KR20170006525A - 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 용강을 통과시키면서 점차로 응고시켜서 빌렛 또는 블룸을 연속적으로 주조할 수 있게 하는 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형에 관한 것으로서, 단면이 정사각형 또는 직사각형인 빌렛 또는 블룸을 연속하여 주조할 수 있도록 상방에 용강이 인입되도록 개방되는 용강 입구가 형성되고, 하방에 상기 용강이 배출되도록 개방되는 용강 출구가 형성되며, 상기 용강 입구로 인입된 상기 용강과 접촉되어 상기 용강을 냉각시키도록 상기 용강의 제 1 측면과 접촉되는 제 1 내벽면, 상기 용강의 제 2 측면과 접촉되는 제 2 내벽면, 상기 용강의 제 3 측면과 접촉되는 제 3 내벽면 및 상기 용강의 제 4 측면과 접촉되는 제 4 내벽면으로 이루어지는 4각 파이프 형태의 몸체; 상기 제 1 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 1 깔대기부; 상기 제 2 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 2 깔대기부; 상기 제 3 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 3 깔대기부; 및 상기 제 4 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 4 깔대기부;를 포함할 수 있다.

Description

빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형{Billet or bloom Mold for continuous casting}

본 발명은 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부에 용강을 통과시키면서 점차로 응고시켜서 빌렛 또는 블룸을 연속적으로 주조할 수 있게 하는 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형에 관한 것이다.

일반적으로 막대 형상인 빌렛 또는 블룸을 연속적으로 주조할 수 있도록 용강을 턴디쉬로부터 침지 노즐을 통해 금형의 내부로 유입시키면서 금형의 외부를 냉각수로 냉각시키면 공급된 용강에 점차로 응고층이 형성되면서 빌렛 또는 블룸을 생산할 수 있는 연속 주조용 금형이 사용되고 있다.

일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 정사각형 형상을 가진 주편(7)의 크기는 한변이 100~500mm인데 크기에 따라 빌렛 또는 블룸이라 부른다. 이러한 정사각형 형상의 주편(7)을 생산하는 빌렛 또는 블룸의 연속 주조 공정은 용강(1)을 턴디쉬(2)로부터 침지노즐(3)을 통해 금형(5)으로 유입시키면서, 주로 동합금을 사용하는 금형(5)을 냉각수로 순환 공급하여 냉각시키면, 공급된 상기 용강(1)은 탕면(4)에서부터 용융층(7-1)과 응고층(7-2)이 형성된다. 이때 상기 금형(5)과 상기 응고층(7-2)의 융착을 방지하기 위해 금형을 캠방식이나 유압방식으로 상하로 진동을 시켜 주어 상기 금형(5)과 응고층(7-2) 사이에 오일이나 금형용제를 유입시켜 금형(5)과 응고층(7-2) 사이에 마찰력을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 탕면(4)에서 초기 응고된 상기 응고층(7-2)은 금형 하부로 갈수록 냉각되면서 점차 두꺼워지고 상기 금형(5)을 빠져 나온 상기 응고층(7-2)은 2차 냉각 장치의 분사노즐(6)을 통한 냉각수에 의해 냉각되어 응고가 완료되게 되고 수직으로 진행되는 주편(7)은 굽힘/펴짐 영역(8)에서 변형되어 수평으로 이동하게 된다.

