KR20160147718A - 내화성 세라믹 캐스팅 노즐 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 야금 용도의 내화성 세라믹 캐스팅 노즐에 관한 것이다. 용어 "노즐"은 금속 용융물이 상응하는 캐스팅 채널을 통해 유동하는 것을 허용하는 모든 유형의 실질적으로 튜브-형상인 내화성 부품을 포함한다. 이는 소위 SEN(submerged entry nozzle) 및 소위 LS(ladle shroud)를 포함한다.
Description
본 발명은 야금 용도의 내화성 세라믹 캐스팅 노즐에 관한 것이다. 용어 "노즐"은 금속 용융물이 상응하는 캐스팅 채널을 통해 유동하는 것을 허용하는 모든 유형의 실질적으로 튜브-형상인 내화성 부품을 포함한다. 이는 소위 SEN(submerged entry nozzle) 및 소위 LS(ladle shroud)를 포함한다.
이러한 유형의 내화성 세라믹 캐스팅 노즐은 종종
- 내부 노즐 표면 및 외주연부 노즐 표면을 구비하는 실질적으로 튜브-형상의 내화성 세라믹 몸체와,
- 노즐의 사용 위치에서 상단부인 제1 노즐 단부의 유입 개구와, 사용 위치에서 하단부인 제2 노즐 단부의 적어도 하나의 유출 개구 사이에서 상기 노즐의 축방향 길이를 따라 연장되는 캐스팅 채널을 둘러싸는 내부 노즐 표면을 특징으로 한다.
종래 기술과 본 발명이 다른 적용 분야에도 불구하고 이하에서는 레이들 슈라우드(ladle shroud)와 관련해서 설명될 것이다.
알려진 레이들 슈라우드는 원통형 상부 (제1) 노즐 단부와, 여기에 (하부 제2 노즐 단부쪽으로) 테이퍼 섹션이 후속되고, 여기에 상부 원통형 섹션보다 외경이 더 작은 추가의 원통형 섹션이 후속되는 것을 특징으로 한다. 이러한 설계는 또한 첨부 도면에 도시된다.
테이퍼 외부 표면 섹션은 슈라우드를 레이들 슈라우드 홀더의 대응되는 짐볼 링에 배열하도록 베어링 표면으로서 기능한다.
상기 짐볼 링과 외부 (세라믹) 주연부 노즐 표면 사이의 직접적 접촉을 회피하도록, 외주연부 노즐 표면 상으로 쉬링크되거나(shrunk) 또는 모르타르되는(mortared) 상응하는 금속 캔(금속 봉투)에 의해, 상기 테이퍼 섹션을 포함하여, 노즐의 상단부를 캡슐화하는(encapsulated) 것이 추가로 알려져 있다.
이와 같은 상부 노즐 부품의 "기계적 강화"에도 불구하고 세라믹 재료 내의 크랙의 형성이 회피될 수 없다. (레이들 슈라우드의 장착된 위치에서의) 이러한 크랙, 대부분 수직 크랙은 종종 상술된 바와 같이 원통형 및 테이퍼 섹션 사이의 전이 영역에서 발생된다.
따라서 본 발명의 목적은 일반적인 캐스팅 노즐에서 크랙 형성을 회피하거나 또는 적어도 감소시키는 수단을 제공하는 것이다.
상응하는 시도 동안 내화물과 접촉하는 강철 (내화성 몸체와 접촉하는 금속 캔)이 야금 적용 동안 뜨거워져서 내화성 세라믹 몸체보다 더욱 열팽창되는 것이 발견되었다. 어떤 포인트에서 금속은 내화물을 더 이상 압축으로 유지하지 않는 포인트까지 팽창된다(expand). 이는 특히 상부 노즐 단부에서 노즐의 필수적 안정성(integral stability)을 악화시키고 이에 따라 크랙 형성의 위험을 증가시킨다.
