KR20150002095A - 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법에 관한 것으로서, 주편을 제조하는 연속주조방법으로서, 레이들에 수용된 용강을 상기 레이들의 하부에 구비되는 턴디시에 주입하는 과정; 및 상기 턴디시에 주입된 용강을 상기 턴디시 하부에 구비되는 몰드에 주입하는 과정;을 포함하고, 상기 턴디시에 주입하는 과정에서 상기 레이들의 하부에 이격 설치되는 한 쌍의 주입구로 용강을 배출시켜, 상기 용강이 배출되면서 발생하는 와류의 발생을 지연시키고, 상기 몰드에 주입하는 과정에서 상기 턴디시에서 몰드로 용강이 이동하는 경로에 회전 상승류 및 회전 하강류를 발생시켜, 상기 용강 중에 함유되는 슬래그, 개재물 및 기포 중 적어도 어느 하나를 용강으로부터 원심분리하는 것을 특징으로 하며, 개재물이나 기포의 혼입이 억제된 청정한 용강을 제공하여 고품질의 주편을 생산할 수 있다.

Description

연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법{Continuous casting apparatus and the method thereof}

본 발명은 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개재물이나 기포의 혼입이 억제된 청정한 용강을 제공하여 고품질의 주편을 생산할 수 있는 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법에 관한 것이다.

일반적으로 용선예비처리(탈린, 탈황)를 실시한 용선은 레이들에 장입되어, 고철, 냉선 등의 주원료 및 생석회, 백운석, 철광석 등의 부원료 등의 투입과 함께 취련(oxygen blowing)이라는 레이들 정련과정을 거치게 된다. 레이들에서의 총 시간은 조업을 하기 위한 준비시간 등을 포함하여 각 제철소의 특성이 고려되어 통상 35~60분 수준의 정련시간이 소요된다. 레이들 정련 처리 후에는 용강을 수강레이들이라 불리는 용기에 담아 성분, 온도, 불순물 제거 등을 수행하는 이차정련처리를 실시하게 되며, 이후 용강은 연속주조 공정으로 보내지게 된다. 연속주조 공정에서는 수강레이들에 담긴 용강을 수강레이들의 주입구와 연결되는 롱노즐을 통해 턴디시로 공급하고, 턴디시에 공급된 용강은 다시 침지노즐을 통해 몰드로 주입하여 수행된다.

도 1은 일반적인 연속주조공정에서 용강의 흐름을 보여주는 도면이다.

레이들로부터 턴디시로의 용강 주입 공정은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 레이들(1)에 형성된 롱노즐(2)을 통해 용강(3)이 턴디시(4)로 주입되어 수행된다. 이때, 턴디시(4)의 용강레벨(5)이 레이들(1)에 담긴 용강의 1/4 수준으로 유지되도록 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 레이들(1)에서 턴디시(4)로 용강을 주입하는 과정에서, 레이들 주입구(6) 주위에는 도 2에 도시된 바와 같은 와류(볼텍스, vortex)가 발생하게 되고, 이 와류에 의해 레이들(1) 내에 담긴 용강의 상부에 존재하는 슬래그(S) 성분이 노즐(2)을 통해 턴디시(4)로 혼입된다. 이렇게 유입되는 슬래그(S)에는 산화성 원소인 FeO 등이 다량 존재하여 턴디시(4)로 혼입되는 과정에서 재산화를 일으킬 가능성을 높여 이차정련공정에서 투입된 Al과 반응을 하여 Al₂O₃ 개재물을 형성시켜 용강의 청정도에 치명적인 악영향을 미치게 되는 문제가 있다.

또한, 턴디시(4)에 수용된 용강은 침지노즐을 통해 몰드로 주입되는데, 이때 침지노즐의 폐색을 방지하기 위해 침지노즐의 상부에 연결되는 상노즐에 불활성 가스를 취입하게 된다. 그런데 상노즐로 취입된 불활성 가스에 의해 용강 중에 기포가 발생하는데, 이렇게 발생한 기포는 몰드 내로 침투되어 주편 내에 그대로 존재하여 제조된 주편 내부의 결함을 발생시키는 원인으로 작용하는 문제점이 있다.

KR 10-0568324 B

본 발명은 용강이 배출되는 주입구에서의 와류 형성을 지연하여 슬래그 유출을 억제시킬 수 있는 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 와류에 의한 슬래그 유출을 억제하여 용강의 청정도를 향상시킬 수 있는 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 용강 중에 함유된 개재물이나 기포를 분리하여 청정한 용강을 공급할 수 있는 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법을 제공한다.

