KR20050004827A - 연속 주조용 노즐 내공(內孔)용 내화물제 슬리브의 접합구조 - Google Patents

연속 주조용 노즐 내공(內孔)용 내화물제 슬리브의 접합구조 Download PDF

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Abstract

CaO를 20질량% 이상 함유하는 내화물제 슬리브를 노즐 본체 내로 삽입하여 알루미나의 부착을 저감하는 연속 주조용 노즐에 있어서, 내화물제 슬리브의 팽창에 의해 탈락하거나 노즐 본체에 악영향을 끼치는 일이 없는 슬리브와 노즐 본체의 접합 구조를 제공한다. 내화물제 슬리브 외주면 또는 내화물제 슬리브를 장착하는 본체 내공 벽면의 일부 또는 전체, 또는 삽입한 내화물제 슬리브와 노즐 본체 내공 벽면 사이에 형성된 접합부에 내화성 골재와 바인더를 혼합한 접착재를 바르고, 건조 후의 접합부의 접착재의 기공률을 15~90%로 조정함으로써 사용시의 내공에 용강이 유입하여 발생하는 급격한 팽창에 의한 열응력을 완화하는 기능을 갖게 하였다.

Description

연속 주조용 노즐 내공(內孔)용 내화물제 슬리브의 접합 구조{Binding structure of refractory sleeve for inner hole of nozzle for continuous casting}
강의 연속 주조 과정에서 침지 노즐의 내공에 부착하는 알루미나 등의 비금속 개재물은 그 최종 품질에 악영향을 끼치고, 최근 요구되는 강재의 품질이 엄격해짐에 따라 이 비금속 개재물의 부착을 감소시키는데 많은 노력이 기울여지고 있다. 또한, 이 침지 노즐의 내공에의 부착물은 장시간의 주조에 있어서는 내공의 막힘을 초래하여 주조가 어려워져 생산성 향상의 장해의 원인이 되고 있다.
이 알루미나 등의 부착물을 물리적으로 저감시키기 위해 종래부터 아르곤 가스를 노즐의 내면으로부터 용강(溶鋼) 중에 불어넣는 것이 행해졌다. 그렇지만, 이 방법은 불어넣어지는 아르곤 가스량이 너무 많으면 기포가 주물 내에 들어가게 되어 주조물 내에 핀홀(pin hole)을 발생시켜서 강재(鋼材)의 결함의 원인이 될 수 있다. 따라서, 불어넣어지는 가스량에 제약이 있으므로 반드시 충분한 저감 효과가얻어지는 것이 아니다.
또한, 알루미나 등의 부착물을 화학적으로 저감시키기 위한 방법으로, 침지 노즐을 구성하는 내화재에 알루미나 부착 방지 기능을 갖게 하는 방법도 있다. 이의 대표적인 내화재가 일본 특허 공고 평02-23494호 공보에 개시되어 있다. 이 내화재는 CaZrO3을 주성분으로 한 CaO-ZrO2클링커를 사용한 CaO-ZrO2-흑연재질, 소위 ZCG 재질로서 이 ZCG를 침지 노즐의 내공에 적용한 것이다.
이 ZCG 재질은 현재 일부 실용화되어 있지만, 일반에 널리 적용이 되고 있지 않다. 그 이유 중 하나는, 알루미나의 부착량이 많은 경우에 부착 방지의 효과가 충분히 발휘되지 못하는 데 있다. 이 때문에, 알루미나의 부착량이 많은 경우에는, 부착 방지 효과를 발휘하는 CaO의 량을 늘리거나 카본량을 감량하여 상대적으로 CaO량을 증가시키는 방법이 채용된다. 그렇지만, CaO량을 늘리는 것은 내화물의 열팽창률의 증대를 야기하게 되고, 이 때문에 노즐 본체에 적용한 경우에는 열에 의한 깨짐(spall)이 발생하기 쉬워진다. 또한, 내공에만 적용한 경우에도 그 팽창에 의해 노즐 본체 부분을 눌러 깰 위험성이 있다.
또한, 일본 특허 공개 소62-24846호 공보에는, 내공 면에 석회질의 내화물제의 원통형 슬리브를 삽입함으로써 알루미나의 흡수성이 우수하고 내공이 막히는 일이 없는 연속 주조용 노즐이 개시되어 있지만, 이 경우에도 석회질 내화물의 열팽창률이 크기 때문에 내화물제 슬리브의 팽창에 의해 노즐 본체를 눌러 깨 버리는 문제가 있다.
본 발명은 강(鋼)의 연속 주조에 사용하는 침지 노즐, 상부 노즐, 슬라이딩 노즐, 하부 노즐, 롱 노즐 등의 노즐의 내공에의 알루미나 부착을 방지하는 것, 특히 이를 위한 내공용 내화물제 슬리브를 노즐에 접합하는 구조에 관한 것이다.
도 1은 본 발명을 침지 노즐에 적용한 예를 나타낸다.
본 발명의 첫째 목적은, CaO 함유 내화물제 슬리브를 노즐 본체 내로 삽입하여 알루미나의 부착을 저감시키는 연속 주조용 노즐에 있어서, 내화물제 슬리브의 팽창에 의해 노즐 본체에 악영향을 끼치는 일이 없는 내화물제 슬리브와 노즐 본체의 접합 구조를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 노즐 본체에 부착된 내화물제 슬리브가 열팽창에 의해서도 탈락하지 않는 접합 구조를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 알루미나의 부착을 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 조업의 안정성과 주물의 품질 향상에 기여하는 연속 주조용 노즐을 제공함에 있다.
