KR20050021278A - 연속주조용 침지노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조시 노즐 내부의 유속과 압력의 변화를 최소화하여 노즐 내에서 용강의 정체영역 생성이 억제되고, 몰드 내에서 용강의 대칭유동이 형성되어 탕면 변동이 감소되며, 몰드 내 용강의 유동을 안정화하여 응고셀 두께가 균일하고 품질이 양호한 주편을 생산할 수 있도록 한 침지노즐에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 나팔관 형상의 유입구를 갖는 내화물질이 구비되고, 나머지 부분은 상기 유입구와 이어지면서 단변간의 거리는 전체적으로 멀고 장변간의 거리는 전체적으로 가까운 장공(長孔)형의 유로단면을 가지는 상단부; 상기 상단부와 이어지면서 출구측으로 갈수록 노즐 벽면의 두께는 점진적으로 얇아지고, 단변간의 거리는 점진적으로 증가하는 반면 장변간의 거리는 감소되는 장공형의 유로단면을 가지는 변환부; 상기 변환부와 이어지면서 출구쪽으로 갈수록 노즐 벽면의 두께 변화가 거의 없고, 상기 변환부에서 단변간 거리가 증가되는 것에 비해 완만하게 단변간의 거리가 증가되는 하단부:로 구성되며, 상기 하단부의 끝부분에는 몰드 내로 용강의 흐름을 유도하는 토출구가 분리대에 의해 대칭 상태로 구비된 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐이 제공된다.

Description

연속주조용 침지노즐 {submerged entry nozzle for continuous casting}

본 발명은 연속주조용 침지노즐에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 침지노즐 내부에서 급격한 유속의 변화없이 몰드 내로 용강이 공급되도록 하여 토출류의 균일한 분배를 유도함으로써, 균일한 응고셀 두께를 확보하여 양호한 품질의 주편을 생산할 수 있도록 하는데 적합한 연속주조용 침지노즐 구조에 대한 것이다.

일반적으로, 연속주조는 용융금속(이하, "용강"이라 함)을 바닥이 없는 몰드 내에서 응고시키면서 연속적으로 뽑아내는 방법으로서, 정사각형, 직사각형, 원형 등 단순한 단면형의 긴 제품과, 주로 압연용 소재인 슬래브, 블룸, 빌릿 등의 제조에 이용된다.

그리고, 상기 연속주조법에 의한 주조는 턴디쉬, 몰드, 2차냉각대, 핀치롤, 절단기로 구성된 연속주조기에 의해 이루어진다.

특히, 상기 턴디쉬(tundish)는 레이들(ladle)로부터 용강을 받아 이를 몰드로 공급해주는 용기로서, 상기 턴디쉬에서 몰드로 공급되는 용강의 속도조절, 각 몰드로 공급되는 용강의 분배 및 저장, 그리고 슬래그 및 비금속 개재물(용강에 포함된 불순물)의 분리 등이 이루어진다.

이 때, 몰드 내 용강의 흐름은 주편의 품질에 큰 영향을 미치며, 용강의 산화 및 질화를 방지하기 위해 용강이 공기에 노출되지 않도록 해야 한다.

따라서, 턴디쉬 출구에 노즐을 설치하고 그 끝을 몰드 내의 용강에 넣어 몰드 내 용강의 흐름을 제어하고, 용강이 공기에 노출되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 용강주조에 시용되는 침지노즐은 강의 연속주조시 턴디쉬와 몰드 사이에 설치되어 용강의 산화 및 질화를 방지하고, 용강의 몰드 내 흐름을 제어하여 주조된 주편의 품질을 높이는 역할을 하는 것이다.

특히, 50 ~ 80mm 정도로 얇은 두께를 갖는 박슬라브의 연속주조에 사용되는 침지노즐은 40 ∼ 60㎜의 장변측 외경과 1000㎜이상의 길이를 갖도록 형성된다.

또한, 상기 박슬라브를 제조하는 연속주조기의 몰드 내 용강 유동형태는 탕면거동의 안정에 의한 몰드제의 혼입방지 및 주편표면의 균일 냉각능력 확보, 몰드제의 유입에 의한 브레이크 아웃 방지 등에 영향을 받는다.

따라서, 박슬라브 연속주조시 안정적인 조업을 위해서는 엄격한 유동형태를 확보하는 것이 필수적이며, 이를 위하여 여러 가지 형상의 침지노즐이 개발되어 사용되고 있다.

참고로, 첨부된 도 1은 기존 침지노즐에서의 몰드 내로 토출된 용강의 유동형태를 나타낸 모식도이다.

