KR20130046734A - 노즐 실링용 가스 제어장치 및 그 방법 - Google Patents

노즐 실링용 가스 제어장치 및 그 방법 Download PDF

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조원재
안재환
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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은 턴디쉬내 용강에 침지된 쉬라우드노즐 주변에 나탕 발생시 노즐 실링용 가스 주입량을 조절하는 노즐 실링용 가스 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 콜렉터노즐과 쉬라우드노즐이 결합된 부분으로 실링(sealing)용 불활성가스를 취입하는 가스주입부와, 래들의 저면에 설치되어 상기 쉬라우드노즐이 침지된 턴디쉬의 탕면을 촬영하는 열화상 카메라, 및 상기 열화상 카메라를 통해 촬영된 적외선 열에너지를 이용하여 턴디쉬의 나탕 여부를 판별하고, 나탕시 상기 가스주입부를 통해 주입되는 가스량이 저감되도록 제어하는 컨트롤러를 제공한다.

Description

노즐 실링용 가스 제어장치 및 그 방법{GAS CONTROL DEVICE FOR SEALING NOZZLE AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 턴디쉬내 탕면 노출(나탕)시 실링용 가스 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 턴디쉬내 용강에 침지된 쉬라우드노즐 주변에 나탕 발생시 노즐 실링용 가스 주입량을 조절하는 노즐 실링용 가스 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.
연속주조기는 제강로에서 생산되어 래들(Ladle)로 이송된 용강을 턴디쉬(Tundish)에 받았다가 연속주조기용 몰드로 공급하여 일정한 크기의 주편을 생산하는 설비이다.
연속주조기는 용강을 저장하는 래들과, 턴디쉬 및 상기 턴디쉬에서 출강되는 용강을 최초 냉각시켜 소정의 형상을 가지는 연주주편으로 형성하는 연주용 몰드와, 상기 몰드에 연결되어 몰드에서 형성된 연주주편을 이동시키는 다수의 핀치롤을 포함한다.
다시 말해서, 상기 래들과 턴디쉬에서 출강된 용강은 몰드에서 소정의 폭과 두께 및 형상을 가지는 연주주편으로 형성되어 핀치롤을 통해 이송되고, 핀치롤을 통해 이송된 연주주편은 절단기에 의해 절단되어 소정 형상을 갖는 슬라브(Slab) 또는 블룸(Bloom), 빌렛(Billet) 등의 주편으로 제조된다.
관련된 선행기술로는 한국특허공개 제2002-16251호(공개일: 2002. 03. 04)가 있다.
본 발명은 턴디쉬내 용강에 침지된 쉬라우드노즐 주변에 나탕 발생시 노즐 실링용 가스 주입량을 저감시킴으로써, 나탕 발생을 감소시킬 수 있는 노즐 실링용 가스 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 노즐 실링용 가스 제어장치는, 콜렉터노즐과 쉬라우드노즐이 결합된 부분으로 실링(sealing)용 불활성가스를 취입하는 가스주입부; 래들의 저면에 설치되어 상기 쉬라우드노즐이 침지된 턴디쉬의 탕면을 촬영하는 열화상 카메라; 및 상기 열화상 카메라를 통해 촬영된 적외선 열에너지를 이용하여 턴디쉬의 나탕 여부를 판별하고, 나탕시 상기 가스주입부를 통해 주입되는 가스량이 저감되도록 제어하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 노즐 실링용 가스 제어 방법은, 콜렉터노즐과 쉬라우드노즐이 결합된 부분으로 실링(sealing)용 불활성가스를 주입하는 단계; 상기 쉬라우드노즐이 침지된 턴디쉬의 탕면을 카메라로 촬영하는 단계; 상기 촬영된 탕면 적외선 열에너지를 이용하여, 턴디쉬내 나탕 여부를 판단하는 단계; 및 상기에서 나탕 발생시, 상기 실링용 불활성 가스의 주입량을 저감시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 판단하는 단계는, 촬영된 적외선 열에너지를 통해 탕면 온도를 산출하고, 산출된 탕면 온도와 설정된 기준온도를 서로 비교하여 나탕 여부를 판단할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 턴디쉬내 탕면 노출 여부에 따라 자동으로 노즐 실링용 아르곤가스의 주입량을 조절하고 경보신호를 출력함으로써, 턴디쉬내 탕면 노출 현상을 감소시킴과 아울러 탕면 노출에 의한 사고를 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다. 또한, 턴디쉬내 나탕 발생시 신속한 대처가 가능하여 용강의 청정도와 강의 품질 유지 및 향상에 기여할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 연속주조기를 용강의 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 노즐 및 노즐 실링용 가스 제어장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 노즐 결합부를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 4는 턴디쉬 내 노즐 주변의 나탕 상태를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실링용 가스 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 용강의 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
연속주조(continuous casting)는 용융금속을 바닥이 없는 몰드(Mold)에서 응고시키면서 연속적으로 주편 또는 강괴(steel ingot)를 뽑아내는 주조법이다. 연속주조는 정사각형, 직사각형 또는 원형 등 단순한 단면형의 긴 제품과 주로 압연용 소재인 슬라브, 블룸 또는 빌릿을 제조하는 데 이용된다.
