KR20050064416A - 냉각능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 관한 것으로, 그 목적은 주조롤 슬리브에 형성되는 냉각홀을 대구경과 소구경의 냉각홀의 구성으로 조합하여 형성시킴으로써, 박판 주조시 주조롤의 표면에서 중심부로 전달되는 열유속을 최대한 감소시키도록 하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중심부의 샤프트(7)와 그 외곽으로 열박음되는 슬리브(6)로 된 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 있어, 상기 주조롤 슬리브(6)의 표면층 하부에 서로 일정한 간격(H)으로 큰 직경(D)으로 일렬로 형성되는 냉각홀(8)을 구성하되 이들 큰 직경의 냉각홀(8) 사이에 작은 직경(D')을 지닌 냉각홀(12)을 추가로 형성하여 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤을 제공한다.

Description

냉각능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤{Continuous Casting Roll with high cooling capacity}

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조기에 관한 것으로, 보다 상세히는 용강이 접촉하여 주편을 제조하는 회전하는 한 쌍의 주조롤, 특히 대구경의 광폭 주조롤의 슬리브 부분에 형성되는 냉각홀을 직경이 큰 냉각홀과 직경이 작은 냉각홀을 조합하여 구성함으로서 박판 주조시 주조롤의 표면에서 중심부로 전달되는 열유속을 효과적으로 감소시키도록 한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 대한 것이다.

일반적으로 박판의 주조방법에는 용강을 턴디쉬를 통하여 연속주조방법으로 슬라브를 제조하고 이를 압연 및 사상작업을 거쳐 박판으로 제조하는 연속 주조방법과, 회전하는 쌍롤과 에지댐 사이에 직접 투입된 용강의 풀을 통하여 주조롤로써 슬라브의 압연 및 사상 작업 없이 직접 주편(박판)을 제조하는 쌍롤식 박판주조방법이 있는데, 상기 후자는 연속주조방식의 여러 공정을 거치지 않으면서도 박판을 직접 제조할 수가 있어 원가 측면에서 상당한 비용절감이 가능하고 공정을 줄일 수 있어 이러한 쌍롤식 박판주조방식에 대한 집중적인 연구가 진행되고 있다.

이와 같은 쌍롤식 박판주조기로서 일반적인 쌍롤식 박판주조기를 도1에서 도시하고 있다.

즉, 도1에서 도시한 바와 같이, 일정속도로 회전하는 2개의 주조롤(3) 사이에 용강 저장용기의 하측으로 설치된 침지노즐(1)을 통하여 용강(2)이 공급되어 주조롤(3)과 그 양측의 에지댐으로서 형성되는 용강풀을 통하여 공급된 용강(2)이 주조롤(3)과 접촉하여 응고쉘(4)을 형성하면서 주조롤(3)이 회전함에 따라 롤 최근접 점에서 주편(5)을 연속주조하는 것이다.

이때 상기 용강(2)을 주편(5)으로 주조하기 위한 응고쉘(4)의 형성은 주조롤(3)과 용강(2)의 접촉시 용강(2)이 냉각되면서 발생하므로 상기 주조롤(3)의 냉각이 중요한 박판주조의 기술이 된다.

즉, 도2에서는 상기 주조롤(3)의 일반적인 냉각구조를 개략적으로 도시하고 있는데, 용강이 저장된 저장용기의 하측 노즐(1)로부터 공급된 용강(2)이 주조롤(3)의 표면측의 슬리브(6)에 원주방향으로 다수개 형성되어 냉각수가 흐르는 냉각홀(8)의 작용에 의하여 냉각되는데, 이때 상기와 같은 주조롤(3)의 냉각효율은 이러한 박판주조기의 생산성을 결정하게 되고, 따라서 주조롤(3) 전체의 재질을 열전도도가 좋은 구리를 사용하는 것이 바람직하지만 비용문제를 감안하여 슬리브(6)부분만 구리 또는 구리합금을 사용하고, 그 외의 주조롤(3)의 나머지 부분 즉 샤프트 부분은 상대적으로 가격이 저렴한 일반강 또는 합금강을 사용하며, 상기 주조롤(3)의 슬리브(6)와 샤프트(7)는 열박음을 통해 조립된다.