이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 응고가 완료된 주편(7)에 표면 크랙(C)이 발생하게 되는 경우, 연속주조 공정후에 표면 크랙을 스카핑등으로 제거하지 않고 압출, 단조, 인발, 압연과정을 거칠 경우, 최종 제품에 결함을 유발하게 된다. 또한 내부 크랙(C)은 인발과정에서 단선의 원인이 될 수 있다. 따라서 정사각형 금형(5)을 가진 빌렛(7) 또는 블룸 강의 주편(7)을 생산하는 연속주조 공정에서 주조 속도 즉 생산성을 좌우하는 것은 주편(7)에 표면크랙 및 내부크랙을 제어하는 것이다. 정사각형 형상을 가진 빌렛 또는 블룸에 발생하는 표면 크랙(C)은 주로 금형내에서 발생하게 되는데 그 발생 과정은 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 정사각형 형상을 가진 주편(7)에 발생하는 표면결함은, 금형(5)을 주조방향에 대해 직각으로 자른 단면도인 도 2에 나타낸 바와 같이 금형(5) 내에서 주편(7)이 응고하면서 수축하게 되는 데, 상대적으로 상기 금형(5)의 모서리부는 중앙부에 비해 양 방향으로 냉각되어 내부에 있는 용강(1)에 의해 밖으로 밀어내는 철정압을 이겨내고, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 금형(5)의 경사보다 수축량이 많을 경우 모서리 부분에서 공기틈이 발생하게 된다. 이렇게 열을 전달하는 열저항이 매우 큰 공기틈이 발생하게 되면 상기 금형(5)과 상기 주편(7)의 응고층(7-2) 사이에서 열전달이 방해받아 상기 응고층(7-2)이 재가열되면서 응고계면에서 인장응력이 발생되고, 크랙 발생에 대한 임계값을 넘어서면 응고계면에서 도 4와, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같은 크랙들이 발생하게 되는데, 상기 금형(5) 상부의 탕면(4) 근처에서 상기 응고층(7-2) 두께가 얇을 경우, 주편(7)의 표면까지 전파하여 표면크랙으로 남게 되고, 상기 응고층(7-2)의 두께가 두꺼운 경우에는 응고계면에서 발생한 크랙이 표면으로 전파하지 못하고 내부에 잔존하여 내부 크랙으로 남게 된다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 빌렛 크랙을 유발하는 공기틈을 보상하기 위해 보통 사용하는 방법은 금형 상부에서 금형 하부까지 선형적으로 경사를 주는 금형 경사법이 일반적으로 채용되고 있다.

그러나, 이러한 종래의 방법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 즉, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 응고층의 수축량을 결정하는 열유속은 금형 상부에서는 응고층이 얇아 열저항이 작아서 열유속이 크고 금형 하부로 갈수록 응고층이 성장함에 따라 열저항이 늘어나 열유속이 급감하게 된다. 따라서, 응고층 수축량은 탕면부위에서 크고 금형하부로 갈수록 감소하게 되어 선형적인 금형경사를 주게 되면 금형 상부에서는 수축량이 금형 경사보다 커서 공기틈이 발생하고, 금형하부에서는 수축량이 금형 경사보다 작아서 금형과 응고층 사이에 마찰력이 증가하여 금형의 마모를 야기시킨다.

한편, 금형 모서리부에 발생하는 공기틈을 줄이기 위한 다른 방법으로는 금형 상부에서는 금형 경사를 많이 주고 금형 하부로 갈수록 금형 경사량을 적게 주는 다단 금형경법이 있다. 그러나 이 방법도 금형 진동에 의해 금형이 상하운동을 하게 되면 응고층과 금형 경사가 변하는 위치에서 응고층과 금형이 마찰을 일으켜 금형의 마모가 될 뿐만 아니라 주조 방향으로 마찰력을 일으켜 심한 경우 빌렛에 가로 크랙이 발생하여 주조 속도를 높이는데 한계를 가질 뿐만이 아니라 모서리부에 발생하는 공기틈을 제어하는데 한계를 가진다.