연속주조기는 도시된 바와 같이, 래들(10)과 턴디쉬(20), 몰드(30), 2차냉각대(60 및 65), 핀치롤(70), 그리고 절단기(90)를 포함할 수 있다.
턴디쉬(20; Tundish)는 래들(10; Ladle)로부터 용융금속을 받아 몰드(30; Mold)로 용융금속을 공급하는 용기이다. 래들(10)은 한 쌍으로 구비되어, 교대로 용강을 받아서 턴디쉬(20)에 공급하게 된다. 턴디쉬(20)에서는 몰드(30)로 흘러드는 용융금속의 공급 속도조절, 각 몰드(30)로 용융금속 분배, 용융금속의 저장, 슬래그 및 비금속 개재물(介在物)의 분리 등이 이루어진다.
몰드(30)는 통상적으로 수냉식 구리제이며, 수강된 용강이 1차 냉각되게 한다. 몰드(30)는 구조적으로 마주보는 한 쌍의 면들이 개구된 형태로서 용강이 수용되는 중공부를 형성한다. 슬라브를 제조하는 경우에, 몰드(30)는 한 쌍의 장벽과, 장벽들을 연결하는 한 쌍의 단벽을 포함한다. 여기서, 단벽은 장벽보다 작은 넓이를 가지게 된다. 몰드(30)의 벽들, 주로는 단벽들은 서로에 대하여 멀어지거나 가까워지도록 회전되어 일정 수준의 테이퍼(Taper)를 가질 수 있다.
몰드(30)는 몰드에서 뽑아낸 연주주편이 일정 모양을 유지하고, 아직 응고가 덜 된 용융금속이 유출되지 않게 강한 응고각(凝固殼) 또는 응고쉘(Solidified Shell, 81)이 형성되도록 하는 역할을 한다. 수냉 구조에는 구리관을 이용하는 방식, 구리블록에 수냉홈을 뚫는 방식, 수냉홈이 있는 구리관을 조립하는 방식 등이 있다.
몰드(30)는 용강이 몰드의 벽면에 붙는 것을 방지하기 위하여 오실레이션(oscillation, 왕복운동)되며, 오실레이션시 몰드(30)와 응고쉘(81)과의 마찰을 줄이고 타는 것을 방지하기 위해 파우더(Powder)와 같은 윤활제가 이용된다. 파우더는 몰드 내의 용융금속에 첨가되어 슬래그가 되며, 몰드(30)와 응고쉘의 윤활뿐만 아니라 몰드 내 용융금속의 산화ㅇ질화 방지와 보온, 용융금속의 표면에 떠오른 비금속 개재물의 흡수의 기능도 수행한다.
2차 냉각대(60 및 65)는 몰드(30)에서 1차로 냉각된 용강을 추가로 냉각한다. 1차 냉각된 용강은 지지롤(60)에 의해 응고각이 변형되지 않도록 유지되면서, 물을 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 직접 냉각된다. 연주주편의 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.
인발장치(引拔裝置)는 연주주편이 미끄러지지 않게 뽑아내도록 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식 등을 채용하고 있다. 핀치롤(70)은 용강의 응고된 선단부를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 몰드(30)를 통과한 용강이 주조방향으로 연속적으로 이동할 수 있게 한다.
연속적으로 생산되는 연주주편은 소정의 절단기(미 도시됨)에 의해 일정한 크기로 절단된다.
즉, 용강(M)은 래들(10)에 수용된 상태에서 턴디쉬(20)로 유동하게 된다. 이러한 유동을 위하여, 래들(10)에는 턴디쉬(20)를 향해 연장하는 쉬라우드노즐(15; Shroud nozzle)이 설치된다. 쉬라우드노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화ㅇ질화되지 않도록 턴디쉬(20) 내의 용강에 잠기도록 연장한다.
