KR20040023908A - 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용강을 슬래브로 연속주조하는 데 사용되는 깔대기형 주형동판의 표면 크랙을 감소시켜서 주형동판의 수명을 늘릴 수 있도록 한 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법에 관한 것이다.

본 발명은 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 주조방향에 수직인 방향을 따라 깔대기형 곡면 볼록부위와, 주조방향에 평행인 방향을 따라 탕면으로부터 하부 약 180mm에 이르는 거리까지의 사각 영역에 상기 주형동판과 워터자켓을 결합시키는 텐션볼트와, 상기 텐션볼트 고정용 돌출부가 배치되지 않도록 하므로써, 상기 깔대기형 곡면 볼록부위에서의 크랙 발생을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

Description

슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법{Method for decreasing crack of mold copperplate for slab casting}

본 발명은 주형동판의 크랙 감소방법에 관한 것으로, 특히 용강을 슬래브(Slab)로 연속주조하는 데 사용되는 깔대기형 주형동판의 표면 크랙을 감소시켜서 주형동판의 수명을 늘릴 수 있도록 한 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법에 관한 것이다.

일반적으로 슬래브 연속 주조는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 냉각수가 흐르는 장방형의 장변 주형동판(1)과, 단변 주형동판(7)을 조립하여 만든 직사각형의 주형에 용강을 부은 후 응고 껍질(9)을 서서히 아래로 끌어내리면서 계속 냉각시켜 주조방향에 수직인 단면이 직사각형인 슬래브를 만든다.

상기 주형의 냉각은 워터자켓(6)쪽에 홈을 가공하고 뒷판(5)을 덮어서 만든 냉각슬롯(2)과, 여기로 냉각수를 공급하는 워터자켓(6)에 의해 이루어지며, 주조시 고열에 의한 주형의 변형을 막기 위해 장변 주형동판(1)과 뒷판(5), 워터자켓(6)이 텐션볼트(3)로 결합되어진다. 이때, 텐션볼트는 일정한 간격으로 뚫은 워터자켓(6)의 구멍을 통해 장변 주형동판(1)의 고정용 돌출부(4)에 고정된다.

이때, 용강을 주조하는 과정에서 주형내에 채워진 용강의 최상부 경계면인 탕면(8)과 접하는 동판 부위는 응고 껍질(9)이 생성되기 시작하여 매우 얇게 형성된 지점으로서 고온의 용강으로부터 가장 많은 열이 전달되는 곳이므로 동판의 어느 부위보다도 온도가 높게 되며 하기 식(1)에 의해 동판의 열팽창량도 다른 부위보다 크게 증가하게 된다.

온도변화에 따른 동판의 탕면에 평행한 방향의 열팽창량

= 17.1*10-6*ΔT*ℓ ---------- 식 (1)

ΔT: 단위거리내 평균 온도상승량,

ℓ: 동판이 고정된 텐션 볼트간의 수평 간격

주조 중 탕면(8)부위의 동판은 온도 상승량만큼 열팽창을 하려고 하지만, 텐션볼트(3)에 의해 팽창이 제한되어 압축응력이 걸리게 되며, 만약 열팽창량이 탄성한계를 넘어설 정도로 온도가 올라가면 실제 동판은 폭 방향으로 압축 소성변형이 일어나게 된다.

압축 소성변형이 일어난 후의 동판은 주조가 완료되면 급격히 수축하면서 최초의 표면적보다 더 작은 면적으로 수축하려고 하나 텐션볼트(3)에 의해 수축이 제한되므로 탕면(8)부위에 큰 인장응력이 걸리게 되어 탕면에 수직으로 크랙(crack)이 발생하는 문제점이 있다.

특히, 최근에 압연부하를 작게 하고 투자비를 줄이기 위해 기존의 200~250mm 두께의 슬래브대신 50~100mm 두께의 슬래브를 주조하는 박슬래브 연주기는 생산성을 확보하기 위해, 줄어든 두께만큼 주조속도를 높여서 주조하므로 전열량 증가로 인해 동판의 표면온도가 훨씬 높아졌다.

또한, 박슬래브 연주기는 좁은 주형내로 용강을 주입해야 하므로 침지노즐의 공간 확보를 위해서 도 3과 같은 깔대기 모양의 주형동판을 채택함에 따라 도 4에도시된 바와 같이 깔대기형 곡면부위(11)는 장변 주형동판(1)과 뒷판(5)의 가공이 어려워 냉각 슬롯(2)과 용강측 표면(Hot face)(12)의 거리가 주형동판의 평행부위(10)와 달리 불균일하게 되고, 용강쪽으로 돌출된 주형동판의 깔대기형 곡면 볼록부위(13)는 용강에 둘러싸인 형상으로 인해 주변보다 온도가 더 높게 된다.

