KR20110084628A - 주조용 침지노즐 및 이를 포함하는 연속 주조 장치 - Google Patents

Abstract

주조용 침지노즐 및 이를 포함하는 연속 주조 장치가 제공된다. 침지 노즐에 있어서, 바디부는 용탕의 유입을 위한 유입구 및 상기 유입구로부터 그 종축 방향으로 신장된 내부 구멍을 포함한다. 배출부는 상기 유입구 반대편의 상기 바디부의 단부에 연결되고, 상기 용탕이 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 하향 유출되도록 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 경사지게 신장된 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 및 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 외측에 배치된 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들을 포함한다.

Description

주조용 침지노즐 및 이를 포함하는 연속 주조 장치{Immersion nozzle for casting and continuous casting apparatus including the same}

본 발명은 금속 주조 장치에 관한 것으로서, 특히 용융 금속을 몰드로 공급하기 위한 침지노즐 및 이를 포함하는 연속 주조 장치에 관한 것이다.

주조 공정, 예컨대 연속주조 공정은 용융 금속의 용탕을 몰드를 통해서 냉각시켜 연속적으로 주편을 제조하는 공정을 지칭한다. 용탕은 턴디쉬로부터 침지노즐을 통해서 몰드 내로 주입된다. 몰드로 유입되는 용융 금속의 유동 및 초기 응고 과정은 연속주조가 완료된 주편의 성질을 좌우하는 인자 중의 하나이다.

침지노즐의 구조는 몰드 내에서 용탕의 유동을 조절하도록 변화될 수 있다. 용탕이 몰드 내로 직하하는 경우 용탕의 침투깊이가 깊어져 몰드 하부의 응고층 형성이 불안정해지고, 탕면으로의 용탕 공급이 원활하지 못해 탕면이 응고되는 현상이 발생할 수 있다. 반면, 탕면 방향으로의 용탕의 부상류가 강한 경우, 탕면이 불안정해져 탕면의 응고층 형성이 불균일해져서 주편 품질이 악화될 수 있다.

이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해, 주편 품질을 높일 수 있는 침지노즐 및 이를 이용한 주조 장치를 제공하는 것이다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 형태에 따른 주조용 침지노즐이 제공된다. 바디부는 용탕의 유입을 위한 유입구 및 상기 유입구로부터 그 종축 방향으로 신장된 내부 구멍을 포함한다. 배출부는 상기 유입구 반대편의 상기 바디부의 단부에 연결되고, 상기 용탕이 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 하향 유출되도록 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 경사지게 신장된 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 및 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 외측에 배치된 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들을 포함한다.

상기 침지노즐의 일 측면에 의하면, 상기 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들은 상기 용탕이 상기 바디부의 종축 중심으로부터 멀어지는 방향으로 하향 배출되도록 상기 바디부의 종축 중심으로부터 방사상으로 기울어져 신장될 수 있다. 나아가, 상기 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들의 직경은 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들의 직경보다 클 수 있다.

상기 침지노즐의 다른 측면에 의하면, 상기 배출부는 상기 바디부의 종축을 가로질러 신장된 바닥부 및 상기 바닥부로부터 상기 바디부로 연결된 측벽부를 포함하고, 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들은 상기 바닥부를 관통하고, 상기 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들은 상기 측벽부를 관통할 수 있다.

상기 침지노즐의 또 다른 측면에 의하면, 상기 바닥부의 높이는 상기 바디부의 종축 중심에서 멀어질수록 낮아질 수 있다.

상기 침지노즐의 또 다른 측면에 따르면, 상기 바디부는 상기 내부 구멍의 직경이 상기 배출부 방향으로 갈수록 커지는 테이퍼부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 형태에 따른 주조용 침지노즐이 제공된다. 바디부는 용탕의 유입을 위한 유입구 및 상기 유입구로부터 그 종축 방향으로 신장된 내부 구멍을 포함한다. 배출부는 상기 유입구 반대편의 상기 바디부의 단부에 연결된다. 상기 배출부는 상기 바디부의 종축을 가로질러 신장된 바닥부; 상기 바닥부로부터 상기 바디부로 연결된 측벽부; 상기 용탕이 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 하향 유출되도록 상기 바닥부를 관통하여 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 경사지게 신장된 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들; 및 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 외측에 상기 측벽부를 관통하여 배치되고, 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들보다 큰 직경을 갖는 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들을 포함한다.

