KR20040056879A - 용탕 인출법에 의한 금속박판 제조용 주조롤 및 그금속박판의제조방법 - Google Patents

Abstract

용탕 인출법에 의한 금속박판 제조용 주조롤 및 그 금속박판의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 주조롤은 냉각능이 우수한 Cu계 합금으로 이루어지며, 다수개의 구멍을 형성한 롤 축과, 상기 주조롤의 내부는 냉각수가 순환하는 중공형상이며, 그 외주 표면부을 Cu계 합금 코아(2)로 구성하고, 상기 코아의 원둘레에 길이방향으로 다수개의 홈을 형성하여 다수개의 주조롤 환이 결합되고, 상기 다수개의 주조롤 환은 일정한 폭을 가진 내경과 외경으로 이루어지며, 주조롤 환의 외경으로부터 내경까지 두께가 감소되도록 일정 범위의 두께 구배를 부여하고, 상기 주조롤 환의 내경과 외경의 차이에서 발생하는 공간을 단열재로 충진 밀폐한후 이웃하는 환과 코아를 기계적인 접합으로 이루어진 주조롤을 특징으로하고, 주조되는 합금의 종류에 따른 주조롤 환을 적합한 재질로 사용하고, 용융합금이 접촉하여 냉각되는 주조롤 환의 두께 구배를 20∼90%의 범위로 조절하여 폭방향으로 균일한 두께의 스트립을 주조하는 금속박판의 제조방법을 특징으로 한다.

Description

용탕 인출법에 의한 금속박판 제조용 주조롤 및 그 금속박판의 제조방법{Fabrication method and casting roll for metal strips by melt drag process}

본 발명은 용강으로 부터 주괴 성형 및 열간 압연공정을 생략하여 직접 1mm이하의 금속박판을 주조하는 기술로서 주조롤에 형성되는 금속 박판의 형상 및 두께를 균일하게 제어하는 금속박판을 주조할 수 있는 주조롤 및 그 금속박판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 용강이 노즐을 통하여 주조롤에 일정한 폭으로 접촉하여 냉각되어 금속 박판을 성형하는 과정에서 자연적으로 발생하는 용강의 폭방향, 노즐의 폭방향 그리고 접촉되는 롤 표면에서의 냉각능의 구배의 영향으로 일정폭으로 형성되는 금속 박판의 폭방향 형상 및 두께분포에 불균일 정도를 해결하기 위한 주조롤 및 그 금속박판의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속박판을 액상으로부터 직접 두께가 1mm 이하의 박판을 성형하는 기술에서는 용융상태의 금속을 냉각시켜 고체상태의 금속박판을 연속적으로 성형시키기 위하여 회전하는 냉각롤의 표면을 이용한다. 이때 사용되는 냉각롤은 롤의 표면상태 및 재질, 롤의 열전달계수, 표면산화특성, 그리고 주조되는 용융금속과의 젖음성 등에 따라서 주조되어 성형되는 금속박판의 형상 및 품질에 결정적인 영향을 주게 된다. 즉, 롤의 특성 및 주조조건에 따라 성형되는 스트립의 두께 및 두께 편차, 표면 거칠기 등은 스트립 성형에 큰 영향을 미치게 된다.

특히, 주조되어 성형되는 스트립의 폭이 50mm 이상 되도록 주조할 때 발생하는 폭방향의 스트립 두께 편차를 해소하기 위하여 미국특허(US 4,749,024)에서는 용융금속을 정하여진 롤 표면에 일정한 두께로 공급하는 역할을 하는 노즐 팁의 형상을 설계하는데 있어서, 노즐 폭방향에서 작업공정중 온도편차에 의해서 발생하는 폭방향의 스트립 두께편차를 보상하기 위하여 노즐 팁 자체의 형상에서 롤에 접촉하는 용융금속의 두께분포를 조절할 수 있도록 중심으로부터 폭방향으로 노즐 팁 부분에서의 바닥의 홈 깊이를 변화시켰다.

