KR20110121975A - 전자기 연속 주조용 주형 및 이를 이용한 전자기 연속 주조 장치 - Google Patents

Abstract

고주파 효과를 극대화할 수 있고, 보다 안정적인 주조가 가능하며, 제품의 표면 품질을 높일 수 있도록, 용탕을 응고하는 연속주조용 주형와, 상기 주형의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일, 상기 주형의 하부에 설치된 전자기 교반장치, 주형을 냉각하기 위한 주형냉각부와, 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부, 상기 주형로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부를 포함하며, 상기 주형은 내주면에 설치되어 용탕과 접하며 전자기 코일로부터 인가되는 고주파에 의해 가열되는 가열관을 포함하는 전자기 연속 주조 장치를 제공한다.

Description

전자기 연속 주조용 주형 및 이를 이용한 전자기 연속 주조 장치{CONTINUOUS CASTING MOLD AND ELECTROMAGNETIC CASTING APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 전자기 연속 주조 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 빌렛의 표면 품질을 향상시킬 수 있도록 된 전자기 연속 주조 장치와 이 장치를 위한 전자기 연속 주조용 주형에 관한 것이다.

일반적으로 빌렛 연속 주조를 위해서 DC 주조법(Direct Chill Casting), Hot Top 주조법 등이 널리 활용되고 있다.

DC 주조법은 일정 깊이 피트(Pit)에 수냉 주형(Chill mold)를 일정간격으로 설치하고 여기에 용탕을 주입하여 응고시키는 방법이다. DC 주조법은 수냉 주형 내에 용탕으로 제조된 시작 블록을 하강시키면서 주형에서 빠져나가는 주괴의 표면으로 직접 냉각수를 뿌려 주괴를 제조한다. DC 주조법은 용탕의 공급을 하강 방식으로 하며 용탕의 높이는 일정하게 유지되는 방식이다. 주형 내의 용탕은 수냉 주형의 열전도에 의하여 1차 냉각으로 응고층이 형성되고, 주형 하부의 직접 냉각으로 대부분의 응고가 진행된다. 주괴를 직접 냉각하는 방식으로 안전에 위험이 크고, 주조속도 한계 및 빌렛 표면품질 문제를 갖고 있다.

이를 개선한 공정으로 Hot Top 주조법이 개발되었다. 이 주조법은 수형 주형 상부에 내화물 헤드를 설치하여 주형으로 사용한다. 용탕은 탕도를 거쳐 수평으로 공급되고, 초기 주조시 부표에 의한 조절이 없이 이루어지며 동시에 다수의 주조가 가능하다. 따라서 빌렛 제조에 Hot Top 주조법이 적극적으로 도입되어 주유를 이루고 있다. 이 주조법은 주형 길이가 짧아 표면이 개선된 것이 특징이며 용탕 혼란이 적고 가스나 개재물의 혼입도 적은 장점이 있다. Hot top 주조법이 일반적인 DC주조에 비해 우수한 점은 용탕면을 낮추어도 주조가 가능하기 때문에 주괴표면부의 조대 셀(cell)층을 최대한 억제할 수 있는데 있다. 그러나 용탕이 주형 윗부분에서 응고하여 주괴강하에 방해가 되는 것을 막기 위해 헤더의 내경은 주형내경보다 약간 작게 하는데, 내경의 차이로 인한 갭 때문에 얇은 주괴표면부가 파괴되어 편석을 수반한 리플(ripple)이 주기적으로 발생하게 된다. 또한, 주조 조직이 주상정 조직 형태를 띄고 있고 내부 품질에는 큰 개선이 없다.

이에 종래의 DC 주조에서 수냉 주형을 대신하여 용탕을 전자적으로 지지하고 표면을 가열하며 하부를 직접 수냉하면서 저주파 전자기장을 가하는 전자기 주조법이 개발되었다.

