KR20180081729A - 유동 편향기를 포함하는 주조 노즐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 외측 벽에 의해 한정되고 보어(1)를 포함하는 긴 몸체를 포함하는 주조 노즐로서, 보어는 보어 벽에 의해 한정되고 종축 X1을 따라 보어 입구(1u)로부터 하류 보어 단부(1d)까지 연장되고, 상기 보어는 상기 종축 X1을 횡단하여 하류 보어 단부(1d)에 인접한 포트 입구(2u)를 한정하는 보어 벽에 있는 개구로부터, 보어를 외측 분위기와 유체연통식으로 연결하는 포트 출구(2d)를 한정하는 외측 벽에 있는 개구까지 각각 연장되는 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들(2)을 포함하는, 주조 노즐에 있어서, 각각의 포트 입구(2u)로부터 상류에서 그리고 각각의 포트 입구 바로 위에서, 1개 또는 2개의 유동 편향기들(3)이 보어 벽으로부터 돌출되고 종축 X1에 평행하게 측정되는 편향기 높이 Hd에 걸쳐, 포트 입구로부터 멀리 떨어진 상류 편향기 단부로부터 포트 입구에 가까운 하류 편향기 단부까지 연장되고, 각각의 유동 편향기의 종축 X1에 수직한 단면의 면적이 편향기 높이 Hd의 50% 이상에 걸쳐, 상류 편향기 단부로부터 하류 편향기 단부를 향해 연장되는 방향으로 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 주조 노즐에 관한 것이다.

Description

유동 편향기를 포함하는 주조 노즐
본 발명은 연속 금속 주조 설비(continuous metal casting installation)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 용융 금속을 턴디시(tundish)로부터 주형(mould) 내로 이송하기 위한 주조 노즐(casting nozzle)에 관한 것으로서, 시간 경과에 따라 그리고 측부 포트들(side ports) 사이 둘 모두에서 통상적인 주조 노즐보다 더욱 균질한, 주조 노즐의 측부 포트로부터의 유량을 산출하는 주조 노즐에 관한 것이다. 편류(bias flow) 및 주형 내의 메니스커스 높이(meniscus level)의 수직 요동(vertical fluctuation)이 본 발명에 따른 주조 노즐에 의해 실질적으로 감소된다.
연속 금속 성형 공정에서, 금속 용융물이 하나의 야금 용기(metallurgical vessel)로부터 다른 것으로, 주형으로 또는 턴디시로 이송된다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 레이들(ladle)(11)이 노(furnace)로부터의 금속 용융물로 충전되고, 레이들 슈라우드 노즐(ladle shroud nozzle)(111)을 통해 턴디시(10)로 이송된다. 금속 용융물은 이어서 주조 노즐(1N)을 통해 턴디시로부터 슬래브(slab), 빌릿(billet), 빔(beam), 얇은 슬래브를 형성하기 위한 주형으로 보내질 수 있다. 턴디시로부터의 금속 용융물의 유동은 주조 노즐(1N)을 통한 중력에 의해 구동되고, 유량은 스토퍼(stopper)(7) 또는 턴디시 슬라이드 게이트(tundish slide gate)에 의해 제어된다. 스토퍼(7)는, 주조 노즐 입구 오리피스 위에 이동가능하게 장착되고 주조 노즐 입구 오리피스에 동축으로(즉, 수직으로) 연장되는 로드(rod)이다. 노즐 입구 오리피스에 인접한 스토퍼의 단부는 스토퍼 헤드이고 상기 입구 오리피스의 기하학적 구조에 정합하는 기하학적 구조를 가져, 스토퍼 헤드와 노즐 입구 오리피스가 서로 접촉할 때, 노즐 입구 오리피스가 밀봉된다. 턴디시로부터의 그리고 주형 내로의 용융 금속의 유량은 예컨대 스토퍼 헤드와 노즐 오리피스 사이의 공간을 제어하기 위해 스토퍼를 상하로 연속적으로 이동시킴으로써 제어된다.
노즐을 통한 용융 금속의 유량 Q의 제어는 유량의 임의의 변동이 주형(100) 내에 형성되는 용융 금속의 메니스커스(200m)의 높이의 대응하는 변동을 유발하기 때문에 매우 중요하다. 고정된 메니스커스 높이가 하기의 이유를 위해 획득되어야 한다. 액체 윤활 슬래그(liquid lubricating slag)가 형성 중인 슬래브(building slab)의 메니스커스 상에 특별한 분말을 용융시킴으로써 인위적으로 생성되며, 이는 유동이 진행됨에 따라 주형 벽을 따라 분포된다. 메니스커스 높이가 과도하게 변하는 경우에, 윤활 슬래그가 파형(wavy) 메니스커스의 가장 함몰된 부분 내에 모이는 경향이 있고, 따라서 메니스커스의 피크(peak)를 노출시키며, 그 결과 윤활제가 없거나 부족한 분포로 이어지고, 이는 주형의 마모에 그리고 그에 따라 생성된 금속 부분의 표면에 유해하다. 또한, 과도하게 변하는 메니스커스 높이는 또한 윤활 슬래그가 주조되는 금속 부분 내에 포획될 위험을 증가시키며, 이는 당연히 제품의 품질에 유해하다. 마지막으로, 메니스커스의 높이의 임의의 변동은 노즐의 내화(refractory) 외측 벽의 마모율을 증가시키고, 따라서 노즐의 사용 시간(service time)을 감소시킨다.