본 발명은 알루미나 부착 방지 효과가 높은 CaO 함유 내화물제 슬리브(이하, "슬리브"라고도 함)를 노즐 본체에 접착재를 이용하여 접착함에 있어서, 접착재에 의해 형성되는 접합부의 기공률을 조정함으로써 상기 목적을 달성하였다.
본 발명의 실시예로서, CaO를 20질량% 이상 함유하는 내화물제 슬리브를 내장한 연속 주조용 노즐로서, 슬리브 외주면 또는 슬리브를 장착하는 본체 내공 벽면의 일부 또는 전체 또는 삽입한 슬리브와 본체 내공 벽면 사이에 형성된 접합부에 내화성 골재와 바인더를 혼합한 접착재를 바르고, 건조 후의 접착재의 접합부에서의 기공률을 15~90%로 조정한 것이다.
CaO 함유 내화물제 슬리브를 노즐 본체와 일체화시킨 연속 주조용 노즐로서의 깨짐에 견디는 성질은, 슬리브를 노즐 본체와 일체 형성한 경우와, 슬리브로서삽입하여 접착한 경우에서는, 접착한 경우쪽이 우수하다. 이는, 접착 접합부가 사용시의 내공에 용강이 유입하여 발생하는 급격한 팽창에 의한 열응력을 완화하는 기능을 갖기 때문으로 여겨진다.
연속 주조용 노즐의 재질, 구성, 형상에 의해 검토를 행한 결과, 이 응력 완화의 작용을 시키기 위해 접착 접합부의 기공률은 15% 이상 필요하다는 것을 알아내었다. 15% 미만이면 접착 접합부가 응력을 완화하는 능력이 약하고 노즐 본체를 눌러 깰 기능성이 커져 적절하지 않다. 또한 한편, 기공률이 너무 큰 경우 접착력이 부족하여 슬리브의 일부가 탈락하는 등의 문제가 발생한다. 사용 중에는 내화물제 슬리브의 팽창에 의해 노즐 본체와 밀착 상태에 가까운 상태가 된다는 것을 고려할 때, 기공률은 90% 이하가 실용 가능 범위로서 30~75%가 특히 바람직하다.
본 발명에서의 기공률은 미리 접착재의 비중과 노즐 본체와 슬리브 사이의 접합부의 체적을 측정해 놓으면 접착재의 충전 중량으로부터 산출할 수 있다.
접착재로서는 내화성 골재를 용제로 녹인 액체 상태의 바인더 내에 분산시킨 모르타르 타입의 것이나 내화성 골재에 페놀 수지를 코팅시킨 드라이 타입 등을 사용할 수 있다. 통상적으로 이들 접착재를 도포한 후, 용제의 제거 또는 페놀 수지를 경화시키기 위한 건조를 행하지만, 본 발명에서 언급하는 기공률은 이런 건조 처리를 실시한 후의 기공률을 의미한다. 내화성 골재의 입도는 0.5mm 이하의 것이 사용되고 기공률은 접합부 두께에 맞추어 용제와 바인더의 증감 또는 충전량을 바꿈으로써 설정된다.
접합부에 접착재를 바르기 위한 방법으로서는, 슬리브 외주면 또는 슬리브가장착되는 부분의 본체 내공 벽면의 일부 또는 전체에 도포하는 것 이외에 분무, 접착재를 적신 테이프 형상의 것을 슬리브에 감는 등의 방법을 채용할 수 있다. 또한, 접착재에 의한 접합부는 접합부 두께의 크기에 의해서는 슬리브 삽입 후 접합부로서 본체 내공 벽면 사이에 형성되는 간극에 접착재를 충전하는 것에 의해서도 형성된다.
본 발명처럼 CaO 함유량이 20질량% 이상의 슬리브를 노즐 본체에 접착하는 경우, 슬리브의 접착재에 사용하는 내화성 골재의 성분으로서는, CaO와의 반응성을 고려하는 것이 바람직하다. 즉, SiO2, Al2O3등은 용강열에 의한 고온 영역에서는 CaO와 반응하여 저융점화합물을 생성하므로, 이들을 함유하는 내화성 골재를 일부 사용하는 경우에는, 성분량을 충분히 고려할 필요가 있다. 이에 대해, MgO, CaO, ZrO2등은 CaO와 반응성이 작기 때문에 저융점화합물을 생성하는 경우가 적어서 이들을 단독적으로 또는 복합된 주성분의 내화성 골재를 사용하는 것이 바람직하다.
특히, MaO 재질은 취급성, 비용 면에서 바람직하다. 예컨대, 모르타르 타입의 접착재의 주요 성분이 MgO를 주체로 하는 경우, 내화성 골재의 70질량% 이상이 소결 마그네시아, 가소(假燒) 마그네시아, 전융(電融) 마그네시아 등의 마그네시아질 원료를 사용한다. 용강에 의한 열부하로 인한 용손(溶損)의 발생을 피하기 위해서는 MgO의 순도 95% 이상의 것, 또는 CaO, ZrO2등에 있어서도 SiO2, Al2O3등의 불순 성분이 적은 것임이 바람직하다.
