KR20090077925A - Continuous casting die with coolant channel - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고온 측으로서 용융 금속으로 향해 있는 다이 내벽부와, 저온 측으로서의 다이 외벽부와, 우측 및 좌측 측벽부에 의해 형성되는 냉각제 채널을 포함하는 연속 주조 다이에 관한 것이다.The present invention relates to a continuous casting die comprising a die inner wall portion facing the molten metal on the high temperature side, a die outer wall portion on the low temperature side and coolant channels formed by right and left side wall portions.
DE 198 26 522 A1로부터 연속 주조 다이의 다이 벽부가 공지되었다. 이 다이 벽부는 다이 내부판과, 나사 체결부를 통해 상기 다이 내부판과 결합된 저수 용기로 구성되고, 다이 내부판은 저수 용기로 향해 있는 자체 측면에 웨브들(web)을 포함하며, 이 웨브들 사이에서는 내부에 채움편(filling piece)이 배치되는 그루브들이 연장된다. 여기서 그루브들은 냉각 액체, 대개 냉각수를 위한 냉각 채널로서 이용된다. 채움편은 채널 횡단면을 감소시키는 역할을 하며, 그럼으로써 냉각 채널 내 냉각 액체의 흐름 속도를 상승시키게 된다.The die wall portion of the continuous casting die is known from DE 198 26 522 A1. The die wall portion is comprised of a die inner plate and a reservoir container coupled with the die inner plate via a screw fastener, the die inner plate including webs on its side facing the reservoir container. In between, grooves in which a filling piece is disposed extend. The grooves here are used as cooling channels for cooling liquids, usually cooling water. The filling piece serves to reduce the channel cross section, thereby increasing the flow rate of the cooling liquid in the cooling channel.
DE 198 42 674 A1은 유사한 채움편을 개시하고 있다.DE 198 42 674 A1 discloses a similar filling piece.
또한, 냉각 채널을 포함하는 연속 주조 다이는 참증 인용물 DE 101 22 618 A1, DE 100 35 737 A1 및 DE 101 38 988 C2로부터 공지되었다.In addition, continuous casting dies comprising cooling channels are known from the reference references DE 101 22 618 A1, DE 100 35 737 A1 and DE 101 38 988 C2.
DE 102 53 735 A1로부터는 용융 금속, 특히 강을 연속 주조하기 위한 다이가 공지되었다. 이 다이는 다이 고온 측의 맞은편에 위치하는 접촉면에 냉각 그루브, 냉각 슬릿 또는 냉각 보어와 같은 냉각 채널들을 포함한다. 다이의 열 전달은, 냉각 채널 또는 냉각 채널 그룹의 열 전달 표면의 기하 구조 구성이, 횡단면 면적, 원주, 경계면 특성, 접촉면에 대향하는 배향, 주조 작동 중 특히 매니스커스 영역에서 접촉면의 열 흐름 밀도 및/또는 온도의 국부적인 형성을 위한 접촉면에 대향하는 배치 및/또는 배치 밀도(arrangement density)의 형태로 조정됨으로써 개선된다.From DE 102 53 735 A1 a die for continuous casting of molten metal, in particular steel, is known. The die includes cooling channels such as cooling grooves, cooling slits or cooling bores at contact surfaces located opposite the die hot side. The heat transfer of the die is characterized by the fact that the geometry of the heat transfer surface of the cooling channel or group of cooling channels is characterized by cross-sectional area, circumference, interface properties, orientation opposite to the contact surface, heat flow density of the contact surface during the casting operation, especially in the meniscus region. And / or by adjusting in the form of an arrangement and / or arrangement density opposite the contact surface for local formation of temperature.