여기서 온도 구배에 의해 동판표면에 생기는 변형 토오크(T)는 도 5에 도시한 바와 같이, 동판의 용강측 표면(12)에서의 변형응력이 τ_o일 때, 냉각 슬롯(2)과 용강측 표면(12)의 거리 즉, 동판의 유효두께(t)와 냉각 슬롯(2)의 용강측 경계면에서 장변 주형동판(1)의 워터자켓(6)측 경계면에 이르는 거리(h)의 관계식인 하기 식 (2)로 나타낼 수 있으며, 동판의 유효두께(t)와 냉각 슬롯(2)의 용강측 경계면에서 장변 주형동판(1)의 워터자켓(6)측 경계면에 이르는 거리(h)가 증가할수록 변형 토오크(T)가 증가하여 크랙이 발생할 가능성이 높아짐을 알 수 있다.

---------- 식 (2)

따라서, 깔대기형 곡면부위(11)는 온도가 높아 변형응력인 τ_o가 주위보다 높으며, 유효두께(t)도 커서 변형 토오크(T)는 가장 큰 부위이다. 게다가 이 구간에 텐션볼트(3)가 존재할 경우에는 고정용 돌출부(4)로 인해 냉각 슬롯(2)의 용강측 경계면에서 장변 주형동판(1)의 워터자켓(6)측 경계면에 이르는 거리(h)가 주변보다 더 커져서 변형 토오크(T)는 더 늘어나게 되고, 텐션볼트(3)로 인해 동판의 팽창 및 수축이 제한받게 되어 크랙을 유발하는 응력은 더욱 더 커지게 된다.

현재까지 주형동판의 크랙 발생을 막기 위해 제안된 방법들은, 순수 구리를 0.2mm로 도금하여 동판의 온도를 하강시키는 방법(USP5172749), 탕면부근에 절연물질을 삽입하여 주형동판의 온도를 낮추는 방법(USP4549599), 주형상부는 냉각슬롯을 많게 하고 하부는 작게 하여 주형동판의 온도를 줄이는 방법(USP4549599) 등으로, 깔대기형 주형에 있어서 깔대기형 곡면부위(11)에서의 온도 증가와 텐션볼트(3)의 동판표면 팽창/수축변형의 구속점 역할 및 텐션볼트 고정용 돌출부(4) 부근의 변형 토오크 증가로 생기는 국부적인 크랙에 대한 대책은 없었다.

또한, 현재 사용중인 깔대기형 주형들이 상기 문제점이 전혀 없었던 주형을 기준으로 설계되어 일정한 간격으로 텐션 볼트(3)를 배열한 결과, 깔대기형 곡면부위(11)의 상기 텐션볼트(3) 부근에서 깊은 크랙이 발생하여 고가의 주형동판을 조기에 폐각하게 되거나, 크랙 부위에서 응고가 불균일하게 되어 응고껍질(9)이 터지면서 용강이 유출되는 브렉아웃(Breakout) 사고가 발생하여 원가 및 생산성이 악화되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 깔대기형 주형동판에서 깔대기형 곡면 부위의 크랙 발생의 방지로 동판의 수명을 연장하고, 용강의 유출사고를 사전에 방지할 수 있는 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 연속주조용 주형의 조립상태를 도시한 사시도.

도 2는 조립된 연속주조용 주형의 부분단면도.

도 3은 종래 깔대기형 주형의 조립 상태를 도시한 사시도.

도 4는 종래 텐션볼트가 규칙적으로 배열된 깔대기형 주형의 평단면도.

도 5는 두께와 냉각슬롯 사양에 따른 주형동판 표면의 변형 토오크를 설명하기 위한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 깔대기형 주형동판의 조립 상태를 도시한 모식도.

도 7은 본 발명에 따라 텐션볼트가 배열된 깔대기형 주형동판의 평단면도.

도 8은 본 발명에 따른 깔대기형 주형동판의 동판 표면온도 감소 효과를 나타낸 그래프.

도 9는 본 발명의 실시예로서 주형동판에서 텐션볼트가 제거된 위치를 나타낸 정면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 장변 주형동판 2 : 냉각 슬롯

3 : 텐션 볼트 5 : 뒷판

6 : 워터자켓 7 : 단변 주형동판

8 : 탕면 9 : 응고껍질

11 : 깔대기형 곡면부위 12 : 용강측 표면(Hot face)

13 : 깔대기형 곡면 볼록부위

상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 주조방향에 수직인 방향을 따라 깔대기형 곡면 볼록부위와, 주조방향에 평행인 방향을 따라 탕면으로부터 하부 약 180mm에 이르는 거리까지의 사각 영역에 상기 주형동판과 워터자켓을 결합시키는 텐션볼트와, 상기 텐션볼트 고정용 돌출부가 배치되지 않도록 하므로써, 상기 깔대기형 곡면 볼록부위에서의 크랙 발생을 감소시키는 것을 특징으로 하는 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법에 의해 달성된다.

