KR20040107319A - 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕으로부터 박판을 직접 연속적으로 제조하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 관한 것으로서, 쌍롤식 박판제조장치의 롤 에지부 표면부에 다수의 요철을 형성시켜 용강과 롤과의 접촉 면적을 증대시킴으로써 롤 에지부에서의 롤 열전달을 향상시켜 고 실수율로 그리고 보다 경제적으로 양호한 주편을 제조할 수 있는 박판제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 노즐로부터 공급된 용강을 내부가 수냉되는, 회전하는 한쌍의 롤을 통하여 직접 박판을 연속적으로 제조하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 있어서,

상기 한쌍의 롤로서 롤 에지부에서의 롤과 용강이 접하는 접촉면적이 롤 중앙부에서의 것 보다 20%이상 큰 롤을 사용하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 쌍롤식 박판제조장치를 이용하여 고 실수율로 그리고 보다 경제적으로 양호한 품질의 주편을 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Description

쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법{Method for Manufacturing Strip by Twin Roll Strip Casting Apparatus}

본 발명은 용탕으로부터 박판을 직접 연속적으로 제조하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쌍롤식 박판제조장치의 롤 에지부 표면부에 다수의 요철을 형성시켜 롤 에지부에서의 롤 열전달을 향상시켜 양호한 주편을 제조하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 관한 것이다.

쌍롤식 박판제조 장치에 의한 박판제조방법은 도 1에 나타난 바와 같이 노즐(1)로부터 공급된 용강(2)을 내부가 수냉되는, 회전하는 한쌍의 롤(3)을 통하여 직접 박판(5)을 연속적으로 제조하는 방법이다.

쌍롤식 박판제조장치에 의하여 박판을 제조하는 경우 주편의 품질 및 형상은 롤의 열팽창량의 적절한 보상방법과 롤 폭방향의 응고능에 크게 의존한다.

도 2에는 박판제조장치에서 용강(2)이 롤(3)과 접촉하여 응고쉘(4)을 형성하는 초기부분이 나타나 있는데, 응고쉘(4)이 형성되기 시작하면 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이 S 방향으로 롤 양단부의 응고쉘(4)이 롤중앙부쪽(7)으로 수축하게 됨에 따라 롤 에지부(8)에서 주편과 롤간의 가스갭(6)이 롤중앙부쪽(7)보다 커지게 된다.

에지부(8)와 중앙부(7)의 가스갭(6) 크기 차이는 최대 수십마이크론에 불과하지만 응고능에 영향을 주는 박판(5)과 롤사이의 열전달계수값에는 큰 차이를 가져와 결과적으로 롤 에지부(8)에서는 응고가 지연되는 현상이 일어나게 된다.

이러한 초기접촉시 발생되는 주편 에지부의 응고지연은 주편과 롤의 접촉시간의 증대에 따라 계속 영향을 미쳐 도 4에 나타난 바와 같이 주편 에지부(10)에서의 응고쉘(4) 두께의 상대적인 감소를 가져와 주편이 롤닢을 빠져나올 때에는 주편 에지부(10)에서의 응고쉘(4) 두께와 주편 중앙부(9)에서의 응고쉘(4) 두께가 큰 차이가 나게 된다.

따라서, 응고쉘(4) 두께가 작은 주편 에지부(10)는 주편 중심부(9)에 있는 용강(미응고쉘)등으로 인해 주편 에지부(10)가 떨어져 나가거나 또는 벌징 현상이 나타나게 된다.

즉, 일반적으로 롤의 형상은 주조중 롤의 열팽창현상을 보상하기 위해 도 3에서와 같이 롤(3) 중앙이 오목하고 에지부분이 볼록한 형상을 함에도 불구하고 주편에지부(10) 중앙의 미응고 용강의 벌징에 의해 주편은 도 4에서와 같이 주편 중앙부(9)는 평평하고 주편 에지부(10)가 오히려 두꺼운 형상을 지니게 되는 것이다.

일단 이러한 주편 에지부(10)의 벌징현상이 발생하면 박판(5)의 품질 저하 및 실수율의 저하를 가져올 뿐 아니라 주편권취시 주편 에지부(10)쪽의 직경이 계속 커지게 되어 재권취시 웨이브가 발생하는 등 여러 가지 문제를 야기하게 된다.