전자기장을 적용하면 용탕에 전자기력이 발생하여 용탕과 주형이 접촉하지 않게 되므로 기존 방식 대비 주조 속도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 표면 접촉이 없고 표면 가열효과가 있으므로 표면에서 발생하는 결함의 발생을 현저히 줄일 수 있다. 전자기 주조 주괴는 표면 특성이 우수하여 무면삭 압연이 가능하고 주괴 옆면이 양호하여 열간 압연시 밀단 균열이 없고 트리밍이 불필요하거나 최소화된다. 또한, 용탕 하단부에 저주파 전자기장을 가하는 경우 용탕의 유동이 발생하여 주상정 조직의 성장을 억제하여 내부 조직이 등축정화되는 효과를 얻을 수 있다.

그러나, 전자기 주조법은 면삭이나 후공정이 최소화되는 장점이 있어 고품질 난주조성 소재에서도 효과적이나, 안정된 주조를 위하여 고도의 계측 및 제어 기술이 요구되고 있다. 특히 고주파 전자기장을 적용하는 부분은 용탕면의 높이와 정확히 일치해야 효과를 기대할 수 있으며 이 영역을 벗어나게 용탕이 조절되는 경우 품질이 저하되는 문제점이 있다.

이에, 고주파 효과를 극대화할 수 있도록 된 전자기 연속 주조용 주형 및 이를 이용한 전자기 연속 주조 장치를 제공한다.

또한, 보다 안정적인 주조가 가능한 전자기 연속 주조용 주형 및 이를 이용한 전자기 연속 주조 장치를 제공한다.

또한, 제품의 표면 품질을 높일 수 있도록 된 전자기 연속 주조용 주형 및 이를 이용한 전자기 연속 주조 장치를 제공한다.

이를 위해 본 장치는 용탕을 응고하는 연속주조용 주형와, 상기 주형의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일, 상기 주형의 하부에 설치된 전자기 교반장치, 주형을 냉각하기 위한 주형냉각부와, 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부, 상기 주형로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부를 포함하며, 상기 주형은 내주면에 설치되어 용탕과 접하며 전자기 코일로부터 인가되는 고주파에 의해 가열되는 가열관을 포함할 수 있다.

이에 상기 가열관은 주형의 내주면 중 일부를 이루며 용탕을 간접 가열하게 된다.

상기 가열관은 흑연 재질로 이루어질 수 있다.

상기 가열관은 주형내 용탕면을 기준으로 상하로 충분히 연장된 길이로 형성될 수 있다.

상기 주형은 원통형 단면구조로 표면에는 간격을 두고 슬릿이 주조방향으로 형성된 구조일 수 있다.

상기 주형은 내주면에 상기 가열관이 끼워지는 삽입부가 단차져 형성되고, 상기 삽입부에는 삽입부에 끼워진 가열관을 고정하기 위한 고정관이 끼워져 주형 선단에 고정되는 구조일 수 있다.

한편, 본 전자기 연속 주조용 주형은 내주면에 설치되어 용탕과 접하며 전자기 코일로부터 인가되는 고주파에 의해 가열되는 가열관을 포함할 수 있다.

상기 가열관은 흑연 재질로 이루어질 수 있다.

상기 가열관은 주형내 용탕면을 기준으로 상하로 충분히 연장된 길이로 형성될 수 있다.

상기 주형은 원통형 단면구조로 표면에는 간격을 두고 슬릿이 주조방향으로 형성된 구조일 수 있다.

상기 주형은 내주면에 상기 가열관이 끼워지는 삽입부가 단차져 형성되고, 상기 삽입부에는 삽입부에 끼워진 가열관을 고정하기 위한 고정관이 끼워져 주형 선단에 고정되는 구조일 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 종래 용탕 직접 가열 방식에서 간접 가열 방식으로 전환하여 고주파 효과를 극대화함으로써, 조업시 안정성을 확보할 수 있고 품질의 폄차를 최대한 줄일 수 있게 된다.

또한, 흑연 자체의 윤할 효과에 의해 제품의 표면 품질을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 전자기 연속 주조 설비를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 전자기 연속 주조 설비의 주형을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 주형의 단면을 도시한 개략적인 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 전자기 연속 주조 장치를 도시한 개략적인 도면이다.