박슬라브의 주조시, 침지노즐(1)을 통해 몰드(3) 내로 토출된 용강의 흐름(S1, S2, S3)에 의해 분리대(2)의 주위를 통한 하향류가 형성된다.

또한, 상기 분리대(2)의 형상에 따라 토출구의 최소단면적과 출구속도가 변하게 되며, 이에 따라 몰드(3) 내부로 유입되는 용강의 흐름이 달라진다.

즉, 토출구의 최소단면적은 침지노즐(1) 토출구의 출구속도를 좌우하며 출구속도의 크기에 따라 분리대(2)에 의한 용강의 흐름이 달라지는 것이다.

그리고, 침지노즐(1)을 통해 몰드(3) 내로 토출된 용강의 흐름(S1, S2, S3)은 일반적으로 도 1에 도시된 경로를 따라 이동된다.

먼저, 침지노즐(1)의 내벽을 따라 토출되는 용강의 흐름(S1)은 토출구 중앙에서 토출되는 용강의 흐름(S2)의 상부에 의해 몰드 내 유입이 차단되어 몰드(3)벽에 충돌하여 상승한 후, 탕면(S0) 부근에서 반전류를 형성한다. 이 반전류의 속도에 따라 탕면(S0) 변동에 따른 탕면(S0) 높이차가 달라지며, 몰드(3) 내 탕면(S0)의 불안정성은 이러한 탕면(S0) 높이차에 따라 달라진다.

이러한 용강의 불안정성, 특히 탕면(S0)에서의 불안정성으로 인해 몰드(3) 내부의 폭방향 열전달이 불균일해지며, 일정한 응고셀의 형성이 어려워질 수 있다.

그리고, 토출구 중앙에서 토출되는 용강의 흐름(S2)은 몰드(3)내 용강의 흐름(S1, S2 S3) 중 유속이 가장 빠르고 몰드(3)의 내벽에 충돌하여 하향류를 형성한다.

상기 용강의 흐름(S2)은 침지노즐(1) 내벽을 따라 토출되는 용강의 흐름(S1)이 반전류를 형성하는데 영향을 미치며, 이에 나타나는 현상은 상술한 바와 같다.

그리고, 분리대(2) 빗면을 따라 흐르는 용강의 흐름(S3)은 하향류를 형성하나, 토출구 중앙에서 토출되는 용강의 흐름(S2) 및 하부의 정체영역과 충돌하여 흐름의 방향이 반전되어 상승류를 형성하며, 몰드(3) 내 응고층의 형성은 상술한 상승류의 속도에 영향을 받는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 침지노즐을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 첨부된 도 2a 내지 도 3은 일본국 특개 2000-233262호(이하, "선발명1" 이라 함)에 개시된 침지노즐을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 선발명1에 개시된 침지노출은 노즐의 몸체(10)를 이루는 1차변환부(22) 끝단의 각도(a)가 0 ∼ 60°이며, 분리대(25) 빗면쪽의 각도(b)는 30 ∼ 80°이고, T/t는 75 ∼ 200％의 범위에 들도록 구성되어 있으며, 침지노즐은 몸체(10)의 상부인 원통형 상단부(21)와, 토출구(26, 27)쪽을 향해 확개(擴開)된 1차변환부(22), 그리고 상기 1차변환부(22) 끝단과 동일한 직경을 갖는 주변환부(24)로 구성된다.

이와 같이 구성된 선발명1은 분리대(25)의 상면(61)이 평면으로 이루어져 주조 초기에 침지노즐의 몸체(10) 내벽을 따라 흘러내리는 용강이 분리대(25)의 상면(61)에 충돌하여 몰드 외부로 비산되며, 용강이 토출되는 과정에서 유속 및 압력의 변동이 크기 때문에 침지노즐을 통한 몰드 내로 유입되는 용강의 흐름을 대칭으로 유도할 수 없어 몰드 내에서 편류가 발생되는 단점이 있다.

또한, 상기 분리대(25)의 빗면측 각도(b)가 30 ∼ 80°범위에 있더라도 외주부(62)에서 용강의 유속이 급격히 증가하여 분리대(25)가 용강에 의해 마모되므로, 분리대(25)의 빗면측 각도가 변화되어 주조시간이 증가할수록 몰드 내 용강의 유동 형상이 달라지게 되는 단점이 있다.

이와 더불어, T/t가 100％ 이하일 경우에는 용강이 몰드벽에 부딪치는 충돌점(F)의 위치가 탕면(S0)과 가까워지기 때문에, 노즐의 내벽을 따라 토출되어 반전류 형태를 갖는 용강의 흐름(S1)은 유속이 증가되고 상기 흐름(S1)의 영역이 증가되어 탕면(S0) 변동의 높이차가 10㎜이상이 되어 안정적인 조업이 어려운 문제점이 있다.

