KR20200074622A - 주형 - Google Patents

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KR20200074622A
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명은 용강을 응고시켜 주편을 주조하는 주형으로서, 내부에 용강이 수용되는 내부 공간이 마련되며, 상측 및 하측이 개구된 바디 및 각각이 상하 방향으로 연장 형성되고, 바디 내면을 따라 상하 방향과 교차하는 방향으로 나열되어 상호 이격 배치된 복수의 격벽을 구비하는 응력 조절부를 포함하고, 복수의 격벽은, 복수의 격벽들 간의 상단 사이의 간격에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 사이의 간격에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성한다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 주형에 의하면, 내면에 응력 조절부를 형성하여 응고셀에 가해지는 응력을 분산시킴으로써 응고셀에 균열이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 또한, 응고셀에 균열이 발생하거나 입계를 따라 응고셀 표면, 즉 주편 표면으로 균열이 전파되는 것을 억제하여 우수한 표면 상태를 갖는 고품질의 주편을 주조할 수 있다.

Description

주형{MOLD}
본 발명은 주형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주편의 표면 결함을 억제할 수 있는 주형에 관한 것이다.
일반적으로 주편은 용강이 주형 및 냉각대를 거쳐 냉각 또는 응고되면서 제조된다. 예컨대, 일정한 내부 형상을 갖는 주형에 용강을 주입하고, 주형 내에서 반응고된 주편을 연속적으로 주형의 하측으로 인발하여 냉각대를 따라 이동시키면서 냉각시키면, 소정 형상의 주편이 제조된다.
주편은 주형의 형상 및 면적에 따라, 슬라브(slab), 블룸, 빌렛, 환봉, 빔 블랭크 등으로 나누어질 수 있다.
주편의 표면 품질 및 내부 품질은 최종 제품의 품질을 결정하는 주요 인자로서, 특히 주편의 표면 품질은 주형 내 초기 응고 양상에 따라 큰 영향을 받는다. 따라서 주형 전체에 걸쳐 균일한 응고층을 형성시키는 조건을 확보하는 것이 연속주조공정에서 가장 중요한 인자이다.
그런데 주형 내 용강이 응고되기 시작하는 용강의 탕면 부근에서는 주형과 용강의 온도차가 매우 크고, 이에 기인한 응력으로 응고 수축이 발생하여 주편의 표면에 크랙 등과 같은 결함이 발생하게 된다. 이와 같은 현상을 억제하기 위하여 주형 내부의 냉각수 유로 등의 구조를 변경할 수도 있지만, 한 번 시공된 냉각수 유로의 구조는 개조가 어려워 품질 개선 및 강종 확대의 제약이 커서 이에 대한 개선책이 절실하게 요구된다.
일본공개특허 JP1997206891
본 발명은 주조 시 응고셀에 발생하는 응력을 분산시켜 표면 결함을 억제할 수 있는 주형을 제공한다.
본 발명은 용강을 응고시켜 주편을 주조하는 주형으로서, 내부에 상기 용강이 수용되는 내부 공간이 마련되며, 상측 및 하측이 개구된 바디; 및 각각이 상하 방향으로 연장 형성되고, 상기 바디 내면을 따라 상하 방향과 교차하는 방향으로 나열되어 상호 이격 배치된 복수의 격벽을 구비하는 응력 조절부;를 포함하고,
상기 복수의 격벽은, 상기 복수의 격벽들 간의 상단 사이의 간격에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 사이의 간격에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성된다.
상기 바디는 상기 내부 공간의 횡단면의 형상을 다각형으로 형성하도록, 상기 내부 공간을 둘러싸도록 배치된 복수의 벽체를 포함하고, 상기 복수의 격벽은 상기 복수의 벽체 각각의 내면에서, 상기 벽체의 폭 방향으로 나열되어 상호 이격 형성된다.
상기 복수의 벽체 중 적어도 하나는 하측으로 갈수록 그 폭이 감소하도록 형성되어, 상기 내부 공간의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하는 형상이며, 상기 복수의 격벽 중 연속하여 배치된 2 개의 격벽 간의 간격에 있어서, 상기 격벽 간의 상단의 간격에 비해 하단 간의 간격이 좁다.
상기 복수의 벽체 중 하측으로 갈수록 폭이 감소하는 형상인 적어도 하나의 벽체의 내면에 형성된 복수의 격벽 중 적어도 일부는 상기 바디의 상측 개구의 중심과 하측 개구의 중심을 연결하는 주형 중심선을 상기 벽체에 투영한 투영선과 교차하도록 경사지게 형성된다.
상기 바디는 상기 복수의 벽체에 의해 형성된 상기 내부 공간의 횡단면의 형상이 다각형이다.
상기 복수의 벽체 각각의 내면은 곡률이 없는 평면이다.
상기 복수의 벽체 중 일부 벽체의 내면은 곡률이 없는 평면이고, 다른 일부 벽체의 내면은 곡률을 가지는 곡면이거나, 상기 복수의 벽체 중 적어도 하나의 벽체의 내면은 평면과 곡면을 모두 포함한다.
상기 바디는 상기 복수의 벽체에 의해 형성된 상기 내부 공간의 횡단면의 형상이 삼각형 이상의 다각형이다.
상기 바디는 상기 복수의 벽체에 의해 형성된 상기 내부 공간의 횡단면의 형상이 알파벳의 H 형상이다.
상기 바디는 상기 복수의 벽체가 상호 연결되어 있는 일체형이거나, 상기 주형 제조를 위해 상기 복수의 벽체를 상호 연결한 후에, 복수의 벽체 각각의 경사도 및 벽체 간의 간격이 변경되지 않는다.
상기 바디는 그 내면이 둘레 방향으로 모두 곡면이다.
상기 바디는 횡단면의 형상이 원형이다.
상기 바디는 상기 내부 공간의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하는 형상이며, 상기 복수의 격벽 중 연속하여 배치된 2 개의 격벽 간의 간격에 있어서, 상기 격벽 간의 상단의 간격에 비해 하단 간의 간격이 좁다.
상기 바디의 내면에 형성된 복수의 격벽 중 적어도 일부는 상기 바디의 상측 개구의 중심과 하측 개구의 중심을 연결하는 주형 중심선을 상기 바디의 내면에 투영한 투영선과 교차하도록 경사지게 형성된다.
상기 바디 내면 및 격벽 각각은 상하 방향으로의 경사도가 일정한 형상일 수 있다.
상기 바디 내면 및 격벽 각각은 상하 방향으로의 경사도가 변하도록 곡률을 가지는 형상일 수 있다.
상기 바디 내면의 적어도 상부 영역 및 격벽은 내부 공간 방향으로 볼록한 형상일 수 있다.
상기 응력 조절부는 그 상하 방향으로의 형성 높이가 상기 주형에 수용되는 용강의 탕면에 걸쳐지도록 형성된다.
상기 응력 조절부는 상기 격벽 사이의 공간이며, 상기 바디의 내면으로부터 함몰된 형상의 홈부를 포함한다.
상기 격벽은 상기 복수의 격벽이 나열된 방향으로 곡률을 갖도록 형성된다.
상기 홈부의 바닥면은 하측으로 갈수록 상기 내부 공간을 향하여 경사지게 형성된다.
본 발명의 실시예들에 따른 주형에 의하면, 내면에 응력 조절부를 형성하여 응고셀에 가해지는 응력을 분산시킴으로써 응고셀에 균열이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 또한, 응고셀에 균열이 발생하거나 입계를 따라 응고셀 표면, 즉 주편 표면으로 균열이 전파되는 것을 억제하여 우수한 표면 상태를 갖는 고품질의 주편을 주조할 수 있다.
