KR20010063085A - 쌍롤식 연속박판주조공정에서 균일 응고셀 형성방법과이에 사용되는 메니스커쉴드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍롤식 박판주조기에서 균일하게 응고쉘을 주조해내는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 주조롤의 에지부와 중심부의 응고능에 의해 생기는 응고셀의 두께차이를 최소화하여 롤 폭방향으로 균일한 주편을 제조하는 방법과 이에 사용되는 메니스커쉴드를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 한쌍의 주조롤 사이에 노즐을 통해 용강을 공급하는 박판주조기에서 박판을 제조하는 방법에 있어서,

상기 주조롤의 중앙부에는 아르곤 가스분위기를 유지하고, 주조롤의 에지부에는 아르곤과 질소의 혼합가스에서 질소의 비율을 점차 증가되도록 하여 상기 주조롤의 팽창이 정상상태에 도달하였을때 질소의 비율을 100% 유지하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 연속박판주조공정에서 균일 응고셀 형성방법과

한쌍의 주조롤 사이에 용강풀을 형성하여 박판을 생산하는데 있어 용강풀 표면에서 형성된 산화물이 주조롤에 혼입되는 것을 방지하기 위한 위어가 저면에 설치된 메니스커쉴드를 포함하는 박판주조기에 있어서,

상기 메니스커쉴드에는, 위어의 외측벽과 메니스커스쉴드의 저면에 연이어 접촉하여 상기 주조롤 중앙부와 양 에지부의 분위기가스를 다르게 유지하도록 하는 격벽수단이 추가로 설치되는 것을 포함하여 이루어지는 이종의 분위기가스를 사용할 수 있는 메니스커쉴드에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

쌍롤식 연속박판주조공정에서 균일 응고셀 형성방법과 이에 사용되는 메니스커쉴드{Method for producing uniformly solidified shell in twin roll strip casting processing and meniscus-shield using therein}

본 발명은 쌍롤식 박판주조기에서 균일하게 응고쉘을 주조해내는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조롤의 에지부와 중심부의 응고능 차이에 의해 생기는 응고셀의 두께차이를 최소화하여 롤 폭방향으로 균일한 주편을 제조하는 방법과 이에 사용되는 메니스커쉴드에 관한 것이다.

일반적으로 박판주조방법에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 턴디쉬(1)에 부착된 침지노즐(2)의 토출구(3)를 통해 용강을 내부의 냉각수(5)에 의해 수냉되어 회전하는 한쌍의 주조롤('쌍롤'이라고도 함)(4)의 사이로 공급하며, 공급된 용강은 주조롤(4)과 에지댐(6)에 의해 둘러싸인 용강풀(8)을 형성하게 되고, 쌍롤(4)과 접촉한 용강은 롤의 중심방향으로 열량을 빼앗기면서 롤표면에서 응고쉘(7)을 형성하면서 서로 반대방향으로 회전하는 쌍롤에 의해 롤닢을 빠져나와 주편(9)으로 제조된다.

용강풀의 상측에는 대기와의 접촉에 의해 용강이 산화되는 것을 방지하기 위해 외부 공기를 차단해주는 메니스커스실드(10)(도 5a)가 설치되어 있고, 이 메니스커스쉴드에 설치된 가스 공급구(14)을 통해 용강 표면으로 불활성 가스를 공급해줌으로써 탕면 윗부분이 불활성 분위기로 유지되도록 한다. 또한, 침지노즐에서 토출된 용강의 운동량은 상당히 커서 탕면 요동을 야기시킬 수 있기 때문에 용강유동 제어를 목적으로 매니스커쉴드의 저면에는 위어(12)가 부착되어 있다. 탕면위의 분위기를 최대한 불활성 가스로 유지하여야 하지만, 100% 실링(sealing)을 확보하기란 어려워 부분적으로 산화물이 탕면에서 생성될 소지가 있다. 위어는 이렇게 생성된 산화물이 성장하는 응고셀로 도달하지 못하도록 하는 일종의 장애물 (barrier) 역할도 감당한다.