그리고, 첨부된 도 4a 및 도 4b는 국제출원번호 PCT/CA95/00228호(이하, "선발명2" 라고 함)에 개시된 침지노즐을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 선발명2의 침지노즐은 몸체(10)의 상부인 원통형 상단부(21)와 토출구(26, 27)쪽을 향해 유로단면의 단변간 거리는 확개되는 반면, 장변간 거리는 축소되는 1차변환부(22)와 상기 1차변환부(22) 끝단과 동일한 장변간 거리를 갖는 주변환부(24)로 구성되며, 상기 1차변환부(22)에서 전벽(22a, 22b)의 총수렴각도(c)는 2.0 ∼ 8.6°이며 바람직하게는 5.3°이고, 측벽(22c, 22d)의 총 발산각도(d)는 6 ∼ 16.6°이며 바람직하게는 10.4°이고, 출구인 편향부(26, 27)는 10 ∼ 80°이며 바람직하게는 30°인 노즐과 유사하게 구성된다.

그러나, 상기한 선발명2는 유로단면의 단면적 변화량은 작지만, 측벽의 총발산각도(d)가 5°이상이 되면 침지노즐의 단변간의 거리가 증가하므로, 침지노즐 횡방향에서의 중심부 유속(51a)과 노즐 내벽쪽 유속(52a)이 달라져 편류가 발생되는 문제점이 있다.

또한, 노즐 내벽쪽보다 중심부의 유속이 크면, 용강의 흐름이 분리대(25)에 집중되고 몰드 내의 유동형상은 더블 롤 흐름(Double Roll Flow)이 발생되어, 도 1에 나타낸 충돌점(F)의 위치가 탕면(S0)에서 가까워져 침지노즐 내벽을 따라 토출되는 용강의 흐름(S1)이 커다란 반전류 형태를 이루고 그 영역이 증가되기 때문에 탕면(S0)의 변동에 따른 높이차가 크게 나타나 안정적인 조업이 어려운 단점이 있다.

이처럼, 종래 기술에 따른 침지노즐은 유입구에서부터 토출구까지의 단면적 변화가 커서 노즐 내 용강의 유속과 압력의 변화가 크고, 이에 따라 용강이 높은 압력의 장벽을 통과하면서 노즐 내에서 급속한 압력 변동이 발생된다.

이렇게 발생된 압력 변동에 의해 압력파가 발생되며, 이 압력파는 노즐 상, 하부로 전달된다.

특히, 상부로 전파된 압력파는 노즐유입구에서 감쇠되지만, 하부로 전달된 압력파는 출구에서 맥동을 유발하여 유속과 토출유량이 불균일해짐에 따라, 몰드 내 용강의 탕면(S0)을 일정하게 유지하기 어렵고, 나아가 유속차이에 의한 편류가 발생된다.

이로 인해, 국부적으로 용강의 응고가 지연되고, 응고셀의 두께가 다른 부분에 비해 얇아져 인장력이 발생하므로 슬라브 표면에 세로 크랙이 발생하게 된다.