연속 주조 시에, 액상 용융물은 연속 주조 턴디쉬로부터 침지 노즐을 통해 진동하는 수냉식 구리 다이로 유입된다. 열 제거량을 바탕으로 용융물 온도는 고상선 온도(solidus temperature) 이하로 하강하고, 그에 따라 주조 방향으로 배향되는 스트랜드 셸(strand shell)이 형성된다. 냉각이 증가함에 따라, 스트랜드가 완전하게 응고될 때까지, 스트랜드 셸의 두께도 증가한다. 오늘날 스트랜드의 각각의 형식 및 그 수에 따라, 6m/min 이상의 주조 속도가 달성되고 있다. 국부적인 열 흐름 밀도의 크기는 전형적으로 최대 12MW/qm이다.In continuous casting, the liquid melt flows from the continuous casting tundish into a vibrating water cooled copper die through an immersion nozzle. Based on the heat removal amount, the melt temperature drops below the solidus temperature, thereby forming a strand shell oriented in the casting direction. As cooling increases, the thickness of the strand shells increases until the strands are completely solidified. Today, depending on the type and number of strands, casting speeds of 6 m / min or more are achieved. The size of the local heat flow density is typically up to 12 MW / qm.
냉각매체에 의해 제거되는 열 흐름은 특히 냉각제 채널의 기하 구조, 벽면 거칠기 및 흐름 속도와, 그에 따른 난류도에 따라 결정된다. The heat flow removed by the cooling medium depends in particular on the geometry of the coolant channel, the wall roughness and the flow rate, and thus the turbulence.
냉각제 측의 난류도가 높아질수록, 혼합은 더욱 집중적으로 이루어지고, 열도 더욱 많은 양이 제거된다. 비록 열 전달 표면이 확대되기는 하지만, 이런 확대는 소소한 범위로 한정된다. 특히 열 흐름 밀도가 매우 높을 시에, 종종 이른바 파울링(fouling)이라고 하는 퇴적물에 의해 열 전달 표면에 오염이 발생한다. 퇴 적물은 매우 낮은 열 전도도를 가지므로, 파울링은 다이 냉각의 경우 구리 온도를 매우 강하게 상승시키며, 그에 따라 다이의 유효 수명을 감소시킨다.The higher the turbulence on the coolant side, the more concentrated the mixing and the more heat is removed. Although the heat transfer surface is enlarged, this expansion is limited to a small range. Especially when the heat flow density is very high, contamination occurs on the heat transfer surface by deposits, often called fouling. Since the deposit has a very low thermal conductivity, fouling raises the copper temperature very strongly in the case of die cooling, thereby reducing the useful life of the die.
종래의 연속 주조 다이는 장방형의 냉각제 채널을 구비하여 형성되고, 그 냉각제 채널들은 약 10m/s의 흐름 속도로 관류된다. 이런 냉각제 채널들 내에는, 레이놀즈 수(Reynolds number)가 약 250,000일 때, 주요 흐름 성분이 축방향으로 배향되는 난류 흐름이 형성된다. 기본적인 난류는 개별 냉각제 층들 간의 질량, 펄스 및 에너지 교환을 증가시킨다. 벽면 근처에는 이른바 로그 벽법칙(logarithmic wall law)으로 설명되는 흐름 및 온도 경계층이 형성된다. 벽면에 더욱 근접할수록 난류가 감쇠된다. 종래 방식에 따른 냉각의 주된 단점은 대부분 성분이 축방향의 흐름 방향으로 배향되고, 상대적으로 적은 성분만이 반경 방향의 흐름 방향으로 배향되는 그런 난류에 있다.Conventional continuous casting dies are formed with rectangular coolant channels, the coolant channels flowing through at a flow rate of about 10 m / s. Within these coolant channels, when the Reynolds number is about 250,000, a turbulent flow is formed in which the main flow component is axially oriented. Basic turbulence increases the mass, pulse and energy exchange between the individual coolant layers. Near the wall is formed a flow and temperature boundary layer, described by the so-called logarithmic wall law. The closer to the wall, the more turbulent the damping. The main disadvantage of the cooling according to the conventional approach lies in such turbulence, in which most components are oriented in the axial flow direction, and only relatively few components are oriented in the radial flow direction.
