KR20030093846A - 강의 연속주조용 주형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강 주편을 제조하는 연속주조방법에 사용되는 강의 연속주조용 주형에 관한 것으로서, 장변부와 단변부로 이루어지는 강의 연속주조용 주형에 있어서 주형 단변부를 다단으로 형성함으로써, 주형상부에서는 공기틈이 억제되어 균일한 초기응고층을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 주형하부에서는 주형 단변부의 마멸을 방지하고 또한 주형성분의 하나인 동성분에 의해 발생되는 주편의 코너크랙을 저감할 수 있는 강의 연속주조용 주형을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 장변부와 단변부로 이루어지는 강의 연속주조용 주형에 있어서,

상기 단변부는 상단변부와 하단변부로 이루어지고, 그리고

상기 상단변부의 경사도가 하단변부의 경사도보다 크도록 구성되는 강의 연속주조용 주형을 그 요지로 한다.

Description

강의 연속주조용 주형{Mold for Continuous Casting Steel}

본 발명은 강 주편을 제조하는 연속주조방법에 사용되는 강의 연속주조용 주형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 장변부와 단변부로 이루어지는 강의 연속주조용 주형에 있어서 단변부가 경사도가 다른 다단으로 형성되어 있는 강의 연속주조용 주형에 관한 것이다.

통상, 연속주조공정은 도 1에 나타난 바와 같이 용강이 턴디시에서 수냉식 동제 주형(1)으로 공급되어 1차로 초기 응고층이 형성된 후, 다수의 롤(2)로 구성된 연주기 세그먼트(6~10)를 통과하면서 롤간에 설치된 노즐(3)에서 분사되는 냉각수(4)에 의해 2차로 응고가 진행되어 완전히 응고됨으로써 주편을 제조하는 공정이며, 응고된 주편(11)은 세그먼트 말단부에서 절단기(5)로 일정한 길이로 절단된다.

상기 수냉식 동제 주형(1)은 도 2에 나타난 바와 같이 장변부(12)와 단변부(13)로 구성된다.

일반적으로 단변부의 경사도는 장변부의 경사도에 비교하여 크다.

이러한 이유는 주편(슬라브)의 단변에 비교하여 장변이 매우 넓으므로 장변을 따라 생기는 열수축이 많기 때문이다.

따라서 주형의 단변부에 열수축에 의해 발생하는 공기틈(air gap)을 보상하기 위하여 필수 불가결하게 장변부의 경사도에 비하여 단변부의 경사도를 크게 하고 있다.

주형 단변부의 경사도가 작으면 응고초기에 공기틈이 크게 발달하여 주편에서 주형으로의 열유속이 감소하여 응고층이 얇아지게 되므로 주형 바로 밑에서 용강이 유출되는 응고층 터짐(breakouts)이 발생한다.

응고층 터짐의 발생은 주편의 생산량과 크게 관련이 있기 때문에, 응고층 터짐을 방지할 목적으로 장변부의 경사도에 비하여 단변부의 경사도를 크게 부여하게 된다.

반면, 주형 단변부의 경사도가 크면 응고초기에 공기틈 형성이 억제되어 응고층은 균일하게 형성되지만 주편과 주형사이의 마찰력에 의한 계면압력 및 응고층 상부표면과 하부표면 사이의 열수축 차이로 주편 가장자리부가 도 3에 나타난 바와 같이 단변부방향으로 휘어져 주형 단변부의 마멸을 유발하게 된다.

도 2에서 부호 14는 주형 단변부의 마멸부를 나타낸다.

통상적으로, 주형 단변부의 마멸은 탕면으로부터 대략 200 mm지점에서 발생되어 주형출구쪽으로 갈수록 점차 마멸폭이 넓어지며 주형출구에서는 마멸폭이 대략 30 mm정도, 마멸깊이는 대략 3~5 mm정도에 이른다.

주편과 주형단변부의 심한 접촉에 의해 주형 단변부에 마멸이 발생되는 경우에는 도 4에 나타난 바와 같이, 이러한 마멸발생에 의해 주형의 동(Cu)성분이 주편으로 침투 확산되게 된다.