따라서, 침지노즐 내의 유속과 압력의 급격한 변화를 방지하여 상술한 문제점들을 해결할 수 있는 침지노즐의 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 연속주조시 노즐 내부의 유속과 압력의 변화를 최소화하여 노즐 내부에서 용강의 정체영역이 생성되는 것을 방지하고, 몰드 내에서 용강의 대칭유동을 형성하여 탕면 변동에 따른 높이차를 감소시키고, 몰드 내 용강의 유동을 안정화하여 균일한 응고셀 두께로 양호한 품질의 주편을 생산할 수 있는 최적화된 노즐 내부 형상 및 분리대 형상을 갖는 침지노즐을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나팔관 형상의 유입구를 갖는 내화물질이 구비되고, 나머지 부분은 상기 유입구와 이어지면서 단변간의 거리는 전체적으로 멀고 장변간의 거리는 전체적으로 가까운 장공(長孔)형의 유로단면을 가지며, 이 유로단면의 면적이 변하지 않는 상단부; 상기 상단부와 이어지면서 출구측으로 갈수록 노즐 벽면의 두께는 점진적으로 얇아지고, 단변간의 거리는 점진적으로 증가하는 반면 장변간의 거리는 감소되는 장공형의 유로단면을 가지며, 이 유로단면의 면적이 변하지 않는 변환부; 상기 변환부와 이어지면서 출구쪽으로 갈수록 노즐 벽면의 두께 변화가 거의 없고, 상기 변환부에서 단변간 거리가 증가되는 것에 비해 완만하게 단변간의 거리가 증가되는 하단부:로 구성되며, 상기 하단부의 끝부분에는 몰드 내로 용강의 흐름을 유도하는 토출구가 분리대에 의해 대칭 상태로 구비되고, 상기 상단부 중 유입구를 막 벗어난 부분의 유로단면적을 기준면적으로 하여 상기 하단부 중 분리대가 시작되기 전까지의 유로단면적은 토출구쪽으로 갈수록 상기 기준면적의 5% 범위 내에서 점진적으로 증가되다가 분리대가 시작되는 부분부터 토출구 끝단까지의 유로단면적은 상기 기준면적과 동일한 면적으로 복원되도록 한 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐이 제공된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도 5a 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5a는 본 발명에 따른 침지노즐의 구조를 나타낸 종단면도이고, 도 5b는 도 5a의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이며, 도 6은 도 5a의 Ⅱ-Ⅱ, Ⅵ-Ⅵ, Ⅶ-Ⅶ, Ⅷ-Ⅷ선 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 연속주조용 침지노즐은 단변간의 거리(e)는 전체적으로 멀고 장변간의 거리(f)는 전체적으로 가까운 장공(長孔)형의 유로단면(37)을 갖는 상단부(31)와, 출구측으로 갈수록 노즐 벽면의 두께는 얇아지고, 단변간의 거리(e)는 점진적으로 증가하는 반면 장변간 거리(f)는 점진적으로 감소되는 장공형의 유로단면(38)을 갖는 변환부(32)와, 두께 변화가 거의 없고, 상기 변환부(32)의 단변간 거리(e)가 증가되는 것에 비해 완만하게 단변간 거리(e)가 증가되는 하단부(33)에 의해 원형 관 형태의 몸체(10)가 구성된다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 침지노즐의 몸체(10)를 구성하는 상단부(31)에는 나팔관 형상의 유입구(30a)를 갖는 내화부재(30)가 구비된다.

이 때, 상기 침지노즐에 용강을 공급해주는 턴디쉬의 유로단면은 통상 원형이고, 상기 노즐 내부의 유로단면 형상은 장공형이며, 상기 유입구(30a)는 상기 턴디쉬와 노즐의 유로단면을 연결하기 위한 것이다.

따라서, 상기 유입구(30a)의 유로단면 중 상단의 유로단면은 상기 턴디쉬의 유로단면과 동일한 직경을 갖는 원형을 이루며, 하단의 유로단면은 상단의 유로단면에서 점차 수렴되어 상기 상단부(31) 유로단면(37)의 장변간 거리(f)와 동일한 직경을 갖는 원형을 이루어 결국, 상기 유입구(30a)는 침지노즐의 입구측을 향하여 발산된 나팔관 형상을 갖는다.

상기와 같은 유입구(30a)를 갖는 내화부재(30)는 침지노즐의 몸체(10)와 일체로 제작될 수도 있지만, 이 경우 침지노즐의 성형이 곤란하므로, 나팔관 형상의 유입구(30a)를 갖는 내화부재(30)가 별도의 피스(piece)로 제작되어 침지노즐의 입구측에 조립되는 것이 바람직하다.

또한, 상단부(31)의 유로단면(37)은 양측 장변부 중심을 지나는 단면 및 양측 단변부 중심을 지나는 단면의 두 중심 단면에 대하여 대칭을 이룬다.

이 때, 상기 상단부(31) 유로단면(37)의 장변은 직선을 이루고 단변은 일정 곡률의 곡선을 이루게 되며, 이하에서는 이러한 장공형태를 "트랙(track)형" 이라 칭한다.

상기 트랙형 유로단면(37)을 갖는 상단부(31)는 Ⅲ-Ⅲ선을 따른 단면부터 Ⅳ-Ⅳ선을 따른 단면까지의 구역에 해당하며, 이 구역의 유로단면적은 변하지 않는다.

또한, 상기 유로단면(37) 중 나팔관 형상의 유입구(30a)를 제외한 부분의 단변간 거리(e)와 장변간 거리(f)의 비는 1.1 ∼ 4.0 의 범위 내에 들도록 구성된다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 침지노즐의 몸체(10)를 구성하는 변환부(32)의 유로단면(38) 형상은 상단부(31)의 유로단면(37)과 마찬가지로 장변은 직선을 이루고, 단변은 일정 곡률의 곡선을 이루는 형태이다.