그리고, 상기 주조롤(3)의 샤프트(7)의 중심부에도 냉각수가 흐르는 냉각홀(9)이 형성되어 있다.

한편, 상기와 같은 박판주조기에서 주조롤(3)의 열전달 측면을 고려하면 상술한 주조롤(3)의 재질뿐만 아니라 덧붙여서 주조롤(3)의 냉각홀, 특히 슬리브(6)부분에 원주를 따라 형성되어 용강(2)의 냉각에 직접적인 영향을 미치는 냉각홀(8)의 구조에 따른 냉각수 흐름이 주조롤(3)의 내부 냉각과 슬리브(6)의 열팽창량을 결정짓는 중요한 변수가 된다.

즉 주조롤(3)의 재질은 대부분의 경우 열전도도가 좋은 구리 또는 구리합금을 사용하고 있기 때문에 주조롤(3)의 열전달 효율을 결정짓는 중요한 변수는 롤 슬리브(6)에 위치하는 냉각홀(8)의 적절한 배열이며, 냉각홀(8) 배열의 변수로는 냉각홀(8)의 직경, 개수 및 롤표면으로부터 떨어진 거리 등을 들 수 있다.

이중 냉각홀(8)과 롤표면으로부터 떨어진 거리(G)는 롤표면과 가까울수록 좋으나 롤 재가공시 구리모재가 가공되기 때문에 너무 가까운 거리는 사용하지 않으며, 대략 15~50mm 정도의 거리를 사용하고 있는 것이 일반적이다.

따라서 주조롤(3)의 냉각효율을 지배하는 주요변수는 도 3,4에서 도시한 바와 같이 냉각홀(8)의 직경과 개수라고 볼 수 있으며, 가능한 한 롤표면을 통해 흡입된 열량이 냉각홀(8)을 통해 가급적 많이 빠져나가는 것이 바람직한데, 이를 위하여는 냉각효율이 뛰어난 냉각홀의 구성이 필요하다.

롤 슬리브에 가공되는 냉각홀의 구성은 임의로 선택할 수 없으며 직경 및 수에 있어 가공제약이 뒤따르게 된다.

상업용 광폭 롤, 즉 생산성을 확보를 위해 주조롤(3)의 폭이 1m~2m에 이르는 광폭 롤(3)에 있어서는 냉각홀(8)을 가공함에 있어 많은 어려움이 있는데, 냉각홀(8)의 크기면에서 살펴보면 수 mm 직경을 지닌 냉각홀(8)의 가공은 거의 불가능하다.

이는 냉각홀(8)을 가공하는 심혈(深穴) 작업시 문제가 발생하기 때문인 바, 일반적으로 가공이 가능한 폭/심혈직경의 적정값이 존재하기 때문이며, 이 값을 넘어서 가공하게 되면 심혈가공시 직진도의 보장이 어려워 가공이 문제가 발생할 경우에는 고가의 롤 슬리브를 손상시킬 위험성이 있다.

일반적으로 심혈 가공조건은 폭/심혈직경의 값이 100~200 으로 되어 있으나 안정적인 작업을 위해서는 폭/심혈직경 비가 작은 값에서 작업하는 것이 바람직하다. 또 하나의 심혈 가공시의 제약 조건은 냉각홀과 냉각홀의 최단 간격(H)이 냉각홀의 직경(D)이상이어야 한다는 것이다. 따라서 작은 직경이 냉각홀을 가공할 경우에는 구멍 간격(H)이 작아 슬리브에 많은 수의 냉각홀을 가공할 수 있지만 상대적으로 큰 직경의 냉각홀을 가공할 경우에는 구멍 간격(H)의 제약으로 인해 냉각홀 수가 급격히 줄어들게 된다. 냉각홀의 직경이 커지는 경우는 큰 냉각홀에서의 열전달계수값 향상을 위해 냉각홀(8)내에 삽입물(insert)을 넣어 냉각홀에서는 유속을 증가시키는 방법이 시도된 바 있다.

냉각홀의 직경 및 수는 롤 내부 냉각효율에 큰 영향을 미치며 냉각홀의 구성이 롤 냉각능에 미치는 영향을 기술하면 다음과 같다.

