KR20130022860A - 냉각 성능이 개선된 롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기 - Google Patents

냉각 성능이 개선된 롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주조롤 표층부 냉각 유체라인으로 냉각 유체를 공급하는 분배 라인을 개선하여 원주 방향으로 균일한 냉각능을 가지고 에지부의 냉각을 균일하게 하는 것으로, 롤 본체와, 냉각 유체를 통하여 상기 롤 본체를 냉각하는 냉각 수단을 포함하며, 상기 냉각 수단은 롤 표층부에서 롤축과 평행하게 형성된 표층부 냉각 라인 및 상기 표층부 냉각 라인의 유입부에 위치하여 상기 표층부 냉각 라인의 유입되는 냉각 유체의 난류 및 압손을 저감하는 버퍼부를 포함하는 냉각 성능이 개선된 롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기를 제공한다.

Description

냉각 성능이 개선된 롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기{Roll and Twin Roll Strip Caster Comprising It}
본 발명은 주조롤, 특히, 쌍롤식 박판 주조기에 사용되는 주조롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기에 대한 것으로, 구체적으로는 롤의 표면을 따라서 냉각 유체에 의한 냉각능이 균일한 주조롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기에 대한 것이다.
쌍롤식 박판 주조 공정은 서로 맞물려 돌아가는 두 개의 주조롤에 용강을 부어 응고 시킴과 동시에 일정량의 열간 변형을 가해 10mm이하의 얇은 판두께를 갖는 박판재를 제조하는 방식이다.
상기와 같은 박판 주조 공정에 채용되는 쌍롤식 박판주조기(10)는 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각 유체에 의해 냉각되는 한 쌍의 주조롤(1)과 그 양측면에 부착된 에지댐(2)사이에 턴디쉬(5)에서 침지노즐(3)을 통해 공급된 용강에 의한 용강 풀(4)을 형성하고 서로 반대 방향으로 주조롤들을 회전시켜 롤과의 접촉에 의해 롤 내부로 열을 빼앗긴 용강을 급속 응고시켜 박판 주편(6)을 제조하기 때문에 주편 전폭에 걸쳐 균일한 응고와 형상이 확보되어야 한다.
상기 주조롤의 중앙부와 양 에지부의 응고능 차이에 기인하는 에지 응고 지연이 심해지면 에지 벌징이 발생하게 되고 이 경우 스트립의 권취시 에지부 직경이 계속 커지게 되어 완제품 코일의 형상 불량으로 실수율의 하락 원인이 되며, 압연 시 에지부에 웨이브가 발생하는 등 여러 가지 문제가 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 주조롤 에지부의 응고능 저하를 막는 것은 필수적이다.
이러한 방법으로 주조롤(1)의 폭 방향으로 롤 표면의 조도를 변화시켜 폭 방향의 응고능을 조절하는 방법(일본 특개평 9-327753호)이 제안된 바 있다. 그러나 일본 특개평 9-327753호의 경우 표면처리 작업의 조도 제어가 용이하지 않고 롤 표면의 조도 형상이 주편 표면으로 전사되어 주편의 광택도가 폭 방향으로 다르게 되어 제품의 후처리시 많은 문제점을 야기한다.
다른 방법으로 일본 특개평 9-271905호에서는 주조롤의 재질보다 열전도도가 낮은 도금층을 주조롤 표면에 도금을 하는데 있어 폭 방향으로 도금 두께가 다르게 하여 폭 방향 응고능을 조절하는 방법을 개시하고 있다. 도 2 를 참고하면, 일본 특개평 9-271905호의 경우 롤 중앙부(RC)의 도금을 양 에지부(RE) 보다 두껍게 하기 위해서는 롤 표면에 깊은 크라운을 부여하고 도금을 입히고 다시 도금층을 롤 중앙부는 두껍게, 양 에지부는 얇게 가공하기 때문에 롤 크라운 가공 및 도금 층 크라운 가공의 절차가 복잡하고 또한 주조롤 정비 시 도금을 제거하고 입히는 과정 역시 복잡한 과정을 거쳐야 하는 문제점이 있다
또 다른 방법으로 대한민국 특허공개번호 제2004-0056264호에서는 롤 내부의 냉각 유체 라인의 깊이를 폭 방향으로 다르게 주어 응고능을 조절하는 방법이 개시되어 있다.
