KR20160047230A - 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치는 외부로부터 전원을 인가받는 전극 및 전극의 외측을 둘러싸며 상하방향으로 연장 형성되는 용해채널과, 용해채널의 외측 적어도 일부분을 둘러싸며 용해채널과 비연통 형성되는 냉각채널 및 용해채널과 냉각채널의 외측을 둘러싸며 용해채널 및 냉각채널과 비연통 형성되는 쉴드채널을 구비하는 플라즈마 토치와, 플라즈마 토치에 연결되어 플라즈마 토치로부터 주편상으로 분사되는 가스의 분사량 및 플라즈마 열의 발생량을 조절하기 위한 제어부 및 주편 및 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나에 연결되어, 주편 및 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나를 이동시키기 위한 이송부를 포함함으로써, 주편의 결함부위에서 용해된 용융액이 흘러내리지 않도록 하며 주편에 형성된 결함을 제거할 수 있다.
즉, 주편의 결함부위를 용융시키는 플라즈마 토치의 노즐부를 삼중채널 구조로 마련하여, 주편 결함부위의 용융, 냉각 및 외부공기와의 차단을 동시에 수행함으로써, 주편 코너크랙의 처리 시에 코너크랙에서 용융된 용융물이 흘러내려 주편 상면의 질량 손실을 억제 및 방지할 수 있어 주편의 실수율 감소 문제를 해결할 수 있다.

Description

플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치 {Plasma torch and improving apparatus for cast strip surface of having it}

본 발명은 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주편의 결함부위에서 용해된 용융액이 흘러내리지 않도록 하며 주편에 형성된 결함을 제거할 수 있는 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연속주조 공정(continuous casting process)은 주형에 용강을 연속적으로 주입하고, 주형 내에서 반 응고된 용강을 연속적으로 주형의 하측으로 인발하여 슬라브, 블룸, 빌렛, 빔 블랭크 등과 같은 다양한 형상의 주편을 제조하는 공정이다.

이와 같은 연속주조 공정으로 제조된 주편은 주조과정에서 표면(surface)과 가장자리(edge)에 스크래치(scratch), 크랙(crack)등과 같은 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함은 주편의 품질을 저하시키고, 결함이 발생한 주편을 그대로 압연하여 최종 제품을 생산할 경우에 최종 제품에 결함이 그대로 잔존하여 불량을 야기한다.

이에, 연속주조 공정에서는 주조된 주편의 결함을 제거하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있으며, 그 방법 및 기술에 따라 주편 생산의 경제성과 연관되어 경제성을 향상시킬 수도 있다. 이때, 주편의 결함을 제거하기 위한 방법으로 산소 토치를 이용한 스카핑(scarfing) 방법을 사용하거나, 그라인딩으로 결함을 긁어내며 제거하고 있는데, 두 방법 모두 생산된 주편의 많은 부분이 손실되는 단점이 있다.

특히 산화열을 이용하는 스카핑 방법은 금속의 산화반응에 의해 유해한 증기가 발생하여 집진장치가 요구되어 설비에 소요되는 비용이 증가하는 문제를 야기하고, 용융된 주편의 용융액이 흘러내림으로써 주편의 품질의 저하를 야기할 수 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 용융액이 흘러내리는 것을 막기 위해 주편의 측면에 자기장을 이용하는 기술이 사용되었으나, 이는 플라즈마 장비와 자기장 설비를 동시에 설치해야 하여 설비의 증설이 요구되며, 최종적으로 주편의 최종 제품을 생산하기 위한 소모비용이 증가하게 된다.

따라서, 산화반응에 의한 유해증기의 발생량을 감소시키고, 주편 결함부위의 용융액이 흘러내리는 것을 용이하게 억제 또는 방지하기 위한 기술이 요구된다.

KR 2014-0028308 A1

본 발명은 주편 결함 부위의 용해, 냉각, 쉴딩을 동시에 수행할 수 있는 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치를 제공한다.

본 발명은 주편 결함 부위의 용융공정 시, 용융액의 흘러내림을 억제 또는 방지할 수 있는 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치를 제공한다.

본 발명은 주편 결함 부위의 용융에 의한 유해증기의 발생을 억제할 수 있는 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치를 제공한다.

본 발명은 주편의 손실을 억제하여 주편의 손실률을 감소시킬 수 있는 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치를 제공한다.