본 발명은 주편의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 연속주조설비 및 이를 이용한 연속주조방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 연속주조설비는, 레이들에 수용된 용강을 턴디시로 주입하고, 상기 턴디시에 주입된 용강을 몰드에 주입하여 주편을 제조하는 연속주조설비로서, 상기 레이들은 하부에 상호 이격된 2개의 주입구가 형성되고, 3분 내지 6분 사이에 주입이 완료되는 레이들의 주입구 면적을 A라고 할 때, 상기 이격된 2개의 주입구 면적의 합은 1.0A이며, 상기 턴디시에서 상기 몰드로 용강을 주입하는 노즐부에는 회전 상승류 및 회전 하강류를 형성하여 상기 용강 중에 포함되는 개재물을 제거하는 개재물 제거부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 이격된 2개의 주입구의 평균 직경을 B라고 할 때, 상기 2개의 주입구 중심 간의 거리는 1.5B 내지 4.0B일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 연속주조설비는, 레이들에 수용된 용강을 턴디시로 주입하고, 상기 턴디시에 주입된 용강을 몰드에 주입하여 주편을 제조하는 연속주조설비로서, 상기 레이들은 하부에 상호 이격된 2개의 주입구가 형성되고, 상기 이격된 2개의 주입구의 평균 직경을 B라고 할 때, 상기 2개의 주입구 중심 간의 거리는 1.5B 내지 4.0B이고, 상기 턴디시에서 상기 몰드로 용강을 주입하는 노즐부에는 회전 상승류 및 회전 하강류를 형성하여 상기 용강 중에 포함되는 개재물을 제거하는 개재물 제거부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 이격된 2개의 주입구는, 상기 레이들의 바닥에 가로방향 또는 세로 방향으로 형성될 수 있다.

상기 이격된 2개의 주입구 중심 간의 거리는 2.0B 내지 3.0B일 수 있다.

상기 노즐부는 상기 턴디시에 연결되는 상노즐과, 상기 상노즐 하부에 연결되는 침지노즐을 포함하고, 상기 개재물 제거부는 상기 상노즐의 외측에 구비되는 전자교반기와, 상기 상노즐을 형성하는 내벽에 구비되어 상기 상노즐 내부로 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함할 수 있다.

상기 가스 공급부 하부에 냉각부가 구비될 수 있다.

상기 개재물 제거부는 하기의 식1 또는 식2를 만족하도록 설계될 수 있다.

식 (1) : 1>t/(ρ·S)

식 (2) : 1>t/{ρ·π(G²-g²)}

(식 (1) 및 (2)에서 S: 가스 공급부 영역에서 상노즐 내부 단면적(㎡), t: 통과 용탕량(ton /sec), ρ:용탕의 밀도(ton/㎥), G:가스 공급부 영역에서 상노즐 내부 반경(m), g:스토퍼 반경(m), π: 원주율)

본 발명의 실시 형태에 따른 연속주조방법은, 주편을 제조하는 연속주조방법으로서, 레이들에 수용된 용강을 상기 레이들의 하부에 구비되는 턴디시에 주입하는 과정; 및 상기 턴디시에 주입된 용강을 상기 턴디시 하부에 구비되는 몰드에 주입하는 과정;을 포함하고, 상기 턴디시에 주입하는 과정에서 상기 레이들의 하부에 이격 설치되는 한 쌍의 주입구로 용강을 배출시켜, 상기 용강이 배출되면서 발생하는 와류의 발생을 지연시키고, 상기 몰드에 주입하는 과정에서 상기 턴디시에서 몰드로 용강이 이동하는 경로에 회전 상승류 및 회전 하강류를 발생시켜, 상기 용강 중에 함유되는 슬래그, 개재물 및 기포 중 적어도 어느 하나를 용강으로부터 원심분리하는 것을 특징으로 한다.

3분 내지 6분 사이에 주입이 완료되는 상기 레이들의 주입구 면적을 A라고 할 때, 상기 이격된 2개의 주입구 면적의 합을 1.0A로 하여 와류의 생성을 지연시킬 수 있다.

상기 이격된 2개의 주입구의 평균 직경을 B라고 할 때, 상기 2개의 주입구 중심 간의 거리는 1.5B 내지 4.0B로 하여 와류의 생성을 지연시킬 수 있다.

상기 몰드에 주입하는 과정에서 상기 턴디시에서 몰드로 용강이 이동하는 경로에 자기교반기를 이용하여 회전운동을 부여하고, 상기 용강이 이동하는 경로에 불활성 가스를 공급하여 기포를 발생시켜 상기 경로의 중심부에 상승 회전류를 발생시키고, 상기 경로의 가장자리부에 하강 회전류를 발생시킬 수 있다.

상기 회전 상승류보다 상기 회전 하강류의 속도가 빠를 수 있다.

상기 용강이 이동하는 경로 중 상기 상승 회전류 및 하강 회전류가 발생하는 영역의 하부에서 용강을 냉각시켜 상기 몰드에 공급할 수도 있다.

본 발명의 실시 형태에 의하면, 이중 주입구 각각의 직경과 이중 주입구 간의 간격, 분포를 조절함으로써 와류 상쇄 효과를 구현할 수 있다. 이에 따라, 주입구 쪽으로 갈수록 증가하는 회전 유속의 증가 속도를 지속적으로 감소시킬 수 있게 되어 슬래그 유출을 방지할 수 있다. 이에 따라 용강을 턴디시로 주입하는 과정에서 재산화가 발생할 가능성을 줄여서 용강의 청정도를 향상시킬 수 있다.