롤 슬리브에 가공된 냉각홀의 냉각효과는 크게 롤 표면부와 냉각홀 사이의 냉각과 냉각홀 밑 부분의 슬리브 냉각의 두가지로 판단되어야 하며, 먼저 롤표면과 냉각홀 사이의 열전달 효과를 알아보면 냉각능은 롤표면으로부터 냉각홀까지의 거리 및 냉각홀과 롤간의 접촉면적에 비례하게 되며 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Q = C ×1/R ×A

Q : 롤 슬리브 냉각홀의 냉각능

C : 비례상수값

R : 롤표면에서 냉각홀까지의 평균거리(m)

A : 전체 냉각홀의 면적(㎡)

여기서 R은 도3,4 에서 표시된 P 거리에 해당하며 A는 냉각홀의 직경(D)에 슬리브에 가공된 냉각홀의 총 수를 곱한 값이 된다. 따라서 롤표면부의 온도를 낮추기 위해서는 가능하면 작은 직경의 냉각홀이 바람직한 것을 알 수 있다. 그러나 전술한 바와 같이 광폭 롤에 있어서는 가공상의 제약으로 인해 일정 크기 이하의 냉각홀 가공이 불가능하며, 냉각홀의 직경이 작아질수록 가공의 난이도 증가로 인한 가공비 증가뿐만 아니라 전체 가공하여야 할 냉각홀의 구멍수가 증가하여 냉각홀의 직경이 큰 경우의 가공시와 비교하여 가공비가 상당히 증가하여 롤 제작비 증가의 부담이 있게 된다.

한편 냉각홀 사이 밑부분의 슬리브 냉각은 롤표면부와 냉각홀 사이의 냉각과는 반대의 현상이 발생하게 된다. 즉 냉각홀 하부의 슬리브 측면에서는 오히려 냉각홀의 직경이 큰 것이 냉각홀 사이로 빠져 나간 열량을 흡수하는 데에 유리한 측면으로 작용하게 되기 때문이다. 냉각홀 상부의 롤 표면부의 온도를 낮추는 것도 중요하지만 냉각홀 하부의 온도도 슬리브의 열팽창량에 큰 영향을 미치기 때문에 가급적 낮은 온도를 유지할 수 있게 하여야 하기 때문에 롤 설계 관점에서는 중요한 항목으로 고려되고 있다.

따라서 롤 설계시 냉각홀의 직경선택은 냉각홀 직경에 따른 롤 표면부와 냉각홀 하부 슬리브의 상반된 냉각효과 및 구멍 직경에 따른 가공성 및 가공비 문제 등과 같은 여러가지 인자를 종합하여 결정하게 되며, 선택이 쉽지 않은 문제점을 지니고 있다.

도5에서는 본 발명인 주조롤(3), 즉 주조롤(3)의 냉각홀 구성을 도시하고 있는데, 먼저 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기의 박판주조기에서 사용되는 주조롤(3)은 중심에 냉각수(11)가 흐르는 냉각홀(9)이 형성되는 스틸 샤프트(7)와 그 외주연에 박판주조시 열전달이 우수한 구리 또는 구리합금으로 된 용강(2)의 접촉부분인 슬리브(6)가 열박음으로 조립된다.

이때, 본 발명에서의 주조롤(3)은 상기 주조롤 슬리브(6)의 표면층 하부에, 도3 및 도4에서와 같이 종래 동일한 직경의 냉각홀로만 구성되어 있는 냉각홀의 구성을, 도5에서와 같이 큰 직경 및 작은 직경이 혼합되어 있는 냉각홀 구멍을 조합형성시킨다.