도 3 를 참고하여 설명하면, 롤 본체(10a) 중앙부에는 냉각수가 들어오는 주통로(12)가 형성되며, 주통로(12)는 방사형상으로 연결되는 연결 통로(13)가 연결된다. 연결 통로(13)는 롤의 반경방향 외측으로 경사진 경사 통로(13a)에 연결되며, 롤축 방향으로 평행하며 다수의 세관으로 이루어진 표층부 냉각 라인(17)에 연결부(14a)를 통하여 연결된다.
표층부 냉각 라인(17)는 외면에서의 깊이가 롤 폭 방향 중앙부에서 가장 깊은 구조로 되며, 표층부 냉각 라인(17)를 통과한 냉각수는 연결 통로(15) 및 배출 통로(11)를 통하여 롤 외부 배출된다.
이 특허의 경우는 경사 홀 가공이 쉽지 않은 문제점이 있다. 또한 주조롤(10a) 표층부를 흐르는 냉각 유체에 의한 냉각능은 롤 원주상으로 균일해야 하는데, 이 특허의 경우 원주상으로 냉각능이 불균일하여, 주조 스트립의 응고 두께가 불균일하여 주조 안정성을 저해하고 스트립의 품질 불균일을 야기한다.
주조롤 내부의 냉각유로가 복잡해지거나 단면적이 급변하게 되면 냉각유체의 압력손실이 커지게 되고 그 결과 냉각유체의 유량이 줄게 된다. 냉각 유체의 유량이 줄게 되면 주조롤의 냉각능이 떨어지게 되고 결과적으로 생산성이 떨어지고, 롤의 수명이 줄어들게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 주조롤 표층부 냉각 유체라인으로 냉각 유체를 공급하는 분배 라인을 개선하여 원주 방향으로 균일한 냉각능을 가지고 에지부의 냉각을 균일하게 하며, 압손이 적어 냉각능이 롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 냉각 성능이 개선된 롤 및 이를 포함하는 쌍롤식 박판 주조기를 제공한다.
본 발명은 롤 본체와, 냉각 유체를 통하여 상기 롤 본체를 냉각하는 냉각 수단을 포함하며, 상기 냉각 수단은 롤 표층부에서 롤축과 평행하게 형성된 표층부 냉각 라인 및 상기 표층부 냉각 라인의 유입부에 위치하여 상기 표층부 냉각 라인의 유입되는 냉각 유체의 난류 및 압손을 저감하는 버퍼부를 포함하는 냉각 성능이 개선된 롤을 제공한다.
또, 상기 냉각 수단은 롤축에 형성되는 주통로; 상기 주통로에 방사방향으로 형성된 연결 통로; 및 상기 연결 통로와 상기 표층부 냉각 라인을 연결하며 롤 방경 방향 외측으로 경사진 분배라인을 포함하며, 상기 분배라인은 상기 표층부 냉각 라인과 90°이상의 각으로 꺾어져 연결될 수 있다.
이, 각 분배 라인에는 두 개의 표층부 냉각 라인이 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 축 방향에 수직한 면에서 상기 버퍼부는 상기 냉각 라인 및 분배라인 각각이 모서리에 위치하는 다각형 형상 단면을 가지며, 상기 단면에서 상기 모서리는 해당 분배라인 혹은 표층부 냉각 라인의 반경으로 라운드져, 모서리에서 표층부 냉각 라인 혹은 분배라인과 버퍼부의 단면이 일치하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 버퍼부는 축 방향 두께가 상기 버퍼부에 연결된 표층부 냉각 라인의 직경의 1.5 배보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
다르게는, 상기 버퍼부는 최소 단면부의 단면적이 상기 버퍼부에 연결된 상기 표층부 냉각 라인의 단면적의 합보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
본 발명에서는 한 쌍의 주조롤; 상기 주조롤의 양측면에 설치되는 에지댐; 및 상기 주조롤과 에지댐 사이에 형성된 용강풀로 용강을 공급하는 침지 노즐을 포함하며, 서로 맞물리는 방향으로 주조롤을 회전시켜 주편을 주조하는 쌍롤식 박판 주조기에 있어서, 상기 주조롤은 상술한 롤인 쌍롤식 박판 주조기를 제공한다.
본 발명은 위와 같은 구성을 통해 롤 표층부 냉각 유체 라인간의 열전달계수의 차이를 없애고, 롤 표층부 냉각 유체 라인의 입구부에서 발생되는 열전달계수의 저하를 방지하여 주조 시 응고능의 차이로 발생하게 되는 에지 응고 불균일 현상을 방지하여 조업의 안정성을 꾀하고 우수한 품질의 주편을 제조할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1 은 종래의 쌍롤식 박판 주조기의 개략도이다.