본 발명은 이러한 현상을 받아들이지만, 상기 노즐이 열부하를 겪을 때 세라믹 몸체 내로 압축력을 유도하는 금속 캔과 세라믹 몸체 사이의 재료를 제공함으로써 이러한 효과를 상쇄시키고자 한다.
금속 및 세라믹의 상이한 열팽창 계수를 각각 전혀 극복할 수 없지만, 본 발명은 금속 캔과 세라믹 몸체의 상응하는 표면들 사이의 이와 같은 상이한 열 특성(behavior)에 따라 형성되는 갭을 채울 뿐만 아니라 금속 캐스팅 동안 상응하는 컬렉터 노즐이 돌출되는 (종종 링-형상의) 상부 노즐 단부 상으로 그리고 안으로 기계적 압축을 추가로 제공하는 수단을 제공한다. 즉, 상기 외부 금속 케이징(봉투)과 세라믹 몸체의 상응하는 인접한 표면 섹션 사이의 열부하 하에서 기계적 압축력이 발생된다.
이러한 압축력은 열부하 하에서 팽창하는 재료에 의해 제공될 수도 있다.
가장 일반적인 실시예에서 본 발명은 내화성 세라믹 캐스팅 노즐로서,
- 내부 노즐 표면 및 외부 (주연부) 노즐 표면을 포함하는 실질적으로 튜브-형상의 내화성 세라믹 몸체와,
- 노즐의 사용 위치에서 상단부인 제1 노즐 단부의 유입 개구와, 사용 위치에서 하단부인 제2 노즐 단부의 적어도 하나의 유출 개구 사이에서 상기 노즐의 축방향 길이를 따라 연장되는 캐스팅 채널을 둘러싸는 내부 노즐 표면을 포함하고,
- 상기 제1 노즐 단부의 외주연부 노즐 표면은 제1 노즐 단부의 축방향 길이의 적어도 일부에 걸쳐 연장되는 금속 케이징으로 캡슐화되고,
- 압축력이 내화성 세라믹 몸체 내로 유도되는 것을 허용하는 방식으로 열부하 하에서 팽창되는 재료가 상기 주연부 표면과 상기 금속 케이징 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 내화성 세라믹 캐스팅 노즐에 관한 것이다.
상기 재료는 내화성 몸체와 상기 금속 봉투 사이에 상이한 방식들로 조립될 수 있다.
특히 그 상단부에서 원통형 프로필을 갖는 노즐에 적용될 때 본 발명은 팽창 가능한 재료가 하나 이상의 링모양의 스트립으로 조립되는 노즐을 제공한다. 즉, 재료는 원통형 외부 노즐 표면에 연속된 형상으로 적용되는 밴디지, 벨트 또는 링으로 조립될 수 있다.
상기 스트립은 외부 표면에 직접 적용되고(예컨대 내화성 재료 상으로 부착되고) 그리고/또는 외주연부 노즐 표면을 따라 제공되는 상응하는 링-형상의 리세스에 배치될 수 있다.
이러한 실시예들은 편평한(even) 및/또는 방사상 방향으로 상기 압축력을 유도하도록 허용한다.
다른 실시예에 따르면, 재료는 주연부 노즐 표면을 따라 서로 이격되어 배치되는 복수의 별개의 스팟(spots)에 조립된다. 이러한 "스팟"은 임의의 형상의 별개의 스트립일 수 있는데, 예컨대 수직 축방향으로 길고 서로 이격되어 배치되는 스트립일 수 있다. 다시 이러한 스트립(스팟)은 외주연부 노즐 표면 내의 상응하는 리세스에 배치되거나 또는 상기 표면 상으로 직접 고정(예컨대 부착)될 수 있다.
일정한 압축력을 달성하기 위해 상기 스팟을 일정한 간격으로 배치하는 것이 유리하다.