도 4의 (a)는 단변주편 모서리 영역을 관찰한 사진을 나타내고, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 주편 코너크랙 위치에 대한 SEM 분석결과를 나타내고, 도 4의 (c)는 주형 단변부의 가장자리부를 관찰한 사진을 나타내고, 도 4의 (d)는 도 4의 (c)의 주형단변부에서의 마멸부에 대한 SEM 분석결과를 나타낸다.

도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 주편의 가장자리부에서 주형의 동(Cu)성분이 분석되고, 그리고 도 4의 (d)에 나타난 바와 같이, 주형의 마멸부에서 주편의 성분이 철(Fe)이 분석됨을 알 수 있다.

특히, 동 성분은 주편 표면크랙 및 내부크랙을 조장시키는 원소로 알려져 있으며, 따라서 주편의 코너 및 코너부근의 크랙발생에 지대한 영향을 주게 된다.

본 발명자는 상기한 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 장변부와 단변부로 이루어지는 강의 연속주조용 주형에 있어서 주형 단변부를 경사각이 다른 2단으로 형성함으로써, 주형상부에서는 공기틈이 억제되어 균일한 초기응고층을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 주형하부에서는 주형 단변부의 마멸을 방지하고 또한 주형성분의 하나인 동성분에 의해 발생되는 주편의 코너크랙을 저감할 수 있는 강의 연속주조용 주형을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 종래의 연속주조장치를 모식적으로 나타내는 모식도

도 2는 종래의 연속주조용 주형의 일부 개략도

도 3은 종래의 연속주조용 주형을 사용한 경우에 대한 주편 휘어짐 현상 관찰도

도 4는 주편의 코너크랙 및 마멸된 주형 단변부에서의 성분 관찰도

도 5는 본 발명에 부합되는 연속주조용 주형의 일례를 나타내는 개략도

도 6은 종래의 주조조건에서 주편과 주형의 온도분포도

도 7은 종래의 연속주조용 주형에서 주형 단변부의 마멸분포의 계산 및 실측결과도

도 8은 종래주형과 본 발명주형을 사용하여 연속주조하는 경우 주편의 변형형상과 공기틈의 형성과정을 나타내는 그래프

도 9는 종래주형과 본 발명주형을 사용하여 연속주조하는 경우 주편과 주형 사이의 공기틈 크기 변화를 나타내는 그래프

도 10은 종래주형과 본 발명주형을 사용하여 연속주조하는 경우 주편표면의 온도변화를 나타내는 그래프

도 11은 종래주형과 본 발명주형을 사용하여 연속주조하는 경우 주편 크랙 발생 가능성 분포를 나타내는 그래프

도 12는 종래주형과 본 발명주형을 사용하여 연속주조하는 경우 주형 단변부의 마멸분포도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 . . 주형 2 . . 롤 3 . . 노즐 6 ∼10 . . 연주기 세그먼트(segment)

11 . . 주편 12 . . 장변부 13, 130 . . 단변부 14 . . 마멸부

131. . 상단변부 132 . . 하단변부 133 . . 상단변부와 하단변부의 경계선

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 장변부와 단변부로 이루어지는 강의 연속주조용 주형에 있어서,

상기 단변부는 상단변부와 하단변부로 이루어지고, 그리고

상기 상단변부의 경사도가 하단변부의 경사도보다 크도록 구성되는 강의 연속주조용 주형에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 부합되는 강의 연속주조용 주형을 제안하기 위하여 다음과 같은 점에 대하여 연구 및 실험을 행하였다.

1) 주편과 주형사이의 공기틈 형성의 억제 및 공기틈 두께의 균일화

2) 주편 크랙발생을 억제하기 위한 인장응력의 최소화 및 온도 균일화

3) 주형의 마멸현상의 최소화

상기 연구 및 실험 결과에 의하여 상단변부 및 하단변부의 적절한 경사도와 상단변부 및 하단변부의 경계점이 중요하다는 것을 도출하게 되었다.

추가적인 연구 및 실험을 통하여 바람직한 상단변부 및 하단변부의 각각의 경사도와 상단변부 및 하단변부의 경계점을 도출하게 되었다.