또한, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 정사각형 형상을 가진 빌렛 또는 블룸에서 모서리의 형상은 일반적으로 직각으로 하지 않고 일정할 곡률을 줄 수 있다. 이는 모서리부를 직각으로 할 경우, 상기 금형(5) 내 모서리부에서 주편(7)이 양방향으로 냉각되어 모서리부 빌렛의 온도가 중앙부의 빌렛에 비해 과냉되어 주편 펴짐대에서 취화되는 온도구간에 도달하여 주편이 펴지는 힘을 받으면 모서리 크랙이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 연속 주조를 한 후 압연을 위해 주편을 재가열을 한 후 압연과정을 거치게 되는데 재가열후 압연기에 들어가기 전에 모서리부의 온도가 급격히 감소하여 압연과정 중에 모서리부가 접히는 결함이 발생하고, 압연시 차거운 모서리부에 의해 압연기의 마모가 발생하여 압연비용이 증가하는 문제점을 가지고 있어 이를 해결하기 위해 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 모서리를 직각으로 하지 않고 일정한 곡률을 주는 것이다. 그러나 이 방법도 곡률의 크기에 따라 내부 및 표면 크랙을 유발하게 된다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 곡률(R-2a)이 작을 경우, 모서리부에 공기틈이 발생하는데 공기틈이 차지하는 길이는, 도 8에 도시된 바와 같이, 곡률(R-2b)이 큰 경우에 비해 작아 모서리에서 응고층(7-2)의 두께는 모서리를 약간 벗어나는 모서리밖 지역에 비해 응고층(7-2)의 두께가 두껍다. 이 경우 금형(5)의 하부로 갈수록 철정압이 증가하여 응고계면에 철정압에 의한 압력이 가해지면 모서리밖의 가장 얇은 곳에서 응고층이 변형되는데 응고층(7-2)이 가장 얇은 부분에서 힌지효과에 의해 인장응력이 발생하여 도 9에 나타낸 빌렛 모서리 밖 내부 크랙이 발생하게 된다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 곡률(R-2b)이 큰 경우, 공기틈이 증가하여 모서리부에서 공기틈에 의해 열전달이 곡률이 작은 경우에 비해 더 크게 방해되어 응고층(7-2)의 두께가 가장 얇아지게 되고 이곳에서 응고층(7-2)이 재가열되어 표면온도가 올라가면 응고계면에 인장응력을 유발하게 되어 표면까지 확장되어 도 10에 도시된 바와 같이, 주편 모서리 면세로 표면크랙이 발생하게 된다. 따라서 금형(5)내에서 모서리부의 공기틈을 제어하는 것이 표면 및 내부 크랙(C)을 줄일 수 있는 가장 효과적인 방법이다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 정사각형 형상의 빌렛 또는 블룸 금형의 또 다른 문제점은 금형(5) 내에서 응고층(7-2)이 성장할 때 금형(5)의 4면에서 응고층(7-2)의 성장 속도가 균일하지 않아 응고층(7-2)의 두께가 달라지게 되고 철정압에 의해 4면의 변형이 달라지게 되면 응고층이 찌그러져 장사방형이 되고 이로 인해 모서리부에 큰 공기틈이 형성되면 앞에서 언급한 과정에 의해 주편 모서리 표면 크랙이나 주편 모서리밖 내부 크랙이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 정사각형 형상의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형과 빌렛 사이의 공기틈을 제어하여 빌렛에 발생하는 모서리 표면크랙이나 모서리밖 내부크랙을 방지하고, 금형내에서 응고층이 장사방형이 되는 것을 방지하여 빌렛 또는 블룸에 발생하는 표면 크랙 및 내부 크랙을 방지하는 있게 하는 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형은, 단면이 정사각형 또는 직사각형인 빌렛 또는 블룸을 연속하여 주조할 수 있도록 상방에 용강이 인입되도록 개방되는 용강 입구가 형성되고, 하방에 상기 용강이 배출되도록 개방되는 용강 출구가 형성되며, 상기 용강 입구로 인입된 상기 용강과 접촉되어 상기 용강을 냉각시키도록 상기 용강의 제 1 측면과 접촉되는 제 1 내벽면, 상기 용강의 제 2 측면과 접촉되는 제 2 내벽면, 상기 용강의 제 3 측면과 접촉되는 제 3 내벽면 및 상기 용강의 제 4 측면과 접촉되는 제 4 내벽면으로 이루어지는 4각 파이프 형태의 몸체; 상기 제 1 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 1 깔대기부; 상기 제 2 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 2 깔대기부; 상기 제 3 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 3 깔대기부; 및 상기 제 4 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 4 깔대기부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 깔대기부는 상기 제 1 내벽면을 따라 상단에서 하단까지 또는 상단에서 중간까지 전체적으로 또는 부분적으로 형성되고, 상기 제 1 깔대기부의 깔대기 폭이 일정하도록 상기 제 1 깔대기부의 제 1 높이에서 오목하게 형성되는 제 1 오목면의 제 1 곡률 반경은, 상기 제 1 깔대기부의 상기 제 1 높이 보다 낮은 제 2 높이에서 오목하게 형성되는 제 2 오목면의 제 2 곡률 반경 보다 작으며, 상기 제 1 오목면에서 상기 제 2 오목면까지 연속적으로 경사지게 형성되는 둥근 