도 2 는 종래의 쌍롤식 박판 주조기에서 주조롤과 용강을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 은 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤의 단면도이다.
도 4a 는 도 3 의 주조롤의 경사 통로와 표층부 냉각 라인의 연결부의 개략 사시도이며, 도 4b 는 도 4a 의 표층부 냉각 라인의 열전달 성능을 도시한 그래프이다.
도 5a 는 본 발명에 따른 주조롤의 경사 통로와 표층부 냉각 라인의 연결부의 다른 실시예의 개략 사시도이며, 도 5b 는 도 5a 의 부분 절개 사시도이며, 도 5c 는 표층부 냉각 라인의 열전달 성능을 도시한 그래프이며, 도 5d 는 도 5a의 단면도이다.
도 6a 는 비교예로서 주조롤의 경사 통로와 표층부 냉각 라인의 연결부의 개략 사시도이며, 도 6b 는 도 6a 의 표층부 냉각 라인의 열전달 성능을 도시한 그래프이다.
도 7 은 본 발명의 표층부 냉각 라인 및 경사통로가 적용된 주조로의 부분 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
냉각 유체 라인의 압손 계산은 아래의 식 1로 구해진다.
Figure pat00001
…… 식 1
여기서, D는 관 구경(m)이며, ρ는 밀도(kg/m3), ub는 유속(m/sec)이며, f는 마찰계수이다.
이때, f 는 다음의 식 2 및 식 3 에 의해서 구해진다.
Figure pat00002
…… 식 2
Figure pat00003
…… 식 3
여기서, ε는 관의 조도(0.046)이며, ReD는 레이놀즈 수이다.
냉각 유체가 물인 경우의 계산 조건은 ρ=996kg/m3, υ = μ/ρ = 0.87x10-6m2/sec, ε=0.046, f=0.0295 이다.
상기 식 1 ~ 3 에서 볼 수 있는 바와 같이 압손은 직경이 커지면 줄어들게 되며, 따라서. 동일한 유량의 냉각 유체를 주조롤에 공급한다면, 직경이 작아지면 유속이 빨라져서 압손은 더욱 커지게 된다.
도 4a 에는 도 3 의 주조롤의 경사 통로와 표층부 냉각 라인의 연결부의 개략 사시도가 도시되어 있다. 도 4a 에서 보이듯이, 표층부 냉각 라인(17a~h)와 분배라인으로서의 경사 통로(13a)가 연결부(14a)로 연결되어 있으며, 이때 표층부 냉각 라인(17a~h)와 경사 통로(13a)의 비가 3.75:1, 즉, 대략 4:1 정도이다.
도 4b 에는 이러한 표층부 냉각 라인의 열전달 성능이 도시되어 있다. 이 그래프에서 Y 축은 열전달 계수 값이고, X 축은 롤 표층부 냉각 라인의 입구에서부터의 거리이다. 도 4b 의 a~h는 각각 도 4a의 표층부 냉각 라인(17a~h)에 대응된다.
도 4b 에서 보이듯이, a ~ h 의 표층부 냉각 라인(17a~h)에서 열전달 계수가 분배 라인, 즉 경사 통로(13a)와의 상대 위치에 따라서 다르게 나타나고 있으며, 각 라인에 있어서도 롤 표층부 냉각 라인의 입구부터의 거리에 따라서 난류에 의하여 열전달 계수가 떨어지는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 종래의 표층부 냉각 라인(17)와 경사 통로(13a)의 연결은 롤의 원주 방향으로 열전달 계수의 편차가 발생하며, 또한, 폭 방향에 있어서도 열전달 계수의 편차가 발생하는 것을 볼 수 있다.
이러한 문제를 해결하는 본 발명의 연결구조가 도 5a~5c에 도시되어 있다. 구체적으로, 본 발명의 표층부 냉각 라인(17)과 분배 라인으로써 경사 통로(14a)의 연결관계가 도 5a에 도시되어 있으며, 그의 부분 절개 사시도가 도 5b에, 두 표층부 냉각 라인(17)의 중심을 따라서 단면을 본 단면도가 도 5c에 도시되어 있다.