이 때, 상기 변환부(32)의 유로단면(38)은 상단부(31)의 유로단면(37)에 비해 단변간 거리(e)는 증가되고 장변간 거리(f)는 감소되는 형태를 이루게 되며, 이하에서는 상기와 같이 상단부(31)의 유로단면(37)에 비해 더 긴 장공형태를 "슬롯(slot)형"이라 칭한다.

또한, 상기 변환부(32)의 단변측 내측면(32a, 32b)은 수직선에 대해 5.0 ∼ 20.0°의 경사각(α)을 가지며, 상기 변환부(32)의 장변측 내측면(32c, 32d)은 수직선에 대해 1.0 ∼ 8.0°의 경사각(β)을 갖도록 형성되어, 상기 변환부(32) 유로단면(38)(즉, Ⅳ-Ⅳ선을 따른 단면으로부터 Ⅴ-Ⅴ선을 따른 단면까지의 구역)의 단면적은 변하지 않는다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 침지노즐의 몸체(10)를 구성하는 하단부(33)의 끝단에는 몰드 내로 용강의 흐름을 유도하는 토출구(35, 36)가 구비되고, 상기 하단부(33)의 끝부분 중앙에는 상기 토출구(35, 36)를 통한 몰드 내로의 용강의 흐름이 대칭 유동이 되도록 유도하는 분리대(34)가 구비된다.

또한, 상기 하단부(33)의 단변측 내측면(33a, 33b)은 수직선에 대해 2 ∼ 20°범위 이내의 경사각(γ)을 이루는 동시에 상기 변환부(32)의 단변측 내측면(32a, 32b)의 경사각(α) 보다 작은 각을 가지며, 상기 하단부(33)의 장변측 내측면(33c, 33d)은 수직선과 이루는 각이 가능한 작아지도록 형성되고, 바람직하게는 0°가 된다.

이에 따라, 상기 하단부(33) 중 분리대(34)가 시작되기 전까지의 유로단면적은 토출구(35, 36)쪽으로 갈수록 Ⅲ-Ⅲ선을 따른 단면의 유로면적(이하, "기준면적"이라 함)의 5% 범위 내에서 점진적으로 증가되다가 분리대(34)가 시작되는 부분부터 토출구(35, 36) 끝단까지의 유로단면적은 상기 기준면적과 동일한 면적으로 복원된다.

즉, 상기 분리대(34)가 시작되는 구역에서 분리대(34)의 존재로 인해 유로단면(39a, 39b)의 면적이 상기 기준면적의 90%까지 감소하며, 이 후에는 하단부(33) 내측면(33a, 33b, 33c, 33d)이 수직에 대해 소정의 경사각을 이루기 때문에 유로단면(39a, 39b)의 면적이 점진적으로 증가하는 것이다.

다만, 상기 상단부(31) 및 변환부(32)의 유로단면적과 토출구(35, 36) 끝단의 유로단면적은 상기 기준면적의 1 ~ 2％ 범위 내에서 변화가 이루어질 수도 있으나, 이는 설계과정과 제작과정 사이의 오차에 의해 발생할 수 있는 것이며, 1 ~ 2%의 변화는 극히 미세한 변화량이므로 실질적으로 상기 상단부(31)와 변환부(32)의 유로단면적은 변하지 않는다.

또한, 상기 분리대(34)의 상부에는 소정의 곡률을 갖는 만곡부(34a)가 형성되고, 분리대(34)의 길이방향을 따른 중앙부분까지는 경사면을 갖지 않도록 형성되며, 그 아래쪽부터 노즐 출구방향으로 경사면을 갖도록 형성된다.

특히, 상기 분리대(34)가 수직과 이루는 각도(θ)는 2 ∼ 20°의 범위 내에 있고, 더욱 바람직하게는 2 ∼ 5°를 이루게 된다.

이와 같이 구성된 침지노즐은 상기 유입구(30a)를 막 벗어난 상단부(31)의 유로단면적을 기준면적으로 하여, 다른 부분의 최소 유로단면적은 상기 기준면적의 90％ 미만이 되지 않고 최대 유로단면적은 상기 기준면적의 105％를 초과하지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 침지노즐의 구성상 특징과 그에 따른 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상단부(31)는 나팔관 형상의 유입구(30a)부터 트랙형의 유로단면(37)으로 이어지는 구간에서의 단면적 변화를 제외하고, 단면적의 변화가 없다.

즉, 이 부위에서는 단변간 거리(e)와 장변간 거리(f)의 변화가 없거나 최소화되고, 이에 따라 단면적이 변하지 않으므로 이 부위에서 용강의 유속 및 압력은 거의 변하지 않아 안정적인 용강의 흐름을 얻을 수 있다.

