그러면서도 전자력에 의한 가열효과로 초기응고가 탕면 아래에서 개시되기 때문에, 외부로부터의 탕면 변동의 영향이 초기응고각에 미치기가 어렵게 되므로, 이또한 주편표면품질의 개선으로 연결된다.

(ⅳ) 가열효과와 핀칭력의 영향으로 초기응고각이 탕면까지 뻗어나오지 않게 되므로, 가스버블(gas bubble)과 개재물(inclusions)의 트랩이 일어나지 않게 되어, 주편표피 아래의 성상도 개선된다.

그러나, 상술한 공개공보에서 개시된 방법은, 깊은 OSM이 형성되기 쉬운 조건하에서도 OSM을 소실시킬 수 있도록 주형내 공심부에서의 자장강도를 억제하는 방법으로서, 주형진동조건을 가변시키는 경우에 대한 필요자장강도에 관해서는 충분한 검토가 되어있지 않다.

CAMP-ISIJ 제 12권(1999) 57쪽에서는 20㎑의 고주파를 사용하는 강의 연속주조에 관한 실험내용이 보고되고 있다. 이 간행물에서는, 실험상의 OSM의 향상된 깊이는 0.6mm~0.2mm로 나와있는데, 이 보고내용은, 그러나 OSM의 깊이를 작은 값으로 만들기에 적합한 자장조건(磁場條件)에 대해서는 언급을 않고 있다. 또한, 이 실험은 단일진동조건하에 이루어진 것으로, 따라서 이 문헌은 OSM의 형성을 억제하는데 필요한 자장강도와 OSM의 깊이에 영향을 주는 주편진동과의 관계에 관한 기술데이터를 제공하고 있지 못하다.

OSM의 깊이는, 네가티브스트립시간(t_n)과 높은 상관성을 가지고 있고, t_n이 작아질수록, OSM은 얕아지나, 그러나, t_n을 작게 하려면 단위시간당 주형의 진동수를 크게 하여 하이사이클화(化)하지 않으면 안되므로, OSM저감에는 오히려 마이너스요인으로 작용되어, 결국 OSM을 거의 모두 없애는 것은 용이하지 않다.

또한, 주형진동을 행하지 않을 경우, 또는 상기 t_n이 0 이하로 되는 조건에서 연속주조를 행할 때에는, 주형 표면에 전술한 바와 같은 불규칙적인 탕주름상 결함을 만드는 것이 경험적으로 알려져 있으나 이와 같은 탕주름상 결함을 확실히 저지할 수 있는 필요한 자장강도에 대해서는 충분한 연구가 되어 있지 않은 것이다.

따라서, 본 발명은 상술한 사정에 착안하여 전술한 종래 기술상의 문제를 해결하는데 목적이 있다.

상기 과제를 달성할 수 있도록 한 본 발명상의 연속주조법은 연속주조주형내에 고주파자장을 인가하여 전자계주조를 행하는 단계로 구성된다. 이 고주파인가는 초기응고각 측단부에 인가되는 자장의 크기가 조업파라미터에 의해 정해지는 네가티브시간과 상기 자장주파수로부터 다음 식으로 구해지는 필요최소자속밀도를 밑돌지 않도록 제어하는데 그 요지가 있다.

B_min=1130×t_n-5f×(t_n-0.05)

여기에서

t_n=cos^-1(Ⅴ/2π×f_m×a)/(π×f_m)

B_min: 필요최소자속밀도(가우스 gauss)

t_n: 네가티브스트립시간(sec)

f : 인가되는 자장주파수(㎑)

Ⅴ: 주조속도(m/sec)

f_m: 주형진동수(㎐)

a : 주형의 편진폭(m)

제 1 도는 본 발명이 적용되는 연속주조용 전자계주형(電磁界鑄型)을 예시하는 개략 종단면 설명도이다.