다른 실시예에 따르면 재료는 0,1N/㎟초과의 압축력이 내화성 세라믹 몸체 상으로 그리고 안으로 생성되는 것을 허용하는 방식으로 상기 주연부 노즐 표면과 상기 금속 케이징 사이에 기초된다. 상술된 효과를 향상시키기 위해, 상기 최소 압축력은 ≥0,2; ≥0,3; ≥0,6; ≥1,0; ≥2,0 또는 ≥3,0 N/㎟에서 증가될 수 있고, 압축력은 아래의 프로토콜에 따라 측정된다.
1. 단계: 상온(22℃)에서, 상기 재료의 원형 몸체(직경: 19mm, 두께: 5mm)가 압력 변환기의 2개의 평행한 판 사이에 대칭으로 배치된다.
2. 단계: (변환기 및 몸체를 포함하는) 실험 셋업이 노에 배치되어 70분 내에서 300℃로 가열된다.
3. 단계: 상기 몸체에 의해 상기 변환기 판 상으로 발생되는 압력이 측정되어 등록된다.
동일한 테스트가 단계 2에서 400℃까지 행해질 수 있고, 적어도 1,0 N/㎟, 적어도 1,9N/㎟, 양호하게는 ≥ 3N/㎟, 더욱 양호하게는 ≥ 5N/㎟ 의 압축력이 요구된다.
이러한 데이터는 둘러싸는 내화성 재료의 열팽창보다 더 큰 속도로 금속 캔의 팽창이 불가피하므로 상기 재료가 팽창 동안 채워야 하는 갭이 생성된다는 것을 고려한다.
이러한 효과를 달성하기 위해 재료는 노즐이 가열됨에 따른 결과로 작업(service) 중 생성되는 임의의 갭을 자유롭게 채우면서도 필요한 압력을 유지해야 한다.
이러한 효과는 상기 재료를 캔과 내화성 재료 사이에 상이한 방식으로 배치하는 것뿐만 아니라 상기 재료의 각각의 양을 변화시키는 것 및/또는 특정한 사용 조건 하에서 상기 힘을 유도하도록 허용하는 특별한 재료를 선택하는 것에 의해서도 달성될 수 있다.
적합한 재료는 팽창성 구성(intumescent composition)이다.
재료는
- 팽창 가능한 그래파이트, 및/또는
- 약간의 간격수가 그 조립 전에 제거되는 팽창 가능한 그래파이트, 및/또
- 바인더를 포함하는 또는 포함하지 않는, 팽창 가능한 질석(vermiculite) 및/또는 팽창 가능한 펄라이트(perlite)와 같은 팽창 가능한 무기물 재료일 수 있다.
비-팽창 가능한 그래파이트, 고무, 천연 고무, 운모 및 유체와 같은 첨가제가 요구되는 팽창 특성을 조절하도록 각 양에 첨가될 수 있다.
동일한 또는 유사한 특성을 포함하는 다른 재료들도 선택될 수 있다.
구체적인 팽창성 재료가 아래와 같이 설명될 수 있고, 입자 부분 내의 모든 고체 성분이 <1mm 이고,
22M.-% 팽창 가능한 그래파이트
20M.-% 비-팽창 가능한 그래파이트
9M.-% 바인더 (노볼락 수지)
9M.-% 물
16M.-% 네오프렌 고무
24M.-% 운모
30℃에서 3시간 동안 건조 후 설명된 방식으로 사용될 수 있는 적합한 두께 및 폭의 상응하는 스트립에 롤링됨으로써 제공된다.
상기 개시된 바와 같이 상기 팽창 가능한 재료는 노즐의 소정의 축방향 길이에 걸쳐 적용될 수 있다. 이는 아래의 대안을 포함한다.
- 재료는 캔과 내화성 재료 사이에 전체 접촉 표면에 걸쳐 적용된다.
- 재료는 적어도 상부 노즐 단부로부터 하향으로 소정의 길이에 걸쳐 적용된다.
- 재료는 상부 노즐 단부를 따라 캔과 내화성 재료 사이에 적용된다.
- 재료는 일정한 직경의 상부 노즐 단부를 따라 캔과 내화성 재료 사이에 적용된다.