또한, 상기 유로단면(37)의 단변간 거리(e)와 장변간 거리(f)의 비가 1.1 이하가 되면 유로단면(37)이 원에 가까운 형상을 가지게 되며, 4.0 이상이 되면 용강이 균일한 흐름을 유지할 수 없기 때문에, 상단부(31) 유로단면(37)의 단변간 거리(e)와 장변간 거리(f)의 비는 1.1 ~ 4.0의 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.

그리고, 변환부(32)는 유로단면(38)의 단면적 변화가 없는 상태에서 단변간 거리(e)는 증가되고 장변간 거리(f)는 감소되기 때문에, 변환부(38)의 유로단면(38)이 상단부(31)의 유로단면(37)에 비해 더 긴 장공형태를 이루도록 변화되지만, 변환부(32)의 내부를 흐르는 용강의 유속 및 압력은 거의 변하지 않아 안정적인 용강의 흐름을 얻을 수 있다.

이와 더불어, 상기 변환부(32)는 출구측으로 갈수록 침지노즐 벽면의 두께가 얇아지게 되는데, 이는 단변간 거리(e)가 점진적으로 증가하고 장변간 거리(f)가 점진적으로 감소되는 형태를 갖는 변환부(32) 형태에 알맞게 대응되도록 하기 위함이다.

만약, 단변간 거리(e) 방향에 있어서의 노즐 벽 두께와 장변간 거리(f) 방향에 있어서의 노즐 벽 두께가 지나치게 차이가 나면, 이 부분에서 응력이 집중되어 노즐의 안정성이 떨어지게 된다.

따라서, 변환부(32)에 있어서 노즐의 두께는 출구측으로 가면서 유로단면(38)의 단변간 거리(e)와 장변간 거리(f)의 변화에 맞추어 점진적으로 얇아지는 것이 바람직하다.

또한, 상단부(31)와 변환부(32)의 유로단면에서 장변이 일정 곡률을 갖는 직선을 이루게되면, 장변의 중앙과 양단의 용강 흐름에 차이가 발생하여 안정적인 용강의 흐름을 얻을 수 없으므로, 상기 상단부(31)의 유로단면(37)과 변환부(32)의 유로단면(38)은 장변이 직선을 이루고 단변이 일정 곡률의 곡선을 이루는 트랙형 및 슬롯형 유로단면으로 이루어져 노즐 내부의 용강이 안정적으로 흐르게 함이 바람직하다.

그리고, 하단부(33)는 분리대(34)가 시작되는 부분에서 한번의 단면적 감소가 있는 것을 제외하고 토출구(35, 36) 끝단으로 갈수록 유로단면(39a, 39b)의 단면적이 점진적으로 증가하여 상기 기준면적과 동일한 면적으로 회복된다.

또한, 상기 하단부(33)의 단변측 내측면(33a,33b)은 수직선에 대해 2 ∼ 20°범위 이내의 경사각(γ)을 이루는 동시에 상기 변환부(32)의 단변측 내측면(32a, 32b)의 경사각(α) 보다 작은 각을 갖도록 형성되기 때문에, 하단부(33)는 두께 변화가 거의 없어지며 유로단면(39a, 39b)의 단변간 거리(e)가 변환부(32)에 비해 완만하게 증가되어 하단부(33)는 유로단면(39a, 39b)의 단변간 거리(e)가 변환부(32) 유로단면(38)의 단변간 거리(e)에 비해 더 증가된 전체적으로 길쭉한 슬롯 모양의 단면이 형성된다.

따라서, 상기 하단부(33)는 그 유로단면(39a, 39b)이 변환부(32)의 유로단면(38)에 비해 더 길쭉한 슬롯 모양 변화되지만, 상기 유로단면(39a, 39b)의 단면적은 변화가 거의 없기 때문에 하단부(33)의 내부를 흐르는 용강의 유속 및 압력은 거의 변하지 않아 안정적인 용강의 흐름을 얻을 수 있다.

그리고, 상기 분리대(34)는 용강을 일정한 각도로 양분하는 역할을 담당한다.

특히, 상기 분리대(34)의 상부에는 소정의 곡률을 갖는 만곡부(34a)가 형성되어, 주조 초기에 용강이 분리대(34)의 상면에 충돌하여 몰드 외부로 비산되는 현상이 방지된다.