또한, 용강을 턴디시에서 몰드로 공급하는 노즐부에서 회전 상승류를 발생시켜 용강 중의 개재물을 수직 분리시킴으로써 몰드에 청정한 용강을 공급할 수 있다. 따라서 제조되는 주편의 품질을 개선하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 연속주조공정에서 용강의 흐름을 보여주는 도면.
도 2는 유체의 욕면이 깔대기 모양으로 침강하는 와류 및 레이들에서 슬래그가 유출되는 것을 도시한 도,
도 3은 와류의 발생 원리 및 유체의 회전 속도와 와류 발생과의 관계를 도시한 도,
도 4는 단일 주입구에서 발생된 와류 형상과 이중 주입구에서의 와류 상쇄 효과를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속주조설비의 구조를 도시한 단면도.
도 6은 탕면 위에서 레이들의 이중 주입구 쪽을 바라본 도면.
도 7은 도 5에 도시된 용강 주입장치의 구조를 상세하게 보여주는 단면도.
도 8은 수모델 실험에 사용된 레이들의 주입구 구조를 보여주는 도면.
도 9는 수모델 실험의 결과를 도시한 그래프,
도 10은 주입구 중심 간의 거리 변화에 따른 와류 발생 높이를 나타낸 그래프.
도 11은 도 9 및 도 10의 수치해석 결과를 나타낸 그래프.
도 12는 응고공정으로의 불활성 가스의 침입을 방지하는 조건을 나타내는 그래프.
도 13은 용강 주입장치에 의한 응고조직 개선 효과를 보여주는 그래프.
도 14는 주조속도 증대 효과를 보여주는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

어떠한 유체가 일정한 용기에 담겨져 있으며, 용기의 바닥부에 존재하는 출구를 통하여 배출되는 유체는 지구의 자전에 의하여 편심력이 발생하게 되며, 이로부터 북반구에서는 반시계방향으로, 남반구에서는 시계방향으로 회전하면서 유체의 상부 표면에 소용돌이 현상이 발생하며, 이 소용돌이의 중심에서는 유체의 욕면이 깔대기 모양으로 침강하는 와류(vortex, 도 2 참조)가 발생한다. 이러한 유체의 회전 현상은 장시간 유체가 유지되었거나, 외부의 모든 강제적인 힘(external force)이 제거되었을 때는 상기한 편심력에 의해 그 방향이 결정되나, 실제적인 경우에는 복합적인 요소에 의하여 유체의 회전방향을 파악하기가 쉽지가 않다.

와류의 발생 원리는 각 운동량 보존법칙과 Bernoulli's equation에 의해서 해석이 가능하다. 일정한 용기 내에서 출구가 열렸을 때, 임의의 지점에서의 각운동량은 보존되며 이는 아래의 식 (1)과 같이 표현된다.

식 (1) : L = mr_x ²V = constant (L: 각 운동량, m: 유체입자의 물질량, r_x:용기 출구 중심에서 수평방향으로 벗어난 거리, V: 유체의 회전속도)

상기 식 (1)은 아래와 같이 식 (2)로 표현될 수 있다.(r1<r2)

식 (2) : L = mr₁V₁ = mr₂V₂=constant

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 용기 내의 r₂ 지점에서 r₁ 지점으로 거리가 감소할수록 유체의 회전속도 V₁, V₂는 증가하게 되어 출구의 상부(중심 지역)에서 유체의 회전 속도가 가장 빠르게 된다.

여기에 Bernoulli's equation을 적용하게 되면 아래 식 (3)과 같다.

식 (3) : P_o + d_sgH_s+1/2d_lV²+d_lgH_l=constant (P_o : 대기압, d_s, d_l : 슬래그와 용강의 비중, H_s, H_l : 슬래그 및 용강의 높이)

식(3)에 의하면, 유체를 배출시킬 때, 회전 속도 V가 증가하게 되면 대기압 및 슬래그 높이는 일정하므로 용강의 높이 H_l이 감소하여야 한다. 따라서, 식(2)와 식(3)을 조합하면, 임의의 용기에서 유체를 배출시킬 때, 출구 상부 지점에서 유체의 회전 속도가 발달하게 되면서 가장 빠른 지점이 되며, 그렇기 때문에 유체의 중심부가 깔대기 모양으로 움푹 들어간 와류가 발생하게 되는 것이다. 와류 현상에 의한 슬래그 유출을 최소화하기 위해서는 초기에 발생하는 회전 유속을 감소시킬 수가 있다면 필연적으로 발생하는 슬래그 유출 현상을 적어도 동일한 공정에서 최대한으로 억제가능함을 시사하고 있다.

이에, 본 발명자는 와류 형성을 최대한 억제 내지 지연시키기 위한 방안을 강구하였다. 그 결과, 레이들 주입구 구조를 종래의 단일 주입구 형태에서 이중 주입구(dual tapping) 형태로 구성하고, 이중 주입구 각각의 직경과 이중 주입구 간의 간격, 분포를 조절함으로써 와류 상쇄 효과(도 4 참조)를 구현할 수 있도록 하였다. 이에 따라, 레이들의 주입구 쪽으로 갈수록 증가하는 용강의 회전 유속의 증가 속도를 지속적으로 감소시킬 수 있게 되어 슬래그 유출을 억제 혹은 방지하도록 하였다.