본 발명의 다른 특징이 종속항 및 다른 응용 문헌에 설명될 것이다.
본 발명은 이제 각각이 개략적으로 도시되는 첨부 도면과 관련해서 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 상응하는 컬렉터 노즐과 접촉된 레이들 슈라우드의 상단부의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이들 슈라우드의 상단부의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이들 슈라우드의 상단부의 수직 단면도이다.
도면에서 동일 또는 유사한 부분들은 동일한 부호로 도시된다.
도 1은 내화성 세라믹 캐스팅 노즐, 즉, 레이들 슈라우드(10)를 도시하고, 레이들 슈라우드는 아래 특징들을 포함한다.
- 내부 노즐 표면(12i) 및 외주연부 노즐 표면(12o)을 구비하는 실질적으로 튜브-형상의 내화성 세라믹 몸체(12),
- 노즐(10)의 도시된 사용 위치에서 상단부인 제1 노즐 단부(18)의 유입 개구(16)와, 그 사용 위치에서 노즐의 하단부인 제2 노즐 단부(도시되지 않음)의 적어도 하나의 유출 개구(도시되지 않음) 사이에서 상기 노즐의 축방향 길이(L)를 따라 연장되는 캐스팅 채널(14)을 둘러싸는 내부 노즐 표면,
- 상기 제1 노즐 단부(18)의 외주연부 표면(12o)은 금속 캔/케이징(20)으로 캡슐화되고, 상기 캔/케이징은 제1 노즐 단부(18)의 최상부 표면(18u)으로부터 하향으로 상기 링-형상 상부 표면(18u)의 외경(D1)에 비해 더 작은 직경(D3)의 상기 노즐의 중간 섹션(22)으로 연장된다.
- 도 1로부터 볼 수 있는 바와 같이, (상기 직경(D1)을 갖는) 상기 원통형 상부 섹션과 상기 직경(D3)을 갖는 상기 섹션(22) 사이에 테이퍼 섹션이 존재하고, 상기 절단된 원뿔형 테이퍼 섹션은 레이들 슈라우드 홀더(도시되지 않음)의 소위 짐볼 링(GR)에 대한 대응되는 베어링 표면을 제공한다.
컬렉터 노즐(CN)은 링-형상 시일(S)이 그 사이에 개재된 상태로 그 하단부가 노즐(10)의 깔때기-형상 유입 개구(16) 내로 돌출된다.
상기 컬렉터(CN)에 의해 상기 슈라우드(10) 내로 도입된 힘 및/또는 상기 짐볼 링에 의해 상기 슈라우드(10) 내로 도입된 힘은 도 1에서 상응하는 화살표로 표시된다.
새로운 레이들 슈라우드가 도 2에 도시되고, 제1 노즐 단부(18)의 외주연부 표면(12o)을 따른 링-형상 리세스(24)를 특징으로 하고, 상기 리세스(24)는 200℃ 온도에서 팽창하여 화살표 CF로 표시되는 압축력을 제1 노즐 단부(18)의 인접하는 내화성 세라믹 재료로 유도하는 팽창 가능한 그래파이트 재료(30), 즉, 팽창성 재료의 스트립(밴디지)으로 충전된다.
외부 금속 캔(20)이 상기 리세스를 방사상 표면상으로 폐쇄하기 때문에, 이러한 압축력은 상기 리세스(24) 내의 그래파이트 재료의 열 팽창에 의한 것이다. 열부하 하에서도, 상기 금속 캔(20)과 제1 노즐 단부(18)의 내화성 재료 사이에 소정의 갭이 생성될 때, 그래파이트 재료의 팽창은 여전히 압축력(CF)이 요구되는 방식으로, 즉, 적어도 300℃의 온도에서 0,6 N/㎟보다 큰 압축력으로 유지되도록 이루어진다.
이러한 압축력은 도 1에 도시된 바와 같이 상응하는 노즐(CN)에 의해 유도되는 원하지 않는 압축력을 보상할 수 있다.