사각폭 경사면이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 깔대기부는 상기 제 1 내벽면을 따라 상단에서 하단까지 또는 상단에서 중간까지 전체적으로 또는 부분적으로 형성되고, 상기 제 1 깔대기부의 깔대기 폭이 아래로 갈수록 줄어들도록 상기 제 1 깔대기부의 제 3 높이에서 오목하게 형성되는 제 3 오목면의 제 3 곡률 반경은, 상기 제 1 깔대기부의 상기 제 3 높이 보다 낮은 제 4 높이에서 오목하게 형성되는 제 4 오목면의 제 4 곡률 반경과 동일하며, 상기 제 3 오목면에서 상기 제 4 오목면까지 연속적으로 경사지게 형성되는 둥근 역삼각폭 경사면이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 내벽면과 상기 제 1 깔대기부 사이는 제 5 곡률 반경을 갖는 둥근 볼록 모서리부가 형성되고, 상기 제 1 내벽면과 상기 제 2 내벽면 사이는 제 6 곡률 반경을 갖는 둥근 오목 모서리부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 둥근 볼록 모서리부의 제 5 곡률 반경은, 상기 제 1 깔대기부의 제 1 곡률 반경과 서로 동일할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 5 곡률 반경과 상기 제 1 곡률 반경이 R이고, 상기 깔대기 깊이가 d이고, 상기 깔대기 폭이 fw인 경우, R=(fw²/4+d²)/4d일 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 정사각형 형상을 가진 빌렛 또는 블룸의 연속주조 공정에서 깔대기부를 이용하여 깔대기 형상에 의한 잉여길이가 모서리부의 공기틈을 보상하여 주고, 응고층의 장사방형이 되는 것을 방지하여 모서리 표면크랙과 모서리밖 내부크랙을 제어가 가능하고, 주조속도 및 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 일반적인 빌렛 또는 블룸의 연속 주조기의 개략도이다.
도 2는 도 1의 금형의 횡단면을 나타내는 횡단면도이다.
도 3은 도 2의 금형의 종단면을 나타내는 종단면도이다.
도 4는 도 1의 연속 주조기에 의해 제조된 빌렛의 크랙을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 1의 연속 주조기의 탕면으로부터 거리에 따른 열유속 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1의 금형에서 응고층의 수축량과 금형 경사를 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8은 도 1의 금형에서 모서리의 곡률에 따른 공기틈과 응고층 성장을 나타내는 단면도이다.
도 9 및 도 10은 도 1의 금형에서 빌렛에 발생되는 크랙을 나타내는 사진이다.
도 11은 도 1의 금형에서 빌렛의 장사방형에 의한 공기틈을 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형을 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 13의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 횡단면을 나타내는 횡단면도이다.
도 14는 도 13의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부의 평면과 정면을 동시에 나타내는 도면이다.
도 15는 도 14의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부를 나타내는 사시도이다.
도 16는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부의 평면과 정면을 동시에 나타내는 도면이다.
도 17는 도 16의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부를 나타내는 사시도이다.
도 18은 본 발명의 일부 또 다른 실시예들에 따른 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부의 평면과 정면을 동시에 나타내는 도면이다.
도 19는 도 18의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부를 나타내는 사시도이다.
도 20은 본 발명의 일부 또 다른 실시예들에 따른 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부의 평면과 정면을 동시에 나타내는 도면이다.
도 21는 도 20의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부를 나타내는 사시도이다.
도 22는 도 13의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부의 깔대기 깊이와 깔대기 폭을 나타내는 확대 단면도이다.
도 23은 도 13의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형을 나타내는 확대 단면도이다.
도 24는 도 13의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 제 1 깔대기부의 곡률 반경을 나타내는 도면이다.
도 25는 도 13의 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형의 표면결함지수를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