한편, 전술한 바와 같은 방법으로 슬래그의 유출을 억제하더라도 용강 내에는 소량의 슬래그나 개재물이 존재할 수 있다. 따라서 턴디시 내의 용강이 몰드로 주입될 때 슬래그나 개재물이 용강과 함께 몰드로 주입되어 주편의 품질을 저하시킬 수 있다. 또한, 레이들에서 턴디시로 주입된 용강이 침지노즐을 통해 몰드로 주입될 때 침지노즐의 폐색을 방지하기 위하여 침지노즐 상부에 연결된 상노즐 내에 불활성 가스를 공급하는데, 이때 주입되는 불활성 가스에 의해 용강 내에 기포가 발생하게 된다. 이렇게 발생한 기포는 몰드에서 제조되는 주편 내에 그대로 존재하여 결함으로 작용하는 원인이 된다.

이에 본 발명자는 턴디시에서 몰드로 용강을 주입할 때 침지노즐의 상부에 연결되는 상노즐에 공급되는 불활성 가스에 의해 발생하는 기포에 슬래그나 개재물을 포획하고, 상노즐 내에서 회전상승류와 회전하강류를 형성하여 기포에 포획된 슬래그나 개재물을 분리함으로써 몰드에 청정한 용강이 주입되도록 하였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속주조설비의 구조를 도시한 단면도이고, 도 6은 탕면 위에서 레이들의 이중 주입구 쪽을 바라본 도면이고, 도 7은 도 5에 도시된 용강 주입장치의 구조를 상세하게 보여주는 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 연속주조설비는 정련된 용강을 수용하는 레이들(10)과, 레이들(10) 하부에 구비되는 턴디시(20)와 턴디시(20) 하부에 구비되는 몰드(50)를 포함하며, 레이들은 용강(30)을 턴디시(20)로 주입하는 주입구가 상호 이격된 2개의 주입구(100, 200)로 이루어진 이중 주입구로 형성되고, 턴디시(20)에서 몰드(50)로 용강을 주입하는 노즐부는 턴디시(20)의 하부에 연결되는 상노즐(71)과, 상노즐(71) 하부에 연결되는 침지노즐(72)과, 상노즐(71) 내부에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부(73)와, 상노즐(71)의 외측에 구비되는 전자교반기(77) 및 침지노즐(72)을 개폐하는 스토퍼(60)를 포함한다. 여기서, 2개의 주입구(100, 200)는 실험에 의해 최적화된 면적(D : D1, D2)과 간격(L)으로 형성된다.

주입구 면적은 조업 환경에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 주입구 면적의 크기는 다양하게 정의될 수 있다. 예를 들어, 레이들의 크기와 대비하여 주입구 면적을 설정할 수 있으며, 유속/유량의 크기에 맞추어서 주입구 면적의 크기를 설정할 수 있다. 또한, 레이들 내 용강의 주입이 완료되는 시간을 기준으로 주입구 면적을 정의할 수 있다. 용강 주입 시간은 주입구 면적에 반비례하고, 레이들 크기에 비례한다. 레이들 크기가 고정되면 주입구 면적으로 주입 시간이 정의될 수 있다. 또한, 주입구 면적이 고정되면 레이들 크기로 주입 시간이 정의될 수 있다. 따라서, 주입이 완료되는 시간은, 주입구 면적 및 레이들 크기의 함수로 정의될 수 있다. 본 실시 예에서는 주입이 완료되는 시간을 매개 변수로 하여 주입구 면적을 정의한다. 예를 들어, 레이들의 용량(레이들의 크기)이 10톤이고, 주입구를 통해 배출되는 용강의 유속이 1톤/min인 경우, 주입 시간은 10분이 된다. 또한 예를 들어, 레이들의 용량(레이들의 크기)이 3톤이고, 주입구를 통해 배출되는 용강의 유속이 0.6톤/min인 경우, 주입 시간은 5분이 된다. 본 발명의 실시 예에서는 3분 내지 6분 사이에 주입이 완료되는 레이들의 주입구 면적을 A라고 정의한다. 즉, 레이들 크기를 6톤으로 하는 경우, 주입구를 통해 배출되는 용강의 유속이 1.0톤/min ~ 2.0톤/min이 되도록 하는 주입구 면적의 크기를 A라고 정의한다.

이렇게 A를 정의할 때, 이중 주입구 형태의 각 주입구(100, 200)의 면적(D : D1, D2)은 0.5A인 것이 바람직하다. 한편, 주입구(100)의 면적(D1)과 주입구(200)의 면적(D2)은 두 주입구(D1, D2)의 면적 합이 1.0A가 되는 범위에서 서로 다르게 형성될 수 있다.

한편, 상기 이격된 2개의 주입구(100, 200)는 도 5의 (b)와 같이 가로 방향으로 형성될 수 있으며, 또는 도 5의 (c)와 같이 세로 방향으로 형성될 수도 있다. 실제 자동화 조업이 아닌 수동 주입 조업의 경우, 주입 조업자가 주입류를 확인하는 작업이 필요하므로 시야에서 각 주입구에서의 용탕의 흐름이 잘 보일 수 있도록 수직 방향과 수평 방향 중 어느 하나를 선택하여 형성하는 것이 바람직하다. 물론, 이에 한정되지 않고 경우에 따라 사선 방향으로 형성될 수도 있다.

