KR20160018996A - 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤에 관한 것으로, 표면에 복수의 미세홈이 형성된 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤에서, 미세홈은 가스배출지수가 85 이상이고, 가스배출지수는 단위 피치 당 상기 미세홈의 단면적인 것을 특징으로 하여, 주물편의 표면결함을 방지하고 궁극적으로 제품의 품질 및 실수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

쌍롤식 박판 주조기의 주조롤 {Casting roll for twin-roll strip caster}

본 발명은 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주물편의 표면품질을 향상시킬 수 있는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤에 관한 것이다.

일반적으로 쌍롤식 박판 주조기를 사용하는 이른바 스트립 캐스팅(strip casting) 방법은 턴디쉬 용강으로부터 노즐을 통해, 회전하는 2개의 주조롤 사이에 용강을 주입하여 직접 2 ~ 6mm 정도의 두께를 갖는 얇은 주물편을 주조할 수 있어서, 공정 단축에 의한 생산 비용의 절감뿐만 아니라 급속응고에 의한 제품 품질의 향상이 가능하므로 철강 공정에서 집중적으로 연구되고 있다.

도 1은 쌍롤식 박판 주조기를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 레이들(1)에 수용되어 있는 용강은 턴디쉬(2)와 침지노즐(3)을 통하여 섬프(4)로 공급된다. 이 섬프(4)로 공급된 용강은 2개의 주조롤(5) 사이를 지나면서 박판으로 주조된다.

2개의 주조롤(5)과 에지댐(6)으로 둘러싸인 섬프(4) 구역의 용강이 대기에 노출되면 용강이 산화되고, 이로 인해 생성된 산화물이 제품 품질에 크게 영향을 끼치게 되므로, 용강의 탕면을 분위기 가스로 덮기 위해 섬프(4)의 상부에는 메니스커스 쉴드(7)가 위치한다.

이에 따라, 섬프(4)의 상부에는 용강의 탕면, 주조롤(5), 그리고 에지댐(6)으로 구획되는 공간이 형성되고, 이 공간에 분위기 가스를 공급함으로써 용강의 산화를 방지하게 된다.

섬프(4) 내로 공급된 용강은 주조롤(5)의 표면에서 냉각되어 응고쉘을 형성하며, 주조롤의 최근접점에서 합체되어 주물편으로 제조된다. 이 경우에, 용강은 짧은 시간 내에 주조롤(5)과의 접촉을 완료하여 응고쉘로 형성되고 주조롤(5)을 빠져나오면서 주물편을 형성하기 때문에, 주물편의 표면에는 응고시 급격한 열적 스트레스를 수반하게 된다.

따라서, 주조롤(5)의 표면이 평탄하게 되면, 주조롤의 표면과 응고쉘이 분위기 가스에 의해 국부적으로 들뜨게 됨으로써 열전달의 차이로 인해 불균일한 응고가 조장되어 응고쉘에 균열이 발생할 수 있다.

이러한, 문제점을 개선하기 위하여 주조롤의 표면에 조도(거칠기)를 형성하거나 딤플(dimple)을 형성하는 주조롤 표면처리 방법들이 제안되고 있다.

예를 들어, 본 출원인이 특허출원하여 등록받은 대한민국 특허 제1372741호는 쌍롤식 박판 주조기를 이용하여 1500ppm 이상의 질소를 함유하는 고질소 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에서 표면결함(덴트, 디프레션 등)을 방지할 수 있는 주조롤 표면처리 방법을 제시하였다.

이 특허에서는 응고시 발생하는 질소가스를 배출하기 위하여 주조롤의 표면에 미세홈을 가공하였는데, 이때 미세홈을 형성하는 방법으로는 정밀도와 경제성 측면에서 장점이 있는 에칭법을 적용하였다.

이러한 쌍롤식 박판 주조기를 사용하여 고질소 듀플렉스 스테인리스강과 같은 박판을 제조하기 위해서는, 전술한 바와 같이 가스의 배출이 가능한 주조롤의 표면처리가 요구된다. 이때, 가스를 배출하는 통로의 크기에 따라 주물편의 표면에 결함이 발생하게 되는데, 통로의 크기가 작게 되면 가스의 배출이 원할하지 못해 디프레션(depression)이나 크랙(crack) 등이 발생하여 표면품질을 악화시키는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 주물편의 표면에 생기는 결합을 방지하여 주물편의 표면품질을 향상시킬 수 있는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤을 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 따른 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤은, 표면에 복수의 미세홈이 형성된 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤로서, 상기 미세홈은 가스배출지수가 85 이상이고, 상기 가스배출지수는 단위 피치 당 상기 미세홈의 단면적인 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 쌍롤식 박판 주조기를 사용하여 고질소 듀플렉스 스테인리스강이나 고망간강과 같이 응고시 가스의 배출이 많은 강종으로 박판을 제조할 때, 미세홈의 크기를 제어할 수 있는 가스배출지수를 도입하여 주조롤의 미세홈이 갖는 폭 및 깊이, 피치를 조정함으로써, 가스를 원활하게 배출하여 균일한 응고를 제공할 수 있는 효과가 있게 된다.