그리고, 주편 표면에 발생하는 표면 결함이 억제되기 때문에, 주편의 품질을 확보할 수 있다. 또한, 이에 따라 주편을 이용하여 진행되는 압연과 같은 후속 공정에서 에지 스캡(edge scab) 등의 결함 발생을 억제 혹은 방지할 수 있고, 이로 인해 결함 제거를 위한 작업을 생략할 수 있다.
도 1은 연속 주조 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면
도 2(a)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도
도 2(b)는 도 2(a)의 A-A'를 따라 절단한 주형의 상면도
도 3은 주조 시 응고셀에 작용하는 응력을 설명하기 위한 도면
도 4는 도 2(a)의 B-B'를 따라 절단한 주형의 상면도
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주형의 바디 중 제 1 벽체를 나타낸 정면도
도 7(a)는 제 1 실시예에 따른 주형의 바디 중 제 1 벽체를 확대 도시한 도면
도 7(b)는 제 1 벽체 상에 형성된 응력 조절부를 확대 도시한 입체도
도 8은 도 7(a)에 도시된 선 C-C'를 따라 절단한 단면도
도 9는 도 7(a)에 도시된 선 D-D'를 따라 절단한 단면도
도 10은 제 1 실시예의 제 1 변형예에 따른 응력 조절부를 설명하기 위한 정면도
도 11은 제 1 실시예의 제 2 변형예에 따른 응력 조절부를 설명하기 위한 정면도
도 12는 제 1 실시예의 제 3 변형예에 따른 응력 조절부를 설명하기 위한 도면
도 13은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 응력 조절부와(도 13(a)), 제 1 실시예의 제 4 변형예에 따른 응력 조절부(도 13(b))를 설명하기 위한 도면
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도
도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도
도 16은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도
도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도
도 19는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도
도 20은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 주형을 이용하여 응고셀에 가해지는 인장 응력을 저감시키는 원리를 보여주는 도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 연속 주조 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2(a)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 A-A'를 따라 절단한 주형의 상면도이다. 도 3은 주조 시 응고셀에 작용하는 응력을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2(a)의 B-B'를 따라 절단한 주형의 상면도이다. 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도이다. 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주형의 바디 중 제 1 벽체를 나타낸 정면도이다.
도 7(a)는 제 1 실시예에 따른 주형의 바디 중 제 1 벽체를 확대 도시한 도면이다. 도 7(b)는 제 1 벽체 상에 형성된 응력 조절부를 확대 도시한 입체도이다.
도 8은 도 7(a)에 도시된 선 C-C'를 따라 절단한 단면도이다. 도 9는 도 7(a)에 도시된 선 D-D'를 따라 절단한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 연속 주조 장치는 용강을 전달받아 일정한 형상으로 초기 응고시키는 주형(1000), 주형(1000)의 하측에 구비되어, 주형(1000)의 하측에서 일 방향으로 나열 배치되어, 주형(1000)으로부터 인발된 주편(S)을 2차 냉각시키면서 일련의 성형 작업을 수행하도록 복수의 세그먼트를 구비하는 냉각대(200)를 포함한다.
또한, 연속 주조 장치는 용강의 수용이 가능한 래들(300), 주형(1000)으로 공급할 용강을 래들(300)로부터 제공받아 일시 저장하는 턴디시(400) 및 턴디시(400)와 주형(1000) 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 턴디시(400) 내 용강을 주형(1000)으로 공급하는 노즐(500)을 포함한다.
주형(1000)은 턴디시(400)로부터 제공된 용강을 초기 응고 또는 1차 응고시켜, 소정 형상의 응고물인 주편(S)을 주조하는 수단이다. 이러한 주형(1000)은 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 용강이 수용되는 내부 공간(1120)을 가지고, 상측 및 하측이 개방된 형상이다.
이하에서는 주형(1000)을 설명하는데 있어서, 용강이 수용되는 내부 공간(1120)을 구획하는 또는 내부 공간(1120)을 둘러싸는 구조물을 바디(1100)라고 명명한다.
도 2를 참조하면, 주형(1000)은 내부 공간(1120)을 구획하는 바디(1100) 및 내부 공간(1120)의 둘레 방향으로 나열되어 상호 이격되도록 바디(1100)의 내면을 따라 형성된 복수의 격벽을 구비하는 응력 조절부(1230)를 포함한다.
바디(1100)는 용강이 수용될 수 있는 내부 공간(1120)을 가지며, 상측 개구(1121) 및 하측 개구(1122)를 가지는 튜브 또는 중공형의 형상이다. 바디(1100) 또는 내부 공간(1120)은 그 횡단면의 형상이 사각형 보다 구체적인 예로, 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 직사각형의 형상일 수 있다.
바디(1100)에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 바디(1100)는 상호 연결되도록 배치된 복수의 벽체를 포함하고, 복수의 벽체에 의해 구획된 공간이 주형(1000)의 내부 공간(1120)이다. 바디(1100)를 구성하는 복수의 벽체 내부에는 용강을 응고 또는 냉각시키는 냉각수가 흐르는 유로가 형성될 수 있다.
내부 공간(1120)의 횡단면의 형상이 직사각형인 주형(1000)의 경우, 바디(1100)는 4개의 벽체를 포함할 수 있고, 4개의 벽체 중 마주보는 2개의 벽체의 연장 길이가 나머지 2개의 마주 보는 벽체의 연장 길이에 비해 길다.
즉, 바디(1100)는 각각이 일 방향(X 축 방향)으로 연장 형성되어 서로 대향 또는 마주보도록 배치된 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b), 각각이 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b)와 교차 또는 직교하는 방향(Y 축 방향)으로 연장 형성되며, 서로 대향 또는 마주보도록 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b)에 연결된 제 3 및 제 4 벽체(1110c, 1110d)를 포함한다.
제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b)의 X 축 방향의 연장 길이는 제 3 및 제 4 벽체(1110c, 1110d)의 Y 축 방향의 연장 길이에 비해 길다. 그리고, 제 1 벽체(1110a)의 일단과 제 2 벽체(1110b)의 일단을 연결하도록 제 3 벽체(1110c)가 연결되고, 제 1 벽체(1110a)의 타단과 제 2 벽체(1110b)의 타단을 연결하도록 제 4 벽체(1110d)가 연결된다.
상술한 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)로 구성된 바디(1100)는 내부 공간(1120)을 가지는 중공형의 형상이다. 그리고, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)로 구성된 바디(1100) 및 내부 공간(1120)의 횡단면의 형상은 직사각형의 형상이다.
한편, 주형(1000) 내에서 용강이 냉각되어 응고되면, 주형(1000)의 내면에 응고셀이 형성되며, 반응고된 주편(S)은 주조 방향을 따라 주형(1000)의 하측으로 인발된다. 그런데, 주편(S)이 주형(1000)의 하측으로 인발되는 과정에서 응고셀이 점차 수축하며, 이러한 응고셀의 수축에 의해 주편(S)에 결함이 발생될 수 있다.
따라서, 응고셀의 수축을 보상하기 위해, 통상적으로 내부 공간(1120)의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하도록 주형(1000)을 마련한다(도 2(a) 참조). 즉, 주형(1000)은, 내부 공간의 횡단면의 면적에 있어서, 상단의 면적에 비해 하단의 면적이 작은 역 사디리꼴의 형상이 되도록 마련된다.