다음으로, 이중 주입구 형태의 각 주입구(100, 200) 중심 간의 거리(L)에 대해 설명한다. 주입구 중심 간의 거리(L)를 설정하기 위한 기준은 여러 가지로 정의될 수 있다. 3분 내지 6분 사이에 주입이 완료되는 레이들의 주입구 면적을 A라고 하고, 이격된 2개의 주입구(100, 200)의 면적의 합이 1.0A이 되도록 주입구(100, 200)의 직경을 설정하고, 이를 B라고 정의한다. 일 예로, 2개의 주입구(100, 200) 중 어느 하나의 면적을 0.5A로 설정한 경우, 1B는 2개의 주입구 중 어느 하나의 주입구 면적이 0.5A가 되는 직경을 의미한다. 한편, 주입구(100)의 면적(D1)과 주입구(200)의 면적(D2)이 서로 다르게 형성되는 경우, 주입구 면적(D1, D2)의 평균값을 B로 하는 데, 이 경우, 두 주입구 면적의 합은 1.0A로 고정되므로, 두 면적의 평균값은 0.5A이고 따라서, B는 면적이 1/2A이 되는 직경을 의미한다. 이렇게 주입구(100, 200) 직경을 B라고 할 때, 주입구 중심 간의 거리(L)은 1.5B 내지 4.0B로 설정할 수 있다. 주입구 중심 간의 거리가 1.5B 미만인 경우, 와류 상쇄 효과가 크지 않았으며 4.0B 이상에서는 주입구 중심 간의 거리가 너무 멀고, 레이들(10) 벽면에서의 간섭이 발생하여 레이들에서 턴디시(20)로의 용강 주입 작업이 어려워지고, 경우에 따라서 편차가 크게 나기 때문이다.

한편, 본 발명의 실시 예에서와 같이 주입구 구조를 이중 주입구로 하는 경우에도 여전히 단일 주입구에 사용하던 슬라이딩 게이트나 스토퍼 방법을 적용할 수 있다. 즉, 본 발명에서도 이중 주입구와, 각각의 주입구에 적용되는 이중 슬라이딩 게이트 또는 이중 스토퍼 장치를 설계할 수 있다. 또한, 각각의 주입구에 슬래그 감지 장치를 구현할 수 있다.

도 7을 참조하면, 턴디시(20)와 몰드(50) 사이에 구비되는 노즐부(70)는 턴디시(20)의 하부에 연결되는 상노즐(71)과, 상노즐(71) 하부에 연결되는 침지노즐(72)을 포함하고, 상노즐(71)에는 용강 중에 함유된 개재물 제거부(A)가 포함될 수 있다. 개재물 제거부(A)는 상노즐(71)의 외측에 구비되어 용강에 회전운동을 부여하는 전자교반기(77)와, 상노즐(71)을 형성하는 벽체 내부에 구비되어 상노즐(71) 내부에 불활성 가스를 취입하는 가스 공급부(73) 및 가스 공급부(73)에 불활성 가스를 공급하는 가스공급배관(74)을 포함한다. 또한, 노즐부(70)에는 가스 공급부(73)의 하부에 용강을 냉각하기 위한 냉각부(B)를 구비하여 몰드에 저온의 용강을 제공하여 생산되는 주편의 응고조질을 향상시킬 수도 있다. 이때, 스토퍼(60)의 하부는 상노즐(71) 내에 위치한다.

전자교반기(77)는 회전자계에 의해 상노즐(71)로 유입되는 용강에 회전운동을 부여한다. 이에 턴디시(20)에서 배출되는 용강이 상노즐(71)의 벽면에 응고되어 부착되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.

가스 공급부(73)는 알루미나 그라파이트 등과 같은 다공질 플러그로 형성될 수 있으며, 상노즐(71) 내부에 불활성 가스를 취입한다. 가스 공급부(73)에서 취입된 불활성 가스는 원심력(遠心力)과 전단력(剪斷力)의 작용으로 용강 중에 미세 기포(B₀)를 생성한다. 이렇게 생성된 미세 기포(B₀)는 용강보다 가볍기 때문에 원심력에 의해 상노즐(71)의 중심부로 집적되고, 미세 기포(B₀)는 장력에 의해 서로 합쳐져서 조대화되어 조대 기포(B₁)를 생성한다. 조대 기포(B₁)는 상노즐(71)의 중심부 근방에서 부상하고, 전자교반기(77)에 의해 회전운동이 부여된 용강의 흐름은 상노즐(71)의 벽면 근방에서 회전 하강류를 형성하고, 상노즐(71)의 중심부, 즉 스토퍼(60) 근방에서는 회전 상승류를 형성한다. 이에 용강 중에 함유된 개재물은 조대 기포(B₁)에 포획되어 조대 기포(B₁)와 함께 상승하며, 조대 기포(B₁)에 포획되지 않은 일부 개재물은 상노즐(71) 중심부에 형성되는 회전 상승류를 따라 상승한다. 즉, 기포는 개재물에 비해서 밀도가 낮고, 직경이 크기 때문에 개재물에 비해 중심부로의 이동 속도가 빠르며, 전자교반기(77)에 의한 용강의 격렬한 회전 교반에 의해 개재물은 상노즐(71)의 중심부 근방에서 기포와 함께 혹은 회전 상승류를 따라 수직 상승하며 원심분리된다.