그 결과 크랙의 생성, 특히 도 1에서 HC로 도시되는 수직 크랙이 방지되거나 또는 상당히 감소된다.
10: 노즐
12i: 내부 노즐 표면
12o: 외주연부 노즐 표면
12: 내화성 세라믹 몸체
18: 제1 노즐 단부
12i: 내부 노즐 표면
12o: 외주연부 노즐 표면
12: 내화성 세라믹 몸체
18: 제1 노즐 단부
Claims (10)
- 내화성 세라믹 캐스팅 노즐(10)로서,
내부 노즐 표면(12i) 및 외주연부 노즐 표면(12o)을 포함하는 실질적으로 튜브 형상의 내화성 세라믹 몸체(12)와,
노즐(10)의 사용 위치에서 상단부인 제1 노즐 단부(18)의 유입 개구(16)와, 사용 위치에서 하단부인 제2 노즐 단부의 적어도 하나의 유출 개구 사이에서 상기 노즐의 축방향 길이(L)를 따라 연장되는 캐스팅 채널(14)을 둘러싸는 내부 노즐 표면(12i)을 포함하고,
상기 제1 노즐 단부(18)의 외주연부 노즐 표면(12o)은 제1 노즐 단부(18)의 축방향 길이(L)의 적어도 일부에 걸쳐 연장되는 금속 케이징(20)으로 캡슐화되고,
압축력이 내화성 세라믹 몸체(12) 내로 유도되는 것을 허용하는 방식으로, 열부하 하에서 팽창되는 재료(30)가 상기 주연부 노즐 표면(12o)과 상기 금속 케이징(20) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 노즐. - 제1항에 있어서, 재료(30)는 외주연부 노즐 표면(12o)을 따라 서로 이격되어 배치되는 복수의 별개의 스팟(spots)으로서 조립되는, 노즐.
- 제2항에 있어서, 재료(30)는 외주연부 노즐 표면(12o)을 따라 제공되는 상응하는 리세스에 배치되는, 노즐.
- 제1항에 있어서, 재료(30)는 하나 이상의 링모양의 스트립으로 조립되는, 노즐.
- 제4항에 있어서, 재료(30)는 외주연부 노즐 표면(12o)을 따라 제공되는 상응하는 링-형상의 리세스(들)(24)에 배치되는, 노즐.
- 제1항에 있어서, 재료(30)는 0,1N/㎟ 초과의 압축력이 내화성 세라믹 몸체(12) 상으로 생성되는 것을 허용하는 방식으로 상기 주연부 노즐 표면(12o)과 상기 금속 케이징(20) 사이에 배치되는, 노즐.
- 제1항에 있어서, 재료(30)는 0,1N/㎟ 초과의 압축력이 내화성 세라믹 몸체(12) 상으로 생성되는 것을 허용하는 양으로 상기 주연부 노즐 표면(12o)과 상기 금속 케이징(20) 사이에 배치되는, 노즐.
- 제1항에 있어서, 재료(30)는 0,1N/㎟ 초과의 압축력이 내화성 세라믹 몸체(12) 상으로 생성되는 것을 허용하는 재료들로부터 선택되는, 노즐.
- 제1항에 있어서, 재료(30)는 팽창성 구성(composition)인, 노즐.
- 제1항에 있어서, 재료(30)는 팽창 가능한 그래파이트, 약간의 간격수(interstitial water)가 그 조립 전에 제거되는 팽창 가능한 그래파이트, 첨가제를 포함하는 또는 포함하지 않는 비팽창성 및 팽창성 그래파이트의 조합, 팽창 가능한 무기물 재료, 바인더를 포함하는 또는 포함하지 않는 팽창 가능한 질석(vermiculite), 바인더를 포함하는 또는 포함하지 않는 팽창 가능한 펄라이트(perlite)를 포함하는 그룹 중 적어도 하나의 재료를 포함하는, 노즐.
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