본 발명의 일 형태에 따른 연속 주조 장치는 전술한 주조용 침지노즐들 중 어느 하나를 포함하도록 제공된다.

본 발명의 실시예들에 따른 침지노즐 및 연속 주조 장치에 따르면, 제 1 토출구들과 제 2 토출구들의 조합을 통해서,탕면으로의 용탕 공급을 원활하게 할 수 있으며, 아울러 용탕의 탕면을 안정화시킬 수 있다. 나아가, 이를 통해서, 주조 속도와 주조폭의 변동에 대해 탕면의 용탕 유속을 안정화 범위 내로 조절할 수 있으며, 침지노즐 내 전단응력을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 주조 장치를 도시하는 개략도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지노즐을 개략적으로 도시하는 사시도이고;
도 3은 도 2의 침지노즐의 III-III'선에서 절취한 단면도이고;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 침지노즐을 개략적으로 도시하는 단면도이고;
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따른 침지노즐을 개략적으로 도시하는 단면도이고;
도 6은 도 5의 침지노즐에 대한 시뮬레이션에 의한 유속 분포를 보여주는 도면이고; 그리고
도 7은 도 5의 침지노즐에 대한 시뮬레이션에 의한 내부 전단응력 분포를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

본 발명의 실시예들에서, 용탕은 응고대상의 액상을 넓게 지칭할 수 있다. 예를 들어, 금속의 주조 시 용탕은 용융 금속을 지칭할 수 있고, 더 구체적으로 강철(steel) 주조 시 용탕은 용강을 지칭할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 주조 장치를 도시하는 개략도이다.

도 1을 포함하면, 턴디쉬(tundish, 105)는 고온에서 형성된 용융 금속의 용탕(50)을 내부에 포함할 수 있다. 침지노즐(100)은 턴디쉬(105)의 바닥면에 연결되어 그 단부가 주편 형상을 한정하는 몰드(140) 내로 삽입될 수 있다. 선택적으로, 침지노즐(100)과 턴디쉬(105) 사이에 상부노즐(미도시)과 용탕(50)의 양을 제어하기 위한 플레이트 부재(미도시)가 더 제공될 수도 있다.

용탕(50)은 턴디쉬(105)로부터 침지노즐(100)을 통해서 몰드(140) 내로 주입되어 응고층(51)을 형성하면서 초기 응고 과정을 거치게 된다. 몰드(140)를 빠져나온 응고층(51)은 스프레이 노즐(156)을 통해 분사되는 냉각매체에 의해 냉각되어 일정한 형상, 예컨대 슬라브(slab) 형상의 주편(55)을 형성하게 된다. 이어서 주편(55)은 가이드 롤러(158)에 의해 가이드 되어 다음 단계로 이동된다.

몰드(140)로 유입되는 용탕(50)의 유동 및 초기 응고 과정은 연속주조가 완료된 주편(55)의 성질을 좌우하는 중요한 인자 중의 하나이다. 이 실시예에 따른 연속 주조 장치는, 후술하는 바와 같이 침지노즐(100)의 구조를 최적화하여 몰드(140) 내로 주입되는 용탕(50)의 안정성을 높여 주편(55) 품질을 향상시킨다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지노즐(100)을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 3은 도 2의 침지노즐(100)의 III-III'선에서 절취한 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 침지노즐(100)은 바디부(110) 및 배출부(120)를 포함할 수 있다. 바디부(110)는 용탕(도 1의 50)이 유입되는 유입구(112)를 포함하고, 배출부(120)는 용탕(50)이 유출되는 토출구들(123, 126)을 포함할 수 있다. 배출부(120)는 바디부(110)와 일체로 제공되거나 또는 바디부(110)와 분리/결합되도록 제공될 수도 있다. 바디부(110)와 배출부(120)가 일체형으로 제공된 경우, 배출부(120)는 침지노즐(100)의 토출구들(123,126)이 있는 소정 부분을 지칭할 수 있다. 이 경우, 바디부(110)는 유입구(112)로부터 침지노즐(100)의 종축(V1)을 따라서 배출부(120)까지 나머지 부분을 지칭할 수 있다.