제 2 도는 오실레이션마크(OSM)의 해소에 필요한 최소자속밀도(最小磁束密度)와 네가티브스트립시간(negative time strip)과의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 3 도는 코일상단위치의 메니스커스(maniscus)위치에 대한 차이가 상기 OSM 깊이와 메니스카스형상불균일성에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

제 4 도는 네가티브스트립시간(negative time strip)과 상기 OSM깊이관계 그래프를 탕주름상 결함깊이에 맞춘 것을 나타낸 설명도이다.

주요부호 :

1. (분할)동주형 2. 고주파코일 3. 슬릿 4. 급탕용 침지노즐

F. 플럭스(파우다형) M_L. 금속용탕 M_S. 응고각(凝固殼)

전자계주조법을 실시하기 전의 OSM깊이가 얕을 때의 쪽이, 깊을 때의 OSM을 완전히 없애기 위해 자장강도가 작을수록 좋은 것은 명백하고, 또한 자장의 인가조건은, 주조속도와 주형진동조건과 깊은 연관성을 갖고 있는 것으로 알려지고 있다. 인가자장이 하나의 주조조건에 따라 결정되는 t_n시간에 형성되는 OSM을 소실시키기 위한 필요최소자장보다도 작은 경우에는 OSM이 지워지지 않고 남게 되고, 한편, 자장이 소정치를 초과하면 전자력의 증대로 메니스커스변동이 커지며, OSM은 더욱 깊어지는 것으로 생각된다. 반대로 자장이 지나치게 강해지면, 슬릿트부에 자장이 집중하여 탕 누설(湯漏)이라는 결함이 유발되어, 이것도 주편의 표면품질을 악화시키는 원인이 된다.

따라서, 전자주조를 행할 때에는, 소정깊이의 OSM을 소실시킬 수 있는 최소한의 자장강도로 전자주조를 행하면, 최소의 소비전력으로 양호한 표면성상을 가진 주편을 얻을 수 있어, 그 선에 따라 연구를 계속하였다. 이리하여 주조조건을 여러가지로 가변시키고, 여러가지 t_n조건하에서 OSM깊이를 변화시킨 상태에서, 인가자장강도 및 자장주파수를 변화시키므로써, OSM소실효과가 유효하게 발휘되는 필요최소한의 자속밀도를 파악할 수 있도록 실험을 행하였다. 이하에 실험결과를 기재하였다. 그러나, 이러한 실험만으로 본 발명범위가 제한되는 것이 아님을 밝혀둔다.

특히, 본 발명자는 OSM이 네가티브스트립시간 t_n의 길이에 따라 진동마크의 깊이가 가변된다는 점에 기하여, 네가티브스트립시간 t_n의 여러가지 고정조건하에서 주형에 적용할 전자계강도와 진동수(진동되는 숫자)를 변환하므로써 진동마크의 형성을 가장 효과적으로 억제하는데 최소자장플럭스밀도가 필요함을 알게 되었다.

다음의 자장주파수, 주조속도 및 주형진동조건의 조합으로, 최소자속밀도는 OSM이 소실되는데 효과적이다. 이를 다음 표 1 및 도 2에 나타내었다 :

주형크기 : 150 ×150mm, 길이 1069mm

슬릿트공간 : 0.3mm

슬릿트길이 : 220mm

강 성분조성(100%) : C : 0.12%, Si : 0.20%, Mn : 0.50%, 나머지 Fe 및 불가피불순물

자장주파수 : 3㎑, 20㎑ 또는 100㎑

주형속도 : 0.7m/min, 1.2m/min, 또는 1.6m/min,

주형진동조건 : 1㎐ ×10mm, 3㎐ ×7mm 또는 7㎐ ×3mm

여기에서 주의할 것은 주형진동조건은 진폭(왕복)(mm)에 의해 주형에 가해지는 진동수(㎐)를 곱해서 설정된다는 것이다. 또한 제 2 도에서의 직선 B_min(A), B_min(B), B_min(C)는 각각 가해진 주파수 3㎑, 20㎑ 및 100㎑에 관하여 각 네가티브스트립시간 t_n에서 필요최소한의 자속밀도 B_min을 플로트하여 선으로 연결한 것이다.