이하에서는 본 발명에서 텐션볼트(3)와 텐션볼트 고정용 돌출부(4)의 설치범위를 제한한 사유를 설명한다. 도 7의 깔대기형 곡면 볼록부위(13)는 용강쪽으로 동판이 돌출된 부위로서 온도가 높아 변형응력인 τ_o가 주위보다 높으며, 유효두께(t)도 커서 상기 식 2에 의해서 예측할 수 있듯이 변형 토오크(T)가 가장 큰 부위이다.

이를 수치해석을 통해 확인해본 결과 도 8에 도시한 바와 같이, 평행주형과 달리 깔대기형 주형에서는 깔대기형 곡면 볼록부위(13)에서 동판온도가 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 텐션볼트(3)가 존재하는 주변은 텐션볼트 고정용 돌출부(4)로 인해 냉각 슬롯(2)의 용강측 경계면에서 동판의 워터자켓(6)측 경계면에이르는 거리(h)가 주변보다 더 커져서 변형 토오크(T)는 더 늘어남과 동시에 텐션볼트(3)로 인해 동판의 팽창 및 수축이 제한받게 되어 크랙을 유발하는 응력은 더욱 더 커지게 된다.

한편, 용강을 주조할 때 주형내에 채워진 용강의 최상부 경계면인 탕면(8)과 접하는 동판 부위는 응고 껍질(9)이 생성되기 시작하여 매우 얇게 형성된 지점으로서 고온의 용강으로부터 가장 많은 열이 전달되는 곳이므로 동판의 어느 부위보다도 온도가 높게 되며, 상기 식 1에 의해 동판의 열팽창량도 다른 부위보다 크게 증가하게 된다. 이를 수치해석을 통해 주조방향으로 동판표면 온도분포를 계산해 보면, 동판온도는 탕면으로부터 하부 약 180mm 지점까지는 탕면(8)과 접하는 동판의 표면온도 이상으로 높게 유지되어 변형응력이 크게 작용하는 것을 확인할 수 있다.

따라서 동판을 고정하는 텐션볼트(3)는 최소한으로 설치하는 것이 크랙 방지에는 유리하다. 그러나 텐션볼트(3)가 너무 적을 경우에는 열에 의해 동판이 휘어져 워터자켓(6)과 분리되어 냉각수의 누수가 생길 수 있으므로 본 발명에서는 텐션볼트(3)의 수의 변화는 거의 없으면서 가장 크랙이 발생하기 어렵도록 텐션볼트(3)의 위치를 변경하는 것을 특색으로 한다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

(실시예)

도 9와 같이 장변 주형동판(1)의 폭이 1660mm이고, 주조방향의 길이가 1000mm이며 주조 슬래브 두께가 75mm인 깔대기형 주형동판의 최상부로부터 175mm 떨어져 있고, 주형의 좌우 끝단으로부터 454mm 떨어진 부위의 텐션볼트를 제거하여폭 900~1350mm의 슬래브를 생산하였다.

본 발명에 의한 동판은 도 8의 해석결과에서 나타내는 바와 같이, 기존의 깔대기형 주형동판에 비해 주조에 수직인 방향으로 동판 표면온도 편차가 감소한 것을 알 수 있으며, 실제 동판 크랙도 텐션 볼트를 제거하지 않을 때의 평균 5~7mm 깊이보다 훨씬 작은 2~3mm 수준으로 얕게 생성되거나 전혀 생성되지 않아서 텐션볼트를 제거하지 않을 때보다 크랙 방지에 있어서 우수하다는 것을 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법에 따르면, 깔대기형 주형동판에서 표면 온도가 가장 높은 깔대기형 곡면 볼록부위와, 탕면이 만나는 구간에 변형 토오크를 유발하는 텐션볼트 및 텐션볼트 고정용 돌출부가 배치되지 않음에 따라 장시간 고온의 용강을 연속 주조하는 과정에서 응력 집중에 의한 크랙의 발생을 감소시키고, 크랙 부위의 응고 지연부에서의 용강의 유출 현상을 방지하므로써 동판의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 깔대기형 곡면 볼록부위와, 탕면으로부터 하부 약 180mm에 이르는 거리까지의 사각 영역에 상기 주형동판과 워터자켓을 결합시키는 텐션볼트와, 상기 텐션볼트 고정용 돌출부가 배치되지 않도록 하므로써, 상기 깔대기형 곡면 볼록부위에서의 크랙 발생을 감소시키는 것을 특징으로 하는 슬래브 주조용 깔대기형 주형동판의 크랙 감소방법.