침지노즐(100)은 고온의 용탕(50)에 의해서 열화되지 않도록 내화재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 침지노즐(100)은 산화물, 질화물, 탄화물 또는 이들의 결합물로 구성될 수 있다. 침지노즐(100)의 재질은 예시적으로 제시되었고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.

바디부(110)는 용탕(50)이 유입되는 유입구(112)와 유입구(112)에 연통된 내부 구멍(113)을 포함할 수 있다. 내부 구멍(113)은 침지노즐(100) 또는 바디부(110)의 종축 방향으로 신장될 수 있다. 내부 구멍(113)은 다양한 형상을 가질 수 있고, 그 형상이 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다. 예를 들어, 바디부(110)는 배출부(120) 방향으로 갈수록 그 직경(D1)이 증가하는 테이퍼부(114)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 내부 구멍(113)을 통과하는 용탕(50)은 배출부(120) 방향으로 갈수록 퍼질 수 있다.

배출부(120)는 바디부(110)의 유출구(112) 반대편 단부에 연결되고, 바닥부(122) 및 측벽부(125)를 포함할 수 있다. 바닥부(122)는 내부 구멍(113)을 부분적으로 폐쇄하도록 바디부(110)의 종축 중심(V1)을 가로질러 신장될 수 있다. 측벽부(125)는 바닥부(122)로부터 상향 신장되어 바디부(110)의 단부에 연결될 수 있다. 예를 들어, 측벽부(125)는 바닥부(122)로부터 바디부(110)로 갈수록 그 폭이 증가하거나 또는 이후 다시 감소하는 절곡 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 배출부(120)의 단면은 전체적으로 또는 부분적으로 다각 형상, 예컨대 8각 형상을 가질 수 있다.

바닥부(122)는 그 외주면(124)으로부터 내부 방향으로 부푼 형상을 가질 수 있다. 외주면(124)은 침지노즐(100)의 저면이 될 수 있다. 배출부(120)의 단면은 다각 형상을 가질 수 있고, 외주면(124)은 바디부(110)의 종축(V1)에 실질적으로 수직할 수 있다. 바닥부(122)의 높이, 즉 외주면(124)으로부터의 바닥부(122)의 두께는 바디부(110)의 종축 중심(V1)으로부터 그 가장자리로 갈수록 낮아질 수 있다.

적어도 한 쌍의 제 1 토출구들(123)은 바닥부(122)를 관통하여 내부 구멍(113)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 제 1 토출구들(123)이 바디부(110)의 종축 중심(V1)을 기준으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 제 1 토출구들(123)은 용탕(50)이 몰드(도 1의 140) 내에서 모이도록 바디부(110)의 종축 중심(V1) 방향으로 기울어져 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 1 토출구들(123)의 단면 중심부로부터 바디부(110)의 종축 중심(V1)까지의 거리는 배출부(120)의 내부에서 외부로 갈수록 점점 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 제 1 토출구들(123)의 폭은 일정하거나 또는 그 깊이에 따라서 가변될 수도 있다.

이에 따르면, 용탕(50)이 제 1 토출구들(123)로부터 바디부(110)의 종축 중심(V1) 방향으로 하향 유출되어 몰드(도 1의 140)내에 수렴될 수 있다. 제 1 토출구들(123)은 몰드(도 1의 140) 내로 직하하는 용탕(50)의 하강류를 조절하는 역할을 할 수 있다. 제 1 토출구들(123)로부터 토출된 용탕(50)은 서로 충돌하여 퍼지게 되기 때문에 용탕(50)이 몰드(도 1의 140) 직하로 너무 깊게 침투하여 응고층 형성이 불안정해지는 것을 막아줄 수 있다.