본 발명은 주편 결함 치유 영역의 균일성을 증가시켜, 품질을 향상시킬 수 있는 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치는 외부로부터 전원을 인가받는 전극 및 상기 전극의 외측을 둘러싸며 상하방향으로 연장 형성되는 용해채널과, 상기 용해채널의 외측 적어도 일부분을 둘러싸며 상기 용해채널과 비연통 형성되는 냉각채널 및 상기 용해채널과 상기 냉각채널의 외측을 둘러싸며 상기 용해채널 및 상기 냉각채널과 비연통 형성되는 쉴드채널을 구비하는 노즐부를 포함한다.

상기 노즐부는 상하방향으로 연장 형성되며 내부가 중공형으로 형성되는 노즐 본체와, 상기 노즐 본체의 내부에 삽입되어 상기 노즐 본체의 내벽으로부터 이격되어 배치되며, 내부에 상기 전극이 배치되는 가이드벽체로 구성될 수 있다.

상기 용해채널은 상기 가이드 벽체의 내부 공간에 의해 형성되며, 상기 쉴드채널은 상기 노즐본체와 상기 가이드 벽체의 이격에 의해 형성되고, 상기 냉각채널은 상기 가이드 벽체의 외측벽 중 일부 영역을 상하방향으로 관통하며 형성될 수 있다.

상기 용해채널은 상기 가이드 벽체 하면의 평면상에서 일방향으로 연장 형성되어 상기 하면을 관통하며 형성되며, 상기 냉각채널은 상기 가이드 벽체의 하면의 평면상에서 상기 일방향에 교차하는 타방향으로 연장 형성되어 상기 하면을 관통하며 형성될 수 있다.

상기 냉각채널은 상기 용해채널이 상기 하면을 관통하며 형성된 용해채널 주입구의 양단부 중 일단부측을 둘러싸며 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 주편의 결함을 용융치유하기 위한 주편 표면 처리 장치는 상기 결함의 적어도 일부 영역을 커버하여 상기 결함으로부터 이격되어 배치되고, 상기 결함을 외부공기로부터 차단하며 용융 및 냉각하는 플라즈마 토치와, 기 플라즈마 토치에 연결되어, 상기 플라즈마 토치로부터 상기 주편상으로 분사되는 가스의 분사량 및 플라즈마 열의 발생량을 조절하기 위한 제어부 및 상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나에 연결되어, 상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나를 이동시키기 위한 이송부를 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 토치는 외부로부터 전원을 인가받는 전극과, 상하방향으로 연장 형성되며 내부가 중공형으로 형성되는 노즐 본체 및 상기 노즐 본체의 내부에 삽입되어 상기 노즐 본체의 내벽으로부터 이격되어 배치되며, 내부에 상기 전극이 배치되는 가이드 벽체로 구성될 수 있다.

상기 플라즈마 토치는 상기 가이드 벽체 내부에 형성되어 상기 전극을 둘러싸며 형성되며, 상기 가이드 벽체의 하부를 일방향으로 연장 형성된 슬릿형으로 관통되는 용해채널과, 상기 일방향에 교차하는 방향으로 연장 형성되어 상기 가이드 벽체의 외측벽 중 일부 영역을 상하방향으로 관통하며 상기 용해채널로부터 이격되어 형성되는 냉각채널 및 상기 가이드벽체 및 상기 노즐 본체의 이격에 의해 형성되며, 상기 용해채널 및 상기 냉각채널을 둘러싸며 형성되는 쉴드채널;을 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 플라즈마 토치의 외측에 구비되어, 상기 전극으로 인가되는 전원 및 상기 용해채널로 공급되는 용해 가스를 조절하기 위한 제1 제어기와, 상기 플라즈마 토치의 외측에 구비되어, 상기 냉각채널 및 상기 쉴드채널로 각각 공급되는 냉각가스 및 쉴드 가스를 조절하기 위한 제2 제어기로 구성될 수 있다.

상기 이송부는 상기 결함과 상기 플라즈마 토치의 하단부가 서로 마주보도록 상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나에 연결되며, 상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나를 방사방향으로 이동 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치에 의하면, 주편 결함 부위에 열을 가하여 용해 후 응고에 의한 결함 치유 공정 시, 결함 부위에서 용해된 액체의 흘러내림을 억제하면서 주편의 손실 없이 결함을 제거할 수 있다. 즉, 주편의 결함부위를 용융시키는 플라즈마 토치의 노즐부를 삼중채널 구조로 마련하여, 주편 결함부위의 용융, 냉각 및 외부공기와의 차단을 동시에 수행함으로써, 주편 코너크랙의 처리 시에 코너크랙에서 용융된 용융물이 흘러내려 주편 상면의 질량 손실을 억제 및 방지할 수 있어 주편의 실수율 감소 문제를 해결할 수 있다.