본 발명의 강의 연속주조용 주형에 있어서, 보다 바람직한 상단변부의 경사도는 하기 식(1)에 의해 구해지는 값으로 2.2 ~ 2.8 %/m 이고, 그리고 바람직한 하단변부의 경사도는 하기 식(1)에 의해 구해지는 값으로 0.8 ~ 1.2%/m이다.

[W_T: 주형 상부에서 주편폭이고, W_B: 주형 하부에서 주편폭이고, 그리고 L: 탕면으로부터의 주형길이]

본 발명의 연속주조용 주형은 도 2에서와 같이 장변부(12)와 단변부(13)로 이루어지는 강의 연속주조용 주형에 있어서, 단변부를 개량한 것으로서, 그 일례가 도 5에 나타나 있다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 연속주조용 주형을 구성하는 단변부(130)는 소정의 경사도를 갖는 상단변부(131)와 하단변부(132)로 이루어진다.

상기 상단변부(131)의 경사도는 하단변부(132)의 경사도보다 크도록 구성된다.

상기 상단변부(131)를 소정의 경사도를 갖도록 형성하는 것은 상기 주편이 초기 응고시 열수축에 의해 발생하는 공기틈을 보상하고, 공기틈의 두께를 균일화하는 작업을 수행하고, 초기 응고층이 열수축에 의한 인장응력의 발생을 최소화하도록 하기 위함이다.

그리고, 상단변부(131)의 경사도는 하단변부(132)의 경사도보다 크게 하여야 하고, 그 값은 2.2 ~ 2.8 %/m이고, 바람직한 경사도는 2.45 ~ 2.65 %/m이고, 보다 바람직한 경사도는 2.48 %/m이다.

한편, 상기 주편이 초기 응고층을 형성한 후, 주형의 경사에 의해 밀치는 힘에 의하여 주형 단변부 방향으로 휘어지게 되어 주형 단변부가 마멸되게 된다.

상기 하단변부(132)를 소정의 경사도를 갖도록 형성하는 것은 주형 단변부의 마멸을 최소화하기 위한 것으로서, 그 경사도는 상기 상단변부(131)의 경사도보다 작게 하여야 하고, 그 값은 0.8 ~ 1.2%/m, 바람직한 경사도는 0.9 ~ 1.1%/m이며, 보다 바람직한 경사도는 1.0 %/m이다.

상기 상단변부(131)의 말단과 하단변부(132)의 선단이 만나는 위치 즉, 상기 상단변부(131)와 하단변부(132)의 경계선(133)은 탕면으로부터 대략 50 ~ 100 mm지점에 위치되도록 상기 상단변부(131)와 하단변부(132)를 구성하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 경계선(133)이 탕면으로부터 60 ~ 90 mm지점에 위치되도록 하고, 가장 바람직하게는 70 mm지점에 위치되도록 하는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

종래예

열응력 응고모델을 이용하여 주폭: 1600 mm, 주속: 1 m/min, 및 주형경사도: 1.49 %/m(또는 1.15 %)의 종래의 주조조건에서 주조시 주편과 주형의 온도분포를 탕면으로부터 주조거리에 따라 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6의 (a)는 탕면으로부터 50mm가 되는 위치의 결과를 나타내고, (b)는 탕면으로부터 300mm가 되는 위치의 결과를 나타내고, (c)는 탕면으로부터 550mm가 되는 위치의 결과를 나타내고, (d)는 탕면으로부터 770mm가 되는 위치의 결과를 나타낸다.

또한, 주형 단변부의 마멸분포를 계산 및 실측하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7의 (a)는 계산치를 나타내고, (b)는 실측치를 나타낸다.

그리고 도 7에서 마멸인자(apparent wear parameter)(W_p)는 하기 식(2)에 의하여 구한 것이다.

[W_p: 마멸인자, P_i: 주편과 주형사이의 계면압력, σ_γ(T): 온도에 대한 주형의 항복응력]

도 6에 나타난 바와 같이, 응고초기에 주편과 주형 사이에 공기틈이 형성되고[도 6의 (a) 참조], 주형경사에 의해 고온에서 강도가 낮은 주편 응고층은 주형단변부 방향으로 휘어지게 되고[도 6의 (b)참조]. 이 후 주편은 주형단변부와 심한 접촉을 하게 되고, 이로 인하여 주형의 마멸과 주편의 크랙의 발생 가능성이 증대된다[도 6의 (c) 및 (d) 참조].