상기한 도면에 의하면, 본 전자기 연속 주조 장치(100)는 용탕을 응고하는 주형(10)와, 이 주형(10)의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일(30), 상기 주형(10)을 냉각하기 위한 주형냉각부(30), 상기 주형(10)의 하부에 설치된 저주파 전자기 교반장치(40), 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부(50), 상기 주형(10)로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부(60)를 포함한다.

상기 주형은 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 가열관(12)이 설치된다. 상기 가열관(12)은 주형의 내주면의 일부를 이루어 용탕과 접한다. 상기 가열관(12)은 전자기 코일로부터 인가되는 고주파에 의해 가열되는 구조로 되어 있다. 이를 위해 본 실시예에서 상기 가열관(12)은 흑연 재질로 이루어진다. 상기 주형의 구조에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.

상기 전자기 코일(30)은 주형(10) 내부의 가열관(12)에 유도 자장과 전류를 발생시킨다. 유도된 전류는 가열관(12)을 가열하게 되고, 가열관(12)에 의해 주형 내부의 용융 금속의 표면이 집중적으로 가열되고 응고 속도를 제어할 수 있어 작은 응고 잠열을 크게 하는 효과를 얻을 수 있어 응고 불균일과 급냉에 의한 결함 없이 연속주조를 할 수 있게 된다.

상기 주형냉각부(20)는 상기 주형(10) 외면을 따라 배치되어 주형(10)을 냉각시키게 된다.

상기 주형냉각부(20)로부터 분출되는 냉각수는 주형(10) 외벽을 직접 냉각하게 되며, 용탕과는 직접 접촉되지 않는 구조로 되어 있다. 이에 용탕과의 접촉에 의한 발화를 방지할 수 있다.

여기서 상기 주형냉각부(20)는 냉각수 분사 용량은 가열관(12)의 발열 조건에 따라 설정될 수 있다.

본 장치(100)의 주형냉각부(20)는 순환식 시스템으로 사용된 냉각수를 재 이용하는 구조로 용수 사용량을 절감하도록 되어 있다. 또한 본 장치(100)는 용수 재이용에 따라 냉각수의 온도가 상승하고 이에 따른 냉각능 저하를 방지하기 위해 냉각탑 시스템을 구비한다.

상기 저주파 전자기 교반장치(40)는 주형(10) 하단쪽에 위치하여 내부 품질 제어를 위해 용탕을 교반하게 된다. 회전형 전자기 교반장치(40)로 주형(10) 내 용탕을 원주방향으로 회전시키면 주상정 조직이 절단되어 주편 전체가 등축정 조직으로 되고 주조 조직이 미세화된 주편을 얻게 된다.

또한, 본 장치(100)의 주속제어부(60)는 주형(10) 하단에 설치되어 주형(10)를 지나며 경화된 주편의 하강 속도를 제어하게 된다. 상기 주속제어부(60)는 상기 주형냉각부(20)에 의한 냉각수 분출량에 따라 그 주속을 조절하게 된다.

한편, 도 2와 도 3은 본 실시예에 따른 주형의 구조를 예시하고 있다.

도시된 바와 같이 본 주형(10)는 원통형 단면구조로 이루어진다. 상기 주형(10)는 냉각성능을 높일 수 있도록 열전도율이 큰 재질로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서는 구리 재질로 이루어진다.

또한, 상기 주형(10)의 표면에는 저주파 및 고주파 전자기장의 투과를 위해 간격을 두고 슬릿(14)이 주편 인출 방향으로 형성된다. 상기 슬릿(14)은 양 끝단이 주형(10)의 상단과 하단에서 소정 거리 이격되어 형성된다. 상기 슬릿(14)은 주형(10)의 외주면을 따라 간격을 두고 형성된다. 상기 슬릿(14) 내에는 냉각수가 침투하지 않도록 절연소재가 충진되어 밀봉된다. 본 실시예에서는 운모(14)가 삽입되어 주형(10)를 밀폐하는 구조로 되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 주형(10)에는 관 구조물로 주형의 내주면을 이루어 용탕과 접하며 전자기 코일로부터 인가되는 고주파에 의해 가열되는 가열관(12)이 설치된다. 이에 상기 가열관(12)은 주형의 내주면 중 일부를 이루며 용탕을 간접 가열하게 된다. 이와같이 본 주형은 전체적으로 외형은 구리 재질의 원통형 관 구조물이나 내주면은 부분적으로 소재가 달라지게 된다.