또한, 주편 결함의 처리시에 외부공기와의 차단을 위해 용융 및 냉각이 수행되는 위치를 둘러싸도록 쉴드가스가 분사됨으로써, 주편 용융물과 외부 공기의 반응에 의한 문제점을 해결할 수 있다.

이처럼, 주편에 발생되는 크랙의 처리과정, 특히, 주편 코너에 발생된 크랙의 처리과정에서 주편의 용융된 영역을 냉각가스가 뒤따라 경유하며 응고시키는 방법을 통해 주편의 용융물이 측변부를 따라 흘러내리는 것을 용이하게 억제 또는 방지할 수 있어, 종래에 자기장 설비를 이용해 용융물이 측벽부를 따라 흘러내리지 않도록 하기 위한 방법보다 설비 및 운영에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

따라서, 주편으로 최종적으로 제작되는 제품의 품질을 증가시킬 수 있으며, 설비 및 주편의 처리비용에 소요되는 비용 증가를 해결할 수 있어 최종 제품의 단가의 증가를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 주편 표면 처리 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치의 노즐부 및 작동상태를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 주편 표면 처리 장치를 이용한 주편 표면 처리 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래 및 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치에 따른 주편의 표면 프로파일을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 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. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치 및 이를 구비하는 주편 표면 처리 장치에 대해 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 주편 표면 처리 장치(1)는 주편(S)의 결함을 용융 치유하기 위한 장치로서, 결함(S·F)의 적어도 일부 영역을 커버하여 결함(S·F)으로부터 이격되어 배치되고, 결함을 외부공기로부터 차단하며 용융 및 냉각하는 플라즈마 토치(100)와, 플라즈마 토치(100)에 연결되어 플라즈마 토치(100)로부터 주편(S) 상으로 분사되는 가스의 분사량 및 플라즈마 열의 발생량을 조절하기 위한 제어부(200, 400) 및 주편(S) 및 플라즈마 토치(100) 중 적어도 어느 하나에 연결되어, 주편(S)과 플라즈마 토치(100) 중 적어도 어느 하나를 이동시키기 위한 이송부를 포함한다.

즉, 주편 표면 처리 장치(1)는 주편(S)의 생산과정 중에 발생하는 결함(S·F)을 용융 및 냉각하여 치유하는 과정에서 외부공기로부터 용융 및 냉각되는 결함(S·F) 발생 영역이 차단될 수 있도록 삼중채널로 구성된 노즐을 구비하는 플라즈마 토치(100)를 사용함으로써, 주편(S) 상의 결함(S·F)을 단시간에 치유할 수 있다. 더욱이, 주편(S)의 코너에 형성되는 결함을 용융시킬 때, 용융물이 흘러내리는 걸 억제 또는 방지하면서 용융물을 냉각할 수 있어, 주편(S)의 질량손실 문제를 해결할 수 있다.

우선, 연속 주조 공정을 통해 제작되는 주편(S)의 표면 또는 코너에는 크랙(결함)이 발생될 수 있다. 즉, 래들에 수용된 용강이 몰드로 주입되어 응고되면서 슬라브(slab) 형상의 주편을 형성하도록 하고, 이를 절단기에 의해 일정 크기로 절단한게 된다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 주편 표면 처리 장치(1)는 주편(S)의 생산을 위한 연속주조공정의 설비에 포함되거나, 연속주조공정 설비와는 별개로 후공정의 설비로 별도로 이루어질 수 있다.

플라즈마 토치(100)는 주편(S)에 결함(S·F)이 발생된 영역을 외부 공기로부터 차단한 상태에서 플라즈마 열을 가하여 용융하고 이를 냉각시킬 수 있는 구성으로서, 외부로부터 전원을 인가받는 전극(110)과, 상하방향으로 연장 형성되며 내부가 중공형으로 형성되는 노즐 본체(170)와, 노즐 본체(170)의 내부에 삽입되어 노즐 본체(170)의 내벽으로부터 이격되어 배치되며, 내부에 전극(110)이 배치되는 가이드 벽체(150)로 구성된 노즐부를 포함한다.

이와 같은 플라즈마 토치(100)는 직류전원을 사용하여 전극에 전원을 인가함으로써 플라즈마 열(thermal plasma)이 발생하도록 할 수 있다. 플라즈마 열은 아크 방전에 의해 발생된 전자, 이온, 중성입자로 구성된 기체가 고온 및 고속의 젯트 불꽃 형태를 이루는 것을 의미하며, 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 플라즈마 열을 이용하여 주편(S)에 형성된 결함(S·F)을 용융하여 접합시킨다. 이와 같은 플라즈마 토치(100)는 다양한 방법이 사용되나, 본 발명에서는 대상물인 주편을 양극으로 하여 플라즈마 토치(100)의 전극에서 주편(S)으로 직접 아크를 집중하는 이송(이행)식 플라즈마 발생 방식이 적용될 수 있다. 이러한 이행형 플라즈마 토치를 이용하면 전극(110)이 비소모성이기 때문에 주편의 오염이 감소되는 특징이 있다.