먼저, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형(100)은, 몸체(10)와, 제 1 깔대기부(HP1)와, 제 2 깔대기부(HP2)와, 제 3 깔대기부(HP3) 및 제 4 깔대기부(HP4)를 포함할 수 있다.

예컨대, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(10)는, 단면이 정사각형 또는 직사각형인 빌렛(7) 또는 블룸을 연속하여 주조할 수 있도록 상방에 용강이 인입되도록 개방되는 용강 입구가 형성되고, 하방에 상기 용강이 배출되도록 개방되는 용강 출구가 형성되며, 상기 용강 입구로 인입된 상기 용강과 접촉되어 상기 용강을 냉각시키도록 상기 용강의 제 1 측면과 접촉되는 제 1 내벽면(IF1), 상기 용강의 제 2 측면과 접촉되는 제 2 내벽면(IF2), 상기 용강의 제 3 측면과 접촉되는 제 3 내벽면(IF3) 및 상기 용강의 제 4 측면과 접촉되는 제 4 내벽면(IF4)으로 이루어지는 정사각 파이프 형태일 수 있다. 그러나, 상기 몸체(10)의 형상은 정사각에만 반드시 국한되지 않고, 정삼각형 형상, 직삼각형 형상, 직사각형 형상, 정오각형 형상, 직오각형 형상, 정육각형 형상, 직육각형 형상, 기타 다각형 형상 등이 모두 적용될 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 제 1 깔대기부(HP1)는, 상기 제 1 내벽면(IF1)에 형성되고, 깔대기 깊이(d) 또는 깔대기 폭(fw)이 아래로 내려올수록 작아지는 형상으로 상기 용강 입구의 일측에 형성될 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 제 2 깔대기부(HP2)는, 상기 제 2 내벽면(IF2)에 형성되고, 깔대기 깊이(d) 또는 깔대기 폭(fw)이 아래로 내려올수록 작아지는 형상으로 상기 용강 입구의 타측에 형성될 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 제 3 깔대기부(HP3)는, 상기 제 3 내벽면(IF3)에 형성되고, 깔대기 깊이(d) 또는 깔대기 폭(fw)이 아래로 내려올수록 작아지는 형상으로 상기 용강 입구의 다른 타측에 형성될 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 제 4 깔대기부(HP4)는, 상기 제 4 내벽면(IF4)에 형성되고, 깔대기 깊이(d) 또는 깔대기 폭(fw)이 아래로 내려올수록 작아지는 형상으로 상기 용강 입구의 또 다른 타측에 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로 예를 들면, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 깔대기부(HP1)는 상기 제 1 내벽면(IF1)을 따라 상단에서 중간까지 부분적으로 형성될 수 있다.

여기서, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 깔대기부(HP1)의 깔대기 폭(fw)이 일정하도록 상기 제 1 깔대기부(HP1)의 제 1 높이(H1)에서 오목하게 형성되는 제 1 오목면의 제 1 곡률 반경(R1)은, 상기 제 1 깔대기부(HP1)의 상기 제 1 높이(H1) 보다 낮은 제 2 높이(H2)에서 오목하게 형성되는 제 2 오목면의 제 2 곡률 반경(R2) 보다 작으며, 상기 제 1 오목면에서 상기 제 2 오목면까지 연속적으로 경사지게 형성되는 둥근 사각폭 경사면이 형성될 수 있다.

한편, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 깔대기부(HP1)는 상기 제 1 내벽면(IF1)을 따라 상단에서 하단까지 전체적으로 형성될 수도 있다.

또한, 예컨대, 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 깔대기부(HP1)는 상기 제 1 내벽면(IF1)을 따라 상단에서 중간까지 부분적으로 형성될 수 있고, 상기 제 1 깔대기부(HP1)의 깔대기 폭(fw)이 아래로 갈수록 줄어들도록 상기 제 1 깔대기부(HP1)의 제 3 높이(H3)에서 오목하게 형성되는 제 3 오목면의 제 3 곡률 반경(R3)은, 상기 제 1 깔대기부(HP1)의 상기 제 3 높이(H3) 보다 낮은 제 4 높이(H4)에서 오목하게 형성되는 제 4 오목면의 제 4 곡률 반경(R4)과 동일하며, 상기 제 3 오목면에서 상기 제 4 오목면까지 연속적으로 경사지게 형성되는 둥근 역삼각폭 경사면이 형성될 수 있다.

한편, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 깔대기부(HP1)는 상기 제 1 내벽면(IF1)을 따라 상단에서 하단까지 전체적으로 형성될 수도 있다.

또한, 예컨대, 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 깔대기 깊이(d)는 상기 제 1 내벽면(IF1)으로부터 함몰된 깊이를 의미할 수 있고, 상기 깔대기 폭(fw)은 상기 제 1 내벽면(IF1)에서 함몰이 시작되고 끝나는 지점 간의 거리를 의미할 수 있다.

또한, 예컨대, 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 내벽면(IF1)과 상기 제 1 깔대기부(HP1) 사이는 제 5 곡률 반경(R5)을 갖는 둥근 볼록 모서리부(E1)가 형성되고, 상기 제 1 내벽면(IF1)과 상기 제 2 내벽면(IF2) 사이는 제 6 곡률 반경(R6)을 갖는 둥근 오목 모서리부(E2)가 형성될 수 있다.

따라서, 이러한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형(100)의 작동 과정을 설명하면, 이러한 깔대기형 금형의 깔대기부(HP1)(HP2)(HP3)(HP4)는 평행 금형에 비해 깔대기의 호 부분이 길어서 초기응고층이 탕면에서부터 깔대기 형상으로 형성되고, 금형하부로 갈수록 깔대기 형상이 없어지므로써 깔대기의 곡률부와 직선부의 길이차이에 의해 금형하부로 갈수록 모서리쪽으로 밀어주는 잉여길이가 존재하게 된다. 즉, 금형탕면에서 깔대기 부분의 곡률부분이 금형 하부에 가면 직선으로 변하게 되고 이 차이에 해당하는 잉여길이가 발생한다. 깔대기형 금형의 잉여길이는 응고층을 모서리부쪽으로 밀어주는 구실을 하므로 이 잉여길이의 변화를 이용하여 금형단변과 응고층 사이에 발생하는 공기틈을 제어하여 응고층의 두께를 일정하게 해주므로써 제 6도의 모서리밖 내부크랙이나 모서리면 내부크랙을 제어할 수가 있다.

이러한, 깔대기 형상의 변화는 도 14, 도 15, 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 폭이나 곡률은 변하지 않고 깔대기 깊이가 줄어들면서 금형 내 또는 금형 끝에서 깔대기 형상이 없어질 수도 있다. 또한, 도16, 도 17, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 깔대기 깊이와 폭이 동시에 변하여 금형내 또는 금형끝에서 깔대기 형상이 없어질 수도 있다.

이렇게, 깔대기 형상이 금형 내에서 없어지는 경우는, 연속주조 조업을 위해 초기 더미바가 삽입되게 되는데 깔대기 형상이 없어지는 위치가 더미바 삽입 위치보다 위일 경우 더미바 형상이 깔대기 모양과 같이 할 필요가 없이 원래 형상의 더미바를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 장점은 초기응고층이 깔대기 형상으로 4면에 형성되어 철정압이 작용하더라도 깔대기 형상이 응고층의 회전에 대해 저항하므로써 장사방형이 되지 않아 장사방형에 의해 발생하는 모서리부의 공기틈을 줄일 수 있는 장점이 있다.

(일부 실시예)

이러한 본 발명의 금형(100)에서 응고층의 수축량은 금형 내에서 응고층이 얼마나 열을 빼앗기는냐에 달려있으며, 금형 내 열유속은 주조속도, 강종, 금형동판의 두께, 금형동판의 재질, 금형용제등의 영향을 받는다. 이중에서 주조속도가 가장 영향을 많이 주는 인자이며, 정사각형 금형을 갖는 빌렛/블룸의 주조속도가 통상적으로 0.3~6m/min정도이고 이때 금형하부에서 응고층의 표면 온도는 주속이 0.3m/min으로 낮은 경우 800℃, 주속이 6m/min으로 고속인 경우 1200℃정도이다. 응고층 수축량은 아래와 같은 식(1)을 사용한다.

수축량=주편폭×(고상온도-주형하부에서 표면온도)×수축율

여기서 수축량은 정사각형 한변의 수축량(mm)이며, 고상온도는 강종에 따라 다르지만 보통 1500℃이며 수축율은 0.002%/℃이다.

정사각형 금형에서 응고층의 수축량을 보상하기 위한 방법으로, 초기 응고층이 깔대기 형상으로 형성되었다가 금형하부로 가면 깔대기 모양이 없어져 최종적으로 직선으로 변하게 되고 이 차이가 응고층의 수축량을 보상하게 된다. 깔대기 깊이(d)와 주편폭(W)과의 관계를 구하기 위해 도 22 내지 도 23의 기호를 이용하면 잉여길이의 차를 구할 수 있다. 여기서 W은 정사각형 금형의 폭(mm)이며, d는 깔대기의 깊이(mm), fw은 깔대기의 폭(mm)를 나타낸다.

응고층의 최소 및 최대 수축량을 폭 W에 대해 식(1)에 대입하여 계산하면 아래 식(2) 및 식(3)으로 표현할 수 있다.

최소수축량=W×(1500-1200)×0.002/100=0.006W(mm)

최대수축량=W×(1500-800)×0.002/100=0.014W(mm)

도 22 내지 도 24에 나타낸 깔대기의 곡률부분과 직선부분의 차이가 수축량을 보상하기 때문에 이 차이값을 이용하면 최소, 최대 수축량을 보상할 수 있는 깔대기의 깊이와 주편폭과의 상관관계를 도출 할 수 있다.

깔대기부의 금형형상에서 깔대기 폭과 깔대기 깊이와의 상관관계는 깔대기를 만드는 두원의 반경이 같은 경우 금형 한쪽변의 1/2만을 고려할 경우 도 22 내지 도 24에 나타낸 바와 같고 다음과 같은 식(4)이 성립된다.