본 발명의 목적은, 연속 주조 다이에 있어서, 작동 온도 및 작동기간에 따라 다이 재료 내지 냉각제 채널 벽면의 재료에서 이루어지는 재결정화 과정을 지연시키고, 다이의 유효 수명과 난류를 증가시키며, 냉각제의 균일한 혼합을 달성하는 상기 연속 주조 다이를 제공하는 것에 있다.It is an object of the present invention, in continuous casting dies, to retard the recrystallization process from the die material to the material of the coolant channel wall, depending on the operating temperature and duration of operation, to increase the useful life and turbulence of the die, It is providing the said continuous casting die which achieves mixing.
상기 목적은 본 발명에 따라, 고온 측으로서 용융 금속으로 향해 있는 다이 내벽부와, 저온 측으로서의 다이 외벽부와, 우측 및 좌측 측벽부에 의해 형성되는 냉각제 채널을 구비한 연속 주조 다이에 있어서, 냉각제 채널이 난류를 생성하는 부재들을 구비하여 형성됨으로써 달성된다. 난류 생성 부재들을 장착함으로써 일반적으로 더욱 강력한 냉각제 혼합이 달성된다. 동시에 난류 생성 부재들은 냉각제 채널 내지 다이 벽부의 열 전달 표면을 확대시킨다. 이런 두 조치, 다시 말해 난류 생성과 열 전달 표면의 확대의 상호 작용은, 냉각제 채널의 벽부 내지 다이의 벽부로부터 이후 열을 소산시키는 냉각제로 이루어지는 국부적인 열 전달을 개선시킨다.The above object is a continuous casting die having a die inner wall portion directed toward the molten metal as the hot side, a die outer wall portion as the low temperature side, and a coolant channel formed by right and left side wall portions according to the present invention. This is achieved by the channel being formed with members that create turbulence. More robust coolant mixing is generally achieved by mounting turbulence generating members. At the same time, the turbulence generating members enlarge the heat transfer surface of the coolant channel to the die wall. These two measures, namely the interaction of the turbulence generation and the expansion of the heat transfer surface, improve the local heat transfer consisting of the coolant which dissipates heat from the wall of the coolant channel to the wall of the die.
모든 난류 생성 부재들의 기본 원리는 난류를 유도하는 질량, 펄스 및 에너지 운반을 기반으로 한다. 연속 주조 다이의 냉각제 채널 내에서 이루어지는 열 전달은 본 발명에 따라 개선된다. 혼합이 집중적으로 이루어짐으로써 난류 생성기는 국부적인 열 흐름 밀도를 더욱 상승시킨다. 다시 말하면 표면 단위당 제거되는 열이 증가된다. 벽면 근처뿐 아니라, 중심 흐름의 영역에서 난류가 증가되면서, 균일한 혼합이 달성된다. 난류 발생 부재들을 통해 냉각수의 개선된 혼합이 달성되며, 구리에서의 온도 수준은 강하되고, 작동 온도 및 작동기간에 따라 결정되는, 다이 재료 내지 냉각제 채널 벽부의 재료의 재결정화 과정도 지연된다. 이런 점은 다이의 유효 수명을 상승시킨다. 다이 내지 다이 벽부의 재료는 예컨대 구리이며, 부분적으로 구리이거나, 또는 또 다른 재료이다. 또한, 오염물 및 퇴적물은 냉각 채널의 고온 측에서 증가한 난류와 상대적으로 더욱 높은 전단력에 의해 감소된다.The basic principle of all turbulence generating members is based on mass, pulse and energy transport which induces turbulence. The heat transfer made in the coolant channel of the continuous casting die is improved according to the invention. By mixing intensively, the turbulence generator further increases the local heat flow density. In other words, the heat removed per surface unit is increased. As turbulence increases in the region of the central flow as well as near the wall, uniform mixing is achieved. Improved mixing of the coolant is achieved through turbulence generating members, the temperature level in copper is lowered, and the process of recrystallization of the material of the die material to the coolant channel wall, which is dependent on the operating temperature and duration of operation, is also delayed. This increases the useful life of the die. The material of the die to die wall portion is, for example, copper, partly copper, or another material. In addition, contaminants and deposits are reduced by increased turbulence and relatively higher shear forces on the hot side of the cooling channel.