적어도 한 쌍의 제 2 토출구들(126)은 제 1 토출구들(123)의 외측에 측벽부(125)를 관통하여 내부 구멍(113)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 제 2 토출구들(126)이 바디부(110)의 종축 중심(V1)을 기준으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 제 2 토출구들(126)은 바디부(110)의 종축 중심(V1)으로부터 하부 방향으로 방사상으로 기울어져 신장될 수 있다. 예를 들어, 제 2 토출구들(126)의 단면 중심부로부터 바디부(110)의 종축 중심(V1)까지의 거리는 배출부(120)의 내부에서 외부로 갈수록 점차로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 제 2 토출구들(126)의 폭은 일정하거나 또는 그 깊이에 따라서 가변될 수도 있다.

예시적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 측벽부(125)는 다각 형상의 단면을 갖고, 제 2 토출구들(126)은 측벽부(125)의 적어도 두 면을 관통할 수 있다. 이러한 형상은 용탕(50)의 토출 방향과 양을 보다 미세하게 조절하는 데 기여할 수 있다.

이에 따르면, 용탕(50)은 제 2 토출구들(126)로부터 바디부(110)의 종축 중심(V1)으로부터 멀어지는 방향으로 하향 배출될 수 있다. 제 2 토출구들(126)로부터 배출된 용탕(50)은 방사상으로 흐르는 하강류와 몰드(도 1의 140)에 부딪혀서 탕면으로 향하는 반전류를 생성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 제 1 토출구들(123)과 제 2 토출구들(126)을 조합함으로써, 저속 주조뿐만 아니라 고속 주조의 경우에도 용탕(50)의 공급을 원활하게 할 수 있으며, 아울러 용탕(50)의 탕면을 안정화시킬 수 있다. 나아가, 이를 통해서, 주조 속도와 주조 폭의 변동에 대해서 용탕(50)의 유속을 품질 안정화 범위 내로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제 1 토출구들(123)을 통해서 용탕(50)의 탕면을 안정화시키고, 제 2 토출구들(126)의 직경(D3)을 제 1 토출구들(123)의 직경(D2)보다 크게 함으로써 용탕(50)의 전체적인 유동성을 안정화시키고 균일한 유속을 확보할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 침지노즐(100a)을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 이 실시예에 따른 침지노즐(100a)은 도 2 및 도 3의 침지 노즐(100)을 부분적으로 변형한 것이고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.

도 4를 참조하면, 배출부(120a)는 바닥부(122) 및 측벽부(125a)를 포함할 수 있다. 배출부(120a)의 단면 형상은 전체적으로 또는 부분적으로 6각 형상을 가질 수 있다. 제 1 토출구들(123)은 바닥부(122)를 관통하도록 제공되고, 제 2 토출구들(126a)은 측벽부(125a)를 관통하도록 제공될 수 있다. 제 2 토출구들(126a)은 측벽부(125a)의 적어도 한 면을 관통하도록 제공된다는 점에서, 도 3의 토출구들(126)과 구분될 수 있다.

전술한 도 3 및 도 4의 실시예들에서 배출부(120, 120a)의 형상은 예시적으로 제시되었고, 본 발명은 전술한 실시예들에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제 2 토출구들(126, 126a)은 측벽부(125, 125a)의 한 면 및 두 면을 관통하는 것으로 설명되었으나, 둘 이상의 면을 관통할 수도 있다. 또한, 제 1 토출구들(123) 및 제 2 토출구들(126, 126a)의 수는 둘 이상이 될 수도 있다. 바닥부(122)의 형상도 적절하게 변형될 수 있다.

이하에서는 시뮬레이션을 통해서 본 발명의 실험예에 따른 침지노즐의 특성을 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실험예에 따른 침지노즐(300)을 부분적으로 도시하는 단면도이다.

도 5를 참조하면, 침지노즐(300)은 제 1 토출구들(123)과 제 2 토출구들(126)을 포함할 수 있다. 침지노즐(300)은 도 2 및 도 3의 침지노즐(100)과 실질적으로 동일할 수 있다.

도 6은 도 5의 침지노즐(300)에 대한 시뮬레이션에 의한 유속 분포를 보여주는 도면이다. 도 6에서 유속 분포는 빨간색 부분으로 갈수록 커지고 파란색 부분으로 갈수록 작아진다.

