KR20210068881A - 냉각매체 분사장치 - Google Patents

Abstract

냉각매체 분사장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연속주조기 세그먼트에서 주편을 냉각시키는 냉각매체 분사장치로서, 냉각매체를 공급받아 분사하는 노즐 바디와, 냉각매체가 이동하도록 노즐 바디 내에 형성된 유로와, 유로에 설치되어 냉각매체의 흐름을 가속시키는 오리피스 및 오리피스는 유로를 따라 소정간격을 두고 복수개 배치된다.

Description

냉각매체 분사장치{APPARATUS FOR SPRAYING COOLING MEDIUM}

본 발명은 냉각매체 분사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속주조기의 세그먼트에서 주편을 냉각하는데 이용되는 냉각매체 분사장치에 관한 것이다.

일반적으로 연속주조 공정(continuous casting process)은 액상의 용강을 일정한 형태의 고상으로 연속 응고시 키는 공정으로서, 연속주조 조업시 주편을 냉각시기기 위하여 세그먼트에 구비되는 복수개의 노즐이 사용된다.

도 1은 일반적인 연속주조 공정을 보여주는 도면이다. 먼저 정련과정을 마친 용강이 담겨지는 래들(1)에서 롱노즐(2)을 통해 턴디쉬(3)로 용강이 주입되고, 턴디쉬(3)에 일시 저장된 용강이 턴디쉬(3)와 몰드(4) 사이에 위치되는 용강전달장치(5)를 거쳐 몰드(4)에 주입되며, 몰드(4)에서의 1차 냉각, 몰드(4) 하부에서의 2차 냉각을 거쳐 응고시킴에 따라 빌렛(Billet), 블룸(Bloom), 슬래브(Slab) 등과 같은 주편(6)을 생산하는 일련의 공정을 말한다.

몰드(4)를 통해 배출되는 용강(Molten Steel)은 몰드(4)에서 1차 냉각을 거쳐 표면이 다소 응고된 상태로 연속주조 장치의 세그먼트(SEGMENT,10)에 구비되는 상부 프레임 및 하부 프레임 사이로 인입되며, 이때 용강의 빠른 응고를 위해 복수개의 노즐(11)을 통하여 냉각수가 분사되어 2차 냉각을 통해 제조하고자 하는 주편의 형상으로 연속적으로 변화되어 간다.

여기서, 2차 냉각은 주편(6)에 직접적으로 분사하는 방식이므로 품질 직결 설비이고, 특히 강냉각이 적용되어 주편(6) 온도가 취화영역에 해당할 경우 작은 인장력만으로도 주편(6)에 크랙이 유발될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 주편(6) 냉각을 균일하게 유지시켜야 한다. 만일 불균일 냉각이 적용되어 국소적으로 주편(6) 온도가 취화영역에 해당하게 되고 그때 인장력과 같은 외력이 작용한다면 크랙을 유발하게 된다. 따라서 연주공정에서 균일 2차 냉각 기술은 매우 중요한 이슈이다.

균일 냉각을 위한 가장 좋은 방법은 도 2와 같이 냉각수와 공기를 혼합하여 분사하는 에어미스트 냉각 노즐을 이용한 방법이 흔히 수행되어진다.

공기(air)와 냉각수(water)가 노즐을 구성하는 혼합부(12)에서 섞여지게 되며 공기 유입부와 냉각수 유입부에는 압력을 강하시키고 유체의 섞임을 원활하게 하기 위해서 오리피스가 각각 설치된다. 이때 냉각수량이 작은 경우 오리피스의 사이즈도 작아지는 경향이 있으며 오리피스 직경이 매우 작아지면 이물질이 오리피스를 막아버리는 노즐막힘이 발생하게 된다. 노즐막힘이 발생하면 균일냉각이 보장되지 않으며 이로 인하여 앞서 언급한 크랙을 유발하게 되는 문제가 발생한다.