전극(110)은 앞선 설명과 같이 이행형 플라즈마 토치(100)에 구비되는 비소모성 전극으로 구비되며, 이는 구리 전극이 사용될 수 있다.

노즐 본체(170)는 플라즈마 토치(100)의 전극(110)과 가스와의 혼합영역을 제공하거나, 후술하는 냉각채널(153) 및 쉴드채널(173)이 형성되는 공간을 제공한다. 노즐 본체(170)는 상하방향으로 연장 형성되며, 하면이 개방된 형상으로 구비될 수 있다. 또한, 노즐 본체(170)는 상부에서 하부로 연장 형성될수록, 도 2의 (a)에 도시된 것처럼 내측으로 경사가 형성되도록 구성될 수 있다.

가이드 벽체(150)는 노즐 본체(170)의 내부에 이격 배치되어 용해채널(133)과 냉각채널(153)을 형성하기 위해 구비될 수 있다. 즉, 가이드 벽체(150)는 노즐 본체(170)의 내부에 설치됨으로써, 노즐 본체(170)만 구비되어 용해채널(133)만 구비되는 것에 비해 냉각가스(g2) 및 쉴드가스(g3)가 주편(S) 상으로 분사될 수 있는 통로를 추가로 형성할 수 있다.

이와 같은 노즐 본체(170) 및 가이드 벽체(150) 간의 구성으로 노즐부에는 3가지 채널이 형성된다. 즉, 노즐부에는 전극의 외측을 둘러싸며 형성되는 용해채널(133)과, 용해채널(133)의 외측 일부분을 둘러싸며 용해채널(133)과 비연통 형성되는 냉각채널(153) 및 용해채널(133)과 냉각채널(153)의 외측을 둘러싸며 용해채널(133)과 냉각채널(153)과 비연통 형성되는 쉴드채널(173)을 포함한다.

용해채널(133)은 플라즈마 토치(100)에 필수적으로 구비되는 채널로서, 전극(110)이 배치된 영역과 연통되어 플라즈마 열 발생가스가 이동하는 통로로서 사용된다. 즉, 용해채널(133)은 주편(S)의 결함부위를 용융하기 위한 플라즈마 열이 분사되기 위한 것으로서, 가이드 벽체(150)의 하면에 용해채널 분사구(135)와 연통되어 용해채널 분사구(135)로 플라즈마 열을 발생시킨다. 이때, 용해채널(133)과 연결되어 가이드 벽체(150) 하면을 관통하며 형성된 용해채널 분사구(135)는 가이드 벽체(150) 하면의 평면상에서 일방향(D1)으로 연장 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 용해채널 분사구(135)는 타방향(D2)으로의 길이가 일방향(D1)으로의 길이보다 짧게 형성되어, 평면상에서 일방향(D1)으로 긴 직사각형의 형상으로 형성될 수 있다. 이에, 종래의 원형의 용채채널 분사구보다 주편(S)의 표면결함(S·F)을 플라즈마 열이 커버할 수 있도록 할 수 있다. 이때, 용해채널 분사구(135)의 일방향(D1)으로의 연장형성되는 방향은 주편(S)의 결함을 용융시키기 위해 주편 또는 플라즈마 토치(100) 중 적어도 어느 하나의 이동방향(결함 발생방향)이며, 용해채널 분사구(135)의 연장 길이에 대해서는 한정하지 않으나, 일반적으로 주편(S)에 발생하는 표면 크랙의 길이의 평균 길이인 4㎜ 이상의 길이를 상부에서 커버할 수 있는 길이로 연장 형성될 수 있다.

냉각채널(153)은 용해채널(133)과 비연통 형성되며, 용해채널(133)의 외측 중 일부 영역을 둘러싸는 형상으로 가이드 벽체(150)의 측면을 상하방향으로 관통하며 형성될 수 있다. 즉, 냉각채널(153)은 가이드 벽체(150)가 측벽을 상하방향으로 관통하며, 가이드 벽체(150) 하면의 평면상에서 일방향(D1)에 교차하는 타방향(D2)으로 연장 형성되어 하면을 관통하며 형성된 냉각채널 분사구(155)와 연결될 수 있다.