R=(fw²/4+d²)/4d

여기서 R은 깔대기의 반경이며 는 fw은 깔대기 폭, d는 깔대기 깊이. Θ는 깔대기를 형성하는 중심과 두 원이 만나는 선의 각도를 나타낸다.

깔대기의 곡률부분과 직선부의 차이 즉 잉여길이는 아래 식(5)이 성립된다.

AL=2×(2RΘ-fw/2)

여기서 AL은 깔대기 곡률부와 직선 길이의 차이(mm)이며 Θ는 아래 식(6)으로 표현된다.

Θ=arcsin(fw/4R)

일반적으로 정사각형 형상인 한쪽 변의 길이가 100~500mm이므로 한쪽 변의 응고층의 폭에 따른 최소/최대 수축량은 식(2)(3)에 대입하면 최소수축량은 0.6~3.0mm이며 최대 수축량은 1.4~7.0mm이다.

깔대기 곡률부분과 직선부분의 차이인 잉여길이를 이용하여 최소수축량인 0.6~3.0mm를 보상하기 위한 계산 방법으로 깔대기 폭 fw이 주편폭 W의 1/2인 경우에 대해 식(5),(6)을 이용하여 계산하면 깔대기의 깊이 d는 폭 100, 500mm인 경우에 대해 각각 3.36, 16.8mm이다.

또한 최대수축량인 1.4~7.0mm를 보상하기 위한 계산 방법으로 깔대기 폭 fw이 주편폭 W의 1/2인 경우에 대해 식(5),(6)을 이용하여 계산하면 깔대기의 깊이 d는 폭 100, 500mm인 경우에 대해 각각 5.15, 25.7mm이다.

따라서 정사각형 금형의 한변의 길이가 100~500mm의 범위에서 깔대기를 적용하는 경우 최소수축율을 보상하기 위한 주편 폭과 깔대기 깊이와의 비율은

(16.8-3.36)/(500-100)×100 = 3.36 ---식(7)

최대수축율을 보상하기 위한 주편 폭과 깔대기 깊이와의 비율은

(25.7-5.15)/(500-100)×100 = 5.14 ---식(8)

이다.

따라서 주편폭과 깔대기 깊이의 변화 범위는 아래 식(9)으로 표현할 수 있다.

깔대기 깊이(d)=(3.36~5.15)/100×주편 폭(W)

깔대기 깊이(d)와 깔대기 폭(fw)의 관계는 주편 폭이 100mm인 경우 주편수축량의 범위는 0.6~3.0mm이므로 깔대기폭 50mm를 가정하여 식(5),(6)을 이용하여 깔대기 깊이를 계산하면 최소3.36, 최대 5.15mm이다. 이를 이용하여 깔대기 깊이와 깔대기 폭과의 범위를 계산하면,

깔대기 폭(fw)=(9.71~14.88)×깔대기 깊이(d)

상기 식(10)의 관계가 도출된다.

또한 금형 모서리에 곡률을 줄 경우, 깔대기 폭이 곡률과 겹치는 경우 응고층 뒤틀리는 문제가 발생하므로 깔대기폭이 최소한 모서리 곡률이 시작되는 곳을 넘어서는 안된다.

금형내 응고층 수축을 보상하는 방법으로는 기존에 사용하고 있는 직선 금형경사와 다단 금형경사를 본 발명의 깔대기 형상에 의한 잉여길이와 조합하여 사용할 수도 있다. 이 경우 기존의 금형경사와 깔대기의 깊이와 깔대기의 폭에 의한 잉여길이 보상량을 계산하여 사용하면 된다.

따라서, 도 24에는 주편 폭이 100mm,금형깔대기 깊이는 6.7mm, 깔대기 폭이 50mm인 경우로 하고 금형 2/3 지점에서 깔대기 형상이 없어진 금형에 금형경사를 0.8% 부여한 경우 주속 1.6m/min으로 주조시 주편에 모서리 표면 크랙 발생률을 적용전과 비교하여 나타내었는데 적용후 표면크랙 및 내부크랙은 발생하지 않았다.

즉, 도 24에 도시된 바와 같이, 상기 둥근 볼록 모서리부의 제 5 곡률 반경(R5)은, 상기 제 1 깔대기부(HP1)의 제 1 곡률 반경(R1)과 서로 동일하고, 상기 제 5 곡률 반경(R5)과 상기 제 1 곡률 반경(R1)이 R이고, 상기 깔대기 깊이가 d이고, 상기 깔대기 폭이 fw인 경우, R=(fw²/4+d²)/4d일 수 있다.