한편, 도 7에 나타난 바와 같이, 계산된 마멸분포에 의하면, 주형 단변부의 마멸이 시작하는 위치는 탕면으로부터 대략 200 mm지점이고, 마멸폭은 대략 35 mm로 실조업에서 관찰된 주형의 마멸현상과 잘 일치함을 알 수 있다.

발명예

상단변부의 경사도가 2.48 %/m이고, 하단변부의 경사도가 1.0 %/m이고 그리고 상단변부와 하단변부의 경계선이 탕면으로부터 70 mm인 본 발명의 주형("발명주형 1"이라 칭함)과 발명주형 1의 설계를 기본으로 한 포물선(parabolic) 모양을 갖는 주형(이하, "발명주형 2"라 칭함)을 사용하여 주폭: 1600 mm 및 주속: 1 m/min의주조조건으로 연속주조하여 강 주편의 제조시, 탕면으로부터 주조거리에 따른 주편의 변형형상과 공기틈의 형성과정을 관찰하고, 그 결과를 상기한 종래예에 제시된 주형(이하, "종래주형"이라 칭함)대한 결과치와 함께 도 8에 나타내었다.

도 8에서(a)는 종래주형을, (b)는 발명주형 1을, 그리고 (c)는 발명주형 2를 나타낸다.

또한, 상기 발명주형 1과 발명주형 2에 대하여 단변부 가장자리부에서 주편과 주형 사이의 공기틈의 크기변화를 관찰하고, 그 결과를 종래주형에 대한 결과치와 함께 도 9에 나타내었다.

또한, 상기 발명주형 1과 발명주형 2에 대하여 주편의 장변부 및 단변부 가장자리부에서 주편표면의 온도변화를 측정하고, 그 결과를 종래주형에 대한 결과치와 함께 도 10에 나타내었다.

또한, 상기 발명주형 1과 발명주형 2에 대하여 주형출구에서 주편 표면으로부터 거리에 따른 크랙 발생 가능성을 조사하고, 그 결과를 종래주형에 대한 결과치와 함께 도 11에 나타내었다.

도 11에서의 크랙 발생 가능성은 하기 식(3)에 의하여 구한 균열감수성인자(S_c)에 의하여 나타낸 것이다.

[S_c: 균열감수성인자, Y_I: 주편의 최대주응력, Y_C(T): 온도에 대한 주편의 균열발생임계응력]

또한, 상기 발명주형 1과 발명주형 2에 대하여 주형 단변부의 마멸분포를 관찰하고, 그 결과를 종래주형에 대한 결과치와 함께 도 12에 나타내었다.

도 12에서(a)는 종래주형을, (b)는 발명주형 1을, 그리고 (c)는 발명주형 2를 나타낸다.

도 12에서의 마멸인자는 상기 식(2)에 의하여 구해진 것이다.

도 8(a)에서 알 수 있는 바와 같이, 종래주형[전형적인 직선경사(linear taper)주형]의 경우에는 응고초기부터 주형 단변부 경사도가 작기 때문에 국부적인 열수축에 의한 공기틈이 형성되며, 응고가 진행됨에 따라 주형경사에 의한 주편 휘어짐(corner rotation)이 발생하여 주편과 주형 사이의 접촉이 발생된다.

한편, 도 8(b) 및 (c)에서 알 수 있는 바와 같이, 발명주형 1(다단형태)및 발명주형 2(포물선 형태)의 경우에는 응고초기부터 열수축에 의한 공기틈의 형성보다 주형 단변부의 경사도가 충분히 크기 때문에 주편과 주형 사이의 접촉이 일찍 발생하지만 균일한 공기틈을 유지한다.

또한, 발명주형 1 및 발명주형 2의 경우에는 응고가 진행됨에 따라 주편의 휘어짐이 종래주형에 비하여 현저히 감소하여 국부적인 표면주름의 깊이가 감소한다.

또한, 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 종래주형의 경우에는 단변 가장자리부의 공기틈은 응고초기에 최대 0.8 mm정도까지 형성되어 응고말기에는 0.2 mm정도의 공기틈을 유지하는데 반해, 발명주형 1 및 발명주형 2의 경우에는 탕면으로부터 100 mm지점 이후부터 공기틈이 형성되어 최대 0.2 mm정도까지만 증가하고, 응고말기까지균일한 공기틈을 유지한다.