턴디쉬(20) 내의 용강(M)은 몰드 내로 연장하는 침지노즐(25; Submerged Entry Nozzle)에 의해 몰드 내로 유동하게 된다. 침지노즐(25)은 몰드(30)의 중앙에 배치되어, 침지노즐(25)의 양 토출구에서 토출되는 용강(M)의 유동이 대칭을 이룰 수 있도록 한다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지노즐(25)에 대응하여 턴디쉬(20)에 설치되는 스토퍼(Stopper, 21)에 의해 결정된다. 구체적으로, 스토퍼(21)는 침지노즐(25)의 입구를 개폐하도록 침지노즐(25)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다.
몰드 내의 용강(M)은 몰드(30)를 이루는 벽면에 접한 부분부터 응고하기 시작한다. 이는 용강(M)의 중심보다는 주변부가 수냉되는 몰드(30)에 의해 열을 잃기 쉽기 때문이다. 주변부가 먼저 응고되는 방식에 의해, 연주주편(80)의 주조 방향을 따른 뒷부분은 미응고 용강(82)이 응고쉘(81)에 감싸여진 형태를 이루게 된다.
핀치롤(70)이 완전히 응고된 연주주편(80)의 선단부(83)를 잡아당김에 따라, 미응고 용강(82)은 응고쉘(81)과 함께 주조 방향으로 이동하게 된다. 미응고 용강(82)은 위 이동 과정에서 냉각수를 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 냉각된다. 이는 연주주편(80)에서 미응고 용강(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 연주주편(80)이 일 지점(85)에 이르면, 연주주편(80)은 전체 두께가 응고쉘(81)로 채워지게 된다. 응고가 완료된 연주주편(80)은 절단 지점(91)에서 일정 크기로 절단되어 슬라브 등과 같은 주편(P)으로 나누어진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 노즐 및 노즐 실링용 가스 제어장치를 나타낸 도면으로서, 제어장치는 가스주입부(110), 열화상 카메라(130) 및 컨트롤러(150) 등을 포함하여 구성된다.
가스주입부(110)는 콜렉터노즐(11)과 쉬라우드노즐(15)이 결합되어 맞닿은 부분으로 아르곤(Ar)과 같은 실링(sealing)용 불활성가스를 취입한다. 콜렉터노즐(11)과 쉬라우드노즐(15)의 결합부는 일례로, 도 3에 도시된 바와 같이 쉬라우드노즐(15)의 모재 상단에 공동(空洞)의 가스 풀(17; gas pool)을 형성시켜 가스취입구(16)를 통해 아르곤가스를 취입함으로서 외부로부터 공기가 쉬라우드노즐(15)의 내공(18)으로 유입되는 것을 억제하고 있다.
즉, 상기 구조에서 용강 주입시 가스취입구(16)를 통해 아르곤 가스를 취입하면 아르곤가스는 가스 풀(17)을 거쳐 콜렉터노즐(11)의 경사면을 따라 밖으로 배출되는 힘이 작용함으로써 쉬라우드노즐(15)과 콜렉터노즐(11)의 틈사이로 공기가 유입되지 않아 용강의 재산화를 방지하게 된다.
열화상 카메라(130)는 래들(10)의 저면에 쉬라우드노즐(15)에 인접하여 설치되고, 상기 쉬라우드노즐(15)이 침지된 턴디쉬(20)의 탕면을 촬영하는 적외선 카메라(Infrared Thermal Camera)일 수 있다. 몰드 내에 수용되는 용탕은 고온의 용융금속이므로 나탕(용강 탕면이 외부로 노출되는 현상)시 매우 밝은 빛을 발산할 수 있다. 그러므로 카메라(110)에는 용탕에서 발산되는 적외선 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 필터가 더 채용될 수 있다.
컨트롤러(150)는 열화상 카메라(130)를 통해 촬영된 탕면의 적외선 열에너지를 이용하여 턴디쉬(20)의 나탕 여부를 판별하고, 나탕시 상기 가스주입부(110)를 통해 취입되는 가스 주입량이 저감되도록 제어한다. 컨트롤러(150)는 탕면에서 방출된 적외선 열에너지를 통해 탕면 온도를 산출하고, 산출된 탕면 온도와 설정된 기준온도를 서로 비교하여 나탕 여부를 판단할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 래들(10)에서의 용강을 슬라이딩 게이트(13)로 조절하여 콜렉터노즐(11) 및 쉬라우드노즐(15)을 거쳐 턴디쉬(20)로 출강시킨다.