상기 냉각홀을 직경(D')이 작은 냉각홀(12)과 직경(D)이 큰 냉각홀(8)을 조합하여 형성하는 이유는 동일한 직경의 냉각홀로는 내각홀 윗부분의 롤 표면 온도와 냉각홀 하부 부분의 슬리브 온도를 동시에 낮은 온도로 하는 것이 불가능하기 때문이다. 즉 냉각홀이 직경이 작은 냉각홀만으로 구성이 되어 있는 경우는 롤 표면으로부터 냉각홀 원주까지의 거리가 작아 롤 표면부근의 온도를 낮추는 데에는 효과적인 장점이 있는 반면 냉각홀 하부로 빠져나간 열량으로 인한 슬리브 온도상승을 억제하는 데에는 역으로 냉각홀 중심까지의 거리가 멀어 온도를 강하시키는 데에 불리한 측면이 존재하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선시키기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 쌍롤식 박판주조공정에 사용되는 주조롤의 경우 냉각홀의 직경의 증가에 따라 가공비 및 가공안정성은 커지고 냉각홀 하부의 슬리브 냉각측면은 유리하나 롤 표면부의 냉각은 불리해지는, 냉각홀 직경을 일정한 크기로 하는 경우 필연적으로 발생하는 냉각홀 상하부의 상반되는 냉각효과를 해결하기 위한 것으로서, 냉각홀 상하부의 슬리브 냉각을 모두 효과적으로 달성할 수 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 중심부의 샤프트와 그 외곽으로 열박음되는 슬리브로 된 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 있어서,

상기 주조롤 슬리브의 표면층 하부에 서로 일정한 간격(H)으로 큰 직경을 갖추어 일렬로 형성되어 있는 냉각홀(8) 구성에 더해, 냉각홀(8)과 냉각홀(8) 사이에 작은 직경(D')의 냉각홀(12)이 추가로 조합 구성되어 있어 롤 표면 및 슬리브 전체 온도를 낮출 수 있는 냉각능이 뛰어난 박판주조기의 주조롤을 제공한다.

도5는 본 발명에 따른 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤의 요부구성을 도시한 발췌도이다.

본 발명은 상술한 동일한 직경(D)(D')의 냉각홀(8), 또는 냉각홀(12)만을 사용한 경우 필연적으로 발생하게 되는 롤표면부와 냉각홀 하부 슬리브의 상반된 냉각효과 문제를 효과있게 해결하기 위한 것을 목적으로 고안된 것이며, 직경이 큰 냉각홀(8)이 있는 구조에서, 직경이 큰 냉각홀(8) 사이 사이에 가공이 가능한 작은 직경의 냉각홀(12)을 추가로 형성구비시킴을 특징으로 한다. 이러한 직경이 크고 작은 두 가지 직경(D)(D')을 지닌 냉각홀(8)(12)로 조합 구성되면, 냉각홀의 직경이 큰 경우 장점이었던 냉각홀 하부 슬리브의 열전달 향상 효과를 그대로 확보할 수 있을 뿐 아니라, 단점이었던 롤 표면부의 상대적인 냉각 저하 현상도 현저히 개선되어 롤 표면부 및 냉각홀 하부 슬리브의 냉각을 함께 조화있게 향상시킬 수 있어 빠른 시간내에 롤이 열평형에 도달하게 되고 롤 냉각능에 향상에 따른 슬리브 열팽창량 감소에 따라 보다 안정적이고 내구성있는 주조롤을 구성할 수 있다.

이하 본 발명의 효과를 계산 결과를 통해 설명하면 다음과 같다.

다음의 표1에서는 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 동일한 조건의 롤(3)에 대해 냉각홀(8)(12) 배열에 따른 주조롤의 롤 표면부 및 냉각홀 하부 슬리브의 온도에 대한 계산값을 나타내었다.

이때 주조롤(3)의 직경은 1250mm 이고, 롤 폭은 1300mm 이며, 슬리브의 재질은 구리합금, 그리고 롤 표면에는 2mm 두께의 니켈이 도금되어 있는 경우이며, 용강과 롤 접촉시 열유속은 12MW/㎡ 그리고 주조 속도는 132m/min, 용강높이는 450mm, 그리고 롤 표면으로부터 냉각홀 경계면까지의 거리가 20mm 이며, 슬리브의 두께는 120mm 인 경우이다.