이 때, 도 23에 도시된 바와 같이, 예컨대, 주편폭이 W이고, 상기 깔대기 깊이가 d이고, 상기 깔대기 폭이 fw인 경우, d=(3.36 내지 5.15)W/100이고, fw=(9.71 내지 14.88)d일 수 있다.

따라서, 도 25에 도시된 바와 같이, 상술된 깔대기부를 적용할 경우, 경험적으로 살펴보면, 본 발명의 표면결함지수는 0.05 퍼센트 미만인 것으로서, 기존의 0.6 퍼센트에 비하여 12배 이상으로 표면결함을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

1. 단면이 정사각형 또는 직사각형인 빌렛 또는 블룸을 연속하여 주조할 수 있도록 상방에 용강이 인입되도록 개방되는 용강 입구가 형성되고, 하방에 상기 용강이 배출되도록 개방되는 용강 출구가 형성되며, 상기 용강 입구로 인입된 상기 용강과 접촉되어 상기 용강을 냉각시키도록 상기 용강의 제 1 측면과 접촉되는 제 1 내벽면, 상기 용강의 제 2 측면과 접촉되는 제 2 내벽면, 상기 용강의 제 3 측면과 접촉되는 제 3 내벽면 및 상기 용강의 제 4 측면과 접촉되는 제 4 내벽면으로 이루어지는 4각 파이프 형태의 몸체;
   상기 제 1 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 1 깔대기부;
   상기 제 2 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 2 깔대기부;
   상기 제 3 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 3 깔대기부; 및
   상기 제 4 내벽면에 형성되고, 깔대기 깊이 또는 깔대기 폭이 아래로 내려올수록 작아지는 형상인 제 4 깔대기부;
   를 포함하는, 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 깔대기부는 상기 제 1 내벽면을 따라 상단에서 하단까지 또는 상단에서 중간까지 전체적으로 또는 부분적으로 형성되고,
   상기 제 1 깔대기부의 깔대기 폭이 일정하도록 상기 제 1 깔대기부의 제 1 높이에서 오목하게 형성되는 제 1 오목면의 제 1 곡률 반경은, 상기 제 1 깔대기부의 상기 제 1 높이 보다 낮은 제 2 높이에서 오목하게 형성되는 제 2 오목면의 제 2 곡률 반경 보다 작으며,
   상기 제 1 오목면에서 상기 제 2 오목면까지 연속적으로 경사지게 형성되는 둥근 사각폭 경사면이 형성되는, 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 깔대기부는 상기 제 1 내벽면을 따라 상단에서 하단까지 또는 상단에서 중간까지 전체적으로 또는 부분적으로 형성되고,
   상기 제 1 깔대기부의 깔대기 폭이 아래로 갈수록 줄어들도록 상기 제 1 깔대기부의 제 3 높이에서 오목하게 형성되는 제 3 오목면의 제 3 곡률 반경은, 상기 제 1 깔대기부의 상기 제 3 높이 보다 낮은 제 4 높이에서 오목하게 형성되는 제 4 오목면의 제 4 곡률 반경과 동일하며,
   상기 제 3 오목면에서 상기 제 4 오목면까지 연속적으로 경사지게 형성되는 둥근 역삼각폭 경사면이 형성되는, 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 내벽면과 상기 제 1 깔대기부 사이는 제 5 곡률 반경을 갖는 둥근 볼록 모서리부가 형성되고,
   상기 제 1 내벽면과 상기 제 2 내벽면 사이는 제 6 곡률 반경을 갖는 둥근 오목 모서리부가 형성되는, 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 둥근 볼록 모서리부의 제 5 곡률 반경은, 상기 제 1 깔대기부의 제 1 곡률 반경과 서로 동일한, 빌렛 또는 블룸의 연속 주조형 금형.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 5 곡률 반경과 상기 제 1 곡률 반경이 R이고, 상기 깔대기 깊이가 d이고, 상기 깔대기 폭이 fw인 경우, R=(fw²/4+d²)/4d인, 빌렛 또는 블룸의 연속 주조형 금형.
7. 제 1 항에 있어서,
   주편폭이 W이고, 상기 깔대기 깊이가 d이고, 상기 깔대기 폭이 fw인 경우, d=(3.36 내지 5.15)W/100이고, fw=(9.71 내지 14.88)d인, 빌렛 또는 블룸의 연속 주조용 금형.
   

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