이와 같이, 쌍롤식 박판주조방법에서는 용강의 산화를 방지하면서 불가피하게 생성되는 산화물이 응고쉘로 혼입되는 것을 방지하는 것이 중요하며, 이를 위한 여러가지 방안이 제안되어 있으며, 그 대표적인 기술로는 일본 공개특허공보 평 6-297111호와 일본 공개특허공보 평 7-204795호를 예로 들 수 있다.

상기 일본공개특허공보 평6-297111호에는 롤과 에지댐으로 둘러싸인 용강의 산화를 방지하기 위해 탕면 윗부분에 노즐의 침지깊이의 조절이 가능하도록 하면서 외부의 산화성 분위기를 차단할 수 있는 실링(SEALING) 장치가 제안되어 있다. 이 기술은 주조시 탕면레벨을 변화시킬 필요가 있을 때에는 턴디쉬 측면에 설치된 스프링을 조절함으로써 노즐의 침지깊이 조정이 가능하도록 함과 동시에 탕면 레벨 높이 변화에 의해서도 탕면위의 불활성 분위기가 계속 유지되도록 한다. 또한, 탕면 윗부분을 불활성 분위기로 유지시켜 최대한 산화물이 생성되는 것을 방지함과동시에 생성된 산화물이 성장하는 응고셀로 혼입되는 것을 방지하고 있다.

상기 일본 공개특허공보 평 7-204795호에는 용강풀에 부분적으로 침적되는 장변댐을 설치하여 탕면에서 생성된 산화물이 성장하는 응고쉘로 혼입되는 것을 방지하는 것을 목적으로 하고 있다. 즉, 롤 표면과 장변댐 사이에 약간의 간격의 유지되도록 하고 탕면레벨이 이 간격사이에 유지되도록 함과 동시에 탕면 윗 부분을 불활성분위기로 유지시켜 최대한 산화물이 생성되는 것을 방지하고 또한, 생성된 산화물이 성장하는 응고쉘로 혼입되는 것을 방지하고 있다.

한편, 주조롤은 주조가 진행됨에 따라 롤 온도의 상승으로 팽창하게 되고 롤 에지부 보다 롤 중앙부의 팽창이 더 심하게 된다. 그런데, 최종적으로 얻어지는 주편은 가능한한 롤 폭방향으로 편평해야 하기 때문에, 즉 롤 폭방향으로 주편 두께 편차가 작아야 하기 때문에 위와 같은 사항을 고려 도 2와 같이 주조전의 주조롤의 중앙부는 오목하게 하고 양에지부는 볼록한 형상을 갖도록 크라운(crown)을 형성하고 있다. 주조가 진행되면 롤은 팽창하여 더이상 팽창하지 않은 정상상태(도 2에서 일점쇄선)로 된다.

이러한 롤 표면에서 응고셀이 형성될때 용강의 방출열은 롤 내부의 냉각수 홀(hole)을 순환하는 냉각수를 통해 빠져나가게 된다. 그런데, 일반적으로 롤완전 에지부까지는 냉각수가 순환할 수 없도록 냉각수 호울이 가공되어 있고, 에지댐이거의 단열조건을 형성하고 있기 때문에 주조시 롤 에지부에서 생성되는 응고셀의 두께가 롤 중앙부에서 생성되는 것 보다 작을 수 밖에 없다. 또한, 롤완전 에지부는 탕면 표면실링(sealing)시 취약지역이기 때문에 대기와의 접촉에 의해 롤 표면이 산화되기 쉬워 롤 표면 흑피가 롤 중앙부보다 더 두껍게 형성될 확률이 높으며 결국 응고셀이 롤 중앙부보다 더 형성되기 어렵게 된다. 롤과 성장하는 응고셀 사이에는 열저항이 존재하는데, 이 열저항은 롤 표면의 흑피, 분위기 가스층 두께 등에 의해 야기되며 이러한 조건들이 롤 표면에서 균일하게 형성되지 못할 경우 롤 폭방향으로 불균일한 응고가 수반되게 되어 주편표면결함 및 생산성저하를 가져오게 된다.

본 발명은 주조롤의 중앙부와 에지부의 분위기가스를 다르게 함으로써 상대적으로 롤에지부의 분위기가스층의 두께를 얇게 유지할 수 있게 하여 주조롤의 중앙부와 에지부의 응고능 차이를 줄여 응고쉘의 두께를 균일하게 할 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다. 나아가, 본 발명은 이러한 주조방법에 적용될 수 있는 이종의 가스를 사용할 수 있는 메니스커쉴드를 제공하는데도, 그 목적이 있다.

도 1은 쌍롤식 연속박판주조기의 개략도

도 2는 주조중 롤크라운의 변화양상을 나타내는 모식도

도 3은 STS304강에서 용강온도변화에 따른 질소용해도 변화를 나타내는 그래프

도 4는 주조중 공급가스압의 변화양상의 일례를 나타내는 그래프

도 5는 쌍롤식 연속박판주조기에 채용되는 메니스커쉴드로서

도 5(a)는 종래의 메니스커쉴드, 도 5(b)는 본 발명의 메니스커쉴드

도 6은 혼합가스 공급장치의 개략도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1.....턴디쉬 2.....침지노즐

4a, 4b.....쌍롤(주조롤) 6.....에지댐

9.....주편 10, 20..... 메니스커스쉴드

12.....위어 14.....가스공급구

24.....가스배기구

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 한쌍의 주조롤 사이에 노즐을 통해 용강을 공급하는 박판주조기에서 박판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 주조롤의중앙부에는 아르곤 가스분위기를 유지하고, 주조롤의 에지부에는 아르곤과 질소의 혼합가스에서 질소의 비율을 점차 증가되도록 하여 상기 주조롤의 팽창이 정상상태에 도달하였을때 질소의 비율을 100% 유지하는 것을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명은 한 쌍의 주조롤 사이에 용강풀을 형성하여 용강풀 표면에서 형성된 산화물이 주조롤에 혼입되는 것을 방지하기 위한 위어가 저면에 설치된 메니스커쉴드를 포함하는 박판주조기에 있어서, 상기 메니스커쉴드에는, 위어의 외측벽과 메니스커쉴드의 저면에 연이어 일체로 연결되어 상기 주조롤 중앙부와 양 에지부의 분위기가스를 다르게 유지하도록 하는 격벽수단이 추가로 설치되는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 롤에지부의 응고능을 향상시켜 롤 중앙부의 응고능과 거의 비슷하게 유지하기 위하여 롤 중앙부 보다 롤에지부의 가스막 두께를 얇게 할 수 있도록 롤중앙부와 롤에지부의 분위기가스를 다르게 조절하는데, 그 특징이 있다.

본 발명자들은 아르곤의 경우 용강으로의 용해도는 거의 없는 반면 질소의 경우 시간경과에 따라 분위기 질소가 용강중으로 부분 용해되는데, 주목하여 본 발명을 완성하게 이르렀다. 도 3에 나타난 바와 같이, STS304에서 용강 온도변화에따른 질소 용해도는 용강온도가 증가할수록 용해도가 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 롤 에지쪽으로 공급되는 분위기 가스중 질소의 비율이 높아질수록 질소의 용해도는 점차 많아지게 되고 결국 응고셀과 롤 표면 사이에 존재하는 가스막의 두께가 용해도 증가에 따라 얇아지게 된다. 열저항으로 작용하는 이 가스막의 두께가 점차 얇아지게 되면 열저항은 점차 감소하게 되고 결국 롤 에지부의 응고능 향상을 가져오게 되어 최종적으로 롤 중앙부와 유사한 응고능을 얻을 수 있게 된다.