이때, 냉각채널(153)은 도 2의 평면 그림에 나타난 바와 같이, 용해채널(133)의 타방향(D2)으로의 폭인 d1보다 증가된 d2의 폭을 갖고 형성되어, 플라즈마 토치(100)의 이동방향으로의 용해채널 분사구(135)의 양단부 중 결함치유방향(즉, 결함을 용융하기 위해 용해채널 분사구(135)가 이동하는 방향으로의 단부와 반대되는 단부의 측을 일부 둘러싸듯이 형성될 수 있다. 이에, 일방향(D1)쪽으로 이동하는 용해채널(133)에 의해 용융된 주편(S) 결함부위의 용융물을 냉각채널(153)이 바로 경유하며 냉각가스를 분사함으로써 단시간에 응고시킬 수 있다. 특히, 주편의 코너에 발생한 크랙을 용융시킬 때에, 냉각채널(153)은 주편(S)의 측벽부로 흘러내릴 수 있는 용융물을 가스의 분사에 의해 주편(S)의 상면측으로 불어주면서 냉각시킬 수 있으므로, 용융물이 측벽부에 흘러내린 채로 응고되는 것을 억제하거나 방지할 수 있다.

이처럼, 냉각채널(153)이 용해채널(133)의 외측 중 일부 영역(즉, 용해채널 분사구(135)의 양단부 중 일단부)만 둘러싸도록 형성되는 것은, 용해채널(133)에서 분사되는 플라즈마 열을 냉각채널(153)에서 분사되는 냉각가스가 온도를 낮아지게 하는 것을 방지하기 위해, 주편(S)의 용융영역을 경유할 수(지나갈 수) 있도록만 형성될 수 있다.

쉴드채널(173)은 노즐 본체(170)와 가이드 벽체(150)의 이격에 의해 형성되는 것으로, 용해채널(133)와 냉각채널(153)의 외측에 이격되어 노즐 본체(170)와 가이드 벽체(150)의 이격에 의해 형성된 쉴드채널 분사구(175)와 연결되어 용해채널(133) 및 냉각채널(153)을 둘러싸며 형성될 수 있다. 즉, 쉴드채널(173)은 용해채널(133)과 냉각채널(153)에 의해 용융 및 냉각과정이 수행될 때에, 주편(S)의 치유영역(즉, 용융 및 냉각이 진행되는 영역)과 외부 공기와의 접촉을 감소시킴으로써, 주편의 용융물이 외부공기와 접촉하여 반응하는 것을 억제하거나 방지할 수 있다.

이와 같이 노즐부에 형성되는 용해채널(133), 냉각채널(153) 및 쉴드채널(173)은 각각 불활성 가스를 공급받아, 주편(S)의 용융물과의 반응을 미연에 방지할 수 있으며, 이미 공지된 불활성 가스 중 적어도 한 종 이상이 선택되어 사용될 수 있다.

제어부는 플라즈마 토치(100)에 연결되어 플라즈마 토치(100)로부터 방출되는 플라즈마 열과 노즐부를 구성하는 채널()들의 가스 공급량을 조절하기 위해 구비되는 것으로서, 플라즈마 토치(100)의 외측에 구비되어, 전극(110)으로 인가되는 전원 및 용해채널(133)로 공급되는 용해 가스를 조절하기 위한 제1 제어기(200)와, 플라즈마 토치(100)의 외측에 구비되어, 냉각채널(153) 및 쉴드채널(173)로 각각 공급되는 냉각가스(g2) 및 쉴드가스(g3)를 조절하기 위한 제2 제어기(400)로 구성된다.

제1 제어기(200)는 전극(110)으로는 전원을 인가하면서, 전극(110)과의 반응에 의해 플라즈마 열을 발생시키기 위해 용해채널(133)로 용해가스를 공급 시점 및 공급량을 조절하기 위해 구비된다. 즉, 제1 제어기(200)는 주편(S)상에서 결함의 치유영역 상에 배치되면, 용해채널(133)로 용해가스(g1)를 공급하여 플라즈마 열을 주편(S) 상으로 분사시킬 수 있도록 한다.