따라서 안정된 조업 및 주편 실수율 향상 측면에서 롤의 폭방향 균일냉각은 필수적이며 여러 가지 방법이 고안되었다.

이와 같이 쌍롤식 박판제조장치에 의하여 박판을 제조할 시 발생되는 주편 에지부의 응고능 저하를 방지하는 대책으로는 크게 롤의 폭방향 응고능을 다르게 하는 방법과 롤의 초기 크라운 형상의 변형을 통해 롤 닢에서의 롤 간격을 다르게 하여 상대적으로 롤 에지부의 응고능을 향상시키는 두가지 방법이 주로 제안되어 왔다.

상기 두가지 방법중 롤의 폭방향 냉각능을 변경시키는 방법으로는 롤 폭 방향으로 도금두께를 다르게 하는 방법을 고려할 수 있으며, 그 대표적인 예로서 일본특개평 9-271905호를 들수 있는데. 여기서는 롤 에지부의 니켈도금 두께를 롤 중앙부의 두께보다 상대적으로 작게 하여 롤 에지부에서의 열전달을 향상시키는 방안을 제안하고 있다.

상기 두가지 방법중 다른 하나의 방법으로는 일본특개평 9-103845호에서와 같이 주조시 발생하는 롤 열팽창량을 상쇄하기 위해 적용하는 초기 롤 크라운 형상을 임의로 조정하여 롤 닢에서의 주편 에지부 고상률이 일정값 이상이 되도록 하는 방법을 들수 있다.

그러나, 폭 방향으로 니켈도금층의 두께를 달리하는 첫 번째 방법은 비교적 효과적이기는 하지만, 롤의 표면 니켈층을 완전히 제거하고 다시 도금을 하는 롤 수리시에 있어 종래의 공정보다 크라운 가공 공정이 한번 더 추가되므로, 롤 수리비의 상승을 가져오는 문제점이 있다.

즉, 롤의 표면 니켈층을 완전히 제거하고 다시 도금을 하는 롤 수리시에 있어 일반적으로는 구리모재를 평탄(크라운이 없는)면으로 한 뒤 니켈도금을 하고 그 뒤 롤 크라운 가공을 하는 것에 비하여 롤 폭방향의 니켈 도금 차이를 부여하기 위해서는 니켈이 제거된 상태에서 구리 모재에 크라운을 가공한 후 니켈 도금을 하고 그 뒤 또 다시 크라운 가공을 하여야 하기 때문에 종래의 공정보다 크라운 가공 공정이 한번 더 추가되게 되므로, 롤 수리비의 상승을 가져오게 된다.

한편, 롤닢에서 주편 에지부의 주편중앙이 일정 고상률 값 이상이 되도록 롤 크라운량을 조정하는 두번째 방법(일본특개평 9-103845호)은 주편의 에지벌징은 방지 할 수 있을지라도 결과적으로 얻어진 주편의 형상이 주편 중앙부의 두께가 주편 에지부보다 상당히 큰 크라운 형상을 하게 되어 후처리용 주편 형상에 부적절하여 상당부분을 슬릿팅하여야 하는 등 주편의 실수율 저하를 가져오게 되는 문제점이 있을 뿐 아니라 롤 열팽창량이 작은 주조 초기에는 롤 크라운량이 더욱 크게 되어 롤 에지부에 과다한 롤 반발력이 작용하는 등의 바람직하지 못한 현상이 발생할 수 있으므로 주조 적용에 많은 제약이 뒤따르게 되는 문제점이 있다.

본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 쌍롤식 박판제조장치의 롤 에지부 표면부에 다수의 요철을 형성시켜 용강과 롤과의 접촉 면적을 증대시킴으로써 롤 에지부에서의 롤 열전달을 향상시켜 고 실수율로 그리고 보다 경제적으로 양호한 품질의 주편을 제조할 수 있는 박판제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 일반적인 쌍롤형 박판제조장치의 개략도

도 2는 일반적인 쌍롤형 박판제조장치에서의 초기 응고 상태의 개략도

도 3은 일반적인 쌍롤형 박판제조장치의 크라운을 지닌 롤 형상 개략도

도 4는 일반적인 쌍롤형 박판제조 장치에 의해 제조된 에지 미응고가 있는 주편형상 개략도

도 5는 원기둥형 함몰부(딤플; 음각)를 갖는 롤 표면의 개략도

도 6은 원기둥형 돌출부(딤플; 양각)를 갖는 롤 표면의 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