주조롤의 에지부에 분위기 가스를 주조초기부터 100% 질소가스를 공급하게 되면 롤 크라운 효과 때문에 주조롤의 에지부에서 과응고가 심하게 되어 롤 에지부 손상(damage)을 가져올 수 있다. 따라서, 도 4에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 롤 에지쪽으로 공급되는 가스는 혼합가스를 사용하여 주조가 진행될수록 점차 질소의 비율을 증가시켜 롤 팽창이 정상상태(Tf)에 도달하는 시점에서 혼합가스중 질소의 비율이 100%에 도달하도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 초기에는 질소비율이 거의 0%인 상태에서 시작할 수도 있다. 주조롤은 도 2에서 보인 바와 같이, 주조가 진행되면 팽창하여 일정 시점이후에는 더 이상 팽창하지 않는데, 이를 보통 '정상상태'라고 부른다. 이러한 정상상태의 판단은 주조롤에 센서를 부착하여 팽창정도를 감지하여 행한다. 통상적으로 롤 팽창은 주조 시작후 롤이 약 40회전을 하게 되면 정상상태에 도달하게 된다.

본 발명에서 주조중 에지부에 혼합가스중 질소의 비율은 롤중앙부와 롤에지부 응고쉘의 두께를 균일하게 할 수 있는 질소 증감량의 조건을 구하고, 이를 기준으로 하여 질소의 비율을 점차 증가시키는 것이 바람직하다. 일례로, 응고쉘의 두께 균일성은 주조롤의 길이방향으로 온도를 측정하여 판단할 수 있으며, 롤중앙부와 롤에지부의 온도차가 적을 수록 응고쉘의 두께는 균일해진다. 따라서, 사전에 주조롤의 에지부에 혼합가스의 질소비율을 다양하게 증가변화시키면서 주조롤의 길이방향으로 온도를 측정한다. 측정된 주조롤의 길이방향의 온도중에서 주조롤의 중앙부와 에지부의 온도차이를 가장 적게하는 질소의 증가변화량을 선택하여 실조업에서 이 질소의 증가량으로 혼합가스의 비율을 조정하여 조업하면 응고쉘의 두께 균일성을 재현성있게 확보할 수 있다.

본 발명에서는 주조롤의 중앙부와 에지부에 서로 다른 분위가스를 사용하는데, 만일 도 5(a)와 같은 통상의 메니스커쉴드에서 에지부에는 질소가스를 그리고 롤 중앙부에는 아르곤가스를 공급할 경우 공급된 가스는 탕면 위에서 난류 흐름을 발생시키면서 서로 섞이게 되어 롤의 중앙부와 에지부의 분위기가스를 서로 다르게 유지할 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 도 5(b)와 같이, 메니스커스실드 사이에 가스 흐름을 제어할 수 있는 격벽수단(22a, 22b)을 추가로 설치하여 공급된 각각의 분위기 가스가 그 지역에서만 효과를 나타낼 수 있도록 한다.

본 발명의 메니스커쉴드(20)는 위어(12)의 외측벽과 메니스커쉴드의 저면에연이어 일체로 결합되어 주조롤의 중앙부와 에지부의 분위기가스를 다르게 유지시켜주는 격벽수단(22)이 마련되어 있다. 이 격벽수단(22)은 그 외주면이 주조롤의 곡률과 같이 호형면을 갖고 주조롤에 근접하게 설치되고 또한, 에지부와 중앙부에 분위기가스를 다르게 유지하도록 하는 위치에 설치된다. 일례로, 주조롤의 에지부와 중앙부의 경계는 롤 양에지로 부터 전체 롤 길이의 1/4 내지 1/5에 해당하는 곳에 위치하므로, 이 위치에 격벽수단이 위치하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 메니스커쉴드(20)를 이용하여 메니스커쉴드의 내부에 분위기 가스압이 형성되게 되면 가스 실링(sealing)이 완벽치 못한 곳으로 분위기 가스 출구가 형성되게 된다. 만약, 가스의 흐름이 롤 중앙부에서 롤 에지쪽으로 형성된다면, 롤 중앙부로 공급된 아르곤 가스가 롤 에지쪽으로 이동하게 되어 롤 에지쪽의 응고능을 떨어뜨리게 되므로 가스의 흐름은 롤 에지쪽에서 롤 중앙부로 유지되도록 할 필요가 있다. 따라서, 롤중앙부에 가스를 배기하여 롤중앙부의 가스압을 낮추면 롤에지부의 가스가 롤중앙부로 이동하게 되는데, 이는 롤중앙부의 상측에 위치하는 메니스커쉴드에 가스배기구(24)를 마련하면 가능하다. 물론 질소가스가 롤 중앙부로 이동하여 롤 중앙부의 응고능을 약간 향상시키는 단점이 있겠지만 아르곤 가스가 롤 에지쪽으로 이동하여 에지부 응고능이 나빠져 용강 누수(bleeding)등이 발생하는 것보다는 더 바람직한 방향일 것이다.