제2 제어기(400)는 냉각채널(153) 및 쉴드채널(173)에 각각 연결되어, 냉각채널(153)로는 냉각가스(g2)를 공급하고, 쉴드채널(173)로는 쉴드가스(g3)를 공급하기 위해 구비된다. 즉, 제2 제어기(400)는 냉각채널(153)로 주편(S)의 용융물을 냉각시킬 수 있는 냉각가스를 공급하는데, 이때, 공급되는 냉각가스(g2)의 공급량은 플라즈마 열에 의해 용융된 주편(S)의 용융물이 튀어오르는 것을 방지할 수 있을 정도의 공급량으로 조절될 수 있다. 한편, 쉴드채널(173)로 공급되는 쉴드가스(g3)는 주편(S)의 치유영역과 외부공기와의 접촉을 최대한으로 억제하기 위해서, 냉각가스(g2)의 공급량보다는 증가된 공급량으로 조절되어 용해채널(133)과 냉각채널(153)을 둘러싸는 위치에서 주편(S)상으로 쉴드가스(g3)를 분사하여 가스 커튼(curtain)을 형성하도록 할 수 있다. 이때, 냉각가스(g2)와 쉴드가스(g3)는 제1 제어기(200)로부터 플라즈마 토치(100)로 전원 인가 및 용해가스(g1)를 공급하였다는 신호를 전달받을 수 있도록 구성되어, 상기 신호가 전달되자마자 냉각가스(g2)와 쉴드가스(g3)가 분사되도록 할 수 있다.

한편, 제2 제어기(400)는 냉각가스(g2)와 쉴드가스(g3)의 공급량만 조절하는 것 뿐만 아니라, 냉각가스(g2) 및 쉴드가스(g3)의 온도를 제어한 상태로 조절할 수도 있다. 즉, 냉각가스(g2)는 용융된 주편(S)의 용융영역을 지나가는 가스이기 때문에, 용융영역의 온도를 낮추기 위해 쉴드가스(g3)보다 상대적으로 낮은 온도를 나타내는 가스를 분사할 수 있다.

이송부(미도시)는 플라즈마 토치(100) 및 주편(S) 중 적어도 어느 하나와 연결되어 방사향으로 이동할 수 있도록 함으로써 플라즈마 토치(100)의 용해채널 분사구(135)와 주편(S) 상의 결함이 서로 마주보도록 배치시킬 수 있다. 이때, 이송부(미도시)는 주편(S) 상에 결함(S·F)이 어느 위치에 발생한 지를 미리 검출한 상태에서, 검출 위치를 전달받아 검출위치가 플라즈마 토치(100)의 하단부와 마주보도록 주편(S) 또는 플라즈마 토치(100)를 이동시킬 수 있다.

한편, 플라즈마 토치(100)에는 플라즈마 열의 고온에 의한 영향을 최소화하기 위해, 가이드 벽체(150) 또는 노즐 본체(170)를 냉각시키기 위한 냉각기(미도시)가 추가로 구비될 수도 있다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명의 주편 표면 처리 장치를 통한 주편 표면 처리 상태를 [표 1] 및 도 4를 통해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

[표 1]은 비교예 및 실시예에 따른 주편 표면 처리 장치 토치부의 구성 노즐에 따른 산화증기 발생유무를 나타낸다. 그리고, 도 4는 비교예 및 실시예의 토치부 구성 노즐의 유무에 따른 주편의 표면 처리 후 프로파일을 나타낸다.

이때, 실험에 사용된 주편은 연속주조시 코너크랙이 발생률이 높은 중탄강이며, 주편에 발생된 크랙의 길이는 상부 및 측변부가 2 내지 5㎜, 깊이는 3 내지 7㎜을 나타낸다.

		비교예1	비교예2	실시예
토치 구성 유무 (○/×)	용해채널	○	○	○
	냉각채널	×	×	○
	쉴드채널	×	○	○
용해채널 구조		원형	원형	슬릿형
산화증기 발생유무(○/×)		○	×	×

여기서, 토치부의 구성 노즐들은, 플라즈마 열이 분사되는 용해채널과, 용해채널 외측의 냉각채널 및 용해채널과 냉각채널의 외측을 둘러싸는 쉴드채널의 구성의 유무에 따른 산화증기의 발생유무를 살펴본다. 또한, 노즐의 구성에 따른 주편의 표면 처리 후 레이저 거리센서로 표면처리 영역의 평탄도를 살펴본다.

상기의 [표 1] 및 도 4로부터 다음과 같은 결과를 확인할 수 있다.