본 실시예에서 상기 가열관(12)은 고주파에 의해 가열될 수 있도록 흑연 재질로 이루어진다. 또한, 흑연은 자체적으로 윤할 효과를 띄고 있어 주편의 표면 품질 향상에 기여할 수 있게 된다. 상기 가열관(12)의 재질은 흑연 소재에 한정되지 않으며, 고주파에 의해 가열될 수 있는 재질이면 모두 적용 가능하다.

또한, 상기 가열관(12)은 내주면이 주형의 내주면과 대응되는 내경으로 이루어져 주형 내에 설치되어 주형의 내주면을 이룬다.

상기 가열관(12)의 설치 위치는 주형 내의 용탕면과 대응된다. 이에 상기 가열관(12)은 주형내 용탕면을 기준으로 상하로 충분히 연장된다. 따라서 고주파에 의한 가열 영역을 확대하는 작용을 하게 된다. 즉, 종래 고주파에 의한 용탕 직접 가열 방식의 경우 고주파 전자기장을 적용하는 부분은 용탕면의 높이와 일치해야 하므로 고주파 영역이 매우 작아 조업이 불균일하게 된다.

본 주형은 흑연 소재의 가열관(12)이 주형 내에 삽입되어 있어서, 주형에 고주파 전자기장을 가하는 경우 용탕 대신 가열관(12)에 고주파가 집중되어 가열관(12)이 가열된다. 이와 같이 본 주형은 가열관(12)을 가열하여 용탕에 열을 공급하는 간접 가열 방식으로 작용하게 된다.

여기서 상기 가열관(12)은 소정의 길이를 갖는 관 구조물로 용탕면에서 상하부로 충분히 연장되어 있어서 가열관(12)을 통한 용탕 가열 영역을 확대할 수 있게 된다. 즉, 가열관(12)의 전면이 용탕 가열 영역으로 작용하게 된다. 이에 본 구조의 주형은 종래 구조와 같이 고주파 전기장을 적용하는 부분을 용탕면에 정확히 일치시킬 필요가 없게 된다. 따라서 열을 제공하는 면적이 넓어 용탕면이 흔들리는 경우에는 균일하게 열을 공급하여 표면 결함의 발생을 줄이고 조업 안정성을 높이게 된다.

여기서 도 3은 본 주형 내에 가열관(12)을 설치하는 구조를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이 상기 주형은 내주면에 상기 가열관(12)이 끼워질 수 있도록 삽입부(16)가 단차져 형성된다. 상기 삽입부(16)의 내경은 대략 상기 가열관(12)의 외경과 일치하하여 삽입부(16)에 가열관(12)이 긴밀하게 결합되도록 한다.

상기 삽입부(16)는 주형의 하단쪽으로 연속 형성된다. 이에 상기 가열관(12)이 주형의 하단을 통해 삽입부(16)에 끼워지게 된다.

그리고 삽입부(16)에 끼워진 가열관(12)을 고정하기 위해, 상기 주형에는 삽입부(16)에 끼워져 고정되는 고정관(18)이 설치된다.

상기 고정관(18)은 대략 가열관(12)과 대응되는 크기로 이루어져 삽입부(16)에 끼워지는 관구조물이다. 상기 고정관(18)은 삽입부(16)에 끼워져 주형의 내주면을 이룬다.

본 실시예에서 상기 고정관(18)은 주형의 선단에 볼트(19)를 매개로 고정설치된다. 이를 위해 상기 고정관(18)의 선단과 주형 선단에는 볼트 체결홀이 형성되어 볼트(19)가 체결된다.

이와같이 본 주형은 삽입부(16)에 가열관(12)을 끼우고 고정관(18)으로 고정시키는 구조로, 고정관(18)을 분리하는 것으로 가열관(12)을 용이하게 교체할 수 있다. 이에 본 주형은 필요시 가열관(12)만을 교체할 수 있어 보다 경제적이다.