3 . . . 쌍롤 4 . . . 응고쉘 5 . . . 주편

6 . . . 가스갭 7 . . . 롤 중앙부 8 . . . 롤 에지부

9 . . . 주편중앙부 10 . . . 주편 에지부

11 . . . 원기둥형 함몰부(딤플; 음각)

12 . . . 원기둥형 돌출부(딤플; 양각)

13 . . . 요철이 없는 롤 표면 평탄부

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 노즐로부터 공급된 용강을 내부가 수냉되는, 회전하는 한쌍의 롤을 통하여 직접 박판을 연속적으로 제조하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 있어서,

상기 한쌍의 롤로서 롤 에지부에서의 롤 표면과 용강이 접하는 접촉면적이 롤 중앙부에서의 것 보다 20%이상 큰 롤을 사용하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명에 있어서 롤과 용강이 접하는 접촉면적의 증대가 롤 표면에 요철을 형성시킴으로써 달성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 요철의 형상을 원기둥으로 하는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

일반적으로 롤 표면에서의 열전달 현상은 하기 수학식(1)과 같이 수식화 할 수 있다.

[수학식 1]

Q = H x Δ T x A

[여기서, Q : 롤 표면에서 열전달량 (W)

H : 총괄 열전달계수값 (W/m²K)

ΔT : 롤 표면과 냉각수의 온도차이(K)

A : 롤 표면과 용강이 접촉하는 접촉면적 (m²)]

상기 식(1)에서의 H 값은 구리를 슬리브(sleeve)로 하고 표면에 니켈도금을한 경우에는 하기 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

H = 1/(1/h + d1/Nik + d2/Cuk)

[여기서, H : 총괄 열전달계수값 (W/m²K)

h : 냉각수 구멍에서의 열전달계수값 (W/m²K)

d1 : 니켈도금 두께 (m)

Nik : 니켈의 열전도도 (W/mK)

d2 : 구리 슬리브의 두께 (m)

Cuk : 구리 슬리브의 열전도도 (W/mK)]

따라서, 에지부의 열전달량을 향상시키기 위해서는 H 값 또는 A 값을 크게 하는 방법이 필요하며, 롤 에지부의 니켈 도금두께를 중앙부보다 작게 하는 것은 상기 식에서의 H 값을 줄인 한 예이다.

본 발명은 에지부의 열전달량 향상을 위해 롤 표면의 접촉면적 A를 증가시키는 방법을 적용하는 것으로서 롤 중앙부에 비해 롤 에지부에 더 많은 접촉면적을 형성시킴으로서 에지부의 응고를 강화시키는 것이다.

롤 표면과 용강이 접촉하는 접촉면적을 증대시키는 방법으로는 롤 표면에 포토에칭법에 의하여 요철을 형성시키는 방법을 들수 있다.

포토 에칭법은 표면에 요철을 부여하기 위한 방법의 하나로서 숏 블라스팅(shot blasting)법, 레이져 텍스처링(laser texturing)법등과 함께 쌍롤식 주조롤의 표면처리에 대표적으로 사용되고 있다.

포토 에칭법은 먼저 대상 롤 표면에 감광액을 도포하고 그 위에 일정한 무늬를 가지고 있는 필름을 마스킹한 후 자외선으로 노광시켜 필름 무늬대로 롤 표면에 무늬막을 형성시킨 상태에서 최종적으로 에칭액을 분사하여 선택적으로 롤 표면이 에칭이 되도록하여 롤 표면에 요철을 부여하는 방법으로서, 그 대표적인 방법으로는 특허출원 제1998-56279호등을 들수 있다.

접촉면적을 보다 증가시키는 방법으로는 포토에칭법에 의하여 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 롤 표면에 원기둥형 함몰부(딤플; 음각)(11) 또는 원기둥형 돌출부(딤플; 양각)(12)를 형성시키는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 원기둥형태의 돌출부를 갖는 것인데, 이에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 5 및 도 6에서, 부호 13은 요철이 없는 롤 표면 평탄부를 나타낸다.

도 5에서와 같이 롤 표면에 원기둥형 함몰부(딤플; 음각)(11)가 형성되어 있는 경우에는 양각의 경우와 비교시 수치적인 접촉면적의 증가효과는 동일하나 실제 주조현상에서는 다소 떨어지는 결과가 얻어졌다.