또한, MgO를 주성분으로 한 내화성 골재와 알루미나 및/또는 Al을 포함하는물질의 1종 이상을 Al2O3으로 하여 30질량% 이하로 병용한 경우, 용강의 열부하에 의해 스피넬을 생성하고 이 생성시의 팽창에 의해 접합부의 기공률이 저하되며 더 나아가 노즐 본체와 슬리브의 접착 강도가 증대된다. 이 스피넬의 생성은 주입 개시시의 열응력을 완화한 후에 서서히 생성되므로 주입 개시시의 깨짐에는 악영향을 끼치지 않는다. 그렇지만, 병용하는 물질이 Al2O3으로서 30질량%를 넘으면 슬리브 내의 CaO와의 반응에 의한 저융점화합물의 생성량이 많아져서 바람직하지 않다.
접합부의 두께는 특히 제한되는 것이 아니지만, 접합부에 의한 응력 완화 기능과 접착성을 고려한다면, 0.5~2.5mm의 범위가 바람직하다. 접합부 두께가 얇은 경우에는 응력 완화 기능을 높이기 위해 접합부의 기공률은 높은 것이 좋으며, 접합부 두께가 두꺼운 경우에는 접착 기능을 높이기 위해 접합부의 기공률은 낮은 것이 좋다.
도 1에 있어서, 1은 노즐 본체를, 2는 슬래그 라인에 이용한 ZG 재질을, 3은 슬리브를, 4는 접착 접합부를 나타낸다.
표 1에 나타내는 A~F는 침지 노즐의 각 부분에 사용하는 재질 예를 나타낸다.
배합명배합 비율 A B C D E F
질량% C 25 25 20 - 25 -
Al2O3 75 - - - - -
MgO - 75 - - 35 40
ZrO2 - - 60 70 -
CaO - - 20 30 40 60
비교예 본 발명 비교예 본 발명 비교예
1 1 2 3 4 5 6 7 2 3 8 9 10 11 12 13 14 4
본체 재질 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
슬리브 재질 C C C C C C C C C D D D D D D D D D
접합부 기공률 10 15 20 30 45 60 75 90 95 10 15 20 30 45 60 75 90 95
깨짐 시험 모재의 눌려 깨짐 × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × △ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
슬리브의 박락 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ×
(시험 결과에서 ○는 문제 없음, △는 미세한 문제 발생함, ×는 큰 문제 발생함을 나타냄)
비교예 본 발명 비교예 본 발명 비교예
5 15 16 17 18 19 20 21 6 7 22 23 24 25 26 27 28 8
본체 재질 B B B B B B B B B B B B B B B B B B
슬리브 재질 E E E E E E E E E F F F F F F F F F
접합부 기공률 10 15 20 30 45 60 75 90 95 10 15 20 30 45 60 75 90 95
깨짐시험 모재의 눌려 깨짐 × △ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × △ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
슬리브의 박락 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ ×
(시험 결과에서 ○는 문제 없음, △는 미세한 문제 발생함, ×는 큰 문제 발생함을 나타냄)
표 1에 나타내는 A~F의 재질을 표 2, 3에 나타내는 조합에 의해 도 1에 나타내는 바와 같은 침지 노즐을 제작하였다. 이들 예에 있어서, 슬러그 라인에 사용한 ZG 재질로서는, FC가 16질량%, ZrO2가 80질량%, CaO가 4질량%인 것을 공통적으로 사용하였다. 노즐 본체(1)와 슬리브(3) 사이의 접착용 접합부(4)는 1.5mm 두께로 하고, 접착재의 충전량을 바꿈으로써 접합부의 기공률을 조정하였다. 접착재로서는 MgO 골재 100중량부에 대해 노볼락형 페놀 수지 10중량부, 헥사민 1중량부, 에탄올 10중량부로 이루어지는 모르타르를 사용하였다.
이들 침지 노즐의 시료에 1,550℃의 용강을 주입하여 깨짐 테스트를 행하고, 모재의 눌려 깨짐과 슬리브의 박락(剝落)에 대해 평가를 하였다. 문제가 없는 경우를 ○, 미소한 문제가 발생한 경우를 △, 큰 문제가 발생한 경우를 ×로 하였다.
표 2, 3에 나타내는 바와 같이, 실시예로서 나타낸 조합에 있어서 접합부의 기공률이 15~90%이면, 깨짐 시험 결과가 모재의 눌려 깨짐, 슬리브의 박락에 대해 양호한 것 및 미소한 문제만 발생한 것을 포함하여 적응이 가능하였다.
본 발명은 금속의 주조용 노즐, 특히 용강의 연속 주조에 사용하는 침지 노즐, 상부 노즐, 슬라이딩 노즐, 하부 노즐, 롱 노즐 등의 노즐 내공에의 알루미나의 부착이 예상되는 각종 부위에 적용이 가능하다.