이에 따라 본 발명에 의하면, 주물편의 표면결함을 방지하고 궁극적으로 제품의 품질 및 실수율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻게 되는 것이다.

도 1은 쌍롤식 박판 주조기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 가스배출지수를 정의하기 위한 미세홈의 크기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 주조롤에서 가스배출지수에 따른 디프레션의 발생 유무를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 주조롤에서 요철의 조도에 따른 크랙의 발생 유무를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

용강으로부터 10mm 이하의 두께를 가진 박판을 직접 제조하는 쌍롤식 박판 주조기에서는, 빠른 속도를 갖고서 서로 반대방향으로 회전하는 수냉식 쌍롤 사이에 용강을 공급하여 원하는 두께의 박판을 균열이 없고 실수율이 향상되도록 제조하는 것이 중요하다.

특히, 전술한 바와 같이 가스의 배출이 많은 고질소 듀플렉스 스테인리스강 또는 고망간강과 같은 강종으로 쌍롤식 박판 주조기를 사용하여 박판을 제조할 때 가스의 배출이 원활하지 못하면 응고시 국부적으로 가스가 배출되지 않아 가스가 팽창하게 되면서 응고쉘을 변형시키고, 이에 따라 표면결함을 일으키게 되는데, 심한 경우에는 대형 크랙이 발생하여 파단이 일어날 수도 있다.

이에 본 발명의 주조롤에서는, 가스의 배출을 위한 통로로 사용되는 미세홈의 크기를 제어할 수 있는 가스배출지수를 도입하여 주물편의 표면결함을 해결하고자 한다.

본 발명에 따른 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤은, 표면에 복수의 미세홈이 형성된 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤로서, 미세홈은 가스배출지수가 85 이상이고, 이때 가스배출지수는 단위 피치 당 미세홈의 단면적으로 산출될 수 있다.

또한, 가스배출지수는 G = W ×D / P의 관계를 가질 수 있는데, G는 가스배출지수이고, W는 미세홈의 폭, D는 미세홈의 깊이, P는 미세홈의 피치이다. 도 2는 본 발명의 가스배출지수를 정의하기 위한 미세홈의 크기를 나타낸 도면이다.

일례로서, 아래의 표 1에는 미세홈(10)의 크기에 의해 산출된 가스배출지수(G)와 이에 따른 표면결함과의 관계를 나타내었다. 이는 미세홈의 크기가 다양하게 가공된 주조롤을 사용하여 주물편을 제조한 후 측정된 결과이다.

주물편의 폭은 1300mm이고, 두께는 4.0mm이며, 90톤씩 주조하였는데, 주조 직후에 고온에서 열간 압연되어 약 2.5mm의 두께를 갖는 코일로 제조되었다. 소재의 주성분은 C: 0.04wt%, Cr: 20wt%, Mn: 3wt%, N: 0.25wt%, Ni:1.0wt%가 함유된 고질소 듀플렉스 스테인리스강이었으며, 편석을 억제하기 위해 P 및 S는 최소로 관리하였다.

	W (㎛)	D (㎛)	P (㎛)	G	디프레션 유무
비교예	350	150	650	80.8	1
	260	120	650	48.0	1
	360	150	650	83.1	0.5
	220	120	500	52.8	1
	402	115	1000	46.2	1
	408	125	1000	51.1	1
본 발명	500	150	650	115.4	0
	461	120	650	85.0	0
	480	120	650	88.6	0
	351	150	455	115.7	0
	344	150	455	113.4	0
	355	158	500	112.2	0
	348	130	500	90.5	0
	418	178	650	114.3	0
	404	160	650	99.5	0
	418	177	650	114.0	0
	425	175	650	114.4	0
	695	166	1089	105.9	0
	840	229	1089	176.6	0

또, 도 3은 본 발명에 따른 주조롤에서 가스배출지수에 따른 디프레션의 발생 유무를 나타낸 그래프이다. 가스배출지수(G)가 85 이상일 때 표면결함이 없는 양호한 주물편을 얻을 수 있음을 표 1과 도 3을 통해 알 수 있다.

가스배출지수(G)가 85 이상인 미세홈을 얻기 위해, 미세홈(10)의 폭(W)은 350 ~ 900㎛이 적정한데, 폭은 넓을수록 가스 배출이 용이하지만 900㎛보다 넓게 되면 용강이 스며들어 주조가 힘들어지고, 350㎛보다 좁게 되면 가스 배출이 어려워 표면결함이 발생할 수 있다.

또한, 미세홈(10)의 깊이(D)는 110 ~ 230㎛이 적정한데, 110㎛보다 얕게 되면 가스 배출이 부족하게 되어 표면결함이 발생하게 되고, 230㎛보다 깊게 되면 미세홈(10)을 형성하는 에칭가공시 소요시간이 너무 길게 되어 생산성이 저하됨은 물론, 가공에러가 증가되어 손실비용이 발생하게 된다.