도 5a 에서 보이듯이, 본 발명에서 표층부 냉각 라인(17)과 분배 라인으로써 경사 통로(13a)는 하나의 경사 통로(13a)에 두 개의 표층부 냉각 라인(17)이 연결되며, 연결부(14a)에는 버퍼부(20)가 구비된다.
표층부 냉각 라인(17)과 경사 통로(13a)는 유체의 방향이 90°이상의 큰 각으로 바뀌게 되며, 그에 따라서 큰 압손이 걸리게 되며, 또한, 유체의 방향이 급격하게 바뀌게 되면서 표층부 냉각 라인(17)의 입구부에 난류가 심하게 발생한다. 본 발명에서는 이러한 압손과 난류를 저감하기 위하여, 연결부(14a)에 버퍼부(20)가 구비된다.
버퍼부(20)는 도 5b의 절개 사시도에서 보이듯이 경사 통로(13a), 두 표층부 냉각 라인(17)을 모서리에 배치한 삼각형 형상에, 각 모서리는 해당 경사 통로 혹은 표층부 냉각 라인의 반경으로 라운드져, 모서리에서 표층부 냉각 라인 혹은 분배라인과 버퍼부의 단면이 일치하도록 구성된다. 버퍼부(20)의 단면이 이와 같이 구성됨으로써, 표층부 냉각 라인(17), 경사 통로(13a)사이에 간섭이 없도록 가공될 수 있다.
또한, 버퍼부(20)는 도 5c 에서 보이듯이, 버퍼부의 두께(l)는 표층부 냉각 라인의 직경(d)의 1.5 배 이하인 것이 바람직한데, 이는 버퍼부(20)에서 열전달 계수의 저하되는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 버퍼부(20)의 최소 단면부, 즉, 버퍼부(20)의 두께(l)와 폭(w)의 곱이 최소가 되는 단면부로, 본 실시예에서는 경사통로(13a)의 직경과 두께(l)의 곱은 버퍼부에 연결된 두 표층부 냉각 라인 단면적의 합보다 크거나 같아야 한다. 버퍼부(20)의 최소 단면부가 두 표층부 냉각 라인(17)의 단면적의 합보다 작은 경우에, 버퍼부(20)를 통과하여 표층부 냉각 라인(17)으로 유입되는 유체의 유량이 충분하지 못하여 흐름이 원활하지 못하기 때문이다.
또한, 본 발명에서 버퍼부(20) 외에도 경사 통로(13a)와 표층부 냉각 라인(17)의 비 역시 중요하다. 본 발명에서 하나의 경사 통로(13a)는 두 표층부 냉각 라인(17)과 연결되는 1:2 의 비를 유지한다. 따라서, 이와 같이, 분배라인(경사 통로)과 표층부 냉각 라인이 1:2의 비를 유지함으로써, 각 표층부 냉각 라인으로 공급되는 유체의 상대 위치가 동일해지며, 그에 따라서, 주조롤의 원주 방향 냉각능이 균일해질 수 있다.
분배 라인(경사 통로)과 표층부 냉각 라인이 1:1의 비를 유지하여도 주조롤의 원주 방향 냉각능이 균일하여 질 수 있으나, 이와 같은 경우에 인접하는 분배라인과의 간격이 좁아져서 가공에 문제가 발생한다.
도 5d 에서는 도 5a~c 에서 도시한 표층부 냉각 라인(17)과 경사 통로(13a)와 같이 버퍼부(20)를 포함하는 경우에 열전달 계수의 그래프가 도시되어 있다.
도 5d 에서 보이듯이, 열전달 계수는 원주 방향으로 동일할 뿐만 아니라, 폭 방향에 있어서도 도 4b와 같이 열전달 계수가 요동치는 부분이 사라진 것을 볼 수 있다. 이렇게 열전달 계수가 균일한 경우에 에지부의 응고 지연이 막아져 제품의 품질이 상승될 수 있다.
반면에, 비교예로서 버퍼부(20)가 구비되지 않고, 경사 통로(13a)와 표층부 냉각 라인(17)이 1:2로 연결된 연결부(14a)가 도 6a 에 도시되어 있으며, 도 6b 에는 연결부(14a)를 가지는 주조롤의 열전달 계수의 그래프가 도시되어 있다.
도 6b 에서 보이듯이, 경사 통로(13a)와 표층부 냉각 라인(17)이 1:2로 연결된 연결부(14a)를 가지는 경우에 원주 방향으로 열전달 계수는 동일하여 질 수 있으나, 폭 방향에서, 특히 입구에서 100mm지점에서 열전달계수값의 저하가 발생되었다가 다시 증가하는 불균일을 보인다.