또한 미국특허(US 4,993,478)에서는 롤 표면의 냉각능을 롤 폭방향으로 균일하게 하기 위하여 롤 표면의 직하에 형성시키는 냉각매체의 순환 통로(구멍)를 롤 폭 방향으로부터 약 15~75도 각도를 갖도록 형성 시켰다.

이와 같이 용융금속이 롤 표면에 일정한 폭으로 접촉하여 냉각될 때, 접촉되는 용융금속이 폭 방향에 따라서 불가피하게 온도구배를 발생하고, 그에 따라 형성되는 금속 스트립의 폭방향 두께편차를 유발하는 현상을 해소하기 위한 방법으로서, 첫째 융융금속의 접촉두께를 조절하여 온도구배를 보상하는 노즐팁의 형상제어 방법과, 둘째 주조롤 냉각매체가 순환하는 구멍의 경사도를 조절하여 주조롤의 표면 냉각을 균일하게 하는 방법이 상기와 같이 발명되었다.

그러나 전자의 노즐팁의 형상을 조절하는 방법은 주조되는 금속의 응고특성 및 냉각롤의 온도구배 특성을 정확히 보상하여 다소의 폭방향 두께 편자를 감소 시키는 역할을 할 수 있지만 주조롤의 폭방향 냉각분포와 융융금속의 응고특성 및 노즐 팁에서의 온도구배를 동시에 반영 하여야 하고, 합금의 종류 및 주조 스트립의 폭에 따라 각각 다양하게 조건이 도출되고 제작되어야 하는 어려움이 있다. 그리고 후자의 주조롤 표면의 균일 냉각 방법은 융융금속이 롤에 접촉되는 공정조건에서 폭방향에 따라 온도구배가 없고 용강의 흐름이 균일한 전제조건 하에서 폭방향 균일한 두께의 스트립을 형성하는 데 유용하게 활용 될 것으로 보이나, 실제로 일정 폭의 노즐을 통하여 융융금속이 냉각롤의 표면에 공급 될 때 노즐 팁에서 노즐 폭 방향에서의 용강의 온도는 자연적으로 온도구배를 형성하고 용강의 흐름 또한 일정하지 않은 관계로 주조되는 금속 스트립의 폭방향 두께편차를 피할 수는 없는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 다양한 주조강종 및 스트립 제조폭에따른 노즐 팁의 형상 개선에 대한 번거로움과 노즐 팁에서의 융융금속 자체의 폭방향 온도편차가 발생함에 있어서, 용탕인출 주조스트립의 폭방향 온도편차를 효과적으로 줄일 수 있으며, 주조되는 융융금속의 주조특성을 반영할 수 있도록 다양한 재질의 주조롤을 선택하여 금속박판을 주조할 수 있는 주조롤 및 그 금속박판의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 주조롤에 대한 냉각 코아와 주조롤 환의 결합관게를 나타낸 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 롤 축 2. 냉각 코아 3 . 냉각매체

4. 주조롤 환 5. 주조롤 환의 외경 표면 6. 주조롤 환의 내경

7. 주조롤 환의 두께 구배 8. 단열재 9. 접합면

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 각종 합금의 스트립을 주조할 때 사용되는 냉각롤인 주조롤에 있어서,