즉, 접촉면적의 증가 효과를 얻기 위해서는 용강과 롤 표면의 접촉이 좋아야 하는데 도 5에 나타난 바와 같이 롤 표면에 원기둥형 함몰부(딤플; 음각)(11)가 형성되어 있는 경우 원기둥의 직경이 작을 때에는 원기둥과 용강의 접촉상태가 좋지 않을 우려가 있다.

이러한 원인의 가장 큰 이유는 용강과 가스의 상호 작용에 기인하기 때문이다.

즉, 함몰된 원기둥 내부에 존재하는 가스를 용강이 완전히 밀어내어 접촉면적을 크게 하기 위해서는 가스가 용강에 완전히 흡수되어야 하기 때문이다.

예를 들어 STS304 강종의 주조시 분위기 가스로서 질소를 사용하는 경우는 질소가 용강에 흡질되기 때문에 음각 원기둥 내부에 있는 가스가 상당량 용강에 흡수되기는 하지만 도 5에 나타난 바와 같이 용강이 표면 원주 부분에서 먼저 응고되어 용강의 유동성을 나쁘게 하여 용강의 온도 및 가스의 청정도에 따라 목적한 바와 같은 용강과 롤 표면의 접촉상태는 이루지 못하는 경우가 발생할 수도 있다.

이러한 현상은 분위기 가스로서 용강에 흡수되는 질소가 아닌 아르곤 같은 불활성 기체를 사용하는 경우 접촉불량 현상이 훨씬 심해지며 음각 원기둥 형상에 따라서 심한 경우는 원기둥 내부의 아르곤이 팽창하여 열전달이 오히려 방해받는 나쁜 결과를 초래할 수도 있다.

따라서, 도 6에 나타난 바와 같이 원기둥이 표면 위로 솟아오르도록 에칭하는 것이 보다 바람직하다.

즉, 도 6에서와 같이 롤 표면에 원기둥형 돌출부(딤플; 양각)(12)가 형성되는 경우에는 용강이 기준 롤 표면에 자연적으로 접촉하게 되는 상태에서 원기둥형 돌출부와의 추가 접촉을 하게 되므로 용강과 롤 표면과의 접촉면적 확대라는 목적이 쉽게 달성될 수 있다.

더욱이, 이러한 원기둥형 돌출부는 분위기 가스가 용강과 반응여부에 관계없이 안정적으로 접촉하는 장점을 지니게 되어 주편 에지부 품질을 향상시킬 수 있다.

용강이 보다 효과적으로 롤의 전 표면과 접촉하기 위해서는 요철(원기둥형 돌출부 및 함몰부)의 면적율, 요철의 분포 및 요철의 직경 및 높이등을 적절히 설정하는 것이 필요한데, 이에 대하여 설명하면 다음과 같다.

요철의 면적율은 열전달 향상과 직접적으로 관련되는 중요한 인자로서, 롤 중심부에 대한 롤 에지부에서의 접촉면적 증가율이 가능한 한 크게 되도록 롤 에지부 표면에 요철을 형성시키는 것이 바람직하다.

원기둥형 돌출부 또는 함몰부가 동일한 거리로 떨어져 있는 경우(도 5 및 도 6에서와 같이 원기둥 중심이 정삼각형 모양을 지니고 원기둥과 원기둥의 떨어진 거리가 원기둥의 지름과 동일한 경우) 용강과 롤 표면이 접촉하는 접촉면적 증가율(ΔA)은 하기 식(3)과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

Δ A = 2 πaL/(3^1/2x (a+b)²)

[여기서, Δ A : 접촉면적 증가율

a : 원기둥의 직경

L : 원기둥의 높이

b : 원기둥과 원기둥의 떨어진 거리]

원기둥과 원기둥의 떨어진 거리가 원기둥의 지름과 동일한 경우(a=b), 접촉면적 증가율(Δ A)은 하기 식(4)와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

ΔA = πL/(2x3^1/2x a) = 0.907 x L/a

본 발명자들은 롤 에지부에서의 롤 표면과 용강이 접하는 접촉면적을 롤 중앙부에서의 것 보다 크게 할수록 즉, 롤 중앙부에 대한 롤 에지부의 접촉 면적 증가율을 크게 할수록 에지부의 미응고 현상이 감소되며, 접촉 면적 증가율이 20 % 이상인 경우에는 양호한 형상의 주편을 얻을 수 있음을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

즉, 롤 중앙부에 대한 롤 에지부의 접촉 면적 증가율이 20%미만인 경우에는 주편에지부에서의 벌징현상이 발생되어 양호한 형상의 주편을 얻을 수 없게 되므로, 롤 중앙부에 대한 롤 에지부의 접촉 면적 증가율이 20%이상이 되도록 롤 에지부에 다수의 요철부(바람직하게는 원기둥형 돌출부 또는 함몰부)를 형성시키는 것이 필요하다.