본 발명에 따라 주조롤의 에지부에 공급되는 혼합가스 비율은 롤 팽창이 정상상태에 도달하는데 걸리는 시간과 전기적으로 연동시킬 필요가 있다. 이를 위해 메니스커쉴드의 가스공급구에 공급되는 가스의 공급량을 조정하는 장치의 일례가 도 6에 도시적으로 나타나 있다. 시간 경과에 따라 전기적인 신호가 모터에 전달되게 되고 이 모터에 의해 샤프트가 회전하게 되며, 샤프트에 장착된 와이어 코일러(wire coiler)가 회전하면서 아르곤 공급라인의 밸브는 점차 잠그게 되고 질소공급라인의 밸브는 점차 열게 되어 최종적으로 롤 팽창이 정상상태에 도달하게 되면 질소 밸브만 완전히 열린 상태가 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 주조롤에 응고능차이를 고려하여 이종의 분위기가스를 공급함으로써 균일한 주편의 응고를 통해 주편결함이 없는 박판을 제공할 수 있으며, 또한 주조롤의 손상을 방지할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (5)

1. 한쌍의 주조롤 사이에 노즐을 통해 용강을 공급하는 박판주조기에서 박판을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 주조롤의 중앙부에는 아르곤 가스분위기를 유지하고, 주조롤의 에지부에는 아르곤과 질소의 혼합가스에서 질소의 비율을 점차 증가되도록 하여 상기 주조롤의 팽창이 정상상태에 도달하였을때 질소가스 분위기로 유지하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 연속박판주조공정에서 균일 응고셀 형성방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 에지부에 아르곤과 질소의 혼합가스제어는,

   사전에 상기 주조롤의 에지부에 혼합가스의 질소비율을 증가변화시키면서 주조롤 길이방향으로 온도를 측정하는 단계;

   상기에서 측정한 주조롤의 중앙부와 에지부의 온도차가 최소화되는 질소의 증가량을 구하는 단계;

   실조업에서 상기에서 구한 질소의 증가량에 따라 질소와 아르곤의 혼합가스에서 질소비율을 증가시키는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 쌍롤식 연속박판주조공정에서 균일응고쉘 형성방법.
3. 한 쌍의 주조롤 사이에 용강풀을 형성하여 용강풀 표면에서 형성된 산화물이 주조롤에 혼입되는 것을 방지하기 위한 위어가 저면에 설치된 메니스커쉴드를 포함하는 박판주조기에 있어서,

   상기 메니스커쉴드에는, 위어의 외측벽과 메니스커쉴드의 저면에 연이어 접촉하여 상기 주조롤과 양 에지부의 분위기가스를 다르게 유지하도록 하는 격벽수단(22)이 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 이종의 분위기가스를 사용할 수 있는 메니스커쉴드.
4. 제 3항에 있어서, 상기 가스격벽수단은 외주면이 호형면의 형상을 갖어 주조롤에 근접하여 상기 주조롤의 양단으로 부터 중심부로 1/4∼1/5 지점에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 이종의 분위기가스를 사용할 수 있는 매니스커쉴드.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 가스격벽수단사이의 주조롤 중앙부에 위치하는 매니스커쉴드에는 가스배기구(24)가 마련됨을 특징으로 하는 이종의 분위기가스를 사용할 수 있는 메니스커쉴드.