[비교예1]

비교예1의 토치부는 용해채널만 구비하고 있다. 이에, 용해채널로부터 분사된 플라즈마 열에 의해 주편의 결함부위가 용융되나, 용융된 결함 부위를 냉각하거나 외부 공기로부터 차단하기 위한 냉각채널 및 쉴드채널이 구비되지 않아, 용해채널에 의해 용융된 주편의 용융물과 외부 공기 중의 산소와 반응하여 산화증기가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 용해채널이 원형의 구조를 나타냄으로써, 주편에 형성된 결함의 길이를 커버하는 것이 용이하지 않아 용해채널에 의해 용융되는 주편의 용융영역이 충분하지 않으며, 주편의 결함부위가 용융되더라도 코너측에 발생된 주편의 결함 부위의 용융물들은 접합되어 응고되기 이전에 주편의 측벽을 따라 흘러내리게 된다. 이에, 도 4의 (a)에 도시된 것처럼, 주편의 측벽방향(X축방향)으로 흘러내린 용융물이 응고되어 주편의 측벽부로부터 5㎜가 돌출 형성되며, 흘러내린 용융물이 원래 있는 위치인 주편의 상부영역의 질량 손실이 발생한 것을 확인할 수 있다.

[비교예2]

비교예2의 토치부는 용해채널과, 용해채널의 외측을 둘러싸는 쉴드채널이 구성되며, 용해채널에 의해 용융된 주편의 결함부위를 단시간에 응고시키기 위한 냉각채널은 구비되지 않는다. 이에, 용해채널로 분사된 플라즈마 열에 의해 주편의 결함부위가 용융될 때, 쉴드채널로부터 분사되는 쉴드 가스에 의해 용융영역과 외부 공기와의 접촉을 차단하거나 억제하기 때문에 산화증기가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

그러나, 용해채널이 원형의 구조를 나타냄으로써, 비교예1의 토치부와 마찬가지로 주편에 형성된 결함을 용융시키는 영역이 충분하지 않고, 용융된 부분이 단시간에 응고되지 않음으로써, 코너측에 발생된 주편의 결함 부위의 용융물들이 측벽을 따라 흘러내려 주편의 측벽방향(X축 방향)으로 흘러내린 용융물이 응고된다. 이에, 도 4의 (b)에 도시된 것처럼, 주편의 측벽부로부터 4㎜가 돌출되어 흘러내린 용융물이 원래 용융 위치인 주편의 상부 영역의 질량 손실이 발생한 것을 확인할 수 있다.

이는 쉴드채널에 의해 주편으로 분사되는 쉴드가스가 용융부위로 일부가 전달될 수도 있기 때문에 비교예1의 토치부에 비해 용융부위를 빠르게 응고시킬 수 있어 측벽부로 흘러내리는 용융물의 정도를 감소시킨 것이다.

[실시예]

실시예에 따른 노즐부는 삼중채널의 구조를 나타냄으로써, 앞서 설명한 바와 같이 슬릿형으로 구비되는 용해채널과, 용해채널 슬릿 형성방향에 교차하는 방향으로 슬릿형으로 구비되는 냉각채널 및 용해채널과 냉각채널을 둘러싸는 쉴드채널로 구성되어 있다. 즉, 실시예의 토치부는 비교예들과 상이하게 용해채널이 슬릿형으로 구비되며, 냉각채널을 갖고 있으며, 용해채널과 냉각채널이 처리하는 영역을 둘러싸는 쉴드채널로 형성될 수 있다.

이에, 용해채널이 슬릿형으로 형성됨으로써, 용해채널에서 분사된 플라즈마 열이 주편의 결함 부위의 적어도 일부를 커버하며 주편의 결함 부위를 용융시킴과 동시에, 냉각채널이 용해채널에 의해 용융된 용융물에 냉각가스를 분사함으로써 주편의 용융 후 즉시 응고가 가능하다. 그리고, 쉴드채널은 용해채널과 냉각채널로 인해 용융 및 냉각되는 주편의 결함 처리 영역을 외부와 차단할 수 있다.

이처럼, 형성된 채널들은 주편 결함의 적어도 일부를 커버할 수 있는 용해채널로 인해 단시간에 결함을 용융시킨 뒤, 냉각채널로부터 분사되는 용융부위를 단시간에 응고시킴과 동시에 측벽부를 따라 흘러내릴 수 있는 용융물을 위로 밀어줌으로써, 도 4에 도시된 것처럼, 주편의 측벽부터부터 돌출된 돌출길이가 1㎜로서, 종래에 비해 감소된 돌출길이를 형성하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 주편의 상부 영역의 질량 손실이 종래에 비해 감소될 수 있는 효과를 확인할 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술 되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

1 : 주편 표면 처리 장치 100 : 플라즈마 토치
110 : 전극 170 : 노즐 본체
130 : 가이드 벽체 133 : 용해채널
g1 : 용해가스 153 : 냉각채널
g2 : 냉각가스 173 : 쉴드채널
g3 : 쉴드가스 200 : 제1 제어기
400 : 제2 제어기

Claims (10)