래들(10)에 수용된 용강(M)이 턴디쉬(20)로 유동하게 되는 데, 이러한 유동을 위하여 래들(10)에는 턴디쉬(20)를 향해 연장하는 쉬라우드노즐(15; Shroud nozzle)이 설치된다. 쉬라우드노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화 및 질화되지 않도록 턴디쉬(20) 내의 용강에 잠기도록 연장된다.
쉬라우드노즐(15)은 강의 연속주조시 용강의 산화방지 및 용강의 와류방지에 의한 슬래그(Slag) 혼입을 방지하여 주조된 주편의 품질 향상에 주요한 역할을 하게 된다.
상기와 같은 노즐(11, 15) 구조에 따라 래들(10)로부터 턴디쉬(20)에 용강 주입시 쉬라우드노즐(15)과 콜렉터노즐(11)이 접하는 틈 사이로 공기가 유입되고, 이렇게 유입된 공기는 용강과 접하여 재산화됨에 따라 강의 품질을 저하시킬 수 있다. 이를 해소하기 위하여 도 3과 같이 콜렉터노즐(11)과 쉬라우드노즐(15)이 결합된 상단 부분으로 실링(sealing)용 아르곤가스를 취입하게 된다.
그러나, 쉬라우드노즐(15)과 콜렉터노즐(11) 간의 미스매칭(mismatching)이나, 대략 1500℃ 이상의 용강이 쉬라우드노즐(15)을 통과하는 동안 고온의 용강 때문에 콜렉터노즐(11)과 쉬라우드노즐(15) 간의 열팽창 차이에 의한 결합력의 상실로 인해 쉬라우드노즐(15)과 콜렉터노즐(11) 사이의 간격이 발생되어 아르곤가스가 국부적으로 쉬라우드노즐(15)의 내공(18)으로 유입되어 용강과 함께 턴디쉬(20)로 들어가게 된다. 따라서, 턴디쉬(20) 내에서 아르곤가스의 부상으로 쉬라우드노즐(15)의 주변에 탕면 유동이 심하게 발생되고, 이로 인해 도 4와 같이 쉬라우드노즐 주변의 슬래그층이 파손됨에 따라 나탕이 발생하게 된다.
이러한 나탕 발생은 용강이 공기와 접촉하여 용강의 재산화 및 파우더 소모량 증가를 초래한다. 또한, 턴디쉬(20)의 나탕 발생시 용강 재산화에 의한 품질이 악화될 수 있고, 품질 엄격재의 경우 나탕 발생시 요구 특성을 만족시킬 수 없는 상황이 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 열화상 카메라(130)를 통해 촬영된 적외선 열에너지를 이용하여 턴디쉬(20)의 나탕 여부를 판별하고, 나탕시 상기 가스주입부(110)를 통해 주입되는 아르곤가스량을 저감시키게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 노즐 실리용 가스 제어과정을 나타낸 순서도로서, 첨부된 도면을 참조하여 살펴보고자 한다.
먼저, 가스주입부(110)는 가스취입구(16)를 통해 콜렉터노즐(11)과 쉬라우드노즐(15)이 결합되어 맞닿은 부분으로 실링(sealing)용 아르곤가스를 주입하게 된다(S11). 이때, 쉬라우드노즐(15)과 콜렉터노즐(11) 간의 이물질 등으로 인한 미스매칭(mismatching)이나, 대략 1500℃ 이상의 용강이 쉬라우드노즐(15)을 통과하는 동안 고온의 용강 때문에 콜렉터노즐(11)과 쉬라우드노즐(15) 간의 열팽창 차이에 의한 결합력의 상실로 인해 쉬라우드노즐(15)과 콜렉터노즐(11) 사이의 간격이 발생되어 아르곤가스가 국부적으로 쉬라우드노즐(15)의 내공(18)으로 유입되어 용강과 함께 턴디쉬(20)로 들어갈 수 있다. 아르곤가스가 턴디쉬(20)의 용강으로 유입되면, 턴디쉬(20) 내에서 아르곤가스의 부상으로 쉬라우드노즐(15)의 주변에 탕면 유동이 심하게 발생되고, 이로 인해 도 4와 같이 쉬라우드노즐 주변의 슬래그층이 파손됨에 따라 나탕이 발생할 수 있다.