상기 주조롤은 다수개의 구멍을 형성한 롤 축과, 상기 주조롤의 내부는 냉각수가 순환하는 중공형상이며, 그 외주 표면부을 Cu계 합금 코아로 구성하고, 상기 코아의 원둘레에 길이방향으로 다수개의 홈을 형성하여 다수개의 주조롤 환이 결합되고, 상기 다수개의 주조롤 환은 일정한 폭을 가진 내경과 외경으로 이루어지며, 주조롤 환의 외경으로부터 내경까지 두께가 감소되도록 일정 범위의 두께 구배를 부여하고, 상기 주조롤 환의 내경과 외경의 차이에서 발생하는 공간을 단열재로 충진 밀폐한후 이웃하는 환과 코아를 기계적인 접합으로 이루어진 주조롤을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 각종 합금의 스트립을 주조할 때 냉각롤인 주조롤에 노즐 팁으로부터 용탕을 인출하여 금속박판을 제조하는 방법에 있어서, 주조되는 합금의 종류에 따른 주조롤 환을 적합한 재질로 사용하고, 용융합금이 접촉하여 냉각되는 주조롤 환의 두께 구배를 20∼90%의 범위로 조절하여 폭방향으로 균일한 두께의 스트립을 주조하는 금속박판의 제조방법을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

상기 주조롤은 냉각능이 우수한 Cu계 합금으로 이루어지며, 다수개의 구멍을 형성한 롤 축(1)과, 상기 주조롤의 외주 표면에 냉각수(3)가 순환하는 중공형상의 Cu계 합금 코아(2)와, 상기 코아(2)의 원둘레에 길이방향으로 다수개의 홈을 형성하여 다수개의 주조롤 환(4)이 결합되고, 상기 다수개의 주조롤 환은 일정한 폭을 가진 내경과 외경으로 이루어지며, 주조롤 환의 외경으로부터 내경까지 두께가 감소되도록 일정 범위의 두께 구배를 부여하고, 상기 주조롤 환의 내경과 외경의 차이에서 발생하는 공간을 단열재로 충진 밀폐한후 이웃하는 환과 코아를 기계적인 접합으로 이루어진 주조롤을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 주조롤에 대한 냉각 코아와 주조롤 환의 결합관게를 나타낸 개략 구성도로서, 상기 주조롤은 다수개의 구멍을 형성한 롤 축(1)에 의해서 회전한다. 상기 롤 축(1)을 중심으로 외주 표면에 냉각능이 우수한 Cu계 합금으로 이루어지며, 그 내부가 중공형상인 코아(2)가 결합된다. 상기 코아(2)의 냉각은 롤 축(1)에 형성된 다수개의 구멍을 통해 냉각수(3)가 인출입되어 코아(2) 내부를 순환되면서 냉각된다.

상기 코아(2)의 원둘레에는 길이방향으로 다수개의 홈을 형성하여 다수개의 주조롤 환(4)이 결합되며, 상기 다수개의 주조롤 환(4)은 일정한 폭을 가진 내경(5)과 외경(6)으로 이루어진다. 즉, 상기 코아의 표면둘레에는 융용금속과 접촉하며 금속을 냉각시키고 금속스트립을 형성시키는 역할을 하는 일정한 폭을 가진주조롤 환이 결합되며 환의 내경과 관통하도록 홈을 형성시킨다.

상기 일정폭을 가진 주조롤 환(4)은 코아의 원둘레 홈을 따라 결합되고 결합된 환의 내경(5) 하단부가 코아의 내부 중공으로 노출되어 코아의 중공을 순환하는 냉각매체(3)와 직접 접촉하여 효과적으로 냉각될 수 있도록 한다.

이때 코아의 원둘레 홈에 결합되는 주조롤 환의 재질은 일반강, 공구강, 스텐레스강, 주철, 비철금속 등 다양하게 적용할 수 있는 것이 본 발명에서의 특징이 있다.

또한 상기 주조롤 환(4)은 외경으로부터 내경까지 두께가 감소되도록 일정 범위의 두께 구배(7)를 부여한다.

즉, 주조롤 환(4)에 있어서 융융금속을 공급하는 노즐(10)벽의 두께를 고려하여 환의 외경(6) 부분에서는 용탕을 인출하고자 하는 금속스트립의 폭보다 20%내외 넓게 폭을 가지도록 하고, 두께는 주조롤의 열안정성 및 열용량을 고려하여 주조롤 환 외경 폭의 100% 정도를 갖도록 한다. 내경에서의 폭(5)은 외경에서의 폭에 대하여 10%~ 90%를 갖도록 하여 주조롤 외경으로부터 내경으로 형성되는 주조롤 환의 두께 구배(7)가 감소하도록 구배를 부여한다.