또한, 상기 분리대(34)가 수직과 이루는 각도(θ)가 2° 이하인 경우 용강의 분산이 어려울 수 있으며, 상기 각도(θ)가 20° 이상인 경우 용강이 몰드 내벽에 강하게 부딪쳐 응고셀의 형성에 영향을 미치고 탕면의 안정성이 저하될 수 있다.

따라서, 상기 분리대(34)가 수직과 이루는 각도(θ)는 2 ~ 20°의 범위를 유지하여 상기한 문제점들을 방지 할 수 있다.

이처럼, 본 발명은 노즐 내부의 유로단면적이 급격히 변동되지 않기 때문에 용강의 유속 및 압력의 급격한 변동이 발생하지 않아, 용강의 유속 및 압력의 급격한 변동에 의해 발생되던 종래의 문제점이 해소된다.

즉, 본 발명에 따른 침지노즐은 나팔관 형상의 유입구(30a)부터 토출구(35, 36) 끝단까지의 단면적 변화가 상기 기준면적의 90 ~ 105%의 범위를 유지함으로써, 노즐 내부의 중심부 흐름(51)과 내벽쪽의 흐름(52)의 유속 및 압력의 편차를 최소화할 수 있으며, 분리대(34)에 의해 용강의 분할 흐름 유도시 편류를 방지하여 안정적인 용강의 흐름을 얻을 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명은 몰드 내에서 국부적으로 용강의 응고가 지연되고, 응고셀의 두께가 불균일하여 슬라브 표면에 세로 방향 크랙이 발생되던 종래의 문제점을 해결하였다.

또한, 본 발명에 따른 침지노즐은 몰드 내의 탕면 안정과 더불어 개재물의 부상이 용이하여 개재물 분리가 쉽게 이루어질 수 있다.

즉, 몰드 내에서 용강의 흐름이 안정적이지 못하고 탕면 변동이 크거나 소용돌이 현상이 발생되면 개재물이 몰드 내에서 부상하지 못하거나 몰드파우더가 용강에 혼입되지만, 본 발명에 따른 침지노즐은 용강의 유동이 안정적이기 때문에 이와 같은 문제점이 발생하지 않는다.

한편, 본 발명의 효과를 확인하기 위한 실험 결과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 효과를 확인하기 위해, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 침지노즐과 종래의 침지노즐(선발명1, 2)의 세 가지 유형을 아크릴 1:1모델로 제작하여 수(水)모델 시험을 통하여 몰드 내 유동현상 및 탕면 변동에 따른 높이차를 분석하여, 하기의 [표 1]에 그 결과를 기록하였다.

상기 수모델 시험이란, 침지노즐 및 몰드를 아크릴로 제작하고 용강 대신 물을 이용하여 실제 용강의 주조와 같은 시험을 통해 노즐 내부와 몰드 내부에서 유체의 유동 특성을 파악하는 시험방법이다.

구분		몰드 단변 내측면으로부터의 거리에 따른 탕면 높이차
형상	침적깊이	10㎜	135㎜	270mm	405mm
본 발명의 실시예에 따른 침지노즐	70㎜	12	8	9	6.5
	130㎜	14.5	7	6	3.5
비교예 (선발명1)	70㎜	16.5	9	12	8
	130㎜	16	10	10	8
비교예(선발명2)	70㎜	16	7	11.5	7.5
	130㎜	15.5	10	9	7.5

표 1을 참조하면, 토출구(35, 36)의 형상이 발산각을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 침지노즐과 선발명1, 2의 침지노즐을 비교한 결과, 본 발명의 실시예에 따른 침지노즐보다 선발명1, 2의 경우 더 큰 탕면 높이차를 나타냄을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 침지노즐은 몰드의 단변 내측면으로부터의 거리 및 노즐의 침적깊이에 따른 탕면 높이차가 작게 나타나지만, 종래기술인 선발명1, 2에서는 몰드의 단변 내측면으로부터의 거리 및 노즐의 침적깊이에 따른 탕면높이차가 본 발명의 실시예보다 더 크게 나타난다.

특히, 선발명1, 2에서는 몰드의 단변 내측면으로부터의 거리가 가까운 지점에서의 탕면 높이차가 본 발명의 실시예보다 크게 나타나는 것을 알 수 있어, 결국 본 발명의 실시예보다 선발명1, 2의 탕면 높이차가 더 크게 나타남을 알 수 있다.

이는, 본 발명의 실시예를 따른 침지노즐의 내벽을 따라 토출되는 용강의 흐름(S1)에 의해 형성되는 반전류의 영역이 선발명1, 2의 경우 보다 작은 것을 의미하며, 이에 따라 본 발명의 실시예는 탕면 높이차를 최소화하여 안정적인 조업이 가능하다.