따라서, 발명주형 1 및 발명주형 2의 경우에는 주편과 주형 사이의 공기틈의 억제 및 균일화를 만족시킬 수 있게 된다.

또한, 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 주편의 장변 및 단변 중앙부의 표면온도는 주형 단변부의 경사 유형에 관계없이 일정하다.

그러나, 종래주형의 경우에는 단변부 가장자리부의 표면온도는 재가열현상이 발생하여 표면온도가 증가한 후 감소하지만, 발명주형 1 및 발명주형 2의 경우에는 공기틈의 형성이 억제 및 균일화되기 때문에 단변 가장자리부의 표면온도는 주편 중앙부의 표면온도와 경향이 거의 일치함을 알 수 있다.

또한, 종래주형의 경우에는 그 장변부의 가장자리부가 탕면으로부터 50 mm지점에서부터 재가열현상으로 응고말기까지 고온으로 유지되지만, 발명주형 1 및 발명주형 2의 경우에는 탕면으로부터 200 mm지점까지 표면온도가 지속적으로 감소한 후에 재가열현상이 나타남을 알 수 있다.

따라서, 발명주형 1 및 발명주형 2를 사용하는 경우에는 종래주형을 사용하는 경우에 비하여 균일한 주편의 표면온도를 얻을 수 있게 된다.

또한, 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 고온취화영역에서 발명주형 1 및 발명주형 2의 크랙 발생 가능성은 종래주형에 비하여 거의 50%정도 감소한다.

따라서, 발명주형 1 및 발명주형 2을 사용하는 경우에는 주편의 표면온도 균일화 및 인장응력의 최소화에 의한 크랙 발생 가능성을 최소화시킬 수 있다.

또한, 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 종래주형의 경우에는 주형단변부의 마멸이시작하는 위치가 탕면으로부터 200 mm지점이고, 마멸폭은 대략 35 mm정도이다.

한편, 발명주형 1 및 발명주형 2의 경우에는 주형 단변부의 마멸이 시작하는 위치가 탕면으로부터 350 mm지점이고, 마멸폭은 대략 10 mm이하로 크게 감소하고 마멸정도인 겉보기 마멸인자 값도 크게 감소시킴을 알 수 있다.

따라서. 발명주형 1 및 발명주형 2를 사용하는 경우에는 주형의 마멸현상을 최소화시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 주편과 주형 사이에 발생하는 공기틈 형성의 억제하고 또한 균일화할 수 있을 뿐만 아니라 주형의 마멸현상을 최소화할 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명은 공기틈 조절에 의한 주편의 표면온도를 균일화 함에 따라 주편에 발생하는 인장응력의 최소화로 주편의 크랙 발생 가능성을 최소화할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. 장변부와 단변부로 이루어지는 강의 연속주조용 주형에 있어서,

   상기 단변부는 상단변부와 하단변부로 이루어지고;

   상기 상단변부의 경사도는 하기 식(1)에 의해 구해지는 값으로 2.2 ~ 2.8 %/m이고, 상기 하단변부의 경사도는 하기 식(1)에 의해 구해지는 값으로 0.8 ~ 1.2%/m이고;

   (수학식 1)

   경사도(%/m)=(W_T-W_B)/(W_B*L) * 100

   [W_T: 주형 상부에서 주편폭이고, W_B: 주형 하부에서 주편폭이고, 그리고 L: 탕면으로부터의 주형길이]

   그리고

   상기 상단변부와 하단변부의 경계선은 탕면으로부터 50 ~ 100 mm지점에 위치되도록 구성되어 있는 강의 연속주조용 주형
2. 제1항에 있어서, 상기 상단변부의 경사도는 2.45 ~ 2.65 %/m이고, 상기 하단변부의 경사도는 0.9 ~ 1.1%/m이고, 그리고 상기 상단변부와 하단변부의 경계선은 탕면으로부터 60 ~ 90 mm지점에 위치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 강의 연속주조용 주형
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단변부는 포물선형태를 갖는 것을 특징으로 하는 강의 연속주조용 주형