한국공개특허 제2016-0020732호(2016.02.24 공개)

본 발명의 실시 예들은 연속주조 조업 시 2차 냉각수질이 불량하거나 주편에 살수될 때 발생하는 스케일 등에 의한 이물질, 세그먼트 탈착 시 발생하는 충격 등에 의하여 오리피스 막힘에 따른 균일 냉각의 어려움을 해결할 수 있는 냉각매체 분사장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연속주조기 세그먼트에서 주편을 냉각시키는 냉각매체 분사장치로서, 냉각매체를 공급받아 분사하는 노즐 바디와, 상기 냉각매체가 이동하도록 상기 노즐 바디 내에 형성된 유로와, 상기 유로에 설치되어 상기 냉각매체의 흐름을 가속시키는 오리피스 및 상기 오리피스는 상기 유로를 따라 소정간격을 두고 복수개 배치되는 냉각매체 분사장치가 제공될 수 있다.

상기 노즐 바디는 상기 냉각매체가 분출되는 분출구를 포함하고, 상기 분출구의 방향은 상기 유로에서 상기 냉각매체의 이동방향과 동일하게 위치될 수 있다.

상기 오리피스의 개수(N)는 아래의 수학식을 만족할 수 있다.

수학식

, 여기서, d1은 원 오리피스 직경, d2는 확장된 오리피스 직경.

상기 노즐 바디는 상기 냉각매체가 분출되는 분출구를 포함하고, 상기 분출구의 방향은 상기 유로에서 상기 냉각매체의 이동방향과 수직하게 위치될 수 있다.

상기 오리피스의 개수(N)는 아래의 수학식을 만족할 수 있다.

수학식

, 여기서, d1은 원 오리피스 직경, d2는 확장된 오리피스 직경.

상기 유로는 공기가 이동하는 공기 유로와, 냉각수가 이동하는 냉각수 유로와, 상기 공기 유로와 상기 냉각수 유로가 합류하는 합류 유로와, 상기 합류 유로에서 혼합된 냉각매체가 이동하는 혼합유로를 포함하고, 상기 오리피스는 상기 공기 유로를 따라 소정간격을 두고 배치된 복수개의 공기 오리피스와, 상기 냉각수 유로를 따라 소정간격을 두고 배치된 복수개의 냉각수 오리피스를 포함한다.

본 발명의 실시 예들은 연속주조 조업 시 2차 냉각 시 사용되는 노즐의 막힘을 저감시킴에 의해 주편의 균일한 냉각을 수행할 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 연속주조기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 종래 연속주조기에서 사용되는 에어미스트 냉각노즐을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 냉각매체 분사장치를 도시한 것이다.
도 4는 주요 연속주조기를 대상으로 냉각수량과 냉각수 오리피스 직경과의 관계를 도시한 도표이다.
도 5는 본 실시 예의 유로에 배치된 복수개의 오리피스를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 실시 예에 따른 오리피스 사이즈에 따른 필요 오리피스 개수를 도시한 도표이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 노즐 유로를 도시한 개략도이다.
도 8은 도 7의 유로에 설치된 오리피스 사이즈에 따른 필요 오리피스 개수를 도시한 도표이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 냉각매체 분사장치를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 냉각매체 분사장치(20)는 냉각매체를 공급받아 분사하는 노즐 바디(30)를 포함한다.

노즐 바디(30)는 공기를 공급받는 공기 유입구(31)와 냉각수를 공급받는 냉각수 유입구(32)와, 주편을 향해 냉각매체가 분출되는 분출구(33)를 포함한다.

공기 유입구(31)는 니플(31a)을 매개로 공기 공급관과 연결될 수 있고, 냉각수 유입구(32)는 니플(32a)을 매개로 냉각수 유입관과 연결될 수 있다.

분출구(33)에는 노즐팁(34)이 결합될 수 있고, 노즐팁(34)을 통해 냉각매체가 주편을 향해 분사될 수 있다.

노즐 바디(30) 내부에는 냉각매체가 이동하는 유로(40)가 형성될 수 있고, 유로(40)에는 냉각매체의 흐름을 가속하는 오리피스(50)가 설치될 수 있다.