냉각부(B)는 상노즐(71)에서 개재물 제거부(A)의 하부에 구비될 수 있다. 냉각부(B)는 상노즐(71)의 벽체에서 가스 공급부(73) 하부에 구비되는 냉각관(75)과, 냉각관(75)에 냉각재를 공급하는 냉각재 공급배관(76)을 포함할 수 있다. 냉각관(75)은 Cu, SUS, 세라믹이나 그외의 합금으로 형성될 수 있다. 냉각관(75)은 냉각수, 냉매가스 등과 같은 냉각재를 순환시켜 용강을 냉각한다. 이와 같이 냉각부(B)를 구비하여 턴디시(20)에서 주입되는 용강을 냉각시켜 몰드(50)로 공급함으로써 주편의 응고조직을 향상시킬 수 있다. 그리고 전자교반기(77) 및 개재물 제거부(A)에 의해 발생하는 용강의 흐름을 이용하여 냉각부(B)에서 용강이 상노즐(71) 벽면에 응고 부착되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 저온이며 개재물이 없는 청정한 용강을 몰드(50)에 공급할 수 있다.

다만, 개재물 제거부(A)에서 취입된 불활성 가스가 냉각부(B)로 침입하여 주편 결함의 원인이 될 수도 있다.

따라서 개재물이나 불활성 가스의 침입을 최소화할 수 있도록 개재물 제거부(A)를 설계하는 것이 바람직하다.

도 12는 응고공정으로의 불활성 가스의 침입을 방지하는 조건을 나타내는 그래프이다. 도 12를 살펴보면, 개재물 제거부(A)에서 용강 통과 단면적과 용강 밀도의 곱(ρ·S)과. 통과 용강량(t)이 기포의 침투 여부에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이에 본 발명자는 하기의 식 (4) 또는 식 (5)를 만족하도록 개재물 제거부(A)를 설계하였다.

식 (4) : 1>t/(ρ·S)

식 (5) : 1>t/{ρ·π(G²-g²)}

(식 (4) 및 (5)에서 S: 가스 공급부 영역에서 상노즐 내부 단면적(㎡), t: 통과 용탕량(ton /sec), ρ:용탕의 밀도(ton/㎥), L:가스 공급부 영역에서 상노즐 내부 반경(m), ℓ:스토퍼 반경(m), π: 원주율)

이와 같은 식을 만족하도록 개재물 제거부(A)를 설계하는 경우, 가스 공급부(73)에서 공급되는 불활성 가스에 의해 발생하는 미세 기포(B₀)는 상노즐(71)의 중심부로 이동하여 조대 기포(B₁)를 형성하며, 조대 기포(B₁)의 부상속도를 용강의 하강 속도보다 빠르게 할 수 있다. 이때, 통과 용강량은 스토퍼(60)에 의한 침지노즐의 개방면적이나 침지노즐(72)과 상노즐(71) 사이에 구비될 수 있는 슬라이딩 노즐의 개방면적을 통해 제어할 수 있다.

이와 같이 용강이 응고되기 직전에 개재물 제거부(A)를 배치하는 이유는 반응고 금속에 가스가 침투하기 쉽고, 침투된 가스는 다시 배출되지 않으므로, 이러한 현상을 회피하기 위함이다.

이하, 실험 예를 통하여 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

도 8은 수모델 실험에 사용된 레이들의 주입구 구조를 보여주는 도면이고, 도 9는 수모델 실험의 결과를 도시한 그래프이고, 도 10은 주입구 중심 간의 거리 변화에 따른 와류 발생 높이를 나타낸 그래프이고, 도 11은 도 9 및 도 10의 수치해석 결과를 나타낸 그래프이다.

실제 조업에의 적용 가능성을 확인하기 위하여, 널리 알려져 있는 수모델 실험을 실시하였다. 300톤 레이들의 1/8 크기의 아크릴 수조를 이용하여 용강의 모사는 물로 하여 주입 모사실험을 실시하였다.

도 8에 도시된 바와 같이, 수모델 실험에서 단일 주입구(Single)의 직경은 26mm로 형성하였으며, 이중 주입구(Dual)의 직경은 수평 방향으로 단일 주입구의 약 85% 크기에 해당하는 22mm로 형성하였다. 한편, 이중 주입구에서 2개의 주입구 중심 간의 거리는 주입구 직경의 1.5~4.0배까지 설정하였으며, 4.0배 이상인 경우 편차가 크게 발생하여 제외하였다.

도 9는 수모델 실험의 결과를 도시한 그래프이다. 도 9를 참고하면, 단일 주입구(Single)에서의 와류 발생 높이는 약 9.0cm이었고, 이중 주입구(Dual)(주입구 중심 간의 거리는 33mm)에서의 와류 발생 높이는 약 6.8cm로, 약 2.2cm 정도의 높이차로 와류 발생 시점이 지연되었음을 확인하였다.