Claims (4)

  1. CaO를 20질량% 이상 함유하는 내화물제 슬리브를 내장한 연속 주조용 노즐에 있어서,
    상기 슬리브 외주면 또는 상기 슬리브가 장착되는 부분의 본체 내공 벽면의 일부 또는 전체, 또는 삽입된 상기 슬리브와 본체 내공 벽면 사이에 형성되는 접합부에 대해, 내화성 골재와 바인더를 혼합한 접착재를 바르고, 건조된 접합부 접착재의 기공률을 15~90%로 조정한 연속 주조용 노즐 내공용 내화물제 슬리브의 접합 구조.
  2. 제1 항에 있어서,
    기공률은 접착재를 구성하는 용제와 바인더의 증감 또는 충전량을 바꿈으로써 조정한 연속 주조용 노즐 내공용 내화물제 슬리브의 접합 구조.
  3. 제1 항에 있어서.
    접착재를 구성하는 주된 내화성 골재가 MgO를 주성분으로 하는 내화성 골재인 연속 주조용 노즐 내공용 내화물제 슬리브의 접합 구조.
  4. 제3 항에 있어서,
    접착재가, 입경 0.5mm 이하로 구성하는 MgO를 주성분으로 한 내화성 골재를70질량% 이상으로 하고, 알루미나 및/또는 Al을 포함하는 물질의 1종 이상을 Al2O3으로 하여 30질량% 이하 함유하는 연속 주조용 노즐 내공용 내화물제 슬리브의 접합 구조.
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