주조 노즐(1N)은 일반적으로, 외측 벽에 의해 한정되고 보어(bore)(1)를 포함하는 긴 몸체(elongated body)를 포함하고, 보어는 보어 벽에 의해 한정되고 종축 X1을 따라 보어 입구(1u)로부터 하류 보어 단부(1d)까지 연장된다. 주형을 균일하게 충전하기 위해, 주조 노즐은 일반적으로 상기 종축 X1을 횡단하여 하류 보어 단부(1d)에 인접한 포트 입구(port inlet)(2u)를 한정하는 보어 벽에 있는 개구로부터, 보어를 외측 분위기(outer atmosphere)와 유체연통식으로(fluidly) 연결하는 포트 출구(port outlet)(2d)를 한정하는 외측 벽에 있는 개구까지 각각 연장되는 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들(2)을 포함하고; 사용 시에 외측 분위기는 주형 공동(mould cavity)에 의해 형성된다.
주조 노즐 내에서 지배적인 복잡한 유체 유동 조건으로 인해, 금속 유동이 보어 벽으로부터 분리되게 할 수 있는, 보어 벽에 인접한 경계층에서의 불안정성의 위험, 및 유량이 보어의 다른 부분 내에서보다 실질적으로 더 낮은, 보어 내의 데드 존(dead zone)의 형성의 위험과 함께, 측부 포트로부터의 용융 금속의 유량 Q의 변동이 시간의 함수로서 발생하고, 또한 하나의 측부 포트와 다른 하나의 측부 포트 사이에서 발생하는 것이 흔히 관찰된다. 도 3은 제1 측부 포트로부터의 유량 Q1(백색 칼럼)을 반대편 측부 포트로부터의 유량 Q2(음영 칼럼)와 비교하고, 또한 상대 변동(relative variation) ΔQ1 -2 = |Q1 ― Q2| / MIN(Q1, Q2)를 나타내며, 여기서 MIN(Q1, Q2)는 주어진 주조 노즐에 대한 Q1 및 Q2의 최저값이다. PA로 표기된 주조 노즐(가로축 상의 좌측 첫 번째)은 원통형 보어를 가진 통상적인 2 측부 포트-주조 노즐이다. Q1 = 318 d㎥/분이 Q2 = 338 d㎥/분보다 실질적으로 더 낮은 것을 볼 수 있다(ΔQ1-2 = 6.2%). 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들 사이의 그러한 비대칭 유동 패턴은 노즐 내에서의 유동 불안정성의 문제를 나타낸다. 이는, 윤활제가 고화 중인 금속 슬래브(solidifying metal slab) 내로 전달될 위험과 함께, 주형이 불균일하게 충전되게 하고 형성 중인 슬래브의 메니스커스가 주조 노즐의 일 측부에서 다른 측부에서보다 더 낮아지게 할 수 있다. 침지된 노즐의 각각의 측부 상의 메니스커스 유동의 차이가 와류(vortex) 및 파동(wave)을 생성할 것이다. 그 결과, 온도 분포가 또한 불균일할 것이다.
본 발명은 주조 노즐 보어 내의, 특히 측부 포트 내로의 용융 금속 유동의 안정화를 허용하는 해법을 제안한다. 본 발명의 이러한 및 다른 이점이 다음 섹션에서 제시된다.
본 발명은 독립 청구항에 한정된다. 바람직한 실시예가 종속 청구항에 한정된다. 특히, 본 발명은 외측 벽에 의해 한정되고 보어를 포함하는 긴 몸체를 포함하는 주조 노즐에 관한 것으로서, 보어는 보어 벽에 의해 한정되고 종축 X1을 따라 보어 입구로부터 하류 보어 단부(1d)까지 연장되고, 상기 보어는 상기 종축 X1을 횡단하여 하류 보어 단부에 인접한 포트 입구를 한정하는 보어 벽에 있는 개구로부터, 보어를 외측 분위기와 유체연통식으로 연결하는 포트 출구를 한정하는 외측 벽에 있는 개구까지 각각 연장되는 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들을 포함한다. 본 발명의 주조 노즐은 2개 초과의 서로 반대편에 있는 측부 포트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주조 노즐은 2개씩 서로 반대편에 있는 4개의 측부 포트들을 포함할 수 있다. 본 발명의 주조 노즐은, 각각의 포트 입구로부터 상류에서 그리고 각각의 포트 입구 바로 위에서, 1개 또는 2개의 유동 편향기들(flow deflectors)이 보어 벽으로부터 돌출되고 종축 X1에 평행하게 측정되는 편향기 높이 Hd에 걸쳐, 포트 입구로부터 멀리 떨어진 상류 편향기 단부로부터 포트 입구에 가까운 하류 편향기 단부까지 연장되고, 각각의 유동 편향기의 종축 X1에 수직한 단면의 면적이 편향기 높이 Hd의 50% 이상에 걸쳐, 상류 편향기 단부로부터 하류 편향기 단부를 향해 연장되는 방향으로 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에서, 각각의 유동 편향기의 종축 X1에 수직한 단면의 면적은 편향기 높이 Hd의 50% 이상에 걸쳐 삼각형 또는 사다리꼴이고 삼각형 또는 사다리꼴로 유지된다. 각각의 편향기의 종축 X1에 수직한 단면의 면적은 바람직하게는 편향기 높이 Hd의 80% 이상에 걸쳐, 바람직하게는 90% 이상에 걸쳐, 더욱 바람직하게는 100%에 걸쳐 상류 편향기 단부로부터 연속적으로 증가한다.
유동 편향기들의 유동 편향 기능을 최적화시키기 위해, 각각의 유동 편향기의 하류 편향기 단부는 포트 입구로부터 거리 h에 있고, 여기서 h는 종축 X1을 따라 측정되고 0 내지 H, 바람직하게는 0 내지 H/2로 구성되고, 여기서 H는 종축 X1에 평행하게 보어 벽을 따라 측정되는 대응하는 포트 입구의 최대 높이인 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 각각의 유동 편향기는 제1 및 제2 측방향 표면들(lateral surfaces)을 포함하고, 제1 및 제2 측방향 표면들은 평탄하고 삼각형 또는 사다리꼴 주연부를 갖고 서로 70 내지 160°로 구성되는 각도 α를 형성한다. 이러한 실시예에서, 상기 제1 및 제2 측방향 표면들 각각은 보어 벽으로부터 멀리 떨어진 자유 에지(free edge)를 포함하고, 유동 편향기의 측방향 벽과 교차하는(intercepting), 종축 X1에 수직한 평면을 따른 임의의 절단부(cut)에 대해, 각각의 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면들 중 적어도 하나의 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면들 중 적어도 하나에 수직하게 연장되는 직선이 바람직하게는 종축 X1과 주조 노즐의 외측 벽에 의해 한정되는 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 중간 평면(middle plane) P1과 교차하고, 여기서 중간 평면 P1은, 종축 X1을 포함하고 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들의 포트 입구들의 도심들(centroids)을 지나가는 선에 수직한 평면으로서 정의된다.
이러한 실시예에서, 각각의 유동 편향기는, 평탄하고 삼각형, 직사각형, 또는 사다리꼴 주연부를 갖는 중심 표면(central surface)을 포함할 수 있고, 중심 표면의 양측에 제1 및 제2 측방향 표면들이 배치되어, 제1 및 제2 측방향 표면들을 제1 및 제2 측방향 표면들의 각각의 자유 에지들에서 연결한다. 평탄한 중심 표면에 수직하고 종축 X1에 평행한 평면 ∏n을 따른 절단부에서, 평탄한 중심 표면은 상기 평면 ∏n 상에의 종축 X1의 정사영(normal projection)과 각도 β를 형성하고, β는 1 내지 15°, 바람직하게는 2 내지 8°로 구성된다.
대안적인 실시예에서, 제1 및 제2 측방향 표면들의 자유 에지들은 연결되어 직선형 리지(rectilinear ridge)를 형성한다. 상기 직선형 리지를 포함하고 제1 및 제2 측방향 표면들에 의해 형성되는 각도 α를 2등분하는 평면 ∏b를 따른 절단부에서, 직선형 리지는 바람직하게는 상기 평면 ∏b 상에의 종축 X1의 정사영과 각도 γ를 형성하고, γ는 1 내지 15°, 바람직하게는 2 내지 8°로 구성된다.
바람직한 실시예에서, 주조 노즐은 각각의 포트 입구로부터 상류에 있는 2개의 유동 편향기들을 포함한다. 2개의 유동 편향기들은 바람직하게는 각각의 측부 포트에 접해 있다(contiguous). 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 벽들과 교차하는, 종축 X1에 수직한 평면을 따른 임의의 절단부에 대해,
- 각각의 유동 편향기의 제1 측방향 표면의 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 제1 측방향 표면에 수직하게 연장되는 제1 직선이 바람직하게는 종축 X1과 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 중간 평면 P1과 교차하고, 여기서 P1은 위에서 정의된 바와 같고,
- 각각의 유동 편향기의 제2 측방향 표면의 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 제2 측방향 표면에 수직하게 연장되는 제2 직선이 바람직하게는 종축 X1과 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 중심 평면(central plane) P2와 교차하고, 여기서 중심 평면 P2는 종축 X1을 포함하고 P1에 수직하다.
대안적인 실시예에서, 주조 노즐은 각각의 포트 입구로부터 상류에 있는 단일 유동 편향기를 포함한다. 상기 단일 유동 편향기는 바람직하게는 대응하는 유동 포트에 접해 있다. 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 벽들과 교차하는, 종축 X1에 수직한 평면을 따른 임의의 절단부에 대해, 각각의 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면들의 자유 에지들에서 시작되고 각각의 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면들에 수직하게 연장되는 직선들이 바람직하게는, 종축 X1의 양측에 위치되고 종축 X1과 외측 주연부 사이에 포함되는 제1 및 제2 섹션들에서 중간 평면 P1과 교차한다.
본 발명에 따른 주조 노즐은 또한, 보어 벽으로부터 돌출되고 하류 보어 단부(2d)로부터 포트 입구의 높이 위까지 상류로 연장되는 2개의 에지 포트들(edge ports)을 포함할 수 있고, 2개의 에지 포트들은 서로 대면하고 2개의 측부 포트들의 포트 입구들 사이에 위치된다.
본 발명의 다양한 실시예가 첨부 도면에 예시된다.
도 1은 연속 금속 주조 설비를 개략적으로 예시한 도면.
도 2는 (a) 턴디시에 결합되고 주형 내에 부분적으로 맞물린 주조 노즐을 예시한 도 1의 상세도, 및 (b) 주조 노즐의 사시도.
도 3은 종래 기술의 통상적인 주조 노즐(PA)과 본 발명의 2개의 실시예(INV1, INV2)에 대해 제1 측부 포트와 다른 하나의 측부 포트 사이에서 유량 Q1 및 Q2를 그래프로 비교한 도면.
도 4는 2개의 유동 편향기를 포함하는 본 발명에 따른 노즐의 제1 실시예를 도시한 도면.
도 5는 2개의 유동 편향기 및 2개의 에지 포트를 포함하는 본 발명에 따른 노즐의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 6은 4개의 유동 편향기를 포함하는 본 발명에 따른 노즐의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 7은 4개의 유동 편향기 및 2개의 에지 포트를 포함하는 본 발명에 따른 노즐의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 8은 도 6의 주조 노즐의 절단 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 유동 편향기의 상이한 실시예들을 도시한 도면.
도 10은 유동 편향기의 단면을 도시한, 2개의 실시예의 X1에 수직한 평면을 따른 절단도.
도 11은 본 발명에 따른 노즐의 (a) 제1 실시예 및 (b) 제2 실시예의 유동 편향기를 포함하는, 종축 X1에 수직한 평면을 따른 3개의 절단부 및 절단 측면도.
본 발명은 도면에 예시된 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위에 언급된 특징부 뒤에 도면 부호가 부여되는 경우에, 그러한 부호가 단지 청구범위의 이해도를 향상시키기 위해 포함되며, 결코 청구범위의 범주를 제한하지 않는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 용융 금속(200)을 턴디시(10)로부터 주형(100) 내로 이송하기 위해 사용되는 주조 노즐(1N)에 관한 것이다. 본 발명의 주조 노즐은 주형 내로의 용융 금속의 더욱 안정되고 균질한 유동을 산출하며, 이때 주형 내에서 용융 금속의 상부에 형성되는 메니스커스(200m)의 수직 높이가 주조 작업 중에 안정되게 유지된다.
본 발명에 따른 노즐은, 외측 벽에 의해 한정되고 보어(1)를 포함하는 긴 몸체를 포함하는 유형의 것이며, 보어는 보어 벽에 의해 한정되고 종축 X1을 따라 보어 입구(1u)로부터 하류 보어 단부(1d)까지 연장된다. 보어는 상기 종축 X1을 횡단하여 하류 보어 단부(1d)에 인접한 포트 입구(2u)를 한정하는 보어 벽에 있는 개구로부터, 보어를 외측 분위기와 유체연통식으로 연결하는 포트 출구(2d)를 한정하는 외측 벽에 있는 개구까지 각각 연장되는 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들(2)을 포함한다. 외측 분위기는 포트 출구의 높이에서 주조 노즐의 외측 벽을 둘러싸는 임의의 분위기로 정의된다. 주조 작업 중의 사용 시에, 외측 분위기는 측부 포트의 높이 위까지 주조 주형을 충전하는 용융 금속에 의해 형성된다(도 2(a) 참조). 본 발명에 따른 주조 노즐은 2개 초과의 서로 반대편에 있는 측부 포트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주조 노즐은 2개씩 서로 반대편에 있는 4개의 측부 포트들을 포함할 수 있다.
본 발명의 요지는 각각의 포트 입구(2u)로부터 상류에서 그리고 각각의 포트 입구 바로 위에서, 1개의 또는 2개의 유동 편향기(3)를 제공하는 것으로 구성되며, 유동 편향기는 보어 벽으로부터 돌출되고 종축 X1에 평행하게 측정되는 편향기 높이 Hd에 걸쳐, 포트 입구로부터 멀리 떨어진 상류 편향기 단부로부터 포트 입구에 가까운 하류 편향기 단부까지 연장된다. 표현 "바로 위에서"는 본 명세서에서 유동 편향기의 하류 편향기 단부와 대응하는 포트 입구 사이에 돌출부 또는 리세스(recess)가 없음을 의미한다. 하류 편향기 단부는 바람직하게는 대응하는 포트 입구에 접해 있다.
각각의 유동 편향기의 종축 X1에 수직한 단면의 면적은 편향기 높이 Hd의 50% 이상에 걸쳐, 상류 편향기 단부로부터 하류 편향기 단부를 향해 연장되는 방향으로 연속적으로 증가한다. 바람직하게는, 그러한 면적은 Hd의 80% 이상에 걸쳐, 더욱 바람직하게는 90% 이상에 걸쳐 연속적으로 증가한다. 가장 바람직하게는, 그러한 면적은 도 9(a) 내지 도 9(c)에 예시된 바와 같이, 편향기 높이 Hd의 100%에 걸쳐 연속적으로 증가한다. 도 9(a) 및 도 9(b)에서, 단면적은 유동 편향기의 전체 높이 Hd에 걸쳐 선형으로 증가하는 한편, 도 9(c)에서, 단면적은 선형으로는 아니지만 연속적으로 증가한다. 도 9(c)는 상류 편향기 단부로부터 Hd의 50%를 초과하는 거리에 위치되는 하나의 지점에서, 단면이 하류 편향기 단부까지 감소하는 실시예를 예시한다. 사용될 때마다, 용어 "상류" 및 "하류"는 보어 입구(1u)로부터 포트 출구(2d)를 향하는 유동에 관하여 정의된다.
종축에 수직한 평면을 따른 유동 편향기의 단면은 바람직하게는 편향기 높이 Hd의 50% 이상에 걸쳐, 바람직하게는 80% 이상에 걸쳐, 더욱 바람직하게는 90% 이상에 걸쳐 삼각형 또는 사다리꼴이고, 바람직하게는 삼각형 또는 사다리꼴로 유지된다. 바람직한 실시예에서, 상기 단면은 도 4 내지 도 9 및 도 11에 예시된 바와 같이, 유동 편향기의 전체 높이(= 100%) Hd에 걸쳐 삼각형 또는 사다리꼴이고 삼각형 또는 사다리꼴로 유지된다. 도 9에 예시된 바와 같은 유동 편향기는 제1 및 제2 비-평행 측방향 표면(3R, 3L)이 서로 연결되어 도 9(b) 및 도 9(c)에 예시된 바와 같은 리지를 형성하거나, 도 9(a)에 도시된 바와 같이 중심 표면(3C)의 2개의 서로 반대편에 있는 변들에서 연결되어 에지를 형성하는 노우즈-유사(nose-like) 기하학적 구조를 갖는다. 중심 표면(3C)은 도 9(a)에 도시된 바와 같이 평탄할 수 있거나, 도 9(c)에 도시된 바와 같이 만곡될 수 있다.
유동 편향기의 하류 편향기 단부는 대응하는 포트 입구 바로 위에(또는 그로부터 상류에) 위치되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 하류 편향기 단부는 상기 포트 입구에 접해 있어, 예컨대 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 포트 입구의 립(lip)을 형성한다. 하류 편향기 단부는 또한 포트 입구로부터 거리 h에서 대응하는 포트 입구 바로 위에 위치될 수 있으며, 여기서 도 11(b)에 예시된 바와 같이, 거리 h는 종축 X1을 따라 측정되고 0 내지 H, 바람직하게는 0 내지 H/2로 구성되고, 여기서 H는 종축 X1에 평행하게 보어 벽을 따라 측정되는 대응하는 포트 입구의 최대 높이이다. 유동 편향기의 하류 편향기 단부가 거리 h > H에 위치되는 경우에, 측부 포트(2)를 통해 보어로부터 유출되기 전에 용융 금속 유동을 안정화시키는 아래에서 논의되는 유동 편향기의 효과가 감소된다. 따라서, 거리 h의 낮은 값이 바람직하며, 이때 h의 바람직한 값은 0 내지 30 mm, 바람직하게는 0 내지 15 mm; 그리고 더욱 바람직하게는 대응하는 포트 입구에 접해 있는 하류 편향기 단부를 한정하는 h = 0으로 구성된다.
도 8 및 도 10에 예시된 바와 같이, 중간 평면 P1이, 종축 X1을 포함하고 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들(2)의 포트 입구의 도심을 지나가는 선에 수직한 평면으로서 정의될 수 있다. 중심 평면 P2가 종축 X1 및 포트 입구들 각각의 도심을 포함하는 평면으로서 정의될 수 있으며, 따라서 P1이 P2에 수직하고 종축 X1에서 교차한다.
위에 언급된 바와 같이, 유동 편향기는 제1 및 제2 측방향 표면(3L, 3R)을 가진 노우즈 유사 기하학적 구조를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 상기 제1 및 제2 측방향 표면은 실질적으로 평탄하여, 적어도 2개의 서로 반대편에 있는 비-평행 에지들을 가진 삼각형 또는 사변형 주연부, 바람직하게는 사다리꼴 주연부를 형성한다. 제1 및 제2 측방향 표면은 보어 벽으로부터 서로를 향해 수렴하여, 서로 70 내지 160°로 구성되는 각도 α를 형성한다(도 9 참조).
상기 제1 및 제2 측방향 평탄한 표면들 각각은 보어 벽으로부터 멀리 떨어진 자유 에지를 포함한다. 2개의 측방향 표면은 그들 각각의 자유 에지에서 만나, 도 9(b)에 예시된 바와 같이 직선형일 수 있거나 적어도 도 9(c)에 도시된 바와 같이 직선형 섹션을 포함할 수 있는 리지(3RL)를 형성할 수 있다. 그러한 유동 편향기는 X1에 수직한 삼각형 단면을 갖고, 그의 단면과 관련하여 "삼각형 유동 편향기"로 지칭된다. 대안적으로, 측방향 표면은, 평탄할 수 있거나(도 9(a) 참조) 평탄한 부분을 포함할 수 있고(도 9(c) 참조) 삼각형, 직사각형, 또는 사다리꼴 주연부를 갖는 중심 표면(3C)에 의해 분리될 수 있다. 중심 표면의 양측에 제1 및 제2 측방향 표면(3R, 3L)이 배치되어, 도 9(a) 및 도 9(c)에 도시된 바와 같이, 측방향 표면들을 그들 각각의 자유 에지에서 연결한다. 그러한 유동 편향기는 X1에 수직한 사다리꼴 단면을 갖고, 그의 단면과 관련하여 "사다리꼴 유동 편향기"로 지칭된다. 도 9(c)에 도시된 바와 같이 중심 표면이 만곡되는 경우에, X1에 수직한 단면은 "의사-사다리꼴(quasi-trapezoidal)"로 지칭될 수 있고, 그러한 유동 편향기는 "의사-사다리꼴 유동 편향기"로 지칭될 수 있다.
도 9(b) 및 도 9(c)에 도시된 바와 같이, 삼각형 유동 편향기의 직선형 리지 또는 직선형 리지 섹션은 보어 벽에 평행하지 않고, 1 내지 15°, 바람직하게는 2 내지 8°로 구성되는 각도 γ에 의해 한정되는 기울기(slope)를 형성하며, 여기서 β는 상기 직선형 리지(섹션)를 포함하고 제1 및 제2 측방향 표면(3R, 3L)에 의해 형성되는 각도 α를 2등분하는 평면 ∏b 상에서, 상기 직선형 리지와 종축 X1의 정사영 사이에서 측정된다. 각도 γ는 노우즈 유사 삼각형 유동 편향기의 기울기를 한정한다.
유사하게 그리고 도 9(a)에 도시된 바와 같이, 사다리꼴 유동 편향기의 평탄한 중심 표면(3C) 또는 평탄한 중심 표면 부분의 기울기는 보어 벽에 평행하지 않고, 1 내지 15°, 바람직하게는 2 내지 8°로 구성되는 각도 β에 의해 한정되는 기울기를 형성하며, 여기서 β는 평탄한 중심 표면(3C)에 수직하고 종축 X1에 평행한 평면 ∏n 상에서, 상기 평탄한 중심 표면(부분)과 종축 X1의 정사영 사이에서 측정된다. 각도 β는 노우즈 유사 사다리꼴 유동 편향기의 기울기를 한정한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 유동 편향기의 측방향 벽과 교차하는, 종축 X1에 수직한 평면을 따른 임의의 절단부에 대해, 각각의 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면들 중 적어도 하나의 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면들 중 적어도 하나에 수직하게 연장되는 직선이 종축 X1과 주조 노즐의 외측 벽에 의해 한정되는 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 중간 평면 P1과 교차하는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 주조 노즐은 도 4, 도 5, 도 10(a), 및 도 11(a)에 예시된 바와 같이, 각각의 포트 입구(2u)로부터 상류에 있고 바람직하게는 각각의 포트 입구에 접해 있는 단일 유동 편향기(4)를 포함한다. 도 10(a)에 예시된 이러한 실시예에서, 각각의 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면의 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 표면에 수직하게 연장되는 직선은, 종축 X1의 양측에 위치되고 종축 X1과 외측 주연부 사이에 포함되는 제1 및 제2 섹션에서 중간 평면 P1과 교차한다.