상술한 구성 및 작용에 따른 본 발명의 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 침지노즐은 연속주조시 노즐 내부의 유속 및 압력의 변화를 최소화하여 노즐 내부에서 용강의 정체영역이 생성되는 것을 억제하고, 몰드 내에서 용강의 대칭유동이 형성된다.

이를 통해, 몰드 내의 탕면을 안정화시켜 탕면의 변동(fluctuation)에 따른 높이차를 감소시키고, 몰드 내 용강의 유동을 안정화하여 응고셀 두께가 균일하고 품질이 양호한 주편을 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 몰드 내로 토출된 용강의 유동형태를 나타낸 모식도

도 2a는 종래기술에 따른 침지노즐의 구조예를 나타낸 종단면도

도 2b는 도 2a의 측단면도

도 3은 도 2a의 "A"부 확대도

도 4a는 종래기술에 따른 침지노즐의 다른 구조예를 나타낸 종단면도

도 4b는 도 4a의 측단면도

도 5a는 본 발명에 따른 침지노즐의 구조를 나타낸 종단면도

도 5b는 도 5a의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도

도 6은 도 5a의 Ⅱ-Ⅱ, Ⅵ-Ⅵ, Ⅶ-Ⅶ, Ⅷ-Ⅷ선 단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 내화물질 30a : 유입구

31 : 상단부 32 : 변환부

32a, 32b : 변환부의 단변측 내측면 32c, 32d : 변환부의 장변측 내측면

33 : 하단부 33a, 33b : 하단부의 단변측 내측면

33c, 33d : 하단부의 장변측 내측면 34 : 분리대

34a : 만곡부 35, 36 : 토출구

Claims (9)

1. 나팔관 형상의 유입구를 갖는 내화물질이 구비되고, 나머지 부분은 상기 유입구와 이어지면서 단변간의 거리는 전체적으로 멀고 장변간의 거리는 전체적으로 가까운 장공(長孔)형의 유로단면을 가지며, 이 유로단면의 면적이 변하지 않는 상단부;

   상기 상단부와 이어지면서 출구측으로 갈수록 노즐 벽면의 두께는 점진적으로 얇아지고, 단변간의 거리는 점진적으로 증가하는 반면 장변간의 거리는 감소되는 장공형의 유로단면을 가지며, 이 유로단면의 면적이 변하지 않는 변환부;

   상기 변환부와 이어지면서 출구쪽으로 갈수록 노즐 벽면의 두께 변화가 거의 없고, 상기 변환부에서 단변간 거리가 증가되는 것에 비해 완만하게 단변간의 거리가 증가되는 하단부:로 구성되며,

   상기 하단부의 끝부분에는 몰드 내로 용강의 흐름을 유도하는 토출구가 분리대에 의해 대칭 상태로 구비되고, 상기 상단부 중 유입구를 막 벗어난 부분의 유로단면적을 기준면적으로 하여 상기 하단부 중 분리대가 시작되기 전까지의 유로단면적은 토출구쪽으로 갈수록 상기 기준면적의 5% 범위 내에서 점진적으로 증가되다가 분리대가 시작되는 부분부터 토출구 끝단까지의 유로단면적은 상기 기준면적과 동일한 면적으로 복원되도록 한 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상단부는 유로단면의 단변간 거리와 장변간의 거리의 비가 1.1 ∼ 4.0인 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 상단부의 유로단면은 장변이 직선을 이루고 단변이 일정 곡률의 곡선을 이루게 됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 변환부의 유로단면은 장변이 직선을 이루고 단변이 일정 곡률의 곡선을 이루는 형태로서, 상기 상단부의 유로단면에 비해 단변간 거리는 증가하고 장변간 거리는 감소하는 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 변환부의 장변측 내측면은 수직선에 대해 1.0 ∼ 8.0°의 각도를 가지며, 단변측 내측면은 수직선에 대해 5.0 ∼ 20.0°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 하단부의 단변측 내측면은 수직선에 대해 2 ∼ 20°의 각도를 갖는 동시에, 상기 변환부의 단변측 내측면의 각도 보다 작은 각을 갖도록 형성됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리대는 대략 길이 중간부위에서부터 출구방향으로 가면서 단변측 내측면이 수직선에 대해 소정의 경사각을 갖도록 형성됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 분리대의 하부측이 수직선에 대해 이루는 각도는 2 ∼ 20°범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 유입구를 갖는 내화물질은 별도의 피스(piece)로 제작되어 노즐 입구측에 조립됨을 특징으로 하는 연속주조용 침지노즐.