표 1

표 1에서와 같이, OSM의 깊이는 작고, 자장에서의 주파수의 영향은 미미한 것임을 알 수 있다. 즉, 약 200㎛ 정도의 깊이를 가진 OSM은 자장플럭스밀도가 약 60가우스가 가해질 때에는 사라짐을 의미한다.

그 반면, OSM의 깊이가 큰 조건하에서는, 자장의 주파수가 높을수록, 소요자장플럭스밀도가 작아진다. 예를 들어, 자장주파수가 3㎑ 정도로 낮고, 자장플럭스밀도가 450가우스 정도로 높은 것이 필요하다. 그 반면, 주파수가 100㎑ 정도로 높을 때에는, 소요자장플럭스 밀도는 260가우스 정도로 작게 줄여 인가시킬 수 있다. 이는 자장주파수가 높은 경우에는 메니스커스 근방이 가열되기 때문에 공급플럭스가 용융중에 있는 용융플럭스(주형파우더) F1과 그 플럭스가 이미 주형과 고화각 사이의 접촉부위를 원활히 평활히 하게 하기 위해 액화 중에 이미 액화되어 간 부위의 플럭스(윤활층) F2의 총두께를 확대시키기 때문에, 주형진동의 영향을 받기어렵게 되기 때문으로 생각된다. 이 확대된 층의 두께는 주편 또는 고화된 응고각을 주형이 진동됨에 따라 진동으로부터 주편 또는 응고각을 보호하여 준다.

한편, 상기 표 1 및 도 2에 도시한 필요최소자속밀도(B_min)과 네가티브시간 (t_n)과의 관계를 자장주파수를 파라미터로 하여 분석정리한 바, 다음 식(1)에서 나타낸 관계

B_min=1130×t_n-5f(t_n-0.05) - - - - - - (1)

여기에서,

t_n: 네가티브스트립시간(sec)

f : 인가자장주파수(㎑)

가 성립되는 것이 확인되었다.

즉, 연속주조시의 초기응고각 측단(초기응고각 형성개시위치)에 인가되는 자장의 크기 B(가우스)가 연속주조시의 조업파라미터에 의해 상기 식에 따라 정해지는 네가티브시간 t_n(sec)와 자장주파수 f(단위:㎑)를 기초로 산출되는 필요최소자속밀도 B_min(단위:가우스)를 하회하지 않도록 제어하면, 고주파코일에 인가되는 전력량을 최소한으로 계속 억제하여 OSM을 가급적 저감할 수가 있음이 확인된 것이다.

한편, 상기 네가티브시간 t_n은, 주조속도(ⅴ)와 주형진동조건인 진동수 f에 의해, 다음식 (Ⅱ)에 의해 정의되는 값이다.

t_n=cos^-1(ⅴ/2π×f_m×a)/(π×f_n) - - - - - - (Ⅱ)

여기에서,

ⅴ : 주조속도(m/sec)

f_m: 주형진동수(㎐)

a : 주형의 편진폭(one-way stroke)(m)

상기 진동조건은 주형의 편진폭에 주형진동수 f_m을 곱한 것으로 얻어진다.

상술한 바를 요약하면, 자장의 크기 B는 소요최소자장플럭스밀도 B_min보다도 더 낮아지지 않는 수준에서 가급적 작게 하는 것이 효과적이고 그 상한은 특히 제한되지는 않으나, 인가자장강도가 지나치게 강하면, 이미 말한 바와 같이 용융금속의 메니스카스변동이 허용치보다 커지게 되고, 또는 주편표면에 결함(예컨대 용융금속누설)생기기 쉬워지는 경향이 생기게 된다. 따라서, 메니스카스변동에 따라 용융금속누설을 초래하는 OSM을 포함하는 탕 누설결함을 만드는 자장주파수의 영향을 실제 주조실험으로 확인한 바, 이 자속밀도는 초기 응고각 측단부에서 다음 표 2에서 보는 바의 값이 되고, 전자의 경우에는 1000가우스(20㎑에서), 후자의 경우에는 900가우스(100㎑에서)가 되는 것임을 알게 되었다. 즉, 메니스커스 증가라는 변동사항으로 인해 응고각 누설사고가 자장의 변경으로 생기는 과잉열발생이라는 문제가 생기게 되는 것이다.