또, 피치(P)는 450 ~ 1100㎛이 적정한데, 450㎛보다 좁게 되면 미세홈(10)들 사이의 간격이 좁아 가스 배출이 용이하지 않게 되고 결국 표면결함이 발생할 가능성이 높아진다. 반면에, 피치(P)가 1100㎛보다 넓으면 국부적으로 불균일한 응고가 발생하여 크랙이 초래될 수 있다. 따라서 적정한 피치의 결정이 중요하다.

한편, 미세홈(10)의 가공은 도 2에 도시된 바와 같이 주조롤의 원주방향으로 일정한 각도를 갖도록 경사진 사선형 또는 경사진 격자형으로 가공하거나, 주조롤의 원주방향을 따라 선형으로 가공할 수 있다. 다만, 주물편의 표면품질 면에서는 경사진 격자형이 보다 바람직하다.

미세홈(10)이 경사진 격자형으로 가공되는 경우에, 미세홈(10)의 폭(W)은 미세홈들 간의 교차부에서 결정되며, 피치(P)도 이 교차부를 포함하여 결정된다.

미세홈은 높은 에너지를 가지는 레이저를 주조롤의 표면에 조사한 후 화학적인 에칭에 의하여 형성될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 예컨대 기계가공 등과 같은 다른 임의의 가공법이 적용될 수 있음은 물론이다.

또한, 주물품의 표면결함을 해결하기 위하여 미세홈(10)으로 인해 생성된 돌출부, 즉 산(12)의 표면에 예를 들어 쇼트 블라스팅을 실시하여 요철을 형성시킴으로써 용강의 전사가 용이하게 이루어지도록 하여 균일한 응고를 유도하는 것이 좋다. 보다 구체적으로, 쇼트 블라스팅에 의해 생성된 요철은 용강과 주조롤이 접촉할 때 그 철(凸) 부분이 응고의 씨로 작용하여 균일한 응고를 유도할 수 있고, 응고 수축시 발생하는 표면 인장력을 작게 분절하는 효과를 일으켜 응고 수축에 의한 표면 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

이를 위해, 요철은 5 ~ 25㎛의 평균 조도(Ra)를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 요철의 형성은 미세홈의 형성 전에 실시하는 것이 좋으나, 미세홈의 가공 후에도 가능하다. 평균 조도(Ra)가 5㎛보다 작을 경우에는 효과가 없어 미세 크랙이 발생하고, 25㎛보다 클 경우에는 산(12)의 면적 대비 요철의 크기가 커져서 적정한 조도 부여가 어렵게 되므로 이 역시 크랙이 발생할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 주조롤에서 요철의 조도에 따른 크랙의 발생 유무를 나타낸 그래프이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 가스의 배출이 많은 고질소 듀플렉스 스테인리스강 또는 고망간강과 같은 강종으로 쌍롤식 박판 주조기를 사용하여 박판을 제조할 때 가스의 배출을 용이하게 하기 위해 주조롤의 표면에 미세홈을 가공하고, 이 미세홈의 폭과 깊이 및 피치를 적절히 제어하는 것이 주물편의 표면품질에 매우 중요한 요소임을 알 수 있다.

결국, 주조롤의 표면처리를 최적화하여 주물편의 표면품질을 향상시킬 수 있게 되고, 궁극적으로 제품의 품질 및 실수율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻게 되는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 미세홈
12: 산

Claims (8)

1. 표면에 복수의 미세홈이 형성된 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤로서,
   상기 미세홈은 가스배출지수가 85 이상이고,
   상기 가스배출지수는 단위 피치 당 상기 미세홈의 단면적인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스배출지수는 G = W ×D / P의 관계를 가지며,
   여기서, G는 상기 가스배출지수이고, W는 상기 미세홈의 폭, D는 상기 미세홈의 깊이, P는 상기 미세홈의 피치인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.
3. 제2항에 있어서,
   상기 폭은 350 ~ 900㎛의 범위를 갖고,
   상기 깊이는 110 ~ 230㎛의 범위를 가지며,
   상기 피치는 450 ~ 1100㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.
4. 제1항에 있어서,
   상기 주조롤의 표면에 상기 미세홈으로 형성되는 산의 표면에 요철이 제공되는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.
5. 제4항에 있어서,
   상기 요철은 5 ~ 25㎛의 평균 조도(Ra)를 갖는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.
6. 제2항에 있어서,
   상기 미세홈은 상기 주조롤의 원주방향으로 일정한 각도를 갖도록 경사진 사선형 또는 경사진 격자형으로 가공되는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.
7. 제6항에 있어서,
   상기 미세홈이 경사진 격자형으로 가공될 때, 상기 미세홈의 폭은 미세홈들 간의 교차부에서 결정되며, 상기 미세홈의 피치는 상기 교차부를 포함하여 결정되는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.
8. 제2항에 있어서,
   상기 미세홈은 상기 주조롤의 원주방향을 따라 선형으로 가공되는 것을 특징으로 하는 쌍롤식 박판 주조기의 주조롤.

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