이와 같이 본 발명의 주조롤은 각각의 환(4) 재질에 따라 동일한 내경(5)과 외경(6)을 갖도록 하지만, 환 두께의 구배(7)를 달리하여 코아(2)의 홈에 결합되고 코아의 표면 둘레에는 다양한 재질과 두께 구배(7)를 가지는 주조롤 환(4)을 결합시켜서 다기능 주조롤을 형성할 수 있다.

상기 주조롤 환의 내경(5)과 외경(6)의 차이에서 발생하는 공간은 이웃하는주조롤 환(4) 들사이에 최근접 거리의 열전달을 방지하기 위하여 단열재(8)로 채우고 밀폐하거나 공극상태로 밀폐하도록 한다. 또한 상기와 같이 단열재로 충진 밀폐한후 이웃하는 환과 코아를 기계적인 접합(9)으로 밀착시킨다.

이와 같이 일정폭을 갖도록 여러개의 냉각환을 동일축상에 다양한 재질로 조립하고 환의 두께방향에 구배를 부여함으로서 응고특성(열용량 및 열전달)이 다른 융융금속이 롤과 접촉할 때 노즐(10) 팁에서 발생하는 온도구배를 역으로 보상하도록하여 금속스트립의 폭 방향에서의 두께가 균일하게 할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

용융상태의 Fe-45Ni합금, Fe-80Ni합금, Fe-20Cr-5Al합금, Fe-3Si합금을 노즐을 통해 주조롤 환의 표면에 용탕인출 법에 의하여 100mm 폭의 금속 스트립을 제조하였다. 이 때 각각의 용융합금에 대한 용탕 공급온도는 융점온도 보다 100^oC 높게 공급하고, 주조롤과 융융합금의 접촉길이는 25mm로 하며, 노즐의 예열온도는 1300^oC, 주조롤의 순환 냉각수의 온도는 50^oC로 유지 하면서 주조속도(스트립 성형속도)는 2m/sec로 주조하였다. 상기 주조되는 합금의 종류에 따라 주조롤 환의 재질을 Cu-40Zn합금, 1010강, GC20주철, SUS304강으로 사용하였다. 각각의 주조합금과 주조롤 환 재질에 따른 스트립의 성형능을 정성적으로 평가한 결과를 표1에 나타내었다.

주조합금	주조롤 환재질	냉각능	스트립 성형능
Fe-45Ni합금	Cu-40Zn합금	많음	×
	1010강	많음	↓
	GC20주철	적음	◎
	SUS404강	많음	↓
Fe-80Ni합금	Cu-40Zn합금	많음	×
	1010강	보통	△
	GC20주철	적음	◎
	SUS404강	보통	△
Fe-20Cr-5Al합금	Cu-40Zn합금	많음	○
	1010강	보통	○
	GC20주철	적음	○
	SUS404강	적음	◎
Fe-3Si합금	Cu-40Zn합금	많음	◎
	1010강	보통	◎
	GC20주철	적음	○
	SUS404강	적음	○

※ 우수: ◎, : 양호:○ , 보통: △, 미달: ↓, 불량:×

표1에 나타난 바와 같이 주조되는 합금의 종류에 따라 다양한 재질의 주조롤이 적용되어야 함을 알 수 있다.

즉, Fe-45Ni합금과 Fe-80Ni합금의 스트립을 주조할 때는 주조롤 환재질로서 GC20주철을 적용하는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 또 Fe-20Cr-5Al합금의 스트립을 주조할 때는 주조롤 환재질로서 SUS404강이 가장 바람직하며, Fe-3Si합금의 스트립을 주조할 때는 Cu-40Zn합금과 1010강을 주조롤의 환재질로서 사용하는 것이 가장 바람직한 결과를 나타내었다.