상술한 바와 같이, 하측으로 갈수록 횡단면의 면적이 감소하는 형상의 내부 공간(1120)을 가지는 주형(1000)을 마련하는데 있어서, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 상호 마주보는 제 1 벽체(1110a)와 제 2 벽체(1110b) 간의 이격 거리 및 상호 마주보는 제 3 벽체(1110c)와 제 4 벽체(1110d) 간의 이격 거리 각각이 하측으로 갈수록 감소하도록 함으로써 마련될 수 있다.
이를 다른 말로 설명하면, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각은 하측으로 갈수록 그 내면이 내부 공간의 중심과 가까워지도록 기울어지게 또는 경사지게 배치된다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b) 각각의 X 축으로의 연장 방향을 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b)의 폭 방향, 제 3 및 제 4 벽체(1110c, 1110d) 각각의 Y 축으로의 연장 방향을 제 3 및 제 4 벽체(1110c, 1110d)의 폭 방향이라 명명한다.
그리고, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각에 있어서, 상단의 폭 방향 중심과 하단의 폭 방향을 중심을 연결한 선을 '벽체 중심선'이라 명명한다.
상술한 바와 같이, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각이 하측으로 갈수록 그 내면이 내부 공간의 중심과 가까워지도록 기울어지게 배치되는데 있어서, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각은 하측 개구 방향으로 갈수록 그 폭 방향 길이(즉, 폭)가 감소하는 역 사다리꼴의 형상일 수 있다. 다른 말로 하면, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각은 그 양 측면이 하측으로 갈수록 폭 방향 중심과 가까워지는 경사면일 수 있다(도 5 참조). 이에, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각은 상단의 폭(UL)에 비해 하단의 폭(DL)이 작은 역 사다리꼴의 형상일 수 있다.
상기에서는 설명의 편의를 위하여 바디(1100)가 복수의 벽체 즉, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)로 분할된 것을 설명하였다. 하지만, 바디(1100)를 구성하는 복수의 벽체는 상호 분리되지 않는 일체형의 주형(1000) 또는 주형(1000)으로 제조된 후에 각각의 경사도 및 벽체 간의 간격을 변경하지 않는, 또는 복수의 벽체 각각이 고정된 주형일 수 있다. 이러한 주형은 사출 성형 등의 방법으로 제조될 수 있다.
물론, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)는 별도 또는 개별적으로 마련되어, 상기 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)를 상호 연결하여 주형을 마련할 수 있다. 이때, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)를 상호 연결하여 주형으로 제조한 후에, 각각의 경사도 및 벽체 간의 간격을 변경하지 않는다.
한편, 용강이 응고되기 시작하는 주형(1000) 내 상부 영역 즉, 용강의 탕면 부근에서는 주형(1000)과 용강 간의 온도 차이가 매우 커, 용강이 급격하게 응고된다. 즉, 용강이 차가운 주형(1000)의 내면에 접촉되면서 응고가 시작되는데, 초기 응고가 발생하는 탕면 부근에서 열유속이 최대이고, 주형(1000)의 하부로 갈수록 열유속이 점차 감소한다. 이때, 열유속이 큰 탕면 부근에서는 용강의 응고가 급격하게 발생하여 불균일 응고층이 형성될 가능성이 매우 높고, 결과적으로는 주편(S) 표면에 크랙 등과 같은 표면 결함이 발생하여 주편의 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
도 3은 주편에 균열이 발생하는 원리를 보여주고 있다. 주형(1000) 내로 공급된 용강은 냉각되면서 주형(1000) 내면으로부터 응고셀로 형성된다. 이때, 용강의 탕면 부근에서 주형(1000)과 용강 간의 온도 차이가 커서 응고셀은 불균일하게 성장하게 되어, 두께가 얇은 부분(T1)과 두꺼운 부분(T2)이 공존하게 된다. 응고셀에서 두께가 얇은 부분(T1)은 주형(1000) 내면에 밀착되지 않고 들뜨게 되며, 이에 주형(1000)과 응고셀 사이에 열교환이 원활하게 이루어지지 않는다. 따라서, 응고가 진행될수록, 응고셀에서 두께가 얇은 부분(T1)은 상대적으로 두께가 두꺼운 부분(T2)에 비해 응고셀의 성장 속도가 크게 지연된다. 이에, 응고가 진행될수록, 응고셀에서 두께가 얇은 부분(T1)의 두께와 두꺼운 부분(T2) 간의 두께차가 증가하게 된다.
또한, 주형(1000)에서 응고셀의 응고 수축량 보상이 미흡할 경우에 발생하는 철정압에 의한 기계적 응력, 응고시 상변태에 의한 열 응력 등 여러 가지 원인에 의해 응고셀에 응력 예컨대, 인장 응력이 가해질 수 있다. 그리고, 인장 응력이 고온에서의 강의 항복값보다 클 경우 응고셀에 균열이 발생할 수 있다. 특히, 응고셀이 얇은 부분(T1)은 두꺼운 부분(T2)에 비해 강도가 약하기 때문에, 균열(C)은 주로 얇은 부분(T1)에서 발생한다.
또한, 응고셀에서 두께가 얇은 부분(T1)은 주형(1000)의 내면으로부터 들떠있는 상태로 주형(1000)과의 사이에 열교환이 원활하게 이루어지지 않아 결정 입자(grain)가 조대하게 성장되기 때문에, 균열이 발생될 경우 입계를 따라 균열이 주편(S)의 표면으로 쉽게 전파되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 응고셀에 가해지는 응력을 저감시켜 응고셀 즉 주편(S) 표면에 결함이 발생하는 것을 억제 또는 방지하기 위해, 주형(1000) 내 탕면 부근에 요철 구조를 가지는 응력 조절부(1230)를 마련한다.
이하, 도 2, 도 4 내지 도 9를 참조하여, 응력 조절부(1230)를 구비하는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 주형에 대해 설명한다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 주형(1000)은 용강이 수용되는 내부 공간을 구획하는 바디(1100) 및 내부 공간(1120)을 둘러 싸도록 바디(1100) 내면의 둘레 방향즉, 폭 방향으로 연장 형성된 응력 조절부(1230)를 포함한다. 즉, 응력 조절부(1230)는 바디(1100)를 구성하는 복수의 벽체 전체에 형성된다.
응력 조절부(1230)는 내부 공간을 둘러 싸도록 바디(1100)의 내면 즉, 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각의 내면 상에서 폭 방향으로 연장 형성된다. 보다 구체적으로, 응력 조절부(1230)는 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 내면 상에서 폭 방향으로 나열되어 상호 이격 형성된 복수의 격벽(1231) 및 격벽(1231) 사이의 공간인 홈부(1232)를 포함한다.
이러한 응력 조절부(1230)는 응고셀에 가해지는 응력을 분산시킨다. 이에, 응력이 응고셀의 특정 부위에 집중되는 것을 억제 또는 방지하여, 이로 인한 결함 발생을 억제 또는 방지할 수 있다.
격벽(1231)은 홈부(1232)에 비해 내부 공간(1120) 방향으로 돌출되고, 상하 방향 즉, 벽체의 길이 방향(Z 축 방향)으로 연장된 형상이다. 이때, 격벽(1231)은 상하 방향으로 동일한 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 그리고, 격벽(1231)은 도 7(b)에 도시된 바와 같이 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 폭 방향 또는 홈부(1232)가 위치한 방향으로 곡률을 갖도록 또는 곡면을 포함하도록 형성될 수 있다. 다른 말로 하면, 격벽(1231)은 복수의 격벽이 나열된 방향으로 곡률을 갖도록 형성될 수 있다.
제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각의 내면에는 복수의 격벽(1231)이 폭 방향으로 나열되어 상호 이격 형성된다. 그리고, 상호 이격 형성된 격벽(1231)에 의해 홈부(1232)가 마련되며, 홈부(1232)는 격벽(1231)에 비해 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 내부 방향으로 함몰된 형상이다.
격벽(1231)은 동일한 간격(P)(즉, 등 간격)으로 이격되도록 나열 배치될 수 있다. 여기서, 격벽(1231) 간의 간격(P)은 연속 배치된 2개의 격벽(1231) 간의 거리일 수 있다. 보다 구체적인 예로 격벽(1231) 간의 간격(P)은, 격벽(1231)의 폭 방향 중심 사이의 거리 일 수 있다.
이러한 복수의 격벽(1231) 및 복수의 홈부(1232)는 용강 탕면 높이에 걸쳐지도록 형성될 수 있다.
응력 조절부(1230)는 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 내면에 복수의 홈부(1232)를 가공함으로써 형성할 수 있다. 즉, 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 내면에 상기 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 내면에 비해 깊게 함몰되며, 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 폭 방향으로 나열되도록 복수의 홈부(1232)를 마련한다. 이에, 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 내면의 폭 방향으로 홈부(1232)와 격벽(1231)이 교대로 배치된 응력 조절부(1230)가 마련될 수 있다.
여기서, 격벽(1231)의 내면이란 홈부(1232)가 형성되지 않은 영역을 의미할 수 있고, 홈부(1232)로부터 내부 공간 방향으로 돌출 형성된 격벽(1231)의 선단은 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 내면과 동일한 높이일 수 있다.
복수의 격벽(1231)이 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 폭 방향으로 나열되어 상호 이격 배치되는데 있어서, 복수의 격벽(1231) 각각의 상단 사이의 간격에 대한 비율과 하단 사이 간격에 대한 비율이 동일하도록 형성된다.
이에 대한 보다 구체적인 설명을 위해, 도 6을 참조하여 제 1 벽체(1110a)에 형성된 복수의 격벽(1231)에 대해 설명한다.
설명에 앞서, 먼저 제 1 벽체(1110a)의 내면을 따라 N 개의 격벽(1231)이 마련될 때, 일측 끝에 위치된 격벽을 첫 번째 격벽(1231), 타측 끝에 위치된 N 번째 격벽(1231)이라 정의한다.
제 1 벽체(1110a)의 내면 상에서 폭 방향으로 복수의 격벽(1231)이 나열 형성되는데 있어서, 첫 번째 격벽(1231) 내지 N 번째 격벽(1231)들의 상단 간의 간격(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 첫 번째 격벽(1231) 내지 N 번째 격벽(1231)들의 하단 간의 간격(PD1, PD2, PD3 … PDN-1)에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성한다(수식 1 참조).
이때, 첫 번째 격벽(1231) 내지 N 번째 격벽(1231)들의 상단 간의 간격 비율(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)과 하단 간의 간격 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하다는 것은, 상단 간의 간격 비율(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)과 하단 간의 간격 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 완전히 일치한다는 의미와, 오차 허용 범위 내에서 동일하다는 의미를 포함할 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00001
이를 다른 말로 설명하면, 복수의 격벽(1231)들 간의 상단 간의 간격 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)을 하단 간의 간격 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)로 나눈값을 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수식 2]
Figure pat00002
여기서, 복수의 격벽(1231)들 간의 상단 간의 간격(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)을 'CPU', 하단 간의 간격(PD1, PD2, PD3 … PDN-1)에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)을 'CPD' 라고 할 때, 수식 2를 간략히 나타내면 아래의 수식 3과 같을 수 있다.
[수식 3]
Figure pat00003
제 1 실시예에 따른 주형(1000)은 제 1 벽체(1110a)의 폭이 하측으로 갈수록 그 폭이 감소하는 형상이며, 이에 상단의 폭(UL)에 비해 하단의 폭이 작다(UL > DL).
이에, 제 1 벽체(1110a)에서 복수의 격벽(1231)들 상단 사이의 간격에 대한 비율(PU1 : PU2 : PU3 : … : PUN-1)과 하단 사이 간격에 대한 비율(PD1 : PD2 : PD3 : … : PDN-1)을 동일하게 형성하면(CPU = CPD), 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부는 상단에서부터 하단으로 갈수록, 제 1 벽체(1110a)의 폭 방향 중심과 가까워지도록, 즉, 벽체 중심선과 가까워지도록 경사지게 형성된다.
이렇게, 복수의 격벽(1231)이 제 1 벽체(1110a)의 내면을 따라 나열되면서, 경사지게 형성되는데 있어서, 제 1 벽체(1110a)의 폭 방향 양 가장자리로부터 폭 방향 중심 즉, 벽체 중심선과 가까운 격벽일수록 그 경사도가 감소하도록 형성될 수 있다.
제 1 벽체(1110a)의 벽체 중심선 상에는 격벽(1231) 또는 홈부(1232)가 위치될 수 있는데, 중심에 위치된 격벽(1231) 또는 홈부(1232)를 제외한 격벽(1231) 및 홈부(1232)가 경사지게 형성될 수 있다.
그리고, 이때 복수의 격벽(1231)들의 상단 간의 간격(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)에 비해 하단 간의 간격(PD1, PD2, PD3 … PDN-1)이 작다.
즉, 첫 번째 격벽(1231)과 두 번째 격벽(1231) 간의 상단 간격(PU1)에 비해 첫 번째 격벽(1231)과 두 번째 격벽(1231) 간의 하단 간격(PD1)이 작고, 두 번째 격벽(1231)과 세 번째 격벽(1231) 간의 상단 간격(PU2)에 비해 두 번째 격벽(1231)과 세 번째 격벽(1231) 간의 하단 간격(PD2)이 작으며, 세 번째 격벽(1231)과 네 번째 격벽(1231) 간의 상단 간격(PU3)에 비해 세 번째 격벽(1231)과 네 번째 격벽(1231) 간의 하단 간격(PD3)이 작고, N-1 번째 격벽(1231)과 N 번째 격벽(1231) 간의 상단 간격(PUN-1)에 비해 N-1 번째 격벽(1231)과 N 번째 격벽(1231) 간의 하단 간격(PDN-1)이 작다.
상기에서는 도 6을 참조하여 제 1 벽체(1110a)의 내면을 따라 형성된 복수의 격벽(1231)에 대해, 상단 사이의 간격에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 사이 간격에 대한 비율(PD1 : PD2 : PD3 : … : PDN-1)이 동일하도록 형성하여, 복수의 격벽(1231)이 경사지게 형성되는 것을 설명하였다.
제 2 내지 제 4 벽체(1110b, 1110c, 1110d) 각각의 내면을 따라 복수의 격벽(1231)을 형성하는데 있어서도, 상술한 동일한 방법으로 상단 사이의 간격에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 사이 간격에 대한 비율(PD1 : PD2 : PD3 : … : PDN-1)이 동일하도록 형성하여, 복수의 격벽 각각이 상단에서 하단으로 갈수록 벽체 중심선과 가까워지도록 경사지게 형성될 수 있다.
이때, 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)의 폭 방향 최외각에 배치된 격벽(1231)은 해당 격벽(1231)이 형성된 벽체의 측면 경사도와 나란한 경사도를 갖도록 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각에 형성된 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부가 경사지게 형성되는 것에 대해 아래와 같이 다른 방법으로 설명할 수 있다.
먼저, 설명을 위해 주형(1000) 내부 공간의 최 상단이 상측 개구(1121)의 중심(UC)과 최 하단인 하측 개구의 중심(DC)을 연결하는 선을 주형 중심선(CL)이라 명명한다(도 2 참조). 그리고, 주형 중심선(CL)과 나란 또는 평행하도록 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각에 투영된 선을 '투영선(PL)'이라고 명명한다(도 5 및 도 6참조).
여기서, 투영선(PL)은 주형 중심선(CL)과 나란 또는 평행하되, 주형 중심선(CL)과 마주보는 또는 대향 위치하거나, 그렇지 않을 수 있다. 또한, 투영선(PL)은 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각의 벽체 중심선과 나란 또는 평행하되, 벽체 중심선과 중첩되는 선이거나, 중첩되지 않은 선일 수 있다.
이하에서는, 투영선(PL)이 벽체 중심선과 중첩된 선인 것으로 설명한다.
제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각에 형성된 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부는 투영선(PL)과 나란 또는 평행하지 않고, 상기 투영선(PL)과 소정의 각도를 이루도록 경사지게 형성될 수 있다.
그리고, 격벽(1231)이 투영선(PL)에 대해 경사지게 형성되는데 있어서, 격벽(1231)은 상단에서 하단으로 갈수록 격벽 중심선 즉, 투영선(PL)과 가까워지도록 경사지게 형성된다.
이렇게, 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부가 상단에서 하단으로 갈수록 격벽 중심선 즉, 투영선(PL)과 가까워지도록 경사지게 형성되는 경우, 연속 배치된 2개의 격벽(1231) 간의 간격(P)은 하단으로 갈수록 좁아지는 형상일 수 있다. 이에, 홈부(1231)은 하단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 형상일 수 있다.
격벽(1231)의 폭(W)은 0.1㎜ 내지 4.0㎜, 바람직하게는 0.8 내지 1.2일 수 있다(도 8 참조).
한편, 격벽(1231)의 폭(W)이 0.1mm 미만인 경우, 응고셀에 날카로운 홈이 형성되어 오히려 응력 집중에 의한 결함을 야기할 수 있다. 반대로, 격벽(1231)의 폭(W)이 4.0mm를 초과하는 경우 응고셀의 표면에 형성되는 오목부의 면적이 증가하여 주조 후 결함으로 작용될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 격벽의 높이(H)는 0.1㎜ 내지 2.0㎜, 바람직하게는 0.3㎜ 내지 0.5㎜로 형성될 수 있다. 여기서 격벽의 높이(H)는 주형(1000)의 내부 공간을 향하는 최 선단 또는 정상과 홈부(1232)의 바닥면(1232a)과의 이격 거리일 수 있다. 이에 격벽(1231)의 높이(H)는 홈부(1232)의 깊이로 명명될 수 있다.
한편, 격벽(1231)의 높이(H)가 0.1mm 미만인 경우, 응고셀에 가해지는 인장 응력을 분산시키기 어렵다. 반대로, 격벽(1231)의 높이(H)가 2.0mm을 초과하는 경우, 격벽(1231)에 의해 인장 응력을 분산시키는 효과는 클 수 있으나 응고셀의 표면에 지나치게 깊은 오목부가 형성되어 주조 후 결함으로 작용될 수 있다.
격벽(1231)의 높이(H) 또는 홈부(1232)의 깊이는 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 벽체(1110a)의 상하 방향을 따라 동일하게 형성될 수 있다. 이러한 경우, 홈부(1232)의 바닥면(1232a)은 상기 홈부(1232)의 외측에 해당하는 면인 제 1 벽체(1110a)의 내면과 나란 또는 평행하게 형성될 수 있다.
상기에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여, 제 1 벽체(1110a)에 형성된 응력 조절부(1230)의 홈부(1232)의 형상, 격벽(1231)의 폭(W), 격벽의 높이(H)에 대해 설명하였으나, 이는 제 2 내지 제 4 벽체(1110b, 1110c, 1110d)에 형성되는 응력 조절부(1230)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 10은 제 1 실시예의 제 1 변형예에 따른 응력 조절부를 설명하기 위한 정면도이다. 도 11은 제 1 실시예의 제 2 변형예에 따른 응력 조절부를 설명하기 위한 정면도이다.
상술한 제 1 실시예에서는 복수의 격벽(1231)이 등간격으로 이격되도록 나열 형성되는 것을 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 도 10 및 도 11에 도시된 변형예들과 같이 서로 다른 2가지 이상의 간격(P1, P2)을 갖도록 배치될 수 있다.
즉, 격벽(1231)은 제 1 벽체(1110a)를 폭 방향으로 3개의 구간, 예컨대 중심 영역(CA)과 양쪽 가장자리 영역(EA)으로 구분하고, 중심 영역(CA)에 형성되는 격벽(1231) 간의 간격과 가장자리 영역에 형성되는 격벽(1231) 간의 간격을 서로 다르게 형성할수 있다.
예컨대, 도 10에 도시된 제 1 변형예와 같이 중심 영역(CA)에 형성되는 격벽(1231)의 간격(P1) 보다 양쪽 가장자리 영역(EA)에 형성되는 격벽(1231)의 간격(P2)을 더 크게 형성할 수 있다(P1 < P2).
반대로, 도 11에 도시된 제 2 변형예와 같이 중심 영역(CA)에 형성되는 격벽(1231)의 간격(P1)보다 양쪽 가장자리 영역(EA)에 형성되는 격벽(1231)의 간격(P2)을 더 작게 형성할 수 있다(P1 > P2).
도 12는 제 1 실시예의 제 3 변형예에 따른 응력 조절부를 설명하기 위한 도면이다.
상술한 제 1 실시예, 제 1 및 제 2 변형예에서는 격벽(1231)의 높이(H)가 제 1 벽체(1110a)의 상하 방향으로 일정한 예를 설명하였다. 하지만, 도 12에 도시된 제 3 변형예와 같이 격벽(1231)의 높이(H)가 제 1 벽체(1110a)의 상하 방향을 따라 변화하도록 형성할 수 있다. 이때, 격벽(1231)의 높이는 제 1 벽체(1110a)의 상하 방향에 대해서 하부로 갈수록 점점 감소하도록 형성될 수 있다.
즉, 격벽(1231)은 상부측 높이(H1)를 하부측 높이(H2)에 비해 높게 형성할 수 있다. 이는 홈부(1232)의 깊이를 제 1 벽체(1110a)의 상하 방향을 따라 점점 감소하도록 형성하는 것을 의미할 수 있다. 이때, 홈부(1232)의 바닥면(1232a)은 하측으로 갈수록 제 1 벽체(1110a)의 내면과 가까워지도록 경사면으로 형성될 수 있다. 이렇게 바닥면(1232a)을 경사면으로 형성하는 것은, 주조가 진행될수록 응고셀의 두께가 두꺼워지고, 응고셀과 주형 간의 간의 온도 차이가 감소하기 때문에, 인장 응력에 의해 응고셀에 균열이 발생할 가능성이 적어지기 때문이다.
격벽(1231)은 도 12(a)에 도시된 것처럼 홈부(1232)의 바닥면(1232a) 하단부를 제 1 벽체(1110a)의 내면과 이격시켜 형성될 수도 있고, 도 12(b)에 도시된 바와 같이 바닥면(1232a)의 하단부와 제 1 벽체(1110a)의 내면을 연결하여 형성될 수도 있다.
상기에서는 제 1 벽체(1110a)에 형성되는 격벽(1231)에 있어서, 중심 영역(CA)과 양 가장자리 영역(EA)의 간격이 다른 변형예와, 격벽의 높이가 상하 방향을 따라 변화하는 변형예를 설명하였다.
하지만, 이에 한정되지 않고, 제 2 내지 제 4 벽체(1110b, 1110c, 1110d) 각각에 상술한 제 1 및 제 2 변형예에 따른 격벽의 배치 구조 및 높이 변화가 적용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 응력 조절부와(도 13(a)), 제 1 실시예의 제 4 변형예에 따른 응력 조절부(도 13(b))를 설명하기 위한 도면이다.
된 바와 같이, 상하 방향으로의 바디(1100) 내면의 경사도가 일정 또는 균일하다. 다른 말로 하면, 상단에서 하단으로 갈수록 내면이 주형 중심선(CL)과 가까워지는 변화량이 일정하다.
이러한 경우, 응력 조절부(1230)의 격벽(1231)이 하측으로 연장되는데 있어서, 바디(1100) 내면 경사도를 따라 경사지도록 마련되어, 상하 방향으로의 곡률이 없이 그 경사면이 직선이다. 즉, 격벽(1231)이 상단에서 하단으로 갈수록 주형 중심선(CL)과 가까워지도록 경사지는데 있어서, 상하 방향의 경사도가 일정 또는 균일하다. 다른 말로 하면, 상단에서 하단으로 살수록 격벽이 주형 중심선(CL)과 가까워지는 변화량이 일정하다.
하지만, 이에 한정되지 않고, 도 13(b)에 도시된 제 4 변형예와 같이, 바디의 내면이 상하 방향으로 곡률을 가지는 형상일 수 있다. 즉, 도 13(b)와 같이, 바디의 내면이 상단에서 하단으로 갈수록 주형 중심선(CL)과 가까워지면서, 상기 내면이 상하 방향으로 소정의 곡률을 가지는 형상일 수 있다. 다른 말로 설명하면, 상하 방향으로 바디 내면과 주형 중심선(CL) 과의 이격 거리 변화율이 일정하지 않은 형상일 수 있다. 이에, 바디의 내면은 상하 방향으로의 곡률이 그 위치에 따라 다를 수 있다. 이때, 적어도 바디 내면의 상부 영역은 도 13(b)에 도시된 바와 같이 그 하측 영역에 비해 곡률이 큰 볼록한 형상일 수 있으며, 이 볼록한 부위는 탕면이 위치되는 높이 또는 탕면과 인접한 위치일 수 있다.
이러한 경우, 격벽(1231)은 상하 방향으로 곡률을 가지는 형상일 수 있다. 즉, 도 13(b)와 같이, 격벽(1231)은 상단에서 하단으로 갈수록 주형 중심선(CL)과 가까워지면서, 상기 내면이 상하 방향으로 소정의 곡률을 가지는 형상일 수 있다. 그리고, 이러한 바디(1100)의 내면에 응력 조절부(1230) 즉, 격벽이 형성되므로, 상하 방향으로 격벽과 주형 중심선(CL) 과의 이격 거리 변화율이 일정하지 않은 형상일 수 있다.
여기서, 바디(1100)의 내면 중 상부 영역은 상술한 바와 같이 주형 내부 공간 방향으로 볼록한 형상일 수 있는데, 여기에 응력 조절부(1230) 즉 격벽(1231)이 마련될 수 있다. 이때, 격벽(1231)은 바디(1100) 내면의 곡률과 대응하도록, 상하 방향으로의 경사도 또는 곡률이 변하는 형상, 즉, 볼록한 형상일 수 있다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도이다. 도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도이다.
상술한 제 1 실시예에서는 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각이 기울어지게 형성되는 것을 설명하였다.
하지만, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 중 한 쌍의 2 벽체 예컨대, 제 3 및 제 4 벽체(1110c, 1110d) 만이 하측으로 갈수록 상호 가까워지도록 경사지게 배치될 수 있다.
이때, 경사지게 배치된 제 3 및 제 4 벽체(1110c, 1110d)는 상단에서부터 하단까지 그 폭이 동일한 형상이다. 그리고, 제 3 및 제 4 벽체(1110c, 1110d)와 연결되는 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b) 각각은 상단에서부터 하단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 역 사다리꼴의 형상이다.
그리고, 이러한 제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각의 내면에 복수의 격벽(1231) 및 홈부(1232)를 포함하는 응력 조절부(1230)가 형성된다.
제 1 내지 제 4 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d) 각각에 복수의 격벽(1231)을 형성하는데 있어서, 첫 번째 격벽(1231) 내지 N 번째 격벽(1231)들의 상단 간의 간격(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 간의 간격(PD1, PD2, PD3 … PDN-1)에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성한다(수식 1 참조).
이때, 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b) 각각은 상단에서부터 하단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 역 사다리꼴의 형상이므로, 복수의 격벽(1231)들 간의 상단 간의 간격 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 간의 간격 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성하면, 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b) 각각에 형성된 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부는 상단에서부터 하단으로 갈수록 벽체 중심선 즉, 투영선(PL)과 가까워지도록 경사지게 형성된다.
그리고, 제 1 및 제 2 벽체(1110a, 1110b)의 폭 방향 양 가장자리로부터 폭 방향 중심과 가까운 격벽일수록 그 경사도가 감소하도록 형성될 수 있다.
또한, 제 3 및 제 4 벽체(1110a, 1110b) 각각은 상하 방향으로 그 폭의 변화가 없는 형상이다. 이에, 복수의 격벽(1231)들 간의 상단 간의 간격 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 간의 간격 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성하면, 제 3 및 제 4 벽체(1110a, 1110b) 각각에 형성된 복수의 격벽(1231)은 벽체 중심선 또는 투영선(PL)과 나란 또는 평행하게 형성될 수 있다.
도 16은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도이다. 도 17은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도이다.
상술한 제 1 및 제 2 실시예에 따른 주형(1000)은 그 횡단면의 형상이 사각형인 것을 예를들어 설명하였다. 하지만, 주형(1000)은 그 횡단면의 형상이 사각형인 예에 한정되지 않고, 다양한 다각형 형태일 수 있다.
예컨대, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 내부 공간(1120)의 횡단면의 형상이 육각형인 주형(1000)일 수 있다. 즉, 제 3 실시예에 따른 주형(1000)은 횡단면의 형상이 육각형인 내부 공간(1120)을 구획하는 바디(1100) 및 내부 공간(1120)의 둘레 방향으로 나열되어 상호 이격되도록 바디(1100)의 내면을 따라 형성된 복수의 격벽(1231)을 구비하는 응력 조절부(1230)를 포함한다.
바디(1100)는 6개의 벽체(이하, 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f))를 포함하고, 상기 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f)가 이루는 형상은 육각형의 중공형이다.
그리고, 바디(1100)는 그 내부 공간의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하는 형상일 수 있다. 이를 위해, 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f) 각각은 그 내면이 하측으로 갈수록 내부 공간(1120)의 중심, 즉 주형 중심선(CL)과 가까워지도록 기울어지게 배치될 수 있고, 상단에서부터 하단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 역 사다리꼴의 형상일 수 있다.
그리고, 이러한 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f) 각각의 내면에 복수의 격벽(1231) 및 홈부(1232)를 포함하는 응력 조절부(1230)가 형성된다.
제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f) 각각에 복수의 격벽(1231)을 형성하는데 있어서, 첫 번째 격벽(1231) 내지 N 번째 격벽(1231)들의 상단 간의 간격(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 간의 간격(PD1, PD2, PD3 … PDN-1)에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성한다(수식 1 참조).
이때, 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f) 각각이 상단에서부터 하단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 역 사다리꼴의 형상이므로, 복수의 격벽(1231)들 간의 상단 간의 간격 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 간의 간격 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성하면, 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f) 각각에 형성된 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부는 상단에서부터 하단으로 갈수록 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f)의 폭 방향 중심과 가까워지도록, 즉 벽체 중심선 또는 투영선(PL)과 가까워지도록 경사지게 형성된다.
그리고, 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f)의 폭 방향 양 가장자리로부터 벽체 중심선과 가까운 격벽일수록 그 경사도가 감소하도록 형성될 수 있다.
상기에서는 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f) 모두가 기울어지게 배치되고, 모두 역 사다리꼴의 형상인 것을 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 제 1 내지 제 6 벽체(1110a, 1110b, 1110c, 1110d, 1110e, 1110f) 중 일부가 기울어지도록 형성되고, 일부가 역 사다리꼴의 형상일 수 있다. 이때, 역 사다리꼴 형상인 벽체에 형성되는 격벽(1231)이 벽체 중심선 또는 투영선(PL)과 기울어지게 형성될 수 있다.
상기에서는 바디의 횡단면이 사각형 또는 육각형인 중공형의 형상인 것을 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 바디의 횡단면이 형상이 삼각형, 오각형, 육각형 이상인 중공형의 형상일 수 있다.
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도이다. 도 19는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 주형의 설명을 위해, 주형을 펼쳐서 평면에 나타낸 전개도이다.
상술한 제 1 내지 제 3 실시예에서는 바디(1100)의 내면이 직선 또는 내부 공간의 횡단면의 형상이 다각형인 예를 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 바디(1100)의 내면이 곡면인 주형(1000)일 수 있다.
예컨대, 도 18 및 도 19에 도시된 제 4 실시예와 같이, 그 횡단면의 형상이 원형인 주형(1000)일 수 있다. 이러한 주형(1000)으로부터 제조된 주편(S)은 그 횡단면의 형상이 원형인 주편으로, 통상적으로 환봉으로 명명된다.
제 4 실시예에 따른 주형(1000)은 횡단면의 형상이 원형인 내부 공간(1120)을 구획하는 바디(1100) 및 내부 공간(1120)의 둘레 방향으로 나열되어 상호 이격되도록 바디(1100)의 내면을 따라 형성된 복수의 격벽(1231)을 구비하는 응력 조절부(1230)를 포함한다.
바디(1100)는 그 내부 공간의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하는 형상일 수 있다. 이를 위해, 바디(1100)는 상단으로부터 하단으로 갈수록 둘레 방향으로의 연장 길이가 감소하는 형상일 수 있다. 그리고, 바디(1100)는 일체형 또는 하나의 몸체 또는 벽체로 이루어질 수 있다.
이러한 바디(1100)의 내면에는 응력 조절부(1230)가 형성된다. 즉, 바디(1100) 내면을 따라 복수의 격벽(1231)이 나열되며, 상호 이격 형성된다.
바디(1100)의 내면에 복수의 격벽(1231)을 형성하는데 있어서, 첫 번째 격벽(1231) 내지 N 번째 격벽(1231)들의 상단 간의 간격(PU1, PU2, PU3 … PUN-1)에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 간의 간격(PD1, PD2, PD3 … PDN-1)에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성한다(수식 1 참조).
이때, 바디(1100)는 상단에서부터 하단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 형상이므로, 복수의 격벽(1231)들 간의 상단 간의 간격 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 간의 간격 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성하면, 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부는 상단에서부터 하단으로 갈수록 바디(1100)의 폭 방향 중심으로 가까워지도록 경사지게 형성된다. 다른 말로 설명하면, 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부는 상단에서부터 하단으로 갈수록, 바디(1100)의 폭 방향 중심과 중첩된 투영선(PL)과 가까워지도록 경사지게 형성된다.
상기에서는 횡단면의 형상이 원형인 주형에 대해 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 바디(1100)의 내면이 둘레 방향으로 모두 곡면인 다양한 형상 예컨대 타원형 등의 주형일 수 있다.
도 20은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 주형을 도시한 입체도이다.
상기에서는 내면이 모두 평면이거나, 모두 곡면인 주형에 응력 조절부가 형성되는 것을 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 내면의 일부가 평면이고, 일부가 곡면인 주형에 적용될 수도 있다.
또한, 상술한 실시예에서는 그 횡단면의 형상이 사각형, 육각형 및 원형인 주편을 주조하는 주형에 대해 설명하였다.
하지만, 응력 조절부(1230)는 이에 한정되지 않고, 다양한 형상의 주편 제조를 위한 주형에 적용될 수 있다. 예컨대, 횡 단면의 형상이 알파벳의 'H'의 형상이며, 통상적으로 H 빔 또는 빔 블랭크로 명명되는 주편을 주조하는 주형(도 20 참조)에 적용될 수 있다.
상술한 바와 같은 제 1 내지 제 5 실시예 및 변형예들은 상술한 예들에 한정되지 않고, 실시예들과 변형예들이 상호 조합되도록 구성될 수 있다.
이와 같이 형성된 주조용 주형을 이용하면, 응고셀에 가해지는 인장 응력을 다음과 같이 저감시킬 수 있다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 주형을 이용하여 응고셀에 가해지는 인장 응력을 저감시키는 원리를 보여주는 도면이다.
주형(1000) 내에 용강을 주입하면서 주편(S)을 주조하면 주형(1000) 내 용강의 탕면 부근부터 용강이 냉각되면서 응고셀이 형성될 수 있다. 이때, 주형(1000)의 내면을 따라 즉, 내부 공간(1120)의 둘레 방향으로 형성된 홈부(1232)와 격벽(1231)의 형상이 응고셀에 전사되어, 바디(1100)의 내면을 따라 오목부(V1)와 볼록부(V2)가 교대로 형성될 수 있다. 오목부(V1)는 격벽(1231)에 대응하는 영역에서 응고셀의 두께가 얇게 형성되는 부분이고, 볼록부(V2)는 홈부(1232)에 대응하는 영역에서 응고셀의 두께가 두껍게 형성되는 부분을 의미할 수 있다.
이와 같이, 응고셀에 오목부(V1)와 볼록부(V2)가 반복해서 형성되면, 응고셀에 가해지는 인장 응력이 격벽(1231)에 의해 분할되어 홈부(334) 내에서 작용하게 된다. 즉, 바디(1100) 내면에 홈부(1232)와 격벽(1231)이 없는 경우에는 인장 응력이 바디(1100)의 내면의 둘레 방향을 따라 연속적으로 작용하지만, 격벽(1231)에 의해 인장 응력이 바디(1100) 내면의 둘레 방향으로의 전파가 차단되어 홈부(1232) 내에서 작용하게 된다. 이에 홈부(1232) 내에서 작용하는 인장 응력의 크기가 저감되어 응고셀의 항복점을 초과하지 않게 되므로 응고셀에 균열이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.
예컨대, 바디(1100)의 둘레 방향을 따라 F의 인장 응력이 가해질 때, 홈부(1232) 내에서는 홈부(1232)의 개수(n)만큼 분할된 인장 응력, 즉 F/n의 인장 응력이 가해질 수 있다. 이때, 응고셀에 균열을 일으키는 한계 인장 응력을 f라고 하면, 각각의 홈부(334)에서 가해지는 인장 응력(F/n)이 한계 인장 응력(f)보다 작은 크기(F/n < f)를 갖도록 홈부(1232)의 개수를 조절할 수 있다.
이와 같이, 용강과 접촉하는 주형(1000)의 내면에 응력 조절부(1230)를 형성하여 응고셀에 가해지는 인장 응력을 분산시킴으로써 응고셀에 균열이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.