표 2

본 발명의 목적은 적은 전력소비량으로 OSM을 가급적 억제할 수 있고, 또한 탕누설결함 등의 결함이 생기는 일이 없이, 표면성상이 극히 양호한 주편을 효과적으로 연속주조하는데 있다. 이 목적을 달성하기 위해, 자장의 크기 B를 제어하는데, 이 자장은 응고각형성개시위치가 최소소요자장플럭스밀도 B_min을 낮추지 않도록 하기 위해 인가된다. 보다 바람직하게는 자장의 크기 B를 결함이 용융금속누설이 개시되어 일어나는 시점인 최고플럭스밀도를 넘지 않도록 또한 최소소요자장플럭스밀도 B_min을 밑돌지 않도록 제어한다.

한편, 본 발명을 실시할 때에, 전자계주조를 보다 효율적으로 행하기 위해서는 고주파자장이 인가되는 코일상단을, 전자력을 인가하지 않을 때의 메니스커스 상부표면에 맞춰두던가, 또는 주형의 내부에서 활성하되는 전자력이 인가되지 않을 때 메니스커스 상부표면에 관하여 적어도 ±20mm 이내의 범위에 맞춰두던가 하고, 이 메니스커스 위치는 정지상태에 두는 것이 바람직하다. 이렇게 하는 것이 결함이 없는 주편을 고주파연속주조하는데 보다 효과적이다. 이 기술이 선호되는 이유는, 메니스커스 상표면에 관련하여 코일상단위치로부터 벗어나면, 고주파가 인가되지않는 정지상태에 있는 메니스커스부에 부여되는 자장의 분포가 소정범위를 벗어나 불균일하게 되고, 메니스커스 형상이 허용범위를 넘어 이지러져 응고각의 두께가 불균일하게 되는 경향이 나타나게 되기 때문이다.

본 발명자들은 이 메니스커스부의 상표면에 관하여 적합한 코일의 상단부 위치를 찾기 위한 실험을 행한 바, 이 실험에서, 고주파를 인가하지 않은 정지상태에 둔 메니스커스의 상표면과 코일 상단부 사이의 거리 d(제 3 도 가로선에 표시된 숫자)는 단계적으로 변화되고 있음을 알 수 있었다. 즉, 코일 상단부를 거리(=0)로부터 시작되는 메니스커스 상표면에 관하여 단계적으로 승·강시켜서 여러가지 주조실험을 행하여 본 것인데, 여기에서 코일 상단부는 정지상태에서 메니스커스 상표면에 맞추어 두고, 또한 한번 나타난 OSM이 사라질 정도의 자장을 인가하는 조건하에서 실험을 행하였다.

그 결과는 제 3 도 "메니스커스부의 불균일도"(제 3 도 우측 눈금 참조)로 나타나 있고, 이는 주형에서의 슬릿트에 인접되어 있는 각 세그먼트(segment)중의 메니스커스부의 상표면에 관한 수준, 즉 정도차이(mm)로 나타나 있다. 이 차이가 클수록 메니스커스부의 불균일도 또는 난맥상이 심하다. 메니스커스부의 허용불가한 난맥상(unallowable disordered state)은 그 결과 발생되는 주편의 현저한 표면품질악화를 가져오는데, 이는 주변으로 정렬된 상태로 나타나야 할 주편의 응고개시점이 주변상으로 정렬되지 않기 때문이다.