한편, 요철(원기둥형 돌출부 및 함몰부)의 직경 및 높이는 실제 에칭 공정상의 적용성 문제 및 요철 표면의 내구성과 상관이 있게 된다.

요철의 직경이 너무 작게 되면 실제로 에칭시 원하는 형상의 원기둥을 얻기어려우므로, 그 직경은 0.3 mm 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 요철의 높이가 직경에 비해 너무 긴 경우는 주조중 롤 표면 청결을 위해 사용되는 브러쉬 롤의 브러슁 등에 의해 손상될 가능성이 크므로 적정 길이를 유지하는 것이 바람직하며, 내구성등을 고려하여 요철의 높이는 0.1~0.2 mm 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는 요철의 높이/직경의 비는 2/3이하로 하고, 가장 바람직하게는 요철의 높이/직경의 비는 1/3이하로 설정하는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

강종으로는 STS 304를 사용하고, 그리고 하기 표 1의 크기 및 형상을 갖는 원기둥형 돌추부(양각)가 하기 표 1의 롤 중앙부에 대한 롤 에지부의 접촉 면적 증가율을 갖도록 형성되어 있고, 롤 직경과 폭이 각각 1250 mm 및 1300 mm인 대형 쌍롤식 박판주조기를 사용하여 두께 3.4 mm인 주편을 제조하였으며, 이 때 용강 높이는 450 mm이었다.

상기와 같이 제조된 주편에 대한 에지 빌드업 정도 및 원기둥형 돌출부의 내구성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

실시예 No.	원기둥 직경(mm)	원기둥 높이(mm)	롤 중앙부에 대한롤에지부의접촉면적증가율(%)	주편상태	원기둥형 돌출부의내구성
종례예	0	0	0	에지 빌드업 심합	-
발명예 1	0.3	0.1	30	에지 빌드업 없음	양호
발명예 2	0.3	0.2	60	에지 빌드업 없음	약간 손상
비교예 1	0.6	0.1	15	에지 빌드업약간발생	양호
발명예 3	0.6	0.2	30	에지 빌드업 없음	양호
비교예 2	0.9	0.1	10	에지 빌드업 다소 많음	양호
발명예 4	0.9	0.2	20	에지 빌드업 없음	양호

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 부합되는 롤 중앙부에 대한 롤 에지부의 접촉 면적 증가율을 갖는 경우에는 양호한 품질의 주편을 제조할 수 있고, 또한, 원기둥의 높이/직경의 비가 2/3이하인 경우에는 원기둥형 돌출부의 내구성이 양호함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 쌍롤식 박판제조장치의 롤 에지부 표면부에 다수의 요철을 형성시켜 용강과 롤 표면과의 접촉 면적을 증대시킴으로써 롤 에지부에서의 롤 열전달을 향상시켜 주편 에지 벌징현상을 방지할 수 있으므로, 고 실수율로 그리고 보다 경제적으로 양호한 품질의 주편을 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 노즐로부터 공급된 용강을 내부가 수냉되는, 회전하는 한쌍의 롤을 통하여 직접 박판을 연속적으로 제조하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법에 있어서,

   상기 한쌍의 롤로서 롤 에지부에서의 롤 표면과 용강이 접하는 접촉면적이 롤 중앙부에서의 것 보다 20%이상 큰 롤을 사용하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법
2. 제1항에 있어서, 롤 에지부에서의 롤과 용강이 접하는 접촉면적의 증대가 롤 표면에 형성된 요철에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법
3. 제1항에 있어서, 롤 에지부에서의 롤과 용강이 접하는 접촉면적의 증대가 롤 표면에 형성된 원기둥형 돌출부(양각)에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법
4. 제3항에 있어서, 원기둥형 돌출부의 직경은 0.3mm이상이고, 그 높이는 0.1-0.2mm이고 그리고 그 높이/직경의 비는 2/3이하인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판제조장치에 의한 박판제조방법