여기에서 스트립 성형능은 용탕법으로 주조할 때 용탕으로 부터 주조롤에 접촉하여 연속적으로 스트립이 끊김과 중단이 없이 형성되는 정도를 나타내며, 주조롤 환의 냉각능은 용탕으로부터 스트립을 성형시길 때 용탕과 스트립을 냉각시키는 냉각능, 즉 주조롤 환 재질의 열전달 계수에 의존하는 성질를 나타낸다.

상기의 스트립 성형능과 주조롤 환의 냉각능은 상호 의존적 관계를 가지나반드시 주조롤 환의 냉각능이 많거나 적다고 하여 스트립의 성형능이 우수하다 또는 불량하다고 단정하기는 곤란하며, 주조되는 합금의 액상으로부터 고상으로 응고될 때의 응고특성과 응고된 합금 스트립 표면에 형성되는 표면피막과 주조롤 환 재질의 표면특성에 따라 결정될 수 있기 때문이다.

표 1에서 알수 있듯이 응고공정중 Fe-3Si합금과 같은 공액 공존영역이 큰 합금의 경우 주조롤 환의 냉각이 클수록 스트립 성형성이 우수한 것으로 나타나며, 반대로 공액 공존영역이 좁은 45Ni-Fe합금, Fe-80Ni합금 및 Fe-20Cr-5Al합금 같은 경우는 주조롤 환의 냉각능(열전달계수)이 적은 조건에서 양호한 스트립을 형성하는 것으로 나타나고 있다.

[실시예 2]

Fe-45Ni합금과 Fe-80Ni합금을 노즐을 통해 주조롤 환의 표면에 용탕인출 법에 의하여 폭 100mm의 금속 스트립을 제조하였다. 이때 용강의 주입온도는 1570℃로 하고 노즐의 예열온도를 1300^oC, 용강과 주조롤의 접촉길이는 25mm로 유지하였다. 주조롤의 환의 재질은 상기 실시예 1에서 스트립 성형능이 가장 우수한 것으로 평가된 GC20 주철을 사용하였으며, 주조롤의 순환 냉각수의 온도와 주조속도는 실시예 1과 같은 방법으로 주조하였다. 주조할 때 주조롤 환의 두께의 구배에 따라 성형되는 스트립 폭방향의 두께편차 발생을 비교평가한 결과를 표 2에 나타내었다.

주조합금	환의 두께구배(%)	폭방향 두께편차(%)
Fe-45Ni합금	0	15
	20	8
	30	7
	50	3
	70	2
	90	2
Fe-80Ni합금	0	12
	20	8
	30	6
	50	3
	70	2
	90	2

표 2에서 알 수 있듯이 주조되는 합금의 종류에 따른 주조롤 환을 적합한 재질로 사용하고 주조롤 환의 두께 구배를 적정범위로 조절했을 때 스트립 폭방향의 두께편차를 최소한으로 줄일 수 있음을 알 수 있다.

즉, 상기 표 2에 나타난 바와 같이 주조롤 환의 두께 구배를 20∼90%의 범위로 조절했을 때 주조되는 스트립의 폭방향 두께를 균일하게 형성시키게 된다. 더욱더 바람직하게는 주조롤 환의 두께 구배를 30∼70%의 범위로 조절했을 때 주조되는 스트립의 폭방향 두께를 균일하게 형성시킬 수 있다.

여기서 주조롤 환의 두께 구배가 90%보다 클경후 주조롤 환의 가장자리는 주조중 쉽게 가열되고 주조후 쉽게 냉각되어 두께가 두꺼운 중심부를 축으로 휨과 코어 표면으로부터 들뜸형상이 일어나게 된다. 표 2에서 보면 70%~90%구배 범위에서는 형성되는 스트립의 두께편차 완화 측면에서 대등하게 나타나고 있으나 실제 활용상에서의 주조롤 환의 두께 편차 가공상의 문제와 반복 사용시 주조중 주조롤 환이 받는 입열에 의한 주조롤 환 가장자리(두께가 얇은곳)의 열변형에 의한 구조적인 문제가 발생할 수 있기 때문에 보다 적합하게는 70% 이내로 함이 바람직하다.