도 10은 주입구 중심 간의 거리 변화에 따른 와류 발생 높이를 나타낸 그래프이다. 도 10을 참고하면, 주입구 중심 간의 거리가 주입구 직경의 1.5배인 경우, 와류 발생 높이가 약 6.8cm이고, 2.0배인 경우, 와류 발생 높이가 약 6.5cm이며, 2.5배인 경우, 와류 발생 높이가 약 6.3cm이고, 3.0배인 경우, 와류 발생 높이가 약 5.4cm이었다. 이로부터, 주입구 중심 간의 거리가 주입구 직경의 2.0배 내지 3.0배인 경우, 다른 구간 보다 와류 발생 높이가 낮아서 와류 발생 시점 지연의 효과가 크며, 또한, 편차없는 균일한 와류 발생 높이를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

한편, 상기 도 9 및 도 10을 수치 해석을 통하여 해석한 결과, 도 11에 도시한 바와 같이, 단일 주입구(Single)인 경우, 용강의 선속도가 약 50cm/s이고, 주입구 중심 간의 거리가 주입구 직경의 2.0배인 이중 주입구(Dual_2B)인 경우, 용강의 선속도가 약 24cm/s이며, 주입구 중심 간의 거리가 4.0배인 이중 주입구(Dual_4B)인 경우, 용강의 선속도가 약 19cm/s으로 나타났다. 따라서, 단일 주입구와 대비할 때, 이중 주입구인 경우, 용강의 선속도가 약 50 내지 60% 정도로 감소되었음을 확인하였다. 이와 같은 용강의 선속도 감소는 회전 유속의 감소를 시사하며, 이로써 슬래그 유출을 유발하는 와류 발생을 억제 또는 지연시킬 수 있게 된다.

도 13은 용강 주입장치에 의한 응고조직 개선 효과를 보여주는 그래프이고, 도 14는 주조속도 증대 효과를 보여주는 그래프이다.

먼저, 도 5의 연속주조설비를 이용하여 블룸, 빌렛 및 스라브를 제조한 주편의 품질 개선 효과를 표 1에 나타내었다.

	주조 용탕량 (ton/분)	기포개수 (개/㎠)	조대 알루미나 클러스터 개수(개/㎏)	노즐 내 부착물 성장량(㎜/400분)
빌렛 (종래) 본 발명 본 발명	0.36 0.36 0.45	8 0 0	150 0 0	10 0 0
블룸 (종래) 본 발명 본 발명	1.0 1.0 1.5	8 0 0	300 20 15	12 0 0
슬라브 (종래) 본 발명 본 발명	5.0 5.0 8.0	10 0 0	500 18 12	19 0 0

(주편 단면적은 빌렛: 160×160㎜, 블룸: 300×500㎜, 슬라브: 240×2200㎜, 강종: Al 킬드, 조대 알루미나 클러스터 개수: 38㎛ 이상의 슬라임(slime) 추출 개재물 개수)

상기 표1을 살펴보면, 본 발명에 의해 제조된 주편 내에는 기포가 발견되지 않았으며, 개재물은 대폭 감소한 것을 알 수 있다. 또한, 침지노즐 내벽으로의 부착 지금이 발생하지 않은 것도 알 수 있다. 이에 용강을 턴디시에서 몰드로 주입하는 과정에서 용강의 이동 경로에 회전 상승류 및 회전 하강류를 형성함으로써 개재물이나 기포를 용강으로부터 분리하여 주편의 품질을 향상시킬 수 있고, 침지노즐 내벽에 용강이 응고 부착되는 것도 억제할 수 있다.

도 13은 160*160㎜의 빌렛을 주조한 경우, 응고조직과 턴디시 내 슈퍼 히트(super heat)의 관계이다. 응고조직은 용강의 온도를 낮게 함으로써 1) 등축정률이 증대하고, 2)등축정의 덴드라이트의 사이에 농화 용강이 관찰되지 않는 입상정의 비율이 증대하고, 3) 입상정의 미세화되는 순으로 입상정의 미세화가 진행되고, 종래 몰드 전자교반만으로는 실현 곤란한 미세한 입상정을 개재물과 기포없이 제조될 수 있다. 여기서 등축정률은 주편 전체 두께에 대해 등축정이 존재하는 길이 비율이다.

도 14는 150mm 두께와 1500mm 폭의 슬라브를 대상으로 해서 몰드 내에서 측정한 용강 온도와 V/V₀의 관계도로서, 슬라브 내 공극 발생조건을 나타낸다. V₀는 주상정에 있어서 내부 공극이 발생하는 한계주조속도이고, V는 실험주조속도이다. 도 14를 참조하면, 몰드 내의 용강 온도가 낮은 만큼 슬라브 내부에서 공극이 발생하기 시작하는 한계주조속도를 고속으로 함으로써 공극 발생을 억제할 수 있는 것이 가능함을 알 수 있다. 따라서 몰드에 공급되는 용강의 온도를 하강시켜, 응고조직을 개선하는 것에 의해 주조 속도의 증대도 가능해진다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 레이들에서 턴디시로 용강을 주입할 때 와류의 발생을 지연하여 슬래그가 용강 중에 혼입되는 것을 억제할 수 있고, 용강을 다시 몰드로 주입할 때 용강의 이동 경로에서 용강 중에 함유된 개재물을 원심분리하여 몰드에 청정한 용강을 공급할 수 있다. 또한, 저온의 용강을 몰드에 안정적으로 공급함으로써 주편의 응고조직도 향상킬 수 있다. 따라서 기포나 개재물이 없는 청정한 저온의 용강을 이용하여 고품질의 제품을 제조할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 레이들 20 : 턴디시
30 : 용강 40 : 슬래그
50 : 몰드 60 : 스토퍼
70 : 노즐부 71 : 상노즐
72 : 침지노즐 73 : 가스 공급부
75 : 냉각관 77 : 전자교반기
100, 200 : 주입구
A : 개재물 제거부 B : 냉각부
D : 주입구 면적 L : 주입구 중심 간의 거리