1. 외부로부터 전원을 인가받는 전극; 및
   상기 전극의 외측을 둘러싸며 상하방향으로 연장 형성되는 용해채널과, 상기 용해채널의 외측 적어도 일부분을 둘러싸며 상기 용해채널과 비연통 형성되는 냉각채널 및 상기 용해채널과 상기 냉각채널의 외측을 둘러싸며 상기 용해채널 및 상기 냉각채널과 비연통 형성되는 쉴드채널을 구비하는 노즐부;를 포함하는 플라즈마 토치.
2. 청구항 1 에 있어서,
   상기 노즐부는,
   상하방향으로 연장 형성되며 내부가 중공형으로 형성되는 노즐 본체와;
   상기 노즐 본체의 내부에 삽입되어 상기 노즐 본체의 내벽으로부터 이격되어 배치되며, 내부에 상기 전극이 배치되는 가이드벽체;로 구성되는 플라즈마 토치.
3. 청구항 2 에 있어서,
   상기 용해채널은 상기 가이드 벽체의 내부 공간에 의해 형성되며, 상기 쉴드채널은 상기 노즐본체와 상기 가이드 벽체의 이격에 의해 형성되고, 상기 냉각채널은 상기 가이드 벽체의 외측벽 중 일부 영역을 상하방향으로 관통하며 형성되는 플라즈마 토치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 용해채널은 상기 가이드 벽체 하면의 평면상에서 일방향으로 연장 형성되어 상기 하면을 관통하며 형성되며,
   상기 냉각채널은 상기 가이드 벽체의 하면의 평면상에서 상기 일방향에 교차하는 타방향으로 연장 형성되어 상기 하면을 관통하며 형성되는 플라즈마 토치.
5. 청구항 4 에 있어서,
   상기 냉각채널은 상기 용해채널이 상기 하면을 관통하며 형성된 용해채널 주입구의 양단부 중 일단부측을 둘러싸며 형성되는 플라즈마 토치.
6. 주편의 결함을 용융치유하기 위한 장치로서,
   상기 결함의 적어도 일부 영역을 커버하여 상기 결함으로부터 이격되어 배치되고, 상기 결함을 외부공기로부터 차단하며 용융 및 냉각하는 플라즈마 토치와;
   상기 플라즈마 토치에 연결되어, 상기 플라즈마 토치로부터 상기 주편상으로 분사되는 가스의 분사량 및 플라즈마 열의 발생량을 조절하기 위한 제어부; 및
   상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나에 연결되어, 상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나를 이동시키기 위한 이송부;를 포함하는 주편 표면 처리 장치.
7. 청구항 6 에 있어서,
   상기 플라즈마 토치는,
   외부로부터 전원을 인가받는 전극과;
   상하방향으로 연장 형성되며 내부가 중공형으로 형성되는 노즐 본체; 및
   상기 노즐 본체의 내부에 삽입되어 상기 노즐 본체의 내벽으로부터 이격되어 배치되며, 내부에 상기 전극이 배치되는 가이드 벽체;로 구성되는 주편 표면 처리 장치.
8. 청구항 7 에 있어서,
   상기 플라즈마 토치는,
   상기 가이드 벽체 내부에 형성되어 상기 전극을 둘러싸며 형성되며, 상기 가이드 벽체의 하부를 일방향으로 연장 형성된 슬릿형으로 관통되는 용해채널과;
   상기 일방향에 교차하는 방향으로 연장 형성되어 상기 가이드 벽체의 외측벽 중 일부 영역을 상하방향으로 관통하며 상기 용해채널로부터 이격되어 형성되는 냉각채널; 및
   상기 가이드벽체 및 상기 노즐 본체의 이격에 의해 형성되며, 상기 용해채널 및 상기 냉각채널을 둘러싸며 형성되는 쉴드채널;을 포함하는 주편 표면 처리 장치.
9. 청구항 8 에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 플라즈마 토치의 외측에 구비되어, 상기 전극으로 인가되는 전원 및 상기 용해채널로 공급되는 용해 가스를 조절하기 위한 제1 제어기와;
   상기 플라즈마 토치의 외측에 구비되어, 상기 냉각채널 및 상기 쉴드채널로 각각 공급되는 냉각가스 및 쉴드 가스를 조절하기 위한 제2 제어기;로 구성되는 주편 표면 처리 장치.
10. 청구항 6 에
    상기 이송부는,
    상기 결함과 상기 플라즈마 토치의 하단부가 서로 마주보도록 상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나에 연결되며,
    상기 주편 및 상기 플라즈마 토치 중 적어도 어느 하나를 방사방향으로 이동 가능하게 하는 주편 표면 처리 장치.

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