도 7 에는 본 발명의 표층부 냉각 라인(17), 경사 통로(13a) 및 버퍼부(20)를 포함하는 주조롤(1)의 부분 단면도가 도시되어 있다. 본 발명의 주조롤(1)은 도 3 의 종래 주조롤(1)과 표층부 냉각 라인(17), 경사 통로(13a) 및 버퍼부(20)를 제외하고는 그 구성이 동일하다.
표층부 냉각 라인(17)의 경우에 주조롤(1)의 롤 표면을 따라서 롤이 폭방향으로 배치되며, 두 표층부 냉각 라인(17)을 연결하는 버퍼부(20) 및 경사 통로(13a) 역시 원주 방향을 따라서 배치된다. 경사 통로(13a)는 방사 방향으로 형성된 연결 통로(13; 도 3 참고) 및 롤축에 형성되는 주통로(12)에 연결되며, 배출통로(11)를 통하여 주조롤(1) 외부로 배출된다.
<실시예>
슬리브(10a) 재질이 구리합금으로 이루어져 있고, 롤 직경 1400mm, 롤 폭 1350mm이고, 롤표층부 냉각유체라인의 직경이 15mm인 대형 쌍롤식 박판 주조기(10)를 이용하여 강종 STS 304를 3.5mm 두께로 주조하였다. 도 3의 주조롤 및 도 6a의 연결부를 포함하는 주조롤에서는 스트립의 에지부에서 응고 불균일이 발생되어 압연 후 에지 웨이브가 발생되었다.
하지만, 표층부 냉각 라인(17) 2개와 분배라인으로서의 경사 통로(13a) 1개에 버퍼부(20)의 최소 단면의 폭과 두께를 각각 33mm와 12mm로 가공하여 제작한 주조롤에서는 응고 불균일이 발생하지 않았으며, 압연 후 형상이 양호 제품을 생산할 수 있었다.
1: 주조롤 10: 쌍롤식 박판 주조기
13a: 경사 통로 14a: 연결부
17: 표층부 냉각 라인

Claims (7)

  1. 롤 본체와, 냉각 유체를 통하여 상기 롤 본체를 냉각하는 냉각 수단을 포함하며,
    상기 냉각 수단은 롤 표층부에서 롤축과 평행하게 형성된 표층부 냉각 라인 및 상기 표층부 냉각 라인의 유입부에 위치하여 상기 표층부 냉각 라인의 유입되는 냉각 유체의 난류 및 압손을 저감하는 버퍼부를 포함하는 냉각 성능이 개선된 롤.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 수단은
    롤축에 형성되는 주통로;
    상기 주통로에 방사방향으로 형성된 연결 통로; 및
    상기 연결 통로와 상기 표층부 냉각 라인을 연결하며 롤 방경 방향 외측으로 경사진 분배라인을 포함하며,
    상기 분배라인은 상기 표층부 냉각 라인과 90°이상의 각으로 꺾어져 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 개선된 롤.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각 분배 라인에는 두 개의 표층부 냉각 라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 냉각 성능이 개선된 롤.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    축방향에 수직한 면에서 상기 버퍼부는 상기 냉각 라인 및 분배라인 각각이 모서리에 위치하는 다각형 형상 단면을 가지며,
    상기 단면에서 상기 모서리는 해당 분배라인 혹은 표층부 냉각 라인의 반경으로 라운드져, 모서리에서 표층부 냉각 라인 혹은 분배라인과 버퍼부의 단면이 일치하는 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 개선된 롤.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버퍼부는 축 방향 두께가 상기 버퍼부에 연결된 표층부 냉각 라인의 직경의 1.5 배보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 개선된 롤.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버퍼부는 최소 단면부의 단면적이 상기 버퍼부에 연결된 상기 표층부 냉각 라인의 단면적의 합보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 냉각 성능이 개선된 롤.
  7. 한 쌍의 주조롤;
    상기 주조롤의 양측면에 설치되는 에지댐; 및
    상기 주조롤과 에지댐 사이에 형성된 용강풀로 용강을 공급하는 침지 노즐을 포함하며, 서로 맞물리는 방향으로 주조롤을 회전시켜 주편을 주조하는 쌍롤식 박판 주조기에 있어서,
    상기 주조롤은 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 롤인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기용 주조롤.
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