Claims (14)

1. 레이들에 수용된 용강을 턴디시로 주입하고, 상기 턴디시에 주입된 용강을 몰드에 주입하여 주편을 제조하는 연속주조설비로서,
   상기 레이들은 하부에 상호 이격된 2개의 주입구가 형성되고,
   3분 내지 6분 사이에 주입이 완료되는 레이들의 주입구 면적을 A라고 할 때, 상기 이격된 2개의 주입구 면적의 합은 1.0A이며,
   상기 턴디시에서 상기 몰드로 용강을 주입하는 노즐부에는 회전 상승류 및 회전 하강류를 형성하여 상기 용강 중에 포함되는 개재물을 제거하는 개재물 제거부를 구비하는 연속주조설비.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 이격된 2개의 주입구의 평균 직경을 B라고 할 때, 상기 2개의 주입구 중심 간의 거리는 1.5B 내지 4.0B인 연속주조설비.
3. 레이들에 수용된 용강을 턴디시로 주입하고, 상기 턴디시에 주입된 용강을 몰드에 주입하여 주편을 제조하는 연속주조설비로서,
   상기 레이들은 하부에 상호 이격된 2개의 주입구가 형성되고,
   상기 이격된 2개의 주입구의 평균 직경을 B라고 할 때, 상기 2개의 주입구 중심 간의 거리는 1.5B 내지 4.0B이고,
   상기 턴디시에서 상기 몰드로 용강을 주입하는 노즐부에는 회전 상승류 및 회전 하강류를 형성하여 상기 용강 중에 포함되는 개재물을 제거하는 개재물 제거부를 구비하는 연속주조설비.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이격된 2개의 주입구는, 상기 레이들의 바닥에 가로방향 또는 세로 방향으로 형성되는 연속주조설비.
5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 이격된 2개의 주입구 중심 간의 거리는 2.0B 내지 3.0B인 연속주조설비.
6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 노즐부는
   상기 턴디시에 연결되는 상노즐과, 상기 상노즐 하부에 연결되는 침지노즐을 포함하고,
   상기 개재물 제거부는
   상기 상노즐의 외측에 구비되는 전자교반기와,
   상기 상노즐을 형성하는 내벽에 구비되어 상기 상노즐 내부로 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함하는 연속주조설비.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 가스 공급부 하부에 냉각부가 구비되는 연속주조설비.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 개재물 제거부는 하기의 식1 또는 식2를 만족하도록 설계되는 연속주조설비.
   식 (1) : 1>t/(ρ·S)
   식 (2) : 1>t/{ρ·π(G²-g²)}
   (식 (1) 및 (2)에서 S: 가스 공급부 영역에서 상노즐 내부 단면적(㎡), t: 통과 용탕량(ton /sec), ρ:용탕의 밀도(ton/㎥), G:가스 공급부 영역에서 상노즐 내부 반경(m), g:스토퍼 반경(m), π: 원주율)
9. 주편을 제조하는 연속주조방법으로서,
   레이들에 수용된 용강을 상기 레이들의 하부에 구비되는 턴디시에 주입하는 과정; 및
   상기 턴디시에 주입된 용강을 상기 턴디시 하부에 구비되는 몰드에 주입하는 과정;을 포함하고,
   상기 턴디시에 주입하는 과정에서 상기 레이들의 하부에 이격 설치되는 한 쌍의 주입구로 용강을 배출시켜, 상기 용강이 배출되면서 발생하는 와류의 발생을 지연시키고,
   상기 몰드에 주입하는 과정에서 상기 턴디시에서 몰드로 용강이 이동하는 경로에 회전 상승류 및 회전 하강류를 발생시켜,
   상기 용강 중에 함유되는 슬래그, 개재물 및 기포 중 적어도 어느 하나를 용강으로부터 원심분리하는 연속주조방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    3분 내지 6분 사이에 주입이 완료되는 상기 레이들의 주입구 면적을 A라고 할 때, 상기 이격된 2개의 주입구 면적의 합을 1.0A로 하여 와류의 생성을 지연시키는 연속주조방법.
11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 이격된 2개의 주입구의 평균 직경을 B라고 할 때, 상기 2개의 주입구 중심 간의 거리는 1.5B 내지 4.0B로 하여 와류의 생성을 지연시키는 연속주조방법.
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 몰드에 주입하는 과정에서 상기 턴디시에서 몰드로 용강이 이동하는 경로에 자기교반기를 이용하여 회전운동을 부여하고,
    상기 용강이 이동하는 경로에 불활성 가스를 공급하여 기포를 발생시켜 상기 경로의 중심부에 상승 회전류를 발생시키고, 상기 경로의 가장자리부에 하강 회전류를 발생시키는 연속주조방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 회전 상승류보다 상기 회전 하강류의 속도가 빠른 연속주조방법.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 용강이 이동하는 경로 중 상기 상승 회전류 및 하강 회전류가 발생하는 영역의 하부에서 용강을 냉각시켜 상기 몰드에 공급하는 연속주조방법.

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