난류 생성 부재들의 후방 에지에서는 물 흐름이 분리되며, 비정상적(unsteady)이고 소용돌이를 치는, 다시 말하면 난류를 생성하는 재순환 영역이 형성된다. 난류 생성 부재들의 제1 실시예는 냉각제 내에 배치되는, 예컨대 냉각제 채널의 전체 폭 또는 부분 영역에 걸쳐 연장되는 장방형 프로파일로 형성되는 수평 계단부로 구성된다. 난류 생성 부재들의 제2 및 제3 실시예는 삼각뿔부 및 윙릿부(winglet)의 형태를 갖는다. 이와 같은 형태에서는 안쪽으로 회전하는 후방 난류(wake turbulence)가 유도되며, 이런 후방 난류는 보다 집중적인 냉각제 혼합을 야기한다. 후방 난류는 예컨대 발생하는 것이 기본적으로 바람직하지 못한 위치에 해당하는 에어포일 날개의 끝 부분이나, 또는 자동차 후방에서 관찰된다. 난류 생성 부재들은 고온 측에서 예컨대 연속해서 오프셋 방식으로 배치되고, 이격 간격은 대부분 흐름 방향 상부에 위치하는 재순환 영역의 체적 팽창에 의해 결정된다. 이에 대체되는 실시예에 따라, 재순환 작용이 고온 측에까지 연장되기 때문에, 난류 생성 부재들은 또한 저온 측에도 설치할 수 있다. 또한, 냉각 채널의 고온 측에 수평으로 장착되는 계단부와 저온 측의 삼각뿔부를 조합할 수 있다. 마찬가지로, 제조 기술 관련 비용을 제한하기 위해, 냉각제 채널의 유입구에만, 또는 매니스커스의 높이에만 난류 생성 부재들을 설치하는 점을 생각해볼 수도 있다. 앞서 설명한 흐름 기술 관련 효과에 추가로, 열 전달 표면도 난류 부재들에 의해 다소 증가하되, 예컨대 앞서 설명한 삼각뿔부에서는 약 6%가 증가한다. 이와 같은 방식으로 국부적인 열 흐름 밀도가 증가된다. 따라서 난류 부재들의 치수를 매우 크지 않게 선택함으로써 압력 손실을 극미하게 유지할 수 있다.At the rear edge of the turbulence generating members, the water flow is separated and an unsteady and swirling, ie turbulent, recirculation zone is created. The first embodiment of the turbulence generating members consists of horizontal steps which are arranged in a coolant, for example formed in a rectangular profile extending over the entire width or partial region of the coolant channel. The second and third embodiments of turbulence generating members take the form of triangular pyramids and winglets. In this form, inwardly rotating wake turbulence is induced, which causes more concentrated coolant mixing. Rear turbulence is observed, for example, at the end of the airfoil vane, or at the rear of the vehicle, which corresponds to a position which is basically undesirable to occur. The turbulence generating members are arranged, for example, in a continuous offset manner on the hot side, and the spacing is determined by the volume expansion of the recirculation zone, which is located mostly in the upper direction of the flow. According to an alternative embodiment to this, since the recycling action extends to the high temperature side, the turbulence generating members can also be installed on the low temperature side. It is also possible to combine the steps mounted horizontally on the hot side of the cooling channel and the triangular pyramid on the cold side. Likewise, to limit the costs associated with manufacturing technology, one may consider installing turbulence generating members only at the inlet of the coolant channel, or only at the height of the meniscus. In addition to the flow technology related effects described above, the heat transfer surface is also slightly increased by turbulent members, for example about 6% in the triangular pyramids described above. In this way the local heat flow density is increased. Therefore, the pressure loss can be kept extremely small by selecting the dimension of the turbulent members not very large.
본 발명에 따른 냉각제 채널의 기본적인 동작 방식은 흐름의 수치 시뮬레이션(CFD - 전산 유체 역학(computational fluid dynamics))에 따라 할당할 수 있다.The basic mode of operation of the coolant channel according to the invention can be assigned according to numerical simulations of flow (CFD-computational fluid dynamics).