또한, 응고셀의 응고 수축을 보상하기 위해, 하측으로 갈수록 내부 공간(1120)의 횡단면의 면적이 감소하도록 주형(1000)을 마련한다. 실시예들에서는 복수의 격벽(1231) 각각의 상단 사이의 간격에 대한 비율과 하단 사이 간격에 대한 비율이 동일하도록 형성한다.
따라서, 바디(1100)의 내면에 형성된 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부는 투영선(PL)에 대해 교차하도록 또는 기울어지도록 형성된다. 다른 말로 하면, 복수의 격벽(1231) 중 적어도 일부가 하단으로 갈수록 벽체 중심선과 가까워지도록 기울어지게 형성한다. 이에, 복수의 홈부(1232) 중 적어도 일부는 상단에서 하단으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 형상이 된다.
이렇게, 내부 공간(1120)의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하는 주형(1000)의 내면에 응력 조절부(1230)를 형성하는데 있어서, 복수의 홈부(1232) 중 적어도 일부가 하측으로 갈수록 그 폭이 좁아지도록 함으로써, 홈부(1232)에 가해지는 인장 응력을 보다 저감시킬 수 있다. 즉, 복수의 격벽(1231)을 경사지지 않고 투영선과 나란하도록 형성할 때에 비해, 경사지게 형성하는 경우, 홈부(1232)에 가해지는 인장 응력의 크기를 저감시킬 수 있다.
이와 같이, 용강과 접촉하는 주형(1000)의 내면에 응력 조절부(1230)를 형성하여 응고셀에 가해지는 인장 응력을 분산시키고, 그 크기를 줄일 수 있어, 응고셀에 균열이 발생하는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.
그리고, 실시예에서는 복수의 격벽(1231)을 형성하는데 있어서, 복수의 격벽(1231)의 상단 간의 간격 비율과 하단 간의 간격 비율이 동일하도록 형성하므로, 복수의 격벽(1231)이 투영선(PL)에 대해 교차하도록 형성하는 것이 보다 용이한 장점이 있다. 즉, 횡단면의 형상이 사각형인 주형 외에, 다양한 형상의 주형에 있어서 복수의 격벽(1231)을 가지는 응력 조절부(1230)의 형성이 용이하다.
1000: 주형 1100: 바디
1110a, 1110b, 1110c, 1110d: 제 1 내지 제 4 벽체
1120: 내부 공간 1121: 상측 개구
1122: 하측 개구 1230: 응력 조절부
1231: 격벽 1232: 홈부
1232a: 제 1 면 1232b: 제 2 면
IL: 가상선 UC: 상측 개구의 중심
DC: 하측 개구의 중심

Claims (21)

  1. 용강을 응고시켜 주편을 주조하는 주형으로서,
    내부에 상기 용강이 수용되는 내부 공간이 마련되며, 상측 및 하측이 개구된 바디; 및
    각각이 상하 방향으로 연장 형성되고, 상기 바디 내면을 따라 상하 방향과 교차하는 방향으로 나열되어 상호 이격 배치된 복수의 격벽을 구비하는 응력 조절부;
    를 포함하고,
    상기 복수의 격벽은, 상기 복수의 격벽들 간의 상단 사이의 간격에 대한 비율(PU1 : PU2,: PU3 : … :PUN-1)과 하단 사이의 간격에 대한 비율(PD1 : PD2,: PD3 : … :PDN-1)이 동일하도록 형성된 주형.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바디는 상기 내부 공간의 횡단면의 형상을 다각형으로 형성하도록, 상기 내부 공간을 둘러싸도록 배치된 복수의 벽체를 포함하고,
    상기 복수의 격벽은 상기 복수의 벽체 각각의 내면에서, 상기 벽체의 폭 방향으로 나열되어 상호 이격 형성된 주형.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 벽체 중 적어도 하나는 하측으로 갈수록 그 폭이 감소하도록 형성되어, 상기 내부 공간의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하는 형상이며,
    상기 복수의 격벽 중 연속하여 배치된 2 개의 격벽 간의 간격에 있어서, 상기 격벽 간의 상단의 간격에 비해 하단 간의 간격이 좁은 주형.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 벽체 중 하측으로 갈수록 폭이 감소하는 형상인 적어도 하나의 벽체의 내면에 형성된 복수의 격벽 중 적어도 일부는 상기 바디의 상측 개구의 중심과 하측 개구의 중심을 연결하는 주형 중심선을 상기 벽체에 투영한 투영선과 교차하도록 경사지게 형성된 주형.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 바디는 상기 복수의 벽체에 의해 형성된 상기 내부 공간의 횡단면의 형상이 다각형인 주형.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 벽체 각각의 내면은 폭 방향으로 곡률이 없는 평면인 주형.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 벽체 중 일부 벽체의 내면은 폭 방향으로 곡률이 없는 평면이고, 다른 일부 벽체의 내면은 폭 방향으로 곡률을 가지는 곡면이거나,
    상기 복수의 벽체 중 적어도 하나의 벽체의 내면은 폭 방향으로 곡률을 가지는 평면과 곡면을 모두 포함하는 주형.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 바디는 상기 복수의 벽체에 의해 형성된 상기 내부 공간의 횡단면의 형상이 삼각형 이상의 다각형인 주형.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 바디는 상기 복수의 벽체에 의해 형성된 상기 내부 공간의 횡단면의 형상이 알파벳의 H 형상인 주형.
  10. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디는 상기 복수의 벽체가 상호 연결되어 있는 일체형이거나,
    상기 주형 제조를 위해 상기 복수의 벽체를 상호 연결한 후에, 복수의 벽체 각각의 경사도 및 벽체 간의 간격이 변경되지 않는 주형.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 바디는 그 내면이 둘레 방향으로 모두 곡면인 주형.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 바디는 횡단면의 형상이 원형인 주형.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 바디는 상기 내부 공간의 횡단면의 면적이 하측으로 갈수록 감소하는 형상이며,
    상기 복수의 격벽 중 연속하여 배치된 2 개의 격벽 간의 간격에 있어서, 상기 격벽 간의 상단의 간격에 비해 하단 간의 간격이 좁은 주형.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 바디의 내면에 형성된 복수의 격벽 중 적어도 일부는 상기 바디의 상측 개구의 중심과 하측 개구의 중심을 연결하는 주형 중심선을 상기 바디의 내면에 투영한 투영선과 교차하도록 경사지게 형성된 주형.
  15. 청구항 1 내지 청구항 7, 청구항 11 및 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디 내면 및 격벽 각각은 상하 방향으로의 경사도가 일정한 형상인 주형.
  16. 청구항 1 내지 청구항 7, 청구항 11 및 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디 내면 및 격벽 각각은 상하 방향으로의 경사도가 변하도록 곡률을 가지는 형상인 주형.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 바디 내면의 적어도 상부 영역 및 격벽은 내부 공간 방향으로 볼록한 형상인 주형.
  18. 청구항 1 내지 청구항 7, 청구항 11 및 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응력 조절부는 그 상하 방향으로의 형성 높이가 상기 주형에 수용되는 용강의 탕면에 걸쳐지도록 형성된 주형.
  19. 청구항 1 내지 청구항 7, 청구항 11 및 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응력 조절부는 상기 격벽 사이의 공간이며, 상기 바디의 내면으로부터 함몰된 형상의 홈부를 포함하는 주형.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 격벽은 상기 복수의 격벽이 나열된 방향으로 곡률을 갖도록 형성된 주형.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 홈부의 바닥면은 하측으로 갈수록 상기 내부 공간을 향하여 경사지게 형성된 주형.
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