이러한 구성에 의해, 유동이 보어 벽을 향해 편향되고, 측부 포트의 벽을 따라 가압되어, 이차 유동(secondary flow)의 형성을 방지한다. 특히, 포트의 측벽을 향해 편향되는 유동은 2개의 측부 포트들(2) 사이에서 균일하게 분할되어, 보어 내부에서의 임의의 편류 거동을 제거한다.
대안적인 실시예에서, 주조 노즐은 도 6 내지 도 8, 도 10(b), 및 도 11(b)에 예시된 바와 같이, 각각의 포트 입구(2u)로부터 상류에 있고 바람직하게는 각각의 포트 입구에 접해 있는 2개의 유동 편향기(4)를 포함한다. 도 10(b)에 예시된 이러한 실시예에서,
각각의 유동 편향기의 제1 측방향 표면의 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 제1 측방향 표면에 수직하게 연장되는 제1 직선이 종축 X1과 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 중간 평면 P1과 교차하고,
각각의 유동 편향기의 제2 측방향 표면의 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 제2 측방향 표면에 수직하게 연장되는 제2 직선이 종축 X1과 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 중심 평면 P2와 교차한다.
위에서 논의된 각각의 측부 포트 위에 단일 유동 편향기를 포함하는 실시예에서와 유사하게, 제1 측방향 표면에 의해 보어 벽을 향해 편향되는 유동은 편류의 형성을 방지한다. 편류 형성은 또한 제2 측방향 표면에 의해 유동을 중심 평면 P2를 향해 집중시킴으로써 감소된다. 편류 형성은 에지 포트가 존재하는 경우에도 큰 노즐 보어를 사용할 때 흔히 접하는 문제이다. 제2 측방향 표면에 의해 중심 평면 P2를 향해 편향되는 유동은 또한 측부 포트 유출 제트(jet)의 감소된 수직 요동과 함께 더욱 우수한 제트 안정성을 산출한다. 중심 평면 P2를 향하는 유동의 편향은 또한 기체 버블(gas bubble)을 측부 포트 유출 제트에 의해 동반되도록(entrained) 안내한다.
유동 편향기(3)에 의한 측부 포트로부터의 유동 제어의 향상은, 원형 단면을 가진 보어를 각각 갖는 3개의 상이한 주조 노즐: (a) 임의의 유동 편향기가 없는 종래 기술에 따른 주조 노즐, (b) 각각의 측부 포트 위에 단일 유동 편향기를 포함하는 본 발명에 따른 주조 노즐(INV1), 및 (c) 각각의 측부 포트 위에 2개의 유동 편향기를 포함하는 본 발명에 따른 주조 노즐(INV2)에 대해 측정된, 각각 제1 측부 포트 및 제2 측부 포트로부터의 유량 Q1(백색 칼럼) 및 Q2(음영 칼럼)를 플로팅한 도 3에서 입증된다. 제1 및 제2 유동 포트들 사이의 상대 유량 차이(relative flow difference) ΔQ1 -2 = |Q1 ― Q2| / MIN(Q1, Q2)가 또한 각각의 노즐에 대해 플로팅된다(흑색 원). 종래 기술의 주조 노즐 (a)의 제1 및 제2 유동 포트들 사이의 유량 차이 ΔQ1 -2가 6.2%에 이르며, 이때 제2 측부 포트로부터의 유량 Q2가 제1 측부 포트로부터의 유량 Q1보다 20 d㎥/분만큼 더 많은 것을 볼 수 있다. 주조 노즐로부터 주형 내로의 유동 거동의 그러한 비대칭이 그에 따라 형성된 최종 슬래브의 불균질성의 원인일 수 있다.
반면에, 각각의 측부 포트 위에 있는 1개 또는 2개의 편향기(b, c)의 존재는 Q1과 Q2 사이의 차이를 사실상 0으로 감소시켜, 주조 노즐로부터 주형 내로의 대칭 유동을 산출한다. 위에서 논의된 바와 같이, 수직 유동 요동이 중심 평면 P2를 향하는 유동의 일부를 편향시킴으로써 실질적으로 감소되며, 이는 각각의 측부 포트 위에 2개의 유동 편향기를 포함하는 주조 노즐에 대해 측정된 보다 낮은 표준 편차에 의해 표시된다.
유동 편향을 촉진시키기 위해, 유동 편향기의 상류 편향기 단부(3u)가 종축 X1에 수직한 0이 아닌(non-zero) 단면적을 갖는 것이 바람직하다. 도 9를 참조하면, 상류 편향기 단부(3u)가 정상부(summit) S에 형성되어 X1에 수직한 0의 단면적을 형성할 수 있지만, 상류 편향기 단부가 상기 정상부 S로부터 하류에, 유입 금속 유동이 충돌하는 표면을 형성하는 것이 바람직하다. 상류 편향기 단부(3u)는 도 9(a)에 예시된 바와 같이 X1에 수직한 표면을 형성할 수 있지만, 그것은 또한 도 9(c)에 도시된 바와 같이, 보어 벽으로부터 유동 편향기의 중심 에지(3C) 또는 리지(3RL)까지 하류로 하강하는 기울기를 형성할 수 있다. 상류 편향기 단부의 X1에 수직한 단면적은 바람직하게는 보어 벽으로부터 보어 벽에 수직하게 측정되는 1 내지 10 mm, 바람직하게는 2 내지 6 mm, 더욱 바람직하게는 4 ± 1 mm의 거리만큼 돌출된다. 그러한 치수는 보어 벽에 형성되는 경계층보다 수배 더 크다. 도 11은 절단부 A-A에서 0이 아닌 단면적을 갖는 상류 편향기 단부(3u)의 예를 도시한다.