제 3 도에서 명확히 알 수 있는 바와 같이, 메니스커스부의 상표면보다 코일상단부를 20mm 이상 낮게 설치하면 주편 표면의 OSM의 생성은 증가된다. 이는 곧바로 주편의 표면품질을 악화시킨다.

그 반면, 메니스커스부의 상표면보다 코일 상단부를 20mm 이상 높게 설치해도 역시 메니스커스부의 현저한 난맥상을 가져오므로, 양호한 표면성상을 가진 주편제품 제조불량을 일으킨다. 이와 같이 고주파가 인가되면, 메니스커스부에 관하여 코일 상단부를 20mm 이상 높이 설치하면 어떻게 메니스커스부위의 변동에 영향을 주는가를 실험하여 보았다.

이 실험은 주형에서 주석용융(melting tin)으로 메니스커스부를 관찰하는 것으로 하였다.

상기 실험에서 메니스커스부를 주석용융으로 하는 이유는 다음과 같다. 즉, 주형에 인가되는 주파수가 높을 때 주형에서 용융강(말하자면, 메니스커스부)의 상표면이 어떻게 변동하는가를 아는 것은 매우 중요하다. 즉, 주형에서 전자장이 언제 생성되느냐 하는 것을 아는 것은 필수적인 것이다. 그러나, 강은 높은 용융점을 갖고 있으므로, 주형에서 강을 용융체(melt)로 만드는 것은 쉽지 않다. 저융점(예컨대, 주석은 용융점이 2백몇십도(℃)정도로 상대적으로 낮다)을 가진 금속은 고주파인가에 의하여 발생되는 열이 있으므로 수냉주형(water-cooled mold)에서도 쉽게 용융체를 만들고 그 용융상태를 쉽게 유지한다. 용융강의 표면에 용융되어 있는 주석(Sn)을 잘 조사, 관찰하면 용융강의 (메니스커스부) 표면상태를 미리 예측할 수 있다. 따라서, 본 발명 실시예에서는, 수냉주형내에 고체 Sn을 장입하고, 주형 주위에 셋팅한 코일에 통전하여 그 열로 주석을 용융하고, 용융 Sn의 메니스커스 형상을 조사하는 방법을 채용하였다.

그리고, 코일 상단위치를 메니스커스 위치에 대하여 ±20mm 이내로 제어하고, 보다 바람직하게는 코일 상단위치와 메니스커스 위치를 일치시키면, 메니스커스 형상의 불균일성을 만듬이 없이 OSM을 최소한으로 억제할 수가 있고, 주편 표면성상을 현저히 개선할 수가 있다.

한편, 이 고주파코일에 인가되는 자장주파수는, 주형사이즈와 주형속도 등에 의해서도 변하므로 일률적으로 결정할 수는 없으나 전자력 부여에 의한 핀칭력과 가열효과 등을 보다 유효하게 발휘시키는 데에는 3㎑ 이상, 보다 바람직하게는 20㎑ 이상의 고주파를 채용하는 것이 필요하다.

그런데, 상술한 바에서는, 주형에 진동을 가하면서 인발하여 가는 경우에 대해 설명하였으나, 주형진동을 행하지 않고 또는 상기 네가티브시간(t_n)이 0 이하로 되는 주형진동조건으로 주조를 행한 경우에는, 앞서 설명한 바와 같이, OSM과는 별도의 탕주름상 결함을 만드는 일이 경험적으로 알려져 있다. 주름억제기술은 다음의 변형된 실시예에서도 나타난다.