유로(40)는 일단이 공기 유입구(31)와 연결되어 공기 유입구(31)를 통해 공급된 공기가 이동하는 공기 유로(41)와, 일단이 냉각수 유입구(32)와 연결되어 냉각수 유입구(32)를 통해 공급된 냉각수가 이동하는 냉각수 유로(42)와, 공기 유로(41)와 냉각수 유로(42)가 합류하는 합류 유로(43)와, 합류 유로(43)에서 합류된 냉각매체가 이동하는 혼합유로(44)를 포함할 수 있다. 혼합유로(44)의 단부는 분출구(33)와 연결될 수 있다.

오리피스(50)는 공기 유로(41)에 설치되는 복수의 공기 오리피스(51)와, 냉각수 유로(42)에 설치되는 복수의 냉각수 오리피스(52)를 포함할 수 있다.

오리피스(50)는 냉각수량이 작은 경우 오리피스(50)의 사이즈도 작아지는 경향이 있으며, 오리피스(50)의 직경이 매우 작아지면 이물질이 오리피스(50)를 막아버리는 노즐막힘이 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위해, 본 실시 예에서는 오리피스(50)의 사이즈를 증대시키면서 본연의 오리피스(50) 역할인 확산효과를 만족시킬 수 있도록 복수개의 오리피스(50)가 유로(40) 내부에 설치될 수 있다.

공기 오리피스(51)는 공기 유로(41)를 따라 소정간격을 두고 복수개가 배치될 수 있고, 냉각수 오리피스(52)도 냉각수 유로(42)를 따라 소정간격을 두고 복수개가 배치될 수 있다. 본 실시 예에서는 공기 오리피스(51)는 3개소 배치되고, 냉각수 오리피스(52)는 2개소 배치된 예를 도시하나, 이들의 수는 아래에 설명된 바와 같이 오리피스 본연의 확산효과에 따라 가변될 수 있다.

도 4는 주요 연속주조기를 대상으로 냉각수량과 냉각수 오리피스 직경과의 관계를 도시한 도표이다. 본 출원인은 다량의 경험을 바탕으로 오리피스(50)의 직경이 2mm 이내일 경우 노즐막힘이 심하게 발생되었고, 이때의 냉각수량은 5L/min임을 알 수 있었다.

도 5는 본 실시 예의 유로에 배치된 복수개의 오리피스를 도시한 개략도이고, 도 6은 본 실시 예에 따른 오리피스 사이즈에 따른 필요 오리피스 개수를 도시한 도표이다.

도 5에 도시된 유로(40)는 공기 유로(41) 또는 냉각수 유로(42)일 수 있고, 오리피스(50)는 공기 오리피스(51) 또는 냉각수 오리피스(52)일 수 있다.

먼저, 오리피스(50)는 수학식 1에 의하여 압력 강하를 유발하며 유동이 소산되며 마치 제트처럼 퍼져서 믹싱효과를 발휘하게 된다.

[수학식 1]

여기서,

는 오리피스 전후 압력차,

는 밀도, v는 유속, K는 오리피스의 손실계수를 의미하며 노즐마다 다르며 오리피스의 직경이 작을수록 커진다.

한편, 약냉각의 경우 오리피스의 직경이 작으므로 K가 매우 크며, 막힘이 발생하기 시작하는 오리피스 직경에 해당하는 임계 K를 Kc라고 가정한다.

만일, 오리피스를 여러 개 사용할 경우 수학식 1은 아래와 같은 수학식 2로 표현할 수 있다.

[수학식 2]

여기서, i는 각 오리피스의 번호이고, N은 전체 오리피스의 개수이다.

직경이 큰 오리피스를 사용하면 Ki는 Kc보다 작을 것이며, 만일 이러한 오리피스를 여러 개 사용하면 전체 K값은 각 Ki값의 합이 된다.

여기서, 전체 K의 합이 Kc와 같을 경우 이를 등가 손실계수라 정의한다.

즉 수학식 3과 같이 Kc와 같을 정도로 직경이 큰 오리피스를 복수개 사용하면 직경이 작은 Kc를 갖는 오리피스 하나를 사용할 경우와 압손 측면에서 동일하게 된다.

[수학식 3]

일 예로, 오리피스의 직경과 오리피스의 개수는 다음과 같이 구해질 수 있다.