도 6을 참조하면, 제 1 토출구들(도 6의 123)을 통한 제 1 하강류(52a)는 발산하지 않고 수렴하는 방향으로 유출되고, 제 2 하강류(53a)는 방사상으로 하향 유출된다. 제 1 하강류(52a)와 제 2 하강류(53a)의 유속은 크게 차이가 나지 않은 점에서, 유속이 품질 안정화 범위 내에서 일정하게 유지될 수 있음을 알 수 있다. 제 2 하강류(53a)의 일부분은 몰드(도 1의 140)에 부딪혀 반전되어 안정적으로 탕면 방향으로 유동된다. 따라서 이 실험예에 따르면 유동 안정성과 탕면 안정성이 동시에 확보될 수 있다.

도 7은 도 5의 침지노즐(300)에 대한 시뮬레이션에 의한 내부 전단응력 분포를 보여주는 도면이다. 도 7에서 전단응력은 빨간색 부분으로 갈수록 커지고 파란색 부분으로 갈수록 작아진다.

도 7을 참조하면, 침지노즐(도 5의 300)의 경우 제 1 및 제 2 토출구들(도 5의 123, 126) 부근에서 전단응력을 매우 낮게 유지할 수 있음을 알 수 있다.

발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

100: 침지 노즐 105: 턴디쉬
110: 바디부 112; 유입구
113; 내부 구멍 114; 테이퍼부
120, 120a; 배출부 122; 바닥부
123; 제 1 토출부 125, 125a; 측벽부
126, 126a; 제 2 토출부 140; 몰드
156: 스프레이 노즐 158; 가이드 롤러

Claims (9)

1. 용탕의 유입을 위한 유입구 및 상기 유입구로부터 그 종축 방향으로 신장된 내부 구멍을 갖는 바디부; 및
   상기 유입구 반대편의 상기 바디부의 단부에 연결되고, 상기 용탕이 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 하향 유출되도록 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 경사지게 신장된 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 및 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 외측에 배치된 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들을 갖는 배출부를 포함하는, 주조용 침지노즐.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들은 상기 용탕이 상기 바디부의 종축 중심으로부터 멀어지는 방향으로 하향 배출되도록 상기 바디부의 종축 중심으로부터 방사상으로 기울어져 신장된, 주조용 침지노즐.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들의 직경은 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들의 직경보다 큰, 주조용 침지노즐.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 배출부는 상기 바디부의 종축을 가로질러 신장된 바닥부 및 상기 바닥부로부터 상기 바디부로 연결된 측벽부를 포함하고,
   상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들은 상기 바닥부를 관통하고, 상기 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들은 상기 측벽부를 관통하는, 주조용 침지노즐.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 바닥부의 높이는 상기 바디부의 종축 중심에서 멀어질수록 낮아지는, 주조용 침지노즐.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 바디부는 상기 내부 구멍의 직경이 상기 배출부 방향으로 갈수록 커지는 테이퍼부를 더 포함하는, 주조용 침지노즐.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 배출부는 다각 형상의 단면을 갖는, 주조용 침지노즐.
8. 용탕의 유입을 위한 유입구 및 상기 유입구로부터 그 종축 방향으로 신장된 내부 구멍을 갖는 바디부; 및
   상기 유입구 반대편의 상기 바디부의 단부에 연결된 배출부를 포함하고, 상기 배출부는
   상기 바디부의 종축을 가로질러 신장된 바닥부;
   상기 바닥부로부터 상기 바디부로 연결된 측벽부;
   상기 용탕이 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 하향 유출되도록 상기 바닥부를 관통하여 상기 바디부의 종축 중심 방향으로 경사지게 신장된 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들; 및
   상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들 외측에 상기 측벽부를 관통하여 배치되고, 상기 적어도 한 쌍의 제 1 토출구들보다 큰 직경을 갖는 적어도 한 쌍의 제 2 토출구들을 갖는, 주조용 침지노즐.
9. 제 1 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 따른 주조용 침지노즐을 포함하는 연속 주조 장치.
   

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