본 발명자 등이 제 4 도 실험으로 별도로 확인한 바에 의하면, 탕주름상 결함의 깊이는 도 4와 같이, 네가티브타임스트립 t_n≤0와 t_n〉0이 되는 조건하에서 생기는 탕주름의 깊이는 동일 눈금상에 기초를 두고 있다. 제 4 도에서와 같이, 탕주름의 깊이는 네가티브타임스트립 t_n과 주형진동의 유무에는 관계없이 200~500㎛의 범위였다. 그리고 이 탕주름상 결함의 깊이는, 실험으로 확인된 네가티브스트립시간 t_n이 0.057~0.25sec일 때의 OSM깊이에 상당하고, t_n≤0의 조건하에서 탕주름상결함을 소실시키는데는 깊이 500㎛ 상당의 OSM을 소실케 함과 같은 자장을 걸면 충분한 것임이 확인되었다. 이 자장의 크기는 최소소요자장플럭스밀도에 상당하는 크기이다.

따라서, 상기 탕주름상 결함을 소실시키는데는, 탕주름상 결함의 깊이와 동등한 OSM이 생성되는 t_n값을 채용하고, 이를 전술한 식(Ⅰ)에 대입하여 산출한 필요최소자속밀도로 하면, 탕주름상 결함도 해소되고, 양호한 품질을 가진 연속주편을 제조할 수가 있는 것이다.

예를 들면, 제 4 도에서, 깊이가 500㎛의 탕주름상 결함을 소실시키는데 필요한 네가티브스트립시간 t_n은 약 0.25sec이다. 따라서, 이 t_n값은, 예컨대, 상기 도 2에서 나타나 있느 소요최소자속밀도와의 관계그라프에 대입해보면, 자장주파수를 100㎑로 한 경우에는 소요최소자속밀도를 약 180가우스, 자장주파수를 20㎑로 한 경우에는 소요최소자속밀도를 약 260가우스, 자장주파수를 3㎑로 한 경우에는 소요최소자속밀도를 약 280가우스로 각각 설정하면 탕주름상 결함을 확실히 해소할 수 있음을 알게 되었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 주조속도와 주형진동조건에 따라 결정되는 네가티브스트림시간 t_n에 따라 주형내에 인가되는 자장주파수를 적절히 제어하므로써, OSM을 가급적으로 경감할 수 있음과 아울러, 탕주름상 결함도 해소할 수가 있고, 연속주조주편의 품질을 확실하고도 안정적으로 향상시킬 수가 있게 되었다.

말할 것도 없이, 본 발명은 전자력이 작용하기 쉬운 용강의 연속주조에 유효히 적용할 수 있는 외에도, 전자력의 작용을 부여할 수 있는 자성금속이면, 강 이외의 철기합금(鐵基合金)과 Al, Cu 등의 용융금속에 대해서도 같이 적용 가능하다.

본 발명을 요약해 본다면, 본 발명은 연속주조주형 내에 고주파자장을 인가하여 전자계주조를 행하도록 용강을 장입하는 단계와, 인가되는 고주파는 초기응고각형성위치에 인가되는 자장의 크기가 조업파라미터에 따라 결정되는 네가티브스트립시간과 상기 고주파자장의 주파수로부터 다음의 식으로 구해 되는 소요최소자속밀도와 같거나 밑돌지 않도록 제어하는 단계와로 구성되는 용융금속의 제조방법에 관한 것이다.

B_min=1130×t_n-5f×(t_n-0.05)

여기에서,

t_n= cos^-1(Ⅴ/2π×f_m×a)/(π×f_m)

B_min= 최소소요플럭스밀도(가우스)

t_n: 네가티브스트립시간(sec초)

f : 자장에서의 주파수(㎑)

Ⅴ : 주조속도(m/sec)

f_m: 진동수(다시 말해 주형진동수)(㎐)

a : 주형의 편진폭(m)

연속주조를 수행함에 있어 바람직스러운 것은, 고주파를 인가하기 위해 코일상단부를 주형에서 용융금속의 메니스커스부의 상표면에 일치시켜 정렬하고, 주형에 고주파인가 없이 정지상태로 유지하든가, 또는 코일의 상단부를 정지상태에서 ±20mm 이내의 범위로 메니스커스부의 상표면에 일치시켜 정렬하든가 하는 것이다. 보다 바람직한 것은, 주파수 f를 3㎑ 이상에서 셋팅하므로써 진동마크(OSM)를 포함하는 주편 표면상의 결함형성을 확실히 억제하도록 하는 것이다.