한편, 래들(10)의 저면에 쉬라우드노즐(15)에 인접하여 설치된 열화상 카메라(130)는 쉬라우드노즐(15)이 침지된 턴디쉬(20)의 탕면을 촬영하고(S12), 촬영된 적외선 열에너지를 컨트롤러(150)로 전달한다. 열화상 카메라(130)는 적외선 카메라(Infrared Thermal Camera)로서, 탕면에서 발산되는 적외선 에너지를 흡수하여 촬영한다. 여기서, 열화상 카메라(130)는 촬영된 영상을 유선을 통해 컨트롤러(150)에 전달할 수도 있지만, 소정의 무선송신모듈을 통해 전송하도록 구성되는 것이 설비 측면에서 효율적일 수 있다.
이어, 컨트롤러(150)는 열화상 카메라(130)로부터 전달된 탕면 적외선 열에너지를 이용하여, 턴디쉬(20)내 나탕 여부를 판단하게 된다(S13, S14). 컨트롤러(150)는 촬영된 적외선 열에너지를 통해 탕면 온도를 산출하고, 산출된 탕면 온도와 설정된 기준온도를 서로 비교하여 나탕 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 컨트롤러(150)는 열화상 카메라(130)에서 촬영된 적외선 열에너지에 대한 평균온도를 산출하고, 산출된 평균온도와 설정된 기준온도를 서로 비교하여 나탕 여부를 판단할 수 있다. 컨트롤러(150)는 탕면 온도가 설정된 기준온도를 초과할 경우 나탕이 발생된 것으로 판단한다.
상기에서 나탕 발생시, 컨트롤러(150)는 가스주입부(110)를 제어하여 실링용 아르곤가스의 주입량이 저감되도록 한다. 또한, 컨트롤러(150)는 나탕 발생시에 부저나 경광등(미 도시됨)을 통해 나탕 발생 경고음을 출력할 수도 있고, 소정의 표시부(미 도시됨)를 통해 쉬라우드노즐(15)의 교환을 지시할 수도 있다(S15).
따라서, 본 발명에서는 턴디쉬 내 탕면 노출 여부에 따라 자동으로 노즐 실링용 아르곤가스의 주입량을 조절하고 경보신호를 출력함으로써, 턴디쉬내 탕면 노출 현상을 감소시킴과 아울러 탕면 노출에 의한 사고를 미연에 방지할 수 있다.
상기와 같은 아르곤가스 제어 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
10: 래들 11: 콜렉터노즐
13: 슬라이드 게이트 15: 쉬라우드노즐
16: 가스취입구 17: 가스 풀
18: 노즐 내공 20: 턴디쉬
25: 침지노즐 30: 몰드
40: 몰드 오실레이터 50: 파우더 공급기
60: 지지롤 65: 스프레이
70: 핀치롤 80: 연주주편
90: 절단기 110: 가스주입부
130: 열화상 카메라 150: 컨트롤러

Claims (4)

  1. 콜렉터노즐과 쉬라우드노즐이 결합된 부분으로 실링(sealing)용 불활성가스를 취입하는 가스주입부;
    래들의 저면에 설치되어 상기 쉬라우드노즐이 침지된 턴디쉬의 탕면을 촬영하는 열화상 카메라; 및
    상기 열화상 카메라를 통해 촬영된 적외선 열에너지를 이용하여 턴디쉬의 나탕 여부를 판별하고, 나탕시 상기 가스주입부를 통해 주입되는 가스량이 저감되도록 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 노즐 실링용 가스 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는 촬영된 적외선 열에너지를 통해 탕면 온도를 산출하고, 산출된 탕면 온도와 설정된 기준온도를 서로 비교하여 나탕 여부를 판단하는 노즐 실링용 가스 제어장치.
  3. 콜렉터노즐과 쉬라우드노즐이 결합된 부분으로 실링(sealing)용 불활성가스를 주입하는 단계;
    상기 쉬라우드노즐이 침지된 턴디쉬의 탕면을 카메라로 촬영하는 단계;
    상기 촬영된 탕면 적외선 열에너지를 이용하여, 턴디쉬내 나탕 여부를 판단하는 단계; 및
    상기에서 나탕 발생시, 상기 실링용 불활성 가스의 주입량을 저감시키는 단계;를 포함하는 노즐 실링용 가스 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 판단하는 단계는, 촬영된 적외선 열에너지를 통해 탕면 온도를 산출하고, 산출된 탕면 온도와 설정된 기준온도를 서로 비교하여 나탕 여부를 판단하는 노즐 실링용 가스 제어방법.
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