본 발명의 실시예는 매우 개략적인 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.Embodiments of the present invention are described in more detail according to a very schematic drawing.
도 1은 연속 주조 다이의 일부분을 도시한 입체도이다.1 is a three-dimensional view of a portion of a continuous casting die.
도 2는 제1 실시예에 따른 난류 생성 부재들을 구비한 연속 주조 다이를 절단하여 도시한 정면도이다.FIG. 2 is a front view of a continuous casting die cut with turbulence generating members according to a first embodiment. FIG.
도 3은 제2 실시예에 따른 난류 생성 부재들을 구비한 연속 주조 다이를 절단하여 도시한 정면도이다.FIG. 3 is a front view of a continuous casting die cut with turbulence generating members according to a second embodiment. FIG.
도 4는 제3 실시예에 따른 난류 생성 부재들을 구비한 연속 주조 다이를 절단하여 도시한 정면도이다.FIG. 4 is a front view of a continuous casting die cut with turbulence generating members according to a third embodiment. FIG.
도 5는 난류 생성 부재들을 구비한 연속 주조 다이를 절단하여 도시한 측면도이다.5 is a side view of a continuous casting die cut with turbulence generating members.
<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>
1: 연속 주조 다이1: continuous casting die
2: 냉각제 채널2: refrigerant channel
3: 다이 내벽부3: inner wall of die
4: 다이 외벽부4: die outer wall
5: 우측 측벽부5: right side wall
6: 좌측 측벽부6: left side wall
7: 삼각뿔부7: triangular pyramid
8: 흐름 방향8: flow direction
9: 수평 계단부9: horizontal staircase
10: 윙릿부(winglet)10: winglet
11: 열(row)11: row
도 1은 고온 측으로서 용융 금속으로 향해 있는 다이 내벽부(3)와, 저온 측으로서의 다이 외벽부(4)와, 우측 측벽부(5)와, 좌측 측벽부(6)에 의해 형성되는 냉각제 채널(2)을 포함하는 연속 주조 다이(1)의 일부분을 입체도로 도시하고 있다. 난류 생성 부재들(7, 9, 10)은 흐름 방향(8)으로 고온 측의 다이 내벽부(3)에 장착되고 냉각제 채널(2) 안쪽으로 돌출된다.1 shows a coolant channel formed by a die
도 2는, 2 열(11)의 난류 생성 부재들(7)이 삼각뿔 형태로 다이 내벽부(3)에 장착되어 있는 그런 냉각제 채널(2)을 절단하여 정면도로 도시하고 있다. 삼각뿔부는 그 정점이 흐름 방향(8)의 반대 방향으로 향해 있다. 이와 같은 배치를 통해 구조적인 저항이 생성된다. 삼각뿔부 후방에는 냉각제가 난류의 형태로 거동한다. 삼각뿔부는 또한 오프셋 방식으로 배치할 수 있다.FIG. 2 shows a front view of the
도 3은 난류 생성 부재들(9)을 수평 계단부의 형태로 도시하고 있다. 이런 수평 계단부는 예컨대 냉각제 채널(2)의 전체 폭에 걸쳐 연장되는 장방형 막대(도 5 참조)에 의해 형성된다.3 shows the
난류 생성 부재들(10)의 추가 형태는 도 4에 도시되어 있다. 이런 난류 생성 부재들(10)은 윙릿부의 형태를 취한다. 예컨대 항공기 날개로부터 공지된 윙릿부는 열들(11)에 일렬로 정렬되어 다이 내벽부(3)에 고정되거나, 가장 아래 도시한 윙릿부와 같이 다이 내벽부에 분포되어 고정된다.A further form of
모든 난류 생성 부재들(7, 9, 10)은 다이 내벽부(3)로부터 냉각제 채널(2) 안쪽으로 돌출되거나, 또는 그와 반대로 다이 내벽부(3) 안쪽으로 함몰되어 구성되며, 그리고 냉각제가 냉각제 채널(2)을 통해 흐름 방향(8)으로 흐를 때, 그 냉각제에 영향을 미친다.All
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