바람직한 실시예에서, 주조 노즐은, 보어 벽으로부터 돌출되고 하류 보어 단부(2d)로부터 포트 입구(2u)의 높이 위까지 상류로 연장되는 2개의 에지 포트(5)를 추가로 포함하며, 2개의 에지 포트는 서로 대면하고 2개의 측부 포트의 포트 입구들(2u) 사이에 위치된다. 에지 포트(5)가 도 5 및 도 7에 예시된 바와 같이 중간 평면 P1에 대해 대칭인 것이 바람직하다. 에지 포트는 전통적으로 주조 노즐로부터의 유동을 안정화시키기 위해 사용된다. 그러나, 에지 포트만으로는, 특히 큰 크기의 보어를 갖는 주조 노즐에 대해 편류 형성을 실질적으로 감소시킬 수 없다. 에지 포트는 또한 2개의 측방향 에지 표면이 70 내지 160°로 구성되는 각도를 형성하는 노우즈-유사 기하학적 구조를 갖는다. 측방향 에지들이 만나 리지를 형성할 수 있거나, 측방향 에지들은 삼각형, 직사각형 또는 사다리꼴 기하학적 구조의 평탄한 중심 평면에 의해 분리될 수 있다. 에지 포트는 바람직하게는 보어 단부(1u)(즉, 보어의 저부 바닥(bottom floor))로부터 위로 종축 X1을 따라, 보어 입구의 높이 위로 연장된다.
에지 포트(5)의 효과는 금속 용융물이 측부 포트를 통해 유출되기 전에 연속하여 유동 편향기의 측방향 표면에 그리고 에지 포트의 측방향 에지 표면 상에 부딪쳐 튐(bounce)에 따라 비-선형 유동 경로가 형성될 때 유동 편향기(3)의 존재에 의해 향상된다. 이는 액체 용융물 내의 국소 압력을 증가시켜, 포트로부터 유출되는 편류 및 난류를 추가로 감소시킨다.
보어 단부(1d) 또는 보어 바닥은 도 4, 도 5, 및 도 11(a)에 도시된 바와 같이 실질적으로 평탄하고 종축에 수직할 수 있다. 그것은 바람직하게는 측부 포트(2)의 저부 바닥과 동일 평면 상에 있고 연속된다. 대안적인 실시예에서, 보어 단부(1d)는 도 6, 도 7, 및 도 11(b)에 예시된 바와 같이, 정점에서 만나 중간 평면 P1 내에 포함되는 리지를 형성하고 측부 포트를 향해 하향으로 기울어지는 2개의 보어 단부 부분을 포함한다. 역시, 측부 포트의 저부 바닥은 바람직하게는 보어 단부 부분과 동일 평면 상에 있고 연속되어(보어 단부 부분에 평행하게) 측부 포트로부터의 매끄러운 그리고 "의사-층류(quasi-laminar)" 유동을 보장한다.
본 발명에 따른 주조 노즐은 제1 및 제2 측부 포트로부터의 유동이 제1 및 제2 측부 포트로부터의 동일한 유량 Q1, Q2를 갖고서 균형을 이루고, 시간 경과에 따라 실질적으로 덜 요동하여, 보다 우수한 균질성 및 재현성을 갖는 빔을 산출한다는 점에서 종래 기술의 주조 노즐에 비해 유리하다.
Figure pct00001

Claims (15)

  1. 외측 벽에 의해 한정되고 보어(bore)(1)를 포함하는 긴 몸체(elongated body)를 포함하는 주조 노즐(casting nozzle)로서, 상기 보어는 보어 벽에 의해 한정되고 종축 X1을 따라 보어 입구(1u)로부터 하류 보어 단부(1d)까지 연장되고, 상기 보어는 상기 종축 X1을 횡단하여 상기 하류 보어 단부(1d)에 인접한 포트 입구(port inlet)(2u)를 한정하는 상기 보어 벽에 있는 개구로부터, 상기 보어를 외측 분위기(outer atmosphere)와 유체연통식으로(fluidly) 연결하는 포트 출구(port outlet)(2d)를 한정하는 상기 외측 벽에 있는 개구까지 각각 연장되는 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들(side ports)(2)을 포함하는, 주조 노즐에 있어서,
    각각의 포트 입구(2u)로부터 상류에서 그리고 각각의 포트 입구 바로 위에서, 1개 또는 2개의 유동 편향기들(flow deflectors)(3)이 상기 보어 벽으로부터 돌출되고 상기 종축 X1에 평행하게 측정되는 편향기 높이 Hd에 걸쳐, 상기 포트 입구로부터 멀리 떨어진 상류 편향기 단부로부터 상기 포트 입구에 가까운 하류 편향기 단부까지 연장되고, 각각의 유동 편향기의 상기 종축 X1에 수직한 단면의 면적이 상기 편향기 높이 Hd의 50% 이상에 걸쳐, 상기 상류 편향기 단부로부터 상기 하류 편향기 단부를 향해 연장되는 방향으로 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 주조 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 유동 편향기의 상기 종축 X1에 수직한 상기 단면의 상기 면적은 상기 편향기 높이 Hd의 50% 이상에 걸쳐 삼각형 또는 사다리꼴이고 삼각형 또는 사다리꼴로 유지되는, 주조 노즐.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 편향기의 상기 종축 X1에 수직한 상기 단면의 상기 면적은 상기 편향기 높이 Hd의 80% 이상에 걸쳐, 바람직하게는 90% 이상에 걸쳐, 더욱 바람직하게는 100%에 걸쳐 상기 상류 편향기 단부로부터 연속적으로 증가하고, 상기 면적은 바람직하게는 상기 편향기 높이 Hd의 80% 이상에 걸쳐, 바람직하게는 90% 이상에 걸쳐, 더욱 바람직하게는 100%에 걸쳐 삼각형 또는 사다리꼴이고 삼각형 또는 사다리꼴로 유지되는, 주조 노즐.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 유동 편향기의 상기 하류 편향기 단부는 상기 포트 입구로부터 거리 h에 있고, h는 상기 종축 X1을 따라 측정되고 0 내지 H, 바람직하게는 0 내지 H/2로 구성되고, H는 상기 종축 X1에 평행하게 상기 보어 벽을 따라 측정되는 상기 대응하는 포트 입구의 최대 높이인, 주조 노즐.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 유동 편향기(3)는 제1 및 제2 측방향 표면들(lateral surfaces)(3R, 3L)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 측방향 표면들은 평탄하고 삼각형 또는 사다리꼴 주연부를 갖고 서로 70 내지 160°로 구성되는 각도 α를 형성하는, 주조 노즐.