본 실시예에서 가열관(12) 가열을 위한 고주파는 수십 kHz의 단위를 사용할 수 있으며 조업 조건에 따라 적절한 값을 적용한다. 또한, 본 가열관(12)의 소재인 흑연의 발열 정도에 적정한 주파수와 전류를 선택하여 조업한다.

[실시예]

용해로를 이용하여 적당한 강도와 내식성 및 성형 가공성을 갖는 Al-Mg-Si 합금을 용해하였다. 대략 액상선 보다 100도 정도 높은 용탕을 준비한다. 용탕은 탈가스 처리하여 기체의 함량을 최대한 낮춘다.

이러한 용탕은 온도 유지가 가능한 턴디쉬로 공급하였다. 턴디쉬의 노즐을 통해 본 장치(100)로 공급하여 조업하였다.

본 장치에서는 고주파를 가하여 주형 내의 흑연 재질의 가열관(12)을 가열하고, 저주파 전자기장을 인가하여 용탕 교반을 야기하여 빌렛의 연속 주조를 시행하였다.

가열관(12) 가열을 위한 고주파 전자기장은 15kHz의 주파수와 500A의 전류를 사용하였다. 그리고 용탕 표면의 상태에 따라 1400A까지 상승하여 적용하고 표면의 품질 향상을 유도하였다.

주조 속도는 통상적인 100mm/min 으로 조업하고, 최대 250mm/min 까지 운전하였다.

본 장치를 통한 연속 주조 결과 조업의 안정성이 향상되고 주조 속도를 높일 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 주편의 표면 결함의 발생이 현저하게 감소됨을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 주형 12 : 가열관
14 : 슬릿 16 : 삽입부
18 : 고정관 20 : 주형냉각부
30 : 전자기 코일 40 : 전자기 교반장치
60 : 주속제어부

Claims (10)

1. 용탕을 응고하는 연속주조용 주형와, 상기 주형의 외부에 설치된 고주파 전류 인가용 전자기 코일, 상기 주형의 하부에 설치된 전자기 교반장치, 주형을 냉각하기 위한 주형냉각부와, 주편을 냉각하기 위한 주편냉각부, 상기 주형로부터 응고되어 하강하는 주편의 인출 속도를 제어하기 위한 주속제어부를 포함하며,
   상기 주형은 내주면에 설치되어 용탕과 접하며 전자기 코일로부터 인가되는 고주파에 의해 가열되는 가열관을 포함하는 전자기 연속 주조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열관은 흑연 재질로 이루어진 전자기 연속 주조 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가열관은 주형내 용탕면을 기준으로 상하로 연장된 길이로 형성된 전자기 연속 주조 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 주형은 원통형 단면구조로 표면에는 간격을 두고 슬릿이 주조방향으로 형성된 구조의 전자기 연속 주조 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 주형은 내주면에 상기 가열관이 끼워지는 삽입부가 단차져 형성되고, 상기 삽입부에는 삽입부에 끼워진 가열관을 고정하기 위한 고정관이 끼워져 주형 선단에 고정되는 구조의 전자기 연속 주조 장치.
6. 내주면에 설치되어 용탕과 접하며 전자기 코일로부터 인가되는 고주파에 의해 가열되는 가열관을 포함하는 전자기 연속 주조용 주형.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 가열관은 흑연 재질로 이루어진 전자기 연속 주조용 주형.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 가열관은 주형내 용탕면을 기준으로 상하로 연장된 길이로 형성된 전자기 연속 주조용 주형.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 주형은 원통형 단면구조로 표면에는 간격을 두고 슬릿이 주조방향으로 형성된 구조의 전자기 연속 주조용 주형.
10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주형은 내주면에 상기 가열관이 끼워지는 삽입부가 단차져 형성되고, 상기 삽입부에는 삽입부에 끼워진 가열관을 고정하기 위한 고정관이 끼워져 주형 선단에 고정되는 구조의 전자기 연속 주조용 주형.

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