수학식 2를 정리하면, 유속은 수학식 4와 같이 정의된다.

[수학식 4]

유량(Q)는 속도에 면적을 곱한 수학식 5에 의해 정의될 수 있다.

[수학식 5]

여기서, C는 오리피스 유량계수이고, d는 오리피스의 직경이다.

전술한 바와 같이, 노즐막힘이 발생하는 오리피스의 직경(d1)이 2mm일 때 오리피스의 직경을 d2로 늘릴 경우 등가손실계수를 갖는 오리피스의 개수는 아래와 같이 두 경우 모두 압력차와 유량이 동일하다는 조건에서 수학식 6으로 정의될 수 있다.

[수학식 6]

여기서, d1은 원 오리피스 직경, d2는 확장된 오리피스 직경.

이를 그래프로 표현한 것이 도 6이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 만일, 오리피스(50)의 확장된 직경(d2)을 2.6mm로 설정하면 요구되는 오리피스의 개수(N)는 3개임을 알 수 있다.

한편, 도 7에 도시한 바와 같이, 유동의 방향이 급격히 변경할 경우, 즉 노즐 바디(30)에 형성된 분출구(33)의 방향이 유로(40)에서 냉각매체의 이동방향과 수직하게 위치(90도로 굽은 관 형태)되는 경우에는 손실계수 K=0.5정도 되므로 수학식 6은 아래와 같은 수학식 7로 표현낼 수 있다.

[수학식 7]

도 8은 수학식 7을 그래프로 도시한 것이다. 이에 따라 유로가 변경된 관이 있는 경우, 오리피스 사이즈에 따라 요구되는 오리피스의 개수를 알 수 있다.

이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10: 세그먼트, 20: 냉각매체 분사장치,
30: 노즐 바디, 31: 공기 유입구,
32: 냉각수 유입구, 33: 분출구,
34: 노즐팁, 40: 유로,
41: 공기 유로, 42: 냉각수 유로,
43: 합류 유로, 44: 혼합 유로,
50: 오리피스, 51: 공기 오리피스,
52: 냉각수 오리피스.

Claims (6)

1. 연속주조기 세그먼트에서 주편을 냉각시키는 냉각매체 분사장치로서,
   냉각매체를 공급받아 분사하는 노즐 바디;
   상기 냉각매체가 이동하도록 상기 노즐 바디 내에 형성된 유로;
   상기 유로에 설치되어 상기 냉각매체의 흐름을 가속시키는 오리피스; 및
   상기 오리피스는 상기 유로를 따라 소정간격을 두고 복수개 배치되는 냉각매체 분사장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 바디는 상기 냉각매체가 분출되는 분출구를 포함하고,
   상기 분출구의 방향은 상기 유로에서 상기 냉각매체의 이동방향과 동일하게 위치되는 냉각매체 분사장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 오리피스의 개수(N)는 아래의 수학식을 만족하는 냉각매체 분사장치.
   수학식

   

   , 여기서, d1은 원 오리피스 직경, d2는 확장된 오리피스 직경.
4. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 바디는 상기 냉각매체가 분출되는 분출구를 포함하고,
   상기 분출구의 방향은 상기 유로에서 상기 냉각매체의 이동방향과 수직하게 위치되는 냉각매체 분사장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 오리피스의 개수(N)는 아래의 수학식을 만족하는 냉각매체 분사장치.
   수학식

   

   , 여기서, d1은 원 오리피스 직경, d2는 확장된 오리피스 직경.
6. 제1항에 있어서,
   상기 유로는 공기가 이동하는 공기 유로와, 냉각수가 이동하는 냉각수 유로와, 상기 공기 유로와 상기 냉각수 유로가 합류하는 합류 유로와, 상기 합류 유로에서 혼합된 냉각매체가 이동하는 혼합유로를 포함하고,
   상기 오리피스는 상기 공기 유로를 따라 소정간격을 두고 배치된 복수개의 공기 오리피스와, 상기 냉각수 유로를 따라 소정간격을 두고 배치된 복수개의 냉각수 오리피스를 포함하는 냉각매체 분사장치.

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