  6. 제5항에 있어서,
    - 중간 평면(middle plane) P1이, 상기 종축 X1을 포함하고 상기 2개의 서로 반대편에 있는 측부 포트들(2)의 상기 포트 입구들의 도심들(centroids)을 지나가는 선에 수직한 평면으로서 정의되고,
    - 상기 제1 및 제2 측방향 표면들 각각은 상기 보어 벽으로부터 멀리 떨어진 자유 에지(free edge)를 포함하고,
    - 유동 편향기의 측방향 벽과 교차하는(intercepting), 상기 종축 X1에 수직한 평면을 따른 임의의 절단부(cut)에 대해, 각각의 유동 편향기의 상기 제1 및 제2 측방향 표면들 중 적어도 하나의 상기 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 상기 제1 및 제2 측방향 표면들 중 적어도 하나에 수직하게 연장되는 직선이 상기 종축 X1과 상기 주조 노즐의 상기 외측 벽에 의해 한정되는 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 상기 중간 평면 P1과 교차하는, 주조 노즐.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 각각의 유동 편향기(3)는, 평탄하고 삼각형, 직사각형, 또는 사다리꼴 주연부를 갖는 중심 표면(central surface)(3C)을 포함하고, 상기 중심 표면의 양측에 상기 제1 및 제2 측방향 표면들(3R, 3L)이 배치되어, 상기 제1 및 제2 측방향 표면들을 상기 제1 및 제2 측방향 표면들의 각각의 자유 에지들에서 연결하는, 주조 노즐.
  8. 제7항에 있어서, 상기 평탄한 중심 표면(3C)에 수직하고 상기 종축 X1에 평행한 평면 ∏n을 따른 절단부에서, 상기 평탄한 중심 표면(3C)은 상기 평면 ∏n 상에의 상기 종축 X1의 정사영(normal projection)과 각도 β를 형성하고, β는 1 내지 15°, 바람직하게는 2 내지 8°로 구성되는, 주조 노즐.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 측방향 표면들(3R, 3L)의 상기 자유 에지들은 연결되어 직선형 리지(rectilinear ridge)를 형성하는, 주조 노즐.
  10. 제9항에 있어서, 상기 직선형 리지를 포함하고 상기 제1 및 제2 측방향 표면들(3R, 3L)에 의해 형성되는 각도 α를 2등분하는 평면 ∏b를 따른 절단부에서, 상기 직선형 리지는 상기 평면 ∏b 상에의 상기 종축 X1의 정사영과 각도 γ를 형성하고, γ는 1 내지 15°, 바람직하게는 2 내지 8°로 구성되는, 주조 노즐.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 포트 입구(2u)로부터 상류에 있고 바람직하게는 각각의 포트 입구에 접해 있는(contiguous) 2개의 유동 편향기들(4)을 포함하는, 주조 노즐.
  12. 제6항 및 제11항에 있어서, 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 벽들과 교차하는, 상기 종축 X1에 수직한 평면을 따른 임의의 절단부에 대해,
    - 각각의 유동 편향기의 상기 제1 측방향 표면의 상기 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 상기 제1 측방향 표면에 수직하게 연장되는 제1 직선이 상기 종축 X1과 상기 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 상기 중간 평면 P1과 교차하고,
    - 각각의 유동 편향기의 상기 제2 측방향 표면의 상기 자유 에지에서 시작되고 각각의 유동 편향기의 상기 제2 측방향 표면에 수직하게 연장되는 제2 직선이 상기 종축 X1과 상기 외측 주연부 사이에 포함되는 섹션에서 중심 평면(central plane) P2와 교차하고, 상기 중심 평면 P2는 상기 종축 X1을 포함하고 P1에 수직한, 주조 노즐.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 포트 입구(2u)로부터 상류에 있고 바람직하게는 각각의 포트 입구에 접해 있는 단일 유동 편향기(4)를 포함하는, 주조 노즐.
  14. 제6항 및 제13항에 있어서, 유동 편향기의 제1 및 제2 측방향 벽들과 교차하는, 상기 종축 X1에 수직한 평면을 따른 임의의 절단부에 대해, 각각의 편향기의 상기 제1 및 제2 측방향 표면들의 상기 자유 에지들에서 시작되고 각각의 편향기의 상기 제1 및 제2 측방향 표면들에 수직하게 연장되는 직선들이, 상기 종축 X1의 양측에 위치되고 상기 종축 X1과 상기 외측 주연부 사이에 포함되는 제1 및 제2 섹션들에서 상기 중간 평면 P1과 교차하는, 주조 노즐.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보어 벽으로부터 돌출되고 상기 하류 보어 단부(2d)로부터 상기 포트 입구(2u)의 높이 위까지 상류로 연장되는 2개의 에지 포트들(edge ports)(5)을 추가로 포함하고, 상기 2개의 에지 포트들은 서로 대면하고 상기 2개의 측부 포트들의 상기 포트 입구들(2u) 사이에 위치되는, 주조 노즐.
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