한편 주조롤 환의 두께구배를 20% 미만으로 작게하여 주조할 경우 스트립의폭방향 두께편차를 다소 개선하는 효과는 있으나 실제적으로 20% 미만의 두께 구배에서는 후공정 압연도중 스트립의 불균일 변형량에 의하여 스트립에 주름이 발생하거나 한쪽방향으로 휨이 발생하여 실제적인 압연공정이 불가능할 수 있다. 따라서 주조롤 환의 두께구배를 20%이상으로 유지해야 하며, 보다 바람직하게는 30%이상 유지할 필요가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하여 금속스트립을 주조할 때 냉각롤로 사용되는 주조롤은 주조되는 합금의 특성에 따라서 적용함으로써 동일한 주조 시스템에서 노즐이 접촉하는 주조롤 환에 따라 최적의 주조조건으로 금속 스트립을 성형할 수있으며, 주조롤 환의 두께 구배에 의하여 노즐 폭방향에서 발생하는 자연적인 온도구배를 보상하여 폭방향으로 균일한 두께의 스트립을 제조할 수 있는 것이다.

Claims (6)

1. 각종 합금의 스트립을 주조할 때 사용되는 냉각롤인 주조롤에 있어서,

   상기 주조롤은 다수개의 구멍을 형성한 롤 축과, 상기 주조롤의 내부는 냉각수가 순환하는 중공형상이며, 그 외주 표면부을 Cu계 합금 코아로 구성하고, 상기 코아의 원둘레에 길이방향으로 다수개의 홈을 형성하여 다수개의 주조롤 환이 결합되고, 상기 다수개의 주조롤 환은 일정한 폭을 가진 내경과 외경으로 이루어지며, 상기 주조롤 환의 외경으로부터 내경까지 두께가 감소되도록 일정 범위의 두께 구배를 부여하고, 상기 주조롤 환의 내경과 외경의 차이에서 발생하는 공간을 각각 단열재로 충진 밀폐한후 이웃하는 환과 코아를 기계적인 접합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용탕 인출법에 의한 금속박판 제조용 주조롤.
2. 각종 합금의 스트립을 주조할 때 냉각롤인 주조롤에 노즐 팁으로부터 용탕을 인출하여 금속박판을 제조하는 방법에 있어서, 주조되는 합금의 종류에 따른 주조롤 환을 적합한 재질로 사용하고, 용융합금이 접촉하여 냉각되는 주조롤 환의 두께 구배를 20∼90%의 범위로 조절하여 폭방향으로 균일한 두께의 스트립을 주조하는 것을 특징으로 하는 용탕 인출법에 의한 금속박판의 제조방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 주조롤 환의 두께 구배는 30∼70% 인 것을 특징으로 하는 용탕 인출법에 의한 금속박판의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 주조되는 합금이 Fe-45Ni합금과 Fe-80Ni합금일 때는 주조롤 환의 재질로서 GC20주철을 사용하여 스트립을 주조하는 것을 특징으로 하는 용탕 인출법에 의한 금속박판의 제조방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 주조되는 합금이 Fe-20Cr-5Al합금일 때는 주조롤 환의 재질로서 SUS404강을 사용하여 스트립을 주조하는 것을 특징으로 하는 용탕 인출법에 의한 금속박판의 제조방법.
6. 제 2항에 있어서, 상기 주조되는 합금이 Fe-3Si합금일 때는 주조롤 환의 재질로서 Cu-40Zn합금 또는 1010강을 사용하여 스트립을 주조하는 것을 특징으로 하는 용탕 인출법에 의한 금속박판의 제조방법.