또한, 네가티브스트립시간 t_n이 0이거나 주형이 진동되지 않을 경우, 탕주름이 주편의 표면에 형성되기 쉬운데, 이러한 때에는, 진동마크 외에 결함깊이를 깊이의 진동마크를 그 깊이에 맞는 네가티브스트립시간을 이용하여 억제하도록 최소소요플럭스밀도를 제어하는 것이 바람직하다. 이렇게 배치하면, 탕주름의 형성이 확실히 방지된다.

이 발명은 일본에 출원된 특허출원 2000-229776호에 기초를 둔 것으로, 그 내용을 여기에 참고하였다.

본 발명은 그 필수구성특성상의 정신과 떨어지지 않는 범위에서 여러가지 형태의 실시예가 있을 수 있으므로, "본 발명은 여기에는 실시예에만 한정되는 것이 아니므로, 본 발명은 그 특허청구범위에만 국한되는 것이 아니며, 전술한 바의 내용을 오히려 포괄한다고 보며, 모든 변형가능한 내용 또는 그 균등물을 모두 포함, 포괄한다고 본다.

본 발명은 이상과 같이 구성된 것으로, 주조속도와 주형진동조건에 따라 정해지는 네가티브스트립시간에 따라 주형내에 인가되는 자장주파수를 적정히 제어하여 자장의 크기를 조정하므로써, 작은 자장주파수(즉, 소비전력)로 탕누설 등이 일어나는 일이 없이 OSM과 탕주름상 결함을 가급적 억제하여, 주편 표면결함이 없는 주편을 고효율로 제조 가능하게 한 연속주조법을 제공할 수 있도록 되기에 이르렀다.

Claims

연속주조주형내에 고주파자장을 인가하여 전자계주조를 행함에 있어서, 인가되는 고주파는 초기응고각형성위치에 인가되는 자장의 크기가 조업파라미터에 의해 결정되는 네가티브스트립시간과 상기 고주파자장의 주파수로부터 다음 식으로 구해지는 소요최소자속밀도(B_min)와 같거나 밑돌지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 용융금속의 연속주조법.

B_min=1130×t_n-5f×(t_n-0.05)

여기에서,

t_n=cos^-1(Ⅴ/2π×f_m×a)/(π×f_m)

B_min: 필요최소자속밀도(가우스)

t_n: 네가티브스트립시간(sec)

f : 자장주파수(㎑)

Ⅴ: 주조속도(m/sec)

f_m: 주형진동수(㎐)

a : 주형의 편진폭(m)
제 1 항에 있어서, 상기 전자력을 인가하지 않을 때의 정지메니스커스위치를, 코일 상단에 일치시켜 주조를 행하는 단계를 추가적으로 구성하는 것을 특징으로 하는 용융금속의 연속주조법.
제 1 항에 있어서, 상기 전자력을 인가하지 않을 때의 정지메니스커스위치를, 코일 상단을 중심으로 ±20mm 이내의 범위로 하여 주조를 행하는 것을 특징으로 하는 용융금속의 연속주조법.
제 1 항에 있어서, 상기 인가자장주파수는 3㎑ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 용융금속의 연속주조법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 네가티브스트립시간(t_n)이 0 이하의 주형진동조건, 또는 주형진동을 행하지 않는 조건으로 주조를 행할 때에, 주편표면에 발생하는 탕주름상 결함의 깊이와 동등한 깊이를 가진 오실레이션마크(oscillation mark:OSM)가 생성되는 네가티브스트립시간을 이용하여 주편표면의 상기 탕주름결함을 억제하도록 소요최소자속밀도를 제어하도록 하는것을 특징으로 하는 연속주조법.