[표1]

냉각홀의 구성에 따른 롤 표면 및 슬리브의 평균온도

구분	발명예1	발명예2	발명예3	종래예1	종래예2
롤표면 최대온도	392C	400C	407C	390C	440C
슬리브 평균온도	76C	73C	67C	107C	78C
냉각홀 가공비	중	중	중	대	소

여기서 발명예 1은 직경 21, 7mm의 냉각홀이 각각 89개씩 있는 조합, 발명예 2는 직경 24, 8mm의 냉각홀 직경이 각각 78개씩 있는 조합, 발명예 3은 직경 30, 10mm의 냉각홀 직경이 각각 62개씩 있는 조합, 종례예 1은 직경 7mm의 냉각홀만 270개 있는 경우, 종례예 2는 직경 24mm의 냉각홀만 78개 있는 경우이다.

상기 표1에서 나타난 바와 같이 냉각홀이 열전달에 미치는 영향은 종래예 1과 같이 냉각홀 직경(D')이 작은 것이 많을수록 롤 표면온도는 낮게 됨에 반해 슬리브의 평균온도는 높은 결과를 나타내었고, 냉각홀의 직경이 큰 것만으로 이루어진 종래예 2는 표면온도 측면에서는 가장 높게 나타났으나 슬리브 온도는 상대적으로 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다. 그러나, 본 발명의 작은 직경의 냉각홀과 큰 직경의 냉각홀을 혼합하여 사용하는 경우에는 표면최대 온도도 작은 직경의 냉각홀로만 구성된 종래예 1에 가까운 낮은 온도값을 나타내고 있을 뿐 아니라 슬리브 평균온도는 큰 직경의 냉각홀로만 구성된 종래예 2보다도 낮게 나오는 결과를 나타내어 전반적으로 롤 표면과 슬리브 온도를 모두 낮추는 바람직한 결과를 나타낸 것을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤에 의하면, 주조롤의 슬리브에 직경이 크고 작은 2종류의 냉각홀을 조합 형성시켜 냉각홀 상부의 롤 표면부와 냉각홀 하부 슬리브의 냉각을 함께 효율적으로 행하여 박판주조의 품질을 높일 수 있는 효과가 있는 것이다.

도1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기의 요부구성을 도시한 개략도,

도2는 종래 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 냉각구조를 도시한 개략도,

도3은 종래 주조롤의 큰 직경의 냉각홀로만 구성된 냉각홀을 도시한 요부 발췌도,

도4는 종래 주조롤의 작은 직경의 냉각홀로만 구성된 냉각홀을 도시한 요부 발췌도,

도5는 본 발명에 따른 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤을 도시한 요부발췌도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 노즐 2 : 용강

3 : 주조롤 4 : 응고쉘

5 : 박판(주편) 6 : 주조롤 슬리브

7 : 주조롤 샤프트 8 : 주조롤 슬리브의 큰 직경 냉각홀

9 : 주조롤 중심 냉각홀 10 : 주조롤 중심부의 사이펀 튜브

11 : 주조롤 중심부의 냉각수 12 : 주조롤 슬리브의 작은 직경 냉각홀

13 : 주조롤 슬리브와 샤프트 경계면

D : 주조롤 슬리브의 큰 직경을 지닌 냉각홀의 직경

D' : 주조롤 슬리브의 작은 직경을 지닌 냉각홀의 직경

G : 주조롤 슬리브 표면에서 냉각홀 원주까지의 거리

P : 주조롤 슬리브 표면에서 냉각홀 중심까지의 거리

Z : 주조롤 슬리브/샤프트 경계면에서 냉각홀 원주까지의 거리

U : 주조롤 슬리브/샤프트 경계면에서 냉각홀 중심까지의 거리

Claims (3)

1. 중심부의 샤프트(7)와 그 외곽으로 열박음되는 슬리브(6)로 된 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 있어서, 상기 주조롤 슬리브(6)의 표면층 하부에 서로 일정한 간격으로 일정 직경(D)을 갖추어 일렬로 형성되는 냉각홀(8)들과, 상기 냉각홀(8)들 사이에 형성되는 작은 직경(D')의 냉각홀(12)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤.
2. 제1항에 있어서, 상기 주조롤(3)은 1000~1400mm의 폭을 갖는 광폭 주조롤로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤.
3. 제1항에 있어서, 상기 주조롤(3)의 슬리브에 형성되는 냉각홀은 큰 냉각홀(8)의 경우 21~30mm의 직경(D)을 갖도록 구성되고 작은 냉각홀(12)은 7~10mm의 직경(D')을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각효율을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤.